JP4598409B2 - 表示装置及び投射表示装置 - Google Patents
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Description
本発明は、ヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどに応用される表示装置及び投射表示装置に係り、特に、画素ずらし機能を有する表示装置及び投射表示装置に関する。
ヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどに応用される表示装置や投射表示装置の多くは、画像形成手段として液晶ライトバルブと呼ばれる液晶空間光変調素子を用いている。液晶ライトバルブは微細な画素を多数配列させた一種の画像表示素子で、プロジェクタでは上記液晶ライトバルブにより画像を形成し、これを投射レンズによりスクリーンに投射するものである。液晶ライトバルブが備える画素の形状は正方形あるいは矩形をしており、サイズは１辺が１０数μｍから数十μｍである。この画素サイズが投影画像の精細度を決定しており、画素が微細であればあるほど、より高精細な投影画像を得ることができる。しかし、画素の微細化すなわち小サイズ化には、液晶ライトバルブの製造プロセス上の問題がある。また、大画面化に対応するには画素数を増大させる必要がある。
液晶空間光変調素子である液晶ライトバルブは、透過型ライトバルブと反射型ライトバルブに大別される。透過型ライトバルブでは、画素を微細化したとしても、画素制御用薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）等の画像形成に寄与しない部分の微細化が困難であり、画素を微細化しても、上記画像形成に寄与しない部分の面積が画素の面積に対して相対的に大きくなり、開口率が低下する難点がある。これに対して、反射型ライトバルブ（多くはシリコン基板上に形成されるので、ＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）と呼ばれている）では、画素電極（反射電極）の下に配線部を形成することが可能であるため、開口率あるいは反射率を向上させることができる。
しかしながら、強誘電性液晶を用いて表面安定化構造とした場合や、ネマチック液晶を用いて垂直配向モードにした場合は、液晶層がスイッチングするためには１μｍ程度の液晶層が必要であり、１０μｍ程度の画素サイズを実現することはできる。しかし、コントラスト、階調性及び均一性などで評価される画像品質を保持したまま、それより小さい５〜７μｍ以下の画素を実現することは非常に困難である。また、液晶ライトバルブ自体のサイズを増大させて、画素数を増大する方法もあるが、これは液晶ライトバルブのコストが指数的に増大すると同時に、光学系の大きさも増大し、より一層高コストの表示装置となる。
近年、プロジェクタや画像表示装置等に応用される表示装置（投射表示装置）では、大画面化や高解像度化が増々要求されているが、液晶ライトバルブ等の画像形成手段の画素数を増大する方法では、上記のように製造コストの増大や装置の大型化の問題がある。
そこで、複数のライトバルブからの投射画素をスクリーン上で適宜位置をずらして表示することによって高解像度の投射表示装置を実現することが提案されている。また、光軸のシフトや偏向を行う素子（例えば、ウォブリング素子）を使って投射画素位置を高速に移動させ、見かけ上、ライトバルブの画素数以上の投射画素数にする表示装置が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、液晶ライトバルブからの出射光を投射するときに、光軸をシフトさせる素子を設けることにより、時分割で画素を増加させ、高解像度を実現する画像表示装置が提案されている。この画像表示装置では、偏光方向を旋回できる光学素子と、複屈折効果を有する透明素子とを、光軸シフト方向を直交させて２組用いることにより、縦２倍、横２倍で合計４倍に画像を高解像度化している。また、下記の特許文献２には、光軸をシフトすることにより、画素を実質的にΔ（デルタ）配列することが可能な装置が提案されている。
そこで、複数のライトバルブからの投射画素をスクリーン上で適宜位置をずらして表示することによって高解像度の投射表示装置を実現することが提案されている。また、光軸のシフトや偏向を行う素子（例えば、ウォブリング素子）を使って投射画素位置を高速に移動させ、見かけ上、ライトバルブの画素数以上の投射画素数にする表示装置が提案されている。例えば、下記の特許文献１には、液晶ライトバルブからの出射光を投射するときに、光軸をシフトさせる素子を設けることにより、時分割で画素を増加させ、高解像度を実現する画像表示装置が提案されている。この画像表示装置では、偏光方向を旋回できる光学素子と、複屈折効果を有する透明素子とを、光軸シフト方向を直交させて２組用いることにより、縦２倍、横２倍で合計４倍に画像を高解像度化している。また、下記の特許文献２には、光軸をシフトすることにより、画素を実質的にΔ（デルタ）配列することが可能な装置が提案されている。
なお、光軸のシフトや偏向を行うウォブリング素子としては、例えば、下記の特許文献３に記載の光学素子等がある。また、この特許文献３には、マイクロレンズアレイを用いて空間光変調素子（ライトバルブ）の画素を見かけ上小さくし、ウォブリング素子等の画素ずらし機能によって、複数のサブフレーム画像をスクリーン上で所定位置ずらして表示する表示装置が記載されている。この従来技術において、マイクロレンズアレイで画素を見かけ上小さくするのは、画素ずらし機能によってサブフレーム画像間で画素の重なりを抑えるためであり、高精細な画像を得ることを目的としている。
前述の画素ずらしを行う投射表示装置のように、複数個のライトバルブを用いて投射位置で画素をずらして高解像化を図る場合でも、ウォブリング素子等を使って画素をずらして高解像度化を図る場合でも、隣接投射画素同士の重なりが生じる。このため、１ラインを表示させるような投射画像であれば、画像のにじみが発生するという問題がある。
そこで、この問題を解消するには、画像形成手段であるライトバルブの近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する必要がある。この場合、ライトバルブの全画素を各々縮小させる光学系を通すため、例えば、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子を用いて一旦画素を小さくし、この画素縮小された画像を投射レンズでスクリーンに拡大投影する光学系が考えられる。ここで、実質的にライトバルブの画素を小さく、すなわち開口率を小さくする構造は例えば特許文献４に開示されており、これは、反射型ライトバルブにマイクロレンズを付加した反射型表示装置である。この従来技術の目的は、反射型ライトバルブの各画素に対応してマイクロレンズを付加し、反射型ライトバルブの画素間の液晶の配向不良による表示品質への悪影響を抑えることである。
そこで、この問題を解消するには、画像形成手段であるライトバルブの近傍に縮小光学系を配置して、投射画素のサイズを隣接画素に重ならない程度に縮小する必要がある。この場合、ライトバルブの全画素を各々縮小させる光学系を通すため、例えば、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子を用いて一旦画素を小さくし、この画素縮小された画像を投射レンズでスクリーンに拡大投影する光学系が考えられる。ここで、実質的にライトバルブの画素を小さく、すなわち開口率を小さくする構造は例えば特許文献４に開示されており、これは、反射型ライトバルブにマイクロレンズを付加した反射型表示装置である。この従来技術の目的は、反射型ライトバルブの各画素に対応してマイクロレンズを付加し、反射型ライトバルブの画素間の液晶の配向不良による表示品質への悪影響を抑えることである。
しかし、本発明者らがモンテカルロ法によるノンシーケンシャル光線追跡シミュレーションを行った結果、マイクロレンズアレイ等の正の屈折パワーを有する光学素子の焦点面付近に投射レンズのバックフォーカスを合わせると、投射画素はランプ光源の配光分布を反映したプロファイルとなってしまい、良好な投射画像が得られないことが分かった。
また、マイクロレンズを付加した反射型表示装置からスクリーンまでの間に画素ずらし素子を配置したとしても、隣接画素の重なりは必ずしも低減されない。
また、マイクロレンズを付加した反射型表示装置からスクリーンまでの間に画素ずらし素子を配置したとしても、隣接画素の重なりは必ずしも低減されない。
さらに、マイクロレンズアレイを用いて画素を見かけ上小さくする場合、特に、反射型空間光変調器と偏光ビームスプリッタとの間にマイクロレンズアレイが配置される構成では、マイクロレンズアレイでの屈折時に偏光面が回転するために、マイクロレンズアレイのないプロジェクション方式に比べてコントラスト比が低下するという問題がある。すなわち、マイクロレンズアレイで光を屈折するときに、光の入射面と偏光の振動面が平行（もしくは直交）とならない光線が必ず存在する。この場合、入射光が直線偏光であっても屈折面でｐ偏光成分とｓ偏光成分がある。ｐ偏光とｓ偏光のそれぞれの透過率は異なるために屈折後の偏光面は回転される。このため、マイクロレンズアレイを通過した光は偏光状態が揃わなくなる。したがって、このような光が空間光変調器に入射されると、暗状態の場合の変調光（本来、投写レンズまで到達しない光）が光漏れを起こし表示面まで到達し、表示画像のコントラスト比を低下させていた。
本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、空間光変調器と、空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、画素ずらし手段を用いる表示装置または投射表示装置において、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することができる構成の表示装置または投射表示装置を提供することを目的とし、さらには、コントラスト比の高い画像表示を行うことができる表示装置または投射表示装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための解決手段として、本発明は以下のような特徴を有するものである。
［１］．放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、前記面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、前記面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかであることを特徴とする（請求項１）。
［１］．放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、前記面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、前記面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかであることを特徴とする（請求項１）。
［２］．放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値であることを特徴とする（請求項２）。
［３］．放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値であることを特徴とする（請求項３）。
［４］．表示手段からの画像光を投射手段によって被投射面に投射して画像表示する投射表示装置において、前記表示手段として［１］〜［３］の何れか一つに記載の表示装置を備え、該表示装置の画素ずらし手段の後に前記投射手段を配備したことを特徴とする（請求項４）。
本発明に係る表示装置では、空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段とを用い、前記光学素子は空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、
前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示するので、空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することが可能となる。
前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示するので、空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することが可能となる。
前記解決手段の［１］に記載の表示装置では、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、前記面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、前記面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかであることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。
［２］に記載の表示装置では、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値であることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。
［３］に記載の表示装置では、前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値であることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。
［４］に記載の投射表示装置では、表示手段として［１］〜［３］の何れか一つに記載の表示装置を備え、該表示装置の画素ずらし手段の後に前記投射手段を配備したことにより、［１］〜［３］の何れかと同様の効果を有する投射表示装置が得られる。
以下、本発明の構成、動作及び作用を図面を参照して詳細に説明する。
アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器としては、例えば透過型や反射型の液晶ライトバルブが有名であり、液晶ライトバルブを用いた表示装置や投射表示装置としては、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）や液晶プロジェクタなどがある。
一例として、液晶プロジェクタの基本構成は、光源としてのランプと、ランプからの光を液晶ライトバルブに均一に照明するための照明光学系と、液晶ライトバルブの画像を拡大投影するための投射レンズからなる。液晶プロジェクタに用いるランプとしては、通常、放電ランプが使われる。この放電ランプとしては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプなどが使われている。
アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器としては、例えば透過型や反射型の液晶ライトバルブが有名であり、液晶ライトバルブを用いた表示装置や投射表示装置としては、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）や液晶プロジェクタなどがある。
一例として、液晶プロジェクタの基本構成は、光源としてのランプと、ランプからの光を液晶ライトバルブに均一に照明するための照明光学系と、液晶ライトバルブの画像を拡大投影するための投射レンズからなる。液晶プロジェクタに用いるランプとしては、通常、放電ランプが使われる。この放電ランプとしては、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプなどが使われている。
これらの放電ランプには電極があるため、反射鏡付き放電ランプの配光分布は図３に示すように、放射角０°付近が窪んだ形状になる。さらに具体的には、ランプの反射鏡が回転放物面（パラボラ）タイプであり、図３の横軸は反射鏡付きランプからの放射光角度θを表し、縦軸はその放射光の強度（相対強度）Ｉ(θ)を示している。以後、図３のように、ある面への入射角度に対する光の強度分布を「配光分布」と呼ぶことにする。また、反射鏡付きランプ光は放射後のある面内の輝度分布（以後、「照度分布」と呼ぶ）も不均一である。図４は一般的なランプ直後の照度分布を示しており、同図（ａ）は回転放物面鏡付きランプの照度分布、同図（ｂ）は回転楕円鏡付きランプの照度分布である。
放電ランプは図４（ａ），（ｂ）のように不均一な照度分布を有するために均一照明光学系を必要とする。この均一照明光学系としてはロッドインテグレータ（カライドスコープ）やフライアイレンズインテグレータが用いられる。ロッドインテグレータ（カライドスコープ）は液晶ライトバルブのアスペクト比（有効画素面の縦・横の比）と同じ値の開口を有する直方体の透光性材料からなる光学素子で、ランプ光をレンズなどで収斂させてロッドインテグレータの片側の端面に入射させる。ロッドインテグレータの側面で多重反射が繰り返されて出射側端面で輝度分布が均一化される。輝度分布は面内の照度分布と言い換えても良い。また、リレーレンズを用いてロッドインテグレータの出射側端面を液晶ライトバルブに結像させることによって、均一照明にすることができる。
均一化照明光学系でフライアイレンズインテグレータは、通常、液晶ライトバルブのアスペクト比と同じレンズがアレイ状に配列される蝿の目レンズ（レンズアレイ）を２組と、コンデンサレンズとの組合せによって構成される。具体的には一つ目のレンズアレイの像側焦点位置に二つ目のレンズアレイを配置する。そして、二つ目のレンズアレイ直後にコンデンサレンズが配置され、このコンデンサレンズの像面焦点位置近傍に液晶ライトバルブを設置する。一つ目のレンズアレイ面では、配光分布も輝度分布も不均一であるが、一つ目のレンズアレイで分割されたランプ光束は各々が液晶ライトバルブを照明する。このため、レンズアレイのアレイ数が多いほど液晶ライトバルブでの「照度分布」が良好に均一化される。なお、液晶ライトバルブは、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）に代表されるＭＥＭＳ技術を用いた空間光変調器であっても良い。
いずれの均一照明光学系も、反射鏡付きランプからの放射光が放射直後の面での照度分布の不均一を空間光変調器の面で均一化させる働きを有する。
いずれの均一照明光学系も、反射鏡付きランプからの放射光が放射直後の面での照度分布の不均一を空間光変調器の面で均一化させる働きを有する。
一方、ヘッドマウントディスプレイなどの表示装置では、光源にＬＥＤ（発光ダイオード）などの固体光源が用いられることが多い。ＬＥＤ光源もその出射光は照度分布が均一ではない。表示装置の小型化のために均一照明手段を省略する場合が多いが、表示面で明るさを均一にする要求がある場合には前述の均一照明光学系などを用いる必要がある。
次に本発明の基本的な動作について説明する。
表示装置の解像度（表示画素数）を向上するには液晶ライトバルブに代表される空間光変調器の画素数を増やす必要がある。しかし、液晶ライトバルブの画素数向上は現状で作製可能な最小画素ピッチで制限される。画素ピッチが一定であれば必然的に液晶ライトバルブの外形サイズを大きくして画素数向上を図るしかない。液晶ライトバルブは透過型では２枚の透光性基板（ガラス）が使われるため、形状を大きくするとガラス母材からの取り数が減るため、製品単価が上昇する。このため、背景技術で述べたように、液晶ライトバルブと画素ずらし素子を用いた高精細表示装置が提案されている。ここでは、一例として画素ずらし素子で水平方向に２つの光軸変化を発生させる場合について記述する。
表示装置の解像度（表示画素数）を向上するには液晶ライトバルブに代表される空間光変調器の画素数を増やす必要がある。しかし、液晶ライトバルブの画素数向上は現状で作製可能な最小画素ピッチで制限される。画素ピッチが一定であれば必然的に液晶ライトバルブの外形サイズを大きくして画素数向上を図るしかない。液晶ライトバルブは透過型では２枚の透光性基板（ガラス）が使われるため、形状を大きくするとガラス母材からの取り数が減るため、製品単価が上昇する。このため、背景技術で述べたように、液晶ライトバルブと画素ずらし素子を用いた高精細表示装置が提案されている。ここでは、一例として画素ずらし素子で水平方向に２つの光軸変化を発生させる場合について記述する。
液晶ライトバルブは、最終的に表示したい画像を、水平方向に奇数画素と偶数画素を高速にスイッチングする。この液晶ライトバルブに同期して画素ずらし素子は画素から放射される光の光軸をシフトさせる。画素ずらし素子としては、平行平板のあおり量を２種類、高速にスイッチングさせることで実現できる。すなわち、液晶ライトバルブの画素からの光を画素ピッチの半分の量だけ画素ずらし素子で光学的変位を与えている。さらに、鉛直方向と水平方向をそれぞれ２段階画素をずらす場合には、平行平板からなる画素ずらし素子を、あおり方向を２通りで、かつ、各々２段階のあおり量とする。これにより、鉛直方向と水平方向に画素ピッチの半分の距離だけ光学変位を与えることができる。そして、画素ずらし素子と液晶ライトバルブの同期をとって、４つのサブフレーム画像を表示させる。鉛直と水平の合計４通りの光学変位と液晶ライトバルブの４枚のサブフレームで、１枚の高精細な画像を表示することができる。なお、画素ずらし素子としては、平行平板の組み合せの他、液晶を用いた光偏向素子なども用いることができる。
ところで、前述の液晶ライトバルブと画素ずらし素子との組合せだけでは厳密に高精細とはならない。なぜなら液晶ライトバルブの半分の画素ピッチを画素ずらし素子で光学的に変位させるため、隣接する表示画素の一部同士が重なるからである。このため、隣接画素の重なりを無くすことが必要であるが、これは液晶ライトバルブの各画素の開口率が５０％になれば、この重なりを無くすことができる。画素ピッチの小さい透過型液晶ライトバルブのように、元々開口率が小さい空間光変調器も存在するが、画素の開口率が小さいと表示装置の光利用効率が小さくなり、表示画像が暗くなる。従って、表示画像の明るさを保ちながら開口率を小さくする手段が必要となるが、この手段としてはライトバルブの開口率を光学的に小さくすることができる光学素子を用いれば良い。
画素のサイズを縮小するにはライトバルブの画素ピッチに対応して、かつ正の屈折パワーを有する光学系（光学素子）を用いる方法がある。正の屈折パワーを有する光学系としては、マイクロレンズアレイや凹面ミラーアレイなどを用いることができる。これらの光学系の焦点面では、ライトバルブの照明角度分布が強度分布となって現れる。現在、投射表示装置の光源としては前述したようにメタルハライドランプや超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられることが多く、これらのランプの光強度の配光分布は、ランプ管球内の電極の影のため、放射角が０度の方向でピークにはならず、図３に示したような光強度の配光分布を示す。したがって、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系の焦点面に一致させると、投射画素の強度分布も図３に似た分布となってしまう。
そこで本発明者らは先に、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系（光学素子）の焦点面よりもライトバルブ側に位置させる構成を提案した（特願２００３−３８５３６号）。この配置構成により、投射ピッチに対して投射画素サイズを小さくできるにもかかわらず、投射画素プロファイルはランプ配向分布の影響を低減することができる。さらに、隣接投射画素へは小さい相対強度で重なっており、投射画像の硬さ（シャープさ）が低減されるので、見やすい画像になる。
そこで本発明者らは先に、投射レンズの物体面を正の屈折パワーを有する光学系（光学素子）の焦点面よりもライトバルブ側に位置させる構成を提案した（特願２００３−３８５３６号）。この配置構成により、投射ピッチに対して投射画素サイズを小さくできるにもかかわらず、投射画素プロファイルはランプ配向分布の影響を低減することができる。さらに、隣接投射画素へは小さい相対強度で重なっており、投射画像の硬さ（シャープさ）が低減されるので、見やすい画像になる。
ところが、マイクロレンズアレイの屈折面が球面形状とは著しく異なる非球面形状となった場合、例えば、アレイ中心の焦点位置と周辺部の焦点位置が大きく異なる場合には、上記の配置が成立しなくなる。
そこで、本発明では、マイクロレンズアレイや凹面ミラーアレイなどの光学素子の面形状が球面形状でも非球面形状であっても、隣接画素間の重なりを低減した高精細な表示が可能な表示装置（投射表示装置）を提供するものである。
そこで、本発明では、マイクロレンズアレイや凹面ミラーアレイなどの光学素子の面形状が球面形状でも非球面形状であっても、隣接画素間の重なりを低減した高精細な表示が可能な表示装置（投射表示装置）を提供するものである。
次にレンズによってコントラスト比が低下する現象について図５を用いて説明する。図５（ａ）に示すように、レンズ５０に直線偏光５２（ｙ軸方向に振動面をもつ）の光５１がレンズの光軸（ｚ軸）に沿って入射する。ｘ軸から４５度の方位５３で入射した時、入射面と偏光面は４５度傾いている。レンズ面Ａで光が屈折する際、図５（ｂ）に示すｐ偏光成分とｓ偏光成分の透過率はわずかに異なるために、屈折された光は図５（ｃ）に示すようにｙ軸からαだけ偏光面が回転される。この回転量は図５（ａ）でｘ軸上とｙ軸上ではα＝０で回転されない。ｘ軸からの方位が４５度のとき最もαが大きくなり、かつ、レンズの周辺に向かうほどαは大きくなる。この偏光回転（偏光解消）が起きると、空間光変調器への入射光が光線毎に偏光面が異なるため、偏光性の悪い入射光となり、また、画像光がレンズアレイを通過するときもこの偏光解消のために偏光性がさらに悪くなる。
そこで本発明では、隣接画素間の重なりを低減するとともに、レンズアレイ等の光学素子によるコントラスト比の低下が抑制された表示装置（投射表示装置）を提供するものである。
そこで本発明では、隣接画素間の重なりを低減するとともに、レンズアレイ等の光学素子によるコントラスト比の低下が抑制された表示装置（投射表示装置）を提供するものである。
ここで、液晶ライトバルブの各画素をマイクロレンズアレイによって見かけ上、画素形状を小さくする動作を図２を用いて説明する。符号１３は２枚のガラス基板２１，２２の間に液晶層２０を封入した液晶ライトバルブを表しており、２３は液晶ライトバルブの画素である。液晶ライトバルブの近傍にはライトバルブの画素ピッチに対応するマイクロレンズアレイ（以下、レンズアレイと記す）１４が配置される。また、液晶ライトバルブ１３は図示しない均一照明によって照度が均一化されている。しかし、画素面の照明光には光源に固有の配光分布特性を保持している。ただし、ランプ光源の光束を絞った照明光学系を採用すると、液晶ライトバルブ上では図３の横軸が伸びたような配光分布となる。逆にランプ光束を広げた場合には図３の横軸が圧縮された特性になる。さて、図２にもどり、図３のような配光分布を有する画素からの光をレンズアレイ１４をへて絞る。レンズアレイ１４は液晶画素に近接されるため、フィールドレンズに近いは働きをもつ。このため、画素２３の配光分布形状がレンズ焦点位置２５付近では図６に示すような照度分布（図３で横軸を位置ｘに、縦軸を輝度I（ｘ）にそれぞれ置き換えた分布形状）となる。しかし、面２５では照度分布の裾野付近（２３ａ，２３ｃ）が広がり、液晶ライトバルブ１３の隣接画素へ光がまわり込むため高精細な画像とはならない。ただし、焦点付近からレンズアレイ側の手前の位置２４であっても、照度分布は液晶ライトバルブの画素面の配光分布にかなり似た図６に示すような照度分布が得られる。また、この位置２４では隣接画素への光のまわり込みが少ない。したがって、位置２４の面を見ると（または投射レンズで投影すると）、あたかも画素２３が縮小されたかのような照度分布となる。
なお、符号２４の位置は、ランプ等の点光源により作られた平行光の照明光を液晶ライトバルブ１３に照射した場合に、レンズアレイ１４で配光分布を照度分布に変換する理想的な位置と考えられるが、体積を持った光源により作られた擬似平行光（±数度〜１０数度の光線を含む）で液晶ライトバルブを照射した場合は、それよりレンズアレイ側に最適位置があることをシミュレーションで確認した。
また、レンズアレイ１４のレンズ形状が非球面で、かつ、近軸焦点距離が短くて（概ねアレイピッチの３倍以下の焦点距離で）レンズ周辺の屈折力がレンズ中心付近より弱い（すなわちレンズ傾斜角が小さい）場合には、レンズアレイの焦点付近で配光分布が照度分布に変換される。この場合、焦点位置２５よりも画素ずらし素子側（図２で焦点位置２５の面より右側）でも配光分布が照度分布に変換される。
したがって、レンズアレイや凹面ミラーアレイなどの面形状を工夫することにより、配光分布が照度分布に変換される位置を調整でき、画素を縮小する効果が得られ、また、偏光解消の低減も図ることができ、高コントラスト比の画像表示が可能になる。
また、レンズアレイ１４のレンズ形状が非球面で、かつ、近軸焦点距離が短くて（概ねアレイピッチの３倍以下の焦点距離で）レンズ周辺の屈折力がレンズ中心付近より弱い（すなわちレンズ傾斜角が小さい）場合には、レンズアレイの焦点付近で配光分布が照度分布に変換される。この場合、焦点位置２５よりも画素ずらし素子側（図２で焦点位置２５の面より右側）でも配光分布が照度分布に変換される。
したがって、レンズアレイや凹面ミラーアレイなどの面形状を工夫することにより、配光分布が照度分布に変換される位置を調整でき、画素を縮小する効果が得られ、また、偏光解消の低減も図ることができ、高コントラスト比の画像表示が可能になる。
以下、具体的な実施例に基いて本発明を詳細に説明する。
［実施例１］
図１は本発明の第１の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置１０は、光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、レンズ１２と、空間光変調器としての透過型液晶素子（透過型液晶ライトバルブ）１３と、レンズアレイ１４と、画素ずらし素子１５から構成されている。また、符号１６は観測者を表わしている（観測者の目のみ図示している）。ＬＥＤ１１から放射された光Ｌは、レンズ１２の物体側焦点面にＬＥＤ１１の発光部を配置させるようにすることで、ほぼ平行光となる。また、この平行光の配光分布は図７に示すようになるが、レンズ１２の直径（レンズ径）を制限することで、この平行光は図８に示すＬＥＤ照度分布のほぼ均一な領域４１のみを透過型液晶ライトバルブ１３に入射させることができる。従って、レンズ１２は均一照明光学系といえる。光源の照度が不均一な部分を利用しない本構成は光利用効率を犠牲にするが、表示装置の小型化、低コスト化に貢献することができる。
図１は本発明の第１の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置１０は、光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、レンズ１２と、空間光変調器としての透過型液晶素子（透過型液晶ライトバルブ）１３と、レンズアレイ１４と、画素ずらし素子１５から構成されている。また、符号１６は観測者を表わしている（観測者の目のみ図示している）。ＬＥＤ１１から放射された光Ｌは、レンズ１２の物体側焦点面にＬＥＤ１１の発光部を配置させるようにすることで、ほぼ平行光となる。また、この平行光の配光分布は図７に示すようになるが、レンズ１２の直径（レンズ径）を制限することで、この平行光は図８に示すＬＥＤ照度分布のほぼ均一な領域４１のみを透過型液晶ライトバルブ１３に入射させることができる。従って、レンズ１２は均一照明光学系といえる。光源の照度が不均一な部分を利用しない本構成は光利用効率を犠牲にするが、表示装置の小型化、低コスト化に貢献することができる。
透過型液晶ライトバルブ１３で作られた画像光は、液晶ライトバルブの画素ピッチと同じアレイピッチを有するレンズアレイ１４に入射される。図２は液晶ライトバルブの近傍に配置したレンズアレイ１４の動作について説明するための図であり、透過型液晶ライトバルブ１３とレンズアレイ１４の部分のみ拡大して図示している。液晶ライトバルブ１３は２枚のガラス基板７１，７２に液晶層７０が封止されている。図２では図示を省略しているが、ガラス基板７１，７２と液晶層７０との間には透明電極や配向膜が配置されている。また、一般的には透過型液晶ライトバルブの両方のガラス基板７１，７２の外側には偏光板が配置される（図２では図示を省略）。ある画素７３が明表示となったとき、画素７３から放射される光のうち、代表的な三カ所からの光を図２に図示している。符号２３ａは画素の端（図２では画素の上側）からの光を表し、同様に、２３ｂは画素の中央からの光を、また、２３ｃは画素下側からの光を表している。液晶ライトバルブ１３を物体面としレンズアレイ１４のレンズ１４ａによって結像される面２５よりレンズアレイ側の面２４の照度分布は図７に非常に似た分布形状となる。これは、レンズ１４ａがフィールドレンズ（視野レンズ）の役割を果たしているためである。レンズアレイ１４を液晶ライトバルブ１３に近づけて配置しており、レンズ１４ａでの照度分布は図８の領域４１のようにほぼ均一な分布であり、かつ、レンズ１４ａに入射する光の配光分布は図７とほぼ一致する。レンズ１４ａの像側焦点面（図２の面２５）では、レンズ１４ａ面の配光分布形状が照度分布に変換される。従って、面２４の照度分布は図９の分布形状となる。レンズアレイ１４のアレイピッチ内で図７と同様の分布形状となる照度分布（図９）が得られると、あたかも液晶ライトバルブ１３の画素２３が縮小されたことになる。なお、前述のように、非球面形状では像側焦点面（図２の面２５）を含み、画素ずらし素子側でも配光分布を照度分布に変換される領域が存在する。
以上の説明のように、見かけ上、液晶ライトバルブ１３の画素が小さくなる。次に、画素ずらし素子１５で画素ピッチの半分の距離を光学シフトさせ、液晶ライトバルブの表示と画素ずらし素子の同期をとることによって、観測者１６は液晶ライトバルブの２倍の解像度の画像を見ることができる。同様に、画素ずらし素子を水平方向と鉛直方向にも画素ピッチの半分の量を光学シフトすれば、液晶ライトバルブの４倍の解像度を表示することが可能になる。したがって、本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示することが可能な表示装置を提供することができる。
なお、本実施例では光源をＬＥＤ１１としているが、これは表示装置の小型化のためには非常に有効である。しかし、ＬＥＤや半導体レーザのような固体光源以外にも、放電ランプなどを光源にすることも可能である。さらに、本実施例では空間光変調器として透過型液晶ライトバルブ１３を使用している。この場合、レンズアレイ１４には照明光が入らずに作像光のみ通過させることができる。これは、レンズアレイ自体の設計自由度を向上できる。例えば、レンズアレイを非球面化してアレイの周辺部のレンズパワー（レンズによる屈折力）をアレイ中心部より強くし、結果的に、照度分布形状をより一層圧縮させることが可能になる。
［実施例２］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた表示装置の実施例を示す。図１０は本発明の第２の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置３０は、光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、レンズ１２と、空間光変調器としての反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）３１と、レンズアレイ３２と、ビームスプリッタ３３と、画素ずらし素子１５から構成されている。
空間光変調器が反射型液晶ライトバルブの場合は、図１０に示すように、ビームスプリッタ３３を用いて照明光と画像光とを分離する。ＬＥＤ光源１１からの放射光をレンズ１２で平行光束化してビームスプリッタ３３に入射する。このビームスプリッタ３３はハーフミラーの働きを有するので、入射光の半分を透過し、残りを反射させる。平行光の半分の光量はビームスプリッタ３３を透過し、レンズアレイ３２越しに反射型液晶ライトバルブ３１を照明する。このときレンズアレイ３２がフィールドレンズの働きをすることでレンズアレイ３２通過後には照度分布が図７の形状となる。この光のうちの半分がビームスプリッタ３３で反射され、画素ずらし素子１５で光学シフトを受けるので、観測者１６は反射型液晶ライトバルブの整数倍の解像度表示を見ることができる。本実施例の構成では反射型液晶ライトバルブ３１は無偏光に対して画素を明暗表示できるタイプ、例えばＰＤＬＣ（ポリマー分散型液晶素子）が望ましい。また、偏光を利用するライトバルブの場合には偏光板が必要になる。
なお、ビームスプリッタの代わりに偏光ビームスプリッタを用いる構成も可能である（具体的な実施例については後述する）。この場合、反射型液晶ライトバルブ３１には液晶の複屈折性または旋光性を利用した、ＴＮ（ツイストネマチック）液晶モードやＳＴＮ（スーパーツイストネマチック）液晶モードとＥＣＢ液晶モードを利用することができる。
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた表示装置の実施例を示す。図１０は本発明の第２の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置３０は、光源としてのＬＥＤ（発光ダイオード）１１と、レンズ１２と、空間光変調器としての反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）３１と、レンズアレイ３２と、ビームスプリッタ３３と、画素ずらし素子１５から構成されている。
空間光変調器が反射型液晶ライトバルブの場合は、図１０に示すように、ビームスプリッタ３３を用いて照明光と画像光とを分離する。ＬＥＤ光源１１からの放射光をレンズ１２で平行光束化してビームスプリッタ３３に入射する。このビームスプリッタ３３はハーフミラーの働きを有するので、入射光の半分を透過し、残りを反射させる。平行光の半分の光量はビームスプリッタ３３を透過し、レンズアレイ３２越しに反射型液晶ライトバルブ３１を照明する。このときレンズアレイ３２がフィールドレンズの働きをすることでレンズアレイ３２通過後には照度分布が図７の形状となる。この光のうちの半分がビームスプリッタ３３で反射され、画素ずらし素子１５で光学シフトを受けるので、観測者１６は反射型液晶ライトバルブの整数倍の解像度表示を見ることができる。本実施例の構成では反射型液晶ライトバルブ３１は無偏光に対して画素を明暗表示できるタイプ、例えばＰＤＬＣ（ポリマー分散型液晶素子）が望ましい。また、偏光を利用するライトバルブの場合には偏光板が必要になる。
なお、ビームスプリッタの代わりに偏光ビームスプリッタを用いる構成も可能である（具体的な実施例については後述する）。この場合、反射型液晶ライトバルブ３１には液晶の複屈折性または旋光性を利用した、ＴＮ（ツイストネマチック）液晶モードやＳＴＮ（スーパーツイストネマチック）液晶モードとＥＣＢ液晶モードを利用することができる。
本実施例ではレンズアレイ３２を反射型液晶ライトバルブ３１の直前に配置している。しかし、レンズアレイ３２を反射型液晶ライトバルブ３１の構成備品の一つに組み込んで一体化しても良い。図示を省略するが、一般に反射型液晶ライトバルブは、透明基板と、反射画素電極を含むシリコンバックプレーン（下側基板）との間に液晶層が挟まれており、透明基板の液晶側の面には透明電極や配向膜が成膜されている。そこで、この透明基板をレンズアレイに置換えることにより、上記と同様の機能を持たせることができる。
また、レンズアレイ３２を無くして、かつ、反射型液晶ライトバルブの透明基板はそのままにして、通常、平面形状である反射画素電極を凹面ミラー形状にすることによって、レンズアレイを用いた場合と同様の動作・効果を有することができる。すなわち、反射画素電極の反射面に凹面ミラーアレイを形成することにより、反射型液晶ライトバルブ自体に配光分布を照度分布に変換する機能を持たせることができる。なお、これらの具体的な実施例については後述する。
また、レンズアレイ３２を無くして、かつ、反射型液晶ライトバルブの透明基板はそのままにして、通常、平面形状である反射画素電極を凹面ミラー形状にすることによって、レンズアレイを用いた場合と同様の動作・効果を有することができる。すなわち、反射画素電極の反射面に凹面ミラーアレイを形成することにより、反射型液晶ライトバルブ自体に配光分布を照度分布に変換する機能を持たせることができる。なお、これらの具体的な実施例については後述する。
［実施例３］
次に空間光変調器として透過型液晶ライトバルブを用いた投射表示装置の実施例を示す。図１１は本発明の第３の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この投射表示装置６０は、ランプ光源６１と、照明光学系６２，６３と、透過型液晶ライトバルブ６４と、レンズアレイ６５と、画素ずらし素子６６と、投射レンズ６７から構成されており、スクリーン６８に画像を投射して表示するものである。
ランプ光源６１には回転放物面鏡付き超高圧水銀ランプ等を用いることができる。照明光学系として本実施例ではフライアイインテグレータを用いている。すなわち、一対のレンズアレイ６２とコンデンサレンズ６３でフライアイインテグレータを構成している。画像表示部は、透過型液晶ライトバルブ６４で画像を形成し、画素ピッチとアレイピッチが等しいレンズアレイ６５で透過型液晶ライトバルブ６４の各画素の配光分布を照度分布に変換して画素を縮小する。そして、レンズアレイ95による縮小画素像は、画素ずらし素子６６を経て投射レンズ６７でスクリーン６８に拡大投射され、スクリーン６８上に画像が表示される。なお、透過型液晶ライトバルブ６４とレンズアレイ６５からなる画像表示部の構成は実施例１の表示装置と同様であり、画素の縮小は実施例1の説明で記述した通りなのでここでは説明を省略する。また、画素ずらし素子６６の動作も前述の通りなので説明を省略する。
本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器（透過型液晶ライトバルブ）の整数倍の画素数を表示することが可能な投射表示装置を提供することができる。
次に空間光変調器として透過型液晶ライトバルブを用いた投射表示装置の実施例を示す。図１１は本発明の第３の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この投射表示装置６０は、ランプ光源６１と、照明光学系６２，６３と、透過型液晶ライトバルブ６４と、レンズアレイ６５と、画素ずらし素子６６と、投射レンズ６７から構成されており、スクリーン６８に画像を投射して表示するものである。
ランプ光源６１には回転放物面鏡付き超高圧水銀ランプ等を用いることができる。照明光学系として本実施例ではフライアイインテグレータを用いている。すなわち、一対のレンズアレイ６２とコンデンサレンズ６３でフライアイインテグレータを構成している。画像表示部は、透過型液晶ライトバルブ６４で画像を形成し、画素ピッチとアレイピッチが等しいレンズアレイ６５で透過型液晶ライトバルブ６４の各画素の配光分布を照度分布に変換して画素を縮小する。そして、レンズアレイ95による縮小画素像は、画素ずらし素子６６を経て投射レンズ６７でスクリーン６８に拡大投射され、スクリーン６８上に画像が表示される。なお、透過型液晶ライトバルブ６４とレンズアレイ６５からなる画像表示部の構成は実施例１の表示装置と同様であり、画素の縮小は実施例1の説明で記述した通りなのでここでは説明を省略する。また、画素ずらし素子６６の動作も前述の通りなので説明を省略する。
本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器（透過型液晶ライトバルブ）の整数倍の画素数を表示することが可能な投射表示装置を提供することができる。
［実施例４］
次に空間光変調器として透過型液晶ライトバルブを用い、かつ中間像を形成させる高解像投射表示装置の実施例を示す。図１２は本発明の第４の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この高解像投射表示装置７０は、ランプ光源６１から透過型液晶ライトバルブ６４までは実施例３と全く同じ構成である。液晶ライトバルブ６４の後にはマクロレンズ７１、レンズアレイ６５、画素ずらし素子６６、投射レンズ６７が配置されている。
この投射表示装置７０では、透過型液晶ライトバルブ６４の画像はマクロレンズ７１で一旦中間像として結像させる。このマクロレンズ７１は物体側にも像側にもテレセントリックであることが望ましい。また、マクロレンズの倍率（横倍率）は特に制限されるものではない。
次に空間光変調器として透過型液晶ライトバルブを用い、かつ中間像を形成させる高解像投射表示装置の実施例を示す。図１２は本発明の第４の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この高解像投射表示装置７０は、ランプ光源６１から透過型液晶ライトバルブ６４までは実施例３と全く同じ構成である。液晶ライトバルブ６４の後にはマクロレンズ７１、レンズアレイ６５、画素ずらし素子６６、投射レンズ６７が配置されている。
この投射表示装置７０では、透過型液晶ライトバルブ６４の画像はマクロレンズ７１で一旦中間像として結像させる。このマクロレンズ７１は物体側にも像側にもテレセントリックであることが望ましい。また、マクロレンズの倍率（横倍率）は特に制限されるものではない。
本実施例では、マクロレンズ７１の像面の画素ピッチ（中間像の画素ピッチ）とレンズアレイピッチの等しいレンズアレイ６５を像面直後に配置する。前述の実施例３では透過型液晶ライトバルブ６４の直後にレンズアレイ６５が配置されていたが、本実施例ではライトバルブを中間像に置換えただけである。従って、実施例３（または実施例１）と同様にレンズアレイ６５を通過した光はランプの配光分布形状に似た照度分布形状となる。このため中間像の各画素が縮小されたように見える。この画像は画素ずらし素子６６を経て投射レンズ６７でスクリーンに拡大投射され、スクリーン６８上に画像が表示される。
本実施例の構成によれば、画像を形成する空間光変調器（透過型液晶ライトバルブ）６４の整数倍の画素数を表示することが可能な投射表示装置で、レンズアレイ６５と画素ずらし素子６６の設置自由度を高めることができる。また、本実施例では投射表示装置としたが、ランプ光源と照明光学系を実施例１と同様の固体光源（ＬＥＤ等）１１とレンズ１２に置き換え、投射レンズ６７を外せば、観測者が画像を観察するタイプの高解像表示装置とすることができる。
本実施例の構成によれば、画像を形成する空間光変調器（透過型液晶ライトバルブ）６４の整数倍の画素数を表示することが可能な投射表示装置で、レンズアレイ６５と画素ずらし素子６６の設置自由度を高めることができる。また、本実施例では投射表示装置としたが、ランプ光源と照明光学系を実施例１と同様の固体光源（ＬＥＤ等）１１とレンズ１２に置き換え、投射レンズ６７を外せば、観測者が画像を観察するタイプの高解像表示装置とすることができる。
［実施例５］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた表示装置の別の実施例を示す。図１３は本発明の第５の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置は、光源８１と、レンズ８２と、偏光板８３ａ，８３ｂと、レンズアレイ８４と、空間光変調器８５と、画素ずらし素子８６で構成される。光源８１としては、実施例１と同様にＬＥＤ等の固体光源を用いることができるが、この他、可視域の光を放出する放電ランプを用いることができる。また、放電ランプに回転放物体の形状の反射鏡が付けばレンズ８２は不要となる。レンズ８２からの光を偏光板８３ａで直線偏光にする。偏光板８３ａを透過した光はレンズアレイ８４を通過し、空間光変調器８５に入射される。空間光変調器８５としては反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）を用いることができ、例えばＴＮ（ツイストネマチック）液晶素子を用いることができる。ＴＮ液晶素子は画素が配列されており、これらの画素に個別に電圧を印加して画素毎の偏光状態を制御する。レンズアレイ８５の配列とピッチは、ＴＮ液晶素子の画素の配列とピッチと同じにする。
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた表示装置の別の実施例を示す。図１３は本発明の第５の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置は、光源８１と、レンズ８２と、偏光板８３ａ，８３ｂと、レンズアレイ８４と、空間光変調器８５と、画素ずらし素子８６で構成される。光源８１としては、実施例１と同様にＬＥＤ等の固体光源を用いることができるが、この他、可視域の光を放出する放電ランプを用いることができる。また、放電ランプに回転放物体の形状の反射鏡が付けばレンズ８２は不要となる。レンズ８２からの光を偏光板８３ａで直線偏光にする。偏光板８３ａを透過した光はレンズアレイ８４を通過し、空間光変調器８５に入射される。空間光変調器８５としては反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）を用いることができ、例えばＴＮ（ツイストネマチック）液晶素子を用いることができる。ＴＮ液晶素子は画素が配列されており、これらの画素に個別に電圧を印加して画素毎の偏光状態を制御する。レンズアレイ８５の配列とピッチは、ＴＮ液晶素子の画素の配列とピッチと同じにする。
ここで、反射型液晶ライトバルブの各画素をレンズアレイ８４によって見かけ上、画素形状を小さくする動作を図１４を用いて説明する。反射型液晶ライトバルブ８５は、透明基板９１と、反射画素電極（図示せず）を含むシリコンバックプレーン（下側基板）９２との間に液晶層９０が挟まれており、透明基板９１の液晶側の面には透明電極や配向膜（図示せず）が成膜されている。反射型液晶ライトバルブ８５の近傍にはライトバルブの画素ピッチに対応するレンズアレイ８４が配置される。また、反射型液晶ライトバルブ８５は図示しない均一照明によって照度が均一化されている。ここで、図３のような配光分布を有する画素からの光をレンズアレイ８４をへて絞る。レンズアレイ８４は液晶画素に近接されるため、フィールドレンズに近いは働きをもつ。このため、一つの画素９３の配光分布形状がレンズ焦点位置９５付近では図６に示すような照度分布（図３で横軸を位置ｘに、縦軸を輝度I（ｘ）にそれぞれ置き換えた分布形状）となる。しかし、面９５では照度分布の裾野付近（９３ａ，９３ｃ）が広がり、反射型液晶ライトバルブ８５の隣接画素へ光がまわり込むため高精細な画像とはならない。ただし、焦点付近からレンズアレイ側の手前の位置９４であっても、照度分布は反射型液晶ライトバルブの画素面の配光分布にかなり似た図６に示すような照度分布が得られる。また、この位置９４では隣接画素への光のまわり込みが少ない。したがって、位置９４の面を見ると、あたかも画素９３が縮小されたかのような照度分布となる。
なお、符号９４の位置は、ランプ等の点光源により作られた平行光の照明光をライトバルブ８５に照射した場合に、レンズアレイ８４で配光分布を照度分布に変換する理想的な位置と考えられるが、体積を持った光源により作られた擬似平行光（±数度〜１０数度の光線を含む）でライトバルブを照射した場合は、それよりレンズアレイ側に最適位置がある。
また、レンズアレイ８４のレンズ形状が非球面で、かつ、近軸焦点距離が短くて（概ねアレイピッチの３倍以下の焦点距離で）レンズ周辺の屈折力がレンズ中心付近より弱い（すなわちレンズ傾斜角が小さい）場合には、レンズアレイの焦点付近で配光分布が照度分布に変換される。この場合、焦点位置９５よりも画素ずらし素子側（図１４で焦点位置９５の面より右側）でも配光分布が照度分布に変換される。
したがって、レンズアレイ８４のレンズ面形状を工夫することにより、配光分布が照度分布に変換される位置を調整でき、画素を縮小する効果が得られ、また、偏光解消の低減も図ることができ、高コントラスト比の画像表示が可能になる。
また、レンズアレイ８４のレンズ形状が非球面で、かつ、近軸焦点距離が短くて（概ねアレイピッチの３倍以下の焦点距離で）レンズ周辺の屈折力がレンズ中心付近より弱い（すなわちレンズ傾斜角が小さい）場合には、レンズアレイの焦点付近で配光分布が照度分布に変換される。この場合、焦点位置９５よりも画素ずらし素子側（図１４で焦点位置９５の面より右側）でも配光分布が照度分布に変換される。
したがって、レンズアレイ８４のレンズ面形状を工夫することにより、配光分布が照度分布に変換される位置を調整でき、画素を縮小する効果が得られ、また、偏光解消の低減も図ることができ、高コントラスト比の画像表示が可能になる。
次に本発明に係る表示装置に用いられるレンズアレイ８４のレンズ面形状の一例について説明する。図１５はレンズアレイ８４の一つのレンズ８４ａを拡大して示す図であり、（ａ）はレンズの断面図、（ｂ）はレンズを正面から見た図である。また、図１５（ａ）はレンズ８４ａのアレイピッチ方向（正方形のアレイのアレイ配列方向）と対角方向の断面を各々の軸を重ねて図示している。アレイ配列方向の断面１６３ではレンズ面形状は球面の断面と一致している。すなわち断面１６３のレンズ面形状ではコーニック定数が０である。また、対角方向の断面１６２の近軸曲率半径は断面１６３と等しいが、コーニック定数が−１０であり、アレイ配列方向のコーニック定数より小さい値を選んでいる。
ここで、上記のコーニック定数について説明する。
本実施例のコーニック定数はレンズ８４ａを正面から見て図１６（ａ）に示す方位角θによっており、同図（ｂ）に示すレンズ面のサグ量ｚは下記の式(1) で表すことができる。なお、この場合、コーニック定数ｋはθの関数となっている。
ｚ＝ｃｒ2／{1+√[1-(1+ｋ(θ)ｃ2ｒ2)]} (1)
ｃ＝１／Ｒ （Ｒはレンズの曲率半径）
ｋ(θ)：コーニック定数
本実施例のコーニック定数はレンズ８４ａを正面から見て図１６（ａ）に示す方位角θによっており、同図（ｂ）に示すレンズ面のサグ量ｚは下記の式(1) で表すことができる。なお、この場合、コーニック定数ｋはθの関数となっている。
ｚ＝ｃｒ2／{1+√[1-(1+ｋ(θ)ｃ2ｒ2)]} (1)
ｃ＝１／Ｒ （Ｒはレンズの曲率半径）
ｋ(θ)：コーニック定数
コーニック定数ｋ(θ)としては、例えば図１７に示すような周期関数を選ぶことができる。図１７は、９０°周期でｋが０〜−１０の間を増減するような関数ｋ(θ)である。レンズの対角方向、すなわちθ＝４５°，１３５°，・・・でｋが小さい値となるため、コントラストの低下を低減できる。なお、必ずしも周期関数は９０°周期の必然は無く、また、増減は方位角θに対して線形性を保つ必要も無い。図１７のｋはほんの一例であることは言うまでも無い。
図１５のようなレンズ形状によって、レンズアレイを正面から見たとき、図１５（ｂ）のようにハッチングをかけた領域（円の外側の領域）が、特に、球面形状から大きく異なり、斜面の傾斜が球面より緩やかになっている。すなわち、レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾斜が、レンズアレイ配列方向に比べて対角方向が緩やかになっている。そして、レンズアレイの対角方向のコーニック定数が、レンズアレイ配列方向のコーニック定数よりも小さい値となっている。
このような面形状にすることによってレンズ面による偏光解消を低減させることが可能になる。また、各画素の配光分布を照度分布に変換する作用は、球面形状の割合を多めにしておくことで可能となる。
なお、図１５のレンズ形状は、金型を使ったモールド成形では金型の凹面アレイ形状を対角方向とアレイ配列方向で曲率半径を変えるように金型を作製することで、所望のレンズアレイを作ることができる。
このような面形状にすることによってレンズ面による偏光解消を低減させることが可能になる。また、各画素の配光分布を照度分布に変換する作用は、球面形状の割合を多めにしておくことで可能となる。
なお、図１５のレンズ形状は、金型を使ったモールド成形では金型の凹面アレイ形状を対角方向とアレイ配列方向で曲率半径を変えるように金型を作製することで、所望のレンズアレイを作ることができる。
以上の説明のように、本実施例の表示装置では、レンズアレイ８４により、見かけ上、反射型液晶ライトバルブ８５の画素が小さくなるが、次に図１３の画素ずらし素子８６について説明する。画素ずらし素子８６は空間光変調器からの画像光を所定の距離だけ光路をシフトさせる機能を有する。例えば、画素ずらし素子として透光性平行平板をピエゾ素子で所定の角度だけあおる方式が利用できる。そして、画素ピッチの半分の距離を光学シフトさせ、空間光変調器８５と画素ずらし素子８６の同期をとることによって、観測者８７は空間光変調器８５の２倍の解像度画像を見ることができる。同様に、画素ずらし素子８６を水平方向と鉛直方向にも画素ピッチの半分の量を光学シフトすれば、空間光変調器８５の４倍の解像度を表示することが可能になる。
また、前述の通り、レンズ対角方向のコーニック定数が小さい値を選ぶため、完全な球面形状のレンズに比べて対角方向のレンズ面傾斜が緩やかになる。このため、前述のように偏光解消が低減できる。したがって、本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器８５の整数倍の画素数を表示することができ、かつ、レンズアレイ８４による偏光解消を低減することができ、コントラスト比の高い表示装置を提供することができる。
また、前述の通り、レンズ対角方向のコーニック定数が小さい値を選ぶため、完全な球面形状のレンズに比べて対角方向のレンズ面傾斜が緩やかになる。このため、前述のように偏光解消が低減できる。したがって、本実施例の構成によって、画像を形成する空間光変調器８５の整数倍の画素数を表示することができ、かつ、レンズアレイ８４による偏光解消を低減することができ、コントラスト比の高い表示装置を提供することができる。
なお、図１３に示す構成の表示装置では、光源をＬＥＤ（発光ダイオード）のような固体光源に置き換えることも十分可能である。ＬＥＤの場合にはコリメートレンズ８２を用いると光利用効率の点で良い。また、光源の種類にかかわらず、空間光変調器はツイストネマチック（ＴＮ）以外にも、スーパーツイストネマチック（ＳＴＮ）、ＥＣＢモードなどを用いても良い。また、画素ずらし素子８６としては、液晶を用いた光偏向素子なども利用できる。
［実施例６］
実施例５で説明したレンズアレイのレンズ面形状は、実施例１〜４の表示装置や投射表示装置にも同様に適用できるが、これらの表示装置や投射表示装置に適用されるレンズアレイのレンズ面形状としては、図１５に示した形状の他、図１８に示すような形状のものであっても良い。図１８にはレンズアレイの一つのレンズを図示している。このレンズは、水平方向のシリンダーレンズと鉛直方向のシリンダーレンズの交わりで表される立体の表面形状である。面１８１ａ，１８１ｂが水平方向シリンダーレンズ面で、面１８２ａ，１８２ｂが鉛直方向シリンダーレンズ面である。図１８の面形状では、アレイ中心からの距離に対するレンズ面の傾斜が、前記レンズアレイ配列方向に比べて、対角方向が緩やかであるため、上述と同様の効果が得られる。なお、レンズ面形状は、シリンダーレンズ面に代えて蒲鉾状としてもよい。
実施例５で説明したレンズアレイのレンズ面形状は、実施例１〜４の表示装置や投射表示装置にも同様に適用できるが、これらの表示装置や投射表示装置に適用されるレンズアレイのレンズ面形状としては、図１５に示した形状の他、図１８に示すような形状のものであっても良い。図１８にはレンズアレイの一つのレンズを図示している。このレンズは、水平方向のシリンダーレンズと鉛直方向のシリンダーレンズの交わりで表される立体の表面形状である。面１８１ａ，１８１ｂが水平方向シリンダーレンズ面で、面１８２ａ，１８２ｂが鉛直方向シリンダーレンズ面である。図１８の面形状では、アレイ中心からの距離に対するレンズ面の傾斜が、前記レンズアレイ配列方向に比べて、対角方向が緩やかであるため、上述と同様の効果が得られる。なお、レンズ面形状は、シリンダーレンズ面に代えて蒲鉾状としてもよい。
ここで、図１８のレンズ面形状のレンズアレイを用いた光学系のコントラスト比と、球面レンズアレイを用いた光学系のコントラスト比の差異を以下の方法でシミュレーションした。
［方法］
・使用したシミュレータ；
３次元光学ＣＡＤ・照明解析プログラムLight Tools（ライトツールズ）、オプティカルリサーチアソシエーツ社製、バージョン4.20。
・計算モデル；
図１９にパーソナルコンピュータの画面上に表示した計算モデルとなる光学系を示す。
光源；一般的な放電ランプの配向分布をモデル上の光源に設定。
偏光分離素子；偏光ビームスプリッタ、入射面と、出射面には理想偏光板（透過軸に平行な偏光は１００％透過、垂直な偏光は透過率０％）を配置、偏光ビームスプリッタとレンズアレイの間には４分の１波長板を配置した。
計算波長は５５０ｎｍのみである。
偏光光線追跡モードで、光線総本数は５００００本とした。
４分の１波長板の遅相軸を図１９の面内に平行な場合を暗表示、紙面から４５°傾けた場合を明状態とし、両者のレシーバ照度の比をコントラスト比と定義する。
・計算結果
レンズアレイが球面形状の場合：Ｃ／Ｒ＝３１６
レンズアレイが図１８のレンズ面形状の場合：Ｃ／Ｒ＝４９３
［方法］
・使用したシミュレータ；
３次元光学ＣＡＤ・照明解析プログラムLight Tools（ライトツールズ）、オプティカルリサーチアソシエーツ社製、バージョン4.20。
・計算モデル；
図１９にパーソナルコンピュータの画面上に表示した計算モデルとなる光学系を示す。
光源；一般的な放電ランプの配向分布をモデル上の光源に設定。
偏光分離素子；偏光ビームスプリッタ、入射面と、出射面には理想偏光板（透過軸に平行な偏光は１００％透過、垂直な偏光は透過率０％）を配置、偏光ビームスプリッタとレンズアレイの間には４分の１波長板を配置した。
計算波長は５５０ｎｍのみである。
偏光光線追跡モードで、光線総本数は５００００本とした。
４分の１波長板の遅相軸を図１９の面内に平行な場合を暗表示、紙面から４５°傾けた場合を明状態とし、両者のレシーバ照度の比をコントラスト比と定義する。
・計算結果
レンズアレイが球面形状の場合：Ｃ／Ｒ＝３１６
レンズアレイが図１８のレンズ面形状の場合：Ｃ／Ｒ＝４９３
以上のシミュレーションの結果、球面レンズアレイを用いた光学系のコントラスト比Ａと図１８のレンズ面形状のレンズアレイを用いた光学系のコントラスト比Ｂとの関係は、
Ａ：Ｂ＝１：１．６
となり、コントラスト比は約６割向上した。
Ａ：Ｂ＝１：１．６
となり、コントラスト比は約６割向上した。
［実施例７］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた投射表示装置の実施例を示す。図２０は本発明の第７の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この投射表示装置１００は、ランプ光源１０１、フライアイレンズ１０２とコンデンサレンズ１０３からなる照明光学系、偏光ビームスプリッタ１０４、レンズアレイ１０５、空間光変調器としての反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）１０６、画素ずらし素子１０７、投射レンズ１０８で構成されており、スクリーン１０９に画像を拡大投射して表示する。ランプ光源１０１からの放射光は照明光学系１０２，１０３によって均一照度化される。この照明光のうち図面に平行な偏光成分はレンズアレイ側に透過される。レンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ（空間光変調器）１０６の構成と動作は前述の実施例５で述べた通りなのでここでは説明を省略する。見かけ上、縮小された画素は明状態なら偏光状態が９０°回転され偏光ビームスプリッタ１０４で画素ずらし素子１０７側に反射される。画素ずらし素子１０７で所定の距離だけ高速に光路が切り替えられ、これらの光は投射レンズ１０８を経てスクリーン１０９に拡大投射される。
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用いた投射表示装置の実施例を示す。図２０は本発明の第７の実施例を説明するための投射表示装置の概略構成図である。この投射表示装置１００は、ランプ光源１０１、フライアイレンズ１０２とコンデンサレンズ１０３からなる照明光学系、偏光ビームスプリッタ１０４、レンズアレイ１０５、空間光変調器としての反射型液晶素子（反射型液晶ライトバルブ）１０６、画素ずらし素子１０７、投射レンズ１０８で構成されており、スクリーン１０９に画像を拡大投射して表示する。ランプ光源１０１からの放射光は照明光学系１０２，１０３によって均一照度化される。この照明光のうち図面に平行な偏光成分はレンズアレイ側に透過される。レンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ（空間光変調器）１０６の構成と動作は前述の実施例５で述べた通りなのでここでは説明を省略する。見かけ上、縮小された画素は明状態なら偏光状態が９０°回転され偏光ビームスプリッタ１０４で画素ずらし素子１０７側に反射される。画素ずらし素子１０７で所定の距離だけ高速に光路が切り替えられ、これらの光は投射レンズ１０８を経てスクリーン１０９に拡大投射される。
図２０に示す投射表示装置のように偏光ビームスプリッタ１０４を用いる構成では、偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と画像光の光軸を含む面、または偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と偏光ビームスプリッタ１０４で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
（１）レンズアレイ１０５の各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかにする、
（２）レンズアレイ１０５の各レンズのレンズ形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値にする、
（３）レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値にする、
の何れかの構成とすることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。
（１）レンズアレイ１０５の各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかにする、
（２）レンズアレイ１０５の各レンズのレンズ形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値にする、
（３）レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値にする、
の何れかの構成とすることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。
具体的には、レンズアレイ１０５のレンズ面形状を前述の図１５の形状（あるいは図１８の形状）にすると良く、さらには、レンズアレイ１０５のアレイ配列方向の曲率半径に比べてアレイ対角方向の曲率半径を大きくした非球面形状とすると良い。このような形状にすると、特に、レンズの４隅の傾斜角が緩やかとなり、この面を通過する光の偏光回転量〈偏光解消量〉は小さくなる。従って、黒表示の明るさ（漏れ光）が減少し、スクリーン１０９上でのコントラスト比を向上することができる。
［実施例８］
図２１は実施例７の変形例を説明するための図であり、レンズアレイ付き反射型液晶素子の概略断面図である。空間光変調器としての反射型液晶表示素子（反射型液晶ライトバルブ）１１０は、実施例７のレンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ１０６を一つの素子に置き換えたものである。液晶層１１３はレンズアレイ基板１１１とシリコンバックプレーン（下側基板）１１２に挟持される。シリコンバックプレーン１１２には反射画素電極（画素反射ミラー）１１６や画素の明暗表示を駆動させるための駆動素子（図示せず）が半導体プロセスで作製されている。画素反射ミラー１１６の上には平坦化層（図示せず）や配向膜１１５が積層されている。一方、レンズアレイ基板１１１の液晶層側の面には透明電極１１４と配向膜１１５が設置されている。レンズアレイのアレイピッチは画素電極のピッチと対応している。レンズアレイは液晶層１１３に近接されているが、動作は実施例５で述べた通りであるため、ここでは説明を省略する。
図２１は実施例７の変形例を説明するための図であり、レンズアレイ付き反射型液晶素子の概略断面図である。空間光変調器としての反射型液晶表示素子（反射型液晶ライトバルブ）１１０は、実施例７のレンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ１０６を一つの素子に置き換えたものである。液晶層１１３はレンズアレイ基板１１１とシリコンバックプレーン（下側基板）１１２に挟持される。シリコンバックプレーン１１２には反射画素電極（画素反射ミラー）１１６や画素の明暗表示を駆動させるための駆動素子（図示せず）が半導体プロセスで作製されている。画素反射ミラー１１６の上には平坦化層（図示せず）や配向膜１１５が積層されている。一方、レンズアレイ基板１１１の液晶層側の面には透明電極１１４と配向膜１１５が設置されている。レンズアレイのアレイピッチは画素電極のピッチと対応している。レンズアレイは液晶層１１３に近接されているが、動作は実施例５で述べた通りであるため、ここでは説明を省略する。
本実施例の構成によれば、反射型液晶ライトバルブ〈空間光変調器〉１１０のカバーガラスをレンズアレイ基板１１１で置き換えることができるので、装置を小型にできる。また、反射型液晶ライトバルブとレンズアレイを個別に組みつける場合にはレンズアレイを６軸（３軸位置調整と３軸回転またはあおり調整）で行う必要があるが、レンズアレイ付き反射型液晶ライトバルブを精度の高い貼り合せ装置で実装しておけば、投射表示装置の組付けは非常に簡単になる。
［実施例９］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用い、各画素の配光分布を照度分布に変換する光学素子として凹面ミラーアレイを用いた投射表示装置の実施例を示す。
本実施例では、図２０に示された投射表示装置のレンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ１０６を図２２に示す空間光変調器１２０で置き換えるものである。図２２に示す空間光変調器１２０は、凹面ミラーアレイを一体化した反射型液晶ライトバルブであり、液晶層１１３がカバーガラス（透光性基板）１２１とシリコンバックプレーン（下側基板）１１２に挟持されている。シリコンバックプレーン１１２には凹面ミラーアレイ１２２や画素の明暗表示を駆動させるための駆動素子（図示せず）が半導体プロセスで作製されている。凹面ミラーアレイ１２２の上には平坦化層（図示せず）や配向膜１１５が積層されている。一方、カバーガラス１２１の液晶層側の面には透明電極１１４と配向膜１１５が設置されている。凹面ミラーアレイ１２２は反射画素電極を兼ねている。この反射型液晶ライトバルブ１２０は、レンズアレイに代わり凹面ミラーアレイが空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換する働きを有する。
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用い、各画素の配光分布を照度分布に変換する光学素子として凹面ミラーアレイを用いた投射表示装置の実施例を示す。
本実施例では、図２０に示された投射表示装置のレンズアレイ１０５と反射型液晶ライトバルブ１０６を図２２に示す空間光変調器１２０で置き換えるものである。図２２に示す空間光変調器１２０は、凹面ミラーアレイを一体化した反射型液晶ライトバルブであり、液晶層１１３がカバーガラス（透光性基板）１２１とシリコンバックプレーン（下側基板）１１２に挟持されている。シリコンバックプレーン１１２には凹面ミラーアレイ１２２や画素の明暗表示を駆動させるための駆動素子（図示せず）が半導体プロセスで作製されている。凹面ミラーアレイ１２２の上には平坦化層（図示せず）や配向膜１１５が積層されている。一方、カバーガラス１２１の液晶層側の面には透明電極１１４と配向膜１１５が設置されている。凹面ミラーアレイ１２２は反射画素電極を兼ねている。この反射型液晶ライトバルブ１２０は、レンズアレイに代わり凹面ミラーアレイが空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換する働きを有する。
凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーの形状を図２３に示す。図２３（ｂ）は凹面ミラーアレイの一つのミラーの正面図である。また、図２３（ａ）はアレイ方向の断面１３１の断面図と対角方向の断面１３２の断面図を重ねて図示したものである。矩形配列された凹面ミラーアレイ１２２において、各ミラーの面形状は、アレイ対角方向の断面１３２の曲率半径がアレイ配列方向の断面１３１の曲率半径よりも長く作製されている。このため、特に、ミラー面の４隅の傾斜角は完全な球面形状よりも緩やかになっている。この形状によって、暗表示にミラーで反射される直前、直後の偏光状態は平面ミラーでのそれらに近い状態となる。このため、暗状態の画素からの光は偏光ビームスプリッタでほぼ反射されることなく光源側に戻る。このため、スクリーン上で黒表示画素が暗くなり、高コントラスト比の表示が可能になる。なお、図示しないが、アレイ対角方向のコーニック定数がアレイ配列方向のコーニック定数より小さい値となるミラー形状でも良い。
すなわち、図２０に示す投射表示装置のように偏光ビームスプリッタ１０４を用いる構成で、図２２に示す凹面ミラーアレイ付き空間光変調器１２０を用いる場合には、偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と画像光の光軸を含む面、または偏光ビームスプリッタ１０４に入射する照明光の光軸と偏光ビームスプリッタ１０４で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
（１）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーの中心からの距離に対するミラー面の傾きは、面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかにする、
（２）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーのミラー形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値にする、
（３）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーのミラー形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値にする、
の何れかの構成とすることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。
（１）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーの中心からの距離に対するミラー面の傾きは、面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかにする、
（２）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーのミラー形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値にする、
（３）凹面ミラーアレイ１２２の各ミラーのミラー形状は、面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径を、面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値にする、
の何れかの構成とすることにより、偏光解消が低減され、高コントラスト比の表示が可能になる。
［実施例１０］
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用い、偏光ビームスプリッタを用いた表示装置の実施例を示す。図２４は本発明の第１０の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置は、光源としてのＬＥＤ１４１と、レンズ１４２と、偏光分離手段である偏光ビームスプリッタ１４３とレンズアレイ１４４と、空間光変調器としての反射型液晶ライトバルブ１４５と画素ずらし素子１４６で構成されている。ＬＥＤ１４１から放射された光はレンズ１４２で平行光となり、偏光ビームスプリッタ１４３でｐ偏光（図２４の紙面に平行な偏光）が透過し、レンズアレイ１４４を通過して反射型液晶ライトバルブ１４５に入射する。反射型液晶ライトバルブ１４５で変調を受けた画像光はｓ偏光成分が発生し、この偏光は偏光ビームスプリッタ１４３で反射されて画素ずらし素子１４６側に反射される。そして、観測者１４７は、画素ずらし素子１４６で光学的に画素ずらしされた画像を観測する。ここで、レンズアレイ１４４と反射型液晶ライトバルブ１４５の構成、動作および画素ずらし素子１４６の動作は前述の実施例５等で説明したものと同様なのでここでは説明を省略する。
次に空間光変調器として反射型液晶ライトバルブを用い、偏光ビームスプリッタを用いた表示装置の実施例を示す。図２４は本発明の第１０の実施例を説明するための表示装置の概略構成図である。この表示装置は、光源としてのＬＥＤ１４１と、レンズ１４２と、偏光分離手段である偏光ビームスプリッタ１４３とレンズアレイ１４４と、空間光変調器としての反射型液晶ライトバルブ１４５と画素ずらし素子１４６で構成されている。ＬＥＤ１４１から放射された光はレンズ１４２で平行光となり、偏光ビームスプリッタ１４３でｐ偏光（図２４の紙面に平行な偏光）が透過し、レンズアレイ１４４を通過して反射型液晶ライトバルブ１４５に入射する。反射型液晶ライトバルブ１４５で変調を受けた画像光はｓ偏光成分が発生し、この偏光は偏光ビームスプリッタ１４３で反射されて画素ずらし素子１４６側に反射される。そして、観測者１４７は、画素ずらし素子１４６で光学的に画素ずらしされた画像を観測する。ここで、レンズアレイ１４４と反射型液晶ライトバルブ１４５の構成、動作および画素ずらし素子１４６の動作は前述の実施例５等で説明したものと同様なのでここでは説明を省略する。
本実施例の表示装置では、レンズアレイ１４４として図１５（または図１８）に示すレンズ面形状のレンズアレイを用いることができる。このレンズ形状については実施例５（または実施例６）で説明した通りであるため説明を省略する。このようなレンズ形状とすることによって、実施例５で記述したように見かけ上、画素を小さくすることが可能となる。また、レンズアレイによる偏光解消や、特にレンズの４隅の偏光解消を低減する効果も前述の通りで有り、高コントラスト比の画像が得られる。
また、図２４において、レンズアレイ１４４と反射型液晶ライトバルブ１４５に代えて、図２１に示したレンズアレイ付き反射型液晶ライトバルブ１１０を用いてもよく、さらには、図２２に示す凹面ミラーアレイ付き反射型液晶ライトバルブ１２０を用いることもできる。なお、これらを用いたときの構成、動作および作用は前述した通りである。
また、図２４において、レンズアレイ１４４と反射型液晶ライトバルブ１４５に代えて、図２１に示したレンズアレイ付き反射型液晶ライトバルブ１１０を用いてもよく、さらには、図２２に示す凹面ミラーアレイ付き反射型液晶ライトバルブ１２０を用いることもできる。なお、これらを用いたときの構成、動作および作用は前述した通りである。
以上説明したように、本発明によれば、画像を形成する空間光変調器の整数倍の画素数を表示でき、かつ、表示隣接画素間の重なりを低減することができ、さらには、コントラスト比の高い画像表示を行うことができる表示装置や投射表示装置を提供することができる。したがって、この表示装置や投射表示装置を用いることにより、高精細で高コントラストなヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどを実現することができる。また、本発明に係るレンズアレイ、凹面ミラーアレイは、高精細で高コントラストなヘッドマウントディスプレイやプロジェクタなどを実現するための光学素子として好適に利用することができる。
１０，３０，８０，１４０：表示装置
１１，８１，１４１：ＬＥＤ光源
１２，８２，１４２：レンズ
１３，６４：透過型液晶素子（空間光変調器）
１４，３２，６５，８４，１０５，１４４：レンズアレイ（光学素子）
１５，６６，８６，１０７，１４６：画素ずらし素子
１６，８７，１４７：観測者
３１，８５，１０６，１４５：反射型液晶素子（空間光変調器）
６０，７０，１００：投射表示装置
６１，１０１：ランプ光源
６２，９２：レンズアレイ（照明光学系）
６３，９３：コンデンサレンズ（照明光学系）
６７，１０８：投射レンズ
６８，１０９：スクリーン
７１：マクロレンズ
１０４，１４３：偏光ビームスプリッタ
１１０：レンズアレイ付き反射型液晶素子（空間光変調器）
１２０：凹面ミラーアレイ付き反射型液晶素子（空間光変調器）
１２２：凹面ミラーアレイ
１１，８１，１４１：ＬＥＤ光源
１２，８２，１４２：レンズ
１３，６４：透過型液晶素子（空間光変調器）
１４，３２，６５，８４，１０５，１４４：レンズアレイ（光学素子）
１５，６６，８６，１０７，１４６：画素ずらし素子
１６，８７，１４７：観測者
３１，８５，１０６，１４５：反射型液晶素子（空間光変調器）
６０，７０，１００：投射表示装置
６１，１０１：ランプ光源
６２，９２：レンズアレイ（照明光学系）
６３，９３：コンデンサレンズ（照明光学系）
６７，１０８：投射レンズ
６８，１０９：スクリーン
７１：マクロレンズ
１０４，１４３：偏光ビームスプリッタ
１１０：レンズアレイ付き反射型液晶素子（空間光変調器）
１２０：凹面ミラーアレイ付き反射型液晶素子（空間光変調器）
１２２：凹面ミラーアレイ
Claims (4)
- 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、
前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、
前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、
前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、
前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、
前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
前記レンズアレイの各レンズの中心からの距離に対するレンズ面の傾きは、前記面Ａとのなす角が４５度方向または１３５度方向の傾きが、前記面Ａに平行な方向または垂直な方向の傾きに比べて緩やかであることを特徴とする表示装置。 - 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、
前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、
前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、
前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、
前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、
前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向のコーニック定数が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向のコーニック定数に比べて小さい値であることを特徴とする表示装置。 - 放射光を放出する光源と、該光源から放出された光を均一照明させる照明手段と、アレイ状に配列された画素で画像を形成する空間光変調器と、前記空間光変調器の画素配列に応じた配列の光学素子と、前記空間光変調器で形成され前記光学素子を通過した画像光の光路を前記空間光変調器と同期して所定の量だけ光学的にシフトする制御を行う画素ずらし手段と、からなる表示装置であって、
前記光学素子は前記空間光変調器の各画素の配光分布を照度分布に変換するものであり、前記空間光変調器と同期して前記画素ずらし手段によって前記照度分布の光の光路を光学的にシフトさせることによって前記空間光変調器の整数倍の解像度の画像を表示する表示装置において、
前記空間光変調器は、反射型の空間光変調器であり、
前記光学素子は、画素配列に応じた配列のレンズからなり各画素の配光分布を照度分布に変換するレンズアレイであり、該レンズアレイは前記空間光変調器の直前に配置されており、
前記照明手段から前記空間光変調器に向かう照明光と、前記空間光変調器から前記レンズアレイを通過して前記画素ずらし手段に向かう画像光とを分離するための偏光分離手段を有し、
前記偏光分離手段に入射する前記照明光の光軸と前記偏光分離手段で光路を変えられた画像光の光軸とを含む面、を面Ａとしたとき、
前記レンズアレイの各レンズのレンズ形状は、前記面Ａとのなす角が４５度の断面方向または１３５度の断面方向の曲率半径が、前記面Ａに平行な断面方向または垂直な断面方向の曲率半径に比べて大きい値であることを特徴とする表示装置。 - 表示手段からの画像光を投射手段によって被投射面に投射して画像表示する投射表示装置において、
前記表示手段として請求項１〜３の何れか一つに記載の表示装置を備え、該表示装置の画素ずらし手段の後に前記投射手段を配備したことを特徴とする投射表示装置。
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