JP2000258726A - 照明光学装置及びそれを用いた表示光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】従来よりも表示パネルへの照明効率が良く、し
かも均一に照明する事ができる照明光学装置及びそれを
用いた表示光学装置を提供する。 【解決手段】光源からの光を所定の偏光方向に揃えるた
めの偏光変換装置と、その所定の偏光方向の光を所定の
波長領域毎に異なった方向に分離する色分離装置と、前
記各波長領域毎の光を分割して再統合するインテグレー
タ装置とを備えた構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示パネルを用い
た表示光学装置及びそれに含まれる照明光学装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、映像を表示する方法の一つと
して、例えば投影型の表示光学装置が知られている。こ
のような表示光学装置においては、反射型液晶表示パネ
ル等の表示パネル上の光学像を、効率よく均一に照明す
るための照明光学装置が必要である。図１１に、従来の
表示光学装置に用いられている照明光学装置の概略断面
構造を示す。

【０００３】同図において、光源１から出た光は、リフ
レクター２によって反射されて略平行で無偏光の光束
で、照明光学系ＯＰ１に入射する。照明光学系ＯＰ１
は、光束の進む順に、ＵＶＩＲカットフィルター７、複
屈折回折格子３、第１レンズアレイ４、１／２波長板
５、第２レンズアレイ６より成る。

【０００４】複屈折回折格子３は、ガラス等より成る基
板１００上にブレーズ形状の回折格子１０１が形成さ
れ、更にそのブレーズ形状部に接する斜線部分に複屈折
光学材料１０２が充填されて、ガラス板１０３で封印さ
れている。複屈折光学材料１０２は、偏光方向の異なる
光線に対しては異なる屈折率を示し、本例では、矢印で
示す紙面に沿った偏光面を有する光線Ｌ１に対する屈折
率と、二重丸で示す紙面に垂直な偏光面を有する光線Ｌ
２に対する屈折率とが異なっている。また回折格子１０
１の形状は直進する光を偏向する形状である。

【０００５】ここで、紙面に沿った偏光面を有する光線
Ｌ１に対する屈折率と、基板材料の屈折率とを等しくす
る事により、紙面に沿った偏光面を有する光線Ｌ１は、
実線で示されるように回折格子１０１が存在しない場合
と等価に進行し、紙面に垂直な偏光面を有する光線Ｌ２
は、破線で示されるように回折格子１０１が存在する状
態で進行するので、偏向を受ける事になる。

【０００６】複屈折回折格子３に隣接する第１レンズア
レイ４は入射する光線を空間分割し、平行光線を第２レ
ンズアレイ６上で結像させる。紙面に沿った偏光面を有
する光線Ｌ１は直進して結像し、紙面に垂直な偏光面を
有する光線Ｌ２は偏向を受けて結像する。従って、紙面
に沿った偏光面を有する光線Ｌ１と、紙面に垂直な偏光
面を有する光線Ｌ２とは空間的に異なる位置で結像する
事になる。そこで第２レンズアレイ６光源側近傍に、前
記いずれかの偏光面を有する光束の結像している空間に
１／２波長板５を配置する事により、いづれか一方の偏
光面を有する光束に揃える事が可能となる。

【０００７】従って、照明光学系ＯＰ１からは、全て紙
面に対して平行な偏光面に揃えられた偏光が、照明光と
して射出する事になる。尚、複屈折光学材料は、例えば
液晶材料を所定の方向に配向処理する事等により得られ
る。また、紫外線等の照射を受けると硬化する液晶材料
が知られているので、そのような液晶材料を用いて上記
配向処理後に紫外線照射等を施すようにしても良い。

【０００８】このような照明光学装置からの照明光を表
示パネルへと導くために、従来より、表示パネル直前に
配置したマイクロレンズアレイやシリンダーレンズアレ
イが用いられている。図１２は、従来の一例であるマイ
クロレンズアレイと表示パネルとの関係を模式的に示す
図である。ここでは表示パネル１６を単板とし、画素毎
にＲ用，Ｇ用，Ｂ用を順次並べており、上記光源１から
の光９を予めＲＧＢに色分割したものを、角度をＲＧＢ
毎に変えて１絵素（１絵素とは表示パネル上のＲＧＢ３
画素を１組としたもの）ずつマイクロレンズアレイ２１
の各マイクロレンズ２１ａに入射させ、それぞれ表示パ
ネル１６のＲ用，Ｇ用，Ｂ用の画素に集光するようにし
ている。尚、同図のマイクロレンズアレイ２１及び表示
パネル１６の左右は、図示を省略している。

【０００９】図１３は、特開平９−３１８９０４号公報
に記載されている、従来の他の例であるマイクロレンズ
アレイと表示パネルとの関係を模式的に示す図である。
同図に示すように、ここではマイクロレンズアレイ２２
のマイクロレンズ２２ａ一つ当たり、光源１からの光９
をＲＧＢ３つではなくＲＧＢＲＧＢ…の順の複数絵素の
光束にして入射させ、それぞれ表示パネル１６のＲ用，
Ｇ用，Ｂ用の画素に集光するようにしている。尚、同図
のマイクロレンズアレイ２２及び表示パネル１６の左右
は、図示を省略している。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
１２で示した従来の一例のような構成では、表示パネル
として用いられる最近の液晶表示パネルは画素ピッチが
細かいため、効率の良い構成とするためには、マイクロ
レンズ２１ａと表示パネル１６の各画素との間隔が非常
に短くなり、現実には構成不可能となる。具体的には、
最近の液晶表示パネルは、高画素化のため画素ピッチが
１０〜２０μｍとなっている。

【００１１】従来の一例のマイクロレンズアレイ２１の
ように、表示パネル１６の各画素をＲＧＢそれぞれ１つ
の光束で照明する場合、マイクロレンズ２１ａと表示パ
ネル１６の各画素との間は、１００μｍ以下の距離とな
り、実質的にこれらの作成が不可能である。たとえ実際
に作成できたとしても、マイクロレンズの曲率がきつ
く、収差等が生じて良好な照明ができない。

【００１２】これらの問題を解決するために、上記図１
３で示した従来の他の例が有効であるが、このような構
成においては、色分割された光束の間隔は、ここでは図
示しないレンズアレイによる１段のインテグレータによ
り予め設定されるため、画面中央に対する周辺等の、大
きなスパンでの照明ムラをなくすためには、レンズアレ
イは相当細かく分割しなければならず、例えば分割の粗
い長辺方向でも、４〜７分割以上は必要となる。この場
合、逆にマイクロレンズ２２ａと表示パネル１６の各画
素が大きく離れてしまい、マイクロレンズ２２ａ個々の
Ｆナンバーが回折限界以下の暗さとなるため、うまく集
光しない。

【００１３】具体的には、レンズアレイによるインテグ
レータにより、予め光源１からの光９をＲＧＢＲＧＢ…
の光束に分けた場合、マイクロレンズ２２ａと表示パネ
ル１６の各画素との間は、８００〜１５００μｍ程度と
大きくなるが、各マイクロレンズ２２ａのＦナンバーは
Ｆ２０以上となり、回折による結像のボケ量（１．２２
×波長λ×Ｆナンバー）が十数ミクロンとなって、画素
ピッチと同等になってしまう。このとき、それぞれ細か
く分割したＲＧＢの光束は、実質的には画素面上で各画
素からはみ出してしまい、色純度の低下や効率の大幅な
ダウンを引き起こす。

【００１４】また、一般的にも、１絵素当たりに一つの
マイクロレンズを持つマイクロレンズアレイを表示パネ
ル直前に置いた場合、マイクロレンズアレイのＦナンバ
ーが暗く、画素に結像するよりも回折で像がボケる方が
大きくなり、返って非効率となる。そして、複数絵素当
たりに一つのマイクロレンズを持つマイクロレンズアレ
イの場合（特開平９−３１８９０４号公報に記載された
実施例は殆どこれである）、近接する絵素間に寄与する
光源像が異なるため、光源像の明るさの差が、隣合う絵
素間といった小さいスパンでの照明ムラを発生する。

【００１５】また、上記従来の他の例である特開平９−
３１８９０４号公報に記載された構成の中には、光源
（及びリフレクター）の直後（インテグレータより前）
に色分解光学系（色分離装置）を配置したものがある。
色分解光学系は、通常、ダイクロイックミラーにより、
およそ４５度近傍で光を反射させて用いるが、ダイクロ
イックミラーは入射光の偏光面の違いにより、大幅に反
射透過特性が変わる。また、入射光の入射角によっても
特性が異なる。ここでは、そのダイクロイックミラーに
入射する光が偏光ではないので、偏光の違いによるダイ
クロイックミラーの反射特性の違いにより、最終的に表
示パネルの各画素への照明光は、２つの偏光面で違った
特性の光として到達し、色純度の悪い画像表示となって
しまう。

【００１６】上記公報に記載された構成の中には、上記
とは逆に、レンズアレイによるインテグレータより後に
色分解光学系を配置したものもあり、この場合は、イン
テグレータに偏光変換を組み込めば、上記問題は発生し
ないが、今度は、照明光の表示パネルに到る位置によっ
て、色分解光学系を通過する光束の入射角が異なり、表
示パネルの位置によって色ムラが生じる事となる。

【００１７】本発明は、以上のような問題点に鑑み、従
来よりも表示パネルへの照明効率が良く、しかも均一に
照明する事ができる照明光学装置及びそれを用いた表示
光学装置を提供する事を目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光源からの光を所定の偏光方向に揃え
るための偏光変換装置と、その所定の偏光方向の光を所
定の波長領域毎に異なった方向に分離する色分離装置
と、前記各波長領域毎の光を分割して再統合するインテ
グレータ装置とを備えた構成とする。また、前記色分離
装置は、複数のダイクロイックミラーより成る構成とす
る。また、前記インテグレータ装置は、２つのレンズア
レイより成る構成とする。

【００１９】また、別の構成として、光源側より順に、
第１レンズアレイ及び第２レンズアレイより成る第１の
インテグレータと、第３レンズアレイ及び第４レンズア
レイより成る第２のインテグレータとを有し、前記光源
からの光が前記第１のインテグレータにより重畳されて
前記第２のインテグレータを照明し、その照明された光
がその第２のインテグレータにより重畳されて表示パネ
ルを照明する構成とする。

【００２０】そして、前記第３レンズアレイの格子状に
配列された各セルは、前記表示パネルと略相似形である
構成とする。また、前記第１レンズアレイの分割数は、
縦及び横方向の分割の内、分割数が少ない方で４列以上
であり、第３レンズアレイの分割数は、同じく分割数が
少ない方で２列以上３列以下である構成とする。

【００２１】さらに、前記光源と前記第１レンズアレイ
との間、或いはその第１レンズアレイと前記第２レンズ
アレイとの間、或いはその第２レンズアレイ直後に、前
記光源からの光を互いに偏光方向の異なる２種類の光に
分離する偏光分離装置を備え、その偏光分離装置と前記
第１のインテグレータとにより、前記光源からの光を所
定の偏光方向に揃えるための偏光変換装置を構成し、前
記第１のインテグレータと前記第２のインテグレータと
の間に、前記所定の偏光方向の光を所定の波長領域毎に
異なった方向に分離する色分離装置を備えた構成とす
る。

【００２２】さらに、前記第２のインテグレータと前記
表示パネルとの間に、マイクロレンズアレイを備え、そ
のマイクロレンズアレイは、そのマイクロレンズ一つに
つき一色当たり２或いは３列の光源像を前記表示パネル
に結像する構成とする。

【００２３】また、前記表示パネルからの投影光を画素
毎にシフトして投影する投影光学系を備えた構成の照明
光学装置を用いた表示光学装置とする。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の照
明光学装置の一実施形態を含む表示光学装置の全体構成
図である。同図において、１は光源であり、２は光源１
を取り囲むように配置されるリフレクターである。ま
た、７はリフレクター２の光の射出口２ａを覆うように
配置され、光源１及びリフレクター２からの光に含まれ
る紫外線及び赤外線をカットするＵＶＩＲカットフィル
ターである。ＵＶＩＲカットフィルター７の後方（図の
右方）には、順に複屈折回折格子３、第１レンズアレイ
４、少し離れて第２レンズアレイ６、その直後に第１の
重ね合わせレンズ８が配置されている。

【００２５】ここでは図示しないが、第１レンズアレイ
４は、ほぼ正方形に近い格子状に組み合わされた各セル
を有しており、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレ
イ４とは異なる方向に区切った長方形の格子状に組み合
わされた各セルを有している。複屈折回折格子３は、第
２レンズアレイ６の各セルの長辺方向に、光源１及びリ
フレクター２からの光９の偏光分離を行う。複屈折回折
格子３、第１レンズアレイ４、第２レンズアレイ６を通
じて偏光変換が行われ、光源１及びリフレクター２から
の光９は特定の偏光に揃えられて出てくる。これらの詳
細な関係については後述する。

【００２６】また、第２レンズアレイ６とその直後の第
１の重ね合わせレンズ８により、第１の重ね合わせレン
ズ８の後述する焦点位置近傍に、第１レンズアレイ４の
各セルの像が重なり合うようにしている。尚、第１の重
ね合わせレンズ８は、第２レンズアレイ６と一体に成形
されていても良い。また、複屈折回折格子３の代わり
に、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ６との間に
複屈折プリズムアレイ等を配置したものもある。以上の
第１レンズアレイ４から第１の重ね合わせレンズ８まで
を、第１のインテグレータ光学系と呼び、光軸をＬとす
る。この、第１の重ね合わせレンズ８の焦点位置にコン
デンサーレンズ１０が配置されている。

【００２７】そして、第１の重ね合わせレンズ８とコン
デンサーレンズ１０との間に、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ
（青）それぞれの波長領域の光を反射するダイクロイッ
クミラーＲ，Ｇ，Ｂがそれぞれ異なった傾きで配置さ
れ、光軸Ｌで第１の重ね合わせレンズ８を透過してきた
光９が、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれのダイクロイックミラーで
反射され、それぞれ異なった角度の光軸Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_B
でコンデンサーレンズ１０に到達するようにしている。
尚、ダイクロイックミラーＢは全反射ミラーでも良い。

【００２８】また、コンデンサーレンズ１０の直後（図
の上方）に、第３レンズアレイ１１が配置されている。
これは、後述する表示パネルのアスペクト比がほぼ一致
した長方形の格子状に組み合わされた各セルを有してお
り、この長辺方向の第３レンズアレイ１１の分割数即ち
セルの列数は、１〜３の範囲に設定される。ちなみに、
本実施形態においては、後述するように２列である。

【００２９】さらに、第３レンズアレイ１１の後方に
は、少し離れて第４レンズアレイ１２が配置されてい
る。第４レンズアレイ１２は、第３レンズアレイ１１と
同様の長方形の格子状に組み合わされた各セルを有して
いる。これは、必ずしも相似形である必要はない。そし
て、第４レンズアレイ１２とその直後の第２の重ね合わ
せレンズ群１３により、後述する表示パネルに、第３レ
ンズアレイ１１の各セルの像が重なり合うようにしてい
る。また、第２の重ね合わせレンズ群１３によって、表
示パネルをテレセントリック照明する。以上の第３レン
ズアレイ１１から第２の重ね合わせレンズ群１３まで
を、第２のインテグレータ光学系と呼び、光軸をＬａと
する。

【００３０】第２の重ね合わせレンズ群１３の後方（図
の上方）には、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリ
ズム１４が配置されている。このＰＢＳプリズム１４
は、Ｓ偏光を反射して、Ｐ偏光を透過する性質を持つ。
一方、光源１及びリフレクター２からの光９は、上述し
た偏光変換によって、ＰＢＳプリズム１４に対してほぼ
Ｓ偏光に揃えられて入射する。そのため、ＰＢＳプリズ
ム１４によって、光９はその殆どが反射され、図の右方
の表示パネル１６に向かう。

【００３１】表示パネル１６の直前には、複屈折材料に
より構成される複屈折マイクロレンズアレイ１５が配置
されている。そして、上記ダイクロイックミラーと第
３，第４レンズアレイによって色分解された光９は、こ
の複屈折マイクロレンズアレイ１５によって、各色毎に
表示パネル１６の異なる画素を照明する。詳しくは後述
する。この照明により、表示パネル１６全体は、Ｒ，
Ｇ，Ｂの各色それぞれにより順にストライプ状に照明さ
れ、各色に照明された画素は各色の情報表示を行う。

【００３２】表示パネル１６は反射型液晶表示パネルで
あり、ここに照明された光を、画素毎に表示情報に応じ
て偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり
（ＯＦＦ）して反射する。このとき、ＯＦＦの反射光
は、複屈折マイクロレンズアレイ１５を経てＰＢＳプリ
ズム１４に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反
射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、
Ｐ偏光に変換されているので、複屈折マイクロレンズア
レイ１５を経てＰＢＳプリズム１４に戻ってここを透過
し、次の投影光学系１７に到る。投影光学系１７の光軸
をＬｂとする。

【００３３】この投影光学系１７により、表示パネル１
６の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。投
影光学系１７を形成する投影レンズ群の一部のレンズ
は、像シフト用レンズ１８として、アクチュエータ１９
により、矢印Ａで示す如く光軸Ｌｂと垂直方向に高速で
駆動される。これにより、表示情報を高画素化する事が
できる。詳しくは後述する。

【００３４】図２は、本実施形態における複屈折回折格
子と第１，第２レンズアレイとの関係を模式的に示す分
解斜視図である。同図では、レンズアレイ中の一部のセ
ルを代表して示してある。同図に示すように、本実施形
態では、第１レンズアレイ４の実線で示す各セルの辺方
向と第２レンズアレイ６の破線で示す各セルの辺方向と
が異なるようにし、複屈折回折格子３のブレーズ３ａの
溝方向を第２レンズアレイ６の各セルの辺方向に沿うよ
うにしている。具体的には第１レンズアレイ４の各セル
の辺方向の対角線方向が第２レンズアレイ６の各セルの
辺方向となるようにしている。

【００３５】図の左斜め下方に位置する図示しない上記
光源１及びリフレクター２からの光９は、複屈折回折格
子３のブレーズ３ａにより、実線で示す所定偏光面を持
つ光９ａと、それとは垂直な偏光面を持つ破線で示す光
９ｂとに偏光分離される。これらの光は、第１レンズア
レイ４のほぼ正方形に近い格子状に並んだ個々のセル
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄを透過し、第１レンズアレイ４とは異な
る方向に区切った長方形の格子状に並んだ第２レンズア
レイ６の個々のセルＡａ，Ｂａ，Ｃａ，Ｄａ上に、所定
偏光面を持つ光源像と、それとは垂直な偏光面を持つ光
源像とをそれぞれ作り出す。

【００３６】セルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄから、異なった方向に
並ぶセルＡａ，Ｂａ，Ｃａ，Ｄａに光源像を作るため
に、第１レンズアレイ４のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各セルは個々
に若干傾いているか、レンズ頂点が偏心している。即ち
レンズ頂点がセルの中心からずれている。同様に、第２
レンズアレイ６の各セルＡａ，Ｂａ，Ｃａ，Ｄａも個々
に傾いているか、レンズ頂点が偏心している。

【００３７】これら互いの光源像は、複屈折回折格子３
による分離方向、即ち第２レンズアレイ６の各セルの長
辺方向に並び、正しく列を成す。また、これらの光源像
は、実線及び破線の楕円（レンズアレイの正面から見れ
ば円）で示すように、第２レンズアレイ６の個々のセル
上に、或程度の大きさを持って投影される。ちなみに、
本例の座標系は、光源側から見た第１レンズアレイ４の
正面に向かって上方をｙ軸、右方をｘ軸としており、第
２レンズアレイ６の正面に向かって、各セルの辺方向に
沿った右斜め上方向をｙａ軸、右斜め下方向をｘａ軸と
している。

【００３８】このような構成によれば、第２レンズアレ
イ６における光源像の重なりが少なく、効率の良い偏光
変換を行う事ができる。このとき、例えば破線の楕円で
示した光源像の列に沿って、１／２波長板５を帯状にし
たものを貼付し、分離した光源像の偏光面を揃えれば良
い。ちなみに、第１，第２レンズアレイの各セルが同列
方向（辺方向が同じ）に並んだ従来の方式と、本実施形
態の光源サイズ及び第２レンズアレイ６のセルの面積は
等しい。

【００３９】また、本実施形態においては、２段のイン
テグレータ即ち第１，第２のインテグレータ光学系を用
いているので、表示パネル１６のアスペクト比にレンズ
アレイのセルを一致させるのは、第２のインテグレータ
光学系において行えば良い。このため、第１のインテグ
レータ光学系内の第１レンズアレイ４のセル形状を正方
形に近くする事ができ、第１レンズアレイ４の各セルの
辺方向と第２レンズアレイ６の各セルの辺方向とが異な
るようにするときの効果は顕著である。

【００４０】尚、インテグレータが１段の場合、第１レ
ンズアレイ４のセルは、表示パネル１６のアスペクト比
にほぼ等しくする必要がある。このような場合でも、第
１レンズアレイ４の各セルの辺方向と第２レンズアレイ
６の各セルの辺方向とが異なるようにする事により、従
来のように辺方向が同じ場合より効率がよい。図３は、
インテグレータが１段の場合の第１，第２レンズアレイ
の位置関係を模式的に示す正面図であり、アスペクト比
が４：３の場合を示している。同図に示すように、ここ
では第１レンズアレイ４の実線で示す各セルの一つの対
角線方向が、第２レンズアレイ６の破線で示す各セルの
長辺方向となるようにしている。

【００４１】ここでは図示しない上記光源１及びリフレ
クター２からの光９は、これも図示しない複屈折回折格
子３により、所定偏光面を持つ光と、それとは垂直な偏
光面を持つ光とに偏光分離される。これらの光は、第１
レンズアレイ４のアスペクト比が４：３の格子状に並ん
だ個々のセルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを透過し、第１レ
ンズアレイ４とは異なる方向に区切った長方形の格子状
に並んだ第２レンズアレイ６の個々のセルＡａ，Ｂａ，
Ｃａ，Ｄａ，Ｅａ，Ｆａ上に、所定偏光面を持つ光源像
と、それとは垂直な偏光面を持つ光源像とをそれぞれ作
り出す。

【００４２】これら互いの光源像は、複屈折回折格子３
による分離方向に並び、正しく列を成す。また、これら
の光源像は、実線及び破線の円で示すように、第２レン
ズアレイ６の個々のセル上に、或程度の大きさを持って
投影される。ちなみに、本例の座標系は、光源側から見
た第１レンズアレイ４の正面に向かって上方をｙ軸、右
方をｘ軸としており、第２レンズアレイ６の正面に向か
って、各セルの辺方向に沿った右斜め上方向をｙａ軸、
右斜め下方向をｘａ軸としている。

【００４３】本実施形態では、図２に示すように、複屈
折回折格子３の複屈折方向をブレーズ３ａの溝方向とな
るｙａ軸方向に揃えているので、偏光分離を行った実線
及び破線で示す２種の光９ａ，９ｂ、引いては実線及び
破線の楕円で示す２種の光源像は、偏光面がそれぞれｘ
ａ軸，ｙａ軸方向となる。ところが、これらの光が次に
入射する光学系のためには、偏光面はｙ軸方向に揃える
必要があるので、２種の光源像の列それぞれに、互いに
４５゜で交わる異なった光学軸を持つ帯状の１／２波長
板を用いて、偏光面を同時に揃えるようにしている。

【００４４】尚、偏光面を揃える他の方法として、ま
ず、２種の光源像の内の一方の光源像の列に帯状の１／
２波長板を用いて、他方の光源像と偏光面を揃えるよう
にした上で、偏光面全体を一挙にｙ軸方向に揃える１／
２波長板を第２レンズアレイ６全面に用いる事も可能で
ある。また、複屈折回折格子３の複屈折方向を、ブレー
ズ３ａの溝方向即ち第２レンズアレイ６の各セルの長辺
或いは短辺方向ではなく、第１レンズアレイ４の各セル
の長辺或いは短辺方向となるようにしても良い。また、
複屈折回折格子を用いる方法以外の偏光分離の方法を行
っても良い。

【００４５】図４は、本実施形態におけるダイクロイッ
クミラーと第３，第４レンズアレイとの関係を模式的に
示す分解斜視図である。図１で示したように、第２レン
ズアレイ６直後の第１の重ね合わせレンズ８とコンデン
サーレンズ１０（それぞれ図４では不図示）との間に、
Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）それぞれの波長領域の光
を反射するダイクロイックミラーＲ，Ｇ，Ｂがそれぞれ
異なった傾きで配置され、光軸Ｌで第１の重ね合わせレ
ンズを透過してきた光が、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれのダイク
ロイックミラーで反射され、それぞれ異なった角度の光
軸Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bでコンデンサーレンズ１０に到達する
ようにしている。

【００４６】上記複屈折回折格子，第１レンズアレイ，
第２レンズアレイでの偏光変換により、各ダイクロイッ
クミラーに当たる光は偏光面が揃えられているので、ダ
イクロイックミラーでの色分離特性がシャープであり、
色純度が良い。ダイクロイックミラーは、到達する偏光
面により色分離特性が異なるため、仮に偏光面が揃えら
れていない光がダイクロイックミラーに到達すると、色
分離が曖昧となって色純度の悪い状態となる。

【００４７】ＲＧＢで異なる方向からコンデンサーレン
ズ１０に到達した光は、コンデンサーレンズ１０の直後
に配置された第３レンズアレイ１１の個々のセル１１ａ
毎に、その後方に少し離れて配置された第４レンズアレ
イ１２の個々のセル１２ａ上に結像する。このとき、Ｒ
ＧＢで光の方向が異なるため、ＲＧＢそれぞれの光源像
ができる。本実施形態では、第３レンズアレイ１１及び
第４レンズアレイ１２の各セルは、図４に示すように２
列になっているため、ＲＧＢＲＧＢの６列の光源像がで
きる。

【００４８】本実施形態では、これまで述べてきたよう
に、第１，第２のインテグレータ光学系という、２段の
インテグレータを用いているが、これは、第２のインテ
グレータ光学系内の第４レンズアレイ１２上に結像する
各光源像毎のムラ（強度差）をなくし、また光源像の数
引いてはレンズアレイの分割数を少なくするためであ
る。例えば同図のＧの光源像は、それぞれ同じ強度を持
ち、高々２列となっている。尚、設計上の基準として
は、第１レンズアレイの分割数は、粗い方（縦及び横方
向の分割の内、分割数が少ない方）で４列以上であり、
第３レンズアレイの分割数は、同じく粗い方で高々２〜
４列である。

【００４９】また、本実施形態の光学系は、１段目のイ
ンテグレータ（第１のインテグレータ光学系）、色分解
のためのダイクロイックミラー、２段目のインテグレー
タ（第２のインテグレータ光学系）の構成となっている
が、インテグレータが１段しかない場合、通常は、光源
側から順にインテグレータ，ダイクロイックミラーの順
に配置される。尚、本実施形態で、ダイクロイックミラ
ーの後に２段目のインテグレータを用いているのは、ダ
イクロイックミラーに入射する光の、その入射角の違い
により生じる色ムラを抑えるためでもある。

【００５０】図５は、本実施形態における複屈折マイク
ロレンズアレイと表示パネルとの関係を模式的に示す図
である。図１でも示したように、表示パネル１６の直前
には、複屈折材料により構成される複屈折マイクロレン
ズアレイ１５が配置されている。そして、上記ダイクロ
イックミラーと第３，第４レンズアレイによってＲＧＢ
に色分解された光９は、この複屈折マイクロレンズアレ
イ１５によって、各色毎に表示パネル１６の異なる画素
ＲＧＢをそれぞれ照明する。尚、同図の複屈折マイクロ
レンズアレイ１５及び表示パネル１６の左右は、図示を
省略している。

【００５１】本実施形態では、２段のインテグレータを
用いているので、光源像間の色ムラもなく、複屈折マイ
クロレンズアレイ１５上のマイクロレンズ１５ａ一つに
つき、一色当たり高々２〜３列（本例では２列）の光源
像となっている。このため、複屈折マイクロレンズアレ
イ１５と表示パネル１６の画素との間隔が２００μｍ〜
３００μｍと適切であり、マイクロレンズ１５ａ個々の
Ｆナンバーが４〜５と回折限界以上の明るさで、良好な
集光となる。

【００５２】また、表示パネル１６として使用される、
例えば最近の液晶表示パネルは、高画素化のため画素ピ
ッチが１０〜２０μｍとなっているが、各マイクロレン
ズでの回折による結像のボケ量（１．２２×波長λ×Ｆ
ナンバー）は、本実施形態では２〜３μｍと画素ピッチ
の数分の１であり、回折による結像のボケは問題になら
ない。

【００５３】また、本実施形態では、２段のインテグレ
ータにより、第４レンズアレイ１２の光源像毎に強度の
差が殆どないため、図６のように、２絵素（１絵素とは
表示パネル上のＲＧＢ３画素を１組としたもの）に対し
て一つのレンズ（マイクロレンズ１５ａ）となる複屈折
マイクロレンズアレイ１５を用いても、絵素毎のムラが
ない。同図においては、焦点距離（即ちマイクロレンズ
と画素との間隔）が図５と同じで、マイクロレンズのピ
ッチが倍となっているので、作成が容易である。従来の
１段のインテグレータの構成でこの方式を用いると、表
示パネル上の絵素毎に、それに寄与するレンズアレイ上
の光源像が異なるため、隣合う絵素毎に明るさムラが生
じる。

【００５４】図７は、複屈折マイクロレンズアレイの材
料構成を示す模式図である。本実施形態では、表示パネ
ル１６として反射型液晶表示パネルを用いているので、
この場合、表示パネル１６直前の複屈折マイクロレンズ
アレイ１５（或いはシリンダーレンズアレイ等の断面が
レンズ形のレンチキュラータイプ）には、表示パネル１
６へ入射する照明光と表示パネル１６から反射した投影
光との両方が通過する事となる。表示パネル１６へ入射
する照明光は前述のように作用するが、反射した投影光
は、このままでは複屈折マイクロレンズアレイ１５によ
り光線が乱され、画質が劣化する。

【００５５】これに対処するため、本実施形態では、複
屈折マイクロレンズアレイ１５を、等方性の光学材料と
複屈折特性を持つ光学材料とで構成している。同図にお
いて、表示パネル１６へ入射する照明光は、或特定の偏
光面、例えば紙面に垂直な偏光面を持ち、反射した光の
内、映像の表示に有効な投影光は偏光面が回転してい
て、例えば紙面に沿った偏光面を持つ。

【００５６】そこで、複屈折マイクロレンズアレイ１５
を構成する、マイクロレンズ１５ａより上側にある等方
性の光学材料の屈折率をＮとし、マイクロレンズ１５ａ
より下側にある複屈折材料の、照明光の偏光面に対する
屈折率をＮｅ、投影光の偏光面に対する屈折率をＮｏと
する。このとき、Ｎ＝Ｎｏとする事により、複屈折マイ
クロレンズアレイ１５は、照明光に対してはマイクロレ
ンズアレイとして働き、投影光に対しては単なる透明平
板となる。これにより、反射型表示パネルを用いても、
投影光の画質を劣化させる事がなくなる。

【００５７】但し、同図では、説明のために、照明光が
表示パネル１６に対して斜め方向に入射し、投影光とし
て反対側の斜め方向へと反射する形で描いているが、実
際は照明光，投影光共、主な光軸は表示パネル１６に対
して垂直である。尚、図６，ず７の複屈折マイクロレン
ズアレイ１５及び表示パネル１６の左右は、図示を省略
している。また、以上に述べてきた光源１から複屈折マ
イクロレンズアレイ１５までの構成を、照明光学装置と
呼ぶ。

【００５８】図８は、投影光学系における画素シフトの
原理を模式的に示す斜視図である。本実施形態では、上
記表示パネル１６は単板であるので、例えば解像度がＸ
ＧＡ（１０２４画素×７６８画素）の表示を行うために
は、ＲＧＢ各色に対してそれぞれ画素が必要であるの
で、そのままでは１つの表示パネルでＸＧＡ画素の３倍
の画素が必要となり、表示パネルが大きくなってコスト
もかかる。そこで、単板でありながら表示パネルの画素
数をＸＧＡと同じにして、スクリーンに表示する画素を
高速でずらす事により、カラーのＸＧＡ表示が可能とな
る。

【００５９】具体的には、同図の投影光学系１７の一部
のレンズを、像シフト用レンズ１８として、矢印Ａで示
す如く光軸Ｌｂと垂直方向に高速で駆動する。このと
き、表示パネル１６からの投影光の内、代表的にＧの光
に注目すると、同図（ａ）においてスクリーン２０上で
Ｇの列であった位置に、矢印Ｂで示すように同図（ｂ）
においてＲの列が来るようにし、更に矢印Ｃで示すよう
に同図（ｃ）においてＢの列が来るようにする。そし
て、最後には矢印Ｄで示すように同図（ａ）の状態に戻
る。以上のように３つの状態を高速で繰り返す。また、
各状態に応じて表示の内容も切り替えて制御を行う。

【００６０】像シフト用レンズ１８の駆動は、図１で述
べたアクチュエータ１９により、画素サイズと同オーダ
ー、即ち１０μｍから数１０μｍの単位で行われる。ア
クチュエータとしては、例えばＭＣ（ムービングコイ
ル）やＭＭ（ムービングマグネット）等が、高出力で高
速駆動するのに適している。

【００６１】図９は、本実施形態において、表示パネル
にレンズ効果を持たせる場合の、複屈折マイクロレンズ
アレイと表示パネルとの関係を模式的に示す図である。
同図（ａ）は通常の反射型液晶表示パネルを表示パネル
１６として用いる場合、同図（ｂ）はレンズ効果を持つ
反射型液晶表示パネルを表示パネル１６として用いる場
合であり、両者を比較している。実際は、複屈折マイク
ロレンズアレイ１５からの照明光が、表示パネル１６で
反射されて、投影光として再び複屈折マイクロレンズア
レイ１５へと戻って行くのであるが、同図では表示パネ
ル１６を軸として、光路を左右に展開して示している。

【００６２】同図において、複屈折マイクロレンズアレ
イ１５（ここでの屈折率Ｎｅ＝１．６５，Ｎ＝１．５）
からの照明光が表示パネル１６へと入射するとき、例え
ば当初のＦナンバーが約２．４であり、マイクロレンズ
１５ａ一つにつき２絵素即ちＲＧＢＲＧＢの６個の光束
が存在している。これが、同図（ａ）で示す通常の場合
は、表示パネル１６で反射されて、投影光として再び複
屈折マイクロレンズアレイ１５（ここでの屈折率Ｎ＝
１．５，Ｎｏ＝１．５）へと戻り、最終的にＦナンバー
が約１．６となるように広がって図示しない投影光学系
へと出て行く事となる。そうすると、投影光学系もＦ
１．６程度のものが必要となり、装置が大型化してコス
トアップとなる。

【００６３】ここで、同図（ｂ）に示すように、表示パ
ネル１６の絵素毎に矢印ａ，ｂ，ｃでそれぞれ示す範囲
に、レンズ効果を生じるパワーを持たせると、投影光が
最終的にＦ２．４程度を保ったまま出て行くようにな
る。これにより、撮影光学系もＦ２．４程度のもので済
み、小型化，コストダウンを図る事ができる。

【００６４】図１０は、そのレンズ効果を持つ反射型液
晶表示パネルの具体的な構成を模式的に示す図である。
同図（ａ）に示すように、表示パネル１６の底部には各
画素１６ａが並んでおり、その上面に絵素単位に反射型
回折格子１６ｂが形成されている。これはアルミより成
り、電極を兼ねるものである。反射型回折格子１６ｂの
表面の凹凸を埋めるために、その上面には樹脂材料等よ
り成る透過部材層１６ｃが設けられている。そして、そ
の上に強誘電液晶層１６ｄが形成され、更にその上に透
明な平板である上ガラス１６ｅが載せられている。この
反射型回折格子１６ｂにより、表示パネル１６が、照明
光反射時にレンズ効果を生じるパワーを持つ。

【００６５】ところで、反射型液晶表示素子は、通常の
ＩＣ素子と同様にして、層を重ねる事により作成され
る。従って、反射型回折格子１６ｂも、同図（ｂ）に示
すように、アルミの層を階段状に重ねるようにして作成
される事となる。ここでの段数は４段程度であり、格子
の高さは一定である。

【００６６】尚、請求項７で言う偏光分離装置は、実施
形態における複屈折回折格子に対応している。

【００６７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
従来よりも表示パネルへの照明効率が良く、しかも均一
に照明する事ができる照明光学装置及びそれを用いた表
示光学装置を提供する事ができる。

【００６８】また、本発明では、第１のインテグレータ
の分割数を粗い方で４列以上とし、大きいスパンでの明
るさムラをなくすとともに、第２のインテグレータの分
割数を粗い方で２〜４列とし、レンズアレイのセル毎に
ＲＧＢの光源像を作るが、その間隔が粗くても、大きい
スパンでの明るさムラの心配がなく、また、分割数が細
かすぎる事による回折の問題もない。

【００６９】また、この２段のインテグレータにより、
第４レンズアレイのセル上にできる光源像は、各光源像
の間に明るさのムラがなく、複数絵素当たり１つのマイ
クロレンズを持つマイクロレンズアレイを使用しても、
小さいスパンでの明るさムラが生じない。

【００７０】また、第１のインテグレータで偏光変換を
行い、色分離装置に到る光を偏光の揃った状態にし、更
に、第２のインテグレータに到るときに発生している場
所毎の色ムラを、第２のインテグレータにより少なくす
る事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態の全体構成図。

【図２】本実施形態の複屈折回折格子と第１，第２レン
ズアレイとの関係を模式的に示す分解斜視図。

【図３】インテグレータが１段の場合の第１，第２レン
ズアレイの位置関係を模式的に示す正面図。

【図４】ダイクロイックミラーと第３，第４レンズアレ
イとの関係を模式的に示す分解斜視図。

【図５】複屈折マイクロレンズアレイと表示パネルとの
関係を示す模式図。

【図６】２絵素に対して一つのレンズとなる場合を示す
模式図。

【図７】複屈折マイクロレンズアレイの材料構成を示す
模式図。

【図８】投影光学系における画素シフトの原理を模式的
に示す斜視図。

【図９】表示パネルにレンズ効果を持たせる場合の、複
屈折マイクロレンズアレイと表示パネルとの関係を示す
模式図。

【図１０】レンズ効果を持つ反射型液晶表示パネルの構
成を示す模式図。

【図１１】従来の照明光学装置の概略断面構造を示す
図。

【図１２】従来の一例であるマイクロレンズアレイと表
示パネルとの関係を模式的に示す図。

【図１３】従来の他の例であるマイクロレンズアレイと
表示パネルとの関係を模式的に示す図。

【符号の説明】

１ 光源 ２ リフレクター ３ 複屈折回折格子 ４ 第１レンズアレイ ５ １／２波長板 ６ 第２レンズアレイ ７ ＵＶＩＲカットフィルター ８ 第１の重ね合わせレンズ １０ コンデンサーレンズ １１ 第３レンズアレイ １２ 第４レンズアレイ １３ 第２の重ね合わせレンズ群 １４ ＰＢＳプリズム １５ 複屈折マイクロレンズアレイ １６ 表示パネル １７ 投影光学系 １８ 像シフト用レンズ １９ アクチュエータ ２０ スクリーン Ｒ，Ｇ，Ｂ ダイクロイックミラー

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源からの光を所定の偏光方向に揃える
   ための偏光変換装置と、該所定の偏光方向の光を所定の
   波長領域毎に異なった方向に分離する色分離装置と、前
   記各波長領域毎の光を分割して再統合するインテグレー
   タ装置とを備えた事を特徴とする照明光学装置。
2. 【請求項２】 前記色分離装置は、複数のダイクロイッ
   クミラーより成る事を特徴とする請求項１に記載の照明
   光学装置。
3. 【請求項３】 前記インテグレータ装置は、２つのレン
   ズアレイより成る事を特徴とする請求項１又は請求項２
   に記載の照明光学装置。
4. 【請求項４】 光源側より順に、第１レンズアレイ及び
   第２レンズアレイより成る第１のインテグレータと、第
   ３レンズアレイ及び第４レンズアレイより成る第２のイ
   ンテグレータとを有し、前記光源からの光が前記第１の
   インテグレータにより重畳されて前記第２のインテグレ
   ータを照明し、該照明された光が該第２のインテグレー
   タにより重畳されて表示パネルを照明する事を特徴とす
   る照明光学装置。
5. 【請求項５】 前記第３レンズアレイの格子状に配列さ
   れた各セルは、前記表示パネルと略相似形である事を特
   徴とする請求項４に記載の照明光学装置。
6. 【請求項６】 前記第１レンズアレイの分割数は、縦及
   び横方向の分割の内、分割数が少ない方で４列以上であ
   り、第３レンズアレイの分割数は、同じく分割数が少な
   い方で２列以上３列以下である事を特徴とする請求項４
   又は請求項５に記載の照明光学装置。
7. 【請求項７】 前記光源と前記第１レンズアレイとの
   間、或いは該第１レンズアレイと前記第２レンズアレイ
   との間、或いは該第２レンズアレイ直後に、前記光源か
   らの光を互いに偏光方向の異なる２種類の光に分離する
   偏光分離装置を備え、該偏光分離装置と前記第１のイン
   テグレータとにより、前記光源からの光を所定の偏光方
   向に揃えるための偏光変換装置を構成し、前記第１のイ
   ンテグレータと前記第２のインテグレータとの間に、前
   記所定の偏光方向の光を所定の波長領域毎に異なった方
   向に分離する色分離装置を備えた事を特徴とする請求項
   ４乃至請求項６のいずれかに記載の照明光学装置。
8. 【請求項８】 前記第２のインテグレータと前記表示パ
   ネルとの間に、マイクロレンズアレイを備え、該マイク
   ロレンズアレイは、そのマイクロレンズ一つにつき一色
   当たり２或いは３列の光源像を前記表示パネルに結像す
   る事を特徴とする請求項４乃至請求項７のいずれかに記
   載の照明光学装置。
9. 【請求項９】 前記表示パネルからの投影光を画素毎に
   シフトして投影する投影光学系を備えた事を特徴とす
   る、請求項４乃至請求項８のいずれかに記載の照明光学
   装置を用いた表示光学装置。