JP2001228532A

JP2001228532A - 投射型表示装置及びこれを用いた情報処理システム並びに画像記録再生システム

Info

Publication number: JP2001228532A
Application number: JP2000037911A
Authority: JP
Inventors: Shuichi Kobayashi; 秀一小林; Takehiko Nakai; 中井　　武彦
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-02-16
Filing date: 2000-02-16
Publication date: 2001-08-24
Also published as: US6565212B2; US20010024267A1

Abstract

(57)【要約】【課題】回折光学素子を用いて投射型表示装置におけ
る投射光学系の高性能化と小型化を図り、かつ、寄生回
折光の発生を低減する。【解決手段】光源部と、光源部より出力された光を、
複数の波長領域ごとに光路を分ける色分解手段と、色分
解手段により分けられた各光路上に配置され、その光路
上の波長領域の光に照明されるように光路ごとに配置さ
れた複数の画像表示素子１２３ｒ，１２３ｇ，１２３ｂ
と、各画像表示素子からの光路を合成する色合成手段Ｘ
ＤＰと、色合成手段によって合成された光路を投射面に
投射することにより、各画像表示素子上の画像を前記投
射面で重ねる投射手段１２２と、を有し、複数の画像表
示素子と色合成手段との間の各光路のうちの少なくとも
１つの光路に、回折光学素子１２４を配置した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、投射型表示装置及
びこれを用いた情報処理システム並びに画像記録再生シ
ステムに関し、特に、複数の画像表示素子を用いたいわ
ゆる多板式の投射型表示装置の投射光学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶パネルなどの画像表示素子等
の表示画像を拡大投影するための投射型表示装置が注目
されており、表示画像の画質、表示画像の明るさ、装置
全体の小型化、軽量化に関しての一層の向上が望まれて
いた。

【０００３】投射型表示装置には、１枚の液晶パネルを
用いる単板式のものと、複数の液晶パネルを用いる多板
式のものがある。高画質をねらったものとしては、液晶
パネルを赤、緑、青の光に対応させて用いた３板式のも
のが多く、以下に、３板式等の多板式の液晶パネルを用
いた投射型表示装置について説明する。

【０００４】ここでは、図２４を参照して、一般的な多
板式の投射型表示装置の構成について説明する。図２４
において、１０１は、投射型表示装置における光学系の
概要を示したものである。投射型表示装置の光学系１０
１は、主として照明光学系１１０と投射光学系１０２よ
り構成されており、液晶パネル等の画像表示素子１０５
（１０５ａ〜１０５ｃ）を照明光学系１１０により照明
し、照明された画像表示素子１０５の画像を投射光学系
１０２によりスクリーン１１２上に結像するような構成
となっている。

【０００５】なお、この照明光学系１１０では、画像表
示素子１０５が、第１の液晶パネル１０５ａ，第２の液
晶パネル１０５ｂ，第３の液晶パネル１０５ｃの３板式
となっており、これら各液晶パネル１０５ａ，ｂ，ｃ
は、図示しない電気回路によって駆動され、投射すべき
画像を表示する透過型のパネルとなっている。

【０００６】以下に、照明光学系１１０からスクリーン
１１２に至るまでの光路及び各光学素子について説明す
る。照明光学系１１０において、１０９は光源部であ
り、白色光を発光する光源１０９ａと、光源１０９ａか
らの光線を平行化するリフレクタ１０９ｂとから構成さ
れている。１０８は、照明光の均一性を高めるインテグ
レータ部であり、ここでは、フライアイインテグレータ
の場合を示している。このインテグレータ部１０８に
は、照明光の利用効率を高めるための偏光変換素子等が
配置される場合もある。

【０００７】照明光学系１１０において、１０６は色分
解系であり、光源１０９ａからの白色光を波長領域毎
に、すなわち色に応じて光路を分解する。ここでは、便
宜上、色分解系１０６が光源１０９ａからの白色光を、
λ１、λ２、λ３の３つの代表波長に分解するものとし
て説明する。なお実際には、各光路は、それぞれ波長λ
１、λ２、λ３を含み、かつ、略λ１、λ２、λ３が透
過する光の波長中心あるいは透過率が最大となってお
り、それぞれ赤、緑、青の各色に対応する。

【０００８】色分解系１０６において、１０６ａは第１
のダイクロイックミラーであり、光源１０９ａからの白
色光のうち波長λ１の光のみを透過し、波長λ２、λ３
の光を反射する機能を有する。第１のダイクロイックミ
ラー１０６ａで透過された波長λ１の光は、偏向手段１
０７で偏向され、レンズを介して第１の液晶パネル１０
５ａを照明する。一方、第１のダイクロイックミラー１
０６ａで反射された波長λ２、λ３の光は、第２のダイ
クロイックミラー１０６ｂに入射される。

【０００９】第２のダイクロイックミラー１０６ｂは、
波長λ２の光を反射し、波長λ３の光を透過するように
なっている。これにより、第２のダイクロイックミラー
１０６ｂで反射された波長λ２の光は、レンズを介して
第２の液晶パネル１０５ｂを照明する。さらに、第２の
ダイクロイックミラー１０６ｂを透過した波長λ３の光
は、偏向手段１０７及びレンズが複数設けられたリレー
系１１１を介して、第３の液晶パネル１０５ｃを照明す
る。

【００１０】投射光学系１０２においては、色合成の作
用を奏するクロスプリズム（クロスダイクロプリズム）
１０４を備えており、このクロスプリズム１０４の各入
光部の近傍に、上述した透過型の各液晶パネル１０５ａ
〜１０５ｃが配されている。これにより、投射光学系１
０２では、波長λ１、λ２、λ３の光の各光路を合成す
るようになっている。また、クロスプリズム１０４の光
出力側には投射レンズ１０３が配されており、これによ
り、照明された各液晶パネル１０５ａ，ｂ，ｃがスクリ
ーン１１２に重ねて投射されるようになっている。

【００１１】以上のような構成を有する投射型表示装置
では、第１の液晶パネル１０５ａ、第２の液晶パネル１
０５ｂ、第３の液晶パネル１０５ｃの照明光がクロスプ
リズム１０４で合成されて画像の形態となり、投射レン
ズ１０３から投射されて、スクリーン１１２上で重ねて
表示される。このため、投射型表示装置では、各液晶パ
ネル１０５ａ〜ｃを構成する画素が相互に重なっている
ことが必要となり、光学系１０１の諸収差の低減、とり
わけ投射光学系１０２の倍率色収差の低減が一層望まれ
ていた。

【００１２】従来より、色収差の低減に関しては、屈折
光学系の中に回折光学素子を配置することで色収差を大
幅に低減できるという技術が、特開平０６−１９４５０
９号公報「回折光学素子を含む光学系および回折光学素
子」、特開平０８−０４３７６７号公報「撮像光学
系」、特開平１０−２１３７４４号公報などで開示され
ている。

【００１３】図２５（ａ），（ｂ）は、それぞれ特開平
０８−０４３７６７号公報と特開平１０−２１３７４４
号公報に開示された光学系の断面を示している。図２５
（ａ）では、望遠レンズ等についての撮像光学系が開示
されており、その最も物体側に位置する平行平板部のｒ
３の面を回折光学素子の形成面とすることにより、低分
散ガラスや超低分散ガラス等を用いることなく、良好に
色収差を低減している。

【００１４】一方、特開平１０−２１３７４４号公報に
は、図２５（ｂ）に示すように、負メニスカスレンズと
正メニスカスレンズとを備えたレンズ群ＧＲ１と、両凸
の正レンズと絞り（Ａ）と負メニスカスレンズと正メニ
スカスレンズとを備えたレンズ群ＧＲ２からなる有限距
離用のズームレンズについての光学系が開示されてお
り、図２５（ｂ）中に（ＨＯＥ）と示されている面、す
なわち、レンズ群ＧＲ１の正メニスカスレンズの凸面ｒ
３＊と、レンズ群ＧＲ２の正メニスカスレンズの凸面ｒ
１１＊とに回折光学素子が形成されており、各レンズ群
ＧＲ１，ＧＲ２におけるレンズの枚数削減と、ズームレ
ンズの小型化、高性能化を実現したとしている。

【００１５】これらの色収差の低減は、回折光学素子
が、アッベ数に換算するとνｄ＝−３．４５３程度とな
る光学ガラスの分散と反対の特性を有し、しかも高分散
特性を有するために実現される。また、回折光学素子
は、格子構造がその特性を発現するため、非常に薄いも
のであり、これによって光学系の小型化も実現される。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】回折光学素子は、上述
のような性質を有しているため、光学性能の著しい向上
をもたらすものの、回折により生じる寄生回折光を考慮
することが必要である。

【００１７】ここで、寄生回折光と回折について説明す
る。図２６のように、回折格子への入射角が０°のとき
を説明する。ここで、回折格子の格子間隔をＰ、波長を
λ、回折次数をｍとするとき、ｍ次の回折光が偏向する
角θは、ｍ・λ＝ｐｓｉｎθ ・・・（式１）を満たす方向に回折する。また、波長λｏで回折効率が
１００％となるように設計した場合、波長λ、ｍ次の回
折効率η_m は、 η_m ＝ｓｉｎｃ² （λｏ／λ−ｍ）・・・（式２）となる。この式より、回折効率は波長依存性があること
が分かり、（式２）で例えば、 λ＝λｏかつｍ＝１のとき、回折効率は１００％となるが、それ以外の波長
では、ｍ＝１の場合の回折効率が１００％とならず、寄
生回折光が発生する。

【００１８】図２７（ｂ）に示される特性は、設計次
数の回折効率のピークが波長で５３０ｎｍになるように
した場合の、回折効率の波長依存性を示したものであ
る。この図から分かるように、設計次数のピーク波長５
３０ｎｍ近傍では、回折効率は１００％であるものの、
４００ｎｍ，７００ｎｍでは大幅に回折効率が低下して
いる。

【００１９】この設計次数における回折効率の低下分
は、寄生回折光となり、前記（式１）に従い、設計次数
とは別の方向に回折していくことになる。このため、従
来例でも、輝度の高く、かつ可視光領域といったよう
な、光源が幅広い波長領域を有する画像を撮影する等の
場合に、この寄生回折光が像を劣化させるなどの問題が
あった。

【００２０】また、回折効率を最大とする波長に関して
は、設計次数を１次、設計波長をλｏとした場合、図２
６に示すように、回折光学素子の格子部の高さをｄ、波
長λｏの回折光学素子構造部の屈折率をＮｏ、空気の屈
折率を１としたときに、 λｏ＝ｄ（Ｎｏ−１）・・・（式３）を満たすときに、λｏの波長の回折効率が１００％とな
る。一方、λｏ以外の波長においては、（式３）の関係
が成り立たないので、回折効率の波長依存性が現れる。

【００２１】このような可視光域のように幅広い波長領
域、あるいは複数の波長領域で使用する回折光学素子の
寄生回折光による像劣化の問題に対して、特開平０８−
２２０４８２号公報に、この像劣化の低減を実現した技
術が開示されている。以下に、この技術について図２７
を参照して説明する。

【００２２】図２７（ａ）は、光学系の断面概要を示し
たものであり、照明光学系１により物体２を照明し、そ
の像を投影光学系３を介して像面４に結像させる光学系
である。物体２を照明するための照明光学系１は、例え
ば、可視の白色光を発する光源５、コレクタレンズ６、
開口絞り７，コンデンサレンズ８、領域分割された波長
選択素子９を備える。一方、物体２を投影するための投
影光学系３は、レンズ群１２，１３と、同心円状のレリ
ーフパターンが形成されたレリーフパターン面１０を有
する回折光学素子１１とにより構成される。

【００２３】ここで、回折光学素子１１は、投影光学系
３の瞳上にあり、そのレリーフパターン面１０が図２７
（ｃ）に示すように、領域分割されている。回折光学素
子１１における図２７（ｃ）中の各領域Ａ，Ｂ，Ｃは、
それぞれ、図２７（ｂ）の各特性、、に対応した
回折効率を有しており、これにより回折格子１０の全域
で、均一の回折効率が得られる。

【００２４】しかしながら、このような光学系であって
も、例えば領域Ｃの回折効率を図２７（ｂ）の特性と
すると、４００ｎｍ付近での回折効率は非常に小さいた
め、瞳上全域に広い波長領域の光が入射すると、寄生回
折光が生じることとなってしまう等の問題がある。

【００２５】このような回折光学素子の回折効率の波長
依存性を低減する方法としては、特開平０９−１２７３
２１号公報に開示された技術が挙げられる。図２８は、
その構造の概要を示したものである。図２８のように、
積層された複数の光学材料を有する回折格子を構成する
ことで、回折効率の波長依存性を低減している。しかし
ながら、この場合には、格子構造が複雑になるといった
問題があった。

【００２６】以上のような問題点に鑑み、本発明の目的
は、高性能化と小型化を達成し、かつ、簡単な構成の回
折光学素子を用いた場合でも、寄生回折光の発生を低減
するような投射光学系を備えた投射型表示装置、及びこ
れを用いた情報処理システム並びに画像記録再生システ
ムを提供することにある。

【００２７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の投射型表示装置は、光源部と、光源部より
出力された光を、複数の波長領域ごとに光路を分ける色
分解手段と、色分解手段により分けられた各光路上に配
置され、その光路上の波長領域の光に照明されるように
光路ごとに配置された複数の画像表示素子と、各画像表
示素子からの光路を合成する色合成手段と、色合成手段
によって合成された光路を投射面に投射することによ
り、各画像表示素子上の画像を前記投射面で重ねる投射
手段と、を有し、複数の画像表示素子と色合成手段との
間の各光路のうちの少なくとも１つの光路に、回折光学
素子を配置したことを特徴としている。

【００２８】回折光学素子は、薄いので空間的な制約を
受けにくく、また回折光学素子を光学系中に配置するこ
とで、諸収差、特に、倍率色収差の大幅な低減を達成し
つつ、レンズ枚数の削減を図ることが可能となる。

【００２９】また、色分解されている光路上に回折光学
素子が位置するため、ある分光領域に限った個別の収差
補正が可能となり、結像性能が大幅に向上する。さらに
は、収差補正をある分光領域に限ることで、寄生回折光
を低減することができる。

【００３０】このため、回折光学素子が配置された光路
における波長領域の中心波長、あるいは最も透過率の高
い波長をλｃとし、回折光学素子の最も回折効率の高い
波長をλｉとするとき、０．０＜ＡＢＳ（（λｉ−λｃ）／λｃ）＜０．１４であることが望ましい。

【００３１】上式中、ＡＢＳは、括弧内の数値の絶対値
を表す。また、λｃは、可視光の４００ｎｍ〜７００ｎ
ｍの中となり、λｉは、４００〜５００、５００〜６０
０、６００〜７００ｎｍのいずれかの波長領域の中のあ
る波長を表すものとなる。

【００３２】各画像表示素子を透過型のものとする場合
には、回折光学素子については、透過型の位相格子とす
ることが望ましい。

【００３３】また、回折光学素子を表す位相関数として φ（ｒ）＝２π／λｏ・Ｆ（ｒ）Ｆ（ｒ）＝ΣＣｉ・ｒ²ⁱ ＝Ｃ１・ｒ² ＋Ｃ２・ｒ⁴ ＋Ｃ３・ｒ⁶ ＋Ｃ４・ｒ⁸ ＋Ｃ５・ｒ¹⁰＋・・となる。但し、ｒは光軸からの距離である。

【００３４】位相差として２πを与える構造が１周期と
なるとすれば、ピッチをＰとすれば２π／λ・（∂Ｆ（ｒ）／∂ｒ）・Ｐ＝２π よりＰ＝λ／（∂Ｆ（ｒ）／∂ｒ）となる。

【００３５】このピッチＰが、波長λに対して比較的大
きいこと、および、この部分を通る光束が少なくとも複
数のピッチを覆うことが必要となる。

【００３６】図２９のように、回折光学素子から像面
（焦点面）までの距離をｌとし、そのときの光束の開き
角をφとすると、格子上では、Ｄ＝２（ｌｔａｎφ）の
光束の広がりがあることになる。回折の効果を得るため
には、Ｐ＜Ｄとなることが望ましい。したがって、Ｐ＜
Ｄとなる。

【００３７】また、ピッチＰについては、製造上及び偏
光特性等より、５μｍ以上とすることが望ましい。

【００３８】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、図面を参
照しながら詳細に説明する。なお、以下の実施の形態で
は、図２４で説明した投射型表示装置のうちの投射光学
系側の構成について図示及び説明し、照明光学系１１０
側については従来と同様なものが使えるため、図示及び
説明を省略する。

【００３９】（第１の実施の形態）本発明の第１の実施
の形態を以下に説明する。図１及び図２は、第１の実施
の形態の投射型表示装置における投射光学系１２０の断
面を示したものであり、図１がワイド端における断面
図、図２がテレ端における断面図である。１２１は光
軸、１２３ｒ，ｇ，ｂはそれぞれ赤、緑、青の焦点面を
表しており、不図示の液晶パネル等の画像表示素子が、
それぞれの色に応じてこの位置付近に配置される。投射
光学系１２０において、Ｇ１〜Ｇ５は光学系を構成する
第１群から第５群のレンズ群を表しており、図１及び図
２に示すように、レンズ群Ｇ２，Ｇ３、Ｇ４を光軸方向
に動かしてズーミングする構成になっている。

【００４０】フォーカシングは、レンズ群Ｇ１を光軸方
向に動かすことで行う構成となっている。レンズ群Ｇ５
は固定である。

【００４１】ＸＤＰは、色合成系であるダイクロプリズ
ムである。このダイクロプリズムＸＤＰは、図３に示す
ように、緑、赤、青のそれぞれ波長領域の異なる光を合
成するように構成されたクロスプリズムとなっている。

【００４２】図１中では、緑、赤、青の各波長領域に対
応するダイクロプリズムＸＤＰ以降ｍの光軸を１２５
ｒ，ｇ，ｂで表している。そして、本実施の形態の光学
系では、ダイクロプリズムＸＤＰの入光面の近傍かつ青
の焦点面１２３ｂとの間の光路１２５ｂ上に、回折光学
素子を表面に形成した光学素子（以下、回折光学素子と
いう。）１２４が配置されている。

【００４３】図４は、第１の実施の形態の投射光学系１
２０における各光学素子の曲率半径、屈折率、アッベ
数、光学素子間の間隔等についての具体的な数値（設定
値）の一例を示している。本実施の形態では、青の光路
上のみに、回折光学素子を配置しており、第２４面のダ
イクロプリズム以降の光路設定値を別に示す。なお、赤
と緑の光路は、青の光路と面番号で揃えるため、ダミー
面２５，２６面を入れて示している。間隔は、５５０ｎ
ｍを基準に示している。以下の説明では、この設定値に
基づいて構成された光学系についての特性について説明
する。

【００４４】図５及び図６は、第１の実施の形態のワイ
ド端及びテレ端の縦収差図であり、図７（ａ）及び
（ｂ）はワイド端及びテレ端の倍率色収差を表してい
る。この倍率色収差は、光路１２５ｇ上の波長（５５０
ｎｍ）を基準として、４７０ｎｍ，６２０ｎｍのそれぞ
れの焦点面における主光線の光線高さの差で表示してい
る。

【００４５】このとき、回折光学素子１２４は、設計波
長５５０ｎｍ、設計次数１次となっており、位相関数φ
（ｒ）は、 φ（ｒ）＝（２π／λｏ）・（Ｃ１・ｒ² ＋Ｃ２・ｒ⁴ ＋Ｃ３・ｒ⁶ ＋Ｃ４・ｒ⁸ ＋Ｃ５・ｒ¹⁰＋ｃ６・ｒ¹²）＝（２π／λｏ）・Σ（Ｃｉ・ｒ²ⁱ）で与えられるものであり、図４中に示した係数で表現さ
れる。

【００４６】λｏは位相関数の設計波長である。格子構
造のピッチＰについては、この位相関数から決定され
る。設計次数を１次とした場合、位相関数における位相
差が２πとなるように格子形状が決定される（図８）。

【００４７】格子の高さｈは、回折効率の波長依存性に
対して大きく影響する。

【００４８】格子の高さをｈ、屈折率をＮ（λ）とする
と、光路差ＬはＬ＝（Ｎ（λ）−１）ｈで与えられ、透過する波長をλとすると、位相差は２π
・Ｌ／λとなる。

【００４９】これが２πのとき、回折効率は波長λで最
大となる。

【００５０】本実施の形態では、青色の光（代表波長と
して４７０ｎｍ）の光路に回折光学素子１２４を配置し
てあるので、青の回折効率は高くなければならない。

【００５１】図９は、回折光学素子１２４を構成する材
料の屈折率を１．５２４、アッベ数を５０．７８、格子
の高さを０．９μｍとした場合における、光線入射角度
と回折効率の波長依存性について表した特性図であり、
図９（ａ）が光線入射角を０度とした場合、図９（ｂ）
が光線入射角を１５度とした場合、図９（ｃ）が光線入
射角を−１５度とした場合について示している。図中、
０、１、２はそれぞれの回折次数を表している。

【００５２】図９（ａ）より、光線入射角を０度とした
場合には、４７０ｎｍ近傍の回折効率が９０％以上と高
く、その波長領域では０次、２次といった寄生回折光の
回折効率も非常に小さいことがわかる。

【００５３】これに対して、図９（ｂ）、（ｃ）より、
入射角度が１５度と−１５度になった場合には、回折効
率のピークの波長が長波長側にシフトしているものの、
４７０ｎｍ近傍では光線入射角０度の場合と同様に、設
計次数の回折効率が高く、寄生次数の回折効率は低いこ
とがわかる。

【００５４】このように、回折効率の入射角の依存性
は、本実施の形態の格子構造では比較的小さいことがわ
かる。また、本実施の形態の投射光学系は、像側（画像
表示素子側）に対して、テレセントリックに近くなるよ
うに設計されている。このため、各画角間での回折光学
素子１２４に入射する光線の画角間の変化が小さくな
る。

【００５５】本実施の形態では、回折光学素子を、青の
光路上に配置したが、赤の光路、緑の光路上に配置して
も同様の効果が得られる。また、そのときの回折効率の
ピーク波長を、回折光学素子が配されている光路を透過
する波長の中心波長、あるいはピーク波長付近にあわせ
ることが必要となるが、これは、格子の高さあるいは、
格子を形成する屈折率、アッベ数を適切に選ぶことで達
成できる。本実施の形態では、格子を形成する材料とし
て屈折率を１．５２４、アッベ数を５０．７８とした
が、本発明は、これに限定されるものではない。

【００５６】本実施の形態では、回折光学素子１２４の
格子形状について、図８に示すような、いわゆるキノフ
ォーム形状としたが、このキノフォーム形状の傾斜部分
を階段状に近似した構成としても良い。この場合には、
近似の階段数が多ければ同様の効果が得られ、具体的に
は８段以上の階段で近似する形状とすることが望まし
い。

【００５７】また、回折光学素子１２４の格子面につい
ては、通常の光学ガラスと同様に、反射防止コーティン
グするとよい。

【００５８】（第２の実施の形態）本発明の第２の実施
の形態を以下に説明する。図１０及び図１１は、第２の
実施の形態の投射型表示装置における投射光学系２００
の断面を示したものであり、図１０がワイド端における
断面図、図１１がテレ端における断面図である。２０１
は光軸、２０３ｒ，ｇ，ｂはそれぞれ赤、緑、青の焦点
面を表しており、上述の液晶パネル等は、それぞれの色
に応じてこの位置付近に配置される。

【００５９】Ｇ１〜Ｇ５は光学系を構成する第１群から
第５群のレンズ群を表しており、図１０及び図１１に示
すように、レンズ群Ｇ２，Ｇ３、Ｇ４を光軸方向に動か
してズーミングする構成になっている。

【００６０】フォーカシングは、レンズ群Ｇ１を光軸方
向に動かすことで行う構成となっている。レンズ群Ｇ５
は固定である。色合成系であるダイクロプリズムＸＤＰ
は、上述した第１の実施の形態と同様の構成となってい
る。

【００６１】図１０中では、各波長領域に対応する光路
を２０５ｒ，ｇ，ｂで表している。そして、本実施の形
態の光学系では、２０５ｒ，ｇ，ｂの各光路上に、回折
光学素子を表面に形成した光学素子（以下、回折光学素
子という。）２０４ｒ，２０４ｇ，２０４ｂが配置され
ている。

【００６２】本実施の形態での回折光学素子２０４ｒ，
ｇ，ｂは、相互に同じ位相関数で表されるものとなって
おり、それぞれ、設計波長として５５０ｎｍ、設計次数
として１次光の位相関数で表される。

【００６３】図１２は、第２の実施の形態の光学系にお
ける各光学素子の曲率半径、屈折率、アッベ数、光学素
子間の間隔等についての具体的な数値（設定値）の一例
を示している。以下の説明では、この設定値に基づいて
構成された光学系についての特性について説明する。

【００６４】図１３及び図１４は、第２の実施の形態の
ワイド端及びテレ端の縦収差図であり、図１５（ａ）及
び（ｂ）はワイド端及びテレ端の倍率色収差を表してい
る。

【００６５】各回折光学素子２０４ｒ，ｇ，ｂは、異な
った分光特性を有する光路上に配置されるため、各光路
における代表波長にあわせて回折効率が最大になるよう
に、回折効率が設計されている。

【００６６】例えば、各回折光学素子２０４ｒ，ｇ，ｂ
を第１の実施の形態の回折光学素子１２４と同じ材料で
構成した場合には、青の光路に位置する回折光学素子２
０４ｂの格子高さを約０．９μｍとし、緑の光路に位置
する回折光学素子２０４ｇの格子高さを約１μｍとし、
赤の光路に位置する回折光学素子２０４ｒの格子高さを
約１．２μｍとする。

【００６７】図１６は設計次数１次の回折効率を、それ
ぞれの光路に応じて示したものであり、この図より、光
路に応じて回折効率が異なっていることがわかる。本実
施の形態では、各光路の代表波長として、青４７０ｎ
ｍ、緑５５０ｎｍ、赤６２０ｎｍとしているが、図より
各回折効率のピークがそれぞれの代表波長付近に設定さ
れていることがわかる。

【００６８】本実施の形態では、各光路に応じた回折効
率の設定を、各回折光学素子２０４ｒ，ｇ，ｂにおける
格子の高さを相互に変えることで行ったが、格子の屈折
率を変えること、すなわち各回折光学素子２０４ｒ，
ｇ，ｂの材料を変えることで設定を行うようにしてもよ
く、また格子の高さ及び材料の両方により設定しても同
様の効果が得られる。

【００６９】また、本実施の形態では、各回折光学素子
２０４ｒ，ｇ，ｂの設計波長を５５０ｎｍ、設計次数を
１次としたが、これに限定されるものではない。

【００７０】さらには、本実施の形態では各光路に配置
される各回折光学素子２０４ｒ，ｇ，ｂの位相関数が相
互に同じものとしたが、各回折光学素子２０４ｒ，ｇ，
ｂの位相関数がそれぞれの光路で異なったものとしても
よい。

【００７１】さらに、各回折光学素子２０４ｒ，ｇ，ｂ
のそれぞれの回折効率が最大となる波長を３つとも異な
るようにしたが、例えばｒとｇの光路を同じものにして
もよい。この場合、回折効率の点では不利になるが、部
品の削減の効果が得られる。

【００７２】（第３の実施の形態）本発明の第３の実施
の形態を以下に説明する。図１７及び図１８は、第３の
実施の形態の投射型表示装置における投射光学系３００
の断面を示したものであり、図１７がワイド端における
断面図、図１８がテレ端における断面図である。３０１
は光軸、３０３ｒ，ｇ，ｂはそれぞれ赤、緑、青の焦点
面を表しており、上述の液晶パネル等は、それぞれの色
に応じてこの位置付近に配置される。

【００７３】Ｇ１〜Ｇ５は光学系を構成する第１群から
第５群のレンズ群を表しており、図１７及び図１８に示
すように、Ｇ２，Ｇ３、Ｇ４を光軸方向に動かしてズー
ミングする構成になっている。

【００７４】フォーカシングは、レンズ群Ｇ１を光軸方
向に動かすことで行う構成となっている。レンズ群Ｇ５
は固定である。色合成系であるダイクロプリズムＸＤＰ
は、上述した第１の実施の形態と同様の構成となってい
る。

【００７５】図１７中では、各波長領域に対応する光路
を３０５ｒ，ｇ，ｂで表している。そして、本実施の形
態の光学系では、３０５ｒ，ｇ，ｂの各光路上に、回折
光学素子を表面に形成した光学素子（以下、回折光学素
子という。）３０４ｒ，３０４ｇ，３０４ｂが配置され
ている。

【００７６】本実施の形態での折光学素子３０４ｒ，
ｇ，ｂは、相互に同じ位相関数で表されるものとなって
おり、それぞれ、設計波長として５５０ｎｍ、設計次数
として１次光の位相関数で表される。

【００７７】図１９は、第３の実施の形態の投射光学系
３００における各光学素子の曲率半径、屈折率、アッベ
数、光学素子間の間隔等についての具体的な数値（設定
値）の一例を示している。以下の説明では、この設定値
に基づいて構成された光学系についての特性について説
明する。

【００７８】図２０及び図２１は、投射光学系３００の
ワイド端及びテレ端の縦収差図であり、図２２（ａ）及
び（ｂ）はワイド端及びテレ端の倍率色収差を表してい
る。

【００７９】各回折光学素子３０４ｒ，ｇ，ｂは、異な
った分光特性を有する光路上に配置されるため、各光路
における代表波長にあわせて回折効率が最大になるよう
に、回折効率が設計されている。

【００８０】例えば、回折光学素子３０４ｒ，ｇ，ｂを
第１の実施の形態の回折光学素子１２４と同じ材料で構
成した場合には、青の光路に位置する回折光学素子３０
４ｂの格子高さを約０．９μｍとし、緑の光路に位置す
る回折光学素子３０４ｇの格子高さを約１μｍとし、赤
の光路に位置する回折光学素子３０４ｒの格子高さを約
１．２μｍとする。

【００８１】なお、各回折光学素子３０４ｒ，ｇ，ｂに
よる回折効率の波長依存性については、第２の実施の形
態と同様であり、図１６で示される通りである。この図
より、光路に応じて回折効率が異なっていることがわか
る。本実施の形態においても、各光路の代表波長とし
て、青４７０ｎｍ、緑５５０ｎｍ、赤６２０ｎｍとして
いるが、図より各回折効率のピークがそれぞれの代表波
長付近に設定されていることがわかる。

【００８２】本実施の形態では、各光路に応じた回折効
率の設定を、各回折光学素子３０４ｒ，ｇ，ｂにおける
格子の高さを変えるように行ったが、格子の屈折率を変
えること、すなわち各回折光学素子３０４ｒ，ｇ，ｂの
材料を変えることで設定を行うようにしてもよく、また
格子の高さ及び材料の両方により設定しても同様の効果
が得られる。

【００８３】また、本実施の形態では、各回折光学素子
３０４ｒ，ｇ，ｂの設計波長を５５０ｎｍ、設計次数を
１次としたが、これに限定されるものではない。なお、
設計次数を１次以外のものとした場合には、それにより
格子の高さ等を変える必要がある。

【００８４】さらには、本実施の形態では各光路に配置
される各回折光学素子３０４ｒ，ｇ，ｂの位相関数が相
互に同じものとしたが、各回折光学素子３０４ｒ，ｇ，
ｂの位相関数がそれぞれの光路で異なったものとしても
よい。

【００８５】（第４の実施の形態）本発明の第４の実施
の形態を図２３を参照して説明する。第１乃至第３の各
実施の形態では、投射光学系の色合成系としてダイクロ
プリズム（クロスプリズム）ＸＤＰを採用したが、第４
の実施の形態では、投射型表示装置の光学系として、ダ
イクロプリズムＸＤＰに代えて各種ミラーで色合成系を
構成し、この色合成系と各色に対応した画像表示素子と
の間に回折光学素子を設けた構成となっている。

【００８６】すなわち、第４の実施の形態では、図２３
に示すように、第１のダイクロイックミラー４０６ａ及
び第２のダイクロイックミラー４０６ｂによる色分解系
４０６と、第１のダイクロイックミラー４０４ａ及び第
２のダイクロイックミラー４０４ｂによる色合成系４０
４と、投射光学系４０３とを備えており、色分解系４０
６と色合成系４０４との間の光路に、偏向手段４０７及
び画像表示素子４０５（液晶パネル４０５ａ〜４０５
ｃ）が配され、さらに、各液晶パネル４０５ａ，４０５
ｂ，４０５ｃと色合成系４０４との間の各光路に、回折
光学素子４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃが配された構成
となっている。

【００８７】なお、各回折光学素子４１０ａ，４１０
ｂ，４１０ｃについては、第２の実施の形態で用いた回
折光学素子２０４ｒ，２０４ｇ，２０４ｂと同様に、位
相関数が同じで、それぞれの回折効率が最大となる波長
が異なっている。また、色分解系４０６に対しては、図
２４で説明した光源部１０９及びインテグレータ部１０
８を介して光源１０９ａからの白色光が照明光束として
入射されるものとする。

【００８８】色分解系４０６では、図２３に示すよう
に、白色光の照明光束が第１のダイクロイックミラー４
０６ａに入射すると、第１のダイクロイックミラー４０
６ａによって緑色（Ｇ）及び青色（Ｂ）に対応する波長
の光が透過され、赤色（Ｒ）に対応する波長の光が反射
される。第１のダイクロイックミラー４０６ａで反射さ
れた赤色に対応する波長の光は、偏向手段４０７で偏向
され、フィールドレンズ４１１を介して第１の液晶パネ
ル４０５ａを照明し、回折光学素子４１０ａを介して、
色合成系４０４の各ダイクロイックミラー４０４ａ，４
０４ｂをそれぞれ透過して投射光学系４０３に入射され
る。

【００８９】一方、第１のダイクロイックミラー４０６
ａで透過された緑色及び青色に対応する波長の光は、第
２のダイクロイックミラー４０６ｂに入射され、このダ
イクロイックミラー４０６ｂによって、緑色に対応する
波長の光が反射され、青色に対応する波長の光が透過さ
れる。これにより、第２のダイクロイックミラー４０６
ｂで反射された緑色に対応する波長の光は、フィールド
レンズ４１１を介して第２の液晶パネル４０５ｂを照明
し、回折光学素子４１０ｂを介して、色合成系４０４の
各ダイクロイックミラー４０４ａ，４０４ｂでそれぞれ
反射されて投射光学系４０３に入射される。一方、第２
のダイクロイックミラー４０６ｂを透過した青色に対応
する波長の光は、フィールドレンズ４１１を介して第３
の液晶パネル４０５ｃを照明し、回折光学素子４１０ｃ
を介して、色合成系４０４のダイクロイックミラー４０
４ｂで反射されて投射光学系４０３に入射される。

【００９０】色合成系４０４では、第１のダイクロイッ
クミラー４０４ａによって赤色に対応する波長の光と緑
色に対応する波長の光が合成され、この合成光が第２の
ダイクロイックミラー４０４ｂによってさらに青色に対
応する波長の光と合成されて投射光学系４０３に入射さ
れる。投射光学系４０３は、例えば図１０及び図１１に
示す第１から第５のレンズ群Ｇ１〜Ｇ５を有する５群タ
イプのズームレンズとし、色合成系４０４からの合成光
をスクリーン４１２に投射する。

【００９１】以上のような構成とされた投射型表示装置
の光学系に対しても、色合成系と画像表示素子との間に
回折光学素子が配置されることで同様の効果が得られ
る。

【００９２】上述した各実施の形態では、投射光学系に
ついて、５群タイプのズームレンズとしたが、ズームタ
イプはこれに限定されるものではなく、また、シングル
レンズであっても同様の効果が得られる。

【００９３】また、各実施の形態では、位相関数とし
て、レンズ系の光軸を中心とする回転対称のもので表現
したが、位相関数は、これに限定されるものではない。

【００９４】なお、上述した各実施の形態では、回折光
学素子の配置が、各色に分離された後の光路上であるた
め、回折光学素子に代えて屈折系の素子としても収差補
正の効果が得られるが、回折光学素子の方が薄型である
ため、光学系の小型化、軽量化を達成できる。

【００９５】また、第１乃至第３の実施の形態では、ダ
イクロプリズムＸＤＰの入光面の近傍に回折光学素子を
配置する構成としたが、回折光学素子をクロスプリズム
等と一体化すること等により、さらに光学系の小型化を
図ることも可能である。

【００９６】そして、上述したいずれかの実施の形態の
投射型表示装置に対してパーソナルコンピュータ等の端
末装置を接続して、この端末装置により作成されたグラ
フィック画像や、端末装置でダウンロードした画像、さ
らには端末装置で再生したＣＤ−ＲＯＭ等の画像の情報
を投射型表示装置の各液晶パネルに供給して、スクリー
ンに重ねて投射表示する構成とすることにより、表示画
像の画質が良好で、かつ表示画像についての種々の処理
が可能な情報処理システムを構築することが可能とな
る。さらに、上述したいずれかの実施の形態の投射型表
示装置に対してビデオテープやＤＶＤ等の画像記録再生
装置を接続して、この画像記録再生装置から出力される
動画像や静止画像の情報を投射型表示装置の各液晶パネ
ルに供給して、スクリーンに重ねて投射表示する構成と
することにより、表示画像の画質が良好で、かつ表示画
像についての記録、再生、特殊再生等が可能な画像記録
再生システムを構築することが可能となる。

【００９７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
投射光学系の高性能化と小型化を達成し、かつ、簡単な
構成の回折光学素子を用いた場合でも、寄生回折光の発
生を低減するような投射光学系を備えた投射型表示装
置、及びこれを用いた情報処理システム並びに画像記録
再生システムを提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施の形態の投射型表示装置における光
学系のワイド端における断面図である。

【図２】第１の実施の形態の投射型表示装置における光
学系のテレ端における断面図である。

【図３】色合成系であるダイクロプリズムの機能につい
て説明する図である。

【図４】第１の実施の形態の光学系における各光学素子
の曲率半径、屈折率、アッベ数、光学素子間の間隔等に
ついての具体的な数値（設定値）の一例を示す図であ
る。

【図５】第１の実施の形態の光学系のワイド端における
縦収差図である。

【図６】第１の実施の形態の光学系のテレ端における縦
収差図である。

【図７】第１の実施の形態の倍率色収差であり、（ａ）
がワイド端における収差図、（ｂ）がテレ端における収
差図である。

【図８】回折光学素子の格子構造、及び位相関数等につ
いて説明するための図である。

【図９】回折光学素子による回折効率の波長依存性と角
度依存性について説明する図であり、（ａ）が光線入射
角を０度とした場合、（ｂ）が光線入射角を１５度とし
た場合、（ｃ）が光線入射角を−１５度とした場合につ
いての特性図である。

【図１０】第２の実施の形態の投射型表示装置における
光学系のワイド端における断面図である。

【図１１】第２の実施の形態の投射型表示装置における
光学系のテレ端における断面図である。

【図１２】第２の実施の形態の光学系における各光学素
子の曲率半径、屈折率、アッベ数、光学素子間の間隔等
についての具体的な数値（設定値）の一例を示す図であ
る。

【図１３】第２の実施の形態の光学系のワイド端におけ
る縦収差図である。

【図１４】第２の実施の形態の光学系のテレ端における
縦収差図である。

【図１５】第２の実施の形態の倍率色収差であり、
（ａ）がワイド端における収差図、（ｂ）がテレ端にお
ける収差図である。

【図１６】各回折光学素子による回折効率の波長依存性
について説明する図である。

【図１７】第３の実施の形態の投射型表示装置における
光学系のワイド端における断面図である。

【図１８】第３の実施の形態の投射型表示装置における
光学系のテレ端における断面図である。

【図１９】第３の実施の形態の光学系における各光学素
子の曲率半径、屈折率、アッベ数、光学素子間の間隔等
についての具体的な数値（設定値）の一例を示す図であ
る。

【図２０】第３の実施の形態の光学系のワイド端におけ
る縦収差図である。

【図２１】第３の実施の形態の光学系のテレ端における
縦収差図である。

【図２２】第３の実施の形態の倍率色収差であり、
（ａ）がワイド端における収差図、（ｂ）がテレ端にお
ける収差図である。

【図２３】第４の実施の形態の投射型表示装置における
光学系を示す図である。

【図２４】従来の投射型表示装置における光学系の概要
を説明する図である。

【図２５】投射光学系の色収差の低減を図る従来技術に
ついて説明するための光学系の断面図である。

【図２６】回折光学素子による回折の作用を説明するた
めの図である。

【図２７】幅広い波長領域、あるいは複数の波長領域で
使用する回折光学素子の寄生回折光による像劣化の低減
を実現した従来技術について説明するための図である。

【図２８】回折光学素子の回折効率の波長依存性を低減
した構成を示す図である。

【図２９】回折光学素子における格子のピッチを説明す
るための図である。

【符号の説明】

１０１投射型表示装置の光学系１０２投射光学系１０３投射レンズ１０４色合成系（クロスプリズム）１０５（１０５ａ〜１０５ｃ）画像表示素子１０６色分解系１０６ａ，１０６ｂダイクロイックミラー１０７偏向手段１０８インテグレータ部１０９光源部１１０照明光学系１１１リレー系１１２，４１２スクリーン１２１，２０１，３０１光軸１２０，２００，３００，４０３投射光学系１２３ｒ，ｇ，ｂ赤、緑、青の焦点面１２３像面（画像表示面）１２４回折光学素子１２５ｒ，ｇ，ｂ赤、緑、青の各色光路ＸＤＰダイクロプリズム（クロスプリズム）Ｇ１〜Ｇ５第１群〜第５群のレンズ群２０３ｒ，ｇ，ｂ赤、緑、青の焦点面２０４ｒ，ｇ，ｂ回折光学素子２０５ｒ，ｇ，ｂ赤、緑、青の各色光路３０３ｒ，ｇ，ｂ赤、緑、青の焦点面３０４回折光学素子３０５ｒ，ｇ，ｂ赤、緑、青の各色光路４０３投射光学系４０４色合成系４０４ａ第１のダイクロイックミラー４０４ｂ第２のダイクロイックミラー４０５画像表示素子４０５ａ，４０５ｂ，４０５ｃ液晶パネル４０６色分解系４０６ａ第１のダイクロイックミラー４０６ｂ第２のダイクロイックミラー４０７偏向手段４１０ａ，ｂ，ｃ回折光学素子４１１フィールドレンズ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源部と、前記光源部より出力された光を、複数の波長領域ごとに
光路を分ける色分解手段と、前記色分解手段により分けられた各光路上に配置され、
その光路上の波長領域の光に照明されるように光路ごと
に配置された複数の画像表示素子と、各画像表示素子からの光路を合成する色合成手段と、前記色合成手段によって合成された光路を投射面に投射
することにより、前記各画像表示素子上の画像を前記投
射面で重ねる投射手段と、を有し、前記複数の画像表示素子と前記色合成手段との間の各光
路のうちの少なくとも１つの光路に、回折光学素子を配
置したことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項２】前記回折光学素子は、配置された光路に
おける画像表示素子を照明する光の波長領域の中心波
長、あるいは最も透過率の高い波長をλｃ、前記回折光
学素子の最も回折効率の高い波長をλｉとするとき、０．０＜ＡＢＳ（（λｉ−λｃ）／λｃ）＜０．１４（但し、ＡＢＳ（）：絶対値）であることを特徴とす
る請求項１記載の投射型表示装置。
【請求項３】前記回折光学素子は、透過型の位相格子
であることを特徴とする請求項２記載の投射型表示装
置。
【請求項４】前記各画像表示素子は、透過型の液晶表
示素子であることを特徴とする請求項３記載の投射型表
示装置。
【請求項５】前記回折光学素子は、断面形状がキノフ
ォーム形状、或いは前記キノフォーム形状を近似した８
段以上の階段形状であることを特徴とする請求項３又は
４記載の投射型表示装置。
【請求項６】前記色分解手段は、前記光源部より出力
された光を、赤、緑、青の各色の波長領域ごとに光路を
分けることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１に
記載の投射型表示装置。
【請求項７】前記回折光学素子は、前記複数の画像表
示素子と前記色合成手段との間の各光路のうちの２以上
の光路にそれぞれ配置されたことを特徴とする１乃至６
のいずれか１に記載の投射型表示装置。
【請求項８】前記回折光学素子は、前記複数の画像表
示素子と前記色合成手段との間の各光路に配置されたこ
とを特徴とする１乃至６のいずれか１に記載の投射型表
示装置。
【請求項９】前記各回折光学素子は、回折効率の最大
となる波長が相互に異なっていることを特徴とする請求
項７又は８記載の投射型表示装置。
【請求項１０】前記色合成手段は、２以上の光の入射
面を有し、各入射面からの波長領域の異なる光を合成し
て出射するダイクロイックプリズムであることを特徴と
する請求項１乃至９のいずれか１に記載の投射型表示装
置。
【請求項１１】前記色合成手段は、波長領域の異なる
各光を透過及び反射して合成するダイクロイックミラー
を備えたことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１
に記載の投射型表示装置。
【請求項１２】請求項１乃至１１のいずれか１に記載
の投射型表示装置と、前記投射型表示装置に供給する画
像情報を生成するコンピュータとを有することを特徴と
する情報処理システム。
【請求項１３】請求項１乃至１１のいずれか１に記載
の投射型表示装置と、前記投射型表示装置に接続され、前記投射型表示装置に
供給する画像情報についての記録及び／又は再生を行う
画像記録再生装置とを有することを特徴とする画像記録
再生システム。