JP2001290074A - 回折光学素子を有する光学系 - Google Patents
回折光学素子を有する光学系Info
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- G02B27/425—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element [DOE] contributing to a non-imaging application in illumination systems
Abstract
(57)【要約】
【課題】複雑な構成の回折光学素子を用いることなく、
回折光学素子の波長依存性に伴う不要回折次数によるフ
レア等の発生を押さえることが可能な回折光学素子を有
する光学系を提供する。 【解決手段】光源からの光を、色分解光学系を介して所
定の波長領域の光に色分解し、複数の画素を有する画像
表示素子における前記所定の波長領域に応じた画素に入
射させ、該画像表示素子に表示された画像を投射光学系
によって拡大投影するように構成した光学系において、
前記投射光学系の絞り近傍に回折光学素子を有し、該回
折光学素子の回折効率を前記所定の波長領域毎に最適化
できるように構成する。
回折光学素子の波長依存性に伴う不要回折次数によるフ
レア等の発生を押さえることが可能な回折光学素子を有
する光学系を提供する。 【解決手段】光源からの光を、色分解光学系を介して所
定の波長領域の光に色分解し、複数の画素を有する画像
表示素子における前記所定の波長領域に応じた画素に入
射させ、該画像表示素子に表示された画像を投射光学系
によって拡大投影するように構成した光学系において、
前記投射光学系の絞り近傍に回折光学素子を有し、該回
折光学素子の回折効率を前記所定の波長領域毎に最適化
できるように構成する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、可視光のような広
い波長領域で使用する回折光学素子を有する光学系に関
し、特に画像表示素子の画像を投射表示する光学系に関
するものである。
い波長領域で使用する回折光学素子を有する光学系に関
し、特に画像表示素子の画像を投射表示する光学系に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、臨場感のある映像表示や効果的な
プレゼンテーションのために、大型で高精細の画面表示
装置が求められるようになり、投射型の画像表示装置の
光学系にはこれまで以上の高性能が求められている。投
射型の画像表示装置としては、液晶パネルなどの画像表
示素子を赤、青、緑の波長領域に対応する３つの画像表
示素子を用いるいわゆる３板式のものと、１つの画像表
示素子によりカラー画像表示するいわゆる単板式のもの
がある。
プレゼンテーションのために、大型で高精細の画面表示
装置が求められるようになり、投射型の画像表示装置の
光学系にはこれまで以上の高性能が求められている。投
射型の画像表示装置としては、液晶パネルなどの画像表
示素子を赤、青、緑の波長領域に対応する３つの画像表
示素子を用いるいわゆる３板式のものと、１つの画像表
示素子によりカラー画像表示するいわゆる単板式のもの
がある。
【０００３】単板式のものは３板式のものに比ベて構成
が簡単であり、小型・軽量が実現できる。以下、単板式
の光学系について説明する。単板式の光学系には、１つ
の液晶パネルなどの画像表示素子の画素に赤、青、緑の
波長領域の光に対応するカラーフィルタを用いたもの
と、画像表示素子上の各画素に赤、青、緑の波長領域が
ことなるように入射させる構成にしたものがある。カラ
ーフィルタを用いる場合は、光量の損失が大きいため、
明るい投射型の表示装置を実現することが難しい。
が簡単であり、小型・軽量が実現できる。以下、単板式
の光学系について説明する。単板式の光学系には、１つ
の液晶パネルなどの画像表示素子の画素に赤、青、緑の
波長領域の光に対応するカラーフィルタを用いたもの
と、画像表示素子上の各画素に赤、青、緑の波長領域が
ことなるように入射させる構成にしたものがある。カラ
ーフィルタを用いる場合は、光量の損失が大きいため、
明るい投射型の表示装置を実現することが難しい。
【０００４】以下に、画像表示素子の各画素に、赤、
青、緑の波長領域がことなる光を入射させる構成の概要
を説明する。図１（ａ）は、上記の装置の構成の概要を
示した図である。Ｐ１０１は光源であり、白色光を発光
している。光源より発光した光は光軸Ｐ１０２上に配置
された照明光均一化手段により均一化され、略平行され
る。Ｐ１０４は、色分解手段であり、Ｐ１０４ａ、Ｐ１
０４ｂ、Ｐ１０４ｃに示した波長選択性を有するダイク
ロイックミラーであり、光源からの光はここで偏向され
る。Ｐ１０４の色分解手段は、各ミラーが選択する波長
が、角度を変えて画像表示素子Ｐ１０５を照明するよう
に構成されている。画像表示素子Ｐ１０５は、たとえば
透過型の液晶素子である。画像表示素子を透過した光線
は、投射光学系Ｐ１０６を介して、スクリーンＰ１０７
上に結像され画像表示素子Ｐ１０５の像を形成する。
青、緑の波長領域がことなる光を入射させる構成の概要
を説明する。図１（ａ）は、上記の装置の構成の概要を
示した図である。Ｐ１０１は光源であり、白色光を発光
している。光源より発光した光は光軸Ｐ１０２上に配置
された照明光均一化手段により均一化され、略平行され
る。Ｐ１０４は、色分解手段であり、Ｐ１０４ａ、Ｐ１
０４ｂ、Ｐ１０４ｃに示した波長選択性を有するダイク
ロイックミラーであり、光源からの光はここで偏向され
る。Ｐ１０４の色分解手段は、各ミラーが選択する波長
が、角度を変えて画像表示素子Ｐ１０５を照明するよう
に構成されている。画像表示素子Ｐ１０５は、たとえば
透過型の液晶素子である。画像表示素子を透過した光線
は、投射光学系Ｐ１０６を介して、スクリーンＰ１０７
上に結像され画像表示素子Ｐ１０５の像を形成する。
【０００５】前述したように、色分解光学系Ｐ１０４の
各ダイクロイックミラーで選択された波長領域の光ｒａ
ｙ＿ａ、ｒａｙ＿ｂ、ｒａｙ＿ｃがある角度で画像表示
素子Ｐ１０５を照明する。ｒａｙ＿ａ、ｒａｙ＿ｂ、ｒ
ａｙ＿ｃは、たとえば緑、赤、青の可視光領域の光に対
応する。画像表示素子Ｐ１０５上には、マイクロレンズ
アレイＰ１０９のような集光手段が形成されており、そ
れぞれの光は異なった位置に集光する。画像表示素子Ｐ
１０５の画像表示部分Ｐ１１０には、表示すべき映像の
映像信号に対して画像表示素子Ｐ１０５を制御する図示
しない制御手段により光の透過量を制御できる画素Ｐ１
１２があり、マイクロレンズＰ１０９の集光位置に対応
してＰ１１２ａ，ｂ，ｃの画素が配置されている。
各ダイクロイックミラーで選択された波長領域の光ｒａ
ｙ＿ａ、ｒａｙ＿ｂ、ｒａｙ＿ｃがある角度で画像表示
素子Ｐ１０５を照明する。ｒａｙ＿ａ、ｒａｙ＿ｂ、ｒ
ａｙ＿ｃは、たとえば緑、赤、青の可視光領域の光に対
応する。画像表示素子Ｐ１０５上には、マイクロレンズ
アレイＰ１０９のような集光手段が形成されており、そ
れぞれの光は異なった位置に集光する。画像表示素子Ｐ
１０５の画像表示部分Ｐ１１０には、表示すべき映像の
映像信号に対して画像表示素子Ｐ１０５を制御する図示
しない制御手段により光の透過量を制御できる画素Ｐ１
１２があり、マイクロレンズＰ１０９の集光位置に対応
してＰ１１２ａ，ｂ，ｃの画素が配置されている。
【０００６】投射光学系Ｐ１０６は、この各画素Ｐ１１
２をスクリーン上に投射している。こうした構成により
カラーフィルタを用いるものよりも光の利用効率の高い
投射光学系が実現できる。このような光学系において
は、スクリーン上の画像をより高精細にする為には、投
射する光学系の高性能化が求められている。また、さら
にマイクロレンズを用いるため、液晶パネルより放射す
る光の立体角が大きくなりるため、より明るい投射レン
ズが求められるようになった。
２をスクリーン上に投射している。こうした構成により
カラーフィルタを用いるものよりも光の利用効率の高い
投射光学系が実現できる。このような光学系において
は、スクリーン上の画像をより高精細にする為には、投
射する光学系の高性能化が求められている。また、さら
にマイクロレンズを用いるため、液晶パネルより放射す
る光の立体角が大きくなりるため、より明るい投射レン
ズが求められるようになった。
【０００７】こうした要求性能の向上に対して回折光学
素子を用いて光学性能を向上するという技術が、ＳＰＩ
Ｅ ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆａｒｅｎｃｅ（１９
９０）等の文献や、特開平１０−１１５７７号公報、特
開平１１−０６４７２６号公報等で開示されている。こ
れらは、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波
長の光線に対する色収差の出方が逆であるという物理現
象を利用したものである。これは回折光学素子が、通常
の光学ガラスが、正の分散を有するのに対して負の分散
（νｄ＝−３．４５３）を有することを意味している。
また、回折光学素子には、強い異常分散性（θｇ，Ｆ＝
０．２９５６）がある。
素子を用いて光学性能を向上するという技術が、ＳＰＩ
Ｅ ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ
Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆａｒｅｎｃｅ（１９
９０）等の文献や、特開平１０−１１５７７号公報、特
開平１１−０６４７２６号公報等で開示されている。こ
れらは、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波
長の光線に対する色収差の出方が逆であるという物理現
象を利用したものである。これは回折光学素子が、通常
の光学ガラスが、正の分散を有するのに対して負の分散
（νｄ＝−３．４５３）を有することを意味している。
また、回折光学素子には、強い異常分散性（θｇ，Ｆ＝
０．２９５６）がある。
【０００８】加えて、回折光学素子の周期的構造を変化
させることで、非球面レンズ的な効果をも持たせること
ができるという特性をも利用でき、光学性能の大幅な向
上を期待できる。さらに回折光学素子のそのような特性
は、微細な形状により発現するため、空間的な占有率が
非常に低く、軽量小型化を達成しやすい。前記特開平１
０−１１５７７号公報、特開平１１−０６４７２６号公
報等は、こうした回折光学素子の特性を利用し光学系の
性能向上、小型化を達成したものである。
させることで、非球面レンズ的な効果をも持たせること
ができるという特性をも利用でき、光学性能の大幅な向
上を期待できる。さらに回折光学素子のそのような特性
は、微細な形状により発現するため、空間的な占有率が
非常に低く、軽量小型化を達成しやすい。前記特開平１
０−１１５７７号公報、特開平１１−０６４７２６号公
報等は、こうした回折光学素子の特性を利用し光学系の
性能向上、小型化を達成したものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、回折
光学素子を用いると屈折光学系だけでは実現できない有
用な特徴があるものの、回折光学素子の回折効率が、波
長および入射角度に大きく影響する為回折効率を十分考
慮することが必要になる。図２は、ある１つの材料によ
り形成された単層の回折光学素子の回折効率の例を示し
たものである。図２に示したように、ある特定の波長に
おける回折効率は高いものの、設計波長より離れた波長
の回折効率は大きく低下していることがわかる。この回
折効率の低下している波長域においては、設計次数以外
の回折効率が高くなっておりフレア等の画像劣化を起こ
してしまう。
光学素子を用いると屈折光学系だけでは実現できない有
用な特徴があるものの、回折光学素子の回折効率が、波
長および入射角度に大きく影響する為回折効率を十分考
慮することが必要になる。図２は、ある１つの材料によ
り形成された単層の回折光学素子の回折効率の例を示し
たものである。図２に示したように、ある特定の波長に
おける回折効率は高いものの、設計波長より離れた波長
の回折効率は大きく低下していることがわかる。この回
折効率の低下している波長域においては、設計次数以外
の回折効率が高くなっておりフレア等の画像劣化を起こ
してしまう。
【００１０】こうした回折光学素子の回折効率の特性を
鑑みて、不要次数光によるフレアを低減した構成が、特
開平０８−２２０４８２号公報（回折光学素子を含む光
学系）に開示されている。図３は、特開平０８−２２０
４８２号公報の概要を示したものである。レリーフ型回
折光学素子を含む結像レンズ系３と、照明光学系１とを
有する構成であり、回折光学素子１１は、そのレリーフ
パターン面１０を、全体として１つのレンズとしての作
用を有しつつ、複数の異なる波長の光で回折効率が最大
となる複数の異なる溝深さの領域に分割し、照明光学系
１は、レリーフパターン面１０の対応する領域における
領域を有し、レリーフパターン面を対応する領域におけ
る回折効率が最大となる波長を実質的に中心波長とする
帯域光を透過させる波長選択性を有する波長選択素子９
を具え、レリーフパターン面１０および、波長選択性素
子をこれらの間に位置するレンズ系に関して近軸的にほ
ぼ共役位置関係となるように配置するように構成してい
る。このような構成で、不要回折光の発生は低減できる
ものの、波長選択性素子を用いることから光量の損失が
おこる。
鑑みて、不要次数光によるフレアを低減した構成が、特
開平０８−２２０４８２号公報（回折光学素子を含む光
学系）に開示されている。図３は、特開平０８−２２０
４８２号公報の概要を示したものである。レリーフ型回
折光学素子を含む結像レンズ系３と、照明光学系１とを
有する構成であり、回折光学素子１１は、そのレリーフ
パターン面１０を、全体として１つのレンズとしての作
用を有しつつ、複数の異なる波長の光で回折効率が最大
となる複数の異なる溝深さの領域に分割し、照明光学系
１は、レリーフパターン面１０の対応する領域における
領域を有し、レリーフパターン面を対応する領域におけ
る回折効率が最大となる波長を実質的に中心波長とする
帯域光を透過させる波長選択性を有する波長選択素子９
を具え、レリーフパターン面１０および、波長選択性素
子をこれらの間に位置するレンズ系に関して近軸的にほ
ぼ共役位置関係となるように配置するように構成してい
る。このような構成で、不要回折光の発生は低減できる
ものの、波長選択性素子を用いることから光量の損失が
おこる。
【００１１】このように、回折光学素子の配置によりフ
レアの低減を図る方法の他に、回折光学素子そのものの
回折効率の波長依存性を低減する様な構成が、特開平１
０−１３３１４９号公報等において開示されている。特
開平１０−１３３１４９号公報の技術は、分散の異なる
２つの材料を隣接させた構成の回折格子を形成すること
で単層の回折格子に見られるような回折効率の波長依存
性を大きく低減させたものである。図２は、特開平１０
−１３３１４９号公報の技術による回折効率の例であ
る。このような構成の回折光学素子を用い入れば、不要
回折光によるフレアの低減は実現できるものの、回折光
学素子そのものの構成が複雑であり、また、回折光学素
子の厚みが厚い為、回折効率の入射角の依存性が大きく
なるという問題を有する。
レアの低減を図る方法の他に、回折光学素子そのものの
回折効率の波長依存性を低減する様な構成が、特開平１
０−１３３１４９号公報等において開示されている。特
開平１０−１３３１４９号公報の技術は、分散の異なる
２つの材料を隣接させた構成の回折格子を形成すること
で単層の回折格子に見られるような回折効率の波長依存
性を大きく低減させたものである。図２は、特開平１０
−１３３１４９号公報の技術による回折効率の例であ
る。このような構成の回折光学素子を用い入れば、不要
回折光によるフレアの低減は実現できるものの、回折光
学素子そのものの構成が複雑であり、また、回折光学素
子の厚みが厚い為、回折効率の入射角の依存性が大きく
なるという問題を有する。
【００１２】そこで、本発明は、上記課題を解決し、複
雑な構成の回折光学素子を用いることなく、回折光学素
子の波長依存性に伴う不要回折次数によるフレア等の発
生を押さえることが可能な回折光学素子を有する光学系
を提供することを目的とするものである。
雑な構成の回折光学素子を用いることなく、回折光学素
子の波長依存性に伴う不要回折次数によるフレア等の発
生を押さえることが可能な回折光学素子を有する光学系
を提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を達
成するために、つぎの（１）〜（９）のように構成した
回折光学素子を有する光学系を提供するものである。 （１）光源からの光を、色分解光学系を介して所定の波
長領域の光に色分解し、複数の画素を有する画像表示素
子における前記所定の波長領域に応じた画素に入射さ
せ、該画像表示素子に表示された画像を投射光学系によ
って拡大投影するように構成した光学系において、前記
投射光学系の絞り近傍に回折光学素子を有し、該回折光
学素子の回折効率を前記所定の波長領域毎に最適化でき
るように構成したことを特徴とする光学系。 （２）前記画像表示素子の光源側の光路に形成された光
集光手段に対して、前記色分解光学系によって所定の波
長領域に分解された光を異なった角度で入射させ、前記
画像表示素子の複数の画素毎に集光するように構成した
ことを特徴とする上記（１）に記載の光学系。 （３）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、該回折光学素子の格子の高さが該所定の波長領
域毎に異なった高さに構成されていることを特徴とする
上記（１）または上記（２）に記載の光学系。 （４）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、該回折光学素子の格子の高さが該所定の波長領
域に亙って連続的に変化するように構成されていること
を特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の光学
系。 （５）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、該回折光学素子が該所定の波長領域毎に異なっ
た屈折率の材料で構成されていることを特徴とする上記
（１）または上記（２）に記載の光学系。 （６）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、上記（３）に記載の高さの異なる構成と、上記
（４）に記載の高さの変化する構成とを、併用すること
によって構成されていることを特徴とする上記（１）ま
たは上記（２）に記載の光学系。 （７）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、上記（３）または上記（４）に記載の高さの異
なる構成または変化する構成と、上記（５）に記載の異
なった屈折率の材料による構成とを、併用することによ
って構成されていることを特徴とする上記（１）または
上記（２）に記載の光学系。 （８）前記回折光学素子は、少なくとも２つ以上の波長
領域に対して、回折効率を最適化させることができる領
域を有することを特徴とする上記（１）〜（７）のいず
れかに記載の光学系。 （９）前記波長領域の波長が、可視光領域の波長である
ことを特徴とする上記（８）に記載の光学系。 （１０）前記可視光領域の波長のうち、最大と最小のも
のをλ１、λ２としたとき、λ１とλ２の差が５０ｎｍ
以上であること特徴とする上記（９）に記載の光学系。
成するために、つぎの（１）〜（９）のように構成した
回折光学素子を有する光学系を提供するものである。 （１）光源からの光を、色分解光学系を介して所定の波
長領域の光に色分解し、複数の画素を有する画像表示素
子における前記所定の波長領域に応じた画素に入射さ
せ、該画像表示素子に表示された画像を投射光学系によ
って拡大投影するように構成した光学系において、前記
投射光学系の絞り近傍に回折光学素子を有し、該回折光
学素子の回折効率を前記所定の波長領域毎に最適化でき
るように構成したことを特徴とする光学系。 （２）前記画像表示素子の光源側の光路に形成された光
集光手段に対して、前記色分解光学系によって所定の波
長領域に分解された光を異なった角度で入射させ、前記
画像表示素子の複数の画素毎に集光するように構成した
ことを特徴とする上記（１）に記載の光学系。 （３）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、該回折光学素子の格子の高さが該所定の波長領
域毎に異なった高さに構成されていることを特徴とする
上記（１）または上記（２）に記載の光学系。 （４）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、該回折光学素子の格子の高さが該所定の波長領
域に亙って連続的に変化するように構成されていること
を特徴とする上記（１）または上記（２）に記載の光学
系。 （５）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、該回折光学素子が該所定の波長領域毎に異なっ
た屈折率の材料で構成されていることを特徴とする上記
（１）または上記（２）に記載の光学系。 （６）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、上記（３）に記載の高さの異なる構成と、上記
（４）に記載の高さの変化する構成とを、併用すること
によって構成されていることを特徴とする上記（１）ま
たは上記（２）に記載の光学系。 （７）前記回折光学素子は、前記所定の波長領域に対応
させて、上記（３）または上記（４）に記載の高さの異
なる構成または変化する構成と、上記（５）に記載の異
なった屈折率の材料による構成とを、併用することによ
って構成されていることを特徴とする上記（１）または
上記（２）に記載の光学系。 （８）前記回折光学素子は、少なくとも２つ以上の波長
領域に対して、回折効率を最適化させることができる領
域を有することを特徴とする上記（１）〜（７）のいず
れかに記載の光学系。 （９）前記波長領域の波長が、可視光領域の波長である
ことを特徴とする上記（８）に記載の光学系。 （１０）前記可視光領域の波長のうち、最大と最小のも
のをλ１、λ２としたとき、λ１とλ２の差が５０ｎｍ
以上であること特徴とする上記（９）に記載の光学系。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態においては、
上記構成を適用することにより、光源と、前記光源より
発した光を略平行化しかつ均一化するコリメート光学系
とそのコリメートされた光を所定の波長領域の光に分解
する色分解光学系とを有する複数の画素で構成された画
像表示素子を照明するように構成された照明光学系と、
前記画像表示素子に表示された画像を拡大投影するため
の投射光学系を有する光学系において、前記画像表示素
子の少なくとも光源側の光路に、前記画像表示素子の複
数の画素ごとに光集光手段が形成され、さらに前記投射
光学系の絞り近傍に回折光学素子を配置し、該回折光学
素子の回折効率を前記所定の波長領域毎に最適化できる
ように構成することで、光学系の諸収差を補正すること
ができ、また、広い波長領域で使用することができ、色
分解光学系により分解された各色の光が透過する回折光
学素子の回折効率特性を最適にすることが可能となる。
また、前記画像表示素子の光源側の光路に形成された光
集光手段に対して、前記色分解光学系によって所定の波
長領域に分解された光を異なった角度で入射させ、前記
画像表示素子の複数の画素毎に集光するように構成する
ことで、色分解光学系により分解された各色に対する光
が色に応じた画素に入射するように構成さすることが可
能となる。また、前記回折光学素子は、少なくとも２つ
以上の可視光領域に対して、回折効率を最適化させるこ
とができるようにし、その波長領域の波長のうち、最大
と最小のものをλ１、λ２としたとき、λ１とλ２の差
が５０ｎｍ以上とすることにより、可視光領域で、良好
な画像を得ることが可能となる。
上記構成を適用することにより、光源と、前記光源より
発した光を略平行化しかつ均一化するコリメート光学系
とそのコリメートされた光を所定の波長領域の光に分解
する色分解光学系とを有する複数の画素で構成された画
像表示素子を照明するように構成された照明光学系と、
前記画像表示素子に表示された画像を拡大投影するため
の投射光学系を有する光学系において、前記画像表示素
子の少なくとも光源側の光路に、前記画像表示素子の複
数の画素ごとに光集光手段が形成され、さらに前記投射
光学系の絞り近傍に回折光学素子を配置し、該回折光学
素子の回折効率を前記所定の波長領域毎に最適化できる
ように構成することで、光学系の諸収差を補正すること
ができ、また、広い波長領域で使用することができ、色
分解光学系により分解された各色の光が透過する回折光
学素子の回折効率特性を最適にすることが可能となる。
また、前記画像表示素子の光源側の光路に形成された光
集光手段に対して、前記色分解光学系によって所定の波
長領域に分解された光を異なった角度で入射させ、前記
画像表示素子の複数の画素毎に集光するように構成する
ことで、色分解光学系により分解された各色に対する光
が色に応じた画素に入射するように構成さすることが可
能となる。また、前記回折光学素子は、少なくとも２つ
以上の可視光領域に対して、回折効率を最適化させるこ
とができるようにし、その波長領域の波長のうち、最大
と最小のものをλ１、λ２としたとき、λ１とλ２の差
が５０ｎｍ以上とすることにより、可視光領域で、良好
な画像を得ることが可能となる。
【００１５】
【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。
（なお、以下の実施例では、単板式の投射型画像表示装
置を中心に説明しているが、本発明は以下の実施例によ
って何ら制限されるものではないことは、云うまでもな
いことである。） ［実施例１］本発明にかかる実施例１を図４に示す。図
４は、従来例に示した図１に対して、回折光学素子１１
３を光学系中の絞り近傍に配置した構成であり、図１の
同付番のものは同じ機能を示すものとして説明は省略す
る。図４（ａ）は、本実施例の構成の主要部を示すもの
である。図４（ａ）に示したように、光源１０１からの
光は光均一化手段１０３を経て平行化され色分解光学系
１０４を介して画像表示手段１０５を照明する。この
時、色分解光学系は各波長領域の光が、角度を変えて画
像表示手段１０５を照明するように構成してあるため、
各波長領域に応じた画素１１２に入射する。投射光学系
１０６は画像表示手段１０５に表示された画像をスクリ
ーン１０７上に拡大投影する。光学系１０６の絞り近傍
に回折光学素子１１３が配置されている。図４（ｂ）
は、絞り近傍に配置された回折光学素子１１３上の光の
分布と各画素１１２に入射した光の関係の概要を示して
いる。ｒａｙ＿ａ，ｒａｙ＿ｂ，ｒａｙ＿ｃがそれぞれ
緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）に対応するとすると、回
折光学素子上には図に示したようにそれぞれの波長領域
に対応した光が分布することになる。
（なお、以下の実施例では、単板式の投射型画像表示装
置を中心に説明しているが、本発明は以下の実施例によ
って何ら制限されるものではないことは、云うまでもな
いことである。） ［実施例１］本発明にかかる実施例１を図４に示す。図
４は、従来例に示した図１に対して、回折光学素子１１
３を光学系中の絞り近傍に配置した構成であり、図１の
同付番のものは同じ機能を示すものとして説明は省略す
る。図４（ａ）は、本実施例の構成の主要部を示すもの
である。図４（ａ）に示したように、光源１０１からの
光は光均一化手段１０３を経て平行化され色分解光学系
１０４を介して画像表示手段１０５を照明する。この
時、色分解光学系は各波長領域の光が、角度を変えて画
像表示手段１０５を照明するように構成してあるため、
各波長領域に応じた画素１１２に入射する。投射光学系
１０６は画像表示手段１０５に表示された画像をスクリ
ーン１０７上に拡大投影する。光学系１０６の絞り近傍
に回折光学素子１１３が配置されている。図４（ｂ）
は、絞り近傍に配置された回折光学素子１１３上の光の
分布と各画素１１２に入射した光の関係の概要を示して
いる。ｒａｙ＿ａ，ｒａｙ＿ｂ，ｒａｙ＿ｃがそれぞれ
緑（Ｇ）、赤（Ｒ）、青（Ｂ）に対応するとすると、回
折光学素子上には図に示したようにそれぞれの波長領域
に対応した光が分布することになる。
【００１６】従来例（図２）で示したようにある波長領
域の光では、回折効率が高いもののその波長以外では、
所望（ここでは１次）の回折効率が下がり、他の次数が
増えるためフレア光などが発生してしまう。とくに、回
折光が最も高い波長（以下、設計波長）より、短い波長
領域の光の回折効率が大きく低下する。図２に示したよ
うな回折光学素子で、格子部の厚みをｄ、材料の波長λ
の屈折率をＮ（λ）とすると空気中との位相差φは、 φ＝２π／λ×ｄ×（Ｎ（λ）−１） で与えられる。ｍ次光であればφ＝ｍ×２πのときに、
回折効率が高くなる。たとえば１次光であれば、 λ＝ｄ（Ｎ（λ）−１） のとき、１次の回転効率が高くなり、この式からｄの値
が決定される。この式から外れると、干渉の効果が小さ
くなり回折効率が低下する。
域の光では、回折効率が高いもののその波長以外では、
所望（ここでは１次）の回折効率が下がり、他の次数が
増えるためフレア光などが発生してしまう。とくに、回
折光が最も高い波長（以下、設計波長）より、短い波長
領域の光の回折効率が大きく低下する。図２に示したよ
うな回折光学素子で、格子部の厚みをｄ、材料の波長λ
の屈折率をＮ（λ）とすると空気中との位相差φは、 φ＝２π／λ×ｄ×（Ｎ（λ）−１） で与えられる。ｍ次光であればφ＝ｍ×２πのときに、
回折効率が高くなる。たとえば１次光であれば、 λ＝ｄ（Ｎ（λ）−１） のとき、１次の回転効率が高くなり、この式からｄの値
が決定される。この式から外れると、干渉の効果が小さ
くなり回折効率が低下する。
【００１７】こうしたことから、本実施例の回折光学素
子の構成の概要を図５に示す。図５（ａ）に示したよう
に、回折光学素子上には１１４のように輪帯状の回折面
が形成されている。図 ５（ｂ）は、その断面形状の概
要であり、図４（ｂ）で示した、Ｇ、Ｒ、Ｂの位置に対
応して回折光学素子の高さが変えてある。Ｒ、Ｇ、Ｂの
部分に対応する高さｄｒ，ｄｇ，ｄｂはそれぞれ１．２
５、１．０５、０．８６μｍであり、格子の材料はＮｄ
＝１．４９、νｄ＝５７．４の樹脂材料である。
子の構成の概要を図５に示す。図５（ａ）に示したよう
に、回折光学素子上には１１４のように輪帯状の回折面
が形成されている。図 ５（ｂ）は、その断面形状の概
要であり、図４（ｂ）で示した、Ｇ、Ｒ、Ｂの位置に対
応して回折光学素子の高さが変えてある。Ｒ、Ｇ、Ｂの
部分に対応する高さｄｒ，ｄｇ，ｄｂはそれぞれ１．２
５、１．０５、０．８６μｍであり、格子の材料はＮｄ
＝１．４９、νｄ＝５７．４の樹脂材料である。
【００１８】図６は、各領域に対応した、入射角０度に
おける回折効率である。各領域毎に対して、回折光学素
子の回折効率を適切に設定しているので、フレアの発生
を大幅に低減できる。本実施例においては、絞り近傍に
配置された回折光学素子を３つの領域に分け、それぞれ
の領域において回折効率をその領域を透過する波長領域
に対応して設定したがこのように完全に領域を分割しな
くても図７に示したように格子の高さを連続的に変化さ
せてもよいし、領域分割とあわせてもよい。
おける回折効率である。各領域毎に対して、回折光学素
子の回折効率を適切に設定しているので、フレアの発生
を大幅に低減できる。本実施例においては、絞り近傍に
配置された回折光学素子を３つの領域に分け、それぞれ
の領域において回折効率をその領域を透過する波長領域
に対応して設定したがこのように完全に領域を分割しな
くても図７に示したように格子の高さを連続的に変化さ
せてもよいし、領域分割とあわせてもよい。
【００１９】また、各回折効率の設定を、格子の高さに
対応させて設定したが、領域毎の材料を変え、図８に示
したように、Ｇ、Ｒ、Ｂに対応する材料の屈折率Ｎｒ、
Ｎｇ、Ｎｂを変えた材料により構成し、これら屈折率の
異なる材料に対応させて回折効率を設定しても同様の効
果が得られる。また、さらにこの材料の組み合わせと高
さの両方を併用してよい。
対応させて設定したが、領域毎の材料を変え、図８に示
したように、Ｇ、Ｒ、Ｂに対応する材料の屈折率Ｎｒ、
Ｎｇ、Ｎｂを変えた材料により構成し、これら屈折率の
異なる材料に対応させて回折効率を設定しても同様の効
果が得られる。また、さらにこの材料の組み合わせと高
さの両方を併用してよい。
【００２０】図９に本実施例の別様態を示す。図９
（ａ）は、素子の概要であり、絞り近傍に配置された回
折面の輪帯が１１４のように形成されている。図９
（ｂ）は素子の主要部の断面形状であり、図に示したよ
うに高さｄｇｒとｄｂというように２種類の高さで構成
されている。その他の構成については、図４と同様な構
成であり説明を省略する。図９（ｃ）は本実施例の別様
態の回折効率を示したもので、青（Ｂ）部分に対応する
高さｄｂの部分と赤、緑に対応する高さｄｇｒの部分に
分かれている。
（ａ）は、素子の概要であり、絞り近傍に配置された回
折面の輪帯が１１４のように形成されている。図９
（ｂ）は素子の主要部の断面形状であり、図に示したよ
うに高さｄｇｒとｄｂというように２種類の高さで構成
されている。その他の構成については、図４と同様な構
成であり説明を省略する。図９（ｃ）は本実施例の別様
態の回折効率を示したもので、青（Ｂ）部分に対応する
高さｄｂの部分と赤、緑に対応する高さｄｇｒの部分に
分かれている。
【００２１】青の部分は、回折効率が４３０ｎｍ〜４９
０ｎｍの間で最大となるようにし、ＧＲの部分は５５０
ｎｍ〜６１０ｎｍの間で最大となるようにしている。こ
のような構成でも、赤の回折効率が若干低下するものの
比較的低下が少なく、回折光学素子の形状が簡単にな
る。このように構成しても、フレアの低下を実現するこ
とができる。また、本実施例においては、回折光学素子
の高さにより回折光学素子の領域ごとの回折効率の特性
を設定したが、これに限定するものでなく材料の屈折率
によって設定してもよい。また、本例に示したように、
各領域を明瞭に区切らなくても、徐々に格子の高さを設
定しても同様の効果が得られる。さらに、本実施例にお
いては１次光の回折効率が最大となるように設定した
が、２次光、やそれ以上の高次光であってもよい。
０ｎｍの間で最大となるようにし、ＧＲの部分は５５０
ｎｍ〜６１０ｎｍの間で最大となるようにしている。こ
のような構成でも、赤の回折効率が若干低下するものの
比較的低下が少なく、回折光学素子の形状が簡単にな
る。このように構成しても、フレアの低下を実現するこ
とができる。また、本実施例においては、回折光学素子
の高さにより回折光学素子の領域ごとの回折効率の特性
を設定したが、これに限定するものでなく材料の屈折率
によって設定してもよい。また、本例に示したように、
各領域を明瞭に区切らなくても、徐々に格子の高さを設
定しても同様の効果が得られる。さらに、本実施例にお
いては１次光の回折効率が最大となるように設定した
が、２次光、やそれ以上の高次光であってもよい。
【００２２】図１０は図５に示した回折光学素子と同様
な構成において、各回折光学素子の高さを約２倍したも
ので、２次回折光を最大とした時の回折光学素子の回折
効率特性である。このように１次光以上の回折光効率を
利用すると回折効率の特性の波長依存性が大きくなるも
の同様の効果が得られる。さらに回折効率は入射角０度
の場合を示したが、光学系中の入射角を考慮するとさら
に効果的である。また、色分解光学系については、ダイ
クロイックミラーにより構成したが、これに限定するも
のでなく、色分解をするための回折光学素子であっても
よく、その種類については限定しない。また、Ｒ、Ｇ、
Ｂの画素の配置と、絞り近傍に配置された回折光学素子
の回折効率の特性が対応していれば、同様の効果が得ら
れる為、画素の配置などについては限定しない。
な構成において、各回折光学素子の高さを約２倍したも
ので、２次回折光を最大とした時の回折光学素子の回折
効率特性である。このように１次光以上の回折光効率を
利用すると回折効率の特性の波長依存性が大きくなるも
の同様の効果が得られる。さらに回折効率は入射角０度
の場合を示したが、光学系中の入射角を考慮するとさら
に効果的である。また、色分解光学系については、ダイ
クロイックミラーにより構成したが、これに限定するも
のでなく、色分解をするための回折光学素子であっても
よく、その種類については限定しない。また、Ｒ、Ｇ、
Ｂの画素の配置と、絞り近傍に配置された回折光学素子
の回折効率の特性が対応していれば、同様の効果が得ら
れる為、画素の配置などについては限定しない。
【００２３】［実施例２］本発明にかかる実施例２を図
１１に示す。図１１は、その主要部である。本実施例も
実施例１と同様の投射光学系であり、光学系については
同様である為説明を省略する。図１１（ａ）は、実施例
１の１０４の色分解光学系に対応する本実施例の色分解
光学系２０４と集光手段２０９と各画素の２１１の対応
を示したものである。実施例１においては、色分解光学
系後の光路がある平面内に色分解されたが、本実施例で
は、図１１（ａ）に示したように、２次元方向に分解さ
れる場合の構成を示したものである。図１１（ｂ）は、
本実施例の回折光学素子の概要を示したものであり、実
施例１と同様に図示しない投射光学系の絞り近傍に配置
されている。
１１に示す。図１１は、その主要部である。本実施例も
実施例１と同様の投射光学系であり、光学系については
同様である為説明を省略する。図１１（ａ）は、実施例
１の１０４の色分解光学系に対応する本実施例の色分解
光学系２０４と集光手段２０９と各画素の２１１の対応
を示したものである。実施例１においては、色分解光学
系後の光路がある平面内に色分解されたが、本実施例で
は、図１１（ａ）に示したように、２次元方向に分解さ
れる場合の構成を示したものである。図１１（ｂ）は、
本実施例の回折光学素子の概要を示したものであり、実
施例１と同様に図示しない投射光学系の絞り近傍に配置
されている。
【００２４】図１１の各画素のＲ、Ｇ、Ｂの画素に対応
する回折光学素子の領域は、（ｂ）に示したようになっ
ており、その領域における回折効率の特性が実施例１と
同様にＲ、Ｇ、Ｂの領域の効率がそれぞれ高くなるよう
に構成されている。このように構成することで、フレア
光の発生を低減することができる。回折効率の特性につ
いては、実施例１と同様に、格子の高さをかえても、材
料の特性をかえても同様の効果が得られる。
する回折光学素子の領域は、（ｂ）に示したようになっ
ており、その領域における回折効率の特性が実施例１と
同様にＲ、Ｇ、Ｂの領域の効率がそれぞれ高くなるよう
に構成されている。このように構成することで、フレア
光の発生を低減することができる。回折効率の特性につ
いては、実施例１と同様に、格子の高さをかえても、材
料の特性をかえても同様の効果が得られる。
【００２５】また、領域の設定に関しては、各色に対応
した画素の配置と、瞳近傍に配置された回折光学素子の
特性が対応していれば、同様の効果が得られ、図１２に
示したように、位置については特定しない。また、実施
例においては、回折光学素子が回転対称の輪帯を持って
いるように示したが、これに限定するものでなく、色分
解系と、各色の画素の配置と、絞り近傍に配置された回
折光学素子の回折効率の場所ごとの対応があればよく、
同様の効果が得られる。
した画素の配置と、瞳近傍に配置された回折光学素子の
特性が対応していれば、同様の効果が得られ、図１２に
示したように、位置については特定しない。また、実施
例においては、回折光学素子が回転対称の輪帯を持って
いるように示したが、これに限定するものでなく、色分
解系と、各色の画素の配置と、絞り近傍に配置された回
折光学素子の回折効率の場所ごとの対応があればよく、
同様の効果が得られる。
【００２６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複雑な構成の回折光学素子を用いることなく、回折光学
素子の波長依存性に伴う不要回折次数によるフレア等の
発生を押さえることができ、広い波長領域で使用するこ
とが可能な回折光学素子を有する光学系を実現すること
ができる。
複雑な構成の回折光学素子を用いることなく、回折光学
素子の波長依存性に伴う不要回折次数によるフレア等の
発生を押さえることができ、広い波長領域で使用するこ
とが可能な回折光学素子を有する光学系を実現すること
ができる。
【図１】（ａ）は従来例におけるカラーフィルタのない
単板式の投射光学系の概要図であり、（ｂ）はその画像
表示素子の周辺の概略図である。
単板式の投射光学系の概要図であり、（ｂ）はその画像
表示素子の周辺の概略図である。
【図２】従来例における回折光学素子の回折効率を示す
図である。
図である。
【図３】従来例（特開平８−２２０４８２号公報）の光
学系の概要図である。
学系の概要図である。
【図４】（ａ）は本発明の実施例１における光学系の概
要図であり、（ｂ）はその画像表示素子投射光学系の瞳
の対応を示す図である。
要図であり、（ｂ）はその画像表示素子投射光学系の瞳
の対応を示す図である。
【図５】本発明の実施例１における回折光学素子の概要
図である。
図である。
【図６】本発明の実施例１における回折光学素子の各領
域ごとの回折効率を示す図である。
域ごとの回折効率を示す図である。
【図７】本発明の実施例１における回折光学素子の別の
様態を示す図である。
様態を示す図である。
【図８】本発明の実施例１における回折光学素子の別の
様態を示す図である。
様態を示す図である。
【図９】本発明の実施例１における回折光学素子の別の
様態を示す図である。
様態を示す図である。
【図１０】本発明の実施例１における回折光学素子の別
の様態の回折効率を示す図である。
の様態の回折効率を示す図である。
【図１１】（ａ）は本発明の実施例２における光学系の
概要図であり、（ｂ）は本発明の実施例２における回折
光学素子の概要図である。
概要図であり、（ｂ）は本発明の実施例２における回折
光学素子の概要図である。
【図１２】本発明の実施例２における回折光学素子の別
の様態を示す図である。
の様態を示す図である。
【符号の説明】 Ｐ１０１：光源 Ｐ１０２：光軸（基準） Ｐ１０３：照明均一化手段 Ｐ１０４：色分解光学系 Ｐ１０５：画像表示素子 Ｐ１０６：投射光学系 Ｐ１０７：スクリーン Ｐ１０８：投射光軸 Ｐ１１０：画像表示素子表示部 Ｐ１１１：遮光部 Ｐ１１２：画素 １：照明光学系 ３：投射光学系 ９：波長選択素子 １０：回折光学面（レリーフパターン） １１：回折光学素子 １０１：光源 １０２：光軸（基準） １０３：照明均一化手段 １０４：色分解光学系 １０５：画像表示素子 １０６：投射光学系 １０７：スクリーン １０８：投射光軸 １１０：画像表示素子表示部 １１１：遮光部 １１２：画素 １１３：回折光学素子 １１４：回折光学素子 ２０４：色分解光学系 ２１１：画素 ２０９：集光手段
Claims (10)
- 【請求項１】光源からの光を、色分解光学系を介して所
定の波長領域の光に色分解し、複数の画素を有する画像
表示素子における前記所定の波長領域に応じた画素に入
射させ、該画像表示素子に表示された画像を投射光学系
によって拡大投影するように構成した光学系において、 前記投射光学系の絞り近傍に回折光学素子を有し、該回
折光学素子の回折効率を前記所定の波長領域毎に最適化
できるように構成したことを特徴とする光学系。 - 【請求項２】前記画像表示素子の光源側の光路に形成さ
れた光集光手段に対して、前記色分解光学系によって所
定の波長領域に分解された光を異なった角度で入射さ
せ、前記画像表示素子の複数の画素毎に集光するように
構成したことを特徴とする請求項１に記載の光学系。 - 【請求項３】前記回折光学素子は、前記所定の波長領域
に対応させて、該回折光学素子の格子の高さが該所定の
波長領域毎に異なった高さに構成されていることを特徴
とする請求項１または請求項２に記載の光学系。 - 【請求項４】前記回折光学素子は、前記所定の波長領域
に対応させて、該回折光学素子の格子の高さが該所定の
波長領域に亙って連続的に変化するように構成されてい
ることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光
学系。 - 【請求項５】前記回折光学素子は、前記所定の波長領域
に対応させて、該回折光学素子が該所定の波長領域毎に
異なった屈折率の材料で構成されていることを特徴とす
る請求項１または請求項２に記載の光学系。 - 【請求項６】前記回折光学素子は、前記所定の波長領域
に対応させて、請求項３に記載の高さの異なる構成と、
請求項４に記載の高さの変化する構成とを、併用するこ
とによって構成されていることを特徴とする請求項１ま
たは請求項２に記載の光学系。 - 【請求項７】前記回折光学素子は、前記所定の波長領域
に対応させて、請求項３または請求項４に記載の高さの
異なる構成または変化する構成と、請求項５に記載の異
なった屈折率の材料による構成とを、併用することによ
って構成されていることを特徴とする請求項１または請
求項２に記載の光学系。 - 【請求項８】前記回折光学素子は、少なくとも２つ以上
の波長領域に対して、回折効率を最適化させることがで
きる領域を有することを特徴とする請求項１〜７のいず
れか１項に記載の光学系。 - 【請求項９】前記波長領域の波長が、可視光領域の波長
であることを特徴とする請求項８に記載の光学系。 - 【請求項１０】前記可視光領域の波長のうち、最大と最
小のものをλ１、λ２としたとき、λ１とλ２の差が５
０ｎｍ以上であること特徴とする請求項９に記載の光学
系。
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