JP2006317951A

JP2006317951A - レンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置

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Publication number: JP2006317951A
Application number: JP2006134174A
Authority: JP
Inventors: Yurlov Victor; ユーロフ・ヴィクトー; Haeng Seok Yang; ヤン・ヘンソク
Original assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electro Mechanics Co Ltd
Priority date: 2005-05-12
Filing date: 2006-05-12
Publication date: 2006-11-24
Also published as: KR100815352B1; US20060262404A1; KR20060117071A; US7227594B2

Abstract

【課題】光変調器によって形成された＋次数と−次数の回折光を集光する場合にレンズ系の開口数を大幅に低減した光変調器を利用したディスプレイ装置を提供する。
【解決手段】ディスプレイ装置は、光源から出射した光を照射するための照明レンズと、前記照明レンズから入射した光を変調して、複数の回折次数を持つ回折光を生成する回折型光変調器と、前記回折型光変調器で生成された回折光のうち、＋次数の回折光とそれに対応する−次数の回折光を近接させて開口数を低減させる開口数低減器と、前記開口数低減器から開口数が低減した回折光が入射した場合、対象物体に集光して走査を行う投影システムとを含む。
【選択図】図５

Description

本発明は、光変調器を利用したディスプレイ装置に関し、特に、光変調器によって形成された＋次数と−次数の回折光を集光する場合にレンズ系の開口数を大幅に低減した、レンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置に関するものである。

微細技術の進展につれて、いわゆるマイクロマシン（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）素子、およびＭＥＭＳ素子を組み込んだ小型機器が注目されている。

ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板などの基板上に微細構造体として形成され、機械的駆動力を出力する駆動体と駆動体を制御する半導体集積回路などを電気的かつ機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造に構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることにあり、駆動体の駆動は電極間のクーロンの力などを応用して電気的に行われる。

図１および図２は、光の反射または回折を用いて、光スイッチ、光変調素子に適用される光学ＭＥＭＳ素子の代表的な構成を示す。

図１に示す光学ＭＥＭＳ素子１は、基板２と、基板２上に形成した基板側電極３と、基板側電極３に対向して平行に配置した駆動側電極４を持つビーム６と、このビーム６の一端を支持する支持部７とを備える。ビーム６と基板側電極３は、その間の空隙８によって電気的に絶縁されている。

基板２としては、例えばシリコン（Ｓｉ）またはガリウムヒ素（ＧａＡｓ）などの半導体基板上に絶縁膜を形成した基板、ガラス基板のような絶縁性基板などが利用される。基板側電極３は、不純物をドーピングした多結晶シリコン膜、金属膜（例えば、Ｃｒ蒸着膜）などで形成される。ビーム６は、例えばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）などの絶縁膜５と、その上面に形成された膜厚１００ｎｍ程度の例えばＡｌ膜からなる反射膜を兼ねる駆動側電極４とで構成される。このビーム６は、支持部７にその一端を支持した、いわゆる片持ち梁型に形成される。

このような光学ＭＥＭＳ素子１においては、基板側電極３と駆動側電極４に印加される電位によって、ビーム６が、基板側電極３との間の静電引力または静電反発によって変位し、例えば図１の実線と点線で示すように、基板側電極３に対して平行状態および傾斜状態に変位する。

図２に示す光学ＭＥＭＳ素子１１は、基板１２と、基板１２上に形成した基板側電極１３と、基板側電極１３をブリッジ形状に跨ぐビーム１４とを備える。ビーム１４と基板側電極１３は、その間の空隙１０によって電気的に絶縁されている。

ビーム１４は、基板側電極１３を跨ぐようにブリッジ形状に基板１２上に立設された、例えばＳｉＮ膜からなるブリッジ部材１５と、基板側基板１３に対向して相互平行にブリッジ部材１５上に設けられた、例えば膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜からなる反射膜を兼ねる駆動側電極１６とで構成される。基板１２、基板側電極１３、ビーム１４などは、図１で説明したものと同一の構成および材料を採用することができる。ビーム１４はその両端が支持された、いわゆるブリッジ型に形成される。

このような光学ＭＥＭＳ素子１１においては、基板側電極１３と駆動側電極１６に印加される電位によって、ビーム１４が、基板側電極１３との間の静電引力または静電反発によって変位し、例えば図２の実線と点線で示すように、基板側電極３に対して平行状態および凹んだ状態に変位する。

光学ＭＥＭＳ素子１、１１は、光反射膜を兼ねる駆動側電極４、１６の表面に光が照射され、ビーム４、１４の駆動位置によってその光の反射方向が異なることを用いて、一方向の反射光を検出してスイッチ機能を持つようにした光スイッチとして適用することができる。

また、光学ＭＥＭＳ素子１、１１は、光強度を変調させる光変調素子として適用することができる。光の反射を用いる時は、ビーム４、１４を振動させて、単位時間当りの一方向への反射光量で光強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる時間変調素子である。

光の回折を用いる時は、共通の基板側電極３、１３に対して複数のビーム６、１４を並列に配置して光変調素子を構成し、共通の基板側電極３、１３に対して、例えば一つおきにビーム６、１４が近接および離反する動作によって、光反射膜を兼ねる駆動側電極の高さを変化させ、光の回折によって駆動側電極で反射する光の強度を変調する。この光変調素子は、いわゆる空間変調素子である。

図３は、シリコンライトマシン社（ＳＬＭ: Silicon Light Machine)がレーザディスプレイ用光強度変換素子、すなわち光変調器として開発したＧＬＶ(Grating Light Valve)デバイスの構成を示す。

ＧＬＶデバイス２１は、図３に示すように、ガラス基板等の絶縁基板２２上に、タングステン、チタンなどの高融点金属およびその窒化膜、またはポリシリコン薄膜による共通の基板側電極２３が形成され、この基板側電極２３に交差してブリッジ型に跨る複数のビーム２４（ここでは、６つのビーム２４１、２４２、２４３、２４４、２４５、２４６）が並列に配置されている。基板側電極２３およびビーム２４の構成は、前述した図２で説明したものと同一の構成である。すなわち、ビーム２４は、例えばＳｉＮ膜によるブリッジ部材の、基板側電極２３に平行な面上に、膜厚１００ｎｍ程度のＡｌ膜からなる反射膜兼駆動側電極２６が形成される。

ブリッジ部材とその上に設けられた反射膜兼駆動側電極とからなるビーム２４は、一般に「リボン」と称される。

ビーム２４の反射膜兼駆動側電極として使用したアルミニウム膜（Ａｌ膜）は、（１）比較的容易に構成可能な金属であること、（２）可視光反射率の波長分散が小さいこと、（３）Ａｌ膜の表面に生成したアルミニウム自然酸化膜が保護膜として反射面を保護することの理由で、光学部品材料として望ましい金属である。

また、ブリッジ部材を構成するＳｉＮ膜（窒化シリコン膜）は減圧ＣＶＤ法によって成膜されたＳｉＮ膜であって、その強度、弾性定数などの物理値がブリッジ部材の機械的駆動に対して適切なものが選定されている。

基板側電極２３と反射膜兼駆動側電極との間に微小電圧を印加すると、前述した静電現象によって、ビーム２４が基板側電極２３に向かって近接し、一方、電圧の印加を停止すると、離反して元の状態に戻る。

ＧＬＶデバイス２１は、基板側電極２３に対する複数のビーム２４の近接および離反の動作（すなわち、一つおきのビームの近接および離反の動作によって、光反射膜兼駆動側電極の高さを交互に変化させ、光の回折によって（６つのビーム２４全体に対して１つの光スポットが照射される）によって、駆動側電極で反射する光の強度を変調する。

静電引力および静電反発力を利用して駆動するビームの力学的特性は、ＣＶＤ法などで成膜されるＳｉＮ膜の物性によってほとんど決定され、Ａｌ膜はミラーとしての役目が主なものである。

図４は、前述したＭＥＭＳ素子を適用した光変調素子としてのＧＬＶデバイスを用いた光学装置の一例を示す。本例においては、レーザディスプレイに適用される場合を説明する。

本例に係るレーザーディスプレイ５１は、例えば大型スクリーン用プロジェクタ、特にデジタル画像のプロジェクタ、あるいはコンピュータの画像投影装置として利用される。

レーザディスプレイ５１は、図５に示すように、レーザ光源５２と、レーザ光源に対して取り付けられたミラー５４と、照明光学系（レンズ群）５６と、光変調素子として機能するＧＬＶデバイス５８とを備えている。

さらに、レーザディスプレイ５１は、ＧＬＶデバイス５８によって光強度が変調されたレーザ光を反射するミラー６０と、投射レンズ６２と、フィルタ６４と、拡散板６６と、ミラー６８と、ガルバノスキャナ７０と、投映光学系（レンズ群）７２と、スクリーン７４とを備えている。

従来技術によるレーザディスプレイ５１においては、レーザ光源５２から出射したレーザ光が、ミラー５４を経て照明光学系５６を通じてＧＬＶデバイス５８に入射する。

また、レーザ光は、ＧＬＶデバイス５８での回折によって空間変調され、ミラー６０によって反射された後、投射レンズ６２で回折次数別に分離され、フィルタ６４によって信号成分のみが取り出される。

この画像信号は、拡散板６６によってレーザスペクトラムが低減され、ミラー６８を経て、画像信号と同期するガルバノスキャナ６８によって空間に展開され、投映光学系７０によってスクリーン７２上に投影される。

前記のような従来技術によれば、回折型光変調器の回折格子間隔が狭くなれば回折角が増加することになり、これにより、投射レンズなどの後段に位置するレンズ系のＮＡ（開口数：Numerical Aperture）が増加することになる。

したがって、本発明の目的は、前記のような問題点を解決するためになされたもので、光変調器によって形成された＋次数と−次数の回折光を集光する場合にレンズ系の開口数を大幅に低減した光変調器を利用したディスプレイ装置を提供することである。

前記のような問題点を解決するため、本発明は、光源から出射した光を照射するための照明レンズと、前記照明レンズから入射した光を変調して、複数の回折次数を持つ回折光を生成する回折型光変調器と、前記回折型光変調器で生成された回折光のうち、＋次数の回折光とそれに対応する−次数の回折光を近接させて開口数を低減させる開口数低減器と、前記開口数低減器から開口数が低減した回折光が入射した場合、対象物体に集光して走査を行う投影システムとを含むことを特徴とする。

前記のような本発明によれば、回折角が増加しても、レンズの開口数を増加させる必要がなく、光学系の設計が容易である。

また、本発明によれば、＋次数の回折光と−次数の回折光を集光することができ、近軸光学系の設計が可能になり、レンズの性能が向上する。

また、本発明によれば、＋次数の回折光と−次数の回折光を集光することができ、小型のガルバノミラーの使用がになり、ディスプレイ装置の小型化とコスト節減が可能である。

以下、図５以降に基づいて本発明の望ましい一実施形態を詳細に説明する。

図５は、本発明の一実施形態によるレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置の構成図である。

同図を参照して、本発明の一実施形態によるレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置は、光源７００、照明レンズ７１０、回折型光変調器７２０、反射ミラー７３０、リレーレンズ７４０、開口数低減器７５０、投影システム７６０、およびスクリーン７７０を含む。

光源７００は、外部空洞表面放出レーザ(VECSEL: Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)、垂直空洞表面発光レーザ(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)、発光ダイオード(LED: Light Emitting Diode)、レーザダイオード(LD: Laser Diode)、スーパールミネッセントダイオード(SLED: Super Luminescent Diode)などのような半導体で製作した光源が使用可能である。

このような光源７００と照明レンズ７１０の例が、図６Ａ〜図６Ｃに示されている。

図６Ａにおいて、光源７００として外部空洞表面放出レーザ、垂直空洞表面発光レーザまたはこれと類似した光源を示すが、光源から平行光が出射してシリンダ形ビーム拡大器７１２に入射する。シリンダ形ビーム拡大器７１２は、シリンダー表面に対して平行な軸を持っている二つのシリンダレンズ７１２ａ、７１２ｂを含み、シリンダレンズ７１２ａの後方焦点面はシリンダレンズ７１２ｂの前方焦点面と一致し、シリンダレンズ７１２ａ、７１２ｂの中央点は光軸の交差点に置かれている。シリンダ形ビーム拡大器７１２の出力は平行光であって、垂直方向に拡大されている。シリンダ形ビーム拡大器７１２を通過した光は、シリンダ形ビーム拡大器７１２のいずれか一つに直交するシリンダー表面および光軸を持っているシリンダレンズ７１１を通過する。シリンダレンズ７１１の焦点面で、光は線状光に集光される。シリンダレンズ７１１の焦点面に回折型光変調器７２０が置かれ、線状光は回折型光変調器７２０に入射する。

次に、図６Ｂにおいて、図６Ａと同様に、光源７００として外部空洞表面放出レーザ、垂直空洞表面発光レーザまたはこれと類似した光源を示すが、光源から平行光が出射してシリンダレンズ７１１を通過し球面ビーム拡大器７１３を通過する。球面ビーム拡大器７１３は、凹レンズ７１３ａと凸レンズ７１３ｂからなり、凹レンズ７１３ａの前方焦点面と凸レンズ７１３ｂの前方焦点面は一致する。また、凹レンズ７１３ａの後方焦点面と凸レンズ７１３ｂの後方焦点面は一致する。凹レンズ７１３ａと凸レンズ７１３ｂの対は、垂直面で見る時、望遠鏡型の平行光拡大器と見なされ、シリンダレンズ７１１と凹レンズ７１３ａの対は、水平面で見る時、望遠鏡型の平行光縮小器と見なされる。

したがって、シリンダレンズ７１１を通過した光は、垂直面で見る時、平行であり、水平面で見る時、収斂する。収斂点は凹レンズ７１３ａの後方焦点面に置かれている。凹レンズ７１３ａを通過した光は、水平面で平行光になり、垂直面で発散光になる。凸レンズ７１３ｂを通過した光は、垂直面で平行光になり、水平面で収斂光になる。凸レンズ７１３ｂの後方焦点面で光は線状光になる。凸レンズ７１３ｂの後方焦点面に回折型光変調器７２０が置かれ、線状光は回折型光変調器７２０に入射する。

一方、光源７００としてＬＤ、ＳＬＥＤが使用される場合には、図６Ｃに示すように、発散光を平行光にするために、コリメートレンズ７１４をさらに使用しなければならない。図６Ｃにおいて、光源７００はレーザダイオードＬＤ、スーパールミネッセントダイオードＳＬＥＤであり、これと類似した光源が使用されることができる。

コリメートレンズ７１４を通過した光は平行光になり、発散光の中心はコリメートレンズ７１４の前方焦点面に置かれることになる。残りの構成は図６Ａおよび図６Ｂと同一であるので、その説明を省略する。

次に、回折型光変調器７２０は、入射光を回折させて多次数の回折係数を持つ回折光を出射し、リレーレンズ７４０は、多次数の回折係数を持つ回折光のうち、所望次数の回折光を投影システム７６０に通過させる。

これに使用される回折型光変調器７２０としては、一例として開孔式(open hole)回折型光変調器が使用できるが、その一例が図７に示されている。

同図を参照して、一実施形態による開孔式回折光変調器は、シリコン基板９０１と、絶縁層９０２、下部マイクロミラー９０３と、複数のエレメント９１０ａ〜９１０ｎとで構成されている。ここで、絶縁層と下部マイクロミラーを別個の層で構成したが、絶縁層に光を反射する性質があれば、絶縁層自体が下部マイクロミラーとして機能することができる。

シリコン基板９０１は、エレメント９１０ａ〜９１０ｎに空隙を確保するために、陥没部を備えており、その基板上には絶縁層９０２が積層され、その上部に下部マイクロミラー９０３が形成され、陷沒部を外れた両側にエレメント９１０ａ〜９１０ｎの下面が取り付けられる。シリコン基板９０１の代替材料としては、Ｓｉ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｒＯ_２、Ｑｕａｒｔｚ、ＳｉＯ_２などの単一材料が使用でき、あるいは底面と上層（図で点線で表示）を異種の材料で形成してもよい。

下部マイクロミラー９０３は、シリコン基板９０１の上部に形成されて、入射光を反射して回折させる。下部マイクロミラー９０３に使用される材料としては、金属（例えば、Ａｌ、Ｐｔ、Ｃｒ、Ａｇなど）が使用できる。

エレメント（代表として図面符号９１０ａについてのみ説明するが、残りも同様である）はリボン形状を有し、中央部がシリコン基板９０１の陷没部から離隔して位置するように、両端の下面がそれぞれシリコン基板９０１の陷沒部を外れた両側に取り付けられている下部支持部９１１ａを備えている。

下部支持部９１１ａの両側には、圧電層９２０ａ、９２０ａ’が設けられ、この圧電層９２０ａ、９２０ａ’の収縮および膨脹によって、エレメント９１０ａの駆動力が供給される。

下部支持部９１１ａを構成する材料としては、Ｓｉ酸化物（一例として、ＳｉＯ_２など）、Ｓｉ窒化物系列（一例として、Ｓｉ_３Ｎ_４など）、セラミック基板（Ｓｉ、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３など）、Ｓｉカーバイドなどがある。このような下部支持部９１１ａは必要に応じて省略することができる。

そして、左右側の圧電層９２０ａ、９２０ａ’は、圧電電圧を提供するための下部電極層９２１ａ、９２１ａ’と、下部電極層９２１ａ、９２１ａ’に積層され、両面に電圧が印加されると、収縮および膨脹して上下駆動力を発生させる圧電材料層９２２ａ、９２２ａ’と、圧電材料層９２２ａ、９２２ａ’に積層され、圧電材料層９２２ａ、９２２ａ’に圧電電圧を供給する上部電極層９２３ａ、９２３ａ’とを備えている。上部電極層９２３ａ、９２３ａ’と下部電極層９２１ａ、９２１ａ’に電圧が印加されると、圧電材料層９２２ａ、９２２ａ’は、収縮および膨脹を行って下部支持部９１１ａの上下運動を引き起こす。

電極９２１ａ、９２１ａ’、９２３ａ、９２３ａ’の電極材料としては、Ｐｔ、Ｔａ／Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｕ、Ａｌ、ＲｕＯ_２などが使用でき、０．０１〜３μｍの範囲でスパッタリングまたは蒸着などの方法によって成膜する。

一方、下部支持部９１１ａの中央部には、上部マイクロミラー９３０ａが形成され、複数の開孔９３１ａ１〜９３１ａ３を備えている。ここで、開孔９３１ａ１〜９３１ａ３の形状は長方形が望ましいが、円形、楕円形などいずれの閉曲線形状も可能である。そして、ここで、下部支持部を光反射性物質で形成すれば、別に上部マイクロミラーを蒸着する必要がなく、下部支持部が上部マイクロミラーとして機能するようにすることができる。

このような開孔９３１ａ１〜９３１ａ３は、エレメント９１０ａに入射する入射光が通過して、開孔９３１ａ１〜９３１ａ３が形成された部分に対応する下部マイクロミラー９０３に入射光が入射するようにし、これにより、下部マイクロミラー９０３と上部マイクロミラー９３０ａが画素を形成する。

すなわち、一例として、開孔９３１ａ１〜９３１ａ３が形成された上部マイクロミラー９３０ａのＡ部分と下部マイクロミラー９０３のＢ部分が一つの画素を形成することができる。

この際、上部マイクロミラー９３０ａの開孔９３１ａ１〜９３１ａ３が形成された部分を通過して入射する入射光は、下部マイクロミラー９０３の対応部分に入射することができ、上部マイクロミラー９３０ａと下部マイクロミラー９０３間の間隔がλ／４の奇数倍になる時、最大の回折光を発生させる。

一方、回折型光変調器７２０は、照明レンズ７１０から入射した線状光を回折して回折光を形成した後、回折光を反射ミラー７３０に入射させる。

この際、照明レンズ７１０から入射した線状光が回折型光変調器７２０に垂直入射する時に形成される＋１次回折光と−１次回折光が図８Ａおよび図８Ｂに示されている。

図８Ａを参照して、入射光が垂直に入射すると、両方向に＋１次回折光および−１次回折光が形成される。入射光から広がった角度θは波長に比例し、次の（式１）で表現される。すなわち、波長が長いほどθが大きくなる。

［数１］
θ=Ａｒｃｓｉｎ（λ／ｄ）（１）

ここで、λは波長、ｄは上部マイクロミラー９３０ａの隣接した開孔９３１ａ〜９３１ｃ間の距離または周期を示す。

図８Ｂは、線状の平行光が回折型光変調器に入射する時に形成される＋１次の線形回折光と−１次の線形回折光を立体的に示す。

一方、反射ミラー７３０は、中央に、入射する光を通過させる孔を有し、＋次数の回折光をリレーレンズ７４０に反射させる上部ミラー７３０ａと、−次数の回折光をリレーレンズ７４０に反射させる下部ミラー７３０ｂとを備えている。

そして、リレーレンズ７４０は、入射した回折光の次数間の近接距離を増加させた後、所望次数の回折光を通過させる。

リレーレンズ７４０は、図５に示すように、フーリエレンズ７４１とフーリエフィルタ７４２とを備えている。フーリエレンズ７４１は、入射した回折光の次数間の近接距離を増加させ、フーリエフィルタ７４２は多くの次数を持つ入射回折光のうち所望次数の回折光を通過させる。

また、リレーレンズ７４０は対物レンズ７４３を含み、最も簡単な場合、対物レンズ７４３を通過した１Ｄピクセルアレイ映像の焦点がスクリーン７７０に来るようにする。

開口数低減器７５０は、反射ミラー７３０から入射する回折光の開口数を減少させ、開口数が低減した回折光を出射する。

投影システム７６０は、入射した回折光をスクリーン７７０に投射する。すなわち、投影システム７６０は、リレーレンズ７４０を通じて入射する所定次数の回折光をスクリーン７７０に投射して１Ｄピクセルアレイ映像を形成し、１Ｄピクセルアレイ映像を走査して２Ｄ映像を形成する。投影システム７６０は、焦点レンズ７６１、ガルバノミラー７６２および投影レンズ７６３を含み、必要に応じて、他の用途のレンズを含むことができる。

焦点レンズ７６１は＋１次回折光と−１次回折光を集光する役目をし、ガルバノミラー７６２はスクリーン７７０上で走査を行う。

図９Ａは、図５の開口数低減器の一実施形態を示す図であって、この低減器は、一対の第１反射ミラー８１０ａ、８１０ｂと、一対の第２反射ミラー８１１ａ、８１１ｂとを含んでいる。そして、図９Ａの開口数低減器は、図５のディスプレイ光学構造を持っている。図９Ａは、このような開口数低減器の外に、理解を助けるために、照明レンズ７１０、回折型光変調器７２０および反射ミラー７３０を示している。

ここで、上側の第１反射ミラー８１０ａは、入射する＋次数回折光の方向を上側の第２反射ミラー８１１ａに変更する役目をし、下側の第１反射ミラー８１０ｂは、入射する−次数回折光の方向を下側の第２反射ミラー８１１ｂに変更する役目をする。

そして、上側の第２反射ミラー８１１ａは、上側の第１反射ミラー８１０ａから入射する回折光をリレーレンズ７４０に向けるように変更する役目をし、下側の第２反射ミラー８１１ｂは、下側の第１反射ミラー８１０ｂから入射する回折光をリレーレンズ７４０に向けるように変更する役目をする。

第２反射ミラー８１１ａ，８１１ｂは、傾くように配置され、回折型光変調器の虚像Ｖ．Ｉ．ａおよびＶ．Ｉ．ｂが重なって一致するようにする。

したがって、結果として、開口数低減器７５０を通過した回折光の開口数が低減されることが分かる。

図９Ｂは、図５の開口数低減器の他の実施形態を示す図であって、この低減器は、半波長板８２０ａ、ダミー板８２０ｂ、一対の第１反射ミラー８２１ａ、８２１ｂ、およびＸ−キューブ８２２を含んでいる。

図９Ｂは、このような開口数低減器の外に、理解を助けるために、照明レンズ７１０と回折型光変調器７２０と反射ミラー７３０とを示している。

光源７００（図９Ｂに示されていない）はＰ波偏光を供給し、このタイプの偏光は、回折型光変調器７２０で反射した後も、回折光に残留している。

ここで、半波長板８２０ａは、入射する回折光がＰ波回折光であればＳ波回折光に変化させ、Ｓ波回折光であればＰ波回折光に変化させて出射し、ダミー板８２０ｂは入射光を変化させないで透過させる。

そして、上側の第１反射ミラー８２１ａは、入射する＋次数回折光の方向をＸ−キューブ８２２の第１反射面８２２ａに経路を変更する役目をし、下側の第１反射ミラー８２１ｂは、入射する−次数回折光の方向を下側のＸ−キューブ８２２の第２反射面８２２ｂに変更する役目をする。

Ｘ−キューブ８２２の第１反射面８２２ａは、第１反射ミラー８２１ａから入射するＳ波回折光をリレーレンズ７４０に全て反射させ、第２反射ミラー８２１ｂから入射するＰ波回折光を透過させる。

そして、Ｘ−キューブ８２２の第２反射面８２２ｂは、第１反射ミラー８２１ａから入射するＳ波回折光を全て透過させ、第２反射ミラー８２１ｂから入射するＰ波回折光をリレーレンズ７４０に全て反射させる。

したがって、Ｓ波回折光とＰ波回折光は直交するので、互いに干渉しない。

Ｘ−キューブ８２２から出射した回折光は、リレーレンズ７４０に入射し、スクリーン７７０に２次元イメージ走査される。Ｘ−キューブ８３２の位置は、虚像Ｖ．Ｉ．ａおよびＶ．Ｉ．ｂが重なるように選択される。

図９Ｃは、図５の開口数低減器のさらに他の実施形態を示す図であって、半波長板８３０ａ、ダミー板８３０ｂ、一対の第１反射ミラー８３１ａ、８３１ｂ、およびＸ−キューブ８３２を含んでいる。

そして、図９Ｃの開口数低減器は、図５においてリレーレンズ７４０のフーリエレンズ７４１が含まれたディスプレイ光学構造であって、第１反射ミラー８３１ａ、８３１ｂに入射する回折光は平行光である。図９Ｃは、このような開口数低減器の外に、理解を助けるために、照明レンズ７１０と回折型光変調器７２０と反射ミラー７３０の代わりに、遮断膜７３０Ｓを示している。

ここで、半波長板８３０ａは、入射する回折光がＰ波回折光であれば、Ｓ波回折光に変化させ、Ｓ波回折光であれば、Ｐ波回折光に変化させて出射し、ダミー板８３０ｂは、入射光を変化させないで透過させる。

そして、上側の第１反射ミラー８３１ａは、入射する＋次数回折光の経路をＸ−キューブ８３２の第１反射面８３２ａに変更する役目をし、下側の第１反射ミラー８３１ｂは、入射する−次数回折光の経路を下側のＸ−キューブ８３２の第２反射面８３２ｂに変更する役目をする。

Ｘ−キューブ８３２から出射した回折光は、後段に位置する第１ダイクロイックミラー８３７ａに入射して反射された後、第２ダイクロイックミラー８３７ｂに入射する。

ここで、第１ダイクロイックミラー８３７ａは、緑色チャンネル８３４から出射する緑色回折光は透過させ、赤色チャンネル８３５から出射する赤色回折光は反射させることで、緑色回折光と赤色回折光を合成する。

そして、第２ダイクロイックミラー８３７ｂは、第１ダイクロイックミラー８３７ａから出射した緑色回折光および赤色回折光の合成光を透過させ、青色チャンネル８３６から出射する青色回折光を反射させることで、第１ダイクロイックミラー８３７ａで合成された緑色回折光および赤色回折光に青色回折光を合成して、対物レンズ７４３に出射して、スクリーン７７０に２次元イメージを走査する。

図９Ｄは、図５の開口数低減器のさらに他の実施形態を示す図であって、この低減器は、一対のプリズム８４０ａ、８４０ｂを含んでいる。

ここで、上側のプリズム８４０ａは、反射ミラー７３０から回折光が入射する入射面８４０ａａが入射回折光に対して斜めに傾いているので、回折光が入射すると、経路が内側に変更されて開口数を低減させる。

そして、上側のプリズム８４０ａは、反射ミラー７３０から回折光が入射する入射面８４０ａａと回折光が出射する出射面８４０ａｂが平行でないため、回折光が出射する時、回折光が拡散する。

次に、下側のプリズム８４０ｂは、反射ミラー７３０から回折光が入射する入射面８４０ｂａが入射回折光に対して斜めに傾いているため、回折光が入射すると経路が内側に変更されて開口数を低減させる。

そして、下側のプリズム８４０ｂは、反射ミラー７３０から回折光が入射する入射面８４０ｂａと回折光が出射する出射面８４０ｂｂが平行でないため、回折光が出射する時、回折光が拡散する。

出射面８４０ａｂおよび８４０ｂｂは、虚像Ｖ．Ｉ．ａおよびＶ．Ｉ．ｂが重なるかまたは一致するように傾いている。

図９Ｅは、図５の開口数低減器のさらに他の実施形態を示す図であって、この低減器は、一対のプリズム８５０ａ、８５０ｂを含んでいる。そして、図９Ｅの開口数低減器は、図５のリレーレンズ系７４０のフーリエレンズ７４１が含まれたディスプレイ光学構造であり、プリズム８５０ａ、８５０ｂに入射する回折光は平行光である。図９Ｅは、このような開口数低減器の外に、理解を助けるために、照明レンズ７１０、回折型光変調器７２０、反射ミラー７３０、およびフーリエレンズ７４１を示している。

ここで、上側のプリズム８５０ａは、反射ミラー７３０から＋次数回折光が入射する入射面８５０ａａが入射回折光に対して斜めに傾いているため、回折光が入射すると、経路が内側に変更されて開口数を低減させる。

そして、上側のプリズム８５０ａは、反射ミラー７３０から回折光が入射する入射面８５０ａａと回折光が出射する出射面８５０ａｂが平行であるので、回折光が出射する時、回折光が平行光になる。

次に、下側のプリズム８５０ｂは、反射ミラー７３０から回折光が入射する入射面８５０ｂａが入射回折光に対して斜めに傾いているため、回折光が入射すると、経路が内側に変更されて開口数を低減させる。

そして、下側のプリズム８５０ｂは、反射ミラー７３０から回折光が入射する入射面８５０ｂａと回折光が出射する出射面８５０ｂｂが平行であるので、回折光が出射する時、回折光が平行光になる。

本発明は、光変調器によって形成された＋次数と−次数の回折光を集光する場合に、レンズ系の開口数を大幅に低減した光変調器を利用したディスプレイ装置に適用可能である。

光の反射または回折を用いて、光スイッチ、光変調素子に適用される光学ＭＥＭＳ素子の代表的な構成を示す側面図である。光の反射または回折を用いて、光スイッチ、光変調素子に適用される光学ＭＥＭＳ素子のほかの代表的な構成を示す側面図である。シリコンライトマシン社がレーザディスプレイ用光強度変換素子、すなわち光変調器として開発したＧＬＶデバイスの構成を示す斜視図である。ＭＥＭＳ素子を適用した光変調素子としてのＧＬＶデバイスを用いた光学装置の一実施形態を示す構成図である。本発明の一実施形態によるレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置の構成図である。光源と照明レンズの実施形態を示す図である。光源と照明レンズの他の実施形態を示す図である。光源と照明レンズのさらに他の実施形態を示す図である。図５の回折型光変調器の一実施形態を示す図である。回折型光変調器によって生成された回折光の回折角を示す図である。回折型光変調器によって生成された回折光の回折角を立体的に示す図である。図５の開口数低減器の一実施形態を示す図である。図５の開口数低減器の他の実施形態を示す図である。図５の開口数低減器のさらに他の実施形態を示す図である。図５の開口数低減器のさらに他の実施形態を示す図である。図５の開口数低減器のさらに他の実施形態を示す図である。

符号の説明

７００光源
７１０照明レンズ
７２０回折型光変調器
７３０反射ミラー
７４０リレーレンズ
７５０開口数低減器
７６０投影システム
７７０スクリーン
８１０ａ，ｂ、８１１ａ，ｂ、８２１ａ，ｂ、８３１ａ，ｂ反射ミラー
８２０ａ、８３０ａ半波長板
８２０ｂ、８３０ｂダミー板
８２２、８３２Ｘ−キューブ
８４０ａ、８４０ｂ、８５０ａ、８５０ｂプリズム

Claims

光源から出射した光を照射するための照明レンズと、
前記照明レンズから入射した光を変調して、複数の回折次数を持つ回折光を生成する回折型光変調器と、
前記回折型光変調器で生成された回折光のうち、＋次数の回折光とそれに対応する−次数の回折光を近接させて開口数を低減させる開口数低減器と、
前記開口数低減器から開口数が低減した回折光がした場合、対象物体に集光して走査を行う投影システムと、を含むことを特徴とするレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記回折型光変調器で形成された複数の回折次数を持つ回折光のうち、所望次数の回折光を選択して通過させるリレーレンズをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記リレーレンズは、前記回折型光変調器から入射する複数次数の回折光の次数間の角度を増加させるフーリエレンズと、
前記フーリエレンズを通過した複数次数の回折光のうち、所望次数の回折光を通過させるフィルタと、を含むことを特徴とする請求項２に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記リレーレンズは、前記フィルタを通過した回折光を平行光に変化させる対物レンズをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記開口数低減器は、前記回折型光変調器から入射した＋次数の回折光と−次数の回折光のそれぞれの光経路を光経路の中心軸に向かうように変化させる一対の第１反射ミラーと、
前記一対の第１反射ミラーから反射して入射した＋次数の回折光と−次数の回折光のそれぞれを同一方向の光経路に変化させて前記投影システムに入射させる一対の第２反射ミラーと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光のうち、＋次数の回折光と−次数の回折光を前記一対の第１反射ミラーのそれぞれに入射させる一対の第３反射ミラーをさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記一対の第３反射ミラーは、中央に孔が形成され、この孔を通じて所定次数の回折光を通過させ、両側の反射面が、それぞれ残りの＋次数の回折光と残りの−次数の回折光を前記一対の第１反射ミラーに反射させる一つの反射ミラーであることを特徴とする請求項６に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光のうち、所定次数の回折光を遮断する遮断膜と、
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光の次数間の角度を増加させて、＋次数の回折光と−次数の回折光をそれぞれ前記一対の第１反射ミラーに入射させるフーリエレンズと、をさらに含むことを特徴とする請求項５に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記照明レンズから入射する入射光は、偏光光であり、
前記開口数低減器は、前記回折型光変調器から入射した＋次数の回折光と−次数の回折光のそれぞれの光経路を光経路の中心軸に向かうように変化させる一対の反射ミラーと、
前記回折型光変調器から出射した＋次数の回折光または−次数の回折光のいずれか次数の回折光の偏光を変化させる偏光板と、
前記一対の反射ミラーから反射して入射する、偏光した回折光と偏光していない回折光のそれぞれを同一方向の光経路に変化させて前記投影システムに入射させるＸ−キューブと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光のうち、＋次数の回折光と−次数の回折光を前記一対の反射ミラーのそれぞれに入射させる一対の第２反射ミラーをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記一対の第２反射ミラーは、中央に孔が形成され、この孔を通じて所定次数の回折光を通過させ、両側の反射面がそれぞれ＋次数の回折光と−次数の回折光を前記一対の反射ミラーに反射させる一つの反射ミラーであることを特徴とする請求項１０に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光のうち、所定次数の回折光を遮断する遮断膜と、
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光の次数間の角度を増加させて、＋次数の回折光と−次数の回折光をそれぞれ前記一対の反射ミラーに入射させるフーリエレンズと、をさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記開口数低減器は、前記回折型光変調器から入射した＋次数の回折光と−次数の回折光のそれぞれの光経路を光経路の中心軸に向かうように変化させる一対のプリズムを含むことを特徴とする請求項１に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光のうち、＋次数の回折光と−次数の回折光を前記一対のプリズムのそれぞれに入射させる一対の反射ミラーをさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記一対の反射ミラーは、中央に孔が形成され、この孔を通じて所定次数の回折光を通過させ、両側の反射面がそれぞれ＋次数の回折光と−次数の回折光を前記一対のプリズムに反射させる一つの反射ミラーであることを特徴とする請求項１４に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光のうち、所定次数の回折光を遮断する遮断膜と、
前記回折型光変調器から出射する複数の回折次数を持つ回折光の次数間の角度を増加させて、＋次数の回折光と−次数の回折光をそれぞれ前記一対のプリズムに入射させるフーリエレンズと、をさらに含むことを特徴とする請求項１５に記載のレンズ系の開口数が改善された光変調器を利用したディスプレイ装置。