JP2008287148A - 画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源より発生する熱を十分に放熱することができ、各画素に入射する光量のばらつきを抑えた画像表示装置を提供すること。
【解決手段】光を射出する光源１１Ｒを複数有する光源部１２Ｒと、光源１１Ｒから射出された光を回折させ複数の回折光を生成する回折光学素子２０Ｒと、開口部が形成された画素を複数有する光変調装置と、光源１１Ｒから射出された光を光変調装置の画素の開口部に集光させるマイクロレンズを複数有するマイクロレンズアレイ３０Ｒとを備え、回折光学素子２０Ｒにおいて生成された回折光により、光源部１２Ｒに仮想光源像１３ａ〜１３ｄが形成されることを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、画像表示装置に関する。

近年、複数の光源を用いて均一な光強度分布の照明を実現するための光学系として、レンズアレイを用いる方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載の電気光学装置は、複数の点光源と、マイクロレンズアレイと、液晶パネルとを備えている。そして、各色の点光源から射出された光が、マイクロレンズアレイにより、液晶パネルの各色の画素に重ね合わせて集光される。これにより、画素に入射する光強度分布を均一にする。
この電気光学装置では、液晶パネルの各色の画素に集光する光が均一となるようにするためには、点光源はできるだけ多く設けることが好ましく、さらには、それぞれの点光源から射出される光量が均一であることが好ましい。
特開２００２−３５７８２６号公報

上記従来の技術には以下のような課題が残されている。すなわち、限られたスペースの中で点光源の数を増やす場合、点光源のピッチを狭くする必要がある。この結果、隣接する点光源の間隔が十分に取れず放熱性が悪いという問題が生じる。
また、点光源の数を増やすと、光源から射出される光量のばらつきも大きくなってしまうため、各画素へ集光する光量にばらつきが出てしまう。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、光源より発生する熱を十分に放熱することができ、各画素に入射する光量のばらつきを抑えた画像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に、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の画像表示装置は、光を射出する光源を複数有する光源部と、前記光源から射出された光を回折させ複数の回折光を生成する回折光学素子と、前記光源から射出された光を集光させるマイクロレンズを複数有するマイクロレンズアレイと、開口部が形成された画素を複数有する光変調装置とを備え、前記回折光学素子において生成された回折光により、前記光源部に仮想光源像が形成されることを特徴とする。

本発明に係る画像表示装置では、複数の光源から射出された光は、例えば、まず、回折光学素子において回折する。回折された複数の回折光はマイクロレンズアレイのマイクロレンズにより集光されて光変調装置の各画素の開口部から入射し、変調される。
このとき、回折光学素子において生成された回折光により、光源部に仮想光源像を形成する。したがって、光源を増やした場合と同様の光が回折光学素子から射出されるため、複数の方向から光が重ね合わされ画素に入射する。したがって、複数の光源の間隔を広くして、各画素に入射する光量のばらつきを抑えることができるため、光源から発生する熱を効率良く放熱し、輝度むらを抑えた画像を表示することができる。
なお、ここで言う仮想光源像とは、実際には存在しない光源であるが、この仮想光源像からあたかも光が射出されているかのように回折光学素子から光が射出される。

また、本発明の画像表示装置は、前記回折光学素子は、所定の回折箇所での回折光により生じた仮想光源像の位置と、前記所定の回折箇所以外の回折箇所での回折光により生じた仮想光源像の位置とが重なるように回折光を生成することが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、本発明では、回折光学素子を用いて仮想光源像同士を重ね合わせることにより、光量分布は平均化され、仮想光源像から射出される光量のばらつきを抑えることができる。これにより、光源を増やした場合と同様の均一な光が射出されるため、各画素に入射する光量のばらつきを効率良く抑えるとともに、光源の間隔が広くなるため、光源から発生する熱を効率良く放熱し、輝度むらをより確実に抑えた画像を表示することができる。

また、本発明の画像表示装置は、前記回折光学素子は、所定の光源から射出された光の回折光により生じた仮想光源像と、前記所定の光源とは別の光源とが重なるように回折光を生成することが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、回折光学素子を用いて仮想光源像と光源とを重ね合わせることにより、光量分布は平均化され、仮想光源像から射出される光量のばらつきを抑えることができる。
つまり、仮想光源像同士を重ね合わせる場合に比べて、複数の光源のピッチが短くなるため、仮想光源像と光源との重ね合わせ及び仮想光源像同士の重ね合わされる光線の数が増える。このようにして、光の重なる光線の数（光の重なり量）を増やすことにより、回折光学素子から射出される光の光量のばらつきをさらに減少させることができる。

また、本発明の画像表示装置は、前記複数の光源及び仮想光源像のピッチをＰ１、前記複数の画素のピッチをＰ２、前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズのピッチをＰＬ、前記光源部と前記マイクロレンズアレイとの光学的距離をＬ１、前記マイクロレンズアレイと前記光変調装置との光学的距離をＬ２としたとき、ＰＬ＝ｎ{Ｐ１・Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）}（ただし、ｎは自然数）及びＬ２／Ｌ１＝Ｐ２／Ｐ１の条件を満たすように構成されていることが好ましい。

本発明に係るプロジェクタでは、上記数式を満たすように光源部、光変調装置、マイクロレンズアレイを形成し、配置する。これにより、ｎの値を代えることで、各画素に入射する光線の数を調整することができる。したがって、例えば、ｎが１であるとき最もマイクロレンズのピッチＰＬが大きくなるので、最も複数の方向から画素に光が入射する。このようにして、被投射面に投射される光の強度の均一化を図ることができる。

また、本発明の画像表示装置は、前記マイクロレンズアレイの集光側の開口率をＮＡ、前記光変調装置の開口部の開口径をａ、前記マイクロレンズアレイに入射する光の波長をλとすると、ａ≧λ／ＮＡとなるように前記ｎが設定されていることが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、マイクロレンズアレイにより集光される光のスポット径の大きさはλ／ＮＡとなり、ｎの値を代えることで、マイクロレンズアレイの開口率ＮＡが大きくなる。そこで、本発明では、ａ≧λ／ＮＡとなるようにｎが設定されているため、光変調装置の開口部の開口径が、回折限界のスポット径より大きい。すなわち、光変調装置の開口部の開口径は、マイクロレンズアレイにより集光された光のスポット径と同じ、あるいは、大きいため、マイクロレンズアレイにより集光された光を必ず光変調装置の開口部より入射させることが可能となる。

また、本発明の画像表示装置は、前記回折光学素子が前記光源と前記マイクロレンズアレイとの間の光路上に配置されていることが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、回折光学素子が光源とマイクロレンズアレイとの間の光路上に配置されているため、マイクロレンズアレイと光変調装置との光学的距離を短くすることができる。したがって、複数の光源間の距離間隔を広くすることができるため、光源により発生する熱を効率良く放熱することが可能となる。

また、本発明の画像表示装置は、前記回折光学素子が２次元の回折格子であることが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、回折光学素子が２次元の回折格子であるため、直交する２方向は独立に考えて良いので、重ね合わせに関する回折格子の種々のパラメータなど、独立に設計することができる。さらには、回折光学素子から射出される光の重なり量を増やすことができるため、光量のばらつきをさらに減少させることが可能となる。

また、本発明の画像表示装置は、前記光源部が、前記光源から射出された光の波長を所定の波長に変換する波長変換素子と、該波長変換素子から射出された光のうち前記所定の波長に変換された光を選択して前記回折光学素子へ導き、前記所定の波長に変換されなかった光を選択して前記光源の方へ戻す波長選択素子と、前記光源と前記波長変換素子との間に配置されるとともに、前記波長選択素子において選択された光のうち、前記光源の方へ向かう光路において、前記波長変換素子を通過することによって前記所定の波長に変換された光を分離して前記光源とは異なる位置へ導くとともに、前記所定の波長に変換されなかった光を前記光源の方へ導く分離部と、該分離部において分離されて前記光源とは異なる位置へ導かれた光を前記回折光学素子に向けて導く導光部とを備え、前記波長選択素子において選択されて前記回折光学素子に向かう第１光路を進行する光と、前記導光部から前記回折光学素子に向かう第２光路を進行する光とは、略平行であることが好ましい。

本発明に係る画像表示装置では、光源から射出された光は波長変換素子を通過する。波長変換素子から射出された光のうち、所定の波長の光に変換された光は、波長選択素子により選択され、回折光学素子に入射する。一方、波長変換素子から射出された光のうち、所定の波長に変換されなかった光は、波長選択素子において、光源の方へ戻され、再度、波長変換素子を通過する。そして、その一部は、所定の波長に変換される。本発明は、このように、波長選択素子において光源の方へ戻された光のうち、光源の方へ向かう光路において、波長変換素子を透過することによって、所定の波長に変換された光を、分離部において光源とは異なる位置へ導く。さらにその後、分離部において光源とは異なる位置へ導かれた光は、導光部により、回折光学素子に向けて導かれる。
すなわち、波長選択素子から光源に戻る光路において所定の波長に変換された光を有効に利用することが可能となる。さらに、回折光学素子を用いることにより、複数の光源の間隔が広くなるため、光源から発生する熱を効率良く放熱しているため、輝度むらを抑えた明るい画像を表示することが可能な画像表示装置を提供することができる。

以下、図面を参照して、本発明に係るプロジェクタの実施形態について説明する。なお、以下の図面においては、各部材を認識可能な大きさとするために、各部材の縮尺を適宜変更している。

［第１実施形態］
本実施形態に係るプロジェクタ（画像表示装置）１は、図１に示すように、照明装置１０と、液晶ライトバルブ（光変調装置）４０と、投射レンズ（投射装置）５０とを備えている。
照明装置１０は、赤色光照明装置１０Ｒと、緑色光照明装置１０Ｇと、青色光照明装置１０Ｂとを備えている。

赤色光照明装置１０Ｒは、赤色光を射出する複数の赤色光源（光源）１１Ｒを有する赤色光源部１２Ｒと、赤色光源部１２Ｒから射出された赤色光を回折させる回折光学素子２０Ｒと、回折光学素子２０Ｒにより回折された赤色光を集光させるマイクロレンズアレイ３０Ｒとを備えている。
緑色光照明装置１０Ｇも同様に、緑色光源（光源）１１Ｇを有する緑色光源部１２Ｇと、回折光学素子２０Ｇと、マイクロレンズ３０Ｇとを備えている。さらに、青色光照明装置１０Ｂも同様に、青色光源（光源）１１Ｂを有する青色光源部１２Ｂと、回折光学素子２０Ｂと、マイクロレンズ３０Ｂとを備えている。
なお、赤色，緑色，青色光照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは構成が同一であるため、以下では赤色光照明装置１０Ｒを例に挙げて説明する。

赤色光源部１２Ｒは、図２（ａ）に示すように、複数の赤色光源１１Ｒａ（１１Ｒ），１１Ｒｂ（１１Ｒ），１１Ｒｃ（１１Ｒ）…が２次元的に同ピッチ（Ｐ１＝１．８ｍｍ）で配置されている。また、赤色光源１１Ｒは、半導体の面発光レーザアレイを使用しているため、略点光源のアレイとなっており、ＩｎＧａＡｓの活性層及び外部共振器構造を有する。

回折光学素子２０Ｒは、図３に示すように、一方向に延在した溝２０ａが周期的に形成された単純回折格子である。また、回折光学素子２０Ｒは、図２（ａ）に示すように、赤色光源１１Ｒａの射出端面１２ａに対して垂直方向に射出された光ＬＡにより、マイクロレンズアレイ３０Ｒ側に向かって、０次光Ｌ０と、＋１次回折光Ｌａ１，−１次回折光Ｌｂ１と、＋２次回折光Ｌａ２，−２次回折光Ｌｂ２とを生成する素子である。この±１次回折光Ｌａ１，Ｌｂ１及び±２次回折光Ｌａ２，Ｌｂ２の光強度はすべて略同じである。なお、本実施形態では、回折光学素子２０Ｒとして、１次元の単純回折格子を用い、±１次回折光及び±２次回折光のみを使用して説明する。また、回折光学素子２０Ｒは石英基板をエッチングして作製したものであり、溝の深さ、回折効率は任意である。
回折光学素子２０Ｒにより生成される０次光Ｌ０は、回折されないで回折光学素子２０Ｒを透過した光であり、±１次回折光Ｌａ１，Ｌｂ１、＋２次回折光Ｌａ２，Ｌｂ２は、回折光学素子２０Ｒの射出端面２０ｂと所定の回折角をなして射出される。

＋１次回折光Ｌａ１は、赤色光源部１２Ｒ側に延長された射出端面１２ａ上に仮想光源像（虚像）１３ａを形成する。仮想光源像１３ａとは、実際には光源は存在しないが、この位置から光が射出された場合と同じ光の光路を進行することが可能な光源を意味している。
また、仮想光源像１３ａの位置は、光源１１Ｒｂと光源１１Ｒｃとの間となっている。すなわち、回折光学素子２０Ｒにおいて回折される＋１次回折光Ｌａ１は、あたかも仮想光源像１３ａから射出された光と同様の光路を進行する。また、＋２次回折光Ｌａ２は、赤色光源部１２Ｒ側に延長された射出端面１２ａ上に仮想光源像（虚像）１３ｂを形成する。この仮想光源像１３ｂの位置は、仮想光源像１３ａよりさらに光源１１Ｒｃ側である。
また、仮想光源像１３ａは、赤色光源１１Ｒｂから、それに隣接して配置された赤色光源１１Ｒｃまでの距離Ｐ１の１／３である距離Ｑ２だけ、赤色光源１１Ｒｂから赤色光源１１Ｒｃ側に形成される。また、仮想光源像１３ｂは、距離Ｑ２だけ、赤色光源１１Ｒｃから赤色光源１１Ｒｂ側に形成される。

同様に、−１次回折光Ｌｂ１、−２次回折光Ｌｂ２は、＋１次回折光Ｌａ１、＋２次回折光Ｌａ２により形成された仮想光源像１３ａ，１３ｂと光ＬＡを軸にして対称な射出端面１２ａ上の位置に、仮想光源像１３ｃ，１３ｄが形成される。
また、射出端面１２ａに対して垂直方向に射出される光ＬＡ以外の光ＬＢ，ＬＣにより生成される±１次回折光，±２次回折光に対しても、同様に仮想光源像１３ａ〜１３ｄが形成される。

また、図２（ｂ）に示すように、赤色光源１１Ｒｃから射出される光より生成される＋１次回折光Ｌａ１，−１次回折光Ｌｂ１と、＋２次回折光Ｌａ２，−２次回折光Ｌｂ２も、赤色光源１１Ｒｂの場合と同様に仮想光源像１４ａ〜１４ｄを形成する。すなわち、赤色光源部１２Ｒの右側から順に仮想光源像１４ｂ，１４ａ，１４ｃ，１４ｄが形成される。
これにより、赤色光源１１Ｒｃから射出され回折光学素子２０Ｒによって形成された仮想光源像１３ａと、赤色光源１１Ｒｃから射出され回折光学素子２０Ｒによって形成された仮想光源像１４ｄとが重なる。また、仮想光源像１３ｂと、仮想光源像１４ｃとが重なる。
また、仮想光源像１４ａ、１４ｂは、隣接して配置され赤色光源１１Ｒｃから射出された光ＬＢ及び光ＬＣの回折光学素子２０Ｒによって形成された仮想光源像と重なる。このように、回折光学素子２０Ｒは、所定の回折箇所（例えば、光源１１Ｒｂから射出された光ＬＡが入射した回折光学素子２０Ｒの位置）での回折光により生じた仮想光源像（例えば、１３ａ）の位置と、所定の回折箇所以外の回折箇所（例えば、光源１１Ｒｂから射出された光ＬＣが入射した回折光学素子２０Ｒの位置）での回折光により生じた仮想光源像（例えば、１３ａ）の位置とが重なるように回折光を生成する。
このように、仮想光源像同士が重なることにより、回折光学素子２０Ｒから射出される各赤色光源１１Ｒの出力光量のばらつきが小さくなる。

具体的には、図４に示すように、赤色光源部１２Ｒと回折光学素子２０Ｒとの光学的距離（光路長）Ｌ３を４０ｍｍとし、回折光学素子２０Ｒのピッチ（図示略）を４２μｍとすれば、回折光による赤色光源１１Ｒ及び仮想光源像１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄの距離Ｑ２は０．６ｍｍとなる。すなわち、上述したように、仮想光源像１３ａは、赤色光源１１Ｒｂから１１Ｒｃまでの距離Ｐ１の１／３である距離Ｑ２の位置に形成されるため、仮想光源像同士１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄが重なり合う。

マイクロレンズアレイ３０Ｒは、図４に示すように、マイクロフレネルレンズ（マイクロレンズ：回折レンズ）３０ａを複数備えている。このマイクロレンズアレイ３０Ｒは、ガラスモールドにより作製されている。また、マイクロレンズアレイ３０Ｒは、回折光学素子２０Ｒにおいて回折された回折光を液晶ライトバルブ４０Ｒに向かって集光させるレンズである。また、マイクロレンズアレイ３０Ｒのマイクロフレネルレンズ３０ａのピッチＰＬは１８８．２ｍｍであり、赤色光源部１２Ｒとマイクロレンズアレイ３０Ｒとの光学的距離（光路長）Ｌ１は５０ｍｍである。
さらに、マイクロフレネルレンズ３０ａは、低収差で高効率、高ＮＡ（開口数）性能を持つため、本実施形態に好適に用いることが可能となる。

さらに、図１に示すように、マイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂから射出された光の照度分布を均一化させるため、マイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと液晶ライトバルブ４０との間には、均一化光学系３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂが設けられており、これにより照度分布が均一化された光によって、液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂを照明している。例えば、均一化光学系３５Ｒ，３５Ｇ、３５Ｂは、例えば、ホログラム３６ａ及びフィールドレンズ３６ｂによって構成される。

液晶ライトバルブ４０は、高温ポリシリコンＴＦＴを用いた透過型の液晶パネルである。また、液晶ライトバルブ４０は、赤色用液晶ライトバルブ４０Ｒと、緑色用液晶ライトバルブ４０Ｇと、青色用液晶ライトバルブ４０Ｂとからなる。なお、液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂは構成が同一であるため、赤色用の液晶ライトバルブ４０Ｒを例に挙げて説明する。図４は、赤色光源部１２Ｒから射出された光の光路図を分かり易く説明するために、赤色光源部１２Ｒと、回折光学素子２０Ｒと、マイクロレンズアレイ３０Ｒ、液晶ライトバルブ４０Ｒと、投射レンズ５０とを直線的に配置して示している。また、図４の赤色光源部１２Ｒの赤色光源１１Ｒ間には仮想光源像１３が形成されている。
液晶ライトバルブ４０Ｒは、図４に示すように、複数の画素４１Ｒを有しており、各画素４１Ｒにはブラックマトリックス（ＢＭ）のそれぞれ開口部４０ａが形成されている。この開口部４０ａからマイクロレンズアレイ３０Ｒにより集光された光が入射する。また、マイクロレンズアレイ３０Ｒは、液晶ライトバルブ４０Ｒの開口部４０ａの入射端面４０ｂで焦点を結ぶように形成し、配置されている。
また、画素４１ＲのピッチＰ２は１２μｍであり、開口部４０ａの大きさ（開口径）ａは９μｍである。さらに、マイクロレンズアレイ３０Ｒと液晶ライトバルブ４０Ｒとの光学的距離（光路長）Ｌ２は１．０ｍｍである。

各液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂによって変調された３つの色光は、図１に示すように、クロスダイクロイックプリズム（色合成手段）４５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが十字状に配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は投写光学系である投射レンズ５０によりスクリーン６０上に投写され、拡大された画像が表示される。

本実施形態では、ＰＬ＝ｎ{Ｐ１・Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）}（ただし、ｎは自然数）…式１、Ｌ２／Ｌ１＝Ｐ２／Ｐ１…式２及びａ≧λ／ＮＡ…式３の条件を満たすように構成されている。ここで、ｎ＝１６、マイクロフレネルレンズ３０ａのＮＡは０．０９３７、使用波長λは６３０ｎｍである。これにより、λ／ＮＡ＝６．７≦ａ（９μｍ）となり、式３を満たす。すなわち、開口部４０ａの大きさａはマイクロフレネルレンズ３０ａの回折限界より小さくならないようになっているため、マイクロフレネルレンズ３０ａから射出された光を確実に液晶ライトバルブ４０Ｒの開口部４０ａから入射させることが可能となる。

本実施形態に係るプロジェクタ１では、回折光学素子２０Ｒを用いることにより、光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ間に仮想光源像１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄを形成することができる。また、仮想光源像１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄ同士を重ね合わせることにより、光量分布は平均化され、仮想光源像１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄから射出される光量のばらつきを抑えることができる。
また、図５に示すように、上述した仮想光源像１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄの位置Ｔに実際の光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを設ける構成では、光源１１Ｒの間隔が狭く放熱性が悪い。そこで、本実施形態では、回折光学素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂにより、各光源部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂの光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを増やした場合と同様にマイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂに複数の方向から光が入射するため、複数の光が重ね合わされ液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂの各画素４１Ｒに入射することになる。したがって、各画素４１Ｒに入射する光量のばらつきを抑えるとともに、光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの間隔が広くなるため、光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから発生する熱を効率良く放熱することができる。
つまり、本実施形態のプロジェクタ１は、光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂより発生する熱を十分に放熱することができ、光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから射出される光量のばらつきを抑えた照明装置１０を備えているため、鮮明な画像をスクリーン６０に投射することができる。

また、回折光学素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂが光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂとマイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂとの間の光路上に配置されているため、マイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと液晶ライトバルブ４０との間の狭い空間に回折光学素子２０Ｒを配置する必要がない。すなわち、マイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと液晶ライトバルブ４０との光学的距離（Ｌ２）を短くすることができるため、式２より、複数の赤色光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂのピッチ（Ｐ１）の長さを広くすることができる。したがって、光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂにより発生する熱を効率良く放熱することが可能となる。

なお、回折光学素子２０Ｒは、図３に示すように、単純回折格子を用いたが、２次元回折格子を使用しても良い。２次元回折格子としては、単純回折格子の溝が交差するように、２枚の単純回折格子を直交して重ね合わせても良い。また、図６に示すように、市松模様に凹部６６を有する回折光学素子６５を用いても良い。このように、２次元の回折光学素子を用いる場合、直交する２方向は独立に考えて良いので、重ね合わせのパラメータなど、独立に設計することができる。さらには、回折光学素子２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂから射出される光の重なり量を増やすことができるため、光量のばらつきをさらに減少させることが可能となる。

また、本実施形態では、回折光学素子２０Ｒにおいて生成される±１次回折光及び±２次回折光を使用したが、±３次回折光以上の回折光も用いても、±１次回折光のみを用いても同様である。
また、本実施形態のプロジェクタ１としては、式１、式２、式３を必ずしも満たしていなくても良い。
また、回折光学素子２０Ｒを光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂとマイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂとの間の光路上に配置したが、マイクロレンズアレイ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂと液晶ライトバルブ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂとの間の光路上に配置しても良い。
さらに、光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを点光源アレイとしたが、ある程度面積の狭いパターン光源であっても良い。
また、仮想光源像１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄ同士は必ずしも重なり合う必要はない。

［第２実施形態］
次に、本発明に係る第２実施形態について、図７を参照して説明する。なお、以下に説明する各実施形態の図面において、上述した第１実施形態に係るプロジェクタ１と構成を共通とする箇所には同一符号を付けて、説明を省略することにする。
本実施形態に係るプロジェクタ７０では、赤色，緑色，青色光照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂの構成において第１実施形態と異なり、その他の構成においては第１実施形態と同様である。また、全体構成においては、図１に示す第１実施形態プロジェクタ１と同様である。

赤色，緑色，青色光照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは構成が同一であるため、赤色光照明装置１０Ｒを例に挙げて説明する。
回折光学素子７１は、図７（ａ）に示すように、第１実施形態と同様に０次光Ｌ０と、＋１次回折光Ｌａ１，−１次回折光Ｌｂ１と、＋２次回折光Ｌａ２，−２次回折光Ｌｂ２とを生成する素子である。
＋１次回折光Ｌａ１は、赤色光源部１２Ｒ側に延長された射出端面１２ａ上に仮想光源像（虚像）７２ａを形成する。また、仮想光源像７２ａの位置は、光源１１Ｒｂと光源１１Ｒｃとの間となっている。また、仮想光源像７２ａは、赤色光源１１Ｒｂに隣接して配置された赤色光源１１Ｒｃまでの距離Ｐ１の１／２である距離Ｑ２の位置に形成されている。
＋２次回折光Ｌａ２は、赤色光源部１２Ｒ側に延長された射出端面１２ａ上に仮想光源像（虚像）７２ｂを形成する。この仮想光源像７２ｂの位置は、光源１１Ｒｃの位置である。すなわち、仮想光源像７２ｂと光源１１Ｒｃとは重なり合っている。

同様に、−１次回折光Ｌｂ１、−２次回折光Ｌｂ２は、＋１次回折光Ｌａ１、＋２次回折光Ｌａ２により形成された仮想光源像７２ａ，７２ｂと光ＬＡを軸にして対称な射出端面１２ａ上の位置に、仮想光源像７２ｃ，７２ｄが形成される。そして、仮想光源像７２ｄと光源１１Ｒａとは重なり合っている。
また、射出端面１２ａに対して垂直方向に射出される光以外の光ＬＢ，ＬＣにより生成される±１次回折光，±２次回折光に対しても、同様に仮想光源像７２ａ〜７２ｄが形成される。

また、図７（ｂ）に示すように、赤色光源１１Ｒｃから射出される光より生成される＋１次回折光Ｌａ１，−１次回折光Ｌｂ１と、＋２次回折光Ｌａ２，−２次回折光Ｌｂ２も、赤色光源１１Ｒｂと同様に仮想光源像７３ａ〜７３ｄを形成する。すなわち、赤色光源部１２Ｒの右側から順に仮想光源像７３ｂ，７３ａ，７３ｃ，７３ｄが形成される。
すなわち、赤色光源１１Ｒｂと仮想光源像７３ｄとが重なり、赤色光源１１Ｒｄと仮想光源像７３ｂとが重なる。また、仮想光源像７２ａと仮想光源像７３ｃとが重なる。すなわち、回折光学素子７１は、所定の光源（例えば、１１Ｒｂ）から射出された光の回折光により生じた仮想光源像（例えば、７２ｂ）と、所定の光源とは別の光源（１１Ｒｃ）とが重なるように回折光を生成する。このように、仮想光源像７２ａ〜７２ｄ，７３ａ〜７４ｄが赤色光源１１Ｒａ，１１Ｒｂ，１１Ｒｃ…及び他の仮想光源像に重なることにより、回折光学素子２０Ｒから射出される各赤色光源１１Ｒａ，１１Ｒｂ，１１Ｒｃの出力光量のばらつきが小さくなる。つまり、第１実施形態に比べて、仮想光源像での重なる光線の数（光の重なり量）が増えるため、光量のばらつきをさらに減少させることができる。

本実施形態に係るプロジェクタ７０では、第１実施形態に比べて、光の重なり量が増えるため、回折光学素子２０Ｒから射出される光の光量のばらつきをさらに減少させることができる。
また、本実施形態では、回折光学素子２０Ｒにより、光源１１Ｒを増やした場合と同様にマイクロレンズアレイ３０Ｒに複数の方向から光が入射するため、複数の光が重ね合わされ液晶ライトバルブ４０Ｒの各画素４１Ｒに入射することになる。したがって、各画素４１Ｒに入射する光量のばらつきをより抑えるとともに、従来に比べて光源１１Ｒの間隔が広くなるため、光源１１Ｒから発生する熱を効率良く放熱することができる。

なお、仮想光源像７２ａ〜７２ｄ、７３ａ〜７３ｄの距離Ｑ２と、赤色光源１１Ｒａ，１１Ｒｂ，１１Ｒｃ…のピッチＰ１との比は同じにしても良いし、仮想光源像７２ａ〜７２ｄ、７３ａ〜７３ｄの距離Ｑ２を大きくしても良い。つまり、１，２，３…、１／２，１／３…の無数の値の中から用途に応じて選択することができる。すなわち、仮想光源像同士が重なることなく、仮想光源像は各光源部１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂの光源１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂにのみ重なる構成であっても良い。

［第３実施形態］
次に、本発明に係る第３実施形態について、図８及び図９を参照して説明する。
本実施形態に係るプロジェクタ８０では、赤色，緑色，青色光照明装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂの光源部８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂの構成において第１実施形態と異なり、その他の構成においては第１実施形態と同様である。全体構成においては、図１に示す第１実施形態プロジェクタ１と同様である。

光源部８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂは、図８に示すように、保持部材８５上に載置された光源８２と、波長変換素子８３と、波長選択素子（外部共振器ミラー）８４とを備えている。なお、光源部８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂは、同一であるため、赤色光源部８１Ｒを例に挙げて説明する。
光源８２は、面発光レーザの１次元アレイであり、波長１２６０ｎｍの赤外光を射出する。また、光源８２から光が射出される側には、三角柱状のプリズム８６が配置されている。このプリズム８６の傾斜面８６ａは、反射コーティングが施されており、入射した光を反射させる反射部（導光部）となっている。また、反射部８６ａには、光源８２から射出された光が４５度の角度で入射するように配置されている。そして、この反射部８６ａにおいて反射した光は波長変換素子８３に入射されるようになっている。また、プリズム８６には、赤色光（６３０ｎｍ）を反射させる分離部８６ｂが設けられている。すなわち、反射部８６ａは、分離部８６ｂにおいて分離されて光源８２とは異なる位置へ導かれた光を回折光学素子２０Ｒに向けて導くものである。
また、分離部８６ｂは、光源８２から射出されプリズム８６の反射部８６ａにおいて反射した光の中心軸に対して４５度傾斜しており、入射した赤色光を反射部８６ａに向かって分離させ反射させるミラーである。また、分離部８６ｂは、赤色光に変換されなかった光を透過させる。これにより、変換されなかった光は反射部８６ａにおいて反射して光源８２に戻るようになっている。

波長変換素子８３は、支持台８３ａ上に載置されている。また、波長変換素子（第２高調波発生素子、ＳＨＧ：Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）８３は、図８に示すように、入射光をほぼ半分の波長に変換する非線形光学素子である。光源８２から射出され、波長選択素子８４に向かう光は、波長変換素子８３を通過することによって、ほぼ半分の波長の光に変換される。波長変換素子８３による波長変換効率は非線形の特性を有しており、例えば、波長変換素子８３に入射するレーザ光の強度が強いほど、変換効率が向上する。つまり、光源８２から射出されたレーザ光のすべてが、所定波長のレーザ光に変換されるわけではない。なお、光源８２から波長選択素子８４に向かう光路を往路ＯＷとする。

波長選択素子（光学素子）８４は、支持台８４ａ上に載置されている。波長選択素子８４は、図８に示すように、波長変換素子８３から射出された往路ＯＷを進行する所定の選択波長のレーザ光を選択して光源８２に向かって反射させることによって光源８２の共振器ミラーとして機能するとともに、変換されたレーザ光（図８に示す破線）Ｗ１を透過させるものである。このレーザ光Ｗ１を前方出射光とする。また、波長選択素子８４としては、例えば、周期格子を有するホログラムのような光学素子を用いることができる。
一方、波長選択素子８４を透過できなかった光は、波長選択素子８４によって反射され再び波長変換素子８３を通過し光源８２の方へ戻る。このように、波長選択素子８４から光源８２の方へ向かう光路を復路ＨＷとする。そして、波長選択素子８４から光源８２に戻る過程で、波長変換素子８３によって赤色光（６３０ｎｍ）に変換させる光も存在する。プリズム８６の分離部８６ｂは、復路ＨＷで赤色光に変換された光がそのまま光源８２に戻らないようにするものである。また、分離部８６ｂにおいて反射された光Ｗ２（図８に示す一点鎖線）は、プリズム８６の反射部８６ａで反射され、回折光学素子２０Ｒに向かって射出される。このレーザ光Ｗ２を後方出射光とする。また、レーザ光Ｗ１の光路（第１光路）とレーザ光Ｗ２の光路（第２光路）とは、略平行である。
これらにより、図９に示すように、回折光学素子２０Ｒから赤色光源部８１Ｒを見ると、光源８２が２次元に配列された光源アレイとなる。また、光源８２間には回折光学素子２０Ｒにより生成される仮想光源像８２ａが光源８２の配列方向に垂直な方向に形成される。

前方出射光Ｗ１と後方出射光Ｗ２との間隔、つまり、光源８２の縦ピッチＰ１ｖ＝１．８ｍｍ、横ピッチＰ１ｈ＝０．６ｍｍ、液晶ライトバルブ４０の画素４１Ｒの縦ピッチ、横ピッチは１２μｍである。また、第１実施形態と同様に、光源８２とマイクロレンズアレイ３０Ｒとの光学的距離（光路長）Ｌ１は５０ｍｍであり、マイクロレンズアレイ３０Ｒと液晶ライトバルブ４０Ｒとの光学的距離（光路長）Ｌ２は１．０ｍｍであり、ｎ＝１６、マイクロフレネルレンズ３０ａのＮＡは０．０９３７、使用波長λは６３０ｎｍである。
これにより、本実施形態でも、λ／ＮＡ＝６．７≦ａ（９μｍ）となり、式３を満たすように構成されている。

光源８２と回折光学素子２０Ｒとの光学的距離（光路長）は４０ｍｍである。また、回折光学素子２０Ｒとしては、図６に示すような、市松模様に凹部を有する素子を用い、縦、横ピッチを４２μｍとすれば、回折光により形成される複数の仮想光源像の距離Ｑ２は０．６ｍｍとなる。つまり、縦方向は光源８２の１／３のピッチの光源アレイが得られ、横方向は光源８２と同一ピッチとなって、光源８２と回折光により形成される仮想光源像８２ａとが重なり合う。
なお、光源８２及び仮想光源像８２ａから射出される光の焦点位置は、波長変換素子８３の内部にあり、前方出射光Ｗ１と後方出射光Ｗ２との焦点位置は多少変わるが、平行光に近い低ＮＡ光であるため、実質上は問題はない。

本実施形態に係るプロジェクタ８０では、光源８２の方へ向かう復路ＨＷにおいて、所定の波長に変換された光を分離部８６ｂ及び反射部８６ａを用いて回折光学素子２０Ｒに入射させることにより、光源８２から射出され復路ＨＷにおいて変換された光を有効に利用することが可能となる。さらに、回折光学素子２０Ｒを用いることにより、複数の光源８２の間隔が広くなるため、光源８２から発生する熱を効率良く放熱しているため、輝度むらを抑えた明るい画像を表示することが可能なプロジェクタ１を提供することができる。
なお、本実施形態では、反射部８６ａ及び分離部８６ｂを有するプリズム８６を用いたこれに限るものではなく、反射部と、分離部とを別々の部材として設けても良い。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズムを用いたが、これに限るものではない。色光合成手段としては、例えば、ダイクロイックミラーをクロス配置とし色光を合成するもの、ダイクロイックミラーを平行に配置し色光を合成するものを用いることができる。
また、上記各実施形態では、画像表示装置として投射レンズを用いたプロジェクタを例に挙げて説明したが、直視型の画像表示装置であっても良い。
また、赤色光用の回折光学素子２０Ｒ、緑色光用の回折光学素子２０Ｇ、青色光用の回折光学素子２０Ｂごとにピッチなどが異なる回折格子を使用しても良い。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの全体図である。 図１の照明装置の光源から射出された光の光路を示す図である。 図１の照明装置の回折光学素子を示す要部断面図である。 図１の光変調装置に入射する光の光路を示す図である。 従来の照明装置を示す図である。 図３の回折光学素子の変形例を示す要部断面図である。 本発明の第２実施形態に係る照明装置の光源から射出された光の光路を示す図である。 本発明の第３実施形態に係る光源部の光源から射出された光の光路を示す図である。 図８の光源部から射出された光のスポットを示す図である。

符号の説明

１，７０，８０…プロジェクタ、１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂ，８２…光源、１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇ，８１Ｂ…光源部、１３ａ〜１３ｄ，１４ａ〜１４ｄ，７２ａ〜７２ｄ，７３ａ〜７３ｄ，８２ａ…仮想光源像、２０Ｒ，２０Ｇ，２０Ｂ，６５，７１…回折光学素子、３０Ｒ，３０Ｇ，２０Ｂ…マイクロレンズアレイ、４０…液晶ライトバルブ（光変調装置）、４１Ｒ…画素、８３…波長変換素子、８４…波長選択素子、８６ａ…反射部、８６ｂ…分離部

Claims (8)

1. 光を射出する光源を複数有する光源部と、
   前記光源から射出された光を回折させ複数の回折光を生成する回折光学素子と、
   開口部が形成された画素を複数有する光変調装置と、
   前記光源から射出された光を前記光変調装置の画素の開口部に集光させるマイクロレンズを複数有するマイクロレンズアレイとを備え、
   前記回折光学素子において生成された回折光により、前記光源部に仮想光源像が形成されることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記回折光学素子は、所定の回折箇所での回折光により生じた仮想光源像の位置と、前記所定の回折箇所以外の回折箇所での回折光により生じた仮想光源像の位置とが重なるように回折光を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記回折光学素子は、所定の光源から射出された光の回折光により生じた仮想光源像と、前記所定の光源とは別の光源とが重なるように回折光を生成することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
4. 前記複数の光源及び仮想光源像のピッチをＰ１、前記複数の画素のピッチをＰ２、前記マイクロレンズアレイのマイクロレンズのピッチをＰＬ、前記光源部と前記マイクロレンズアレイとの光学的距離をＬ１、前記マイクロレンズアレイと前記光変調装置との光学的距離をＬ２としたとき、ＰＬ＝ｎ{Ｐ１・Ｐ２／（Ｐ１＋Ｐ２）}（ただし、ｎは自然数）及びＬ２／Ｌ１＝Ｐ２／Ｐ１の条件を満たすように構成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の画像表示装置。
5. 前記マイクロレンズアレイの集光側の開口率をＮＡ、前記光変調装置の開口部の開口径をａ、前記マイクロレンズアレイに入射する光の波長をλとすると、
   ａ≧λ／ＮＡとなるように前記ｎが設定されていることを特徴とする請求項４に記載の画像表示装置。
6. 前記回折光学素子が前記光源と前記マイクロレンズアレイとの間の光路上に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の画像表示装置。
7. 前記回折光学素子が２次元の回折格子であることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の画像表示装置。
8. 前記光源部が、
   前記光源から射出された光の波長を所定の波長に変換する波長変換素子と、
   該波長変換素子から射出された光のうち前記所定の波長に変換された光を選択して前記回折光学素子へ導き、前記所定の波長に変換されなかった光を選択して前記光源の方へ戻す波長選択素子と、
   前記光源と前記波長変換素子との間に配置されるとともに、前記波長選択素子において選択された光のうち、前記光源の方へ向かう光路において、前記波長変換素子を通過することによって前記所定の波長に変換された光を分離して前記光源とは異なる位置へ導くとともに、前記所定の波長に変換されなかった光を前記光源の方へ導く分離部と、
   該分離部において分離されて前記光源とは異なる位置へ導かれた光を前記回折光学素子に向けて導く導光部とを備え、
   前記波長選択素子において選択されて前記回折光学素子に向かう第１光路を進行する光と、前記導光部から前記回折光学素子に向かう第２光路を進行する光とは、略平行であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の画像表示装置。

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