JP2016099390A - Illumination optical system and picture display unit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、照明光学系および画像表示装置に関するものである。 The present invention relates to an illumination optical system and an image display device.
プロジェクタなどの画像表示装置によって表示される画像(投射画像)の画質を表す指標の1つに「コントラスト比」がある。コントラスト比は、投射画像の全体を白色にしたときの被投射物(例えば、スクリーンなど)に表示される画像全体の輝度と、投射画像の全体を黒色にしたときの同じく画像全体の輝度との比率により算出される。例えば、白および黒で構成されるチェッカーパターン画像を投射画像として表示した場合の画像全体中の白色部分の輝度と黒色部分の輝度との平均値を用いてコントラスト比を算出することができる。 One of the indexes representing the image quality of an image (projected image) displayed by an image display device such as a projector is “contrast ratio”. The contrast ratio is the brightness of the entire image displayed on the projection object (for example, a screen) when the entire projected image is white and the brightness of the entire image when the entire projected image is black. Calculated by ratio. For example, the contrast ratio can be calculated using an average value of the luminance of the white portion and the luminance of the black portion in the entire image when a checker pattern image composed of white and black is displayed as a projection image.
コントラスト比が高い画像は、黒色部分の輝度が低い画像であるから、元の画像の再現性の忠実度が高くなりやすい。したがって、コントラスト比が高い画像の画質は「良い」といえる。一方、コントラスト比が低い画像は、黒色部分の輝度が高い画像であるから、元の画像の再現性の忠実度が低くなりやすい。たとえば、暗闇の画像を表示するときであっても「黒浮き」などが生じる。したがって、コントラスト比が低い画像の画質は「悪い」といえる。 Since an image with a high contrast ratio is an image with a low luminance in the black portion, the fidelity of the reproducibility of the original image tends to be high. Therefore, it can be said that the image quality of an image having a high contrast ratio is “good”. On the other hand, an image with a low contrast ratio is an image with a high luminance in the black portion, and thus the fidelity of the reproducibility of the original image tends to be low. For example, even when a dark image is displayed, “black floating” occurs. Therefore, it can be said that the image quality of an image with a low contrast ratio is “bad”.
プロジェクタによる表示画像のコントラスト比の低下要因は複数知られている。例えば、プロジェクタ内部に備わる光学系において発生する迷光やゴースト光などがその一因である。迷光やゴースト光とは、投射画像を形成する画像光以外の光のことをいう。ここで、「画像光」とは、空間光変調素子からスクリーンに到達する光のうち、表示画像の形成に寄与する光のことをいう。 There are a plurality of known factors for reducing the contrast ratio of the display image by the projector. For example, stray light or ghost light generated in an optical system provided in the projector is one of the causes. Stray light or ghost light refers to light other than image light that forms a projected image. Here, “image light” refers to light that contributes to the formation of a display image among the light that reaches the screen from the spatial light modulator.
迷光やゴースト光は、プロジェクタ内部に備わる光学系における光の多重反射や、光の散乱、光の回折などにより発生し、これらが画像光に混ざることでコントラスト比を低下させる。ゴースト光や迷光の発生原因は複数あるが、特に、空間光変調素子における光の回折によって生じやすい。 Stray light and ghost light are generated by multiple reflections of light in an optical system provided in the projector, light scattering, light diffraction, and the like, and these are mixed with image light to lower the contrast ratio. There are a number of causes for the generation of ghost light and stray light, but they are particularly likely to occur due to light diffraction in the spatial light modulator.
迷光やゴースト光を抑えることができれば、コントラスト比への悪影響を排除することができ、表示画像における画質の低下を防ぐことができる。スクリーンに到達しようとする迷光やゴースト光を投射光学系の内部に設けた遮光手段によって遮光する画像表示装置が知られている(例えば、特許文献1を参照)。 If stray light and ghost light can be suppressed, adverse effects on the contrast ratio can be eliminated, and deterioration of image quality in the displayed image can be prevented. There is known an image display device that shields stray light or ghost light that attempts to reach a screen by a light shielding means provided inside a projection optical system (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1の画像表示装置のように、投射光学系の内部に遮光手段を設けると、ゴースト光や迷光だけでなく画像光も遮光されてしまう。画像光が遮光されるとスクリーンに到達する光の量が少なくなり、光利用効率が低下する。光利用効率が低下すると、スクリーン上に表示画像が暗くなり、画像が低下する。ゴースト光や迷光によるコントラスト比の低下を防ぐときに、光利用効率を低下させることなく、ゴースト光や迷光そのものの発生を抑えることが望ましい。
If the light shielding means is provided inside the projection optical system as in the image display device of
本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、回折光を低減させることで、画像光のコントラスト比を高めることができる照明光学系および画像表示装置を提供することを目的とする The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object thereof is to provide an illumination optical system and an image display device that can increase the contrast ratio of image light by reducing diffracted light.
本発明は、光源と、前記光源からの光の照度を均一化して出射する光均一化素子と、を有する照明光学系であって、前記光均一化素子を出射した光により空間光変調素子を照明し、前記光均一化素子と前記空間光変調素子との間に、前記光の一部の位相を変換する位相変換素子を有する、ことを最も主な特徴とする。 The present invention is an illumination optical system having a light source and a light uniformizing element that uniformizes and emits the illuminance of light from the light source, and a spatial light modulation element is formed by light emitted from the light uniformizing element. The main feature is that a phase conversion element that illuminates and converts the phase of a part of the light is provided between the light uniformizing element and the spatial light modulation element.
本発明によれば、回折光を低減させることで、画像光のコントラスト比を高めることができる。 According to the present invention, the contrast ratio of image light can be increased by reducing diffracted light.
以下、本発明に係る照明光学系の実施形態と本発明に係る画像表示装置の実施形態について図を用いながら説明する。 Hereinafter, embodiments of an illumination optical system according to the present invention and embodiments of an image display apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings.
●画像表示装置●
まず、本発明に係る画像表示装置の実施形態について説明する。図1に示すようにプロジェクタ100は、照明光学系1と、空間光変調素子2と、投射光学系3と、を有してなる。
● Image display device ●
First, an embodiment of an image display device according to the present invention will be described. As shown in FIG. 1, the
照明光学系1は、表示画像に係る信号に応じた光を出射して空間光変調素子2を照明する。詳細な説明は後述する。
The illumination
空間光変調素子2は、表示画像に係る信号に応じて動作して、照明光を用いて画像光を形成する。空間光変調素子2は、形成した画像光を投射光学系3に向けて出射する。
The
投射光学系3は、空間光変調素子2において形成された画像光(投射画像)を被投射物(例えば、スクリーン)に向けて拡大して投射する。
The projection
●照明光学系1
次に、照明光学系1について詳細に説明をする。図2に示すように、照明光学系1は、光源11と、防爆ガラス12と、カラーホイール13と、光均一化素子14と、第1リレーレンズ15と、第2リレーレンズ16と、第1折り返しミラー17と、第2折り返しミラー18と、を有してなる。
●
Next, the illumination
光源11は、発光管とリフレクタとを有してなる。発光管は、超高圧水銀ランプなどの白色光源でもよいし、レーザーを出射するレーザー光源でもよい。リフレクタは、発光管からの光を一定の方向に出射して集光するための反射材である。
The
光源11がレーザー光源であれば、水銀ランプなどと比較して可干渉性が高くなり、後述する位相変換素子141を用いて効率的に光の位相を制御することができる。
If the
防爆ガラス12は光源11の前方に配置されていて、光源11の発光管が破損した場合に、その破片等がプロジェクタ100の内部に飛散することを防止するためのものである。
The explosion-
カラーホイール13は、光源11からの光を特定の色の光に変換する光フィルタである。カラーホイール13は、光源11と光均一化素子14の間の光路上に配置されている。
The
ここでカラーホイールについて詳細に説明する。図3(a)に示すように、カラーホイール13は、ガラス素材からなるガラス円板131を有している。また、図3(b)に示すように、ガラス円板131の裏面には、モーター133が装着されている。モーター133の回転軸は、ガラス円板131の回転中心に配置されていて、モーター133の回転によってガラス円板131が回転する。
Here, the color wheel will be described in detail. As shown to Fig.3 (a), the
ガラス円板131は、図3(a)に示すように、光源11からの光が当たる面を複数の領域に分割し、それぞれの領域に異なる色の光フィルタを配置したものである。光フィルタは、ガラス円板131のガラス面に多層膜を蒸着したものである。ガラス円板131に形成された各分割領域には、赤(R)、緑(G)、青(B)の各色に光の色を変換するカラーフィルタが形成されている。なお、ガラス円板131に形成するカラーフィルタは、上記の色の他の色を設けてもよい。例えば、白(W)の領域を配置してもよい。白(W)のカラーフィルタを形成するときは、その領域に多層膜を形成せず、光がガラス円板131を単に透過するように構成する。また、色再現性を高めるために、黄(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)などの領域をさらに設けてもよい。なお、白(W)の領域を設ける目的は、画像光の明るさを増大させるためである。
As shown in FIG. 3A, the
光源11からの光は、光スポット132としてガラス円板131の面上の同じ位置に当たるように調整されている。したがって、この光スポット132の位置に相当する光フィルタは、回転によって時分割的に変化するので、光源11からの光がカラーホイール13によって特定の色に変換される。
The light from the
ガラス円板131は、例えば直径が40mm程度、厚みが1mm程度である。ガラス円板131の面に設けられた各色の光フィルタは、モーター133によって、数千rpmから1万rpm前後の回転速度で回転する。カラーホイール13はセンサーを備えていて、各色の光フィルタの位置は把握可能になっている。この光フィルタカの位置は、空間光変調素子2による画像形成動作と同調して制御される。カラーホイール13は、時分割(フィールドシーケンシャル)で各色の光を生成する。空間光変調素子2のミラーの応答速度は高速であるため,フィールドシーケンシャルでカラー画像の形成をしても問題なく行える。
For example, the
図2に戻る。光均一化素子14は、光源11からの光の照度の分布(配向分布)を均一化して出射する光学素子であって、ロッドインレグレータ、ライトトンネル、ライトパイプなどと呼ばれる。図4を用いて光均一化素子14について説明する。図4(a)に示すように、光均一化素子14は、短冊状の4枚のミラー板142を組み合わせて形成される四角柱状の部材である。光均一化素子14の内壁面が、ミラー板142のミラー面になっている。
Returning to FIG. The
入射端(入射面)から光均一化素子14に入射された光は、4枚のミラー板142の内壁面(ミラー面)で反射されて、光の配向分布が均一化される。その結果、出射端となる出射面143を面光源とみなせる。図4(b)に示すように、光均一化素子14の出射面143に位相変換素子141が配置されている。すなわち、位相変換素子141によって出射面143の開口が塞がれるように構成されている。位相変換素子141は、光を透過する部材であるから、出射面143に位相変換素子141が配置されても、光均一化素子14の出射面143を面光源とする光が出射される。位相変換素子141の詳細な説明は後述する。
The light incident on the
図2に戻る。光均一化素子14の後段には、第1リレーレンズ15と、第2リレーレンズ16と、第1折り返しミラー17と、第2折り返しミラー18が、この順に配置されている。これらの構成によって、光均一化素子14の出射端面(配向分布が均一化された光の出射面)と空間光変調素子2の入出射面は、光学的に共役な関係になっている。
Returning to FIG. A
光均一化素子14から出射された光は、第1リレーレンズ15と第2リレーレンズ16を通過して第1折り返しミラー17によって斜め上方に3次元的に反射される(折り返される)。この反射光は、第2折り返しミラー18によって斜め下方に3次元的に反射される(折り返される)。第2折り返しミラー18によって反射された光は、空間光変調素子2に向かい、空間光変調素子2に対して所定の入射角をもって入射する。この光によって、空間光変調素子2の有効画像領域が照明される。
The light emitted from the
なお、照明光学系1は、全反射プリズムを用いるものであってもよいし、全反射プリズムを用いないものであってもよい。
The illumination
●空間光変調素子2
図5を用いて、空間光変調素子2について説明する。空間光変調素子2は、照明光学系1からの光束を用いて画素ごとに選択的に光を反射して画像光を形成する。空間光変調素子2は、例えば、2次元状に配置されたマイクロミラー群により構成されるDMD(Digital Micromirror Device,Texas Instruments社)である。
● Spatial
The spatial
図5(a)は、空間光変調素子2を光の入射側(上方)から見た平面図である。図5(a)に示すように、空間光変調素子2の一定の平面領域が有効画像領域であって、この領域において照明光から画像光が形成される。有効画像領域の対角線の長さによって、表示される画像の大きさが決まる。例えば、空間光変調素子2の対角線の長さは、0.5インチや0.65インチなどである。また、空間光変調素子2のサイズの示し方としては、空間光変調素子2の外形(矩形)の長辺と短辺との比を用いて、4:3や、16:10などと表現される。
FIG. 5A is a plan view of the spatial
空間光変調素子2は、図5(b)に示すような微小ミラー21を複数配置してなる。微小ミラー21の平面視の外形は正方形であって、それぞれが表示画像の画素に対応する。微小ミラー21の配列の周期は画素ピッチと呼ばれる。なお、空間光変調素子2の画素ピッチは、10μm前後である。微小ミラー21の実際のサイズは画素ピッチよりも若干小さい。微小ミラー21の配列数は、画像表示サイズがXGA規格の場合、1024画素×768画素(或いはピクセル)である。同様に、WXGA規格の場合は、1280×768画素である.
The spatial
図5(c)に示すように、微小ミラー21は、対角線を回転軸として回転するように構成されている。微小ミラー21の回転方向は,回転軸に対する時計周り方向と半時計周り方向の両方向である。たとえば、時計回りの回転を「プラス回転」とし、反時計周りの回転を「マイナス回転」とする。
As shown in FIG. 5C, the
微小ミラー21の回転角度は±10°乃至12°である。この回転を「チルト」ということもある。図5(d)に示すように、回転した微小ミラー21のプラス回転とマイナス回転では、入射光に対する反射光の方向が異なる。微小ミラー21は独立して回転可能になっているので、照明光から光を受けた状態で微小ミラー21のそれぞれを所定の方向に回転させると画像光を形成することができる。
The rotation angle of the
微小ミラー21の回転は、ONとOFFとの二値である。ON状態の微小ミラー21で反射される光(ON光)は、投射光学系3に入射して被投射物に到達する。OFF状態の微小ミラー21で反射される光(OFF光)は、投射光学系3に入射することなく、適切な位置に設けられた光吸収部材に到達する。OFF光を反射する微小ミラーに相当する画素は、スクリーン上では黒の表示になる。したがって、ON光とOFF光によって画像が形成される。
The rotation of the
なお、各微小ミラーの回転角度や回転軸は、上記にて説明したものに限定されるものではない。なお、画像形成には用いられないが,ONとOFFの間には平面(フラット)状態がある。 In addition, the rotation angle and rotation axis of each micromirror are not limited to those described above. Although not used for image formation, there is a flat state between ON and OFF.
画素ピッチに対する実際のミラーサイズを開口率と呼ぶ。微小ミラー21の配列を側面方向から見ると、図5(e)に示すように、微小ミラー21の上側に保護用のカバーガラス22が配置されている。
The actual mirror size with respect to the pixel pitch is called the aperture ratio. When the arrangement of the
次に、空間光変調素子2における光の反射と、空間光変調素子2の微小ミラー21のそれぞれにおいて生ずる光の回折について説明する。図6(a)に示すように、微小ミラー21の配列間隔dは、画素ピッチである。微小ミラー21の配列方向の一辺の長さは配列間隔dよりも短い。空間光変調素子2の微小ミラー21の配列は、回折格子とみなすことができる。
Next, reflection of light at the spatial
図6に示すように、微小ミラー21がプラス回転もマイナス回転もしていない平坦な状態を想定すると、この場合に照明光学系1から微小ミラー21に入射する光(入射光Li)は、微小ミラー21の法線(破線で示す)に対してθの角度をもって入射する。この入射光Liは、微小ミラー21によってθの角度で反射される。入射光Liは平面波であって、どの微小ミラー21に入射する光も互いの位相は揃っている。
As shown in FIG. 6, assuming a flat state in which the
図6に示すように、空間光変調素子2は、微小ミラー21が配列されたマイクロミラーアレイを構成している。すでに説明したとおり、微小ミラー21の一辺の長さは配列間隔dより短い。したがって、隣接する微小ミラー21同士の間には、若干の隙間が生ずる。したがって、有効画像領域を照明する光であっても、空間光変調素子2への入射光Liの一部は微小ミラー21の端部に当たることがある。微小ミラー21の端部に当たる光は、図6(b)に示すように回折を起こし回折光Ldとなる。この回折光Ldは、図6(c)に示すように、微小ミラー21のそれぞれにおいて生ずる。この回折光Ldは、互いに干渉しあって合成されるところ(強調されるところ)と相殺されるところ(弱まるところ)が含まれる。
As shown in FIG. 6, the spatial
回折光Ldは、微小ミラー21の配列全体で生ずる。上記のような回折光Ldにおける光の干渉は、回折格子による回折の式(dsinθ=nλ)で表される。なお、上記のような干渉を本明細書では「回折」と呼ぶ。微小ミラー21の画素ピッチを「d」、回折光Ldの角度(回折角)を「θ」、回折光Ldの次数を「n」、光の波長を「λ」とする。なお、次数「n」は整数であって、正負の値をとる。
Diffracted light L d is generated in the entire array of
なお、図6(d)では、次数「n」が+2から−2の間の回折光Ldを表している。実際の回折光Ld、はさらに高次のものまで発生する。なお、0次の回折光は、微小ミラー21において反射されて出射される出射光Loと一致する。
In FIG. 6D, the diffracted light L d with the order “n” between +2 and −2 is shown. The actual diffracted light L d is generated up to higher order. Note that 0-order diffracted light is consistent with the outgoing light L o emitted is reflected by the
微小ミラー21が、ON状態であってもOFF状態であっても上記のような回折は生ずる。この場合、微小ミラー21の配列は、ブレーズド回折格子となり、回折光Ldの方向は微小ミラー21のそれぞれの傾き角によって異なる。
Diffraction occurs as described above regardless of whether the
図7(a)に示すように、ON状態の微小ミラー21における出射光Loは、回折光Ldも含めて投射光学系3に入射する。この場合、仮に、表示される画像の全体が白色(微小ミラー21が全てON状態)であっても、画像全体が明るいため、回折光Ldが迷光として投射光学系3に入射しても、表示画像のコントラスト比には影響を与えない。
As shown in FIG. 7A, the outgoing light L o from the
一方、図7(b)に示すように、微小ミラー21の全てがOFFの場合、ON状態の微小ミラー21における出射光Loは投射光学系3に入射しない。しかし、回折光Ldの一部は、投射光学系3に入射してしまう。この場合、表示される画像は全体が黒であっても回折光Ld、の一部がスクリーンに投射されて、いわゆる「黒浮き」を起こしてコントラスト比に影響を与える。
On the other hand, as shown in FIG. 7 (b), if all the
このように、主に、OFF状態のときの回折光Ld、が迷光となってコントラスト比を低下させる。なお、図7(a)と図7(b)では、微小ミラー21を3つだけ用いて説明しているが、実際の空間光変調素子2が備える微小ミラー21の数は多い。また、図7では、投射光学系3が有するレンズの大きさに対して、微小ミラー21の大きさを誇張して表している。
In this way, mainly the diffracted light L d in the OFF state becomes stray light, and the contrast ratio is lowered. In FIGS. 7A and 7B, only three
ここで、隣り合う微小ミラー21に入射する光によって生ずる回折光Ldの光路差を考えてみる。図8に示すように、隣り合う微小ミラー21が共にOFF状態の場合を前提にすると、微小ミラー21のチルト角(θtilt)は、例えば12度である。また、微小ミラー21への入射光Liの入射角(θin)は,例えば24度(θin=2・θtilt)である。なお、微小ミラー21で反射された出射光Loの出射角(θout)は90度から入射角(θin)の2倍の角度を減じた値になる。
Here, consider the optical path difference of the diffracted light L d caused by the light incident on the
したがって、隣接する微小ミラー21による回折光の光路差(δ)は、「δ=d× cosθout」である。なお、「d」は微小ミラー21の配列の間隔である。θoutは、0°から180°の値を取るので、このθoutの値に応じてδも変化する。δが波長λの整数倍のときには、回折光Ldを強め合う状態になり、それ以外では回折光Ldを弱め合う状態になる。なお、入射する平面波の位相は揃っているものとし、微小ミラー21の角度12°や、入射角(θin)の角度24°は、これに限定されるものではない。これらの角度は、照明光学系1と空間光変調素子2の設計によって変化する。
Therefore, the optical path difference (δ) of the diffracted light by the
上記にて説明したとおり、微小ミラー21へ入射する光が平面波であれば、回折光Ldは干渉によって強調される部分と弱められる部分を含む。しかし、入射光Liの位相を微小ミラー21ごとにずることができれば、回折光Ldの干渉を低減させることができる。すなわち、迷光を低減させることができ、回折光Ldによるコントラスト比の低下を防止することができる。
As described in the above, if the light is a plane wave incident on the
上記のように、回折光Ldを低減させるために本実施形態に係る照明光学系1は、空間光変調素子2と光均一化素子14の出射面143との間に位相変換素子141を有している。位相変換素子141は、空間光変調素子2が備える微小ミラー21のそれぞれに対する入射光Liの位相をずらす機能を備えるものである。
As described above, the illumination
●位相変換素子
ここで、本実施形態に係る照明光学系1が備える位相変換素子141について詳細に説明する。図10に示すように、位相変換素子141は、入射光Liの位相をずらす第1変換部1411と、入射光Liの位相をずらさない、または、第1変換部1411とは異なる位相のズレを与える第2変換部1412と、と有してなる。第1の部分である第1変換部1411と、第2の部分である第2変換部1412は、平面視の形状が正方形状であって、それぞれの寸法は同じ寸法である。ここで、第1変換部1411と第2変換部1412の一辺の長さを「D」とする。
Here, the
図10(a)に示すように、第1変換部1411と第2変換部1412は、位相変換素子141の平面に交互に配置されている。第1変換部1411と第2変換部1412の配列数は、最大で空間光変調素子2の画素(微小ミラー21)の配列数と同じである。光均一化素子14の出射端から出射された光は、位相変換素子141を通過して、すでに説明をした各光学素子を介して空間光変調素子2の有効画像領域を照明する。
As shown in FIG. 10A, the
位相変換素子141についてより詳細に説明する。図11に示すように位相変換素子141の図面左側から平面波である入射光Liが入射し位相変換素子141を通過すると、図面右側から出射される出射光Loの位相は、入射光Liの位相とは異なる部分を含むようになる。位相変換素子141は、上記の光の進行方向と交差する方向の平面上において配置されている。すなわち、第1変換部1411と第2変換部1412は、光の進行方向の交差方向において交互に配置されている。言い換えると、位相変換素子141は、照明均一化素子14の出射端面143と平行になるように配置されていて、第1変換部1411と第2変換部1412も、出射端面143と平行である。
The
図11において、入射光Liを示す矢印を横切る実線と破線は、平面波である入射光Liの振幅の山LTと谷LBを例示している。同様に、出射光Loを示す矢印を横切る実線と破線は、第1変換部1411と第2変換部1412を通過した光のそれぞれの振幅の山LTと谷LBを例示している。
11, a solid line and a dashed line across the arrow indicating the incident light L i illustrates a mountain L T and valleys L B of the amplitude of the incident light L i is a plane wave. Similarly, solid and dashed lines across the arrow indicating the outgoing light L o illustrate the mountain L T and valleys L B of each of the amplitude of light passing through a
図11に示すように、第1の部分である第1変換部1411を通過した出射光Loの位相は、第2の部分である第2変換部1412を通過した出射光Loの位相に比べて遅れる。したがって、位相変換素子141に入射する光が平面波であっても、位相変換素子141を通過した出射光Loであって、隣接する第1変換部1411と第2変換部1412を通過した出射光Lo同士の振幅の山LTと谷LBは、交互に存在するようになる。
As shown in FIG. 11, the phase of the outgoing light L o which has passed through the
上記のように、位相変換素子141内の隣接する領域を通過する光同士の位相が異なる位相になって、隣接する光同士の振幅の山LTと谷LBがずれると、干渉によって光が強まる部分が生じにくくなる。したがって、この光により回折が生じたとしても、迷光は弱くなり、画質に及ぼす影響は小さい。
As described above, when the phases of lights passing through adjacent regions in the
図12は位相変換素子141の側面図である。図12に示すように、位相変換素子141は、ガラス基板1413上の位相差を与える部分(第1の部分)に誘電体薄膜1414を千鳥格子状に設けたものである。誘電体薄膜1414が設けられている部分が第1変換部1411になる。誘電体薄膜1414が設けられていない部分が第2変換部1412になる。
FIG. 12 is a side view of the
位相変換素子141を通過する光の波長を「λ」、誘電体薄膜1414の厚みを「t」、誘電体薄膜1414の屈折率「n」とすると、第1変換部1411を通過する光と第2変換部1412を通過する光の位相差δは、δ=(2π/λ)(n−1)tで求められる。
When the wavelength of light passing through the
上記の位相差δが「λ/2」になるように誘電体薄膜1414を形成すれば、回折光の0次光が消える。また、位相差δが「λ/2」以外になるように誘電体薄膜1414を形成すれば、高次の回折光を弱めることできる。すなわち、位相変換素子141によって、空間光変調素子2において生じる迷光を低減させることができ、これによって、コントラスト比を高めることができる。
If the dielectric
光均一化素子14から出射する光束の半角を30°、空間光変調素子2の微小ミラー21のチルト角を12°、微小ミラー21において反射されて投射光学系3に入射する半角を12°とすると、横倍率βは2.5になる。微小ミラー21の外形は正方形であって、一辺が例えば10.8μmであるから、位相変換素子141の第1変換部1411及び第2変換部1412の一辺の長さDは、10.8/2.5=4.32μmであればよい。この大きさに合わせることで、位相変換素子141の第1変換部1411及び第2変換部1412のそれぞれと、正方形状画素である空間光変調素子2の微小ミラー21のそれぞれが対応し、効率的に位相を制御することができる。
The half angle of the light beam emitted from the
上記の位相変換素子141を備える照明光学系1は、位相変換素子141の一辺の長さ「D」、空間光変調素子2の微小ミラーの一辺の長さ「d」、照明光学系1における横倍率「β」の関係が、「D≒β・d」となる条件を好適条件とする。
The illumination
次に、位相変換素子141の別の実施形態について説明する。図13は、位相変換素子141が備える第1変換部1411の拡大斜視図である。図13に示すように、本実施形態の係る位相変換素子141の第1変換部1411はサブ波長構造(SWS:Subwavelength Structure)により構成される。
Next, another embodiment of the
R、G、Bのそれぞれに対して好適な位相差を与えようとすると、それぞれの色(波長)に応じた第1変換部1411を形成する必要がある。そこで、本実施形態に係る位相変換素子141のように、第1変換部1411をサブ波長構造によって構成すればよい。このサブ波長構造のピッチ(p)、溝の幅「w」、高さ「t」をパラメータとして、最適な値に設定することで、特定の波長に対して位相差を与えられるように設計することができる。
In order to give a suitable phase difference to each of R, G, and B, it is necessary to form the
人間の眼は緑色(波長=555nm)に対して比視感度が最大になるので、この波長に対して位相差を与えるようにすれば効果が最も大きくなり、かつ、位相差を与える構造も一つでよい。 Since the human eye has the maximum relative visibility with respect to green (wavelength = 555 nm), if the phase difference is given to this wavelength, the effect is maximized, and the structure that gives the phase difference is also one. One is enough.
次に、位相変換素子141のさらに別の実施形態について説明する。空間光変調素子2に対する入射光の入射位置によって、回折光が投射光学系3に入り込むか否かが異なる。図14に示すように、空間光変調素子2の端部への入射光を考えてみる。空間光変調素子2の端部のうち、第2折り返しミラー18に近い側の端部を「位置p1」、遠い側の端部を「位置p2」とする。第2折り返しミラー18から空間光変調素子2へ入射する入射光のうち、位置p1への入射光の光路は位置p2への入射光の光路よりも長い。
Next, still another embodiment of the
したがって、位置p1に入射した入射光による回折光は、投射光学系3の入射瞳に至らない方向に生ずる。したがって、位置p1における回折光は、投射光学系3に入りこまない。しかし、位置p2に入射した入射光による回折光は、その一部が投射光学系3の入射瞳に至る方向に生ずる。したがって、位置p2における回折光は、投射光学系3に入りこむ。
Therefore, the diffracted light by the incident light incident on the position p1 is generated in a direction that does not reach the entrance pupil of the projection
上記のように、空間光変調素子2への入射位置によって回折光による画質の影響度合いが異なるので、位置p2に相当する入射光に対してのみ位相差を与えられるように照明光学系1を構成すればよい。すなわち、光均一化素子14の出射面143に配置される位相変換素子141を、空間光変調素子2上の位置p2に対応する位置に配置すればよい。このように、光均一化素子14の出射面143の全体をカバーするように位相変換素子141を配置せずに、小型の位相変換素子141を出射面143の一部に配置しても、迷光を防ぐ効果を得ることができる。すなわち、コントラスト比の低下を防止し、かつ、低コスト化を図ることができる。
As described above, since the degree of influence of the image quality due to the diffracted light differs depending on the incident position on the spatial
1 照明光学系
11 光源
13 カラーホイール
14 光均一化素子
2 空間光変調素子
3 投射光学系
100 プロジェクタ
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記光源からの光の照度を均一化して出射する光均一化素子と、
を有する照明光学系であって、
前記光均一化素子を出射した光により空間光変調素子を照明し、
前記光均一化素子と前記空間光変調素子との間に、前記光の一部の位相を変換する位相変換素子を有する、
ことを特徴とする照明光学系。 A light source;
A light uniformizing element that emits light with uniform illuminance from the light source;
An illumination optical system comprising:
Illuminating the spatial light modulator with the light emitted from the light homogenizer,
Between the light uniformizing element and the spatial light modulation element, a phase conversion element that converts the phase of a part of the light,
An illumination optical system characterized by that.
前記光の一部の位相を第1の位相に変換する第1変換部と、
前記光の他の一部の位相を第2の位相に変換する第2変換部と、
を有する、
請求項1記載の照明光学系。 The phase conversion element is
A first converter that converts a part of the phase of the light into a first phase;
A second converter that converts the phase of the other part of the light into a second phase;
Having
The illumination optical system according to claim 1.
請求項2記載の照明光学系。 The first conversion unit and the second conversion unit are alternately arranged on a plane in a direction crossing the traveling direction of the light,
The illumination optical system according to claim 2.
請求項2または3記載の照明光学系。 The shape of the first conversion unit and the second conversion unit in plan view is a rectangle.
The illumination optical system according to claim 2 or 3.
前記位相変換素子の一辺の長さD、
前記空間光変調素子が有する正方形状画素の一辺の長さd、
前記照明光学系における横倍率β、
とするときD≒β・dの条件を満たす、
請求項1乃至4のいずれかに記載の照明光学系。 The outer shape of the phase conversion element is square,
A length D of one side of the phase conversion element;
A length d of one side of the square pixel of the spatial light modulator;
Lateral magnification β in the illumination optical system,
Where D≈β · d.
The illumination optical system according to claim 1.
請求項1乃至5のいずれかに記載の照明光学系。 The phase conversion element is provided on a part of the emission surface of the light uniformizing element,
The illumination optical system according to claim 1.
前記位相変換素子は、前記特定の色の光の位相を変換する、
請求項1乃至6のいずれかに記載の照明光学系。 A color wheel that converts light from the light source into light of a specific color between the light source and the incident surface of the light uniformizing element;
The phase conversion element converts the phase of the light of the specific color.
The illumination optical system according to any one of claims 1 to 6.
前記位相が変換される一部の光は、前記サブ波長構造において位相が変換される、
請求項1乃至7のいずれかに記載の照明光学系。 The phase conversion element has a subwavelength structure,
A part of the light whose phase is converted, the phase of which is converted in the sub-wavelength structure;
The illumination optical system according to claim 1.
請求項1乃至8のいずれかに記載の照明光学系。 The light source is a laser;
The illumination optical system according to claim 1.
前記照明光学系は、請求項1乃至9のいずれかの照明光学系である、
ことを特徴とする画像表示装置。
An image display apparatus comprising: an illumination optical system; a spatial light modulation element that forms a projection image based on light from the illumination optical system; and a projection optical system that projects the projection image toward a projection object. ,
The illumination optical system is the illumination optical system according to any one of claims 1 to 9.
An image display device characterized by that.
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