JP3011228B2 - 色分解光学系 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光利用率の高い色分解光
学系に関する。

【０００２】

【従来の技術】低価格で明るく小型な液晶表示装置とし
て、ＮＩＫＫＥＩ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ １９９
５．１．３０（ｎｏ．６２７）記載の単板式透過型液晶
表示装置が知られている。本従来例に示す液晶表示装置
の概要を図４，図５を用いて説明する。図４は従来例の
液晶表示装置の概略構成を示した説明図である。図４に
おいて、１１は光源を、１は色分解系を示し、赤色光の
みを反射するダイクロイックミラーＤＲと、緑色光のみ
を反射するダイクロイックミラーＤＧと、青色光のみを
反射するダイクロイックミラーＤＢの３枚のダイクロイ
ックミラーで構成されている。また、６はマイクロレン
ズアレイを、７は透過型液晶表示素子を、８はフレネル
レンズを、９は投射レンズを、１０はスクリーンを示
す。

【０００３】光源１１からの白色光は色分解系１に入射
すると、色分解系１において特定波長領域の光のみを反
射させるダイクロイックミラーＤＲ，ＤＧ，ＤＢによ
り、赤，緑，青の光に分離され、透過型液晶表示素子７
に入射する。ここで、３枚のダイクロイックミラーＤ
Ｒ，ＤＧ，ＤＢは平行ではなく、それぞれ所定の角度を
付けて配置している。こうすることで、透過型液晶表示
素子７に入射する赤，緑，青の光をそれぞれ異なった角
度から入射させることができる。

【０００４】透過型液晶表示素子７に入射する光は、透
過型液晶表示素子７の前面に配置したマイクロレンズア
レイ６に入射する。マイクロレンズアレイ６は、微小凸
レンズ６′を面状に並べたものである。図５（ａ），図
５（ｂ）は、マイクロレンズアレイ６を構成する微小凸
レンズ６′と、透過型液晶表示素子７の各画素との対応
を示した説明図である。

【０００５】図５（ａ）において、６′はマイクロレン
ズアレイ６を構成する微小な凸レンズを、５はＲ，Ｇ，
Ｂの画素を、Ｒ，Ｇ，Ｂは透過型液晶表示素子７の赤、
緑、青の各色に対応した画素５ａ，５ｂ，５ｃを示して
いる。同図においては、六角形状の微小凸レンズ６′の
各頂点部に対応してＲ及びＢの画素５ａ，５ｃが配置さ
れ、微小凸レンズ６′の中心に対応してＧの画素５ｂが
配置されている。且つ、透過型液晶表示素子７上の各画
素はＧの画素５ｂを中心として左側にＲ画素５ａ、右側
にＢ画素５ｃがくるように配置されている。また、図５
（ｂ）はマイクロレンズアレイ６を構成する微小凸レン
ズ６′の一つと、それに対応するＲ，Ｇ，Ｂの画素５
ａ，５ｂ，５ｃの配置を示している。

【０００６】凸レンズ６′に対して垂直に緑の光線を入
射させると、緑の光線はＧの画素５ｂに集光し、微小凸
レンズ６′に対して斜め右上方より青の光線を入射させ
ると、該青の光線はＢの画素５ｃに集光し、また凸レン
ズ６′に対して斜め左上方より赤の光線を入射させる
と、赤の光線はＲの画素５ａに集光させることができ
る。

【０００７】しかしながら、赤，緑，青の光が異なった
角度で透過型液晶表示素子７に入射するために、透過型
液晶表示素子７を出た光は広がってしまう。そこで、図
４に示したようにフレネルレンズ８を設けて光の広がり
を抑え、且つ投射レンズ９の口径を大きくして、広がる
光を全て該投射レンズ９に取り込めるようにし、明るい
映像をスクリーン１０に投影可能にしている。

【０００８】次に上で説明した透過型液晶表示素子７に
換えて反射型液晶表示素子を用いて反射型液晶表示装置
を構成する場合について説明する。図６はＰＢＳ１２を
用い、透過型液晶表示素子７に換えて反射型液晶表示素
子を用いて反射型液晶表示装置を構成した例を示す。液
晶表示素子は反射型の素子であり、反射型液晶表示素子
３の画素とマイクロレンズアレイ６の配置は図５と同じ
である。先ず、図６において１は色分解系を、３は反射
型液晶表示素子を、６はマイクロレンズアレイを、９は
投射レンズを、１１は光源を、１２は偏光ビームスプリ
ッター（以下ＰＢＳと記す）をそれぞれ示す。

【０００９】光源１１からの白色光は色分解系１に入射
すると、該色分解系１において特定波長領域の光のみを
反射させるダイクロイックミラーＤＲ，ＤＧ，ＤＢによ
り、赤，緑，青の光に分離される。赤，緑，青の光はＰ
ＢＳにおいて偏光方向の異なるＰ偏光波とＳ偏光波に分
離され、Ｐ偏光波が反射型液晶表示３に入射し、Ｓ偏光
波は図中右方に反射される。ここで、前記３枚のダイク
ロイックミラーＤＲ，ＤＧ，ＤＢは平行ではなく、それ
ぞれ所定の角度を付けて配置されているから、反射型液
晶表示素子３に入射する赤，緑，青の光はそれぞれ異な
った角度でマイクロレンズアレ−６に入射することにな
る。

【００１０】マイクロレンズアレイ６は、微小凸レンズ
６′を面状に並べたものである。マイクロレンズアレイ
６の微小凸レンズ６′に、異なる入射角度で入射する
赤，緑，青の光は、図５（ｂ）の関係により反射型液晶
表示素子３のそれぞれの色に対応した画素５ａ，５ｂ，
５ｃに集光する。そして、反射型液晶素子３において映
像変調を受け、反射される赤，緑，青の変調光は再びＰ
ＢＳ１２に入射する。ＰＢＳ１２では赤，緑，青の変調
光のＳ偏光波成分のみが反射され、後段の投影レンズ９
によりスクリーン１０に拡大投影される。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、反射型
液晶表示素子３の反射光の該マイクロレンズアレイ６か
らの射出角度は、透過型表示装置における透過型液晶表
示素子７からの射出角度よりも大きく、広がった光線と
なり後述する問題を有している。これを、以下図７を用
いて説明する。

【００１２】同図において、反射型液晶表示素子３の画
素とマイクロレンズアレイ６の配置は図５と同じであ
る。図７は該マイクロレンズアレイに対する赤の光線の
入射角度と、赤の光線の該反射型液晶表示素子３におけ
る反射光の該マイクロレンズアレイ６からの射出角度の
関係を示した図である。液晶表示素子として反射型素子
を使用した場合の、図５（ａ）におけるＡ−Ａ′断面の
一部拡大概略図で示している。

【００１３】マイクロレンズアレイ６の微小凸レンズ
６′ａに対し、入射角度θ1 で斜めに入射した赤の光
は、反射型液晶表示素子３の赤の画素Ｒ５ａに集光す
る。そして、画素Ｒ５ａで反射された赤の光の一部は、
マイクロレンズアレイ６の別の微小凸レンズ６′ｂより
射出する。この時、該微小凸レンズ６′ｂの射出光は、
微小凸レンズ６′ｂの中心を通る光線に平行に射出する
から、その射出角度θ2 は入射角度θ1 より大幅に大き
く、入射光とは異なる角度成分を持つ光束を射出する。
更には、入射光のコーンアングルを考慮すると、微小凸
レンズ６′ａに対して垂直に入射する緑の光も、その反
射光は微小凸レンズ６′ａに隣接する６個の微小凸レン
ズを通して射出するから、その射出光は様々な角度成分
を持った光束となる。青の光の射出光も同様に入射光と
は異なる角度成分を多く含む。

【００１４】一方、反射型表示装置においては一般にＰ
ＢＳ１２を使用するが、ＰＢＳ１２は入射光の角度依存
性が強く、様々な角度成分を持つ光束に対してはその性
能を十分に発揮できず、コントラスト比の劣化を招く。

【００１５】更にまた、前述したようにマイクロレンズ
アレイ６の射出光の射出角度は、入射角度よりも大きい
広がった光線であり、これは透過型表示装置における透
過型液晶表示素子７からの射出角度よりも大きい。従っ
て、この広がった射出光を全て投射レンズ１０に取り込
むためには、透過型表示装置における投射レンズの口径
よりも大きいＦ１．３からＦ１．４程度のレンズが必要
で、実現性が極めて難しかった。一方、投射レンズの実
現性を考えＦ２程度のレンズを用いた場合には、レンズ
周辺の赤，青の光の一部が蹴られ、スクリーン上で色シ
ェーディングが発生するという問題があった。

【００１６】本発明になる色分解光学系は、赤、緑、青
の３原色光に対応した各画素を有する反射型液晶表示素
子と、前記反射型液晶表示素子に入射する３原色光の入
射側に配置され、それぞれ異なる入射角で入射させた前
記３原色光をそれぞれの波長及び入射角度に応じて回折
するホログラムと、このホログラムによって回折された
前記３原色光をそれぞれ対応する前記各画素に集光する
ホログラムレンズとを積層したホログラムレンズアレイ
とを備えたことを特徴とする。

【００１７】

【００１８】

【００１９】

【実施例】以下に、本発明の実施例を図１〜図３を用い
て説明する。図１は本発明の色分解光学系の第一実施例
を示 した概念図である。図１において、１はダイクロ
イックミラーＤＲ，ＤＧ，ＤＢにより構成された色分解
手段を、２はホログラムレンズアレイを、３は反射型液
晶表示素子を、５ａ，５ｂ，５ｃはＲ（赤），Ｇ
（緑），Ｂ（青）それぞれの光に対応した画素を示す。

【００２０】光源１１からの白色光は色分解系１に入射
すると、色分解系１において特定波長領域の光のみを反
射させるダイクロイックミラーＤＲ，ＤＧ，ＤＢによ
り、赤，緑，青の光に分離され、反射型液晶表示素子３
に入射する。ここで、３枚のダイクロイックミラーＤ
Ｒ，ＤＧ，ＤＢは平行ではなく、それぞれ所定の角度を
付けて配置している。こうすることで、反射型液晶表示
素子３に入射する赤，緑，青の光をそれぞれ異なった角
度から入射させることができる。

【００２１】反射型液晶表示素子３に入射する光は、反
射型液晶表示素子３の前面に配置したホログラムレンズ
アレイ２に入射する。ホログラムレンズアレイ２は、レ
ンズ機能を有する微小ホログラムレンズ２′を面状に並
べたものである。ホログラムレンズ２′に対して垂直に
緑の光線を入射させると、緑の光線はＧの画素５ｂに集
光し、ホログラムレンズ２’に対して斜め右上方より青
の光線を入射させると、青の光線はＢの画素５ｃに集光
し、また該ホログラムレンズ２’に対して斜め左上方よ
り赤の光線を入射させると、赤の光線はＲの画素５ａに
集光させることができる。

【００２２】ホログラムレンズアレイ２は、ガラスまた
はペットフィルム上に塗布された感光材を露光感光して
作製されるものであるから、従来技術のマイクロレンズ
アレイに比べ生産性が高く低価格である。図２は本発明
の色分解光学系の第二実施例を示した概念図である。図
１と異なる点についてのみ説明する。図２において、４
はホログラムレンズアレイを示し、光路を一方向に曲げ
る回折機能を有するホログラム４ａと、光線を集光する
レンズ機能を有するホログラムレンズ４ｂの２層構成と
なっている。

【００２３】ホログラムレンズアレイ４に対し、色分離
された赤，緑，青の各光をそれぞれ所定の入射角度で入
射させると、ホログラム４ａで前記赤，緑，青の各光は
それぞれの波長及び入射角度に応じて回折され、赤，
緑，青の各光はそれぞれ異なる入射角度で２層目のホロ
グラムレンズ４ｂに入射する。２層目のホログラムレン
ズ４ｂにおいて、該赤，緑，青の各光は屈折されそれぞ
れの対応する該画素５ａ，５ｂ，５ｃに集光する。

【００２４】第一実施例の色分解光学系は、ホログラム
レンズ２′に対する各色の光線の入射角度が小さいか
ら、サイズの大きいホログラムレンズ２′に対しては集
光機能を十分に発揮することができるが、ホログラムレ
ンズ２′のサイズが小さくなると回折効率が小さくな
り、レンズ効果がなくなる。それに対して図２の第二実
施例の色分解光学系は、光路を一方向に大きく曲げる回
折機能を有する１層目のホログラム４ａを該２層目のホ
ログラムレンズ４ｂの前面に配置しているから、２層目
のホログラムレンズ４ｂに対する各色の光線の入射角度
を大きくすることができ、小さなサイズのホログラムレ
ンズでも回折効率を高くでき、集光効率の高い稠密な該
ホログラムレンズアレイ４を作製できる。

【００２５】図３は本発明の色分解光学系を反射型液晶
表示装置に使用した場合の反射型液晶表示素子における
反射光の該ホログラムレンズアレイ４からの射出角度を
解析したものである。同図の（ａ）は第１層目に設けた
ホログラム４ａの干渉縞が斜め左下がりの場合であり、
（ｂ）はその逆でホログラム４ａの干渉縞が斜め右下が
りの場合である。

【００２６】図３を用いて、反射型液晶表示素子３にお
ける反射光のホログラムレンズアレイからの射出角度に
ついて以下に説明する。特に、画素に対して斜めに入射
する赤の光線に着目して説明する。図３において、実線
は各色の入射光を、破線は赤の光線の反射光を示す。
尚、図３の各色の入射光はホログラムレンズ４ｂを透過
した集光光線で示している。

【００２７】先ず、図３（ａ）について説明する。Ｒ画
素５ａにおける赤の光線の反射光の内、Ｒ画素５ａの法
線に対して左側に反射した赤の光線は、ホログラム４ａ
の干渉縞が斜め左下がりであるために、ほどんど回折さ
れることなく入射角度と同じ角度でホログラム４ａを透
過射出する。一方、Ｒ画素５ａの法線に対して右側に反
射した赤の光線の内、６０％が回折されることなく入射
角度と同じ角度で第１層目のホログラムレンズ４ａを透
過射出する。残りの光線の内３４％が第２層目のホログ
ラムレンズ４ｂ及びホログラム４ａで回折され、青の光
線のホログラムレンズアレイ４への入射方向と同方向に
射出する。

【００２８】図３（ｂ）においては（ａ）とミラー対称
の関係になり、Ｒ画素５ａの法線に対して左側に反射し
た赤の光線の内、６０％が回折されることなく入射角度
と同じ角度で第１層目のホログラムレンズ４ａを透過射
出する。残りの光線の内３４％が第２層目，第１層目の
ホログラムレンズ４ｂ，４ａで回折され、青の光線の２
層ホログラムレンズアレイ４への入射方向と同方向に射
出する。一方、Ｒ画素５ａの法線に対して右側に反射し
た赤の光線は、ほとんど回折されることなく入射角度と
同じ角度でホログラムを透過射出する。

【００２９】図３において、青の光線は赤の光線とミラ
ー対称の関係になるから、図３（ａ）の青の反射光の光
路は図３（ｂ）の赤の反射光の光路に一致し、図３
（ｂ）の青の反射光の光路は図３（ａ）の赤の反射光の
光路に一致する。また、緑の光線は該Ｇ画素５ｂに対し
て垂直に入射するから、その反射光は入射方向と同方向
に射出する。

【００３０】以上説明したように、反射型液晶表示素子
３の反射光の９４％以上が入射光と同方向に帰還するか
ら、従来技術で説明したような光線の広がりは少なく、
反射光のほとんど全てを投射レンズ９で取り込むことが
でき、色シェーディングのない明るい投射映像を得るこ
とができる。以上は、本発明の液晶表示装置への応用例
であるが、本発明の技術は撮像装置や光信号処理装置等
にも適用できるのは言うまでもない。

【００３１】

【発明の効果】以上のように、本発明は、赤、緑、青の
３原色光に対応した各画素を有する反射型液晶表示素子
と、前記反射型液晶表示素子に入射する３原色光の入射
側に配置され、それぞれ異なる入射角で入射させた前記
３原色光をそれぞれの波長及び入射角度に応じて回折す
るホログラムと、このホログラムによって回折された前
記３原色光をそれぞれ対応する前記各画素に集光するホ
ログラムレンズとを積層したホログラムレンズアレイと
を備えているので、前記反射型液晶表示素子の反射光の
９４％以上を入射光と同方向に帰還するため、従来技術
で説明したような光線の広がりが少なく、反射光のほと
んど全てを投射レンズで取り込むことができ、色シェー
ディングのない明るい投射映像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の色分解光学系の第一実施例を示した概
念図。

【図２】本発明の色分解光学系の第二実施例を示した概
念図。

【図３】本発明の色分解光学系を反射型液晶表示装置に
応用した時の、反射光の射出角度を説明するための概略
説明図。

【図４】従来技術の透過型液晶表示装置を示した概念
図。

【図５】従来技術の透過型液晶表示装置におけるマイク
ロレンズアレイと液晶表示素子の画素との配置を説明す
るための概略説明図。

【図６】従来技術を反射型液晶表示装置に応用した場合
の概念図。

【図７】従来技術を反射型液晶表示装置に応用した場合
の、反射光の射出角度を説明するための概略説明図。

【符号の説明】

１ 色分解系（ダイクロイックミラーＤＲ，ＤＧ，Ｄ
Ｂ） ２ ホログラムレンズアレイ ２′ ホログラムレンズ ３ 反射型液晶表示素子 ４ ２層ホログラムレンズアレイ ４ａ ホログラム ４ｂ ２層目のホログラムレンズ ５ 画素 ５ａ Ｒ（赤），５ｂ Ｇ（緑），５ｃ Ｂ（青）の画
素 ６ マイクロレンズアレイ ６′ 微小凸レンズ ７ 透過型液晶表示素子 ８ フレネルレンズ ９ 投射レンズ １０ スクリーン １１ 光源 １２ 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平６−222361（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−216387（ＪＰ，Ａ) 特開 平８−220656（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G03B 33/12 G02B 3/00 G02B 5/18 G02B 5/32 G02F 1/13 505

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】赤、緑、青の３原色光に対応した各画素を
   有する反射型液晶表示素子と、 前記反射型液晶表示素子に入射する３原色光の入射側に
   配置され、それぞれ異なる入射角で入射させた前記３原
   色光をそれぞれの波長及び入射角度に応じて回折するホ
   ログラムと、このホログラムによって回折された前記３
   原色光をそれぞれ対応する前記各画素に集光するホログ
   ラムレンズとを積層したホログラムレンズアレイとを備
   えたことを特徴とする色分解光学系。