JP3236194B2 - 光学変調装置及びそれを用いたカラー画像表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学変調装置及び
その光学変調装置を用いたカラー画像表示装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶光学変調素子を用いた単板カ
ラー光学変調装置は、液晶光学変調素子周辺部にある光
学変調被制御部の配線を遮光するブラックマトリクス面
積が液晶光学変調素子に占める割合が高く、装置全体の
光利用効率を低化させる要因となっていた。

【０００３】この問題を解決するため、図３８に示した
ような、マイクロレンズアレイ２をカラーフィルター５
１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの前面に配置し、白色光源からの
照明光を光学変調素子２０１の各画素に集光させること
により、光学変調装置２００の光利用効率を向上させる
方法が知られている。ここで、図３８における３は透明
基板、５はブラックマトリクスである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来例では、白
色光から各光学変調素子に応じた色光を取り出す部材と
してカラーフィルターを用いている。しかしながら、カ
ラーフィルターは各画素へ入射する白色光のうち、ある
波長成分の光のみを透過するため、それ以外の波長成分
の光に関しては無駄になっており、光利用効率が非常に
低かった。

【０００５】更に、画面を拡大して投影したり、画面に
近づいて観察すると、ＲＧＢの各画素がモザイク状のパ
ターンに見えるといった問題があった。

【０００６】本発明は、光量損失の少ない単板カラー光
学変調装置を実現すると共に、画質がよく、小型の光学
変調装置を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学変
調装置は、広波長帯域の光束を互いに波長帯域が異なる
複数の光束に分解する回折格子と、前記各波長帯域の光
束を画素毎に変調し、かつ反射板により反射させる光学
変調素子とを有する光学変調装置であって、前記回折格
子が、前記光学変調素子によって変調され、反射された
前記各波長帯域の光束を合成し、前記光学変調素子と前
記回折格子とが一体的に形成されていることを特徴とし
ている。請求項２の発明の光学変調装置は請求項１に従
うものであって、前記回折格子は、単位領域に前記広波
長帯域の光束を分解する方向が異なり、異なる方向に出
射した同一波長帯域の光束が入射する前記光学変調素子
の共通の画素を有することを特徴としている。請求項３
の発明の光学変調装置は請求項２に従うものであって、
前記共通の画素から出射する光束が、前記回折格子の複
数の単位領域に入射することを特徴としている。

【０００８】請求項４の発明の光学変調装置は、広帯域
の光を複数の収斂光束に変換する集光素子群と、前記複
数の収斂光束をそれぞれR,G,Bの３色の光束に分解する
回折格子と、前記R,G,Bの３色の光束を変調する複数の
画素と前記R,G,Bの３色の光束を反射する反射板とを備
える光学変調素子とを有し、前記回折格子が前記光学変
調素子で変調及び反射された前記R,G,Bの３色の光束を
合成する光学変調装置であって、 前記回折格子は前記集
光素子群からの前記複数の光束のそれぞれに対応する色
分解領域を有し、該複数の色分解領域のうち色分解方向
に関して隣り合う色分解領域は前記Gの色の光束に対す
るRの色の光束とBの色の光束の分離方向が互いに逆であ
り、前記色分解領域の中央部に対応する位置に前記Gの
色の画素が有り、前記隣り合う色分解領域同士の境界部
に対応する位置に前記Rの色の画素または前記Bの色の画
素が有り、前記色分解領域からのGの色の光束は前記Gの
色の画素に入射して前記反射板で反射することで同じ前
記色分解領域に入射し、前記隣り合う色分解領域のそれ
ぞれからの前記Rの光束は互いに共通の前記Rの画素に入
射して、前記反射板で反射することにより隣の前記色分
解領域に入射し、前記隣り合う色分解領域のそれぞれか
らの前記Bの光束は互いに共通の前記Bの画素に入射し
て、前記反射板で反射することにより隣の前記色分解領
域に入射することを特徴としている。請求項５の発明の
光学変調装置は、広帯域の光を複数の収斂光束に変換す
る集光素子群と、前記複数の収斂光束をそれぞれR,G,B
の３色の光束に分解する第１の回折格子と、前記R,G,B
の３色の光束を変調する複数の画素を備える光学変調素
子と、前記光学変調素子で変調された前記R,G,Bの３色
の光束を合成する第２の回折格子とを有する光学変調装
置であって、 前記第１の回折格子は前記集光素子群から
の前記複数の収斂光束のそれぞれに対応する色分解領域
を有し、前記第１の回折格子の複数の色分解領域のうち
色分解方向に関して隣り合う色分解領域は前記Gの色の
光束に対する前記Rの色の光束と前記Bの色の光束の分離
方向が互いに逆であり、前記光学変調素子は、前記色分
解領域の中央部に対応する位置にGの色の画素を有し、
前記隣り合う色分解領 域同士の境界部に対応する位置に
Rの色の画素またはBの色の画素を有し、 前記色分解領域
からの前記Gの色の光束は前記Gの色の画素に入射し、前
記隣り合う２つの色分解領域それぞれからの前記Rの色
の光束は互いに共通の前記Rの画素に入射し、前記隣り
合う２つの色分解領域それぞれからの前記Bの色の光束
は互いに共通の前記Bの画素に入射し、 前記第２の回折
格子は前記第１の回折格子の前記複数の色分解領域のそ
れぞれに対応する位置に色合成領域を有し、 前記色合成
領域に、前記Gの色の画素から出射した前記Gの色の光束
と、前記Gの色の画素を前記色分解方向に関して挟む位
置にある前記Rの色の画素と前記Bの色の画素から出射し
た前記Rの色の光束と前記Bの色の光束とが入射して合成
されることを特徴としている。請求項６の発明の光学変
調装置は請求項１乃至３いずれか１項に従うものであっ
て、前記広波長帯域の光束、または前記所定の波長帯域
に分解された光束を集光して前記光学変調素子の各画素
に収斂光を入射させる集光手段を有することを特徴とし
ている。

【０００９】請求項７の発明の光学変調装置は請求項４
乃至６いずれか１項に従うものであって、前記集光手段
と、前記回折格子又は前記第１の回折格子の単位領域を
対にしたことを特徴としている。請求項８の発明の光学
変調装置は請求項１乃至７いずれか１項に従うものであ
って、前記回折格子又は前記第１の回折格子によって所
定の波長帯域に光束が分解された位置にカラーフィルタ
ーを有することを特徴としている。請求項９の発明の光
学変調装置は請求項１乃至８いずれか１項に従うもので
あって、前記光学変調素子は、高分子分散型液晶である
ことを特徴としている。

【００１０】請求項１０の発明の光学変調装置は請求項
９に従うものであって、前記光学変調素子の画素間に遮
光壁を有することを特徴としている。請求項１１の発明
の光学変調装置は請求項１乃至８いずれか１項に従うも
のであって、前記光学変調素子は、ＴＮ型液晶であるこ
とを特徴としている。請求項１２の発明のカラー画像表
示装置は、請求項１乃至１１いずれか１項記載の光学変
調装置を用いてカラー画像を表示することを特徴として
いる。

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の特徴を最もよく表
す光学変調装置の断面図（装置光軸に対して平行な断
面）である。

【００１２】同図において、１は光学変調制御部不図示
及び光学変調被制御部からなる光学変調素子群である。
本実施の形態においては光学変調被制御部は高分子分散
型液晶を用いる。２は入射光を集光する集光素子群、３
は光学変調素子１を挟持する透明基板、４は画像表示に
不要な光を遮光する遮光膜である。６は集光素子群２に
対して一対一で設けられ、集光素子群２によって集光さ
れた光を複数の色光に分解し、かつ光学変調素子群１か
ら反射した色光を合成して出射する色分解合成素子群で
ある。７は光学変調素子群１と透明基板３の間に設けら
れた反射板である。

【００１３】図中、光学変調素子群１のＲ（赤）、Ｇ
（緑）、Ｂ（青）の符号は、それぞれの光学変調素子が
入射及び反射する光の波長帯域を表している。

【００１４】図１において、任意の集光素子をＡ０、Ａ
０に隣接した集光素子をＡ＋１、Ａ−１、Ａ０の光軸
（集光光束の中心線）を含む光学変調素子をＴ０、Ｔ０
に隣接した光学変調素子をＴ＋１、Ｔ−１、Ａ０の光軸
を含む色分解合成素子をＳ０、Ｓ０に隣接した色分解合
成素子をＳ＋１、Ｓ−１とする。Ａ０で集光された白色
光束は色分解合成素子Ｓ０を通過後、ＲＧＢ帯域の３つ
の色光に色分解され、光学変調素子Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−
１に入射し、反射板７で反射される。それぞれの波長帯
域の光束は、光学変調素子Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１を出射
するまでの間に光学変調を受ける。光学変調素子Ｔ０に
よって変調を受けたＧの波長帯域の光は、色分解合成素
子Ｓ＋１によって分解され光学変調素子Ｔ＋１によって
変調を受けたＲの波長帯域の光と、色分解合成素子Ｓ−
１によって分解され光学変調素子Ｔ−１によって変調を
受けたＢの波長帯域の光と、光学変調素子Ｓ０において
合成された後、集光素子Ａ０において略平行光とされ出
射する。

【００１５】高分子分散型液晶による光学変調原理につ
いては一般的に知られているため、説明は省略する。

【００１６】次に、本実施例における液晶パネル内の画
像信号駆動方法の一例を簡単に説明する。

【００１７】入力画像がビデオ信号の場合、表示する画
像の１フレーム分の画像信号をメモリに一時的に蓄積し
た後、パネルの画素配列と対応するように順次順番を入
れ替えサンプリングを行う。また、パソコン等のデータ
信号のようにすでにメモリに保管されている入力画像の
場合には、サンプリング方法を変えることで対応でき
る。ただし本実施例においては、各ライン中各色のパネ
ル画素が異なることから、画素数の少ない色光に対応す
る画像信号は、元の画像信号の２画素分を１画素分に平
均化する等の画像処理をサンプリングの前の時点で行う
必要がある。

【００１８】次に、色分解合成素子群６について、図２
の断面拡大図を用いて説明する。

【００１９】本実施の形態において色分解合成素子群６
は、１次元バイナリー型回折格子を樹脂で成形したもの
である。１次元バイナリー型回折格子とは、図２に示す
ように階段状に回折格子を形成したものであり、回折光
の偏向角がすべて同一になるように形成している。本実
施の形態では、格子ピッチＰ内にステップ幅Ｌ１，Ｌ
２，Ｌ３の３段形状である。なお、階段数は３段以上で
あれば４段でも５段でも同様の効果が得られるよう構成
することができる。本実施の形態に示すような透過型の
回折格子は、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ誌１７巻１
５号２２７３〜２２７９（１９７８．８．１号）に開示
されているように、回折格子に入射した入射光束が透過
回折されて主に３方向に分離される。この回折格子は、
例えばブレーズド波長をλ０としたとき、ブレーズド波
長λ０に対し必要な格子厚Ｄｔは Ｄｔ＝ｍ・λ０／（ｎλ０−１） となる。ここで、ｎλ０は媒質の屈折率である。ｍ，λ
０をｍ＝２、λ０＝５３０ｎｍとし、屈折率ｎλ０＝
１．５程度として算出した場合、格子厚はＤｔ＝２１２
０ｎｍ程度となる。

【００２０】本実施の形態において入射光の回折方向に
隣接する色分解合成素子同士では＋１次元、−１次元の
波長帯域が逆になるよう構成されている。これにより光
学変調素子１の各画素に同じ色光が入射することにな
る。

【００２１】以上、色分解について説明を行ったが、光
線の進路を逆にとって考えることで３色光を合成する作
用についても説明が付く。

【００２２】次に、光学変調装置１０を用いた反射型の
カラー画像表示装置の概略図を図３に示す。

【００２３】図３中、１０は本発明の光学変調装置、１
１は放物鏡１２の焦点位置に置かれた白色光源、１３は
コンデンサレンズ、１４は投射レンズ、１５は投射レン
ズ絞り、１６は投射スクリーン、１７は集光レンズ、１
８は投写レンズ絞り１５の白色光源１１側に設けられた
ミラーである。

【００２４】白色光源１１から出射した光は放物鏡１２
により略平行光にされ、集光レンズ１７、ミラー１８、
コンデンサレンズ１３を介して光学変調装置１０に入射
する。光学変調装置１０によりＲＧＢの色光ごとの画像
情報を与えられた光は、コンデンサレンズ１３、投射レ
ンズ１４を介して投射スクリーン１６上に画像表示を行
う。

【００２５】ＲＧＢ各色光の画像情報は光学変調装置１
０による光束の拡散度に依存している。図３のように光
軸上に開口を有するような絞りを用いる場合では、拡散
度の低い光束が投射レンズ絞り１５を通過して投射スク
リーン１６に到達し、拡散度の高い光束は投射レンズ絞
り１５に遮光され、投射スクリーン１６に到達しない。
すなわち、図３の画像表示装置では拡散度の低い光束を
画像表示に用いていることになる。図３のような構成と
は逆に、光軸近傍の光束を遮光するような絞り形状であ
る場合は、拡散度の高い光束を画像表示に用いることに
なる。

【００２６】このように構成することで、光学変調装置
１０に入射する白色光を色分解合成素子群６により複数
の色光に分解し、それぞれの色光に対応する光学変調素
子に無駄なく集光させることができるため、光利用効率
を大幅に向上させることができる。また同時に、本発明
の光学変調装置１０をカラー画像表示装置に用いること
により明るい装置の提供が装置サイズを大型化すること
なしに可能となる。また、スクリーン上に光学変調装置
の周期構造（ＲＧＢモザイク構造とブラックマトリク
ス）が見えなくなると同時にＲＧＢ３色が完全に合成さ
れた画像表示を行えるため、スクリーンに近づいた時に
も、高画質の画像を鑑賞することが可能となる。また、
１画素に対して入射光束を集光していることから開口率
の低い画素を採用できるため、光学変調素子の製造上の
歩留まりを上げることが可能となるなどの多くのメリッ
トが存在する。

【００２７】本実施の形態においては、色分解合成素子
として透過型回折格子を用いたが、ホログラム等のその
他の色分解合成素子を用いてもかまわない。また、集光
素子を平板マイクロレンズとしても構わない。更に集光
素子と色分解合成素子の配置の順序を図４に示すように
逆にすることも考えられる。図４において、４１は平板
マイクロレンズ等の集光素子群である。また、色分解合
成素子群を集光素子群と、あるいは透明基板と一体で形
成しても構わない。

【００２８】本実施の形態において、色分解合成素子の
１素子内のピッチ数は図２に示すように２ピッチとした
が、光学変調装置の仕様によって変える必要がある。ま
た、回折格子１ピッチ内の格子厚を各段ごとに若干変え
ること、及び回折格子１ピッチ内の格子幅が不等間隔に
なるように回折格子形状を設計することで±１次回折光
内側帯成分低減ができることから理想的な色分解が更に
可能となる。また、反射板７は光学変調素子群１の配線
部を形成する金属層で同時に形成しても構わない。

【００２９】また図５に示すように、各色光が分離した
箇所に色補正用カラーフィルター５１を設けた形態も考
えられる。この構成では、色分解合成素子６で分解され
た各色光の分光特性が画像信号のもつ分光特性と異なる
場合、各色光を色補正用カラーフィルター４１に入射さ
せ、理想的色情報を得ることによって忠実な画像色再現
が可能になる。この場合、各色光に分解した後にカラー
フィルター５１を透過させるので、それほど光利用効率
の低下も生じない。

【００３０】また図６に示すように、光学変調素子間に
高分子分散型液晶の拡散光が隣接素子に入射し、クロス
トークの原因となることを防止するために遮光壁６１を
設ける形態も考えられる。この構成により、更に高い画
質のカラー画像表示装置の提供が可能となる。

【００３１】また、図５に示したカラーフィルター５
１、図６に示した遮光壁６１を同時に有するような形態
も考えられるのは説明するまでもない。

【００３２】次に光学変調装置の他の実施の形態を図７
に示す。

【００３３】図７において、図１と同符号のものは同様
の作用をするので説明は省略する。。図７の光学変調装
置２０が図１のものと最も大きく異なっているのは、光
学変調被制御部としてＴＮ型液晶を光学変調素子群２１
に用いている点である。それにともない本実施の形態の
光学変調装置２０は偏光板２２を有している。

【００３４】次に、光学変調装置２０を用いた反射型の
カラー画像表示装置の概略図を図８に示す。

【００３５】図８において、図３と同符号のものは同様
の作用をするので説明は省略する。１９は偏光ビームス
プリッターである。光学変調装置２０は、偏光板２２と
反射時に光線位相差がπ変化する反射板７を組み合わせ
て用いることで画像情報をもった色光の透過率を制御す
るシャッターの役割をする。但し、偏光板２２の偏光軸
と液晶分子配列方向は一義的に決められるためここでの
説明は省略する。

【００３６】このように光学変調装置を構成すること
で、光学変調被制御部に高分子分散型液晶を用いた時と
同様の効果が得られると同時に、ＴＮ型液晶を用いるこ
とでコントラストの高い画像表示装置を提供できる。

【００３７】また、ＴＮ型液晶以外に、ゲストホスト液
晶等その他の光学変調被制御部を用いても構わない。ま
た、図８中、偏光ビームスプリッター１９の偏光分離精
度が充分でない場合には、コンデンサレンズ１３と偏光
ビームスプリッター１９の間に偏光板を１枚追加すれ
ば、更なるコントラストの向上が図れる。

【００３８】図９から図１３は、本発明の光学変調装置
を入射側から見た平面図であり、集光素子と光学変調素
子の配置の関係を示すものである。

【００３９】図９は、本発明の光学変調装置において、
集光素子の光軸を含む光学変調素子への入射光（図９中
アンダーバーの添えられた英字）をＧ色としたものであ
る。また、集光素子は光学変調素子の２辺に平行な方向
のレンズの屈折力が各々異なる形状をしており集光素子
Ａ０に入射した光束は色分解素子Ｓ０に集光するものと
する。観測者である人間の目の被視感度はＧ色帯域で最
も高いことから、このように集光素子と光学変調素子を
配列することで、明るい画像を鑑賞することが可能とな
る。図９においては、光学変調素子の１素子形状を正方
形としたが、長方形であっても構わない。

【００４０】図１０は、本発明の光学変調装置におい
て、任意の１次元方向（図中横方向）に並んだ集光素子
列の各集光素子の光軸を含む光学変調素子への入射光
（図１０中アンダーバーの添えられた英字）を同一に
し、その入射光をＢ色とした場合、この集光素子列に隣
接した集光素子列への入射光を各々Ｒ色、Ｇ色としたも
のである。このように集光素子と光学変調素子を配列す
ることで、各色の全光学変調素子数が等しくなることか
らカラーバランスの調整容易な表示装置の提供が可能と
なる。

【００４１】図９、図１０において光学変調素子の２次
元配列は、格子状に配列されているが、図１１に示すよ
うな千鳥配列であっても同様の効果が得られる。

【００４２】図１２は、図９に示したものと同様に集光
素子の光軸を含む光学変調素子への入射光を全てＧ色と
したものであり、同時に任意の色分解合成素子の色分解
方向とは垂直な方向の隣接光学変調素子もＧ色とした物
である。このように集光素子と光学変調素子を配列する
ことで、バイナリー型回折格子がある１次元方向に連続
的な形状になることから形成が容易であり、低コスト化
が可能となる。また、図１３に示すように集光素子をレ
ンチキュラーレンズとすることも可能である。この場
合、レンチキュラーレンズのパワーを持たない方向のブ
ラックマトリクス構造は除去できずに残ることになる
が、開口率を一定にしたままブラックマトリクスの構成
を変えることで、図１２に示した例とほぼ同様の効果が
得られる。

【００４３】図１４は、透過型の光学変調装置３０を表
す図である。反射型の光学変調装置１０と同符号の構成
要素のものは同様の機能を有しているので説明を省略す
る。

【００４４】反射型の光学変調装置１０と異なる点は、
集光素子群２と色分解合成素子群６が入射側と出射側に
１対で設けられている点である。したがって、出射側の
集光素子群２はコリメート素子として働き、入射側の色
分解合成素子群６は色分解のみ、出射側は色合成のみを
行う。

【００４５】次に光学変調装置３０の画像形成の動作に
ついて説明する。図１の場合と同様に、任意の集光素子
をＡ０、Ａ０に隣接した集光素子をＡ＋１、Ａ−１、Ａ
０の光軸（集光光束の中心線）を含む光学変調素子をＴ
０、Ｔ０に隣接した光学変調素子をＴ＋１、Ｔ−１、Ａ
０の光軸を含む入射側の色分解合成素子をＳ０、Ｓ０に
隣接した色分解合成素子をＳ＋１、Ｓ−１、Ａ０の光軸
を含む出射側の色分解合成素子をＭ０、Ｍ０に隣接した
色分解合成素子をＭ＋１、Ｍ−１、Ａ０の光軸を含む出
射側の集光素子をＣ０、Ｃ０に隣接した集光素子をＣ＋
１、Ｃ−１とする。Ａ０で集光された白色光束は色分解
合成素子Ｓ０を通過後、ＲＧＢ帯域の３つの色光に色分
解され、光学変調素子Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１に入射し光
学変調を受ける。光学変調素子Ｔ０によって変調を受け
たＧの波長帯域の光は、色分解合成素子Ｓ＋１によって
分解され光学変調素子Ｔ＋１によって変調を受けたＲの
波長帯域の光と、色分解合成素子Ｓ−１によって分解さ
れ光学変調素子Ｔ−１によって変調を受けたＢの波長帯
域の光と、色分解合成素子Ｍ０において合成された後、
集光素子Ｃ０によって略平行光とされ出射する。

【００４６】次に、光学変調装置３０を用いた透過型の
カラー画像表示装置の概略図を図１５に示す。

【００４７】白色光源１１から出射した光は、放物鏡１
２により略平行光にされ光学変調装置３０に入射する。
光学変調装置３０によりＲＧＢの色光ごとの画像情報を
与えられた光は、コンデンサレンズ１３、投射レンズ１
４を介して投射スクリーン１６上に画像表示を行う。

【００４８】ＲＧＢ各色光の画像情報は光学変調装置３
０による光束の拡散度に依存している。図１５のように
光軸上に開口を有するような絞りを用いる場合では、拡
散度の低い光束が投射レンズ絞り１５を通過して投射ス
クリーン１６に到達し、拡散度の高い光束は投射レンズ
絞り１５に遮光され、投射スクリーン１６に到達しな
い。すなわち、図１５の画像表示装置では拡散度の低い
光束を画像表示に用いている。図１５のような構成とは
逆に、光軸近傍の光束を遮光するような絞り形状である
場合は、拡散度の高い光束を画像表示に用いることにな
る。

【００４９】図１６は、図１４の光学変調装置内の各色
光が分離した箇所に色補正用カラーフィルター５１を設
けたものであり、図１７は、図１４の光学変調装置の各
光学変調素子間に遮光壁６１を設けたものである。この
ように光学変調装置を構成することにより、高い画質の
画像表示装置の提供が可能となる。ちなみに、色補正用
カラーフィルター５１の位置は、光学変調素子群１の前
面であっても構わない。

【００５０】

【００５１】このように構成することで、透過型のカラ
ー画像表示装置でも反射型と同様の効果を得ることがで
きる。図１５では、光学変調装置３０を一枚だけ用いた
カラー画像表示装置を説明したが、更に明るい画像を表
示するために、光源１１、放物鏡１２、コンデンサレン
ズ１７、光学変調装置２０からなる照明・光学変調ユニ
ットを２組用いて画像を完全に合成させる例も挙げられ
る。この例を図１８に示す。

【００５２】このように構成することにより、業務用等
の更に明るい画像表示が必要な装置を簡易な装置構成で
提供できる。

【００５３】光学変調被制御部には、高分子分散型液晶
だけでなくＴＮ型液晶も使用できる。その構成を図１９
に示す。図１９において、２１はＴＮ型液晶を光学変調
被制御部とした光学変調素子、２２、２３は互いに偏光
軸が直交した配置である偏光板である。

【００５４】図２０は、この光学変調装置を用いたカラ
ー画像表示装置の概略図である。図２０のカラー画像表
示装置の光学系は、一般にケーラー照明系と呼ばれ、光
源の像を投射レンズの瞳上に結像し、光量ムラの少ない
光学系として知られている。光学変調装置４０は、偏光
板２２、２３と組み合わせて用いることで画像情報をも
った色光の透過率を制御するシャッターの役割をする。

【００５５】このように光学変調装置を構成すること
で、光学変調被制御部に高分子分散型液晶を用いた時と
同様の効果が得られると同時に、ＴＮ型液晶を用いるこ
とでコントラストの高い画像表示装置を提供できる。

【００５６】また、ＴＮ型液晶以外に、ゲストホスト液
晶等その他の光学変調被制御部を用いても構わない。

【００５７】図２１は、図１９の光学変調装置のコリメ
ート素子としての機能を有する出射側の集光素子２を除
いたものである。このような構成にすることで、光学変
調装置５０の出射光束はある広がりをもって出射する。
この場合、図１９に示した光学変調装置４０と比較する
と、投射レンズのＦナンバーが一定の場合、多少スクリ
ーン照度が落ちることになる。しかしながら、光学変調
素子２１の１画素のサイズｄに対してガラス基板３の厚
みＬが充分大きく、出射光束の広がり角はかなり小さい
ことから実用上それほど問題ではないと考えられる。こ
の構成により、光学部材を減らすことができるため調整
工程及び部品コストの削減が可能となる。

【００５８】透過型の光学変調装置においても、集光素
子と光学変調素子の配置の関係は、図９から図１３に示
したものと同じものが適用できる。

【００５９】図２２は、本発明の他の実施の形態を表す
光学変調装置である。

【００６０】図２２において、図１と同符号のものは同
様の機能を有するので説明は省略する。本実施の形態の
光学変調装置６０には、平板マイクロレンズ８が透明基
板３と光学変調素子群１の間に挿入されている。この構
成により、集光素子Ａ０に入射した白色光は、色分解合
成素子Ｓ０によってＲＧＢの各波長帯域の色光に分解さ
れ、平板マイクロレンズ８で各色光の主光線が光学変調
素子Ｔ０、Ｔ−１、Ｔ＋１に対してそれぞれ垂直になる
よう偏向を受け、光学変調素子Ｔ０、Ｔ−１、Ｔ＋１に
入射して、反射板８で反射する。光学変調素子で変調を
受けた各色光は、逆の光路をたどり再び色分解合成素子
Ｓ０に入射して合成され、集光素子Ａ０で平行光にされ
て光学変調装置６０から出射する。すなわち、本実施の
形態の光学変調装置６０は、１つの集光素子に対して３
つの各色成分の画素が対応している。

【００６１】平板マイクロレンズ８は、図２３に示すよ
うに透明基板３と同屈折率ｎ０の基板をベースにし、Ｔ
−１、Ｔ＋１に入出射するレンズ部のみの屈折率ｎ１を
ｎ０よりも高く形成している。本実施の形態においては
平板マイクロレンズを用いたが図２４に示すような台形
レンズ、図２５に示すようなレンチキュラーレンズでも
構わない。

【００６２】光学変調装置６０を用いたカラー画像表示
装置は、図３に示したものと同じものであるので説明は
省略する。

【００６３】光学変調装置をこのように構成すること
で、図１に示した光学変調装置１０と同様の効果が得ら
れる。

【００６４】なお、色分解合成素子６については詳述し
なかったが、図２に示したものと同様なものや、各色光
の出射方向が同じタイプのものが使用できる。本実施の
形態は後者を用いている。

【００６５】本実施の形態においても、上述までの実施
の形態と同様に色分解合成素子に１次元バイナリー型回
折格子を用いているがホログラム等のその他の色分解素
子を用いても構わない。また、反射板７は光学変調素子
群１の配線部を形成する際に金属層で同時に形成しても
構わない。また、集光素子２を平板マイクロレンズとし
ても構わない。また、色分解素子群６を集光素子群２あ
るいは透明基板３と一体で形成しても構わない。

【００６６】図２６に示すようにカラーフィルター５１
を、図２７に示すように各光学変調素子の間に遮光壁６
１を設けることによって、高い画質の画像表示装置が提
供できる。

【００６７】また、図２８に光学変調被制御部にＴＮ型
液晶を用いた形態を示す。このような構成においても前
述までの実施の形態と同様の効果が得られる。

【００６８】カラー画像表示装置の構成は、図８に示し
たものと同じものであるので説明は省略する。また、本
実施の形態においては、光学変調被制御部としてＴＮ液
晶を用いたがゲストホスト液晶等その他の光学変調被制
御部を用いても構わない。また、図８中偏光ビームスプ
リッター１９の偏光分離精度が充分でなく、更にコント
ラストの向上を図る場合にはコンデンサレンズ１３と偏
光ビームスプリッター１９の間に偏光板を１枚追加して
もよい。

【００６９】図２９から図３２は、本実施の形態の光学
変調装置を入射側から見た平面図であり、集光素子と光
学変調素子の配置の関係を示している。

【００７０】図２９は、本発明の光学変調装置におい
て、集光素子の光軸を含む光学変調素子への入射光（図
２９中アンダーバーの添えられた英字）をＧ色としたも
のである。同時に任意の色分解合成素子の色分解方向と
は垂直な方向の隣接光学変調素子もＧ色としたものであ
る。また、集光素子は光学変調素子の２辺に平行な方向
のレンズの屈折力が各々異なる形状をしており集光素子
Ａ０に入射した光束は色分解素子Ｓ０に集光するものと
する。このように集光素子と光学変調素子を配列するこ
とで、バイナリー型回折格子がある一次元方向に連続的
な形状になることから形成が容易であり、低コスト化が
可能となる。

【００７１】また、図３０に示すように集光素子をレン
チキュラーレンズとすることも可能である。この場合、
レンチキュラーレンズのパワーを持たない方向のブラッ
クマトリクス構造は除去できずに残ることになるが、開
口率を一定にしたままブラックマトリクスの構成を変え
ることで図２９に示した例とほぼ同様の効果が得られ
る。更に、光学変調素子の１素子形状を正方形とした
が、長方形であっても構わない。

【００７２】図３１は、本発明の光学変調装置におい
て、集光素子の光軸を含む光学変調素子への入射光（図
３１中アンダーバーの添えられた英字）をＧ色とし、集
光素子２の配置を千鳥配置にしたものである。このよう
に集光素子と光学変調素子を配置することでも、図２９
に示したものと同様の効果が得られる。また、図３１で
は、光学変調素子の２次元配列は、格子状に配列されて
いるが、図３２に示すような千鳥配列であっても同様の
効果が得られる。

【００７３】図３３に平板マイクロレンズ８を有する透
過型の光学変調装置を示す。光学変調素子Ｔ０、Ｔ０−
１、Ｔ０＋１に入射するまでは図２２に示した反射型の
光学変調素子６０と同様なので説明は省略する。光学変
調素子Ｔ０、Ｔ０−１、Ｔ０＋１によって変調され出射
した各色光は、出射側の平板マイクロレンズ８によって
光路を曲げられ回折格子Ｍ０に入射し、合成されて集光
素子Ｂ０から平行光となって出射する。

【００７４】カラー画像表示装置は、図４に示した形態
と同じであるので説明は省略する。

【００７５】図３４に示すようにカラーフィルター５１
を、図３５に示すように各光学変調素子の間に遮光壁６
１を設けることによって、高い画質の画像表示装置が提
供できる。

【００７６】また、図３６に光学変調被制御部にＴＮ型
液晶を用いた形態を示す。このような構成においても前
述までの実施の形態と同様の効果が得られる。

【００７７】カラー画像表示装置の構成は、図１８に示
したものと同じものであるので説明は省略する。また、
本実施の形態においては、光学変調被制御部としてＴＮ
型液晶を用いたがゲストホスト液晶等その他の光学変調
被制御部を用いても構わない。また、図１８中偏光ビー
ムスプリッター１９の偏光分離精度が充分ではないため
更にコントラストの向上を図る場合、コンデンサレンズ
１３と偏光ビームスプリッター１９の間に偏光板を１枚
追加してもよい。

【００７８】図３７は、図３６の光学変調装置のコリメ
ート素子としての機能を有する出射側の集光素子２を除
いたものである。このように構成することで、光学変調
装置１００の出射光束はある広がりをもって出射する。
この場合、図３６に示した光学変調装置９０と比較する
と、投射レンズのＦナンバーが一定の場合、多少スクリ
ーン照度が落ちることになる。しかしながら、光学変調
素子２１の１画素のサイズｄに対してガラス基板３の厚
みＬは充分大きく、出射光束の広がり角はかなり小さい
ことから実用上それほど問題ではないと考えられる。こ
の構成により、光学部材を減らすことができるため調整
工程及び部品コストの削減が可能となる。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光利用効率の良い、小型の光学変調装置が実現でき、本
発明の光学変調装置をカラー画像表示装置に用いれば、
画質のよい装置が装置サイズを大型化することなしに実
現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図２】回折格子の拡大断面図である。

【図３】本発明のカラー画像表示装置の概略図である。

【図４】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図５】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図６】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図７】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図８】本発明のカラー画像表示装置の概略図である。

【図９】集光素子と光学変調素子の配列の関係を示した
図である。

【図１０】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図１１】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図１２】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図１３】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図１４】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図１５】本発明のカラー画像表示装置の概略図であ
る。

【図１６】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図１７】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図１８】本発明のカラー画像表示装置の概略図であ
る。

【図１９】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図２０】本発明のカラー画像表示装置の概略図であ
る。

【図２１】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図２２】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図２３】平板マイクロレンズの拡大断面図である。

【図２４】平板マイクロレンズの拡大断面図である。

【図２５】平板マイクロレンズの拡大断面図である。

【図２６】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図２７】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図２８】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図２９】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図３０】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図３１】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図３２】集光素子と光学変調素子の配置の関係を示し
た図である。

【図３３】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図３４】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図３５】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図３６】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図３７】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図３８】従来の光学変調装置の要部断面図である。

【符号の説明】

１ 光学変調素子 ２ 集光素子 ３ 透明基板 ４ 遮光膜 ６ 回折格子 ７ 反射板 １０ 光学変調装置 １１ 白色光源 １２ 放物鏡 １３ コンデンサーレンズ １４ 投射レンズ １５ 投射レンズ絞り １６ 投射スクリーン １７ 集光レンズ １８ ミラー ５１ カラーフィルター ６１ 遮光壁

Claims (12)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 広波長帯域の光束を互いに波長帯域が異
   なる複数の光束に分解する回折格子と、前記各波長帯域
   の光束を画素毎に変調し、かつ反射板により反射させる
   光学変調素子とを有する光学変調装置であって、 前記回折格子が、前記光学変調素子によって変調され、
   反射された前記各波長帯域の光束を合成し、前記光学変
   調素子と前記回折格子とが一体的に形成されていること
   を特徴とする光学変調装置。
2. 【請求項２】 前記回折格子は、単位領域に前記広波長
   帯域の光束を分解する方向が異なり、異なる方向に出射
   した同一波長帯域の光束が入射する前記光学変調素子の
   共通の画素を有することを特徴とする請求項１記載の光
   学変調装置。
3. 【請求項３】 前記共通の画素から出射する光束が、前
   記回折格子の複数の単位領域に入射することを特徴とす
   る請求項２記載の光学変調装置。
4. 【請求項４】 広帯域の光を複数の収斂光束に変換する
   集光素子群と、前記複数の収斂光束をそれぞれR,G,Bの
   ３色の光束に分解する回折格子と、前記R,G,Bの３色の
   光束を変調する複数の画素と前記R,G,Bの３色の光束を
   反射する反射板とを備える光学変調素子とを有し、前記
   回折格子が前記光学変調素子で変調及び反射された前記
   R,G,Bの３色の光束を合成する光学変調装置であって、 前記回折格子は前記集光素子群からの前記複数の光束の
   それぞれに対応する色分解領域を有し、該複数の色分解
   領域のうち色分解方向に関して隣り合う色分解領域は前
   記Gの色の光束に対するRの色の光束とBの色の光束の分
   離方向が互いに逆であり、前記色分解領域の中央部に対
   応する位置に前記Gの色の画素が有り、前記隣り合う色
   分解領域同士の境界部に対応する位置に前記Rの色の画
   素または前記Bの色の画素が有り、前記色分解領域から
   のGの色の光束は前記Gの色の画素に入射して前記反射板
   で反射することで同じ前記色分解領域に入射し、前記隣
   り合う色分解領域のそれぞれからの前記Rの色の光束は
   互いに共通の前記Rの色の画素に入射して、前記反射板
   で反射することにより隣の前記色分解領域に入射し、前
   記隣り合う色分解領域のそれぞれからの前記Bの色の光
   束は互いに共通の前記Bの色の画素に入射して、前記反
   射板で反射することにより隣の前記色分解領域に入射す
   ることを特徴とする光学変調装置。
5. 【請求項５】 広帯域の光を複数の収斂光束に変換する
   集光素子群と、前記複数の収斂光束をそれぞれR,G,Bの
   ３色の光束に分解する第１の回折格子と、前記R,G,Bの
   ３色の光束を変調する複数の画素を備える光学変調素子
   と、前記光学変調素子で変調された前記R,G,Bの３色の
   光束を合成する第２の回折格子とを有する光学変調装置
   であって、 前記第１の回折格子は前記集光素子群からの前記複数の
   収斂光束のそれぞれに対応する色分解領域を有し、前記
   第１の回折格子の複数の色分解領域のうち色分解方向に
   関して隣り合う色分解領域は前記Gの色の光束に対する
   前記Rの色の光束と前記Bの色の光束の分離方向が互いに
   逆であり、前記光学変調素子は、前記色分解領域の中央
   部に対応する位置にGの色の画素を有し、前記隣り合う
   色分解領域同士の境界部に対応する位置にRの色の画素
   またはBの色の画素を有し、 前記色分解領域からの前記Gの色の光束は前記Gの色の画
   素に入射し、前記隣り合う２つの色分解領域それぞれか
   らの前記Rの色の光束は互いに共通の前記Rの画素に入射
   し、前記隣り合う２つの色分解領域それぞれからの前記
   Bの色の光束は互いに共通の前記Bの画素に入射し、 前記第２の回折格子は前記第１の回折格子の前記複数の
   色分解領域のそれぞれに対応する位置に色合成領域を有
   し、 前記色合成領域に、前記Gの色の画素から出射した前記G
   の色の光束と、前記Gの色の画素を前記色分解方向に関
   して挟む位置にある前記Rの色の画素と前記Bの色の画素
   から出射した前記Rの色の光束と前記Bの色の光束とが入
   射して合成されることを特徴とする光学変調装置。
6. 【請求項６】 前記広波長帯域の光束、または前記所定
   の波長帯域に分解された光束を集光して前記光学変調素
   子の各画素に収斂光を入射させる集光手段を有すること
   を特徴とする請求項１乃至３いずれか１項記載の光学変
   調装置。
7. 【請求項７】 前記集光手段と、前記回折格子又は前記
   第１の回折格子の単位領域を対にしたことを特徴とする
   請求項４乃至６いずれか１項記載の光学変調装置。
8. 【請求項８】 前記回折格子又は前記第１の回折格子に
   よって所定の波長帯域に光束が分解された位置にカラー
   フィルターを有することを特徴とする請求項１乃至７い
   ずれか１項記載の光学変調装置。
9. 【請求項９】 前記光学変調素子は、高分子分散型液晶
   であることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記
   載の光学変調装置。
10. 【請求項１０】 前記光学変調素子の画素間に遮光壁を
    有することを特徴とする請求項９記載の光学変調装置。
11. 【請求項１１】 前記光学変調素子は、ＴＮ型液晶であ
    ることを特徴とする請求項１乃至８いずれか１項記載の
    光学変調装置。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１いずれか１項記載の
    光学変調装置を用いてカラー画像を表示することを特徴
    とするカラー画像表示装置。