JP3461606B2 - 投影型カラー画像表示装置 - Google Patents
投影型カラー画像表示装置Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、モザイク状のカラーフ
ィルターを用いないで一枚の液晶表示素子によりカラー
表示を行う単板式の投影型カラー画像表示装置に関し、
特にコンパクトな投影型カラー液晶テレビジョンシステ
ムや情報表示システムに適用される投影型カラー画像表
示装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来の投影型表示装置について説明す
る。投影型表示装置に使用される液晶表示素子は、それ
自体は発光しないので別に光源を設ける必要があるが、
投影型ブラウン管表示装置に用いられるブラウン管と比
較すると、色再現範囲が広い、小型・軽量であるため持
ち運びしやすい、コンバージェンス調整が不要などの非
常に優れた特徴を持っているため、今後の発展が期待さ
れる。 【０００３】上述したような液晶表示素子を用いた投影
型カラー画像表示方式には、三原色に応じて液晶表示素
子を３枚用いる３板式と、１枚のみを用いる単板式があ
る。前者の３板式の投影型カラー画像表示装置は、白色
光を赤・緑・青の３原色それぞれの色光に分割する光学
系と、その色光を制御して画像を形成する液晶表示素子
をそれぞれ独立に設け、各色の画像を光学的に重畳して
フルカラー表示を行う構成をとる。この３板式の構成で
は、白色光源から放射される光を有効に利用できるが、
光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまい、コスト及
び小型化の点では後述の単板式に比べて一般的に不利で
ある。 【０００４】後者の単板式の投影型カラー画像表示装置
は、３原色カラーフィルターがモザイク状またはストラ
イプ状等のパターンに形成された液晶表示素子を投影光
学系によって投影するもので、例えば特開昭５９−２３
０３８３号に開示されている。単板式は液晶表示素子の
使用は１枚のみであり、かつ光学系も３板式に比べて単
純な光学系で構成することができ、低コスト、小型の投
影型システムに適している。しかし、カラーフィルター
を用いるため、入射光の約１／３しか利用できず、他の
光はカラーフィルターによって吸収または反射される。
つまり、カラーフィルターを用いる単板式での画面の明
るさは、等しい光源を用いた３板式と比較して約１／３
に低下してしまう。 【０００５】光源を明るくすることは明るさの低下に対
する１つの解決法であるが、民生用として使用する場
合、消費電力の大きな光源を用いることは好ましくな
い。また、吸収タイプのカラーフィルターを用いる場
合、カラーフィルターに吸収された光のエネルギーは熱
に変わるため、いたずらに光源を明るくすると、液晶表
示素子の温度上昇を引き起こすだけでなく、カラーフィ
ルターの退色が加速される。 【０００６】したがって、与えられた光束を如何に有効
に利用するかが投影型カラー画像表示装置の利用価値を
向上させる上で重要な課題である。 【０００７】そこで、このような単板式の投影型カラー
画像表示装置の欠点を解決すべく、複数のダイクロイッ
クミラーを扇形に配置して光利用率向上を図ったカラー
画像表示装置が提案されている（特開平４−６０５３８
号）。このカラー画像表示装置は、上記ダイクロイック
ミラーに白色光を入射させ、赤、青、緑の各光束に分割
し、液晶表示素子の光源側に配置されているマイクロレ
ンズアレイに異なった角度で入射させることにより、そ
れぞれ対応する色信号が独立して印加されている表示電
極で駆動される液晶部位に各色の光束が色毎に分離して
スポット状に集光・照射されるように構成されている。 【０００８】また、上記ダイクロイックミラーとマイク
ロレンズの代わりに、ホログラム素子を用い、光利用率
向上を図った単板式の投影型カラー画像表示装置が提案
されている（特開平６−２２２３６１号）。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したダイ
クロイックミラーやホログラム素子を用いた、従来の単
板式の投影型カラー画像表示装置では、吸収型のカラー
フィルターを用いないので光の利用効率が向上するが、
以下のような問題があった。前記ダイクロイックミラー
により分割された各光束は、液晶表示素子の入射側に設
けられたマイクロレンズによって画素の開口部に収束さ
れ、一方、ホログラム素子を用いる場合にはホログラム
素子によって画素の開口部に収束される。その収束され
た光束は、液晶表示素子を通過した後、図８に示すよう
に、フィールドレンズ９により液晶表示素子６からＬだ
け離れた位置に設置された投影レンズ（図示せず）の瞳
面Ｑ上に集光される。このとき、マイクロレンズアレイ
５へ垂直に入射した光束、たとえばこの図示例ではＧ
は、主としてその光軸上に集まる。一方、垂直に入射し
ない２光束、たとえばこの図示例ではＢ、Ｒは、前記瞳
面Ｑ上において、それぞれの光軸から、以下の（１）式
により求められるＨだけ離れた地点を中心に集められ
る。 【００１０】Ｈ＝Ｌ×ｔａｎθ’…（１） 但し、θ’は液晶表示素子に対する光束の主光線の入射
角度（＝出射角度）である。 【００１１】したがって、投影レンズの瞳面Ｑ上におけ
る各色の光束の集光位置が異なっているため、これら各
色の光束を投影レンズに入射させるためには、大口径の
投影レンズを用いなくてはならず、軽量化や小型化に支
障があり、また、コストが高くなるという欠点を有して
いた。 【００１２】上記欠点を解消する方法として、図９に示
すように、異なる角度で液晶表示素子に入射したＲ、
Ｇ、Ｂの光を、第１のマイクロレンズアレイ５により対
応する各画素に収束させ、第２のマイクロレンズアレイ
１４にてそれぞれの光の主光線を平行にした後、画素開
口部に入射させる方法が特願平５−３２８８０５号に開
示されている。 【００１３】しかしながら、この方法は以下に示す難点
を有している。すなわち、１枚のガラス基板の両面にマ
イクロレンズアレイ５、１４を形成し、さらにその表面
をマイクロレンズ材料とは異なる屈折率の材料によっ
て、レベリングするという複雑な工程を経なければなら
ない。また、当然のことながら、１枚のガラス基板の両
側に形成されるマイクロレンズの位置は正確に合わさな
ければならない。 【００１４】本発明は、このような従来技術の課題を解
決すべくなされたものであり、軽量小型化を図ることが
できる投影型カラー画像表示装置を提供することを目的
とする。 【００１５】本発明の投影型カラー画像表示装置は、光
源と、該光源からの光を複数の色の光束に分割し、色毎
に分離した集光スポットの配列を作る第１の光学手段
と、第１の光学手段にて形成された集光スポットの配列
に対応した画素を有し、各集光スポットが対応する画素
に入射するように配置された液晶表示素子と、該液晶表
示素子の画素により変調された複数の色の該光束を、そ
れぞれの主光線が互いに平行になるように回折する第２
の光学手段と、該第２の光学手段にて各主光線が平行と
された複数の色の該光束を受け、該液晶表示素子に表示
された画像を拡大し投影する第３の光学手段とを具備
し、該第２の光学手段は、入射する各色の光束の波長域
に対して所定の回折角を有するとともに画素構造を持た
ないホログラム素子を２以上積層して構成され、各ホロ
グラム素子が他のホログラム素子とは回折する光束の波
長域および回折角が異なるように設定され、そのことに
より上記目的が達成される。 【００１６】 【００１７】 【００１８】 【作用】本発明による場合は、液晶表示素子を通過した
各色の光束は、その後発散していくが、各色の光束の主
光線が、光の波長によって回折角の異なる第２の光学手
段にて平行化される。このため、投影レンズの瞳位置に
できる各色の光束の２次光源像が一致することとなる。
すなわち、図４に示すように、第２の光学手段に異なる
角度から入射した波長λR，λG，λBの各光の出射角度
が一致することになり、従来では大口径の投影レンズを
用いなければ利用できなかった発散光が、比較的口径が
小さな投影レンズ内にも入射するようになる。よって、
軽量小型化や投影レンズの低コスト化が図れる。 【００１９】第２の光学手段としては、図５に示すよう
にホログラム記録用基板上にできる２光束の干渉縞を記
録することにより作製したホログラム素子を使用でき
る。ここで、前記２光束の角度設定は、「レーザと画
像」龍岡静夫著（共立出版）ｐ．７７−８１に記述して
あるように、使用する波長域の光がブラックの回折条件
を満たすような干渉縞が発生するように設定ればよい。 【００２０】 【実施例】本発明の実施例について以下に説明する。 【００２１】（実施例１）図１は、本実施例に係る投影
型カラー画像表示装置の全体を示す模式図である。本実
施例のカラー画像表示装置は、球面鏡２を備えた白色光
源１と、コンデンサーレンズ３と、３種のダイクロイッ
クミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと、マイクロレンズアレイ５
を備えた液晶表示素子６と、色ＲおよびＢのそれぞれに
対してのみ回折効果を及ぼすホログラム素子７および８
と、フィールドレンズ９および投影レンズ１０からなる
投影光学系と、投影スクリーン１１とを有する。 【００２２】上記白色光源１として、消費電力１５０
Ｗ、アーク長＝５ｍｍのメタルハライドランプを用いて
いるが、ハロゲンランプやキセノンランプ等を使用して
もかまわない。白色光源１の背景には球面鏡２が配置さ
れ、前面には口径８０ｍｍφ、焦点距離ｆC＝６０ｍｍ
のコンデンサーレンズ３が配置されている。球面鏡２の
中心は白色光源１の発光部の中心と一致するように配置
され、また白色光源１の発光部の中心はコンデンサーレ
ンズ３の焦点と一致するように配置されている。 【００２３】コンデンサーレンズ３を出射した光束はほ
ぼ平行光となっている。白色光源１から平行光束を得る
手段としては、上記コンデンサーレンズ３を使用する方
式に限らず、回転放物面鏡を用いる方式、回転楕円面鏡
とインテグレーターを併用する方式が、適宜選択され
る。 【００２４】コンデンサーレンズ３の前方には、３種の
ダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂがそれぞれ異な
る角度で配置されている。ダイクロイックミラー４Ｒ、
４Ｇ、４Ｂは、それぞれ赤、緑、青の各波長帯の光を選
択的に反射し、他は透過する特性を有し、この順に光軸
上に配置されている。以下、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤、
緑、青の各色を表す。これらのダイクロイックミラー４
Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、周知の多層薄膜コーティング技術に
より形成される。液晶表示素子６の温度上昇を低減する
ために、いずれのダイクロイックミラーも赤外線を透過
するように設計するのがよい。 【００２５】上記ダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４
Ｂは、本実施例では、光軸上でダイクロイックミラー４
Ｒへの入射角が３０゜前後であり、ダイクロイックミラ
ー４Ｇおよび４Ｂへの入射角が、紙面に垂直な方向を回
転軸として順次角度θずつ傾いた状態に配置してある。
この相対的な角度θは、後述する液晶表示素子６の画素
配列ピッチＰ及びマイクロレンズアレイ５の焦点距離ｆ
μとすると、下式のようになる。 【００２６】θ＝ｔａｎ-1（Ｐ／ｆμ）／２ …（２） このようにダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを配
置することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束はマイクロレン
ズアレイ５にそれぞれ異なる角度で入射する。本実施例
では、Ｇの光束を中心に配し、かつマイクロレンズアレ
イ５に垂直入射するようになし、Ｒ及びＢの各光束は紙
面内で、Ｇの光束に対して対称となるように角度がつけ
られている。このＲ、Ｇ、Ｂの順番は光源のスペクトル
分布及びダイクロイックミラーの特性を考慮して決定さ
れ、必ずしも図１に示す順番に限らない。 【００２７】図２は、本実施例で用いられる液晶表示素
子６の近傍部分を模式的に示す断面図である。但し、図
２では液晶表示素子６の構成要素である偏光板、配向膜
等は簡略化のため省略してある。液晶表示素子６の入射
側に設けたマイクロレンズアレイ５は、液晶表示素子６
のＲ、Ｇ、Ｂに対応する３画素に対して１つのマイクロ
レンズが対応するように配置されており、その焦点距離
ｆμは７２０μｍ（ガラス基板中では対向基板厚の１．
１ｍｍに相当）とした。 【００２８】液晶表示素子６は、図３に示すようなデル
タ配列でマトリックス状に配置された矩形状の画素１３
が、該画素１３をスイッチングする半導体薄膜トランジ
スタ（図示せず）を介してダイナミック表示駆動される
ツイステッド・ネマティックモード（ＴＮ）のアクティ
ブ・マトリックス型液晶表示素子を用いた。また、画素
ピッチは縦横とも１００μｍ、画素開口部の大きさは縦
５０μｍ×横７０μｍ、画素数は縦４８０×横６４０と
した。 【００２９】したがって、焦点距離ｆμが７２０μｍ、
画素ピッチＰが１００μｍであるため、本実施例では、
上記（２）式に基づき、ダイクロイックミラーの相対的
な角度θは、θ＝ｔａｎ-1（１００／７２０）／２≒４
゜となる。よって、液晶表示素子６にはＧの光束が垂直
入射し、Ｒ、Ｂの２光束がそれぞれ±２θの角度で入射
することになる。これによって、マイクロレンズアレイ
５による各色の集光スポットは、液晶表示素子６の対応
する画素に入射することになる。 【００３０】液晶表示素子６を透過した光は、ホログラ
ム素子７、８を通る。ホログラム素子７、８は、Ｒ、Ｂ
のそれぞれに対してのみ回折効果を及ぼす構成となって
いる。よって、上記ホログラム素子７、８でのＲ、Ｂの
回折角を適宜選択することで、図４に示すように異なる
角度で入射したＲ、Ｇ、Ｂの主光線の出射角を一致させ
ることができる。本実施例では、図５に示すように、ホ
ログラム記録用感光材料として、たとえばデュポン
（株）製オムニデックス３５２を用い、これを塗布した
透明基板に対して、アルゴンレーザ（波長５１４．５ｎ
ｍ）のビームを２光束に分割し、両者のなす角度を所定
の角度に調整して照射し、このとき生じた干渉縞を記録
することにより、Ｒ用のホログラム素子７及びＢ用のホ
ログラム素子８を作製した。そして、それら２枚のホロ
グラム素子７、８を液晶表示素子６の出射側に重ね合わ
せて設置した。なお、ホログラム記録用光源としては、
上記の他にＨｅ−Ｎｅレーザ、Ｋｒレーザ等を用いるこ
とができる。 【００３１】ホログラム素子７は、Ｒの波長成分を選択
的に回折して、Ｒの光束の主光線をＧの光束の主光線と
略平行にする。また、同様にホログラム素子８は、Ｂの
波長成分を選択的に回折して、Ｂの光束の主光線をＧの
光束の主光線と略平行にする。ホログラム素子７、８で
回折を受けないＧの光束は、そのまま透過する。その結
果、Ｒ、Ｇ、Ｂ光の主光線の広がり角を小さくなり、口
径の比較的小さな投影レンズを用いても、明るく、ホワ
イトバランスの良い画像を得ることができる。また、出
射光の主光線を平行化する手段としてホログラム素子
７、８を使用するので、光のロスがほとんどなく、回折
効率９０％以上を達成することが可能となる。 【００３２】また、この方法では、図６に示すように液
晶表示素子６のガラス基板６ａの厚みによる視差が生じ
るため、スクリーンに投影するとあたかも図中のＡ、Ｂ
点の画素がＡ′、Ｂ′点に画素がシフトしたかのように
見えるが、信号のサンプリングのタイミングを視差に応
じてずらすことにより補正することができる。このこと
は、実施例２でも同様である。 【００３３】本発明のホログラム素子は、画素構造を持
たないので正確な位置合わせの必要はなく、単に、液晶
表示素子の出射側表面に貼り付けるか、液晶表示素子と
フィールドレンズの間の所定の位置に挿入するだけでよ
い。このことは、実施例２でも同様である。 【００３４】（実施例２）図７は、本実施例２の投影型
カラー絵像表示装置にホログラム素子として用いる多重
ホログラム素子の近傍を示す図である。本実施例２の投
影型カラー絵像表示装置の基本構成は、実施例１とほぼ
同様であり、リップマン・ホログラム素子７、８を重ね
て用いる代わりに、一枚のホログラムに２つの干渉縞を
重ねて記録した多重ホログラム素子１２を用いたもので
ある。 【００３５】多重ホログラム素子１２に対する干渉縞の
書き込み方法は、基本的には実施例１で用いたリップマ
ン・ホログラム素子と同じであるが、１枚のホログラム
に対して、複数の干渉縞を書き込む必要がある。具体的
には以下のようにすることができる。たとえば、実施例
１のように、Ｒ、Ｂに対応する２つの干渉縞を書き込む
場合、まず一方の光（Ｒ、Ｂのどちらでもよい）に対応
する干渉縞を書き込んだ後、他方の光の干渉縞を書き込
む。よって、それぞれの干渉縞に対する露光量は１度し
か記録しない場合の半分にする必要がある。 【００３６】上記作製法をもとに、実施例１と同じ感光
材料およびレーザを用い、Ｒ、Ｂに対応する２つの干渉
縞を書き込んだ多重ホログラム素子１２を作製したとこ
ろ、実施例１のリップマン・ホログラム素子７、８を積
層した場合と同等の効果が得られた。 【００３７】上述した本実施例１、２ではホログラム素
子を感光材料を用いて、光の干渉縞を屈折率の差として
書き込む方法にて作製したが、ホログラム素子の作製法
としてはその他に、ＵＶ硬化樹脂や透明プラスチック等
を用い、ブレーズド格子やグレーティングで作製する方
法などがある。 【００３８】また、本実施例１、２では、１つの波長に
対して選択性のあるリップマン・ホログラム素子２枚ま
たは多重ホログラム素子１枚を用いる構成としたが、そ
の他に波長選択性があり、白色光で再生ができるもので
あれば、いかなるものでも使用することができる。この
場合には、１つのホログラム素子で２以上の光束の出射
角を調整することが可能である。 【００３９】更に、本実施例１、２では光源からの光を
複数の色の光束に分割し、分割された複数の色の該光束
を収束させ、その収束された複数の色の該光束を液晶表
示素子６の画素開口部に色毎に導く手段として、ダイク
ロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂおよびマイクロレンズ
アレイ５を使用しているが、本発明はこれに限らず、前
記手段として光源からの光を複数の色の光束、たとえば
Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光束に分割すると共に各色の光束を
収束させ、その収束した各色の光束を液晶表示素子の各
画素開口部に色毎に導くホログラムを用いることができ
る。 【００４０】また、本実施例１、２では、白色光をダイ
クロイックミラーにより３原色に分解する例を示した
が、本発明は４色以上に分解するような構成にすること
も可能であり、そのようにすることにより、例えばグラ
フィック表示用にも適用することが可能である。 【００４１】 【発明の効果】以上のように本発明による場合には、口
径の小さな投影レンズを用いることが可能となり、これ
により軽量小型化を図れ、またコストを低廉化できる。
また、液晶表示素子を経た各色の光束を平行化するのに
ホログラム素子を用いることにより、光利用効率の高
く、しかもホワイトバランスの良いカラー画像を提供で
きる。
ィルターを用いないで一枚の液晶表示素子によりカラー
表示を行う単板式の投影型カラー画像表示装置に関し、
特にコンパクトな投影型カラー液晶テレビジョンシステ
ムや情報表示システムに適用される投影型カラー画像表
示装置に関するものである。 【０００２】 【従来の技術】従来の投影型表示装置について説明す
る。投影型表示装置に使用される液晶表示素子は、それ
自体は発光しないので別に光源を設ける必要があるが、
投影型ブラウン管表示装置に用いられるブラウン管と比
較すると、色再現範囲が広い、小型・軽量であるため持
ち運びしやすい、コンバージェンス調整が不要などの非
常に優れた特徴を持っているため、今後の発展が期待さ
れる。 【０００３】上述したような液晶表示素子を用いた投影
型カラー画像表示方式には、三原色に応じて液晶表示素
子を３枚用いる３板式と、１枚のみを用いる単板式があ
る。前者の３板式の投影型カラー画像表示装置は、白色
光を赤・緑・青の３原色それぞれの色光に分割する光学
系と、その色光を制御して画像を形成する液晶表示素子
をそれぞれ独立に設け、各色の画像を光学的に重畳して
フルカラー表示を行う構成をとる。この３板式の構成で
は、白色光源から放射される光を有効に利用できるが、
光学系が繁雑で部品点数が多くなってしまい、コスト及
び小型化の点では後述の単板式に比べて一般的に不利で
ある。 【０００４】後者の単板式の投影型カラー画像表示装置
は、３原色カラーフィルターがモザイク状またはストラ
イプ状等のパターンに形成された液晶表示素子を投影光
学系によって投影するもので、例えば特開昭５９−２３
０３８３号に開示されている。単板式は液晶表示素子の
使用は１枚のみであり、かつ光学系も３板式に比べて単
純な光学系で構成することができ、低コスト、小型の投
影型システムに適している。しかし、カラーフィルター
を用いるため、入射光の約１／３しか利用できず、他の
光はカラーフィルターによって吸収または反射される。
つまり、カラーフィルターを用いる単板式での画面の明
るさは、等しい光源を用いた３板式と比較して約１／３
に低下してしまう。 【０００５】光源を明るくすることは明るさの低下に対
する１つの解決法であるが、民生用として使用する場
合、消費電力の大きな光源を用いることは好ましくな
い。また、吸収タイプのカラーフィルターを用いる場
合、カラーフィルターに吸収された光のエネルギーは熱
に変わるため、いたずらに光源を明るくすると、液晶表
示素子の温度上昇を引き起こすだけでなく、カラーフィ
ルターの退色が加速される。 【０００６】したがって、与えられた光束を如何に有効
に利用するかが投影型カラー画像表示装置の利用価値を
向上させる上で重要な課題である。 【０００７】そこで、このような単板式の投影型カラー
画像表示装置の欠点を解決すべく、複数のダイクロイッ
クミラーを扇形に配置して光利用率向上を図ったカラー
画像表示装置が提案されている（特開平４−６０５３８
号）。このカラー画像表示装置は、上記ダイクロイック
ミラーに白色光を入射させ、赤、青、緑の各光束に分割
し、液晶表示素子の光源側に配置されているマイクロレ
ンズアレイに異なった角度で入射させることにより、そ
れぞれ対応する色信号が独立して印加されている表示電
極で駆動される液晶部位に各色の光束が色毎に分離して
スポット状に集光・照射されるように構成されている。 【０００８】また、上記ダイクロイックミラーとマイク
ロレンズの代わりに、ホログラム素子を用い、光利用率
向上を図った単板式の投影型カラー画像表示装置が提案
されている（特開平６−２２２３６１号）。 【０００９】 【発明が解決しようとする課題】しかし、上述したダイ
クロイックミラーやホログラム素子を用いた、従来の単
板式の投影型カラー画像表示装置では、吸収型のカラー
フィルターを用いないので光の利用効率が向上するが、
以下のような問題があった。前記ダイクロイックミラー
により分割された各光束は、液晶表示素子の入射側に設
けられたマイクロレンズによって画素の開口部に収束さ
れ、一方、ホログラム素子を用いる場合にはホログラム
素子によって画素の開口部に収束される。その収束され
た光束は、液晶表示素子を通過した後、図８に示すよう
に、フィールドレンズ９により液晶表示素子６からＬだ
け離れた位置に設置された投影レンズ（図示せず）の瞳
面Ｑ上に集光される。このとき、マイクロレンズアレイ
５へ垂直に入射した光束、たとえばこの図示例ではＧ
は、主としてその光軸上に集まる。一方、垂直に入射し
ない２光束、たとえばこの図示例ではＢ、Ｒは、前記瞳
面Ｑ上において、それぞれの光軸から、以下の（１）式
により求められるＨだけ離れた地点を中心に集められ
る。 【００１０】Ｈ＝Ｌ×ｔａｎθ’…（１） 但し、θ’は液晶表示素子に対する光束の主光線の入射
角度（＝出射角度）である。 【００１１】したがって、投影レンズの瞳面Ｑ上におけ
る各色の光束の集光位置が異なっているため、これら各
色の光束を投影レンズに入射させるためには、大口径の
投影レンズを用いなくてはならず、軽量化や小型化に支
障があり、また、コストが高くなるという欠点を有して
いた。 【００１２】上記欠点を解消する方法として、図９に示
すように、異なる角度で液晶表示素子に入射したＲ、
Ｇ、Ｂの光を、第１のマイクロレンズアレイ５により対
応する各画素に収束させ、第２のマイクロレンズアレイ
１４にてそれぞれの光の主光線を平行にした後、画素開
口部に入射させる方法が特願平５−３２８８０５号に開
示されている。 【００１３】しかしながら、この方法は以下に示す難点
を有している。すなわち、１枚のガラス基板の両面にマ
イクロレンズアレイ５、１４を形成し、さらにその表面
をマイクロレンズ材料とは異なる屈折率の材料によっ
て、レベリングするという複雑な工程を経なければなら
ない。また、当然のことながら、１枚のガラス基板の両
側に形成されるマイクロレンズの位置は正確に合わさな
ければならない。 【００１４】本発明は、このような従来技術の課題を解
決すべくなされたものであり、軽量小型化を図ることが
できる投影型カラー画像表示装置を提供することを目的
とする。 【００１５】本発明の投影型カラー画像表示装置は、光
源と、該光源からの光を複数の色の光束に分割し、色毎
に分離した集光スポットの配列を作る第１の光学手段
と、第１の光学手段にて形成された集光スポットの配列
に対応した画素を有し、各集光スポットが対応する画素
に入射するように配置された液晶表示素子と、該液晶表
示素子の画素により変調された複数の色の該光束を、そ
れぞれの主光線が互いに平行になるように回折する第２
の光学手段と、該第２の光学手段にて各主光線が平行と
された複数の色の該光束を受け、該液晶表示素子に表示
された画像を拡大し投影する第３の光学手段とを具備
し、該第２の光学手段は、入射する各色の光束の波長域
に対して所定の回折角を有するとともに画素構造を持た
ないホログラム素子を２以上積層して構成され、各ホロ
グラム素子が他のホログラム素子とは回折する光束の波
長域および回折角が異なるように設定され、そのことに
より上記目的が達成される。 【００１６】 【００１７】 【００１８】 【作用】本発明による場合は、液晶表示素子を通過した
各色の光束は、その後発散していくが、各色の光束の主
光線が、光の波長によって回折角の異なる第２の光学手
段にて平行化される。このため、投影レンズの瞳位置に
できる各色の光束の２次光源像が一致することとなる。
すなわち、図４に示すように、第２の光学手段に異なる
角度から入射した波長λR，λG，λBの各光の出射角度
が一致することになり、従来では大口径の投影レンズを
用いなければ利用できなかった発散光が、比較的口径が
小さな投影レンズ内にも入射するようになる。よって、
軽量小型化や投影レンズの低コスト化が図れる。 【００１９】第２の光学手段としては、図５に示すよう
にホログラム記録用基板上にできる２光束の干渉縞を記
録することにより作製したホログラム素子を使用でき
る。ここで、前記２光束の角度設定は、「レーザと画
像」龍岡静夫著（共立出版）ｐ．７７−８１に記述して
あるように、使用する波長域の光がブラックの回折条件
を満たすような干渉縞が発生するように設定ればよい。 【００２０】 【実施例】本発明の実施例について以下に説明する。 【００２１】（実施例１）図１は、本実施例に係る投影
型カラー画像表示装置の全体を示す模式図である。本実
施例のカラー画像表示装置は、球面鏡２を備えた白色光
源１と、コンデンサーレンズ３と、３種のダイクロイッ
クミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂと、マイクロレンズアレイ５
を備えた液晶表示素子６と、色ＲおよびＢのそれぞれに
対してのみ回折効果を及ぼすホログラム素子７および８
と、フィールドレンズ９および投影レンズ１０からなる
投影光学系と、投影スクリーン１１とを有する。 【００２２】上記白色光源１として、消費電力１５０
Ｗ、アーク長＝５ｍｍのメタルハライドランプを用いて
いるが、ハロゲンランプやキセノンランプ等を使用して
もかまわない。白色光源１の背景には球面鏡２が配置さ
れ、前面には口径８０ｍｍφ、焦点距離ｆC＝６０ｍｍ
のコンデンサーレンズ３が配置されている。球面鏡２の
中心は白色光源１の発光部の中心と一致するように配置
され、また白色光源１の発光部の中心はコンデンサーレ
ンズ３の焦点と一致するように配置されている。 【００２３】コンデンサーレンズ３を出射した光束はほ
ぼ平行光となっている。白色光源１から平行光束を得る
手段としては、上記コンデンサーレンズ３を使用する方
式に限らず、回転放物面鏡を用いる方式、回転楕円面鏡
とインテグレーターを併用する方式が、適宜選択され
る。 【００２４】コンデンサーレンズ３の前方には、３種の
ダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂがそれぞれ異な
る角度で配置されている。ダイクロイックミラー４Ｒ、
４Ｇ、４Ｂは、それぞれ赤、緑、青の各波長帯の光を選
択的に反射し、他は透過する特性を有し、この順に光軸
上に配置されている。以下、Ｒ、Ｇ、Ｂはそれぞれ赤、
緑、青の各色を表す。これらのダイクロイックミラー４
Ｒ、４Ｇ、４Ｂは、周知の多層薄膜コーティング技術に
より形成される。液晶表示素子６の温度上昇を低減する
ために、いずれのダイクロイックミラーも赤外線を透過
するように設計するのがよい。 【００２５】上記ダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４
Ｂは、本実施例では、光軸上でダイクロイックミラー４
Ｒへの入射角が３０゜前後であり、ダイクロイックミラ
ー４Ｇおよび４Ｂへの入射角が、紙面に垂直な方向を回
転軸として順次角度θずつ傾いた状態に配置してある。
この相対的な角度θは、後述する液晶表示素子６の画素
配列ピッチＰ及びマイクロレンズアレイ５の焦点距離ｆ
μとすると、下式のようになる。 【００２６】θ＝ｔａｎ-1（Ｐ／ｆμ）／２ …（２） このようにダイクロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂを配
置することにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束はマイクロレン
ズアレイ５にそれぞれ異なる角度で入射する。本実施例
では、Ｇの光束を中心に配し、かつマイクロレンズアレ
イ５に垂直入射するようになし、Ｒ及びＢの各光束は紙
面内で、Ｇの光束に対して対称となるように角度がつけ
られている。このＲ、Ｇ、Ｂの順番は光源のスペクトル
分布及びダイクロイックミラーの特性を考慮して決定さ
れ、必ずしも図１に示す順番に限らない。 【００２７】図２は、本実施例で用いられる液晶表示素
子６の近傍部分を模式的に示す断面図である。但し、図
２では液晶表示素子６の構成要素である偏光板、配向膜
等は簡略化のため省略してある。液晶表示素子６の入射
側に設けたマイクロレンズアレイ５は、液晶表示素子６
のＲ、Ｇ、Ｂに対応する３画素に対して１つのマイクロ
レンズが対応するように配置されており、その焦点距離
ｆμは７２０μｍ（ガラス基板中では対向基板厚の１．
１ｍｍに相当）とした。 【００２８】液晶表示素子６は、図３に示すようなデル
タ配列でマトリックス状に配置された矩形状の画素１３
が、該画素１３をスイッチングする半導体薄膜トランジ
スタ（図示せず）を介してダイナミック表示駆動される
ツイステッド・ネマティックモード（ＴＮ）のアクティ
ブ・マトリックス型液晶表示素子を用いた。また、画素
ピッチは縦横とも１００μｍ、画素開口部の大きさは縦
５０μｍ×横７０μｍ、画素数は縦４８０×横６４０と
した。 【００２９】したがって、焦点距離ｆμが７２０μｍ、
画素ピッチＰが１００μｍであるため、本実施例では、
上記（２）式に基づき、ダイクロイックミラーの相対的
な角度θは、θ＝ｔａｎ-1（１００／７２０）／２≒４
゜となる。よって、液晶表示素子６にはＧの光束が垂直
入射し、Ｒ、Ｂの２光束がそれぞれ±２θの角度で入射
することになる。これによって、マイクロレンズアレイ
５による各色の集光スポットは、液晶表示素子６の対応
する画素に入射することになる。 【００３０】液晶表示素子６を透過した光は、ホログラ
ム素子７、８を通る。ホログラム素子７、８は、Ｒ、Ｂ
のそれぞれに対してのみ回折効果を及ぼす構成となって
いる。よって、上記ホログラム素子７、８でのＲ、Ｂの
回折角を適宜選択することで、図４に示すように異なる
角度で入射したＲ、Ｇ、Ｂの主光線の出射角を一致させ
ることができる。本実施例では、図５に示すように、ホ
ログラム記録用感光材料として、たとえばデュポン
（株）製オムニデックス３５２を用い、これを塗布した
透明基板に対して、アルゴンレーザ（波長５１４．５ｎ
ｍ）のビームを２光束に分割し、両者のなす角度を所定
の角度に調整して照射し、このとき生じた干渉縞を記録
することにより、Ｒ用のホログラム素子７及びＢ用のホ
ログラム素子８を作製した。そして、それら２枚のホロ
グラム素子７、８を液晶表示素子６の出射側に重ね合わ
せて設置した。なお、ホログラム記録用光源としては、
上記の他にＨｅ−Ｎｅレーザ、Ｋｒレーザ等を用いるこ
とができる。 【００３１】ホログラム素子７は、Ｒの波長成分を選択
的に回折して、Ｒの光束の主光線をＧの光束の主光線と
略平行にする。また、同様にホログラム素子８は、Ｂの
波長成分を選択的に回折して、Ｂの光束の主光線をＧの
光束の主光線と略平行にする。ホログラム素子７、８で
回折を受けないＧの光束は、そのまま透過する。その結
果、Ｒ、Ｇ、Ｂ光の主光線の広がり角を小さくなり、口
径の比較的小さな投影レンズを用いても、明るく、ホワ
イトバランスの良い画像を得ることができる。また、出
射光の主光線を平行化する手段としてホログラム素子
７、８を使用するので、光のロスがほとんどなく、回折
効率９０％以上を達成することが可能となる。 【００３２】また、この方法では、図６に示すように液
晶表示素子６のガラス基板６ａの厚みによる視差が生じ
るため、スクリーンに投影するとあたかも図中のＡ、Ｂ
点の画素がＡ′、Ｂ′点に画素がシフトしたかのように
見えるが、信号のサンプリングのタイミングを視差に応
じてずらすことにより補正することができる。このこと
は、実施例２でも同様である。 【００３３】本発明のホログラム素子は、画素構造を持
たないので正確な位置合わせの必要はなく、単に、液晶
表示素子の出射側表面に貼り付けるか、液晶表示素子と
フィールドレンズの間の所定の位置に挿入するだけでよ
い。このことは、実施例２でも同様である。 【００３４】（実施例２）図７は、本実施例２の投影型
カラー絵像表示装置にホログラム素子として用いる多重
ホログラム素子の近傍を示す図である。本実施例２の投
影型カラー絵像表示装置の基本構成は、実施例１とほぼ
同様であり、リップマン・ホログラム素子７、８を重ね
て用いる代わりに、一枚のホログラムに２つの干渉縞を
重ねて記録した多重ホログラム素子１２を用いたもので
ある。 【００３５】多重ホログラム素子１２に対する干渉縞の
書き込み方法は、基本的には実施例１で用いたリップマ
ン・ホログラム素子と同じであるが、１枚のホログラム
に対して、複数の干渉縞を書き込む必要がある。具体的
には以下のようにすることができる。たとえば、実施例
１のように、Ｒ、Ｂに対応する２つの干渉縞を書き込む
場合、まず一方の光（Ｒ、Ｂのどちらでもよい）に対応
する干渉縞を書き込んだ後、他方の光の干渉縞を書き込
む。よって、それぞれの干渉縞に対する露光量は１度し
か記録しない場合の半分にする必要がある。 【００３６】上記作製法をもとに、実施例１と同じ感光
材料およびレーザを用い、Ｒ、Ｂに対応する２つの干渉
縞を書き込んだ多重ホログラム素子１２を作製したとこ
ろ、実施例１のリップマン・ホログラム素子７、８を積
層した場合と同等の効果が得られた。 【００３７】上述した本実施例１、２ではホログラム素
子を感光材料を用いて、光の干渉縞を屈折率の差として
書き込む方法にて作製したが、ホログラム素子の作製法
としてはその他に、ＵＶ硬化樹脂や透明プラスチック等
を用い、ブレーズド格子やグレーティングで作製する方
法などがある。 【００３８】また、本実施例１、２では、１つの波長に
対して選択性のあるリップマン・ホログラム素子２枚ま
たは多重ホログラム素子１枚を用いる構成としたが、そ
の他に波長選択性があり、白色光で再生ができるもので
あれば、いかなるものでも使用することができる。この
場合には、１つのホログラム素子で２以上の光束の出射
角を調整することが可能である。 【００３９】更に、本実施例１、２では光源からの光を
複数の色の光束に分割し、分割された複数の色の該光束
を収束させ、その収束された複数の色の該光束を液晶表
示素子６の画素開口部に色毎に導く手段として、ダイク
ロイックミラー４Ｒ、４Ｇ、４Ｂおよびマイクロレンズ
アレイ５を使用しているが、本発明はこれに限らず、前
記手段として光源からの光を複数の色の光束、たとえば
Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光束に分割すると共に各色の光束を
収束させ、その収束した各色の光束を液晶表示素子の各
画素開口部に色毎に導くホログラムを用いることができ
る。 【００４０】また、本実施例１、２では、白色光をダイ
クロイックミラーにより３原色に分解する例を示した
が、本発明は４色以上に分解するような構成にすること
も可能であり、そのようにすることにより、例えばグラ
フィック表示用にも適用することが可能である。 【００４１】 【発明の効果】以上のように本発明による場合には、口
径の小さな投影レンズを用いることが可能となり、これ
により軽量小型化を図れ、またコストを低廉化できる。
また、液晶表示素子を経た各色の光束を平行化するのに
ホログラム素子を用いることにより、光利用効率の高
く、しかもホワイトバランスの良いカラー画像を提供で
きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例に係る投影型カラー画像表示
装置を概略的に示す構成図である。 【図２】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備わっ
た液晶表示素子の要部詳細図（断面図）である。 【図３】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備わっ
たマイクロレンズアレイと液晶表示素子の画素配列とを
模式的に示す正面図である。 【図４】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備わっ
たホログラム素子の原理説明図である。 【図５】図４のホログラム素子の作製方法の説明図であ
る。 【図６】本発明において視差が生じる場合の説明図であ
る。 【図７】本発明の実施例２に用いる多重ホログラム素子
の近傍を示す図である。 【図８】従来の投影型カラー画像表示装置において、
Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束が投影レンズの瞳上に形成される２
次光源像の説明図である。 【図９】従来の他の投影型カラー画像表示装置を示す図
である。 【符号の説明】 １ 白色光源 ２ 球面鏡 ３ コンデンサーレンズ ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ ダイクロイックミラー ５、１４ マイクロレンズアレイ ６ 液晶表示素子 ７、８ ホログラム素子 ９ フィールドレンズ １０ 投影レンズ １１ 投影スクリーン １２ 多重ホログラム素子 １３ 画素
装置を概略的に示す構成図である。 【図２】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備わっ
た液晶表示素子の要部詳細図（断面図）である。 【図３】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備わっ
たマイクロレンズアレイと液晶表示素子の画素配列とを
模式的に示す正面図である。 【図４】図１に示す投影型カラー画像表示装置に備わっ
たホログラム素子の原理説明図である。 【図５】図４のホログラム素子の作製方法の説明図であ
る。 【図６】本発明において視差が生じる場合の説明図であ
る。 【図７】本発明の実施例２に用いる多重ホログラム素子
の近傍を示す図である。 【図８】従来の投影型カラー画像表示装置において、
Ｒ、Ｇ、Ｂの各光束が投影レンズの瞳上に形成される２
次光源像の説明図である。 【図９】従来の他の投影型カラー画像表示装置を示す図
である。 【符号の説明】 １ 白色光源 ２ 球面鏡 ３ コンデンサーレンズ ４Ｒ、４Ｇ、４Ｂ ダイクロイックミラー ５、１４ マイクロレンズアレイ ６ 液晶表示素子 ７、８ ホログラム素子 ９ フィールドレンズ １０ 投影レンズ １１ 投影スクリーン １２ 多重ホログラム素子 １３ 画素
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
G02F 1/13
G02F 1/1335
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 光源と、 該光源からの光を複数の色の光束に分割し、色毎に分離
した集光スポットの配列を作る第１の光学手段と、 第１の光学手段にて形成された集光スポットの配列に対
応した画素を有し、各集光スポットが対応する画素に入
射するように配置された液晶表示素子と、 該液晶表示素子の画素により変調された複数の色の該光
束を、それぞれの主光線が互いに平行になるように回折
する第２の光学手段と、 該第２の光学手段にて各主光線が平行とされた複数の色
の該光束を受け、該液晶表示素子に表示された画像を拡
大し投影する第３の光学手段とを具備し、 該第２の光学手段は、入射する各色の光束の波長域に対
して所定の回折角を有するとともに画素構造を持たない
ホログラム素子を２以上積層して構成され、各ホログラ
ム素子が他のホログラム素子とは回折する光束の波長域
および回折角が異なるように設定される投影型カラー画
像表示装置。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02299595A JP3461606B2 (ja) | 1995-02-10 | 1995-02-10 | 投影型カラー画像表示装置 |
| DE69627561T DE69627561T2 (de) | 1995-02-10 | 1996-02-09 | Projektionsbildanzeigevorrichtung |
| EP96101914A EP0726681B1 (en) | 1995-02-10 | 1996-02-09 | Projection type image display apparatus |
| US08/599,320 US5760850A (en) | 1995-02-10 | 1996-02-09 | Projection type image display apparatus |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP02299595A JP3461606B2 (ja) | 1995-02-10 | 1995-02-10 | 投影型カラー画像表示装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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Family
ID=12098117
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP02299595A Expired - Fee Related JP3461606B2 (ja) | 1995-02-10 | 1995-02-10 | 投影型カラー画像表示装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20010031135A (ko) * | 1997-10-16 | 2001-04-16 | 모리시타 요이찌 | 홀로그램소자, 편광분리소자, 편광조명장치 및 화상표시장치 |
| WO2021040700A1 (en) * | 2019-08-27 | 2021-03-04 | Leia Inc. | Multiview backlight, display, and method employing an optical diffuser |
-
1995
- 1995-02-10 JP JP02299595A patent/JP3461606B2/ja not_active Expired - Fee Related
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