JP3624534B2 - 集光・分光装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクタ等に使用される集光・分光装置に係り、特に白色光源からの光の利用効率を向上させて高輝度且つ鮮明な画像を得る集光・分光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８に示すように、従来の液晶プロジェクタ等では、カラーフィルタ８′を介して白色光源６からの白色光７をそのまま表示パネル５′に照射し、スクリーン（図示せず）に画面を写し出す型式のものが採用されていた。なお、表示パネル５′としては、例えば無数の画素を備えた透過型のアクテイブマトリックス液晶パネルが用いられる。この型式の液晶プロジェクタの場合には、カラーフィルタ８′の各着色セルを透過した各色光成分は表示パネル５′を透過する際に画素の非開口部により大部分が遮断されるため、スクリーンに到達する光量が少ない。そのため、光源光の利用効率が極めて低く、スクリーンに写し出された画面が暗くなる問題点があった。この問題点に対処する従来技術として図９に示す構造が上げられる。このものは、カラーフィルタ８′と白色光源６との間にマイクロレンズアレイ２′を配置したものである。白色光源６からの白色光７はマイクロレンズアレイ２′により細分光して集光され、カラーフィルタ８′の各着色セルＲ，Ｇ，Ｂを介して表示パネルの各画素の開口部のみに照射される。これにより図８に示した構造より白色光の利用効率を高めることができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図９に示した構造ではマイクロレンズアレイ２′を用いて白色光７の集光が行なわれるが、白色光７は各カラーフィルタの着色セルに分光して照射することができない。各着色セルは白色光に含まれる三原色光成分のうち一色分を透過し残りの二色分（補色光成分）を吸収する。従って、カラーフィルタ８′の各着色セルを透過しない補色光成分は無駄になり、結果として白色光の利用効率の大巾の向上が図れない。そのため、スクリーンに投映された画面の明るさを上げるには白色光源６の出力光量を高くする必要があり、コスト高になると共に、白色光源６や表示パネルの過熱を防止するため冷却装置が必要になる等の問題点が生ずる。
【０００４】
本発明は、以上の問題点を解決するもので、白色光源の光量を特に上げることなく、白色光の利用効率の向上が図れ、明るい表示が可能になる集光・分光装置を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以上の目的を達成するために、白色光を放射する光源と個々に三原色のいずれかが割り当てられた画素を有する表示パネルとの間に設けられ、前記白色光を細分化して集光し、且つ第１色光成分、第２色光成分および第３色光成分に分光して各々対応する前記画素に入射する装置であって、該装置は、集光素子アレイと、ホログラム素子アレイおよび再反射手段とからなり、前記集光素子アレイは、平面的に細分化された領域毎に配置された集光素子を備え、該集光素子により白色光を集光して前記表示パネル側に入射するものからなり、前記ホログラム素子アレイは、前記集光素子に対応して配置され且つ波長選択性を有する反射型ホログラム素子を備えており、該反射型ホログラム素子は集光された白色光を分光して前記三原色のうちの第１色光成分をそのまま透過して対応する画素に入射すると共に残りの第２色光成分および第３色光成分を回折反射するものからなり、前記再反射手段は、前記集光素子アレイと前記ホログラム素子アレイとの間に介在し、回折反射された前記第２色光成分および第３色光成分を再反射して対応する画素に入射するようにした集光・分光装置を構成するものである。そして、前記ホログラム素子アレイは、前記第２色光成分および第３色光成分を回折反射させる各反射型ホログラム素子の両側に前記第２色光成分および第３色光成分に対応する一対の透過型ホログラム素子を形成したホログラムパネルからなり、前記透過型ホログラム素子は、前記反射型ホログラム素子で回折反射し且つ前記再反射手段により再反射した前記第２色光成分および第３色光成分を透過回折して前記第１色光成分の光線方向とほぼ同一の光線方向に整えることを特徴とする。また、前記再反射手段は、前記集光素子の中心部から両側に離間して配置された一対の凹反射面を備えており、該凹反射面は前記反射型ホログラム素子から回折反射した前記第２色光成分および第３色光成分を再反射して前記第１色光成分の光線方向とほぼ同一の光線方向に整えることを特徴とする。好ましくは、前記ホログラム素子を通過した前記第１色光成分，第２色光成分および第３色光成分に夫々対応して三原色別に着色されたセルの集合からなるカラーフィルタを前記各ホログラム素子アレイと前記表示パネルとの間に設けることを特徴とするものである。
【０００６】
白色光源からの白色光は集光素子アレイの各集光素子により集光され、ホログラム素子アレイに設けた夫々の反射型ホログラム素子に入射される。これは波長選択性を有し、反射型ホログラム素子に入射された光の内、当該反射型ホログラム素子により回折反射されない第１色光成分はそのまま透過するが、三原色の内の前記第１色光成分以外の第２色光成分および第３色光成分は回折反射され表示パネル側に進まない。然し乍ら、回折反射された前記第２色光成分および第３色光成分は再反射手段により再反射し、前記第２色光成分や第３色光成分を透過する透過型ホログラム素子に入射される。このため、白色光は結果として全部表示パネル側に入射される。特に、前記透過型ホログラム素子は波長選択性は不要であり、すべて再反射された光成分を屈折して反射型ホログラム素子を透過した光成分とほぼ同一方向に整えるように形成されるため、三原色光成分は同一の光線方向に沿って表示パネル側に入射される。なお、透過型ホログラムに代えて再反射手段の側に光線方向を整える機能を有する凹反射面を設けても良い。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳述する。図３は、本発明の集光・分光装置１を用いた液晶ディスプレイの主構成を示す。即ち、バックライトとして用いた白色光源６からの白色光７は集光・分光装置１により細分的に集光され、且つ集光された白色光７は第１色光成分、第２色光成分および第３色光成分に分光され表示パネル５側の各色画素に照射される。なお、図３の例はバックライトを用いた直視型の液晶ディスプレイを示しているが、本発明にかかる集光・分光装置はこればかりではなく、例えば液晶プロジェクタにも適用可能であることは言うまでもない。
【０００８】
また、図４は図３に示した集光・分光装置１の内部構成を模式的に示すものである。即ち、集光・分光装置１は、マイクロレンズ又はレンチキュラーレンズ等の集光素子を集積化した集光素子アレイ２と、ホログラム素子を集積化したホログラム素子アレイ３と、再反射手段４等とから構成される。
【０００９】
図２は本発明に係わる集光・分光装置１ａの具体例を示すものである。集光素子アレイ２は例えばレンチキュラー等のレンズ２ａ，２ｂ，２ｃ・・・を隣接して形成したレンズアレイからなる。なお、説明の都合上図２では集光素子アレイ２として３個のレンズ２ａ，２ｂ，２ｃを示している。
【００１０】
ホログラム素子アレイ３は、本例では第１色光成分であるＧ色を透過し、他の第２色光成分のＢ色および第３色光成分であるＲ色を反射するＲＢ反射型ホログラム素子３ａを備えている。この波長選択性を有する反射型ホログラム素子３ａは各レンズ２ａ，２ｂ，２ｃに対応して配置され、各レンズからの集光が入射する様になっている。また、このホログラム素子アレイ３は、更に各反射型ホログラム素子３ａの両側に一対の透過型ホログラム素子３ｂ，３ｃが形成されており、全体として一枚のホログラムパネルとなっている。一対の透過型ホログラム素子３ｂ，３ｃとその間の反射型ホログラム３ａとの組が、各レンズに対応している。一対の透過型ホログラム素子は波長選択性が無く、単に入射光を所定の角度で回折透過するのみである。この透過型ホログラム素子３ｂ，３ｃは、反射型ホログラム素子３ａで回折反射し且つ再反射手段により再反射した第２色光成分（Ｂ色）及び第３色光成分（Ｒ色）を透過回折して第１色光成分（Ｇ色）の光線方向とほぼ同一の光線方向に揃えるものである。
【００１１】
一方、再反射手段４は、本例では平面的なミラーからなり、夫々隣接するレンズ２ａ，２ｂ、２ａ，２ｃの接合部（境界）を中心として適宜寸法だけ夫々のレンズ２ａ，２ｂ，２ｃ側に伸延して配置するものからなる。即ち、ミラー４ａｂはレンズ２ａとレンズ２ｂ間にまたがって配置され、ミラー４ａｃはレンズ２ａとレンズ２ｃにまたがって配置される。このミラー４ａｂ，４ａｃは、例えばアルミニウムの真空蒸着およびエッチングによって集光素子アレイ２の裏面側にパタニング形成され、各レンズ２ａ，２ｂ，２ｃの有効開口以外を遮閉している。
【００１２】
図７はＲＢ反射型ホログラム素子３ａの波長選択特性を示すものである。図において横軸は波長を示し縦軸は反射率を夫々示す。ＲＢ反射型ホログラム素子３ａは第１色光成分のＧ色のみを透過せしめ、第２色光成分のＢ色および第３色光成分のＲ色を反射するものであり、図示のようにピーク波長４６０［ｎｍ］のＢ色の光およびピーク波長６２０［ｎｍ］のＲ色の光が夫々高い反射率を示し、これ等の光が反射され、Ｇ色のみが透過することがわかる。係る波長選択性を有する反射型ホログラム素子は、例えば多重又は多層構造の体積位相型ホログラムにより構成できる。
【００１３】
次に、本例（図２）の集光・分光装置１ａによる集光・分光作用を説明する。図略の白色光源からの白色光７は例えばレンズ２ａで集光され、ミラー４ａｂと４ａｃとの間の開口を通過し、ＲＢ反射型ホログラム素子３ａに入射し、ここで波長選択的に反射される。即ち、白色光７の内、第１色光成分のＧ色のみが通過し、他のＢ色およびＲ色は所定の角度で反射される。なお、通過したＧ色の光は図略の表示パネル側の対応する画素に入射される。
【００１４】
ＲＢ反射型ホログラム素子３ａで互いに反対方向に反射したＢ色およびＲ色の光は、図示のようにミラー４ａｂおよびミラー４ａｃで再反射される。ミラー４ａｂで再反射されたＲ色の光は図示のように透過型ホログラム素子３ｃに照射され、回折透過される。なお、ホログラム素子３ｃの部分には、ミラー４ａｂで再反射されたＲ色の光のみが照射されることになるので、必ずしも透過型ホログラムを配置する必要はない。又、透過型ホログラムに代えてＢ色及びＧ色を反射するホログラムを配置しても良い。但し、これらの場合、Ｒ色の光はそのまま通過するため、ホログラム素子３ａを通過するＧ色の光と方向が同一にならない。なお、この透過型ホログラム素子３ｃに波長選択性をもたせＢ色およびＧ色を反射可能としてもよい。一方、ミラー４ａｃで再反射されたＢ色の光は図示のように透過型ホログラム素子３ｂに照射され、回折透過される。透過型ホログラム素子３ｂ，３ｃの回折角はすべてそのホログラム素子を通過した光の方向がほぼ反射型ホログラム素子３ａを透過した光と同一の方向になるように予め形成される。以上の作用により、白色光源からの白色光７のすべてがホログラム素子アレイ３を透過し、夫々Ｇ，Ｂ，Ｒ色に分光されて表示パネル側に入射される。その結果、明るい画面を得ることができる。特に、三原色光成分の入射方向が同一に整えられるため、色分離のないカラー表示が行なわれる。なお、入射方向を整える必要のない場合には、透過型ホログラム素子を除去して単に透明状態にしておけばよい。
【００１５】
図１は図２に示した集光・分光装置１ａにカラーフィルタ８を補助的に付設した集光・分光装置１ａ′を示す。図示のようにカラーフィルタ８はホログラム素子アレイ３の反射型ホログラム素子３ａ（Ｇ），透過型ホログラム素子３ｂ（Ｂ）および透過型ホログラム素子３ｃ（Ｒ）と夫々相対向する位置に夫々Ｇ，Ｂ，Ｒのカラーフィルタセル８ａ，８ｂ，８ｃを配列したものからなる。反射型ホログラム素子３ａを通過した光はほぼ第１色光成分のＧ色のみであるが、Ｇ色のカラーフィルタセル８ａを通ることにより、不要な波長成分が完全に除去され色バランスがよくなる。同様に、透過型ホログラム素子３ｂおよび透過型ホログラム素子３ｃを通過したＢ色およびＲ色の光はカラーフィルタセル８ｂ，８ｃを通ることにより色バランスが改善される。
【００１６】
図５に示す集光・分光装置１ｂは図２に示した集光・分光装置１ａと再反射手段が相異するものである。この再反射手段４′は図２における平面ミラー４ａｂ，４ａｃと異なり凹面ミラー４′ａｂ，４′ａｃが採用される。図２における再反射手段４の場合、反射型ホログラム素子３ａで反射した光はミラー４ａｂおよび４ａｃで正反射し、反射型ホログラム素子３ａから１つ離れた位置にある透過型ホログラム素子３ｃと透過型ホログラム素子３ｂに入射される。一方、凹面ミラー４′ａｂ，４′ａｃを使用することにより反射型ホログラム素子３ａで反射した光は集光作用を有する凹面ミラー４′ａｂ，４′ａｃで再反射した後、反射ホログラム素子３ａのすぐ隣りに位置する透明領域３ｂ′および３ｃ′に直接入射される。この透明領域３ｂ′および３ｃ′を透過した第２色光成分（Ｂ色）および第３色光成分（Ｒ色）は凹面ミラーの作用により反射型ホログラム素子３ａを通過した第１色光成分（Ｇ色）の光線方向とほぼ一致する方向に放射される。このように再反射手段として凹面ミラー４′ａｂ，４′ａｃを用いることによりホログラム素子アレイ３に透過型ホログラム素子を設ける必要がなくなる。なお、図５に示した例では、説明の都合上、第２色光成分（Ｂ色）および第３色光成分（Ｒ色）の回折反射方向が図２とは入れかわっている。
【００１７】
図６は図５に示した集光・分光装置１ｂにカラーフィルタ８を補助的に付設したものである。カラーフィルタ８は図１に示したものと同一のものであり、ＲＢ反射型ホログラム素子３ａ、Ｂ色透過領域３ｂ′およびＲ色透過型領域３ｃ′の夫々と対応する位置にＧ，Ｂ，Ｒのカラーフィルタセル８ａ，８ｂ，８ｃを配置するものからなる。図１のカラーフィルタ８付きの集光・分光装置１ａ′と同様に、ホログラム素子アレイ３を通過した光はカラーフィルタ８により正確に色バランスがとられる。
【００１８】
【発明の効果】
１）本発明の請求項１に記載の集光・分光装置によれば、白色光は集光素子アレイにより集光した後、回折波長選択性のあるホログラム素子アレイにより分光し、その回折反射光を再反射手段により再反射して表示パネル側に入射するように構成されるため、従来の装置に較べて白色光の利用効率を大巾に向上することができる。
２）本発明の請求項２に記載の集光・分光装置によれば、ホログラム素子アレイで回折反射し、再反射手段により再反射して再びホログラム素子アレイ側に入射された光が、回折反射されないでホログラム素子アレイを透過した光とほぼ同一光線方向に整合されるように追加の透過ホログラム素子が形成されるため、表示パネルに照射される光の拡散が抑制され、高品質画面を得ることができる。
３）本発明の請求項３に記載の集光・分光装置によれば、再反射手段がレンズ作用のある凹面ミラーからなり、再反射される光が反射型ホログラム素子に隣接する透過領域に入射されるため、何ら透過ホログラム素子を設けることなく、三原色光成分の方向を揃えることができる。
４）本発明の請求項４に記載の集光・分光装置によれば、ホログラム素子アレイを透過した光はカラーフィルタにより不要な波長成分が除去されるため、表示パネルに表示される画面の色バランスの向上が図れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】平面ミラーからなる再反射手段およびカラーフィルタを設けた本発明の集光・分光装置の概要構成図。
【図２】平面ミラーからなる再反射手段を設けた本発明の集光・分光装置の概要構成図。
【図３】本発明の集光・分光装置を設けた液晶ディスプレイの概要構成図。
【図４】本発明の集光・分光装置の基本構成図。
【図５】凹面ミラーからなる再反射手段を設けた本発明の集光・分光装置の概要構成図。
【図６】凹面ミラーからなる再反射手段とカラーフィルタを設けた本発明の集光・分光装置の概要構成図。
【図７】ＲＢ反射型ホログラム素子の分光特性図。
【図８】従来の液晶プロジェクタの一例の概要構成図。
【図９】集光素子を用いた従来の液晶プロジェクタの部分構成図。
【符号の説明】
１ 集光・分光装置
１ａ 集光・分光装置
１ａ′ 集光・分光装置
１ｂ 集光・分光装置
１ｂ′ 集光・分光装置
２ 集光素子アレイ（レンズアレイ）
２ａ 集光素子（レンズ）
２ｂ 集光素子（レンズ）
２ｃ 集光素子（レンズ）
３ ホログラム素子アレイ
３ａ ホログラム素子
３ｂ ホログラム素子
３ｃ ホログラム素子
４ 再反射手段
４′ 再反射手段
４ａｂ 平面ミラー
４ａｃ 平面ミラー
４′ａｂ 凹面ミラー
４′ａｃ 凹面ミラー
５ 表示パネル
６ 白色光源
７ 白色光
８ カラーフィルタ
８ａ カラーフィルタセル
８ｂ カラーフィルタセル
８ｃ カラーフィルタセル

Claims (3)

1. 白色光を放射する光源と個々に三原色のいずれかが割り当てられた画素を有する表示パネルとの間に設けられ、前記白色光を細分化して集光し、且つ第１色光成分、第２色光成分および第３色光成分に分光して各々対応する前記画素に入射する装置であって、
   該装置は、集光素子アレイと、ホログラム素子アレイおよび再反射手段とからなり、
   前記集光素子アレイは、平面的に細分化された領域毎に配置された集光素子を備え、該集光素子により白色光を集光して前記表示パネル側に入射するものからなり、
   前記ホログラム素子アレイは、前記集光素子に対応して配置され且つ波長選択性を有する反射型ホログラム素子を備えており、該反射型ホログラム素子は集光された白色光を分光して前記三原色のうちの第１色光成分をそのまま透過して対応する画素に入射すると共に残りの第２色光成分および第３色光成分を回折反射するものからなり、
   前記再反射手段は、前記集光素子アレイと前記ホログラム素子アレイとの間に介在し、回折反射された前記第２色光成分および第３色光成分を再反射して対応する画素に入射するものであり、
   前記ホログラム素子アレイは、前記第２色光成分および第３色光成分を回折反射させる各反射型ホログラム素子の両側に前記第２色光成分および第３色光成分に対応する一対の透過型ホログラム素子を形成したホログラムパネルからなり、前記透過型ホログラム素子は、前記反射型ホログラム素子で回折反射し且つ前記再反射手段により再反射した前記第２色光成分および第３色光成分を透過回折して前記第１色光成分の光線方向とほぼ同一の光線方向に整えるものであることを特徴とする集光・分光装置。
2. 白色光を放射する光源と個々に三原色のいずれかが割り当てられた画素を有する表示パネルとの間に設けられ、前記白色光を細分化して集光し、且つ第１色光成分、第２色光成分および第３色光成分に分光して各々対応する前記画素に入射する装置であって、
   該装置は、集光素子アレイと、ホログラム素子アレイおよび再反射手段とからなり、
   前記集光素子アレイは、平面的に細分化された領域毎に配置された集光素子を備え、該集光素子により白色光を集光して前記表示パネル側に入射するものからなり、
   前記ホログラム素子アレイは、前記集光素子に対応して配置され且つ波長選択性を有する反射型ホログラム素子を備えており、該反射型ホログラム素子は集光された白色光を分光して前記三原色のうちの第１色光成分をそのまま透過して対応する画素に入射すると共に残りの第２色光成分および第３色光成分を回折反射するものからなり、
   前記再反射手段は、前記集光素子アレイと前記ホログラム素子アレイとの間に介在し、回折反射された前記第２色光成分および第３色光成分を再反射して対応する画素に入射するものであり、
   前記再反射手段は、前記集光素子の中心部から両側に離間して配置された一対の凹反射面を備えており、該凹反射面は前記反射型ホログラム素子から回折反射した前記第２色光成分および第３色光成分を再反射して前記第１色光成分の光線方向とほぼ同一の光線方向に整えるものであることを特徴とする集光・分光装置。
3. 前記ホログラム素子アレイを通過した前記第１色光成分,第２色光成分および第３色光成分に夫々対応して三原色別に着色されたセルの集合からなるカラーフィルタを前記各ホログラム素子アレイと前記表示パネルとの間に設けることを特徴とする請求項１又は２のいずれかに記載の集光・分光装置。

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