JP3646847B2 - Image display device - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像表示装置に関するものである。特に、ホログラム光学素子を用いて光を空間的に変調することにより、偏光変換を行う画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来の画像表示装置として、特開平8−304739号公報に記載された偏光照明装置が存在している。以下、この公報に記載された図面及び記述を引用して従来の画像表示装置について説明する。
図4は、従来の偏光照明装置の要部を平面的に見た概略構成図である。
本例の偏光照明装置1は、システム光軸Lに沿って配置した光源部2、第1のレンズ板3、第2のレンズ板4から大略構成されている。光源部2から出射された光は、第1のレンズ板3により第2のレンズ板4内に集光され、第2のレンズ板4を通過する過程において、ランダムな偏光光は、偏光方向が揃った1種類の偏光光に変換され、照明領域5に至るようになっている。
【0003】
光源部2は、光源ランプ201と放物面リフレクター202から大略構成されている。光源ランプ201から放射されたランダムな偏光光は、放物面リフレクター202によって一方向に反射されて、略平行な光束となって第1のレンズ板3に入射される。ここで、放物面リフレクター202に代えて、楕円形リフレクター、球面リフレクターなども用いることができる。光源光軸Rは、システム光軸Lに対して一定の角度だけ傾斜させてある。
【0004】
図5には、第1のレンズ板3の外観を示してある。
この図に示すように、第1のレンズ板3は、矩形状の輪郭をした微小な矩形集光レンズ301が縦横に複数配列した構成である。第1のレンズ板3に入射した光は、矩形集光レンズ301の集光作用によりシステム光軸Lと垂直な平面内に矩形集光レンズ301の数と同数の集光像を形成する。この複数の集光像は、光源ランプの投写像に他ならないため、以下では2次光源像と呼ぶものとする。
【0005】
次に、再び図4を参照して、本例の第2のレンズ板4について説明する。
第2のレンズ板4は、集光レンズアレイ410、偏光分離プリズムアレイ420、λ/2位相差板430及び出射側レンズ440から構成される複合積層体であり、第1のレンズ板3による2次光源像が形成される位置の近傍におけるシステム光軸Lに対して垂直な平面内に配置されている。この第2のレンズ板4は、インテグレータ光学系の第2のレンズ板としての機能、偏光分離素子としての機能及び偏光変換素子としての機能を併せ持っている。
【0006】
集光レンズアレイ410は、第1のレンズ板3とほぼ同様な構成となっている。即ち、第1のレンズ板3を構成する矩形集光レンズ301と同数の集光レンズ411を複数配列したものであり、第1のレンズ板3からの光を集光する作用がある。集光レンズアレイ410は、インテグレータ光学系の第2のレンズ板に相当するものである。
【0007】
集光レンズアレイ410を構成する集光レンズ411と第1のレンズ板3を構成する矩形集光レンズ301とは、全く同一の寸法形状及びレンズ特性を有する必要はない。光源部2からの光の特性に応じて、各々最適化されることが望ましい。しかし、偏光分離プリズムアレイ420に入射する光は、その主光線の傾きがシステム光軸Lと平行であることが理想的である。この点から、集光レンズ411は、第1のレンズ板3を構成する矩形集光レンズ301と同一のレンズ特性を有するものか、或いは、矩形集光レンズ301と相似形の形状をしている同一レンズ特性を有するものとする場合が多い。
【0008】
図6には、偏光分離プリズムアレイ420の外観を示してある。
この図に示すように、偏光分離プリズムアレイ420は、内部に偏光分離膜を備えた四角柱状のプリズム合成体からなる偏光ビームスプリッター421と、同じく内部に反射膜を備えた四角柱状のプリズム合成体からなる反射ミラー422とからなる対を基本構成単位とし、その対を平面的に複数配列(2次光源像が形成される平面内に配列される)したものである。集光レンズアレイ410を構成する集光レンズ411に対して、1対の基本構成単位が対応するように規則的に配置されている。また、1つの偏光ビームスプリッター421の横幅Wpと1つの反射ミラー422の横幅Wmは等しい。更に、この例では、集光レンズアレイ410を構成する集光レンズ411の横幅の1/2となるように、Wp及びWmの値は設定されているが、これに限定されない。
【0009】
ここで、第1のレンズ板3により形成される2次光源像が偏光ビームスプリッター421の部分に位置するように、偏光分離プリズムアレイ420を含む第2のレンズ板4が配置されている。そのために、光源部2は、その光源光軸Rがシステム光軸Lに対して僅かに角度をなすように配置されている。
【0010】
図4及び図6を参照して説明すると、偏光分離プリズムアレイ420に入射したランダムな偏光光は、偏光ビームスプリッター421により偏光方向の異なるP偏光光とS偏光光の2種類の偏光光に分離される。P偏光光は、進行方向を変えずに偏光ビームスプリッター421をそのまま通過する。他方、S偏光光は、偏光ビームスプリッター421の偏光分離膜423で反射して進行方向を約90度変え、隣接する反射ミラー422(対をなす反射ミラー)の反射面424で反射して進行方向を約90度変え、最終的には、P偏光光とほぼ平行な角度で偏光分離プリズムアレイ420より出射される。
【0011】
偏光分離プリズムアレイ420の出射面には、λ/2位相差膜431が規則的に配置されたλ/2位相差板430が設置されている。即ち、偏光分離プリズムアレイ420を構成する偏光ビームスプリッター421の出射面部分にのみλ/2位相差膜431が配置され、反射ミラー422の出射面部分にはλ/2位相差膜431が配置されていない。従って、偏光ビームスプリッター421から出射されたP偏光光は、λ/2位相差膜431を通過する際に偏光面の回転作用を受け、S偏光光へと変換される。他方、反射ミラー422から出射されたS偏光光は、λ/2位相差膜431を通過しないので、偏光面の回転作用は一切受けず、S偏光光のままλ/2位相差板430を通過する。
以上をまとめると、偏光分離プリズムアレイ420とλ/2位相差板430により、ランダムな偏光光は、1種類の偏光光(この場合は、S偏光光)に変換されたことになる。
【0012】
このようにして、S偏光光に揃えられた光束は、出射側レンズ440により照明領域5へと導かれ、照明領域5上で重畳結合される。即ち、第1のレンズ板3により切り出されたイメージ面は、第2のレンズ板4により照明領域5上に重畳結像される。これと同時に、途中の偏光分離プリズムアレイ420によりランダムな偏光光は、偏光方向が異なる2種類の偏光光に空間的に分離され、λ/2位相差板430を通過する際に1種類の偏光光に変換されて、殆ど全ての光が照明領域5へと達する。このため、照明領域5は、殆ど1種類の偏光光でほぼ均一に照明されることになる。
【0013】
図7には、図4に示した偏光照明装置1が組み込まれた投写型表示装置の例を示してある。
図7に示すように、本例の投写型表示装置3400の偏光照明装置1は、ランダムな偏光光を位置方向に出射する光源部2を備え、この光源部2から放射されたランダムな偏光光は、第1のレンズ板3によって集光された状態で第2のレンズ板4の所定の位置に導かれた後、第2のレンズ板4の中の偏光分離プリズムアレイ420により2種類の偏光光に分離される。また、分離された各偏光光の内、P偏光光についてはλ/2位相差板430によってS偏光光に変換される。
【0014】
この偏光照明装置100から出射された光束は、まず、青色緑色反射ダイクロイックミラー3401において、赤色光が透過し、青色光及び緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー3402で反射され、第1の液晶ライトバルブ3403に達する。一方、青色光及び緑色光の内、緑色光は、緑色反射ダイクロイックミラー3404によって反射され、第2の液晶ライトバルブ3405に達する。
【0015】
ここで、青色光は、各色光の内で最も長い光路長を持つので、青色光に対しては入射側レンズ3406、リレーレンズ3408及び出射側レンズ3410からなるリレーレンズ系で構成された導光手段3450を設けてある。即ち、青色光は、緑色反射ダイクロイックミラー3404を透過した後、まず、入射側レンズ3406及び反射ミラー3407を経て、リレーレンズ3408に導かれ、このリレーレンズ3408に集束された後、反射ミラー3409によって出射側レンズ3410に導かれ、しかる後に、第3の液晶ライトバルブ3411に達する。ここで、第1ないし第3の液晶バルブ3403,3405,3411は、それぞれの色光を変調し、各色に対応した映像情報を含ませた後に、変調した色光をダイクロイックプリズム3413(色合成手段)に入射する。ダイクロイックプリズム3413には、赤色反射の誘電体多層膜と青色反射の誘電体多層膜とが十字状に形成されており、それぞれの変調光束を合成する。ここで合成された光束は、投写レンズ3414(投写手段)を通過して、スクリーン3415上に映像を形成することになる。
以上が、特開平8−304739号公報に示された従来の装置である。
【0016】
【発明が解決しようとする課題】
従来の偏光照明装置は、以上のように構成されていたので、光軸に対して光線を傾ける必要があった。また、偏光変換を行う際に、マイクロレンズアレイが必要であり、構造が複雑になるという欠点があった。
【0017】
この発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、光軸に対して光源からの光線を傾ける必要がなく、マイクロレンズアレイを不要とした画像表示装置を得ることを目的とする。
【0018】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る画像表示装置は、以下の要素を有することを特徴とする。
(a)光を出力する光源、
(b)上記光源からの光を入力して光の進行方向を変更するホログラム光学素子、
(c)上記ホログラム光学素子から出力された光を入力し、偏光変換を行う偏光変換光学系、
(d)上記偏光変換光学系から出力された光を用いて画像を表示する画像表示光学系。
【0019】
上記ホログラム光学素子は、波長λの光を入力し、波長λの光を周波数fi で変調し、入力した光の進行方向をλfi と−λfi の方向に変更して出力する計算機ホログラムであることを特徴とする。
【0020】
上記偏光変換光学系は、
ホログラム光学素子からの光を入力して、集光する集光レンズと、
集光レンズからの光が集光される位置に配置され、P波とS波とのいずれかの直線偏光を分離する偏光ビームスプリッターアレイと、
偏光ビームスプリッターアレイにより分離されたP波とS波の一方の直線偏光を反射させる反射ミラーアレイと、
反射ミラーアレイにより反射された光を他方の直線偏光に変換するλ/2板アレイと
を備えたことを特徴とする。
【0021】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
図1は、この発明の原理図である。
この発明の画像表示装置は、光源40とホログラム光学素子50と偏光変換光学系60と画像表示光学系70により構成されている。偏光変換光学系60は、集光レンズ61と偏光ビームスプリッターアレイ62と反射ミラーアレイ63とλ/2板アレイ64により構成されている。画像表示光学系70は、出射レンズ71と液晶パネル72により構成されている。偏光変換光学系60の構成は、従来例に示したものと同様であるので、ここでは、特に詳細な説明は行わない。
【0022】
次に、ホログラム光学素子50について説明する。
ホログラムの原理説明図を、図2に示す。
ホログラムは、元来2つの光の干渉縞(振幅と位相)が記録された乾板であるが、ここでは、計算されたデジタルパターンを記録した計算機ホログラム(コンピュータジェネレーテッドホログラム)について考える。波長λのレーザ光が周波数fi で変調される位相板に入射されると、角度λfi ,−λfi の方向に分割される。計算機ホログラムは、回折光学素子の一種で、入射レーザ光の波面に対して周期的な光路差を与え、光を伝搬したい方向に空間変調をかける位相板と考えることができる。重ね合わせの原理により、同時に多数の周波数f1,f2,f3,・・・で変調すれば、それぞれの周波数の方向に分割することが可能となる。ここで、図3に示すような配置にホログラム光学素子50、集光レンズ61(焦点距離をFとする)、偏光ビームスプリッターアレイ62を配置すれば、偏光ビームスプリッターアレイ62上では光軸からFλfi 及び−Fλfi 離れた位置に集光点をシフトすることができる。
【0023】
ホログラム光学素子(HOE:Holographic Optical Element)の設計では、HOEパターンのフーリエ変換スペクトルが、像を置きたい位置に対応した周波数において、鋭いピークを持つように計算機で設計する。例えば、HOEとして、合成石英を直接エッチングして多段階の位相差を付ける表面レリーフ型の透過型位相ホログラム(キノフォーム)を採用する。HOEパターンは、画素サイズで1〜2μmの正方形を単位として、256×256〜1024×1024画素から構成される。
実際の計算では、最初に各画素に対してランダムな位相を与え、そのフーリエ変換スペクトルが必要な周波数において、高いピークを有したときに目標値に近づいていると判断できる誤差関数(評価関数)を設定し、各画素の位相を順次入れ替えて誤差関数を最小にするように収束計算を行う。
【0024】
次に、ホログラムの持つマルチゾーンホモジナイザについて説明する。
ホログラムによるホモジナイザの特徴は、従来の一般的なプリズムやカライドスコープ方式のホモジナイザが単に1ヶ所に均一な照射領域を形成しているのに対し、必要な幾つかの領域(ゾーン)に対して同時に均質化したビームを照射できることである。その照射領域は、偏光ビームスプリッターアレイ62の配置に合わせることができるし、かつ、任意の形状とすることができる。例えば、図1に示した例に見られるように、9つの領域に光が透過する開口部(偏光ビームスプリッターの配置位置)が存在する場合には、9つの領域にビームのスポットを分けることができる。こうすることにより、全領域を照射するのに比べ、開口部での光の透過率を向上することができる。この特徴を最も活かす照射方式は、図1に示すような開口部のパターンに合わせてビーム照射することである。しかも、1つの開口部に対して分割した1つのビームを照射するだけでは集光スポットの強度分布がばらつく恐れがあるため、個々の開口部において幾つかのビームを重畳し、強度分布の均質化を図ることができる。
このように、多数の領域で同時に任意形状で、かつ、均質化された強度分布のビームを照射する技術をマルチゾーンホモジナイザと呼ぶ。
【0025】
光源40から出射される光線は、平行光線である方が望ましい。ホログラム光学素子50は、入射光の進行方向に対して所定の角度に進行方向を変換するものであるから、光源40から入射される光線は、平行度が高ければ高いほど望ましい。
【0026】
以上のように、この実施の形態では、ホログラムの原理を元に、コンピュータで設計されたホログラム光学素子50を用い、光源40からの平行光線を空間的に変調し、即ち、光の進行方向を変え、偏光変換光学系60として用意された偏光ビームスプリッターアレイ62に対して光を導くものである。偏光変換光学系60により直線偏光に変換された光は、出射レンズ71から液晶パネル72に照射される。出射レンズ71から液晶パネル72への照射に際しては、出射レンズ71からの出射光が液晶パネル72において重ね合わされ、輝度分布の平坦一様化を図ることができる。液晶パネル72から出射された画像は、従来から公知の構成により出力される。
なお、偏光変換光学系は、図1に示したものに限らず、他の構成を用いてもよい。
【0027】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ホログラムを採用することにより、従来必要であったマイクロレンズアレイを不要とすることができ、光学系を簡素化することができる。
【0028】
また、この発明によれば、従来のように、光線の光軸を傾けることが不要になるので、光学系の配置や調整が簡単になるという効果がある。
【0029】
また、この発明によれば、ホログラムを用いることにより輝度分布の一様化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の原理図である。
【図2】 この発明のホログラムの原理を示す図である。
【図3】 この発明のホログラム投影系の原理を示す図である。
【図4】 従来の偏光照明装置を示す図である。
【図5】 従来のマイクロレンズアレイを示す図である。
【図6】 従来の偏光変換光学系を示す図である。
【図7】 従来の投写型表示装置を示す図である。
【符号の説明】
40 光源、50 ホログラム光学素子、60 偏光変換光学系、61 集光レンズ、62 偏光ビームスプリッターアレイ、63 反射ミラーアレイ、64λ/2板アレイ、70 画像表示光学系、71 出射レンズ、72 液晶パネル。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an image display device. In particular, the present invention relates to an image display device that performs polarization conversion by spatially modulating light using a hologram optical element.
[0002]
[Prior art]
As a conventional image display device, there is a polarization illumination device described in Japanese Patent Laid-Open No. 8-304739. Hereinafter, a conventional image display apparatus will be described with reference to the drawings and descriptions described in this publication.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of a main part of a conventional polarization illumination device as viewed in plan.
The polarized
[0003]
The light source unit 2 is generally composed of a
[0004]
FIG. 5 shows the appearance of the
As shown in this figure, the
[0005]
Next, referring to FIG. 4 again, the second lens plate 4 of this example will be described.
The second lens plate 4 is a composite laminate including a
[0006]
The
[0007]
The
[0008]
FIG. 6 shows the appearance of the polarization
As shown in this figure, the polarization
[0009]
Here, the second lens plate 4 including the polarization
[0010]
Referring to FIGS. 4 and 6, random polarized light incident on the polarization
[0011]
A λ / 2
To summarize the above, random polarized light is converted into one type of polarized light (in this case, S-polarized light) by the polarization
[0012]
In this way, the light flux aligned with the S-polarized light is guided to the illumination area 5 by the
[0013]
FIG. 7 shows an example of a projection display device in which the
As shown in FIG. 7, the
[0014]
The luminous flux emitted from the
[0015]
Here, since the blue light has the longest optical path length among the respective color lights, the light guide composed of a relay lens system including the
The above is the conventional apparatus disclosed in JP-A-8-304739.
[0016]
[Problems to be solved by the invention]
Since the conventional polarization illumination device is configured as described above, it is necessary to tilt the light beam with respect to the optical axis. Further, when performing polarization conversion, a microlens array is required, and there is a drawback that the structure becomes complicated.
[0017]
The present invention has been made to solve the above problems, and it is not necessary to incline the light beam from the light source with respect to the optical axis, and to obtain an image display device that does not require a microlens array. Objective.
[0018]
[Means for Solving the Problems]
The image display apparatus according to the present invention has the following elements.
(A) a light source that outputs light;
(B) A hologram optical element that inputs light from the light source and changes the traveling direction of the light,
(C) a polarization conversion optical system that inputs light output from the hologram optical element and performs polarization conversion;
(D) An image display optical system that displays an image using the light output from the polarization conversion optical system.
[0019]
The hologram optical element is a computer generated hologram that receives light of wavelength λ, modulates light of wavelength λ with frequency f i , changes the traveling direction of the input light to directions of λf i and −λf i , and outputs it. It is characterized by being.
[0020]
The polarization conversion optical system is
A condenser lens that inputs and collects light from the hologram optical element;
A polarization beam splitter array that is arranged at a position where light from the condenser lens is collected and separates linearly polarized light of either P wave or S wave;
A reflection mirror array that reflects one linearly polarized light of the P wave and the S wave separated by the polarization beam splitter array;
And a λ / 2 plate array for converting the light reflected by the reflecting mirror array into the other linearly polarized light.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a principle diagram of the present invention.
The image display apparatus according to the present invention includes a
[0022]
Next, the hologram
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of the hologram.
The hologram is originally a dry plate on which interference fringes (amplitude and phase) of two lights are recorded. Here, a computer generated hologram (computer generated hologram) on which a calculated digital pattern is recorded will be considered. When a laser beam having a wavelength λ is incident on a phase plate modulated at a frequency f i , the laser beam is divided in directions of angles λf i and −λf i . A computer generated hologram is a kind of diffractive optical element, which can be considered as a phase plate that gives a periodic optical path difference to the wavefront of incident laser light and applies spatial modulation in the direction in which the light is desired to propagate. If modulation is performed simultaneously with a large number of frequencies f1, f2, f3,... According to the principle of superposition, it is possible to divide in the direction of each frequency. Here, if the hologram
[0023]
In the design of a holographic optical element (HOE), the Fourier transform spectrum of the HOE pattern is designed by a computer so that it has a sharp peak at a frequency corresponding to a position where an image is to be placed. For example, as a HOE, a surface relief type transmission phase hologram (kinoform) that directly etches synthetic quartz to give a multi-stage phase difference is employed. The HOE pattern is composed of 256 × 256 to 1024 × 1024 pixels with a pixel size of 1 to 2 μm as a unit.
In the actual calculation, an error function (evaluation function) that first gives a random phase to each pixel and can determine that the Fourier transform spectrum is approaching the target value when it has a high peak at the required frequency. And the convergence calculation is performed so as to minimize the error function by sequentially changing the phase of each pixel.
[0024]
Next, a multi-zone homogenizer possessed by the hologram will be described.
The characteristics of the homogenizer using a hologram are that a conventional general prism or kaleidoscope type homogenizer forms a uniform irradiation area in one place, whereas it is necessary for several necessary zones (zones). It is possible to irradiate a homogenized beam at the same time. The irradiation area can be adjusted to the arrangement of the polarization
In this way, a technique for irradiating a beam having a uniform intensity distribution and a uniform intensity distribution in a large number of regions simultaneously is called a multi-zone homogenizer.
[0025]
The light beam emitted from the
[0026]
As described above, in this embodiment, the parallel optical beam from the
The polarization conversion optical system is not limited to that shown in FIG. 1, and other configurations may be used.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, by adopting a hologram, a conventionally required microlens array can be eliminated, and the optical system can be simplified.
[0028]
Further, according to the present invention, it is not necessary to incline the optical axis of the light beam as in the prior art, so that the arrangement and adjustment of the optical system can be simplified.
[0029]
Further, according to the present invention, the luminance distribution can be made uniform by using the hologram.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a principle diagram of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing the principle of a hologram of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing the principle of a hologram projection system according to the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing a conventional polarized illumination apparatus.
FIG. 5 is a diagram showing a conventional microlens array.
FIG. 6 is a diagram showing a conventional polarization conversion optical system.
FIG. 7 is a diagram showing a conventional projection display device.
[Explanation of symbols]
40 light source, 50 hologram optical element, 60 polarization conversion optical system, 61 condensing lens, 62 polarization beam splitter array, 63 reflection mirror array, 64λ / 2 plate array, 70 image display optical system, 71 exit lens, 72 liquid crystal panel.
Claims (3)
(a)光を出力する光源、
(b)上記光源からの光を入力して光の進行方向を変更するホログラム光学素子、
(c)上記ホログラム光学素子から出力された光を入力し、偏光変換を行う偏光変換光学系、
(d)上記偏光変換光学系から出力された光を用いて画像を表示する画像表示光学系。An image display device having the following elements: (a) a light source that outputs light;
(B) A hologram optical element that inputs light from the light source and changes the traveling direction of the light,
(C) a polarization conversion optical system that inputs light output from the hologram optical element and performs polarization conversion;
(D) An image display optical system that displays an image using the light output from the polarization conversion optical system.
ホログラム光学素子からの光を入力して、集光する集光レンズと、
集光レンズからの光が集光される位置に配置され、P波とS波とのいずれかの直線偏光を分離する偏光ビームスプリッターアレイと、
偏光ビームスプリッターアレイにより分離されたP波とS波の一方の直線偏光を反射させる反射ミラーアレイと、
反射ミラーアレイにより反射された光を他方の直線偏光に変換するλ/2板アレイと
を備えたことを特徴とする請求項2記載の画像表示装置。The polarization conversion optical system is
A condenser lens that inputs and collects light from the hologram optical element;
A polarization beam splitter array that is arranged at a position where light from the condenser lens is collected and separates linearly polarized light of either P wave or S wave;
A reflection mirror array that reflects one linearly polarized light of the P wave and the S wave separated by the polarization beam splitter array;
3. The image display device according to claim 2, further comprising a λ / 2 plate array for converting light reflected by the reflection mirror array into the other linearly polarized light.
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CN103472592B (en) * | 2013-09-18 | 2015-11-04 | 北京航空航天大学 | A kind of fast high-throughout polarization imaging method of illuminated and polarization imager |
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1998
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