JP3647206B2 - 光学変調装置及びそれを用いた投影装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学変調装置及びそれを用いた投影装置に関し、例えば液晶パネル（液晶表示素子）等の画像変調素子（光学変調素子とも言う。）に表示された投影像原画（カラー画像）をスクリーン面上に拡大投影する際の色分解手段としての回折格子や光学変調素子等の各要素を適切に設定することによってカラー画像を良好なる状態で観察することができる、例えばカラー液晶プロジェクター等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶ライトバルブ等の投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした投影装置が種々と提案されている。
【０００３】
このうち光学変調素子として液晶を用いた光学変調装置を利用し、カラー画像情報を所定面上に投影するようにした単板型の投影装置が種々と提案されている。液晶より成る光学変調素子を用いた単板型のカラー光学変調装置は光学変調素子（液晶）の画素周辺部にある光学変調制御部の配線を遮光するブラックマトリクス面積が光学変調素子に占める割合が高く、この結果、装置全体の光利用効率を低下させる要因となっていた。
【０００４】
図１０は光利用効率の向上を図った液晶を用いた光学変調装置２００の要部概略図である。同図においてマイクロレンズアレイ１２１を各々カラーフィルター１５１Ｒ，１５１Ｇ，１５１Ｂの前面に配置し、白色光源からの照明光Ｗを光学変調素子１２０の各画素Ｂ，Ｇ，Ｒに集光させている。これにより、光学変調装置２００の光利用効率を向上させている。ここで、図１０における１２２は透明基板、２０５はブラックマトリクスである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す光学変調装置では、白色光Ｗから各光学変調素子の画素に応じた色光を取り出す部材として、カラーフィルター１５１Ｒ，１５１Ｇ，１５１Ｂを用いているが、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いという問題点があった。
【０００６】
本発明は光学変調素子を構成する複数の画素に色分解手段で色分解した各色光を照射し、このとき色分割手段と光学変調素子の構成を適切に設定することによって光量損失が少なく、良好なる状態で光変調を行い、該光学変調素子に基づく画像情報を所定面上に高い光学性能で投影することができる光学変調装置及びそれを用いた投影装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学変調装置は、入射光を複数の色光に色分解して出射させる回折格子を有し、複数の画素を有し各画素毎に入射光を光変調して出射させる光学変調素子を該複数の色光毎に設け、該光学変調素子は光学変調制御部、光学変調被制御部、入射側偏光素子、出射側偏光素子を含み、白色光源から発し該回折格子により色分解された各色光を、該色光毎に設けた該光学変調素子の該光学変調被制御部に入射させて光変調を行なう光学変調装置において、
該回折格子と該光学変調制御部の間もしくは該白色光源と該回折格子の間の少なくともどちらか一方に配置された該入射側偏光素子の偏光軸が、該回折格子の格子方向ベクトルと該回折格子の格子法線ベクトルが作る平面内に含まれることを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は請求項１の発明において、各色光毎に設けられた光学変調素子の該入射側偏光素子を該回折格子と該光学変調被制御部の間に設けてあり、該入射側偏光素子は該各色光の互いに異なる色光で兼用して用いることを特徴とを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、該入射側偏光素子は自然光から任意の直線偏光を選択する、誘電体多層膜からなる平板状またはプリズム状の偏光ビームスプリッター、もしくは偏光板であることを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明は請求項１，２又は３の発明において、該回折格子に入射する光束の中心軸と該回折格子からの０次回折光の中心軸とが作る平面上に該回折格子の格子方向が位置していることを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明は請求項１〜４のいずれか１項の発明において、該回折格子は１次元ブレーズド型の回折格子であることを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明は請求項５の発明において、該回折格子は格子表面に金属膜又は金属膜と保護膜を施した反射型の回折格子より成っていることを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明は請求項５又は６の発明において、該回折格子は１次元バイナリー型の回折格子であることを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明は請求項７の発明において、
該１次元バイナリー型の回折格子はステップ幅が不等間隔の階段ステップ構造より成っていることを特徴としている。
【００１５】
請求項９の発明は請求項１〜８のいずれか１項の発明において、該回折格子からの各色光を集光レンズを介して該光学変調素子の各画素に入射させていることを特徴としている。
【００１６】
請求項１０の発明は請求項１〜９のいずれか１項の発明において、該光学変調素子の複数の画素に入射する各色光の光路中であって各色光が空間的に分離している位置に各色光に対応した色フィルターを設けていることを特徴としている。
【００１７】
請求項１１の発明は請求項１〜１０のいずれか１項の発明において、該複数の画素を液晶より構成したことを特徴としている。
【００１８】
請求項１２の発明は請求項１１の発明において、該液晶はＴＮ型液晶であることを特徴としている。
【００１９】
請求項１３の発明は請求項１〜１２のいずれか１項の発明において、該光学変調素子は各画素で光変調した光束を反射手段で反射し、出射させていることを特徴としている。
【００２０】
請求項１４の発明の投影装置は、請求項１〜１３のいずれか１項記載の光学変調装置の光学変調素子の各画素に基づく画像情報を所定面上に投影していることを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。図２，図３は図１の一部分の拡大説明図である。図１，図２、図３において１１２は放物面鏡であり、その焦点位置におかれた白色光源１１１からの光束を平行光として反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１に斜め方向から入射させている。反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１は入射光束を赤色（Ｒ光），緑色（Ｇ光），青色（Ｂ光）の３つの色光に分解して反射させている。
【００２３】
１０２は光学変調素子であり、互いに偏光軸が直交するように配置した（互いにクロスニコル配置した）２つの偏光板１０４、１０５と液晶（ＴＮ型液晶）等から成り、各色光の画像情報を表示している。１１３はコンデンサーレンズであり、光学変調素子１０２からの光束を集光して投影光学系（投影レンズ）１１４の入射瞳（絞り）１１４ａに導光している。投影光学系１１４は光学変調素子１０２に表示された各色光の画像情報（画素）をスクリーン１１６面上に投影している。
【００２４】
尚、本実施形態では回折格子１０１と光学変調素子１０２は各々光学変調装置の一要素を構成している。
【００２５】
次に図１の反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１について図２，図３を用いて説明する。
【００２６】
反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１は、図２，図３に示すように断面形状が階段状になるように格子を形成したものであり、樹脂等で成形したものの表面にアルミ等の反射膜をコーティングして作られる。
【００２７】
本実施形態では、格子ピッチＰ内にステップ幅Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の４段形状より成り、回折格子の格子ピッチ、位相変化量を特定することにより、回折格子からの０次光（Ｇ光）と±１次光（Ｒ光，Ｂ光）の回折光に入射光のエネルギーの大半を集中させ、かつ０次光と±１次光それぞれの最もエネルギーの高い波長（以下主波長）がＲＧＢ光のどれかに対応するように構成している。尚、ステップ幅は不等間隔となるようにしている。
【００２８】
本実施形態における１次元バイナリー型の回折格子は反射型でも透過型でも適用可能である。本実施形態では反射型より構成している。
【００２９】
次に回折格子を反射型より構成したときの特長について透過型の１次元バイナリー型の回折格子と比較して述べる。
【００３０】
透過型の回折格子はApplied Optics誌、１７巻１５号2273〜2279頁(1978.8.1号)に開示されているように、該透過型の回折格子に入射した入射光束は透過回折されて主に３方向に分離されている。この透過型の回折格子は例えばブレーズド波長をλ０とした時、該ブレーズド波長λ０に対し必要な格子厚ｄＴは
ｄＴ＝ｍ・λ０／（ｎλｃ−１）
となる。
【００３１】
ここでｎλｃは回折格子の媒質の屈折率、ｍは整数であり、今、ｍ＝２，λ０＝５３０ｎｍとし、屈折率ｎ＝１．５程度として算出した場合、透過型の回折格子の格子厚ｄＴはｄＴ＝２１２０ｎｍ必要になる。
【００３２】
一方、反射型の１次元バイナリー型の回折格子の場合（例えば光軸上の光束の入射角が４５°）は格子厚ｄＲは７４９．５ｎｍ必要となる。このことから分かるように透過型の回折格子は、その格子厚ｄＴが反射型の回折格子の格子厚ｄＲに比べ約３倍深い段差を必要とする。
【００３３】
一般に装置内のスペース効率から考えると反射型の回折格子を用いると装置全体のコンパクト化には有利となる。
【００３４】
本実施形態においては図２に示すように反射型の回折格子１０１に斜め方向から入射する白色光束Ｗの中心軸（光軸）と回折格子から出射する０次回折光（Ｇ光）の中心軸（光軸）が作る平面（ＸＺ面）に、回折格子の格子方向が位置するように配置している。このため、各ＲＧＢ光の分離した色光の光軸は、図中ＸＹ面内で存在するようにしている。
【００３５】
次に図４に光学変調素子１０２と反射型の回折格子からの出射色光の関係を示す。図４において、１０２は光学変調制御部（不図示）及び光学変調被制御部１２０を有する光学変調素子である。
【００３６】
図中１２１は入射光を集光する集光レンズとしてのマイクロレンズアレイであり、複数のマイクロレンズより成っている。１２２は光学変調素子の被制御部（画素）１２０を挟持する透明基板である。１０４は偏光軸がＺ軸と一致する光入射側の偏光板、１０５は偏光軸がＹ軸と一致する光出射側の偏光板である。
【００３７】
図中、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の添字は、それぞれの光学変調素子が入出射する光の波長領域を表している。図４において、任意の１つのマイクロレンズをＡ，マイクロレンズＡの光軸（集光光束の中心線）を含む光学変調素子１０２の被制御部１２０を構成する１つの画素をＴＧ、画素ＴＧに隣接した画素をＴＲ，ＴＢとする。光学変調素子１０２の入射側に設けられたマイクロレンズＡに、異なる任意の角度で入射したＲＧＢ各色光はマイクロレンズＡにより異なる画素ＴＲ，ＴＧ，ＴＢ内で集光し光学変調を受け画像情報をもった光束として光学変調素子１０２を出射する。
【００３８】
このように構成することで、光源１１１からの白色光を１次元バイナリー型の回折格子１０１により、階段部の側面で有効光束がけられることなく３色の色光に分解し、マイクロレンズアレイ１２１を介して、それぞれの色光に対応する光学変調素子１０２の画素ＴＢ，ＴＧ，ＴＲに無駄なく集光させて、光利用効率を大幅に向上させている。
【００３９】
ただし、本実施形態においては光入射側の偏光板１０４の偏光軸が、回折格子１０１の格子方向ベクトルと回折格子１０１の格子法線ベクトルが作る平面内に含まれるように構成している。これは、１次元バイナリー型の回折格子１０１の格子ピッチ内のステップ幅に対して各段の深さが無視できない場合、回折格子からの出射光の回折効率に偏光依存性があることに考慮したためである。
【００４０】
一般に１次元バイナリー型の回折格子１０１の回折効率を考えた場合、１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光のうち格子方向に垂直（Ｙ方向）な偏光成分よりも、平行（ＸＺ平面）内にある偏光成分の方が全波長範囲で高くなる。その分光特性例を図５に示す。
【００４１】
図５（Ａ）は１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光のうち格子方向に垂直な偏光成分の各次数の分光強度であり、図５（Ｂ）は１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光のうち格子方向に平行な偏光成分の各次数の分光強度である。ただし、図５（Ａ），図５（Ｂ）の縦軸、横軸のスケールは同一である。
【００４２】
本実施形態の様に構成すると回折格子１０１からの出射光の回折効率が高い偏光を光学変調素子１０２に入射させることができるため、光量損失を更に少なくでき、全波長域の色光に対して、高い回折効率が得られることから、反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光の色光は理想的な分光特性に近づけることが容易になる。
【００４３】
同時に反射型の回折格子１０１に入射する白色光束（Ｗ）の光軸と前記回折格子１０１から出射する０次元回折光（Ｇ光）の光軸が作る平面（ＸＺ面）内に、回折格子の格子方向が位置するように配置して、反射型の回折格子に入射する白色光束の光軸と前記回折格子から出射する０次回折光の光軸が作る平面（ＸＺ面）と、回折格子の格子方向を垂直に配置した構成に比べて、ＲＧＢ色光の分離後の光束径を一定に保つことができ、光学変調素子１０２上を均一照明することを可能としている。
【００４４】
尚、本実施形態において光路中にミラー等をおいて光路を折り曲げることが考えられるが、このときは光路を展開した状態で考えれば良い。
【００４５】
また格子形状を適切に選択することでＴＶ信号等に用いられるＮＴＳＣ信号の色の３原色に近い分光特性を持った色光に分離して、光学変調後に色光合成した時、色再現性の高い画像を表示している。
【００４６】
１次元バイナリー型の回折格子は光学変調素子への入射光の角度調整が１次元バイナリー型の回折格子の１素子で済むことから、組み立て性も向上し、安価なカラー画像表示装置を提供することができる。
【００４７】
また本実施形態の、回折格子１ピッチ内の格子厚を各段毎に若干変えること、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の形状を設計することにより±１次回折光の内側帯成分を低減させて理想的な色分解を更に容易にしている。
【００４８】
本実施形態においては格子幅Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の比を０．９：１．３：１．３：０．９とし±１次回折光の内側帯成分の低減を図っている。本実施形態においては、Ｇ色を０次光として設計しているが、他の色を０次光にすることで理想的な分光をとることも可能である。
【００４９】
また、図６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１５１を設けても良い。この構成では、回折格子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１５１の各色フィルターＦＲ，ＦＧ，ＦＢに入射させ、理想的な色情報を得ることによって忠実な画像色再現を容易としている。この場合、各色光に分解したあとにカラーフィルター１５１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。
【００５０】
図７は本発明の実施形態２の要部概略図である。図１の実施形態１では色分解手段として反射型の回折格子を用いているが本実施形態では透過型の回折格子１７１を用いて、それを光学変調素子１０７を構成するマイクロレンズアレイ１２１と被制御部１２０との間に配置し、１つの光学変調素子１０７として構成した点が実施形態１と異なっており、その他の構成は同じである。
【００５１】
本実施形態では回折格子１７１に入射する白色光束の光軸と前記回折格子１７１から出射する０次回折光の光軸が作る平面（ＸＺ面）内に、回折格子の格子方向が位置するようにし、かつ０°以外の任意の入射角でＸＺ面内で斜め入射させる構成をとっている。このため、透過型の回折格子に垂直に入射させた場合と比べて、光量ロスを起こすことなく格子厚を薄くでき、よりコンパクト化を図っている。このように構成することで、実施形態１と同様の効果を得ている。
【００５２】
本実施例においては回折格子１７１と光学変調素子１０７を一体で示したが、別体で構成しても良い。また、マイクロレンズアレイ１２１と回折格子１７１の配置が逆であっても良い。
【００５３】
光学変調素子１０７の画素出射後にＲＧＢの各色光を合成して光学変調素子を出射する構成（透過・反射含む）であっても、同様の効果が得られる。
【００５４】
図８は本発明の実施形態３の要部概略図である。同図において１０１は反射型１次元バイナリー型の回折格子である。回折格子１０１に入射する白色光束光軸と回折格子１０１から出射する０次回折光光軸が作る平面（ＸＺ面）内に、回折格子１０１の格子方向が位置するようにし、かつ０°以外の任意の入射角で入射させる構成をとっている。
【００５５】
１１３及び１８６，１８７，１８８は各々コンデンサーレンズ、１８１，１８２は高反射ミラー、１８３，１８４，１８５は各々透過型の光学変調素子である。光学変調素子１８３〜１８５は実施形態１と同様に光学変調制御部（不図示）及び光学変調被制御部及び、ＴＮ液晶である光学変調素子被制御部を挟持する透明基板、２枚の透明基板に隣接し互いにクロスニコルの配置をした２枚の偏光板等から成っている。
【００５６】
本実施形態ではマイクロレンズアレイを用いずに光利用効率の高い光学変調素子を実現している。
【００５７】
本実施形態では、光学変調素子１８３，１８４，１８５を出射した光束を３本の投影レンズ（不図示）を介してスクリーン上で画像を合成して、又はダイクロイックミラー等で３つの画像を合成した後に１つの投影光学系でスクリーン面上に投影して実施形態１と同様の効果を得ている。本実施形態において光学変調素子のサイズを一定にした場合にはさらに高解像度のカラー画像表示装置が容易となる。
【００５８】
また、本実施形態においては透過型の光学変調素子を用いたが、光学変調素子制御部を反射面で被ったような反射型の光学変調素子を用いて、それより出射した光束を１本の投影光学系を介してスクリーン上で画像を合成しても、同様の効果が得られる。
【００５９】
また、本実施形態においてＴＮ液晶を光学変調素子被制御部に用いたが、その他の液晶であっても構わない。
【００６０】
図９は本発明の実施形態４の要部概略図である。
【００６１】
本実施形態は図１の実施形態１に比べて回折格子１０１に入射させる光束を偏光変換素子２２０を用いて直線偏光としている点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。同図において２２０は偏光変換素子であり２つの透明部材に挟まれた偏光ビームスプリッタ２１０と、反射面２１１、２分の１波長板２１２とで構成されている。その他の部品は実施形態１で説明したものと同様である。
【００６２】
１１２は放物面鏡であり、その焦点位置に置かれた白色光源１１１からの光束を平行光として偏光変換素子２２０に入射し、そのうちのＰ偏光成分のみが偏光ビームスプリッタ２１０を透過し偏光変換素子２２０を出射する。偏光ビームスプリッタ２１０を反射したＳ偏光成分は反射面２１１で反射した後、２分の１波長板２１２によりＰ偏光成分に変換され偏光変換素子２２０を出射する。
【００６３】
偏光変換素子２２０を出射したＰ偏光の振動方向、及び、該光学変調素子１０２の入射偏光偏光軸は１次元バイナリー型の回折格子１０１の格子方向と、回折格子、格子法線ベクトルが作る平面内に存在するように構成している。そのため反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１への入射光が自然光の時と比べて、同入射光がＰ偏光成分のみである実施形態において、回折格子の回折効率を高くでき、光量損失を減らすことができる。同時に全波長域の色光に対して、高い回折効率が得られることから、反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光の分光特性を理想的な分光特性に近づけることが容易になる。
【００６４】
また、本実施形態において偏光変換素子を図９のような構成としたが、上記偏光変換素子２２０を光軸とは垂直な方向に複数個つなぎあわせた構成の、平板型の偏光変換素子であっても良い。
【００６５】
また、本実施形態において偏光変換素子を少なくても一つ以上の偏光分離手段及び少なくても一つ以上の反射手段、少なくても一つ以上の偏光変換手段（波長板、プリズム等）からなる別な構成の偏光変換素子であっても良い。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、光学変調素子を構成する複数の画素に又は色光毎に設けた光学変調素子に色分解手段で色分解した各色光を照射する際に色分割手段と光学変調素子とを適切に設定することによって光量損失が少なく、良好なる状態で光変調を行い、該光学変調素子に基づく画像情報を所定面上に高い光学性能で投影することができる光学変調装置及びそれを用いた投影装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】 図１の一部分の拡大説明図
【図３】 図１の一部分の拡大説明図
【図４】 本発明に係る光学変調装置の要部概略図
【図５】 本発明に係る反射型の回折格子の分光特性図
【図６】 本発明に係る光学変調装置の要部概略図
【図７】 本発明の実施形態２の要部概略図
【図８】 本発明の実施形態３の要部概略図
【図９】 本発明の光学変調装置を用いた投影装置の実施形態４の要部概略図
【図１０】 従来の光学変調装置の要部概略図
【符号の説明】
１０１ 反射型１次元バイナリー型回折格子
１０２ 光学変調素子
１１１ 白色光源
１１２ 放物鏡
１１３ コンデンサーレンズ
１１４ 投影光学系
１１６ スクリーン
１２０ 光学変調素子画素
１２１ マイクロレンズアレイ
１２２ 透明基板
１５１ カラーフィルター
１７１ 透過型１次元バイナリー型回折格子
１８１、１８２ 高反射ミラー
１８３〜１８５ 光学変調素子
１８６〜１８９ コンデンサーレンズ
２００ 光学変調素子
２０５ ブラックマトリクス
２１０ 偏光ビームスプリッター
２１１ 反射面
２１２ λ／２板
２２０ 偏光変換素子
【発明の属する技術分野】
本発明は光学変調装置及びそれを用いた投影装置に関し、例えば液晶パネル（液晶表示素子）等の画像変調素子（光学変調素子とも言う。）に表示された投影像原画（カラー画像）をスクリーン面上に拡大投影する際の色分解手段としての回折格子や光学変調素子等の各要素を適切に設定することによってカラー画像を良好なる状態で観察することができる、例えばカラー液晶プロジェクター等に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、液晶ライトバルブ等の投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした投影装置が種々と提案されている。
【０００３】
このうち光学変調素子として液晶を用いた光学変調装置を利用し、カラー画像情報を所定面上に投影するようにした単板型の投影装置が種々と提案されている。液晶より成る光学変調素子を用いた単板型のカラー光学変調装置は光学変調素子（液晶）の画素周辺部にある光学変調制御部の配線を遮光するブラックマトリクス面積が光学変調素子に占める割合が高く、この結果、装置全体の光利用効率を低下させる要因となっていた。
【０００４】
図１０は光利用効率の向上を図った液晶を用いた光学変調装置２００の要部概略図である。同図においてマイクロレンズアレイ１２１を各々カラーフィルター１５１Ｒ，１５１Ｇ，１５１Ｂの前面に配置し、白色光源からの照明光Ｗを光学変調素子１２０の各画素Ｂ，Ｇ，Ｒに集光させている。これにより、光学変調装置２００の光利用効率を向上させている。ここで、図１０における１２２は透明基板、２０５はブラックマトリクスである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図１０に示す光学変調装置では、白色光Ｗから各光学変調素子の画素に応じた色光を取り出す部材として、カラーフィルター１５１Ｒ，１５１Ｇ，１５１Ｂを用いているが、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いという問題点があった。
【０００６】
本発明は光学変調素子を構成する複数の画素に色分解手段で色分解した各色光を照射し、このとき色分割手段と光学変調素子の構成を適切に設定することによって光量損失が少なく、良好なる状態で光変調を行い、該光学変調素子に基づく画像情報を所定面上に高い光学性能で投影することができる光学変調装置及びそれを用いた投影装置の提供を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光学変調装置は、入射光を複数の色光に色分解して出射させる回折格子を有し、複数の画素を有し各画素毎に入射光を光変調して出射させる光学変調素子を該複数の色光毎に設け、該光学変調素子は光学変調制御部、光学変調被制御部、入射側偏光素子、出射側偏光素子を含み、白色光源から発し該回折格子により色分解された各色光を、該色光毎に設けた該光学変調素子の該光学変調被制御部に入射させて光変調を行なう光学変調装置において、
該回折格子と該光学変調制御部の間もしくは該白色光源と該回折格子の間の少なくともどちらか一方に配置された該入射側偏光素子の偏光軸が、該回折格子の格子方向ベクトルと該回折格子の格子法線ベクトルが作る平面内に含まれることを特徴としている。
【０００８】
請求項２の発明は請求項１の発明において、各色光毎に設けられた光学変調素子の該入射側偏光素子を該回折格子と該光学変調被制御部の間に設けてあり、該入射側偏光素子は該各色光の互いに異なる色光で兼用して用いることを特徴とを特徴としている。
【０００９】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、該入射側偏光素子は自然光から任意の直線偏光を選択する、誘電体多層膜からなる平板状またはプリズム状の偏光ビームスプリッター、もしくは偏光板であることを特徴としている。
【００１０】
請求項４の発明は請求項１，２又は３の発明において、該回折格子に入射する光束の中心軸と該回折格子からの０次回折光の中心軸とが作る平面上に該回折格子の格子方向が位置していることを特徴としている。
【００１１】
請求項５の発明は請求項１〜４のいずれか１項の発明において、該回折格子は１次元ブレーズド型の回折格子であることを特徴としている。
【００１２】
請求項６の発明は請求項５の発明において、該回折格子は格子表面に金属膜又は金属膜と保護膜を施した反射型の回折格子より成っていることを特徴としている。
【００１３】
請求項７の発明は請求項５又は６の発明において、該回折格子は１次元バイナリー型の回折格子であることを特徴としている。
【００１４】
請求項８の発明は請求項７の発明において、
該１次元バイナリー型の回折格子はステップ幅が不等間隔の階段ステップ構造より成っていることを特徴としている。
【００１５】
請求項９の発明は請求項１〜８のいずれか１項の発明において、該回折格子からの各色光を集光レンズを介して該光学変調素子の各画素に入射させていることを特徴としている。
【００１６】
請求項１０の発明は請求項１〜９のいずれか１項の発明において、該光学変調素子の複数の画素に入射する各色光の光路中であって各色光が空間的に分離している位置に各色光に対応した色フィルターを設けていることを特徴としている。
【００１７】
請求項１１の発明は請求項１〜１０のいずれか１項の発明において、該複数の画素を液晶より構成したことを特徴としている。
【００１８】
請求項１２の発明は請求項１１の発明において、該液晶はＴＮ型液晶であることを特徴としている。
【００１９】
請求項１３の発明は請求項１〜１２のいずれか１項の発明において、該光学変調素子は各画素で光変調した光束を反射手段で反射し、出射させていることを特徴としている。
【００２０】
請求項１４の発明の投影装置は、請求項１〜１３のいずれか１項記載の光学変調装置の光学変調素子の各画素に基づく画像情報を所定面上に投影していることを特徴としている。
【００２２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施形態１の要部概略図である。図２，図３は図１の一部分の拡大説明図である。図１，図２、図３において１１２は放物面鏡であり、その焦点位置におかれた白色光源１１１からの光束を平行光として反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１に斜め方向から入射させている。反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１は入射光束を赤色（Ｒ光），緑色（Ｇ光），青色（Ｂ光）の３つの色光に分解して反射させている。
【００２３】
１０２は光学変調素子であり、互いに偏光軸が直交するように配置した（互いにクロスニコル配置した）２つの偏光板１０４、１０５と液晶（ＴＮ型液晶）等から成り、各色光の画像情報を表示している。１１３はコンデンサーレンズであり、光学変調素子１０２からの光束を集光して投影光学系（投影レンズ）１１４の入射瞳（絞り）１１４ａに導光している。投影光学系１１４は光学変調素子１０２に表示された各色光の画像情報（画素）をスクリーン１１６面上に投影している。
【００２４】
尚、本実施形態では回折格子１０１と光学変調素子１０２は各々光学変調装置の一要素を構成している。
【００２５】
次に図１の反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１について図２，図３を用いて説明する。
【００２６】
反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１は、図２，図３に示すように断面形状が階段状になるように格子を形成したものであり、樹脂等で成形したものの表面にアルミ等の反射膜をコーティングして作られる。
【００２７】
本実施形態では、格子ピッチＰ内にステップ幅Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の４段形状より成り、回折格子の格子ピッチ、位相変化量を特定することにより、回折格子からの０次光（Ｇ光）と±１次光（Ｒ光，Ｂ光）の回折光に入射光のエネルギーの大半を集中させ、かつ０次光と±１次光それぞれの最もエネルギーの高い波長（以下主波長）がＲＧＢ光のどれかに対応するように構成している。尚、ステップ幅は不等間隔となるようにしている。
【００２８】
本実施形態における１次元バイナリー型の回折格子は反射型でも透過型でも適用可能である。本実施形態では反射型より構成している。
【００２９】
次に回折格子を反射型より構成したときの特長について透過型の１次元バイナリー型の回折格子と比較して述べる。
【００３０】
透過型の回折格子はApplied Optics誌、１７巻１５号2273〜2279頁(1978.8.1号)に開示されているように、該透過型の回折格子に入射した入射光束は透過回折されて主に３方向に分離されている。この透過型の回折格子は例えばブレーズド波長をλ０とした時、該ブレーズド波長λ０に対し必要な格子厚ｄＴは
ｄＴ＝ｍ・λ０／（ｎλｃ−１）
となる。
【００３１】
ここでｎλｃは回折格子の媒質の屈折率、ｍは整数であり、今、ｍ＝２，λ０＝５３０ｎｍとし、屈折率ｎ＝１．５程度として算出した場合、透過型の回折格子の格子厚ｄＴはｄＴ＝２１２０ｎｍ必要になる。
【００３２】
一方、反射型の１次元バイナリー型の回折格子の場合（例えば光軸上の光束の入射角が４５°）は格子厚ｄＲは７４９．５ｎｍ必要となる。このことから分かるように透過型の回折格子は、その格子厚ｄＴが反射型の回折格子の格子厚ｄＲに比べ約３倍深い段差を必要とする。
【００３３】
一般に装置内のスペース効率から考えると反射型の回折格子を用いると装置全体のコンパクト化には有利となる。
【００３４】
本実施形態においては図２に示すように反射型の回折格子１０１に斜め方向から入射する白色光束Ｗの中心軸（光軸）と回折格子から出射する０次回折光（Ｇ光）の中心軸（光軸）が作る平面（ＸＺ面）に、回折格子の格子方向が位置するように配置している。このため、各ＲＧＢ光の分離した色光の光軸は、図中ＸＹ面内で存在するようにしている。
【００３５】
次に図４に光学変調素子１０２と反射型の回折格子からの出射色光の関係を示す。図４において、１０２は光学変調制御部（不図示）及び光学変調被制御部１２０を有する光学変調素子である。
【００３６】
図中１２１は入射光を集光する集光レンズとしてのマイクロレンズアレイであり、複数のマイクロレンズより成っている。１２２は光学変調素子の被制御部（画素）１２０を挟持する透明基板である。１０４は偏光軸がＺ軸と一致する光入射側の偏光板、１０５は偏光軸がＹ軸と一致する光出射側の偏光板である。
【００３７】
図中、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）の添字は、それぞれの光学変調素子が入出射する光の波長領域を表している。図４において、任意の１つのマイクロレンズをＡ，マイクロレンズＡの光軸（集光光束の中心線）を含む光学変調素子１０２の被制御部１２０を構成する１つの画素をＴＧ、画素ＴＧに隣接した画素をＴＲ，ＴＢとする。光学変調素子１０２の入射側に設けられたマイクロレンズＡに、異なる任意の角度で入射したＲＧＢ各色光はマイクロレンズＡにより異なる画素ＴＲ，ＴＧ，ＴＢ内で集光し光学変調を受け画像情報をもった光束として光学変調素子１０２を出射する。
【００３８】
このように構成することで、光源１１１からの白色光を１次元バイナリー型の回折格子１０１により、階段部の側面で有効光束がけられることなく３色の色光に分解し、マイクロレンズアレイ１２１を介して、それぞれの色光に対応する光学変調素子１０２の画素ＴＢ，ＴＧ，ＴＲに無駄なく集光させて、光利用効率を大幅に向上させている。
【００３９】
ただし、本実施形態においては光入射側の偏光板１０４の偏光軸が、回折格子１０１の格子方向ベクトルと回折格子１０１の格子法線ベクトルが作る平面内に含まれるように構成している。これは、１次元バイナリー型の回折格子１０１の格子ピッチ内のステップ幅に対して各段の深さが無視できない場合、回折格子からの出射光の回折効率に偏光依存性があることに考慮したためである。
【００４０】
一般に１次元バイナリー型の回折格子１０１の回折効率を考えた場合、１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光のうち格子方向に垂直（Ｙ方向）な偏光成分よりも、平行（ＸＺ平面）内にある偏光成分の方が全波長範囲で高くなる。その分光特性例を図５に示す。
【００４１】
図５（Ａ）は１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光のうち格子方向に垂直な偏光成分の各次数の分光強度であり、図５（Ｂ）は１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光のうち格子方向に平行な偏光成分の各次数の分光強度である。ただし、図５（Ａ），図５（Ｂ）の縦軸、横軸のスケールは同一である。
【００４２】
本実施形態の様に構成すると回折格子１０１からの出射光の回折効率が高い偏光を光学変調素子１０２に入射させることができるため、光量損失を更に少なくでき、全波長域の色光に対して、高い回折効率が得られることから、反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光の色光は理想的な分光特性に近づけることが容易になる。
【００４３】
同時に反射型の回折格子１０１に入射する白色光束（Ｗ）の光軸と前記回折格子１０１から出射する０次元回折光（Ｇ光）の光軸が作る平面（ＸＺ面）内に、回折格子の格子方向が位置するように配置して、反射型の回折格子に入射する白色光束の光軸と前記回折格子から出射する０次回折光の光軸が作る平面（ＸＺ面）と、回折格子の格子方向を垂直に配置した構成に比べて、ＲＧＢ色光の分離後の光束径を一定に保つことができ、光学変調素子１０２上を均一照明することを可能としている。
【００４４】
尚、本実施形態において光路中にミラー等をおいて光路を折り曲げることが考えられるが、このときは光路を展開した状態で考えれば良い。
【００４５】
また格子形状を適切に選択することでＴＶ信号等に用いられるＮＴＳＣ信号の色の３原色に近い分光特性を持った色光に分離して、光学変調後に色光合成した時、色再現性の高い画像を表示している。
【００４６】
１次元バイナリー型の回折格子は光学変調素子への入射光の角度調整が１次元バイナリー型の回折格子の１素子で済むことから、組み立て性も向上し、安価なカラー画像表示装置を提供することができる。
【００４７】
また本実施形態の、回折格子１ピッチ内の格子厚を各段毎に若干変えること、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の形状を設計することにより±１次回折光の内側帯成分を低減させて理想的な色分解を更に容易にしている。
【００４８】
本実施形態においては格子幅Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４の比を０．９：１．３：１．３：０．９とし±１次回折光の内側帯成分の低減を図っている。本実施形態においては、Ｇ色を０次光として設計しているが、他の色を０次光にすることで理想的な分光をとることも可能である。
【００４９】
また、図６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１５１を設けても良い。この構成では、回折格子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１５１の各色フィルターＦＲ，ＦＧ，ＦＢに入射させ、理想的な色情報を得ることによって忠実な画像色再現を容易としている。この場合、各色光に分解したあとにカラーフィルター１５１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。
【００５０】
図７は本発明の実施形態２の要部概略図である。図１の実施形態１では色分解手段として反射型の回折格子を用いているが本実施形態では透過型の回折格子１７１を用いて、それを光学変調素子１０７を構成するマイクロレンズアレイ１２１と被制御部１２０との間に配置し、１つの光学変調素子１０７として構成した点が実施形態１と異なっており、その他の構成は同じである。
【００５１】
本実施形態では回折格子１７１に入射する白色光束の光軸と前記回折格子１７１から出射する０次回折光の光軸が作る平面（ＸＺ面）内に、回折格子の格子方向が位置するようにし、かつ０°以外の任意の入射角でＸＺ面内で斜め入射させる構成をとっている。このため、透過型の回折格子に垂直に入射させた場合と比べて、光量ロスを起こすことなく格子厚を薄くでき、よりコンパクト化を図っている。このように構成することで、実施形態１と同様の効果を得ている。
【００５２】
本実施例においては回折格子１７１と光学変調素子１０７を一体で示したが、別体で構成しても良い。また、マイクロレンズアレイ１２１と回折格子１７１の配置が逆であっても良い。
【００５３】
光学変調素子１０７の画素出射後にＲＧＢの各色光を合成して光学変調素子を出射する構成（透過・反射含む）であっても、同様の効果が得られる。
【００５４】
図８は本発明の実施形態３の要部概略図である。同図において１０１は反射型１次元バイナリー型の回折格子である。回折格子１０１に入射する白色光束光軸と回折格子１０１から出射する０次回折光光軸が作る平面（ＸＺ面）内に、回折格子１０１の格子方向が位置するようにし、かつ０°以外の任意の入射角で入射させる構成をとっている。
【００５５】
１１３及び１８６，１８７，１８８は各々コンデンサーレンズ、１８１，１８２は高反射ミラー、１８３，１８４，１８５は各々透過型の光学変調素子である。光学変調素子１８３〜１８５は実施形態１と同様に光学変調制御部（不図示）及び光学変調被制御部及び、ＴＮ液晶である光学変調素子被制御部を挟持する透明基板、２枚の透明基板に隣接し互いにクロスニコルの配置をした２枚の偏光板等から成っている。
【００５６】
本実施形態ではマイクロレンズアレイを用いずに光利用効率の高い光学変調素子を実現している。
【００５７】
本実施形態では、光学変調素子１８３，１８４，１８５を出射した光束を３本の投影レンズ（不図示）を介してスクリーン上で画像を合成して、又はダイクロイックミラー等で３つの画像を合成した後に１つの投影光学系でスクリーン面上に投影して実施形態１と同様の効果を得ている。本実施形態において光学変調素子のサイズを一定にした場合にはさらに高解像度のカラー画像表示装置が容易となる。
【００５８】
また、本実施形態においては透過型の光学変調素子を用いたが、光学変調素子制御部を反射面で被ったような反射型の光学変調素子を用いて、それより出射した光束を１本の投影光学系を介してスクリーン上で画像を合成しても、同様の効果が得られる。
【００５９】
また、本実施形態においてＴＮ液晶を光学変調素子被制御部に用いたが、その他の液晶であっても構わない。
【００６０】
図９は本発明の実施形態４の要部概略図である。
【００６１】
本実施形態は図１の実施形態１に比べて回折格子１０１に入射させる光束を偏光変換素子２２０を用いて直線偏光としている点が異なっているだけであり、その他の構成は同じである。同図において２２０は偏光変換素子であり２つの透明部材に挟まれた偏光ビームスプリッタ２１０と、反射面２１１、２分の１波長板２１２とで構成されている。その他の部品は実施形態１で説明したものと同様である。
【００６２】
１１２は放物面鏡であり、その焦点位置に置かれた白色光源１１１からの光束を平行光として偏光変換素子２２０に入射し、そのうちのＰ偏光成分のみが偏光ビームスプリッタ２１０を透過し偏光変換素子２２０を出射する。偏光ビームスプリッタ２１０を反射したＳ偏光成分は反射面２１１で反射した後、２分の１波長板２１２によりＰ偏光成分に変換され偏光変換素子２２０を出射する。
【００６３】
偏光変換素子２２０を出射したＰ偏光の振動方向、及び、該光学変調素子１０２の入射偏光偏光軸は１次元バイナリー型の回折格子１０１の格子方向と、回折格子、格子法線ベクトルが作る平面内に存在するように構成している。そのため反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１への入射光が自然光の時と比べて、同入射光がＰ偏光成分のみである実施形態において、回折格子の回折効率を高くでき、光量損失を減らすことができる。同時に全波長域の色光に対して、高い回折効率が得られることから、反射型１次元バイナリー型の回折格子１０１からの出射光の分光特性を理想的な分光特性に近づけることが容易になる。
【００６４】
また、本実施形態において偏光変換素子を図９のような構成としたが、上記偏光変換素子２２０を光軸とは垂直な方向に複数個つなぎあわせた構成の、平板型の偏光変換素子であっても良い。
【００６５】
また、本実施形態において偏光変換素子を少なくても一つ以上の偏光分離手段及び少なくても一つ以上の反射手段、少なくても一つ以上の偏光変換手段（波長板、プリズム等）からなる別な構成の偏光変換素子であっても良い。
【００６６】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、光学変調素子を構成する複数の画素に又は色光毎に設けた光学変調素子に色分解手段で色分解した各色光を照射する際に色分割手段と光学変調素子とを適切に設定することによって光量損失が少なく、良好なる状態で光変調を行い、該光学変調素子に基づく画像情報を所定面上に高い光学性能で投影することができる光学変調装置及びそれを用いた投影装置を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態１の要部概略図
【図２】 図１の一部分の拡大説明図
【図３】 図１の一部分の拡大説明図
【図４】 本発明に係る光学変調装置の要部概略図
【図５】 本発明に係る反射型の回折格子の分光特性図
【図６】 本発明に係る光学変調装置の要部概略図
【図７】 本発明の実施形態２の要部概略図
【図８】 本発明の実施形態３の要部概略図
【図９】 本発明の光学変調装置を用いた投影装置の実施形態４の要部概略図
【図１０】 従来の光学変調装置の要部概略図
【符号の説明】
１０１ 反射型１次元バイナリー型回折格子
１０２ 光学変調素子
１１１ 白色光源
１１２ 放物鏡
１１３ コンデンサーレンズ
１１４ 投影光学系
１１６ スクリーン
１２０ 光学変調素子画素
１２１ マイクロレンズアレイ
１２２ 透明基板
１５１ カラーフィルター
１７１ 透過型１次元バイナリー型回折格子
１８１、１８２ 高反射ミラー
１８３〜１８５ 光学変調素子
１８６〜１８９ コンデンサーレンズ
２００ 光学変調素子
２０５ ブラックマトリクス
２１０ 偏光ビームスプリッター
２１１ 反射面
２１２ λ／２板
２２０ 偏光変換素子
Claims (14)
- 入射光を複数の色光に色分解して出射させる回折格子を有し、複数の画素を有し各画素毎に入射光を光変調して出射させる光学変調素子を該複数の色光毎に設け、該光学変調素子は光学変調制御部、光学変調被制御部、入射側偏光素子、出射側偏光素子を含み、白色光源から発し該回折格子により色分解された各色光を、該色光毎に設けた該光学変調素子の該光学変調被制御部に入射させて光変調を行なう光学変調装置において、
該回折格子と該光学変調制御部の間もしくは該白色光源と該回折格子の間の少なくともどちらか一方に配置された該入射側偏光素子の偏光軸が、該回折格子の格子方向ベクトルと該回折格子の格子法線ベクトルが作る平面内に含まれることを特徴とする光学変調装置。 - 各色光毎に設けられた光学変調素子の該入射側偏光素子を該回折格子と該光学変調被制御部の間に設けてあり、該入射側偏光素子は該各色光の互いに異なる色光で兼用して用いることを特徴とする請求項１の光学変調装置。
- 該入射側偏光素子は自然光から任意の直線偏光を選択する、誘電体多層膜からなる平板状またはプリズム状の偏光ビームスプリッター、もしくは偏光板であることを特徴とする請求項１又は２の光学変調装置。
- 該回折格子に入射する光束の中心軸と該回折格子からの０次回折光の中心軸とが作る平面上に該回折格子の格子方向が位置していることを特徴とする請求項１，２又は３の光学変調装置。
- 該回折格子は１次元ブレーズド型の回折格子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の光学変調装置。
- 該回折格子は格子表面に金属膜又は金属膜と保護膜を施した反射型の回折格子より成っていることを特徴とする請求項５の光学変調装置。
- 該回折格子は１次元バイナリー型の回折格子であることを特徴とする請求項５又は６の光学変調装置。
- 該１次元バイナリー型の回折格子はステップ幅が不等間隔の階段ステップ構造より成っていることを特徴とする請求項７の光学変調装置。
- 該回折格子からの各色光を集光レンズを介して該光学変調素子の各画素に入射させていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項記載の光学変調装置。
- 該光学変調素子の複数の画素に入射する各色光の光路中であって各色光が空間的に分離している位置に各色光に対応した色フィルターを設けていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項記載の光学変調装置。
- 該複数の画素を液晶より構成したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の光学変調装置。
- 該液晶はＴＮ型液晶であることを特徴とする請求項１１の光学変調装置。
- 該光学変調素子は各画素で光変調した光束を反射手段で反射し、出射させていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項記載の光学変調装置。
- 請求項１〜１３のいずれか１項記載の光学変調装置の光学変調素子の各画素に基づく画像情報を所定面上に投影していることを特徴とする投影装置。
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