JP4458390B2 - Reflective image display device using hologram color filter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置に関し、特に、明るく歪みのない画像を投影できるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
本出願人は、ホログラムカラーフィルターとそれを用いた透過型カラー液晶表示装置に関して多数の特許出願をしている。また、このホログラムカラーフィルターを反射型液晶表示素子やDMD(デジタルマイクロミラーデバイス)に適用して反射型画像表示装置を構成したものも、特開平9−281917号(特願平8−95289号)において提案している。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平9−281917号のものにおいては、反射型表示素子(反射型液晶表示素子、DMD)からの反射光は、表示素子の面に対して垂直方向には反射せず、斜めの方同に反射していくことになる。この反射光を投影レンズで投影する場合、表示素子と投影レンズの配置関係はアオリ的な配置になってしまい、光学配置が限定されてしまう。
【0004】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射型画像表示素子の面に対して垂直方向に回折され、ホログラムカラーフィルターで照明光源側に再度回折された表示光を照明光から分離して同軸配置の投影光学系により像歪みの小さい画像が表示可能なホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置を提供することである。
【0005】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置は、斜めの入射角で入射する照明光を色分散しかつ集光する要素ホログラムの繰り返しからなるホログラムカラーフィルターと反射型空間変調素子との組み合わせからなる反射型画像表示装置であって、前記反射型空間変調素子で反射され、前記ホログラムカラーフィルターで再回折された表示光が前記照明光と略反対方向に出る反射型画像表示装置において、前記照明光の光路中に偏光分離手段を配置して前記表示光を前記照明光から分離することを特徴とするものである。
【0006】
この場合、偏光分離手段による偏光分離角が照明光の入射角と略等しく、表示光が反射型空間変調素子の面に対して略垂直に出射するようにすることが望ましい。
【0007】
また、反射型空間変調素子が画素の変調度に応じて入射光の偏光面を回転するものであることが望ましい。
【0008】
また、偏光分離手段としては、偏光分離プリズム又はそのアレイからなっていても、ホログラフィック偏光ビームスプリッター又は透過型回折格子からなる偏光ビームスプリッターからなっていてもよい。
【0009】
また、表示光が投影光学系により投影されるものであってもよい。
【0010】
本発明においては、照明光の光路中に偏光分離手段を配置して表示光を照明光から分離するようにしているので、明るく歪みのないカラー画像を観察表示することができ、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなく、光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置を実施例に基づいて説明する。
【0012】
本発明の基本原理は、特開平9−281917号に記載されているようなホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置において、ホログラムカラーフィルターで分光され、反射型画像表示素子に入射する回折光が画像表示素子の面に対して略垂直になるように設定して、反射型画像表示素子による反射光をホログラムカラーフィルターで照明光源側に再度回折させ、ウォラストンプリズムのような偏光面の方向に応じて出射方向を変える偏光分離手段により照明光方向から表示光を分離して像歪みの小さい画像を表示可能にするものであり、この表示光は偏心配置でなく同軸配置の投影光学系により投影できるものである。
【0013】
この偏光分離手段による表示光の分離方向は、反射型画像表示素子の表示面に対して略垂直方向になるように、ホログラムカラーフィルターの照明光入射角、偏光分離手段の偏光分離角を設定することが望ましく、その場合に、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなくなる。このような設定により光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【0014】
次に、本発明の実施例を説明する。まず、図3を参照にして、ホログラムカラーフィルター2で分光され、反射型画像表示素子5に入射する回折光、特にその中心光線(緑成分7Gの主光線)が画像表示素子5の面に対して略垂直になるように設定した反射型画像表示装置1について説明する。
【0015】
図3において、反射型画像表示素子5は、例えば液晶表示素子でなる透過型空間光変調器3とその背面に配置されたアルミニウム膜のような反射層4とからなり、透過型空間光変調器3は規則的に画素3’に区切られており、その透過型空間光変調器3の表側(観察側)にホログラムカラーフィルター2が離間して配置される。透過型空間光変調器3の画素3’間には不図示のブラック・マトリックスが配置されている。なお、ホログラムカラーフィルター2と反射層4の間の距離は、ホログラムカラーフィルター2を構成するアレー状の各微小ホログラム2’の集光距離(焦点距離)に略等しく選ばれる。
【0016】
ここで、ホログラムカラーフィルター2は、透過型空間光変調器3の3つの原色画素R、G、Bの繰り返し周期、すなわち、透過型空間光変調器3の紙面内の方向に隣接する3つの画素3’の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム2’からなり、微小ホログラム2’は透過型空間光変調器3の紙面内の方向に隣接する3つの画素3’各組に対応して各々1個ずつ配置されており、各微小ホログラム2’は、ホログラムカラーフィルター2の法線に対して角度θをなして入射する照明光6の中の緑色の成分の光7Gを、その微小ホログラム2’に対応する3つの原色画素R、G、Bの中心の画素G近傍に略垂直に集光するようにフレネルゾーンプレート状に形成されているものである。そして、微小ホログラム2’は、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなり、波長に応じて異なる回折角で回折するものである。
【0017】
このような配置であるので、ホログラムカラーフィルター2の表面側から入射角θで白色照明光6を入射させると、ホログラムカラーフィルター2により波長分散され、各波長に対する集光位置はホログラムカラーフィルター2面に平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分7Rは赤を表示する画素Rの位置の反射層4の表面近傍に、緑の成分7Gは緑を表示する画素Gの位置の反射層4の表面近傍に、青の成分7Bは青を表示する画素Bの反射層4の表面近傍にそれぞれ回折集光するように、ホログラムカラーフィルター2を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックスでほとんど減衰されずに各画素3’を通過し、反射層4で反射されて、対応する画素R、G、Bを裏面側からもう一度透過し、各々光8R、8G、8Bとなり、これらの反射光8はさらにホログラムカラーフィルター2に略垂直に入射してホログラムカラーフィルター2で再回折されて回折光9となり、照明光6と略反対方向に射出する。
【0018】
このように反射光8がホログラムカラーフィルター2で再回折されて照明光6と略反対方向に射出するのは、上記したように、ホログラムカラーフィルター2は回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないためであり、図4にその回折効率の波長依存性の1例を示す。図4には、ホログラムカラーフィルター2に入射する照明光6がS偏光とP偏光の場合の回折効率を分けて示してあるが、照明光6がS偏光でもP偏光でも回折効率の差は少ない。
【0019】
ここで、本発明においては、各色の回折成分7R、7G、7Bはそれぞれ透過型空間光変調器3の赤、緑、青を表示する画素R、G、Bに入射してそれらの画素の表示状態に応じて偏光面回転の変調を受けるように透過型空間光変調器3が構成され、反射層4で反射されて画素3’を往復通過するときに最大変調あるいは最小変調の場合に、偏光面が90°回転するようにする。このような透過型空間光変調器3としては、例えばTN液晶表示素子があるが、その他に振幅変調型の透過型空間光変調器とその入射側に配置された4分の1波長板とからなるもの等がある。
【0020】
このように、ホログラムカラーフィルター2で分光され、反射型画像表示素子5に入射する回折光7(回折成分7R、7G、7Bをまとめて回折光7とする。)、特にその中心光線(緑成分7Gの主光線)が画像表示素子5の面に対して略垂直になるように設定された反射型画像表示装置1においては、表示光(回折光)9が照明光6と略反対方向に射出し、このままでは表示光9を照明光6から分離することができず、表示装置として不向きである。
【0021】
そこで、本発明においては、表示光9を照明光6から分離する偏光分離手段を用いる。このような偏光分離手段としては、ウォラストンプリズム、ニコルプリズム、グラン・トンプソンプリズム、グラン・フーコープリズム、ロションプリズム等の偏光分離プリズムが使用できるが、それ以外に、本出願人が特開平7−248417号、特開平7−234316号で提案した体積型ホログラムからなるホログラフィック偏光ビームスプリッターや、特開昭和61−240204号で提案されている透過型回折格子からなる偏光ビームスプリッターを用いることができる。さらには、偏光分離プリズムをアレイ状に平面に並べた偏光分離プリズム・アレイを用いることができる。しかしながら、後記の図1、図2の配置から明らかなように、S偏光とP偏光を相互に90°の角度をなすように分離する偏光ビームスプリターの場合は、反射型画像表示装置1の表示面を斜めから見る配置となるため、望ましいものではない。
【0022】
図1は、本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の1つの実施例を示す光路図である。反射型画像表示装置1として図3の構成のものを用いており、照明光6の光源としてメタルハライドランプのような白色光源11を用い、その照明光6の光路中に偏光分離手段としてウォラストンプリズム10を配置してある。このウォラストンプリズム10は、そのS偏光とP偏光の分離角が照明光6のホログラムカラーフィルター2への入射角θと略等しくなるように設定されている。そして、光源11からウォラストンプリズム10に入射する照明光6の光路中に偏光板12が配置されている。
【0023】
このような配置であるので、光源11から出た照明光6は偏光板12で例えばP偏光になり、ウォラストンプリズム10を出た照明光6はP偏光のまま入射角θでホログラムカラーフィルター2へ入射し、そこで赤、緑、青の成分に分光された回折光7は反射型画像表示素子5に略垂直に入射し、各画素3’の状態に応じてP偏光の状態から偏光面が回転変調を受けて反射光8となり、ホログラムカラーフィルター2に裏面側から略垂直に入射して再回折されて回折光9となる。この回折光9はウォラストンプリズム10に反対側から入射し、その回折光9中の変調を受けたS偏光成分が、光源11からの照明光6と分離角θをなすように照明光6から分離され表示光9’となって反射型画像表示装置1から出て行くことになり、表示光9’は反射型画像表示装置1から正面方向に出て行くのに等しくなる。そのため、表示光9’を観察することにより明るく歪みのないカラー画像を観察することができる。また、その表示光9’の光路中に偏心なしに投影レンズ13を配置することにより、スクリーン14上に明るく歪みのないカラー画像を投影することができる。なお、上記の配置において、偏光板12は必ずしも必要なものではない。
【0024】
図2は、本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の別の実施例を示す光路図である。反射型画像表示装置1として図3の構成のものを用いており、照明光6の光源としてメタルハライドランプのような白色光源11を用い、その照明光6の光路中に偏光分離手段として、この実施例では特開平7−248417号のホログラフィック偏光ビームスプリッター10’を配置してある。このホログラフィック偏光ビームスプリッター10’のS偏光とP偏光の分離角は、照明光6のホログラムカラーフィルター2への入射角θと略等しくなるように設定されている。そして、光源11からホログラフィック偏光ビームスプリッター10’に入射する照明光6の光路中に偏光板12が配置されている。
【0025】
このような配置であるので、この場合も、光源11から出た照明光6は偏光板12で例えばP偏光になり、ホログラフィック偏光ビームスプリッター10’を出た照明光6はP偏光のまま入射角θでホログラムカラーフィルター2へ入射し、そこで赤、緑、青の成分に分光された回折光7は反射型画像表示素子5に略垂直に入射し、各画素3’の状態に応じてP偏光の状態から偏光面が回転変調を受けて反射光8となり、ホログラムカラーフィルター2に裏面側から略垂直に入射して再回折されて回折光9となる。この回折光9はホログラフィック偏光ビームスプリッター10’に反対側から入射し、その回折光9中の変調を受けたS偏光成分が、光源11からの照明光6と分離角θをなすように照明光6から分離され表示光9’となって反射型画像表示装置1から出て行くことになり、表示光9’は反射型画像表示装置1から正面方向に出て行くのに等しくなる。そのため、表示光9’を観察することにより明るく歪みのないカラー画像を観察することができる。また、その表示光9’の光路中に偏心なしに投影レンズ13を配置することにより、スクリーン14上に明るく歪みのないカラー画像を投影することができる。この場合も、偏光板12は必ずしも必要なものではない。
【0026】
以上のように、本発明の反射型画像表示装置においては、照明光6と表示光9が略反対方向に射出するが、偏光分離手段によって両者を分離して表示光9’をは反射型画像表示装置1の略正面に出るようにしたので、明るく歪みのないカラー画像を観察表示することができ、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなく、光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【0027】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。また、透過型空間光変調器としては透過型液晶表示素子に限定されず種々の空間光変調器を用いることができる。さらに、反射層としてはアルミニウム膜のような反射層に限定されずホログラムによる反射層等を用いてもよい。
【0028】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置によると、照明光の光路中に偏光分離手段を配置して表示光を照明光から分離するようにしているので、明るく歪みのないカラー画像を観察表示することができ、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなく、光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の1つの実施例を示す光路図である。
【図2】本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の別の実施例を示す光路図である。
【図3】図1、図2において用いている反射型画像表示装置の光路図である。
【図4】ホログラムカラーフィルターの回折効率の波長依存性の1例を示す図である。
【符号の説明】
1…反射型画像表示装置
2…ホログラムカラーフィルター
2’…微小ホログラム
3…透過型空間光変調器
3’…画素
4…反射層
5…反射型画像表示素子
6…照明光
7…回折光
7R、7G、7B…回折分光成分
8…反射光
8R、8G、8B…反射光成分
9…回折光(表示光)
9’…表示光
10…ウォラストンプリズム
10’…ホログラフィック偏光ビームスプリッター
11…光源
12…偏光板
13…投影レンズ
14…スクリーン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a reflection type image display apparatus using a hologram color filter, and more particularly to a reflection type image display apparatus using a hologram color filter capable of projecting a bright and distortion-free image.
[0002]
[Prior art]
The present applicant has filed a number of patent applications regarding a hologram color filter and a transmissive color liquid crystal display device using the same. Also, a reflection type image display device in which this hologram color filter is applied to a reflection type liquid crystal display element or DMD (digital micromirror device) is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-281919 (Japanese Patent Application No. 8-95289). Proposed in
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, in Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-281919, the reflected light from the reflective display element (reflective liquid crystal display element, DMD) is not reflected in the direction perpendicular to the surface of the display element, but is oblique. It will be reflected in the same way. When this reflected light is projected by the projection lens, the arrangement relationship between the display element and the projection lens becomes an inclining arrangement, and the optical arrangement is limited.
[0004]
The present invention has been made in view of such problems of the prior art, and its purpose is to diffract in the direction perpendicular to the surface of the reflective image display element, and to re-diffract to the illumination light source side by the hologram color filter. Another object of the present invention is to provide a reflection type image display apparatus using a hologram color filter capable of separating the displayed light from illumination light and displaying an image with small image distortion by a coaxially arranged projection optical system.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
The reflection type image display device using the hologram color filter of the present invention that achieves the above object includes a hologram color filter comprising a repetition of element holograms that color-disperse and collect illumination light incident at an oblique incident angle and a reflection type A reflective image display device comprising a combination with a spatial modulation element, wherein the display light reflected by the reflective spatial modulation element and re-diffracted by the hologram color filter is emitted in a direction substantially opposite to the illumination light In the image display device, polarization separation means is disposed in the optical path of the illumination light to separate the display light from the illumination light.
[0006]
In this case, it is desirable that the polarization separation angle by the polarization separation means is substantially equal to the incident angle of the illumination light, and the display light is emitted substantially perpendicularly to the surface of the reflective spatial modulation element.
[0007]
Further, it is desirable that the reflective spatial modulation element rotates the polarization plane of incident light in accordance with the degree of modulation of the pixel.
[0008]
Further, the polarization separation means may be composed of a polarization separation prism or an array thereof, or may be composed of a holographic polarization beam splitter or a polarization beam splitter composed of a transmission type diffraction grating.
[0009]
Further, display light may be projected by a projection optical system.
[0010]
In the present invention, since the polarization separation means is arranged in the optical path of the illumination light so as to separate the display light from the illumination light, a bright and undistorted color image can be observed and displayed, and the projection image display device The projection optical system does not need to be tilted and the degree of freedom of the optical system is greatly improved.
[0011]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a reflective image display device using a hologram color filter of the present invention will be described based on examples.
[0012]
The basic principle of the present invention is that, in a reflection type image display device using a hologram color filter as described in JP-A-9-281919, diffracted light that is split by the hologram color filter and incident on the reflection type image display element. Is set to be substantially perpendicular to the surface of the image display element, and the reflected light from the reflective image display element is diffracted again to the illumination light source side by the hologram color filter, and the direction of the polarization plane like the Wollaston prism The display light is separated from the direction of the illumination light by the polarization separation means that changes the emission direction according to the display light, and an image with small image distortion can be displayed. It can be projected.
[0013]
The illumination light incident angle of the hologram color filter and the polarization separation angle of the polarization separation means are set so that the display light separation direction by the polarization separation means is substantially perpendicular to the display surface of the reflective image display element. In that case, in the case of configuring as a projection image display device, it is not necessary to arrange the projection optical system in a tilted manner. Such a setting dramatically improves the degree of freedom of the optical system.
[0014]
Next, examples of the present invention will be described. First, referring to FIG. 3, the diffracted light, which is split by the
[0015]
In FIG. 3, a reflective
[0016]
Here, the
[0017]
With this arrangement, when the white illumination light 6 is incident at an incident angle θ from the surface side of the
[0018]
As described above, the
[0019]
Here, in the present invention, the
[0020]
In this way, the diffracted
[0021]
Therefore, in the present invention, polarization separation means for separating the display light 9 from the illumination light 6 is used. As such a polarization separation means, a polarization separation prism such as a Wollaston prism, a Nicol prism, a Gran Thompson prism, a Gran Foucault prism, a Lotion prism, etc. can be used. Use of a holographic polarization beam splitter composed of a volume hologram proposed in JP-A-248417 and JP-A-7-234316, or a polarization beam splitter composed of a transmission diffraction grating proposed in JP-A-61-240204 it can. Furthermore, a polarization separation prism array in which polarization separation prisms are arranged in a plane on an array can be used. However, as will be apparent from the arrangement of FIGS. 1 and 2 to be described later, in the case of a polarized beam splitter that separates the S-polarized light and the P-polarized light so as to form an angle of 90 ° with each other, the display of the reflective
[0022]
FIG. 1 is an optical path diagram showing one embodiment of a reflection type image display apparatus using a hologram color filter according to the present invention. The reflection type
[0023]
Because of this arrangement, the illumination light 6 emitted from the
[0024]
FIG. 2 is an optical path diagram showing another embodiment of the reflection type image display apparatus using the hologram color filter according to the present invention. The reflection type
[0025]
In this case, the illumination light 6 emitted from the
[0026]
As described above, in the reflection type image display apparatus of the present invention, the illumination light 6 and the display light 9 are emitted in substantially opposite directions, but the display light 9 ′ is separated by the polarization separation means to produce the display light 9 ′. Since the
[0027]
As mentioned above, although the reflection type image display apparatus using the hologram color filter of the present invention has been described based on some embodiments, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications are possible. The transmissive spatial light modulator is not limited to the transmissive liquid crystal display element, and various spatial light modulators can be used. Furthermore, the reflective layer is not limited to a reflective layer such as an aluminum film, and a reflective layer using a hologram may be used.
[0028]
【The invention's effect】
As is clear from the above description, according to the reflective image display device using the hologram color filter of the present invention, the polarization separation means is arranged in the optical path of the illumination light so as to separate the display light from the illumination light. Therefore, a bright and undistorted color image can be observed and displayed, and when configured as a projection image display device, the projection optical system does not need to be tilted, and the degree of freedom of the optical system is dramatically improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an optical path diagram showing one embodiment of a reflective image display device using a hologram color filter according to the present invention.
FIG. 2 is an optical path diagram showing another embodiment of a reflective image display device using a hologram color filter according to the present invention.
3 is an optical path diagram of the reflective image display device used in FIGS. 1 and 2. FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of wavelength dependency of diffraction efficiency of a hologram color filter.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
9 '... display light 10 ... Wollaston prism 10' ... holographic
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