JP4512431B2 - Image display device - Google Patents
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Description
本発明は画像表示装置に関する。 The present invention relates to an image display device.
多数の画素の配列を有する空間光変調素子を用いる画像表示装置(例えばプロジェクタ装置など)において、画素数の増大、画質の向上が課題となっている。画素数の増大に関しては、空間光変調素子の表示面積を一定とすれば、画素のサイズを物理的に小さく作製すれば画素数は増大する。しかしながら、電気回路も含む画素は半導体作製技術を用いて作製されており、その最小サイズは、その時点での半導体作製技術に左右される。
これに対して、マイクロレンズ等の微小光学素子を画素に対向させて配置し、レンズの集光機能を用いて画素を光学的に縮小させる技術がある。これは物理的な画素のサイズが大きくても、光学的に小さくできる利点がある。しかしながら、レンズを用いることによる画質の劣化が生じる。また、画素数が多くなるにつれて空間光変調素子のコストは増大する。
In an image display apparatus (for example, a projector apparatus) using a spatial light modulation element having an array of a large number of pixels, an increase in the number of pixels and an improvement in image quality are problems. Regarding the increase in the number of pixels, if the display area of the spatial light modulator is constant, the number of pixels increases if the size of the pixels is made physically small. However, a pixel including an electric circuit is manufactured using a semiconductor manufacturing technique, and the minimum size depends on the semiconductor manufacturing technique at that time.
On the other hand, there is a technique in which a micro optical element such as a micro lens is disposed to face a pixel and the pixel is optically reduced by using a condensing function of the lens. This has the advantage of being optically small even if the physical pixel size is large. However, the image quality is deteriorated by using the lens. Further, the cost of the spatial light modulator increases as the number of pixels increases.
そこで、以上の方式に対して、空間光変調素子から出射する光の光路を周期的にずらして(例えば光偏向して)、見かけ上の画素数を増やす技術がある。
例えば特許文献1には、空間光変調素子の画素をマイクロレンズを用いて光学的に縮小させ、その出射光を偏向させ、画素数の増大、画像の高精細化を図る技術が開示されている。しかしながら、この技術によれば、マイクロレンズを用い、反射型空間光変調素子の画素アレイにマイクロレンズアレイを対向配置させるため、マイクロレンズの収差が増大し画質の低下を引き起こす。また、マイクロレンズにより画素の像が縮小されると、それに伴い照明系のF値が小さくなる。すなわち、ケラレ等による光損失なく、光学系の光利用効率を向上させるためには、投射レンズのF値も小さくしなければならず、F値の小さな投射レンズはコストの増大に繋がる。このため、マイクロレンズを用いないで画素を縮小させる光学系の開発が課題であった。
Thus, there is a technique for increasing the apparent number of pixels by periodically shifting the optical path of light emitted from the spatial light modulation element (for example, by deflecting light) with respect to the above method.
For example, Patent Document 1 discloses a technique for optically reducing the pixels of a spatial light modulation element using a microlens, deflecting the emitted light, increasing the number of pixels, and increasing the definition of an image. . However, according to this technique, since a microlens is used and the microlens array is disposed so as to face the pixel array of the reflective spatial light modulator, the aberration of the microlens increases and the image quality is degraded. Further, when the pixel image is reduced by the microlens, the F value of the illumination system decreases accordingly. That is, in order to improve the light utilization efficiency of the optical system without light loss due to vignetting or the like, the F value of the projection lens must be reduced, and a projection lens with a small F value leads to an increase in cost. For this reason, the development of an optical system that reduces pixels without using a microlens has been a problem.
そこで、特許文献2、特許文献3、特許文献4においては、主として液晶を用いた光偏向素子に関する技術が開示されている。これは空間光変調素子の駆動を高速で行い、光偏向素子で高速に光を偏向させるものであり、これにより、スクリーン上で画素数を見かけ上増大することが可能となる。ここで見かけ上というのは、画素数が増大して見えるのは人の目の残像によるためである。また、このような光偏向素子を用いれば、10μm前後の画素サイズに対して、その半分の5μm前後といった、高い精度で偏向制御することが可能である。
Therefore,
ところで、用いる波長よりも小さな周期をもった微細構造を有する素子を用いて光を制御する技術が、例えば非特許文献1に開示されている。これは、フォトリソグラフィ、真空蒸着、スパッタ、ドライエッチング等の作製技術により、光学材料・半導体材料に波長以下の微細な周期構造を作製するものであり、これにより、偏光素子、位相差板、反射防止素子などを作製できる。これらの機能は微細な構造による構造複屈折により発現する。 By the way, for example, Non-Patent Document 1 discloses a technique for controlling light using an element having a fine structure having a period smaller than the wavelength used. This is to produce a fine periodic structure below the wavelength in optical materials and semiconductor materials by manufacturing techniques such as photolithography, vacuum deposition, sputtering, and dry etching. A prevention element or the like can be produced. These functions are manifested by structural birefringence due to a fine structure.
さらに、特許文献5においては、図8に示すように、構造複屈折体として、光反射体85,86の延在方向が異なる領域を有する構造複屈折体81,84を一画素内に設け、この構造複屈折体が有する偏光作用と液晶配向作用の双方を利用して、マルチドメイン化を行い、液晶表示装置の高コントラスト化を図るとされる技術が開示されている。ここで、構造複屈折体は液晶表示装置の基板に作製され、また、液晶分子の配向方向と構造複屈折体の延在方向とが沿うという規制がなされている。
Furthermore, in
さらに、異なる2種類の薄膜を交互に積層した多層膜を、偏光分離素子として用いる技術が、例えば非特許文献2に開示されている。この素子は、同じ位置で入射する互いに直交する直線偏光を分離して異なる位置から出射させるものである。この素子の特徴は、従来の鉱物を用いた複屈折板よりも、偏光分離角を大きくすることが可能となる点にある。逆に、互いに直交する直線偏光を異なる位置から入射すると、位置を一致させて出射させることが可能となる。
Furthermore, for example, Non-Patent
本発明の第一の課題は、マイクロレンズアレイなどの微小光学素子による画素縮小手段を用いた場合における前述の弊害を回避し、高光利用効率、高画素数、高精細な画像表示装置を提供することである。
また、本発明の第二の課題は、第一の課題に加え、小型化が可能な画像表示装置を提供することである。
さらに本発明の第三の課題は、第二の課題に加え、特に小型化が可能な画像表示装置を提供することである。
さらに本発明の第四の課題は、第三の課題に加え、低コストな画像表示装置を提供することである。
さらに本発明の第五の課題は、第四の課題に加え、高画質な画像表示装置を提供することである。
さらに本発明の第六の課題は、第五の課題に加え、簡易なる機構で光偏向が可能で、装置の小型化に有利なる画像表示装置を提供することである。
さらに本発明の第七の課題は、第六の課題に加え、光偏向の高速化と、装置の小型化に有利なる画像表示装置を提供することである。
The first object of the present invention is to provide a high-light utilization efficiency, a high number of pixels, and a high-definition image display device that avoids the above-described disadvantages in the case of using pixel reduction means using micro optical elements such as a microlens array. That is.
In addition to the first problem, a second problem of the present invention is to provide an image display device that can be miniaturized.
Furthermore, a third problem of the present invention is to provide an image display device that can be particularly downsized in addition to the second problem.
A fourth problem of the present invention is to provide a low-cost image display device in addition to the third problem.
Furthermore, a fifth problem of the present invention is to provide an image display device with high image quality in addition to the fourth problem.
Furthermore, a sixth problem of the present invention is to provide an image display apparatus that can deflect light with a simple mechanism and is advantageous for downsizing of the apparatus in addition to the fifth problem.
Furthermore, a seventh problem of the present invention is to provide an image display device that is advantageous for increasing the speed of light deflection and reducing the size of the device in addition to the sixth problem.
上述の課題を解決するための手段として、本発明では以下のような構成を採っている。
本発明の第一の構成の画像表示装置は、少なくとも光源と、該光源からの光を変調して出射する空間光変調素子と、該空間光変調素子から出射された光を同じ割合のp偏光とs偏光に分離して出射する偏光素子と、該偏光素子を出射したp偏光とs偏光を2方向に分離する第1の偏光分離素子と、該第1の偏光分離素子により分離されたp偏光とs偏光をそれぞれ反射する2つの反射素子と、各反射素子で反射されたp偏光とs偏光の進路を同方向にしてs+p偏光の偏光光として出射する第2の偏光分離素子と、該第2の偏光分離素子から出射された偏光光の光路を偏向する光偏向素子と、該光偏向素子からの偏光光を投射する投射レンズとを備え、前記偏光素子は、前記空間光変調素子の画素の大きさと同じ大きさの基本単位の領域を定義した場合に、該基本単位に画素の大きさ以下であって周期的な溝状の構造である構造複屈折体と、平坦部とが形成され、該基本単位を前記空間光変調素子の画素数に対応するように配列すると、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をs偏光に変換する構造複屈折体と、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をそのまま透過させる平坦部とが交互に配列された構成であることを特徴とする(請求項1)。
As means for solving the above-described problems, the present invention adopts the following configuration.
First image display apparatus of the configuration of the invention is at least a light source and a spatial light modulator and emits the modulated light from the light source, p-polarized light of the same percentage of light emitted from the spatial light modulator and emits the separated into s-polarized light and the polarizing element, a first polarization separating element for separating the p-polarized light and s-polarized light emitted from the polarizing element in two directions, p separated by the first polarization separating element Two reflecting elements that respectively reflect polarized light and s-polarized light, a second polarization separation element that emits s + p-polarized polarized light with the paths of p-polarized light and s-polarized light reflected by the reflecting elements in the same direction, a light deflector for deflecting the optical path of the emitted polarized light from the second polarizing beam splitter, and a projection lens for projecting the polarized light from the light deflecting element, the polarizing element of the spatial light modulator constant regions of the basic units of the same size as the size of the pixel In this case, a structural birefringent body having a periodic groove-like structure which is not larger than the pixel size and a flat portion is formed in the basic unit, and the basic unit is used as the number of pixels of the spatial light modulator. Are arranged so that the p-polarized light emitted from the spatial light modulation element is converted into s-polarized light, and a flat portion that transmits the p-polarized light emitted from the spatial light modulation element as it is. It is the structure arranged by turns (Claim 1).
本発明の第二の構成の画像表示装置は、少なくとも光源と、該光源からの光を変調して出射する空間光変調素子と、該空間光変調素子から出射された光を同じ割合のp偏光とs偏光に分離して出射する偏光素子と、該偏光素子を出射したp偏光とs偏光の進路を同方向にしてp+s偏光の偏光光として出射する複屈折素子と、該複屈折素子から出射された偏光光の光路を偏向する光偏向素子と、該光偏向素子からの偏光光を投射する投射レンズとを備え、前記偏光素子は、前記空間光変調素子の画素の大きさと同じ大きさの基本単位の領域を定義した場合に、該基本単位に画素の大きさ以下であって周期的な溝状の構造である構造複屈折体と、平坦部とが形成され、該基本単位を前記空間光変調素子の画素数に対応するように配列すると、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をs偏光に変換する構造複屈折体と、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をそのまま透過させる平坦部とが交互に配列された構成であることを特徴とする(請求項2)。
また、本発明の第三の構成の画像表示装置は、第二の構成の画像表示装置において、前記複屈折素子は、積層型であることを特徴とする(請求項3)。
Second image display apparatus of the configuration of the present invention, at least a light source and a spatial light modulator and emits the modulated light from the light source, p-polarized light of the same percentage of light emitted from the spatial light modulator and emits the separated into s-polarized light and the polarizing element, the birefringent element for emitting as a path of p-polarized light and s-polarized light emitted from the polarization element in the same direction p + s polarized light polarized light, emitted from the birefringent element has been a light deflector for deflecting the optical path of the polarized light, and a projection lens for projecting the polarized light from the light deflecting element, the polarizing element is the same size as the pixels of the spatial light modulator When the basic unit region is defined, a structural birefringent body having a periodic groove-like structure that is not larger than the pixel size and a flat portion is formed in the basic unit, and the basic unit is When arranged so as to correspond to the number of pixels of the spatial light modulator, A structural birefringence body to convert the p-polarized light emitted from the spatial light modulation element into s-polarized light, that a flat portion which is transmitted through the p-polarized light emitted from the spatial light modulator is an array configurations alternately (Claim 2).
According to a third aspect of the present invention, in the image display device having the second structure, the birefringent element is a laminated type.
本発明の第四の構成の画像表示装置は、第一乃至第三のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記空間光変調素子は透過型であることを特徴とする(請求項4)。
また、本発明の第五の構成の画像表示装置は、第一乃至第三のいずれか一つに記載の画像表示装置において、前記空間光変調素子は反射型であることを特徴とする(請求項5)。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the image display device according to any one of the first to third configurations, wherein the spatial light modulation element is a transmission type. .
According to a fifth aspect of the image display device of the present invention, in the image display device according to any one of the first to third aspects, the spatial light modulation element is a reflective type. Item 5).
本発明の第六の構成の画像表示装置は、第一乃至第五のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記光偏向素子は機械的な駆動機構を有することを特徴とする(請求項6)。
また、本発明の第七の構成の画像表示装置は、第一乃至第五のいずれか一つの構成の画像表示装置において、前記光偏向素子は液晶を用いることを特徴とする(請求項7)。
An image display device having a sixth configuration according to the present invention is the image display device having any one of the first to fifth configurations, wherein the light deflection element has a mechanical drive mechanism. 6).
According to a seventh aspect of the present invention, in the image display device having any one of the first to fifth configurations, the light deflection element uses a liquid crystal. .
本発明の第一の構成によれば、画素縮小に画素サイズ以下の構造複屈折体が周期的に配列した偏光素子を用いるため、光利用効率が高く、さらに光偏向することにより高画素数であり、その結果、高精細な画像表示装置を実現することができる。 According to the first configuration of the present invention, since a polarizing element in which structural birefringent bodies having a pixel size or less are periodically arranged is used for pixel reduction, the light utilization efficiency is high, and the number of pixels is increased by light deflection. As a result, a high-definition image display device can be realized.
本発明の第二の構成によれば、上記と同様の効果に加え、偏光分離素子と反射素子に代えて、複屈折板を用いることにより、光路長を短くでき、装置の小型化が可能な画像表示装置を実現することができる。
また、本発明の第三の構成によれば、上記の効果に加え、複屈折板に積層型の複屈折板を用いることにより、さらに光路長を短くでき、さらに装置の小型化が可能な画像表示装置を実現することができる。
According to the second configuration of the present invention, in addition to the same effect as described above, the optical path length can be shortened and the apparatus can be miniaturized by using a birefringent plate instead of the polarization separation element and the reflection element. An image display device can be realized.
Further, according to the third configuration of the present invention, in addition to the above-described effect, by using a multilayer birefringent plate as the birefringent plate, the optical path length can be further shortened, and the apparatus can be further downsized. A display device can be realized.
本発明の第四の構成によれば、第一または第二の構成の効果に加え、透過型の空間光変調素子を用いることにより低コスト化が可能な画像表示装置を実現することができる。
また、本発明の第五の構成によれば、第一または第二の構成の効果に加え、反射型の空間光変調素子を用いることにより高画質な画像表示装置を実現することができる。
According to the fourth configuration of the present invention, in addition to the effects of the first or second configuration, it is possible to realize an image display device capable of reducing the cost by using a transmissive spatial light modulation element.
According to the fifth configuration of the present invention, in addition to the effects of the first or second configuration, a high-quality image display apparatus can be realized by using a reflective spatial light modulation element.
本発明の第六の構成によれば、光偏向素子に機械式の方式を用いるため、機構が簡単で、小型化が可能な画像表示装置を実現することができる。
また、本発明の第七の構成によれば、光偏向素子に液晶を用いるため、装置の小型化が可能で、高速な光偏向が可能な画像表示装置を実現することができる。
According to the sixth configuration of the present invention, since a mechanical system is used for the optical deflection element, it is possible to realize an image display apparatus that has a simple mechanism and can be miniaturized.
Further, according to the seventh configuration of the present invention, since the liquid crystal is used for the light deflecting element, the device can be miniaturized and an image display device capable of high-speed light deflection can be realized.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図示の実施例に基いて詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail based on the embodiments shown in the drawings.
[実施例1]
まず、第一、第四の構成に対応する画像表示装置の一実施例を示す。この画像表示装置の光学系の一例を図1に模式的に示す。この光学系は、光源1、空間光変調素子2、偏光素子3、偏光分離素子4,7、反射素子5,6、及び投射レンズ10から構成されている。これらは基本的な構成のみである。これ以外にも、例えば光源1と透過型空間光変調素子2の間には、フライアイレンズ、コンデンサーレンズなどの光学素子が入る。この例において、空間光変調素子2は透過型としている。透過型空間光変調素子は、プロジェクタ装置に多く使われており、製造技術が確立しているなどの利点があり、低コスト化が図れる。また、偏光分離素子4,7は偏光ビームスプリッタ(PBS)であり、反射素子5,6はプリズムである。また、反射素子には、プリズムの代わりにミラーを用いても構わない。
[Example 1]
First, an embodiment of an image display device corresponding to the first and fourth configurations will be shown. An example of the optical system of this image display apparatus is schematically shown in FIG. This optical system includes a light source 1, a spatial
偏光素子3は、空間光変調素子2の画素の大きさ以下の構造複屈折体が周期的に配列したものであり、構造性複屈折を有することを特徴とする。この偏光素子3の構成例を図2(a),(b),(c)に模式的に示す。図2(a)は偏光素子3の一部31を拡大して示すものであり、構造複屈折体を含む基本単位32(と呼ぶことにする)が8×8に配列したものを示してある。構造複屈折体は、基本単位32において黒で示した半分の領域である。配列は、実際には、空間光変調素子2の画素数と同じであり、例えばXGA規格のもので1027×768の数がある。ここで、光軸は紙面に垂直である。この素子に空間光変調素子2から出射した直線偏光82が入射する。また、この基本単位32の大きさは、空間光変調素子の一画素(正方画素)33の大きさと同じである。現状では、この一画素の大きさは10μm前後である。また、基本単位32において、白で示した領域は平坦である。この基本単位32を拡大して示したものが図2(b)であり、直線36に沿った断面を示したものが同図(c)である。図2(c)は、基本単位32の領域に周期的な溝状の構造(構造複屈折体)34と平坦部35があるものを表している。この溝状の構造(構造複屈折体)34の周期(ピッチ)は、図中の符号37で示すピッチあり、画像表示装置に使用する波長よりも小さいものである。例えば周期(ピッチ)37は100nm前後の値である。また、この基板は石英ガラスなどの光学材料であり、この溝に高屈折率部材が充填されていてもよい。
The
このような、微細な構造を有する素子は、波長板として機能することが知られており、このピッチ及び溝の深さにより、その遅延位相差が決る。これは用いる波長に合わせて設計する。このような偏光素子3を用いることにより、画素の大きさで、また、画素毎に、偏光の制御が可能となる。図1では空間光変調素子2と偏光素子3とを分けて記載しているが、空間光変調素子2の出射側基板の内面側に上記構造を形成し、偏光素子の機能を持たせてもよい。以下、この偏光素子をλ/2板(1/2波長板)として説明する。
Such an element having a fine structure is known to function as a wave plate, and the delay phase difference is determined by the pitch and the depth of the groove. This is designed according to the wavelength used. By using such a
図1において、空間光変調素子2を出射した直線偏光光(p偏光とする)は、偏光素子3に入射し、図2で説明した平坦な領域35を透過するp偏光は、そのままp偏光として出射され、構造複屈折体34を透過するp偏光はs偏光に変換されて出射される。図1の透過型空間光変調素子2においては画素を4つのみ示しており、また、それに合わせて偏光素子3においては基本単位を4つ示してある。偏光素子3を出射した時点で、p偏光とs偏光とが1:1の割合となっており、一画素の情報を伝達する光のうち、面積で半分はp偏光、残りの半分はs偏光である。従来の空間光変調素子においては、一画素の情報を伝達する光は全て同じ偏光である。このp偏光とs偏光とは、偏光素子3を出射した後、PBS4に入る。このときp偏光、s偏光のPBS4に入射する位置はそれぞれ異なる。PBS4に入射後、p偏光は直進し、s偏光は反射され進路を変える。続いてp偏光、s偏光共にプリズム5,6に入射する。プリズム5,6により両偏光とも、反射され進路を変え、プリズム5,6を出射する。次に、p偏光、s偏光ともに、PBS7に入射し、s偏光は反射され進路を変え、p偏光は直進して、PBS7から出射される。PBS7から出射されたs,p偏光は光偏向素子52により、二つの光路(図1中一点鎖線と点線)を取り得る(光偏向の効果)。この光偏向素子52は平板の透光性部材であり、例えばガラス平板でよい。図9(a)に示すように、ガラス平板が入射光に対して垂直であれば、光は直進するが、図9(b)に示すように、ガラス平板を傾けることにより、光が屈折し、光偏向が可能となる。光偏向素子が無ければ、図1において、PBS7を出射する複数のs+pの偏光の間には、画素の大きさの半分の間隔が生じており、これが投射レンズ10を経て、スクリーンなどの観察面(図示せず)に投射される。このときのスクリーン上に投射された画像は図6(a)のように、周期的に隙間のあいた画像55となる(ここで、空間光変調素子はすべての画素点灯している状態(全白)としている)。画素は縮小されているものの、画素数が少ない。これを光偏向素子52により、画素の大きさの半分シフトさせ、図6(b)に示すような、隙間のない画素数の2倍の画像56にする。
In FIG. 1, linearly polarized light (p-polarized light) emitted from the spatial
ここで、プリズム5とPBS7との間に隙間1000を設けておく。この隙間1000は画素の大きさの半分とする。このようにすると、PBS7を出射するp偏光とs偏光とは、PBS7の出射面において、同じ位置から出射する(図中s+p)。すなわち、異なる位置で入射した一画素の情報を有するp偏光とs偏光とが、同じ位置で重なって出射する。ここで一画素の大きさを考えると、この重なりにより面積で1/2となっている。これは、光学的に画素を縮小していることになる(画素縮小の効果、高精細化)。また、光の強度的には1/2のp偏光と1/2のs偏光とが重なっているため、足すと1である。従って、光学部材による吸収等を除いて光損失は無く、高光利用効率が可能である。
Here, a
従来のマイクロレンズ等を用いた画素縮小の場合、レンズの収差により画質劣化、光利用効率の低下、また、画素を縮小することによりF値が小さくなり、それに伴う光利用効率の低下という問題があったが、本発明においてはレンズを用いていないため、収差がなく、それによる画質の劣化、光利用効率の低下が無い。また、集光でなく、いわば分割と偏向により画素を縮小するためF値が変らず、F値が小さくなる不利益が生じない。 In the case of pixel reduction using a conventional microlens or the like, there is a problem in that the image quality is deteriorated due to lens aberration, the light use efficiency is reduced, and the F value is reduced by reducing the pixel, resulting in a decrease in light use efficiency. However, since no lens is used in the present invention, there is no aberration, and there is no deterioration in image quality and light utilization efficiency. Further, since the pixels are reduced by dividing and deflecting rather than condensing, the F value does not change, and there is no disadvantage that the F value becomes small.
なお、この実施例で示したようにPBSを2つ、プリズムを2つ用いるのは、p偏光とs偏光との光路差を、意図的に設けた間隔1000を除いて、同じにするためであり、多少の画像劣化を許容するならこれ以外の構成であっても問題はない。
In addition, as shown in this embodiment, two PBSs and two prisms are used in order to make the optical path difference between p-polarized light and s-polarized light the same except for the intentionally provided
[実施例2]
上記の実施例1の説明(図)においては、入・出射光は平行光として説明している。しかしながら、実際には照明角があり、PBS4に入射する光線の内、スキュー光においては、完全に所望の直線偏光にならない。このような場合、クリーナー用の偏光子等を用いて、好ましくない偏光光をカットすれば良い。
また、PBS7とプリズム5との間の間隔1000は、例えば1辺10μmの正方画素に対して、その半分の5μmである(隙間が空気の場合)。この精度を確保するには、既存の光学技術で用いられているように、例えば紫外線硬化樹脂などの接着剤を用いて、貼り合せればよい。このとき接着剤の屈折率により間隔は5μm以下でもよい。
[Example 2]
In the description (FIG.) Of the first embodiment, the input / output light is described as parallel light. However, in reality, there is an illumination angle, and the skew light among the light rays incident on the PBS 4 does not become a desired linearly polarized light. In such a case, undesired polarized light may be cut using a cleaner polarizer or the like.
Further, the
[実施例3]
次に第六の構成に対応する実施例を示す。図1で示した実施例1の構成では、画素縮小と光偏向とが個別に行われており、光路に光偏向素子を挿入するため光路も長くなるが、画素縮小と光偏向とを同時に行い、また光路も短い構成の一例を以下に示す。
[Example 3]
Next, an embodiment corresponding to the sixth configuration will be described. In the configuration of the first embodiment shown in FIG. 1, the pixel reduction and the light deflection are performed separately, and the light path becomes long because the light deflection element is inserted in the light path, but the pixel reduction and the light deflection are performed simultaneously. An example of a short optical path is shown below.
図5は機械的な駆動機構を有する光偏向素子の一例を示す図であり、これは上記で説明した2つのPBS4,7と2つのプリズム5,6からなる光学系をステージ51に載せ、ステージを左右(符号53,54の矢印の方向)に振動させることにより光偏向素子52の機能を持たせるものである。振動させる素子として、ピエゾ素子を用いれば高速に動かすことが可能となる。これは駆動機構として単純であり、光学系の一部をステージに載せて動かすため、光学系に素子を追加し光路を長くすることがない。このため、装置の小型化が可能となる。また、ピエゾ素子は、印加する電圧により振動量を変えることができる。この量は、例えば1辺10μmの正方画素に対して、その半分の5μmであり、用いる材料及び印加電圧により調整する。また、ピエゾ素子であるため、1μm以下の振動も可能であり、光偏向の精度を非常に高くすることができる。
FIG. 5 is a diagram showing an example of an optical deflection element having a mechanical drive mechanism. This is a
[実施例4]
次に第一、第五の構成の画像表示装置の一実施例を図3に示す。これは空間光変調素子に反射型を用いた場合の例である。反射型空間光変調素子40は、画素(反射電極)の下に、電気回路を設けることができるため、利用できる画素の面積が、透過型空間光変調素子に比べて大きくできる(開口率の向上)。このため高画質な画像が可能となる。図3は画像表示装置の前段側のみを図示しており、図3において、符号38は光源、39は偏光ビームスプリッタ(PBS)、40は反射型空間光変調素子、41はフィールドレンズ、42は中間像、43は偏光素子である。ここでPBS39は、図1に示した偏光分離素子4,7とは別に設けたものである。なお、偏光素子43以降の光学系に関しては、図1に示した光学系と同様であるため省略する。また、これらは基本構成のみ示してあり、これ以外の光学素子も挿入されている。また、偏光素子43の構成は、図2に示した偏光素子と同様であるので、ここでは説明を省略する。
[Example 4]
Next, FIG. 3 shows an embodiment of the image display apparatus having the first and fifth configurations. This is an example when a reflection type is used for the spatial light modulation element. Since the reflective spatial
光源38から出射した白色光は、光源38とPBS39との間にある図示しない均一照明光学系や偏光変換光学系を経て、直線偏光光(s偏光とする)としてPBS39に入射し、反射型空間光変調素子40(4画素のみ描いてある)に入射する。反射型空間光変調素子40により変調され出射する偏光光は、p偏光の場合はPBS39を直進し、s偏光の場合、光源38側に戻っていく。このp偏光を用いて、フィールドレンズ41により、中間像42を形成する。このとき中間像42の倍率は等倍が望ましく、フィールドレンズ41は両側テレセントリックであることが望ましい。この中間像42の位置に偏光素子43を設置する(図では区別するために離して描いてあるが、中間像42の位置に一致するものとする)。これ以降、画素の縮小及び光偏光に関しては、上記の実施例と同様であり、画素縮小、及び画素数の増大が可能となる。
White light emitted from the
[実施例5]
次に第二、第七の構成の画像表示装置の一実施例を図4に示す。図4(a)において、符号44は光源、45は透過型空間光変調素子、46は偏光素子、47は複屈折素子、48,50は光偏向素子、49はλ/2板である。光偏向素子50以降の光学系は図示していないが、投射レンズ及びスクリーンがあるものとする。また、透過型空間光変調素子45と偏光素子46の構成、動作は、実施例1で説明した透過型空間光変調素子2と偏光素子3の構成、動作と同様であるので、ここでは説明を省略する。
[Example 5]
Next, an embodiment of the image display device having the second and seventh configurations is shown in FIG. In FIG. 4A,
複屈折素子47の機能を説明した図を図4(b)に示す。図4(b)は複屈折素子47として複屈折板500を用いた例を示しており、この複屈折板500に偏光素子46によりp偏光とs偏光とに分離された偏光光が入射する。これらが複屈折板500を通るときに、s偏光は偏向され、p偏光は直進し、同じ位置から出射する(p+s)。複数のp+s(画素が異なる)の間には、画素の大きさの半分の間隔がある。このとき、複屈折板500の厚みは、用いる波長、複屈折板の偏光分離角により設計する。
A diagram illustrating the function of the
次に図4(c),(d)は、光偏向素子48,50に液晶を用いた場合の動作の一例を示しており、この例では、液晶を用いた光偏向素子481(482),501(502)を用いて、p+s偏光を偏向させ、間隔を埋め、図6(b)に示したような画像56を表示させるようにする。液晶を用いた光偏向素子は2枚用い(第一の光偏向素子481(482)と第二の光偏向素子501(502)とする)、その間にλ/2板491(492)を置く。この2つの光偏向素子が両方ともオフの場合(図4(c)の光偏向素子481,501の場合)、p+s偏光は第一の光偏向子を直進し、λ/2板491でpがsにsがpになるが、第二の光偏向素子も直進する。すなわち、入射位置と出射位置とは変らない。これに対して、この2つの光偏向素子が両方ともオンの場合(図4(d)の光偏向素子482,502の場合)は、p+s偏光は偏向される。
Next, FIGS. 4C and 4D show an example of the operation when liquid crystal is used for the
ここで図4(d)の場合、光偏向素子はs(或はp)のみを偏向する。第一の光偏向素子482ではp偏光は直進、s偏光は偏向され、λ/2板492でp偏光はs偏光に、s偏光はp偏光に変換される。第二の光偏向素子502では、s偏光は偏向され、p偏光は直進する。したがって、出射位置は入射位置よりもシフトしている。複屈折板や、液晶を用いた光偏向素子48,50は、図1に示したPBS4,7やプリズム5,6等の光学素子と比較して、薄く、光路を短くできるため、装置の小型化が可能となる。また、この光偏向素子の液晶材料としてはツイストネマチック型、垂直配向型などであるが、垂直配向型を用いた場合、より高速な偏向が可能となる。
Here, in the case of FIG. 4D, the optical deflection element deflects only s (or p). In the first
[実施例6]
次に第三の構成の画像表示装置の一実施例を示す。画像表示装置の構成は図4と同様であるが、本実施例では、複屈折素子47として積層型の複屈折素子を用いている。ここで、図7は積層型複屈折素子の一例を示す概略断面図である。これは、高屈折率部材601と低屈折率部材602が交互に積層されたものである。偏光光に対する機能は図4(b)で説明した鉱物等を用いた複屈折板500と同じである。しかし、積層型の場合、偏光分離角が大きくできる利点がある。これにより、p偏光とs偏光とを偏向させる場合であっても、通常の鉱物の複屈折板よりも素子の厚みを薄くすることが可能となる。これにより、さらに装置の小型化が可能となる。
[Example 6]
Next, an embodiment of the image display device having the third configuration will be described. The configuration of the image display apparatus is the same as that of FIG. 4, but in this embodiment, a multilayer birefringent element is used as the
以上、本発明の実施例を説明したが、以上の例においては、画素の大きさを1/2に縮小し、画素数を2倍に増大することを想定して説明してきた。しかしながら、画素の縮小が1/2、画素数の増大が2倍に限られるものではない。
画素をさらに縮小するには、構造複屈折体をより小さく作製する必要があるが、現状の半導体作製技術を用いれば問題なく作製することができる。
また、空間光変調素子の駆動(オンとオフとの切り換え)の高速化も必要となり、画素数の増大に比例してこの速度を高速化することになる。現状の空間光変調素子の多くは、ツイストネマチック型の液晶が用いられているが、これを垂直配向型の液晶のように高速駆動できるものに置きかえれば、この問題も解決することができる。
The embodiments of the present invention have been described above. In the above examples, the description has been made assuming that the pixel size is reduced to ½ and the number of pixels is increased by a factor of two. However, the pixel reduction is not limited to 1/2 and the increase in the number of pixels is not limited to twice.
In order to further reduce the pixels, it is necessary to make the structural birefringence smaller. However, if the current semiconductor manufacturing technology is used, it can be manufactured without any problem.
Further, it is necessary to increase the speed of driving (switching between on and off) of the spatial light modulator, and this speed is increased in proportion to the increase in the number of pixels. Most of the current spatial light modulators use twisted nematic liquid crystal, but this problem can be solved by replacing it with a device that can be driven at high speed, such as vertically aligned liquid crystal.
以上説明したとおり、本発明によれば、画素縮小に画素サイズ以下の構造複屈折体を用いるため、光利用効率が高く、さらに光偏向することにより高画素数であり、その結果、高精細で高画質な画像表示装置を実現することができる。従って本発明は、高精細で高画質な画像表示を行うプロジェクタ装置などに利用することができる。 As described above, according to the present invention, since a structural birefringent body having a pixel size or less is used for pixel reduction, the light utilization efficiency is high, and further, the number of pixels is increased by deflecting light. A high-quality image display device can be realized. Therefore, the present invention can be used for a projector apparatus that displays a high-definition and high-quality image.
1,38,44:光源
2,45:透過型空間光変調素子
3,43,46:偏光素子
4,7:偏光分離素子(偏光ビームスプリッタ(PBS))
5,6:反射素子(プリズム)
10:投射レンズ
34:構造複屈折体
39:偏光ビームスプリッタ(PBS)
40:反射型空間光変調素子
41:フィールドレンズ
42:中間像
47:複屈折素子
48,50:光偏向素子
49:λ/2板
52:光偏向素子
1, 38, 44:
5, 6: Reflective element (prism)
10: Projection lens 34: Structural birefringence 39: Polarization beam splitter (PBS)
40: reflection type spatial light modulation element 41: field lens 42: intermediate image 47:
Claims (7)
前記偏光素子は、
前記空間光変調素子の画素の大きさと同じ大きさの基本単位の領域を定義した場合に、
該基本単位に画素の大きさ以下であって周期的な溝状の構造である構造複屈折体と、平坦部とが形成され、
該基本単位を前記空間光変調素子の画素数に対応するように配列すると、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をs偏光に変換する構造複屈折体と、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をそのまま透過させる平坦部とが交互に配列された構成であることを特徴とする画像表示装置。 At least a light source, a spatial light modulation element that emits modulated light from the light source, a polarizing element and emits the separated light emitted from the spatial light modulation element into p-polarized light and s-polarized light of the same rate, A first polarization separation element that separates the p-polarized light and the s-polarized light emitted from the polarization element in two directions, and two reflection elements that respectively reflect the p-polarization and the s-polarization separated by the first polarization separation element ; , A second polarization separation element that emits s + p polarization polarized light with the paths of p-polarized light and s-polarized light reflected by each reflective element in the same direction, and polarized light emitted from the second polarization separation element comprising an optical deflection element for deflecting the optical path, and a projection lens for projecting the polarized light from the light deflection element,
The polarizing element is:
When defining a basic unit region having the same size as the pixel of the spatial light modulator ,
A structural birefringent body having a periodic groove-like structure which is not larger than the pixel size and a flat portion is formed in the basic unit,
When the basic unit is arranged so as to correspond to the number of pixels of the spatial light modulation element, a structural birefringent body that converts p-polarized light emitted from the spatial light modulation element into s-polarized light, and emitted from the spatial light modulation element An image display device having a configuration in which flat portions that transmit the p-polarized light as it is are alternately arranged .
前記偏光素子は、
前記空間光変調素子の画素の大きさと同じ大きさの基本単位の領域を定義した場合に、
該基本単位に画素の大きさ以下であって周期的な溝状の構造である構造複屈折体と、平坦部とが形成され、
該基本単位を前記空間光変調素子の画素数に対応するように配列すると、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をs偏光に変換する構造複屈折体と、前記空間光変調素子から出射されたp偏光をそのまま透過させる平坦部とが交互に配列された構成であることを特徴とする画像表示装置。 At least a light source, a spatial light modulation element that emits modulated light from the light source, a polarizing element and emits the separated light emitted from the spatial light modulation element into p-polarized light and s-polarized light of the same rate, A birefringent element that emits p + s-polarized polarized light with the same path of p-polarized light and s-polarized light emitted from the polarizing element, and an optical deflector that deflects the optical path of the polarized light emitted from the birefringent element ; , and a projection lens for projecting the polarized light from the light deflection element,
The polarizing element is:
When defining a basic unit region having the same size as the pixel of the spatial light modulator ,
A structural birefringent body having a periodic groove-like structure which is not larger than the pixel size and a flat portion is formed in the basic unit,
When the basic unit is arranged so as to correspond to the number of pixels of the spatial light modulation element, a structural birefringent body that converts p-polarized light emitted from the spatial light modulation element into s-polarized light, and emitted from the spatial light modulation element An image display device having a configuration in which flat portions that transmit the p-polarized light as it is are alternately arranged .
前記複屈折素子は、積層型であることを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to claim 2,
2. The image display device according to claim 1, wherein the birefringent element is a laminated type.
前記空間光変調素子は透過型であることを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to any one of claims 1 to 3,
The image display device, wherein the spatial light modulator is a transmissive type.
前記空間光変調素子は反射型であることを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to any one of claims 1 to 3,
The image display device according to claim 1, wherein the spatial light modulator is of a reflective type.
前記光偏向素子は機械的な駆動機構を有することを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to any one of claims 1 to 5,
The image display device, wherein the light deflection element has a mechanical drive mechanism.
前記光偏向素子は液晶を用いることを特徴とする画像表示装置。 The image display device according to any one of claims 1 to 5,
A liquid crystal is used as the light deflection element.
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