JPH08313845A - Optical element and optical device using the same - Google Patents

Optical element and optical device using the same

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JPH08313845A
JPH08313845A JP7255018A JP25501895A JPH08313845A JP H08313845 A JPH08313845 A JP H08313845A JP 7255018 A JP7255018 A JP 7255018A JP 25501895 A JP25501895 A JP 25501895A JP H08313845 A JPH08313845 A JP H08313845A
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JP
Japan
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optical element
light
optical
light beam
intensity distribution
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Application number
JP7255018A
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Japanese (ja)
Inventor
Yoshinori Motomiya
佳典 本宮
Masataka Shirato
昌孝 白土
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
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Priority to JP7255018A priority Critical patent/JPH08313845A/en
Publication of JPH08313845A publication Critical patent/JPH08313845A/en
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Abstract

PURPOSE: To provide an optical device using a spatial modulation element like the projection type liquid crystal display device capable of improving the uniformity of brightness of a light beam to be made incident on a spatial modulation element in addition to the improving of the utilization efficiency of the light from a light source. CONSTITUTION: An optical element 103 converts the incident light having a prescribed shape and a prescribed intensity distribution into the output light of a desired shape having a prescribed intensity distribution. The output light from the optical element 103 has the shape of either a square, a circle or an ellipse. Moreover, this optical device is also provided with an optical element 104 imparting directivity to the light beam shaped in the optical element 103 in addition to the optical element 103.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子及び光学
装置、特に空間光変調素子を用いた投射型画像表示装置
や光情報処理装置などの光学装置に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical device and an optical device, and more particularly to an optical device such as a projection type image display device and an optical information processing device using a spatial light modulator.

【0002】[0002]

【従来の技術】大画面の画像表示装置として大型ブラウ
ン管が開発されているが、更なる大型化の要請に応える
べく投射型表示装置が注目されている。投射型表示装置
としては、小型で高精度・高輝度のCRTに表示された
像を投射表示する投射型CRT表示装置と、液晶パネル
により変調された光を投射表示する投射型液晶表示装置
が商品化されているが、特に後者はより小形・軽量化に
適し、一般家庭でも容易に導入ができる利点がある。
2. Description of the Related Art A large-sized CRT has been developed as a large-screen image display device, but a projection-type display device has been attracting attention in order to meet the demand for further size increase. As the projection type display device, a projection type CRT display device that projects and displays an image displayed on a small-sized, high-precision and high-luminance CRT, and a projection type liquid crystal display device that projects and displays light modulated by a liquid crystal panel are available. However, the latter is particularly suitable for smaller size and lighter weight, and has the advantage that it can be easily introduced into general households.

【0003】図59に、従来の投射型液晶表示装置の典
型的な構成を示す。図59において、メタルハライドラ
ンプなどの高輝度の光源1から発せられた光は、反射鏡
2で反射されて指向性のある平行光又は集束光となり、
液晶パネル3に照射される。液晶パネル3を透過した光
は、投射レンズ4によりスクリーン5上に結像投射され
る。
FIG. 59 shows a typical configuration of a conventional projection type liquid crystal display device. In FIG. 59, the light emitted from the light source 1 with high brightness such as a metal halide lamp is reflected by the reflecting mirror 2 to become parallel light or focused light having directivity,
The liquid crystal panel 3 is illuminated. The light transmitted through the liquid crystal panel 3 is focused and projected on the screen 5 by the projection lens 4.

【0004】投射方式には、観察者から見てスクリーン
の後側から投射する背面投射型と、観察者と同じ側から
投射する前方投射型の2つのタイプがある。また、カラ
ー画像を表示する場合には、RGB(赤、緑、青)など
3色の色フィルタ付き液晶パネルを用いる単板式と、そ
れぞれの色成分用に3枚の液晶パネルを用いる3板式な
どの方式がある。3板式投射型液晶表示装置では、光源
の光を3色の成分に分離するためにダイクロイックミラ
ーなどが用いられ、それぞれの色成分を3本の投射レン
ズを用いて投射する方式と、ダイクロイックミラーなど
を用いて再び色成分を合成し、1本の投射レンズを用い
て投射する方式などがある。
There are two types of projection methods, a rear projection type in which the image is projected from the rear side of the screen as seen by the observer and a front projection type in which the image is projected from the same side as the observer. Further, when displaying a color image, a single plate type using a liquid crystal panel with three color filters such as RGB (red, green, blue) and a three plate type using three liquid crystal panels for each color component is used. There is a method of. In a three-plate projection type liquid crystal display device, a dichroic mirror or the like is used to separate the light of a light source into three color components, and a method of projecting each color component using three projection lenses and a dichroic mirror or the like. There is also a method of synthesizing the color components again by using, and projecting using one projection lens.

【0005】また、液晶パネルの透過光を用いる方式の
他、液晶パネルにより反射された光を用いる反射型の表
示装置なども開発されてきている。液晶パネルのマトリ
ックス方式としては、単純マトリックス、薄膜トランジ
スタ、薄膜ダイオードなど、液晶の動作モードとしては
TN、STNなどの諸方式があり、最近では高分子分散
型液晶により光の散乱と透過を制御する方式なども開発
されている。また、半導体集積回路の製造工程と類似の
プロセスで形成した微小な反射鏡の配列された素子を用
いる表示方式なども開発されてきた。
In addition to the system using the transmitted light of the liquid crystal panel, a reflection type display device using the light reflected by the liquid crystal panel has been developed. Liquid crystal panel matrix methods include simple matrix, thin film transistor, thin film diode, etc., and liquid crystal operation modes such as TN and STN. Recently, polymer dispersed liquid crystal is used to control light scattering and transmission. And so on. Further, a display system using a device in which minute reflecting mirrors are arrayed formed by a process similar to the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit has been developed.

【0006】図60に、従来の投射型液晶表示装置の他
の構成例を示す。この装置は特開平6−175129号
に開示されている。この装置は、光源からの光の集束性
を改善して光の利用効率を改良し、投射画像のコントラ
スト比と均一性を改良し小型堅牢化を図ったものであ
る。
FIG. 60 shows another configuration example of a conventional projection type liquid crystal display device. This device is disclosed in JP-A-6-175129. This device is designed to improve the focusing property of light from the light source, improve the light utilization efficiency, improve the contrast ratio and uniformity of the projected image, and reduce the size and robustness.

【0007】図60において、光源11は楕円鏡12の
第1焦点位置に配置される。楕円鏡12の第2焦点位置
の近傍には凸型錐体状プリズム13が配置される。光源
11から発し、楕円鏡12により集光された光ビーム
は、光源11自身の影による暗点をなくすために、プリ
ズム13で光束が揃えられ、中心部に集められる。プリ
ズム13を通過した光ビームは、集光用レンズ14、透
過散乱型表示素子15、第2の集光用レンズ16、絞り
17及び投射用レンズ18を経てスクリーン(図示しな
い)に投射される。光はプリズムの凸面又は凹面で光束
を揃えられ、集光用レンズ14で平行光とされた後、透
過型液晶表示素子15に入射される。
In FIG. 60, the light source 11 is arranged at the first focus position of the elliptical mirror 12. A convex cone-shaped prism 13 is arranged near the second focal position of the elliptical mirror 12. The light beam emitted from the light source 11 and condensed by the elliptical mirror 12 is collimated by the prism 13 in order to eliminate the dark spot due to the shadow of the light source 11 itself, and is collected in the central portion. The light beam that has passed through the prism 13 is projected on a screen (not shown) via a condenser lens 14, a transmission / scattering type display element 15, a second condenser lens 16, a diaphragm 17 and a projection lens 18. The light is aligned on the convex or concave surface of the prism, collimated by the condenser lens 14, and then incident on the transmissive liquid crystal display element 15.

【0008】しかしながら、上記の液晶パネルのような
空間光変調素子を用いる投射型画像表示装置において
は、比較的容易に大画面の表示ができるという特長を有
する反面、明るさを十分確保することが難しいという問
題がある。従って、この装置では、部屋を暗くしなけれ
ばならなかったり、光源に高出力のランプを用いるため
に消費電力が大きい等の問題を有する。特に、光源から
発した光のパワーのうち、スクリーンまで至るものの割
合、すなわち光の利用効率が1〜2%しかないなど、照
明系、色分解系、空間変調系(液晶パネル)、色合成系
から投射レンズを経てスクリーンに至る光学系の各部で
の光の利用効率の向上が大きな課題である。
However, in the projection type image display device using the spatial light modulator such as the liquid crystal panel described above, it is possible to display a large screen relatively easily, but on the other hand, sufficient brightness can be secured. There is a problem that it is difficult. Therefore, this device has problems that the room must be darkened and that power consumption is large because a high-output lamp is used as a light source. In particular, the ratio of the power of the light emitted from the light source to the screen, that is, the light utilization efficiency is only 1 to 2%, such as the illumination system, the color separation system, the spatial modulation system (liquid crystal panel), the color synthesis system. A major issue is to improve the light use efficiency in each part of the optical system from the projection lens to the screen.

【0009】また、特に図59の構成では、光ビームの
強度分布において中心部に光源1自身の影を持つため、
スクリーン5上の画面の中央に暗い影が出るという明る
さのむらの問題がある。この問題を解決するために、図
60の構成では、凸型錐体状プリズム13により中心部
に光を集めて中心の影を消している。しかし、図60の
構成では楕円鏡12から来る光ビームの焦点付近にバル
ク状のプリズム13が配置されているため、プリズム1
3の中に局所的に光のパワーが集中する部分が出来て、
熱による形状の歪みが起き易く、これが破壊につながり
易い。また、これを避けるためにプリズム13の位置を
焦点付近から離すと、光の利用効率がますます低下す
る。これを避けるためには、プリズム13の入射面の面
積を大きくとらねばならず、これによりプリズム13の
光軸方向の大きさも増大して装置全体の小型化の障害と
なる。
Further, particularly in the configuration of FIG. 59, since the light source 1 itself has a shadow in the central portion in the intensity distribution of the light beam,
There is a problem of uneven brightness in that a dark shadow appears in the center of the screen on the screen 5. In order to solve this problem, in the configuration of FIG. 60, the convex pyramidal prism 13 collects light in the central portion to eliminate the shadow of the central portion. However, in the configuration of FIG. 60, since the bulky prism 13 is arranged near the focal point of the light beam coming from the elliptic mirror 12, the prism 1
There is a part where the power of light is locally concentrated in 3,
Shape distortion due to heat is likely to occur, which easily leads to destruction. Moreover, if the position of the prism 13 is moved away from the vicinity of the focal point in order to avoid this, the light utilization efficiency further decreases. In order to avoid this, the area of the entrance surface of the prism 13 must be made large, which increases the size of the prism 13 in the optical axis direction, which hinders the miniaturization of the entire apparatus.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本発明の他の目的は、
光源からの光の利用効率向上に加えて、空間変調素子に
入射する光ビームの明るさの均一性を向上させることが
できる投射型液晶表示装置のような空間変調素子を用い
た光学装置を提供することにある。
Another object of the present invention is to:
Provided is an optical device using a spatial modulation element such as a projection type liquid crystal display device capable of improving the utilization efficiency of light from a light source and improving the uniformity of brightness of a light beam incident on the spatial modulation element. To do.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を講じた。
The present invention has taken the following means in order to solve the above problems.

【0012】本発明の光学素子は、所定の形状及び所定
の強度分布を有する入射光を、所定の強度分布を有する
所望形状の出力光に変換することを特徴とする。前記出
力光は、方形、円又は楕円のいずれかの形状を有する。
また、入射光の代表的な波面に対して付与されるべき位
相の進み遅れを表わす位相伝達関数又は光学素子表面の
形状の少なくとも一方が、最適化の計算に基づいて設定
される。
The optical element of the present invention is characterized by converting incident light having a predetermined shape and a predetermined intensity distribution into output light having a desired shape having a predetermined intensity distribution. The output light has a shape of a square, a circle, or an ellipse.
Further, at least one of the phase transfer function representing the lead or lag of the phase to be given to the representative wavefront of the incident light or the shape of the optical element surface is set based on the optimization calculation.

【0013】本発明に係る光学素子によれば、簡単な構
成(すなわち、1枚の光学素子)で、所定(任意)形状
の、かつ、所定(任意)強度分布の入射光を、所定の強
度分布(基本的に一様の強度分布にするので、以下「一
様」と表現する)を有する所望形状(例えば、長方形、
楕円等)に変換することができる。
According to the optical element of the present invention, the incident light having a predetermined (arbitrary) shape and a predetermined (arbitrary) intensity distribution can be converted to a predetermined intensity with a simple structure (that is, one optical element). A desired shape (for example, a rectangle, etc.) having a distribution (which will be referred to as “uniform” in the following because it basically has a uniform intensity distribution)
Ellipse).

【0014】本発明に係る第1光学装置は、所定のビー
ム形状及び強度分布を有する光ビームを放射する光源
と、入射される前記光ビームのビーム形状を、一様な強
度分布を有する方形、円形又は楕円形のいずれかの形状
に整形する第1光学素子と、入射される整形された前記
光ビームに指向性を付与する第2光学素子とを具備する
ことを特徴とする。
A first optical device according to the present invention comprises a light source that emits a light beam having a predetermined beam shape and intensity distribution, and a rectangular shape having a uniform intensity distribution in which the beam shape of the incident light beam is It is characterized in that it is provided with a first optical element which is shaped into one of a circular shape and an elliptical shape, and a second optical element which imparts directivity to the shaped light beam that is incident.

【0015】なお、本発明において光ビームのビーム形
状とは、光ビームの光軸に対して直交する平面内での断
面形状であり、強度分布とは同平面内での光強度の分布
を意味する。
In the present invention, the beam shape of the light beam is a sectional shape in a plane orthogonal to the optical axis of the light beam, and the intensity distribution means a distribution of light intensity in the same plane. To do.

【0016】第1光学装置の一つの具体的な実施態様に
よると、第1光学素子は所定のビーム形状及び強度分布
を有する光ビームの光路中に配置されたときの出射光の
所定位置における強度分布形状を光ビームの中心部にお
いて強度が相対的に低下し、周辺部において強度が相対
的に増加するように整形するものであり、例えばほぼ円
形(又は、ほぼ楕円形)のビーム形状を有する光ビーム
の光路中に配置された際の出射光の所定位置における強
度分布がほぼ正方形(又は、ほぼ長方形)、又は強度分
布の斜め方向の幅が縦横方向の幅より広い強度分布とな
るように構成される。
According to one specific embodiment of the first optical device, the first optical element has an intensity of emitted light at a predetermined position when the first optical element is arranged in the optical path of a light beam having a predetermined beam shape and intensity distribution. The distribution shape is shaped so that the intensity relatively decreases at the central portion of the light beam and the intensity relatively increases at the peripheral portion, and has a substantially circular (or approximately elliptical) beam shape, for example. The intensity distribution of the emitted light at a predetermined position when arranged in the optical path of the light beam is approximately square (or approximately rectangular), or the diagonal width of the intensity distribution is wider than the width in the vertical and horizontal directions. Composed.

【0017】上記の構成において、第1光学素子の望ま
しい実施形態は以下の通りである。
In the above structure, the preferred embodiment of the first optical element is as follows.

【0018】(1) 第1光学素子は、中心強度が周辺
部の強度より高くほぼ円形(又は、ほぼ楕円形)の所定
の強度分布形状を有する入射光路中に配置した際の出射
光の所定位置における強度分布の変動が所定の矩形(正
方形又は長方形)領域内で40%以下であること。
(1) The first optical element has a predetermined intensity distribution shape in which the central intensity is higher than the intensity in the peripheral portion and is substantially circular (or approximately elliptical), and the predetermined output light when placed in the incident optical path. The fluctuation of the intensity distribution at the position must be 40% or less within a predetermined rectangular (square or rectangular) area.

【0019】(2) 第1光学素子は、中心強度が周辺
部の強度より高くほぼ円形(又は、ほぼ楕円形)の所定
の強度分布形状を有する入射光路中に配置した際の全出
射光量の70%以上が所定の矩形領域内に照射されるよ
うに構成されること。
(2) The first optical element has a total intensity of emitted light when arranged in an incident optical path having a predetermined intensity distribution shape of which the central intensity is higher than the intensity of the peripheral portion and is substantially circular (or approximately elliptical). 70% or more is configured to be irradiated within a predetermined rectangular area.

【0020】(3) 第1光学素子は、入射位置に依存
して入射光に付与する位相を表わす位相伝達関数が、偏
向を付与する一次関数、ビーム全体の集束、発散、球面
収差等を付与する軸対称の関数、及び、円柱レンズ様に
一方向のみの集束又は発散を付与する関数のうちの0又
は1又は複数の組み合わせ以外に、座標に関して4次以
上の成分をもつ関数であるように構成されること。
(3) In the first optical element, the phase transfer function representing the phase given to the incident light depending on the incident position gives a linear function for giving a deflection, focusing of the entire beam, divergence, spherical aberration, etc. In addition to the axially symmetric function and the combination of 0 or 1 or a plurality of functions that give the focusing or divergence only in one direction like a cylindrical lens, a function having a fourth-order or higher-order component with respect to coordinates Be composed.

【0021】(4) (1)〜(3)のような第1光学
素子は、具体的には所定の位相伝達関数を実現する表面
形状を有する反射鏡、又は所定の位相伝達関数を実現す
る表面形状及び屈折率分布の少なくとも一方を有する透
過型光学素子により構成されること。
(4) The first optical element as described in (1) to (3) specifically realizes a reflecting mirror having a surface shape that realizes a predetermined phase transfer function, or a predetermined phase transfer function. A transmission type optical element having at least one of a surface shape and a refractive index distribution.

【0022】(5) 第1光学素子が所定の位相伝達関
数を実現する表面形状を有する場合には、前記表面形状
の所定の基準平面からの高さが一定となる境界線で前記
表面形状が不連続であり、境界線で区分される複数の領
域内で表面形状が連続であるように構成されること。
(5) When the first optical element has a surface shape that realizes a predetermined phase transfer function, the surface shape is defined by a boundary line where the height of the surface shape from a predetermined reference plane is constant. Being discontinuous, and being configured so that the surface shape is continuous in multiple areas separated by boundaries.

【0023】(6) 第1光学素子は、所定の位相伝達
関数を実現する反射型又は透過型の回折型光学素子によ
っても構成することができる。この回折型光学素子は、
例えば2次以上の回折光を用い、利用する回折方向に回
折光の強度が集中するブレーズ格子によって形成され
る。
(6) The first optical element can also be constituted by a reflective or transmissive diffractive optical element that realizes a predetermined phase transfer function. This diffractive optical element
For example, it is formed by a blazed grating in which the intensity of the diffracted light is concentrated in the diffracting direction to be used by using the diffracted light of the second or higher order.

【0024】(7) 第1光学素子は、入射される前記
光ビームの光路中に前記光ビームの光軸に対してほぼ垂
直に配置され、その表面に複数の曲線群からなる溝が形
成された透光性基板を有する。
(7) The first optical element is arranged in the optical path of the incident light beam substantially perpendicular to the optical axis of the light beam, and a groove formed of a plurality of curved lines is formed on the surface thereof. A transparent substrate.

【0025】第2光学素子の望ましい実施形態は以下の
通りである。
A preferred embodiment of the second optical element is as follows.

【0026】(1) 第2光学素子は、入射光線の入射
位置に依存して光路を変更する機能を有し、第1光学素
子により光ビーム形状が整形されかつ強度分布が一様化
された光ビームに指向性を付与すること。
(1) The second optical element has a function of changing the optical path depending on the incident position of the incident light beam, and the shape of the light beam is shaped and the intensity distribution is made uniform by the first optical element. To give directivity to a light beam.

【0027】(2) 上記のような第2光学素子は、入
射位置に依存して入射光に付与する位相を表わす位相伝
達関数が、偏向を付与する一次関数、ビーム全体の集
束、発散、球面収差等を付与する軸対称の関数、及び、
円柱レンズ様に一方向のみの集束又は発散を付与する関
数のうちの0又は1又は複数の組み合わせ以外に、座標
に関して4次以上の成分をもつ関数であるように構成さ
れること。
(2) In the second optical element as described above, the phase transfer function representing the phase imparted to the incident light depending on the incident position is a linear function for imparting deflection, focusing of the entire beam, divergence, and spherical surface. An axially symmetric function that gives aberrations, and
A function having a fourth-order or higher-order component with respect to coordinates other than a combination of 0 or 1 or a plurality of functions that impart focusing or divergence only in one direction like a cylindrical lens.

【0028】(3) 第2光学素子は、所定の位相伝達
関数を実現する表面形状を有する反射鏡、又は所定の位
相伝達関数を実現する表面形状及び屈折率分布の少なく
とも一方を有する透過型光学素子により構成されるこ
と。ここで、所定の位相伝達関数を実現する表面形状を
有する光学素子は、具体的には前記表面形状の所定の基
準平面からの高さが一定となる境界線で前記表面形状が
不連続であり、境界線で区分される複数の領域内で表面
形状が連続であるように構成されること。
(3) The second optical element is a reflecting mirror having a surface shape that realizes a predetermined phase transfer function, or transmissive optics having at least one of a surface shape and a refractive index distribution that realizes a predetermined phase transfer function. Consist of elements. Here, the optical element having a surface shape that realizes a predetermined phase transfer function is specifically such that the surface shape is discontinuous at a boundary line where the height of the surface shape from a predetermined reference plane is constant. , The surface shape shall be continuous within the multiple areas separated by the boundary line.

【0029】(4) 第2光学素子は、所定の位相伝達
関数を実現する反射型又は透過型の回折型光学素子によ
っても構成することができる。この回折型光学素子は、
例えば2次以上の回折光を用い、利用する回折方向に回
折光の強度が集中するブレーズ格子によって形成され
る。
(4) The second optical element can also be constituted by a reflective or transmissive diffractive optical element that realizes a predetermined phase transfer function. This diffractive optical element
For example, it is formed by a blazed grating in which the intensity of the diffracted light is concentrated in the diffracting direction to be used by using the diffracted light of the second or higher order.

【0030】上記の第1光学装置においては、入射する
光ビームを第1光学素子に通過させてビーム形状を長方
形状又は楕円形状に整形し、更にビーム形状の整形に伴
い指向性が乱れた光ビームに対して第2光学素子により
指向性を付与する。通常はビーム形状が円形状で、かつ
光強度の分布が均一でない光源からの光ビームを第1及
び第2光学素子を通過させることにより、一般に長方形
状である液晶パネルなどの空間変調素子に対して、ビー
ム形状が空間変調素子の形状に近く、しかも強度分布が
一様化された光ビームを照射でき、従来と同じ光源を用
いても光の利用効率を向上することが可能となり、かつ
均一な明るさで空間変調素子を照明することができる。
また、従来より低い消費電力下で従来並の明るさと明る
さの均一性が達成される。従って、第1光学装置を投射
型液晶表示装置に適用すれば、性能向上や消費電力の低
減を図ることができる。
In the above first optical device, the incident light beam is passed through the first optical element to shape the beam shape into a rectangular shape or an elliptical shape, and the light whose directivity is disturbed as the beam shape is shaped. Directivity is given to the beam by the second optical element. A light beam from a light source, which usually has a circular beam shape and a non-uniform light intensity distribution, is passed through the first and second optical elements, so that a spatial modulation element such as a generally rectangular liquid crystal panel can be used. Therefore, it is possible to irradiate a light beam whose beam shape is close to that of the spatial light modulator and whose intensity distribution is uniform, and it is possible to improve the light utilization efficiency even when using the same light source as before The spatial modulation element can be illuminated with sufficient brightness.
In addition, the brightness and the uniformity of brightness comparable to the conventional one can be achieved under the power consumption lower than the conventional one. Therefore, if the first optical device is applied to the projection type liquid crystal display device, it is possible to improve performance and reduce power consumption.

【0031】本発明に係る第2光学装置は、所定の強度
分布を有する光ビームの光路中に配置され、その表面に
同心円状または渦巻状に形成された一定角度の斜面を持
つ溝を有する透光性基板からなる第1光学素子と、前記
第1光学素子を通過した光ビームの光路中に配置され、
入射される前記光ビームに指向性を付与する第2光学素
子とを具備することを特徴とする。
A second optical device according to the present invention is disposed in the optical path of a light beam having a predetermined intensity distribution, and has a transparent surface having a groove having a concentric circular surface or a spiral surface with a constant angle. A first optical element formed of a light-transmitting substrate, and arranged in an optical path of a light beam passing through the first optical element,
A second optical element that imparts directivity to the incident light beam.

【0032】第2光学装置においては、入射する光ビー
ムを透光性基板上に一定角度の斜面を持つ溝を同心円状
又は渦巻状に形成してなる第1光学素子により光ビーム
の強度分布を一様化し、更に第1光学素子を通過した光
ビームを指向性を付与して空間光変調素子に入射する。
すなわち、第1光学素子は基板表面に形成された溝によ
って光線を屈折させるプリズムの効果を生ずるため、入
射光ビームである光源系からの光ビームが中心付近に暗
点を持っていても、周辺部の光を中心部に移動させるこ
とで出射光ビームでは暗点が消えることになり、光強度
分布の一様化が可能となる。
In the second optical device, the intensity distribution of the incident light beam is controlled by the first optical element which is formed by forming grooves having slopes at a constant angle on the translucent substrate in a concentric or spiral shape. The light beam that has been made uniform and has passed through the first optical element is given directivity and is incident on the spatial light modulator.
That is, since the first optical element produces the effect of a prism that refracts light rays by the groove formed on the surface of the substrate, even if the light beam from the light source system that is the incident light beam has a dark spot near the center, By moving the partial light to the central part, the dark spots disappear in the emitted light beam, and the light intensity distribution can be made uniform.

【0033】更に、前記第1光学素子は立体形状により
光を屈折させるバルク状のプリズムと異なって、表面に
溝が加工された透光性基板からなり、非常に薄く作るこ
とが可能であることから、熱の放散が非常に良い。従っ
て、強力な冷却装置を必要とせず、冷却が容易である。
また、前記第1光学素子を光源系に存在する反射鏡の焦
点、つまり入射光ビームの集束位置近傍に設けても、熱
による破壊のおそれがないため、バルク状のプリズムを
用いた場合と比較して光の利用効率が向上する。なお、
2枚方式(1枚目で一様の強度分布を有する所望形状の
光ビームとし、2枚目で指向性を持たせる方式)は、焦
点位置近傍から光学素子を離して配置できるので、熱破
壊のおそれがなくなる。更に、第1光学素子の口径を大
きくしても厚さは同じでよいので、大口径でかつコンパ
クトなものを作ることができ、光学装置の小型化にも寄
与する。
Further, the first optical element is different from a bulk prism that refracts light due to its three-dimensional shape, and is made of a light-transmissive substrate having grooves formed on its surface, and can be made very thin. Therefore, the heat dissipation is very good. Therefore, a powerful cooling device is not required and cooling is easy.
Further, even if the first optical element is provided at the focal point of the reflecting mirror existing in the light source system, that is, near the focusing position of the incident light beam, there is no risk of destruction due to heat, so that it is compared with the case where a bulk prism is used. Then, the light utilization efficiency is improved. In addition,
The two-element method (a method in which the first element has a light beam of a desired shape that has a uniform intensity distribution and the second element has directivity) allows the optical element to be placed away from the vicinity of the focal point, which causes thermal destruction. There is no fear of. Furthermore, since the thickness of the first optical element may be the same even if the diameter of the first optical element is increased, a large diameter and compact size can be manufactured, which contributes to downsizing of the optical device.

【0034】更に、第2光学装置においては第1光学素
子を通過した光ビームを第2光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上するこ
とになる。
Further, in the second optical device, the light beam that has passed through the first optical element is passed through the second optical element to give directivity, whereby the light utilization efficiency is further improved.

【0035】本発明に係る第3光学装置は、所定のビー
ム形状及び強度分布を有する光ビームの光路中に前記光
ビームの光軸に垂直な面上で外側に向かうにつれて位相
伝達関数(位相が遅れる量)が直線的に減少又は増加す
る特性(例えば屈折率分布)を有する第1光学素子を配
置し、更に第1光学素子を通過した光ビームの光路中に
前記光ビームに指向性を付与する第2光学素子を配置し
て、これら第1及び第2光学素子を経て空間変調素子に
光ビームを導く構成とした。
According to the third optical device of the present invention, in the optical path of the light beam having a predetermined beam shape and intensity distribution, the phase transfer function (the phase shifts as the phase shifts toward the outside on the plane perpendicular to the optical axis of the light beam). A first optical element having a characteristic (for example, a refractive index distribution) in which the amount of delay decreases or increases linearly is arranged, and directivity is imparted to the light beam in the optical path of the light beam that has passed through the first optical element. The second optical element is arranged, and the light beam is guided to the spatial modulation element via the first and second optical elements.

【0036】第3光学装置においては、入射する光ビー
ムをその光軸に垂直な面上で外側に向かうにつれて位相
伝達関数が直線的に減少又は増加する特性を有する第1
光学素子により光ビームの強度分布を一様化し、更に第
1光学素子を通過した光ビームを指向性を付与して空間
光変調素子に入射する。すなわち、第1光学素子が位相
伝達関数の変化によりプリズムの効果をもつことによ
り、第2光学装置における第1光学素子と同様に、入射
光ビームが中心付近に暗点を持っていても、周辺部の光
を中心部に移動させることで出射光ビームでは暗点が消
え、光強度分布を一様化する効果が得られ、しかも位相
伝達関数を変化させた透光性基板によって非常に薄く作
ることが可能であることから、熱の放散が非常に良い。
In the third optical device, the phase transfer function linearly decreases or increases as the incident light beam goes outward on the plane perpendicular to the optical axis.
The intensity distribution of the light beam is made uniform by the optical element, and the light beam that has passed through the first optical element is incident on the spatial light modulation element with directivity. That is, since the first optical element has the effect of a prism due to the change of the phase transfer function, even if the incident light beam has a dark spot near the center, it does not affect the peripheral area as in the first optical element in the second optical device. By moving the light in the center to the center, the dark spots disappear in the emitted light beam, and the effect of making the light intensity distribution uniform is obtained, and it is made extremely thin by the translucent substrate with a changed phase transfer function. Because it is possible, the heat dissipation is very good.

【0037】従って、第3光学装置によれば、前記第1
光学素子を光源系に存在する反射鏡の焦点、つまり入射
光ビームの集束位置近傍に設けても、熱による破壊のお
それがないため、バルク状のプリズムを用いた場合と比
較して光の利用効率が向上する。更に、第1光学素子の
口径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でか
つコンパクトなものを作ることができ、光学装置の小型
化にも寄与する。また、第2光学装置と同様に、2枚方
式の場合には、焦点位置からずらした位置に光学素子を
配置できるので、光学素子の熱破壊のおそれがなくな
る。
Therefore, according to the third optical device, the first
Even if an optical element is provided in the focal point of a reflecting mirror existing in the light source system, that is, near the focus position of the incident light beam, there is no risk of damage due to heat, so use of light is greater than when a bulk prism is used. Efficiency is improved. Furthermore, since the thickness of the first optical element may be the same even if the diameter of the first optical element is increased, a large diameter and compact size can be manufactured, which contributes to downsizing of the optical device. Further, like the second optical device, in the case of the two-lens system, the optical element can be arranged at a position deviated from the focus position, so that there is no risk of thermal destruction of the optical element.

【0038】更に、第3光学装置においても第1光学素
子を通過した光ビームを第2光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上する。
Further, also in the third optical device, the light beam passing through the first optical element is passed through the second optical element to give directivity, whereby the light utilization efficiency is further improved.

【0039】本発明に係る第4光学装置は、所定の強度
分布を有する集束性光ビームの光路中の集束点近傍に配
置され、一定角度の斜面を持つ同心円状または渦巻状の
溝が形成された透光性基板を有する光学素子を具備する
ことを特徴とする。
The fourth optical device according to the present invention is arranged in the vicinity of the focusing point in the optical path of the converging light beam having a predetermined intensity distribution, and is formed with concentric or spiral grooves having slopes with a constant angle. An optical element having a transparent substrate is provided.

【0040】第4光学装置においては、第2光学装置に
おける第1光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第2光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。
In the fourth optical device, an optical element similar to the first optical element in the second optical device is arranged near the focusing point of the converging light beam and in front of the focusing point in the traveling direction of the light beam. Since the directivity can be improved and the light can be incident on the spatial light modulator without using the second optical element, it is possible to make the intensity distribution uniform and improve the light utilization efficiency.

【0041】本発明に係る第5光学装置は、所定の強度
分布を有する集束性光ビームの光路中の集束点近傍かつ
前記集束点より光ビームの進行方向前方に配置され、前
記光ビームの光軸に垂直な面上において前記光軸から外
側に向かうにつれて位相伝達関数が直線的に減少する特
性を有する光学素子を具備することを特徴とする。
The fifth optical device according to the present invention is arranged near the focusing point in the optical path of the converging light beam having a predetermined intensity distribution and in front of the focusing point in the traveling direction of the light beam. It is characterized by comprising an optical element having a characteristic that the phase transfer function linearly decreases from the optical axis toward the outside on a plane perpendicular to the axis.

【0042】第5光学装置においても、第3光学装置に
おける第1光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第2光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。
Also in the fifth optical device, by disposing an optical element similar to the first optical element in the third optical device near the focusing point of the converging light beam and in front of the focusing point in the traveling direction of the light beam, Since the directivity can be improved and the light can be incident on the spatial light modulator without using the second optical element, it is possible to make the intensity distribution uniform and improve the light utilization efficiency.

【0043】本発明に係る第6光学装置は、所定の強度
分布を有する集束性光ビームの光路中の集束点近傍かつ
前記集束点より光ビームの進行方向後方に配置され、前
記光ビームの光軸に垂直な面上において前記光軸から外
側に向かうにつれて位相伝達関数が直線的に増加する特
性を有する光学素子を具備することを特徴とする。
The sixth optical device according to the present invention is arranged near the focusing point in the optical path of the converging light beam having a predetermined intensity distribution and behind the focusing point in the traveling direction of the light beam. It is characterized by comprising an optical element having a characteristic that a phase transfer function linearly increases from the optical axis toward the outside on a plane perpendicular to the axis.

【0044】第6光学装置においても、第3光学装置に
おける第1光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向後方
に配置することにより、第2光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。
Also in the sixth optical device, by disposing an optical element similar to the first optical element in the third optical device near the focusing point of the converging light beam and behind the focusing point in the traveling direction of the light beam, Since the directivity can be improved and the light can be incident on the spatial light modulator without using the second optical element, it is possible to make the intensity distribution uniform and improve the light utilization efficiency.

【0045】以上説明したように本発明によれば、光源
から出射された光ビームのパワーを有効に、指向性を確
保しながら高い効率で、所望の形状、所望の強度分布を
持つ光ビームに整形することが実現できる。これによ
り、矩形或いは円形で均一な光ビームで液晶パネルを照
明でき、従来より光利用効率が高く、しかも画面内の明
るさが均一な良好な画質のディスプレイ装置が実現でき
る。すなわち、従来の装置における画面周辺が暗いとい
う欠点を解消し、更に従来と同じ消費電力で従来より明
るい画面の液晶投射型ディスプレイ装置が実現できる。
又は、従来と同じ明るさの画面を、従来より小さい消費
電力の装置で実現することができる。
As described above, according to the present invention, the power of the light beam emitted from the light source is effectively converted into a light beam having a desired shape and a desired intensity distribution with a high efficiency while ensuring the directivity. Can be shaped. This makes it possible to illuminate the liquid crystal panel with a rectangular or circular uniform light beam, which makes it possible to realize a display device with higher image utilization efficiency and better brightness than the conventional one, and with good image quality. In other words, it is possible to solve the disadvantage that the periphery of the screen is dark in the conventional device, and further realize a liquid crystal projection display device having a brighter screen than the conventional one with the same power consumption as the conventional one.
Alternatively, a screen having the same brightness as that of the related art can be realized by a device having lower power consumption than that of the related art.

【0046】また、本発明は白色光のみならずレーザ光
に対しても有効であり、円形の光ビームを均一な矩形ビ
ームに変換する手段を供給する。従って、本発明は、表
示装置に限らず、効率的に矩形領域を照明することの要
求される広い分野に適用可能であり、例えば光を用いた
演算、情報処理装置、画像処理装置などに適用した場合
にも、ディスプレイ装置と同様に消費電力の削減や、又
は照射強度の向上によってもたらされる性能の向上が効
果として得られる。
The present invention is effective not only for white light but also for laser light, and provides a means for converting a circular light beam into a uniform rectangular beam. Therefore, the present invention can be applied not only to the display device but also to a wide field that is required to efficiently illuminate a rectangular area. For example, the present invention can be applied to a calculation using light, an information processing device, an image processing device, and the like. Even in this case, similarly to the display device, reduction in power consumption or improvement in performance brought about by improvement in irradiation intensity can be obtained as an effect.

【0047】更に、本発明によれば光学素子を用いてビ
ーム断面の光強度分布において中心部に暗点を持つ光ビ
ームに対して暗点の除去が実現でき、光ビームの一様性
を向上することができる。しかも、本発明における光学
素子はバルク状の円錐レンズに比べ熱に対して破壊され
にくく、大きくて薄いものが作れるなど、設計上の自由
度が非常に高いため、大口径で光量が多くコンパクトな
光学装置を実現することが可能であるという利点を有す
る。
Further, according to the present invention, it is possible to realize the elimination of dark spots for a light beam having a dark spot at the center in the light intensity distribution of the beam cross section by using an optical element, and improve the uniformity of the light beam. can do. Moreover, the optical element of the present invention is less likely to be damaged by heat than a bulk-shaped conical lens, and has a large degree of freedom in design, such as being able to make a large and thin lens. It has the advantage that an optical device can be realized.

【0048】本発明の光学素子は、上記の光学素子にお
いて、出力光は、中心部が周辺部よりも明るいことを特
徴とする。また、同心円状又は渦巻状のいずれかの溝を
有し、前記溝は、前記光学素子に入射する光の光学素子
の入射面における光強度分布をLi (ri )、所望の面
上の光強度分布をLo (ro )とし、ri >rimaxの時
に、Li (ri )=0、ro >romaxの時に、Lo (r
o )=0とした場合に、
The optical element of the present invention is characterized in that, in the above-mentioned optical element, the output light is brighter in the central portion than in the peripheral portion. Further, it has either a concentric circular groove or a spiral groove, and the groove has a light intensity distribution Li (ri) on the incident surface of the optical element of the light incident on the optical element, and a light intensity on a desired surface. Let the distribution be Lo (ro), and if Ri> rimax, Li (ri) = 0, and if ro> romax, Lo (r
o) = 0,

【数3】 (Equation 3)

【0049】となるように、斜面の傾斜角が設定される
ことを特徴とする。
The inclination angle of the slope is set so that

【0050】本発明に係る光学素子は、表面に細かな溝
が切ってあるため、その溝によって光線が屈折されプリ
ズムの効果を生ずる。これにより、光源から来る光が中
心付近に暗点を持っていても周辺部の光を中心部に移動
させ、暗点を消すことが出来る。また、立体形状により
屈折を行なうバルク状のプリズムに比べて、本発明に係
る光学素子は、表面に施された加工によって屈折を行な
うため、立体的な形状を持つ必要がなく、非常に薄く作
ることが可能なため、熱の放散が非常に良い。また、口
径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でかつ
コンパクトなものを作ることが出来る。
Since the optical element according to the present invention has fine grooves formed on the surface thereof, light rays are refracted by the grooves and the effect of a prism is produced. Thereby, even if the light coming from the light source has a dark spot near the center, the light in the peripheral portion can be moved to the central portion to eliminate the dark spot. In addition, the optical element according to the present invention does not need to have a three-dimensional shape and is made extremely thin, as compared with a bulk prism that refracts by a three-dimensional shape, because the optical element according to the present invention refracts by processing applied to the surface. It is possible to dissipate heat very well. Further, even if the diameter is increased, the thickness may be the same, so that a large-diameter and compact one can be manufactured.

【0051】溝の斜面の傾斜角を光軸を中心として半径
毎に設定しているので、光学素子の半径方向における光
強度分布を自由に制御することができる。これによっ
て、中心の輝点を消すことができる。更に、目的の光強
度分布を得た後に入射する第2光学素子の溝斜面角度を
半径毎に設定しているので、半径方向における光ビーム
の指向性を自由に制御することができる。
Since the inclination angle of the inclined surface of the groove is set for each radius with the optical axis as the center, the light intensity distribution in the radial direction of the optical element can be freely controlled. With this, the central bright spot can be erased. Further, since the groove slope angle of the second optical element which is incident after the desired light intensity distribution is obtained is set for each radius, the directivity of the light beam in the radial direction can be freely controlled.

【0052】本発明の光学素子を使用した光学装置は、
所定の形状及び所定の強度分布を有する入射光を、一様
の強度分布を有する所望形状の出力光に変換する少なく
とも1つの第1光学素子を具備することを特徴とする。
出力光は、中心部が周辺部よりも明るいことを特徴とす
る。また、第1光学素子は、同心円状又は渦巻状のいず
れかの溝を有し、前記溝は、前記光学素子に入射する光
の光学素子の入射面における光強度分布をLi (ri
)、所望の面上の光強度分布をLo (ro )とし、ri
>rimaxの時に、Li (ri )=0、ro >romaxの
時に、Lo (ro )=0とした場合に、
An optical device using the optical element of the present invention is
It is characterized by comprising at least one first optical element for converting incident light having a predetermined shape and a predetermined intensity distribution into output light having a desired shape having a uniform intensity distribution.
The output light is characterized in that the central part is brighter than the peripheral part. Further, the first optical element has a concentric circular or spiral groove, and the groove has a light intensity distribution Li (ri) on the incident surface of the optical element of the light incident on the optical element.
), The light intensity distribution on the desired surface is Lo (ro), and ri
When Li (ri) = 0 when> rimax and Lo (ro) = 0 when ro> romax,

【数4】 [Equation 4]

【0053】となるように、斜面の傾斜角が設定される
ことを特徴とする。ここで、ri :入射光ビームの光軸
からの位置、rimax:光学素子の入射面の光軸から最も
離れた位置、ro :前記入射光ビームに対応する出力光
ビームの前記所望の面上の光軸からの位置、romax:前
記出力光ビームが到達可能な前記所望の面上の光軸から
最も離れた位置である。
The inclination angle of the slope is set so that Here, ri: position from the optical axis of the incident light beam, rimax: position farthest from the optical axis of the incident surface of the optical element, ro: on the desired surface of the output light beam corresponding to the incident light beam Position from optical axis, romax: The position farthest from the optical axis on the desired surface where the output light beam can reach.

【0054】なお、上記の光学装置において、前記一様
の強度分布を有する所望形状の光に所定の指向性を付与
するように、中心軸からの距離に応じて変化するような
角度の斜面を有する同心円状又は渦巻状のいずれかの溝
を有する少なくとも1つの第2光学素子を更に具備する
ことを特徴とする。
In the above optical device, an inclined surface having an angle that changes according to the distance from the central axis is provided so as to impart a predetermined directivity to the light of the desired shape having the uniform intensity distribution. It is characterized by further comprising at least one second optical element having either concentric or spiral grooves.

【0055】また、本発明の液晶投射型表示装置は、定
のビーム形状及び強度分布を有する光ビームを放射する
光源と、入射される前記光ビームのビーム形状を、一様
な強度分布を有する所望の形状に整形する少なくとも1
つの第1光学素子と、入射される整形された前記光ビー
ムに指向性を付与する第2光学素子と、前記指向性を付
与された光ビームを入射し、所望の画像を表示するため
に所定部分に光を通過させる液晶パネルと、前記液晶パ
ネルを通過した光を画像として表示するスクリーンとを
具備することを特徴とする。
Further, the liquid crystal projection type display device of the present invention has a light source which emits a light beam having a constant beam shape and intensity distribution, and a beam shape of the incident light beam which has a uniform intensity distribution. At least 1 to shape to desired shape
One first optical element, a second optical element that imparts directivity to the shaped light beam that is incident, and a light beam that has been imparted with the directivity are incident on the first optical element to display a desired image. It is characterized by comprising a liquid crystal panel which allows light to pass therethrough and a screen which displays the light passing through the liquid crystal panel as an image.

【0056】本発明の光学素子を適用した光学装置は、
上記のように大口径かつコンパクトな光学素子を使用す
ることにより、コンパクトで高性能なものとなる。
An optical device to which the optical element of the present invention is applied is
By using the large-diameter and compact optical element as described above, it becomes compact and high-performance.

【0057】[0057]

【発明の実施の形態】図面を参照して本発明の実施の形
態を説明する。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

【0058】(第1実施形態)図1は、本発明の第1実
施形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の構成を示す
図である。同図において、メタルハライドランプのよう
な光源101で発した光(白色光)は、回転放物面形状
の反射鏡102で反射され、ほぼ平行にコリメートされ
た光ビームになる。
(First Embodiment) FIG. 1 is a view showing the arrangement of an optical system of a projection type liquid crystal display device according to the first embodiment of the present invention. In the figure, the light (white light) emitted from a light source 101 such as a metal halide lamp is reflected by a reflecting mirror 102 having a paraboloid of revolution, and becomes a light beam collimated substantially in parallel.

【0059】この光ビームは、本発明に基づくビーム形
状の整形及び光強度分布の一様化を行う第1光学素子1
03と、指向性を付与する第2光学素子104を順次通
過することで、矩形状のビーム形状と一様の強度分布を
有し、かつ指向性の良好な光ビームに変換される。これ
ら第1及び第2光学素子103、104を通過した光ビ
ームは、赤色近辺の波長の光のみを透過するダイクロイ
ックミラー105と、緑色近辺の波長の光のみを透過
し、青色近辺の波長の光を反射するダイクロイックミラ
ー106とにより3色の成分に分解されると共に、コー
ルドミラー107も用いてそれぞれの波長成分に対応す
る画像を表示する液晶パネル108〜110により変調
される。
This light beam is the first optical element 1 for shaping the beam shape and uniformizing the light intensity distribution according to the present invention.
03, and the second optical element 104 that imparts directivity, are sequentially converted into a light beam having a rectangular beam shape and a uniform intensity distribution and good directivity. The light beams that have passed through the first and second optical elements 103 and 104 include a dichroic mirror 105 that transmits only light having a wavelength near red, and a light having a wavelength near green and light having a wavelength near blue. Is separated into three color components by the dichroic mirror 106 that reflects light, and is also modulated by the liquid crystal panels 108 to 110 that also display images corresponding to the respective wavelength components using the cold mirror 107.

【0060】液晶パネル108〜110によって変調さ
れた光は、コールドミラー111と、ダイクロイックミ
ラー112及び113とにより合成された後、投射レン
ズ114によりスクリーン115に投射され、スクリー
ン115上にカラー画像が表示される。スクリーン11
5は、透過型のものを用いる場合は投射装置と一体の装
置に組み込まれるが、反射型のものを用いる場合は投射
装置と一体の装置として構成されていてもよく、また独
立した単体のスクリーンを用いるための投射装置として
投射レンズまでを一体として構成されていてもよく、こ
れらの構成に限定されず、いずれの場合も本発明に含ま
れるものである。
The lights modulated by the liquid crystal panels 108 to 110 are combined by the cold mirror 111 and the dichroic mirrors 112 and 113, and then projected on the screen 115 by the projection lens 114 to display a color image on the screen 115. To be done. Screen 11
When a transmissive type is used, 5 is incorporated in a device integrated with the projection device, but when a reflective type is used, it may be configured as a device integrated with the projection device, or an independent single screen. The projection device for use may include a projection lens as a single unit, and the present invention is not limited to these configurations, and any case is included in the present invention.

【0061】また、光の利用効率の向上や、投射レンズ
の開口の小形化のため、液晶パネルの直後にフィールド
レンズを挿入する構成であってもよい。また、装置の小
形軽量化や低価格化などのため、3枚のパネルを用いず
にカラーフィルターを具備した単一の液晶パネルを用い
る単板式の構成であってもよく、パネルの数に限定され
ない。単板式の構成では、色分解や色合成のためのダイ
クロイックミラーやコールドミラーが不要であるため、
少ない部品で装置を構成できるという特徴がある。更に
空間光変調素子として透過型液晶パネルを用いている
が、反射型であってもよく、また、液晶ではなくマイク
ロミラーの配列などであってもよく、空間光変調素子の
方式に限定されるものではない。
Further, a field lens may be inserted immediately after the liquid crystal panel in order to improve the utilization efficiency of light and downsize the aperture of the projection lens. Further, in order to reduce the size and weight of the device and to reduce the cost, a single plate type configuration using a single liquid crystal panel equipped with a color filter may be used without using three panels, and the number of panels is limited. Not done. With the single-plate configuration, there is no need for dichroic mirrors or cold mirrors for color separation or color composition,
The feature is that the device can be configured with a small number of parts. Further, although a transmissive liquid crystal panel is used as the spatial light modulator, it may be of a reflective type or may be an array of micromirrors instead of the liquid crystal, and is limited to the system of the spatial light modulator. Not a thing.

【0062】なお、投射型に限らないが、液晶表示装置
では長方形状の液晶パネルを用いるので、第1光学素子
103は典型的にはビーム形状を長方形状に整形する。
Although not limited to the projection type, since the liquid crystal display device uses a rectangular liquid crystal panel, the first optical element 103 typically shapes the beam shape into a rectangular shape.

【0063】図2は、入射する光ビームのビーム形状の
整形と強度分布の一様化を行う第1光学素子103と、
指向性を付与する第2光学素子104の種々の配置例を
示す図である。
FIG. 2 shows a first optical element 103 which shapes the beam shape of an incident light beam and makes the intensity distribution uniform,
It is a figure showing various examples of arrangement of the 2nd optical element 104 which gives directivity.

【0064】図2(a)は平行に入射する光ビームに対
してビーム形状の整形及び強度分布の一様化と共に、光
ビームの進行方向を変える偏向を付与する透過型の光学
素子として構成された第1光学素子103と、指向性と
共に偏向を付与する透過型の光学素子として構成された
第2光学素子104とが配置されている。これは図1中
に示す第1及び第2光学素子103、104の配置と同
じである。
FIG. 2A is configured as a transmission type optical element which imparts a deflection to change the traveling direction of the light beam as well as shaping the beam shape and uniformizing the intensity distribution to the light beam incident in parallel. A first optical element 103 and a second optical element 104 configured as a transmissive optical element that imparts a deflection together with directivity are arranged. This is the same as the arrangement of the first and second optical elements 103 and 104 shown in FIG.

【0065】第1光学素子103は第2光学素子104
の位置での光ビームのビーム形状及び強度分布が所定の
形状及び分布となるように設計されている。一方、第2
光学素子104は、入射した光が指向性の良い光束とし
て出力されるように設計される。この例では、光学素子
103に入射する光と光学素子104から出射される光
の進行方向はいずれも平行であるが、必ずしも平行であ
る必要はない。また、第1及び第2光学素子103、1
04に偏向作用があるため、入射光と出射光の方向が異
なっている。このようにすると、第1及び第2光学素子
103、104が特に回折素子で構成される場合には、
格子パターンが縞状になるため、素子の設計や作製が容
易になるという特徴がある。
The first optical element 103 is the second optical element 104.
The beam shape and the intensity distribution of the light beam at the position are designed to have a predetermined shape and distribution. Meanwhile, the second
The optical element 104 is designed so that the incident light is output as a light beam with good directivity. In this example, the traveling directions of the light incident on the optical element 103 and the light emitted from the optical element 104 are parallel, but they do not necessarily have to be parallel. In addition, the first and second optical elements 103, 1
Since 04 has a deflection effect, the directions of incident light and emitted light are different. In this way, when the first and second optical elements 103 and 104 are composed of diffractive elements,
Since the lattice pattern has a striped shape, the device is easy to design and manufacture.

【0066】図2(b)〜図2(f)は、第1及び第2
光学素子103、104の他の配置例であり、第1光学
素子103がビーム形状の整形と強度分布の一様化の機
能を有し、第2光学素子104が指向性を付与する機能
を有する点は図2(a)と同様である。
FIGS. 2B to 2F show the first and second parts.
In another arrangement example of the optical elements 103 and 104, the first optical element 103 has a function of shaping the beam shape and uniformizing the intensity distribution, and the second optical element 104 has a function of giving directivity. The points are the same as in FIG.

【0067】これらのうち、図2(b)は、第1及び第
2光学素子103、104が偏向作用を持たず、光を直
進させる形態、図2(c)は第1及び第2光学素子10
3、104がいずれも偏向作用を持ち、光軸を屈折させ
る形態を示す。図2(d)は、第1及び第2光学素子1
03、104として反射型の素子を組み合わせた配置、
図2(e)は光学素子103を透過型の素子、光学素子
104を反射型の素子とし、図2(f)は逆に光学素子
103を反射型の素子、光学素子104を透過型の素子
とした例である。
Of these, FIG. 2B shows a mode in which the first and second optical elements 103 and 104 do not have a deflecting action and allow light to go straight, and FIG. 2C shows the first and second optical elements. 10
3 and 104 each have a deflecting action to refract the optical axis. FIG. 2D shows the first and second optical elements 1.
An arrangement in which reflective elements are combined as 03 and 104,
2E shows the optical element 103 as a transmissive element and the optical element 104 as a reflective element, and FIG. 2F shows the optical element 103 as a reflective element and the optical element 104 as a transmissive element. Is an example.

【0068】本発明は、第1及び第2光学素子103、
104の配置に対する自由度が高いことも特徴の1つで
あって、図2に示す配置に限定されるものではなく、同
様の機能を有する光学素子を配置した光学装置は本発明
に含まれる。また、装置全体の構成に合わせて、操作調
整等のし易さ、製造の容易さ、装置の小形化などに対す
る要請の軽重に合わせて、第1及び第2光学素子10
3、104の配置を選択することができる。
In the present invention, the first and second optical elements 103,
The high degree of freedom with respect to the arrangement of 104 is also one of the features, and the present invention is not limited to the arrangement shown in FIG. 2, and an optical device in which an optical element having a similar function is arranged is included in the present invention. Further, according to the configuration of the entire apparatus, the first and second optical elements 10 are adjusted in accordance with the easiness of operation adjustment and the like, the ease of manufacturing, and the lightness of demand for downsizing of the apparatus.
The arrangement of 3, 104 can be selected.

【0069】図3は、ビーム形状の整形と強度分布の一
様化を行う第1光学素子103と、指向性を付与する第
2光学素子104の配置の他の例を示す図である。これ
らの例は、図2では第1光学素子103の入射光が平行
光であったのに対して、入射光が集束光の場合を示して
おり、図3の配置例はそれぞれ図2のそれに対応してい
る。更に他の例としては、第1光学素子103の入射光
が発散光であってもよい。これらの入射光の状態によ
り、光学素子103の具体的な形態が図2の場合と異な
ってくる。
FIG. 3 is a diagram showing another example of the arrangement of the first optical element 103 for shaping the beam shape and uniforming the intensity distribution, and the second optical element 104 for giving directivity. In these examples, the incident light of the first optical element 103 is parallel light in FIG. 2, whereas the incident light is focused light, and the arrangement example of FIG. 3 corresponds to that of FIG. It corresponds. As still another example, the incident light of the first optical element 103 may be divergent light. The specific form of the optical element 103 differs from that of FIG. 2 depending on the state of these incident lights.

【0070】図3のような配置が用いられる光学装置で
は、光源から発せられた光はレンズ、反射鏡等により、
平行光にコリメートされるのではなく、集束又は発散さ
せられる。例えば反射鏡の形状が回転楕円体で、光源が
一方の焦点に位置しているとき、反射光はもう一方の焦
点に向かって集束する。この焦点より内側に光学素子を
置けば、入射光は集束光であり、外側に置けば発散光で
ある。また、レンズ、反射鏡等を用いず、光源からの発
散光がそのまま用いられる場合もある。
In the optical device using the arrangement as shown in FIG. 3, the light emitted from the light source is reflected by the lens, the reflecting mirror, etc.
Instead of being collimated into collimated light, it is focused or diverged. For example, when the shape of the reflecting mirror is a spheroid and the light source is located at one focal point, the reflected light is focused toward the other focal point. If the optical element is placed inside this focal point, the incident light is focused light, and if it is placed outside, it is divergent light. In addition, the divergent light from the light source may be used as it is without using a lens, a reflecting mirror, or the like.

【0071】上記のように集束光又は発散光を用いるこ
とにより、ビームの径を容易に拡大、縮小できるため、
使用する空間光変調素子と光源との兼ね合いで都合のよ
いように自由に構成することができる。なお、ビーム径
の拡大、縮小の機能は、第1光学素子103と第2光学
素子104によって実現することもできるので、少なく
とも一方の光学素子にこの機能を持たせることができ、
本発明はこの選択によって限定されない。
Since the diameter of the beam can be easily expanded or reduced by using the focused light or the divergent light as described above,
The spatial light modulator used and the light source can be freely configured to be convenient. Since the functions of expanding and contracting the beam diameter can be realized by the first optical element 103 and the second optical element 104, at least one of the optical elements can have this function.
The present invention is not limited by this choice.

【0072】図4は、ビーム形状の整形と強度分布の一
様化を行う第1光学素子103と、指向性を付与する第
2光学素子104の配置の更に別の例を示す図である。
これらの例は、図2及び図3では第2光学素子104の
出射光が平行光であったのに対して、集束光の場合を示
しており、図3はそれぞれ図2又は図3に対応してい
る。更に別の例として、第2光学素子104の出射光が
発散光であってもよい。これらの出射光の状態により、
光学素子104の具体的な形態が図2又は図3の場合と
異なってくる。また、第1光学素子103の入射光につ
いては、集束光が入射する場合を図示すが、発散光又は
平行光であってもよい。
FIG. 4 is a diagram showing still another example of the arrangement of the first optical element 103 for shaping the beam shape and uniformizing the intensity distribution, and the second optical element 104 for giving directivity.
In these examples, the emitted light of the second optical element 104 is parallel light in FIGS. 2 and 3, but it is the case of focused light, and FIG. 3 corresponds to FIG. 2 or FIG. 3, respectively. are doing. As yet another example, the light emitted from the second optical element 104 may be divergent light. Depending on the state of these emitted light,
The specific form of the optical element 104 differs from the case of FIG. 2 or FIG. As for the incident light of the first optical element 103, the case where focused light is incident is shown, but it may be divergent light or parallel light.

【0073】第2光学素子104からの出射光は、図示
されていない液晶パネルなどの空間光変調素子へ到達す
る。空間光変調素子は、入射面に所定の角度(例えば垂
直など)で光が入射した場合に最も良好な変調特性を発
揮するが、入射角度が所定の許容範囲内であれば十分な
特性が実現できる。光学素子104からの出射光の集束
又は発散の程度は、空間光変調素子の入射角度の所定の
許容範囲内になるように設定されなければならない。
The light emitted from the second optical element 104 reaches a spatial light modulator such as a liquid crystal panel (not shown). The spatial light modulator exhibits the best modulation characteristics when light is incident on the incident surface at a specified angle (for example, vertical), but sufficient characteristics are realized if the incident angle is within the specified tolerance range. it can. The degree of focusing or divergence of the light emitted from the optical element 104 must be set within a predetermined allowable range of the incident angle of the spatial light modulation element.

【0074】光学素子104からの出射光を集束又は発
散状態にすることの利点は、更にその先に続く光学系へ
の光の伝達が効果的になることである。すなわち、図1
に示される投射型液晶表示装置では、液晶パネル108
〜110を出た光が投射レンズ114を介してスクリー
ン115により多く到達することで明るい表示が得られ
る。そのためには、僅かに集束する光束を液晶パネル1
08〜110に照射する方がよい。液晶パネルの直後に
フィールドレンズを用いる方法もあるが、図4に示す例
のように光学素子104の出射光を集束状態にすると、
集束のための光学部品を省くことができるため、光学装
置をより簡易にかつ安価に実現できる。
The advantage of making the light emitted from the optical element 104 into a focused or divergent state is that the transmission of the light to the optical system that follows it becomes effective. That is, FIG.
In the projection type liquid crystal display device shown in FIG.
A large amount of light that has exited through 110 reaches the screen 115 via the projection lens 114, so that a bright display can be obtained. For that purpose, a light flux that is slightly focused is used for the liquid crystal panel 1.
It is better to irradiate 08 to 110. There is also a method of using a field lens immediately after the liquid crystal panel, but when the emitted light of the optical element 104 is focused as in the example shown in FIG.
Since the optical component for focusing can be omitted, the optical device can be realized more simply and inexpensively.

【0075】(第2実施形態)本発明の第2実施形態に
係る投射型液晶表示装置について説明する。本実施形態
は、光学系の構成は第1実施形態とほぼ同様であるが、
入射する光ビームのビーム形状の整形及び強度分布の一
様化を行う(第1の)光学素子103のみを用い、第1
実施形態で用いた指向性を付与する(第2の)光学素子
104を省略した方式で装置を構成している。
(Second Embodiment) A projection type liquid crystal display device according to a second embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the configuration of the optical system is almost the same as that of the first embodiment,
Using only the (first) optical element 103 that shapes the beam shape of the incident light beam and makes the intensity distribution uniform,
The apparatus is configured by a method in which the (second) optical element 104 that imparts the directivity used in the embodiment is omitted.

【0076】図5は、本実施形態に係る投射型液晶表示
装置におけるビーム形状の整形及び強度分布の一様化を
行う光学素子103と、液晶パネル108との関係を示
す図である。本実施形態において、単板式の場合、この
液晶パネル108はカラーフィルタを備えたものを用い
る。3板式の場合は、図1と同様に図示されないダイク
ロイックミラー、コールドミラー、及び3枚の液晶パネ
ル108〜110を用いて図1と同様の色分離、色合成
を行なう。いずれの場合も、光学素子103と液晶パネ
ル108との関係は同様のものであるため、発明の趣旨
を分かりやすくするために単一の液晶パネル108で代
表させて説明する。
FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the liquid crystal panel 108 and the optical element 103 that shapes the beam shape and uniformizes the intensity distribution in the projection type liquid crystal display device according to this embodiment. In the present embodiment, in the case of a single plate type, the liquid crystal panel 108 having a color filter is used. In the case of the three-plate type, the same color separation and color combination as in FIG. 1 are performed using a dichroic mirror, a cold mirror, and three liquid crystal panels 108 to 110, which are not shown, as in FIG. In any case, since the relationship between the optical element 103 and the liquid crystal panel 108 is the same, a single liquid crystal panel 108 will be representatively described in order to facilitate understanding of the gist of the invention.

【0077】第1実施形態では、第1光学素子103は
指向性を付与する第2光学素子104を設置する比較的
近い位置を所定位置として、この位置でのビーム形状及
び強度分布が所定の形状及び分布になるように設計され
ていた。これに対し、本実施形態における光学素子10
3は、液晶パネル108を設置する比較的遠い位置を所
定位置として、この位置でのビーム形状及び強度分布が
所定の形状及び分布になるように設計されている。この
ため、液晶パネル108には光が全面を効率良く均一に
照射されるが、指向性は必ずしも完全には確保されてい
ない。しかしながら、光学素子103から液晶パネル1
08までの距離が比較的大きいため、液晶パネル108
に入射する光ビームはある程度の指向性は有するように
なる。従って、液晶パネル108の空間光変調素子とし
ての特性が十分確保できる許容範囲の大きさと比較する
と、十分な照明特性が実現でき、良好な表示特性が得ら
れる。
In the first embodiment, the first optical element 103 has a predetermined position at a relatively close position where the second optical element 104 for giving directivity is set, and the beam shape and the intensity distribution at this position have a predetermined shape. And was designed to have a distribution. On the other hand, the optical element 10 in the present embodiment
3 is designed so that a relatively distant position where the liquid crystal panel 108 is installed is a predetermined position, and the beam shape and the intensity distribution at this position have a predetermined shape and distribution. For this reason, the liquid crystal panel 108 is efficiently and uniformly irradiated with light, but the directivity is not always ensured. However, from the optical element 103 to the liquid crystal panel 1
Since the distance to 08 is relatively large, the liquid crystal panel 108
The light beam incident on the beam has some directivity. Therefore, as compared with the size of the allowable range in which the characteristics of the liquid crystal panel 108 as a spatial light modulator can be sufficiently secured, sufficient illumination characteristics can be realized and good display characteristics can be obtained.

【0078】第2実施形態によると、先の実施形態のよ
うに指向性を付与する第2光学素子104を併用する方
式と比較して、液晶パネルに照射される光ビームの指向
性はやや劣るものの、第2光学素子104による光量の
損失を免れることができ、また部品点数を削減できるた
めに装置の小型軽量化、低価格化等に有利である。
According to the second embodiment, the directivity of the light beam with which the liquid crystal panel is irradiated is slightly inferior to the method of using the second optical element 104 which imparts the directivity as in the previous embodiment. However, since it is possible to avoid the loss of the light amount due to the second optical element 104 and the number of parts can be reduced, it is advantageous in reducing the size and weight of the device and reducing the cost.

【0079】(第3実施形態)本発明に係るビーム形状
の整形及び強度分布の一様化を行う第1光学素子と、指
向性を付与する第2光学素子の具体的な実現法(設計方
法)について説明する。なお、第1及び第2光学素子
は、共に類似の設計手法、類似の構成により実現される
ものであるため、両者を併せて説明する。
(Third Embodiment) A specific method of implementing the first optical element for shaping the beam shape and uniformizing the intensity distribution and the second optical element for imparting directivity according to the present invention (design method). ) Will be described. Since the first and second optical elements are both realized by a similar design method and a similar configuration, both will be described together.

【0080】第1及び第2光学素子のいずれも入射光の
代表的な波面に対して付与されるべき位相の進み遅れを
表わす位相伝達関数(又は素子表面の形状など)を最適
化の計算などにより決定し、これを実現する光学素子を
作製する。強度分布を変換する光学素子と、指向性を付
与する光学素子との違いの要因は、位相伝達関数又は素
子表面の形状などを決定する際の最適化の計算などにお
ける具体的な設定目標の違いから生ずる。しかし、いず
れの場合もその位相伝達関数は本発明において特徴的な
関数形であり、具体的には偏向を付与する一次関数、ビ
ーム全体の集束、発散、球面収差等を付与する軸対称の
関数、及び、円柱レンズ様に一方向のみの集束又は発散
を付与する関数のうちの0又は1又は複数の組み合わせ
以外に、座標に関して4次以上の成分をもつ関数であ
る。
Calculations for optimizing the phase transfer function (or the shape of the element surface, etc.) representing the lead or lag of the phase to be given to the representative wavefront of the incident light in both the first and second optical elements, etc. Then, an optical element that realizes this is manufactured. The cause of the difference between the optical element that converts the intensity distribution and the optical element that imparts directivity is the difference in the specific setting target in the optimization calculation when determining the phase transfer function or the shape of the element surface. Results from However, in any case, the phase transfer function is a characteristic function form in the present invention, and specifically, a linear function that imparts a deflection, an axisymmetric function that imparts focusing, divergence, spherical aberration, etc. of the entire beam. , And a function having a fourth or higher order component with respect to coordinates, in addition to a combination of 0 or 1 or a plurality of functions that give a focusing or divergence only in one direction like a cylindrical lens.

【0081】図6は、本実施形態に係る光学素子が透過
型光学素子201で構成される場合の原理を模式的に示
す図である。図6において、透過型光学素子201は入
射する光ビームのビーム形状の整形及び強度分布の一様
化を行う光学素子又は指向性を付与する光学素子であ
る。入射光202は起伏のある形状を有する光学素子2
01を通過する過程で位相の進み又は遅れが発生し、出
射光203の波面は曲面になる。この出射光203は、
波面の法線方向にエネルギーを伝搬する。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the principle of the case where the optical element according to the present embodiment is composed of the transmissive optical element 201. In FIG. 6, a transmissive optical element 201 is an optical element that shapes the beam shape of an incident light beam and uniformizes the intensity distribution, or an optical element that imparts directivity. The incident light 202 has an undulating optical element 2
In the process of passing through 01, a phase advance or delay occurs, and the wavefront of the emitted light 203 becomes a curved surface. This emitted light 203 is
Energy is propagated in the direction normal to the wavefront.

【0082】従って、出射光203の所定位置での強度
分布が所定の範囲内に収まるように(又は所定の範囲内
で均一になるように)光学素子201を設計すること
で、入射する光ビームのビーム形状の整形及び強度分布
の一様化を行う光学素子を設計することができる。ま
た、逆にその位置に置いた際の入射光に対して出射光の
波面が平面に近付くように光学素子201を設計するこ
とで、指向性を付与する光学素子を設計することができ
る。
Therefore, by designing the optical element 201 such that the intensity distribution of the emitted light 203 at a predetermined position falls within a predetermined range (or becomes uniform within a predetermined range), the incident light beam It is possible to design an optical element that shapes the beam shape and uniformizes the intensity distribution. On the contrary, by designing the optical element 201 so that the wavefront of the emitted light approaches a flat surface with respect to the incident light when placed at that position, the optical element that imparts directivity can be designed.

【0083】なお、実際の入射光はコヒーレントな光と
は限らず、多様な波数ベクトルを有する光線の集合体で
あるため、ここで説明したものより実際の動作は混入っ
た過程になるが、典型的な進行方向で代表させて設計す
ることで、良好な動作特性が確保できる。
The actual incident light is not always coherent light and is an aggregate of light rays having various wave number vectors. Good operating characteristics can be secured by designing in a typical traveling direction.

【0084】このような光学素子を透過型光学素子とし
て構成する場合、図6のように一様な屈折率の光学材料
の表面を所定の形状に加工して実現するのも一つの方法
であるが、素子の表面を平坦にし、素子内部に屈折率分
布を生じさせて同様の機能の光学素子を実現する方法も
ある。また、両面に起伏を形成させたり、屈折率分布と
表面形状の両方を用いて光学素子を実現することも可能
である。いずれの場合も、入射光と出射光を比較した際
に付与される位相の空間分布が、強度分布の変換又は指
向性の付与に寄与する。
When such an optical element is constructed as a transmissive optical element, one method is to process the surface of an optical material having a uniform refractive index into a predetermined shape as shown in FIG. However, there is also a method in which the surface of the element is made flat and a refractive index distribution is generated inside the element to realize an optical element having a similar function. It is also possible to form undulations on both sides, or to realize an optical element using both the refractive index distribution and the surface shape. In either case, the spatial distribution of the phase imparted when the incident light and the emitted light are compared contributes to the conversion of the intensity distribution or the impartation of directivity.

【0085】図7は、本実施形態に係る光学素子が反射
型光学素子211で構成される場合の原理を模式的に示
す図であり、表面形状(起伏)の作用による動作は図6
の例と同様である。なお、図示していないが、平面鏡の
表面に図6のような素子を張り付ける形状で構成するこ
とも可能である。この場合、往復の光路を光学素子内で
用いるので、表面の起伏は図6の場合より小さくてよ
い。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the principle of the case where the optical element according to the present embodiment is composed of the reflection type optical element 211, and the operation by the action of the surface shape (undulation) is shown in FIG.
Is the same as in the example. Although not shown in the figure, it is also possible to form the flat mirror with the element as shown in FIG. In this case, since the reciprocating optical path is used in the optical element, the undulation of the surface may be smaller than that in the case of FIG.

【0086】図8は、本実施形態に係る光学素子を透過
型の回折型光学素子221により実現する場合の一例を
示す図である。この場合において、光軸が偏向するよう
な構成にすると回折格子のパターンが縞状になり、素子
作成が容易になる場合もある。
FIG. 8 is a diagram showing an example of a case where the optical element according to this embodiment is realized by a transmissive diffractive optical element 221. In this case, if the configuration is such that the optical axis is deflected, the pattern of the diffraction grating may be striped, which may facilitate the element fabrication.

【0087】図9は、本実施形態に係る光学素子を反射
型の回折型光学素子231により実現する場合の一例を
示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing an example of a case where the optical element according to the present embodiment is realized by a reflection type diffractive optical element 231.

【0088】上記の図6〜図9に示すように、所定の波
面変換が生じる素子であれば、その実現手段は各種考え
られる。
As shown in FIG. 6 to FIG. 9 described above, if the element causes a predetermined wavefront conversion, various realizing means can be considered.

【0089】図6〜図9の例では光学素子が単体の素子
として実現されているが、反射鏡、プリズム、レンズ、
円柱レンズ等の他の光学素子と組み合わせて実現するこ
とも可能である。また、逆に厚いガラス素子の両面がそ
れぞれ強度分布を変換する光学素子、又は指向性を付与
する光学素子として機能するように構成することも可能
である。これらは光学素子として見掛上、異なる様相を
呈するものであるが、その趣旨とするところは同一であ
り、全て本発明に含まれる。
In the examples of FIGS. 6 to 9, the optical element is realized as a single element, but a reflecting mirror, a prism, a lens,
It can also be realized by combining with other optical elements such as a cylindrical lens. On the contrary, both sides of the thick glass element can be configured to function as an optical element that converts the intensity distribution or an optical element that imparts directivity. These appear as different optical elements in appearance, but the gist thereof is the same and all are included in the present invention.

【0090】次に、本実施形態に係る強度分布を変換す
る第1光学素子と、指向性を付与する第2光学素子の具
体的な設計法の一例について説明する。手法自体も考え
方も、光学素子の他の配置例に適用できるものである。
Next, an example of a specific design method of the first optical element for converting the intensity distribution and the second optical element for imparting directivity according to the present embodiment will be described. Both the method itself and the idea can be applied to other arrangement examples of the optical element.

【0091】図10は、本実施形態に係る光学装置にお
ける具体的な素子の配置の一例を示す図である。図10
において、メタルハライドランプのような光源101か
ら発した光は回転放物面形状の反射鏡102で反射さ
れ、ほぼ平行にコリメートされた光ビームになる。この
光ビームが第1光学素子103と、第2光学素子104
を順次通過することで、ほぼ一様で矩形の断面形状を有
する光強度分布の光ビームに変換されるように設計す
る。図10には、他に液晶パネル108、フィールドレ
ンズ116及びスクリーン115が示されているが、本
発明の特徴部分ではないので、説明は省略する。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a specific arrangement of elements in the optical device according to the present embodiment. Figure 10
At, the light emitted from a light source 101 such as a metal halide lamp is reflected by a reflecting mirror 102 having a paraboloid of revolution, and becomes a light beam collimated substantially in parallel. This light beam is emitted by the first optical element 103 and the second optical element 104.
Are designed to be converted into a light beam having a light intensity distribution having a substantially uniform and rectangular cross-sectional shape by sequentially passing through. FIG. 10 also shows the liquid crystal panel 108, the field lens 116, and the screen 115 in addition to these, but since they are not the characteristic parts of the present invention, description thereof will be omitted.

【0092】第1光学素子103の設計について説明す
る。第1光学素子103を通過する光線のうち、代表的
なものをサンプル光線として幾つかに選択する。図11
は第1光学素子103の面上のサンプル光線の位置を示
す図である。この例の場合、72本の光線を用いてい
る。反射鏡102の半径が45mm、また光源101で
あるメタルハライドランプの電極の影になって光の入射
しない領域が中心に半径5mmの領域として存在する。
この半径5mm〜45mmの間に同心円上にサンプルを
とっているが、本実施形態では、左右対称の系を想定し
ているので、右側半分にのみサンプルを設定した。
The design of the first optical element 103 will be described. Among the light rays that pass through the first optical element 103, some representative light rays are selected as sample light rays. Figure 11
FIG. 6 is a diagram showing the positions of sample rays on the surface of the first optical element 103. In this example, 72 rays are used. The radius of the reflecting mirror 102 is 45 mm, and the region where the light does not enter due to the shadow of the electrode of the metal halide lamp that is the light source 101 exists in the center with a radius of 5 mm.
Although the sample is taken on a concentric circle within the radius of 5 mm to 45 mm, in the present embodiment, a bilaterally symmetric system is assumed, so the sample is set only in the right half.

【0093】図12は、第2光学素子104の面上のサ
ンプル光線の到達すべき点、すなわち目標到達点を示す
図であり、対角線長が3×25.4mm(いわゆる3イ
ンチサイズ)で縦横比が3:4の液晶パネルを想定し、
この液晶パネルと同一形状・同一サイズの矩形内に、こ
れらの目標到達点を配置している。また、入射光の強度
分布はガウス形を仮定し、1/e2 半幅wと反射鏡10
2の半径Rは、R/W=0.7の関係があるものとし
た。この入射光強度分布がガウス形であることも考慮し
て、変換後の強度分布が画面全体に亘って均一になるよ
うに配置している。設計では、実際の到達点がこの目標
到達点に近付くように、第2光学素子104の位相伝達
関数を最適化する。
FIG. 12 is a diagram showing a point on the surface of the second optical element 104 that the sample light beam should reach, that is, a target reaching point. The diagonal line length is 3 × 25.4 mm (so-called 3 inch size). Assuming a liquid crystal panel with a ratio of 3: 4,
These target reaching points are arranged in a rectangle of the same shape and size as this liquid crystal panel. The intensity distribution of the incident light is assumed to be Gaussian, and 1 / e 2 half width w and the reflection mirror 10 are used.
The radius R of 2 has a relationship of R / W = 0.7. Considering that the intensity distribution of the incident light is Gaussian, the intensity distribution after conversion is arranged so as to be uniform over the entire screen. In the design, the phase transfer function of the second optical element 104 is optimized so that the actual reaching point approaches the target reaching point.

【0094】なお、第1光学素子103と第2光学素子
104の間隔は本実施形態では200mmとしたが、も
っと短くしても長くしても構わなく、光学素子の工作の
容易さや、装置寸法などの兼ね合いで設定すればよい。
Although the distance between the first optical element 103 and the second optical element 104 is 200 mm in this embodiment, it may be shorter or longer, and the optical element can be easily machined and the device size can be increased. It may be set in consideration of the above.

【0095】位相伝達関数φ(x,y)は、光学素子面
上の座標x、yの関数で、その位置において付加される
位相シフト量が2πφ(x,y)/λ(λ:入射光の波
長)と表わされるような関数として定義する。文献によ
って異なる係数が乗じられる定義が用いられる場合もあ
るが、首尾一貫して同じ定義を用いるのであれば、いず
れに従っても実質的な違いは生じない。光学素子の面に
垂直な方向にz軸をとって、以下の説明に用いる。
The phase transfer function φ (x, y) is a function of the coordinates x, y on the optical element surface, and the phase shift amount added at that position is 2πφ (x, y) / λ (λ: incident light The wavelength is defined as a function. Definitions that are multiplied by different coefficients may be used depending on the literature, but if the same definition is used consistently, there is no substantial difference in either case. The z-axis is taken in the direction perpendicular to the surface of the optical element and used in the following description.

【0096】位相伝達関数φ(x,y)で特徴づけられ
る光学素子のx、y点に入射する光の方向ベクトルを
(nx 、ny 、nz )とする。ただし、方向ベクトルの
長さは1とする。このとき、出射する光は、その出射方
向の方向ベクトルを(nx ′、ny ′、nz ′)とする
と、その成分nx ′、ny ′は、次式で与えられる。
The direction vector of the light incident on the points x and y of the optical element characterized by the phase transfer function φ (x, y) is (nx, ny, nz). However, the length of the direction vector is 1. At this time, when the direction vector of the emitted light is (nx ', ny', nz '), the components nx', ny 'are given by the following equations.

【0097】nx ′=nx +〓φ(x,y)/〓x ny ′=ny +〓φ(x,y)/〓x また、nz ′は方向ベクトルの長さ1という条件から求
まる。すなわち、位相伝達関数がφ(x,y)で表わさ
れる素子に対して入射するサンプル光線群が与えられる
と、それぞれの光線に対して出射光線が求められ、到達
点が求まる。
Nx '= nx + 〓φ (x, y) / 〓x ny' = ny + 〓φ (x, y) / 〓x Further, nz 'is obtained from the condition that the length of the direction vector is 1. That is, when a sample ray group incident on the element whose phase transfer function is represented by φ (x, y) is given, an outgoing ray is obtained for each ray and an arrival point is obtained.

【0098】所望の特性を実現するために必要な位相伝
達関数φ(x,y)を定めるのに、まず多くのパラメー
タC1 〜CM を含む関数形φ(x、y、C1 、…、CM
)を仮定して、所望の特性を最もよく実現するC1 〜
CM を求めることにする。具体的には、サンプル光線の
入射位置(xi 、yi )に対して、目標到達点の位置
(xi ′、yi ′)と実際の到達点(xi ″、yi ″)
との距離の2乗を計算し、サンプル光線すべてに亘って
の総和、すなわち、 S=Σ{(xi ′−xi ″)2 + (yi ′−yi
″)2 } (iはサンプル光線のそれぞれを表わす添字で、全ての
サンプル光線について和をとるものとする)を最小とす
るパラメータC1 〜CM の組み合わせを求める。この計
算は、一般的な統計計算と基本的に同じであり、通常の
最小2乗法のアルゴリズムに従えばよい。
In order to determine the phase transfer function φ (x, y) required to realize the desired characteristic, first, the function form φ (x, y, C1, ..., CM) including many parameters C1 to CM is used.
), C1 ~ that best achieves the desired characteristics.
Decide on CM. Specifically, with respect to the incident position (xi, yi) of the sample light beam, the position (xi ', yi') of the target reaching point and the actual reaching point (xi ", yi")
The square of the distance to and is calculated, and the total sum over all the sample rays, that is, S = Σ {(xi′−xi ″) 2 + (yi′−yi
″) 2 } (i is a subscript representing each of the sample rays, and is assumed to be the sum of all the sample rays). Find the combination of the parameters C1 to CM that minimizes this calculation. Is basically the same as the above, and a normal least squares method algorithm may be followed.

【0099】本実施形態では座標を直交座標から極座標
に変換し、r及びθの関数として表現した関数形を用い
た。直交座標との関係は、x=r×sinθ、y=r×
cosθで与えられる。このようにすることで、中心に
特異点のある場合などにも対応しやすく、また光軸の回
りの回転対称性についても見通しの良い考察ができるた
め、光軸の回りに強度の分布する光ビームについて取り
扱う際には都合のよい場合が多い。具体的な関数形を次
式に示す。なお、この式はcosのみを含んでいて、必
ず左右対称の関数になる関数形である。
In this embodiment, the function form is used in which the coordinates are converted from rectangular coordinates to polar coordinates and expressed as a function of r and θ. The relationship with Cartesian coordinates is x = r × sin θ, y = r ×
given by cos θ. By doing so, it is easy to deal with cases such as when there is a singular point in the center, and because it is possible to consider the rotational symmetry around the optical axis with good visibility, light with intensity distribution around the optical axis can be considered. It is often convenient to deal with beams. The concrete function form is shown in the following equation. It should be noted that this expression includes only cos and is a function form that always becomes a symmetrical function.

【0100】[0100]

【数5】 (Equation 5)

【0101】第2光学素子104の設計については、第
1光学素子103を設計した結果にしたがってサンプル
光線を追跡して得られる第1光学素子103上の点と第
2光学素子104上の点に対応関数を用い、光線を逆向
きに見て設計する。すなわち、第2光学素子104上の
点を通過した光線に対して、第1光学素子103上の対
応する点を目標到達点とするように第2光学素子104
を設計すればよい。
Regarding the design of the second optical element 104, the points on the first optical element 103 and the points on the second optical element 104, which are obtained by tracing the sample beam according to the result of designing the first optical element 103, are selected. Use the correspondence function to design the ray by looking in the opposite direction. That is, for the light ray that has passed through the point on the second optical element 104, the second optical element 104 is set so that the corresponding point on the first optical element 103 becomes the target reaching point.
Should be designed.

【0102】本実施形態の設計においては、第1光学素
子103と同じく式2に示す関数形を用いたが、光学系
の考察に基づいて他の関数形を用いても差支えない。そ
れぞれの素子に対して最適化の結果得られたパラメータ
の値を図13に示す。また、第1光学素子103及び第
2光学素子104について求められた位相伝達関数のプ
ロファイルを図14、図15に示す。
In the design of this embodiment, the function form shown in Expression 2 is used as in the first optical element 103, but other function forms may be used based on consideration of the optical system. The parameter values obtained as a result of optimization for each element are shown in FIG. 14 and 15 show the profile of the phase transfer function obtained for the first optical element 103 and the second optical element 104.

【0103】このようにして得られたφ(x,y)を実
現する光学素子を反射形光学素子として構成する場合
は、x、yを通過する光線がφ(x,y)なる距離分だ
け位相が遅れればよいので、垂直入射であれば座標
(x,y)なる点の深さがφ(x,y)/2となるよう
な曲面鏡を構成すればよい。また、同様のこの光学素子
をαなる角度で入射する光に対して用いるのであれば、
座標(x,y)なる点の深さがφ(x,y)/(2×c
osα)なる曲面鏡を構成すればよい。この場合、図1
4、図15の形状の上下対称の形に、起伏の方向に対し
て適当に倍率を掛けたような形状の光学素子になる。
When the optical element for realizing φ (x, y) thus obtained is constructed as a reflection type optical element, a ray passing through x and y is equal to φ (x, y). Since the phase may be delayed, a curved mirror may be configured so that the depth at the point of coordinates (x, y) is φ (x, y) / 2 for vertical incidence. If this similar optical element is used for light incident at an angle α,
The depth of the point with coordinates (x, y) is φ (x, y) / (2 × c
osα) may be configured as a curved mirror. In this case,
4. An optical element having a shape obtained by appropriately multiplying the shape of FIG.

【0104】また、位相伝達関数φ(x,y)を実現す
る光学素子を屈折形光学素子として構成する場合は、
x、yを通過する光線がφ(x,y)なる光路長分だけ
位相が遅れればよいので、一様な屈折率nの材料を用い
るのであれば座標(x,y)なる点の厚さの増減分がφ
(x,y)/(n−1)となるような曲面のレンズを構
成すればよい。この場合、図14、図15の形状に、起
伏の方向に対して適当に倍率を掛けたような形状の光学
素子になる。また、厚さdを一定として屈折率分布によ
り実現するのであれば、座標(x,y)なる点の屈折率
がφ(x,y)/dなるレンズを構成すればよい。
When the optical element that realizes the phase transfer function φ (x, y) is constructed as a refractive optical element,
Since the phase of the ray passing through x and y is delayed by the optical path length of φ (x, y), the thickness of the point of coordinates (x, y) is required if a material having a uniform refractive index n is used. Increase / decrease of φ
A lens having a curved surface such that (x, y) / (n-1) may be formed. In this case, the optical element has a shape obtained by appropriately multiplying the shapes shown in FIGS. 14 and 15 with respect to the undulation direction. If the thickness d is constant and the refractive index distribution is used, a lens having a refractive index of φ (x, y) / d at a point of coordinates (x, y) may be formed.

【0105】第1及び第2光学素子103、104を反
射形又は一様な屈折率の屈折形光学素子として構成する
と、起伏が大きくなるため、量産を想定すると必ずしも
有利とは限らない。屈折率分布を形成するのも量産を想
定すると必ずしも有利とは限らない。
If the first and second optical elements 103 and 104 are constructed as reflective optical elements or refractive optical elements having a uniform refractive index, the undulation becomes large, so that it is not always advantageous in mass production. Forming the refractive index distribution is not always advantageous in mass production.

【0106】これに対し、第1及び第2光学素子10
3、104を回折形光学素子として構成することで、量
産が容易になる場合が多い。その場合の設計を示すと、
波長λ0 の光に対して位相伝達関数φ(x,y)を実現
する光学素子は、φ(x,y)に対してλ0 間隔の等高
線を作図したパターンの回折光学素子を構成すればよ
い。
On the other hand, the first and second optical elements 10
It is often the case that mass production is facilitated by configuring 3, 104 as diffractive optical elements. The design in that case is shown below.
The optical element that realizes the phase transfer function φ (x, y) for the light of wavelength λ 0 may be a diffractive optical element having a pattern in which contour lines with an interval of λ 0 are drawn with respect to φ (x, y).

【0107】第1光学素子103及び第2光学素子10
4について求められた位相伝達関数の等高線を図16、
図17に示す。代表的な赤色の波長としてλ0 =630
nm間隔の等高線を作図するとピッチが小さすぎるた
め、100本毎に1本の割合で間引いて作図したものを
図16、図17では示している。これはフレネルレンズ
様のものであるが、円形を横長の4角形に変換するた
め、やや上下に潰れた偏平な曲線群になっている。ま
た、縦線の方向より対角線の方向へ分布が延びる必要か
ら、その方向で格子間隔が広く、長方形の角を丸めたよ
うな形に近い形状の閉曲線となっている。この形状が同
軸で円形を4角形に変換する際の特徴の現れ方の一例を
示している。ただし、本実施形態の場合、入射光の断面
積に比べて、液晶パネルのサイズが小さいため、全体と
してやや集束させる機能を第1光学素子が帯びている。
反対に発散される機能を帯びている場合は、対角線の方
向で格子間隔が狭く、ひし形に近い閉曲線となる。
First optical element 103 and second optical element 10
16, the contour lines of the phase transfer function obtained for 4 are shown in FIG.
It shows in FIG. Λ0 = 630 as a typical red wavelength
Since the pitch is too small when plotting contour lines at nm intervals, FIGS. 16 and 17 show thinned contour lines for every 100 lines. This is like a Fresnel lens, but since it transforms a circle into a horizontally long quadrangle, it is a flat curve group that is crushed slightly up and down. Further, since the distribution needs to extend in the diagonal direction from the direction of the vertical line, the lattice spacing is wide in that direction, and the shape is a closed curve having a shape similar to a shape with rounded corners of a rectangle. An example of how the features appear when this shape is coaxial and a circle is converted into a quadrangle is shown. However, in the case of the present embodiment, since the size of the liquid crystal panel is smaller than the cross-sectional area of the incident light, the first optical element has a slightly converging function as a whole.
On the other hand, when it has a divergent function, the lattice spacing is narrow in the direction of the diagonal line and the closed curve is close to a diamond.

【0108】また、光学素子が偏向機能を同時に担う場
合は、基本的に縞模様に変調がかかったようなパターン
となる。すなわち、用いられる配置により実際に形成さ
れるパターンは様々な様相を示すのである。しかしなが
ら、位相伝達関数に注目すると、いずれの場合も偏向機
能を表す成分や、全体の集束、発散を司るレンズ機能を
表す成分を除くと、ほぼ同様の形状の座標に関する4次
以上の成分を有する特徴的な関数形を示すものであり、
同様の成分を有する変形はいずれも本発明に含まれる。
ただし、偏向等の機能が組み合わせられた場合には、直
進の場合の位相伝達関数に、偏向を付加するための1次
関数を単純に足すだけでなく、付随的に発生する収差を
補正するために、多少の補正成分を加える方が、より高
い精度の強度分布変換が実現できる。
When the optical elements simultaneously perform the deflection function, the pattern basically has a striped pattern. That is, the pattern actually formed by the arrangement used shows various aspects. However, focusing on the phase transfer function, in any case, except for the component representing the deflection function and the component representing the lens function that controls the overall focusing and divergence, the phase transfer function has a fourth-order or higher-order component related to coordinates of almost the same shape. Shows a characteristic function form,
All variations having similar components are included in the invention.
However, when functions such as deflection are combined, not only is a linear function for adding deflection simply added to the phase transfer function in the case of straight travel, but also to correct incidental aberrations. In addition, the intensity distribution conversion with higher accuracy can be realized by adding some correction components.

【0109】本実施形態の効果を確認するため、光線追
跡によるシミュレーションを行った。
In order to confirm the effect of this embodiment, a simulation by ray tracing was performed.

【0110】図18は、シミュレーションにおいて第1
光学素子103に入射した光線の位置を示す図である。
強度分布に比例した密度で光線が分布していることが分
かる。
FIG. 18 shows the first simulation.
FIG. 3 is a diagram showing the position of a light ray that has entered the optical element 103.
It can be seen that the light rays are distributed at a density proportional to the intensity distribution.

【0111】図19は、図18のような入射光線が第1
光学素子103により偏向され、第2光学素子104に
至った際の光線の位置を示す図である。液晶パネルの形
状に相当する領域内に、ほぼ一様に分布しており、強度
分布の変換が有効に実現されていることが分かる。
FIG. 19 shows that the incident light beam as shown in FIG.
FIG. 5 is a diagram showing the position of a light beam when it reaches the second optical element 104 after being deflected by the optical element 103. It can be seen that the distribution of the intensity distribution is effectively realized because the distribution is almost uniform in the area corresponding to the shape of the liquid crystal panel.

【0112】図20は、第2光学素子104を出射した
光線が20cm伝搬した地点での光線の分布を示す。図
19と比較してほぼ同じ形状が保たれており、第2光学
素子104が光線の指向性を有効に実現していることが
分かる。
FIG. 20 shows the distribution of rays at the point where the rays emitted from the second optical element 104 propagated 20 cm. The shape is almost the same as that of FIG. 19, and it can be seen that the second optical element 104 effectively realizes the directivity of light rays.

【0113】これらの効果により、図から明らかなよう
に、パネル外へ照射される光が少ないので、光源のパワ
ーを有効に活用することができる。第1光学素子10
3、第2光学素子104を用いた光学系における光のロ
スを15%程度と考えても、これらを用いない場合と比
較して約1.2〜1.5倍の明るさが実現できる。この
値は、シミュレーションで光線の数が、光のエネルギー
に比例するように光線を分布させているので、これを計
算することにより得られる。なお、この値は、設計や素
子の配置、サイズに依存する。
With these effects, as is apparent from the figure, the light emitted to the outside of the panel is small, so that the power of the light source can be effectively utilized. First optical element 10
3. Even if the loss of light in the optical system using the second optical element 104 is considered to be about 15%, it is possible to realize a brightness that is about 1.2 to 1.5 times that of the case where these are not used. This value is obtained by calculating the number of rays in the simulation because the rays are distributed so that the number of rays is proportional to the energy of light. Note that this value depends on the design, the arrangement of elements, and the size.

【0114】光学素子を構成する際に、位相伝達関数に
波長毎に等高線を描いたパターンの場合、1次回折光が
所望の方向に回折する。この場合、隣接する等高線の間
で位相が1波長分(2πラジアン)だけずれる方向へ光
が偏向される。
When constructing an optical element, in the case of a pattern in which contour lines are drawn on the phase transfer function for each wavelength, the first-order diffracted light is diffracted in a desired direction. In this case, the light is deflected in a direction in which the phase shifts by one wavelength (2π radian) between the adjacent contour lines.

【0115】図21に、垂直に入射した光の偏向される
様子を示す。図21に示すように、回折による偏向角度
θは、sinθ=λ/pとなる。ここでλは波長、pは
格子ピッチである。本実施形態の場合、最小の格子ピッ
チは約5.7μmとなる。回折格子を形成する溝の形状
は、所望の方向以外へ光が漏れないようにとの条件で決
まる。1次回折光を利用する場合、溝の左端から右端へ
直線的に位相遅れが変化し、隣接溝で調度1波長分だけ
光路差がずれるようにすればよい。これは、図21に示
すような鋸歯状の形状で、高さhがλ/(n−1)とな
るような溝を形成すればよい。ここでnは光学素子材料
の屈折率である。なお、θが大きいときは、後述するよ
うに、h=λ/(n−cosθ)となる。
FIG. 21 shows how vertically incident light is deflected. As shown in FIG. 21, the deflection angle θ due to diffraction is sin θ = λ / p. Where λ is the wavelength and p is the grating pitch. In the case of this embodiment, the minimum grating pitch is about 5.7 μm. The shape of the groove forming the diffraction grating is determined under the condition that light does not leak in directions other than a desired direction. When using the first-order diffracted light, the phase delay may be linearly changed from the left end to the right end of the groove, and the optical path difference may be shifted by one wavelength in the adjacent groove. This may be formed in a sawtooth shape as shown in FIG. 21, and a groove having a height h of λ / (n−1) may be formed. Here, n is the refractive index of the optical element material. When θ is large, h = λ / (n-cos θ), as described later.

【0116】このとき、特定の波長については所望の偏
向を付与できるが、白色光のように広範囲の波長が含ま
れる場合には、波長によって偏向が大きく変わってしま
うという欠点がある。これを解決するために、高次回折
光を利用する方法がある。すなわち、隣接する溝でN波
長分だけ位相がずれるような方向へ偏向する光を利用す
るものがN次回折光を利用する構成である。このとき、
溝は格子ピッチ、深さともにN倍になる。
At this time, a desired deflection can be imparted to a specific wavelength, but when a wide range of wavelengths such as white light is included, there is a drawback that the deflection largely changes depending on the wavelength. In order to solve this, there is a method of using high-order diffracted light. In other words, the N-th order diffracted light is used to utilize light that is deflected in a direction in which the phase shifts by N wavelengths in adjacent grooves. At this time,
The grooves have N times both the grating pitch and the depth.

【0117】図22に高次回折光を利用する場合の溝形
状の変化を示す。3角溝の面の傾斜はh/p=sinθ
/(n−1)となる。傾斜が正確に作製できていればピ
ッチについては誤差が大きくてもよい、又はピッチに対
する制約は事実上なくなる。波長λ0 の光に対してN次
回折光を利用するように設計した場合、波長がλ=λ0
×N/(N+m)なる光に対しては、(N+m)次光が
所望の方向に、最大の回折効率で偏向される(m=±
1、±2、…)。また、それ以外の波長の光も、所望の
方向の近傍にパワーのほとんどが偏向される。Nが大き
いほど精度や効率が高くなるが、位相伝達関数の詳細な
構造が反映できなくなるので、必要な精度との兼ね合い
で実際の数字を定める。本実施形態の場合、Nとしては
8〜数100程度の範囲で十分な効果が期待できる。
FIG. 22 shows changes in groove shape when high-order diffracted light is used. The inclination of the surface of the triangular groove is h / p = sin θ
/ (N-1). If the slope can be manufactured accurately, the pitch may have a large error, or there is virtually no restriction on the pitch. When the N-th order diffracted light is designed to be used for the light of wavelength λ0, the wavelength is λ = λ0
For the light of × N / (N + m), the (N + m) -order light is deflected in the desired direction with the maximum diffraction efficiency (m = ±).
1, ± 2, ...). Most of the power of light of other wavelengths is also deflected in the vicinity of the desired direction. The larger N is, the higher the accuracy and efficiency are, but the detailed structure of the phase transfer function cannot be reflected. Therefore, the actual number is determined in consideration of the required accuracy. In the case of this embodiment, a sufficient effect can be expected when N is in the range of about 8 to several hundreds.

【0118】以上は本発明による光学素子を透過型の回
折格子として構成した場合の例であるが、反射型の回折
格子として構成する場合も凹凸が逆になり、起伏の縮尺
が変わる形でほぼ同様に光学素子が構成できる。
The above is an example of the case where the optical element according to the present invention is configured as a transmission type diffraction grating. However, when the optical element is configured as a reflection type diffraction grating, the unevenness is reversed and the scale of the undulation changes. Similarly, an optical element can be constructed.

【0119】また、Nが大きい場合の光学素子は、図6
又は図7で厚みの大きいところの面を光軸方向に順次ず
らしたような形状になる。すなわち、回折型光学素子と
してではなく、反射型光学素子又は屈折型光学素子とし
て光学素子を構成する場合を想定して設計された所定表
面形状に対し、所定の基準平面からの高さが一定となる
境界線で表面を分割し、一定の高さの分だけ平行に基準
平行側に平行移動したもの、又はその操作を繰り返した
ものと類似又は同じ形状が実現される。このような光学
素子は、境界線で区分される複数の領域内で表面形状が
連続した面を有する反射型又は透過型光学素子として見
ることができる。すなわち、Nの大きい回折型光学素子
として見る描像と比較すると、Nの大きさにより主観的
に自然な描像が変わるだけで、実質は同様なものであ
る。このようにすることで、光学素子の厚さが光学素子
面全体に亘ってほぼ一定になるため、材料が少なくて済
む。又は温度、湿度の変化に対して耐性が強いなどの利
点が得られる。
The optical element when N is large is shown in FIG.
Alternatively, in FIG. 7, a surface having a large thickness is sequentially shifted in the optical axis direction. That is, for a predetermined surface shape designed assuming that the optical element is configured not as a diffractive optical element but as a reflective optical element or a refractive optical element, the height from a predetermined reference plane is constant. The surface is divided by the boundary line and the parallel movement to the reference parallel side by a certain height is achieved, or a shape similar to or the same as that obtained by repeating the operation is realized. Such an optical element can be viewed as a reflective or transmissive optical element having a surface whose surface shape is continuous in a plurality of regions divided by boundaries. That is, as compared with the image viewed as a diffractive optical element with a large N, the subjective natural image changes depending on the size of N, but the image is substantially the same. By doing so, the thickness of the optical element becomes substantially constant over the entire surface of the optical element, so that the material can be reduced. Alternatively, advantages such as high resistance to changes in temperature and humidity can be obtained.

【0120】図23に境界線で区分される複数の領域内
で表面形状が連続した面を有する反射型又は透過型光学
素子の形状を示す。図23には、全体が連続した面を有
する光学素子150と、これと同じ機能を実現する区分
的に連続な面を有する光学素子151の面形状とを示
す。
FIG. 23 shows the shape of a reflective or transmissive optical element having a surface whose surface shape is continuous in a plurality of areas divided by boundaries. FIG. 23 shows an optical element 150 having a continuous surface as a whole and a surface shape of an optical element 151 having a piecewise continuous surface that realizes the same function.

【0121】(第4実施形態)図24は、本発明の第4
実施形態に係る投射型液晶表示装置における照明光学系
の構成を示す図である。
(Fourth Embodiment) FIG. 24 shows a fourth embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the structure of the illumination optical system in the projection type liquid crystal display device which concerns on embodiment.

【0122】メタルハライドランプのような光源101
から発した光は、回転楕円体形状の反射鏡102で反射
され、更に開口板130で周辺光が遮断されることによ
り整形される。開口板130の開口を通過した後の光路
で発散する光が第1光学素子103と第2光学素子10
4とで矩形の均一な光ビームに変換され、指向性が付与
される。本実施形態の装置の以降の構成は、3板式又は
単板式の前述した装置と同様である。なお、図24は、
第1及び第2光学素子103、104の位置及び相互間
の距離が異なる場合を示している。
Light source 101 such as metal halide lamp
The light emitted from is reflected by the spheroidal reflecting mirror 102, and is further shaped by blocking the ambient light by the aperture plate 130. The light diverging in the optical path after passing through the aperture of the aperture plate 130 is the first optical element 103 and the second optical element 10.
With 4, the light beam is converted into a rectangular uniform light beam, and directivity is imparted. The subsequent configuration of the device of this embodiment is the same as the above-described device of the three-plate type or the single-plate type. In addition, FIG.
The case where the positions of the first and second optical elements 103 and 104 and the distance between them are different is shown.

【0123】第4実施形態によると、開口板130の開
口径を小さく設定することで、より指向性のよい光ビー
ムにすることができる。したがって、本実施形態は指向
性のよい光ビームを必要とするモードの液晶パネルを用
いたり、高画質の表示特性を得たい場合に有利な構成で
ある。
According to the fourth embodiment, by setting the aperture diameter of the aperture plate 130 to be small, it is possible to obtain a light beam having better directivity. Therefore, the present embodiment has an advantageous configuration when a liquid crystal panel in a mode that requires a light beam having a good directivity is used or when it is desired to obtain high-quality display characteristics.

【0124】図25は、第1光学素子103の前にレン
ズ131を入れた場合の照明光学系の構成を示す図であ
る。
FIG. 25 is a view showing the arrangement of the illumination optical system when the lens 131 is inserted in front of the first optical element 103.

【0125】この場合、第1光学素子103は光を集束
させる機能を負う必要がないため、付加すべき偏向角
が、図24と比べて小さくなる。これにより、波長分散
の影響が軽減され、効率又は精度の高い光学系を構成す
ることができる。このように、第1光学素子103又は
第2光学素子104の受け持つ機能のうち、従来の一般
的な光学素子で受け持つことのできる機能を分離して、
その光学素子を組み合わせて用いることは、第4実施形
態に限らず一般的に可能である。
In this case, since the first optical element 103 does not need to have the function of focusing light, the deflection angle to be added becomes smaller than that in FIG. As a result, the influence of chromatic dispersion is reduced, and an optical system with high efficiency or accuracy can be constructed. In this way, among the functions that the first optical element 103 or the second optical element 104 takes, the functions that can be taken by a conventional general optical element are separated,
It is generally possible to use the optical elements in combination without being limited to the fourth embodiment.

【0126】この場合に、その一般的な光学素子は、第
1光学素子103の前後、第2光学素子104の前後の
いずれか、又は複数の場所に挿入すればよく、場所、枚
数については限定はない。その際の第1光学素子103
及び第2光学素子104は、その構成を前提として位相
伝達関数を最適化すれば、既に説明した実施形態におけ
るのと同様に設計することが可能であり、それらの変形
はすべて本発明に含まれるものである。
In this case, the general optical element may be inserted either before or after the first optical element 103, before or after the second optical element 104, or in a plurality of places, and the place and the number of sheets are limited. There is no. At that time, the first optical element 103
The second optical element 104 and the second optical element 104 can be designed in the same manner as in the above-described embodiment by optimizing the phase transfer function on the basis of the configuration, and all the modifications are included in the present invention. It is a thing.

【0127】(第5実施形態)図26は、本発明の第5
実施形態に係る投射型液晶表示装置における照明光学系
の構成を示す図である。図26において、メタルハライ
ドランプのような光源101から発した光は、回転楕円
体形状の反射鏡102で反射され、更に開口板130で
周辺光が遮断されることにより整形される。開口板13
0の開口を通過した後の光路で発散する光は、4つの光
学素子143〜146で略矩形の光ビームに変換され、
同時に指向性が付与される。本実施形態の装置の以降の
構成は、3板式又は単板式の前述の装置と同様である。
(Fifth Embodiment) FIG. 26 shows a fifth embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the structure of the illumination optical system in the projection type liquid crystal display device which concerns on embodiment. In FIG. 26, light emitted from a light source 101 such as a metal halide lamp is reflected by a spheroidal reflecting mirror 102 and further shaped by being blocked by ambient light by an aperture plate 130. Aperture plate 13
The light diverging in the optical path after passing through the 0 aperture is converted into a substantially rectangular light beam by the four optical elements 143-146,
At the same time, directivity is imparted. The subsequent configuration of the device of this embodiment is the same as that of the above-described device of the three-plate type or the single-plate type.

【0128】本実施形態の場合、光学素子143〜14
5の3つで先の実施形態における第1光学素子103が
構成され、光学素子146が先の実施形態における第2
光学素子104に相当する。又は見方を変えて、光学素
子143、144の2枚の構成で、先の実施形態におけ
る第1光学素子103が構成され、光学素子145、1
46で先の実施形態における第2光学素子104が構成
されていると考えてもよい。
In the case of this embodiment, the optical elements 143 to 14 are used.
The first optical element 103 in the previous embodiment is composed of three elements 5 and the optical element 146 is the second optical element in the second embodiment.
It corresponds to the optical element 104. Alternatively, from a different point of view, the first optical element 103 in the previous embodiment is configured with two optical elements 143 and 144, and the optical elements 145 and 1
It may be considered that 46 constitutes the second optical element 104 in the previous embodiment.

【0129】本実施形態における光学素子143、14
6では、位相伝達関数がyのみの関数となっており、光
学素子144、145はxのみの関数となっている。本
実施形態の場合、このように位相伝達関数が一方向に並
進対称性を持っているため、溝は平行な直線状となる。
従って、光学素子の作製が著しく容易になるという特長
を持っている。光学素子の数が増加するため、光ロスは
それだけ増えるが、安価で迅速に光学素子を開発、作製
できるという特長があり、特に普及型の製品において有
利であるという特長を有する。
The optical elements 143, 14 in this embodiment
6, the phase transfer function is a function of only y, and the optical elements 144 and 145 are functions of only x. In the case of the present embodiment, since the phase transfer function has translational symmetry in one direction as described above, the grooves are parallel straight lines.
Therefore, it has a feature that the production of the optical element becomes extremely easy. Although the number of optical elements increases, the optical loss increases by that amount, but it has an advantage that an optical element can be inexpensively and rapidly developed and manufactured, and is particularly advantageous in popular products.

【0130】本実施形態の変形としては、格子溝の方向
と光学素子の順序の組み合わせについての変形が考えら
れる。先のxのみの関数である位相伝達関数の光学素子
に入射する構成であってもよく、その後の順序も任意で
よい。また、溝方向も縦と横とに限らず、斜め方向が組
み合わせられていてもよい。更に、本実施形態の場合も
格子がそれぞれの光学素子として独立している必要は必
ずしもない。例えば、光学素子143、144は表裏に
溝の形成された単一の光学素子として実現されていても
よい。光学素子143、144間の距離が小さい場合に
は、実質的な部品点数削減の効果が期待できる。また、
光学素子面が減るので光のロスも軽減される。光学素子
143、144に限らず、任意の連続した回折格子面に
ついて、それらの回折格子を表裏二面に形成した部品と
して実現することは、本発明の趣旨を実現する実施形態
の一例であり、本発明に含まれるものである。
As a modification of this embodiment, a modification of the combination of the direction of the grating groove and the order of the optical elements can be considered. The structure may be such that it enters the optical element having the phase transfer function that is a function of only x, and the order thereafter may be arbitrary. Further, the groove direction is not limited to the vertical direction and the horizontal direction, and diagonal directions may be combined. Further, also in the case of this embodiment, the grating does not necessarily have to be independent as each optical element. For example, the optical elements 143, 144 may be realized as a single optical element having grooves formed on the front and back. When the distance between the optical elements 143 and 144 is small, the effect of substantially reducing the number of parts can be expected. Also,
Since the number of optical elements is reduced, light loss is also reduced. Not limited to the optical elements 143 and 144, it is an example of an embodiment for realizing the gist of the present invention to realize any continuous diffraction grating surface as a component in which those diffraction gratings are formed on the front and back surfaces. It is included in the present invention.

【0131】なお、以上の第1実施形態〜第5実施形態
では、矩形の液晶パネルに均一な強度の光を照射するよ
うに光学素子を設計したが、周辺が暗くなる投射レンズ
の特性に適合させて、予め周辺部が中心部よりやや明る
くなるように光学素子を設計してもよい。この場合、ス
クリーン上の明るさの均一性が一層向上する。設計に当
たっては、目標到達点の分布を周辺部で密度が高くなる
ように配置すればよい。又は、入射光の分布における周
辺強度の落ち込みを実際以上と仮定して設計しても、同
様の効果が得られる。
In the first to fifth embodiments described above, the optical element is designed to irradiate the rectangular liquid crystal panel with light of uniform intensity, but it is suitable for the characteristics of the projection lens where the periphery becomes dark. Then, the optical element may be designed in advance so that the peripheral portion is slightly brighter than the central portion. In this case, the uniformity of brightness on the screen is further improved. In designing, the distribution of the target reaching points may be arranged so that the density is high in the peripheral portion. Alternatively, the same effect can be obtained even if the design is performed assuming that the fall of the peripheral intensity in the distribution of the incident light is more than the actual one.

【0132】また、第1実施形態〜第5実施形態では矩
形の画面に最大の効果を持つように光ビームのビーム形
状を円形から矩形に変換したが、円形領域を一様な明る
さで照明する場合には、同心円状の格子パターンの組み
合わせで、所望のビーム形状を得ることができる。ま
た、3角形、5角形その他の任意のビーム形状に光ビー
ムを変形することも可能である。要するに、出射光ビー
ムが所望のビーム形状となるようにサンプル光線と目標
到達点を設定して設計すればよい。
Further, in the first to fifth embodiments, the beam shape of the light beam is converted from the circular shape to the rectangular shape so that the rectangular screen has the maximum effect, but the circular area is illuminated with uniform brightness. In this case, a desired beam shape can be obtained by combining concentric grating patterns. It is also possible to transform the light beam into a triangular shape, a pentagonal shape, or any other arbitrary beam shape. In short, the sample light beam and the target reaching point may be set and designed so that the outgoing light beam has a desired beam shape.

【0133】更に、第1実施形態〜第5実施形態では第
1及び第2光学素子をいずれも独立した光学素子として
説明したが、他の要素と組み合わせてもよい。例えば、
通常の投射型液晶表示装置では、可視光以外の光などの
不要な光を遮断する目的で、赤外線遮断フィルタや紫外
光遮断フィルタなどの不要光遮断フィルタが光源の後に
挿入されるのが一般的である。これらの不要光遮断フィ
ルタの表面や裏面に回折格子を形成したり、張り付けた
りすることで、本発明に係る光学素子の機能を併せ持つ
ように構成してもよい。又は逆の見方であるが、本発明
に係る光学素子の表面や裏面に、これらの不要光遮断フ
ィルタを形成しても良い。このような構成にすること
で、独立した素子として構成する場合と比較して光線の
通過する部品面が削減され、不要な光の反射が減るな
ど、光ロスを抑制することが可能になる。
Furthermore, in the first to fifth embodiments, both the first and second optical elements have been described as independent optical elements, but they may be combined with other elements. For example,
In a normal projection type liquid crystal display device, an unnecessary light blocking filter such as an infrared blocking filter or an ultraviolet light blocking filter is generally inserted after the light source for the purpose of blocking unnecessary light such as light other than visible light. Is. A diffraction grating may be formed or attached on the front surface or the back surface of these unnecessary light blocking filters so as to have the function of the optical element according to the present invention. Or, conversely, these unnecessary light blocking filters may be formed on the front surface and the back surface of the optical element according to the present invention. With such a configuration, it is possible to reduce light loss, such as reducing the number of component surfaces through which light rays pass and reducing unnecessary reflection of light, as compared with the case of configuring as an independent element.

【0134】(第6実施形態)図27は、本発明の第6
実施形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の構成を示
す図である。
(Sixth Embodiment) FIG. 27 shows a sixth embodiment of the present invention.
It is a figure which shows the structure of the optical system of the projection type liquid crystal display device which concerns on embodiment.

【0135】メタルハライドランプのような光源301
で発した光(白色光)は、回転楕円面形状の反射鏡30
2で反射され、この場合はほぼ一点に集束された集束性
光ビームとなる。この光ビームは、強度分布を一様化す
る機能を持つ光学素子303に導かれる。この光学素子
303を通過した光ビームは、集光レンズ304(図の
例では、シリンドリカルレンズ)304に入射され、強
度分布が一様化された平行ビームとなる。
Light source 301 such as metal halide lamp
The light (white light) emitted by the is reflected by the spheroidal reflector 30.
The reflected light beam is reflected at 2, and in this case, the focused light beam is focused at almost one point. This light beam is guided to the optical element 303 having a function of making the intensity distribution uniform. The light beam that has passed through the optical element 303 is incident on a condenser lens 304 (a cylindrical lens in the example in the figure) 304, and becomes a parallel beam with a uniform intensity distribution.

【0136】集光レンズ304を通過した光ビームは、
図1に示す第1実施形態と同様に赤色近辺の波長の光の
みを透過するダイクロイックミラー105と、緑色近辺
の波長の光のみを透過し、青色近辺の波長の光を反射す
るダイクロイックミラー106とにより3色の成分に分
解されると共に、コールドミラー107も用いてそれぞ
れの波長成分に対応する画像を表示する液晶パネル10
8〜110により変調され、更に液晶パネル108〜1
10により変調された光は、コールドミラー111と、
ダイクロイックミラー112、113とにより合成され
た後、投射レンズ114によりスクリーン115に投射
され、スクリーン115上にカラー画像が表示される。
The light beam that has passed through the condenser lens 304 is
As in the first embodiment shown in FIG. 1, a dichroic mirror 105 that transmits only light having a wavelength near red, and a dichroic mirror 106 that transmits only light having a wavelength near green and reflects light having a wavelength near blue. The liquid crystal panel 10 displays an image corresponding to each wavelength component by using the cold mirror 107 as well as being decomposed into three color components by
8 to 110, and further liquid crystal panels 108 to 1
The light modulated by 10 is transmitted to the cold mirror 111,
After being combined with the dichroic mirrors 112 and 113, they are projected onto the screen 115 by the projection lens 114, and a color image is displayed on the screen 115.

【0137】図28(a)は、光学素子303の中心
(光軸)を通る断面図である。この光学素子303は、
ガラス基板のような平面状の透明基板からなり、この基
板の一方の面上に一定角度θの斜面を持ち、かつ一定の
高さhを有する溝を同心円状又は渦巻状に形成したもの
である。この光学素子303はフレネルレンズと類似の
形状を持つが、光軸を通る一つの平面によってこの素子
を切ったときの断面形状に関して見た場合、切ってある
溝の角度θがほぼ一定になっている点に特徴を有する。
この光学素子303に入射する光ビームの光線は、図の
上部に描いた矢印に示すように屈折される。
FIG. 28 (a) is a sectional view passing through the center (optical axis) of the optical element 303. This optical element 303 is
A flat transparent substrate such as a glass substrate is formed, and a groove having a constant angle θ and a constant height h is formed on one surface of the substrate in a concentric or spiral shape. . This optical element 303 has a shape similar to that of a Fresnel lens, but when viewed with respect to the cross-sectional shape when the element is cut by one plane passing through the optical axis, the angle θ of the cut groove is almost constant. It is characterized by the fact that
The light beam of the light beam incident on the optical element 303 is refracted as shown by the arrow drawn at the top of the figure.

【0138】図29を参照して、この光学素子303の
作用を説明する。
The operation of the optical element 303 will be described with reference to FIG.

【0139】図27の光源301から発し、反射鏡30
2で反射された集束性光ビーム401は、ビーム中心部
に光源301の影による暗点402を有する。光学素子
303は溝により光線を屈折させ、プリズムと同様の効
果を持つため、入射する光ビーム401が中心部に暗点
402を持っていても、図29に示されるようにビーム
周辺部の光線を中心部に移動させ、出射する光ビーム4
03では暗点がなくなり、強度分布が比較的一様化され
る。
Light emitted from the light source 301 shown in FIG.
The focused light beam 401 reflected by 2 has a dark spot 402 due to the shadow of the light source 301 at the beam center. Since the optical element 303 refracts the light beam by the groove and has the same effect as that of the prism, even if the incident light beam 401 has a dark spot 402 at the center, as shown in FIG. The light beam 4
In 03, there are no dark spots and the intensity distribution is relatively uniform.

【0140】また、光学素子303は光ビーム401の
光路中に、光ビーム401の集束点Pの近傍で、かつ光
ビーム401の進行方向前方に配置される。このような
位置に光学素子303を配置すると、光学素子303を
通過した光ビーム403は分散してしまうことがなく指
向性を有するため、光の利用効率も向上する。
Further, the optical element 303 is arranged in the optical path of the light beam 401, in the vicinity of the focal point P of the light beam 401 and in front of the traveling direction of the light beam 401. When the optical element 303 is arranged at such a position, the light beam 403 that has passed through the optical element 303 is not dispersed and has directivity, so that the light utilization efficiency is also improved.

【0141】なお、この光学素子303を透過した光の
うち、入射側の光ビーム402の上半分の点411から
出た光線は、出射側の光ビーム403の点413に示さ
れるように光ビーム403の下半分に来るものがほとん
どであるが、点412を出て点414に到達する光線の
ように、僅かながら光ビーム403の上半分に到達する
ものもある。このため、出射側の光ビーム403を表わ
す2重円の内円404の内側においては、2種の指向性
を持った光が混在することになり、輝点が現れることに
なる。
Of the light transmitted through the optical element 303, the light beam emitted from the upper half point 411 of the incident side light beam 402 is the light beam as shown by the point 413 of the emission side light beam 403. Most come in the lower half of 403, but some may even slightly reach the upper half of light beam 403, such as rays exiting point 412 and reaching point 414. Therefore, inside the double circle inner circle 404 representing the light beam 403 on the exit side, two kinds of light having directivity are mixed, and a bright spot appears.

【0142】このように図27の光源301から発し、
反射鏡302で反射された集束性光ビーム401は、光
学素子303を通過することで、図29に示すようにビ
ーム中心部の暗点が消えた強度分布を有する光ビーム4
03に変換され、強度分布の一様性が向上する。
In this way, the light source 301 shown in FIG.
The converging light beam 401 reflected by the reflecting mirror 302 passes through the optical element 303, and as a result, as shown in FIG. 29, the light beam 4 having an intensity distribution in which the dark spot at the center of the beam disappears.
Is converted to 03, and the uniformity of the intensity distribution is improved.

【0143】図30及び図31は、光学素子303の入
射光ビーム401及び出射光ビーム403の強度分布を
示す図であり、強度に比例した密度で小さな点を打って
表わしたものである。図30に示されるように、図26
の回転楕円面反射鏡302により反射された光学素子3
03への入射光ビーム401の強度分布は、ビーム中心
から外側に向けて徐々に弱まっていくが、中心付近に光
源301の自身の影による暗点(点のない領域)が現れ
ている。この光ビーム401を上記の光学素子303に
入射させて光強度の再配分を行うと、出射光ビームは図
31に示すように周辺部の光線がビーム中心に寄せ集め
られることにより暗点が消え、代わりに輝点が現れる。
30 and 31 are diagrams showing the intensity distributions of the incident light beam 401 and the outgoing light beam 403 of the optical element 303, which are represented by marking small dots at a density proportional to the intensity. As shown in FIG.
Optical element 3 reflected by the spheroidal mirror 302 of
The intensity distribution of the incident light beam 401 on the light source 03 is gradually weakened from the center of the beam toward the outside, but a dark spot (a region without a point) due to the shadow of the light source 301 itself appears near the center. When the light beam 401 is made incident on the optical element 303 to redistribute the light intensity, the emitted light beam disappears because the peripheral light rays are gathered at the beam center as shown in FIG. , Instead, a bright spot appears.

【0144】図32は、図30及び図31を光軸中心を
通る一つの平面に沿って切った図であり、横軸は光軸中
心からの距離、縦軸は光強度を表す。図中、実線は光学
素子303への入射光ビーム(図30)、点線は光学素
子303からの出射光ビーム(図31)にそれぞれ対応
する。また、破線は光学素子303の代わりに従来技術
による錐体状プリズムを用いた場合の出射光ビームの強
度分布を表わしている。図32からも明らかなように、
本実施形態に係る光学素子303を用いることにより、
光ビームの光強度分布を再配分して強度分布の一様化を
図ることができることが分かる。
FIG. 32 is a view obtained by cutting FIGS. 30 and 31 along one plane passing through the center of the optical axis. The horizontal axis represents the distance from the center of the optical axis, and the vertical axis represents the light intensity. In the figure, the solid line corresponds to the incident light beam to the optical element 303 (FIG. 30), and the dotted line corresponds to the outgoing light beam from the optical element 303 (FIG. 31). The broken line represents the intensity distribution of the emitted light beam when a conical prism according to the conventional technique is used instead of the optical element 303. As is clear from FIG. 32,
By using the optical element 303 according to this embodiment,
It can be seen that the light intensity distribution of the light beam can be redistributed to make the intensity distribution uniform.

【0145】また、本発明の光学素子303は、従来技
術に基づくバルク状の円錐レンズに比べ、平面形状であ
るため熱の放散が良く、熱により破壊されにくい。ま
た、光学素子303は大きくて薄いものを作ることも容
易に可能であるため、装置の設計自由度が非常に高くな
る。従って、 (1) 光のパワーが一点に集中しない様な設計にする
ことにより熱破壊に更に強くなる。
Further, since the optical element 303 of the present invention has a planar shape as compared with the bulk-shaped conical lens based on the prior art, it dissipates heat well and is not easily destroyed by heat. In addition, since it is possible to easily make the optical element 303 to be large and thin, the degree of freedom in designing the device becomes very high. Therefore, (1) By designing the light power so that it is not concentrated at one point, it becomes even more resistant to thermal destruction.

【0146】(2) 指向性や照度の向上に重点をおい
た最適な設計が出来る。
(2) An optimum design can be made with an emphasis on improving directivity and illuminance.

【0147】(3) 薄くなるため光学素子を複数枚使
用してもさほど大きくならない。
(3) Since it becomes thin, it does not become so large even if a plurality of optical elements are used.

【0148】など、設計の自由度が上がることによる様
々な利点がある。
As described above, there are various advantages by increasing the degree of freedom in design.

【0149】次に、光学素子303の構成を更に詳しく
説明する。光学素子303は、溝のピッチ及び回折光が
所望の方向に回折するように選べば良い。すなわち、図
28に示すように垂直に入射した光線が光学素子303
によって角度θo だけ曲げられるようにするには、光の
波長をλ、光学素子303の溝のピッチをpとした場合
に、p・sinθo =λとなるようにpを決めれば良
い。溝の斜面の角度θは、光線が所望の角度に屈折され
るように決めれば良い。具体的には、図28に示すよう
に溝の斜面の角度をθとし、溝の斜面の高さをh、光学
素子303の構成材料(例えばガラス)の屈折率をnと
すると、n・cosθ=cos(θ−θo)より、h=
λ/(n−cosθo )となる。
Next, the structure of the optical element 303 will be described in more detail. The optical element 303 may be selected so that the groove pitch and the diffracted light are diffracted in a desired direction. That is, as shown in FIG.
In order to allow the light to be bent by an angle θo, p may be determined so that p · sin θo = λ, where λ is the wavelength of light and p is the pitch of the grooves of the optical element 303. The angle θ of the slope of the groove may be determined so that the light beam is refracted at a desired angle. Specifically, when the angle of the groove slope is θ, the groove slope height is h, and the refractive index of the constituent material (eg, glass) of the optical element 303 is n, as shown in FIG. 28, n · cos θ = Cos (θ−θo), h =
λ / (n-cos θo).

【0150】光学素子303において1次回折により光
を回折させた場合、特定の波長の光は所望の角度に曲が
るが、それから外れた波長の光は所望の角度に曲がらな
い。これでは白色光のように光学素子303への入射光
ビームに広範囲の波長が含まれる場合には不都合なの
で、このような問題が生じた場合には高次回折光を利用
しても良い。図33に、この様子を示す。1次、2次、
…、N次のいずれの次数に対しても、溝の斜面の角度θ
は同じである。
When light is diffracted by the first-order diffraction in the optical element 303, light having a specific wavelength bends to a desired angle, but light having a wavelength outside of that does not bend to a desired angle. This is inconvenient when the incident light beam to the optical element 303 includes a wide range of wavelengths such as white light. Therefore, when such a problem occurs, higher-order diffracted light may be used. This state is shown in FIG. Primary, secondary,
..., the angle θ of the slope of the groove for any of the Nth orders
Are the same.

【0151】また、従来の技術における円錐型プリズム
では集束性光ビームの集束点(光源の焦点)付近に配置
しなければならないのに対して、本実施形態に係る光学
素子303は、図29に示すように集束点から離した場
合においても、実際上光強度の再分配という点において
はほとんど性能が落ちないことが確認された。図34〜
図36に、この様子を示す。これら3つの図は光学素子
303を1枚用い、その出射光ビームのある中心軸に垂
直な一つの平面上における光強度を表している。横軸は
中心軸からの距離を表し、縦軸は光強度を表す。
Further, in the conventional conical prism, the optical element 303 according to the present embodiment is shown in FIG. 29, whereas the conical prism must be arranged near the focal point of the converging light beam (focal point of the light source). As shown in the figure, it was confirmed that even when the light was separated from the focal point, the performance did not substantially deteriorate in terms of redistribution of light intensity. 34-
This state is shown in FIG. These three figures show the light intensity on one plane perpendicular to the central axis of the emitted light beam using one optical element 303. The horizontal axis represents the distance from the central axis, and the vertical axis represents the light intensity.

【0152】図34は、図28中に示す溝の傾斜角θが
50°の場合、図35はθが55°の場合、図36はθ
が60°の場合であり、いずれも光学素子303を回転
楕円面反射鏡302から54.4mmの位置(この位置
は反射鏡302の焦点位置である)、又はそれから順次
離していった時(60〜90mm)のグラフが重ねて描
いてある。図34〜図36より、いずれの要件も重大な
影響を及ぼさないことが分かる。しかも、光学素子30
3を上記のように入射ビームの集束点つまり反射鏡30
2の焦点位置から離した場合、光のパワーが光学素子3
03上の一点に集中しないため、熱による歪み自体が起
こりにくく、より熱破壊に強いという利点が生じる。
FIG. 34 shows a case where the groove inclination angle θ shown in FIG. 28 is 50 °, FIG. 35 shows a case where θ is 55 °, and FIG.
Is 60 °, and in both cases, the optical element 303 is moved from the spheroidal reflecting mirror 302 at a position of 54.4 mm (this position is the focal position of the reflecting mirror 302) or sequentially away from the spheroidal reflecting mirror 302 (60 (-90 mm) is overlaid. It can be seen from FIGS. 34 to 36 that none of the requirements has a significant influence. Moreover, the optical element 30
3 is the focusing point of the incident beam, that is, the reflecting mirror 30 as described above.
When the light is moved away from the focal point position of 2, the optical power of the optical element 3
Since it is not concentrated on one point on 03, distortion itself due to heat is unlikely to occur, and there is an advantage that it is more resistant to thermal destruction.

【0153】図28(a)の光学素子303において
は、主に光線の屈折に用いられる方の斜面が内側から外
側に向かって素子の厚みが薄くなるように溝が形成され
ているが、この溝を構成する2種類の面のうち、光の屈
折に主に使われる角度θの傾斜を持った斜面を「第1
面」、中心軸と平行の面を「第2面」と呼ぶことにす
る。図37に示す光学素子303の例では、中心軸に対
して角度θ1 を持つ面が第1面、角度θ2 を持つ面が
「第2面」である。このとき、第2面については必ずし
も中心軸と平行になっている必要はない。また、第2面
に反射膜をつけたり、拡散面になるように処理を施して
も良い。
In the optical element 303 of FIG. 28 (a), a groove is formed so that the slope of the one mainly used for refracting a light beam becomes thinner from the inner side to the outer side. Of the two types of surfaces that make up the groove, the slope with the angle θ that is mainly used for refracting light is referred to as “first
The surface "and the surface parallel to the central axis will be referred to as the" second surface ". In the example of the optical element 303 shown in FIG. 37, the surface having the angle θ1 with respect to the central axis is the first surface, and the surface having the angle θ2 is the “second surface”. At this time, the second surface does not necessarily have to be parallel to the central axis. Further, a reflection film may be attached to the second surface, or a treatment may be performed so as to form a diffusion surface.

【0154】図38は、図28(a)の光学素子303
において第2面に傾斜をつける場合の状況を詳しく描い
た図である。
FIG. 38 shows the optical element 303 of FIG. 28 (a).
FIG. 3 is a diagram illustrating in detail a situation in which the second surface is inclined in FIG.

【0155】図38の左側において光線が素子を突き抜
ける位置と、図の右側において斜面の角度が示してある
位置とは、共に中心軸から半径rの位置であるとする。
光線Iと光線Oは、ある一点において集光した後、半径
r付近の第2面の近傍において屈折される2本の光線で
あり、光線Iは第2面よりわずかに内側、光線Oは僅か
に外側において屈折される。この状況で、図中の光線O
と光線Iとがどちらも第2面に交差しないためには、第
2面の傾斜角θ2 はθi <θ2 <θo を満たすように選
ぶべきである。ただし、θi とθo は半径rの関数であ
る。この関係を満たさない場合には、屈折された光線I
又は屈折される前の光線Oが第2面で屈折又は反射さ
れ、散乱されるため、光の利用効率が低下する。
It is assumed that the position on the left side of FIG. 38 where the light ray penetrates the element and the position on the right side of the drawing where the angle of the slope is shown are both located at the radius r from the central axis.
The rays I and O are two rays that are condensed at a certain point and then refracted in the vicinity of the second surface near the radius r. The ray I is slightly inside the second surface and the ray O is slightly Is refracted on the outside. In this situation, the ray O in the figure
In order that neither of the above and the light ray I intersect the second surface, the inclination angle θ2 of the second surface should be selected so as to satisfy θi <θ2 <θo. However, θi and θo are functions of the radius r. If this relationship is not met, the refracted ray I
Alternatively, the light ray O before being refracted is refracted or reflected by the second surface and scattered, so that the utilization efficiency of light decreases.

【0156】実際に設計を行う場合においては、θ2 は
θi <θ2 <θo を満たすように若干のマージンを考え
てθ2 =(θi +θo )/2のように選ぶことが望まし
い。しかし、半径rが小さい中心付近では、θi <0と
なってしまう。これでは素子の製作時に不都合が起こる
可能性があるため、0<θ2 <θo となるように修正を
加える。
In the case of actual design, it is desirable to select θ2 as θ2 = (θi + θo) / 2 with a slight margin taken into consideration so as to satisfy θi <θ2 <θo. However, θi <0 near the center where the radius r is small. This may cause inconvenience when manufacturing the device, so correction is made so that 0 <θ2 <θo.

【0157】図39に、光学素子303に形成される溝
の全体形状の種々の例を示す。
FIG. 39 shows various examples of the overall shape of the groove formed in the optical element 303.

【0158】図39(a)は溝を同じ中心を持ち大きさ
の異なる長方形状(矩形状)のループ、すなわち同心状
の複数の長方形状ループからなる多重ループ状に形成し
た例である。この場合、図39(a)の左側に示される
ビーム中心に暗点を持ちビーム形状が円形の入射光ビー
ムは、図39(a)の右側に示されるように暗点がなな
く、しかもビーム形状が矩形状の出射光ビームに変換さ
れ、強度分布の一様性が向上する。図39(a)の例で
は、出射光ビームの強度分布が一様化され、しかもビー
ム形状が矩形となるため、矩形の液晶パネルを用いる液
晶表示装置に適している。
FIG. 39A shows an example in which the groove is formed in a rectangular loop (rectangular shape) having the same center and different sizes, that is, a multiple loop shape composed of a plurality of concentric rectangular loops. In this case, an incident light beam having a dark spot at the beam center and a circular beam shape shown on the left side of FIG. 39A has no dark spot as shown on the right side of FIG. The emitted light beam having a rectangular shape is converted, and the uniformity of the intensity distribution is improved. In the example of FIG. 39 (a), the intensity distribution of the emitted light beam is made uniform, and the beam shape is rectangular, which is suitable for a liquid crystal display device using a rectangular liquid crystal panel.

【0159】図39(b)及び図39(e)は、溝を円
形の渦巻き状に形成した例を示す。この場合は、出射光
ビームのビーム形状は円形となるが、強度分布は一様化
される利点がある。
39 (b) and 39 (e) show an example in which the groove is formed in a circular spiral shape. In this case, the beam shape of the emitted light beam is circular, but there is an advantage that the intensity distribution is made uniform.

【0160】図39(c)は溝を楕円形状の渦巻状、す
なわち楕円形状の多重ループ状に形成した例を示す。こ
の場合には、出射光ビームの強度分布が一様化され、し
かもビーム形状が楕円形状となるため、長方形状の液晶
パネルを用いる通常の液晶表示装置に適用した場合、光
の利用効率が図39(a)、図39(b)又は図39
(e)に比較して向上する。特に、楕円の短軸と長軸の
比を液晶パネルの縦横比(例えば3:4又は9:16)
に一致させることにより、光の利用効率が一層向上する
という利点を有する。
FIG. 39 (c) shows an example in which the groove is formed in an elliptical spiral shape, that is, an elliptical multiple loop shape. In this case, the intensity distribution of the emitted light beam is made uniform and the beam shape is elliptical. Therefore, when it is applied to a normal liquid crystal display device using a rectangular liquid crystal panel, the light utilization efficiency is improved. 39 (a), FIG. 39 (b) or FIG.
Improved compared to (e). In particular, the ratio of the minor axis to the major axis of the ellipse is the aspect ratio of the liquid crystal panel (eg 3: 4 or 9:16).
By matching with, there is an advantage that the utilization efficiency of light is further improved.

【0161】図39(d)は4隅に丸みを持たせた長方
形状の多重ループ状に、すなわち長方形状の多重ループ
状に形成した例を示す。この場合には、出射光ビームの
強度分布が一様化され、しかもビーム形状が長方形状と
なるため、通常の液晶表示装置に適用した場合、光の利
用効率は図39(c)の例より更に向上する。この場合
においても、図39(c)と同様に、長方形の縦横比を
液晶パネルの縦横比(例えば3:4又は9:16)に一
致させることにより、光の利用効率がより向上すること
はいうまでもない。
FIG. 39 (d) shows an example in which it is formed in a rectangular multiple loop shape with rounded four corners, that is, in a rectangular multiple loop shape. In this case, the intensity distribution of the emitted light beam is made uniform and the beam shape is rectangular. Therefore, when applied to a normal liquid crystal display device, the light utilization efficiency is higher than that in the example of FIG. 39 (c). Further improve. Also in this case, as in the case of FIG. 39C, by making the aspect ratio of the rectangle match the aspect ratio of the liquid crystal panel (for example, 3: 4 or 9:16), it is possible to further improve the light use efficiency. Needless to say.

【0162】上記のように、光軸を通るある一平面の選
び方によって、その平面で切った時の断面の溝の斜面の
角度が異なったとしても、このような変形は全て本発明
に含まれる。
As described above, even if the angle of the inclined surface of the groove of the cross section when cut on the plane differs depending on how to select one plane passing through the optical axis, all such modifications are included in the present invention. .

【0163】なお、本実施形態では光学素子303の溝
を基板の入射面側に形成したが、出射面側に形成しても
よい。また、図28(a)においては溝の斜面が内側か
ら外側に向かって厚みが薄くなるように溝を形成した
が、逆に内側から外側に向かって厚みが厚くなるように
溝を形成してもよい。
Although the groove of the optical element 303 is formed on the incident surface side of the substrate in this embodiment, it may be formed on the exit surface side. Further, in FIG. 28 (a), the groove is formed so that the slope of the groove becomes thinner from the inner side to the outer side, but conversely, the groove is formed so that the thickness becomes thicker from the inner side to the outer side. Good.

【0164】更に、本実施形態では光学素子303を透
過型の素子として構成したが、反射型の素子として構成
することもできる。反射型の素子として構成する場合、
凹凸が逆になり、起伏の縮尺が変わる形でほぼ同様の光
学素子が構成できる。
Further, although the optical element 303 is constructed as a transmissive element in this embodiment, it may be constructed as a reflective element. When configured as a reflective element,
A substantially similar optical element can be constructed by inverting the irregularities and changing the scale of the undulations.

【0165】一方、スクリーンについては透過型のもの
を用いる場合は投射装置と一体の装置に組み込まれる
が、反射型のものを用いる場合は投射装置と一体の装置
として構成されていてもよく、また独立した単体のスク
リーンを用いるための投射装置として投射レンズまでを
一体として構成されていてもよい。また、光の利用効率
の向上や、投射レンズの開口の小形化のため、液晶パネ
ルの直後にフィールドレンズを挿入する構成であっても
よい。
On the other hand, when a transmissive screen is used, it is incorporated in a device integrated with the projection device, but when a reflective screen is used, it may be configured as a device integrated with the projection device. A projection lens may be integrally configured as a projection device for using an independent single screen. In addition, a field lens may be inserted immediately after the liquid crystal panel in order to improve light utilization efficiency and reduce the size of the projection lens aperture.

【0166】また、装置の小形・軽量化や低価格化など
のため、3枚のパネルを用いずにカラーフィルタを具備
した単一の液晶パネルを用いる単板式の構成であっても
よく、液晶パネルの数は特に限定されない。単板式の構
成では、色分解や色合成のためのダイクロイックミラー
やコールドミラーが不要であるため、少ない部品で装置
を構成できるという特徴がある。
In order to reduce the size, weight and cost of the device, a single plate type structure may be used in which a single liquid crystal panel equipped with color filters is used instead of three panels. The number of panels is not particularly limited. The single-plate configuration does not require a dichroic mirror or a cold mirror for color separation or color combination, and thus has a feature that the device can be configured with a small number of parts.

【0167】更に、空間光変調素子として透過型液晶パ
ネルを用いたが、反射型であってもよく、また液晶では
なくマイクロミラーの配列などであってもよく、空間光
変調素子の方式は特に限定されない。
Further, although the transmissive liquid crystal panel is used as the spatial light modulator, it may be a reflective liquid crystal panel or may be an array of micromirrors instead of the liquid crystal. Not limited.

【0168】メタルハライドランプのような光源301
で発した光(白色光)は、回転楕円面形状の反射鏡30
2で反射され、ほぼ一点に集光された集束性光ビームと
なるが、この集束性光ビームは回転楕円面形状の反射鏡
によらず、回転放物面状の反射鏡によって得られた平行
光をレンズによって集光して得ても良く、光源からの光
を集束性光ビームにする方法は特に限定されない。
A light source 301 such as a metal halide lamp
The light (white light) emitted by the is reflected by the spheroidal reflector 30.
It becomes a converging light beam that is reflected by 2 and condensed at almost one point, but this converging light beam is obtained by a rotating parabolic reflector instead of a spheroidal reflector. It may be obtained by condensing light with a lens, and the method of converting the light from the light source into a converging light beam is not particularly limited.

【0169】なお、以上では光学素子303として図2
8(a)に示すように焦点に対して光源から遠い側(集
束点より光ビームの進行方向前方)に設置した場合につ
いて詳しく述べたが、これと対称的に光学素子303を
焦点に対して光源に近い側(集束点より光ビームの進行
方向後方)に設置する構成をとることも可能である。
In the above description, the optical element 303 shown in FIG.
As shown in FIG. 8 (a), the case where the optical element 303 is installed on the side farther from the light source with respect to the focus (in front of the focal point in the traveling direction of the light beam) has been described in detail. It is also possible to adopt a configuration in which it is installed on the side close to the light source (backward in the traveling direction of the light beam from the focusing point).

【0170】このためには、図28(a)に示す光学素
子303に代えて図28(b)に示す光学素子303を
用いる。図28(b)の光学素子303は図28(a)
のものと溝のピッチpや溝の斜面の角度θの定め方は同
じであるが、図28(a)のものとちょうど裏返しの特
性を有することになる。そして、図28(b)の光学素
子303の光ビームに対する作用は、図29(b)に示
すものとなり、図28(a)の光学素子303を用いた
場合と同等の効果を奏する。また、図28(a)の光学
素子303を用いた場合の変形例は、図28(b)の光
学素子303についても適用できる。
For this purpose, the optical element 303 shown in FIG. 28B is used in place of the optical element 303 shown in FIG. The optical element 303 of FIG. 28B is the same as that of FIG.
The pitch p of the groove and the angle θ of the slope of the groove are the same as those of FIG. 28A, but have the characteristics of just inside out as those of FIG. 28A. Then, the action of the optical element 303 of FIG. 28 (b) on the light beam is as shown in FIG. 29 (b), and the same effect as in the case of using the optical element 303 of FIG. 28 (a) is obtained. Further, the modified example using the optical element 303 of FIG. 28A can be applied to the optical element 303 of FIG. 28B.

【0171】(第7実施形態)第6実施形態では、平面
状の基板上に一定角度の斜面を持ち、かつ一定の高さを
有する溝を同心円状又は渦巻状に形成して構成した光学
素子303を用いたが、これと同等の機能を位相伝達関
数の分布により実現してもよい。
(Seventh Embodiment) In the sixth embodiment, an optical element is formed by forming a groove having a constant angle on a flat substrate and having a constant height in a concentric or spiral shape. Although 303 is used, a function equivalent to this may be realized by the distribution of the phase transfer function.

【0172】図40の実線は本実施形態に係る光学素子
の特性を示す図であり、横軸は中心(光軸)からの距
離、つまり外周側に向かう距離を表し、縦軸は位相伝達
関数を表す。図40に示すように、本実施形態の光学素
子は中心から外周の方へ半直線を引いたとき、位相伝達
関数が徐々に減少する特性を有する。図27における光
学素子303に代えて、本実施形態の光学素子を用いた
場合にも、入射光ビームの光線は同じ様に屈折される。
The solid line in FIG. 40 is a diagram showing the characteristic of the optical element according to the present embodiment. The horizontal axis represents the distance from the center (optical axis), that is, the distance toward the outer peripheral side, and the vertical axis represents the phase transfer function. Represents As shown in FIG. 40, the optical element of the present embodiment has a characteristic that the phase transfer function gradually decreases when a half line is drawn from the center toward the outer circumference. Even when the optical element of this embodiment is used instead of the optical element 303 in FIG. 27, the rays of the incident light beam are similarly refracted.

【0173】以上、光学素子303を焦点に対して光源
から遠い側(集束点より光ビームの進行方向前方)に設
置した場合について説明したが、これと対称的に、光学
素子303を焦点に対して光源に近い側(集束点より光
ビームの進行方向後方)に設置する構成をとることも可
能である。このためには、図40の破線で示す特性を有
する光学素子303を用いる。すなわち、この場合の光
学素子303は、位相伝達関数が中心からの距離に従っ
て増加する特性を有する。
The case where the optical element 303 is installed on the side farther from the light source with respect to the focal point (in front of the focusing point in the traveling direction of the light beam) has been described above. It is also possible to adopt a configuration in which it is installed on the side closer to the light source (behind the focusing point in the traveling direction of the light beam). For this purpose, the optical element 303 having the characteristics shown by the broken line in FIG. 40 is used. That is, the optical element 303 in this case has the characteristic that the phase transfer function increases with the distance from the center.

【0174】なお、位相伝達関数の減少又は増加の割合
は、上記の半直線の選び方によって異なっていても良
い。すなわち、等位相伝達関数線は、円形でなく楕円形
や四角形、その他の形状であっても良い。この場合、光
に対し与える位相変化の増加する量が中心から周辺に向
けて半径に比例した量だけ増加又は減少するように加工
してある点がフレネルレンズと大きく異なる。
The rate of decrease or increase of the phase transfer function may differ depending on how to select the above half line. That is, the equiphase transfer function line may have an elliptical shape, a quadrangular shape, or another shape instead of a circular shape. In this case, the Fresnel lens is significantly different from the Fresnel lens in that it is processed so that the increasing amount of the phase change given to the light increases or decreases from the center toward the periphery by an amount proportional to the radius.

【0175】(第8実施形態)図41は、第8実施形態
に係る投射型液晶表示装置の光学系の構成を示す図で
あ、2枚の光学素子を用いている。同図において、メタ
ルハライドランのような光源501で発した光(白色
光)は、回転楕円面形状の反射鏡502で反射され、ほ
ぼ一点に集光された光ビームになる。この光ビームは、
第6又は第7実施形態で説明した光学素子303と同様
の構成からなる第1光学素子503を通過することで、
中心部の暗点が消え、強度分布が一様化された光ビーム
となる。
(Eighth Embodiment) FIG. 41 is a view showing the arrangement of an optical system of a projection type liquid crystal display device according to the eighth embodiment, which uses two optical elements. In the figure, the light (white light) emitted from a light source 501 such as a metal halide run is reflected by a reflecting mirror 502 having a spheroidal shape, and becomes a light beam that is condensed at almost one point. This light beam
By passing through the first optical element 503 having the same configuration as the optical element 303 described in the sixth or seventh embodiment,
The dark spot at the center disappears, resulting in a light beam with a uniform intensity distribution.

【0176】第1光学素子503により強度分布が一様
化された光ビームは、更に該光ビームの指向性を改善す
るための第2光学素子504を通過することで、第6及
び第7実施形態における2種の指向性を有する光線が光
学素子303の出射光ビームに混在することによる指向
性の悪化が改善され、輝点が抑圧されるという利点があ
る。
The light beam whose intensity distribution has been made uniform by the first optical element 503 further passes through the second optical element 504 for improving the directivity of the light beam, thereby performing the sixth and seventh embodiments. There is an advantage that the deterioration of the directivity due to the mixture of the light beams having two types of directivity in the form in the light beam emitted from the optical element 303 is suppressed and the bright spots are suppressed.

【0177】そして、第2光学素子504を通過した光
ビームは第1の集光レンズ505により集光され、液晶
パネル506に入射し、その後、第2の集光レンズ50
7により集光された後、絞り508を通過して投射レン
ズ509によって図示しないスクリーンに導かれる。
The light beam that has passed through the second optical element 504 is condensed by the first condenser lens 505 and is incident on the liquid crystal panel 506, and then the second condenser lens 50.
After being condensed by 7, the light passes through a diaphragm 508 and is guided to a screen (not shown) by a projection lens 509.

【0178】図42を参照して、本実施形態における第
1及び第2光学素子503、504の作用を説明する。
The operation of the first and second optical elements 503 and 504 in this embodiment will be described with reference to FIG.

【0179】図42に示すように、図41の光源501
から発し、反射鏡502で反射された集束性光ビーム6
01は、ビーム中心部に光源501の影による暗点60
2を有する。第1光学素子503は、第6実施形態で説
明したように溝により光線を屈折させ、プリズムと同様
の効果を持つため、入射する光ビーム601は中心部に
暗点602を持っていても、図42に示されるように第
1光学素子503によってビーム周辺部の光線が中心部
に集められる。この際、入射光ビーム601の最内周部
の光線611は光軸中心上に到達した地点612に第2
光学素子504を配置すると、第2光学素子504の出
射側では内周部の光線が光軸中心上を越えて、外周部か
ら到来した光線と重なり合うことを防ぐことができる。
As shown in FIG. 42, the light source 501 of FIG.
Focused light beam 6 emitted from the mirror and reflected by the reflecting mirror 502.
01 is a dark spot 60 due to the shadow of the light source 501 at the center of the beam.
2 As described in the sixth embodiment, the first optical element 503 refracts the light beam by the groove and has the same effect as the prism. Therefore, even if the incident light beam 601 has a dark spot 602 at the center, As shown in FIG. 42, the light rays in the peripheral portion of the beam are focused on the central portion by the first optical element 503. At this time, the innermost light ray 611 of the incident light beam 601 is secondly reflected at a point 612 reaching the center of the optical axis.
By disposing the optical element 504, it is possible to prevent the light rays on the inner peripheral portion on the emission side of the second optical element 504 from exceeding the center of the optical axis and overlapping with the light rays arriving from the outer peripheral portion.

【0180】すなわち、本実施形態では第6実施形態に
おいて図29のように光学素子303からの出射光ビー
ム403に見られた輝点が生ぜず、比較的より一層一様
化されることになる。
That is, in the present embodiment, the bright spots seen in the light beam 403 emitted from the optical element 303 in the sixth embodiment as shown in FIG. .

【0181】実際に、本実施形態の構成で図30に示す
ような入射光ビームに対する出射側のある地点における
中心軸に垂直な平面上における光ビームの光強度分布を
計算したところ、図43に示す結果が得られた。図43
中、横軸は中心からの距離、縦軸は光強度をそれぞれ表
す。また、図43中の実線は図30に示す入射光ビーム
の光強度分布、破線は光学素子503(第6実施形態の
光学素子303)のみが配置されている場合、点線は本
実施形態のように光学素子503、504が両方配置さ
れている場合の光強度分布をそれぞれ表す。この両者の
光学系の配置は基本的にほぼ同じである。この図43か
ら明らかなように、出射光ビームの中心部にはやや輝点
が出来るものの、光学素子503(303)のみを設け
た場合に比べ輝点の大きさは小さくなっており、より一
様性が向上しているといえる。
Actually, in the configuration of this embodiment, the light intensity distribution of the light beam on a plane perpendicular to the central axis at a certain point on the exit side with respect to the incident light beam as shown in FIG. 30 was calculated. The results shown were obtained. Figure 43
The middle and horizontal axes represent the distance from the center, and the vertical axis represents the light intensity. Also, the solid line in FIG. 43 indicates the light intensity distribution of the incident light beam shown in FIG. 30, the broken line indicates the case where only the optical element 503 (the optical element 303 of the sixth embodiment) is arranged, and the dotted line indicates the case of this embodiment. The light intensity distributions when both the optical elements 503 and 504 are arranged are shown in FIG. The arrangements of the two optical systems are basically the same. As is apparent from FIG. 43, although a bright spot is formed at the center of the emitted light beam, the size of the bright spot is smaller than that in the case where only the optical element 503 (303) is provided. It can be said that the characteristics are improving.

【0182】上記のように、本実施形態によれば新たに
第2光学素子504を追加したことにより、光ビームの
指向性が改善され、光の利用効率が向上するとともに、
輝点の大きさが抑圧され、より一層光強度分布を一様化
することができる。
As described above, according to the present embodiment, by adding the second optical element 504 newly, the directivity of the light beam is improved, the light utilization efficiency is improved, and
The size of the bright spots is suppressed, and the light intensity distribution can be made more uniform.

【0183】なお、図41では簡単のため単板式の液晶
表示装置を示すが、これまでの実施形態と同様に、3板
式の液晶表示装置にも第1及び第2光学素子を適用でき
ることはいうまでもない。また、本実施形態においては
本発明に基づく光学素子を2枚用いた場合について説明
したが、3枚以上用いてもよい。
41 shows a single plate type liquid crystal display device for the sake of simplicity, it can be said that the first and second optical elements can be applied to the three plate type liquid crystal display device as in the previous embodiments. There is no end. Further, although the case where two optical elements according to the present invention are used has been described in the present embodiment, three or more optical elements may be used.

【0184】更に、本発明は各種の光情報処理装置にも
適用でき、その場合は空間光変調素子を用いてもよい
し、空間光変調素子に代えて例えば格子状のマスクパタ
ーンを配置することもできる。
Furthermore, the present invention can be applied to various optical information processing apparatuses, in which case a spatial light modulator may be used, or a lattice mask pattern may be arranged instead of the spatial light modulator. You can also

【0185】(第9実施形態)図44は、第9実施形態
に係る光学装置の概略構成を示す図である。図44にお
いて、第9実施形態装置は、複数の光学素子((n−
1)個)を用いてほぼ一様な強度分布を有する所望形状
の光ビームを形成する。
(Ninth Embodiment) FIG. 44 is a view showing the schematic arrangement of an optical device according to the ninth embodiment. In FIG. 44, the device of the ninth embodiment includes a plurality of optical elements ((n-
1) is used to form a light beam having a desired shape having a substantially uniform intensity distribution.

【0186】図44において、光ビーム発生装置200
を発した光ビーム301は1枚目から(n−1)枚目ま
での光学素子203〜205を透過して、目的の光強度
分布を得るべき面210に達する。ここで、本発明の光
学素子は、例えば、図8に示す光学素子と同様な機能を
有する。
In FIG. 44, the light beam generator 200
The light beam 301 emitted from the laser beam passes through the first to (n-1) th optical elements 203 to 205 and reaches the surface 210 where the desired light intensity distribution is to be obtained. Here, the optical element of the present invention has the same function as the optical element shown in FIG. 8, for example.

【0187】すなわち、第9実施形態装置における光学
素子は、詳細な設定については後述(第11実施形態)
するが、入射位置に対応するターゲット面における出力
光の位置を設定して、その設定位置に出力光が到達する
ように、光学素子が、設計される。
That is, the optical element in the ninth embodiment will be described in detail later (11th embodiment).
However, the optical element is designed so that the position of the output light on the target surface corresponding to the incident position is set and the output light reaches the set position.

【0188】ここで、ターゲット面では、ほぼ一様の光
強度分布を有する所望の形状の出力光が得られる。ま
た、この場合の一様の光強度分布とは、例えば、ターゲ
ット面において、長方形の光の形状を考慮すると、周辺
部よりも中心部の方が明るい(例えば、中心部の明るさ
が周辺部の2〜3倍程度)場合を含む。
Here, on the target surface, output light of a desired shape having a substantially uniform light intensity distribution can be obtained. In addition, the uniform light intensity distribution in this case means that, for example, in the target surface, considering the shape of a rectangular light, the central portion is brighter than the peripheral portion (for example, the brightness of the central portion is peripheral. About 2 to 3 times).

【0189】図45は、第9実施形態の変形例を示す図
である。図45は、光学素子を複数でなく1枚のみで構
成した例である。複数の光学素子を用いた場合には、色
収差の補正が可能であることと、複数の光学素子の組合
せにより光の強度分布等の調整の自由度が大きくなるこ
とという利点を有するが、本変形例のように、1枚の光
学素子のみで構成することにより、光学装置の構成が簡
単になる。
FIG. 45 is a diagram showing a modification of the ninth embodiment. FIG. 45 shows an example in which the number of optical elements is not one but only one. The use of multiple optical elements has the advantage that chromatic aberration can be corrected and the degree of freedom in adjusting the intensity distribution of light is increased by combining multiple optical elements. As in the example, by configuring with only one optical element, the configuration of the optical device becomes simple.

【0190】(第10実施形態)図46は、第10実施
形態に係る光学装置の概略構成を示す図である。図46
の光学装置は、図44の光学装置において、ターゲット
面210の位置に入射光ビームに指向性(平行、集束又
は発散)を付与する光学素子206を追加している。
(Tenth Embodiment) FIG. 46 is a view showing the schematic arrangement of an optical device according to the tenth embodiment. Figure 46
In the optical device of FIG. 44, an optical element 206 that adds directivity (parallel, focusing, or divergence) to the incident light beam is added to the position of the target surface 210 in the optical device of FIG.

【0191】第9実施形態で述べたように、図44で
は、光学素子203〜205を透過した光は、指向性は
ないが、ターゲット面において、一様の光強度分布及び
所望の形状を有する。しかし、このままでは、例えば、
投射型の光学装置を使用する場合には、平行ビームのよ
うに指向性をもたせることが望ましい。そこで、一様の
強度分布で所望の形状を有する光ビームに指向性を持た
せるために光学素子206をターゲット面に配置するこ
とにより、所望の指向性(例えば平行)を有する光ビー
ムが得られる。
As described in the ninth embodiment, in FIG. 44, the light transmitted through the optical elements 203 to 205 has no directivity, but has a uniform light intensity distribution and a desired shape on the target surface. . However, as it is, for example,
When using a projection type optical device, it is desirable to have directivity like a parallel beam. Therefore, the optical beam having a desired directivity (for example, parallel) is obtained by arranging the optical element 206 on the target surface in order to give the light beam having a uniform intensity distribution and a desired shape a directivity. .

【0192】図47は、第10実施形態の変形例を示す
図である。図47は、一様の所望形状の光ビームを得る
ための光学素子を複数でなく1枚のみで構成した例であ
る。すなわち、図45のターゲット面に指向性を付与す
る光学素子を配置した例を示す図である。この場合も、
第9実施形態で述べたことと同じように、図46よりも
簡単な構成で、光学装置を構成することができる。
FIG. 47 is a diagram showing a modification of the tenth embodiment. FIG. 47 shows an example in which the number of optical elements for obtaining a light beam having a uniform desired shape is not one but a single optical element. That is, it is a diagram showing an example in which an optical element that imparts directivity is arranged on the target surface of FIG. 45. Also in this case,
As described in the ninth embodiment, the optical device can be configured with a simpler configuration than that of FIG.

【0193】なお、目的の光強度分布を得るべき平面を
光学素子206の位置より更に光ビーム発生装置から遠
い位置に設定する場合において、その位置で高い指向性
が要求される場合には、その指向性と光強度分布により
206上における指向性と光強度分布が決まるので、そ
れによって各光学素子の設計を行なうことができる。高
い指向性が要求されない場合には、指向性を付与するた
めの光学素子は、必要がなくなるので、第9実施形態と
同様の構成でよい。
When a plane for obtaining a desired light intensity distribution is set at a position farther from the light beam generator than the position of the optical element 206, if high directivity is required at that position, Since the directivity and the light intensity distribution on 206 are determined by the directivity and the light intensity distribution, it is possible to design each optical element. When high directivity is not required, the optical element for imparting directivity is not necessary, and thus the configuration similar to that of the ninth embodiment may be used.

【0194】図46及び図47では、光ビームが平行に
なるように指向性を付与する例を示したが、これに限ら
ず、光学素子206の透過後の光ビームの指向性は、光
ビームを構成する全ての光線が平行なものでなくてもよ
い。図48のように、ある1点を中心に広がっていく
(発散)ような指向性でもよいし、ある1点に向かって
集光する(集束)ような指向性でもよい。このような場
合には、光学素子206の透過後の中心軸に垂直な任意
の平面上における断面光強度分布は目的の分布形状であ
って、かつ、これが拡大または縮小された形状となって
いる。また、光学素子206透過後の光ビームの指向性
を故意に乱すこともできる。
46 and 47 show the example in which the directivity is given so that the light beams are parallel, the present invention is not limited to this, and the directivity of the light beam after passing through the optical element 206 is It is not necessary that all the rays of light that compose are parallel. As shown in FIG. 48, the directivity may be such that it spreads (diverges) around a certain point, or it may be the directivity that converges toward a certain point (focus). In such a case, the cross-sectional light intensity distribution on an arbitrary plane perpendicular to the central axis after passing through the optical element 206 has a desired distribution shape and has an expanded or reduced shape. . Further, the directivity of the light beam after passing through the optical element 206 can be intentionally disturbed.

【0195】設計の際、光ビーム発生装置から出て、1
枚目の光学素子に達する前の各光線は、全ての光線が一
点に集光する以外には、どの二つを取ってもお互いに交
わることがないという条件で設計を行う。例えば、図4
9のように点光源とみなせる光源から発した光線を反射
鏡などで導いたような光ビームはこの条件を満たす。こ
の条件は、実際には厳密に成立しているわけではない
が、近似的に成立するような系では有効である。
When designing, exit from the light beam generator and set 1
Each ray before reaching the first optical element is designed under the condition that it does not intersect with any two rays except that all the rays converge at one point. For example, in FIG.
A light beam obtained by guiding a light beam emitted from a light source that can be regarded as a point light source with a reflecting mirror such as 9 satisfies this condition. Although this condition is not strictly satisfied in reality, it is effective in a system that is approximately satisfied.

【0196】(第11実施形態)第11実施形態では、
本発明に係る光学素子の具体的な設計方法を述べる。図
50は、第11実施形態に係る光学装置の概略構成を示
す図である。本実施形態装置は、基本構成は、図47の
装置と同様であるが、光源を点状の光源としている。
(Eleventh Embodiment) In the eleventh embodiment,
A specific design method of the optical element according to the present invention will be described. FIG. 50 is a diagram showing a schematic configuration of the optical device according to the eleventh embodiment. The device of this embodiment has the same basic configuration as the device of FIG. 47, but uses a point light source as the light source.

【0197】入射面及び出射面での光線の位置決めを説
明する。
Positioning of light rays on the entrance surface and the exit surface will be described.

【0198】中心軸対称な系を考え、その中心軸上に点
光源300があるとする。光源を発した任意の一本の光
線301について考える。この光線が1枚目の光学素子
203の中心から半径x2 の位置に入射して、2枚目の
光学素子206上の中心から半径x3 の位置に到達する
場合を考える。1枚目の光学素子203上の実際の光強
度分布をLi (x2 )とする。2枚目の光学素子206
上でLo (x3 )の光強度分布を得たい場合、x2 とx
3 に関して
It is assumed that the point light source 300 is located on the central axis of a system symmetrical about the central axis. Consider an arbitrary ray of light 301 emanating from a light source. Consider a case where this light beam enters the position of radius x2 from the center of the first optical element 203 and reaches the position of radius x3 from the center on the second optical element 206. Let Li (x2) be the actual light intensity distribution on the first optical element 203. Second optical element 206
To obtain the light intensity distribution of Lo (x3) above, x2 and x
Regarding 3

【数6】 (Equation 6)

【0199】の関係が成り立てば目的の光強度分布を得
ることができる。ただし、x2max、x3maxはx2 、x3
の最大値である。点光源からの光線と中心軸との成す角
度を1として、光源の輝度分布をI (θ1 )とすると、
上式は
If the relationship of is established, the desired light intensity distribution can be obtained. However, x2max and x3max are x2 and x3
Is the maximum value of. Assuming that the angle between the ray from the point light source and the central axis is 1, and the luminance distribution of the light source is I (θ1),
The above formula is

【数7】 (Equation 7)

【0200】と表すことができる。Lo (x')=const、
ただしLo (x')=0(|x'|> x3max)の場合は、
It can be expressed as Lo (x ') = const,
However, when Lo (x ') = 0 (| x'|> x3max),

【数8】 (Equation 8)

【0201】この式を解いてx3 をθ1 によって表すこ
とができる。
By solving this equation, x3 can be represented by θ1.

【0202】次に、光線経路の決定方法を説明する。Next, a method of determining a ray path will be described.

【0203】1枚目と2枚目の素子において、光ビーム
の入射側面にはグレーティングが施されていないものと
する。素子の断面図を図51に示す。図52により方程
式を立てると、x2 は x2 =(z2-z1-d2)tan θ1 + d2・tan(sin -1(sinθ1/n
)) と、θ1 により表せる。また、θ2 は、 (z3-z2-d3)tan θ2 =x3-x2-d3 ・tan(sin -1(sinθ2/n
)) をθ2 で解くことによって得られる。x2 が1により表
せるので、θ2 もθ1 により決まることになる。素子の
厚み、つまりd2 、d3 が十分小さい場合には、この式
は、 θ2 = tan -1{(x3-x2)/(z3-z2)} となる。更に θ3 =0 である。
In the first and second elements, the incident side surface of the light beam is not grating. A cross-sectional view of the device is shown in FIG. According to the equation shown in Fig. 52, x2 is x2 = (z2-z1-d2) tan θ1 + d2 · tan (sin -1 (sin θ1 / n
)) And θ1. Also, θ2 is (z3-z2-d3) tan θ2 = x3-x2-d3 ・ tan (sin -1 (sin θ2 / n
)) Is solved by θ2. Since x2 can be represented by 1, θ2 is also determined by θ1. When the element thickness, that is, d2 and d3, is sufficiently small, this formula becomes θ2 = tan -1 {(x3-x2) / (z3-z2)}. Furthermore, θ3 = 0.

【0204】以上、θ1 に対するx2 、θ2 、x3 及び
θ3 が決まった。
As described above, x2, θ2, x3 and θ3 with respect to θ1 are determined.

【0205】光学素子の溝斜面角の決定を行う。1枚目
と2枚目の光学素子の各々光ビームの出射側に同心円上
の溝をつけ、半径x2 、x3 でのこの溝の傾斜角度を、
溝の法線ベクトルが中心軸に対し外側に成す角度でΘ2
(x2 )、Θ3 (x3 )と表す。1枚目の素子に入射角
θ1 で入射した光線が出射角θ2 で出射するとき、Θ2
は、
The groove slope angle of the optical element is determined. A concentric groove is formed on the light emitting side of each of the first and second optical elements, and the inclination angle of this groove at radii x2 and x3 is
Θ2 is the angle that the normal vector of the groove makes outside the center axis.
(X2) and Θ3 (x3). When a ray incident on the first element at the incident angle θ1 exits at the outgoing angle θ2, Θ2
Is

【数9】 [Equation 9]

【0206】と決まる。また、Θ3 はIt is determined that Also, Θ3 is

【数10】 [Equation 10]

【0207】と決まる。It is determined that

【0208】上記のようにして、本発明に係る光学素子
が設計される。
The optical element according to the present invention is designed as described above.

【0209】実際の設計例を図53〜図55に示す。図
53は、光学素子を2枚用いた場合の、点光源からの出
射角と到達位置の設計例を示す図であり、図54及び図
55は、それぞれ、図53における1枚目の光学素子及
び2枚目の光学素子の設計例を示す図である。
Actual design examples are shown in FIGS. 53 is a diagram showing a design example of the emission angle from the point light source and the arrival position when two optical elements are used, and FIGS. 54 and 55 are the first optical element in FIG. 53, respectively. It is a figure which shows the example of a design of the 2nd optical element.

【0210】(第12実施形態)図56は、本発明の光
学素子を2枚用いた場合の液晶投射型表示装置の光学系
の構成を示す図である。
(Twelfth Embodiment) FIG. 56 is a diagram showing the structure of an optical system of a liquid crystal projection display device when two optical elements of the present invention are used.

【0211】図56において、メタルハライドランプの
ような光源201で発した光(白色光)は、回転楕円面
形状の反射鏡202で反射され、ほぼ一点300に集光
された光ビームになる。この光ビームは、強度分布を変
換する光学素子203を通過することで中心部の暗点が
消えた一様な光強度分布の断面形状を有する光ビームに
変換される。そのあと、この強度分布形状が整形された
光ビームは、当該光ビームの指向性を改善する光学素子
206を通過することで、平行光線になるように指向性
を改善する。この光ビームは集光レンズ213により集
光され液晶パネル215に入射する。その後再び第2の
集光レンズ216により集光され、絞り218を通過し
て投射レンズ219によりスクリーンに導かれる。
In FIG. 56, the light (white light) emitted from the light source 201 such as a metal halide lamp is reflected by the spheroidal reflecting mirror 202, and becomes a light beam condensed at approximately one point 300. This light beam is converted into a light beam having a uniform cross-sectional shape of light intensity distribution in which the dark spot in the center part disappears by passing through the optical element 203 for converting the intensity distribution. After that, the light beam whose intensity distribution shape is shaped passes through the optical element 206 that improves the directivity of the light beam, thereby improving the directivity so as to become parallel rays. This light beam is condensed by the condenser lens 213 and enters the liquid crystal panel 215. After that, the light is condensed again by the second condenser lens 216, passes through the diaphragm 218, and is guided to the screen by the projection lens 219.

【0212】このように、本発明に係る光学素子を2枚
用いることにより、主に、光学素子を透過した光の強度
分布の一様化と指向性の改善を図ることができる。ま
た、これらの光学素子は、先の第11実施形態で述べた
ように設計することができる。
As described above, by using two optical elements according to the present invention, it is possible mainly to make the intensity distribution of light transmitted through the optical elements uniform and improve the directivity. Also, these optical elements can be designed as described in the eleventh embodiment above.

【0213】図57は光源から出た光ビームの1枚目の
光学素子上における光強度分布を点の密度によって表し
た図、図58は、この光学装置より得られる平行光線の
断面の光強度分布を点の密度によって表した図である。
FIG. 57 is a diagram showing the light intensity distribution of the light beam emitted from the light source on the first optical element by the density of points, and FIG. 58 is the light intensity of the cross section of the parallel rays obtained by this optical device. It is the figure which represented distribution by the density of the point.

【0214】以上のようにして、点光源から出た光ビー
ムを、一様な円形の平行光線に変換することができる。
As described above, the light beam emitted from the point light source can be converted into uniform circular parallel rays.

【0215】以上本発明の実施形態について詳細に説明
したが、本発明はこの実施形態の構成に限定されるもの
ではない。例えば、この光強度分布の形状は中心軸対称
な任意の形状に変換することもできる。
Although the embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the configuration of this embodiment. For example, the shape of this light intensity distribution can be converted into any shape symmetrical about the central axis.

【0216】また、指向性を付与した光ビームは平行ビ
ームではなく、一点から広がるような指向性を持った光
線に変換することもできる。また、一点に集光するよう
な指向性にすることもできる。また、わざと光線の指向
性を悪化させることもできる。
Further, the light beam having the directivity is not a parallel beam but can be converted into a light beam having the directivity that spreads from one point. Further, the directivity can be such that the light is condensed at one point. In addition, the directivity of light rays can be intentionally deteriorated.

【0217】図56においては、簡単のため単板式の液
晶投射装置によって説明したが、もちろん3板式でも良
い。
In FIG. 56, a single plate type liquid crystal projection device has been described for the sake of simplicity, but of course a three plate type may be used.

【0218】また、本実施形態においては、本発明に係
る光学素子を2枚用いた場合について説明したが、3枚
以上用いた場合でも良く、その場合には更に効果が上が
る。
Further, although the case where two optical elements according to the present invention are used has been described in the present embodiment, it is also possible to use three or more optical elements, in which case the effect is further enhanced.

【0219】本発明は、上記の発明の実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で
種々変形して実施できるのは勿論である。
The present invention is not limited to the above-described embodiments of the invention, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the invention.

【0220】[0220]

【発明の効果】本発明によれば次のような効果が得られ
る。
According to the present invention, the following effects can be obtained.

【0221】以上詳細に説明したように、本発明に係る
光学素子によれば、簡単な構成(すなわち、1枚の光学
素子)で、所定(任意)形状の、かつ、所定(任意)強
度分布の入射光を、所定の強度分布(基本的に一様の強
度分布にするので、以下「一様」と表現する)を有する
所望形状(例えば、長方形、楕円等)に変換することが
できる。
As described in detail above, according to the optical element of the present invention, it is possible to obtain a predetermined (arbitrary) shape and a predetermined (arbitrary) intensity distribution with a simple structure (that is, one optical element). The incident light can be converted into a desired shape (for example, a rectangle, an ellipse, etc.) having a predetermined intensity distribution (which will be expressed as “uniform” in the following because it basically has a uniform intensity distribution).

【0222】本発明の第1光学装置においては、入射す
る光ビームを第1光学素子に通過させてビーム形状を長
方形状又は楕円形状に整形し、更にビーム形状の整形に
伴い指向性が乱れた光ビームに対して第2光学素子によ
り指向性を付与する。通常はビーム形状が円形状で、か
つ光強度の分布が均一でない光源からの光ビームを第1
及び第2光学素子を通過させることにより、一般に長方
形状である液晶パネルなどの空間変調素子に対して、ビ
ーム形状が空間変調素子の形状に近く、しかも強度分布
が一様化された光ビームを照射でき、従来と同じ光源を
用いても光の利用効率を向上することが可能となり、か
つ均一な明るさで空間変調素子を照明することができ
る。また、従来より低い消費電力下で従来並の明るさと
明るさの均一性が達成される。従って、第1光学装置を
投射型液晶表示装置に適用すれば、性能向上や消費電力
の低減を図ることができる。
In the first optical device of the present invention, the incident light beam is passed through the first optical element to shape the beam into a rectangular shape or an elliptical shape, and the directivity is disturbed as the beam shape is shaped. Directivity is given to the light beam by the second optical element. Normally, the light beam from a light source with a circular beam shape and uneven light intensity distribution is
By passing through the second optical element, a light beam whose beam shape is close to that of the spatial modulation element and whose intensity distribution is uniform with respect to the spatial modulation element such as a generally rectangular liquid crystal panel is obtained. It is possible to irradiate, and it is possible to improve the utilization efficiency of light using the same light source as in the past, and it is possible to illuminate the spatial modulation element with uniform brightness. In addition, the brightness and the uniformity of brightness comparable to the conventional one can be achieved under the power consumption lower than the conventional one. Therefore, if the first optical device is applied to the projection type liquid crystal display device, it is possible to improve performance and reduce power consumption.

【0223】また、第2光学装置においては、入射する
光ビームを透光性基板上に一定角度の斜面を持つ溝を同
心円状又は渦巻状に形成してなる第1光学素子により光
ビームの強度分布を一様化し、更に第1光学素子を通過
した光ビームを指向性を付与して空間光変調素子に入射
する。すなわち、第1光学素子は基板表面に形成された
溝によって光線を屈折させるプリズムの効果を生ずるた
め、入射光ビームである光源系からの光ビームが中心付
近に暗点を持っていても、周辺部の光を中心部に移動さ
せることで出射光ビームでは暗点が消えることになり、
光強度分布の一様化が可能となる。更に、前記第1光学
素子は立体形状により光を屈折させるバルク状のプリズ
ムと異なって、表面に溝が加工された透光性基板からな
り、非常に薄く作ることが可能であることから、熱の放
散が非常に良い。従って、強力な冷却装置を必要とせ
ず、冷却が容易である。また、前記第1光学素子を光源
系に存在する反射鏡の焦点、つまり入射光ビームの集束
位置近傍に設けても、熱による破壊のおそれがないた
め、バルク状のプリズムを用いた場合と比較して光の利
用効率が向上する。なお、2枚方式(1枚目で一様の強
度分布を有する所望形状の光ビームとし、2枚目で指向
性を持たせる方式)は、焦点位置近傍から光学素子を離
して配置できるので、熱破壊のおそれがなくなる。更
に、第1光学素子の口径を大きくしても厚さは同じでよ
いので、大口径でかつコンパクトなものを作ることがで
き、光学装置の小型化にも寄与する。
In the second optical device, the intensity of the incident light beam is adjusted by the first optical element, which is formed by forming concentric or spiral spiral grooves having a constant angle on the transparent substrate. The distribution is made uniform, and the light beam that has passed through the first optical element is incident on the spatial light modulator with directivity. That is, since the first optical element produces the effect of a prism that refracts light rays by the groove formed on the surface of the substrate, even if the light beam from the light source system that is the incident light beam has a dark spot near the center, By moving the light of the part to the center, the dark spot will disappear in the emitted light beam,
The light intensity distribution can be made uniform. Further, unlike the bulky prism that refracts light due to its three-dimensional shape, the first optical element is made of a translucent substrate having grooves formed on its surface, and can be made very thin. The radiation is very good. Therefore, a powerful cooling device is not required and cooling is easy. Further, even if the first optical element is provided at the focal point of the reflecting mirror existing in the light source system, that is, near the focusing position of the incident light beam, there is no risk of destruction due to heat, so that it is compared with the case where a bulk prism is used. Then, the light utilization efficiency is improved. In the two-lens system (a light beam having a desired shape having a uniform intensity distribution on the first sheet and a directivity on the second sheet), the optical element can be arranged away from the vicinity of the focal position. There is no danger of thermal destruction. Furthermore, since the thickness of the first optical element may be the same even if the diameter of the first optical element is increased, a large diameter and compact size can be manufactured, which contributes to downsizing of the optical device.

【0224】更に、第2光学装置においては第1光学素
子を通過した光ビームを第2光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上するこ
とになる。
Further, in the second optical device, the light beam passing through the first optical element is passed through the second optical element to give directivity, whereby the light utilization efficiency is further improved.

【0225】第3光学装置においては、入射する光ビー
ムをその光軸に垂直な面上で外側に向かうにつれて位相
伝達関数が直線的に減少又は増加する特性を有する第1
光学素子により光ビームの強度分布を一様化し、更に第
1光学素子を通過した光ビームを指向性を付与して空間
光変調素子に入射する。すなわち、第1光学素子が位相
伝達関数の変化によりプリズムの効果をもつことによ
り、第2光学装置における第1光学素子と同様に、入射
光ビームが中心付近に暗点を持っていても、周辺部の光
を中心部に移動させることで出射光ビームでは暗点が消
え、光強度分布を一様化する効果が得られ、しかも位相
伝達関数を変化させた透光性基板によって非常に薄く作
ることが可能であることから、熱の放散が非常に良い。
In the third optical device, the phase transfer function linearly decreases or increases as the incident light beam goes outward on the plane perpendicular to the optical axis.
The intensity distribution of the light beam is made uniform by the optical element, and the light beam that has passed through the first optical element is incident on the spatial light modulation element with directivity. That is, since the first optical element has the effect of a prism due to the change of the phase transfer function, even if the incident light beam has a dark spot near the center, it does not affect the peripheral area as in the first optical element in the second optical device. By moving the light in the center to the center, the dark spots disappear in the emitted light beam, and the effect of making the light intensity distribution uniform is obtained, and it is made extremely thin by the translucent substrate with a changed phase transfer function. Because it is possible, the heat dissipation is very good.

【0226】従って、第3光学装置によれば、前記第1
光学素子を光源系に存在する反射鏡の焦点、つまり入射
光ビームの集束位置近傍に設けても、熱による破壊のお
それがないため、バルク状のプリズムを用いた場合と比
較して光の利用効率が向上する。更に、第1光学素子の
口径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でか
つコンパクトなものを作ることができ、光学装置の小型
化にも寄与する。また、第2光学装置と同様に、2枚方
式の場合には、焦点位置からずらした位置に光学素子を
配置できるので、光学素子の熱破壊のおそれがなくな
る。
Therefore, according to the third optical device,
Even if an optical element is provided in the focal point of a reflecting mirror existing in the light source system, that is, near the focus position of the incident light beam, there is no risk of damage due to heat, so use of light is greater than when a bulk prism is used. Efficiency is improved. Furthermore, since the thickness of the first optical element may be the same even if the diameter of the first optical element is increased, a large diameter and compact size can be manufactured, which contributes to downsizing of the optical device. Further, like the second optical device, in the case of the two-lens system, the optical element can be arranged at a position deviated from the focus position, so that there is no risk of thermal destruction of the optical element.

【0227】更に、第3光学装置においても第1光学素
子を通過した光ビームを第2光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上する。
Further, also in the third optical device, the light beam passing through the first optical element is passed through the second optical element to give directivity, whereby the light utilization efficiency is further improved.

【0228】第4光学装置においては、第2光学装置に
おける第1光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第2光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。
In the fourth optical device, by disposing an optical element similar to the first optical element in the second optical device near the focusing point of the converging light beam and in front of the focusing point in the traveling direction of the light beam, Since the directivity can be improved and the light can be incident on the spatial light modulator without using the second optical element, it is possible to make the intensity distribution uniform and improve the light utilization efficiency.

【0229】第5光学装置においても、第3光学装置に
おける第1光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第2光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。
Also in the fifth optical device, by disposing an optical element similar to the first optical element in the third optical device near the focusing point of the converging light beam and in front of the focusing point in the traveling direction of the light beam, Since the directivity can be improved and the light can be incident on the spatial light modulator without using the second optical element, it is possible to make the intensity distribution uniform and improve the light utilization efficiency.

【0230】第6光学装置においても、第3光学装置に
おける第1光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向後方
に配置することにより、第2光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。
Also in the sixth optical device, by disposing an optical element similar to the first optical element in the third optical device near the focusing point of the converging light beam and behind the focusing point in the traveling direction of the light beam, Since the directivity can be improved and the light can be incident on the spatial light modulator without using the second optical element, it is possible to make the intensity distribution uniform and improve the light utilization efficiency.

【0231】以上説明したように本発明の光学素子又は
光学装置によれば、光源から出射された光ビームのパワ
ーを有効に、指向性を確保しながら高い効率で、所望の
形状、所望の強度分布を持つ光ビームに整形することが
実現できる。これにより、矩形或いは円形で均一な光ビ
ームで液晶パネルを照明でき、従来より光利用効率が高
く、しかも画面内の明るさが均一な良好な画質のディス
プレイ装置が実現できる。すなわち、従来の装置におけ
る画面周辺が暗いという欠点を解消し、更に従来と同じ
消費電力で従来より明るい画面の液晶投射型ディスプレ
イ装置が実現できる。又は、従来と同じ明るさの画面
を、従来より小さい消費電力の装置で実現することがで
きる。
As described above, according to the optical element or the optical device of the present invention, the power of the light beam emitted from the light source is effectively used, the directivity is secured, the efficiency is high, the desired shape and the desired intensity are obtained. It is possible to realize shaping into a light beam having a distribution. This makes it possible to illuminate the liquid crystal panel with a rectangular or circular uniform light beam, which makes it possible to realize a display device with higher image utilization efficiency and better brightness than the conventional one, and with good image quality. In other words, it is possible to solve the disadvantage that the periphery of the screen is dark in the conventional device, and further realize a liquid crystal projection display device having a brighter screen than the conventional one with the same power consumption as the conventional one. Alternatively, a screen having the same brightness as that of the related art can be realized by a device having lower power consumption than that of the related art.

【0232】また、本発明は白色光のみならずレーザ光
に対しても有効であり、円形の光ビームを均一な矩形ビ
ームに変換する手段を供給する。従って、本発明は、表
示装置に限らず、効率的に矩形領域を照明することの要
求される広い分野に適用可能であり、例えば光を用いた
演算、情報処理装置、画像処理装置などに適用した場合
にも、ディスプレイ装置と同様に消費電力の削減や、又
は照射強度の向上によってもたらされる性能の向上が効
果として得られる。
The present invention is effective not only for white light but also for laser light, and provides a means for converting a circular light beam into a uniform rectangular beam. Therefore, the present invention can be applied not only to the display device but also to a wide field that is required to efficiently illuminate a rectangular area. For example, the present invention can be applied to a calculation using light, an information processing device, an image processing device, and the like. Even in this case, similarly to the display device, reduction in power consumption or improvement in performance brought about by improvement in irradiation intensity can be obtained as an effect.

【0233】更に、本発明によれば光学素子を用いてビ
ーム断面の光強度分布において中心部に暗点を持つ光ビ
ームに対して暗点の除去が実現でき、光ビームの一様性
を向上することができる。しかも、本発明における光学
素子はバルク状の円錐レンズに比べ熱に対して破壊され
にくく、大きくて薄いものが作れるなど、設計上の自由
度が非常に高いため、大口径で光量が多くコンパクトな
光学装置を実現することが可能である。
Furthermore, according to the present invention, it is possible to eliminate dark spots from a light beam having a dark spot at the center in the light intensity distribution of the beam cross section by using an optical element, and improve the uniformity of the light beam. can do. Moreover, the optical element of the present invention is less likely to be damaged by heat than a bulk-shaped conical lens, and has a large degree of freedom in design, such as being able to make a large and thin lens. It is possible to realize an optical device.

【0234】本発明に係る光学素子は、表面に細かな溝
が切ってあるため、その溝によって光線が屈折されプリ
ズムの効果を生ずる。これにより、光源から来る光が中
心付近に暗点を持っていても周辺部の光を中心部に移動
させ、暗点を消すことが出来る。また、立体形状により
屈折を行なうバルク状のプリズムに比べて、本発明に係
る光学素子は、表面に施された加工によって屈折を行な
うため、立体的な形状を持つ必要がなく、非常に薄く作
ることが可能なため、熱の放散が非常に良い。また、口
径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でかつ
コンパクトなものを作ることが出来る。
Since the optical element according to the present invention has fine grooves formed on the surface thereof, light rays are refracted by the grooves, and a prism effect is produced. Thereby, even if the light coming from the light source has a dark spot near the center, the light in the peripheral portion can be moved to the central portion to eliminate the dark spot. In addition, the optical element according to the present invention does not need to have a three-dimensional shape and is made extremely thin, as compared with a bulk prism that refracts by a three-dimensional shape, because the optical element according to the present invention refracts by processing applied to the surface. It is possible to dissipate heat very well. Further, even if the diameter is increased, the thickness may be the same, so that a large-diameter and compact one can be manufactured.

【0235】溝の斜面の傾斜角を光軸を中心として半径
毎に設定しているので、光学素子の半径方向における光
強度分布を自由に制御することができる。これによっ
て、中心の輝点を消すことができる。更に、目的の光強
度分布を得た後に入射する第2光学素子の溝斜面角度を
半径毎に設定しているので、半径方向における光ビーム
の指向性を自由に制御することができる。
Since the inclination angle of the inclined surface of the groove is set for each radius with the optical axis as the center, the light intensity distribution in the radial direction of the optical element can be freely controlled. With this, the central bright spot can be erased. Further, since the groove slope angle of the second optical element which is incident after the desired light intensity distribution is obtained is set for each radius, the directivity of the light beam in the radial direction can be freely controlled.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 本発明の第1実施形態に係る投射型液晶表示
装置の光学系の構成を示す図。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system of a projection type liquid crystal display device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】 同実施形態における強度分布を変換する第1
光学素子と指向性を付与する第2光学素子の種々の配置
例を示す図。
FIG. 2 is a first example of converting an intensity distribution in the same embodiment.
The figure which shows the example of various arrangement | positioning of the 2nd optical element which gives an optical element and directivity.

【図3】 同実施形態における強度分布を変換する第1
光学素子と指向性を付与する第2光学素子の他の種々の
配置例を示す図。
FIG. 3 is a first example for converting an intensity distribution in the same embodiment.
The figure which shows the other various example of arrangement | positioning of the 2nd optical element which gives an optical element and directivity.

【図4】 同実施形態における強度分布を変換する第1
光学素子と指向性を付与する第2光学素子の更に別の種
々の配置例を示す図。
FIG. 4 is a first example for converting an intensity distribution in the same embodiment.
The figure which shows another various arrangement example of the 2nd optical element which gives an optical element and directivity.

【図5】 本発明の第2実施形態に係る投射型液晶表示
装置における強度分布を変換する光学素子と液晶パネル
との関係を示す図。
FIG. 5 is a diagram showing a relationship between an optical element for converting an intensity distribution and a liquid crystal panel in a projection type liquid crystal display device according to a second embodiment of the present invention.

【図6】 本発明の第3実施形態に係る光学素子が透過
型光学素子で構成される場合の原理を模式的に示す図。
FIG. 6 is a diagram schematically showing the principle of the case where an optical element according to a third embodiment of the present invention is composed of a transmissive optical element.

【図7】 同実施形態に係る光学素子が反射型光学素子
で構成される場合の原理を模式的に示す図。
FIG. 7 is a diagram schematically showing the principle of the case where the optical element according to the same embodiment is composed of a reflective optical element.

【図8】 同実施形態に係る光学素子が透過型の回折型
光学素子で構成される場合の原理を模式的に示す図。
FIG. 8 is a diagram schematically showing the principle of the case where the optical element according to the same embodiment is formed of a transmissive diffractive optical element.

【図9】 同実施形態に係る光学素子が反射型の透過型
回折型光学素子で構成される場合の原理を模式的に示す
図。
FIG. 9 is a diagram schematically showing the principle of the case where the optical element according to the same embodiment is configured by a reflective transmissive diffraction optical element.

【図10】 同実施形態における具体的な光学素子の配
置の一例を示す図。
FIG. 10 is a diagram showing an example of a specific arrangement of optical elements in the same embodiment.

【図11】 第1光学素子の面上のサンプル光線の位置
を示す図。
FIG. 11 is a diagram showing the positions of sample rays on the surface of the first optical element.

【図12】 第2光学素子の面上のサンプル光線の目標
到達点を示す図。
FIG. 12 is a diagram showing target reaching points of sample rays on the surface of the second optical element.

【図13】 それぞれの光学素子に対して最適化の結果
得られたパラメータの値を示す図。
FIG. 13 is a diagram showing parameter values obtained as a result of optimization for each optical element.

【図14】 第1光学素子について求められた位相伝達
関数のプロファイルを示す図。
FIG. 14 is a diagram showing a profile of a phase transfer function obtained for the first optical element.

【図15】 第2光学素子について求められた位相伝達
関数のプロファイルを示す図。
FIG. 15 is a diagram showing a profile of a phase transfer function obtained for a second optical element.

【図16】 第1光学素子について求められた位相伝達
関数の等高線を示す図。
FIG. 16 is a diagram showing contour lines of a phase transfer function obtained for the first optical element.

【図17】 第2光学素子について求められた位相伝達
関数の等高線を示す図。
FIG. 17 is a diagram showing contour lines of the phase transfer function obtained for the second optical element.

【図18】 シミュレーションにおける第1光学素子に
入射した光線の位置を示す図。
FIG. 18 is a diagram showing positions of light rays incident on the first optical element in the simulation.

【図19】 第1光学素子により偏向され第2光学素子
に至った際の光線の位置を示す図。
FIG. 19 is a diagram showing a position of a light beam when it is deflected by the first optical element and reaches the second optical element.

【図20】 第2光学素子を出射した光線が20cm伝
搬した地点での光線の分布を示す図。
FIG. 20 is a diagram showing a distribution of light rays at a point where the light rays emitted from the second optical element propagated by 20 cm.

【図21】 光学素子に垂直に入射した光の偏向される
様子を示す図。
FIG. 21 is a diagram showing how light incident vertically on an optical element is deflected.

【図22】 高次回折光を利用する光学素子上の溝形状
の変化を示す図。
FIG. 22 is a diagram showing a change in groove shape on an optical element using high-order diffracted light.

【図23】 境界線で区分される複数の領域内で表面形
状が連続した面を有する反射型又は透過型光学素子の形
状を示す図。
FIG. 23 is a diagram showing a shape of a reflective or transmissive optical element having a surface whose surface shape is continuous in a plurality of regions divided by boundary lines.

【図24】 本発明の第4実施形態に係る投射型液晶表
示装置における照明光学系の構成を示す図。
FIG. 24 is a view showing the arrangement of an illumination optical system in a projection type liquid crystal display device according to a fourth embodiment of the present invention.

【図25】 第1光学素子の前にレンズを入れた照明光
学系の構成を示す図。
FIG. 25 is a diagram showing a configuration of an illumination optical system in which a lens is inserted before the first optical element.

【図26】 本発明の第5実施形態に係る投射型液晶表
示装置における照明光学系の構成を示す図。
FIG. 26 is a diagram showing a configuration of an illumination optical system in a projection type liquid crystal display device according to a fifth embodiment of the present invention.

【図27】 本発明の第6実施形態に係る投射型液晶表
示装置の光学系の構成を示す図。
FIG. 27 is a diagram showing a configuration of an optical system of a projection type liquid crystal display device according to a sixth embodiment of the present invention.

【図28】 同実施形態における光学素子の詳細な構成
を示す図。
FIG. 28 is a diagram showing a detailed configuration of the optical element in the same embodiment.

【図29】 同実施形態の作用を説明するための光学系
の主要部を示す図。
FIG. 29 is a view showing a main part of an optical system for explaining the operation of the same embodiment.

【図30】 同実施形態の作用を説明するための光学素
子の入射光ビームの強度分布を示す図。
FIG. 30 is a diagram showing the intensity distribution of an incident light beam of an optical element for explaining the operation of the same embodiment.

【図31】 同実施形態の作用を説明するための光学素
子の出射光ビームの強度分布を示す図。
FIG. 31 is a diagram showing the intensity distribution of the outgoing light beam of the optical element for explaining the operation of the embodiment.

【図32】 同実施形態における光学素子の入射光ビー
ム及び出射光ビームと従来の錐体状プリズムの出射光ビ
ームの光軸中心からの距離に対する光強度を示す図。
FIG. 32 is a diagram showing the light intensity with respect to the distance from the optical axis center of the incident light beam and the outgoing light beam of the optical element and the outgoing light beam of the conventional conical prism in the same embodiment.

【図33】 同実施形態における光学素子で高次回折光
を利用する場合の溝形状について示す図。
FIG. 33 is a diagram showing a groove shape when high-order diffracted light is used in the optical element of the same embodiment.

【図34】 同実施形態における光学素子の溝の傾斜角
をθ=50°とした場合の出射光ビームの光強度分布を
素子位置をパラメータとして示す図。
FIG. 34 is a view showing a light intensity distribution of an outgoing light beam when the inclination angle of the groove of the optical element in the same embodiment is θ = 50 °, using the element position as a parameter.

【図35】 同実施形態における光学素子の溝の傾斜角
をθ=55°とした場合の出射光ビームの光強度分布を
素子位置をパラメータとして示す図。
FIG. 35 is a diagram showing a light intensity distribution of an outgoing light beam when the inclination angle of the groove of the optical element in the same embodiment is θ = 55 °, using the element position as a parameter.

【図36】 同実施形態における光学素子の溝の傾斜角
をθ=60°とした場合の出射光ビームの光強度分布を
素子位置をパラメータとして示す図。
FIG. 36 is a diagram showing the light intensity distribution of an outgoing light beam when the inclination angle of the groove of the optical element in the same embodiment is θ = 60 °, using the element position as a parameter.

【図37】 同実施形態における光学素子の他の例を示
す図。
FIG. 37 is a view showing another example of the optical element according to the same embodiment.

【図38】 同実施形態における光学素子の更に別の例
を示す図。
FIG. 38 is a view showing still another example of the optical element according to the same embodiment.

【図39】 同実施形態における光学素子の種々の溝形
状を示す図。
FIG. 39 is a view showing various groove shapes of the optical element according to the same embodiment.

【図40】 本発明の第7実施形態における光学素子の
位相伝達関数分布を示す図。
FIG. 40 is a diagram showing a phase transfer function distribution of an optical element according to a seventh embodiment of the present invention.

【図41】 本発明の第8実施形態に係る投射型液晶表
示装置の光学系の構成を示す図。
FIG. 41 is a diagram showing a configuration of an optical system of a projection type liquid crystal display device according to an eighth embodiment of the present invention.

【図42】 同実施形態における第1及び第2光学素子
の作用を説明するための図。
FIG. 42 is a view for explaining the action of the first and second optical elements in the same embodiment.

【図43】 同実施形態における第1光学素子の入射光
ビーム及び第2光学素子の出射光ビームの光軸中心から
の距離に対する光強度を示す図。
FIG. 43 is a diagram showing the light intensity with respect to the distance from the optical axis center of the incident light beam of the first optical element and the output light beam of the second optical element in the same embodiment.

【図44】 第9実施形態に係る光学装置の概略構成を
示す図。
FIG. 44 is a diagram showing a schematic configuration of an optical device according to a ninth embodiment.

【図45】 第9実施形態の変形例を示す図。FIG. 45 is a view showing a modified example of the ninth embodiment.

【図46】 第10実施形態に係る光学装置の概略構成
を示す図。
FIG. 46 is a diagram showing a schematic configuration of an optical device according to a tenth embodiment.

【図47】 第10実施形態の変形例を示す図。FIG. 47 is a view showing a modified example of the tenth embodiment.

【図48】 第10実施形態の他の変形例を示す図。FIG. 48 is a diagram showing another modification of the tenth embodiment.

【図49】 第10実施形態の更に他の変形例を示す
図。
FIG. 49 is a view showing still another modified example of the tenth embodiment.

【図50】 第11実施形態に係る光学装置の概略構成
を示す図。
FIG. 50 is a diagram showing a schematic configuration of an optical device according to an eleventh embodiment.

【図51】 光学素子の断面図FIG. 51 is a sectional view of an optical element.

【図52】 1枚目で強度分布一様化。2枚目で指向性
改善する場合の光学素子の設計例を示す図。
FIG. 52: Uniform intensity distribution on the first sheet. The figure which shows the design example of the optical element in the case of improving directivity with the 2nd sheet.

【図53】 光学素子2枚の場合の点光源からの出射角
と到達位置の設計例を示す図。
FIG. 53 is a diagram showing a design example of an emission angle from a point light source and an arrival position in the case of two optical elements.

【図54】 1枚目の光学素子の設計例を示す図。FIG. 54 is a diagram showing a design example of the first optical element.

【図55】 2枚目の光学素子の設計例を示す図。FIG. 55 is a diagram showing a design example of a second optical element.

【図56】 本発明の光学素子を液晶プロジェクタに応
用した場合を示す図。
FIG. 56 is a diagram showing a case where the optical element of the invention is applied to a liquid crystal projector.

【図57】 光源に最も近い光学素子上の光線のドット
ダイアグラムを示す図。
FIG. 57 is a diagram showing a dot diagram of light rays on the optical element closest to the light source.

【図58】 目的の光強度分布を得るべき面上の光線の
ドットダイアグラムを示す図。
FIG. 58 is a diagram showing a dot diagram of light rays on a surface for obtaining a desired light intensity distribution.

【図59】 従来の透過型液晶表示装置の光学系の概略
構成を示す図。
FIG. 59 is a diagram showing a schematic configuration of an optical system of a conventional transmissive liquid crystal display device.

【図60】 従来の他の透過型液晶表示装置の光学系の
概略構成を示す図。
FIG. 60 is a view showing a schematic configuration of an optical system of another conventional transmissive liquid crystal display device.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101…光源 102…反射鏡 103…第1の光学素子 104…第2の光学素子 108〜110…液晶パネル 301…光源 302…反射鏡 303…光学素子 501…光源 502…反射鏡 503…第1の光学素子 504…第2の光学素子 101 ... Light source 102 ... Reflecting mirror 103 ... First optical element 104 ... Second optical element 108-110 ... Liquid crystal panel 301 ... Light source 302 ... Reflecting mirror 303 ... Optical element 501 ... Light source 502 ... Reflecting mirror 503 ... First Optical element 504 ... Second optical element

Claims (20)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 所定の形状及び所定の強度分布を有する
入射光を、所定の強度分布を有する所望形状の出力光に
変換することを特徴とする光学素子。
1. An optical element for converting incident light having a predetermined shape and a predetermined intensity distribution into output light having a desired shape having a predetermined intensity distribution.
【請求項2】 前記出力光は、方形、円又は楕円のいず
れかの形状を有することを特徴とする請求項1記載の光
学素子。
2. The optical element according to claim 1, wherein the output light has a shape of a square, a circle, or an ellipse.
【請求項3】 入射光の代表的な波面に対して付与され
るべき位相の進み遅れを表わす位相伝達関数又は光学素
子表面の形状の少なくとも一方が、最適化の計算に基づ
いて設定されることを特徴とする請求項1記載の光学素
子。
3. At least one of a phase transfer function representing the advance or lag of a phase to be given to a typical wavefront of incident light or a shape of an optical element surface is set based on optimization calculation. The optical element according to claim 1, wherein:
【請求項4】 前記出力光は、中心部が周辺部よりも明
るいことを特徴とする請求項1記載の光学素子。
4. The optical element according to claim 1, wherein the output light has a central portion brighter than a peripheral portion.
【請求項5】 同心円状又は渦巻状のいずれかの溝を有
し、 前記溝は、前記光学素子に入射する光の光学素子の入射
面における光強度分布をLi (ri )、所望の面上の光
強度分布をLo (ro )とし、ri >rimaxの時に、L
i (ri )=0、ro >romaxの時に、Lo (ro )=
0とした場合に、 【数1】 となるように、斜面の傾斜角が設定されることを特徴と
する請求項1記載の光学素子。
5. A groove having either a concentric circle shape or a spiral shape, wherein the groove has a light intensity distribution Li (ri) on an incident surface of the optical element, the light being incident on the optical element on a desired surface. Let L o (ro) be the light intensity distribution of L, and if r i> r imax, L
When i (ri) = 0 and ro> romax, Lo (ro) =
If 0, then The optical element according to claim 1, wherein the inclination angle of the slope is set so that
【請求項6】所定のビーム形状及び強度分布を有する光
ビームを放射する光源と、 入射される前記光ビームのビーム形状を、一様な強度分
布を有する方形、円形又は楕円形のいずれかの形状に整
形する第1光学素子と、 入射される整形された前記光ビームに指向性を付与する
第2光学素子と、を具備することを特徴とする光学装
置。
6. A light source that emits a light beam having a predetermined beam shape and intensity distribution, and the beam shape of the incident light beam is either square, circular or elliptical having a uniform intensity distribution. An optical device comprising: a first optical element that is shaped into a shape; and a second optical element that imparts directivity to the shaped light beam that is incident.
【請求項7】 前記第1光学素子及び前記第2光学素子
の少なくとも一方は、入射される前記光ビームの2次以
上の回折光を利用し、利用する回折方向に回折光の強度
を集中させることを特徴とする請求項6記載の光学装
置。
7. At least one of the first optical element and the second optical element uses second-order or higher-order diffracted light of the incident light beam, and concentrates the intensity of the diffracted light in the used diffraction direction. The optical device according to claim 6, wherein:
【請求項8】 前記第1光学素子は、入射される前記光
ビームの光路中に前記光ビームの光軸に対してほぼ垂直
に配置され、その表面に複数の曲線群からなる溝が形成
された透光性基板を有することを特徴とする請求項6記
載の光学装置。
8. The first optical element is arranged in the optical path of the incident light beam substantially perpendicularly to the optical axis of the light beam, and a groove formed of a plurality of curved groups is formed on the surface thereof. The optical device according to claim 6, further comprising a transparent substrate.
【請求項9】所定の強度分布を有する光ビームの光路中
に配置され、その表面に同心円状または渦巻状に形成さ
れた一定角度の斜面を持つ溝を有する透光性基板からな
る第1光学素子と、 前記第1光学素子を通過した光ビームの光路中に配置さ
れ、入射される前記光ビームに指向性を付与する第2光
学素子と、を具備することを特徴とする光学装置。
9. A first optical element, which is arranged in the optical path of a light beam having a predetermined intensity distribution, and which has a groove on the surface of which a concentric or spirally formed inclined surface with a constant angle is provided. An optical device comprising: an element; and a second optical element that is disposed in the optical path of the light beam that has passed through the first optical element and that imparts directivity to the incident light beam.
【請求項10】所定の強度分布を有する光ビームの光路
中に配置され、前記光ビームの光軸に垂直な面上におい
て光軸から外側に向かうにつれて位相伝達関数が直線的
に減少または増加する特性を有する第1光学素子と、 前記第1光学素子を通過した光ビームの光路中に配置さ
れ、入射される前記光ビームに指向性を付与する第2光
学素子と、を具備することを特徴とする光学装置。
10. A phase transfer function linearly decreases or increases from the optical axis on the plane perpendicular to the optical axis of the light beam, the phase transfer function being arranged in the optical path of the light beam having a predetermined intensity distribution. A first optical element having characteristics, and a second optical element that is disposed in the optical path of the light beam that has passed through the first optical element and that imparts directivity to the incident light beam. Optical device.
【請求項11】 前記第2光学素子により指向性が付与
された光ビームを入射し、所望の画像を表示する空間光
変調素子を更に具備することを特徴とする請求項6、請
求項9又は請求項10のいずれかに記載の光学装置。
11. The spatial light modulating element for displaying a desired image upon incidence of a light beam to which directivity has been imparted by the second optical element, further comprising: The optical device according to claim 10.
【請求項12】 所定の強度分布を有する集束性光ビー
ムの光路中の集束点近傍に配置され、一定角度の斜面を
持つ同心円状または渦巻状の溝が形成された透光性基板
を有する光学素子を具備することを特徴とする光学装
置。
12. An optical system having a translucent substrate which is arranged in the vicinity of a focusing point in the optical path of a converging light beam having a predetermined intensity distribution and in which concentric circular or spiral grooves having inclined surfaces with a constant angle are formed. An optical device comprising an element.
【請求項13】 所定の強度分布を有する集束性光ビー
ムの光路中の集束点近傍かつ前記集束点より光ビームの
進行方向前方に配置され、前記光ビームの光軸に垂直な
面上において前記光軸から外側に向かうにつれて位相伝
達関数が直線的に減少する特性を有する光学素子を具備
することを特徴とする光学装置。
13. A light source having a predetermined intensity distribution, disposed in the optical path of a converging light beam, in the vicinity of the converging point and in front of the converging point in the traveling direction of the light beam, and on a plane perpendicular to the optical axis of the light beam. An optical device comprising an optical element having a characteristic that a phase transfer function linearly decreases from the optical axis toward the outside.
【請求項14】 所定の強度分布を有する集束性光ビー
ムの光路中の集束点近傍かつ前記集束点より光ビームの
進行方向後方に配置され、前記光ビームの光軸に垂直な
面上において前記光軸から外側に向かうにつれて位相伝
達関数が直線的に増加する特性を有する光学素子を具備
することを特徴とする光学装置。
14. A surface which is arranged in the optical path of a converging light beam having a predetermined intensity distribution in the vicinity of the converging point and behind the converging point in the traveling direction of the light beam, and on a plane perpendicular to the optical axis of the light beam. An optical device comprising an optical element having a characteristic that a phase transfer function linearly increases from the optical axis toward the outside.
【請求項15】 前記光学素子を通過した光ビームの光
路中に配置され、所望の画像を表示する空間光変調素子
を更に具備することを特徴とする請求項12から請求項
14のいずれかに記載の光学装置。
15. The method according to claim 12, further comprising a spatial light modulator arranged in the optical path of the light beam that has passed through the optical element and displaying a desired image. The optical device described.
【請求項16】 所定の形状及び所定の強度分布を有す
る入射光を、一様の強度分布を有する所望形状の出力光
に変換する少なくとも1つの第1光学素子を具備するこ
とを特徴とする光学装置。
16. An optical device comprising at least one first optical element for converting incident light having a predetermined shape and a predetermined intensity distribution into output light having a desired shape having a uniform intensity distribution. apparatus.
【請求項17】 前記出力光は、中心部が周辺部よりも
明るいことを特徴とする請求項16記載の光学装置。
17. The optical device according to claim 16, wherein the output light has a central portion brighter than a peripheral portion.
【請求項18】 前記第1光学素子は、同心円状又は渦
巻状のいずれかの溝を有し、前記溝は、前記光学素子に
入射する光の光学素子の入射面における光強度分布をL
i (ri )、所望の面上の光強度分布をLo (ro )と
し、ri >rimaxの時に、Li (ri )=0、ro >r
omaxの時に、Lo (ro )=0とした場合に、 【数2】 となるように、斜面の傾斜角が設定されることを特徴と
する請求項16記載の光学装置。ここで、ri :入射光
ビームの光軸からの位置、rimax:光学素子の入射面の
光軸から最も離れた位置、ro :前記入射光ビームに対
応する出力光ビームの前記所望の面上の光軸からの位
置、romax:前記出力光ビームが到達可能な前記所望の
面上の光軸から最も離れた位置である。
18. The first optical element has a groove having either a concentric circle shape or a spiral shape, and the groove has a light intensity distribution L of light incident on the optical element on an incident surface of the optical element.
i (ri) and the light intensity distribution on the desired surface are Lo (ro), and when Ri> rimax, Li (ri) = 0, ro> r
When Lo (ro) = 0 at omax, the following equation is obtained. The optical device according to claim 16, wherein the inclination angle of the slope is set so that Here, ri: position from the optical axis of the incident light beam, rimax: position farthest from the optical axis of the incident surface of the optical element, ro: on the desired surface of the output light beam corresponding to the incident light beam Position from optical axis, romax: The position farthest from the optical axis on the desired surface where the output light beam can reach.
【請求項19】 前記一様の強度分布を有する所望形状
の光に所定の指向性を付与するように、中心軸からの距
離に応じて変化するような角度の斜面を有する同心円状
又は渦巻状のいずれかの溝を有する少なくとも1つの第
2光学素子を更に具備することを特徴とする請求項16
記載の光学装置。
19. A concentric or spiral shape having a slope having an angle that changes in accordance with the distance from the central axis so as to impart a predetermined directivity to light of a desired shape having the uniform intensity distribution. 17. Further comprising at least one second optical element having any of the grooves of claim 16.
The optical device described.
【請求項20】所定のビーム形状及び強度分布を有する
光ビームを放射する光源と、 入射される前記光ビームのビーム形状を、一様な強度分
布を有する所望の形状に整形する少なくとも1つの第1
光学素子と、 入射される整形された前記光ビームに指向性を付与する
第2光学素子と、 前記指向性を付与された光ビームを入射し、所望の画像
を表示するために所定部分に光を通過させる液晶パネル
と、 前記液晶パネルを通過した光を画像として表示するスク
リーンと、を具備することを特徴とする液晶投射型表示
装置。
20. A light source for emitting a light beam having a predetermined beam shape and intensity distribution, and at least one first shape shaping the beam shape of the incident light beam into a desired shape having a uniform intensity distribution. 1
An optical element, a second optical element that imparts directivity to the shaped light beam that is incident, and an optical beam that is imparted with the directivity is incident, and light is emitted to a predetermined portion in order to display a desired image. A liquid crystal projection display device, comprising: a liquid crystal panel that allows light to pass therethrough; and a screen that displays light that has passed through the liquid crystal panel as an image.
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