JPH10142548A

JPH10142548A - 色分解照明系及びそれを用いたカラー画像表示装置

Info

Publication number: JPH10142548A
Application number: JP8298646A
Authority: JP
Inventors: Junko Kuramochi; 純子倉持
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1998-05-29

Abstract

(57)【要約】【課題】単板式のカラー画像表示装置で、３板式のカ
ラー画像表示装置並みの単色解像度を得つつ、照明光の
光利用効率が高い色分解照明系を提供すること。【解決手段】色分解照明系が、白色光源１１からの光
束を光の回折を利用して複数の波長帯域の光に分離する
色分解素子１０と、色分解素子１０によって分離された
複数の波長帯域の光を光学変調装置２０に対して相対的
に走査する回転多面鏡１とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、色分解照明系及び
それを用いたカラー画像表示装置に関し、単板式のカラ
ー画像表示装置に用いられる色分解照明系及びそれを用
いたカラー画像表示装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶等の光学変調素子で構成される光学
変調装置を用いてカラー画像表示を行うカラー画像表示
装置には、１枚の光学変調装置を用いる単板方式のもの
と３枚の光学変調装置を用いる３板方式のものが従来よ
り知られている。

【０００３】一般に単板方式のカラー画像表示装置は、
白色光源から光学変調装置の各画素に応じた色光を取り
出すため、図８に示すようなカラーフィルター１２０を
光学変調装置の前面に配置して用いている。そのため単
板方式のカラー画像表示装置は、同画素密度、同サイズ
の光学変調装置を用いた３板方式のカラー画像表示装置
と比べて、単色解像度が１／３程度となってしまってい
た。

【０００４】単板方式のカラー画像表示装置において、
解像度の向上を図った図９のような装置が知られてい
る。図９において、１０１は回転式カラーフィルター、
１０２はカラーフィルター駆動装置、１１１は光源、１
１２は反射鏡、１１４は投射レンズ、１１６はスクリー
ン、１１７はレンズ、１２０は光学変調装置である液晶
パネルである。図１０に回転式カラーフィルター１０１
の正面図を示す。この装置では、回転式カラーフィルタ
ー１０１を高速で回転させることによって、液晶パネル
１２０への照明光を時分割に単色照明化し、不図示の液
晶パネル駆動制御回路により、時系列的に変化する照明
光の色光に対応した画像信号が液晶パネル１２０の各画
素に与えられ、カラー画像を表示することができる。こ
のような装置により、３板式のカラー画像表示装置と同
等の単色解像度を得ることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９に
示した装置では照明光を各色光に分解するのにカラーフ
ィルターを用いているため、フィルターを透過する所定
波長帯域以外の光が無駄になっており、光利用効率が低
いという問題がある。

【０００６】本発明は、上述したような問題点を鑑みて
なされたものであって、３板式のカラー画像表示装置並
みの単色解像度を得つつ、照明光の光利用効率が高い単
板式の画像表示装置を実現する色分解光学系を提供する
ことを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の色分解照明系は、白色光源からの光束を光
の回折を利用して複数の波長帯域の光に分離する色分解
手段と、この色分解手段によって分離された複数の波長
帯域の光を被照明領域に対して相対的に走査する走査手
段とを有することを特徴としている。

【０００８】この時、色分解手段に入射する光は、スリ
ット状の光であることが好ましい。

【０００９】また、走査手段は回転多面鏡であることが
好ましい。そして、色分解手段をこの回転多面鏡に形成
する形態が考えられる。

【００１０】更に、色分解手段は回折格子であって、回
転多面鏡の回転方向にのみ１次元的に形状が変化するよ
うな構成であることが好ましい。この時、白色光源から
の光束の入射角に応じて、回折格子の高さを変化させる
ことが好ましい。例えば、白色光源からの光束の入射角
が大きくなると、回折格子の高さも大きくなるよう構成
することが好ましい。

【００１１】回折格子には、バイナリー型回折格子、三
角波状回折格子、ホログラム等を用いることが考えられ
る。

【００１２】本発明の色分解照明系をカラー画像表示装
置に用いることにより、上述した目的を達成することが
できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の特徴を最も良く表
す、色分解照明系の斜視図である。

【００１４】同図において、１は複数の反射面から成る
回転多面鏡、１０は回転多面鏡１の各反射面に形成され
た色分解素子、１１は棒状の白色光源、１２は反射笠、
１７、１８は色分解面を照明する光束の幅をある方向で
制限するためのシリンドリカルなコンデンサレンズ及び
スリット、１９はｆ・θレンズ、２０は電界印加により
光学特性が変化する液晶等の光学変調素子を互いに複数
個隣接配置した光学変調装置である。

【００１５】回転多面鏡１の各面に形成された色分解素
子１０は、反射型の一次元バイナリー型回折格子であ
り、各面における色分解素子は同一形状である。

【００１６】白色光源１１からの光は反射笠１２、シリ
ンドリカルコンデンサレンズ１７、スリット１８で光束
成形され回転多面鏡１を照明する。回転多面鏡１を反射
した光は、色分解素子１０の回折作用によってＲＧＢの
色光に分離され、各色光別に光学変調装置２０の異なる
光学変調素子に入射する。光学変調装置２０は入射色光
に対応した画像を形成するように光学変調を制御する不
図示の駆動回路で駆動される。回転多面鏡１は、その中
心を回転軸として、不図示の駆動手段により等速回転さ
れることで、時系列的に反射色光の出射角度を変えてい
る。そして、各反射色光をｆ・θレンズ１９等を用いて
光学変調装置２０上を等速度で走査させ、光学変調装置
２０の必要領域（画像表示領域）を順次照明するように
している。

【００１７】次に色分解素子１０について図２のｘｚ断
面拡大図を用いて説明する。本実施形態において色分解
素子１０の色分解面は１次元バイナリー型回折格子を樹
脂で成形した後、格子表面に金属反射面を形成したもの
である。１次元バイナリー型回折格子とは、図２に示す
ような階段状に回折格子を形成したものであり、本実施
形態の１次元バイナリー型回折格子では、ピッチは面内
で一定であり、かつ、１ピッチ内の各階段の高さｈ（ｘ
_t）も一定（ｈ（ｘ_t）＝ｈ（ｘ₁）＝ｈ（ｘ₂）＝ｈ（ｘ
₃））である。またｘ_g方向の回折格子の格子高さｈ
（ｘ）はｈ（ａ）＜ｈ（ｘ）＜ｈ（ｂ）（ただしａ＜ｘ＜ｂ）を満たしながら、ある周期をもってｈ（ａ）からｈ
（ｂ）に単調に増加する。ここで、ｘ_g方向とは本色分
解照明系のｘｚ断面内の副走査方向を表すローカル座標
である。

【００１８】図２では１ピッチ内の格子段数は４段とし
たが、その他の段数でも同様の効果が得られるよう構成
できる。特に本実施形態に示したものは、回折格子の格
子ピッチ及び位相変化量を特定することにより、各回折
格子の０次光と±１次光の回折光にエネルギーの大半を
集中させ、かつ０次、±１次光それぞれの最もエネルギ
ーの高い波長帯域（以下、主波長帯域）がＲＧＢのどれ
かに対応するように構成したものである。

【００１９】光学変調装置２０上の各色光の拡がり量を
δとした時、拡がり量δは以下の式より求めることがで
きる。

【００２０】δ＝Ｌ₀・ｔａｎ｛ｓｉｎ^-1（±λ／Ｐ＋
ｓｉｎθ₀）−θ₀｝但し、Ｌ₀：光軸に沿った１次元バイナリー型回折格子
から光学変調素子までの距離 λ：光束の波長Ｐ：格子のピッチ θ₀：光軸上の光束の入射角である。

【００２１】図３に光学変調装置２０上の各色光の分光
特性を示す。各次光の色光は１次元バイナリー型回折格
子の回折効率と光源及びレンズの透過率等の光学特性が
全て総合された分光特性をもつため、ｘ_p方向に図３の
ような光束の拡がりを持っている。ただしｘ_p方向とは
光学変調装置２０面内のローカル座標系での副走査方向
を表している。

【００２２】図３で示した副走査方向ｘ_pに光束の拡が
りを持つ色光は、図１におけるｙ方向に伸びるスリット
状の光束であり、各色光は、図４のように光学変調装置
２０のｘ_p方向に並んだ各光学変調素子列をそれぞれ照
明する。そして、回転多面鏡１の回転に伴い、スリット
状の各色光列は図４の矢印のように照明位置を移動して
いき、光学変調装置２０の全画像表示領域を順次照明す
る。

【００２３】本実施形態では、回転多面鏡１の任意の反
射面（色分解素子面）法線とｚ方向より入射する白色光
とがなす角をθとし、その白色光が任意の反射面上の図
２におけるｘ_g方向をａからｂに相対的に走査する時、
θの値が単調増加するように回転多面鏡１をｚ軸に対し
て配置し、かつ回折格子の格子高さを前述のようにａか
らｂに走査するに従って高くなるように構成している。
これにより０次光のピーク波長は、光学変調装置２０面
上で常に一定となる。これに対して、±１次光のピーク
波長は若干変動することになるが、変動量が少ないた
め、画像表示に対しては実質的に影響しない。

【００２４】本実施形態においては、回折格子からの回
折光のうち、０、±１次光のみを用いたが、それ以上の
高次の回折光が存在した場合でも、ＲＧＢどれかの単色
に分離されていればその色光も光学変調素子の照明光と
して利用可能である。

【００２５】また、色分解素子には１次元バイナリー型
回折格子に限らず、鋸刃状の断面形状を持つ三角波状回
折格子やホログラム素子等を用いてもよい。

【００２６】更に、本実施形態では格子表面に金属反射
面を形成した回折格子を説明したが、透明樹脂等で形成
した格子を回転多面鏡に貼り付け、回転多面鏡の表面で
反射させて反射光に適当な位相差を与え、所望の分光特
性が得られるように色分解素子を構成してもよい。

【００２７】このように構成したことで、１．回折格子で回折色分離した色光を全て照明光として
利用できることから光利用効率の高い、発熱の少ない照
明系の提供が可能となる。２．白色光源を棒状光源あるいは長アーク長放電ランプ
あるいは複数の点光源を線状に並べた光源群等の光源の
うちから使用用途に合った光源を選択可能であることか
ら、多様な照明系に使用できる。３．格子高さを副走査方向に沿って変化させているの
で、白色光の入射角が多面鏡の回転によって変化して
も、ＲＧＢ各色光の色分離角を常に一定にすることがで
き、光学変調装置の制御が容易となる。４．光学変調装置の任意画素にあたる色光が多面鏡の回
転に伴い、時系列で変化する（たとえばＲ→Ｇ→Ｂ→Ｒ
・・・）ため光学変調装置全面でみた単色の解像度は、
光学変調素子全画素数分に相当し、高解像度な表示装置
が単板パネルで実現可能となる。等のさまざまな効果を有する。

【００２８】（第１実施例）図５は第１の実施例を示す
カラー画像表示装置の概略構成図である。

【００２９】図中、１、１０、１１、１２、１７、１
８、１９、２０は図１に示したものと同じであり、２１
は投射レンズ、２２はスクリーン、４０は多面鏡駆動手
段を表している。また本実施例において、光源１１は直
径が２〜３ｍｍの冷陰極管とし光学変調装置２０は、ク
ロスニコル配置をした１対の偏光板にはさまれたＴＮ型
液晶パネルで構成している。ここで光学変調装置２０
は、ＴＶ信号もしくはパソコンの画像信号が光学変調さ
れるよう不図示の駆動制御回路で制御されている。

【００３０】光学変調装置２０で光学変調された画像は
投射レンズ２１によってスクリーン２２に拡大投影され
る。

【００３１】本実施例のようにカラー画像表示装置を構
成したことで、前述の効果に加えて、１．寿命が長く、発光効率が高いため発熱の少ない冷陰
極管を使用したことから装置寿命の長い、かつ発熱の少
ない装置を提供可能とする。２．回折格子によって色分離されたＲＧＢの色光がＮＴ
ＳＣの三原色に極めて近い分光特性を持つことから、Ｔ
Ｖ画像や、パソコンの画像を表示する装置のうち高い色
再現性が要求される装置を提供できる。等の極めて高い効果が期待できる。

【００３２】（第２実施例）図６は第２の実施例を示す
カラー画像表示装置の概略構成図である。

【００３３】図中１、１０、１１、１２、１７、１８、
１９、２０、２１、２２、４０は第１実施例に説明した
ものと同じであり、３１はフィールドレンズ、３２はシ
ュリーレン絞りを表している。本実施例において、光学
変調装置２０は、高分子分散型液晶を光学変調素子とし
て用いた液晶パネルで構成されている。ここで第１実施
例と同様に、光学変調装置２０はＴＶ信号もしくはパソ
コンの画像信号が光学変調されるよう不図示の駆動制御
回路で制御されている。本実施例においては、光学変調
装置２０を照明した各色光を拡散・非拡散によって光学
変調し、シュリーレン絞り３２を透過する光束を制限す
ることによってスクリーン２２に各色光の濃淡が表示さ
れることになる。

【００３４】このように構成することで第１の実施例と
同様の効果が得られると同時に、偏光板等の光量損失素
子がないことから更に光利用効率の高い装置が提供でき
る。

【００３５】（第３実施例）図７は、第３の実施例を示
すカラー画像表示装置の概略構成図である。

【００３６】図中１１、１２、１７、１８、１９、２
０、２１、２２、４０は、第１、第２実施例に説明した
ものと同じである。光学変調装置２０には、第１実施例
と同様にＴＮ型液晶パネルを用いている。１′は回転多
面鏡であるが、本実施例においてはその反射面に色分解
素子が形成されていない。１０′は入射光を反射させる
際に位相差を与えて、所定波長帯域の光に分離させる色
分解素子である。

【００３７】本実施例では、色分解素子１０′で色分離
した各色光を回転多面鏡１′で反射することにより、光
学変調装置２０を走査照明する。この装置構成では、色
分解素子１０′に入射する白色光の入射角が変化しない
ため、図２に示したように格子高さを変える必要はな
い。

【００３８】なお、本実施例において色分解素子は反射
型のものを用いているが、透過型の１次元バイナリー型
回折格子でも同様の効果が得られるよう構成できる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
３板式のカラー画像表示装置並みの単色解像度を得つ
つ、照明光の光利用効率が高い単板式のカラー画像表示
装置を実現する色分解光学系を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の色分解照明系の斜視図である。

【図２】色分解素子の断面拡大図である。

【図３】光学変調装置上の各色光の分光特性を示した図
である。

【図４】光学変調装置上の各色光の移動の様子を示した
図である。

【図５】第１実施例のカラー画像表示装置の概略構成図
である。

【図６】第２実施例のカラー画像表示装置の概略構成図
である。

【図７】第３実施例のカラー画像表示装置の概略構成図
である。

【図８】従来の単板式カラー画像表示装置のカラーフィ
ルターを示した図である。

【図９】従来のカラー画像表示装置の概略構成図であ
る。

【図１０】図９の装置の回転式カラーフィルターの平面
図である。

【符号の説明】

１回転多面鏡１１白色光源１２反射笠１７コンデンサレンズ１８スリット１９ｆ・θレンズ２０光学変調装置

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光源からの光束を光の回折を利用し
て複数の波長帯域の光に分離する色分解手段と、該色分
解手段によって分離された複数の波長帯域の光を被照明
領域に対して相対的に走査する走査手段とを有すること
を特徴とする色分解照明系。
【請求項２】前記色分解手段に入射する光は、スリッ
ト状の光であることを特徴とする請求項１記載の色分解
照明系。
【請求項３】前記走査手段は回転多面鏡であることを
特徴とする請求項１、２記載の色分解照明系。
【請求項４】前記色分解手段は、前記回転多面鏡に形
成されていることを特徴とする請求項３記載の色分解照
明系。
【請求項５】前記色分解手段は、同一形状で前記回転
多面鏡の各反射面に形成されていることを特徴とする請
求項４記載の色分解照明系。
【請求項６】前記色分解手段は、回折格子であること
を特徴とする請求項１乃至５記載の色分解照明系。
【請求項７】前記色分解手段は回折格子であって、前
記回転多面鏡の回転方向にのみ１次元的に形状が変化す
ることを特徴とする請求項２乃至５記載の色分解照明
系。
【請求項８】前記白色光源からの光束の入射角に応じ
て、前記回折格子の高さを変化させたことを特徴とする
請求項７記載の色分解照明系。
【請求項９】前記白色光源からの光束の入射角が大き
くなると、前記回折格子の高さも大きくなるよう構成し
たことを特徴とする請求項８記載の色分解照明系。
【請求項１０】前記回折格子は、バイナリー型回折格
子であることを特徴とする請求項６乃至９記載の色分解
照明系。
【請求項１１】前記回折格子は、三角波状回折格子で
あることを特徴とする請求項６乃至９記載の色分解照明
系。
【請求項１２】前記回折格子は、ホログラム素子であ
ることを特徴とする請求項６乃至９記載の色分解照明
系。
【請求項１３】請求項１乃至１２いずれか１項記載の
色分解照明系と、光学変調装置と、投影光学系とを有
し、前記色分解照明系により前記光学変調装置を照明
し、カラー画像を表示することを特徴とするカラー画像
表示装置。
【請求項１４】前記光学変調装置は、液晶パネルであ
ることを特徴とする請求項１３記載のカラー画像表示装
置。