JPH11316362A - 画像表示装置、回折光学素子、ホログラム素子、およびホログラム素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 画像表示素子に形成されたマイクロレンズア
レイの開口率を実効的に高くする機能を最大限に発揮
し、均一性が高いだけではなく、投射効率の高い、明る
い画像表示装置を構成する。 【解決手段】 物体光と参照光を干渉させて作成され、
かつ前記物体光が略平行な物体光束であり、前記参照光
がランプ１０２から発せられる第１の光束を集光、伝搬
させる照明光学部１０４からの出力光束と略等価な波面
を有する参照光束であるホログラム素子２１６〜２１８
を用い、これにより、上記出力光束を略平行な光に変換
して、画像表示素子２１９〜２２１に入射させ、変調す
ることで画像を表示するように構成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、明るく、高品位な
画面を表示する画像表示装置及び該画像表示装置に用い
るホログラム素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の直視型テレビでは大型化が困難で
あることから、近年、高輝度ランプからの光を画像表示
素子によって輝度変調し、スクリーン上に拡大投写する
投射型画像表示装置の開発が進められている（例えば、
オープラスイー、１９９３年８月号、５８項−１０１
項）。

【０００３】図１に従来の一般的な画像表示装置であ
り、画像表示手段として液晶パネルを用いた構成例を示
す。ランプ２からの出力光３をリフレクター４で反射
し、出力光束５を集光光学系（図示せず）により集光、
伝搬し、色分離のためのダイクロイックミラー１２、１
３により赤色、緑色、青色の３原色に分離し、全反射ミ
ラー１４、コンデンサーレンズ１５を介して液晶パネル
１６〜１８に入射せしめる。

【０００４】液晶パネル１６〜１８により変調された出
力光は、色合成のためのダイクロイックプリズム（図示
せず）もしくは、ダイクロイックミラー１９、２０及び
全反射ミラー１４により合成され、投射レンズ９により
スクリーン（図示せず）上に拡大投射される。

【０００５】上記液晶パネル１６〜１８等は、主に透過
型、反射型に区別されるが、いずれも偏光板もしくは偏
光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳと略記する）を介して
入射される特定の直線偏光光を、液晶材料により変調す
ることにより画像を表示する。

【０００６】また液晶パネル１６〜１８は一般的には各
画素を駆動するためのスイッチング素子として薄膜トラ
ンジスタ（以下ＴＦＴと略記する）を各画素に配置した
アクティブマトリックス方式が主流であり、ＴＦＴは多
結晶ポリシリコンで形成されるのが一般的である。

【０００７】また、他の従来の一般的な画像表示装置の
構成例を図２に示す。

【０００８】ランプ２２からの出力光をリフレクター２
３で反射後、第１の蠅の目レンズ２４、第２の蠅の目レ
ンズ２５からなるインテグレータ、折り返しミラー２９
によって伝搬し、さらに色分離のためのダイクロイック
ミラー３０、３１により赤色、緑色、青色の３原色に分
離し、画像表示素子３５〜３７に入射せしめる。

【０００９】画像表示素子３３〜３５は、入射光束が画
像表示素子を透過する間に変調する透過型と、入射光束
を反射後出力する間に変調する反射型に大別される。さ
らに変調の方式として入射光束の偏光状態を変化せしめ
る偏光型と、入射光束を散乱することにより変調する散
乱型に大別される。

【００１０】偏光型の画像表示素子においては、透過型
及び反射型のいずれも偏光板もしくは偏光ビームスプリ
ッタ（以下ＰＢＳと略記する）を介して入射される特定
の直線偏光光を、例えば液晶材料により変調することに
より画像を表示する。散乱型の画像表示素子において
は、透過型及び反射型のいずれも入射光束を散乱せしめ
ることで黒を表示し、入射光束を散乱せずに出力するこ
とで白を表示する。

【００１１】図１、２では画像表示素子を３枚用いた構
成（以下、三板式と略記する）であるが、後述するよう
に１枚の画像表示素子でカラー画像を表示する方式（以
下、単板式と略記する）もある。

【００１２】ランプ２等としては、発光効率が高く、発
光体の体積が小さく高輝度で、演色性の高いランプが求
められており、メタルハライドランプ、キセノンラン
プ、超高圧水銀ランプなどが用いられている。

【００１３】リフレクタ３等としては、反射後の光束を
有効に活用しやすいことから、放物面鏡、楕円面鏡、球
面鏡などが用いられており、発光体がそれら反射鏡の焦
点もしくは第一焦点もしくは中心に配置される場合が多
い。

【００１４】近年の画像表示装置においては、全白信号
を表示した際の、（１）投写画像の中央部の明るさと周
辺部の明るさを均一にする、（２）投写される全光束
（ルーメン）をランプの消費電力（ワット）で除した値
として定義される投写効率（ルーメン／ワット）を向上
する、ことが開発の主な課題であり、（１）については
インテグレータの導入により、（２）についてはインテ
グレータと発光体の小さな高輝度ランプとの組み合わせ
によって、又は画像表示手段として液晶パネルのような
偏光表示手段を用いる画像表示装置にあっては、さらに
偏光変換素子を組み合わせることによって、解決が試み
られている。また、マイクロレンズを液晶パネルに形成
することによる投写効率の改善も多数検討されている。

【００１５】次に、インテグレータについて説明する。
インテグレータとは、例えば特開平３−１１１８０６号
公報、特開平５−３４６５５７号公報に開示されている
ように、微小レンズを２次元に配置して構成される蠅の
目レンズを２種類組み合わせて構成される。インテグレ
ータの具体的構成例を図４に示す。これは、光源からの
出力光束を複数の領域に分割し、それらを被照明体物上
にて重畳することにより、照明光の均一性を向上せしめ
るものである。

【００１６】ランプ４２の出力光束はリフレクタ４３で
反射後、第１の蠅の目レンズ４４へ入射する。リフレク
タ４３及び第１の蠅の目レンズ４４によって、ランプ４
２の発光体の像は、第１の蠅の目レンズ４４の各レンズ
に対応する第２の蠅の目レンズ４５の各レンズ上に結像
する。第２の蠅の目レンズ４５の各レンズは第１の蠅の
目レンズ４４を構成する各レンズの像を画像表示素子４
７上に結像するような構成となっている。尚、必要に応
じて、第２の蠅の目レンズと画像表示素子の間にリレー
レンズ、補助レンズが配置されるが、インテグレータと
しての基本的機能は変わらない。

【００１７】上記構成により、第２の蠅の目レンズ４５
の各レンズが画像表示素子４７上に結像する像は、リフ
レクタ４３から出力される輝度分布の大きな出力光束を
第１の蠅の目レンズ４４の各レンズにより分割し、それ
らを画像表示素子４７上に重ね合わせた結果となる。こ
のような原理により投写画像における画像中央部に対す
る周辺部の明るさを７０％以上に高くすることが可能と
なっている。

【００１８】また、インテグレータの導入により、画像
表示装置の投写効率も向上せしめることができる。一般
にリフレクタ４３により反射された光束は略円形である
が、画像表示素子３７は、例えば４：３の長方形（ある
いは１６：９の矩形）である。それゆえ画像表示素子４
７を円形に照明する場合には円に内接する長方形の面積
比しか有効に活用されなかった。これを矩形変換効率と
呼び、４：３の長方形を外形とする（アスペクト比の）
画像表示素子４７を用いる場合には、矩形変換効率は、
約６１％であった。

【００１９】しかしながら、インテグレータの第１の蠅
の目レンズ４４に用いるレンズの開口形状を特開平５−
３４６５５７号公報の図２に開示されているように４：
３として配置することにより、約８０％に向上すること
が可能となっている。

【００２０】＜しかしながら特開平５−３４６５５７の
図２に開示されているように、インテグレータの第１の
蠅の目レンズ４に用いるレンズの開口形状を例えば４：
３として画像表示素子の形状と相似形にすることに加え
て、円形の照明領域の中に第１の蠅の目レンズの各レン
ズを密に形成することによって、矩形変換効率を約８０
％に向上することが可能となっている。

【００２１】次に偏光変換素子について説明する。前述
の偏光型液晶パネルを用いた画像表示装置においては、
ランプの出力光のなかで、特定方向の偏光成分しか有効
に活用できないという欠点があり、投写効率が低く、明
るい画像を得るためには出力の大きな光源を用いなけれ
ばならないという課題があった。偏光変換素子はこうし
た課題を解決することを目的として開発され、偏光板で
吸収、もしくはＰＢＳで反射され液晶パネルに入射され
ない偏光成分を、該偏光成分に対し概ね直交する偏波面
を持つ偏光成分に有効に変換するものである。

【００２２】偏光変換素子は、例えば特開平５−１０７
５０５号公報、特開平６−２０２０９４号公報、特開平
７−２９４９０６号公報、特開平８−２３４２０５号公
報、特開平９−１０５９３６号公報等に多数開示されて
いるが、基本的には、偏光分離手段と、偏波面回転手段
の組み合わせからなる。

【００２３】図３に一般的な偏光変換素子３８の構成図
を示す。無偏光光（ランダムな偏光の光束）６２を偏光
分離手段６０により互いに直交する偏光成分、すなわち
Ｐ偏光光（偏光分離手段により反射されずに透過する紙
面に平行な偏光方向を有する光束）６３’、Ｓ偏光光
（偏光分離手段により反射され、紙面に垂直な偏光方向
を有する光束）６４に分離し、Ｓ偏光光６４のみを反射
手段６０（一般的に偏光分離手段６０と同種の膜を用い
る）により反射し、偏波面回転手段６１によりＰ偏光光
４１’に変換する原理に基づいている。

【００２４】近年では、レンズアレイ６６との組み合わ
せで構成される場合が多く、前記五つの参考例もレンズ
アレイとの組み合わせにより使用することができるが、
次にマイクロレンズを形成した液晶パネルについて説明
する。通常の画像表示素子では、各画素毎に画素を駆動
するＴＦＴを形成しており、そのために画素の中でＴＦ
Ｔを形成している部分は光を透過することができない。
すなわち各画素の面積に対する実際に光が透過すること
ができる面積の比（開口率）が小さいという欠点があ
る。

【００２５】これは高解像度な画像表示素子において一
層顕著となり、対角１．３インチのパネルに１０２４×
７６８画素を形成した画像表示素子においては開口率は
約５６％程度であり、対角０．９インチの画像表示素子
に同数の画素を形成した場合には高々４０％程度とな
る。さらに画素数を増やして解像度を上げたり、または
画素数は同一であっても画像表示素子を小型にしようと
すると開口率は著しく低下し、結果として投写効率が低
下してしまう。

【００２６】そこで、例えば特開平１−２８１４２６号
公報、特開平３−１４０９２０号公報、特開平４−２５
１２２１号公報など多数の参考例に開示されているよう
に、入射側のガラス基板にマイクロレンズを形成し、か
つ各画素に一つのマイクロレンズを対応せしめ、開口部
（各画素の中で光が透過することができる部分）にのみ
入射光を集束せしめ、実効的な開口率を改善することが
考えられている。

【００２７】また一枚の画像表示素子を用いた単板式の
画像表示装置も開発されている。単板式は三板式に比べ
て画像表示素子が少なくてすみ、光学系の構成が簡略と
なることから、画像表示装置を実用化する上で重要とな
る低コスト化を実現することができる。さらに、セット
の軽量化及びカラーコンバーゼンスを不要とできるなど
の効果が期待できる。

【００２８】カラーコンバーゼンスとは、例えば三板式
において、各画像表示素子の対応する画素の出力をスク
リーン上で位置合わせすることであり、位置合わせのた
めの機構部品点数の増加、及び調整に多大の時間を要す
ること等によるコストアップの要因となっている。

【００２９】その一方で、単板式は三板式に比べて投写
効率が劣るという欠点がある。例えば、カラーフィルタ
ーを内部に設けた場合には、原理的に光の強度は１／３
になってしまい画像が暗くなるという欠点があった。こ
れは、三板式では色分離された３原色がほとんど吸収さ
れることなく利用することができるのに対し、カラーフ
ィルターが特定波長帯域の光束のみ透過し、他の波長帯
域の光を吸収もしくは反射してしまい画素に入力しない
からである。

【００３０】そこで、例えば「日経エレクトロニクス」
１９９５年１月３０日号１６９頁１７３頁（以下、参考
例１と略記する）、特開平８−２９２５０６号公報（以
下、参考例２と略記する）、特開平９−１０５８９９号
公報の図１４（以下、参考例３と略記する）、「日経エ
レクトロニクス」１９９６年１０月２１日号１８頁１９
頁図４（ａ）（以下、参考例４と略記する）、特開平６
−２２２３６１号公報（以下、参考例５と略記する）等
に多数開示されているように、白色光を３原色に分離
後、対応する画素に各原色を入射せしめることで投写効
率を改善することが提案されている。

【００３１】上記参考例は、いずれも白色光を３原色に
分離する色分離手段と、分離した後の光束を対応する各
画素に入射せしめる光路変換手段からなる。色分離手段
としては、参考例１、２、３に開示されているように、
光軸に対して互いに異なる角度で配置されたダイクロイ
ックミラー（以下、異傾斜角ダイクロイックミラーと略
記する）を用いる場合が多く、光路変換手段としてマイ
クロレンズアレイ（参考例１）、ホログラムレンズアレ
イ（参考例２）、シリンドリカルレンズ（参考例３）な
どを用いている。

【００３２】また、例えば参考例４、５に開示されてい
るようにホログラム素子などの回折光学素子を用いて、
色分離手段と光路変換手段を兼用する場合がある。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の画像表示装置では、以下のような問題点が
あった。

【００３４】インテグレータ、及び偏光変換素子の機能
を有効に活用するためには、発光体の小さな高輝度ラン
プを使用する必要があった。以下にその理由を簡潔に記
す。インテグレータにあっては、第１の蠅の目レンズを
構成する各レンズ（以下、第１レンズ群と略記する）
が、第２の蠅の目レンズの対応する各レンズ（以下、第
２レンズ群と略記する）に発光体の実像を形成するが、
このとき、第２レンズ群の開口よりも大きな像を結像し
た場合には、有効に画像表示手段に伝搬されない光束が
生じてしまい、投射効率の損失となってしまう。それゆ
え発光体が小さいほど上述の伝搬ロスが小さくなるた
め、インテグレータを有効に機能せしめることができ
る。

【００３５】以上の現象は、画像表示手段として偏光表
示手段を用いない場合、例えばポリマー分散型液晶パネ
ルや、米国特許第５０９６２７９号明細書に開示されて
いる光偏向型の画像表示手段を用いている場合にも同様
である。

【００３６】また、偏光変換素子にあっては、例えばイ
ンテグレータとの組み合わせにより構成する場合（実用
的にはほとんどの例）では、上述のインテグレータの場
合と同様に、偏光分離手段にのみ光束を集光せねばなら
ない。例えば図１４に示した偏光分離素子５８にあっ
て、偏光分離手段６０ではなく、それに隣接する偏波面
回転手段６１を設けた反射手段６０’に光が入射した成
分は有効に利用されず損失となる。

【００３７】これは第１の蠅の目レンズのランプ側に偏
光変換素子を配置し、偏光分離後の照射角を偏光成分に
よって異ならしめる場合のも同様で、この場合には、第
２の蠅の目レンズの前もしくは後に設置される偏波面回
転手段に特定の偏光成分のみを入射せねばならない。従
って偏光変換素子の効率を向上せしめ、ひいては投射効
率を向上するために、発光体の小さなランプが必要とさ
れているのである。

【００３８】例えば、偏光変換素子単体をレーザ光のよ
うな平行光で照射し、その効率を調べると、例えば図１
４に示した素子の場合では、Ｐ偏光光６３の透過率は約
９６％、また、Ｓ偏光光６４が偏光分離素子５８に入社
後、偏波面回転手段６１によりＰ偏光光６３へ変換され
る効率は約９１％と極めて高い性能を有し、無偏光光６
２がＰ偏光光６３へ変換される効率は、約９４％にな
る。偏光表示手段を用いる画像表示装置にあっては、こ
の効率を偏光利用効率と定義することができる。しかし
ながら実際に発光体の長さが約１．４５ミリと小さいラ
ンプを用いた場合でも偏光利用効率は約８０％未満に低
下し、発光体の長さが約３ミリのランプを用いたが愛に
は６０％程度に低下し、偏光変換素子がない場合の偏光
利用効率５０％と大差なくなってしまうのは、上述のラ
ンプの発光体の大きさに起因しているのである。

【００３９】更に、上記理由とは別に、ランプからの出
力光を有効に集光するためのリフレクターとの組み合わ
せにおいても発光体の小さな光源は必要である。例え
ば、リフレクターとして放物面鏡を用いる場合を考え
る。この放物面鏡は、放物線を光軸と一致する回転軸に
より回転せしめて形成される凹面を反射面として有す
る。一般的には光軸上の放物線の焦点近傍に発光体は設
置される。なぜなら、放物線の焦点より発散した光束は
放物面で反射後平行光線となるからである。

【００４０】しかしながら実際のランプの発光体は点で
はなく有限な大きさを持っているため、収束光や発散光
が生じて損失となってしまう。こうした理由からも発光
体の小さなランプが不可欠であった。つあり発光体が極
めて小さく、ほぼ点光源とみなせるランプを用いれば、
前述のインテグレータ、偏光変換素子の本来有する機能
を活かして極めて高い投射効率を実現できると考えられ
る。

【００４１】上述のように発光体の大きさによりインテ
グレータの性能及び偏光変換素子の偏光変換効率は大き
く影響を受けるが、このことはより高輝度な画像を表示
する際に重要な問題となる。例えば、１００〜２００ワ
ット程度であれば、発光体の大きさは高々２ミリ程度で
あり、上述のようにインテグレータ、及び偏光変換素子
の機能としてある程度満足できるが、それ以上の高出力
ランプを用いた場合には、発光体がランプ出力の増加と
ともに大きくなってしまう。

【００４２】それゆえ、１００〜２００ワット程度の低
出力ランプを用いた画像表示装置では、６ルーメン／ワ
ットという高い投射効率も可能であるが、それ以上の高
出力ランプを用いる場合には高々３ルーメン／ワット程
度しか実現できていない。

【００４３】つまり１００ワットのランプを用いて６ル
ーメン／ワットの計６００ルーメンの光出力を有する画
像表示装置は実現できても、例えば２００ワットのラン
プを用いて１２００ルーメンの光出力を有する画像表示
装置の実現は困難であった。以上のように高出力ランプ
を用いて投射光束を大きくしようとすると投射効率が著
しく低下していた。

【００４４】インテグレータと偏光変換素子の組み合わ
せにおいては、発光体の小さな高輝度ランプの開発によ
って、近年では高い投写効率を実現することが可能とな
ってきた。しかしながら、インテグレータとマイクロレ
ンズを形成した画像表示素子を組み合わせた場合、また
はインテグレータと偏光変換素子に加えてマイクロレン
ズを形成した画像表示素子を組み合わせた場合に、実効
的な画像表示素子の開口率を向上しようとしても大きな
効果が得られないという課題があった。以下にその理由
を簡潔に記す。

【００４５】そもそも、マイクロレンズによる実効的開
口率向上の効果を大きくするためには、マイクロレンズ
への入射光束は光軸に対して略平行であることが好まし
い。なぜならマイクロレンズの光軸に対して斜めに入射
する光束は、画素の開口部以外の部分に入射してしまう
ためである。

【００４６】発光体の小さな高輝度ランプの光束を放物
面鏡によって集光することにより略平行に近い光束を得
ることができるが、実際の照明光学系では、前述のイン
テグレータ、または偏光変換素子を用いることが不可欠
であるため、必ずしも画像表示素子すなわちマイクロレ
ンズに入射する光束は略平行な光束とは限らないのであ
る。

【００４７】それゆえ、理想的には実効的な開口率をほ
ぼ１００％にできるはずであるにもかかわらず、前述の
例ではマイクロレンズを導入しても高々１．２倍の開口
率の向上しか見込めず、対角１．３インチの画像表示素
子では実効的な開口率が６７％、対角０．９インチの画
像表示素子では５５％程度であり、半分近く光束を損失
していた。

【００４８】同様の現象は、参考例１、２、３の単板式
画像表示装置に見られるように、光路変換手段としてマ
イクロレンズを用いる場合にも発生する。すなわち、異
傾斜角ダイクロイックミラーによって画像表示素子に入
射する３原色の入射角を互いに異ならしめ、一つのマイ
クロレンズによって各原色の画像信号を表示する画素に
異なる角度で光束を入射せしめる場合に、入射光束が平
行光束でないために、混色及び効率の低下が見られてい
る。

【００４９】例えば、参考例１に開示されている例で
は、本来例えば緑色の信号を表示する画素に斜めから赤
色、もしくは青色の光束が入射し、本来の色と異なる色
調の画像が表示されたり、または画素の開口部に有効に
光束が入射せず、効率が低いという問題があった。

【００５０】上述のように、投写効率が高く、明るさの
均一性の高い画像表示が可能な画像表示装置を構成する
ためには、インテグレータ、偏光変換素子、マイクロレ
ンズの機能を有効に活用せねばならない。

【００５１】中でもインテグレータは、画像の明るさの
均一性を確保するだけではなく、偏光変換を行うために
不可欠な光学要素であるが、レンズを２次元に配置し、
しかも２つの蠅の目レンズを組み合わせねばならず高価
なものとなっており、コストアップを招いていた。すな
わち、インテグレータを複製するための金型の作製及び
硝材などが高価であり、投写レンズとともに光学系の大
半のコストを占めていた。

【００５２】また、その機能を実現するためには特定の
距離が必要で、コンパクトな光学系を構成することが不
可能であった。すなわち従来のインテグレータでは、第
１の蠅の目レンズを構成する各レンズは、入射する光束
を対応する第２の蠅の目レンズの各レンズに集光せねば
ならない。また、同時に第２の蠅の目レンズの各レンズ
は、第１の蠅の目レンズの各レンズの像を画像表示素子
上に結像せねばならない。その際の倍率は、第１の蠅の
目レンズと第２の蠅の目レンズ間の距離Ｌ１、及び第２
の蠅の目レンズと画像表示素子との距離Ｌ２の比、すな
わちＬ２／Ｌ１により決定される。一方矩形変換効率を
高めるためには、第１の蠅の目レンズを小さくし、反射
鏡からの略円形の出力光束内に密に配置すればよいが、
その結果、コストアップになることに加えて倍率を高く
せねばならずＬ２が大きくなりコンパクトな構成ができ
なかった。また、１枚の蠅の目レンズでインテグレータ
を構成することもできなかった。

【００５３】以上詳細に述べたように、本発明は、画像
の明るさの均一性を高くしたまま、かつ高い光利用効率
を実現するための回折光学素子、及びそれを用いた画像
表示装置を提供するものである。

【００５４】また、以上の課題は、その光学的挙動がい
わゆる幾何光学で記述されるレンズを用いているために
生じる問題であった。本願発明は、こうした幾何光学の
制約を受けない波動光学に基づく回折光学素子によっ
て、上述の課題を解決するものであるが、これまでにも
回折光学素子を画像表示装置に用いた例は多数開示され
ている。しかしながらこれらは、本願発明の回折光学素
子並びにそれを用いた画像表示装置と技術的思想を全く
別にするものである。

【００５５】例えば、特開平６−２２２３６１号公報、
特開平９−７３０１４号公報（以下、従来例１）では、
白色バックライト光をホログラムにより各色成分ごとに
収束せしめることによって、光利用効率を改善する手法
が開示されている。また、例えば特開平８−２２０６５
６号公報（以下、従来例２）では、液晶パネルの出力側
にホログラム素子を設けて、液晶パネルの出力光束の主
光線を光軸に対して平行とする例が開示されている。

【００５６】しかしながら、従来例１に開示されたホロ
グラムは、微小領域に分離され、各微小領域は集光性を
有するが、これは単に対応する画素に所望の光の光束を
集光せしめる機能であり、いわば波長選択性を有するマ
イクロレンズアレイとして機能するにすぎず、本願発明
の回折光学素子の特徴である、照明光の明るさの均一性
（換言すれば投写画像の明るさの均一性）を保ちつつ、
投写効率（光利用効率）を向上せしめる機能を一切有し
ていないものであり、本願発明の回折光学素子とは、そ
の技術的な思想を全く別にするものである。

【００５７】また、従来例２におけるホログラムは、液
晶表示素子の出力側（投写レンズ側）に配置され、その
機能は各色ごとに異なる角度で出力される液晶表示素子
の出力光束をおのおの平行化することにより、投写レン
ズに対する仕様の負担を軽減するものである。従って、
従来例２におけるホログラムは、液晶パネルに入射する
照明光の均一性を高くする本願発明の回折光学素子と
は、その技術的思想を全く別にするものである。

【００５８】また、半導体の製造分野で使用される露光
装置においては、例えば、特開平１０−７００７０号公
報（以下、従来例３）に開示されているように、光源か
らの出力光束を回折光学素子により分離する手法が開示
されている。従来例３にあっては、分離後の出力光束を
再度オプティカルインテグレータに入射し、レンズ系に
より被照明物体に重畳せしめており、単に光源からの出
力光束を分離しているにすぎない。すなわち、５重極照
明を用いた投影光学系において、回路パターンの方向性
を考慮して投影解像力を向上せしめるために用いられて
いるにすぎず、照明光の照度の均一性は、微小レンズを
２次元に配置したレンズアレイにより２次光源を形成
し、２次光源像をコンデンサーレンズで照明物体上に重
畳することで確保している。

【００５９】また、特開昭６３−２６７９００号公報
（以下、従来例４）では、ホログラムヘッドに入射した
光が感光材料上で重畳される引例を開示している。しか
しながら、従来例４では、二光束干渉露光を行う場合
に、互いのビームの交わる角度を変化させながらなおか
つ精密な位置あわせを実現することを目的としており、
ビームを重畳させることにより照度の均一性を向上せし
めることについては何ら開示していない。さらにホログ
ラムヘッドに入射する光に対して、２種類の開口を設
け、これらの干渉稿を得ることを目的としており、本願
発明のように回折光学素子全面に入射する光をすべて重
畳せしめるものではない。

【００６０】以上述べたように、回折光学素子を画像表
示装置に適用している従来例１、２にあっては単なる波
長選択性と集光性を有するホログラム、あるいは、液晶
表示素子の出力光束の角度を変えるホログラム素子が開
示されているにすぎない。また、回折光学素子により入
射光を分離する従来例３、４では、分離することで投影
解像力を向上せしめる手法、あるいは位置あわせを改善
する手法が開示されているにすぎない。このように、本
願発明の特徴である、回折光学素子をインテグレータと
して用いることで、画像表示素子に対する照度を均一化
せしめるという技術的思想は、従来例には何ら開示され
ていない新規なものである。

【００６１】

【課題を解決するための手段】本発明は、少なくとも、
画像表示手段と、前記画像表示手段を照明する照明手段
を備え、前記画像表示手段は、該画像表示手段に入射す
る前記照明手段からの照明光を変調し出力することで画
像を表示し、前記照明手段は、少なくとも発光手段と、
前記発光手段の出力光束を集光する第１の集光手段と、
前記第１の集光手段の出力光束の波面を変換する第１の
波面変換手段からなり、前記第１の波面変換手段は、前
記第１の集光手段の出力光束の波面と略等価な第１の光
束と、第２の光束を干渉せしめて形成した第１のホログ
ラム素子であることを特徴とする。

【００６２】本発明は、物体光と参照光を干渉せしめて
作成されるホログラム素子であって、前記物体光が略平
行な光束（以下、物体光束と略記する）であり、前記参
照光が発光手段から発せられる第１の光束を集光及び伝
搬せしめる照明手段からの出力光束と略等価な波面を有
する光束（以下、参照光束と略記する）であることを特
徴とする。

【００６３】本発明は、複数の微小領域からなる回折光
学素子であって、前記微小領域の出力光束は、前記回折
光学素子の法線方向と所定の角度で交わる平面上で概ね
互いに重なりあう光束であることを特徴とする。

【００６４】

【発明の実施の形態】（実施の形態１−１）マイクロカ
ラーフィルタを備えた１枚の画像表示素子を用いてフル
カラー画像を表示する、いわゆる単板方式の画像表示装
置の例を説明する。

【００６５】画像表示装置１０１は、図５に示すよう
に、ランプ１０２とリフレクタ１０３とから成る照明光
学部１０４と、回折光学素子であるホログラム素子１０
５と、画像表示素子１０６と、投射レンズ１０７とが設
けられて構成されている。

【００６６】上記ランプ１０２としては、例えば定格出
力が４００ワットのメタルハライドランプが用いられ
る。このランプ１０２の発光領域の形状はほぼ円筒状
で、光軸方向の発光領域（アーク）の長さは約４ミリで
ある。なお、ランプ１０２としては、メタルハライドラ
ンプに限らず、ハロゲンランプや、キセノンランプ、超
高圧水銀ランプ等を使用することもできる。

【００６７】上記リフレクタ１０３は、反射面が放物面
をなすように形成され、ランプ１０２は、発光領域の中
心軸が放物面の光軸にほぼ一致し、上記放物面の焦点と
発光領域の中心とがほぼ一致するように配置されてい
る。ただし、ランプ１０２は理想的な点光源ではなく、
発光領域がある程度の大きさを有しているため、反射光
束Ｐは厳密に平行に進む光束ではない。

【００６８】ホログラム素子１０５は、上記のような反
射光束Ｐをほぼ正確に平行な平行光束（平面波）Ｑに変
換して画像表示素子１０６に入射させるようになってい
る。すなわち、反射光束Ｐが参照光として入射されるこ
とにより、平行光束Ｑが物体光として再生出力される。
上記ホログラム素子１０５は、例えば赤、緑、および青
の波長の３種類のレーザ光を用いて多重露光して形成さ
れるが、詳細については後述する。

【００６９】画像表示素子１０６は、各画素ごとに赤、
緑、または青の光を透過させる領域が形成されたマイク
ロカラーフィルタと、各画素ごとに透過する光の光量を
制御する液晶パネルとを備え、各画素ごとに透過する光
を輝度変調して、輝度変調された光束Ｒを投射レンズ１
０７に入射させるようになっている。

【００７０】投射レンズ１０７は、入射した光束を図示
しないスクリーンに拡大投射するようになっている。

【００７１】上記のように、ホログラム素子１０５によ
って、リフレクタ１０３からの反射光束Ｐが平行光束Ｑ
に変換されることにより、ランプ１０２が高出力で発光
領域が大きい場合でも、理想的な点光源を用いた場合と
同様の光束が得られる。それゆえ、ホログラム素子１０
５を用いない場合に比べて、１．２倍の投射効率、すな
わち１．２倍明るい投射画像を得ることができる。

【００７２】次に、上記ホログラム素子１０５、および
その作製方法について詳細に説明する。

【００７３】このホログラム素子１０５は、上記反射光
束Ｐとほぼ等価な波面を有する参照光としての光束（以
下「実光束」という。）、および上記平行光束Ｑとほぼ
等価な波面を有する物体光としての光束（以下「理想光
束」という。）とを例えばフォトポリマー等のホログラ
ム材料に照射して２光束干渉縞を形成することにより作
製される。これにより、ホログラム素子１０５は、リフ
レクタ１０３からの反射光束Ｐを参照光として入射させ
ることにより、物体光として上記のようにほぼ正確に平
行な平行光束Ｑを出射させることができる。

【００７４】ここで、光束と波面について簡単に説明す
る。一般に光は正弦的に振動する波動として下記（数
１）で記述することができる。

【数１】

【００７５】ｕ ＝ Ａexpｉ（ωｔ−ｋ・ｒ） 但し、Ａは複素振幅、ｉは虚数単位、ωは角速度、ｔは
時刻、ｋは波動ベクトル、ｒは空間の座標を決める位置
ベクトルである。

【００７６】この波動ベクトルと垂直な面を一般に波面
と呼ぶ。

【００７７】光束とは複数の光波（波動としての光）が
集まったものであり、等方性の媒質中では波動ベクトル
が光波の進行方向を意味することから、「光束の波面」
を「複数の光波の波面の集合体」と定義する。

【００７８】また、例えば「反射光束Ｐまたは平行光束
Ｑ（実光束または理想光束）とほぼ等価な波面」とは、
「反射光束Ｐまたは平行光束Ｑに含まれるあらゆる光波
の波面とおおよそ等しい波面の集合体」と定義する。

【００７９】また、例えば「反射光束Ｐまたは平行光束
Ｑとほぼ等価な波面を有する光束」とは、「反射光束Ｐ
または平行光束Ｑに含まれるあらゆる光波の波面とおお
よそ等しい波面を有する光波の集合体である光束」と定
義する。

【００８０】ホログラム素子１０５は、図６に示すよう
に、それぞれ、実光束発生手段１１０または理想光束発
生手段１１１から出力される可干渉な実光束Ｓと理想光
束Ｔとをハーフミラー１１２を介してホログラム材料１
１３に同一方向から照射し、干渉縞を生じさせることに
より、透過型のホログラム素子として形成される。ま
た、図７に示すように、ハーフミラーを１１２介さず
に、実光束Ｓと理想光束Ｔとを直接ホログラム材料１１
３に照射するようにしてもよい。さらに、図８に示すよ
うに、ホログラム材料１１３の両面側から実光束Ｓと理
想光束Ｔとを照射することにより、リップマン型のホロ
グラム素子として形成するようにしてもよい。なお、図
６〜図８においては、便宜上、実光束発生手段１１０
が、ランプ１０２とリフレクタ１０３とを有し、理想光
束発生手段１１１が、点光源１１１ａとリフレクタ１１
１ｂとを有するように描いているが、これは、実光束発
生手段１１０が、前記ランプ１０２からリフレクタ１０
３を介して出力される反射光束Ｐとほぼ等価な波面を有
する実光束を出力する一方、理想光束発生手段１１１
が、前記ほぼ正確に平行な平行光束Ｑとほぼ等価な波面
を有する理想光束を出力するように構成されていること
を示すものである。

【００８１】上記ホログラム材料１１３としては、例え
ば塩乳剤（漂白タイプ）や、鉄をドーピングしたニオブ
酸リチウムなどのフォトリフラクティブ結晶、重クロム
酸ゼラチン、フォトポリマ等の一般的なホログラム材
料、干渉縞を凹凸の変化として記録するフォトレジスト
（これらは２光束干渉ではなく計算などに基づいて作製
する場合、電子ビーム描画、イオンビームエッチング、
エンボス法等で形成される。）、フォトサーモプラステ
ィック、ＵＶキュアラブル液晶、液晶ポリマーとフォト
レジストの混合物等を用いることもできる。

【００８２】上記実光束発生手段１１０および理想光束
発生手段１１１は、具体的には、例えばそれぞれ以下の
ような３つの構成のものを用いることができる。まず、
各構成の概要について説明する。

【００８３】実光束発生手段１１０の第１の構成は、画
像表示装置１０１のランプ１０２における発光領域と同
様の形状を有し、可干渉な光束を発する模擬発光体を用
い、この模擬発光体からの光束を画像表示装置１０１の
リフレクタ１０３と同様のリフレクタで反射させて実光
束Ｓとするようにしたものである。

【００８４】第２の構成は、リフレクタや模擬発光体な
どを用いることなく、上記第１の構成におけるリフレク
タ１０３から反射される実光束Ｓとほぼ等価な発散角等
の光束を直接生じさせるようにしたものである。

【００８５】第３の構成は、上記第１の構成、または第
２の構成により生じた実光束Ｓ（物体光）と、所定の光
束（参照光）とを干渉させてマスターホログラムを作製
し、このマスターホログラムに上記所定の光束と同じ光
束（参照光）を照射して、実光束Ｓ（物体光）を再生す
るようにしたものである。

【００８６】また、理想光束発生手段１１１の第１の構
成は、実光束発生手段１１０の第１の構成と同様に模擬
発光体とリフレクタを用いるものである。ただし、模擬
発光体として、理想的なランプの発光領域の形状、すな
わち点光源を模した、サイズの小さいものを用いるとと
もに、リフレクタとして、精度の高いものを用いること
が好ましい。

【００８７】第２の構成は、実光束発生手段１１０の第
２の構成と同様にリフレクタや模擬発光体などを用いる
ことなく、理想光束Ｔそのものを直接発生させるように
したものである。

【００８８】第３の構成は、やはり実光束発生手段１１
０の第３の構成と同様に、上記第１の構成、または第２
の構成により生じた理想光束Ｔ（物体光）と、所定の光
束（参照光）とを干渉させて作製したマスターホログラ
ムを用いるものである。

【００８９】以下、上記実光束発生手段１１０および理
想光束発生手段１１１の各具体的な構成について、詳細
に説明する。

【００９０】実光束発生手段１１０の第１の構成は、図
９に示すように、リフレクタ１２１の内部に模擬発光体
１２２が細い針状の支持部材（不図示）に支持されて配
置されたものである。上記リフレクタ１２１は、画像表
示装置１０１のリフレクタ１０３と同様の形状のものが
用いられる。ここで、リフレクタ１０３，１２１の形状
は、ホログラム素子１０５からどのような光束を出力さ
せるかに係らず設定することができる。すなわち、画像
表示装置１０１において実際にホログラム素子１０５か
ら出力される光束は、理想光束Ｔと等価なものとなるの
で、例えばリフレクタ１０３，１２１に楕円面鏡を用い
て、ホログラム素子１０５から点光源と放物面鏡とから
得られるのと等価な平行光束を出力させるようにした
り、リフレクタ１０３，１２１に放物面鏡を用いて、ホ
ログラム素子１０５から楕円面鏡や球面鏡から得られる
のと等価な収束光束を出力させるようにしたりすること
もできる。

【００９１】また、上記模擬発光体１２２の形状および
位置は、画像表示装置１０１のランプ１０２における発
光領域と同様に設定されている。具体的には、例えばラ
ンプ１０２が前記のようにメタルハライドランプである
場合には、円柱状で、その長軸がリフレクタ１２１の光
軸にほぼ一致するように配置される。また、ランプ１０
２がキセノンランプである場合には、ほぼ球状で、その
中心がリフレクタ１２１の光軸上に位置するように配置
される。また、模擬発光体１２２は、光の反射性を有す
る材料から成り、リフレクタ１２１の開口部１２１ａか
ら入射したレーザ光Ｕをリフレクタ１２１内で散乱させ
て、実光束Ｓを生じるようになっている。すなわち、ラ
ンプ１０２の発光領域と同様の形状で可干渉な光束を発
する発光体を形成することは困難であるが、上記のよう
に模擬発光体１２２を用いることにより、容易に同様の
光束を発生させて実光束Ｓを得ることができる。模擬発
光体１２２の具体的な材料としては、アルミニウムやス
テンレス等の金属材料を用いたり、ガラスやセラミッ
ク、または樹脂材料等の表面に光の反射性を有する金属
薄膜等を形成したものを用いたりすることができる。ま
た、模擬発光体１２２の表面は、機械的または化学的な
加工などによって若干の散乱性を持たせることが好まし
い。さらに、模擬発光体１２２の表面に、ランプ１０２
の発光管（石英等から成る球状などのケーシング）と等
価な石英やガラスなどの被覆を施してもよい。

【００９２】なお、レーザ光Ｕを模擬発光体１２２の全
表面にわたって照射するためには、レーザ光Ｕを走査し
たり、リフレクタ１２１における複数の開口部１２１ａ
から同時に、または順次照射したりするようにすればよ
い。また、順次照射する場合には、ホログラム材料１１
３を多重露光するようにすればよい。さらに、ランプ１
０２における発光領域の内部から発せられる光束につい
ても、正確に波面変換を行い得るようにするためには、
上記模擬発光体１２２よりも小さな外形を有するいくつ
かの模擬発光体を用いて、ホログラム材料１１３を多重
露光するようにすればよい。これにより、一層波面変換
効率を向上させることができる。また、模擬発光体１２
２で散乱された光束のうち、リフレクタ１２１で反射さ
れずに直接ホログラム材料１１３に至る光束も生じる
が、これにより、画像表示装置１０１の使用時において
ランプ１０２から直接照射されるような光束も有効に利
用することができるホログラム素子１０５を形成するこ
とができる。すなわち、ランプ１０２から直接照射され
る光束は、発散角が大きいために、従来の画像表示装置
ではほとんど画像表示素子１０６を介して投射レンズ１
０７に至らず、有効に利用することができなかったが、
本発明によれば、そのような光束も有効に利用され、一
層投射効率を高くすることができる。また、レーザ光Ｕ
は、可視光領域のいずれかの波長のものを用いてもよい
が、３原色に対応する波長のものを順次用いてホログラ
ム材料１１３を多重露光すれば、より高い効率で波面変
換を行い得るようにすることができる。

【００９３】実光束発生手段１１０の第２の構成は、例
えばリフレクタ１０３が図１０に示すような、下記（数
２）で示される放物線をＺ（光軸）軸回りに回転させた
放物面鏡である場合、例えば同図のＡ点を通り、光束Ｓ
１〜Ｓ２の範囲の角度で発散する光束を実光束Ｓとする
ようにしたものである。

【数２】

【００９４】ｚ＝ｘ²／２ｐ＋ｐ／２ ただし、ｐは正の定数である。

【００９５】すなわち、ランプ１０２の発光領域がメタ
ルハライドランプのように円筒状であって放物面の焦点
Ｆ（ｐ，０）を中心として点Ｃ（ｐ＋Δｚ，０）と点Ｄ
（ｐ−Δｚ，０）との間に位置する場合、焦点Ｆから放
物面上の点Ａに向けて発せられた光束は、点Ａからｚ軸
に平行な方向（Ｓ０）に進み、点Ｃ、Ｄから発せられた
光束は、Ｓ０と角度Δθ１またはΔθ２をなす方向に進
む。そこで、例えばｘ軸を含みｚ軸に垂直な平面上に平
面状の模擬発光面１３１を配置するとすると、この模擬
発光面１３１の表面側から照射されたレーザ光の反射
光、または裏面側から照射されたレーザ光の透過光が、
上記Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２などの方向に進むように、模擬発
光面１３１の表面形状を形成することにより、実光束Ｓ
を得ることができる。より具体的には、例えばシート状
の樹脂材料や、金属材料、プラスチック材料、また、こ
れらの表面にフォトレジスト層を形成したものなどに、
電子ビーム露光や、エンボス加工、イオンビームエッチ
ングなどによって鋸刃状、階段状などの凹凸を形成する
ことにより、上記のような模擬発光面１３１を構成する
ことができ、この模擬発光面１３１にレーザ光を照射し
て反射または透過させて得られる実光束Ｓでホログラム
材料１１３を露光することにより、ホログラム素子１０
５を形成することができる。

【００９６】実光束発生手段１１０の第３の構成は、前
述のように、上記第１の構成、または第２の構成により
生じた実光束Ｓと、所定の光束との２光束干渉縞をホロ
グラム材料に記録してマスターホログラムを作製し、こ
のマスターホログラムに上記所定の光束と同じ光束を照
射して、実光束Ｓを再生するようにしたものである。こ
のようなマスターホログラムを用いることにより、第１
の構成または第２の構成によって多重露光を行う場合と
同様のホログラム素子１０５を１回の露光で作製するこ
とができる。なお、マスターホログラムの材料として
は、前記ホログラム素子１０５のホログラム材料１１３
について説明したような種々のものを用いることができ
る。

【００９７】また、理想光束発生手段１１１の第１の構
成は、上記実光束発生手段１１０の第１の構成と同様に
模擬発光体とリフレクタを用いるものであるが、模擬発
光体として前述のように点光源を模したサイズの小さい
ものを用いる点、およびリフレクタとして、実際の画像
表示装置１０１で用いられるリフレクタ１０３の形状や
精度に係らず、所望の理想光束が得られる形状および精
度のリフレクタを用いる点が異なる。すなわち、理想光
束として平行光束を得る場合には、放物面鏡を用い、模
擬発光体を放物面の焦点に配置すればよい。また、所定
の１点に集光する光束を得る場合には、楕円面鏡を用
い、模擬発光体を一方の焦点に配置したり、球面鏡を用
いて模擬発光体を球面の中心に配置したりすればよい。

【００９８】理想光束発生手段１１１の第２の構成は、
前述のようにリフレクタや模擬発光体などを用いること
なく、理想光束Ｔそのものを直接発生させるようにした
もので、例えばレーザ光を屈折光学系により拡大するな
どして、ほぼ平面波とした平行光束や、収束光束、発散
光束などを生じさせるようにしたものである。

【００９９】理想光束発生手段１１１の第３の構成は、
上記第１の構成、または第２の構成により生じた理想光
束Ｔと、所定の光束との２光束干渉縞をホログラム材料
に記録してマスターホログラムを作製し、このマスター
ホログラムに上記所定の光束と同じ光束を照射して、理
想光束Ｔを再生するようにしたものである。

【０１００】（実施の形態１−２）画像表示装置の他の
例を説明する。なお、以下の説明においては、前記実施
の形態１−１と同様の機能を有する構成要素については
同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【０１０１】ホログラム素子１０５は、上記のように平
行光束Ｑを出力するものに限らず、図１１に示すよう
に、投射レンズ１０７の入射瞳に結像される収束光束Ｑ
１を出力するようにしてもよい。このようなホログラム
素子１０５は、理想光束発生手段１１１によって、所定
の１点に向けて収束する光束を生じさせることにより作
製することができる。

【０１０２】上記のような収束光束Ｑ１を出力するホロ
グラム素子１０５を用いることにより、さらに投射効率
が向上し、ホログラム素子１０５を用いない場合に比べ
て、１．５倍明るい投射画像を表示させることができ
る。

【０１０３】（実施の形態１−３）上記のような放物面
鏡のリフレクタ１０３に代えて、図１２に示すように、
球面鏡のリフレクタ１４１と集光レンズ１４２とを用い
るようにしてもよい。この場合のホログラム素子１０５
は、実光束発生手段１１０によって、集光レンズ１４２
から出力される光束と同様の光束を生じさせるととも
に、理想光束発生手段１１１によって平行光束を生じさ
せることにより、作製することができ、実施の形態１−
１と同様の平行光束Ｑ２を出力させることができる。な
お、実施の形態１−２と同様に、理想光束発生手段１１
１によって、所定の１点に向けて収束する光束を生じさ
せてホログラム素子１０５を作製し、投射レンズ１０７
の入射瞳に結像される収束光束が出力されるようにして
もよい。

【０１０４】（実施の形態１−４）さらに、図１３に示
すように、楕円面鏡のリフレクタ１４３を用いるように
してもよい。この場合には、ランプ１０２を楕円面の一
方の焦点付近に配置することにより、リフレクタ１４３
からの反射光は他方の焦点付近に集光する光束となる。
ただし、ランプ１０２の発光領域がある程度の大きさを
有するために、リフレクタ１４３からの反射光は、正確
には他方の焦点に集光しないが、このような光束であっ
ても、理想光束発生手段１１１により所定の１点に向け
て収束する光束を生じさせて作製されたホログラム素子
１０５を用いることにより、実施の形態１−２と同様に
投射レンズ１０７の入射瞳に結像される収束光束Ｑ３を
得ることができる。なお、上記のように楕円面鏡のリフ
レクタ１４３を用いる場合での、理想光束発生手段１１
１によって平行光束を生じさせて作製されたホログラム
素子を用いて、実施の形態１−１と同様の平行光束を出
力させるようにしてもよい。

【０１０５】（実施の形態１−５）光源光を赤、緑、青
の３原色の光に色分解し、それぞれの色の光に対応した
３枚の透過型の画像表示素子を用いてフルカラー画像を
表示する、いわゆる３板方式の画像表示装置の例を説明
する。

【０１０６】画像表示装置１５１には、図１４に示すよ
うに、実施の形態１−１と同様にランプ１０２とリフレ
クタ１０３とから成る照明光学部１０４と、ホログラム
素子１０５とが設けられ、ホログラム素子１０５から平
行光束Ｑが出力されるようになっている。この平行光束
Ｑは、ダイクロイックミラー１５２，１５３によって
赤、緑、青の３原色の光束に分離され、全反射ミラー１
５４、およびコンデンサレンズ１５５を介して、赤、
緑、青の画素に対応する液晶パネル１５６〜１５８に入
射して輝度変調された後、全反射ミラー１５９、および
ダイクロイックミラー１６０，１６１により構成される
色合成系によって合成され、投射レンズ１０７によって
図示しないスクリーンに拡大投射されるようになってい
る。

【０１０７】上記のような３板方式の画像表示装置１５
１においては、単板方式に比べて光路長が長くなる。こ
のため、従来の画像表示装置においては、光束の発散に
よるロスが大きくなりがちであるが、上記のようにホロ
グラム素子１０５を用いることによってほぼ完全な平行
光束Ｑが得られるため、明るい投射画像を表示させるこ
とができる。

【０１０８】（実施の形態１−６）反射型の画像表示素
子を用いた３板方式の画像表示装置の例を説明する。

【０１０９】画像表示装置１７１には、図１５に示すよ
うに、実施の形態１−１と同様にランプ１０２とリフレ
クタ１０３とから成る照明光学部１０４と、ホログラム
素子１０５とが設けられ、ホログラム素子１０５から平
行光束Ｑが出力されるようになっている。この平行光束
Ｑは、全反射ミラー１７２を介してＰＢＳ（偏光ビーム
スプリッタ）１７３に入射し、ランダムな偏光の光束が
ほぼ直線偏光の光束に変換されるようになっている。ほ
ぼ直線偏光に変換された光束は、レンズ１７４を介して
ダイクロイックミラー１７５，１７６によって３原色の
光束に分離され、反射型液晶表示素子１７７〜１７９に
入射して輝度変調された後、上記ダイクロイックミラー
１７５，１７６によって合成され、投射レンズ１０７に
よって図示しないスクリーンに拡大投射されるようにな
っている。なお、ＰＢＳを３個用いるようにしてもよ
い。

【０１１０】上記のような反射型の３板方式の画像表示
装置１７１においても、やはり単板方式に比べて光路長
が長くなるが、従来の画像表示装置では投射効率が例え
ば１ルーメン／ワットと低いのに対して、上記ホログラ
ム素子１０５を用いた画像表示装置１７１では、１．８
ルーメン／ワットと高い投射効率を得ることができる。

【０１１１】（実施の形態１−７）ホログラム素子とと
もに、さらにインテグレータが設けられた画像表示装置
の例を説明する。

【０１１２】画像表示装置１８１には、図１６に示すよ
うに、実施の形態１−１と同様にホログラム素子１０５
が設けられるとともに、ホログラム素子１０５と画像表
示素子１０６との間に、第１の蠅の目レンズ１８２およ
び第２の蠅の目レンズ１８３から成るインテグレータ１
８４が設けられている。

【０１１３】上記第１の蠅の目レンズ１８２および第２
の蠅の目レンズ１８３は、それぞれ微小なレンズ群が形
成されている。すなわち、第１の蠅の目レンズ１８２の
各微小レンズは、それぞれ第２の蠅の目レンズ１８３に
おける対応する微小レンズ上に発光領域（発光体）の像
を結像させるようになっている。また、第２の蠅の目レ
ンズ１８３の各微小レンズは、それぞれ第１の蠅の目レ
ンズ１８２の各微小レンズの像を画像表示素子１０６上
の全面に重ね合わせて結像させるようになっている。こ
れにより、照明光学部１０４から出力される光束が複数
に分割され、それぞれ画像表示素子１０６上で重ね合わ
されることにより、表示画像における中央部と周辺部と
などでの光量むらの低減が図られる。

【０１１４】また、ホログラム素子１０５は、実光束発
生手段１１０によって照明光学部１０４から出力される
反射光束Ｐとほぼ等価な波面を有する光束を生じさせる
とともに、理想光束発生手段１１１によって平行光束を
生じさせることにより作製されている。

【０１１５】ここで、実際に作製されるホログラム素子
１０５には、色収差や倍率収差が発生することがあると
ともに、ホログラム素子１０５から出力される平行光束
Ｑは、完全に理想的な平行光束であるとは限らず、必ず
しも変換効率は１００％ではない。すなわち、照明光学
部１０４から出力される反射光束Ｐの大部分は理想的な
平行光束に変換されるが、一部の光束は、そのまま平行
光束Ｑ中に含まれたりすることがある。そこで、上記の
ようにホログラム素子１０５を有しない従来の画像表示
装置に用いられるものと同様のインテグレータ１８４等
と組み合わせることによって、ホログラム素子１０５に
より平行光束に変換されなかった光束なども有効に利用
されるようになり、ホログラム素子１０５の収差や波面
変換ロスを補償することができる。

【０１１６】それゆえ、ホログラム素子１０５を設ける
ことなく、インテグレータ１８４だけを設けた従来の画
像表示装置場合に比べて、１．４倍の高い投射効率を得
ることができる。また、周辺光量比（全白信号による表
示をした場合の画面中央部の明るさと周辺部分の明るさ
との比）は、従来と同等の７０％以上の高い値を得るこ
とができる。

【０１１７】（実施の形態１−８）画像表示素子とし
て、例えば米国特許第５０９６２７９号に開示されてい
るような反射型偏向素子が用いられる例を説明する。

【０１１８】画像表示装置１９１には、図１７に示すよ
うに、ランプ１０２とリフレクタ１０３とから成る照明
光学部１０４と、実施の形態１−７と同様のインテグレ
ータ１８４と、反射型偏向素子である画像表示素子１９
２と、投射レンズ１０７とが設けられている。また、イ
ンテグレータ１８４の第１の蠅の目レンズ１８２と第２
の蠅の目レンズ１８３との間にホログラム素子１０５が
設けられる一方、インテグレータ１８４と画像表示素子
１９２との間には、インテグレータ１８４から出力され
る光束を平行光束にするレンズ１９３が設けられてい
る。

【０１１９】上記ランプ１０２としては、４００ワット
のメタルハライドランプが用いられ、リフレクタ１０３
には放物面鏡が用いられている。ランプ１０２の発光領
域の形状はほぼ円筒状で、光軸方向の発光領域（アー
ク）の長さは約４ミリである。このランプ１０２は、発
光領域がリフレクタ１０３の焦点付近に位置し、発光領
域の中心軸がリフレクタ１０３の光軸にほぼ一致するよ
うに配置されている。

【０１２０】ホログラム素子１０５は、実光束発生手段
１１０によって照明光学部１０４から出力され、第１の
蠅の目レンズ１８２を介した光束とほぼ等価な波面を有
する光束を生じさせるとともに、理想光束発生手段１１
１によって平行光束が第１の蠅の目レンズ１８２を介し
た光束、またはこれと等価な光束を生じさせることによ
り作製されている。

【０１２１】レンズ１９３は、第２の蠅の目レンズ１８
３の各微小レンズによってレンズ１９３の入射面に重ね
合わされた光束を平行光束にして画像表示素子１９２に
入射させるようになっている。

【０１２２】画像表示素子１９２は、画素ごとに入射光
の反射角を変化させ、投射レンズ１０７に入射する光量
を変化させることにより表示を行うようになっている。

【０１２３】上記のように構成されることにより、第１
の蠅の目レンズ１８２から出力された光束が、ホログラ
ム素子１０５によって、正確に第２の蠅の目レンズ１８
３の各微小レンズ（有効領域）に入射する光束に変換さ
れる。すなわち、ホログラム素子１０５が設けられてい
ない場合には、ランプ１０２の発光領域がある程度の大
きさを有していることに起因して、第２の蠅の目レンズ
１８３の各微小レンズに入射しない光束が生じがちであ
るのに対し、ホログラム素子１０５が設けられているこ
とにより、正確な平行光束（平面波）が第１の蠅の目レ
ンズ１８２を介した場合とほぼ等価な波面を有する光束
に変換され、確実に第２の蠅の目レンズ１８３の各微小
レンズに入射する。すなわち、ランプ１０２から発せら
れるほとんど全ての光束を第２の蠅の目レンズ１８３の
有効領域に入射させることができ、光量ロスを低減して
光利用効率を向上させることができる。具体的には、例
えば画像表示素子としてマイクロカラーフィルタを有し
ないモノクローム画像の表示用のものを用いる場合、従
来の構成では投射効率が４ルーメン／ワットであったの
に対し、上記のようにホログラム素子１０５を用いる場
合には８ルーメン／ワットの投射効率を得ることができ
る。

【０１２４】（実施の形態１−８）前記実施の形態１−
７の構成に、さらに偏光変換素子２０２が設けられた画
像表示装置の例を説明する。

【０１２５】この画像表示装置には、図１８に示すよう
に、インテグレータ１８４を構成する第２の蠅の目レン
ズと液晶表示素子１０６との間に、偏光変換素子２０２
と集光レンズ２０３とが設けられている。なお、画像表
示素子１０６としては例えば透過型液晶パネルが用いら
れ、ランプ１０２として１００Ｗの超高圧水銀ランプ、
リフレクタ１０３として放物面鏡が用いられている。

【０１２６】上記偏光変換素子２０２は、例えば図１９
に示すように、１対の三角柱状プリズムが接合された複
数の角柱体２０４がさらに平板状に接合されるととも
に、１つおきの角柱体２０４ごとに偏波面回転手段２０
５が設けられて構成されている。上記３角柱状プリズム
の接合面には偏光分離膜２０６が形成されている。この
偏光分離膜２０６は、例えば誘電体の多層膜により構成
され、入射した無偏光光の例えばＰ偏光光（偏光方向が
同図の紙面に平行な偏光）を透過させ、Ｓ偏光光（偏光
方向が同図の紙面に垂直な偏光）を反射させるようにな
っている。また、偏波面回転手段２０５は、入射した光
束の偏波面をほぼ９０°回転させる機能を有し、一般的
には位相差が入射波長のほぼ半分の光学的異方性を有す
る光学材料で構成される。

【０１２７】上記偏光変換素子２０２は、偏波面回転手
段２０５が設けられていない角柱体２０４がそれぞれイ
ンテグレータ１８４の第２の蠅の目レンズ１８３を構成
する各レンズに対応するように配置され、第１の蠅の目
レンズ４９により各第２の蠅の目レンズに集光された光
束が上記第２の蠅の目レンズに対応した角柱体２０４に
入射するようになっている。上記角柱体２０４に入射し
た光束は、Ｐ偏光光だけが偏光分離膜２０６を透過して
出射される一方、Ｓ偏光光は偏光分離膜２０６によって
反射され、隣接する角柱体２０４の偏光分離膜２０６で
反射後、偏波面回転手段２０５によりＰ偏光光に変換さ
れて出力されるようになっている。すなわち、偏光変換
素子２０２からは、ランプ１０２からの無偏光光がＰ偏
光光に揃えられた光束が出射される。

【０１２８】ここで、第１の蠅の目レンズ１８２は、入
射した光束を第２の蠅の目レンズ１８３を介して上記偏
波面回転手段２０５が設けられていない角柱体２０４に
集光させる必要があるが、ホログラム素子１０５が設け
られていることにより、ランプ１０２の発光領域が大き
いなどの場合でも、第１の蠅の目レンズ１８２により確
実に上記のように集光させることができるため、偏光変
換素子２０２による投射効率向上効果を一層大きくして
明るい画像を表示させることができる。

【０１２９】すなわち、従来の画像表示装置では、例え
ばランプ１０２として出力が１００ワットで発光領域が
１．４５ミリの球状とかなり小さいものを用いても、偏
光変換素子２０２を設けない場合に比べて１．５倍程度
に明るくなる程度に過ぎず、発光領域が数ミリと大きい
ような高出力ランプを用いる場合には偏光変換素子２０
２の有無による投射効率の増大程度はさらに小さくな
り、せいぜい１．２倍程度明るくなる程度であった。こ
れに対して、上記のようにホログラム素子１０５が設け
られていることにより、前記のようにホログラム素子１
０５を通過した光束の波面がほぼ平面波となるため、大
部分の光束を第２の蠅の目レンズ１８３を介して所定の
角柱体２０４だけに入射させることができるので、偏光
変換素子２０２が設けられていない場合に比べて、例え
ば１．８倍明るくすることが可能となった。しかも、発
光領域が大きい例えば４００ワットのメタルハライドラ
ンプや２キロワットのキセノンランプなどを用いても、
ホログラム素子１０５から出力される光束の波面は点光
源を用いた場合の光束の波面とほぼ等しいため、偏光変
換素子２０２を設けることによる投射効率の大幅な向上
効果を得ることができる。具体的には、上記キセノンラ
ンプを用いた場合でも投射効率を５ルーメン／ワットと
高くすることが可能となり、１万ルーメンの高光出力の
画像表示装置を構成することができた。

【０１３０】同様の効果は、種々の偏光変換素子を用い
たり、他の位置に偏光変換素子を配置したりした場合で
も得ることができる。例えば偏光変換素子２０２を第１
の蠅の目レンズ１０２のランプ１０２側に配置する特開
平８−２３４２０５号公報や、特開平６−２０２０９４
号公報の図４（Ｂ）等に開示された偏光変換素子を用い
る場合にも同様の効果を得ることができる。

【０１３１】（実施の形態２−１）インテグレータから
出力される光束を平行光束に変換する反射型のホログラ
ム素子が設けられた画像表示装置の例を説明する。

【０１３２】画像表示装置２１１には、図２０に示すよ
うに、実施の形態１−１等と同様にランプ１０２、およ
びリフレクタ１０３から成る照明光学部１０４と、第１
の蠅の目レンズ２１２、第２の蠅の目レンズ２１３、お
よび折り返しミラー２１４から成るインテグレータ２１
５とが設けられている。上記インテグレータ２１５は、
実施の形態１−７のインテグレータ１８４と同様の機能
を有し、投写画像の明るさの均一性が確保されるように
なっている。インテグレータ２１５から出力された光束
は、ダイクロイックミラー１５２，１５３によって３原
色の光束に分離され、後に詳述する反射型のホログラム
素子２１６〜２１８を介して、赤、緑、青の画素に対応
する液晶パネル２１９〜２２１に入射して輝度変調され
た後、ダイクロイックミラー１６０，１６１により色合
成され、投射レンズ１０７によって図示しないスクリー
ンに拡大投射されるようになっている。

【０１３３】上記画像表示素子２１９〜２２１は、各画
素に対応して微小なレンズが形成されたマイクロレンズ
と、各画素ごとに透過する光の光量を制御する液晶パネ
ルとを備え、マイクロレンズに入射した光を液晶パネル
の有効領域に集光させるようになっている。

【０１３４】ホログラム素子２１６〜２１８は、インテ
グレータ２１５からダイクロイックミラー１５２，１５
３を介して入射した光束を平行光束に変換し、画像表示
素子２１９〜２２１に出力するようになっている。それ
ゆえ、マイクロレンズに入射した光束は確実に液晶パネ
ルの有効領域に集光され、上記入射したほとんど全ての
光が利用されるので、実質的な開口率を大幅に増大させ
て投射効率および投写画像の明るさの均一性を向上させ
ることができる。

【０１３５】具体的には、例えば対角寸法が１．３イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約５
６％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、マイクロレンズもホログラム素子２１６〜
２１８も用いない場合の投射効率は５ルーメン／ワット
であり、マイクロレンズだけを用いた場合の投射効率は
６ルーメン／ワットであったのに対し、上記のようにさ
らにホログラム素子２１６〜２１８を設けることによ
り、８ルーメン／ワットと高い投射効率を得ることがで
きた。これは、実質的な開口率が５６％から約９０％に
向上したことに相当する。また、同じ大きさで画素数の
多い液晶パネル、例えば１２８０×１０２４画素、また
はそれ以上の画素（例えば１９２０×１０８０画素）の
ものを用いても、投写効率はほとんど変わらなかった。
さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回転手段と
を有する偏光変換素子を設けることによって、１２ルー
メン／ワットという極めて高い投写効率を実現すること
が可能となった。

【０１３６】上記のようなホログラム素子２１６〜２１
８は、前記実施の形態１−１のホログラム素子１０５と
同様にして作製することができる。すなわち、参照光と
しての、実際の画像表示装置２１１においてホログラム
素子２１６〜２１８に入射する光束と等価な波面を有す
る光束と、物体光としての、画像表示素子２１９〜２２
１に入射させようとする平行光束と等価な波面を有する
光束との２光束干渉縞を、フォトポリマー等のホログラ
ム材料に記録することにより作製される。

【０１３７】具体的には、例えば緑色用のホログラム素
子２１７を作製する場合、図２１に示すように、インテ
グレータ２１５、ダイクロイックミラー１５２，１５
３、およびホログラム材料２１７’を実際の画像表示装
置２１１と同様の光路が形成されるように配置し、レー
ザ２３１から出力されるレーザ光をビームビームイクス
パンダ２３２によってビーム幅を広げた後、ビームスプ
リッタ２３３によって２つの光束Ｖ，Ｗに分離し、光束
Ｖを折り返しミラー２３４を介してインテグレータ２１
５に入射させる一方、光束Ｗを直接ホログラム材料２１
７’に入射させる。ここで、レーザ光の波長は、実際の
画像表示装置２１１でホログラム素子に入射する各３原
色の波長帯域に含まれるもの（この場合は緑色）である
ことが望ましく、この場合には、ホログラム素子の回折
効率に対する波長分散の影響を最小限に抑え、ホログラ
ム素子の回折効率を高くすることができる。これによ
り、実際にホログラム素子２１７が配置される位置で入
射される光束の波面と等価な波面を有する光束と平面波
との２光束干渉縞が形成され、画像表示装置２１１のダ
イクロイックミラー１５３による色分離後の光束が入射
したときに、平行光束に変換して画像表示素子２２０に
出力するホログラム素子２１７が得られる。

【０１３８】なお、実際の画像表示装置に集光レンズや
リレーレンズ、偏向変換素子などが設けられる場合に
は、これらの要素も光束Ｖの光路中に配置すればよい。

【０１３９】また、上記のほか、前記実施の形態１−１
で説明したような種々の構成によってホログラム素子２
１６〜２１８を作製することができる。

【０１４０】以上述べたように、本発明の画像表示装置
は、色分離後の照明光束を本発明に係るホログラム素子
２１６〜２１８を介して画像表示素子に入力せしめるこ
とによって、投写効率を改善することに特徴を有するも
ので、画像表示素子の光変調材料の種類、光変調方式、
及び駆動素子を形成する材料、駆動方式のいずれを問わ
ず図１に示した構成の画像表示装置と同様の効果を得る
ことができる。

【０１４１】また、光学系の構成も上記構成に限定され
るものではなく、本発明の趣旨に則り様々な変形が可能
である。

【０１４２】（実施の形態２−２）輝度変調された各色
の光束の合成にダイクロイックプリズムが用いられる例
を説明する。

【０１４３】この画像表示装置２３１は、図２２に示す
ように、実施の形態２−１の画像表示装置２１１に比べ
て、ダイクロイックミラー１６０，１６１に代えてダイ
クロイックプリズム２３５が設けられている点、および
折り返しミラー２３２〜２３４により光路が異なるよう
に構成されている点が異なる。

【０１４４】すなわち、ランプ１０２からインテグレー
タ２１５を介してダイクロイックミラー１５２に白色の
光束が入射すると、入射光束のうち、赤色成分の光束は
反射され、緑色、青色の光束は透過する。赤色光束は折
り返しミラー２３３，２３４を介して、反射型のホログ
ラム素子２１６へ入射し、略平行光束に変換された後、
表示画像の赤色成分を表示する画像表示素子（液晶パネ
ル）２１９に入射して輝度変調される。また、前記ダイ
クロイックミラー１５２を透過した緑色光束および青色
光束は、折り返しミラー２３２を介してダイクロイック
ミラー１５３に入射し、緑色光束が反射され、青色光束
のみ透過する。上記緑色光束、および青色光束は、それ
ぞれ反射型のホログラム素子２１７，２１８によって反
射される際に、略平行な光束に変換され、表示画像の各
色成分を表示する画像表示素子（液晶パネル）２２０，
２２１に入射して輝度変調される。輝度変調された各色
の光束は、ダイクロイックプリズム２３５によって色合
成され、投射レンズ１０７によって図示しないスクリー
ンに拡大投射される。

【０１４５】上記のような画像表示装置２３１において
も、実施の形態２−１と同様に、ランプ１０２からの出
力光束が、インテグレータ２１５等を介して伝搬される
平行ではない光束が、ホログラム素子２１６〜２１８に
よって略平行な光束に変換された後、画像表示素子２１
９〜２２１に入射し、マイクロレンズによって液晶パネ
ルにおける各画素の開口部にのみ光を入射させることが
可能となるため、実効的な開口率を極めて高くすること
が可能となる。

【０１４６】具体的には、例えば対角寸法が０．９イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約４
０％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、マイクロレンズもホログラム素子２１６〜
２１８も用いない場合の投射効率は３．６ルーメン／ワ
ットであり、マイクロレンズだけを用いた場合の投射効
率は４．３ルーメン／ワットであったのに対し、上記の
ようにさらにホログラム素子２１６〜２１８を設けるこ
とにより、８ルーメン／ワットと高い投射効率を得るこ
とができた。これは、実質的な開口率が４０％から約９
０％に向上したことに相当する。また、同じ大きさで画
素数の多い液晶パネル、例えば１２８０×１０２４画
素、またはそれ以上の画素（例えば１９２０×１０８０
画素）のものを用いても、投写効率はほとんど変わらな
かった。さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回
転手段とを有する偏光変換素子を設けることによって、
１２ルーメン／ワットという極めて高い投写効率を実現
することが可能となった。

【０１４７】（実施の形態２−３）反射型のホログラム
素子によって反射されずに透過した光束も有効に利用し
得る画像表示装置の例を説明する。

【０１４８】画像表示装置２４１は、図２３に示すよう
に、実施の形態２−２の画像表示装置２３１に比べて、
主として、ホログラム素子２１６〜２１８の裏面側に全
反射ミラー２４２，２４３またはダイクロイックミラー
２４５が設けられている点が異なる。

【０１４９】すなわち、ランプ１０２からインテグレー
タ２１５を介してダイクロイックミラー２４４に白色の
光束が入射すると、入射光束のうち、青色成分の光束は
透過し、他の波長帯域の光束（赤色成分および緑色成分
すなわち黄色の光束）は反射される。

【０１５０】青色光束は主に青色用ホログラム素子２１
８により反射されるとともに平行光束に変換された後、
青色用の画像表示素子（液晶パネル）２２１に入射して
輝度変調される。また、ホログラム素子２１８によって
反射されずに透過した青色光束は、全反射ミラー２４３
によって反射され、再度青色用のホログラム素子２１８
を透過して、やはり画像表示素子２２１に入射する。す
なわちホログラム素子２１８を透過した光束も有効に利
用される。

【０１５１】また、ダイクロイックミラー２４４で反射
された黄色光束のうちの緑色光束は、緑色用のホログラ
ム素子２１７により反射されるとともに平行光束に変換
された後、緑色用の画像表示素子２２０に入射して輝度
変調される。また、ホログラム素子２１７によって反射
されずに透過した緑色光束は、ダイクロイックミラー２
４５によって反射され、再度緑色用のホログラム素子２
１７を透過して、やはり画像表示素子２２０に入射す
る。

【０１５２】さらに、ダイクロイックミラー２４５を透
過した赤色光束は、光路長補償用のリレーレンズ２４
６，２４８および全反射ミラー２４７を介して赤色用の
ホログラム素子２１６に入射し、主に反射されるととも
に平行光束に変換された後、赤色用の画像表示素子２１
９に入射して輝度変調される。また、ホログラム素子２
１６によって反射されずに透過した赤色光束は、全反射
ミラー２４２によって反射され、再度赤色用のホログラ
ム素子２１６を透過して、やはり画像表示素子２１９に
入射する。

【０１５３】上記輝度変調された各色の光束は、ダイク
ロイックプリズム２３５によって色合成され、投射レン
ズ１０７によって図示しないスクリーンに拡大投射され
る。

【０１５４】上記のように、ホログラム素子２１６〜２
１８の裏面側に全反射ミラー２４２，２４３またはダイ
クロイックミラー２４５が設けられることにより、各ホ
ログラム素子２１６〜２１８によって平行光束として反
射されずに各ホログラム素子２１６〜２１８を透過した
光束も、大部分の光束を画像表示素子２１９〜２２１に
入射させることができる。このような光束は、平行光束
には変換されないが、画像の投射に利用されるので、単
にホログラム素子２１６〜２１８だけを用いる場合に比
べて一層高い投射効率を得ることができる。

【０１５５】具体的には、例えば対角寸法が０．９イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約４
０％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、マイクロレンズもホログラム素子２１６〜
２１８も用いない場合の投射効率は３．６ルーメン／ワ
ットであり、マイクロレンズだけを用いた場合の投射効
率は４．３ルーメン／ワットであったのに対し、上記の
ようにさらにホログラム素子２１６〜２１８を設けるこ
とにより、１０ルーメン／ワットと高い投射効率を得る
ことができた。これは、実質的な開口率が４０％から約
９０％に向上したことに相当する。また、同じ大きさで
画素数の多い液晶パネル、例えば１２８０×１０２４画
素、またはそれ以上の画素（例えば１９２０×１０８０
画素）のものを用いても、投写効率はほとんど変わらな
かった。さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回
転手段とを有する偏光変換素子を設けることによって、
１２ルーメン／ワットという極めて高い投写効率を実現
することが可能となった。

【０１５６】なお、ホログラム素子２１７の裏面側に設
けるミラーとしては、赤色光束を透過させる必要がある
ので、上記のように緑色反射、かつ赤色透過型のダイク
ロイックミラーを用いる必要があるのに対し、ホログラ
ム素子２１６，２１８の裏面側に設けるミラーとして
は、上記のように全反射ミラー（通常はアルミニウム薄
膜をガラス基板上に成膜し、場合によっては増反射コー
トを施したもの）を用いてもよいし、赤色光束または青
色光束を反射するダイクロイックミラーを用いてもよ
い。

【０１５７】また、上記のようにホログラム素子の裏面
側に反射ミラーを設ける構成は、前記実施の形態２−１
や実施の形態２−２、また、以下の画像表示装置などに
適用してもよく、やはり、投射効率をさらに高くするこ
とができる。

【０１５８】（実施の形態２−４）画像表示素子とし
て、反射型で偏光変調型の液晶表示パネルを用いるとと
もに、白色光束の色分離にもダイクロイックプリズムを
用いた画像表示装置の例を説明する。

【０１５９】本実施の形態の画像表示装置２５９では、
図２４に示すように、実施の形態２−１〜２−３で説明
した画像表示装置と同様に、ランプ１０２からの出力光
束をリフレクタ１０３で反射し、反射後の出力光束を第
１の蠅の目レンズ２１２および第２の蠅の目レンズ２１
３を介して画像表示素子２６０〜２６２へ伝搬させるよ
うになっている。

【０１６０】第２の蠅の目レンズ２１３と画像表示素子
２６０〜２６２の間には、色分離のためのダイクロイッ
クプリズム２６３、ホログラム素子２６４〜２６６およ
びＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２６７〜２６９が設
けられている。すなわち、ランプ１０２からの白色の出
力光束は、ダイクロイックプリズム２６３によって、
赤、緑、青の３原色の光束に色分離され、色分離された
各光束は、対応するホログラム素子２６４〜２６６によ
って所望の光束に変換され、ＰＢＳ２６７〜２６９によ
って所定の偏波面を有する直線偏光光が反射型の画像表
示素子２６０〜２６２へ入射して、偏光方向が変調され
るようになっている。

【０１６１】画像表示素子２６０〜２６２で偏光方向が
変調された各原色の光束は、再度ＰＢＳ２６７〜２６９
を介して可視化され、投写レンズ１０７によりスクリー
ン（不図示）上に拡大投写される。

【０１６２】上記ホログラム素子２６４〜２６６は、実
施の形態２−１と同様に、基本的に参照光束と物体光束
との２光束干渉稿を例えばフォトポリマー等の一般的な
ホログラム材料に記録して作製することができる。ここ
で、ホログラム素子２６４〜２６６は、入射光束が変換
されて出力される光束が実施の形態２−１〜２−３と同
様に略平行光束になるようにしてもよいし、またはＰＢ
Ｓの偏光分離特性が大幅に低下しない程度の入射角の小
さな収束光束になるようにしてもよい。これによって、
以下に示す理由により、装置の小型化を図りつつ、高投
写効率と高コントラストの両立を実現することができ
る。

【０１６３】一般に、ランプ、リフレクタ、集光レン
ズ、リレーレンズ、インテグレータ、偏光変換素子等に
よって構成される照明光学系のＦ値と、投写レンズのＦ
値とは概ね一致するように設定されるが、このＦ値が小
さいほど投写効率が高くなる一方、液晶パネルおよびＰ
ＢＳに入射する光束の最大？入射角が大きくなる。ここ
で、ＰＢＳは、一般にガラス基板に誘電体多層膜を形成
して、入射光がＰ偏光光とＳ偏光光とに分離されるよう
に構成されるが、その偏光分離特性は入射光の入射角に
依存し、設計時の基準入射角からずれるに従って偏光分
離特性が低下する。それゆえ、上記のように反射型の液
晶パネルを用いた画像表示装置では、上記Ｆ値が小さい
とコントラストの低下を招きがちになる。そこで、コン
トラストを改善するために、照明光学系のリレーレンズ
によって上記入射角が小さくなるようにする場合には、
いわゆる幾何光学における輝度不変の原理によって、照
明面積が大きくなるため、画面サイズの大きな液晶パネ
ル等を用いる必要があり、装置の大型化を招くことにな
る。これに対して、本実施の形態のようにホログラム素
子を用いることによって、ＰＢＳの偏光分離特性が大幅
に低下しないように入射角が小さくなるようにしても、
照明面積が小さくなるようにすることができる。それゆ
え、画面サイズの小さな液晶パネルを用いて装置の小型
化を図りつつ、投写効率が高く、かつコントラストの低
下しない画像表示装置を構成することができる。

【０１６４】具体的には、例えば対角寸法が０．９イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約７
５％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、ホログラム素子２６４〜２６６を用いない
画像表示装置では、コントラストを確保するために投射
レンズ１０７および照明光学系のＦ値を４とすると、投
射効率は約２ルーメン／ワットで、コントラストは２０
０：１であり、Ｆ値を３にすると、４ルーメン／ワット
と明るくできるが、コントラストは１００：１に低下し
た。これに対し、上記のようにホログラム素子２１６〜
２１８を設けることにより、Ｆ値を５と大きくしても約
４．３ルーメン／ワットの投写効率を実現でき、かつＦ
値が大きい（ＰＢＳに対する入射角が小さい）ためコン
トラストを８００：１に向上させることができた。

【０１６５】なお、上記画像表示素子２６０〜２６２と
しては、液晶パネルに限らず、入射した直線偏光光をそ
の偏光方向を変調後反射して出力する偏光変調型で反射
型の画像表示素子であればよく、光変調材料や、光変調
の方式、画素の駆動方式などに制約はない。

【０１６６】また、本実施の形態で構成した画像表示装
置は、ＰＢＳを３個使用する３ＰＢＳ方式であるが、Ｐ
ＢＳを１個使用する１ＰＢＳ方式も構成できる。

【０１６７】また、投写画像のコントラストを向上させ
るためにＰＢＳと本発明のホログラム素子との間に前置
偏光子（ＰＰＢＳ）を設置してもよい。

【０１６８】（実施の形態２−５）光軸に対して互いに
異なる角度で配置されたダイクロイックミラーと、マイ
クロレンズアレイ等が形成された画像表示素子とを有す
る単板方式の画像表示装置の例を説明する。

【０１６９】この画像表示装置２８０には、図２５に示
すように、２枚のダイクロイックミラー２８１，２８２
と、１枚の全反射ミラー２８３と、各ダイクロイックミ
ラー２８１，２８２または全反射ミラー２８３の表面側
に設けられたホログラム素子２８４〜２８６とを有する
色分離手段２８７、および入射した光束の光路を入射角
に応じて異ならせる光路変換手と液晶パネルとを有する
画像表示素子２８８が設けられている。この画像表示装
置２８０の基本的な構成および動作は、「日経エレクト
ロニクス」１９９５年１月３０日号１６９頁１７３頁
や、特開平８−２９２５０６号公報、または特開平９−
１０５８９９号公報の図１４等に記載されているものと
同様で、上記ホログラム素子２８５〜２８７を備えてい
る点が異なる。

【０１７０】すなわち、ダイクロイックミラー２８１，
２８２および全反射ミラー２８３は、それぞれ光軸に対
して互いに異なる角度で配置されて、ランプ１０２から
の白色の出力光束が赤、緑、青の３原色の光束に色分離
され、色分離された各光束は、互いに異なる入射角で画
像表示素子２８８の光路変換手段に入射するようになっ
ている。ただし、この画像表示装置２８０では、ホログ
ラム素子２８４〜２８６を透過した光束だけが上記のよ
うにダイクロイックミラー２８１等によって反射される
ようになっているが、この点に関しては後述する。ま
た、光路変換手段としては、例えばマイクロレンズアレ
イや、ホログラムレンズアレイ、シリンドリカルレンズ
等が用いられ、入射した光束をその入射角に応じて、そ
れぞれ液晶パネルにおける互いに異なる色に対応した画
素に入射させるようになっている。

【０１７１】上記のような構成により、ランプ１０２か
らリフレクタ１０４およびインテグレータ２１５を介し
て色分離手段２８７に白色の光束が入射すると、入射光
束のうち、青色成分の光束は、青色用のホログラム素子
２８４により反射されるとともに平行光束に変換された
後、画像表示素子２８８に入射する。ホログラム素子２
８４によって反射されずに透過した青色光束は、青色光
束反射用のダイクロイックミｓラー２８１によって反射
され、再度青色用のホログラム素子２８４を透過して、
やはり画像表示素子２８８に入射する。

【０１７２】同様に、緑色成分の光束は、青色用のホロ
グラム素子２８４および青色光束反射用のダイクロイッ
クミラー２８１を透過した後、緑色用のホログラム素子
２８５により反射されるとともに平行光束に変換されて
画像表示素子２８８に入射し、ホログラム素子２８５を
透過した緑色光束は、緑色光束反射用のダイクロイック
ミラー２８２によって反射され、やはり画像表示素子２
８８に入射する。

【０１７３】また、赤色成分の光束も、青色用および緑
色用のホログラム素子２８４，２８５と、青色光束反射
用および緑色光束反射用のダイクロイックミラー２８
１，２８２を透過した後、赤色用のホログラム素子２８
６により反射されるとともに平行光束に変換されて画像
表示素子２８８に入射し、ホログラム素子２８６を透過
した赤色光束は、全反射ミラー２８３によって反射さ
れ、やはり画像表示素子２８８に入射する。

【０１７４】画像表示素子２８８の光路変換手段に入射
した各色の光束は、それぞれの入射角に応じて、液晶パ
ネルにおける互いに異なる色に対応した画素に入射して
輝度変調され、投射レンズ１０７によって図示しないス
クリーンに拡大投射される。ここで、ホログラム素子２
８４〜２８６によって反射された各色の光束は、上記の
ように平行光束に変換されているため、それぞれ液晶パ
ネルにおける各色に対応した画素の有効領域に確実に集
光される。それゆえ、実効的な開口率を極めて高くする
ことができるとともに、各原色の光束の一部が、他の原
色に対応する画素に入射することによる、いわゆるクロ
ストークを最小限に抑制することが可能となる。したが
って、光学系の構成が簡略で、低コストであるという単
板式の特徴を活かしつつ、混色のない鮮明な画像を表示
させることができ、しかも、投射効率および投写画像の
明るさの均一性を向上させることができる。

【０１７５】具体的には、例えば対角寸法が１．３イン
チで６４０×４８０×３の画素が形成された開口率が約
４０％の液晶パネル２８８と、１００Ｗの超高圧水銀ラ
ンプとを用いた場合、ホログラム素子２８４〜２８６を
用いない場合の投射効率は高々１．５ルーメン／ワット
であったのに対し、上記のようにホログラム素子２８４
〜２８６を設けることにより、単板式でありながら、４
ルーメン／ワットと高い投射効率を得ることができた。
また、さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回転
手段とを有する偏光変換素子を設けることによって、８
ルーメン／ワットという極めて高い投写効率を実現する
ことが可能となった。

【０１７６】（実施の形態３−１）第１の蠅の目レンズ
と第２の蠅の目レンズを有するインテグレータに代え
て、回折光学素子が設けられた画像表示装置の例を説明
する。

【０１７７】この画像表示装置は、図２６に示すよう
に、ランプ１０２、リフレクタ１０３、回折光学素子３
０１、非球面の補助レンズ３０２、画像表示素子３０
３、および投射レンズ１０７が設けられて構成されてい
る。すなわち、上記ランプ１０２から発せられた光束
は、リフレクタ１０３で反射されて回折光学素子３０１
に入射し、後述する回折光学素子３０１の回折領域３０
１ａごとに回折した光束が補助レンズ３０２を介して画
像表示素子３０３の画像表示領域上に重畳されて輝度変
調され、投射レンズ１０７によって図示しないスクリー
ンに拡大投射されるようになっている。

【０１７８】ランプ１０２としては、例えば定格出力が
１２０ワットの超高圧水銀ランプが用いられる。なお、
上記のランプに限らず、実施の形態１−１で説明したよ
うな種々のものを用いることもできる。ここで、ランプ
１０２の発光領域は小さい方がより好ましいが、発光領
域が比較的大きい場合でも、本発明の相対的な効果は得
られるので、例えば高出力キセノンランプや、高出力メ
タルハライドランプのように発光体が数ミリ程度と大き
いランプを用いてもよい。

【０１７９】リフレクタ１０３としては、例えば放物面
鏡が用いられるが、楕円面鏡や球面鏡などを用いてもよ
い。ランプ１０２が設けられる位置は、放物面鏡の場合
には、その焦点近傍にランプ１０２の発光領域が位置す
るように設定することが好ましく、楕円面鏡の場合には
第１焦点近傍に、球面鏡の場合には球の中心近傍に位置
するように設定することが好ましい。

【０１８０】補助レンズ３０２は、画像表示素子３０３
への入射光束のテレセントリック性を確保し、投写レン
ズの設計上の負担を小さくするため、すなわちＦ値等の
制約を緩和するために設けられるもので、投写レンズの
Ｆ値に設計上の余裕があれば必ずしも設けなくてもよ
い。

【０１８１】回折光学素子３０１は、図２７に示すよう
に、光軸方向から見たときの外形が、リフレクタ１０３
から入射する光束の断面形状に対応した円形で、その内
部領域は、画像表示素子３０３の画像表示領域と相似な
矩形形状の複数の回折領域３０１ａ…に区分けされてい
る。この回折領域３０１ａは、それぞれ、前記のように
入射した光束を回折させて、画像表示素子３０３の画像
表示領域のほぼ全面にわたって入射させるようになって
いる。すなわち、各回折領域３０１ａから出力された光
束が画像表示素子３０３上で重畳されることにより、表
示画像における中央部と周辺部となどでの光量むらの低
減が図られる。

【０１８２】なお、各回折領域３０１ａの形状は、必ず
しも画像表示素子３０３と相似な矩形形状でなくてもよ
く、また互いに同一の大きさや形状でなくてもよい。ま
た、回折領域３０１ａの大きさや数は、図２６および図
２７においては便宜上模式的に描かれているが、特に限
定されるものではない。すなわち、各回折領域３０１ａ
から出力された光束が、画像表示素子３０３の画像表示
領域上で概ね重畳されるようになっていれば、光量むら
低減の効果が得られる。ただし、一般に、回折領域３０
１ａの数を多くする方が、投射画像の明るさの均一性を
より向上させることができ、また、矩形変換効率（矩形
開口率）を高くして投射効率を高くし、より明るい画像
を表示させることができる。また、微小領域３０１ａの
形状が画像表示素子３０１の形状と相似形である方が、
各回折領域３０１ａからの出力光束を画像表示素子３０
３上に重畳させるように作製することが比較的容易にな
る。また、矩形の回折領域３０１ａの周辺部の領域３０
１ｂにもそれぞれ回折作用を生じさせるようにして、画
像表示素子３０３上の一部の領域に光束を重畳させるよ
うにしてもよい。この場合には、実質的な矩形変換効率
を１００％にすることができ、より明るい画像を表示さ
せることが可能となる。

【０１８３】また、各回折領域３０１ａごとに、画像表
示素子３０３における回折光学素子からの出力光束が入
射する領域を若干ずらすようにして、投写画像の明るさ
の均一性を一層向上させるようにしてもよい。

【０１８４】回折光学素子３０１の具体的な回折構造と
しては、例えば断面形状が鋸刃状に形成された表面レリ
ーフ型の回折格子を適用することができる。また、鋸歯
形状に限らず、鋸歯形状を階段状で近似したマルチレベ
ルの回折格子などとしてもよい。上記鋸刃形状等は、光
学上の計算などにより決定することができる。

【０１８５】上記のような回折光学素子３０１は、例え
ば電子ビーム描画法を用いた一般的な半導体プロセス等
により作製可能であり、また大量生産が容易なことか
ら、従来の蠅の目レンズを用いたインテグレータと比べ
てその製造コストを容易に１／１０以下程度にすること
ができる。それゆえ、投写レンズ１０７とともに光学系
要素の大半の製造コストを占めるインテグレータが安価
になることにより、画像表示装置全体の製造コストを例
えば従来の６割程度にまで抑えることが容易にできる。

【０１８６】また、回折光学素子３０１は、以下の実施
の形態で説明するような２光束干渉縞によるホログラム
素子を形成することによって作製してもよい。

【０１８７】画像表示素子１０９としては、例えば透過
型液晶パネルなど、透過型の種々のものを用いることが
できる。ここで、例えば特開平１−２８１４２６号公報
や、特開平３−１４０９２０号公報、特開平４−２５１
２２１号公報等に多数開示されているように、各画素に
対応したマイクロレンズを備え、画像表示素子への入射
光束を画素の開口部（有効領域）近傍に収束させること
によって実効的な開口率の増加を図ったものを用いても
よい。例えば装置の小型化を図るなどのためにリフレク
タ１０３の開口形状を小さく設定した場合でも高い投射
効率（光利用効率）得ることができる。すなわち、従来
の蠅の目レンズを用いたインテグレータでは、第１の蠅
の目レンズの各単体レンズと、第２の蠅の目レンズの各
単体レンズとが対応するように設けられる。ところが、
リフレクタの開口形状が小さいと、リフレクタから出力
される光束の平行光からのズレが大きくなりがちであり
光束の平行度が低下しがちでありこの場合、蠅の目レン
ズの各単体レンズ間でクロストークが生じやすくなる。
それゆえ、第１レンズアレイの像が画像表示素子よりも
かなり大きくなり、画像表示素子を有効に照明できなか
った。

【０１８８】これに対して、上記のように回折光学素子
３０１を用いた場合には、回折光学素子３０１の各回折
領域３０１ａによる回折光束が直接液晶表示素子に入射
するため、２つの蠅の目レンズを用いる場合のようなク
ロストークが生じることはなく、したがって、リフレク
タから出力される光束の平行光からのズレが大きくなっ
ても光束の平行度が多少低下しても画像表示素子３０３
における照明領域が若干ずれるずれたり広がったりする
程度にすぎず、マイクロレンズによる実質的な開口率の
増大効果は適切に得られるので、高い投射効率が得られ
る。また、リフレクタから出力される光束の平行度が低
い光源、すなわち、発光領域が比較的大きいランプを用
いる場合には、理想的な平行光束が出力されるとした場
合に画像表示素子が照明される領域を画像表示領域より
も小さく設定し、出力光束が平行光束でないことによる
ずれ等によって画像表示素子の全体が照明されるように
してもよい。

【０１８９】上記のように、蠅の目レンズを有するイン
テグレータに代えて回折光学素子を用いることにより、
表示画像における中央部と周辺部となどでの光量むらを
確実に低減できるとともに、投射効率を向上させること
ができる。投射効率に関しては、例えば従来の画像表示
装置では投写効率が高々５ルーメン／ワット程度である
のに対して、上記画像表示装置では７．５ルーメン／ワ
ットと高い効率を得ることができた。

【０１９０】また、表示画像の明るさの低下を招くこと
なくリフレクタの開口形状を小さくすることができるの
で、画像表示装置の小型化を容易に図ることもできる。
具体的には、例えば従来の通常のリフレクタの開口径が
１００ｍｍ程度であるのに対して５０ｍｍ程度にするこ
とができ、光軸方向の寸法も従来の約１／２程度にする
ことができる。さらに、投写レンズのＦ値を小さくし、
回折光学素子と画像表示素子との距離を短くして、より
一層小型化を図ることも容易にできる。

【０１９１】（実施の形態３−２）実施の形態３−１と
同様の回折光学素子を用いた画像表示装置であって、光
源光を赤、緑、青の３原色の光に色分解し、それぞれの
色の光に対応した３枚の透過型の画像表示素子を用いて
フルカラー画像を表示する、いわゆる３板方式の画像表
示装置の例を説明する。

【０１９２】本実施の形態における画像表示装置は、図
２８に示すように、ランプ１０２の出力光束を、リフレ
クタ１０３で反射後、回折光学素子３０１を介して画像
表示素子３１４〜３１６の照明光束とするようになって
いる。回折光学素子３０１は実施の形態３−１と同様の
ものである。すなわち、複数の回折領域が形成され、各
回折領域の出力光束が、それぞれダイクロイックミラー
３１７，３１８により３原色に分離された後、各色の画
像を表示する画像表示素子３１４〜３１６上で重畳され
るようになっている。

【０１９３】より詳しくは、回折光学素子３０１から出
力された白色光束の中で、ダイクロイックミラー３１７
により青色成分の光束のみが透過し、他の波長成分は反
射される。青色成分の光束は反射ミラー３１９を介して
青色画像表示用の画像表示素子３１４へ入射する。ダイ
クロイックミラー３１７の反射光の中で、緑色成分はダ
イクロイックミラー３１８により反射されて緑色用の画
像表示素子３１５へ入射する。赤色成分は、リレーレン
ズ３２０，３２１、及び反射ミラー３２２，３２３を介
して赤色表示用の画像表示素子３１６に入射する。各画
像表示素子３１４〜３１６に入射した各色の光束は、輝
度変調された後、色合成のためのダイクロイックプリズ
ム３２４により合成され、投写レンズ１０７によりスク
リーン（不図示）上に拡大投影される。

【０１９４】なお、図２９に示すように、ダイクロイッ
クプリズムを用いず、ダイクロイックミラー３３９，３
４０によって色合成するようにしてもよい。すなわち、
ランプ１０２の出力光束をリフレクタ１０３で集光後、
実施の形態３−１と同様の回折光学素子３０１で各回折
領域ごとに回折させて分離し、各回折領域の出力光束を
ダイクロイックミラー３３３，３３４および反射ミラー
３３５を介して画像表示素子３１４〜３１６上で重畳し
て輝度変調し、画像表示素子３１４〜３１６の出力光束
をダイクロイックミラー３３９，３４０および反射ミラ
ー３４１からなる色合成系により合成して、投写レンズ
１０７によりスクリーン（不図示）上に拡大投写するこ
とにより同様にフルカラー画像が表示される。

【０１９５】本実施の形態における画像表示装置でも、
実施の形態３−１と同様に、従来の高価な１対の蠅の目
レンズに代えて、安価な回折光学素子を用いてインテグ
レータを構成することにより、製造コストの増大を大幅
に抑制できるとともに、投射効率を向上させ、さらに、
リフレクタの外径寸法を小さくすることができ、画像表
示装置の薄型化、軽量化を図ることができる。

【０１９６】なお、回折光学素子３０１は、上記のよう
にランプ１０２とダイクロイックミラー３１７等との間
に設けてもよいが、ダイクロイックミラー３１７等と画
像表示素子３１４等との間に設けるようにしてもよい。

【０１９７】また、リフレクタとして、以下の実施の形
態３−３のような楕円面鏡を用いたり、球面鏡を用いた
り、また、回折光学素子として、実施の形態３−４のよ
うなホログラム素子を用いたりしてもよい。

【０１９８】（実施の形態３−３）リフレクタに楕円面
鏡を用いた画像表示装置の例を説明する。

【０１９９】この画像表示装置は、図３０に示すよう
に、実施の形態３−１の画像表示装置（図２６）と比べ
て、放物面鏡であるリフレクタ１０３に代えて楕円面鏡
であるリフレクタ３５３が設けられている点と、回折光
学素子３０１および投射レンズ１０７に代えて、リフレ
クタ３５３からの反射光束が収束光束であることに対応
した回折光学素子３５１および投射レンズ３５７が設け
られている点が異なり、その他の構成および作用は同様
である。すなわち、楕円面鏡であるリフレクタ３５３の
第１焦点にランプ１０２の発光領域が配置される場合、
リフレクタ３５３からの反射光束は概ね第２焦点に集光
される。回折光学素子３５１は、上記反射光束の経路上
に設置されるため、回折光学素子３５１の上記反射光束
が入射する領域、すなわち回折光束が出射する領域の直
径は、リフレクタ３５３の外径（開口径）よりも小さく
なる。それゆえ、回折光学素子３５１の外径を小さくす
ることができるとともに、画像表示素子３０３に入射す
る回折光束の最大入射角を小さくすることができるの
で、投射レンズ３５７として、Ｆ値が大きく製造コスト
の安価なものを用いることができる。

【０２００】なお、回折光学素子３５１に複数の回折領
域が形成され、各回折領域の出力光束が画像表示素子上
で重畳されるように構成されている点や作製方法も実施
の形態３−１と同様である。

【０２０１】また、投射効率を向上させ得る効果、特に
画像表示素子としてマイクロレンズを備えたものを用い
る場合の実効的な開口率の向上による投射効率を向上さ
せ得る効果などについては、前記実施の形態３−１と同
様である。

【０２０２】また、ランプ１０２の発光領域が比較的大
きい場合には、リフレクタ３５３からの反射光束は１点
に集光せず、第２焦点の前後に集光される成分が多くな
り、画像表示素子３０３上で重畳される光源の像にズレ
（例えば回折像）を生じる。そこで、反射光束の集光度
が悪い場合には、このズレを当初から見込んで、各回折
領域における回折光束が画像表示素子３０３を照明する
面積が小さくなるように設定、第２焦点へ集光する光束
からずれた光束によりそれ以外の部分が照明されるよう
にしてもよい。

【０２０３】（実施の形態３−４）回折光学素子とし
て、２光束干渉露光やＣＧＨ（Computer Generated Hol
ogram）によって作製されるホログラム素子を用いた画
像表示装置の例を説明する。

【０２０４】この画像表示装置は、図３１に示すよう
に、実施の形態３−１の画像表示装置（図２６）と比べ
て、回折光学素子３０１に代えて、回折光学素子３６１
が設けられている点と、ランプ１０３およびリフレクタ
１０２の光軸（照明光学系の光軸）が、ホログラム素子
３６１および投射レンズ１０７等の光軸（投射光学系の
光軸）と所定の角度をなすように構成されている点とが
異なり、その他の構成および作用は同様である。

【０２０５】上記ホログラム素子３６１は、位相型の体
積ホログラムとし、リフレクタ１０３からの反射光束が
例えば３０°の入射角で入射するように設定されてい
る。これは高次回折光をなくして透過型ホログラムの回
折効率を高くするためである。また、ホログラム素子３
６１をその法線方向から見たときの外形は、図３２に示
すようにｘ軸方向に長軸を有する楕円形に形成されてい
る。これは、一般にそうであるように、リフレクタ１０
３からの出力光束は円形であるため、照明光学系の光軸
と投写光学系の光軸とが平行でない場合には、ホログラ
ム素子３６１に投影される円形像が同図に示すような楕
円形となるからである。

【０２０６】ホログラム素子３６１の内部領域には、実
施の形態３−１のホログラム素子３０１と同様に、複数
の矩形の回折領域３６１ａ…が形成されている。この矩
形の各回折領域３６１ａの形状は、画像表示素子３０３
の画像表示領域を、ホログラム素子３６１の外形におけ
る長軸：短軸比だけ縦方向に引き伸ばした形状と相似に
なるように形成されている。図３２においては、画像表
示素子３０３が１６（水平方向）：９（垂直方向）のア
スペクト比を有するいわゆるハイビジョン（ＨＤＴＶ）
画像を表示するようになっている場合の例を表してい
る。

【０２０７】なお、実施の形態３−１で説明したのと同
様に、上記回折領域３６１ａの形状は、必ずしも画像表
示素子３０３に対応した形状でなくてもよく、また互い
に同一の大きさや形状でなくてもよい。すなわち、回折
領域３６１ａの大きさや形状、また、数は、特に限定さ
れず、各回折領域３６１ａから出力された光束が、画像
表示素子３６３の画像表示領域上で概ね重畳されるよう
になっていれば、光量むら低減の効果が得られる。

【０２０８】なお、本実施の形態のように照明光学系の
光軸と投射光学系の光軸とが平行でない場合でも、当然
ながら表面レリーフ型の回折光学素子を用いることもで
きる。

【０２０９】次に、上記ホログラム素子３６１の作製方
法について説明する。

【０２１０】ホログラム素子３６１は、電子ビーム描画
などにより、計算された干渉稿をフォトレジストに記録
して作製することなども可能であるが、ここではフォト
ポリマーなどの干渉稿の露光によって作製する場合につ
いて説明する。

【０２１１】一般にホログラム素子は可干渉な２光束
（参照光と物体光）を干渉させ、発生した干渉稿を、フ
ォトポリマーなどの記録材料の露光によって記録するこ
とにより作製される。参照光としては、リフレクタから
の出力光束と略等しい光束を用いればよい。例えば上記
のようにリフレクタ１０３に放物面鏡を用いる場合に
は、実際の照明光学系における光軸と平行な角度で平行
光を入射すればよい。また、物体光としては、各回折領
域３６１ａを形成しようとする領域から画像表示素子３
０３の表示領域全面にわたって入射し、画像表示素子３
０３上で重畳されるような光路の光束が用いられる。

【０２１２】以下、図３３に基づいて具体的に説明す
る。図３３は、ホログラム材料３７１の回折領域が形成
されるべき１つの領域３７１ａに干渉稿を記録する場合
の干渉露光系の配置図である。

【０２１３】ホログラム素子３６１を作製するためのホ
ログラム材料３７１としては、前記実施の形態１−１で
示したような種々のものを用いることができる。

【０２１４】レーザ３７２から出力された平行光束Ｌ
は、ハーフミラー３７３により透過光Ｍと反射光Ｎとに
２分されるようになっている。

【０２１５】透過光Ｍは、ミラー３７４、およびマスク
３７５における、ホログラム材料３７１の領域３７１ａ
に対応して設けられた開口部３７５ａを介して、所定の
入射角でホログラム材料３７１の領域３７１ａに参照光
として入射する。上記所定の入射角とは、実際に構成す
る画像表示装置におけるリフレクタ１０３の光軸（回転
放物面鏡の回転軸）とホログラム素子３６１の法線とが
なす角度と等しい角度である。

【０２１６】一方、反射光Ｎは、集光レンズ３７６によ
って、マスク３７５の開口部３７５ａを通過後に補助レ
ンズ３７２を介して画像表示素子３７３の表示領域と概
ね同一な領域を照明する光束に変換され、ホログラム材
料３７１の領域３７１ａに物体光として入射する。

【０２１７】上記のようにしてホログラム材料３７１に
入射した２つの光束によって形成される干渉稿をホログ
ラム材料３７１に記録することにより、１つの回折領域
が形成され、これを各回折領域ごとに順次繰り返すこと
によって、前記のようなホログラム素子３６１が作製さ
れる。

【０２１８】ホログラム素子３６１を作製する別の方法
について説明する。

【０２１９】この方法では、参照光については上記の場
合と同様であるが、物体光を生成するために、図３４に
示すようにレンズアレイ３８１が用いられる。このレン
ズアレイ３８１には、それぞれホログラム材料３７１の
回折領域が形成されるべき各領域３７１ａに対応したレ
ンズ３８１ａが形成されている。各レンズ３８１ａは、
それぞれ、上記ホログラム材料３７１の各領域３７１ａ
に対する前記の方法の集光レンズ３７６と同様な作用を
するようになっている。

【０２２０】ここで、ホログラム材料３７１の露光は、
前記の方法のようにマスク３７５を用いるなどして各領
域３７１ａごとにするようにしてもよいが、図３４に示
すようなマスク３８２を用いることにより複数の領域３
７１ａに対して同時に露光を行うことができる。上記マ
スク３８２には、それぞれレンズアレイ３８１の各レン
ズ３８１ａ、およびホログラム材料３７１の各領域３７
１ａに対応した開口部３８２ａが形成され、ホログラム
材料３７１における、各レンズ３８１ａを介した物体光
の入射する領域が、概ね、それぞれ互いに重ならず、か
つ隙間があかないように形成されている。

【０２２１】なお、以下に説明する実施の形態３−５の
ようにリフレクタとして放物面鏡ではなく楕円面鏡を用
いる画像表示装置の場合には、参照光として、平行な光
束ではなく、実際の照明光学系において第２焦点に集光
する光束と等価な光束を用いればよい。このような光束
は、リフレクタの光軸上上記透過光Ｍの光路中に所定の
屈折パワーを有するレンズを配置することによって容易
に得ることができる。

【０２２２】また、前記実施の形態１−１で説明したよ
うな種々の方法により、参照光や物体光を生成して各回
折領域３６１ａを形成するようにしてもよい。

【０２２３】（実施の形態３−５）図３５に示すよう
に、回折光学素子として、ホログラム素子３９１を用い
るとともに、リフレクタに楕円面鏡３５３を用いるよう
にしてもよい。

【０２２４】すなわち、ランプ１０２からの出力光束が
楕円面鏡からなるリフレクタ３５３によりその第２焦点
へと集光される経路上に、回折領域３９１ａが形成され
たホログラム素子３９１を配置すればよい。これによ
り、ホログラム素子３９１の各回折領域３９１ａからの
回折光束は、補助レンズ３０２（省略可能）を介して画
像表示素子３０３へと入射する。画像表示素子３０３の
出力光束は投写レンズ３５７によりスクリーン（不図
示）上へ拡大投写される。

【０２２５】上記ホログラム素子３９１は、前記実施の
形態３−４で説明したように、参照光として、上記リフ
レクタ３５３からの第２焦点に集光する反射光束と等価
な光束を参照光として用いることにより作製することが
できる。

【０２２６】上記のような画像表示装置においても、実
施の形態３−３の画像表示装置と同様に、ホログラム素
子３９１を第２焦点に近づけて配置し小さくできるよう
にすることで、画像表示素子３０３へ入射する照明光束
の最大入射角度が小さくなることによる製造コストの低
減や、画像表示素子３０３のマイクロレンズのゲインの
増大などによる投射効率の向上効果が得られる。

【０２２７】（実施の形態３−６）図３６に示すよう
に、反射型のホログラム素子４０１を用いるようにして
もよい。

【０２２８】この反射型のホログラム素子４０１として
は、例えば、いわゆる体積ホログラムが用いられる。こ
のホログラム素子４０１は、その法線が照明光学系の光
軸および投射光学系の光軸と例えば４５°の角度をなす
ように配置されるが、回折領域４０１ａが形成され、各
回折領域４０１ａから出力される回折光が画像表示素子
３０３上で重畳されるようになっている。このようなホ
ログラム素子４０１も、前記実施の形態１−１や実施の
形態３−３で説明したような方法によって作製すること
ができる。また、リフレクタとして、実施の形態３−５
と同様に楕円面鏡を用いたり球面鏡を用いるなどしても
よい。

【０２２９】（実施の形態３−７）回折光学素子として
ホログラム素子を用いるとともに、色分離および色合成
にダイクロイックプリズムを用い、画像表示素子として
透過型の表示素子を用いてフルカラー画像を表示する３
板方式の画像表示装置の例を説明する。

【０２３０】この画像表示装置は、図３７に示すよう
に、ランプ１０２の白色出力光束が、リフレクタ１０３
により集光され、ミラー４１４により反射された後、色
分離のためのダイクロイックプリズム４１５に入射し、
３原色の光束に分離されるようになっている。各色に分
離された光束は、実施の形態３−６と同様の複数の回折
領域が形成された反射型のホログラム素子４１６〜４１
８に入射し、各回折領域で回折された光束が、ミラー４
１９〜４２１を介して透過型の画像表示素子４２２〜４
２４上で重畳されて輝度変調され、ダイクロイックプリ
ズム４２５によって合成された後、投射レンズ１０７に
よって図示しないスクリーンに拡大投射されるようにな
っている。

【０２３１】上記のような画像表示装置においても、製
造コストの低減や、投射効率の向上効果が得られる。

【０２３２】なお、各ホログラム素子４１６〜４１８
は、その回折効率の波長分散のピークが、入射する光束
の波長帯域の中に含まれるようにすることでより一層高
い効率を実現することができる。具体的には、ホログラ
ム作成時のレーザ光として、それぞれ入射する光束の波
長のものを用いるなどすればよい。

【０２３３】また、リフレクタとしては、放物面鏡に限
らず、楕円面鏡や、球面鏡などを用いてもよい。

【０２３４】また、ホログラム素子に代えて、実施の形
態３−１で示したようなレリーフ型の回折光学素子を用
いてもよい。

【０２３５】（実施の形態３−８）画像表示素子として
反射型の表示素子を用いている点が前記実施の形態３−
７と異なる画像表示装置の例を説明する。

【０２３６】この画像表示装置は、図３８に示すよう
に、ランプ１０２の白色出力光束が、リフレクタ１０３
により集光され、ミラー４１４により反射された後、色
分離のためのダイクロイックプリズム４１５に入射し、
３原色の光束に分離されるようになっている。各色に分
離された光束は、実施の形態３−６と同様の複数の回折
領域が形成された反射型のホログラム素子４１６〜４１
８に入射し、各回折領域で回折された光束が、ＰＢＳ４
３１〜４３３を介して反射型の画像表示素子４３４〜４
３６上で重畳されて輝度変調され、再度ＰＢＳ４３１〜
４３３を介してダイクロイックプリズム４２５により合
成された後、投射レンズ１０７によって図示しないスク
リーンに拡大投射されるようになっている。

【０２３７】上記のような反射型の画像表示素子４３４
〜４３６としては、偏光型の画像表示素子であって、電
気書き込み型または光書き込み型の反射型液晶パネルな
どを用いることができる。

【０２３８】このように構成された場合でも、製造コス
トの低減や、投射効率の向上等の効果は同様である。

【０２３９】（実施の形態３−９）実施の形態３−２
（図２８）の構成に、さらに偏光変換素子が設けられた
画像表示装置の例を説明する。

【０２４０】この画像表示装置は、図３９に示すよう
に、ランプ１０２からの出力光束が、例えば放物面鏡の
リフレクタ１０３により略平行な反射光束として出力さ
れ、同図の紙面に垂直な方向に長手方向をそろえて配置
された偏光変換素子４４４のシリンドリカルレンズアレ
イ４４１によりスリット状に集光されてシリンドリカル
レンズ４４１の焦点近傍で細長いスリット状に結像する
ようになっている。偏光分離素子４４２および偏波面回
転手段４４３は、上記焦点近傍に配置され、リフレクタ
１０３からの反射光束の偏光方向が特定の方向に揃えら
れた光束が出力されるようになっている。その出力光路
の経路上に、複数の回折領域が形成された回折光学素子
３０１が設けられている。その他の構成は実施の形態３
−２（図２８）と同様である。

【０２４１】この画像表示装置では、上記偏光変換素子
４４４によって偏光方向が変換される点を除き、実施の
形態３−２（図２８）と同様にして、投写画像の明るさ
の均一性が高い画像が表示される。

【０２４２】上記のようにインテグレータとしての機能
を有する回折光学素子３０１と偏光変換素子４４４とを
組み合わせることにより、より一層高い投写効率を実現
することができる。

【０２４３】なお、実施の形態３−２（図２９）のよう
にダイクロイックミラーによって色合成する構成に偏光
変換素子を組み合わせても、同様の効果が得られる。

【０２４４】（実施の形態３−１０）この実施の形態の
画像表示装置は、図４０に示すように、前記実施の形態
３−２で示したのと同様の回折光学素子３０１を備えた
画像表示装置に、さらに、前記実施の形態１−１等で説
明したホログラム素子１０５と同様の機能を有する反射
型のホログラム素子３９９と、が設けられて構成されて
いる。その他の構成は、実施の形態３−２と同様であ
る。これにより、ランプ１０２の発光領域がある程度の
大きさを有している場合や、リフレクタ１０３として放
物面鏡や楕円面鏡、球面鏡などの何れを用いた場合で
も、ホログラム素子３９９によって、リフレクタ１０３
からの反射光束が理想的な点光源と所望のリフレクタと
を用いた場合と同様の平行光束や収束光束に変換される
ので、高い投射効率を得ることができ、高い投射効率を
得ることができるとともに、回折光学素子３０１に形成
された各回折領域から出力された光束が画像表示素子３
１４〜３１６上で重畳されるので、表示画像における中
央部と周辺部となどでの光量むらを低減することができ
る。

【０２４５】なお、ホログラム素子３９９としては、実
施の形態１−１等と同様の透過型のものを用いたりして
もよい一方、回折光学素子３０１として反射型のものを
用いたりしてもよい。

【０２４６】また、液晶表示素子としても、図１５や図
２４で示したような構成などを用いて反射型のものを使
用するようにしてもよい。

【０２４７】また、さらに、実施の形態１０８で説明し
た偏光変換素子などを設けて、一層投射効率を高くでき
るようにしてもよい。

【０２４８】なお、上記の各例では画像表示素子として
液晶パネルを用いているが、この液晶パネルは、例えば
特開平１−２８１４２６号公報、特開平３−１４０９２
０号公報、特開平４−２５１２２１号公報等に多数開示
されているように、各画素に１つのマイクロレンズを配
置し、入射光束を画素の開口部近傍に収束せしめること
で実効的開口率を増加せしめる機能を有する画像表示素
子であればよく、光変調材料、光変調の方式、及び画素
の駆動方式に制約はない。

【０２４９】すなわち、ツイストネマティック液晶（以
下ＴＮ液晶と略記する）をはじめとして、垂直配向液晶
（以下ＶＡ液晶と略記する）等の種々の液晶材料、また
は電気光学効果を有する光学結晶などの光学的異方性を
有している光学材料を用いた偏光型画像表示素子を用い
ることもできる。また、偏光型画像表示素子だけではな
く、高分子分散型液晶（以下、ＰＤＬＣと略記する）を
用いて入射光束を散乱することで画像を表示する散乱型
画像表示素子を用いることもできる。

【０２５０】また、例えば特願平７−２８４７５９号公
報に開示されているような回折型の画像表示素子を用い
ることもできる。

【０２５１】さらに素子の駆動としては、ＴＦＴだけで
はなく薄膜ダイオード（以下、ＴＦＤと略記する）を用
いた画像表示素子を用いることができる。また、ＴＦ
Ｔ、ＴＦＤ等の駆動素子を形成する材料として、高温多
結晶シリコン（以下、高温ｐ−Ｓｉと略記する）、低温
多結晶シリコン（以下、低温ｐ−Ｓｉと略記する）、ア
モルファスシリコン（以下、ａ−Ｓｉと略記する）を用
いた画像表示素子を用いることもできる。

【０２５２】また、透過型液晶パネルは、例えば特開平
１−２８１４２６、特開平３−１４０９２０、特開平４
−２５１２２１等に多数開示されているように、各画素
に１つのマイクロレンズを配置し、入射光束を画素の開
口部近傍に収束せしめることで実効的開口率を増加せし
める機能を有するものを用いてもよく、また、光変調材
料、光変調の方式、及び画素の駆動方式に制約はない。

【０２５３】すなわち、ツイストネマティック液晶（以
下ＴＮ液晶と略記する）をはじめとして、垂直配向液晶
（以下ＶＡ液晶と略記する）等の種々の液晶材料、ある
いは電気光学効果を有する光学結晶などの光学的異方性
を有している光学材料を用いた偏光型画像表示素子を用
いることもできる。

【０２５４】また、偏光型画像表示素子だけではなく、
高分子分散型液晶（以下、ＰＤＬＣと略記する）を用い
て入射光束を散乱することで画像を表示する散乱型画像
表示素子を用いることもできる。

【０２５５】また、例えば特願平７−２８４７５９に開
示されているような回折型の画像表示素子や、いわゆる
ＤＭＤ素子と呼ばれる光偏向型の画像表示素子なども用
いることができる。

【０２５６】また、各画素に駆動素子を形成するアクテ
ィブマトリックス方式（以下、ＡＭ方式と略記する）、
単純な行列電極で直接素子を駆動する単純（パッシブ）
マトリックス方式（以下、ＰＭ方式と略記する）のいず
れの駆動方式の画像表示素子も用いることができる。

【０２５７】また、ランプとして、メタルハライドラン
プ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、超高圧水銀ラン
プ等を使用することができる。発光体は小さい方がより
好ましいが、本発明においては、特に発光体が小さくな
ければならないわけではなく、例えば高出力キセノンラ
ンプや、高出力メタルハライドランプのように発光体が
数ミリと大きいランプを用いてもかまわない。

【０２５８】本発明における集光手段に相当するリフレ
クタとしては、放物面鏡、楕円面鏡、球面鏡を用いるこ
とが好ましい。その際放物面鏡の場合には焦点近傍に、
楕円面鏡の場合には第１焦点近傍に、球面鏡の場合には
球の中心近傍にランプ２の発光体を設置することが好ま
しい。

【０２５９】また、色合成系にダイクロイックミラー１
５、１６を用いたが、ダイクロイックプリズムを用いて
色合成系を構成しても良い。また、色合成系を用いず
に、３枚の液晶パネルからの出力光束を、各々対応する
３本の投写レンズを用いて投写し、スクリーン上で合成
しても良い。また、色分解系にダイクロイックプリズム
を用いることも可能である。

【０２６０】また、画像表示素子が液晶パネルのように
偏光型の場合には、本発明の照明光学系において、偏光
分離手段と、偏波面回転手段からなる偏光変換素子を付
加することによって、より一層の投写効率の改善も可能
となる。偏光変換素子としては例えば、特開平５−１０
７５０５号公報、特開平６−２０２０９４号公報、特開
平７−２９４９０６号公報、特開平８−２３４２０５号
公報、特開平９−１０５９３６号公報等に開示されてい
るように、偏光分離手段と、偏波面回転手段の組み合わ
せから構成されるあらゆる偏光変換素子を用いることが
できる。いずれの偏光変換素子を用いた場合にあって
も、基本的な光学系の構成及び後述のホログラム素子の
作製方法は変わらない。

【０２６１】また、各実施の形態で示した種々の構成を
組み合わせるようにしてもよい。

【０２６２】尚、本発明のホログラム素子及び該ホログ
ラム素子を用いた画像表示装置は、本発明の主旨に則
り、種々の変形が可能であり、実施の形態で構成した実
施例に限定されるものではない。

【０２６３】

【発明の効果】本発明によれば、発光体の大きなランプ
の出力光束を小さな発光体からの出力光束に変換するこ
とができるので、照明光学系の集光効率を飛躍的に向上
させることができる。

【０２６４】さらに、発光体の大きさに起因する集光光
学系の収差の影響により発生していたインテグレータ及
び偏光変換素子の集光効率、もしくは偏光変換効率のロ
スを最小限に抑えることが可能となり、均一で、明るい
（投射効率の高い）画像を表示できる。

【０２６５】また、ランプの出力を大きくし、同時にラ
ンプの発光体が大きくなっても投射効率を下げることが
ないので、極めて光輝度な画像を表示することができ
る。

【０２６６】また、本発明のホログラム素子では、画像
表示装置に用いる照明光学系の略平行光束ではない照明
光束を、略平行光束に変換することが可能となる。

【０２６７】また、該ホログラム素子を用いた本発明の
画像表示装置では、マイクロレンズを形成した画像表示
素子へ入射する光束を略平行光束に変換できるため、マ
イクロレンズに入射した光束の大部分を画素の開口部へ
集束できるので、実効的な開口率を１００％に近づける
ことが可能となり、明るい画像を表示することができ
る。

【０２６８】その際、インテグレータ、またはインテグ
レータと偏光変換素子を組み合わせた照明光学系におい
ても、本発明に係るホログラム素子は照明光学系の出力
光束を略平面波に変換することができるので、マイクロ
レンズアレイの開口率を実効的に高くする機能は損なわ
れず、均一性が高いだけではなく、より一層投写効率の
高い、明るい画像表示装置を構成することが可能であ
る。

【０２６９】また、反射型の液晶パネルを用いた画像表
示装置にあっては、Ｆ値を小さくしても集光効率を高く
することができるため、小さい液晶パネルを用いても、
コントラストが高く、かつ高い投写効率を実現すること
が可能となった。

【０２７０】さらに、単板式において、本発明に係るホ
ログラム素子をダイクロイックミラーと組み合わせるこ
とによって、単板式でありながら高い投写効率を実現す
ることが可能となった。

【０２７１】また、本発明の回折光学素子を用いた画像
表示装置により、従来高価な蠅の目レンズを２枚用いて
いた画像表示装置を安価に構成できる。同時にコンパク
トで、軽量化も図ることができる。特に、回折光学素子
を小さくすることにより、各画素に対応するマイクロレ
ンズ形成した画像表示素子を用いた場合には、従来の光
学系に比べてマイクロレンズ導入による実効的開口率増
加を高くすることができる。また、従来の偏光変換素子
と組み合わせることで、より一層高い投写効率を実現で
き、明るい画像を表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来の投写型画像表示装置の構成図

【図２】従来の画像表示装置の構成図

【図３】従来の投写型画像表示装置に用いるインテグレ
ータを示す構成図

【図４】従来の投写型画像表示装置に用いるインテグレ
ータを示す構成図

【図５】実施の形態１で構成した画像表示装置の構成図

【図６】画像表示装置に用いるホログラム素子を作製す
るための光束の照明方法を示す図

【図７】画像表示装置に用いるホログラム素子を作製す
るための光束の照明方法を示す図

【図８】画像表示装置に用いるホログラム素子を作製す
るための光束の照明方法を示す図

【図９】画像表示装置に用いるホログラム素子を作製す
るための入射光束を発生させる原理図

【図１０】画像表示装置に用いるホログラム素子を作製
するための入射光束を発生させる原理図

【図１１】実施の形態１で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図１２】実施の形態１で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図１３】実施の形態１で構成した画像表示装置の構成
図

【図１４】実施の形態１で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図１５】実施の形態１で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図１６】実施の形態１で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図１７】実施の形態２で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図１８】実施の形態３で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図１９】同他の画像表示装置に用いる偏光変換素子を
示す図

【図２０】実施の形態１の画像表示装置の構成図

【図２１】ホログラム素子を作製するための光学系の構
成図

【図２２】実施の形態２の画像表示装置の構成図

【図２３】実施の形態３の画像表示装置の構成図

【図２４】実施の形態４の画像表示装置の構成図

【図２５】実施の形態５の画像表示装置の構成図

【図２６】一実施の形態で構成した画像表示装置の構成
図

【図２７】回折光学素子の平面図

【図２８】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図２９】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図３０】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図３１】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図３２】回折光学素子の平面図

【図３３】ホログラム素子の作製方法の説明図

【図３４】ホログラム素子の他の作製方法の説明図

【図３５】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図３６】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図３７】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図３８】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図３９】一実施の形態で構成した他の画像表示装置の
構成図

【図４０】

【符号の説明】

１０１ 画像表示装置 １０２ ランプ １０３ リフレクタ １０４ 照明光学部 １０５ ホログラム素子 １０６ 画像表示素子 １０７ 投射レンズ １０９ 画像表示素子 １１０ 実光束発生手段 １１１ 理想光束発生手段 １１１ａ 点光源 １１１ｂ リフレクタ １１２ ハーフミラー １１３ ホログラム材料 １２１ リフレクタ １２１ａ 開口部 １２２ 模擬発光体 １３１ 模擬発光面 １４１ リフレクタ １４２ 集光レンズ １４３ リフレクタ １５１ 画像表示装置 １５２ ダイクロイックミラー １５３ ダイクロイックミラー １５４ 全反射ミラー １５５ コンデンサレンズ １５６〜１５８ 液晶パネル １５９ 全反射ミラー １６０，１６１ ダイクロイックミラー １７１ 画像表示装置 １７２ 全反射ミラー １７４ レンズ １７５，１７６ ダイクロイックミラー １７７〜１７９ 反射型液晶表示素子 １８１ 画像表示装置 １８２ 目レンズ １８３ 目レンズ １８４ インテグレータ １９１ 画像表示装置 １９２ 画像表示素子 １９３ レンズ ２０２ 偏光変換素子 ２０３ 集光レンズ ２０４ 角柱体 ２０５ 偏波面回転手段 ２０６ 偏光分離膜 ２１１ 画像表示装置 ２１２ 目レンズ ２１３ 目レンズ ２１４ ミラー ２１５ インテグレータ ２１６〜２１８ ホログラム素子 ２１７，２１８ ホログラム素子 ２１９〜２２１ 画像表示素子 ２３１ レーザ ２３１ 画像表示装置 ２３２〜２３４ ミラー ２３４ ミラー ２３５ ダイクロイックプリズム ２４１ 画像表示装置 ２４２，２４３ 全反射ミラー ２４４ ダイクロイックミラー ２４５ ダイクロイックミラー ２４６，２４８ リレーレンズ ２４７ 全反射ミラー ２５９ 画像表示装置 ２６０〜２６２ 画像表示素子 ２６３ ダイクロイックプリズム ２６４〜２６６ ホログラム素子 ２６７〜２６９ ＰＢＳ ２８０ 画像表示装置 ２８１，２８２ ダイクロイックミラー ２８３ 全反射ミラー ２８４〜２８６ ホログラム素子 ２８５〜２８７ ホログラム素子 ２８８ 画像表示素子 ３０１ ホログラム素子 ３０１ａ 回折領域 ３０１ｂ 領域 ３０２ 補助レンズ ３０３ 画像表示素子 ３１４〜３１６ 画像表示素子 ３１７，３１８ ダイクロイックミラー ３１９ 反射ミラー ３２０，３２１ リレーレンズ ３２２，３２３ 反射ミラー ３２４ ダイクロイックプリズム ３３３，３３４ ダイクロイックミラー ３３５ 反射ミラー ３３９，３４０ ダイクロイックミラー ３４１ 反射ミラー ３５１ 回折光学素子 ３５３ 楕円面鏡 ３５７ 投射レンズ ３６１ 回折光学素子 ３６１ａ 回折領域 ３６３ 画像表示素子 ３７１ ホログラム材料 ３７１ａ 領域 ３７２ レーザ ３７３ ハーフミラー ３７４ ミラー ３７５ マスク ３７５ａ 開口部 ３７６ 集光レンズ ３８１ レンズアレイ ３８１ａ レンズ ３８２ マスク ３８２ａ 開口部 ３９１ ホログラム素子 ３９１ａ 回折領域 ３９９ ホログラム素子 ４０１ ホログラム素子 ４０１ａ 回折領域 ４１４ ミラー ４１５ ダイクロイックプリズム ４１６〜４１８ ホログラム素子 ４１９〜４２１ ミラー ４２２〜４２４ 画像表示素子 ４２５ ダイクロイックプリズム ４３１〜４３３ ＰＢＳ ４３４〜４３６ 画像表示素子 ４４１ シリンドリカルレンズ ４４２ 偏光分離素子 ４４３ 偏波面回転手段 ４４４ 偏光変換素子

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成１０年１２月２８日

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正内容】

【書類名】 明細書

【発明の名称】 画像表示装置、回折光学素子、ホログ
ラム素子、およびホログラム素子の製造方法

【特許請求の範囲】

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、明るく、高品位な
画面を表示する画像表示装置に関するものである。ま
た、上記画像表示装置に用いられる回折光学素子、ホロ
グラム素子、およびホログラム素子の製造方法に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】まず、以下で示す従来技術の概要につい
て説明する。 （画像表示装置） 従来の一般的な画像表示装置、特に
光源ランプからの光を液晶パネル等の画像表示素子によ
って輝度変調し、スクリーン上に拡大投射する投射型画
像表示装置について説明する。 （インテグレータ） 主として、投射画像の中央部の明
るさと周辺部の明るさを均一にするために設けられてい
るインテグレータについて説明する。 （偏光変換素子） 投射効率を向上させて明るい画像を
表示させるために設けられている偏光変換素子について
説明する。 （その他の技術） 投射効率を向上させて明るい画像を
表示させるための他の技術について説明する。 以下、詳細に説明する。 （画像表示装置） 従来の直視型テレビでは大型化が困難
であることから、近年、高輝度ランプからの光を画像表
示素子によって輝度変調し、スクリーン上に拡大投射す
る投射型画像表示装置の開発が進められている（例え
ば、オープラスイー、１９９３年８月号、５８項−１０
１項）。

【０００３】図１に従来の一般的な画像表示装置であ
り、画像表示素子として液晶パネルを用いた構成例を示
す。ランプ２からの出力光３をリフレクター４で反射
し、出力光束５を集光光学系（図示せず）により集光、
伝搬し、色分離のためのダイクロイックミラー１２、１
３により赤色、緑色、青色の３原色に分離し、全反射ミ
ラー１４、コンデンサーレンズ１５を介して液晶パネル
１６〜１８に入射せしめる。

【０００４】液晶パネル１６〜１８により変調された出
力光は、色合成のためのダイクロイックプリズム（図示
せず）もしくは、ダイクロイックミラー１９、２０及び
全反射ミラー１４’により合成され、投射レンズ９によ
りスクリーン（図示せず）上に拡大投射される。

【０００５】上記液晶パネル１６〜１８等は、主に透過
型、反射型に区別されるが、いずれも偏光板もしくは偏
光ビームスプリッタ（以下ＰＢＳと略記する）を介して
入射される特定の直線偏光光を、液晶材料により変調す
ることにより画像を表示する。

【０００６】また液晶パネル１６〜１８は一般的には各
画素を駆動するためのスイッチング素子として薄膜トラ
ンジスタ（以下ＴＦＴと略記する）を各画素に配置した
アクティブマトリックス方式が主流であり、ＴＦＴは多
結晶ポリシリコンで形成されるのが一般的である。

【０００７】また、他の従来の一般的な画像表示装置の
構成例を図２に示す。

【０００８】ランプ２２からの出力光をリフレクター２
３で反射後、第１の蠅の目レンズ２４、第２の蠅の目レ
ンズ２５からなるインテグレータ、折り返しミラー２９
によって伝搬し、さらに色分離のためのダイクロイック
ミラー３０、３１により赤色、緑色、青色の３原色に分
離し、画像表示素子３５〜３７に入射せしめる。

【０００９】画像表示素子３５〜３７は、入射光束が画
像表示素子を透過する間に変調する透過型と、入射光束
を反射後出力する間に変調する反射型に大別される。さ
らに変調の方式として入射光束の偏光状態を変化せしめ
る偏光型と、入射光束を散乱することにより変調する散
乱型に大別される。

【００１０】偏光型の画像表示素子においては、透過型
及び反射型のいずれも偏光板もしくは偏光ビームスプリ
ッタ（以下ＰＢＳと略記する）を介して入射される特定
の直線偏光光を、例えば液晶材料により変調することに
より画像を表示する。散乱型の画像表示素子において
は、透過型及び反射型のいずれも入射光束を散乱せしめ
ることで黒を表示し、入射光束を散乱せずに出力するこ
とで白を表示する。

【００１１】図１、２では画像表示素子を３枚用いた構
成（以下、三板式と略記する）であるが、後述するよう
に１枚の画像表示素子でカラー画像を表示する方式（以
下、単板式と略記する）もある。

【００１２】ランプ２等としては、発光効率が高く、発
光体の体積が小さく高輝度で、演色性の高いランプが求
められており、メタルハライドランプ、キセノンラン
プ、超高圧水銀ランプなどが用いられている。

【００１３】リフレクタ３等としては、反射後の光束を
有効に活用しやすいことから、放物面鏡、楕円面鏡、球
面鏡などが用いられており、発光体がそれら反射鏡の焦
点もしくは第一焦点もしくは中心に配置される場合が多
い。

【００１４】近年の画像表示装置においては、全白信号
を表示した際の、（１）投射画像の中央部の明るさと周
辺部の明るさを均一にする、（２）投射される全光束
（ルーメン）をランプの消費電力（ワット）で除した値
として定義される投射効率（ルーメン／ワット）を向上
する、ことが開発の主な課題であり、（１）については
インテグレータの導入により、（２）についてはインテ
グレータと発光体の小さな高輝度ランプとの組み合わせ
によって、又は画像表示素子として液晶パネルのような
偏光表示手段を用いる画像表示装置にあっては、さらに
偏光変換素子を組み合わせることによって、解決が試み
られている。また、マイクロレンズを液晶パネルに形成
することによる投射効率の改善も多数検討されている。

【００１５】（インテグレータ）次に、インテグレータ
について説明する。インテグレータとは、例えば特開平
３−１１１８０６号公報、特開平５−３４６５５７号公
報に開示されているように、微小レンズを２次元に配置
して構成される蠅の目レンズを２種類組み合わせて構成
される。インテグレータの具体的構成例を図３に示す。
これは、光源からの出力光束を複数の領域に分割し、そ
れらを被照明体物上にて重畳することにより、照明光の
均一性を向上せしめるものである。

【００１６】ランプ４２の出力光束４３はリフレクタ４
４で反射後（光束４５）、第１の蠅の目レンズ４９へ入
射する。リフレクタ４４及び第１の蠅の目レンズ４９に
よって、ランプ４２の発光体の像は、第１の蠅の目レン
ズ４９の各レンズに対応する第２の蠅の目レンズ５０の
各レンズ上に結像する。第２の蠅の目レンズ５０の各レ
ンズは第１の蠅の目レンズ４９を構成する各レンズの像
を画像表示素子４７上に結像させるような構成となって
いる。尚、必要に応じて、第２の蠅の目レンズと画像表
示素子の間にリレーレンズ、補助レンズが配置される
が、インテグレータとしての基本的機能は変わらない。

【００１７】上記構成により、第２の蠅の目レンズ５０
の各レンズが画像表示素子４７上に結像する像は、リフ
レクタ４４から出力される輝度分布の大きな出力光束を
第１の蠅の目レンズ４９の各レンズにより分割し、それ
らを画像表示素子４７上に重ね合わせた結果となる。こ
のような原理により投射画像における画像中央部に対す
る周辺部の明るさを７０％以上に高くすることが可能と
なっている。

【００１８】また、インテグレータの導入により、画像
表示装置の投射効率も向上せしめることができる。一般
にリフレクタ４４により反射された光束は略円形である
が、画像表示素子４７は、例えば４：３の長方形（ある
いは１６：９の矩形）である。それゆえ画像表示素子４
７を円形に照明する場合には円に内接する長方形の面積
比しか有効に活用されなかった。これを矩形変換効率と
呼び、４：３の長方形を外形とする（アスペクト比の）
画像表示素子４７を用いる場合には、矩形変換効率は、
約６１％であった。

【００１９】

【００２０】しかしながら、特開平５−３４６５５７の
図２に開示されているように、インテグレータの第１の
蠅の目レンズ４９に用いるレンズの開口形状を例えば
４：３として画像表示素子の形状と相似形にすることに
加えて、円形の照明領域の中に第１の蠅の目レンズの各
レンズを密に形成することによって、矩形変換効率を約
８０％に向上することが可能となっている。

【００２１】（偏光変換素子）次に偏光変換素子につい
て説明する。前述の偏光型画像表示素子を用いた画像表
示装置においては、ランプの出力光のなかで、特定方向
の偏光成分しか有効に活用できないという欠点があり、
投射効率が低く、明るい画像を得るためには出力の大き
な光源を用いなければならないという課題があった。偏
光変換素子はこうした課題を解決することを目的として
開発され、偏光板で吸収、もしくはＰＢＳで反射され液
晶パネルに入射されない偏光成分を、該偏光成分に対し
概ね直交する偏波面を持つ偏光成分に有効に変換するも
のである。

【００２２】偏光変換素子は、例えば特開平５−１０７
５０５号公報、特開平６−２０２０９４号公報、特開平
７−２９４９０６号公報、特開平８−２３４２０５号公
報、特開平９−１０５９３６号公報等に多数開示されて
いるが、基本的には、偏光分離手段と、偏波面回転手段
の組み合わせからなる。

【００２３】図４に一般的な偏光変換素子３８の構成図
を示す。無偏光光（ランダムな偏光の光束）６２を偏光
分離手段６０により互いに直交する偏光成分、すなわち
Ｐ偏光光（偏光分離手段により反射されずに透過する紙
面に平行な偏光方向を有する光束）６３、Ｓ偏光光（偏
光分離手段により反射され、紙面に垂直な偏光方向を有
する光束）６４に分離し、Ｓ偏光光６４のみを反射手段
６０’（一般的に偏光分離手段６０と同種の膜を用い
る）により反射し、偏波面回転手段６１によりＰ偏光光
６３’に変換する原理に基づいている。

【００２４】近年では、レンズアレイ６６との組み合わ
せで構成される場合が多く、前記五つの参考例もレンズ
アレイとの組み合わせにより使用することができる。 （その他の技術） 次にマイクロレンズを形成した液晶パ
ネルについて説明する。通常の画像表示素子では、各画
素毎に画素を駆動するＴＦＴを形成しており、そのため
に画素の中でＴＦＴを形成している部分は光を透過する
ことができない。すなわち各画素の面積に対する実際に
光が透過することができる面積の比（開口率）が小さい
という欠点がある。

【００２５】これは高解像度な画像表示素子において一
層顕著となり、対角１．３インチのパネルに１０２４×
７６８画素を形成した画像表示素子においては開口率は
約５６％程度であり、対角０．９インチの画像表示素子
に同数の画素を形成した場合には高々４０％程度とな
る。さらに画素数を増やして解像度を上げたり、または
画素数は同一であっても画像表示素子を小型にしようと
すると開口率は著しく低下し、結果として投射効率が低
下してしまう。

【００２６】そこで、例えば特開平１−２８１４２６号
公報、特開平３−１４０９２０号公報、特開平４−２５
１２２１号公報など多数の参考例に開示されているよう
に、入射側のガラス基板にマイクロレンズを形成し、か
つ各画素に一つのマイクロレンズを対応せしめ、開口部
（各画素の中で光が透過することができる部分）にのみ
入射光を集束せしめ、実効的な開口率を改善することが
考えられている。

【００２７】また一枚の画像表示素子を用いた単板式の
画像表示装置も開発されている。単板式は三板式に比べ
て画像表示素子が少なくてすみ、光学系の構成が簡略と
なることから、画像表示装置を実用化する上で重要とな
る低コスト化を実現することができる。さらに、セット
の軽量化及びカラーコンバーゼンスを不要とできるなど
の効果が期待できる。

【００２８】カラーコンバーゼンスとは、例えば三板式
において、各画像表示素子の対応する画素の出力をスク
リーン上で位置合わせすることであり、位置合わせのた
めの機構部品点数の増加、及び調整に多大の時間を要す
ること等によるコストアップの要因となっている。

【００２９】その一方で、単板式は三板式に比べて投射
効率が劣るという欠点がある。例えば、カラーフィルタ
ーを内部に設けた場合には、原理的に光の強度は１／３
になってしまい画像が暗くなるという欠点があった。こ
れは、三板式では色分離された３原色がほとんど吸収さ
れることなく利用することができるのに対し、カラーフ
ィルターが特定波長帯域の光束のみ透過し、他の波長帯
域の光を吸収もしくは反射してしまい画素に入力しない
からである。

【００３０】そこで、例えば「日経エレクトロニクス」
１９９５年１月３０日号１６９頁１７３頁（以下、参考
例１と略記する）、特開平８−２９２５０６号公報（以
下、参考例２と略記する）、特開平９−１０５８９９号
公報の図１４（以下、参考例３と略記する）、「日経エ
レクトロニクス」１９９６年１０月２１日号１８頁１９
頁図４（ａ）（以下、参考例４と略記する）、特開平６
−２２２３６１号公報（以下、参考例５と略記する）等
に多数開示されているように、白色光を３原色に分離
後、対応する画素に各原色を入射せしめることで投射効
率を改善することが提案されている。

【００３１】上記参考例は、いずれも白色光を３原色に
分離する色分離手段と、分離した後の光束を対応する各
画素に入射せしめる光路変換手段からなる。色分離手段
としては、参考例１、２、３に開示されているように、
光軸に対して互いに異なる角度で配置されたダイクロイ
ックミラー（以下、異傾斜角ダイクロイックミラーと略
記する）を用いる場合が多く、光路変換手段としてマイ
クロレンズアレイ（参考例１）、ホログラムレンズアレ
イ（参考例２）、シリンドリカルレンズ（参考例３）な
どを用いている。

【００３２】また、例えば参考例４、５に開示されてい
るようにホログラム素子などの回折光学素子を用いて、
色分離手段と光路変換手段を兼用する場合がある。

【００３３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の画像表示装置では、以下のような問題点が
あった。

【００３４】インテグレータ、及び偏光変換素子の機能
を有効に活用するためには、発光体の小さな高輝度ラン
プを使用する必要があった。以下にその理由を簡潔に記
す。インテグレータにあっては、第１の蠅の目レンズを
構成する各レンズ（以下、第１レンズ群と略記する）
が、第２の蠅の目レンズの対応する各レンズ（以下、第
２レンズ群と略記する）に発光体の実像を形成するが、
このとき、第２レンズ群の開口よりも大きな像を結像し
た場合には、有効に画像表示素子に伝搬されない光束が
生じてしまい、投射効率の損失となってしまう。それゆ
え発光体が小さいほど上述の伝搬ロスが小さくなるた
め、インテグレータを有効に機能せしめることができ
る。

【００３５】以上の現象は、画像表示素子として偏光表
示手段を用いない場合、例えばポリマー分散型液晶パネ
ルや、米国特許第５０９６２７９号明細書に開示されて
いる光偏向型の画像表示素子を用いている場合にも同様
である。

【００３６】また、偏光変換素子にあっては、例えばイ
ンテグレータとの組み合わせにより構成する場合（実用
的にはほとんどの例）では、上述のインテグレータの場
合と同様に、偏光分離手段にのみ光束を集光せねばなら
ない。例えば図４に示した偏光分離素子５８にあって、
偏光分離手段６０ではなく、それに隣接する偏波面回転
手段６１を設けた反射手段６０’に光が入射した成分は
有効に利用されず損失となる。

【００３７】これは第１の蠅の目レンズのランプ側に偏
光変換素子を配置し、偏光分離後の照射角を偏光成分に
よって異ならしめる場合も同様で、この場合には、第２
の蠅の目レンズの前もしくは後に設置される偏波面回転
手段に特定の偏光成分のみを入射せねばならない。従っ
て偏光変換素子の効率を向上せしめ、ひいては投射効率
を向上するために、発光体の小さなランプが必要とされ
ているのである。

【００３８】例えば、偏光変換素子単体をレーザ光のよ
うな平行光で照射し、その効率を調べると、例えば図４
に示した素子の場合では、Ｐ偏光光６３の透過率は約９
６％、また、Ｓ偏光光６４が偏光分離素子５８に入射
後、偏波面回転手段６１によりＰ偏光光６３へ変換され
る効率は約９１％と極めて高い性能を有し、無偏光光６
２がＰ偏光光６３へ変換される効率は、約９４％にな
る。偏光表示手段を用いる画像表示装置にあっては、こ
の効率を偏光利用効率と定義することができる。しかし
ながら実際に発光体の長さが約１．４５ミリと小さいラ
ンプを用いた場合でも偏光利用効率は約８０％未満に低
下し、発光体の長さが約３ミリのランプを用いた場合に
は６０％程度に低下し、偏光変換素子がない場合の偏光
利用効率５０％と大差なくなってしまうのは、上述のラ
ンプの発光体の大きさに起因しているのである。

【００３９】更に、上記理由とは別に、ランプからの出
力光を有効に集光するためのリフレクターとの組み合わ
せにおいても発光体の小さな光源は必要である。例え
ば、リフレクターとして放物面鏡を用いる場合を考え
る。この放物面鏡は、放物線を光軸と一致する回転軸に
より回転せしめて形成される凹面を反射面として有す
る。一般的には光軸上の放物線の焦点近傍に発光体は設
置される。なぜなら、放物線の焦点より発散した光束は
放物面で反射後平行光線となるからである。

【００４０】しかしながら実際のランプの発光体は点で
はなく有限な大きさを持っているため、収束光や発散光
が生じて損失となってしまう。こうした理由からも発光
体の小さなランプが不可欠であった。つあり発光体が極
めて小さく、ほぼ点光源とみなせるランプを用いれば、
前述のインテグレータ、偏光変換素子の本来有する機能
を活かして極めて高い投射効率を実現できると考えられ
る。

【００４１】上述のように発光体の大きさによりインテ
グレータの性能及び偏光変換素子の偏光変換効率は大き
く影響を受けるが、このことはより高輝度な画像を表示
する際に重要な問題となる。例えば、１００〜２００ワ
ット程度であれば、発光体の大きさは高々２ミリ程度で
あり、上述のようにインテグレータ、及び偏光変換素子
の機能としてある程度満足できるが、それ以上の高出力
ランプを用いた場合には、発光体がランプ出力の増加と
ともに大きくなってしまう。

【００４２】それゆえ、１００〜２００ワット程度の低
出力ランプを用いた画像表示装置では、６ルーメン／ワ
ットという高い投射効率も可能であるが、それ以上の高
出力ランプを用いる場合には高々３ルーメン／ワット程
度しか実現できていない。

【００４３】つまり１００ワットのランプを用いて６ル
ーメン／ワットの計６００ルーメンの光出力を有する画
像表示装置は実現できても、例えば２００ワットのラン
プを用いて１２００ルーメンの光出力を有する画像表示
装置の実現は困難であった。以上のように高出力ランプ
を用いて投射光束を大きくしようとすると投射効率が著
しく低下していた。

【００４４】インテグレータと偏光変換素子の組み合わ
せにおいては、発光体の小さな高輝度ランプの開発によ
って、近年では高い投射効率を実現することが可能とな
ってきた。しかしながら、インテグレータとマイクロレ
ンズを形成した画像表示素子を組み合わせた場合、また
はインテグレータと偏光変換素子に加えてマイクロレン
ズを形成した画像表示素子を組み合わせた場合に、実効
的な画像表示素子の開口率を向上しようとしても大きな
効果が得られないという課題があった。以下にその理由
を簡潔に記す。

【００４５】そもそも、マイクロレンズによる実効的開
口率向上の効果を大きくするためには、マイクロレンズ
への入射光束は光軸に対して略平行であることが好まし
い。なぜならマイクロレンズの光軸に対して斜めに入射
する光束は、画素の開口部以外の部分に入射してしまう
ためである。

【００４６】発光体の小さな高輝度ランプの光束を放物
面鏡によって集光することにより略平行に近い光束を得
ることができるが、実際の照明光学系では、前述のイン
テグレータ、または偏光変換素子を用いることが不可欠
であるため、必ずしも画像表示素子すなわちマイクロレ
ンズに入射する光束は略平行な光束とは限らないのであ
る。

【００４７】それゆえ、理想的には実効的な開口率をほ
ぼ１００％にできるはずであるにもかかわらず、前述の
例ではマイクロレンズを導入しても高々１．２倍の開口
率の向上しか見込めず、対角１．３インチの画像表示素
子では実効的な開口率が６７％、対角０．９インチの画
像表示素子では５５％程度であり、半分近く光束を損失
していた。

【００４８】同様の現象は、参考例１、２、３の単板式
画像表示装置に見られるように、光路変換手段としてマ
イクロレンズを用いる場合にも発生する。すなわち、異
傾斜角ダイクロイックミラーによって画像表示素子に入
射する３原色の入射角を互いに異ならしめ、一つのマイ
クロレンズによって各原色の画像信号を表示する画素に
異なる角度で光束を入射せしめる場合に、入射光束が平
行光束でないために、混色及び効率の低下が見られてい
る。

【００４９】例えば、参考例１に開示されている例で
は、本来例えば緑色の信号を表示する画素に斜めから赤
色、もしくは青色の光束が入射し、本来の色と異なる色
調の画像が表示されたり、または画素の開口部に有効に
光束が入射せず、効率が低いという問題があった。

【００５０】上述のように、投射効率が高く、明るさの
均一性の高い画像表示が可能な画像表示装置を構成する
ためには、インテグレータ、偏光変換素子、マイクロレ
ンズの機能を有効に活用せねばならない。

【００５１】中でもインテグレータは、画像の明るさの
均一性を確保するだけではなく、偏光変換を行うために
不可欠な光学要素であるが、レンズを２次元に配置し、
しかも２つの蠅の目レンズを組み合わせねばならず高価
なものとなっており、コストアップを招いていた。すな
わち、インテグレータを複製するための金型の作製及び
硝材などが高価であり、投射レンズとともに光学系の大
半のコストを占めていた。

【００５２】また、その機能を実現するためには特定の
距離が必要で、コンパクトな光学系を構成することが不
可能であった。すなわち従来のインテグレータでは、第
１の蠅の目レンズを構成する各レンズは、入射する光束
を対応する第２の蠅の目レンズの各レンズに集光せねば
ならない。また、同時に第２の蠅の目レンズの各レンズ
は、第１の蠅の目レンズの各レンズの像を画像表示素子
上に結像せねばならない。その際の倍率は、第１の蠅の
目レンズと第２の蠅の目レンズ間の距離Ｌ１、及び第２
の蠅の目レンズと画像表示素子との距離Ｌ２の比、すな
わちＬ２／Ｌ１により決定される。一方矩形変換効率を
高めるためには、第１の蠅の目レンズを小さくし、反射
鏡からの略円形の出力光束内に密に配置すればよいが、
その結果、コストアップになることに加えて倍率を高く
せねばならずＬ２が大きくなりコンパクトな構成ができ
なかった。また、１枚の蠅の目レンズでインテグレータ
を構成することもできなかった。

【００５３】以上詳細に述べたように、本発明は、画像
の明るさの均一性を高くしたまま、かつ高い光利用効率
を実現するための回折光学素子、及びそれを用いた画像
表示装置を提供するものである。

【００５４】また、以上の課題は、その光学的挙動がい
わゆる幾何光学で記述されるレンズを用いているために
生じる問題であった。本願発明は、こうした幾何光学の
制約を受けない波動光学に基づく回折光学素子によっ
て、上述の課題を解決するものであるが、これまでにも
回折光学素子を画像表示装置に用いた例は多数開示され
ている。しかしながらこれらは、本願発明の回折光学素
子並びにそれを用いた画像表示装置と技術的思想を全く
別にするものである。

【００５５】例えば、特開平６−２２２３６１号公報、
特開平９−７３０１４号公報（以下、従来例１）では、
白色バックライト光をホログラムにより各色成分ごとに
収束せしめることによって、光利用効率を改善する手法
が開示されている。また、例えば特開平８−２２０６５
６号公報（以下、従来例２）では、液晶パネルの出力側
にホログラム素子を設けて、液晶パネルの出力光束の主
光線を光軸に対して平行とする例が開示されている。

【００５６】しかしながら、従来例１に開示されたホロ
グラムは、微小領域に分離され、各微小領域は集光性を
有するが、これは単に対応する画素に所望の光の光束を
集光せしめる機能であり、いわば波長選択性を有するマ
イクロレンズアレイとして機能するにすぎず、本願発明
の回折光学素子の特徴である、照明光の明るさの均一性
（換言すれば投射画像の明るさの均一性）を保ちつつ、
投射効率（光利用効率）を向上せしめる機能を一切有し
ていないものであり、本願発明の回折光学素子とは、そ
の技術的な思想を全く別にするものである。

【００５７】また、従来例２におけるホログラムは、液
晶表示素子の出力側（投射レンズ側）に配置され、その
機能は各色ごとに異なる角度で出力される液晶表示素子
の出力光束をおのおの平行化することにより、投射レン
ズに対する仕様の負担を軽減するものである。従って、
従来例２におけるホログラムは、液晶パネルに入射する
照明光の均一性を高くする本願発明の回折光学素子と
は、その技術的思想を全く別にするものである。

【００５８】また、半導体の製造分野で使用される露光
装置においては、例えば、特開平１０−７００７０号公
報（以下、従来例３）に開示されているように、光源か
らの出力光束を回折光学素子により分離する手法が開示
されている。従来例３にあっては、分離後の出力光束を
再度オプティカルインテグレータに入射し、レンズ系に
より被照明物体に重畳せしめており、単に光源からの出
力光束を分離しているにすぎない。すなわち、５重極照
明を用いた投影光学系において、回路パターンの方向性
を考慮して投影解像力を向上せしめるために用いられて
いるにすぎず、照明光の照度の均一性は、微小レンズを
２次元に配置したレンズアレイにより２次光源を形成
し、２次光源像をコンデンサーレンズで照明物体上に重
畳することで確保している。

【００５９】また、特開昭６３−２６７９００号公報
（以下、従来例４）では、ホログラムヘッドに入射した
光が感光材料上で重畳される引例を開示している。しか
しながら、従来例４では、二光束干渉露光を行う場合
に、互いのビームの交わる角度を変化させながらなおか
つ精密な位置あわせを実現することを目的としており、
ビームを重畳させることにより照度の均一性を向上せし
めることについては何ら開示していない。さらにホログ
ラムヘッドに入射する光に対して、２種類の開口を設
け、これらの干渉縞を得ることを目的としており、本願
発明のように回折光学素子全面に入射する光をすべて重
畳せしめるものではない。

【００６０】以上述べたように、回折光学素子を画像表
示装置に適用している従来例１、２にあっては単なる波
長選択性と集光性を有するホログラム、あるいは、液晶
表示素子の出力光束の角度を変えるホログラム素子が開
示されているにすぎない。また、回折光学素子により入
射光を分離する従来例３、４では、分離することで投影
解像力を向上せしめる手法、あるいは位置あわせを改善
する手法が開示されているにすぎない。このように、本
願発明の特徴である、回折光学素子をインテグレータと
して用いることで、画像表示素子に対する照度を均一化
せしめるという技術的思想は、従来例には何ら開示され
ていない新規なものである。

【００６１】

【課題を解決するための手段】上記の点に鑑み、本発明
は、インテグレータ、偏光変換素子、マイクロレンズの
機能を有効に活用し、画像の明るさの均一性を高くした
まま、かつ高い光利用効率を実現するための回折光学素
子、及びそれを用いた画像表示装置を提供するものであ
る。また、偏光選択性に優れ回折効率の高い回折光学素
子を偏光分離素子として利用した光利用効率の高い偏光
照明装置を提供すること及びこの偏光照明装置と投射光
学系を組み合わせ明るい投射映像を形成することができ
る投射型画像表示装置を実現することを目的とする。上
記目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、少な
くとも、画像表示手段と、前記画像表示手段を照明する
照明手段を備え、前記画像表示手段は、該画像表示手段
に入射する前記照明手段からの照明光を変調し出力する
ことで画像を表示し、前記照明手段は、少なくとも発光
手段と、前記発光手段の出力光束を集光する第１の集光
手段と、前記第１の集光手段の出力光束の波面を変換す
る第１の波面変換手段からなり、前記第１の波面変換手
段は、前記第１の集光手段の出力光束の波面と略等価な
第１の光束と、第２の光束を干渉せしめて形成した第１
のホログラム素子であることを特徴とする。

【００６２】また、物体光と参照光を干渉せしめて作成
されるホログラム素子であって、前記物体光が略平行な
光束（以下、物体光束と略記する）であり、前記参照光
が発光手段から発せられる第１の光束を集光及び伝搬せ
しめる照明手段からの出力光束と略等価な波面を有する
光束（以下、参照光束と略記する）であることを特徴と
する。

【００６３】また、複数の微小領域からなる回折光学素
子であって、前記微小領域の出力光束は、前記回折光学
素子の法線方向と所定の角度で交わる平面上で概ね互い
に重なりあう光束であることを特徴とする。

【００６４】

【発明の実施の形態】（実施の形態１−１）マイクロカ
ラーフィルタを備えた１枚の画像表示素子を用いてフル
カラー画像を表示する、いわゆる単板方式の画像表示装
置の例を説明する。

【００６５】画像表示装置１０１は、図５に示すよう
に、ランプ１０２とリフレクタ１０３とから成る照明光
学部１０４と、回折光学素子であるホログラム素子１０
５と、画像表示素子１０６と、投射レンズ１０７とが設
けられて構成されている。

【００６６】上記ランプ１０２としては、例えば定格出
力が４００ワットのメタルハライドランプが用いられ
る。このランプ１０２の発光領域の形状はほぼ円筒状
で、光軸方向の発光領域（アーク）の長さは約４ミリで
ある。なお、ランプ１０２としては、メタルハライドラ
ンプに限らず、ハロゲンランプや、キセノンランプ、超
高圧水銀ランプ等を使用することもできる。

【００６７】上記リフレクタ１０３は、反射面が放物面
をなすように形成され、ランプ１０２は、発光領域の中
心軸が放物面の光軸にほぼ一致し、上記放物面の焦点と
発光領域の中心とがほぼ一致するように配置されてい
る。ただし、ランプ１０２は理想的な点光源ではなく、
発光領域がある程度の大きさを有しているため、反射光
束Ｐは厳密に平行に進む光束ではない。

【００６８】ホログラム素子１０５は、上記のような反
射光束Ｐをほぼ正確に平行な平行光束（平面波）Ｑに変
換して画像表示素子１０６に入射させるようになってい
る。すなわち、反射光束Ｐが参照光として入射されるこ
とにより、平行光束Ｑが物体光として再生出力される。
上記ホログラム素子１０５は、例えば赤、緑、および青
の波長の３種類のレーザ光を用いて多重露光して形成さ
れるが、詳細については後述する。

【００６９】画像表示素子１０６は、各画素ごとに赤、
緑、または青の光を透過させる領域が形成されたマイク
ロカラーフィルタを有して各画素ごとに透過する光の光
量を制御する液晶パネルを備え、各画素ごとに透過する
光を輝度変調して、輝度変調された光束Ｒを投射レンズ
１０７に入射させるようになっている。

【００７０】投射レンズ１０７は、入射した光束を図示
しないスクリーンに拡大投射するようになっている。

【００７１】上記のように、ホログラム素子１０５によ
って、リフレクタ１０３からの反射光束Ｐが平行光束Ｑ
に変換されることにより、ランプ１０２が高出力で発光
領域が大きい場合でも、理想的な点光源を用いた場合と
同様の光束が得られる。それゆえ、ホログラム素子１０
５を用いない場合に比べて、１．２倍の投射効率、すな
わち１．２倍明るい投射画像を得ることができる。

【００７２】次に、上記ホログラム素子１０５、および
その作製方法について詳細に説明する。

【００７３】このホログラム素子１０５は、上記反射光
束Ｐとほぼ等価な波面を有する参照光としての光束（以
下「実光束」という。）、および上記平行光束Ｑとほぼ
等価な波面を有する物体光としての光束（以下「理想光
束」という。）とを例えばフォトポリマー等のホログラ
ム材料に照射して２光束干渉縞を形成することにより作
製される。これにより、ホログラム素子１０５は、リフ
レクタ１０３からの反射光束Ｐを参照光として入射させ
ることにより、物体光として上記のようにほぼ正確に平
行な平行光束Ｑを出射させることができる。

【００７４】ここで、光束と波面について簡単に説明す
る。一般に光は正弦的に振動する波動として下記（数
１）で記述することができる。

【数１】

【００７５】ｕ ＝ Ａexpｉ（ωｔ−ｋ・ｒ） 但し、Ａは複素振幅、ｉは虚数単位、ωは角速度、ｔは
時刻、ｋは波動ベクトル、ｒは空間の座標を決める位置
ベクトルである。

【００７６】この波動ベクトルと垂直な面を一般に波面
と呼ぶ。

【００７７】光束とは複数の光波（波動としての光）が
集まったものであり、等方性の媒質中では波動ベクトル
が光波の進行方向を意味することから、「光束の波面」
を「複数の光波の波面の集合体」と定義する。

【００７８】また、例えば「反射光束Ｐまたは平行光束
Ｑ（実光束または理想光束）とほぼ等価な波面」とは、
「反射光束Ｐまたは平行光束Ｑに含まれるあらゆる光波
の波面とおおよそ等しい波面の集合体」と定義する。

【００７９】また、例えば「反射光束Ｐまたは平行光束
Ｑとほぼ等価な波面を有する光束」とは、「反射光束Ｐ
または平行光束Ｑに含まれるあらゆる光波の波面とおお
よそ等しい波面を有する光波の集合体である光束」と定
義する。

【００８０】ホログラム素子１０５は、図６に示すよう
に、それぞれ、実光束発生手段１１０または理想光束発
生手段１１１から出力される可干渉な実光束Ｓと理想光
束Ｔとをハーフミラー１１２を介してホログラム材料１
１３に同一方向から照射し、干渉縞を生じさせることに
より、透過型のホログラム素子として形成される。ま
た、図７に示すように、ハーフミラーを１１２介さず
に、実光束Ｓと理想光束Ｔとを直接ホログラム材料１１
３に照射するようにしてもよい。さらに、図８に示すよ
うに、ホログラム材料１１３の両面側から実光束Ｓと理
想光束Ｔとを照射することにより、リップマン型のホロ
グラム素子として形成するようにしてもよい。なお、図
６〜図８においては、便宜上、実光束発生手段１１０
が、ランプ１０２とリフレクタ１０３とを有し、理想光
束発生手段１１１が、点光源１１１ａとリフレクタ１１
１ｂとを有するように描いているが、これは、実光束発
生手段１１０が、前記ランプ１０２からリフレクタ１０
３を介して出力される反射光束Ｐとほぼ等価な波面を有
する実光束を出力する一方、理想光束発生手段１１１
が、前記ほぼ正確に平行な平行光束Ｑとほぼ等価な波面
を有する理想光束を出力するように構成されていること
を示すものである。

【００８１】上記ホログラム材料１１３としては、例え
ば塩乳剤（漂白タイプ）や、鉄をドーピングしたニオブ
酸リチウムなどのフォトリフラクティブ結晶、重クロム
酸ゼラチン、フォトポリマ等の一般的なホログラム材
料、干渉縞を凹凸の変化として記録するフォトレジスト
（これらは２光束干渉ではなく計算などに基づいて作製
する場合、電子ビーム描画、イオンビームエッチング、
エンボス法等で形成される。）、フォトサーモプラステ
ィック、ＵＶキュアラブル液晶、液晶ポリマーとフォト
レジストの混合物等を用いることもできる。

【００８２】上記実光束発生手段１１０および理想光束
発生手段１１１は、具体的には、例えばそれぞれ以下の
ような３つの構成のものを用いることができる。まず、
各構成の概要について説明する。

【００８３】実光束発生手段１１０の第１の構成は、画
像表示装置１０１のランプ１０２における発光領域と同
様の形状を有し、可干渉な光束を発する模擬発光体を用
い、この模擬発光体からの光束を画像表示装置１０１の
リフレクタ１０３と同様のリフレクタで反射させて実光
束Ｓとするようにしたものである。

【００８４】第２の構成は、リフレクタや模擬発光体な
どを用いることなく、上記第１の構成におけるリフレク
タ１０３から反射される実光束Ｓとほぼ等価な発散角等
の光束を直接生じさせるようにしたものである。

【００８５】第３の構成は、上記第１の構成、または第
２の構成により生じた実光束Ｓ（物体光）と、所定の光
束（参照光）とを干渉させてマスターホログラムを作製
し、このマスターホログラムに上記所定の光束と同じ光
束（参照光）を照射して、実光束Ｓ（物体光）を再生す
るようにしたものである。

【００８６】また、理想光束発生手段１１１の第１の構
成は、実光束発生手段１１０の第１の構成と同様に模擬
発光体とリフレクタを用いるものである。ただし、模擬
発光体として、理想的なランプの発光領域の形状、すな
わち点光源を模した、サイズの小さいものを用いるとと
もに、リフレクタとして、精度の高いものを用いること
が好ましい。

【００８７】第２の構成は、実光束発生手段１１０の第
２の構成と同様にリフレクタや模擬発光体などを用いる
ことなく、理想光束Ｔそのものを直接発生させるように
したものである。

【００８８】第３の構成は、やはり実光束発生手段１１
０の第３の構成と同様に、上記第１の構成、または第２
の構成により生じた理想光束Ｔ（物体光）と、所定の光
束（参照光）とを干渉させて作製したマスターホログラ
ムを用いるものである。

【００８９】以下、上記実光束発生手段１１０および理
想光束発生手段１１１の各具体的な構成について、詳細
に説明する。

【００９０】実光束発生手段１１０の第１の構成は、図
９に示すように、リフレクタ１２１の内部に模擬発光体
１２２が細い針状の支持部材（不図示）に支持されて配
置されたものである。上記リフレクタ１２１は、画像表
示装置１０１のリフレクタ１０３と同様の形状のものが
用いられる。ここで、リフレクタ１０３，１２１の形状
は、ホログラム素子１０５からどのような光束を出力さ
せるかに係らず設定することができる。すなわち、画像
表示装置１０１において実際にホログラム素子１０５か
ら出力される光束は、理想光束Ｔと等価なものとなるの
で、例えばリフレクタ１０３，１２１に楕円面鏡を用い
て、ホログラム素子１０５から点光源と放物面鏡とから
得られるのと等価な平行光束を出力させるようにした
り、リフレクタ１０３，１２１に放物面鏡を用いて、ホ
ログラム素子１０５から楕円面鏡や球面鏡から得られる
のと等価な収束光束を出力させるようにしたりすること
もできる。

【００９１】また、上記模擬発光体１２２の形状および
位置は、画像表示装置１０１のランプ１０２における発
光領域と同様に設定されている。具体的には、例えばラ
ンプ１０２が前記のようにメタルハライドランプである
場合には、円柱状で、その長軸がリフレクタ１２１の光
軸にほぼ一致するように配置される。また、ランプ１０
２がキセノンランプである場合には、ほぼ球状で、その
中心がリフレクタ１２１の光軸上に位置するように配置
される。また、模擬発光体１２２は、光の反射性を有す
る材料から成り、リフレクタ１２１の開口部１２１ａか
ら入射したレーザ光Ｕをリフレクタ１２１内で散乱させ
て、実光束Ｓを生じるようになっている。すなわち、ラ
ンプ１０２の発光領域と同様の形状で可干渉な光束を発
する発光体を形成することは困難であるが、上記のよう
に模擬発光体１２２を用いることにより、容易に同様の
光束を発生させて実光束Ｓを得ることができる。模擬発
光体１２２の具体的な材料としては、アルミニウムやス
テンレス等の金属材料を用いたり、ガラスやセラミッ
ク、または樹脂材料等の表面に光の反射性を有する金属
薄膜等を形成したものを用いたりすることができる。ま
た、模擬発光体１２２の表面は、機械的または化学的な
加工などによって若干の散乱性を持たせることが好まし
い。さらに、模擬発光体１２２の表面に、ランプ１０２
の発光管（石英等から成る球状などのケーシング）と等
価な石英やガラスなどの被覆を施してもよい。

【００９２】なお、レーザ光Ｕを模擬発光体１２２の全
表面にわたって照射するためには、レーザ光Ｕを走査し
たり、リフレクタ１２１における複数の開口部１２１ａ
から同時に、または順次照射したりするようにすればよ
い。また、順次照射する場合には、ホログラム材料１１
３を多重露光するようにすればよい。さらに、ランプ１
０２における発光領域の内部から発せられる光束につい
ても、正確に波面変換を行い得るようにするためには、
上記模擬発光体１２２よりも小さな外形を有するいくつ
かの模擬発光体を用いて、ホログラム材料１１３を多重
露光するようにすればよい。これにより、一層波面変換
効率を向上させることができる。また、模擬発光体１２
２で散乱された光束のうち、リフレクタ１２１で反射さ
れずに直接ホログラム材料１１３に至る光束も生じる
が、これにより、画像表示装置１０１の使用時において
ランプ１０２から直接照射されるような光束も有効に利
用することができるホログラム素子１０５を形成するこ
とができる。すなわち、ランプ１０２から直接照射され
る光束は、発散角が大きいために、従来の画像表示装置
ではほとんど画像表示素子１０６を介して投射レンズ１
０７に至らず、有効に利用することができなかったが、
本発明によれば、そのような光束も有効に利用され、一
層投射効率を高くすることができる。また、レーザ光Ｕ
は、可視光領域のいずれかの波長のものを用いてもよい
が、３原色に対応する波長のものを順次用いてホログラ
ム材料１１３を多重露光すれば、より高い効率で波面変
換を行い得るようにすることができる。

【００９３】実光束発生手段１１０の第２の構成は、例
えばリフレクタ１０３が図１０に示すような、下記（数
２）で示される放物線をＺ（光軸）軸回りに回転させた
放物面鏡である場合、例えば同図のＡ点を通り、光束Ｓ
１〜Ｓ２の範囲の角度で発散する光束を実光束Ｓとする
ようにしたものである。

【数２】

【００９４】ｚ＝ｘ²／２ｐ＋ｐ／２ ただし、ｐは正の定数である。

【００９５】すなわち、ランプ１０２の発光領域がメタ
ルハライドランプのように円筒状であって放物面の焦点
Ｆ（ｐ，０）を中心として点Ｃ（ｐ＋Δｚ，０）と点Ｄ
（ｐ−Δｚ，０）との間に位置する場合、焦点Ｆから放
物面上の点Ａに向けて発せられた光束は、点Ａからｚ軸
に平行な方向（Ｓ０）に進み、点Ｃ、Ｄから発せられた
光束は、Ｓ０と角度Δθ１またはΔθ２をなす方向に進
む。そこで、例えばｘ軸を含みｚ軸に垂直な平面上に平
面状の模擬発光面１３１を配置するとすると、この模擬
発光面１３１の表面側から照射されたレーザ光の反射
光、または裏面側から照射されたレーザ光の透過光が、
上記Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２などの方向に進むように、模擬発
光面１３１の表面形状を形成することにより、実光束Ｓ
を得ることができる。より具体的には、例えばシート状
の樹脂材料や、金属材料、プラスチック材料、また、こ
れらの表面にフォトレジスト層を形成したものなどに、
電子ビーム露光や、エンボス加工、イオンビームエッチ
ングなどによって鋸刃状、階段状などの凹凸を形成する
ことにより、上記のような模擬発光面１３１を構成する
ことができ、この模擬発光面１３１にレーザ光を照射し
て反射または透過させて得られる実光束Ｓでホログラム
材料１１３を露光することにより、ホログラム素子１０
５を形成することができる。

【００９６】実光束発生手段１１０の第３の構成は、前
述のように、上記第１の構成、または第２の構成により
生じた実光束Ｓと、所定の光束との２光束干渉縞をホロ
グラム材料に記録してマスターホログラムを作製し、こ
のマスターホログラムに上記所定の光束と同じ光束を照
射して、実光束Ｓを再生するようにしたものである。こ
のようなマスターホログラムを用いることにより、第１
の構成または第２の構成によって多重露光を行う場合と
同様のホログラム素子１０５を１回の露光で作製するこ
とができる。なお、マスターホログラムの材料として
は、前記ホログラム素子１０５のホログラム材料１１３
について説明したような種々のものを用いることができ
る。

【００９７】また、理想光束発生手段１１１の第１の構
成は、上記実光束発生手段１１０の第１の構成と同様に
模擬発光体とリフレクタを用いるものであるが、模擬発
光体として前述のように点光源を模したサイズの小さい
ものを用いる点、およびリフレクタとして、実際の画像
表示装置１０１で用いられるリフレクタ１０３の形状や
精度に係らず、所望の理想光束が得られる形状および精
度のリフレクタを用いる点が異なる。すなわち、理想光
束として平行光束を得る場合には、放物面鏡を用い、模
擬発光体を放物面の焦点に配置すればよい。また、所定
の１点に集光する光束を得る場合には、楕円面鏡を用
い、模擬発光体を一方の焦点に配置したり、球面鏡を用
いて模擬発光体を球面の中心に配置したりすればよい。

【００９８】理想光束発生手段１１１の第２の構成は、
前述のようにリフレクタや模擬発光体などを用いること
なく、理想光束Ｔそのものを直接発生させるようにした
もので、例えばレーザ光を屈折光学系により拡大するな
どして、ほぼ平面波とした平行光束や、収束光束、発散
光束などを生じさせるようにしたものである。

【００９９】理想光束発生手段１１１の第３の構成は、
上記第１の構成、または第２の構成により生じた理想光
束Ｔと、所定の光束との２光束干渉縞をホログラム材料
に記録してマスターホログラムを作製し、このマスター
ホログラムに上記所定の光束と同じ光束を照射して、理
想光束Ｔを再生するようにしたものである。

【０１００】（実施の形態１−２）画像表示装置の他の
例を説明する。なお、以下の説明においては、前記実施
の形態１−１と同様の機能を有する構成要素については
同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

【０１０１】ホログラム素子１０５は、上記のように平
行光束Ｑを出力するものに限らず、図１１に示すよう
に、投射レンズ１０７の入射瞳に集光される収束光束Ｑ
１を出力するようにしてもよい。このようなホログラム
素子１０５は、理想光束発生手段１１１によって、所定
の１点に向けて収束する光束を生じさせることにより作
製することができる。

【０１０２】上記のような収束光束Ｑ１を出力するホロ
グラム素子１０５を用いることにより、さらに投射効率
が向上し、ホログラム素子１０５を用いない場合に比べ
て、１．５倍明るい投射画像を表示させることができ
る。

【０１０３】（実施の形態１−３）上記のような放物面
鏡のリフレクタ１０３に代えて、図１２に示すように、
球面鏡のリフレクタ１４１と集光レンズ１４２とを用い
るようにしてもよい。この場合のホログラム素子１０５
は、実光束発生手段１１０によって、集光レンズ１４２
から出力される光束と同様の光束を生じさせるととも
に、理想光束発生手段１１１によって平行光束を生じさ
せることにより、作製することができ、実施の形態１−
１と同様の平行光束Ｑ２を出力させることができる。な
お、実施の形態１−２と同様に、理想光束発生手段１１
１によって、所定の１点に向けて収束する光束を生じさ
せてホログラム素子１０５を作製し、投射レンズ１０７
の入射瞳に集光される収束光束が出力されるようにして
もよい。

【０１０４】（実施の形態１−４）さらに、図１３に示
すように、楕円面鏡のリフレクタ１４３を用いるように
してもよい。この場合には、ランプ１０２を楕円面の一
方の焦点付近に配置することにより、リフレクタ１４３
からの反射光は他方の焦点付近に集光する光束となる。
ただし、ランプ１０２の発光領域がある程度の大きさを
有するために、リフレクタ１４３からの反射光は、正確
には他方の焦点に集光しないが、このような光束であっ
ても、理想光束発生手段１１１により所定の１点に向け
て収束する光束を生じさせて作製されたホログラム素子
１０５を用いることにより、実施の形態１−２と同様に
投射レンズ１０７の入射瞳に集光される収束光束Ｑ３を
得ることができる。なお、上記のように楕円面鏡のリフ
レクタ１４３を用いる場合での、理想光束発生手段１１
１によって平行光束を生じさせて作製されたホログラム
素子を用いて、実施の形態１−１と同様の平行光束を出
力させるようにしてもよい。

【０１０５】（実施の形態１−５）光源光を赤、緑、青
の３原色の光に色分解し、それぞれの色の光に対応した
３枚の透過型の画像表示素子を用いてフルカラー画像を
表示する、いわゆる３板方式の画像表示装置の例を説明
する。

【０１０６】画像表示装置１５１には、図１４に示すよ
うに、実施の形態１−１と同様にランプ１０２とリフレ
クタ１０３とから成る照明光学部１０４と、ホログラム
素子１０５とが設けられ、ホログラム素子１０５から平
行光束Ｑが出力されるようになっている。この平行光束
Ｑは、ダイクロイックミラー１５２，１５３によって
赤、緑、青の３原色の光束に分離され、全反射ミラー１
５４、およびコンデンサレンズ１５５を介して、赤、
緑、青の画素に対応する液晶パネル１５６〜１５８に入
射して輝度変調された後、全反射ミラー１５９、および
ダイクロイックミラー１６０，１６１により構成される
色合成系によって合成され、投射レンズ１０７によって
図示しないスクリーンに拡大投射されるようになってい
る。

【０１０７】上記のような３板方式の画像表示装置１５
１においては、単板方式に比べて光路長が長くなる。こ
のため、従来の画像表示装置においては、光束の発散に
よるロスが大きくなりがちであるが、上記のようにホロ
グラム素子１０５を用いることによってほぼ完全な平行
光束Ｑが得られるため、明るい投射画像を表示させるこ
とができる。

【０１０８】（実施の形態１−６）反射型の画像表示素
子を用いた３板方式の画像表示装置の例を説明する。

【０１０９】画像表示装置１７１には、図１５に示すよ
うに、実施の形態１−１と同様にランプ１０２とリフレ
クタ１０３とから成る照明光学部１０４と、ホログラム
素子１０５とが設けられ、ホログラム素子１０５から平
行光束Ｑが出力されるようになっている。この平行光束
Ｑは、全反射ミラー１７２を介してＰＢＳ（偏光ビーム
スプリッタ）１７３に入射し、ランダムな偏光の光束が
ほぼ直線偏光の光束に変換されるようになっている。ほ
ぼ直線偏光に変換された光束は、レンズ１７４を介して
ダイクロイックミラー１７５，１７６によって３原色の
光束に分離され、反射型液晶表示素子１７７〜１７９に
入射して輝度変調された後、上記ダイクロイックミラー
１７５，１７６によって合成され、投射レンズ１０７に
よって図示しないスクリーンに拡大投射されるようにな
っている。なお、ＰＢＳを３個用いるようにしてもよ
い。

【０１１０】上記のような反射型の３板方式の画像表示
装置１７１においても、やはり単板方式に比べて光路長
が長くなるが、従来の画像表示装置では投射効率が例え
ば１ルーメン／ワットと低いのに対して、上記ホログラ
ム素子１０５を用いた画像表示装置１７１では、１．８
ルーメン／ワットと高い投射効率を得ることができる。

【０１１１】（実施の形態１−７）ホログラム素子とと
もに、さらにインテグレータが設けられた画像表示装置
の例を説明する。

【０１１２】画像表示装置１８１には、図１６に示すよ
うに、実施の形態１−１と同様にホログラム素子１０５
が設けられるとともに、ホログラム素子１０５と画像表
示素子１０６との間に、第１の蠅の目レンズ１８２およ
び第２の蠅の目レンズ１８３から成るインテグレータ１
８４が設けられている。

【０１１３】上記第１の蠅の目レンズ１８２および第２
の蠅の目レンズ１８３は、それぞれ微小なレンズ群が形
成されている。すなわち、第１の蠅の目レンズ１８２の
各微小レンズは、それぞれ第２の蠅の目レンズ１８３に
おける対応する微小レンズ上に発光領域（発光体）の像
を結像させるようになっている。また、第２の蠅の目レ
ンズ１８３の各微小レンズは、それぞれ第１の蠅の目レ
ンズ１８２の各微小レンズの像を画像表示素子１０６上
の全面に重ね合わせて結像させるようになっている。こ
れにより、照明光学部１０４から出力される光束が複数
に分割され、それぞれ画像表示素子１０６上で重ね合わ
されることにより、表示画像における中央部と周辺部と
などでの光量むらの低減が図られる。

【０１１４】また、ホログラム素子１０５は、実光束発
生手段１１０によって照明光学部１０４から出力される
反射光束Ｐとほぼ等価な波面を有する光束を生じさせる
とともに、理想光束発生手段１１１によって平行光束を
生じさせることにより作製されている。

【０１１５】ここで、実際に作製されるホログラム素子
１０５には、色収差や倍率収差が発生することがあると
ともに、ホログラム素子１０５から出力される平行光束
Ｑは、完全に理想的な平行光束であるとは限らず、必ず
しも変換効率は１００％ではない。すなわち、照明光学
部１０４から出力される反射光束Ｐの大部分は理想的な
平行光束に変換されるが、一部の光束は、そのまま平行
光束Ｑ中に含まれたりすることがある。そこで、上記の
ようにホログラム素子１０５を有しない従来の画像表示
装置に用いられるものと同様のインテグレータ１８４等
と組み合わせることによって、ホログラム素子１０５に
より平行光束に変換されなかった光束なども有効に利用
されるようになり、ホログラム素子１０５の収差や波面
変換ロスを補償することができる。

【０１１６】それゆえ、ホログラム素子１０５を設ける
ことなく、インテグレータ１８４だけを設けた従来の画
像表示装置場合に比べて、１．４倍の高い投射効率を得
ることができる。また、周辺光量比（全白信号による表
示をした場合の画面中央部の明るさと周辺部分の明るさ
との比）は、従来と同等の７０％以上の高い値を得るこ
とができる。

【０１１７】（実施の形態１−８）画像表示素子とし
て、例えば米国特許第５０９６２７９号に開示されてい
るような反射型偏向素子が用いられる例を説明する。

【０１１８】画像表示装置１９１には、図１７に示すよ
うに、ランプ１０２とリフレクタ１０３とから成る照明
光学部１０４と、実施の形態１−７と同様のインテグレ
ータ１８４と、反射型偏向素子である画像表示素子１９
２と、投射レンズ１０７とが設けられている。また、イ
ンテグレータ１８４の第１の蠅の目レンズ１８２と第２
の蠅の目レンズ１８３との間にホログラム素子１０５が
設けられる一方、インテグレータ１８４と画像表示素子
１９２との間には、インテグレータ１８４から出力され
る光束を平行光束にするレンズ１９３が設けられてい
る。

【０１１９】上記ランプ１０２としては、４００ワット
のメタルハライドランプが用いられ、リフレクタ１０３
には放物面鏡が用いられている。ランプ１０２の発光領
域の形状はほぼ円筒状で、光軸方向の発光領域（アー
ク）の長さは約４ミリである。このランプ１０２は、発
光領域がリフレクタ１０３の焦点付近に位置し、発光領
域の中心軸がリフレクタ１０３の光軸にほぼ一致するよ
うに配置されている。

【０１２０】ホログラム素子１０５は、実光束発生手段
１１０によって照明光学部１０４から出力され、第１の
蠅の目レンズ１８２を介した光束とほぼ等価な波面を有
する光束を生じさせるとともに、理想光束発生手段１１
１によって平行光束が第１の蠅の目レンズ１８２を介し
た光束、またはこれと等価な光束を生じさせることによ
り作製されている。

【０１２１】レンズ１９３は、第２の蠅の目レンズ１８
３の各微小レンズによってレンズ１９３の入射面に重ね
合わされた光束を平行光束にして画像表示素子１９２に
入射させるようになっている。

【０１２２】画像表示素子１９２は、画素ごとに入射光
の反射角を変化させ、投射レンズ１０７に入射する光量
を変化させることにより表示を行うようになっている。

【０１２３】上記のように構成されることにより、第１
の蠅の目レンズ１８２から出力された光束が、ホログラ
ム素子１０５によって、正確に第２の蠅の目レンズ１８
３の各微小レンズ（有効領域）に入射する光束に変換さ
れる。すなわち、ホログラム素子１０５が設けられてい
ない場合には、ランプ１０２の発光領域がある程度の大
きさを有していることに起因して、第２の蠅の目レンズ
１８３の各微小レンズに入射しない光束が生じがちであ
るのに対し、ホログラム素子１０５が設けられているこ
とにより、正確な平行光束（平面波）が第１の蠅の目レ
ンズ１８２を介した場合とほぼ等価な波面を有する光束
に変換され、確実に第２の蠅の目レンズ１８３の各微小
レンズに入射する。すなわち、ランプ１０２から発せら
れるほとんど全ての光束を第２の蠅の目レンズ１８３の
有効領域に入射させることができ、光量ロスを低減して
光利用効率を向上させることができる。具体的には、例
えば画像表示素子としてマイクロカラーフィルタを有し
ないモノクローム画像の表示用のものを用いる場合、従
来の構成では投射効率が４ルーメン／ワットであったの
に対し、上記のようにホログラム素子１０５を用いる場
合には８ルーメン／ワットの投射効率を得ることができ
る。

【０１２４】（実施の形態１−９）前記実施の形態１−
７の構成に、さらに偏光変換素子２０２が設けられた画
像表示装置の例を説明する。

【０１２５】この画像表示装置には、図１８に示すよう
に、インテグレータ１８４を構成する第２の蠅の目レン
ズと画像表示素子１０６との間に、偏光変換素子２０２
と集光レンズ２０３とが設けられている。なお、画像表
示素子１０６としては例えば透過型液晶パネルが用いら
れ、ランプ１０２として１００Ｗの超高圧水銀ランプ、
リフレクタ１０３として放物面鏡が用いられている。

【０１２６】上記偏光変換素子２０２は、例えば図１９
に示すように、１対の三角柱状プリズムが接合された複
数の角柱体２０４がさらに平板状に接合されるととも
に、１つおきの角柱体２０４ごとに偏波面回転手段２０
５が設けられて構成されている。上記３角柱状プリズム
の接合面には偏光分離膜２０６が形成されている。この
偏光分離膜２０６は、例えば誘電体の多層膜により構成
され、入射した無偏光光の例えばＰ偏光光（偏光方向が
同図の紙面に平行な偏光）を透過させ、Ｓ偏光光（偏光
方向が同図の紙面に垂直な偏光）を反射させるようにな
っている。また、偏波面回転手段２０５は、入射した光
束の偏波面をほぼ９０°回転させる機能を有し、一般的
には位相差が入射波長のほぼ半分の光学的異方性を有す
る光学材料で構成される。

【０１２７】上記偏光変換素子２０２は、偏波面回転手
段２０５が設けられていない角柱体２０４がそれぞれイ
ンテグレータ１８４の第２の蠅の目レンズ１８３を構成
する各レンズに対応するように配置され、第１の蠅の目
レンズ１８２により各第２の蠅の目レンズに集光された
光束が上記第２の蠅の目レンズに対応した角柱体２０４
に入射するようになっている。上記角柱体２０４に入射
した光束は、Ｐ偏光光だけが偏光分離膜２０６を透過し
て出射される一方、Ｓ偏光光は偏光分離膜２０６によっ
て反射され、隣接する角柱体２０４の偏光分離膜２０６
で反射後、偏波面回転手段２０５によりＰ偏光光に変換
されて出力されるようになっている。すなわち、偏光変
換素子２０２からは、ランプ１０２からの無偏光光がＰ
偏光光に揃えられた光束が出射される。

【０１２８】ここで、第１の蠅の目レンズ１８２は、入
射した光束を第２の蠅の目レンズ１８３を介して上記偏
波面回転手段２０５が設けられていない角柱体２０４に
集光させる必要があるが、ホログラム素子１０５が設け
られていることにより、ランプ１０２の発光領域が大き
いなどの場合でも、第１の蠅の目レンズ１８２により確
実に上記のように集光させることができるため、偏光変
換素子２０２による投射効率向上効果を一層大きくして
明るい画像を表示させることができる。

【０１２９】すなわち、従来の画像表示装置では、例え
ばランプ１０２として出力が１００ワットで発光領域が
１．４５ミリの球状とかなり小さいものを用いても、偏
光変換素子２０２を設けない場合に比べて１．５倍程度
に明るくなる程度に過ぎず、発光領域が数ミリと大きい
ような高出力ランプを用いる場合には偏光変換素子２０
２の有無による投射効率の増大程度はさらに小さくな
り、せいぜい１．２倍程度明るくなる程度であった。こ
れに対して、上記のようにホログラム素子１０５が設け
られていることにより、前記のようにホログラム素子１
０５を通過した光束の波面がほぼ平面波となるため、大
部分の光束を第２の蠅の目レンズ１８３を介して所定の
角柱体２０４だけに入射させることができるので、偏光
変換素子２０２が設けられていない場合に比べて、例え
ば１．８倍明るくすることが可能となった。しかも、発
光領域が大きい例えば４００ワットのメタルハライドラ
ンプや２キロワットのキセノンランプなどを用いても、
ホログラム素子１０５から出力される光束の波面は点光
源を用いた場合の光束の波面とほぼ等しいため、偏光変
換素子２０２を設けることによる投射効率の大幅な向上
効果を得ることができる。具体的には、上記キセノンラ
ンプを用いた場合でも投射効率を５ルーメン／ワットと
高くすることが可能となり、１万ルーメンの高光出力の
画像表示装置を構成することができた。

【０１３０】同様の効果は、種々の偏光変換素子を用い
たり、他の位置に偏光変換素子を配置したりした場合で
も得ることができる。例えば偏光変換素子２０２を第１
の蠅の目レンズ１８２のランプ１０２側に配置する特開
平８−２３４２０５号公報や、特開平６−２０２０９４
号公報の図４（Ｂ）等に開示された偏光変換素子を用い
る場合にも同様の効果を得ることができる。

【０１３１】（実施の形態２−１）インテグレータから
出力される光束を平行光束に変換する反射型のホログラ
ム素子が設けられた画像表示装置の例を説明する。

【０１３２】画像表示装置２１１には、図２０に示すよ
うに、実施の形態１−１等と同様にランプ１０２、およ
びリフレクタ１０３から成る照明光学部１０４と、第１
の蠅の目レンズ２１２、第２の蠅の目レンズ２１３、お
よび折り返しミラー２１４から成るインテグレータ２１
５とが設けられている。上記インテグレータ２１５は、
実施の形態１−７のインテグレータ１８４と同様の機能
を有し、投射画像の明るさの均一性が確保されるように
なっている。インテグレータ２１５から出力された光束
は、ダイクロイックミラー１５２，１５３によって３原
色の光束に分離され、後に詳述する反射型のホログラム
素子２１６〜２１８を介して、赤、緑、青の画素に対応
する液晶パネル２１９〜２２１に入射して輝度変調され
た後、ダイクロイックミラー１６０，１６１により色合
成され、投射レンズ１０７によって図示しないスクリー
ンに拡大投射されるようになっている。

【０１３３】上記画像表示素子２１９〜２２１は、各画
素に対応して微小なレンズが形成されたマイクロレンズ
と、各画素ごとに透過する光の光量を制御する液晶パネ
ルとを備え、マイクロレンズに入射した光を液晶パネル
の有効領域に集光させるようになっている。

【０１３４】ホログラム素子２１６〜２１８は、インテ
グレータ２１５からダイクロイックミラー１５２，１５
３を介して入射した光束を平行光束に変換し、画像表示
素子２１９〜２２１に出力するようになっている。それ
ゆえ、マイクロレンズに入射した光束は確実に液晶パネ
ルの有効領域に集光され、上記入射したほとんど全ての
光が利用されるので、実質的な開口率を大幅に増大させ
て投射効率および投射画像の明るさの均一性を向上させ
ることができる。

【０１３５】具体的には、例えば対角寸法が１．３イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約５
６％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、マイクロレンズもホログラム素子２１６〜
２１８も用いない場合の投射効率は５ルーメン／ワット
であり、マイクロレンズだけを用いた場合の投射効率は
６ルーメン／ワットであったのに対し、上記のようにさ
らにホログラム素子２１６〜２１８を設けることによ
り、８ルーメン／ワットと高い投射効率を得ることがで
きた。これは、実質的な開口率が５６％から約９０％に
向上したことに相当する。また、同じ大きさで画素数の
多い液晶パネル、例えば１２８０×１０２４画素、また
はそれ以上の画素（例えば１９２０×１０８０画素）の
ものを用いても、投射効率はほとんど変わらなかった。
さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回転手段と
を有する偏光変換素子を設けることによって、１２ルー
メン／ワットという極めて高い投射効率を実現すること
が可能となった。

【０１３６】上記のようなホログラム素子２１６〜２１
８は、前記実施の形態１−１のホログラム素子１０５と
同様にして作製することができる。すなわち、参照光と
しての、実際の画像表示装置２１１においてホログラム
素子２１６〜２１８に入射する光束と等価な波面を有す
る光束と、物体光としての、画像表示素子２１９〜２２
１に入射させようとする平行光束と等価な波面を有する
光束との２光束干渉縞を、フォトポリマー等のホログラ
ム材料に記録することにより作製される。

【０１３７】具体的には、例えば緑色用のホログラム素
子２１７を作製する場合、図２１に示すように、インテ
グレータ２１５、ダイクロイックミラー１５２，１５
３、およびホログラム材料２１７’を実際の画像表示装
置２１１と同様の光路が形成されるように配置し、レー
ザ２３１から出力されるレーザ光をビームビームイクス
パンダ２３２によってビーム幅を広げた後、ビームスプ
リッタ２３３によって２つの光束Ｖ，Ｗに分離し、光束
Ｖを折り返しミラー２３４を介してインテグレータ２１
５に入射させる一方、光束Ｗを直接ホログラム材料２１
７’に入射させる。ここで、レーザ光の波長は、実際の
画像表示装置２１１でホログラム素子に入射する各３原
色の波長帯域に含まれるもの（この場合は緑色）である
ことが望ましく、この場合には、ホログラム素子の回折
効率に対する波長分散の影響を最小限に抑え、ホログラ
ム素子の回折効率を高くすることができる。これによ
り、実際にホログラム素子２１７が配置される位置で入
射される光束の波面と等価な波面を有する光束と平面波
との２光束干渉縞が形成され、画像表示装置２１１のダ
イクロイックミラー１５３による色分離後の光束が入射
したときに、平行光束に変換して画像表示素子２２０に
出力するホログラム素子２１７が得られる。

【０１３８】なお、実際の画像表示装置に集光レンズや
リレーレンズ、偏光変換素子などが設けられる場合に
は、これらの要素も光束Ｖの光路中に配置すればよい。

【０１３９】また、上記のほか、前記実施の形態１−１
で説明したような種々の構成によってホログラム素子２
１６〜２１８を作製することができる。

【０１４０】以上述べたように、本発明の画像表示装置
は、色分離後の照明光束を本発明に係るホログラム素子
２１６〜２１８を介して画像表示素子に入力せしめるこ
とによって、投射効率を改善することに特徴を有するも
ので、画像表示素子の光変調材料の種類、光変調方式、
及び駆動素子を形成する材料、駆動方式のいずれを問わ
ず図５に示した構成の画像表示装置と同様の効果を得る
ことができる。

【０１４１】また、光学系の構成も上記構成に限定され
るものではなく、本発明の趣旨に則り様々な変形が可能
である。

【０１４２】（実施の形態２−２）輝度変調された各色
の光束の合成にダイクロイックプリズムが用いられる例
を説明する。

【０１４３】この画像表示装置２３１は、図２２に示す
ように、実施の形態２−１の画像表示装置２１１に比べ
て、主として、ダイクロイックミラー１６０，１６１に
代えてダイクロイックプリズム２３５が設けられている
点が異なる。

【０１４４】すなわち、ランプ１０２からインテグレー
タ２１５を介してダイクロイックミラー１５２に白色の
光束が入射すると、入射光束のうち、赤色成分の光束は
反射され、緑色、青色の光束は透過する。赤色光束は折
り返しミラー２３３，２３４を介して、反射型のホログ
ラム素子２１６へ入射し、略平行光束に変換された後、
表示画像の赤色成分を表示する画像表示素子（液晶パネ
ル）２１９に入射して輝度変調される。また、前記ダイ
クロイックミラー１５２を透過した緑色光束および青色
光束は、折り返しミラー２３２を介してダイクロイック
ミラー１５３に入射し、緑色光束が反射され、青色光束
のみ透過する。上記緑色光束、および青色光束は、それ
ぞれ反射型のホログラム素子２１７，２１８によって反
射される際に、略平行な光束に変換され、表示画像の各
色成分を表示する画像表示素子（液晶パネル）２２０，
２２１に入射して輝度変調される。輝度変調された各色
の光束は、ダイクロイックプリズム２３５によって色合
成され、投射レンズ１０７によって図示しないスクリー
ンに拡大投射される。

【０１４５】上記のような画像表示装置２３１において
も、実施の形態２−１と同様に、ランプ１０２からの出
力光束が、インテグレータ２１５等を介して伝搬される
平行ではない光束が、ホログラム素子２１６〜２１８に
よって略平行な光束に変換された後、画像表示素子２１
９〜２２１に入射し、マイクロレンズによって液晶パネ
ルにおける各画素の開口部にのみ光を入射させることが
可能となるため、実効的な開口率を極めて高くすること
が可能となる。

【０１４６】具体的には、例えば対角寸法が０．９イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約４
０％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、マイクロレンズもホログラム素子２１６〜
２１８も用いない場合の投射効率は３．６ルーメン／ワ
ットであり、マイクロレンズだけを用いた場合の投射効
率は４．３ルーメン／ワットであったのに対し、上記の
ようにさらにホログラム素子２１６〜２１８を設けるこ
とにより、８ルーメン／ワットと高い投射効率を得るこ
とができた。これは、実質的な開口率が４０％から約９
０％に向上したことに相当する。また、同じ大きさで画
素数の多い液晶パネル、例えば１２８０×１０２４画
素、またはそれ以上の画素（例えば１９２０×１０８０
画素）のものを用いても、投射効率はほとんど変わらな
かった。さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回
転手段とを有する偏光変換素子を設けることによって、
１２ルーメン／ワットという極めて高い投射効率を実現
することが可能となった。

【０１４７】（実施の形態２−３）反射型のホログラム
素子によって反射されずに透過した光束も有効に利用し
得る画像表示装置の例を説明する。

【０１４８】画像表示装置２４１は、図２３に示すよう
に、実施の形態２−２の画像表示装置２３１に比べて、
主として、ホログラム素子２１６〜２１８の裏面側に全
反射ミラー２４２，２４３またはダイクロイックミラー
２４５が設けられている点が異なる。

【０１４９】すなわち、ランプ１０２からインテグレー
タ２１５を介してダイクロイックミラー２４４に白色の
光束が入射すると、入射光束のうち、青色成分の光束は
透過し、他の波長帯域の光束（赤色成分および緑色成分
すなわち黄色の光束）は反射される。

【０１５０】青色光束は主に青色用ホログラム素子２１
８により反射されるとともに平行光束に変換された後、
青色用の画像表示素子（液晶パネル）２２１に入射して
輝度変調される。また、ホログラム素子２１８によって
反射されずに透過した青色光束は、全反射ミラー２４３
によって反射され、再度青色用のホログラム素子２１８
を透過して、やはり画像表示素子２２１に入射する。す
なわちホログラム素子２１８を透過した光束も有効に利
用される。

【０１５１】また、ダイクロイックミラー２４４で反射
された黄色光束のうちの緑色光束は、緑色用のホログラ
ム素子２１７により反射されるとともに平行光束に変換
された後、緑色用の画像表示素子２２０に入射して輝度
変調される。また、ホログラム素子２１７によって反射
されずに透過した緑色光束は、ダイクロイックミラー２
４５によって反射され、再度緑色用のホログラム素子２
１７を透過して、やはり画像表示素子２２０に入射す
る。

【０１５２】さらに、ダイクロイックミラー２４５を透
過した赤色光束は、光路長補償用のリレーレンズ２４
６，２４８および全反射ミラー２４７を介して赤色用の
ホログラム素子２１６に入射し、主に反射されるととも
に平行光束に変換された後、赤色用の画像表示素子２１
９に入射して輝度変調される。また、ホログラム素子２
１６によって反射されずに透過した赤色光束は、全反射
ミラー２４２によって反射され、再度赤色用のホログラ
ム素子２１６を透過して、やはり画像表示素子２１９に
入射する。

【０１５３】上記輝度変調された各色の光束は、ダイク
ロイックプリズム２３５によって色合成され、投射レン
ズ１０７によって図示しないスクリーンに拡大投射され
る。

【０１５４】上記のように、ホログラム素子２１６〜２
１８の裏面側に全反射ミラー２４２，２４３またはダイ
クロイックミラー２４５が設けられることにより、各ホ
ログラム素子２１６〜２１８によって平行光束として反
射されずに各ホログラム素子２１６〜２１８を透過した
光束の大部分を画像表示素子２１９〜２２１に入射させ
ることができる。このような光束は、平行光束には変換
されないが、画像の投射に利用されるので、単にホログ
ラム素子２１６〜２１８だけを用いる場合に比べて一層
高い投射効率を得ることができる。

【０１５５】具体的には、例えば対角寸法が０．９イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約４
０％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、マイクロレンズもホログラム素子２１６〜
２１８も用いない場合の投射効率は３．６ルーメン／ワ
ットであり、マイクロレンズだけを用いた場合の投射効
率は４．３ルーメン／ワットであったのに対し、上記の
ようにさらにホログラム素子２１６〜２１８を設けるこ
とにより、１０ルーメン／ワットと高い投射効率を得る
ことができた。これは、実質的な開口率が４０％から約
９０％に向上したことに相当する。また、同じ大きさで
画素数の多い液晶パネル、例えば１２８０×１０２４画
素、またはそれ以上の画素（例えば１９２０×１０８０
画素）のものを用いても、投射効率はほとんど変わらな
かった。さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回
転手段とを有する偏光変換素子を設けることによって、
１２ルーメン／ワットという極めて高い投射効率を実現
することが可能となった。

【０１５６】なお、ホログラム素子２１７の裏面側に設
けるミラーとしては、赤色光束を透過させる必要がある
ので、上記のように緑色反射、かつ赤色透過型のダイク
ロイックミラーを用いる必要があるのに対し、ホログラ
ム素子２１６，２１８の裏面側に設けるミラーとして
は、上記のように全反射ミラー（通常はアルミニウム薄
膜をガラス基板上に成膜し、場合によっては増反射コー
トを施したもの）を用いてもよいし、赤色光束または青
色光束を反射するダイクロイックミラーを用いてもよ
い。

【０１５７】また、上記のようにホログラム素子の裏面
側に反射ミラーを設ける構成は、前記実施の形態２−１
や実施の形態２−２、また、以下の画像表示装置などに
適用してもよく、やはり、投射効率をさらに高くするこ
とができる。

【０１５８】（実施の形態２−４）画像表示素子とし
て、反射型で偏光変調型の液晶表示パネルを用いるとと
もに、白色光束の色分離にもダイクロイックプリズムを
用いた画像表示装置の例を説明する。

【０１５９】本実施の形態２−４の画像表示装置２５９
では、図２４に示すように、実施の形態２−１〜２−３
で説明した画像表示装置と同様に、ランプ１０２からの
出力光束をリフレクタ１０３で反射し、反射後の出力光
束を第１の蠅の目レンズ２１２および第２の蠅の目レン
ズ２１３を介して画像表示素子２６０〜２６２へ伝搬さ
せるようになっている。

【０１６０】第２の蠅の目レンズ２１３と画像表示素子
２６０〜２６２の間には、色分離のためのダイクロイッ
クプリズム２６３、ホログラム素子２６４〜２６６およ
びＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２６７〜２６９が設
けられている。すなわち、ランプ１０２からの白色の出
力光束は、ダイクロイックプリズム２６３によって、
赤、緑、青の３原色の光束に色分離され、色分離された
各光束は、対応するホログラム素子２６４〜２６６によ
って所望の光束に変換され、ＰＢＳ２６７〜２６９によ
って所定の偏波面を有する直線偏光光が反射型の画像表
示素子２６０〜２６２へ入射して、偏光方向が変調され
るようになっている。

【０１６１】画像表示素子２６０〜２６２で偏光方向が
変調された各原色の光束は、再度ＰＢＳ２６７〜２６９
を介して可視化され、投射レンズ１０７によりスクリー
ン（不図示）上に拡大投射される。

【０１６２】上記ホログラム素子２６４〜２６６は、実
施の形態２−１と同様に、基本的に参照光束と物体光束
との２光束干渉縞を例えばフォトポリマー等の一般的な
ホログラム材料に記録して作製することができる。ここ
で、ホログラム素子２６４〜２６６は、入射光束が変換
されて出力される光束が実施の形態２−１〜２−３と同
様に略平行光束になるようにしてもよいし、またはＰＢ
Ｓの偏光分離特性が大幅に低下しない程度の入射角の小
さな収束光束になるようにしてもよい。これによって、
以下に示す理由により、装置の小型化を図りつつ、高投
射効率と高コントラストの両立を実現することができ
る。

【０１６３】一般に、ランプ、リフレクタ、集光レン
ズ、リレーレンズ、インテグレータ、偏光変換素子等に
よって構成される照明光学系のＦ値と、投射レンズのＦ
値とは概ね一致するように設定されるが、このＦ値が小
さいほど投射効率が高くなる一方、液晶パネルおよびＰ
ＢＳに入射する光束の最大入射角が大きくなる。ここ
で、ＰＢＳは、一般にガラス基板に誘電体多層膜を形成
して、入射光がＰ偏光光とＳ偏光光とに分離されるよう
に構成されるが、その偏光分離特性は入射光の入射角に
依存し、設計時の基準入射角からずれるに従って偏光分
離特性が低下する。それゆえ、上記のように反射型の液
晶パネルを用いた画像表示装置では、上記Ｆ値が小さい
とコントラストの低下を招きがちになる。そこで、コン
トラストを改善するために、照明光学系のリレーレンズ
によって上記入射角が小さくなるようにする場合には、
いわゆる幾何光学における輝度不変の原理によって、照
明面積が大きくなるため、画面サイズの大きな液晶パネ
ル等を用いる必要があり、装置の大型化を招くことにな
る。これに対して、本実施の形態２−４のようにホログ
ラム素子を用いることによって、ＰＢＳの偏光分離特性
が大幅に低下しないように入射角が小さくなるようにし
ても、照明面積が小さくなるようにすることができる。
それゆえ、画面サイズの小さな液晶パネルを用いて装置
の小型化を図りつつ、投射効率が高く、かつコントラス
トの低下しない画像表示装置を構成することができる。

【０１６４】具体的には、例えば対角寸法が０．９イン
チで１０２４×７６８の画素が形成された開口率が約７
５％の液晶パネルと、１００Ｗの超高圧水銀ランプとを
用いた場合、ホログラム素子２６４〜２６６を用いない
画像表示装置では、コントラストを確保するために投射
レンズ１０７および照明光学系のＦ値を４とすると、投
射効率は約２ルーメン／ワットで、コントラストは２０
０：１であり、Ｆ値を３にすると、４ルーメン／ワット
と明るくできるが、コントラストは１００：１に低下し
た。これに対し、上記のようにホログラム素子２１６〜
２１８を設けることにより、Ｆ値を５と大きくしても約
４．３ルーメン／ワットの投射効率を実現でき、かつＦ
値が大きい（ＰＢＳに対する入射角が小さい）ためコン
トラストを８００：１に向上させることができた。

【０１６５】なお、上記画像表示素子２６０〜２６２と
しては、液晶パネルに限らず、入射した直線偏光光をそ
の偏光方向を変調後反射して出力する偏光変調型で反射
型の画像表示素子であればよく、光変調材料や、光変調
の方式、画素の駆動方式などに制約はない。

【０１６６】また、本実施の形態２−４で構成した画像
表示装置は、ＰＢＳを３個使用する３ＰＢＳ方式である
が、ＰＢＳを１個使用する１ＰＢＳ方式も構成できる。

【０１６７】また、投射画像のコントラストを向上させ
るためにＰＢＳと本発明のホログラム素子との間に前置
偏光子（ＰＰＢＳ）を設置してもよい。

【０１６８】（実施の形態２−５）光軸に対して互いに
異なる角度で配置されたダイクロイックミラーと、マイ
クロレンズアレイ等が形成された画像表示素子とを有す
る単板方式の画像表示装置の例を説明する。

【０１６９】この画像表示装置２８０には、図２５に示
すように、２枚のダイクロイックミラー２８１，２８２
と、１枚の全反射ミラー２８３と、各ダイクロイックミ
ラー２８１，２８２または全反射ミラー２８３の表面側
に設けられたホログラム素子２８４〜２８６とを有する
色分離手段２８７、および入射した光束の光路を入射角
に応じて異ならせる光路変換手と液晶パネルとを有する
画像表示素子２８８が設けられている。この画像表示装
置２８０の基本的な構成および動作は、「日経エレクト
ロニクス」１９９５年１月３０日号１６９頁１７３頁
や、特開平８−２９２５０６号公報、または特開平９−
１０５８９９号公報の図１４等に記載されているものと
同様で、上記ホログラム素子２８５〜２８７を備えてい
る点が異なる。

【０１７０】すなわち、ダイクロイックミラー２８１，
２８２および全反射ミラー２８３は、それぞれ光軸に対
して互いに異なる角度で配置されて、ランプ１０２から
の白色の出力光束が赤、緑、青の３原色の光束に色分離
され、色分離された各光束は、互いに異なる入射角で画
像表示素子２８８の光路変換手段に入射するようになっ
ている。ただし、この画像表示装置２８０では、ホログ
ラム素子２８４〜２８６を透過した光束だけが上記のよ
うにダイクロイックミラー２８１等によって反射される
ようになっているが、この点に関しては後述する。ま
た、光路変換手段としては、例えばマイクロレンズアレ
イや、ホログラムレンズアレイ、シリンドリカルレンズ
等が用いられ、入射した光束をその入射角に応じて、そ
れぞれ液晶パネルにおける互いに異なる色に対応した画
素に入射させるようになっている。

【０１７１】上記のような構成により、ランプ１０２か
らリフレクタ１０３およびインテグレータ２１５を介し
て色分離手段２８７に白色の光束が入射すると、入射光
束のうち、青色成分の光束は、青色用のホログラム素子
２８４により反射されるとともに平行光束に変換された
後、画像表示素子２８８に入射する。ホログラム素子２
８４によって反射されずに透過した青色光束は、青色光
束反射用のダイクロイックミラー２８１によって反射さ
れ、再度青色用のホログラム素子２８４を透過して、や
はり画像表示素子２８８に入射する。

【０１７２】同様に、緑色成分の光束は、青色用のホロ
グラム素子２８４および青色光束反射用のダイクロイッ
クミラー２８１を透過した後、緑色用のホログラム素子
２８５により反射されるとともに平行光束に変換されて
画像表示素子２８８に入射し、ホログラム素子２８５を
透過した緑色光束は、緑色光束反射用のダイクロイック
ミラー２８２によって反射され、やはり画像表示素子２
８８に入射する。

【０１７３】また、赤色成分の光束も、青色用および緑
色用のホログラム素子２８４，２８５と、青色光束反射
用および緑色光束反射用のダイクロイックミラー２８
１，２８２を透過した後、赤色用のホログラム素子２８
６により反射されるとともに平行光束に変換されて画像
表示素子２８８に入射し、ホログラム素子２８６を透過
した赤色光束は、全反射ミラー２８３によって反射さ
れ、やはり画像表示素子２８８に入射する。

【０１７４】画像表示素子２８８の光路変換手段に入射
した各色の光束は、それぞれの入射角に応じて、液晶パ
ネルにおける互いに異なる色に対応した画素に入射して
輝度変調され、投射レンズ１０７によって図示しないス
クリーンに拡大投射される。ここで、ホログラム素子２
８４〜２８６によって反射された各色の光束は、上記の
ように平行光束に変換されているため、それぞれ液晶パ
ネルにおける各色に対応した画素の有効領域に確実に集
光される。それゆえ、実効的な開口率を極めて高くする
ことができるとともに、各原色の光束の一部が、他の原
色に対応する画素に入射することによる、いわゆるクロ
ストークを最小限に抑制することが可能となる。したが
って、光学系の構成が簡略で、低コストであるという単
板式の特徴を活かしつつ、混色のない鮮明な画像を表示
させることができ、しかも、投射効率および投射画像の
明るさの均一性を向上させることができる。

【０１７５】具体的には、例えば対角寸法が１．３イン
チで６４０×４８０×３の画素が形成された開口率が約
４０％の液晶パネル２８８と、１００Ｗの超高圧水銀ラ
ンプとを用いた場合、ホログラム素子２８４〜２８６を
用いない場合の投射効率は高々１．５ルーメン／ワット
であったのに対し、上記のようにホログラム素子２８４
〜２８６を設けることにより、単板式でありながら、４
ルーメン／ワットと高い投射効率を得ることができた。
また、さらに、照明光学系に偏光分離手段と偏波面回転
手段とを有する偏光変換素子を設けることによって、８
ルーメン／ワットという極めて高い投射効率を実現する
ことが可能となった。

【０１７６】（実施の形態３−１）第１の蠅の目レンズ
と第２の蠅の目レンズを有するインテグレータに代え
て、回折光学素子が設けられた画像表示装置の例を説明
する。

【０１７７】この画像表示装置は、図２６に示すよう
に、ランプ１０２、リフレクタ１０３、回折光学素子３
０１、非球面の補助レンズ３０２、画像表示素子３０
３、および投射レンズ１０７が設けられて構成されてい
る。すなわち、上記ランプ１０２から発せられた光束
は、リフレクタ１０３で反射されて回折光学素子３０１
に入射し、後述する回折光学素子３０１の回折領域３０
１ａごとに回折した光束が補助レンズ３０２を介して画
像表示素子３０３の画像表示領域上に重畳されて輝度変
調され、投射レンズ１０７によって図示しないスクリー
ンに拡大投射されるようになっている。

【０１７８】ランプ１０２としては、例えば定格出力が
１２０ワットの超高圧水銀ランプが用いられる。なお、
上記のランプに限らず、実施の形態１−１で説明したよ
うな種々のものを用いることもできる。ここで、ランプ
１０２の発光領域は小さい方がより好ましいが、発光領
域が比較的大きい場合でも、本発明の相対的な効果は得
られるので、例えば高出力キセノンランプや、高出力メ
タルハライドランプのように発光体が数ミリ程度と大き
いランプを用いてもよい。

【０１７９】リフレクタ１０３としては、例えば放物面
鏡が用いられるが、楕円面鏡や球面鏡などを用いてもよ
い。ランプ１０２が設けられる位置は、放物面鏡の場合
には、その焦点近傍にランプ１０２の発光領域が位置す
るように設定することが好ましく、楕円面鏡の場合には
第１焦点近傍に、球面鏡の場合には球の中心近傍に位置
するように設定することが好ましい。

【０１８０】補助レンズ３０２は、画像表示素子３０３
への入射光束のテレセントリック性を確保し、投射レン
ズの設計上の負担を小さくするため、すなわちＦ値等の
制約を緩和するために設けられるもので、投射レンズの
Ｆ値に設計上の余裕があれば必ずしも設けなくてもよ
い。

【０１８１】回折光学素子３０１は、図２７に示すよう
に、光軸方向から見たときの外形が、リフレクタ１０３
から入射する光束の断面形状に対応した円形で、その内
部領域は、画像表示素子３０３の画像表示領域と相似な
矩形形状の複数の回折領域３０１ａ…に区分けされてい
る。この回折領域３０１ａは、それぞれ、前記のように
入射した光束を回折させて、画像表示素子３０３の画像
表示領域のほぼ全面にわたって入射させるようになって
いる。すなわち、各回折領域３０１ａから出力された光
束が画像表示素子３０３上で重畳されることにより、表
示画像における中央部と周辺部となどでの光量むらの低
減が図られる。

【０１８２】なお、各回折領域３０１ａの形状は、必ず
しも画像表示素子３０３と相似な矩形形状でなくてもよ
く、また互いに同一の大きさや形状でなくてもよい。ま
た、回折領域３０１ａの大きさや数は、図２６および図
２７においては便宜上模式的に描かれているが、特に限
定されるものではない。すなわち、各回折領域３０１ａ
から出力された光束が、画像表示素子３０３の画像表示
領域上で概ね重畳されるようになっていれば、光量むら
低減の効果が得られる。ただし、一般に、回折領域３０
１ａの数を多くする方が、投射画像の明るさの均一性を
より向上させることができ、また、矩形変換効率（矩形
開口率）を高くして投射効率を高くし、より明るい画像
を表示させることができる。また、微小領域３０１ａの
形状が画像表示素子３０１の形状と相似形である方が、
各回折領域３０１ａからの出力光束を画像表示素子３０
３上に重畳させるように作製することが比較的容易にな
る。また、矩形の回折領域３０１ａの周辺部の領域３０
１ｂにもそれぞれ回折作用を生じさせるようにして、画
像表示素子３０３上の一部の領域に光束を重畳させるよ
うにしてもよい。この場合には、実質的な矩形変換効率
を１００％にすることができ、より明るい画像を表示さ
せることが可能となる。

【０１８３】また、各回折領域３０１ａごとに、画像表
示素子３０３における回折光学素子からの出力光束が入
射する領域を若干ずらすようにして、投射画像の明るさ
の均一性を一層向上させるようにしてもよい。

【０１８４】回折光学素子３０１の具体的な回折構造と
しては、例えば断面形状が鋸刃状に形成された表面レリ
ーフ型の回折格子を適用することができる。また、鋸歯
形状に限らず、鋸歯形状を階段状で近似したマルチレベ
ルの回折格子などとしてもよい。上記鋸刃形状等は、光
学上の計算などにより決定することができる。

【０１８５】上記のような回折光学素子３０１は、例え
ば電子ビーム描画法を用いた一般的な半導体プロセス等
により作製可能であり、また大量生産が容易なことか
ら、従来の蠅の目レンズを用いたインテグレータと比べ
てその製造コストを容易に１／１０以下程度にすること
ができる。それゆえ、投射レンズ１０７とともに光学系
要素の大半の製造コストを占めるインテグレータが安価
になることにより、画像表示装置全体の製造コストを例
えば従来の６割程度にまで抑えることが容易にできる。

【０１８６】また、回折光学素子３０１は、以下の実施
の形態３−４で説明するような２光束干渉縞によるホロ
グラム素子を形成することによって作製してもよい。

【０１８７】画像表示素子３０３としては、例えば透過
型液晶パネルなど、透過型の種々のものを用いることが
できる。ここで、例えば特開平１−２８１４２６号公報
や、特開平３−１４０９２０号公報、特開平４−２５１
２２１号公報等に多数開示されているように、各画素に
対応したマイクロレンズを備え、画像表示素子への入射
光束を画素の開口部（有効領域）近傍に収束させること
によって実効的な開口率の増加を図ったものを用いても
よい。例えば装置の小型化を図るなどのためにリフレク
タ１０３の開口形状を小さく設定した場合でも高い投射
効率（光利用効率）を得ることができる。すなわち、従
来の蠅の目レンズを用いたインテグレータでは、第１の
蠅の目レンズの各単体レンズと、第２の蠅の目レンズの
各単体レンズとが対応するように設けられる。ところ
が、リフレクタの開口形状が小さいと、リフレクタから
出力される光束の平行光からのズレが大きくなりがちで
あり、この場合、蠅の目レンズの各単体レンズ間でクロ
ストークが生じやすくなる。それゆえ、第１レンズアレ
イの像が画像表示素子よりもかなり大きくなり、画像表
示素子を有効に照明できなかった。

【０１８８】これに対して、上記のように回折光学素子
３０１を用いた場合には、回折光学素子３０１の各回折
領域３０１ａによる回折光束が直接液晶表示素子に入射
するため、２つの蠅の目レンズを用いる場合のようなク
ロストークが生じることはなく、したがって、リフレク
タから出力される光束の平行光からのズレが多少大きく
なっても画像表示素子３０３における照明領域が若干ず
れたり広がったりする程度にすぎない。しかも、マイク
ロレンズによる実質的な開口率の増大効果は適切に得ら
れるので、高い投射効率が得られる。また、リフレクタ
から出力される光束の平行度が低い光源、すなわち、発
光領域が比較的大きいランプを用いる場合には、理想的
な平行光束が出力されるとした場合に画像表示素子が照
明される領域を画像表示領域よりも小さく設定し、出力
光束が平行光束でないことによるずれ等によって画像表
示素子の全体が照明されるようにしてもよい。

【０１８９】上記のように、蠅の目レンズを有するイン
テグレータに代えて回折光学素子を用いることにより、
表示画像における中央部と周辺部となどでの光量むらを
確実に低減できるとともに、投射効率を向上させること
ができる。投射効率に関しては、例えば従来の画像表示
装置では投射効率が高々５ルーメン／ワット程度である
のに対して、上記画像表示装置では７．５ルーメン／ワ
ットと高い効率を得ることができた。

【０１９０】また、表示画像の明るさの低下を招くこと
なくリフレクタの開口形状を小さくすることができるの
で、画像表示装置の小型化を容易に図ることもできる。
具体的には、例えば従来の通常のリフレクタの開口径が
１００ｍｍ程度であるのに対して５０ｍｍ程度にするこ
とができ、光軸方向の寸法も従来の約１／２程度にする
ことができる。さらに、投射レンズのＦ値を小さくし、
回折光学素子と画像表示素子との距離を短くして、より
一層小型化を図ることも容易にできる。

【０１９１】（実施の形態３−２）実施の形態３−１と
同様の回折光学素子を用いた画像表示装置であって、光
源光を赤、緑、青の３原色の光に色分解し、それぞれの
色の光に対応した３枚の透過型の画像表示素子を用いて
フルカラー画像を表示する、いわゆる３板方式の画像表
示装置の例を説明する。

【０１９２】本実施の形態３−２における画像表示装置
は、図２８に示すように、ランプ１０２の出力光束を、
リフレクタ１０３で反射後、回折光学素子３０１を介し
て画像表示素子３１４〜３１６の照明光束とするように
なっている。回折光学素子３０１は実施の形態３−１と
同様のものである。すなわち、複数の回折領域が形成さ
れ、各回折領域の出力光束が、それぞれダイクロイック
ミラー３１７，３１８により３原色に分離された後、各
色の画像を表示する画像表示素子３１４〜３１６上で重
畳されるようになっている。

【０１９３】より詳しくは、回折光学素子３０１から出
力された白色光束の中で、ダイクロイックミラー３１７
により青色成分の光束のみが透過し、他の波長成分は反
射される。青色成分の光束は反射ミラー３１９を介して
青色画像表示用の画像表示素子３１４へ入射する。ダイ
クロイックミラー３１７の反射光の中で、緑色成分はダ
イクロイックミラー３１８により反射されて緑色用の画
像表示素子３１５へ入射する。赤色成分は、リレーレン
ズ３２０，３２１、及び反射ミラー３２２，３２３を介
して赤色表示用の画像表示素子３１６に入射する。各画
像表示素子３１４〜３１６に入射した各色の光束は、輝
度変調された後、色合成のためのダイクロイックプリズ
ム３２４により合成され、投射レンズ１０７によりスク
リーン（不図示）上に拡大投影される。

【０１９４】なお、図２９に示すように、ダイクロイッ
クプリズムを用いず、ダイクロイックミラー３３９，３
４０によって色合成するようにしてもよい。すなわち、
ランプ１０２の出力光束をリフレクタ１０３で集光後、
実施の形態３−１と同様の回折光学素子３０１で各回折
領域ごとに回折させて分離し、各回折領域の出力光束を
ダイクロイックミラー３３３，３３４および反射ミラー
３３５を介して画像表示素子３１４〜３１６上で重畳し
て輝度変調し、画像表示素子３１４〜３１６の出力光束
をダイクロイックミラー３３９，３４０および反射ミラ
ー３４１からなる色合成系により合成して、投射レンズ
１０７によりスクリーン（不図示）上に拡大投射するこ
とにより同様にフルカラー画像が表示される。

【０１９５】本実施の形態３−２における画像表示装置
でも、実施の形態３−１と同様に、従来の高価な１対の
蠅の目レンズに代えて、安価な回折光学素子を用いてイ
ンテグレータを構成することにより、製造コストの増大
を大幅に抑制できるとともに、投射効率を向上させ、さ
らに、リフレクタの外径寸法を小さくすることができ、
画像表示装置の薄型化、軽量化を図ることができる。

【０１９６】なお、回折光学素子３０１は、上記のよう
にランプ１０２とダイクロイックミラー３１７，３３３
との間に設けてもよいが、ダイクロイックミラー３１
７，３３３と画像表示素子３１４等との間に設けるよう
にしてもよい。

【０１９７】また、リフレクタとして、以下の実施の形
態３−３のような楕円面鏡を用いたり、球面鏡を用いた
り、また、回折光学素子として、実施の形態３−４のよ
うなホログラム素子を用いたりしてもよい。

【０１９８】（実施の形態３−３）リフレクタに楕円面
鏡を用いた画像表示装置の例を説明する。

【０１９９】この画像表示装置は、図３０に示すよう
に、実施の形態３−１の画像表示装置（図２６）と比べ
て、放物面鏡であるリフレクタ１０３に代えて楕円面鏡
であるリフレクタ３５３が設けられている点と、回折光
学素子３０１および投射レンズ１０７に代えて、リフレ
クタ３５３からの反射光束が収束光束であることに対応
した回折光学素子３５１および投射レンズ３５７が設け
られている点が異なり、その他の構成および作用は同様
である。すなわち、楕円面鏡であるリフレクタ３５３の
第１焦点にランプ１０２の発光領域が配置される場合、
リフレクタ３５３からの反射光束は概ね第２焦点に集光
される。回折光学素子３５１は、上記反射光束の経路上
に設置されるため、回折光学素子３５１の上記反射光束
が入射する領域、すなわち回折光束が出射する領域の直
径は、リフレクタ３５３の外径（開口径）よりも小さく
なる。それゆえ、回折光学素子３５１の外径を小さくす
ることができるとともに、画像表示素子３０３に入射す
る回折光束の最大入射角を小さくすることができるの
で、投射レンズ３５７として、Ｆ値が大きく製造コスト
の安価なものを用いることができる。

【０２００】なお、回折光学素子３５１に複数の回折領
域が形成され、各回折領域の出力光束が画像表示素子上
で重畳されるように構成されている点や作製方法も実施
の形態３−１と同様である。

【０２０１】また、投射効率を向上させ得る効果などに
ついては、前記実施の形態３−１と同様である。

【０２０２】また、ランプ１０２の発光領域が比較的大
きい場合には、リフレクタ３５３からの反射光束は１点
に集光せず、第２焦点の前後に集光される成分が多くな
り、画像表示素子３０３上で重畳される光源の像にズレ
（例えば回折像）を生じる。そこで、反射光束の集光度
が悪い場合には、このズレを当初から見込んで、各回折
領域における回折光束が画像表示素子３０３を照明する
面積が小さくなるように設定、第２焦点へ集光する光束
からずれた光束によりそれ以外の部分が照明されるよう
にしてもよい。

【０２０３】（実施の形態３−４）回折光学素子とし
て、２光束干渉露光やＣＧＨ（Computer Generated Hol
ogram）によって作製されるホログラム素子を用いた画
像表示装置の例を説明する。

【０２０４】この画像表示装置は、図３１に示すよう
に、実施の形態３−１の画像表示装置（図２６）と比べ
て、回折光学素子３０１に代えて、ホログラム素子３６
１が設けられている点と、ランプ１０２およびリフレク
タ１０３の光軸（照明光学系の光軸）が、ホログラム素
子３６１および投射レンズ１０７等の光軸（投射光学系
の光軸）と所定の角度をなすように構成されている点と
が異なり、その他の構成および作用は同様である。

【０２０５】上記ホログラム素子３６１は、位相型の体
積ホログラムとし、リフレクタ１０３からの反射光束が
例えば３０°の入射角で入射するように設定されてい
る。これは高次回折光をなくして透過型ホログラムの回
折効率を高くするためである。また、ホログラム素子３
６１をその法線方向から見たときの外形は、図３２に示
すようにｘ軸方向に長軸を有する楕円形に形成されてい
る。これは、一般にそうであるように、リフレクタ１０
３からの出力光束は円形であるため、照明光学系の光軸
と投射光学系の光軸とが平行でない場合には、ホログラ
ム素子３６１に投影される円形像が同図に示すような楕
円形となるからである。

【０２０６】ホログラム素子３６１の内部領域には、実
施の形態３−１のホログラム素子３０１と同様に、複数
の矩形の回折領域３６１ａ…が形成されている。この矩
形の各回折領域３６１ａの形状は、画像表示素子３０３
の画像表示領域と相似になるように形成されている。図
３２においては、画像表示素子３０３が１６（水平方
向）：９（垂直方向）のアスペクト比を有するいわゆる
ハイビジョン（ＨＤＴＶ）画像を表示するようになって
いる場合の例を表している。

【０２０７】なお、実施の形態３−１で説明したのと同
様に、上記回折領域３６１ａの形状は、必ずしも画像表
示素子３０３に対応した形状でなくてもよく、また互い
に同一の大きさや形状でなくてもよい。すなわち、回折
領域３６１ａの大きさや形状、また、数は、特に限定さ
れず、各回折領域３６１ａから出力された光束が、画像
表示素子３６３の画像表示領域上で概ね重畳されるよう
になっていれば、光量むら低減の効果が得られる。

【０２０８】なお、本実施の形態３−４のように照明光
学系の光軸と投射光学系の光軸とが平行でない場合で
も、当然ながら表面レリーフ型の回折光学素子を用いる
こともできる。

【０２０９】次に、上記ホログラム素子３６１の作製方
法について説明する。

【０２１０】ホログラム素子３６１は、電子ビーム描画
などにより、計算された干渉縞をフォトレジストに記録
して作製することなども可能であるが、ここではフォト
ポリマーなどを干渉縞で露光することによって作製する
場合について説明する。

【０２１１】一般にホログラム素子は可干渉な２光束
（参照光と物体光）を干渉させ、発生した干渉縞を、フ
ォトポリマーなどの記録材料に、露光によって記録する
ことにより作製される。参照光としては、リフレクタか
らの出力光束と略等しい光束を用いればよい。例えば上
記のようにリフレクタ１０３に放物面鏡を用いる場合に
は、実際の照明光学系における光軸と平行な角度で平行
光を入射すればよい。また、物体光としては、各回折領
域３６１ａを形成しようとする領域から画像表示素子３
０３の表示領域全面にわたって入射し、画像表示素子３
０３上で重畳されるような光路の光束が用いられる。

【０２１２】以下、図３３に基づいて具体的に説明す
る。図３３は、ホログラム材料３７１の回折領域が形成
されるべき１つの領域３７１ａに干渉縞を記録する場合
の干渉露光系の配置図である。

【０２１３】ホログラム素子３６１を作製するためのホ
ログラム材料３７１としては、前記実施の形態１−１で
示したような種々のものを用いることができる。

【０２１４】レーザ３７２から出力された平行光束Ｌ
は、ハーフミラー３７３により透過光Ｍと反射光Ｎとに
２分されるようになっている。

【０２１５】透過光Ｍは、ミラー３７４、およびマスク
３７５における、ホログラム材料３７１の領域３７１ａ
に対応して設けられた開口部３７５ａを介して、所定の
入射角でホログラム材料３７１の領域３７１ａに参照光
として入射する。上記所定の入射角とは、実際に構成す
る画像表示装置におけるリフレクタ１０３の光軸（回転
放物面鏡の回転軸）とホログラム素子３６１の法線とが
なす角度と等しい角度である。

【０２１６】一方、反射光Ｎは、集光レンズ３７６によ
って、マスク３７５の開口部３７５ａを通過後に補助レ
ンズ３７２を介して画像表示素子３７３の表示領域と概
ね同一な領域を照明する光束に変換され、ホログラム材
料３７１の領域３７１ａに物体光として入射する。

【０２１７】上記のようにしてホログラム材料３７１に
入射した２つの光束によって形成される干渉縞をホログ
ラム材料３７１に記録することにより、１つの回折領域
が形成され、これを各回折領域ごとに順次繰り返すこと
によって、前記のようなホログラム素子３６１が作製さ
れる。

【０２１８】ホログラム素子３６１を作製する別の方法
について説明する。

【０２１９】この方法では、参照光については上記の場
合と同様であるが、物体光を生成するために、図３４に
示すようにレンズアレイ３８１が用いられる。このレン
ズアレイ３８１には、それぞれホログラム材料３７１の
回折領域が形成されるべき各領域３７１ａに対応したレ
ンズ３８１ａが形成されている。各レンズ３８１ａは、
それぞれ、上記ホログラム材料３７１の各領域３７１ａ
に対する前記の方法の集光レンズ３７６と同様な作用を
するようになっている。

【０２２０】ここで、ホログラム材料３７１の露光は、
前記の方法のようにマスク３７５を用いるなどして各領
域３７１ａごとにするようにしてもよいが、図３４に示
すようなマスク３８２を用いることにより複数の領域３
７１ａに対して同時に露光を行うことができる。上記マ
スク３８２には、それぞれレンズアレイ３８１の各レン
ズ３８１ａ、およびホログラム材料３７１の各領域３７
１ａに対応した開口部３８２ａが形成され、ホログラム
材料３７１における、各レンズ３８１ａを介した物体光
の入射する領域が、概ね、それぞれ互いに重ならず、か
つ隙間があかないように形成されている。

【０２２１】なお、以下に説明する実施の形態３−５の
ようにリフレクタとして放物面鏡ではなく楕円面鏡を用
いる画像表示装置の場合には、参照光として、平行な光
束ではなく、実際の照明光学系において第２焦点に集光
する光束と等価な光束を用いればよい。このような光束
は、リフレクタの光軸上（上記透過光Ｍの光路中）に所
定の屈折パワーを有するレンズを配置することによって
容易に得ることができる。

【０２２２】また、前記実施の形態１−１で説明したよ
うな種々の方法により、参照光や物体光を生成して各回
折領域３６１ａを形成するようにしてもよい。

【０２２３】（実施の形態３−５）図３５に示すよう
に、回折光学素子として、ホログラム素子３９１を用い
るとともに、リフレクタに楕円面鏡３５３を用いるよう
にしてもよい。

【０２２４】すなわち、ランプ１０２からの出力光束が
楕円面鏡からなるリフレクタ３５３によりその第２焦点
へと集光される経路上に、回折領域３９１ａが形成され
たホログラム素子３９１を配置すればよい。これによ
り、ホログラム素子３９１の各回折領域３９１ａからの
回折光束は、補助レンズ３０２（省略可能）を介して画
像表示素子３０３へと入射する。画像表示素子３０３の
出力光束は投射レンズ３５７によりスクリーン（不図
示）上へ拡大投射される。

【０２２５】上記ホログラム素子３９１は、前記実施の
形態３−４で説明したように、参照光として、上記リフ
レクタ３５３からの第２焦点に集光する反射光束と等価
な光束を参照光として用いることにより作製することが
できる。

【０２２６】上記のような画像表示装置においても、実
施の形態３−３の画像表示装置と同様に、ホログラム素
子３９１を第２焦点に近づけて配置し小さくできるよう
にすることで、画像表示素子３０３へ入射する照明光束
の最大入射角度が小さくなることによる製造コストの低
減や、画像表示素子３０３のマイクロレンズのゲインの
増大などによる投射効率の向上効果が得られる。

【０２２７】（実施の形態３−６）図３６に示すよう
に、反射型のホログラム素子４０１を用いるようにして
もよい。

【０２２８】この反射型のホログラム素子４０１として
は、例えば、いわゆる体積ホログラムが用いられる。こ
のホログラム素子４０１は、その法線が照明光学系の光
軸および投射光学系の光軸と例えば４５°の角度をなす
ように配置されるが、回折領域４０１ａが形成され、各
回折領域４０１ａから出力される回折光が画像表示素子
３０３上で重畳されるようになっている。このようなホ
ログラム素子４０１も、前記実施の形態１−１や実施の
形態３−３で説明したような方法によって作製すること
ができる。また、リフレクタとして、実施の形態３−５
と同様に楕円面鏡を用いたり球面鏡を用いるなどしても
よい。

【０２２９】（実施の形態３−７）回折光学素子として
ホログラム素子を用いるとともに、色分離および色合成
にダイクロイックプリズムを用い、画像表示素子として
透過型の表示素子を用いてフルカラー画像を表示する３
板方式の画像表示装置の例を説明する。

【０２３０】この画像表示装置は、図３７に示すよう
に、ランプ１０２の白色出力光束が、リフレクタ１０３
により集光され、ミラー４１４により反射された後、色
分離のためのダイクロイックプリズム４１５に入射し、
３原色の光束に分離されるようになっている。各色に分
離された光束は、実施の形態３−６と同様の複数の回折
領域が形成された反射型のホログラム素子４１６〜４１
８に入射し、各回折領域で回折された光束が、ミラー４
１９〜４２１を介して透過型の画像表示素子４２２〜４
２４上で重畳されて輝度変調され、ダイクロイックプリ
ズム４２５によって合成された後、投射レンズ１０７に
よって図示しないスクリーンに拡大投射されるようにな
っている。

【０２３１】上記のような画像表示装置においても、製
造コストの低減や、投射効率の向上効果が得られる。

【０２３２】なお、各ホログラム素子４１６〜４１８
は、その回折効率の波長分散のピークが、入射する光束
の波長帯域の中に含まれるようにすることでより一層高
い効率を実現することができる。具体的には、ホログラ
ム作成時のレーザ光として、その波長が、それぞれ入射
する各原色の波長帯に含まれるものを用いるなどすれば
よい。

【０２３３】また、リフレクタとしては、放物面鏡に限
らず、楕円面鏡や、球面鏡などを用いてもよい。

【０２３４】また、ホログラム素子に代えて、実施の形
態３−１で示したようなレリーフ型の回折光学素子を用
いてもよい。

【０２３５】（実施の形態３−８）画像表示素子として
反射型の表示素子を用いている点が前記実施の形態３−
７と異なる画像表示装置の例を説明する。

【０２３６】この画像表示装置は、図３８に示すよう
に、ランプ１０２の白色出力光束が、リフレクタ１０３
により集光され、ミラー４１４により反射された後、色
分離のためのダイクロイックプリズム４１５に入射し、
３原色の光束に分離されるようになっている。各色に分
離された光束は、実施の形態３−６と同様の複数の回折
領域が形成された反射型のホログラム素子４１６〜４１
８に入射し、各回折領域で回折された光束が、ＰＢＳ４
３１〜４３３を介して反射型の画像表示素子４３４〜４
３６上で重畳されて輝度変調され、再度ＰＢＳ４３１〜
４３３を介してダイクロイックプリズム４２５により合
成された後、投射レンズ１０７によって図示しないスク
リーンに拡大投射されるようになっている。

【０２３７】上記のような反射型の画像表示素子４３４
〜４３６としては、偏光型の画像表示素子であって、電
気書き込み型または光書き込み型の反射型液晶パネルな
どを用いることができる。

【０２３８】このように構成された場合でも、製造コス
トの低減や、投射効率の向上等の効果は同様である。

【０２３９】（実施の形態３−９）実施の形態３−２
（図２８）の構成に、さらに偏光変換素子が設けられた
画像表示装置の例を説明する。

【０２４０】この画像表示装置は、図３９に示すよう
に、ランプ１０２からの出力光束が、例えば放物面鏡の
リフレクタ１０３により略平行な反射光束として出力さ
れ、同図の紙面に垂直な方向に長手方向をそろえて配置
された偏光変換素子４４４のシリンドリカルレンズアレ
イ４４１によりスリット状に集光されてシリンドリカル
レンズ４４１の焦点近傍で細長いスリット状に結像する
ようになっている。偏光分離素子４４２および偏波面回
転手段４４３は、上記焦点近傍に配置され、リフレクタ
１０３からの反射光束の偏光方向が特定の方向に揃えら
れた光束が出力されるようになっている。その出力光路
の経路上に、複数の回折領域が形成された回折光学素子
３０１が設けられている。その他の構成は実施の形態３
−２（図２８）と同様である。

【０２４１】この画像表示装置では、上記偏光変換素子
４４４によって偏光方向が変換される点を除き、実施の
形態３−２（図２８）と同様にして、投射画像の明るさ
の均一性が高い画像が表示される。

【０２４２】上記のようにインテグレータとしての機能
を有する回折光学素子３０１と偏光変換素子４４４とを
組み合わせることにより、より一層高い投射効率を実現
することができる。

【０２４３】なお、実施の形態３−２（図２９）のよう
にダイクロイックミラーによって色合成する構成に偏光
変換素子を組み合わせても、同様の効果が得られる。

【０２４４】（実施の形態３−１０）この実施の形態３
−１０の画像表示装置は、図４０に示すように、前記実
施の形態３−２で示したのと同様の回折光学素子３０１
を備えた画像表示装置に、さらに、前記実施の形態１−
１等で説明したホログラム素子１０５と同様の機能を有
する反射型のホログラム素子３９９と、が設けられて構
成されている。その他の構成は、実施の形態３−２と同
様である。これにより、ランプ１０２の発光領域がある
程度の大きさを有している場合や、リフレクタ１０３と
して放物面鏡や楕円面鏡、球面鏡などの何れを用いた場
合でも、ホログラム素子３９９によって、リフレクタ１
０３からの反射光束が理想的な点光源と所望のリフレク
タとを用いた場合と同様の平行光束や収束光束に変換さ
れるので、高い投射効率を得ることができ、高い投射効
率を得ることができるとともに、回折光学素子３０１に
形成された各回折領域から出力された光束が画像表示素
子３１４〜３１６上で重畳されるので、表示画像におけ
る中央部と周辺部となどでの光量むらを低減することが
できる。

【０２４５】なお、ホログラム素子３９９としては、実
施の形態１−１等と同様の透過型のものを用いたりして
もよい一方、回折光学素子３０１として反射型のものを
用いたりしてもよい。

【０２４６】また、液晶表示素子としても、図１５や図
２４で示したような構成などを用いて反射型のものを使
用するようにしてもよい。

【０２４７】また、さらに、実施の形態１−９で説明し
た偏光変換素子などを設けて、一層投射効率を高くでき
るようにしてもよい。

【０２４８】なお、上記の各例では画像表示素子として
液晶パネルを用いているが、この液晶パネルは、

【０２４９】

【０２５０】

【０２５１】

【０２５２】例えば特開平１−２８１４２６、特開平３
−１４０９２０、特開平４−２５１２２１等に多数開示
されているように、各画素に１つのマイクロレンズを配
置し、入射光束を画素の開口部近傍に収束せしめること
で実効的開口率を増加せしめる機能を有するものを用い
てもよく、また、光変調材料、光変調の方式、及び画素
の駆動方式に制約はない。

【０２５３】すなわち、ツイストネマティック液晶（以
下ＴＮ液晶と略記する）をはじめとして、垂直配向液晶
（以下ＶＡ液晶と略記する）等の種々の液晶材料、ある
いは電気光学効果を有する光学結晶などの光学的異方性
を有している光学材料を用いた偏光型画像表示素子を用
いることもできる。

【０２５４】また、偏光型画像表示素子だけではなく、
高分子分散型液晶（以下、ＰＤＬＣと略記する）を用い
て入射光束を散乱することで画像を表示する散乱型画像
表示素子を用いることもできる。

【０２５５】また、例えば特願平７−２８４７５９に開
示されているような回折型の画像表示素子や、いわゆる
ＤＭＤ素子と呼ばれる光偏向型の画像表示素子なども用
いることができる。

【０２５６】また、各画素に駆動素子を形成するアクテ
ィブマトリックス方式（以下、ＡＭ方式と略記する）、
単純な行列電極で直接素子を駆動する単純（パッシブ）
マトリックス方式（以下、ＰＭ方式と略記する）のいず
れの駆動方式の画像表示素子も用いることができる。さ
らに素子の駆動としては、ＴＦＴだけではなく薄膜ダイ
オード（以下、ＴＦＤと略記する）を用いた画像表示素
子を用いることができる。また、ＴＦＴ、ＴＦＤ等の駆
動素子を形成する材料として、高温多結晶シリコン（以
下、高温ｐ−Ｓｉと略記する）、低温多結晶シリコン
（以下、低温ｐ−Ｓｉと略記する）、アモルファスシリ
コン（以下、ａ−Ｓｉと略記する）を用いた画像表示素
子を用いることもできる。

【０２５７】また、ランプとして、メタルハライドラン
プ、ハロゲンランプ、キセノンランプ、超高圧水銀ラン
プ等を使用することができる。発光体は小さい方がより
好ましいが、本発明においては、特に発光体が小さくな
ければならないわけではなく、例えば高出力キセノンラ
ンプや、高出力メタルハライドランプのように発光体が
数ミリと大きいランプを用いてもかまわない。

【０２５８】本発明における集光手段に相当するリフレ
クタとしては、放物面鏡、楕円面鏡、球面鏡を用いるこ
とが好ましい。その際放物面鏡の場合には焦点近傍に、
楕円面鏡の場合には第１焦点近傍に、球面鏡の場合には
球の中心近傍にランプ１０２の発光体を設置することが
好ましい。

【０２５９】また、色合成系にダイクロイックミラーを
用いたが、ダイクロイックプリズムを用いて色合成系を
構成しても良い。また、色合成系を用いずに、３枚の液
晶パネルからの出力光束を、各々対応する３本の投射レ
ンズを用いて投射し、スクリーン上で合成しても良い。
また、色分解系にダイクロイックプリズムを用いること
も可能である。

【０２６０】また、画像表示素子が液晶パネルのように
偏光型の場合には、本発明の照明光学系において、偏光
分離手段と、偏波面回転手段からなる偏光変換素子を付
加することによって、より一層の投射効率の改善も可能
となる。偏光変換素子としては例えば、特開平５−１０
７５０５号公報、特開平６−２０２０９４号公報、特開
平７−２９４９０６号公報、特開平８−２３４２０５号
公報、特開平９−１０５９３６号公報等に開示されてい
るように、偏光分離手段と、偏波面回転手段の組み合わ
せから構成されるあらゆる偏光変換素子を用いることが
できる。いずれの偏光変換素子を用いた場合にあって
も、基本的な光学系の構成及び前述の回折光学素子の作
製方法は変わらない。

【０２６１】また、各実施の形態１−１〜３−１０で示
した種々の構成を組み合わせるようにしてもよい。

【０２６２】尚、本発明の回折光学素子及び該回折光学
素子を用いた画像表示装置は、本発明の主旨に則り、種
々の変形が可能であり、実施の形態１−１〜３−１０で
構成した実施例に限定されるものではない。

【０２６３】

【発明の効果】本発明によれば、発光体の大きなランプ
の出力光束を小さな発光体からの出力光束に変換するこ
とができるので、照明光学系の集光効率を飛躍的に向上
させることができる。

【０２６４】さらに、発光体の大きさに起因する集光光
学系の収差の影響により発生していたインテグレータ及
び偏光変換素子の集光効率、もしくは偏光変換効率のロ
スを最小限に抑えることが可能となり、均一で、明るい
（投射効率の高い）画像を表示できる。

【０２６５】また、ランプの出力を大きくし、同時にラ
ンプの発光体が大きくなっても投射効率を下げることが
ないので、極めて高輝度な画像を表示することができ
る。

【０２６６】また、本発明のホログラム素子では、画像
表示装置に用いる照明光学系の略平行光束ではない照明
光束を、略平行光束に変換することが可能となる。

【０２６７】また、該ホログラム素子を用いた本発明の
画像表示装置では、マイクロレンズを形成した画像表示
素子へ入射する光束を略平行光束に変換できるため、マ
イクロレンズに入射した光束の大部分を画素の開口部へ
集束できるので、実効的な開口率を１００％に近づける
ことが可能となり、明るい画像を表示することができ
る。

【０２６８】その際、インテグレータ、またはインテグ
レータと偏光変換素子を組み合わせた照明光学系におい
ても、本発明に係るホログラム素子は照明光学系の出力
光束を略平面波に変換することができるので、マイクロ
レンズアレイの開口率を実効的に高くする機能は損なわ
れず、均一性が高いだけではなく、より一層投射効率の
高い、明るい画像表示装置を構成することが可能であ
る。

【０２６９】また、反射型の液晶パネルを用いた画像表
示装置にあっては、Ｆ値を小さくしても集光効率を高く
することができるため、小さい液晶パネルを用いても、
コントラストが高く、かつ高い投射効率を実現すること
が可能となった。

【０２７０】さらに、単板式において、本発明に係るホ
ログラム素子をダイクロイックミラーと組み合わせるこ
とによって、単板式でありながら高い投射効率を実現す
ることが可能となった。

【０２７１】また、本発明の回折光学素子を用いた画像
表示装置により、従来高価な蠅の目レンズを２枚用いて
いた画像表示装置を安価に構成できる。同時にコンパク
トで、軽量化も図ることができる。特に、回折光学素子
を小さくすることにより、各画素に対応するマイクロレ
ンズ形成した画像表示素子を用いた場合には、従来の光
学系に比べてマイクロレンズ導入による実効的開口率増
加を高くすることができる。また、従来の偏光変換素子
と組み合わせることで、より一層高い投射効率を実現で
き、明るい画像を表示することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 従来の投射型画像表示装置の構成図である。

【図２】 従来の他の投射型画像表示装置の構成図であ
る。

【図３】 従来の投射型画像表示装置に用いるインテグ
レータを示す構成図である。

【図４】 従来の投射型画像表示装置に用いる偏光変換
素子を示す構成図である。

【図５】 実施の形態１−１で構成した画像表示装置の
構成図である。

【図６】 画像表示装置に用いるホログラム素子を作製
するための光束の照明方法を示す図である。

【図７】 画像表示装置に用いるホログラム素子を作製
するための他の光束の照明方法を示す図である。

【図８】 画像表示装置に用いるホログラム素子を作製
するためのさらに他の光束の照明方法を示す図である。

【図９】 画像表示装置に用いるホログラム素子を作製
するための入射光束を発生させる原理図である。

【図１０】 画像表示装置に用いるホログラム素子を作
製するための入射光束を発生させる他の原理図である。

【図１１】 実施の形態１−２で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図１２】 実施の形態１−３で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図１３】 実施の形態１−４で構成した画像表示装置
の構成図である。

【図１４】 実施の形態１−５で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図１５】 実施の形態１−６で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図１６】 実施の形態１−７で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図１７】 実施の形態１−８で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図１８】 実施の形態１−９で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図１９】 同他の画像表示装置に用いる偏光変換素子
を示す図である。

【図２０】 実施の形態２−１の画像表示装置の構成図
である。

【図２１】 ホログラム素子を作製するための光学系の
構成図である。

【図２２】 実施の形態２−２の画像表示装置の構成図
である。

【図２３】 実施の形態２−３の画像表示装置の構成図
である。

【図２４】 実施の形態２−４の画像表示装置の構成図
である。

【図２５】 実施の形態２−５の画像表示装置の構成図
である。

【図２６】 実施の形態３−１で構成した画像表示装置
の構成図である。

【図２７】 回折光学素子の平面図である。

【図２８】 実施の形態３−２で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図２９】 実施の形態３−２で構成したさらに他の画
像表示装置の構成図である。

【図３０】 実施の形態３−３で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図３１】 実施の形態３−４で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図３２】 回折光学素子の平面図である。

【図３３】 ホログラム素子の作製方法の説明図であ
る。

【図３４】 ホログラム素子の他の作製方法の説明図で
ある。

【図３５】 実施の形態３−５で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図３６】 実施の形態３−６で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図３７】 実施の形態３−７で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図３８】 実施の形態３−８で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図３９】 実施の形態３−９で構成した他の画像表示
装置の構成図である。

【図４０】 実施の形態３−１０で構成した他の画像表
示装置の構成図である。

【符号の説明】１０１ 画像表示装置 １０２ ランプ １０３ リフレクタ １０４ 照明光学部 １０５ ホログラム素子 １０６ 画像表示素子 １０７ 投射レンズ １１０ 実光束発生手段 １１１ 理想光束発生手段 １１１ａ 点光源 １１１ｂ リフレクタ １１２ ハーフミラー １１３ ホログラム材料 １２１ リフレクタ １２１ａ 開口部 １２２ 模擬発光体 １３１ 模擬発光面 １４１ リフレクタ １４２ 集光レンズ １４３ リフレクタ １５１ 画像表示装置 １５２ ダイクロイックミラー １５３ ダイクロイックミラー １５４ 全反射ミラー １５５ コンデンサレンズ １５６〜１５８ 液晶パネル １５９ 全反射ミラー １６０，１６１ ダイクロイックミラー １７１ 画像表示装置 １７２ 全反射ミラー １７４ レンズ １７５，１７６ ダイクロイックミラー １７７〜１７９ 反射型液晶表示素子 １８１ 画像表示装置 １８２ 第１の蠅の目レンズ １８３ 第２の蠅の目レンズ １８４ インテグレータ １９１ 画像表示装置 １９２ 画像表示素子 １９３ レンズ ２０２ 偏光変換素子 ２０３ 集光レンズ ２０４ 角柱体 ２０５ 偏波面回転手段 ２０６ 偏光分離膜 ２１１ 画像表示装置 ２１２ 第１の蠅の目レンズ ２１３ 第２の蠅の目レンズ ２１４ ミラー ２１５ インテグレータ ２１６ ホログラム素子 ２１６〜２１８ ホログラム素子 ２１７ ホログラム素子 ２１８ ホログラム素子 ２１９〜２２１ 画像表示素子 ２３１ 画像表示装置 ２３２ ミラー ２３３ ビームスプリッタ ２３４ ミラー ２３５ ダイクロイックプリズム ２４１ 画像表示装置 ２４２，２４３ 全反射ミラー ２４３ 全反射ミラー ２４４ ダイクロイックミラー ２４５ ダイクロイックミラー ２４６，２４８ リレーレンズ ２４７ 全反射ミラー ２５９ 画像表示装置 ２６０〜２６２ 画像表示素子 ２６３ ダイクロイックプリズム ２６４〜２６６ ホログラム素子 ２６７〜２６９ ＰＢＳ ２８０ 画像表示装置 ２８１ ダイクロイックミラー ２８２ ダイクロイックミラー ２８３ 全反射ミラー ２８４ ホログラム素子 ２８５ ホログラム素子 ２８６ ホログラム素子 ２８７ 色分離手段 ２８８ 画像表示素子 ３０１ ホログラム素子 ３０１ 回折光学素子 ３０１ａ 回折領域 ３０１ａ 微小領域 ３０１ｂ 領域 ３０２ 補助レンズ ３０３ 画像表示素子 ３１４ 画像表示素子 ３１５ 画像表示素子 ３１６ 画像表示素子 ３１７ ダイクロイックミラー ３１８ ダイクロイックミラー ３１９ 反射ミラー ３２０，３２１ リレーレンズ ３２２，３２３ 反射ミラー ３２４ ダイクロイックプリズム ３３３，３３４ ダイクロイックミラー ３３５ 反射ミラー ３３９，３４０ ダイクロイックミラー ３４１ 反射ミラー ３５１ 回折光学素子 ３５３ リフレクタ ３５７ 投射レンズ ３６１ ホログラム素子 ３６１ａ 回折領域 ３６３ 画像表示素子 ３７１ ホログラム材料 ３７１ａ 領域 ３７２ レーザ ３７３ ハーフミラー ３７４ ミラー ３７５ マスク ３７５ａ 開口部 ３７６ 集光レンズ ３８１ レンズアレイ ３８１ａ レンズ ３８２ マスク ３８２ａ 開口部 ３９１ ホログラム素子 ３９１ａ 回折領域 ３９９ ホログラム素子 ４０１ ホログラム素子 ４０１ａ 回折領域 ４１４ ミラー ４１５ ダイクロイックプリズム ４１６〜４１８ ホログラム素子 ４１９〜４２１ ミラー ４２２〜４２４ 画像表示素子 ４２５ ダイクロイックプリズム ４３１〜４３３ ＰＢＳ ４３４〜４３６ 画像表示素子 ４４１ シリンドリカルレンズ ４４１ シリンドリカルレンズアレイ ４４２ 偏光分離素子 ４４３ 偏波面回転手段 ４４４ 偏光変換素子

【手続補正３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１】

【手続補正４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２】

【手続補正５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３】

【手続補正６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

【手続補正７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１０】

【手続補正８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１７】

【手続補正９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図１８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図１８】

【手続補正１０】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２０】

【手続補正１１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２１

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２１】

【手続補正１２】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２２】

【手続補正１３】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２３】

【手続補正１４】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図２４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図２４】

【手続補正１５】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３０】

【手続補正１６】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３２

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３２】

【手続補正１７】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３３

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３３】

【手続補正１８】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３４】

【手続補正１９】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３７

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３７】

【手続補正２０】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図３８

【補正方法】変更

【補正内容】

【図３８】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０ Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０ Ｇ０３Ｈ 1/04 Ｇ０３Ｈ 1/04

Claims (40)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも、画像表示手段と、前記画像表
   示手段を照明する照明手段を備え、前記画像表示手段
   は、該画像表示手段に入射する前記照明手段からの照明
   光を変調し出力することで画像を表示し、前記照明手段
   は、少なくとも発光手段と、前記発光手段の出力光束を
   集光する第１の集光手段と、前記第１の集光手段の出力
   光束の波面を変換する第１の波面変換手段からなり、前
   記第１の波面変換手段は、前記第１の集光手段の出力光
   束の波面と略等価な第１の光束と、第２の光束を干渉せ
   しめて形成した第１のホログラム素子であることを特徴
   とする画像表示装置。
2. 【請求項２】前記照明手段は、前記発光手段の出力光束
   を集光する第１の集光手段と、前記第１の集光手段の出
   力光束を伝搬する第２の集光手段と、前記第２の集光手
   段からの出力光束の波面を変換する第２の波面変換手段
   を具備し、前記第２の波面変換手段は、前記第２の集光
   手段の出力光束の波面と略等価な第１の光束と、第３の
   光束を干渉せしめて形成した第２のホログラム素子であ
   ることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
3. 【請求項３】前記照明手段が、複数のレンズを２次元に
   アレイ状に配置して成る第１及び第２の蠅の目レンズか
   ら構成されるインテグレータを具備することを特徴とす
   る請求項１または２記載の画像表示装置。
4. 【請求項４】前記画像表示手段が、偏光表示手段であ
   り、該偏光表示手段は、入射する前記照明手段からの照
   明光の中で、概ね特定の方向に偏向した偏光光を分離
   し、該偏光光を変調することで画像を表示することを特
   徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の画像表示装
   置。
5. 【請求項５】前記照明手段が、ランダム偏光光を概ね特
   定方向の偏光光に変換する偏光変換手段を具備すること
   を特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の画像表示
   装置。
6. 【請求項６】前記第２の集光手段の最終出力手段が、前
   記第１の蠅の目レンズであることを特徴とする請求項２
   〜５のいずれかに記載の画像表示装置。
7. 【請求項７】前記第２もしくは第３の光束は、前記発光
   手段の発光体より体積の小さな微小発光体からの出力光
   束又は該出力光束を反射鏡にて反射せしめた光束、もし
   くは該出力光束又は該光束を第３の集光手段により伝搬
   せしめた光束の波面と略等価であることを特徴とする請
   求項１〜６のいずれかに記載の画像表示装置。
8. 【請求項８】前記第２の光束もしくは前記第３の光束
   は、略平面波もしくは該略平面波を第３の集光手段によ
   り伝搬せしめた光束の波面と略等価な波面を有する光束
   であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載
   の画像表示装置。
9. 【請求項９】前記第２の集光手段の最終出力手段が前記
   第１の蠅の目レンズであり、前記第３の集光手段の最終
   出力手段が第３の蠅の目レンズであり、前記第３の蠅の
   目レンズと前記第２の蠅の目レンズが一対でインテグレ
   ータを構成することを特徴とする請求項２〜８のいずれ
   かに記載の画像表示装置。
10. 【請求項１０】前記反射鏡が、回転放物面鏡もしくは回
    転楕円面鏡もしくは球面鏡であることを特徴とする請求
    項１〜９のいずれかに記載の画像表示装置。
11. 【請求項１１】前記偏光変換素子は、少なくとも偏光分
    離手段と偏波面回転手段を具備してなり、かつ、前記偏
    光分離手段により分離された互いに概ね直交する偏波面
    の一方の偏波面を、前記偏波面回転手段が略９０°回転
    せしめる構成であることを特徴とする請求項１〜１０の
    いずれかに記載の画像表示装置。
12. 【請求項１２】前記ホログラム素子は、参照光束発生手
    段より発生された参照光束及び物体光束発生手段より発
    生された物体光束の２光束を干渉せしめて形成される干
    渉縞をホログラム材料に記録せしめることにより作製さ
    れ、２分されたレーザー光の一方を前記参照光束発生手
    段に入射せしめることにより前記参照光束を発生させ、
    該２分されたレーザー光の他の一方を前記物体抗争発生
    手段に入射せしめて前記物体光束を発生させることを特
    徴とするホログラム素子の製造方法。
13. 【請求項１３】前記参照光束発生手段が、反射鏡、及び
    所定の位置に静置された微小形状の第１の反射体を少な
    くとも備え、前記２分されたレーザー光の一方を反射鏡
    に設けた１つもしくは複数の透過孔より入射せしめて前
    記第１の反射体を照明し、前記第１の反射体からの反射
    もしくは散乱光束、及び該反射もしくは散乱光束を反射
    鏡にて再度反射せしめた光束のいずれかもしくは両者を
    前記参照光束とすることを特徴とする請求項１２記載の
    ホログラム素子の製造方法。
14. 【請求項１４】前記物体光束発生手段が、反射鏡、及び
    所定の位置に静置された第２の反射体を少なくとも備
    え、前記レーザー光を反射鏡に設けた１つもしくは複数
    の透過孔より入射せしめて前記第２の反射体を照明し、
    前記第２の反射体からの反射もしくは散乱光束、及び該
    反射もしくは散乱光束を反射鏡にて再度反射せしめた光
    束のいずれかもしくは両者を前記物体光束とすることを
    特徴とするホログラム素子の製造方法であって、前記第
    ２の反射体の形状が、前記画像表示装置に用いる前記発
    光手段の発光体の形状と略等しいことを特徴とする請求
    項１２記載のホログラム素子の製造方法。
15. 【請求項１５】前記第２の反射体の大きさを複数回にわ
    たって小さく、もしくは大きくすることで複数回にわた
    って異なる物体光束を発生せしめ、複数の該物体光束と
    前記参照光束を干渉せしめ前記ホログラム材料に多重記
    録せしめることを特徴とする請求項１２〜１４のいずれ
    かに記載のホログラム素子の製造方法。
16. 【請求項１６】前記物体光束発生手段が、入射レーザー
    光束を特定の立体角内に出力する発散光束発生手段であ
    ることを特徴とする請求項１２または１３記載のホログ
    ラム素子の製造方法。
17. 【請求項１７】前記発散光束発生手段の出力光束が、前
    記画像表示装置においてホログラム素子に入射される光
    束と略等しいことを特徴とする請求項１２、１３、１６
    のいずれかに記載のホログラム素子の製造方法。
18. 【請求項１８】前記発散光束発生手段、及び前記物体光
    束発生手段のいずれか一方もしくは両者が、１つもしく
    は複数の集光レンズ、及びインテグレータのいずれか一
    方もしくは両者を含むことを特徴とする請求項１２〜１
    ７のいずれかに記載のホログラム素子の製造方法。
19. 【請求項１９】前記参照光束発生手段、及び前記物体光
    束発生手段のいずれか一方もしくは両者が、前記参照光
    束もしくは前記物体光束を記録せしめたホログラムであ
    ることを特徴とする請求項１２〜１８のいずれかに記載
    のホログラム素子の製造方法。
20. 【請求項２０】異なる波長の複数のレーザー光を用い
    て、前記参照光束及び前記物体光束を発生せしめ、異な
    る波長により形成した複数の２光束干渉縞を前記ホログ
    ラム材料に多重記録することを特徴とする請求項１２〜
    １９のいずれかに記載のホログラム素子の製造方法。
21. 【請求項２１】物体光と参照光を干渉せしめて作成され
    るホログラム素子であって、前記物体光が略平行な光束
    （以下、物体光束と略記する）であり、前記参照光が発
    光手段から発せられる第１の光束を集光及び伝搬せしめ
    る照明手段からの出力光束と略等価な波面を有する光束
    （以下、参照光束と略記する）であることを特徴とする
    ホログラム素子。
22. 【請求項２２】前記照明手段は、少なくとも前記第１の
    光束を集光する集光手段と、前記集光手段により集光さ
    れた第２の光束を伝搬せしめる複数のレンズを２次元に
    アレイ状に配置してなる第１の蠅の目レンズ及び第２の
    蠅の目レンズを組み合わせたインテグレータを具備して
    いることを特徴とする請求項１記載のホログラム素子。
23. 【請求項２３】前記照明手段は、入射光束を偏波面が互
    いに直交する成分に分離する偏光分離手段と、分離され
    た偏光成分のいずれか一方の偏光成分の偏波面を略９０
    度回転せしめる偏波面回転手段を具備することを特徴と
    する請求項１または２記載のホログラム素子。
24. 【請求項２４】前記ホログラム素子は、干渉稿を作成
    後、裏面に反射ミラーを設置していることを特長とする
    請求項１〜３のいずれかに記載のホログラム素子。
25. 【請求項２５】前記反射ミラーは、特定の波長帯域の光
    束を選択的に反射せしめることを特長とする請求項１〜
    ４のいずれかに記載のホログラム素子。
26. 【請求項２６】少なくとも、前記ホログラム素子と、前
    記ホログラム素子を照明する前記照明手段と、前記ホロ
    グラム素子の出力光束を変調することで画像を表示する
    画像表示手段とを具備してなり、前記画像表示手段は各
    画素に対応するマイクロレンズを具備し、前記マイクロ
    レンズは、入射した光束を概ね画素の開口部分に収束せ
    しめる機能を有することを特徴とする画像表示装置。
27. 【請求項２７】前記照明手段は、白色入射光束を固有の
    波長帯域を有する３原色に分離する色分離手段を具備
    し、前記３原色の中の特定の原色の波長帯域に含まれる
    波長を有する前記物体光束及び参照光束で作成された前
    記ホログラム素子の出力光束が、対応する原色の画像信
    号を表示する前記画像表示手段の入射光束であることを
    特徴とする請求項６記載の画像表示装置。
28. 【請求項２８】前記色分離手段は、特定の波長帯域の３
    原色を選択的に反射せしめるダイクロイックミラーであ
    り、かつ各ダイクロイックミラーの光入射側に、対応す
    るダイクロイックミラーが選択的に反射せしめる波長帯
    域に含まれる波長の物体光束及び参照光束によって形成
    された前記ホログラム素子を配置してなることを特長と
    する請求項６または７記載の画像表示装置。
29. 【請求項２９】少なくとも、前記ホログラム素子と、前
    記ホログラム素子を照明する前記照明手段と、前記ホロ
    グラム素子の出力光束を変調することで画像を表示する
    画像表示手段とを具備してなり、前記画像表示手段は、
    ３原色の中から対応する原色の画像信号のみを表示する
    ３つの画素を一組とする画素構造を有し、かつ一組の画
    素構造に対応する光路変換手段を具備していることを特
    長とする画像表示装置。
30. 【請求項３０】前記照明手段は、少なくとも色分離手段
    を具備し、前記色分離手段は、特定の波長帯域の３原色
    を選択的に反射せしめるダイクロイックミラーであり、
    かつ、各ダイクロイックミラーの光入射側に、対応する
    ダイクロイックミラーが選択的に反射せしめる波長帯域
    に含まれる波長の物体光束及び参照光束によって形成さ
    れた前記ホログラム素子を配置してなり、かつ前記照明
    光学系の光軸に対する各ダイクロイックミラーの傾角を
    各々異ならしめることで３原色毎に前記画像表示手段に
    入射する角度を異ならしめ、画像表示手段に形成された
    前記光路変換手段は、前記ホログラム素子及び前記ダイ
    クロイックミラーによって異なる方向から入射される各
    原色を、対応する原色の画像信号のみを表示する各画素
    の開口部に概ね集束せしめる機能を有することを特長と
    する請求項９に記載の画像表示装置。
31. 【請求項３１】前記光路変換手段は、マイクロレンズア
    レイ、回折光学素子、シリンドリカルレンズのいずれか
    であることを特徴とする請求項９または１０記載の画像
    表示装置。
32. 【請求項３２】複数の微小領域からなる回折光学素子で
    あって、前記微小領域の出力光束は、前記回折光学素子
    の法線方向と所定の角度で交わる平面上で概ね互いに重
    なりあう光束であることを特徴とする回折光学素子。
33. 【請求項３３】前記回折光学素子は、物体光と参照光を
    干渉せしめて作成される複数の微小領域からなるホログ
    ラムであって、前記複数の微小領域の物体光は、前記ホ
    ログラムの法線方向と所定の角度で交わる平面上で概ね
    互いに重なりあう光束であることを特徴とする請求項１
    に記載の回折光学素子。
34. 【請求項３４】前記各微小領域の物体光が前記平面上で
    互いに概ね重なりあう形状は、矩形であることを特徴と
    する請求項１、２に記載の回折光学素子。
35. 【請求項３５】前記参照光は、前記ホログラムに所定の
    角度で入射する略平行光束であることを特徴とする請求
    項１、２、３に記載の回折光学素子。
36. 【請求項３６】前記参照光は、前記ホログラムに対し
    て、所定の角度で交わる光軸上の一点に概ね収束される
    収束光であることを特徴とする請求項１、２、３に記載
    の回折光学素子。
37. 【請求項３７】少なくとも、前記回折光学素子と、前記
    回折光学素子を照明する照明手段と、前記回折光学素子
    の出力光束を変調することで画像を表示する画像表示手
    段とを具備してなり、前記回折光学素子の出力光束は、
    前記画像表示手段上で互いに概ね重なり合い、かつ前記
    出力光束が互いに概ね重なり合った形状が、前記画像表
    示手段の画像表示領域と略等しい大きさの矩形であるこ
    とを特徴とする画像表示装置。
38. 【請求項３８】前記画像表示手段は各画素に対応するマ
    イクロレンズを具備しており、前記マイクロレンズは、
    入射した光束を概ね画素の開口部分に収束せしめる機能
    を有することを特徴とする請求項６に記載の画像表示装
    置。
39. 【請求項３９】前記回折光学素子の法線と、前記照明手
    段の光軸が平行ではなく、かつ前記照明手段からの出力
    光束が前記回折光学素子を照明する領域が略楕円形状で
    あって、前記楕円形状の長軸方向と、前記画像表示手段
    の画像表示領域の長手方向が概ね一致することを特徴と
    する請求項６、７に記載の画像表示装置。
40. 【請求項４０】前記照明手段が、無偏光な光束の偏光方
    向を、特定方向にそろえる機能を有する偏光分離手段及
    び偏波面回転手段を有することを特徴とする請求項６、
    ７、８に記載の画像表示装置。