| 【発明の名称】 |
表示光学装置 |
| 【発明者】 |
【氏名】林 宏太郎
【氏名】澤井 靖昌
【氏名】金野 賢治
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| 【要約】 |
【課題】いわゆる二板方式でありながら投影光学系のレンズバックが１ブロック分と少なくて済む構成の表示光学装置を提供する。
【解決手段】所定の偏光状態に揃えられたＲＧＢ各色の光のうち、特定の１色の光を常時射出し、他の２色の光を時分割で切り替えて射出する照明装置と、前記特定の１色の光の偏光方向と前記他の２色の光の偏光方向とが互いに異なるように、そのいずれかの偏光方向を変換する第１の特定波長偏光変換装置と、互いに偏光方向が異なる前記特定の１色の光と前記他の２色の光とを分離する偏光ビームスプリッターと、分離された前記特定の１色の光及び他の２色の光をそれぞれ画素毎に変調して反射する第１，第２の反射型液晶ライトバルブとを有し、前記第１，第２の反射型液晶ライトバルブからのそれぞれ前記特定の１色の光と他の２色の光とを、前記偏光ビームスプリッターにより合成して投影する。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 所定の偏光状態に揃えられたＲＧＢ各色の光のうち、特定の１色の光を常時射出し、他の２色の光を時分割で切り替えて射出する照明装置と、前記特定の１色の光の偏光方向と前記他の２色の光の偏光方向とが互いに異なるように、該いずれかの偏光方向を変換する第１の特定波長偏光変換装置と、互いに偏光方向が異なる前記特定の１色の光と前記他の２色の光とを分離する偏光ビームスプリッターと、分離された前記特定の１色の光を画素毎に変調して反射する第１の反射型液晶ライトバルブと、分離された前記他の２色の光をそれぞれ画素毎に変調して反射する第２の反射型液晶ライトバルブと、を有し、前記第１の反射型液晶ライトバルブからの前記特定の１色の光と、前記第２の反射型液晶ライトバルブからの前記他の２色の光とを、前記偏光ビームスプリッターにより合成して投影する事を特徴とする表示光学装置。
【請求項２】 前記照明装置は、前記ＲＧＢ各色の光を前記所定の偏光状態に揃える偏光変換装置を備えた事を特徴とする請求項１に記載の表示光学装置。
【請求項３】 前記偏光ビームスプリッターにより合成された前記特定の１色の光と前記他の２色の光との、各偏光方向が互いに一致するように、該いずれかの偏光方向を変換する第２の特定波長偏光変換装置と、該第２の特定波長偏光変換装置からの前記一致した偏光方向の光を通過させる偏光板と、を備えた事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表示光学装置。
【請求項４】 前記照明装置は、白色光源と、該白色光源からの光のうち前記特定の１色の光を反射するダイクロイックミラーと、該白色光源からの光のうち前記他の２色の光を時分割で切り替えて反射するコレステリック液晶とを備えた事を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表示光学装置。
【請求項５】 前記照明装置は、白色光源と、該白色光源からの光のうち前記特定の１色の光を反射するダイクロイックミラーと、該白色光源からの光のうち前記他の２色の光を時分割で切り替えて反射する液晶ポリマー材料により形成されたホログラムとを備えた事を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表示光学装置。
【請求項６】 前記照明装置は、白色光源と、該白色光源からの光をＲＧＢ各色の光に角度分離する回折格子と、該角度分離されたＲＧＢ各色の光をそれぞれ対応する領域にて反射する反射型ライトバルブとを備えた事を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表示光学装置。
【請求項７】 前記第１の特定波長偏光変換装置は、ダイクロイックミラーと位相板とより成る事を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表示光学装置。
【請求項８】 前記第１の特定波長偏光変換装置は、ダイクロイックミラーとコレステリック液晶とより成る事を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表示光学装置。
【請求項９】 前記第１の特定波長偏光変換装置は、積層位相板より成る事を特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の表示光学装置。
【請求項１０】 前記第２の特定波長偏光変換装置は、積層位相板より成る事を特徴とする請求項３に記載の表示光学装置。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、表示パネルを用いた表示光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より、映像を表示する手段の一つとして、例えばプロジェクター等の投影型の表示光学装置が知られている。このような表示光学装置においては、反射型液晶表示パネル等の表示パネル上の光学像を、効率よく均一に照明するための照明光学装置が必要である。
【０００３】このような照明光学装置は、表示パネルを使用する上での方式に対応した構成がとられる。つまり、１枚の表示パネルでカラー表示を行ういわゆる単板方式の場合は、例えば後述する色切り替えデバイス（或いはカラーホイル等）により、表示パネルへの照明光をＲＧＢ各色に時分割で切り替える、いわゆるカラーシーケンシャル（色時分割）方式の構成がとられる。表示パネルは、この色切り替えに同期してＲＧＢ各色それぞれに対応した表示を高速で切り替える。
【０００４】また、２枚の表示パネルでカラー表示を行ういわゆる二板方式の場合は、まず、例えばダイクロイックミラーにより照明光をある特定色、例えば赤色光Ｒとそれ以外の色に分離する。そして、その赤色光Ｒにより専用の表示パネルを常時照明する構成がとられる。この表示パネルは、赤色光Ｒに対応した表示を行う。さらに、残りの緑色光Ｇ，青色光Ｂを例えば色切り替えデバイスにより時分割で切り替え、これによりもう１枚の表示パネルを照明する、カラーシーケンシャル方式の構成がとられる。この表示パネルは、この色切り替えに同期してＧＢ各色それぞれに対応した表示を高速で切り替える。
【０００５】また、３枚の表示パネルでカラー表示を行ういわゆる三板方式の場合は、照明光を例えばダイクロイックミラーによりＲＧＢ各色に分離し、それぞれ専用の表示パネルを照明する構成がとられる。各色専用の表示パネルは、それぞれ各色に対応した表示を行う。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、表示パネルとして例えば一般的な反射型液晶表示パネルを使用する場合、上述した従来の構成においてそれぞれ問題となる事がある。まず、単板方式の構成においては、表示パネルが１枚で済み、それに伴い照明光と投影光を分離する例えばＰＢＳプリズムが１個で済む反面、照明光をＲＧＢ各色に時分割で切り替える構成により、各色が照明される時間はそれぞれ約１／３となり、照明効率が悪くなる。
【０００７】また、二板方式の構成においては、照明光のうち時分割で切り替えるのはＧＢ２色だけであるので、ＧＢ各色が照明される時間はそれぞれ約１／２となり、照明効率は単板方式の場合と比較して少なくとも約１．５倍となる。実際は、Ｒの成分が少なくＧＢ各色の成分が多い分光分布を持つ光を照明光として使用する事により、更に照明効率は高くなる。
【０００８】その反面、表示パネルが２枚必要であり、通常はそれに伴い照明光と投影光を分離する例えばＰＢＳプリズムが２個必要となるのに加えて、ＲとＧＢ各色とを合成する例えばダイクロイックプリズムのような光学素子が必要となる。これによりコストアップになるとともに、投影光学系から各表示パネルまでのレンズバックが、例示のＰＢＳプリズム及びダイクロイックプリズムに相当する２ブロック分必要であり、投影光学系の負担が重くなる。
【０００９】また、三板方式の構成においては、照明光を時分割で切り替える必要はなく、ＲＧＢ各色はそれぞれ専用の表示パネルを常に照明するので、照明効率は各方式のうち最も高くなる。その反面、表示パネルが３枚必要であり、それに伴い照明光と投影光を分離する例えばＰＢＳプリズムが３個必要となるのに加えて、ＲＧＢ各色を合成する例えばクロスダイクロイックプリズムのような光学素子が必要となる。これによりコストアップになるとともに、投影光学系から各表示パネルまでのレンズバックが、例示のＰＢＳプリズム及びクロスダイクロイックプリズムに相当する２ブロック分必要であり、投影光学系の負担が重くなる。
【００１０】本発明は、このような問題点に鑑み、いわゆる二板方式でありながら投影光学系のレンズバックが１ブロック分と少なくて済む構成の表示光学装置を提供する事を目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するために、本発明では、所定の偏光状態に揃えられたＲＧＢ各色の光のうち、特定の１色の光を常時射出し、他の２色の光を時分割で切り替えて射出する照明装置と、前記特定の１色の光の偏光方向と前記他の２色の光の偏光方向とが互いに異なるように、そのいずれかの偏光方向を変換する第１の特定波長偏光変換装置と、互いに偏光方向が異なる前記特定の１色の光と前記他の２色の光とを分離する偏光ビームスプリッターと、分離された前記特定の１色の光を画素毎に変調して反射する第１の反射型液晶ライトバルブと、分離された前記他の２色の光をそれぞれ画素毎に変調して反射する第２の反射型液晶ライトバルブとを有し、前記第１の反射型液晶ライトバルブからの前記特定の１色の光と、前記第２の反射型液晶ライトバルブからの前記他の２色の光とを、前記偏光ビームスプリッターにより合成して投影する事を特徴とする。
【００１２】また、前記照明装置は、前記ＲＧＢ各色の光を前記所定の偏光状態に揃える偏光変換装置を備えた事を特徴とする。また、前記偏光ビームスプリッターにより合成された前記特定の１色の光と前記他の２色の光との、各偏光方向が互いに一致するように、そのいずれかの偏光方向を変換する第２の特定波長偏光変換装置と、その第２の特定波長偏光変換装置からの前記一致した偏光方向の光を通過させる偏光板とを備えた事を特徴とする。
【００１３】また、前記照明装置は、白色光源と、その白色光源からの光のうち前記特定の１色の光を反射するダイクロイックミラーと、その白色光源からの光のうち前記他の２色の光を時分割で切り替えて反射するコレステリック液晶とを備えた事を特徴とする。或いは、前記照明装置は、白色光源と、その白色光源からの光のうち前記特定の１色の光を反射するダイクロイックミラーと、その白色光源からの光のうち前記他の２色の光を時分割で切り替えて反射する液晶ポリマー材料により形成されたホログラムとを備えた事を特徴とする。或いは、前記照明装置は、白色光源と、その白色光源からの光をＲＧＢ各色に角度分離する回折格子と、その角度分離されたＲＧＢ各色の光をそれぞれ対応する領域にて反射する反射型ライトバルブとを備えた事を特徴とする。
【００１４】また、前記第１の特定波長偏光変換装置は、ダイクロイックミラーと位相板とより成る事を特徴とする。或いは、前記第１の特定波長偏光変換装置は、ダイクロイックミラーとコレステリック液晶とより成る事を特徴とする。或いは、前記第１の特定波長偏光変換装置は、積層位相板より成る事を特徴とする。
【００１５】また、前記第２の特定波長偏光変換装置は、積層位相板より成る事を特徴とする。
【００１６】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態の表示光学装置を模式的に示す構成図である。同図において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２の後方即ち図中の右方には、順に第１レンズアレイ５、第２レンズアレイ６、その直後に偏光変換装置１８及び重ね合わせレンズ７が配置されている。
【００１７】なお、第１レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。
【００１８】重ね合わせレンズ７の後方即ち図中の右方には、コレステリック液晶装置１１上にダイクロイックミラー２０を重ね合わせたものが配置されている。同図の楕円ａで囲んだこれらの構成をカラーシーケンシャル照明装置兼第１の特定波長偏光変換装置と呼ぶ。ここで、ダイクロイックミラー２０は、赤色光Ｒを反射するダイクロイックミラーである。
【００１９】そして、コレステリック液晶装置１１は、上述した色切り替えデバイスの一種であり、照明光をＧＢ各色に時分割で電気的に切り替えるものである。詳しくは後述する。また、第２レンズアレイ６とその後方の重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合うようにしている。以上の第１レンズアレイ５，第２レンズアレイ６，及び重ね合わせレンズ７を、インテグレータ光学系と呼ぶ。
【００２０】上記カラーシーケンシャル照明装置兼第１の特定波長偏光変換装置により光が反射される方向、即ち図中の上方に向かって、光の進む順に１／４波長板１９，コンデンサーレンズ８，ＰＢＳプリズム１２，表示パネル９ａが配置されている。また図中のＰＢＳプリズム１２左方には、表示パネル９ｂが配置されている。表示パネル９ａは、赤色光Ｒによる表示専用の表示パネルであり、表示パネル９ｂは、緑色光Ｇ及び青色光Ｂによる表示を行う表示パネルである。
【００２１】これら表示パネルは、それぞれ上記重ね合わせレンズ７の焦点位置に配置されている。また、コンデンサーレンズ８によって、表示パネル９ａ，９ｂをそれぞれテレセントリック照明する。また、ＰＢＳプリズム１２で投影光と照明光の分離を行う。
【００２２】ＰＢＳプリズム１２より投影光が射出する方向、即ち図中の右方に向かって、光の進む順に、積層位相板２５に偏光板２６を重ね合わせたもの、及び投影光学系１０が配置されている。この積層位相板２５を第２の特定波長偏光変換装置と呼ぶ。積層位相板の詳細については後述する。なお、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００２３】本実施形態での光線の軌跡を改めて説明する。なお、以下に示す各光は、その光軸のみ図示している。これは実施形態全般に渡って同様とする。光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光で、また実線Ｓ及び破線Ｐで示すようにＳ偏光，Ｐ偏光が混在した（偏光が揃っていない）状態で、上記インテグレータ光学系を通過する。
【００２４】ここでは上記偏光変換装置１８により、二点鎖線Ｌａで示す右円偏光に変換される。そして、上述したカラーシーケンシャル照明装置兼第１の特定波長偏光変換装置に入射する。ここで、光源からの白色光に含まれる赤色光Ｒはダイクロイックミラー２０で反射され、また緑色光Ｇ及び青色光Ｂはダイクロイックミラー２０を透過してコレステリック液晶装置１１に到る。
【００２５】コレステリック液晶装置１１は、Ｇ用，Ｂ用の、各色専用のコレステリック液晶素子を例えば１層ずつ計２層重ね合わせたものである。このコレステリック液晶素子は、右円偏光の光しか反射しない偏光依存性を持つ。ここでは各コレステリック液晶素子を、ブロック図で示す制御部１５にて高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、カラーシーケンシャル駆動し、ＧＢ各色を時分割で切り替えて反射する。反射しなかった色の光は、コレステリック液晶装置１１を透過する。コレステリック液晶素子の具体的な構成については後述する。
【００２６】ダイクロイックミラー２０で反射された赤色光Ｒは、破線Ｌｂで示す左円偏光となって、またコレステリック液晶装置１１により色切り替えされて射出した緑色光Ｇ，青色光Ｂ各色の光は、二点鎖線Ｌａで示す右円偏光のままで、それぞれ１／４波長板１９に入射する。ここで赤色光Ｒは破線Ｐで示すＰ偏光に変換され、緑色光Ｇ及び青色光Ｂは実線Ｓで示すＳ偏光に変換されて、それぞれコンデンサーレンズ８を経てＰＢＳプリズム１２に入射する。
【００２７】ＰＢＳプリズム１２に入射した光のうち、赤色光ＲはＰＢＳプリズム１２を透過して表示パネル９ａに入射する。また緑色光Ｇ及び青色光ＢはＰＢＳプリズム１２内部で反射されて表示パネル９ｂに入射する。表示パネル９ａ，９ｂは、例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照明された光を、画素毎にそれぞれ赤色光Ｒ，並びに緑色光Ｇ及び青色光Ｂの表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。
【００２８】このとき、表示パネル９ａからのＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｐ偏光のままであるので、ここを透過し、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｓ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここで反射され、次の積層位相板２５に到る。また、表示パネル９ｂからのＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここを透過し、次の積層位相板２５に到る。
【００２９】ここで、積層位相板２５は、特定波長の光、即ちここでは赤色光Ｒを偏光変換する働きを持っており、この積層位相板２５を透過した光のうち、緑色光Ｇ及び青色光ＢはＰ偏光のままであり、赤色光ＲはＳ偏光からＰ偏光に変換されて出てくる。つまり、ＲＧＢ各色の光は最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。
【００３０】この状態で、これら各色の光は積層位相板２５に重ねられた偏光板２６を透過する。これにより偏光方向が整えられ、不要光線がカットされて、表示画像のコントラストが高められる。本来は、ＰＢＳプリズム１２の働きにより、表示パネル９ａ，９ｂからのＯＮ光のみが投影光学系１０に導かれる筈である。しかし、一般にＰＢＳにおいては、完璧にＳ偏光の光が反射されてＰ偏光の光が透過するわけではなく、若干Ｐ偏光の光の反射等が発生する。
【００３１】このような光が表示パネルからのＯＦＦ光として投影光学系１０に導かれる事のないように、偏光板２６によりカットする。このようにして、偏光板２６を透過してきたＲＧＢ各色の光は、投影光として投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９ａ，９ｂの表示情報が図示しないスクリーンに投影される。
【００３２】図２は、コレステリック液晶素子の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、コレステリック液晶素子は、互いに対面するガラス基板（或いは透明フィルム基板）３１の各内面に、ＩＴＯ（透明電極）３２が形成され、ＩＴＯ３２間にコレステリック液晶３５が挟まれた構成となっている。ここで、各ＩＴＯ３２間に、パルス電源３６により高いパルス電圧を印加すると、同図（ａ）に示すように、液晶分子３５ａがいわゆるプレーナ配列となり、着色状態となる。このとき、液晶分子３５ａのいわゆる捩れのピッチをｐとし、コレステリック液晶３５の平均屈折率ｎaとすると、反射される光の波長λ＝ｎaｐとなる。
【００３３】この状態で、同図（ａ）において、矢印Ａで示すようにコレステリック液晶３５に入射した特定の波長の光は、矢印Ｂで示すように反射され、それ以外の波長の光は矢印Ｃで示すように透過する。一方、各ＩＴＯ３２間に、パルス電源３６により低いパルス電圧を印加すると、同図（ｂ）に示すように、液晶分子３５ａがいわゆるフォーカルコニック配列となり、透明状態となる。この状態で、コレステリック液晶３５に入射したすべての光は矢印Ｄで示すように透過する。
【００３４】従って、ＩＴＯ３２に印加するパルス電圧の高低を切り替えるパルス制御をする事により、コレステリック液晶３５において、着色状態と透明状態とを高速で切り替える事ができる。即ち、各波長域、例えばＧＢ各色に対して作用するコレステリック液晶３５をそれぞれ用意し、このようなコレステリック液晶を持つコレステリック液晶素子を重ね合わせれば、上述したように、各コレステリック液晶素子を高速でパルス制御により切り替える事により、ＧＢ各色を時分割で切り替えて反射させる事ができる。
【００３５】図３は、上記積層位相板の構成及び働きを説明する図である。同図（ａ）は、この積層位相板による偏光方向の回転を測定するための構成を示す斜視図、同図（ｂ）はその測定結果の一例である入射光の波長域と透過率の関係を示すグラフである。G.D.Sharp and J.R.Birge の論文によれば、それぞれ所定の厚さ及び主軸方位を持つ位相板の積み重ね（スタック）により、特定波長域の光のみ偏光方向を回転させる構成とする事ができる。
【００３６】ここでは同図（ａ）に示すように、互いに直交する偏光軸を持つ偏光板である偏光子４１と検光子４２との間に、それぞれ所定の厚さ及び矢印Ｅで示すような様々な主軸方位を持つ複数枚の位相板のスタック４３を配置する。但し、各位相板４３ａは、実際は積み重なっているが図では離して描いてある。この状態で、光軸ｌに沿って偏光子４１に白色光を入射させると、これにより偏光方向を揃えられた光は、スタック４３を通過する事により、特定波長域の光のみ偏光方向が略９０度回転し、検光子４２を透過して出てくる。
【００３７】この結果を示したグラフが同図（ｂ）である。ここでは横軸に入射した光の波長（単位ｎｍ）、縦軸に透過率（単位％）を取っている。同図に示すように、この場合は波長が長い赤色光Ｒのみ偏光方向が略９０度回転する事により検光子４２を透過し、波長が短い緑色光Ｇ及び青色光Ｂは偏光方向が回転しないので検光子４２を透過しない事が分かる。つまり、ここでのスタック４３は、赤色光Ｒに対しては１／２波長板として働き、緑色光Ｇ及び青色光Ｂに対しては位相板として作用しない。
【００３８】また逆に、赤色光Ｒに対しては位相板として作用せず、緑色光Ｇ及び青色光Ｂに対しては１／２波長板として働く構成とする事もできる。このような位相板のスタック、即ち積層位相板を用いて、前述及び後述のような、透過型の特定波長偏光変換装置を構成する事ができる。
【００３９】なお、上記論文の出典は、G.D.Sharp and J.R.Birge,“Retarder Stack Technology for Color Manipulation,”SID Symposium,Vol.30,p1072(04/1999)である。
【００４０】図４は、本発明の第２の実施形態の表示光学装置を模式的に示す構成図である。同図において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２の直後即ち図中の右側には、偏光分離装置３が配置されている。ここでは光源１からの光の偏光分離を行う。そして、その直後に所定の偏光変換を行う１／２波長板４が配置されている。
【００４１】１／２波長板４の後方即ち図中の右方には、液晶ホログラム装置１３上にダイクロイックミラー４０を重ね合わせたものが配置されている。同図の楕円ｂで囲んだこれらの構成をカラーシーケンシャル照明装置と呼ぶ。このダイクロイックミラー４０は、図５に断面図で示すように、ブレーズ型のＤＯＥ（回折光学素子）基板４０ａ上に、赤色光Ｒを反射するダイクロイック膜４０ｂをコーティングしたものである。
【００４２】図４に戻って、このカラーシーケンシャル照明装置により光が反射される方向、即ち図中の左斜め上方に向かって、光の進む順に第１レンズアレイ５、第２レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７、及び偏光方向を整えるための偏光板２８が配置されている。なお、第１レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。
【００４３】ここで、液晶ホログラム装置１３は、上述した色切り替えデバイスの一種であり、照明光をＧＢ各色に時分割で電気的に切り替えるものである。詳しくは後述する。また、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合うようにしている。以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせレンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。
【００４４】また、偏光板２８の後方には、ダイクロイックミラー２７上に、順に１／４波長板２４，ダイクロイックミラー２０を重ね合わせたものが配置されている。同図の楕円ｃで囲んだこれらの構成を第１の特定波長偏光変換装置と呼ぶ。ここで、ダイクロイックミラー２７は、緑色光Ｇ及び青色光Ｂを反射するダイクロイックミラーである。また、ダイクロイックミラー２０は、赤色光Ｒを反射するダイクロイックミラーである。
【００４５】この第１の特定波長偏光変換装置により光が反射される方向、即ち図中の右方に向かって、光の進む順にコンデンサーレンズ８，ＰＢＳプリズム１２，表示パネル９ｂが配置されている。また図中のＰＢＳプリズム１２下方には、表示パネル９ａが配置されている。表示パネル９ａは、赤色光Ｒによる表示専用の表示パネルであり、表示パネル９ｂは、緑色光Ｇ及び青色光Ｂによる表示を行う表示パネルである。
【００４６】これら表示パネルは、それぞれ上記重ね合わせレンズ７の焦点位置に配置されている。また、コンデンサーレンズ８によって、表示パネル９ａ，９ｂをそれぞれテレセントリック照明する。また、ＰＢＳプリズム１２で投影光と照明光の分離を行う。
【００４７】ＰＢＳプリズム１２より投影光が射出する方向、即ち図中の上方に向かって、光の進む順に、積層位相板２５に偏光板２６を重ね合わせたもの、及び投影光学系１０が配置されている。この積層位相板２５を第２の特定波長偏光変換装置と呼ぶ。積層位相板の詳細については上述した通りである。なお、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００４８】本実施形態での光線の軌跡を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となって偏光分離装置３に入射する。そして、この偏光分離装置３及び直後の１／２波長板４の働きにより偏光変換され、最終的に紙面に垂直な偏光方向の直線偏光に揃えられて出てくる。
【００４９】具体的には、例えば実線Ｓで示す紙面に垂直な偏光方向の光はそのままであり、破線Ｐで示す紙面に沿った偏光方向（図中の上下方向）の光は紙面に垂直な偏光方向に変換される。実線Ｓで示す紙面に垂直な偏光方向の光、及び破線Ｐで示す紙面に沿った偏光方向の光は、それぞれ下記のカラーシーケンシャル照明装置に対してＳ偏光，Ｐ偏光となっている。
【００５０】このように、紙面に垂直な偏光方向に揃えられた光は、液晶ホログラム装置１３及びダイクロイックミラー４０より成るカラーシーケンシャル照明装置表面にＳ偏光として略垂直に入射する。ここで、光源からの白色光に含まれる赤色光Ｒはダイクロイックミラー４０で反射され、また緑色光Ｇ及び青色光Ｂはダイクロイックミラー４０を透過して液晶ホログラム装置１３に到る。
【００５１】液晶ホログラム装置１３は、Ｇ用，Ｂ用の、各色専用の液晶ホログラム素子を例えば１層ずつ計２層重ね合わせたものである。この液晶ホログラム素子は、偏光依存性及び入射光に対する角度依存性を有する。ここでは各液晶ホログラム素子をブロック図で示す制御部１６にて高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、カラーシーケンシャル駆動し、ＧＢ各色を時分割で切り替えて反射，回折し、表面から斜め方向に射出する。
【００５２】反射，回折しなかった色の光は、液晶ホログラム装置１３を透過する。この液晶ホログラム装置１３からの緑色光Ｇ，青色光Ｂの射出方向と、上記ダイクロイックミラー４０による赤色光Ｒの反射方向とは一致している。液晶ホログラム素子の具体的な構成については後述する。なお、ここでのカラーシーケンシャル照明装置として、ダイクロイックミラー４０を使用せず、液晶ホログラム装置１３を、Ｒ用，Ｇ用，Ｂ用の、各色専用の液晶ホログラム素子を例えば１層ずつ計３層重ね合わせた構成とし、Ｒ専用の液晶ホログラム素子では赤色光Ｒを常に反射，回折するようにしても良い。
【００５３】ダイクロイックミラー４０で反射された赤色光Ｒ、及び液晶ホログラム装置１３により色切り替えされて射出した緑色光Ｇ，青色光Ｂ各色の光は、それぞれ上記インテグレータ光学系を経て、偏光板２８で偏光方向を整えられた後、Ｓ偏光として上述した第１の特定波長偏光変換装置に入射する。ここで、赤色光Ｒはダイクロイックミラー２０で反射される。また、緑色光Ｇ及び青色光Ｂはダイクロイックミラー２０を透過して、１／４波長板２４を経てダイクロイックミラー２７に到る。
【００５４】ダイクロイックミラー２７に入射した緑色光Ｇ及び青色光Ｂはここで反射され、再び１／４波長板２４を経てダイクロイックミラー２０を透過する。このとき、緑色光Ｇ及び青色光Ｂは１／４波長板２４を往復通過するので、これにより１／２波長板としての働きを受け、偏光変換される。即ち、第１の特定波長偏光変換装置から射出した光のうち、赤色光Ｒは実線Ｓで示すＳ偏光として、緑色光Ｇ及び青色光Ｂは破線Ｐで示すＰ偏光として、それぞれコンデンサーレンズ８を経てＰＢＳプリズム１２に入射する。
【００５５】ＰＢＳプリズム１２に入射した光のうち、赤色光Ｒは内部で反射されて表示パネル９ａに入射する。また緑色光Ｇ及び青色光ＢはＰＢＳプリズム１２を透過し、表示パネル９ｂに入射する。表示パネル９ａ，９ｂは、例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照明された光を、画素毎にそれぞれ赤色光Ｒ，並びに緑色光Ｇ及び青色光Ｂの表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。
【００５６】このとき、表示パネル９ａからのＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここを透過し、次の積層位相板２５に到る。また、表示パネル９ｂからのＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｐ偏光のままであるので、ここを透過し、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｓ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここで反射され、次の積層位相板２５に到る。
【００５７】積層位相板２５は、特定波長の光、即ちここでは緑色光Ｇ及び青色光Ｂを偏光変換する働きを持っており、この積層位相板２５を透過した光のうち、赤色光ＲはＰ偏光のままであり、緑色光Ｇ及び青色光ＢはＳ偏光からＰ偏光に変換されて出てくる。つまり、ＲＧＢ各色の光は最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。
【００５８】この状態で、これら各色の光は積層位相板２５に重ねられた偏光板２６を透過する。これにより偏光方向が整えられ、不要光線がカットされて、表示画像のコントラストが高められる。このようにして、偏光板２６を透過してきたＲＧＢ各色の光は、投影光として投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９ａ，９ｂの表示情報が図示しないスクリーンに投影される。
【００５９】図６は、液晶ホログラム素子の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、液晶ホログラム素子は、互いに対面するガラス基板（或いは透明フィルム基板）３１の各内面に、ＩＴＯ（透明電極）３２が形成され、ＩＴＯ３２間にホログラム３３が挟まれた構成となっている。ホログラム３３は、液晶ポリマー上に２つの光を交差させて干渉縞を作り、これを固めて作成したホログラムである。ここではポリマー３３ａと、小滴状の液晶分子３３ｂの集合体とが、ガラス基板３１に対して傾斜した状態で、互いに層状に重なり合っている。
【００６０】通常は、例えば液晶分子３３ｂの屈折率がポリマー３３ａのそれよりも高い状態であり、この状態でホログラム３３は、特定の波長域の光を反射，回折し、他の波長域の光を透過させる。ここで、各ＩＴＯ３２間に、電源３４により交流或いは直流の電圧を印加し、ホログラム３３に電界を生じさせると、液晶分子３３ｂの屈折率が低くなり、ポリマー３３ａと同等となる。このとき、ホログラム３３のホログラムとしての効果が殆どなくなり、透明板と同様の状態となる。
【００６１】従って、ＩＴＯ３２に印加する電圧をＯＮ／ＯＦＦ制御する事により、ホログラム３３において、ホログラムとしての状態と透明板としての状態を高速で切り替える事ができる。即ち、各波長域、例えばＧＢ各色に対して作用するホログラム３３をそれぞれ用意し、このようなホログラムを持つ液晶ホログラム素子を重ね合わせれば、上述したように、各液晶ホログラム素子を高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、ＧＢ各色を時分割で切り替えて反射，回折させる事ができる。
【００６２】今、図６において、ＩＴＯ３２に電圧を印加しない状態で、Ｓ偏光の光Ｌがガラス基板３１表面に略垂直に入射したとすると、ホログラム３３により、これに対応する特定の波長域の光がこのガラス基板３１表面より斜めに射出される。このときの射出角度θは、層状に重なり合ったポリマー３３ａと液晶３３分子ｂの傾斜状態に応じた値となる。本実施形態では、θが約３０〜４０度のものが使用される。
【００６３】図７は、本発明の第３の実施形態の表示光学装置を模式的に示す構成図である。同図において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２の直後即ち図中の右側には、偏光分離装置３が配置されている。ここでは光源１からの光の偏光分離を行う。そして、その直後に所定の偏光変換を行う１／２波長板４が配置されている。
【００６４】１／２波長板４の後方即ち図中の右方には、フレネルレンズ２１及びその直後に回折格子１４が配置されている。ここで、フレネルレンズ２１の焦点位置には、偏光依存性のある例えば強誘電液晶より成る反射型ライトバルブ２３が配置されている。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ２２によって、反射型ライトバルブ２３をテレセントリック照明する。
【００６５】フレネルレンズ２１から光が射出される方向、即ち図中の左斜め上方に向かって、光の進む順に第１レンズアレイ５、第２レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置されている。なお、第１レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。
【００６６】ここで、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合うようにしている。以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせレンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。重ね合わせレンズ７の後方には、偏光板３０に積層位相板２９を重ね合わせたものが配置されている。この積層位相板２９を第１の特定波長偏光変換装置と呼ぶ。積層位相板の詳細については上述した通りである。
【００６７】積層位相板２９の後方には、光の進む順にコンデンサーレンズ８，ＰＢＳプリズム１２，表示パネル９ａが配置されている。また図中のＰＢＳプリズム１２左斜め下方には、表示パネル９ｂが配置されている。表示パネル９ａは、赤色光Ｒによる表示専用の表示パネルであり、表示パネル９ｂは、緑色光Ｇ及び青色光Ｂによる表示を行う表示パネルである。
【００６８】これら表示パネルは、それぞれ上記重ね合わせレンズ７の焦点位置に配置されている。また、コンデンサーレンズ８によって、表示パネル９ａ，９ｂをそれぞれテレセントリック照明する。また、ＰＢＳプリズム１２で投影光と照明光の分離を行う。
【００６９】ＰＢＳプリズム１２より投影光が射出する方向、即ち図中の右斜め上方に向かって、光の進む順に、積層位相板２５に偏光板２６を重ね合わせたもの、及び投影光学系１０が配置されている。この積層位相板２５を第２の特定波長偏光変換装置と呼ぶ。なお、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００７０】本実施形態での光線の軌跡を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となって偏光分離装置３に入射する。そして、この偏光分離装置３及び直後の１／２波長板４の働きにより偏光変換され、最終的に紙面に垂直な偏光方向の直線偏光に揃えられて出てくる。
【００７１】具体的には、例えば実線Ｓで示す紙面に垂直な偏光方向の光はそのままであり、破線Ｐで示す紙面に沿った偏光方向（図中の上下方向）の光は紙面に垂直な偏光方向に変換される。実線Ｓで示す紙面に垂直な偏光方向の光、及び破線Ｐで示す紙面に沿った偏光方向の光は、それぞれ下記の回折格子１４に対してＳ偏光，Ｐ偏光となっている。ここで、紙面に垂直な偏光方向に揃えられた光は、フレネルレンズ２１を経て回折格子１４にＳ偏光として入射する。なお、フレネルレンズには限定されるものではなく、通常のレンズを使用しても良い。
【００７２】フレネルレンズ２１を経て回折格子１４に入射した光は、偏光方向が紙面に垂直であり、波長の異なる光であるＲＧＢ各色毎に、紙面に沿った平面上で異なる角度で回折し、即ち角度分離されて、コンデンサーレンズ２２透過後、反射型ライトバルブ２３上のＲＧＢ各色に対応する領域にそれぞれ入射する。このとき、ＧＢ各色に対応する各領域をブロック図で示す制御部１７にて高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、カラーシーケンシャル駆動し、ＧＢ各色を時分割で切り替えて反射する。但し、Ｒは常時反射としている。
【００７３】反射型ライトバルブ２３により色切り替えされて射出した光は、再び回折格子１４に入射して、ここで同一方向の光に統合され、再びフレネルレンズを透過する。そして、上記インテグレータ光学系を経て、偏光板３０で偏光方向を整えられて、積層位相板２９に到る。
【００７４】ここで、積層位相板２９は、特定波長の光、即ちここでは赤色光Ｒを偏光変換する働きを持っており、この積層位相板２９を透過した光のうち、緑色光Ｇ及び青色光Ｂは実線Ｓで示すＳ偏光のままであり、赤色光ＲはＳ偏光から破線Ｐで示すＰ偏光に変換されて出てくる。これらの光は、それぞれコンデンサーレンズ８を経てＰＢＳプリズム１２に入射する。
【００７５】ＰＢＳプリズム１２に入射した光のうち、赤色光ＲはＰＢＳプリズム１２を透過して表示パネル９ａに入射する。また緑色光Ｇ及び青色光ＢはＰＢＳプリズム１２内部で反射されて表示パネル９ｂに入射する。表示パネル９ａ，９ｂは、例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照明された光を、画素毎にそれぞれ赤色光Ｒ，並びに緑色光Ｇ及び青色光Ｂの表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。
【００７６】このとき、表示パネル９ａからのＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｐ偏光のままであるので、ここを透過し、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｓ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここで反射され、次の積層位相板２５に到る。また、表示パネル９ｂからのＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここを透過し、次の積層位相板２５に到る。
【００７７】ここで、積層位相板２５は、特定波長の光、即ちここでは赤色光Ｒを偏光変換する働きを持っており、この積層位相板２５を透過した光のうち、緑色光Ｇ及び青色光ＢははＰ偏光のままであり、赤色光ＲはＳ偏光からＰ偏光に変換されて出てくる。つまり、ＲＧＢ各色の光は最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。
【００７８】この状態で、これら各色の光は積層位相板２５に重ねられた偏光板２６を透過する。これにより偏光方向が整えられ、不要光線がカットされて、表示画像のコントラストが高められる。このようにして、偏光板２６を透過してきたＲＧＢ各色の光は、投影光として投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９ａ，９ｂの表示情報が図示しないスクリーンに投影される。
【００７９】なお、特許請求の範囲で言う反射型液晶ライトバルブは、実施形態における反射型液晶表示パネルに対応している。
【００８０】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、いわゆる二板方式でありながら投影光学系のレンズバックが１ブロック分と少なくて済む構成の表示光学装置を提供する事ができる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００６０７９
【氏名又は名称】ミノルタ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１２年４月２７日（２０００．４．２７） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００８５５０１
【弁理士】
【氏名又は名称】佐野 静夫 （外１名）
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| 【公開番号】 |
特開２００１−３０５６５２（Ｐ２００１−３０５６５２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１３年１１月２日（２００１．１１．２） |
| 【出願番号】 |
特願２０００−１２７００４（Ｐ２０００−１２７００４） |
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