JP4649129B2

JP4649129B2 - 照明光学系およびそれを用いた投写型表示装置

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Publication number: JP4649129B2
Application number: JP2004179931A
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Inventors: 小出　　純
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Priority date: 2004-06-17
Filing date: 2004-06-17
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2024-06-17
Also published as: JP2006003636A

Description

本発明は、画像表示装置に関するものである。特に、光源からの放射光を空間光変調器へ照明し、空間光変調器によって画像パターンを変調生成し、変調生成した画像パターン像を投影対象物に投影する表示装置、すなわちプロジェクタ表示装置に関するものである。

従来の特許文献１〜５に記載されているようなプロジェクタ型ディスプレイは、通常、液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを光変調パネルとしてスイッチングに利用して、光の透過と遮断または偏向を制御して選択された光パターンをスクリーンに投射することで、スクリーン上に映像を表示する。

光変調パネルに液晶パネルやマイクロミラーアレイデバイスパネルを用いたプロジェクタにおいては、光源光を高効率で利用することと、スクリーン上での照度むらを低減することが重要となる。

改善手段としては、２枚の２次元配列されたレンズアレイとコンデンサレンズから構成されるオプティカルインテグレータが知られおり、前記インテグレータは、光源からの光束を第１のレンズアレイによって複数の光束に分割し、第２レンズアレイとコンデンサレンズによりこれらの光束を拡大しながら液晶パネルの表示領域に重畳結像させるものである。

この方法においては、分割後の照度むらが小さい光束を重畳するため均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。また、第１レンズアレイの各開口を光変調パネルの表示領域と相似の形状とすれば、分割後の光束は表示領域にもれなく照射されるため照射光の効率が向上し、光源光の利用効率を向上することができる。

また、もう一つの改善手段としては、光源光をカライドスコープに導光し、光線のベクトルをミキシングすることによって、カライドスコープの光出射端面での光強度分布を均一化させ、この像を結像レンズによって、光変調パネルに光学的共役結像させるものがある。

この方法においても、均一性の高い照射光が得られ、スクリーン上での照度むらが大幅に改善される。

特開平０６−０９１９２３号公報特開２０００−３２１５２９号公報特開２００１−２２８５３３号公報特開２００２−０５７９６４号公報特開２００２−１３９７９７号公報

しかしながら、照明光を均一分布とすることに関しては効果的ではあるが、空間光変調器が透過型または反射型の液晶変調素子またはマイクロミラーアレイ変調パネルであることに関わらず、フルカラーの画像を表示する場合、光の３原色に対応する３個の空間光変調器で変調する場合には、３原色に対応する波長帯域の分離および合成手段により発生する光転送効率ロスによって、光源からの放射光量の利用効率が低下してしまう。また、マイクロミラーアレイ変調パネルの場合に実現されている方式で、単板変調パネルに色の３原色を時間的に変位変調照明する場合には、色を時間的空間的に変調照明するために、必要な色の波長帯域以外の光を吸収または反射して排除する系となっているため、同様に光源からの放射光量の利用効率が低下してしまうものとなっている。

即ち従来、光源からの放射光をスタティックまたはダイナミック的に有効に光変調に利用できる系とはなっていなかった。

本発明は、上記課題を達成するために、次の（１）から（１６）のように構成した照明光学系および該照明光学系を用いた投射型表示装置を提供するものである。

（１）光源からの光を直線偏光状態の光に変換し、１次元シリンドリカルレンズアレイを介してストライプ光像形成し、前記ストライプ光像を結像レンズによって被照明対象物へ投影照明する照明系であって、前記ストライプ光像を被照明対象物に投影する光路中に、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段を設け、複数の色に分解された多色ストライプ光像を被照明対象物へ照明することを特徴とする照明光学系。

（２）直線偏光状態の光は、光源に偏った偏光を有さない非ポラライズド光を用い、非ポラライズド光を多段の偏光ビームスプリッタと、一方の偏光波を他方の偏光波に変換する１／２λ波長板の組合せからなるＰＳ変換素子と称される手段を用いて生成されることを特徴とする上記（１）に記載の照明光学系。

（３）多色ストライプ光像は光の３原色の多段ストライプ光像であって、３色帯の繰返し周期像であることを特徴とする上記（１）記載の照明光学系。

（４）カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段は、光入射側から順に、カラー偏光子Ａと複屈折素子Ａとカラー偏光子Ｂと複屈折素子Ｂとカラー偏光子Ｃと検光子によって構成され、カラー偏光子Ａとカラー偏光子Ｂとカラー偏光子Ｃは色の３原色レッド、グリーン、ブルーの内一つの色のみに対してクロス偏光変換作用を与える素子であって、且つカラー偏光子Ａとカラー偏光子Ｂとカラー偏光子Ｃは夫々異なる色に対してクロス偏光変換作用を与える構成であることを特徴とする上記（１）記載の照明光学系。

（５）複屈折素子はニオブ酸リチウムまたは水晶の結晶光軸が光入射面に対して約４５度傾いたプレートからなることを特徴とする上記（１）記載の照明光学系。

（６）カラー偏光子はリタデーション・スタックスと呼ばれる各層において光軸が所定方向に傾いた屈折率楕円体フィルムの多層積層構造からなることを特徴とする（１）記載の照明光学系。

（７）１次元シリンドリカルレンズアレイによって生成されるストライプ光像の光帯幅と、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段によって分離される各色間のシフトピッチは略同じ幅で構成されることを特徴とする上記（１）記載の照明光学系。

（８）光源はショートアーク放電ランプであることを特徴とする上記（１）記載の照明光学系。

（９）前記照明光学系として請求項１〜８のいずれか１項に記載の照明光学系を用いて光変調画素が２次元に配列された空間光変調素子を照明し、照明光となる多色ストライプ光像を時間的変位手段によって変位させ、入力される画像信号と照明される色とに同期させて、空間光変調素子の各画素を変調し、変調された画像情報を有する出力光を投影レンズによって物体に投影して画像を表示することを特徴とする投写型表示装置。

（１０）照明光となる多色ストライプ光像を空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系内に組み込まれている１次元シリンドリカルレンズアレイを変位制御する機械的アクチュエータであることを特徴とする上記（９）記載の投写型表示装置。

（１１）照明光となる多色ストライプ光像を空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系の１次元シリンドリカルレンズアレイから空間光変調素子間に、ポッケルス素子等の屈折率変調素子を配して、光束の平行移動制御を行うことを特徴とする上記（９）記載の投写型表示装置。

（１２）空間光変調器は液晶ライトバルブ素子等の光の偏光状態変調と検光素子の組み合わせによって投写する光の強度を変調する空間光変調素子であることを特徴とする上記（９）から（１１）記載の投写型表示装置。

（１３）液晶ライトバルブ素子は強誘電液晶を用いた強誘電液晶変調素子であことを特徴とする上記（１２）記載の投写型表示装置。

（１４）液晶ライトバルブ素子は反強誘電液晶相状態を有する反強誘電液晶変調素子であことを特徴とする上記（１２）記載の投写型表示装置。

（１５）投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散反射光によって認識することができることを特徴とする上記（９）から（１４）記載の投写型表示装置。

（１６）投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散透過光によって認識することができることを特徴とする上記（９）から（１４）記載の投写型表示装置。

本願発明によれば、色分離合成時の光量転送ロスや、光源からの放射光量の利用効率が低下してしまうといった問題を解決し、光源光の利用効率の高い、飛躍的に明るい投写表示画像が得られる投射型表示装置を提供することを可能にしたものである。

以下、本発明の照明光学系および投写型表示装置を図面を参照しながら説明する。

（第１の実施形態）
本発明の照明装置（照明光学系）を配した実施形態に係る第一の投写型表示装置の実施形態を図１から図３に基づき説明する。図１から図３は第一の投射型表示装置の実施形態を構成する主要な光学ユニットを異なる方向からみた要部概略斜視図である。

４は光源となるパラボリッック反射ミラー付きガス励起発光源で、パラボリック反射ミラーと組合せられて概ね平行な可視光ビームを生成するが、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス（発散角）の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。

さらに、より点光源に近い発光源を得るために、放電ギャップに交流バイアスをかけて電極の双方向から電子放射して２点の点光源を形成するのではなく、発光効率およびエネルギー変換効率が減少するが、直流バイアスをかけて陰極電極側に高輝度の点光源を発生させる場合もある。

次に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源４から放射された光束のうち可視光領域外の紫外線は、紫外線カットフィルター５によって吸収または反射作用にてカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質されるので、これを防止するのが主な目的である。

次に、紫外線カットフィルター５を通過した可視光光束は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６に入射する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有するもので、入射する光束をアレイの個数分に分割し、個々に焦線を結んだ後、シリンドリカルコンデンサーレンズ１２によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。

ここで、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６とシリンドリカルコンデンサーレンズ１２の主平面間隔は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ１２の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。

さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ１２は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ１２の焦線の位置で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート操作がなされる。そして、シリンドリカルコンデンサーレンズ１２の焦線の位置が光変調パネル１の変調面となる。

第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６を通過した光束は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー７を通過する。この第２シリンドリカルアレイホモジナイザー７の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６の各アレイの瞳位置に設定されており、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー７とシリンドリカルコンデンサーレンズ１２のタンデムレンズ構成で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６の各アレイの瞳と光変調パネル１の変調面とが光学的に共役関係とされている。このため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６の各アレイの瞳は、図中の垂直方向において光変調パネル１の変調面に結像される。

ガス励起発光源４から放射された光束は完全な平行光とはならず、ダイバージェンスを有している。このため、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー７は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー６の各アレイの瞳を通過した光束を確実に光変調パネル１の変調面に導く。

第２シリンドリカルアレイホモジナイザー７を通過した光束は、偏光変換素子アレイ８に入射する。偏光変換素子アレイ８は、一般に液晶プロジェクタで用いられているＰＳ変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の水平方向に平行な偏光成分のみに変換するものである。すなわち、図中の垂直方向の偏光成分は偏光分離膜を通過させ、偏光変換素子アレイを出射する直前で半波長位相差板（図示せず）で偏光方向を９０度変換して図中の水平方向の直線偏光として出射させる。偏光分離膜で反射した図中水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射して光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ出射させる。こうして、偏光変換素子アレイ８を通過した光束はすべて図中の水平方向の直線偏光となる。

偏光変換素子アレイ８を通過した光束は、シリンドリカルレンズアレイ３と波長帯域空間分離手段２を介して第１シリンドリカルレンズ９に入射する。シリンドリカルレンズアレイ３と波長帯域空間分離手段２の機能については後述する。第１シリンドリカルレンズ９は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう２つ配置されている第２非球面シリンドリカルレンズ１０と第３非球面シリンドリカルレンズ１１との組み合わせによってビームコンプレッサを形成している。したがって、第１シリンドリカルレンズ９に入射する光束は、図中の水平方向においては圧縮され光変調パネル１に導かれる。

第１シリンドリカルレンズ９を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ１２に入射し、上述したようにこのシリンドリカルコンデンサーレンズ１２によって、シリンドリカルコンデンサーレンズ１２の焦線位置にある光変調パネル１の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。

シリンドリカルコンデンサーレンズ１２を通過した光束は、第２非球面シリンドリカルレンズ１０および第３非球面シリンドリカルレンズ１１に入射する。上述したように、第２非球面シリンドリカルレンズ１０と第３非球面シリンドリカルレンズ１１は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第１シリンドリカルレンズ９と対になってビームコンプレッサを形成している。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、アフォーカル状態で光変調パネル１に光束が導かれる。

さらに、この第２非球面シリンドリカルレンズ１０と第３非球面シリンドリカルレンズ１１によって、シリンドリカルレンズアレイ３の焦線像が光変調パネル１の変調面に結像投影される。

第２非球面シリンドリカルレンズ１０と第３非球面シリンドリカルレンズ１１は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー７の役割と同様に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源４から放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第１シリンドリカルレンズ９の瞳を通過した光束を確実に光変調パネル１の変調面に導くために配置されている。

第３非球面シリンドリカルレンズ１１を通過した光束は、偏光ビームスプリッタ１３に入射して図中縦方向に偏光している光束は、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離膜で液晶光変調パネル１によって、偏光状態を光変調パネルドライバー１６の画像ドライブ信号にしたがって変調され、偏光方向の変換を受けた光は偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離膜を通過して投影レンズ１４に導かれ、液晶光変調パネル１の変調面の情報を光拡散スクリーン１５に結像投影し、画像が表示される。

一方、偏光変換素子アレイ８を通過した後、シリンドリカルレンズアレイ３と波長帯域空間分離手段２における光束の振る舞いは、図中横方向に配列されたシリンドリカルレンズアレイ３の各シリンドリカル面によって光束が領域分割され、各シリンドリカル面によってレンズ作用を受け、焦線アレイを形成する。ただしこの時入射する光束はダイバージェンスを有しているため、各焦線は細線とはならず、所定幅を有したストライプパターンが形成される。このストライプパターンを波長帯域空間分離手段２によって色分離してから、第２非球面シリンドリカルレンズ１０と第３非球面シリンドリカルレンズ１１によって液晶光変調パネル１の光変調面へシリンドリカルレンズアレイ３の配列方向に投影結像転送するのであるが、上記波長帯域空間分離手段２による色分離方法に関しては詳細な説明を後述する。

液晶光変調パネル１の画素偏光変調ドライブによって光変調された光は、ＯＮ出力画素による光反射光は直線偏光がπの位相差変調が与えられ入射光の偏光方向に対して９０度異なる偏光方向の光に変換され、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離膜を通過し投影レンズ１４へ転送され、ＯＦＦ出力画素による光反射光は直線偏光方向が保存され、偏光ビームスプリッタ１３の偏光分離膜で反射され、光源側に戻されることによって画像情報の光変調が行われるものである。

次に、投影レンズ１４がとらえたＯＮ出力画素の光は、光拡散スクリーン１５に結像投影されて光変調パターンが表示されるものである。

一方、液晶光変調パネル１をドライブする変調信号に流れとしては、不図示の外部ビデオ入力信号を光変調パネル駆動信号に変換する光変調パネルドライバー１６からのドライブ信号を図中の実線を介して液晶光変調パネル１を制御されるものである。

また、投写型表示装置として、スクリーン１５は反射型であっても透過型であってもよく、かつ所定拡散性を有するものを用いればスクリーン１５を直視して画像を認識する表示装置として機能するものである。

次に、波長帯域空間分離手段２による色分離方法について図５を用いて説明する。

図５は波長帯域空間分離手段２による色分離方法を説明するために、シリンドリカルレンズアレイ３によって分割される、各光束の中心光線のみを常光線および異常光線、かつ分割波長帯域中心光線の光路を示している。実際の光束は収束発散角を有しているため、各分離光束の重なり合いが生じるが、色分離は光の偏光成分による常光、異常光によって平行シフトで分離するため、シリンドリカルレンズアレイ３によって生成されるストライプ光像面を不図示の図１から図３中の１０と１１で示される第２非球面シリンドリカルレンズと第３非球面シリンドリカルレンズによって投影転送されて、色分離したストライプ像を転送することができる。

図５に示される各部分および機能について詳細に説明する。

図中左端の矢印にて示される方向から、偏光変換素子アレイ８によって図５中縦方向に直線偏光した白色自然光がシリンドリカルレンズアレイ３に入射され、入射光は不図示のパラボリック反射ミラー付きガス励起発光源４からのダイバージェンスを有した略平行ビームが入射する。シリンドリカルレンズアレイ３は入射光束に各シリンドリカル面領域で紙面上下方向に屈折力を与えられアレイ状の収束光束を生成する。この生成されたアレイ状の収束光束はシリンドリカルレンズの焦線位置付近に最小幅のストライプ光像を形成し、以後発散光として夫々の光束が重なり合うように進行する。この光の進行に対して、偏光成分と波長成分を利用して色を空間的に分離するのであるが、シリンドリカルレンズ３から波長帯域空間分離手段２に入射した光は、波長帯域空間分離手段２の一構成要素であるブルークロス位相差付与カラー偏光子２ＰＡに各光束の中心光線が垂直入射する。入射した光はブルー色の波長帯域のみ電磁波の電界ベクトルと磁界ベクトルにπの位相差、つまりリタデーションが与えられ、結果的にブルー色の波長帯域のみの直線偏光成分がクロスの直交変換を受け、ブルー色の図中縦方向の直線偏光は図中紙面垂直方向の直線偏光に変換される。他のイエロー色成分は何の作用も受けないで図中縦方向の直線偏光にて出射する。

次に、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａの２ＳＡに入射し、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａは、ニオブ酸リチウムの単結晶を素材として結晶光軸は光の入射面に対して図中太実線矢印方向に示してあるとうり約４５度傾いている。ニオブ酸リチウムの単結晶は負の一軸性屈折率楕円体結晶であり、常屈折率と異常屈折率によって、結晶光軸ニ対して垂直な方向の偏光成分に対しては常光線として作用し、結晶光軸ニ対して平行な成分に対しては異常光線として作用するサバール板を形成しているものである。

入射した自然光の光軸は電磁波の偏光方向に成分分解され、上記結晶光軸と垂直な成分の偏波（図中×マークの偏光方向波）は、常光としてそのまま直進し、結晶光軸と平行な成分を有する偏波（図中縦方向矢印で示されている偏光方向波）は、異常光線として進行方向を曲げられ図５中下方向に進行する。サバール板の板厚Ｌ１に依存する量だけ、常光と異常光が分離され、サバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａの２ＳＡを出射する時には光線ベクトルは、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａの２ＳＡに入射するベクトルを保存して出射することとなる。

したがって、ブルークロス位相差付与カラー偏光子２ＰＡの作用によって生成された、図中紙面垂直方向に直線偏光したブルー光束、つまりブルー色の常光線は進行方向のシフト変位を受けずにそのまま進行し、図中縦方向に直線偏光したイエロー光束、つまりイエロー色の異常光線は図中Ｐにて示されるピッチＰだけ下方にシフト変位を受けて出射する。

次にサバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａの２ＳＡによって一段階の光束分離を受けた光は、グリーンクロス位相差付与カラー偏光子２ＰＢに各光束の中心光線が垂直入射する。入射した光はグリーン色の波長帯域のみ電磁波の電界ベクトルと磁界ベクトルにπの位相差、つまりリタデーションが与えられ、結果的にグリーン色の波長帯域のみの直線偏光成分がクロスの直交変換を受け、グリーン色の異常光線は常光線に変換され、他のブルーとレッド色成分は何の作用も受けないで出射する。

次に、またサバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｂの２ＳＢに入射する。入射する光は、常光線のブルー色と、ピッチＰだけ異なる位置にある常光線のグリーン色、異常光線のレッド色となる。負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｂは負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａと同様に、ニオブ酸リチウムの単結晶を素材として結晶光軸は光の入射面に対して図中太実線矢印方向に示してあるとうり約４５度傾いている。結晶光軸ニ対して垂直な方向の偏光成分に対しては常光線として作用し、結晶光軸ニ対して平行な成分に対しては異常光線として作用するサバール板を形成しているものであって、入射した光は、上記結晶光軸と垂直な成分の偏波は、常光線としてそのまま直進し、結晶光軸と平行な成分を有する偏波は、異常光線として進行方向を曲げられ図５中下方向に進行する。サバール板として作用する負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｂの板厚Ｌ２は、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａの板厚Ｌ１と同じ厚みに設定してあり、板厚Ｌ２に依存する量だけ、常光と異常光が分離され、サバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｂの２ＳＡを出射する時には光線ベクトルは、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｂの２ＳＡに入射するベクトルを保存して出射することとなる。即ち、異常光線のレッド色のみ図５中下方向に進行し、サバール板である負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａによる光束シフト量と同一分だけシフトするように設計されている。従って出射光束は、波長帯域空間分離手段２に入射して何のシフト変位を受けないブルー色の常光線と、図中Ｐで示されるピッチＰ分下方シフト変位を受けたグリーン色の常光線と、２倍のピッチＰ分下方シフトを受けたレッド色の異常光線に分離して出射する。

次に、さらにレッドクロス位相差付与カラー偏光子２ＰＣに各光束の中心光線が垂直入射する。入射した光はレッド色の波長帯域のみπのリタデーションが与えられ、結果的にレッド色の波長帯域のみの直線偏光成分がクロスの直交変換を受け、レッド色の異常光線は常光線へ変換され、他のブルー色、グリーン色成分は何の作用も受けないで出射する。このレッドクロス位相差付与カラー偏光子２ＰＣの作用によって出射光束はすべて図５中紙面垂直方向に直線偏光した光、すなわち波長帯域空間分離手段２に入射して何のシフト変位を受けないブルー色の常光線と、図中Ｐで示されるピッチＰ分下方シフト変位を受けたグリーン色の常光線と、２倍のピッチＰ分下方シフトを受けたレッド色の常光線に分離して出射する。

さらに、図中紙面垂直方向の直線偏光光束のみを通過させ、楕円偏光成分、図中縦方向の偏光成分を吸収するポラライザー２Ｒを、波長帯域空間分離手段２の光束出射側に設けることで、各カラー偏光子の作用誤差、かつ、各サバール板の作用誤差に起因する、不要な偏光成分を除去することができ、色純度の高い色分離ストライプ像を形成することができる。

一方、波長帯域空間分離手段２を最終的に出射する光束は、シリンドリカルレンズアレイのピッチはピッチＰの３倍に間隔で設計されているため、色分離したストライプ像は、ブルー、グリーン、レッドのピッチＰでの繰り返し等間隔像が形成されるものである。

したがって、波長帯域空間分離手段２を出射する光束は、常光ブルー光束１００Ｂと、常光グリーン光束１００Ｇ、常光レッド光束１００Ｒといったパターンの繰り返し光束が生成される。

次に生成された平行ピッチシフトの色分離光束が生成されたことによって、前述したシリンドリカルレンズアレイ３の焦線集光ストライプパターンを第２非球面シリンドリカルレンズ１０と第３非球面シリンドリカルレンズ１１によって、液晶光変調パネル１へ色分離ストライプパターンが投影転送され、図５中のＳで示される矢印方向にシリンドリカルレンズアレイ３を不図示のリニア超音波モータ等のアクチュエータによってレシプロシフト動作させることで、液晶光変調パネル１の光変調面１Ｅの色分離ストライプ照明像は移動動作するものである。

移動動作について図６を用いて説明する。

色分離ストライプ照明像は図６中、Ｓにて示される矢印方向に、シリンドリカルレンズアレイ３の移動に同期してレシプロシフトする。シリンドリカルレンズアレイ３の長さに応じてレシプロストロークは移動し、往復動作を繰り返すものである。

さらに、液晶光変調パネル１の各画素に照明される色に同期して、液晶光変調パネル１の各画素を色に対応した変調を行うことで、スクリーン１５に投影表示される画像は時間的に色混色がなされフルカラーの画像を表示するものとなる。ただし、色の信号を変調する場合には、人間の視覚反応が追いつかない人間工学に法った時間的早さで変調および時間的色混色を行うものである。

液晶光変調パネルの変調書き換え速度から、現在通常一般的に用いているＴＮ液晶の動作追従時間が５から２０ミリ秒と遅いため、本実施形態においては、液晶光変調パネルに強誘電性液晶デバイス、または反強誘電性液晶デバイスを用いている。また、誘電異方性パラメータであるΔε値の大きな液晶分子材料を用いた動作性が１ミリ秒より速い液晶デバイスを用いることもできるものである。

また、シリンドリカルレンズアレイ３を動作させない場合は、照明装置のシリンドリカルレンズアレイ３から液晶光変調パネル１の間に、ポッケルス素子または光カー効果素子等の屈折率変調素子を配して、ポッケルス素子にかける電界強度の制御によって光束の平行移動制御を行ってもかまわないものである。

（第２の実施形態）
本発明の照明装置を配した実施形態に係る第二の投写型表示装置の実施形態を図４に基づき説明する。図４は第二の投射型表示装置の実施形態を構成する主要な光学ユニットの要部概略斜視図である。

２４は光源となるパラボリッック反射ミラー付きガス励起発光源で、パラボリック反射ミラーと組合せられて概ね平行な可視光ビームを生成するが、得られる平行ビームをなるべくダイバージェンス（発散角）の少ない質の高いコリメート光束にするために、ガスの電子励起領域を限定するよう放電ギャップは極力狭く設計され、点光源発光に近い光源になっている。

次に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源２４から放射された光束のうち可視光領域外の紫外線は、紫外線カットフィルター２５によって吸収または反射作用にてカットされる。紫外線は、レンズの材料となる光学ガラスや光学薄膜を励起したり劣化させることも長期的には発生するが、特に光変調パネルに液晶素子を用いる場合には、有機材料である液晶ポリマーが紫外線によって分解変質されるので、これを防止するのが主な目的である。

次に、紫外線カットフィルター２５を通過した可視光光束は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６に入射する。第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６は、図中の垂直方向においてのみ屈折力を有するもので、入射する光束をアレイの個数分に分割し、個々に焦線を結んだ後、シリンドリカルコンデンサーレンズ３２によって再び所定幅に設定された平行光束に変換される。

ここで、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６とシリンドリカルコンデンサーレンズ３２の主平面間隔は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６の焦点距離とシリンドリカルコンデンサーレンズ３２の焦点距離の和に設定されている。これにより、光束は上記のように平行光束に再変換される。

さらに、シリンドリカルコンデンサーレンズ３２は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６の光軸線が各アレイの光軸線に対して偏心しているため、シリンドリカルコンデンサーレンズ３２の焦線の位置で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６の各アレイの通過した光束を重ね合わせる。これにより、オプティカルインテグレート操作がなされる。そして、シリンドリカルコンデンサーレンズ３２の焦線の位置は、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４によって等倍結像リレー像投影転送され、液晶変調パネル２１の変調面となる。

第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６を通過した光束は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２７を通過する。この第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２７の焦線の位置は、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６の各アレイの瞳位置に設定されており、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２７とシリンドリカルコンデンサーレンズ３２のタンデムレンズ構成で、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６の各アレイの瞳と光変調パネル２１の変調面とが、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４によって等倍結像リレー像投影転送され、光学的に共役関係とされている。このため、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６の各アレイの瞳は、図中の垂直方向において光変調パネル２１の変調面に結像される。

ガス励起発光源２４から放射された光束は完全な平行光とはならず、ダイバージェンスを有している。このため、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２７は、このダイバージェンス分の光束広がりを修正するために、第１シリンドリカルアレイホモジナイザー２６の各アレイの瞳を通過した光束をミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４を介して確実に光変調パネル２１の変調面に導く。

第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２７を通過した光束は、偏光変換素子アレイ２８に入射する。偏光変換素子アレイ２８は、一般に液晶プロジェクタで用いられているＰＳ変換素子と呼ばれるものと同様であり、ランプユニットから放射した光を、偏光ビームスプリッタを重ね合わせたアレイで、片側、たとえば図中の水平方向に平行な偏光成分のみに変換するものである。すなわち、図中の垂直方向の偏光成分は偏光分離膜を通過させ、偏光変換素子アレイを出射する直前で半波長位相差板（図示せず）で偏光方向を９０度変換して図中の水平方向の直線偏光として出射させる。偏光分離膜で反射した図中水平偏光成分はとなりの偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離膜で再度反射して光路をアレイのピッチ分だけシフトさせ出射させる。こうして、偏光変換素子アレイ２８を通過した光束はすべて図中の水平方向の直線偏光となる。

偏光変換素子アレイ２８を通過した光束は、第１シリンドリカルレンズ２９に入射する。第１シリンドリカルレンズ２９は、図中の水平方向においてのみ屈折力を有するもので、光束の進行方向にもう１つ配置されている第２シリンドリカルレンズ３０との組み合わせによってビームコンプレッサを形成している。したがって、第１シリンドリカルレンズ２９に入射する光束は、図中の水平方向においては圧縮され、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４を介して、液晶光変調パネル２１に導かれる。

第１シリンドリカルレンズ２９を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズ３２に入射し、上述したようにこのシリンドリカルコンデンサーレンズ３２によって、シリンドリカルコンデンサーレンズ３２の焦線位置の共役位置にある光変調パネル２１の変調面に図中の垂直方向で重ね合わされてインテグレートされる。

シリンドリカルコンデンサーレンズ３２を通過した光束は、第２シリンドリカルレンズ３０に入射する。上述したように、第２シリンドリカルレンズ３０は図中の水平方向のみに屈折力を有するもので、第１シリンドリカルレンズ２９と対になってビームコンプレッサを形成している。これにより、図中の水平方向において光束が圧縮され、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４を介して、光変調パネル２１に光束が導かれる。

さらに、この第２シリンドリカルレンズ３０によって、第１シリンドリカルレンズ２９の瞳像が、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４を介して、液晶光変調パネル２１の変調面に結像投影される。

第２シリンドリカルレンズ３０は、第２シリンドリカルアレイホモジナイザー２７の役割と同様に、パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源２４から放射された光束のダイバージェンス分の光束広がりを修正して、第１シリンドリカルレンズ２９の瞳を通過した光束を、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４を介して、確実に液晶光変調パネル２１の変調面に導くために配置されている。

第２シリンドリカルレンズ３０を通過した光束は、シリンドリカルコンデンサーレンズの焦線位置に相当する近傍に配置されたシリンドリカルレンズアレイ２３と波長帯域空間分離手段２２を介して、かつインテグレートされた光束とシリンドリカルレンズアレイ２３が生成するストライプライン像を、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４によって等倍結像リレー像投影転送され、かつ、偏光ビームスプリッタ３５に入射して図中縦方向に偏光している光束は、偏光ビームスプリッタ３５の偏光分離膜で液晶光変調パネル２１によって、偏光状態を光変調パネルドライバー３７の画像ドライブ信号にしたがって変調され、偏光方向の変換を受けた光は偏光ビームスプリッタ３５の偏光分離膜を通過して投影レンズ３６に導かれ、液晶光変調パネル２１の変調面の情報を光拡散スクリーン１５に結像投影し、画像が表示される。

一方、シリンドリカルレンズアレイ２３と波長帯域空間分離手段２２における光束の振る舞いは、図中横方向に配列されたシリンドリカルレンズアレイ２３の各シリンドリカル面によって光束が領域分割され、各シリンドリカル面によってレンズ作用を受け、焦線アレイを形成する。ただしこの時入射する光束はダイバージェンスを有しているため、各焦線は細線とはならず、所定幅を有したストライプパターンが形成される。このストライプパターンを波長帯域空間分離手段２２によって色分離してから、ミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４によって等倍結像リレー像投影転送され、液晶光変調パネル２１の光変調面へシリンドリカルレンズアレイ３の配列方向に無収差投影結像転送するのであるが、上記波長帯域空間分離手段２２による色分離方法に関しては第１の実施形態にて説明してきた原理と全く同様である。

液晶光変調パネル２１の画素偏光変調ドライブによって光変調された光は、ＯＮ出力画素による光反射光は直線偏光がπの位相差変調が与えられ入射光の偏光方向に対して９０度異なる偏光方向の光に変換され、偏光ビームスプリッタ３５の偏光分離膜を通過し投影レンズ３６へ転送され、ＯＦＦ出力画素による光反射光は直線偏光方向が保存され、偏光ビームスプリッタ３５の偏光分離膜で反射され、光源側に戻されることによって画像情報の光変調が行われるものである。

次に、投影レンズ３６がとらえたＯＮ出力画素の光は、光拡散スクリーン１５に結像投影されて光変調パターンが表示されるものである。

一方、液晶光変調パネル２１をドライブする変調信号に流れとしては、不図示の外部ビデオ入力信号を光変調パネル駆動信号に変換する光変調パネルドライバー３７からのドライブ信号を図中の実線を介して液晶光変調パネル２１を制御されるものである。

次に、シリンドリカルレンズアレイ２３と波長帯域空間分離手段２２によって色分離生成された平行ピッチシフトの色分離光束が、前述したシリンドリカルレンズアレイ２３の焦線集光ストライプパターンをミラープロジェクション系を構成する凹面鏡３３と凸面鏡３４によって等倍結像リレー像投影転送することによって、液晶光変調パネル２１へ色分離ストライプパターンが投影転送され、図４中の矢印で示される方向にシリンドリカルレンズアレイ２３を不図示のリニア超音波モータ等のアクチュエータによってレシプロシフト動作させることで、液晶光変調パネル２１の光変調面の色分離ストライプ照明像は第１の実施形態にて説明してきたことと全く同様に移動動作するものである。

さらに、液晶光変調パネル２１の各画素に照明される色に同期して、液晶光変調パネル２１の各画素を色に対応した変調を行うことで、スクリーン１５に投影表示される画像は時間的に色混色がなされフルカラーの画像を表示するものとなる。ただし、色の信号を変調する場合には、人間の視覚反応が追いつかない人間工学に法った時間的早さで変調および時間的色混色を行うものである。

また、シリンドリカルレンズアレイ３を動作させない場合は、照明装置のシリンドリカルレンズアレイ２３から液晶光変調パネル２１の間に、ポッケルス素子または光カー効果素子等の屈折率変調素子を配して、ポッケルス素子にかける電界強度の制御によって光束の平行移動制御を行ってもかまわないものである。

以上説明してきた投写型表示装置の動作および構成からわかるように、本実施例は、光源からの光を直線偏光状態の光に変換し、１次元シリンドリカルレンズアレイを介してストライプ光像形成し、前記ストライプ光像を結像レンズによって被照明対象物へ投影照明する照明系であって、前記ストライプ光像を被照明対象物に投影する光路中に、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段を設け、複数の色に分解された多色ストライプ光像を被照明対象物へ照明する照明装置を提供し、かつ光変調画素が２次元に配列された空間光変調素子を照明し、照明光となる多色ストライプ光像を時間的変位手段によって変位させ、入力される画像信号と照明される色とに同期させて、空間光変調素子の各画素を変調し、変調された画像情報を有する出力光を投影レンズによって単板の空間光変調器で構成することができ、色分離合成時の光量転送ロスや、光源からの放射光量の利用効率が低下してしまうといった問題を解決し、光源光の利用効率の高い、飛躍的に明るい投写表示画像が得られる投射型表示装置を提供することを可能にしたものである。
以下に本願実施例について簡単にまとめる。
本願実施例の照明光学系は、光源からの光を直線偏光状態の光に変換し、１次元シリンドリカルレンズアレイを介してストライプ光像を形成し、前記ストライプ光像を結像レンズによって被照明対象物へ投影する。それによって被照明対象物を照明することができる。ここで、ストライプ光像を被照明対象物に投影する光路中に、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段を設け、複数の色に分解された多色ストライプ光像を被照明対象物へ照明している。
ここで、直線偏光状態の光は、光源に偏った偏光を有さない非ポラライズド光（無偏光光）をＰＳ変換素子を用いて変換することによって生成されている。このＰＳ変換素子は、多段の偏光ビームスプリッタと、一方の偏光波を他方の偏光波に変換する１／２波長板の組合せから成る。ここで、多色ストライプ光像は光の３原色の多段ストライプ光像であって、３色帯の繰返し周期像である。ここで、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段は、光入射側から順に、カラー偏光子Ａと複屈折素子Ａとカラー偏光子Ｂと複屈折素子Ｂとカラー偏光子Ｃと検光子によって構成される。このカラー偏光子Ａとカラー偏光子Ｂとカラー偏光子Ｃは色の３原色レッド、グリーン、ブルーの内一つの色のみに対してクロス偏光変換作用を与える素子である。そして、カラー偏光子Ａとカラー偏光子Ｂとカラー偏光子Ｃは夫々異なる色に対してクロス偏光変換作用を与える構成である。ここ、複屈折素子はニオブ酸リチウムまたは水晶の結晶光軸が光入射面に対して約４５度傾いたプレートからなる。ここで、カラー偏光子はリタデーション・スタックスと呼ばれる各層において光軸が所定方向に傾いた屈折率楕円体フィルムの多層積層構造からなる。ここで、１次元シリンドリカルレンズアレイによって生成されるストライプ光像の光帯幅と、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段によって分離される各色間のシフトピッチは略同じ幅である。ここで、光源はショートアーク放電ランプである。
本実施例の投写型表示装置は、照明光学系として前述の照明光学系を用いて光変調画素が２次元に配列された空間光変調素子を照明している。その上で、照明光となる多色ストライプ光像を時間的変位手段によって変位させ、入力される画像信号と照明される色とに同期させている。そして、空間光変調素子の各画素を変調し、変調された画像情報を有する出力光を投影レンズによって物体に投影して画像を表示している。ここで、照明光となる多色ストライプ光像を空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系内に組み込まれている１次元シリンドリカルレンズアレイを変位制御する機械的アクチュエータである。ここで、照明光となる多色ストライプ光像を空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系の１次元シリンドリカルレンズアレイから空間光変調素子間に、屈折率変調素子を配して、光束の平行移動制御を行う。ここで、空間光変調器は液晶光変調素子と検光素子の組み合わせによって投写する光の強度を変調する空間光変調素子である。ここで、液晶ライトバルブ素子は強誘電液晶を用いた強誘電液晶変調素子である。ここで、液晶ライトバルブ素子は反強誘電液晶相状態を有する反強誘電液晶変調素子である。ここで、投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散反射光によって認識することができる。ここで、投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散透過光によって認識することができる。

本発明の第１の実施形態である照明装置を配した投射型表示装置の光学系要部概略斜視図本発明の第１の実施形態である照明装置を配した投射型表示装置の光学系要部概略上面図本発明の第１の実施形態である照明装置を配した投射型表示装置の光学系要部概略背面図本発明の第２の実施形態である照明装置を配した投射型表示装置の光学系要部概略斜視図本発明の照明装置の実施形態に組み込まれる波長帯域空間分離手段の特性機能を説明する概略図本発明の照明装置を用いて空間光変調器を照明する状態を説明する概略図

符号の説明

１液晶光変調パネル
１Ｅ液晶光変調パネル有効配列領域
２波長帯域空間分離手段
２ＳＡ負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａ
２ＳＢ負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｂ
２ＰＡブルークロス位相差付与カラー偏光子
２ＰＢグリーンクロス位相差付与カラー偏光子
２ＰＣレッドクロス位相差付与カラー偏光子
２Ｒポラライザー
３シリンドリカルレンズアレイ
４パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源
５紫外線カットフィルタ
６第１シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
７第２シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
８偏光変換素子アレイ
９第１シリンドリカルレンズ
１０第２非球面シリンドリカルレンズ
１１第３非球面シリンドリカルレンズ
１２シリンドリカルコンデンサーレンズ
１３偏光ビームスプリッタ
１４投影レンズ
１５光拡散スクリーン
１６光変調パネルドライバー
２１液晶光変調パネル
２２波長帯域空間分離手段
２３シリンドリカルレンズアレイ
２４パラボリック反射ミラー付きガス励起発光源
２５紫外線カットフィルタ
２６第一シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
２７第二シリンドリカルレンズアレイホモジナイザー
２８偏光変換素子アレイ
２９第一シリンドリカルレンズ
３０第二シリンドリカルレンズ
３１光束遮蔽板
３２シリンドリカルコンデンサーレンズ
３３凹面鏡
３４凸面鏡
３５偏光ビームスプリッタ
３６投影レンズ
３７光変調パネルドライバー
１００Ｒ常光レッド光束
１００Ｇ常光グリーン光束
１００Ｂ常光ブルー光束

Claims

光源からの光を直線偏光状態の光に変換し、１次元シリンドリカルレンズアレイを介してストライプ光像を形成し、前記ストライプ光像を結像レンズによって被照明対象物へ投影することによって前記被照明対象物を照明する照明系であって、前記ストライプ光像を前記被照明対象物に投影する光路中に、カラー偏光子と複屈折素子の多層構造からなる波長帯域空間分離手段を設け、複数の色に分解された多色ストライプ光像を前記被照明対象物へ照明することを特徴とする照明光学系。
前記直線偏光状態の光は、光源に偏った偏光を有さない非ポラライズド光を用い、非ポラライズド光を多段の偏光ビームスプリッタと、一方の偏光波を他方の偏光波に変換する１／２波長板の組合せからなるＰＳ変換素子を用いて生成されることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
前記多色ストライプ光像は光の３原色の多段ストライプ光像であって、３色帯の繰返し周期像であることを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
前記波長帯域空間分離手段は、光入射側から順に、カラー偏光子Ａと複屈折素子Ａとカラー偏光子Ｂと複屈折素子Ｂとカラー偏光子Ｃと検光子によって構成され、カラー偏光子Ａとカラー偏光子Ｂとカラー偏光子Ｃは色の３原色レッド、グリーン、ブルーの内一つの色のみに対してクロス偏光変換作用を与える素子であって、且つ前記カラー偏光子Ａと前記カラー偏光子Ｂと前記カラー偏光子Ｃは夫々異なる色に対してクロス偏光変換作用を与える構成であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の照明光学系。
前記複屈折素子はニオブ酸リチウムまたは水晶の結晶光軸が光入射面に対して約４５度傾いたプレートからなることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の照明光学系。
前記カラー偏光子は、各層において光軸が所定方向に傾いた屈折率楕円体フィルムの多層積層構造からなることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の照明光学系。
前記１次元シリンドリカルレンズアレイによって生成されるストライプ光像の光帯幅と、前記波長帯域空間分離手段によって分離される各色間のシフトピッチは同じ幅で構成されることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の照明光学系。
前記光源はショートアーク放電ランプであることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の照明光学系。
前記照明光学系として請求項１〜８のいずれか１項に記載の照明光学系を用いて光変調画素が２次元に配列された空間光変調素子を照明し、照明光となる前記多色ストライプ光像を時間的変位手段によって変位させ、入力される画像信号と照明される色とに同期させて、前記空間光変調素子の各画素を変調し、変調された画像情報を有する出力光を投影レンズによって物体に投影して画像を表示することを特徴とする投写型表示装置。
前記照明光となる前記多色ストライプ光像を前記空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系内に組み込まれている１次元シリンドリカルレンズアレイを変位制御する機械的アクチュエータであることを特徴とする請求項９記載の投写型表示装置。
前記照明光となる前記多色ストライプ光像を前記空間光変調素子面で時間的変位させる手段は、照明光学系の１次元シリンドリカルレンズアレイから空間光変調素子間に、屈折率変調素子を配して、光束の平行移動制御を行うことを特徴とする請求項９又は１０記載の投写型表示装置。
空間光変調素子は液晶光変調素子と検光素子の組み合わせによって投写する光の強度を変調する空間光変調素子であることを特徴とする請求項９乃至１１いずれかに記載の投写型表示装置。
前記液晶光変調素子は強誘電液晶を用いた強誘電液晶変調素子であることを特徴とする請求項１２記載の投写型表示装置。
前記液晶光変調素子は反強誘電液晶相状態を有する反強誘電液晶変調素子であることを特徴とする請求項１２記載の投写型表示装置。
投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散反射光によって認識することができることを特徴とする請求項９乃至１４いずれかに記載の投写型表示装置。
投影画像はスクリーンに投写され、所定指向性を有した拡散透過光によって認識することができることを特徴とする請求項９乃至１４いずれかに記載の投写型表示装置。