JP2000275571A - 映像形成光学系 - Google Patents
映像形成光学系Info
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Abstract
安価、さらには観察装置あるいは投影装置に用いた場合
に小型化が達成される構成の映像形成光学系を提供する
ことを目的とする。 【解決手段】 本発明の映像形成光学系は、照明光束を
形成する照明光源と、照明光束を映像光束に光学変調す
る反射型映像形成素子と、入射角度により、反射、透過
を選択的に行う光束選択面と、前記光束選択面と前記反
射型映像形成素子の間に配された偏向手段とを備え、光
束選択面において、照明光束と映像光束のうち一方を臨
界角度より大きい角度で入射させることにより反射さ
せ、他方を臨界角度より小さい角度で入射させることに
より透過させ分離する構成である。これらの入射角度は
偏向手段により適切な角度とすることができる。
Description
子を照明して映像光束を形成する映像形成光学系に関す
るものである。また、この映像形成光学系を用いた観察
装置、投影装置に関するものである。
素子が注目されている。これらにおいては、広開口率な
ので明るい、高速変調が可能であるというメリットがあ
る。たとえば、液晶の各画素を制御するための回路部分
にはある程度の大きさが必要であり、透過型液晶ではこ
の回路部分が開口径を小さくする要因となるのに対し、
反射型液晶ではこの回路部分を映像光束射出側と反対側
の面に配置可能なことにより回路部分による開口率の低
下が少なく、明るい画像が得られる。
液晶と同じ画素数の場合、明るさを低下させることなく
パネルの大きさを小さくすることが可能である。また、
パネルの大きさが同じである場合、画素数の向上が可能
で高精細化につながる。このような多くのメリットをも
つ反射型映像形成素子を用いれば、明るく高精細な画像
の作成が達成される。
合、照明光束が入射される側面と同一の側面から映像光
束が射出されるので、照明光束と映像光束を分離する必
要がある。この分離方法としてはさまざまな方法がある
が、以下、従来例1から従来例3の映像形成光学系につ
いて説明する。
の概略的な全体構成を示す。従来例1においては、反射
型映像形成素子101の前方に半透過面102を配置
し、実線で示す照明光束103を透過して反射型映像形
成素子101に導き、変調された一点鎖線で示す映像光
束104を反射して分離する。また、図6(b)に示す
ように、照明光束103を反射し、映像光束104を透
過することにより分離する構成もある。
例2においては、反射型表示素子101の前方に1/4
波長板109を配置して、照明光束106と映像光束1
08において偏光変換を行い、偏光選択面105を用い
て光束分離を行う。このような構成により、偏光選択面
105を透過された照明光束106は、偏光変換され偏
光選択面105で反射されることにより光量低下を低減
させている。たとえば、半透過面105がP偏光のみを
透過させる構成の場合は、照明光束106のうちP偏光
のみを透過させて反射型映像形成素子101に導き、S
偏光に変換された映像光束108を反射して分離する。
半分を照明と投影に用い、照明による光量損失をなくし
ている。このような構成の光学系は、たとえば、特開平
9−96867号公報に開示されている。
1においては、照明光源から分離された映像光束を得る
までに半透過面を2回通過するので、半透過面の反射率
を50%とした場合得られる光量は25%となり、光束
分離において照明光量の1/4しか映像光束として利用
できない。反射型映像形成素子として液晶素子を用いる
場合は、照明光束として特定の偏光方向の光束を入射さ
せなければならないので、この場合光量量損失はさらに
大きくなる。
失を小さくできるが、偏光選択面としては、実際にはP
BSミラーあるいはPBSブロックを用いる必要があ
る。これらは、入射角度依存性があるという問題点があ
る。すなわち、偏光選択面においては、さまざまな入射
角度の照明光線が入射されるが、最適化されていない入
射角度を有する光線は、本来の偏光選択性が失われ、透
過反射分離が確実に行われない。よって、照明光束の入
射角度の自由度が低く、また光量損失、有害光の発生原
因となる。さらに、PBSミラー、PBSブロック等
は、PBS層を形成する必要があり高価である。特に、
高精度のPBSブロックを形成する場合、ブロックを貼
り合わせて形成することになるが、手間がかかる上に非
常に高価である。
光学系に大きな瞳が必要となり、光学性能の確保が難し
くまた光学系の大型化をまねいている。
の少ない構成でありながら、簡素で安価、さらには観察
装置あるいは投影装置に用いた場合に小型化が達成され
る構成の映像形成光学系を提供することを目的とする。
に、本発明の映像形成光学系は、照明光束を形成する照
明光源と、照明光束を映像光束に光学変調する反射型映
像形成素子と、入射角度により、反射、透過を選択的に
行う光束選択面と、前記光束選択面と前記反射型映像形
成素子の間に配された偏向手段とを備え、前記照明光源
からの照明光束は、前記光束選択面で反射または透過さ
れ、前記偏向手段を介して前記反射型映像形成素子に与
えられ、前記反射型映像形成素子からの映像光束は、前
記偏向手段を介して前記光束選択面に与えられ、ここで
反射または透過のうち照明光束とは異なる作用を受ける
構成とする。
面による光束分離ではなく、光線の入射角度が臨界角度
を超えた場合は全反射することを利用した光束選択面に
おいて、光線の入射角度による光束分離を行う。尚、照
明光束および映像光束の光路補正を行う偏向手段を用い
ることにより、光束選択面あるいは映像形成素子へそれ
ぞれの光束が適切な入射角度で入射するように構成する
ことが可能である。たとえば、光束選択面において、確
実に照明光束と映像光束のうち一方の入射角度が臨界角
度より大きい角度、他方の入射角度が臨界角度より小さ
い角度で入射するようにする。また、偏向手段により望
ましい方向に進行する映像光束を取り出すことが可能と
なり、映像光束を後段の光学系に入射させる場合に好都
合である。
の映像形成光学系において、前記偏向手段は正のパワー
を有する構成とする。請求項3に記載の発明は、請求項
1または2に記載の映像形成光学系において、前記光束
選択面は、透過、反射のいずれを行う場合も各々光学的
パワーを有する構成とする。
素子を備えることにより、照明光源と映像光束を入射さ
せる観察光学系、あるいは投影光学系の瞳との関係をコ
ントロールすることが可能で、これにより照明光源の大
きさをコントロールすることができる。
いずれかに記載の映像形成光学系において、前記偏向手
段として回折光学素子を用いた構成とする。
いずれかに記載の映像形成光学系において、さらに、前
記光束選択面に対して、前記光束選択面で透過される光
束の進行方向前方に微小な間隔をおいて平行配置された
面を有する構成とする。
透過を選択する光束選択面は空気とは屈折率の異なる部
材の裏面反射を利用する。この場合、光束選択面を垂直
以外の角度で透過される光は屈折率の差により偏向す
る。この面に対して平行配置された面によると、この偏
向が打ち消される。
て、請求項1乃至5いずれかに記載の映像形成光学系
と、観察光学系を備え、前記映像形成光学系からの映像
光束を前記観察光学系を介して観察者の瞳に導く構成と
する。
て、請求項1乃至5いずれかに記載の映像形成光学系
と、投影光学系を備え、前記映像形成光学系からの映像
光束を前記投影光学系を介して投影面に投影する構成と
する。
図面を参照しながら説明する。まず、本発明を実施する
映像形成光学系を第1の実施形態として、本発明の原理
を説明する。
映像形成光学系の全体構成を示す。本実施形態の映像形
成光学系の主な構成要素は、不図示の照明光源と、光束
選択面1aと、偏向手段である楔プリズム2と、反射型
映像形成素子である液晶素子3となっている。光束選択
面1aは、プリズム1の裏面反射を利用している。
した照明光束L1は、光束選択面1aに入射する。この
光束選択面1aは、照明光束L1に対して臨界角度を超
えるように配置されており、したがって照明光束L1は
全反射される。光束選択面1aで反射された照明光束L
1は、楔プリズム2を介して液晶素子3に入射する。液
晶素子3において、映像光束L1は光学変調され映像光
束L2が形成される。液晶素子3から射出する映像光束
L2は、楔プリズム2を介して光束選択面1aに入射
し、ここを透過して照明光束L1と分離される。
リズム2においては、この偏向機能により入射時とは異
なった角度で射出する。この偏向機能は、照明光束L1
が任意の入射角度で液晶素子3に入射し、映像光束L2
が臨界角度より小さい入射角度で光束選択面1aに入射
するように光束を偏向するものである。また、映像光束
L2を不図示の後段の光学系に導く場合、後段の光学系
に対して望ましい入射角度で入射されるように、楔プリ
ズム2の偏光機能を選択することも可能である。この場
合、後段の光学系を含めた全体の光学系の小型化を図る
ことができるとともに、例えば映像光束を投影する場合
には良質な投影映像を得ることができる。
用いることにより、例えば光束選択面と液晶素子が平行
な位置関係にあるような構成においても、光束選択面に
おける照明光束と投影光束の入射角度に角度差を持たせ
ることが可能となり、これらを分離できる。尚、偏向手
段が上記のような機能を有することは、後述する他の実
施形態においても同様である。
微小な空間をおいて平行配置された面4aをもつプリズ
ム4が配置されている。このプリズム4により、光束選
択面1aを透過するときに発生する光束偏向をキャンセ
ルし、映像光束L2が光束選択面1aによって受ける影
響をなくしている。
殊なコーティングを施すことなくプリズムの裏面反射を
利用しただけの光束選択面により照明光束と映像光束の
分離がなされるので、簡素かつ安価に構成できる。ま
た、光束選択面においては、臨界角度より大きい全ての
光は反射され、臨界角度より小さい全ての光は透過され
るので角度依存性がなく、全ての光が所望の光路を辿る
ように光束選択面を構成できる。さらに、偏向手段の偏
向機能を任意に選択することにより、望ましい映像光束
を取り出すことが可能となり、後段の光学系の構成の自
由度が高くなる。たとえば、大型の光学系にしか導くこ
とができないなどという限定がなく、装置全体の小型化
を図ることができる。
向の照明光束を入射させる必要があり、偏光変換器また
は特定の偏光方向のみを取り出す手段を設ける必要があ
るが、図面上は省略する。以下の実施形態においても同
様に省略する。このような手段としては、例えば映像光
束L2中に配置される偏光板を用いることが可能であ
る。
観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、照明
光源52、プリズム12の裏面反射を利用した光束選択
面12a、偏向手段である楔プリズム22、反射型映像
形成素子である液晶素子32からなる光学系は、本発明
の映像形成光学系を実施する。本実施形態において、光
源52で発光された光は、導光板62に入射し、所望の
大きさに拡大され、照明光束としてプリズム12に入射
する。プリズム12の光束選択面12aから映像形成部
材32を介して光束選択面12aに再入射するのは第1
の実施形態の映像形成光学系と同様であるので、ここで
は説明を省略する。
離された映像光束は、プリズム72からなる観察光学系
に入射し、瞳82に導かれ拡大観察される。観察光学系
について具体的に説明する。プリズム72は、光束選択
面12aと微小な空間をおいて平行配置された面72c
をもち、映像光束において光束選択面12aを透過する
ときに発生する光束偏向をキャンセルする。プリズム7
2は、さらに面72aと、反射凹面72bを有する。プ
リズム72に入射した映像光束は、面72aに臨界角度
を超える入射角で入射し、ここで全反射される。そし
て、凹面72bで反射され、面72aに臨界角度より小
さい角度で入射し、ここを透過して観察者の瞳82に導
かれる。
観察光学系に適応する方向に進行する映像光束を映像形
成光学系から取り出すことができるので、装置全体の小
型化を図ることができるとともに、良質の観察映像が得
られる。また、第1の実施形態で説明したように、映像
形成光学系において安価で簡素な構成とすることが可能
なので、観察装置全体としても安価で簡素に構成するこ
とが可能となる。
観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、照明
光源53、プリズム13の裏面反射を利用した光束選択
面13a、プリズム13の端面である凸面を利用した偏
向面13b、反射型映像形成素子である液晶素子33か
らなる光学系は、本発明の映像形成光学系を実施する。
本実施形態において、光源53で発光された光は、導光
板63に入射し、所望の大きさに拡大され、照明光束と
してプリズム13に入射する。プリズム13の光束選択
面13aから液晶素子33を介して光束選択面13aに
再入射するのは第1の実施形態の映像形成光学系と同様
である。
のパワーを有するので導光板63から取り出す照明光束
の大きさを縮小でき、小型化を図ることができる。ま
た、偏向面13bは、液晶素子33の各位置に照明光束
が同一の入射角度で入射するように照明光束の偏向を行
う機能を有する。
離された映像光束は、プリズム73からなる観察光学系
に入射し、瞳83に導かれ拡大観察される。観察光学系
について具体的に説明する。プリズム73は、光束選択
面13aと間隔をおいて配置された面73cを有し、こ
こから映像光束が入射する。プリズム73は、さらに面
73aと、反射凹面73bを有する。プリズム73に入
射した映像光束は、面73aに臨界角度を超える入射角
度で入射し、ここで全反射される。そして、凹面73b
で反射され、面73aに臨界角度より小さい角度で入射
し、ここを透過して観察者の瞳83に導かれる。
実施形態と同様の効果が得られるとともに、偏向面にパ
ワーを持たせているので、映像形成光学系のさらなる小
型化を図ることが可能である。
観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、照明
光源54、プリズム14の裏面反射を利用した光束選択
面14b、プリズム14の端面である曲面を利用した偏
光面14d、液晶素子を用いた反射型映像形成素子34
からなる光学系は、本発明の映像形成光学系を実施す
る。本実施形態において、照明光源54から射出された
照明光束は、端面14aからプリズム14に入射し、凹
反射面14bと光束選択面15bで反射され、偏向面1
4dから反射型映像形成素子34に入射する。映像形成
素子34で光学変調され形成された映像光束は、偏光面
14dを透過して光束選択面14cに入射する。
び偏光面14dは照明面14aと観察者の瞳84が略共
役となるような正のパワーを有する。よって、照明面1
4aの縮小を図ることができ、このことは装置全体の小
型化へ寄与する。さらに、偏向面14dは、照明光束が
映像形成素子34の各位置に同じ入射角度で入射するよ
うに偏向する機能を有する。
離された映像光束は、プリズム74からなる観察光学系
に入射する。観察光学系における光の進行の様子は第3
の実施形態と同じであるので説明を省略する。
実施形態と同様の効果が得られるとともに、偏向面およ
び反射面にパワーを持たせているので、映像形成光学系
のさらなる小型化を図ることが可能である。
観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、発光
部55aおよびリフレクター55bからなる照明光源5
5、プリズム15の裏面反射を利用した光束選択面15
b、偏向手段である楔プリズム25、反射型映像形成素
子である液晶素子35からなる光学系は、本発明の映像
形成光学系を実施する。本実施形態において、照明光源
55から射出された照明光束は、端面15aからプリズ
ム15に入射し、光束選択面15bで反射され、楔プリ
ズム25を介して液晶素子35に入射する。液晶素子3
5で光学変調され形成された映像光束は、偏向素子25
を介して光束選択面15bに再入射する。ここでの光の
進行の様子は第1の実施形態と同様であるので、説明を
省略する。
正のパワーを有する曲面となっている。よって、照明面
15aの縮小を図ることができ、このことは装置全体の
小型化に寄与する。
離された映像光束は、プリズム45を介して観察光学系
75に入射し、その後瞳85に導かれ拡大観察される。
プリズム45は、光束選択面45aと微小な空間をおい
て配された同一の曲面45aを有し、ここで光束選択面
15bを透過する際に発生された偏向がキャンセルされ
る。
aは凸面であり、ハーフミラーとされている。観察光学
系75の他方の面75bは凹面であり、コレステリック
液晶層が設けられて、選択反射面とされている。観察光
学系75に入射する光束の半分は面75aを透過し、や
や収束しながら面75bに入射する。この光束は面75
bで反射されて面75aに再度入射し、半分が反射され
る。面75aによって反射された光は、さらに収束しな
がら面75bを透過して、観察者の瞳84に入射する。
軸構成である。よって、偏心収差などが発生しにくく観
察光学系75において高い光学性能が達成され、ひいて
は広視野で高精細な映像観察が可能となる。また、第2
の実施形態と同様の効果が得られる。
を達成する映像形成光学系で形成される映像光束を観察
光学系に導く観察装置について説明したが、映像光束を
投影光学系に導く投影装置を構成することも可能であ
り、この場合も、任意の投影光学系に適応する方向に進
行する映像光束を映像形成光学系から取り出すことがで
きるので、装置全体の小型化を図ることができるととも
に、良質の投影映像が得られる。また、第1の実施形態
で説明したように、映像形成光学系において安価で簡素
な構成とすることが可能なので、投影装置全体としても
安価で簡素に構成することが可能となる。
例とプリズムの偏向面を用いた例をあげたが、これに限
定するものではなく、例えばグレーティングやホログラ
ムなどの回折素子でも同様に光を偏向することができ
る。回折素子は薄い平面で構成することができるので、
この場合楔プリズムと比較してさらなる小型化を図るこ
とが可能となる。
系によると、特殊なコーティングを施すことなくプリズ
ムの裏面反射を利用しただけの光束選択面により照明光
束と映像光束の分離がなされるので、簡素かつ安価であ
る。また、光束選択面においては、臨界角度より大きい
全ての光は反射され、臨界角度より小さい全ての光は透
過されるので角度依存性がなく、全ての光が所望の光路
を辿るように光束選択面を構成でき、ここでの光量損失
が生じない。
することにより、望ましい映像光束を取り出すことが可
能となり、後段の光学系の構成の自由度が高くなる。例
えば、請求項6の観察装置及び請求項7の投影装置にお
いては、装置全体を小型にでき、良質の映像が得られる
構成とすることができる。
映像形成光学系によると、簡単にさらなる小型化を図る
ことができる。
と、傾いた光束選択面の影響が打ち消されその後の光学
系に影響がなく、たとえば観察装置および投影装置に用
いた場合には、良質な映像が得られる。
を示す図。
図。
図。
図。
図。
成を示す図。
成を示す図。
段) 3、32、33、34、35 液晶素子(反射型映像
形成素子) 4 プリズム 52、53、54、55 照明光源 L1 照明光束 L2 映像光束
Claims (7)
- 【請求項1】 照明光束を形成する照明光源と、 照明光束を映像光束に光学変調する反射型映像形成素子
と、 入射角度により、反射、透過を選択的に行う光束選択面
と、 前記光束選択面と前記反射型映像形成素子の間に配され
た偏向手段とを備え、 前記照明光源からの照明光束は、前記光束選択面で反射
または透過され、前記偏向手段を介して前記反射型映像
形成素子に与えられ、前記反射型映像形成素子からの映
像光束は、前記偏向手段を介して前記光束選択面に与え
られ、ここで反射または透過のうち照明光束とは異なる
作用を受けることを特徴とする映像形成光学系。 - 【請求項2】 前記偏向手段は正のパワーを有すること
を特徴とする請求項1に記載の映像形成光学系。 - 【請求項3】 前記光束選択面は、透過、反射のいずれ
を行う場合も各々光学的パワーを有することを特徴とす
る請求項1または2に記載の映像形成光学系。 - 【請求項4】 前記偏向手段は回折光学素子で構成され
ることを特徴とする請求項1乃至3いずれかに記載の映
像形成光学系。 - 【請求項5】 さらに、前記光束選択面に対して、前記
光束選択面で透過される光束の進行方向前方に微小な間
隔をおいて平行配置された面を有することを特徴とする
請求項1乃至4いずれかに記載の映像形成光学系。 - 【請求項6】 請求項1乃至5いずれかに記載の映像形
成光学系と、観察光学系を備え、 前記映像形成光学系からの映像光束を前記観察光学系を
介して観察者の瞳に導くことを特徴とする観察装置。 - 【請求項7】 請求項1乃至5いずれかに記載の映像形
成光学系と、投影光学系を備え、 前記映像形成光学系からの映像光束を前記投影光学系を
介して投影面に投影することを特徴とする投影装置。
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