JP2006003635A - 照明光学系および該照明光学系を用いた投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源からの放射光を有効に光変調に利用することができる照明光学系を提供する。
【解決手段】 所定の色の光の偏光方向を９０度回転させるカラー偏光子と、複屈折材料を含む複屈折素子との組合わせを複数有する照明光学系であって、白色光を複数の色光に分割して、該複数の色光で互いに異なる領域を照明する。
【選択図】 図１

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、特許文献１乃至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、本発明の照明装置は、所定の色の光の偏光方向を９０度回転させるカラー偏光子と、複屈折材料を含む複屈折素子との組合わせを複数有し、白色光を複数の色光に分割して、該複数の色光で互いに異なる領域を照明することを特徴としている。ここで、前記白色光は無偏光光であり、前記複数の色光とは、赤色光、緑色光、青色光であることが望ましい。
本発明の別の側面の照明装置は、光源からの光を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している。ここで、光源は偏った偏光を有さない非ポラライズド光であることが望ましい。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原色の内１色は他２色の約２倍のストライプ数で配色される４色帯の繰返し周期像であることが望ましい。
また、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、複屈折素子Ａとカラー偏光子Ａと複屈折素子Ｂとカラー偏光子Ｂと複屈折素子Ｃによって構成され、複屈折素子Ａの厚みは複屈折素子Ｂおよび複屈折素子Ｃの２倍で、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Ｂとカラー偏光子Ｃは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が望ましい。

また、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、入射光の色の３原色中一つの色の複屈折素子の結晶軸における常光、異常光に対応する直交する偏光成分が異なる光路をたどって出射位置において重なる配置構成を有していることが望ましい。
また、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が望ましい。
また、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が望ましい。
また、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が望ましい。
また、光源はショートアーク放電ランプであることが望ましい。

光源はショートアーク放電ランプであって、光源から１次元シリンドリカルレンズアレイへの光路中に、楕円体リフレクタを有する光捕獲ランプユニットと、ランプユニットからの出力光束を均等分布に変換するカライドスコープまたはカライドミラーからなるオプティカルインテグレータを配することが望ましい。

ここで、本願発明の一側面である投写型表示装置は、光変調素子と、光源からの光で前記光変調素子を照明する、前述の照明光学系と、前記光変調素子から出射する光束を投影する投影光学系とを備えることを特徴としている。
また、本発明の別の側面の投写型表示装置は、光変調素子と、光源からの光で前記光変調素子を照明する照明光学系と、前記光変調素子からの光を投影する投影光学系とを備える投写型表示装置であって、前記照明光学系は、所定の色の光の偏光方向を９０度回転させるカラー偏光子と、複屈折材料を含む複屈折素子との組合わせを複数有する波長帯域空間分離手段を有していることを特徴としている。
また、本発明の別の側面の投写型表示装置は、前記照明装置として前述の照明装置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している。
また、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、照明装置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が望ましい。
また、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、照明装置の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が望ましい。
また、空間光変調器はデジタルマイクロミラーアレイデバイス等の光の偏光状態変調を行わない空間光変調素子であることが望ましい。
また、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が望ましい。
また、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が望ましい。

本発明によれば、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、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が可能となる。

以下、本発明の照明装置および投写型表示装置を図面を参照しながら説明する。

本発明の照明装置を配した実施形態に係る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は投射型表示装置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ある。

６は光源となる楕円反射リフレクタ付きガス励起発光源で、高圧水銀ランプやメタルハライドランプまたはクセノンランプ等が用いられる。好ましくは、光源はショートアーク放電ランプであることが望ましい。さらに、この光源は偏った偏光を有さない非ポラライズド光を発することが望ましい。

このような光源と楕円反射ミラー（放物面ミラーと凸レンズの組合わせに置換しても良い）と組合せ、二つの焦点のうち片方をガス励起発光領域に設定し、他方の焦点をカライドスコープ５の光入射端面付近に設定してあり、効率的にカライドスコープ内へ光が導光されるよう配置されている。また、より効率的にカライドスコープ５の内部に導光するために、ガスの電子励起領域を限定するために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（交流バイアスをかけて、２点の発光点が発生する場合には、その楕円反射リフレクタの焦点が、２点の発光点の間に来るように配置するのが望ましい）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、カライドスコープ５は四角柱の内面反射バルクバー形態のものであって端面から光を入射させ、内面多重反射によって出射面において均一な光強度分布に変換するホモジナイジング機能を有している。放射角度分布においては、入射端面に導光した光線入射角度をそのまま反映し、出射面の端面光強度分布のみを均一化するものである。本実施例においてはバルクバー状のカライドスコープ５を用いているが、４個のミラーを内面反射として組み合わせたカライドミラーを用いてもかまわないものである。

次に、カライドスコープ５の出射端面から放射した光は、カライドスコープ５の出射端面に近接して配されたシリンドリカルレンズアレイ３に入射して、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（集光）作用を受け、焦線アレイ（各シリンドリカルレンズによって形成される焦点が直線状に並んでいる焦線が、各シリンドリカルレンズに対応した数だけ形成されたもの）を形成する。ただし、この時カライドスコープ５から出射した光束は放射角度分布を有している（様々な角度でシリンドリカルレンズアレイに入射する）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７の投影レンズＡによってマイクロミラーアレイ光変調パネル１の光変調面へ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。

７の投影レンズＡはシリンドリカルレンズアレイ３によって生成したストライプパターンを反射型の光変調器であるマイクロミラーアレイ光変調パネル１へ投影転送する。その光がマイクロミラーアレイ光変調パネル１（以下、マイクロミラーアレイ、又は光変調パネルと略す。）に導かれる光路と、そのマイクロミラーアレイ光変調パネル１で変調された光の光路とを分離するために、本実施例では、前記シリンドリカルレンズアレイ（又は光源）からマイクロミラーアレイに至る光束を反射し、マイクロミラーアレイで反射された光束を透過する機能を有する全反射チルトプリズム４を設けている。

マイクロミラーアレイ光変調パネル１は画素ごとにマイクロミラーを有しており、このマイクロミラーアレイ光変調パネル１による偏向操作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９Ａと９Ｂから構成される投影レンズＢへ偏向反射され、ＯＦＦ出力画素による光反射光は光吸収板８へ偏向反射されて光変調が行われるものである。ここで、光吸収板８は光を吸収し、高温になる可能性が高いため、光吸収板８を冷却するための専用の冷却ファンを設けることが好ましいが、その他の部材に用いる冷却ファンを用いて光吸収板８を冷却するようにしても良い。また、光吸収板８は、光散乱板や反射板に置き換えても構わない。

次に、９Ａと９Ｂから構成される投影レンズＢがとらえたＯＮ出力画素の光は、光拡散スクリーン１０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、マイクロミラーアレイ光変調パネル１をドライブする変調信号の流れとしては、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１１からのドライブ信号を図中の実線を介してマイクロミラーアレイ光変調パネル１を制御し、一方、本発明の照明系からの照明光は全反射チルトプリズム４の全反射面を介して反射され、マイクロミラーアレイ光変調パネル１を斜めから傾けて照明する。このときマイクロミラーアレイ光変調パネル１内に配されている偏向マイクロミラーは、マイクロミラーアレイ光変調パネル１の法線方向と照明光の光軸方向を含む面内で偏向する。一方、ビデオ信号等の入力信号に法って各マイクロミラーの角度が制御されたマイクロミラーアレイ光変調パネル１によって、照明光は、マイクロミラーアレイ光変調パネル１に配列されたマイクロミラー（画素ミラー）の変調状態（角度）に応じて反射方向が制御される。例えば、ＯＦＦ変調時（黒変調時）には、マイクロミラーで反射された光は投影レンズ４の瞳領域以外の領域、ここでは光吸収板８に反射光を導くように偏向変調されるため、光拡散スクリーン１０にはマイクロミラーで反射された光は到達しない。一方、ＯＮ変調時（白変調時）には、マイクロミラーで反射された光は全反射チルトプリズム４の全反射面に対して入射角が垂直方向に偏向されているため、全反射面を通過して、エアーギャップを介して、光路長補正のプリズムを通過して、そのまま９Ａと９Ｂから構成される投影レンズＢの入射瞳によって捕らえられ、光拡散スクリーン１０上に画像が投影される。つまり、マイクロミラーアレイ光変調パネル１の光変調面と光拡散スクリーン１０の光拡散面が投影レンズＢによって光学的共役関係に配されているため、ビデオ信号に法った画像が光拡散スクリーン１０に転送されて光拡散スクリーン１０に表示されるのである。

また、投写型表示装置として、光拡散スクリーン１０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。勿論、所定の方向及び限られた方向からしか画像を見ない場合には、スクリーンが拡散性を有する必要は無い。さらにここで言うスクリーンは特別なスクリーンを用いることは無く、例えば壁面やホワイトボード等であっても構わない。

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４を用いて説明する。

図４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の図である。シリンドリカルレンズアレイ３によって分割された各光束中の各波長帯域（各色）の光束の中心光線の光路を示している。（ここでは、色分離を行う際に、所定の色の光とそれ以外の光との偏光方向とを互いに異ならしめた状態で複屈折材料に入射させており、上記の中心光線の光路は、言い換えれば複屈折材料に入射する常光線と異常光線との光路を描いたものである。）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３中の７で示される投影レンズＡ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４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、入射光は不図示のカライドスコープ５の光出射端面からの放射光に従った、発散収束成分が含まれているものである。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社面に対して図中太実線矢印方向に示してある通り約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、結晶光軸ニ対して垂直な方向の偏光成分の光（常光線）に対しては常屈折率を有する材料として作用し、結晶光軸ニ対して平行な方向の偏光成分の光（異常光線）に対しては、常屈折率とは異なる異常屈折率を有する材料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４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。

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、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略垂直に入射する。入射した光束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（青色波長帯域の光束の偏光方向が９０度回転され）、ブルー色の常光線は異常光線へ、ブルー色の異常光線は常光線に変換され、他のイエロー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、同位置にある常光線のイエロー色、異常光線のブルー色と、前記常光線のイエロー色、異常光線のブルー色と異なる位置にあり、かつ同位置にある常光線のブルー色、異常光線のイエロー色となる。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社面に対して図中太実線矢印方向に示してある通り約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４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の半分の厚み（常光線に対する屈折率、異常光線に対する屈折率に依存するため、ちょうど半分で無くても良く、４０〜６０％の範囲内、好ましくは４６％〜５４％の範囲内であれば構わない）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、異常光線のイエロー色と異常光線のブルー色のみ図４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の半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イエロー色の常光線と、図中Ｐで示されるピッチＰの分だけ下方にシフト変位を受けたブルー色の異常光線と、ピッチＰの２倍の量の下方シフトを受けたブルー色の常光線と、ピッチＰの３倍の量の下方シフトを受けたイエロー色の異常光線に分離して出射する。ここで、「下方シフト」としているのは、勿論下方に限定されるものでは無く、任意の設定した方向で構わない。但し、波長帯域空間分離手段２よりも光源側に配置されたシリンドリカルレンズアレイが屈折力を有する方向と平行な面（好ましくは、シリンドリカルレンズの母線と垂直な平面）内において、常光線と異常光線を分離することが望ましい。また、シリンドリカルレンズでは無く、微小レンズが２次元的に複数配置されたレンズアレイを用いる場合には、その微小レンズの配列方向と平行であることが望ましい。

次に、さらに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πの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、グリーン色の常光線は異常光線へ、グリーン色の異常光線は常光線に変換され、他のマゼンタ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Ｃの２ＳＣに入射する。入射光束は、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レッド色の常光線とグリーン色の異常光線と、図中Ｐで示されるピッチＰ分下方シフト変位を受けたブルー色の異常光線と、ピッチＰの２倍の量の下方シフトを受けたブルー色の常光線と、ピッチＰの３倍の量の下方シフトを受けたレッド色の異常光線とグリーン色の常光線となる。負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｃ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社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４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Ｃの板厚Ｌ３は、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｂの板厚Ｌ２と同様に、負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ａの板厚Ｌ１のちょうど半分の厚みに設定してあり、板厚Ｌ３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Ｃの２ＳＣ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Ｃの２ＳＣ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、異常光線のイグリーン色と異常光線のブルー色と異常光線のレッド色がそれぞれ図４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の半分だけシフトするように設計されている。

従って、波長帯域空間分離手段２を最終的に出射する光束は、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イレッド色の常光線と、図中Ｐで示されるピッチＰの分だけ下方にシフト変位を受けたグリーン色の異常光線と、ピッチＰの２倍の量の下方シフトを受けたブルー色の異常光線とブルー色の常光線、ピッチＰの３倍の量の下方シフトを受けたグリーン色の常光線と、ピッチＰの４倍の量の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。

さらにここで、シリンドリカルレンズアレイ３のアレイピッチがピッチＰの４倍の間隔で配列されているため、ピッチＰの４倍分の下方シフトを受けたレッド色の異常光線と、一段下のシリンドリカルレンズ面を通過した何のシフト変位を受けないイレッド色の常光線とは、同一の位置に重なり合うように設定されているものである。

したがって、波長帯域空間分離手段２を出射する光束は、常光レッド光束１００Ｒ（Ｒは赤色波長帯域の光束であることを表しており、以下同じ。）と、異常光グリーン光束１０１Ｇ（Ｇは緑色波長帯域の光束であることを表しており、以下同じ。）、異常光ブルー光束１０１Ｂ＋常光ブルー光束１００Ｂ（Ｂは青色波長帯域の光束であることを表しており、以下同じ。）、常光グリーン光束１００Ｇ、異常光レッド光束１０１Ｒ＋常光レッド光束１００Ｒの繰返しと、異常光グリーン光束１０１Ｇ、異常光ブルー光束１０１Ｂ＋常光ブルー光束１００Ｂ、常光グリーン光束１００Ｇ、異常光レッド光束１０１Ｒといったパターンの光束が生成される。

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投影レンズＡの７によって、マイクロミラーアレイ光変調パネル１へ色分離ストライプパターンが投影転送され、図４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、マイクロミラーアレイ光変調パネル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５（ａ）から図５（ｄ）を用いて説明する。

色分離ストライプ照明像は図中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。図５（ａ）から図５（ｄ）でストライプが１ピッチ上方へシフトした変化を示しているが、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、マイクロミラーアレイ光変調パネル１の各画素に照明される色に同期して、マイクロミラーアレイ光変調パネル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１０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速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３からマイクロミラーアレイ光変調パネル１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する。さらに、この照明系、照明装置により光変調画素が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によって、単板の空間光変調器で構成することができる。このような照明系、照明装置、投写型表示装置（投影装置）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を得ることが可能となる。

本発明の照明装置を配した実施形態に係る投射型表示装置の要部概略斜視図 本発明の照明装置を配した実施形態に係る投射型表示装置の異なる方向からみた要部概略斜視図 本発明の照明装置を配した実施形態に係る投射型表示装置の異なる方向からみた要部概略斜視図 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 マイクロミラーアレイ光変調パネル
１Ｅ マイクロミラーアレイ有効配列領域
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
２ＳＣ 負屈折率楕円体結晶複屈折素子Ｃ
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
３ シリンドリカルレンズアレイ
４ 全反射チルトプリズム
５ カライドスコープ
６ 楕円反射リフレクタ付きガス励起発光源
７ 投影レンズＡ
８ 光吸収板
９Ａ 投影レンズＢ（前玉）
９Ｂ 投影レンズＢ（後玉）
１０ 光拡散スクリーン
１１ 光変調パネルドライバー
１００Ｒ 常光レッド光束
１０１Ｒ 異常光レッド光束
１００Ｇ 常光グリーン光束
１０１Ｇ 異常光グリーン光束
１００Ｂ 常光ブルー光束
１０１Ｂ 異常光ブルー光束

Claims (18)

1. 所定の色の光の偏光方向を９０度回転させるカラー偏光子と、複屈折材料を含む複屈折素子との組合わせを複数有し、白色光を複数の色光に分割して、該複数の色光で互いに異なる領域を照明することを特徴とする照明光学系。
2. 前記白色光は無偏光光であり、前記複数の色光とは、赤色光、緑色光、青色光であることを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 光源からの光を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光学系であって、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。
4. 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原色の内１色は他２色の約２倍のストライプ数で配色される４色帯の繰返し周期像であることを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
5. 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、複屈折素子Ａとカラー偏光子Ａと複屈折素子Ｂとカラー偏光子Ｂと複屈折素子Ｃによって構成され、複屈折素子Ａの厚みは複屈折素子Ｂおよび複屈折素子Ｃの２倍で、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Ｂとカラー偏光子Ｃは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３記載の照明光学系。
6. 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、入射光の色の３原色中一つの色の複屈折素子の結晶軸における常光、異常光に対応する直交する偏光成分が異なる光路をたどって出射位置において重なる配置構成を有していることを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
7. 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３記載の照明光学系。
8. 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請求項３記載の照明光学系。
9. 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請求項１記載の照明光学系。
10. 光源はショートアーク放電ランプであって、光源から１次元シリンドリカルレンズアレイへの光路中に、楕円体リフレクタを有する光捕獲ランプユニットと、ランプユニットからの出力光束を均等分布に変換するカライドスコープまたはカライドミラーからなるオプティカルインテグレータを配することを特徴とする請求項３記載の照明光学系。
11. 光変調素子と、光源からの光で前記光変調素子を照明する、請求項１〜１０いずれかに記載の照明光学系と、前記光変調素子から出射する光束を投影する投影光学系とを備えることを特徴とする投写型表示装置。
12. 光変調素子と、光源からの光で前記光変調素子を照明する照明光学系と、前記光変調素子からの光を投影する投影光学系とを備える投写型表示装置であって、
    前記照明光学系は、所定の色の光の偏光方向を９０度回転させるカラー偏光子と、複屈折材料を含む複屈折素子との組合わせを複数有する波長帯域空間分離手段を有していることを特徴とする投写型表示装置。
13. 請求項１〜１０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。
14. 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、照明装置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１３記載の投写型表示装置。
15. 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、照明装置の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請求項１３記載の投写型表示装置。
16. 空間光変調器はデジタルマイクロミラーアレイデバイス等の光の偏光状態変調を行わない空間光変調素子であることを特徴とする請求項１３から１５記載の投写型表示装置。
17. 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１３から１６記載の投写型表示装置。
18. 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１３から１６記載の投写型表示装置。
    

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