JP2006235145A - 光学デバイス、光学装置、表示装置及び立体画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、光利用効率に優れた光学デバイス、光学装置、表示装置及び立体画像表示装置を提供する。
【解決手段】 本発明は、回転軸を有し、回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備え、面上に、所定の色及び所定の直線偏光方向のみの光を透過させ、所定の色及び所定の直線偏光方向のみの光以外の光を反射する光学的異方性媒質が回転方向に沿って複数形成され、各光学的異方性媒質の透過光の色及び直線偏光方向を少なくとも２種類以上に設定し、回転に伴い面を通る光線の色及び直線偏光方向を時間的に切り替えて出射する。
【選択図】 図７

Description

本発明は光学デバイス、光学装置、表示装置及び立体画像表示装置に関し、詳細には投射型表示装置、特にデジタルマイクロミラーデバイス（以下ＤＭＤと略す）を用いた投射型表示装置に利用され、その高精細化を図る技術及び光利用効率を改善する技術に関する。

はじめに、本明細書における用語を以下のとおり定義しておく。先ず、「ピクセルシフト技術」とは、少なくとも画像情報に従って光を制御可能な複数の画素を二次元的に配列した画像表示素子と、画像表示素子を照明する光源と、画像表示素子に表示した画像パターンを観察するための光学部材と、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に画像表示素子と光学部材の間の光路を偏向する光偏向手段とを有したピクセルシフト素子を用い、光偏向手段によりサブフィールド毎の光路の偏向に応じて表示位置がずれている状態の画像パターンを表示させることで、画像表示素子の見掛け上の画素数を増倍して表示する技術を指す。また、「直線偏光の偏光方向」とは、直線偏光における電界ベクトルの振動方向を指す。

従来のピクセルシフト技術は、画像表示素子や投射光学系の光学要素を揺動したり、液晶等による光偏光素子を利用したりする方式であるが、前者の揺動方式では機械的振動を伴うため、画像表示素子や光学要素の耐久性を損ねたり、発熱、騒音等の問題が生じる。後者の液晶方式は、機械的信頼性の点では優れているが、液晶配向制御が不十分な場合、画像コントラストを劣化させ、素子化のためのコストが多くかかる。

一方で、ＤＭＤを用いた投射型表示装置が開発されている。このＤＭＤを用いた投射型表示装置には、カラーホイールを用いたフィールドシーケンシャルカラー方式によるカラー化を図った装置がある。この装置について図面を用いて以下説明する。図２４は従来の投射型表示装置の構成を示す概略図である。同図において、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等白色光源を有するランプユニット２４１から出射した光線は、図２５に示すような構成を有し、かつ回転するカラーホイール２４２を通過する際、時間的に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に切り替えられる。カラーホイール２４２から出射した光はレンズ２４３により光強度の均一性を向上させるためのロッドインテグレータ２４４に導かれ、コンデンサレンズ２４５を介してＤＭＤ２４６に照射される。ＤＭＤ２４６はマイクロミラーよりなる画素が２次元的に配列されている画像表示素子である。各ピクセルに対応する画像信号によって、ピクセル毎にミラーの角度を切り替え、投射レンズ２４７の方向に反射する時間の長さと投射レンズ２４７以外の方向に反射する時間の長さを制御することで、画素毎に所定の明るさを得る。

ここで、ＤＭＤの高精細化、画像スムーズ化を図る技術として特許文献１にピクセルシフトと類似する技術が提案され、ＤＭＤ本体や投射光学系の光学要素を揺動する方式である。
特開２００４−０７０３６５号公報

しかしながら、特許文献１によれば、機械的振動を伴うため、画像表示素子や光学要素の耐久性を損ねたり、発熱、騒音等の問題が生じる。この揺動方式の欠点を解決するために、図２６に示す従来の光学デバイスを用いた光学装置がある。この光学装置２６０は、回転軸を有する円柱をなし、かつ光学デバイスにおける光学的異方性媒質が円柱の側面に形成されている光学デバイス２６１の内部に、光学的異方性媒質を透過する光線の光路上に固定ミラー２６２が設置されて構成されている。そして、光線２６３は光学的異方性媒質が備わる面２６４を１回だけ通過する。この光学的異方性媒質は直交する２つの偏光子よりなり、入射光が無偏光である場合、図２６に示すように、直交する偏光が時間的に切り替わりながら出射する。しかし、この光学装置における光学デバイスは透過光以外の光を全てカットしてしまうため、色について１／３、偏光について１／２の光しか利用できないため、合せて１／６の光利用効率となってしまっていた。

本発明はこれらの問題点を解決するためのものであり、光利用効率に優れた光学デバイス、光学装置、表示装置及び立体画像表示装置を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明は、回転軸を有し、回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備え、面上に、所定の色及び所定の直線偏光方向のみの光を透過させ、所定の色及び所定の直線偏光方向のみの光以外の光を反射する光学的異方性媒質が回転方向に沿って複数形成され、各光学的異方性媒質の透過光の色及び直線偏光方向を少なくとも２種類以上に設定し、回転に伴い面を通る光線の色及び直線偏光方向を時間的に切り替えて出射する。よって、反射された光をさらに利用することが可能となり光利用効率を高めることができる。

また、別の発明としての光学装置は、反射板を有する光源と、光源から入射する光の配光分布を均質化し出射する配光均質化手段と、上記記載の光学デバイスを有する。そして、本発明の光学装置は、光学デバイス上の光学的異方性媒質で反射された光成分が、配光均質化手段を介して光源の反射板により再び反射されて別の光学的異方性媒質に到達するよう構成した。よって、反射光が迷光となることを防ぎ、光利用効率を高めることができる。

更に、配光均質化手段が、カライドスコープ型ロッドインテグレータであって、出射窓が光学デバイス内部に構成されていることにより、光学デバイスまでの距離を短縮できて均一照明が可能となるとともに、装置の小型化及び低コスト化が図れる。

また、配光均質化手段が、カライドスコープ型ロッドインテグレータであって、入射窓の内面側に位相シフタが形成されてなることにより、光学デバイスから反射された光に対して直交する直線偏光に均等に光を振り分けることが可能となって光量ムラを抑えることができる。

更に、光学デバイスを透過する光が少なくとも２つ以上の光学的異方性媒質をまたがって透過することや、光学デバイスを透過する光が同一時間に常に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色を含むことにより、それぞれの透過域を設けることで白色光を効率的に利用できる。

また、別の発明としての表示装置は、上記の光学装置と、画像表示素子と、光学装置に介した光学デバイス像を画像表示素子上に結像するリレーレンズと、画像表示素子からの光を投射する投射レンズとを有している。そして、本発明の表示装置は、光学デバイスの回転に伴って画像表示素子上を所定色及び所定直線偏光方向の光が順次走査しながら照明して表示する。よって、光利用効率が高く、高解像度の表示装置を提供できる。

更に、投射レンズと画像表示素子の間に、光軸に対して傾斜した方向に光学軸を有する複屈折素子を設け、そして複屈折素子に入射する光線の偏光方向が複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対して平行な状態と垂直な状態で切り替わることにより、従来の装置構造と部品点数がほぼ同等でありながら光利用効率が高く、高解像度の表示装置を提供できる。

また、別の発明としての立体画像表示装置は、上記の表示装置と、表示装置から出射されるそれぞれの直線偏光の偏光方向と一致する透過軸を有する偏光フィルタを観察者の左右眼用に対応して有する偏光選択手段とを有することに特徴がある。よって、波長依存性が少なく偏光純度の優れた偏光が得ら、高画質の立体画像を形成できる。また、照明系内に光学デバイスを設けることで、投射レンズのバックフォーカス増大を回避でき装置小型化が図れる。装置小型化に伴い低コスト化や、リアプロジェクションタイプの場合は薄型化、そして投射系内の光学部品点数を低減させ画像品質向上が図れる。更に、立体画像形成のための新たな構成部品を必要としないので投射光学系の設計が容易となる。

更に、偏光選択手段が眼鏡型であり、偏光フィルタが各眼に対応する眼鏡に設けられていることにより、観察者の位置にかかわらずして良好な立体画像が観察できる。

本発明の光学デバイスは、回転軸を有して回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面上に、所定の色及び所定の直線偏光方向のみの光以外の光を反射する光学的異方性媒質が回転方向に沿って複数形成されている。また、各光学的異方性媒質の透過光の色及び直線偏光方向を少なくとも２種類以上に設定し、回転に伴い面を通る光線の色及び直線偏光方向を時間的に切り替えて出射する。よって、光利用効率に優れた光学デバイスを提供できる。

図１は本発明の第１の実施の形態例に係る光学デバイスの構成を示す斜視図である。同図に示す光学デバイス１０は、回転軸１１を有する四角柱をなし、回転軸１１に対して平行でかつ透光性を有する４つの面１２を備え、この面１２の少なくとも一部が光学的異方性媒質により形成され、回転に伴い面１２を通る光線の偏光状態を時間的に切り替え出射する。

図２は第１の実施の形態例の光学デバイスの他の例の構成を示す斜視図である。同図に示す光学デバイス２０は、回転軸２１を有する六角形柱をなし、回転軸２１に対して平行でかつ透光性を有する６つの面２２を備え、この面２２の少なくとも一部が光学的異方性媒質により形成され、回転に伴い面２２を通る光線の偏光状態を時間的に切り替え出射する。

なお、上述した本実施の形態例の光学デバイスは、図１のような四角柱や図２のような六角形柱に限定されず、多角柱状であればよい。また、回転軸１１，２１は回転対称軸と一致して選ばれている。光学的異方性媒質は多角柱の側面に形成されている。

図３は第１の実施の形態例の光学デバイスの他の構成を示す斜視図である。同図に示す光学デバイス３０は、回転軸３１を有する円柱をなし、光学デバイス３０における光学的異方性媒質が円柱の側面３２に形成されている。また、光学デバイス３０は、例えば光が通る部位を避け、金属や樹脂等でフレームを形成し、このフレームに光学的異方性媒質のエッジを接着することで形成できる。また、ガラス、透明樹脂等、あるいは透明性で光学的に等方性を有する材料で基材を成型し、その上に光学的異方性媒質を印刷し、又は真空成膜などにより形成してもよい。

以上説明したように、光学的異方性媒質としては、ある所定方向の偏光のみ透過し、それ以外の方向の光線を遮光する直線偏光子、偏光方向により光線の伝播速度に差を持たせる位相シフタが用いられる。特に、位相シフタとして、入射光と出射光に半波長分の位相差を持たせる１／２波長素子、１／４波長分の位相差を持たせる１／４波長素子が選ばれる。それぞれの異方性媒体は、可視光域全般に均一な特性を持つものが好ましいが、特に緑色域で良好に機能するものが望ましい。その材料としては一般的に光学部品として用いられているものを利用でき、例えばポリビニルアルコール、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリサルフォン、ポリオレフィンなどの樹脂を延伸し光学異方性を持たせたものを用いることができる。

また、図１及び図２に示す光学デバイスにおいて、各面毎に異なる方向の直線偏光子を配置させることで、各面毎に偏光方向を制御させることが可能である。また、図３に示す光学デバイスにおいては、側面３２で回転方向に所定の間隔で直線偏光を形成させることで、偏光方向を制御できる。更に、ＤＭＤを用いたピクセルシフトにおいては、直交する偏光を時間的に切り替えることが必要であり、その意味から偏光方向としては、出射光の偏光方向が直交する２つの偏光子が交互に配列されてなる構造が有用である。いずれの場合においても偏光子から出射する光線の波長特性が均等であることが望ましく、同種類の偏光子を９０度傾けた状態で配置していくのがよい。図４に示すように、透明な円盤の表面４１に直線偏光子を形成した構成のものを用意し、円盤４０を回転することで偏光状態を時間的に切り替えることも可能であるが、光線通過領域全域４２で均一な方向の直線偏光を得ることはできない。

図５は本発明の光学デバイスを用いた光学装置の構成を示す斜視図である。同図に示す光学装置５０は、図３に示す光学デバイス３０の内部に、光学的異方性媒質を透過する光線の光路上に固定ミラー５１が設置されて構成されている。光線５２は光学的異方性媒質が備わる面３２を１回だけ通過する。この光学的異方性媒質は直交する２つの偏光子よりなり、入射光が無偏光である場合、図５に示すように、直交する偏光が時間的に切り替わりながら出射する。この場合、図４と比較し光線通過領域全域で均一な方向直線偏光が得られる。図５では光線の進行方向を固定ミラー５１から光学的異方性媒質に向かう方向に設定しており、このように設定することで、例えば図６に示すとおり、ＤＭＤに至るまでの光路に反射面を設ける必要がなく反射面の面精度に起因する偏光乱れを回避できる。図６において、ランプユニット６１から出射した光線は、カラーホイール６２の面で一旦集光し、色が時間的にＲＧＢに分割され出射する。カラーホイール６２から出射した光はレンズ６３によりロッドインテグレータ６４に導かれ光量分布の均質化が図られる。ロッドインテグレータ６４から出射した光は、上述したような図５の光学装置５０に導かれる。カラーホイール６２の１周期毎に光学装置５０によって偏光方向が切り替わるタイミングで偏光状態を変える。その後、コンデンサレンズ６５を介してＤＭＤ６６を照明する。ＤＭＤ６６では、各ピクセル毎に進行方向の変調を行う。投射レンズ６８の方向に進む光線が複屈折素子６７を通過するとき、後述する偏光状態の差によって直進する光線と偏向する光線を制御することが可能で、これら２つの光線を用いて高精細画像が得られる。最終的に投射レンズ６８を介して図示しないスクリーンにカラー画像として結像する。なお、図６において光学装置５０は、ＤＭＤ６６の投射側に配置することも可能であるが、投射レンズ６８のバックフォーカスが長くなってしまうため、照明側に配置するのがより好ましい。

図７は本発明の第２の実施の形態例に係る光学デバイスの構造を示す断面図である。同図に示す本実施の形態例の光学デバイス７０は、光学的異方性媒質として透過軸が垂直（Ｖ）、水平（Ｈ）方向の複数の偏光子７１を交互に配置し、偏光子７１毎に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色フィルタを設け、これらの合計６状態の組み合わせで、光学デバイスの円周方向を形成する。このとき光学デバイス７０の回転に伴って、出射光としてはＲ−Ｖ（赤色で垂直方向の直線偏光）、Ｇ−Ｈ（緑色で水平方向の直線偏光）、Ｂ−Ｖ（青色で垂直方向の直線偏光）、Ｒ−Ｈ（赤色で水平方向の直線偏光）、Ｇ−Ｖ（緑色で垂直方向の直線偏光）、Ｂ−Ｈ（青色で水平方向の直線偏光）・・・の光を時間的に切り替えながら得ることができる。以後それぞれの状態を形成する部位を総称し、色偏光フィルタと呼ぶ。

図８は第２の実施の形態例の光学デバイスの別の構成を示す断面図である。同図に示す本実施の形態例の光学デバイス８０は、６つの色偏光フィルタ８１の配列を１周期とし、複数周期分を形成した例である。このとき、光学デバイス８０を透過する光の幅Ｄを、色偏光フィルタ８１の幅ｄより広く選ぶことで、少なくとも２つ以上の色偏光フィルタ８１をまたがって透過させることができる。そこで、図９に示すように、例えばＲ−Ｖの光を透過する色偏光フィルタ（以下Ｒ−Ｖ色偏光フィルタと称す）９１として、Ｒ−Ｖ以外の全ての光を反射する色偏光フィルタを用いた場合、Ｒ−Ｖ以外の光９２は、Ｒ−Ｖ色偏光フィルタ９１により反射され、例えば光源９３の反射板である光源リクレクタ９４に到達し、またそこで反射９５を受け再び光学デバイス９０に向かう。この光が、光学デバイス９０のＲ−Ｖ以外の色偏光フィルタに到達した場合、例えばＧ−Ｈ色偏光フィルタ９６に到達した場合、Ｇ−Ｈ成分はここを透過することが可能となる。

このように、第２の実施の形態例の光学デバイスにおいて所定の光以外を反射する構造とすることで、従来無駄になっていた光を再帰的に利用できるようになるので光の利用効率を高めることができる。

なお、色偏光フィルタとしては、反射透過特性に優れたワイヤグリッド偏光子と干渉フィルタの組み合わせが好適に用いられる。すなわち、ワイヤグリッド偏光子でワイヤに垂直な偏光成分のみ透過させ平行成分は反射させる。更に、干渉フィルタによって所定の波長幅の光のみ透過させ、それ以外を反射させるように構成すればよい。また、光源として白色光を用いる場合、光利用効率と配光分布の点でＲＧＢの各色が常に同じ面積率で光の幅Ｄに配分されるのが好ましく、例えば図１０に示す第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置１００のように、Ｄ＝ｄ_Ｒ−Ｈ＋ｄ_Ｇ−Ｈ＋ｄ_Ｂ−Ｈ＋ｄ_Ｒ−Ｖ＋ｄ_Ｇ−Ｖ＋ｄ_Ｂ−Ｖ（ｄ_Ｒ−Ｈ、ｄ_Ｇ−Ｈ、ｄ_Ｂ−Ｈ、ｄ_Ｒ−Ｖ、ｄ_Ｇ−Ｖ、ｄ_Ｂ−Ｖはそれぞれの色偏光フィルタの幅）と設定するのがよい。面積率が時間的に変化する場合、小さな面積では単位面積あたりの透過光量が増え、大きな面積では逆に減少することになり、光量ムラが発生するため好ましくない。

また、第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の構成を示す図１１からわかるように、光学デバイス９０からの反射光１１０を、偏光面回転手段１１１により適当に偏光面回転させることで、Ｄ＝ｄ_Ｒ＋ｄ_Ｇ＋ｄ_Ｂ（ｄ_Ｒ、ｄ_Ｇ、ｄ_Ｂはそれぞれの色偏光フィルタの幅で、ｄ_Ｒ＝ｄ_Ｒ−Ｈ＝ｄ_Ｒ−Ｖ、ｄ_Ｇ＝ｄ_Ｇ−Ｈ＝ｄ_Ｇ−Ｖ、ｄ_Ｂ＝ｄ_Ｂ−Ｈ＝ｄ_Ｂ−Ｖ）とすることもできる。偏光面回転手段１１１は一軸光学性を有する位相シフタを好適に用いることができる。色偏光フィルタの境界部を透過する光は有効に利用することができないため、色偏光フィルタを増やしすぎないよう設定するのが望ましく、この点からは図１０に示す光学デバイスの構成よりも図１１に示す光学デバイスの構成が好ましい。

図１２は第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の別の構成を示す概略断面図である。同図に示す光学装置１２０は、光源と光学デバイスの間に配光均質化手段１２１を設けている。この配光均質化手段１２１としては出射窓の幅Ｄに合せ内面を全てミラーにより構成したカライドスコープ型のロッドインテグレータを好適に用いることができる。ロッドインテグレータを用いることで図９に示す反射光９２，９４を迷光とすることなく正しく光学デバイス９０に帰還させることが可能となる。配光均質化手段１２１としてのロッドインテグレータの出射窓から光学デバイス間での距離は極力短く設定するのが好ましい。そのため、図１３に示す通り出射窓１３１を光学デバイス９０の内部に構成するのがよい。ここでいう内部とは、光学デバイス９０の回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を側面として立体を形成した場合の立体内部に含まれる位置を指す。

更に、第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の構成を示す図１４からわかるように、偏光面回転手段１４１としての位相シフタは入射窓の内面側に設けられる。これによって光学デバイス９０から反射された光を、偏光面を回転させながら再び光学デバイス９０に向かわせることができる。位相は緑色に対して往復で半波長となるように選び、その遅相軸は光学デバイス９０の偏光子の偏光方向から２２．５°となるように設定するのが良い。これにより光学デバイスから反射された光に偏光性が含まれていても４５°回転させることになり、無偏光と同じように扱うことができる。

図１５は第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の別の構成を示す概略断面図である。同図において、リレーレンズ１５１を用いて画像表示素子１５２に光学デバイス９０の表面を結像させた照明光学系である。光学デバイス９０の回転に伴って、画像表示素子１５２上は図１６に示すように、順次、色と偏光方向の異なる光がスクロールする。

図１７は照明光学系及びＤＭＤよりなる画像表示素子を用いた投射型画像表示装置の構成を示す概略断面図である。同図において、図６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。ＤＭＤ６６に対して斜方向から照明する必要があるため、配光均質化手段１２１としてのロッドインテグレータからの光は光学デバイス９０の回転軸に対して傾斜した方向に光学デバイス９０の色偏光フィルタを透過する。また、図１３に示したように、配光均質化手段１２１としてのロッドインテグレータの出射窓を光学デバイス９０の内部に設けた構造とすることで、出射窓から光学デバイス９０までの距離を短くでき、光利用効率の向上が図れる。更に、インテグレータの出射窓を側面に設けるかまたはロッドインテグレータ自体を折り返す構造とすることで光学デバイスを小型化できる。装置全体の部品数も従来と比較して同程度であり、光利用効率の向上が図れている。

また、光学デバイス９０からの光線は光学的異方性媒質が備わる面を通過することで、図１６に示したように時間的に切り替わる照明を画像表示素子に対して行う。図１５の画像表示素子１５２上のある画素に着目すると、照明光が定期的に、Ｒ−Ｖ、Ｇ−Ｖ、Ｂ−Ｖ、Ｒ−Ｈ、Ｇ−Ｈ、Ｂ−Ｈの順で入れ替わることになる。そこで、画素情報として、この入れ替わりに同期してそれぞれのピクセルシフト位置に対応した各色毎の信号を伝送することで２倍の高解像度画像を形成することができる。

また、本発明におけるピクセルシフトでは各ピクセルがシフト位置として２つの位置を取り、それぞれの位置でＲＧＢ各色位置に応じた明るさを取る。この場合図１８の（ａ），（ｂ）に示すとおり、１つの画像フィールドは６つのサブフィールドに分けられ、６つの偏光・色状態が各サブフィールド毎に設定される。このモードを達成するためには、図１５に示した光学デバイス９０に対して、回転方向に沿って備わる色フィルタが、少なくとも赤（Ｒ）緑（Ｇ）青（Ｂ）の３色を含み、１回転の間にそれぞれの色毎に直交する偏光を出射するよう構成すればよく、前述の例で示せば、Ｒ−Ｖ、Ｇ−Ｖ、Ｂ−Ｖ、Ｒ−Ｈ、Ｇ−Ｈ、Ｂ−Ｈの順で入れ替わることになる。

次に、ピクセルシフトの方向と位置について説明する。図１９の（ａ）は、ピクセルシフトの方向がＤＭＤ内ピクセルの対角方向であり、この場合光学デバイスを出射し時間的に偏光方向を切り替えながらＤＭＤに入射する光線の偏光方向は、ＤＭＤのピクセルの対角方向と垂直もしくは平行な方向を取る。図１９の（ｂ）は、ピクセルシフトの方向がＤＭＤ内ピクセルの辺方向であり、この場合光学デバイスを出射し時間的に偏光方向を切り替えながらＤＭＤに入射する光線の偏光方向は、ＤＭＤのピクセルの辺方向と垂直もしくは平行な方向を取る。よって、上下あるいは左右方向の走査線間を補間する位置にピクセルシフトさせることが可能となり効率よく高精細化が図れる。例えばＨＤＴＶのＤ４規格である７２０本の走査線に対してＤＭＤの副走査方向のピクセル数が半数３６０本であっても、ピクセルシフトにより７２０本相当の画像が得られる。

図２０は本発明で用いられる複屈折素子の構造を示す図である。同図の（ａ）に示すように、光軸に対して傾斜した方向に光学軸を有している。なおここでは簡単のため、光軸と複屈折素子の表面は垂直な関係にあるとする。また、図２０に示した直交座標系において、図２０の（ｂ）の光線１に示すように、光線がｘ方向に偏光方向を有する場合、すなわち複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し垂直な状態であるとき、この偏光は常光として振る舞い複屈折素子中を直進する。一方、光線２に示すように、光線がｙ方向に偏光方向を有する場合、すなわち複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し平行な状態であるとき、この偏光は異常光として振る舞い複屈折素子中を直進する。これ以外の方向に直線偏光の方向がある場合、直進する成分と偏光する成分が発生する。したがって、光学デバイスを出射し時間的に偏光方向を切り替えながら、複屈折素子に入射する光線の偏光方向が、複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し、平行な状態と垂直な状態で切り替えることで、直進と偏光を制御できる。また、異常光のシフト量ｓをＤＭＤピクセル配列の半ピッチとすることでピクセル間を等分に補間するため高品位の画像が得られる。更に、複屈折板の材料としては、KH_２PO_４（KDP）、NH_４H_２PO_４（ADP）、LiNbO_３、LiTaO_３、GaAs、CdTeなど第１次電気光学効果(ポッケルス効果)の大きな材料や、KTN、SrTiO_３、CS_２、ニトロベンゼンなどの第２次電気光学効果の大きな材料、等を用いることができる。

図２１は本発明の光学装置における、ＤＭＤ駆動信号、偏光状態の１フィールド内における時間配分の例を示すタイムチャートである。同図からわかるように、表示切替タイミングと光学デバイスの偏光状態切替タイミングが同期しており、画像劣化が抑制できる。この同期は例えば光学デバイスの所定位置に光学検出用のマークを形成し、マークからの反射光により同期信号を得ることで行えばよい。

図２２は色偏光フィルタとしてワイヤグリッド偏光子と干渉フィルタの組み合わせた例を示す図である。同図に示す光学デバイス２２０は正１２面体をなしており、それぞれの面２２１はワイヤグリッド偏光子２２２を、偏光方向を交互に９０度回転させた状態でつなぎ合わせている。ワイヤグリッド偏光子２２２は市販のものを使用することができ、例えば「proflux」（Moxtek社製）を使用することができる。ワイヤグリッド偏光子２２２の各面上にはＲＧＢの干渉フィルタ２２３が設けられており、Ｒ−Ｖ、Ｇ−Ｖ、Ｂ−Ｖ、Ｒ−Ｈ、Ｇ−Ｈ、Ｂ−Ｈの並びでこれが６周期となるよう設けられている。この干渉フィルタ２１３もやはり市販のものを使用することができ、例えばメレスグリオ社製の干渉フィルタを使用できる。ワイヤグリッド偏光子２２２と干渉フィルタ２２３は、それぞれ別々に透明基板に形成し、形成面を内面側に光学接着剤にて張り合わせて用いることができる。更には、形成面を内面側にすることで、迷光成分を低減することができる。

また、高圧水銀ランプと放物線ミラーを有する光源（ランプユニット）、ロッドインテグレータ、上記光学デバイスを用いて照明光学系が形成される。ランプユニットからの光の集光点近傍にロッドインテグレータの入射窓を設ける。入射窓の内面側には偏光面回転手段としてダイックロイック膜よりなる位相シフタを設ける。ロッドインテグレータは、出射窓が図１３に示したように光学デバイスの色偏光フィルタに近接した状態で側面に設けられている。出射窓形状は、画像表示素子と相似系とする。コスト低減のためロッドインテグレータの各面をアルミミラーで形成してもよい。従来の光利用効率として１／６以下であったものを、本発明の構成により８０％以上とすることができる。

更に、照明装置にリレーレンズ、ＤＭＤよりなる画像表示素子、投射レンズを用いて図１７に示したような画像表示装置を構成できる。照明装置から画像表示素子に至る光を画像表示素子へ斜入射させるため、光学デバイス、リレーレンズに対して光軸が傾いて出射するようロッドインテグレータからの出射方向を調整している。光学デバイス上の光学的異方性媒質の法線方向は、リレーレンズ、画像表示素子の法線方向と平行である。光線は光学的異方性媒質が備わる面を通過することで、図１６に示したように時間的に切り替わる照明を画像表示素子に対して行う。画像表示素子上のある画素に着目すると、照明光が定期的に、Ｒ−Ｖ、Ｇ−Ｖ、Ｂ−Ｖ、Ｒ−Ｈ、Ｇ−Ｈ、Ｂ−Ｈの順で入れ替わることになる。そこで画素情報として、この入れ替わりに同期してそれぞれのピクセルシフト位置に対応した各色毎の信号を伝送することで２倍の高解像度画像を形成することができる。すなわちＤＭＤから投射レンズ方向に進む光線が複屈折素子を通過するとき、後述する偏光状態の差によって直進する光線と偏向する光線を制御することが可能で、これらを用いて高精細画像が得られる。最終的に投射レンズを介して図示しないスクリーンにカラー画像として結像する。上述した図１７における光学デバイス９０は、ＤＭＤ６６の投射側に配置することも可能であるが、投射レンズのバックフォーカスが長くなってしまうため、照明側に配置するのがより好ましい。

図２３は本発明の光学デバイスを用いた立体画像表示システムの構成を示す概略構成図である。同図に示す立体画像表示システムには、例えば図１７と同様の投射型表示装置を用いている。この投射型表示装置からは、光学デバイス９０によって、直交する偏光が１フレームの間に交互に出射している。この直交する偏光をそれぞれ右眼、左眼で独立に認識できるように、直線偏光の偏光方向と一致する透過軸を有する偏光フィルタを左右眼用に対応して形成した偏光選択手段を設ける。なお、図２２の立体画像表示システムにおいては観察者が眼鏡型偏光選択手段２３１をかけている。

なお、図２３に示すような眼鏡型偏光選択手段２３１を用いずに立体画像表示システムを構成することも可能である。例えば図２３のスクリーン２３２にレンチキュラースクリーンを用い、レンチキュラースクリーン内に、直交する偏光フィルタをストライプ状に形成した偏光板列を設ける。そして、ストライプの一方を通る光が全て右眼に、他方を通る光が全て左眼に導かれるようにレンチキュラーレンズを設計する。その上で、ＤＭＤ６６から出射した光は光学装置の光学デバイス９０により時分割に偏光方向が切り替えられるため、ストライプ状偏光フィルタを通る光は交互に遮光されることになる。よって、遮光されない光が導かれる側の眼に対応してＤＭＤ６６の画像を切り替えることで左右眼独立の画像を形成することができ、立体画像を形成することができる。

なお、本発明は上記実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の第１の実施の形態例に係る光学デバイスの構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態例の光学デバイスの他の例の構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態例の光学デバイスの他の構成を示す斜視図である。 透明な円盤の表面に直線偏光子を形成した構成例を示す平面図である。 本発明の光学デバイスを用いた光学装置の構成を示す斜視図である。 第１の実施の形態例の光学装置を用いた表示装置の構成を示す概略構成図である。 本発明の第２の実施の形態例に係る光学デバイスの構造を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例の光学デバイスの別の構成を示す概略断面図である。 異なる光を透過する２つの色偏光フィルタを用いた光学デバイスの構成を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の構成を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の別の構成を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の別の構成を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の別の構成を示す斜視図である。 第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の別の構成を示す概略断面図である。 第２の実施の形態例の光学デバイスを用いた光学装置の別の構成を示す概略断面図である。 画像表示素子の色と偏光方向の異なる光がスクロールする様子を示す図である。 照明光学系及びＤＭＤよりなる画像表示素子を用いた投射型画像表示装置の構成を示す概略断面図である。 ピクセルシフト位置とＲＧＢ各色位置の関係を示す図である。 ピクセルシフトの方向と位置の別の例を示す図である。 複屈折素子の構造を示す図である。 ＤＭＤ駆動信号、偏光状態の１フィールド内における時間配分の例を示すタイムチャートである。 色偏光フィルタとしてワイヤグリッド偏光子と干渉フィルタの組み合わせた例を示す図である。 別の発明の一実施の形態例に係る立体画像表示システムの構成を示す概略構成図である。 従来の投射型表示装置の構成を示す概略構成図である。 カラーホイールの構成例を示す図である。 従来の光学装置の構成を示す斜視図である。

符号の説明

７１；偏光子、８１；色偏光フィルタ、
１１１，１４１；偏光面回転手段、１２１；配光均質化手段、
１５１；リレーレンズ、１５２；画像表示素子、２２１；面、
２２２；ワイヤグリッド偏光子、２２３；干渉フィルタ、
２３１；眼鏡型偏光選択手段、２３２；スクリーン。

Claims (10)

1. 回転軸を有し、前記回転軸に対して平行でかつ透光性を有する面を備え、該面上に、所定の色及び所定の直線偏光方向のみの光を透過させ、所定の色及び所定の直線偏光方向のみの光以外の光を反射する光学的異方性媒質が回転方向に沿って複数形成され、前記各光学的異方性媒質の透過光の色及び直線偏光方向を少なくとも２種類以上に設定し、回転に伴い前記面を通る光線の色及び直線偏光方向を時間的に切り替えて出射することを特徴とする光学デバイス。
2. 反射板を有する光源と、光源から入射する光の配光分布を均質化して出射する配光均質化手段と、請求項１記載の光学デバイスとを有し、
   前記光学デバイス上の光学的異方性媒質で反射された光成分が、前記配光均質化手段を介して前記光源の反射板により再び反射されて別の光学的異方性媒質に到達するよう構成したことを特徴とする光学装置。
3. 前記配光均質化手段が、カライドスコープ型ロッドインテグレータであって、出射窓が前記光学デバイス内部に構成されている請求項２記載の光学装置。
4. 前記配光均質化手段が、カライドスコープ型ロッドインテグレータであって、入射窓の内面側に位相シフタが形成されてなる請求項２記載の光学装置。
5. 前記光学デバイスを透過する光が、少なくとも２つ以上の光学的異方性媒質をまたがって透過する請求項２〜４のいずれかに記載の光学装置。
6. 光学デバイスを透過する光が、同一時間に、常に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色を含む請求項５記載の光学装置。
7. 請求項２〜６のいずれかに記載の光学装置と、画像表示素子と、該光学装置に介した光学デバイス像を前記画像表示素子上に結像するリレーレンズと、前記画像表示素子からの光を投射する投射レンズとを有し、
   前記光学デバイスの回転に伴って前記画像表示素子上を所定色及び所定直線偏光方向の光が順次走査しながら照明して表示することを特徴とする表示装置。
8. 前記投射レンズと前記画像表示素子の間に、光軸に対して傾斜した方向に光学軸を有する複屈折素子を設け、該複屈折素子に入射する光線の偏光方向が、前記複屈折素子の光学軸と光軸を含む面に対し、平行な状態と垂直な状態で切り替わる請求項７記載の表示装置。
9. 請求項７又は８に記載の表示装置と、該表示装置から出射されるそれぞれの直線偏光の偏光方向と一致する透過軸を有する偏光フィルタを観察者の左右眼用に対応して有する偏光選択手段とを有することを特徴とする立体画像表示装置。
10. 前記偏光選択手段が眼鏡型であり、前記偏光フィルタが各眼に対応する眼鏡に設けられている請求項９記載の立体画像表示装置。

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