JP2009032698A - 照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】照明対象物からの距離が短い範囲内で、照明対象物からの必要な反射光を取り出すことができる、反射型のＬＣＤやＤＭＤを空間変調素子とする映像表示装置の照明に好適な照明光学系を提供する。
【解決手段】表面に回折格子を有する板状の透明基材と、透明基材の回折格子上に設けられ、入射光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングを備える回折格子素子を照明光学系に含ませた構成とする。この照明光学系では、光を回折格子素子によって照明対象物に導いて照明対象物を照明するとともに、照明対象物によって反射された光を回折格子素子を透過させて外部に導く。
【選択図】図５

Description

本発明は、回折格子素子を備えた照明光学系に関する。

空間変調素子によって照明光を変調し、変調後の光で映像を表すようにした映像表示装置では、空間変調素子に照明光を導くために種々の光学素子が使用されている。空間変調素子として液晶表示器（ＬＣＤ）を使用する場合、ＬＣＤには偏光面が一定の直線偏光を与える必要がある。このため、無偏光を発する光源を使用するときは、偏光分離（ＰＢＳ）プリズムや偏光板を用いて、ＬＣＤに適する直線偏光を取り出すようにしている。

ＰＢＳプリズムの構成を図２１に示す。ＰＢＳプリズムは、断面が直角二等辺三角形の２つのプリズム片５１ａ、５１ｂで、ＰＢＳ膜５１ｃを挟んだ構成である。ＰＢＳ膜５１ｃはＰ偏光とＳ偏光の一方を選択的に透過させ他方を選択的に反射することにより両者を分離するが、一般に、入射角が４５゜程度以上でなければ透過と反射の選択性が低下し、分離を良好に行うことができない。このため、２つのプリズム片５１ａ、５１ｂで挟んで正四角柱のＰＢＳプリズムの形態とされている。

偏光板も偏光面が一定の直線偏光を透過させるが、他の偏光成分を反射するのではなく吸収する。ＰＢＳプリズムでは透過光と反射光のいずれをもＬＣＤの照明に用いることができるのに対し、偏光板では利用可能な光は透過光のみとなる。

反射型のＬＣＤの場合、ＬＣＤを照明する照明光の光路とＬＣＤからの反射光の光路が一致するため、光路上のどこかで照明光と映像を表す反射光の光路を分離する必要がある。このために、照明光と反射光の一方を反射し他方を透過させる光学素子が用いられる。

上記のＰＢＳプリズムはこの用途にも利用されている。変調されて偏光面が９０゜回転した光が映像を表すように反射型のＬＣＤを設定すると、ＰＢＳプリズムを透過した光を照明光とする場合には、映像を表す光はＰＢＳプリズムで反射されることになり、また、ＰＢＳプリズムで反射された光を照明光とする場合には、映像を表す光はＰＢＳプリズムを透過することになって、いずれの場合も映像を表す反射光を光源に向かう方向とは異なる方向に導くことができる。

照明光と反射光を分離するための他の光学素子を図２２に示す。この光学素子は透明な平板５２の上面５２ａに断面がＶ字状の溝５２ｄを多数形成したもので、下面５２ｂを反射型のＬＣＤ５３に向けて配置される。光源からの光は平板５２の端面５２ｃより平板５２に導き入れられ、上面５２ａと下面５２ｂで全反射を受けながら平板５２内を進行する。その間、光は溝５２ｄの表面に当たって反射され、下面５２ｂを透過してＬＣＤ５３を照明する。ＬＣＤ５３で反射された光は下面５２ｂから平板５２内に入り、上面５２ａを透過して外部に出る。

平板５２とＬＣＤ５３の間には、照明光を直線偏光とするための偏光板５４が配置される。ＬＣＤ５３は、変調されて偏光面が９０゜回転した直線偏光ではなく、変調後も偏光面が回転しなかった直線偏光が映像を表す光となるように制御される。

カラー映像を表示する一法として、ＬＣＤの個々の画素に、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、または青色（Ｂ）光を選択的に透過させるカラーフィルターのいずれかを備えることが行われている。しかし、この構成では、光源からの白色光の２／３がカラーフィルターによって失われることになり、光の利用効率に優れているとはいえない。そこで、近年では、照明光を進行方向が互いに僅かに異なるＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離するとともに、ＬＣＤにマイクロレンズアレイを備えて、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を別個の画素に入射させることが行われるようになってきた。

この方法で色分離のために使用される光学系を図２３に示す。この光学系は、３つのダイクロイックミラー５５Ｒ、５５Ｇ、５５Ｂより成る。ダイクロイックミラー５５Ｒ、５５Ｇ、５５ＢはそれぞれＲ光、Ｇ光、Ｂ光を選択的に反射し、他の色光を透過させる。ミラー５５Ｒ、５５Ｇ、５５Ｂは互いに角度をもたせて配置されており、入射光を異なる方向に反射する。反射されたＲ光、Ｇ光、Ｂ光の光路には、ミラー５５Ｒ、５５Ｇ、５５Ｂ相互間の角度の２倍の角度差が生じる。

図２４に示すように、ＬＣＤ５３に設けられたマイクロレンズアレイ５６は各マイクロレンズ５６ａが隣合う３画素５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂに対向するように設定されている。いずれのマイクロレンズ５６ａにも異なる方向からＲ光、Ｇ光、Ｂ光が入射することになり、各マイクロレンズはＲ光、Ｇ光、Ｂ光をそれぞれ別の画素５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂ上に収束させる。これで、光源からの光は全てＬＣＤ５３の画素に導かれることになり、明るい映像を提供することが可能になる。

角度可変の微小なミラー素片を２次元に多数配列したデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）と呼ばれる素子も、空間変調素子として用いられている。ＤＭＤの各ミラー素片は、その角度によって、入射光を所定の２方向のどちらかに択一的に反射する。ＤＭＤにより２方向に反射された光のうち、一方が映像を表す光として取り出され、他方は不要光として捨てられる。

ＤＭＤを照明するための一般的な光学系を図２５に示す。この光学系は、２つのプリズム５７ａ、５７ｂを僅かに離間させて配置したものである。光源からの光は側方よりプリズム５７ａに導き入れられる。プリズム５７ｂに対向する面５７ｃは、導き入れられた光の入射角が臨界角を超えるように設定されており、光は面５７ｃで全反射され、面５７ｄを透過してＤＭＤ５８を照明する。ＤＭＤ５８で反射された光は、映像を表す光と不要光に分離しながら面５７ｄよりプリズム５７ａに入る。プリズム５７ａに入った光は面５７ｃに達し、入射角が臨界角よりも小さいためこれを透過して、プリズム５７ｂも透過する。このように、ＤＭＤを照明する光学系では、プリズム面による光の全反射と透過を利用している。

偏光板は簡素な構成であり、平板状であるから、きわめて利用し易い。ところが、偏光板を透過する直線偏光の透過率は８０％程度にとどまり、光量に損失が生じる。しかも、偏光板は透過する直線偏光以外の偏光成分を全て吸収するから高温になり、近傍に配置されているＬＣＤ等の他の素子に悪影響を及ぼす。明るい映像を表示するために光の強度を高くする場合、偏光板は特に高温になる。

ＰＢＳプリズムは光を吸収しないため、高温になるという不都合は生じないし、透過光と反射光のいずれをも利用することができる。また、透過率や反射率を略１００％にすることも容易であり、光の利用効率の面でも優れている。しかしながら、ＰＢＳプリズムは入射面の幅に等しい厚さを有しているため、表示装置の大型化と重量化を招く。映像を表す光をスクリーンに投射してスクリーン上に結像させる投射型の装置とするときは、投射光学系のレンズバックが長くなって、明るい映像を表示するために大きな投射光学系が必要になる。装置の大型化と重量化を招くという問題は、同じくプリズムを使用する図２５の光学系にも当てはまる。

図２２に示した光学素子は、平板に溝を設けただけの簡素な構成であり利用し易いが、平板に入ったＬＣＤからの反射光の一部は溝の表面で反射されて、平板を透過することができない。このため、表示した映像に縞状の暗い部分が生じてしまう。溝の幅を小さくすることで暗い部分が目立つのをある程度抑えることは可能であるが、本質的な解決策とはならない。

また、図２３に示した３つのダイクロイックミラーから成る光学系は、光の利用効率の面では優れているが、各ダイクロイックミラーが別個の素子であるため、相互の角度を精度よく設定することが難しい。このため、光学系の組み立てに時間を要して、製造効率が低下する。

ところで、微小な凹凸構造が周期的に配列された格子面を有し、回折により光の進路を変える回折光学素子が、光学の様々な分野で利用されている。回折光学素子には、格子面の凹部と凸部が共に平坦で平坦な部分のレベル（高さ）が２つであるバイレベルの素子、凹部と凸部の中間の１以上のレベルを有するマルチレベルの素子、および傾斜面を有し断面が鋸歯状のブレーズ型の素子がある。どの回折光学素子も、透過光に回折を生じさせる透過型とすることもできるし、格子面に反射膜をコーティングして、反射光に回折を生じさせる反射型とすることもできる。透過型とする場合、透過率を高めるために、格子面に反射防止膜をコーティングすることが行われている。

回折光学素子ではないが、フレネルレンズも小さな傾斜面を多数有しており、断面が鋸歯状のブレーズ型の素子となっている。回折光学素子は凹凸の高低差が光の波長程度であって、これにより回折を生じさせるのに対し、フレネルレンズは凹凸の高低差が波長の数倍以上と大きく、専ら屈折によって光の進行方向を変化させる。

回折光学素子やフレネルレンズは、薄型の光学素子であるという大きな特徴を有する。しかし、そのような光学素子を用いた照明光学系であって、照明対象物（例えば反射型のＬＣＤやＤＭＤ）からの距離が短い範囲内で、照明対象物からの必要な反射光を取り出すことを可能にした照明光学系は、未だ提案されてはいない。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、照明対象物からの距離が短い範囲内で、照明対象物からの必要な反射光を取り出すことができる、反射型のＬＣＤやＤＭＤを空間変調素子とする映像表示装置の照明に好適な照明光学系を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明では、表面に回折格子を有する板状の透明基材と、透明基材の回折格子上に設けられ、入射光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングを備える回折格子素子を照明光学系に含ませて、光を回折格子素子によって照明対象物に導いて照明対象物を照明するとともに、照明対象物によって反射された光を回折格子素子を透過させて外部に導くものとする。

回折格子素子が分離コーティングを挟んで透明基材の回折格子に密着した板状の透明材を備えるようにしてもよい。

分離コーティングは入射光の入射角に応じて入射光を反射しまたは透過させるものとするとよい。

分離コーティングは回転方向の異なる２つの円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイラルネマティック液晶層としてもよい。

板状の透明基材の表面の回折格子上に入射光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングを設けた回折格子素子を含み、光を回折格子素子によって照明対象物に導いて照明対象物を照明するとともに、照明対象物によって反射された光を回折格子素子を透過させて外部に導くようにした本発明の照明光学系によれば、照明対象物からの距離が短い範囲内で、照明対象物からの必要な反射光を取り出すことができる。したがって、反射型のＬＣＤやＤＭＤを空間変調素子とする映像表示装置の照明に好適である。投射型の映像表示装置とするときは、投射光学系のレンズバックが短くなって、投射光学系を小型にすることもできる。本発明では、照明光と照明対象物からの反射光の光路は重なるが、回折格子の機能と分離コーティングの機能の組み合わせにより、照明対象物からの反射光のみを取り出すことは容易である。

回折格子素子が分離コーティングを挟んで透明基材の回折格子に密着した板状の透明材を備えるようにすれば、回折格子や分離コーティングを保護することができる上、素子を透過する照明対象物からの反射光に不要な変調がかかるのを避けることができる。

分離コーティングを入射光の入射角に応じて入射光を反射しまたは透過させるものとすれば、回折格子素子を透過した後の照明対象物からの光の光路外に光源を配置することがきわめて容易になり、例えば、光源からの光を回折格子素子の端面から回折格子素子に導き入れる構成とすることができる。

また、分離コーティングを回転方向の異なる２つの円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイラルネマティック液晶層とすれば、照明光と照明対象物からの反射光を確実に分離することができる。

本発明の照明光学系に適用可能なブレーズ格子素子および回折格子素子の基本構成を図１および図２に模式的に示す。図１は、平板状の透明基材１１の表面にブレーズ格子１２を形成し、ブレーズ格子１２上に分離コーティング１３を設けた最も簡素な構成のブレーズ格子素子１を示したものである。透明基材１１は例えば樹脂またはガラスで作製することができる。

ブレーズ格子１２の凹凸の高低差を光の波長程度とすれば、ブレーズ格子１２は回折格子となり、ブレーズ格子素子１は回折格子素子となる。また、ブレーズ格子１２の凹凸の高低差を光の波長の数倍以上にすれば、ブレーズ格子１２はフレネルレンズ面となり、ブレーズ格子素子１はフレネルレンズまたはパワーを有する薄型のミラーとなる。

図２は、図１のブレーズ格子素子１に、分離コーティング１３を挟んでブレーズ格子１２に密着する平板状の透明材１４を追加したブレーズ格子素子２を示したものである。透明材１４も樹脂やガラスで作製することができる。透明基材１１と透明材１４の材料は同じであってもよいし、異なっていてもよい。ブレーズ格子素子２では、ブレーズ格子１２と分離コーティング１３が保護された形態となる。

分離コーティング１３は、入射光の特性に応じて、入射光を反射しまたは透過させる。入射光の特性としては、例えば、波長、直線偏光の偏光面の向き、円偏光の回転方向、分離コーティング１３に対する入射角等がある。

ブレーズ格子素子１では、ブレーズ格子１２は、分離コーティング１３を透過する光と分離コーティング１３で反射される光の双方に対して作用する。すなわち、ブレーズ格子１２は、透過する光に対しては回折または屈折を生じさせ、反射される光に対しては回折または入射角と異なる反射角での反射を生じさせる。

ブレーズ格子素子２では、透明基材１１と透明材１４の屈折率が異なれば、ブレーズ格子１２は、ブレーズ格子素子１と同様に、分離コーティング１３を透過する光と反射される光の双方に対して作用する。一方、透明基材１１と透明材１４の屈折率が等しければ、ブレーズ格子１２は反射される光のみに作用し、ブレーズ格子素子２は透過する光に対しては単なる透明な平行平板となる。

以下、ブレーズ格子素子２を回折光学素子としたいくつかの実施形態について説明する。第１の実施形態の光学素子２１の構成および光に対する作用を図３に模式的に示す。光学素子２１は、分離コーティング１３としてＰＢＳ膜１３ａを備えている。ＰＢＳ膜１３ａは、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射するように設定されている。透明基材１１および透明材１４の屈折率は１．６２であり、ブレーズ格子１２のブレーズ角（ブレーズ格子全体としての平面に対する個々のブレーズ面１２ａの成す角）は３０゜である。

光学素子２１は、透明基材１１への光の入射角が２５゜となる配置で使用する。透明基材１１に対して２５゜の入射角で入射した光は、屈折してブレーズ面１２ａに対する入射角が４５゜となる。ブレーズ面１２ａに入射した光のうち、ＰＢＳ膜１３ａに対してＰ偏光となる偏光成分は、ＰＢＳ膜１３ａを透過し、透明材１４も透過して素子２１の外部に出る。この光は、素子２１への入射前の光と平行で僅かにずれた光路を進む。

ＰＢＳ膜１３ａに対してＳ偏光となる偏光成分は、ＰＢＳ膜１３ａで反射され、ブレーズ格子１２によって回折される。回折された反射光は透明基材１１の表面１１ａに臨界角を超える入射角で入射して全反射される。表面１１ａで全反射された光は、大部分がブレーズ面１２ａで反射され、２つのブレーズ面１２ａの間を透過した残りの部分も透明材１４の表面１４ａで全反射される。これらの光は透明基材１１の表面１１ａ、ブレーズ面１２ａ、透明材１４の表面１４ａでの反射を繰り返して素子２１の端面に達し、端面から外部に出る。

この光学素子２１では、ＰＢＳ膜１３ａに対してＰ偏光となる偏光成分を、進路をほとんど変えることなく取り出すことができ、ＰＢＳ膜１３ａに対してＳ偏光となる偏光成分を全く別方向に向かわせて捨てることができる。しかも、素子２１は光を吸収しないから、高温になることもない。

ＰＢＳ膜１３ａの膜構成を表１に示し、入射角４５゜のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率と波長の関係を図４に示す。表１において、層番号０が透明基材１１であり、層番号１８が透明材１４である。光学膜厚は７４５ｎｍを基準波長として表している。

＜表１＞ ＰＢＳ膜１３ａの構成
層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚
１８ １.６２ １７ １.６２ ０.１２５
１６ １.３８５ ０.１２５ １５ ２.０５ ０.２５
１４ １.３８５ ０.２５ １３ ２.０５ ０.２５
１２ １.３８５ ０.２５ １１ ２.０５ ０.２５
１０ １.３８５ ０.２５ ９ ２.０５ ０.２５
８ １.３８５ ０.２５ ７ ２.０５ ０.２５
６ １.３８５ ０.２５ ５ ２.０５ ０.２５
４ １.３８５ ０.２５ ３ ２.０５ ０.２５
２ １.３８５ ０.１２５ １ １.６２ ０.１２５
０ １.６２

光学素子２１を反射型ＬＣＤの照明光学系として使用する形態を図５に示す。光学素子２１をＬＣＤ３１に対して２５゜傾けて配置し、素子２１の端面近傍に直線状の光源４１を配置する。光源４１は無偏光の光を発する。光源４１が発した光は、端面より素子２１に入り、全反射を受けながら素子２１内を進行する。素子２１の内部を進行する光のうちＰＢＳ膜１３ａに対してＳ偏光となる偏光成分は、ＰＢＳ膜１３ａで反射されることにより、透明基材１１の表面１１ａに対する入射角が変化していき、入射角が臨界角未満になった時点で表面１１ａを透過する。表面１１ａを透過した光はＬＣＤ３１に対して略９０゜の角度で入射する照明光となる。

ＬＣＤ３１は、変調により偏光面が９０゜回転した直線偏光が映像を表す光となるように動作を制御される。ＬＣＤ３１で変調され反射された光は、透明基材１１に略２５゜の入射角で入射し、素子２１の内部に入る。素子２１に入った光のうち、映像を表す偏光成分はＰＢＳ膜１３ａに対してＰ偏光となり、ＰＢＳ膜１３ａを透過して、透明材１４から素子２１の外に出る。一方、他の偏光成分はＰＢＳ膜１３ａに対してＳ偏光となって反射され、前述のように全反射されながら素子２１の端面に向かい、光源４１に向けて出る。

ＬＣＤ３１に対して垂直な方向について光学素子２１が占める空間の距離は、ＬＣＤ３１からの反射光の光束の幅の０．４７（ｔａｎ２５゜）倍であり、従来のＰＢＳプリズムの半分以下になる。したがって、映像を表す光をスクリーンに投射する投射型の映像表示装置とするときは、投射光学系のレンズバックが大幅に短くなって、投射光学系を小型にすることができる。

第２の実施形態の光学素子２２の構成および光に対する作用を図６に模式的に示す。光学素子２２は、分離コーティング１３としてＰＢＳ膜１３ｂを備えている。ＰＢＳ膜１３ｂは、第１の実施形態とは逆に、Ｐ偏光を反射しＳ偏光を透過させるように設定されている。透明基材１１および透明材１４の屈折率は１．８７であり、ブレーズ格子１２のブレーズ角は６０゜である。

光学素子２２は、透明基材１１への光の入射角が０゜となる配置で使用することができる。透明基材１１に入った光は直進してブレーズ面１２ａに対して６０゜の入射角で入射する。ブレーズ面１２ａに入射した光のうち、ＰＢＳ膜１３ｂに対してＳ偏光となる偏光成分は、ＰＢＳ膜１３ｂを透過し、透明材１４も透過して素子２２の外部に出る。この光は、素子２２への入射前の光の光路の延長上を進む。

ＰＢＳ膜１３ｂに対してＰ偏光となる偏光成分は、ＰＢＳ膜１３ｂで反射され、ブレーズ格子１２によって回折される。回折された反射光は透明材１４の表面１４ａに臨界角を超える入射角で入射して全反射され、第１の実施形態と同様にして、素子２２の端面に達し、端面から外部に出る。

ＰＢＳ膜１３ｂの膜構成を表２に示し、入射角６０゜のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率と波長の関係を図７に示す。表２において、層番号０が透明基材１１であり、層番号２６が透明材１４である。光学膜厚は２８０ｎｍを基準波長として表している。

＜表２＞ ＰＢＳ膜１３ｂの構成
層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚
２６ １.８７ ２５ １.３８５ ０.１２５
２４ ２.３ ０.２５ ２３ １.３８５ ０.２５
２２ ２.３ ０.２５ ２１ １.３８５ ０.２５
２０ ２.３ ０.２５ １９ １.３８５ ０.２５
１８ ２.３ ０.２５ １７ １.３８５ ０.２５
１６ ２.３ ０.２５ １５ １.３８５ ０.２５
１４ ２.３ ０.２５ １３ １.３８５ ０.２５
１２ ２.３ ０.２５ １１ １.３８５ ０.２５
１０ ２.３ ０.２５ ９ １.３８５ ０.２５
８ ２.３ ０.２５ ７ １.３８５ ０.２５
６ ２.３ ０.２５ ５ １.３８５ ０.２５
４ ２.３ ０.２５ ３ １.３８５ ０.２５
２ ２.３ ０.２５ １ １.３８５ ０.１２５
０ １.８７

光学素子２２は、第１の実施形態の光学素子２１と同様に、反射型ＬＣＤの照明光学系として使用することができる。この場合、素子２２をＬＣＤに対して平行に配置することができるから、配置のために必要なＬＣＤに垂直な方向の距離はきわめて短くなる。

光学素子２２を透過型ＬＣＤの照明光学系および映像を表す光を選択的に取り出す光学系として使用する形態を図８に示す。２つの光学素子２２をＬＣＤ３２の前後に配置し、一方の素子２２に対して略垂直に光源からの光を入射させる。素子２２に入った光のうち、ＰＢＳ膜１３ｂに対してＳ偏光となる偏光成分は素子２２を透過して、ＬＣＤ３２に対して略９０゜の角度で入射する照明光となる。一方、ＰＢＳ膜１３ｂに対してＰ偏光となる偏光成分は反射されて、素子２２内で全反射を受けながら端面に達する。素子２２の端面には光吸収部材１５が取り付けられており、端面に達した光は吸収部材１５に吸収される。

ＬＣＤ３２は、変調後も偏光面が回転しない直線偏光が映像を表す光となるように動作を制御される。ＬＣＤ３２を透過した光は、他方の素子２２に入り、ＰＢＳ膜１３ｂに対してＳ偏光となる映像を表す偏光成分は素子２２を透過する。変調により偏光面が９０゜回転しＰＢＳ膜１３ｂに対してＰ偏光となった偏光成分は反射され、素子２２内で全反射を受けながら端面に達して、吸収部材１５に吸収される。

従来は、透過型ＬＣＤの照明や映像を表す光の取り出しに偏光板を用いていたが、偏光板に代えて光学素子２２を使用することで、透過率が高まり、明るい映像を提供することができる。また、素子２２は偏光板のように高温になることがなく、ＬＣＤに悪影響を与えない。

第３の実施形態の光学素子２３の構成および光に対する作用を図９に模式的に示す。この光学素子２３は、第２の実施形態の光学素子２２の透明材１４の表面にもブレーズ格子１２を形成し、その上に分離コーティング１３としてＰＢＳ膜１３ｂを設けて、そのＰＢＳ膜１３ｂを挟んで透明材１４に密着する別の透明材１４を備えたものである。すなわち光学素子２３は光学素子２２を重ね合わせた構成である。ただし、２つのブレーズ格子１２のブレーズ面１２ａの傾斜方向は逆である。

この構成では、一方のブレーズ格子１２の２つのブレーズ面１２ａの間を直接透過する光がある場合でも、その光を他方のブレーズ格子１２上に設けたＰＢＳ膜１３ｂで分離することができる。したがって、入射角による分離効率の低下がなくなり、分離対象である光に対する配置角度の自由度が大きくなる。

第４の実施形態の光学素子２４の構成および光に対する作用を図１０に模式的に示す。この光学素子２４は、第３の実施形態の光学素子２３と同様に、ブレーズ格子１２および分離コーティング１３を２組備える。２つのブレーズ格子１２のブレーズ面の傾斜方向は逆であり、各々のブレーズ角は数度程度である。透明基材１１のブレーズ格子１２上の分離コーティング１３としては、Ｂ光を選択的に反射するダイクロイック膜１３Ｂを、また、透明材１４のブレーズ格子１２上の分離コーティング１３としては、Ｇ光を選択的に反射するダイクロイック膜１３Ｇを備えている。さらに、透明基材１１の表面１１ａ上には、Ｒ光を選択的に反射するダイクロイック膜１１Ｒが設けられている。

この光学素子２４は白色光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離して、分離した各光の光路に角度差をもたらす。素子２４に入射する白色光のうち、Ｒ光はダイクロイック膜１１Ｒによって入射角に等しい反射角で反射される。ダイクロイック膜１１Ｒを透過したＢ光およびＧ光は素子２４内に入って、ダイクロイック膜１３Ｂに達し、これを透過するＧ光と反射されるＢ光に分離される。

ダイクロイック膜１３Ｂで反射されたＢ光はブレーズ格子１２で回折されて、Ｒ光とは角度差のある光となって素子２４の外部に出る。ダイクロイック膜１３Ｂを透過したＧ光は、ダイクロイック膜１３Ｇに達して反射され、ブレーズ格子１２により回折されて、Ｒ光およびＢ光とは角度差のある光となって素子２４の外部に出る。

ダイクロイック膜１１Ｒ、１３Ｂ、１３Ｇの膜構成を表３、表４、表５にそれぞれ示す。表３において、層番号０が透明基材１１であり、層番号２２が空気である。表４において、層番号０が透明基材１１であり、層番号２２が透明材１４である。また表５において、層番号０が透明基材１１側の透明材１４であり、層番号２２が表面側の透明材１４である。光学膜厚は、ダイクロイック膜１１Ｒについては７６５ｎｍ、ダイクロイック膜１３Ｂについては４５１ｎｍ、ダイクロイック膜１３Ｇについては５４０ｎｍを基準波長として表している。

＜表３＞ ダイクロイック膜１１Ｒの構成
層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚
２２ １ ２１ １.３８５ ０.１４
２０ ２.３ ０.２８ １９ １.４７ ０.２８
１８ ２.３ ０.２６ １７ １.４７ ０.２５
１６ ２.３ ０.２５ １５ １.４７ ０.２５
１４ ２.３ ０.２５ １３ １.４７ ０.２５
１２ ２.３ ０.２５ １１ １.４７ ０.２５
１０ ２.３ ０.２５ ９ １.４７ ０.２５
８ ２.３ ０.２５ ７ １.４７ ０.２５
６ ２.３ ０.２５ ５ １.４７ ０.２５
４ ２.３ ０.２６ ３ １.４７ ０.２８
２ ２.３ ０.２８ １ １.６７ ０.１４
０ １.５２

＜表４＞ ダイクロイック膜１３Ｂの構成
層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚
２２ １.５２ ２１ ２.３ ０.０９
２０ １.３８５ ０.３ １９ ２.３ ０.１５
１８ １.４７ ０.３ １７ ２.３ ０.２２５
１６ １.４７ ０.２５ １５ ２.３ ０.２５
１４ １.４７ ０.２５ １３ ２.３ ０.２５
１２ １.４７ ０.２５ １１ ２.３ ０.２５
１０ １.４７ ０.２５ ９ ２.３ ０.２５
８ １.４７ ０.２５ ７ ２.３ ０.２５
６ １.４７ ０.２５ ５ ２.３ ０.２２５
４ １.４７ ０.３ ３ ２.３ ０.１５
２ １.３８５ ０.３ １ ２.３ ０.１
０ １.５２

＜表５＞ ダイクロイック膜１３Ｇの構成
層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚
２２ １.５２ ２１ ２.３ ０.０９
２０ １.３８５ ０.３ １９ ２.３ ０.１５
１８ １.４７ ０.３ １７ ２.３ ０.２２５
１６ １.４７ ０.２５ １５ ２.３ ０.２５
１４ １.４７ ０.２５ １３ ２.３ ０.２５
１２ １.４７ ０.２５ １１ ２.３ ０.２５
１０ １.４７ ０.２５ ９ ２.３ ０.２５
８ １.４７ ０.２５ ７ ２.３ ０.２５
６ １.４７ ０.２５ ５ ２.３ ０.２２５
４ １.４７ ０.３ ３ ２.３ ０.１５
２ １.３８５ ０.３ １ ２.３ ０.１
０ １.５２

入射角４５゜のＰ偏光とＳ偏光に対するダイクロイック膜１１Ｒ、１３Ｂ、１３Ｇの透過率と波長の関係を図１１、図１２、図１３にそれぞれ示す。なお、透明基材１１に入射する際に屈折が生じるため、ダイクロイック膜１１Ｒへの入射角を４５゜としても、ダイクロイック膜１３Ｂ、１３Ｇに対する光の実際の入射角は４５゜から変化する。ブレーズ格子１２のブレーズ角を５゜程度とすると、ダイクロイック膜１３Ｂへの入射角は３２゜程度、ダイクロイック膜１３Ｇへの入射角は２２゜程度となる。

光学素子２４は、マイクロレンズアレイを備える図２４に示したＬＣＤ５３の照明光学系として利用することができる。その際、素子２４は単一の部材であるから、図２３に示した光学系のように素子間の相対角を調整する必要がなく、組み立てを速やかにかつ精度よく行うことができる。なお、ＬＣＤ５３に導く光を直線偏光としたり、変調後の光から映像を表す光を取り出したりするためには、偏光板または前述の光学素子２２を用いればよい。

第５の実施形態の光学素子２５の構成および光に対する作用を図１４に模式的に示す。この光学素子２５は、分離コーティング１３として入射角に応じて光を反射しまたは透過させる角度分離膜１３ｃを備えている。異なる方向から素子２５に入射する光のうち、一方は角度分離膜１３ｃを透過し、他方は角度分離膜１３ｃで反射されてブレーズ格子１２によって回折され、全反射を受けながら端面に達して素子２５の外部に出る。

角度分離膜１３ｃの膜構成を表６に示し、波長５５０ｎｍの光に対する透過率と入射角の関係を図１５に示す。表６において、層番号０が透明基材１１であり、層番号２２が透明材１４である。光学膜厚は７００ｎｍを基準波長として表している。

＜表６＞ 角度分離膜１３ｃの構成
層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚
２２ １.６２ ２１ １.６２ ０.１２５
２０ １.３８５ ０.３５２５ １９ ２.２ ０.３１２５
１８ １.３８５ ０.３５２５ １７ ２.２ ０.１１７５
１６ １.３８５ ０.４０７５ １５ ２.２ ０.１２５
１４ １.３８５ ０.４ １３ ２.２ ０.１０５
１２ １.３８５ ０.３９５ １１ ２.２ ０.１３５
１０ １.３８５ ０.３８ ９ ２.２ ０.２０７５
８ １.３８５ ０.３８７５ ７ ２.２ ０.４４７５
６ １.３８５ ０.３５２５ ５ ２.２ ０.２９７５
４ １.３８５ ０.２９５ ３ ２.２ ０.３２２５
２ １.３８５ ０.３４７５ １ １.６２ ０.１２５
０ １.６２

光学素子２５を反射型ＬＣＤの照明光学系として使用する形態を図１６に示す。光学素子２５をＬＣＤ３１と平行に配置し、素子２５の端面近傍に直線状の光源４１を配置する。また、素子２５とＬＣＤ３１の間に偏光板４３を配置する。光源４１は無偏光の光を発する。光源４１が発した光は、端面より素子２５に入り、全反射を受けながら素子２５内を進行する。素子２５の内部を進行する光は角度分離膜１３ｃで反射されることにより、透明基材１１の表面１１ａに対する入射角が変化していき、入射角が臨界角未満になった時点で表面１１ａを透過する。表面１１ａを透過した光は、ＬＣＤ３１に対してやや斜めに入射する照明光となる。この照明光はＬＣＤ３１に入射する前に偏光板４３によって直線偏光とされる。

ＬＣＤ３１は、変調後も偏光面が回転しなかった直線偏光が映像を表す光となるように動作を制御される。ＬＣＤ３１で変調され反射された光は、偏光板４３によって映像を表す光のみとされ、透明基材１１から出たときとは異なる角度で、透明基材１１から素子２５に入る。この光は、角度分離膜１３ｃに対する入射角が小さく、角度分離膜１３ｃを透過して透明材１４から素子２５の外部に出る。素子２５の外部に出た光は直接観察するようにしてもよいし、投射光学系でスクリーンに投射するようにしてもよい。なお、偏光板４３に代えて、前述の光学素子２２を配置するようにしてもよい。

光学素子２５をＤＭＤの照明光学系として使用し、ＤＭＤで変調した光を投射光学系で投射する形態を図１７に示す。ＤＭＤ３３を投射光学系３４の光軸に対して垂直に配置し、素子２５をＤＭＤ３３と投射光学系３４の間に、ＤＭＤ３３と平行に配置する。また、素子２５の端面近傍に直線状の光源４１を配置する。光源４１が発した光は、上記のＬＣＤ３１の照明の場合と同様に、ＤＭＤ３３に対してやや斜めに入射する照明光となる。

ＤＭＤ３３は、映像を表す光を垂直方向に反射し、他の光を垂直方向とは異なる方向に反射するように動作を制御される。ＤＭＤ３３で２方向に反射されたこれらの光は、透明基材１１の表面１１ａから素子２５に入る。これらの光は、角度分離膜１３ｃに対する入射角が小さく、いずれも角度分離膜１３ｃを透過して素子２５の外部に出る。素子２５の外部に出た光のうち映像を表す光のみが投射光学系３４に入射して、不図示のスクリーンに投射される。この設定では、図２５に示したプリズムを使用する光学系に比べて、投射光学系３４のレンズバックを大幅に短くすることができる。

図１８に示すように、角度分離膜１３ｃの設定の異なる光学素子２５を２つ備え、照明用の光学素子２５を透過したＤＭＤ３３からの反射光のうち、映像を表す光以外の光を他方の光学素子２５の角度分離膜１３ｃで反射し、その素子２５内で全反射させて端面から外部に出すようにしてもよい。このようにすると、投射光学系３４近傍に向かう不要光をなくすことができて、投射光学系３４のレンズバックをさらに短くすることが可能である。図１５に示したように、角度分離膜１３ｃは入射角に１０゜程度の差のある入射光を確実に分離する設定とすることができるから、ＤＭＤ３３は各ミラー素片が５゜程度角度差のある２方向を向く設定とすれば十分であり、ＤＭＤ３３の作製も容易である。

なお、２つの光学素子２５の配置は逆にすることもできる。また、光学素子２５を２つ使用することに代えて、第４の実施形態で示したように、ブレーズ格子１２と角度分離膜１３ｃを２組備える単一の光学素子とし、これをＤＭＤ３３の照明のためとＤＭＤ３３からの反射光の分離のために兼用してもよい。

第６の実施形態の光学素子２６の構成および光に対する作用を図１９に模式的に示す。この光学素子２６は、分離コーティング１３として、回転方向が逆の２つの円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイラルネマティック液晶層１３ｄを備えており、また、透明基材１１の表面１１ａに貼着された１／４位相板４４を備えている。なお、ここでは、カイラルネマティック液晶層１３ｄが右回りの円偏光を反射し左回りの円偏光を透過させる設定とした例を掲げている。

光学素子２６は、１／４位相板４４を透過して入射する偏光面が互いに直交する２つの直線偏光を分離することができる。１／４位相板４４を透過することにより、一方の直線偏光は左回りの円偏光となり、他方の直線偏光は右回りの円偏光となる。左回りの円偏光は、カイラルネマティック液晶層１３ｄを透過して透明材１４の表面１４ａから素子２６の外部に出る。

一方、右回りの円偏光は、カイラルネマティック液晶層１３ｄで反射されてブレーズ格子１２によって回折され、１／４位相板４４に再入射して直線偏光となる。この直線偏光は１／４位相板４４の表面で全反射され、もう一度１／４位相板４４を透過することにより右回りの円偏光に戻った状態で、透明基材１１に再入射する。この右回りの円偏光は、以下同様に、カイラルネマティック液晶層１３ｄによる反射と１／４位相板４４の表面での全反射を受けながら素子２６の端面に達して、端面より外部に出る。

光学素子２６を反射型ＬＣＤの照明光学系として使用する形態を図２０に示す。光学素子２６をＬＣＤ３１と平行に配置して、端面より右回りの円偏光を素子２６に導き入れる。この円偏光は、上記のように反射を受けながら素子２６内を進行する。その間、液晶層１３ｄで反射されることにより１／４位相板４４の表面に対する入射角が変化していき、入射角が臨界角未満になった時点で光は外部に出て、ＬＣＤ３１の照明光となる。この照明光は１／４位相板４４を透過することにより直線偏光になっている。

ＬＣＤ３１は、変調により偏光面が９０゜回転した直線偏光が映像を表す光となるように動作を制御される。ＬＣＤ３１で変調され反射された光は、素子２６に入射し、１／４位相板４４により円偏光に変換される。このとき、変調により偏光面が回転した直線偏光すなわち映像を表す光は左回りの円偏光となり、偏光面が回転しなかった直線偏光は右回りの円偏光に戻る。これら２つの円偏光はカイラルネマティック液晶層１３ｄに達し、映像を表す左回りの円偏光のみが液晶層１３ｄを透過し、右回りの円偏光は液晶層１３ｄで反射されて端面より素子２６の外部に出る。こうして、映像を表す光のみが取り出される。

なお、上記の各実施形態では、ブレーズ格子１２は光に回折のみを生じさせる設定としているが、さらにパワーをもたせるようにしてもよい。これは、ブレーズ格子１２をその全体にわたって一定の周期構造とすることに代えて、部位ごとに周期や単位構造を少しずつ変化させて、回折角を連続的に変化させることにより実現することができる。また、ブレーズ格子１２に代えてバイレベルあるいはマルチレベルの回折格子を備え、その上に分離コーティング１３を設けた構成としてもよい。

なお、表面にブレーズ格子を有する板状の透明基材と、透明基材のブレーズ格子上に設けられ、入射光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングとでブレーズ格子素子を構成してもよい。この素子は、単一の薄い光学素子でありながら、２つの機能を併せもつ。すなわち、分離コーティングにより入射光をその特性に応じて反射光と透過光に分離することが可能であり、分離した透過光もしくは反射光または双方にブレーズ格子を作用させることができる。ブレーズ格子は、凹凸の高低差を入射光の波長程度にすれば回折格子となり、また、高低差を入射光の波長の数倍程度以上とすれば、フレネルレンズあるいはミラーとして作用する。

分離コーティングを挟んで透明基材のブレーズ格子に密着した板状の透明材を備えるようにしてもよい。格子面の保護が可能になる。また、透明基材と透明材を同じ材料で作製することで、透過光に不要な変調がかかるのを避けることができる。この場合、ブレーズ格子は反射光のみに作用することになる。

透明材が、透明基材に対して反対側の表面にブレーズ格子を有しており、さらに、透明材のブレーズ格子上に設けられ、入射光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングと、分離コーティングを挟んで透明材のブレーズ格子に密着した板状の透明材を備える構成としてもよい。このようにすると、一方の分離コーティングで分離された透過光を他方の分離コーティングでさらに反射光と透過光に分離できるようになる。また、２つのブレーズ格子のブレーズ面の傾斜方向を逆にすることで、入射角によって分離が不完全になるのを避けることも可能である。

分離コーティングは入射光の偏光特性に応じて入射光を反射しまたは透過させるものとすることができる。分離コーティングは傾斜したブレーズ面上に設けられているため、素子への入射角が４５゜未満となるように配置しても、分離コーティングに対する光の入射角を４５゜以上にすることが可能である。したがって、平板状でありながら、良好な偏光分離特性を有するＰＢＳ素子が得られる。

分離コーティングは、また、入射光の波長に応じて入射光を反射しまたは透過させるものとすることも、入射光の入射角に応じて入射光を反射しまたは透過させるものとすることもできる。いずれの場合も、単に波長や入射角に応じて光を分離するだけでなく、分離後の光にブレーズ格子の作用を及ぼすことが可能である。

また、表面に回折格子を有する板状の透明基材と、透明基材の回折格子上に設けられ、入射光の偏光特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングと、分離コーティングを挟んで透明基材の回折格子に密着した板状の透明材とで回折格子素子を構成してもよい。この素子は、単一の薄い光学素子でありながら、偏光分離の機能と回折の機能を併せもつ。すなわち、分離コーティングにより入射光をその偏光特性に応じて反射光と透過光に分離することが可能であり、分離した反射光に回折を生じさせて反射角を変化させることができる。

ここで、透明基材が分離コーティングで反射された光を内部で全反射して端面に導くようにしてもよい。分離後の透過光のみが必要な場合、不要な反射光を素子の端面から捨て去ることができて、反射光の処理が容易になる。また、光を吸収して素子が高温になることもない。

本発明の照明光学系に適用可能なブレーズ格子素子および回折格子素子の基本構成を模式的に示す断面図。 本発明の照明光学系に適用可能なブレーズ格子素子および回折格子素子の別の基本構成を模式的に示す断面図。 第１の実施形態の光学素子の構成および光に対する作用を模式的に示す断面図。 第１の実施形態の光学素子に備えたＰＢＳ膜の、入射角４５゜のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率と波長の関係を示す図。 第１の実施形態の光学素子を反射型ＬＣＤの照明光学系として使用する形態を示す断面図。 第２の実施形態の光学素子の構成および光に対する作用を模式的に示す断面図。 第２の実施形態の光学素子に備えたＰＢＳ膜の、入射角６０゜のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率と波長の関係を示す図。 第２の実施形態の光学素子を透過型ＬＣＤの照明光学系および映像を表す光を取り出す光学系として使用する形態を示す断面図。 第３の実施形態の光学素子の構成および光に対する作用を模式的に示す断面図。 第４の実施形態の光学素子の構成および光に対する作用を模式的に示す断面図。 第４の実施形態の光学素子に備えたＲ光反射のダイクロイック膜の、入射角４５゜のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率と波長の関係を示す図。 第４の実施形態の光学素子に備えたＢ光反射のダイクロイック膜の、入射角４５゜のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率と波長の関係を示す図。 第４の実施形態の光学素子に備えたＧ光反射のダイクロイック膜の、入射角４５゜のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率と波長の関係を示す図。 第５の実施形態の光学素子の構成および光に対する作用を模式的に示す断面図。 第５の実施形態の光学素子に備えた角度分離膜の、波長５５０ｎｍの光に対する透過率と入射角の関係を示す図。 第５の実施形態の光学素子を反射型ＬＣＤの照明光学系として使用する形態を示す断面図。 第５の実施形態の光学素子をＤＭＤの照明光学系として使用する形態を示す断面図。 第５の実施形態の光学素子をＤＭＤの照明光学系および映像を表す光を取り出す光学系として使用する形態を示す断面図。 第６の実施形態の光学素子の構成および光に対する作用を模式的に示す断面図。 第６の実施形態の光学素子を反射型ＬＣＤの照明光学系として使用する形態を示す断面図。 ＰＢＳプリズムの構成を示す図。 反射型ＬＣＤの照明光と反射光を分離するための従来の光学素子を示す図。 白色光を光路に角度差のあるＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離するための従来の光学系を示す図。 マイクロレンズアレイを備え、光路に角度差のあるＲ光、Ｇ光、Ｂ光で照明されるＬＣＤの構成を示す図。 ＤＭＤを照明する従来の光学系を示す図。

符号の説明

１、２ ブレーズ格子素子
１１ 透明基材
１１ａ 透明基材表面
１１Ｒ ダイクロイック膜
１２ ブレーズ格子
１２ａ ブレーズ面
１３ 分離コーティング
１３ａ、１３ｂ 偏光分離膜
１３Ｂ、１３Ｇ ダイクロイック膜
１４ 透明材
１４ａ 透明材表面
１５ 光吸収部材
２１、２２、２３、２４、２５、２６ 回折格子素子
３１ 反射型ＬＣＤ
３２ 透過型ＬＣＤ
３３ ＤＭＤ
３４ 投射光学系
４１ 光源
４３ 偏光板
４４ １／４位相板

Claims (4)

1. 表面に回折格子を有する板状の透明基材と、前記透明基材の回折格子上に設けられ、入射光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングを備える回折格子素子を含み、
   光を前記回折格子素子によって照明対象物に導いて照明対象物を照明するとともに、照明対象物によって反射された光を前記回折格子素子を透過させて外部に導くことを特徴とする照明光学系。
2. 前記回折格子素子が前記分離コーティングを挟んで前記透明基材の回折格子に密着した板状の透明材を備えることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記分離コーティングが入射光の入射角に応じて入射光を反射しまたは透過させることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記分離コーティングが回転方向の異なる２つの円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイラルネマティック液晶層であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明光学系。

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