(57)【要約】【課題】光源からの光の利用効率の低減を抑制しつつ、効率よくシンチレーションを低減し、高画質な画像を表示することができる投写型表示装置を提供する。【解決手段】投写型表示装置は、光源からの光を出射する集光光学系１と、入射された光を変調して画像光を出射する画像形成領域２ａを持つライトバルブ２と、集光光学系１からの光を画像形成領域２ａに導く照明光学系４と、画像形成領域２ａから出射された画像光を拡大投写する投写光学系３と、照明光学系４における画像形成領域２ａとの共役位置近傍に配置され、照明光学系４から入射する光に垂直な基準面に複数の微細光学素子が規則的に配列された構造を持つ拡散素子５とを備えている。【選択図】図１
2010231184.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コヒーレントな光を出射する少なくとも１つの光源と、
前記光源からの光を変調して画像光を出射する画像形成領域を持つライトバルブと、
前記光源からの光を前記画像形成領域に導く照明光学系と、
前記画像形成領域から出射された前記画像光を拡大投写する投写光学系と、
前記照明光学系における前記画像形成領域との光学的共役位置近傍に配置され、前記光源からの光の進行方向に垂直な基準面に複数の微細光学素子が規則的に配列された構造を持つ拡散素子と
を備えたことを特徴とする投写型表示装置。
【請求項２】
前記拡散素子は、前記複数の微細光学素子を該拡散素子の入射面及び出射面の少なくとも一方の面に配列した構造を有することを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
【請求項３】
前記拡散素子は、前記複数の微細光学素子を該拡散素子の入射面及び出射面の両方の面に配列した構造を有し、前記入射面側の微細光学素子と前記出射面側の微細光学素子は異なる形状であることを特徴とする請求項１に記載の投写型表示装置。
【請求項４】
前記微細光学素子は、前記基準面において第１の方向に繰り返し配列されており、
前記各微細光学素子は第１の側面と第２の側面とを有し、前記第１の方向を含み前記基準面に垂直な面である第１の垂直面と前記第１の側面との交線は前記第１の方向に対して鋭角をなし、前記第１の垂直面と前記第２の側面との交線は前記第１の方向に対して鈍角をなす
ことを特徴とする請求項２に記載の投写型表示装置。
【請求項５】
前記複数の微細光学素子のうち前記入射面及び出射面の一方の面における当該微細光学素子は、前記基準面において第１の方向に繰り返し配列され、
前記一方の面に配列された各微細光学素子が第１の側面と第２の側面とを有し、前記第１の方向を含み前記基準面に垂直な面である第１の垂直面と前記第１の側面との交線が前記第１の方向に対して鋭角をなし、前記第１の垂直面と前記第２の側面との交線が前記第１の方向に対して鈍角をなしており、
前記複数の微細光学素子のうち前記入射面及び出射面の他方の面における当該微細光学素子は、前記基準面において前記第１の方向とは異なる第２の方向に繰り返し配列され、
前記他方の面に配列された各微細光学素子が第３の側面と第４の側面とを有し、前記第２の方向を含み前記基準面に垂直な面である第２の垂直面と前記第３の側面との交線は前記第２の方向に対して鋭角をなし、前記第２の垂直面と前記第４の側面との交線は前記第２の方向に対して鈍角をなしている
ことを特徴とする請求項３に記載の投写型表示装置。
【請求項６】
前記複数の微細光学素子の各々はプリズム形状の微細光学素子であることを特徴とする請求項４又は５に記載の投写型表示装置。
【請求項７】
前記複数の微細光学素子の各々は、プリズム形状の微細光学素子の頂角側を切り欠いた形状に相当する断面が台形形状の微細光学素子であることを特徴とする請求項４又は５に記載の投写型表示装置。
【請求項８】
前記複数の微細光学素子の各々は、前記第１及び第２の側面に加えて、さらに、第３の側面と第４の側面とを有し、前記第１の方向とは異なる第２の方向を含み前記基準面に垂直な面である第２の垂直面と前記第３の側面との交線が前記第２の方向に対して鋭角をなし、前記第２の垂直面と前記第４の側面との交線が前記第２の方向に対して鈍角をなすことを特徴とする請求項４に記載の投写型表示装置。
【請求項９】
前記複数の微細光学素子の各々は、四角錘構造を持つ微細光学素子であることを特徴とする請求項８に記載の投写型表示装置。
【請求項１０】
前記複数の微細光学素子の各々は、四角錘構造を持つ微細光学素子の頂角側を切り欠いた構造に相当する断面が台形形状の微細光学素子であること特徴とする請求項８に記載の投写型表示装置。
【請求項１１】
前記拡散素子は、前記複数の微細光学素子としての複数のレンズ素子を２次元的に配列したレンズアレイであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
【請求項１２】
前記複数の微細光学素子の各々は、シリンドリカル形状の微細光学素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
【請求項１３】
前記光源は、レーザ光源であることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スクリーン上に画像を投写する投写型表示装置に関し、より詳細には、ディジタル・マイクロミラー・デバイス（以下「ＤＭＤ」と言う。）や反射型液晶表示素子等のようなライトバルブを用いた投写型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、投写型表示装置の光源としては、超高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等が用いられてきた。しかし、これらのランプは、寿命が短く、ランプ交換等のメンテナンス作業が発生するという問題があった。また、ランプの白色光から赤、緑、及び青の各色の光を生成するための光学系が必要であり、装置が複雑になるとともに光利用効率が低下するという問題があった。
【０００３】
これらの問題を解決するために、半導体レーザ等のレーザ光源を採用する試みがなされている。レーザ光源は、ランプ光源に比べて寿命が長く、メンテナンス作業が不要となる。また、表示画像に応じてレーザ光源を直接変調することが可能であるため、装置の構成が簡単になり、また、光利用効率も向上する。さらに、レーザ光源を採用することにより、色再現範囲を広くすることができる。
【０００４】
しかし、レーザ光源は高いコヒーレンス（可干渉性）を有しているため、投写型表示装置の光源に用いた場合、投影画像上にシンチレーション又はスペックルノイズ（「スペックル」とも言う）が発生する。シンチレーションはスクリーン上で、入射された光が不規則な位相関係で干渉し、発生した干渉パターンが、観測者においてぎらついて見えてしまうという問題である。レーザ光源を採用する場合、このシンチレーションやスペックルノイズを低減することが重要であり、その方法として光学系内ですりガラスを回転する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２０８０８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、すりガラスはガラス中に散乱部材として微粒子をランダムに混入させた構成であり、光学系に適した散乱特性を得ることが困難である。また、特許文献１には、シンチレーションを低減するためにすりガラスが持つべき最適な散乱特性の具体的な提案がなされていないため、光利用効率の低下を招いてしまう恐れがあるという問題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、上記従来技術の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、光源からの光の利用効率の低減を抑制しつつ、効率よくシンチレーションを低減して高画質の画像を表示することができる投写型表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る投写型表示装置は、少なくとも１つの光源と、前記光源からの光を変調して画像光を出射する画像形成領域を持つライトバルブと、前記光源からの光を前記画像形成領域に導く照明光学系と、前記画像形成領域から出射された前記画像光を拡大投写する投写光学系と、前記照明光学系における前記画像形成領域との光学的共役位置近傍に配置され、前記光源からの光の進行方向に垂直な基準面に複数の微細光学素子が規則的に配列された構造を持つ拡散素子とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、簡単な構成を追加するだけで、光源からの光の利用効率の低減を抑制しつつ、効率よくシンチレーションを低減して、高画質の画像を表示することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の光学系の構成を概略的に示す図である。
【図２】実施の形態１に係る投写型表示装置における照明光学系の作用を概念的に示す模式図である。
【図３】実施の形態１に係るＤＭＤ素子の被照明面より出射される光の理想的な角度分布を表す図である。
【図４】実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子の形状を概略的に示す図である。
【図５】（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子による効果を示す図である。
【図６】光の屈折を説明するための図である。
【図７】実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子内の屈折状態を概略的に示す図である。
【図８】実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子よる作用を概略的に示す図である。
【図９】実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子よる作用を概略的に示す図である。
【図１０】実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子による効果を示す図である。
【図１１】本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置における拡散素子の形状を概略的に示す図である。
【図１２】（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態２の投写型表示装置における拡散素子による効果を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態３に係る投写型表示装置における拡散素子の形状を概略的に示す図である。
【図１４】本発明の実施の形態４に係る投写型表示装置における拡散素子の形状を概略的に示す図である。
【図１５】本発明の実施の形態５に係る投写型表示装置における拡散素子の形状を概略的に示す図である。
【図１６】本発明の実施の形態６に係る投写型表示装置における拡散素子の形状を概略的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置の光学系の構成を概略的に示す図である。図１に示されるように、実施の形態１に係る投写型表示装置は、集光光学系１と、照明光学系４と、反射型のライトバルブとしてのＤＭＤ素子２と、照明光学系４により照射された光束を変調するＤＭＤ素子２の被照明領域（画像形成領域）２ａと、被照明領域２ａで生成された画像光をスクリーン（図示せず）に拡大投写する投写光学系３とを有している。集光光学系１は、複数色（例えば、ＲＧＢの３色）の光を出射する複数のレーザ光源１１と、レーザ光源１１から出射された光束を集光するための、１枚又は複数枚（図１においては、３枚）のレンズ又はミラーで構成される複数の集光光学素子１２と、集光光学素子１２から出射された光束を照明光学系４に導く複数（図１においては、３本）の光ファイバー１３とから構成される。なお、ライトバルブは、入力画像信号に応じて入射光を変調して変調光（画像光）を出射できる素子であれば、ＤＭＤ素子以外の素子（例えば、液晶素子など）であってもよい。
【００１２】
照明光学系４は、集光光学系１から出射された光束の強度分布を均一化する光強度均一化素子４１と、レンズ４２ａ，４２ｂから構成されるリレーレンズ群４２と、第１ミラー４３ａ及び第２ミラー４３ｂから構成されるミラー群４３とを有している。図１において、リレーレンズ群４２は、レンズ４２ａ，４２ｂの２枚のレンズで構成されているが、レンズの枚数は２枚に限定されるものではない。同様に、ミラー群４３を構成するミラーの枚数も、２枚に限定されるものではない。リレーレンズ群４２とミラー群４３により、光強度均一化素子４１から出射した光束を、ＤＭＤ素子２に導いている。
【００１３】
光強度均一化素子４１は、集光光学系１が出射した光束の光強度を均一化する（すなわち、照度ムラを低減する）機能を持つ。光強度均一化素子４１としては、一般的に、ガラス又は樹脂等の透明材料で作られ、側壁内側が全反射面となるように構成された多角形柱状のロッド（すなわち、断面形状が多角形の柱状部材）、又は、光反射面を内側にして筒状に組み合わされ、断面形状が多角形のパイプ（管状部材）がある。光強度均一化素子４１が多角柱状のロッドである場合には、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射面（出射端）から出射させる。光強度均一化素子４１が多角形のパイプである場合には、内側を向く平面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射面から出射させる。光強度均一化素子４１は、光束の進行方向に適当な長さを確保すれば、内部で複数回反射した光が光強度均一化素子４１の出射面４１ｂの近傍に重畳照射され、光強度均一化素子４１の出射面４１ｂ近傍においては、略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する出射光を、リレーレンズ群４２及びミラー群４３によって、ＤＭＤ素子２へと導き、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａを照明する。
【００１４】
図２は、照明光学系４の作用を概念的に示す模式図である。図２において、リレーレンズ群４２及びミラー群４３を模式的に示すため、各々１つのレンズ素子（破線）で示している。実施の形態１においては、照明光学系４においては、光強度均一化素子４１の出射面４１ｂとＤＭＤ素子２の被照明面２ａとが光学的に共役な関係になるように構成されている。図２に示されるように、出射面４１ｂから出射された光束は、光軸Ｌａに沿って進行し、リレーレンズ群４２及びミラー群４３により被照射面２ａで収束される。ＤＭＤ素子の被照射面２ａで変調された光は、投写光学系３の投写レンズ群３１ａ、瞳３２及び投写レンズ群３１ｂによりスクリーン３３で結像されることとなる。
【００１５】
ＤＭＤ素子２は、各画素に対応する可動式のマイクロミラーを多数（例えば、数十万個）２次元に配列したものであり、画素情報に応じてマイクロミラーの傾角（チルト）を個別に変化させるように構成されている。マイクロミラーの配列された面（すなわち、マイクロミラーが形成された基板の表面）を基準面とすると、ＤＭＤ素子２は、画素情報に応じて、マイクロミラーを基準面に対して一定の方向に角度α（例えば、１２度）だけ傾けることにより、当該マイクロミラーは入射光束を投写光学系３に向けて反射し、投写光学系３に入射した光束はスクリーン（図示せず）上の画像投写に利用される。また、ＤＭＤ素子２は、画素情報に応じて、マイクロミラーを基準面に対して角度αとは異なる角度β（例えば、−１２度）だけ傾けることにより、当該マイクロミラーは入射光束を光吸収板（図示せず）に向けて反射し、光吸収板に入射した光束はスクリーン上の画像投写に利用されない。このようにＤＭＤ素子２は、入射光束の投写光学系３への反射を画素単位で制御することができる。
【００１６】
次に、レーザ光源のようなコヒーレントな光を出射する光源を使用した場合に発生するシンチレーションを、拡散素子５の拡散効果により低減させる方法について検討する。
【００１７】
スクリーン３３に様々な波面を入射させると、スクリーン３３上でこれら波面が干渉パターンを形成するので、観測者の目には、これら干渉パターンが重ね合わせされ平均化されて視覚される。これにより、シンチレーションを低減することができる。様々な波面をスクリーン３３に入射させるためには、スクリーン３３への入射光の角度分布を広くし、かつ均一化することが有効である。拡散素子５は、拡散効果により、スクリーン３３への光の入射角度を制御し、角度分布を広くかつ均一化するものである。
【００１８】
そこで、シンチレーションの低減のために配置される拡散素子５の位置について検討する。図２を参照すると、スクリーン３３への光の入射角度を制御するための拡散素子５の設置位置として、スクリーン３３と光学的に共役な関係にあるＤＭＤ素子２の被照明面２ａの近傍、あるいは、光強度均一化素子４１の出射面４１ｂ及びその近傍が考えられる。被照射面２ａとスクリーン３３との間の空間（投写光学系）に設置すると画像のぼけが大きくなりすぎる。そこで、実施の形態１では、拡散素子５は光強度均一化素子４１の出射面４１ｂに配置される。
【００１９】
拡散素子５の設置位置の妥当性を検証するために、照明光学系４内の３箇所、すなわち、投写光学系３の入射側開口部３１と共役な関係となる光強度均一化素子４１の入射面４１ａ位置、照明光学系４の絞り位置４５、及びＤＭＤ素子２の被照明面２ａと共役な関係となる光強度均一化素子４１の出射面４１ｂ位置（共役位置）、のそれぞれに拡散素子５を配置して、シンチレーションの発生状態を検証する実験を行った。この実験の結果を、表１に示す。なお、出射面４１ｂ位置（共役位置）とは、実用上共役位置とみなすことができる範囲を含む。すなわち、出射面４１ｂ位置は、出射面４１ｂに隣接する位置を含む。また、入射面４１ａ位置は、入射面４１ａに隣接する位置を含む。この実験に使用した拡散素子５は、一般的にはホログラフィック拡散素子と呼ばれるもので、基板上に施したホログラムパターンにより、光の拡散角度を設定できる構成となっているものである。
【００２０】
【表１】
2010231184.tif 000003
【００２１】
表１に示されるように、照明光学系４に拡散素子５を配置しない場合、この実験系においては、シンチレーションが強く発生した（表１のシンチレーション欄で「×」と表記）。拡散素子５を光強度均一化素子４１の入射面４１ａ近傍に配置した場合、この実験系においては、シンチレーションがある程度低減した（表１のシンチレーション欄で「△」と表記）。また、拡散素子５を照明光学系４の絞り位置４５近傍に配置した場合、この実験系においては、シンチレーションがある程度低減した（表１のシンチレーション欄で「△」と表記）。拡散素子５を光強度均一化素子４１の出射面４１ｂ近傍に配置した場合、この実験系においては、シンチレーションが最も低減した（表１のシンチレーション欄で「○」と表記）。
【００２２】
表１の実験結果からわかるように、同じ拡散素子５を上記３箇所に配置した場合、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａと共役関係にある光強度均一化素子４１の出射面４１ｂ近傍に配置した場合が、最もシンチレーション低減効果が高いことがわかる。このことから、実施の形態１では、拡散素子５は光強度均一化素子４１の出射面４１ｂに配置される。
【００２３】
図３は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａより出射される光の理想的な角度分布Ｉｄを表す図である。図３中、横軸が出射角度を示し、縦軸が光強度を示している。出射角度が０°のときの光強度は、投写光学系３の中心軸（光軸）に平行な光束の光強度を表している。なお、図３中のθ０は、図２に示されるように、被照明面２ａの中心からの出射光が投写光学系３の瞳３２に入るときの角度の最大値（最大角度）である。この最大角度θ０よりも大きい角度で入射する光束は、投写光学系３内で損失する。よって、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａより出射する光の角度分布が−θ０〜θ０の角度範囲Δθ内で均一となることが、光の利用効率の低減を防止し、シンチレーションの低減効果に有効である。
【００２４】
図４（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子５の形状を概略的に示す図である。図４（ａ）に示されるように、拡散素子５は、入射光束の進行方向に直交するＸ方向に長いプリズム形状の微細光学素子５１が、Ｘ方向及び入射光束の進行方向の両方に直交するＹ方向に多数配列された光入射面と、Ｙ方向に長いプリズム形状の微細光学素子５２がＸ方向に多数配列された光出射面とを有する拡散板である。レーザ光源１１からの伝搬光は、図２の光強度均一化素子４１により一方向に指向されて面状の拡散素子５に略垂直に入射する。図４（ａ）に示されるように、Ｘ方向に伸長する微細光学素子５１は、拡散素子５の基準面（レーザ光源１１からの伝搬光の進行方向に垂直な面）においてＹ方向（第１の方向）に繰り返し配列されている。拡散素子５の基準面は、Ｘ方向及びＹ方向の双方を含む面（Ｘ方向及びＹ方向の双方と平行な面）である。図４（ｂ）は、Ｙ方向を含み基準面ＢＰに垂直な面（第１の垂直面）と微細光学素子５１との交線を概略的に示す図である。図４（ｂ）に示されるように、各微細光学素子５１は、拡散素子５の基準面ＢＰから鋭角γ１１（反時計回りの角度）で傾斜する第１の側面５１ａと、基準面ＢＰから鈍角γ１２（反時計回りの角度）で傾斜（又は、時計回りの角度γ１３＝１０８°−γ１２で傾斜）する第２の側面５１ｂとを有している。すなわち、第１の側面５１ａと第１の垂直面との交線はＹ方向（Ｙが増加する＋Ｙ方向）に対して鋭角γ１１をなし、第２の側面５１ｂと第１の垂直面との交線はＹ方向に対して鈍角γ１２をなす。レーザ光源１１から伝搬した入射光は、これら第１及び第２の側面５１ａ，５１ｂの各々で屈折する。一方、Ｙ方向に伸長する微細光学素子５２は、拡散素子５の基準面においてＸ方向（第２の方向）に繰り返し配列されている。図４（ｃ）は、Ｘ方向を含み基準面ＢＰに垂直な面（第２の垂直面）と微細光学素子５２との交線を概略的に示す図である。図４（ｃ）に示されるように、各微細光学素子５２は、基準面ＢＰから鋭角γ１４（時計回りの角度）で傾斜する第１の側面５２ａと、基準面ＢＰから鈍角γ１５（時計回りの角度）で傾斜（又は、反時計回りの角度γ１６＝１８０°−γ１５で傾斜）する第２の側面５２ｂとを有している。すなわち、第１の側面５２ａと第２の垂直面との交線はＸ方向（Ｘが増加する＋Ｘ方向）に対して鋭角γ１４をなし、第２の側面５２ｂと第２の垂直面との交線はＸ方向に対して鈍角γ１５をなす。拡散素子５内部からの出射光は、これら第１及び第２の側面５２ａ，５２ｂの各々で屈折する。なお、本明細書において、全ての実施の形態でＸ方向とＹ方向は互いに直交しているが、これに限定されるものでなく、Ｘ方向とＹ方向は互いに異なる方向であればよい。
【００２５】
後述するように、微細光学素子５１，５２の法線方向の異なるこれら４つの側面５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂで入射光を屈折させることにより、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａから出射する光の角度分布の広域化と均一化が実現される。一方の面の微細光学素子５１，…，５１は、Ｙ方向の角度分布の広域化と均一化を実現するものであり、他方の面の微細光学素子５２，…，５２は、Ｘ方向の角度分布の広域化と均一化を実現するものである。なお、図４に示した拡散素子５は、表面（入射面）と裏面（出射面）との両方に微細光学素子５１，５２を有するが、これに限定されるものではない。表面と裏面とのいずれか一方のみに微細光学素子５１あるいは微細光学素子５２を有する拡散素子を使用しても、角度分布の広域化と均一化を実現することができる。
【００２６】
図５（ａ）及び（ｂ）は、投写型表示装置における拡散素子５による効果を示す図である。図５（ａ）及び（ｂ）は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａより出射する光束の角度分布を概略的に示す図であり、横軸が出射角度を示し、縦軸が光強度を示す。なお、図５（ａ）及び（ｂ）中のθ０は、被照明面２ａの中心からの出射光が投写光学系３の瞳３２に入るときの角度の最大値（最大角度）を示している。図５（ａ）の角度分布は、拡散素子５を備えていない場合の分布であり、図５（ｂ）の角度分布は、拡散素子５のＸ方向及びＹ方向のうちのいずれか一方への出射角に関する分布である。四角形の線は、透過光の角度分布が平坦化された理想的な角度分布Ｉｄを概略的に示したものである。拡散素子５を備えない場合には、角度分布は、図５（ａ）に示されるように、１つのピークを持つ分布になるが、プリズム状微細光学素子５１，…，５１又はプリズム状微細光学素子５２，…，５２を透過することによって、図５（ｂ）に示されるように、２つの側面５１ａ，５１ｂ（又は５２ａ，５２ｂ）に対応する２つのピークを持つ分布となり、理想の角度分布Ｉｄに近づく。このように、図５（ｂ）に示される特性を有するプリズム状微細光学素子を持つ拡散素子５を用いることによって、光線が広がり、シンチレーション低減作用をより効率的に行うことができる。ただし、拡散素子５においては、入射光線がプリズム内で全反射し、入射方向に戻る光束が存在し、光の損失が発生することがある。そこで、このような損失が発生する入射角に対するプリズム状微細光学素子（以下「プリズム」ともいう。）の頂角の条件について検討する。
【００２７】
図６は、光の屈折を説明するための図である。光は、空気中から屈折率ｎの物質に入射角θｉｎで入射すると、以下の式で表される角度（屈折角）θ１の方向に屈折する。
θ１＝ｓｉｎ−１（（ｓｉｎθｉｎ）／ｎ）            …（１）
【００２８】
この屈折光が物質から空気中に出ると、再び角度θｉｎと同じ屈折角に屈折して空気中に出射する。式（１）を満たさないときの角度を臨界角といい、入射された光は全反射される。
【００２９】
図７は、実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子５内の１個のプリズムの屈折状態を概略的に示す図である。また、図８は、実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子５内の１個のプリズムによる作用を概略的に示す図である。なお、図７及び図８においては、簡単化のため、拡散素子５の一方の面の入射光、出射光の挙動について検討する。実施の形態１の拡散素子５における屈折状態は、図７に示す屈折状態１と、図８に示す屈折状態２があげられる。
【００３０】
まず、図７においては、入射角θｉｎで入射した光は、式（１）で示した関係により角度（屈折角）θ１の屈折光になる。プリズムの頂角をαとすると、角度θ２は次式（２）で表される。
θ２＝９０−α／２−θ１                      …（２）
【００３１】
次に、式（１）の関係式から、角度θ３は次式（３）で表される。
θ３＝ｓｉｎ−１（ｎｓｉｎθ２）                …（３）
また、角度θ３とプリズムから出射される光の出射角θｏｕｔの関係式は次式（４）となる。
θｏｕｔ＝９０−α／２−θ３                              …（４）
【００３２】
結局、出射角θｏｕｔは次式（５）で表される。
θｏｕｔ＝９０−α／２−ｓｉｎ−１（ｎｓｉｎθ２）
＝９０−α／２−ｓｉｎ−１｛ｎｓｉｎ（９０−α／２−θ１）｝  …（５）
【００３３】
次に、図７においては、プリズムに入射した光が入射面の反対側に出射されずに、全反射されるときの頂角αの条件式を求める。図７において、角度θ３を９０°としたときの頂角α（このときのαを、αｌｉｍｉｔとする。）を算出すると、以下の関係式（６）が与えられる。
αｌｉｍｉｔ
＝１８０−２｛ｓｉｎ−１（１／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ  ｓｉｎθｉｎ）｝
…（６）
【００３４】
式（６）は、入射光束が全反射されて、入射面の反対側（図７における上側）に出力されなくなるときの、プリズムの頂角である。なお、αｌｉｍｉｔを、プリズムの臨界頂角と呼ぶ。このことから、プリズムの頂角αが臨界頂角αｌｉｍｉｔより小さくならないように、屈折率及びプリズム頂角αを設計する必要がある。
【００３５】
屈折状態２を示す図８においては、一部の光はプリズム内で一度反射し、出射される。入射角θｉｎで入射した光は式（１）で示した関係により角度（屈折角）θ１１の屈折光になる。プリズムの頂角をαとすると、この屈折光は次式（７）で表される角度θ１２でプリズム界面にあたる。
θ１２＝α／２−θ１１                            …（７）
ここでθ１２は式（１）で述べた臨界頂角αｌｉｍｉｔより小さいと界面で全反射する。全反射した光は次式（８）に示す角度θ１３で再びプリズム界面にあたる。
θ１３＝−９０＋α／２＋θ１２                      …（８）
【００３６】
そして、式（１）の関係式から角度θ１４でプリズムから出射される。
θ１４＝ｓｉｎ−１（ｎｓｉｎθ１３）              …（９）
結局、角度θ１４は以下の式（１０）で表される。
θ１４＝ｓｉｎ−１｛ｎｓｉｎ（−９０＋α−θ１１）｝      …（１０）
【００３７】
プリズムから出射されずに、全反射されるときのθｉｎの条件式を求める。臨界角はθ１４を９０°として、頂角α（このときのαを、αｌｉｍｉｔ２とする。）を算出すると、以下の関係式（１１）が与えられる。
αｌｉｍｉｔ２
＝２／３｛ｓｉｎ−１（１／ｎ）＋ｓｉｎ−１（１／ｎ  ｓｉｎθｉｎ）＋９０｝
…（１１）
プリズムの臨界頂角αｌｉｍｉｔ２では、図９のような光線をたどり全反射されて損失となる。
【００３８】
図１０は、実施の形態１に係る投写型表示装置における拡散素子５による効果を示す図である。図１０は、拡散素子５の構成材料の屈折率を１．５とし、入射角θｉｎを２６°及び３５°としたときの拡散素子５の透過率分布を示している。なお、図１０には、図７及び図８で示した屈折状態１及び屈折状態２において、式（６）及び式（１１）より算出したプリズムの臨界頂角αｌｉｍｉｔ及び臨界頂角αｌｉｍｉｔ２を図中に示している。図１０に示されるように、プリズムの頂角は屈折状態２（図８）のプリズムの臨界頂角αｌｉｍｉｔ２を境に、透過率が急速に減衰している。このためにプリズムの頂角αは、屈折状態２におけるプリズムの臨界頂角αｌｉｍｉｔ２よりも大きい角度である必要がある。これらの結果から、プリズムの頂角αの設定は、光の利用効率を高める上で非常に重要であることが理解できる。
【００３９】
以上に説明したように、実施の形態１においては、プリズムの頂角αと入射角θｉｎの関係を満たすことにより、プリズムにおける入射の全反射による光の損失を低減することができる。
【００４０】
実施の形態１においては、拡散素子５の表面にあるプリズム形状の配列方向は、入射面と出射面で、互いに垂直になるように異なる方向であるため、各面のプリズムの頂角を変えることにより、拡散素子５を透過する光束に対し異なる拡散特性を得ることができる。
【００４１】
また、実施の形態１において、拡散素子５を光強度均一化素子４１の出射面４１ｂ（近傍）に配置しているために照明光学系内の各光学素子を小型化することができる。
【００４２】
さらに、実施の形態１において、光源をレーザ光源１１で構成したので、寿命が長く色再現性がよい明るい光学系を構成することができる。
【００４３】
さらにまた、実施の形態１において、光源から出射された光束を光ファイバー１３を用いて導く構成としたので、光学系の配置に柔軟性を待たせるとともに、光束の取り込み効率が高い光学系が構成できる。また、光ファイバー１３内で光束が多重反射されるため、シンチレーションを低減し、均一性の高い画像を得ることができる。
【００４４】
また、実施の形態１において、光強度均一化素子４１の管状部材でその内面の光束を反射させるように構成した場合には、照明光束により素子自身の加熱が生じにくくなり、光強度均一化素子４１の冷却及び保持が簡単になる。
【００４５】
実施の形態２．
図１１（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実施の形態２に係る投写型表示装置における拡散素子６の形状を概略的に示す図である。図１１（ａ）に示されるように、実施の形態２に係る投写型表示装置においては、拡散素子６の形状が、実施の形態１に係る投写型表示装置の拡散素子６（図３）の形状と相違する。図１１（ａ）に示されるように、実施の形態２における拡散素子６は、断面が台形状である四角柱状の微細光学素子をプリズム形状ではなく断面台形形状の構造を有している。配置場所に関しては実施の形態１と同様に、拡散素子６を光強度均一化素子４１の出射面４１ｂに配置するものとしたが、両面に異なる方向に配列してもよい。
【００４６】
Ｘ方向に伸長する微細光学素子６１は、拡散素子６の基準面（レーザ光源１１からの伝搬光の進行方向に垂直な面）においてＹ方向（第１の方向）に繰り返し配列されている。図１１（ｂ）は、Ｙ方向を含み基準面ＢＰに垂直な面（垂直面）と微細光学素子６１との交線を概略的に示す図である。図１１（ｂ）に示されるように、各微細光学素子６１は、拡散素子６の基準面ＢＰから鋭角γ２１（反時計回りの角度）で傾斜する第１の側面６１ａと、基準面ＢＰから鈍角γ２２（反時計回りの角度）で傾斜（又は、時計回りの角度γ２３＝１８０°−γ２２で傾斜）する第２の側面６１ｂとを有している。すなわち、第１の側面６１ａと垂直面との交線はＹ方向（Ｙが増加する＋Ｙ方向）に対して鋭角γ２１をなし、第２の側面６１ｂと第１の垂直面との交線はＹ方向に対して鈍角γ２２をなす。図１１（ｂ）に示されるように、各微細光学素子６１はさらに基準面ＢＰに並行な上面６１ｔを有する。レーザ光源１１からの伝搬光は、これら第１及び第２の側面６１ａ，６１ｂ及び上面６１ｔという３つの面の各々で屈折する。法線方向の異なるこれら３つの面で入射光を屈折させることにより、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａから出射する光の角度分布の広域化と均一化をＹ方向について実現することができる。
【００４７】
図１２（ａ）及び（ｂ）は、実施の形態２の投写型表示装置における拡散素子６による効果を説明するための図である。図１２（ａ）及び（ｂ）は、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａより出射する光束の角度分布図であり、横軸が出射角度、縦軸が光強度である。なお、図１２（ａ）及び（ｂ）中のθ０は、被照明面２ａの中心からの出射光が投写光学系３の瞳３２に入るときの角度の最大値（最大角度）を示している。図１２（ａ）の角度分布は、拡散素子６を備えていない場合の分布であり、図１２（ｂ）の角度分布は、拡散素子６を透過した光束に関する分布である。四角形の線は、透過光の角度分布が平坦化された理想的な角度分布Ｉｄを示す。拡散素子６を備えない場合には、角度分布図は、図１２（ａ）に示されるように、１つのピークを持つ分布になるが、プリズム状微細光学素子６１，…，６１を光束が透過することによって、図１２（ｂ）に示されるように、微細光学素子６１の２つの側面６１ａ，６１ｂ及び上面６１ｔに対応する３つのピークを持つ分布となり、理想の角度分布Ｉｄに近づく。このように、図１２（ｂ）に示される特性を有する微細光学素子６１を持つ拡散素子６を用いることによって、光線が広がり、シンチレーション低減作用をより効率的に行うことができる。
【００４８】
なお、実施の形態２に係る投写型表示装置において、上記拡散素子６以外の構成は、上記実施の形態１の構成と同じである。
【００４９】
実施の形態３．
図１３は、本発明の実施の形態３に係る投写型表示装置における拡散素子７の形状を概略的に示す図である。図１３に示されるように、実施の形態３に係る投写型表示装置においては、拡散素子７の形状が、実施の形態１及び２に係る投写型表示装置の拡散素子５（図４）及び拡散素子６（図１１）の形状と相違する。図１３に示されるように、実施の形態３における拡散素子７は、拡散素子７の表面に微細光学素子７１としてのマイクロレンズを規則正しく２次元的に配列したものである。実施の形態３においては、マイクロレンズの曲率や入射光に対するマイクロレンズの屈折率等の物理的特性を適切に設定することにより所望の散乱特性を得ることができる。図１３の斜視図に示されるように、各微細光学素子７１は、＋Ｘ方向及び−Ｘ方向にそれぞれ傾斜する曲面と、＋Ｙ方向及び−Ｙ方向にそれぞれ傾斜する曲面とを有するだけでなく、Ｘ方向及びＹ方向以外の方向へも傾斜する曲面を有している。このため、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａより出射する光束の角度分布を、Ｘ方向及びＹ方向だけでなく、Ｘ方向及びＹ方向以外の方向についても制御することができる。
【００５０】
また、レンズ形状であっても臨界角を超えるような角度で入射する光束は全反射され損失となってしまう。そのため、レンズの曲率と入射角を実施の形態１と同様に選定する必要がある。実施の形態３においては、拡散素子７を追加するだけで、レーザ光源からの光の利用効率の低減を抑制しつつ、効率よくシンチレーションを低減して、高画質の画像を表示することができる。
【００５１】
なお、実施の形態３に係る投写型表示装置において、上記拡散素子７以外の構成は、上記実施の形態１の構成と同じである。
【００５２】
実施の形態４．
図１４（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態４に係る投写型表示装置における拡散素子８の形状を概略的に示す斜視図である。この拡散素子８の形状は、図１４（ａ）に示されるように、実施の形態１、２及び３に係る拡散素子５（図４）、拡散素子６（図１１）及び拡散素子７（図１３）の形状と相違する。図１４（ａ）に示されるように、実施の形態４に係る拡散素子８は、当該拡散素子８の表面（入射面又は出射面）に四角錘構造を有する微細光学構造８１を規則正しく２次元的に（マトリクス状に）配列したものである。また、各微細光学素子８１は、拡散素子８の基準面（レーザ光源１１からの伝搬光の進行方向に垂直な面）から傾斜する４つの側面（第１乃至第４の側面）を有している。これら第１乃至第４の側面は互いに異なる法線を有する。図１４（ｂ）は、Ｙ方向を含み拡散素子８の基準面ＢＰに垂直な面（第１の垂直面）と微細光学素子８１との交線を概略的に示す図である。図１４（ｂ）に示されるように、各微細光学素子８１は、基準面ＢＰから鋭角γ４１（反時計回りの角度）で傾斜する第１の側面８１ａと、基準面ＢＰから鈍角γ４２（反時計回りの角度）で傾斜（又は、時計回りの角度γ４３＝１８０°−γ４２で傾斜）する第２の側面８１ｂとを有している。すなわち、第１の側面８１ａと第１の垂直面との交線はＹ方向（Ｙが増加する＋Ｙ方向）に対して鋭角γ４１をなし、第２の側面８１ｂと第１の垂直面との交線はＹ方向に対して鈍角γ４２をなす。図１４（ｃ）は、Ｘ方向を含み基準面ＢＰに垂直な面（第２の垂直面）と微細光学素子８１との交線を概略的に示す図である。図１４（ｃ）に示されるように、各微細光学素子８１は、基準面ＢＰから鋭角γ４４（反時計回りの角度）で傾斜する第３の側面８１ｃと、基準面ＢＰから鈍角γ４５（反時計回りの角度）で傾斜（又は、時計回りの角度γ４６＝１８０°−γ４５で傾斜）する第４の側面８１ｄとを有している。すなわち、第３の側面８１ｃと第２の垂直面との交線はＸ方向（Ｘが増加する＋Ｘ方向）に対して鋭角γ４４をなし、第４の側面８１ｄと第２の垂直面との交線はＸ方向に対して鈍角γ４５をなす。法線方向の異なるこれら４つの側面８１ａ，８１ｂ，８１ｃ，８１ｄで入射光を屈折させることにより、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａから出射する光の角度分布の広域化と均一化をＸ方向及びＹ方向について実現することができる。また、微細光学構造８１の四角錘構造の高さ、及び底面の大きさを調整することにより、角度分布を制御することができる。
【００５３】
したがって、実施の形態４においては、拡散素子８を追加するだけで、レーザ光源からの光の利用効率の低減を抑制しつつ、効率よくシンチレーションを低減して、高画質の画像を表示することができる。
【００５４】
なお、実施の形態４に係る投写型表示装置において、上記拡散素子８以外の構成は、上記実施の形態１の構成と同じである。
【００５５】
実施の形態５．
図１５は、本発明の実施の形態５に係る投写型表示装置における拡散素子９の形状を概略的に示す斜視図である。図１５に示されるように、実施の形態５に係る投写型表示装置においては、拡散素子９の形状が、実施の形態１、２、３及び４に係る投写型表示装置の拡散素子５（図４）、拡散素子６（図１１）、拡散素子７（図１３）及び拡散素子８（図１４）の形状と相違する。図１５に示されるように、実施の形態５に係る拡散素子９は、プリズム形状ではなく、断面が半円形状であるシリンドリカル形状の微細光学素子９１，…，９１を表面に有し、裏面にもシリンドリカル形状の微細光学素子９２，…，９２を有している。表面に形成された微細光学素子９１はＹ方向に伸長し、裏面に形成された微細光学素子９２はＹ方向と直交するＸ方向に伸長している。図１５の斜視図に示されるように、表面においては、各微細光学素子９１は、拡散素子９の基準面（レーザ光源１１からの伝搬光の進行方向に垂直な面）に対してＸ方向にそれぞれ傾斜する曲面を有する。裏面においては、各微細光学素子９２は、当該基準面に対してＹ方向にそれぞれ傾斜する曲面を有している。法線方向の異なるこれら４つの曲面で入射光を屈折させることにより、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａから出射する光の角度分布の広域化と均一化をＸ方向及びＹ方向について実現することができる。また、シリンドリカル形状の曲率半径及びピッチ間隔を調整することにより、角度分布を制御することができる。
【００５６】
したがって、実施の形態５においては、拡散素子９を追加するだけで、レーザ光源からの光の利用効率の低減を抑制しつつ、効率よくシンチレーションを低減して、高画質の画像を表示することができる。
【００５７】
なお、実施の形態５に係る投写型表示装置において、上記拡散素子９以外の構成は、上記実施の形態１の構成と同じである。
【００５８】
実施の形態６．
図１６（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施の形態６に係る投写型表示装置における拡散素子１０の形状を概略的に示す斜視図である。図１６（ａ）に示されるように、実施の形態６に係る投写型表示装置においては、拡散素子１０の形状が、実施の形態１、２、３、４及び５に係る投写型表示装置の拡散素子５（図４）、拡散素子６（図１１）、拡散素子７（図１３）、拡散素子８（図１４）及び拡散素子９（図１５）の形状と相違する。また、実施の形態６に係る拡散素子１０は、四角錘構造の頂角側を切り欠いた、断面形状が台形形状である微細光学素子１０１，…，１０１を当該拡散素子１０の表面に規則正しく２次元的（マトリクス状）に配列したものである。図１６（ａ）の斜視図に示されるように、表面において、各微細光学素子１０１は、拡散素子１０の基準面（レーザ光源１１からの伝搬光の進行方向に垂直な面）から傾斜する４つの側面（第１乃至第４の側面）を有している。これら第１乃至第４の側面は互いに異なる法線を有する。図１６（ｂ）は、Ｙ方向を含み拡散素子１０の基準面ＢＰに垂直な面（垂直面）と微細光学素子１０１との交線を概略的に示す図である。図１６（ｂ）に示されるように、微細光学素子１０１は、基準面ＢＰから鋭角γ６１（反時計回りの角度）で傾斜する第１の側面１０１ａと、基準面ＢＰから鈍角γ６２（反時計回りの角度）で傾斜（又は、時計回りの角度γ６３＝１８０°−γ６２）で傾斜する第２の側面１０１ｂとを有している。すなわち、第１の側面１０１ａと第１の垂直面との交線はＹ方向（Ｙが増加する＋Ｙ方向）に対して鋭角γ６１をなし、第２の側面１０１ｂと第１の垂直面との交線はＹ方向に対して鈍角γ６２をなす。一方、図１６（ｃ）は、Ｘ方向を含み基準面ＢＰに垂直な面（第２の垂直面）と微細光学素子１０１との交線を概略的に示す図である。図１６（ｃ）に示されるように、微細光学素子１０１は、基準面ＢＰから鋭角γ６４（反時計回りの角度）で傾斜する第３の側面１０１ｃと、基準面ＢＰから鈍角γ６５（反時計回りの角度）で傾斜（又は、時計回りの角度γ６６＝１８０°−γ６５で傾斜）する第４の側面１０１ｄとを有している。すなわち、第３の側面１０１ｃと第２の垂直面との交線はＸ方向（Ｘが増加する＋Ｘ方向）に対して鋭角γ６４をなし、第２の側面１０１ｄと第２の垂直面との交線はＸ方向に対して鈍角γ６５をなす。各微細光学素子１０１はさらに基準面に並行な上面１０１ｔを有する。これら側面１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄと上面１０１ｔとで入射光を屈折させることにより、ＤＭＤ素子２の被照明面２ａから出射する光の角度分布の広域化と均一化をＸ方向及びＹ方向について実現することができる。また、微細光学素子１０１の底面の大きさや断面の台形形状を適切に調整することにより、角度分布を制御することができる。
【００５９】
したがって、実施の形態６においては、拡散素子１０を追加するだけで、レーザ光源からの光の利用効率の低減を抑制しつつ、効率よくシンチレーションを低減して、高画質の画像を表示することができる。
【００６０】
なお、実施の形態６に係る投写型表示装置において、上記拡散素子１０以外の構成は、上記実施の形態１の構成と同じである。
【００６１】
上記したように、実施の形態１〜６に係る投写型表示装置では、いずれも、ライトバルブであるＤＭＤ素子２が照明光学系４から照射された光束を変調して画像光を生成し、投写光学系３がこの画像光をスクリーン３３に拡大投写する。このとき、照明光学系４内の拡散素子５，６，７，８，９，１０のいずれも、ＤＭＤ素子２から出射される画像光の角度分布を制御して、この角度分布を大きく、かつ均一化することができる。これにより、スクリーン３３へ入射する波面が増加し、スクリーン３３上でこれら波面が干渉パターンを形成する。観測者の目には、これら干渉パターンが足し合わせられ平均化されて視覚されるので、シンチレーションを低減することができる。
【符号の説明】
【００６２】
１  集光光学系、  １１  レーザ光源、  １２  集光光学素子、  １３  光ファイバー、  ２  ＤＭＤ素子（ライトバルブ）、  ２ａ  被照明面（画像形成領域）、  ３  投写光学系、  ３１ａ，３１ｂ  投写レンズ群、  ３２  投写レンズの瞳、  ３３  スクリーン、  ４  照明光学系、  ４１  光強度均一化素子、  ４１ａ  光強度均一化素子の入射面、  ４１ｂ  光強度均一化素子の出射面、  ４２  リレーレンズ群、  ４３  ミラー群、  ４５  照明光学系の絞り位置、  ５，６，７，８，９，１０  拡散素子、  ５１，５２  プリズム形状の微細光学素子、  ６１  断面台形状の微細光学素子、  ７１  微細レンズ状の微細光学素子、  ８１  四角錘形状の微細光学素子、  ９１  シリンドリカル形状の微細光学素子、  １０１  四角錘構造の頂角側を切り欠いた構造を持つ微細光学素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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