(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下の要素を有する画像表示装置
（ａ）光を出力する光源、
（ｂ）上記光源からの光を入力して光の進行方向を変更するホログラム光学素子、
（ｃ）上記ホログラム光学素子から出力された光を入力し、偏光変換を行う偏光変換光学系、
（ｄ）上記偏光変換光学系から出力された光を用いて画像を表示する画像表示光学系。
【請求項２】
上記ホログラム光学素子は、波長λの光を入力し、波長λの光を周波数ｆi で変調し、入力した光の進行方向をλｆi と−λｆi の方向に変更して出力する計算機ホログラムであることを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
上記偏光変換光学系は、
ホログラム光学素子からの光を入力して、集光する集光レンズと、
集光レンズからの光が集光される位置に配置され、Ｐ波とＳ波とのいずれかの直線偏光を分離する偏光ビームスプリッターアレイと、
偏光ビームスプリッターアレイにより分離されたＰ波とＳ波の一方の直線偏光を反射させる反射ミラーアレイと、
反射ミラーアレイにより反射された光を他方の直線偏光に変換するλ／２板アレイと
を備えたことを特徴とする請求項２記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、画像表示装置に関するものである。特に、ホログラム光学素子を用いて光を空間的に変調することにより、偏光変換を行う画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の画像表示装置として、特開平８−３０４７３９号公報に記載された偏光照明装置が存在している。以下、この公報に記載された図面及び記述を引用して従来の画像表示装置について説明する。
図４は、従来の偏光照明装置の要部を平面的に見た概略構成図である。
本例の偏光照明装置１は、システム光軸Ｌに沿って配置した光源部２、第１のレンズ板３、第２のレンズ板４から大略構成されている。光源部２から出射された光は、第１のレンズ板３により第２のレンズ板４内に集光され、第２のレンズ板４を通過する過程において、ランダムな偏光光は、偏光方向が揃った１種類の偏光光に変換され、照明領域５に至るようになっている。
【０００３】
光源部２は、光源ランプ２０１と放物面リフレクター２０２から大略構成されている。光源ランプ２０１から放射されたランダムな偏光光は、放物面リフレクター２０２によって一方向に反射されて、略平行な光束となって第１のレンズ板３に入射される。ここで、放物面リフレクター２０２に代えて、楕円形リフレクター、球面リフレクターなども用いることができる。光源光軸Ｒは、システム光軸Ｌに対して一定の角度だけ傾斜させてある。
【０００４】
図５には、第１のレンズ板３の外観を示してある。
この図に示すように、第１のレンズ板３は、矩形状の輪郭をした微小な矩形集光レンズ３０１が縦横に複数配列した構成である。第１のレンズ板３に入射した光は、矩形集光レンズ３０１の集光作用によりシステム光軸Ｌと垂直な平面内に矩形集光レンズ３０１の数と同数の集光像を形成する。この複数の集光像は、光源ランプの投写像に他ならないため、以下では２次光源像と呼ぶものとする。
【０００５】
次に、再び図４を参照して、本例の第２のレンズ板４について説明する。
第２のレンズ板４は、集光レンズアレイ４１０、偏光分離プリズムアレイ４２０、λ／２位相差板４３０及び出射側レンズ４４０から構成される複合積層体であり、第１のレンズ板３による２次光源像が形成される位置の近傍におけるシステム光軸Ｌに対して垂直な平面内に配置されている。この第２のレンズ板４は、インテグレータ光学系の第２のレンズ板としての機能、偏光分離素子としての機能及び偏光変換素子としての機能を併せ持っている。
【０００６】
集光レンズアレイ４１０は、第１のレンズ板３とほぼ同様な構成となっている。即ち、第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１と同数の集光レンズ４１１を複数配列したものであり、第１のレンズ板３からの光を集光する作用がある。集光レンズアレイ４１０は、インテグレータ光学系の第２のレンズ板に相当するものである。
【０００７】
集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１と第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１とは、全く同一の寸法形状及びレンズ特性を有する必要はない。光源部２からの光の特性に応じて、各々最適化されることが望ましい。しかし、偏光分離プリズムアレイ４２０に入射する光は、その主光線の傾きがシステム光軸Ｌと平行であることが理想的である。この点から、集光レンズ４１１は、第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１と同一のレンズ特性を有するものか、或いは、矩形集光レンズ３０１と相似形の形状をしている同一レンズ特性を有するものとする場合が多い。
【０００８】
図６には、偏光分離プリズムアレイ４２０の外観を示してある。
この図に示すように、偏光分離プリズムアレイ４２０は、内部に偏光分離膜を備えた四角柱状のプリズム合成体からなる偏光ビームスプリッター４２１と、同じく内部に反射膜を備えた四角柱状のプリズム合成体からなる反射ミラー４２２とからなる対を基本構成単位とし、その対を平面的に複数配列（２次光源像が形成される平面内に配列される）したものである。集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１に対して、１対の基本構成単位が対応するように規則的に配置されている。また、１つの偏光ビームスプリッター４２１の横幅Ｗｐと１つの反射ミラー４２２の横幅Ｗｍは等しい。更に、この例では、集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１の横幅の１／２となるように、Ｗｐ及びＷｍの値は設定されているが、これに限定されない。
【０００９】
ここで、第１のレンズ板３により形成される２次光源像が偏光ビームスプリッター４２１の部分に位置するように、偏光分離プリズムアレイ４２０を含む第２のレンズ板４が配置されている。そのために、光源部２は、その光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して僅かに角度をなすように配置されている。
【００１０】
図４及び図６を参照して説明すると、偏光分離プリズムアレイ４２０に入射したランダムな偏光光は、偏光ビームスプリッター４２１により偏光方向の異なるＰ偏光光とＳ偏光光の２種類の偏光光に分離される。Ｐ偏光光は、進行方向を変えずに偏光ビームスプリッター４２１をそのまま通過する。他方、Ｓ偏光光は、偏光ビームスプリッター４２１の偏光分離膜４２３で反射して進行方向を約９０度変え、隣接する反射ミラー４２２（対をなす反射ミラー）の反射面４２４で反射して進行方向を約９０度変え、最終的には、Ｐ偏光光とほぼ平行な角度で偏光分離プリズムアレイ４２０より出射される。
【００１１】
偏光分離プリズムアレイ４２０の出射面には、λ／２位相差膜４３１が規則的に配置されたλ／２位相差板４３０が設置されている。即ち、偏光分離プリズムアレイ４２０を構成する偏光ビームスプリッター４２１の出射面部分にのみλ／２位相差膜４３１が配置され、反射ミラー４２２の出射面部分にはλ／２位相差膜４３１が配置されていない。従って、偏光ビームスプリッター４２１から出射されたＰ偏光光は、λ／２位相差膜４３１を通過する際に偏光面の回転作用を受け、Ｓ偏光光へと変換される。他方、反射ミラー４２２から出射されたＳ偏光光は、λ／２位相差膜４３１を通過しないので、偏光面の回転作用は一切受けず、Ｓ偏光光のままλ／２位相差板４３０を通過する。
以上をまとめると、偏光分離プリズムアレイ４２０とλ／２位相差板４３０により、ランダムな偏光光は、１種類の偏光光（この場合は、Ｓ偏光光）に変換されたことになる。
【００１２】
このようにして、Ｓ偏光光に揃えられた光束は、出射側レンズ４４０により照明領域５へと導かれ、照明領域５上で重畳結合される。即ち、第１のレンズ板３により切り出されたイメージ面は、第２のレンズ板４により照明領域５上に重畳結像される。これと同時に、途中の偏光分離プリズムアレイ４２０によりランダムな偏光光は、偏光方向が異なる２種類の偏光光に空間的に分離され、λ／２位相差板４３０を通過する際に１種類の偏光光に変換されて、殆ど全ての光が照明領域５へと達する。このため、照明領域５は、殆ど１種類の偏光光でほぼ均一に照明されることになる。
【００１３】
図７には、図４に示した偏光照明装置１が組み込まれた投写型表示装置の例を示してある。
図７に示すように、本例の投写型表示装置３４００の偏光照明装置１は、ランダムな偏光光を位置方向に出射する光源部２を備え、この光源部２から放射されたランダムな偏光光は、第１のレンズ板３によって集光された状態で第２のレンズ板４の所定の位置に導かれた後、第２のレンズ板４の中の偏光分離プリズムアレイ４２０により２種類の偏光光に分離される。また、分離された各偏光光の内、Ｐ偏光光についてはλ／２位相差板４３０によってＳ偏光光に変換される。
【００１４】
この偏光照明装置１００から出射された光束は、まず、青色緑色反射ダイクロイックミラー３４０１において、赤色光が透過し、青色光及び緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー３４０２で反射され、第１の液晶ライトバルブ３４０３に達する。一方、青色光及び緑色光の内、緑色光は、緑色反射ダイクロイックミラー３４０４によって反射され、第２の液晶ライトバルブ３４０５に達する。
【００１５】
ここで、青色光は、各色光の内で最も長い光路長を持つので、青色光に対しては入射側レンズ３４０６、リレーレンズ３４０８及び出射側レンズ３４１０からなるリレーレンズ系で構成された導光手段３４５０を設けてある。即ち、青色光は、緑色反射ダイクロイックミラー３４０４を透過した後、まず、入射側レンズ３４０６及び反射ミラー３４０７を経て、リレーレンズ３４０８に導かれ、このリレーレンズ３４０８に集束された後、反射ミラー３４０９によって出射側レンズ３４１０に導かれ、しかる後に、第３の液晶ライトバルブ３４１１に達する。ここで、第１ないし第３の液晶バルブ３４０３，３４０５，３４１１は、それぞれの色光を変調し、各色に対応した映像情報を含ませた後に、変調した色光をダイクロイックプリズム３４１３（色合成手段）に入射する。ダイクロイックプリズム３４１３には、赤色反射の誘電体多層膜と青色反射の誘電体多層膜とが十字状に形成されており、それぞれの変調光束を合成する。ここで合成された光束は、投写レンズ３４１４（投写手段）を通過して、スクリーン３４１５上に映像を形成することになる。
以上が、特開平８−３０４７３９号公報に示された従来の装置である。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の偏光照明装置は、以上のように構成されていたので、光軸に対して光線を傾ける必要があった。また、偏光変換を行う際に、マイクロレンズアレイが必要であり、構造が複雑になるという欠点があった。
【００１７】
この発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであり、光軸に対して光源からの光線を傾ける必要がなく、マイクロレンズアレイを不要とした画像表示装置を得ることを目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る画像表示装置は、以下の要素を有することを特徴とする。
（ａ）光を出力する光源、
（ｂ）上記光源からの光を入力して光の進行方向を変更するホログラム光学素子、
（ｃ）上記ホログラム光学素子から出力された光を入力し、偏光変換を行う偏光変換光学系、
（ｄ）上記偏光変換光学系から出力された光を用いて画像を表示する画像表示光学系。
【００１９】
上記ホログラム光学素子は、波長λの光を入力し、波長λの光を周波数ｆi で変調し、入力した光の進行方向をλｆi と−λｆi の方向に変更して出力する計算機ホログラムであることを特徴とする。
【００２０】
上記偏光変換光学系は、
ホログラム光学素子からの光を入力して、集光する集光レンズと、
集光レンズからの光が集光される位置に配置され、Ｐ波とＳ波とのいずれかの直線偏光を分離する偏光ビームスプリッターアレイと、
偏光ビームスプリッターアレイにより分離されたＰ波とＳ波の一方の直線偏光を反射させる反射ミラーアレイと、
反射ミラーアレイにより反射された光を他方の直線偏光に変換するλ／２板アレイと
を備えたことを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、この発明の原理図である。
この発明の画像表示装置は、光源４０とホログラム光学素子５０と偏光変換光学系６０と画像表示光学系７０により構成されている。偏光変換光学系６０は、集光レンズ６１と偏光ビームスプリッターアレイ６２と反射ミラーアレイ６３とλ／２板アレイ６４により構成されている。画像表示光学系７０は、出射レンズ７１と液晶パネル７２により構成されている。偏光変換光学系６０の構成は、従来例に示したものと同様であるので、ここでは、特に詳細な説明は行わない。
【００２２】
次に、ホログラム光学素子５０について説明する。
ホログラムの原理説明図を、図２に示す。
ホログラムは、元来２つの光の干渉縞（振幅と位相）が記録された乾板であるが、ここでは、計算されたデジタルパターンを記録した計算機ホログラム（コンピュータジェネレーテッドホログラム）について考える。波長λのレーザ光が周波数ｆi で変調される位相板に入射されると、角度λｆi ，−λｆi の方向に分割される。計算機ホログラムは、回折光学素子の一種で、入射レーザ光の波面に対して周期的な光路差を与え、光を伝搬したい方向に空間変調をかける位相板と考えることができる。重ね合わせの原理により、同時に多数の周波数ｆ１，ｆ２，ｆ３，・・・で変調すれば、それぞれの周波数の方向に分割することが可能となる。ここで、図３に示すような配置にホログラム光学素子５０、集光レンズ６１（焦点距離をＦとする）、偏光ビームスプリッターアレイ６２を配置すれば、偏光ビームスプリッターアレイ６２上では光軸からＦλｆi 及び−Ｆλｆi 離れた位置に集光点をシフトすることができる。
【００２３】
ホログラム光学素子（ＨＯＥ：Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｌｅｍｅｎｔ）の設計では、ＨＯＥパターンのフーリエ変換スペクトルが、像を置きたい位置に対応した周波数において、鋭いピークを持つように計算機で設計する。例えば、ＨＯＥとして、合成石英を直接エッチングして多段階の位相差を付ける表面レリーフ型の透過型位相ホログラム（キノフォーム）を採用する。ＨＯＥパターンは、画素サイズで１〜２μｍの正方形を単位として、２５６×２５６〜１０２４×１０２４画素から構成される。
実際の計算では、最初に各画素に対してランダムな位相を与え、そのフーリエ変換スペクトルが必要な周波数において、高いピークを有したときに目標値に近づいていると判断できる誤差関数（評価関数）を設定し、各画素の位相を順次入れ替えて誤差関数を最小にするように収束計算を行う。
【００２４】
次に、ホログラムの持つマルチゾーンホモジナイザについて説明する。
ホログラムによるホモジナイザの特徴は、従来の一般的なプリズムやカライドスコープ方式のホモジナイザが単に１ヶ所に均一な照射領域を形成しているのに対し、必要な幾つかの領域（ゾーン）に対して同時に均質化したビームを照射できることである。その照射領域は、偏光ビームスプリッターアレイ６２の配置に合わせることができるし、かつ、任意の形状とすることができる。例えば、図１に示した例に見られるように、９つの領域に光が透過する開口部（偏光ビームスプリッターの配置位置）が存在する場合には、９つの領域にビームのスポットを分けることができる。こうすることにより、全領域を照射するのに比べ、開口部での光の透過率を向上することができる。この特徴を最も活かす照射方式は、図１に示すような開口部のパターンに合わせてビーム照射することである。しかも、１つの開口部に対して分割した１つのビームを照射するだけでは集光スポットの強度分布がばらつく恐れがあるため、個々の開口部において幾つかのビームを重畳し、強度分布の均質化を図ることができる。
このように、多数の領域で同時に任意形状で、かつ、均質化された強度分布のビームを照射する技術をマルチゾーンホモジナイザと呼ぶ。
【００２５】
光源４０から出射される光線は、平行光線である方が望ましい。ホログラム光学素子５０は、入射光の進行方向に対して所定の角度に進行方向を変換するものであるから、光源４０から入射される光線は、平行度が高ければ高いほど望ましい。
【００２６】
以上のように、この実施の形態では、ホログラムの原理を元に、コンピュータで設計されたホログラム光学素子５０を用い、光源４０からの平行光線を空間的に変調し、即ち、光の進行方向を変え、偏光変換光学系６０として用意された偏光ビームスプリッターアレイ６２に対して光を導くものである。偏光変換光学系６０により直線偏光に変換された光は、出射レンズ７１から液晶パネル７２に照射される。出射レンズ７１から液晶パネル７２への照射に際しては、出射レンズ７１からの出射光が液晶パネル７２において重ね合わされ、輝度分布の平坦一様化を図ることができる。液晶パネル７２から出射された画像は、従来から公知の構成により出力される。
なお、偏光変換光学系は、図１に示したものに限らず、他の構成を用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、ホログラムを採用することにより、従来必要であったマイクロレンズアレイを不要とすることができ、光学系を簡素化することができる。
【００２８】
また、この発明によれば、従来のように、光線の光軸を傾けることが不要になるので、光学系の配置や調整が簡単になるという効果がある。
【００２９】
また、この発明によれば、ホログラムを用いることにより輝度分布の一様化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の原理図である。
【図２】  この発明のホログラムの原理を示す図である。
【図３】  この発明のホログラム投影系の原理を示す図である。
【図４】  従来の偏光照明装置を示す図である。
【図５】  従来のマイクロレンズアレイを示す図である。
【図６】  従来の偏光変換光学系を示す図である。
【図７】  従来の投写型表示装置を示す図である。
【符号の説明】
４０  光源、５０  ホログラム光学素子、６０  偏光変換光学系、６１  集光レンズ、６２  偏光ビームスプリッターアレイ、６３  反射ミラーアレイ、６４λ／２板アレイ、７０  画像表示光学系、７１  出射レンズ、７２  液晶パネル。
【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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