(57)【要約】【課題】色ばらつきが少なく品質を管理し易い色順次照明光学系と表示装置を提供する。【解決手段】光源１１とダイクロイックミラー１５と、回転型光路選択板２６と、ダイクロイックミラー２３、２４を備え、回転型光路選択板は、両面の光学作用面を領域分割し、全反射、吸光（散乱）、透過、の各機能を組み合わせて構成する。ダイクロイックミラー１５で分離された２つの色光の光路と、ダイクロイックミラー２３、２４で色選別と光路合成される色光の光路について、光路の結合、遮断、組み合わせ状態を巡回的に変化させて、色順次照明を提供する。回転型光路選択板にダイクロイックミラー要素を含まず、単純な光学機能を組み合わせて構成するので、色のばらつきを抑え、品質を管理し易い。【選択図】図１
2006113336.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
白色光を放射する光源と、
前記光源の放射する光を集光する集光部と、
ダイクロイックミラーを備えて前記集光部の形成する照明光を色の異なる複数の光路に分離する光路分離部と、
前記光路分離部から出射する複数の光路に作用する光路選択部と、
ダイクロイックミラーを備えて前記光路選択部から出射する複数の光路を合成して単一光軸の照明光を形成する光路合成部と、
を備え、
前記光路選択部は、少なくとも１つの光学作用面を有し、前記光学作用面は時系列的に異なる機能を照明光の光路に提供し、光路選択部の前後で結合される入射光路と出射光路の組み合わせを巡回的に変化せしめ、
少なくとも２つ以上の所定の色光を時系列的に発生させる色順次照明光学系。
【請求項２】
光路選択部は、回転型光路選択板と、前記回転型光路選択板を回転駆動する回転手段から成り、
前記回転型光路選択板は第１光学作用面と第２光学作用面とを備え、
前記第１光学作用面と前記第２光学作用面は、光路に挿入される円環状領域を分割して構成し、
分割した各作用面の各々は、
（１）光を正反射して光路分離部の１つの光路と光路合成部の１つの光路を結合する、
（２）光を直進させて光路分離部の１つの光路と光路合成部の他の１つの光路を結合する、
（３）光を吸収または有効な光路以外の方向に進行させて光路分離部の１つの光路を遮断する、
の３つの機能のうち少なくとも２つを具備する請求項１記載の色順次照明光学系。
【請求項３】
光路選択部は、回転型光路選択要素と、前記回転型光路選択要素を回転駆動する回転手段から成り、
前記回転型光路選択要素は少なくとも２つ以上の光学作用面を備え、
前記光学作用面の各々は時系列的に順次光路に挿入されて光路選択部の入射光路と出射光路の選択的な組み合わせを切り替える請求項１記載の色順次照明光学系。
【請求項４】
光学作用面近傍に照明光を収斂させ、作用面に形成される照明スポットの大きさを小さくすると共に、作用面の機能が切り替わる領域を照明スポットが通過する遷移時間を短くする請求項１記載の色順次照明光学系。
【請求項５】
光源から集光部と光路分離部を経て複数の光学作用面に至る各々の光路長と、複数の光学作用面から光路合成部を経て単一光軸を構成するに至る各々の光路長を、光学作用面の前後で、各々について略等しい光路長とする請求項１記載の色順次照明光学系。
【請求項６】
特定の色光成分について、選択的に通過する光路パスは共通のままで、時間方向で切り替えられる少なくとも２つ以上の光学作用面を備え、
前記光学作用面のうち少なくとも１つは、光強度を減少させる手段を有して入射光路と出射光路の結合効率を変調する請求項１記載の色順次照明光学系。
【請求項７】
白色光を放射する光源と、
前記光源の放射する光を集光する集光部と、
前記集光部から出射する光路に作用する光路選択部と、
ダイクロイックミラーを備えて前記光路選択部から出射する複数の光路を合成して単一光軸の照明光を形成する光路合成部と、
を備え、
前記光路選択部は、少なくとも１つの光学作用面を有し、前記光学作用面は時系列的に異なる機能を照明光の光路に提供し、光路選択部の前後で結合される入射光路と出射光路の組み合わせを巡回的に変化せしめ、
少なくとも２つ以上の所定の色光を時系列的に発生させる色順次照明光学系。
【請求項８】
光路選択部は、回転型光路選択板と、前記回転型光路選択板を回転駆動する回転手段から成り、
前記回転型光路選択板は反射面を部分的に備え、
当該反射面を光路に挿入するか挿入しないかの状態により光路を切り替える請求項７記載の色順次照明光学系。
【請求項９】
光源から集光部と光路選択部と光路合成部を経て単一光軸を構成するに至る各々の光路長を、略等しい光路長とする請求項７記載の色順次照明光学系。
【請求項１０】
特定の色光成分について、選択的に通過する光路パスは共通のままで、少なくとも２つ以上の光学作用面を備え、
前記光学作用面のうち少なくとも１つは、光強度を減少させる手段を有して入射光路と出射光路の結合効率を変調する請求項７記載の色順次照明光学系。
【請求項１１】
請求項１記載の色順次照明光学系と、
前記光路合成部から出射する光により照明される色順次方式の空間光変調素子と、
前記空間光変調素子から出射する光が入射し前記空間光変調素子上に形成される光学像を投影する投写レンズと、
を備えてカラー表示を行う表示装置。
【請求項１２】
請求項７記載の色順次照明光学系と、
前記光路合成部から出射する光により照明される色順次方式の空間光変調素子と、
前記空間光変調素子から出射する光が入射し前記空間光変調素子上に形成される光学像を投影する投写レンズと、
を備えてカラー表示を行う表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤、緑、青などの原色光を時系列的に順次切り替えて照明光を形成する色順次型の照明光学系と、当該照明光学系を用いて色順次方式の空間光変調素子を照明しカラー画像を形成する表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の色順次照明光学系は、赤、緑、青のダイクロイックフィルタを円形に配列し、これらを照明光の光路上に挿入した上でスピンドルモータにて高速に回転して切り替え、赤の色光、緑の色光、青の色光、を時系列的に順次形成する。例えば、このような色順次照明光学系と表示装置について、特許文献１を参照できる。図１７は、特許文献１に基づく色順次照明光学系の構成例を示す。
【０００３】
光源２０１の放射する光は、レンズ２０２を用いてカラーホイール２０３上に収斂される。カラーホイール２０３は、例えば図１８に示すように構成される。モータ２０５と連結される回転軸を中心に、円形のダイクロイックフィルタを組み合わせてなり、２０３Ｒは赤反射の色フィルタ領域を、２０３Ｇは緑反射の色フィルタ領域を、２０３Ｂは青反射の色フィルタ領域を、それぞれ示す。このような回転型色フィルタは、カラーホイールと呼ばれている。カラーホイール２０３は、回転軸を介してモータ２０５と繋がり、外部コントローラ２０９によって回転制御される。赤、緑、青の色選択フィルタ領域が、照明光の光路上で高速に切り替わることで、三原色の色順次照明を実現する。
【０００４】
色順次の照明光は、例えばレンズ２０６により、反射型の空間光変調素子であるＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）２０７を照明する用途に用いる。ＤＭＤ２０７は、傾斜角を光のオン方向とオフ方向の二値で高速に切り替える事のできる微小ミラーを二次元状に配列してあり、外部供給される映像信号に基づく微小ミラーの駆動制御により、三原色の画像に対応した光学像を高速に切り替えて表示し、照明光を空間的に変調できる。変調された色順次の照明光は、レンズ２０８によりスクリーン上に投影し、投写型表示装置を実現できる。
【０００５】
この際、ＤＭＤ２０７に表示される色順次原画像の時間シーケンスと、カラーホイール２０３の各原色フィルタが光路を通過する時間は、同期して制御される必要がある。このため、例えば、モータ２０５には、位置検出センサ２０４を備え、センサ２０４の検出信号と、ＤＭＤ２０７の駆動信号に応じて、コントローラ２０９により、モータ２０５の回転速度と位相を制御する。
【０００６】
カラーホイール２０３は、反射型色フィルタを用いる場合を図示したが、透過型色フィルタを用いてもよい。直進する照明光路の収斂した場所に、透過型色フィルタが高速に切り替わるカラーホイールを挿入して配置すればよい。空間光変調素子は、反射型のＤＭＤである必要は無い。透過型の液晶パネルであってもよい。
【０００７】
同様にカラーホイールを用いた色順次照明光学系と投写型表示装置の従来例として、特許文献２に示す内容がある。この構成例を図１９に示す。カラーホイール２１１、２１２は、図１８に示すものと同様であるが、赤色透過フィルタ２１１Ｒと２１２Ｒ、緑色透過フィルタ２１１Ｇと２１２Ｇ、青色透過フィルタ２１１Ｂと２１２Ｂ、を組み合わせ、かつ、回転軸２１４によって、２つのカラーホイール２１１と２１２は連結されて同時に回転する。ここで、１つの原色を透過させるダイクロイックフィルタは、透明ガラス基板上に多層膜を形成してなり、透過させる原色以外の他の色光は、正反射させる。
【０００８】
図１９に示した位相状態において、白色の照明光のうち、赤の色光成分は、カラーホイール２１１で選択的に透過され、第１の軸に沿った照明光となる。反射された緑と青の色光成分のうち、緑の色光は、カラーホイール２１２の青透過領域２１２Ｂで反射され、第２の軸に沿った照明光となる。残った青の色光成分は、反射ミラー２１３により反射されて第３の軸に沿った照明光となる。
【０００９】
従って、第１から第３の照明光は、それぞれの軸に沿った照明光成分を形成し、これらは、互いに位相をずらした赤（Ｒ）→緑（Ｇ）→青（Ｂ）の照明光を循環して再帰的に形成する。特許文献２では、これら３つの照明光を空間光変調素子の３つに分けた領域に照射し、照明光を効率良く利用する方法を提示している。
【特許文献１】特開平６−３４７６３９号公報
【特許文献２】特開２０００−１９９９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来の色順次照明光学系では、赤、緑、青の色選択ダイクロイックミラーを、ガラス基板上の光学多層膜で構成していた。円形のモノリシック（単一）基板に分割して個別の色選択領域を形成する方法もあるし、大判のガラス基板にダイクロイックミラーを構成し、これを円環を分割した円弧状に切り出し、ハブと呼ばれる支持部材の周辺に貼り付けてモータにより駆動される円形の色フィルタを構成していた。
【００１１】
一般に、赤、緑、青、のダイクロイックミラーは、量産での品質コントロールが難しく、上記構成では、高い製造歩留まりや、均一な品質が得られない、という問題がある。特に、モノリシック型のカラーホイールは、カラーホイール部が軽量でモータへの負荷が小さく、回転時の風切り音が小さい利点があるが、真空蒸着やスパッタ法など、多層膜を形成するプロセスにおいて、１つの色フィルタ領域を形成するタクト時間が長い、得られるフィルタ特性のばらつきが大きい、このようなプロセスを三原色について最低３回は必要とするので量産性が悪い、歩留まりが悪い、フィルタ特性の品質管理が難しくばらつきが大きい、などの課題があった。
【００１２】
上記問題は、大判でダイクロイックミラーを形成し、切り出して貼り合わせる方法においても似通っている。ダイクロイック多層膜は、一般に、２０から４０層の光学薄膜を積層して形成する。このプロセスは真空環境を必要とし、真空蒸着やスパッタ法が知られているが、いずれも、生産バッチ毎の特性ばらつき、基材の場所や真空チャンバでの成膜部位による特性ばらつきが比較的大きい。例えば、赤透過のダイクロイック多層膜の場合、青と緑の波長帯である約４００ｎｍ〜５７０ｎｍ辺りの光成分は、極めて高い反射率で反射させる必要がある。これを反射の波長帯と呼ぶ。必要な赤の波長帯である約６００ｎｍから長波長側、可視域としては７００ｎｍ辺りまでの成分を、極めて高い透過率で透過させる必要がある。これを透過の波長帯と呼ぶ。反射と透過の波長帯の間には、特性が遷移する為に必要な波長帯があり、この遷移波長帯で、透過率＝反射率が５０％になる波長を、カットオフ波長と呼ぶ。透明度の高いガラス基材と光学多層膜における内部吸収損失は極めて小さいので、一般にカットオフ波長は、透過特性で定めても、反射特性で定めても、大きな差異は無い。
【００１３】
ダイクロイック多層膜の特性のばらつきとして、カットオフ波長のシフトは最も大きな課題に挙げられる。多層膜の膜厚ばらつきや成膜条件に伴う屈折率のばらつきにより、必要なカットオフ波長に対し、＋／−５〜１０ｎｍ程度は、起こりうる公差である。量産装置の厳密な運用管理や、成膜状態をリアルタイムにモニタしてフィードバック制御する方法、製造後の特性測定と仕様を外れたフィルタ部分の選択排除、等により、カットオフ波長のばらつきを小さいものに制御することは可能であるが、歩留まり、量産性、部品コスト、の面で実用性が大きく損なわれる。
【００１４】
ダイクロイック多層膜の製造後に、一部のダイクロイック多層膜の特性に仕様外れの問題があることが判っても、フィルタ部材の交換補修が極めて難しい。モノリシック型のカラーホイールであれば、３原色のダイクロイック多層膜を形成後の円形基材が無駄になるし、モータに直接円弧状カラーフィルタを貼り付ける場合は、完成したカラーホイールとモータのサブアッセンブリ部品の全てが無駄になる。サブアッセンブリの組み立て前にカラーフィルタの分光特性を全て厳密に評価選別すれば、この問題を回避できるが、効率の良い量産性やコストを考えれば難しい。また、拡がりを持つフィルタ面の一部でも特性がばらつけば、その部位が光路に挿入されたタイミングで色の変化が問題を起こす場合がある。
【００１５】
上記問題は、例えば、官能的な大画面映像を呈示するプロジェクタや、背面投写型テレビに応用する場合に、より大きな問題となる。例えば、赤のダイクロイック多層膜でカットオフ波長はばらつき易く、その結果、表示される赤の色純度が、黄色から朱色ぽくなったり、逆に非常に濃い赤の純度となり、白色バランスや他の色を再現する際の印象を劣化させる。また、緑の選択型ダイクロイック多層膜は、青の短波長側と、赤の長波長側に、２つのカットオフ波長を有する。特にこの長波長側の特性がばらついた場合、緑の色純度が、黄色っぽくなったり、緑成分が濃すぎたりして問題となる。
【００１６】
カットオフ波長だけでなく、他の特性ばらつきも問題の要因と成り得る。選択した色光の透過波長帯あるいは反射波長帯におけるリップルは、欲しい色光の光強度をばらつかせるので問題がある。特に、緑の色光は光強度が強く、光源に含まれる波長成分も豊富なので、ＮＤ（ニュートラル・デンシティ）フィルタ多層膜などを追加し、その光強度を調整する場合がある。この場合に、リップルで光強度が変わるとか、ＮＤフィルタ多層膜自体の特性ばらつきで光強度が変化すると、照明光の白色バランスが大きく変動し、緑っぽくなったり、逆に、マゼンタっぽくなったりするので問題がある。
【００１７】
上記いずれの場合も、ダイクロイック多層膜は、高速で回転するカラーホイールに一体化され、モータにも取り付けられ、高速回転のためにバランス用の錘なども部分的に固着されている場合が多い。従って、課題が判った時に、ダイクロイック多層膜を部分的に交換補修できないので問題がある。
【００１８】
ダイクロイック多層膜には、光線の入射角度に応じて、カットオフ波長がシフトするという特性があり、これは技術的に回避が極めて難しい。また、必要な色光選択の透過波長帯と反射波長帯の間に存在する遷移波長帯は、この波長帯幅を短くして急峻な遷移特性を得ることが難しい。従って、カットオフ波長のシフトを抑制するには収斂される照明スポットの照射角をあまり大きくできない。一方、急峻な色光選択の遷移特性を得るには、多層膜の層数を多くする必要があり、これは量産ばらつきの抑制が難しくなる。
【００１９】
このように、照射角の大きい照明光成分に対してカットオフ波長がシフトすること、遷移波長帯には一定の幅があり急峻な色光選択の波長特性が得にくいこと、は、必要とする色光の色純度を得にくいので問題がある。
【００２０】
上記問題に対し、好ましいダイクロイック多層膜の使い方として、できるだけ均一な特性を有する広い面積のフィルタ領域に対し、できるだけ平行光に近い照明光を入射させるとよい。カットオフ波長のシフトを抑制できるし、実用的な範囲で多層膜の層数を増やして遷移波長帯の影響を抑制できる。しかしながら、従来のカラーホイールの使い方は、これと反している。
【００２１】
カラーホイール上に形成される照明スポットはできるだけ小さい面積に収斂させる必要がある。理由は、隣接する色フィルタの繋ぎ目が照明スポットを横切って通過する混色期間をできるだけ小さくするためである。これに対し、照明スポットを小さくするには、光の照射角を大きくしなくてはいけない。従って、照射角を大きくすることは、カットオフ波長のシフト範囲を拡大し、所望の色純度が得られないという問題を生じる。
【００２２】
照明光の収斂スポット径に対し、カラーホイールの大きさ、つまりフィルタ領域が通過する回転半径を大きくすれば、相対的に混色期間を短くできる。これは、カラーホイールの大型化を招き、モータへの負荷が大きく、より大型のモータが必要となる、モータの信頼性に悪い影響を及ぼす、照明光学系と表示装置の小型化を行いにくい、などの問題を生じる。
【００２３】
図１９を用いて述べた特許文献２の開示する構成であっても、ダイクロイックフィルタを円板状に組み合わせた構成は同一であり、上記問題は共通である。
【００２４】
更に、円形のカラーホイールを６分割し、赤、緑、青の色フィルタを２個ずつ用いる方式がある。これは、必要な色順次の切り替え速度を実現するに当たり、モータの回転数を１／２に減らすことができる利点がある。この場合に、上記ダイクロイック多層膜の特性ばらつきは、より大きな問題となる。例えば、緑の色光において、片側の色フィルタが形成する緑の色純度と光強度に対し、他方の色フィルタが形成する緑の色純度と光強度が異なってしまう。これは、赤の色光についても同様である。光の視感度から、緑、赤、青の順に、フィルタ特性のばらつきによる色純度の差は目立ちやすい。
【００２５】
このような色順次照明光学系と、ＤＭＤのようなＰＷＭ（パルス幅）変調の空間光変調素子を組み合わせた場合、階調表示の滑らかさや、階調レベルによる色純度が異なるという問題を生じる。汎用的なＰＷＭ変調では、入射する照明光の微小時間における光強度と色純度は、三原色の各色光について、各々が均一であるという仮定に基づいて実現される。照明光の光強度や色純度が時間軸に依存して異なる場合、表示障害を生じる。
【００２６】
更に、ＰＷＭ変調の空間光変調素子を用いた表示素子において、より細かい階調表現を行う為に、僅かな時間の照明光を、他の一般的な時間の照明光に対し、所定分だけ弱めるという方式がある。つまり、通常は１００％強度の照明光で一定単位期間の変調を行い、強度１に相当する階調表現を行うとする。これに対し、５０％強度の照明光を照射する微小時間を設定し、同一の単位期間の変調を行えば、強度１／２に相当する更に細かい階調表現が可能になる。同様に、２５％強度の照明光を形成すれば、強度１／４に相当する細かい階調表現が可能となる。
【００２７】
このような階調の深さを改善する色順次照明系を実現する場合、上記のような従来例では、カラーホイールの分割数を増やし、所定の色フィルタ領域に、透過率の低い、例えば、５０％、或いは２５％など、光強度を低下させたＮＤフィルタとなる多層膜を追加すれば良い。しかし、この場合、必要な光強度と色純度のばらつきを抑制する事は非常に難しくなる。ダイクロイック多層膜は、通常の色再現を行う領域と異なるフィルタ領域であり、カットオフ波長がばらつく、更に追加するＮＤフィルタ多層膜の透過率特性、或いは、反射率特性もばらつく、従って、照明光の光強度、波長帯域の差による色純度、がばらつくので、同様に階調方向の表示障害を生じやすい。
【００２８】
本発明は、前記従来の課題を解決するものであり、特性のばらつき易いダイクロイックミラーを用いても、品質管理や、ダイクロイックミラーの部品交換のし易い色順次照明系を実現する。回転部分への光の照射角を大きくできるので、照明光の収斂スポットを小さくし、小型化に適している。形成される色順次照明光の色純度や、光強度をばらつきの少ないものにできる。このような色順次照明系と、色順次方式の空間光変調素子を組み合わせて、表示品位が優れ、小型化のし易い、大量生産をしても色ばらつきの少ない表示装置を実現する。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の色順次照明光学系は、白色光を放射する光源と、光源の放射する光を集光する集光部と、ダイクロイックミラーを備えて集光部の形成する照明光を色の異なる複数の光路に分離する光路分離部と、光路分離部から出射する複数の光路に作用する光路選択部と、ダイクロイックミラーを備えて光路選択部から出射する複数の光路を合成して単一光軸の照明光を形成する光路合成部とを備え、光路選択部は、少なくとも１つの光学作用面を有し、光学作用面は時系列的に異なる機能を照明光の光路に提供し、光路選択部の前後で結合される入射光路と出射光路の組み合わせを巡回的に変化させる。
【００３０】
本構成によって、光路選択部は、入射側と出射側の光路の組み合わせを切り替えるだけの機能とし、少なくとも２つ以上の色光を時系列的に発生させる。これにより、従来の様に回転駆動される要素部品にはダイクロイックミラーを使わない色順次照明光学系を実現できる。
【００３１】
また、本発明の光路選択部は、回転型光路選択板と、回転型光路選択板を回転駆動する回転手段から成り、回転型光路選択板は第１光学作用面と第２光学作用面とを備え、第１光学作用面と第２光学作用面は、光路に挿入される円環状領域を分割して構成し、分割した各作用面の各々は、
（１）光を正反射して光路分離部の１つの光路と光路合成部の１つの光路を結合する。
（２）光を直進させて光路分離部の１つの光路と光路合成部の他の１つの光路を結合する。
（３）光を吸収または有効な光路以外の方向に進行させて光路分離部の１つの光路を遮断する。
の３つの機能のうち少なくとも２つを具備するとなおよい。容易に本発明の主眼とする光路切り替え機能を実現でき、回転型光路選択板はダイクロイックミラーを含まずに、安定した性能で、容易かつ安価に大量生産できる。
【００３２】
更にまた、本発明の光路選択部は、回転型光路選択要素と、回転型光路選択要素を回転駆動する回転手段から成り、回転型光路選択要素は少なくとも２つ以上の光学作用面を備え、光学作用面の各々は時系列的に順次光路に挿入されて光路選択部の入射光路と出射光路の選択的な組み合わせを切り替えるとなお良い。この場合も、容易に本発明の光路切り替え機能を実現し、同様に回転型光路選択要素はダイクロイックミラーを含まない。
【００３３】
更にまた、光学作用面近傍に照明光を収斂させ、作用面に形成される照明スポットの大きさを小さくすると共に、作用面の機能が切り替わる領域を照明スポットが通過する遷移時間を短くするとなお良い。色順次照明の切り替え時に混色する時間を小さくでき、有効に利用できる光量を増やすことができる。
【００３４】
更にまた、光源から集光部と光路分離部を経て複数の光学作用面に至る各々の光路長と、複数の光学作用面から光路合成部を経て単一光軸を構成するに至る各々の光路長を、光学作用面の前後で、各々について略等しい光路長とするとなお良い。分離された各色光で、光路長が等価となるので、光量、配光と明るさ分布、などで不均一さを生じないが小さくできる。
【００３５】
更にまた、特定の色光成分について、選択的に通過する光路パスは共通のままで、時間方向で切り替えられる少なくとも２つ以上の光学作用面を備え、光学作用面のうち少なくとも１つは、光強度を減少させる手段を有して入射光路と出射光路の結合効率を変調するとなお良い。波長特性の制御は共通の要素で行い、光路選択部で光の強度変調だけを行うので、より色の差が小さく、所望の強度比を備える同一色光の順次照明光を得る事ができる。
【００３６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の請求項７に記載の色順次照明光学系は、白色光を放射する光源と、光源の放射する光を集光する集光部と、集光部から出射する光路に作用する光路選択部と、ダイクロイックミラーを備えて光路選択部から出射する複数の光路を合成して単一光軸の照明光を形成する光路合成部とを備え、光路選択部は、少なくとも１つの光学作用面を有し、光学作用面は時系列的に異なる機能を照明光の光路に提供し、光路選択部の前後で結合される入射光路と出射光路の組み合わせを巡回的に変化せしめ、少なくとも２つ以上の所定の色光を時系列的に発生させる。
【００３７】
本構成によっても、光路選択部は、入射側と出射側の光路の組み合わせを切り替えるだけの機能とし、少なくとも２つ以上の色光を時系列的に発生させる。これにより、従来の様に回転駆動される要素部品にはダイクロイックミラーを使わない色順次照明光学系を実現できる。
【００３８】
前記従来の課題を解決するために、本発明の請求項１１に記載の表示装置は、請求項１に記載の色順次照明光学系と、光路合成部から出射する光により照明される色順次方式の空間光変調素子と、空間光変調素子から出射する光が入射し空間光変調素子上に形成される光学像を投影する投写レンズとを備えてカラー表示を行う。
【００３９】
本構成によって、光路選択部は、入射側と出射側の光路の組み合わせを切り替えるだけの機能とし、少なくとも２つ以上の色光を時系列的に発生させる。これにより、従来の様に回転駆動される要素部品にはダイクロイックミラーを使わない色順次照明光学系を使っており、色のばらつきが少なく、ＰＷＭ変調を行っても階調に基づく色の変化が少ない表示装置を実現できる。
【００４０】
前記従来の課題を解決するために、本発明の請求項１２に記載の表示装置は、請求項７に記載の色順次照明光学系と、光路合成部から出射する光により照明される色順次方式の空間光変調素子と、空間光変調素子から出射する光が入射し空間光変調素子上に形成される光学像を投影する投写レンズとを備えてカラー表示を行う。
【００４１】
本構成によっても、色のばらつきが少なく、ＰＷＭ変調を行っても階調に基づく色の変化が少ない表示装置を実現できる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明の色順次照明光学系によれば、従来のように回転駆動される複雑な機能要素にダイクロイックミラーを含まない。ダイクロイックミラーは、光路分離部、光路合成部のように固定された部位での色分離または色合成用途に、単品で採用される。従って、個別ダイクロイックミラーの特性を管理しやすく、不都合がある場合の修理交換も容易である。例えば回転駆動されるような複雑な機能要素には、光を反射する、透過させる、吸収させる、散乱させる、など、単純な機能を有する光学作用面しか形成しない。従って、性能特性が均一で、安価で、容易に大量生産しやすい機能部品を提供できる。
【００４３】
また、赤なら赤の特定の色光について、波長特性、つまり、色再現性に大きく関与するダイクロイックミラーのような機能要素は、１組の部品要素を組み合わせた一種類の光学パスしか通過しないようにできる。従って、色順次の出現順序で、常に差異のない、共通した色純度の照明光を形成できる。これは、高速の色順次切り替えを行うほど効果がある。例えば、回転駆動される光学要素を細分化して色切り替え手順を高次化する場合に、従来の方法では異なるダイクロイックミラーにより色を決めていたので有効である。
【００４４】
上記の効果により、本発明の表示装置によれば、色のばらつきが少なく、階調表示での色むらや、階調の不連続性の少ない投写画像を提供できる。色順次照明光学系に関わる要素部品のコストダウンを実現し、大量生産に適した構成にできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
以下本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００４６】
（色順次照明光学系の実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における色順次照明光学系の構成図である。図１において、１１は放電ランプ、１２は楕円面鏡である。放電ランプ１１は外部電源（図示せず）から供給される電力によりアーク放電を起こして発光体を形成し、発光体の放射する光を楕円面鏡１２により集光して光軸方向に進行する照明光束を形成する。ＵＶ−ＩＲカットフィルタ１３は、照明光束から不要な赤外光と紫外光を取り除くために配置している。
【００４７】
凹レンズ１４と、集光レンズ１８または集光レンズ１９は、楕円面鏡１２から出射する光束を、回転型光路選択板２６の基板面近傍に収斂させる目的で配置する。一般に楕円面鏡は、第１焦点から出射する光を第２焦点に収斂させるので、当該凹レンズや集光レンズを追加しなくても、照明光を一点に収斂できる。本構成では、ダイクロイックミラーまたは全反射ミラーを配置する光路を設けるために、凹レンズ１４で収斂する光の収束度合いを弱め、回転型光路選択板２６近傍に配置する集光レンズ１８または集光レンズ１９により、形成される照明スポットへの光の照射角を決定している。凹レンズ１４と、集光レンズ１８または１９の構成と作用は、本発明の構成においては副次的な要素であり、特に必須の部品ではなく、代替の構成や図１に示す以外の形態でも良い。楕円面鏡１２、凹レンズ１４、集光レンズ１８、１９は、光源の放射する光を捕捉して集光し、回転型光路選択板２６の基板近傍に照明スポットを形成する他の構成に置き換えられる。
【００４８】
１５は緑透過のダイクロイックミラーであり、緑の波長帯域の光成分のみを直進させて全反射ミラー１７を経て集光レンズ１９へ到達させる。集光レンズ１９から出射する緑の色光は、回転型光路選択板２６の２６Ｂで示す基板面Ｂ側近傍に照明スポットを形成する。緑透過ダイクロイックミラー１５により反射される赤と青の波長帯域の光成分は、全反射ミラー１６を経て集光レンズ１８へ到達させる。集光レンズ１８から出射する赤と青の色光は、回転型光路選択板２６の２６Ａで示す基板面Ａ側近傍に照明スポットを形成する。
【００４９】
従って、緑透過ダイクロイックミラー１５、全反射ミラー１６、１７は、光路分離部を構成し、光源から放射された白色光を、緑と、赤と青の合成されたマゼンタ光に分離し、２つの光路として、光路選択部の作用面に照明スポットを供給している。
【００５０】
２７はスピンドルモータであり、回転軸２８で回転型光路選択板２６と連結され、当該回転型光路選択板２６を高速で回転させる。これは、光路選択部として機能し、上記光路分離部から供給される２つの入射光路と、以下に述べる光路合成部への２つの出射光路について、これらの結合関係を時間方向で巡回的に切り替える。
【００５１】
また、２０と２１は集光レンズ、２２は全反射ミラー、２３は青反射ダイクロイックミラー、２４は青透過ダイクロイックミラー、２５は集光レンズである。全反射ミラー２２、青反射ダイクロイックミラー２３、青透過ダイクロイックミラー２４、は光路合成部を構成し、集光レンズ２０、２１で補足される２つの光路の色光を合成する。この場合、単純な光路合成だけではなく、一部に色光の選択機能を有し、光路選択部の組み合わせに依存して、マゼンタの入射光を、赤の色光、青の色光に分離して出射する機能も有する。
【００５２】
回転型光路選択板２６以降の構成と作用の詳細は、以下の別図面を参照しながら補足説明する。集光レンズ１８、１９、２０、２１は、光路選択部の光学作用面に、最収斂した照明スポットを形成し、当該照明スポットから出射する光を再度捕捉して集光するために用いる。光路選択部の前後に、光路分離部と光路合成部を構成するダイクロイックミラーや平面ミラーを配置する空間を確保すると共に、照明スポットをできるだけ小さく形成し、かつ光路内を伝播する照明光の損失を少なくできる。
【００５３】
図２は、回転型光路選択板２６の構成を示す概略模式図である。基板面Ａに相当する界面を紙面手前側、基板面Ｂに相当する界面を紙面奥側に対応させている。回転型光路選択板２６は、光路中に挿入されて作用する第１領域３６Ａと３６Ｂ、第２領域３７Ａと３７Ｂ、第３領域３８Ａと３８Ｂ、第４領域３９Ａと３９Ｂ、第５領域４０Ａと４０Ｂ、第６領域４１Ａと４１Ｂ、の６つの円弧型セグメントを円環状に配列して構成される。ここで、３６Ａ〜４１Ａ、３６Ｂ〜４１Ｂの添字ＡまたはＢは、基板面Ａに相当するか、基板面Ｂに相当するか、を示している。６個の円環状セグメントは、ハブを介して回転軸２８で支持され、回転軸２８は図２では割愛したスピンドルモータ２７により駆動されて図中に示す一点鎖線を中心に高速回転する。３４と３５は、光路を遮る一状態における照明スポットの領域を示し、照明スポット３４は基板面Ａ側に、照明スポット３５は基板面Ｂ側に形成される。光軸３０は、集光レンズ１８から入射する照明光の光軸に相当し、光軸３２は、光軸３０の正反射にて得られる光軸であり図１にて集光レンズ２０に向かう光軸に相当する。光軸３１は、集光レンズ１９から入射する照明光の光軸に相当し、光軸３３は、光軸３１の正反射にて得られる光軸であり図１にて集光レンズ２１に向かう光軸に相当する。尚、回転型光路選択板２６の基板厚みは十分に薄いと考えて、光軸３０はそのまま透過して直進することで光軸３３と実効的に同軸であり、光軸３１はそのまま直進することで光軸３２と実効的に同軸となる。光軸３０、３１、３２、３３を含む平面での断面構成を図１では紙面に沿った方向に展開しており、この平面上で各々の光軸が回転型光路選択板の基板面２６Ａ、２６Ｂとなす入射角と出射角は、４５度である。
【００５４】
図６は、好ましい一実施形態において、回転型光路選択板２６の第１領域〜第６領域の基板面Ａ、基板面Ｂの状態を示す。例えば、基板面Ａの第１領域３６Ａと第４領域３９Ａは反射面とする。基板面Ｂの第２領域３７Ｂと第５領域４０Ｂは反射面とする。基板面Ａの第２領域３７Ａと第５領域４０Ａは吸光面とする。基板面Ｂの第１領域３６Ｂと第４領域３９Ｂは吸光面とする。基板面Ａと基板面Ｂ共に、第３領域と第６領域は透過面とする。
【００５５】
上記構成は、円板型の透光性基板（ガラス、透明プラスティック）などを用いる場合は、反射面にはアルミの蒸着面などを形成し、鏡面仕上げとすればよい。吸光面には、黒色塗料を塗布するか、シリコンなどの金属薄膜を形成して光吸収性を持たせる方法などを用いればよい。透過面は、透光性基材であれば、両面に反射防止膜を形成した基材をそのまま用いればよい。
【００５６】
他の実施形態として、アルミ等の金属基材を用いる場合、反射面は鏡面加工仕上げをすることで実用的な反射効率を得られる。吸光面は、表面の酸化処理や塗料の塗布、別の光吸収性材料を表面層に形成するなどの方法で形成できる。透過面は、その部分の金属基材を機械的に部分除去し、当該基材が光路を遮断しないようにすればよい。
【００５７】
上記説明において、吸光面は、光散乱面や、他の方向への光反射面、などに置き換える事ができる。目的は、例えば、光軸３０方向から入射する光を、光軸３２の方向に反射しない事であり、かつ、光軸３３の方向に透過させない事である。言い換えれば、光軸３０を、光軸３２と３３のいずれとも結合させない。従って、この目的を実用上十分な状態で実現するには、反射面を荒らす、微小粒子を添加するなど、光に対し散乱状態とすれば、所定方向への反射成分の強度を大きく低下させて、吸光させた場合と同様の作用効果を得る事ができる。或いは、鋸波状の微小エッジを基板面に形成し、反射光の角度が光軸３２と異なる方向を向くように光の進行方向を制御しても構わない。この前提で、以下の説明では、本発明の作用を判りやすく述べる為、吸光面に代表させて実施形態を述べる。
【００５８】
図７は、回転型光路選択板２６が回転し、照明光の光路に、第１領域〜第６領域が時系列的に順次挿入された場合について、当該照明光学系から出射する色光の状態について、遷移を示す。例えば、”赤”で示された横方向の欄において、”×”は光学系の途中で遮断されて出射しないことを示す。”○”は光学系の全系で選択的に光路が形成され、当該色光が出射することを示す。”△”は、上記２状態の遷移期間であり、光の強度は弱まるものの、オンの通過状態からオフの阻止状態、オフの阻止状態からオンの通過状態に遷移する経過状態である。通常、この遷移期間は、３原色のうち２色が混合されて、マゼンタ、シアン、イエローの色光を出射させる。”青””緑”で示された横方向の欄についても同様の見方である。第１領域と第４領域、第２領域と第５領域、第３領域と第６領域は、光路に挿入される回転型光路選択板２６の基板面Ａと基板面Ｂの状態が同じであり、選択される色光の状態も同一である。
【００５９】
図３は、当該照明光学系の一部について、青の色光が選択される場合の状態を示す。集光レンズ１８、１９と、集光レンズ２０、２１の間には、回転型光路選択板２６の第１領域の基板面３６Ａと３６Ｂが挿入される。これは、第４領域の基板面３９Ａ、３９Ｂが挿入された場合も同様である。図３中には、光路に沿って、分離選択される赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、の各色光の状態を書き示しており、これに沿って説明する。入射した白色光Ｗは、最初に緑透過ダイクロイックミラー１５により、Ｇの成分のみを直進させる。ＲとＢの成分は反射されて光路が９０度折り曲げられる。全反射ミラー１７で反射されたＧの色光は、この状態にて基板面３６Ｂは吸光面であり、当該面で阻止されて以降の光学系には進行しない。
【００６０】
全反射ミラー１６で反射されたＲとＢの色光は、集光レンズ１８を経て基板面３６Ａに到達し、反射面なので反射されて集光レンズ２０に到達する。その後、青反射のダイクロイックミラー２３によりＢの色光のみが選択的に反射され、青透過のダイクロイックミラー２４を直進して、本発明の色順次照明光学系から出射する。Ｒの色光は、青反射ダイクロイックミラー２３を直進するので、以降の領域で吸光あるいは発散させればよい。以上の構成により、図３に示す状態では、入射する白色光Ｗに対し、青の色光Ｂが選択的に出射する。
【００６１】
図４は、同様に緑の色光が選択される場合の状態を示す。この場合、回転型光路選択板２６の第２領域の基板面３７Ａと３７Ｂが挿入される。これは、第５領域の基板面４０Ａ、４０Ｂが挿入された場合も同様である。緑透過ダイクロイックミラー１５により分離されて進行するＧの色光は、基板面３７Ｂが反射面であり、ここで反射されて集光レンズ２１に入射する。その後、集光レンズ２１、全反射ミラー２２を経て、青透過のダイクロイックミラー２４で反射され、当該照明光学系で選択された色光として有効に出射する。ＲとＢの色光は、同様に基板面３７Ａまで到達するが、当該面は吸光面であり、ここで阻止されて有効に出射することができない。以上の構成により、図４に示す状態では、入射する白色光Ｗに対し、緑の色光Ｇが選択的に出射する。
【００６２】
図５は、赤の色光が選択される場合の状態を示す。この場合、回転型光路選択板２６の第３領域の基板面３８Ａと３８Ｂが挿入される。これは、第６領域の基板面４１Ａ、４１Ｂが挿入された場合も同様である。これらの界面は全て透過状態であり、この場合の基板面３８Ａと３８Ｂは、挿入されずに存在しない状態と等価である。
【００６３】
全反射ミラー１７で反射されて集光レンズ１９から直進するＧの色光は、そのまま直進し、集光レンズ２０を経て青反射のダイクロイックミラー２３を直進する。従って、必要な出射光軸方向には進行せず、以降の領域で吸光あるいは発散させればよい。
【００６４】
全反射ミラー１６で反射されたＲとＢの色光は、集光レンズ１８と集光レンズ２１を直進し、全反射ミラー２２を経て、青透過ダイクロイックミラー２４に到達する。ここで、Ｒの色光は選択的に反射されて所定の出射光軸方向となり、赤の色光を選択的に通過させることができる。Ｂの色光は、青透過ダイクロイックミラー２４を直進するので、以降の領域で吸光あるいは反射させれば良い。以上の構成により、図５に示す状態では、入射する白色光Ｗに対し、赤の色光Ｒが選択的に出射する。
【００６５】
以上に述べた本発明の色順次照明光学系の好ましい実施の形態によれば、回転型光路選択板の領域１〜６が無限周期で光路に挿入されて繰り返す時系列シーケンスにより、図７に示す色光選択の手順が繰り返される。結果的に、Ｂ→Ｇ→Ｒ→Ｂ→Ｇ→Ｒの手順で色が切り替わる色順次照明を実現できる。
【００６６】
本発明の特徴、当該構成において得られる利点とその理由を述べる。
【００６７】
第１に、安価で量産性の優れた照明光光学系を実現できる。高速で回転する円板状の回転型光路選択板は、色を分離選択するようなダイクロイックミラー、作成しにくい数十層にも及ぶ多層膜を必要としない。例えば、アルミなどの金属基材を部分加工し、鏡面仕上げした反射面、塗料塗布や酸化処理、或いは散乱加工を施した吸光面、部分的に削除し光路に作用しない透過面、を所定領域に分けて形成する事は極めて容易であり安価である。同時に、大量生産においても仕上がりや特性を一定にコントロールできる。
【００６８】
或いは、透光性の円形ガラスや樹脂基材を用いる場合であっても、透過面はそのままの仕上げか単純な反射防止膜を付加することで形成できる。反射面はアルミの単一蒸着膜か塗布膜を形成し、部分的に鏡面仕上げとすれば良い。吸光面は黒色塗料を塗布や、表面の所定領域に形成する手段を用いれば良いし、信頼性や温度面で課題があれば、特定の金属材料の光吸収特性を利用し、スパッタ法などで光吸収膜を形成する方法もある。いずれの場合も、各光学作用面の要求される仕様が単純であり、波長の制御を伴わず、容易かつ大量生産に向いた工法で作成できる利点がある。従って、個別工法の歩留まりも安定して高い状態が得られるので、回転型光路選択板にガラス基材を用いる場合であっても、円形の単一基板を採用できる。単一の円形ガラス基材を用いれば、回転駆動要素の総重量を減少させてモータへの負荷を減らすことができる。ひいてはモータの寿命特性、信頼性、コストの改善を実現できる。同時に、繋ぎ目のない単一回転基材は、余分な風切り音を発生させず、この部分での騒音を抑制する点でも有利である。
【００６９】
特性のばらつきが比較的大きい部品として、従来と同様にダイクロイックミラーを用いているが、これらの部品は、可動しない固定領域に単一部品として配置するので、修理、交換、品質管理、が容易である。同時に、光学系を小型に設計すれば、その必要な面積を小さくできるのでコスト面で有利である。
【００７０】
第２に、三原色の色純度と色再現性を管理して制御し易い照明光学系を実現できる。従来の構成では、色を制御する赤、緑、青のダイクロイックフィルタが、回転型の色フィルタとして組み合わされ、モータと一体化されていた。このプロセスは、ダイクロイックフィルタの切り出し、貼り合わせ、ハブ構造体との接合、バランス取り、モータとの一体化、完成品でのバランス再調整、など、煩雑で複合化した工程を必要とする。その結果、例えば、赤のダイクロイックフィルタのカットオフ波長特性が所定条件に無く、赤の色純度が悪いとの課題を生じても、完成した回転型色フィルタとモータ全体を交換しなくてはいけなかった。緑、青のフィルタ特性に問題を生じても同様である。本発明の照明光学系では、色純度や色再現性を決めるダイクロイックミラーは、個別部材として、シンプルな平板基材状態で組み込んであり、交換や、個別部材の特性管理が極めて容易である。また、従来の回転型色フィルタの場合、１枚の透過型色フィルタで色純度を決めなければならず、例えば緑の色光では、高い色純度が得られない、微小な赤や青の成分が混入して色純度が低下する、等の問題があった。しかし、本発明の構成では、緑の色光の波長帯域特性は、２枚のダイクロイックミラー１５、２４の特性で決めることができるし、全反射ミラー１７をダイクロイックミラーに変更し、緑の色光の波長帯域を高色純度となるようにトリムする機能を導入してもよい。
【００７１】
或いは、下記の利点も挙げる事ができる。従来の回転型色フィルタを用いる場合、高速の色切り替えと、低速のモータ回転を両立させるために、ＲＧＢの色フィルタセグメントを２組ずつ用い、６分割の円形フィルタを構成する場合がある。この場合、２つの色フィルタについて、ダイクロイック多層膜の特性を揃えること、ばらつきを抑制することは、量産上非常に難しい。ダイクロイック多層膜のカットオフ波長は、大きな基材に一括成膜した場合に、その部位によって変動するし、同一設計の多層膜を繰り返し成膜しても、その再現性は厳密ではなくばらつく。ばらつく色フィルタの組み合わせで、同じ赤、緑、青、の色光を形成した場合、フィルタ領域が所定色光について２カ所あれば、フィルタに依存して、色合い、色純度が変動する。これは、色順次照明と、ＰＷＭ（時間軸パルス幅変調）方式の空間光変調素子を組み合わせて多階調のフルカラー表示装置を実現する場合に問題となる。加重平均を行う入力の照明光の強度や色純度が一定ではないので、グレースケール表示において、滑らかでは無い階調変化や、階調レベルに依存した色変わりを生じるので問題である。
【００７２】
これに対し、本発明の色順次照明光学系は、Ｒ、Ｇ、Ｂ、の個別の色純度、光強度を実現する上で、波長を制御するダイクロイック多層膜要素は、固定であり、各１原色に対し、１つの光路、主に１種類のダイクロイック多層膜の組み合わせが作用している。光路に挿入して回転する回転型光路選択素子は、反射（全オン）、吸収（全オフ）、透過（全オン）、の個別状態を切り替えるだけである。従って、上記問題を発生させず、常に色純度と光強度の安定した色順次照明光を実現できる。
【００７３】
第３に、回転型光路選択手段の直径を小さくできる、より小型の回転機能素子で色順次照明を実現できるので、装置の小型化、モータの小型化、低コスト化、信頼性の改善、騒音の改善、を実現できる。その理由を以下に述べる。
【００７４】
一般に、光に関する不変量の原理として、ラグランジェの不変量とか、スミス・ヘルムホルツの不変量と呼ばれる定理がある。これは、１つの光学系において、像のサイズと光の角度の積は一定であることを示す。これを、回転型光路選択手段に形成される照明スポット３４、３５に適用すれば、照明スポットの大きさを小さくするには、集光レンズ１８、１９の焦点距離を短くして光の照射角を大きくしなくてはいけない。図７で３つの色光を選択的に分離する個別領域の確定期間に対し、これらの期間の間に状態を遷移する期間がある。この遷移期間は、マゼンタ、シアン、イエローなど、２つの原色が混じり合った、本来は必要としない照明光を形成する期間であり、本発明の照明光学系の使用目的においては、できるだけ遷移期間は短い事が好ましい。
【００７５】
この場合、照明スポットをできるだけ小さくすることで遷移期間を短くできる。或いは、照明スポットのサイズは同一であっても、回転型光路選択板の直径を大きくすれば、照明スポットを通過する遷移領域の移行速度を早くして期間を短くできる。この点を鑑みた場合、照明スポット３４、３５を形成する光の照射角はできるだけ大きくし、できるだけ小さい照明スポットを形成する事が、小型の回転型光路選択板を実現する上で必要であり、有利であることが判る。
【００７６】
本発明の回転型光路選択板は、全反射面、吸光面あるいは散乱面、透過面、いずれの光学作用面においても、波長選択機能を有しておらず、また、照明光の強度、色純度に大きな影響を及ぼすような入射角依存特性も除外できる。従って、照明スポットを形成する光の照射角を可能な限り大きくすることができる。その結果、照明スポットを小さくできる。従って、短い遷移期間を維持したままで直径の小さい回転型光路選択手段を実現できる。ひいては、小型、安価の色順次照明光学系を実現できる。
【００７７】
図２では、６分割された回転型光路選択板の構成事例を示したが、例えば８分割し、以下に述べる２つの作用面を追加する方法もある。緑の色光で、光強度の異なる３種類の照明光を時系列的に必要とする場合が考えられる。上記の構成例では、第２領域と第５領域が光路に挿入されて１００％強度の緑の色光を形成している。これに対し、基板面Ｂの第２領域である３７Ｂに隣接して、領域３７Ｂ２を形成する。但し、領域３７Ｂ２は、反射面であるがその反射率を、可視全域、或いは十分に緑の色光波長帯をカバーする広い波長帯域で５０％とする。この結果、追加された領域３７Ｂ２が光路に挿入されるタイミングで、色を決める波長帯、つまり発光スペクトル分布はほとんど変化させずに、光強度を１／２に減らした緑の色光を形成することができる。この時、基板面Ａで領域３７Ｂ２の反対側に相当する領域は、領域３７Ａに引き続いて吸光領域とする。
【００７８】
同様に、基板面Ｂの第５領域である４０Ｂに隣接して、領域４０Ｂ２を形成し、反射面の反射率を２５％とする。同時に、基板面Ａの相当する領域は、領域４０Ａに引き続いて吸光領域とする。これにより、領域４０Ｂ２が光路に挿入されるタイミングでは、色を変えずに、光強度を１／４に減らした緑の色光を形成することができる。
【００７９】
上記の様に、光強度を１００％、５０％、２５％の３種類に、色を変えずに変化させる順次照明は、デジタル変調で色順次表示を行う空間光変調素子と組み合わせる上で極めて都合がよい。空間光変調素子の最小応答速度、表示できる最小時間単位に制約があっても、表現できる明るさの変化をより細かく変調できる。言い換えれば、１００％の照明光を供給時に、８ビット＝２５６階調のＰＷＭ表示が可能である場合に、９ビット＝５１２階調、１０ビット＝１０２４階調の表示性能を実現できる。
【００８０】
上記構成では、例えば、反射率を１／２、１／４に落とす方法として、照明スポットに対し、面積変調の吸光ドットパターンを形成すると良い。吸光塗料、或いは、金属の吸光特性を利用した薄膜層などを、微小ドットで、面積開口率５０％、２５％などの割合で形成すると良い。これらは波長依存特性がなく、面積精度だけで、光の変調効率が決まる。光強度の異なる作用領域を切り替えても、色は、色分離部と色合成部の一組のダイクロイックミラーの組み合わせで決まるので都合がよい。色の変化やばらつきがなく、正確に強度変調された照明光を供給できる。この場合は、回転型光路選択板の一部に、ＮＤ（ニュートラルデンシティ）機能を持つ光学多層膜を形成することも有益である。波長依存を無くし、可視全域で反射率だけを制御する光学多層膜だけであれば、ダイクロイックミラーを使ったり、ダイクロイックミラーと組み合わせて使う場合に比較して、量産でのばらつきや、作りにくさ、歩留まりの悪さを緩和して良化できる。
【００８１】
或いは、反射面を荒らして散乱させたり、拡散面を形成する方法であっても、表面状態を正確に制御すれば、例えば、５０％、２５％などの反射率に制御することが可能である。いずれの場合も、従来のダイクロイックミラーとＮＤフィルタを組み合わせて作成し、これをカラーホイールに仕上げる場合と比較して、容易かつ安価に光路選択板を構成し、かつ色のばらつきを抑制できる。
【００８２】
上記構成において、色分離部と色合成部の構成やダイクロイックミラーの配置、色選択と色合成の機能は、本発明の効果を得る一つの実施例である。特に、この合成に限定されず、個々のダイクロイックミラーの色選択の配置は、他の応用例、構成を使う事もできる。但し、上記実施例は、光源から光路分離部の照明スポット、照明スポットから出射照明光の合成された光軸、に至る光路長が、赤、緑、青、の３つの色光で全て等しくできる。各原色光の効率、明るさ分布、照明光束径、等の条件を揃えて扱う事ができるので都合が良い。
【００８３】
（色順次照明光学系の実施の形態２）
図８は、本発明の実施の形態２における色順次照明光学系の構成図である。集光されて凹レンズ１４から出射する照明光は、赤反射ダイクロイックミラー５１、青反射ダイクロイックミラー５２により、赤、青、緑の色光に分離されて、各々は、集光レンズ５５、５６、５７に入射する。各集光レンズ５５、５６、５７は、収斂させた各色光の照明スポットを、回転挿入される反射面上に形成する。
【００８４】
６１は、回転型の光路選択ドラムであり、構成の一例を図９に示す。回転軸２８により、スピンドルモータ２７に直結され、回転しながら、６１Ａで示す部分反射面Ａ、６１Ｂで示す部分反射面Ｂ、６１Ｃで示す部分反射面Ｃ、を順次光路に挿入させる。部分反射面６１Ａが挿入されるタイミングは、赤の色光が反射されて集光レンズ５８を通過し、赤透過のダイクロイックミラー５４を経て照明光として出力される。部分反射面６１Ｂが挿入されるタイミングは、同様に青の色光が反射されて集光レンズ５９を通過し、青反射ダイクロイックミラー５３、赤透過ダイクロイックミラー５４、を経て出力される。部分反射面６１Ｃが挿入されるタイミングは、緑の色光が反射されて集光レンズ６０を通過し、青反射ダイクロイックミラー５３、赤透過ダイクロイックミラー５４、を経て出力される。集光レンズ２５は、出力される照明光の補正用途に挿入している。
【００８５】
言い換えれば、赤反射ダイクロイックミラー５１、青反射ダイクロイックミラー５２は、光路分離部を構成し、照明光を、赤、青、緑の３つの光路に分離する。青反射ダイクロイックミラー５３、赤透過ダイクロイックミラー５４は、光路合成部を構成し、入射する３原色の色光を合成して単一光軸の照明光を形成する。光路分離部と光路合成部の間には、回転型の光路選択ドラムから構成される光路選択部を備える。これより、３つに分離された三原色の色光の個別光路を、部分反射面の有無で、結合したり、遮断したりできる。全ての部分反射板を挿入するタイミングを準備すれば、白色光も出力できる。回転型光路選択ドラムの構成次第で、必要な色順次照明を実現できる。
【００８６】
回転型光路選択ドラムは、例えば、簡単な金属切削加工で実現できる。或いは、円環状の回転基板に反射領域を部分形成し、このような光路選択板を、３つの同期したモータで個別に回転駆動しても構わない。光路選択板を連結して組み合わせ、１つのモータで駆動しても構わない。
【００８７】
いずれの場合も、回転する要素にはダイクロイックミラーは無く、固定される部品としてダイクロイックミラーを使用している。従って、上記の実施形態１で述べたものと同様の効果を得ることができる。色のばらつきを抑制できる。色特性が不良のダイクロイックミラーを容易に交換できる。集中角を大きくして部分反射面上の照明スポットを小さくし、回転型光路選択ドラムの直径を小さくできる。
【００８８】
この場合も、例えば、緑の色光に対応した部分反射面６１Ｃの回転方向において、反射率が、１００％に近い反射面と、例えば５０％、或いは２５％に減衰させた反射面を混在させることができる。反射面に、黒ドット状の吸光面を形成するとか、特定の減光フィルタ部を構成すればよい。色順次照明の時間軸方向で、色純度が良好に管理され、光強度もばらつかずに良好に管理して異ならせた２種類以上の緑の照明光を形成できる。ＰＷＭ変調と組み合わせる時に、デジタル階調の表示深さをより細かくできる。
【００８９】
上記好ましい実施の形態２は、以下に述べる構成上の利点がある。光源を含む楕円面鏡から光路選択手段の作用面に至る複数の色光の光路は、各々について等光路長となるように構成されている。また、これら作用面から、照明光の出力光として単一光軸を構成する経路も、分離された複数の色光の間で等光路長としている。これは、色順次切り替えされる各色光のそれぞれについて、いずれも、同等の効率で、同等の照明条件で、配向むらなどが少ない照明光を形成できる。また、光路切替の作用面が、等光路長で扱えるので、複数の作用面に形成される照明スポットをいずれも最収斂させた好ましい状態にできる。
【００９０】
（色順次照明光学系の実施の形態３）
図１０は、本発明の実施の形態３における色順次照明光学系の構成図である。上記実施の形態１及び実施の形態２と、同様の効果を得る目的で、異なる発明の構成例を示している。光源である放電ランプ１１で放射される光は、楕円面鏡１２で集光される。７１は凹レンズである。７７の回転型光路選択板Ａと７８の回転型光路選択板Ｂは、回転軸８０で連結されてスピンドルモータ７９により高速に回転する。２つの光路選択板は、４５度の傾斜テーパ面を持ち、この傾斜面は鏡面加工されて反射面となる。但し、図１１に示すように、７７Ａで示す部分反射面Ａは、回転軸を挟んで対向する２カ所に、部分的に突きだした構造である、７８Ｂで示す部分反射面Ｂは、７７Ａとは向きをずらして、同様に２カ所、部分的に突きだした構造である。
【００９１】
この構成は、光路選択部の手前に光路選択部が無い場合であっても、光路選択部と、色選択機能を有する光路合成部の組み合わせで、同様の効果を得る色順次照明光学系を提供できる。２つの回転型光路選択板７７、７８とスピンドルモータ７９は、光路選択部を構成し、ダイクロイックミラー７２、７３、７４と全反射ミラー７５は、光路合成部を構成する。凹レンズ７１、集光レンズ７６は、光路選択部と光路合成部を構成する光路長の確保と、光損失を抑制する目的で追加している。
【００９２】
上記構成によれば、図１０で示す断面構造の様に、照明光は、（１）部分反射面７７Ａで反射される状態、（２）部分反射面７８Ｂで反射される状態、（３）部分反射面７７Ａ、７８Ｂでは反射されずに直進する状態、を巡回して繰り返す。つまり白色の照明光の光路を、色はそのままの状態で、３つの光路方向に順次切り替える。
【００９３】
部分反射面７７Ａで反射された場合、照明光は緑反射のダイクロイックミラーで反射されて緑の色光となり、集光レンズ７６からは緑の色光が出射する。部分反射面７８Ｂで反射された場合、照明光は青反射のダイクロイックミラーで反射されて青の色光となり、集光レンズ７６からは青の色光が出射する。反射面が存在せず直進した場合、全反射ミラー７５を経て、赤反射のダイクロイックミラー７４で反射されて赤の色光となり、赤の色光が出射する。いずれの場合も、照明光軸から出射できない波長成分の光は、ダイクロイックミラーを透過してその後の光路で発散するか吸光される。従って、色順次の照明光を形成できる。
【００９４】
この場合も、特性のばらつきが大きく、品質管理の難しいダイクロイックミラーは、小型化でき、回転しない固定状態なので、修理交換、品質のコントロールがし易い利点がある。図１１に示したような部分的に傾斜テーパを有する回転型光路選択板は、アルミ材料の加工などで、容易に、揃った品質で、安価に生産できる利点がある。
【００９５】
図１２は上記実施形態の更に好ましい他の構成例である。図１３に示す回転型光路選択板Ａと、回転型光路選択板Ｂは、直径は異なるが、部分的に反射面８１Ａ、８２Ｂを形成している。当該反射面以外は、透光性の基材領域である。このような基材は、円形ガラス基板に、アルミ反射面を部分蒸着すれば、安価で大量に、揃った品質で生産できる。このような回転型光路選択板８１、８２を、回転軸８０で連結し、スピンドルモータ７９で回転させれば、図１１で示した構成、作用と等価である。同様の作用と効果を得る。
【００９６】
この場合、２つの部分反射面は、光軸からいずれも等光路長とはできず、最収斂の照明スポットを２つの反射面に同時に形成できない。しかしながら、十分に絞り込んだ照明光を凹レンズ７１と集光レンズ７６で捕捉し、光束の拡がらない範囲で２つの部分反射面を挿入すれば、実用上、十分な色光切り替えの遷移時間と、色順次照明の作用、本発明の効果を得ることができる。
【００９７】
図１０、図１２に示す構成は、光源から光路選択部、光路合成部を経て単一光軸を再構成する経路において、三原色の各色光の光路長は等しい。この事は、照明光の色むらを抑制したり、色による配光特性、光利用効率の違いを小さくする点で重要である。
【００９８】
図１０の構成の場合、部分反射面７７Ａ、７７Ｂの反射面は、厳密には平面ではなく回転方向に曲率半径を持っている。照明光束に対し、回転半径、つまり曲率半径が大きければ、さほど問題とならないし、反射面で回転方向に光が発散傾向になる事が問題になる場合、ダイクロイックミラー７２と７３の各々に至る光路の間に、シリンドリカルレンズなどの光学補正要素を追加すれば良い。この点で、図１２に示す構成は、この問題を生じない。
【００９９】
図１２に示す構成の２層からなる光路選択板は、円錐台状に厚みを持つ透光性のガラス基材や、樹脂材料であっても良い。回転部を単一の構造部材とできるので都合がよい。透光性円錐台の上面と下面に、部分的な反射領域を図１３と同様に構成すれば良い。これは、アルミ蒸着や、鏡面材料の塗布、などの方法で実現できる。円錐台部材の内部を伝播する色光の光路について、最初の反射面で反射される色光との光路長差が問題となった場合、これを補正するようにダイクロイックミラー７２や光路合成部の配置構成を調整できる。
【０１００】
（表示装置の実施の形態１）
図１４は、本発明の表示装置について、好ましい実施の形態を示す。これは、色順次表示方式の反射型空間光変調素子９１の表示画像を、投写レンズ９４を用いてスクリーン（図示せず）上に拡大投影する。９３は、微小エアギャップを介して２つの三角プリズムを貼り合わせた全反射プリズムであり、傾斜した空間光変調素子９１への入射照明光と、変調された投影光の光路を分離するために用いる。９２は、照明光を空間光変調素子９１に照射するためのフィールドレンズである。
【０１０１】
フィールドレンズ９２には、図１に示した本発明の照明光学系の好ましい実施の形態１の構成を用いて、色順次の照明光を供給している。空間光変調素子９１に表示される三原色の光学像の順次シーケンスと、回転型光路選択板２６により三原色の色光を切り替えるタイミングを同期させて、フルカラーの画像を呈示できる。図１と図１４で、同じ番号で示した構成要素は、同様の機能と作用を果たす。
【０１０２】
空間光変調素子９１には、例えば、ＤＭＤ素子を用いると良い。或いは、高速駆動に適した強誘電液晶を用いた反射型の液晶パネルを用いても良い。或いは、透過型液晶パネルを用いる構成でも構わない。
【０１０３】
本構成の表示装置は、図１で示した色順次照明光学系の効果をそのまま得る事ができる。ダイクロイックミラーの特性ばらつきを管理しやすく、不良であった場合に容易に補修交換できる。単純な構成の回転型光路選択板であり、安価で、色のばらつきの少ない表示装置を実現できる。
【０１０４】
（表示装置の実施の形態２）
図１５は、本発明の表示装置について、他の好ましい実施の形態を示す。これは、色順次表示方式の透過型空間光変調素子９５の表示画像を、投写レンズ９４を用いてスクリーン（図示せず）上に拡大投影する。９２は、照明光を空間光変調素子９５を経て、投写レンズ９４の入射瞳に導く為のフィールドレンズである。
【０１０５】
フィールドレンズ９２には、図８で示した本発明の色順次照明光学系の実施形態２と同様の構成を用い、色順次の照明光を供給している。但し、９６は、赤反射のダイクロイックミラーとして、色順次照明光の光軸を空間光変調素子９５の方向に向かせている。その他、図８と図１５で同じ番号で示した構成要素は、同様の機能と作用を果たす。
【０１０６】
本構成の表示装置は、図８で示した色順次照明光学系の効果をそのまま得る事ができる。ダイクロイックミラーの特性ばらつきを管理しやすく、不良であった場合に容易に補修交換できる。単純な構成の回転型光路選択板であり、安価で、色のばらつきの少ない表示装置を実現できる。
【０１０７】
（表示装置の実施の形態３）
図１６は、本発明の表示装置について、更に他の好ましい実施の形態を示す。これは、色順次表示方式の反射型空間光変調素子９１の表示画像を、投写レンズ９４を用いてスクリーン（図示せず）上に拡大投影する点で、図１４と同様である。色順次照明を行うために、図１２を用いて述べた本発明の色順次照明光学系の実施の形態３を採用している。図中の記号のうち、図１２、図１４と同じ番号の構成要素は、前述と同様である。
【０１０８】
本構成の表示装置は、図１２で示した色順次照明光学系の効果をそのまま得る事ができる。ダイクロイックミラーの特性ばらつきを管理しやすく、不良であった場合に容易に補修交換できる。単純な構成の回転型光路選択板であり、安価で、色のばらつきの少ない表示装置を実現できる。これは、色順次照明光学系の部分に、図１０に示す構成を採用しても同様である。
【０１０９】
上記にて述べた本発明の色順次照明光学系とこれを用いた表示装置について、補足する。回転駆動素子とそれにつながる光路切り替え手段について、切り替え手段の位相検出部や、回転駆動素子の位相制御機能は、特に明記して説明はしなかった。実際に表示装置に応用する場合、従来の構成と同様に、以下の追加構成を用いるとよい。
【０１１０】
例えば、回転型の光路選択板の場合、分割して異ならせた光学作用面の特定位置が検出できるように、マーカを設ける。ホール素子を埋め込んで磁気センサで検出したり、黒い光吸収ラベルを、光反射面上に貼り付けて光センサで検出したりすれば良い。空間光変調素子に映像を表示する駆動表示部は、供給するＲＧＢの原画像表示タイミングを鑑みて、モータなど回転駆動素子の回転位相を、検出されたマーカの位置情報から同期制御すると良い。
【０１１１】
また、表示装置は投写型の構成例を示したが、投写レンズは特に必須では無い。直視液晶パネルのバックライトに応用しても良い。
【産業上の利用可能性】
【０１１２】
本発明にかかる色順次照明光学系とそれを用いた表示装置は、色のばらつきが少なく、個別の色純度が良好に制御された色順次照明光を形成できるので、データ表示やビデオ表示を大画面で行う投写型表示装置や、背面投写型のプロジェクションＴＶ等として有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１１３】
【図１】本発明の実施の形態１における色順次照明光学系の概略構成図
【図２】本発明の実施の形態１における回転型光路選択板の概略構成斜視図
【図３】本発明の実施の形態１における色順次照明光学系の状態１を説明する図
【図４】本発明の実施の形態１における色順次照明光学系の状態２を説明する図
【図５】本発明の実施の形態１における色順次照明光学系の状態３を説明する図
【図６】本発明の実施の形態１における回転型光路選択板の一構成例を示す図
【図７】本発明の実施の形態１における色順次切り替えの手順を示す図
【図８】本発明の実施の形態２における色順次照明光学系の概略構成図
【図９】本発明の実施の形態２における回転型光路選択ドラムの概略構成図
【図１０】本発明の実施の形態３における色順次照明光学系の概略構成図
【図１１】本発明の実施の形態３における回転型光路選択板の概略構成図
【図１２】本発明の実施の形態３における色順次照明光学系の他の概略構成図
【図１３】本発明の実施の形態３における回転型光路選択板の他の概略構成図
【図１４】本発明の実施の形態１における表示装置の概略構成図
【図１５】本発明の実施の形態２における表示装置の概略構成図
【図１６】本発明の実施の形態３における表示装置の概略構成図
【図１７】従来の色順次照明光学系の一構成例を示す概略構成図
【図１８】従来のカラーホイールの一構成例を示す概略構成図
【図１９】従来の色順次照明光学系の他の一構成例を示す概略構成図
【符号の説明】
【０１１４】
１１  放電ランプ
１２  楕円面鏡
１３  ＵＶ−ＩＲカットフィルタ
１４、７１  凹レンズ
１５  緑透過ダイクロイックミラー
１６、１７、２２、７５  全反射ミラー
１８、１９、２０、２１、７６  集光レンズ
２３、５２、５３  青反射ダイクロイックミラー
２４  青透過ダイクロイックミラー
２５、５５、５６、５７、５８、５９、６０、７６  集光レンズ
２６  回転型光路選択板
２７、７９  スピンドルモータ
２８、８０  回転軸
３０  集光レンズ１８から来る光の光軸
３１  集光レンズ１９から来る光の光軸
３２  集光レンズ２０へ向かう光の光軸
３３  集光レンズ２１へ向かう光の光軸
３４  基板面Ａで形成される照明スポット
３５  基板面Ｂで形成される照明スポット
３６Ａ  基板面Ａの第１領域（反射）
３６Ｂ  基板面Ｂの第１領域（吸光）
３７Ａ  基板面Ａの第２領域（吸光）
３７Ｂ  基板面Ｂの第２領域（反射）
３８Ａ  基板面Ａの第３領域（透過）
３８Ｂ  基板面Ｂの第３領域（透過）
３９Ａ  基板面Ａの第４領域（反射）
３９Ｂ  基板面Ｂの第４領域（吸光）
４０Ａ  基板面Ａの第５領域（吸光）
４０Ｂ  基板面Ｂの第５領域（反射）
４１Ａ  基板面Ａの第６領域（透過）
４１Ｂ  基板面Ｂの第６領域（透過）
５１、７４  赤反射ダイクロイックミラー
５４  赤透過ダイクロイックミラー
６１  回転型光路選択ドラム
６１Ａ  部分反射板Ａ
６１Ｂ  部分反射板Ｂ
６１Ｃ  部分反射板Ｃ
７２  緑反射ダイクロイックミラー
７３  青反射ダイクロイックミラー
７７、８１  回転型光路選択板Ａ
７８、８２  回転型光路選択板Ｂ
９１  反射型空間光変調素子
９２  フィールドレンズ
９３  全反射プリズム
９４  投写レンズ
９５  透過型空間光変調素子
【図１】
2006113336.tif 000003
【図２】
2006113336.tif 000004
【図３】
2006113336.tif 000005
【図４】
2006113336.tif 000006
【図５】
2006113336.tif 000007
【図６】
2006113336.tif 000008
【図７】
2006113336.tif 000009
【図８】
2006113336.tif 000010
【図９】
2006113336.tif 000011
【図１０】
2006113336.tif 000012
【図１１】
2006113336.tif 000013
【図１２】
2006113336.tif 000014
【図１３】
2006113336.tif 000015
【図１４】
2006113336.tif 000016
【図１５】
2006113336.tif 000017
【図１６】
2006113336.tif 000018
【図１７】
2006113336.tif 000019
【図１８】
2006113336.tif 000020
【図１９】
2006113336.tif 000021