(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
斜めの入射角で入射する照明光を色分散しかつ集光する要素ホログラムの繰り返しからなるホログラムカラーフィルターと反射型空間変調素子との組み合わせからなる反射型画像表示装置であって、前記反射型空間変調素子で反射され、前記ホログラムカラーフィルターで再回折された表示光が前記照明光と略反対方向に出る反射型画像表示装置において、前記照明光の光路中に偏光分離手段を配置して前記表示光を前記照明光から分離することを特徴とするホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置。
【請求項２】
前記偏光分離手段による偏光分離角が前記照明光の入射角と略等しく、前記表示光が前記反射型空間変調素子の面に対して略垂直に出射することを特徴とする請求項１記載のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置。
【請求項３】
前記反射型空間変調素子が画素の変調度に応じて入射光の偏光面を回転するものであることを特徴とする請求項１又は２記載のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置。
【請求項４】
前記偏光分離手段が偏光分離プリズム又はそのアレイからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置。
【請求項５】
前記偏光分離手段がホログラフィック偏光ビームスプリッター又は透過型回折格子からなる偏光ビームスプリッターからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置。
【請求項６】
前記表示光が投影光学系により投影されることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置に関し、特に、明るく歪みのない画像を投影できるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
本出願人は、ホログラムカラーフィルターとそれを用いた透過型カラー液晶表示装置に関して多数の特許出願をしている。また、このホログラムカラーフィルターを反射型液晶表示素子やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）に適用して反射型画像表示装置を構成したものも、特開平９−２８１９１７号（特願平８−９５２８９号）において提案している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平９−２８１９１７号のものにおいては、反射型表示素子（反射型液晶表示素子、ＤＭＤ）からの反射光は、表示素子の面に対して垂直方向には反射せず、斜めの方同に反射していくことになる。この反射光を投影レンズで投影する場合、表示素子と投影レンズの配置関係はアオリ的な配置になってしまい、光学配置が限定されてしまう。
【０００４】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、反射型画像表示素子の面に対して垂直方向に回折され、ホログラムカラーフィルターで照明光源側に再度回折された表示光を照明光から分離して同軸配置の投影光学系により像歪みの小さい画像が表示可能なホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置は、斜めの入射角で入射する照明光を色分散しかつ集光する要素ホログラムの繰り返しからなるホログラムカラーフィルターと反射型空間変調素子との組み合わせからなる反射型画像表示装置であって、前記反射型空間変調素子で反射され、前記ホログラムカラーフィルターで再回折された表示光が前記照明光と略反対方向に出る反射型画像表示装置において、前記照明光の光路中に偏光分離手段を配置して前記表示光を前記照明光から分離することを特徴とするものである。
【０００６】
この場合、偏光分離手段による偏光分離角が照明光の入射角と略等しく、表示光が反射型空間変調素子の面に対して略垂直に出射するようにすることが望ましい。
【０００７】
また、反射型空間変調素子が画素の変調度に応じて入射光の偏光面を回転するものであることが望ましい。
【０００８】
また、偏光分離手段としては、偏光分離プリズム又はそのアレイからなっていても、ホログラフィック偏光ビームスプリッター又は透過型回折格子からなる偏光ビームスプリッターからなっていてもよい。
【０００９】
また、表示光が投影光学系により投影されるものであってもよい。
【００１０】
本発明においては、照明光の光路中に偏光分離手段を配置して表示光を照明光から分離するようにしているので、明るく歪みのないカラー画像を観察表示することができ、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなく、光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置を実施例に基づいて説明する。
【００１２】
本発明の基本原理は、特開平９−２８１９１７号に記載されているようなホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置において、ホログラムカラーフィルターで分光され、反射型画像表示素子に入射する回折光が画像表示素子の面に対して略垂直になるように設定して、反射型画像表示素子による反射光をホログラムカラーフィルターで照明光源側に再度回折させ、ウォラストンプリズムのような偏光面の方向に応じて出射方向を変える偏光分離手段により照明光方向から表示光を分離して像歪みの小さい画像を表示可能にするものであり、この表示光は偏心配置でなく同軸配置の投影光学系により投影できるものである。
【００１３】
この偏光分離手段による表示光の分離方向は、反射型画像表示素子の表示面に対して略垂直方向になるように、ホログラムカラーフィルターの照明光入射角、偏光分離手段の偏光分離角を設定することが望ましく、その場合に、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなくなる。このような設定により光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【００１４】
次に、本発明の実施例を説明する。まず、図３を参照にして、ホログラムカラーフィルター２で分光され、反射型画像表示素子５に入射する回折光、特にその中心光線（緑成分７Ｇの主光線）が画像表示素子５の面に対して略垂直になるように設定した反射型画像表示装置１について説明する。
【００１５】
図３において、反射型画像表示素子５は、例えば液晶表示素子でなる透過型空間光変調器３とその背面に配置されたアルミニウム膜のような反射層４とからなり、透過型空間光変調器３は規則的に画素３’に区切られており、その透過型空間光変調器３の表側（観察側）にホログラムカラーフィルター２が離間して配置される。透過型空間光変調器３の画素３’間には不図示のブラック・マトリックスが配置されている。なお、ホログラムカラーフィルター２と反射層４の間の距離は、ホログラムカラーフィルター２を構成するアレー状の各微小ホログラム２’の集光距離（焦点距離）に略等しく選ばれる。
【００１６】
ここで、ホログラムカラーフィルター２は、透過型空間光変調器３の３つの原色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの繰り返し周期、すなわち、透過型空間光変調器３の紙面内の方向に隣接する３つの画素３’の組各々に対応して、その繰り返しピッチと同じピッチでアレー状に配置された微小ホログラム２’からなり、微小ホログラム２’は透過型空間光変調器３の紙面内の方向に隣接する３つの画素３’各組に対応して各々１個ずつ配置されており、各微小ホログラム２’は、ホログラムカラーフィルター２の法線に対して角度θをなして入射する照明光６の中の緑色の成分の光７Ｇを、その微小ホログラム２’に対応する３つの原色画素Ｒ、Ｇ、Ｂの中心の画素Ｇ近傍に略垂直に集光するようにフレネルゾーンプレート状に形成されているものである。そして、微小ホログラム２’は、回折効率の波長依存性がないかもしくは少ない、レリーフ型、位相型、振幅型等の透過型ホログラムからなり、波長に応じて異なる回折角で回折するものである。
【００１７】
このような配置であるので、ホログラムカラーフィルター２の表面側から入射角θで白色照明光６を入射させると、ホログラムカラーフィルター２により波長分散され、各波長に対する集光位置はホログラムカラーフィルター２面に平行な方向に分散される。その中の、赤の波長成分７Ｒは赤を表示する画素Ｒの位置の反射層４の表面近傍に、緑の成分７Ｇは緑を表示する画素Ｇの位置の反射層４の表面近傍に、青の成分７Ｂは青を表示する画素Ｂの反射層４の表面近傍にそれぞれ回折集光するように、ホログラムカラーフィルター２を構成配置することにより、それぞれの色成分はブラック・マトリックスでほとんど減衰されずに各画素３’を通過し、反射層４で反射されて、対応する画素Ｒ、Ｇ、Ｂを裏面側からもう一度透過し、各々光８Ｒ、８Ｇ、８Ｂとなり、これらの反射光８はさらにホログラムカラーフィルター２に略垂直に入射してホログラムカラーフィルター２で再回折されて回折光９となり、照明光６と略反対方向に射出する。
【００１８】
このように反射光８がホログラムカラーフィルター２で再回折されて照明光６と略反対方向に射出するのは、上記したように、ホログラムカラーフィルター２は回折効率の波長依存性がないかもしくは少ないためであり、図４にその回折効率の波長依存性の１例を示す。図４には、ホログラムカラーフィルター２に入射する照明光６がＳ偏光とＰ偏光の場合の回折効率を分けて示してあるが、照明光６がＳ偏光でもＰ偏光でも回折効率の差は少ない。
【００１９】
ここで、本発明においては、各色の回折成分７Ｒ、７Ｇ、７Ｂはそれぞれ透過型空間光変調器３の赤、緑、青を表示する画素Ｒ、Ｇ、Ｂに入射してそれらの画素の表示状態に応じて偏光面回転の変調を受けるように透過型空間光変調器３が構成され、反射層４で反射されて画素３’を往復通過するときに最大変調あるいは最小変調の場合に、偏光面が９０°回転するようにする。このような透過型空間光変調器３としては、例えばＴＮ液晶表示素子があるが、その他に振幅変調型の透過型空間光変調器とその入射側に配置された４分の１波長板とからなるもの等がある。
【００２０】
このように、ホログラムカラーフィルター２で分光され、反射型画像表示素子５に入射する回折光７（回折成分７Ｒ、７Ｇ、７Ｂをまとめて回折光７とする。）、特にその中心光線（緑成分７Ｇの主光線）が画像表示素子５の面に対して略垂直になるように設定された反射型画像表示装置１においては、表示光（回折光）９が照明光６と略反対方向に射出し、このままでは表示光９を照明光６から分離することができず、表示装置として不向きである。
【００２１】
そこで、本発明においては、表示光９を照明光６から分離する偏光分離手段を用いる。このような偏光分離手段としては、ウォラストンプリズム、ニコルプリズム、グラン・トンプソンプリズム、グラン・フーコープリズム、ロションプリズム等の偏光分離プリズムが使用できるが、それ以外に、本出願人が特開平７−２４８４１７号、特開平７−２３４３１６号で提案した体積型ホログラムからなるホログラフィック偏光ビームスプリッターや、特開昭和６１−２４０２０４号で提案されている透過型回折格子からなる偏光ビームスプリッターを用いることができる。さらには、偏光分離プリズムをアレイ状に平面に並べた偏光分離プリズム・アレイを用いることができる。しかしながら、後記の図１、図２の配置から明らかなように、Ｓ偏光とＰ偏光を相互に９０°の角度をなすように分離する偏光ビームスプリターの場合は、反射型画像表示装置１の表示面を斜めから見る配置となるため、望ましいものではない。
【００２２】
図１は、本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の１つの実施例を示す光路図である。反射型画像表示装置１として図３の構成のものを用いており、照明光６の光源としてメタルハライドランプのような白色光源１１を用い、その照明光６の光路中に偏光分離手段としてウォラストンプリズム１０を配置してある。このウォラストンプリズム１０は、そのＳ偏光とＰ偏光の分離角が照明光６のホログラムカラーフィルター２への入射角θと略等しくなるように設定されている。そして、光源１１からウォラストンプリズム１０に入射する照明光６の光路中に偏光板１２が配置されている。
【００２３】
このような配置であるので、光源１１から出た照明光６は偏光板１２で例えばＰ偏光になり、ウォラストンプリズム１０を出た照明光６はＰ偏光のまま入射角θでホログラムカラーフィルター２へ入射し、そこで赤、緑、青の成分に分光された回折光７は反射型画像表示素子５に略垂直に入射し、各画素３’の状態に応じてＰ偏光の状態から偏光面が回転変調を受けて反射光８となり、ホログラムカラーフィルター２に裏面側から略垂直に入射して再回折されて回折光９となる。この回折光９はウォラストンプリズム１０に反対側から入射し、その回折光９中の変調を受けたＳ偏光成分が、光源１１からの照明光６と分離角θをなすように照明光６から分離され表示光９’となって反射型画像表示装置１から出て行くことになり、表示光９’は反射型画像表示装置１から正面方向に出て行くのに等しくなる。そのため、表示光９’を観察することにより明るく歪みのないカラー画像を観察することができる。また、その表示光９’の光路中に偏心なしに投影レンズ１３を配置することにより、スクリーン１４上に明るく歪みのないカラー画像を投影することができる。なお、上記の配置において、偏光板１２は必ずしも必要なものではない。
【００２４】
図２は、本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の別の実施例を示す光路図である。反射型画像表示装置１として図３の構成のものを用いており、照明光６の光源としてメタルハライドランプのような白色光源１１を用い、その照明光６の光路中に偏光分離手段として、この実施例では特開平７−２４８４１７号のホログラフィック偏光ビームスプリッター１０’を配置してある。このホログラフィック偏光ビームスプリッター１０’のＳ偏光とＰ偏光の分離角は、照明光６のホログラムカラーフィルター２への入射角θと略等しくなるように設定されている。そして、光源１１からホログラフィック偏光ビームスプリッター１０’に入射する照明光６の光路中に偏光板１２が配置されている。
【００２５】
このような配置であるので、この場合も、光源１１から出た照明光６は偏光板１２で例えばＰ偏光になり、ホログラフィック偏光ビームスプリッター１０’を出た照明光６はＰ偏光のまま入射角θでホログラムカラーフィルター２へ入射し、そこで赤、緑、青の成分に分光された回折光７は反射型画像表示素子５に略垂直に入射し、各画素３’の状態に応じてＰ偏光の状態から偏光面が回転変調を受けて反射光８となり、ホログラムカラーフィルター２に裏面側から略垂直に入射して再回折されて回折光９となる。この回折光９はホログラフィック偏光ビームスプリッター１０’に反対側から入射し、その回折光９中の変調を受けたＳ偏光成分が、光源１１からの照明光６と分離角θをなすように照明光６から分離され表示光９’となって反射型画像表示装置１から出て行くことになり、表示光９’は反射型画像表示装置１から正面方向に出て行くのに等しくなる。そのため、表示光９’を観察することにより明るく歪みのないカラー画像を観察することができる。また、その表示光９’の光路中に偏心なしに投影レンズ１３を配置することにより、スクリーン１４上に明るく歪みのないカラー画像を投影することができる。この場合も、偏光板１２は必ずしも必要なものではない。
【００２６】
以上のように、本発明の反射型画像表示装置においては、照明光６と表示光９が略反対方向に射出するが、偏光分離手段によって両者を分離して表示光９’をは反射型画像表示装置１の略正面に出るようにしたので、明るく歪みのないカラー画像を観察表示することができ、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなく、光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【００２７】
以上、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置をいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。また、透過型空間光変調器としては透過型液晶表示素子に限定されず種々の空間光変調器を用いることができる。さらに、反射層としてはアルミニウム膜のような反射層に限定されずホログラムによる反射層等を用いてもよい。
【００２８】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置によると、照明光の光路中に偏光分離手段を配置して表示光を照明光から分離するようにしているので、明るく歪みのないカラー画像を観察表示することができ、投影画像表示装置として構成する場合、投影光学系はアオリ配置をする必要がなく、光学系の自由度は飛躍的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の１つの実施例を示す光路図である。
【図２】本発明によるホログラムカラーフィルターを用いた反射型画像表示装置の別の実施例を示す光路図である。
【図３】図１、図２において用いている反射型画像表示装置の光路図である。
【図４】ホログラムカラーフィルターの回折効率の波長依存性の１例を示す図である。
【符号の説明】
１…反射型画像表示装置
２…ホログラムカラーフィルター
２’…微小ホログラム
３…透過型空間光変調器
３’…画素
４…反射層
５…反射型画像表示素子
６…照明光
７…回折光
７Ｒ、７Ｇ、７Ｂ…回折分光成分
８…反射光
８Ｒ、８Ｇ、８Ｂ…反射光成分
９…回折光（表示光）
９’…表示光
１０…ウォラストンプリズム
１０’…ホログラフィック偏光ビームスプリッター
１１…光源
１２…偏光板
１３…投影レンズ
１４…スクリーン
【図１】
0004458390.tif 000002
【図２】
0004458390.tif 000003
【図３】
0004458390.tif 000004
【図４】
0004458390.tif 000005