(57)【要約】【課題】ライトパイプを使った照明光学系の全長を、照明の効率性を低下させることなく抑制し、空間光変調装置、虚像表示装置及び投射型画像表示装置の小型化を図る。【解決手段】複数の光源１０と、複数のライトパイプ２０と、空間光変調部６０とを有し、これら複数のライトパイプ２０の入射面２１近傍にそれぞれ光源１０が配置され、空間光変調部６０は、その照明領域の幅が一の方向（ｘ）と他の方向（ｙ）とにおいて異なり、この照明領域の幅の大きい方向に対応するライトパイプ２０の配列数が、照明領域の幅の小さい方向に対応するライトパイプ２０の配列数より大とされて成る。【選択図】図１
2007065080.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部とを有し、
前記複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ前記光源が配置され、
前記空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、
前記照明領域の幅の大きい方向に対応する前記ライトパイプの配列数が、前記照明領域の幅の小さい方向に対応する前記ライトパイプの配列数より大とされて成り、
前記光源より射出した光束は、前記ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも前記光束の一部がその側面にて内部全反射した後、前記入射面よりも面積の大きい射出面より射出して前記光空間変調部に導かれ、前記光空間変調部において変調した光が射出される
ことを特徴とする空間光変調光学装置。
【請求項２】
前記複数のライトパイプは、各ライトパイプの長手方向の中心軸が互いに平行に配列されて成る
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項３】
前記複数のライトパイプは、各ライトパイプの長手方向の中心軸が同一平面上に配列されて成る
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項４】
前記複数のライトパイプは、各ライトパイプの長手方向の中心軸が互いに平行で、かつ同一平面上に配列されて成る
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項５】
前記ライトパイプの入射面、射出面又は側面の少なくとも１つの面は曲面である
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項６】
前記ライトパイプの入射面あるいは射出面の少なくとも１つの面が有する光学的パワーが、前記空間光変調部の照明領域の一の方向と他の方向とに沿って互いに異なる
ことを特徴とする請求項５記載の空間光変調光学装置。
【請求項７】
前記ライトパイプと前記空間光変調部との間に、拡散板が設けられる
ことを特徴とする請求項1記載の空間光変調光学装置。
【請求項８】
前記ライトパイプと前記拡散板との間に更に少なくとも１つの光学レンズを有する
ことを特徴とする請求項７記載の空間光変調光学装置。
【請求項９】
前記光学レンズのうち少なくとも１つは、フレネルレンズである
ことを特徴とする請求項８記載の空間光変調光学装置。
【請求項１０】
前記光学レンズのうち少なくとも１つは、その光学的パワーが前記空間光変調部の照明領域の一の方向と他の方向とで互いに異なる
ことを特徴とする請求項８に記載の空間光変調光学装置。
【請求項１１】
前記光学レンズは、２つのシリンドリカルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されて成る
ことを特徴とする請求項１０に記載の空間光変調光学装置。
【請求項１２】
前記光学レンズは、1方向にのみ光学パワーを有する２つのフレネルレンズを互いの光学パワーが直交するよう配置されて成る
ことを特徴とする請求項１０に記載の空間光変調光学装置。
【請求項１３】
前記拡散板は、前記空間光変調部の照明領域の一の方向と他の方向とで互いに異なる拡散性を有する
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１４】
前記拡散板は、前記光学レンズの光学パワーの大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている
ことを特徴とする請求項１３記載の空間光変調光学装置。
【請求項１５】
前記拡散板は、前記ライトパイプの射出面の光学パワーが大きい方向に沿って拡散性が大きくなっていることを特徴とする請求項１３記載の空間光変調光学装置。
【請求項１６】
前記空間光変調部は、反射型の空間光変調部である
ことを特徴とする請求項１記載の空間光変調光学装置。
【請求項１７】
空間光変調光学装置と、前記空間光変調光学装置の表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有する虚像表示装置であって、
前記空間光変調光学装置は、複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部とを有し、
前記複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ前記光源が配置され、
前記空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、
前記照明領域の幅の大きい方向に対応する前記ライトパイプの配列数が、前記照明領域の幅の小さい方向に対応する前記ライトパイプの配列数より大とされて成り、
前記光源より射出した光束は、前記ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも前記光束の一部がその側面にて内部全反射した後、前記入射面よりも面積の大きい射出面より射出して前記光空間変調部に導かれ、前記光空間変調部において変調した光が前記虚像光学系に入射する
ことを特徴とする虚像表示装置。
【請求項１８】
前記虚像結像光学系は、前記空間光変調部からの射出光の開口数及び／又は主光線の射出角が、前記空間光変調部の面内の一の方向と他の方向とで互いに異なる
ことを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項１９】
前記虚像結像光学系は、前記反射型空間光変調部の各画素から射出した光束を互いに進行方位の異なる平行光束群にするコリメート光学系と、前記平行光束群が入射し内部を全反射により伝播した後観察者の瞳に向けて射出するよう構成された導光板とから構成され、
前記導光板は、前記平行光束群の入射領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板内で内部全反射条件を満たすよう回折反射する第１の反射型体積ホログラムグレーティングと、前記平行光束群の射出領域にて前記平行光束群を平行光束群のまま前記導光板より射出するよう回折反射する第２の反射型体積ホログラムグレーティングを有する
ことを特徴とする請求項１７記載の虚像表示装置。
【請求項２０】
空間光変調光学装置と、前記空間光変調光学装置の表示画像を投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置であって、
前記空間光変調光学装置は、複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部とを有し、
前記複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ前記光源が配置され、
前記空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、
前記照明領域の幅の大きい方向に対応する前記ライトパイプの配列数が、前記照明領域の幅の小さい方向に対応する前記ライトパイプの配列数より大とされて成り、
前記光源より射出した光束は、前記ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも前記光束の一部がその側面にて内部全反射した後、前記入射面よりも面積の大きい射出面より射出して前記光空間変調部に導かれ、前記光空間変調部において変調した光が前記投射光学系に入射する
ことを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空間光変調光学装置に関し、特にビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等の虚像表示装置や、投射型画像表示装置に用いて好適な空間光変調光学装置とこれを用いた虚像光学装置及び投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
投射型表示装置等の画像表示装置において、画像を変調する空間光変調部に対する照明光学装置として、先細り型ライトパイプを使用する構成が提案されている（例えば特許文献１〜３参照。）
図１８を参照して、上記特許文献１に記載された従来の先細り型ライトパイプを使用した照明光学装置の例を説明する。図１８の概略構成図に示すように、この照明光学装置は、光源１５０６と反射鏡１５０８と先細り型ライトパイプ１５０２を有し、光源１５０６から出射された光１５０１を前方に反射するリフレクタ１５１２、光１５０１を反射する例えば凹面状の反射鏡１５０８、先細り型ライトパイプ１５０２、１５１６により構成される。
このような構成において、光源１５０６から出射された光１５０１は、反射鏡１５０８によって反射され、光源１５０６の像が反射鏡１５０８によって先細り型ライトパイプ１５０２の入力端１５０７近傍に結像されるよう構成されている。先細り型ライトパイプ１５０２に入射した光束は、レンズ状に形成された射出面１５０３から開口数（Numerical Aperture：ＮＡ）を縮小されて射出し、続いて配置される他のライトパイプ１５１６に入射する。
この照明光学装置によって、光源から射出する光束を所望の発散角と面積に変換し、効率性と照度の均一性を高めている。
先細り型ライトパイプを用いた照明光学装置の従来例としては、この他に上記特許文献２及び３などに開示があるが、いずいれも先細り型ライトパイプと空間光変調部との間に光ファイバーや偏光変換器などを配置して、更に均一性や照明効率向上を図る構成としたものである。
【０００３】
これらの従来例による照明光学装置は、主に投射型画像表示装置に用いられるものであり、照明光学装置によって照明された空間光変調部の像をスクリーン上に再結像するように構成されている。または、ライトパイプ射出後、直接空間光変調部を照明するのではなく、再度光ファイバーや別のライトパイプに入射するなどして更に均一性を高めるために伝播される構成として利用されている。
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第2005/0047723号明細書
【特許文献２】米国特許第6,739,726号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第2003/0021530号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した従来の照明光学装置は、上述のように投射型画像装置に用いられる場合には好適であるが、虚像表示装置用の照明光学装置としては以下のような欠点を有する。
（１）特に、頭部装着型ディスプレイ（Head Mounted Display：ＨＭＤ）のような小型軽量化が求められる画像表示装置に適用する場合、先細り型ライトパイプの後、均一性を改善するため更に第２のライトパイプや光ファイバーを用いると、照明装置全体が大きくなってしまい好ましくない。
（２）先細り型ライトパイプの射出面より射出した照明光は、このままでは射出ＮＡ内で比較的大きな輝度の不均一性を有する。この不均一性は、空間光変調部の任意の画素から射出する光をスクリーン上に再結像する投射型画像表示装置の場合には、問題にならないが、虚像表示装置の場合には、観察者の瞳位置が動いた場合の輝度変化の原因となり好ましくない。
【０００６】
上記（２）の理由について、図１９及び図２０Ａ〜Ｃを参照して説明する。先ず、図１９に示すように、光源１０から射出される光の光軸上に、先細り型のライトパイプ２０、空間光変調部６０及び投射レンズ１７０を配置した投射型表示装置の光学系について説明する。この場合、光源１０から出射された光は、先細り型のライトパイプ２０によって開口数ＮＡを調整して射出され、透過型液晶パネル等の空間光変調部６０に入射され、画像情報等に対応して変調される。空間光変調部６０から射出された光は、投射レンズ１７０によって、スクリーン１８０に投影される。この場合、空間光変調部６０の一点から射出する画像表示光の放射角内の光束の（または光エネルギー）のばらつきは、スクリーン１８０で再結像されるため、観察者には認識されず、問題とはならない。
【０００７】
これに対して、このようにライトパイプを虚像結合光学系に適用する場合においては、以下の問題が生じる。すなわちこの場合、図２０Ａ〜Ｃに示すように、光源１０、ライトパイプ２０、空間光変調部６０及び接眼レンズ２７０を光軸上に配置して、空間光変調部６０により変調された画像表示光を、接眼レンズ２７０を介して瞳８０で観察する光学系を考える。
このとき、空間光変調部６０の一点から射出する画像表示光の放射角内の光束（または光エネルギー）のばらつきは、図２０Ａに示すように、瞳８０が正規の観察瞳位置から、図２０Ｂにおいて矢印ａで示すように移動したり、図２０Ｃにおいて矢印ｂで示すように回転したりすると、明るさの変動として認識されてしまうこととなる。
このような問題に対し、例えば先細り型ライトパイプの全長を長くすればこの不均一性は改善される傾向となるが、この場合は装置が大型化してしまい、上述の頭部装着型ディスプレイなどに用いる場合は、望ましくない。
したがって、このような不均一性を改善するには、例えば拡散板などを用いることによって、空間光変調部に対して比較的大きい照明開口数をもって照明することが望ましい。
【０００８】
一方、虚像表示装置や投射型画像表示装置の空間光変調部として例えば液晶パネルを用いる場合、光利用効率を高めるには、透過型液晶パネルよりも光利用効率に優れている反射型の液晶パネルを用いることが求められる。
このような反射型の空間光変調部を用いる場合は、照明光学系の射出面と空間光変調部との間に偏光ビームスプリッターなどの光学部品を介在させる必要があることから、これらの間隔が比較的大きくなる。したがって、上述したような虚像結合光学系に用いる場合などのように、輝度の均一性を保つためにこの反射型空間光変調部に対して比較的大きな照明開口数をもって照明する場合は、このライトパイプが長くなってしまうという問題が生じる。
【０００９】
これについて、図２１を用いて説明する。図２１においては、光源１０から射出される光の光路上にライトパイプ２０、偏光ビームスプリッター５０、反射型の空間光変調部６０が配置される場合を示す。そしてその照明条件を、テレセントリックな状態、すなわち中心光線が空間光変調部に垂直に入射する状態として、照明半値角度をθｄとする。また、この空間光変調部６０の照明光が入射する幅をＷｄ、ライトパイプ２０との距離をＬｓとする。これより、ライトパイプ２０の射出面２２の幅W１ｈは、
Ｗ１ｈ＝Ｗｄ＋２Ｌｓ×ｔａｎ（θｄ）
となる。
【００１０】
このように、透過型空間光変調部に比べてＰＢＳ等が介在する反射型空間光変調部の場合、ライトパイプ２０の射出面２２と空間光変調部６０との距離Ｌｓは長くならざるを得ないこと、また、照明開口数ＮＡが大きい場合、照明半値角度θｄも大きくなり、結果的にライトパイプ２０の射出面２２の幅Ｗ１ｈは大きくなってしまうことがわかる。
【００１１】
一方、ライトパイプ２０自体の長さも小さくすることはできない。ライトパイプ２０の入射面２１近傍に、ＬＥＤ（発光ダイオード）やレーザなどの光源１０が配置され、ここからライトパイプ２の内部に照明光が取り込まれる。ライトパイプ２０の内部に取り込まれた照明光は、ライトパイプ２０の側面２３にて内部全反射をしながら射出面２２に到達する。ライトパイプにおいては、この内部全反射する光量及び回数が多いほど射出面２２から射出する照明光の輝度の均一性は向上する傾向にある。
光源１０から射出する照明光は、９０度以上の放射角をもっており、従って、ライトパイプ２０の側面の傾斜角θhが小さいほど反射回数を多くすることができる。いま、ライトパイプ２０の入射面２１の幅Ｗ２ｈは、光源１０の幅と略同一であることから、輝度の均一性を保つため、側面２２の傾斜角θhを一定値（θh）に抑えるとすると、次式にて示すようにライトパイプ２０の長さＬｈは射出面の幅W１ｈにて決まることになる。
Ｌｈ＝（Ｗ１ｈ−Ｗ２ｈ）／（２×ｔａｎ（θｈ））
【００１２】
これより、ライトパイプ２０の長さＬｈは、射出面の幅Ｗ１ｈが大きくなるにつれて、すなわち照明開口数ＮＡを大とすると大きくなることがわかる。
以上説明した例においては、照明条件をテレセントリックとしたが、反射型の空間光変調部６０の周辺に入射する照明光の主光線が傾いている場合には、その傾斜方向によってライトパイプ２０の長さＬｈは影響を受ける。
このように、反射型空間光変調部を用いる光学装置において、大きな開口数をもって空間光変調部を照明する場合に光利用効率を高めようとすると、ライトパイプが長大化することとなり、装置全体の小型化に不利となることがわかる。
【００１３】
以上の問題に鑑みて、本発明は、ライトパイプを大型化することなく照明の効率性、輝度の均一性を保持し、空間光変調装置全体の小型化を図ることを目的とする。また、本発明の空間光変調装置を用いることによって、虚像表示装置及び投射型画像表示装置において輝度むらや輝度の低下を招くことなく、小型化を可能とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するため、本発明による空間光変調光学装置は、複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部とを有し、これら複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ光源が配置され、空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、この照明領域の幅の大きい方向に対応するライトパイプの配列数が、照明領域の幅の小さい方向に対応する前記ライトパイプの配列数より大とされて成る。そして、光源より射出した光束は、ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がその側面にて内部全反射した後、入射面よりも面積の大きい射出面より射出して光空間変調部に導かれ、光空間変調部において変調した光が射出される構成とする。
【００１５】
また、本発明による虚像表示装置及び投射型画像表示装置は、上述の本発明構成の空間光変調光学装置を用いる構成とする。
すなわち、本発明は、空間光変調光学装置と、空間光変調光学装置の表示画像を観察者の瞳に導く虚像結像光学系とを有する虚像表示装置であって、空間光変調光学装置は、複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部とを有し、複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ光源が配置され、空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、この照明領域の幅の大きい方向に対応するライトパイプの配列数が、照明領域の幅の小さい方向に対応するライトパイプの配列数より大とされて成る。そして、光源より射出した光束は、ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がその側面にて内部全反射した後、入射面よりも面積の大きい射出面より射出して光空間変調部に導かれ、光空間変調部において変調した光が前記虚像光学系に入射する構成とする。
【００１６】
更に、本発明による投射型画像表示装置は、空間光変調光学装置と、この空間光変調光学装置の表示画像を投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置であって、空間光変調光学装置は、複数の光源と、複数のライトパイプと、空間光変調部とを有し、複数のライトパイプの入射面近傍にそれぞれ光源が配置され、空間光変調部は、その照明領域の幅が一の方向と他の方向とにおいて異なり、この照明領域の幅の大きい方向に対応するライトパイプの配列数が、照明領域の幅の小さい方向に対応するライトパイプの配列数より大とされて成り、光源より射出した光束は、ライトパイプの入射面よりその内部に入射し、少なくとも光束の一部がその側面にて内部全反射した後、入射面よりも面積の大きい射出面より射出して光空間変調部に導かれ、光空間変調部において変調した光が投射光学系に入射する構成とする。
【００１７】
上述の本発明の空間光変調光学装置によれば、複数の光源と複数のライトパイプとを設け、またその配列数を、空間光変調部の照明領域の大きさに合わせて配置することから、照明開口数によらずに、輝度むらを抑え、輝度の均一化を図り、光利用効率の低下を抑えることができる。またライトパイプと空間光変調部との間隔が比較的大きく、かつ照明開口数を大とする必要がある場合においても、ライトパイプの長さを大とすることなく、均一に照明することが可能となり、装置全体の小型化を図ることができる。したがって、小型軽量ながら光利用効率、照明輝度の均一性にすぐれた空間光変調光学装置を実現できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上説明したように、本発明によれば、空間光変調部に対する照明の効率性、輝度の均一性を保持して小型化が可能な空間光変調光学装置を提供することができる。
また、本発明の空間光変調光学装置を用いることによって、輝度むらの少ない比較的小型の虚像表示装置及び投射型画像表示装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下本発明を実施するための最良の形態の例を説明するが、本発明は以下の例に限定されるものではない。
先ず、本発明による空間光変調光学装置の各実施形態例を説明する。
【００２０】
〔１〕第1の実施形態例
図１を参照して本発明による空間光変調光学装置の第１の実施形態例を説明する。図１Ａは空間光変調光学装置の上面からみた概略平面構成図、図１Ｂは空間光変調光学装置の概略側面構成図を示す。図１Ａ及びＢに示すように、この空間光変調光学装置は、ＬＥＤ等より成る光源１０、複数の先細り型のライトパイプ２０ａ、２０ｂ及び２０ｃより成るマルチライトパイプ２０、フレネルレンズ等の光学レンズ３０、拡散板４０、偏光ビームスプリッター５０、反射型液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device）等の反射型の空間光変調部６０により構成される。
また図１Ａにおいて破線で示す空間光変調部６０は、照明領域が一の方向（ｘ方向）と他の方向（ｙ方向）とにおいて大きさが異なり、この例では、マルチライトパイプ２０はこの比較的照明領域の幅が大きい長辺方向（ｘ方向）の配列数が３で、照明領域の幅が小さい短辺方向（ｙ方向）の配列数１より大とされる。なお、図１Ｂにおいて矢印ｙ０は、偏光ビームスプリッター５０により反射される前の光束の短辺方向（ｙ方向）と対応する方向を示す。
【００２１】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、マルチライトパイプ２０の各ライトパイプ２０ａ〜２０ｃの比較的面積が小さい入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、入射面２１より面積の大きい射出面２２より射出する。
本実施形態例においては、この射出面２２は空間光変調部６０の短辺方向（ｙ方向）に凹の曲率をもつシリンドリカル面となっている。
【００２２】
マルチライトパイプ２０の射出面２２より射出した照明光は、続いて配置される図１Ａ中ｘ方向（空間光変調部６０の長辺方向に相当）のみに正のパワーをもつ1軸フレネルレンズ等より成る光学レンズ３０を経て、拡散板４０にて拡散された後、偏光ビームスプリッター５０の光学面５１より入射する。続いてこの照明光Ｌｉは、偏光分離膜５２においてそのＳ偏光成分が矢印Ｓで示すように反射され、Ｐ偏光成分は矢印Ｐｔで示すように透過する。反射されたＳ偏光成分は偏光ビームスプリッター５０の光学面５３より射出して、反射型の空間光変調部６０を照明する。
反射型の空間光変調部６０に入射したＳ偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部６０の画素毎に偏光状態が変調されＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合が制御されて例えば画像情報に対応する表示光として反射される。反射型の空間光変調部６０にて変調されて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター５０に入射し、その偏光分離膜５２にてＰ偏光成分が透過されて矢印Ｐで示すように、光学面５４から外部に射出される。Ｓ偏光成分は光学面５１側に戻される。
【００２３】
このように、本実施形態例の空間光変調光学装置においては、複数の光源と複数のライトパイプと空間光変調部を備え、この間に必要に応じて更に光学レンズ、拡散板を配置することによって、光源から射出した大きな開口数ＮＡを有する照明光を、まず複数の例えば1列に配置されたライトパイプにて輝度を均一化して、所定の開口数ＮＡをもつ照明光に変換する。マルチライトパイプを用いることにより、装置の大型化を回避することができる。そしてこの例においては、フレネルレンズ等の光学レンズにおいてこの照明光の主光線角度をコントロールし、最後に拡散角のアナモルフィック化を含む再調整と放射角度内の輝度むら低減を拡散板にて行っている。
【００２４】
このような空間光変調光学装置において、光線トレースをシミュレーションした。この結果を図２Ａ及びＢに示す。図２Ａはｘ方向の光線トレースを示し、図２Ｂは、ｙ方向の光線トレースを示す。図２Ａ及びＢにおいて、図１Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
このシミュレーションでは、拡散板４０による拡散作用と偏光ビームスプリッター５０の偏光分離膜５２による反射は反映していない。本実施形態例においては、光利用効率を上げるためにＬＥＤより成る光源１０をマルチライトパイプ２０の入射面２１に光学密着している。
【００２５】
また、空間光変調部６０の短辺方向であるｙ方向については、マルチライトパイプ２０の個々のライトパイプは１つのみで全体を照明しており、かつ射出面２２が凹のシリンドリカル面であるため、反射型の空間光変調部６０の周辺領域にいくほど照明光が反射型の空間光変調部６０に対して入射する角度は垂直状態（テレセントリック状態）から乖離し反射型の空間光変調部６０の中心側に倒れていく。
一方、空間光変調部６０の長辺方向であるｘ方向に関しては、マルチライトパイプ２０の３つのライトパイプが1列に並び、かつ凸の1軸フレネルレンズ等より成る光学レンズ３０によって集光されるため、ｙ方向に比べてテレセントリック照明に近く、またより大きな開口数ＮＡでの照明となっている。このようにして、本実施形態例の空間光変調光学装置１００は、空間光変調部６０をｘ方向、ｙ方向において、それぞれ下記の表１及び表２に示す照明条件をもって、空間光変調部を照明する構成とした。
【００２６】
【表１】
2007065080.tif 000003
【００２７】
【表２】
2007065080.tif 000004
【００２８】
上記表１及び表２においては、反射型の空間光変調部６０から射出する表示光束の状態で示したものであり、光軸からの像高位置において、各画角の中心を通る光の光軸からの角度である主光線角と、その射出光の広がり角である上光線角及び下光線角をそれぞれ示す。
上記表１からわかるように、ｘ方向では±２０度程度の広がり角であるのに対し、ｙ方向では±５°程度の広がり角である。すなわちｘ方向では開口数ＮＡが大きく、ｙ方向では開口数ＮＡが小さい。
つまりこの場合、反射型空間光変調部の一の方向と他の方向、すなわちｘ方向及びｙ方向において、射出光の開口数及び主光線の射出角がそれぞれ互いに異なっており、空間光変調部の長辺方向と短辺方向とで非対称な照明を行った場合を示している。
なお、この照明条件は、後段の第５の実施形態例において詳細に説明する虚像表示装置において好適な条件である。
で異なる条件にて照明している。
【００２９】
このような照明条件とした場合の空間光変調部６０への照明の照度分布を図３に示す。図３からわかるように、このように、ｘ方向においてより大きい開口数をもって照明しているにもかかわらず、照度分布が空間光変調部６０の照明領域に対応する長方形の領域の周辺部まで略全面にわたって、均一性を保持していることがわかる。
また、この場合反射型の液晶パネル等の空間光変調部を用いる構成としていることから、光利用効率を高く保持することができている。
【００３０】
これに対して、比較例として、１つのライトパイプを用いた場合の空間光変調光学装置の一例を図４の概略構成図に示す。この比較例では、ライトパイプ１２０と偏光ビームスプリッター２４０との間に、フレネルレンズ２２０と拡散板２３０を配置している。
この空間光変調光学装置においても、空間光変調部６０の長辺方向（ｘ方向）と、短辺方向（ｙ方向）とにおいて、それぞれ上記表１及び表２に示す照明条件をもって、空間光変調部を照明する構成とした。
【００３１】
図４Ａ及びＢに示すように、このように１つのみのライトパイプ１２０を用いて上述したように空間光変調部６０の長辺方向と短辺方向とで異なる照明条件とする場合、ライトパイプ１２０の形状が、この長辺方向に沿う方向と短辺方向に沿う方向とで、その射出面の幅Ｗ１ｈが大きく異なってくることがわかる。この場合、ライトパイプ１２０の長さは、射出面の幅が空間光変調部６０の長辺方向に沿う方向の比較的大きいほうの幅Ｗ１ｈにて決まるため、周辺輝度を中心輝度の６０％という基準で設計すると、全長Ｌｈが図４Ｂに示すように長くなってしまう。また、ｘ方向の射出面の曲面形状は図４Ａに示すように極めて曲率半径の小さい特殊な形状となってしまう。
【００３２】
このときの、光源からの射出光線のトレースをシミュレーションした結果を図５Ａ及びＢに示す。図５Ａにおいては、ｘ方向の光線トレースを示し、図５Ｂにおいては、ｙ方向の光線トレースをそれぞれ示す。
また、この場合の輝度分布を図６に示す。図６から明らかなように、１つのライトパイプを用いる場合は、周辺部において輝度が低下していることが明らかである。
これらの結果から、上述の第１の実施形態例においては、このように１つのライトパイプを用いる場合と比較すると、個々のライトパイプ自体の長さを小とすることができ、また、輝度むらを改善することができることがわかる。
特に本実施形態例においては、光利用効率の高い反射型空間光変調部を設ける場合であるにもかかわらず、このように輝度分布を均一に保持することが可能となっている。
【００３３】
また、マルチライトパイプ２０を設けることによって、装置の大型化を招くことなく空間光変調部６０に照射する光束の開口数を十分大とすることができる。これによって、例えば前述の図２０Ａ〜Ｃにおいて説明した虚像表示装置に本発明の空間光変調光学装置を適用する場合は、必要な開口数ＮＡが得られ、また均一性が十分となり、前述のように虚像を観察する場合に、瞳移動や回転にともなって明るさが変化してしまうことを回避できる。
【００３４】
なおこの場合、マルチライトパイプ２０と空間光変調部６０との間に射出角を調整する光学レンズとしてフレネルレンズを配置することによって、照明光学系の薄型化を図ることができるという効果もある。フレネルレンズは、アナモルフィックレンズである方が光利用効率を高くできる場合があり、このときにはそれぞれピッチの異なる1方向のフレネルレンズ（すなわち、機能上はシリンドリカルレンズ）２枚を直交して配置してもよい。
更に、上述したように照明の開口数ＮＡを直交する２方向（例えば上述のｘ方向及びｙ方向）で変える必要がある場合は、拡散板として、直交する２方向の拡散度が異なる拡散板を用いてもよい。
【００３５】
〔２〕第２の実施形態例
次に、図７を参照して本発明による空間光変調光学装置の第２の実施形態例を説明する。図７Ａ及びＢにおいて、図１Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して示す。本実施形態例の空間光変調光学装置は、ＬＥＤ等より成る光源１０、ライトパイプ２０ａ〜ｃより成るマルチライトパイプ２０、拡散板４０、偏光ビームスプリッター５０、反射型の空間光変調部６０によって構成されている。この例においては、各ライトパイプ２０ａ〜ｃが、空間光変調部６０の長辺方向であるｘ方向に関して一列に、かつ、空間光変調部６０の例えばｘ方向の中心部（中心である必要はない）に向かって円弧を描くように、すなわち射出光の光軸を傾けて配置した例を示す。またこの例においても、各ライトパイプ２０ａ〜ｃの射出面２２は、それぞれ空間光変調部６０の短辺方向（ｙ方向）に凹の曲率をもつシリンドリカル面となっている。
【００３６】
この空間光変調光学装置１００において、光源１０から射出した照明光は、マルチライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。そして続いて配置される拡散板４０にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター５０にその光学面５１より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜５２においてそのＳ偏光成分が反射されＰ偏光成分は透過する。反射されたＳ偏光成分は偏光ビームスプリッター５０の光学面５３より射出して、反射型の空間光変調部６０を照明する。
反射型の空間光変調部６０に入射したＳ偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部６０の画素毎に偏光状態が変調されＰ偏光成分とＳ偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部６０にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター５０に入射し、その偏光分離膜５２にてＰ偏光成分が透過され、Ｓ偏光成分は光学面５１側に戻される。
【００３７】
図８Ａ及びＢに、この空間光変調光学装置１００における光線トレース図を示す。この例においても、上述の第1の実施形態例と同様に、上記表1及び表２に示す照明条件とした例であり、図８Ａはｘ方向、図８Ｂはｙ方向の光線トレースをそれぞれ示す。この例では、拡散板による拡散作用と偏光ビームスプリッター５０の偏光分離膜５２による反射は反映していない。
本実施形態例においては、光利用効率を上げるためにＬＥＤより成る光源１０をマルチライトパイプ２０の入射面２１に光学密着している。
また、ｙ方向についてはマルチライトパイプ２０の個々のライトパイプは１つのみで全体を照明しており、かつ射出面２２が凹のシリンドリカル面であるため、反射型の空間光変調部６０の周辺領域にいくほど照明光が反射型の空間光変調部６０に対して入射する角度は垂直状態（テレセントリック状態）から乖離し反射型の空間光変調部６０の中心側に倒れていく。
【００３８】
一方、ｘ方向に関しては、マルチライトパイプ２０の３つのライトパイプが1列に並び、かつ空間光変調部６０に向かって円弧を描くように並べられているため、上述の第１の実施形態例のように、1軸のフレネルレンズ等の光学レンズがマルチライトパイプ２０と偏光ビームスプリッター５０の間にないにもかかわらず、照明光束は空間光変調部６０を効率よく照明する。このようにして、本実施形態例の空間光変調光学装置１００においても、空間光変調部６０をｘ方向、ｙ方向で互いに異なる条件にて照明している。
この場合の空間光変調部６０における照明分布を図９に示す。図９から、この実施形態例においても、略全面にわたって照度の均一性が保持されており、輝度むらが抑制されていることがわかる。
【００３９】
このように、本実施形態例の空間光変調光学装置においては、複数の光源と複数のライトパイプと空間光変調部を備え、この間に必要に応じて拡散板を配置することによって、光源から射出した大きな開口数ＮＡを有する照明光を、まず複数の例えば1列に配置されたライトパイプにて輝度を均一化して、所定の開口数ＮＡをもつ照明光に変換する。マルチライトパイプを用いることにより、装置の大型化を回避することができる。
【００４０】
そしてこの例においては、マルチライトパイプの配置によってこの照明光の主光線角度をコントロールしている。すなわちこの場合、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができるという利点を有する。
またこの場合においても、照明の開口数ＮＡも直交する２方向（例えば上述のｘ方向及びｙ方向）で変える必要がある場合は、拡散板として、直交する２方向の拡散度が異なる拡散板を用いてもよい。
【００４１】
このような構成とすることにより、例えば上記表１及び表２におけるような、空間光変調部の例えば長辺方向と短辺方向とにおいて異なる照明条件を容易に達成することができる。したがって、例えば虚像表示装置に適用する場合は、瞳の移動に対して明るさの変動を伴うことなく、良好に表示を行うことが可能である。
【００４２】
〔３〕第３の実施形態例
次に、図１０Ａ及びＢ参照して、本発明による空間光変調光学装置の第３の実施形態例を説明する。この空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤ等より成る光源１０、６つのライトパイプより成るマルチライトパイプ２０、拡散板４０、偏光ビームスプリッター５０、反射型の空間光変調部６０によって構成される。そして本実施形態例においては、マルチライトパイプ２０の各射出面２２を、空間光変調部６０の短辺方向に対応するｙ方向に凹の曲率をもつシリンドリカル面としている。またこの場合、マルチライトパイプ２０は先細り型ライトパイプ６本をｘ方向に３つ、ｙ方向に２つ並べている。更に、これらの６本の先細り型ライトパイプは、全て空間光変調部６０の中心方向（中心である必要はない）に傾いて配置した例を示す。
【００４３】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、マルチライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。そして続いて配置される拡散板４０にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター５０にその光学面５１より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜５２においてそのＳ偏光成分が反射されＰ偏光成分は透過する。反射されたＳ偏光成分は偏光ビームスプリッター５０の光学面５３より射出して、反射型の空間光変調部６０を照明する。
【００４４】
反射型の空間光変調部６０に入射したＳ偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部６０の画素毎に偏光状態が変調され、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部６０にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター５０に入射し、その偏光分離膜５２にてＰ偏光成分が透過され、Ｓ偏光成分は光学面５１側に戻される。
【００４５】
このような構成とする空間光変調光学装置１００においても、上述の第１及び第２の実施形態例と同様に、ライトパイプを大型化することなく、輝度むらを抑制することができる。また、上述の第２の実施形態例と同様に、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができる。
そしてこの場合においても、例えば上記表１及び表２におけるような、空間光変調部の例えば長辺方向と短辺方向とにおいて異なる照明条件を容易に達成することができる。したがって、例えば虚像表示装置に適用する場合は、瞳の移動に対して明るさの変動を伴うことなく、良好に表示を行うことが可能である。
【００４６】
〔４〕第４の実施形態例
図１１Ａ及びＢを参照して、本発明による空間光変調光学装置の第４の実施形態例を説明する。図１１Ａ及びＢにおいて、図１０Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この空間光変調光学装置１００は、ＬＥＤ等より成る光源１０、マルチライトパイプ２０、拡散板４０、偏光ビームスプリッター５０、反射型の空間光変調部６０によって構成される。また、マルチライトパイプ２０の各ライトパイプは、その射出面２２がｙ方向に凹の曲率をもつシリンドリカル面であり、かつ非球面とした例を示す。
そして特にこの例においては、各ライトパイプがその側面２３に曲率のついた先細り型ライトパイプとされ、空間光変調部６０の長辺方向であるｘ方向に３本、短辺方向であるｙ方向に２本配列した場合を示す。また各ライトパイプは、ｘ及びｙ方向に1列に、かつ、空間光変調部６０の中心方向（中心である必要はない）に向かって円弧を描くように並べた構成になっている。
【００４７】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、マルチライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。続いて配置される拡散板４０にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター５０にその光学面５１より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜５２においてそのＳ偏光成分が反射されＰ偏光成分は透過する。反射されたＳ偏光成分は偏光ビームスプリッター５０の光学面５３より射出して、反射型の空間光変調部６０を照明する。
反射型の空間光変調部６０に入射したＳ偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部６０の画素毎に偏光状態が変調されP偏光成分とＳ偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部６０にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター５０に入射し、その偏光分離膜５２にてP偏光成分が透過され、Ｓ偏光成分は光学面５１側に戻される。
【００４８】
この場合においても、上述の第１〜第３の実施形態例と同様に、ライトパイプを大型化することなく、輝度むらを抑制することができる。また、上述の第２及び第３の実施形態例と同様に、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができる。
そしてこの例においては、各ライトパイプの側面を外側に凸の曲面とすることにより、光源１０から比較的大きな放射角で射出する光線が、各ライトパイプの内部で全反射になる確率を高めることとなり、光の利用効率を高めることができる。
またこの場合、入射面から射出面まで伝播する光の全反射回数が増加することによって、均一性を高めることも可能である。或いは、同等の均一性でよい場合には、各ライトパイプの全長を短くすることができ、装置の小型化を図ることができるという利点を有する。
更にこの場合においても、例えば上記表１及び表２におけるような、空間光変調部の例えば長辺方向と短辺方向とにおいて異なる照明条件を容易に達成することができる。したがって、例えば虚像表示装置に適用する場合は、瞳の移動に対して明るさの変動を伴うことなく、良好に表示を行うことが可能である。
【００４９】
〔５〕第５の実施形態例
次に、図１２〜図１６を参照して、本発明による空間光変調光学装置を使用した虚像表示装置の実施形態例を説明する。この例においては、ビデオカメラのビューファインダ、頭部装着型ディスプレイ等に適用して好適な虚像表示装置の一実施形態例を示す。
本例の虚像表示装置２００は、図１２Ａにその上面からみた概略平面構成図、図１２Ｂに概略側面構成図を示すように、ＬＥＤ等より成る光源１０、マルチライトパイプ２０、第１及び第２の１軸フレネルレンズ３１及び３２より成る光学レンズ３０、拡散板４０、偏光ビームスプリッター５０、反射型の空間光変調部６０、ファインダーレンズ等より成るコリメート光学系７０、ホログラム型の導波路９０によって構成されている。なお、図１２Ａ及びＢにおいては共通するＸＹＺ座標系を示し、観察者の瞳８０に対して左右（水平）方向をＸ方向（空間光変調部６０の長辺方向に相当）、上下（縦）方向をＹ方向（空間光変調部６０の短辺方向に相当）、奥行き方向をＺ方向として示す。
【００５０】
本実施形態例においては、マルチライトパイプ２０は先細り型ライトパイプ３本を空間光変調部６０の長辺方向、すなわちＸ方向に1列に並べた構成になっている。また、この例では、各ライトパイプの射出面２２は、空間光変調部６０の長辺方向に相当するＹ方向に凹の曲率をもつシリンドリカル面となっている。
【００５１】
このような構成において、ＬＥＤ等の光源１０から射出した照明光は、マルチライトパイプ２０の面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、射出面２２より射出する。そして続いて配置される１軸フレネルレンズ３１、３２に入射する。これら１軸フレネルレンズ３１、３２は、それぞれ光学パワーをもつ方向が直交して配置されており、更に互いに光学パワー（すなわち、焦点距離）が異なっている。
【００５２】
１軸フレネルレンズ３１、３２を通過した照明光は、続いて配置される拡散板４０に入射する。この拡散板４０は、１軸フレネルレンズ３１、３２が光学パワーをもつ方向に沿って拡散性が異なっており、本実施例の場合、光学パワーが大きい方向に沿って拡散性が大きくなっている。これにより、拡散板４０から射出される光は、両フレネルレンズ３１及び３２の光学特性及び拡散板４０の拡散性によって、射出角及び開口数が調整されて偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）５０に入射される。
【００５３】
このようにして拡散板４０から射出された照明光は、続いて偏光ビームスプリッター５０にその光学面５１より入射し、偏光分離膜５２にてＳ偏光成分のみが反射され、光学面５３より射出して、反射型の空間光変調部６０を照明する。そして、反射型の空間光変調部６０によって例えば表示する映像に対応して変調されて反射された照明光（映像光）は、上述の射出角は反射によって反転され、開口数は保持された状態で射出され、再び偏光ビームスプリッター５０に入射し、そのＰ偏光成分のみが偏光分離膜５２によって透過され、光学面５４から射出する。
【００５４】
偏光ビームスプリッター５０の光学面５４から射出した映像光は、図１２Ａに示すＸＺ平面においては、コリメート光学系７０にて画角（すなわち空間光変調部６０の各画素から射出される光の射出角）が互いに異なる平行光束群とされる。この平行光束群は、これとは直交するＹＺ平面においては、図１２Ｂに示すように、画角が互いに異なる光束群とされて導光板９０に入射する。図１２Ａにおいては、ＸＺ平面における代表的な平行光束Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃを、また図１２Ｂにおいては、ＹＺ平面における代表的な平行光束ＬＡ、ＬＢ及びＬＣを示す。
【００５５】
この導光板９０は、図１２Ａ及びＢに示すように、薄い平板型構成とされ、瞳８０に対し奥行き方向に相対向する光学面９１及び９２のうち、光学面９１の一端が、コリメート光学系７０から射出される光が入射する入射部９１Ａとされ、光学面９１の他端は、瞳８０に向かって射出される光が射出する射出部９１Ｂとされる。
上述したように、この例では左右（水平）方向をＸ方向、上下（縦）方向をＹ方向とするものであり、すなわちこの場合、観察者の瞳８０に対して、横方向から映像や各種情報等を表示する画像表示光が導光されて瞳８０に入射される構成とするものである。
なお、この虚像表示装置を頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）に適用する場合、照明光学装置や空間光変調部、虚像表示光学系を瞳に対して上方に配置せず、このように横方向に配置する場合は、瞳８０に近接した例えば上方向に配置する場合と比べると、上下の視野内に光学系が設けられないので、良好な外界の観察が可能となる。一方この場合は、導光板９０の内部を導光する距離が比較的長くなるため、以下に述べる工夫が必要となる。
【００５６】
上述の構成において、導光板９０に入射部９１Ａから入射された画像表示光は、入射部９１Ａと対向する位置に光学面９２に設けられる第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３に入射する。この例においては、この第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３は、位置に係らず均等なホログラム表面の干渉縞ピッチを有する構成とする。
【００５７】
そして第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３により回折反射された光は、導光板９０内部において、図１２Ａで示すＸＺ平面のＺ方向には、各光束Ｌａ〜Ｌｃが平行光束のまま光学面９１及び９２の間で全反射を繰り返しながら導光し、他端に設けられた第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４に向けてＸ方向に進行する。図１２Ａにおいては、光束Ｌａは二点鎖線、Ｌｂは実線、Ｌｃは破線でそれぞれ示す。
本実施形態例においては、導光板９０が薄く、また上述したように導光板９０を進行する光路が比較的長いため、図１２Ａに示すように、各画角によって第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４に至るまでの全反射回数は異なっている。
【００５８】
これについてより詳細に述べれば、導光板９０に入射する平行光Ｌａ、Ｌｂ及びＬｃのうち、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４の方に傾きながら入射する平行光Ｌａの反射回数は、それと逆方向の角度で導光板９０に入射する平行光Ｌｃの反射回数よりも少なくなっている。すなわち、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３のホログラム表面の干渉縞ピッチが等間隔のため、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３において回折反射される射出角が、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４の方に傾きながら入射する平行光の方が、それと逆方向の角度で入射する平行光の射出角よりも大きくなる。
第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４に入射した各画角の平行光は、回折反射により全反射条件からはずれ、導光板９０から射出し観察者の瞳８０に入射する。
【００５９】
なお、導光板９０内では、瞳８０に対し上下方向となるＹ方向については反射しない。すなわち、図１２Ｂに示すように、各平行光束群ＬＡ〜ＬＣが、導光板９０内で瞳８０に対し奥行き方向となるＺ方向には反射を繰り返すが、伝播するＸ方向とほぼ直交するＹ方向については反射しないで射出部９１Ｂに到達する。
この場合、上述したように、これらの光はＹ方向には収束されるので、図１２Ｂに示すように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３のＹ方向の長さに対し、第２の反射型体積ホログラムグレーティング９４の反射回折面は比較的短い構成としてもよい。
【００６０】
以上説明したＸ方向及びＹ方向の光束の空間光変調部からの射出角及び開口数の違いについて、図１３及び図１４を用いて説明する。
この虚像表示装置の実施形態例においては、ホログラムを設けた導光板９０を用いているため、観察者の瞳８０を射出瞳と考えた場合、反射型の空間光変調部６０からの映像光の射出角及び開口数ＮＡは、反射型等の空間光変調部の画像表示エリアの例えば長辺（Ｘ）方向と短辺（Ｙ）方向によって、また、画像表示エリアの中心からの距離によって異なっている。
【００６１】
すなわち、図１３に示すように、空間光変調部６０の長辺方向に対応するＸ方向では、各画素から射出される光は、それぞれ一点鎖線で示すように、その主光線が空間光変調部６０の表示面に対し略垂直でテレセントリックな状態に近く、かつ開口数ＮＡが後述する理由により比較的大きく設定される。
一方、図１４に示すように、短辺方向に対応するＹ方向では、各画素から射出される光は、空間光変調部６０の表示面の中心から離れるほど射出角がテレセントリックな状態、すなわち空間光変調部６０の表示面と画像表示光の一点鎖線で示す主光線とのなす角が垂直な状態から離れていき、しかも開口数ＮＡは比較的小さくされる。
【００６２】
これら図１３及び図１４においてそれぞれ示すＸ方向及びＹ方向における射出角による照明条件は、上述の第１の実施形態例に対する比較例として説明した上記表１及び表２に示す照明条件を用いてもよい。
上記表１及び表２に示す照明条件とする場合は、Ｘ方向では±２０度程度の広がり角であるのに対し、Ｙ方向では±５°程度の広がり角である。すなわちＸ方向では開口数ＮＡが大きく、Ｙ方向では開口数ＮＡが小さい。
つまりこの場合、空間光変調部の一の方向と他の方向、すなわちＸ方向及びＹ方向において、射出光の開口数及び主光線の射出角がそれぞれ互いに異なっていることがわかる。
【００６３】
このように、上述の虚像表示装置において、開口数ＮＡ及び射出角がＸ方向とＹ方向とに対して異方性を有する構成となる理由について、図１５Ａ及びＢ、更に図１６を用いて説明する。
図１２Ａにおいて説明したように、空間光変調部の長辺方向（Ｘ方向）と対応する進行方向においては、各画角によって導光板９０内を反射する回数が違い、すなわち光路長が異なるが、図１５Ａに示すように、伝播する光束が全て平行光束であるため、いわば折りたたまれるように光束群が進行して各画角の光束の光路長が変わっても、導光板より射出する画角は不変のため画像を乱すことはない。この場合、コリメート光学系７０でのＸ方向の口径は比較的小さくできる。
【００６４】
これに対し、空間光変調部の短辺方向（Ｙ方向）においては、図１５Ｂに示すように、射出瞳から逆光線追跡を行うと明らかなように、ひたすら上下画角が離れていく。上述したように、頭部装着型ディスプレイに適用する場合に、光学系を瞳に対して横方向に配置すると、導光板の長さＬｇは例えば人間の平均的な顔の大きさから６０ｍｍ程度必要となる。導光板９０の内部でＹ方向すなわち上下方向に反射させると像の上下が反転してしまうので、前述したようにＹ方向には反射しないで進行させるとすると、光はコリメート光学系７０に到達するまでに大きく広がってしまい、Ｙ方向の口径は大きくなる。すなわちこの場合、上下の（Ｙ方向の）画角の光線は、空間光変調部６０に対してテレセントリック状態からはずれた構成となる。
【００６５】
一方、Ｘ方向及びＹ方向の開口数ＮＡｘ及びＮＡｙは、それぞれ以下の通りとなる。
先ず、Ｙ方向の開口数ＮＡｙは、観察者の瞳径をＤとし、コリメート光学系７０の焦点距離をｆとすると、
ＮＡｙ＝Ｄ／（２ｆ）
となる。
【００６６】
これに対し、Ｘ方向の開口数ＮＡｘは、上述したように、光束が導光板内で折り返し反射する構成であることから、Ｙ方向のように瞳径から一義的に求められない。
すなわち、図１６に示す構成図において逆光線追跡を行うと明らかなように、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の縁部と光学面９２とに跨る位置で折り返して反射する光束が存在する。逆光線追跡を行うと、この光束の一部（すなわち光学面９２で反射される部分）は反射を繰り返して第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の異なる位置で回折され、コリメート光学系７０に到達する。一方、残りの光束は、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の端部で回折されそのままコリメート光学系７０に到達する。つまり、この光束は、同一の画素から射出される同一画角の平行光束であるが、第１の反射型体積ホログラムグレーティング９３の異なる部分で回折反射して導光板９０内で合波されて伝播する光束が存在することとなる。
瞳８０の全領域に光を到達させるためには、このようないわば分岐する光束を含め照明することが望ましいが、１画素から射出する光を２つの発散光に分岐して照明することは難しい。したがって、図１６に示すように、照明光の見かけのＮＡｘは大きくすることが必要となる。図１６において、図１２Ａと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
したがって、この光学系においては、Ｘ方向の見かけの開口数ＮＡｘは比較的大きく、Ｙ方向の開口数ＮＡｙは比較的小さくなることがわかる。
【００６７】
以上説明したように、上述の実施形態例の虚像表示装置においては、導光板の形状や、導光板内の光束の進行形態などの構成条件に起因して、空間光変調部からコリメート光学系に射出される各画素に対応する主光線の射出角、開口数がＸ方向とＹ方向とで異なる異方性を有する光学特性が要求される。
これに対して、本実施形態例においては、上述したように、空間光変調部に対する照明光学系において拡散板４０を設け、フレネルレンズ３１及び３２と拡散板４０、またマルチライトパイプ２０の光学的特性を、前述の第１〜第４の実施形態例における空間光変調光学装置と同様に、それぞれ例えばＸ方向（ｘ方向）においてはテレセントリックに近く、また拡散角を比較的大きく、Ｙ方向（ｙ方向）においてはテレセントリックからはずれ、拡散角を比較的小さくするなどの光学的異方性をもって構成することによって、上述の虚像表示装置に適用した場合に、適切に空間光変調部を照明する照明光学装置を提供することができる。
【００６８】
これにより、空間光変調部により変調された画像を表示する射出光は、所望の開口数、射出角をもって導光板を伝播して、無駄なく、また画像の乱れを生じることなく瞳に到達する。したがって、本発明の照明光学装置及び虚像表示装置によれば、前述したように均一な輝度をもって効率よく光を利用することによって瞳８０の位置ずれや回転によっても明るさの変動を招くことがなく、かつ良好な画像を表示することができる。
そして更に、本発明においては、ライトパイプ及び光源を複数配置し、また、空間光変調部の長辺方向に対応する配列数を、短辺方向に対応する配列数に比して大とすることによって、反射型空間光変調部を用いる場合においても、空間光変調部に対してより均一な照明を行って、効率性に優れ、また輝度むらを抑制して良好な表示が可能な虚像表示装置を提供することができる。
【００６９】
〔６〕第６の実施形態例
次に、図１７Ａ及びＢを参照して、本発明による空間光変調光学装置を使用した投射型画像表示装置の一実施形態例を説明する。図１７Ａはこの投射型画像表示装置３００の上面からみた概略平面構成図及び概略側面構成図を示す。この例においては、前述の第３の実施形態例において説明した構成の空間光変調光学装置を用いるものであり、ＬＥＤ等の光源１０、マルチライトパイプ２０、拡散板４０、偏光ビームスプリッター５０、反射型の空間光変調部６０、投射光学系３１０、スクリーン３１１によって構成されている。図１７Ａ及びＢにおいて、図１０Ａ及びＢと対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００７０】
このような構成において、光源１０から射出した照明光は、この光源１０に光学密着されたマルチライトパイプ２０の各ライトパイプの面積が小さい方の入射面２１より入射し、一部の光線が内部全反射を繰り返した後、各ライトパイプの射出面２２より射出し、続いて配置される拡散板４０にて適宜拡散された後、偏光ビームスプリッター５０にその光学面５１より入射する。続いてこの照明光は、偏光分離膜５２においてそのＳ偏光成分が反射されＰ偏光成分は透過する。反射されたＳ偏光成分は偏光ビームスプリッター５０の光学面５３より射出して、反射型の空間光変調部６０を照明する。
【００７１】
反射型の空間光変調部６０に入射したＳ偏光成分を主に有する照明光は、反射型の空間光変調部６０の画素毎に偏光状態が変調され、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分の割合が制御されて反射される。反射型の空間光変調部６０にて反射された照明光は、再び偏光ビームスプリッター５０に入射し、その偏光分離膜５２にてＰ偏光成分が透過されて、光学面５４より射出される。
【００７２】
偏光ビームスプリッター５０から射出した照明光は、投射光学系３１０によってスクリーン３１１上に投射され、空間光変調部６０により画像情報等によって変調された表示光（映像光）の像が結像される。
この例においても、空間光変調光学装置において、ライトパイプを大型化することなく、輝度むらを抑制することができる。またこの例では、複数のライトパイプを空間光変調部の中心方向に向かって傾斜させて配置することによって、光学レンズの使用枚数を低減、あるいは不要とし、更に小型軽量化を図ることができる。
したがって、このような空間光変調光学装置を用いる投射型画像表示装置３００は、照明効率性に優れ、輝度むらを抑制して良好な画像の表示が可能となるとともに、その小型化、軽量化が可能となる。
【００７３】
以上説明したように、本発明によれば、従来に比して輝度むらが抑制され、光利用効率に優れた小型の空間光変調光学装置、またこれを用いた虚像表示装置及び投射型画像表示装置を提供することができる。
なお、本発明による空間光変調光学装置、虚像表示装置及び投射型画像表示装置は、以上説明した各実施形態例に限定されるものではなく、その他光源や空間光変調部、ライトパイプなどの種類や配置構成など、本発明構成を逸脱しない範囲において、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図２】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。
【図３】本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例における照度分布を示す図である。
【図４】Ａは空間光変調光学装置の比較例の概略平面構成図である。Ｂは空間光変調光学装置の比較例の概略側面構成図である。
【図５】Ａは空間光変調光学装置の比較例の光線トレースを示す図である。Ｂは空間光変調光学装置の比較例の光線トレースを示す図である。
【図６】空間光変調光学装置の比較例における照度分布を示す図である。
【図７】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図８】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の光線トレースを示す図である。
【図９】本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例における照度分布を示す図である。
【図１０】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図１１】Ａは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による空間光変調光学装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図１２】Ａは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による虚像表示装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図１３】空間光変調部から射出した光のｘ方向の射出角及び開口数の説明図である。
【図１４】空間光変調部から射出した光のｙ方向の射出角及び開口数の説明図である。
【図１５】Ａは射出瞳からｘ方向の逆光線追跡を行った説明図である。Ｂは射出瞳からｙ方向の逆光線追跡を行った説明図である。
【図１６】本発明による虚像表示装置の一実施形態例のｘ方向の開口数の説明図である。
【図１７】Ａは本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略平面構成図である。Ｂは本発明による投射型画像表示装置の一実施形態例の概略側面構成図である。
【図１８】従来の照明光学装置の一例の概略構成図である。
【図１９】従来のライトパイプを用いた画像投影装置の一例の概略構成図である。
【図２０】Ａはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。Ｂはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。Ｃはライトパイプを用いた虚像表示装置の一例の概略構成図である。
【図２１】ライトパイプを用いた空間光変調光学装置の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
【００７５】
１０．光源、２０、ライトパイプ、２１．入射面、２２．射出面、２３．側面、３０．フレネルレンズ、４９．拡散板、５０．偏光ビームスプリッター、５１．光学面、５２．偏光分離面、５３．光学面、５４．光学面、６０．空間光変調部、７０．コリメート光学系、８０．瞳、９０．導光板、９１．光学面、９１Ａ．入射部、９１Ｂ．射出部、９２．光学面、９３．第１の反射型体積ホログラムグレーティング、９４．第２の反射型体積ホログラムグレーティング、１００．空間光変調光学装置、２００．虚像表示装置、２１０．虚像表示光学系、３００．投射型画像表示装置、３１０．投射光学系、３１１．スクリーン
【図１】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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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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【図１７】
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【図１８】
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【図２１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１９】
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【図２０】
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