(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を、所定の波長領域毎に異なった方向に分離する色分離装置を備えた照明光学系と、
前記分離された照明光としての光を反射型表示パネルへ導き、該反射型表示パネルからの投影光を投影光学系へ導く照明・投影分離光学系とを有し、
前記色分離装置と前記反射型表示パネルとの間に、前記分離された照明光を各波長領域毎に該反射型表示パネル上に一色ずつ結像するマイクロシリンダーレンズアレイを設け、
前記色分離装置によって色分離された各波長領域の光は前記照明・投影分離光学系に互いに異なる角度で入射して進行し、
前記照明光の中心光線と前記投影光の中心光線とを含む平面と、前記色分離装置により分離され前記照明・投影分離光学系に入射し進行する光の分離方向を含む平面とが、互いに略直角をなす事を特徴とする表示光学装置。
【請求項２】
前記照明光学系は、前記光源からの光を所定の偏光方向に揃えるための偏光変換装置と、前記各波長領域毎の光を分割して再統合するインテグレータ装置とを備えた事を特徴とする請求項１に記載の表示光学装置。
【請求項３】
前記照明・投影分離光学系は、全反射プリズムにより構成される事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表示光学装置。
【請求項４】
前記照明・投影分離光学系は、偏光ビームスプリッターにより構成される事を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の表示光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型表示パネルの画像を投影する表示光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、映像を表示する方法の一つとして、例えば投影型の表示光学装置が知られている。このような表示光学装置においては、反射型液晶表示パネル等の、いわゆる反射型表示パネルが最近では主に用いられている。そして、このような反射型表示パネル上の光学像を、効率よく均一に照明するために、照明光学系が用いられており、また、照明光学系からの照明光を反射型表示パネルへと導くために、反射型表示パネル直前に配置したマイクロレンズアレイ等が用いられている。
【０００３】
具体的には、例えば反射型表示パネルをいわゆる単板として、画素毎にＲ用，Ｇ用，Ｂ用を順次並べたものを用い、照明光を予めＲＧＢに色分割したものを、角度をＲＧＢ毎に変えて１絵素（１絵素とは表示パネル上のＲＧＢ３画素を１組としたもの）或いは複数絵素ずつマイクロレンズアレイ上の各マイクロレンズに入射させ、それぞれ反射型表示パネルのＲ用，Ｇ用，Ｂ用の画素に集光するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した構成のように、反射型表示パネルに対して、照明光をＲＧＢに角度分岐し、マイクロレンズによる画素照明を行う場合、照明光の分離方向の光束の角度の広がりが大きく、また、反射型表示パネルで反射した光は、マイクロレンズを通過する事によって、更に他の方向へも投影光束の角度が広がる事となる。
【０００５】
このように、角度の広がった照明光及び投影光を、それぞれ分離して取り扱うためには、例えば反射型表示パネルに照明光を大きな入射角で斜め方向より入射させ、正反射したものを投影光として取り出すか、大きい角度に広がった光束に対応する事が可能な偏光ビームスプリッターを使用する事が必要となる。
【０００６】
ところが、反射型表示パネルを大きな入射角で照明する場合は、画像の歪が生じやすく、その投影光を投影光学系で導いて、反射型表示パネルの画像としてスクリーンにうまく写し出す事が難しくなる。また、大きい角度に広がった光束に対応する事が可能な偏光ビームスプリッターは、従来の誘電体多層膜を使用した構成では実現する事ができない。通常は、偏光ビームスプリッターへの入射角が変動すると、入射する光の波長領域に対する透過率の特性が大きく変化する。
【０００７】
本発明は、このような問題点に鑑み、照明光と投影光の分離方向の角度の広がりを小さくする事ができ、照明光学系と投影光学系とを簡単に構成する事ができる表示光学装置を提供する事を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、光源からの光を、所定の波長領域毎に異なった方向に分離する色分離装置を備えた照明光学系と、前記分離された照明光としての光を反射型表示パネルへ導き、該反射型表示パネルからの投影光を投影光学系へ導く照明・投影分離光学系とを有し、前記色分離装置と前記反射型表示パネルとの間に、前記分離された照明光を各波長領域毎に該反射型表示パネル上に一色ずつ結像するマイクロシリンダーレンズアレイを設け、前記色分離装置によって色分離された各波長領域の光は前記照明・投影分離光学系に互いに異なる角度で入射して進行し、前記照明光の中心光線と前記投影光の中心光線とを含む平面と、前記色分離装置により分離され前記照明・投影分離光学系に入射し進行する光の分離方向を含む平面とが、互いに略直角をなす請求項１の構成とする。
【０００９】
また、前記照明光学系は、前記光源からの光を所定の偏光方向に揃えるための偏光変換装置と、前記各波長領域毎の光を分割して再統合するインテグレータ装置とを備えた請求項１に記載の請求項２の構成とする。
【００１０】
また、前記照明・投影分離光学系は、全反射プリズムにより構成される請求項１又は請求項２に記載の請求項３の構成とする。
【００１１】
また、前記照明・投影分離光学系は、偏光ビームスプリッターにより構成される請求項１又は請求項２に記載の請求項４の構成とする。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の一実施形態の表示光学装置を模式的に示す構成図である。同図（ａ）は照明光学系を中心とした全体構成を示す正面図、（ｂ）は後述する照明・投影分離光学系及び投影光学系を矢印ｂ方向より見た左側面図、（ｃ）はその照明・投影分離光学系の一部を矢印ｃ方向より見た平面図となっている。
【００１３】
同図（ａ）において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。また、７はリフレクター２の光の射出口２ａを覆うように配置され、光源１及びリフレクター２からの光に含まれる紫外線及び赤外線をカットするＵＶＩＲカットフィルターである。ＵＶＩＲカットフィルター７の後方（図の右方）には、順に複屈折回折格子３、第１レンズアレイ４、少し離れて第２レンズアレイ６、その直後に第１の重ね合わせレンズ８が配置されている。
【００１４】
ここでは図示しないが、第１レンズアレイ４は、ほぼ正方形に近い格子状に組み合わされた各セルを有しており、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ４とは異なる方向に区切った長方形の格子状に組み合わされた各セルを有している。複屈折回折格子３は、第２レンズアレイ６の各セルの長辺方向に、光源１及びリフレクター２からの光９の偏光分離を行う。複屈折回折格子３、第１レンズアレイ４、第２レンズアレイ６を通じて偏光変換が行われ、光源１及びリフレクター２からの光９は特定の偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。これらの詳細な関係については後述する。
【００１５】
また、第２レンズアレイ６とその直後の第１の重ね合わせレンズ８により、第１の重ね合わせレンズ８の後述する焦点位置近傍に、第１レンズアレイ４の各セルの像が重なり合うようにしている。尚、第１の重ね合わせレンズ８は、第２レンズアレイ６と一体に成形されていても良い。また、複屈折回折格子３の代わりに、第１レンズアレイ４と第２レンズアレイ６との間に複屈折プリズムアレイ等を配置したものもある。以上の第１レンズアレイ４から第１の重ね合わせレンズ８までを、第１のインテグレータ光学系と呼び、光軸をＬとする。この、第１の重ね合わせレンズ８の焦点位置にコンデンサーレンズ１０が配置されている。
【００１６】
そして、第１の重ね合わせレンズ８とコンデンサーレンズ１０との間に、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）それぞれの波長領域の光を反射するダイクロイックミラーＲm，Ｇm，Ｂmがそれぞれ異なった傾きで配置され、光軸Ｌで第１の重ね合わせレンズ８を透過してきた光９が、Ｒm，Ｇm，Ｂmそれぞれのダイクロイックミラーで反射され、それぞれ異なった角度の光軸ＬR，ＬG，ＬBでコンデンサーレンズ１０に到達するようにしている。尚、ダイクロイックミラーＢmは全反射ミラーでも良い。
【００１７】
また、コンデンサーレンズ１０の直後（図の上方）に、第３レンズアレイ１１が配置されている。これは、後述する表示パネルのアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セルを有しており、この長辺方向の第３レンズアレイ１１の分割数即ちセルの列数は、１〜３の範囲に設定される。ちなみに、本実施形態においては、後述するように２列である。
【００１８】
さらに、第３レンズアレイ１１の後方には、少し離れて第４レンズアレイ１２が配置されている。第４レンズアレイ１２は、第３レンズアレイ１１と同様の長方形の格子状に組み合わされた各セルを有している。これは、必ずしも相似形である必要はない。そして、第４レンズアレイ１２とその直後の第２の重ね合わせレンズ群１３により、後述する表示パネルに、第３レンズアレイ１１の各セルの像が重なり合うようにしている。また、第２の重ね合わせレンズ群１３によって、表示パネルをテレセントリック照明する。以上の第３レンズアレイ１１から第２の重ね合わせレンズ群１３までを、第２のインテグレータ光学系と呼び、光軸をＬａとする。
【００１９】
第２の重ね合わせレンズ群１３の後方（図の上方）には、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズム１４が配置されている。このＰＢＳプリズム１４は、Ｓ偏光を反射して、Ｐ偏光を透過する性質を持つ。一方、光源１及びリフレクター２からの光９は、上述した偏光変換によって、ＰＢＳプリズム１４に対してほぼＳ偏光に揃えられて入射する。そのため、ＰＢＳプリズム１４によって、光９はその殆どが反射され、同図（ｂ）に示す左方の表示パネル１６に向かう。
【００２０】
表示パネル１６の直前には、複屈折材料により構成される複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５が配置されている。この複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５は、各シリンダーレンズが同図（ｂ）における紙面に沿って上下に長手方向となるように配置されている。また、同図（ｃ）における紙面に沿って各シリンダーレンズが左右に渡って配置されている。
【００２１】
そして、上記ダイクロイックミラーと第３，第４レンズアレイによって色分解された光９は、この複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５によって、各色毎に表示パネル１６の異なる画素を照明する。詳しくは後述する。この照明により、表示パネル１６全体は、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色それぞれにより順にストライプ状に照明され、各色に照明された画素は各色の情報表示を行う。
【００２２】
表示パネル１６は反射型液晶表示パネルであり、ここに照明された光を、画素毎に表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。このとき、ＯＦＦの反射光は、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を経てＰＢＳプリズム１４に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されているので、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を経てＰＢＳプリズム１４に戻ってここを透過し、次の投影光学系１７に到る。投影光学系１７の光軸をＬｂとする。
【００２３】
この投影光学系１７により、表示パネル１６の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。投影光学系１７を形成する投影レンズ群の一部のレンズは、像シフト用レンズ１８として、アクチュエータ１９により、矢印ａで示す如く光軸Ｌｂと垂直方向に高速で駆動される。これにより、表示情報を高画素化する事ができる。詳しくは後述する。
【００２４】
上述したように、本実施形態では、ＰＢＳプリズム１４が照明・投影分離光学系の役割を果たしており、照明光の中心光線に一致する光軸Ｌａと投影光の中心光線に一致する光軸Ｌｂとを含む平面即ち同図（ｂ）で示す平面（ＰＢＳプリズムによる光束の折り曲げ断面）と、色分離装置である上記ダイクロイックミラーＲm，Ｇm，Ｂmにより分離された照明光の分離方向を含む平面即ち同図（ａ）で示す平面とが、互いに略直角をなす構成となっている。この構成により、照明光と投影光の分離方向の角度の広がりを小さくする事ができる。また、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５により、シリンダーレンズの特性を生かして、投影光束の角度の広がりを、照明光の分離方向からくるもののみとする事ができる。以上により、照明，投影光学系の構成を容易にする事ができる。詳しくは後述する。
【００２５】
図２は、本実施形態における複屈折回折格子と第１，第２レンズアレイとの関係を模式的に示す分解斜視図である。同図では、レンズアレイ中の一部のセルを代表して示してある。同図に示すように、本実施形態では、第１レンズアレイ４の実線で示す各セルの辺方向と第２レンズアレイ６の破線で示す各セルの辺方向とが異なるようにし、複屈折回折格子３のブレーズ３ａの溝方向を第２レンズアレイ６の各セルの辺方向に沿うようにしている。具体的には第１レンズアレイ４の各セルの辺方向の対角線方向が第２レンズアレイ６の各セルの辺方向となるようにしている。
【００２６】
図の左斜め下方に位置する図示しない上記光源１及びリフレクター２からの光９は、複屈折回折格子３のブレーズ３ａにより、実線で示す所定偏光面を持つ光９ａと、それとは垂直な偏光面を持つ破線で示す光９ｂとに偏光分離される。これらの光は、第１レンズアレイ４のほぼ正方形に近い格子状に並んだ個々のセルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄを透過し、第１レンズアレイ４とは異なる方向に区切った長方形の格子状に並んだ第２レンズアレイ６の個々のセルＡａ，Ｂａ，Ｃａ，Ｄａ上に、所定偏光面を持つ光源像と、それとは垂直な偏光面を持つ光源像とをそれぞれ作り出す。
【００２７】
セルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄから、異なった方向に並ぶセルＡａ，Ｂａ，Ｃａ，Ｄａに光源像を作るために、第１レンズアレイ４のＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ各セルは個々に若干傾いているか、レンズ頂点が偏心している。即ちレンズ頂点がセルの中心からずれている。同様に、第２レンズアレイ６の各セルＡａ，Ｂａ，Ｃａ，Ｄａも個々に傾いているか、レンズ頂点が偏心している。
【００２８】
これら互いの光源像は、複屈折回折格子３による分離方向、即ち第２レンズアレイ６の各セルの長辺方向に並び、正しく列を成す。また、これらの光源像は、実線及び破線の楕円（レンズアレイの正面から見れば円）で示すように、第２レンズアレイ６の個々のセル上に、或程度の大きさを持って投影される。ちなみに、本例の座標系は、光源側から見た第１レンズアレイ４の正面に向かって上方をｙ軸、右方をｘ軸としており、第２レンズアレイ６の正面に向かって、各セルの辺方向に沿った右斜め上方向をｙａ軸、右斜め下方向をｘａ軸としている。
【００２９】
このような構成によれば、第２レンズアレイ６における光源像の重なりが少なく、効率の良い偏光変換を行う事ができる。このとき、例えば破線の楕円で示した光源像の列に沿って、１／２波長板５を帯状にしたものを貼付し、分離した光源像の偏光面を揃えれば良い。ちなみに、第１，第２レンズアレイの各セルが同列方向（辺方向が同じ）に並んだ従来の方式と、本実施形態の光源サイズ及び第２レンズアレイ６のセルの面積は等しい。
【００３０】
また、本実施形態においては、２段のインテグレータ即ち第１，第２のインテグレータ光学系を用いているので、表示パネル１６のアスペクト比にレンズアレイのセルを一致させるのは、第２のインテグレータ光学系において行えば良い。このため、第１のインテグレータ光学系内の第１レンズアレイ４のセル形状を正方形に近くする事ができ、第１レンズアレイ４の各セルの辺方向と第２レンズアレイ６の各セルの辺方向とが異なるようにするときの効果は顕著である。
【００３１】
尚、インテグレータが１段の場合、第１レンズアレイ４のセルは、表示パネル１６のアスペクト比にほぼ等しくする必要がある。このような場合でも、第１レンズアレイ４の各セルの辺方向と第２レンズアレイ６の各セルの辺方向とが異なるようにする事により、従来のように辺方向が同じ場合より効率がよい。図３は、インテグレータが１段の場合の第１，第２レンズアレイの位置関係を模式的に示す正面図であり、アスペクト比が４：３の場合を示している。同図に示すように、ここでは第１レンズアレイ４の実線で示す各セルの一つの対角線方向が、第２レンズアレイ６の破線で示す各セルの長辺方向となるようにしている。
【００３２】
ここでは図示しない上記光源１及びリフレクター２からの光９は、これも図示しない複屈折回折格子３により、所定偏光面を持つ光と、それとは垂直な偏光面を持つ光とに偏光分離される。これらの光は、第１レンズアレイ４のアスペクト比が４：３の格子状に並んだ個々のセルＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆを透過し、第１レンズアレイ４とは異なる方向に区切った長方形の格子状に並んだ第２レンズアレイ６の個々のセルＡａ，Ｂａ，Ｃａ，Ｄａ，Ｅａ，Ｆａ上に、所定偏光面を持つ光源像と、それとは垂直な偏光面を持つ光源像とをそれぞれ作り出す。
【００３３】
これら互いの光源像は、複屈折回折格子３による分離方向に並び、正しく列を成す。また、これらの光源像は、実線及び破線の円で示すように、第２レンズアレイ６の個々のセル上に、或程度の大きさを持って投影される。ちなみに、本例の座標系は、光源側から見た第１レンズアレイ４の正面に向かって上方をｙ軸、右方をｘ軸としており、第２レンズアレイ６の正面に向かって、各セルの辺方向に沿った右斜め上方向をｙａ軸、右斜め下方向をｘａ軸としている。
【００３４】
本実施形態では、図２に示すように、複屈折回折格子３の複屈折方向をブレーズ３ａの溝方向となるｙａ軸方向に揃えているので、偏光分離を行った実線及び破線で示す２種の光９ａ，９ｂ、引いては実線及び破線の楕円で示す２種の光源像は、偏光面がそれぞれｘａ軸，ｙａ軸方向となる。ところが、これらの光が次に入射する光学系のためには、偏光面はｙ軸方向に揃える必要があるので、２種の光源像の列それぞれに、互いに４５゜で交わる異なった光学軸を持つ帯状の１／２波長板を用いて、偏光面を同時に揃えるようにしている。
【００３５】
尚、偏光面を揃える他の方法として、まず、２種の光源像の内の一方の光源像の列に帯状の１／２波長板を用いて、他方の光源像と偏光面を揃えるようにした上で、偏光面全体を一挙にｙ軸方向に揃える１／２波長板を第２レンズアレイ６全面に用いる事も可能である。また、複屈折回折格子３の複屈折方向を、ブレーズ３ａの溝方向即ち第２レンズアレイ６の各セルの長辺或いは短辺方向ではなく、第１レンズアレイ４の各セルの長辺或いは短辺方向となるようにしても良い。また、複屈折回折格子を用いる方法以外の偏光分離の方法を行っても良い。
【００３６】
図４は、本実施形態におけるダイクロイックミラーと第３，第４レンズアレイとの関係を模式的に示す分解斜視図である。図１で示したように、第２レンズアレイ６直後の第１の重ね合わせレンズ８とコンデンサーレンズ１０（それぞれ図４では不図示）との間に、Ｒ（赤），Ｇ（緑），Ｂ（青）それぞれの波長領域の光を反射するダイクロイックミラーＲm，Ｇm，Ｂmがそれぞれ異なった傾きで配置され、光軸Ｌで第１の重ね合わせレンズを透過してきた光が、Ｒm，Ｇm，Ｂmそれぞれのダイクロイックミラーで反射され、それぞれ異なった角度の光軸ＬR，ＬG，ＬBでコンデンサーレンズ１０に到達するようにしている。
【００３７】
上記複屈折回折格子，第１レンズアレイ，第２レンズアレイでの偏光変換により、各ダイクロイックミラーに当たる光は偏光面が揃えられているので、ダイクロイックミラーでの色分離特性がシャープであり、色純度が良い。ダイクロイックミラーは、到達する偏光面により色分離特性が異なるため、仮に偏光面が揃えられていない光がダイクロイックミラーに到達すると、色分離が曖昧となって色純度の悪い状態となる。
【００３８】
ＲＧＢで異なる方向からコンデンサーレンズ１０に到達した光は、コンデンサーレンズ１０の直後に配置された第３レンズアレイ１１の個々のセル１１ａ毎に、その後方に少し離れて配置された第４レンズアレイ１２の個々のセル１２ａ上に結像する。このとき、ＲＧＢで光の方向が異なるため、ＲＧＢそれぞれの光源像ができる。本実施形態では、第３レンズアレイ１１及び第４レンズアレイ１２の各セルは、図４に示すように２列になっているため、ＲＧＢＲＧＢの６列の光源像ができる。
【００３９】
本実施形態では、これまで述べてきたように、第１，第２のインテグレータ光学系という、２段のインテグレータを用いているが、これは、第２のインテグレータ光学系内の第４レンズアレイ１２上に結像する各光源像毎のムラ（強度差）をなくし、また光源像の数引いてはレンズアレイの分割数を少なくするためである。例えば同図のＧの光源像は、それぞれ同じ強度を持ち、高々２列となっている。尚、設計上の基準としては、第１レンズアレイの分割数は、粗い方（縦及び横方向の分割の内、分割数が少ない方）で４列以上であり、第３レンズアレイの分割数は、同じく粗い方で高々２〜４列である。
【００４０】
また、本実施形態の光学系は、１段目のインテグレータ（第１のインテグレータ光学系）、色分解のためのダイクロイックミラー、２段目のインテグレータ（第２のインテグレータ光学系）の構成となっているが、インテグレータが１段しかない場合、通常は、光源側から順にインテグレータ，ダイクロイックミラーの順に配置される。尚、本実施形態で、ダイクロイックミラーの後に２段目のインテグレータを用いているのは、ダイクロイックミラーに入射する光の、その入射角の違いにより生じる色ムラを抑えるためでもある。
【００４１】
図５は、本実施形態における複屈折マイクロシリンダーレンズアレイと表示パネルとの関係を模式的に示す図である。図１でも示したように、表示パネル１６の直前には、複屈折材料により構成される複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５が配置されている。そして、上記ダイクロイックミラーと第３，第４レンズアレイによってＲＧＢに色分解された光９は、この複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５によって、各色毎に表示パネル１６の異なる画素ＲＧＢをそれぞれ照明する。尚、同図の複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５及び表示パネル１６の左右は、図示を省略している。
【００４２】
本実施形態では、２段のインテグレータを用いているので、光源像間の色ムラもなく、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５上のマイクロシリンダーレンズ１５ａ一つにつき、一色当たり高々２〜３列（本例では２列）の光源像となっている。このため、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５と表示パネル１６の画素との間隔が２００μｍ〜３００μｍと適切であり、マイクロシリンダーレンズ１５ａ個々のＦナンバーが４〜５と回折限界以上の明るさで、良好な集光となる。
【００４３】
また、表示パネル１６として使用される、例えば最近の液晶表示パネルは、高画素化のため画素ピッチが１０〜２０μｍとなっているが、各マイクロシリンダーレンズでの回折による結像のボケ量（１．２２×波長λ×Ｆナンバー）は、本実施形態では２〜３μｍと画素ピッチの数分の１であり、回折による結像のボケは問題にならない。
【００４４】
図６は、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイの材料構成を示す模式図である。本実施形態では、表示パネル１６として反射型液晶表示パネルを用いているので、この場合、表示パネル１６直前の複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５（断面がレンズ形のレンチキュラータイプ）には、表示パネル１６へ入射する光９（照明光）と表示パネル１６から反射した光２１（投影光）との両方が通過する事となる。表示パネル１６へ入射する光９は前述のように作用するが、反射した光２１は、このままでは複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５により光線が乱され、画質が劣化する。
【００４５】
これに対処するため、本実施形態では、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を、等方性の光学材料と複屈折特性を持つ光学材料とで構成している。同図において、表示パネル１６へ入射する光９は、或特定の偏光面、例えば紙面に垂直な偏光面を持ち、反射した光の内、映像の表示に有効な光２１は偏光面が回転していて、例えば紙面に沿った偏光面を持つ。
【００４６】
そこで、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を構成する、マイクロシリンダーレンズ１５ａより上側にある等方性の光学材料の屈折率をＮとし、マイクロシリンダーレンズ１５ａより下側にある複屈折材料の、光９の偏光面に対する屈折率をＮｅ、光２１の偏光面に対する屈折率をＮｏとする。このとき、Ｎ＝Ｎｏとする事により、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５は、光９に対してはマイクロシリンダーレンズアレイとして働き、光２１に対しては単なる透明平板となる。これにより、反射型表示パネルを用いても、光２１の画質を劣化させる事がなくなる。
【００４７】
但し、同図では、説明のために、光９が表示パネル１６に対して斜め方向に入射し、光２１として反対側の斜め方向へと反射する形で描いているが、実際は光９，光２１共、主な光軸は表示パネル１６に対して垂直である。尚、図６の複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５及び表示パネル１６の左右は、図示を省略している。また、以上に述べてきた光源１から複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５までの構成を、照明光学系と呼ぶ。
【００４８】
図７は、投影光学系における画素シフトの原理を模式的に示す斜視図である。本実施形態では、上記表示パネル１６は単板であるので、例えば解像度がＸＧＡ（１０２４画素×７６８画素）の表示を行うためには、ＲＧＢ各色に対してそれぞれ画素が必要であるので、そのままでは１つの表示パネルでＸＧＡ画素の３倍の画素が必要となり、表示パネルが大きくなってコストもかかる。そこで、単板でありながら表示パネルの画素数をＸＧＡと同じにして、スクリーンに表示する画素を高速でずらす事により、カラーのＸＧＡ表示が可能となる。
【００４９】
具体的には、同図の投影光学系１７の一部のレンズを、像シフト用レンズ１８として、矢印ａで示す如く光軸Ｌｂと垂直方向に高速で駆動する。このとき、表示パネル１６からの投影光の内、代表的にＧの光に注目すると、同図（ａ）においてスクリーン２０上でＧの列であった位置に、矢印ｄで示すように同図（ｂ）においてＲの列が来るようにし、更に矢印ｅで示すように同図（ｃ）においてＢの列が来るようにする。そして、最後には矢印ｆで示すように同図（ａ）の状態に戻る。以上のように３つの状態を高速で繰り返す。また、各状態に応じて表示の内容も切り替えて制御を行う。
【００５０】
像シフト用レンズ１８の駆動は、図１で述べたアクチュエータ１９により、画素サイズと同オーダー、即ち１０μｍから数１０μｍの単位で行われる。アクチュエータとしては、例えばＭＣ（ムービングコイル）やＭＭ（ムービングマグネット）等が、高出力で高速駆動するのに適している。
【００５１】
図８は、本実施形態で用いられる照明・投影分離光学系の構成を模式的に示す図である。同図（ａ）はＰＢＳプリズムを使用する場合、同図（ｂ）はＴＩＲ（全反射）プリズムを使用する場合を示している。同図（ａ）に示すように、ＰＢＳプリズム１４は、それぞれ三角柱状をしたガラス等より成るプリズム１４ａ，１４ｂの、直角二等辺三角形の斜辺を成す面同士で誘電体多層膜１４ｃを挟み込み、直方体状を成す構成となっている。プリズム１４ｂは入射面１４ｂａ及び入射出面１４ｂｂを有し、プリズム１４ａは射出面１４ａｂを有している。誘電体多層膜１４ｃは、例えばＳ偏光を反射してＰ偏光を透過する性質を持つ。
【００５２】
図１でも述べたように、このようなＰＢＳプリズム１４を使用する場合は、図８（ａ）において、まず、プリズム１４ｂに対して、上記照明光学系でほぼＳ偏光に揃えられた光９が、光軸Ｌａに沿って入射面１４ｂａに入射する。そして、誘電体多層膜１４ｃによって、光９はその殆どが反射され、入射出面１４ｂｂより射出し、表示パネル１６に向かう。その直前には、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５が配置されている。
【００５３】
表示パネル１６は反射型液晶表示パネルであり、ここに照明された光を、画素毎に表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。このとき、ＯＦＦの反射光は、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を経て入射出面１４ｂｂに入射し、プリズム１４ｂに戻るが、Ｓ偏光のままであるので、誘電体多層膜１４ｃで反射され、光源側へと戻される。
【００５４】
一方、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されているので、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を経て入射出面１４ｂｂに入射し、プリズム１４ｂに戻って誘電体多層膜１４ｃを透過し、更にプリズム１４ａを透過して射出面１４ａｂより射出し、光軸Ｌｂに沿って光２１として投影光学系１７に到る。このようにして照明光，投影光が分離される。
【００５５】
ところが、上記従来の技術でも述べたように、通常は、偏光ビームスプリッターへの光の入射角が変動すると、透過率の特性が大きく変化するので、大きい角度で広がった照明光及び投影光の場合は、それぞれ分離して取り扱う事が困難となる。本件では、図１（ａ）のダイクロイックミラーによる色分離断面（この断面で光束の角度が広がる）と、同図（ｂ）のＰＢＳプリズムによる光束の折り曲げ断面とが略直角をなす構成とする事で、折り曲げ断面での光束の角度幅を小さいままとし、ＰＢＳプリズムの特性を劣化させない分離を可能にする事ができる。ここでは、方向によって角度幅の異なる光束となるため、投影レンズは楕円の瞳形状を持つ。
【００５６】
図８（ｂ）は、別の実施例としてＴＩＲプリズムを使用している。ここに示すように、ＴＩＲプリズム２２は、それぞれ三角柱状をしたガラス等より成る大小のプリズム２２ｂ，２２ａの、直角二等辺三角形の斜辺を成す面同士が向かい合った構成となっている。プリズム２２ｂは入射面２２ｂａ，射出面を兼ねた全反射面２２ｂｂ，及び入射出面２２ｂｃを有し、プリズム２２ａは入射面２２ａａ及び射出面２２ａｂを有している。上記直角二等辺三角形の斜辺を成す向かい合った面同士である、全反射面２２ｂｂと入射面２２ａａの間隔は、数μｍ〜数十μｍとなっている。
【００５７】
ＴＩＲプリズムにおいても、これによる折り曲げ断面での角度幅が大きいと、図の表示パネル１６において照明光と投影光との成す角θを大きくしなければならず、θが大きいと投影レンズが軸対称から大きく崩れ、良好な性能を出す事ができなくなる。従って、ここでも上記ＰＢＳプリズムを使用する場合と同様にして、ダイクロイックミラーによる色分離断面と、ＴＩＲプリズムによる光束の折り曲げ断面とが略直角をなす構成とする事で、折り曲げ断面での光束の角度幅を小さいままとし、ＴＩＲプリズムの特性を劣化させない分離を可能にする事ができる。
【００５８】
このようなＴＩＲプリズム２２を使用する場合は、図８（ｂ）において、まず、プリズム２２ｂに対して、上記照明光学系でほぼＳ偏光に揃えられた光９が、光軸Ｌａに沿って、Ｓ偏光しか通さない偏光板Ｓを経て、入射面２２ｂａに入射する。そして、全反射面２２ｂｂに臨界角を超える入射角で入射する事によって、光９はその殆どが反射され、入射出面２２ｂｃより射出し、表示パネル１６に向かう。その直前には、Ｓ偏光に対してマイクロレンズ効果をもたらす複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５が配置されている。
【００５９】
表示パネル１６は反射型液晶表示パネルであり、ここに照明された光を、画素毎に表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。このとき、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されており、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を経て、入射出面２２ｂｃに入射してプリズム２２ｂに戻る。そして、全反射面２２ｂｂに臨界角以内の入射角で入射してここを透過し、更に入射面２２ａａに入射して、プリズム２２ａを透過して射出面２２ａｂより射出し、Ｐ偏光しか通さない偏光板Ｐを経て、光軸Ｌｂに沿って光２１として投影光学系１７に到る。一方、ＯＦＦの反射光は、Ｓ偏光のままであるので、プリズム２２ｂ，２２ａを透過しても、最終的に偏光板Ｐで遮断される。このようにして照明光，投影光が分離される。
【００６０】
図９は、照明・投影分離光学系としてＴＩＲプリズムを使用する場合の構成を模式的に示す斜視図である。これは、図８（ｂ）で示したものと同等の構成となっている。図９においては、偏光板の図示を省略しており、偏光による透過，遮断の動作説明も省略する。同図に示すように、ここでは図示しない上記第２のインテグレータより、ＲＧＢで異なる方向からＴＩＲプリズム２２に到達した光９は、プリズム２２ｂの入射面２２ｂａに入射する。そして、全反射面２２ｂｂで反射され、入射出面２２ｂｃより射出し、表示パネル１６に向かう。その直前には、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５が配置されている。
【００６１】
表示パネル１６の反射光は、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５を経て、入射出面２２ｂｃに入射してプリズム２２ｂに戻り、全反射面２２ｂｂを透過し、更に入射面２２ａａに入射して、プリズム２２ａを透過して射出面２２ａｂより光２１として射出する。このとき、複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ１５上の各マイクロシリンダーレンズ１５ａにより、それぞれ矢印ｇで示すように、光２１における投影光束の角度の広がりを、光９における照明光の分離方向からくるもののみとする事ができる。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、投影光束の角度の広がりを、照明光の分離方向からくるもののみとする事が可能で、また照明光と投影光の分離方向の角度の広がりを小さくする事ができ、照明光学系と投影光学系とを簡単に構成する事が可能な表示光学装置を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態の表示光学装置を模式的に示す構成図。
【図２】本実施形態の複屈折回折格子と第１，第２レンズアレイとの関係を模式的に示す分解斜視図。
【図３】インテグレータが１段の場合の第１，第２レンズアレイの位置関係を模式的に示す正面図。
【図４】ダイクロイックミラーと第３，第４レンズアレイとの関係を模式的に示す分解斜視図。
【図５】複屈折マイクロシリンダーレンズアレイと表示パネルとの関係を示す模式図。
【図６】複屈折マイクロシリンダーレンズアレイの材料構成を示す模式図。
【図７】投影光学系における画素シフトの原理を模式的に示す斜視図。
【図８】照明・投影分離光学系の構成を示す模式図。
【図９】ＴＩＲプリズムの構成を模式的に示す斜視図。
【符号の説明】
１    光源
２    リフレクター
３    複屈折回折格子
４    第１レンズアレイ
５    １／２波長板
６    第２レンズアレイ
７    ＵＶＩＲカットフィルター
８    第１の重ね合わせレンズ
１０    コンデンサーレンズ
１１    第３レンズアレイ
１２    第４レンズアレイ
１３    第２の重ね合わせレンズ群
１４    ＰＢＳプリズム
１５    複屈折マイクロシリンダーレンズアレイ
１６    表示パネル
１７    投影光学系
１８    像シフト用レンズ
１９    アクチュエータ
２０    スクリーン
２２    ＴＩＲプリズム
Ｐ，Ｓ    偏光板
Ｒm，Ｇm，Ｂm    ダイクロイックミラー
【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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