(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光束を形成する照明光源と、
照明光束を映像光束に光学変調する反射型映像形成素子と、
入射角度により、反射、透過を選択的に行う光束選択面と、
前記光束選択面と前記反射型映像形成素子の間に配された偏向手段とを備え、
前記照明光源からの照明光束は、前記光束選択面で反射または透過され、前記偏向手段を介して前記反射型映像形成素子に与えられ、前記反射型映像形成素子からの映像光束は、前記偏向手段を介して前記光束選択面に与えられ、ここで反射または透過のうち照明光束とは異なる作用を受け、
前記偏向手段は回折光学素子で構成されることを特徴とする映像形成光学系。
【請求項２】
照明光束を形成する照明光源と、
照明光束を映像光束に光学変調する反射型映像形成素子と、
入射角度により、反射、透過を選択的に行う光束選択面と、
前記光束選択面と前記反射型映像形成素子の間に配された偏向手段とを備え、
前記照明光源からの照明光束は、前記光束選択面で反射または透過され、前記偏向手段を介して前記反射型映像形成素子に与えられ、前記反射型映像形成素子からの映像光束は、前記偏向手段を介して前記光束選択面に与えられ、ここで反射または透過のうち照明光束とは異なる作用を受け、
さらに、前記光束選択面に対して、前記光束選択面で透過される光束の進行方向前方に微小な間隔をおいて平行配置された面を有することを特徴とする映像形成光学系。
【請求項３】
請求項１または２に記載の映像形成光学系と、観察光学系を備え、
前記映像形成光学系からの映像光束を前記観察光学系を介して観察者の瞳に導くことを特徴とする観察装置。
【請求項４】
請求項１または２に記載の映像形成光学系と、投影光学系を備え、
前記映像形成光学系からの映像光束を前記投影光学系を介して投影面に投影することを特徴とする投影装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、反射型液晶表示素子を照明して映像光束を形成する映像形成光学系に関するものである。また、この映像形成光学系を用いた観察装置、投影装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、反射型液晶などの反射型映像形成素子が注目されている。これらにおいては、広開口率なので明るい、高速変調が可能であるというメリットがある。たとえば、液晶の各画素を制御するための回路部分にはある程度の大きさが必要であり、透過型液晶ではこの回路部分が開口径を小さくする要因となるのに対し、反射型液晶ではこの回路部分を映像光束射出側と反対側の面に配置可能なことにより回路部分による開口率の低下が少なく、明るい画像が得られる。
【０００３】
したがって、反射型液晶によると、透過型液晶と同じ画素数の場合、明るさを低下させることなくパネルの大きさを小さくすることが可能である。また、パネルの大きさが同じである場合、画素数の向上が可能で高精細化につながる。このような多くのメリットをもつ反射型映像形成素子を用いれば、明るく高精細な画像の作成が達成される。
【０００４】
ところで、反射型映像形成素子を用いる場合、照明光束が入射される側面と同一の側面から映像光束が射出されるので、照明光束と映像光束を分離する必要がある。この分離方法としてはさまざまな方法があるが、以下、従来例１から従来例３の映像形成光学系について説明する。
【０００５】
図６（ａ）に、従来例１の映像形成光学系の概略的な全体構成を示す。従来例１においては、反射型映像形成素子１０１の前方に半透過面１０２を配置し、実線で示す照明光束１０３を透過して反射型映像形成素子１０１に導き、変調された一点鎖線で示す映像光束１０４を反射して分離する。また、図６（ｂ）に示すように、照明光束１０３を反射し、映像光束１０４を透過することにより分離する構成もある。
【０００６】
図７に、従来例２の全体構成を示す。従来例２においては、反射型表示素子１０１の前方に１／４波長板１０９を配置して、照明光束１０６と映像光束１０８において偏光変換を行い、偏光選択面１０５を用いて光束分離を行う。このような構成により、偏光選択面１０５を透過された照明光束１０６は、偏光変換され偏光選択面１０５で反射されることにより光量低下を低減させている。たとえば、半透過面１０５がＰ偏光のみを透過させる構成の場合は、照明光束１０６のうちＰ偏光のみを透過させて反射型映像形成素子１０１に導き、Ｓ偏光に変換された映像光束１０８を反射して分離する。
【０００７】
従来例３の構成は、投影光学系の瞳の各々半分を照明と投影に用い、照明による光量損失をなくしている。このような構成の光学系は、たとえば、特開平９−９６８６７号公報に開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来例１においては、照明光源から分離された映像光束を得るまでに半透過面を２回通過するので、半透過面の反射率を５０％とした場合得られる光量は２５％となり、光束分離において照明光量の１／４しか映像光束として利用できない。反射型映像形成素子として液晶素子を用いる場合は、照明光束として特定の偏光方向の光束を入射させなければならないので、この場合光量量損失はさらに大きくなる。
【０００９】
従来例２においては、従来例１より光量損失を小さくできるが、偏光選択面としては、実際にはＰＢＳミラーあるいはＰＢＳブロックを用いる必要がある。これらは、入射角度依存性があるという問題点がある。すなわち、偏光選択面においては、さまざまな入射角度の照明光線が入射されるが、最適化されていない入射角度を有する光線は、本来の偏光選択性が失われ、透過反射分離が確実に行われない。よって、照明光束の入射角度の自由度が低く、また光量損失、有害光の発生原因となる。さらに、ＰＢＳミラー、ＰＢＳブロック等は、ＰＢＳ層を形成する必要があり高価である。特に、高精度のＰＢＳブロックを形成する場合、ブロックを貼り合わせて形成することになるが、手間がかかる上に非常に高価である。
【００１０】
従来例３においては、映像光束を投影する光学系に大きな瞳が必要となり、光学性能の確保が難しくまた光学系の大型化をまねいている。
【００１１】
本発明は、上記問題点を鑑みて、光量損失の少ない構成でありながら、簡素で安価、さらには観察装置あるいは投影装置に用いた場合に小型化が達成される構成の映像形成光学系を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１または２に記載の発明の映像形成光学系は、照明光束を形成する照明光源と、照明光束を映像光束に光学変調する反射型映像形成素子と、入射角度により、反射、透過を選択的に行う光束選択面と、前記光束選択面と前記反射型映像形成素子の間に配された偏向手段とを備え、前記照明光源からの照明光束は、前記光束選択面で反射または透過され、前記偏向手段を介して前記反射型映像形成素子に与えられ、前記反射型映像形成素子からの映像光束は、前記偏向手段を介して前記光束選択面に与えられ、ここで反射または透過のうち照明光束とは異なる作用を受けるように構成されている。
【００１３】
上記構成においては、半透過面や偏光選択面による光束分離ではなく、光線の入射角度が臨界角度を超えた場合は全反射することを利用した光束選択面において、光線の入射角度による光束分離を行う。尚、照明光束および映像光束の光路補正を行う偏向手段を用いることにより、光束選択面あるいは映像形成素子へそれぞれの光束が適切な入射角度で入射するように構成することが可能である。たとえば、光束選択面において、確実に照明光束と映像光束のうち一方の入射角度が臨界角度より大きい角度、他方の入射角度が臨界角度より小さい角度で入射するようにする。また、偏向手段により望ましい方向に進行する映像光束を取り出すことが可能となり、映像光束を後段の光学系に入射させる場合に好都合である。
【００１６】
請求項１に記載の発明は、照明光束を形成する照明光源と、照明光束を映像光束に光学変調する反射型映像形成素子と、入射角度により、反射、透過を選択的に行う光束選択面と、前記光束選択面と前記反射型映像形成素子の間に配された偏向手段とを備え、前記照明光源からの照明光束は、前記光束選択面で反射または透過され、前記偏向手段を介して前記反射型映像形成素子に与えられ、前記反射型映像形成素子からの映像光束は、前記偏向手段を介して前記光束選択面に与えられ、ここで反射または透過のうち照明光束とは異なる作用を受け、前記偏向手段は回折光学素子で構成されることを特徴とする。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、照明光束を形成する照明光源と、照明光束を映像光束に光学変調する反射型映像形成素子と、入射角度により、反射、透過を選択的に行う光束選択面と、前記光束選択面と前記反射型映像形成素子の間に配された偏向手段とを備え、前記照明光源からの照明光束は、前記光束選択面で反射または透過され、前記偏向手段を介して前記反射型映像形成素子に与えられ、前記反射型映像形成素子からの映像光束は、前記偏向手段を介して前記光束選択面に与えられ、ここで反射または透過のうち照明光束とは異なる作用を受け、さらに、前記光束選択面に対して、前記光束選択面で透過される光束の進行方向前方に微小な間隔をおいて平行配置された面を有することを特徴とする。
【００１８】
上記構成において、入射角度により反射、透過を選択する光束選択面は空気とは屈折率の異なる部材の裏面反射を利用する。この場合、光束選択面を垂直以外の角度で透過される光は屈折率の差により偏向する。この面に対して平行配置された面によると、この偏向が打ち消される。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、観察装置において、請求項１または２に記載の映像形成光学系と、観察光学系を備え、前記映像形成光学系からの映像光束を前記観察光学系を介して観察者の瞳に導く構成とする。
【００２０】
請求項４に記載の発明は、投影装置において、請求項１または２に記載の映像形成光学系と、投影光学系を備え、前記映像形成光学系からの映像光束を前記投影光学系を介して投影面に投影する構成とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。まず、本発明を実施する映像形成光学系を第１の実施形態として、本発明の原理を説明する。
【００２２】
〈第１の実施形態〉
図１に、本実施形態の映像形成光学系の全体構成を示す。本実施形態の映像形成光学系の主な構成要素は、不図示の照明光源と、光束選択面１ａと、偏向手段である楔プリズム２と、反射型映像形成素子である液晶素子３となっている。光束選択面１ａは、プリズム１の裏面反射を利用している。
【００２３】
図１において、不図示の照明光源から射出した照明光束Ｌ１は、光束選択面１ａに入射する。この光束選択面１ａは、照明光束Ｌ１に対して臨界角度を超えるように配置されており、したがって照明光束Ｌ１は全反射される。光束選択面１ａで反射された照明光束Ｌ１は、楔プリズム２を介して液晶素子３に入射する。液晶素子３において、映像光束Ｌ１は光学変調され映像光束Ｌ２が形成される。液晶素子３から射出する映像光束Ｌ２は、楔プリズム２を介して光束選択面１ａに入射し、ここを透過して照明光束Ｌ１と分離される。
【００２４】
照明光束Ｌ１、映像光束Ｌ２ともに、楔プリズム２においては、この偏向機能により入射時とは異なった角度で射出する。この偏向機能は、照明光束Ｌ１が任意の入射角度で液晶素子３に入射し、映像光束Ｌ２が臨界角度より小さい入射角度で光束選択面１ａに入射するように光束を偏向するものである。また、映像光束Ｌ２を不図示の後段の光学系に導く場合、後段の光学系に対して望ましい入射角度で入射されるように、楔プリズム２の偏光機能を選択することも可能である。この場合、後段の光学系を含めた全体の光学系の小型化を図ることができるとともに、例えば映像光束を投影する場合には良質な投影映像を得ることができる。
【００２５】
上記のような偏向機能を有する偏向手段を用いることにより、例えば光束選択面と液晶素子が平行な位置関係にあるような構成においても、光束選択面における照明光束と投影光束の入射角度に角度差を持たせることが可能となり、これらを分離できる。尚、偏向手段が上記のような機能を有することは、後述する他の実施形態においても同様である。
【００２６】
また、本実施形態では、光束選択面１ａと微小な空間をおいて平行配置された面４ａをもつプリズム４が配置されている。このプリズム４により、光束選択面１ａを透過するときに発生する光束偏向をキャンセルし、映像光束Ｌ２が光束選択面１ａによって受ける影響をなくしている。
【００２７】
上記のように、本実施形態においては、特殊なコーティングを施すことなくプリズムの裏面反射を利用しただけの光束選択面により照明光束と映像光束の分離がなされるので、簡素かつ安価に構成できる。また、光束選択面においては、臨界角度より大きい全ての光は反射され、臨界角度より小さい全ての光は透過されるので角度依存性がなく、全ての光が所望の光路を辿るように光束選択面を構成できる。さらに、偏向手段の偏向機能を任意に選択することにより、望ましい映像光束を取り出すことが可能となり、後段の光学系の構成の自由度が高くなる。たとえば、大型の光学系にしか導くことができないなどという限定がなく、装置全体の小型化を図ることができる。
【００２８】
尚、反射型液晶素子３には、特定の偏光方向の照明光束を入射させる必要があり、偏光変換器または特定の偏光方向のみを取り出す手段を設ける必要があるが、図面上は省略する。以下の実施形態においても同様に省略する。このような手段としては、例えば映像光束Ｌ２中に配置される偏光板を用いることが可能である。
【００２９】
〈第２の実施形態〉
図２に、本実施形態の観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、照明光源５２、プリズム１２の裏面反射を利用した光束選択面１２ａ、偏向手段である楔プリズム２２、反射型映像形成素子である液晶素子３２からなる光学系は、本発明の映像形成光学系を実施する。本実施形態において、光源５２で発光された光は、導光板６２に入射し、所望の大きさに拡大され、照明光束としてプリズム１２に入射する。プリズム１２の光束選択面１２ａから映像形成部材３２を介して光束選択面１２ａに再入射するのは第１の実施形態の映像形成光学系と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００３０】
光束選択面１２ａにおいて、照明光束と分離された映像光束は、プリズム７２からなる観察光学系に入射し、瞳８２に導かれ拡大観察される。観察光学系について具体的に説明する。プリズム７２は、光束選択面１２ａと微小な空間をおいて平行配置された面７２ｃをもち、映像光束において光束選択面１２ａを透過するときに発生する光束偏向をキャンセルする。プリズム７２は、さらに面７２ａと、反射凹面７２ｂを有する。プリズム７２に入射した映像光束は、面７２ａに臨界角度を超える入射角で入射し、ここで全反射される。そして、凹面７２ｂで反射され、面７２ａに臨界角度より小さい角度で入射し、ここを透過して観察者の瞳８２に導かれる。
【００３１】
本実施形態の観察装置においては、任意の観察光学系に適応する方向に進行する映像光束を映像形成光学系から取り出すことができるので、装置全体の小型化を図ることができるとともに、良質の観察映像が得られる。また、第１の実施形態で説明したように、映像形成光学系において安価で簡素な構成とすることが可能なので、観察装置全体としても安価で簡素に構成することが可能となる。
【００３２】
〈第３の実施形態〉
図３に、本実施形態の観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、照明光源５３、プリズム１３の裏面反射を利用した光束選択面１３ａ、プリズム１３の端面である凸面を利用した偏向面１３ｂ、反射型映像形成素子である液晶素子３３からなる光学系は、本発明の映像形成光学系を実施する。本実施形態において、光源５３で発光された光は、導光板６３に入射し、所望の大きさに拡大され、照明光束としてプリズム１３に入射する。プリズム１３の光束選択面１３ａから液晶素子３３を介して光束選択面１３ａに再入射するのは第１の実施形態の映像形成光学系と同様である。
【００３３】
本実施形態においては、偏向面１３ｂが正のパワーを有するので導光板６３から取り出す照明光束の大きさを縮小でき、小型化を図ることができる。また、偏向面１３ｂは、液晶素子３３の各位置に照明光束が同一の入射角度で入射するように照明光束の偏向を行う機能を有する。
【００３４】
光束選択面１３ａにおいて、照明光束と分離された映像光束は、プリズム７３からなる観察光学系に入射し、瞳８３に導かれ拡大観察される。観察光学系について具体的に説明する。プリズム７３は、光束選択面１３ａと間隔をおいて配置された面７３ｃを有し、ここから映像光束が入射する。プリズム７３は、さらに面７３ａと、反射凹面７３ｂを有する。プリズム７３に入射した映像光束は、面７３ａに臨界角度を超える入射角度で入射し、ここで全反射される。そして、凹面７３ｂで反射され、面７３ａに臨界角度より小さい角度で入射し、ここを透過して観察者の瞳８３に導かれる。
【００３５】
本実施形態の観察装置においては、第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、偏向面にパワーを持たせているので、映像形成光学系のさらなる小型化を図ることが可能である。
【００３６】
〈第４の実施形態〉
図４に、本実施形態の観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、照明光源５４、プリズム１４の裏面反射を利用した光束選択面１４ｂ、プリズム１４の端面である曲面を利用した偏光面１４ｄ、液晶素子を用いた反射型映像形成素子３４からなる光学系は、本発明の映像形成光学系を実施する。本実施形態において、照明光源５４から射出された照明光束は、端面１４ａからプリズム１４に入射し、凹反射面１４ｂと光束選択面１５ｂで反射され、偏向面１４ｄから反射型映像形成素子３４に入射する。映像形成素子３４で光学変調され形成された映像光束は、偏光面１４ｄを透過して光束選択面１４ｃに入射する。
【００３７】
本実施形態において、凹反射面１４ｂおよび偏光面１４ｄは照明面１４ａと観察者の瞳８４が略共役となるような正のパワーを有する。よって、照明面１４ａの縮小を図ることができ、このことは装置全体の小型化へ寄与する。さらに、偏向面１４ｄは、照明光束が映像形成素子３４の各位置に同じ入射角度で入射するように偏向する機能を有する。
【００３８】
光束選択面１４ｃにおいて、照明光束と分離された映像光束は、プリズム７４からなる観察光学系に入射する。観察光学系における光の進行の様子は第３の実施形態と同じであるので説明を省略する。
【００３９】
本実施形態の観察装置においては、第２の実施形態と同様の効果が得られるとともに、偏向面および反射面にパワーを持たせているので、映像形成光学系のさらなる小型化を図ることが可能である。
【００４０】
〈第５の実施形態〉
図５に、本実施形態の観察装置の全体構成を示す。本実施形態における、発光部５５ａおよびリフレクター５５ｂからなる照明光源５５、プリズム１５の裏面反射を利用した光束選択面１５ｂ、偏向手段である楔プリズム２５、反射型映像形成素子である液晶素子３５からなる光学系は、本発明の映像形成光学系を実施する。本実施形態において、照明光源５５から射出された照明光束は、端面１５ａからプリズム１５に入射し、光束選択面１５ｂで反射され、楔プリズム２５を介して液晶素子３５に入射する。液晶素子３５で光学変調され形成された映像光束は、偏向素子２５を介して光束選択面１５ｂに再入射する。ここでの光の進行の様子は第１の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００４１】
本実施形態において、光束選択面１５ｂは正のパワーを有する曲面となっている。よって、照明面１５ａの縮小を図ることができ、このことは装置全体の小型化に寄与する。
【００４２】
光束選択面１５ｂにおいて、照明光束と分離された映像光束は、プリズム４５を介して観察光学系７５に入射し、その後瞳８５に導かれ拡大観察される。プリズム４５は、光束選択面４５ａと微小な空間をおいて配された同一の曲面４５ａを有し、ここで光束選択面１５ｂを透過する際に発生された偏向がキャンセルされる。
【００４３】
観察光学系７５のプリズム４５側の面７５ａは凸面であり、ハーフミラーとされている。観察光学系７５の他方の面７５ｂは凹面であり、コレステリック液晶層が設けられて、選択反射面とされている。観察光学系７５に入射する光束の半分は面７５ａを透過し、やや収束しながら面７５ｂに入射する。この光束は面７５ｂで反射されて面７５ａに再度入射し、半分が反射される。面７５ａによって反射された光は、さらに収束しながら面７５ｂを透過して、観察者の瞳８４に入射する。
【００４４】
本実施形態において、観察光学系７５は共軸構成である。よって、偏心収差などが発生しにくく観察光学系７５において高い光学性能が達成され、ひいては広視野で高精細な映像観察が可能となる。また、第２の実施形態と同様の効果が得られる。
【００４５】
以上、第２〜第５の実施形態として本発明を達成する映像形成光学系で形成される映像光束を観察光学系に導く観察装置について説明したが、映像光束を投影光学系に導く投影装置を構成することも可能であり、この場合も、任意の投影光学系に適応する方向に進行する映像光束を映像形成光学系から取り出すことができるので、装置全体の小型化を図ることができるとともに、良質の投影映像が得られる。また、第１の実施形態で説明したように、映像形成光学系において安価で簡素な構成とすることが可能なので、投影装置全体としても安価で簡素に構成することが可能となる。
【００４６】
また、偏向手段として楔プリズムを用いた例とプリズムの偏向面を用いた例をあげたが、これに限定するものではなく、例えばグレーティングやホログラムなどの回折素子でも同様に光を偏向することができる。回折素子は薄い平面で構成することができるので、この場合楔プリズムと比較してさらなる小型化を図ることが可能となる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、請求項１または２に記載の映像形成光学系によると、特殊なコーティングを施すことなくプリズムの裏面反射を利用しただけの光束選択面により照明光束と映像光束の分離がなされるので、簡素かつ安価である。また、光束選択面においては、臨界角度より大きい全ての光は反射され、臨界角度より小さい全ての光は透過されるので角度依存性がなく、全ての光が所望の光路を辿るように光束選択面を構成でき、ここでの光量損失が生じない。
【００４８】
さらに、偏向手段の偏向機能を任意に選択することにより、望ましい映像光束を取り出すことが可能となり、後段の光学系の構成の自由度が高くなる。例えば、請求項３に記載の観察装置及び請求項４に記載の投影装置においては、装置全体を小型にでき、良質の映像が得られる構成とすることができる。
【００４９】
請求項１に記載の映像形成光学系によると、簡単にさらなる小型化を図ることができる。
【００５０】
請求項２に記載の映像形成光学系によると、傾いた光束選択面の影響が打ち消されその後の光学系に影響がなく、たとえば観察装置および投影装置に用いた場合には、良質な映像が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１の実施形態の映像形成光学系の全体構成を示す図。
【図２】  第２の実施形態の観察装置の全体構成を示す図。
【図３】  第３の実施形態の観察装置の全体構成を示す図。
【図４】  第４の実施形態の観察装置の全体構成を示す図。
【図５】  第５の実施形態の観察装置の全体構成を示す図。
【図６】  従来例１の映像形成光学系の概略的な全体構成を示す図。
【図７】  従来例２の映像形成光学系の概略的な全体構成を示す図。
【符号の説明】
１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ｃ、１５ｂ    光束選択面
１３ｂ、１４ｄ                偏向面（偏向手段）
２、２２、２５                楔プリズム（偏向手段）
３、３２、３３、３４、３５    液晶素子（反射型映像形成素子）
４                            プリズム
５２、５３、５４、５５        照明光源
Ｌ１                          照明光束
Ｌ２                          映像光束
【図１】
0004174899.tif 000002
【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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