(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、
前記反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、前記反射型表示素子への前記照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、前記反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置し、
前記透過体積型回折格子板として、一定厚さの透明媒質中に一定のスラント角で一定のピッチの平面状の多数の回折格子面が形成されてなるものを用い、
前記照明光束中に色分離手段が配置され、前記色分離手段で分けられた色の照明光束中各々に前記反射型表示素子と前記透過体積型回折格子板が配置され、前記各反射型表示素子から斜めに取り出され、前記各透過体積型回折格子板を透過した画像光束を合成する色合成手段が配置されており、合成された画像光束を前記投影光学系により投影することを特徴とする投影画像表示装置。
【請求項２】
前記反射型表示素子は、各画素からの反射光の偏光特性を各画素の表示状態に応じて変える偏光の変調を行う反射型空間変調器からなり、前記照明光束中であって前記画像光束と重ならない位置に前記照明光束の偏光状態を一定にする第１の偏光光学素子を配置し、前記画像光束中であって前記照明光束と重ならない位置に前記画像光束中の特定の偏光成分の光を取り出す第２の偏光光学素子を配置したことを特徴とする請求項１記載の投影画像表示装置。
【請求項３】
前記反射型表示素子は反射型液晶表示素子からなり、前記第１の偏光光学素子は偏光子、前記第２の偏光光学素子は偏光子に対して略クロスニコル配置された検光子からなることを特徴とする請求項２記載の投影画像表示装置。
【請求項４】
前記各反射型表示素子への各照明光束の入射角が全て同じであり、前記各透過体積型回折格子板への各照明光束の入射角が全て同じであり、かつ、前記各反射型表示素子からの各画像光束の取り出し角が全て同じであるように設定されていることを特徴とする請求項１記載の投影画像表示装置。
【請求項５】
前記反射型表示素子への照明光束の入射角と前記反射型表示素子からの画像光束の取り出し角が同じに設定されていることを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載の投影画像表示装置。
【請求項６】
前記透過体積型回折格子板が透過体積型ホログラムからなることを特徴とする請求項１から５の何れか１項記載の投影画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投影画像表示装置に関し、特に、反射型液晶表示素子等の反射型表示素子に表示された画像をスクリーン上等に拡大投影する投影画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子として、小型で高精彩な反射型液晶表示素子が低コストで供給されるようになってきている。これは、ＬＣＯＳと呼ばれ、シリコン基板に形成されたミラー型の画素電極上に直接ツイストネマチック等の液晶層を配置して入射光の偏光面を画素の表示状態に応じて回転等の変調を行って反射させることにより画像を表示するものである。
【０００３】
このような反射型液晶表示素子を用いた反射型画像表示装置の光学系としては、照明光束と画像光束（投影光束）の分離方式により２つのタイプに分けられる。その一つは、照明光束と画像光束を偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）で分離する光学系である。ＰＢＳを用いると光学系を同軸構成にすることはできるが、光学素子数の増加による装置の大型化、高コスト化を招く。
【０００４】
もう一つの光学系としては、図４に示すように、照明光束１１を反射型液晶表示素子１に対して斜めに入射させ、反射型液晶表示素子１からの画像光束１２を斜めに取り出す方式である。すなわち、反射型液晶表示素子１の斜め前方下方には色分離プリズム４と偏光子２が配置され、反射型液晶表示素子１の斜め前方上方には色合成プリズム５と検光子３が配置され、反射型液晶表示素子１、偏光子２、色分離プリズム４が配置される光軸上前方に照明ランプ７が配置され、反射型液晶表示素子１、検光子３、色合成プリズム５が配置される光軸上前方に投影レンズ６が配置され、照明ランプ７から照射される照明光束１１は、色分離プリズム４でＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の光に分離され、その何れかの光束は偏光子２を通って所定の直線偏光、例えばＰ偏光にされて反射型液晶表示素子１に斜めに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化した画像光束１２が反射型液晶表示素子１から正反射方向に射出し、検光子３を通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束になり、色合成プリズム５で他の色の同様の強度変調像と合成され、その合成カラー像は投影レンズ６により不図示のスクリーン上等に拡大投影表示される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この図４の方式の光学系は、光学素子数が少なくてすむメリットがあるが、偏光子２と検光子３、及び、色分離プリズム４と色合成プリズム５を照明光束１１と画像光束１２とが完全に分離する位置に配置しなければならないため、装置が大型化するという課題がある。また、投影レンズ６のバックフォーカスＢ．Ｆ．が長くなるため、投影レンズ６の設計、製造の困難度が増し、コストの増大、投影レンズ６の光学性能の劣化を引き起こす。とりわけ、図４の配置では、通常の同軸系の投影レンズに比べて設計・製造難度の高い偏心型投影レンズを使用しなければならないため、そのコスト増大、性能劣化は著しいものとなる。
【０００６】
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、反射型液晶表示素子に照明光束を斜めに入射させ画像光束を斜めに取り出す方式の投影画像表示装置において、装置の小型化が可能になると共に、投影レンズの低コスト化、性能向上が可能になり、高い画質を有し、かつ、コストの安いものを提供することである。
【０００７】
【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投影画像表示装置は、反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、
前記反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、前記反射型表示素子への前記照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、前記反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置し、
前記透過体積型回折格子板として、一定厚さの透明媒質中に一定のスラント角で一定のピッチの平面状の多数の回折格子面が形成されてなるものを用い、
前記照明光束中に色分離手段が配置され、前記色分離手段で分けられた色の照明光束中各々に前記反射型表示素子と前記透過体積型回折格子板が配置され、前記各反射型表示素子から斜めに取り出され、前記各透過体積型回折格子板を透過した画像光束を合成する色合成手段が配置されており、合成された画像光束を前記投影光学系により投影することを特徴とするものである。
【０００８】
この場合、反射型表示素子は、各画素からの反射光の偏光特性を各画素の表示状態に応じて変える偏光の変調を行う反射型空間変調器からなり、照明光束中であって画像光束と重ならない位置に照明光束の偏光状態を一定にする第１の偏光光学素子を配置し、画像光束中であって照明光束と重ならない位置に画像光束中の特定の偏光状態の光を取り出す第２の偏光光学素子を配置することが望ましい。
【０００９】
その場合、反射型表示素子は反射型液晶表示素子からなり、第１の偏光光学素子は偏光子、第２の偏光光学素子は偏光子に対して略クロスニコル配置された検光子からなるようにすることができる。
【００１１】
また、各反射型表示素子への各照明光束の入射角が全て同じであり、各透過体積型回折格子板への各照明光束の入射角が全て同じであり、かつ、各反射型表示素子からの各画像光束の取り出し角が全て同じであるように設定することが望ましい。
【００１２】
また、反射型表示素子への照明光束の入射角と反射型表示素子からの画像光束の取り出し角が同じに設定することが望ましい。
【００１３】
また、透過体積型回折格子板としては透過体積型ホログラムを用いることができる。
【００１４】
本発明においては、反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、反射型表示素子への照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置したので、照明光束と画像光束が空間中で分離する位置が反射型表示素子により近くでき、光学素子を小型にでき、また、投影光学系のバックフォーカスを短くできる。これにより、装置の小型化が可能になると共に、投影光学系の低コスト化、性能向上が可能になり、高い画質を有し、かつ、コストの安い反射型投影画像表示装置（プロジェクター）が実現できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の投影画像表示装置を実施例に基づいて説明する。
【００１６】
図１に本発明の投影画像表示装置の１実施例の光路を示す断面図（ａ）と平面図（ｂ）を、図２にその光路を示す斜視図を示す。ただし、図２においては、Ｒ、Ｇ、Ｂ各光路中に配置する偏光子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂと検光子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂの図示は省いてある。
【００１７】
この投影画像表示装置は、Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの色分解像を表示する３枚の反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂを備え、それぞれの反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂは、上下に正四角柱状に整列して配置された色合成プリズム５と色分離プリズム４の３面に面して配置されている。正四角柱状の色分離プリズム４中には、その交差する対角面にそれぞれＲ光を反射し他の色の光は透過するＲ反射ミラー面４ＲとＢ光を反射し他の色の光は透過するＢ反射ミラー面４Ｂとが設けられ、同様に、正四角柱状の合成プリズム５中には、その交差する対角面にそれぞれＲ光を反射し他の色の光は透過するＲ反射ミラー面５ＲとＢ光を反射し他の色の光は透過するＢ反射ミラー面５Ｂとが設けられ、Ｒ反射ミラー面４Ｒと５Ｒ、Ｂと反射ミラー面４Ｂと５Ｂは整列している。そして、Ｒ反射ミラー面４Ｒと５Ｒの反射方向あるいは入射方向に面してＲ用反射型液晶表示素子１Ｒが、Ｂ反射ミラー面４Ｂと５Ｂの反射方向あるいは入射方向に面してＢ用反射型液晶表示素子１Ｒが配置され、両者の間の面に面してＧ色反射型液晶表示素子１Ｇが配置されている。
【００１８】
色分離プリズム４の反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂが面していない残りの面の斜め下方には、照明ランプ７が配置されており、また、その面の斜め上方には、投影レンズ６が配置されている。また、色分離プリズム４と各反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの間にはそれぞれＲ用偏光子２Ｒ、Ｇ用偏光子２Ｇ、Ｂ用偏光子２Ｂが、色合成プリズム５と各反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの間にはそれぞれＲ用検光子３Ｒ、Ｇ用検光子３Ｇ、Ｂ用検光子３Ｂが配置されている。偏光子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂや検光子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂは、例えば不要な偏光成分を吸収するか反射する偏光板によって構成される。なお、投影画像表示装置において、照明ランプ７と色分離プリズム４の間の光路中には、反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの位置付近で照明光束１１の断面内強度分布が均一になるように照度分布を均一化する均一照明光学系や、光源から射出された光の偏光方向を揃える偏光変換光学系を配置するのが一般的であるが、これらの光学系については公知であるため、本実施例では省略する。
【００１９】
そして、本発明により、各色用の偏光子２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ及び検光子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ（図では、同じ面に配置されているように図示してあるが、これは必ずしも必要ではない。）と対応する色用の反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの間に対応する色用の透過体積型回折格子板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂが配置されている。本発明においては、この透過体積型回折格子板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの作用が非常に重要であるので、図３を参照にして説明する。
【００２０】
透過体積型回折格子板１０Ｇ（１０Ｒ、１０Ｂ）は、一定厚さの透明媒質中に一定のスラント角γ（表面の法線に対してなす角度）で一定のピッチδの平面状の多数の回折格子面（空間干渉縞）１５が形成されてなるもので、通常、フォトポリマー等の体積型ホログラム感光材料中に可干渉な２つの平面波を同時に入射させて干渉させることによりホログラムとして作製される。このような一定スラント角γで一定ピッチδからなる平面状回折格子面１５からなる透過体積型回折格子板１０Ｇ（１０Ｒ、１０Ｂ）は、ブラッグの回折条件を満たす入射角αで入射するＧ（Ｒ、Ｇ）の入射光１１Ｇ（１１Ｒ、１１Ｂ）を回折角βで効率良く回折し、逆にその回折角βとは異なる入射角、例えば図示のように、反射型液晶表示素子１Ｇ（１Ｒ、１Ｂ）で正反射されて入射角−βで反対側から入射する光１２Ｇ（１１Ｒ、１１Ｂ）をほとんど回折せずに透過させる回折角選択性が大きい特性を備えている。
【００２１】
図１、図２で用いているＲ、Ｇ、Ｂ用の透過体積型回折格子板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂは、同じ入射角αのそれぞれＲ、Ｇ、Ｂの光に対してβ＜αを満たす同じ回折角βで透過側へ回折するように、それぞれの平面状回折格子面１５のスラント角γとピッチδが設定されているものであり、それぞれの色の光の反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂへの入射角をより小さい角度に変換する入射角縮小変換機能を持つものである。
【００２２】
以上のような構成であるので、照明ランプ７から照射される照明光束１１中のＧ光１１Ｇは、色分離プリズム４のＲ反射ミラー面４ＲとＢ反射ミラー面４Ｂを透過して反対側の面から出て、Ｇ用偏光子２Ｇを通って例えばＰ偏光の直線偏光にされ、Ｇ用の透過体積型回折格子板１０Ｇに特定の入射角αで入射し、それより小さい回折角βで透過側へ回折し、同じ入射角βでＧ用反射型液晶表示素子１Ｇに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化して画像光束１２Ｇとして正反射され、このＧ画像光束１２Ｇは今度はＧ用透過体積型回折格子板１０Ｇを裏面から入射角−βで入射し、そこでほとんど回折されずに透過してＧ用検光子３Ｇを通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束に変換され、色合成プリズム５のＲ反射ミラー面５ＲとＢ反射ミラー面５Ｂを透過して他の色の画像光束１２Ｒ、１２Ｂと合成される。
【００２３】
照明ランプ７から照射される照明光束１１中のＲ光１１Ｒは、色分離プリズム４のＲ反射ミラー面４Ｒで反射されて色分離プリズム４の右側面（投影レンズ６側から見て）から出て、Ｒ用偏光子２Ｒを通って例えばＰ偏光の直線偏光にされ、Ｒ用の透過体積型回折格子板１０Ｒに特定の入射角αで入射し、それより小さい回折角βで透過側へ回折し、同じ入射角βでＲ用反射型液晶表示素子１Ｒに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化して画像光束１２Ｒとして正反射され、このＲ画像光束１２Ｒは今度はＲ用透過体積型回折格子板１０Ｒを裏面から入射角−βで入射し、そこでほとんど回折されずに透過してＲ用検光子３Ｒを通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束に変換され、色合成プリズム５のＲ反射ミラー面５Ｒで反射されて他の色の画像光束１２Ｇ、１２Ｂと合成される。
【００２４】
同様に、照明ランプ７から照射される照明光束１１中のＢ光１１Ｂは、色分離プリズム４のＢ反射ミラー面４Ｂで反射されて色分離プリズム４の左側面（投影レンズ６側から見て）から出て、Ｂ用偏光子２Ｂを通って例えばＰ偏光の直線偏光にされ、Ｂ用の透過体積型回折格子板１０Ｂに特定の入射角αで入射し、それより小さい回折角βで透過側へ回折し、同じ入射角βでＢ用反射型液晶表示素子１Ｂに入射し、その画素の表示状態に応じて偏光状態が変化して画像光束１２Ｂとして正反射され、このＢ画像光束１２Ｂは今度はＢ用透過体積型回折格子板１０Ｂを裏面から入射角−βで入射し、そこでほとんど回折されずに透過してＢ用検光子３Ｂを通ることにより画素の表示状態に応じた強度変調光束に変換され、色合成プリズム５のＢ反射ミラー面５Ｂで反射されて他の色の画像光束１２Ｒ、１２Ｇと合成される。
【００２５】
色合成プリズム５で合成されたＲ、Ｇ、Ｂの画像光束１２Ｒ、１２Ｇは、反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂに表示されたＲ、Ｇ、Ｂの色分解像を合成したカラー画像を表示する画像光束１２となり、その合成カラー像は投影レンズ６により不図示のスクリーン上等に拡大投影表示される。
【００２６】
上記のように、Ｒ、Ｇ、Ｂの各光路において、反射型液晶表示素子１（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）の少なくとも照明光束１１入射側に入射角縮小変換機能を持ち、反射型液晶表示素子１（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）からの画像光束１２を透過させる透過体積型回折格子板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂを配置しているので、そのような透過体積型回折格子板１０（１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ）を配置しない場合に比較して、照明光束１１と画像光束１２が空間中で分離する位置が反射型液晶表示素子１（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）により近くできる。そのため、その分色分離プリズム４と色合成プリズム５を小型化できる。また、画像光束１２の光軸に対する反射型液晶表示素子１（１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ）の偏心角（ティルト角）も可能な限り小さくできる。したがって、投影レンズ６のバックフォーカスＢ．Ｆ．は図４の従来の場合に比較して大幅に短くでき、投影レンズ６の設計、製造が容易になり、低コストで高性能のものが使用できる。
【００２７】
ここで、透過体積型回折格子板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの具体例を下記の表に
0004908684.tif 000002
0004908684.tif 000003
。
【００２８】
以上、本発明の投影画像表示装置を実施例に基づいて説明してきたが、本発明は上記実施例に限定されずに種々の変形が可能である。また、反射型表示素子としては、ＬＣＯＳ等の反射型液晶表示素子に限定されず、画素からの反射光の偏光特性を電気光学効果等によりその画素の表示状態に応じて変える偏光の変調を行う反射型空間変調器ならば何れのものにも適用できる。また、１つの反射型表示素子で複数の色の表示を行うものの場合にも適用できる。その場合は、透過体積型回折格子板は、多重記録等により、その複数の色に対応した複数の波長域の光束に対して回折角選択性が大きいものに構成する。さらに、透過体積型回折格子板１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと検光子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂの間に、又は、検光子３Ｒ、３Ｇ、３Ｂと色合成プリズム５の間に、画像光束１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂを回折させて反射型液晶表示素子１Ｒ、１Ｇ、１Ｂの略法線方向に向ける別の透過回折格子板を配置することにより、投影レンズ６のバックフォーカスＢ．Ｆ．をさらに短くするようにすることもできる。
【００２９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の投影画像表示装置によると、反射型表示素子に照明光束を斜めに入射させ、反射型表示素子からの画像光束を斜めに取り出し、投影光学系により投影する投影画像表示装置において、反射型表示素子の少なくとも照明光束入射側に、反射型表示素子への照明光束の入射角を縮小変換し、かつ、反射型表示素子からの画像光束を透過させる透過体積型回折格子板を配置したので、照明光束と画像光束が空間中で分離する位置が反射型表示素子により近くでき、光学素子を小型にでき、また、投影光学系のバックフォーカスを短くできる。これにより、装置の小型化が可能になると共に、投影光学系の低コスト化、性能向上が可能になり、高い画質を有し、かつ、コストの安い反射型投影画像表示装置（プロジェクター）が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の投影画像表示装置の１実施例の光路を示す断面図と平面図である。
【図２】図１の投影画像表示装置の光路を示す斜視図である。
【図３】図１の投影画像表示装置で用いている透過体積型回折格子板の構成と作用を説明するための図である。
【図４】従来の反射型液晶表示素子を用いた反射型画像表示装置の１つのタイプの光学系の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
１、１Ｒ、１Ｇ、１Ｂ…反射型液晶表示素子
２、２Ｒ、２Ｇ、２Ｂ…偏光子
３、３Ｒ、３Ｇ、３Ｂ…検光子
４…色分離プリズム
４Ｒ…Ｒ反射ミラー面
４Ｂ…Ｂ反射ミラー面
５Ｒ…Ｒ反射ミラー面
５Ｂ…Ｂ反射ミラー面
５…色合成プリズム
６…投影レンズ
７…照明ランプ
１０、１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ…透過体積型回折格子板
１１、１１Ｒ、１１Ｇ、１１Ｂ…照明光束
１２、１２Ｒ、１２Ｇ、１２Ｂ…画像光束
１５…回折格子面（空間干渉縞）
【図１】
0004908684.tif 000004
【図２】
0004908684.tif 000005
【図３】
0004908684.tif 000006
【図４】
0004908684.tif 000007