JP2002014213A - Blaze grating device, diffraction grating device and illumination optical system - Google Patents
Blaze grating device, diffraction grating device and illumination optical systemInfo
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Landscapes
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、ブレーズ格子素子
および回折格子素子ならびにこれらを備える照明光学系
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a blazed grating element and a diffraction grating element, and an illumination optical system including the same.
【0002】[0002]
【従来の技術】空間変調素子によって照明光を変調し、
変調後の光で映像を表すようにした映像表示装置では、
空間変調素子に照明光を導くために種々の光学素子が使
用されている。空間変調素子として液晶表示器(LC
D)を使用する場合、LCDには偏光面が一定の直線偏
光を与える必要がある。このため、無偏光を発する光源
を使用するときは、偏光分離(PBS)プリズムや偏光
板を用いて、LCDに適する直線偏光を取り出すように
している。2. Description of the Related Art Illumination light is modulated by a spatial modulation element,
In an image display device in which an image is represented by modulated light,
Various optical elements are used to guide illumination light to the spatial modulation element. Liquid crystal display (LC) as spatial modulation element
When D) is used, the LCD needs to provide a linearly polarized light having a constant polarization plane. For this reason, when using a light source that emits non-polarized light, a polarized light separating (PBS) prism or a polarizing plate is used to extract linearly polarized light suitable for an LCD.
【0003】PBSプリズムの構成を図21に示す。P
BSプリズムは、断面が直角二等辺三角形の2つのプリ
ズム片51a、51bで、PBS膜51cを挟んだ構成
である。PBS膜51cはP偏光とS偏光の一方を選択
的に透過させ他方を選択的に反射することにより両者を
分離するが、一般に、入射角が45゜程度以上でなけれ
ば透過と反射の選択性が低下し、分離を良好に行うこと
ができない。このため、2つのプリズム片51a、51
bで挟んで正四角柱のPBSプリズムの形態とされてい
る。FIG. 21 shows the structure of a PBS prism. P
The BS prism has a configuration in which a PBS film 51c is sandwiched between two prism pieces 51a and 51b whose cross sections are right isosceles triangles. The PBS film 51c selectively separates one of the P-polarized light and the S-polarized light by selectively transmitting the other and selectively reflecting the other. However, in general, unless the incident angle is about 45 ° or more, the selectivity of transmission and reflection is reduced. And separation cannot be performed satisfactorily. For this reason, the two prism pieces 51a, 51
It is in the form of a square prism PBS prism sandwiched by b.
【0004】偏光板も偏光面が一定の直線偏光を透過さ
せるが、他の偏光成分を反射するのではなく吸収する。
PBSプリズムでは透過光と反射光のいずれをもLCD
の照明に用いることができるのに対し、偏光板では利用
可能な光は透過光のみとなる。A polarizing plate also transmits linearly polarized light having a constant polarization plane, but absorbs other polarized light components rather than reflecting them.
In PBS prism, both transmitted light and reflected light are LCD
Can be used for the illumination, but only the transmitted light is available in the polarizing plate.
【0005】反射型のLCDの場合、LCDを照明する
照明光の光路とLCDからの反射光の光路が一致するた
め、光路上のどこかで照明光と映像を表す反射光の光路
を分離する必要がある。このために、照明光と反射光の
一方を反射し他方を透過させる光学素子が用いられる。In the case of a reflection type LCD, since the optical path of the illumination light for illuminating the LCD and the optical path of the reflected light from the LCD coincide, the optical path of the illumination light and the reflected light representing an image are separated somewhere on the optical path. There is a need. For this purpose, an optical element that reflects one of the illumination light and the reflected light and transmits the other is used.
【0006】上記のPBSプリズムはこの用途にも利用
されている。変調されて偏光面が90゜回転した光が映
像を表すように反射型のLCDを設定すると、PBSプ
リズムを透過した光を照明光とする場合には、映像を表
す光はPBSプリズムで反射されることになり、また、
PBSプリズムで反射された光を照明光とする場合に
は、映像を表す光はPBSプリズムを透過することにな
って、いずれの場合も映像を表す反射光を光源に向かう
方向とは異なる方向に導くことができる。The above PBS prism is also used for this purpose. When a reflection type LCD is set so that light modulated and rotated by 90 ° represents an image, when light transmitted through the PBS prism is used as illumination light, light representing the image is reflected by the PBS prism. And also
When the light reflected by the PBS prism is used as the illumination light, the light representing the image passes through the PBS prism, and in any case, the reflected light representing the image is directed in a direction different from the direction toward the light source. I can guide you.
【0007】照明光と反射光を分離するための他の光学
素子を図22に示す。この光学素子は透明な平板52の
上面52aに断面がV次状の溝52dを多数形成したも
ので、下面52bを反射型のLCD53に向けて配置さ
れる。光源からの光は平板52の端面52cより平板5
2に導き入れられ、上面52aと下面52bで全反射を
受けながら平板52内を進行する。その間、光は溝52
dの表面に当たって反射され、下面52bを透過してL
CD53を照明する。LCD53で反射された光は下面
52bから平板52内に入り、上面52aを透過して外
部に出る。FIG. 22 shows another optical element for separating illumination light and reflected light. This optical element is formed by forming a large number of V-shaped grooves 52d in cross section on the upper surface 52a of a transparent flat plate 52, and is arranged with the lower surface 52b facing the reflective LCD 53. Light from the light source is applied to the flat plate 5 from the end face 52c of the flat plate 52.
2 and travels in the flat plate 52 while undergoing total internal reflection on the upper surface 52a and the lower surface 52b. In the meantime, the light
d, and is reflected by the surface of
Illuminate CD53. The light reflected by the LCD 53 enters the flat plate 52 from the lower surface 52b, passes through the upper surface 52a, and exits outside.
【0008】平板52とLCD53の間には、照明光を
直線偏光とするための偏光板54が配置される。LCD
53は、変調されて偏光面が90゜回転した直線偏光で
はなく、変調後も偏光面が回転しなかった直線偏光が映
像を表す光となるように制御される。A polarizing plate 54 for converting illumination light into linearly polarized light is disposed between the flat plate 52 and the LCD 53. LCD
Numeral 53 is controlled so that the linearly polarized light whose polarization plane has not been rotated even after the modulation is the linearly polarized light whose polarization plane has not been rotated by 90 ° becomes light representing an image.
【0009】カラー映像を表示する一法として、LCD
の個々の画素に、赤色(R)光、緑色(G)光、または
青色(B)光を選択的に透過させるカラーフィルターの
いずれかを備えることが行われている。しかし、この構
成では、光源からの白色光の2/3がカラーフィルター
によって失われることになり、光の利用効率に優れてい
るとはいえない。そこで、近年では、照明光を進行方向
が互いに僅かに異なるR光、G光、B光に分離するとと
もに、LCDにマイクロレンズアレイを備えて、R光、
G光、B光を別個の画素に入射させることが行われるよ
うになってきた。As one method of displaying color images, an LCD
Each of the pixels has a color filter that selectively transmits red (R) light, green (G) light, or blue (B) light. However, in this configuration, 2/3 of the white light from the light source is lost by the color filter, and it cannot be said that the light use efficiency is excellent. Thus, in recent years, the illumination light is separated into R light, G light, and B light whose traveling directions are slightly different from each other.
G light and B light have been incident on separate pixels.
【0010】この方法で色分離のために使用される光学
系を図23に示す。この光学系は、3つのダイクロイッ
クミラー55R、55G、55Bより成る。ダイクロイ
ックミラー55R、55G、55BはそれぞれR光、G
光、B光を選択的に反射し、他の色光を透過させる。ミ
ラー55R、55G、55Bは互いに角度をもたせて配
置されており、入射光を異なる方向に反射する。反射さ
れたR光、G光、B光の光路には、ミラー55R、55
G、55B相互間の角度の2倍の角度差が生じる。FIG. 23 shows an optical system used for color separation in this method. This optical system includes three dichroic mirrors 55R, 55G, and 55B. Dichroic mirrors 55R, 55G, and 55B are R light, G light, respectively.
Light and B light are selectively reflected and light of other colors is transmitted. The mirrors 55R, 55G, and 55B are arranged at an angle to each other, and reflect incident light in different directions. Mirrors 55R, 55R are provided on the optical paths of the reflected R light, G light, and B light.
An angle difference of twice the angle between G and 55B occurs.
【0011】図24に示すように、LCD53に設けら
れたマイクロレンズアレイ56は各マイクロレンズ56
aが隣合う3画素53R、53G、53Bに対向するよ
うに設定されている。いずれのマイクロレンズ56aに
も異なる方向からR光、G光、B光が入射することにな
り、各マイクロレンズはR光、G光、B光をそれぞれ別
の画素53R、53G、53B上に収束させる。これ
で、光源からの光は全てLCD53の画素に導かれるこ
とになり、明るい映像を提供することが可能になる。As shown in FIG. 24, a micro lens array 56 provided on the LCD 53
a is set so as to face the adjacent three pixels 53R, 53G, and 53B. The R light, the G light, and the B light enter the microlenses 56a from different directions, and the microlenses converge the R light, the G light, and the B light onto different pixels 53R, 53G, and 53B, respectively. Let it. Thus, all the light from the light source is guided to the pixels of the LCD 53, and it is possible to provide a bright image.
【0012】角度可変の微小なミラー素片を2次元に多
数配列したデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)
と呼ばれる素子も、空間変調素子として用いられてい
る。DMDの各ミラー素片は、その角度によって、入射
光を所定の2方向のどちらかに択一的に反射する。DM
Dにより2方向に反射された光のうち、一方が映像を表
す光として取り出され、他方は不要光として捨てられ
る。A digital micromirror device (DMD) in which a large number of minute mirror elements whose angles are variable are arranged two-dimensionally.
Is also used as a spatial modulation element. Each mirror element of the DMD selectively reflects incident light in one of two predetermined directions depending on its angle. DM
Of the light reflected in two directions by D, one is extracted as light representing an image, and the other is discarded as unnecessary light.
【0013】DMDを照明するための一般的な光学系を
図25に示す。この光学系は、2つのプリズム57a、
57bを僅かに離間させて配置したものである。光源か
らの光は側方よりプリズム57aに導き入れられる。プ
リズム57bに対向する面57cは、導き入れられた光
の入射角が臨界角を超えるように設定されており、光は
面57cで全反射され、面57dを透過してDMD58
を照明する。DMD58で反射された光は、映像を表す
光と不要光に分離しながら面57dよりプリズム57a
に入る。プリズム57aに入った光は面57cに達し、
入射角が臨界角よりも小さいためこれを透過して、プリ
ズム57bも透過する。このように、DMDを照明する
光学系では、プリズム面による光の全反射と透過を利用
している。FIG. 25 shows a general optical system for illuminating a DMD. This optical system includes two prisms 57a,
57b are arranged slightly apart from each other. Light from the light source is guided into the prism 57a from the side. The surface 57c facing the prism 57b is set so that the incident angle of the introduced light exceeds the critical angle, the light is totally reflected by the surface 57c, passes through the surface 57d, and passes through the DMD 58.
To illuminate. The light reflected by the DMD 58 is separated into light representing an image and unnecessary light while being separated from the surface 57d by a prism 57a.
to go into. The light entering the prism 57a reaches the surface 57c,
Since the incident angle is smaller than the critical angle, it is transmitted therethrough, and is also transmitted through the prism 57b. Thus, the optical system that illuminates the DMD utilizes the total reflection and transmission of light by the prism surface.
【0014】[0014]
【発明が解決しようとする課題】偏光板は簡素な構成で
あり、平板状であるから、きわめて利用し易い。ところ
が、偏光板を透過する直線偏光の透過率は80%程度に
とどまり、光量に損失が生じる。しかも、偏光板は透過
する直線偏光以外の偏光成分を全て吸収するから高温に
なり、近傍に配置されているLCD等の他の素子に悪影
響を及ぼす。明るい映像を表示するために光の強度を高
くする場合、偏光板は特に高温になる。Since the polarizing plate has a simple structure and is flat, it is very easy to use. However, the transmittance of linearly polarized light passing through the polarizing plate is only about 80%, and a loss occurs in the amount of light. In addition, the polarizing plate absorbs all the polarized light components other than the linearly polarized light that passes through it, so that the temperature of the polarizing plate becomes high, which adversely affects other elements such as an LCD disposed in the vicinity. When the light intensity is increased to display a bright image, the temperature of the polarizing plate becomes particularly high.
【0015】PBSプリズムは光を吸収しないため、高
温になるという不都合は生じないし、透過光と反射光の
いずれをも利用することができる。また、透過率や反射
率を略100%にすることも容易であり、光の利用効率
の面でも優れている。しかしながら、PBSプリズムは
入射面の幅に等しい厚さを有しているため、表示装置の
大型化と重量化を招く。映像を表す光をスクリーンに投
射してスクリーン上に結像させる投射型の装置とすると
きは、投射光学系のレンズバックが長くなって、明るい
映像を表示するために大きな投射光学系が必要になる。
装置の大型化と重量化を招くという問題は、同じくプリ
ズムを使用する図25の光学系にも当てはまる。Since the PBS prism does not absorb light, there is no disadvantage that the temperature becomes high, and both the transmitted light and the reflected light can be used. Further, it is easy to make the transmittance and the reflectance approximately 100%, which is excellent in light use efficiency. However, since the PBS prism has a thickness equal to the width of the incident surface, the display device is increased in size and weight. When using a projection-type device that projects light representing an image on a screen and forms an image on the screen, the lens back of the projection optical system becomes longer, and a large projection optical system is required to display bright images. Become.
The problem of increasing the size and weight of the device also applies to the optical system of FIG. 25 that uses a prism.
【0016】図22に示した光学素子は、平板に溝を設
けただけの簡素な構成であり利用し易いが、平板に入っ
たLCDからの反射光の一部は溝の表面で反射されて、
平板を透過することができない。このため、表示した映
像に縞状の暗い部分が生じてしまう。溝の幅を小さくす
ることで暗い部分が目立つのをある程度抑えることは可
能であるが、本質的な解決策とはならない。The optical element shown in FIG. 22 has a simple structure in which a groove is provided in a flat plate and is easy to use. However, a part of the reflected light from the LCD entering the flat plate is reflected by the surface of the groove. ,
It cannot pass through a flat plate. Therefore, a striped dark portion occurs in the displayed image. Reducing the width of the groove can reduce the visibility of dark areas to some extent, but is not an essential solution.
【0017】また、図23に示した3つのダイクロイッ
クミラーから成る光学系は、光の利用効率の面では優れ
ているが、各ダイクロイックミラーが別個の素子である
ため、相互の角度を精度よく設定することが難しい。こ
のため、光学系の組み立てに時間を要して、製造効率が
低下する。The optical system composed of three dichroic mirrors shown in FIG. 23 is excellent in terms of light use efficiency, but since each dichroic mirror is a separate element, the mutual angles are accurately set. Difficult to do. Therefore, it takes time to assemble the optical system, and the manufacturing efficiency is reduced.
【0018】ところで、微小な凹凸構造が周期的に配列
された格子面を有し、回折により光の進路を変える回折
光学素子が、光学の様々な分野で利用されている。回折
光学素子には、格子面の凹部と凸部が共に平坦で平坦な
部分のレベル(高さ)が2つであるバイレベルの素子、
凹部と凸部の中間の1以上のレベルを有するマルチレベ
ルの素子、および傾斜面を有し断面が鋸歯状のブレーズ
型の素子がある。どの回折光学素子も、透過光に回折を
生じさせる透過型とすることもできるし、格子面に反射
膜をコーティングして、反射光に回折を生じさせる反射
型とすることもできる。透過型とする場合、透過率を高
めるために、格子面に反射防止膜をコーティングするこ
とが行われている。Incidentally, diffractive optical elements having a lattice surface in which minute concave-convex structures are periodically arranged and changing the course of light by diffraction are used in various fields of optics. The diffractive optical element includes a bi-level element in which both a concave portion and a convex portion of the grating surface are flat and the level (height) of the flat portion is two.
There are a multi-level element having one or more levels between a concave part and a convex part, and a blazed element having a slope and a saw-tooth cross section. Any diffractive optical element can be of a transmission type that causes diffraction of transmitted light, or a reflection type of coating a grating surface with a reflective film to cause diffraction of reflected light. In the case of a transmission type, an antireflection film is coated on a grating surface to increase the transmittance.
【0019】回折光学素子ではないが、フレネルレンズ
も小さな傾斜面を多数有しており、断面が鋸歯状のブレ
ーズ型の素子となっている。回折光学素子は凹凸の高低
差が光の波長程度であって、これにより回折を生じさせ
るのに対し、フレネルレンズは凹凸の高低差が波長の数
倍以上と大きく、専ら屈折によって光の進行方向を変化
させる。Although not a diffractive optical element, the Fresnel lens also has a large number of small inclined surfaces, and is a blazed element having a sawtooth cross section. Diffractive optical elements have a difference in elevation of about the same as the wavelength of light, which causes diffraction. Fresnel lenses have a difference in elevation of several irregularities that is several times or more the wavelength. To change.
【0020】回折光学素子やフレネルレンズは、薄型の
光学素子であるという大きな特徴を有する。ただし、そ
れらの格子面には単なる反射膜や反射防止膜がコーティ
ングされているにとどまり、光の特性に応じて作用する
機能性のコーティングが施された例はない。The diffractive optical element and the Fresnel lens have a great feature that they are thin optical elements. However, these grating surfaces are merely coated with a reflection film or an antireflection film, and there is no example in which a functional coating that acts according to the characteristics of light is applied.
【0021】本発明は、前述の諸問題と格子面を有する
光学素子の現状に鑑みてなされたもので、薄く軽量であ
りながら、特性の異なる光を良好に分離することが可能
な光学素子を提供することを目的とする。The present invention has been made in view of the above-mentioned problems and the current situation of optical elements having a lattice plane, and is an optical element capable of separating light having different characteristics satisfactorily while being thin and lightweight. The purpose is to provide.
【0022】[0022]
【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、表面にブレーズ格子を有する板状の透
明基材と、透明基材のブレーズ格子上に設けられ、入射
光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離
コーティングとでブレーズ格子素子を構成する。In order to achieve the above object, according to the present invention, there is provided a plate-shaped transparent base material having a blazed grating on the surface, and a transparent base material provided on the blazed grating, the characteristics of incident light. And a separation coating that reflects or transmits incident light according to the above.
【0023】この素子は、単一の薄い光学素子でありな
がら、2つの機能を併せもつ。すなわち、分離コーティ
ングにより入射光をその特性に応じて反射光と透過光に
分離することが可能であり、分離した透過光もしくは反
射光または双方にブレーズ格子を作用させることができ
る。ブレーズ格子は、凹凸の高低差を入射光の波長程度
にすれば回折格子となり、また、高低差を入射光の波長
の数倍程度以上とすれば、フレネルレンズあるいはミラ
ーとして作用する。Although this element is a single thin optical element, it has two functions. That is, the incident light can be separated into reflected light and transmitted light by the separation coating according to its characteristics, and the blazed grating can act on the separated transmitted light or reflected light or both. The blaze grating functions as a diffraction grating when the height difference between the irregularities is about the wavelength of the incident light, and acts as a Fresnel lens or mirror when the height difference is about several times the wavelength of the incident light or more.
【0024】分離コーティングを挟んで透明基材のブレ
ーズ格子に密着した板状の透明材を備えるようにすると
よい。格子面の保護が可能になる。また、透明基材と透
明材を同じ材料で作製することで、透過光に不要な変調
がかかるのを避けることができる。この場合、ブレーズ
格子は反射光のみに作用することになる。It is preferable to provide a plate-shaped transparent material in close contact with the blaze grid of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween. The grid surface can be protected. Further, by making the transparent base material and the transparent material from the same material, unnecessary modulation of transmitted light can be avoided. In this case, the blazed grating acts only on the reflected light.
【0025】透明材が、透明基材に対して反対側の表面
にブレーズ格子を有しており、さらに、透明材のブレー
ズ格子上に設けられ、入射光の特性に応じて入射光を反
射しまたは透過させる分離コーティングと、分離コーテ
ィングを挟んで透明材のブレーズ格子に密着した板状の
透明材を備える構成としてもよい。このようにすると、
一方の分離コーティングで分離された透過光を他方の分
離コーティングでさらに反射光と透過光に分離できるよ
うになる。また、2つのブレーズ格子のブレーズ面の傾
斜方向を逆にすることで、入射角によって分離が不完全
になるのを避けることも可能である。The transparent material has a blazed grating on the surface opposite to the transparent substrate, and is provided on the blazed grating of the transparent material, and reflects the incident light according to the characteristics of the incident light. Alternatively, a configuration may be provided that includes a separation coating to be transmitted and a plate-shaped transparent material that is in close contact with the transparent material blaze grating with the separation coating interposed therebetween. This way,
The transmitted light separated by one separation coating can be further separated into reflected light and transmitted light by the other separation coating. In addition, by inverting the inclination directions of the blaze surfaces of the two blaze gratings, it is possible to avoid incomplete separation due to the incident angle.
【0026】分離コーティングは入射光の偏光特性に応
じて入射光を反射しまたは透過させるものとすることが
できる。分離コーティングは傾斜したブレーズ面上に設
けられているため、素子への入射角が45゜未満となる
ように配置しても、分離コーティングに対する光の入射
角を45゜以上にすることが可能である。したがって、
平板状でありながら、良好な偏光分離特性を有するPB
S素子が得られる。The separation coating can reflect or transmit the incident light depending on the polarization characteristics of the incident light. Since the separation coating is provided on the inclined blaze surface, even if it is arranged so that the incident angle to the element is less than 45 °, the incident angle of light to the separation coating can be 45 ° or more. is there. Therefore,
PB with good polarization separation characteristics despite being flat
An S element is obtained.
【0027】分離コーティングは、また、入射光の波長
に応じて入射光を反射しまたは透過させるものとするこ
とも、入射光の入射角に応じて入射光を反射しまたは透
過させるものとすることもできる。いずれの場合も、単
に波長や入射角に応じて光を分離するだけでなく、分離
後の光にブレーズ格子の作用を及ぼすことが可能であ
る。The separating coating may reflect or transmit the incident light according to the wavelength of the incident light, or reflect or transmit the incident light according to the incident angle of the incident light. Can also. In any case, it is possible not only to separate the light in accordance with the wavelength or the incident angle, but also to exert the function of the blazed grating on the separated light.
【0028】前記目的を達成するために、本発明ではま
た、表面に回折格子を有する板状の透明基材と、透明基
材の回折格子上に設けられ、入射光の偏光特性に応じて
入射光を反射しまたは透過させる分離コーティングと、
分離コーティングを挟んで透明基材の回折格子に密着し
た板状の透明材とで回折格子素子を構成する。In order to achieve the above object, the present invention also provides a plate-shaped transparent substrate having a diffraction grating on the surface and a transparent substrate provided on the diffraction grating, and the incident light is provided in accordance with the polarization characteristics of the incident light. A separation coating that reflects or transmits light;
A plate-like transparent material closely adhered to the diffraction grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween constitutes a diffraction grating element.
【0029】この素子は、単一の薄い光学素子でありな
がら、偏光分離の機能と回折の機能を併せもつ。すなわ
ち、分離コーティングにより入射光をその偏光特性に応
じて反射光と透過光に分離することが可能であり、分離
した反射光に回折を生じさせて反射角を変化させること
ができる。Although this element is a single thin optical element, it has both the function of polarization separation and the function of diffraction. That is, the incident light can be separated into reflected light and transmitted light by the separation coating according to the polarization characteristics, and the reflected light can be diffracted to change the reflection angle.
【0030】ここで、透明基材が分離コーティングで反
射された光を内部で全反射して端面に導くようにすると
よい。分離後の透過光のみが必要な場合、不要な反射光
を素子の端面から捨て去ることができて、反射光の処理
が容易になる。また、光を吸収して素子が高温になるこ
ともない。Here, it is preferable that the light reflected by the transparent substrate on the separation coating is totally internally reflected and guided to the end face. When only the transmitted light after separation is required, unnecessary reflected light can be discarded from the end face of the element, and the processing of the reflected light becomes easy. In addition, the element does not become hot due to light absorption.
【0031】前記目的を達成するために、本発明ではさ
らに、表面に回折格子を有する板状の透明基材と、透明
基材の回折格子上に設けられ、入射光の特性に応じて入
射光を反射しまたは透過させる分離コーティングを備え
る回折格子素子を照明光学系に含ませて、光を回折格子
素子によって照明対象物に導いて照明対象物を照明する
とともに、照明対象物によって反射された光を回折格子
素子を透過させて外部に導くものとする。In order to achieve the above object, the present invention further provides a plate-shaped transparent substrate having a diffraction grating on the surface, and a transparent substrate provided on the diffraction grating. The illumination optical system includes a diffraction grating element including a separation coating that reflects or transmits light, and guides light to the illumination target object by the diffraction grating element to illuminate the illumination target object, and reflects the light reflected by the illumination target object. Is transmitted through the diffraction grating element and guided to the outside.
【0032】この照明光学系は、例えば、反射型のLC
DやDMDの照明に用いることができる。照明光と照明
対象物からの反射光の光路は重なるが、回折格子の機能
と分離コーティングの機能の組み合わせにより、照明対
象物からの反射光のみを取り出すことは容易である。This illumination optical system is, for example, a reflection type LC.
It can be used for D and DMD illumination. Although the optical paths of the illumination light and the reflected light from the illumination target overlap, the combination of the function of the diffraction grating and the function of the separation coating makes it easy to extract only the reflected light from the illumination target.
【0033】回折格子素子が分離コーティングを挟んで
透明基材の回折格子に密着した板状の透明材を備えるよ
うにようにしてもよい。回折格子や分離コーティングを
保護することができる上、素子を透過する照明対象物か
らの反射光に不要な変調がかかるのを避けることができ
る。The diffraction grating element may be provided with a plate-shaped transparent material in close contact with the diffraction grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween. In addition to protecting the diffraction grating and the separation coating, unnecessary modulation of reflected light from the illumination target that passes through the element can be avoided.
【0034】分離コーティングは入射光の入射角に応じ
て入射光を反射しまたは透過させるものとするとよい。
回折格子素子を透過した後の照明対象物からの光の光路
外に光源を配置することがきわめて容易になる。例え
ば、光源からの光を回折格子素子の端面から回折格子素
子に導き入れる構成とすることができる。The separation coating may reflect or transmit the incident light according to the incident angle of the incident light.
It becomes very easy to arrange the light source outside the optical path of the light from the illumination object after passing through the diffraction grating element. For example, it is possible to adopt a configuration in which light from a light source is guided into the diffraction grating element from the end face of the diffraction grating element.
【0035】分離コーティングは回転方向の異なる2つ
の円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイラルネマ
ティック液晶層としてもよい。照明光と照明対象物から
の反射光を確実に分離することができる。The separation coating may be a chiral nematic liquid crystal layer that reflects one of two circularly polarized lights having different rotation directions and transmits the other. Illumination light and reflected light from the illumination target can be reliably separated.
【0036】[0036]
【発明の実施の形態】本発明のブレーズ格子素子および
回折格子素子の基本構成を図1および図2に模式的に示
す。図1は、平板状の透明基材11の表面にブレーズ格
子12を形成し、ブレーズ格子12上に分離コーティン
グ13を設けた最も簡素な構成のブレーズ格子素子1を
示したものである。透明基材11は例えば樹脂またはガ
ラスで作製することができる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The basic structures of a blazed grating element and a diffraction grating element according to the present invention are schematically shown in FIGS. FIG. 1 shows a blazed grating element 1 having the simplest configuration in which a blazed grating 12 is formed on the surface of a flat transparent substrate 11 and a separation coating 13 is provided on the blazed grating 12. The transparent substrate 11 can be made of, for example, resin or glass.
【0037】ブレーズ格子12の凹凸の高低差を光の波
長程度とすれば、ブレーズ格子12は回折格子となり、
ブレーズ格子素子1は回折格子素子となる。また、ブレ
ーズ格子12の凹凸の高低差を光の波長の数倍以上にす
れば、ブレーズ格子12はフレネルレンズ面となり、ブ
レーズ格子素子1はフレネルレンズまたはパワーを有す
る薄型のミラーとなる。If the height difference between the irregularities of the blazed grating 12 is set to about the wavelength of light, the blazed grating 12 becomes a diffraction grating.
The blaze grating element 1 becomes a diffraction grating element. If the height difference between the irregularities of the blazed grating 12 is made several times the wavelength of light or more, the blazed grating 12 becomes a Fresnel lens surface, and the blazed grating element 1 becomes a Fresnel lens or a thin mirror having power.
【0038】図2は、図1のブレーズ格子素子1に、分
離コーティング13を挟んでブレーズ格子12に密着す
る平板状の透明材14を追加したブレーズ格子素子2を
示したものである。透明材14も樹脂やガラスで作製す
ることができる。透明基材11と透明材14の材料は同
じであってもよいし、異なっていてもよい。ブレーズ格
子素子2では、ブレーズ格子12と分離コーティング1
3が保護された形態となる。FIG. 2 shows a blazed grating element 2 in which a flat plate-shaped transparent material 14 which is in close contact with the blazed grating 12 with a separation coating 13 interposed therebetween is added to the blazed grating element 1 of FIG. The transparent member 14 can also be made of resin or glass. The materials of the transparent substrate 11 and the transparent material 14 may be the same or different. In the blaze grating element 2, the blaze grating 12 and the separation coating 1
3 is in a protected form.
【0039】分離コーティング13は、入射光の特性に
応じて、入射光を反射しまたは透過させる。入射光の特
性としては、例えば、波長、直線偏光の偏光面の向き、
円偏光の回転方向、分離コーティング13に対する入射
角等がある。The separation coating 13 reflects or transmits the incident light according to the characteristics of the incident light. As the characteristics of the incident light, for example, the wavelength, the direction of the plane of polarization of linearly polarized light,
There are a rotation direction of the circularly polarized light, an incident angle with respect to the separation coating 13, and the like.
【0040】ブレーズ格子素子1では、ブレーズ格子1
2は、分離コーティング13を透過する光と分離コーテ
ィング13で反射される光の双方に対して作用する。す
なわち、ブレーズ格子12は、透過する光に対しては回
折または屈折を生じさせ、反射される光に対しては回折
または入射角と異なる反射角での反射を生じさせる。In the blazed grating element 1, the blazed grating 1
2 acts on both light transmitted through the separation coating 13 and light reflected by the separation coating 13. That is, the blaze grating 12 causes diffraction or refraction of transmitted light, and causes diffraction or reflection of reflected light at a reflection angle different from the incident angle.
【0041】ブレーズ格子素子2では、透明基材11と
透明材14の屈折率が異なれば、ブレーズ格子12は、
ブレーズ格子素子1と同様に、分離コーティング13を
透過する光と反射される光の双方に対して作用する。一
方、透明基材11と透明材14の屈折率が等しければ、
ブレーズ格子12は反射される光のみに作用し、ブレー
ズ格子素子2は透過する光に対しては単なる透明な平行
平板となる。In the blazed grating element 2, if the transparent substrate 11 and the transparent material 14 have different refractive indexes, the blazed grating 12
Like the blazed grating element 1, it acts on both the light transmitted through the separation coating 13 and the reflected light. On the other hand, if the transparent substrate 11 and the transparent material 14 have the same refractive index,
The blazed grating 12 acts only on the reflected light, and the blazed grating element 2 becomes a simple transparent parallel plate for the transmitted light.
【0042】以下、ブレーズ格子素子2を回折光学素子
としたいくつかの実施形態について説明する。第1の実
施形態の光学素子21の構成および光に対する作用を図
3に模式的に示す。光学素子21は、分離コーティング
13としてPBS膜13aを備えている。PBS膜13
aは、P偏光を透過させS偏光を反射するように設定さ
れている。透明基材11および透明材14の屈折率は
1.62であり、ブレーズ格子12のブレーズ角(ブレ
ーズ格子全体としての平面に対する個々のブレーズ面1
2aの成す角)は30゜である。Hereinafter, several embodiments in which the blaze grating element 2 is a diffractive optical element will be described. FIG. 3 schematically shows the configuration of the optical element 21 of the first embodiment and the effect on light. The optical element 21 includes a PBS film 13a as the separation coating 13. PBS membrane 13
a is set so as to transmit P-polarized light and reflect S-polarized light. The refractive indices of the transparent base material 11 and the transparent material 14 are 1.62, and the blaze angle of the blaze grating 12 (the individual blaze surface 1 with respect to the plane of the entire blaze grating).
2a) is 30 °.
【0043】光学素子21は、透明基材11への光の入
射角が25゜となる配置で使用する。透明基材11に対
して25゜の入射角で入射した光は、屈折してブレーズ
面12aに対する入射角が45゜となる。ブレーズ面1
2aに入射した光のうち、PBS膜13aに対してP偏
光となる偏光成分は、PBS膜13aを透過し、透明材
14も透過して素子21の外部に出る。この光は、素子
21への入射前の光と平行で僅かにずれた光路を進む。The optical element 21 is used in such an arrangement that the incident angle of light on the transparent substrate 11 is 25 °. Light incident on the transparent substrate 11 at an incident angle of 25 ° is refracted to have an incident angle of 45 ° on the blaze surface 12a. Blaze surface 1
Of the light incident on 2a, a polarized light component that becomes P-polarized light with respect to the PBS film 13a passes through the PBS film 13a, passes through the transparent material 14, and exits the element 21. This light travels along an optical path that is parallel to and slightly displaced from the light before entering the element 21.
【0044】PBS膜13aに対してS偏光となる偏光
成分は、PBS膜13aで反射され、ブレーズ格子12
によって回折される。回折された反射光は透明基材11
の表面11aに臨界角を超える入射角で入射して全反射
される。表面11aで全反射された光は、大部分がブレ
ーズ面12aで反射され、2つのブレーズ面12aの間
を透過した残りの部分も透明材14の表面14aで全反
射される。これらの光は透明基材11の表面11a、ブ
レーズ面12a、透明材14の表面14aでの反射を繰
り返して素子21の端面に達し、端面から外部に出る。The polarization component that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 13a is reflected by the PBS film 13a and
Is diffracted by The diffracted reflected light is the transparent substrate 11
At an incident angle exceeding the critical angle and is totally reflected. Most of the light totally reflected on the surface 11a is reflected on the blazed surface 12a, and the remaining portion transmitted between the two blazed surfaces 12a is also totally reflected on the surface 14a of the transparent material 14. These lights are repeatedly reflected on the surface 11 a of the transparent substrate 11, the blazed surface 12 a, and the surface 14 a of the transparent material 14, reach the end face of the element 21, and exit from the end face.
【0045】この光学素子21では、PBS膜13aに
対してP偏光となる偏光成分を、進路をほとんど変える
ことなく取り出すことができ、PBS膜13aに対して
S偏光となる偏光成分を全く別方向に向かわせて捨てる
ことができる。しかも、素子21は光を吸収しないか
ら、高温になることもない。In this optical element 21, a polarized light component that becomes P-polarized light with respect to the PBS film 13a can be extracted with almost no change in the course, and a polarized light component that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 13a is completely separated. Can be thrown away. Moreover, since the element 21 does not absorb light, it does not become hot.
【0046】PBS膜13aの膜構成を表1に示し、入
射角45゜のP偏光とS偏光に対する透過率と波長の関
係を図4に示す。表1において、層番号0が透明基材1
1であり、層番号18が透明材14である。光学膜厚は
745nmを基準波長として表している。Table 1 shows the film configuration of the PBS film 13a, and FIG. 4 shows the relationship between the transmittance and the wavelength for P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 45 °. In Table 1, the layer number 0 is the transparent substrate 1
1 and the layer number 18 is the transparent material 14. The optical film thickness is represented by using 745 nm as a reference wavelength.
【0047】 <表1> PBS膜13aの構成 層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚 18 1.62 17 1.62 0.125 16 1.385 0.125 15 2.05 0.25 14 1.385 0.25 13 2.05 0.25 12 1.385 0.25 11 2.05 0.25 10 1.385 0.25 9 2.05 0.25 8 1.385 0.25 7 2.05 0.25 6 1.385 0.25 5 2.05 0.25 4 1.385 0.25 3 2.05 0.25 2 1.385 0.125 1 1.62 0.125 0 1.62<Table 1> Composition of PBS film 13a Layer Refractive index Optical film thickness Layer Refractive index Optical film thickness 18 1.62 17 1.62 0.125 16 1.385 0.125 15 2.05 0.25 14 1.385 0.25 13 2.05 0.25 12 1.385 0.25 11 2.05 0.25 10 1.385 0.25 9 2.05 0.28 1.385 0.257 72 .05 0.26 6 1.385 0.25 5 2.05 0.25 4 1.385 0.25 3 2.55 0.25 2 1.385 0.125 1 1.62 0.125 0 1. 62
【0048】光学素子21を反射型LCDの照明光学系
として使用する形態を図5に示す。光学素子21をLC
D31に対して25゜傾けて配置し、素子21の端面近
傍に直線状の光源41を配置する。光源41は無偏光の
光を発する。光源41が発した光は、端面より素子21
に入り、全反射を受けながら素子21内を進行する。素
子21の内部を進行する光のうちPBS膜13aに対し
てS偏光となる偏光成分は、PBS膜13aで反射され
ることにより、透明基材11の表面11aに対する入射
角が変化していき、入射角が臨界角未満になった時点で
表面11aを透過する。表面11aを透過した光はLC
D31に対して略90゜の角度で入射する照明光とな
る。FIG. 5 shows an embodiment in which the optical element 21 is used as an illumination optical system of a reflection type LCD. Optical element 21 is LC
The light source 41 is disposed at an angle of 25 ° with respect to D31, and a linear light source 41 is disposed near the end face of the element 21. The light source 41 emits unpolarized light. The light emitted from the light source 41 is transmitted from the end face to the element 21.
And travels through the element 21 while undergoing total reflection. Of the light traveling inside the element 21, the polarized light component that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 13 a is reflected by the PBS film 13 a, so that the incident angle with respect to the surface 11 a of the transparent substrate 11 changes, When the incident angle becomes smaller than the critical angle, the light passes through the surface 11a. The light transmitted through the surface 11a is LC
The illumination light is incident on D31 at an angle of about 90 °.
【0049】LCD31は、変調により偏光面が90゜
回転した直線偏光が映像を表す光となるように動作を制
御される。LCD31で変調され反射された光は、透明
基材11に略25゜の入射角で入射し、素子21の内部
に入る。素子21に入った光のうち、映像を表す偏光成
分はPBS膜13aに対してP偏光となり、PBS膜1
3aを透過して、透明材14から素子21の外に出る。
一方、他の偏光成分はPBS膜13aに対してS偏光と
なって反射され、前述のように全反射されながら素子2
1の端面に向かい、光源41に向けて出る。The operation of the LCD 31 is controlled such that linearly polarized light whose polarization plane is rotated by 90 ° by modulation becomes light representing an image. The light modulated and reflected by the LCD 31 enters the transparent substrate 11 at an incident angle of about 25 ° and enters the inside of the element 21. Of the light that has entered the element 21, the polarization component representing an image becomes P-polarized light with respect to the PBS film 13a,
The light passes through 3a and exits the element 21 from the transparent material 14.
On the other hand, other polarization components are reflected as S-polarized light with respect to the PBS film 13a, and are totally reflected as described above.
1 and exits toward the light source 41.
【0050】LCD31に対して垂直な方向について光
学素子21が占める空間の距離は、LCD31からの反
射光の光束の幅の0.47(tan25゜)倍であり、
従来のPBSプリズムの半分以下になる。したがって、
映像を表す光をスクリーンに投射する投射型の映像表示
装置とするときは、投射光学系のレンズバックが大幅に
短くなって、投射光学系を小型にすることができる。The distance of the space occupied by the optical element 21 in the direction perpendicular to the LCD 31 is 0.47 (tan 25 °) times the width of the luminous flux of the reflected light from the LCD 31.
It is less than half of the conventional PBS prism. Therefore,
When a projection-type image display device that projects light representing an image on a screen is used, the lens back of the projection optical system is significantly shortened, and the projection optical system can be downsized.
【0051】第2の実施形態の光学素子22の構成およ
び光に対する作用を図6に模式的に示す。光学素子22
は、分離コーティング13としてPBS膜13bを備え
ている。PBS膜13bは、第1の実施形態とは逆に、
P偏光を反射しS偏光を透過させるように設定されてい
る。透明基材11および透明材14の屈折率は1.87
であり、ブレーズ格子12のブレーズ角は60゜であ
る。FIG. 6 schematically shows the structure of the optical element 22 of the second embodiment and the effect on light. Optical element 22
Is provided with a PBS film 13b as the separation coating 13. The PBS film 13b is opposite to the first embodiment,
It is set to reflect P-polarized light and transmit S-polarized light. The refractive indexes of the transparent base material 11 and the transparent material 14 are 1.87.
And the blaze angle of the blaze grating 12 is 60 °.
【0052】光学素子22は、透明基材11への光の入
射角が0゜となる配置で使用することができる。透明基
材11に入った光は直進してブレーズ面12aに対して
60゜の入射角で入射する。ブレーズ面12aに入射し
た光のうち、PBS膜13bに対してS偏光となる偏光
成分は、PBS膜13bを透過し、透明材14も透過し
て素子22の外部に出る。この光は、素子22への入射
前の光の光路の延長上を進む。The optical element 22 can be used in such an arrangement that the incident angle of light on the transparent substrate 11 is 0 °. Light entering the transparent substrate 11 travels straight and enters the blazed surface 12a at an incident angle of 60 °. Of the light incident on the blazed surface 12a, a polarized light component that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 13b passes through the PBS film 13b, also passes through the transparent material 14, and exits the element 22. This light travels on the extension of the optical path of the light before entering the element 22.
【0053】PBS膜13bに対してP偏光となる偏光
成分は、PBS膜13bで反射され、ブレーズ格子12
によって回折される。回折された反射光は透明材14の
表面14aに臨界角を超える入射角で入射して全反射さ
れ、第1の実施形態と同様にして、素子22の端面に達
し、端面から外部に出る。The polarization component that becomes P-polarized light with respect to the PBS film 13b is reflected by the PBS film 13b and
Is diffracted by The diffracted reflected light enters the surface 14a of the transparent member 14 at an incident angle exceeding the critical angle, is totally reflected, reaches the end face of the element 22, and exits from the end face in the same manner as in the first embodiment.
【0054】PBS膜13bの膜構成を表2に示し、入
射角60゜のP偏光とS偏光に対する透過率と波長の関
係を図7に示す。表2において、層番号0が透明基材1
1であり、層番号26が透明材14である。光学膜厚は
280nmを基準波長として表している。Table 2 shows the film configuration of the PBS film 13b, and FIG. 7 shows the relationship between the transmittance and the wavelength for P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 60 °. In Table 2, the layer number 0 is the transparent substrate 1
1 and the layer number 26 is the transparent material 14. The optical film thickness represents 280 nm as a reference wavelength.
【0055】 <表2> PBS膜13bの構成 層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚 26 1.87 25 1.385 0.125 24 2.3 0.25 23 1.385 0.25 22 2.3 0.25 21 1.385 0.25 20 2.3 0.25 19 1.385 0.25 18 2.3 0.25 17 1.385 0.25 16 2.3 0.25 15 1.385 0.25 14 2.3 0.25 13 1.385 0.25 12 2.3 0.25 11 1.385 0.25 10 2.3 0.25 9 1.385 0.25 8 2.3 0.25 7 1.385 0.25 6 2.3 0.25 5 1.385 0.25 4 2.3 0.25 3 1.385 0.25 2 2.3 0.25 1 1.385 0.125 0 1.87<Table 2> Configuration of PBS film 13b Layer Refractive index Optical thickness Layer Refractive index Optical thickness 26 1.87 25 1.385 0.125 24 2.3 0.25 23 1.385 0.225 22 2.3 0.25 21 1.385 0.25 20 2.3 0.25 19 1.385 0.25 18 2.3 0.25 17 1.385 0.25 16 2.3 0.25 15 1 .385 0.25 14 2.3 0.25 13 1.385 0.25 12 2.3 0.25 11 1.385 0.25 10 2.3 0.225 9 1.385 0.25 8 2. 3 0.25 7 1.385 0.25 6 2.3 0.25 5 1.385 0.25 4 2.3 0.25 3 1.385 0.25 2 2.3 0.25 1 1.385 0.125 0 1.87
【0056】光学素子22は、第1の実施形態の光学素
子21と同様に、反射型LCDの照明光学系として使用
することができる。この場合、素子22をLCDに対し
て平行に配置することができるから、配置のために必要
なLCDに垂直な方向の距離はきわめて短くなる。The optical element 22 can be used as an illumination optical system of a reflection type LCD, like the optical element 21 of the first embodiment. In this case, since the element 22 can be arranged parallel to the LCD, the distance in the direction perpendicular to the LCD required for the arrangement is extremely short.
【0057】光学素子22を透過型LCDの照明光学系
および映像を表す光を選択的に取り出す光学系として使
用する形態を図8に示す。2つの光学素子22をLCD
32の前後に配置し、一方の素子22に対して略垂直に
光源からの光を入射させる。素子22に入った光のう
ち、PBS膜13bに対してS偏光となる偏光成分は素
子22を透過して、LCD32に対して略90゜の角度
で入射する照明光となる。一方、PBS膜13bに対し
てP偏光となる偏光成分は反射されて、素子22内で全
反射を受けながら端面に達する。素子22の端面には光
吸収部材15が取り付けられており、端面に達した光は
吸収部材15に吸収される。FIG. 8 shows a mode in which the optical element 22 is used as an illumination optical system of a transmission type LCD and an optical system for selectively extracting light representing an image. LCD with two optical elements 22
32, and the light from the light source is incident on one of the elements 22 substantially perpendicularly. Of the light that has entered the element 22, the polarization component that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 13 b passes through the element 22 and becomes illumination light that enters the LCD 32 at an angle of approximately 90 °. On the other hand, the polarized light component that becomes the P-polarized light with respect to the PBS film 13b is reflected, and reaches the end face while undergoing total reflection in the element 22. The light absorbing member 15 is attached to the end face of the element 22, and the light reaching the end face is absorbed by the absorbing member 15.
【0058】LCD32は、変調後も偏光面が回転しな
い直線偏光が映像を表す光となるように動作を制御され
る。LCD32を透過した光は、他方の素子22に入
り、PBS膜13bに対してS偏光となる映像を表す偏
光成分は素子22を透過する。変調により偏光面が90
゜回転しPBS膜13bに対してP偏光となった偏光成
分は反射され、素子22内で全反射を受けながら端面に
達して、吸収部材15に吸収される。The operation of the LCD 32 is controlled such that linearly polarized light whose polarization plane does not rotate even after modulation becomes light representing an image. The light transmitted through the LCD 32 enters the other element 22, and a polarization component representing an image that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 13 b passes through the element 22. The polarization plane is 90 due to modulation.
(4) The polarized light component that has been rotated and turned into P-polarized light with respect to the PBS film 13b is reflected, reaches the end face while undergoing total reflection in the element 22, and is absorbed by the absorbing member 15.
【0059】従来は、透過型LCDの照明や映像を表す
光の取り出しに偏光板を用いていたが、偏光板に代えて
光学素子22を使用することで、透過率が高まり、明る
い映像を提供することができる。また、素子22は偏光
板のように高温になることがなく、LCDに悪影響を与
えない。Conventionally, a polarizing plate has been used to illuminate a transmissive LCD or to extract light representing an image. However, by using the optical element 22 instead of the polarizing plate, the transmittance is increased and a bright image is provided. can do. Further, the element 22 does not reach a high temperature unlike a polarizing plate, and does not adversely affect the LCD.
【0060】第3の実施形態の光学素子23の構成およ
び光に対する作用を図9に模式的に示す。この光学素子
23は、第2の実施形態の光学素子22の透明材14の
表面にもブレーズ格子12を形成し、その上に分離コー
ティング13としてPBS膜13bを設けて、そのPB
S膜13bを挟んで透明材14に密着する別の透明材1
4を備えたものである。すなわち光学素子23は光学素
子22を重ね合わせた構成である。ただし、2つのブレ
ーズ格子12のブレーズ面12aの傾斜方向は逆であ
る。FIG. 9 schematically shows the structure of the optical element 23 of the third embodiment and the effect on light. This optical element 23 has a blazed grating 12 also formed on the surface of a transparent material 14 of the optical element 22 of the second embodiment, and a PBS film 13b provided thereon as a separation coating 13 thereon.
Another transparent material 1 adhered to the transparent material 14 with the S film 13b interposed therebetween
4 is provided. That is, the optical element 23 has a configuration in which the optical elements 22 are overlapped. However, the inclination directions of the blaze surfaces 12a of the two blaze gratings 12 are opposite.
【0061】この構成では、一方のブレーズ格子12の
2つのブレーズ面12aの間を直接透過する光がある場
合でも、その光を他方のブレーズ格子12上に設けたP
BS膜13bで分離することができる。したがって、入
射角による分離効率の低下がなくなり、分離対象である
光に対する配置角度の自由度が大きくなる。In this configuration, even if there is light directly transmitting between the two blazed surfaces 12 a of one blazed grating 12, the light is transmitted to the P
It can be separated by the BS film 13b. Therefore, the separation efficiency does not decrease due to the incident angle, and the degree of freedom of the arrangement angle with respect to the light to be separated increases.
【0062】第4の実施形態の光学素子24の構成およ
び光に対する作用を図10に模式的に示す。この光学素
子24は、第3の実施形態の光学素子23と同様に、ブ
レーズ格子12および分離コーティング13を2組備え
る。2つのブレーズ格子12のブレーズ面の傾斜方向は
逆であり、各々のブレーズ角は数度程度である。透明基
材11のブレーズ格子12上の分離コーティング13と
しては、B光を選択的に反射するダイクロイック膜13
Bを、また、透明材14のブレーズ格子12上の分離コ
ーティング13としては、G光を選択的に反射するダイ
クロイック膜13Gを備えている。さらに、透明基材1
1の表面11a上には、R光を選択的に反射するダイク
ロイック膜11Rが設けられている。FIG. 10 schematically shows the structure of the optical element 24 according to the fourth embodiment and its effect on light. This optical element 24 includes two sets of the blazed grating 12 and the separation coating 13 as in the optical element 23 of the third embodiment. The inclination directions of the blaze surfaces of the two blaze gratings 12 are opposite, and the blaze angle of each is about several degrees. As the separation coating 13 on the blaze grating 12 of the transparent substrate 11, a dichroic film 13 that selectively reflects B light
B is provided as a dichroic film 13G for selectively reflecting G light as the separation coating 13 on the blaze grating 12 of the transparent material 14. Further, the transparent substrate 1
A dichroic film 11R for selectively reflecting the R light is provided on the front surface 11a.
【0063】この光学素子24は白色光をR光、G光、
B光に分離して、分離した各光の光路に角度差をもたら
す。素子24に入射する白色光のうち、R光はダイクロ
イック膜11Rによって入射角に等しい反射角で反射さ
れる。ダイクロイック膜11Rを透過したB光およびG
光は素子24内に入って、ダイクロイック膜13Bに達
し、これを透過するG光と反射されるB光に分離され
る。This optical element 24 converts white light into R light, G light,
The light is separated into B light, and an angle difference is caused in the optical path of each separated light. Of the white light incident on the element 24, the R light is reflected by the dichroic film 11R at a reflection angle equal to the incident angle. B light and G transmitted through the dichroic film 11R
The light enters the element 24, reaches the dichroic film 13B, and is separated into G light transmitted therethrough and B light reflected.
【0064】ダイクロイック膜13Bで反射されたB光
はブレーズ格子12で回折されて、R光とは角度差のあ
る光となって素子24の外部に出る。ダイクロイック膜
13Bを透過したG光は、ダイクロイック膜13Gに達
して反射され、ブレーズ格子12により回折されて、R
光およびB光とは角度差のある光となって素子24の外
部に出る。The B light reflected by the dichroic film 13B is diffracted by the blaze grating 12 and becomes light having an angular difference from the R light, and exits the element 24. The G light transmitted through the dichroic film 13B reaches the dichroic film 13G, is reflected, is diffracted by the blaze grating 12, and
The light and the B light are emitted to the outside of the element 24 as light having an angle difference.
【0065】ダイクロイック膜11R、13B、13G
の膜構成を表3、表4、表5にそれぞれ示す。表3にお
いて、層番号0が透明基材11であり、層番号22が空
気である。表4において、層番号0が透明基材11であ
り、層番号22が透明材14である。また表5におい
て、層番号0が透明基材11側の透明材14であり、層
番号22が表面側の透明材14である。光学膜厚は、ダ
イクロイック膜11Rについては765nm、ダイクロ
イック膜13Bについては451nm、ダイクロイック
膜13Gについては540nmを基準波長として表して
いる。Dichroic films 11R, 13B, 13G
Tables 3, 4, and 5 show the film configurations of Table 3 respectively. In Table 3, the layer number 0 is the transparent substrate 11, and the layer number 22 is air. In Table 4, the layer number 0 is the transparent base material 11, and the layer number 22 is the transparent material 14. In Table 5, the layer number 0 is the transparent material 14 on the transparent substrate 11 side, and the layer number 22 is the transparent material 14 on the front surface side. The optical film thickness is 765 nm for the dichroic film 11R, 451 nm for the dichroic film 13B, and 540 nm for the dichroic film 13G as reference wavelengths.
【0066】 <表3> ダイクロイック膜11Rの構成 層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚 22 1 21 1.385 0.14 20 2.3 0.28 19 1.47 0.28 18 2.3 0.26 17 1.47 0.25 16 2.3 0.25 15 1.47 0.25 14 2.3 0.25 13 1.47 0.25 12 2.3 0.25 11 1.47 0.25 10 2.3 0.25 9 1.47 0.25 8 2.3 0.25 7 1.47 0.25 6 2.3 0.25 5 1.47 0.25 4 2.3 0.26 3 1.47 0.28 2 2.3 0.28 1 1.67 0.14 0 1.52<Table 3> Constituent layers of dichroic film 11R Refractive index Optical thickness Layer Refractive index Optical thickness 22 1 121 1.385 0.14 20 2.3 0.28 19 1.47 0.28 18 2. 3 0.26 17 1.47 0.25 16 2.3 0.25 15 1.47 0.25 14 2.3 0.25 13 1.47 0.25 12 2.3 0.25 11 1.47 0.25 10 2.3 0.25 9 1.47 0.25 8 2.3 0.25 7 1.47 0.25 6 2.3 0.25 5 1.47 0.25 4 2.3 0 .26 3 1.47 0.28 2 2.3 0.28 1 1.67 0.14 1.52
【0067】 <表4> ダイクロイック膜13Bの構成 層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚 22 1.52 21 2.3 0.09 20 1.385 0.3 19 2.3 0.15 18 1.47 0.3 17 2.3 0.225 16 1.47 0.25 15 2.3 0.25 14 1.47 0.25 13 2.3 0.25 12 1.47 0.25 11 2.3 0.25 10 1.47 0.25 9 2.3 0.25 8 1.47 0.25 7 2.3 0.25 6 1.47 0.25 5 2.3 0.225 4 1.47 0.3 3 2.3 0.15 2 1.385 0.3 1 2.3 0.1 0 1.52<Table 4> Configuration of Dichroic Film 13B Layer Refractive Index Optical Thickness Layer Refractive Index Optical Thickness 22 1.52 21 2.3 0.09 20 1.385 0.3 19 2.3 0.15 18 1.47 0.3 17 2.3 0.225 16 1.47 0.25 15 2.3 0.25 14 1.47 0.25 13 2.3 0.25 12 1.47 0.25 11 2 .0.3 0.25 10 1.47 0.25 9 2.3 0.25 8 1.47 0.25 7 2.3 0.25 6 1.47 0.25 5 2.3 0.225 4 1. 47 0.3 3 2.3 0.15 2 1.385 0.3 1 2.3 0.1 0 1.52
【0068】 <表5> ダイクロイック膜13Gの構成 層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚 22 1.52 21 2.3 0.09 20 1.385 0.3 19 2.3 0.15 18 1.47 0.3 17 2.3 0.225 16 1.47 0.25 15 2.3 0.25 14 1.47 0.25 13 2.3 0.25 12 1.47 0.25 11 2.3 0.25 10 1.47 0.25 9 2.3 0.25 8 1.47 0.25 7 2.3 0.25 6 1.47 0.25 5 2.3 0.225 4 1.47 0.3 3 2.3 0.15 2 1.385 0.3 1 2.3 0.1 0 1.52<Table 5> Configuration of Dichroic Film 13G Layer Refractive Index Optical Thickness Layer Refractive Index Optical Thickness 22 1.52 21 2.3 0.09 20 1.385 0.3 19 2.3 0.15 18 1.47 0.3 17 2.3 0.225 16 1.47 0.25 15 2.3 0.25 14 1.47 0.25 13 2.3 0.25 12 1.47 0.25 11 2 .0.3 0.25 10 1.47 0.25 9 2.3 0.25 8 1.47 0.25 7 2.3 0.25 6 1.47 0.25 5 2.3 0.225 4 1. 47 0.3 3 2.3 0.15 2 1.385 0.3 1 2.3 0.1 0 1.52
【0069】入射角45゜のP偏光とS偏光に対するダ
イクロイック膜11R、13B、13Gの透過率と波長
の関係を図11、図12、図13にそれぞれ示す。な
お、透明基材11に入射する際に屈折が生じるため、ダ
イクロイック膜11Rへの入射角を45゜としても、ダ
イクロイック膜13B、13Gに対する光の実際の入射
角は45゜から変化する。ブレーズ格子12のブレーズ
角を5゜程度とすると、ダイクロイック膜13Bへの入
射角は32゜程度、ダイクロイック膜13Gへの入射角
は22゜程度となる。The relationship between the transmittance and the wavelength of the dichroic films 11R, 13B, 13G for the P-polarized light and the S-polarized light at an incident angle of 45 ° is shown in FIGS. In addition, since refraction occurs when the light enters the transparent base material 11, even if the incident angle to the dichroic film 11R is 45 °, the actual incident angle of light to the dichroic films 13B and 13G changes from 45 °. When the blaze angle of the blaze grating 12 is about 5 °, the incident angle on the dichroic film 13B is about 32 °, and the incident angle on the dichroic film 13G is about 22 °.
【0070】光学素子24は、マイクロレンズアレイを
備える図24に示したLCD53の照明光学系として利
用することができる。その際、素子24は単一の部材で
あるから、図23に示した光学系のように素子間の相対
角を調整する必要がなく、組み立てを速やかにかつ精度
よく行うことができる。なお、LCD53に導く光を直
線偏光としたり、変調後の光から映像を表す光を取り出
したりするためには、偏光板または前述の光学素子22
を用いればよい。The optical element 24 can be used as an illumination optical system for the LCD 53 shown in FIG. 24 having a microlens array. At this time, since the element 24 is a single member, it is not necessary to adjust the relative angle between the elements as in the optical system shown in FIG. 23, and the assembly can be performed quickly and accurately. In order to convert the light guided to the LCD 53 into linearly polarized light or to extract light representing an image from the modulated light, a polarizing plate or the above-described optical element 22 must be used.
May be used.
【0071】第5の実施形態の光学素子25の構成およ
び光に対する作用を図14に模式的に示す。この光学素
子25は、分離コーティング13として入射角に応じて
光を反射しまたは透過させる角度分離膜13cを備えて
いる。異なる方向から素子25に入射する光のうち、一
方は角度分離膜13cを透過し、他方は角度分離膜13
cで反射されてブレーズ格子12によって回折され、全
反射を受けながら端面に達して素子25の外部に出る。FIG. 14 schematically shows the structure of the optical element 25 of the fifth embodiment and its effect on light. The optical element 25 includes an angle separating film 13c that reflects or transmits light according to an incident angle as the separating coating 13. One of the lights incident on the element 25 from different directions is transmitted through the angle separating film 13c, and the other is transmitted through the angle separating film 13c.
The light is reflected by c and diffracted by the blazed grating 12, reaches the end face while undergoing total internal reflection, and exits the element 25.
【0072】角度分離膜13cの膜構成を表6に示し、
波長550nmの光に対する透過率と入射角の関係を図
15に示す。表6において、層番号0が透明基材11で
あり、層番号22が透明材14である。光学膜厚は70
0nmを基準波長として表している。Table 6 shows the film configuration of the angle separating film 13c.
FIG. 15 shows the relationship between the transmittance and the incident angle for light having a wavelength of 550 nm. In Table 6, the layer number 0 is the transparent base material 11, and the layer number 22 is the transparent material 14. Optical film thickness is 70
0 nm is represented as a reference wavelength.
【0073】 <表6> 角度分離膜13cの構成 層 屈折率 光学膜厚 層 屈折率 光学膜厚 22 1.62 21 1.62 0.125 20 1.385 0.3525 19 2.2 0.3125 18 1.385 0.3525 17 2.2 0.1175 16 1.385 0.4075 15 2.2 0.125 14 1.385 0.4 13 2.2 0.105 12 1.385 0.395 11 2.2 0.135 10 1.385 0.38 9 2.2 0.2075 8 1.385 0.3875 7 2.2 0.4475 6 1.385 0.3525 5 2.2 0.2975 4 1.385 0.295 3 2.2 0.3225 2 1.385 0.3475 1 1.62 0.125 0 1.62<Table 6> Configuration of Angle Separating Film 13c Layer Refractive Index Optical Thickness Layer Refractive Index Optical Thickness 22 1.62 21 1.62 0.125 20 1.385 0.3525 19 2.2 0.3125 18 1.385 0.3525 17 2.2 0.1175 16 1.385 0.4075 15 2.2 0.125 14 1.385 0.4 13 2.2 0.105 12 1.385 0.395 11 2.2 0.135 10 1.385 0.338 9 2.2 0.275 8 1.385 0.3875 7 2.2 0.4475 6 1.385 0.3525 5 2.2 0.2975 4 1 .385 0.295 3 2.2 0.3225 2 1.385 0.3475 1 1.62 0.125 0 1.62
【0074】光学素子25を反射型LCDの照明光学系
として使用する形態を図16に示す。光学素子25をL
CD31と平行に配置し、素子25の端面近傍に直線状
の光源41を配置する。また、素子25とLCD31の
間に偏光板43を配置する。光源41は無偏光の光を発
する。光源41が発した光は、端面より素子25に入
り、全反射を受けながら素子25内を進行する。素子2
5の内部を進行する光は角度分離膜13cで反射される
ことにより、透明基材11の表面11aに対する入射角
が変化していき、入射角が臨界角未満になった時点で表
面11aを透過する。表面11aを透過した光は、LC
D31に対してやや斜めに入射する照明光となる。この
照明光はLCD31に入射する前に偏光板43によって
直線偏光とされる。FIG. 16 shows a mode in which the optical element 25 is used as an illumination optical system of a reflection type LCD. Optical element 25 is L
The linear light source 41 is arranged in parallel with the CD 31 and near the end face of the element 25. Further, a polarizing plate 43 is arranged between the element 25 and the LCD 31. The light source 41 emits unpolarized light. Light emitted from the light source 41 enters the element 25 from the end face, and travels inside the element 25 while being totally reflected. Element 2
The light traveling inside 5 is reflected by the angle separating film 13c, so that the incident angle with respect to the surface 11a of the transparent substrate 11 changes, and passes through the surface 11a when the incident angle becomes smaller than the critical angle. I do. The light transmitted through the surface 11a is LC
This is illumination light that is incident on D31 at a slight angle. This illumination light is linearly polarized by the polarizing plate 43 before entering the LCD 31.
【0075】LCD31は、変調後も偏光面が回転しな
かった直線偏光が映像を表す光となるように動作を制御
される。LCD31で変調され反射された光は、偏光板
43によって映像を表す光のみとされ、透明基材11か
ら出たときとは異なる角度で、透明基材11から素子2
5に入る。この光は、角度分離膜13cに対する入射角
が小さく、角度分離膜13cを透過して透明材14から
素子25の外部に出る。素子25の外部に出た光は直接
観察するようにしてもよいし、投射光学系でスクリーン
に投射するようにしてもよい。なお、偏光板43に代え
て、前述の光学素子22を配置するようにしてもよい。The operation of the LCD 31 is controlled so that the linearly polarized light whose polarization plane has not rotated even after the modulation becomes light representing an image. The light that has been modulated and reflected by the LCD 31 is only light that represents an image by the polarizing plate 43, and the light from the transparent base 11 at a different angle from that when the light exits the transparent base 11.
Enter 5. This light has a small incident angle with respect to the angle separating film 13c, passes through the angle separating film 13c, and exits from the transparent material 14 to the outside of the element 25. Light emitted outside the element 25 may be directly observed, or may be projected on a screen by a projection optical system. Note that the above-described optical element 22 may be provided instead of the polarizing plate 43.
【0076】光学素子25をDMDの照明光学系として
使用し、DMDで変調した光を投射光学系で投射する形
態を図17に示す。DMD33を投射光学系34の光軸
に対して垂直に配置し、素子25をDMD33と投射光
学系34の間に、DMD33と平行に配置する。また、
素子25の端面近傍に直線状の光源41を配置する。光
源41が発した光は、上記のLCD31の照明の場合と
同様に、DMD33に対してやや斜めに入射する照明光
となる。FIG. 17 shows a mode in which the optical element 25 is used as an illumination optical system of a DMD, and light modulated by the DMD is projected by a projection optical system. The DMD 33 is arranged perpendicular to the optical axis of the projection optical system 34, and the element 25 is arranged between the DMD 33 and the projection optical system 34 in parallel with the DMD 33. Also,
A linear light source 41 is arranged near the end face of the element 25. The light emitted from the light source 41 becomes illumination light that enters the DMD 33 slightly obliquely, as in the case of the illumination of the LCD 31 described above.
【0077】DMD33は、映像を表す光を垂直方向に
反射し、他の光を垂直方向とは異なる方向に反射するよ
うに動作を制御される。DMD33で2方向に反射され
たこれらの光は、透明基材11の表面11aから素子2
5に入る。これらの光は、角度分離膜13cに対する入
射角が小さく、いずれも角度分離膜13cを透過して素
子25の外部に出る。素子25の外部に出た光のうち映
像を表す光のみが投射光学系34に入射して、不図示の
スクリーンに投射される。この設定では、図25に示し
たプリズムを使用する光学系に比べて、投射光学系34
のレンズバックを大幅に短くすることができる。The operation of the DMD 33 is controlled so that light representing an image is reflected in the vertical direction and other light is reflected in a direction different from the vertical direction. These lights reflected in two directions by the DMD 33 are transmitted from the surface 11a of the transparent substrate 11 to the element 2
Enter 5. These lights have a small incident angle with respect to the angle separating film 13c, and all of them pass through the angle separating film 13c and exit the element 25. Only light representing an image out of the light emitted outside the element 25 enters the projection optical system 34 and is projected on a screen (not shown). In this setting, the projection optical system 34 is compared with the optical system using the prism shown in FIG.
Lens back can be greatly shortened.
【0078】図18に示すように、角度分離膜13cの
設定の異なる光学素子25を2つ備え、照明用の光学素
子25を透過したDMD33からの反射光のうち、映像
を表す光以外の光を他方の光学素子25の角度分離膜1
3cで反射し、その素子25内で全反射させて端面から
外部に出すようにしてもよい。このようにすると、投射
光学系34近傍に向かう不要光をなくすことができて、
投射光学系34のレンズバックをさらに短くすることが
可能である。図15に示したように、角度分離膜13c
は入射角に10゜程度の差のある入射光を確実に分離す
る設定とすることができるから、DMD33は各ミラー
素片が5゜程度角度差のある2方向を向く設定とすれば
十分であり、DMD33の作製も容易である。As shown in FIG. 18, two optical elements 25 with different settings of the angle separating film 13c are provided, and among the reflected light from the DMD 33 transmitted through the illumination optical element 25, light other than light representing an image. To the angle separation film 1 of the other optical element 25
The light may be reflected at 3c, totally reflected within the element 25, and output from the end face to the outside. In this way, unnecessary light traveling toward the vicinity of the projection optical system 34 can be eliminated,
It is possible to further shorten the lens back of the projection optical system 34. As shown in FIG. 15, the angle separation film 13c
Can be set so as to reliably separate incident light having an incident angle difference of about 10 °. Therefore, it is sufficient for the DMD 33 to be set so that each mirror element faces two directions having an angle difference of about 5 °. Yes, the DMD 33 can be easily manufactured.
【0079】なお、2つの光学素子25の配置は逆にす
ることもできる。また、光学素子25を2つ使用するこ
とに代えて、第4の実施形態で示したように、ブレーズ
格子12と角度分離膜13cを2組備える単一の光学素
子とし、これをDMD33の照明のためとDMD33か
らの反射光の分離のために兼用してもよい。The arrangement of the two optical elements 25 can be reversed. Further, instead of using two optical elements 25, as shown in the fourth embodiment, a single optical element including two sets of the blazed grating 12 and the angle separation film 13c is used, and this is used for illumination of the DMD 33. And for separation of the reflected light from the DMD 33.
【0080】第6の実施形態の光学素子26の構成およ
び光に対する作用を図19に模式的に示す。この光学素
子26は、分離コーティング13として、回転方向が逆
の2つの円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイラ
ルネマティック液晶層13dを備えており、また、透明
基材11の表面11aに貼着された1/4位相板44を
備えている。なお、ここでは、カイラルネマティック液
晶層13dが右回りの円偏光を反射し左回りの円偏光を
透過させる設定とした例を掲げている。FIG. 19 schematically shows the structure of the optical element 26 according to the sixth embodiment and its effect on light. The optical element 26 includes a chiral nematic liquid crystal layer 13 d that reflects one of two circularly polarized lights having opposite rotation directions and transmits the other as the separation coating 13, and is attached to the surface 11 a of the transparent substrate 11. A quarter-phase plate 44 is provided. Here, an example is given in which the chiral nematic liquid crystal layer 13d reflects clockwise circularly polarized light and transmits counterclockwise circularly polarized light.
【0081】光学素子26は、1/4位相板44を透過
して入射する偏光面が互いに直交する2つの直線偏光を
分離することができる。1/4位相板44を透過するこ
とにより、一方の直線偏光は左回りの円偏光となり、他
方の直線偏光は右回りの円偏光となる。左回りの円偏光
は、カイラルネマティック液晶層13dを透過して透明
材14の表面14aから素子26の外部に出る。The optical element 26 is capable of separating two linearly polarized lights which are transmitted through the quarter-phase plate 44 and whose polarization planes are orthogonal to each other. By passing through the 1/4 phase plate 44, one of the linearly polarized lights becomes the left-handed circularly polarized light, and the other linearly polarized light becomes the right-handed circularly polarized light. The counterclockwise circularly polarized light passes through the chiral nematic liquid crystal layer 13d and exits the element 26 from the surface 14a of the transparent member 14.
【0082】一方、右回りの円偏光は、カイラルネマテ
ィック液晶層13dで反射されてブレーズ格子12によ
って回折され、1/4位相板44に再入射して直線偏光
となる。この直線偏光は1/4位相板44の表面で全反
射され、もう一度1/4位相板44を透過することによ
り右回りの円偏光に戻った状態で、透明基材11に再入
射する。この右回りの円偏光は、以下同様に、カイラル
ネマティック液晶層13dによる反射と1/4位相板4
4の表面での全反射を受けながら素子26の端面に達し
て、端面より外部に出る。On the other hand, the clockwise circularly polarized light is reflected by the chiral nematic liquid crystal layer 13d, is diffracted by the blaze grating 12, re-enters the 1 / phase plate 44, and becomes linearly polarized light. This linearly polarized light is totally reflected on the surface of the 位相 phase plate 44, and once again passes through the 位相 phase plate 44 to return to the clockwise circularly polarized light and re-enter the transparent substrate 11. The clockwise circularly polarized light is similarly reflected by the chiral nematic liquid crystal layer 13d and the quarter-phase plate 4
4 reaches the end face of the element 26 while undergoing total internal reflection on the surface of the element 4 and exits from the end face.
【0083】光学素子26を反射型LCDの照明光学系
として使用する形態を図20に示す。光学素子26をL
CD31と平行に配置して、端面より右回りの円偏光を
素子26に導き入れる。この円偏光は、上記のように反
射を受けながら素子26内を進行する。その間、液晶層
13dで反射されることにより1/4位相板44の表面
に対する入射角が変化していき、入射角が臨界角未満に
なった時点で光は外部に出て、LCD31の照明光とな
る。この照明光は1/4位相板44を透過することによ
り直線偏光になっている。FIG. 20 shows an embodiment in which the optical element 26 is used as an illumination optical system of a reflection type LCD. Optical element 26 is L
Arranged in parallel with the CD 31, circularly polarized light clockwise from the end face is guided to the element 26. The circularly polarized light travels through the element 26 while being reflected as described above. In the meantime, the light is reflected by the liquid crystal layer 13 d to change the incident angle with respect to the surface of the 13 phase plate 44, and when the incident angle becomes smaller than the critical angle, the light goes out and the illumination light of the LCD 31 Becomes This illumination light is converted into linearly polarized light by transmitting through the quarter-phase plate 44.
【0084】LCD31は、変調により偏光面が90゜
回転した直線偏光が映像を表す光となるように動作を制
御される。LCD31で変調され反射された光は、素子
26に入射し、1/4位相板44により円偏光に変換さ
れる。このとき、変調により偏光面が回転した直線偏光
すなわち映像を表す光は左回りの円偏光となり、偏光面
が回転しなかった直線偏光は右回りの円偏光に戻る。こ
れら2つの円偏光はカイラルネマティック液晶層13d
に達し、映像を表す左回りの円偏光のみが液晶層13d
を透過し、右回りの円偏光は液晶層13dで反射されて
端面より素子26の外部に出る。こうして、映像を表す
光のみが取り出される。The operation of the LCD 31 is controlled such that linearly polarized light whose polarization plane is rotated by 90 ° by modulation becomes light representing an image. The light modulated and reflected by the LCD 31 enters the element 26 and is converted into circularly polarized light by the 位相 phase plate 44. At this time, the linearly polarized light whose polarization plane has been rotated due to the modulation, that is, light representing an image, is left-handed circularly polarized light, and the linearly polarized light whose polarization plane has not been rotated returns to right-handed circularly polarized light. These two circularly-polarized lights are applied to the chiral nematic liquid crystal layer 13d.
And only the left-handed circularly polarized light representing the image is
, And the clockwise circularly polarized light is reflected by the liquid crystal layer 13 d and exits the element 26 from the end face. Thus, only the light representing the image is extracted.
【0085】なお、上記の各実施形態では、ブレーズ格
子12は光に回折のみを生じさせる設定としているが、
さらにパワーをもたせるようにしてもよい。これは、ブ
レーズ格子12をその全体にわたって一定の周期構造と
することに代えて、部位ごとに周期や単位構造を少しず
つ変化させて、回折角を連続的に変化させることにより
実現することができる。また、ブレーズ格子12に代え
てバイレベルあるいはマルチレベルの回折格子を備え、
その上に分離コーティング13を設けた構成としてもよ
い。In each of the above embodiments, the blaze grating 12 is set to cause only diffraction of light.
You may make it give more power. This can be realized by changing the diffraction angle continuously by gradually changing the period and the unit structure for each part, instead of having the blaze grating 12 with a constant periodic structure over the entire structure. . In addition, a bi-level or multi-level diffraction grating is provided in place of the blaze grating 12,
A configuration in which the separation coating 13 is provided thereon may be adopted.
【0086】[0086]
【発明の効果】板状の透明基材の表面のブレーズ格子上
に入射光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させ
る分離コーティングを設けた本発明のブレーズ格子素子
は、単一の薄い素子でありながら、分離コーティングに
より入射光をその特性に応じて反射光と透過光に分離す
ることが可能である上、分離した透過光もしくは反射光
または双方にブレーズ格子を作用させることができる。
ブレーズ格子の凹凸の高低差の設定次第で、分離後の光
を回折させたり屈折させたりすることが可能である。The blazed grating element of the present invention in which a separation coating for reflecting or transmitting incident light according to the characteristics of the incident light is provided on the blazed grating on the surface of the plate-shaped transparent substrate is a single thin blazed grating element. Although it is an element, incident light can be separated into reflected light and transmitted light by a separation coating according to its characteristics, and a blazed grating can act on the separated transmitted light or reflected light or both.
The light after separation can be diffracted or refracted depending on the setting of the height difference of the unevenness of the blaze grating.
【0087】分離コーティングを挟んで透明基材のブレ
ーズ格子に密着した板状の透明材を備えるようにする
と、格子面の保護が可能になり、また、透過光に不要な
変調がかかるのを避けることもできる。By providing a plate-shaped transparent material that is in close contact with the blazed grating of the transparent substrate with the separating coating interposed therebetween, the grating surface can be protected and unnecessary modulation of transmitted light is avoided. You can also.
【0088】ブレーズ格子と分離コーティングを2組備
える構成とすれば、一方の分離コーティングで分離した
透過光を他方の分離コーティングでさらに反射光と透過
光に分離することが可能であり、多様な機能を有する素
子となる。また、2つのブレーズ格子のブレーズ面の傾
斜方向を逆にすることで、入射角によって分離が不完全
になるのを避けることも可能である。With a configuration having two sets of the blaze grating and the separation coating, the transmitted light separated by one separation coating can be further separated into reflected light and transmitted light by the other separation coating. Is obtained. In addition, by inverting the inclination directions of the blaze surfaces of the two blaze gratings, it is possible to avoid incomplete separation due to the incident angle.
【0089】分離コーティングを入射光の偏光特性に応
じて入射光を反射しまたは透過させるものとすると、平
板状でありながら、良好な偏光分離特性を有するPBS
素子となる。Assuming that the separation coating reflects or transmits incident light according to the polarization characteristics of the incident light, a PBS having a plate-like shape and excellent polarization separation characteristics can be used.
Element.
【0090】板状の透明基材の表面の回折格子上に入射
光の偏光特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる
分離コーティングを設け、分離コーティングを挟んで透
明基材の回折格子に板状の透明材を密着させた本発明の
回折格子素子は、単一の薄い素子でありながら、光を偏
光分離し、分離後の反射光に回折を生じさせて反射角を
変えることができる。A separation coating for reflecting or transmitting incident light according to the polarization characteristics of the incident light is provided on the diffraction grating on the surface of the plate-shaped transparent substrate, and the plate is provided on the diffraction grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween. The diffraction grating element of the present invention in which a transparent material is adhered to a single thin element, can separate the polarization of light and cause diffraction of the separated reflected light to change the reflection angle.
【0091】分離後の反射光を内部で全反射して端面に
導くようにすると、不要な反射光を素子の端面から捨て
去ることができて、反射光の処理が容易になる上、光を
吸収して素子が高温になることもない。When the reflected light after separation is totally reflected inside and guided to the end face, unnecessary reflected light can be discarded from the end face of the element, and the processing of the reflected light becomes easy and the light is absorbed. The temperature of the element does not rise.
【0092】板状の透明基材の表面の回折格子上に入射
光の特性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離
コーティングを設けた回折格子素子を含み、光を回折格
子素子によって照明対象物に導いて照明対象物を照明す
るとともに、照明対象物によって反射された光を回折格
子素子を透過させて外部に導くようにした本発明の照明
光学系は、照明対象物からの距離が短い範囲内で、照明
対象物からの必要な反射光を取り出すことができる。し
たがって、反射型のLCDやDMDを空間変調素子とす
る映像表示装置の照明に好適である。投射型の映像表示
装置とするときは、投射光学系のレンズバックが短くな
って、投射光学系を小型にすることもできる。A diffraction grating element provided with a separation coating for reflecting or transmitting incident light according to the characteristics of the incident light is provided on the diffraction grating on the surface of the plate-shaped transparent substrate, and the light is illuminated by the diffraction grating element. The illumination optical system of the present invention, which guides the object to illuminate the illumination target and transmits the light reflected by the illumination target through the diffraction grating element to the outside, has a short distance from the illumination target. Within the range, required reflected light from the illumination object can be extracted. Therefore, it is suitable for illumination of an image display device using a reflection type LCD or DMD as a spatial modulation element. When a projection-type image display device is used, the lens back of the projection optical system is shortened, and the projection optical system can be downsized.
【0093】分離コーティングを入射光の入射角に応じ
て入射光を反射しまたは透過させるものとすれば、回折
格子素子を透過した後の照明対象物からの光の光路外に
光源を配置することがきわめて容易になり、例えば、光
源からの光を回折格子素子の端面から回折格子素子に導
き入れる構成とすることができる。If the separation coating reflects or transmits the incident light according to the incident angle of the incident light, the light source is disposed outside the optical path of the light from the illumination object after passing through the diffraction grating element. This becomes very easy, and for example, it is possible to adopt a configuration in which light from a light source is guided into the diffraction grating element from an end face of the diffraction grating element.
【0094】また、分離コーティングを回転方向の異な
る2つの円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイラ
ルネマティック液晶層とすれば、照明光と照明対象物か
らの反射光を確実に分離することができる。If the separation coating is a chiral nematic liquid crystal layer that reflects one of two circularly polarized lights having different rotation directions and transmits the other, the illumination light and the reflected light from the illumination object can be reliably separated. it can.
【図1】 本発明のブレーズ格子素子および回折格子素
子の基本構成を模式的に示す断面図。FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a basic configuration of a blazed grating element and a diffraction grating element of the present invention.
【図2】 本発明のブレーズ格子素子および回折格子素
子の別の基本構成を模式的に示す断面図。FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing another basic configuration of the blazed grating element and the diffraction grating element of the present invention.
【図3】 第1の実施形態の光学素子の構成および光に
対する作用を模式的に示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a configuration of the optical element according to the first embodiment and an action on light.
【図4】 第1の実施形態の光学素子に備えたPBS膜
の、入射角45゜のP偏光とS偏光に対する透過率と波
長の関係を示す図。FIG. 4 is a view showing the relationship between the transmittance and the wavelength of P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 45 ° of the PBS film provided in the optical element of the first embodiment.
【図5】 第1の実施形態の光学素子を反射型LCDの
照明光学系として使用する形態を示す断面図。FIG. 5 is a cross-sectional view showing a mode in which the optical element according to the first embodiment is used as an illumination optical system of a reflective LCD.
【図6】 第2の実施形態の光学素子の構成および光に
対する作用を模式的に示す断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the optical element according to the second embodiment and the effect on light.
【図7】 第2の実施形態の光学素子に備えたPBS膜
の、入射角60゜のP偏光とS偏光に対する透過率と波
長の関係を示す図。FIG. 7 is a view showing the relationship between the transmittance and the wavelength of P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 60 ° of the PBS film provided in the optical element of the second embodiment.
【図8】 第2の実施形態の光学素子を透過型LCDの
照明光学系および映像を表す光を取り出す光学系として
使用する形態を示す断面図。FIG. 8 is a cross-sectional view showing a mode in which the optical element of the second embodiment is used as an illumination optical system of a transmission type LCD and an optical system for extracting light representing an image.
【図9】 第3の実施形態の光学素子の構成および光に
対する作用を模式的に示す断面図。FIG. 9 is a cross-sectional view schematically illustrating the configuration of the optical element according to the third embodiment and the effect on light.
【図10】 第4の実施形態の光学素子の構成および光
に対する作用を模式的に示す断面図。FIG. 10 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of an optical element according to a fourth embodiment and the effect on light.
【図11】 第4の実施形態の光学素子に備えたR光反
射のダイクロイック膜の、入射角45゜のP偏光とS偏
光に対する透過率と波長の関係を示す図。FIG. 11 is a view showing the relationship between the transmittance and the wavelength of P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 45 ° of an R light reflecting dichroic film provided in the optical element of the fourth embodiment.
【図12】 第4の実施形態の光学素子に備えたB光反
射のダイクロイック膜の、入射角45゜のP偏光とS偏
光に対する透過率と波長の関係を示す図。FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the transmittance and the wavelength of P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 45 ° of a B light reflecting dichroic film provided in the optical element of the fourth embodiment.
【図13】 第4の実施形態の光学素子に備えたG光反
射のダイクロイック膜の、入射角45゜のP偏光とS偏
光に対する透過率と波長の関係を示す図。FIG. 13 is a view showing the relationship between the transmittance and the wavelength for P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 45 ° of a G light reflecting dichroic film provided in the optical element of the fourth embodiment.
【図14】 第5の実施形態の光学素子の構成および光
に対する作用を模式的に示す断面図。FIG. 14 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the optical element according to the fifth embodiment and the effect on light.
【図15】 第5の実施形態の光学素子に備えた角度分
離膜の、波長550nmの光に対する透過率と入射角の
関係を示す図。FIG. 15 is a view showing the relationship between the transmittance and the incident angle of light having a wavelength of 550 nm of an angle separation film provided in an optical element according to a fifth embodiment.
【図16】 第5の実施形態の光学素子を反射型LCD
の照明光学系として使用する形態を示す断面図。FIG. 16 shows an optical element according to a fifth embodiment as a reflection type LCD.
Sectional drawing which shows the form used as an illumination optical system of FIG.
【図17】 第5の実施形態の光学素子をDMDの照明
光学系として使用する形態を示す断面図。FIG. 17 is a cross-sectional view showing an embodiment in which the optical element according to the fifth embodiment is used as an illumination optical system of a DMD.
【図18】 第5の実施形態の光学素子をDMDの照明
光学系および映像を表す光を取り出す光学系として使用
する形態を示す断面図。FIG. 18 is a cross-sectional view showing a mode in which the optical element according to the fifth embodiment is used as an illumination optical system of a DMD and an optical system for extracting light representing an image.
【図19】 第6の実施形態の光学素子の構成および光
に対する作用を模式的に示す断面図。FIG. 19 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the optical element according to the sixth embodiment and the effect on light.
【図20】 第6の実施形態の光学素子を反射型LCD
の照明光学系として使用する形態を示す断面図。FIG. 20 shows a reflection type LCD using an optical element according to the sixth embodiment.
Sectional drawing which shows the form used as an illumination optical system of FIG.
【図21】 PBSプリズムの構成を示す図。FIG. 21 is a diagram showing a configuration of a PBS prism.
【図22】 反射型LCDの照明光と反射光を分離する
ための従来の光学素子を示す図。FIG. 22 is a view showing a conventional optical element for separating illumination light and reflected light of a reflective LCD.
【図23】 白色光を光路に角度差のあるR光、G光、
B光に分離するための従来の光学系を示す図。FIG. 23 shows R light, G light, and white light having an angle difference in an optical path.
FIG. 4 is a diagram showing a conventional optical system for separating into B light.
【図24】 マイクロレンズアレイを備え、光路に角度
差のあるR光、G光、B光で照明されるLCDの構成を
示す図。FIG. 24 is a diagram showing a configuration of an LCD that includes a microlens array and is illuminated with R light, G light, and B light having an optical path with an angle difference.
【図25】 DMDを照明する従来の光学系を示す図。FIG. 25 is a diagram showing a conventional optical system for illuminating a DMD.
1、2 ブレーズ格子素子 11 透明基材 11a 透明基材表面 11R ダイクロイック膜 12 ブレーズ格子 12a ブレーズ面 13 分離コーティング 13a、13b 偏光分離膜 13B、13G ダイクロイック膜 14 透明材 14a 透明材表面 15 光吸収部材 21、22、23、24、25、26 回折格子素子 31 反射型LCD 32 透過型LCD 33 DMD 34 投射光学系 41 光源 43 偏光板 44 1/4位相板 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 Blaze grating element 11 Transparent base material 11a Transparent base surface 11R Dichroic film 12 Blaze grating 12a Blaze surface 13 Separation coating 13a, 13b Polarization separation film 13B, 13G Dichroic film 14 Transparent material 14a Transparent material surface 15 Light absorbing member 21 , 22, 23, 24, 25, 26 Diffraction grating element 31 Reflective LCD 32 Transmission LCD 33 DMD 34 Projection optical system 41 Light source 43 Polarizer 44 1/4 phase plate
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 1/1335 1/1335 Fターム(参考) 2H038 AA55 BA06 2H049 AA43 AA45 AA63 AA65 BA05 BA07 BA43 BB62 BB66 BC22 2H088 EA12 GA02 GA17 HA13 HA16 HA20 HA21 HA23 JA04 MA01 2H091 FA07Z FA14Z FA19Z FA41Z 2H099 AA11 BA09 CA17 DA05 ──────────────────────────────────────────────────の Continued on the front page (51) Int.Cl. 7 Identification symbol FI Theme coat ゛ (Reference) G02F 1/13 505 G02F 1/13 505 1/1335 1/1335 F-term (Reference) 2H038 AA55 BA06 2H049 AA43 AA45 AA63 AA65 BA05 BA07 BA43 BB62 BB66 BC22 2H088 EA12 GA02 GA17 HA13 HA16 HA20 HA21 HA23 JA04 MA01 2H091 FA07Z FA14Z FA19Z FA41Z 2H099 AA11 BA09 CA17 DA05
Claims (12)
基材と、 前記透明基材のブレーズ格子上に設けられ、入射光の特
性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーテ
ィングとを備えることを特徴とするブレーズ格子素子。1. A plate-shaped transparent substrate having a blazed grating on a surface thereof, and a separation coating provided on the blazed grating of the transparent substrate and reflecting or transmitting incident light according to characteristics of the incident light. A blazed grating element, comprising:
基材のブレーズ格子に密着した板状の透明材を備えるこ
とを特徴とする請求項1に記載のブレーズ格子素子。2. The blazed grating device according to claim 1, further comprising a plate-shaped transparent material that is in close contact with the blazed grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween.
対側の表面にブレーズ格子を有しており、 前記透明材のブレーズ格子上に設けられ、入射光の特性
に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーティ
ングと、 前記分離コーティングを挟んで前記透明材のブレーズ格
子に密着した板状の透明材を備えることを特徴とする請
求項2に記載のブレーズ格子素子。3. The transparent material has a blazed grating on a surface opposite to the transparent substrate, and is provided on the blazed grating of the transparent material, and the incident light depends on characteristics of the incident light. 3. The blaze grating element according to claim 2, further comprising: a separation coating that reflects or transmits light; and a plate-shaped transparent material that is in close contact with the transparent material blaze grating with the separation coating interposed therebetween.
性に応じて入射光を反射しまたは透過させることを特徴
とする請求項1に記載のブレーズ格子素子。4. The blazed grating device according to claim 1, wherein the separation coating reflects or transmits the incident light according to the polarization characteristics of the incident light.
応じて入射光を反射しまたは透過させることを特徴とす
る請求項1に記載のブレーズ格子素子。5. The blazed grating device according to claim 1, wherein the separation coating reflects or transmits the incident light according to the wavelength of the incident light.
に応じて入射光を反射しまたは透過させることを特徴と
する請求項1に記載のブレーズ格子素子。6. The blazed grating device according to claim 1, wherein the separation coating reflects or transmits incident light according to an incident angle of the incident light.
と、 前記透明基材の回折格子上に設けられ、入射光の偏光特
性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーテ
ィングと、 前記分離コーティングを挟んで前記透明基材の回折格子
に密着した板状の透明材を備えることを特徴とする回折
格子素子。7. A plate-shaped transparent substrate having a diffraction grating on its surface, and a separation coating provided on the diffraction grating of the transparent substrate and reflecting or transmitting incident light according to the polarization characteristics of the incident light. A diffraction grating element comprising a plate-shaped transparent material that is in close contact with the diffraction grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween.
反射された光を内部で全反射して端面に導くことを特徴
とする請求項7に記載の回折格子素子。8. The diffraction grating element according to claim 7, wherein the transparent substrate totally reflects the light reflected by the separation coating inside and guides the light to an end face.
と、前記透明基材の回折格子上に設けられ、入射光の特
性に応じて入射光を反射しまたは透過させる分離コーテ
ィングを備える回折格子素子を含み、 光を前記回折格子素子によって照明対象物に導いて照明
対象物を照明するとともに、照明対象物によって反射さ
れた光を前記回折格子素子を透過させて外部に導くこと
を特徴とする照明光学系。9. A transparent substrate in the form of a plate having a diffraction grating on its surface, and a separation coating provided on the diffraction grating of the transparent substrate and reflecting or transmitting incident light according to characteristics of the incident light. A diffraction grating element for guiding light to the illumination target by the diffraction grating element to illuminate the illumination target, and transmitting light reflected by the illumination target to the outside through the diffraction grating element. Illumination optical system.
ングを挟んで前記透明基材の回折格子に密着した板状の
透明材を備えることを特徴とする請求項9に記載の照明
光学系。10. The illumination optical system according to claim 9, wherein the diffraction grating element includes a plate-shaped transparent material that is in close contact with the diffraction grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween.
角に応じて入射光を反射しまたは透過させることを特徴
とする請求項9に記載の照明光学系。11. The illumination optical system according to claim 9, wherein the separation coating reflects or transmits the incident light according to an incident angle of the incident light.
なる2つの円偏光の一方を反射し他方を透過させるカイ
ラルネマティック液晶層であることを特徴とする請求項
9に記載の照明光学系。12. The illumination optical system according to claim 9, wherein the separation coating is a chiral nematic liquid crystal layer that reflects one of two circularly polarized lights having different rotation directions and transmits the other.
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