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JP2009032698A - Illumination optical system - Google Patents

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JP2009032698A
JP2009032698A JP2008212355A JP2008212355A JP2009032698A JP 2009032698 A JP2009032698 A JP 2009032698A JP 2008212355 A JP2008212355 A JP 2008212355A JP 2008212355 A JP2008212355 A JP 2008212355A JP 2009032698 A JP2009032698 A JP 2009032698A
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JP
Japan
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light
optical system
diffraction grating
reflected
illumination
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Pending
Application number
JP2008212355A
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Japanese (ja)
Inventor
Kotaro Hayashi
宏太郎 林
Yuichiro Otoshi
祐一郎 大利
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Konica Minolta Opto Inc
Original Assignee
Konica Minolta Opto Inc
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Publication date
Application filed by Konica Minolta Opto Inc filed Critical Konica Minolta Opto Inc
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)
  • Planar Illumination Modules (AREA)
  • Optical Filters (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an illumination optical system capable of extracting necessary reflected light from an object to be illuminated in a range small in distance from the object, and suitable for illumination of an image display device using a reflection type LCD or DMD as a spatial modulator. <P>SOLUTION: This illumination optical system is configured by including: a plate-like transparent base material having a diffraction grating on a surface thereof; and a diffraction grating element formed on the diffraction grating of the transparent base material, and having a separation coating for reflecting or transmitting incident light according to a characteristic of the incident light. In the illumination optical system, the object to be illuminated is illuminated by guiding light to the object by the diffraction grating element, and light reflected by the object is made to permeate the diffraction grating element, and guided to the outside. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、回折格子素子を備えた照明光学系に関する。   The present invention relates to an illumination optical system including a diffraction grating element.

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(LCD)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。   In an image display device in which illumination light is modulated by a spatial modulation element and an image is represented by the modulated light, various optical elements are used to guide the illumination light to the spatial modulation element. When a liquid crystal display (LCD) is used as the spatial modulation element, it is necessary to give the LCD a linearly polarized light with a fixed polarization plane. For this reason, when a light source that emits non-polarized light is used, linearly polarized light suitable for the LCD is extracted using a polarization separation (PBS) prism or a polarizing plate.

PBSプリズムの構成を図21に示す。PBS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、51bで挟んで正四角柱のPBSプリズムの形態とされている。   The configuration of the PBS prism is shown in FIG. The PBS prism has a configuration in which a PBS film 51c is sandwiched between two prism pieces 51a and 51b having a right-angled isosceles triangle. The PBS film 51c separates both the P-polarized light and the S-polarized light by selectively transmitting and selectively reflecting the other, but generally, the selectivity of transmission and reflection is not required unless the incident angle is about 45 ° or more. Decreases and separation cannot be performed satisfactorily. For this reason, it is in the form of a square prism PBS prism sandwiched between two prism pieces 51a and 51b.

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。   The polarizing plate also transmits linearly polarized light having a constant polarization plane, but absorbs other polarization components rather than reflecting them. In the PBS prism, both transmitted light and reflected light can be used for LCD illumination, whereas in the polarizing plate, only the transmitted light can be used.

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 reflective LCD, since the optical path of the illumination light that illuminates the LCD matches the optical path of the reflected light from the LCD, it is necessary to separate the optical path of the illumination light and the reflected light that represents the image somewhere on the optical path. . For this purpose, an optical element that reflects one of illumination light and reflected light and transmits the other is used.

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-described PBS prism is also used for this purpose. When a reflective LCD is set so that light whose polarization plane is rotated by 90 ° represents an image, when the light transmitted through the PBS prism is used as illumination light, the light representing the image is reflected by the PBS prism. In addition, when the light reflected by the PBS prism is used as illumination light, the light representing the image is transmitted through the PBS prism, and in either case, the reflected light representing the image is used as the light source. It is possible to guide in a direction different from the direction toward.

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字状の溝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52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52dの表面に当たって反射され、下面52bを透過してLCD53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。   Another optical element for separating the illumination light and the reflected light is shown in FIG. This optical element is formed by forming a large number of grooves 52d having a V-shaped cross section on the upper surface 52a of a transparent flat plate 52, and the lower surface 52b is arranged facing the reflective LCD 53. Light from the light source is guided into the flat plate 52 from the end surface 52c of the flat plate 52, and travels through the flat plate 52 while being totally reflected by the upper surface 52a and the lower surface 52b. Meanwhile, the light hits the surface of the groove 52d and is reflected, and passes through the lower surface 52b to illuminate the LCD 53. 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 to the outside.

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。LCD53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。   Between the flat plate 52 and the LCD 53, a polarizing plate 54 for making the illumination light linearly polarized light is disposed. The LCD 53 is controlled so that the linearly polarized light whose plane of polarization does not rotate after modulation is not linearly polarized light whose plane of polarization is rotated by 90 °, but becomes light representing an image.

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。   One method for displaying a color image is to provide each pixel of the LCD with a color filter that selectively transmits red (R) light, green (G) light, or blue (B) light. It has been broken. 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. Therefore, in recent years, illumination light is separated into R light, G light, and B light whose traveling directions are slightly different from each other, and the LCD is provided with a microlens array so that the R light, G light, and B light are separated into separate pixels. Incidence has been made.

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、55G、55B相互間の角度の2倍の角度差が生じる。   An optical system used for color separation in this method is shown in FIG. This optical system includes three dichroic mirrors 55R, 55G, and 55B. The dichroic mirrors 55R, 55G, and 55B selectively reflect R light, G light, and B light, respectively, and transmit other color light. The mirrors 55R, 55G, and 55B are arranged at an angle to each other and reflect incident light in different directions. In the optical path of the reflected R light, G light, and B light, an angle difference that is twice the angle between the mirrors 55R, 55G, and 55B is generated.

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56a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, the microlens array 56 provided in the LCD 53 is set so that each microlens 56a faces the adjacent three pixels 53R, 53G, and 53B. R light, G light, and B light enter each micro lens 56a from different directions, and each micro lens converges R light, G light, and B light on different pixels 53R, 53G, and 53B, respectively. Let Thus, all the light from the light source is guided to the pixels of the LCD 53, and a bright image can be provided.

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。DMD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。   An element called a digital micromirror device (DMD) in which a large number of minute angle variable mirror elements are two-dimensionally arranged 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. Of the light reflected in two directions by the DMD, one is extracted as light representing an image, and the other is discarded as unnecessary light.

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。   A general optical system for illuminating the DMD is shown in FIG. In this optical system, two prisms 57a and 57b are arranged slightly apart from each other. Light from the light source is guided to 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, and the light is totally reflected by the surface 57c and passes through the surface 57d to illuminate the DMD 58. The light reflected by the DMD 58 enters the prism 57a from the surface 57d while being separated into light representing an image and unnecessary light. The light that has entered the prism 57a reaches the surface 57c. Since the incident angle is smaller than the critical angle, the light is transmitted therethrough and is also transmitted through the prism 57b. As described above, the optical system that illuminates the DMD uses total reflection and transmission of light by the prism surface.

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。   The polarizing plate has a simple configuration and is flat, and is very easy to use. However, the transmittance of linearly polarized light that passes 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 is transmitted, so that the temperature becomes high and adversely affects other elements such as an LCD disposed in the vicinity. When the intensity of light is increased in order to display a bright image, the polarizing plate becomes particularly hot.

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 inconvenience of high temperature, and both transmitted light and reflected light can be used. Further, it is easy to make the transmittance and the reflectance approximately 100%, which is excellent in terms of light utilization 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 a projection-type device that projects light on the screen and forms an image on the screen, the lens back of the projection optical system becomes long, and a large projection optical system is required to display a bright image. Become. The problem of increasing the size and weight of the apparatus also applies to the optical system of FIG. 25 that also uses a prism.

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 configuration in which a groove is provided on a flat plate and is easy to use. However, a part of the reflected light from the LCD entering the flat plate is reflected on the surface of the groove, and the flat plate is formed. Cannot penetrate. For this reason, striped dark portions appear in the displayed video. Although it is possible to reduce the conspicuous dark area by reducing the width of the groove, it is not an essential solution.

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。   In addition, the optical system comprising the three dichroic mirrors shown in FIG. 23 is excellent in terms of light utilization efficiency, but each dichroic mirror is a separate element, so that the mutual angle can be accurately set. difficult. For this reason, it takes time to assemble the optical system, and the manufacturing efficiency is lowered.

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。   By the way, diffractive optical elements that have a lattice plane in which minute concavo-convex structures are periodically arranged and change the path of light by diffraction are used in various fields of optics. The diffractive optical element includes a bi-level element in which the concave portion and the convex portion of the grating surface are both flat and the level (height) of the flat portion is two, and a multi-layer having one or more levels between the concave portion and the convex portion. There is a level element and a blaze type element having an inclined surface and a sawtooth cross section. Any of the diffractive optical elements can be a transmission type that causes diffraction in transmitted light, or can be a reflection type in which a reflection film is coated on a grating surface to cause diffraction in reflected light. In the case of the transmissive type, an antireflection film is coated on the lattice surface in order to increase the transmittance.

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 it is not a diffractive optical element, the Fresnel lens also has many small inclined surfaces and is a blazed element having a sawtooth cross section. Diffractive optical elements have an uneven height difference of about the wavelength of light, which causes diffraction, whereas Fresnel lenses have a large uneven height difference of several times the wavelength. To change.

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。しかし、そのような光学素子を用いた照明光学系であって、照明対象物(例えば反射型のLCDやDMD)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を可能にした照明光学系は、未だ提案されてはいない。   A diffractive optical element and a Fresnel lens have a great feature that they are thin optical elements. However, it is an illumination optical system using such an optical element, and takes out necessary reflected light from the illumination object within a short distance from the illumination object (for example, a reflective LCD or DMD). An illumination optical system that makes this possible has not been proposed yet.

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、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、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な照明光学系を提供することにある。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to extract necessary reflected light from the illumination object within a short distance from the illumination object. Another object of the present invention is to provide an illumination optical system suitable for illumination of an image display device using a reflective LCD or DMD as a spatial modulation element.

前記目的を達成するために、本発明では、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, in the present invention, a plate-shaped transparent substrate having a diffraction grating on its surface, and provided on the diffraction grating of the transparent substrate, reflects incident light according to the characteristics of incident light or A diffraction grating element having a separating coating to be transmitted is included in the illumination optical system, and the light is guided to the illumination object by the diffraction grating element to illuminate the illumination object, and the light reflected by the illumination object is reflected by the diffraction grating element Shall be guided to the outside.

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してもよい。   The diffraction grating element may be provided with a plate-like transparent material that is in close contact with the diffraction grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween.

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。   The separation coating may reflect or transmit incident light according to the incident angle of incident light.

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。   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.

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によれば、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。本発明では、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。   Includes a diffraction grating element provided with a separation coating that reflects or transmits incident light on the diffraction grating on the surface of the plate-like transparent substrate, and guides the light to the object to be illuminated by the diffraction grating element According to the illumination optical system of the present invention that illuminates the illumination object and transmits the light reflected by the illumination object through the diffraction grating element to the outside, the distance from the illumination object is short. The necessary reflected light from the illumination object can be extracted. Therefore, it is suitable for illumination of a video display device using a reflective 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. In the present invention, the optical paths of the illumination light and the reflected light from the illumination object overlap, but it is easy to extract only the reflected light from the illumination object by combining the function of the diffraction grating and the function of the separation coating.

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すれば、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。   If the diffraction grating element is provided with a plate-like transparent material that is in close contact with the diffraction grating of the transparent substrate with the separation coating interposed therebetween, the diffraction grating and the separation coating can be protected, and the illumination object that passes through the element It is possible to avoid unnecessary modulation of the reflected light from the light.

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, it is very easy to place the light source outside the optical path of the light from the illumination object after passing through the diffraction grating element. Thus, for example, the light from the light source can be introduced into the diffraction grating element from the end face of the diffraction grating element.

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。   Further, 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.

本発明の照明光学系に適用可能な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。   A basic configuration of a blazed grating element and a diffraction grating element applicable to the illumination optical system of the present invention is schematically shown in FIGS. FIG. 1 shows a blazed grating element 1 having the simplest structure 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.

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 of the unevenness of the blazed grating 12 is about the wavelength of light, the blazed grating 12 becomes a diffraction grating and the blazed grating element 1 becomes a diffraction grating element. Further, if the height difference of the unevenness of the blazed grating 12 is set to be several times the wavelength of light, 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.

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13が保護された形態となる。   FIG. 2 shows a blazed grating element 2 in which a flat transparent material 14 that is in close contact with the blazed grating 12 is added to the blazed grating element 1 of FIG. The transparent material 14 can also be made of resin or glass. The materials of the transparent base material 11 and the transparent material 14 may be the same or different. In the blazed grating element 2, the blazed grating 12 and the separation coating 13 are protected.

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 depending on the characteristics of the incident light. Examples of the characteristics of the incident light include a wavelength, a direction of a polarization plane of linearly polarized light, a rotation direction of circularly polarized light, and an incident angle with respect to the separation coating 13.

ブレーズ格子素子1では、ブレーズ格子12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 12 acts on both the light transmitted through the separation coating 13 and the light reflected by the separation coating 13. That is, the blazed grating 12 causes diffraction or refraction for transmitted light, and causes reflection at a reflection angle different from the diffraction or incident angle for reflected light.

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 refractive indexes of the transparent base material 11 and the transparent material 14 are different from each other, the blazed grating 12 is similar to the blazed grating element 1 with respect to both light transmitted through the separation coating 13 and reflected light. Act. On the other hand, if the refractive indexes of the transparent base material 11 and the transparent material 14 are equal, the blazed grating 12 acts only on the reflected light, and the blazed grating element 2 becomes a mere transparent parallel plate for the transmitted light.

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13a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12aの成す角)は30゜である。   Hereinafter, some embodiments in which the blazed grating element 2 is a diffractive optical element will be described. The configuration of the optical element 21 of the first embodiment and the action on light are schematically shown in FIG. The optical element 21 includes a PBS film 13 a as the separation coating 13. The PBS film 13a is set to transmit P-polarized light and reflect S-polarized light. The refractive indexes of the transparent base material 11 and the transparent material 14 are 1.62, and the blaze angle of the blazed grating 12 (angle formed by the individual blazed surfaces 12a with respect to the plane of the entire blazed grating) is 30 °.

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12a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 an arrangement in which the incident angle of light on the transparent substrate 11 is 25 °. The light incident on the transparent substrate 11 at an incident angle of 25 ° is refracted and the incident angle with respect to the blazed surface 12a becomes 45 °. Of the light incident on the blazed surface 12 a, the polarization component that becomes P-polarized light with respect to the PBS film 13 a passes through the PBS film 13 a and also passes through the transparent material 14 and goes out of the element 21. This light travels along an optical path that is parallel to and slightly shifted from the light before entering the element 21.

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 13 a is reflected by the PBS film 13 a and diffracted by the blazed grating 12. The diffracted reflected light is incident on the surface 11a of the transparent substrate 11 at an incident angle exceeding the critical angle and is totally reflected. Most of the light totally reflected by the surface 11a is reflected by the blazed surface 12a, and the remaining part transmitted between the two blazed surfaces 12a is also totally reflected by the surface 14a of the transparent material 14. These lights repeatedly reflect on the surface 11a of the transparent substrate 11, the blazed surface 12a, and the surface 14a of the transparent material 14, reach the end surface of the element 21, and exit from the end surface to the outside.

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, the polarization component that becomes P-polarized light can be taken out from the PBS film 13a with almost no change in the path, and the polarization component that becomes S-polarized light can be directed to the PBS film 13a in a completely different direction. Can be thrown away. Moreover, since the element 21 does not absorb light, it does not reach a high temperature.

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11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。   The film configuration of the PBS film 13a is shown in Table 1, and the relationship between the transmittance and wavelength for P-polarized light and S-polarized light with an incident angle of 45 ° is shown in FIG. In Table 1, the layer number 0 is the transparent substrate 11 and the layer number 18 is the transparent material 14. The optical film thickness is expressed using 745 nm as a reference wavelength.

<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> Structure 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 0.25
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

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LCD31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LCD31に対して略90゜の角度で入射する照明光となる。   FIG. 5 shows a form in which the optical element 21 is used as an illumination optical system for a reflective LCD. The optical element 21 is disposed with an inclination of 25 ° with respect to the LCD 31, and a linear light source 41 is disposed in the vicinity of the end face of the element 21. The light source 41 emits non-polarized light. The light emitted from the light source 41 enters the element 21 from the end face and travels through the element 21 while undergoing total reflection. Of the light that travels inside the element 21, the polarization component that is S-polarized with respect to the PBS film 13 a is reflected by the PBS film 13 a, whereby the incident angle with respect to the surface 11 a of the transparent substrate 11 changes. The light passes through the surface 11a when the incident angle becomes less than the critical angle. The light transmitted through the surface 11a becomes illumination light incident on the LCD 31 at an angle of approximately 90 °.

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13a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21の端面に向かい、光源41に向けて出る。   The operation of the LCD 31 is controlled so 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 element 21. Of the light that has entered the element 21, the polarization component representing the image becomes P-polarized light with respect to the PBS film 13 a, passes through the PBS film 13 a, and exits the element 21 from the transparent material 14. On the other hand, the other polarization component is reflected as S-polarized light with respect to the PBS film 13a, and is directed toward the end face of the element 21 and is emitted toward the light source 41 while being totally reflected as described above.

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 light flux of the reflected light from the LCD 31 and is less than half that of the conventional PBS prism. Therefore, when a projection-type image display device that projects light representing an image onto a screen is used, the lens back of the projection optical system is significantly shortened, and the projection optical system can be made compact.

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。   The configuration of the optical element 22 of the second embodiment and the action on light are schematically shown in FIG. The optical element 22 includes a PBS film 13 b as the separation coating 13. The PBS film 13b is set to reflect P-polarized light and transmit S-polarized light, contrary to the first embodiment. The refractive index of the transparent base material 11 and the transparent material 14 is 1.87, and the blaze angle of the blazed grating 12 is 60 °.

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 an arrangement in which the incident angle of light on the transparent substrate 11 is 0 °. The light entering the transparent substrate 11 goes straight and enters the blazed surface 12a at an incident angle of 60 °. Of the light incident on the blazed surface 12 a, the polarization component that becomes S-polarized light with respect to the PBS film 13 b passes through the PBS film 13 b and also passes through the transparent material 14 and goes out of the element 22. This light travels along the extension of the optical path of the light before entering the element 22.

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 is P-polarized with respect to the PBS film 13 b is reflected by the PBS film 13 b and diffracted by the blazed grating 12. The diffracted reflected light is incident on the surface 14a of the transparent material 14 at an incident angle exceeding the critical angle and is totally reflected, reaches the end face of the element 22 and exits from the end face to the outside in the same manner as in the first embodiment.

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11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。   The film configuration of the PBS film 13b is shown in Table 2, and the relationship between the transmittance and wavelength for P-polarized light and S-polarized light at an incident angle of 60 ° is shown in FIG. In Table 2, the layer number 0 is the transparent substrate 11 and the layer number 26 is the transparent material 14. The optical film thickness is expressed using 280 nm as a reference wavelength.

<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> Structure of PBS film 13b Layer Refractive index Optical film thickness Layer Refractive index Optical film thickness 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

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。   Similar to the optical element 21 of the first embodiment, the optical element 22 can be used as an illumination optical system of a reflective LCD. In this case, since the element 22 can be arranged parallel to the LCD, the distance in the direction perpendicular to the LCD necessary for the arrangement is extremely short.

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LCD32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 form in which the optical element 22 is used as an illumination optical system for a transmissive LCD and an optical system for selectively extracting light representing an image. Two optical elements 22 are arranged before and after the LCD 32, and light from the light source is incident on the one element 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 is incident on the LCD 32 at an angle of approximately 90 °. On the other hand, the polarization component that becomes P-polarized light is reflected by the PBS film 13b and reaches the end face while undergoing total reflection in the element 22. A 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.

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 so that linearly polarized light whose polarization plane does not rotate 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 passes through the element 22 with respect to the PBS film 13 b. The polarization component whose polarization plane is rotated by 90 ° by the modulation and becomes P-polarized with respect to the PBS film 13 b is reflected, reaches the end face while being totally reflected in the element 22, and is absorbed by the absorbing member 15.

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 is used for illumination of a transmissive LCD and extraction of light representing an image. However, by using the optical element 22 instead of the polarizing plate, the transmittance is increased and a bright image can be provided. it can. Further, the element 22 does not reach a high temperature unlike a polarizing plate, and does not adversely affect the LCD.

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PBS膜13bを挟んで透明材14に密着する別の透明材14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。   The configuration of the optical element 23 of the third embodiment and the effect on light are schematically shown in FIG. In this optical element 23, a blaze grating 12 is also formed on the surface of the transparent material 14 of the optical element 22 of the second embodiment, and a PBS film 13b is provided thereon as a separation coating 13, and the PBS film 13b is sandwiched therebetween. In this embodiment, another transparent material 14 that is in close contact with the transparent material 14 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 blazed surfaces 12a of the two blazed gratings 12 are opposite.

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PBS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 when there is light directly transmitted between the two blazed surfaces 12 a of one blazed grating 12, the light can be separated by the PBS film 13 b provided on the other blazed grating 12. Therefore, the separation efficiency is not lowered due to the incident angle, and the degree of freedom of the arrangement angle with respect to the light to be separated is increased.

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13B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11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。   The configuration of the optical element 24 of the fourth embodiment and the action on light are schematically shown in FIG. Similar to the optical element 23 of the third embodiment, the optical element 24 includes two sets of the blazed grating 12 and the separation coating 13. The inclination directions of the blaze surfaces of the two blaze gratings 12 are opposite, and each blaze angle is about several degrees. A dichroic film 13B that selectively reflects B light is selected as the separation coating 13 on the blazed grating 12 of the transparent substrate 11, and G light is selected as the separation coating 13 on the blazed grating 12 of the transparent material 14. A dichroic film 13G that reflects light is provided. Further, a dichroic film 11 </ b> R that selectively reflects R light is provided on the surface 11 a of the transparent substrate 11.

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。   The optical element 24 separates white light into R light, G light, and B light, and causes an angle difference in the optical path of each separated light. Of the white light incident on the element 24, the R light is reflected at a reflection angle equal to the incident angle by the dichroic film 11R. The B light and G light that have passed through the dichroic film 11R enter the element 24, reach the dichroic film 13B, and are separated into G light that passes through the dichroic film 13B and reflected B light.

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 blazed grating 12, and is output to the outside of the element 24 as light having an angle difference from the R light. The G light that has passed through the dichroic film 13B reaches the dichroic film 13G, is reflected, is diffracted by the blazed grating 12, and is output outside the element 24 as light having an angle difference from the R light and B light.

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。   The film configurations of the dichroic films 11R, 13B, and 13G are shown in Table 3, Table 4, and Table 5, 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 substrate 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 base material 11 side, and the layer number 22 is the transparent material 14 on the front surface side. The optical film thickness is expressed by using 765 nm for the dichroic film 11R, 451 nm for the dichroic film 13B, and 540 nm for the dichroic film 13G.

<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> Configuration of Dichroic Film 11R Layer Refractive Index Optical Film Thickness Layer Refractive Index Optical Film Thickness 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

<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 Film Thickness Layer Refractive Index Optical Film 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 2.3 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

<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 Film Thickness Layer Refractive Index Optical Film 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 2.3 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

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 wavelength of the dichroic films 11R, 13B, and 13G with respect to P-polarized light and S-polarized light with an incident angle of 45 ° is shown in FIGS. 11, 12, and 13, respectively. Since refraction occurs when entering the transparent substrate 11, even if the incident angle to the dichroic film 11R is 45 °, the actual incident angle of light with respect to the dichroic films 13B and 13G changes from 45 °. If the blaze angle of the blazed grating 12 is about 5 °, the incident angle to the dichroic film 13B is about 32 ° and the incident angle to the dichroic film 13G is about 22 °.

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 of the LCD 53 shown in FIG. 24 having a microlens array. At this time, since the element 24 is a single member, there is no need to adjust the relative angle between the elements as in the optical system shown in FIG. 23, and assembly can be performed quickly and accurately. In order to change 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 may be used.

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13c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。   The configuration of the optical element 25 of the fifth embodiment and the action on light are schematically shown in FIG. The optical element 25 includes an angle separation film 13 c that reflects or transmits light according to an incident angle as the separation coating 13. Of the light incident on the element 25 from different directions, one is transmitted through the angle separation film 13c, the other is reflected by the angle separation film 13c, is diffracted by the blazed grating 12, and reaches the end face while receiving total reflection. Go outside.

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700nmを基準波長として表している。   Table 6 shows the film configuration of the angle separation film 13c, and FIG. 15 shows the relationship between the transmittance and the incident angle with respect to light having a wavelength of 550 nm. In Table 6, the layer number 0 is the transparent substrate 11 and the layer number 22 is the transparent material 14. The optical film thickness is represented with 700 nm as a reference wavelength.

<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 Film Thickness Layer Refractive Index Optical Film 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 0.38 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

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LCD31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25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、LCD31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。   A form in which the optical element 25 is used as an illumination optical system of a reflective LCD is shown in FIG. The optical element 25 is arranged in parallel with the LCD 31, and a linear light source 41 is arranged in the vicinity of the end face of the element 25. A polarizing plate 43 is disposed between the element 25 and the LCD 31. The light source 41 emits non-polarized light. The light emitted from the light source 41 enters the element 25 from the end face and travels through the element 25 while undergoing total reflection. The light traveling inside the element 25 is reflected by the angle separation film 13c, whereby the incident angle with respect to the surface 11a of the transparent substrate 11 changes, and when the incident angle becomes less than the critical angle, the surface 11a is To Penetrate. The light transmitted through the surface 11a becomes illumination light that is incident on the LCD 31 at an angle. This illumination light is converted into linearly polarized light by the polarizing plate 43 before entering the LCD 31.

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25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 linearly polarized light whose polarization plane does not rotate after modulation becomes light representing an image. The light modulated and reflected by the LCD 31 is only light that represents an image by the polarizing plate 43, and enters the element 25 from the transparent substrate 11 at an angle different from that when it exits the transparent substrate 11. This light has a small incident angle with respect to the angle separation film 13 c, passes through the angle separation film 13 c, and exits the element 25 from the transparent material 14. The light emitted to the outside of the element 25 may be observed directly, or may be projected onto a screen by a projection optical system. Note that the optical element 22 described above may be disposed in place of the polarizing plate 43.

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 form in which the optical element 25 is used as a DMD illumination optical system and light modulated by the DMD is projected by the projection optical system. The DMD 33 is disposed perpendicular to the optical axis of the projection optical system 34, and the element 25 is disposed between the DMD 33 and the projection optical system 34 in parallel with the DMD 33. Further, a linear light source 41 is disposed near the end face of the element 25. The light emitted from the light source 41 becomes illumination light that enters the DMD 33 at a slight angle, as in the case of the illumination of the LCD 31 described above.

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25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 the two directions by the DMD 33 enter the element 25 from the surface 11 a of the transparent substrate 11. These lights have a small incident angle with respect to the angle separation film 13 c, and both pass through the angle separation film 13 c and exit to the outside of the element 25. Of the light emitted outside the element 25, only the light representing the image enters the projection optical system 34 and is projected onto a screen (not shown). In this setting, the lens back of the projection optical system 34 can be significantly shortened compared to the optical system using the prism shown in FIG.

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13c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 having different settings of the angle separation film 13 c are provided, and light other than the light representing the image is reflected on the other side of the reflected light from the DMD 33 transmitted through the illumination optical element 25. The light may be reflected by the angle separation film 13c of the optical element 25 and totally reflected in the element 25 to be emitted 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, and the lens back of the projection optical system 34 can be further shortened. As shown in FIG. 15, the angle separation film 13c can be set to reliably separate incident light having a difference of about 10 ° in the incident angle. Therefore, DMD 33 has an angle difference of about 5 ° for each mirror element. It is sufficient to set the two directions so that the DMD 33 can be easily manufactured.

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 as the illumination of the DMD 33. It may be used for the purpose of separating the reflected light from the DMD 33.

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。   The configuration of the optical element 26 of the sixth embodiment and the action on light are schematically shown in FIG. The optical element 26 includes a chiral nematic liquid crystal layer 13d that reflects one of two circularly polarized light whose rotation directions are opposite to each other and transmits the other as the separation coating 13, and is attached to the surface 11a of the transparent substrate 11. A worn ¼ phase plate 44 is provided. In this example, the chiral nematic liquid crystal layer 13d is set to reflect clockwise circularly polarized light and transmit counterclockwise circularly polarized light.

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 can separate two linearly polarized lights whose polarization planes that are transmitted through the ¼ phase plate 44 and are orthogonal to each other. By passing through the quarter phase plate 44, one linearly polarized light becomes counterclockwise circularly polarized light, and the other linearly polarized light becomes clockwise circularly polarized light. The counterclockwise circularly polarized light passes through the chiral nematic liquid crystal layer 13 d and exits from the surface 26 a of the transparent material 14 to the outside of the element 26.

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44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, diffracted by the blazed grating 12, and reenters the quarter phase plate 44 to become linearly polarized light. The linearly polarized light is totally reflected on the surface of the ¼ phase plate 44, and is transmitted again through the ¼ phase plate 44. This clockwise circularly polarized light reaches the end face of the element 26 while receiving reflection by the chiral nematic liquid crystal layer 13d and total reflection at the surface of the quarter phase plate 44, and goes outside from the end face.

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LCD31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。   A form in which the optical element 26 is used as an illumination optical system of a reflective LCD is shown in FIG. The optical element 26 is arranged in parallel with the LCD 31, and circularly polarized light clockwise from the end face is introduced into the element 26. This circularly polarized light travels in the element 26 while receiving reflection as described above. In the meantime, the incident angle with respect to the surface of the quarter phase plate 44 is changed by being reflected by the liquid crystal layer 13d, and when the incident angle becomes less than the critical angle, the light goes outside and the illumination light of the LCD 31 It becomes. The illumination light is linearly polarized by passing through the ¼ phase plate 44.

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 so 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 quarter phase plate 44. At this time, the linearly polarized light whose plane of polarization has been rotated by the modulation, that is, the light representing the image becomes counterclockwise circularly polarized light, and the linearly polarized light whose plane of polarization has not rotated returns to clockwise circularly polarized light. These two circularly polarized lights reach the chiral nematic liquid crystal layer 13d, and only the counterclockwise circularly polarized light representing the image is transmitted through the liquid crystal layer 13d, and the clockwise circularly polarized light is reflected by the liquid crystal layer 13d and is external to the element 26 from the end face. Get out. In this way, only the light representing the image is extracted.

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 blazed grating 12 is set to cause only diffraction in the light. However, the blazed grating 12 may further have power. This can be realized by changing the diffraction angle continuously by changing the period and the unit structure little by little, instead of making the blazed grating 12 a constant periodic structure throughout. . Further, a bi-level or multi-level diffraction grating may be provided instead of the blaze grating 12, and a separation coating 13 may be provided thereon.

なお、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してもよい。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。   The blazed grating element is composed of a plate-like transparent substrate having a blazed grating on the surface, and a separation coating that is provided on the blazed grating of the transparent substrate and reflects or transmits the incident light according to the characteristics of the incident light. It may be configured. Although this element is a single thin optical element, it has two functions. That is, incident light can be separated into reflected light and transmitted light according to the characteristics by the separation coating, and a blaze grating can act on the separated transmitted light or reflected light or both. The blazed grating becomes a diffraction grating if the height difference of the unevenness is made about the wavelength of the incident light, and acts as a Fresnel lens or mirror if the height difference is made about several times the wavelength of the incident light.

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してもよい。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。   You may make it provide the plate-shaped transparent material closely_contact | adhered to the blazed grating | lattice of a transparent base material on both sides of separation coating. The grid surface can be protected. Further, by making the transparent base material and the transparent material from the same material, unnecessary modulation of the transmitted light can be avoided. In this case, the blaze grating acts only on the reflected light.

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 further provided on the blazed grating of the transparent material to reflect or transmit the incident light according to the characteristics of the incident light. It is good also as a structure provided with the separation transparent coating and the plate-shaped transparent material closely_contact | adhered to the blazed grating | lattice of the transparent material on both sides of the separation coating. In 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. It is also possible to avoid incomplete separation due to the incident angle by reversing the direction of inclination of the blaze surfaces of the two blaze gratings.

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PBS素子が得られる。   The separation coating can reflect or transmit incident light depending on the polarization characteristics of the incident light. Since the separation coating is provided on an inclined blazed surface, the incident angle of light on the separation coating can be made to be 45 ° or more even if the incidence angle to the device is less than 45 °. is there. Therefore, it is possible to obtain a PBS element having a good polarization separation characteristic while being flat.

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 separation coating can also reflect or transmit incident light depending on the wavelength of the incident light, or reflect or transmit incident light depending on the incident angle of the incident light. In either case, it is possible not only to separate the light according to the wavelength and the incident angle, but also to act as a blazed grating on the separated light.

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してもよい。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。   In addition, a plate-like transparent base material having a diffraction grating on the surface, a separation coating that is provided on the diffraction grating of the transparent base material and reflects or transmits incident light according to the polarization characteristics of the incident light, and a separation coating You may comprise a diffraction grating element with the plate-shaped transparent material pinched | interposed and closely_contact | adhered to the diffraction grating of the transparent base material. Although this element is a single thin optical element, it has both a polarization separation function and a diffraction function. That is, incident light can be separated into reflected light and transmitted light in accordance with the polarization characteristics by the separation coating, and the reflection angle can be changed by causing diffraction in the separated reflected light.

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してもよい。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, the transparent base material may be totally reflected inside the light reflected by the separation coating and guided to the end face. When only the transmitted light after separation is necessary, unnecessary reflected light can be discarded from the end face of the element, and the processing of the reflected light becomes easy. Further, the device does not absorb light and the temperature does not rise.

本発明の照明光学系に適用可能な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。Sectional drawing which shows typically the basic composition of the blaze | braze grating | lattice element and diffraction grating element which can be applied to the illumination optical system of this invention. 本発明の照明光学系に適用可能な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。Sectional drawing which shows typically another basic composition of the blaze | braze grating | lattice element and diffraction grating element which can be applied to the illumination optical system of this invention. 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。Sectional drawing which shows typically the structure with respect to the optical element of 1st Embodiment, and the effect | action with respect to light. 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。The figure which shows the relationship between the transmittance | permeability and wavelength with respect to P polarization | polarized-light and S polarization | polarized-light with an incident angle of 45 degrees of the PBS film with which the optical element of 1st Embodiment was equipped. 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。Sectional drawing which shows the form which uses the optical element of 1st Embodiment as an illumination optical system of reflection type LCD. 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。Sectional drawing which shows typically the structure with respect to the optical element of 2nd Embodiment, and the effect | action with respect to light. 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。The figure which shows the relationship between the transmittance | permeability and wavelength with respect to P polarization | polarized-light and S polarization | polarized-light with an incident angle of 60 degrees of the PBS film | membrane with which the optical element of 2nd Embodiment was equipped. 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。Sectional drawing which shows the form which uses the optical element of 2nd Embodiment as an illumination optical system of transmission type LCD, and an optical system which takes out the light showing an image | video. 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。Sectional drawing which shows typically the structure with respect to the structure of the optical element of 3rd Embodiment, and the effect | action with respect to light. 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。Sectional drawing which shows typically the structure with respect to the structure of the optical element of 4th Embodiment, and the effect | action with respect to light. 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。The figure which shows the relationship between the transmittance | permeability and the wavelength with respect to P polarization | polarized-light and S polarization | polarized-light with an incident angle of 45 degrees of the dichroic film of R light reflection with which the optical element of 4th Embodiment was equipped. 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。The figure which shows the relationship between the transmittance | permeability and wavelength with respect to P polarization | polarized-light and S polarization | polarized-light with an incident angle of 45 degrees of the dichroic film of B light reflection with which the optical element of 4th Embodiment was equipped. 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。The figure which shows the relationship between the transmittance | permeability and wavelength with respect to P polarization | polarized-light and S polarization | polarized-light with an incident angle of 45 degrees of the dichroic film of G light reflection with which the optical element of 4th Embodiment was equipped. 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。Sectional drawing which shows typically the structure with respect to the optical element of 5th Embodiment, and the effect | action with respect to light. 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。The figure which shows the relationship between the transmittance | permeability with respect to the light of wavelength 550nm, and an incident angle of the angle separation film with which the optical element of 5th Embodiment was equipped. 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。Sectional drawing which shows the form which uses the optical element of 5th Embodiment as an illumination optical system of reflection type LCD. 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。Sectional drawing which shows the form which uses the optical element of 5th Embodiment as an illumination optical system of DMD. 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。Sectional drawing which shows the form which uses the optical element of 5th Embodiment as an optical system which takes out the light which represents the illumination optical system of DMD, and an image | video. 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。Sectional drawing which shows typically the structure with respect to the structure of the optical element of 6th Embodiment, and the effect | action with respect to light. 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。Sectional drawing which shows the form which uses the optical element of 6th Embodiment as an illumination optical system of reflection type LCD. PBSプリズムの構成を示す図。The figure which shows the structure of a PBS prism. 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。The figure which shows the conventional optical element for isolate | separating the illumination light and reflected light of reflection type LCD. 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。The figure which shows the conventional optical system for isolate | separating white light into R light, G light, and B light with an angle difference in an optical path. 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。The figure which shows the structure of LCD provided with the micro lens array and illuminated with R light, G light, and B light with an angle difference in an optical path. DMDを照明する従来の光学系を示す図。The figure which shows the conventional optical system which illuminates DMD.

符号の説明Explanation of symbols

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 | lattice element 11 Transparent base material 11a Transparent base material surface 11R Dichroic film | membrane 12 Blaze grating | lattice 12a Blaze surface 13 Separation coating 13a, 13b Polarization separation film 13B, 13G Dichroic film | membrane 14 Transparent material 14a Transparent material surface 15 Light absorption member 21 , 22, 23, 24, 25, 26 Diffraction grating element 31 Reflective LCD
32 transmissive LCD
33 DMD
34 Projection optical system 41 Light source 43 Polarizing plate 44 1/4 phase plate

Claims (4)

表面に回折格子を有する板状の透明基材と、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。
A plate-like transparent base material having a diffraction grating on the surface, and a diffraction grating element provided on the diffraction grating of the transparent base material and provided with a separation coating that reflects or transmits the incident light according to the characteristics of the incident light ,
An illumination optical system characterized in that light is guided to an illumination object by the diffraction grating element to illuminate the illumination object, and light reflected by the illumination object is guided through the diffraction grating element to the outside.
前記回折格子素子が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請求項1に記載の照明光学系。   The illumination optical system according to claim 1, wherein the diffraction grating element includes a plate-shaped transparent material that is in close contact with the diffraction grating of the transparent base material with the separation coating interposed therebetween. 前記分離コーティングが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ことを特徴とする請求項1または2に記載の照明光学系。   The illumination optical system according to claim 1, wherein the separation coating reflects or transmits incident light according to an incident angle of incident light. 前記分離コーティングが回転方向の異なる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であることを特徴とする請求項1または2に記載の照明光学系。   The illumination optical system according to claim 1, 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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