JP2016099390A - 照明光学系および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折光を低減させることで、画像光のコントラスト比を高めることができる照明光学系および画像表示装置を提供する。【解決手段】 光源（１１）と、光源（１１）からの光の照度を均一化して出射する光均一化素子（１４）と、を有する照明光学系（１）であって、光均一化素子（１４）を出射した光により空間光変調素子（２）を照明し、光均一化素子（１４）と空間光変調素子との間に、光の一部の位相を変換する位相変換素子（１４１）を有する照明光学系（１）による。【選択図】図１０

Description

本発明は、照明光学系および画像表示装置に関するものである。

プロジェクタなどの画像表示装置によって表示される画像（投射画像）の画質を表す指標の１つに「コントラスト比」がある。コントラスト比は、投射画像の全体を白色にしたときの被投射物（例えば、スクリーンなど）に表示される画像全体の輝度と、投射画像の全体を黒色にしたときの同じく画像全体の輝度との比率により算出される。例えば、白および黒で構成されるチェッカーパターン画像を投射画像として表示した場合の画像全体中の白色部分の輝度と黒色部分の輝度との平均値を用いてコントラスト比を算出することができる。

コントラスト比が高い画像は、黒色部分の輝度が低い画像であるから、元の画像の再現性の忠実度が高くなりやすい。したがって、コントラスト比が高い画像の画質は「良い」といえる。一方、コントラスト比が低い画像は、黒色部分の輝度が高い画像であるから、元の画像の再現性の忠実度が低くなりやすい。たとえば、暗闇の画像を表示するときであっても「黒浮き」などが生じる。したがって、コントラスト比が低い画像の画質は「悪い」といえる。

プロジェクタによる表示画像のコントラスト比の低下要因は複数知られている。例えば、プロジェクタ内部に備わる光学系において発生する迷光やゴースト光などがその一因である。迷光やゴースト光とは、投射画像を形成する画像光以外の光のことをいう。ここで、「画像光」とは、空間光変調素子からスクリーンに到達する光のうち、表示画像の形成に寄与する光のことをいう。

迷光やゴースト光は、プロジェクタ内部に備わる光学系における光の多重反射や、光の散乱、光の回折などにより発生し、これらが画像光に混ざることでコントラスト比を低下させる。ゴースト光や迷光の発生原因は複数あるが、特に、空間光変調素子における光の回折によって生じやすい。

迷光やゴースト光を抑えることができれば、コントラスト比への悪影響を排除することができ、表示画像における画質の低下を防ぐことができる。スクリーンに到達しようとする迷光やゴースト光を投射光学系の内部に設けた遮光手段によって遮光する画像表示装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特許文献１の画像表示装置のように、投射光学系の内部に遮光手段を設けると、ゴースト光や迷光だけでなく画像光も遮光されてしまう。画像光が遮光されるとスクリーンに到達する光の量が少なくなり、光利用効率が低下する。光利用効率が低下すると、スクリーン上に表示画像が暗くなり、画像が低下する。ゴースト光や迷光によるコントラスト比の低下を防ぐときに、光利用効率を低下させることなく、ゴースト光や迷光そのものの発生を抑えることが望ましい。

本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであって、回折光を低減させることで、画像光のコントラスト比を高めることができる照明光学系および画像表示装置を提供することを目的とする

本発明は、光源と、前記光源からの光の照度を均一化して出射する光均一化素子と、を有する照明光学系であって、前記光均一化素子を出射した光により空間光変調素子を照明し、前記光均一化素子と前記空間光変調素子との間に、前記光の一部の位相を変換する位相変換素子を有する、ことを最も主な特徴とする。

本発明によれば、回折光を低減させることで、画像光のコントラスト比を高めることができる。

本発明に係る画像表示装置の実施形態の例を示す光学配置図である。 本発明に係る照明光学系の実施形態の例を示す光学配置図である。 上記照明光学系が備えるカラーホイールの例を示す、（ａ）平面図、（ｂ）側面図、である。 上記照明光学系が備える光均一化素子の例であって、（ａ）位相変換素子を取り外した状態の斜視図、（ｂ）位相変換素子を取り付けた状態の斜視図、である。 上記画像表示装置が備える空間光変調素子の例であって、（ａ）平面図、（ｂ）一部拡大平面図、（ｃ）微小ミラーの平面図、（ｄ）光の反射状態の例を示す側面図、（ｅ）空間光変調素子の側面図、である。 上記空間光変調素子において生じる回折の例であって、（ａ）微小ミラーにおける光の反射の例、（ｂ）特定の微小ミラーにおける回折の例、（ｃ）複数の微小ミラーにおける回折の例、（ｄ）空間光変調素子において生ずる回折の例、を示す空間光変調素子の側面図である。 上記微小ミラーにおける回折の例であって、（ａ）ＯＮ状態の微小ミラーにおける回折の例、（ｂ）ＯＦＦ状態の微小ミラーにおける回折の例、を示す微小ミラー配列の側面図である。 上記微小ミラーにおける回折光の光路長さの例を示す微小ミラー配列の側面図である。 上記微小ミラーにおける回折光により生ずる迷光の例を示す微小ミラー配列の側面図である。 上記照明光学系が備える位相変換素子の実施形態の例であって、（ａ）平面図、（ｂ）側面図、である。 上記位相変換素子における光の作用の例を示す説明図である。 上記位相変換素子の構造の例を示す側面図である。 上記位相変換素子の別の構造の例を示す拡大斜視図である。 上記微小ミラーにおける回折光により生ずる迷光の別の例を示す空間光変調素子の側面図である。

以下、本発明に係る照明光学系の実施形態と本発明に係る画像表示装置の実施形態について図を用いながら説明する。

●画像表示装置●
まず、本発明に係る画像表示装置の実施形態について説明する。図１に示すようにプロジェクタ１００は、照明光学系１と、空間光変調素子２と、投射光学系３と、を有してなる。

照明光学系１は、表示画像に係る信号に応じた光を出射して空間光変調素子２を照明する。詳細な説明は後述する。

空間光変調素子２は、表示画像に係る信号に応じて動作して、照明光を用いて画像光を形成する。空間光変調素子２は、形成した画像光を投射光学系３に向けて出射する。

投射光学系３は、空間光変調素子２において形成された画像光（投射画像）を被投射物（例えば、スクリーン）に向けて拡大して投射する。

●照明光学系１
次に、照明光学系１について詳細に説明をする。図２に示すように、照明光学系１は、光源１１と、防爆ガラス１２と、カラーホイール１３と、光均一化素子１４と、第１リレーレンズ１５と、第２リレーレンズ１６と、第１折り返しミラー１７と、第２折り返しミラー１８と、を有してなる。

光源１１は、発光管とリフレクタとを有してなる。発光管は、超高圧水銀ランプなどの白色光源でもよいし、レーザーを出射するレーザー光源でもよい。リフレクタは、発光管からの光を一定の方向に出射して集光するための反射材である。

光源１１がレーザー光源であれば、水銀ランプなどと比較して可干渉性が高くなり、後述する位相変換素子１４１を用いて効率的に光の位相を制御することができる。

防爆ガラス１２は光源１１の前方に配置されていて、光源１１の発光管が破損した場合に、その破片等がプロジェクタ１００の内部に飛散することを防止するためのものである。

カラーホイール１３は、光源１１からの光を特定の色の光に変換する光フィルタである。カラーホイール１３は、光源１１と光均一化素子１４の間の光路上に配置されている。

ここでカラーホイールについて詳細に説明する。図３（ａ）に示すように、カラーホイール１３は、ガラス素材からなるガラス円板１３１を有している。また、図３（ｂ）に示すように、ガラス円板１３１の裏面には、モーター１３３が装着されている。モーター１３３の回転軸は、ガラス円板１３１の回転中心に配置されていて、モーター１３３の回転によってガラス円板１３１が回転する。

ガラス円板１３１は、図３（ａ）に示すように、光源１１からの光が当たる面を複数の領域に分割し、それぞれの領域に異なる色の光フィルタを配置したものである。光フィルタは、ガラス円板１３１のガラス面に多層膜を蒸着したものである。ガラス円板１３１に形成された各分割領域には、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色に光の色を変換するカラーフィルタが形成されている。なお、ガラス円板１３１に形成するカラーフィルタは、上記の色の他の色を設けてもよい。例えば、白（Ｗ）の領域を配置してもよい。白（Ｗ）のカラーフィルタを形成するときは、その領域に多層膜を形成せず、光がガラス円板１３１を単に透過するように構成する。また、色再現性を高めるために、黄（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）などの領域をさらに設けてもよい。なお、白（Ｗ）の領域を設ける目的は、画像光の明るさを増大させるためである。

光源１１からの光は、光スポット１３２としてガラス円板１３１の面上の同じ位置に当たるように調整されている。したがって、この光スポット１３２の位置に相当する光フィルタは、回転によって時分割的に変化するので、光源１１からの光がカラーホイール１３によって特定の色に変換される。

ガラス円板１３１は、例えば直径が４０ｍｍ程度、厚みが１ｍｍ程度である。ガラス円板１３１の面に設けられた各色の光フィルタは、モーター１３３によって、数千ｒｐｍから１万ｒｐｍ前後の回転速度で回転する。カラーホイール１３はセンサーを備えていて、各色の光フィルタの位置は把握可能になっている。この光フィルタカの位置は、空間光変調素子２による画像形成動作と同調して制御される。カラーホイール１３は、時分割（フィールドシーケンシャル）で各色の光を生成する。空間光変調素子２のミラーの応答速度は高速であるため，フィールドシーケンシャルでカラー画像の形成をしても問題なく行える。

図２に戻る。光均一化素子１４は、光源１１からの光の照度の分布（配向分布）を均一化して出射する光学素子であって、ロッドインレグレータ、ライトトンネル、ライトパイプなどと呼ばれる。図４を用いて光均一化素子１４について説明する。図４（ａ）に示すように、光均一化素子１４は、短冊状の４枚のミラー板１４２を組み合わせて形成される四角柱状の部材である。光均一化素子１４の内壁面が、ミラー板１４２のミラー面になっている。

入射端（入射面）から光均一化素子１４に入射された光は、４枚のミラー板１４２の内壁面（ミラー面）で反射されて、光の配向分布が均一化される。その結果、出射端となる出射面１４３を面光源とみなせる。図４（ｂ）に示すように、光均一化素子１４の出射面１４３に位相変換素子１４１が配置されている。すなわち、位相変換素子１４１によって出射面１４３の開口が塞がれるように構成されている。位相変換素子１４１は、光を透過する部材であるから、出射面１４３に位相変換素子１４１が配置されても、光均一化素子１４の出射面１４３を面光源とする光が出射される。位相変換素子１４１の詳細な説明は後述する。

図２に戻る。光均一化素子１４の後段には、第１リレーレンズ１５と、第２リレーレンズ１６と、第１折り返しミラー１７と、第２折り返しミラー１８が、この順に配置されている。これらの構成によって、光均一化素子１４の出射端面（配向分布が均一化された光の出射面）と空間光変調素子２の入出射面は、光学的に共役な関係になっている。

光均一化素子１４から出射された光は、第１リレーレンズ１５と第２リレーレンズ１６を通過して第１折り返しミラー１７によって斜め上方に３次元的に反射される（折り返される）。この反射光は、第２折り返しミラー１８によって斜め下方に３次元的に反射される（折り返される）。第２折り返しミラー１８によって反射された光は、空間光変調素子２に向かい、空間光変調素子２に対して所定の入射角をもって入射する。この光によって、空間光変調素子２の有効画像領域が照明される。

なお、照明光学系１は、全反射プリズムを用いるものであってもよいし、全反射プリズムを用いないものであってもよい。

●空間光変調素子２
図５を用いて、空間光変調素子２について説明する。空間光変調素子２は、照明光学系１からの光束を用いて画素ごとに選択的に光を反射して画像光を形成する。空間光変調素子２は、例えば、２次元状に配置されたマイクロミラー群により構成されるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ，Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社）である。

図５(ａ)は、空間光変調素子２を光の入射側（上方）から見た平面図である。図５（ａ）に示すように、空間光変調素子２の一定の平面領域が有効画像領域であって、この領域において照明光から画像光が形成される。有効画像領域の対角線の長さによって、表示される画像の大きさが決まる。例えば、空間光変調素子２の対角線の長さは、０．５インチや０．６５インチなどである。また、空間光変調素子２のサイズの示し方としては、空間光変調素子２の外形（矩形）の長辺と短辺との比を用いて、４：３や、１６：１０などと表現される。

空間光変調素子２は、図５（ｂ）に示すような微小ミラー２１を複数配置してなる。微小ミラー２１の平面視の外形は正方形であって、それぞれが表示画像の画素に対応する。微小ミラー２１の配列の周期は画素ピッチと呼ばれる。なお、空間光変調素子２の画素ピッチは、１０μｍ前後である。微小ミラー２１の実際のサイズは画素ピッチよりも若干小さい。微小ミラー２１の配列数は、画像表示サイズがＸＧＡ規格の場合、１０２４画素×７６８画素（或いはピクセル）である。同様に、ＷＸＧＡ規格の場合は、１２８０×７６８画素である．

図５（ｃ）に示すように、微小ミラー２１は、対角線を回転軸として回転するように構成されている。微小ミラー２１の回転方向は，回転軸に対する時計周り方向と半時計周り方向の両方向である。たとえば、時計回りの回転を「プラス回転」とし、反時計周りの回転を「マイナス回転」とする。

微小ミラー２１の回転角度は±１０°乃至１２°である。この回転を「チルト」ということもある。図５（ｄ）に示すように、回転した微小ミラー２１のプラス回転とマイナス回転では、入射光に対する反射光の方向が異なる。微小ミラー２１は独立して回転可能になっているので、照明光から光を受けた状態で微小ミラー２１のそれぞれを所定の方向に回転させると画像光を形成することができる。

微小ミラー２１の回転は、ＯＮとＯＦＦとの二値である。ＯＮ状態の微小ミラー２１で反射される光（ＯＮ光）は、投射光学系３に入射して被投射物に到達する。ＯＦＦ状態の微小ミラー２１で反射される光（ＯＦＦ光）は、投射光学系３に入射することなく、適切な位置に設けられた光吸収部材に到達する。ＯＦＦ光を反射する微小ミラーに相当する画素は、スクリーン上では黒の表示になる。したがって、ＯＮ光とＯＦＦ光によって画像が形成される。

なお、各微小ミラーの回転角度や回転軸は、上記にて説明したものに限定されるものではない。なお、画像形成には用いられないが，ＯＮとＯＦＦの間には平面（フラット）状態がある。

画素ピッチに対する実際のミラーサイズを開口率と呼ぶ。微小ミラー２１の配列を側面方向から見ると、図５（ｅ）に示すように、微小ミラー２１の上側に保護用のカバーガラス２２が配置されている。

次に、空間光変調素子２における光の反射と、空間光変調素子２の微小ミラー２１のそれぞれにおいて生ずる光の回折について説明する。図６（ａ）に示すように、微小ミラー２１の配列間隔ｄは、画素ピッチである。微小ミラー２１の配列方向の一辺の長さは配列間隔ｄよりも短い。空間光変調素子２の微小ミラー２１の配列は、回折格子とみなすことができる。

図６に示すように、微小ミラー２１がプラス回転もマイナス回転もしていない平坦な状態を想定すると、この場合に照明光学系１から微小ミラー２１に入射する光（入射光Ｌ_ｉ）は、微小ミラー２１の法線（破線で示す）に対してθの角度をもって入射する。この入射光Ｌ_ｉは、微小ミラー２１によってθの角度で反射される。入射光Ｌ_ｉは平面波であって、どの微小ミラー２１に入射する光も互いの位相は揃っている。

図６に示すように、空間光変調素子２は、微小ミラー２１が配列されたマイクロミラーアレイを構成している。すでに説明したとおり、微小ミラー２１の一辺の長さは配列間隔ｄより短い。したがって、隣接する微小ミラー２１同士の間には、若干の隙間が生ずる。したがって、有効画像領域を照明する光であっても、空間光変調素子２への入射光Ｌ_ｉの一部は微小ミラー２１の端部に当たることがある。微小ミラー２１の端部に当たる光は、図６（ｂ）に示すように回折を起こし回折光Ｌ_ｄとなる。この回折光Ｌ_ｄは、図６（ｃ）に示すように、微小ミラー２１のそれぞれにおいて生ずる。この回折光Ｌ_ｄは、互いに干渉しあって合成されるところ（強調されるところ）と相殺されるところ（弱まるところ）が含まれる。

回折光Ｌ_ｄは、微小ミラー２１の配列全体で生ずる。上記のような回折光Ｌ_ｄにおける光の干渉は、回折格子による回折の式（ｄｓｉｎθ=ｎλ）で表される。なお、上記のような干渉を本明細書では「回折」と呼ぶ。微小ミラー２１の画素ピッチを「ｄ」、回折光Ｌ_ｄの角度（回折角）を「θ」、回折光Ｌ_ｄの次数を「ｎ」、光の波長を「λ」とする。なお、次数「ｎ」は整数であって、正負の値をとる。

なお、図６（ｄ）では、次数「ｎ」が＋２から−２の間の回折光Ｌ_ｄを表している。実際の回折光Ｌ_ｄ、はさらに高次のものまで発生する。なお、０次の回折光は、微小ミラー２１において反射されて出射される出射光Ｌ_ｏと一致する。

微小ミラー２１が、ＯＮ状態であってもＯＦＦ状態であっても上記のような回折は生ずる。この場合、微小ミラー２１の配列は、ブレーズド回折格子となり、回折光Ｌ_ｄの方向は微小ミラー２１のそれぞれの傾き角によって異なる。

図７（ａ）に示すように、ＯＮ状態の微小ミラー２１における出射光Ｌ_ｏは、回折光Ｌ_ｄも含めて投射光学系３に入射する。この場合、仮に、表示される画像の全体が白色（微小ミラー２１が全てＯＮ状態）であっても、画像全体が明るいため、回折光Ｌ_ｄが迷光として投射光学系３に入射しても、表示画像のコントラスト比には影響を与えない。

一方、図７（ｂ）に示すように、微小ミラー２１の全てがＯＦＦの場合、ＯＮ状態の微小ミラー２１における出射光Ｌ_ｏは投射光学系３に入射しない。しかし、回折光Ｌ_ｄの一部は、投射光学系３に入射してしまう。この場合、表示される画像は全体が黒であっても回折光Ｌ_ｄ、の一部がスクリーンに投射されて、いわゆる「黒浮き」を起こしてコントラスト比に影響を与える。

このように、主に、ＯＦＦ状態のときの回折光Ｌ_ｄ、が迷光となってコントラスト比を低下させる。なお、図７（ａ）と図７（ｂ）では、微小ミラー２１を３つだけ用いて説明しているが、実際の空間光変調素子２が備える微小ミラー２１の数は多い。また、図７では、投射光学系３が有するレンズの大きさに対して、微小ミラー２１の大きさを誇張して表している。

ここで、隣り合う微小ミラー２１に入射する光によって生ずる回折光Ｌ_ｄの光路差を考えてみる。図８に示すように、隣り合う微小ミラー２１が共にＯＦＦ状態の場合を前提にすると、微小ミラー２１のチルト角（θ_ｔｉｌｔ）は、例えば１２度である。また、微小ミラー２１への入射光Ｌ_ｉの入射角（θ_ｉｎ）は，例えば２４度（θ_ｉｎ＝２・θ_ｔｉｌｔ）である。なお、微小ミラー２１で反射された出射光Ｌ_ｏの出射角（θ_ｏｕｔ）は９０度から入射角（θ_ｉｎ）の２倍の角度を減じた値になる。

したがって、隣接する微小ミラー２１による回折光の光路差（δ）は、「δ＝ｄ× ｃｏｓθ_ｏｕｔ」である。なお、「ｄ」は微小ミラー２１の配列の間隔である。θ_ｏｕｔは、０°から１８０°の値を取るので、このθ_ｏｕｔの値に応じてδも変化する。δが波長λの整数倍のときには、回折光Ｌ_ｄを強め合う状態になり、それ以外では回折光Ｌ_ｄを弱め合う状態になる。なお、入射する平面波の位相は揃っているものとし、微小ミラー２１の角度１２°や、入射角（θ_ｉｎ）の角度２４°は、これに限定されるものではない。これらの角度は、照明光学系１と空間光変調素子２の設計によって変化する。

上記にて説明したとおり、微小ミラー２１へ入射する光が平面波であれば、回折光Ｌ_ｄは干渉によって強調される部分と弱められる部分を含む。しかし、入射光Ｌ_ｉの位相を微小ミラー２１ごとにずることができれば、回折光Ｌ_ｄの干渉を低減させることができる。すなわち、迷光を低減させることができ、回折光Ｌ_ｄによるコントラスト比の低下を防止することができる。

上記のように、回折光Ｌ_ｄを低減させるために本実施形態に係る照明光学系１は、空間光変調素子２と光均一化素子１４の出射面１４３との間に位相変換素子１４１を有している。位相変換素子１４１は、空間光変調素子２が備える微小ミラー２１のそれぞれに対する入射光Ｌ_ｉの位相をずらす機能を備えるものである。

●位相変換素子
ここで、本実施形態に係る照明光学系１が備える位相変換素子１４１について詳細に説明する。図１０に示すように、位相変換素子１４１は、入射光Ｌ_ｉの位相をずらす第１変換部１４１１と、入射光Ｌ_ｉの位相をずらさない、または、第１変換部１４１１とは異なる位相のズレを与える第２変換部１４１２と、と有してなる。第１の部分である第１変換部１４１１と、第２の部分である第２変換部１４１２は、平面視の形状が正方形状であって、それぞれの寸法は同じ寸法である。ここで、第１変換部１４１１と第２変換部１４１２の一辺の長さを「Ｄ」とする。

図１０（ａ）に示すように、第１変換部１４１１と第２変換部１４１２は、位相変換素子１４１の平面に交互に配置されている。第１変換部１４１１と第２変換部１４１２の配列数は、最大で空間光変調素子２の画素（微小ミラー２１）の配列数と同じである。光均一化素子１４の出射端から出射された光は、位相変換素子１４１を通過して、すでに説明をした各光学素子を介して空間光変調素子２の有効画像領域を照明する。

位相変換素子１４１についてより詳細に説明する。図１１に示すように位相変換素子１４１の図面左側から平面波である入射光Ｌ_ｉが入射し位相変換素子１４１を通過すると、図面右側から出射される出射光Ｌ_ｏの位相は、入射光Ｌ_ｉの位相とは異なる部分を含むようになる。位相変換素子１４１は、上記の光の進行方向と交差する方向の平面上において配置されている。すなわち、第１変換部１４１１と第２変換部１４１２は、光の進行方向の交差方向において交互に配置されている。言い換えると、位相変換素子１４１は、照明均一化素子１４の出射端面１４３と平行になるように配置されていて、第１変換部１４１１と第２変換部１４１２も、出射端面１４３と平行である。

図１１において、入射光Ｌ_ｉを示す矢印を横切る実線と破線は、平面波である入射光Ｌ_ｉの振幅の山Ｌ_Ｔと谷Ｌ_Ｂを例示している。同様に、出射光Ｌ_ｏを示す矢印を横切る実線と破線は、第１変換部１４１１と第２変換部１４１２を通過した光のそれぞれの振幅の山Ｌ_Ｔと谷Ｌ_Ｂを例示している。

図１１に示すように、第１の部分である第１変換部１４１１を通過した出射光Ｌ_ｏの位相は、第２の部分である第２変換部１４１２を通過した出射光Ｌ_ｏの位相に比べて遅れる。したがって、位相変換素子１４１に入射する光が平面波であっても、位相変換素子１４１を通過した出射光Ｌ_ｏであって、隣接する第１変換部１４１１と第２変換部１４１２を通過した出射光Ｌ_ｏ同士の振幅の山Ｌ_Ｔと谷Ｌ_Ｂは、交互に存在するようになる。

上記のように、位相変換素子１４１内の隣接する領域を通過する光同士の位相が異なる位相になって、隣接する光同士の振幅の山Ｌ_Ｔと谷Ｌ_Ｂがずれると、干渉によって光が強まる部分が生じにくくなる。したがって、この光により回折が生じたとしても、迷光は弱くなり、画質に及ぼす影響は小さい。

図１２は位相変換素子１４１の側面図である。図１２に示すように、位相変換素子１４１は、ガラス基板１４１３上の位相差を与える部分（第１の部分）に誘電体薄膜１４１４を千鳥格子状に設けたものである。誘電体薄膜１４１４が設けられている部分が第１変換部１４１１になる。誘電体薄膜１４１４が設けられていない部分が第２変換部１４１２になる。

位相変換素子１４１を通過する光の波長を「λ」、誘電体薄膜１４１４の厚みを「ｔ」、誘電体薄膜１４１４の屈折率「ｎ」とすると、第１変換部１４１１を通過する光と第２変換部１４１２を通過する光の位相差δは、δ＝（２π／λ）（ｎ−１）ｔで求められる。

上記の位相差δが「λ／２」になるように誘電体薄膜１４１４を形成すれば、回折光の０次光が消える。また、位相差δが「λ／２」以外になるように誘電体薄膜１４１４を形成すれば、高次の回折光を弱めることできる。すなわち、位相変換素子１４１によって、空間光変調素子２において生じる迷光を低減させることができ、これによって、コントラスト比を高めることができる。

光均一化素子１４から出射する光束の半角を３０°、空間光変調素子２の微小ミラー２１のチルト角を１２°、微小ミラー２１において反射されて投射光学系３に入射する半角を１２°とすると、横倍率βは２．５になる。微小ミラー２１の外形は正方形であって、一辺が例えば１０．８μｍであるから、位相変換素子１４１の第１変換部１４１１及び第２変換部１４１２の一辺の長さＤは、１０．８／２．５＝４．３２μｍであればよい。この大きさに合わせることで、位相変換素子１４１の第１変換部１４１１及び第２変換部１４１２のそれぞれと、正方形状画素である空間光変調素子２の微小ミラー２１のそれぞれが対応し、効率的に位相を制御することができる。

上記の位相変換素子１４１を備える照明光学系１は、位相変換素子１４１の一辺の長さ「Ｄ」、空間光変調素子２の微小ミラーの一辺の長さ「ｄ」、照明光学系１における横倍率「β」の関係が、「Ｄ≒β・ｄ」となる条件を好適条件とする。

次に、位相変換素子１４１の別の実施形態について説明する。図１３は、位相変換素子１４１が備える第１変換部１４１１の拡大斜視図である。図１３に示すように、本実施形態の係る位相変換素子１４１の第１変換部１４１１はサブ波長構造（ＳＷＳ：Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）により構成される。

Ｒ、Ｇ、Ｂのそれぞれに対して好適な位相差を与えようとすると、それぞれの色（波長）に応じた第１変換部１４１１を形成する必要がある。そこで、本実施形態に係る位相変換素子１４１のように、第１変換部１４１１をサブ波長構造によって構成すればよい。このサブ波長構造のピッチ（ｐ）、溝の幅「ｗ」、高さ「ｔ」をパラメータとして、最適な値に設定することで、特定の波長に対して位相差を与えられるように設計することができる。

人間の眼は緑色（波長＝５５５ｎｍ）に対して比視感度が最大になるので、この波長に対して位相差を与えるようにすれば効果が最も大きくなり、かつ、位相差を与える構造も一つでよい。

次に、位相変換素子１４１のさらに別の実施形態について説明する。空間光変調素子２に対する入射光の入射位置によって、回折光が投射光学系３に入り込むか否かが異なる。図１４に示すように、空間光変調素子２の端部への入射光を考えてみる。空間光変調素子２の端部のうち、第２折り返しミラー１８に近い側の端部を「位置ｐ１」、遠い側の端部を「位置ｐ２」とする。第２折り返しミラー１８から空間光変調素子２へ入射する入射光のうち、位置ｐ１への入射光の光路は位置ｐ２への入射光の光路よりも長い。

したがって、位置ｐ１に入射した入射光による回折光は、投射光学系３の入射瞳に至らない方向に生ずる。したがって、位置ｐ１における回折光は、投射光学系３に入りこまない。しかし、位置ｐ２に入射した入射光による回折光は、その一部が投射光学系３の入射瞳に至る方向に生ずる。したがって、位置ｐ２における回折光は、投射光学系３に入りこむ。

上記のように、空間光変調素子２への入射位置によって回折光による画質の影響度合いが異なるので、位置ｐ２に相当する入射光に対してのみ位相差を与えられるように照明光学系１を構成すればよい。すなわち、光均一化素子１４の出射面１４３に配置される位相変換素子１４１を、空間光変調素子２上の位置ｐ２に対応する位置に配置すればよい。このように、光均一化素子１４の出射面１４３の全体をカバーするように位相変換素子１４１を配置せずに、小型の位相変換素子１４１を出射面１４３の一部に配置しても、迷光を防ぐ効果を得ることができる。すなわち、コントラスト比の低下を防止し、かつ、低コスト化を図ることができる。

１ 照明光学系
１１ 光源
１３ カラーホイール
１４ 光均一化素子
２ 空間光変調素子
３ 投射光学系
１００ プロジェクタ

特開２００４−２５８４３９号公報

Claims (10)

1. 光源と、
   前記光源からの光の照度を均一化して出射する光均一化素子と、
   を有する照明光学系であって、
   前記光均一化素子を出射した光により空間光変調素子を照明し、
   前記光均一化素子と前記空間光変調素子との間に、前記光の一部の位相を変換する位相変換素子を有する、
   ことを特徴とする照明光学系。
2. 前記位相変換素子は、
   前記光の一部の位相を第１の位相に変換する第１変換部と、
   前記光の他の一部の位相を第２の位相に変換する第２変換部と、
   を有する、
   請求項１記載の照明光学系。
3. 前記第１変換部と前記第２変換部は、前記光の進行方向と交わる方向において平面上に交互に配列されている、
   請求項２記載の照明光学系。
4. 前記第１変換部と前記第２変換部の平面視の形状は矩形である、
   請求項２または３記載の照明光学系。
5. 前記位相変換素子の外形は正方形状であって、
   前記位相変換素子の一辺の長さＤ、
   前記空間光変調素子が有する正方形状画素の一辺の長さｄ、
   前記照明光学系における横倍率β、
   とするときＤ≒β・ｄの条件を満たす、
   請求項１乃至４のいずれかに記載の照明光学系。
6. 前記位相変換素子は、前記光均一化素子の出射面の一部に設けられている、
   請求項１乃至５のいずれかに記載の照明光学系。
7. 前記光源と前記光均一化素子の入射面との間に前記光源からの光を特定の色の光に変換するカラーホイールを有し、
   前記位相変換素子は、前記特定の色の光の位相を変換する、
   請求項１乃至６のいずれかに記載の照明光学系。
8. 前記位相変換素子は、サブ波長構造を有してなり、
   前記位相が変換される一部の光は、前記サブ波長構造において位相が変換される、
   請求項１乃至７のいずれかに記載の照明光学系。
9. 前記光源はレーザーである、
   請求項１乃至８のいずれかに記載の照明光学系。
10. 照明光学系と、照明光学系からの光に基づいて投射画像を形成する空間光変調素子と、前記投射画像を被投射物に向けて投射する投射光学系と、を有する画像表示装置であって、
    前記照明光学系は、請求項１乃至９のいずれかの照明光学系である、
    ことを特徴とする画像表示装置。
    

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