JPH1048618A - 光学変調装置及びそれを用いたカラー画像表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光利用効率の高い光学変調装置を提供するこ
と。 【解決手段】 色分解素子６によって所定の波長帯域毎
に分散された光束を、光学変調素子１の異なる画素（Ｔ
−２〜Ｔ＋２）に入射させ、入射光の変調を行う光学変
調装置であって、色分解素子６が、入射光を所定波長毎
に分解する色分解領域（Ｓ０）と、入射光をそのまま透
過する非色分解領域（Ｓ−１、Ｓ＋１）を交互に有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学変調装置及び
その光学変調装置を用いたカラー画像表示装置に関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、液晶光学変調素子を用いた単板カ
ラー光学変調装置は、液晶光学変調素子周辺部にある光
学変調被制御部の配線を遮光するブラックマトリクス面
積が液晶光学変調素子に占める割合が高く、装置全体の
光利用効率を低下させる要因となっていた。

【０００３】この問題を解決するためには、図１４に示
したような、集光素子群２をカラーフィルター５１Ｒ、
５１Ｇ、５１Ｂの前面に配置し、白色光源からの照明光
を光学変調素子２０１の各画素に集光させていることに
より、光学変調装置２００の光利用効率を向上させる方
法が知られている。ここで、図１４における３は透明基
板、５はブラックマトリクスである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前述の従来例では、白
色光から各光学変調素子に応じた色光を取り出す部材と
してカラーフィルターを用いている。しかしながら、カ
ラーフィルターは各画素へ入射する白色光のうち、ある
波長成分の光のみを透過するため、それ以外の波長成分
の光に関しては無駄になっており、光利用効率が非常に
低かった。

【０００５】本発明は、上記従来例を鑑みなされたもの
であり、光量損失が少なく画質のよい光学変調装置を提
供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の光学変調装置は、入射光を各画素毎に変調
して出射する光学変調素子と、広波長帯域の光束を所定
の波長帯域毎に分解する色分解素子とを有し、色分解素
子によって所定の波長帯域毎に分解された光束を光学変
調素子の異なる画素に入射させ、入射光の変調を行う光
学変調装置であって、色分解素子が、入射光を所定波長
毎に分解する色分解領域と、入射光をそのまま透過する
非色分解領域を交互に有することを特徴としている。

【０００７】本発明の光学変調装置において、広波長帯
域の光束、または色分解素子を通過した光束を集光して
光学変調素子の各画素に収歛光を入射させるレンズアレ
イを有することが好ましい。

【０００８】また、本発明の光学変調装置は、レンズア
レイを構成するレンズ一つおきに色分解素子の色分解領
域を有することが好ましい。

【０００９】本発明の光学変調装置において、色分解素
子には、バイナリーオプティクス、ホログラム等が用い
られる。

【００１０】また、色分解素子と光学変調素子との間に
カラーフィルターを配した形態も考えられる。このと
き、色非分解領域を通過した白色光束の光路上にのみカ
ラーフィルターを設ける形態が考えられる。

【００１１】本発明の光学変調装置に用いられる光学変
調素子には、高分子分散型液晶、ＴＮ型液晶、ゲストホ
スト型液晶等が好適に用いられる。特に、光学変調素子
に高分子分散型液晶を用いた際には、画素間に遮光壁を
設けることが好ましい。

【００１２】本発明の光学変調装置には、反射型、透過
型双方の形態が考えられるが、詳細は発明の実施の形態
にて説明する。

【００１３】本発明の光学変調装置を、カラー画像表示
装置に用いることにより高画質の表示が可能になる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明の特徴を最もよく表
す光学変調装置の一部の断面図（装置光軸に対して平行
な断面）である。

【００１５】同図において、１は光学変調制御部（不図
示）及び光学変調被制御部からなる光学変調素子であ
る。本実施の形態においては光学変調被制御部は高分子
分散型液晶を用いる。２は入射光を集光する集光素子
群、３は光学変調素子１を挟持する透明基板、４は画像
表示に不要な光を遮光する遮光膜である。６は集光素子
群２によって集光された光を複数の色光に分解して出射
する領域が各集光素子に対して二対一で設けられた色分
解素子である。７は光学変調素子１と透明基板３の間に
設けられた反射板である。

【００１６】図中、光学変調素子群１のＲ（赤）、Ｇ
（緑）、Ｂ（青）の符号は、それぞれの光学変調素子１
の各画素が入射及び反射する光の波長帯域を表してい
る。Ｗ（白）と記された画素には白色光が入射及び反射
する。

【００１７】図１において、任意の集光素子をＡ０、Ａ
０に隣接した集光素子をＡ＋１、Ａ−１、Ａ０の光軸
（集光光束の中心線）を含む光学変調素子の画素をＴ
０、Ｔ０に隣接した光学変調素子の画素をＴ＋１、Ｔ−
１、Ａ０の光軸を含む色分解素子の領域を（色分解領
域）をＳ０、Ｓ０に隣接した色分解素子の領域（非色分
解領域）をＳ＋１、Ｓ−１とする。Ａ０で集光された白
色光束は色分解領域Ｓ０を通過後、ＲＧＢ帯域の３つの
色光に色分解され、画素Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１に入射
し、反射板７で反射される。それぞれの波長帯域の光束
は、画素Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１を出射するまでの間に光
学変調を受ける。反射板７によって反射され画素Ｔ０に
よって変調を受けたＧの波長帯域の光は、集光素子Ａ０
において略平行光とされ出射する。同様に画素Ｔ−１、
Ｔ＋１によって変調を受けたＢ及びＲの波長帯域の光
は、それぞれ集光素子Ａ−１、Ａ＋１において略平行光
とされ出射する。

【００１８】非色分解領域Ｓ＋１、Ｓ−１は入射光をそ
のまま透過する領域である。したがって、画素Ｔ＋２、
Ｔ−２には白色光が入射し、変調を受けた後、集光素子
をＡ＋１、Ａ−１で略平行光とされて出射する。

【００１９】すなわち、図１に示すように、Ｓ０のよう
な色分解領域に対応したＡ０のような集光素子からは、
Ｇの波長帯域の光が出射し、それと隣り合った、Ｓ＋１
やＳ−１のような入射光をそのまま透過する非色分解領
域に対応したＡ＋１やＡ−１のような集光素子からは、
その集光素子自身に入射した白色光と、両隣の集光素子
に入射し色分解領域によって分解されたＲとＢの波長帯
域の光とが出射する。１つおきに存在するＡ＋１やＡ−
１のような集光素子から出射する白色光は、輝度を与え
る画像情報として働く。

【００２０】ところで、図１においては異なる媒質間の
光の屈折は記載されていないが、実際に設計する際に
は、この屈折率の差を考慮する必要がある。これは以後
の光線が描かれた図においても同様である。

【００２１】高分子分散型液晶による光学変調原理につ
いては一般的には知られているため説明は省略する。

【００２２】次に、本実施形態における液晶パネル内の
画像信号駆動方法の一例を簡単に説明する。

【００２３】入力画像がビデオ信号の場合、表示する画
像の１フレーム分の画像信号をメモリに一時的に蓄積し
た後、パネルの画素配列と対応するように順次順番を入
れ替えサンプリングを行う。また、パソコン等のデータ
信号のようにすでにメモリ保管されている入力画像の場
合には、サンプリング方法を変えることで対応できる。
ただし本実施例においては、各ライン中各色のパネル画
素が異なることから、画素数の少ない色光に対応する画
像信号は、元の画像信号の２画素分を１画素分に平均化
する等の画像処理をサンプリングの前の時点で行う必要
がある。

【００２４】次に、色分解素子６について、図２の断面
拡大図を用いて説明する。

【００２５】本実施の形態において色分解素子６は、バ
イナリーオプティックス（以下ＢＯ）と呼ばれる位相型
回析格子を各集光素子に対応した領域１つおきに樹脂で
成形したものである。ＢＯとは、図２に示すように階段
形状をした回析格子であり、特に本実施形態に示したも
のは、回析格子の格子ピッチ、位相変化量を特定するこ
とにより各回析格子の０次と±１次の回析光にエネルギ
ーの大半を集中させ、かつ０次、±１次回折光それぞれ
の最もエネルギーの高い波長帯域（以下、主波長帯域）
がＲＧＢのいずれかに対応するように構成したものであ
る。本実施の形態では、格子ピッチＰ内にステップ幅Ｌ
１、Ｌ２、Ｌ３の３段形状としている。なお、段階数は
３段階以上であれば４段でも５段でも同様の効果が得ら
れるように構成することができる。本実施形態に示すよ
うな透過型のＢＯは、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ誌
１７巻１５号２２７３〜２２７９（１９７８．８．１
号）に開示されているように、ＢＯに入射した入射光束
が透過回析されて主に３方向に分離される。このＢＯに
おいて、例えばブレーズド波長λ０としたとき、ブレー
ズド波長をλ０としたとき、ブレーズド波長λ０に対し
必要な格子厚Ｄｔは、 Ｄｔ＝ｍ・λ０／（ｎλ０−１） となる。ここで、ｎλ０は媒質の屈折率である。ｍ，λ
０をｍ＝２、λ０＝５３０ｎｍとし、屈折率ｎλ０＝
１．５程度として算出した場合、格子厚はＤｔ＝２１２
０ｎｍ程度となる。

【００２６】次に、光学変調装置１０を用いた反射型の
カラー画像表示装置の概略図を図３に示す。

【００２７】図３中、１０は本発明の光学変調装置、１
１は放物鏡１２の焦点位置に置かれた白色光源、１３は
コンデンサレンズ、１４は投射レンズ、１５は投射レン
ズ絞り、１６は投射スクリーン、１７は集光レンズ、１
８は投写レンズ絞り１５の白色光源１１側に設けられた
ミラーである。

【００２８】白色光源１１から出射した光は放物鏡１２
により略平行光にされ、集光レンズ１７、ミラー１８、
コンデンサレンズ１３を介して光学変調装置１０に入射
する。光学変調装置１０によりＲＧＢの色光ごとの画像
情報を与えられた光は、コンデンサレンズ１３、投射レ
ンズ１４を介して投射スクリーン１６上に画像表示を行
う。

【００２９】ＲＧＢの各色光の画像情報は光学変調装置
１０による光束の拡散度に依存している。図３のように
光軸上に開口を有するような絞りを用いる場合では、拡
散度の低い光束が投射レンズ絞り１５を通過して投射ス
クリーン１６に到達し、拡散度の高い光束は投射レンズ
絞り１５に遮光され、投射スクリーン１６に到達しな
い。すなわち、光学変調装置１０の各画素の光束の拡散
性を変えることで、投射スクリーン１６に到達する光量
を変えることができ、画像の階調様示が可能となる。ま
た、図３のような構成とは逆に、光軸近傍の光束を遮光
するような絞り形状である場合も、同様な画像の階調表
示が可能となる。

【００３０】このように構成することで、入射光に対す
る出射光の光利用効率を大幅に向上させることができ
る。また同時に、本発明の光学変調装置１０をカラー画
像表示装置に用いることにより明るい装置の提供が装置
サイズを大型化することなしに可能となる。また、スク
リーン上に光学変調装置のブラックマトリクスガ見えな
くなるため、スクリーンに近づいた時にも、高画質の画
像を鑑賞することが可能となる。また、１画素に対して
入射光束を集光していることから開口率の低い画素を採
用できるため、光学変調素子の製造上の歩留まりを上げ
ることが可能となるなどの多くのメリットが存在する。

【００３１】本実施の形態においては、色分解素子とし
てＢＯを用いたが、ホログラム等のその他の色分解素子
を用いてもかまわない。また、図４に示すように集光素
子を平板マイクロレンズ４１として構わない。図４に示
した構成は平板マイクロレンズ４１を色分解素子６と一
体で形成したものに、透明基板３と接着したものであ
る。このように構成することで装置のコンパクト化が可
能となる。更に集光素子と色分解素子の配置の順序を逆
にした構成も考えられる。

【００３２】本実施の形態において、ＢＯの１集光素子
内のピッチ数は図２に示すように２ピッチとしたが、光
学変調装置の仕様によって変える必要がある。また、１
ピッチ内の格子厚を各段ごとに若干変えること、及び１
ピッチ内の格子幅が不等間隔になるようにＢＯ形状を設
計することで±１次回析光内側帯成分低減ができること
から理想的な色分解が更に可能となる。また、反射板７
は光学変調素子１の配線部を形成する金属層で同時に形
成しても構わない。

【００３３】また図５に示すように、各色光が分離した
箇所に色補正用カラーフィルター５１を設けた形態も考
えられる。この構成では、色分解素子６で分解された各
色光の分光特性が画像信号のもつ分光特性と異なる場
合、各色光を色補正用カラーフィルター５１に入射さ
せ、理想的色情報を得ることによって忠実な画像色再現
が可能になる。この場合、各色光に分解した後にカラー
フィルター５１を透過させるので、それほど光利用効率
の低下も生じない。

【００３４】また、Ｔ＋２、Ｔ−２のような白色光が入
射する画素に対応するフィルターをＧの波長帯域の光が
透過するフィルターとしてもよい。この時、白色光が入
射する画素は、当然Ｇ色の信号に基づいて駆動されねば
ならない。更に白色光が入射する画素に対応するフィル
ターを任意の波長帯域の光が透過するフィルターにし
て、ＲＧＢの各色光が入射する画素に対してはフィルタ
ーを設けないような形態も考えられる。

【００３５】白色光の光路中にカラーフィルターを設け
た場合、多少の光量損失は生ずるが、従来の全画素にカ
ラーフィルターを設けた装置に比べれば遥かに光利用効
率が高い。

【００３６】また図６に示すように、高分子分散型液晶
で拡散された光が隣接画素に入射し、クロストークの原
因となることを防止するために各画素間に遮光壁６１を
設ける形態も考えられる。この構成により、更に高い画
質のカラー画像表示装置の提供が可能となる。

【００３７】また、図５に示したカラーフィルター５
１、図６に示した遮光壁６１を同時に有するような形態
も考えられるのは説明するまでもない。

【００３８】本実施形態では、光学変調被制御部として
高分子分散型液晶を用いているが、ＴＮ型液晶、ゲスト
ホスト液晶等のその他の光学変調被制御部を用いても構
わない。

【００３９】図７から図１１は、本発明の光学変調装置
を入射側から見た平面図であり、集光素子と光学変調素
子の各画素の配置の関係を示すものである。

【００４０】図７は、本発明の光学変調装置において、
色分解素子６の色分解領域の中心軸を含む画素への入射
光（図７中アンダーバーの添えられた英字）をＧ色とし
たものである。また、集光素子２は画素の２辺に平行な
方向のレンズの屈折力が各々異なる形状をしており集光
素子Ａ０に入射した光束は色分解素子Ｓ０に集光するも
のとする。図７の場合、色分解素子の分解効率を（回析
格子を色分解素子に用いる場合、回析効率）をＧ色で最
も高くすることによって、光学変調装置出射時にはＲＧ
Ｂ光量のバランスが均等になり、ホワイトバランスの調
整の容易な装置の提供が可能となる。ここでは、光学変
調素子の画素形状が正方形としたが、長方形であっても
構わない。

【００４１】図８は、本発明の光学変調装置において、
任意の１次元方向（図中横方向）に並んだ集光素子例の
各色分解領域の中心軸を含む画素への入射光（図８中ア
ンダーバーの添えられた英字）を同一にし、その入射光
をＢ色とした場合、この集光素子列に隣接した集光素子
列の各色分解領域の中心軸を含む画素への入射光を各々
Ｒ色、Ｇ色としたものである。このように集光素子と光
学変調素子の画素を配列しても、図７の配列と同様の効
果が得られる。

【００４２】図７、図８におい光学変調素子の各画素の
２次元配列は、格子状に配列されているが、図９に示す
ような千鳥配列であっても同様の効果が得られる。

【００４３】図１０は、図７に示したものと同様に各色
分解領域の中心軸を含む画素への入射光を全てＧ色とし
たものであり、同時に任意の色分解領域の色分解方向と
は垂直な方向の隣接色分解領域もＧ色とした物である。
このように集光素子と光学変調素子の画素を配列するこ
とで、ＢＯが、ある１次元方向に連続的な形状になるこ
とから形成が容易であり、低コスト化が可能となる。ま
た、図１１に示すように集光素子をレンチキュラーレン
ズとすることも可能である。この場合、レンチキュラー
レンズのパワーを持たない方向のブラックマトリクス構
造は除去できずに残されることになるが、開口率を一定
にしたままブラックマトリクスの構成を変えることで、
図１０に示した例とほぼ同様の効果が得られる。

【００４４】図１２は、透過型の光学変調装置２０を表
す図である。反射型の光学変調装置１０と同符号の構成
要素のものは同様の機能を有しているので説明を省略す
る。

【００４５】反射型の光学変調装置１０と異なる点は、
集光素子群２が入射側と出射側に１対で設けられている
点である。したがって、出射側の集光素子群２はコリメ
ート素子として働く。

【００４６】次に光学変調装置２０の画像形成の動作に
ついて説明する。図１の場合と同様に、任意の集光素子
をＡ０、Ａ０に隣接した集光素子Ａ＋１、Ａ−１、Ａ０
の光軸（集光光束の中心線）を含む光学変調素子の画素
をＴ０、Ｔ０に隣接した光学変調素子の画素をＴ＋１、
Ｔ−１、Ａ０の光軸を含む入射側の色分解素子の一領域
（色分解領域）をＳ０、Ｓ０に隣接した色分解素子の領
域（非色分解領域）をＳ＋１、Ｓ−１、Ａ０の光軸を含
む出射側の集光素子をＣ０、Ｃ０に隣接した集光素子を
Ｃ＋１、Ｃ−１とする。Ａ０で集光された白色光束は色
分解領域Ｓ０を通過後、ＲＧＢ帯域の３つの色光に色分
解され、画素Ｔ０、Ｔ＋１、Ｔ−１に入射し光学変調を
受ける。画素Ｔ０によって変調を受けたＧの波長帯域の
光は、集光素子Ｃ０によって略平行光とされ出射する。

【００４７】また、集光素子Ａ＋１、Ａ−１から入射し
た白色光は、色分解素子の非色分解領域Ｓ＋１、Ｓ−１
を通過して光学変調素子の画素Ｔ＋２、Ｔ−２に入射し
て変調を受け、非色分解領域Ｓ＋１、Ｓ−１と隣接する
色分解領域にて分解されたＢ、Ｒの色光とともに、集光
素子Ｃ＋１、Ｃ−１により略平行光とされ、光学変調装
置２０より出射する。

【００４８】次に、光学変調装置２０を用いた透過型の
カラー画像表示装置の概略図を図１３に示す。

【００４９】白色光源１１から出射した光は、放物鏡１
２により略平行光にされ光学変調装置２０に入射する。
光学変調装置２０によりＲＧＢの色光ごとの画像情報を
与えられた光は、コンデンサレンズ１３、投射レンズ１
４を介して投射スクリーン１６上に画像表示を行う。

【００５０】このように、本発明の光学変調装置は透過
型にても実施可能であり、反射型の光学変調装置と同様
の効果が得られる。また、透過型の光学変調装置におい
ても、反射型の装置で図示、説明したような様々な形態
での実施が考えられる。

【００５１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光利用効率の高い光学変調装置が実現でき、本発明の光
学変調装置をカラー画像表示装置に用いれば、画質のよ
い装置が装置サイズを大型化することなしに実現でき
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図２】色分解素子の拡大断面図である。

【図３】本発明の反射型の光学変調装置を用いたカラー
画像表示装置の概略図である。

【図４】集光素子を平面マイクロレンズとした場合の本
発明の光学変調装置の拡大断面図である。

【図５】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図６】本発明の反射型の光学変調装置の要部断面図で
ある。

【図７】集光素子と光学変調素子の画素の配置の関係を
示した図である。

【図８】集光素子と光学変調素子の画素の配置の関係を
示した図である。

【図９】集光素子と光学変調素子の画素の配置の関係を
示した図である。

【図１０】集光素子と光学変調素子の画素の配置の関係
を示した図である。

【図１１】集光素子と光学変調素子の画素の配置の関係
を示した図である。

【図１２】本発明の透過型の光学変調装置の要部断面図
である。

【図１３】本発明の透過型の光学変調装置を用いたカラ
ー画像表示装置の概略図である。

【図１４】従来の光学変調装置の要部断面図である。

【符号の説明】 １ 光学変調素子 ２ 集光素子 ３ 透明基板 ４ 遮光膜 ６ 色分解素子 ７ 反射板 １０ 光学変調装置 １１ 白色光源 １２ 放物鏡 １３ コンデンサーレンズ １４ 投射レンズ １５ 投射レンズ絞り １６ 投射スクリーン １７ 集光レンズ １８ ミラー ５１ カラーフィルター ６１ 遮光壁

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射光を各画素毎に変調して出射する光
   学変調素子と、広波長帯域の光束を所定の波長帯域毎に
   分解する色分解素子とを有し、該色分解素子によって所
   定の波長帯域毎に分解された光束を前記光学変調素子の
   異なる画素に入射させ、前記画素が入射光の変調を行う
   光学変調装置において、 前記色分解素子は、入射光を所定波長毎に分解する色分
   解領域と、入射光をそのまま透過する非色分解領域を交
   互に有することを特徴とする光学変調装置。
2. 【請求項２】 前記広波長帯域の光束を集光して前記光
   学変調素子の各画素に収歛光を入射させるレンズアレイ
   を有することを特徴とする請求項１記載の光学変調装
   置。
3. 【請求項３】 前記色分解素子を通過した光束を集光し
   て前記光学変調素子の各画素に収歛光を入射させるレン
   ズアレイを有することを特徴とする請求項１記載の光学
   変調装置。
4. 【請求項４】 前記レンズアレイは平板マイクロレンズ
   であることを特徴とする請求項２、３記載の光学変調装
   置。
5. 【請求項５】 前記レンズアレイを構成するレンズ一つ
   おきに前記色分解素子は色分解領域を有することを特徴
   とする請求項２乃至４記載の光学変調装置。
6. 【請求項６】 前記色分解素子はバイナリーオプティク
   スであることを特徴とする請求項１乃至５記載の光学変
   調装置。
7. 【請求項７】 前記色分解素子はホログラムであること
   を特徴とする請求項１乃至５記載の光学変調装置。
8. 【請求項８】 前記色分解素子と前記光学変調素子との
   間にカラーフィルターを配したことを特徴とする請求項
   １乃至７記載の光学変調装置。
9. 【請求項９】 前記カラーフィルターは、前記色分解素
   子の非色分解領域を通過した光束の光路上にのみ設けら
   れることを特徴とする請求項８記載の光学変調装置。
10. 【請求項１０】 前記光学変調素子は、高分子分散型液
    晶であることを特徴とする請求項１乃至９記載の光学変
    調装置。
11. 【請求項１１】 前記光学変調素子の画素間に遮光壁を
    有することを特徴とする請求項１０記載の光学変調装
    置。
12. 【請求項１２】 前記光学変調素子は、ＴＮ型液晶であ
    ることを特徴とする請求項１乃至９記載の光学変調装
    置。
13. 【請求項１３】 前記光学変調素子は、ゲストホスト型
    液晶であることを特徴とする請求項１乃至９記載の光学
    変調装置。
14. 【請求項１４】 反射型の光学変調装置であることを特
    徴とする請求項１乃至１３記載の光学変調装置。
15. 【請求項１５】 透過型の光学変調装置であることを特
    徴とする請求項１乃至１３記載の光学変調装置。
16. 【請求項１６】 請求項１乃至１５記載の光学変調装置
    を用いて画像表示を行うカラー画像表示装置。