JPH08313845A - 光学素子及びそれを用いた光学装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源からの光の利用効率向上に加えて、空間
変調素子に入射する光ビームの明るさの均一性を向上さ
せることができる投射型液晶表示装置のような空間変調
素子を用いた光学装置を提供すること。 【解決手段】 本発明の光学素子１０３は、所定の形状
及び所定の強度分布を有する入射光を、所定の強度分布
を有する所望形状の出力光に変換することを特徴とす
る。この光学素子１０３からの出力光は、方形、円又は
楕円のいずれかの形状を有することを特徴とする。ま
た、本発明の光学装置は、本発明の光学素子に加え、こ
の光学素子１０３で整形された光ビームに指向性を付与
する光学素子１０４を更に具備する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光学素子及び光学
装置、特に空間光変調素子を用いた投射型画像表示装置
や光情報処理装置などの光学装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】大画面の画像表示装置として大型ブラウ
ン管が開発されているが、更なる大型化の要請に応える
べく投射型表示装置が注目されている。投射型表示装置
としては、小型で高精度・高輝度のＣＲＴに表示された
像を投射表示する投射型ＣＲＴ表示装置と、液晶パネル
により変調された光を投射表示する投射型液晶表示装置
が商品化されているが、特に後者はより小形・軽量化に
適し、一般家庭でも容易に導入ができる利点がある。

【０００３】図５９に、従来の投射型液晶表示装置の典
型的な構成を示す。図５９において、メタルハライドラ
ンプなどの高輝度の光源１から発せられた光は、反射鏡
２で反射されて指向性のある平行光又は集束光となり、
液晶パネル３に照射される。液晶パネル３を透過した光
は、投射レンズ４によりスクリーン５上に結像投射され
る。

【０００４】投射方式には、観察者から見てスクリーン
の後側から投射する背面投射型と、観察者と同じ側から
投射する前方投射型の２つのタイプがある。また、カラ
ー画像を表示する場合には、ＲＧＢ（赤、緑、青）など
３色の色フィルタ付き液晶パネルを用いる単板式と、そ
れぞれの色成分用に３枚の液晶パネルを用いる３板式な
どの方式がある。３板式投射型液晶表示装置では、光源
の光を３色の成分に分離するためにダイクロイックミラ
ーなどが用いられ、それぞれの色成分を３本の投射レン
ズを用いて投射する方式と、ダイクロイックミラーなど
を用いて再び色成分を合成し、１本の投射レンズを用い
て投射する方式などがある。

【０００５】また、液晶パネルの透過光を用いる方式の
他、液晶パネルにより反射された光を用いる反射型の表
示装置なども開発されてきている。液晶パネルのマトリ
ックス方式としては、単純マトリックス、薄膜トランジ
スタ、薄膜ダイオードなど、液晶の動作モードとしては
ＴＮ、ＳＴＮなどの諸方式があり、最近では高分子分散
型液晶により光の散乱と透過を制御する方式なども開発
されている。また、半導体集積回路の製造工程と類似の
プロセスで形成した微小な反射鏡の配列された素子を用
いる表示方式なども開発されてきた。

【０００６】図６０に、従来の投射型液晶表示装置の他
の構成例を示す。この装置は特開平６−１７５１２９号
に開示されている。この装置は、光源からの光の集束性
を改善して光の利用効率を改良し、投射画像のコントラ
スト比と均一性を改良し小型堅牢化を図ったものであ
る。

【０００７】図６０において、光源１１は楕円鏡１２の
第１焦点位置に配置される。楕円鏡１２の第２焦点位置
の近傍には凸型錐体状プリズム１３が配置される。光源
１１から発し、楕円鏡１２により集光された光ビーム
は、光源１１自身の影による暗点をなくすために、プリ
ズム１３で光束が揃えられ、中心部に集められる。プリ
ズム１３を通過した光ビームは、集光用レンズ１４、透
過散乱型表示素子１５、第２の集光用レンズ１６、絞り
１７及び投射用レンズ１８を経てスクリーン（図示しな
い）に投射される。光はプリズムの凸面又は凹面で光束
を揃えられ、集光用レンズ１４で平行光とされた後、透
過型液晶表示素子１５に入射される。

【０００８】しかしながら、上記の液晶パネルのような
空間光変調素子を用いる投射型画像表示装置において
は、比較的容易に大画面の表示ができるという特長を有
する反面、明るさを十分確保することが難しいという問
題がある。従って、この装置では、部屋を暗くしなけれ
ばならなかったり、光源に高出力のランプを用いるため
に消費電力が大きい等の問題を有する。特に、光源から
発した光のパワーのうち、スクリーンまで至るものの割
合、すなわち光の利用効率が１〜２％しかないなど、照
明系、色分解系、空間変調系（液晶パネル）、色合成系
から投射レンズを経てスクリーンに至る光学系の各部で
の光の利用効率の向上が大きな課題である。

【０００９】また、特に図５９の構成では、光ビームの
強度分布において中心部に光源１自身の影を持つため、
スクリーン５上の画面の中央に暗い影が出るという明る
さのむらの問題がある。この問題を解決するために、図
６０の構成では、凸型錐体状プリズム１３により中心部
に光を集めて中心の影を消している。しかし、図６０の
構成では楕円鏡１２から来る光ビームの焦点付近にバル
ク状のプリズム１３が配置されているため、プリズム１
３の中に局所的に光のパワーが集中する部分が出来て、
熱による形状の歪みが起き易く、これが破壊につながり
易い。また、これを避けるためにプリズム１３の位置を
焦点付近から離すと、光の利用効率がますます低下す
る。これを避けるためには、プリズム１３の入射面の面
積を大きくとらねばならず、これによりプリズム１３の
光軸方向の大きさも増大して装置全体の小型化の障害と
なる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の他の目的は、
光源からの光の利用効率向上に加えて、空間変調素子に
入射する光ビームの明るさの均一性を向上させることが
できる投射型液晶表示装置のような空間変調素子を用い
た光学装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を講じた。

【００１２】本発明の光学素子は、所定の形状及び所定
の強度分布を有する入射光を、所定の強度分布を有する
所望形状の出力光に変換することを特徴とする。前記出
力光は、方形、円又は楕円のいずれかの形状を有する。
また、入射光の代表的な波面に対して付与されるべき位
相の進み遅れを表わす位相伝達関数又は光学素子表面の
形状の少なくとも一方が、最適化の計算に基づいて設定
される。

【００１３】本発明に係る光学素子によれば、簡単な構
成（すなわち、１枚の光学素子）で、所定（任意）形状
の、かつ、所定（任意）強度分布の入射光を、所定の強
度分布（基本的に一様の強度分布にするので、以下「一
様」と表現する）を有する所望形状（例えば、長方形、
楕円等）に変換することができる。

【００１４】本発明に係る第１光学装置は、所定のビー
ム形状及び強度分布を有する光ビームを放射する光源
と、入射される前記光ビームのビーム形状を、一様な強
度分布を有する方形、円形又は楕円形のいずれかの形状
に整形する第１光学素子と、入射される整形された前記
光ビームに指向性を付与する第２光学素子とを具備する
ことを特徴とする。

【００１５】なお、本発明において光ビームのビーム形
状とは、光ビームの光軸に対して直交する平面内での断
面形状であり、強度分布とは同平面内での光強度の分布
を意味する。

【００１６】第１光学装置の一つの具体的な実施態様に
よると、第１光学素子は所定のビーム形状及び強度分布
を有する光ビームの光路中に配置されたときの出射光の
所定位置における強度分布形状を光ビームの中心部にお
いて強度が相対的に低下し、周辺部において強度が相対
的に増加するように整形するものであり、例えばほぼ円
形（又は、ほぼ楕円形）のビーム形状を有する光ビーム
の光路中に配置された際の出射光の所定位置における強
度分布がほぼ正方形（又は、ほぼ長方形）、又は強度分
布の斜め方向の幅が縦横方向の幅より広い強度分布とな
るように構成される。

【００１７】上記の構成において、第１光学素子の望ま
しい実施形態は以下の通りである。

【００１８】（１） 第１光学素子は、中心強度が周辺
部の強度より高くほぼ円形（又は、ほぼ楕円形）の所定
の強度分布形状を有する入射光路中に配置した際の出射
光の所定位置における強度分布の変動が所定の矩形（正
方形又は長方形）領域内で４０％以下であること。

【００１９】（２） 第１光学素子は、中心強度が周辺
部の強度より高くほぼ円形（又は、ほぼ楕円形）の所定
の強度分布形状を有する入射光路中に配置した際の全出
射光量の７０％以上が所定の矩形領域内に照射されるよ
うに構成されること。

【００２０】（３） 第１光学素子は、入射位置に依存
して入射光に付与する位相を表わす位相伝達関数が、偏
向を付与する一次関数、ビーム全体の集束、発散、球面
収差等を付与する軸対称の関数、及び、円柱レンズ様に
一方向のみの集束又は発散を付与する関数のうちの０又
は１又は複数の組み合わせ以外に、座標に関して４次以
上の成分をもつ関数であるように構成されること。

【００２１】（４） （１）〜（３）のような第１光学
素子は、具体的には所定の位相伝達関数を実現する表面
形状を有する反射鏡、又は所定の位相伝達関数を実現す
る表面形状及び屈折率分布の少なくとも一方を有する透
過型光学素子により構成されること。

【００２２】（５） 第１光学素子が所定の位相伝達関
数を実現する表面形状を有する場合には、前記表面形状
の所定の基準平面からの高さが一定となる境界線で前記
表面形状が不連続であり、境界線で区分される複数の領
域内で表面形状が連続であるように構成されること。

【００２３】（６） 第１光学素子は、所定の位相伝達
関数を実現する反射型又は透過型の回折型光学素子によ
っても構成することができる。この回折型光学素子は、
例えば２次以上の回折光を用い、利用する回折方向に回
折光の強度が集中するブレーズ格子によって形成され
る。

【００２４】（７） 第１光学素子は、入射される前記
光ビームの光路中に前記光ビームの光軸に対してほぼ垂
直に配置され、その表面に複数の曲線群からなる溝が形
成された透光性基板を有する。

【００２５】第２光学素子の望ましい実施形態は以下の
通りである。

【００２６】（１） 第２光学素子は、入射光線の入射
位置に依存して光路を変更する機能を有し、第１光学素
子により光ビーム形状が整形されかつ強度分布が一様化
された光ビームに指向性を付与すること。

【００２７】（２） 上記のような第２光学素子は、入
射位置に依存して入射光に付与する位相を表わす位相伝
達関数が、偏向を付与する一次関数、ビーム全体の集
束、発散、球面収差等を付与する軸対称の関数、及び、
円柱レンズ様に一方向のみの集束又は発散を付与する関
数のうちの０又は１又は複数の組み合わせ以外に、座標
に関して４次以上の成分をもつ関数であるように構成さ
れること。

【００２８】（３） 第２光学素子は、所定の位相伝達
関数を実現する表面形状を有する反射鏡、又は所定の位
相伝達関数を実現する表面形状及び屈折率分布の少なく
とも一方を有する透過型光学素子により構成されるこ
と。ここで、所定の位相伝達関数を実現する表面形状を
有する光学素子は、具体的には前記表面形状の所定の基
準平面からの高さが一定となる境界線で前記表面形状が
不連続であり、境界線で区分される複数の領域内で表面
形状が連続であるように構成されること。

【００２９】（４） 第２光学素子は、所定の位相伝達
関数を実現する反射型又は透過型の回折型光学素子によ
っても構成することができる。この回折型光学素子は、
例えば２次以上の回折光を用い、利用する回折方向に回
折光の強度が集中するブレーズ格子によって形成され
る。

【００３０】上記の第１光学装置においては、入射する
光ビームを第１光学素子に通過させてビーム形状を長方
形状又は楕円形状に整形し、更にビーム形状の整形に伴
い指向性が乱れた光ビームに対して第２光学素子により
指向性を付与する。通常はビーム形状が円形状で、かつ
光強度の分布が均一でない光源からの光ビームを第１及
び第２光学素子を通過させることにより、一般に長方形
状である液晶パネルなどの空間変調素子に対して、ビー
ム形状が空間変調素子の形状に近く、しかも強度分布が
一様化された光ビームを照射でき、従来と同じ光源を用
いても光の利用効率を向上することが可能となり、かつ
均一な明るさで空間変調素子を照明することができる。
また、従来より低い消費電力下で従来並の明るさと明る
さの均一性が達成される。従って、第１光学装置を投射
型液晶表示装置に適用すれば、性能向上や消費電力の低
減を図ることができる。

【００３１】本発明に係る第２光学装置は、所定の強度
分布を有する光ビームの光路中に配置され、その表面に
同心円状または渦巻状に形成された一定角度の斜面を持
つ溝を有する透光性基板からなる第１光学素子と、前記
第１光学素子を通過した光ビームの光路中に配置され、
入射される前記光ビームに指向性を付与する第２光学素
子とを具備することを特徴とする。

【００３２】第２光学装置においては、入射する光ビー
ムを透光性基板上に一定角度の斜面を持つ溝を同心円状
又は渦巻状に形成してなる第１光学素子により光ビーム
の強度分布を一様化し、更に第１光学素子を通過した光
ビームを指向性を付与して空間光変調素子に入射する。
すなわち、第１光学素子は基板表面に形成された溝によ
って光線を屈折させるプリズムの効果を生ずるため、入
射光ビームである光源系からの光ビームが中心付近に暗
点を持っていても、周辺部の光を中心部に移動させるこ
とで出射光ビームでは暗点が消えることになり、光強度
分布の一様化が可能となる。

【００３３】更に、前記第１光学素子は立体形状により
光を屈折させるバルク状のプリズムと異なって、表面に
溝が加工された透光性基板からなり、非常に薄く作るこ
とが可能であることから、熱の放散が非常に良い。従っ
て、強力な冷却装置を必要とせず、冷却が容易である。
また、前記第１光学素子を光源系に存在する反射鏡の焦
点、つまり入射光ビームの集束位置近傍に設けても、熱
による破壊のおそれがないため、バルク状のプリズムを
用いた場合と比較して光の利用効率が向上する。なお、
２枚方式（１枚目で一様の強度分布を有する所望形状の
光ビームとし、２枚目で指向性を持たせる方式）は、焦
点位置近傍から光学素子を離して配置できるので、熱破
壊のおそれがなくなる。更に、第１光学素子の口径を大
きくしても厚さは同じでよいので、大口径でかつコンパ
クトなものを作ることができ、光学装置の小型化にも寄
与する。

【００３４】更に、第２光学装置においては第１光学素
子を通過した光ビームを第２光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上するこ
とになる。

【００３５】本発明に係る第３光学装置は、所定のビー
ム形状及び強度分布を有する光ビームの光路中に前記光
ビームの光軸に垂直な面上で外側に向かうにつれて位相
伝達関数（位相が遅れる量）が直線的に減少又は増加す
る特性（例えば屈折率分布）を有する第１光学素子を配
置し、更に第１光学素子を通過した光ビームの光路中に
前記光ビームに指向性を付与する第２光学素子を配置し
て、これら第１及び第２光学素子を経て空間変調素子に
光ビームを導く構成とした。

【００３６】第３光学装置においては、入射する光ビー
ムをその光軸に垂直な面上で外側に向かうにつれて位相
伝達関数が直線的に減少又は増加する特性を有する第１
光学素子により光ビームの強度分布を一様化し、更に第
１光学素子を通過した光ビームを指向性を付与して空間
光変調素子に入射する。すなわち、第１光学素子が位相
伝達関数の変化によりプリズムの効果をもつことによ
り、第２光学装置における第１光学素子と同様に、入射
光ビームが中心付近に暗点を持っていても、周辺部の光
を中心部に移動させることで出射光ビームでは暗点が消
え、光強度分布を一様化する効果が得られ、しかも位相
伝達関数を変化させた透光性基板によって非常に薄く作
ることが可能であることから、熱の放散が非常に良い。

【００３７】従って、第３光学装置によれば、前記第１
光学素子を光源系に存在する反射鏡の焦点、つまり入射
光ビームの集束位置近傍に設けても、熱による破壊のお
それがないため、バルク状のプリズムを用いた場合と比
較して光の利用効率が向上する。更に、第１光学素子の
口径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でか
つコンパクトなものを作ることができ、光学装置の小型
化にも寄与する。また、第２光学装置と同様に、２枚方
式の場合には、焦点位置からずらした位置に光学素子を
配置できるので、光学素子の熱破壊のおそれがなくな
る。

【００３８】更に、第３光学装置においても第１光学素
子を通過した光ビームを第２光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上する。

【００３９】本発明に係る第４光学装置は、所定の強度
分布を有する集束性光ビームの光路中の集束点近傍に配
置され、一定角度の斜面を持つ同心円状または渦巻状の
溝が形成された透光性基板を有する光学素子を具備する
ことを特徴とする。

【００４０】第４光学装置においては、第２光学装置に
おける第１光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第２光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。

【００４１】本発明に係る第５光学装置は、所定の強度
分布を有する集束性光ビームの光路中の集束点近傍かつ
前記集束点より光ビームの進行方向前方に配置され、前
記光ビームの光軸に垂直な面上において前記光軸から外
側に向かうにつれて位相伝達関数が直線的に減少する特
性を有する光学素子を具備することを特徴とする。

【００４２】第５光学装置においても、第３光学装置に
おける第１光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第２光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。

【００４３】本発明に係る第６光学装置は、所定の強度
分布を有する集束性光ビームの光路中の集束点近傍かつ
前記集束点より光ビームの進行方向後方に配置され、前
記光ビームの光軸に垂直な面上において前記光軸から外
側に向かうにつれて位相伝達関数が直線的に増加する特
性を有する光学素子を具備することを特徴とする。

【００４４】第６光学装置においても、第３光学装置に
おける第１光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向後方
に配置することにより、第２光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。

【００４５】以上説明したように本発明によれば、光源
から出射された光ビームのパワーを有効に、指向性を確
保しながら高い効率で、所望の形状、所望の強度分布を
持つ光ビームに整形することが実現できる。これによ
り、矩形或いは円形で均一な光ビームで液晶パネルを照
明でき、従来より光利用効率が高く、しかも画面内の明
るさが均一な良好な画質のディスプレイ装置が実現でき
る。すなわち、従来の装置における画面周辺が暗いとい
う欠点を解消し、更に従来と同じ消費電力で従来より明
るい画面の液晶投射型ディスプレイ装置が実現できる。
又は、従来と同じ明るさの画面を、従来より小さい消費
電力の装置で実現することができる。

【００４６】また、本発明は白色光のみならずレーザ光
に対しても有効であり、円形の光ビームを均一な矩形ビ
ームに変換する手段を供給する。従って、本発明は、表
示装置に限らず、効率的に矩形領域を照明することの要
求される広い分野に適用可能であり、例えば光を用いた
演算、情報処理装置、画像処理装置などに適用した場合
にも、ディスプレイ装置と同様に消費電力の削減や、又
は照射強度の向上によってもたらされる性能の向上が効
果として得られる。

【００４７】更に、本発明によれば光学素子を用いてビ
ーム断面の光強度分布において中心部に暗点を持つ光ビ
ームに対して暗点の除去が実現でき、光ビームの一様性
を向上することができる。しかも、本発明における光学
素子はバルク状の円錐レンズに比べ熱に対して破壊され
にくく、大きくて薄いものが作れるなど、設計上の自由
度が非常に高いため、大口径で光量が多くコンパクトな
光学装置を実現することが可能であるという利点を有す
る。

【００４８】本発明の光学素子は、上記の光学素子にお
いて、出力光は、中心部が周辺部よりも明るいことを特
徴とする。また、同心円状又は渦巻状のいずれかの溝を
有し、前記溝は、前記光学素子に入射する光の光学素子
の入射面における光強度分布をＬi （ｒi ）、所望の面
上の光強度分布をＬo （ｒo ）とし、ｒi ＞ｒimaxの時
に、Ｌi （ｒi ）＝０、ｒo ＞ｒomaxの時に、Ｌo （ｒ
o ）＝０とした場合に、

【数３】

【００４９】となるように、斜面の傾斜角が設定される
ことを特徴とする。

【００５０】本発明に係る光学素子は、表面に細かな溝
が切ってあるため、その溝によって光線が屈折されプリ
ズムの効果を生ずる。これにより、光源から来る光が中
心付近に暗点を持っていても周辺部の光を中心部に移動
させ、暗点を消すことが出来る。また、立体形状により
屈折を行なうバルク状のプリズムに比べて、本発明に係
る光学素子は、表面に施された加工によって屈折を行な
うため、立体的な形状を持つ必要がなく、非常に薄く作
ることが可能なため、熱の放散が非常に良い。また、口
径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でかつ
コンパクトなものを作ることが出来る。

【００５１】溝の斜面の傾斜角を光軸を中心として半径
毎に設定しているので、光学素子の半径方向における光
強度分布を自由に制御することができる。これによっ
て、中心の輝点を消すことができる。更に、目的の光強
度分布を得た後に入射する第２光学素子の溝斜面角度を
半径毎に設定しているので、半径方向における光ビーム
の指向性を自由に制御することができる。

【００５２】本発明の光学素子を使用した光学装置は、
所定の形状及び所定の強度分布を有する入射光を、一様
の強度分布を有する所望形状の出力光に変換する少なく
とも１つの第１光学素子を具備することを特徴とする。
出力光は、中心部が周辺部よりも明るいことを特徴とす
る。また、第１光学素子は、同心円状又は渦巻状のいず
れかの溝を有し、前記溝は、前記光学素子に入射する光
の光学素子の入射面における光強度分布をＬi （ｒi
）、所望の面上の光強度分布をＬo （ｒo ）とし、ｒi
＞ｒimaxの時に、Ｌi （ｒi ）＝０、ｒo ＞ｒomaxの
時に、Ｌo （ｒo ）＝０とした場合に、

【数４】

【００５３】となるように、斜面の傾斜角が設定される
ことを特徴とする。ここで、ｒi ：入射光ビームの光軸
からの位置、ｒimax：光学素子の入射面の光軸から最も
離れた位置、ｒo ：前記入射光ビームに対応する出力光
ビームの前記所望の面上の光軸からの位置、ｒomax：前
記出力光ビームが到達可能な前記所望の面上の光軸から
最も離れた位置である。

【００５４】なお、上記の光学装置において、前記一様
の強度分布を有する所望形状の光に所定の指向性を付与
するように、中心軸からの距離に応じて変化するような
角度の斜面を有する同心円状又は渦巻状のいずれかの溝
を有する少なくとも１つの第２光学素子を更に具備する
ことを特徴とする。

【００５５】また、本発明の液晶投射型表示装置は、定
のビーム形状及び強度分布を有する光ビームを放射する
光源と、入射される前記光ビームのビーム形状を、一様
な強度分布を有する所望の形状に整形する少なくとも１
つの第１光学素子と、入射される整形された前記光ビー
ムに指向性を付与する第２光学素子と、前記指向性を付
与された光ビームを入射し、所望の画像を表示するため
に所定部分に光を通過させる液晶パネルと、前記液晶パ
ネルを通過した光を画像として表示するスクリーンとを
具備することを特徴とする。

【００５６】本発明の光学素子を適用した光学装置は、
上記のように大口径かつコンパクトな光学素子を使用す
ることにより、コンパクトで高性能なものとなる。

【００５７】

【発明の実施の形態】図面を参照して本発明の実施の形
態を説明する。

【００５８】（第１実施形態）図１は、本発明の第１実
施形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の構成を示す
図である。同図において、メタルハライドランプのよう
な光源１０１で発した光（白色光）は、回転放物面形状
の反射鏡１０２で反射され、ほぼ平行にコリメートされ
た光ビームになる。

【００５９】この光ビームは、本発明に基づくビーム形
状の整形及び光強度分布の一様化を行う第１光学素子１
０３と、指向性を付与する第２光学素子１０４を順次通
過することで、矩形状のビーム形状と一様の強度分布を
有し、かつ指向性の良好な光ビームに変換される。これ
ら第１及び第２光学素子１０３、１０４を通過した光ビ
ームは、赤色近辺の波長の光のみを透過するダイクロイ
ックミラー１０５と、緑色近辺の波長の光のみを透過
し、青色近辺の波長の光を反射するダイクロイックミラ
ー１０６とにより３色の成分に分解されると共に、コー
ルドミラー１０７も用いてそれぞれの波長成分に対応す
る画像を表示する液晶パネル１０８〜１１０により変調
される。

【００６０】液晶パネル１０８〜１１０によって変調さ
れた光は、コールドミラー１１１と、ダイクロイックミ
ラー１１２及び１１３とにより合成された後、投射レン
ズ１１４によりスクリーン１１５に投射され、スクリー
ン１１５上にカラー画像が表示される。スクリーン１１
５は、透過型のものを用いる場合は投射装置と一体の装
置に組み込まれるが、反射型のものを用いる場合は投射
装置と一体の装置として構成されていてもよく、また独
立した単体のスクリーンを用いるための投射装置として
投射レンズまでを一体として構成されていてもよく、こ
れらの構成に限定されず、いずれの場合も本発明に含ま
れるものである。

【００６１】また、光の利用効率の向上や、投射レンズ
の開口の小形化のため、液晶パネルの直後にフィールド
レンズを挿入する構成であってもよい。また、装置の小
形軽量化や低価格化などのため、３枚のパネルを用いず
にカラーフィルターを具備した単一の液晶パネルを用い
る単板式の構成であってもよく、パネルの数に限定され
ない。単板式の構成では、色分解や色合成のためのダイ
クロイックミラーやコールドミラーが不要であるため、
少ない部品で装置を構成できるという特徴がある。更に
空間光変調素子として透過型液晶パネルを用いている
が、反射型であってもよく、また、液晶ではなくマイク
ロミラーの配列などであってもよく、空間光変調素子の
方式に限定されるものではない。

【００６２】なお、投射型に限らないが、液晶表示装置
では長方形状の液晶パネルを用いるので、第１光学素子
１０３は典型的にはビーム形状を長方形状に整形する。

【００６３】図２は、入射する光ビームのビーム形状の
整形と強度分布の一様化を行う第１光学素子１０３と、
指向性を付与する第２光学素子１０４の種々の配置例を
示す図である。

【００６４】図２（ａ）は平行に入射する光ビームに対
してビーム形状の整形及び強度分布の一様化と共に、光
ビームの進行方向を変える偏向を付与する透過型の光学
素子として構成された第１光学素子１０３と、指向性と
共に偏向を付与する透過型の光学素子として構成された
第２光学素子１０４とが配置されている。これは図１中
に示す第１及び第２光学素子１０３、１０４の配置と同
じである。

【００６５】第１光学素子１０３は第２光学素子１０４
の位置での光ビームのビーム形状及び強度分布が所定の
形状及び分布となるように設計されている。一方、第２
光学素子１０４は、入射した光が指向性の良い光束とし
て出力されるように設計される。この例では、光学素子
１０３に入射する光と光学素子１０４から出射される光
の進行方向はいずれも平行であるが、必ずしも平行であ
る必要はない。また、第１及び第２光学素子１０３、１
０４に偏向作用があるため、入射光と出射光の方向が異
なっている。このようにすると、第１及び第２光学素子
１０３、１０４が特に回折素子で構成される場合には、
格子パターンが縞状になるため、素子の設計や作製が容
易になるという特徴がある。

【００６６】図２（ｂ）〜図２（ｆ）は、第１及び第２
光学素子１０３、１０４の他の配置例であり、第１光学
素子１０３がビーム形状の整形と強度分布の一様化の機
能を有し、第２光学素子１０４が指向性を付与する機能
を有する点は図２（ａ）と同様である。

【００６７】これらのうち、図２（ｂ）は、第１及び第
２光学素子１０３、１０４が偏向作用を持たず、光を直
進させる形態、図２（ｃ）は第１及び第２光学素子１０
３、１０４がいずれも偏向作用を持ち、光軸を屈折させ
る形態を示す。図２（ｄ）は、第１及び第２光学素子１
０３、１０４として反射型の素子を組み合わせた配置、
図２（ｅ）は光学素子１０３を透過型の素子、光学素子
１０４を反射型の素子とし、図２（ｆ）は逆に光学素子
１０３を反射型の素子、光学素子１０４を透過型の素子
とした例である。

【００６８】本発明は、第１及び第２光学素子１０３、
１０４の配置に対する自由度が高いことも特徴の１つで
あって、図２に示す配置に限定されるものではなく、同
様の機能を有する光学素子を配置した光学装置は本発明
に含まれる。また、装置全体の構成に合わせて、操作調
整等のし易さ、製造の容易さ、装置の小形化などに対す
る要請の軽重に合わせて、第１及び第２光学素子１０
３、１０４の配置を選択することができる。

【００６９】図３は、ビーム形状の整形と強度分布の一
様化を行う第１光学素子１０３と、指向性を付与する第
２光学素子１０４の配置の他の例を示す図である。これ
らの例は、図２では第１光学素子１０３の入射光が平行
光であったのに対して、入射光が集束光の場合を示して
おり、図３の配置例はそれぞれ図２のそれに対応してい
る。更に他の例としては、第１光学素子１０３の入射光
が発散光であってもよい。これらの入射光の状態によ
り、光学素子１０３の具体的な形態が図２の場合と異な
ってくる。

【００７０】図３のような配置が用いられる光学装置で
は、光源から発せられた光はレンズ、反射鏡等により、
平行光にコリメートされるのではなく、集束又は発散さ
せられる。例えば反射鏡の形状が回転楕円体で、光源が
一方の焦点に位置しているとき、反射光はもう一方の焦
点に向かって集束する。この焦点より内側に光学素子を
置けば、入射光は集束光であり、外側に置けば発散光で
ある。また、レンズ、反射鏡等を用いず、光源からの発
散光がそのまま用いられる場合もある。

【００７１】上記のように集束光又は発散光を用いるこ
とにより、ビームの径を容易に拡大、縮小できるため、
使用する空間光変調素子と光源との兼ね合いで都合のよ
いように自由に構成することができる。なお、ビーム径
の拡大、縮小の機能は、第１光学素子１０３と第２光学
素子１０４によって実現することもできるので、少なく
とも一方の光学素子にこの機能を持たせることができ、
本発明はこの選択によって限定されない。

【００７２】図４は、ビーム形状の整形と強度分布の一
様化を行う第１光学素子１０３と、指向性を付与する第
２光学素子１０４の配置の更に別の例を示す図である。
これらの例は、図２及び図３では第２光学素子１０４の
出射光が平行光であったのに対して、集束光の場合を示
しており、図３はそれぞれ図２又は図３に対応してい
る。更に別の例として、第２光学素子１０４の出射光が
発散光であってもよい。これらの出射光の状態により、
光学素子１０４の具体的な形態が図２又は図３の場合と
異なってくる。また、第１光学素子１０３の入射光につ
いては、集束光が入射する場合を図示すが、発散光又は
平行光であってもよい。

【００７３】第２光学素子１０４からの出射光は、図示
されていない液晶パネルなどの空間光変調素子へ到達す
る。空間光変調素子は、入射面に所定の角度（例えば垂
直など）で光が入射した場合に最も良好な変調特性を発
揮するが、入射角度が所定の許容範囲内であれば十分な
特性が実現できる。光学素子１０４からの出射光の集束
又は発散の程度は、空間光変調素子の入射角度の所定の
許容範囲内になるように設定されなければならない。

【００７４】光学素子１０４からの出射光を集束又は発
散状態にすることの利点は、更にその先に続く光学系へ
の光の伝達が効果的になることである。すなわち、図１
に示される投射型液晶表示装置では、液晶パネル１０８
〜１１０を出た光が投射レンズ１１４を介してスクリー
ン１１５により多く到達することで明るい表示が得られ
る。そのためには、僅かに集束する光束を液晶パネル１
０８〜１１０に照射する方がよい。液晶パネルの直後に
フィールドレンズを用いる方法もあるが、図４に示す例
のように光学素子１０４の出射光を集束状態にすると、
集束のための光学部品を省くことができるため、光学装
置をより簡易にかつ安価に実現できる。

【００７５】（第２実施形態）本発明の第２実施形態に
係る投射型液晶表示装置について説明する。本実施形態
は、光学系の構成は第１実施形態とほぼ同様であるが、
入射する光ビームのビーム形状の整形及び強度分布の一
様化を行う（第１の）光学素子１０３のみを用い、第１
実施形態で用いた指向性を付与する（第２の）光学素子
１０４を省略した方式で装置を構成している。

【００７６】図５は、本実施形態に係る投射型液晶表示
装置におけるビーム形状の整形及び強度分布の一様化を
行う光学素子１０３と、液晶パネル１０８との関係を示
す図である。本実施形態において、単板式の場合、この
液晶パネル１０８はカラーフィルタを備えたものを用い
る。３板式の場合は、図１と同様に図示されないダイク
ロイックミラー、コールドミラー、及び３枚の液晶パネ
ル１０８〜１１０を用いて図１と同様の色分離、色合成
を行なう。いずれの場合も、光学素子１０３と液晶パネ
ル１０８との関係は同様のものであるため、発明の趣旨
を分かりやすくするために単一の液晶パネル１０８で代
表させて説明する。

【００７７】第１実施形態では、第１光学素子１０３は
指向性を付与する第２光学素子１０４を設置する比較的
近い位置を所定位置として、この位置でのビーム形状及
び強度分布が所定の形状及び分布になるように設計され
ていた。これに対し、本実施形態における光学素子１０
３は、液晶パネル１０８を設置する比較的遠い位置を所
定位置として、この位置でのビーム形状及び強度分布が
所定の形状及び分布になるように設計されている。この
ため、液晶パネル１０８には光が全面を効率良く均一に
照射されるが、指向性は必ずしも完全には確保されてい
ない。しかしながら、光学素子１０３から液晶パネル１
０８までの距離が比較的大きいため、液晶パネル１０８
に入射する光ビームはある程度の指向性は有するように
なる。従って、液晶パネル１０８の空間光変調素子とし
ての特性が十分確保できる許容範囲の大きさと比較する
と、十分な照明特性が実現でき、良好な表示特性が得ら
れる。

【００７８】第２実施形態によると、先の実施形態のよ
うに指向性を付与する第２光学素子１０４を併用する方
式と比較して、液晶パネルに照射される光ビームの指向
性はやや劣るものの、第２光学素子１０４による光量の
損失を免れることができ、また部品点数を削減できるた
めに装置の小型軽量化、低価格化等に有利である。

【００７９】（第３実施形態）本発明に係るビーム形状
の整形及び強度分布の一様化を行う第１光学素子と、指
向性を付与する第２光学素子の具体的な実現法（設計方
法）について説明する。なお、第１及び第２光学素子
は、共に類似の設計手法、類似の構成により実現される
ものであるため、両者を併せて説明する。

【００８０】第１及び第２光学素子のいずれも入射光の
代表的な波面に対して付与されるべき位相の進み遅れを
表わす位相伝達関数（又は素子表面の形状など）を最適
化の計算などにより決定し、これを実現する光学素子を
作製する。強度分布を変換する光学素子と、指向性を付
与する光学素子との違いの要因は、位相伝達関数又は素
子表面の形状などを決定する際の最適化の計算などにお
ける具体的な設定目標の違いから生ずる。しかし、いず
れの場合もその位相伝達関数は本発明において特徴的な
関数形であり、具体的には偏向を付与する一次関数、ビ
ーム全体の集束、発散、球面収差等を付与する軸対称の
関数、及び、円柱レンズ様に一方向のみの集束又は発散
を付与する関数のうちの０又は１又は複数の組み合わせ
以外に、座標に関して４次以上の成分をもつ関数であ
る。

【００８１】図６は、本実施形態に係る光学素子が透過
型光学素子２０１で構成される場合の原理を模式的に示
す図である。図６において、透過型光学素子２０１は入
射する光ビームのビーム形状の整形及び強度分布の一様
化を行う光学素子又は指向性を付与する光学素子であ
る。入射光２０２は起伏のある形状を有する光学素子２
０１を通過する過程で位相の進み又は遅れが発生し、出
射光２０３の波面は曲面になる。この出射光２０３は、
波面の法線方向にエネルギーを伝搬する。

【００８２】従って、出射光２０３の所定位置での強度
分布が所定の範囲内に収まるように（又は所定の範囲内
で均一になるように）光学素子２０１を設計すること
で、入射する光ビームのビーム形状の整形及び強度分布
の一様化を行う光学素子を設計することができる。ま
た、逆にその位置に置いた際の入射光に対して出射光の
波面が平面に近付くように光学素子２０１を設計するこ
とで、指向性を付与する光学素子を設計することができ
る。

【００８３】なお、実際の入射光はコヒーレントな光と
は限らず、多様な波数ベクトルを有する光線の集合体で
あるため、ここで説明したものより実際の動作は混入っ
た過程になるが、典型的な進行方向で代表させて設計す
ることで、良好な動作特性が確保できる。

【００８４】このような光学素子を透過型光学素子とし
て構成する場合、図６のように一様な屈折率の光学材料
の表面を所定の形状に加工して実現するのも一つの方法
であるが、素子の表面を平坦にし、素子内部に屈折率分
布を生じさせて同様の機能の光学素子を実現する方法も
ある。また、両面に起伏を形成させたり、屈折率分布と
表面形状の両方を用いて光学素子を実現することも可能
である。いずれの場合も、入射光と出射光を比較した際
に付与される位相の空間分布が、強度分布の変換又は指
向性の付与に寄与する。

【００８５】図７は、本実施形態に係る光学素子が反射
型光学素子２１１で構成される場合の原理を模式的に示
す図であり、表面形状（起伏）の作用による動作は図６
の例と同様である。なお、図示していないが、平面鏡の
表面に図６のような素子を張り付ける形状で構成するこ
とも可能である。この場合、往復の光路を光学素子内で
用いるので、表面の起伏は図６の場合より小さくてよ
い。

【００８６】図８は、本実施形態に係る光学素子を透過
型の回折型光学素子２２１により実現する場合の一例を
示す図である。この場合において、光軸が偏向するよう
な構成にすると回折格子のパターンが縞状になり、素子
作成が容易になる場合もある。

【００８７】図９は、本実施形態に係る光学素子を反射
型の回折型光学素子２３１により実現する場合の一例を
示す図である。

【００８８】上記の図６〜図９に示すように、所定の波
面変換が生じる素子であれば、その実現手段は各種考え
られる。

【００８９】図６〜図９の例では光学素子が単体の素子
として実現されているが、反射鏡、プリズム、レンズ、
円柱レンズ等の他の光学素子と組み合わせて実現するこ
とも可能である。また、逆に厚いガラス素子の両面がそ
れぞれ強度分布を変換する光学素子、又は指向性を付与
する光学素子として機能するように構成することも可能
である。これらは光学素子として見掛上、異なる様相を
呈するものであるが、その趣旨とするところは同一であ
り、全て本発明に含まれる。

【００９０】次に、本実施形態に係る強度分布を変換す
る第１光学素子と、指向性を付与する第２光学素子の具
体的な設計法の一例について説明する。手法自体も考え
方も、光学素子の他の配置例に適用できるものである。

【００９１】図１０は、本実施形態に係る光学装置にお
ける具体的な素子の配置の一例を示す図である。図１０
において、メタルハライドランプのような光源１０１か
ら発した光は回転放物面形状の反射鏡１０２で反射さ
れ、ほぼ平行にコリメートされた光ビームになる。この
光ビームが第１光学素子１０３と、第２光学素子１０４
を順次通過することで、ほぼ一様で矩形の断面形状を有
する光強度分布の光ビームに変換されるように設計す
る。図１０には、他に液晶パネル１０８、フィールドレ
ンズ１１６及びスクリーン１１５が示されているが、本
発明の特徴部分ではないので、説明は省略する。

【００９２】第１光学素子１０３の設計について説明す
る。第１光学素子１０３を通過する光線のうち、代表的
なものをサンプル光線として幾つかに選択する。図１１
は第１光学素子１０３の面上のサンプル光線の位置を示
す図である。この例の場合、７２本の光線を用いてい
る。反射鏡１０２の半径が４５ｍｍ、また光源１０１で
あるメタルハライドランプの電極の影になって光の入射
しない領域が中心に半径５ｍｍの領域として存在する。
この半径５ｍｍ〜４５ｍｍの間に同心円上にサンプルを
とっているが、本実施形態では、左右対称の系を想定し
ているので、右側半分にのみサンプルを設定した。

【００９３】図１２は、第２光学素子１０４の面上のサ
ンプル光線の到達すべき点、すなわち目標到達点を示す
図であり、対角線長が３×２５．４ｍｍ（いわゆる３イ
ンチサイズ）で縦横比が３：４の液晶パネルを想定し、
この液晶パネルと同一形状・同一サイズの矩形内に、こ
れらの目標到達点を配置している。また、入射光の強度
分布はガウス形を仮定し、１／ｅ² 半幅ｗと反射鏡１０
２の半径Ｒは、Ｒ／Ｗ＝０．７の関係があるものとし
た。この入射光強度分布がガウス形であることも考慮し
て、変換後の強度分布が画面全体に亘って均一になるよ
うに配置している。設計では、実際の到達点がこの目標
到達点に近付くように、第２光学素子１０４の位相伝達
関数を最適化する。

【００９４】なお、第１光学素子１０３と第２光学素子
１０４の間隔は本実施形態では２００ｍｍとしたが、も
っと短くしても長くしても構わなく、光学素子の工作の
容易さや、装置寸法などの兼ね合いで設定すればよい。

【００９５】位相伝達関数φ（ｘ，ｙ）は、光学素子面
上の座標ｘ、ｙの関数で、その位置において付加される
位相シフト量が２πφ（ｘ，ｙ）／λ（λ：入射光の波
長）と表わされるような関数として定義する。文献によ
って異なる係数が乗じられる定義が用いられる場合もあ
るが、首尾一貫して同じ定義を用いるのであれば、いず
れに従っても実質的な違いは生じない。光学素子の面に
垂直な方向にｚ軸をとって、以下の説明に用いる。

【００９６】位相伝達関数φ（ｘ，ｙ）で特徴づけられ
る光学素子のｘ、ｙ点に入射する光の方向ベクトルを
（ｎx 、ｎy 、ｎz ）とする。ただし、方向ベクトルの
長さは１とする。このとき、出射する光は、その出射方
向の方向ベクトルを（ｎx ′、ｎy ′、ｎz ′）とする
と、その成分ｎx ′、ｎy ′は、次式で与えられる。

【００９７】ｎx ′＝ｎx ＋〓φ（ｘ，ｙ）／〓ｘ ｎy ′＝ｎy ＋〓φ（ｘ，ｙ）／〓ｘ また、ｎz ′は方向ベクトルの長さ１という条件から求
まる。すなわち、位相伝達関数がφ（ｘ，ｙ）で表わさ
れる素子に対して入射するサンプル光線群が与えられる
と、それぞれの光線に対して出射光線が求められ、到達
点が求まる。

【００９８】所望の特性を実現するために必要な位相伝
達関数φ（ｘ，ｙ）を定めるのに、まず多くのパラメー
タＣ1 〜ＣM を含む関数形φ（ｘ、ｙ、Ｃ1 、…、ＣM
）を仮定して、所望の特性を最もよく実現するＣ1 〜
ＣM を求めることにする。具体的には、サンプル光線の
入射位置（ｘi 、ｙi ）に対して、目標到達点の位置
（ｘi ′、ｙi ′）と実際の到達点（ｘi ″、ｙi ″）
との距離の２乗を計算し、サンプル光線すべてに亘って
の総和、すなわち、 Ｓ＝Σ｛（ｘi ′−ｘi ″）² + （ｙi ′−ｙi
″）² } （ｉはサンプル光線のそれぞれを表わす添字で、全ての
サンプル光線について和をとるものとする）を最小とす
るパラメータＣ1 〜ＣM の組み合わせを求める。この計
算は、一般的な統計計算と基本的に同じであり、通常の
最小２乗法のアルゴリズムに従えばよい。

【００９９】本実施形態では座標を直交座標から極座標
に変換し、ｒ及びθの関数として表現した関数形を用い
た。直交座標との関係は、ｘ＝ｒ×ｓｉｎθ、ｙ＝ｒ×
ｃｏｓθで与えられる。このようにすることで、中心に
特異点のある場合などにも対応しやすく、また光軸の回
りの回転対称性についても見通しの良い考察ができるた
め、光軸の回りに強度の分布する光ビームについて取り
扱う際には都合のよい場合が多い。具体的な関数形を次
式に示す。なお、この式はｃｏｓのみを含んでいて、必
ず左右対称の関数になる関数形である。

【０１００】

【数５】

【０１０１】第２光学素子１０４の設計については、第
１光学素子１０３を設計した結果にしたがってサンプル
光線を追跡して得られる第１光学素子１０３上の点と第
２光学素子１０４上の点に対応関数を用い、光線を逆向
きに見て設計する。すなわち、第２光学素子１０４上の
点を通過した光線に対して、第１光学素子１０３上の対
応する点を目標到達点とするように第２光学素子１０４
を設計すればよい。

【０１０２】本実施形態の設計においては、第１光学素
子１０３と同じく式２に示す関数形を用いたが、光学系
の考察に基づいて他の関数形を用いても差支えない。そ
れぞれの素子に対して最適化の結果得られたパラメータ
の値を図１３に示す。また、第１光学素子１０３及び第
２光学素子１０４について求められた位相伝達関数のプ
ロファイルを図１４、図１５に示す。

【０１０３】このようにして得られたφ（ｘ，ｙ）を実
現する光学素子を反射形光学素子として構成する場合
は、ｘ、ｙを通過する光線がφ（ｘ，ｙ）なる距離分だ
け位相が遅れればよいので、垂直入射であれば座標
（ｘ，ｙ）なる点の深さがφ（ｘ，ｙ）／２となるよう
な曲面鏡を構成すればよい。また、同様のこの光学素子
をαなる角度で入射する光に対して用いるのであれば、
座標（ｘ，ｙ）なる点の深さがφ（ｘ，ｙ）／（２×ｃ
ｏｓα）なる曲面鏡を構成すればよい。この場合、図１
４、図１５の形状の上下対称の形に、起伏の方向に対し
て適当に倍率を掛けたような形状の光学素子になる。

【０１０４】また、位相伝達関数φ（ｘ，ｙ）を実現す
る光学素子を屈折形光学素子として構成する場合は、
ｘ、ｙを通過する光線がφ（ｘ，ｙ）なる光路長分だけ
位相が遅れればよいので、一様な屈折率ｎの材料を用い
るのであれば座標（ｘ，ｙ）なる点の厚さの増減分がφ
（ｘ，ｙ）／（ｎ−１）となるような曲面のレンズを構
成すればよい。この場合、図１４、図１５の形状に、起
伏の方向に対して適当に倍率を掛けたような形状の光学
素子になる。また、厚さｄを一定として屈折率分布によ
り実現するのであれば、座標（ｘ，ｙ）なる点の屈折率
がφ（ｘ，ｙ）／ｄなるレンズを構成すればよい。

【０１０５】第１及び第２光学素子１０３、１０４を反
射形又は一様な屈折率の屈折形光学素子として構成する
と、起伏が大きくなるため、量産を想定すると必ずしも
有利とは限らない。屈折率分布を形成するのも量産を想
定すると必ずしも有利とは限らない。

【０１０６】これに対し、第１及び第２光学素子１０
３、１０４を回折形光学素子として構成することで、量
産が容易になる場合が多い。その場合の設計を示すと、
波長λ0 の光に対して位相伝達関数φ（ｘ，ｙ）を実現
する光学素子は、φ（ｘ，ｙ）に対してλ0 間隔の等高
線を作図したパターンの回折光学素子を構成すればよ
い。

【０１０７】第１光学素子１０３及び第２光学素子１０
４について求められた位相伝達関数の等高線を図１６、
図１７に示す。代表的な赤色の波長としてλ0 ＝６３０
ｎｍ間隔の等高線を作図するとピッチが小さすぎるた
め、１００本毎に１本の割合で間引いて作図したものを
図１６、図１７では示している。これはフレネルレンズ
様のものであるが、円形を横長の４角形に変換するた
め、やや上下に潰れた偏平な曲線群になっている。ま
た、縦線の方向より対角線の方向へ分布が延びる必要か
ら、その方向で格子間隔が広く、長方形の角を丸めたよ
うな形に近い形状の閉曲線となっている。この形状が同
軸で円形を４角形に変換する際の特徴の現れ方の一例を
示している。ただし、本実施形態の場合、入射光の断面
積に比べて、液晶パネルのサイズが小さいため、全体と
してやや集束させる機能を第１光学素子が帯びている。
反対に発散される機能を帯びている場合は、対角線の方
向で格子間隔が狭く、ひし形に近い閉曲線となる。

【０１０８】また、光学素子が偏向機能を同時に担う場
合は、基本的に縞模様に変調がかかったようなパターン
となる。すなわち、用いられる配置により実際に形成さ
れるパターンは様々な様相を示すのである。しかしなが
ら、位相伝達関数に注目すると、いずれの場合も偏向機
能を表す成分や、全体の集束、発散を司るレンズ機能を
表す成分を除くと、ほぼ同様の形状の座標に関する４次
以上の成分を有する特徴的な関数形を示すものであり、
同様の成分を有する変形はいずれも本発明に含まれる。
ただし、偏向等の機能が組み合わせられた場合には、直
進の場合の位相伝達関数に、偏向を付加するための１次
関数を単純に足すだけでなく、付随的に発生する収差を
補正するために、多少の補正成分を加える方が、より高
い精度の強度分布変換が実現できる。

【０１０９】本実施形態の効果を確認するため、光線追
跡によるシミュレーションを行った。

【０１１０】図１８は、シミュレーションにおいて第１
光学素子１０３に入射した光線の位置を示す図である。
強度分布に比例した密度で光線が分布していることが分
かる。

【０１１１】図１９は、図１８のような入射光線が第１
光学素子１０３により偏向され、第２光学素子１０４に
至った際の光線の位置を示す図である。液晶パネルの形
状に相当する領域内に、ほぼ一様に分布しており、強度
分布の変換が有効に実現されていることが分かる。

【０１１２】図２０は、第２光学素子１０４を出射した
光線が２０ｃｍ伝搬した地点での光線の分布を示す。図
１９と比較してほぼ同じ形状が保たれており、第２光学
素子１０４が光線の指向性を有効に実現していることが
分かる。

【０１１３】これらの効果により、図から明らかなよう
に、パネル外へ照射される光が少ないので、光源のパワ
ーを有効に活用することができる。第１光学素子１０
３、第２光学素子１０４を用いた光学系における光のロ
スを１５％程度と考えても、これらを用いない場合と比
較して約１．２〜１．５倍の明るさが実現できる。この
値は、シミュレーションで光線の数が、光のエネルギー
に比例するように光線を分布させているので、これを計
算することにより得られる。なお、この値は、設計や素
子の配置、サイズに依存する。

【０１１４】光学素子を構成する際に、位相伝達関数に
波長毎に等高線を描いたパターンの場合、１次回折光が
所望の方向に回折する。この場合、隣接する等高線の間
で位相が１波長分（２πラジアン）だけずれる方向へ光
が偏向される。

【０１１５】図２１に、垂直に入射した光の偏向される
様子を示す。図２１に示すように、回折による偏向角度
θは、ｓｉｎθ＝λ／ｐとなる。ここでλは波長、ｐは
格子ピッチである。本実施形態の場合、最小の格子ピッ
チは約５．７μｍとなる。回折格子を形成する溝の形状
は、所望の方向以外へ光が漏れないようにとの条件で決
まる。１次回折光を利用する場合、溝の左端から右端へ
直線的に位相遅れが変化し、隣接溝で調度１波長分だけ
光路差がずれるようにすればよい。これは、図２１に示
すような鋸歯状の形状で、高さｈがλ／（ｎ−１）とな
るような溝を形成すればよい。ここでｎは光学素子材料
の屈折率である。なお、θが大きいときは、後述するよ
うに、ｈ＝λ／（ｎ−ｃｏｓθ）となる。

【０１１６】このとき、特定の波長については所望の偏
向を付与できるが、白色光のように広範囲の波長が含ま
れる場合には、波長によって偏向が大きく変わってしま
うという欠点がある。これを解決するために、高次回折
光を利用する方法がある。すなわち、隣接する溝でＮ波
長分だけ位相がずれるような方向へ偏向する光を利用す
るものがＮ次回折光を利用する構成である。このとき、
溝は格子ピッチ、深さともにＮ倍になる。

【０１１７】図２２に高次回折光を利用する場合の溝形
状の変化を示す。３角溝の面の傾斜はｈ／ｐ＝ｓｉｎθ
／（ｎ−１）となる。傾斜が正確に作製できていればピ
ッチについては誤差が大きくてもよい、又はピッチに対
する制約は事実上なくなる。波長λ0 の光に対してＮ次
回折光を利用するように設計した場合、波長がλ＝λ0
×Ｎ／（Ｎ＋ｍ）なる光に対しては、（Ｎ＋ｍ）次光が
所望の方向に、最大の回折効率で偏向される（ｍ＝±
１、±２、…）。また、それ以外の波長の光も、所望の
方向の近傍にパワーのほとんどが偏向される。Ｎが大き
いほど精度や効率が高くなるが、位相伝達関数の詳細な
構造が反映できなくなるので、必要な精度との兼ね合い
で実際の数字を定める。本実施形態の場合、Ｎとしては
８〜数１００程度の範囲で十分な効果が期待できる。

【０１１８】以上は本発明による光学素子を透過型の回
折格子として構成した場合の例であるが、反射型の回折
格子として構成する場合も凹凸が逆になり、起伏の縮尺
が変わる形でほぼ同様に光学素子が構成できる。

【０１１９】また、Ｎが大きい場合の光学素子は、図６
又は図７で厚みの大きいところの面を光軸方向に順次ず
らしたような形状になる。すなわち、回折型光学素子と
してではなく、反射型光学素子又は屈折型光学素子とし
て光学素子を構成する場合を想定して設計された所定表
面形状に対し、所定の基準平面からの高さが一定となる
境界線で表面を分割し、一定の高さの分だけ平行に基準
平行側に平行移動したもの、又はその操作を繰り返した
ものと類似又は同じ形状が実現される。このような光学
素子は、境界線で区分される複数の領域内で表面形状が
連続した面を有する反射型又は透過型光学素子として見
ることができる。すなわち、Ｎの大きい回折型光学素子
として見る描像と比較すると、Ｎの大きさにより主観的
に自然な描像が変わるだけで、実質は同様なものであ
る。このようにすることで、光学素子の厚さが光学素子
面全体に亘ってほぼ一定になるため、材料が少なくて済
む。又は温度、湿度の変化に対して耐性が強いなどの利
点が得られる。

【０１２０】図２３に境界線で区分される複数の領域内
で表面形状が連続した面を有する反射型又は透過型光学
素子の形状を示す。図２３には、全体が連続した面を有
する光学素子１５０と、これと同じ機能を実現する区分
的に連続な面を有する光学素子１５１の面形状とを示
す。

【０１２１】（第４実施形態）図２４は、本発明の第４
実施形態に係る投射型液晶表示装置における照明光学系
の構成を示す図である。

【０１２２】メタルハライドランプのような光源１０１
から発した光は、回転楕円体形状の反射鏡１０２で反射
され、更に開口板１３０で周辺光が遮断されることによ
り整形される。開口板１３０の開口を通過した後の光路
で発散する光が第１光学素子１０３と第２光学素子１０
４とで矩形の均一な光ビームに変換され、指向性が付与
される。本実施形態の装置の以降の構成は、３板式又は
単板式の前述した装置と同様である。なお、図２４は、
第１及び第２光学素子１０３、１０４の位置及び相互間
の距離が異なる場合を示している。

【０１２３】第４実施形態によると、開口板１３０の開
口径を小さく設定することで、より指向性のよい光ビー
ムにすることができる。したがって、本実施形態は指向
性のよい光ビームを必要とするモードの液晶パネルを用
いたり、高画質の表示特性を得たい場合に有利な構成で
ある。

【０１２４】図２５は、第１光学素子１０３の前にレン
ズ１３１を入れた場合の照明光学系の構成を示す図であ
る。

【０１２５】この場合、第１光学素子１０３は光を集束
させる機能を負う必要がないため、付加すべき偏向角
が、図２４と比べて小さくなる。これにより、波長分散
の影響が軽減され、効率又は精度の高い光学系を構成す
ることができる。このように、第１光学素子１０３又は
第２光学素子１０４の受け持つ機能のうち、従来の一般
的な光学素子で受け持つことのできる機能を分離して、
その光学素子を組み合わせて用いることは、第４実施形
態に限らず一般的に可能である。

【０１２６】この場合に、その一般的な光学素子は、第
１光学素子１０３の前後、第２光学素子１０４の前後の
いずれか、又は複数の場所に挿入すればよく、場所、枚
数については限定はない。その際の第１光学素子１０３
及び第２光学素子１０４は、その構成を前提として位相
伝達関数を最適化すれば、既に説明した実施形態におけ
るのと同様に設計することが可能であり、それらの変形
はすべて本発明に含まれるものである。

【０１２７】（第５実施形態）図２６は、本発明の第５
実施形態に係る投射型液晶表示装置における照明光学系
の構成を示す図である。図２６において、メタルハライ
ドランプのような光源１０１から発した光は、回転楕円
体形状の反射鏡１０２で反射され、更に開口板１３０で
周辺光が遮断されることにより整形される。開口板１３
０の開口を通過した後の光路で発散する光は、４つの光
学素子１４３〜１４６で略矩形の光ビームに変換され、
同時に指向性が付与される。本実施形態の装置の以降の
構成は、３板式又は単板式の前述の装置と同様である。

【０１２８】本実施形態の場合、光学素子１４３〜１４
５の３つで先の実施形態における第１光学素子１０３が
構成され、光学素子１４６が先の実施形態における第２
光学素子１０４に相当する。又は見方を変えて、光学素
子１４３、１４４の２枚の構成で、先の実施形態におけ
る第１光学素子１０３が構成され、光学素子１４５、１
４６で先の実施形態における第２光学素子１０４が構成
されていると考えてもよい。

【０１２９】本実施形態における光学素子１４３、１４
６では、位相伝達関数がｙのみの関数となっており、光
学素子１４４、１４５はｘのみの関数となっている。本
実施形態の場合、このように位相伝達関数が一方向に並
進対称性を持っているため、溝は平行な直線状となる。
従って、光学素子の作製が著しく容易になるという特長
を持っている。光学素子の数が増加するため、光ロスは
それだけ増えるが、安価で迅速に光学素子を開発、作製
できるという特長があり、特に普及型の製品において有
利であるという特長を有する。

【０１３０】本実施形態の変形としては、格子溝の方向
と光学素子の順序の組み合わせについての変形が考えら
れる。先のｘのみの関数である位相伝達関数の光学素子
に入射する構成であってもよく、その後の順序も任意で
よい。また、溝方向も縦と横とに限らず、斜め方向が組
み合わせられていてもよい。更に、本実施形態の場合も
格子がそれぞれの光学素子として独立している必要は必
ずしもない。例えば、光学素子１４３、１４４は表裏に
溝の形成された単一の光学素子として実現されていても
よい。光学素子１４３、１４４間の距離が小さい場合に
は、実質的な部品点数削減の効果が期待できる。また、
光学素子面が減るので光のロスも軽減される。光学素子
１４３、１４４に限らず、任意の連続した回折格子面に
ついて、それらの回折格子を表裏二面に形成した部品と
して実現することは、本発明の趣旨を実現する実施形態
の一例であり、本発明に含まれるものである。

【０１３１】なお、以上の第１実施形態〜第５実施形態
では、矩形の液晶パネルに均一な強度の光を照射するよ
うに光学素子を設計したが、周辺が暗くなる投射レンズ
の特性に適合させて、予め周辺部が中心部よりやや明る
くなるように光学素子を設計してもよい。この場合、ス
クリーン上の明るさの均一性が一層向上する。設計に当
たっては、目標到達点の分布を周辺部で密度が高くなる
ように配置すればよい。又は、入射光の分布における周
辺強度の落ち込みを実際以上と仮定して設計しても、同
様の効果が得られる。

【０１３２】また、第１実施形態〜第５実施形態では矩
形の画面に最大の効果を持つように光ビームのビーム形
状を円形から矩形に変換したが、円形領域を一様な明る
さで照明する場合には、同心円状の格子パターンの組み
合わせで、所望のビーム形状を得ることができる。ま
た、３角形、５角形その他の任意のビーム形状に光ビー
ムを変形することも可能である。要するに、出射光ビー
ムが所望のビーム形状となるようにサンプル光線と目標
到達点を設定して設計すればよい。

【０１３３】更に、第１実施形態〜第５実施形態では第
１及び第２光学素子をいずれも独立した光学素子として
説明したが、他の要素と組み合わせてもよい。例えば、
通常の投射型液晶表示装置では、可視光以外の光などの
不要な光を遮断する目的で、赤外線遮断フィルタや紫外
光遮断フィルタなどの不要光遮断フィルタが光源の後に
挿入されるのが一般的である。これらの不要光遮断フィ
ルタの表面や裏面に回折格子を形成したり、張り付けた
りすることで、本発明に係る光学素子の機能を併せ持つ
ように構成してもよい。又は逆の見方であるが、本発明
に係る光学素子の表面や裏面に、これらの不要光遮断フ
ィルタを形成しても良い。このような構成にすること
で、独立した素子として構成する場合と比較して光線の
通過する部品面が削減され、不要な光の反射が減るな
ど、光ロスを抑制することが可能になる。

【０１３４】（第６実施形態）図２７は、本発明の第６
実施形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の構成を示
す図である。

【０１３５】メタルハライドランプのような光源３０１
で発した光（白色光）は、回転楕円面形状の反射鏡３０
２で反射され、この場合はほぼ一点に集束された集束性
光ビームとなる。この光ビームは、強度分布を一様化す
る機能を持つ光学素子３０３に導かれる。この光学素子
３０３を通過した光ビームは、集光レンズ３０４（図の
例では、シリンドリカルレンズ）３０４に入射され、強
度分布が一様化された平行ビームとなる。

【０１３６】集光レンズ３０４を通過した光ビームは、
図１に示す第１実施形態と同様に赤色近辺の波長の光の
みを透過するダイクロイックミラー１０５と、緑色近辺
の波長の光のみを透過し、青色近辺の波長の光を反射す
るダイクロイックミラー１０６とにより３色の成分に分
解されると共に、コールドミラー１０７も用いてそれぞ
れの波長成分に対応する画像を表示する液晶パネル１０
８〜１１０により変調され、更に液晶パネル１０８〜１
１０により変調された光は、コールドミラー１１１と、
ダイクロイックミラー１１２、１１３とにより合成され
た後、投射レンズ１１４によりスクリーン１１５に投射
され、スクリーン１１５上にカラー画像が表示される。

【０１３７】図２８（ａ）は、光学素子３０３の中心
（光軸）を通る断面図である。この光学素子３０３は、
ガラス基板のような平面状の透明基板からなり、この基
板の一方の面上に一定角度θの斜面を持ち、かつ一定の
高さｈを有する溝を同心円状又は渦巻状に形成したもの
である。この光学素子３０３はフレネルレンズと類似の
形状を持つが、光軸を通る一つの平面によってこの素子
を切ったときの断面形状に関して見た場合、切ってある
溝の角度θがほぼ一定になっている点に特徴を有する。
この光学素子３０３に入射する光ビームの光線は、図の
上部に描いた矢印に示すように屈折される。

【０１３８】図２９を参照して、この光学素子３０３の
作用を説明する。

【０１３９】図２７の光源３０１から発し、反射鏡３０
２で反射された集束性光ビーム４０１は、ビーム中心部
に光源３０１の影による暗点４０２を有する。光学素子
３０３は溝により光線を屈折させ、プリズムと同様の効
果を持つため、入射する光ビーム４０１が中心部に暗点
４０２を持っていても、図２９に示されるようにビーム
周辺部の光線を中心部に移動させ、出射する光ビーム４
０３では暗点がなくなり、強度分布が比較的一様化され
る。

【０１４０】また、光学素子３０３は光ビーム４０１の
光路中に、光ビーム４０１の集束点Ｐの近傍で、かつ光
ビーム４０１の進行方向前方に配置される。このような
位置に光学素子３０３を配置すると、光学素子３０３を
通過した光ビーム４０３は分散してしまうことがなく指
向性を有するため、光の利用効率も向上する。

【０１４１】なお、この光学素子３０３を透過した光の
うち、入射側の光ビーム４０２の上半分の点４１１から
出た光線は、出射側の光ビーム４０３の点４１３に示さ
れるように光ビーム４０３の下半分に来るものがほとん
どであるが、点４１２を出て点４１４に到達する光線の
ように、僅かながら光ビーム４０３の上半分に到達する
ものもある。このため、出射側の光ビーム４０３を表わ
す２重円の内円４０４の内側においては、２種の指向性
を持った光が混在することになり、輝点が現れることに
なる。

【０１４２】このように図２７の光源３０１から発し、
反射鏡３０２で反射された集束性光ビーム４０１は、光
学素子３０３を通過することで、図２９に示すようにビ
ーム中心部の暗点が消えた強度分布を有する光ビーム４
０３に変換され、強度分布の一様性が向上する。

【０１４３】図３０及び図３１は、光学素子３０３の入
射光ビーム４０１及び出射光ビーム４０３の強度分布を
示す図であり、強度に比例した密度で小さな点を打って
表わしたものである。図３０に示されるように、図２６
の回転楕円面反射鏡３０２により反射された光学素子３
０３への入射光ビーム４０１の強度分布は、ビーム中心
から外側に向けて徐々に弱まっていくが、中心付近に光
源３０１の自身の影による暗点（点のない領域）が現れ
ている。この光ビーム４０１を上記の光学素子３０３に
入射させて光強度の再配分を行うと、出射光ビームは図
３１に示すように周辺部の光線がビーム中心に寄せ集め
られることにより暗点が消え、代わりに輝点が現れる。

【０１４４】図３２は、図３０及び図３１を光軸中心を
通る一つの平面に沿って切った図であり、横軸は光軸中
心からの距離、縦軸は光強度を表す。図中、実線は光学
素子３０３への入射光ビーム（図３０）、点線は光学素
子３０３からの出射光ビーム（図３１）にそれぞれ対応
する。また、破線は光学素子３０３の代わりに従来技術
による錐体状プリズムを用いた場合の出射光ビームの強
度分布を表わしている。図３２からも明らかなように、
本実施形態に係る光学素子３０３を用いることにより、
光ビームの光強度分布を再配分して強度分布の一様化を
図ることができることが分かる。

【０１４５】また、本発明の光学素子３０３は、従来技
術に基づくバルク状の円錐レンズに比べ、平面形状であ
るため熱の放散が良く、熱により破壊されにくい。ま
た、光学素子３０３は大きくて薄いものを作ることも容
易に可能であるため、装置の設計自由度が非常に高くな
る。従って、 （１） 光のパワーが一点に集中しない様な設計にする
ことにより熱破壊に更に強くなる。

【０１４６】（２） 指向性や照度の向上に重点をおい
た最適な設計が出来る。

【０１４７】（３） 薄くなるため光学素子を複数枚使
用してもさほど大きくならない。

【０１４８】など、設計の自由度が上がることによる様
々な利点がある。

【０１４９】次に、光学素子３０３の構成を更に詳しく
説明する。光学素子３０３は、溝のピッチ及び回折光が
所望の方向に回折するように選べば良い。すなわち、図
２８に示すように垂直に入射した光線が光学素子３０３
によって角度θo だけ曲げられるようにするには、光の
波長をλ、光学素子３０３の溝のピッチをｐとした場合
に、ｐ・ｓｉｎθo ＝λとなるようにｐを決めれば良
い。溝の斜面の角度θは、光線が所望の角度に屈折され
るように決めれば良い。具体的には、図２８に示すよう
に溝の斜面の角度をθとし、溝の斜面の高さをｈ、光学
素子３０３の構成材料（例えばガラス）の屈折率をｎと
すると、ｎ・ｃｏｓθ＝ｃｏｓ（θ−θo）より、ｈ＝
λ／（ｎ−ｃｏｓθo ）となる。

【０１５０】光学素子３０３において１次回折により光
を回折させた場合、特定の波長の光は所望の角度に曲が
るが、それから外れた波長の光は所望の角度に曲がらな
い。これでは白色光のように光学素子３０３への入射光
ビームに広範囲の波長が含まれる場合には不都合なの
で、このような問題が生じた場合には高次回折光を利用
しても良い。図３３に、この様子を示す。１次、２次、
…、Ｎ次のいずれの次数に対しても、溝の斜面の角度θ
は同じである。

【０１５１】また、従来の技術における円錐型プリズム
では集束性光ビームの集束点（光源の焦点）付近に配置
しなければならないのに対して、本実施形態に係る光学
素子３０３は、図２９に示すように集束点から離した場
合においても、実際上光強度の再分配という点において
はほとんど性能が落ちないことが確認された。図３４〜
図３６に、この様子を示す。これら３つの図は光学素子
３０３を１枚用い、その出射光ビームのある中心軸に垂
直な一つの平面上における光強度を表している。横軸は
中心軸からの距離を表し、縦軸は光強度を表す。

【０１５２】図３４は、図２８中に示す溝の傾斜角θが
５０°の場合、図３５はθが５５°の場合、図３６はθ
が６０°の場合であり、いずれも光学素子３０３を回転
楕円面反射鏡３０２から５４．４ｍｍの位置（この位置
は反射鏡３０２の焦点位置である）、又はそれから順次
離していった時（６０〜９０ｍｍ）のグラフが重ねて描
いてある。図３４〜図３６より、いずれの要件も重大な
影響を及ぼさないことが分かる。しかも、光学素子３０
３を上記のように入射ビームの集束点つまり反射鏡３０
２の焦点位置から離した場合、光のパワーが光学素子３
０３上の一点に集中しないため、熱による歪み自体が起
こりにくく、より熱破壊に強いという利点が生じる。

【０１５３】図２８（ａ）の光学素子３０３において
は、主に光線の屈折に用いられる方の斜面が内側から外
側に向かって素子の厚みが薄くなるように溝が形成され
ているが、この溝を構成する２種類の面のうち、光の屈
折に主に使われる角度θの傾斜を持った斜面を「第１
面」、中心軸と平行の面を「第２面」と呼ぶことにす
る。図３７に示す光学素子３０３の例では、中心軸に対
して角度θ1 を持つ面が第１面、角度θ2 を持つ面が
「第２面」である。このとき、第２面については必ずし
も中心軸と平行になっている必要はない。また、第２面
に反射膜をつけたり、拡散面になるように処理を施して
も良い。

【０１５４】図３８は、図２８（ａ）の光学素子３０３
において第２面に傾斜をつける場合の状況を詳しく描い
た図である。

【０１５５】図３８の左側において光線が素子を突き抜
ける位置と、図の右側において斜面の角度が示してある
位置とは、共に中心軸から半径ｒの位置であるとする。
光線Ｉと光線Ｏは、ある一点において集光した後、半径
ｒ付近の第２面の近傍において屈折される２本の光線で
あり、光線Ｉは第２面よりわずかに内側、光線Ｏは僅か
に外側において屈折される。この状況で、図中の光線Ｏ
と光線Ｉとがどちらも第２面に交差しないためには、第
２面の傾斜角θ2 はθi ＜θ2 ＜θo を満たすように選
ぶべきである。ただし、θi とθo は半径ｒの関数であ
る。この関係を満たさない場合には、屈折された光線Ｉ
又は屈折される前の光線Ｏが第２面で屈折又は反射さ
れ、散乱されるため、光の利用効率が低下する。

【０１５６】実際に設計を行う場合においては、θ2 は
θi ＜θ2 ＜θo を満たすように若干のマージンを考え
てθ2 ＝（θi ＋θo ）／２のように選ぶことが望まし
い。しかし、半径ｒが小さい中心付近では、θi ＜０と
なってしまう。これでは素子の製作時に不都合が起こる
可能性があるため、０＜θ2 ＜θo となるように修正を
加える。

【０１５７】図３９に、光学素子３０３に形成される溝
の全体形状の種々の例を示す。

【０１５８】図３９（ａ）は溝を同じ中心を持ち大きさ
の異なる長方形状（矩形状）のループ、すなわち同心状
の複数の長方形状ループからなる多重ループ状に形成し
た例である。この場合、図３９（ａ）の左側に示される
ビーム中心に暗点を持ちビーム形状が円形の入射光ビー
ムは、図３９（ａ）の右側に示されるように暗点がなな
く、しかもビーム形状が矩形状の出射光ビームに変換さ
れ、強度分布の一様性が向上する。図３９（ａ）の例で
は、出射光ビームの強度分布が一様化され、しかもビー
ム形状が矩形となるため、矩形の液晶パネルを用いる液
晶表示装置に適している。

【０１５９】図３９（ｂ）及び図３９（ｅ）は、溝を円
形の渦巻き状に形成した例を示す。この場合は、出射光
ビームのビーム形状は円形となるが、強度分布は一様化
される利点がある。

【０１６０】図３９（ｃ）は溝を楕円形状の渦巻状、す
なわち楕円形状の多重ループ状に形成した例を示す。こ
の場合には、出射光ビームの強度分布が一様化され、し
かもビーム形状が楕円形状となるため、長方形状の液晶
パネルを用いる通常の液晶表示装置に適用した場合、光
の利用効率が図３９（ａ）、図３９（ｂ）又は図３９
（ｅ）に比較して向上する。特に、楕円の短軸と長軸の
比を液晶パネルの縦横比（例えば３：４又は９：１６）
に一致させることにより、光の利用効率が一層向上する
という利点を有する。

【０１６１】図３９（ｄ）は４隅に丸みを持たせた長方
形状の多重ループ状に、すなわち長方形状の多重ループ
状に形成した例を示す。この場合には、出射光ビームの
強度分布が一様化され、しかもビーム形状が長方形状と
なるため、通常の液晶表示装置に適用した場合、光の利
用効率は図３９（ｃ）の例より更に向上する。この場合
においても、図３９（ｃ）と同様に、長方形の縦横比を
液晶パネルの縦横比（例えば３：４又は９：１６）に一
致させることにより、光の利用効率がより向上すること
はいうまでもない。

【０１６２】上記のように、光軸を通るある一平面の選
び方によって、その平面で切った時の断面の溝の斜面の
角度が異なったとしても、このような変形は全て本発明
に含まれる。

【０１６３】なお、本実施形態では光学素子３０３の溝
を基板の入射面側に形成したが、出射面側に形成しても
よい。また、図２８（ａ）においては溝の斜面が内側か
ら外側に向かって厚みが薄くなるように溝を形成した
が、逆に内側から外側に向かって厚みが厚くなるように
溝を形成してもよい。

【０１６４】更に、本実施形態では光学素子３０３を透
過型の素子として構成したが、反射型の素子として構成
することもできる。反射型の素子として構成する場合、
凹凸が逆になり、起伏の縮尺が変わる形でほぼ同様の光
学素子が構成できる。

【０１６５】一方、スクリーンについては透過型のもの
を用いる場合は投射装置と一体の装置に組み込まれる
が、反射型のものを用いる場合は投射装置と一体の装置
として構成されていてもよく、また独立した単体のスク
リーンを用いるための投射装置として投射レンズまでを
一体として構成されていてもよい。また、光の利用効率
の向上や、投射レンズの開口の小形化のため、液晶パネ
ルの直後にフィールドレンズを挿入する構成であっても
よい。

【０１６６】また、装置の小形・軽量化や低価格化など
のため、３枚のパネルを用いずにカラーフィルタを具備
した単一の液晶パネルを用いる単板式の構成であっても
よく、液晶パネルの数は特に限定されない。単板式の構
成では、色分解や色合成のためのダイクロイックミラー
やコールドミラーが不要であるため、少ない部品で装置
を構成できるという特徴がある。

【０１６７】更に、空間光変調素子として透過型液晶パ
ネルを用いたが、反射型であってもよく、また液晶では
なくマイクロミラーの配列などであってもよく、空間光
変調素子の方式は特に限定されない。

【０１６８】メタルハライドランプのような光源３０１
で発した光（白色光）は、回転楕円面形状の反射鏡３０
２で反射され、ほぼ一点に集光された集束性光ビームと
なるが、この集束性光ビームは回転楕円面形状の反射鏡
によらず、回転放物面状の反射鏡によって得られた平行
光をレンズによって集光して得ても良く、光源からの光
を集束性光ビームにする方法は特に限定されない。

【０１６９】なお、以上では光学素子３０３として図２
８（ａ）に示すように焦点に対して光源から遠い側（集
束点より光ビームの進行方向前方）に設置した場合につ
いて詳しく述べたが、これと対称的に光学素子３０３を
焦点に対して光源に近い側（集束点より光ビームの進行
方向後方）に設置する構成をとることも可能である。

【０１７０】このためには、図２８（ａ）に示す光学素
子３０３に代えて図２８（ｂ）に示す光学素子３０３を
用いる。図２８（ｂ）の光学素子３０３は図２８（ａ）
のものと溝のピッチｐや溝の斜面の角度θの定め方は同
じであるが、図２８（ａ）のものとちょうど裏返しの特
性を有することになる。そして、図２８（ｂ）の光学素
子３０３の光ビームに対する作用は、図２９（ｂ）に示
すものとなり、図２８（ａ）の光学素子３０３を用いた
場合と同等の効果を奏する。また、図２８（ａ）の光学
素子３０３を用いた場合の変形例は、図２８（ｂ）の光
学素子３０３についても適用できる。

【０１７１】（第７実施形態）第６実施形態では、平面
状の基板上に一定角度の斜面を持ち、かつ一定の高さを
有する溝を同心円状又は渦巻状に形成して構成した光学
素子３０３を用いたが、これと同等の機能を位相伝達関
数の分布により実現してもよい。

【０１７２】図４０の実線は本実施形態に係る光学素子
の特性を示す図であり、横軸は中心（光軸）からの距
離、つまり外周側に向かう距離を表し、縦軸は位相伝達
関数を表す。図４０に示すように、本実施形態の光学素
子は中心から外周の方へ半直線を引いたとき、位相伝達
関数が徐々に減少する特性を有する。図２７における光
学素子３０３に代えて、本実施形態の光学素子を用いた
場合にも、入射光ビームの光線は同じ様に屈折される。

【０１７３】以上、光学素子３０３を焦点に対して光源
から遠い側（集束点より光ビームの進行方向前方）に設
置した場合について説明したが、これと対称的に、光学
素子３０３を焦点に対して光源に近い側（集束点より光
ビームの進行方向後方）に設置する構成をとることも可
能である。このためには、図４０の破線で示す特性を有
する光学素子３０３を用いる。すなわち、この場合の光
学素子３０３は、位相伝達関数が中心からの距離に従っ
て増加する特性を有する。

【０１７４】なお、位相伝達関数の減少又は増加の割合
は、上記の半直線の選び方によって異なっていても良
い。すなわち、等位相伝達関数線は、円形でなく楕円形
や四角形、その他の形状であっても良い。この場合、光
に対し与える位相変化の増加する量が中心から周辺に向
けて半径に比例した量だけ増加又は減少するように加工
してある点がフレネルレンズと大きく異なる。

【０１７５】（第８実施形態）図４１は、第８実施形態
に係る投射型液晶表示装置の光学系の構成を示す図で
あ、２枚の光学素子を用いている。同図において、メタ
ルハライドランのような光源５０１で発した光（白色
光）は、回転楕円面形状の反射鏡５０２で反射され、ほ
ぼ一点に集光された光ビームになる。この光ビームは、
第６又は第７実施形態で説明した光学素子３０３と同様
の構成からなる第１光学素子５０３を通過することで、
中心部の暗点が消え、強度分布が一様化された光ビーム
となる。

【０１７６】第１光学素子５０３により強度分布が一様
化された光ビームは、更に該光ビームの指向性を改善す
るための第２光学素子５０４を通過することで、第６及
び第７実施形態における２種の指向性を有する光線が光
学素子３０３の出射光ビームに混在することによる指向
性の悪化が改善され、輝点が抑圧されるという利点があ
る。

【０１７７】そして、第２光学素子５０４を通過した光
ビームは第１の集光レンズ５０５により集光され、液晶
パネル５０６に入射し、その後、第２の集光レンズ５０
７により集光された後、絞り５０８を通過して投射レン
ズ５０９によって図示しないスクリーンに導かれる。

【０１７８】図４２を参照して、本実施形態における第
１及び第２光学素子５０３、５０４の作用を説明する。

【０１７９】図４２に示すように、図４１の光源５０１
から発し、反射鏡５０２で反射された集束性光ビーム６
０１は、ビーム中心部に光源５０１の影による暗点６０
２を有する。第１光学素子５０３は、第６実施形態で説
明したように溝により光線を屈折させ、プリズムと同様
の効果を持つため、入射する光ビーム６０１は中心部に
暗点６０２を持っていても、図４２に示されるように第
１光学素子５０３によってビーム周辺部の光線が中心部
に集められる。この際、入射光ビーム６０１の最内周部
の光線６１１は光軸中心上に到達した地点６１２に第２
光学素子５０４を配置すると、第２光学素子５０４の出
射側では内周部の光線が光軸中心上を越えて、外周部か
ら到来した光線と重なり合うことを防ぐことができる。

【０１８０】すなわち、本実施形態では第６実施形態に
おいて図２９のように光学素子３０３からの出射光ビー
ム４０３に見られた輝点が生ぜず、比較的より一層一様
化されることになる。

【０１８１】実際に、本実施形態の構成で図３０に示す
ような入射光ビームに対する出射側のある地点における
中心軸に垂直な平面上における光ビームの光強度分布を
計算したところ、図４３に示す結果が得られた。図４３
中、横軸は中心からの距離、縦軸は光強度をそれぞれ表
す。また、図４３中の実線は図３０に示す入射光ビーム
の光強度分布、破線は光学素子５０３（第６実施形態の
光学素子３０３）のみが配置されている場合、点線は本
実施形態のように光学素子５０３、５０４が両方配置さ
れている場合の光強度分布をそれぞれ表す。この両者の
光学系の配置は基本的にほぼ同じである。この図４３か
ら明らかなように、出射光ビームの中心部にはやや輝点
が出来るものの、光学素子５０３（３０３）のみを設け
た場合に比べ輝点の大きさは小さくなっており、より一
様性が向上しているといえる。

【０１８２】上記のように、本実施形態によれば新たに
第２光学素子５０４を追加したことにより、光ビームの
指向性が改善され、光の利用効率が向上するとともに、
輝点の大きさが抑圧され、より一層光強度分布を一様化
することができる。

【０１８３】なお、図４１では簡単のため単板式の液晶
表示装置を示すが、これまでの実施形態と同様に、３板
式の液晶表示装置にも第１及び第２光学素子を適用でき
ることはいうまでもない。また、本実施形態においては
本発明に基づく光学素子を２枚用いた場合について説明
したが、３枚以上用いてもよい。

【０１８４】更に、本発明は各種の光情報処理装置にも
適用でき、その場合は空間光変調素子を用いてもよい
し、空間光変調素子に代えて例えば格子状のマスクパタ
ーンを配置することもできる。

【０１８５】（第９実施形態）図４４は、第９実施形態
に係る光学装置の概略構成を示す図である。図４４にお
いて、第９実施形態装置は、複数の光学素子（（ｎ−
１）個）を用いてほぼ一様な強度分布を有する所望形状
の光ビームを形成する。

【０１８６】図４４において、光ビーム発生装置２００
を発した光ビーム３０１は１枚目から（ｎ−１）枚目ま
での光学素子２０３〜２０５を透過して、目的の光強度
分布を得るべき面２１０に達する。ここで、本発明の光
学素子は、例えば、図８に示す光学素子と同様な機能を
有する。

【０１８７】すなわち、第９実施形態装置における光学
素子は、詳細な設定については後述（第１１実施形態）
するが、入射位置に対応するターゲット面における出力
光の位置を設定して、その設定位置に出力光が到達する
ように、光学素子が、設計される。

【０１８８】ここで、ターゲット面では、ほぼ一様の光
強度分布を有する所望の形状の出力光が得られる。ま
た、この場合の一様の光強度分布とは、例えば、ターゲ
ット面において、長方形の光の形状を考慮すると、周辺
部よりも中心部の方が明るい（例えば、中心部の明るさ
が周辺部の２〜３倍程度）場合を含む。

【０１８９】図４５は、第９実施形態の変形例を示す図
である。図４５は、光学素子を複数でなく１枚のみで構
成した例である。複数の光学素子を用いた場合には、色
収差の補正が可能であることと、複数の光学素子の組合
せにより光の強度分布等の調整の自由度が大きくなるこ
とという利点を有するが、本変形例のように、１枚の光
学素子のみで構成することにより、光学装置の構成が簡
単になる。

【０１９０】（第１０実施形態）図４６は、第１０実施
形態に係る光学装置の概略構成を示す図である。図４６
の光学装置は、図４４の光学装置において、ターゲット
面２１０の位置に入射光ビームに指向性（平行、集束又
は発散）を付与する光学素子２０６を追加している。

【０１９１】第９実施形態で述べたように、図４４で
は、光学素子２０３〜２０５を透過した光は、指向性は
ないが、ターゲット面において、一様の光強度分布及び
所望の形状を有する。しかし、このままでは、例えば、
投射型の光学装置を使用する場合には、平行ビームのよ
うに指向性をもたせることが望ましい。そこで、一様の
強度分布で所望の形状を有する光ビームに指向性を持た
せるために光学素子２０６をターゲット面に配置するこ
とにより、所望の指向性（例えば平行）を有する光ビー
ムが得られる。

【０１９２】図４７は、第１０実施形態の変形例を示す
図である。図４７は、一様の所望形状の光ビームを得る
ための光学素子を複数でなく１枚のみで構成した例であ
る。すなわち、図４５のターゲット面に指向性を付与す
る光学素子を配置した例を示す図である。この場合も、
第９実施形態で述べたことと同じように、図４６よりも
簡単な構成で、光学装置を構成することができる。

【０１９３】なお、目的の光強度分布を得るべき平面を
光学素子２０６の位置より更に光ビーム発生装置から遠
い位置に設定する場合において、その位置で高い指向性
が要求される場合には、その指向性と光強度分布により
２０６上における指向性と光強度分布が決まるので、そ
れによって各光学素子の設計を行なうことができる。高
い指向性が要求されない場合には、指向性を付与するた
めの光学素子は、必要がなくなるので、第９実施形態と
同様の構成でよい。

【０１９４】図４６及び図４７では、光ビームが平行に
なるように指向性を付与する例を示したが、これに限ら
ず、光学素子２０６の透過後の光ビームの指向性は、光
ビームを構成する全ての光線が平行なものでなくてもよ
い。図４８のように、ある１点を中心に広がっていく
（発散）ような指向性でもよいし、ある１点に向かって
集光する（集束）ような指向性でもよい。このような場
合には、光学素子２０６の透過後の中心軸に垂直な任意
の平面上における断面光強度分布は目的の分布形状であ
って、かつ、これが拡大または縮小された形状となって
いる。また、光学素子２０６透過後の光ビームの指向性
を故意に乱すこともできる。

【０１９５】設計の際、光ビーム発生装置から出て、１
枚目の光学素子に達する前の各光線は、全ての光線が一
点に集光する以外には、どの二つを取ってもお互いに交
わることがないという条件で設計を行う。例えば、図４
９のように点光源とみなせる光源から発した光線を反射
鏡などで導いたような光ビームはこの条件を満たす。こ
の条件は、実際には厳密に成立しているわけではない
が、近似的に成立するような系では有効である。

【０１９６】（第１１実施形態）第１１実施形態では、
本発明に係る光学素子の具体的な設計方法を述べる。図
５０は、第１１実施形態に係る光学装置の概略構成を示
す図である。本実施形態装置は、基本構成は、図４７の
装置と同様であるが、光源を点状の光源としている。

【０１９７】入射面及び出射面での光線の位置決めを説
明する。

【０１９８】中心軸対称な系を考え、その中心軸上に点
光源３００があるとする。光源を発した任意の一本の光
線３０１について考える。この光線が１枚目の光学素子
２０３の中心から半径ｘ2 の位置に入射して、２枚目の
光学素子２０６上の中心から半径ｘ3 の位置に到達する
場合を考える。１枚目の光学素子２０３上の実際の光強
度分布をＬi （ｘ2 ）とする。２枚目の光学素子２０６
上でＬo （ｘ3 ）の光強度分布を得たい場合、ｘ2 とｘ
3 に関して

【数６】

【０１９９】の関係が成り立てば目的の光強度分布を得
ることができる。ただし、ｘ2max、ｘ3maxはｘ2 、ｘ3
の最大値である。点光源からの光線と中心軸との成す角
度を１として、光源の輝度分布をI （θ1 ）とすると、
上式は

【数７】

【０２００】と表すことができる。Ｌo （x'）=const、
ただしＬo （x'）＝０（｜x'｜> ｘ3max）の場合は、

【数８】

【０２０１】この式を解いてｘ3 をθ1 によって表すこ
とができる。

【０２０２】次に、光線経路の決定方法を説明する。

【０２０３】１枚目と２枚目の素子において、光ビーム
の入射側面にはグレーティングが施されていないものと
する。素子の断面図を図５１に示す。図５２により方程
式を立てると、ｘ2 は x2 =（z2-z1-d2）tan θ1 + d2・tan（sin ^-1(sinθ1/n
）） と、θ1 により表せる。また、θ2 は、 (z3-z2-d3)tan θ2 =x3-x2-d3 ・tan（sin ^-1(sinθ2/n
）） をθ2 で解くことによって得られる。ｘ2 が１により表
せるので、θ2 もθ1 により決まることになる。素子の
厚み、つまりｄ2 、ｄ3 が十分小さい場合には、この式
は、 θ2 = tan ^-1{(x3-x2)/(z3-z2)} となる。更に θ3 ＝０ である。

【０２０４】以上、θ1 に対するｘ2 、θ2 、ｘ3 及び
θ3 が決まった。

【０２０５】光学素子の溝斜面角の決定を行う。１枚目
と２枚目の光学素子の各々光ビームの出射側に同心円上
の溝をつけ、半径ｘ2 、ｘ3 でのこの溝の傾斜角度を、
溝の法線ベクトルが中心軸に対し外側に成す角度でΘ2
（ｘ2 ）、Θ3 （ｘ3 ）と表す。１枚目の素子に入射角
θ1 で入射した光線が出射角θ2 で出射するとき、Θ2
は、

【数９】

【０２０６】と決まる。また、Θ3 は

【数１０】

【０２０７】と決まる。

【０２０８】上記のようにして、本発明に係る光学素子
が設計される。

【０２０９】実際の設計例を図５３〜図５５に示す。図
５３は、光学素子を２枚用いた場合の、点光源からの出
射角と到達位置の設計例を示す図であり、図５４及び図
５５は、それぞれ、図５３における１枚目の光学素子及
び２枚目の光学素子の設計例を示す図である。

【０２１０】（第１２実施形態）図５６は、本発明の光
学素子を２枚用いた場合の液晶投射型表示装置の光学系
の構成を示す図である。

【０２１１】図５６において、メタルハライドランプの
ような光源２０１で発した光（白色光）は、回転楕円面
形状の反射鏡２０２で反射され、ほぼ一点３００に集光
された光ビームになる。この光ビームは、強度分布を変
換する光学素子２０３を通過することで中心部の暗点が
消えた一様な光強度分布の断面形状を有する光ビームに
変換される。そのあと、この強度分布形状が整形された
光ビームは、当該光ビームの指向性を改善する光学素子
２０６を通過することで、平行光線になるように指向性
を改善する。この光ビームは集光レンズ２１３により集
光され液晶パネル２１５に入射する。その後再び第２の
集光レンズ２１６により集光され、絞り２１８を通過し
て投射レンズ２１９によりスクリーンに導かれる。

【０２１２】このように、本発明に係る光学素子を２枚
用いることにより、主に、光学素子を透過した光の強度
分布の一様化と指向性の改善を図ることができる。ま
た、これらの光学素子は、先の第１１実施形態で述べた
ように設計することができる。

【０２１３】図５７は光源から出た光ビームの１枚目の
光学素子上における光強度分布を点の密度によって表し
た図、図５８は、この光学装置より得られる平行光線の
断面の光強度分布を点の密度によって表した図である。

【０２１４】以上のようにして、点光源から出た光ビー
ムを、一様な円形の平行光線に変換することができる。

【０２１５】以上本発明の実施形態について詳細に説明
したが、本発明はこの実施形態の構成に限定されるもの
ではない。例えば、この光強度分布の形状は中心軸対称
な任意の形状に変換することもできる。

【０２１６】また、指向性を付与した光ビームは平行ビ
ームではなく、一点から広がるような指向性を持った光
線に変換することもできる。また、一点に集光するよう
な指向性にすることもできる。また、わざと光線の指向
性を悪化させることもできる。

【０２１７】図５６においては、簡単のため単板式の液
晶投射装置によって説明したが、もちろん３板式でも良
い。

【０２１８】また、本実施形態においては、本発明に係
る光学素子を２枚用いた場合について説明したが、３枚
以上用いた場合でも良く、その場合には更に効果が上が
る。

【０２１９】本発明は、上記の発明の実施の形態に限定
されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲で
種々変形して実施できるのは勿論である。

【０２２０】

【発明の効果】本発明によれば次のような効果が得られ
る。

【０２２１】以上詳細に説明したように、本発明に係る
光学素子によれば、簡単な構成（すなわち、１枚の光学
素子）で、所定（任意）形状の、かつ、所定（任意）強
度分布の入射光を、所定の強度分布（基本的に一様の強
度分布にするので、以下「一様」と表現する）を有する
所望形状（例えば、長方形、楕円等）に変換することが
できる。

【０２２２】本発明の第１光学装置においては、入射す
る光ビームを第１光学素子に通過させてビーム形状を長
方形状又は楕円形状に整形し、更にビーム形状の整形に
伴い指向性が乱れた光ビームに対して第２光学素子によ
り指向性を付与する。通常はビーム形状が円形状で、か
つ光強度の分布が均一でない光源からの光ビームを第１
及び第２光学素子を通過させることにより、一般に長方
形状である液晶パネルなどの空間変調素子に対して、ビ
ーム形状が空間変調素子の形状に近く、しかも強度分布
が一様化された光ビームを照射でき、従来と同じ光源を
用いても光の利用効率を向上することが可能となり、か
つ均一な明るさで空間変調素子を照明することができ
る。また、従来より低い消費電力下で従来並の明るさと
明るさの均一性が達成される。従って、第１光学装置を
投射型液晶表示装置に適用すれば、性能向上や消費電力
の低減を図ることができる。

【０２２３】また、第２光学装置においては、入射する
光ビームを透光性基板上に一定角度の斜面を持つ溝を同
心円状又は渦巻状に形成してなる第１光学素子により光
ビームの強度分布を一様化し、更に第１光学素子を通過
した光ビームを指向性を付与して空間光変調素子に入射
する。すなわち、第１光学素子は基板表面に形成された
溝によって光線を屈折させるプリズムの効果を生ずるた
め、入射光ビームである光源系からの光ビームが中心付
近に暗点を持っていても、周辺部の光を中心部に移動さ
せることで出射光ビームでは暗点が消えることになり、
光強度分布の一様化が可能となる。更に、前記第１光学
素子は立体形状により光を屈折させるバルク状のプリズ
ムと異なって、表面に溝が加工された透光性基板からな
り、非常に薄く作ることが可能であることから、熱の放
散が非常に良い。従って、強力な冷却装置を必要とせ
ず、冷却が容易である。また、前記第１光学素子を光源
系に存在する反射鏡の焦点、つまり入射光ビームの集束
位置近傍に設けても、熱による破壊のおそれがないた
め、バルク状のプリズムを用いた場合と比較して光の利
用効率が向上する。なお、２枚方式（１枚目で一様の強
度分布を有する所望形状の光ビームとし、２枚目で指向
性を持たせる方式）は、焦点位置近傍から光学素子を離
して配置できるので、熱破壊のおそれがなくなる。更
に、第１光学素子の口径を大きくしても厚さは同じでよ
いので、大口径でかつコンパクトなものを作ることがで
き、光学装置の小型化にも寄与する。

【０２２４】更に、第２光学装置においては第１光学素
子を通過した光ビームを第２光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上するこ
とになる。

【０２２５】第３光学装置においては、入射する光ビー
ムをその光軸に垂直な面上で外側に向かうにつれて位相
伝達関数が直線的に減少又は増加する特性を有する第１
光学素子により光ビームの強度分布を一様化し、更に第
１光学素子を通過した光ビームを指向性を付与して空間
光変調素子に入射する。すなわち、第１光学素子が位相
伝達関数の変化によりプリズムの効果をもつことによ
り、第２光学装置における第１光学素子と同様に、入射
光ビームが中心付近に暗点を持っていても、周辺部の光
を中心部に移動させることで出射光ビームでは暗点が消
え、光強度分布を一様化する効果が得られ、しかも位相
伝達関数を変化させた透光性基板によって非常に薄く作
ることが可能であることから、熱の放散が非常に良い。

【０２２６】従って、第３光学装置によれば、前記第１
光学素子を光源系に存在する反射鏡の焦点、つまり入射
光ビームの集束位置近傍に設けても、熱による破壊のお
それがないため、バルク状のプリズムを用いた場合と比
較して光の利用効率が向上する。更に、第１光学素子の
口径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でか
つコンパクトなものを作ることができ、光学装置の小型
化にも寄与する。また、第２光学装置と同様に、２枚方
式の場合には、焦点位置からずらした位置に光学素子を
配置できるので、光学素子の熱破壊のおそれがなくな
る。

【０２２７】更に、第３光学装置においても第１光学素
子を通過した光ビームを第２光学素子に通して指向性を
与えることにより、光の利用効率がより一層向上する。

【０２２８】第４光学装置においては、第２光学装置に
おける第１光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第２光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。

【０２２９】第５光学装置においても、第３光学装置に
おける第１光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向前方
に配置することにより、第２光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。

【０２３０】第６光学装置においても、第３光学装置に
おける第１光学素子と同様の光学素子を集束性光ビーム
の集束点近傍でかつ集束点より光ビームの進行方向後方
に配置することにより、第２光学素子を用いることなく
指向性を良好にして空間光変調素子に入射させることが
できるため、強度分布の一様化と共に光の利用効率向上
を図ることができる。

【０２３１】以上説明したように本発明の光学素子又は
光学装置によれば、光源から出射された光ビームのパワ
ーを有効に、指向性を確保しながら高い効率で、所望の
形状、所望の強度分布を持つ光ビームに整形することが
実現できる。これにより、矩形或いは円形で均一な光ビ
ームで液晶パネルを照明でき、従来より光利用効率が高
く、しかも画面内の明るさが均一な良好な画質のディス
プレイ装置が実現できる。すなわち、従来の装置におけ
る画面周辺が暗いという欠点を解消し、更に従来と同じ
消費電力で従来より明るい画面の液晶投射型ディスプレ
イ装置が実現できる。又は、従来と同じ明るさの画面
を、従来より小さい消費電力の装置で実現することがで
きる。

【０２３２】また、本発明は白色光のみならずレーザ光
に対しても有効であり、円形の光ビームを均一な矩形ビ
ームに変換する手段を供給する。従って、本発明は、表
示装置に限らず、効率的に矩形領域を照明することの要
求される広い分野に適用可能であり、例えば光を用いた
演算、情報処理装置、画像処理装置などに適用した場合
にも、ディスプレイ装置と同様に消費電力の削減や、又
は照射強度の向上によってもたらされる性能の向上が効
果として得られる。

【０２３３】更に、本発明によれば光学素子を用いてビ
ーム断面の光強度分布において中心部に暗点を持つ光ビ
ームに対して暗点の除去が実現でき、光ビームの一様性
を向上することができる。しかも、本発明における光学
素子はバルク状の円錐レンズに比べ熱に対して破壊され
にくく、大きくて薄いものが作れるなど、設計上の自由
度が非常に高いため、大口径で光量が多くコンパクトな
光学装置を実現することが可能である。

【０２３４】本発明に係る光学素子は、表面に細かな溝
が切ってあるため、その溝によって光線が屈折されプリ
ズムの効果を生ずる。これにより、光源から来る光が中
心付近に暗点を持っていても周辺部の光を中心部に移動
させ、暗点を消すことが出来る。また、立体形状により
屈折を行なうバルク状のプリズムに比べて、本発明に係
る光学素子は、表面に施された加工によって屈折を行な
うため、立体的な形状を持つ必要がなく、非常に薄く作
ることが可能なため、熱の放散が非常に良い。また、口
径を大きくしても厚さは同じでよいので、大口径でかつ
コンパクトなものを作ることが出来る。

【０２３５】溝の斜面の傾斜角を光軸を中心として半径
毎に設定しているので、光学素子の半径方向における光
強度分布を自由に制御することができる。これによっ
て、中心の輝点を消すことができる。更に、目的の光強
度分布を得た後に入射する第２光学素子の溝斜面角度を
半径毎に設定しているので、半径方向における光ビーム
の指向性を自由に制御することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態に係る投射型液晶表示
装置の光学系の構成を示す図。

【図２】 同実施形態における強度分布を変換する第１
光学素子と指向性を付与する第２光学素子の種々の配置
例を示す図。

【図３】 同実施形態における強度分布を変換する第１
光学素子と指向性を付与する第２光学素子の他の種々の
配置例を示す図。

【図４】 同実施形態における強度分布を変換する第１
光学素子と指向性を付与する第２光学素子の更に別の種
々の配置例を示す図。

【図５】 本発明の第２実施形態に係る投射型液晶表示
装置における強度分布を変換する光学素子と液晶パネル
との関係を示す図。

【図６】 本発明の第３実施形態に係る光学素子が透過
型光学素子で構成される場合の原理を模式的に示す図。

【図７】 同実施形態に係る光学素子が反射型光学素子
で構成される場合の原理を模式的に示す図。

【図８】 同実施形態に係る光学素子が透過型の回折型
光学素子で構成される場合の原理を模式的に示す図。

【図９】 同実施形態に係る光学素子が反射型の透過型
回折型光学素子で構成される場合の原理を模式的に示す
図。

【図１０】 同実施形態における具体的な光学素子の配
置の一例を示す図。

【図１１】 第１光学素子の面上のサンプル光線の位置
を示す図。

【図１２】 第２光学素子の面上のサンプル光線の目標
到達点を示す図。

【図１３】 それぞれの光学素子に対して最適化の結果
得られたパラメータの値を示す図。

【図１４】 第１光学素子について求められた位相伝達
関数のプロファイルを示す図。

【図１５】 第２光学素子について求められた位相伝達
関数のプロファイルを示す図。

【図１６】 第１光学素子について求められた位相伝達
関数の等高線を示す図。

【図１７】 第２光学素子について求められた位相伝達
関数の等高線を示す図。

【図１８】 シミュレーションにおける第１光学素子に
入射した光線の位置を示す図。

【図１９】 第１光学素子により偏向され第２光学素子
に至った際の光線の位置を示す図。

【図２０】 第２光学素子を出射した光線が２０ｃｍ伝
搬した地点での光線の分布を示す図。

【図２１】 光学素子に垂直に入射した光の偏向される
様子を示す図。

【図２２】 高次回折光を利用する光学素子上の溝形状
の変化を示す図。

【図２３】 境界線で区分される複数の領域内で表面形
状が連続した面を有する反射型又は透過型光学素子の形
状を示す図。

【図２４】 本発明の第４実施形態に係る投射型液晶表
示装置における照明光学系の構成を示す図。

【図２５】 第１光学素子の前にレンズを入れた照明光
学系の構成を示す図。

【図２６】 本発明の第５実施形態に係る投射型液晶表
示装置における照明光学系の構成を示す図。

【図２７】 本発明の第６実施形態に係る投射型液晶表
示装置の光学系の構成を示す図。

【図２８】 同実施形態における光学素子の詳細な構成
を示す図。

【図２９】 同実施形態の作用を説明するための光学系
の主要部を示す図。

【図３０】 同実施形態の作用を説明するための光学素
子の入射光ビームの強度分布を示す図。

【図３１】 同実施形態の作用を説明するための光学素
子の出射光ビームの強度分布を示す図。

【図３２】 同実施形態における光学素子の入射光ビー
ム及び出射光ビームと従来の錐体状プリズムの出射光ビ
ームの光軸中心からの距離に対する光強度を示す図。

【図３３】 同実施形態における光学素子で高次回折光
を利用する場合の溝形状について示す図。

【図３４】 同実施形態における光学素子の溝の傾斜角
をθ＝５０°とした場合の出射光ビームの光強度分布を
素子位置をパラメータとして示す図。

【図３５】 同実施形態における光学素子の溝の傾斜角
をθ＝５５°とした場合の出射光ビームの光強度分布を
素子位置をパラメータとして示す図。

【図３６】 同実施形態における光学素子の溝の傾斜角
をθ＝６０°とした場合の出射光ビームの光強度分布を
素子位置をパラメータとして示す図。

【図３７】 同実施形態における光学素子の他の例を示
す図。

【図３８】 同実施形態における光学素子の更に別の例
を示す図。

【図３９】 同実施形態における光学素子の種々の溝形
状を示す図。

【図４０】 本発明の第７実施形態における光学素子の
位相伝達関数分布を示す図。

【図４１】 本発明の第８実施形態に係る投射型液晶表
示装置の光学系の構成を示す図。

【図４２】 同実施形態における第１及び第２光学素子
の作用を説明するための図。

【図４３】 同実施形態における第１光学素子の入射光
ビーム及び第２光学素子の出射光ビームの光軸中心から
の距離に対する光強度を示す図。

【図４４】 第９実施形態に係る光学装置の概略構成を
示す図。

【図４５】 第９実施形態の変形例を示す図。

【図４６】 第１０実施形態に係る光学装置の概略構成
を示す図。

【図４７】 第１０実施形態の変形例を示す図。

【図４８】 第１０実施形態の他の変形例を示す図。

【図４９】 第１０実施形態の更に他の変形例を示す
図。

【図５０】 第１１実施形態に係る光学装置の概略構成
を示す図。

【図５１】 光学素子の断面図

【図５２】 １枚目で強度分布一様化。２枚目で指向性
改善する場合の光学素子の設計例を示す図。

【図５３】 光学素子２枚の場合の点光源からの出射角
と到達位置の設計例を示す図。

【図５４】 １枚目の光学素子の設計例を示す図。

【図５５】 ２枚目の光学素子の設計例を示す図。

【図５６】 本発明の光学素子を液晶プロジェクタに応
用した場合を示す図。

【図５７】 光源に最も近い光学素子上の光線のドット
ダイアグラムを示す図。

【図５８】 目的の光強度分布を得るべき面上の光線の
ドットダイアグラムを示す図。

【図５９】 従来の透過型液晶表示装置の光学系の概略
構成を示す図。

【図６０】 従来の他の透過型液晶表示装置の光学系の
概略構成を示す図。

【符号の説明】

１０１…光源 １０２…反射鏡 １０３…第１の光学素子 １０４…第２の光学素子 １０８〜１１０…液晶パネル ３０１…光源 ３０２…反射鏡 ３０３…光学素子 ５０１…光源 ５０２…反射鏡 ５０３…第１の光学素子 ５０４…第２の光学素子

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の形状及び所定の強度分布を有する
   入射光を、所定の強度分布を有する所望形状の出力光に
   変換することを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 前記出力光は、方形、円又は楕円のいず
   れかの形状を有することを特徴とする請求項１記載の光
   学素子。
3. 【請求項３】 入射光の代表的な波面に対して付与され
   るべき位相の進み遅れを表わす位相伝達関数又は光学素
   子表面の形状の少なくとも一方が、最適化の計算に基づ
   いて設定されることを特徴とする請求項１記載の光学素
   子。
4. 【請求項４】 前記出力光は、中心部が周辺部よりも明
   るいことを特徴とする請求項１記載の光学素子。
5. 【請求項５】 同心円状又は渦巻状のいずれかの溝を有
   し、 前記溝は、前記光学素子に入射する光の光学素子の入射
   面における光強度分布をＬi （ｒi ）、所望の面上の光
   強度分布をＬo （ｒo ）とし、ｒi ＞ｒimaxの時に、Ｌ
   i （ｒi ）＝０、ｒo ＞ｒomaxの時に、Ｌo （ｒo ）＝
   ０とした場合に、 【数１】 となるように、斜面の傾斜角が設定されることを特徴と
   する請求項１記載の光学素子。
6. 【請求項６】所定のビーム形状及び強度分布を有する光
   ビームを放射する光源と、 入射される前記光ビームのビーム形状を、一様な強度分
   布を有する方形、円形又は楕円形のいずれかの形状に整
   形する第１光学素子と、 入射される整形された前記光ビームに指向性を付与する
   第２光学素子と、を具備することを特徴とする光学装
   置。
7. 【請求項７】 前記第１光学素子及び前記第２光学素子
   の少なくとも一方は、入射される前記光ビームの２次以
   上の回折光を利用し、利用する回折方向に回折光の強度
   を集中させることを特徴とする請求項６記載の光学装
   置。
8. 【請求項８】 前記第１光学素子は、入射される前記光
   ビームの光路中に前記光ビームの光軸に対してほぼ垂直
   に配置され、その表面に複数の曲線群からなる溝が形成
   された透光性基板を有することを特徴とする請求項６記
   載の光学装置。
9. 【請求項９】所定の強度分布を有する光ビームの光路中
   に配置され、その表面に同心円状または渦巻状に形成さ
   れた一定角度の斜面を持つ溝を有する透光性基板からな
   る第１光学素子と、 前記第１光学素子を通過した光ビームの光路中に配置さ
   れ、入射される前記光ビームに指向性を付与する第２光
   学素子と、を具備することを特徴とする光学装置。
10. 【請求項１０】所定の強度分布を有する光ビームの光路
    中に配置され、前記光ビームの光軸に垂直な面上におい
    て光軸から外側に向かうにつれて位相伝達関数が直線的
    に減少または増加する特性を有する第１光学素子と、 前記第１光学素子を通過した光ビームの光路中に配置さ
    れ、入射される前記光ビームに指向性を付与する第２光
    学素子と、を具備することを特徴とする光学装置。
11. 【請求項１１】 前記第２光学素子により指向性が付与
    された光ビームを入射し、所望の画像を表示する空間光
    変調素子を更に具備することを特徴とする請求項６、請
    求項９又は請求項１０のいずれかに記載の光学装置。
12. 【請求項１２】 所定の強度分布を有する集束性光ビー
    ムの光路中の集束点近傍に配置され、一定角度の斜面を
    持つ同心円状または渦巻状の溝が形成された透光性基板
    を有する光学素子を具備することを特徴とする光学装
    置。
13. 【請求項１３】 所定の強度分布を有する集束性光ビー
    ムの光路中の集束点近傍かつ前記集束点より光ビームの
    進行方向前方に配置され、前記光ビームの光軸に垂直な
    面上において前記光軸から外側に向かうにつれて位相伝
    達関数が直線的に減少する特性を有する光学素子を具備
    することを特徴とする光学装置。
14. 【請求項１４】 所定の強度分布を有する集束性光ビー
    ムの光路中の集束点近傍かつ前記集束点より光ビームの
    進行方向後方に配置され、前記光ビームの光軸に垂直な
    面上において前記光軸から外側に向かうにつれて位相伝
    達関数が直線的に増加する特性を有する光学素子を具備
    することを特徴とする光学装置。
15. 【請求項１５】 前記光学素子を通過した光ビームの光
    路中に配置され、所望の画像を表示する空間光変調素子
    を更に具備することを特徴とする請求項１２から請求項
    １４のいずれかに記載の光学装置。
16. 【請求項１６】 所定の形状及び所定の強度分布を有す
    る入射光を、一様の強度分布を有する所望形状の出力光
    に変換する少なくとも１つの第１光学素子を具備するこ
    とを特徴とする光学装置。
17. 【請求項１７】 前記出力光は、中心部が周辺部よりも
    明るいことを特徴とする請求項１６記載の光学装置。
18. 【請求項１８】 前記第１光学素子は、同心円状又は渦
    巻状のいずれかの溝を有し、前記溝は、前記光学素子に
    入射する光の光学素子の入射面における光強度分布をＬ
    i （ｒi ）、所望の面上の光強度分布をＬo （ｒo ）と
    し、ｒi ＞ｒimaxの時に、Ｌi （ｒi ）＝０、ｒo ＞ｒ
    omaxの時に、Ｌo （ｒo ）＝０とした場合に、 【数２】 となるように、斜面の傾斜角が設定されることを特徴と
    する請求項１６記載の光学装置。ここで、ｒi ：入射光
    ビームの光軸からの位置、ｒimax：光学素子の入射面の
    光軸から最も離れた位置、ｒo ：前記入射光ビームに対
    応する出力光ビームの前記所望の面上の光軸からの位
    置、ｒomax：前記出力光ビームが到達可能な前記所望の
    面上の光軸から最も離れた位置である。
19. 【請求項１９】 前記一様の強度分布を有する所望形状
    の光に所定の指向性を付与するように、中心軸からの距
    離に応じて変化するような角度の斜面を有する同心円状
    又は渦巻状のいずれかの溝を有する少なくとも１つの第
    ２光学素子を更に具備することを特徴とする請求項１６
    記載の光学装置。
20. 【請求項２０】所定のビーム形状及び強度分布を有する
    光ビームを放射する光源と、 入射される前記光ビームのビーム形状を、一様な強度分
    布を有する所望の形状に整形する少なくとも１つの第１
    光学素子と、 入射される整形された前記光ビームに指向性を付与する
    第２光学素子と、 前記指向性を付与された光ビームを入射し、所望の画像
    を表示するために所定部分に光を通過させる液晶パネル
    と、 前記液晶パネルを通過した光を画像として表示するスク
    リーンと、を具備することを特徴とする液晶投射型表示
    装置。