JP2008165066A - 投射型画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光分離手段を備える投射型画像投影装置において、偏光分離手段における光量損失を低減することができるようにする。
【解決手段】直線偏光された照明光を反射型画像表示素子５において空間変調し、画像を表す反射光として投影するようになされた投射型画像投影装置１００であって、照明光と反射型画像表示素子５の表示面５ａで反射された反射光とを、偏光方向に応じて透過又は反射させる偏光分離素子２と、偏光分離素子２と反射型画像表示素子５との間に位置決めされ、往復透過する光の偏光方向を光軸まわりに９０°回転する偏光方向回転手段４とを備え、偏光分離素子２の偏光分離面２ａを透過して表示面５ａに入射される照明光の軸上主光線と、表示面５ａで反射される反射光の軸上主光線とでなす角度を２等分する方向と、偏光方向回転手段４の光軸の方向とをほぼ一致させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投射型画像投影装置に関する。

従来、反射型画像表示素子、例えば、ＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）などのデバイスを用いた投射型画像投影装置では、Ｆナンバーの大きな照明光を反射型画像表示素子に対して浅い入射角で入射させる必要があるため、照明光の光路と反射型表示素子からの反射光の光路とを分離する光路分離手段を反射型表示素子の近傍に配置するものが知られている。
例えば、特許文献１には、このような光路分離手段として、ＤＭＤに入射される光束とＤＭＤから出射される光束とを分離するための偏光分離面を有する偏光分離プリズムと、この偏光分離面とＤＭＤとの間に偏光方向を回転させるための偏光方向回転手段とを備えるプロジェクタ用光学系およびこれを用いたプロジェクタ装置（投射型画像投影装置）が記載されている。
特開２００４−１０１８２６号公報

しかしながら、上記のような従来の投射型画像投影装置には、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、偏光分離プリズムを用いている。そのため偏光分離面は、例えば誘電体多層膜などによって、１つの入射面を基準入射面として、この基準入射面のｓ偏光成分を最大限に透過（反射）し、ｐ偏光成分を最大限に反射（透過）するような反射透過率特性が付与されている。
そして、基準入射面と交差する入射面に入射光が入射すると、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とが混在するため、偏光分離特性が悪化する。
さらに、このような入射面で入射する光では、偏光分離面で反射されると光の偏光方向が光の光軸まわりに回転する。そしてＤＭＤで反射されて偏光方向回転手段を透過すると、この変化した偏光方向に対してさらに光軸まわりに９０°回転される。
このため、ＤＭＤによる光線の反射方向が、入射方向と同方向であれば、偏光分離面で反射された光と偏光方向に対して光軸まわりに９０°回転しているので、光量損失なく透過されるが、ＤＭＤの反射面に対する入射角が０°でない場合には、偏光分離面の再入射位置で効率的に透過される偏光方向と異なる偏光方向となり光量損失が発生する。
したがって、特許文献１の構成では、照明光の軸上主光線、および照明光と投写光との光軸を含む平面内では、偏光分離面で効率的に光路が分離されるが、これ以外の光線では、偏光分離面に対する入射時および透過時に光量損失を発生させるという問題がある。

本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、偏光分離手段を備える投射型画像投影装置において、偏光分離手段における光量損失を低減することができる投射型画像投影装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の投射型画像投影装置は、直線偏光された照明光を反射型画像表示素子において空間変調し、画像を表す反射光として投影するようになされた投射型画像投影装置であって、前記照明光と前記反射型画像表示素子の表示面で反射された前記反射光とを、偏光分離面にて偏光方向に応じて透過又は反射させる偏光分離手段と、前記偏光分離手段と前記反射型画像表示素子との間に位置決めされ、往復透過する光の偏光方向を光軸まわりに９０°回転する偏光方向回転手段とを備え、前記偏光分離手段の前記偏光分離面を透過して前記反射型画像表示素子の前記表示面に入射される前記照明光の軸上主光線と、当該表示面で反射される前記反射光の軸上主光線とでなす角度を２等分する方向と、前記偏光方向回転手段の前記光軸の方向とをほぼ一致させるように、前記偏光分離手段及び前記偏光方向回転手段を前記反射型画像表示素子に対して配置する構成とする。
この発明によれば、直線偏光された照明光を、偏光分離手段の偏光分離方向に合わせて入射する。そして、偏光分離手段を透過又は反射することにより、偏光方向回転手段を介して、反射型画像表示素子の表示面に入射する。この表示面で反射された反射光は、偏光方向回転手段に再入射して、偏光方向が９０°回転されるため、偏光分離手段によって偏光分離される。このとき、反射型画像表示素子の表示面に入射される照明光の軸上主光線と表示面で反射される反射光の軸上主光線とでなす角度を２等分する方向と、偏光方向回転手段の光軸の方向とがほぼ一致されているので、偏光分離手段に対する照明光の斜め入射による偏光方向の変化と、偏光分離手段に再入射する反射光の斜め入射による偏光方向の変化とがほぼ対称となるため、それぞれの偏光方向の変化を偏光方向回転手段により低減または除去することた可能となり、その結果、光量損失が低減される。

本発明の投射型画像投影装置によれば、偏光分離手段を用いていても、偏光分離手段に対する入射方向による偏光方向の回転の影響を低減または除去することができるので、偏光分離手段における光量損失を低減することができるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る投射型画像投影装置について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る投射型画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。
なお、便宜上、各図に相対的な方向を参照するため、位置関係がそれぞれ対応したＸＹＺ直交座標系を示した。以下、誤解のおそれがない限り、この座標軸に基づいて方向を参照する（以下の図面も同じ）。
この座標系は、図１（ａ）において、Ｚ軸が図示右から左に向かって水平に延ばされ、Ｚ軸に直交して図示下側から上側に向かってＹ軸が延ばされ、紙面奥側から手前側にＸ軸が延ばされたもので、紙面がＹＺ平面となっている。

本実施形態の投射型画像投影装置１００は、例えば、ビデオプロジェクタ、プロジェクションテレビジョンなどの投射型画像投影装置として好適に用いることができるものである。
投射型画像投影装置１００の概略構成は、図１に示すように、照明部１、偏光分離素子２、１／４波長板３、偏光方向回転手段４、反射型画像表示素子５、および投影光学系６からなる。
図中の符号７は、投射型画像投影装置１００の投影画像を映すスクリーンを示す。スクリーン７は、透過型スクリーン、反射型スクリーンのいずれであってもよい。スクリーン７が透過型スクリーンの場合には、投射型画像投影装置１００の筐体（不図示）などに固定され、投射型画像投影装置１００とともにリアプロジェクション型の画像投影装置を構成していてもよい。

照明部１は、光量分布が略均一化され直線偏光された波長λの光束を照明光として出射するものである。
照明部１の配置位置は、図１（ａ）、図２に示すように、照明部１から出射される光束の軸上主光線である光線Ｌ_１が、ＸＹ平面内で、Ｘ軸負方向側からＹ軸負方向側に向けて斜めに進んで、偏光分離素子２に入射する配置位置とされる。光線Ｌ_１の偏光方向は、図２に両矢印で示すように光軸に直交しＸＹ平面に平行な方向とされている。光線Ｌ_１がＹ軸と交差する角度は、光路レイアウトの都合など必要に応じて設定することができるが、反射型画像表示素子５の反射面に対する入射角を小さくするために、浅い角度、例えば、１５°以下の浅い角度であることが好ましい。

偏光分離素子２は、Ｙ軸に平行な軸ＰをＹ軸負方向に進むｓ偏光光を、Ｚ軸に平行な軸ＱをＺ軸負方向に略１００％反射し、軸Ｐ、Ｑの方向に進むｐ偏光光を略１００％透過する、誘電体多層膜で構成された偏光分離面２ａを有する偏光分離プリズムである。外形は、本実施形態では直方体とされている。
ここで、軸Ｐ、Ｑの張る平面は、偏光分離面２ａでの反射と透過とによる偏光分離特性を規定するための基準入射面を構成している。すなわち、誘電体多層膜で偏光分離面を設計するため、偏光分離の効率を最大化するｓ偏光とｐ偏光との偏光方向を規定する。この基準入射面を入射面とする光は、入射角が一定の場合には、基準入射面と交差する面を入射面とする光よりも光量損失が少ない状態で偏光分離される。

偏光分離面２ａと照明部１との間にある第１プリズム面２ｂは、照明光が偏光分離素子２に入射する界面を構成し、本実施形態ではＺＸ平面に平行な平面からなる。
偏光分離面２ａと１／４波長板３との間にある第２プリズム面２ｃは、偏光分離面２ａで反射された光が偏光分離素子２から出射する界面を構成し、本実施形態ではＸＹ平面に平行な平面からなる。
第２プリズム面２ｃに平行で、偏光分離面２ａを第２プリズム面２ｃとの間に挟む第３プリズム面２ｄは、偏光分離面２ａをＺ軸負方向側から透過する光を投影光学系６に出射する界面を構成している。

図２において、第１プリズム面２ｂ、第２プリズム面２ｃにそれぞれ描かれた破線Ｐ_ｓは、偏光分離面２ａの基準入射面のｓ偏光方向を参照する便宜のために描かれた仮想線である。
なお、偏光分離素子２の外形が直方体とされているのは、一例であって、本発明にとって本質的なことではない。外形を構成する第１プリズム面２ｂ、第２プリズム面２ｃ、第３プリズム面２ｄは、必要に応じて互いに適宜の角度で傾斜していてもよい。
また、以下の説明では、説明の簡略化のため、第１プリズム面２ｂ、第２プリズム面２ｃ、第３プリズム面２ｄなどの界面における屈折は無視して説明する。

１／４波長板３は、照明光の波長λに対する１／４波長板であり、主軸Ｎの方向を偏光分離面２ａのｓ偏光方向に合わせた状態で、第２プリズム面２ｃのＺ軸負方向側にＸＹ平面に略平行に配置されている。
偏光方向回転手段４は、往復透過する光の偏光方向を光軸まわりに９０°回転するもので、１／４波長板３に対してＺ軸負方向側に略平行に配置されている。すなわち、偏光方向回転手段４の光軸は、軸Ｑに平行に配置されている。偏光方向回転手段４としては、例えば、液晶などを用いた旋光回転子などの手段を採用することができる。

反射型画像表示素子５は、表示画素に応じて、表示面５ａに２次元格子状に配列された複数の表示要素の反射方向を制御することにより、照明光を空間変調して画像を表示するものである。本実施形態では、表示要素として、画像信号に応じて傾斜角がオン状態とオフ状態との２種類の傾斜角に変化されるマイクロミラー（不図示）を格子状に２次元配列したＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）を採用している。
本実施形態では、オン状態のマイクロミラーはＸＹ平面内に整列し、オフ状態のマイクロミラーはＸＹ平面に対して傾斜することにより、照明光の反射光が後述する投影光学系６に入射しない方向に反射されるようになっている。
また、オン状態のマイクロミラーの反射面の法線は、偏光分離面２ａの基準入射面に平行となっている。そのため、反射型画像表示素子５のオン状態のマイクロミラーに入射する光線は、偏光分離面２ａの基準入射面に平行な面に対して面対称に反射されることになる。

なお、図示では、反射型画像表示素子５の表示面５ａとオン状態のマイクロミラーの反射面が同一平面となるような位置関係に描いているが、これは一例であってオン状態のマイクロミラーは表示面５ａに対して傾いていてもよい。本質的なのは、オン状態のマイクロミラーの法線と基準入射面との関係である。

投影光学系６は、反射型画像表示素子５に照射される照明光のうち、反射型画像表示素子５のオン状態のマイクロミラーによって反射され、偏光方向回転手段４、１／４波長板３、偏光分離素子２を順次透過した光による画像をスクリーン７に向かって拡大投影する光学素子または光学素子群である。
投影光学系６の光軸５０は、本実施形態では、ＸＹ平面に整列されたマイクロミラーによる反射光の反射光軸に対応して、ＺＸ平面内で、Ｘ軸負方向側からＺ軸正方向側に向かって傾斜する方向に配置されている。

本実施形態において、偏光分離素子２、１／４波長板３、偏光方向回転手段４は、照明部１と反射型画像表示素子５との間および投影光学系６と反射型画像表示素子５との間で、照明光の光路と反射型画像表示素子５で反射される反射光の光路とを偏光方向に応じて分離する偏光分離手段２０を構成している。

次に、本実施形態の投射型画像投影装置１００の作用について、偏光分離手段の作用を中心に光路に沿って説明する。以下の説明における各光線は、特に断らない限り、投射型画像投影装置１００を構成する光学系の軸上主光線を表すものとする。
図３（ａ）、（ｂ）は、従来技術に係る比較例の偏光分離手段の作用を説明するための斜視説明図である。図４（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る１／４波長板の作用について説明する偏光方向変化の概念図である。図４（ｂ）は、本発明の第１の実施形態に係る１／４波長板、偏光方向回転手段の複合的な作用について説明する偏光方向変化の概念図である。

照明部１から出射される光線Ｌ_１は、図２に示すように、光軸に直交しＸＹ平面に平行な方向に直線偏光されており、ＸＹ平面内で軸Ｐに対して浅い角度で傾斜した方向から、第１プリズム面２ｂに入射し、偏光分離面２ａ上の点ａに到達する。点ａにおいて、光線Ｌ_１の偏光方向は、偏光分離面２ａのｓ偏光の偏向面に一致するため、光線Ｌ_１は偏光分離面２ａにより略１００％反射され、光線Ｌ_２として、第２プリズム面２ｃ上の点ｂに進み、１／４波長板３に向けて出射される。
このとき、光線Ｌ_１、Ｌ_２を含む偏光分離面２ａに対する入射面は、基準入射面に対してわずかに傾斜しているため、この傾斜角に応じて、光線Ｌ_２の偏光方向は基準変更のｓ偏光方向に対して回転する。例えば、点ｂにおいて、Ｚ軸負方向から見て時計回りに角度φ（°）だけ回転する。
ここで、光線Ｌ_２の偏光方向は、ＸＹ平面に対して傾いているため、光軸回りの回転角とＸＹ平面内での回転角φとは厳密には異なるが、本実施形態では、光線Ｌ_２の軸Ｑに対する傾斜角度が小さいため、ほとんど同様な角度になっている。

光線Ｌ_２は、ＺＸ平面内をＸ軸負方向側からＺ軸負方向側に向かって軸Ｑに対して浅い角度αをなして進み、１／４波長板３、偏光方向回転手段４を透過して、反射型画像表示素子５に入射し、他の光束とともに、反射型画像表示素子５の表示面５ａを照明する。
光線Ｌ_２がオン状態のマイクロミラーに入射するものとすると、点ｄに入射角αで入射して、ＺＸ平面内で出射角αの方向に光線Ｌ_３として反射される。そして、ＺＸ平面内を、Ｘ軸負方向側からＺ軸正方向側に向かって軸Ｑに対して浅い角度αをなして進み、偏光方向回転手段４、１／４波長板３を透過して、第２プリズム面２ｃ上の点ｆに入射する。
すなわち、点ｆに到達する光線Ｌ_３は、１／４波長板３、偏光方向回転手段４を往復透過したことになる。

ここで、１／４波長板３、偏光方向回転手段４の作用について説明する。
まず、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、１／４波長板３がない場合の例における偏光方向の変化を説明する。なお、図３（ａ）では、見易さのため、各光線を実際の光路である軸Ｐ、Ｑからずらして表示している。
図３（ａ）に示すように、光線Ｌ_１に代えて、軸Ｐ上を進む光線Ｌ_１０が偏光分離素子２に入射された場合を考える。光線Ｌ_１０の偏光方向は、基準入射面のｓ偏光方向に一致されており、偏光分離面２ａで略１００％反射されて、光線Ｌ_２０として第２プリズム面２ｃから出射され、偏光方向を変えることなく、偏光方向回転手段４を透過し、反射型画像表示素子５で光線３０として反射されて、偏光方向回転手段４を再度透過して、第２プリズム面２ｃに再入射する。
このとき、光線Ｌ_３０では、偏光方向回転手段４を往復透過することで、偏光方向が光軸まわりに９０°回転され、反射偏光方向と直交する方向になっている。そのため、偏光分離面２ａに到達した光線Ｌ_３０は、略１００％透過され、光線Ｌ_４０として第３プリズム面２ｄから出射される。
したがって、略光量損失を起こすことなく、光線１０の光路と光線４０の光路とが偏光分離される。

図３（ｂ）は、本実施形態から１／４波長板３のみを除去した場合の例である。この場合、光線Ｌ_２が出射されるまでは、本実施形態と同様のため、光線Ｌ_２は、偏光方向が、偏光分離面２ａの基準入射面のｓ偏光方向に対して角度φだけ傾斜している。このため、光線Ｌ_２が偏光方向回転手段４、反射型画像表示素子５、偏光方向回転手段４を経て光線Ｌ_３１として、第２プリズム面２ｃに到達すると、点ｆでの光線Ｌ_３１の偏光方向は、光軸まわりに９０°回転され、偏光分離面２ａの反射偏光方向に対して（９０°−φ）だけ傾斜している。また、反射偏光方向に直交する方向に対しては、Ｚ軸負方向から見て時計回りにφだけ回転している。
ところが、光線Ｌ_２、Ｌ_３は、偏光分離面２ａの基準入射面に対して面対称な位置関係にあるため、偏光分離面２ａで最も効率的に反射される偏光方向および最も効率的に透過される偏光方向もまた基準入射面に対して面対称となる。したがって、点ｆで、基準入射面のｓ偏光方向に対してＺ軸負方向から見て反時計回りにφだけ回転した偏光方向を有する偏光成分が、偏光分離面２ａの点ｇにおいて略１００％反射され、また基準入射面のｓ偏光にＸＹ平面内で直交する方向（Ｘ軸方向）に対してＺ軸負方向から見て反時計回りにφだけ回転した偏光方向を有する偏光成分が、略１００％透過されることになる。
したがって、光線Ｌ_３１は、このような点ｇにおける偏光分離の偏光方向に対してＺ軸負方向から見て時計回りに２・φだけずれた偏光方向を有することになる。そのため、図３（ｂ）に示すように、点ｇにおいて、透過光Ｌ_４１Ｔと反射光Ｌ_４１Ｒに偏光分離される。この反射光Ｌ_４１Ｒは、投影光学系６に到達しないため、光量損失となってしまう。

これに対して、本実施形態では、偏光分離素子２と偏光方向回転手段４との間の光線Ｌ_２、Ｌ_３の間に、主軸が基準入射面のｓ偏光方向と同方向の１／４波長板３を配置しているため、光線Ｌ_３の偏光方向が、偏光分離面２ａで最も効率よく透過される偏光方向に補正される。
１／４波長板３は、直線偏光を主軸Ｎとのなす角度に応じて、楕円偏光または円偏光に変換し、あるいはその逆変換を行うものであるが、反射面を介して往復透過させる場合、１／２波長板と等価に働くため、直線偏光の偏光方向を主軸Ｎに対して折り返す作用を有する。すなわち、本実施形態で、偏光方向回転手段４を削除した場合を考えると、図４（ａ）に示すように、点ｆにおける光線Ｌ_３の偏光方向ｐ_ｆ’は、点ｂにおける光線Ｌ_２の偏光方向ｐ_ｂを主軸Ｎに対して折り返すため、主軸Ｎに対して、Ｚ軸負方向から見て反時計回りに角度φだけ回転したのと同様である。また、主軸Ｎは、基準入射面の法線方向に一致しているから、１／４波長板３は、往復透過した直線偏光を基準入射面に関して対称変換する機能を有するものである。

本実施形態のように、１／４波長板３と反射型画像表示素子５との間に偏光方向回転手段４が入ると、この間では直線偏光でないため、あくまで概念的な説明になるが、図４（ｂ）に示すように、偏光方向ｐ_ｂが偏光方向回転手段４によって光軸まわりに９０°回転され、主軸Ｎに対して折り返されることで、点ｆの偏光方向ｐ_ｆが、Ｘ軸に対してＺ軸負方向から見て反時計回りに角度φ回転したのと等価な偏光方向変換作用を示す。
すなわち、１／４波長板３と偏光方向回転手段４とは、偏光分離面２ａで偏光分離されて反射型画像表示素子５に向かう光の偏光方向を、基準入射面に関する対称変換と光軸まわりの９０°の回転変換との合成変換に相当する変換によって補正する偏光方向補正手段を構成している。

したがって、図２に示すように、本実施形態では、光線Ｌ_３の偏光方向は、偏光分離面２ａの点ｇにおいて略１００％透過される偏光方向に一致し、光線Ｌ_４として、略１００％透過され、第３プリズム面２ｄから出射される。
そして、図１に示すように、光線Ｌ_４は、投影光学系６の光軸５０に沿って進み、投影光学系６によってスクリーン７に投影される。
このように、投射型画像投影装置１００では、偏光分離素子２の基準入射面と交差する方向から、照明光を入射しても、軸上主光線は、偏光分離素子２においてほとんど光量損失しない状態で偏光分離される。このため、例えば、図３（ｂ）に示すような１／４波長板３を偏光分離素子２と偏光方向回転手段４との間の光路に備えない構成に比べて、光量損失を低減することができる。

なお、このような作用は、反射型画像表示素子５の反射面の法線が偏光分離素子２の基準入射面に平行となるように配置することで、軸上主光線の光路上で、偏光方向の傾きがが基準入射面に対して面対称となることを利用している。
このような位置関係が実現されない場合、そのずれ量に応じて光量損失が発生するが、光量損失が許容できる範囲であれば、反射型画像表示素子５の反射面の法線を基準入射面とわずかに傾斜させた略平行の位置関係でもよい。

また、以上の説明では、軸上主光線による１／４波長板３の作用を説明したが、軸上主光線以外の照明光において、基準入射面に交差する方向から入射する光も、同様に１／４波長板３の補正作用を受けて、光量損失が低減される。
また、以上の説明では、反射型画像表示素子５の入射面がＺＸ平面内に設定され、基準入射面と直交する位置関係にある場合の例で説明した。反射型画像表示素子５の入射面がマイクロミラーの反射面の法線まわりに回転した斜めの状態、例えば、図３（ａ）の偏光分離面２ａ上での入射位置である点ａがＹ軸正方向側に、点ｇがＹ軸負方向側にずれたような位置となる光路を通る光線では、偏光方向の回転は基準入射面に対称にはならないため、偏光方向の回転は完全には補正されないが、回転の程度は低減される。そのため、やはり偏光方向補正手段を備えない場合に比べて、光量損失が低減される。

次に、本実施形態の第１変形例について説明する。
図５は、本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。

本変形例は、上記実施形態の偏光分離素子２に代えて、基準偏光方向が透過光の方向となる偏光分離面２ｅを有する偏光分離素子２Ａを備え、照明光の偏光方向が、基準入射面のｐ偏光となるようにしたものである。そのため、偏光分離面２ｅによって反射されて反射型画像表示素子５側に向かう光の偏光方向に合わせて、１／４波長板３の主軸ＮをＸＹ平面内で９０°回転して、Ｙ軸方向に沿って配置する。
図５には、偏光分離面２ｅによって反射されて反射型画像表示素子５側に向かう光の偏光方向の理解を助けるため、参考として、このような基準入射面のｐ偏光の偏光面に沿う仮想線を破線Ｐ_ｐとして、各光路上に示した。第２プリズム面２ｃ上の破線Ｐ_ｐが、１／４波長板３の主軸Ｎと平行であることが分かれば、図示の目的は達せられる。

本変形例によれば、照明部１からの照明光の軸上主光線である光線Ｌ_１３は、ＹＺ平面内を、Ｚ軸正方向側からＹ軸負方向側に向かって軸Ｐと浅い角度をなして、第１プリズム面２ｂに入射し、偏光分離面２ｅ上の点ｈに到達する。
光線Ｌ_１３は、ｐ偏光光のため、偏光分離面２ｅで略１００％反射されて、光線Ｌ_２３として第２プリズム面２ｃの点ｉから出射され、１／４波長板３、偏光方向回転手段４を介して、反射型画像表示素子５に到達する。そして、反射型画像表示素子５上のマイクロミラーによって光線Ｌ_３３として反射され、偏光方向回転手段４、１／４波長板３を再透過して、第２プリズム面２ｃ上の点ｎに到達する。
ここで、点ｉの偏光方向はＸ軸方向のため、１／４波長板３の主軸Ｎと同方向となるため、点ｎの偏光方向は偏光方向回転手段４のみの作用により光軸まわりに９０°回転されＸ軸方向となる。
そのため、光線Ｌ_３３は、点ｑにおいて偏光分離面２ｅを略１００％透過して、第３プリズム面２ｄから光線Ｌ_４３として、光軸５０に沿って投影光学系６に入射され、スクリーン７に投影される。

このように、本実施形態では、軸上主光線が偏光分離素子２Ａにおいてほとんど光量損失することとなく偏光分離される。その際、軸上主光線は、基準入射面内を進むため、１／４波長板３による、偏光方向の補正作用を受けない。しかしながら、軸上主光線以外の照明光において、基準入射面に交差する方向から入射する光は、上記実施形態と同様に、偏光方向が回転するが、１／４波長板３の補正作用を受けて、光量損失が低減される。そのため、照明光全体としては、１／４波長板３の作用により、光量損失が低減される。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る投射型画像投影装置について説明する。
図６（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る投射型画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図６（ｂ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図７は、本発明の第２の実施形態に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。図８は、本発明の第２の実施形態に係る１／４波長板の作用について説明する偏光方向変化の概念図である。

本実施形態の投射型画像投影装置１１０は、図６（ａ）、（ｂ）に示すように、上記第１の実施形態の投射型画像投影装置１００から１／４波長板３を削除し、偏光方向回転手段４に代えて１／４波長板９を備えるものである。偏光分離素子２と１／４波長板９とは、偏光分離手段２１を構成している。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。

１／４波長板９は、照明光の波長λに対する１／４波長板であり、図７に示すように、主軸Ｎの方向を基準入射面のｓ偏光方向に対して略４５°傾斜させた状態で、第２プリズム面２ｃのＺ軸負方向側にＸＹ平面に略平行に配置されている。

本実施形態の構成によれば、上記第１の実施形態では光線Ｌ_２、Ｌ_３が１／４波長板３、偏光方向回転手段４を往復透過したところ、本実施形態では１／４波長板９を往復透過するものである。
その際、図８に示すように、光線Ｌ_２は、１／４波長板９にその主軸Ｎに対してＺ軸負方向側から見て時計回りに４５°回転した偏光方向ｐ_ｂで入射するので、光線Ｌ_３は、主軸Ｎの方向に対して折り返された偏光方向ｐ_ｆに補正される。そのため、偏光方向ｐ_ｆは、基準入射面のｓ偏光方向に直交する方向からＺ軸負方向側から見て反時計回りに角度φだけ回転されたのと同じ方向となる。したがって、この光線Ｌ_３は、上記第１の実施形態と同様に、偏光分離面２ａを略１００％透過して、光軸５０に沿って投影光学系６に入射する。
すなわち、１／４波長板９は、このような配置により、偏光分離面２ａで偏光分離されて反射型画像表示素子５に向かう光の偏光方向を、基準入射面に関する対称変換と光軸まわりの９０°の回転変換との合成変換に相当する変換によって補正する偏光方向補正手段を構成している。

なお、このような作用は、反射型画像表示素子５の反射面の法線が偏光分離素子２の基準入射面に平行となるように配置することで、軸上主光線の光路上で、偏光方向の傾きがが基準入射面に対して面対称となることを利用している。
このような位置関係が実現されない場合、往復透過により偏光方向を光軸まわりに９０°回転させる偏光方向変換に１／４波長板を用いる場合のように、入射光の偏光方向と主軸Ｎとを４５°交差させただけでは、光線Ｌ_３の偏光方向が光軸まわりに９０°回転し、偏光分離面２ａに斜め入射する位置で、最も効率的に偏光分離する偏光方向とは一致しなくなるものである。
ただし、光量損失が許容できる範囲であれば、反射型画像表示素子５の反射面の法線を基準入射面とわずかに傾斜させた略平行の位置関係でもよい。

このように、投射型画像投影装置１１０では、投射型画像投影装置１００と同様に、例えば、図３（ｂ）に示すような偏光分離素子２と反射型画像表示素子５との間の光路上に、偏光方向回転手段４のみを有する構成に比べて、光量損失を低減することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る投射型画像投影装置について説明する。
図９（ａ）は、本発明の第３の実施形態に係る投射型画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図である。図９（ｂ）は、図９（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。図９（ｃ）は、図９（ａ）のＤ−Ｄ断面図である。図１０は、本発明の第３の実施形態に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。

本実施形態の投射型画像投影装置１２０は、図９（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、上記第１の実施形態の投射型画像投影装置１００の偏光分離素子２に代えて、ワイヤーグリッド偏光子（以下、ＷＧＰ）８を備え、１／４波長板３を削除したものである。以下、上記第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
本実施形態では、照明部１、投影光学系６、スクリーン７は、上記第１の実施形態と同様の配置としている。ただし、照明部１からの照明光は、ＷＧＰ８の透過光を反射型画像表示素子５に導くようにしているため、偏光方向回転手段４、反射型画像表示素子５は、ＺＸ平面に平行に配置されている。

ＷＧＰ８は、図１０に示すように、絶縁体からなる基板８Ｂ上に金属細線である複数の金属ワイヤー８Ａを微細ピッチで平行に配列し、光の電気ベクトルが金属ワイヤー８Ａの延びる方向に直交するＴＭ偏光成分を略１００％透過し、光の電気ベクトルがＴＭ偏光成分と直交するＴＥ偏光成分を略１００％反射するようにしたものである。金属ワイヤー８Ａの配列ピッチは、照明部１の照明光の波長λに応じて偏光分離の効率が良好となるように適宜設定される。
以下では、金属ワイヤー８Ａの延びる方向に平行でかつ基板８Ｂに直交する入射面をＷＧＰ８の基準入射面と称する。
本実施形態では、基板８Ｂは、ＹＺ平面に直交し、ＺＸ平面およびＸＹ平面にそれぞれ傾斜するように配置されており、反射型画像表示素子５の反射面の法線Ｖが基準入射面に平行に配置されている。すなわち、軸Ｖを通るＴＥ偏光光がＷＧＰ８で反射されると、Ｚ軸に平行な軸Ｕに沿って進むようになっている。

本実施形態において、ＷＧＰ８、偏光方向回転手段４は、照明部１と反射型画像表示素子５との間および投影光学系６と反射型画像表示素子５との間で、照明光の光路と反射型画像表示素子５で反射される反射光の光路とを偏光方向に応じて分離する偏光分離手段２２を構成している。

投射型画像投影装置１２０によれば、図１０に示すように、Ｘ軸方向に直線偏光された照明部１からの照明光の軸上主光線である光線Ｌ_１は、ＸＹ平面をＸ軸負方向側からＹ軸負方向側に向かって、基準入射面に対して傾斜して進む。
光線Ｌ_１は、ＷＧＰ８に対してＴＭ偏光光となっているので、光線Ｌ_２４として偏光方向回転手段４側に略１００％透過する。透過後の光線Ｌ_２４の偏光方向は、ＷＧＰ８の金属ワイヤー８Ａの方向なのでＴＭ偏光が維持される。これは、透過光の偏光方向を決定するのが金属ワイヤー８Ａの延びる方向のみであり、金属ワイヤー８Ａに対する入射面の基準入射面に対する角度に依存しないためである。
そして、光線Ｌ_２４は、偏光方向回転手段４を透過し、反射型画像表示素子５のオン状態の反射面で反射され、光線Ｌ_３４として偏光方向回転手段４に再入射する。
偏光方向回転手段４を透過後の光線Ｌ_３４は、偏光方向が光軸まわりに９０°回転され、ＴＥ偏光光として偏光方向回転手段４に入射する。そのため、ＴＥ偏光光となった光線Ｌ_３４は、ＷＧＰ８で略１００％反射され、光線Ｌ_４４として光軸５０に沿って進む。光線Ｌ_４４は、投影光学系６に入射し、スクリーン７に投影される。このようにして、照明部１からの照明光のうち、反射型画像表示素子５のオン状態の反射面で反射された光は、ＷＧＰ８でほとんど光量損失を起こすことなく、投影光学系６に入射して、スクリーン７上に投影される。

このように、本実施形態の投射型画像投影装置１２０によれば、ＷＧＰ８の基準入射面と交差する方向から、照明光を入射しても、軸上主光線は、ＷＧＰ８においてほとんど光量損失しない状態で偏光分離される。このため、例えば、図３（ｂ）に示すような偏光分離手段が、偏光分離素子２と偏光方向回転手段４のみからなる構成に比べて、光量損失を低減することができる。

また、本実施形態のように、ＷＧＰ８を偏光分離素子として用いると、偏光分離される反射光、透過光の偏光方向は、誘電体多層膜を偏光分離面として用いる場合のように入射面の基準入射面に対する傾斜角や、光線の入射角が問題とならないため、光路設定の自由度が向上される。
例えば、本実施形態の説明では、上記第１、第２の実施形態と同様に、反射型画像表示素子５のオン状態の反射面の法線が、ＷＧＰ８の基準入射面に平行となっている場合の例で説明したが、本実施形態では、このような位置関係は本質的ではなく、必要に応じて種々の位置関係に変形することができる。

次に、本実施形態の第１変形例について説明する。
図１１（ａ）は、本発明の第３の実施形態の第１変形例の偏光分離手段の模式的な側面図である。図１１（ｂ）は、図１１（ａ）と比較するための本発明の第３の実施形態の偏光分離手段の模式的な側面図である。図１２は、本発明の第３の実施形態およびその第１変形例の偏光分離効率について説明する模式的なグラフである。横軸は金属格子偏光分離素子に対する入射角θ、縦軸は偏光分離効率をそれぞれ示す（図１４も同じ）。図１３は、本発明の第３の実施形態の第１変形例の偏光分離手段の他の光路を示す模式的な側面図である。図１４は、図１３の光路配置の場合の偏光分離効率について説明する模式的なグラフである。

本変形例は、図１１（ａ）に示すように、上記第３の実施形態のＷＧＰ８の金属ワイヤー８Ａの延びる方向を基板８Ｂ上で９０°回転した配置としたものである。すなわち、上記第３の実施形態では、ＷＧＰ８に入射する照明光である光線Ｌ_１の入射面と、反射型画像表示素子５で反射された反射光である光線Ｌ_３４のＷＧＰ８における入射面とが交差しており、それら入射面の交差角を２等分するとともに、反射型画像表示素子５の反射面の法線を含む中間平面（図１０の軸Ｕ、Ｖの張る平面）に対して、金属ワイヤー８Ａが平行に延ばされているが、本変形例では、金属ワイヤー８Ａをこの中間平面の法線方向に配置している。照明光の入射面と投影光の入射面とが同一平面である場合には共通の入射面の法線方向に配置する。

このため、ＷＧＰ８に入射する照明光は、偏光方向を上記第３の実施形態とは光軸まわりに９０°回転させた光線Ｌ_１５を入射させている。光線Ｌ_１５は、偏光方向回転手段４を透過して反射型画像表示素子５で反射され、偏光方向が光軸回りに９０°回転された光線Ｌ_２５として、ＷＧＰ８に入射し、光線Ｌ_３５として反射される。

この場合、上記第３の実施形態と同様にして偏光分離されるが、さらに、上記第３の実施形態に比べて偏光分離効率を向上することができる。ここで、偏光分離効率とは、偏光分離手段へ入射される照明光の光量と偏光分離手段から出射されて投影に寄与する反射型画像表示素子からの反射光の光量との比を意味する。
ＷＧＰ８に対する照明光の入射角をθとすると、入射角θと、偏光分離効率との関係は図１２の曲線２００のように、入射角θが０°から７０°まで増大する間に略平坦に近い、山なりの変化を示す。
これに対して、図１１（ｂ）に示すように、金属ワイヤー８Ａを上記第３の実施形態と同様の方向に配置した場合は、図１２に曲線２０１に示すように、射角θが０°から５５°まで増大する間に略平坦な変化の後、６０°以上で、偏光分離効率が悪化する。そのため、ＷＧＰ８に対する入射角が大きい場合には、金属ワイヤー８Ａは、本変形例の方向に設けることが好ましい。

本変形例では、図１３に示すような光路も採用することができる。すなわち、ＷＧＰ８と反射型画像表示素子５との間で、照明光である光線Ｌ_１５の光路と、ＷＧＰ８で反射して偏光分離された光線Ｌ_３５との光路とが交差している。
この場合、光路を交差させるため、コンパクトなレイアウトとすることができる。ただし、図１４に曲線２０２に示すように、図１１（ａ）に示すような、光線Ｌ_１５、Ｌ_３５のそれぞれの光路が交差していない場合と比べて、全般的に偏光分離効率が劣るので、偏光分離効率をより大きくするためには、光線Ｌ_１５、Ｌ_３５が、交差しないような位置関係とすることが好ましい。

なお、上記の第１、２の実施形態の説明では、照明光を偏光分離手段で反射して画像表示素子に入射させる場合の例で説明し、上記第３の実施形態の説明では、照明光を偏光分離手段で透過して画像表示素子に入射させる場合の例で説明したが、それぞれの光路は逆進させても偏光分離作用は変わらないため、上記偏光分離手段に関する光路は、すべて、進行方向を逆向きにした構成もすべて採用することができる。

また、上記の説明では、簡単のため、各光路がＸＹ、ＹＺ、ＺＸ平面などに沿うような場合の例で説明したが、これらは一例であって、本発明の技術的思想の範囲内で、偏光分離面、反射面の配置角度を適宜設定することにより、これらの位置関係に限定されない種々の光路において、実施することができる。

また、上記第３の実施形態の説明では、偏光方向回転手段として偏光方向回転手段４を用いた例で説明したが、基準入射面に対して主軸を４５°させた１／４波長板を用いてもよい。この場合、第２の実施形態と異なり、反射型画像表示素子５のオン状態の反射面の法線が基準入射面と平行でなくてもＷＧＰ８ではほとんど光量損失が発生しないという利点がある。

また、上記の説明では、照明部からの照明光が波長λの場合で説明したが、例えば、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長光を照射する複数の照明部を設け、それぞれ波長光に応じて、偏光分離手段と画像表示素子とを配置し、各波長光を合成するダイクロイックプリズムなどの光路合成手段によって光路を合成してから、投影光学系に入射させるなどして、フルカラーの投射型画像投影装置としてもよい。この場合、各波長で共通利用できる偏光分離手段を用いることができる場合には、複数の照明光を１つの光路に合成する光路合成手段を設けて、偏光分離手段と画像表示素子とを各波長光で共通化する構成してもよい。

また、上記の実施形態に記載された構成要素は、技術的に可能であれば、本発明の技術的思想の範囲内で適宜組み合わせて実施することができる。

本発明の第１の実施形態に係る投射型画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図、およびそのＡ−Ａ断面図である。 本発明の第１の実施形態に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。 従来技術に係る比較例の偏光分離手段の作用を説明するための斜視説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る１／４波長板の作用について説明する偏光方向変化の概念図、および本発明の第１の実施形態に係る１／４波長板、偏光方向回転手段の複合的な作用について説明する偏光方向変化の概念図である。 本発明の第１の実施形態の第１変形例に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る投射型画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図、およびそのＢ−Ｂ断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る１／４波長板の作用について説明する偏光方向変化の概念図である。 本発明の第３の実施形態に係る投射型画像投影装置の概略構成を示す模式的な正面図、およびそのＣ−Ｃ断面図、Ｄ−Ｄ断面図である。 本発明の第３の実施形態に係る投射型画像投影装置に用いる偏光分離手段の概略構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の第１変形例の偏光分離手段の模式的な側面図、およびそれと比較するための本発明の第３の実施形態の偏光分離手段の模式的な側面図である。 本発明の第３の実施形態およびその第１変形例の偏光分離効率について説明する模式的なグラフである。 本発明の第３の実施形態の第１変形例の偏光分離手段の他の光路を示す模式的な側面図である。 図１３の光路配置の場合の偏光分離効率について説明する模式的なグラフである。

符号の説明

１ 照明部
２ 偏光分離素子
２ａ 偏光分離面
３ １／４波長板
４ 偏光方向回転手段
５ 反射型画像表示素子
６ 投影光学系
７ スクリーン
８ ＷＧＰ（金属格子偏光分離素子）
８Ａ 金属ワイヤー
８Ｂ 基板
９ １／４波長板（偏光回転手段）
２０、２１、２２ 偏光分離手段
１００、１１０、１２０ 投射型画像投影装置

Claims (7)

1. 直線偏光された照明光を反射型画像表示素子において空間変調し、画像を表す反射光として投影するようになされた投射型画像投影装置であって、
   前記照明光と前記反射型画像表示素子の表示面で反射された前記反射光とを、偏光分離面にて偏光方向に応じて透過又は反射させる偏光分離手段と、
   前記偏光分離手段と前記反射型画像表示素子との間に位置決めされ、往復透過する光の偏光方向を光軸まわりに９０°回転する偏光方向回転手段とを備え、
   前記偏光分離手段の前記偏光分離面を透過して前記反射型画像表示素子の前記表示面に入射される前記照明光の軸上主光線と、当該表示面で反射される前記反射光の軸上主光線とでなす角度を２等分する方向と、前記偏光方向回転手段の前記光軸の方向とをほぼ一致させるように、前記偏光分離手段及び前記偏光方向回転手段を前記反射型画像表示素子に対して配置する
   ことを特徴とする投射型画像投影装置。
2. 前記偏光分離手段は、
   誘電体多層膜で形成され、前記偏光分離面においてｓ偏光光とｐ偏光光とを分離する偏光分離素子でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の投射型画像投影装置。
3. 前記偏光分離手段は、
   前記反射型画像表示素子側に向かって、絶縁体上に複数の金属細線を微細ピッチで平行に配列した金属格子偏光分離素子でなる
   ことを特徴とする請求項１に記載の投射型画像投影装置。
4. 前記金属格子偏光分離素子の前記金属細線の配線方向が、前記金属格子偏光分離素子における前記照明光の軸上主光線の入射面および前記金属格子偏光分離素子における前記反射光の軸上主光線の入射面の交差角を２等分するとともに、投影方向に向けて前記反射光を反射する反射面の法線を含む中間平面の法線方向である
   ことを特徴とする請求項３に記載の投射型画像投影装置。
5. 前記金属格子偏光分離素子を透過してから前記反射型画像表示素子の表示面に到達するまでの前記照明光の軸上主光線の光路長が、前記反射型画像表示素子の表示面を反射してから前記金属格子偏光分離素子に到達するまでの前記反射光の軸上主光線の光路長よりも短くなるように、前記金属格子偏光分離素子及び前記反射型画像表示素子を配置した
   ことを特徴とする請求項３又は４に記載の投射型画像投影装置。
6. 前記偏光分離手段と前記偏光方向回転手段との間に位置決めされ、前記偏光分離面で分離された２つ偏光方向のうち、前記反射型画像表示素子側に向かって偏光分離される光の偏光方向と略同方向の主軸を有する１／４波長板
   を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の投射型画像投影装置。
7. 前記偏光方向回転手段は、
   前記偏光分離面で分離された２つ偏光方向のうち、前記反射型画像表示素子側に向かって偏光分離される光の偏光方向に対して、光軸に直交する面内で略４５°傾斜した主軸を有する１／４波長板からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の投射型画像投影装置。

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