JP4033137B2 - 投影型画像表示装置及び光学系 - Google Patents

Description

本発明は、例えば反射型の液晶プロジェクタ等の投影型画像表示装置、及び、反射型の液晶プロジェクタ等に用いられる光学系に関するものである。

従来より、照明装置と、照射された光を画像信号に応じて変調する光変調素子と、照明装置から出射された光を光変調素子に対して照射する分離光学系と、光変調素子の像を結像させる投影光学系とを備えた投射型画像表示装置が提案されている（例えば特許文献１参照。）。

投射型画像表示装置は、一般に、光源として放電ランプが用いられ、画像変調素子としては透過型液晶素子やＤＭＤ（Digital Micro mirror Device）等が多く用いられている。さらに、近年では、光変調素子としてより高解像度な反射型液晶素子を用いた投射型画像表示装置も実用化されている。

投射型画像表示装置では、白色光を出射する光源を有し、光源からの白色光をダイクロイックミラーで、赤、緑、青の３色に色分離し、それぞれの色を対応した光変調素子に照明する。光変調素子は、赤、緑、青の映像信号に応じて照射光を変調する。そして、光変調素子で変調された後クロスプリズムなどの色合成手段で合成され、投影レンズによりスクリーン上に投影される。

光変調素子として反射型液晶素子を使う場合には、偏光が利用される。この場合は、光源から出射された光を偏光変換素子を用いて一方向の偏光に変換し、その後、３色に色分離させてそれぞれの色に対応する反射型液晶素子へ入射させることになる。図２２に反射型液晶素子を用いた従来の投影型画像表示装置における、液晶素子近傍のデバイス構成を示す模式図を示す。

従来の投影型画像表示装置１１０は、図２２に示すように、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１１と、反射型液晶素子１１２と、直線偏光子１１３とを備えている。

先に述べた偏光変換素子では、可視領域全体で、かつ広い入射角に対して高いＰＳ変換特性を得ることは困難である。そのため、従来の投影型画像表示装置１１０では、再度、直線偏光子１１３を透過することによって、より偏光度の高い光束とし、ＰＢＳ１１１に入射する。ＰＢＳ１１１に入射した光束は、その大部分が反射して反射型液晶素子１１２に入射する。白色を表示する場合はここでＰ偏光に変換されてＰＢＳ１１１に再入射してそのまま透過し、投影レンズを介してスクリーン上に像を形成する。一方、黒色の場合は、Ｓ偏光のままＰＢＳ１１１に再入射して反射し、もとの光路に戻ることになる。

ところで、このような従来の反射型液晶素子を用いた投影型画像表示装置１１０では、以下に示すような問題点がある。

ＰＢＳ１１１の直前には、図２２のように直線偏光子１１３があり、ＰＢＳ１１１に対して一方向の偏光のみの光束、例えばＳ偏光のみからなる光束として入射するようにしている。

しかし、メリジオナル平面内に含まれない光線、つまり、スキュー光線は、ＰＢＳ１１１に入射する際にＳ偏光成分だけではなくＰ偏光成分も存在することになる。ＰＢＳ１１１が理想的であれば、Ｐ偏光成分はＰＢＳ１１を透過するために反射型液晶素子１１２を照射することはないが、実際にはＰ偏光成分であってもその一部はＰＢＳ１１１で反射して液晶素子に入射してしまう。

その結果、例えば黒を表示する場合でも、ＰＢＳ１１１で反射したＰ偏光は反射型液晶素子１１２で反射した後に再度ＰＢＳ１１１に入射し、その大部分はＰＢＳ１１１を通過してスクリーン上に投影されることになり、結果的に画像のコントラストを低下させる原因になっていた。

特開２０００−１０５３６０号公報

本発明は、簡単な構成で偏光分離特性を向上させ、コントラストが高く、高品位な映像を投影することができる投影型画像表示装置、及び、偏光分離特性を向上させた光学系を提供することを目的とする。

また、本発明に係る投影型画像表示装置は、光軸に沿って入射された光束のうち一方向の偏光を出射する平板状の直線偏光手段と、上記直線偏光手段から出射された光束が入射され、入射された光束の偏光方向を移相する波長板と、上記光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いて配置され、Ｓ又はＰ偏光を透過し、透過方向と直交する方向の偏光を反射する分離面を有し、当該分離面に対して上記直線偏光手段から出射した光束が入射される偏光ビームスプリッタと、上記偏光ビームスプリッタの上記分離面から出射された光束が入射され、入射された光の偏光の方向を画像信号に応じて変化させて反射し、上記偏光ビームスプリッタの上記分離面に再入射させる光変調手段とを備え、上記波長板は、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いていることを特徴とする。

本発明に係る投影型画像表示装置は、光源と、該光源からの光束を３原色に分解する色分離手段と、該色分離手段により分解された第１乃至第３の色光がそれぞれ入射する第１乃至第３の光学系と、該光学系により導光された光を空間変調し表示画像を形成する反射型の液晶表示素子とを備え、該液晶表示素子により形成された画像を表示する投影型画像表示装置であって、上記色分離手段は、上記３原色中の第１及び第２の色光を略９０°反射するとともに、第３の色光を透過する第１のダイクロイックミラーと、上記第１のダイクロイックミラーにより反射された第１及び第２の色光のうち、該第１の色光を反射するとともに、該第２の色光を透過する第２のダイクロイックミラーとからなり、上記第１乃至第３の光学系は、光軸に沿って入射された光束のうち一方向の偏光を出射する平板状の直線偏光手段と、上記光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いて配置され、Ｓ又はＰ偏光を透過し、透過方向と直交する方向の偏光を反射する分離面を有し、当該分離面に対して上記直線偏光手段から出射した光束が入射される偏光ビームスプリッタとを備え、上記直線偏光手段は、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いており、上記第１の光学系と上記第２の光学系を構成する上記直線偏光手段は、兼用され、上記第１のダイクロイックミラーと上記第２のダイクロイックミラーとの間の光軸上に配置されることを特徴とする。

また、本発明に係る光学系は、光軸に沿って入射された光束のうち一方向の偏光を出射する平板状の直線偏光手段と、上記直線偏光手段から出射された光束が入射され、入射された光束の偏光方向を移相する波長板と、上記光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いて配置され、Ｓ又はＰ偏光を透過し、透過方向と直交する方向の偏光を反射する分離面を有し、当該分離面に対して上記直線偏光手段から出射した光束が入射される偏光ビームスプリッタとを備え、上記波長板は、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いていることを特徴とする。

本発明の投影型画像表示装置には、光束が入射される。本発明の投影型画像表示装置は、分離面が光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いている偏光ビームスプリッタの前に、平板状の直線偏光手段及び波長板が設けられている。さらに、本発明の投影型画像表示装置では、上記波長板が、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いている。

本発明の投影型画像表示装置には、光束が入射される。本発明の投影型画像表示装置は、分離面が光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いている偏光ビームスプリッタの前に、平板状の直線偏光手段が設けられている。また、本発明の投影型画像表示装置では、直線偏光手段が、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いている。さらに、本発明の投影型画像表示装置では、色分離手段として３原色中の第１及び第２の色光を略９０°反射するとともに、第３の色光を透過する第１のダイクロイックミラーと、第１のダイクロイックミラーにより反射された第１及び第２の色光のうち、第１の色光を反射するとともに、第２の色光を透過する第２のダイクロイックミラーとを有し、第１の色光と第２の色光の一方向の偏光を出射する直線偏光手段が兼用され、第１のダイクロイックミラーと第２のダイクロイックミラーとの間の光軸上に配置されている。

以上のような本発明の投影型画像表示装置では、簡単な構成で偏光分離特性を向上させ、コントラストが高く、高品位な映像を投影することができる。

本発明の光学系には、光束が入射される。本発明の光学系は、分離面が光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いている偏光ビームスプリッタの前に、平板状の直線偏光手段及び波長板が設けられている。さらに、本発明の光学系では、上記波長板が、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いている。

以上のような本発明の光学系では、簡単な構成で偏光分離特性を向上させることができる。

本発明の最良の形態として、本発明を適用した反射型液晶素子を用いた投影型画像表示装置（以下、単に反射型プロジェクタ１０と呼ぶ。）について説明をする。

図１に、本発明が適用された反射型プロジェクタ１０のデバイス配置を示した模式図を示す。

反射型プロジェクタ１０は、ランプ１１と、インテグレーターレンズ１２と、ＰＳ変換素子１３と、コンデンサレンズ１４と、第１のダイクロイックミラー１５と、第２のダイクロックミラー１６と、ミラー１７と、Ｒ用偏光光学系１８−Ｒと、Ｇ用偏光光学系１８−Ｇと、Ｂ用偏光光学系１８−Ｂと、色合成プリズム１９と、投影レンズ２０とを備えている。

ランプ１１は、白色光の照射光源であり、例えば、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプ等である。ランプ１１には、光源１１ａからの光束を効率良く出射するために、楕円、もしくは方物面形状のリフレクタ１１ｂが光路の後ろ側に配置される。ランプ１１から出射した白色光の光束は、一対のインテグレーターレンズ１２に入射する。

一対のインテグレーターレンズ１２は、ランプ１１からの入射光に関し、光束の空間分布を均一化する。インテグレーターレンズ１２を透過した光束は、ＰＳ変換素子１３に入射する。

ＰＳ変換素子１３は、インテグレーターレンズ１２を透過した光を、一方向にそろった偏光に変換する。ＰＳ変換素子１３を透過した光束は、コンデンサレンズ１４を透過して第１のダイクロイックミラー１５に入射する。

第１のダイクロックミラー１５は、赤色波長帯域の光（Ｒ）を透過し、青色、緑色波長帯域の光（Ｇ，Ｂ）を反射する。反射した青色、緑色波長帯域の光（Ｇ，Ｂ）は、更に次の第２のダイクロイックミラー１６に入射する。第２のダイクロックミラー１６は、緑色波長帯域の光（Ｇ）を反射し、青色波長帯域の光（Ｂ）を透過する。

第１のダイクロックミラー１５により透過された赤色波長帯域の光は、ミラー１７により反射されたのちにＲ用偏光光学系１８−Ｒに入射される。第２のダイクロックミラー１６により反射された緑色波長帯域の光は、Ｇ用偏光光学系１８−Ｇに入射される。第２のダイクロックミラー１６により透過された青色波長帯域の光は、Ｂ用偏光光学系１８−Ｂに入射される。

Ｒ用偏光光学系１８−Ｒには、映像信号のうちの赤色（Ｒ）信号が入力される。Ｒ用偏光光学系１８−Ｒは、入射された赤色波長帯域の光をＲ信号に応じて空間変調することにより、映像のＲ成分に応じた像が形成された光束を出射する。

Ｇ用偏光光学系１８−Ｇには、映像信号のうちの緑色（Ｇ）信号が入力される。Ｇ用偏光光学系１８−Ｇは、緑色波長帯域の光をＧ信号に応じて空間変調することにより、映像信号のＧ成分に応じた像が形成された光束を出射する。

Ｂ用偏光光学系１８−Ｂには、映像信号のうちの青色（Ｂ）信号が入力される。Ｂ用偏光光学系１８−Ｂは、青色波長帯域の光をＢ信号に応じて空間変調することにより、映像信号のＢ成分に応じた像が形成された光束を出射する。

Ｒ用偏光光学系１８−Ｒ、Ｇ用偏光光学系１８−Ｇ及びＢ用偏光光学系１８−Ｂから出射された光は、全て色合成プリズム１９に入射される。色合成プリズム１９は、赤成分の光、緑成分の光及び青成分の光を一本の光束に合成し、合成した光束を出射する。

色合成プリズム１９から出射された合成光は、投影レンズ２０に入射される。投影レンズ２０は、入射された合成光を拡大して、図示しないスクリーン上に投写し、当該スクリーン上に映像を形成する。

つぎに、Ｒ用偏光光学系１８−Ｒ、Ｇ用偏光光学系１８−Ｇ及びＢ用偏光光学系１８−Ｂの内部構成について説明をする。なお、Ｒ用偏光光学系１８−Ｒ、Ｇ用偏光光学系１８−Ｇ及びＢ用偏光光学系１８−Ｂは、全て同一の構成をしている。以下、これらをまとめて説明するときには、以下、偏光光学系１８という。

偏光光学系１８は、フィールドレンズ２１、直線偏光子２２と、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）２３、反射型画像変調素子２４とを備えている。

フィールドレンズ２１には、第１のダイクロックミラー１５及び第２のダイクロックミラー１６により分離された赤、緑又は青色波長帯の光束が入射される。フィールドレンズ２１は、入射された光束を発散発束にし、直線偏光子２２に対して照射する。

直線偏光子２２は、平板の形状をした素子であり、入射された光束のうち一方向の偏光のみを出射するデバイスである。直線偏光子２２は、ある一方向の偏光を透過し、その他の偏光を反射する、例えばワイヤーグリッドのような反射型の偏光子や、ある一方向の偏光を透過し、その他の偏光を吸収する吸収型の偏光子が用いられる。また、反射型の偏光子として、例えば、ＭＯＸＴＥＫ社により実用化されているワイヤーグリッドポラライザー等を用いても良い。

直線偏光子２２から透過された一方向の偏光は、ＰＢＳ２３に入射される。ＰＢＳ２３は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する偏分離面（分離面）２３ａを有している。ＰＢＳ２３のＰＳ光分離斜面２３ａは、直線偏光子２２から出射された偏光の方向がＳ偏光となるように配置されている。

なお、直線偏光子２２とＰＢＳ２３との配置関係については後で詳細に説明をする。

反射型画像変調素子２４は、例えば、反射型の液晶素子から構成されている。反射型画像変調素子２４には、ＰＢＳ２３により反射されたＳ偏光が入射される。反射型画像変調素子２４は、色信号（映像信号のうちのＲ信号，Ｇ信号及びＢ信号）が入力され、入力された色信号に応じて、入射されたＳ偏光を空間変調する。映像信号に応じて入射光（Ｓ偏光）を空間変調した結果、画像の明るい部分（白部分）では、Ｓ偏光の光がＰ偏光に変換されて反射され、画像の暗い部分（黒部分）ではＳ偏光の光がＳ偏光のまま反射する。反射型画像変調素子２４から反射された光は、ＰＢＳ２３に再度入射される。ＰＢＳ２３は、再度入射された光のＰ偏光の成分を透過し、Ｓ偏光の成分を反射する。

そして、偏光光学系１８は、反射型画像変調素子２４から反射された後にＰＢＳ２３を透過した光（Ｐ偏光）を、色合成プリズム１９に対して出射する。

以上のように偏光光学系１８では、画像の明るい部分（白部分）では、反射型画像変調素子２４が入射光（Ｓ偏光）をＰ偏光に変換して反射し、ＰＢＳ２３に再度入射してそのまま透過し、色合成プリズム１９及び投影レンズを介してスクリーン上に像を形成する。一方、画像の暗い部分（黒部分）では、反射型画像変調素子２４が入射光（Ｓ偏光）をＳ偏光のままＰＢＳ２３に再度入射して反射し、もとの光路に戻ることになる。

従って、偏光光学系１８からは、映像信号に応じて明暗が形成された像が出射光に形成される。すなわち、Ｒ用偏光光学系１８−Ｒからは、映像信号の赤成分の映像の光が出射され、Ｇ用偏光光学系１８−Ｇからは、映像信号の緑成分の映像の光が出射され、Ｂ用偏光光学系１８−Ｂからは、映像信号の青成分の映像の光が出射される。このため、スクリーン上には、映像信号に応じた光の像が投写されることとなる。

（直線偏光子及びＰＢＳの配置関係）
つぎに、直線偏光子２２及びＰＢＳ２３の配置関係について、図２を参照してさらに説明をする。

直線偏光子２２及びＰＢＳ２３は、入射された光束の光路上に、直線偏光子２２→ＰＢＳ２３の順で配置されている。これら直線偏光子２２及びＰＢＳ２３には、平行光束ではなく、発散光束が入射される。発散光束とは、光路を進むに従って光束の幅が広がっていく光線である。ここで、入射された発散光束の極角のことを、以下コーン角θ_２という。

ＰＢＳ２３は、内部に平面状の光分離斜面２３ａが形成され、光分離斜面２３ａに垂直ではない任意の１つの表面（入射面２３ｂ）から光が入射される。

発散光束が入射される入射面２３ｂは、平面状となっている。ＰＢＳ２３は、入射面２３ｂが光軸Ｘに対して垂直となるように配置されている。入射面２３ｂから入射された発散光束は、ＰＢＳ２３内部を通過して光分離面２３ａに入射される。

光分離斜面２３ａは、発散光束の光軸Ｘに垂直な平面Ａに対して４５°の角度に傾いている。すなわち、光分離斜面２３ａの法線Ｚ_１は、入射される発散光束の光軸Ｘに対して、４５°の角度に傾いている。なお、この角度は４５°でなくてもよい。

さらに、光分離斜面２３ａは、直線偏光子２２から透過された一方向の偏光を、全反射するように配置されている。すなわち、直線偏光子２２と光分離斜面２３ａとの配置関係は、直線偏光子２２から透過された一方向の偏光をＳ偏光とするように配置がされている。更に言い換えれば、直線偏光子２２は、その透過光が光分離斜面２３ａに対してＳ偏光として入射されるように、吸収軸の向きが設定されている。

直線偏光子２２は、平板状の形状となっている。

平板状の直線偏光子２２は、光分離斜面２３ａの法線Ｚ_１と光軸Ｘとでなす面を基準面Ｂとしたとき、その基準面Ｂに対してその平面が垂直となるように配置されている。

さらに、平板状の直線偏光子２２は、光軸Ｘに垂直な平面Ａに対して、光分離斜面２３ａと逆方向（マイナス方向）に鋭角に傾いている。つまり、直線偏光子２２と平面Ａとの、基準面Ｂ上における角度が鋭角（０度又は９０度ではない。）であり、且つ、平面Ａに対する光分離斜面２３ａの角度の回転方向をプラス方向としたときに、平面Ａに対する直線偏光子２２の角度の回転方向がマイナス方向となっている。光軸Ｘに垂直な平面Ａに対する、平板状の直線偏光子２２のなす角のことを、以下、傾き角θｘという。

（直線偏光子及びＰＢＳの配置関係による効果）
以上のように直線偏光子２２及びＰＢＳ２３の配置関係を設定すると、偏光光学系１８から出射される光の明るい部分（白部分）と暗い部分（黒部分）の比であるコントラストが向上する。つまり、直線偏光子２２からＰＢＳ２３の光分離斜面２３ａに照射されるＳ偏光の割合が多くなる（Ｐ偏光の割合が少なくなる。）。

以下、その理由について説明をする。

直線偏光子２２が挿入されている理由は、ＰＳ変換素子１３で偏光変換しきれなかった成分を取り除き、ＰＢＳ２３に対し特定の偏光成分（本実施例においてはＳ偏光成分）のみを入射させることである。

また、ＰＢＳ２３に入射される光は発散光束である。その発散光束は、直線偏光子２２を透過した後に、ＰＢＳ２３の入射面２３ｂ（光軸に垂直な面である）に対してコーン角θ_２と同角度で入射して屈折する。入射面２３ｂで屈折した発散光束は、ＰＢＳ２３の内部を通過して光分離斜面２３ａに到達する。

ここで、直線偏光子２２が光軸Ｘに対して垂直な場合（つまり、傾き角θｘ＝０の場合）における、光分離斜面２３ａへの入射角と、光分離斜面２３ａ上での偏光状態との関係を図３及び図４に示す。図４は、図３の部分拡大図である。なお、ここでは、ＰＢＳ２３の屈折率が１．８６であり、直線偏光子２２が屈折率１．２の媒質中に存在するものとしている。

図３及び図４中の実線で描かれている同心円は、入射する光線の光分離斜面２３ａに対する入射角度分布を表したものである。つまり、実線で描かれた円は、図５に示すように、ＰＢＳ２３の光分離斜面２３ａの法線Ｚ_１に対する極角θ_１を表しているものである。図３中には、それぞれθ_１＝１５度，３０度，４５度，６０度の入射角に対応した円を描いている。

図３及び図４中の実線で描かれている同心円の円周は、入射する光線の光分離斜面２３ａに対する方位角ψ_１を表している。例えば、図６に示すような方位角の異なる４方向に進む光線を示す矢印ａ（ψ_１＝０度）,ｂ（ψ_１＝９０度）,ｃ（ψ_１＝１８０度）,ｄ（ψ_１=２７０度）の入射角度は、図３上ではそれぞれ、点ａ´, ｂ´, ｃ´, ｄ´として表されている。

図３及び図４中の点線で描かれている複数の楕円は、入射する光線の入射面２３ｂに対する入射角度分布を表している。つまり、点線で描かれた楕円は、図５に示すように、ＰＢＳ２３の入射面２３ｂの法線Ｚ_２に対する極角θ_２を表しているものである。図３及び図４には、それぞれθ_２＝１０度，２０度，３０度の入射角に対応した楕円を描いている。

図３及び図４中の点線で描かれている複数の楕円の円周は、入射する光線の入射面２３ｂに対する方位角ψ_２を表している。例えば、図７に示すような方位角の異なる２方向に進む光線を示す矢印ｅ（θ_２＝３０度，ψ_２＝０度），ｆ（θ_２＝３０度，ψ_２＝１８０度）の入射角度は、図４の楕円上の点ｅ´，ｆ´として表されている。

以上のように、図３及び図４の同心円（実線）と楕円（点線）の位置関係より、入射面２３ｂに対して極角θ_２，方位角ψ_２で入射した光線が、光分離斜面２３ａに対してはどのような極角θ_１、方位角ψ_１で入射したかが分かる。一例を示せば、光線（θ_２＝３０度，ψ_２＝１８０度）で入射面２３ｂに入射した光は、光分離斜面２３ａ上に極角θ_１＝６０．６度，方位角ψ_１＝１８０度で入射することになる。

ところで、実線の同心円は、光分離斜面２３ａ上の極角θ_１及び方位角ψ_１である。このことから、実線の同心円の接線方向は光分離斜面２３ａのＳ波成分、垂線方向は光分離斜面２３ａのＰ波成分となる。

また、図３及び図４の楕円上には、両矢印が描かれている。この両矢印は、ＰＢＳ２３の入射面２３ｂに対して楕円上の点として表されるθ_２、ψ_２で入射したときにおける、光分離斜面２３ａ上での偏光軸の向きを表している。

ここで、図３及び図４の両矢印を見ると、ψ_２＝０度，１８０度でＰＢＳ２３の入射面２３ｂに入射した光線は、偏光軸と同心円の接線方向と一致している。しかしながら、他の光線は接線方向と一致していない。

同心円に垂直方向の偏光は、光分離斜面２３ａに対してＰ波成分として入射するために大部分は透過する。しかしながら、ＰＢＳ２３の分離特性が理想的でないかぎり、その一部は反射して画像変調素子２４に入射してしまう。これらのＰ偏光の光束は、黒を表示しているときにスクリーンに表示されてしまう。

このため、図３及び図４に示すように、偏光方向が同心円の接線方向と一致していない成分が多いと、投影映像のコントラストを低下させ、画像の品質を下げる原因になる。

これに対して、図８及び図９を示す。図８及び図９は、直線偏光子２２が傾け角θｘ＝２１度で傾いている場合における、光分離斜面２３ａへの入射角と、光分離斜面２３ａ上での偏光状態との関係を示した図である。ＰＢＳ２３の屈折率及び直線偏光子２２の屈折率は、図３及び図４と同条件である。

図９及び図８に示した偏光方向（両矢印の方向）は、図３及び図４と比べたときに、全体的に、光分離斜面２３ａ上でのＳ波成分の方向（つまり、同心円の円周方向）に近づいていることがわかる。

すなわち、このことはコントラストを低下させる要因が減っていることを意味しており、スクリーン上には高コントラストで、高品位な映像が投影されることになる。

（直線偏光子及びＰＢＳの配置関係による効果）
つぎに、直線偏光子２２の傾き角θｘに対するコントラストの相対値のシュミレーション結果について説明をする。

図１０〜図１５は、横軸は傾き角θｘを表しており、縦軸はその時のコントラストの相対値を表している。

図１０は、直線偏光子２２の屈折率が１、ＰＢＳ２３の屈折率が１.４、コーン角θ_２が８度、１２度、１６度及び２０度の条件でのグラフ（シュミレーション番号１，２,３,４）を示している。この条件では、傾き角θｘ＝−１８度乃至−２６度のときに、コントラストがピークになっている。

図１１は、直線偏光子２２の屈折率が２、ＰＢＳ２３の屈折率が１.４、コーン角θ_２が８度、１２度、１６度及び２０度の条件でのグラフ（シュミレーション番号５，６,７,８）を示している。この条件では、傾き角θｘ＝−３３度以上のときに、コントラストがピークになっている。

図１２は、直線偏光子２２の屈折率が１、ＰＢＳ２３の屈折率が２、コーン角θ_２が８度、１２度、１６度及び２０度の条件でのグラフ（シュミレーション番号９，１０,１１,１２）を示している。この条件では、傾き角θｘ＝−１３度乃至−２１度のときに、コントラストがピークになっている。

図１３は、直線偏光子２２の屈折率が２、ＰＢＳ２３の屈折率が２、コーン角θ_２が８度、１２度、１６度及び２０度の条件でのグラフ（シュミレーション番号１３，１４,１５,１６）を示している。この条件では、傾き角θｘ＝−２６度乃至−４０度のときに、コントラストがピークになっている。

図１４は、直線偏光子２２の屈折率が１、ＰＢＳ２３の屈折率が２．４、コーン角θ_２が８度、１２度、１６度及び２０度の条件でのグラフ（シュミレーション番号１７，１８,１９,２０）を示している。この条件では、傾き角θｘ＝−９度乃至−１８度のときに、コントラストがピークになっている。

図１５は、直線偏光子２２の屈折率が２、ＰＢＳ２３の屈折率が２．４、コーン角θ_２が８度、１２度、１６度及び２０度の条件でのグラフ（シュミレーション番号２１，２２,２３,２４）を示している。この条件では、傾き角θｘ＝−１８度乃至−３５度のときに、コントラストがピークになっている。

以上のシュミレーションの結果の各ピーク値を、以下の表にまとめて示す。

以上のシュミレーション結果が示すように、直線偏光子２２の傾き角θｘをマイナス方向にした場合、投影画像のコントラストは高くなり、ある角度でピーク値が表れる。

従って、直線偏光子２２の傾き角θｘをこのピーク値に設定することによって、スクリーン上には高コントラストで、高品位な映像を投影することができる。

また、諸所の条件の変化によって、最良のコントラスト値を実現するときの直線偏光子２２の傾き角θｘが変化する。そのため、例えば、図１６に示すように、直線偏光子２２の傾け角θｘを変化可能とし、さらにその傾け角θｘを変化させる調整部３０を、偏光光学系１８に設けても良い。

なお、直線偏光子２２として、ワイヤーグリッドポラライザーを用いても良い。ワイヤーグリッドポラライザーは、ガラス基板上にストライプ状の金属（アルミ）層を配置した構造で、一方の直線偏光を反射、他方の直線偏光を透過するものでMoxtek社により実用化されている。

このような構造の偏光子の場合、なんらかの媒 質内に偏光子が存在するわけではない。しかしながら、実効的な誘電率εは、ε = ε₀・ (d₀ + d₁) / d₀と表すことができる。ここで、ε₀は空気層での屈折率、d₀は空気層の幅、d₁は金属（アルミ）層の幅を表す。このとき、ワイヤーグリッドは、真空中での光速をc、媒質中での速度をvとすると、下記式（１）の屈折率nの媒質内にある偏光子とみなすことができる。

これに従えば、例えば、( 金属層の幅 + 空気層の幅 ) / 空気層の幅 = 1.55の場合、偏光子は屈折率1.24の媒質内に存在する直線偏光子とみなすことができる。

また、以上の例では、発散光束がPＢＳ２３の入射面２３ｂに入射されるものとしているが、本発明は、平行光束でなければ、発散光束でなく集束する光束であってもよい。

（第１の変形例）
つぎに、偏光光学系１８を変形した例について説明をする。

直線偏光子３１偏光光学系１８には、上述したように、光軸Ｘに平行な平面に対して光分離斜面２３ａのとは逆向きに傾けて設けられた直線偏光子２２が用いられていた。この直線偏光子２２に変えて、例えば、図１７及び図１８に示すような、平板状の直線偏光子３１と、平板状の１／２波長板３２とを用いても良い。なお、１／２波長板３２は、赤、緑、青それぞれの波長帯域の光束が入射するため、それぞれの入射光の波長に対応させる必要がある。また、１／２波長板３２は、一軸性の複屈折媒体を有している。

この場合におけるＰＢＳ２３、直線偏光子３１及び波長板３２の配置関係は、つぎのとおりである。

直線偏光子３１、波長板３２及びＰＢＳ２３は、入射された光束の光路上に、直線偏光子３１→波長板３２→ＰＢＳ２３の順で配置されている。

ＰＢＳ２３の光分離斜面２３ａは、波長板３２から透過された一方向の偏光を、全反射するように配置されている。すなわち、波長板３２と光分離斜面２３ａとの配置関係は、波長板３２から透過された一方向の偏光をＳ偏光とするように配置がされている。更に言い換えれば、直線偏光子３１及び１／２波長板３２は、その透過光が光分離斜面２３ａに対してＳ偏光として入射されるように、吸収軸及び異方軸の向きが設定されている。

直線偏光子３１及び１／２波長板３２は、光分離斜面２３ａの法線Ｚ_１と光軸Ｘとでなす面を基準面としたとき、その基準面に対してその平面が垂直となるように配置されている。

さらに、直線偏光子３１及び１／２波長板３２は、その両者が又はいずれか一方が、光軸Ｘに垂直な平面Ａに対して、光分離斜面２３ａと逆方向（マイナス方向）に鋭角に傾いている。すなわち、図１７に示すように直線偏光子３１を光軸Ｘに垂直な平面に平行として１／２波長板３２のみをマイナス方向に傾けたり、図１８に示すように直線偏光子３１及び１／２波長板３２の両者をマイナス方向に傾けたりする。また、直線偏光子３１のみをマイナス方向に傾け、１／２波長板３２を光軸Ｘに垂直な平面に平行としてもよい。

このように直線偏光子３１及び１／２波長板３２を設けた場合も、直線偏光子２２のみを設けた場合と同様に、投影画像のコントラストは高くなり、ある角度でピーク値が表れる。従って、直線偏光子３１及び１／２波長板３２の傾き角を、コントラストのピーク値に設定することによって、スクリーン上には高コントラストで、高品位な映像を投影することができる。

このような配置をすることにより、偏光軸がＳ偏光に近づく理由を説明する。

図１９に示すように、直線偏光子３１及び１／２波長板３２を、光軸Ｘに垂直な平面に平行に配置したとする。この場合、直線偏光子３１の透過軸方向に、偏光方向がそろえられ、その後に波長板３２に入射する。図２０（Ａ）に波長板３２に斜めに入る光線の偏光軸と、その光線から見た波長板の光学軸（遅相軸、進相軸）との関係を示す。図２０中の四角が１／２波長板３２、十字の線が波長板の光学軸、点線の両矢印が１／２波長板３２への入射前の偏光方向、実線の矢印が１／２波長板３２の出射後の偏光方向を、それぞれ表している。この図２０（Ａ）からわかるように、１／２波長板３２を透過することによって、偏光方向が内側（図２０（Ａ）中の矢印の方向）に傾くこととなる。

さらに、１／２波長板３２を、光軸Ｘに平行な平面に対して光分離斜面２３ａのとは逆向きに傾けていく。その場合、その角度に応じて、図２０（Ｂ）及び図２０（Ｃ）に示すように、遅相軸が回転し、その結果、１／２波長板３２の透過後の偏光方向も変化する。この変化の偏光軸が、ＰＢＳ２３の光分離斜面２３ａのＳ波成分に近づいていく。

（第２の変形例）
つぎに、直線偏光子２２の配置位置を変形した例について説明をする。

反射型プロジェクタ１０では、直線偏光子２２を、上述したように、フィールドレンズ２１とＰＢＳ２３との間に配置していた。これに対して、Ｇ，Ｂ系の偏光光学系１８-Ｇ，１８-Ｂ内の直線偏光子２２を、図２１に示すように、第１のダイクロイックミラー１５と第２のダイクロックミラー１６の間に設けても良い。この場合、Ｇ系及びＢ系の直線偏光子２２を１つの素子で共通に用いることが可能となる。従って、直線偏光子２２の数を少なくすることができ、低コストで、コントラストの高い映像を表示することが可能となる。

本発明が適用された反射型液晶プロジェクタの光学系の構成図である。 偏光ビームスプリッタと直線偏光素子との配置関係を説明するための図である。 傾き角θｘ＝０度の場合における、光分離斜面への入射角と、光分離斜面上での偏光状態との関係を示す図である。 図３の部分拡大図である。 光分離斜面に対する極角を説明するための図である。 光分離斜面への入射方位角を説明するための図である。 入射面に対する方位角を説明するための図である。 傾き角θｘ＝２１度の場合における、光分離斜面への入射角と、光分離斜面上での偏光状態との関係を示す図である。 図８の部分拡大図である。 直線偏光子の屈折率が１、ＰＢＳの屈折率が１.４、コーン角が８度、１２度、１６度及び２０度の条件での、傾き角ｘに対するコントラストを示す図である。 直線偏光子の屈折率が２、ＰＢＳの屈折率が１.４、コーン角が８度、１２度、１６度及び２０度の条件での、傾き角ｘに対するコントラストを示す図である。 直線偏光子の屈折率が１、ＰＢＳの屈折率が２、コーン角が８度、１２度、１６度及び２０度の条件での、傾き角ｘに対するコントラストを示す図である。 直線偏光子の屈折率が２、ＰＢＳの屈折率が２、コーン角が８度、１２度、１６度及び２０度の条件での、傾き角ｘに対するコントラストを示す図である。 直線偏光子の屈折率が１、ＰＢＳの屈折率が２．４、コーン角が８度、１２度、１６度及び２０度の条件での、傾き角ｘに対するコントラストを示す図である。 直線偏光子の屈折率が２、ＰＢＳの屈折率が２．４、コーン角が８度、１２度、１６度及び２０度の条件での、傾き角ｘに対するコントラストを示す図である。 直線偏光子の傾け角を調整する調整部を示す図である。 直線偏光子及び１／２波長板を設け、１／２波長板を傾けた場合の変形例を示す図である。 直線偏光子及び１／２波長板を設け、直線偏光子及び１／２波長板の両者を傾けた場合の変形例を示す図である。 直線偏光子及び１／２波長板を、光軸Ｘに垂直な平面に平行に配置したものを示す図である。 １／２波長板の遅相軸の回転を示す図である。 Ｇ成分とＢ成分の直線偏光子を共通化した第２の変形例を示す光学系である。 従来の投影型画像表示装置における液晶素子近傍のデバイス構成を示す模式図である。

符号の説明

１０ 反射型プロジェクタ、１３ ＰＳ変換素子、１８ 偏光光学系、１９ 色合成プリズム、２０ 投影レンズ、２１ フィールドレンズ、２２ 直線偏光子、２３ 偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、２４ 反射型画像変調素子、３１ 直線偏光子、３２ １／２波長板

Claims (16)

1. 光軸に沿って入射された光束のうち一方向の偏光を出射する平板状の直線偏光手段と、
   上記直線偏光手段から出射された光束が入射され、入射された光束の偏光方向を移相する波長板と、
   上記光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いて配置され、Ｓ又はＰ偏光を透過し、透過方向と直交する方向の偏光を反射する分離面を有し、当該分離面に対して上記直線偏光手段から出射した光束が入射される偏光ビームスプリッタと、
   上記偏光ビームスプリッタの上記分離面から出射された光束が入射され、入射された光の偏光の方向を画像信号に応じて変化させて反射し、上記偏光ビームスプリッタの上記分離面に再入射させる光変調手段とを備え、
   上記波長板は、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いていること
   を特徴とする投影型画像表示装置。
2. 上記波長板は、上記光変調手段から反射されて上記偏光ビームスプリッタを通過した光のコントラストが最大となる角度に設定されていること
   を特徴とする請求項１記載の投影型画像表示装置。
3. 上記波長板の上記角度を調整する調整手段を有すること
   を特徴とする請求項２記載の投影型画像表示装置。
4. 上記直線偏光手段は、入射された光のうちの一方向の偏光を透過し、それ以外の方向の偏光を反射する反射型偏光子であること
   を特徴とする請求項１記載の投影型画像表示装置。
5. 上記波長板は、入射された光の波長λに対して、λ／２の位相差を有する光を出射すること
   を特徴とする請求項１記載の投影型画像表示装置。
6. 上記波長板は、一軸性複屈折板であり、その遅相軸が、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面と平行であることを特徴とする請求項５記載の投影型画像表示装置。
7. 光源と、該光源からの光束を３原色に分解する色分離手段と、該色分離手段により分解された第１乃至第３の色光がそれぞれ入射する第１乃至第３の光学系と、該光学系により導光された光を空間変調し表示画像を形成する反射型の液晶表示素子とを備え、該液晶表示素子により形成された画像を表示する投影型画像表示装置において、
   上記色分離手段は、
   上記３原色中の第１及び第２の色光を略９０°反射するとともに、第３の色光を透過する第１のダイクロイックミラーと、
   上記第１のダイクロイックミラーにより反射された第１及び第２の色光のうち、該第１の色光を反射するとともに、該第２の色光を透過する第２のダイクロイックミラーとからなり、
   上記第１乃至第３の光学系は、
   光軸に沿って入射された光束のうち一方向の偏光を出射する平板状の直線偏光手段と、
   上記光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いて配置され、Ｓ又はＰ偏光を透過し、透過方向と直交する方向の偏光を反射する分離面を有し、当該分離面に対して上記直線偏光手段から出射した光束が入射される偏光ビームスプリッタとを備え、
   上記直線偏光手段は、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いており、
   上記第１の光学系と上記第２の光学系を構成する上記直線偏光手段は、兼用され、上記第１のダイクロイックミラーと上記第２のダイクロイックミラーとの間の光軸上に配置されること
   を特徴とする投影型画像表示装置。
8. 上記各光学系を構成する上記直線偏光手段は、上記偏光ビームスプリッタに照射される偏光のうち、上記Ｓ又はＰ偏光の成分が含まれる割合が最大となる角度に設定されていること
   を特徴とする請求項７記載の投影型画像表示装置。
9. 上記各光学系は、該光学系を構成する上記直線偏光手段の上記角度を調整する調整手段を有すること
   を特徴とする請求項８記載の投影型画像表示装置。
10. 上記各光学系を構成する上記直線偏光手段は、入射された光のうちの一方向の偏光を透過し、それ以外の方向の偏光を反射する反射型偏光子であること
    を特徴とする請求項７記載の投影型画像表示装置。
11. 光軸に沿って入射された光束のうち一方向の偏光を出射する平板状の直線偏光手段と、
    上記直線偏光手段から出射された光束が入射され、入射された光束の偏光方向を移相する波長板と、
    上記光軸に垂直な平面に対して所定の角度に傾いて配置され、Ｓ又はＰ偏光を透過し、透過方向と直交する方向の偏光を反射する分離面を有し、当該分離面に対して上記直線偏光手段から出射した光束が入射される偏光ビームスプリッタとを備え、
    上記波長板は、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面に対して垂直に配置されているとともに、上記光軸に垂直な平面に対して上記分離面と逆方向に鋭角に傾いていること
    を特徴とする光学系。
12. 上記波長板は、上記偏光ビームスプリッタに照射される偏光のうち、上記一方向の偏光の成分が含まれる割合が最大となる角度に設定されていること
    を特徴とする請求項１１記載の光学系。
13. 上記波長板の上記角度を調整する調整手段を有すること
    を特徴とする請求項１２記載の光学系。
14. 上記直線偏光手段は、入射された光のうちの一方向の偏光を透過し、それ以外の方向の偏光を反射する反射型偏光子であること
    を特徴とする請求項１１記載の光学系。
15. 上記波長板は、入射された光の波長λに対して、λ／２の位相差を有する光を出射すること
    を特徴とする請求項１１記載の光学系。
16. 上記波長板は、一軸性複屈折板であり、その遅相軸が、上記分離面の法線と上記光軸とが含まれる基準面と平行であること
    を特徴とする請求項１５記載の光学系。

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