投射型画像表示装置
【課題】 反射型液晶パネルを用いたプロジェクターにおいて、簡易な構成でコントラストの高い画像を投射可能とする。
【解決手段】 可視光波長よりも短い周期の周期構造体を持ち、赤色光及び青色光に対してＳ偏光を反射しＰ偏光を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備える投射型画像表示装置であって、この第１偏光ビームスプリッタが、青色光のＳ偏光を反射して青色用反射型液晶パネルに導き、この青色用反射型液晶パネルから出射するＰ偏光を透過して投射光学系に導いており、且つ、赤色光のＰ偏光を透過して赤色用反射型液晶表示素子に導き、この赤色用反射型液晶表示素子から出射するＳ偏光を反射して投射光学系に導いている。
【解決手段】 可視光波長よりも短い周期の周期構造体を持ち、赤色光及び青色光に対してＳ偏光を反射しＰ偏光を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備える投射型画像表示装置であって、この第１偏光ビームスプリッタが、青色光のＳ偏光を反射して青色用反射型液晶パネルに導き、この青色用反射型液晶パネルから出射するＰ偏光を透過して投射光学系に導いており、且つ、赤色光のＰ偏光を透過して赤色用反射型液晶表示素子に導き、この赤色用反射型液晶表示素子から出射するＳ偏光を反射して投射光学系に導いている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型の液晶表示素子を用いた投射型画像表示装置（プロジェクター）に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型液晶パネルは透過型液晶パネルに比べ高開口率・高精細などの特徴をもっており、これを用いたプロジェクターが注目されている。このようなプロジェクターでは、反射型液晶パネルの変調によってスクリーン上での画像の表示（光を投射する状態、明表示）、非表示（光を投射しない状態、暗表示）とを切り替える必要がある。さらに、光源からの光を複数の色光に分解したり、複数の反射型液晶パネルからの色光を合成したりする必要がある。
【０００３】
そこで、特許文献１に開示されたプロジェクター（図１０）は、３原色各々に対応する３つの反射型液晶パネル１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂに対して光源からの光束を色分解した上で入射させ、それらからの反射光を色合成して投射レンズ２４に入射させている。この特許文献１に開示されたプロジェクターは、色分解及び色合成を行う際、一つのダイクロイックミラー５と３つの偏光ビームスプリッタ１１、２０、２７に加えて、波長選択性偏光回転素子（波長選択性位相差板）９、１６を用いている。
【特許文献１】特開２００１−１５４２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で用いられている波長選択性偏光回転素子、特に液晶パネルで反射された後の画像光が通過する（透過する）側に配置された波長選択性偏光回転素子、は、所望の偏光特性が得られないとコントラスト低下の要因となってしまう。
【０００５】
そこで、本願発明は、比較的簡易な構成で、コントラストの高い画像を投射可能な投射型画像表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題解決のために、本発明の投射型画像表示装置は、第１波長領域に対応する第１反射型液晶表示素子と、前記第１波長領域よりも波長が長い第２波長領域に対応する第２反射型液晶表示素子と、前記第１、２反射型液晶表示素子からの画像光を被投射面に投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置であって、前記第１波長領域の波長よりも短い周期の周期構造体を持ち、前記第１波長領域及び前記第２波長領域において、第１直線偏光を反射し、前記第１直線偏光と偏光方向が垂直する第２直線偏光を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備え、前記第１偏光ビームスプリッタが、前記第１波長領域の第１直線偏光を反射して前記第１反射型液晶表示素子に導き、前記第１反射型液晶表示素子から出射する前記第２直線偏光を透過して前記投射光学系に導いており、且つ、前記第２波長領域の第２直線偏光を透過して前記第２反射型液晶表示素子に導き、前記第２反射型液晶表示素子から出射する前記第１直線偏光を反射して前記投射光学系に導いていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の投射型画像表示装置によれば、簡易な構成でコントラストの高い画像を投影することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の本実施例は、偏光ビームスプリッター及びそれを用いた投射型画像表示装置（プロジェクタ）に関するものである。この投射型画像表示装置は、光源から射出された光束（白色光）を複数の色光（以下の実施例においては青色光、緑色光、赤色光の３つの色光）に色分解し、各色光を対応する反射型の液晶表示素子（液晶パネル）に導いている。そして、その反射型液晶パネルによって変調された色光のうち画像光（スクリーン等の被投射面に投射すべき光）を色合成し、その合成した画像光を投射光学系を用いて拡大投射している。
【０００９】
本実施例の投射型画像表示装置の概略を説明する。本実施例の投射型画像表示装置は、第１波長領域（青色光）に対応する第１反射型液晶表示素子と、第１波長領域よりも波長が長い第２波長領域（赤色光）に対応する第２反射型液晶表示素子とを備えている。更に、これら第１、２反射型液晶表示素子からの画像光をスクリーン等の被投射面に投射する投射光学系とを有している。その上で、第１、２波長領域の波長（の半分）よりも短い周期の周期構造体（ＳＷＳ構造体）を持ち、第１、２波長領域において、第１直線偏光（Ｓ偏光）を反射し第２直線偏光（Ｐ偏光）を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備えている。この第１偏光ビームスプリッタが第１波長領域の第１直線偏光を反射して第１反射型液晶表示素子に導き、第１反射型液晶表示素子から出射する第２直線偏光を透過して投射光学系に導くような位置に配置されている。更に、この第１偏光ビームスプリッタは、第２波長領域の第２直線偏光を透過して第２反射型液晶表示素子に導き、第２反射型液晶表示素子から出射する第１直線偏光を反射して投射光学系に導くような位置に配置されている。このように、第１偏光ビームスプリッタの特性と、その配置場所を特定している点が本実施例の投射型画像表示装置の特徴である。
【００１０】
上記の特徴によって、本実施例の投射型画像表示装置は、簡素な構造でコントラストの高い画像を投射することが可能となる。
【００１１】
以下は、本実施例の投射型画像表示装置が更に大きな効果を奏するために必要な事項である。
【００１２】
例えば、周期構造体はＳＷＳ構造体であり、その周期構造体の周期（方向）は、第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向における周期であると好ましい。
【００１３】
また、この周期構造体は、第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向に周期を持つ第１の周期構造体と、Ｓ偏光の偏光方向に対して垂直な方向に周期を持つ第２の周期構造体とを含んでいると尚好ましい。
【００１４】
また、本実施例の投射型画像表示装置は、第３反射型液晶表示素子と、ダイクロイックミラーと、第２偏光ビームスプリッタと、ダイクロイックプリズムとを備えていることが尚望ましい。ここで、第３反射型液晶表示素子は、第１波長領域（青色光）の波長より長く第２波長領域（赤色光）の波長より短い第３波長領域（緑色光）に対応する反射型液晶表示素子である。ダイクロイックミラーは、光源から発する白色光から、第３波長領域（緑色光）の光を分離すると共に、第１、２波長領域の光を第１偏光ビームスプリッタに導いている。そして、第２偏光ビームスプリッタは、ダイクロイックミラーにより分離された第３波長領域の光を第３反射型液晶表示素子に導くと共に、第３反射型液晶表示素子から出射する画像光を後述する色合成素子に導いている。そして、色合成素子（後述するダイクロイックプリズム１８）は、第１偏光ビームスプリッタにより合成された第１波長領域の光と第２波長領域の光に対して、第２偏光ビームスプリッタから出射した第３波長領域の画像光を合成して、投射光学系に導いている。尚、第２偏光ビームスプリッタから出射する第３波長領域の画像光は、第１直線偏光（Ｓ偏光）でも第２直線偏光（Ｐ偏光）でもどちらでも構わない。
【００１５】
以下、図面を用いて各実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の第１の実施例である画像表示装置の構成を示したものである。
【００１７】
図中、１は連続スペクトルで白色を発光する光源である。光源１から射出した光は、リフレクタ（ここでは放物面ミラーであるが、勿論楕円ミラーや球形状のミラーであっても構わない。）で反射され、略平行光２となる。この図１においては、この白色光を赤・緑・青の色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを赤色光２ｒ、緑色光２ｇ、青色光２ｂとして図示している。勿論、この赤、緑、青色光それぞれは、図１上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光はこの段階では空間的に分離されている訳ではない。
【００１８】
これらの光は照明光学系の中にある偏光変換素子３によってＰ偏光（紙面内で電場が振動する偏光状態）に偏光が揃えられ、Ｐ偏光の赤色光４ｒ、Ｐ偏光の緑色光４ｇ、Ｐ偏光の青色光４ｂとなる。
【００１９】
偏光変換素子を経た３色の光は、緑色光成分のみを反射する特性を持つダイクロイックミラー５に入射する。このダイクロイックミラー５が、赤色光（第２波長領域の光）と青色光（第１波長領域の光）を透過し、緑色光（第３波長領域）を反射することにより、緑色光は他の色光に対して分離される。ダイクロイックミラー５を透過した４ｒ、４ｂは偏光板６を透過することにより偏光度を向上させる（コントラスト低下の原因となりうるＳ偏光の割合を減らす）。然る後、波長選択性位相差板７（波長選択性偏光回転素子）によって、青色光の偏光方向のみを９０度回転され（Ｓ偏光とされ）、赤色光はＰ偏光のまま第１偏光ビームスプリッタ９に入射する。ここで、波長選択性位相差板７とは、所定の波長領域の光（ここでは青色光）に対してのみ位相差板として機能する位相差板のことであり、所定の波長領域以外の光に対しては、ただの平行平板であり、位相差板としては機能しない光学素子のことである。以上より、波長選択性偏光回転素子７を透過した４ｒ、４ｂは、Ｓ偏光の青色光８ｂ、Ｐ偏光の赤色光８ｒとなって第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター（ＳＷＳ構造体を持つ偏光ビームスプリッタ）９に入射する。
【００２０】
第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター（第１偏光ビームスプリッター）９に入射した青色光８ｂは偏光分離面１０で反射され、反射型液晶パネル１１ｂに入射する。ここで、この第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッターは、少なくとも青色光及び赤色光に対して、Ｐ偏光（第２直線偏光）を透過しＳ偏光（第１直線偏光）を反射する特性を持つ。反射型液晶パネル（１１ｂ、１１ｇ、１１ｒ）内の各画素は、オン（明表示）状態の画素は入射光の偏光方向を９０度回転させ、オフ（暗表示）状態の画素は入射光の偏光方向を回転させない。したがってオン状態のときＰ偏光として液晶パネル１１ｂに入射した青色光８ｂは、Ｐ偏光の青色光１２ｂとなって再び第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射する。この際、青色光１２ｂはＰ偏光であるため、偏光分離面１０を透過して第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９から投射光学系２０（ダイクロイックプリズム１８）に向かって射出する。青色光８ｂが入射した画素がオフ状態のときは、Ｓ偏光のまま再び第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに入射するため、偏光分離面１０で反射されて光源方向に戻される（投射光学系に対して遮光される）が、図１においては省略する。また、所定の角度（ここでは４５度）と異なる角度で偏光分離面に入射する斜入射光線によるコントラスト低下を低減する目的で、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタと反射型液晶パネル１１ｂ、１１ｒとの間に１／４波長板（不図示）を配置する。
【００２１】
一方８ｒはＰ偏光であるため、偏光分離面１０を透過し、反射型液晶パネル１１ｒに入射する。１１ｒがオン状態のとき、赤色光８ｒはＳ偏光の赤色光１２ｒとなって再びＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射する。この際、赤色光１２ｒはＳ偏光であるため、偏光分離面１０で反射されて偏光ビームスプリッター９から投射光学系２０（ダイクロイックプリズム１８）に向かって射出される。
【００２２】
また、ダイクロイックミラー５で反射された４ｇは、偏光板（不図示、無くても構わない）を透過して偏光度を向上させた後、第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター（第２偏光ビームスプリッタ−）１４に入射する。緑色光４ｇはＰ偏光であるため、偏光分離面１５（少なくとも緑色光に対して、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を持つ）を透過し、反射型液晶パネル１１ｇに入射する。１１ｇがオン状態のとき緑色光４ｇは偏光方向を回転され、Ｓ偏光の緑色光１２ｇとなって再び第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４に再び入射する。この際、緑色光１２ｇはＳ偏光であるため偏光分離面１５で反射されてＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を投射光学系２０（ダイクロイックプリズム１８）に向かって射出する。
【００２３】
ここで、偏光ビームスプリッタを射出してダイクロイックプリズム１８に向かう各色光には、理想的なオン状態の各色光１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ以外にもある。オフ状態の画素からの光のうち第１、２ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９、１４を介してダイクロイックプリズム（色合成素子）１８に入射した光（漏れ光）なども含まれている。このような漏れ光には、画像のコントラストを低下させる成分も含まれており、何らかの光学素子、例えば偏光素子（偏光板）によって不要な偏光成分の光の除去を行っても構わない。しかしながら、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターは極めて高い検光作用（画像光となる偏光成分のみを投射光学系に導く作用）を有するために、これらの偏光素子は必須ではない。
【００２４】
上述のようにして、第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を射出した緑色光１２ｇ、及び第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９を射出した赤色光１２ｒ、青色光１２ｂは、ダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００２５】
ここで、この実施例１においてダイクロイックプリズム１８のダイクロイック面１９が満足する特性を図２に示す。この図２においては、縦軸が透過率であり、上方ほど透過率が高く、下方ほど透過率が低く反射率が高いことを示しており、横軸は波長（左側が短波長、右側が長波長）を示している。また、Ｂは青色光の波長領域、Ｇは緑色光の波長領域、Ｒは赤色光の波長領域を示している。この図２を見れば、ダイクロイックプリズム１８は短波長から順にＰ偏光の青色光を透過し、Ｓ偏光の緑色光を反射し、Ｓ偏光の赤色光を透過する特性を有している事が分かる。その他の領域、すなわちＳ偏光の青色光、Ｐ偏光の緑色光、Ｐ偏光の赤色光に対する特性は問わない。例えば、Ｓ偏光の青色光、Ｐ偏光の緑色光、Ｐ偏光の赤色光それぞれに対するダイクロイックプリズム（色合成素子）１８の特性を、透過、反射、透過、或いは反射、透過、透過、或いは反射、反射、透過、或いは透過、透過、透過、としても構わない。
【００２６】
ダイクロイックプリズム（色合成素子）１８に入射した１２ｒ、１２ｇ、１２ｂはダイクロイック膜面１９によってそれぞれ透過、反射、透過されて、光路合成（色合成）される。このようにして、赤色光１２ｒ、緑色光１２ｇ、青色光１２ｂ共に投射光学系２０に入射し、この投射光学系２０によりスクリーン（不図示）等の被投射面上に投射される。
【００２７】
本実施例で用いている第１のＳＷＳ（Ｓｕｂ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）偏光ビームスプリッター９に関して詳細に説明する。このＳＷＳ偏光ビームスプリッタは、波長以下の周期（好ましくは使用波長の１／２以下の周期）を持つ微細構造（周期構造体）の持つ構造複屈折を利用した偏光ビームスプリッターである。その概略図を図５に示し、ＳＷＳ構造体の断面図を図６に、斜視図を図７、図８に示す。
【００２８】
ここで、ＳＷＳ構造体は、図６の一番上と一番下に配置された平行平板（プリズム状の三角柱等のガラス部材でも構わない）の間に、ＴｉＯ２と空気の１次元格子で出来た層が積層（図６、７では上下方向に３層）された構造体である。このように第１のＳＷＳ構造体（第１の周期構造体）と、その上に積層された周期方向が垂直な第２のＳＷＳ構造体（第２の周期構造体）と、さらにその上に積層され、第１のＳＷＳ構造体と周期方向が平行な第２のＳＷＳ構造体（第３の周期構造体）を含む。このようなＳＷＳ構造体（図７の模式図のように、井桁状に格子を積層した構造体）を、図８の模式図の様に、２つのプリズム状の硝材に挟み込むことによって、ＳＷＳ偏光ビームスプリッタを構成している。
【００２９】
図９に、このＳＷＳ偏光ビームスプリッターにおける周期構造体（微細格子部）での吸収率の分光特性のＲＣＷＡによる計算値のグラフを示す。このグラフによると、短波長側で若干吸収が起こっている。特にＰ偏光に関しては、４５０ｎｍ以下で数％から数十％の吸収がある。一方、Ｓ偏光に関して４００ｎｍ以下で数％吸収される程度であり、Ｐ偏光とＳ偏光との間で吸収率に大きな差がある。
【００３０】
これは、図５に示す様に、Ｐ偏光に関して、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターは透過膜として作用するためＳＷＳ層を透過する際に、ＳＷＳを構成する媒質ＴｉＯ２自体の持つ性質の影響を受け短波長側で吸収が起こると考えられる。一方、Ｓ偏光に関しては、偏光ビームスプリッターは反射膜として作用する。その際、構造複屈折により、低い屈折率を形成しているためプリズム硝材とＳＷＳ膜の界面においては、ほぼ全反射が起こっている。そのためＳＷＳを構成する媒質のＴｉＯ２に入射せずに、反射するためＴｉＯ２での吸収が起こらないと考えられる。
【００３１】
本実施例では、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの反射光での吸収がほとんど起こらないと言う性質を最大限に活用するための構成となっている。つまり、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に対して入射する青色光８ｂの偏光方向を、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光とすることによって、青色光８ｂが第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタで反射されるように構成している。このように構成することによって、光源からの青色光の全てがＳ偏光として第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに導かれ、反射されて反射型液晶パネル１１ｂに入射するため、光吸収を少なくすることができる。光源からの光束は、画素（画面）のオン・オフの表示によらず全光束が導かれるため、光源からの青色光をＳ偏光とすることは、光弾性の影響を低減するために大きく寄与する。
【００３２】
一方、反射型液晶パネル１１ｂで画像変調され偏光が回転した一部の光束のみ、ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９を透過させることで、吸収量を最小限に抑えている。具体的に説明すると以下の通りである。画面全体（の画素）がオン表示の時には、青色光の全光束が反射型液晶パネル１１ｂで反射された後、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタを透過するため、図９で示した特性に基づいた短波長側の吸収が発生する。しかしながら、画面全体がオフ表示の時には、青色光は全て第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタで反射されるため吸収がほとんど発生しない。画像情報に依存するのは勿論であるが、青色光を第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光として入射させ、その第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタで反射させて反射型画像表示素子に導く構成にすると、逆の構成より光吸収を低減できる。
【００３３】
このように、青色光に対して、反射・透過の順番の構成が可能なのは、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターを用いているからである。単体で高い検光作用を可能としており、他の偏光板等を必要とせず、構成の自由度が高く、且つ短波長側（可視光領域内の短波長側）の波長におけるＳ偏光の吸収率が誘電体多層膜を用いる場合と比較して低いからである。
【００３４】
尚、本実施例１において、偏光変換素子３は、青色光、緑色光、赤色光それぞれをＳＷＳ偏光ビームスプリッタ９、１４に対してＰ偏光となるように偏光方向を揃えたが、その限りでは無く、Ｓ偏光となるように偏光方向を揃えても構わない。また、ここで、青色光とは、少なくとも４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長を含む光、より好ましくは ４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の光を指す。緑色光とは５２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の波長を含む光、より好ましくは５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を指す。そして、赤色光とは、少なくとも６１０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長を含む光、よし好ましくは６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長の光を指す。
【００３５】
また、本実施例１においては、白色光を３つの色光に分解したがこの限りでは無い。具体的には、可視光領域内（白色光）の波長を４つに分割したそれぞれの波長領域の光を上記のダイクロイックミラーにより２つずつの色光に分離し、その分離された２つずつの色光を後段の第１、２偏光ビームスプリッターで更に色分解しても構わない。
【００３６】
また、偏光板６は必ずしも必須ではなく、偏光変換素子３の性能が良く、偏光変換素子３から出射する光束の偏光度が高ければ不要である。
【００３７】
また、本実施例１においては、ダイクロイックプリズム１８を、単に「ダイクロイックプリズム」と記載したが、このダイクロイックプリズム１８は、可視光領域内のある波長帯域（いずれかの色光の波長帯域）において偏光分離特性を有していても構わない。前述したように、図２に図示した以外の特性については任意であるため、例えば緑色光に対してＳ偏光を反射しＰ偏光を透過する特性を有していても構わない。
【００３８】
また、本実施例１においては、第１反射型液晶表示素子を青色光に対応するパネル１１ｂ、第２反射型液晶表示素子を赤色光に対応するパネル１１ｒ、第３反射型液晶表示素子を緑色光に対応するパネル１１ｇとしたがその限りではない。第１反射型液晶表示素子に対応する色光が、第２反射型液晶表示素子に対応する色光の波長よりも波長が短い色光であればそれで足りる。しかしながら、第１反射型液晶表示素子に対応する色光は青色光（可視光領域内を複数の色光に分割した際の最も短波長側の色光）であることが望ましい。
【００３９】
また、本実施例１においてＳＷＳ構造体は、図６、７に示したように、第１、２、３のＳＷＳ構造体（周期構造体）を持つ構成としたがこの限りでは無く、ＳＷＳ構造体を２層、或いは４層以上積層した構成としても良い。
【実施例２】
【００４０】
図３は、本発明の第２の実施例である画像表示装置の構成を示したものである。この第２の実施例が前述の実施例１と異なる点は、以下の（ア）〜（オ）に示す通りである。
（ア）偏光変換素子３Ａが、光源１からの白色光（青色光、緑色光、赤色光）を各々Ｓ偏光（後述するＳＷＳ偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光）に揃えている。
（イ）偏光素子（偏光板）６Ａが、Ｐ偏光を反射（吸収）し、Ｓ偏光を透過する特性を有している。
（ウ）波長選択性位相差板７Ａが、赤色光に対して位相差板として機能し（赤色光の偏光方向をＳ偏光方向からＰ偏光に変換している）、青色光に対しては偏光方向を変えずに透過している。
（エ）反射型液晶パネル１１ｇの配置を変え、反射型液晶パネル１１ｇに対してＳ偏光の緑色光が入射し、緑色光の画像光がＰ偏光としている。
（オ）ダイクロイックプリズム（色合成素子）１８が、図４に図示するように、緑色光のＰ偏光を反射する特性を有している。（第１実施例においても、緑色光のＰ偏光を反射していても構わない。）
以下に、実施例２について簡単に説明するが、特に記載していない点については実施例１と同じである。
【００４１】
図３中、１は連続スペクトルで白色を発光する光源である。光源１から射出した光は、リフレクタ（ここでは放物面ミラーであるが、勿論楕円ミラーや球形状のミラーであっても構わない。）で反射され、略平行光２となる。この図２においては、この白色光を赤・緑・青の色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを赤色光２ｒ、緑色光２ｇ、青色光２ｂとして図示している。勿論、この赤、緑、青色光それぞれは、図１上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光はこの段階では空間的に分離されている訳ではない。
【００４２】
これらの光は照明光学系の中にある偏光変換素子３ＡによってＳ偏光（紙面に垂直に電場が振動する偏光状態）に偏光が揃えられ、Ｓ偏光の赤色光４ｒ、Ｓ偏光の緑色光４ｇ、Ｓ偏光の青色光４ｂとなる。
【００４３】
偏光変換素子を経た３色の光は、緑色光成分のみを反射する特性を持つダイクロイックミラー５において、赤色光と青色光が透過され、緑色光が反射されることにより、緑色光は他の色光に対して分離される。ダイクロイックミラー５を透過した４ｒ、４ｂは偏光板６Ａを透過することにより偏光度が向上され、波長選択性位相差板（波長選択性偏光回転素子）７Ａに入射する。この波長選択性位相差板７Ａは、波長選択性位相差板７と同じく所定の波長領域の光のみの偏光方向を回転させる。ここでは赤色光の偏光方向を回転させ（Ｓ偏光からＰ偏光に変換し）、青色光に対しては位相差板としては機能しない。
【００４４】
波長選択偏光回転素子７Ａは、赤色光（成分）の偏光方向を９０度回転させると共に透過させ、青色光（成分）の偏光方向は回転させずに透過させる特性を持っている。波長選択性偏光回転素子７Ａを透過した４ｒ、４ｂは、Ｓ偏光の青色光８ｂ、Ｐ偏光の赤色光８ｒとなってＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射する。
【００４５】
ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射した青色光８ｂは偏光分離面１０で反射され、反射型液晶パネル１１ｂに入射する。反射型液晶パネル（１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ）内の各画素は、オン（明表示）状態の画素は入射光の偏光方向を９０度回転させ、オフ（暗表示）状態の画素は入射光の偏光方向を回転させない。したがってオン状態のとき８ｂはＰ偏光の青色光１２ｂとなって再び偏光ビームスプリッター９に入射、Ｐ偏光のため今度は偏光分離面１０を透過してＳＷＳ偏光ビームスプリッター９から射出する。オフ状態のときは偏光分離面で反射されるが、図３においては省略する。また、斜入射光線の偏光方向を補正する目的で偏光ビームスプリッターと反射型液晶パネルの間に位相差板（１／４波長板）を配置すると好ましいが、ここでは図示しないこととする。
【００４６】
一方、８ｒはＰ偏光であるため、偏光分離面１０を透過し、反射型液晶パネル１１ｒに入射する。１１ｒがオン状態のとき８ｒはＳ偏光の赤色光１２ｒとなって再びＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射、Ｓ偏光のため今度は偏光分離面１０で反射されて偏光ビームスプリッター９を射出する。
【００４７】
また、ダイクロイックミラー５で反射された４ｇは、偏光板（不図示）を透過して偏光度を良くした後、でＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４に入射し、偏光分離面１５に到達する。ここで、偏光板（不図示）は、必須ではなく、無くても構わない。Ｓ偏光の４ｇは偏光分離面１５を反射し、反射型液晶パネル１１ｇに入射する。１１ｇがオン状態のとき４ｇはＰ偏光の緑色光１２ｇとなって再びＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４に入射、Ｐ偏光のため今度は偏光分離面１５で透過されてＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を射出する。
【００４８】
ここで偏光ビームスプリッターを射出してダイクロイックプリズム１８に向かう各色光には、理想的なオン状態の各色光１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ以外にもある。オフ状態の画素からの光のうちＳＷＳ偏光ビームスプリッター９、１４を介して色合成素子に入射した光（もれ光）なども含まれている。このような漏れ光には、画像のコントラストを低下させる成分も実際には含まれており、何らかの光学素子、例えば偏光素子（偏光板）によって不要な偏光成分を除去を行っても構わない。しかしながら、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターは極めて高い検光作用を有するために、これらの偏光素子は必ずしも必要とはされない。
【００４９】
ＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を射出した１２ｇは、ダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００５０】
ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９を射出した１２ｒ、１２ｂは、ダイクロイックプリズム１８に入射する。この実施例３においてダイクロイックプリズム１８のダイクロイック面１９に必要とされる特性を図４に示す。この図３においては、縦軸が透過率であり、上方ほど透過率が高く、下方ほど透過率が低く反射率が高いことを示しており、横軸は波長（左側が短波長、右側が長波長）を示している。この図４を見れば、ダイクロイックプリズム１８は短波長から順にＰ偏光の青色光を透過し、Ｐ偏光の緑色光を反射し、Ｓ偏光の赤色光を透過する特性を有している事が分かる。その他の領域、すなわちＳ偏光の青色光と緑色光、Ｐ偏光の赤色光に対する特性に関しては任意であっても構わない。このようなダイクロイックプリズム１８は誘電体多層膜によって容易に実現することが可能であることは既知である。
【００５１】
ダイクロイックプリズム１８に入射した１２ｒ、１２ｇ、１２ｂはダイクロイック膜面１９によってそれぞれ透過、反射、透過されて、光路合成される。このようにして、赤色光１２ｒ、緑色光１２ｇ、青色光１２ｂ共に、投影光学系２０によりスクリーン（図示せず）等の被投射面上に投射される。
【００５２】
本実施例のＳＷＳ偏光ビームスプリッターは、可視光領域内の光の吸収率が非常に低い（特に短波長側での吸収率が従来の偏光ビームスプリッターに比べて低い）。このようなＳＷＳ偏光ビームスプリッターを使い、更にこのＳＷＳ偏光ビームスプリッターを用いた最適な配置をとることで、偏光ビームスプリッターの光吸収を少なくすることができる。また、その光吸収量の低減による発熱を抑えることができるため、偏光ビームスプリッター内部の応力発生量を低減することができ、その応力発生に伴う光弾性の影響を小さく抑えることができる。従って、本実施例のＳＷＳ偏光ビームスプリッターを用い、更に本実施例のような最適な配置を採用することにより、コントラストの高い画像を投射することが可能な投射型画像表示装置を提供する事ができる。
【００５３】
また、偏光ビームスプリッターの光吸収量を低減することができ、偏光ビームスプリッターに対する冷却をさほど行わなくても良いため、冷却ファン（不図示）などの構造が簡素化する、或いは冷却ファンの回転数を下げることができ静音化に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施例である色分離合成系の構成図
【図２】本発明の第１実施例におけるダイクロイック面の必要特性
【図３】本発明の第２実施例である色分離合成系の構成図
【図４】本発明の第２実施例におけるダイクロイック面の必要特性
【図５】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターにおける各偏光を示した説明図
【図６】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの断面図を示す模式図
【図７】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの形状を示す模式図
【図８】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターのプリズム形状を示す模式図
【図９】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの吸収率の分光特性
【図１０】特許文献１での従来の色分離合成系の構成図
【符号の説明】
【００５５】
１ 光源
２ 光源からの入射光
２ｂ、２ｒ、２ｇ 青色光、赤色光、緑色光
３、３Ａ 偏光変換素子
４ｂ、４ｒ、４ｇ 偏光変換された青色光、赤色光、緑色光
５ ダイクロイックミラー
６、６Ａ 偏光板
７、７Ａ 波長選択性位相差板
８ｂ、８ｒ、８ｇ 青色光、赤色光、緑色光
９ 第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター
１１ｂ、１１ｒ、１１ｇ 青色光、赤色光、緑色光用反射型液晶パネル
１２ｂ、１２ｒ、１２ｇ 青色光、赤色光、緑色光
１４ 第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター
１８ ダイクロイックプリズム（色合成素子）
１９ ダイクロイック膜
２０ 投射光学系（投射レンズ）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型の液晶表示素子を用いた投射型画像表示装置（プロジェクター）に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型液晶パネルは透過型液晶パネルに比べ高開口率・高精細などの特徴をもっており、これを用いたプロジェクターが注目されている。このようなプロジェクターでは、反射型液晶パネルの変調によってスクリーン上での画像の表示（光を投射する状態、明表示）、非表示（光を投射しない状態、暗表示）とを切り替える必要がある。さらに、光源からの光を複数の色光に分解したり、複数の反射型液晶パネルからの色光を合成したりする必要がある。
【０００３】
そこで、特許文献１に開示されたプロジェクター（図１０）は、３原色各々に対応する３つの反射型液晶パネル１３Ｒ、１３Ｇ、１３Ｂに対して光源からの光束を色分解した上で入射させ、それらからの反射光を色合成して投射レンズ２４に入射させている。この特許文献１に開示されたプロジェクターは、色分解及び色合成を行う際、一つのダイクロイックミラー５と３つの偏光ビームスプリッタ１１、２０、２７に加えて、波長選択性偏光回転素子（波長選択性位相差板）９、１６を用いている。
【特許文献１】特開２００１−１５４２６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１で用いられている波長選択性偏光回転素子、特に液晶パネルで反射された後の画像光が通過する（透過する）側に配置された波長選択性偏光回転素子、は、所望の偏光特性が得られないとコントラスト低下の要因となってしまう。
【０００５】
そこで、本願発明は、比較的簡易な構成で、コントラストの高い画像を投射可能な投射型画像表示装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題解決のために、本発明の投射型画像表示装置は、第１波長領域に対応する第１反射型液晶表示素子と、前記第１波長領域よりも波長が長い第２波長領域に対応する第２反射型液晶表示素子と、前記第１、２反射型液晶表示素子からの画像光を被投射面に投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置であって、前記第１波長領域の波長よりも短い周期の周期構造体を持ち、前記第１波長領域及び前記第２波長領域において、第１直線偏光を反射し、前記第１直線偏光と偏光方向が垂直する第２直線偏光を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備え、前記第１偏光ビームスプリッタが、前記第１波長領域の第１直線偏光を反射して前記第１反射型液晶表示素子に導き、前記第１反射型液晶表示素子から出射する前記第２直線偏光を透過して前記投射光学系に導いており、且つ、前記第２波長領域の第２直線偏光を透過して前記第２反射型液晶表示素子に導き、前記第２反射型液晶表示素子から出射する前記第１直線偏光を反射して前記投射光学系に導いていることを特徴としている。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の投射型画像表示装置によれば、簡易な構成でコントラストの高い画像を投影することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下の本実施例は、偏光ビームスプリッター及びそれを用いた投射型画像表示装置（プロジェクタ）に関するものである。この投射型画像表示装置は、光源から射出された光束（白色光）を複数の色光（以下の実施例においては青色光、緑色光、赤色光の３つの色光）に色分解し、各色光を対応する反射型の液晶表示素子（液晶パネル）に導いている。そして、その反射型液晶パネルによって変調された色光のうち画像光（スクリーン等の被投射面に投射すべき光）を色合成し、その合成した画像光を投射光学系を用いて拡大投射している。
【０００９】
本実施例の投射型画像表示装置の概略を説明する。本実施例の投射型画像表示装置は、第１波長領域（青色光）に対応する第１反射型液晶表示素子と、第１波長領域よりも波長が長い第２波長領域（赤色光）に対応する第２反射型液晶表示素子とを備えている。更に、これら第１、２反射型液晶表示素子からの画像光をスクリーン等の被投射面に投射する投射光学系とを有している。その上で、第１、２波長領域の波長（の半分）よりも短い周期の周期構造体（ＳＷＳ構造体）を持ち、第１、２波長領域において、第１直線偏光（Ｓ偏光）を反射し第２直線偏光（Ｐ偏光）を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備えている。この第１偏光ビームスプリッタが第１波長領域の第１直線偏光を反射して第１反射型液晶表示素子に導き、第１反射型液晶表示素子から出射する第２直線偏光を透過して投射光学系に導くような位置に配置されている。更に、この第１偏光ビームスプリッタは、第２波長領域の第２直線偏光を透過して第２反射型液晶表示素子に導き、第２反射型液晶表示素子から出射する第１直線偏光を反射して投射光学系に導くような位置に配置されている。このように、第１偏光ビームスプリッタの特性と、その配置場所を特定している点が本実施例の投射型画像表示装置の特徴である。
【００１０】
上記の特徴によって、本実施例の投射型画像表示装置は、簡素な構造でコントラストの高い画像を投射することが可能となる。
【００１１】
以下は、本実施例の投射型画像表示装置が更に大きな効果を奏するために必要な事項である。
【００１２】
例えば、周期構造体はＳＷＳ構造体であり、その周期構造体の周期（方向）は、第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向における周期であると好ましい。
【００１３】
また、この周期構造体は、第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向に周期を持つ第１の周期構造体と、Ｓ偏光の偏光方向に対して垂直な方向に周期を持つ第２の周期構造体とを含んでいると尚好ましい。
【００１４】
また、本実施例の投射型画像表示装置は、第３反射型液晶表示素子と、ダイクロイックミラーと、第２偏光ビームスプリッタと、ダイクロイックプリズムとを備えていることが尚望ましい。ここで、第３反射型液晶表示素子は、第１波長領域（青色光）の波長より長く第２波長領域（赤色光）の波長より短い第３波長領域（緑色光）に対応する反射型液晶表示素子である。ダイクロイックミラーは、光源から発する白色光から、第３波長領域（緑色光）の光を分離すると共に、第１、２波長領域の光を第１偏光ビームスプリッタに導いている。そして、第２偏光ビームスプリッタは、ダイクロイックミラーにより分離された第３波長領域の光を第３反射型液晶表示素子に導くと共に、第３反射型液晶表示素子から出射する画像光を後述する色合成素子に導いている。そして、色合成素子（後述するダイクロイックプリズム１８）は、第１偏光ビームスプリッタにより合成された第１波長領域の光と第２波長領域の光に対して、第２偏光ビームスプリッタから出射した第３波長領域の画像光を合成して、投射光学系に導いている。尚、第２偏光ビームスプリッタから出射する第３波長領域の画像光は、第１直線偏光（Ｓ偏光）でも第２直線偏光（Ｐ偏光）でもどちらでも構わない。
【００１５】
以下、図面を用いて各実施例について詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の第１の実施例である画像表示装置の構成を示したものである。
【００１７】
図中、１は連続スペクトルで白色を発光する光源である。光源１から射出した光は、リフレクタ（ここでは放物面ミラーであるが、勿論楕円ミラーや球形状のミラーであっても構わない。）で反射され、略平行光２となる。この図１においては、この白色光を赤・緑・青の色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを赤色光２ｒ、緑色光２ｇ、青色光２ｂとして図示している。勿論、この赤、緑、青色光それぞれは、図１上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光はこの段階では空間的に分離されている訳ではない。
【００１８】
これらの光は照明光学系の中にある偏光変換素子３によってＰ偏光（紙面内で電場が振動する偏光状態）に偏光が揃えられ、Ｐ偏光の赤色光４ｒ、Ｐ偏光の緑色光４ｇ、Ｐ偏光の青色光４ｂとなる。
【００１９】
偏光変換素子を経た３色の光は、緑色光成分のみを反射する特性を持つダイクロイックミラー５に入射する。このダイクロイックミラー５が、赤色光（第２波長領域の光）と青色光（第１波長領域の光）を透過し、緑色光（第３波長領域）を反射することにより、緑色光は他の色光に対して分離される。ダイクロイックミラー５を透過した４ｒ、４ｂは偏光板６を透過することにより偏光度を向上させる（コントラスト低下の原因となりうるＳ偏光の割合を減らす）。然る後、波長選択性位相差板７（波長選択性偏光回転素子）によって、青色光の偏光方向のみを９０度回転され（Ｓ偏光とされ）、赤色光はＰ偏光のまま第１偏光ビームスプリッタ９に入射する。ここで、波長選択性位相差板７とは、所定の波長領域の光（ここでは青色光）に対してのみ位相差板として機能する位相差板のことであり、所定の波長領域以外の光に対しては、ただの平行平板であり、位相差板としては機能しない光学素子のことである。以上より、波長選択性偏光回転素子７を透過した４ｒ、４ｂは、Ｓ偏光の青色光８ｂ、Ｐ偏光の赤色光８ｒとなって第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター（ＳＷＳ構造体を持つ偏光ビームスプリッタ）９に入射する。
【００２０】
第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター（第１偏光ビームスプリッター）９に入射した青色光８ｂは偏光分離面１０で反射され、反射型液晶パネル１１ｂに入射する。ここで、この第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッターは、少なくとも青色光及び赤色光に対して、Ｐ偏光（第２直線偏光）を透過しＳ偏光（第１直線偏光）を反射する特性を持つ。反射型液晶パネル（１１ｂ、１１ｇ、１１ｒ）内の各画素は、オン（明表示）状態の画素は入射光の偏光方向を９０度回転させ、オフ（暗表示）状態の画素は入射光の偏光方向を回転させない。したがってオン状態のときＰ偏光として液晶パネル１１ｂに入射した青色光８ｂは、Ｐ偏光の青色光１２ｂとなって再び第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射する。この際、青色光１２ｂはＰ偏光であるため、偏光分離面１０を透過して第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９から投射光学系２０（ダイクロイックプリズム１８）に向かって射出する。青色光８ｂが入射した画素がオフ状態のときは、Ｓ偏光のまま再び第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに入射するため、偏光分離面１０で反射されて光源方向に戻される（投射光学系に対して遮光される）が、図１においては省略する。また、所定の角度（ここでは４５度）と異なる角度で偏光分離面に入射する斜入射光線によるコントラスト低下を低減する目的で、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタと反射型液晶パネル１１ｂ、１１ｒとの間に１／４波長板（不図示）を配置する。
【００２１】
一方８ｒはＰ偏光であるため、偏光分離面１０を透過し、反射型液晶パネル１１ｒに入射する。１１ｒがオン状態のとき、赤色光８ｒはＳ偏光の赤色光１２ｒとなって再びＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射する。この際、赤色光１２ｒはＳ偏光であるため、偏光分離面１０で反射されて偏光ビームスプリッター９から投射光学系２０（ダイクロイックプリズム１８）に向かって射出される。
【００２２】
また、ダイクロイックミラー５で反射された４ｇは、偏光板（不図示、無くても構わない）を透過して偏光度を向上させた後、第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター（第２偏光ビームスプリッタ−）１４に入射する。緑色光４ｇはＰ偏光であるため、偏光分離面１５（少なくとも緑色光に対して、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を持つ）を透過し、反射型液晶パネル１１ｇに入射する。１１ｇがオン状態のとき緑色光４ｇは偏光方向を回転され、Ｓ偏光の緑色光１２ｇとなって再び第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４に再び入射する。この際、緑色光１２ｇはＳ偏光であるため偏光分離面１５で反射されてＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を投射光学系２０（ダイクロイックプリズム１８）に向かって射出する。
【００２３】
ここで、偏光ビームスプリッタを射出してダイクロイックプリズム１８に向かう各色光には、理想的なオン状態の各色光１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ以外にもある。オフ状態の画素からの光のうち第１、２ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９、１４を介してダイクロイックプリズム（色合成素子）１８に入射した光（漏れ光）なども含まれている。このような漏れ光には、画像のコントラストを低下させる成分も含まれており、何らかの光学素子、例えば偏光素子（偏光板）によって不要な偏光成分の光の除去を行っても構わない。しかしながら、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターは極めて高い検光作用（画像光となる偏光成分のみを投射光学系に導く作用）を有するために、これらの偏光素子は必須ではない。
【００２４】
上述のようにして、第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を射出した緑色光１２ｇ、及び第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９を射出した赤色光１２ｒ、青色光１２ｂは、ダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００２５】
ここで、この実施例１においてダイクロイックプリズム１８のダイクロイック面１９が満足する特性を図２に示す。この図２においては、縦軸が透過率であり、上方ほど透過率が高く、下方ほど透過率が低く反射率が高いことを示しており、横軸は波長（左側が短波長、右側が長波長）を示している。また、Ｂは青色光の波長領域、Ｇは緑色光の波長領域、Ｒは赤色光の波長領域を示している。この図２を見れば、ダイクロイックプリズム１８は短波長から順にＰ偏光の青色光を透過し、Ｓ偏光の緑色光を反射し、Ｓ偏光の赤色光を透過する特性を有している事が分かる。その他の領域、すなわちＳ偏光の青色光、Ｐ偏光の緑色光、Ｐ偏光の赤色光に対する特性は問わない。例えば、Ｓ偏光の青色光、Ｐ偏光の緑色光、Ｐ偏光の赤色光それぞれに対するダイクロイックプリズム（色合成素子）１８の特性を、透過、反射、透過、或いは反射、透過、透過、或いは反射、反射、透過、或いは透過、透過、透過、としても構わない。
【００２６】
ダイクロイックプリズム（色合成素子）１８に入射した１２ｒ、１２ｇ、１２ｂはダイクロイック膜面１９によってそれぞれ透過、反射、透過されて、光路合成（色合成）される。このようにして、赤色光１２ｒ、緑色光１２ｇ、青色光１２ｂ共に投射光学系２０に入射し、この投射光学系２０によりスクリーン（不図示）等の被投射面上に投射される。
【００２７】
本実施例で用いている第１のＳＷＳ（Ｓｕｂ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）偏光ビームスプリッター９に関して詳細に説明する。このＳＷＳ偏光ビームスプリッタは、波長以下の周期（好ましくは使用波長の１／２以下の周期）を持つ微細構造（周期構造体）の持つ構造複屈折を利用した偏光ビームスプリッターである。その概略図を図５に示し、ＳＷＳ構造体の断面図を図６に、斜視図を図７、図８に示す。
【００２８】
ここで、ＳＷＳ構造体は、図６の一番上と一番下に配置された平行平板（プリズム状の三角柱等のガラス部材でも構わない）の間に、ＴｉＯ２と空気の１次元格子で出来た層が積層（図６、７では上下方向に３層）された構造体である。このように第１のＳＷＳ構造体（第１の周期構造体）と、その上に積層された周期方向が垂直な第２のＳＷＳ構造体（第２の周期構造体）と、さらにその上に積層され、第１のＳＷＳ構造体と周期方向が平行な第２のＳＷＳ構造体（第３の周期構造体）を含む。このようなＳＷＳ構造体（図７の模式図のように、井桁状に格子を積層した構造体）を、図８の模式図の様に、２つのプリズム状の硝材に挟み込むことによって、ＳＷＳ偏光ビームスプリッタを構成している。
【００２９】
図９に、このＳＷＳ偏光ビームスプリッターにおける周期構造体（微細格子部）での吸収率の分光特性のＲＣＷＡによる計算値のグラフを示す。このグラフによると、短波長側で若干吸収が起こっている。特にＰ偏光に関しては、４５０ｎｍ以下で数％から数十％の吸収がある。一方、Ｓ偏光に関して４００ｎｍ以下で数％吸収される程度であり、Ｐ偏光とＳ偏光との間で吸収率に大きな差がある。
【００３０】
これは、図５に示す様に、Ｐ偏光に関して、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターは透過膜として作用するためＳＷＳ層を透過する際に、ＳＷＳを構成する媒質ＴｉＯ２自体の持つ性質の影響を受け短波長側で吸収が起こると考えられる。一方、Ｓ偏光に関しては、偏光ビームスプリッターは反射膜として作用する。その際、構造複屈折により、低い屈折率を形成しているためプリズム硝材とＳＷＳ膜の界面においては、ほぼ全反射が起こっている。そのためＳＷＳを構成する媒質のＴｉＯ２に入射せずに、反射するためＴｉＯ２での吸収が起こらないと考えられる。
【００３１】
本実施例では、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの反射光での吸収がほとんど起こらないと言う性質を最大限に活用するための構成となっている。つまり、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に対して入射する青色光８ｂの偏光方向を、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光とすることによって、青色光８ｂが第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタで反射されるように構成している。このように構成することによって、光源からの青色光の全てがＳ偏光として第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに導かれ、反射されて反射型液晶パネル１１ｂに入射するため、光吸収を少なくすることができる。光源からの光束は、画素（画面）のオン・オフの表示によらず全光束が導かれるため、光源からの青色光をＳ偏光とすることは、光弾性の影響を低減するために大きく寄与する。
【００３２】
一方、反射型液晶パネル１１ｂで画像変調され偏光が回転した一部の光束のみ、ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９を透過させることで、吸収量を最小限に抑えている。具体的に説明すると以下の通りである。画面全体（の画素）がオン表示の時には、青色光の全光束が反射型液晶パネル１１ｂで反射された後、第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタを透過するため、図９で示した特性に基づいた短波長側の吸収が発生する。しかしながら、画面全体がオフ表示の時には、青色光は全て第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタで反射されるため吸収がほとんど発生しない。画像情報に依存するのは勿論であるが、青色光を第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光として入射させ、その第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッタで反射させて反射型画像表示素子に導く構成にすると、逆の構成より光吸収を低減できる。
【００３３】
このように、青色光に対して、反射・透過の順番の構成が可能なのは、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターを用いているからである。単体で高い検光作用を可能としており、他の偏光板等を必要とせず、構成の自由度が高く、且つ短波長側（可視光領域内の短波長側）の波長におけるＳ偏光の吸収率が誘電体多層膜を用いる場合と比較して低いからである。
【００３４】
尚、本実施例１において、偏光変換素子３は、青色光、緑色光、赤色光それぞれをＳＷＳ偏光ビームスプリッタ９、１４に対してＰ偏光となるように偏光方向を揃えたが、その限りでは無く、Ｓ偏光となるように偏光方向を揃えても構わない。また、ここで、青色光とは、少なくとも４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の波長を含む光、より好ましくは ４００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の波長の光を指す。緑色光とは５２０ｎｍ以上５６０ｎｍ以下の波長を含む光、より好ましくは５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下の波長の光を指す。そして、赤色光とは、少なくとも６１０ｎｍ以上６５０ｎｍ以下の波長を含む光、よし好ましくは６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の波長の光を指す。
【００３５】
また、本実施例１においては、白色光を３つの色光に分解したがこの限りでは無い。具体的には、可視光領域内（白色光）の波長を４つに分割したそれぞれの波長領域の光を上記のダイクロイックミラーにより２つずつの色光に分離し、その分離された２つずつの色光を後段の第１、２偏光ビームスプリッターで更に色分解しても構わない。
【００３６】
また、偏光板６は必ずしも必須ではなく、偏光変換素子３の性能が良く、偏光変換素子３から出射する光束の偏光度が高ければ不要である。
【００３７】
また、本実施例１においては、ダイクロイックプリズム１８を、単に「ダイクロイックプリズム」と記載したが、このダイクロイックプリズム１８は、可視光領域内のある波長帯域（いずれかの色光の波長帯域）において偏光分離特性を有していても構わない。前述したように、図２に図示した以外の特性については任意であるため、例えば緑色光に対してＳ偏光を反射しＰ偏光を透過する特性を有していても構わない。
【００３８】
また、本実施例１においては、第１反射型液晶表示素子を青色光に対応するパネル１１ｂ、第２反射型液晶表示素子を赤色光に対応するパネル１１ｒ、第３反射型液晶表示素子を緑色光に対応するパネル１１ｇとしたがその限りではない。第１反射型液晶表示素子に対応する色光が、第２反射型液晶表示素子に対応する色光の波長よりも波長が短い色光であればそれで足りる。しかしながら、第１反射型液晶表示素子に対応する色光は青色光（可視光領域内を複数の色光に分割した際の最も短波長側の色光）であることが望ましい。
【００３９】
また、本実施例１においてＳＷＳ構造体は、図６、７に示したように、第１、２、３のＳＷＳ構造体（周期構造体）を持つ構成としたがこの限りでは無く、ＳＷＳ構造体を２層、或いは４層以上積層した構成としても良い。
【実施例２】
【００４０】
図３は、本発明の第２の実施例である画像表示装置の構成を示したものである。この第２の実施例が前述の実施例１と異なる点は、以下の（ア）〜（オ）に示す通りである。
（ア）偏光変換素子３Ａが、光源１からの白色光（青色光、緑色光、赤色光）を各々Ｓ偏光（後述するＳＷＳ偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光）に揃えている。
（イ）偏光素子（偏光板）６Ａが、Ｐ偏光を反射（吸収）し、Ｓ偏光を透過する特性を有している。
（ウ）波長選択性位相差板７Ａが、赤色光に対して位相差板として機能し（赤色光の偏光方向をＳ偏光方向からＰ偏光に変換している）、青色光に対しては偏光方向を変えずに透過している。
（エ）反射型液晶パネル１１ｇの配置を変え、反射型液晶パネル１１ｇに対してＳ偏光の緑色光が入射し、緑色光の画像光がＰ偏光としている。
（オ）ダイクロイックプリズム（色合成素子）１８が、図４に図示するように、緑色光のＰ偏光を反射する特性を有している。（第１実施例においても、緑色光のＰ偏光を反射していても構わない。）
以下に、実施例２について簡単に説明するが、特に記載していない点については実施例１と同じである。
【００４１】
図３中、１は連続スペクトルで白色を発光する光源である。光源１から射出した光は、リフレクタ（ここでは放物面ミラーであるが、勿論楕円ミラーや球形状のミラーであっても構わない。）で反射され、略平行光２となる。この図２においては、この白色光を赤・緑・青の色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを赤色光２ｒ、緑色光２ｇ、青色光２ｂとして図示している。勿論、この赤、緑、青色光それぞれは、図１上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光はこの段階では空間的に分離されている訳ではない。
【００４２】
これらの光は照明光学系の中にある偏光変換素子３ＡによってＳ偏光（紙面に垂直に電場が振動する偏光状態）に偏光が揃えられ、Ｓ偏光の赤色光４ｒ、Ｓ偏光の緑色光４ｇ、Ｓ偏光の青色光４ｂとなる。
【００４３】
偏光変換素子を経た３色の光は、緑色光成分のみを反射する特性を持つダイクロイックミラー５において、赤色光と青色光が透過され、緑色光が反射されることにより、緑色光は他の色光に対して分離される。ダイクロイックミラー５を透過した４ｒ、４ｂは偏光板６Ａを透過することにより偏光度が向上され、波長選択性位相差板（波長選択性偏光回転素子）７Ａに入射する。この波長選択性位相差板７Ａは、波長選択性位相差板７と同じく所定の波長領域の光のみの偏光方向を回転させる。ここでは赤色光の偏光方向を回転させ（Ｓ偏光からＰ偏光に変換し）、青色光に対しては位相差板としては機能しない。
【００４４】
波長選択偏光回転素子７Ａは、赤色光（成分）の偏光方向を９０度回転させると共に透過させ、青色光（成分）の偏光方向は回転させずに透過させる特性を持っている。波長選択性偏光回転素子７Ａを透過した４ｒ、４ｂは、Ｓ偏光の青色光８ｂ、Ｐ偏光の赤色光８ｒとなってＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射する。
【００４５】
ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射した青色光８ｂは偏光分離面１０で反射され、反射型液晶パネル１１ｂに入射する。反射型液晶パネル（１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ）内の各画素は、オン（明表示）状態の画素は入射光の偏光方向を９０度回転させ、オフ（暗表示）状態の画素は入射光の偏光方向を回転させない。したがってオン状態のとき８ｂはＰ偏光の青色光１２ｂとなって再び偏光ビームスプリッター９に入射、Ｐ偏光のため今度は偏光分離面１０を透過してＳＷＳ偏光ビームスプリッター９から射出する。オフ状態のときは偏光分離面で反射されるが、図３においては省略する。また、斜入射光線の偏光方向を補正する目的で偏光ビームスプリッターと反射型液晶パネルの間に位相差板（１／４波長板）を配置すると好ましいが、ここでは図示しないこととする。
【００４６】
一方、８ｒはＰ偏光であるため、偏光分離面１０を透過し、反射型液晶パネル１１ｒに入射する。１１ｒがオン状態のとき８ｒはＳ偏光の赤色光１２ｒとなって再びＳＷＳ偏光ビームスプリッター９に入射、Ｓ偏光のため今度は偏光分離面１０で反射されて偏光ビームスプリッター９を射出する。
【００４７】
また、ダイクロイックミラー５で反射された４ｇは、偏光板（不図示）を透過して偏光度を良くした後、でＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４に入射し、偏光分離面１５に到達する。ここで、偏光板（不図示）は、必須ではなく、無くても構わない。Ｓ偏光の４ｇは偏光分離面１５を反射し、反射型液晶パネル１１ｇに入射する。１１ｇがオン状態のとき４ｇはＰ偏光の緑色光１２ｇとなって再びＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４に入射、Ｐ偏光のため今度は偏光分離面１５で透過されてＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を射出する。
【００４８】
ここで偏光ビームスプリッターを射出してダイクロイックプリズム１８に向かう各色光には、理想的なオン状態の各色光１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ以外にもある。オフ状態の画素からの光のうちＳＷＳ偏光ビームスプリッター９、１４を介して色合成素子に入射した光（もれ光）なども含まれている。このような漏れ光には、画像のコントラストを低下させる成分も実際には含まれており、何らかの光学素子、例えば偏光素子（偏光板）によって不要な偏光成分を除去を行っても構わない。しかしながら、ＳＷＳ偏光ビームスプリッターは極めて高い検光作用を有するために、これらの偏光素子は必ずしも必要とはされない。
【００４９】
ＳＷＳ偏光ビームスプリッター１４を射出した１２ｇは、ダイクロイックプリズム１８に入射する。
【００５０】
ＳＷＳ偏光ビームスプリッター９を射出した１２ｒ、１２ｂは、ダイクロイックプリズム１８に入射する。この実施例３においてダイクロイックプリズム１８のダイクロイック面１９に必要とされる特性を図４に示す。この図３においては、縦軸が透過率であり、上方ほど透過率が高く、下方ほど透過率が低く反射率が高いことを示しており、横軸は波長（左側が短波長、右側が長波長）を示している。この図４を見れば、ダイクロイックプリズム１８は短波長から順にＰ偏光の青色光を透過し、Ｐ偏光の緑色光を反射し、Ｓ偏光の赤色光を透過する特性を有している事が分かる。その他の領域、すなわちＳ偏光の青色光と緑色光、Ｐ偏光の赤色光に対する特性に関しては任意であっても構わない。このようなダイクロイックプリズム１８は誘電体多層膜によって容易に実現することが可能であることは既知である。
【００５１】
ダイクロイックプリズム１８に入射した１２ｒ、１２ｇ、１２ｂはダイクロイック膜面１９によってそれぞれ透過、反射、透過されて、光路合成される。このようにして、赤色光１２ｒ、緑色光１２ｇ、青色光１２ｂ共に、投影光学系２０によりスクリーン（図示せず）等の被投射面上に投射される。
【００５２】
本実施例のＳＷＳ偏光ビームスプリッターは、可視光領域内の光の吸収率が非常に低い（特に短波長側での吸収率が従来の偏光ビームスプリッターに比べて低い）。このようなＳＷＳ偏光ビームスプリッターを使い、更にこのＳＷＳ偏光ビームスプリッターを用いた最適な配置をとることで、偏光ビームスプリッターの光吸収を少なくすることができる。また、その光吸収量の低減による発熱を抑えることができるため、偏光ビームスプリッター内部の応力発生量を低減することができ、その応力発生に伴う光弾性の影響を小さく抑えることができる。従って、本実施例のＳＷＳ偏光ビームスプリッターを用い、更に本実施例のような最適な配置を採用することにより、コントラストの高い画像を投射することが可能な投射型画像表示装置を提供する事ができる。
【００５３】
また、偏光ビームスプリッターの光吸収量を低減することができ、偏光ビームスプリッターに対する冷却をさほど行わなくても良いため、冷却ファン（不図示）などの構造が簡素化する、或いは冷却ファンの回転数を下げることができ静音化に大きく寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明の第１実施例である色分離合成系の構成図
【図２】本発明の第１実施例におけるダイクロイック面の必要特性
【図３】本発明の第２実施例である色分離合成系の構成図
【図４】本発明の第２実施例におけるダイクロイック面の必要特性
【図５】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターにおける各偏光を示した説明図
【図６】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの断面図を示す模式図
【図７】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの形状を示す模式図
【図８】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターのプリズム形状を示す模式図
【図９】ＳＷＳ偏光ビームスプリッターの吸収率の分光特性
【図１０】特許文献１での従来の色分離合成系の構成図
【符号の説明】
【００５５】
１ 光源
２ 光源からの入射光
２ｂ、２ｒ、２ｇ 青色光、赤色光、緑色光
３、３Ａ 偏光変換素子
４ｂ、４ｒ、４ｇ 偏光変換された青色光、赤色光、緑色光
５ ダイクロイックミラー
６、６Ａ 偏光板
７、７Ａ 波長選択性位相差板
８ｂ、８ｒ、８ｇ 青色光、赤色光、緑色光
９ 第１のＳＷＳ偏光ビームスプリッター
１１ｂ、１１ｒ、１１ｇ 青色光、赤色光、緑色光用反射型液晶パネル
１２ｂ、１２ｒ、１２ｇ 青色光、赤色光、緑色光
１４ 第２のＳＷＳ偏光ビームスプリッター
１８ ダイクロイックプリズム（色合成素子）
１９ ダイクロイック膜
２０ 投射光学系（投射レンズ）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１波長領域に対応する第１反射型液晶表示素子と、
前記第１波長領域よりも波長が長い第２波長領域に対応する第２反射型液晶表示素子と、
前記第１、２反射型液晶表示素子からの画像光を被投射面に投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置であって、
前記第１波長領域の波長よりも短い周期の周期構造体を持ち、前記第１波長領域及び前記第２波長領域において、第１直線偏光を反射し、前記第１直線偏光と偏光方向が垂直する第２直線偏光を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備え、
前記第１偏光ビームスプリッタが、
前記第１波長領域の第１直線偏光を反射して前記第１反射型液晶表示素子に導き、前記第１反射型液晶表示素子から出射する前記第２直線偏光を透過して前記投射光学系に導いており、
且つ、前記第２波長領域の第２直線偏光を透過して前記第２反射型液晶表示素子に導き、前記第２反射型液晶表示素子から出射する前記第１直線偏光を反射して前記投射光学系に導いていることを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項２】
前記第１直線偏光が、前記第１偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光であることを特徴とする請求項１記載の投射型画像表示装置。
【請求項３】
前記第１波長領域は、青色光であ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表示装置。
【請求項４】
前記第２波長領域は、赤色光であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【請求項５】
前記周期構造体の周期は、前記第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向における周期であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【請求項６】
前記周期構造体は、
前記第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向に周期を持つ第１の周期構造体と、前記Ｓ偏光の偏光方向に対して垂直な方向に周期を持つ第２の周期構造体とを含んでいることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【請求項７】
前記第１波長領域の波長より長く前記第２波長領域の波長より短い第３波長領域に対応する第３反射型液晶表示素子と、
色合成素子と、
光源から発する白色光から、前記第３波長領域の光を分離すると共に、前記第１、２波長領域の光を前記第１偏光ビームスプリッタに導くダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより分離された前記第３波長領域の光を前記第３反射型液晶表示素子に導くと共に、前記第３反射型液晶表示素子から出射する画像光を前記色合成素子に導く第２偏光ビームスプリッタとを備えており、
前記色合成素子が、前記第１偏光ビームスプリッタにより合成された前記第１波長領域の第２直線偏光と前記第２波長領域の第１直線偏光と、前記第２偏光ビームスプリッタから出射した前記第３波長領域の画像光とを合成して、前記投射光学系に導くことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【請求項１】
第１波長領域に対応する第１反射型液晶表示素子と、
前記第１波長領域よりも波長が長い第２波長領域に対応する第２反射型液晶表示素子と、
前記第１、２反射型液晶表示素子からの画像光を被投射面に投射する投射光学系とを有する投射型画像表示装置であって、
前記第１波長領域の波長よりも短い周期の周期構造体を持ち、前記第１波長領域及び前記第２波長領域において、第１直線偏光を反射し、前記第１直線偏光と偏光方向が垂直する第２直線偏光を透過する特性を持つ第１偏光ビームスプリッタを備え、
前記第１偏光ビームスプリッタが、
前記第１波長領域の第１直線偏光を反射して前記第１反射型液晶表示素子に導き、前記第１反射型液晶表示素子から出射する前記第２直線偏光を透過して前記投射光学系に導いており、
且つ、前記第２波長領域の第２直線偏光を透過して前記第２反射型液晶表示素子に導き、前記第２反射型液晶表示素子から出射する前記第１直線偏光を反射して前記投射光学系に導いていることを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項２】
前記第１直線偏光が、前記第１偏光ビームスプリッタに対してＳ偏光であることを特徴とする請求項１記載の投射型画像表示装置。
【請求項３】
前記第１波長領域は、青色光であ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表示装置。
【請求項４】
前記第２波長領域は、赤色光であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【請求項５】
前記周期構造体の周期は、前記第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向における周期であることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【請求項６】
前記周期構造体は、
前記第１偏光ビームスプリッタに対するＳ偏光の偏光方向と平行な方向に周期を持つ第１の周期構造体と、前記Ｓ偏光の偏光方向に対して垂直な方向に周期を持つ第２の周期構造体とを含んでいることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【請求項７】
前記第１波長領域の波長より長く前記第２波長領域の波長より短い第３波長領域に対応する第３反射型液晶表示素子と、
色合成素子と、
光源から発する白色光から、前記第３波長領域の光を分離すると共に、前記第１、２波長領域の光を前記第１偏光ビームスプリッタに導くダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーにより分離された前記第３波長領域の光を前記第３反射型液晶表示素子に導くと共に、前記第３反射型液晶表示素子から出射する画像光を前記色合成素子に導く第２偏光ビームスプリッタとを備えており、
前記色合成素子が、前記第１偏光ビームスプリッタにより合成された前記第１波長領域の第２直線偏光と前記第２波長領域の第１直線偏光と、前記第２偏光ビームスプリッタから出射した前記第３波長領域の画像光とを合成して、前記投射光学系に導くことを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の投射型画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００９−１５１０８８（Ｐ２００９−１５１０８８Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−３２８７３０（Ｐ２００７−３２８７３０）
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１２月２０日（２００７．１２．２０）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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