投射型画像表示装置
【課題】投射型画像表示装置において、ダイクロイック膜の色分離特性の低下を抑えつつ、投射画像のコントラストを向上させる装置を提供する。
【解決手段】投射型画像表示装置は、入射光を互いの波長帯域が異なる複数の光に分離する色分離面を有する色分離素子と、前記色分離素子により分離された光が入射する光変調素子と、前記色分離素子と投射光学系との間に配置され、前記光変調素子により変調された光の光路を偏光方向に応じて分離して、前記投射光学系へと導く偏光分離素子と、前記色分離素子と前記光変調素子との間に配置された位相差板を有し、前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記位相差板の光学軸と前記色分離面の法線とは、実質的に、平行あるいは垂直である。
【解決手段】投射型画像表示装置は、入射光を互いの波長帯域が異なる複数の光に分離する色分離面を有する色分離素子と、前記色分離素子により分離された光が入射する光変調素子と、前記色分離素子と投射光学系との間に配置され、前記光変調素子により変調された光の光路を偏光方向に応じて分離して、前記投射光学系へと導く偏光分離素子と、前記色分離素子と前記光変調素子との間に配置された位相差板を有し、前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記位相差板の光学軸と前記色分離面の法線とは、実質的に、平行あるいは垂直である。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を色分離する投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な方式で画像の表示を行う投射型画像表示装置（液晶プロジェクタ）が提案されている。特許文献１には、偏光分離素子と、クロスダイクロイックプリズムを用いて、光源からの光を複数の波長帯域の光に分離し、それら分離した光を各波長帯域の光に対応した反射型の画像表示素子（光変調素子）に照射する構成が開示されている。反射型の画像表示素子に照射された光は、画像信号に応じてその偏光状態が変えられて反射され、再びクロスダイクロイックプリズム、偏光分離素子を介してスクリーンに投射される。
【０００３】
特許文献１は、クロスダイクロイックプリズムのダイクロイック膜により生じる位相差によって、投射画像のコントラストが低下するのを抑えるために、ダイクロイック膜によって生じる位相差が１５度以下になるように、ダイクロイック膜を設計している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３７５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のダイクロイック膜では、ダイクロイック膜の色分離特性が低下してしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の投射型画像表示装置は、
入射光を互いの波長帯域が異なる複数の光に分離する色分離面を有する色分離素子と、
前記色分離素子により分離された光が入射する光変調素子と、
前記色分離素子と投射光学系との間に配置され、前記光変調素子により変調された光の光路を偏光方向に応じて分離して、前記投射光学系へと導く偏光分離素子と、
前記色分離素子と前記光変調素子との間に配置された位相差板を有し、
前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記位相差板の光学軸と前記色分離面の法線とは、実質的に、平行あるいは垂直であることを特徴とする。
【０００７】
なお、投射光学系が一体に設けられた又は取り外し可能に装着される画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、ダイクロイック膜の色分離特性の低下を抑えつつ、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１、２の投射型画像表示装置の構成概略図
【図２】ダイクロイック膜の各偏光の透過率と位相差特性を示す図
【図３】ダイクロイック膜で生じる偏光変化を説明する図
【図４】本発明の位相差板についての説明図
【図５】本発明の実施例１のダイクロイック膜で生じる位相差の入射角度特性を示す図
【図６】本発明の実施例１の位相差補償の入射角度特性を示す図
【図７】本発明の実施例２のダイクロイック膜の各偏光の透過率と位相差特性を示す図
【図８】本発明の実施例２の各位相差板の位相差の入射角度特性を示す図
【図９】本発明の実施例２の位相補償後の各色光に対する位相差の入射角度特性を示す図
【図１０】本発明の実施例３の投射型画像表示装置の構成概略図
【図１１】本発明の実施例３の位相差板についての説明図
【図１２】本発明の実施例３の各位相差板の位相差の入射角度特性を示す図
【図１３】本発明の実施例３の位相補償後の各色光に対する位相差の入射角度特性を示す図
【図１４】本発明の実施例４の投射型画像表示装置の構成概略図
【図１５】本発明の実施例５の投射型画像表示装置の構成概略図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
【００１１】
《実施例１》
図１は、本発明の実施例１の投射型画像表示装置１００の構成概略図である。光源１から出射された照明光２（太い実線）は、照明光学系３を介して、偏光分離素子４に入射する。偏光分離素子４は、第１偏光（Ｐ偏光）を透過し、第２偏光（Ｓ偏光）を反射させる。照明光２は、複数の波長帯域の光を含む光である。尚、偏光分離素子４に入射する光は、偏光分離素子４よりも光源１側に配置された不図示の偏光変換素子により、偏光方向がほぼ揃えられている。
【００１２】
偏光分離素子４を透過した照明光２は、クロスダイクロイックプリズム５によって複数の波長帯域の光に分離される。ダイクロイック膜５ａは、青の波長帯域の光を反射させ、赤と緑の波長帯域の光を透過させる特性である。ダイクロイック膜５ｂは、赤の波長帯域の光を反射させ、青と緑の波長帯域の光を透過させる特性である。つまり、照明光２のうち青の波長帯域の光は、ダイクロイック膜５ａにより反射され、赤の波長帯域の光はダイクロイック膜５ｂにより反射される。緑の波長帯域の光はダイクロイック膜５ａ、ダイクロイック膜５ｂ両者を透過する。その結果、照明光２は、図１に細い実線で示した赤の波長帯域の光６ｒ、緑の波長帯域の光６ｇ、青の波長帯域の光６ｂに分離される。そして、各波長帯域の光６ｒ、６ｂ、６ｇ（以下、色光とも言う）は、各色光に対応した画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂ（光変調素子）を照明する。
【００１３】
画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂは、照明光２の偏光状態を画像信号に応じて変えて（変調して）反射させる素子である。画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂにより反射された画像光９ｒ、９ｇ、９ｂ（細い破線）は、再びクロスダイクロイックプリズム５に入射する。青の波長帯域の画像光９ｂは、ダイクロイック膜５ｂを透過し、ダイクロイック膜５ａによって反射され偏光分離素子４側へ射出される。赤の波長帯域の画像光９ｒは、ダイクロイック膜５ａを透過し、ダイクロイック膜５ｂにより反射され偏光分離素子４側へ射出される。緑の波長帯域の画像光９ｇは、ダイクロイック膜５ａ、ダイクロイック膜５ｂを両方透過して偏光分離素子４側へ射出される。
【００１４】
以上のように画像光９ｒ、９ｇ、９ｂは、ダイクロイック膜５ａ、ダイクロイック膜５ｂにより合成され、合成画像光１０（図１の太い破線）としてクロスダイクロイックプリズム５から出射する。出射した合成画像光１０は、偏光分離素子４によって投射光学系１２に導かれ、スクリーン（投射面）上に投射される。尚、偏光分離素子４と、クロスダイクロイックプリズム５と、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂを色分離合成光学系とする。
【００１５】
一般的に、ダイクロイック膜を透過または反射する光は、透過または反射の際に、位相差が生じてしまう。これにより、ダイクロイック膜は、入射光の偏光状態を変化させてしまうので、本来なら画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂにより変調された光のうち、偏光分離素子４を透過して光源側へと戻されるべき光（戻り光）が、投射光学系１２側へ導かれてしまう。この光（漏れ光）が、投射画像のコントラストを低下させてしまう。
【００１６】
位相差の生じ方は、ダイクロイック膜の層数や材質や厚みに依存する。ダイクロイック膜が、入射光に与える位相差の例を図２に示す。図２は、青の波長帯域の光を反射し、赤および緑の波長帯域を透過するダイクロイック膜の分光透過率と分光透過位相差特性である。図２の横軸は波長［ｎｍ］、左側の縦軸は、透過率が１００％のときを１として正規化したときの透過率である。図中の太い実線がＳ偏光透過率（左軸）、細い実線がＰ偏光透過率（左軸）、破線が透過位相差［ｄｅｇ］（右軸）を示している。尚、図２の右側の軸の位相差［ｄｅｇ］は、ダイクロイック膜に対して入射したＰ偏光とＳ偏光、それぞれに生じる位相変化の差である。図２からダイクロイック膜の透過帯域（５１０ｎｍよりも長波長側、６６０ｎｍよりも短波長側）においては、ダイクロイック膜で生じる位相差は、波長が長くなるのに対して滑らかに低減する。ただし、入射偏光が、ダイクロイック膜で生じる位相差により受ける影響は、入射光の方位角に依存する。
【００１７】
図３（ａ）、（ｂ）を用いて、ダイクロイック膜に入射する方位角が異なる場合における偏光状態の変化について説明する。尚、図３においては、入射光の偏光の振動方向は、ダイクロイック膜に入射する前に偏光板や偏光変換素子等により、ｘ方向に揃えられているものとして説明する。
【００１８】
まず、図３（ａ）に示すように、ダイクロイック膜５ａに対する入射光２Ａが、図中ｚ軸と平行な場合（ｘｚ面と平行な場合）には、入射光２Ａの偏光方向は、ダイクロイック膜を基準に定義される入射面内で振動するＰ偏光である。よって、入射光２Ａは、偏光の状態を保ってダイクロイック膜５ａを透過する。
【００１９】
一方、図３（ｂ）に示すように、入射光２Ｂが、ｘｚ面の外から入射する場合、ダイクロイック膜に対するＰ偏光断面、Ｓ偏光断面（入射面に垂直な断面）それぞれに成分をもつ。この結果、ダイクロイック膜５ａで生じる位相差の影響を受け、ダイクロイック膜５ａを透過する際に、その偏光状態が変化してしまう。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）では入射光の偏光の振動方向としてｘ方向を想定しているが、入射光の偏光の振動方向がｙ方向であっても、ｘｚ面から外れて入射する入射光は、ダイクロイック膜５ａを透過する際に、その偏光状態が変化してしまう。
【００２１】
さらに、ｚ軸となす角度が同じ入射光であっても、入射光の方位角（αの角度）によって、ダイクロイック膜５ａとなす角度が変化するため、入射光の受ける位相差は同じではない。図３（ｃ）に示すように、ｙ軸に対して非対称な偏光状態の変化が光路の往路と復路で生じる。その結果、偏光分離素子４での検光の際に漏れ光を生じ、投射画像のコントラストが低下してしまう。尚、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、透過光を例に説明を行ったが、反射光についても同様である。
【００２２】
ダイクロイック膜で生じる位相差は、特許文献１に開示されているように、設計によりダイクロイック膜の位相差が小さくなるように制御することで、漏れ光を抑制する事が可能である。しかし、高品位な画像表示を行うためには、所望の波長帯域において入射偏光に対する色分離特性の変化が少なく、かつ、透過領域で高い透過率、反射領域で高い反射率を持つ高性能なダイクロイック膜が必要となる。透過領域と反射領域の比を高めて色分離特性を向上させるためには積層膜数を増大する必要があるが、積層膜数が増大すると反対に位相差は増大する傾向がある。そうすると製造時の誤差やばらつきにより位相差が大きく変動することになる。そのため色分離特性と位相差特性を両立する設計は非常に難しく、また製造難易度も高いものになってしまう。
【００２３】
本発明者は、ダイクロイック膜を構成する繰り返し周期の積層膜の部分を、微細構造に基づく構造異方性と捉えることにより、ダイクロイック膜は、その光学軸が、ダイクロイック膜の面法線方向に傾いた位相差板と見なすことができることを見出した。
【００２４】
これに基づき、本発明の投射型画像表示装置１００（図１）は、クロスダイクロイックプリズム５と画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂとの間に、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂを配置する。さらに、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂの光学軸が、ダイクロイック膜５ａまたは５ｂの面法線方向と、実質的に、垂直または平行となるように設定している。これにより、光がダイクロイック膜５ａまたは５ｂを透過または反射する際に生じる位相差を適切に補償して、漏れ光を抑制することができる。
【００２５】
前述したとおり、ダイクロイック膜の屈折率異方性を１軸性の屈折率楕円体を用いて近似すると、ダイクロイック膜は、常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅのうち光学軸である異常光屈折率ｎｅが、面法線方向である位相差板と見なせる。よって、ダイクロイック膜で生じる位相差を補償する補償板としての位相差板７ｇの屈折率異方性は、ダイクロイック膜で生じる位相差をキャンセルするような屈折率異方性を有していればよい。具体的には、位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の大小関係が、ダイクロイック膜を近似した際の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と同じである場合には、以下のように設定する。ダイクロイック膜の異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の方向と位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の方向とが、実質的に、垂直になるよう設定する。また、位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係が、ダイクロイック膜を近似した際の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と異なる場合には、以下のように設定する。ダイクロイック膜の異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の方向と位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅ（光学軸）との方向が、実質的に、平行になるよう設定する。これにより、ダイクロイック膜５ａで発生した位相差を、位相差板７ｇが相殺する作用が働く。本明細書において、屈折率異方性が異なるとは、上述の関係を満足することである。
【００２６】
つまり、位相差板７ｇの光学軸が、ダイクロイック膜の光学軸、つまりダイクロイック膜の面法線と成す角度が、実質的に、垂直あるいは平行となるように位相差板７ｇの光学軸を設定することで、ダイクロイック膜で発生してしまった位相を補償することができる。
【００２７】
以上の説明は、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂを代表して位相差板７ｇを用いて説明したが、位相差板７ｒ、７ｂについても同様である。
【００２８】
光学軸の方向は、エリプソメトリーやポラリメータなどの装置で解析することが可能である。
【００２９】
より詳細に、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。尚、図４（ａ）、（ｂ）では、簡略化のために緑の波長帯域の光路を抜き出して表示しているが、他の波長帯域の光路についても同じである。
【００３０】
位相差板７ｇの光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜５ａの面法線ｍとクロスダイクロイックプリズム５の出射面法線ｎ（あるいは、入射面法線ｎ）とに平行な断面内にある。画像表示素子の法線とダイクロイック膜５ａの面法線ｍとに平行な断面内にあると言い換えてもよい。そして、位相差板７ｇの光学軸の方向ｃを、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して、垂直（図４（ａ））または平行（図４（ｂ））になるように設定する。
【００３１】
図４（ａ）では、位相差板７ｇの光学軸の方向ｃを、ダイクロイック膜５ａの面法線ｍと垂直になるよう設定している。図４（ｂ）では、位相差板７ｇの光学軸の方向ｃをダイクロイック膜５ａの面法線ｍと平行になるよう設定している。図４（ａ）、（ｂ）のように位相差板７ｇの光学軸を適切に設定することで、ダイクロイック膜５ａで生じる入射方位によって非対称な位相差を補償し、偏光状態が変化してしまうことを抑えることができる。
【００３２】
図５は、図２に示した特性のダイクロイック膜において生じる位相差Δ［ｄｅｇ］と入射角度［ｄｅｇ］の関係を示す。使用した波長は、５３２ｎｍである。横軸は、ダイクロイック膜の法線に対する光の入射角度である。縦軸は、位相差Δ［ｄｅｇ］である。太い破線は、ダイクロイック膜で生じる位相差である。実線は、太い破線で示したダイクロイック膜により受ける位相差に対し、位相差板として最適な補償の位相差特性である。長い破線は、水晶からなる位相差板を図４（ａ）の構成で用いた場合の位相差特性（補償特性）である。理想的には、Ｐ偏光とＳ偏光の位相差が、入射角度に依らず、常に３６０度であることが好ましい。しかし、実際には図５の太破線で示すようなＰ偏光とＳ偏光の位相差が生じてしまう。そこで、それを補償するための理想的な特性が実線である。そして、本発明の１枚の位相差板を配置した場合の特性が細い破線である。
【００３３】
図５に実線で示した最適な補償特性と図５に長破線で示した位相差特性との差を図６に実線で示す。図６の矢印は、参照すべき縦軸を指している。図６の横軸は、光線の入射角度［ｄｅｇ］、縦軸は位相差［ｄｅｇ］である。図６の破線は、位相差板を用いない場合（位相差板により補償を行う前）にダイクロイック膜で生じる位相差である。これに対応する位相差［ｄｅｇ］は、図６の右側の軸である。図６から、光学軸の方向ｃが、本発明のように傾いた位相差板７ｇを用いることで、ダイクロイック膜で生じる位相差が打ち消されていることがわかる。図４（ｂ）の構成においても、同様の効果が得られる。
【００３４】
尚、図６の一点鎖線は、互いに特性の異なる位相差板を２枚用いた場合の理想的な補償特性と位相差板の位相差特性との差である。２枚の位相差板を用いることで、４５度以外の入射角度でも位相差が低減されている。これについては実施例２で説明する。
【００３５】
以上の説明のとおり、画像表示素子とクロスダイクロイックプリズムの間に、光学軸の方向ｃが適当に設定された位相差板を設けることで、ダイクロイック膜により受ける位相差を補償することができる。これにより、入射光の偏光状態の変化を小さく抑え、漏れ光を抑制し、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【００３６】
また、本発明の他の効果として、ダイクロイック膜の構造を複雑にする必要がないので、ダイクロイック膜の設計や製造の難度を低減することができる点が挙げられる。
【００３７】
《実施例２》
では、実施例２の投射型画像表示装置の構成について説明する。光学系の概略は図１と同じである。光源１には中心波長がそれぞれ６４０［ｎｍ］、５３２［ｎｍ］、４６０［ｎｍ］の３つの固体発光光源を用いる。中心波長が６４０［ｎｍ］の赤色光、中心波長が５３２［ｎｍ］の緑色光、及び４６０［ｎｍ］の青色光の各波長分布の半値幅は３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
また、光源１から発せられる光が非偏光光の場合には、偏光変換素子などを用いて直線偏光に揃える必要があるが、光源１から発せられる光が偏光光の場合には、偏光変換素子は必要ない。
【００３９】
また、偏光分離素子４は、微細金属格子からなるワイヤーグリッド偏光子である。ワイヤーグリッドは、光入射面にそのピッチが可視光波長以下の周期的な凹凸構造を有する素子である。
【００４０】
また、クロスダイクロイックプリズムや画像表示素子等の光学系は、偏光分離素子４の透過側あるいは反射型のいずれに配置してもよい。実施例１、２においては、照明光学系３からの光が、偏光分離素子４を通過する際に生じる非点収差を抑制するために、クロスダイクロイックプリズムと画像表示素子を、偏光分離素子４の透過側に配置している。これにより、偏光分離素子４により反射された反射光が、投射光学系１２へと導かれるので、非点収差が抑制される。
【００４１】
表１、表２にダイクロイック膜５ａ、５ｂの膜の構成を示す。また、図７（ａ）、（ｂ）にダイクロイック膜５ａ、５ｂの分光透過率および分光透過位相差を示す。太い実線が、Ｓ偏光透過率（左軸）、細い実線がＰ偏光透過率（左軸）、破線が透過位相差Δ［ｄｅｇ］（右軸）を示している。
【００４２】
ダイクロイック膜５ａは、中心波長４６０［ｎｍ］の光を反射し、中心波長５３２［ｎｍ］、６４０［ｎｍ］の光を透過する特性を示す。ダイクロイック膜５ｂは、中心波長４６０［ｎｍ］、５３２［ｎｍ］の光を透過し、中心波長６４０［ｎｍ］の光を反射する特性を示す。
【００４３】
表３に実施例２の位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂの構成を示す。表３の軸角度［ｄｅｇ］は、位相差板の光学軸の設定角度を表す。青色用の位相差板７ｂと緑色用の位相差板７ｇの光学軸は、ダイクロイック膜５ａの面法線を基準としたときの傾斜角度である。位相差板７ｒの光学軸の軸角度は、ダイクロイック膜５ｂの面法線を基準としたときの傾斜角度である。
【００４４】
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、実施例２の位相差板の位相差の入射角度特性を破線で示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂに対応し、実線は、ダイクロイック膜５ａ、５ｂに対する最適な位相補償特性である。
【００４５】
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に実線と破線で示した２つの位相差曲線の差を図９に示す。図９の実線が緑色光（緑の波長帯域の光）、破線が赤色光（赤の波長帯域の光）、一点鎖線が青色光（青の波長帯域の光）の位相差である。ダイクロイック膜への入射角度が４５度付近における位相差が、位相差板の光学軸を本発明のように設定することにより、小さく抑えられている。この結果、ダイクロイック膜で生じる位相差を抑制し、位相差板を配置しない場合に比べて、漏れ光を１／４以下に低減させることが出来た。入射光束のＦｎｏ（Ｆナンバー）を４．０とした場合、位相差板の効果により、位相差板を配置しない場合に比べ、コントラストは４０：１から２００：１に上昇した。
【００４６】
《実施例３》
実施例３の投射型画像表示装置について図１０を用いて説明する。実施例１と異なる点は、第１の位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂとクロスダイクロイックプリズム５の間に、第２の位相差板１３ｒ、１３ｇ、１３ｂを配置している点である。
【００４７】
図１１に、第１の位相差板７ｇと第２の位相差板１３ｇを配置した投射型画像表示装置（図１０）の構成の一部を示す。分かりやすくするために、クロスダイクロイックプリズムの２つのダイクロイック膜のうち一方のみを示している。図１１のｘｚ断面内において、第１の位相差板７ｇの光学軸の方向ｃ１と第２の位相差板１３ｇの光学軸の方向ｃ２は、互いに直交する。
【００４８】
このように、光学軸の方向が異なる２枚の位相差板を組み合わせることにより、図６の一点鎖線で示したように、更に高い補償効果を得る事が出来る。位相差板の枚数が多ければ多いほど、より精度の高い補償ができる。
【００４９】
実施例３において、第１の位相差板７ｇの光学軸と第２の位相差板１３ｇの光学軸の関係は、ダイクロイック膜を近似した光学軸と第１の位相差板７ｇの光学軸の関係と同じである。第１の位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の大小関係と第２の位相差板１３ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係が同じ場合は、以下のように設定するのが好ましい。第１の位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅと第２の位相差板１３ｇの異常光屈折率ｎｅの方向が、互いに直交するよう設定する。第１の位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と第２の位相差板１３ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係が異なる場合は、以下のように設定するのが好ましい。第１の位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅと第２の位相差板１３ｇの異常光屈折率ｎｅの方向が、互いに平行になるよう設定する。これにより、第１の位相差板７ｇで発生した位相差を、第２の位相差板１３ｇが相殺する作用をもつので、より精度の良い位相補償効果を得ることができる。
【００５０】
また、第２の位相差板１３ｇの光学軸の方向ｃ２と第１の位相差板の光学軸の方向ｃ１とは、必ずしも互いに直交する必要はなく、異なっていればよい。理由は、それぞれの位相差板の屈折率異方性によっては、厳密に直交せずとも１枚のみの位相差板を配置した場合に比べて、位相差を補償する効果が得られるからである。
【００５１】
以上の説明に置いて、緑の波長帯域の光路に配置された位相差板７ｇ、位相差板１３ｇを例に挙げて説明したが、赤の波長帯域の光路に配置された位相差板７ｒ、位相差板１３ｒ、青の波長帯域の光路に配置された位相差板７ｂ、位相差板１３ｂも同様である。
【００５２】
表４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、実施例３の位相差板７ｒ、１３ｒと７ｇ、１３ｇ、並びに７ｂ、１３ｂの構成を示す。軸角度の定義は、表３と同じである。
【００５３】
図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、図８と同様に、図１０に示す構成において、入射角度［ｄｅｇ］に対する位相差［ｄｅｇ］を示す。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ赤、緑、青の光路に対応する。実線は、ダイクロイック膜において生じる位相差を補正するのに、最適な補償特性である。破線は、それぞれの光路に配置された２枚の位相差板の入射角度に対する位相補償特性である。実線、破線ともに、２枚の位相差板の位相差の総和である。
【００５４】
図１３に、図１２に実線と破線で示した２つの位相差曲線の差を、それぞれの色光について示す。図９に比べ、赤（破線）、青（一点鎖線）の波長帯域で位相差がより小さく抑えられていることがわかる。
【００５５】
実施例３において、２枚の位相差板を用いてダイクロイック膜で生じる位相差を補償した。この２枚の位相差板に加えて、画像表示素子の液晶分子などで生じる位相差の補償のために、上記以外の特性の位相差板を追加しても良い。これにより、更にコントラストを高めることができる。
【００５６】
《実施例４》
本発明の他の形態を図１４に示す。図１４において、図１の構成と異なる点は、色分離素子がクロスダイクロイックプリズムではなく、複数のダイクロイックプリズムで構成される点である。図１４のような構成とすることで、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、図１４に示した形態の他の効果としては、ダイクロイック膜の面法線方向が同じ方向に統一されるため、位相補償がより行いやすくなる点が挙げられる。
【００５７】
《実施例５》
本発明の他の形態を図１５に示す。図１の構成と異なる点は、位相差板７ｇをダイクロイック膜とクロスダイクロイックプリズムを構成する角柱状プリズムとの間に配置した点である。図１５のような構成とすることで、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、図１５に示した形態の他の効果としては、ダイクロイック膜５ａ、５ｂそれぞれに対して最適化した位相差板を配置することができるので、より高いコントラストを得ることができる点が挙げられる。もちろん、青、赤の光路に配置する位相差板を、図１５のようにしても、同様の効果が得られる。
【００５８】
尚、上記各実施例において、位相差板の光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して厳密に平行または垂直となるように設定する必要はない。位相差板の光学軸の方向ｃが、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して平行または垂直とは、光学軸の方向ｃとダイクロイック膜の面法線ｍとが成す角度θが、下記の条件式（１）を満足する範囲を含む。
０≦θ≦１０［ｄｅｇ］・・・（式１Ａ）または
８０≦θ≦９０［ｄｅｇ］・・・（式１Ｂ）
式１Ａと式１Ｂの２つの範囲を持つのは、光学軸の方向ｃと面法線ｍが平行な場合と、垂直な場合があるためである。角度θが式１Ａ、式１Ｂの範囲１から外れると、ダイクロイック膜で生じる位相差を補償する効果が低下するため、角度θは、式１Ａ、または、式１Ｂを満たすことが好ましい。
【００５９】
より好ましくは、角度θは以下の式を満足するのが良い。
０≦θ≦５［ｄｅｇ］・・・（式２Ａ）または
８５≦θ≦９０［ｄｅｇ］・・・（式２Ｂ）
また、位相差板の光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜の面法線ｍとプリズム入出射面の面法線ｎの両方を含む面内に厳密に含まれる必要はない。好ましくは、ダイクロイック膜の面法線ｍとプリズムの入出射面の面法線の両方を含む面から５度以内であればよい。
【００６０】
また、上記の位相差板を第１の位相差板とし、ダイクロイック膜と画像表示素子との間にさらに第２の位相差板が挿入される場合についても、第２の位相差板の光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して厳密に平行または垂直に設定する必要はない。
【００６１】
また、位相差板の材質としては様々なものを用いることができる。例えば、液晶分子を所望の方向へと配向させたものや、高分子フィルムを延伸した位相差フィルムなどでも良い。また、結晶材料の屈折率異方性を利用して、所望の軸角度で切り出ししたものや、波長以下の微細な周期構造による構造複屈折を利用した位相差板であっても良く、位相差板の材質や製法には限定されない。
【００６２】
また、位相差板の与える位相差は、ダイクロイック膜で生じる位相差を補償するように位相差を付与することが好ましい。ダイクロイック膜の膜厚あるいは膜総数が増えれば、入射光に付与されてしまう位相差も増えるので、位相板の位相差も大きくすればよい。
【００６３】
また、位相差板は、赤、緑、青の波長帯域の光路のうち、いずれか１つの色光の光路に配置すれば本発明の効果を得ることができる。より好ましくは、すべての色光の光路に配置するのがよい。これにより、より漏れ光を低減し、高いコントラストを得ることができる。
【００６４】
また、画像表示素子は反射型の画像表示素子に限られず、透過型の画像表示素子であってもよい。例えば、偏光分離手段と透過型の画像表示素子との間にダイクロイックミラーが配置されているような投射型画像表示装置において、ダイクロイックミラーと透過型の画像表示素子との間に、位相差板を配置すればよい。そして、位相差板の光学軸は、ダイクロイックミラーの色分離面の面法線ｍと、透過型の画像表示素子の法線とを含む面内に、光学軸の方向が面法線ｍと垂直あるいは平行にすればよい。これにより、高コントラストな投射型画像表示装置を提供できる。
【００６５】
また、光源の種類が変わっても、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して、平行あるいは垂直な方向に光学軸を有する位相差板を、ダイクロイックプリズムと画像表示素子との間に配置すれば、漏れ光の低減効果が得られる。例えば、赤、緑、青の波長帯域の幅は光源の種類によって異なるが、どのような光源を用いても良い。赤、緑、青の波長帯域の光を含む光源を用いてもよいし、赤、緑、青の３色の固体発光光源を組み合わせ、ダイクロイックミラー等の色合成素子を用いて光路を合成して使用しても良い。より好ましくは、各色の波長帯域における波長分布の半値幅が、３０ｎｍ以下の光源を用いることが好ましい。このような光源としては、レーザやＬＥＤなどの固体発光光源がある。位相差に波長分散（波長に依存する位相差のズレ）があるため、波長帯域が広いと最適値からのズレが増えていくが、使用する波長帯域が狭いほど、最適値からのズレが低減し、より精度よく補償できるからである。また、帯域幅のより狭い光源を用いることで、ダイクロイック膜の設計や製造も容易にできる。また、色分離の際にも、使用波長帯域外の光の反射が生じるのを抑え、ゴースト光を生じにくくなる。
【００６６】
また、各実施例において、画像表示素子により反射された画像光を最終的に投射光学系側へと導くとともに、不要光を光源側へと戻す偏光分離素子４の種類を、ワイヤーグリッド型の偏光子としたが、これに限られない。例えば、プリズムのある面に薄膜を積層したタイプや、異方性屈折率の層を積層したタイプでも良い。ただし、ワイヤーグリッドに代表される、周期構造を用いた偏光分離素子を使用する場合は、消光比や角度特性が、薄膜を積層した偏光分離素子よりも漏れ光が抑えられるため、より好ましい。
【００６７】
また、画像表示素子へ入射する光束のうち、ダイクロイック膜の同一点に入射する光束の入射角度があまりに大きい場合には、全入射角度域全域で補償を行うことが困難になってくる。そのため、一定の位相補償効果を得るためには、光束の入射角度は２０度以下であることが好ましい。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
【００７１】
【表４】
【符号の説明】
【００７２】
５ クロスダイクロイックプリズム
５ａ、５ｂ ダイクロイック膜
７ｒ、７ｇ、７ｂ 位相差板
８ｒ、８ｇ、８ｂ 画像表示素子
１００ 投射型画像表示装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からの光を色分離する投射型画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な方式で画像の表示を行う投射型画像表示装置（液晶プロジェクタ）が提案されている。特許文献１には、偏光分離素子と、クロスダイクロイックプリズムを用いて、光源からの光を複数の波長帯域の光に分離し、それら分離した光を各波長帯域の光に対応した反射型の画像表示素子（光変調素子）に照射する構成が開示されている。反射型の画像表示素子に照射された光は、画像信号に応じてその偏光状態が変えられて反射され、再びクロスダイクロイックプリズム、偏光分離素子を介してスクリーンに投射される。
【０００３】
特許文献１は、クロスダイクロイックプリズムのダイクロイック膜により生じる位相差によって、投射画像のコントラストが低下するのを抑えるために、ダイクロイック膜によって生じる位相差が１５度以下になるように、ダイクロイック膜を設計している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２３７５６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のダイクロイック膜では、ダイクロイック膜の色分離特性が低下してしまうという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために本発明の投射型画像表示装置は、
入射光を互いの波長帯域が異なる複数の光に分離する色分離面を有する色分離素子と、
前記色分離素子により分離された光が入射する光変調素子と、
前記色分離素子と投射光学系との間に配置され、前記光変調素子により変調された光の光路を偏光方向に応じて分離して、前記投射光学系へと導く偏光分離素子と、
前記色分離素子と前記光変調素子との間に配置された位相差板を有し、
前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記位相差板の光学軸と前記色分離面の法線とは、実質的に、平行あるいは垂直であることを特徴とする。
【０００７】
なお、投射光学系が一体に設けられた又は取り外し可能に装着される画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、ダイクロイック膜の色分離特性の低下を抑えつつ、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１、２の投射型画像表示装置の構成概略図
【図２】ダイクロイック膜の各偏光の透過率と位相差特性を示す図
【図３】ダイクロイック膜で生じる偏光変化を説明する図
【図４】本発明の位相差板についての説明図
【図５】本発明の実施例１のダイクロイック膜で生じる位相差の入射角度特性を示す図
【図６】本発明の実施例１の位相差補償の入射角度特性を示す図
【図７】本発明の実施例２のダイクロイック膜の各偏光の透過率と位相差特性を示す図
【図８】本発明の実施例２の各位相差板の位相差の入射角度特性を示す図
【図９】本発明の実施例２の位相補償後の各色光に対する位相差の入射角度特性を示す図
【図１０】本発明の実施例３の投射型画像表示装置の構成概略図
【図１１】本発明の実施例３の位相差板についての説明図
【図１２】本発明の実施例３の各位相差板の位相差の入射角度特性を示す図
【図１３】本発明の実施例３の位相補償後の各色光に対する位相差の入射角度特性を示す図
【図１４】本発明の実施例４の投射型画像表示装置の構成概略図
【図１５】本発明の実施例５の投射型画像表示装置の構成概略図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に本発明の実施の形態を、添付の図面に基づいて説明する。
【００１１】
《実施例１》
図１は、本発明の実施例１の投射型画像表示装置１００の構成概略図である。光源１から出射された照明光２（太い実線）は、照明光学系３を介して、偏光分離素子４に入射する。偏光分離素子４は、第１偏光（Ｐ偏光）を透過し、第２偏光（Ｓ偏光）を反射させる。照明光２は、複数の波長帯域の光を含む光である。尚、偏光分離素子４に入射する光は、偏光分離素子４よりも光源１側に配置された不図示の偏光変換素子により、偏光方向がほぼ揃えられている。
【００１２】
偏光分離素子４を透過した照明光２は、クロスダイクロイックプリズム５によって複数の波長帯域の光に分離される。ダイクロイック膜５ａは、青の波長帯域の光を反射させ、赤と緑の波長帯域の光を透過させる特性である。ダイクロイック膜５ｂは、赤の波長帯域の光を反射させ、青と緑の波長帯域の光を透過させる特性である。つまり、照明光２のうち青の波長帯域の光は、ダイクロイック膜５ａにより反射され、赤の波長帯域の光はダイクロイック膜５ｂにより反射される。緑の波長帯域の光はダイクロイック膜５ａ、ダイクロイック膜５ｂ両者を透過する。その結果、照明光２は、図１に細い実線で示した赤の波長帯域の光６ｒ、緑の波長帯域の光６ｇ、青の波長帯域の光６ｂに分離される。そして、各波長帯域の光６ｒ、６ｂ、６ｇ（以下、色光とも言う）は、各色光に対応した画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂ（光変調素子）を照明する。
【００１３】
画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂは、照明光２の偏光状態を画像信号に応じて変えて（変調して）反射させる素子である。画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂにより反射された画像光９ｒ、９ｇ、９ｂ（細い破線）は、再びクロスダイクロイックプリズム５に入射する。青の波長帯域の画像光９ｂは、ダイクロイック膜５ｂを透過し、ダイクロイック膜５ａによって反射され偏光分離素子４側へ射出される。赤の波長帯域の画像光９ｒは、ダイクロイック膜５ａを透過し、ダイクロイック膜５ｂにより反射され偏光分離素子４側へ射出される。緑の波長帯域の画像光９ｇは、ダイクロイック膜５ａ、ダイクロイック膜５ｂを両方透過して偏光分離素子４側へ射出される。
【００１４】
以上のように画像光９ｒ、９ｇ、９ｂは、ダイクロイック膜５ａ、ダイクロイック膜５ｂにより合成され、合成画像光１０（図１の太い破線）としてクロスダイクロイックプリズム５から出射する。出射した合成画像光１０は、偏光分離素子４によって投射光学系１２に導かれ、スクリーン（投射面）上に投射される。尚、偏光分離素子４と、クロスダイクロイックプリズム５と、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂを色分離合成光学系とする。
【００１５】
一般的に、ダイクロイック膜を透過または反射する光は、透過または反射の際に、位相差が生じてしまう。これにより、ダイクロイック膜は、入射光の偏光状態を変化させてしまうので、本来なら画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂにより変調された光のうち、偏光分離素子４を透過して光源側へと戻されるべき光（戻り光）が、投射光学系１２側へ導かれてしまう。この光（漏れ光）が、投射画像のコントラストを低下させてしまう。
【００１６】
位相差の生じ方は、ダイクロイック膜の層数や材質や厚みに依存する。ダイクロイック膜が、入射光に与える位相差の例を図２に示す。図２は、青の波長帯域の光を反射し、赤および緑の波長帯域を透過するダイクロイック膜の分光透過率と分光透過位相差特性である。図２の横軸は波長［ｎｍ］、左側の縦軸は、透過率が１００％のときを１として正規化したときの透過率である。図中の太い実線がＳ偏光透過率（左軸）、細い実線がＰ偏光透過率（左軸）、破線が透過位相差［ｄｅｇ］（右軸）を示している。尚、図２の右側の軸の位相差［ｄｅｇ］は、ダイクロイック膜に対して入射したＰ偏光とＳ偏光、それぞれに生じる位相変化の差である。図２からダイクロイック膜の透過帯域（５１０ｎｍよりも長波長側、６６０ｎｍよりも短波長側）においては、ダイクロイック膜で生じる位相差は、波長が長くなるのに対して滑らかに低減する。ただし、入射偏光が、ダイクロイック膜で生じる位相差により受ける影響は、入射光の方位角に依存する。
【００１７】
図３（ａ）、（ｂ）を用いて、ダイクロイック膜に入射する方位角が異なる場合における偏光状態の変化について説明する。尚、図３においては、入射光の偏光の振動方向は、ダイクロイック膜に入射する前に偏光板や偏光変換素子等により、ｘ方向に揃えられているものとして説明する。
【００１８】
まず、図３（ａ）に示すように、ダイクロイック膜５ａに対する入射光２Ａが、図中ｚ軸と平行な場合（ｘｚ面と平行な場合）には、入射光２Ａの偏光方向は、ダイクロイック膜を基準に定義される入射面内で振動するＰ偏光である。よって、入射光２Ａは、偏光の状態を保ってダイクロイック膜５ａを透過する。
【００１９】
一方、図３（ｂ）に示すように、入射光２Ｂが、ｘｚ面の外から入射する場合、ダイクロイック膜に対するＰ偏光断面、Ｓ偏光断面（入射面に垂直な断面）それぞれに成分をもつ。この結果、ダイクロイック膜５ａで生じる位相差の影響を受け、ダイクロイック膜５ａを透過する際に、その偏光状態が変化してしまう。
【００２０】
図３（ａ）、（ｂ）では入射光の偏光の振動方向としてｘ方向を想定しているが、入射光の偏光の振動方向がｙ方向であっても、ｘｚ面から外れて入射する入射光は、ダイクロイック膜５ａを透過する際に、その偏光状態が変化してしまう。
【００２１】
さらに、ｚ軸となす角度が同じ入射光であっても、入射光の方位角（αの角度）によって、ダイクロイック膜５ａとなす角度が変化するため、入射光の受ける位相差は同じではない。図３（ｃ）に示すように、ｙ軸に対して非対称な偏光状態の変化が光路の往路と復路で生じる。その結果、偏光分離素子４での検光の際に漏れ光を生じ、投射画像のコントラストが低下してしまう。尚、図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）では、透過光を例に説明を行ったが、反射光についても同様である。
【００２２】
ダイクロイック膜で生じる位相差は、特許文献１に開示されているように、設計によりダイクロイック膜の位相差が小さくなるように制御することで、漏れ光を抑制する事が可能である。しかし、高品位な画像表示を行うためには、所望の波長帯域において入射偏光に対する色分離特性の変化が少なく、かつ、透過領域で高い透過率、反射領域で高い反射率を持つ高性能なダイクロイック膜が必要となる。透過領域と反射領域の比を高めて色分離特性を向上させるためには積層膜数を増大する必要があるが、積層膜数が増大すると反対に位相差は増大する傾向がある。そうすると製造時の誤差やばらつきにより位相差が大きく変動することになる。そのため色分離特性と位相差特性を両立する設計は非常に難しく、また製造難易度も高いものになってしまう。
【００２３】
本発明者は、ダイクロイック膜を構成する繰り返し周期の積層膜の部分を、微細構造に基づく構造異方性と捉えることにより、ダイクロイック膜は、その光学軸が、ダイクロイック膜の面法線方向に傾いた位相差板と見なすことができることを見出した。
【００２４】
これに基づき、本発明の投射型画像表示装置１００（図１）は、クロスダイクロイックプリズム５と画像表示素子８ｒ、８ｇ、８ｂとの間に、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂを配置する。さらに、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂの光学軸が、ダイクロイック膜５ａまたは５ｂの面法線方向と、実質的に、垂直または平行となるように設定している。これにより、光がダイクロイック膜５ａまたは５ｂを透過または反射する際に生じる位相差を適切に補償して、漏れ光を抑制することができる。
【００２５】
前述したとおり、ダイクロイック膜の屈折率異方性を１軸性の屈折率楕円体を用いて近似すると、ダイクロイック膜は、常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅのうち光学軸である異常光屈折率ｎｅが、面法線方向である位相差板と見なせる。よって、ダイクロイック膜で生じる位相差を補償する補償板としての位相差板７ｇの屈折率異方性は、ダイクロイック膜で生じる位相差をキャンセルするような屈折率異方性を有していればよい。具体的には、位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の大小関係が、ダイクロイック膜を近似した際の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と同じである場合には、以下のように設定する。ダイクロイック膜の異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の方向と位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の方向とが、実質的に、垂直になるよう設定する。また、位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係が、ダイクロイック膜を近似した際の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と異なる場合には、以下のように設定する。ダイクロイック膜の異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の方向と位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅ（光学軸）との方向が、実質的に、平行になるよう設定する。これにより、ダイクロイック膜５ａで発生した位相差を、位相差板７ｇが相殺する作用が働く。本明細書において、屈折率異方性が異なるとは、上述の関係を満足することである。
【００２６】
つまり、位相差板７ｇの光学軸が、ダイクロイック膜の光学軸、つまりダイクロイック膜の面法線と成す角度が、実質的に、垂直あるいは平行となるように位相差板７ｇの光学軸を設定することで、ダイクロイック膜で発生してしまった位相を補償することができる。
【００２７】
以上の説明は、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂを代表して位相差板７ｇを用いて説明したが、位相差板７ｒ、７ｂについても同様である。
【００２８】
光学軸の方向は、エリプソメトリーやポラリメータなどの装置で解析することが可能である。
【００２９】
より詳細に、図４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。尚、図４（ａ）、（ｂ）では、簡略化のために緑の波長帯域の光路を抜き出して表示しているが、他の波長帯域の光路についても同じである。
【００３０】
位相差板７ｇの光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜５ａの面法線ｍとクロスダイクロイックプリズム５の出射面法線ｎ（あるいは、入射面法線ｎ）とに平行な断面内にある。画像表示素子の法線とダイクロイック膜５ａの面法線ｍとに平行な断面内にあると言い換えてもよい。そして、位相差板７ｇの光学軸の方向ｃを、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して、垂直（図４（ａ））または平行（図４（ｂ））になるように設定する。
【００３１】
図４（ａ）では、位相差板７ｇの光学軸の方向ｃを、ダイクロイック膜５ａの面法線ｍと垂直になるよう設定している。図４（ｂ）では、位相差板７ｇの光学軸の方向ｃをダイクロイック膜５ａの面法線ｍと平行になるよう設定している。図４（ａ）、（ｂ）のように位相差板７ｇの光学軸を適切に設定することで、ダイクロイック膜５ａで生じる入射方位によって非対称な位相差を補償し、偏光状態が変化してしまうことを抑えることができる。
【００３２】
図５は、図２に示した特性のダイクロイック膜において生じる位相差Δ［ｄｅｇ］と入射角度［ｄｅｇ］の関係を示す。使用した波長は、５３２ｎｍである。横軸は、ダイクロイック膜の法線に対する光の入射角度である。縦軸は、位相差Δ［ｄｅｇ］である。太い破線は、ダイクロイック膜で生じる位相差である。実線は、太い破線で示したダイクロイック膜により受ける位相差に対し、位相差板として最適な補償の位相差特性である。長い破線は、水晶からなる位相差板を図４（ａ）の構成で用いた場合の位相差特性（補償特性）である。理想的には、Ｐ偏光とＳ偏光の位相差が、入射角度に依らず、常に３６０度であることが好ましい。しかし、実際には図５の太破線で示すようなＰ偏光とＳ偏光の位相差が生じてしまう。そこで、それを補償するための理想的な特性が実線である。そして、本発明の１枚の位相差板を配置した場合の特性が細い破線である。
【００３３】
図５に実線で示した最適な補償特性と図５に長破線で示した位相差特性との差を図６に実線で示す。図６の矢印は、参照すべき縦軸を指している。図６の横軸は、光線の入射角度［ｄｅｇ］、縦軸は位相差［ｄｅｇ］である。図６の破線は、位相差板を用いない場合（位相差板により補償を行う前）にダイクロイック膜で生じる位相差である。これに対応する位相差［ｄｅｇ］は、図６の右側の軸である。図６から、光学軸の方向ｃが、本発明のように傾いた位相差板７ｇを用いることで、ダイクロイック膜で生じる位相差が打ち消されていることがわかる。図４（ｂ）の構成においても、同様の効果が得られる。
【００３４】
尚、図６の一点鎖線は、互いに特性の異なる位相差板を２枚用いた場合の理想的な補償特性と位相差板の位相差特性との差である。２枚の位相差板を用いることで、４５度以外の入射角度でも位相差が低減されている。これについては実施例２で説明する。
【００３５】
以上の説明のとおり、画像表示素子とクロスダイクロイックプリズムの間に、光学軸の方向ｃが適当に設定された位相差板を設けることで、ダイクロイック膜により受ける位相差を補償することができる。これにより、入射光の偏光状態の変化を小さく抑え、漏れ光を抑制し、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【００３６】
また、本発明の他の効果として、ダイクロイック膜の構造を複雑にする必要がないので、ダイクロイック膜の設計や製造の難度を低減することができる点が挙げられる。
【００３７】
《実施例２》
では、実施例２の投射型画像表示装置の構成について説明する。光学系の概略は図１と同じである。光源１には中心波長がそれぞれ６４０［ｎｍ］、５３２［ｎｍ］、４６０［ｎｍ］の３つの固体発光光源を用いる。中心波長が６４０［ｎｍ］の赤色光、中心波長が５３２［ｎｍ］の緑色光、及び４６０［ｎｍ］の青色光の各波長分布の半値幅は３０ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
また、光源１から発せられる光が非偏光光の場合には、偏光変換素子などを用いて直線偏光に揃える必要があるが、光源１から発せられる光が偏光光の場合には、偏光変換素子は必要ない。
【００３９】
また、偏光分離素子４は、微細金属格子からなるワイヤーグリッド偏光子である。ワイヤーグリッドは、光入射面にそのピッチが可視光波長以下の周期的な凹凸構造を有する素子である。
【００４０】
また、クロスダイクロイックプリズムや画像表示素子等の光学系は、偏光分離素子４の透過側あるいは反射型のいずれに配置してもよい。実施例１、２においては、照明光学系３からの光が、偏光分離素子４を通過する際に生じる非点収差を抑制するために、クロスダイクロイックプリズムと画像表示素子を、偏光分離素子４の透過側に配置している。これにより、偏光分離素子４により反射された反射光が、投射光学系１２へと導かれるので、非点収差が抑制される。
【００４１】
表１、表２にダイクロイック膜５ａ、５ｂの膜の構成を示す。また、図７（ａ）、（ｂ）にダイクロイック膜５ａ、５ｂの分光透過率および分光透過位相差を示す。太い実線が、Ｓ偏光透過率（左軸）、細い実線がＰ偏光透過率（左軸）、破線が透過位相差Δ［ｄｅｇ］（右軸）を示している。
【００４２】
ダイクロイック膜５ａは、中心波長４６０［ｎｍ］の光を反射し、中心波長５３２［ｎｍ］、６４０［ｎｍ］の光を透過する特性を示す。ダイクロイック膜５ｂは、中心波長４６０［ｎｍ］、５３２［ｎｍ］の光を透過し、中心波長６４０［ｎｍ］の光を反射する特性を示す。
【００４３】
表３に実施例２の位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂの構成を示す。表３の軸角度［ｄｅｇ］は、位相差板の光学軸の設定角度を表す。青色用の位相差板７ｂと緑色用の位相差板７ｇの光学軸は、ダイクロイック膜５ａの面法線を基準としたときの傾斜角度である。位相差板７ｒの光学軸の軸角度は、ダイクロイック膜５ｂの面法線を基準としたときの傾斜角度である。
【００４４】
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、実施例２の位相差板の位相差の入射角度特性を破線で示す。図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ、位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂに対応し、実線は、ダイクロイック膜５ａ、５ｂに対する最適な位相補償特性である。
【００４５】
図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に実線と破線で示した２つの位相差曲線の差を図９に示す。図９の実線が緑色光（緑の波長帯域の光）、破線が赤色光（赤の波長帯域の光）、一点鎖線が青色光（青の波長帯域の光）の位相差である。ダイクロイック膜への入射角度が４５度付近における位相差が、位相差板の光学軸を本発明のように設定することにより、小さく抑えられている。この結果、ダイクロイック膜で生じる位相差を抑制し、位相差板を配置しない場合に比べて、漏れ光を１／４以下に低減させることが出来た。入射光束のＦｎｏ（Ｆナンバー）を４．０とした場合、位相差板の効果により、位相差板を配置しない場合に比べ、コントラストは４０：１から２００：１に上昇した。
【００４６】
《実施例３》
実施例３の投射型画像表示装置について図１０を用いて説明する。実施例１と異なる点は、第１の位相差板７ｒ、７ｇ、７ｂとクロスダイクロイックプリズム５の間に、第２の位相差板１３ｒ、１３ｇ、１３ｂを配置している点である。
【００４７】
図１１に、第１の位相差板７ｇと第２の位相差板１３ｇを配置した投射型画像表示装置（図１０）の構成の一部を示す。分かりやすくするために、クロスダイクロイックプリズムの２つのダイクロイック膜のうち一方のみを示している。図１１のｘｚ断面内において、第１の位相差板７ｇの光学軸の方向ｃ１と第２の位相差板１３ｇの光学軸の方向ｃ２は、互いに直交する。
【００４８】
このように、光学軸の方向が異なる２枚の位相差板を組み合わせることにより、図６の一点鎖線で示したように、更に高い補償効果を得る事が出来る。位相差板の枚数が多ければ多いほど、より精度の高い補償ができる。
【００４９】
実施例３において、第１の位相差板７ｇの光学軸と第２の位相差板１３ｇの光学軸の関係は、ダイクロイック膜を近似した光学軸と第１の位相差板７ｇの光学軸の関係と同じである。第１の位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅ（光学軸）の大小関係と第２の位相差板１３ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係が同じ場合は、以下のように設定するのが好ましい。第１の位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅと第２の位相差板１３ｇの異常光屈折率ｎｅの方向が、互いに直交するよう設定する。第１の位相差板７ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と第２の位相差板１３ｇの常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係が異なる場合は、以下のように設定するのが好ましい。第１の位相差板７ｇの異常光屈折率ｎｅと第２の位相差板１３ｇの異常光屈折率ｎｅの方向が、互いに平行になるよう設定する。これにより、第１の位相差板７ｇで発生した位相差を、第２の位相差板１３ｇが相殺する作用をもつので、より精度の良い位相補償効果を得ることができる。
【００５０】
また、第２の位相差板１３ｇの光学軸の方向ｃ２と第１の位相差板の光学軸の方向ｃ１とは、必ずしも互いに直交する必要はなく、異なっていればよい。理由は、それぞれの位相差板の屈折率異方性によっては、厳密に直交せずとも１枚のみの位相差板を配置した場合に比べて、位相差を補償する効果が得られるからである。
【００５１】
以上の説明に置いて、緑の波長帯域の光路に配置された位相差板７ｇ、位相差板１３ｇを例に挙げて説明したが、赤の波長帯域の光路に配置された位相差板７ｒ、位相差板１３ｒ、青の波長帯域の光路に配置された位相差板７ｂ、位相差板１３ｂも同様である。
【００５２】
表４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、実施例３の位相差板７ｒ、１３ｒと７ｇ、１３ｇ、並びに７ｂ、１３ｂの構成を示す。軸角度の定義は、表３と同じである。
【００５３】
図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に、図８と同様に、図１０に示す構成において、入射角度［ｄｅｇ］に対する位相差［ｄｅｇ］を示す。図１２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ赤、緑、青の光路に対応する。実線は、ダイクロイック膜において生じる位相差を補正するのに、最適な補償特性である。破線は、それぞれの光路に配置された２枚の位相差板の入射角度に対する位相補償特性である。実線、破線ともに、２枚の位相差板の位相差の総和である。
【００５４】
図１３に、図１２に実線と破線で示した２つの位相差曲線の差を、それぞれの色光について示す。図９に比べ、赤（破線）、青（一点鎖線）の波長帯域で位相差がより小さく抑えられていることがわかる。
【００５５】
実施例３において、２枚の位相差板を用いてダイクロイック膜で生じる位相差を補償した。この２枚の位相差板に加えて、画像表示素子の液晶分子などで生じる位相差の補償のために、上記以外の特性の位相差板を追加しても良い。これにより、更にコントラストを高めることができる。
【００５６】
《実施例４》
本発明の他の形態を図１４に示す。図１４において、図１の構成と異なる点は、色分離素子がクロスダイクロイックプリズムではなく、複数のダイクロイックプリズムで構成される点である。図１４のような構成とすることで、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、図１４に示した形態の他の効果としては、ダイクロイック膜の面法線方向が同じ方向に統一されるため、位相補償がより行いやすくなる点が挙げられる。
【００５７】
《実施例５》
本発明の他の形態を図１５に示す。図１の構成と異なる点は、位相差板７ｇをダイクロイック膜とクロスダイクロイックプリズムを構成する角柱状プリズムとの間に配置した点である。図１５のような構成とすることで、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、図１５に示した形態の他の効果としては、ダイクロイック膜５ａ、５ｂそれぞれに対して最適化した位相差板を配置することができるので、より高いコントラストを得ることができる点が挙げられる。もちろん、青、赤の光路に配置する位相差板を、図１５のようにしても、同様の効果が得られる。
【００５８】
尚、上記各実施例において、位相差板の光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して厳密に平行または垂直となるように設定する必要はない。位相差板の光学軸の方向ｃが、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して平行または垂直とは、光学軸の方向ｃとダイクロイック膜の面法線ｍとが成す角度θが、下記の条件式（１）を満足する範囲を含む。
０≦θ≦１０［ｄｅｇ］・・・（式１Ａ）または
８０≦θ≦９０［ｄｅｇ］・・・（式１Ｂ）
式１Ａと式１Ｂの２つの範囲を持つのは、光学軸の方向ｃと面法線ｍが平行な場合と、垂直な場合があるためである。角度θが式１Ａ、式１Ｂの範囲１から外れると、ダイクロイック膜で生じる位相差を補償する効果が低下するため、角度θは、式１Ａ、または、式１Ｂを満たすことが好ましい。
【００５９】
より好ましくは、角度θは以下の式を満足するのが良い。
０≦θ≦５［ｄｅｇ］・・・（式２Ａ）または
８５≦θ≦９０［ｄｅｇ］・・・（式２Ｂ）
また、位相差板の光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜の面法線ｍとプリズム入出射面の面法線ｎの両方を含む面内に厳密に含まれる必要はない。好ましくは、ダイクロイック膜の面法線ｍとプリズムの入出射面の面法線の両方を含む面から５度以内であればよい。
【００６０】
また、上記の位相差板を第１の位相差板とし、ダイクロイック膜と画像表示素子との間にさらに第２の位相差板が挿入される場合についても、第２の位相差板の光学軸の方向ｃは、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して厳密に平行または垂直に設定する必要はない。
【００６１】
また、位相差板の材質としては様々なものを用いることができる。例えば、液晶分子を所望の方向へと配向させたものや、高分子フィルムを延伸した位相差フィルムなどでも良い。また、結晶材料の屈折率異方性を利用して、所望の軸角度で切り出ししたものや、波長以下の微細な周期構造による構造複屈折を利用した位相差板であっても良く、位相差板の材質や製法には限定されない。
【００６２】
また、位相差板の与える位相差は、ダイクロイック膜で生じる位相差を補償するように位相差を付与することが好ましい。ダイクロイック膜の膜厚あるいは膜総数が増えれば、入射光に付与されてしまう位相差も増えるので、位相板の位相差も大きくすればよい。
【００６３】
また、位相差板は、赤、緑、青の波長帯域の光路のうち、いずれか１つの色光の光路に配置すれば本発明の効果を得ることができる。より好ましくは、すべての色光の光路に配置するのがよい。これにより、より漏れ光を低減し、高いコントラストを得ることができる。
【００６４】
また、画像表示素子は反射型の画像表示素子に限られず、透過型の画像表示素子であってもよい。例えば、偏光分離手段と透過型の画像表示素子との間にダイクロイックミラーが配置されているような投射型画像表示装置において、ダイクロイックミラーと透過型の画像表示素子との間に、位相差板を配置すればよい。そして、位相差板の光学軸は、ダイクロイックミラーの色分離面の面法線ｍと、透過型の画像表示素子の法線とを含む面内に、光学軸の方向が面法線ｍと垂直あるいは平行にすればよい。これにより、高コントラストな投射型画像表示装置を提供できる。
【００６５】
また、光源の種類が変わっても、ダイクロイック膜の面法線ｍに対して、平行あるいは垂直な方向に光学軸を有する位相差板を、ダイクロイックプリズムと画像表示素子との間に配置すれば、漏れ光の低減効果が得られる。例えば、赤、緑、青の波長帯域の幅は光源の種類によって異なるが、どのような光源を用いても良い。赤、緑、青の波長帯域の光を含む光源を用いてもよいし、赤、緑、青の３色の固体発光光源を組み合わせ、ダイクロイックミラー等の色合成素子を用いて光路を合成して使用しても良い。より好ましくは、各色の波長帯域における波長分布の半値幅が、３０ｎｍ以下の光源を用いることが好ましい。このような光源としては、レーザやＬＥＤなどの固体発光光源がある。位相差に波長分散（波長に依存する位相差のズレ）があるため、波長帯域が広いと最適値からのズレが増えていくが、使用する波長帯域が狭いほど、最適値からのズレが低減し、より精度よく補償できるからである。また、帯域幅のより狭い光源を用いることで、ダイクロイック膜の設計や製造も容易にできる。また、色分離の際にも、使用波長帯域外の光の反射が生じるのを抑え、ゴースト光を生じにくくなる。
【００６６】
また、各実施例において、画像表示素子により反射された画像光を最終的に投射光学系側へと導くとともに、不要光を光源側へと戻す偏光分離素子４の種類を、ワイヤーグリッド型の偏光子としたが、これに限られない。例えば、プリズムのある面に薄膜を積層したタイプや、異方性屈折率の層を積層したタイプでも良い。ただし、ワイヤーグリッドに代表される、周期構造を用いた偏光分離素子を使用する場合は、消光比や角度特性が、薄膜を積層した偏光分離素子よりも漏れ光が抑えられるため、より好ましい。
【００６７】
また、画像表示素子へ入射する光束のうち、ダイクロイック膜の同一点に入射する光束の入射角度があまりに大きい場合には、全入射角度域全域で補償を行うことが困難になってくる。そのため、一定の位相補償効果を得るためには、光束の入射角度は２０度以下であることが好ましい。
【００６８】
【表１】
【００６９】
【表２】
【００７０】
【表３】
【００７１】
【表４】
【符号の説明】
【００７２】
５ クロスダイクロイックプリズム
５ａ、５ｂ ダイクロイック膜
７ｒ、７ｇ、７ｂ 位相差板
８ｒ、８ｇ、８ｂ 画像表示素子
１００ 投射型画像表示装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を互いの波長帯域が異なる複数の光に分離する色分離面を有する色分離素子と、
前記色分離素子により分離された光が入射する光変調素子と、
前記色分離素子と投射光学系との間に配置され、前記光変調素子により変調された光の光路を偏光方向に応じて分離して、前記投射光学系へと導く偏光分離素子と、
前記色分離素子と前記光変調素子との間に配置された位相差板を有し、
前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記位相差板の光学軸と前記色分離面の法線とは、実質的に、平行あるいは垂直であることを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項２】
前記位相差板は第１の位相差板であり、
前記第１の位相差板と前記光変調素子との間に更に、第２の位相差板を有し、
前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記第２の位相差板の光学軸と前記色分離面の法線は、互いに平行あるいは垂直であることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３】
前記色分離面の屈折率異方性を１軸性の屈折率楕円体を用いて近似したとき、
前記位相差板の常光屈折率ｎ０と光学軸である異常光屈折率ｎｅの大小関係が、前記色分離面の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と同じである場合は、前記色分離面の光学軸の方向と前記位相差板の光学軸の方向とが、実質的に、垂直になるよう設定し、前記位相差板の常光屈折率ｎ０と光学軸である異常光屈折率ｎｅの大小関係が、前記色分離面の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と異なる場合は、前記色分離面の光学軸の方向と前記位相差板の光学軸の方向とが、実質的に、平行になるよう設定することを特徴とする請求項１または２に記載の投射型画像表示装置。
【請求項４】
複数の光源を有し、
前記光源から出射する光の波長分布の半値幅は、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項５】
前記光変調素子へ入射する光束のうち、前記色分離素子の同一点に入射する光束の入射角度は２０度以下であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか１項に記載の投射型画像表示装置と、
前記光変調素子から出射した画像光を投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項１】
入射光を互いの波長帯域が異なる複数の光に分離する色分離面を有する色分離素子と、
前記色分離素子により分離された光が入射する光変調素子と、
前記色分離素子と投射光学系との間に配置され、前記光変調素子により変調された光の光路を偏光方向に応じて分離して、前記投射光学系へと導く偏光分離素子と、
前記色分離素子と前記光変調素子との間に配置された位相差板を有し、
前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記位相差板の光学軸と前記色分離面の法線とは、実質的に、平行あるいは垂直であることを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項２】
前記位相差板は第１の位相差板であり、
前記第１の位相差板と前記光変調素子との間に更に、第２の位相差板を有し、
前記色分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な断面において、前記第２の位相差板の光学軸と前記色分離面の法線は、互いに平行あるいは垂直であることを特徴とする請求項１に記載の投射型画像表示装置。
【請求項３】
前記色分離面の屈折率異方性を１軸性の屈折率楕円体を用いて近似したとき、
前記位相差板の常光屈折率ｎ０と光学軸である異常光屈折率ｎｅの大小関係が、前記色分離面の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と同じである場合は、前記色分離面の光学軸の方向と前記位相差板の光学軸の方向とが、実質的に、垂直になるよう設定し、前記位相差板の常光屈折率ｎ０と光学軸である異常光屈折率ｎｅの大小関係が、前記色分離面の常光屈折率ｎ０と異常光屈折率ｎｅの大小関係と異なる場合は、前記色分離面の光学軸の方向と前記位相差板の光学軸の方向とが、実質的に、平行になるよう設定することを特徴とする請求項１または２に記載の投射型画像表示装置。
【請求項４】
複数の光源を有し、
前記光源から出射する光の波長分布の半値幅は、３０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項５】
前記光変調素子へ入射する光束のうち、前記色分離素子の同一点に入射する光束の入射角度は２０度以下であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の投射型画像表示装置。
【請求項６】
請求項１乃至５いずれか１項に記載の投射型画像表示装置と、
前記光変調素子から出射した画像光を投射面に投射する投射光学系を有することを特徴とする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１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１３−６１４６０（Ｐ２０１３−６１４６０Ａ）
【公開日】平成２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９９４３６（Ｐ２０１１−１９９４３６）
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【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２５年４月４日（２０１３．４．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１３日（２０１１．９．１３）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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