画像投射装置
【課題】 画像投射装置のコントラストを向上させることを課題とする。
【解決手段】 上記課題を解決するために、本発明の画像投射装置は、
照明光学系と、
前記照明光学系からの光の光路を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
前記偏光分離面により分離された偏光光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調され、前記偏光分離素子を再度介して光を被投射面に投射する投射光学系を移動させる可動手段を有する画像投射装置であって、
前記可動手段は、前記偏光分離面の法線と前記投射光学系の光軸とに平行な断面内において、前記投射光学系が移動可能な範囲を、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定めることを特徴とする
【解決手段】 上記課題を解決するために、本発明の画像投射装置は、
照明光学系と、
前記照明光学系からの光の光路を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
前記偏光分離面により分離された偏光光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調され、前記偏光分離素子を再度介して光を被投射面に投射する投射光学系を移動させる可動手段を有する画像投射装置であって、
前記可動手段は、前記偏光分離面の法線と前記投射光学系の光軸とに平行な断面内において、前記投射光学系が移動可能な範囲を、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定めることを特徴とする
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像投射装置に関し、特に反射型の画像表示素子を用いた画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型の液晶パネルを用いた画像投射装置では、液晶パネルに対する入射光と液晶パネルからの画像光の光路を異ならせる必要がある。そのため、反射型の液晶パネルの入射面あるいは出射面側にＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッタが配置される。
【０００３】
偏光ビームスプリッタの偏光分離面の特性は、入射光の入射角度に依存する。一般的に、偏光ビームスプリッタの偏光分離特性は、偏光分離面の法線に対する光の入射角度が４５°のときに最も良くなるように設計される。偏光分離面に対する光の入射角度が４５°から離れれば離れるほど、光線が通る薄膜の厚みが最適値から離れるため、偏光分離特性が低下する。その結果、液晶パネルのある画素について黒表示になるように駆動させたとき、偏光ビームスプリッタの特性が完全でないために光源側に戻らず、投射レンズに入射してしまう光（漏れ光）が多くなり、投射画像のコントラストが低下する。
【０００４】
従来、投射画像のコントラストを向上させるために、偏光ビームスプリッタの出射面側に漏れ光を遮断する偏光板を配置する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１７５４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、偏光板は、本来透過すべき光に対する透過率が低いため、偏光板を配置すると、投射画像の明るさが低下してしまうという課題があった。
そこで本発明は、明るさの低下を抑制しつつ、コントラストを向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の画像投射装置は、
照明光学系と、
前記照明光学系からの光の光路を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
前記偏光分離面により分離された偏光光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調され、前記偏光分離素子を再度介して光を被投射面に投射する投射光学系を移動させる可動手段を有する画像投射装置であって、
前記可動手段は、前記偏光分離面の法線と前記投射光学系の光軸とに平行な断面内において、前記投射光学系が移動可能な範囲を、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定めることを特徴とする。
【０００８】
なお、上記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】
【０００９】
本発明によれば、明るさの低下を抑制しつつ、高コントラストな画像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態の画像投射装置の構成図
【図２】偏光ビームスプリッタの漏れ光の説明図
【図３】偏光分離面に対する光の入射角度と偏光分離面の特性の関係を示す図
【図４】本発明の第１実施形態における偏光分離面の漏れ光の角度分布の模式図
【図５】投射レンズが取り込むことができる光量とその角度分布の模式図
【図６】本発明の第２の実施形態の画像投射装置の構成図
【図７】本発明の第２実施形態における偏光分離面の漏れ光の角度分布の模式図
【図８】本発明の第３の実施形態の画像投射装置の構成図
【図９】投射レンズのシフト方向と画像投射装置の小型化の説明図
【図１０】本発明の第４の実施形態の画像投射装置の構成図
【図１１】投射レンズシフトの可動機構の概略図
【図１２】画像投射装置の設置場所と投射レンズシフトの説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。
【００１２】
《実施形態１》
図１に本発明の第１の実施形態の画像投射装置の構成図を示す。図１の座標軸のＺ軸は投射レンズの光軸と平行な軸であり、スクリーンに向かう方向を＋Ｚ方向とする。Ｘ軸は、Ｚ軸と偏光分離面８の法線を含む面に垂直な軸であり、紙面裏から表に向かう方向を＋Ｘ方向とする。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸であり、紙面下から上に向かう方向を＋Ｙ方向とする。
【００１３】
図１の一点鎖線は、コンデンサレンズ５ａの光軸、あるいは投射レンズの光軸を表す。反射ミラー６から液晶パネル９に至るまでの一点鎖線は、厳密には光軸ではないが、本明細書においては、光軸と称する。
【００１４】
光源１から射出された光は、放物リフレクタ２で反射され、略平行光となって射出され、第１のフライアイレンズ３ａに入射し、第１のフライアイレンズ３ａを構成する個々のレンズセルにより複数の光束に分離される。分割された複数の光束は、第２のフライアイレンズ３ｂを通過し、偏光変換素子４に入射する。
【００１５】
偏光変換素子４は、偏光分離面を有する偏光ビームスプリッタを複数並べた構造をしており、偏光ビームスプリッタの射出面に１つおきに半波長板が配置される。偏光変換素子４に入射した非偏光光は、Ｐ偏光光に揃えられて射出される。なお、Ｓ偏光光に揃えたい場合は、偏光ビームスプリッタの透過光路上に半波長板を配置すればよい。その場合、液晶パネル９の位置は、偏光ビームスプリッタ７（偏光分離素子）の入射光が反射する側に配置される。本明細書におけるＰ偏光およびＳ偏光は、偏光変換素子４の偏光ビームスプリッタではなく、液晶パネル９から射出される画像光を投射レンズ１０側へ導く偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面８に対して規定している。
【００１６】
偏光変換素子４でＰ偏光に揃えられた光は、コンデンサレンズ５ａ、５ｂを介して反射ミラー６により反射され、偏光ビームスプリッタ７に入射する。偏光ビームスプリッタ７に入射した光は、偏光分離面８を透過し、液晶パネル９を照明する。光源１からコンデンサレンズ５ａ、５ｂまでを照明光学系とし、この照明光学系は液晶パネル９（光変調素子）をケーラー照明する。
【００１７】
液晶パネル９に入射した光は変調され、変調された光のうち画像光は、偏光ビームスプリッタ７を再度介して（反射されて）、投射レンズ１０（投射光学系）に入射する。そして、画像光は、投射レンズ１０を介してスクリーン１１（被投射面）に投射される。一方で、画像光とはならない偏光成分の光は、偏光分離面８を透過して、光源側に戻される。液晶パネル９の中心における液晶パネル９の面法線と偏光分離面の面法線が成す角度は、４５°である。
【００１８】
図２に、図１の偏光ビームスプリッタ７および液晶パネル９周辺の拡大図を示す。破線の矢印は、黒表示を行う際の光線を模式的に示した矢印である。本来、黒表示を行う場合には、図２に示すように、液晶パネル９に入射したＰ偏光は、その偏光方向は変換されず、Ｐ偏光のまま反射され、再び偏光分離面８を透過して光源側に戻る。多くのＰ偏光は、図２に太い実線で示したように光源側へと戻される。しかし、図２の細い破線の矢印で示すように、偏光分離面８の特性上、Ｐ偏光にも関わらず投射レンズ１０側へと反射されてしまう光（漏れ光）がある。さらに、図２の細い破線の矢印の太さで表わすように、液晶パネル９の同一点から、ある広がりをもって反射された光の漏れ光の量は、偏光ビームスプリッタ７の出射面において、＋Ｙ方向は少なく、−Ｙ方向は多い。
【００１９】
図３（ａ）は、図２のＸＹ断面（Ｘ方向）において、偏光分離面８への入射光の入射角度の変化に対する偏光分離特性の変化を示したグラフである。図３（ｂ）は図２のＹＺ断面（Ｙ方向）において、偏光分離面８への入射光の入射角度の変化に対する偏光分離特性の変化を示したグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸ＲｐはＰ偏光の反射率（％）である。Ｒｐの値が高いほど、漏れ光が多いことを示しており、Ｒｐの値が小さいほど消光比が高く、偏光分離面の特性が良いことを表している。グラフの実線は、偏光分離面に対して入射角度４５°で入射する光線に対する偏光分離特性を表す。グラフの破線は４５°よりも約５°小さい入射角度で入射する光線に対する偏光分離特性を表す。一点鎖線は４５°よりも約５°大きい入射角度で入射する光線に対する偏光分離特性を表す。尚、図３（ａ）、（ｂ）は、画像投射装置に使用される光源のスペクトルの中でも最も比視感度が高い緑波長域５００から５８０（ｎｍ）の帯域において性能を満たすよう設計されている。
【００２０】
偏光分離面８の法線に対して４５°で入射する光線を基準として、そこから同じ角度だけ光線の入射角度を変化させた場合を考える。図３（ａ）、（ｂ）から、ＹＺ断面において入射角度を変化させた場合のほうが、ＸＹ断面において入射角度を変化させた場合よりも偏光分離面の特性の変動が大きいことがわかる。つまり、偏光分離面は、ＹＺ断面（Ｙ方向）における入射角度の変化に対する偏光分離特性に比べ、ＸＹ断面（Ｘ方向）における入射角度の変化に対する偏光分離特性が良い。
【００２１】
さらに、図３（ｂ）のＹＺ断面の角度変化に着目する。ＹＺ断面において、入射角度を＋５°と−５°角度を変化させた場合を比較すると、特性の変化の様子が、図３（ａ）とは異なることがわかる。これは、偏光分離面の法線に対して入射角度４５°で入射する光線が通過する膜厚を基準とすると、光線の入射角度がＹ方向に＋５°変化すると入射する光線が通過する膜厚は薄くなり、−５°変化すると厚くなるからである。さらに、Ｒｐ特性のピークの位置（図３（ｂ）の矢印）が、入射角度が４５＋５°では短波長側に、４５−５°では長波長側にシフトしていることが分かる。一般的に、偏光分離面（偏光分離膜）のＰ偏光の反射率の特性は、光線が通る膜の厚みが薄くなると短波長側に、厚くなると長波長側にシフトすることが知られている。このことから、緑の波長域の光（５００〜６００ｎｍ）が入射する場合、その入射角が４５＋α°のほうが４５−α°に比べ漏れ光が少なくなる。
【００２２】
再び図２を用いて説明する。図３（ａ）、（ｂ）で示したように、図２においては、偏光分離面８に対して４５°＋αで入射する光（図中の細い破線）のほうが、４５°−αで入射する光（図中の太い破線）よりも漏れ光が少ない。
【００２３】
図４に、投射画像が全黒表示になるように液晶パネル９を駆動した場合のＸＹ断面における偏光分離面に入射する光線の入射角度と漏れ光の分布を模式図に示す。座標軸は偏光分離面８に対する入射角度を表し、中心は４５°からの角度のずれが０°であることを表す。色が薄い部分ほど漏れ光が少なく、色が濃い部分ほど漏れ光が多い。
【００２４】
図４で表されるようにコントラストを低下させる原因となる漏れ光は、Ｘ方向には対称になるが、Ｙ方向には非対称であり、特に−Ｙ方向に角度が大きくなるにつれ、漏れ光が多くなる。よって、できるだけ漏れ光の少ない領域の光を多く被投射面に投射する、あるいは、漏れ光の多い領域の光はできるだけ被投射面に投射しないようにすることが重要である。尚、図４に示したような漏れ光の角度分布は、実際の画像投射装置において全黒画像を表示し、さらに投射レンズを除いて画像表示素子からの光線を直接スクリーン上で観測することにより確認することができる。
【００２５】
次に、投射レンズ１０が取り込む事ができる光線の角度分布について説明する。液晶パネル９から発散して投射レンズ１０に向かう光が、投射レンズ１０を介してスクリーンに到達するまでの経路に着目する。液晶パネル９において投射レンズ１０の光軸中心に対応する点、つまり、液晶パネル９の中心から発散する光は、投射レンズ１０のＦナンバーで規定される角度成分が全て取り込まれる。しかし、液晶パネル９の中心から離れた点から発散する光は、投射レンズ１０のビネッティングにより一部の角度成分が遮光される。ビネッティングとは、斜めにレンズに入射する光束の一部が、レンズの大きさや厚み、レンズ枠によって、一部がけられてしまうことである。
【００２６】
画像投射装置は、液晶パネル９に対して投射レンズ１０を平行偏心する所謂「投射レンズシフト」を行うことで、画像の投射方向を所望の方向に調整する。また、投射レンズに可動機構（可動手段）を設け、投射レンズを固定から可動とすることで、画像の投射方向の調整自由度を高めた画像投射装置がある。図１に示した構成も、液晶パネル９に対して投射レンズ１０を平行偏心、即ちシフト可能な構成とすることで、斜め上方向に画像を投射している。
【００２７】
図１１に一般的な投射レンズシフトの可動機構の概略図を示す。可動機構は、投射レンズ１０の取り付け部Ｈ、第１のシフト板Ｓ１、第２のシフト板Ｓ２からなる。投射レンズ１０の取り付け部Ｈが、第１のシフト板Ｓ１に取り付けられており、さらに取り付け部Ｈと第１のシフト板Ｓ１を連結させるユニットが第２のシフト板Ｓ２に取り付けられている。
【００２８】
第１、第２のシフト板にはそれぞれ動力伝達部１１３が供えられており、例えばネジ状の溝などが彫られている。動力伝達部１１３に、１１２で示す動力が伝えられる事で、上下方向と左右方向（図１１の１１１に示す方向）に独立に可動する構造になっている。動力としては、手動でも電動でもよい。電動で可動機構を動かす場合、一般的に動力源としてはパルスモーターなどが用いられる。
【００２９】
本実施例の構成においても上述のような可動機構を設けており（不図示）、画像の投射方向の調整自由度を高めた構成としている。
【００３０】
上述の可動機構を用いて、投射レンズシフトを行い、斜め方向に画像を投射すると、前述のビネッティングの効果により、投射レンズ１０が取り込むことが可能な光の角度分布がＹ方向に非対称になる。参考として、図５に光量分布が略均一な光束が投射レンズ１０に入射した場合、図１の配置によって投射レンズ１０が取り込むことができる光量と、その角度分布の模式図を示した。＋Ｙ方向は−Ｙ方向に比べ、ビネッティングの影響が少なく取り込むことができる光量が多いことが分かる。逆に−Ｙ方向にはビネッティングの影響により取り込むことができる光量が少ない。
【００３１】
本発明は、この作用を利用し、−Ｙ方向に比べて＋Ｙ方向に投射レンズをシフトさせる。すなわち、本発明の投射レンズの可動機構は、偏光分離面８の法線と投射レンズ１０の光軸とに平行な断面内（ＹＺ断面）において、投射レンズ１０が移動可能な範囲を、以下のように定める。液晶パネル９から偏光分離面８に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定める。これにより、漏れ光をカットする偏光板を、液晶パネル９と投射レンズ１０の間に配置せずとも、コントラストの高い画像を得ることができるので、明るさの低下を抑えることができる。
【００３２】
図１２を用いて画像投射装置の設置場所による投射方向について説明する。図１２（ａ）のように、室内の天井に画像投射装置を吊るした、所謂「天吊状態」では、天井と投射像が干渉しないように床の方向（図面下方向）に投射することが一般的である。
【００３３】
また、図１２（ｂ）のように、机など投射台に画像投射装置を設置する場合は、投射台と投射像が重ならないように天井の方向（図面上方向）に投射することが一般的である。
【００３４】
本実施形態においては、「天吊状態」あるいは「投射台に配置する状態」における投射レンズのシフト方向は同じである。つまり、「天吊状態」、「投射台に配置する状態」は、画像投射装置の筺体を上下反転させればよい。
【００３５】
本実施形態の投射レンズ１０の具体的な可動範囲は、−Ｙ方向の可動範囲が液晶パネルのＹ方向の長さの１０％程度であるのに対し、＋Ｙ方向の可動範囲は５０％程度にしている。なおシフトの可動範囲は、液晶パネルの中心を基準としている。例えば５０％ならば、液晶パネルの短辺長さの半分だけ、１０％ならば液晶パネルの長さの１０％だけパネルの中心からシフトしている。上述のように、−Ｙ方向の１０％以上に投射レンズをシフトさせ、投射方向を−Ｙ方向に大きく調整したい場合は、前述のように、プロジェクタの筺体を上下反転させて設置可能な構成にすれば対応できる。
【００３６】
《実施形態２》
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の画像投射装置の構成図である。実施形態１と異なる点は、照明光学系において、照明光学系の光軸を含み互いに直交する第１の断面（ＸＺ断面）と第２の断面（ＹＺ断面）でそれぞれ光束を圧縮する手段を設けた点である。図６（ａ）は、実施形態２の画像投射装置をＸＺ断面から見た図、図６（ｂ）は、実施形態２の画像投射装置をＹＺ断面から見た図である。
【００３７】
光源１から射出された光は、楕円リフレクタ２Ａで集光され、凸レンズ１２に入射し、凸レンズ１２により収斂され、凹シリンドリカルレンズ１３に入射する。図６（ａ）の断面において、入射光は、凸レンズ１２と凹シリンドリカルレンズ１３（負のシリンドリカルレンズ）により略平行光となって射出される。第１フライアイレンズ３ａに入射した光は、第１のフライアイレンズを形成する個々のレンズにより、複数の光束に分離される。第１のフライアイレンズ３ａを通過した光は、図６（ｂ）の断面において、凸レンズ１２と第２のフライアイレンズ３ｂの前面に位置する凹シリンドリカルレンズ１４により略平行光として射出される。ＸＺ断面、ＹＺ断面においてそれぞれ圧縮された光束は、第２のフライアイレンズ３ｂを通過し、偏光変換素子４に入射する。
【００３８】
本実施形態においても液晶パネル９から反射する光が、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面８に入射する角度に応じて、偏光分離特性の変動が生じコントラストを低下させる漏れ光が発生する。液晶パネルにおいて全黒画像に対応する偏光状態に光線を変調した場合の、偏光分離面における漏れ光の角度分布の模式図を図７に示す。座標軸は偏光分離面８に対する入射角度を表し、中心は４５°からの角度のずれが０°であることを表す。色が薄い部分ほど漏れ光が少なく、色が濃い部分ほど漏れ光が多い。
【００３９】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、コントラストの高い画像を表示することができる。
【００４０】
また、本実施形態の他の効果は、ＸＺ断面（第１断面）とＹＺ断面（第２断面）それぞれで、光束を独立に圧縮しており、実施形態１よりもＹ方向（第２断面に平行な方向）の光束の圧縮率が高い。ＹＺ断面おいてより強く光束を圧縮することで、偏光分離面の特性の変動が大きいＹ方向において偏光分離面への入射角度の広がりを小さくすることができる。これにより、Ｘ、Ｙ方向の光束を同じだけ圧縮した場合に比べ、偏光分離面における漏れ光が少なくなり、投射画像のコントラストがより向上させることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では光束を圧縮する機能として正レンズと凹シリンドリカルレンズを用いている。しかし、例えばフライアイレンズのレンズセルを光軸から離れるに従って徐々に光軸から離れる方向に偏心させて、フライアイの機能と凹シリンドリカルレンズを一体化させた偏心フライアイレンズを用いても良い。
【００４２】
《実施形態３》
図８は本発明の第３の実施形態の画像投射装置の構成図である。実施形態１と異なる点は、ダイクロイックミラー１５を設け、複数の液晶パネルに、異なる波長帯域の光を入射させる点である。１５はダイクロイックミラー（色分離素子）、１６は波長選択性位相板であり、赤の波長帯域の光のみに作用し、その偏光方向を９０°回転させる素子ある。１７，１８はそれぞれ第１の偏光ビームスプリッタ、第２の偏光ビームスプリッタである。１９は赤用の反射型の液晶パネル（第１の画像表示素子）、２０は緑用の反射型の液晶パネル（第２の画像表示素子）、２１は青用の反射型の液晶パネル（第３の画像表示素子）である。２２は緑の波長帯域の光を反射し、赤および青の波長帯域の光を透過する色合成面を有する合成プリズム（色合成素子）である。ダイクロイックミラー１５、第１、第２の偏光ビームスプリッタ１７，１８は、ダイクロイックミラー１５の色分離面を含む平面と、第１、第２の偏光ビームスプリッタ１７，１８の偏光分離面を含む平面とが直交するように、配置されている。
【００４３】
コンデンサレンズ５ｂを出射した光束は、ダイクロイックミラー１５に入射する。ダイクロイックミラー１５は入射光のうち、緑の波長帯域の光（第１の色光）のみを透過し、青帯域、赤帯域の光（第２、第３の色光）を反射する。緑帯域の光は偏光ビームスプリッタ１７（第１の偏光ビームスプリッタ）で検光され、緑用の液晶パネル２０を照明する。緑用の液晶パネル２０にてＳ偏光に変換された光は、偏光ビームスプリッタ１７を反射し、合成プリズム２２を反射し、投射レンズにより被投射面に投射される。液晶パネル２０により偏光方向が変換されなかった光は、再び偏光ビームスプリッタ１７を透過し、光源に戻される。
【００４４】
ダイクロイックミラー１５で反射された赤帯域、青帯域の光は波長選択性位相板１６を通過する。波長選択性位相板１６は赤帯域の光のみに作用し、その偏光方向を９０°回転させ、Ｓ偏光にする。Ｓ偏光光に変換された赤帯域の光は偏光ビームスプリッタ１８（第２の偏光ビームスプリッタ）の偏光分離面を反射し、赤用の液晶パネル１９に入射する。液晶パネル１９によりＰ偏光光に変換された赤帯域の光は偏光ビームスプリッタ１８、合成プリズム２２を透過した後、投射レンズ１０により被投射面に投射される。液晶パネル１９により変換されなかった赤帯域のＳ偏光光は偏光ビームスプリッタ１８の偏光分離面を反射し、光源側に戻される。
【００４５】
ダイクロイックミラー１５により反射された青帯域の光は、波長選択性位相板１６を通過し、偏光ビームスプリッタ１８を透過し、青用の液晶パネル２１に入射する。青用の液晶パネルに入射後、Ｐ偏光からＳ偏光に変換された光は偏光ビームスプリッタ１８を反射後、合成プリズム２２を透過し、投射レンズにより被投射面に投射される。液晶パネル２１により変換されなかったＰ偏光光は偏光ビームスプリッタ１８を透過し、光源側に戻される。
【００４６】
ここで、明るさに最も寄与する緑の波長帯域の漏れ光に注目すると、実施形態１と同様に光線が通過する偏光分離面の厚みが薄くなる角度変化に対してＰ偏光の消光比が下がる。従って、−Ｙ方向の漏れ光が＋Ｙ方向に比べて大きい。よって、本実施形態も、実施形態１と同様に、偏光板による明るさの低下を抑えつつ、コントラストを向上する効果が得られる。
【００４７】
本実施形態のように、複数の波長帯域の光を用いてカラー画像を投射する画像投射装置の場合、各色光に対応する複数の光変調素子（液晶パネル１９、２０、２１）を有する。
【００４８】
実施形態１と同様に、投射レンズ１０の可動機構（図１１）は、投射レンズ１０の移動可能な範囲を以下のように定める。即ち、偏光分離面の法線と投射レンズの光軸とに平行な断面内において、液晶パネル２０から偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定める。
【００４９】
カラー画像を投射する画像投射装置の場合、可動機構が定める投射レンズ１０の移動範囲を、全ての光変調素子と該光変調素子により変調された光を検光する偏光分離面が満足するのが好ましい。しかし、特定の色光を変調する光変調素子が、上記関係を満足するものであってもよい。このとき、本実施形態のように、特定の光変調素子が緑の波長帯域の光を変調する光変調素子（液晶パネル２０）であることより、他の色に比べて比視感度が良い色光に対して、実施形態１と同様の効果を得ることができる。この結果、よりコントラストが高いと感じる画像を表示することができる。
【００５０】
また、実施形態３のその他の効果として、投射レンズ１０がシフトしている方向に関して（図８のＹ方向）、画像投射装置を小型化できることが挙げられる。投射レンズ１０の鏡筒と可動機構は比較的大きな部品である。従って、投射レンズ１０の可動範囲によっては、画像表示装置の筐体を大きくしなければならない。
【００５１】
本実施形態では、上記効果に加え画像表示装置の小型化を実現している。図９に小型化の効果の概念図を示す。図９（ａ）は本実施例のように−Ｙ方向に比べて＋Ｙ方向に可動範囲を大きくした構成、図９（ｂ）は−Ｙ方向に比べて＋Ｙ方向に可動範囲を大きくした構成を表す。図９（ｂ）の構成では合成プリズムの中心軸を基準として−Ｙ方向に可動範囲が大きくしているので、筐体の下端までのサイズを大きくとる必要がある。一方、本実施例のような図９（ａ）の構成では、合成プリズム２２の中心軸を基準に＋Ｙ方向に可動範囲を大きくとっているので、図９（ｂ）の構成に比べ偏光ビームスプリッタや合成プリズムの半サイズ分だけ筐体を小型化することができる。
【００５２】
すなわち、画像投射装置が、色分離素子により分離された光路を合成する色合成面を有する合成プリズム２２（色合成素子）を有する。そして、液晶パネル２０（光変調素子）により変調された画像光は、偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面および色合成面により反射されて投射レンズ１０に入射する。可動機構（図１１）は、実施形態１と同様に、液晶パネル２０から偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように、投射レンズ１０を移動させる。本実施形態では、この移動方向が、合成プリズム２２（色合成素子）から偏光ビームスプリッタ１７（偏光分離面）へ向かう方向である。これにより、投射レンズがシフトしている方向に関して（図８のＹ方向）、画像投射装置を小型化することが可能である。なお、本明細書における「平行」とは、完全に「平行」な状態に限られない。
【００５３】
《実施形態４》
図１０は本発明の第４の実施形態の画像投射装置の構成図である。実施形態３と異なる点は、偏光ビームスプリッタ１７（第１の偏光ビームスプリッタ）に対する緑用の液晶パネル２０の配置位置である。液晶パネル２０のこの配置に伴って、半波長板３０を、ダイクロイックミラー１５と偏光ビームスプリッタ１７との間に設けている。それ以外の構成は、第３の実施形態と同じであるので、以下では第３の実施形態との相違点のみ説明する。本実施形態の液晶パネル２０の配置は、偏光ビームスプリッタ１７からの反射光で液晶パネル２０を照明するための配置である。ダイクロイックミラー１５を透過した緑帯域の照明光は、偏光変換素子４によってＰ偏光に揃えられているため、そのままでは偏光ビームスプリッタ１７で反射しない。そこで本実施形態では、半波長板３０をダイクロイックミラー１５と偏光ビームスプリッタ１７との間に設け、照明光の偏光方向をＳ偏光に変換している。
【００５４】
これにより、ほぼＳ偏光に揃った緑帯域の照明光は偏光ビームスプリッタ１７で反射・検光され、液晶パネル２０を照明する。液晶パネル２０にてＰ偏光に変換された光は、偏光ビームスプリッタ１７を透過して、合成プリズム２２で反射し、投射レンズにより被投射面に投射される。液晶パネル２０により偏光方向が変換されなかった光は、再び偏光ビームスプリッタ１７で反射し、光源側に戻される。
【００５５】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、偏光ビームスプリッタ１７での漏れ光が投射レンズに入射する割合を抑えて、コントラストを向上させている。従って、投射レンズを可動する際、その可動範囲の大部分でコントラストを向上させることができる。
【００５６】
更に本実施形態では、投射レンズがシフトしている方向に（Ｙ方向）液晶パネル２０およびそれに付随する保持部分等が存在しないので、投射レンズシフトの可動範囲の自由度が増す。例えば、実施例１では、＋Ｙ方向の可動範囲を液晶パネルのＹ方向の長さの５０％程度としていたが、図８の液晶パネル２０が存在した位置を有効に活用して投射レンズの可動範囲を＋Ｙ方向にさらに大きく６０％などに設定することができる。
【００５７】
尚、本発明の効果が得られる形態は図１０に限られない。例えば、半波長板３０がなくても、偏光ビームスプリッタ１７に対してＳ偏光光を入射させるような形態であれば、液晶パネル２０を投射レンズがシフトしている方向に配置せずとも良い。
【００５８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、光源はＬＥＤ光源や直線偏光を出射するレーザー光源であってもよい。また、ダイクロイックミラー１５の特性、合成プリズムの特性を変えて、赤帯域の光を透過させ、青帯域、緑帯域の光を透過させてもよい。また、クロスダイクロイックプリズムを用いて、３色の液晶パネルそれぞれに３つの偏光ビームスプリッタを配置させた画像投射装置にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
７ 偏光ビームスプリッタ
８ 偏光分離面
９ 反射型液晶表示素子
１０ 投射レンズ
１１ スクリーン
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像投射装置に関し、特に反射型の画像表示素子を用いた画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
反射型の液晶パネルを用いた画像投射装置では、液晶パネルに対する入射光と液晶パネルからの画像光の光路を異ならせる必要がある。そのため、反射型の液晶パネルの入射面あるいは出射面側にＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッタが配置される。
【０００３】
偏光ビームスプリッタの偏光分離面の特性は、入射光の入射角度に依存する。一般的に、偏光ビームスプリッタの偏光分離特性は、偏光分離面の法線に対する光の入射角度が４５°のときに最も良くなるように設計される。偏光分離面に対する光の入射角度が４５°から離れれば離れるほど、光線が通る薄膜の厚みが最適値から離れるため、偏光分離特性が低下する。その結果、液晶パネルのある画素について黒表示になるように駆動させたとき、偏光ビームスプリッタの特性が完全でないために光源側に戻らず、投射レンズに入射してしまう光（漏れ光）が多くなり、投射画像のコントラストが低下する。
【０００４】
従来、投射画像のコントラストを向上させるために、偏光ビームスプリッタの出射面側に漏れ光を遮断する偏光板を配置する技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−１７５４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、偏光板は、本来透過すべき光に対する透過率が低いため、偏光板を配置すると、投射画像の明るさが低下してしまうという課題があった。
そこで本発明は、明るさの低下を抑制しつつ、コントラストを向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明の画像投射装置は、
照明光学系と、
前記照明光学系からの光の光路を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
前記偏光分離面により分離された偏光光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調され、前記偏光分離素子を再度介して光を被投射面に投射する投射光学系を移動させる可動手段を有する画像投射装置であって、
前記可動手段は、前記偏光分離面の法線と前記投射光学系の光軸とに平行な断面内において、前記投射光学系が移動可能な範囲を、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定めることを特徴とする。
【０００８】
なお、上記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】
【０００９】
本発明によれば、明るさの低下を抑制しつつ、高コントラストな画像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の第１の実施形態の画像投射装置の構成図
【図２】偏光ビームスプリッタの漏れ光の説明図
【図３】偏光分離面に対する光の入射角度と偏光分離面の特性の関係を示す図
【図４】本発明の第１実施形態における偏光分離面の漏れ光の角度分布の模式図
【図５】投射レンズが取り込むことができる光量とその角度分布の模式図
【図６】本発明の第２の実施形態の画像投射装置の構成図
【図７】本発明の第２実施形態における偏光分離面の漏れ光の角度分布の模式図
【図８】本発明の第３の実施形態の画像投射装置の構成図
【図９】投射レンズのシフト方向と画像投射装置の小型化の説明図
【図１０】本発明の第４の実施形態の画像投射装置の構成図
【図１１】投射レンズシフトの可動機構の概略図
【図１２】画像投射装置の設置場所と投射レンズシフトの説明図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施形態を添付の図面に基づいて説明する。
【００１２】
《実施形態１》
図１に本発明の第１の実施形態の画像投射装置の構成図を示す。図１の座標軸のＺ軸は投射レンズの光軸と平行な軸であり、スクリーンに向かう方向を＋Ｚ方向とする。Ｘ軸は、Ｚ軸と偏光分離面８の法線を含む面に垂直な軸であり、紙面裏から表に向かう方向を＋Ｘ方向とする。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に垂直な軸であり、紙面下から上に向かう方向を＋Ｙ方向とする。
【００１３】
図１の一点鎖線は、コンデンサレンズ５ａの光軸、あるいは投射レンズの光軸を表す。反射ミラー６から液晶パネル９に至るまでの一点鎖線は、厳密には光軸ではないが、本明細書においては、光軸と称する。
【００１４】
光源１から射出された光は、放物リフレクタ２で反射され、略平行光となって射出され、第１のフライアイレンズ３ａに入射し、第１のフライアイレンズ３ａを構成する個々のレンズセルにより複数の光束に分離される。分割された複数の光束は、第２のフライアイレンズ３ｂを通過し、偏光変換素子４に入射する。
【００１５】
偏光変換素子４は、偏光分離面を有する偏光ビームスプリッタを複数並べた構造をしており、偏光ビームスプリッタの射出面に１つおきに半波長板が配置される。偏光変換素子４に入射した非偏光光は、Ｐ偏光光に揃えられて射出される。なお、Ｓ偏光光に揃えたい場合は、偏光ビームスプリッタの透過光路上に半波長板を配置すればよい。その場合、液晶パネル９の位置は、偏光ビームスプリッタ７（偏光分離素子）の入射光が反射する側に配置される。本明細書におけるＰ偏光およびＳ偏光は、偏光変換素子４の偏光ビームスプリッタではなく、液晶パネル９から射出される画像光を投射レンズ１０側へ導く偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面８に対して規定している。
【００１６】
偏光変換素子４でＰ偏光に揃えられた光は、コンデンサレンズ５ａ、５ｂを介して反射ミラー６により反射され、偏光ビームスプリッタ７に入射する。偏光ビームスプリッタ７に入射した光は、偏光分離面８を透過し、液晶パネル９を照明する。光源１からコンデンサレンズ５ａ、５ｂまでを照明光学系とし、この照明光学系は液晶パネル９（光変調素子）をケーラー照明する。
【００１７】
液晶パネル９に入射した光は変調され、変調された光のうち画像光は、偏光ビームスプリッタ７を再度介して（反射されて）、投射レンズ１０（投射光学系）に入射する。そして、画像光は、投射レンズ１０を介してスクリーン１１（被投射面）に投射される。一方で、画像光とはならない偏光成分の光は、偏光分離面８を透過して、光源側に戻される。液晶パネル９の中心における液晶パネル９の面法線と偏光分離面の面法線が成す角度は、４５°である。
【００１８】
図２に、図１の偏光ビームスプリッタ７および液晶パネル９周辺の拡大図を示す。破線の矢印は、黒表示を行う際の光線を模式的に示した矢印である。本来、黒表示を行う場合には、図２に示すように、液晶パネル９に入射したＰ偏光は、その偏光方向は変換されず、Ｐ偏光のまま反射され、再び偏光分離面８を透過して光源側に戻る。多くのＰ偏光は、図２に太い実線で示したように光源側へと戻される。しかし、図２の細い破線の矢印で示すように、偏光分離面８の特性上、Ｐ偏光にも関わらず投射レンズ１０側へと反射されてしまう光（漏れ光）がある。さらに、図２の細い破線の矢印の太さで表わすように、液晶パネル９の同一点から、ある広がりをもって反射された光の漏れ光の量は、偏光ビームスプリッタ７の出射面において、＋Ｙ方向は少なく、−Ｙ方向は多い。
【００１９】
図３（ａ）は、図２のＸＹ断面（Ｘ方向）において、偏光分離面８への入射光の入射角度の変化に対する偏光分離特性の変化を示したグラフである。図３（ｂ）は図２のＹＺ断面（Ｙ方向）において、偏光分離面８への入射光の入射角度の変化に対する偏光分離特性の変化を示したグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸ＲｐはＰ偏光の反射率（％）である。Ｒｐの値が高いほど、漏れ光が多いことを示しており、Ｒｐの値が小さいほど消光比が高く、偏光分離面の特性が良いことを表している。グラフの実線は、偏光分離面に対して入射角度４５°で入射する光線に対する偏光分離特性を表す。グラフの破線は４５°よりも約５°小さい入射角度で入射する光線に対する偏光分離特性を表す。一点鎖線は４５°よりも約５°大きい入射角度で入射する光線に対する偏光分離特性を表す。尚、図３（ａ）、（ｂ）は、画像投射装置に使用される光源のスペクトルの中でも最も比視感度が高い緑波長域５００から５８０（ｎｍ）の帯域において性能を満たすよう設計されている。
【００２０】
偏光分離面８の法線に対して４５°で入射する光線を基準として、そこから同じ角度だけ光線の入射角度を変化させた場合を考える。図３（ａ）、（ｂ）から、ＹＺ断面において入射角度を変化させた場合のほうが、ＸＹ断面において入射角度を変化させた場合よりも偏光分離面の特性の変動が大きいことがわかる。つまり、偏光分離面は、ＹＺ断面（Ｙ方向）における入射角度の変化に対する偏光分離特性に比べ、ＸＹ断面（Ｘ方向）における入射角度の変化に対する偏光分離特性が良い。
【００２１】
さらに、図３（ｂ）のＹＺ断面の角度変化に着目する。ＹＺ断面において、入射角度を＋５°と−５°角度を変化させた場合を比較すると、特性の変化の様子が、図３（ａ）とは異なることがわかる。これは、偏光分離面の法線に対して入射角度４５°で入射する光線が通過する膜厚を基準とすると、光線の入射角度がＹ方向に＋５°変化すると入射する光線が通過する膜厚は薄くなり、−５°変化すると厚くなるからである。さらに、Ｒｐ特性のピークの位置（図３（ｂ）の矢印）が、入射角度が４５＋５°では短波長側に、４５−５°では長波長側にシフトしていることが分かる。一般的に、偏光分離面（偏光分離膜）のＰ偏光の反射率の特性は、光線が通る膜の厚みが薄くなると短波長側に、厚くなると長波長側にシフトすることが知られている。このことから、緑の波長域の光（５００〜６００ｎｍ）が入射する場合、その入射角が４５＋α°のほうが４５−α°に比べ漏れ光が少なくなる。
【００２２】
再び図２を用いて説明する。図３（ａ）、（ｂ）で示したように、図２においては、偏光分離面８に対して４５°＋αで入射する光（図中の細い破線）のほうが、４５°−αで入射する光（図中の太い破線）よりも漏れ光が少ない。
【００２３】
図４に、投射画像が全黒表示になるように液晶パネル９を駆動した場合のＸＹ断面における偏光分離面に入射する光線の入射角度と漏れ光の分布を模式図に示す。座標軸は偏光分離面８に対する入射角度を表し、中心は４５°からの角度のずれが０°であることを表す。色が薄い部分ほど漏れ光が少なく、色が濃い部分ほど漏れ光が多い。
【００２４】
図４で表されるようにコントラストを低下させる原因となる漏れ光は、Ｘ方向には対称になるが、Ｙ方向には非対称であり、特に−Ｙ方向に角度が大きくなるにつれ、漏れ光が多くなる。よって、できるだけ漏れ光の少ない領域の光を多く被投射面に投射する、あるいは、漏れ光の多い領域の光はできるだけ被投射面に投射しないようにすることが重要である。尚、図４に示したような漏れ光の角度分布は、実際の画像投射装置において全黒画像を表示し、さらに投射レンズを除いて画像表示素子からの光線を直接スクリーン上で観測することにより確認することができる。
【００２５】
次に、投射レンズ１０が取り込む事ができる光線の角度分布について説明する。液晶パネル９から発散して投射レンズ１０に向かう光が、投射レンズ１０を介してスクリーンに到達するまでの経路に着目する。液晶パネル９において投射レンズ１０の光軸中心に対応する点、つまり、液晶パネル９の中心から発散する光は、投射レンズ１０のＦナンバーで規定される角度成分が全て取り込まれる。しかし、液晶パネル９の中心から離れた点から発散する光は、投射レンズ１０のビネッティングにより一部の角度成分が遮光される。ビネッティングとは、斜めにレンズに入射する光束の一部が、レンズの大きさや厚み、レンズ枠によって、一部がけられてしまうことである。
【００２６】
画像投射装置は、液晶パネル９に対して投射レンズ１０を平行偏心する所謂「投射レンズシフト」を行うことで、画像の投射方向を所望の方向に調整する。また、投射レンズに可動機構（可動手段）を設け、投射レンズを固定から可動とすることで、画像の投射方向の調整自由度を高めた画像投射装置がある。図１に示した構成も、液晶パネル９に対して投射レンズ１０を平行偏心、即ちシフト可能な構成とすることで、斜め上方向に画像を投射している。
【００２７】
図１１に一般的な投射レンズシフトの可動機構の概略図を示す。可動機構は、投射レンズ１０の取り付け部Ｈ、第１のシフト板Ｓ１、第２のシフト板Ｓ２からなる。投射レンズ１０の取り付け部Ｈが、第１のシフト板Ｓ１に取り付けられており、さらに取り付け部Ｈと第１のシフト板Ｓ１を連結させるユニットが第２のシフト板Ｓ２に取り付けられている。
【００２８】
第１、第２のシフト板にはそれぞれ動力伝達部１１３が供えられており、例えばネジ状の溝などが彫られている。動力伝達部１１３に、１１２で示す動力が伝えられる事で、上下方向と左右方向（図１１の１１１に示す方向）に独立に可動する構造になっている。動力としては、手動でも電動でもよい。電動で可動機構を動かす場合、一般的に動力源としてはパルスモーターなどが用いられる。
【００２９】
本実施例の構成においても上述のような可動機構を設けており（不図示）、画像の投射方向の調整自由度を高めた構成としている。
【００３０】
上述の可動機構を用いて、投射レンズシフトを行い、斜め方向に画像を投射すると、前述のビネッティングの効果により、投射レンズ１０が取り込むことが可能な光の角度分布がＹ方向に非対称になる。参考として、図５に光量分布が略均一な光束が投射レンズ１０に入射した場合、図１の配置によって投射レンズ１０が取り込むことができる光量と、その角度分布の模式図を示した。＋Ｙ方向は−Ｙ方向に比べ、ビネッティングの影響が少なく取り込むことができる光量が多いことが分かる。逆に−Ｙ方向にはビネッティングの影響により取り込むことができる光量が少ない。
【００３１】
本発明は、この作用を利用し、−Ｙ方向に比べて＋Ｙ方向に投射レンズをシフトさせる。すなわち、本発明の投射レンズの可動機構は、偏光分離面８の法線と投射レンズ１０の光軸とに平行な断面内（ＹＺ断面）において、投射レンズ１０が移動可能な範囲を、以下のように定める。液晶パネル９から偏光分離面８に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定める。これにより、漏れ光をカットする偏光板を、液晶パネル９と投射レンズ１０の間に配置せずとも、コントラストの高い画像を得ることができるので、明るさの低下を抑えることができる。
【００３２】
図１２を用いて画像投射装置の設置場所による投射方向について説明する。図１２（ａ）のように、室内の天井に画像投射装置を吊るした、所謂「天吊状態」では、天井と投射像が干渉しないように床の方向（図面下方向）に投射することが一般的である。
【００３３】
また、図１２（ｂ）のように、机など投射台に画像投射装置を設置する場合は、投射台と投射像が重ならないように天井の方向（図面上方向）に投射することが一般的である。
【００３４】
本実施形態においては、「天吊状態」あるいは「投射台に配置する状態」における投射レンズのシフト方向は同じである。つまり、「天吊状態」、「投射台に配置する状態」は、画像投射装置の筺体を上下反転させればよい。
【００３５】
本実施形態の投射レンズ１０の具体的な可動範囲は、−Ｙ方向の可動範囲が液晶パネルのＹ方向の長さの１０％程度であるのに対し、＋Ｙ方向の可動範囲は５０％程度にしている。なおシフトの可動範囲は、液晶パネルの中心を基準としている。例えば５０％ならば、液晶パネルの短辺長さの半分だけ、１０％ならば液晶パネルの長さの１０％だけパネルの中心からシフトしている。上述のように、−Ｙ方向の１０％以上に投射レンズをシフトさせ、投射方向を−Ｙ方向に大きく調整したい場合は、前述のように、プロジェクタの筺体を上下反転させて設置可能な構成にすれば対応できる。
【００３６】
《実施形態２》
図６（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態の画像投射装置の構成図である。実施形態１と異なる点は、照明光学系において、照明光学系の光軸を含み互いに直交する第１の断面（ＸＺ断面）と第２の断面（ＹＺ断面）でそれぞれ光束を圧縮する手段を設けた点である。図６（ａ）は、実施形態２の画像投射装置をＸＺ断面から見た図、図６（ｂ）は、実施形態２の画像投射装置をＹＺ断面から見た図である。
【００３７】
光源１から射出された光は、楕円リフレクタ２Ａで集光され、凸レンズ１２に入射し、凸レンズ１２により収斂され、凹シリンドリカルレンズ１３に入射する。図６（ａ）の断面において、入射光は、凸レンズ１２と凹シリンドリカルレンズ１３（負のシリンドリカルレンズ）により略平行光となって射出される。第１フライアイレンズ３ａに入射した光は、第１のフライアイレンズを形成する個々のレンズにより、複数の光束に分離される。第１のフライアイレンズ３ａを通過した光は、図６（ｂ）の断面において、凸レンズ１２と第２のフライアイレンズ３ｂの前面に位置する凹シリンドリカルレンズ１４により略平行光として射出される。ＸＺ断面、ＹＺ断面においてそれぞれ圧縮された光束は、第２のフライアイレンズ３ｂを通過し、偏光変換素子４に入射する。
【００３８】
本実施形態においても液晶パネル９から反射する光が、偏光ビームスプリッタ７の偏光分離面８に入射する角度に応じて、偏光分離特性の変動が生じコントラストを低下させる漏れ光が発生する。液晶パネルにおいて全黒画像に対応する偏光状態に光線を変調した場合の、偏光分離面における漏れ光の角度分布の模式図を図７に示す。座標軸は偏光分離面８に対する入射角度を表し、中心は４５°からの角度のずれが０°であることを表す。色が薄い部分ほど漏れ光が少なく、色が濃い部分ほど漏れ光が多い。
【００３９】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、コントラストの高い画像を表示することができる。
【００４０】
また、本実施形態の他の効果は、ＸＺ断面（第１断面）とＹＺ断面（第２断面）それぞれで、光束を独立に圧縮しており、実施形態１よりもＹ方向（第２断面に平行な方向）の光束の圧縮率が高い。ＹＺ断面おいてより強く光束を圧縮することで、偏光分離面の特性の変動が大きいＹ方向において偏光分離面への入射角度の広がりを小さくすることができる。これにより、Ｘ、Ｙ方向の光束を同じだけ圧縮した場合に比べ、偏光分離面における漏れ光が少なくなり、投射画像のコントラストがより向上させることができる。
【００４１】
なお、本実施形態では光束を圧縮する機能として正レンズと凹シリンドリカルレンズを用いている。しかし、例えばフライアイレンズのレンズセルを光軸から離れるに従って徐々に光軸から離れる方向に偏心させて、フライアイの機能と凹シリンドリカルレンズを一体化させた偏心フライアイレンズを用いても良い。
【００４２】
《実施形態３》
図８は本発明の第３の実施形態の画像投射装置の構成図である。実施形態１と異なる点は、ダイクロイックミラー１５を設け、複数の液晶パネルに、異なる波長帯域の光を入射させる点である。１５はダイクロイックミラー（色分離素子）、１６は波長選択性位相板であり、赤の波長帯域の光のみに作用し、その偏光方向を９０°回転させる素子ある。１７，１８はそれぞれ第１の偏光ビームスプリッタ、第２の偏光ビームスプリッタである。１９は赤用の反射型の液晶パネル（第１の画像表示素子）、２０は緑用の反射型の液晶パネル（第２の画像表示素子）、２１は青用の反射型の液晶パネル（第３の画像表示素子）である。２２は緑の波長帯域の光を反射し、赤および青の波長帯域の光を透過する色合成面を有する合成プリズム（色合成素子）である。ダイクロイックミラー１５、第１、第２の偏光ビームスプリッタ１７，１８は、ダイクロイックミラー１５の色分離面を含む平面と、第１、第２の偏光ビームスプリッタ１７，１８の偏光分離面を含む平面とが直交するように、配置されている。
【００４３】
コンデンサレンズ５ｂを出射した光束は、ダイクロイックミラー１５に入射する。ダイクロイックミラー１５は入射光のうち、緑の波長帯域の光（第１の色光）のみを透過し、青帯域、赤帯域の光（第２、第３の色光）を反射する。緑帯域の光は偏光ビームスプリッタ１７（第１の偏光ビームスプリッタ）で検光され、緑用の液晶パネル２０を照明する。緑用の液晶パネル２０にてＳ偏光に変換された光は、偏光ビームスプリッタ１７を反射し、合成プリズム２２を反射し、投射レンズにより被投射面に投射される。液晶パネル２０により偏光方向が変換されなかった光は、再び偏光ビームスプリッタ１７を透過し、光源に戻される。
【００４４】
ダイクロイックミラー１５で反射された赤帯域、青帯域の光は波長選択性位相板１６を通過する。波長選択性位相板１６は赤帯域の光のみに作用し、その偏光方向を９０°回転させ、Ｓ偏光にする。Ｓ偏光光に変換された赤帯域の光は偏光ビームスプリッタ１８（第２の偏光ビームスプリッタ）の偏光分離面を反射し、赤用の液晶パネル１９に入射する。液晶パネル１９によりＰ偏光光に変換された赤帯域の光は偏光ビームスプリッタ１８、合成プリズム２２を透過した後、投射レンズ１０により被投射面に投射される。液晶パネル１９により変換されなかった赤帯域のＳ偏光光は偏光ビームスプリッタ１８の偏光分離面を反射し、光源側に戻される。
【００４５】
ダイクロイックミラー１５により反射された青帯域の光は、波長選択性位相板１６を通過し、偏光ビームスプリッタ１８を透過し、青用の液晶パネル２１に入射する。青用の液晶パネルに入射後、Ｐ偏光からＳ偏光に変換された光は偏光ビームスプリッタ１８を反射後、合成プリズム２２を透過し、投射レンズにより被投射面に投射される。液晶パネル２１により変換されなかったＰ偏光光は偏光ビームスプリッタ１８を透過し、光源側に戻される。
【００４６】
ここで、明るさに最も寄与する緑の波長帯域の漏れ光に注目すると、実施形態１と同様に光線が通過する偏光分離面の厚みが薄くなる角度変化に対してＰ偏光の消光比が下がる。従って、−Ｙ方向の漏れ光が＋Ｙ方向に比べて大きい。よって、本実施形態も、実施形態１と同様に、偏光板による明るさの低下を抑えつつ、コントラストを向上する効果が得られる。
【００４７】
本実施形態のように、複数の波長帯域の光を用いてカラー画像を投射する画像投射装置の場合、各色光に対応する複数の光変調素子（液晶パネル１９、２０、２１）を有する。
【００４８】
実施形態１と同様に、投射レンズ１０の可動機構（図１１）は、投射レンズ１０の移動可能な範囲を以下のように定める。即ち、偏光分離面の法線と投射レンズの光軸とに平行な断面内において、液晶パネル２０から偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定める。
【００４９】
カラー画像を投射する画像投射装置の場合、可動機構が定める投射レンズ１０の移動範囲を、全ての光変調素子と該光変調素子により変調された光を検光する偏光分離面が満足するのが好ましい。しかし、特定の色光を変調する光変調素子が、上記関係を満足するものであってもよい。このとき、本実施形態のように、特定の光変調素子が緑の波長帯域の光を変調する光変調素子（液晶パネル２０）であることより、他の色に比べて比視感度が良い色光に対して、実施形態１と同様の効果を得ることができる。この結果、よりコントラストが高いと感じる画像を表示することができる。
【００５０】
また、実施形態３のその他の効果として、投射レンズ１０がシフトしている方向に関して（図８のＹ方向）、画像投射装置を小型化できることが挙げられる。投射レンズ１０の鏡筒と可動機構は比較的大きな部品である。従って、投射レンズ１０の可動範囲によっては、画像表示装置の筐体を大きくしなければならない。
【００５１】
本実施形態では、上記効果に加え画像表示装置の小型化を実現している。図９に小型化の効果の概念図を示す。図９（ａ）は本実施例のように−Ｙ方向に比べて＋Ｙ方向に可動範囲を大きくした構成、図９（ｂ）は−Ｙ方向に比べて＋Ｙ方向に可動範囲を大きくした構成を表す。図９（ｂ）の構成では合成プリズムの中心軸を基準として−Ｙ方向に可動範囲が大きくしているので、筐体の下端までのサイズを大きくとる必要がある。一方、本実施例のような図９（ａ）の構成では、合成プリズム２２の中心軸を基準に＋Ｙ方向に可動範囲を大きくとっているので、図９（ｂ）の構成に比べ偏光ビームスプリッタや合成プリズムの半サイズ分だけ筐体を小型化することができる。
【００５２】
すなわち、画像投射装置が、色分離素子により分離された光路を合成する色合成面を有する合成プリズム２２（色合成素子）を有する。そして、液晶パネル２０（光変調素子）により変調された画像光は、偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面および色合成面により反射されて投射レンズ１０に入射する。可動機構（図１１）は、実施形態１と同様に、液晶パネル２０から偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように、投射レンズ１０を移動させる。本実施形態では、この移動方向が、合成プリズム２２（色合成素子）から偏光ビームスプリッタ１７（偏光分離面）へ向かう方向である。これにより、投射レンズがシフトしている方向に関して（図８のＹ方向）、画像投射装置を小型化することが可能である。なお、本明細書における「平行」とは、完全に「平行」な状態に限られない。
【００５３】
《実施形態４》
図１０は本発明の第４の実施形態の画像投射装置の構成図である。実施形態３と異なる点は、偏光ビームスプリッタ１７（第１の偏光ビームスプリッタ）に対する緑用の液晶パネル２０の配置位置である。液晶パネル２０のこの配置に伴って、半波長板３０を、ダイクロイックミラー１５と偏光ビームスプリッタ１７との間に設けている。それ以外の構成は、第３の実施形態と同じであるので、以下では第３の実施形態との相違点のみ説明する。本実施形態の液晶パネル２０の配置は、偏光ビームスプリッタ１７からの反射光で液晶パネル２０を照明するための配置である。ダイクロイックミラー１５を透過した緑帯域の照明光は、偏光変換素子４によってＰ偏光に揃えられているため、そのままでは偏光ビームスプリッタ１７で反射しない。そこで本実施形態では、半波長板３０をダイクロイックミラー１５と偏光ビームスプリッタ１７との間に設け、照明光の偏光方向をＳ偏光に変換している。
【００５４】
これにより、ほぼＳ偏光に揃った緑帯域の照明光は偏光ビームスプリッタ１７で反射・検光され、液晶パネル２０を照明する。液晶パネル２０にてＰ偏光に変換された光は、偏光ビームスプリッタ１７を透過して、合成プリズム２２で反射し、投射レンズにより被投射面に投射される。液晶パネル２０により偏光方向が変換されなかった光は、再び偏光ビームスプリッタ１７で反射し、光源側に戻される。
【００５５】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、偏光ビームスプリッタ１７での漏れ光が投射レンズに入射する割合を抑えて、コントラストを向上させている。従って、投射レンズを可動する際、その可動範囲の大部分でコントラストを向上させることができる。
【００５６】
更に本実施形態では、投射レンズがシフトしている方向に（Ｙ方向）液晶パネル２０およびそれに付随する保持部分等が存在しないので、投射レンズシフトの可動範囲の自由度が増す。例えば、実施例１では、＋Ｙ方向の可動範囲を液晶パネルのＹ方向の長さの５０％程度としていたが、図８の液晶パネル２０が存在した位置を有効に活用して投射レンズの可動範囲を＋Ｙ方向にさらに大きく６０％などに設定することができる。
【００５７】
尚、本発明の効果が得られる形態は図１０に限られない。例えば、半波長板３０がなくても、偏光ビームスプリッタ１７に対してＳ偏光光を入射させるような形態であれば、液晶パネル２０を投射レンズがシフトしている方向に配置せずとも良い。
【００５８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形および変更が可能である。例えば、光源はＬＥＤ光源や直線偏光を出射するレーザー光源であってもよい。また、ダイクロイックミラー１５の特性、合成プリズムの特性を変えて、赤帯域の光を透過させ、青帯域、緑帯域の光を透過させてもよい。また、クロスダイクロイックプリズムを用いて、３色の液晶パネルそれぞれに３つの偏光ビームスプリッタを配置させた画像投射装置にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００５９】
７ 偏光ビームスプリッタ
８ 偏光分離面
９ 反射型液晶表示素子
１０ 投射レンズ
１１ スクリーン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光学系と、
前記照明光学系からの光の光路を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
前記偏光分離面により分離された偏光光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調され、前記偏光分離素子を再度介して光を被投射面に投射する投射光学系を移動させる可動手段を有する画像投射装置であって、
前記可動手段は、前記偏光分離面の法線と前記投射光学系の光軸とに平行な断面内において、前記投射光学系が移動可能な範囲を、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定めることを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
前記照明光学系から出射した光のうち、緑の波長帯域の光を分離する色分離素子を有し、
前記光変調素子は前記緑の波長帯域の光を変調する光変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項３】
前記色分離素子により分離された光路を合成する色合成面を有する色合成素子を有し、
前記光変調素子により変調された画像光は、前記偏光分離面および前記色合成面により反射されて前記投射光学系に入射し、
前記可動手段が、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように前記投射光学系を移動させる方向は、前記色合成素子から前記偏光分離素子へ向かう方向であることを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
【請求項４】
前記照明光学系から出射した光のうち、入射光を複数の波長帯域の光に分離する色分離素子を有し、
前記色分離素子により分離された光路を合成する色合成面を有する色合成素子を有し、
前記光変調素子により変調された画像光は、前記偏光分離面および前記色合成面により反射されて前記投射光学系に入射し、
前記可動手段が、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように前記投射光学系を移動させる方向は、前記色合成素子から前記偏光分離素子へ向かう方向であることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記照明光学系は、前記照明光学系の光軸を含み互いに直交する第１断面と第２断面において互いに異なる光束の幅を形成する光学系を有し、
前記第１断面における光束の幅と前記第２断面における光束の幅を比べたとき、より小さい光束の幅が形成される断面を第２断面とすると、
前記可動手段が、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように前記投射光学系を移動させる方向は、前記第２断面に平行な方向であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項６】
前記投射光学系を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項１】
照明光学系と、
前記照明光学系からの光の光路を偏光方向に応じて分離する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
前記偏光分離面により分離された偏光光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子により変調され、前記偏光分離素子を再度介して光を被投射面に投射する投射光学系を移動させる可動手段を有する画像投射装置であって、
前記可動手段は、前記偏光分離面の法線と前記投射光学系の光軸とに平行な断面内において、前記投射光学系が移動可能な範囲を、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように定めることを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
前記照明光学系から出射した光のうち、緑の波長帯域の光を分離する色分離素子を有し、
前記光変調素子は前記緑の波長帯域の光を変調する光変調素子であることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項３】
前記色分離素子により分離された光路を合成する色合成面を有する色合成素子を有し、
前記光変調素子により変調された画像光は、前記偏光分離面および前記色合成面により反射されて前記投射光学系に入射し、
前記可動手段が、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように前記投射光学系を移動させる方向は、前記色合成素子から前記偏光分離素子へ向かう方向であることを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
【請求項４】
前記照明光学系から出射した光のうち、入射光を複数の波長帯域の光に分離する色分離素子を有し、
前記色分離素子により分離された光路を合成する色合成面を有する色合成素子を有し、
前記光変調素子により変調された画像光は、前記偏光分離面および前記色合成面により反射されて前記投射光学系に入射し、
前記可動手段が、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように前記投射光学系を移動させる方向は、前記色合成素子から前記偏光分離素子へ向かう方向であることを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
【請求項５】
前記照明光学系は、前記照明光学系の光軸を含み互いに直交する第１断面と第２断面において互いに異なる光束の幅を形成する光学系を有し、
前記第１断面における光束の幅と前記第２断面における光束の幅を比べたとき、より小さい光束の幅が形成される断面を第２断面とすると、
前記可動手段が、前記光変調素子から前記偏光分離面に向かう光線のうち、入射角が４５度より小さい光線に比して入射角が４５度より大きい光線を多く取り込むように前記投射光学系を移動させる方向は、前記第２断面に平行な方向であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項６】
前記投射光学系を有することを特徴とする請求項１乃至５いずれか１項に記載の画像投射装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６１４６１（Ｐ２０１３−６１４６１Ａ）
【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２０１１−１９９４３７（Ｐ２０１１−１９９４３７）
【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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