色分解合成光学系及びそれを有する投射型表示装置
【課題】 偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる色分解合成光学系を得ること。
【解決手段】 入射された照明光を複数の色光に分解し、前記複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子に入射させ、前記複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射する色分解合成光学系において、
互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、前記２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を有し、該波長板は、該波長板の遅相軸または進相軸が、前記偏光分離面への光束の入射光軸と反射光軸とを含む平面に対し、垂直になるように配置されており、前記２つの偏光ビームスプリッターは、偏光分離面の法線が直交するように配置されていること。
【解決手段】 入射された照明光を複数の色光に分解し、前記複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子に入射させ、前記複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射する色分解合成光学系において、
互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、前記２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を有し、該波長板は、該波長板の遅相軸または進相軸が、前記偏光分離面への光束の入射光軸と反射光軸とを含む平面に対し、垂直になるように配置されており、前記２つの偏光ビームスプリッターは、偏光分離面の法線が直交するように配置されていること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は色分解合成光学系及びそれを有する投射型表示装置に関し、例えば液晶パネル（光変調素子、画像表示素子）に基づく投射像原画をスクリーン面上に拡大投影するプロジェクターに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶パネル等の画像表示素子に基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした投射型表示装置（プロジェクター）が種々提案されている。一般的に投射型表示装置では、液晶表示素子が黒表示状態であるにもかかわらず、不要な光が投射光学系側に漏れてくることがある。そうすると投射画像のコントラストが低下してくる。投射型表示装置を構成する素子（部材）のうち、偏光ビームスプリッター（偏光分離素子）や波長板等の偏光制御素子は光束の入射角度の違いにより偏光特性（光学特性）が変化する。
【０００３】
そのためこれらの偏光制御素子に入射する光が偏光光束のときは偏光の特性も入射角度に依存して変化する。この偏光状態の変動により偏光制御素子に入射した光のうち本来ならば出射してはならない光（投射光学系に入射し、スクリーンに投射されてはならない光）が出射してしまい、所謂漏れ光が生じる。偏光制御素子から漏れ光が生じると投射画像のコントラストが低下してくる。従来より、この漏れ光を軽減した画像投射装置が知られている（特許文献１〜３）。
【０００４】
特許文献１では、偏光素子と液晶表示素子との間に１／４波長板を配置することで漏れ光を軽減した画像投射装置を開示している。特許文献２では、入射角度による位相変化が小さい波長以下の微細な周期構造を有する波長板を用いた画像投射装置を開示している。また特許文献３では、偏光分離素子と液晶表示素子の間に１／４波長板と位相板を配置し、かつその光学軸の方向を規定することにより、高い位相補償効果を得るようにした画像投射装置を開示している。
【０００５】
この他、２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を、その光学軸が４５度方向となるように配置し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換するようにした画像投射装置が知られている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０２−２５００２６号公報
【特許文献２】特開２００５−１０６９０１号公報
【特許文献３】特開２００６−０３９１３５号公報
【特許文献４】特開平１１−２７１６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
画像投射装置において、偏光制御素子からの漏れ光を軽減し、投射画像のコントラストを高めるためには、偏光分離素子への入射角度特性を考慮してこれらの部材を適切に構成し、配置することが必要となってくる。これらの部材の構成及び配置が不適切であると漏れ光が生じ、投射画像のコントラストが低下して良好なる投射画像を得ることが困難になる。
【０００８】
本発明は、偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる色分解合成光学系及びそれを有する投射型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】
【０００９】
本発明の色分解合成光学系は、入射された照明光を複数の色光に分解し、前記複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子に入射させ、前記複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射する色分解合成光学系において、
互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、前記２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を有し、該波長板は、該波長板の遅相軸または進相軸が、前記偏光分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように配置されており、前記２つの偏光ビームスプリッターは、偏光分離面の法線が直交するように配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる色分解合成光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１の本発明の実施例１の要部概略図
【図２】図１のＢ用の出射側偏光板１５の透過率特性の説明図
【図３】図１の合成プリズム１７の透過率特性の説明図
【図４】１／２波長板１６を配置していない場合のＲ光路の詳細図
【図５】図４の反射型表示素子９Ｒからの出射光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向と、反射型表示素子９Ｒからの出射光と合成プリズム１７におけるＳ偏光の方向を示す説明図
【図６】図１の１／２波長板１６の効果を示す説明図
【図７】本発明の実施例２の要部概略図
【図８】図７の合成プリズム２７の透過率特性の説明図
【図９】図７の実施例２のＧ光路の詳細を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の色分解合成光学系は、入射された照明光を複数の色光（例えば３色光）に分解し、複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子（例えば液晶表示素子）に入射させている。そして複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射している。そして互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板（１／２波長板）を有している。
【００１３】
このとき波長板は、波長板の遅相軸または進相軸が、偏光分離面への光束の入射光軸（Ｚ軸）と反射光軸（Ｙ軸）とを含む平面（ＹＺ平面）に対し、垂直である。そして２つの偏光ビームスプリッターは、偏光分離面の法線が直交するように配置されている。言い換えれば、波長板の遅相軸または進相軸が、偏光分離面の法線と光変調素子の法線とに平行な平面に対して垂直である。
【００１４】
また本発明の投射型表示装置では、光源手段から出射した光束を色分解合成光学系に導光する照明光学系と、色分解合成光学系からの光束であって、光変調素子の画像で光変調された光束を所定面上に投影する投射光学系を有している。
【００１５】
図１は本発明の実施例１の投射型表示装置の要部概略図である。図１において光源（ランプの発光部）（光源手段）１から全方向に射出した光束は放物面リフレクタ２によって平行光又は略平行光となって射出される。この平行光束は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ３に入射し、第１のレンズアレイ４によって複数の部分光束に分割され、その各々の部分光束が集光される。第１のレンズアレイ４で分割された複数の部分光束は第２のレンズアレイ５近傍に集光され、各々の部分光束が各々光源像（２次光源像）を形成する。
【００１６】
第２のレンズアレイ５を射出した分割光束は、コンデンサーレンズ６によって集光され、反射型液晶表示素子９Ｒ、９Ｇ、９Ｂを重畳的に照明する。
【００１７】
以上のＵＶ−ＩＲカットフィルタ３からコンデンサーレンズ６に至る各部材により、照明光学系１００が構成される。
【００１８】
図１においてダイクロイックミラー７は入射光のうち青（Ｂ）（波長４００ｎｍ〜５００ｎｍ）と赤（Ｒ）（波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ）の色光を反射し、緑（Ｇ）（波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ）の色光を透過する。８はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面８ａを有する。
【００１９】
９Ｒ，９Ｇ，９Ｂはそれぞれ入射した光を反射するとともに画像変調する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子である。１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板である。１４はＳ偏光を透過し、Ｐ偏光を吸収するＧ用の出射側偏光板である。各実施形態で用いる偏光板は、不要な偏光光を反射するようにしてもよい。
【００２０】
１１はＰ偏光を透過する入射側偏光板であり、１２はＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。１３はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面１３ａを有する。１５はＢ用の出射側偏光板であり、図２のような分光特性をもっている。Ｂの色光はＳ偏光のみを透過し、Ｐ偏光を吸収する。また赤の色光は偏光方向に関係なく透過する。１６は１／２波長板である。
【００２１】
合成プリズム１７の偏光分離面１７ａは図３のような分光特性も持っている。Ｂ、Ｇの色光ではダイクロイックミラー、Ｒの色光では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ーの分光特性をもつ。
【００２２】
以上のダイクロイックミラー７から合成プリズム１７に至る部材により、色分解合成光学系２００が構成されている。
【００２３】
１８は投射レンズ光学系（投射光学系）であり、上記照明光学系，色分解合成光学系および投射レンズ光学系により画像表示光学系が構成されている。
【００２４】
次に、照明光学系を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａでＰ偏光の光が透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇにおいては、Ｇの色光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッター９の偏光分離面８ａを透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００２５】
一方、画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで反射、Ｓ偏光を透過する出射側偏光板１４を透過し、投射光として合成プリズム１７に向かう。そして、合成プリズム１７で反射されて、投射レンズ１８へと至る。このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇとの間に設けられた１／４波長板１０Ｇは、次のような作用を有する。
【００２６】
１／４波長板１０Ｇの遅相軸または進相軸が、第１の偏光ビームスプリッター８への入射光軸（Ｚ軸）と反射光軸（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）に垂直又は略垂直な方向（Ｘ方向）となるよう１／４波長板１０Ｇを配置している。言い換えれば、１／４波長板１０Ｇの遅相軸または進相軸が、第１の偏光ビームスプリッターの偏光分離面８ａの法線とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇの法線とに平行な平面（ＹＺ面）に対して、垂直又は略垂直な方向に配置されている。
【００２７】
これにより、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。 ＹＺ面は、第１の偏光ビームスプリッターの偏光分離面８ａの法線とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇの法線を含む面、と言い換えてもよい。
【００２８】
一方、ダイクロイックミラー７を反射したＲとＢの色光は、Ｐ偏光を透過する入射側偏光板１１に入射する。そしてＲとＢの光は、入射側偏光板１１から出射した後、色選択性位相差板１２に入射する。色選択性位相差板１２は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＰ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＲの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒへと至る。
【００２９】
また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＢの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過してＢ用の反射型液晶表示素子９Ｂへと至る。
【００３０】
Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒに入射したＲの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射されて光源１側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過して投射光として出射側偏光板１５に向かう。
【００３１】
また、Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｂに入射したＢの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過して光源１側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射して投射光として出射側偏光板１５に向かう。
【００３２】
このとき、第２の偏光ビームスプリッター１３とＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｒ，９Ｂの間に設けられた１／４波長板１０Ｒ，１０Ｂの遅相軸をＧ用の場合と同じようにしている。つまり、１／４波長板１０Ｒ、１０Ｂの遅相軸または進相軸が、図１のＹＺ平面に対して垂直または略垂直になるように、１／４波長板１０Ｒ、１０Ｂを配置している。
【００３３】
これにより、Ｒ，Ｂの色光それぞれの黒表示時の黒をより黒くさせることができ、その結果、投射画像のコントラストを向上させることができる。こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッター１３から出射したＲとＢの色光は、Ｒの色光はＰ偏光、Ｂの色光はＳ偏光で青用の出射側偏光板１５を透過して、１／２波長板１６に入射する。
【００３４】
１／２波長板１６の遅相軸または進相軸は、第２の偏光ビームスプリッター１３への入射光軸（Ｙ軸）と反射光軸（Ｚ軸）を含む平面（ＹＺ面）に垂直又は略垂直（垂直方向に対し±５度以内）な方向になるように配置されている。１／２波長板１６を透過したＲ、Ｂの色光は合成プリズム１７に入射し、そして、ＲとＢの投射光は合成プリズム１７を透過し、Ｇの色光と合成されて投射レンズ１８に至る。そして、合成されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光の画像情報を含む投射光は、投射レンズ１８によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。
【００３５】
以上説明した光路は反射型液晶表示素子が白表示の場合である為、以下に反射型液晶表示素子が黒表示の場合での光路を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。
【００３６】
ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光のＰ偏光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａで透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。しかし、反射型液晶表示素子９Ｇが黒表示の為、Ｇの色光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶表示素子９Ｇで反射された後もＧの色光はＰ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００３７】
次に、ＲとＢの光路について説明する。ダイクロイックミラー７を反射したＲとＢの色光は、Ｐ偏光光を透過する入射側偏光板１１に入射する。そしてＲとＢの色光は、入射側偏光板１１から出射した後、色選択性位相差板１２に入射する。色選択性位相差板１２は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射する。
【００３８】
Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＲの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＢの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過してＢ用の反射型液晶表示素子９Ｂへと至る。
【００３９】
ここでＲ用の反射型液晶表示素子９Ｒは黒表示の為、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒに入射したＲの色光は画像変調されないまま反射される。従って、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒで反射された後もＲの色光はＳ偏光光のままである。この為、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射し、色選択性位相差板１２により、Ｐ偏光に変換され、入射側偏光板１１を通過して光源１側に戻され、投射光から除去される為、黒表示となる。
【００４０】
一方、Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｂに入射したＢの色光はＢ用の反射型液晶表示素子９Ｂが黒表示の為、画像変調されないまま反射される。従って、Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｂで反射された後もＢの色光はＰ偏光光のままである。この為、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過し、色選択性位相差板１２と、入射側偏光板１１を透過して光源１側に戻されて投射光から除去される。
【００４１】
以上が、反射型液晶表示素子（反射型液晶パネル）を使用した投射型画像表示装置での光学構成の概略である。
【００４２】
ここで、１／２波長板１６の光学作用の効果について説明する。これまでは偏光ビームスプリッターの特性に関して、Ｓ偏光は１００：０で反射、Ｐ偏光は１００：０で透過という理想状態で説明してきた。しかしながら実際はそのような理想状態ではなく、わずかながらＳ偏光で透過、Ｐ偏光で反射する。
【００４３】
本実施例においても、黒表示時にＧ光路において偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａは理想状態ではなく、実際にはわずかながらＰ偏光が反射される。そのようなＰ偏光は、Ｓ偏光を透過する出射側偏光板１４で吸収され、投射光から除外される。
【００４４】
Ｂ光路においては、偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａでわずかに反射したＰ偏光が存在し、そのような光は、Ｓ偏光を透過する出射側偏光板１５で吸収され、投射光から除外される。Ｒ光路においては、偏光ビームスプリッター１３でわずかに透過したＳ偏光が存在し、そのような光は、Ｒ帯域では図３のように偏光ビームスプリッターの特性を有する合成プリズム１７で反射され、投射光から除外される。
【００４５】
つまり本実施例においては、Ｇ光路では偏光ビームスプリッター８と出射側偏光板１４、Ｂ光路では偏光ビームスプリッター１３と出射側偏光板１５、Ｒ光路では２つの偏光ビームスプリッター１３、１７によって検光を行う。Ｒ光路において、２つの偏光ビームスプリッター１３、１７によって検光する場合、偏光ビームスプリッター１３、１７に斜めに入ってくる光に対して検光性能が良くなく、黒が浮いてしまう場合がある。次にこの理由を図４を使って詳細を説明する。
【００４６】
図４は、色選択性位相差板１２以降のＲ光路で、１／２波長板１６が配置されていない場合の図である。Ｒ光路の光線ＬａはＲ用の反射型液晶表示素子９Ｒに対し、ｘｚ断面において角度のついた光である。反射型液晶表示素子９Ｒに対し、ｘｚ断面において角度のついた光Ｌａは、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａ及び合成プリズム１７の偏光分離面１７ａにおいて、実線の矢印ａｒｗ４３の方向がＳ偏光の方向である。図から分かるとおり、水平（ｘｚ断面）に対し傾いた方向である。
【００４７】
Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒに入射してくる光Ｌａは、図４のａｒｗ４１に示すように、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、−ｘ軸方向に対し反時計周りに傾いた偏光方向の光である。黒表示状態で１／４波長板１０Ｒを介さない場合、反射型液晶表示素子９Ｒで反射された光の偏光方向は、ａｒｗ４１に示した方向そのままで、−ｘ軸方向に対し反時計周りに傾いた偏光方向である。
【００４８】
しかしながら反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向は、実線の矢印ａｒｗ４２に示すように、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、＋ｘ軸方向に対し、時計周りに傾いた方向である。
【００４９】
そのため反射型液晶表示素子９Ｒで反射された光の偏光方向のうち、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向とは異なる成分は透過し、漏れ光となり投射画像のコントラストが低下してくる。それを防ぐために遅相軸が、水平方向又は略水平方向の１／４波長板１０Ｒを配置し、水平に対し反時計方向に傾いた偏光方向の光が１／４波長板１０Ｒを２回通過させる。これにより、図４のａｒｗ４２に示すように、その偏光方向を＋ｘ軸方向に対し時計周りに傾いた方向に変える。
【００５０】
そして、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向と一致させることで漏れ光を低減している。Ｓ偏光の方向を一致させることで漏れ光の低減は図れるが、実際はＳ偏光において１００：０で反射という理想状態ではないため、わずかながらＳ偏光で透過する。
【００５１】
本実施例では、その漏れ光をＲ帯域において偏光ビームスプリッターの特性をもつ合成プリズム１７の偏光分離面１７ａで反射し、光路外に出すことで漏れ光のさらなる低減を図っている。
【００５２】
本実施例では、図４の実線の矢印ａｒｗ４２に示すとおり反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向は、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、＋ｘ軸方向に対し時計周りに傾いた方向になっている。また合成プリズム１７のＳ偏光の方向は、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、＋ｘ軸方向に対し反時計周りに傾いた方向となっており、ａｒｗ４２とａｒｗ４３は、水平方向（ｘ方向）に対して対称になっている。
【００５３】
わかりやすくするために図４のＡ視の方向からみた図を図５として示す。第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを出射した偏光光は、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム１７におけるＳ偏光の方向とは異なる成分は透過し、漏れ光となり投射画像のコントラストが低下する。そこで第２の偏光ビームスプリッター１３と合成プリズム１７の間に、遅相軸が水平方向（ｘ方向）になるように１／２波長板１６を配置している。
【００５４】
言い換えれば、１／２波長板１６の遅相軸または進相軸が、偏光分離面の法線と光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように配置されている。１／２波長板を配置する際には、２つの偏光ビームスプリッターの間に配置された波長板の遅相軸と進相軸が、偏光分離面の法線と光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように調整している。このとき、２つの偏光ビームスプリッター１３、１７の偏光分離面１３ａ、１７ａの法線は直交又は略直交（直交方向と±５度以内）している。
【００５５】
これにより、第２の偏光ビームスプリッター１３からのＳ偏光が、１／２波長板１６の作用で図６に示すように偏光方向が変わり、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム１７におけるＳ偏光の方向と一致させることができる。これによって漏れ光を低減させて、投射画像の更なるコントラストを向上させている。
【００５６】
ｙｚ断面において角度のついた光においては、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向、合成プリズム１７のＳ偏光の方向はどちらも水平方向のままである。また１／２波長板１６では、偏光方向と遅相軸が一致するため何の作用を起こらない。そのため悪影響は起こらない。ここで１／２波長板１６の遅相軸を水平方向（ｘ方向）になるように配置したが、垂直方向に配置しても同様の効果が得られる。
【００５７】
実施例１では、２つの偏光ビームスプリッター１３、１７共に透過する系であったが、これに限定されることはない。別構成の実施例を本発明の実施例２として説明する。
【００５８】
図７は本発明の実施例２の要部概略図である。実施例１との差は色分離合成光学系３００で、１／２波長板２４と合成プリズム２７のみである。また合成プリズム２７の偏光分離面２７ａの分光特性を図８に示すが、Ｂ帯域は透過のダイクロミラー、Ｒ帯域は偏光ビームスプリッターの特性で実施例１と同じであるため、ダイクロイックミラー７で色分離後のＧ光路のみの説明とする。
【００５９】
ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａでＰ偏光の光が透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇにおいては、Ｇの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａを透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００６０】
一方、画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで反射される。そして、遅相軸または進相軸が偏光ビームスプリッター８への入射光軸と反射光軸を含む平面に垂直又は略垂直な方向になるように配置されている１／２波長板２４を透過し、投射光として合成プリズム２７に向かう。このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇとの間に設けられた１／４波長板１０Ｇは次のように配置されている。
【００６１】
１／４波長板１０Ｇの遅相軸または進相軸が第１の偏光ビームスプリッター８への入射光軸と反射光軸を含む平面に垂直又は略垂直な方向に調整する。これにより、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。第１の偏光ビームスプリッター８から出射したＧの色光は、１／２波長板２４を透過し、図８のようにＧ帯域で偏光ビームスプリッターの特性を持つ合成プリズム２７で反射して投射レンズ１８へと至る。
【００６２】
以上説明した光路は反射型液晶表示素子が白表示の場合である為、以下に反射型液晶表示素子が黒表示の場合での光路を説明する。
【００６３】
ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光のＰ偏光光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａで透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。しかし、反射型液晶表示素子９Ｇが黒表示の為、Ｇの色光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶表示素子９Ｇで反射された後もＧの色光はＰ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００６４】
ここで、１／２波長板２４の効果について説明する。これまでは偏光ビームスプリッターの特性に関して、Ｓ偏光は１００：０で反射、Ｐ偏光は１００：０で透過という理想状態での光学構成を説明してきた。しかしながら実際はそのような理想状態ではなく、わずかながらＳ偏光で透過、Ｐ偏光で反射する。
【００６５】
本実施例においても、黒表示時にＧ光路において偏光ビームスプリッター８は理想状態ではなく、実際にはわずかながら反射型液晶表示素子９ＧからのＰ偏光が反射される。そのようなＰ偏光は、図８のようにＧ帯域で偏光ビームスプリッターの特性を有する合成プリズム２７を透過し、投射光から除外される。つまり本実施例のＧ光路では２つの偏光ビームスプリッター８、２７によって検光を行う。２つの偏光ビームスプリッター８、２７によって検光する場合、偏光ビームスプリッター８、２７に斜めに入ってくる光に対して検光性能が良くなく、黒が浮いてしまう。
【００６６】
図９を使って詳細を説明する。図９は、ダイクロイックミラー７以降のＧ光路を図示している。光線ＬａはＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇに対し、ｘｚ断面において角度のついた光である。反射型液晶表示素子９Ｇに対し、ｘｚ断面において角度のついた光Ｌａは、偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａ及び合成プリズム２７の偏光分離面２７ａにおいて実線の矢印の方向に偏光したＰ偏光である。図から分かるとおり、Ｐ偏光の方向はｙ軸に対し傾いた方向である。
【００６７】
Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇに入射してくる光は、図９のようにｙ軸に対し反時計周りに傾いた偏光方向の光である。黒表示状態で１／４波長板１０Ｇを介さない場合、反射型液晶表示素子９Ｇで反射された光の偏光方向はそのままで、ｙ軸に対し反時計周りに傾いた偏光方向である。しかしながら反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光の方向と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向はｙ軸に対し、時計周りに傾いた方向である。
【００６８】
そのため反射型液晶表示素子９Ｇで反射された光の偏光方向のうち、反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向とは異なる成分は反射し、漏れ光となりコントラストの低下に繋がる。それを防ぐために遅相軸が水平又は略水平方向の１／４波長板１０Ｇを配置し、ｙ軸に対し反時計周りに傾いた偏光方向の光が１／４波長板１０Ｇを２回通過する。これにより偏光方向をｙ軸に対し時計周りに傾いた方向に変え、反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光の偏光方向と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向と一致させることで漏れ光を低減している。
【００６９】
Ｐ偏光の方向を一致させることで漏れ光の低減は図れるが、実際はＰ偏光において１００：０で透過という理想状態ではないため、わずかながらＰ偏光で反射する。その漏れ光をＧ帯域において偏光ビームスプリッターの特性をもつ合成プリズム２７で透過し、光路外に出すことで漏れ光のさらなる低減を図っている。
【００７０】
図９に示すとおり反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向はｙ軸に対し時計周りに傾いた方向で、偏光分離面８ａ反射後はｚ軸に対し時計回りに傾いた方向である。それに対し合成プリズム２７のＰ偏光の方向はｚ軸に対し反時計周りに傾いた方向となっており、ｚ軸で対称になっている。偏光ビームスプリッター８を出射した偏光光は、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム２７におけるＰ偏光の方向とは異なる成分は反射し、漏れ光となり投射画像のコントラストが低下する。
【００７１】
そこで偏光ビームスプリッター８と合成プリズム２７の間に、遅相軸がｙｚ断面に対して垂直方向となるように、即ちｘ軸方向になるように１／２波長板２４を配置している。これにより偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光が、１／２波長板２４の作用で偏光方向が変わり、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム２７におけるＰ偏光の方向と一致させることができる。そうして漏れ光が低減し、投射画像の更なるコントラストを向上させている。
【００７２】
ｙｚ断面において角度のついた光においては、反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向、合成プリズム２７のＰ偏光の方向はどちらもｙ軸方向のままである。また１／２波長板２４では、偏光方向と遅相軸が一致するため何の作用を起こらない。そのため悪影響は起こらない。
【００７３】
ここで１／２波長板２４の遅相軸をｘ軸方向になるように配置したが、ｘ軸と垂直のｚ軸方向に配置しても同様の効果が得られる。
【００７４】
実施例１、実施例２のように２つの偏光ビームスプリッターの間に１／２波長板を配置し、かつ１／２波長板１６、２４に対し２つの偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が対称な場合、漏れ光を低減することが容易になる。偏光ビームスプリッターでの透過、反射は問わない。
【符号の説明】
【００７５】
８ 第１の偏光ビームスプリッター ９ 反射型液晶パネル
１０ １／４波長板 １３ 第２の偏光ビームスプリッター
１６ １／２波長板 １７ 合成プリズム
【技術分野】
【０００１】
本発明は色分解合成光学系及びそれを有する投射型表示装置に関し、例えば液晶パネル（光変調素子、画像表示素子）に基づく投射像原画をスクリーン面上に拡大投影するプロジェクターに好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、液晶パネル等の画像表示素子に基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした投射型表示装置（プロジェクター）が種々提案されている。一般的に投射型表示装置では、液晶表示素子が黒表示状態であるにもかかわらず、不要な光が投射光学系側に漏れてくることがある。そうすると投射画像のコントラストが低下してくる。投射型表示装置を構成する素子（部材）のうち、偏光ビームスプリッター（偏光分離素子）や波長板等の偏光制御素子は光束の入射角度の違いにより偏光特性（光学特性）が変化する。
【０００３】
そのためこれらの偏光制御素子に入射する光が偏光光束のときは偏光の特性も入射角度に依存して変化する。この偏光状態の変動により偏光制御素子に入射した光のうち本来ならば出射してはならない光（投射光学系に入射し、スクリーンに投射されてはならない光）が出射してしまい、所謂漏れ光が生じる。偏光制御素子から漏れ光が生じると投射画像のコントラストが低下してくる。従来より、この漏れ光を軽減した画像投射装置が知られている（特許文献１〜３）。
【０００４】
特許文献１では、偏光素子と液晶表示素子との間に１／４波長板を配置することで漏れ光を軽減した画像投射装置を開示している。特許文献２では、入射角度による位相変化が小さい波長以下の微細な周期構造を有する波長板を用いた画像投射装置を開示している。また特許文献３では、偏光分離素子と液晶表示素子の間に１／４波長板と位相板を配置し、かつその光学軸の方向を規定することにより、高い位相補償効果を得るようにした画像投射装置を開示している。
【０００５】
この他、２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を、その光学軸が４５度方向となるように配置し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換するようにした画像投射装置が知られている（特許文献４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０２−２５００２６号公報
【特許文献２】特開２００５−１０６９０１号公報
【特許文献３】特開２００６−０３９１３５号公報
【特許文献４】特開平１１−２７１６８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
画像投射装置において、偏光制御素子からの漏れ光を軽減し、投射画像のコントラストを高めるためには、偏光分離素子への入射角度特性を考慮してこれらの部材を適切に構成し、配置することが必要となってくる。これらの部材の構成及び配置が不適切であると漏れ光が生じ、投射画像のコントラストが低下して良好なる投射画像を得ることが困難になる。
【０００８】
本発明は、偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる色分解合成光学系及びそれを有する投射型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】
【０００９】
本発明の色分解合成光学系は、入射された照明光を複数の色光に分解し、前記複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子に入射させ、前記複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射する色分解合成光学系において、
互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、前記２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を有し、該波長板は、該波長板の遅相軸または進相軸が、前記偏光分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように配置されており、前記２つの偏光ビームスプリッターは、偏光分離面の法線が直交するように配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる色分解合成光学系が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１の本発明の実施例１の要部概略図
【図２】図１のＢ用の出射側偏光板１５の透過率特性の説明図
【図３】図１の合成プリズム１７の透過率特性の説明図
【図４】１／２波長板１６を配置していない場合のＲ光路の詳細図
【図５】図４の反射型表示素子９Ｒからの出射光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向と、反射型表示素子９Ｒからの出射光と合成プリズム１７におけるＳ偏光の方向を示す説明図
【図６】図１の１／２波長板１６の効果を示す説明図
【図７】本発明の実施例２の要部概略図
【図８】図７の合成プリズム２７の透過率特性の説明図
【図９】図７の実施例２のＧ光路の詳細を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の色分解合成光学系は、入射された照明光を複数の色光（例えば３色光）に分解し、複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子（例えば液晶表示素子）に入射させている。そして複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射している。そして互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板（１／２波長板）を有している。
【００１３】
このとき波長板は、波長板の遅相軸または進相軸が、偏光分離面への光束の入射光軸（Ｚ軸）と反射光軸（Ｙ軸）とを含む平面（ＹＺ平面）に対し、垂直である。そして２つの偏光ビームスプリッターは、偏光分離面の法線が直交するように配置されている。言い換えれば、波長板の遅相軸または進相軸が、偏光分離面の法線と光変調素子の法線とに平行な平面に対して垂直である。
【００１４】
また本発明の投射型表示装置では、光源手段から出射した光束を色分解合成光学系に導光する照明光学系と、色分解合成光学系からの光束であって、光変調素子の画像で光変調された光束を所定面上に投影する投射光学系を有している。
【００１５】
図１は本発明の実施例１の投射型表示装置の要部概略図である。図１において光源（ランプの発光部）（光源手段）１から全方向に射出した光束は放物面リフレクタ２によって平行光又は略平行光となって射出される。この平行光束は、ＵＶ−ＩＲカットフィルタ３に入射し、第１のレンズアレイ４によって複数の部分光束に分割され、その各々の部分光束が集光される。第１のレンズアレイ４で分割された複数の部分光束は第２のレンズアレイ５近傍に集光され、各々の部分光束が各々光源像（２次光源像）を形成する。
【００１６】
第２のレンズアレイ５を射出した分割光束は、コンデンサーレンズ６によって集光され、反射型液晶表示素子９Ｒ、９Ｇ、９Ｂを重畳的に照明する。
【００１７】
以上のＵＶ−ＩＲカットフィルタ３からコンデンサーレンズ６に至る各部材により、照明光学系１００が構成される。
【００１８】
図１においてダイクロイックミラー７は入射光のうち青（Ｂ）（波長４００ｎｍ〜５００ｎｍ）と赤（Ｒ）（波長６００ｎｍ〜７００ｎｍ）の色光を反射し、緑（Ｇ）（波長５００ｎｍ〜６００ｎｍ）の色光を透過する。８はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面８ａを有する。
【００１９】
９Ｒ，９Ｇ，９Ｂはそれぞれ入射した光を反射するとともに画像変調する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子である。１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板である。１４はＳ偏光を透過し、Ｐ偏光を吸収するＧ用の出射側偏光板である。各実施形態で用いる偏光板は、不要な偏光光を反射するようにしてもよい。
【００２０】
１１はＰ偏光を透過する入射側偏光板であり、１２はＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。１３はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面１３ａを有する。１５はＢ用の出射側偏光板であり、図２のような分光特性をもっている。Ｂの色光はＳ偏光のみを透過し、Ｐ偏光を吸収する。また赤の色光は偏光方向に関係なく透過する。１６は１／２波長板である。
【００２１】
合成プリズム１７の偏光分離面１７ａは図３のような分光特性も持っている。Ｂ、Ｇの色光ではダイクロイックミラー、Ｒの色光では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ーの分光特性をもつ。
【００２２】
以上のダイクロイックミラー７から合成プリズム１７に至る部材により、色分解合成光学系２００が構成されている。
【００２３】
１８は投射レンズ光学系（投射光学系）であり、上記照明光学系，色分解合成光学系および投射レンズ光学系により画像表示光学系が構成されている。
【００２４】
次に、照明光学系を通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａでＰ偏光の光が透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇにおいては、Ｇの色光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッター９の偏光分離面８ａを透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００２５】
一方、画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで反射、Ｓ偏光を透過する出射側偏光板１４を透過し、投射光として合成プリズム１７に向かう。そして、合成プリズム１７で反射されて、投射レンズ１８へと至る。このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇとの間に設けられた１／４波長板１０Ｇは、次のような作用を有する。
【００２６】
１／４波長板１０Ｇの遅相軸または進相軸が、第１の偏光ビームスプリッター８への入射光軸（Ｚ軸）と反射光軸（Ｙ軸）を含む平面（ＹＺ面）に垂直又は略垂直な方向（Ｘ方向）となるよう１／４波長板１０Ｇを配置している。言い換えれば、１／４波長板１０Ｇの遅相軸または進相軸が、第１の偏光ビームスプリッターの偏光分離面８ａの法線とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇの法線とに平行な平面（ＹＺ面）に対して、垂直又は略垂直な方向に配置されている。
【００２７】
これにより、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。 ＹＺ面は、第１の偏光ビームスプリッターの偏光分離面８ａの法線とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇの法線を含む面、と言い換えてもよい。
【００２８】
一方、ダイクロイックミラー７を反射したＲとＢの色光は、Ｐ偏光を透過する入射側偏光板１１に入射する。そしてＲとＢの光は、入射側偏光板１１から出射した後、色選択性位相差板１２に入射する。色選択性位相差板１２は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＰ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＲの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒへと至る。
【００２９】
また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＢの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過してＢ用の反射型液晶表示素子９Ｂへと至る。
【００３０】
Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒに入射したＲの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射されて光源１側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過して投射光として出射側偏光板１５に向かう。
【００３１】
また、Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｂに入射したＢの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過して光源１側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射して投射光として出射側偏光板１５に向かう。
【００３２】
このとき、第２の偏光ビームスプリッター１３とＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｒ，９Ｂの間に設けられた１／４波長板１０Ｒ，１０Ｂの遅相軸をＧ用の場合と同じようにしている。つまり、１／４波長板１０Ｒ、１０Ｂの遅相軸または進相軸が、図１のＹＺ平面に対して垂直または略垂直になるように、１／４波長板１０Ｒ、１０Ｂを配置している。
【００３３】
これにより、Ｒ，Ｂの色光それぞれの黒表示時の黒をより黒くさせることができ、その結果、投射画像のコントラストを向上させることができる。こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッター１３から出射したＲとＢの色光は、Ｒの色光はＰ偏光、Ｂの色光はＳ偏光で青用の出射側偏光板１５を透過して、１／２波長板１６に入射する。
【００３４】
１／２波長板１６の遅相軸または進相軸は、第２の偏光ビームスプリッター１３への入射光軸（Ｙ軸）と反射光軸（Ｚ軸）を含む平面（ＹＺ面）に垂直又は略垂直（垂直方向に対し±５度以内）な方向になるように配置されている。１／２波長板１６を透過したＲ、Ｂの色光は合成プリズム１７に入射し、そして、ＲとＢの投射光は合成プリズム１７を透過し、Ｇの色光と合成されて投射レンズ１８に至る。そして、合成されたＲ，Ｇ，Ｂの各色光の画像情報を含む投射光は、投射レンズ１８によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。
【００３５】
以上説明した光路は反射型液晶表示素子が白表示の場合である為、以下に反射型液晶表示素子が黒表示の場合での光路を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。
【００３６】
ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光のＰ偏光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａで透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。しかし、反射型液晶表示素子９Ｇが黒表示の為、Ｇの色光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶表示素子９Ｇで反射された後もＧの色光はＰ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００３７】
次に、ＲとＢの光路について説明する。ダイクロイックミラー７を反射したＲとＢの色光は、Ｐ偏光光を透過する入射側偏光板１１に入射する。そしてＲとＢの色光は、入射側偏光板１１から出射した後、色選択性位相差板１２に入射する。色選択性位相差板１２は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＳ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射する。
【００３８】
Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＲの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター１３に入射したＢの色光は、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過してＢ用の反射型液晶表示素子９Ｂへと至る。
【００３９】
ここでＲ用の反射型液晶表示素子９Ｒは黒表示の為、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒに入射したＲの色光は画像変調されないまま反射される。従って、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒで反射された後もＲの色光はＳ偏光光のままである。この為、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａで反射し、色選択性位相差板１２により、Ｐ偏光に変換され、入射側偏光板１１を通過して光源１側に戻され、投射光から除去される為、黒表示となる。
【００４０】
一方、Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｂに入射したＢの色光はＢ用の反射型液晶表示素子９Ｂが黒表示の為、画像変調されないまま反射される。従って、Ｂ用の反射型液晶表示素子９Ｂで反射された後もＢの色光はＰ偏光光のままである。この為、再び第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを透過し、色選択性位相差板１２と、入射側偏光板１１を透過して光源１側に戻されて投射光から除去される。
【００４１】
以上が、反射型液晶表示素子（反射型液晶パネル）を使用した投射型画像表示装置での光学構成の概略である。
【００４２】
ここで、１／２波長板１６の光学作用の効果について説明する。これまでは偏光ビームスプリッターの特性に関して、Ｓ偏光は１００：０で反射、Ｐ偏光は１００：０で透過という理想状態で説明してきた。しかしながら実際はそのような理想状態ではなく、わずかながらＳ偏光で透過、Ｐ偏光で反射する。
【００４３】
本実施例においても、黒表示時にＧ光路において偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａは理想状態ではなく、実際にはわずかながらＰ偏光が反射される。そのようなＰ偏光は、Ｓ偏光を透過する出射側偏光板１４で吸収され、投射光から除外される。
【００４４】
Ｂ光路においては、偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａでわずかに反射したＰ偏光が存在し、そのような光は、Ｓ偏光を透過する出射側偏光板１５で吸収され、投射光から除外される。Ｒ光路においては、偏光ビームスプリッター１３でわずかに透過したＳ偏光が存在し、そのような光は、Ｒ帯域では図３のように偏光ビームスプリッターの特性を有する合成プリズム１７で反射され、投射光から除外される。
【００４５】
つまり本実施例においては、Ｇ光路では偏光ビームスプリッター８と出射側偏光板１４、Ｂ光路では偏光ビームスプリッター１３と出射側偏光板１５、Ｒ光路では２つの偏光ビームスプリッター１３、１７によって検光を行う。Ｒ光路において、２つの偏光ビームスプリッター１３、１７によって検光する場合、偏光ビームスプリッター１３、１７に斜めに入ってくる光に対して検光性能が良くなく、黒が浮いてしまう場合がある。次にこの理由を図４を使って詳細を説明する。
【００４６】
図４は、色選択性位相差板１２以降のＲ光路で、１／２波長板１６が配置されていない場合の図である。Ｒ光路の光線ＬａはＲ用の反射型液晶表示素子９Ｒに対し、ｘｚ断面において角度のついた光である。反射型液晶表示素子９Ｒに対し、ｘｚ断面において角度のついた光Ｌａは、第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａ及び合成プリズム１７の偏光分離面１７ａにおいて、実線の矢印ａｒｗ４３の方向がＳ偏光の方向である。図から分かるとおり、水平（ｘｚ断面）に対し傾いた方向である。
【００４７】
Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒに入射してくる光Ｌａは、図４のａｒｗ４１に示すように、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、−ｘ軸方向に対し反時計周りに傾いた偏光方向の光である。黒表示状態で１／４波長板１０Ｒを介さない場合、反射型液晶表示素子９Ｒで反射された光の偏光方向は、ａｒｗ４１に示した方向そのままで、−ｘ軸方向に対し反時計周りに傾いた偏光方向である。
【００４８】
しかしながら反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向は、実線の矢印ａｒｗ４２に示すように、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、＋ｘ軸方向に対し、時計周りに傾いた方向である。
【００４９】
そのため反射型液晶表示素子９Ｒで反射された光の偏光方向のうち、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向とは異なる成分は透過し、漏れ光となり投射画像のコントラストが低下してくる。それを防ぐために遅相軸が、水平方向又は略水平方向の１／４波長板１０Ｒを配置し、水平に対し反時計方向に傾いた偏光方向の光が１／４波長板１０Ｒを２回通過させる。これにより、図４のａｒｗ４２に示すように、その偏光方向を＋ｘ軸方向に対し時計周りに傾いた方向に変える。
【００５０】
そして、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向と一致させることで漏れ光を低減している。Ｓ偏光の方向を一致させることで漏れ光の低減は図れるが、実際はＳ偏光において１００：０で反射という理想状態ではないため、わずかながらＳ偏光で透過する。
【００５１】
本実施例では、その漏れ光をＲ帯域において偏光ビームスプリッターの特性をもつ合成プリズム１７の偏光分離面１７ａで反射し、光路外に出すことで漏れ光のさらなる低減を図っている。
【００５２】
本実施例では、図４の実線の矢印ａｒｗ４２に示すとおり反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向は、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、＋ｘ軸方向に対し時計周りに傾いた方向になっている。また合成プリズム１７のＳ偏光の方向は、Ｒ用の反射型液晶表示素子９Ｒから見たときに、＋ｘ軸方向に対し反時計周りに傾いた方向となっており、ａｒｗ４２とａｒｗ４３は、水平方向（ｘ方向）に対して対称になっている。
【００５３】
わかりやすくするために図４のＡ視の方向からみた図を図５として示す。第２の偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面１３ａを出射した偏光光は、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム１７におけるＳ偏光の方向とは異なる成分は透過し、漏れ光となり投射画像のコントラストが低下する。そこで第２の偏光ビームスプリッター１３と合成プリズム１７の間に、遅相軸が水平方向（ｘ方向）になるように１／２波長板１６を配置している。
【００５４】
言い換えれば、１／２波長板１６の遅相軸または進相軸が、偏光分離面の法線と光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように配置されている。１／２波長板を配置する際には、２つの偏光ビームスプリッターの間に配置された波長板の遅相軸と進相軸が、偏光分離面の法線と光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように調整している。このとき、２つの偏光ビームスプリッター１３、１７の偏光分離面１３ａ、１７ａの法線は直交又は略直交（直交方向と±５度以内）している。
【００５５】
これにより、第２の偏光ビームスプリッター１３からのＳ偏光が、１／２波長板１６の作用で図６に示すように偏光方向が変わり、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム１７におけるＳ偏光の方向と一致させることができる。これによって漏れ光を低減させて、投射画像の更なるコントラストを向上させている。
【００５６】
ｙｚ断面において角度のついた光においては、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と第２の偏光ビームスプリッター１３におけるＳ偏光の方向、合成プリズム１７のＳ偏光の方向はどちらも水平方向のままである。また１／２波長板１６では、偏光方向と遅相軸が一致するため何の作用を起こらない。そのため悪影響は起こらない。ここで１／２波長板１６の遅相軸を水平方向（ｘ方向）になるように配置したが、垂直方向に配置しても同様の効果が得られる。
【００５７】
実施例１では、２つの偏光ビームスプリッター１３、１７共に透過する系であったが、これに限定されることはない。別構成の実施例を本発明の実施例２として説明する。
【００５８】
図７は本発明の実施例２の要部概略図である。実施例１との差は色分離合成光学系３００で、１／２波長板２４と合成プリズム２７のみである。また合成プリズム２７の偏光分離面２７ａの分光特性を図８に示すが、Ｂ帯域は透過のダイクロミラー、Ｒ帯域は偏光ビームスプリッターの特性で実施例１と同じであるため、ダイクロイックミラー７で色分離後のＧ光路のみの説明とする。
【００５９】
ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａでＰ偏光の光が透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇにおいては、Ｇの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａを透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００６０】
一方、画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで反射される。そして、遅相軸または進相軸が偏光ビームスプリッター８への入射光軸と反射光軸を含む平面に垂直又は略垂直な方向になるように配置されている１／２波長板２４を透過し、投射光として合成プリズム２７に向かう。このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇとの間に設けられた１／４波長板１０Ｇは次のように配置されている。
【００６１】
１／４波長板１０Ｇの遅相軸または進相軸が第１の偏光ビームスプリッター８への入射光軸と反射光軸を含む平面に垂直又は略垂直な方向に調整する。これにより、第１の偏光ビームスプリッター８とＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えている。第１の偏光ビームスプリッター８から出射したＧの色光は、１／２波長板２４を透過し、図８のようにＧ帯域で偏光ビームスプリッターの特性を持つ合成プリズム２７で反射して投射レンズ１８へと至る。
【００６２】
以上説明した光路は反射型液晶表示素子が白表示の場合である為、以下に反射型液晶表示素子が黒表示の場合での光路を説明する。
【００６３】
ダイクロイックミラー７を透過したＧの色光のＰ偏光光は第１の偏光ビームスプリッター８に入射して偏光分離面８ａで透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇへと至る。しかし、反射型液晶表示素子９Ｇが黒表示の為、Ｇの色光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶表示素子９Ｇで反射された後もＧの色光はＰ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａで透過し、光源１側に戻され、投射光から除去される。
【００６４】
ここで、１／２波長板２４の効果について説明する。これまでは偏光ビームスプリッターの特性に関して、Ｓ偏光は１００：０で反射、Ｐ偏光は１００：０で透過という理想状態での光学構成を説明してきた。しかしながら実際はそのような理想状態ではなく、わずかながらＳ偏光で透過、Ｐ偏光で反射する。
【００６５】
本実施例においても、黒表示時にＧ光路において偏光ビームスプリッター８は理想状態ではなく、実際にはわずかながら反射型液晶表示素子９ＧからのＰ偏光が反射される。そのようなＰ偏光は、図８のようにＧ帯域で偏光ビームスプリッターの特性を有する合成プリズム２７を透過し、投射光から除外される。つまり本実施例のＧ光路では２つの偏光ビームスプリッター８、２７によって検光を行う。２つの偏光ビームスプリッター８、２７によって検光する場合、偏光ビームスプリッター８、２７に斜めに入ってくる光に対して検光性能が良くなく、黒が浮いてしまう。
【００６６】
図９を使って詳細を説明する。図９は、ダイクロイックミラー７以降のＧ光路を図示している。光線ＬａはＧ用の反射型液晶表示素子９Ｇに対し、ｘｚ断面において角度のついた光である。反射型液晶表示素子９Ｇに対し、ｘｚ断面において角度のついた光Ｌａは、偏光ビームスプリッター８の偏光分離面８ａ及び合成プリズム２７の偏光分離面２７ａにおいて実線の矢印の方向に偏光したＰ偏光である。図から分かるとおり、Ｐ偏光の方向はｙ軸に対し傾いた方向である。
【００６７】
Ｇ用の反射型液晶表示素子９Ｇに入射してくる光は、図９のようにｙ軸に対し反時計周りに傾いた偏光方向の光である。黒表示状態で１／４波長板１０Ｇを介さない場合、反射型液晶表示素子９Ｇで反射された光の偏光方向はそのままで、ｙ軸に対し反時計周りに傾いた偏光方向である。しかしながら反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光の方向と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向はｙ軸に対し、時計周りに傾いた方向である。
【００６８】
そのため反射型液晶表示素子９Ｇで反射された光の偏光方向のうち、反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向とは異なる成分は反射し、漏れ光となりコントラストの低下に繋がる。それを防ぐために遅相軸が水平又は略水平方向の１／４波長板１０Ｇを配置し、ｙ軸に対し反時計周りに傾いた偏光方向の光が１／４波長板１０Ｇを２回通過する。これにより偏光方向をｙ軸に対し時計周りに傾いた方向に変え、反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光の偏光方向と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向と一致させることで漏れ光を低減している。
【００６９】
Ｐ偏光の方向を一致させることで漏れ光の低減は図れるが、実際はＰ偏光において１００：０で透過という理想状態ではないため、わずかながらＰ偏光で反射する。その漏れ光をＧ帯域において偏光ビームスプリッターの特性をもつ合成プリズム２７で透過し、光路外に出すことで漏れ光のさらなる低減を図っている。
【００７０】
図９に示すとおり反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向はｙ軸に対し時計周りに傾いた方向で、偏光分離面８ａ反射後はｚ軸に対し時計回りに傾いた方向である。それに対し合成プリズム２７のＰ偏光の方向はｚ軸に対し反時計周りに傾いた方向となっており、ｚ軸で対称になっている。偏光ビームスプリッター８を出射した偏光光は、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム２７におけるＰ偏光の方向とは異なる成分は反射し、漏れ光となり投射画像のコントラストが低下する。
【００７１】
そこで偏光ビームスプリッター８と合成プリズム２７の間に、遅相軸がｙｚ断面に対して垂直方向となるように、即ちｘ軸方向になるように１／２波長板２４を配置している。これにより偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光が、１／２波長板２４の作用で偏光方向が変わり、反射型液晶表示素子９Ｒから出射した光と合成プリズム２７におけるＰ偏光の方向と一致させることができる。そうして漏れ光が低減し、投射画像の更なるコントラストを向上させている。
【００７２】
ｙｚ断面において角度のついた光においては、反射型液晶表示素子９Ｇから出射した光と偏光ビームスプリッター８におけるＰ偏光の方向、合成プリズム２７のＰ偏光の方向はどちらもｙ軸方向のままである。また１／２波長板２４では、偏光方向と遅相軸が一致するため何の作用を起こらない。そのため悪影響は起こらない。
【００７３】
ここで１／２波長板２４の遅相軸をｘ軸方向になるように配置したが、ｘ軸と垂直のｚ軸方向に配置しても同様の効果が得られる。
【００７４】
実施例１、実施例２のように２つの偏光ビームスプリッターの間に１／２波長板を配置し、かつ１／２波長板１６、２４に対し２つの偏光ビームスプリッターの偏光分離面の法線が対称な場合、漏れ光を低減することが容易になる。偏光ビームスプリッターでの透過、反射は問わない。
【符号の説明】
【００７５】
８ 第１の偏光ビームスプリッター ９ 反射型液晶パネル
１０ １／４波長板 １３ 第２の偏光ビームスプリッター
１６ １／２波長板 １７ 合成プリズム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された照明光を複数の色光に分解し、前記複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子に入射させ、前記複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射する色分解合成光学系において、
互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、
前記２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を有し、
前記２つの偏光ビームスプリッターは、互いの偏光分離面の法線が直交しており、
前記波長板の遅相軸または進相軸が、前記偏光分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように配置されている
ことを特徴とする色分解合成光学系。
【請求項２】
前記波長板は１／２波長板であることを特徴とする請求項１の色分解合成光学系。
【請求項３】
光源手段と、
前記光源手段から出射した光束を請求項１又は２の色分解合成光学系に導光する照明光学系と、前記色分解合成光学系からの光束であって、前記光変調素子の画像で光変調された光束を所定面上に投影する投射光学系を有することを特徴とする投射型表示装置。
【請求項１】
入射された照明光を複数の色光に分解し、前記複数の色光を色光毎に設けられた複数の光変調素子に入射させ、前記複数の光変調素子により光変調された各色光を合成し、出射する色分解合成光学系において、
互いに直交する偏光方向の光を透過光と反射光に分離する偏光分離面を含む少なくとも２つの偏光ビームスプリッターと、
前記２つの偏光ビームスプリッターの間に波長板を有し、
前記２つの偏光ビームスプリッターは、互いの偏光分離面の法線が直交しており、
前記波長板の遅相軸または進相軸が、前記偏光分離面の法線と前記光変調素子の法線とに平行な平面に対し、垂直になるように配置されている
ことを特徴とする色分解合成光学系。
【請求項２】
前記波長板は１／２波長板であることを特徴とする請求項１の色分解合成光学系。
【請求項３】
光源手段と、
前記光源手段から出射した光束を請求項１又は２の色分解合成光学系に導光する照明光学系と、前記色分解合成光学系からの光束であって、前記光変調素子の画像で光変調された光束を所定面上に投影する投射光学系を有することを特徴とする投射型表示装置。
【図６】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−２５５８５４（Ｐ２０１２−２５５８５４Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７９１７（Ｐ２０１１−１２７９１７）
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【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２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月８日（２０１１．６．８）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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