(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する画像表示素子と、
前記偏光光束を前記画像表示素子に導く照明光学系と、
前記照明光学系と前記画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタと、
前記画像表示素子により表示された画像を投射面に投射する投射光学系を取り付ける取り付け部とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の光路と前記偏光分離膜が成す角度が４５°未満であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項２】
前記偏光分離膜に対して４５°を成す線であって前記照明光学系の光軸に平行な線と、前記投射光学系の光軸は一致しないことを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記偏光ビームスプリッタの屈折率をｎとすると、ｎ＞１．６である事を特徴とする請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記照明光学系は、光源側から投射面に向かって順に正レンズ、第１の負のシリンドリカルレンズ、第２の負のシリンドリカルレンズを有し、
前記正レンズと前記第１の負のシリンドリカルレンズは第１の断面において光束を圧縮し、前記正レンズと前記第２の負のシリンドリカルレンズは前記照明光学系の光軸を通り前記第１の断面に直交する第２の断面において光束を圧縮し、前記光束の圧縮率が前記第１の断面と前記第２の断面で異なる事を特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記画像表示素子に入射する光は、緑の波長帯域の光であることを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載の画像表示装置。
【請求項６】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する第１、第２および第３の画像表示素子と、
前記第１、第２および第３の画像表示素子に前記偏光光束を導く照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を第１の色光と、第２、第３の色光に分離する色分離素子と、
前記色分離素子と前記第１の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記色分離素子と前記第２および第３の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１、第２および第３の画像表示素子により反射された光を合成する合成素子と、前記合成素子により合成された光を投射面に投射する投射光学系を取り付ける取り付け部とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の光路と前記偏光分離膜が成す角度が４５°未満であることを特徴とする画像表示装置。
【請求項７】
前記第１の色光は緑の波長帯域の光であることを特徴とする請求項６に記載の画像表示装置。
【請求項８】
前記取り付け部に取り付ける投射光学系を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像投射装置。
【請求項９】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する画像表示素子と、
前記偏光光束を前記画像表示素子に導く照明光学系と、
前記照明光学系と前記画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタと、
前記画像表示素子により表示された画像を投射面に投射する投射光学系とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の光路と前記偏光分離膜が成す角度が４５°未満となるように、前記投射光学系が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１０】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する第１、第２および第３の画像表示素子と、
前記第１、第２および第３の画像表示素子に前記偏光光束を導く照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を第１の色光と、第２、第３の色光に分離する色分離素子と、
前記色分離素子と前記第１の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記色分離素子と前記第２および第３の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１、第２および第３の画像表示素子により反射された光を合成する合成素子と、
前記合成素子により合成された光を投射面に投射する投射光学系とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記第１の画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の光路と前記偏光分離膜が成す角度が４５°未満となるように、前記投射光学系が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１１】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する画像表示素子と、
前記偏光光束を前記画像表示素子に導く照明光学系と、
前記照明光学系と前記画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタと、
前記画像表示素子により表示された画像を投射面に投射する投射光学系を取り付ける取り付け部とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の前記偏光分離膜からの射出角度が４５°より大きくなるように、前記取り付け部が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１２】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する第１、第２および第３の画像表示素子と、
前記第１、第２および第３の画像表示素子に前記偏光光束を導く照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を第１の色光と、第２、第３の色光に分離する色分離素子と、
前記色分離素子と前記第１の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記色分離素子と前記第２および第３の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１、第２および第３の画像表示素子により反射された光を合成する合成素子と、
前記合成素子により合成された光を投射面に投射する投射光学系を取り付ける取り付け部とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記第１の画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の前記偏光分離膜からの射出角度が４５°より大きくなるように、前記取り付け部が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１３】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する画像表示素子と、
前記偏光光束を前記画像表示素子に導く照明光学系と、
前記照明光学系と前記画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタと、
前記画像表示素子により表示された画像を投射面に投射する投射光学系とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の前記偏光分離膜からの射出角度が４５°より大きくなるように、前記投射光学系が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１４】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する第１、第２および第３の画像表示素子と、
前記第１、第２および第３の画像表示素子に前記偏光光束を導く照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を第１の色光と、第２、第３の色光に分離する色分離素子と、
前記色分離素子と前記第１の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記色分離素子と前記第２および第３の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１、第２および第３の画像表示素子により反射された光を合成する合成素子と、
前記合成素子により合成された光を投射面に投射する投射光学系とを有し、
前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記第１の画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の前記偏光分離膜からの射出角度が４５°より大きくなるように、前記投射光学系が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１５】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する第１、第２および第３の画像表示素子と、
前記第１、第２および第３の画像表示素子に前記偏光光束を導く照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を第１の色光と、第２、第３の色光に分離する色分離素子と、
前記色分離素子と前記第１の画像表示素子との間に設けられ、Ｓ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記色分離素子と前記第２および第３の画像表示素子との間に設けられ、Ｓ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１、第２および第３の画像表示素子により反射された光を合成する合成素子と、
前記合成素子により合成された光を投射面に投射する投射光学系を取り付ける取り付け部とを有し、
前記色分離素子の色分離面を含む平面と前記第１および第２偏光ビームスプリッタの偏光分離面を含む平面とが直交するように、前記色分離素子、前記第１及び第２偏光ビームスプリッタが配置された画像表示装置であって、
前記第１の色光は前記合成素子により反射されることにより、第２及び第３の色光と合成され、
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記合成素子とが並ぶ方向において、前記投射光学系の光軸が、前記照明光学系の光軸上の光路を辿った光線の前記合成素子からの射出側光路よりも前記第１の偏光ビームスプリッタ側に位置するように、前記取り付け口が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１６】
偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する第１、第２および第３の画像表示素子と、
前記第１、第２および第３の画像表示素子に前記偏光光束を導く照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を第１の色光と、第２、第３の色光に分離する色分離素子と、
前記色分離素子と前記第１の画像表示素子との間に設けられ、Ｓ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する第１の偏光ビームスプリッタと、
前記色分離素子と前記第２および第３の画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する第２の偏光ビームスプリッタと、
前記第１、第２および第３の画像表示素子により反射された光を合成する合成素子と、
前記合成素子により合成された光を投射面に投射する投射光学系とを有し、
前記色分離素子の色分離面を含む平面と前記第１および第２偏光ビームスプリッタの偏光分離面を含む平面とが直交するように、前記色分離素子、前記第１及び第２偏光ビームスプリッタが配置された画像表示装置であって、
前記第１の色光は前記合成素子により反射されることにより第２及び第３の色光と合成され、
前記第１の偏光ビームスプリッタと前記合成素子とが並ぶ方向において、前記投射光学系の光軸が、前記照明光学系の光軸上の光路を辿った光線の前記合成素子からの射出側光路よりも前記第１の偏光ビームスプリッタ側に位置するよう、前記投射光学系が配置されていることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は画像表示装置に関し、特に反射型の画像表示素子を用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の反射型の液晶パネル（画像表示素子）を用い画像表示装置は、液晶パネルに対する入射光と反射光の光路を違える必要がある。そのため、反射型の液晶パネルの入出射面側にＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する偏光ビームスプリッタが配置される。偏光ビームスプリッタの偏光分離膜の特性は、入射光の入射角度に依存する。偏光分離膜に入射する光の入射角度が４５°から離れるほど偏光分離膜における漏れ光が多くなり、投射画像のコントラストが低下してしまう。漏れ光とは、液晶パネルを全画素が黒表示になるように駆動させたとき、投射レンズに入射してしまう光である。
【０００３】
特許文献１には、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検光子を配置する技術が開示されている。より詳しく説明すれば、光源から射出された光は偏光ビームスプリッタの偏光分離膜を透過し、反射型の液晶パネルへと導かれる。白表示を行う場合は液晶パネルによりＰ偏光光はＳ偏光光に変調され、再び偏光ビームスプリッタにより検光され投射レンズ側に反射される。一方、黒表示を行う場合は、Ｐ偏光は変調されずに反射され、偏光分離膜を透過し、光源側へと戻される。この黒表示を行う際に、Ｐ偏光にも関わらず投射レンズに入射してしまう漏れ光が発生する。特許文献１は偏光ビームスプリッタの出射面側に偏光板を配置することにより、漏れ光を遮断してコントラストを向上させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特公平３−１７５４３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、偏光板は透過率が低いため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、コントラストを向上させることを課題とする。
【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は、偏光光束の偏光状態を制御することにより画像を表示する画像表示素子と、前記偏光光束を前記画像表示素子に導く照明光学系と、前記照明光学系と前記画像表示素子との間にＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過することにより入射光を検光する偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタと、投射面に前記画像表示素子により表示された画像を投射する投射光学系を取り付ける取り付け部とを有し、前記偏光分離膜の法線と前記画像表示素子の法線とに平行な断面において、前記画像表示素子の中心から射出し、前記投射光学系内で最も前記画像表示素子に近い光学面と前記投射光学系の光軸との交点に入射する光線の光路と前記偏光分離膜が成す角度が４５°未満であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明の効果は、高コントラストな画像表示装置を提供すること可能な点にある。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の画像表示装置の第１実施形態を示す図
【図２】偏光ビームスプリッタおよび画像表示素子周辺の拡大図
【図３】偏光分離膜に対する光の入射角度と偏光分離膜の特性の関係を示す図
【図４】偏光ビームスプリッタの漏れ光の説明図
【図５】第１実施形態における偏光分離膜の漏れ光の角度分布の模式図
【図６】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７】本発明の画像表示装置の第２実施形態の断面図
【図８】第２実施形態における偏光分離膜の漏れ光の角度分布の模式図
【図９】本発明の画像表示装置の第３の実施形態を示す図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明の好ましい実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１０】
（実施形態１）
図１に画像表示装置の第１の実施形態の構成図を示す。図中の１は光源、２は光源１からの光を所定の方向に反射するリフレクタである。本実施形態では放物面リフレクタを用いている。３ａはパネルと相似形状の矩形レンズをマトリクス状に配置した第１のフライアイレンズ、３ｂは第１フライアイレンズ３ａの個々のレンズに対応するレンズを有する第２のフライアイレンズである。４は光源からの非偏光を直線偏光にそろえる偏光変換素子、５ａ、５ｂはコンデンサレンズ、６は反射ミラーである。７は偏光ビームスプリッタ、８は偏光ビームスプリッタ７の偏光分離膜、９は入射光の偏光状態を制御することにより画像を表示する反射型の液晶パネル（画像表示素子）、１０は投射レンズ（投射光学系）、１１はスクリーン（投射面）である。投射レンズは画像表示装置本体にある取り付け口（取り付け部）に取り付けられる。線分Ｌは画像表示素子の中心から射出し、投射レンズ１０の光軸と投射レンズ（投射光学系）内における照明光学系に最も近い光学面が交わる点に到達する光線の光路である。その光路Ｌと偏光ビームスプリッタ７の偏光分離膜８が成す角度が４５°未満になるよう投射レンズが配置されている。投射光学系内のおける照明光学系に最も光学要素、とは例えば投射レンズの最も液晶パネル側のレンズである。偏光ビームスプリッタ７の屈折率ｎは１．６より大きいものを用い、本実施形態の偏光ビームスプリッタの屈折率ｎは１．８である。画像表示素子の中心から射出し、投射レンズ１０の光軸と投射レンズ内における照明光学系に最も近い光学面が交わる点とは、投射レンズの中の最も縮小側の光学面の面頂点である。また、液晶パネルの中心から該液晶パネルに垂直に出射する光線の偏光分離膜に対する入射角は４５°である。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、液晶パネルの法線であって、偏光分離膜８の略中心を通る線を表す。
【００１１】
光源１から射出された光は、リフレクタ２で反射され略平行光となり射出され、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。分割された複数の光束は第２のフライアイレンズ３ｂを透過し、偏光変換素子４に入射する。偏光変換素子４は偏光分離膜を有する小さな偏光ビームスプリッタ（小偏光ビームスプリッタ）を複数並べ、該偏光ビームスプリッタの射出面に一つおきに半波長板を配した構造をしている。偏光変換素子４に入射した非偏光はＰ偏光（偏光光束）に揃えられ、射出される。Ｓ偏光に揃えたい場合はＰ偏光の射出側に半波長板を配置してＳ偏光にそろえても良い。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の入射光が反射する側に配置される。ここでＰ偏光およびＳ偏光は偏光変換素子４の小偏光ビームスプリッタではなく液晶パネル（画像表示素子）９に隣接する偏光ビームスプリッタ７の偏光分離膜８に対して規定している。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により収斂されつつ反射ミラー６へ導かれる。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を均一に照明するケーラー照明である。
【００１２】
コンデンサレンズ５ａ、５ｂを出射した収斂光は反射ミラー６を反射し、偏光ビームスプリッタ７に入射する。Ｐ偏光は偏光ビームスプリッタ７の偏光分離膜８を透過し、液晶パネル９を照明する。液晶パネル９により入射光は変調され、偏光ビームスプリッタを反射し、投射レンズ１０によりスクリーン１１に投射される。図の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軸と偏光分離膜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２に、図１偏光ビームスプリッタ７及び液晶パネル９周辺の拡大図を示す。光路Ｌ（図２の実線）と偏光分離膜８の成す角θは４５°未満である。また、破線の矢印は、黒表示を行う際の光線である。反射ミラーにより反射されたＰ偏光光は偏光分離膜８を透過し、液晶パネル９に入射する。入射したＰ偏光光は、黒表示のされる場合にはその偏光方向は変換されずＰ偏光のまま反射され、再び偏光分離膜８を透過して光源側に戻る。ほとんどの光は光源側へと戻されるが、偏光分離膜の特性上、Ｐ偏光にもかかわらず偏光分離膜を反射して投射レンズ側へと入射する光がある。
【００１４】
図３（ａ）はＸＹ断面（Ｘ方向）において、偏光分離膜８への入射光の入射角度の変化に対する偏光分離膜特性の変化を示したグラフである。図３（ｂ）はＹＺ断面（Ｙ方向）において、偏光分離膜８への入射光の入射角度の変化に対する偏光分離膜特性の変化を示しグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸ＲｐはＰ偏光の反射率（％）である。ここでは、Ｒｐが小さいほど消光比が高く、偏光分離膜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膜に対して４５°で入射する光線に対する偏光分離膜の特性を表す。グラフの破線は４５°よりも約５°小さい角度で入射する光線に対する偏光分離膜の特性を表す。一点鎖線は４５°よりも約５°大きい角度で入射する光線に対する偏光分離膜の特性を表す。また図３（ａ）（ｂ）の特性の偏光分離膜は、画像表示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。
【００１５】
図３（ａ）（ｂ）から、偏光分離膜８の法線に対して４５°で入射する光線を基準として同じ角度だけ光線の入射角度を変化させた場合では、ＹＺ断面において入射角度を変化させた場合のほうが偏光分離膜の特性の変動が大きいことがわかる。つまり、偏光分離膜はＹＺ断面（Ｙ方向）における入射角度の変化に対する特性に比べ、ＸＹ断面（Ｘ方向）におけるの入射角度の変化に対する特性が良いことがわかる。
【００１６】
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、偏光分離膜の法線に対して４５°で入射する光線が通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る膜厚は厚く（長く）なり、−５°変化すると薄く（短く）なるからである。さらにグラフのピークの位置（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。一般的に光学膜の特性は、光線が通る膜の厚みが短くなると長波長側に、長くなると短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（５００〜５８０ｎｍ）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い。図４に、図２の断面において漏れ光の多い、少ないを分かりやすくするための図を示す。図４に示したように、液晶パネル９のある点から広がりをもって反射された光（Ｐ偏光）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方向が少なく、−Ｙ方向は多くなる。
【００１７】
さらに図５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膜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。座標軸は偏光分離膜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。図中の座標軸は図１から４の座標軸と対応しているので説明は割愛する。図３においても説明したが、図５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方向において漏れ光が多くなる。図５に示したような漏れ光の角度分布は、実際の画像表示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。
【００１８】
次に、投射レンズ１０の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に向かう光が、投射レンズを介してスクリーンに到達するまでの経路に注目する。投射レンズの光軸中心に対応する点、つまり図１では液晶パネルの中心から発散する光線は、投射レンズの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、投射レンズの光軸中心に対応する点から離れた点から発散する光線は、投射レンズのビネッティングにより一部の角度成分が遮断される。ビネッティングとは、入射光束の角度が投射レンズの光軸に対して斜めであればある程、レンズの大きさや厚みに起因して入射光束が絞り全体を通過しなくなることである。一般的に、画像表示装置（プロジェクタ）の投射レンズは、その投影方向を斜めにして使われるのが一般的である。図１に示した構成も斜め上方向に画像を投射している。斜め方向に画像を投射すると、ビネッティングにより投射レンズが取り込むことが可能な光線の角度分布もＹ方向に非対称になる。参考として、図６に光量分布が略均一な光束が投射レンズに入射する場合、図１の配置によって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を示した。＋Ｙ方向には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の損失が少ないことが分かる。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。
【００１９】
本発明は図５で示した偏光分離膜の特性による漏れ光の角度分布を鑑み、画像表示素子に対する投射レンズの配置を行う。つまり、液晶パネルから射出し、投射レンズの光軸と投射レンズ内における照明光学系に最も近い光学面が交わる点に到達する光線の光路をＬとする。その光路Ｌと偏光ビームスプリッタ７の偏光分離膜８が成す角度が４５°未満になるよう投射レンズが配置されている。言い換えれば、投射レンズの光軸、あるいは投射レンズの取り付け口（取り付け部）の中心を通る軸が、偏光分離膜に対して４５°を成す線であって且つ投射レンズの光軸に平行な線と、照明光学系の光軸との間にくるよう投射レンズが配置されている。言い換えれば、投射レンズの光軸は、偏光分離膜に対して４５°を成す線であって且つ照明光学系の光軸に平行な線とは一致しないよう配置されている。
【００２０】
本発明は、投射レンズの光軸（投射レンズの取り付け口）が漏れ光の少ない側にシフトしているので、偏光分離膜で発生する漏れ光を投射レンズ内部のビネッティングの影響を利用して効果的に遮断することができる。これにより、投射画像に含まれる漏れ光が低減され、投射画像のコントラストが向上する。
【００２１】
（実施形態２）
図７（ａ）（ｂ）は本発明の画像表示装置の第２の実施形態を示す図である。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機能を設けた点である。図７（ａ）は実施形態２の画像表示装置をＸＺ断面から見た図、図７（ｂ）は実施形態２の画像表示装置をＹＺ断面から見た図である。
【００２２】
図７（ａ）、（ｂ）の１は光源、２は光源１からの光を所定の方向に反射するリフレクタ、１２は凸レンズ（正レンズ）である。１３は凹シリンドリカルレンズ（Ｘ方向に負の屈折力があり、Ｙ方向に屈折力を持たないレンズ）、１４は凹シリンドリカルレンズ（Ｘ方向に屈折力を持たず、Ｙ方向に負の屈折力を有するレンズ）である。言い換えれば、１３は第１の負のシリンドリカルレンズ、１４は第２の負のシリンドリカルレンズである。３ａはパネルと相似形状の矩形レンズをマトリクス状に配置した第１のフライアイレンズ、３ｂは３ａの個々のレンズに対応するレンズを有する第２のフライアイレンズである。４は光源からの非偏光光を直線偏光にそろえる役割を持った偏光変換素子である。５ａ、５ｂはコンデンサレンズ、６は反射ミラー、７は偏光ビームスプリッタ、８は偏光分離膜、９は反射型の液晶パネル（画像表示素子）、１０は投射レンズ、１１は投影画面（スクリーン）である。尚、コンデンサレンズ５ａ、５ｂは１枚の凸レンズであってもよい。本実施形態では光源として高圧水銀ランプ、リフレクタとして放物面鏡を用いている。実施形態１と同様に、画像表示装置本体には投射レンズを取り付ける取り付け口があり、その取り付け口に投射レンズが取り付けられる。
【００２３】
光源１から射出された光は、リフレクタ２で集光され、凸レンズ１２に入射する。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、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Ｘ方向により略平行光として射出される。第１フライアイレンズ３ａに入射される光線は第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７（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。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により収斂され、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膜８を透過して、液晶パネル９を照明する。白表示を行う場合、液晶パネル９はＰ偏光光をＳ偏光光に変調する。液晶パネル９により変調された光は偏光ビームスプリッタの偏光分離膜８を反射し、投射レンズ１０によりスクリーン１１に投射される。黒表示を行う場合は、液晶パネル９はＰ偏光光の偏光方向を変換せずに反射する。液晶パネル９により反射された光は偏光分離膜８を透過して光源側に戻される。実施形態２の照明光学系も光源と第２フライアイレンズを共役な位置、第１フライアイレンズと液晶パネルを互いに共役な位置に配置することで、ケーラー照明を行っている。
【００２４】
本実施形態においても液晶パネルから反射する光線が偏光ビームスプリッタの偏光分離膜に入射する角度の変化に応じて、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、偏光分離膜における漏れ光の角度分布の模式図を図８に示す。座標軸は偏光分離膜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。図中の座標軸は図７の座標軸と対応しているので説明は割愛する。本実施形態はＸ方向とＹ方向で光束を独立に圧縮しており、実施形態１よりもＹ方向の光束の圧縮率が高い。
【００２５】
また、実施形態１と同様に、液晶パネルの中心から射出し、投射レンズ１０の光軸と投射レンズ内における照明光学系に最も近い光学面が交わる点に到達する光線の光路をＬとする。その光路ＬとＹＺ面上の偏光分離膜の膜境界線が成す角度eが４５°未満になるようにしている。従って、−Ｙ方向の漏れ光を投射レンズ内部のビネッティングの影響で効果的に遮断できる。よって、漏れ光をカットするための偏光板等を挿入することなくコントラストを向上させることができる。
【００２６】
本発明のその他の効果として、Ｘ方向、Ｙ方向の圧縮率を異ならせ、Ｙ方向により強く圧縮することで、偏光分離膜の特性の変動が大きいＹ方向において偏光分離膜への入射角度の広がりが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漏れ光が少なくなる。本明細書での圧縮とは略アフォーカルな光学系を出射後の光束の幅を入射前の光束の幅よりも小さくすることであり、圧縮率とはその率である。
【００２７】
（実施形態３）
図９は本発明の画像表示装置の第３の実施形態を示す図である。図１と異なる部分についてのみ説明する。偏光変換素子４は入射した光の偏光方向をＰ偏光に揃える。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。１９は赤用の反射型液晶パネル（第１の画像表示素子）、２０は緑用の反射型液晶パネル（第２の画像表示素子）、２１は青用の反射型液晶パネル（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、赤及び青の波長帯域の光を透過する合成プリズム（合成素子）である。図９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。
【００２８】
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、投射レンズにより投射面に投射される。液晶パネル９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、投射レンズ側に戻される。
【００２９】
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）の偏光分離膜を反射し、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の偏光分離膜を反射し、光源側に戻される。
【００３０】
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。
【００３１】
実施形態１における説明と同様に、液晶パネル２０から反射する光線が偏光ビームスプリッタ１７の偏光分離膜に入射する角度の変化に応じて、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。
【００３２】
ここで、明るさに最も寄与する緑波長域の漏れ光に注目すると、実施形態１と同様に光線が通る偏光分離膜の厚みが小さくなる角度変化に対してＰ偏光の消光比が下がる。液晶パネル２０の中心から射出し、照明光学系に最も近い光学面と投射レンズ１０の光軸との交点が交わる点に到達する光線の光路をＬとする。その光路ＬとＹＺ段面の偏光分離膜の膜境界線が成す角度eが４５°未満となるように構成している。従って、−Ｙ方向の漏れ光を投射レンズ内部のビネッティングの影響で効果的に遮断できる。以上より、透過率の低い偏光板を偏光ビームスプリッタに出射側に配置することなく、漏れ光を抑えることができるので、投射画像の明るさの低下を抑えつつコントラスト向上させることが可能となる。
【００３３】
その他の効果として、投射レンズがシフト可能な方向に関して（図９のＸＹ方向）、画像投射装置を小型化することができる。なぜならば、投射レンズの光軸が筐体の内側に配置されるからである。
【００３４】
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及び変更が可能である。例えば、光源は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表示装置にも適用することが可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１  光源
３ａ  第１のレンズアレイ
３ｂ  第２のレンズアレイ
４  偏光変換素子
５ａ、５ｂ  コンデンサレンズ
６  反射ミラー
７  偏光ビームスプリッタ
８  偏光分離膜
９  反射型液晶表示素子
１０  投射レンズ
１１  スクリーン
【図１】
0005511360.tif 000002
【図２】
0005511360.tif 000003
【図３】
0005511360.tif 000004
【図４】
0005511360.tif 000005
【図５】
0005511360.tif 000006
【図６】
0005511360.tif 000007
【図７】
0005511360.tif 000008
【図８】
0005511360.tif 000009
【図９】
0005511360.tif 000010