(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを出射する光源と、
光ビームを偏光方向が互いに異なる第１および第２光ビームに分離する機能を有する第１偏光分離素子と、
前記光源から出射された光ビームの偏光状態を変調する反射型画像表示素子と、
前記反射型画像表示素子で変調された前記光ビームを投影する投影素子とを有する画像表示装置であって、
前記光源と前記第１偏光分離素子との間に、前記光源から近い順に、トリミングフィルタ、偏光板、及び偏光制御素子がこの順で配置されており、
前記第１偏光分離素子は、前記光源から出射され、前記トリミングフィルタと、前記偏光板と、前記偏光制御素子とを透過した前記光ビームを受ける入射面と、前記光ビームを分離する偏光分離面と、前記光ビームを前記反射型画像表示素子側に出射する第１出射面と、前記変調された光ビームを前記投影素子側に出射する第２出射面とを有し、
前記光源から出射された前記光ビームの主光線は、前記偏光分離面に４５度を超える角度で入射し、且つ、前記光ビームの主光線および前記変調された光ビームの主光線は、前記第１出射面および前記第２出射面からそれぞれ略垂直に出射する画像表示装置。
【請求項２】
前記光源から出射された前記光ビームの主光線は、前記第１偏光分離素子の前記入射面に略垂直に入射する請求項１に記載の画像表示装置。
【請求項３】
前記第１偏光分離素子は、２つの三角柱ガラスプリズムを互いに貼り合わせた構造を有し、前記２つの三角柱ガラスプリズムのうちの少なくとも一方は、前記光ビームの主光線と前記偏光分離面の法線とが形成する面内の断面が直角三角形ではない請求項１または２に記載の画像表示装置。
【請求項４】
前記光源から出射された前記光ビームの主光線は、前記第１偏光分離素子の前記偏光分離面に５５度以下の角度で入射する請求項１から３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項５】
前記第１偏光分離素子および前記反射型画像表示素子が１対１で配置された光学系を複数有する請求項１から４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項６】
光ビームを出射する光源と、前記光源から出射された前記光ビームを偏光方向が互いに異なる第１および第２光ビームに分離する偏光分離素子とを有し、
前記光源と前記偏光分離素子との間に、前記光源から近い順に、トリミングフィルタ、偏光板、及び偏光制御素子がこの順で配置されており、
前記偏光分離素子は、前記光源から出射され、前記トリミングフィルタと、前記偏光板と、前記偏光制御素子とを透過した前記光ビームを受ける入射面と、前記光ビームを分離する偏光分離面と、前記第１光ビームを出射する第１出射面と、前記第２光ビームを出射する第２出射面とを有し、
前記光ビームの主光線は、前記偏光分離面に４５度を超える角度で入射し、且つ、前記第１および第２光ビームの主光線は、それぞれ前記第１出射面および前記第２出射面からそれぞれ略垂直に出射する照明装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光を利用した画像表示装置および偏光を出射する照明装置に関する。特に、本発明は、例えば液晶プロジェクタのような、光源から出射され画像表示素子を経た光を投影レンズによりスクリーンに拡大投影する画像表示装置およびこのような画像表示装置など偏光を利用する光学装置において好適に用いられる照明装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、液晶表示素子を用いた投影型画像表示装置（以下、「液晶プロジェクタ」と称する。）が、高精細で大型の表示が可能な画像表示装置として注目されている。液晶プロジェクタは、用いられる液晶表示素子のタイプに応じて、透過型と反射型とに大別される。反射型液晶表示素子は、透過型液晶表示素子に比べて、絵素開口率を高くできるという利点を有しており、反射型液晶プロジェクタは明るい表示が可能である。
【０００３】
また、液晶プロジェクタは、カラー表示方式によって、３板式と単板式とに分類される。３板式液晶プロジェクタは、３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の光ビームのそれぞれに対して液晶表示素子を設けているので、光の利用効率が高く、非常に明るい表示を実現できる。これに対して、１枚の液晶表示素子を用いる単板式液晶プロジェクタは、小型、軽量および安価であるという利点を有している。
【０００４】
反射型液晶表示素子を用いた３板式液晶プロジェクタは、例えば電子ディスプレイフォーラム９７（Ｐ．３−２７〜３−３２）や特開平４−３３８７２１号公報に開示されている。
【０００５】
図１４に、電子ディスプレイフォーラム９７に開示されている液晶プロジェクタを模式的に示す。この液晶プロジェクタでは、光源６０１から出射された光ビーム（白色光）をダイクロイックミラーで、赤、緑、青（以下、順にＲ、Ｇ、Ｂと呼ぶ。）の３原色の光ビームに分離し、それぞれの色光ビームを対応する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）６０２に入射させる。偏光ビームスプリッタ６０２は、入射光ビームを互いに直交する偏光方向を有する２つの光ビーム（Ｓ偏光ビームとＰ偏光ビーム）に分離し、１方の光ビーム（Ｓ偏光ビーム）が対応する反射型液晶表示素子６０４にそれぞれ入射する。反射型液晶表示素子６０４でそれぞれ反射され、偏光方向が変調されたＲ、Ｇ、Ｂの光ビームは、再度ＰＢＳ６０２に入射し、クロスダイクロイックプリズム６０３で合成された後、投影レンズ６０５でスクリーンに投影される。
【０００６】
図１５（ａ）および（ｂ）に、特開平４−３３８７２１号公報に開示されている液晶プロジェクタを模式的に示す。この液晶プロジェクタでは、光源７０１からの光をＰＢＳ７０４で２つの直線偏光ビームに分離後、一方の偏光ビームをクロスダイクロイックプリズム（図１５（ａ））やフィリップスタイププリズム（図１５（ｂ））の色分離・合成素子で、Ｒ、ＧおよびＢ光ビームに分離する。反射型液晶表示素子７０７−Ｒ、Ｇ、Ｂで、偏光方向が変調され、反射されたそれぞれの色光ビームを上記の色分離・合成素子で合成（色合成）した後、ＰＢＳ７０４に再度入射させる。偏光方向が変調された偏光ビームは、ＰＢＳ７０４を選択的に透過し、投影レンズ７０８に入射し、スクリーンに投影される。
【０００７】
これらの液晶プロジェクタに用いられるＰＢＳとしては、一般的なガラスＰＢＳと、上記の電子ディスプレイフォーラム９７に開示されているような液浸ＰＢＳとがある。ガラスＰＢＳは、２つの直角三角柱プリズムを貼り合わせた構造を有し、貼り合わせ面が偏光分離面として機能する。ガラスプリズムは偏光分離特性に優れるものの、ガラスによる複屈折の影響を受けやすい。液浸ＰＢＳは、表面に偏光分離面が形成されたガラス板が高屈折率の液体中に浸された構造を有している。この液浸ＰＢＳは、ガラスＰＢＳと比べるとガラスによる複屈折の影響を受け難いというメリットを有するが、温度上昇による液体の膨張を緩和する機構や冷却機構の問題で、その筺体自体が複雑で高価なものとなる。また、筺体の四方をガラスで囲み、その中に液体を封入する形となるため、ガラスＰＢＳより大きくなると同時に、ガラスと液体の界面で反射が起こり、明るさの低下や迷光の原因となるため、現在では民生用としてはあまり実用化されていない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した液晶プロジェクタのように、偏光を利用する画像表示装置においては、偏光の程度（消光比）や利用効率が表示品質に影響する。本願発明者は、ＰＢＳの特性を詳細に検討した結果、ＰＢＳを利用して偏光を生成する従来の照明光学系に以下の問題があることを見出した。
【０００９】
図１６および図１７を参照しながら、従来の偏光生成光学系の問題を説明する。図１６は、従来の偏光生成光学系を模式的に示す斜視図であり、図１７は、従来の偏光生成光学系におけるＰＢＳの偏光分離特性を示すグラフである。
【００１０】
図１６に示したように、従来の液晶プロジェクタで用いられている偏光生成光学系は、光ビームの主光線がガラスＰＢＳの偏光分離面に対して入射角αが４５°で入射するように構成されている。なお、主光線とは、広がり角θを有する光ビームの中心の光を指す。また、光ビームがガラスによる屈折を防止するために、光ビームがガラスＰＢＳの表面（入射面）に対して直角に入射し、偏光分離面で反射された光ビームは、ＰＢＳの他の表面（出射面）から直角に出射されるように構成されている。従来のＰＢＳは、入射面と出射面とが直角な直角プリズムであり、直角二等辺三角形の断面を有する三角柱を２つ、直角二等辺三角形の底辺を含む面で貼り合わされた構造を有している。偏光分離面とＰＢＳの表面（入射面および出射面）とは４５°を成している。なお、一般に、入射角（反射角）は、入射光ビームおよび反射光ビームの主光線を含む面内において、光ビームが入射する面（ここでは、偏光分離面）に対する法線と入射光ビーム（反射光ビーム）の主光線とが成す角として定義される。
【００１１】
実際の光源から出射された入射光ビームは、図１６に示したように、主光線の周りに広がり角θを持って、偏光分離面に入射する。従って、入射光ビームは、主光線を中心に角度分布を有しており、上述のように入射光ビームの主光線を偏光分離面に対して４５°になるように配置しても、実際には４５°±θの入射角度で入射する光ビームも存在していることになる。
【００１２】
液晶プロジェクタの照明光学系から出射される光ビームは、一般にθ’＝±５°〜±２０°の広がりを有する。広がり角θ’は、光源のアーク長、コリメート光学系などに依存し、用途によって変更され得る。なお、広がり角θ’は、光ビームの空気中における広がり角を示し、ＰＢＳ中の広がり角（偏光分離面における広がり角）θと区別している。一例として、空気中の広がり角θ’を±１６°とすると、ＰＢＳ内での広がり角θは±１０°前後となる（ＰＢＳを構成するガラスの屈折率を約１．６とする）。
【００１３】
従来のガラスＰＢＳは、図１７に示したような偏光分離特性を有している。図１７から分かるように、偏光分離面への入射角αが４５°付近では、Ｓ偏光はほとんど反射され、Ｐ偏光はほとんど透過される。入射角αが４５°からずれていくにつれて、Ｐ偏光の透過率が低下し、反射率が上昇する。この傾向は、入射角αが４５°よりも小さい側（入射方向が偏光分離面の法線方向に近い側）で顕著であり、特に、入射角αが約４０°よりも小さくなると、急激にＰ偏光の透過率が減少し、反射率が増大する。これに対し、Ｓ偏光の透過率および反射率は、入射角αが４５°からずれてもほとんど変化しない、すなわちＳ偏光を選択反射する特性はほとんど低下しない。
【００１４】
なお、ＰＢＳの偏光選択特性は用途によって異なり得る。例えば、単色光を分離するためのＰＢＳは、特定の狭い波長範囲の光を対象に設計・作製されるので、一般に、白色光を分離するためのＰＢＳよりも高い偏光選択特性を有する。また、要求される波長選択特性は、ＰＢＳの用途に依存する。従って、入射角αの広がりによる偏光選択性の低下の許容範囲は、用途によって異なり得る。例えば、緑色光に対して最適化されたガラスＰＢＳは、４５°入射に対して９５％以上のＰ偏光透過率を実現できるのに対して、白色光に対しては約９０％となる。
【００１５】
例えば、上述のように、入射光ビームがθ＝±１０°の広がり角を有した場合、従来の照明光学系においては、図１７のハッチング領域（３５°〜５５°）が利用されることになる。まず、反射型液晶表示素子に入射されるべき光ビームはＳ偏光なので、入射ビームはＰＢＳの偏光分離面でＳ偏光が選択的に反射される。図１７から分かるように、Ｓ偏光に対する反射特性はα＝３５°〜５５°の範囲内で高い値を有しているので、入射光ビーム中のＳ偏光のほとんどが反射され、反射型液晶表示素子に入射する。
【００１６】
この後、液晶表示素子によって偏光方向が変調され、Ｐ偏光に変換された光ビームは、液晶表示素子から反射され、再び偏光分離面に入射する。このＰ偏光の光ビームの入射角もθ＝±１０°の広がりを有している。上述したように（図１７）、入射角が４０°以下になると、Ｐ偏光の透過率は急激に低下（反射率は急激に上昇）するので、入射角が４０°以下のＰ偏光ビームの多くは、偏光分離面を透過せずに、光源側に反射される。その結果、従来の液晶プロジェクタによる表示の明るさ及びコントラスト比が著しく低下するだけでなく、カラー表示においては迷光の発生により色純度も低下する。
【００１７】
上述の問題は、反射型液晶プロジェクタに限らず、ＰＢＳを用いる透過型液晶プロジェクタや偏光を利用する他の画像表示装置においても発生する。さらに、画像表示装置に限らず、ＰＢＳを用いる偏光生成光学系（照明光学系）を有する照明装置は、上述した現象に起因して、Ｐ偏光の利用効率が低いという問題を有している。
【００１８】
本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、その主な目的は、明るくコントラスト比の高い表示が可能な画像表示装置およびＰ偏光の利用効率の高い照明装置を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像表示装置は、光ビームを出射する光源と、光ビームを偏光方向が互いに異なる第１および第２光ビームに分離する機能を有する第１偏光分離素子と、前記光源から出射された光ビームの偏光状態を変調する反射型画像表示素子と、前記反射型画像表示素子で変調された前記光ビームを投影する投影素子とを有する画像表示装置であって、前記第１偏光分離素子は、前記光源から出射された前記光ビームを受ける入射面と、前記光ビームを分離する偏光分離面と、前記光ビームを前記反射型画像表示素子側に出射する第１出射面と、前記変調された光ビームを前記投影素子側に出射する第２出射面とを有し、前記光源から出射された前記光ビームの主光線は、前記偏光分離面に４５度を超える角度で入射し、且つ、前記光ビームの主光線および前記変調された光ビームの主光線は、前記第１出射面および前記第２出射面からそれぞれ略垂直に出射する構成を有し、そのことによって上記目的を達成することができる。なお、前記第１および第２光ビームは、いずれの偏光方向がＳ偏光であってもＰ偏光であってもよい。
【００２０】
前記光源から出射された前記光ビームの主光線は、前記第１偏光分離素子の前記入射面に略垂直に入射することが好ましい。
【００２１】
前記第１偏光分離素子は、２つの三角柱ガラスプリズムを互いに貼り合わせた構造を有し、前記２つの三角柱ガラスプリズムのうちの少なくとも一方は、前記光ビームの主光線と前記偏光分離面の法線とが形成する面内の断面が直角三角形ではない構成とすることが好ましい。
【００２２】
前記光源から出射された前記光ビームの主光線は、前記第１偏光分離素子の前記偏光分離面に５５度以下の角度で入射することが好ましい。
【００２３】
前記第１偏光分離素子および前記反射型画像表示素子が１対１で配置された光学系を複数有する構成としてもよい。
【００２４】
前記第１偏光分離素子１つに対し、前記反射型画像表示素子が複数配置された光学系を有する構成としてもよい。
【００２５】
前記光源から出射された前記光ビームは３原色の光ビームを含み、３原色の光ビームのうちの少なくとも１つの色の光ビームの偏光方向を選択的に変化させる偏光制御素子をさらに有する構成としてもよい。
【００２６】
前記光源から出射された前記光ビームに含まれる３原色の光ビームのうち同じ偏光方向を有する２つの色の光を互いに分離する色分離素子をさらに有し、前記色分離素子は、色分離される光ビームが入射する入射面と、前記入射した光ビームを互いに異なる色に分離する色分離面と、色分離された色光ビームを出射する出射面とを有し、前記色分離される光ビームの主光線は、前記入射面に略垂直に入射し、且つ、前記色分離面に４５度未満の角度で入射し、前記色分離された色光ビームの主光線は、前記出射面から略垂直に出射する構成としてもよい。
【００２７】
前記光源から出射された３原色の光ビームを第１色光ビーム、第２色光ビームおよび第３色光ビームとするとき、前記第１色光ビームと前記第３色光ビームとを組み合わせた色光ビームと、前記第２色光ビームと前記第３色光ビームとを組み合わせた色光ビームとを、順次選択的に透過するカラーフィルタ素子をさらに有し、前記偏光制御素子は、前記第３色光ビームの偏光方向または前記第１色光ビームおよび前記第２色光ビームの偏光方向を変化させる構成としてもよい。
【００２８】
前記光源と前記第１偏光分離素子との間に、光ビームを偏光方向が互いに異なる第３および第４光ビームに分離する機能を有する第２偏光分離素子と、前記光源から出射され、前記第２偏光分離素子で分離された第４光ビームの偏光方向を前記第３光ビームの偏光方向と同じにする偏光変換素子と、をさらに有し、前記第２偏光分離素子は、前記光源から出射された前記光ビームを受ける入射面と、前記光ビームを分離する偏光分離面と、前記第３光ビームを出射する第３出射面と、前記第４光ビームを出射する第４出射面とを有し、前記光源から出射された前記光ビームの主光線は、前記第２偏光分離素子の前記偏光分離面に４５度を超える角度で入射し、且つ、前記第３および第４光ビームの主光線は、それぞれ前記第３出射面および前記第４出射面からそれぞれ略垂直に出射し、前記第２偏光分離素子で分離された前記第３光ビームと、前記第２偏光分離素子で分離され、且つ前記偏光変換素子で前記第３光ビームの偏光方向と同じ偏光方向とされた前記第４光ビームとを前記第１偏光分離素子の前記入射面に供給する構成としてもよい。
【００２９】
本発明の照明装置は、光ビームを出射する光源と、前記光源から出射された前記光ビームを偏光方向が互いに異なる第１および第２光ビームに分離する偏光分離素子とを有し、前記偏光分離素子は、前記光源から出射された前記光ビームを受ける入射面と、前記光ビームを分離する偏光分離面と、前記第１光ビームを出射する第１出射面と、前記第２光ビームを出射する第２出射面とを有し、前記光ビームの主光線は、前記偏光分離面に４５度を超える角度で入射し、且つ、前記第１および第２光ビームの主光線は、それぞれ前記第１出射面および前記第２出射面からそれぞれ略垂直に出射する構成を有し、そのことによって上記目的を達成することができる。
【００３０】
【発明の実施形態】
本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。
【００３１】
図１は、本発明による偏光生成光学系を模式的に示す斜視図であり、図２は、本発明による偏光生成光学系におけるＰＢＳの偏光分離特性を示すグラフである。
【００３２】
図１に示したように、本発明による偏光生成光学系は、光ビームの主光線がガラスＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５に対して入射角αが４５°を超える角度（ここではα＝５０°）で入射するように構成されている。さらに、光ビームがＰＢＳ１０４のガラスによる屈折を防止するために、光ビームがガラスＰＢＳ１０４の表面（入射面１０４ａ）に対して直角に入射し、偏光分離面で反射された光ビームは、ＰＢＳの他の表面（第１出射面１０４ｂ）から直角に出射されるように構成されている。
【００３３】
図１に示した本発明による実施形態の偏光生成光学系においては、光ビームが偏光分離面１０５に５０°で入射するので、例えば、広がり角θが±１０°の光ビームに対するＰＢＳ１０４の偏光分離特性は、図２中に斜線で示したように、Ｐ偏光に対しても安定した特性を有している。すなわち、図１７に示した従来の偏光分離光学系におけるＰＢＳの偏光分離特性と異なり、Ｐ偏光の反射率が十分に低い（Ｐ偏光の透過率が十分に高い）角度領域（αの範囲）を利用できる。これらの偏光選択性は、偏光生成光学系の用途によって変わるので、用途に応じて所定の偏光選択性が得られるように入射角αを適宜設定すればよい。特に、ＰＢＳのＰ偏光に対する偏光選択性が急激に低下する入射角をαｍｉｎ（図２の例では４０°）と入射光ビームの広がり角θ（典型的には±１０°）とを考慮して、主光線の入射角α＝αｍｉｎ+｜θ｜を満足するように設定する。さらに、Ｐ偏光に対する偏光選択性が入射光ビームの主光線に対して対称になるように、入射角αを設定することが好ましい。以下の実施形態で例示するように、反射型画像表示装置の照明光学系に適用する場合には、一般に広がり角θが±１０°程度なので、αを５０°に設定することによって、入射光ビームの全て（５０°±１０°で入射する光線）に対して良好な偏光選択性を有するので、高品位な表示を実現できる偏光を生成することができる。また、偏光分離面に対する入射角を４５°より大きくするためには、従来の直角プリズム（キューブ状プリズム）よりも大きなプリズムを形成する必要があるので、主光線の入射角は５５°以下であることが好ましい。すなわち、入射角が４５°を越え、５５°以下となるようなＰＢＳを用いることが、偏光分離特性とコストとの観点から好ましいと言える。偏光分離面１０５への光ビームの入射角度は実際に使用する照明系の広がり角に合わせて上記４５°を越え５５°以下の角度範囲内で調整すればよい。
【００３４】
また、本発明による偏光生成光学系においては、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５で偏光分離された反射ビームは、ＰＢＳ１０４の出射面１０４ｂから直角に出射されるように構成されているので、ＰＢＳ１０４の出射面１０４ｂと空気との界面において、反射ビームが屈折されることが無い。従って、ＰＢＳ１０４を構成する材料の屈折率の波長分散によって発生する色収差を低減できる。
【００３５】
また、後に詳述するように、反射画像表示装置の照明光学系に適用する場合には、反射画像表示素子（不図示）は、図１に示した反射ビームに対して直角に配置し、反射画像表示素子で偏光方向が変調され、反射された光ビームが第１出射面１０４ｂに再び直角に入射し、その主光線が偏光分離面１０５に５０°で入射し、偏光分離面１０５を透過した後、第２出射面１０４ｃから直角に出射される構成とされることが好ましい。このように、反射ビームがＰＢＳ１０４の出射面（第１出射面１０４ｂおよび第２出射面１０４ｃ）に対して、直角に入射および出射する構成とすることによって、反射型画像表示素子のコンバージェンスの調整が容易となるだけでなく、非点収差を防止することができ、良好な画像を表示することが可能となる。
【００３６】
さらに、図１の実施形態のように、ＰＢＳ１０４の入射面１０４ａに光ビームが直角に入射する構成とすることによって、入射光ビームがＰＢＳ１０４の入射面１０４ａで屈折されることが無くすことができる。このような構成を採用すると、ＰＢＳ１０４を構成する材料の屈折率の波長分散によって発生する色収差を低減できるとともに、入射光ビームの偏光分離面に対する入射角が単純に求められるので、ＰＢＳ１０４の設計および／または光学系の設計が容易になる。
【００３７】
本発明によるＰＢＳは、頂角が鋭角（９０°未満）の２つの三角柱ガラスプリズムを底面で貼り合せることによって構成することができる。偏光分離面は、互いに貼り合わされる底面に形成される。偏光分離面は誘電体多層膜として公知の方法で形成され得る。典型的には、三角柱プリズムの光入射面内の断面形状は、二等辺三角形であり、底角は４５°を超える角度であり、図１に示したように、菱形の断面を有する。このような菱形の断面を有するＰＢＳは、ＰＢＳの入射面１０４および出射面１０４ｂおよび１０４ｃに対して光ビームが略直角に入・出射し、且つ偏光分離面１０５に４５°を超える角度で入射する構成を容易に実現できる。また、同じ三角柱プリズムを貼り合せた構成を採用することによって、プリズムの製造コストを低減することが可能となる。
【００３８】
本発明に好適に用いられるＰＢＳは、図１に示した例に限られない。例えば、図３（ａ）〜（ｃ）に示すＰＢＳを用いてもよい。図３（ａ）に示したように断面を三角形の角部を削り落とした形状としたり、図３（ｂ）にしめしたように四角柱を用いたりしてもよい。さらに、図３（ｃ）に示したように、色分離・合成素子（色分離・合成プリズム）と一体化してもよい。いずれにしても、図３（ａ）〜（ｃ）の破線で囲んだ領域内に示され構成が、頂角が鋭角で底角が４５°を超える三角形の断面形状を有する三角柱プリズムの側面と底面（偏光分離面として機能する）とを有していればよい。
【００３９】
上述した本発明による偏光生成光学系を用いた画像表示装置の実施形態を以下に説明する。本発明は、下記の実施形態に限られず、上述した偏光生成光学系は、偏光を利用する他の光学機器の照明装置として好適に適用される。
【００４０】
（実施形態１）
本発明の実施形態１による投影型カラー画像表示装置（液晶プロジェクタ）１００の模式図を図４に示す。液晶プロジェクタ１００は、図１に示したＰＢＳ１０４を含む本発明による偏光生成光学系を備えている。
【００４１】
液晶プロジェクタ１００は、光源１０１として、１２０Ｗ、アーク長１．４ｍｍのＰｈｉｌｉｐｓ社製のＵＨＰランプを備えている。光源１０１としては、この他にハロゲンランプやキセノンランプ、メタルハライドランプを用いることができる。
【００４２】
光源１０１から出射された白色（Ｒ、Ｇ、Ｂを含む）の光ビームは、放物面鏡１０２で略平行光（コリメート）にされた後、偏光板１０３に入射する。偏光板１０３は、偏光方向（振動方向）が紙面に対して垂直方向の光ビームのみを透過し、偏光板１０３を透過した光ビームがＰＢＳ１０４に入射する。すなわち、ＰＢＳ１０４に入射する光ビームはＳ偏光である。ＰＢＳ１０４は、入射面内の断面形状は菱形であり、その入射面１０４ａには光源１０１からの光ビームが直角に入射する。ＰＢＳ１０４の断面形状は、上述したように菱形に限定されるものではなく、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５に所定の角度（α）で光ビームが入射し、且つ、ＰＢＳ１０４の光出射面１０４ｂおよび１０４ｃに対して、光ビームの主光線が略垂直になっていればよい。
【００４３】
ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５で偏光選択的に反射された白色光ビーム（Ｓ偏光）は、色分離素子であるフィリップスタイププリズム１０６に入射する。フィリップスタイププリズム１０６は、入射光ビームをＲ、Ｇ、Ｂの光ビームに順次分離し、対応する反射型液晶表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇおよび１０７−Ｂにそれぞれを入射させる（これらを総称して反射型液晶表示素子１０７と呼ぶこともある）。反射型液晶表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇおよび１０７−Ｂの反射面（表示面）はそれぞれの光ビームの主光線に対して垂直となるように配置されている。
【００４４】
反射型液晶表示素子１０７としては、例えば、０．９型ＸＧＡパネルで、垂直配向の液晶モードのもの用いることができる。反射型液晶表示素子としては、上記他にＴＮモードなど公知の表示モードの液晶表示素子を広く用いることができる。また、液晶表示素子以外の他の反射型表示素子を用いてもよい。
【００４５】
反射型液晶表示素子１０７に入射し、偏光方向が変調され、反射されたＲ、Ｇ、Ｂそれぞれの光ビームは、フィリップスタイププリズム１０６に向けて反射される。フィリップスタイププリズム１０６で色合成された光ビームは、ＰＢＳ１０４の出射面１０４ｂから垂直に入射する。反射型液晶表示素子１０７で変調されＰ偏光となった光ビームは、偏光分離面１０５を透過し、偏光板１０９（Ｐ偏光を透過する）を介して、投影レンズ（投影素子）１０８によりスクリーンに投影される。反射型液晶表示素子１０７は、例えばアクティブマトリクス型の液晶表示素子で、入力された画像信号に従って、入射光の偏光方向を変調するので、反射型液晶表示素子１０７で変調された光ビームを投影することによって、反射型液晶表示素子１０７に入力された画像データに対応する画像をスクリーンに投影表示することができる。
【００４６】
本実施形態の液晶プロジェクタ１００は、図１に示した偏光生成光学系を備えており、入射光ビームの主光線がＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５に対して５０°で入射するように配置されている。また、入射ビームの広がり角θは、ＰＢＳのプリズム内（偏光分離面に対して）±１０°程度である。従って、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５には、図２中の斜線部で示した入射角範囲５０°±１０°の光線が入射することになり、ＰＢＳ１０４の偏光分離特性の良好な領域のみを使用することができる。
【００４７】
本実施形態の液晶プロジェクタ１００は、ＰＢＳ１０４のＰ偏光に対する偏光分離特性の低下の影響をほとんど受けず、明るく、コントラスト比の高い、高品位な表示を実現することができる。
【００４８】
なお、本実施形態では、色分離素子として、フィリップスタイププリズム１０６を用いたが、色分離を行える素子であればいかなるものでもよく、例えば、光分離面をクロスさせたクロスダイクロイックプリズム（クロスダイクロイックミラー）やダイクロイックミラーを用いても良い。
【００４９】
また、本実施形態では、１個のＰＢＳに３枚の反射型液晶表示素子１０７を用いたが、図５（ａ）に示すように、反射型液晶表示素子１０７Ｒ、１０７Ｇ、１０７Ｂのそれぞれに１個のＰＢＳ１０４（計３個のＰＢＳ１０４）を設ける構成を採用してもよい。図５（ａ）に示した液晶プロジェクタは、色分離用のクロスダイクロイックミラー１１０および色合成用のクロスダイクロイックプリズム１１２およびダイクロイックミラー（Ｇ反射）、全反射ミラー１１４を用いている。なお、先に説明した構成要素と実質的に同じ機能を有する構成要素は、同じ参照符号で示し、説明を省略する。また、本発明は、図５（ｂ）に示すように、カラー表示が可能な反射型液晶表示素子１０７を１枚用いる単板式プロジェクタにも適用することができる。すなわち、本発明の偏光生成光学系は、ＰＢＳを用いる光学系であれば、公知の光学系に広く適用できる。
【００５０】
さらに、本実施形態では、コントラスト比の向上を目的として、偏光板１０３および１０９を使用したが、ＰＢＳ１０４の偏光分離特性や用途によっては、偏光板１０３および１０９の一方または両方を省略してもよい。
【００５１】
さらに、本実施形態ではＰＢＳ１０４にＳ偏光を入射させたが、偏光板１０３および１０９の光透過軸（偏光軸）を９０°回転させてＰ偏光を入射する構成としても良い。このような構成を採用した場合、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５を透過したＰ偏光を用いて表示を行うので、光学系の配置・調整が容易であるという利点が得られる。Ｐ偏光を用いると、光源１０１と反射型液晶表示素子１０７とを結ぶ光軸（主光線の方向）がＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５で折り曲げられない。光ビームは、反射面がθ傾くと、２θずれた角度で反射されるために、反射面が多い光学系程、光軸に対する各光学素子（プリズム、反射板や表示素子）の配置・調整が難しくなる。特に、３板式のプロジェクタでは、ＰＢＳの前後に色分離・合成素子を配置するするため、さらに、その光学系の配置・調整は困難である。従って、ＰＢＳにＰ偏光を入射させる構成を採用すると、光源、ＰＢＳおよび反射型液晶表示素子などの光学素子の配置が容易に行える。
【００５２】
（実施形態２）
本発明の実施形態２による投影型カラー画像表示装置（液晶プロジェクタ）２００の模式図を図６に示す。実施形態１の液晶プロジェクタ１００の構成要素と実質的に同様の機能を有する構成要素は同じ参照符号で示し、以下ではその説明を省略する。
【００５３】
液晶プロジェクタ２００は、実施形態１の液晶プロジェクタ１００と同様に、図１に示したＰＢＳ１０４を含む本発明による偏光生成光学系を備えている。液晶プロジェクタ２００は、さらに、光源から出射された白色光ビームの３原色の光のうちの１つの色の光の偏光方向を選択的に変化させる（典型的には、偏光面を回転させる）機能を有する偏光制御素子を有している。この偏光制御素子を備えることによって、本実施形態の液晶プロジェクタ２００は、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５を透過した光を表示に用いることが可能となっている。従って、実施形態１の液晶プロジェクタ１００よりもコンパクトな液晶プロジェクタを提供することが可能となる。
【００５４】
光源１０１から出射された光ビームは、放物面鏡１０２で略平行光にされたのち、トリミングフィルタ２０１と偏光板１０３に入射する。光源１０１としては、例えば、１２０Ｗ、アーク長１．４ｍｍのＰｈｉｌｉｐ社製のＵＨＰランプを用いる。実施形態１と同様に、光源１０１として他の公知の光源を広く用いることができる。偏光板１０３は、偏光方向が紙面に対して垂直な光ビームのみを透過する。偏光板１０３を透過した光ビームは、偏光制御素子２０２に入射する。
【００５５】
偏光制御素子２０２は、偏光板１０３を透過したＳ偏光（紙面に垂直方向に振動）の入射光ビーム（白色）のうち、Ｂ光ビームの偏光方向のみを９０°回転し、Ｐ偏光（紙面に平行方向に振動）とする。偏光制御素子２０２を透過した光ビームがＰＢＳ１０４に入射する。ＰＢＳ１０４としては、実施形態１と同様のＰＢＳを用いることができる。
【００５６】
図７は、偏光制御素子２０２の偏光選択特性の波長依存性を示す。図７中の実線は、図６の光学系におけるＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５で反射される光ビームの相対値（反射率）を示し、破線は、偏光分離面１０５を透過される光の相対値（透過率）を示す。偏光制御素子２０２を透過した光ビームのうちのＳ偏光成分であるＲおよびＧ光ビームは、偏光分離面１０５で反射され、偏光制御素子２０２を透過した光ビームのうちのＰ偏光成分であるＢ光ビームは偏光分離面１０５を透過する。
【００５７】
なお、Ｓ偏光（Ｒ，Ｇ光ビーム）とＰ偏光（Ｂ光ビーム）との境界波長域（図７中の斜線部）の光は、トリミングフィルタ２０１によって除去される。トリミングフィルタ２０１は、図７の斜線部で示した偏光制御素子２０２で偏光面が回転されたＢ光ビームと偏光面が回転されないＧ光ビームとの境界の波長域を除去する働きと、色純度の低下の原因になるＲ光ビームとＧ光ビームとの境界波長域を除去する働きをあわせ持つ。
【００５８】
偏光制御素子２０２としては、例えば、米国特許５，７５１，３８４号に開示されている素子を使用することができる。この偏光制御素子は、波長板（位相差板）を複数枚その光学軸（例えば遅相軸）の角度を変えて積層し、ある特定の波長域の光の偏光方向（偏光面）だけを選択的に回転させる機能を有する。例えば、本実施形態のように、Ｂ光ビームの偏光方向を選択的に回転させる偏光制御素子を用いると、図６に示したように、白色の直線偏光（Ｓ偏光：紙面に垂直方向に振動）が偏光制御素子に入射すると、その出射光のうち、Ｒ光ビームおよびＧ光ビームの偏光方向は維持され（Ｓ偏光）、Ｂ光ビームの偏光方向だけを９０°回転する（Ｐ偏光：紙面に平行方向に振動）ことができる。なお、偏光制御素子２０２は、上記の素子に限られず、同様の機能を有するものであれば、いかなるものでも利用できる。例えば、コレステリック液晶などを用いても良い。
【００５９】
ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５で反射されたＲおよびＧ光ビームは、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５と反射面が略平行になるように配置されたダイクロイックミラー２０３に入射する。Ｇ光ビームは、ダイクロイックミラー２０３で反射され、Ｒ光ビームはダイクロイックミラー２０３を透過する。上述したように、ＰＢＳ１０４やダイクロイックミラー２０３を透過・反射し、色分離されたＲ，ＧおよびＢ光ビームは、それぞれ対応する反射型液晶表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇおよび１０７−Ｂに入射し、反射型液晶表示素子１０７に供給される画像信号に従って、偏光方向が変調される。
【００６０】
反射型液晶表示素子１０７Ｒおよび１０７Ｇでそれぞれ変調され反射されたＲおよびＧ光ビームは、ダイクロイックミラー２０３に再度入射し、色合成された後、再度ＰＢＳ１０４に入射する。Ｂ光ビームも反射型液晶表示素子１０７Ｂで変調された後、ＰＢＳ１０４に入射する。ＰＢＳ１０４では、これらの光ビームのうち偏光方向が変調された光のみ選択的に投影レンズ１０８に入射させる。
【００６１】
上述したように、偏光制御素子２０２を用いて特定の色の光ビームの偏光方向を回転させ、偏光分離面１０５を透過した光ビームを表示用いるプロジェクタを従来の偏光生成光学系を用いて構成すると、ＰＢＳ１０４の偏光分離特性の低下は、コントラスト比の低下とともに、明るさや色純度が低下するという問題があった。ところが、本発明の偏光生成光学系を用いることによって、上記の問題を解決し、コントラスト比とともに、明るさおよび色純度を改善することができる。
【００６２】
本実施形態によって、コントラスト比、明るさおよび色純度を改善できる理由を図６を参照しながら以下に説明する。
【００６３】
従来の偏光生成光学系のように、Ｐ偏光に対する偏光分離面１０５の偏光分離特性が悪いと、偏光制御素子２０２で偏光方向が回転されたＰ偏光となったＢ光ビームの一部は、ＲおよびＧ光ビームとともに偏光分離面１０５で反射され、反射型表示素子１０７Ｒおよび１０７Ｇに入射する。これらの反射型表示素子１０７Ｒおよび１０７Ｇで変調されなたかったＢ光ビームの一部は、偏光分離面１０５を透過し、表示光に混入することとになるので、表示のコントラスト比および色純度が低下する。また、本来、反射型表示素子１０７Ｂに入射し、変調されて、表示に利用されるべきＢ光ビームの利用効率が低下する。
【００６４】
また、偏光制御素子２０２で偏光方向が回転されＰ偏光となったＢ光ビームのうち偏光分離面１０５を透過したＢ光ビームの一部は反射型表示素子１０７Ｂで変調されない。この変調されないＢ光ビームはＰ偏光のまま偏光分離面１０５に入射する。このとき、偏光分離面１０５のＰ偏光に対する偏光分離特性が悪いと、Ｂ光ビームの一部が偏光分離面１０５で反射され、表示光に混入することとなる。その結果、表示のコントラスト比および色純度が低下する。
【００６５】
さらに、偏光制御素子２０２で偏光方向が変化せず、Ｓ偏光のまま偏光分離面１０５に入射したＲおよびＧ光ビームは、偏光分離面１０５で高効率で反射される。しかしながら、反射型表示素子１０７Ｒおよび１０７Ｇで変調されＰ偏光となった後、再度偏光分離面１０５に入射すると、偏光分離面１０５でその一部が反射され、表示に利用されなくなる。このＲおよびＧ光ビームの利用効率の低下と上述したＢ光ビームの利用効率の低下によって、明るさが大幅に低下する。
【００６６】
本発明による偏光生成光学系は、ＰＢＳ１０４のＰ偏光に対する偏光分離特性が従来よりも改善されているので、上述の問題の発生を抑制・防止することができるので、コントラスト比とともに、明るさおよび色純度を改善することができる。
【００６７】
液晶プロジェクタ２００の他の構成要素の機能を以下に説明する。
【００６８】
ＰＢＳ１０４と投影レンズ１０８の間には、偏光制御素子２０２と同じ特性を有する偏光制御素子２０４と、紙面に対して平行方向の偏光（Ｐ偏光）を透過させる偏光板２０５とが配置されている。偏光制御素子２０４は、Ｂ光ビームのみの偏光方向を回転し、Ｒ、ＧおよびＢ光ビームの偏光方向を揃える。偏光板２０５は、偏光制御素子２０４からの光ビームのうちＰＢＳ１０４で本来除去されるべき漏れ光を除去し、表示のコントラスト比を向上させる。
【００６９】
ＰＢＳ１０４と反射型液晶表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇとの間及びＰＢＳ１０４と反射型液晶表示素子１０７−Ｂの間には、例えば、それぞれ、図８（ａ）および（ｂ）に示す特性を有するダイクロイックミラー２０６および２０７が挿入されている。ダイクロイックミラー２０６および２０７は、反射型表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇおよび１０７−Ｂにそれぞれ対応する波長の光以外の光ビームを除去する。
【００７０】
本実施形態では、ダイクロイックミラー２０６をＰＢＳ１０４の直後に配置したが、ダイクロイックミラー２０３で光を分離した後、すなわち、ダイクロイックミラー２０３と反射型表示素子１０７−Ｒおよび／または反射型表示素子１０７−Ｇとの間にダイクロイックミラーを配置しても良い。この配置を採用した場合には、ダイクロイックミラーの分光特性は、反射型液晶表示素子１０７−Ｇに対応するダイクロイックミラーはＧ光ビームのみを透過、反射型液晶表示素子１０７−Ｒに対応するダイクロイックミラーはＲ光ビームのみを透過するものを用いても良く、ＰＢＳ１０４や偏光制御素子２０２の特性によっては、どちらか一方にのみ配置しても良い。
【００７１】
また、本実施形態では、ＰＢＳ１０４で分離された光路の両方にそれぞれダイクロイックミラー２０６および２０７を配置したが、ＰＢＳ１０４や偏光制御素子２０２の特性によっては、ダイクロイックミラー２０６および２０７を省略しても良く、一方だけを設けても良い。
【００７２】
さらに、本実施形態では、Ｂ光ビームとＧ光ビームとの境界波長域を除去する働きと、Ｒ光ビームとＧ光ビームとの境界波長域を除去する働きをあわせ持つトリミングフィルタ２０１を使用したが、トリミングフィルタ２０１は、ＰＢＳ１０４や偏光制御素子２０２の特性および使用する波長域によっては、必ずしも両方の境界波長域の光を除去する必要はなく、また、要求される表示性能によっては、省略してもよい。また、トリミングフィルタ２０１の配置位置は、光源１０１からスクリーン（不図示）までの光路上であれば、いかなる位置でも良い。
【００７３】
本実施形態では、Ｂ光ビームの偏光方向を回転させる偏光制御手段２０２および２０４を用いたが、偏光方向を回転させる色光ビームはこれに限定されるものではなく、また、ＰＢＳ１０４に入射する各色光ビームのＰ偏光とＳ偏光とが入れ替わっても良い。
【００７４】
本実施形態では、白色光ビームをＰＢＳ１０４で、Ｒ、ＧおよびＢ光ビームに分離したが、（Ｇ、Ｂ）とＲまたは（Ｂ、Ｒ）とＧなど、組み合わせを変えることも可能である。この場合、偏光制御素子２０２および２０４で偏光方向を回転させる色光ビームを変えるだけで良い。
【００７５】
また、本実施形態では、ＰＢＳ１０４の光入射側及び出射側の両方に偏光板と偏光制御手段を配置したが、光出射側の偏光制御手段２０４と偏光板２０５は必ずしも必要ではなく、省略してもよい。また、反射型液晶表示素子１０７としては、実施形態１と同様に、公知の反射型表示装置を広く利用することができる。
【００７６】
上述したように、本実施形態の液晶プロジェクタ２００は、本発明による偏光生成光学系を備えているので、ＰＢＳのＰ偏光に対する偏光分離特性の低下によって発生していた混色や必要な光の減衰を防止でき、明るく、色純度が良く、高コントラスト比の表示を実現することができる。
【００７７】
本実施形態による他の液晶プロジェクタ２００’を図９を参照しながら説明する。
【００７８】
液晶プロジェクタ２００’は、図６に示した液晶プロジェクタ２００における板状のダイクロイックミラー２０３に代えて、ダイクロイックプリズム２０３’を備えている点において異なる。また、ダイクロイックプリズム２０３’による収差や光路調整するために、Ｂ光ビームの光路にもガラスプリズム２０８を設けている。このプリズム２０８とＰＢＳ１０４とを一体化させて作製しても良い。液晶プロジェクタ２００’の他の構成要素は、液晶プロジェクタ２００の構成要素と同じ参照符号で示し、ここではその説明を省略する。
【００７９】
ダイクロイックプリズム２０３’を用いる場合には、色分離面２０３ａにおける偏光依存性を低減するために、図１０に示すように、ダイクロイックプリズム２０３’の色分離面２０３ａの法線に対する入射光の角（入射角β）が、４５°より小さく、好ましくは４０°以下、となるように構成することが好ましい。
【００８０】
色分離面２０３ａに対する入射角が大きいと、色分離面２０３ａの分光特性がＰ偏光とＳ偏光とによって異なる（偏光依存性が生じる）。この偏光依存性は、色分離面２０３ａを２つのガラスプリズムの間に有する、上述のダイクロイックプリズムにおいて顕著となる。また、図９に示したプロジェクタ２００’のように反射型画像表示素子１０７を用いたプロジェクタにおいては、光ビームが色分離素子を２回（往路と復路）通過するので、色分離面の分光特性の偏光依存性の影響を強く受ける。具体的には、典型的な色分離面２０３ａは、Ｐ偏光よりもＳ偏光に対する帯域が狭く、Ｓ偏光の一部を反射してしまうことが多い。したがって、Ｓ偏光を表示に利用する構成においては、光の利用効率が低下し、暗い表示となってしまう。
【００８１】
上述したように、ダイクロイックプリズム２０３’の色分離面２０３ａの法線に対する入射光の角（入射角β）が、４５°より小さく、好ましくは４０°以下となるように構成することによって、この問題を抑制することができる。さらに、図１０に示したように、ダイクロイックプリズム２０３’の入射面および出射面に対して光ビームの主光線が略垂直に入射するように構成することによって、ダイクロイックプリズム２０３’と空気との界面における光の屈折を抑制・防止できるので好ましい。例えば、図１０に示した様に、頂角が鈍角の２等辺三角形の断面形状を有するプリズムを２つ底面で貼り合わせた構成を採用することによって、上記の条件を満足するダイクロイックプリズムを容易に作製することができる。なお、ダイクロイックプリズムの断面形状は、上述した菱形に限られず、図３にＰＢＳ１０４の例として図３に示したのと同様に、種々の形状であってよい。但し、ＰＢＳ１０４では頂角が鋭角であったのに対し、ダイクロイックプリズム２０３の頂角は鈍角である点は異なる。なお、色分離面２０３ａは、公知の誘電体多層膜として形成することができる。
【００８２】
このプロジェクタ２００’も上述のプロジェクタ２００と同様の特性を有し、本実施形態によると、コントラスト比、明るさおよび色純度に優れ、コンパクトで安価なプロジェクタを提供することができる。
【００８３】
（実施形態３）
本発明の実施形態３による投影型カラー画像表示装置（液晶プロジェクタ）３００の模式図を図１１に示す。実施形態１および２の液晶プロジェクタの構成要素と実質的に同じ機能を有する構成要素は同じ符号参照符号で示し、ここでは説明を省略する。
【００８４】
本実施形態の液晶プロジェクタ３００は、光源１０１から出射される白色光（Ｒ、Ｇ、Ｂ光ビームを含む）のうちの２色の色光ビームを含む２つの光ビームを時分割で反射型表示素子１０７に照射する構成を有している点において、実施形態２の液晶プロジェクタ２００と異なる。
【００８５】
液晶プロジェクタ３００の光源１０１の背面には、光源１０１からの光ビームをその第２焦点に集光させるための楕円鏡３０１が配置されている。楕円鏡３０１の第２焦点近傍には、回転カラーフィルタ３０２が配置されている。後述するように、この回転カラーフィルタ３０２によって、Ｒ、Ｇ、Ｂ光ビームのうちの２色の色光ビームを含む２つの光ビームを時分割で反射型表示素子１０７に照射することが可能となる。
【００８６】
回転カラーフィルタ３０２を透過した光は、回転カラーフィルタ３０２の前方に配置されたガラスロッド３０３に導かれる。このガラスロッド３０３は、その内部で光ビームを反射し、光を伝達するもので、その光出射面が後述する反射型液晶表示素子１０７（１０７−１および１０７−２）上に略結像するように配置されている。ガラスロッド３０３の光出射面では、ロッド内部で光が全反射を繰り返すため、照度分布がほぼ均一になっている。ガラスロッド３０３を設けることによって、反射型液晶表示素子１０７に入射する光ビームの照度分布の均一性を向上することができる。
【００８７】
ガラスロッド３０３を出射した光は、照明レンズ３０４とフィールドレンズ３０５に入射し、略平行光にされたのち、偏光板１０３に入射する。偏光板１０３では、偏光方向が紙面に対して垂直方向の光ビーム（Ｓ偏光）のみを透過し、偏光板１０３を透過した光ビームは偏光制御素子２０２に入射する。
【００８８】
偏光制御素子２０２以降の光学系は、図６に示した実施形態２の液晶プロジェクタ２００と実質的に同じである。ただし、液晶プロジェクタ３００は、２つの光ビーム（それぞれが３原色の光ビームのうちの２つの光ビームを含む）を用いるので、液晶プロジェクタ２００における色分離素子２０３は不要で、反射型液晶表示素子１０７は２個である。
【００８９】
偏光制御素子２０２は、実施形態２で用いたものと同様の特性を有しており、入射光のうちＢ光ビームの偏光方向だけを紙面に対して平行方向に回転し、Ｐ偏光とする。偏光制御素子２０２を透過した光ビームはＰＢＳ１０４に入射する。ＰＢＳ１０４の断面形状は、例えば菱形である。偏光制御素子２０２を出射した光ビームがＰＢＳ１０４に入射すると、ＲおよびＧ光ビーム（Ｓ偏光）は、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５で反射され、Ｂ光ビーム（Ｐ偏光）は、偏光分離面を透過する。
【００９０】
ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５で反射された光ビームは反射型液晶表示素子１０７−１に、透過した光ビームは反射型液晶表示素子１０７−２に、それぞれ入射し、画像信号に従って変調された後、再度ＰＢＳ１０４に向けて反射される。反射型液晶表示素子１０７によって偏光方向が変調された光ビームだけが、偏光分離面１０５で投影レンズ１０８側に導かれ、スクリーンに投影され画像を表示する。ＰＢＳ１０４と投影レンズ１０８の間には、偏光制御素子２０４と偏光板２０５が配置されている。偏光制御素子２０４は、偏光制御素子２０２と同様のものを用い、Ｂ光ビームの偏光方向だけを回転し、Ｒ、ＧおよびＢ光ビームの偏光方向を揃える。偏光板２０５は、偏光制御素子２０４を透過した光ビームのうちＰＢＳ１０４で本来除去される光ビームの漏れ光を除去し、コントラスト比をを向上させる。
【００９１】
本実施形態の液晶プロジェクタ３００は時分割で色表示を行うので、応答速度の観点から、反射型液晶表示素子１０７として、例えば、応答速度が２ｍｓｅｃ〜３ｍｓｅｃ以下となるような液晶表示素子を用いることが好ましい。このような素子として、例えば、液晶材料や液晶分子の配向を工夫することにより、室温でネマチック相を呈する液晶層を有する液晶表示素子を用いることができる。また、応答時間が２ｍｓｅｃ〜３ｍｓｅｃ以下である強誘電性を有する液晶材料を用いた液晶表示素子を使用することができる。このように、公知の反射型液晶表示素子を広く用いることができる。
【００９２】
次に、本実施形態における時分割色表示の原理を説明する。
【００９３】
回転カラーフィルタ３０２は、図１２（ａ）に示すように、シアン（Ｂ、Ｇの成分を含む色光）およびマゼンタ（Ｂ、Ｒの成分を含む色光）の光ビームをそれぞれ透過する領域３０２ａおよび３０２ｂを有する。図１２（ａ）に示した例では、領域３０２ａおよび３０２ｂが回転カラーフィルタの円周領域（３６０°）を２分割（１８０°ずつ）するように配置されている。
【００９４】
この回転カラーフィルタ３０２を、例えば１／６０秒（１フレーム期間に対応）で回転すると、シアンおよびマゼンタ光ビームがそれぞれ透過する時間は、約８ｍｓｅｃ程度であり、この時間間隔毎に透過する光ビームの色が切り替わる。シアンおよびマゼンタ光ビームの両方に共通に含まれるＢ光ビームは、回転カラーフィルタ３０２の回転に関係なく、ＰＢＳ１０４の偏光分離面１０５を透過し、反射型液晶素子１０７−２に入射する。一方、シアンおよびマゼンタ光ビームからＢ光ビームが除去されたＲおよびＧ光ビームは、回転カラーフィルタ３０２の回転速度に応じて、上記の時間間隔毎に順次切り替わり、反射型液晶素子１０７−１に入射する。従って、回転カラーフィルタ３０２が一回転する間に、Ｒ、ＧおよびＢ光ビームが反射型液晶素子１０７−１および１０７−２で変調されることになる。
【００９５】
上記の例では、回転カラーフィルタ３０２を１／６０秒で回転させたが、２倍速やそれ以上の速度にしてもよい。また、回転カラーフィルタ３０２の回転速度を上げる変わりに、例えば、図１２（ｂ）に示す回転カラーフィルタ３０２’ように、回転カラーフィルタの円周領域を４分割（シアンおよびマゼンタ領域のそれぞれを２分割）するなど、カラーフィルタの分割数を多くしても、同様の効果が得られる。回転カラーフィルタ３０２の回転速度や分割数は、表示速度（フレーム期間やフィールド期間）に応じて適宜設定すればよい。また、時分割色表示のために用いるカラーフィルタ素子として、回転カラーフィルタを例示したがこれに限られない。
【００９６】
また、本実施形態では、Ｂ光ビームの偏光方向を回転させる偏光制御手段２０２および２０４を用いたが、ＲおよびＧ光ビームの偏光方向を回転させてもよく、ＰＢＳ１０４に入射する各色光ビームのＰおよびＳ偏光が入れ替わっても良い。また、本実施形態では白色光ビームの色分離は上記の例に限られず、Ｒ、Ｇ、Ｂ光ビームのうちの任意の２色の色光ビームを含む２つの光ビームを用いればよい。この場合、偏光制御素子２０２および２０４で偏光方向を回転させる光ビームの色を適宜変更すればよい。偏光制御素子２０２および２０４は、２つの光ビームに共通に含まれる色光ビームの偏光方向を変換してもよいし、逆に、２つの光ビームに共通に含まれる色光ビーム以外の２色の色光ビーム（２つ）の偏光方向を変換してもよい。
【００９７】
本実施形態の液晶プロジェクタ３００は、本発明による偏光生成光学系を備えているので、ＰＢＳのＰ偏光に対する偏光分離特性の低下によって発生していた混色や必要な光の減衰を防止でき、明るく、色純度が良く、高コントラスト比の表示を実現することができる。さらに、本実施形態によると、実施形態２よりもコンパクトで低コストな液晶プロジェクタを提供することができる。
【００９８】
（実施形態４）
本発明による偏光生成光学系を用いて、光の利用効率をさらに向上することができる。本実施形態の偏光生成光学系を図１３（ａ）および（ｂ）に示す。
【００９９】
図１３（ａ）に示した偏光生成光学系４００は、入射光ビーム（非偏光）を受け、偏光方向が互いに異なる２つの光ビーム（第１および第２出射光ビーム）に分離するＰＢＳ４０４と、分離された一方の光ビーム（第２出射光ビーム；例えばＳ偏光）を反射し、この光ビームを所定の方向に導く全反射ミラー４０６と、分離された２つの異なる偏光方向を有する光ビームの偏光方向を一致させるための偏光変換素子としての２分の１波長板４０８とを有している。図示の例では、ＰＢＳ４０４の偏光分離面４０５で分離されたＳ偏光を２分の１波長板４０８でＰ偏光に変換し、実質的に全ての入射光ビームをＰ偏光として出射している。もちろん、ＰＢＳ４０４の偏光分離面４０５で分離されたＰ偏光を２分の１波長板４０８でＳ偏光に変換し、実質的に全ての入射光ビームをＳ偏光として出射する構成としてもよい。また、用途によっては、偏光分離面４０５で分離された２つの光ビームの進行方向を平行にするための全反射ミラー４０６を省略してもよい。
【０１００】
また、図１３（ｂ）に示すように、複数のＰＢＳを有するアレイ５０４を用いて偏光生成光学系５００を構成してもよい。例えば、図示したように、フライアイレンズ５０２を介して入射する光ビームをＰＢＳ５０４の偏光分離面５０５で分離し、偏光分離面５０５で選択的に反射された光ビーム（例えばＳ偏光）を２分の１波長板５０８によって、偏光分離面５０５を透過した光ビーム（例えばＰ偏光）の偏光と一致させる構成とすることができる。なお、２分の１波長板５０８は、ＰＢＳアレイ５０４が有する複数のＰＢＳに対して一つ置きに配置する。
【０１０１】
偏光生成光学系４００におけるＰＢＳ４０４および偏光生成光学系５００におけるＰＢＳアレイ５０４は、上述の実施形態におけるＰＢＳ１０４と実質的に同じであり、従来の偏光生成光学系におけるＰＢＳのＰ偏光に対する偏光分離特性の低下を抑制・防止する効果を有している。従って、入射光ビームが直角プリズムを用いたＰＢＳの偏光分離面に４５°で入射する構成を有する従来の偏光生成光学系（例えば、特開平８−３０４７３９号公報）よりも、優れた偏光状態の偏光を高効率で出射することができる。
【０１０２】
本実施形態の偏光生成光学系４００および５００は、偏光を用いる種々の光学系に好適に用いることができる。例えば、偏光生成光学系４００を先の実施形態１から３のプロジェクタに利用することによって、さらに明るい表示が可能となる。あるいは、光の利用効率の上昇を利用して、光源の出力を低下することによって、光源の小型化や低消費電力化の効果を得ることもできる。
【０１０３】
具体的には、例えば、実施形態１の液晶プロジェクタ１００の偏光板１０３に加えて、偏光生成光学系４００を用いることによって、偏光板１０３で吸収されていた偏光を表示に利用することが可能となる。光源１０１から出射される光ビームは一般に非偏光なので、偏光板１０３で吸収される光の量は、出射光量の約５０％である。従って、本実施形態の偏光生成光学系を用いることによって、光の利用効率が約２倍となる。
【０１０４】
上述の実施形態１から４では、反射型の液晶プロジェクタを例に本発明を説明したが、本発明による偏光生成光学系は、これに限られず、透過型の液晶プロジェクタや、偏光を利用する表示装置や他の光学装置のための照明装置として好適に利用することができる。また、例示した反射型液晶プロジェクタの反射型液晶表示素子を直線偏光（Ｓ偏光またはＰ偏光）の偏光方向を変調する素子として、反射型液晶表示素子の機能を説明したが、これに限られず、入射光の偏光状態を変調する素子を広く用いることができる。例えば、楕円偏光を構成する２つの直交する直線偏光のうちの一方の直線偏光の振幅を変調する素子や、直交する２つの直線偏光の位相差を変調する素子を用いることができる。
【０１０５】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＰＢＳのＰ偏光に対する偏光分離特性の低下の影響を受けない偏光生成光学系を構成できる。従って、本発明による偏光生成光学系を画像表示装置に適用することよって、明るく、コントラストの良い画像を表示することができる。
【０１０６】
また、光源からのＲ、ＧおよびＢ光ビームのうちの１色の光ビームを他の２色の光ビームと偏光方向を異ならせてＰＢＳに入射させる方式の画像表示装置においては、混色による色純度の低下を防止でき、明るく、色純度が良く、高コントラストで、コンパクトな画像表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による偏光生成光学系を模式的に示す斜視図である。
【図２】本発明による偏光生成光学系におけるＰＢＳの偏光分離特性を示すグラフである。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施形態で用いられるＰＢＳの例を示す模式的な断面図である。
【図４】本発明の実施形態１による液晶プロジェクタ１００の模式図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、実施形態１による他の液晶プロジェクタの模式図である。
【図６】本発明の実施形態２による液晶プロジェクタ２００の模式図である。
【図７】実施形態２の液晶プロジェクタに用いられる偏光制御素子の偏光選択特性の波長依存性を示すグラフである。
【図８】ダイクロイックミラーの分光透過率を示すグラフである。
【図９】本発明の実施形態２による他の液晶プロジェクタ２００’の模式図である。
【図１０】液晶プロジェクタ２００’に用いられる色分離用プリズムの模式図である。
【図１１】本発明の実施形態３による液晶プロジェクタ３００の模式図である。
【図１２】（ａ）および（ｂ）は、液晶プロジェクタ３００に用いられる回転カラーフィルタ３０２の模式図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態４の偏光生成光学系を示す模式図である。
【図１４】従来の３板式液晶プロジェクタの模式図である。
【図１５】従来の他の３板式液晶プロジェクタの模式図である。
【図１６】従来の偏光生成光学系を模式的に示す斜視図である。
【図１７】従来の偏光生成光学系におけるＰＢＳの偏光分離特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１００、２００、２００’、３００  液晶プロジェクタ
１０１  光源
１０２  放物面鏡
１０３  偏光板
１０４  ＰＢＳ
１０５  偏光分離面
１０６  フィリップスタイププリズム
１０７  反射型画像表示素子
１０８  投影レンズ
１０９  偏光板
２０１  トリミングフィルタ
２０２  偏光制御素子
２０３  ダイクロイックミラー
２０４  偏光制御素子
２０５  偏光板
２０６  ダイクロイックミラー
２０７  ダイクロイックミラー
２０８  ガラスロック
３０１  楕円鏡
３０２  回転カラーフィルタ
３０３  ガラスロッド
３０４  照明レンズ
３０５  フィールドレンズ
６０１  光源
６０２  ＰＢＳ
６０３  クロスダイクロイックミラー
６０４  反射型液晶表示素子
６０５  投影レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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