(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子と、
偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子と、
前記光分離素子および前記色分離素子によって分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、
前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系と、
を有し、
前記色分離素子の色分離面が、２枚の基板間に挟まれている画像表示装置。
【請求項２】
前記光分離素子によって分離された光の光路上の少なくとも一方に透明基板が配置されている請求項１記載の画像表示装置。
【請求項３】
赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子と、
偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子と、
前記光分離素子および前記色分離素子によって分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、
前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系と、
を有し、
前記色分離素子が２つの３角柱プリズムを貼り合わせた４角柱プリズムであり、
前記４角柱プリズムヘの入射光及び出射光の主光線が、前記４角柱プリズムの光入射面及び出射面の面法線に対して略平行に入出射し、かつ、前記４角柱プリズムの光分離面の面法線に対して４５°より小さい角度で入射する画像表示装置。
【請求項４】
赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子と、
偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子と、
前記光分離素子および前記色分離素子によって分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、
前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系と、
を有し、
前記色分離素子の色分離面は、基板の一方の表面に形成されており、前記光分離素子側に向くように配置されており、且つ、青色の光を透過し、偏光方向が同じ前記２色の光は青色の光を含む画像表示装置。
【請求項５】
赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子と、
偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子と、
前記光分離素子および前記色分離素子によって分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、
前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系と、
を有し、
前記照明光学系は、３原色の光を出射する光源と、前記光源からの３原色の光のうちの少なくとも１色の光の偏光方向を変換させる第１の偏光制御素子とを有しており、
前記光分離素子の前記投影光学系側に前記赤、緑、青の３原色の光の偏光方向を同方向に揃える第２の偏光制御素子が配置されている画像表示装置。
【請求項６】
前記第２の偏光制御素子の光出射側の光路上に１方向の偏光方向のみを透過または反射させる偏光選択素子が配置されている請求項５記載の画像表示装置。
【請求項７】
赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子と、
偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子と、
前記光分離素子および前記色分離素子によって分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、
前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系と、
を有し、
前記光源と前記投影光学系との間の光路上に、少なくとも一枚の波長規制素子が挿入され、
前記波長規制素子が、前記光分離素子と前記反射型画像表示素子との間に配置され、前記波長規制素子の光規制面が、前記反射型画像表示素子の画像表示面と角度を成して配置されている画像表示装置。
【請求項８】
前記照明光学系は、３原色の光を出射する光源と、前記光源からの３原色の光のうちの少なくとも１色の光の偏光方向を変換させる第１の偏光制御素子とを有しており、
前記波長規制素子が前記第１の偏光制御素子で偏光方向が変換される光と、それ以外の光の波長との境界の波長域の光をカットする請求項７に記載の画像表示装置。
【請求項９】
前記波長規制素子が前記光分離素子で分離された光の光路上の少なくとも一方に配置され、前記波長規制素子が挿入された光路に配置された前記複数の反射型画像表示素子のいずれかが対応する光以外の光をカットする請求項７または８記載の画像表示装置。
【請求項１０】
前記波長規制素子が、赤と緑の境界波長域、および緑と青の境界波長域の少なくとも一方の光をカットする請求項７から９のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１１】
前記波長規制素子の光規制面と、前記反射型画像表示素子の画像表示面とのなす角度が１．５°〜１３．５°の範囲内にある請求項７から１０のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１２】
赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子と、
偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子と、
前記光分離素子および前記色分離素子によって分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、
前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系と、
を有し、
前記光分離素子の光分離面のＰ偏光に対する透過率およびＳ偏光に対する反射率のどちらか一方が他方よりも高く、
前記一方を有する偏光として前記光分離素子で分離された光が前記複数の反射型画像表示素子の内の２枚以上に入射する画像表示装置。
【請求項１３】
赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子と、
偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子と、
前記光分離素子および前記色分離素子によって分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、
前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系と、
を有し、
前記光分離素子の光分離面のＰ偏光に対する透過率およびＳ偏光に対する反射率のどちらか一方が他方よりも高く、緑の光が前記一方を有する偏光として前記光分離素子で分離される画像表示装置。
【請求項１４】
前記光分離素子の光分離面と前記色分離素子の色分離面とのなす角が２０°以下である請求項１から１３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１５】
前記赤、緑、青の３原色の光のうち、偏光方向が同じ２色の光に緑の光が含まれている請求項１から１４のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１６】
前記照明光学系は、３原色の光を出射する光源と、前記光源からの３原色の光のうちの少なくとも１色の光の偏光方向を変換させる第１の偏光制御素子とを有する請求項１から４、７、９から１３のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１７】
前記第１の偏光制御素子の光入射側の光路上に１方向の偏光方向の偏光のみを透過または反射させる偏光選択素子が配置されている請求項５、６、８または１６のいずれかに記載の画像表示装置。
【請求項１８】
前記第１の偏光制御素子は、複数の波長板をその軸の角度を変えて互いに積層して形成されている請求項５、６、８、１６または１７のいずれかに記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は例えば液晶プロジェクタのような、光源から画像表示素子を経た光をスクリーンに拡大投影する画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶表示素子は、マトリクス状に規則的に配列された画素電極に画像信号に対応した駆動電圧をそれぞれ印加することによって液晶の光学特性を変化させ、画像や文字などを表示するように構成されている。上述した画素電極に独立した駆動電圧を印加する方式としては、単純マトリクス方式と、非線形２端子素子や３端子素子を液晶表示素子に設けた場合のアクティブマトリクス方式とがある。
【０００３】
後者のアクティブマトリクス方式の場合には、ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属）素子やＴＦＴ（薄膜トランジスタ）素子等のスイッチング素子と、画素電極に駆動電圧を供給する為の配線電極とを設ける必要がある。
【０００４】
このスイッチング素子に強い光が入射すると、ＯＦＦ状態における素子抵抗が下がり、電圧印加時に充電した電荷が放電されるだけでなく、前記スイッチング素子や配線電極が形成された領域に存在する液晶部分には、正規の駆動電圧が印加されず、本来の表示動作が実行されないため、黒状態でも光が漏れてコントラスト比が低下するという難点がある。
【０００５】
したがって、液晶表示素子が透過型である場合には、図１５に示すように、ＴＦＴ６０１などのスイッチング素子および画素電極６０５が設けられたＴＦＴ基板とは液晶層を挟んで対向する対向基板にブラックマトリクス６０２と称される遮光手段を設けて、上述した光入射領域に入射する光を遮断する必要がある。よって、透過型の液晶表示素子の場合には、各々遮光性のあるＴＦＴ６０１、ゲートバスライン６０３およびソースバスライン６０４に加えて、ブラックマトリクス６０２によっても遮光されるため、画素の区画中に占める有効な画素開口部の面積、即ち開口率が小さくなる。
【０００６】
さらに、これらスイッチング素子や配線電極は、その電気的性能や製造技術等の制約から、ある程度以下の大きさで形成することは困難である。よって、液晶表示素子の高精細化、小型化に伴って、画素電極のピッチが小さくなるほど開口率がさらに低下する。
【０００７】
そこで、この問題を解決する為に、反射型の液晶表示素子が開発されている。
【０００８】
反射型液晶表示素子は、図１６に示すようにスイッチング素子としてのＴＦＴ６５１の上に反射型の画素電極６５５を形成することができるため、同じ液晶表示サイズでは、前記透過型液晶表示素子よりも開口率を大きくとることができ、投影型液晶表示装置における明るさの向上には非常に効果的である。
【０００９】
このような反射型液晶表示素子を投影型画像表示装置に適用した方式が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号公報に提案されている。
【００１０】
電子ディスプレイフォーラム９７では、図１７に示すように、光源７０１から出射された光をダイクロイックミラーで、赤、緑、青（以下順にＲ、ＧおよびＢと呼ぶ）の３原色の光に分離し、それぞれの光を対応する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）７０２に入射させる。偏光ビームスプリッタ７０２では、入射光を互いに直交する２方向の直線偏光成分に分離し、一方の光が対応する反射型液晶表示素子７０４に入射する。反射型液晶表示素子７０４で反射され、偏光方向が変調されたＲ、ＧおよびＢの光は、再度ＰＢＳ７０２に入射し、クロスダイクロイックミラー７０３で合成された後、投影レンズ７０５でスクリーンに投影される。
【００１１】
特開平４−３３８７２１号公報では、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、光源１０１からの光をＰＢＳ１０５で２つの直線偏光に分離後、一方の光をクロスダイクロイックプリズム（図１８（ａ））やフィリップスタイププリズム（図１８（ｂ））の色分離・合成素子でＲ、ＧおよびＢの光に分離し、反射型液晶表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇ、１０７−Ｂで反射された光を同素子で色合成した後、ＰＢＳ１０５に再度入射させ、偏光方向が変調された光のみ投影レンズ１０８に入射し、スクリーンに投影する。
【００１２】
この方式は、３板式液晶プロジェクションと呼ばれ、光源からのＲ、ＧおよびＢの光を効率良く利用できるため、非常に明るい画像が実現できる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、反射型液晶表示装置を用いた上記のような投影型画像表示装置は、次に説明するような課題を有する。
【００１４】
電子ディスプレイフォーラム９７に提案されている方法では、Ｒ、ＧおよびＢの各色に対応したＰＢＳがそれぞれ３つ必要であり、また、色分離用の光学系と色合成用クロスダイクロイックプリズムも必要となるため、システムのコストが非常に高くなるだけでなく、システムサイズが非常に大きくなるという欠点を有する。
【００１５】
特開平４−３３８７２１号公報では、色分離と色合成を一つの素子で行い、また、ＰＢＳも一つで済むことから、システムサイズの小型化を図ることができるが、クロスダイクロイックプリズムを使う方式では、色分離を行う膜面に対して、通常４５度の角度で光が入射するため、図１９に示すように色分離面での分光特性の偏光依存性が大きく（図１９では、Ｂの色分離面での分光特性を表示）、同素子で色分離と色合成を行うと光の使用できるバンド幅が大きく制限され、光利用効率が悪く、また、色純度も低下してしまう。
【００１６】
フィリップスタイププリズムを用いた場合は、色分離面への光の入射角度はクロスダイクロイックプリズムと比べて小さいため、前記したような偏光依存性による影響は緩和されるが、フィリップスタイププリズム内を通過する光の光路が長く、入射した光をフィリップスタイププリズムの側面で蹴られることなく通過させるためには、プリズムと投影レンズを大型化しなくてはならず、コスト高となる。
【００１７】
本発明は、上記の問題点を解決する為になされたものであり、その目的は、小型、軽量かつ、明るい反射型液晶表示素子を用いた投影型画像表示装置を実現することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明の画像表示装置は、赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系（照明手段）と、前記照明光学系から出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子（光分離手段）と、前記光分離素子で分離された光を変調する複数の反射型画像表示素子と、偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子（色分離手段）と、前記複数の反射型画像表示素子で変調された光を投影する投影光学系（投影手段）とを有し、そのことによって上記目的が達成される。
【００１９】
前記光分離素子の光分離面と前記色分離素子の色分離面とのなす角が２０°以下であることが好ましい。
【００２０】
前記照明光学系は、３原色の光を出射する光源と、前記光源からの３原色の光のうちの少なくとも１色の光の偏光方向を変換させる第１の偏光制御素子（偏光制御手段）とを有する構成としてもよい。
【００２１】
前記第１の偏光制御素子の光入射側の光路上に１方向の偏光方向のみを透過または反射させる偏光選択素子が配置されている構成としてもよい。
【００２２】
前記色分離素子の色分離面が、２枚の基板間に挟まれている構成とすることが好ましい。このとき、前記光分離素子によって分離された光の光路上の少なくとも一方に透明基板が配置されていることが好ましい。特に、前記光分離素子によって分離された光のうち、前記色分離素子を経ずに前記複数の反射型画像表示素子のうちの１つに入射する光の光路上に、前記色分離素子が有する前記２枚の基板分の厚さを有する基板を配置することが好ましい。なお、この透明基板は、必要に応じて、色分離面が２枚の基板間に設けられた光分離素子以外の構成に対して用いてもよい。
【００２３】
前記色分離素子は２つの３角柱プリズムを貼り合わせた４角柱プリズムであってもよい。
【００２４】
前記４角柱プリズムヘの入射光及び出射光の主光線が、前記４角柱プリズムの光入射面及び出射面の面法線に対して略平行に入出射し、かつ、前記４角柱プリズムの光分離面の面法線に対して４５°より小さい角度で入射することが好ましい。
【００２５】
前記色分離素子の色分離面は、基板の一方の表面に形成されており、前記光分離素子側に向くように配置されており、且つ、青色の光を透過し、偏光方向が同じ前記２色の光は青色の光を含む構成としてもしてもよい。
【００２６】
前記光分離素子の前記投影光学系側に前記赤、緑、青の３原色の光の偏光方向を同方向に揃える第２の偏光制御素子（偏光制御手段）が配置されている構成としてもよい。
【００２７】
前記第２の偏光制御素子の光出射側の光路上に１方向の偏光方向のみを透過または反射させる偏光選択素子が配置されている構成としてもよい。
【００２８】
前記光源と前記投影光学系との間の光路上に、少なくとも一枚の波長規制素子（波長規制手段）が挿入されていることが好ましい。
【００２９】
前記波長規制素子が前記第１の偏光制御素子で偏光方向が変換される光と、それ以外の光の波長との境界の波長域の光をカットすることが好ましい。
【００３０】
前記波長規制素子が前記光分離素子で分離された光の光路上の少なくとも一方に配置され、前記波長規制素子が挿入された光路に配置された前記反射型画像表示素子が対応する光以外の光をカットすることが好ましい。
【００３１】
前記波長規制素子が、赤と緑の境界波長域、および緑と青の境界波長域の少なくとも一方の光をカットすることが好ましい。緑と青を光の偏光方向を揃えた場合には、赤と緑の境界波長域の光をカットすることが好ましく、赤と緑を光の偏光方向を揃えた場合には、緑と青の境界波長域の光をカットすることが好ましい。
【００３２】
前記波長規制素子が、前記光分離素子と前記反射型画像表示素子との間に配置され、前記波長規制素子の光規制面が、前記反射型画像表示素子の画像表示面と角度を成して、すなわち非平行に、配置されていることが好ましい。前記波長規制素子の光規制面と、前記反射型画像表示素子の画像表示面とのなす角度が１．５°〜１３．５°の範囲内にあることが好ましい。
【００３３】
前記赤、緑、青の３原色の光のうち、偏光方向が同じ２色の光に緑の光が含まれていることが好ましい。
【００３４】
前記光分離素子の光分離面のＰ偏光に対する透過率およびＳ偏光に対する反射率のどちらか一方が他方よりも高く、前記一方を有する偏光として前記光分離素子で分離された光が前記複数の反射型画像表示素子の内の２枚以上に入射する構成とすることが好ましい。
【００３５】
前記光分離素子の光分離面のＰ偏光に対する透過率およびＳ偏光に対する反射率のどちらか一方が他方よりも高く、緑の光が前記一方を有する偏光として前記光分離素子で分離される構成とすることが好ましい。
【００３６】
以下、本発明の作用について説明する。
【００３７】
本発明の画像表示装置の照明光学系は、３原色の光のうちの１色の光の偏光方向が他の２色の光の偏光方向と異なるように、３原色の光を出射する。すなわち、３原色の光のうちの２色は同じ偏光方向を有する偏光であり、その偏光方向は、他の１色の光の偏光方向と異なる。光分離素子（「偏光分離素子」とも呼ばれる。）は、照明光学系から出射された光をその偏光方向に基づいて、偏光方向が互いに異なる光に分離する。従って、偏光方向が同じ２色の光と、他の１色の光とを分離する。本発明の画像表示装置が有する色分離素子は、偏光方向が同じ２色の光を分離する。
【００３８】
したがって、本発明の画像表示装置は、色分離（および色合成）に、従来のようにクロスダイクロイックプリズムやフィリップスタイププリズムを用いる必要が無く、ダイクロイックプリズムやフィリップスタイププリズムの偏光依存性に起因する、明るさや色純度、コントラスト比の低下を改善し、かつ、画像表示装置の小型化ができるだけでなく、大幅にコストダウンが可能である。
【００３９】
また、光分離素子（例えば、ＰＢＳ）の光分離面と、色分離素子（例えばダイクロイックミラー）の色分離面とが２０°（絶対値）以下の角度をなすよう配置する構成を採用することによって、さらにコントラスト比を向上することができる。光分離面と色分離面とがなす角は、１０°以下が好ましく、略平行（約０°）がさらに好ましい。以下に、図２０を参照しながら、この理由を説明する。
【００４０】
光分離素子は、通常、入射光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する。Ｐ偏光およびＳ偏光は、それぞれ、光分離面への光の入射光路と面法線と含む面に対する偏光方向によって規定される。光分離素子に入射する光は、一般に、完全な平行光ではなく、ある程度の広がり角θを有しているので、光分離素子によって反射光または透過光として分離された光の偏光方向（振動方向）は、完全な平行光が分離された結果得られるＰ偏光やＳ偏光の偏光方向と異なる。
【００４１】
広がり角を有した光が、光分離素子１０５を通過後、図２０（ａ）に示すように（光分離面とほぼ直交するように）配置されている色分離素子１０６’の色分離面に入射すると、この光は色分離面に対して、Ｐ偏光またはＳ偏光からずれた偏光方向を有していることになる。色分離面では、通常、直線偏光（光の入射面に対するＰ偏光およびＳ偏光）の偏光方向に依存する位相のずれが発生する。よって、広がり角を有した光は、この影響を受け、色分離素子１０６’から楕円偏光として出射されるため、コントラスト比の低下を招く。
【００４２】
これに対して、図２０（ｂ）に示したように、色分離面を光分離面に対して略平行に配置にすると、この２つの面に対するＳ偏光およびＰ偏光の偏光方向はそれぞれ互いに一致する（例えば、色分離面に対するＳ偏光は光分離面に対してもＳ偏光である）。したがって、色分離面で位相のずれが発生したとしても、Ｐ偏光またはＳ偏光のどちらかの光しか存在しないため、偏光状態は変化しないため、コントラスト比を向上させることができる。
【００４３】
図２０（ｂ）には、光分離素子の光分離面と色分離素子の色分離面を平行に配置した例を示したが、色分離面の角度は、図２０（ｂ）で示した角度（０°）から、例えば±２０度程度ずれたとしても、その効果は低下するが、図２０（ａ）の配置よりも高いコントラスト比が得られる。
【００４４】
本発明の画像表示装置で用いられる照明光学系は、例えば、白色の光を出射する光源と、Ｒ、ＧおよびＢの光の少なくとも１つの偏光方向を回転させる第１の偏光制御素子とによって構成される。この構成を採用することにって、効率よく所定の偏光方向の光を対応する反射型画像表示素子に入射させることができ、明るさをアップすることができる。なお、光源から出射されたＲ、ＧおよびＢの光は、例えば、偏光板を用いて直線偏光とすることができる。
【００４５】
第１の偏光制御素子としては、例えば、ＵＳＰ５、７５１、３８４に開示されているような素子を利用できる。この素子は、複数の波長板（「位相差板」とも言う。）をその軸（光学軸、例えば遅相軸）の角度を変えて互いに積層し、ある特定の波長域の光のみの偏光方向を回転させる機能を有する。例えば、図４に示すように、Ｂの光の偏光方向を回転させる偏光制御素子１０４を用いた場合、白色の直線偏光が偏光制御素子１０４に入射すると、出射光のうちＲおよびＧの光の偏光方向は維持され、Ｂの光の偏光方向のみ回転させることができる。
【００４６】
また、色分離面が２枚の基板（平行平板）の間に挟まれた構造を有する色分離素子は、分離された２色の光に対して同程度の非点収差を生成するので、投影光学系によってこの非点収差を補償することが可能となる。分離された２色の光に対する非点収差の発生量を互いに一致させるためには、色分離面を挟む２枚の基板の屈折率および厚さは互いに等しいことが好ましい。以下に、図５および図２１を参照しながら説明する。
【００４７】
画像表示素子で変調された光によって形成された画像をスクリーンに投影する場合、投影レンズと画像表示素子との間に色分離素子などの平行平板が入ると、非点収差が発生し、スクリーン上の画像に非点収差に起因するゆがみが生ずる。
【００４８】
図２１に示した従来の色分離素子１０６’のように、平行平板の一方の面に色分離面（典型的には、誘電体多層膜）ＣＰが形成されている色分離素子を用いた構成では、例えば反射型画像表示素子１０７−Ｒで反射され、色分離素子１０６’に入射する光は、色分離素子１０６’の表面（色分離面ＣＰ）で反射されるため、この光に対する非点収差は発生しないが、反射型画像表示素子１０７−Ｇで反射された光は、色分離素子１０６’（平行平板を含む）を通過するため、この光に対して非点収差が発生する。このように、反射型画像表示素子１０７−Ｒおよび１０７−Ｇからの光のうち一方の光に対してのみ非点収差が発生するので、投影光学系によって非点収差を補償することは困難である。
【００４９】
そこで、図５に示したように、色分離面が２枚のガラス基板（透明な平行平板）１０６ａおよび１０６ｂにサンドイッチされた色分離素子１０６を使用すると、反射型画像表示素子１０７−Ｒおよび１０７−Ｇで反射された光が、色分離素子１０６のガラス中を通過する距離が互いに同じとなるので、投影光学系によって非点収差を補償することが可能となり、非点収差による歪のない良好な画像を表示できる。
【００５０】
また、色分離素子１０６のガラス基板１０６ａおよび１０６ｂの間に挟持された色分離面への光の入射角度は、ガラス表面で光が屈折されるため、クロスダイクロイックプリズムの色分離面への入射角度（典型的には４５°）よりも小さくなり、前述した色分離面の偏光依存性による問題は大幅に緩和される。
【００５１】
また、例えば、Ｒ、ＧおよびＢの光に対応した３枚の反射型画像表示素子を図１に示すように配置した場合、反射型画像表示素子１０７−Ｂに至るの光路上には色分離素子が必要ないため、非点収差が発生しない。一方、先に述べたように、反射型画像表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇに至る光路においては、色分離素子１０６によって非点収差が発生する。従って、投影光学系（投影レンズ）１０８で投影されるＲ、ＧおよびＢの光のうち、ＲとＧの光に対してのみ非点収差が発生するので、この非点収差を投影光学系で補償することは困難である。
【００５２】
これに対し、反射型画像表示素子１０７−Ｂで反射された光の光路上に透明基板１０９を挿入することにより、Ｒ、ＧおよびＢの光に対して発生する非点収差の発生量を同じにできるため、投影光学系（投影レンズ）１０８による補償が可能になり、良好な画像が得られる。なお、図１から明らかなように、３つ色の光に対する非点収差を同じにするためには、透明基板１０９は色分離素子１０６が有する２枚の基板と同じ基板（厚さは２枚分）で、Ｂの光の光路に対して、ＲおよびＧの光の光路に対する色分離素子１０６（光分離面）の配置角度と同じ角度で配置されることが好ましい。
【００５３】
また、反射型画像表示素子で偏光方向が変調されたＲ、ＧおよびＢの光は、その中の１色（図１の例では、Ｂの光）の偏光方向が他の２色（図１の例では、ＲおよびＧの光）と異なるため、第２の偏光制御素子を光分離素子（光合成素子としても機能する）の投影光学系側に配置することで、Ｒ、ＧおよびＢの光の偏光方向をそろえることができる。その結果、スクリーンとして明るい照明下でも高いコントラスト比が保てる偏光スクリーンを用いることが可能となる。偏光スクリーンは、スクリーン面に偏光板が貼り付けられており、ランダム偏光（非偏光）で入射した光の半分をカットする。この偏光板の透過軸とプロジェクタ（投影型画像表示装置）から出射される光の偏光方向とを一致させておけば、プロジェクタからの投影光はほとんどカットされず、且つ、外光の影響を半減できるので、高いコントラスト比の表示が可能となる。さらに、後述する偏光選択素子（典型的には偏光板）を第２の偏光制御素子の後方（投影光学系側）に配置することによって、コントラスト比をさらに向上することが可能となる。
【００５４】
また、偏光選択素子を第１の偏光制御素子の光入射側の光路上に配置することにより、第１の偏光制御素子に直線偏光を入射させることが可能となり、その結果、第１の偏光制御素子及び光分離素子によって効率よく色分離・偏光分離（および色合成・偏光合成）が行え、明るく、コントラスト比の高い画像を表示することができる。
【００５５】
また、偏光選択素子を第２の偏光制御素子の光出射側の光路上に設けることにより、本来光分離素子によって光源の方向に返される光が、光分離素子を通過しても、偏光選択素子でカットされるため、コントラスト比の高い画像を表示することができる。
【００５６】
また、波長規制素子が挿入されていることにより、本来それぞれの反射型画像表示素子に照射されるべきでない波長域の光及び偏光方向の光を規制することができるため、色純度を向上することができると共にコントラスト比の低下を防止することができる。
【００５７】
また、２色の光を他の１色の光と偏光方向を異ならせて照射するため、偏光方向が同じ２色の光と他の１色の光との境界波長域において、Ｐ偏光とＳ偏光が混在する波長域が存在する。その偏光が混在している波長域の光を波長規制素子でカットすることにより、コントラスト比及び色純度が向上する。
【００５８】
また、偏光制御素子ではその特性によって、完全に偏光が回転できなかった光や本来偏光が回転してはいけない光の一部偏光の乱れが発生する。また、光分離素子も光を偏光方向にしたがって完全に分離することができないため、混色やコントラス比の低下が起こる。
【００５９】
そこで、光分離素子と反射型画像表示素子１０７との間に、各反射型画像表示素子１０７に対応する色の光以外の光をカットする波長規制素子を挿入することにより、色純度及びコントラスト比の向上を図ることができる。
【００６０】
また、赤と緑との境界波長領域および緑と青との境界波長域の少なくとも一方の光を波長規制素子にてカットすることにより、色純度を向上させることができる。この波長規制素子は、上記の各反射型画像表示素子に対応する色の光以外の光をカットする波長規制素子と同時に使用しても良い。この場合、両波長規制素子の分光特性を併せ持つものを用いることが好ましい。
【００６１】
また、前記したように偏光が同じ２色の光と他の１色の光との波長の境界域においてＰ偏光とＳ偏光が混在する波長域が存在する。その偏光が混在している波長域はコントラスト比に影響を及ぼすため、カットすることが好ましい。
【００６２】
ＲとＢの偏光方向を揃えた場合は、図２２の斜線部に示すＧの短波長側（Ｂ側）と長波長側（Ｒ側）の光をカットする必要があるため、Ｇの波長帯域を確保した場合、ＲおよびＢの波長帯域が狭くなり、逆にＲおよびＢの波長帯域を確保した場合はＧの波長帯域が狭くなる。よって、明るさと色純度が低下してしまう。
【００６３】
これに対して、ＲとＧの偏光方向を揃えた場合又はＢとＧの偏光方向を揃えた場合、例えば図２に示すように（図２はＲとＧの偏光方向が同じ場合の例）、同図斜線部の波長帯域の光のみカットするだけで済むため、明るさの低下を抑制しながら、色純度を大幅に向上させることができる。
【００６４】
また、波長規制素子を光分離素子と反射型画像表示素子との間に配置した構成において、波長規制素子の波長規制面が反射型画像表示素子の画像表示面と角度をなすように配置することによって、コントラスト比を向上することができる（図７（ｂ）参照）。以下に理由を説明する。
【００６５】
光分離素子の消光比（偏光選択比）が十分でないと、本来除去されるべき（他の反射型画像表示素子に向けて出射されるべき）不要な偏光が本来の偏光に混ざって反射型画像表示素子に向けて出射される。この不要な偏光は、光分離素子と反射型画像表示素子との間に配置された波長規制素子に入射し、波長規制面で反射される。従って、波長規制面が反射型画像表示素子の表面と平行に配置されていると、波長規制面で反射される不要な偏光は、投影光学系に向けて反射されることになり、表示のコントラスト比を低下させる。しかしながら、波長規制面が反射型画像表示素子の画像表示面と角度（０°を越え９０°未満）をなすように配置しておくと、不要な偏光は、表示に用いられる本来の偏光とは異なる角度で投影光学系に向けて反射されるので、投影光学系によって容易に除去することができる。特に、波長規制素子の波長規制面が反射型画像表示素子の画像表示面と角度を約１．５°〜１３．５°の範囲内に設定すれば、通常用いられるＦナンバーが１〜８の投影レンズによって不要な偏光を容易に除去することができる。
【００６６】
また、プリズム状の色分離素子を用いると、非点収差が発生しないので、表示品位を向上することができる。あるいは、投影光学系に対して非点収差を補償するための特別な設計を施す必要が無くなる。板状の色分離素子を用いた場合、図１２に示すように、色分離面ＣＰに対向する面での表面反射で、スクリーン上にゴースト（画像が２重に映る現象）が発生するが、プリズム状の色分離素子を用いると、反射型画像表示素子で反射された光はプリズムに入射する際にその表面で反射されても、反射型画像表示素子の方向に戻るので、スクリーンには入射しない。従って、プリズム表面で反射された光による表示品位の低下が起こらない。色分離プリズムは、典型的には、２個の三角柱プリズムを貼り合せた四角柱プリズムであり、貼り合わせ面に誘電体多層膜が形成されている。三角柱プリズムの貼り合わせ面（誘電体多層膜）が色分離面として機能する。
【００６７】
色分離プリズムの色分離面への光の入射角が大きいと、色分離面の色分離特性（波長選択性）の偏光依存性が大きく、色分離の効率が低い。例えば、典型的な、直角三角柱プリズムを貼り合せた正方柱プリズムの分離面に対する入射角は４５°であり、偏光依存性が大きく、色分離の効率が低い。そこで、例えば、頂角が鈍角の２等辺三角柱プリズムを貼り合せた平行四辺形柱プリズムを用いると、その色分離面への入射角を４５°未満とすることが可能となり、色分離特性の偏光依存性を抑制することができる。その結果、色分離素子による色分離の効率を向上することができる。
【００６８】
色分離素子として、サンドイッチ構造を有するダイクロイックミラーやダイクロイックプリズムを用いることが好ましいが、透明基板の一方の表面に色分離面ＣＰを有するダイクロイックミラー（図２１参照）を用いてもよい。このとき、色分離面ＣＰを光分離素子（ＰＢＳ）の方向を向くように配置することによって、図１２に示した配置よりも、ゴーストの発生を抑制することができる。さらに、透明基板の表面上に形成された（露出された）色分離面ＣＰで反射されるＲおよびＧの色光には非点収差は発生せず、色分離面ＣＰを透過するＢの光にのみ非点収差が発生するが、Ｂの光の視感度は最も低いので、表示画像の解像度には影響しない。従って、視感度の最も低いＢの色光を透過するダイクロイックミラーを用いることによって、ゴーストの発生をさらに抑制できるとともに、非点収差による解像度の低下を抑制することができる。
【００６９】
さらに、前記の複数の波長板を互いに重ね合わせて作製した偏光制御素子では、ＲとＢの光又はＲとＧの光の偏光方向を回転させるものは層数が増えるため、高価になる。これに対して、Ｒ又はＢの光の偏光方向を回転させる偏光制御素子とすれば、ＲとＢの光又はＲとＧの光の偏光方向を回転させるものより、層数が少なくて済むため、コストダウンが図れる。
【００７０】
また、光分離素子の光分離面の偏光分離特性（Ｐ偏光を選択的に透過およびＳ偏光を選択的に反射）は、一般に光の波長範囲に依存する。また、Ｐ偏光に対する透過率とＳ偏光に対する反射率との両方を最適化すること困難であり、一方の特性（例えば、Ｐ偏光に対する透過率）を最適化すると、他方の特性（Ｓ偏光に対する反射率）が低下する。
【００７１】
従って、光分離素子の光分離面のＰ偏光に対する透過率およびＳ偏光に対する反射率のどちらか一方を最適化し、最適化された特性を有する偏光が、２枚以上の反射型画像表示素子に入射するように配置することによって、表示品位を向上することができる。あるいは、３原色の光のうちで視感度が最も高いＧの光が、最適化された特性を有する偏光として光分離素子で分離することによって、表示品位を向上することができる。
【００７２】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面を参照しながら具体的に説明する。
【００７３】
図１は本発明による実施形態の投影型カラー画像表示装置１００の模式図である。なお、以下の図面において、実質的に同じ機能を有する構成要素は共通の参照符号で示す。
【００７４】
画像表示装置１００は、赤、緑、青の３原色の光を、そのうちの２色の光の偏光方向を他の１色の光の偏光方向と異ならせて出射する照明光学系１００ａと、照明光学系１００ａから出射された光を偏光方向によって分離する光分離素子としてのＰＢＳ１０５と、偏光方向が同じ前記２色の光を分離する色分離素子としてのダイクロイックミラー１０６と、ＰＢＳ１０５およびダイクロイックミラー１０６によって分離された光（Ｒ、ＧおよびＢ）をそれぞれ変調する反射型画像表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇおよび１０７−Ｂと、反射型画像表示素子１０７−Ｒ、ＧおよびＢで変調された光を投影する投影光学系（投影レンズ）１０８とを有する。
【００７５】
照明光学系１００ａは、白色光源１０１と、波長規制素子としてのトリミングフィルタ１０２と、偏光選択素子としての偏光板１０３と、偏光制御素子１０４とを有している。
【００７６】
本実施形態では光源１０１として、１２０Ｗ、アーク長１．４ｍｍのＰｈｉｌｉｐｓ社製のＵＨＰランプを用いた。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。
【００７７】
光源１０１からの光は、放物面鏡１０１ａで略平行光にされたのち、トリミングフィルタ１０２と偏光板１０３に入射する。
【００７８】
偏光板１０３は、紙面に対して垂直方向の光のみを透過し、得られた直線偏光は偏光制御素子１０４に入射する。
【００７９】
偏光制御素子１０４は、図２に示すような特性を有しており、入射光のうちＢの光の偏光方向だけを紙面に対して平行方向に回転し、ＰＢＳ１０５に入射させる。
【００８０】
図２中の実線は、図３に示す光学系においてＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰで反射された光の特性であり、破線はＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰを透過した光の特性である。
【００８１】
本実施形態では偏光制御素子１０４として、ＵＳＰ５、７５１、３８４に開示されているような素子を使用した。この素子は複数の波長板をその軸の角度を変えて積層し、ある特定の波長域の光のみの偏光方向を回転させる機能を有する。本実施形態のように、Ｂの偏光の偏光方向を回転させる素子を用いた場合、図４に示すように、白色の直線偏光が本素子に入射すると、その出射光のうちＲおよびＧの光の偏光方向は維持され、Ｂの光の偏光方向のみ回転させることができる。
【００８２】
本実施形態では、偏光制御素子１０４として上記素子を用いたが、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、例えばコレステリック液晶などを用いても良い。
【００８３】
トリミングフィルタ１０２は、図２の斜線部で示す偏光制御素子１０４で偏光方向を回転させるＢの光と偏光が回転しないＧの光の境界の波長域をカットする働きと、ＲとＧの境界波長域（５７０ｎｍ〜５９０ｎｍ）をカットする働きをあわせ持つ。
【００８４】
偏光制御素子１０４を出射した光がＰＢＳ１０５に入射すると、ＲおよびＧの光は、ＰＢＳ１０５に対してＳ偏光となるため光分離面ＰＰで反射され、Ｂの光はＰ偏光となるために光分離面ＰＰを透過する。
【００８５】
ＰＢＳ１０５で反射されたＲおよびＧの光は、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰと略平行に配置されたダイクロイックミラー１０６に入射し、Ｒの光は反射され、Ｇの光は透過する。ダイクロイックミラー１０６の色分離面ＣＰは、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰと略平行に配置されているので、上述したように、色分離面ＣＰによる偏光状態の乱れが抑制され、コントラスト比が向上する。
【００８６】
これらＰＢＳ１０５やダイクロイックミラー１０６を透過・反射した光は、それぞれ対応する反射型画像表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇ、１０７−Ｂに入射して、画像信号に合わせて変調される。その後、ＲおよびＧの光はダイクロイックミラー１０６に再度入射し、合成された後、再度ＰＢＳ１０５に向けて反射される。Ｂの光も同様に変調された後にＰＢＳ１０５に向けて反射される。ＰＢＳ１０５によって、偏光方向が変調された光のみが選択的に投影レンズ１０８に向けて出射される。このとき、ＰＢＳ１０５は偏光合成素子または色合成素子として機能する。
【００８７】
反射型画像表示素子１０７としては、０．９型ＸＧＡパネルで、垂直配向の液晶モードのものを用いた。液晶のモードとしては、この他にＴＮモードなど、いかなる反射型液晶表示素子でも使用できる。
【００８８】
ダイクロイックミラー１０６は、図５に示すような構造になっており、誘電体面（色分離面）ＣＰがガラス基板１０６ａおよび１０６ｂにサンドイッチされて光学的に貼り合わされている。よって、ダイクロイックミラー１０６で色分離され、反射型画像表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇで反射された光が、ダイクロイックミラー１０６で色合成される時に、それぞれの光（ＲとＧの光）が通過するガラス中の光路長が同じになり、それによって発生する非点収差量も同じとなる。勿論、ガラス基板１０６ａおよび１０６ｂとして、同じガラス基板（平行平板）を用いることが好ましい。なお、上述したように、ダイクロイックミラー１０６の色分離面ＣＰは色合成面としても機能する。
【００８９】
この構造によって、ダイクロイックミラー１０６では、ガラス基板１０６ａおよび１０６ｂでの光の屈折により、色分離面ＣＰへの光の入射角度が変化し、ダイクロイックミラー１０６の配置角度が変化した場合と同様の状態になるが、その変化量は２０°以下であるため、コントラスト比を大幅に低下させるほどの影響は出ない。もちろん、ガラス基板１０６ａおよび１０６ｂでの光の屈折を考慮して、色分離面ＣＰへの入射角が２０°以下とすることが好ましい。
【００９０】
一方、反射型画像表示素子１０７−Ｂで反射された光は、透明ガラス基板１０９を通過した後に、ＰＢＳ１０５に入射することになる。よって、この透明ガラス基板１０９の厚さをダイクロイックミラー１０６の厚さ（ガラス基板１０６ａおよび１０６ｂの厚さの合計）と同じにしておけば、Ｒ、ＧおよびＢの光に対する非点収差量は互いに同じとなる。なお、ガラス基板１０９の光路に対する配置角が、ダイクロイックミラー１０６の光路に対する配置角と等しいことが好ましいことは、言うまでもない。但し、非点収差量を一致させることができるかぎり、他の構成を用いてもよい。
【００９１】
投影レンズ１０８は、これらの非点収差を補償（補正）する設計とした。上述したように、基板間に挟持された色分離面を有する色分離素子を用い、さらに、色分離素子を経ないで反射型画像表示素子に至る光路上に色分離素子と同じ厚さの透明基板を配置することによって、全ての色の光に対する非点収差を等しくできるので、投影レンズ１０８の設計を変更するだけで、非点収差を補償することが可能となる。
【００９２】
本実施形態では、サンドイッチ構造のダイクロイックミラー１０６を用いたが、必要な解像度によっては、必ずしもサンドイッチ構造にする必要はなく、従来の色分離面がガラスの表面に形成されたタイプのものを用いても良い。この場合、解像度に最も影響するＧの光に対応した反射型画像表示素子１０７−Ｇを非点収差が発生しない光路に配置するか、もしくは、反射型画像表示素子１０７−Ｇの非点収差をとるように投影レンズを設計するのが好ましい。また、同様に透明ガラス基板１０９も必要な解像度によっては、必ずしも配置する必要はない。
【００９３】
ＰＢＳ１０５と投影レンズ１０８の間には、偏光制御素子１０４と同特性の偏光制御素子１１０と紙面に対して垂直方向の偏光を通過させる偏光板１１１が配置されている。
【００９４】
ＰＢＳ１０５の投影レンズ１０８側に設けられた偏光制御素子１１０は、Ｂの光のみの偏光方向を回転し、Ｒ、ＧおよびＢの偏光方向を揃える働きを持つ。偏光制御素子１１０として、偏光制御素子１０４と同様の素子を用いることができる。また、偏光制御素子１１０と投影レンズ１０８との間に設けられた偏光板１１１は、偏光制御素子１１０からの光のうちＰＢＳ１０５で本来カットされる光の漏れ光をカットし、コントラスト比を向上させる。このように、投影レンズ１０８によって投射され、表示に用いられるＲ、ＧおよびＢの全ての光が同じ偏光であると、偏光スクリーン上に投影することによって、表示のコントラスト比を向上させることができる。
【００９５】
ＰＢＳ１０５と反射型画像表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇとの間及びＰＢＳ１０５と反射型画像表示素子１０７−Ｂの間には、それぞれ図６（ａ）、（ｂ）に示すような特性のダイクロイックミラー１１２、１１３が挿入されており、各反射型画像表示素子１０７−Ｒ、１０７−Ｇ、１０７−Ｂが対応する光以外の光をカットする働きを持つ。ダイクロイックミラー１１２、１１３で反射された不要光は、ＰＢＳ１０５を介して光源１０１の方に戻る。なお、図６（ａ）はダイクロイックミラー１１２の分光特性（ＲとＧとを選択的に透過）を示し、図６（ｂ）はダイクロイックミラー１１３の分光特性（Ｂを選択的に透過）を示す。
【００９６】
本実施形態では、ダイクロイックミラー１１２をＰＢＳ１０５の直後に配置したが、ＲとＧの光をダイクロイックミラー１０６で光を分離した後に配置しても良い。この場合、その分光特性は、Ｇの反射型画像表示素子１０７−Ｇに対応するダイクロイックミラーはＧのみ透過、Ｒの反射型画像表示素子１０７−Ｒに対応するダイクロイックミラーはＲのみ透過するものを用いても良く、ＰＢＳ１０５や偏光制御素子１０４の特性によっては、どちらか一方に配置しても良い。
【００９７】
また、本実施形態では、ＰＢＳ１０５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１１２と１１３を配置したが、ＰＢＳ１０５や偏光制御素子１０４の特性によってはダイクロイックミラー１１２、１１３を配置しなくても良く、一方だけに挿入しても良い。
【００９８】
さらに、本実施形態では、ＢとＧの光の境界波長域をカットする働きと、ＲとＧの光の境界波長域をカットする働きをあわせ持つトリミングフィルタ１０２を使用したが、本フィルタではＰＢＳ１０５や偏光制御素子１０４の特性及び、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カットする必要はなく、また、要求される表示性能によっては、必ずしも配置しなければいけないものではない。また、トリミングフィルタ１０２の配置位置は光源からスクリーンまでの光路上であればいかなる位置でも良い。
【００９９】
上記構成を有するプロジェクタ１００は、非常に明るく、高コントラスト比でありながら、コンパクトで低コストな液晶プロジェクションが実現できた。
【０１００】
本実施形態では、Ｂの光の偏光方向を回転させる偏光制御素子１０４、１１０を用いたが、偏光方向を回転させる色はこれに限定されるものではなく、また、ＰＢＳ１０５に入射する各色のＰ、Ｓ偏光が入れ替わっても良い。
【０１０１】
本実施形態では白色光をＰＢＳ１０５でＲおよびＧとＢの光に分離したが、ＧおよびＢとＲ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１０４、１１０で回転させる光の色を変えるだけで良い。
【０１０２】
また、本実施形態では、ＰＢＳ１０５の光入射側及び出射側の両方に偏光板と偏光制御素子を配置したが、光出射側の偏光制御素子１１０と偏光板１１１は必ずしも必要ではない。
【０１０３】
次に、図１に示した画像表示装置１００による表示の品位をさらに向上するための構造を説明する。図７（ａ）は、画像表示装置１００におけるＰＢＳ１０５の周辺の光学素子の配置関係を模式的に示す図であり、図７（ｂ）はそれを改変した配置を模式的に示している。なお、図７では、色分離用のダイクロイックミラー１０６を省略し、反射型画像表示素子１０７−Ｒおよび１０７−Ｇの一方を反射型画像表示素子１０７として示している。なお、参照符号１０７は任意の反射型画像表示素子に対しても用いる。
【０１０４】
画像表示装置１００のように、波長規制のためのダイクロイックミラー１１２および１１３を、それぞれ対応する反射型画像表示素子１０７とＰＢＳ１０５との間に配置した場合、例えば、図７（ａ）に示したように、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰを本来透過すべき光Ｂ（ｐ）（ＢのＰ偏光）の一部がＰＢＳ１０５の消光比が完全でないため、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰで反射されて、光Ｂ（ｐ）’としてダイクロイックミラー１１２に入射する。Ｂ光のＰ偏光のうちの不要なものを光Ｂ（ｐ）’として表すこととする。
【０１０５】
光Ｂ（ｐ）’は、本来ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰを透過し、対応する反射型画像表示素子１０７−Ｂに入射する光であるため、ダイクロイックミラー１１２で反射され、再度ＰＢＳ１０５に入射する。ＰＢＳ１０５に入射した光Ｂ（ｐ）’のほとんどは、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰを透過し、投影レンズ（不図示）に入射するため、表示のコントラスト比を低下させる。
【０１０６】
ここで、図７（ｂ）に示したように、ダイクロイックミラー１１２および１１３の光規制面と反射型画像表示素子１０７の画像表示面とが角度をなすように配置すると、ダイクロイックミラー１１２および１１３で反射された光Ｂ（ｐ）’は、反射型画像表示素子１０７で反射された光（表示に用いられる光）と異なる角度でＰＢＳ１０５に入射する。従って、図８に模式的に示したように、投影レンズ１０８ではコントラスト比の低下の原因となる光Ｂ（ｐ）’のみが瞳でけられる。その結果、ＰＢＳ１０５の不完全な色分離特性に起因するコントラスト比の低下を防止することができる。
【０１０７】
通常、投影型画像表示装置に使用される投影レンズ１０８の受光角は、使用する画像表示素子のサイズによって変化するが、おおよそ３°〜２７°（Ｆナンバー１〜８）の範囲である。従って、コントラス比の低下の原因となる不要光Ｂ（ｐ）’が、図８の破線で示すように、投影レンズ１０８の受光角よりも大きな角度で入射するように、ダイクロイックミラー１１２の波長規制面（典型的には、誘電体多層膜）の反射型画像表示素子１０７の画像表面に対する角度θを、投影レンズの受光角に応じて、約１．５°〜１３．５°の範囲内で調節することによって、不要光Ｂ（ｐ）’がカットされ、効果的にコントラスト比の向上が図れる。なお、ダイクロイックミラー１１２の波長規制面をθだけ傾けると、反射光は入射光に対して２θの角をなすので、このとき、投影レンズの受光角は２θ以下であることが必要である。この関係を満足する範囲内で、投影レンズの受光角に応じてダイクロイックミラー１１２の波長規制面の反射型画像表示素子１０７の画像表面に対する角度θを調節する。
【０１０８】
ＰＢＳ１０５の不完全な光分離特性に起因して、表示品位が低下することがある。図９を参照しながら、この現象を説明する。図９は、画像表示装置１００におけるＰＢＳ１０５の周辺の光学素子の配置関係を模式的に示す図である。なお、簡単さのために、説明に不要な光学素子を省略している。
【０１０９】
図９に示したように、対応する反射型画像表示素子１０７−Ｇに入射した光Ｇ（Ｓ）（ＧのＳ偏光）が、反射型画像表示素子１０７−Ｇで変調されずに反射されたとき（典型的には、反射型画像表示素子１０７−Ｇが黒表示状態のとき）、再びＰＢＳ１０５に入射する光Ｇ（Ｓ）のほとんどは、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰで反射され、光源（不図示）の方向に戻るが、ＰＢＳ１０５の消光比が完全ではない為、その一部（「Ｇ（ｓ）’」と表記する。）は、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰを透過する。この光Ｇ（ｓ）’のほとんどは、偏光板１１１によってカットされる。しかしながら、特に、偏光制御素子１１０がＰＢＳ１０５と偏光板１１１との間に配置されている場合、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰを透過したＧ（ｓ）’の一部の偏光方向が偏光制御素子１１０によって乱され、偏光板１１１を透過し、その結果、表示のコントラス比が低下する。
【０１１０】
また、図１７に示した光学系では、照明光をＲ、ＧおよびＢの光に色分離した後、それぞれの色光に対するＰＢＳ７０２に入射させているのに対し、本実施形態の画像表示装置１００では、全ての色光がＰＢＳ１０５に入射するので、ＰＢＳ１０５は、Ｒ、ＧおよびＢの光のすべての波長域に対して高い消光比が要求される。しかしながら、広い波長域に亘って、Ｐ偏光およびＳ偏光の両方に対して高い消光比を有するＰＢＳ１０５を得ることは困難である。例えば、Ｓ偏光に対する特性（反射率）が良くなるように設計した場合、Ｐ偏光に対する特性（透過率）は低下する。すなわち、図１０に示すような、色分離特性が得られる。
【０１１１】
図１０に示したように、Ｓ偏光対して高い特性を示すＰＢＳを図９のＰＢＳ１０５として用いると、光Ｇ（ｓ）’を低減させることができ、コントラスト比を向上させることができる。
【０１１２】
一般に、ＰＢＳ１０５の偏光分離特性をＰ偏光およびＳ偏光のどちらに対して最適化してもよいが、他方の偏光に対する偏光分離特性が低下するので、より多くの反射型画像表示素子（通常、Ｒ、ＧおよびＢの３パネルが用いられるので、２枚以上）が配置されている側の偏光方向に最適化するか、あるいは、より視感度の高いＧの光に対応した反射型画像表示素子が配置されている偏光に対して、ＰＢＳ１０５の偏光分離特性を最適化することがより効果的である。
【０１１３】
図１１（ａ）および（ｂ）に、画像表示装置１００に対して上述した構造を適用した投影型カラー画像表示装置２００および３００を模式的に示す。
【０１１４】
図１１（ａ）の画像表示装置２００では、ダイクロイックミラー１１２及び１１３は、それぞれが対応する反射型画像表示素子１０７の表示面に対して、約５°傾けて配置されている（図８中のθが約５°）。また、図１１（ｂ）では、ダイクロイックミラー１１２、１１３と同様の機能を有するダイクロイックミラー２１１、２１２および２１３をそれぞれ対応する反射型画像表示素子１０７の表示面に対して、約５°傾けて配置されている。
【０１１５】
画像表示装置２００および３００は、ともに、投影レンズ１０８として、Ｆｎｏ．が３．０（受光角±９．５°）のものを用い、反射型画像表示素子１０７に対して、±１０°の平行度を有する照明光を入射させた。
【０１１６】
上記の構造を採用することによって、ダイクロイックミラー１１２および１１３、またはダイクロイックミラー２１１、２１２および２１３で反射された不要光が、ＰＢＳ１０５の不完全な偏光分離特性によって、投影レンズ１０８の方向に出射されても、この不要光は図８の破線で示したように投影レンズ１０８の瞳を通過できないので、コントラスト比の低下が防止される。画像表示装置２００および３００は、明るさを低下させずに、画像表示装置１００よりもさらに高コントラスト比な表示を実現することができた。
【０１１７】
画像表示装置２００および３００では、ダイクロイックミラー１１２および１１３、またはダイクロイックミラー２１１、２１２および２１３で反射された不要光がすべて投影レンズ１０８でカットされるように、ダイクロイックミラー１１２および１１３、またはダイクロイックミラー２１１、２１２および２１３を傾けたが、これらのダイクロイックミラーの傾き角を小さくし、不要光の一部が投影レンズ１０８を透過する構成を採用しても、画像表示装置１００よりも、コントラスト比を向上することができる。
【０１１８】
また、画像表示装置２００および３００では、ＰＢＳ１０５として、図１０に示したように、Ｓ偏光に対する特性（反射率）がＰ偏光に対する特性（透過率）よりも優れているものを用いている。従って、ＰＢＳ１０５の光分離面ＰＰでＰ偏光よりも良好に分離されたＳ偏光が、３枚の反射型画像表示素子のうちの反射型画像表示素子１０７Ｇおよび１０７Ｒに入射し、偏光分離特性が劣るＰ偏光は反射型画像表示素子１０７Ｂにのみ入射する。このように、ＰＢＳ１０５の偏光分離特性を最大限に利用することによって、コントラスト比を低下させる光をさらに低減することができる。
【０１１９】
画像表示装置２００および３００では、Ｓ偏光に対する偏光分離特性を最適化したＰＢＳ１０５を用い、２枚の反射型画像表示素子１０７Ｇおよび１０７ＲをＳ偏光側に配置したが、Ｓ偏光側に視感度の高いＧに対応した反射型画像表示素子１０７Ｇ１枚を配置しても同様の効果が得られる。また、Ｐ偏光に対して偏光分離特性を最適化したＰＢＳ１０５を用いた場合、Ｐ偏光側に２枚の反射型画像表示素子１０７を配置した構成を採用してもよいし、Ｐ偏光側に視感度の高いＧ光に対応した反射型画像表示素子１０７Ｇを１枚配置した構成を採用しても、同様に効果が得られる。
【０１２０】
画像表示装置２００および３００では、偏光制御素子１０４でＢの偏光方向を回転させたが、ＲとＧの光の偏光方向を回転させても良く、ＰＢＳに入射する光のＰ偏光とＳ偏光が逆になっても良い。また、ＰＢＳ１０５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１１２と１１３及びダイクロイックミラー２１１、２１２および２１３を配置したが、ＰＢＳ１０５や偏光制御素子１０４の特性によっては上記のダイクロイックミラーを配置する数を減らしても良い。さらに、ＰＢＳ１０５の光入射側及び出射側の両方に偏光板と偏光制御素子を配置したが、光出射側の偏光制御素子１１０と偏光板１１１は必ずしも必要ではない。
【０１２１】
また、画像表示装置２００および３００においても、色分離面が２枚のガラス基板にサンドイッチされた色分離素子１０６を用いたが、必要な解像度によっては、必ずしもサンドイッチ構造の色分離素子１０６を用いる必要はなく、ガラス基板の一方の表面に色分離面が形成された従来の色分離素子１０６’（例えば図２１参照）を用いてもよい。
【０１２２】
次に、色分離素子として、ダイクロイックプリズムを用いる構成とその動作を説明する。
【０１２３】
上述したように、色分離素子として、平行平板の一方の面上に色分離面を形成した従来のダイクロイックミラー１０６’を用いると、非点収差を発生するので、上述したように、その非点収差を補償するための特別な工夫（色分離素子１０６やガラス基板１０９の使用）が必要となる。
【０１２４】
さらに、従来のダイクロイックミラー１０６’のような平行平板状の色分離素子を用いると、図１２に示すように、ガラス基板１０６ａ’の色分離面ＣＰに対向する表面で反射された光（「ゴースト光」と呼ぶ。）によって、スクリーン上に画像が２重に映る現象、いわゆるゴースト現象が発生する。
【０１２５】
これに対し、図１３（ａ）および（ｂ）に示す投影型カラー画像表示装置４００および５００のように、プリズム状の色分離素子（ダイクロイックプリズム）２０６を用いると、非点収差が発生しないので、図１に示した画像表示装置１００のような特別な工夫をすることなしに、表示品位を向上することができる。ダイクロイックプリズム２０６は、典型的には、２個の三角柱プリズムを貼り合せた四角柱プリズムであり、貼り合わせ面に誘電体多層膜が形成されており、貼り合わせ面が色分離面ＣＰとして機能する。
【０１２６】
さらに、ダイクロイックプリズム２０６を用いると、反射型画像表示素子で反射された光は、ダイクロイックプリズム２０６に入射する際にその表面で反射されても、反射型画像表示素子の方向に戻るので、スクリーンには入射しない。従って、ダイクロイックプリズム２０６の表面で反射された光がゴースト現象を引き起こすことは無い。
【０１２７】
なお、画像表示装置４００のダイクロイックプリズム２０６は、直角三角柱プリズムを貼り合せた正方柱プリズムなので、色分離面ＣＰへの光の入射角が４５°と比較的大きいので、偏光依存性が大きく、色分離の効率が低い。そこで、図１３（ｂ）の画像表示装置５００のように、例えば、頂角が鈍角の２等辺三角柱プリズムを貼り合せた平行四辺形柱プリズムからなるダイクロイックプリズム２０６を用いると、色分離面ＣＰへの入射角を４５°未満となり、色分離特性の偏光依存性を抑制することができる。この例では、光入射角が４０°となるダイクロイックプリズム２０６を用いた結果、色分離の効率を向上し、明るさ及び色純度を向上させることができた。
【０１２８】
なお、色分離素子としてプリズム素子を用いる場合には、それぞれの色の光の光路長を互いに等しくするために、図１３（ａ）および（ｂ）に示したように、ダイクロイックプリズム２０６を経ない光路にガラスブロック２０９を配置することが好ましい。
【０１２９】
色分離素子として、ダイクロイックプリズムを用いる画像表示装置の構成は、例示した画像表示装置４００および５００に限られず、上述した構成と適宜組み合わせることが可能で、ダイクロイックミラーに代えてダイクロイックプリズムを用いることによって、上述の効果を付加的に得ることができる。
【０１３０】
上述したように、色分離素子として、サンドイッチ構造を有するダイクロイックミラー１０６やダイクロイックプリズム２０６を用いることが好ましいが、従来のダイクロイックミラー１０６’を用いてもよい。図１４に本発明による他の投影型カラー画像表示装置１００’を模式的に示す。
【０１３１】
図１４に示した画像表示装置１００’は、図１に示した画像表示装置１００におけるサンドイッチ型ダイクロイックミラー１０６を、ガラス基板の一方の表面に色分離面ＣＰを有する従来のダイクロイックミラー１０６’に置き換えたものである。ダイクロイックミラー１０６’は、色分離面ＣＰがＰＢＳ１０５の方向を向くように配置されている。また、ダイクロイックミラー１０６’として、Ｂの光を透過するものを用いる。さらに、ダイクロイックミラー１０６’を上述のように配置すると、ＧまたはＲの色光は、露出されている色分離面ＣＰで反射されるので、これらの色光には非点収差が発生しない。従って、図１の画像表示装置１００における透明基板１０９は設けていない。
【０１３２】
画像表示装置１００’においては、Ｂの光に対して非点収差が発生するが、ＲおよびＧの光と合成され、スクリーン上に投影された画像の解像度には、ほとんど影響しない。これは、Ｂの光に対する人間の目の視感度は、ＲおよびＧの光に対する視感度よりも低いので、投影表示された画像の解像度は、ＲおよびＧの画像の解像度が支配的となるからである。
【０１３３】
さらに、ダイクロイックミラー１０６’の色分離面ＣＰをＰＢＳ１０５側に向け、且つ、視感度の最も低いＢの光を色分離面ＣＰが透過する構成を採用することによって、スクリーン上でのゴーストの発生をほとんど視認できない程度に抑制することができる。
【０１３４】
図１４に示した配置では、反射型画像表示素子１０７−Ｒおよび１０７−Ｇで反射された光は、直接、色分離面ＣＰで反射されるので、ゴーストは発生しない。反射型画像表示素子１０７−Ｂで反射された光は、透明基板の色分離面ＣＰが形成されていない面で反射されるが、この反射光は投影レンズに入射しない。また、色分離面ＣＰに到達したＢの光のほとんどは、色分離面ＣＰを透過する。色分離面ＣＰの特性によってＢの光のその一部が反射され、この反射された光の一部が、透明基板の色分離面ＣＰが形成されていない方の面で再度反射され、ゴーストとなる。しかしながら、このゴーストは、色分離面ＣＰが反射型画像表示素子１０７側を向くよう配置された構成（図１２参照）で発生するゴーストに比べると極めて軽度である。もちろん、色分離面ＣＰが視感度の最も低いＢの光を透過する構成を採用することがゴーストの発生を抑制するために好ましいが、他の色光を透過する構成を採用しても、図１２に示した構成よりも、ゴーストの発生は抑制される。
【０１３５】
また、Ｂの光がダイクロイックミラー１０６’を透過する構成よりも効果は低いものの、必要とされる画質によっては、Ｂの光の次に視感度が低い、Ｒの光がダイクロイックミラー１０６’を透過する構成を採用してもよい。
【０１３６】
画像表示装置１００’においては、ＢおよびＧの光をＰＢＳ１０５で反射させる構成を採用したが、ＢおよびＲの光を反射させてもよい。また、ＢおよびＧの光、または、ＢおよびＲの光を透過する構成を採用してもよい。
【０１３７】
上述したように、従来のダイクロイックミラー１０６’の透明基板の一方の表面に形成された色分離面ＣＰをＰＢＳ１０５の方向を向くように配置することによって、ゴーストの発生を抑制することができる。さらに、視感度の最も低いＢの色光を透過するダイクロイックミラー１０６’を用いることによって、ゴーストの発生をさらに抑制できるだけでなく、非点収差による解像度の低下を抑制することができる。
【０１３８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、ＰＢＳに入射するＲ、ＧおよびＢのうちの１色を他の色と偏光方向を異ならせることにより、ＰＢＳとダイクロイックミラーで色分離が行えるため、コンパクトかつ、低コストな画像表示装置（例えば、液晶プロジェクタ）を実現できる。
【０１３９】
また、Ｒ、ＧおよびＢの光のうち偏光方向が同じ２色の光のうちの一方をＧとすることで、使用できる光の帯域が広げられ、明るさ、色純度をアップできる。
【０１４０】
また、色分離用のダイクロイックミラーの色分離面をガラス基板で挟み込む構造をとり、かつ、色分離を行わない方の光路上に透明基板を挿入することで、各反射型画像表示素子に発生する非点収差の収差量が同じになり、投影レンズで収差を補正できるため、解像度の高い画像を実現することができる。
【０１４１】
さらに、Ｓ偏光とＰ偏光とが混在する波長域の光や各反射型画像表示素子に対応した光以外の光をカットする波長規制素子を設けることにより、Ｒ、ＧおよびＢの色純度の向上やコントラストのアップを図ることができる。
【０１４２】
さらに、波長規制素子の波長規制面を反射型画像表示素子の画像表示面に対して傾斜して配置することによって、コントラスト比をさらに向上することができる。
【０１４３】
また、プリズム状の色分離素子を用いると、さらに表示品位を向上することができる。
【０１４４】
さらに、偏光分離特性がＰ偏光およびＳ偏光のうちのどちらか一方に対して最適化された光分離素子を用い、Ｇ光が最適化された偏光として分離されるように配置するか、あるいは、２枚以上の反射型画像表示素子を最適された偏光に対応して配置することによって、さらに表示品位を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る投影型カラー画像表示装置１００の模式図である。
【図２】本発明の実施形態で用いた偏光制御素子の分光特性である。
【図３】偏光制御素子の分光特性測定に用いた光学系である。
【図４】偏光制御素子の機能の説明図である。
【図５】ダイクロイックミラーの構造図である。
【図６】本発明の実施形態で用いたダイクロイックミラーの分光特性である。
【図７】（ａ）は、投影型カラー画像表示装置１００におけるＰＢＳ１０５の周辺の光学素子の配置関係を模式的に示す図であり、（ｂ）はそれを改変した配置を模式的に示す図である。
【図８】図７（ｂ）の配置によってコントラスト比の低下が防止できることを示す模式図である。
【図９】ＰＢＳの不完全な偏光分離特性によってコントラスト比が低下するメカニズムを説明するための模式図である。
【図１０】本発明による実施形態の投影型カラー画像表示装置に用いられるＰＢＳの偏光分離特性を示すグラフである。
【図１１】（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態の投影型カラー画像表示装置２００および３００をそれぞれ模式的に示す図である。
【図１２】従来のダイクロイックミラー１０６’によるゴースト現象を説明するための模式図である。
【図１３】（ａ）および（ｂ）は、本発明による実施形態の投影型カラー画像表示装置４００および５００をそれぞれ模式的に示す図である。
【図１４】本発明による実施形態の投影型カラー画像表示装置１００’を模式的に示す図である。
【図１５】透過型液晶表示素子の画素部の説明図である。
【図１６】反射型液晶表示素子の説明図である。
【図１７】反射型液晶表示素子を用いた３板式液晶プロジェクションの説明図である。
【図１８】反射型液晶表示素子を用いた別の３板式液晶プロジェクションの説明図である。
【図１９】クロスダイクロイックプリズムの偏光依存性の説明図である。
【図２０】色分離用ダイクロイックミラーの配置方向の説明図である。
【図２１】従来の色分離用ダイクロイックミラーの説明図である。
【図２２】赤と青の偏光方向を揃えた場合の偏光制御素子の分光特性である。
【符号の説明】
１００      投影型カラー画像表示装置
１００ａ    照明光学系
１０１      光源
１０２      トリミングフィルタ
１０３      偏光板
１０４      偏光制御素子
１０５      ＰＢＳ
１０６      色分離用ダイクロイックミラー
１０７      反射型画像表示素子
１０８      投影レンズ（投影光学系）
１０９      透明基板
１１０      偏光制御素子
１１１      偏光板
１１２      ダイクロイックミラー
１１３      ダイクロイックミラー
２０６      色分離用ダイクロイックプリズム
２０９      ガラスブロック
２１１、２１２、２１３    ダイクロイックミラー
６０１      ＴＦＴ
６０２      ブラックマトリクス
６０３      ゲートバスライン
６０４      ソースバスライン
６０１      反射型の画素電極
７０１      光源
７０２      ＰＢＳ
７０３      クロスダイクロイックミラー
７０４      反射型液晶表示素子
７０５      投影レンズ
【図１】
0003554520.tif 000002
【図２】
0003554520.tif 000003
【図３】
0003554520.tif 000004
【図４】
0003554520.tif 000005
【図５】
0003554520.tif 000006
【図６】
0003554520.tif 000007
【図７】
0003554520.tif 000008
【図８】
0003554520.tif 000009
【図９】
0003554520.tif 000010
【図１０】
0003554520.tif 000011
【図１１】
0003554520.tif 000012
【図１２】
0003554520.tif 000013
【図１３】
0003554520.tif 000014
【図１４】
0003554520.tif 000015
【図１５】
0003554520.tif 000016
【図１６】
0003554520.tif 000017
【図１７】
0003554520.tif 000018
【図１８】
0003554520.tif 000019
【図１９】
0003554520.tif 000020
【図２０】
0003554520.tif 000021
【図２１】
0003554520.tif 000022
【図２２】
0003554520.tif 000023