(57)【要約】【課題】画像表示素子で反射される0次光および回折光による光漏れを抑制し、高コントラストの投射型画像表示装置を提供すること。【解決手段】光源と、入射光のうち一方の偏光光を透過しこれと直交する他方の偏光光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、入射光を画像光へと変調して反射する反射型画像表示素子と、偏光分離素子と画像表示素子との間に配置される位相差板と、画像光をスクリーンへ投射する投射レンズとを有する投射型画像表示装置であって、位相差板は光学面内において直交する2つの方向で異なる屈折率を有し光学面に対して垂直に入射した使用波長域内のある設計波長λの偏光光に対しλ/4より大きな位相差を与え、偏光分離素子の入出射面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸、と定義したとき、位相差板の光学軸はｘｚ面内にありｘ軸に対して傾いていることを特徴とする。【選択図】図２
2011033762.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
入射光のうち一方の偏光光を透過し、これと直交する他方の偏光光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
入射光を画像光へと変調して反射する画像表示素子と、
該偏光分離素子と該画像表示素子との間に配置される第１の位相差板と、
画像光をスクリーンへ投射する投射レンズと、
を有する投射型画像表示装置であって、
該第１の位相差板は、該位相差板の光学面内において直交する２つの方向で異なる屈折率を有し、該光学面に対して垂直に入射した、使用波長帯域内のある波長λの偏光光に対してλ／４よりも大きな位相差を与える位相差板であり、
該偏光分離素子の入出射面Ｓの法線の方向をｚ軸、該ｚ軸と該偏光分離面の法線ｎの両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸の両方に垂直な方向をｘ軸、と座標軸を定義したとき、
該第１の位相差板の光学軸は、ｘｚ面内にあり、ｘ軸に対して傾いている、
投射型画像表示装置。
【請求項２】
前記第１の位相差板は、ｚ軸に平行に入射する２つの直交する偏光光に対して生じる位相差Ｒは、前記波長λに対して
0.3λ≦Ｒ≦0.7λ
を満たす、請求項１の投射型画像表示装置。
【請求項３】
前記第１の位相差板の前記光学軸とｚ軸との成す角度をθAz（度）としたとき、
60≦θAz≦85   （ただしθAzは鋭角側の角度）
を満たす、請求項１または２の投射型画像表示装置。
【請求項４】
前記第１の位相差板の光学軸は、該第１の位相差板の光学面内にあり、
該光学面がｘｙ面に対して傾斜するように、該第１の位相差板が設置され、
該第１の位相差板は、前記偏光分離素子側の第１のクサビ型の基板と、前記画像表示素子側の第２のクサビ型の基板と、で挟むように構成され、
該第１及び第２のクサビ型の基板は屈折率等方性であり、
該第１のクサビ型の基板の該偏光分離素子側の光学面はｘｙ面と平行であり、
該第２のクサビ型の基板の該画像表示素子側の光学面はｘｙ面と平行である、
請求項１乃至３のいずれかの投射型画像表示装置。
【請求項５】
前記投射型画像表示装置は、第２の位相差板をさらに有し、
該第２の位相差板は、ｚ方向とｘｙ面内の方向において異なる屈折率を有し、
前記光源からの光路において、前記偏光分離素子、前記第１の位相差板、該第２の位相差板、前記画像表示素子、の順で配置される、
請求項１の投射型画像表示装置。
【請求項６】
前記第２の位相差板の常光線屈折率n0と異常光線屈折率neの屈折率差ne−n0は、前記画像表示素子における屈折率差と符号が反対である、請求項５に記載の投射型画像表示装置。
【請求項７】
前記第２の位相差板は屈折率の異なる少なくとも２種類の無機等方性薄膜を１０層以上、積層した構造からなる、請求項５または６に記載の投射型画像表示装置。
【請求項８】
前記第２の位相差板の光学軸とｚ軸との成す角度をθCz（度）としたとき、
0≦θCz≦15    （ただしθCzは鋭角側の角度）
を満たす、請求項５乃至７のいずれかの投射型画像表示装置。
【請求項９】
光源と、
入射光の内、一方の偏光光を透過し、それと直交する他方の偏光光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
入射光を画像光へと変調して反射する画像表示素子と、
該偏光分離素子と該画像表示素子との間に配置される第１の位相差板と、
画像光をスクリーンへ投射する投射レンズと、
を有する投射型画像表示装置であって、該第１の位相差板は、該位相差板の光学面内において直交する２つの方向で異なる屈折率を有し、該光学面に対して垂直に入射した、使用波長帯域内のある波長λの光線に対してλ／４よりも大きな位相差を与える位相差板であり、
該偏光分離素子の入出射面Ｓの法線の方向をｚ軸、該ｚ軸と該偏光分離面の法線ｎの両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸の両方に垂直な方向をｘ軸、と座標軸を定義したとき、
該第１の位相差板の光学軸は、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して傾いている、
投射型画像表示装置。
【請求項１０】
前記第１の位相差板の前記光学軸の、ｘｙ面への射影像とｘ軸とがなす角度をθAx（度）としたとき、
0.5≦|θAx|≦10      （ただしθAxは鋭角側の角度）
を満たす、請求項９に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１１】
前記投射型画像表示装置は、第３の位相差板をさらに有し、該第３の位相差板は、前記第１の位相差板と前記画像表示素子との間に配置され、該第３の位相差板のｘｙ面内において直交する２つの方向で異なる屈折率を有し、
該第３の位相差板の光学軸のｘｙ面への射影像はｘ軸またはｙ軸と平行な状態からｚ方向を軸として回転して配置する、請求項１乃至８の投射型画像表示装置。
【請求項１２】
前記第３の位相差板の光学軸のｘｙ面への射影像とｘ軸とがなす角度をθEx（度）としたとき、
0.5≦|θEx|≦10  または  0.5≦|θEx-90|≦10    （ただしθExは鋭角側の角度）
のいずれかを満たす、請求項１１の投射型画像表示装置。
【請求項１３】
前記第３の位相差板は、ｚ軸に平行に入射する２つの直交する偏光光に対して生じる位相差Ｒ‘は、前記波長λに対し、
0.01λ≦R'≦0.2λ
を満たす、請求項１１または１２の投射型画像表示装置。
【請求項１４】
前記偏光分離素子はマクニール型の偏光分離素子である、請求項１ないし１３のいずれかの投射型画像表示装置。
【請求項１５】
前記画像表示素子は垂直配向（ＶＡ）型の液晶画像表示素子であり、該液晶画像表示素子は黒表示状態において面法線に対しプレチルト角を有する、請求項１乃至１４の投射型画像表示装置。
【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、特に投射型の画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、光源部と、光源からの照明光束を偏光に応じて分離、合成する光学系と、照射された光束を画像光束へ変換する画像表示素子と、変換された画像光束を結像させる投射光学系とを有する投射型画像表示装置が知られている。
【０００３】
以下、投射型画像表示装置の代表的な構成を示す。光源から照射された白色光は偏光変換素子によりある所定の偏光に揃えられ、ダイクロイックミラーで緑色帯域と、青、赤色帯域の光に分離される。青、赤色帯域の光はさらに色選択性位相板により所定の波長帯域の偏光方向が９０度変換され、偏光分離素子、位相差板を介して所定の色の光は所定の色に対応した画像表示素子を照明する。画像表示素子は画像信号に応じて照明光を画像光に変換して反射する。画像光は偏光分離素子、合成プリズム等により合成され、投射光学系によりスクリーンに投影される。
【０００４】
ところで、一般的に投射型画像表示装置では、前記画像表示素子が黒表示状態であるにもかかわらず、投射光学系側に光が漏れることにより画像のコントラストが低下する。画像表示装置を構成する素子のうち、偏光分離素子や位相差板の偏光特性は入射角度依存性を有し、そのため素子を透過若しくは反射する偏光の特性も入射角度に依存して変化する。つまり入射角度に応じて位相ズレが生じるため、偏光分離素子で全ての偏光を一様に偏光分離することは出来ず、一部の光は漏れ光となる。
【０００５】
また画像表示素子の各画素は数μｍ程度のオーダで規則的に配列しており、入射光は画像表示素子によって反射される際に、その開口形状に応じた回折光を生じる。回折光はその回折次数に応じ正反射光（０次反射光）とは異なる角度で反射されるため、反射回折光と正反射光とでは各偏光素子で受ける光学特性が変化する。その結果多くの回折光は所望の偏光状態から外れたものとなり、偏光分離が十分に行われず漏れ光の要因となる。
【０００６】
これらの光は、画像表示素子が黒表示状態であるにもかかわらず、偏光分離素子、投射レンズを通じてスクリーンへ投射されてしまうため、表示画像のコントラストを低下させる原因となる。
【０００７】
上記の課題に対し、特許文献１では偏光分離素子と反射型画像表示素子との間に１／４波長板を配置することで漏れ光を補正する方法が記載されている。入射光が偏光分離素子と反射型画像表示素子との間を往復する、往路及び復路において１／４波長板を通過することにより、偏光分離素子の入射角度依存性に起因する漏れ光を補償している。
【０００８】
特許文献２では、液晶表示素子と、前記液晶表示素子に対して光学軸の傾いた位相補償板を光路中に配置することにより、偏光分離素子または液晶表示素子による非理想的な偏光効果を補償する旨が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特公平０７−０３８０５０号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０２８５０４２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
偏光分離素子の入射角度特性を１／４波長板を往復で通過することで補償する方法においては、反射型画像表示素子で正反射（０次光反射）される光に対しては補償を行えるものの、回折する光に対する補償はできない。回折光は入射時と異なる角度で反射されるため、１／４波長板を往復する際の角度も入射時と反射時とでは異なる。そのような光に対しては、往路及び復路において１／４波長板を通過させることによる補償効果は得られない。
【００１１】
本発明の目的は、正反射光の補償だけでなく、画像表示素子より生じる回折光を含めて補償することで高いコントラストを得ることを可能にした投射型画像表示装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明は、光源と、入射光のうち一方の偏光光を透過しこれと直交する他方の偏光光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、入射光を画像光へと変調して反射する反射型画像表示素子と、前記偏光分離素子と画像表示素子との間に配置される位相差板と、画像光をスクリーンへ投射する投射レンズとを有する投射型画像表示装置であって、前記位相差板は、該位相差板の光学面内において直交する２つの方向で異なる屈折率を有し、該光学面に対して垂直に入射した、使用波長帯域内のある設計波長λの偏光光に対してλ／４よりも大きな位相差を与える位相差板であり、該偏光分離素子の入出射面Ｓの法線の方向をｚ軸、該ｚ軸と該偏光分離面の法線ｎの両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸の両方に垂直な方向をｘ軸、と座標軸を定義したとき、前記位相差板の光学軸は、ｘｚ面内にあり、ｘ軸に対して傾いている、ことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、偏光分離素子並びに画像表示素子により生じる正反射光および回折光を含む光に対して位相補償を行い、光漏れを最小限に抑えることができるため、高いコントラストを有する投射型画像表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施例１の投射型画像表示装置の構成概略図
【図２】実施例１の投射型画像表示装置のＧ光路の素子配置の概略図
【図３】本発明の実施例１における各素子透過時の偏光状態の変化を示す模式図
【図４】光学軸の傾いた位相差板に入射する偏光状態の変化を説明する模式図
【図５】比較例における各素子透過時の偏光状態の変化を示す模式図
【図６】光学軸が平行配置された位相差板に入射する偏光状態の変化を説明する模式図
【図７】実施例１の位相差板の位相差と傾斜角度とコントラストの相関を示す図
【図８】本発明の実施例２の投射型画像表示装置の構成概略図
【図９】実施例２の投射型画像表示装置のＧ光路の素子配置の概略図
【図１０】本発明の実施例２における各素子透過時の偏光状態の変化を示す模式図
【図１１】第１の位相差板の位相差と第２の位相差板の位相差とコントラストの相関を示す図
【図１２】本発明の実施例３の投射型画像表示装置の構成概略図
【図１３】第２の位相差板の傾斜角度θCzとコントラストの相関を示す図
【図１４】本発明の実施例４の投射型画像表示装置の構成概略図
【図１５】実施例５の投射型画像表示装置のＧ光路の素子配置の概略図
【図１６】プレチルト角とコントラストの相関を示す図
【図１７】実施例５の他の構成の投射型画像表示装置のＧ光路の素子配置の概略図
【図１８】偏光分離素子の反射側に液晶を配置した場合の本発明の投射型画像表示装置の構成概略図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
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。
【実施例１】
【００１６】
図１は本発明の第１の実施例である投射型画像表示装置１００の概略構成図である。投射型画像表示装置１００は、光源１、偏光変換素子３、ダイクロイックミラー５、偏光板６、色選択性位相差板７、緑色用偏光分離素子９ａ、及び青、赤色用偏光分離素子９ｂ、画像表示素子１１ｇ,１１ｂ,１１ｒ、位相差板１２ｇ,１２ｂ,１２ｒ、合成プリズム１８、投射レンズ光学系２０を有する。
【００１７】
光源１から出射した光束は、リフレクタによって反射され、略平行光束２となって偏光変換素子３に入射する。この図においては、この白色平行光束２を緑・青・赤色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを緑色光２ｇ、青色光２ｂ、赤色光２ｒとして図示している。勿論、この緑、青、赤色光それぞれは、図上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この段階では空間的に分離されている訳ではない。以下、緑色光はＧ，青色光はＢ、赤色光はＲと記載する。
【００１８】
光源から出射した各色の光は様々な偏光を含んでおり、偏光変換素子３を透過することにより、一様な偏光方向へ揃えられてＧ偏光光４ｇ、Ｂ偏光光４ｂ、Ｒ偏光光４ｒとなり、ダイクロイックミラー５へ入射する。ダイクロイックミラー５はＧ帯域のみを反射する特性を有しており、Ｇ偏光光は反射され、Ｒ偏光光及びＢ偏光光は透過することでＧ偏光光が色分離される。Ｇ偏光光はそのまま偏光分離素子９ａに入射し、位相差板１２ｇを透過してＧ用画像表示素子１１ｇに入射する。
【００１９】
色分離されたＲ・Ｂ偏光光は偏光板６を透過することにより偏光度が向上した後に色選択性位相板７に入射する。色選択性位相板７はＢ偏光光のみ偏光方向を９０度変換する特性を有しており、Ｒ偏光光の偏光状態は維持したまま、Ｂ偏光光は９０度偏光方向が回転した状態で偏光分離素子９ｂに入射する。偏光分離素子９ａ、９ｂは偏光分離面９ａ１、９ｂ１に入射する偏光光のうち、入射光のうち一方の偏光光を透過しそれと直交する他方の偏光光を反射する素子である。このような作用を有する素子は、例えば屈折率の異なる薄膜を偏光分離面９ａ１、９ｂ１に積層したものなどがある。偏光分離素子９ｂの偏光分離面９ｂ１によりＢ偏光光は反射、Ｒ偏光光は透過して色分離され、それぞれ位相差板１２ｂ、１２ｒを透過して各色に対応する画像表示素子１１ｂ、１１ｒに入射する。
【００２０】
画像表示素子１１ｂ、１１ｒ、１１ｇに入射した光は画像信号に応じて画素ごとに照明光の偏光方向を９０度変換され、変調されて反射されることにより画像光となる。ＢとＲの画像光は再び位相差板１２ｂ、１２ｒを透過した後に偏光分離素子９ｂに再入射する。ここでＢ偏光の画像光は透過され青色光１５ｂとなり、Ｒ偏光の画像光は偏光分離面９ｂ１に反射され赤色光１５ｒとなって偏光分離素子９ｂを出射することで１５ｂ、１５ｒが合成される。Ｇ偏光の画像光も位相差板１２ｇを透過した後に偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１により反射され、合成プリズム１８に入射する。合成プリズム内のダイクロイック膜１９により、Ｇの画像光は反射され、ＲとＢの光１５ｂ、１５ｒは透過することでＧとＲとＢの光が合成されて出射される。色合成された画像光は投射レンズ光学系２０によりスクリーンに投影、結像される。
【００２１】
ここで本発明の投射型画像表示装置においては、位相差板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは、光学面内において直交する２つの方向で異なる屈折率を有し、それぞれの使用波長帯域内の設計波長λに対してλ／４以上、より好ましくはλ／２程度の位相差を有する。ここで使用波長帯域とは、各光路を透過、反射する偏光光の主たる波長帯域のことであり、投射型画像表示装置の特性および構成により異なるものである。本発明においては、Ｂ光路は例えば420〜480nm程度、Ｇ光路は500〜580nm程度、Ｒ光路は600〜680nm程度であるが、特にこの波長帯域のみに限定されるわけではない。また設計波長λとは１／４波長板、１／２波長板のように位相差板の位相差を決める際に用いる波長のことであり、光源のスペクトルにも依存するが通常は使用波長帯域内であり、その中心付近から選択される。本発明においては、設計波長を、Ｂ光路においては450nm、Ｇ光路においては550nm、Ｒ光路においては630nmとしているが、特にこの波長のみに限定されるものではない。
【００２２】
図２は図１中のＧ光路の素子配置を拡大して示したものである。以下では本発明の概要をＧ光路を代表して説明するが、Ｇ光路のみに限定するものではなく、Ｒ、Ｂ光路にも同様に適用可能である。
【００２３】
まず図２に記載の３次元座標軸、ｘｙｚ、を次のように定義する。偏光分離素子９ａにおける画像表示素子１１ｇへの入出射面Ｓの法線方向をｚとし、偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１の法線nとｚの両方に垂直な方向をｙとし、さらにｙとｚの両方に垂直な方向をｘとする。位相差板１２ｇの光学軸は、偏光分離面の法線ｎとｚ方向の両方と平行な面内（ｘｚ面内）にあり、かつ偏光分離素子９ａの入出射面Ｓ（ｘｙ面）に対して傾けて配置する。別の言い方で表現すれば、位相差板１２ｇの光学軸は、ｘ軸と平行な状態からｙ軸回りに傾けて配置する。
【００２４】
次に本発明の位相補償の手法と効果について説明する。
図３（ａ）は図２の実施例１に示す素子構成において、入射光が偏光分離素子９ａ、位相差板１２ｇ、画像表示素子１１ｇを往復し再び偏光分離素子９ａで偏光分離されるまでを模式的に示した図である。画像表示素子１１ｇにより反射した後の部分は鏡面対称に反転させ、各素子を透過する形で描いている。その際に各素子を透過した入射角に対する偏光状態の違いを示したのが図３(ｂ）（ｃ）である。図３(ｂ）（ｃ）の（１）〜（５）に示された灰色楕円内の黒線は、それぞれある入射角度、入射方位における偏光状態を楕円表示で示したものである。ここで、入射角度とはｚ軸とのなす角、入射方位とは入射方向のｘｙ面への投影像のｘ軸とのなす角と定義する。図３中で、灰色楕円の中心は、ｚ軸に平行に入射する光線を表し、灰色楕円の中心からの距離が入射角度を表し、灰色楕円の中心を中心とする角度が入射方位を表す。灰色楕円の外側へ行くほど高入射角で入射する光線の偏光状態を示す。図(３)(ｂ)の(１)〜(４)は画像表示素子１１ｇで正反射する光の偏光状態を示し、図(３)（ｃ）の(１)〜(４)は画像表示素子１１ｇに対して垂直入射した光線が、画像表示素子反射時に回折する場合の光の偏光状態を示している。画像表示素子１１ｇでの回折により、図３（ｃ）では画像表示素子１１ｇへの入射時（垂直入射）と反射時（斜め方向に反射）で光の進む方向が異なる場合の偏光状態の変化を表している。また図３(ｂ）（ｃ）の(１)〜(４)はそれぞれ、(１)は入射光が偏光分離素子９ａに入射直後の光線の偏光状態の角度分布を示し、(２)はその後位相差板１２ｇを透過した後の偏光状態を示している。(３)はさらに画像表示素子１１ｇで反射され、再び位相差板１２ｇを透過した後の偏光状態を示し、(４)には再び偏光分離素子９ａで検光される際の理想的な偏光状態を白線で示している。図３（ｂ）（ｃ）の(５)は、(３)と(４)を重ねて表示した図であり、最終的に(５)での黒線と白線とのズレが大きい程、最終的な光線の偏光状態と偏光分離素子９ａにより検光される方向とのズレが大きくなり、漏れ光量が大きいことを意味する。
【００２５】
まず偏光分離素子９ａの入射角依存性について説明する。図(３)（ａ）に示す偏光分離素子９ａにより分離された偏光光は、入射角によって非対称な特性を有する。例えば偏光分離素子９ａが、Ｐ偏光光を透過しＳ偏光光を反射するマクニール型の偏光分離素子である場合には、Ｐ偏光、Ｓ偏光の方向は偏光分離面９ａ１に入射する角度、方位により決定される。入射角度・方位による偏光状態の違いは図３（ｂ）(１)のように表すことができ、このとき偏光状態の分布はｘ軸に対しては対称であるが、ｙ軸に対しては非対称な分布となる。このような対称性は偏光分離面９ａ１に入射する光線の角度分布の対称性から決定される。
【００２６】
次に上記のような偏光の分布に対する位相差板１２ｇの効果について説明する。本発明の位相差板１２ｇの光学軸は、図２のようにｘ軸に平行な状態から図中ｙ軸回りに傾けて配置されている。光学軸をｙ軸回りに傾けることにより、各入射角度・方位から入射する偏光光はｘ軸に対しては対称に、かつｙ軸に対して非対称な位相差を受ける。具体的には、まず偏光光の入射する入射角度・方位によって、その偏光光に対する位相差板１２ｇの遅相軸（進相軸）の方向が非対称に傾斜する。図４（ａ）及び(ｂ)は、光学軸の傾いた位相差板１２ｇに入射する偏光光の受ける位相差を説明する図である。図４（ａ）の位相差板１２ｇ中に描かれているのは、位相差板１２ｇの屈折率異方性を楕円体で示したもので、屈折率楕円体と呼ばれるものである。本発明の位相差板１２ｇでは光学軸と平行である屈折率楕円体の長軸がｘｚ面内にあり、かつｘｙ面（ｘ軸）に対して傾いている。位相差板１２ｇに入射する偏光光が受ける位相差は、この楕円体断面の軸方向（進相軸、遅相軸）とその長軸長、短軸長の差（屈折率異方性）から決定される。楕円断面は位相差板１２ｇに入射する偏光光の進行方向と垂直な面での断面である。図４(ｂ)は、各入射角度・方位から位相差板１２ｇに入射した場合の楕円断面を模式的に描いたものである。楕円断面の軸方向はｘ軸に対して対称に、かつｙ軸に対し非対称に傾く。各入射角度・方位から入射し、位相差板１２ｇを透過する偏光光は、この非対称性に応じた位相差を受ける。そして手前の偏光分離素子９ａで生じるｙ軸に非対称な位相差と、位相差板１２ｇで生じるｙ軸に非対称な位相差とが互いに相補的であれば、その非対称性が補償（キャンセル）される。例えば、略１／２波長の位相差を有し、光学軸が図４（ａ）のように傾斜した位相差板１２ｇに対し、図３（ｂ）(１)のような分布を有する直線偏光光が入射した場合、図３（ｂ）(１)の偏光は、図４(ｂ)の楕円長軸を軸として偏光方向を反転するような位相差を受ける。図４(ｂ)の楕円の軸の傾斜角度を適切に選べば、位相差板１２ｇを透過する偏光の振動方向はｘ軸と平行となる（図３（ｂ）(２)のような偏光状態なる）。つまり偏光分離素子９ａの入射角度依存性が片道光路で補償される。画像表示素子１１ｇにより反射され入射角度分布が反転しても位相差板１２ｇと偏光分離素子９ａの対称関係は維持されるので、最終的に図３（ｂ）(４)のように偏光分離素子９ａの偏光方向とのズレが補償され、正反射光の漏れ光は減少する。
【００２７】
本発明の効果により、偏光分離素子の角度分布に起因する偏光状態のずれを、光路の往復ではなく片側の光路のみで補償することができる。そのため、往路と復路で入射角度が変化するような回折光に対しても、正反射光と同等の補償効果を得る事が出来る。図３（ｃ）(１)〜(５)は回折光の振舞いを示す模式図であるが、例えば画像表示素子１１ｇに垂直入射する偏光光(図３（ｃ）(１))は、往路では図３（ｃ）(２)のように位相差板１２ｇの影響を受けず、復路でのみ回折角度に応じて位相差板１２ｇの位相差を受ける。画像表示素子１１ｇにより回折した偏光は、位相差板１２ｇを透過した後は図３（ｃ）(３)のようになり、偏光分離素子９ａで偏光分離されるのに適切な偏光状態に補償される。結果として図３（ｃ）(５)のように出射時偏光状態と偏光分離素子により分離される偏光方向が一致し、回折光の漏れ光も低減する。このように、偏光分離素子による漏れ光を片道光路で補償することが出来れば正反射光だけでなく回折光も位相補償されるので、漏れ光をより低く抑え、高いコントラストを得る事が出来る。また、画像表示素子の製造ばらつき等により回折光の強度が変動し装置全体のコントラストが影響を受けるが、回折光の漏れ光を低く抑えることによりコントラストの変動を抑制し、製造バラつきの許容量を緩和することができるので装置全体の低コスト化に貢献できる。
【００２８】
ここで従来の補償方法として、位相差板１２ｇ'(比較例の位相差板は１２ｇ'と表記する)が１／４波長板で、かつ光学軸がｙ軸と略平行に配置されている場合の模式図、正反射光および回折光の偏光状態の角度分布図を図５に示す。図５の説明は図３と同等であるため省略する。図５(ｂ）において、まず正反射光の偏光状態の変化を考えると、図５(ｂ)(１)の状態から１／４波長板１２ｇ'を１回通過することにより、図５(ｂ)(２)の偏光状態は入射角度に応じて異なる楕円偏光となっている。さらに画像表示素子１１ｇで反射された後にもう一度１／４位相差板１２ｇ'を透過することにより、往復で約１／２波長分の位相差が付与され、偏光状態は図５(ｂ)(３)のようにｘ軸（またはｙ軸）に対して反転する。その結果、出射偏光状態と偏光分離素子９ａの偏光方向が揃い、正反射光成分においては漏れ光が低減する。ただ対角方向、特に高入射角での入射光に対してはズレが生じている。これは１／４波長板の往復によって偏光軸をｘ軸またはｙ軸に対して反転するだけではｙ軸に対して非対称に生じるズレを完全には補償できないためである。
【００２９】
次に、回折光に対する偏光状態の変化を考える。図５（ｃ）(１)〜(５)に示したように、入射光は往路では画像表示素子に垂直に入射し（そのため１／４波長板１２ｇ'から位相差は受けない）、復路でのみ回折角度に応じて１／４波長板１２ｇ'の位相差を受ける。ここで図６（ａ）(ｂ)に、光学軸がｘ軸（またはｙ軸）に平行に配置された１／４波長板１２ｇ'により受ける位相差を説明する図を示す。図６の詳細な説明は図４の説明と同一であるため省略する。図６（ａ）に示すように比較例の位相差板１２ｇ'は屈折率楕円体の長軸がｘ軸と平行に配置されている。光学軸がｘ軸（またはｙ軸）に略平行に配置されている場合、各入射角度・方位から入射する偏光が１／４波長板１２ｇ'から受ける位相差の分布はｘ軸またはｙ軸に対して対称になる。図(６）(ｂ)には各入射角度・方位から入射する偏光光に対する屈折率楕円体の断面の分布を示しているが、ｘ軸およびｙ軸に対して対称になっている。位相差はおよそ１／４波長であるので位相差板１２ｇ'に斜入射する直線偏光は楕円偏光となり、その透過偏光状態は図５（ｃ）(３)のようになる。このように従来の補償方法では、回折光は１／４波長板１２ｇ'を１回透過することにより楕円偏光となって偏光分離素子へ再入射する。最終的な偏光状態である図５（ｃ）(３)と、偏光分離素子により検光される理想的な偏光状態である図５（ｃ）(４)は、それらを重ね合わせた図５（ｃ）(５)から明らかなように一致せず、この結果、回折光の多くは漏れ光となる。
【００３０】
図７に、実施例１のＧ光路における位相差板１２ｇの光学軸の傾斜角度と位相差のコントラストの相関を回折光を含めて計算した結果を示す。横軸は位相差板の光学軸のｚ軸に対する傾斜角度θAz、縦軸は位相差板の位相差Δna・ｄを示している。色の濃い部分がコントラストの高い部分を表している。１／４波長板（波長λ=550nmに対して位相差137.5nm）を用いた場合では、図７中左下（90deg,137.5nm）においてコントラストが750:1であるのに対し、位相差板のパラメータを（67deg,275nm）とすることにより1600:1のコントラストを得る事が出来る。
【００３１】
本発明の投射型画像表示装置においては、位相差がλ／４以下の場合には位相補償効果が得られないため、λ／４よりも大きい位相差を有する位相差板を用いる事が好ましい。さらには、ｚ軸に平行な光線が、位相差板１２ｇに入射し透過する間に生じる位相差Ｒは、設計波長λに対し、0.3λ以上かつ0.7λ以下であることが好ましく、0.4λ以上0.6λ以下であることがより好ましい。ここで、位相差Ｒは、ｚ軸と平行に入射する光線が位相差板の異方性媒質を通過する長さをｄ、ｚ軸に平行に入射する２つの直交する偏光光に対して生じる屈折率差をΔna、とすると、
R=Δna・d
である。したがって、
0.3λ≦Δna・d≦0.7λ      ・・・(1)
を満足することが好ましく、さらには、
0.4λ≦Δna・d≦0.6λ      ・・・(1)'
を満足することがより好ましい。
【００３２】
同時に、位相差板の光学軸がｚ軸と成す角度θAz（度）（鋭角側の角度）は、
60≦θAz ≦85    ・・・(2)
を満足することが好ましく、さらに、
62≦θAz ≦70    ・・・(2)' 
を満足することがより好ましい。
【００３３】
θAzが85度より大きいと、光学軸はほぼｘｙ面と平行となり、ｚ軸方向からｘ軸方向への入射方向の傾きに対する位相差付与の非対称性が充分に生じないため、本発明の効果が得られにくい。また、θAzが60度より小さくなると、位相差板により生じる非対称性が増大して過補償となり、本発明の効果は得られにくい。
【００３４】
式(１)と(２)の両方が同時に満たされない場合には、本発明の高い位相補償効果が得られない。また上式の位相差に設計波長λの半整数倍の位相差を加算したような高次の位相差を有する位相差板であっても、本発明の効果を得る事が出来ることは言うまでもない。しかし、素子を配置する際の敏感度や波長依存性の増大等を考慮すると、低次の位相差板であることが好ましく、特に０次の位相差板であることがより好ましい。
【００３５】
表１に本発明の実施例１の各光路における位相差板の特性を示す。本発明の位相差板の位相差（Δna・d）は、各光路とも設計波長λに対して0.5λとなっており、式(１)の条件式を満たしている。θAxは位相差板の光学軸のｘｙ面への射影像とｘ軸との成す角度（光学軸の方位）を表す。実施例１の位相差板は、θAz＝67〜68度であり、式(２)を満たしている。またθAx＝0度であり、位相差板の光学軸のｘｙ面への射影像はｘ軸と平行に配置されている。
【００３６】
このような特性を有する位相差板は、例えばサファイアなどの異方性結晶を斜めに切り出すことで制作可能である。もしくは延伸フィルムや液晶配向を利用したフィルム、斜方蒸着による構造異方性を有する膜を用いても良く、もしくは波長以下の微細な周期構造の構造異方性を利用した位相差板を用いても良い。高輝度の投射型画像表示装置の場合には、結晶切り出しタイプや微細周期構造の構造異方性を用いた位相差板であれば無機材料のみで構成できるのでより好ましい。無機材料の位相差板であれば耐熱性、耐ＵＶ性に優れ信頼性の高い位相差板となる。また偏光分離素子９ａとしてはこのようなプリズムの界面に偏光分離面９ａ１として無機誘電体薄膜を積層してなるマクニール型の偏光分離素子であることが好ましい。
【実施例２】
【００３７】
次に、本発明の実施例２の投射型画像表示装置について説明する。図８は本発明の実施例２の投射型画像表示装置２００の概略構成図である。実施例２の投射型画像表示装置は、実施例１の構成に加えて、位相差板１２ｂ、１２ｒ、１２ｇと画像表示素子１１ｂ、１１ｒ、１１ｇとの間に、第２の位相差板１３ｂ、１３ｒ、１３ｇを配置することを特徴とする。以下、位相差板１２ｂ、１２ｒ、１２ｇを第１の位相差板、位相差板１３ｂ、１３ｒ、１３ｇを第２の位相差板と称する。なお、上記以外の項目に関しては実施例１の投射型画像表示装置１００と同一であるため説明は省略する。
【００３８】
以下、第１の位相差板１２ｂ、１２ｒ、１２ｇと第２の位相差板１３ｂ、１３ｒ、１３ｇの効果について説明する。
【００３９】
図９は図８中のＧ光路の素子配置を拡大して示したものである。図９において、第２の位相差板１３ｇ以外は図２と同一のため説明は省略する。第１の位相差板１２ｇと画像表示装置１１ｇとの間に、第２の位相差板１３ｇが画像表示素子の入出射面Ｓ（ｘｙ面）に対し平行に配置されている。第２の位相差板１３ｇは位相差板の光学面内には屈折率異方性を持たず、光学面の法線方向に光学軸を有する位相差板、すなわち、ｚ方向とｘｙ面内の方向において異なる屈折率を有する位相差板である。
【００４０】
図１０（ａ）(ｂ)（ｃ）は図９の実施例２の素子構成において、入射光が偏光分離素子９ａ、第１の位相差板１２ｇ、第２の位相差板１３ｇ、画像表示素子１１ｇを往復し、再び偏光分離素子９ａで偏光分離されるまでの、入射方位と位相との関係を模式的に示した図である。図１０（ａ）(ｂ)（ｃ）の概略説明は、図３（ａ）(ｂ）（ｃ）と同様である。図３（ａ）（ｂ）（ｃ）の場合に対し、第２の位相差板１３ｇを透過した後の偏光状態(３)、(４)が追加され、(５)が第１の位相差板１２ｇを往復した後の偏光状態を示し、(６)が偏光分離素子９ａで偏光分離される際の偏光状態を示し、(７)は(５)と(６)の図を重ね合わせた図を示している点が異なる。
【００４１】
第２の位相差板１３ｇにより、特に高入射角度の領域における補償不足または過補償が補償される。第１の位相差板１２ｇにより生じる位相差の度合いは入射角度により変化するため、一般に第１の位相差板１２ｇのみで全ての入射角度範囲全体に対して良好な位相補償を行うことは簡単ではない。そこで垂直に入射する偏光に対しては位相差を加えず、入射角度の増大に応じて位相差を付与する第二の位相差板１３ｇを配置する。第１の位相差板１２ｇと第２の位相差板１３ｇを組み合わせることにより、第１の位相差板１２ｇのみでは偏光分離素子９ａへの入射角度によって不足または過剰だった位相のズレを補償し、より高い位相補償効果を得る事が出来る。
【００４２】
画像表示素子１１ｇで反射される際に生じる回折光に対しても、第１と第２の位相差板の組合せによる高い位相補償効果が得られることは言うまでもない。また背面に配置される画像表示素子１１ｇが液晶からなる表示素子である場合、液晶分子自体が屈折率異方性を持ち、入射角度に応じて異なる位相差が生じる。
【００４３】
一般的には高入射角になるほど生じる位相差は増大し、光漏れに強く影響を及ぼす。第２の位相差板１３ｇは入射角度に応じて位相差を付与する素子であるので、このような画像表示素子１１ｇの位相差の入射角度に対する位相差変動の補償にも効果がある。つまり第２の位相差板１３ｇの位相差量を適切に選択する事により、偏光分離素子９ａに起因する漏れ光と同時に画像表示素子１１ｇにより生じる位相差を補償し、更に高いコントラストを得る事ができる。
【００４４】
その際、第２の位相差板１３ｇの常光線屈折率n0と異常光線屈折率neの屈折率差ne−n0は、画像表示素子中の液晶分子における屈折率差と符号が正負反対となるように選択する必要がある。また、光源からの光路において、偏光分離素子９ａ、第１の位相差板１２ｇ、第２の位相差板１３ｇ、画像表示素子１１ｇ、の順に配置されていることが好ましい。また画像表示素子１１ｇが黒表示状態で垂直配向（ＶＡ）型の液晶画像表示素子である場合には、特に高い位相補償効果が得られるが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４５】
図１１は、第１及び第２の位相差板の位相差とコントラストとの相関を示している。横軸は第２の位相差板の位相差Δnc・d、縦軸は第１の位相差板の位相差Δna・dである。色の黒い部分ほどコントラストが高い部分である。第１の位相差板の光学軸の傾斜角度θAzは各々の位相差に対し高コントラストを示すように最適に設定されている。第１および第２の位相差板の特性を表２のように適切に選択することにより3000:1以上のコントラストが得られ、品位の高い画像を投射する画像表示装置が得られる。このように、第２の位相差板１３ｂ、１３ｒ、１３ｇの効果により、本発明の位相補償効果はさらに向上し、実施例１の構成に対し、より高コントラストの投射型画像表示装置が得られる。
【００４６】
表２は、実施例２におけるＧ、Ｂ、Ｒ光路それそれの第１及び第２の位相差板の特性を示す。第２の位相差板の位相差は、第２の位相差板の常光線屈折率n0と異常光線屈折率neの屈折率差ne−n0であるΔncと、ｚ軸に平行に入射する偏光光が第２の位相差板を通過する長さｄ  に基づき、Δnc・ｄ  として算出される。θCzは第２の位相差板の光学軸と図９のｚ軸とが成す角度であり、θCxは第２の位相差板の光学軸のｘｙ面への射影像とｘ軸との成す角度（光学軸の方位）を表している。実施例２の第１の位相差板の位相差は、各光路とも各設計波長λに対して0.5λであり、式（１）を満たしている。またθAｚは67または68度であり、式(２)を満たしている。またθCzは０度であり第２の位相差板の光学軸はｚ軸と平行に配置されている。
【００４７】
このような特性を有する第１およびに第２の位相差板は、例えばサファイアや水晶などの異方性結晶を、結晶軸に対して斜めに切り出すことで作製可能である。もしくは液晶配向を利用した位相差フィルムを用いてもよく、もしくは波長以下の微細な周期構造の構造異方性を利用した位相差板を用いても良い。また特に第２の位相差板においては屈折率の異なる２種類以上の無機等方性薄膜を積層した構造であっても良い。この場合充分な補償効果を得るためには最低でも１０層以上の積層薄膜とすることが好ましい。このような構成とすると第１および第２の位相差板を一体とすることができ、省スペースな光学系を実現することができる。
【実施例３】
【００４８】
次に、本発明の実施例３の投射型画像表示装置について説明する。実施例３における投射型画像表示装置の構成概略図は素子構成が実施例２と同一であるため省略する。実施例３におけるＧ光路の素子配置を拡大して図１２に示す。実施例２においては、第２の位相差板１３ｇの光学軸は、ｚ軸と平行となるように配置されていたのに対し、実施例３の投射型画像表示装置においては第２の位相差板１３ｇの光学軸は、ｚ軸に対して傾けて配置される。
【００４９】
画像表示装置１１ｇを液晶からなる表示素子で構成する場合には、黒表示状態においても液晶分子が図１２のｚ軸方向に対してある角度（プレチルト角）だけ傾いている。この液晶分子の配向によって画像光に所望しない位相ズレが生じ、黒表示状態であるにもかかわらず偏光分離素子による検光の際に、光漏れが生じてコントラストを低下させる。このような位相ズレに対し、第２の位相差板１３ｇの光学軸をｚ軸に対してプレチルトと同一の傾斜角度・傾斜方位に傾けて配置する。このように配置することにより、液晶のプレチルトによる位相ズレを補償すると同時に、手前に配置されている第１の位相差板１２ｇによる偏光分離素子の位相補償へ与える悪影響を低く抑制することが可能となる。つまり、偏光分離素子９ａによる位相ズレを第１の位相差板１２ｇにより補償し、液晶のプレチルトに起因する漏れ光は第２の位相差板１３ｇにより補償する。各部材で生じる位相ズレの特徴に応じて位相を補償することで、装置全体として高い位相補償効果を得る事が出来る。
【００５０】
本実施例においては、位相差板の光学面の法線方向に光学軸を有する第２の位相差板１３ｇ自体をｘｙ面に対して傾けて配置し、光学軸をｚ軸に対して傾斜させている。さらに、第２の位相差板自体を傾けて位置することに起因する非点収差を抑制するため、第２の位相差板をクサビ型の屈折率等方性基板で挟み込んだ形で配置している。しかし、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば位相差板の光学面の面法線に対して所望の角度に傾いた光学軸を持つ位相差板をｘｙ面に平行に配置しても良い。
【００５１】
本実施例において、第２の位相差板１３ｇの光学軸とｚ方向とのなす角度θCz（度）は、式(３)に示したように0度以上かつ15度以下の範囲で行うことが好ましい。
0≦θCz≦15    （ただしθCｚは鋭角側の角度）  ・・・(3)
【００５２】
傾斜角度θＣｚは第２の位相差板の位相差とプレチルト角の大きさにより決定されるが、θＣｚを15度以上傾けるとプレチルト以外の漏れ光が増大する。プレチルトによって生じる位相ずれの角度分布は、偏光分離素子９ａへの斜入射により生じる位相ずれの角度分布とは対称性が異なる。そのためθＣｚを大きくすると、それにより生じる非対称性が偏光分離素子の補償効果に影響を及ぼす。θＣｚを式(３)の範囲に限定することで、偏光分離素子、並びに画像表示素子で生じる光漏れを良好に補償して、装置全体として高い位相補償効果を得る事ができる。またθＣｚを傾斜させる方位については、液晶のプレチルトの傾斜角度・傾斜方位に合わせて傾斜させれば良い。
【００５３】
図１３は、第２の位相差板のｚ軸に対する傾き角θＣｚに対するコントラストの計算結果を示した図である。横軸は第２の位相差板のｚ軸に対する傾き角θＣｚ、縦軸はコントラストである。図１３中の７本の線は、第２の位相差板を挟む両面のクサビ型基板の屈折率を1.8または1.0、及び、第１の位相差板の位相差を0.4λから0.6λの範囲で変化させた７通りの条件に対応する。他のパラメータはそれぞれ最適値にセットされている。素子の配置および構成の影響を受けてそれぞれの条件内で最適な傾斜角度θＣｚは変化するものの、各条件内でコントラストを最大にする第２の位相差板の傾斜角度θＣｚは15度以内であることがわかる。θＣｚを15度以上にすると、偏光分離素子側の位相補償に及ぼす影響が増大してコントラストが低下する。
【００５４】
表３に本発明の実施例３における各Ｇ、Ｂ、Ｒ光路の第１及び第２の位相差板の特性を示す。実施例３の第１の位相差板の位相差は、各設計波長λに対してＧ光路においては0.51λ、Ｂ光路においては0.56λ、Ｒ光路においては0.53λとなっており、全て式（１）を満たしている。またθAxは67または68度であり、式(２)を満たしている。さらに第２の位相差板の傾斜角度θＣｚは4.4〜4.6度の範囲にあり、式(３)を満たしている。また第２の位相差板１３ｇの光学軸方位θＣｘが45度に傾いているのは液晶分子のプレチルトが方位45度に傾いているとして設計したためであり、液晶からなる画像表示素子の構成によってプレチルトの傾いている方位にθＣｘを合わせれば良い。実施例３の構成とすることによりコントラスト3000:1が得られ、偏光分離素子の漏れ光と同時に液晶のプレチルト角による漏れ光も補償して、高コントラストの投射型画像表示装置を得る事が出来る。
【実施例４】
【００５５】
次に、実施例４の投射型画像表示装置について説明する。実施例４の投射型画像表示装置における構成概略図は実施例２と同一であるため省略する。図１４に、実施例４の投射型画像表示装置におけるＧ光路の素子配置を拡大して示す。
【００５６】
実施例３においては、画像表示素子１１ｇが液晶からなり、液晶分子がプレチルト角を有する場合に、第２の位相補償板１３ｇをプレチルトと同一方向（角度・方位）に傾けることによりプレチルトに起因する位相ズレを補償していた。しかし、実施例３の構成においては、第２の位相差板１３ｇの光学軸は光学面の法線方向に対し0〜15度の範囲で設定されているため、第２の位相差板１３ｇをプレチルトと同一方向に傾斜するのに充分なスペースが取れない場合は、充分な補償効果を得ることができない。
【００５７】
実施例４の構成では、第１の位相差板１２ｇを偏光分離素子の入出射面Ｓ（ｘｙ面）に対して傾斜させて配置する。さらに、第１の位相差板１２ｇを傾けて設置することに起因する非点収差を抑制するために、第１の位相差板１２ｇの入出射面を第１及び第２のクサビ型の屈折率等方性基板で挟み込んでいる。第１の位相差板の偏光分離素子側にある第１のクサビ型基板の偏光分離素子側の光学面はｘｙ面に平行であり、第１の位相差板の画像表示素子側にある第２のクサビ型基板の画像表示素子側の光学面もｘｙ面に平行である。この構成により、第１の位相差板１２ｇを、ｚ軸を回転中心として回転させることにより、すなわち、光学軸が、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸に対して傾いた状態にすることにより、液晶のプレチルトによって生じる位相ズレを補償する。
【００５８】
液晶のプレチルト角が多少のバラつきを持つ場合には、最適な位相ズレの補償をするために、製造後にプレチルトに起因する位相ズレを補償する位相差板の光学軸の方向を微調整する必要がある。この場合、実施例３の構成においては、第２の位相差板のｘｙ面に対する傾斜角を微調整する必要があるが、その微調整は困難であると共に、微調整によって傾斜角を変更した場合には、クサビ型基板の光学面のｘｙ面に対する平行を維持できず、現実的ではない。それに対して、本実施例においては、第１の位相差板１２ｇの回転角度を微調整することによってその調整が可能であり、より簡易な構成で良好な位相補償効果を得ることが出来る。ｚ軸回りの回転により第１の位相差板１２ｇの光学軸は、図１４中のｘｚ面から外れることになり、第１の位相差板１２ｇによる偏光分離素子９ａに対する補償効果は若干低減する。しかし、光学軸のｘｚ面からのずれが小さな角度であれば、プレチルトに起因する位相ズレの補償と偏光分離素子の位相補償効果を両立させて、本発明による位相補償の効果を充分得る事ができる。
【００５９】
実際には第１の位相差板１２ｇの光学軸のｘｙ面への射影像とｘ軸がなす角度をθAx（ただし鋭角側の角度）としたとき、θAxは、
0.5≦|θAx|≦10 [deg]    ・・・(4)
を満たすことが望ましい。さらに好ましくは、
1≦|θAx|≦5 [deg]    ・・・(5)
を満たすことがより望ましい。最適な回転角度は位相差板１２ｇの位相差ならびにプレチルト角の傾斜角度・方位に依存する。しかしθAxが0.5度未満ではプレチルトに起因する位相ズレの補償効果が得られず、θAxが10度より大きい場合には偏光分離素子に対する補償効果が低減し、装置全体としての十分な位相補償効果を得ることができない。
【００６０】
表４に本発明の実施例４におけるＧ、Ｂ、Ｒ各光路の第１及び第２の位相差板の特性を示す。実施例４の第１の位相差板の位相差は、各設計波長λに対して0.39λであり、式(１)を満たしている。また｜θAｚ｜は79または80度であり、式(２)を満たしている。同時に｜θAｘ｜は1.1〜1.6度の範囲であり、式(５)を満たしている。またθCzは0度であり、第２の位相差板の光学軸はｚ軸に平行に配置される。実施例４の構成により、コントラスト2300:1が得られ、高コントラストの投射型画像表示装置が得られる。
【００６１】
実施例４の構成により、位相差板の光学軸は第１の位相差板１２ｇの光学面内に配置されていれば良く、一般的に使用される位相差板を第１の位相差板として適用可能なため、より簡易な構成で本発明の効果が得られる。ただし、実施例１または２のような光学面内に光学軸を有さない位相差板の光学軸を面Ｓに対し傾けた位相差板を、プレチルトに起因する位相ズレの補償のためにｚ軸周りに回転する場合であっても、上記説明と同様の効果が得られることは言うまでも無い。また図１４中の第１の位相差板１２ｇの両側のクサビ型の基板は偏光分離素子と一体化、または第２の位相差板１３と一体化していても良く、その場合部品点数を減らし簡易な構成とすることができる。
【実施例５】
【００６２】
実施例５の投射型画像表示装置について説明する。なお、装置全体の構成概略図は、既出の図１に示した投射型画像表示装置１００、図８に示した投射型画像表示装置２００とほとんど同一のため省略する。これまでの実施例との特徴的な違いを説明するために、光路を代表して図１５のＧ光路の素子配置図を用いて説明する。
【００６３】
図１５は実施例５の投射型画像表示装置におけるＧ光路の素子配置を拡大して示したものである。図１５中、第３の位相差板１４ｇ以外は図９と同一のため説明は省略する。実施例５の投射型画像表示装置は、第３の位相差板１４ｇを光路中に配置することを特徴とする。以下では位相差板１２ｇを第１の位相差板、位相差板１３ｇを第２の位相差板、位相差板１４ｇを第３の位相差板と称する。
【００６４】
実施例５の投射型画像表示装置においては、第１の位相差板１２ｇと画像表示装置１１ｇとの間に、第３の位相差板１４ｇが面Ｓ（ｘｙ面）に対し平行に配置されている。第３の位相差板１４ｇは、その光学面内に異方性を有し、図１５中のｚ軸と平行に入射する偏光光に対して位相差を生じさせる。図１５に例示した実施例においては、第３の位相差板１４ｇを、第１の位相差板１２ｇと第２の位相差板１３ｇとの間に配置したが、第２の位相差板１３ｇと画像表示素子１１ｇとの間に配置しても良い。実施例４では、第１の位相差板１２ｇを用いて、液晶画像表示素子１１ｇの液晶のプレチルトに起因する位相ズレを補償していた。実施例５では、第３の位相差板１４ｇによりプレチルトに起因する位相ズレを補償する。
【００６５】
実施例４では、第１の位相差板１２ｇをｚ軸周りに所定の角度だけ回転させたため、第１の位相差板１２ｇの光学軸はｘｚ面に対して非平行となっていた。偏光分離素子９ａにより生じる偏光状態の乱れは、ｙ軸に対しては非対称であるがｘ軸に対しては対称に生じる。したがって、第１の位相差板の光学軸をｘ軸に対して非対称に配置することで、プレチルトに起因する位相ズレは補償されるが、偏光分離素子で生じる漏れ光は増加してしまう。第１の位相差板の回転角度θaが小さい場合には漏れ光は微小に抑えることができるが、プレチルト角が大きい場合には回転角度を大きくする必要があり、装置全体としてのコントラストが低下してしまう。
【００６６】
実施例５においては、第３の位相差板１４ｇを、その光学軸のｘｙ面内への射影像がｙ軸に平行または垂直な方向からz軸周りに所定の角度だけ傾けて配置する。このとき第１の位相差板１２ｇは、その光学軸がｘｚ面内にあり、ｘｙ面に対して傾くように配置される。そのため、第１の位相差板１２ｇは偏光分離素子９ａによる位相ズレを補償し、第３の位相差板１４ｇが液晶のプレチルトに起因する位相ズレを補償する。このように、実施例５の構成においては、夫々の位相差板が夫々の漏れ光を良好に補償することができるため、高いコントラストを得ることが出来る。
【００６７】
図１６は、プレチルト角に対するコントラストを、プレチルトに起因する位相ズレを、第１の位相差板１２ｇにより補償した実施例４の場合（実線）と、第３の位相差板１４ｇにより補償した実施例５の場合（破線）について示した図である。本実施例５の場合は、補償効果自体が大きい（コントラストが大きい）ことに加えて、特にプレチルト角が大きい領域においてもコントラストの低下が少なく、高い補償効果を示していることがわかる。これは、実施例４の場合は、第１の位相差板１２ｇをｚ軸回りに回転させてプレチルトに起因する位相ズレを補償すると、偏光分離素子９ａに対する補償効果が低減するのに対し、本実施例の場合は、第３の位相差板１４ｇを回転し、第１の位相差板１２ｇは実施例１と同一方向に配置することで、より高い位相補償効果を得ることが出来るためである。このとき第３の位相差板１４ｇの光学軸のｘｙ面への射影像とｘ軸とがなす角度をθExとしたとき、θEx（度）は、
0.5≦|θEx|≦10  または  0.5≦|θEx-90|≦10  ・・・(6)
を満たすことが好ましい。
【００６８】
また、第３の位相差板が、ｚ軸に平行に入射する２つの直交する偏光光に対して与える位相差Ｒ’は、設計波長λに対して、
0.01λ≦R'≦0.2λ      ・・・(7)
を満たすことが好ましい。ここで、位相差Ｒ‘は、ｚ軸に平行に入射する２つの直交する偏光光に対する屈折率差Δneと、ｚ軸に平行に入射する偏光光が第３の位相差板を通過する長さをｄとの積Δne・ｄ  で表せるので、
0.01λ≦Δne・d≦0.2λ      ・・・(7)'
を満たすことが好ましい。
【００６９】
回転角度が式（６）の下限側の条件を満たさないか、または、位相差が式(７)の下限値未満である場合は、位相差が小さいため、実質的にプレチルトに起因する位相ズレを補償することができない。また、回転角度が式(６)の上限側の条件を満たさないか、または、位相差が式(７)の上限値より大きい場合は、第１の位相差板１２ｇによる偏光分離素子の補償効果に悪影響を及ぼす。第３の位相差板の特性が式(６)(７)を同時に満足することで、装置全体としてより高い位相補償効果を得る事が出来る。
【００７０】
表５に本発明の実施例５における各光路の第１、第２、第３の位相差板の特性を示す。θEzは第３の位相差板の光学軸とｚ軸とが成す角度を示し、θExは光学軸の方位を表している。実施例５の第１の位相差板の位相差は各設計波長λに対して0.57λ〜0.65λであり、式(１)を満たしている。またθAxは66〜67度であり、式(２)を満たしている。同様に第３の位相差板の回転角度θExは3.2〜4.7度、位相差は0.060λ〜0.062λであり、式(６)(７)を満たす。実施例５の構成により、コントラストは、2800:1となり、高コントラストの投射型画像表示装置が得られる。
【００７１】
実施例５の説明において第３の位相差板１４ｇは光学軸がｘｙ面内にある位相差板として説明したが、ｚ軸と平行に入射する光線に対して位相差を生じさせる位相差板であればよく、本発明は上記実施例の形態のみに限定されるものではない。例えば図１７のように第３の位相差板１４ｇの光学軸が第１の位相差板１２ｇと同じように傾いていてもこれまでの説明と同様の効果が得られる。また第二の位相差板１３ｇはｚ軸周りの回転に対して特性が不変であるため、第三の位相差板１４ｇと一体化して配置されていても良い。この場合には部品点数を削減できるだけでなく、基板の共通化による製造コスト低減、配置スペースの点で効果がある。
【００７２】
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。例えば実施例１から５では全て偏光分離素子の透過側に光学素子を配置した構成としているが、図１８のように反射側に各素子を配置する場合であっても本発明は何ら制限されない。また色分離を行わず、１枚の画像表示装置と偏光分離素子で偏光分離及び画像を表示するような構成であっても良い。
【産業上の利用可能性】
【００７３】
以上詳述の通り、本発明は投射型画像表示装置に関するものであり、本発明の効果により従来は困難であった画像表示素子で生じる回折光に起因する漏れ光を含めて位相補償を行うことにより、高いコントラストを得る事ができる。また本発明の適用による輝度の低下は最小限に抑えられ、高輝度と高コントラストを両立した高品位な映像を投射する画像表示装置を提供することができる。また回折光強度のコントラストに対する敏感度を緩和できるため、量産性、低コスト化等に貢献できるものである。
【００７４】
【表１】
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【００７５】
【表２】
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【００７６】
【表３】
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【００７７】
【表４】
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【００７８】
【表５−１】
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【００７９】
【表５−２】
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【符号の説明】
【００８０】
１：  光源
２ｇ：  緑色光
３：  偏光変換素子
４ｇ：  偏光変換された緑色光
５：  ダイクロイックミラー
９ａ：  緑色光用偏光分離素子
９ａ１：  緑色光用偏光分離面
１１ｇ：  緑色光用反射型液晶素子
１２ｇ：  緑色光用の第１の位相差板
１３ｇ：  緑色光用の第２の位相差板
１４ｇ：  緑色光用の第３の位相差板
２０  投射レンズ光学系
１００：  実施例１の投射型画像表示装置の構成概略図
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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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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【図１８】
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【図３】
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【図５】
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【図７】
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【図１０】
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【図１１】
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