(57)【要約】【課題】広がりの大きい光束を確実に偏光分離できる小型で製造容易な偏光分離装置と、それを用いた高輝度・高コントラストの小型の表示装置を提供する。【解決手段】第１〜第３のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）で偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）が形成される。３個のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）のうち、第１，第３のプリズム（Ｒ１，Ｒ３）が光学的に有効な面を３面有し、第２のプリズム（Ｒ２）が光学的に有効な面を４面有する。隣り合った第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）が互いに略直交し、略直交する偏光分離面の交点は、偏光分離装置の光学端面（Ｘ１，Ｘ２）から１ｍｍ以内の位置に存在する。【選択図】　　　図２
2004020671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ｎ個（ｎ≧３）のプリズムから成り、それらのプリズムが（ｎ−１）面の偏光分離面を形成するように構成された偏光分離装置であって、前記ｎ個のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有することを特徴とする偏光分離装置。
【請求項２】
第１，第２，第３のプリズムから成り、前記第１，第２のプリズムの間に第１の偏光分離面を有し、前記第１，第３のプリズムの間に第２の偏光分離面を有する偏光分離装置であって、
前記第１のプリズムが他の２個のプリズムよりも大きく、前記第２，第３のプリズムが略同等の大きさを有し、前記第２，第３のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有し、前記第１，第２の偏光分離面が互いに略直交することを特徴とする偏光分離装置。
【請求項３】
請求項２記載の偏光分離装置において、その光入射端面又は光射出端面から１ｍｍ以内の位置に、前記略直交する偏光分離面の交点が存在することを特徴とする偏光分離装置。
【請求項４】
請求項１又は２記載の偏光分離装置を備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【請求項５】
請求項１又は２記載の偏光分離装置を備えたことを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光分離装置に関するものであり、例えば、投射型表示装置（照明した液晶パネルの２次元映像をスクリーンに投影表示する液晶プロジェクター等）やヘッドマウントディスプレイ等の表示装置に用いられる偏光分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ライトバルブ（例えば液晶パネル）に対する照明やライトバルブで画像変調された光の投射に、複数の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）を用いた投射型表示装置が従来より知られている（特開平１２−３３０１９６号公報，特開平１２−３２１６６２号公報等）。しかし、このような投射型表示装置には、高い輝度や高いコントラストが得られないという問題がある。そこで、本出願人は投射型表示装置の高輝度化・高コントラスト化を達成するために、３種類の偏光ビームスプリッターを効果的に用いた偏光分離技術を特願２００１−３１４３７１号で提案した。その偏光分離技術が適用された投射型表示装置の先行例を図１３に示す。
【０００３】
図１３（Ａ）は、投射型表示装置の第１先行例を示す光学構成図である。この投射型表示装置は、光源（１），第１レンズアレイ（２ａ），第２レンズアレイ（２ｂ），重ね合わせレンズ（３），第１ダイクロイックミラー（４ａ），第２ダイクロイックミラー（４ｂ），反射ミラー（５ａ，５ｂ），フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ），プレ偏光ビームスプリッター（プレＰＢＳ；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ），メイン偏光ビームスプリッター（メインＰＢＳ；８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ），反射型のライトバルブ（例えば反射型液晶パネル；９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ），ポスト偏光ビームスプリッター（ポストＰＢＳ；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ），クロスダイクロイックプリズム（１１），投射レンズ（１２）等で構成されている。
【０００４】
光源（１）から発せられた光は、第１レンズアレイ（２ａ）と第２レンズアレイ（２ｂ）によって空間的なエネルギー分布が均一化される。第２レンズアレイ（２ｂ）の各セルを射出した光は、重ね合わせレンズ（３）によって各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）上に重ね合わせられる。その一方で、重ね合わせレンズ（３）から射出した光は、第１，第２ダイクロイックミラー（４ａ，４ｂ）により、３原色に対応した赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各原色光に色分解される。Ｂの原色光は、第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ａ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｂ）を通過する。一方、Ｇ，Ｒの原色光は第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ｂ）で反射された後、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）でＧとＲとに色分解される。Ｇの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｇ）を通過する。Ｒの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）を透過した後、フィールドレンズ（６Ｒ）を通過する。
【０００５】
各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）は、照明光をテレセントリックな光束にするとともに、そのパワーによって投影光を投射レンズ（１２）の瞳に入射させる機能を持つ。各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）を通過したＲＧＢの各原色光は、各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）に入射する。各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射させる。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｐ偏光）を透過させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｓ偏光）のみを反射させて各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に入射させる。
【０００６】
各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）は、偏光方向が揃った各原色光（Ｓ偏光）を２次元映像の各画素の表示（つまり画素毎のＯＮ／ＯＦＦ）に応じた選択的な偏光制御により変調し、２種類の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）から成る反射光を射出する。各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）から射出した各原色光は、再び各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射する。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）に入射させる。ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）は、メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）と同様、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させる。ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）を透過した各原色光は、クロスダイクロイックプリズム（１１）に入射して色合成される。クロスダイクロイックプリズム（１１）で色合成された投影光は、投射レンズ（１２）でスクリーン（不図示）に投射される。
【０００７】
上記のように各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）を照明する原色光（ＲＧＢ）の偏光分離及び各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）で変調された原色光（ＲＧＢ）の偏光分離を行うＰＢＳ系の機能を、図１４に基づいて更に詳しく説明する。図１４中の各要素はＲＧＢの各原色光に対応するものを代表しており、６はフィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）、７はプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）、８はメインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）、９はライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）、１０はポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）にそれぞれ対応している。また、７Ｌ，８Ｌ，１０Ｌは、プレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８），ポストＰＢＳ（１０）の各偏光分離面を示しており、２重丸は紙面に対して垂直に振動する偏光、両端矢印は紙面に対して平行に振動する偏光を示している。
【０００８】
図１４（Ａ）は正面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており、紙面に平行な面がメインＰＢＳ（８）及びポストＰＢＳ（１０）の入射面（ｐｌａｎｅ　ｏｆ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）である。また、図１４（Ｂ）は側面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており｛ただしライトバルブ（９）は図示省略する。｝、紙面に平行な面がプレＰＢＳ（７）の入射面である。なお、偏光状態を分かりやすくするために、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）との間隔はあけた状態で示している。
【０００９】
フィールドレンズ（６）を通った光は、プレＰＢＳ（７）とメインＰＢＳ（８）において、ライトバルブ（９）の照明に不要な偏光成分が除かれ、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分のみがライトバルブ（９）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して垂直に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＳ偏光｝が、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分となる。投射型表示装置の高輝度化・高コントラスト化を達成するには、この方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、プレＰＢＳ（７）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面を光軸（ＡＸ）について略９０度回転したものになっている。
【００１０】
ライトバルブ（９）で変調・反射された光は、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）において、スクリーンへの投影に不要な偏光成分が除かれ、スクリーンへの投影に必要な偏光成分のみがクロスダイクロイックプリズム（１１）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して平行に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＰ偏光｝が、スクリーンへの投影に必要な偏光成分となる。投射型表示装置の高輝度化・高コントラスト化を達成するには、この方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、ポストＰＢＳ（１０）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面と同一（つまり互いに平行）になっている（具体的には、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）とで偏光分離面（８Ｌ，１０Ｌ）が互いに平行になっている。）。
【００１１】
上記第１先行例では照明光束が円錐状の広がりを持つため、表示装置全体が大きなものになってしまう。これを改善したのが、図１３（Ｂ）及び図１５に示す第２先行例である｛表現形式は図１３（Ａ），図１４と同様。｝。図１３（Ｂ）はライトバルブ（９）での光束の広がりを図１３（Ａ）の第１先行例と同じにしたときの大きさで第２先行例を示している。図１３（Ｂ）及び図１５に示す表示装置はプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）に特徴があり、図１５（Ｂ）に示すようにプレＰＢＳ（７）が偏光分離面（７Ｌ）を２面有し、その２面（７Ｌ）が光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっている。このような偏光分離面（７Ｌ）を有するプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）を用いることは、高輝度を得るために照明光束の広がりを大きくした投射型表示装置を小型化する上で非常に有効である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第２先行例に用いられているプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）には、以下に説明するような製造上の問題がある。図１６（Ａ）に、第２先行例におけるプレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８；ただし、光路の折り曲げは図示省略する。），ライトバルブ（９）の光学配置を示す。プレＰＢＳ（７）での偏光分離は、３個のプリズム（７ａ，７ｂ，７ｃ）の境界に設けられている２面の偏光分離面（７Ｌ）で行われる。この２面の偏光分離面（７Ｌ）は、図１６（Ｂ）に示すように、プレＰＢＳ（７）の光射出端面（７Ｘ）上で交わること、つまりプリズム突き合わせ部（Ｋ０）で連続することが理想的である。これにより、プレＰＢＳ（７）に入射した光はすべていずれかの偏光分離面（７Ｌ）で偏光分離されることになる。
【００１３】
ところが、プレＰＢＳ（７）の実際の製造においては、図１６（Ｃ）に示すように偏光分離面（７Ｌ）の不連続なプリズム突き合わせ部（Ｋ１）が生じてしまうことがあり、その寸法をゼロにすることは困難である場合が多い。偏光分離面（７Ｌ）の不連続なプリズム突き合わせ部（Ｋ１）がプレＰＢＳ（７）にあると、そこでは偏光分離が行われないことになる。その結果、プリズム突き合わせ部（Ｋ１）がライトバルブ（９）の投影画面に筋状模様のカゲ（Ｍ）となって現れてしまい｛図１６（Ｄ）｝、画質を低下させる原因となる。
【００１４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することのできる小型で製造容易な偏光分離装置と、それを用いた高輝度・高コントラストの小型の表示装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の偏光分離装置は、ｎ個（ｎ≧３）のプリズムから成り、それらのプリズムが（ｎ−１）面の偏光分離面を形成するように構成された偏光分離装置であって、前記ｎ個のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有することを特徴とする。
【００１６】
第２の発明の偏光分離装置は、第１，第２，第３のプリズムから成り、前記第１，第２のプリズムの間に第１の偏光分離面を有し、前記第１，第３のプリズムの間に第２の偏光分離面を有する偏光分離装置であって、前記第１のプリズムが他の２個のプリズムよりも大きく、前記第２，第３のプリズムが略同等の大きさを有し、前記第２，第３のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有し、前記第１，第２の偏光分離面が互いに略直交することを特徴とする。
【００１７】
第３の発明の偏光分離装置は、上記第２の発明の偏光分離装置において、その光入射端面又は光射出端面から１ｍｍ以内の位置に、前記略直交する偏光分離面の交点が存在することを特徴とする。
【００１８】
第４の発明の投射型表示装置は、上記第１又は第２の発明の偏光分離装置を備えたことを特徴とし、第５の発明のヘッドマウントディスプレイは、上記第１又は第２の発明の偏光分離装置を備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した偏光分離装置を、図面を参照しつつ説明する。なお、前記先行例（図１３〜図１５）や各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００２０】
［ｎ個のプリズムから成る偏光分離装置］
図１に、５個のプリズム（Ｐ１〜Ｐ５）から成る偏光分離装置の一例を示す。この偏光分離装置は、第１〜第５のプリズム（Ｐ１〜Ｐ５）を接合して成るものであり、第１，第２のプリズム（Ｐ１，Ｐ２）の間に第１の偏光分離面（Ｓ１）を有し、第２，第３のプリズム（Ｐ２，Ｐ３）の間に第２の偏光分離面（Ｓ２）を有し、第３，第４のプリズム（Ｐ３，Ｐ４）の間に第３の偏光分離面（Ｓ３）を有し、第４，第５のプリズム（Ｐ４，Ｐ５）の間に第４の偏光分離面（Ｓ３）を有する構成になっている。このように４面の偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）を形成する第１〜第５のプリズム（Ｐ１〜Ｐ５）のうち、第１，第２のプリズム（Ｐ１，Ｐ２）は光学的に有効な面を３面有しており、第３〜第５のプリズム（Ｐ３〜Ｐ５）は光学的に有効な面を４面有している。そして、４面の偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）のうち、隣り合った偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）は互いに略直交するように構成されており、その交点から各光学端面（Ｘ１，Ｘ２）にかけた部分にプリズム突き合わせ部（Ｋ２）が形成されている。なお、２つの光学端面（Ｘ１，Ｘ２）のうち、一方が偏光分離装置の光入射端面に相当し、他方が偏光分離装置の光射出端面に相当する。
【００２１】
図２に、３個のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）から成る偏光分離装置の一例を示す。この偏光分離装置は、第１〜第３のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）を接合して成るものであり、第１のプリズム（Ｒ１）は他の２個のプリズム（Ｒ２，Ｒ３）よりも大きくなっており、第２，第３のプリズム（Ｒ２，Ｒ３）は略同等の大きさになっている。また、第１，第２のプリズム（Ｒ１，Ｒ２）の間には第１の偏光分離面（Ｔ１）を有しており、第１，第３のプリズム（Ｒ１，Ｒ３）の間には第２の偏光分離面（Ｔ２）を有している。このように２面の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）を形成する第１〜第３のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）のうち、第１，第３のプリズム（Ｒ１，Ｒ３）は光学的に有効な面を３面有しており、第２のプリズム（Ｒ２）は光学的に有効な面を４面有している。そして、隣り合った第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）は互いに略直交するように構成されており、その交点から光学端面（Ｘ１）にかけた部分にプリズム突き合わせ部（Ｋ２）が形成されている。なお、図１の偏光分離装置と同様、２つの光学端面（Ｘ１，Ｘ２）のうちの一方が光入射端面に相当し、他方が光射出端面に相当する。
【００２２】
図１，図２に示す偏光分離装置のように、ｎ個（ｎ≧３）のプリズムから成り、それらのプリズムが（ｎ−１）面の偏光分離面を形成するように構成された偏光分離装置において、ｎ個のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有し、（ｎ−１）面の偏光分離面のうち、隣り合った偏光分離面が互いに略直交する構成であれば、偏光分離面の連続性が得られる。このため、偏光分離装置に入射した光線はすべて偏光分離面に入射し、適正な偏光分離作用を受けてから射出することになる。したがって、偏光分離装置に入射した光線が偏光分離面を通らずに射出することを防止して、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することができる。
【００２３】
ここで図２の偏光分離装置を例に挙げて、上記偏光分離面の連続性とプリズム突き合わせ部（Ｋ２）の改善を説明する。図２の偏光分離装置では、第２のプリズム（Ｒ２）が光学的に有効な面を４面有する構成において、第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）が互いに略直交する構成になっている。このため、図３に示すようにプリズム突き合わせ部（Ｋ２）で第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）が連続することになり、その結果、偏光分離装置に入射した光はすべて第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）のいずれかで偏光分離されることになる。ただし、プリズム突き合わせ部（Ｋ２）では偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）を２度通過する光線（Ｌｉ）が発生する。その光線（Ｌｉ）の透過率は、偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）を２度通過する分だけ低下することになる。この透過率の低下量を少なくするには、プリズム突き合わせ部（Ｋ２）のサイズδが１ｍｍ以下であること（δ≦１ｍｍ）が望ましい。つまり、偏光分離装置の光学端面（つまり、光入射端面又は光射出端面）からδ＝１ｍｍ以内の位置に、略直交する偏光分離面の交点（Ｔ０）が存在するように構成すれば、透過率の低下を好適に抑えることが可能である。
【００２４】
図１に示す偏光分離装置では構成プリズム個数：ｎ＝５であり、図２に示す偏光分離装置では構成プリズム個数：ｎ＝３である。構成プリズム個数：ｎが少ないほどプリズム突き合わせ部（Ｋ２）の数：（ｎ−２）も少なくなるため、上記透過率の低下を抑える上では、図２に示すｎ＝３タイプの偏光分離装置が好ましい。一方、図１の偏光分離装置のように５個以上（ｎ≧５）のプリズムを接合して４面以上の偏光分離面を構成すれば、非常に薄型で偏光分離面の実質的に広いＰＢＳを構成することが可能になる。したがって、左右の対称性を保ちながら偏光分離装置の軽量・薄型化を図る上では、ｎ≧５タイプの偏光分離装置が好ましい。
【００２５】
図２に示す偏光分離装置は、例えば以下に説明する製法により製造可能である。図４に示すように、第１のプリズム（Ｒ１）は光学的に有効な３つの面として、第１面（ａ１），第２面（ａ２）及び第３面（ａ３）を有し、第３のプリズム（Ｒ３）は光学的に有効な３つの面として、第１面（ｃ１），第２面（ｃ２）及び第３面（ｃ３）を有し、第２のプリズム（Ｒ２）は光学的に有効な４つの面として、第１面（ｂ１），第２面（ｂ２），第３面（ｂ３）及び第４面（ｂ４）を有する。そして、第２のプリズム（Ｒ２）の第２面（ｂ２）と第３のプリズム（Ｒ３）の第２面（ｃ２）は、偏光分離コート面になっている。
【００２６】
まず、第１のプリズム（Ｒ１）の第２面（ａ２）と第２のプリズム（Ｒ２）の第２面（ｂ２）とを接合する。第２のプリズム（Ｒ２）の第２面（ｂ２）には予め偏光分離コートが施されているので、接合により第１の偏光分離面（Ｔ１）が形成される。そして、第１のプリズム（Ｒ１）の第３面（ａ３）と第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）とが同一平面になるように研磨する。前述したようにδ≦１ｍｍが望ましいことから、第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）は面積の小さなものとして形成されている。したがって、第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）は研磨の際に発生する面であってもよく、研磨前には存在しなくても構わない。つまり、研磨前の第２のプリズム（Ｒ２）の光学的に有効な面は、第１面（ｂ１）〜第３面（ｂ３）の３つの面であってもよい。
【００２７】
次に、第１のプリズム（Ｒ１）と第２のプリズム（Ｒ２）との接合体に、第３のプリズム（Ｒ３）を接合する。このとき、同一平面を形成している第１のプリズム（Ｒ１）の第３面（ａ３）と第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）に、第３のプリズム（Ｒ３）の第２面（ｃ２）を接合する。第３のプリズム（Ｒ３）の第２面（ｃ２）には予め偏光分離コートが施されているので、接合により第２の偏光分離面（Ｔ２）が形成される。そして、第２のプリズム（Ｒ２）の第１面（ｂ１）と第３のプリズム（Ｒ３）の第１面（ｃ１）とが同一平面になるように研磨すると、図２に示す偏光分離装置が完成する。
【００２８】
上述した偏光分離装置の構成によると、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することが可能であり、しかも小型でその製造も容易に行うことが可能である。そして本発明に係る偏光分離装置を、投射型表示装置，ヘッドマウントディスプレイ等の表示装置に用いれば、表示装置の高輝度化，高コントラスト化及び小型化を達成することが可能である。以下に説明する投射型表示装置の実施の形態では、その照明光学系や投影光学系に偏光分離装置の実施の形態が用いられている。しかし、本発明に係る偏光分離装置が適用される表示装置は、投射型表示装置に限らない。例えば、ヘッドマウントディスプレイ等の投影光学系についても同様に実施可能である。
【００２９】
［ｎ＝５タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置］
図５に、ｎ＝５タイプの偏光分離装置（図１）をプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として備えた投射型表示装置全体の概略光学構成を示す。この投射型表示装置は、光源（１），第１レンズアレイ（２ａ），第２レンズアレイ（２ｂ），重ね合わせレンズ（３），第１ダイクロイックミラー（４ａ），第２ダイクロイックミラー（４ｂ），反射ミラー（５ａ，５ｂ），フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ），プレ偏光ビームスプリッター（プレＰＢＳ；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ），メイン偏光ビームスプリッター（メインＰＢＳ；８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ），反射型のライトバルブ（例えば反射型液晶パネル；９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ），ポスト偏光ビームスプリッター（ポストＰＢＳ；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ），クロスダイクロイックプリズム（１１），投射レンズ（１２）等で構成されている。
【００３０】
光源（１）から発せられた光は、第１レンズアレイ（２ａ）と第２レンズアレイ（２ｂ）によって空間的なエネルギー分布が均一化される。第２レンズアレイ（２ｂ）の各セルを射出した光は、重ね合わせレンズ（３）によって各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）上に重ね合わせられる。その一方で、重ね合わせレンズ（３）から射出した光は、第１，第２ダイクロイックミラー（４ａ，４ｂ）により、３原色に対応した赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各原色光に色分解される。なお、光源（１）からの光の利用効率を向上させるために、光の偏光方向を揃える偏光変換手段を必要に応じて配置してもよい。
【００３１】
Ｂの原色光は、第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ａ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｂ）を通過する。一方、Ｇ，Ｒの原色光は第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ｂ）で反射された後、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）でＧとＲとに色分解される。Ｇの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｇ）を通過する。Ｒの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）を透過した後、フィールドレンズ（６Ｒ）を通過する。
【００３２】
各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）は、照明光をテレセントリックな光束にするとともに、そのパワーによって投影光を投射レンズ（１２）の瞳に入射させる機能を持つ。各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）を通過したＲＧＢの各原色光は、各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）に入射する。各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射させる。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｐ偏光）を透過させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｓ偏光）のみを反射させて各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に入射させる。
【００３３】
各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）は、偏光方向が揃った各原色光（Ｓ偏光）を２次元映像の各画素の表示（つまり画素毎のＯＮ／ＯＦＦ）に応じた選択的な偏光制御により変調し、２種類の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）から成る反射光を射出する。各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）から射出した各原色光は、再び各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射する。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）に入射させる。
【００３４】
ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）は、メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）と同様、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させる。ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）を透過した各原色光は、クロスダイクロイックプリズム（１１）に入射して色合成される。クロスダイクロイックプリズム（１１）で色合成された投影光は、投射レンズ（１２）でスクリーン（不図示）に投射される。なお、色分解・色合成におけるＲＧＢの順序や配置は、この投射型表示装置の場合に限らず、各光学部品の特性変更により容易に入れ替えることが可能である。
【００３５】
上記のように各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）を照明する原色光（ＲＧＢ）の偏光分離及び各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）で変調された原色光（ＲＧＢ）の偏光分離を行うＰＢＳ系の機能を、図６に基づいて更に詳しく説明する。図６中の各要素はＲＧＢの各原色光に対応するものを代表しており、６はフィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）、７はプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）、８はメインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）、９はライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）、１０はポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）にそれぞれ対応している。また、７Ｌ，８Ｌ，１０Ｌは、プレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８），ポストＰＢＳ（１０）の各偏光分離面を示しており、２重丸は紙面に対して垂直に振動する偏光、両端矢印は紙面に対して平行に振動する偏光を示している。プレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）は、図１中の偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）に相当するものであり、光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっている。
【００３６】
図６（Ａ）は正面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており、紙面に平行な面がメインＰＢＳ（８）及びポストＰＢＳ（１０）の入射面（ｐｌａｎｅ　ｏｆ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）である。また、図６（Ｂ）は側面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており｛ただしライトバルブ（９）は図示省略する。｝、紙面に平行な面がプレＰＢＳ（７）の入射面である。なお、偏光状態を分かりやすくするために、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）との間隔はあけた状態で示している。
【００３７】
フィールドレンズ（６）を通った光は、プレＰＢＳ（７）とメインＰＢＳ（８）において、ライトバルブ（９）の照明に不要な偏光成分が除かれ、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分のみがライトバルブ（９）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して垂直に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＳ偏光｝が、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分となる。高消光比を得るにはこの方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、プレＰＢＳ（７）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面を光軸（ＡＸ）について略９０度回転したものになっている。
【００３８】
プレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）での透過により、メインＰＢＳ（８）に入射する光の偏光方向が予め整えられるため、より高いコントラストが得られる。メインＰＢＳ（８）はライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分を反射で取り出すため、メインＰＢＳ（８）単独では高消光比が得られない。しかし、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分を透過光として用いるプレＰＢＳ（７）がメインＰＢＳ（８）の直前に配置されているため、高い照明側消光比を得ることが可能になる。しかも、プレＰＢＳ（７）とメインＰＢＳ（８）との間には、偏光を乱す要因となる光学部品（レンズ，ミラー等）が配置されていないため、照明光の偏光状態に乱れは生じない。したがって、高い照明側消光比をより効果的に確保することができる。
【００３９】
ライトバルブ（９）で変調・反射された光は、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）において、スクリーンへの投影に不要な偏光成分が除かれ、スクリーンへの投影に必要な偏光成分のみがクロスダイクロイックプリズム（１１）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して平行に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＰ偏光｝が、スクリーンへの投影に必要な偏光成分となる。高消光比を得るにはこの方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、ポストＰＢＳ（１０）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面と同一（つまり互いに平行）になっている（具体的には、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）とで偏光分離面（８Ｌ，１０Ｌ）が互いに平行になっている。）。
【００４０】
上記のように各原色光（ＲＧＢ）について光路順に、プレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８）及びポストＰＢＳ（１０）の３種類で構成されたＰＢＳ系において、プレＰＢＳ（７）がライトバルブ（９）の照明に不要な偏光成分を除去する機能を持ち、ポストＰＢＳ（１０）がライトバルブ（９）で変調された原色光のうちスクリーンへの投影に不要な偏光成分を除去する機能を持つ構成になっているため、得られる高消光比によって高コントラストを達成することができる。なかでもプレＰＢＳ（７）とポストＰＢＳ（１０）では、照明又は投影に必要な偏光成分が透過により取り出されて利用されるため、得られる高消光比によってより一層高いコントラストを達成することができる。また、各ＰＢＳ（７，８，１０）が照明や投影に不要な偏光の除去を吸収により行うわけではないので、不要な偏光を吸収することにより生じる熱で性能が劣化することはなく、したがって高輝度を達成することができる。しかも、プレＰＢＳ（７）に小型で製造容易な偏光分離装置が用いられているため、表示装置の小型化も達成される。
【００４１】
［ｎ＝３タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置］
図７に、ｎ＝３タイプの偏光分離装置（図２）をプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として備えた投射型表示装置全体の概略光学構成を、図５と同様の形式で示す。また図８に、図７の表示装置に用いられているＰＢＳ系の配置を、図６と同様の形式で示す。図８におけるプレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）は、図２中の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）に相当するものであり、光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっている。また、プレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）以外の光学部品の構成・機能は、先に説明した表示装置（図５，図６）と同様であり、それにより得られる効果も同様である。
【００４２】
プレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として、ｎ＝５タイプの偏光分離装置（図１）を用いた場合（図５，図６）と、ｎ＝３タイプの偏光分離装置（図２）を用いた場合（図７，図８）とでは、不要光により生じる影響が異なる。これを図９と図１０に基づいて説明する。図９はメインＰＢＳ（８）とｎ＝５タイプのプレＰＢＳ（７）との関係を図６と同様の形式で示しており、図１０はメインＰＢＳ（８）とｎ＝３タイプのプレＰＢＳ（７）との関係を図８と同様の形式で示している。
【００４３】
図９（Ａ），図１０（Ａ）に示すように、メインＰＢＳ（８Ｂ）は投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各ポストＰＢＳ（１０）に入射させる。メインＰＢＳ（８）での反射光は、図９（Ｂ），図１０（Ｂ）に示すように、不要光（Ｑ）としてプレＰＢＳ（７）に戻ってくる。その不要光（Ｑ）はプレＰＢＳ（７）に対するＰ偏光であるが、Ｐ偏光に対するプレＰＢＳ（７）の透過率が完全に１００％でない場合、不要光（Ｑ）は偏光分離面（７Ｌ）で反射されてしまう。
【００４４】
図９に示すｎ＝５タイプのプレＰＢＳ（７）では、戻ってきた不要光（Ｑ）が偏光分離面（７Ｌ）で反射されてメインＰＢＳ（８）に戻り、偏光分離面（８Ｌ）で反射されてライトバルブ（９）に再入射することになる。このライトバルブ（９）に対する戻り光は、ゴースト像発生の原因となり、コントラスト低下を招くおそれがある。これに対し、図１０に示すｎ＝３タイプのプレＰＢＳ（７）では、戻ってきた不要光（Ｑ）が偏光分離面（７Ｌ）で反射されてＰＢＳ系外へ射出するため、不要光（Ｑ）はライトバルブ（９）に対する戻り光とはならない。したがってゴースト像は発生せず、ｎ＝５タイプのプレＰＢＳ（７）から成るＰＢＳ系に比べてより高いコントラストが得られる。
【００４５】
［ｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備え、ｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳとして備えた投射型表示装置］
図１１に、ｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として備え、ｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）として備えた投射型表示装置全体の概略光学構成を、図５と同様の形式で示す。また図１２に、図１１の表示装置に用いられているＰＢＳ系の配置を、図６と同様の形式で示す。図１２におけるプレＰＢＳ（７），ポストＰＢＳ（１０）の各偏光分離面（７Ｌ，１０Ｌ）は、前述の偏光分離面（図１中のＳ１〜Ｓ４，図２中のＴ１，Ｔ２）と同様のものである。プレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）は、光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっており、その対称面を光軸（ＡＸ）について略９０度回転させた平面に関してポストＰＢＳ（１０）の偏光分離面（１０Ｌ）も略対称になっている。また、プレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）及びポストＰＢＳ（１０；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）以外の光学部品の構成・機能は、先に説明した表示装置（図５，図６）と同様であり、それにより得られる効果も同様である。
【００４６】
この投射型表示装置のように、構成プリズム個数の多いｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として用い、更にｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳ（１０；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）として用いることにより、前述の投射型表示装置（図５，図６；図７，図８）よりも更に小型で高品質画像が得られる投射型表示装置を実現することが可能になる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することのできる小型で製造容易な偏光分離装置と、それを用いた高輝度・高コントラストの小型の表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｎ＝５タイプの偏光分離装置の一実施の形態を示す断面図。
【図２】ｎ＝３タイプの偏光分離装置の一実施の形態を示す断面図。
【図３】ｎ＝３タイプの偏光分離装置のプリズム突き合わせ部を示す拡大断面図。
【図４】ｎ＝３タイプの偏光分離装置の製法及び構造を説明するための断面図。
【図５】ｎ＝５タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置の一実施の形態を示す光学構成図。
【図６】図５の投射型表示装置におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図７】ｎ＝３タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置の一実施の形態を示す光学構成図。
【図８】図７の投射型表示装置におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図９】図６のＰＢＳ系においてメインＰＢＳから戻ってくる不要光に対するプレＰＢＳの作用を説明するための模式図。
【図１０】図８のＰＢＳ系においてメインＰＢＳから戻ってくる不要光に対するプレＰＢＳの作用を説明するための模式図。
【図１１】ｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備え、ｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳとして備えた投射型表示装置の一実施の形態を示す光学構成図。
【図１２】図１１の投射型表示装置におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図１３】投射型表示装置の第１，第２先行例を示す光学構成図。
【図１４】第１先行例におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図１５】第２先行例におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図１６】第２先行例に用いるプレＰＢＳの問題点を説明するための模式図。
【符号の説明】
Ｐ１〜Ｐ５　…第１〜第５のプリズム
Ｒ１〜Ｒ３　…第１〜第３のプリズム
Ｓ１〜Ｓ４　…第１〜第４の偏光分離面
Ｔ１，Ｔ２　　…第１，第２の偏光分離面
Ｔ０　…交点
Ｘ１，Ｘ２　　…光学端面（光入射端面，光射出端面）
Ｋ２　…プリズム突き合わせ部
１　　…光源
７，７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ　…プレＰＢＳ（偏光分離装置）
８，８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ　…メインＰＢＳ
９，９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ　…反射型のライトバルブ
１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ　…ポストＰＢＳ（偏光分離装置）
７Ｌ，８Ｌ，１０Ｌ　　…偏光分離面
１１　…クロスダイクロイックプリズム
１２　…投射レンズ
ＡＸ　…光軸
【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】
2004020671.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
2004020671.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
2004020671.tif 000014
【図１３】
2004020671.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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