(57)【要約】【課題】偏光分離膜での検光に際して漏れ光が発生し、投射画像のコントラストが低下する。【解決手段】照明光学系１〜５からの偏光光を反射型画像表示素子７に導くとともに、画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系１０に導く偏光分離膜６ａを有する偏光分離光学系において、Ｐ偏光とＳ偏光の前記偏光分離膜における位相差をδとするとき、１２０°≦｜δ｜≦１８０°なる条件を満足する構造を有する。【選択図】  図１
2004233910.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、前記画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系であって、
Ｐ偏光とＳ偏光の前記偏光分離膜における位相差をδとするとき、
１２０°≦｜δ｜≦１８０°
なる条件を満足する構造を有することを特徴とする偏光分離光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光分離膜を用いて光を導き、画像表示素子に表示された原画の像を拡大投射する投射型画像表示装置に用いられる偏光分離光学系、投射型表示光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大画面の画像を投射表示する投射型画像表示装置として、反射型液晶表示素子を用いたものがある。この投射型画像表示装置は、反射型液晶表示素子に入射した光（照明光）を反射型液晶表示素子に表示された原画に応じて変調するとともに反射させ、この変調および反射された光（画像光）を投射光学系によってスクリーン上に拡大投射するものである。
【０００３】
このような投射型画像表示装置において、照明光を反射型液晶表示素子に導き、さらに反射型液晶表示素子で反射した画像光を投射光学系に導くために偏光ビームスプリッターが使われる場合がある。
【０００４】
ここで、偏光ビームスプリッターは、特定の偏光成分の照明光を作成する偏光子としての作用と、特定の偏光成分の画像光を作成する検光子としての作用とを併せ持つものである。
【０００５】
偏光ビームスプリッターを用いた投射型画像表示装置の光学系としては、特許文献１にて開示されているものがある。この公報にて開示の光学系は、本願図３１に示すように、偏光ビームスプリッター１０１と反射型液晶表示素子１０２との間に１／４波長板１０３を配置し、偏光ビームスプリッター１０１の偏光分離膜１０４で反射した後の偏光方向１１３が、図３１中のＸ軸方向に対して傾いてしまう光線１１１に対して、１／４波長板１０３の進相軸１０５をＸ軸方向１０５に設け、光線１１１が１／４波長板１０３を往復で２回通過することにより、Ｘ軸に対して傾いた偏光方向１１３をＸ軸に対して反転させ、光線１１２における偏光分離膜１０４のＳ偏光の方向１１４と一致させるものである。
【０００６】
【特許文献１】
特公平７−３８０５０号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、投射画像の明るさをより明るくしようとすると、照明系のＦナンバーを明るくする、すなわち偏光ビームスプリッターに入射する光の角度を大きくする必要があるが、これによって偏光ビームスプリッターにおける検光性能が低下してしまうおそれがある。
【０００８】
ここで、照明系のＦナンバー（Ｆｎｏ）とは、反射型液晶表示素子上の任意の１点に集光する照明光束の収束角ψに関連し、
Ｆｎｏ＝１／（２ｔａｎψ）
と定義される。
【０００９】
図２１を用いて、照明系のＦｎｏを明るく（小さく）したときの問題点を説明する。
【００１０】
図３１に示した従来の光学系においては、偏光ビームスプリッター１０１に入射する光線は、偏光ビームスプリッター１０１（偏光分離膜１０４）の中心を原点とする座標系において、ＸＹ平面に平行な光線のみを問題としている。しかし、実際の照明光束は、図２１に示すように、Ｙ軸（光軸）を中心として様々な方向から（Ｙ軸に対して様々な角度をもって）偏光ビームスプリッター１０１に入射する。
【００１１】
このとき、偏光ビームスプリッター１０１から射出する光束における偏光の傾きを光束内で表すと図２２のようになる。ｙは偏光ビームスプリッターの入射面ｉにおいてＹＺ平面に平行な方向から入射する光線で、ｘは入射面ｉにおいてＸＹ平面に平行な方向から入射する光線である。また、ＡはＹＺ平面に対して＋４５°傾いた平面に平行な方向から入射する光線で、ＢはＹＺ平面に対して−４５°傾いた平面に平行な方向から入射する光線である。以後、ＡおよびＢの方向を照明光束における対角方向と呼ぶ。
【００１２】
図２２に示すように、ｙ方向以外の光線は、それぞれの光線の偏光分離膜１０４におけるＳ偏光方向に応じて全てｘ方向に対して偏光方向が傾いた偏光状態となる。また、同じＡ方向でも偏光分離膜に対する入射角度が異なる光線ａ１，ａ２は、以下の式で示すように、偏光の傾き角γａ１，γａ２が異なっている（Ｂ方向からの入射光線ｂ１，ｂ２の偏光傾き角γｂ１，γｂ２も同様である）。
【００１３】
γａ１＝−γｂ１≠γａ２
γａ２＝−γｂ２≠γａ１
図２３には、光線ａ１において偏光ビームスプリッター１０１を射出した偏光状態をｐ１とし、１／４波長板１０３を往復で通過したあとの偏光状態をｐ２として示す。
【００１４】
偏光状態ｐ１とｐ２の偏光方向は、１／４波長板１０３の作用によりｘ軸に対して反転した関係である。ここでａ１の光線は反射型液晶表示素子１０２で反射するために、再度、偏光ビームスプリッター１０１に入射するときには偏光ビームスプリッター１０１を射出するａ２の光路と同じ光路を逆の順で進む光となる。
【００１５】
このときの偏光分離膜１０４におけるＳ偏光方向は、図２２における光線ａ２の偏光の傾き方向であり、この方向を図２３において点線で表している。
【００１６】
図２３から分かるように、１／４波長板１０３で変換された偏光方向ｐ２と偏光分離膜１０４におけるＳ偏光方向にはズレΔが生じ、仮に偏光分離膜１０４の偏光分離性能が理想的であっても、照明光束の対角方向（ＡまたはＢの方向）の光線については完全に検光されないことになる。
【００１７】
この偏光方向のズレΔは、図２１での偏光ビームスプリッター１０１の入射面ｉにおいてＹ軸（照明光束の光軸）に対する角度ψが大きいほど、つまり照明系のＦｎｏが明るいほど顕著となる。そして、これにより、偏光ビームスプリッター１０１における漏れ光が増大し、投射画像の明るさを明るくしようとすると、コントラストがさらに低下することになってしまう。
【００１８】
このとき、漏れ光の偏光方向は、偏光分離膜においてＳ偏光成分が取り除かれるために、図２４に示すような偏光分離膜におけるＰ偏光成分ｍ１である。偏光ビームスプリッターの特性を補うために、偏光ビームスプリッター１０１の射出側にＹＺ平面の方向に透過軸を有する偏光板などの検光素子を追加することができるが、漏れ光（Ｐ偏光成分）ｍ１の振動方向はほぼ偏光板１０５の透過軸とほぼ同じ方向（ｙ方向）であるので、偏光板でカットしたとしても、図２５に示すように、ほとんどの漏れ光ｍ２が残存することになる。したがって、ここで説明した漏れ光は、偏光ビームスプリッターを射出してしまうと必ずスクリーンまで到達してしまう。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系において、Ｐ偏光とＳ偏光の偏光分離膜における位相差をδとするとき、
１２０°≦｜δ｜≦１８０°    …（１）
なる条件を満足するようにしている。
【００２０】
また、偏光分離膜は、この偏光分離膜に、該偏光分離膜の法線に対して角度θをもって入射する光に対して、偏光分離膜におけるＰ偏光の反射率をＲｐとするときに、
Ｒｐ＞０％    …（２）
となるようにしてもよい。
【００２１】
但し、上記入射角度θは、照明光学系から偏光分離膜に至る光軸と偏光分離膜の法線とのなす角をα、照明光学系から偏光分離膜に至る光軸に対する偏光分離膜への光束の最大入射角度をψとするとき、
α−ψ≦θ≦α＋ψ  …（３）
である。
【００２２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である投射型画像表示装置に搭載される投射型表示光学系の構成を示している。
【００２３】
図中の１は連続スペクトルで白色光を発光する光源で、超高圧水銀ランプ等が用いられる。２は光源１からの光を所定の方向に集光し略平行光とするリフレクターであり、放物面形状（楕円面形状でもよい）の反射面を有する。
【００２４】
３ａは矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズアレイで、３ｂは第１のフライアイレンズアレイ３ａの個々のレンズに対応したレンズアレイを有した第２のフライレンズアレイである。
【００２５】
４は光源１からの無偏光光を特定の偏光光（本実施形態では、Ｓ偏光）に揃える偏光変換素子である。５は偏光変換素子４からの光束を集光するコンデンサーレンズである。
【００２６】
６はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離膜を有した偏光ビームスプリッターである。
【００２７】
７は原画を表示し、入射した光（照明光）を反射するとともに原画に応じて照明光を変調する反射型液晶表示素子である。
【００２８】
ここで、液晶表示素子７には、駆動回路２０が接続されており、駆動回路２０には、パーソナルコンピュータ、ビデオ、テレビ、ＤＶＤプレーヤ等の画像情報供給装置３０からの画像情報が供給される。駆動回路２０は、供給された画像情報に基づいて液晶表示素子７に原画を表示させるための信号を出力する。
【００２９】
８は１／４波長板で、偏光ビームスプリッター６と液晶表示素子７との間に配置されている。
【００３０】
９は偏光ビームスプリッター６を射出した画像光のうち特定の偏光状態の光を透過する偏光板であり、１０は偏光板９を透過した画像光を不図示のスクリーンに投射する投射レンズである。
【００３１】
次に光学的な作用を説明する。光源１から発した光はリフレクター２により所定の方向に集光される。ここでリフレクター２は放物面形状をなしており、放物面の焦点位置からの光は放物面の対称軸に平行な光束となる。ただし、光源１は理想的な点光源ではなく有限の大きさを有しているので、集光する光束には平行でない光の成分も多く含まれている。
【００３２】
この集光光束は、第１のフライアイレンズアレイ３ａに入射する。第１のフライアイレンズアレイ３ａは、外形が矩形である正の屈折力を有するレンズをマトリックス状に組み合わせて構成されており、入射した光束はそれぞれのレンズに応じた複数の光束部分に分割、集光され、第２のフライアイレンズアレイ３ｂを経て、マトリックス状に複数の光源像を偏光変換素子４の近傍に形成する。
【００３３】
偏光変換素子４は、偏光分離膜と反射面と１／２波長板からなり、マトリックス状に集光した複数の光束部分はそのマトリクス位置に対応した偏光分離膜に入射し、透過するＰ偏光成分の光と反射するＳ偏光成分の光とに分割される。偏光分離膜で反射したＳ偏光成分の光は反射面で反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に射出する。一方、偏光分離膜を透過したＰ偏光成分の光は１／２波長板を透過し、Ｓ偏光成分と同じ偏光成分に変換される。これにより、偏光変換素子４から射出する光束はすべて偏光方向が揃っている。
【００３４】
偏光変換素子４から射出した光束は発散光束としてコンデンサーレンズ５に入射し、コンデンサーレンズ５で集光される。コンデンサーレンズ５から射出した光束は、偏光ビームスプリッター６に対してＳ偏光として入射し、偏光分離膜６ａで反射され、１／４波長板８を介して液晶表示素子７へと至る。液晶表示素子７において照明光が変調されて反射される。
【００３５】
変調された反射光（画像光）のうちＳ偏光成分は再び偏光分離膜６ａで反射し、光源側に戻されて投射光から除去される。
【００３６】
一方、変調された画像光のうちＰ偏光成分は偏光分離膜６ａを透過して、偏光ビームスプリッター６から射出し、投射レンズ１０によって不図示のスクリーンに投射される。
【００３７】
ここで、偏光ビームスプリッター６の偏光分離膜６ａは、理想的な特性（Ｓ偏光反射率  Ｒｓ＝１００％、Ｐ偏光反射率  Ｒｐ＝０％）を持たないので、変調された画像光のうち特定角度（図１では、偏光分離膜６ａの法線方向に対して４５°）からずれた角度で偏光分離膜６ａに入射したＳ偏光も透過してしまう。
【００３８】
このため、本実施形態では、偏光ビームスプリッター６と投射レンズ１０の間に偏光板９を設け、偏光ビームスプリッター６で検光しきれなかった漏れ光をカットしている。
【００３９】
ここで、照明系のＦナンバー（Ｆｎｏ）は、液晶表示素子７に集光する照明光束の収束角（偏光分離膜６ａへの入射光束の光軸Ｌに対する最大入射角度）ψで定義することができ、本実施形態において、第２のフライアイレンズアレイ３ｂの外形形状を図２に示すように設定して、その有効範囲を、
ａ＝４２ｍｍ，ｂ＝３９ｍｍ
とし、コンデンサーレンズ５の合成焦点距離ｆｃを、
ｆｃ＝９５．８ｍｍ
と設定することにより、照明系のＦｎｏは、
【００４０】
【数１】
2004233910.tif 000003
【００４１】
照明系のＦｎｏ＝ｆｃ／ｌ＝２．３３
となる。
【００４２】
このときの照明光束の収束角度ψは、
ψ＝ｔａｎ−１（Ｆｎｏ／２）＝１２．１度
である。
【００４３】
以下、照明光束の対角方向（図２２に示したＡ，Ｂの方向）の偏光状態を計算する方法を説明する。
【００４４】
偏光ビームスプリッターの入射面（光軸Ｌ〈Ｙ軸〉に直交する面）において、上記対角方向から入射する光線の光路を図３に表す。対角方向を表す方位をφ、入射する角度をψとする。このとき、入射光線の偏光方向は、Ｘ軸に平行な方向である。
【００４５】
偏光分離膜６ａにおけるＰ偏光成分は、入射光線Ｒｉと反射後の射出光線Ｒｏでできる平面Ｐに平行で、Ｓ偏光成分は平面Ｐに垂直である。
【００４６】
ここで、図１７を用いて面と偏光方向について説明する。図１７において、図３と同じものには同じ符号を付している。
【００４７】
入射光線Ｒｉと射出光線Ｒｏを含む平面Ｐは太実線で表している。この平面Ｐは偏光分離膜６ａ上の反射点Ｕにおける偏光分離膜６ａの法線ｎを含んでいる。
【００４８】
ＹＺ面に平行で、かつ法線ｎを含む平面をＱとすると、入射光線Ｒｉの偏光方向は平面Ｑに垂直な方向（Ｘ軸に平行な方向）である。反射点Ｕにおいて平面Ｑに垂直な方向をＴと表す。Ｔの方向は偏光分離膜６ａの面内に含まれるので、光線の反射における偏光方向と考えることができる。
【００４９】
次に、偏光分離膜６ａにおいて、平面Ｐに垂直な方向がＳ偏光方向であるので、反射点Ｕにおいて平面Ｐに垂直な方向をＳとする。このとき、Ｔの方向が光の偏光方向で、Ｓの方向が反射面のＳ偏光方向であるから、ＳとＴのなす角εｉが偏光分離膜６ａにおける偏光の傾きを表している．
同様に、偏光ビームスプリッター６を射出した光線は、液晶表示素子７で反射して再び偏光ビームスプリッター６に入射し、偏光分離膜６ａに至る。このときの偏光分離膜６ａでのＰ偏光成分は、入射光線Ｒｉ’と反射後の射出光線Ｒｏ’でできる平面Ｐ’に平行で、Ｓ偏光成分は平面Ｐ’に垂直である。ここでも平面Ｐ’はＹＺ面に対して傾いているので、ＸＹ面に含まれる偏光方向は偏光分離膜６ａのＳ偏光方向に対して傾いている。このときの偏光の傾き角をεｏとする。
【００５０】
これらの幾何学的な関係を踏まえて、偏光状態をジョーンズ行列を使って計算する。
【００５１】
計算に使う偏光の座標系は、偏光分離膜６ａに入射し、反射する光線に沿ってｚ軸を定義し、ｚ軸に垂直でｚ軸とＸ軸からなる平面に平行な偏光成分をｘ成分、それに垂直な偏光成分をｙ成分とする。
【００５２】
入射状態のジョーンズベクトルを、
【００５３】
【数２】
2004233910.tif 000004
【００５４】
射出状態のジョーンズベクトルを、
【００５５】
【数３】
2004233910.tif 000005
【００５６】
偏光分離膜６ａでの作用をジョーンズマトリックスＪｍ１とすると、
入射偏光状態は、
Ｊｉｘ＝１，Ｊｉｙ＝０
であり、偏光分離面６ａにおけるジョーンズマトリックスは、
【００５７】
【数４】
2004233910.tif 000006
【００５８】
Ｊｉ１１  ＝０
Ｊｉ１２  ＝Ｒｓｅｉδ
Ｊｉ２１＝Ｒｐｅ−ｉδ
Ｊｉ２２＝０
で、ＲｐはＰ偏光成分の振幅反射率、ＲｓはＳ偏光成分の振幅反射率、δはＰ偏光成分とＳ偏光成分の反射における位相差である（位相差が１８０°または−１８０°のとき位相差がない状態を表す）。
【００５９】
これらより、射出状態の偏光状態は、
Ｊｏ＝Ｊｍ１＊Ｊｉ
として計算される。
【００６０】
次に、光線は１／４波長板８によりｘ成分の位相が９０°（π／２）遅れ、画像表示素子７における反射でｘ方向の位相が反転するので１８０°（π）遅れ、再び１／４波長板８によりｘ成分の位相が９０°（π／２）遅れる。
【００６１】
これをジョーンズマトリックスＪｍ２で表すと、
Ｊｍ２＝Ｊｒ＊Ｊｍｒ＊Ｊｒ
Ｊｒは１／４波長板８の作用を表し、
【００６２】
【数５】
2004233910.tif 000007
【００６３】
Ｊｒ１１＝０
Ｊｒ１２  ＝Ｒｓｅｉπ／２
Ｊｒ２１  ＝Ｒｐｅ−ｉπ／２
Ｊｒ２２  ＝０
また、Ｊｍｒは反射の作用を表し、
【００６４】
【数６】
2004233910.tif 000008
【００６５】
Ｊｍ１１＝０
Ｊｍ１２＝Ｒｓｅｉπ
Ｊｍ２１  ＝Ｒｐｅ−ｉπ
Ｊｍ２２＝０
となる。
【００６６】
これにより、再度、偏光ビームスプリッター６に入射する偏光状態Ｊｉ’をジョーンズベクトルにより表すと、
【００６７】
【数７】
2004233910.tif 000009
【００６８】
とするとき、
Ｊｉ’＝Ｊｒ＊Ｊｍｒ＊Ｊｒ＊Ｊｏ
として計算される。
【００６９】
再度、偏光ビームスプリッター６に入射するときには、式（４）と同様に、平面Ｐ’の傾き角εｏを用いて、偏光分離膜６ａの作用をＪｍ２とすると、
【００７０】
【数８】
2004233910.tif 000010
【００７１】
Ｊｉ１１’＝０
Ｊｉ１２’＝Ｔｓｅｉδ’
Ｊｉ２１’＝Ｔｐｅ−ｉδ’
Ｊｉ２２’＝０
で、ＴｐはＰ偏光成分の振幅透過率、ＴｓはＳ偏光成分の振幅透過率、δ’はＰ偏光成分とＳ偏光成分の透過における位相差である。
【００７２】
これより、偏光ビームスプリッター６を透過して射出する光線の偏光状態は、
Ｊｏ’＝Ｊｍ２＊Ｊｉ’
として計算される。
【００７３】
最後に、検光のために設けられた偏光板は、
【００７４】
【数９】
2004233910.tif 000011
【００７５】
と表せるので、漏れ光は、
【００７６】
【数１０】
2004233910.tif 000012
【００７７】
となり、Ｊｏｘ’が漏れ光量を表すことになる。
【００７８】
前述したＦｎｏ２．３の照明光束で、光束全角の約９割に当たる１１度で入射する光線において、偏光ビームスプリッター６の屈折率を１．７４とすると、偏光分離膜６ａにおける偏光の傾きεｉは−６°、εｏは＋２°となる。
【００７９】
ここで、１１度で偏光ビームスプリッター６に入射した光線は、実際の偏光ビームスプリッター６内では屈折によりＹ軸に対して６．３度傾き、偏光分離膜６ａに入射する光線Ｒｉの法線ｎに対する入射角度θは４０．６度である。
【００８０】
Ｓ偏光の振幅反射率Ｒｓ＝１とし、Ｓ偏光の振幅透過率Ｔｓ＝０とし、Ｐ偏光の振幅透過率Ｔｐを、Ｐ偏光の振幅反射率Ｒｐを用いてＴｐ＝１−Ｒｐとし、透過の位相差をδ‘＝０とし、Ｒｐとδをパラメーターとして漏れ光Ｊｏｘ’を計算した結果を図４に示す。
【００８１】
図４において、Ｒｐ＝０のときに偏光分離膜６ａが理想的な特性となるが、これまで説明してきたように、偏光面分離膜６ａの傾きがあるために所定の漏れ光が発生している（Ｍ）。
【００８２】
これに対して、Ｒｐ＞０のときは、位相差δにより漏れ光が変化し、δ＝１８０°（−１８０°）において最小となり、かつ理想的な特性のときよりもさらに漏れ光量が少なくなる。さらに、Ｒｐにより漏れ光が変化し、Ｒｐが大きいほど漏れ光量が少なくなる。
【００８３】
図４から、Ｒｐが０よりも大きい場合であって、位相差δが１２０度よりも大きい（または−１２０度よりも小さい）とき、理想的な特性の偏光分離膜における漏れ光よりも漏れ光量が少なくなることが分かる。
【００８４】
以上のことについて、図２６〜図３０を用いてさらに詳しく説明する。
【００８５】
図２６において、照明光として偏光分離膜６ａに入射する光線の偏光方向ｐ２をｘ軸とする。このときの偏光分離面におけるＳ偏光方向をＳ軸、Ｐ偏光方向をＰ軸とし、偏光分離膜が理想的な特性であると、偏光ビームスプリッター６を射出する光線の偏光方向ｐｏはＳ軸に沿った偏光方向である。
【００８６】
これに対し、偏光分離膜６ａの特性が、Ｒｐ＞０％となるように設定すると、図２７に示すように、反射光にはＰ偏光方向の偏光成分も含まれ、偏光ビームスプリッター６を射出する偏光方向ｐｏ’は、Ｓ方向の偏光成分とＰ方向の偏光成分の合成の方向となる。
【００８７】
この偏光ｐｏ’を１／４波長板８の往復で反転した偏光方向ｐｏｒを、図２８に示す。偏光方向ｐｏｒを先に図２３に示した偏光ビームスプリッターでの検光に際しての偏光分離膜でのＳ偏光方向（図２８で点線Ｓで示す）に近づけることができる。
【００８８】
これにより、検光に際してのＰ偏光方向の成分が減少するので、偏光分離膜６ａにおける漏れ光が減少することになる。
【００８９】
ここで、偏光分離膜６ａで反射するときＰ偏光とＳ偏光の位相差が１８０°（π）または−１８０°（−π）のときは、図２８のように漏れ光が少なくなるような偏光状態になるが、偏光分離膜での位相差が９０°（π／２）のときには図２９のように、また位相差が０°のときには図３０のようになり、再び偏光分離膜の検光に際してＰ偏光成分が発生するので、上記の範囲に位相差を設定するのが望ましい。
【００９０】
このように、偏光分離膜６ａに、特定の方向（偏光分離膜６ａの法線に対して４５°傾いた方向）に対してずれた方向から入射し、偏光分離膜６ａで反射される偏光光の偏光の向き（楕円偏光のときは長軸の向き）が、偏光分離膜６ａへの入射方向と偏光分離膜６ａとの幾何学的な関係で決まるＳ偏光の向きよりも、偏光分離膜６ａでの反射で偏光方向が変化しない方向から入射した光線におけるＳ偏光の向きに近づくように偏光分離膜６ａを構成することにより、偏光ビームスプリッター６における漏れ光を減少させることができる。
【００９１】
特に、偏光ビームスプリッター６の入射面（光軸Ｌに対して直交する面）又は射出面と偏光分離膜６ａとのなす角度よりも小さい入射角度で、偏光分離膜６ａに入射する光線において上記条件を満足するのが望ましい。
【００９２】
なお、偏光ビームスプリッター６の入射面又は射出面と偏光分離膜６ａとのなす角度を４５°とするとき、偏光ビームスプリッター６は最もコンパクトになるのでよい。
【００９３】
以下、偏光ビームスプリッター６における漏れ光を減少させる条件を満足する偏光分離膜の数値実施例を示す。
《数値実施例１》
表１には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例１を示す。
【００９４】
【表１】
2004233910.tif 000013
【００９５】
図５には、この数値実施例１における入射角４５°におけるＰ偏光、Ｓ偏光の反射率とＦｎｏ２．３での対角方向でほぼ９割と７割に相当する光線の入射角である４０．６°と４１．６°（θに相当）におけるＰ偏光の反射率を示し、図６に入射角が４０．６°と４１．６°における偏光分離面でのＰ偏光とＳ偏光の位相差を示す。
《数値実施例２》
表２には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例２を示す。
【００９６】
【表２】
2004233910.tif 000014
【００９７】
図７に、この数値実施例２における入射角４５°におけるＰ偏光、Ｓ偏光の反射率とＦｎｏ２．３での対角方向でほぼ９割と７割に相当する光線の入射角である４０．６°と４１．６°におけるＰ偏光の反射率を示す。また、図８に入射角が４０．６°と４１．６°における偏光分離面でのＰ偏光とＳ偏光の位相差を示す。
《数値実施例３》
表３には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例３を示す。本数値実施例は、偏光ビームスプリッターのガラスの屈折率が１．６の場合の数値実施例である。
【００９８】
【表３】
2004233910.tif 000015
【００９９】
図９に、この数値実施例３における入射角４５°におけるＰ偏光、Ｓ偏光の反射率とＦｎｏ２．３での対角方向でほぼ９割と７割に相当する光線の入射角である４０．３°と４１．３°におけるＰ偏光の反射率を示す。また、図１０に入射角が４０．３°と４１．３°における偏光分離面でのＰ偏光とＳ偏光の位相差を示す。
《数値実施例４》
表４には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例４を示す。
【０１００】
【表４】
2004233910.tif 000016
【０１０１】
図１１に、この数値実施例４における入射角４５°におけるＰ偏光、Ｓ偏光の反射率とＦｎｏ２．３での対角方向でほぼ９割と７割に相当する光線の入射角である４０．３°と４１．３°におけるＰ偏光の反射率を示す。また、図１２に入射角が４０．３°と４１．３°における偏光分離面でのＰ偏光とＳ偏光の位相差を示す。
《数値実施例５》
表５には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例５を示す。
【０１０２】
【表５】
2004233910.tif 000017
【０１０３】
図１３に、この数値実施例５における入射角４５°におけるＰ偏光、Ｓ偏光の反射率とＦｎｏ２．３での対角方向でほぼ９割と７割に相当する光線の入射角である４０．３°と４１．３°におけるＰ偏光の反射率を示す。また、図１４に入射角が４０．３°と４１．３°における偏光分離面でのＰ偏光とＳ偏光の位相差を示す。
《数値実施例６》
表６には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例５を示す。
【０１０４】
【表６】
2004233910.tif 000018
【０１０５】
図１５に、この数値実施例６における入射角４５°におけるＰ偏光、Ｓ偏光の反射率とＦｎｏ２．３での対角方向でほぼ９割と７割に相当する光線の入射角である４０．３°と４１．３°におけるＰ偏光の反射率を示す。また、図１６に入射角が４０．３°と４１．３°における偏光分離面でのＰ偏光とＳ偏光の位相差を示す。
【０１０６】
上記各数値実施例における偏光分離面でのＰ偏光とＳ偏光の位相差は、図１０，１２，１４に示すように、照明光として用いられる白色の範囲（例えば４３０〜６５０ｎｍ）において所定の条件の範囲に入っていることが望ましいが、図６，８，１６に示すように、使用する範囲の平均値として所定の条件を満足していればよい。
【０１０７】
また、スクリーン上での投射画像のコントラストという照度を測定値と考えると、比視感度で加重平均した値が所定の条件を満足していても本発明の効果は得られる。
【０１０８】
白色の範囲ではなく偏光ビームスプリッターにおいて反射で用いる色光の範囲（例えば、青は４３０〜４９０ｎｍ、緑は５１０〜５７０ｎｍ、赤は５９０〜６３０ｎｍ）において所定の条件を満足しいてもよい。
【０１０９】
ここでは、偏光ビームスプリッターの基板の屈折率は約１．７５と約１．６１（数値実施例１〜２と３〜６）の２種類を用いたが、屈折率は特に制限はなく、任意の屈折率のガラス材において本発明の条件を満足する偏光分離膜を設けることにより、漏れ光量を減少させることが可能である。
【０１１０】
ガラス材の内部特性としては、内部を透過していく偏光の方向が変化しないように光弾性係数βが小さい方がよく、例えば、
β＜１（ｎｍ／ｃｍ／１０５Ｐａ）
であることが望ましい。
【０１１１】
また、反射型液晶表示素子７の長辺と短辺は、図３に示した方向に限定されるものではなく、図１８に示すように長辺と短辺の関係が逆であってもよい。
【０１１２】
また、投射型表示光学系全体の構成としては、図１に示すものに限られない。
例えば、図１９に示すように、ダイクロイックミラーと３つの偏光ビームスプリッターとを組み合わせて３つの反射型液晶表示素子を用いた構成や、図２０に示すように、３つの偏光ビームスプリッターとクロスダイクロイックプリズムとを組み合わせて３つの反射型液晶表示素子を用いた構成でもよい。要するに、偏光ピームスプリッターを用いて反射型液晶表示素子に表示された原画を投影する構成であればよい。
【０１１３】
（第２実施形態）
図１９に示した投射型表示光学系の構成を説明する。２１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２２は光を所定の方向に集光するリフレクター、２３ａは矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズ、２３ｂは第１のフライアイレンズの個々のレンズに対応したレンズアレイからなる第２のフライアイレンズである。
【０１１４】
２４は無偏光光を所定の偏光光（Ｓ偏光光）に揃える偏光変換素子、２５はコンデンサーレンズ、２６は反射ミラーである。
【０１１５】
２７は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の波長領域の光を反射し、緑（Ｇ）の波長領域の光を反射するダイクロイックミラー、２８はＢとＲの中間の波長領域の光を一部カットするカラーフィルターである。
【０１１６】
２９ａはＢの光の偏光方向を９０度変換し、Ｒの光の偏光方向は変換しない第１の色選択性位相差板、２９ｂはＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない第２の色選択性位相差板である。
【０１１７】
３０ａ，３０ｂ，３０ｃはそれぞれＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッター、第２の偏光ビームスプリッターおよび第３の偏光ビームスプリッターである。
【０１１８】
３１ｒ，３１ｇ，３１ｂはそれぞれ、表示した原画に応じて光を変調し反射する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子および青用の反射型液晶表示素子である。
【０１１９】
３２ｒ，３２ｇ，３２ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板および青用の１／４波長板である。
【０１２０】
３３ａ，３３ｂは所定の偏光成分を透過する偏光板で、３４は投射レンズである。
【０１２１】
偏光ビームスプリッター３０ａには緑の光が作用し、偏光ビームスプリッター３０ｂには青と赤の光が作用している。
【０１２２】
（第３実施形態）
図２０に示した投射型表示光学系の構成を説明する。４１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、４２は光を所定の方向に集光するリフレクター、４３ａは矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズ、４３ｂは第１のフライアイレンズの個々のレンズに対応したレンズアレイからなる第２のフライアイレンズである。
【０１２３】
４４は無偏光光を所定の偏光光（Ｓ偏光光）に揃える偏光変換素子、４５ａはコンデンサーレンズ、４５ｂ，４５ｃ，４５ｄはフィールドレンズ、４６ａ，４６ｂは長い光路中の照明光をロスなく伝達するリレーレンズである。
【０１２４】
４７は赤（Ｒ）の波長領域の光を透過し、青（Ｂ）と緑（Ｇ）の波長領域の光を反射するダイクロイックミラー、４８は青（Ｂ）の波長領域の光を透過し、緑（Ｇ）の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーである。
【０１２５】
４９ａ，４９ｂは反射ミラーで、５０ａ，５０ｂ，５０ｃはそれぞれ、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１の偏光ビームスプリッター、第２の偏光ビームスプリッターおよよび第３の偏光ビームスプリッターである。
【０１２６】
５１ｒ，５１ｇ，５１ｂは表示した原画に応じて光を変調し反射する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子および青用の反射型液晶表示素子である。
【０１２７】
５２ｒ，５２ｇ，５２ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板および青用の１／４波長板である。
【０１２８】
５３ｒ，５３ｇ，５３ｂは所定の偏光成分を透過する偏光板、５４は投射レンズである。
【０１２９】
偏光ビームスプリッター５０ａには青の光が作用し、偏光ビームスプリッター５０ｂには緑の光が作用し、偏光ビームスプリッター５０ｃには赤の光が作用している。
【０１３０】
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例であり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【０１３１】
〔発明１〕  照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、前記画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系であって、
Ｐ偏光とＳ偏光の前記偏光分離膜における位相差をδとするとき、
１２０°≦｜δ｜≦１８０°
なる条件を満足する構造を有することを特徴とする偏光分離光学系。
【０１３２】
〔発明２〕  前記偏光分離膜は、この偏光分離膜に、前記偏光分離膜の法線に対して角度θをもって入射する光に対して、前記偏光分離膜におけるＰ偏光の反射率をＲｐとするとき、
Ｒｐ＞０％
なる条件を満たすことを特徴とする発明１に記載の偏光分離光学系。
【０１３３】
但し、前記入射角度θは、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸と前記偏光分離膜の法線とのなす角をα、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸に対する前記偏光分離膜への光束の最大入射角度をψとするとき、
α−ψ≦θ≦α＋ψ
である。
【０１３４】
〔発明３〕  前記偏光分離膜は、前記照明光学系の光軸に対して傾いて設けられていることを特徴とする発明１又は２に記載の偏光分離光学系。
【０１３５】
〔発明４〕  前記偏光分離膜と前記画像表示素子との間に１／４波長板が設けられていることを特徴とする発明１から３のいずれかに記載の偏光分離光学系。
【０１３６】
このように偏光分離膜と画像表示素子との間に１／４波長板を設ければ、より上記漏れ光を大幅に減少させることができる。
【０１３７】
〔発明５〕  照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、前記画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系であって、
前記偏光分離膜は、この偏光分離膜に、前記偏光分離膜の法線に対して角度θをなす方向から入射して前記偏光分離膜で反射される偏光光の偏光方向を、前記偏光分離膜とこの偏光分離膜への偏光光の入射方向との幾何学的な関係で決まるＳ偏光の向きよりも、前記偏光分離膜での反射で偏光方向が変化しない方向から入射したＳ偏光の向きに近づける構造を有することを特徴とする偏光分離光学系。
【０１３８】
本発明によっても、照明光学系の光軸に対して傾いて偏光分離膜に入射して検光された偏光光に含まれるＰ偏光方向の成分を減少させることができるので、従来、偏光分離膜での検光により除去することができなかった漏れ光を減少させることができる。したがって、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【０１３９】
〔発明６〕  前記偏光分離膜と前記画像表示素子との間に１／４波長板が設けられていることを特徴とする発明５に記載の偏光分離光学系。
【０１４０】
〔発明７〕  前記入射角度θは、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸に対して直交する面と前記偏光分離膜とのなす角度よりも小さい角度であることを特徴とする発明５に記載の偏光分離光学系。
【０１４１】
〔発明８〕  照明光学系と、
前記照明光学系からの光を変調する画像形成素子と、
発明１から７のいずれかに記載の偏光分離光学系と、
前記偏光分離光学系からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする投射型表示光学系。
【０１４２】
〔発明９〕  発明８に記載の投射型表示光学系を有することを特徴とする投射型画像表示装置。
【０１４３】
〔発明１０〕  発明９に記載の投射型画像表示装置と、前記画像表示素子に原画を表示させるための画像情報を前記投射型画像表示装置に供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【０１４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、照明光学系の光軸に対して傾いて偏光分離膜に入射して検光された偏光光に含まれるＰ偏光方向の成分を減少させることができるので、従来、偏光分離膜での検光により除去することができなかった漏れ光を減少させることができる。したがって、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である投射型表示光学系（投射型画像表示装置）の構成を示す図。
【図２】図１に示した投射型表示光学系に用いられているフライアイレンズアレイを説明する図。
【図３】図１に示した投射型表示光学系に用いられている偏光ビームスプリッターにおける光路図。
【図４】上記偏光ビームスプリッタでの漏れ光量を計算した結果を表す図。
【図５】本発明の数値実施例１の偏光分離特性を示す図。
【図６】本発明の数値実施例１の位相差特性を示す図。
【図７】本発明の数値実施例２の偏光分離特性を示す図。
【図８】本発明の数値実施例２の位相差特性を示す図。
【図９】本発明の数値実施例３の偏光分離特性を示す図。
【図１０】本発明の数値実施例３の位相差特性を示す図。
【図１１】本発明の数値実施例４の偏光分離特性を示す図。
【図１２】本発明の数値実施例４の位相差特性を示す図。
【図１３】本発明の数値実施例５の偏光分離特性を示す図。
【図１４】本発明の数値実施例５の位相差特性を示す図。
【図１５】本発明の数値実施例６の偏光分離特性を示す図。
【図１６】本発明の数値実施例６の位相差特性を示す図。
【図１７】偏光分離膜における偏光方向を説明する図。
【図１８】上記第１実施形態における反射型液晶表示素子の他の配置例を示す図。
【図１９】本発明の第２実施形態である投射型表示光学系（投射型画像表示装置）の構成を示す図。
【図２０】本発明の第３実施形態である投射型表示光学系（投射型画像表示装置）の構成を示す図。
【図２１】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図２２】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図２３】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図２４】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図２５】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図２６】上記第１実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図２７】上記第１実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図２８】上記第１実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図２９】上記第１実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図３０】上記第１実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図３１】
従来の偏光ビームスプリッタを示す図。
【符号の説明】
１，２１，４１  光源
２，２２，４２  リフレクター
３ａ，２３ａ，４３ａ  第１のフライアイレンズアレイ
３ｂ，２３ｂ，４３ｂ  第２のフライアイレンズアレイ
４，２４，４４  偏光変換素子
５，２５，４５ａ  コンデンサーレンズ
６，３０ａ〜３０ｃ，５０ａ〜５０ｃ  偏光ビームスプリッター
７，３１ｒ，３１ｇ，３１ｂ，５１ｒ，５１ｇ，５１ｂ  反射型液晶表示素子
８，３２ｒ，３２ｇ，３２ｂ，５２ｒ，５２ｇ，５２ｂ  １／４波長板
９，３３ａ，３３ｂ，５３ｒ，５３ｇ，５３ｂ  偏光板
１０，３４，５４  投射レンズ
【図１】
2004233910.tif 000019
【図２】
2004233910.tif 000020
【図３】
2004233910.tif 000021
【図４】
2004233910.tif 000022
【図５】
2004233910.tif 000023
【図６】
2004233910.tif 000024
【図７】
2004233910.tif 000025
【図８】
2004233910.tif 000026
【図９】
2004233910.tif 000027
【図１０】
2004233910.tif 000028
【図１１】
2004233910.tif 000029
【図１２】
2004233910.tif 000030
【図１３】
2004233910.tif 000031
【図１４】
2004233910.tif 000032
【図１５】
2004233910.tif 000033
【図１６】
2004233910.tif 000034
【図１７】
2004233910.tif 000035
【図１８】
2004233910.tif 000036
【図１９】
2004233910.tif 000037
【図２０】
2004233910.tif 000038
【図２１】
2004233910.tif 000039
【図２２】
2004233910.tif 000040
【図２３】
2004233910.tif 000041
【図２４】
2004233910.tif 000042
【図２５】
2004233910.tif 000043
【図２６】
2004233910.tif 000044
【図２７】
2004233910.tif 000045
【図２８】
2004233910.tif 000046
【図２９】
2004233910.tif 000047
【図３０】
2004233910.tif 000048
【図３１】
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