(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型の表示素子である画像表示素子と、
光源光をその画像表示素子に均一に照明するための照明手段と、
偏光ビームスプリッタと、
前記画像表示素子で反射した画像光の偏光面を変化させ、その光の光路を変更して射出させる光路変調手段と、
この光路変調手段を透過した光を投射する投射レンズとを備え、
前記偏光ビームスプリッタは、前記照明手段と前記画像表示素子の間の光路中に設け、前記画像表示素子からの表示光が前記偏光ビームスプリッタを経由し、前記光路変調手段は、前記偏光ビームスプリッタと前記投射レンズの間に設け、前記画像表示素子の画像表示のタイミングに同期させて前記光路変調手段を作用させ、時系列的に光路が変調されていない画像光と光路が変調された画像光を射出させる画像投射装置であって、
前記光路変調手段と前記偏光ビームスプリッタの間に偏光手段をその偏光透過軸が前記偏光ビームスプリッタからの出射した直後の表示光の光軸光の偏光軸と平行となるように配置したことを特徴とする画像投射装置。
【請求項２】
請求項１に記載の画像投射装置において、
前記偏光ビームスプリッタと前記光路変調手段の間に１／４波長板を遅相軸が光軸光の偏光方向に対して直交または平行となるように配置したことを特徴とする画像投射装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の画像投射装置において、
前記画像表示素子に異なる波長域の照明光を分光・照明する分光手段と、
前記画像表示素子からの反射光を合成する合成手段とを備えたことを特徴とする画像投射装置。
【請求項４】
請求項３に記載の画像投射装置において、
１つのダイクロイックプリズムを用いて、前記分光手段と前記合成手段の両方の機能をはたすようにしたことを特徴とする画像投射装置。
【請求項５】
請求項３に記載の画像投射装置において、
前記分光手段は、時系列的に異なる色光を順次前記画像表示素子に照明することを特徴とする画像投射装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか１に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、入射する光の偏光方向を略直交する方向に変調可能な偏光変調素子と、
この偏光変調素子の一方の偏光に対して光路を変化させる光路変更光学素子とを備え、
前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変更光学素子の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置することを特徴とする画像投射装置。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、特定の偏光に対して光路の変調量が可変であることを特徴とする画像投射装置。
【請求項８】
請求項７に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、この光路変調手段の遅相軸または進相軸が一方の偏光軸と投射光光軸の作る面内にあるように配置し、かつ、この遅相軸または進相軸の投射光光軸に対する傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させ、
前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変調手段の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置したことを特徴とする画像投射装置。
【請求項９】
請求項７に記載の画像投射装置において、
前記光路変調手段は、投射光光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の入射偏光に対する実効的な屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させるようにしたことを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像表示素子の画像をレンズ系によって拡大した拡大像を投射して観察する画像投射装置に関し、特にヘッドマウントディスプレイやプロジェクタ等に適用して好適である。
【０００２】
【従来の技術】
液晶などの小型画像表示素子の画像をレンズ系を介して拡大して表示する表示装置にはヘッドマウントディスプレイと呼ばれる眼前に装着、またはかざして拡大像を観察するタイプと、拡大像をスクリーンに投影して投影像を観察するいわゆる投射型の表示装置がある。
【０００３】
一般に、表示装置では、画面の解像度が表示品質を決める上で重要な要因となるが、従来の拡大投射型表示装置においては、画面の解像度を上げるために、小型画像表示装置の表示画素数を増やす方法が採られてきた。小型画像表示素子としては一般に各画素に対応させてトランジスタを形成した液晶表示素子が用いられている。このような素子においては、微細化には微細加工技術や配線抵抗、またトランジスタ領域や配線領域の確保の問題から限界がある上、このような素子は歩留まりの低下などのため高コストとなる。
また、素子の画素密度を変えずに素子を大型化する方法では、素子の生産性が低下するため、同じくコストが高くなるという問題に加えて、照明光学系や投射光学系が大型化し、装置の大型化やさらなる高コスト化の問題を生じる。
【０００４】
一方、特許第２９３９８２６号公報には投射型の表示装置において、表示素子とスクリーンの間（すなわち表示素子の射出光路中）に偏光方向を旋回できる光学素子と複屈折効果を有する透明素子を設け、投影画像をシフトさせることによって高解像度化を実現する方法が開示されている（図２３参照）。この方法は、廉価な画素数の少ない画像表示素子を用いて高解像度を実現することができるため、高精細化の有力な手法である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
拡大表示に用いる液晶表示素子は透過型と反射型に大別される。
透過型は、上述した特許第２９３９８２６号公報の投影表示装置で採用されている構成であり、ガラスなどの透光性基板の上にトランジスタおよびその配線、さらに画素電極を形成した基板を用いた液晶素子である。このような透過型の素子では、画素を高密度化した際には配線とトランジスタの領域のために実質的な開口率が低下するという問題がある。これは、光源の光量が一定であれば明るさの低下を招き、明るさを一定にするためには光源光量の増加すなわち消費電力の増加を招く。
【０００６】
一方、反射型はシリコンウェハー上などの非透光性基板上にトランジスタおよび配線を形成し、さらにその上に反射電極を形成した基板を用いた液晶素子である。このような構成の特徴から、反射型の液晶表示素子は高密度化した際にも開口率の維持が容易であり、高精細化と光利用効率の両立が可能であるという特徴を有している。
【０００７】
しかしながら、特許第２９３９８２６号公報には反射型の表示素子を用いた場合の構成については記載されていない。反射型では表示素子近傍では照明光と投射光が同じ光路を通ることになるため、透過型とは異なる光学系を採用する必要があり、それに伴って新たな開発すべき課題が生ずることになる。
例えば、特許第２９３９８２６号の構成を反射型に適用した場合、吸収型の偏光板とは異なり、偏光ビームスプリッタを用いると斜めから入射した光に対しては偏光軸が変化したり、分光透過率ないし分光反射率が変化したりする。また、インテグレータ照明系は光源を出た光の強度分布を均一化させるために用いるもので、原理的に異なる入射角の照明光で表示素子を照明することになる。
このような場合、斜め入射光の偏光軸の変化は隣接画素間のクロストークとなって表示品質を低下させる。また分光透過率／分光反射率の変化は表示の色むらとなって観察される。
【０００８】
本発明は上述した問題点に鑑み、光路変調方式を用いたときのクロストークおよび色むらの問題を解決し、良好な高精細画像を有する画像投射装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の問題を解決するために、本発明の請求項１の画像投射装置は、反射型の表示素子である画像表示素子と、光源光をその画像表示素子に均一に照明するための照明手段と、偏光ビームスプリッタと、前記画像表示素子で反射した画像光の偏光面を変化させ、その光の光路を変更して射出させる光路変調手段と、この光路変調手段を透過した光を投射する投射レンズとを備え、前記偏光ビームスプリッタは、前記照明手段と前記画像表示素子の間の光路中に設け、前記画像表示素子からの表示光が前記偏光ビームスプリッタを経由し、前記光路変調手段は、前記偏光ビームスプリッタと前記投射レンズの間に設け、前記画像表示素子の画像表示のタイミングに同期させて前記光路変調手段を作用させ、時系列的に光路が変調されていない画像光と光路が変調された画像光を射出させる画像投射装置であって、前記光路変調手段と前記偏光ビームスプリッタの間に偏光手段をその偏光透過軸が前記偏光ビームスプリッタからの出射した直後の表示光の光軸光の偏光軸と平行となるように配置したことを特徴とする。
したがって、光路変調手段に入射する投射光の偏光方向を入射角によらず一定にすることができるので、シフト光と非シフト光の間のクロストークがなくなり、高コントラストで高精細な表示を行わせることができる。また、クロストークがないため、大きな入射角の光を入射できるようになるので、光源光の取り込み効率の高い照明光学系を設計することが可能となり、高光利用効率で消費電力の少ない画像投射装置が実現できる。
【００１０】
また、本発明の請求項２は、請求項１に記載の画像投射装置において、前記偏光ビームスプリッタと前記光路変調手段の間に１／４波長板を遅相軸が光軸光の偏光方向に対して直交または平行となるように配置したことを特徴とする。
したがって、照明光と画像光の偏光面を同一にすることができるので、偏光ビームスプリッタによる光量損失や入射角による色変化を最小限にすることができ、より効率が高く、色むらの少ない画像投射ができる。
【００１１】
また、本発明の請求項３は、請求項１または２に記載の画像投射装置において、前記画像表示素子に異なる波長域の照明光を分光・照明する分光手段と、前記画像表示素子からの反射光を合成する合成手段とを備えたことを特徴とする。
したがって、さらに光利用効率が高く、高精細な画像投射装置を提供できる。
【００１２】
また、本発明の請求項４は、請求項３に記載の画像投射装置において、１つのダイクロイックプリズムを用いて、前記分光手段と前記合成手段の両方の機能をはたすようにしたことを特徴とする。
したがって、装置を小型に構成することができる。
【００１３】
また、本発明の請求項５は、請求項３に記載の画像投射装置において、前記分光手段は、時系列的に異なる色光を順次前記画像表示素子に照明することを特徴とする。
したがって、光学系を小型に構成できるため小型の装置で高精細なカラ−画像を表示することができる。
【００１４】
また、本発明の請求項６は、請求項１乃至５のいずれか１に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、入射する光の偏光方向を略直交する方向に変調可能な偏光変調素子と、この偏光変調素子の一方の偏光に対して光路を変化させる光路変更光学素子とを備え、前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変更光学素子の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置することを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【００１５】
また、本発明の請求項７は、請求項１乃至５のいずれか１に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、特定の偏光に対して光路の変調量が可変であることを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【００１６】
また、本発明の請求項８は、請求項７に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、この光路変調手段の遅相軸または進相軸が一方の偏光軸と投射光光軸の作る面内にあるように配置し、かつ、この遅相軸または進相軸の投射光光軸に対する傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させ、前記偏光手段は、その偏光透過軸が、前記光路変調手段の遅相軸または進相軸と投射光光軸で形成する面内またはそれに直交する面内にあるように配置したことを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【００１７】
また、本発明の請求項９は、請求項７に記載の画像投射装置において、前記光路変調手段は、投射光光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の入射偏光に対する実効的な屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させるようにしたことを特徴とする。
したがって、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を用いて本発明の画像投射装置の実施例を詳細に述べる。
＜実施例１＞
図１は、本発明の画像投射装置の実施例１の構成を示したものである。
図１において、実施例１は、光源１０１、フライアイレンズからなるインテグレータ光学系１０３、偏光ビームスプリッタ１０４、反射型の液晶表示素子である画像表示素子１０５、光路変調手段１３０、投射レンズ１０８、インテグレータ光学系１０３（フライアイレンズ）を透過した光を画像表示素子１０５上に集光するフィールドレンズ１０９、偏光手段１２０とから構成される。ここで、光路変調手段１３０は、偏光変調素子１０６と複屈折板からなる光路変更光学素子１０７とが組み合わされて機能する。
このように本実施例１は、液晶表示素子を一枚用いたいわゆる単板式の光学系構成を例に説明するものである。
【００１９】
光路変調手段１３０（偏光変調素子１０６および複屈折板１０７）は、偏光ビームスプリッタ１０４と投射レンズ１０８の間に配置される。
偏光手段１２０は、偏光透過軸が光軸光の偏光軸と平行となるよう配置する必要がある。ここで用いる偏光手段１２０は、ある特定の直線偏光のみを透過させるものであれば用いることができ、例えば、第二の偏光ビームスプリッタ、プリズム型偏光子または吸収型偏光子を用いる。このうち、入射角依存性が小さいことから吸収型偏光子を使用するのが好適である。
【００２０】
偏光ビームスプリッタ１０４は、偏光子および検光子として機能するが、吸収型の偏光板とは異なり、斜めから入射した光に対しては偏光軸が変化したり、分光透過率ないし分光反射率が変化したりする。
図２は、偏光ビームスプリッタ１０４における偏光面の変化を模式的に示したものである。図２において、１０４Ｆは偏光ビームスプリッタ１０４の多層膜からなる偏光分離膜面を表し、面Ａは入射光線の入射する面を表し、入射光としては光軸光Ｌ１および光軸光から傾斜したＬ２およびＬ３の光線を考える。
このような光線は、面Ｂの面内にそれぞれ射出する。入射偏光が光軸光ではない場合、偏光分離膜のｓ偏光方向は入射の偏光方向とずれるため、射出光の偏光方向は、光線の進行方向から見た場合、図３に示すように入射角によって異なる偏光方向を有することになる。図２では反射光について記載したが、透過光についても同様な原理により入射角により偏光面が変化することになる。
【００２１】
図１中の光線は、中央のフライアイレンズの照明域を図示したもので、図１のように各フライアイレンズが表示素子１０５全面を照明するように構成されている。
この図１の照明は、インテグレータ光学系１０３の一般的な作用を示したものであり、このような構成によって、光源の強度分布を表示素子１０５面で均一化している。図２では、主光線と偏光ビームスプリッタ１０４の分離膜の法線が形成する面に直交する面（面Ａ）内での角度を図示しているが、実際には様々な角度成分の光線が偏光ビームスプリッタ１０４に入射することになる。先に説明したように斜めに入射する光線に対しては、偏光ビームスプリッタ１０４からの射出光の偏光軸は入射角によって変化するので、光線全体としては偏光度が低下するように作用してしまう。
【００２２】
図４および図５は、光路変調手段１３０の構成と作用を説明する図である。偏光変調素子１０６は、入射光の偏光面を略９０°変化させるように作用する。
図４は、偏光変調素子１０６がｏｎの場合の作用を示している。このとき、偏光変調素子１０６は、偏光面を回転させるよう作用するものとし、また入射光の偏光方向は図４中で矢印で示した方向であるとする。図左側にある偏光ビームスプリッタ１０４（ＰＢＳ，図示せず）から入射した光Ｌ４は偏光変調素子１０６を透過し、紙面垂直方向の偏光に変調され、複屈折板からなる光路変更光学素子１０７に入射する。光路変更光学素子１０７は、１０７ｘで示した方向に結晶光軸を有した複屈折板であり、その光軸は、偏光変調素子１０６からの射出光の一方の偏光軸（本実施例１では、偏光変調素子１０６がｏｆｆの時の縦方向の偏光方向）と入射光主光軸の作る面内にあって、投射光学系の光軸に対して傾斜配置されている。このような構成において、偏光変調素子１０６を透過した光は光路の変調をうけることなく透過し、投射レンズ１０８（図示せず）に入射する。
【００２３】
図５は、図４において偏光変調素子１０６がｏｆｆの場合を示している。
この場合、入射光Ｌ４は偏光面の変調を受け、光路変更光学素子１０７（複屈折板）の光軸傾斜方向を含む面内で偏光した光となる。この光は、光路変更光学素子１０７によって光路がシフトされ射出する。
偏光変調素子１０６を表示画像の切り替えと同期させてｏｎ／ｏｆｆすることで、本実施例１では２倍の画素数を表示するものである。本実施例１では垂直方向のシフトのみを説明したが、直交する方向へのシフト素子を付加することで４倍の画素数も実現可能である。
【００２４】
ところで、偏光ビームスプリッタ１０４からの射出光は上述のように偏光方向に分布を持つ光となり、このような光が図４または図５のような作用を受けた場合、入射角によって入射光Ｌ４の偏光方向が異なるようになるため、光路変更光学素子１０７への入射偏光の偏光面が光路変更光学素子１０７の結晶光軸と投射光光軸の作る面からずれることとなる。
このような条件では、本来光軸がシフトされるような図５のような縦偏光が光路変更光学素子１０７に入射するケースにおいても、横偏光成分が含まれることとなり、シフトした画像とシフトしない画像が混在してしまう。これを模式的に図示したものが図６および図７である。
図６は本来表示されるべき画像を表し、行Ｃ１が非シフト画像、行Ｃ２がシフト画像に対応する。図のような二値表示を行わせた場合、図７のように、隣接する画素のデータが影響し、濃度変化を生じ、結果としてコントラストが低下してしまう。
【００２５】
図１における偏光手段１２０は、入射光の偏光方向を、実質的に光路変更光学素子１０７の結晶光軸と投射光光軸の作る面内の方向またはそれに直交する方向に揃えるよう作用する。このような構成では、入射光は確実に光路シフトを受けるか受けないかを制御できるため、図７に示すようなクロストークは起こらず、図６に示すような高いコントラストの表示を得ることができる。
【００２６】
偏光変調素子１０６は、入射光の偏光方向を略９０度変調できるものであれば使用することができ、電気光学結晶や液晶セルを用いるのが好ましい。なかでも液晶はこのような機能を廉価なコストで実現できるため特に好ましい。
液晶としては、９０度ねじれたねじれネマティック方式や同じくネマティック液晶の電界による傾き角変化を利用した複屈折モード、強誘電性液晶のティルト角変化を利用した強誘電性液晶方式などを採用することができるが、中でも高速応答性が得られることから強誘電性液晶方式が特に好ましい。
【００２７】
＜実施例２＞
図８は、本発明の画像投射装置の実施例２の構成を示すものである。本実施例２でも実施例１と同様に、単板方式を例に説明する。
図８においては、実施例１に加えて、１／４波長板１１０を偏光ビームスプリッタ１０４と画像表示素子１０５の間に配置している。１／４波長板１１０は、その遅相軸を光軸光の偏光方向に対して平行または直交させて配置する必要がある。
また、１／４波長板１１０は、往復で１／２波長板として作用し、画像表示素子１０５からの反射光の偏光方向を、偏光ビームスプリッタ１０４のｐ偏光方向またはｓ偏光方向に一致させるように作用する。このような構成により、偏光ビームスプリッタ１０４に斜めに入射する光であっても高い効率で利用することができ、また斜入射時の波長特性を減ずることができる。
【００２８】
実施例１および実施例２においてカラー表示を行わせるためには、画像表示素子内にマイクロカラーフィルタを設ける方法、または画像表示素子の外部にホログラム素子のような分光素子を設けて異なる色光群で画像表示素子を照明する方法などを用いることができる。
【００２９】
＜実施例３＞
図９は、本発明の画像投射装置の実施例３の構成を示すもので、図１および図２と同じ意味をもつ構成要素には同じ符号を付しているが、添え字ｒ，ｇ，ｂは各々赤、緑、青に対応する素子または光学要素を表すものとする。本実施例３は、多板式の構成に関するものである。
図９において、１１１〜１１３はプリズムであり１１１と１１２のプリズム間および１１２と１１３のプリズム間にはダイクロイック膜が形成されており、いわゆるフィリップスプリズムと呼ばれるプリズム群を構成している。
本実施例３の構成にすると、各画像表示素子は単色光の変調を行い、これらがプリズムで再度合成されるため、実施例１や実施例２に比べて光量ロスが少なく、高解像度化が容易となる。
本実施例３ではフィリップスプリズムによって色分離合成プリズムを構成したが、クロスダイクロイックプリズムによって構成することもできる。ただしプリズムの入射角依存を考慮するとフィリップスプリズムの方が好ましい。
【００３０】
＜実施例４＞
図１０は、本発明の画像投射装置の実施例４の構成を示すもので、図１および図２と同じ意味をもつ構成要素には同じ符号を付しているが、添え字ｒ，ｇ，ｂは各々赤、緑、青に対応する素子または光学要素を表すものとする。
本実施例４では色分離と色合成の機能を分離し、３板構成としている。
図１０において、１１４は色合成用のクロスダイクロイックプリズムであり、１１５ａ、１１５ｂは色分解用のダイクロイックミラーである。１１６はミラーを表す。１１７は光路長調整用のリレーレンズである。
本実施例４をこのような構成とすると、実施例３に比べて装置が大型化するものの、偏光ビームスプリッタ１０４の光学特性を各波長領域に対して最適化できるため、光コントラストが得られやすくなる。
【００３１】
＜実施例５＞
図１１は、本発明の画像投射装置の実施例５の構成を示すものである。
本実施例５は、実施例２に加え、照明光の色を時系列的に切り替える可変分光手段１１８を照明光の光路中に設ける。この可変分光手段１１８には、例えば、図１２に示すような回転色フィルタを用いる。ここで、１１８ｒ，１１８ｇ，１１８ｂはそれぞれ赤、緑、青を透過するカラーフィルタであり、これらが回転することにより照明光の色を順次切り替えるものである。また、１１９はコリメートレンズである。また、画像表示素子１０５は、照明光の色変化に同期して対応する色画像を表示し、これを繰り返すことで時間的に色情報を重畳し、カラー画像を投射するものである。
【００３２】
本実施例５における可変分光手段１１８は、回転色フィルタの他に、例えば、カラーリンク社からカラースイッチの名称で商品化されている液晶素子と位相差板を用いた分光素子を用いることもできる。
また、本実施例５では白色光源を分光する方法を採用しているが、光源自体の発光スペクトルが時系列的に変化してもよく、このような光源としては、発光ダイオードや固体レーザ、半導体レーザ、ガスレーザなどが好ましい。この際、必要に応じて光量を変調するための音響光学素子などの変調デバイスを光路中に設けることもできる。
【００３３】
本実施例５をこのように構成すると、少ない画像表示素子の枚数でカラー表示を行わせることができ、また光学系が３板式に比べて簡単・小型であるため、装置を小型でかつ廉価に構成できる。
【００３４】
＜実施例６＞
図１３は、本発明の画像投射装置の実施例６の構成を示すものである。
光学系の基本的な構成は構成例５をもとに説明する。本実施例６は、偏光変調手段１０６および光路変更光学素子１０７に代わって、遅相軸または進相軸の傾斜角を変化させることによって入射偏光の光路を変調させる光路変調手段１２１を投射光路中に設ける。
図１４および図１５は、本実施例６の作用を説明するものである。
本実施例６の光路変調手段１２１は、液晶などからなる外場によって遅相軸または進相軸の方向を変調可能な材料が透光性基板に狭持されて構成されている。
また、この基板には透明電極が形成されており（図示せず）、液晶に電圧を印加することにより液晶の配向方向を制御することにより図１４の状態と図１５の状態を切り替える。図では、垂直配向と傾斜配向の間の配向構造の変化の例であるが、水平配向と傾斜配向の間の配向変化や、逆方向に傾斜した配向状態の間の変化を利用することも可能である。
液晶にはネマティック液晶や強誘電性液晶およびこれらに高分子材料が加わった材料などを用いるのが好適である。図１４の状態では、入射光Ｌ１０は液晶によって光路が曲げられるのに対し、図１５ではこのような作用は生じないので、これら両配向構造間を切り替えることで、画像光の光路をシフトさせることが可能となる。
偏光手段１２０の透過軸は、偏光ビームスプリッタ１０４からの射出光の偏光方向に平行で、液晶の傾斜方向と投射光光軸のなす面に平行である必要がある。
【００３５】
本実施例６をこのような構成にすることによって、斜めに入射して偏光面が光軸光に対してずれた投射光であっても、偏光面が光軸光と一致するため、隣接画素へ影響することなく、光コントラストの表示を行わせることができる。
また、実施例１などの偏光変調素子１０６を用いた方式に比べて構成が単純化できる。
【００３６】
＜実施例７＞
図１６は、実施例６における光路変調手段１２１の別の構成を示したもので、主光軸に対して傾斜した界面を有し、界面を形成する物質の少なくとも一方の屈折率を変化させることにより入射偏光の光路を変調させるものである。
この光路変調手段１２１は、基板１２１ａ、１２１ｂの間に液晶などからなる外場によって光学特性が変化する材料１２１ｃが挟持され、基板と液晶の界面は図示するように主光軸に対して傾斜して配置されている。
材料１２１ｃは、電界等の印加によって、例えば、図１６の状態と図１７の状態との間で可逆的に変化を起こす。材料１２１ｃが液晶である場合について説明すると、液晶の常光に対する屈折率をｎｏ、異常光に対する屈折率をｎｅとしたとき、液晶層に入射した光の曲折は基板の屈折率ｎｓと液晶層の実効的な屈折率で決定される。垂直方向の偏光に対しては、図１６ではほぼ屈折率ｎｅが実効的に働き、図１７では屈折率ｎｏが実効的となる。一般に、
屈折率ｎｅ＞屈折率ｎｏ
であるので、外場によって図１６と図１７の間で配向を変化させることで、光路の曲折の程度を制御できる（図では簡略化のためにｎｏ＝ｎｓとした）。
【００３７】
一方、紙面垂直方向の偏光に対してはいずれの配向の場合も実効的に屈折率ｎｏが作用するので光路は曲折されずに素子を透過する。
図１８および図１９は、上述した実施例６における光路変調手段１２１（図１６および図１７）を変形した別の構成であり、鋸歯状の構造１２１ｄを基板内面に形成することによって傾斜した界面を構成した例である。
また、図２０は、図１８に示した光路変調手段１２１の別の構成であり、両側の基板に鋸歯状構造を形成した例である。
また、図２１は、図１８に示した光路変調手段１２１をさらに改良したものであり、傾斜界面を有する素子を二つ組み合わせたものである。この構成では２つの素子の間隔を調整することによって任意のシフト量を得ることができるようになる。
【００３８】
材料として用いる液晶には、誘電異方性が負のネマティック液晶を垂直配向させた液晶素子、誘電異方性が正のネマティック液晶を水平配向させた液晶素子および水平配向させた強誘電性液晶素子などが好ましい。
強誘電性液晶の場合、電界による配向状態の変化は図１８と図２２の間のような変化となり、光軸シフトの変調が可能となる。特に、強誘電性液晶を用いた場合には、高速の光路変調が可能となり特に好ましい。
【００３９】
本実施例７による構成では、実施例１に比べて光路変調をさせるための構造が簡略化される。
このような構成において、偏光ビームスプリッタ１０４と光路変調手段１２１の間に偏光手段１２０を設けることにより、投射光に作用する実効的な屈折率が入射角に依存せずほとんど一定とできるため、光路のシフト量の入射角依存が低減され、より均一で、画像のボケのない投射画像を得ることができる。
本実施例７の構成にあっては、偏光手段１２０の透過軸は光路変調手段１２１中の液晶分子が水平に配向した際のその配向方向、一般的に光学的には遅相軸の方向と投射光光軸のなす面に平行に配置されていることが、効率的なシフト量を確保する上で好ましい。
【００４０】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によると、光路変調方式を用いたときのクロストークおよび色むらの問題を解決し、良好な高精細画像を有する画像投射装置が実現できる。
【００４１】
また、本発明の請求項１によれば、光路変調手段に入射する投射光の偏光方向を入射角によらず一定にすることができるので、シフト光と非シフト光の間のクロストークがなくなり、高コントラストで高精細な表示を行わせることができる。また、クロストークがないため、大きな入射角の光を入射できるようになるので、光源光の取り込み効率の高い照明光学系を設計することが可能となり、高光利用効率で消費電力の少ない画像投射装置が実現できる。
【００４２】
また、本発明の請求項２によれば、照明光と画像光の偏光面を同一にすることができるので、偏光ビームスプリッタによる光量損失や入射角による色変化を最小限にすることができ、より効率が高く、色むらの少ない画像投射ができる。
【００４３】
また、本発明の請求項３によれば、さらに光利用効率が高く、高精細な画像投射装置を提供できる。
【００４４】
また、本発明の請求項４によれば、装置を小型に構成することができる。
【００４５】
また、本発明の請求項５によれば、光学系を小型に構成できるため小型の装置で高精細なカラ−画像を表示することができる。
【００４６】
また、本発明の請求項６、７、８および９によれば、高精細化のための光路変調手段の好適な構成を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の構成図である。
【図２】  偏光ビームスプリッタにおける偏光面の変化を模式的に示した図である。
【図３】  入射角によって異なる偏光方向を有することを説明するための図である。
【図４】  光路変調手段の構成と作用を説明する図である（偏光変調素子がｏｎの場合）。
【図５】  光路変調手段の構成と作用を説明する図である（偏光変調素子がｏｆｆの場合）。
【図６】  本来表示されるべき画像の模式図である。
【図７】  偏光方向に分布を持つ光により、隣接する画素のデータが影響した場合の模式図である。
【図８】  本発明の実施例２の構成図である。
【図９】  本発明の実施例３の構成図である。
【図１０】  本発明の実施例４の構成図である。
【図１１】  本発明の実施例５の構成図である。
【図１２】  可変分光手段の構成を説明するための図である。
【図１３】  本発明の実施例６の構成図である。
【図１４】  実施例６の作用を説明するための図である。
【図１５】  実施例６の作用を説明するための図である。
【図１６】  実施例６における光路変調手段の別の構成である（実効屈折率が液晶の常光に対する屈折率の場合）。
【図１７】  実施例６における光路変調手段の別の構成である（実効屈折率が液晶の異常光に対する屈折率の場合）。
【図１８】  実施例６における光路変調手段を変形した別の構成である（実効屈折率が液晶の常光に対する屈折率の場合）。
【図１９】  実施例６における光路変調手段を変形した別の構成である（実効屈折率が液晶の異常光に対する屈折率の場合）。
【図２０】  図１８に示した光路変調手段の別の構成であり、両側の基板に鋸歯状構造を形成した例である。
【図２１】  図１８に示した光路変調手段をさらに改良した構成である。
【図２２】  図１８の光路変調手段に強誘電性液晶を使用した場合の構成である。
【図２３】  従来の技術による画像投射装置の構成図である。
【符号の説明】
１０１…光源、１０３…インテグレータ光学系、１０４…偏光ビームスプリッタ、１０５…画像表示素子、１０６…偏光変調素子、１０７…光路変更光学素子（複屈折板）、１０８…投射レンズ、１０９…フィールドレンズ、１１０…１／４波長板、１１１，１１２，１１３…プリズム、１１４…色合成用のクロスダイクロイックプリズム、１１５ａ，１１５ｂ…色分解用のダイクロイックミラー、１１６…ミラー、１１７…光路長調整用のリレーレンズ、１１８…可変分光手段（回転色フィルタ）、１１９…コリメートレンズ、１２０…偏光手段、１２１，１３０…光路変調手段、１２１ａ，１２１ｂ…基板、１２１ｃ…材料、１２１ｄ…鋸歯状の構造。
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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