(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液晶ライトバルブの入射側に設置され、照明光学系から前記液晶ライトバルブに照射される光のうち、第１の直線偏光光を透過する第１の偏光板と、
前記液晶ライトバルブの出射側に設置され、前記液晶ライトバルブから投射光学系に出力される映像光のうち、前記第１の直線偏光光と異なる第２の直線偏光光を透過する第２の偏光板とを備え、
前記第２の偏光板は、前記液晶ライトバルブ側に凹面形状をなし、
前記液晶ライトバルブと前記第２の偏光板との間には、前記第１の直線偏光光と異なる第２の直線偏光光を透過し、入射面が平坦な偏光板を備えていることを特徴とする偏光光学系。
【請求項２】
前記第２の偏光板の凹面形状は、前記液晶ライトバルブから前記第２の偏光板との光学距離を半径とする球面であることを特徴とする請求項１に記載の偏光光学系。
【請求項３】
前記液晶ライトバルブの出射端の長軸方向の長さをｘ１、
前記液晶ライトバルブの出射端から前記第２の偏光板までの距離をｄ１、
前記液晶ライトバルブからの有効発散角をβ、とすると、
ｄ１≦Ｒ１≦ｄ１＋（ｘ１／２）／ｔａｎβ ・・・式４
前記第２の偏光板の凹面形状は、式４で示される範囲のＲ１を半径とする球面であることを特徴とする請求項１に記載の偏光光学系。
【請求項４】
前記第２の偏光板は、前記凹面形状を有する透過板の面に偏光フィルムを貼付したものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の偏光光学系。
【請求項５】
前記第２の偏光板は、前記凹面形状を有する凹レンズの面に偏光フィルムを貼付したものであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の偏光光学系。
【請求項６】
前記第２の直線偏光光は、前記第１の直線偏光光に対して偏光軸が９０度異なることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の偏光光学系。
【請求項７】
前記第１の偏光板と前記液晶ライトバルブとの間には、前記液晶ライトバルブにより発生する偏光光の位相差を補償する光学補償板を備えていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の偏光光学系。
【請求項８】
前記液晶ライトバルブと前記第２の偏光板との間には、前記液晶ライトバルブにより発生する偏光光の位相差を補償する光学補償板を備えていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の偏光光学系。
【請求項９】
前記液晶ライトバルブは反射型ライトバルブであり、
前記第１の偏光板と前記反射型液晶ライトバルブとの間に配置され、前記第１の直線偏光光を透過し、前記反射型液晶ライトバルブから出力された映像光を反射する反射型偏光板を有し、
前記第２の偏光板は、前記反射型偏光板の後段に配置されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の偏光光学系。
【請求項１０】
前記反射型偏光板と前記反射型液晶ライトバルブの間に
前記反射型液晶ライトバルブにより発生する偏光光の位相差を補償する光学補償板を備えていることを特徴とする請求項９に記載の偏光光学系。
【請求項１１】
液晶ライトバルブと、
前記液晶ライトバルブに照射させるための光線を発する光源と、
前記光源から発せられた光線を前記液晶ライトバルブに照射する照明光学系と、
前記液晶ライトバルブから出力された映像光をスクリーンに投射する投射光学系と、
前記液晶ライトバルブの入射側に配置された前記第１の偏光板と、前記液晶ライトバルブの出射側に配置された前記第２の偏光板とを有する請求項１ないし１０のいずれかに記載の偏光光学系と、
を備えてなる投射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光光学系およびそれを用いた投射型液晶表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の投射型液晶表示装置では、遮光時における液晶ライトバルブの中心位置に入射する光束の光透過率を小さくすることにより、コントラストの向上を図っていた。しかし、液晶ライトバルブの周辺光を利用する場合には遮光性能が低下して、コントラストが低下するという問題があった。
【０００３】
そこで、液晶ライトバルブの入射側に配置された第１の直線偏光光を透過する第１の偏光板と、液晶ライトバルブの出射側に配置され、第１の直線偏光光と偏光軸が異なる第２の直線偏光光を透過する平板状の第２の偏光板からなる偏光光学系を備え、液晶ライトバルブの周辺光の遮光性能を向上させた液晶表示装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、上記特許文献１では、さらに第１または第２の偏光板の偏光軸を回転軸として所定角度傾けて設置した位相差フィルムとを備え、第２の偏光板の偏光軸と液晶ライトバルブの液晶分子のプレチルト角との角度差を補正することで、液晶ライトバルブで変調されずに透過した光を第２の偏光板で効率よく吸収する構成が提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−４２３１４号公報（段落００２２、第５図、第２８図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、液晶ライトバルブからは光軸を中心として角度分布を有する光束が出射される。したがって、上記のように平板状の偏光板や傾けて設けた位相差フィルムを使用しても、液晶ライトバルブで変調されずに出射した光のうち、所定の角度をもって入射してくる光束の一部に対しては液晶ライトバルブ出射側の偏光板にて吸収しきれず、コントラストの低下を招くという問題があった。
【０００６】
本発明は、上述のような問題を解消するためになされたもので、液晶ライトバルブを用いる投射型液晶表示装置において、液晶ライトバルブで変調されなかった出射光を効率よく吸収し、高いコントラストが得られる投射型液晶表示装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明における偏光光学系では、液晶ライトバルブの入射側に設置され、照明光学系から前記液晶ライトバルブに照射される光のうち、第１の直線偏光光を透過する第１の偏光板と、前記液晶ライトバルブの出射側に設置され、前記液晶ライトバルブから投射光学系に出力される映像光のうち、前記第１の直線偏光光と異なる第２の直線偏光光を透過する第２の偏光板とを備え、前記第２の偏光板は、前記液晶ライトバルブ側に凹面形状をなしている。そして、前記液晶ライトバルブと前記第２の偏光板との間には、前記第１の直線偏光光と異なる第２の直線偏光光を透過し、入射面が平坦な偏光板を備えている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、液晶ライトバルブの出射側に凹面形状の偏光板を配置したので、液晶ライトバルブで変調されなかった光を効率よく吸収し、コントラストが向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、本実施の形態１にかかる偏光光学系、およびその偏光光学系を用いた投射型液晶表示装置の構成図である。図において、投射型液晶表示装置１は、液晶ライトバルブ２と、液晶ライトバルブ２に光を照射するための光源３と、光源３から液晶ライトバルブ２に至る光路上に配置されたインテグレータ光学系４と、インテグレータ光学系４の後段に配置された集光レンズ５ａと、集光レンズ５ａの後段に配置されたフィールドレンズ５ｂとを備えている。そして、偏光光学系は、フィールドレンズ５ｂから出射された光のうち、特定の直線偏光光（例えば、ｓ偏光光）を透過する平板状の入射側偏光板（第１の偏光板７）と、液晶ライトバルブ２から出射された光のうち第１の偏光板７と９０度偏光軸が異なる直線偏光光（ｐ偏光光）を透過する出射側偏光板８と、液晶ライトバルブの出射面に対して凹面形状（液晶ライトバルブ２の出射端を中心として光学距離を半径とする球面に相当）をなし、第１の偏光板７と９０度偏光軸が異なる直線偏光光（ｐ偏光光）を透過する偏光フィルム付レンズ（第２の偏光板９Ｌ）を有する。
尚、投射型液晶表示装置１は、第２の偏光板９Ｌの後段に配置される投射光学系１０と、投射光学系１０の後段に配置されるスクリーン（図示せず）とを更に備える。また、図１には、１色の光の光路に関する構成を示しているが、赤、緑、青の各色について構成２〜９Ｌを備え、光合成素子（図示せず）によって各色の画像光を合成してから投射光学系１０によってスクリーンに投射させるようにしてもよい。
【００１０】
つぎに、各構成の説明を行う。なお、はじめは説明を簡略化するために偏光光学系以外の部分について説明する。
光源３は、ここでは固体光源の一つであるＬＥＤを一例として挙げているが、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、無電極放電ランプおよびレーザでも構わない。ただし、光源３から出射される光を略並行とすることが好ましく、ＬＥＤの場合は、コリメータレンズ、ランプの場合は、放物面鏡を用いる等工夫が必要である。
【００１１】
インテグレータ光学系４の第１のレンズアレイ４ａおよび第２のレンズアレイ４ｂはそれぞれ、ｘ軸方向に長辺をもち、ｙ軸方向に短辺をもつ長方形の凸レンズ（レンズセル又はセルとも言う）を、複数行複数列（マトリクス状）に配置した構成を有している。第１のレンズアレイ４ａの複数の凸レンズと第２のレンズアレイ４ｂの複数の凸レンズとは、それぞれ対応しており、対応する凸レンズ同士、ｚ軸方向（光軸Ｃ１方向）に対向配置されている。
ここで、インテグレータ光学系としてレンズアレイを一例としたが、柱状光学素子（ロッドインテグレータ）を用いても構わない。ただし、その場合は、柱状光学素子に光束を集光するためにＬＥＤ等の固体光源の場合、光源３の後段に集光レンズ群を配置する、あるいは光源３の直後に柱状光学素子を配置する等工夫が必要である。また、ランプの場合は、楕円ランプを用いるあるいは、放物面ランプの後段に集光レンズを配置する等工夫が必要である。
【００１２】
集光レンズ５ａは、インテグレータ光学系４より出射された分割光束を液晶ライトバルブ２に重畳させる。これにより、光源３から出射された光は、光軸Ｃ１に垂直な断面方向の照度分布は液晶ライトバルブ２上で均一化される。つまり、インテグレータ光学系４と、集光レンズ５ａと、フィールドレンズ５ｂとは、光源３からの光を所定の照度分布の光に変換するための照明光学系を構成する。
【００１３】
液晶ライトバルブ２は、例えば、透過型液晶ライトバルブである。また、液晶ライトバルブ２は、投射する画像光の各画素に対応する液晶表示素子を多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作させることで、入射された光を基に画像光を出射する。出射された画像光は、投射光学系１０により拡大され、スクリーンに映し出される。
【００１４】
つぎに、偏光光学系について説明するが、ここでも本実施の形態１にかかる偏光光学系の説明の前に、従来の偏光光学系と共通する部分について図２〜図４を用いて説明する。
図２は第１の偏光板７、液晶ライトバルブ２、出射側偏光板８の作用を説明する図である。ここで、第１の偏光板７の前段および出射側偏光板８の後段は便宜上省略する。図２（ａ）に第１の偏光板７に直線偏光光ではないランダム偏光光が入射する場合、図示を省略した後段の投射光学系１０に光束が到達する場合の光線の軌跡２０と、到達しない場合の光線の軌跡２１を示す。図２（ｂ）に、第１の偏光板７および出射側偏光板８の光学軸（吸収軸）の一例（矢印が光学軸を示す。）を示す。第１の偏光板７がｓ偏光光を透過する場合、出射側偏光板８は第１の偏光板７と光学軸（吸収軸）が９０度異なるため、ｓ偏光光を吸収する。つまり、第１の偏光板７を通過した光のうち、液晶ライトバルブ２が偏光軸を９０度回転させた（ｐ偏光光となる）場合のみ、投射光学系１０に光束が到達することとなる。変調されずに出射したｓ偏光光は、出射側偏光板８にて吸収され投射光学系１０に光束は到達しないこととなる。ただし、ｓ偏光光が角度を有して出射側偏光板８に入射した場合、角度を有するｓ偏光光の偏光軸は、出射側偏光板８の光学軸（吸収軸）に対して角度を有するため、吸収できない場合がある。後段で詳細を述べる。
【００１５】
ここで、第１の偏光板７がｓ偏光光を透過する場合を述べたが、ｐ偏光光透過とし、第２の偏光板９Ｌをｓ偏光光透過（出射側偏光板８を有する場合は出射側偏光板８もｓ偏光光透過する）としても構わない。また、コントラストを向上させるために、第１の偏光板７と液晶ライトバルブ２の間あるいは、液晶ライトバルブ２と出射側偏光板８の間に特許文献１の段落００２１に示されているような光学補償板を配置することが好ましい。光学補償板は、液晶ライトバルブ２により発生する位相差を補償する作用を有しているため、コントラストの向上には欠かせない部材となる。ただし、特許文献１の段落００２１に示されているように光学補償板を必ずしも傾ける必要はない。
【００１６】
図３は、液晶ライトバルブ２から出射側偏光板８へ入射する光の角度成分を説明する図であり、図３（ａ）はｚ軸方向から見た場合、図３（ｂ）はｙ軸方向から見た場合を示す。図において、光３０は、出射側偏光板８の光学軸（吸収軸）と平行する偏光軸を有するｓ偏光光であり（第１の偏光板７を通過した後、液晶ライトバルブで変調されずに出射した光に相当）、ｘｙ面内において角度α０（方位角）、かつｚｘ平面内において角度α１（ｚｙ平面で見た場合の入射角）で入射した場合を示している。ここで、幾何光学的に方位角α０が０度または９０度（１８０度ずれを含む）近傍の場合、つまり、入射光が光学軸（吸収軸）に対して水平方向あるいは垂直方向のどちらか一方の方位から入射する場合、ｘｙｚ空間においてｓ偏光光の偏光軸をｘｙ平面に射影すると、出射側偏光板８の光学軸（吸収軸）と概ね平行となるため、出射側偏光板８の吸収特性は良く、ほとんど変化しない。ここで、光３０の偏光軸をｘｙ平面に射影した場合、出射側偏光板８の光学軸（吸収軸）に対して、０度または９０度（１８０度ずれを含む）以外の角度を有する。つまり光３０の偏光軸は吸収軸と平行とならないため、一部の光が出射側偏光板８を透過する。
【００１７】
したがって、光３０の偏光軸は、方位角および入射角（極角）の両方に依存して変化するため、入射光の方位角が所定範囲（０度から９０度の範囲を単位として４５度に近づく角度）にある場合は、入射角（極角）が大きくなるほど吸収率が低下することになる。
【００１８】
ここで、図４に出射側偏光板８に入射する光線の方位角α０が１５度（曲線３３で７５度と同じ）、３０度（曲線３２で６０度と同じ）、４５度（曲線３１）のときに、入射角（極角）α１を、０、５、１０、１５、２０度と変化させた場合の光線の吸収率を示す。縦軸は吸収率を示し、横軸は入射角（極角）α１を示す。なお、α０が０度および９０度の場合は、上述したように吸収率が１００％のため図示していない。また、吸収特性は、０度から９０度の範囲を単位として周期的に変化し、０〜９０、９０〜１８０、１８０〜２７０、２７０〜３６０での吸収特性は等しいため、０〜９０度に対してのみ図示した。一般的な、偏光板の透過率の一例を示すと、入射角が０度の光線に対してｐ偏光光（有効な光線）の透過率は８６％であり、ｓ偏光光（不要光）の透過率は０．０２％（吸収率９９．９８％）である。つまり、コントラスト値を示す最大輝度の透過率と遮光時の透過率の比は８６対０．０２＝４３００となる。一方、図４において、方位角が４５度の場合（曲線３１）に入射角が２０度近くまで増大すると吸収率は９９．９４％まで低下する。この場合の透過率の増加は０．０６％程度であるが、コントラスト値としては概ね８６対（０．０２＋０．０６）＝１０７５となり、コントラストは４分の１程度に低下することになる。
【００１９】
ここで、一般的に液晶ライトバルブ２付近に出射側偏光板８は配置される。従って、照明光学系のＦナンバー（液晶ライトバルブ２に照射される光束の有効入射角度）の入射角度を有した光束が出射側偏光板８に入射することとなる。本発明の投射型液晶表示装置１では、照明光学系のＦナンバーがＦ１．８より大きい場合を想定しており、Ｆ１．８の有効角度は約１６度付近である。図より、曲線３１において、入射角α１が１６度の場合、吸収率は９９．９６％、つまり０．０４％の光が透過するので、コントラスト値としては概ね８６対（０．０２＋０．０４）＝１４３０と３分の１程度に低下することとなる。
【００２０】
つぎに、本発明の特徴となる第２の偏光板９Ｌについて図５を用いて説明する。図５は、液晶ライトバルブ２と出射側偏光板８、および第２の偏光板９Ｌとの関係を示すものである。液晶ライトバルブ２の出射面の中心からの光束は、出射側偏光板８の入射面内においては、その位置に対応した方位角で入射することになる。したがって、出射側偏光板８の入射面内における中心から一定以上の距離の部分では、光学軸（吸収軸）の垂直または水平に対して４５度の位置を頂点としてｓ偏光光の吸収率が低下する部分ができる。図５では、出射側偏光板８で吸収できずに透過した不要光であるｓ偏光光３４、３５を第２の偏光板９Ｌが吸収して、投射光学系１０に到達させないことによりコントラストの向上が可能となる様子を示している。図において、液晶ライトバルブ２から出射された光束は、光軸Ｃ１を中心に放射状に広がるので角度分布を有しているが、第２の偏光板９Ｌに入射する角度が垂直となるように液晶ライトバルブ２からの入射面９Ｌｆ（厳密には光学軸（吸収軸）が形成されている面）の面形状を決定することにより、コントラスト特性を向上させることが可能となる。ここで、光線３３は、液晶ライトバルブ２を出射した光束の主光線を示し、入射角が０度に近いため出射側偏光板８で吸収される。光線３４および光線３５は、周辺光であり角度を有して液晶ライトバルブ２を出射するため、出射側偏光板８の入射面内において所定の方位角と入射角（極角）を持った光束の一部が透過することになる。しかし、第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆに対して、光線３４および光線３５が概ね垂直であるため、第２の偏光板９Ｌへの入射角度が小さくなるので、吸収特性が向上し、結果としてコントラストを向上させることが可能となる。
【００２１】
一般的に、光源３から液晶ライトバルブ２までの照明光学系は、液晶ライトバルブ２の中心位置が最も光の強度が強い。従って、第２の偏光板９Ｌの光学軸（吸収軸）が形成されている面の最適な形状（本実施の形態１では実質的に入射面９Ｌｆの面形状）は、図６に示すように液晶ライトバルブ２から第２の偏光板９Ｌまでの間隔を曲率半径とした球面となる。図６は、液晶ライトバルブ２と出射側偏光板８および第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆのｘ方向における中心部のｙｚ平面内での断面形状および液晶ライトバルブ２の中心位置からの出射光を示している。図において、出射光を示す矢印４１、４２、４３の距離はそれぞれ等しく、第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆの凹形状の曲率半径となっている。従って、出射光４１、４２、４３は、入射面９Ｌｆに対し垂直に入射することになり、出射側偏光板８と異なり、入射面９Ｌｆ内の位置によって入射角や方位角が変化することがなく、安定してｓ偏光光を吸収することができる。但し、出射側偏光板８を設けた場合、出射側偏光板８の影響で光路長、つまり光学距離が変化するため、液晶ライトバルブ２から第２の偏光板９Ｌまでの距離をｄ１、出射側偏光板８の厚みをｔ１、屈折率をｎ１とした場合、第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆの曲率半径Ｒ１（＝光学距離）は式１となる。しかし、一般的に偏光板の厚みは０．５ｍｍ程度であり、無視できるレベルである。ただし、照明光学系の出射側偏光板８への入射角度強度特性より、第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆの最適形状（曲率半径）を決定するようにしても構わない。
Ｒ１＝ｄ１＋ｔ１×（（１／ｎ１）−１）      ・・・式１
【００２２】
ただし、液晶ライトバルブ２の出射端（面）のサイズおよび液晶ライトバルブ２から第２の偏光板９Ｌまでの距離ｄ１の関係により、曲率半径Ｒ１が小さくなり、式１が構造上成立しない場合が存在する。また、後述するように液晶ライトバルブ２の出射端の周縁部（面内における端部）から出射する光については、式１で得られる曲率半径Ｒ１より大きな曲率半径の方が好ましい場合がある。そこで、液晶ライトバルブ２の出射面のサイズを考慮して、液晶ライトバルブ２で変調されなかった光を効率よく吸収できる曲率半径Ｒ１の上限範囲を次のようにして算出した。簡単のため、出射側偏光板８を除いた場合を示す。
【００２３】
図７に液晶ライトバルブ２の出射端のサイズおよび液晶ライトバルブ２の光軸Ｃ１からｘ方向に最も離れた位置の光線の軌跡を示す。液晶ライトバルブ２の長軸方向（ｘ方向）の長さをｘ１、液晶ライトバルブ２の出射端から第２の偏光板９Ｌまでの距離をｄ１、液晶ライトバルブ２からの有効発散角（照明光学系のＦナンバーにより決定される）をβとする。ここで、矢印４４は液晶ライトバルブ２の光軸Ｃ１からｘ方向に最も離れた位置（ｘ軸での周縁部）から出射される主光線を示し、矢印４５は有効発散光（周辺光）を示す。図７の場合、矢印４５で示される光線が光軸Ｃ１から出射したものと仮定すると、仮定した出射源から液晶ライトバルブ２の出射端までの距離ｄ０は式２で表すことができる。したがって、液晶ライトバルブ２の出射端の周縁部からの光線にとって最適な第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆの曲率半径Ｒ１ｘは、式３となる。
ｄ０＝（ｘ１／２）／ｔａｎβ        ・・・式２
Ｒ１ｘ＝ｄ０＋ｄ１                  ・・・式３
【００２４】
従って、第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆの曲率半径Ｒ１を式４の範囲内に設定すれば、液晶ライトバルブ２で変調されなかった光を効率よく吸収する効果が得られる。
ｄ１≦Ｒ１≦ｄ１＋（ｘ１／２）／ｔａｎβ      ・・・式４
ただし、上述したように液晶ライトバルブ２の出射端の面内では、中心位置の光が最も光強度が強いので、曲率半径Ｒ１は周縁部からの光に適したｄ１＋（ｘ１／２）／ｔａｎβよりも中心部からの光に適したｄ１に近いほうが、吸収率が高くなる傾向にある。
【００２５】
また式４では、簡単のため出射側偏光板８については考慮していないが、出射側偏光板８の厚み及び屈折率を考慮した場合、式４の左辺と右辺にｔ１×（（１／ｎ１）−１）を加えることとなる。
【００２６】
なお、本実施の形態１においては、第２の偏光板９Ｌの凹レンズに偏光フィルムを貼付することで形成したため、投射光学系１０の結像性能に影響を及ぼす、つまり、偏光光学系も投射光学系の機能の一部を担うことになる。そのため、上述した入射面９Ｌｆの曲率半径を有する第２の偏光板９Ｌの光学特性を考慮に入れて、投射光学系１０を設計する必要がある。また、第２の偏光板９Ｓとして薄い凹面形状の透過板を用いてもよいが、その場合でも光学特性に影響を及ぼすので、第２の偏光板９Ｓの光学特性を考慮に入れて、投射光学系１０を設計する必要がある。
【００２７】
ここで、偏光機能を有する部分が凹面形状の第２の偏光板９Ｌまたは９Ｓの構成及び製造方法について説明する。図８は第２の偏光板９Ｓの構成及び製造方法を示したもので、図８（ａ）は第２の偏光板９Ｓの平面図（ｚ方向で見た場合）、図８（ｂ）は図８（ａ）のｂ−ｂ線における切断断面図であり、図８（ｃ）、図８（ｄ）は製造工程中の切断断面図を示す。図８（ａ）、（ｂ）において、第２の偏光板９Ｓの入射面９Ｓｆは、液晶ライトバルブ２の中心からの距離を曲率半径Ｒ１とする球面をなし、その表面には一方向に光学軸（吸収軸）を有する偏光フィルムが貼付されており、入射面９Ｓｆには地球儀の緯線のように光学軸（吸収軸）が並んでいる。
【００２８】
つぎに、製造方法について説明する。図８（ｃ）に示すように透明材料からなり、表面９１ｓが半径Ｒ１（厳密には偏光フィルム９０の厚みを除いた値）の球面（凹面形状）で厚みが一定の透過板９１に偏光フィルム９０を貼付する。はじめに透過板９１のエッジ部９１ｅ部分に偏光フィルム９０を密着させた状態で、表面９１ｓに対応した表面９２ｓが凸形状の型９２を押し当てる。すると、図８（ｄ）に示すように偏光フィルム９０のうち、エッジ部９１ｅより内側の部分は型９２の表面９２ｓの形に沿って引き延ばされながら透過板９１の表面９１ｓに押し付けられ、熱処理を施すことにより透過板９１と密着する。型９２をはずした後、偏光フィルム９０のエッジ部９１ｅより外側の部分を切り取れば、図８（ａ）、（ｂ）に示す第２の偏光板９Ｓが完成する。なお、透過板９１の表面９１ｓと偏光フィルム９０の密着性を向上させるために真空中で貼付するようにしてもよい。この場合、型９２の代わりに空気圧等により偏光フィルム９０を透過板９１の表面９１ｓに押し付けるようにすれば、偏光フィルム９０をより均等に引き延ばすことができる。なお、ここでは、透過板９１を用いた場合について説明したが、凹レンズを用いた場合にも同様に製造することができる。
【００２９】
以上のように、本実施の形態１にかかる偏光光学系によれば、液晶ライトバルブ２の入射側に設置され、照明光学系（４、５ａ、５ｂ）から液晶ライトバルブ２に照射される光のうち、第１の直線偏光光（ｓ偏光光）を透過する第１の偏光板７と、液晶ライトバルブ２の出射側に設置され、液晶ライトバルブ２から投射光学系１０に出力される映像光のうち、第１の直線偏光光（ｓ偏光光）と異なる第２の直線偏光光（ｐ偏光光）を透過する第２の偏光板９Ｌ（または９Ｓ）とを備え、第２の偏光板（９Ｌまたは９Ｓ）は、液晶ライトバルブ２に対して入射面（９Ｌｆまたは９Ｓｆ）が凹面形状をなすように構成したので、液晶ライトバルブ２から角度を持って出力された光は凹面形状の入射面（９Ｌｆまたは９Ｓｆ）となす角度が小さくなり、液晶ライトバルブ２で変調されなかった光を効率よく吸収することができ、コントラストが向上する。
【００３０】
とくに、第２の偏光板（９Ｌまたは９Ｓ）の入射面（９Ｌｆまたは９Ｓｆ）の凹面形状は、液晶ライトバルブ２から第２の偏光板（９Ｌまたは９Ｓ）との光学距離（式１のＲ１）を半径とする球面になるように構成したので、液晶ライトバルブ２の中心から出射した光は入射面（９Ｌｆまたは９Ｓｆ）のどの位置においても垂直に入射するので、液晶ライトバルブ２で変調されなかった光を効率よく吸収することができ、コントラストが向上する。
【００３１】
あるいは、液晶ライトバルブ２の出射端の長軸方向（ｘ方向）の長さをｘ１、液晶ライトバルブ２の出射端から第２の偏光板９Ｌまでの距離をｄ１、液晶ライトバルブ２からの有効発散角をβとし、第２の偏光板９Ｌの入射面９Ｌｆの曲率半径Ｒ１を式４の範囲内に設定するように構成すれば、液晶ライトバルブ２で変調されなかった光を効率よく吸収する効果が得られる。
ｄ１≦Ｒ１≦ｄ１＋（ｘ１／２）／ｔａｎβ      ・・・式４
【００３２】
また、第２の偏光板９Ｓまたは９Ｌは、凹面形状を有する透過板９１または凹レンズの表面９１ｓに偏光フィルム９０を貼付して構成したので、容易に製作することができる。
【００３３】
さらに、液晶ライトバルブ２と第２の偏光板（９Ｌまたは９Ｓ）との間には、第１の偏光光（ｓ偏光光）と異なる第２の偏光光（ｐ偏光光）を透過し、入射面が平坦な出射側偏光板８を備えるように構成したので、さらに効率的に液晶ライトバルブ２で変調されなかった光を効率よく吸収することができ、コントラストが向上する。
【００３４】
とくに、第２の直線偏光光（ｐ偏光光）は、第１の直線偏光光（ｓ偏光光）に対して偏光軸が９０度異なるようにしたので、液晶ライトバルブ２で変調されなかった光を確実に吸収することができ、コントラストが向上する。
【００３５】
また、第１の偏光板７と液晶ライトバルブ２との間、または、液晶ライトバルブ２と第２の偏光板８との間には、液晶ライトバルブ２により発生する偏光光の位相差を補償する光学補償板を備えることにより、よりコントラストを向上させることができる。
【００３６】
また、本実施の形態１にかかる投射型液晶表示装置によれば、液晶ライトバルブ２と、液晶ライトバルブ２に照射させるための光線を発する光源３と、光源３から発せられた光線を液晶ライトバルブ２に照射する照明光学系（４、５ａ、５ｂ）と、液晶ライトバルブ２から出力された映像光をスクリーンに投射する投射光学系１０と、液晶ライトバルブ２の入射側に配置された第１の偏光板７と、液晶ライトバルブ２の出射側に配置された第２の偏光板（９Ｌまたは９Ｓ）とを有する上記偏光光学系と、を備えたので、コントラストの高い映像を表示することができる。
【００３７】
なお、本実施の形態１においては、第２の偏光板９Ｓまたは９Ｌの入射側の面に、光学軸（吸収軸）を有する凹面形状の入射面９Ｓｆまたは９Ｌｆを形成したが、凸面形状（液晶ライトバルブ２から出射面までの光学距離を半径とする球面）の出射側に偏光フィルム９０を貼付して、偏光機能を有する凹面形状の入射面を出射側の面に形成するようにしてもよい。また、液晶ライトバルブ２の入射側に設けた第１の偏光板７における出射側の面を凹面形状に、あるいは入射側の面を凸面形状としてもよく、その場合も球面の半径は液晶ライトバルブ２の入射面までの光学距離を半径とすればよい。
【００３８】
実施の形態２．
図９は、本実施の形態２に係る偏光光学系およびその偏光光学系を用いた投射型液晶表示装置の構成図である。図において、投射型液晶表示装置１０１は、反射型液晶ライトバルブ１０２と、反射型液晶ライトバルブ１０２に光を照射するための光源３と、光源３から反射型液晶ライトバルブ１０２に至る光路上に配置された集光レンズ群１０５と、集光レンズ群１０５の後段に配置された柱状光学素子１０４と、柱状光学素子１０４の後段に配置された４枚構成のリレーレンズ群６ａ〜６ｄとを備えている。そして、偏光光学系は、リレーレンズ６ｃと投射光学系１０との間に配置され、反射型液晶ライトバルブ１０２に照射される光のうち、特定の直線偏光光（例えば、ｐ偏光光）を透過する平板状の入射側偏光板（第１の偏光板１０７）と、第１の偏光板１０７と反射型液晶ライトバルブ１０２との間に光軸Ｃ１に対して４５度の傾きで配置され、ｐ偏光光を透過し、反射型ライトバルブ１０２から出力された映像光を光軸Ｃ１に対して垂直方向の光軸Ｃ２に向けて反射する反射型偏光板１１と、光軸Ｃ２上で反射型偏光板１１の後段に配置され、反射型液晶ライトバルブ１０２から出射された光のうち第１の偏光板１０７の光学軸（吸収軸）と偏光軸が平行な直線偏光光（ｓ偏光光）を透過する出射側偏光板１０８と、入射面１０９Ｌｆが凹面形状（反射型液晶ライトバルブ１０２の出射端を中心とし、光学距離を半径とする球面に相当）をなし、第１の偏光板１０７の光学軸（吸収軸）と偏光軸が平行な直線偏光光（ｓ偏光光）を透過する偏光フィルム付レンズ（第２の偏光板１０９Ｌ）を有する。
尚、本実施の形態２においても、実施の形態１と同様に、投射型液晶表示装置１０１は、第２の偏光板１０９Ｌの後段に配置される投射光学系１０と、投射光学系１０の後段に配置されるスクリーン（図示せず）とを更に備える。また、図９には、１色の光の光路に関する構成を示しているが、赤、緑、青の各色について投射光学系１０以外の各構成を備え、光合成素子（図示せず）によって各色の画像光を合成してから投射光学系１０によってスクリーンに投射させるようにしてもよい。
【００３９】
つぎに、各構成について説明する。なお、第１の実施の形態と共通する部分については説明を省略する。
光源３は、ここでは固体光源の一つであるＬＥＤを一例として挙げているが、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、無電極放電ランプおよびレーザでも構わない。ただし、光源３から出射される光を柱状光学素子１０４に集光する必要がある。
【００４０】
集光レンズ群１０５は、ここでは４枚構成としているが、柱状光学素子１０４に集光できるのであれば何枚構成でも構わない。ただし、ＬＥＤのような光の発散角が大きい光源を用いる場合は、１枚目を非球面レンズとすることにより、柱状光学素子１０４への集光効率を向上させることが可能となる。また、非球面レンズを用いる場合は、光源３から発せられる熱の影響を考慮し、ガラスを用いることが好ましい。プラスチックレンズを用いた場合は、レンズの界面反射を低減するマルチコーティングの剥れが熱により生じるおそれがあるからである。
【００４１】
柱状光学素子１０４は、集光レンズ群１０５を通過した光の、光断面内（すなわち、光軸Ｃ１上を進む中心光に垂直な平面内）における光強度分布を均一化する（すなわち、照度むらを低減する）機能を有する。柱状光学素子１０４としては、一般的にガラス又は樹脂等の透明材料で作られ、側壁内側が全反射面となるように構成された例えば、四角柱状のロッド（すなわち、断面形状が四辺形の柱状部材）、又は、光反射面を内側にして筒状に組み合わされ、断面形状が四辺形のパイプ（管状部材）がある。柱状光学素子１０４が四角柱状ロッドである場合には、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に出射端（出射口）から出射させる。柱状光学素子１０４が四辺形のパイプである場合には、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に、出射口から出射させる。柱状光学素子１０４は、光の進行方向に適当な長さを確保すれば、内側で複数回反射した光が柱状光学素子１０４の出射端の近傍に重畳照射され、柱状光学素子１０４の出射端近傍においては、略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する出射端を、リレーレンズ群６ａ〜ｄによって反射型液晶ライトバルブ１０２へと導く。
【００４２】
リレーレンズ群６ａ〜ｄは、４枚構成からなっているが、反射型液晶ライトバルブ１０２に入射する主光線が光軸Ｃ１と略並行光となればよく、３枚構成でも構わない。つまり、照明光学系（柱状光学素子１０４と、集光レンズ群１０５と、リレーレンズ群６ａ〜６ｄ）をテレセントリック光学系とすればよい。また、リレーレンズ６ｃと６ｄの間に第１の偏光板１０７を有するが、第１の偏光板１０７も入射角度依存性があるため、できる限りリレーレンズ群６ａ〜ｄ内において略並行光成分が多い位置に配置することが好ましい。
【００４３】
反射型液晶ライトバルブ１０２は、投射する画像光の各画素に対応する液晶表示素子を多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作させることで、入射された光を基に画像光を出射する。
【００４４】
つぎに、偏光光学系について説明する。
図１０は、第１の偏光板１０７、反射型偏光板１１、反射型液晶ライトバルブ１０２、出射側偏光板１０８の作用を説明する図である。ここでは、第１の偏光板１０７の前段、および出射側偏光板１０８の後段は便宜上省略している。図１０（ａ）に第１の偏光板１０７にランダム偏光光が入射する場合、投射光学系１０に光束が到達する場合の光線の軌跡６０と、到達しない場合の光線の軌跡６１を示す。図１０（ｂ）に第１の偏光板１０７の光学軸（吸収軸）、図１０（ｃ）に出射側偏光板１０８の光学軸（吸収軸）の一例（矢印が光学軸を示す。）を示す。第１の偏光板１０７がｐ偏光光を透過する場合、反射型液晶ライトバルブ１０２にはｐ偏光光が到達する。到達したｐ偏光光のうち、反射型液晶ライトバルブ１０２内で偏光軸が回転されて出力された光６０（ｓ偏光光であって有効な映像光となるもの）は、反射型偏光板１１で反射され、光軸Ｃ１に対して垂直な光軸Ｃ２に沿って（図中下向き）進み、ｓ偏光光を透過する出射側偏光板１０８を透過して投射光学系１０に向けて出力される。一方、反射型液晶ライトバルブ１０２内で偏光軸が回転されずに出力された光６１（ｐ偏光光であって不要光となるもの）は、反射型偏光板１１を透過する。しかし、図示していないが、反射型偏光板１１でも一部のｐ偏光光を反射してしまうので、不要光６１の一部は出射側偏光板１０８に到達する。
【００４５】
出射側偏光板１０８を通過する光も実施の形態１と同様に角度分布がついているので、本実施の形態２においても一部の不要光は実施の形態１における図４と同様に、出射側偏光板１０８を透過することになる。しかし、本実施の形態２では、図９に示すように、出射側偏光板１０８の後段に第２の偏光板１０９Ｌを配置することにより、コントラストを向上させることが可能となる。その動作原理は、実施の形態１で述べたとおりである。
【００４６】
図１１に第２の偏光板１０９Ｌの作用を説明する図を示す。ここで、反射型偏光板１１より前段および第２の偏光板１０９Ｌより後段は便宜上省略した。実施の形態１と同様に、反射型液晶ライトバルブ１０２から出射された光束は、角度を有しているため、入射面１０９Ｌｆに入射する角度が垂直となるようにレンズ形状を決定することにより、コントラスト特性を向上させることが可能となる。ここで、光線７０は反射型液晶ライトバルブ１０２を出射した光束の主光線を示し、出射側偏光板１０８に吸収される。光線７１は周辺光であり角度を有して反射型液晶ライトバルブ１０２を出射するため、出射側偏光板１０８にて一部透過し、第２の偏光板１０９Ｌにて吸収されることとなる。第２の偏光板１０９Ｌの入射面１０９Ｌｆに対して、光線７１が概ね垂直であるため、偏光板を平板と見立てた場合の入射角度依存性が小さく吸収特性がよいため、結果としてコントラストを向上させることが可能となる。ここで、第１の偏光板１０７と出射側偏光板１０８、および第２の偏光板１０９Ｌの光学軸（吸収軸）は実施の形態１と９０度異なるが、吸収率に関する特性は実施の形態１と同様と考えて構わないため、実施の形態１と同様の考え方が適用できる。
【００４７】
また、本実施の形態２のように反射型ライトバルブ１０２を用いる場合でも、反射型液晶ライトバルブ１０２の中心位置が最も光の強度が強い。従って、第２の偏光板１０９Ｌの入射面１０９Ｌｆとしての最適な形状は、図１２に示すように、反射型液晶ライトバルブ１０２から第２の偏光板１０９Ｌまでの光学距離を曲率半径とした場合となる。図１２は、反射型液晶ライトバルブ１０２と出射側偏光板１０８および反射型偏光板１１、第２の偏光板１０９Ｌの入射面１０９Ｌｆを示している。また、反射型液晶ライトバルブ１０２の中心位置から出射される映像光を示す矢印８１、８２、８３の距離はそれぞれ等しく、第２の偏光板１０９Ｌの入射面１０９Ｌｆの曲率半径となっている。従って、矢印８１、８２、８３は、第２の偏光板１０９Ｌの入射位置における入射面１０９Ｌｆに対し垂直に入射し、入射面１０９Ｌｆ内のどの位置においても入射角がほぼ０度になる。但し、出射側偏光板１０８により実際の距離と光学距離（光路長）は異なるため、反射型液晶ライトバルブ１０２から反射型偏光板１１までの距離をｄ３、反射型偏光板１１から第２の偏光板１０９Ｌまでの距離をｄ４、出射側偏光板１０８の厚みをｔ２、屈折率をｎ２とした場合、第２の偏光板１０９Ｌの入射面１０９Ｌｆの曲率半径Ｒ２は式５となる。しかし、一般的に偏光板の厚みは０．５ｍｍ程度であり、無視できるレベルである。また、照明光学系の出射側偏光板１０８への入射角度強度特性より、第２の偏光板１０９Ｌの曲率の最適形状を決定しても構わない。
Ｒ２＝ｄ３＋ｄ４＋ｔ２×（（１／ｎ２）−１）      ・・・式５
【００４８】
ここでも、実施の形態１と同様に反射型液晶ライトバルブ１０２の出射端のサイズおよび反射型偏光板１１から第２の偏光板１０９Ｌまでの距離ｄ４の関係により、曲率半径Ｒ２が小さくなり、式５が構造上成立しない場合が存在する。また、周縁部（面内における端部）から出射する光についても、実施の形態１と同様に、式５で得られる曲率半径Ｒ２より大きな曲率半径の方が好ましい場合がある。そこで、本実施の形態２においても、反射型液晶ライトバルブ１０２の出射面のサイズを考慮して、反射型液晶ライトバルブ１０２で変調されなかった光を効率よく吸収できる曲率半径Ｒ２の範囲を算出した。ただし、構成として、ｙ方向が反射型ライトバルブ１０２の長軸となる点が異なる。
【００４９】
図１３に反射型液晶ライトバルブ１０２の出射端のサイズおよび反射型液晶ライトバルブ１０２の光軸Ｃ１からｙ方向に最も離れた位置の光線の軌跡を示す。反射型液晶ライトバルブ１０２の長軸（ｙ方向）の長さをｙ１、反射型液晶ライトバルブ１０２から反射型偏光板１１までの距離をｄ３、反射型偏光板１１から第２の偏光板１０９Ｌまでの距離をｄ４、反射型液晶ライトバルブ１０２からの有効発散角をγとする。ここで、矢印８４は反射型液晶ライトバルブ１０２の光軸Ｃ１からｙ方向に最も離れた位置から出射される主光線を示し、矢印８５は有効発散光（周辺光）を示す。図１３の場合、反射型偏光板１１で折れ曲がった光軸Ｃ１、Ｃ２を一本の光軸と仮定し、矢印８５で示される光線が光軸Ｃ１から出射したものと仮定すると、仮定した出射源から反射型液晶ライトバルブ１０２の出射端までの距離ｄ５は式６で表すことができる。したがって、反射型液晶ライトバルブ１０２の出射端の周縁部からの光線にとって最適な第２の偏光板１０９Ｌの入射面１０９Ｌｆの曲率半径Ｒ２ｘは、式７となる。
ｄ５＝（ｙ１／２）／ｔａｎγ        ・・・式６
Ｒ２ｘ＝ｄ５＋ｄ３＋ｄ４            ・・・式７
【００５０】
従って、第２の偏光板１０９Ｌの入射面１０９Ｌｆの曲率半径Ｒ２を式８の範囲内に設定すれば、反射型液晶ライトバルブ１０２で変調されなかった光を効率よく吸収する効果が得られる。
ｄ３＋ｄ４≦Ｒ２≦ｄ３＋ｄ４＋（ｙ１／２）／ｔａｎγ      ・・・式８
ただし、本実施の形態２でも、反射型液晶ライトバルブ１０２の出射端の面内では、中心位置の光が最も光強度が強いので、曲率半径Ｒ２は周縁部からの光に適したｄ３＋ｄ４＋（ｙ１／２）／ｔａｎγよりも中心部からの光に適したｄ３＋ｄ４に近いほうが、吸収率が高くなる傾向にある。
【００５１】
また式８では、簡単のため出射側偏光板８については考慮していないが、出射側偏光板８の厚み及び屈折率を考慮した場合、式８の左辺と右辺にｔ２×（（１／ｎ２）−１）を加えることとなる。
【００５２】
以上のように、本実施の形態２にかかる偏光光学系によれば、液晶ライトバルブに反射型ライトバルブ１０２を用い、第１の偏光板１０７と反射型液晶ライトバルブ１０２との間に配置され、第１の直線偏光光（ｐ偏光光）を透過し、反射型液晶ライトバルブ１０２から出力された映像光を反射する反射型偏光板１１を有し、第２の偏光板１０９Ｌは、反射型偏光板１１の後段に配置されるように構成したので、反射型液晶ライトバルブ１０２で変調されなかった不要光の多くが反射型偏光板１１によって投射光学系１０に達しないようにすることができるとともに、反射型液晶ライトバルブ１０２から角度を持って出力された光が入射面１０９Ｌｆとなす角度が小さくなり、反射型液晶ライトバルブ１０２で変調されなかった光を効率よく吸収することができ、コントラストが向上する。
【００５３】
なお、本実施の形態２においても、出射側偏光板１０８を省略できることはいうまでもない。また、本実施の形態２にかかる偏光光学系を用いて投射型液晶表示装置を構成しても、実施の形態１と同様にコントラストのよい映像が表示できる。
【００５４】
なお、図９において、第１の偏光板１０７の後段に位置するリレーレンズ６ｄの出射面側を凹形状とし、出射面側に第１の偏光板１０７と同一の光学軸（吸収軸）を有する偏光フィルムを貼付することにより、第２の偏光板１０９Ｌより効果は小さいものの、コントラストを向上させることも可能である。つまり、第１の偏光板１０７の後段に、光束の入射角度に対して概ね垂直の角度を有する形状をしたレンズを配置し、第１の偏光板１０７と同一の光学軸（吸収軸）を有する偏光フィルムを該レンズの出射面に貼付することにより、上記各実施の形態と同様の効果が得られる。
【００５５】
また、反射型偏光板１１と反射型液晶ライトバルブ１０２との間に、反射型液晶ライトバルブ１０２により発生する偏光光の位相差を補償する光学補償板を備えることにより、より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】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１にかかる投射型液晶表示装置の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかる偏光光学系の作用を説明するための図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかる偏光光学系の作用を説明するための図である。
【図４】偏光板に入射する光線の入射角（極角）と吸収率との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の形態１にかかる偏光光学系の構成を説明するための図である。
【図６】本発明の実施の形態１にかかる偏光光学系の構成を説明するための図である。
【図７】本発明の実施の形態１にかかる偏光光学系の構成を説明するための図である。
【図８】本発明の実施の形態１にかかる偏光板の構成及び製造方法を説明するための図である。
【図９】本発明の実施の形態２にかかる投射型液晶表示装置の構成を示す図である。
【図１０】本発明の実施の形態２にかかる偏光光学系の作用を説明するための図である。
【図１１】本発明の実施の形態２にかかる偏光光学系の構成を説明するための図である。
【図１２】本発明の実施の形態２にかかる偏光光学系の構成を説明するための図である。
【図１３】本発明の実施の形態２にかかる偏光光学系の構成を説明するための図である。
【符号の説明】
【００５７】
１、１０１  投射型液晶表示装置、  ２  液晶ライトバルブ、  ３  光源、
４  インテグレータ光学系（照明光学系）、  ５ａ  集光レンズ（照明光学系）、  ５ｂ  フィールドレンズ（照明光学系）、６ａ〜６ｄ  リレーレンズ群（照明光学系）、
７、１０７  第１の偏光板（偏光光学系）、  ８、１０８  出射側偏光板（偏光光学系）、  ９Ｌ、９Ｓ、１０９Ｌ  第２の偏光板（偏光光学系）、  ９Ｌｆ、９Ｓｆ、１０９Ｌｆ  入射面、  １０  投射光学系、  １１  反射型偏光板、
９０  偏光フィルム、  ９１  透過板、  １０２  反射型液晶ライトバルブ、  １０４  柱状光学素子（照明光学系）、  １０５  集光レンズ群（照明光学系）、
【図１】
0005178180.tif 000002
【図２】
0005178180.tif 000003
【図３】
0005178180.tif 000004
【図４】
0005178180.tif 000005
【図５】
0005178180.tif 000006
【図６】
0005178180.tif 000007
【図７】
0005178180.tif 000008
【図８】
0005178180.tif 000009
【図９】
0005178180.tif 000010
【図１０】
0005178180.tif 000011
【図１１】
0005178180.tif 000012
【図１２】
0005178180.tif 000013
【図１３】
0005178180.tif 000014