(57)【要約】    【課題】  投射レンズのレンズ面で反射された不要な反射光が画像表示素子に再入射するのを効果的に軽減し、良好なる投射画像が得られる投射装置を得ること。    【解決手段】  画像表示素子と、１つのレンズを含み、該画像表示素子で形成される画像を投影面に投射する投射光学系と、該画像表示素子と該投影光学系との間に配置され、前記画像表示素子から出射する画像光を前記投射光学系に導く偏光分離素子と、を有する投射装置において、前記１つのレンズは屈折率異方性を有しており、該偏光分離素子から前記投射光学系に導かれる前記画像光の直線偏光の偏向方向と、前記１つのレンズの主たる屈折率異方軸の方向とのなす角度が２２．５°以上６７．５°以下であること。【選択図】図１
2007292950.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像表示素子と、
１つのレンズを含み、該画像表示素子で形成される画像を投影面に投射する投射光学系と、
該画像表示素子と該投影光学系との間に配置され、前記画像表示素子から出射する画像光を前記投射光学系に導く偏光分離素子と、
を有する投射装置において、
前記１つのレンズは屈折率異方性を有しており、
該偏光分離素子から前記投射光学系に導かれる前記画像光の直線偏光の偏向方向と、前記１つのレンズの主たる屈折率異方軸の方向とのなす角度が２２．５°以上６７．５°以下であることを特徴とする投射装置。
【請求項２】
前記１つのレンズの光透過面をｎ（ｎは正の整数）分割し、分割した任意のセルiの屈折率の異方軸の方向を表す単位ベクトルを
【数１】
2007292950.tif 000008
該光透過面上の任意の方向を基準軸とし、該基準軸と角度θのなす方向を表す単位ベクトルを
【数２】
2007292950.tif 000009
とし、
【数３】
2007292950.tif 000010
で表せる内積和Ｒ(θ)が最大になる角度θ0方向を該１つのレンズの主たる屈折率異方軸の方向と定義とするとき、
該１つのレンズは、その主たる屈折率異方軸の方向と前記偏光分離素子から出射する前記画像光の偏光方向とのなす角度が、２２．５°以上６７．５°以下であることを特徴とする請求項１の投射装置。
【請求項３】
前記１つのレンズは、該１つのレンズを光が通過したときに、１／４波長板を通過したときと同じ光学的作用を前記光に与えることを特徴とする請求項１又は２の投射装置。
【請求項４】
前記１つのレンズは、前記投射光学系の絞りよりも前記偏光分離素子側にあることを特徴とする請求項１、２又は３の投射装置。
【請求項５】
画像表示素子と、該画像表示素子で形成される画像を投影面に投射する、複数のレンズを有する投射光学系と、該画像表示素子と該投影光学系との間に該画像表示素子からの光を偏光方向によって異なる方向に分離する偏光分離系と、を有する投射装置において、
該投射光学系を構成する少なくとも１つのレンズは、所定の方向に屈折率異方軸を持つ材料で構成され、該偏光分離系からの直線偏光の偏向方向と、
該１つのレンズの主たる屈折率異方軸とのなす角度がを２２．５°以上６７．５°以下となるように配置されていることを特徴とする投射装置。
【請求項６】
前記１つのレンズの光透過面をｎ（ｎは正の整数）分割し、分割した任意のセルiの屈折率の異方軸の方向をベクトル
【数４】
2007292950.tif 000011
該光透過面上の任意の方向を基準軸とし、該基準軸と角度θのなすベクトルを
【数５】
2007292950.tif 000012
とし、
【数６】
2007292950.tif 000013
で表せる内積和Ｒ(θ)が最大になる角度θ0方向を該１つのレンズの主たる屈折率異方軸方向と定義とするとき、該１つのレンズは、その主たる屈折率異方軸と前記偏光分離系からの直線偏光方向との角度が２２．５°以上６７．５°以下となるように配置されていることを特徴とする請求項５の投射装置。
【請求項７】
前記投射光学系を構成する屈折率異方軸を持つ材料より成る１以上のレンズは、該１以上のレンズに光が通過したとき１／４波長板を通過したときと同じ光学的作用を持つように構成されていることを特徴とする請求項５又は６の投射装置。
【請求項８】
前記１以上のレンズは、前記投射光学系の絞りよりも前記偏光分離系側にあることを特徴とする請求項５、６又は７の投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は映像を投射面に拡大して投射し、該映像を観察する投射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、画像表示素子に基づく映像を投射系で拡大してスクリーンに投射し、該映像を観察する投射装置が知られている。この投射装置においては、画像表示素子の像をスクリーンに投射する投射光学系を構成するレンズ等の光学面で投射用の光が反射し、不要な反射光となって画像表示素子面に戻ることがある。そして戻った光のうち画像表示素子で反射して再び投射光学系を通ってスクリーン上に投射されることがある。このような不要な反射光に基づく投射光は本来投射するべきでない部分に到達し、フレアを発生させて画質を劣化させる原因となる。
【０００３】
この不要な反射光による画質の低下を防止するために、光路中に四分の一波長板を用いた投射装置が知られている（特許文献１）。
【０００４】
図１０は引用文献１に開示されている光学系の要部概略図である。図１０において光源１０１からの光（不規則な偏光の光）のうち偏光ビームスプリッター１０２によりＳ偏光の光が反射され反射型の液晶表示装置１０３に到達する。
【０００５】
反射型の液晶表示装置１０３に入射された光のうち画像情報により光変調をうけた光は偏光状態が入射光と垂直方向の直線偏光（Ｐ偏光）に変調された状態で反射される。このＰ偏光の光は偏光ビームスプリッター１０２を透過して四分の一波長板１０４を通過して円偏光となり、投射レンズ１０５に伝送される。
【０００６】
液晶表示装置１０３に入射した光のうち、光変調を受けない光はＳ偏光の状態で反射され偏光ビームスプリッター１０２で反射する。
【０００７】
異方軸が垂直および水平方向から４５°になるように配置された四分の一波長板１０４に入射する直線偏光は四分の一波長板１０４の通過後に円偏光となる。四分の一波長板１０４の通過後の投射レンズのレンズ表面から反射された光は再び四分の一波長板１０４に入射され、四分の一波長板１０４の入射時の偏光状態と直交した方向の直線偏光（Ｓ偏光）となる。この直線偏光（Ｓ偏光）は偏光ビームスプリッター１０２に到達して反射されるため反射型の液晶表示装置１０３に再び入射されることはない。これによってフレアが発生することを防いでいる。
【特許文献１】特開平０５−０９３８８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
不要な反射光が画像表示素子に戻るのを防止するために、光路中に四分の一波長板を配置する方法は、光学部材が増加するため、光学系全体が複雑になる傾向がある。
【０００９】
本発明は、投射レンズのレンズ面で反射された不要な反射光が画像表示素子に再入射するのを効果的に軽減し、良好なる投射画像が得られる投射装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の投射装置は、画像表示素子と、該画像表示素子で形成される画像を投射面に投射する、複数のレンズを有する投射光学系と、該画像表示素子と該投射光学系との間に該画像表示素子からの光を偏光方向によって異なる方向に分離する偏光分離系と、を有する投射装置において、
該投射光学系を構成する少なくとも１つのレンズは、所定の方向に屈折率異方軸を持つ材料で構成され、該偏光分離系からの直線偏光の偏向方向と、
該１つのレンズの主たる屈折率異方軸とのなす角度が２２．５°から６７．５°となるように配置されていることを特徴としている。
【００１１】
この他本発明の投射装置は、
画像表示素子と、該画像表示素子で形成される画像を投射面に投射する、複数のレンズを有する投射光学系と、該画像表示素子と該投射光学系との間に該画像表示素子からの光を偏光方向によって異なる方向に分離する偏光分離系と、を有する投射装置において、
該投射光学系を構成する少なくとも１つのレンズは、所定の方向に屈折率異方軸を持つ材料で構成され、該偏光分離系からの直線偏光の偏向方向と、
該１つのレンズの主たる屈折率異方軸とのなす角度がを２２．５°以上６７．５°以下となるように配置されていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、投射レンズのレンズ面で反射された不要な反射光が画像表示素子に再入射するのを効果的に軽減し、良好なる投射画像が得られる投射装置が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
【実施例１】
【００１４】
図１は本発明の投射装置の実施例１の要部概略図である。１０１は光源手段である。
【００１５】
１は画像表示素子であり、液晶表示素子より成っている。２は偏光方向によって光を分離する偏光分離系（偏光分離素子、例えば偏光ビームスプリッター）である。３は画像表示素子１で光変調した光に基づく像を投射面としてのスクリーン４に投射する投射光学系である。投射光学系３は複数のレンズから構成されている。図では投射光学系３はレンズ５、レンズ６、開口絞り８、レンズ７からなる場合を示している。レンズ５は水晶等の光学活性結晶であり、四分の一波長板と同等の屈折率異方性を持つ材料より成っている。
【００１６】
レンズ５を通過した偏光分離系２からの直線偏光の光は、円偏光となって出射する。
【００１７】
尚、投射光学系３を構成するレンズ枚数は、３枚に限らず複数枚で構成されるものである。又、投射光学系３は単一の焦点距離のレンズ系、又はズームレンズ系であっても良い。
【００１８】
図２は、レンズ５の材料の屈折率異方性の特性図である。９はレンズ５の材料の屈折率異方軸（光学軸）である。レンズ５は、屈折率異方軸９が画像表示素子１側からみて画像表示素子１の水平方向（Ｘ方向）（図２の紙面に含まれ、光軸３ａと直交する方向）より光軸中心３ａで４５°回転させた状態に配置する。
【００１９】
図３において本実施例の投射装置の光学的作用を説明する。
【００２０】
光源手段１０１からの光束のうちＳ偏光光が偏光分離系２で反射して画像表示素子１に入射する。偏光分離系２はＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するように設定されている。
【００２１】
画像表示素子１で光変調され、そこから出射されたＰ偏光光（図中において紙面内で電場が振動する偏光状態）は偏光分離系２を通過して投射光学系３に到達する。
【００２２】
投射光学系系３に入射された光は屈折率異方性の材料より成るレンズ５を透過する。このときＰ偏光光はレンズ５の通過時に円偏光に変換されてレンズ６、７を介してスクリーン４へと投射される。
【００２３】
これによって画像表示素子１に基づく画像をスクリーン４上に投射している。
【００２４】
このときレンズ５を通過した光の大部分はレンズ６、７を透過してスクリーン４に投射されるが、レンズ６、７の面で反射された光（不要な偏光光）は再びレンズ５に戻り到達する。
【００２５】
レンズ５に再入射した円偏光の光はＳ偏光光で出射して偏光分離系２に入射する。Ｓ偏光光は偏光分離系２にて画像表示素子１の方向と直交する方向に反射され、この不要なＳ偏光光は光路外に出射する。これによって投射光学系３の面で生じた反射光が再度、画像表示素子１に戻るのを軽減し、再び投射光学系３を通ってスクリーン４上に到達してフレアとなるのを軽減している。
【００２６】
レンズ５の材料の屈折率異方軸９が水平方向（Ｘ方向）となす角度は４５°に限るものではない。屈折率異方軸の角度が２２．５°の場合でもフレア成分の発生を半分以上防ぐ効果が望める。このため、このときの角度は４５°±２２．５°程度の範囲で任意に設定すれば良い。
【００２７】
特に好ましくは４５°±５°の範囲とするのが良い。更に好ましくは４５°±２°の範囲とするのが良い。尚、レンズ５の材料の屈折率異方軸９を投射光学系４の全体の屈折率異方軸として取り扱っても良い。
【００２８】
レンズ５としてプラスチック材で成形して屈折率異方性を持たせるように構成しても良い。
【００２９】
偏光分離系２に最も近いレンズを屈折率異方性のある材料より構成するのがフレアーを軽減するのに効果的である。又、偏光分離系２と絞り８との間のレンズを屈折率異方性のある材料より構成するのがフレアーを軽減するのに効果的である。
【００３０】
また、レンズ５には四分の一波長板を光学軸が水平方向に対して２２．５°に配置させた場合と同等の屈折率異方性を持つレンズを水平方向に対して４５°に配置しても良い。これによればフレア成分の発生を半分以上防ぐ効果が望めるため、任意に前記のような構成にする事もできる。
【実施例２】
【００３１】
図４は本発明の投射装置の実施例２の要部概略図である。実施例２は実施例１に比べてレンズ５の代わりに屈折率異方性を持つ一軸結晶である水晶で形成したレンズ１０を用いた点が異なっている。この他の構成に関しては、実施例１と同様である。
【００３２】
レンズ１０にＰ偏光光が入射すると円偏光となり、出射するようにしている。これによって実施例１と同様の効果を得ている。
【実施例３】
【００３３】
図５は本発明の投射装置の実施例３で用いる屈折率異方性のレンズＰの説明図である。実施例１、２では、レンズ５の屈折率異方軸の方向が一定であり、主たる屈折率異方軸の方向が明確に定義できる。
【００３４】
これに対して実施例３は実施例１のレンズ５の代わりに異方軸分布を持ったレンズＰを用いている点が異なっている。
【００３５】
一般に屈折率異方性を有する材料でレンズを形成すると図５に示すようにレンズＰは屈折率異方軸が面内（光透過面内）で部分的に変化してくる。
【００３６】
そこで本実施例では、面内で変化する屈折率異方軸の分布を考慮してレンズを光路中に配置するときレンズの向きを最適な方向に配置するようにしている。
【００３７】
図６、図７はこのレンズＰの主たる屈折率異方軸の方向を定義するための図である。図６では、レンズＰの光入射面を任意のｎ個（ｎは正の整数）のセルに分割し、任意のレンズ基準軸Ａを定義する様子を示している。
【００３８】
図７にてレンズＰの光入射面をｎ分割した任意のセルｉの屈折率異方軸の方向を表す単位ベクトルを
【００３９】
【数１】
2007292950.tif 000003
【００４０】
基準軸Ａと角度θをなす方向を表す単位ベクトルを
【００４１】
【数２】
2007292950.tif 000004
【００４２】
で表すとき、下記式１で表せる内積和Ｒ（θ）が最大になる角度θ０方向をレンズＰの主たる屈折率異方軸方向と定義している。
【００４３】
【数３】
2007292950.tif 000005
【００４４】
図８はレンズＰの屈折率異方性の特性図である。
【００４５】
上記定義したレンズＰの異方軸１１を画像表示素子１側からみて画像表示素子１の水平方向（図８紙面に含まれ、光軸と直交する方向）より光軸中心３ａで４５度回転させた状態に配置する。
【００４６】
この他の部分に関しては、実施例１と同様である。
【００４７】
尚、屈折率異方性を有する材料より成るレンズを複数用いるときは、個々のレンズの屈折率異方軸の平均値が主たる屈折率異方軸方向となる。
【実施例４】
【００４８】
図９は本発明の投射装置の実施例４の要部概略図である。図９において図１と同一部材には、同符号を付している。
【００４９】
本実施例の投射光学系３はレンズ１２、レンズ１３、開口絞り８、レンズ１４、レンズ１５からなる。レンズ１２、１３を通過した光が四分の一波長板を通過した場合と同等となるように屈折率異方性を持つ材料より構成している。
【００５０】
それによりレンズ１４、１５の面で反射した光がレンズ１２、１３を通過したとき四分の一波長板と同等の効果を受ける。これにより実施例１と同様にフレアの発生を少なくしている。
【００５１】
尚、投射光学系３で用いるレンズ数は任意であり、５枚以上でもよい。
【００５２】
又、四分の一波長板と同等の作用をするレンズの数は２つに限らず、３つ以上いくつであっても良い。
【００５３】
以上のように本実施例では、投射光学系３に四分の一位相板と同等の異方性を持つレンズ５を用い、レンズ５に入射してくる直線偏光の偏向方向に対して屈折率異方軸が４５±２２．５度となるように配置している。これにより、投射光学系３の各レンズ面で生ずる反射光に往復で略λ／２なる位相差を持たせ、フレアの発生を軽減している。
【００５４】
また、複数のレンズから構成される投射光学系のうち、四分の一波長と同等の屈折率異方性を持つレンズ５を最も画像表示素子１に近い側に配置している。それにより投射光学系３を構成するレンズ面からの反射光に対して四分一位相板と同等の位相差効果をもたせてフレアを効果的に低減させている。
【００５５】
また、四分の一波長と同等の屈折率異方性を持つレンズを複数のレンズから構成している。そしてこの複数のレンズを投射光学系の絞りより画像表示素子側に配置している。
【００５６】
それによりフレアの原因になりやすい絞り付近で発生する反射光に対して四分一波長板と同等の位相差をもたせてフレアを効果的に低減させている。
【００５７】
また、投射光学系（投射レンズ）で反射され、且つ偏光方向が略９０度回転されて戻って来る光束が再び画像表示素子（液晶パネル）やスクリーンに投射されないようにするために、戻って来た光束を吸収、或いは散乱する部材を配置すると尚好ましい。例えば、図１、３等においては、投射光学系から戻って来て偏光分離系３で反射された光束を吸収するための偏光板、光吸収部材や、また散乱させるための散乱板等を配置しても良い。いずれにしても、画像表示素子から出射し偏光分離系を経て投射光学系に到達した後に、その投射光学系から戻って来た光が、再び画像表示素子に入射したり、スクリーンに到達したりするのを防ぐ光学素子を設けることが望ましい。この系は、各色ごと（例えば赤色光、緑色光、青色光）に成り立っていることが望ましく、各色ごとに互いに異なる光学素子で戻り光を吸収しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施例１の構成図
【図２】本発明の実施例１における屈折率異方性レンズの異方軸の特性図
【図３】本発明の実施例１の光学作用を説明する説明図
【図４】本発明の実施例２の構成図
【図５】本発明の実施例３におけるレンズの面内屈折率異方軸の特性図
【図６】本発明の実施例３における主たる屈折率異方性を定義する説明図
【図７】本発明の実施例３における主たる屈折率異方性を定義する詳細説明図
【図８】本発明の実施例３における屈折率異方性レンズの異方軸の特性図
【図９】本発明の実施例４の構成図
【図１０】従来の投射装置の構成図
【符号の説明】
【００５９】
１  ：画像表示素子
２  ：偏光分離系
３  ：投射光学系
４  ：スクリーン
８  ：投射系絞り
９  ：屈折率異方性を持つレンズの屈折率異方軸
１０  ：水晶レンズ
１１  ：レンズＰの屈折率異方軸
Ｐ  ：屈折率異方軸が面内で変化するレンズ
Ａ  ：レンズの基準軸
【数４】
2007292950.tif 000006
：任意セルｉの屈折率異方軸方向のベクトル
【数５】
2007292950.tif 000007
：基準軸Ａと角度θをなすベクトル
１０１  ：光源
１０２  ：偏光ビームスプリッター
１０３  ：反射型液晶表示素子
１０４  ：四分の一波長板
１０５  ：投射レンズ
【図１】
2007292950.tif 000014
【図２】
2007292950.tif 000015
【図３】
2007292950.tif 000016
【図４】
2007292950.tif 000017
【図５】
2007292950.tif 000018
【図６】
2007292950.tif 000019
【図７】
2007292950.tif 000020
【図８】
2007292950.tif 000021
【図９】
2007292950.tif 000022
【図１０】
2007292950.tif 000023