(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の反射型液晶表示素子と、光源からの光で前記複数の反射型表示素子を照明する照明系と、前記複数の反射型液晶表示素子からの光を投射する投射レンズを有する液晶表示装置であって、
前記照明系は、前記光源からの光束をインテグレーターを介して前記複数の反射型表示素子に導いており、
前記光源から前記複数の反射型液晶表示素子各々との間の光路上には、所定の偏光方向の光を前記複数の反射型液晶表示素子に導く偏光ビームスプリッタを備えており、
前記偏光ビームスプリッタと前記複数の反射型液晶表示素子各々との間の光路上にはそれぞれ１／４位相差板を備えており、
前記１／４位相差板と前記複数の反射型表示素子各々との間にはそれぞれ第１の複屈折性位相補償素子と第２の複屈折性位相補償素子とを備えており、
前記第１の複屈折性位相補償素子の異方性の光軸は、前記照明系の光軸と平行な方向に設定されており、
前記第２の複屈折性位相補償素子の進相軸方向は、前記照明系の光軸と垂直な平面内であって、前記所定の偏光方向に対して斜めになるように設定されていることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項２】
前記複数の反射型液晶表示素子への入射角度が１４度以下のとき、前記全方位角度において、コントラスト値が２００００以上となることを特徴とする請求項１記載の液晶表示装置。
【請求項３】
前記１／４位相差板を保持する第１の保持枠を備えており、
該第１の保持枠の表面が黒色となるように塗装されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液晶表示装置。
【請求項４】
前記第１の複屈折性位相補償素子を保持する第２の保持枠を備えており、
該第２の保持枠の表面が黒色となるように塗装されていることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【従来の技術】
従来、液晶表示素子において視野角特性を改善する方法としては、特開平8-50206、特開平11-133413などに異方性のフィルムを付加して透過型液晶表示素子のコントラストを改善する方法が開示されている。特開平8-50206はツイストネマティック液晶における液晶分子の捩れ部分における非対称なコントラスト低下を改善する方法であり,透過型液晶表示素子を用いた画像投射装置にも広く使われている。特開平11-133413は図２４に示すような3つの軸方向(nx,ny,xz)に屈折が異なる異方性フィルムを図２５のように設定することで、垂直配向された液晶表示素子におけるコントラスト低下を改善する方法で、直視型の液晶画像表示装置に適用した例である。図中、105は液晶表示素子で、101,102は偏光板で106,107はそれぞれの偏光板の偏光が透過する軸方向で、クロスするように設定されており,103,104は位相差補償素子で、液晶パネル105と偏光板101,102の間に設けられ,108,109はそれぞれの位相差補償素子の最大屈折率(nx)の方向である。
【０００２】
【発明が解決しようとしている課題】
しかしながら、画像投射装置の液晶表示素子として、反射型液晶表示素子を用いると、光が入射する側と射出する側が同じであるので、反射型液晶表示素子における液晶層を光は往復で通過するのでツイストネマティックのような捩れた構成であっても非対称なコントラストの低下は顕著に表れず、対称的な屈折率異方性に起因するコントラストの低下が発生するので、高コントラストな画像を作り出すためには液晶における対称的な屈折率異方性を補正する必要がある。
【０００３】
ここで反射型液晶表示素子を用いた画像投射装置は、偏光ビームスプリッターにより所定の偏光方向の照明光のみを反射型液晶表示素子に導き,反射型液晶表示素子で反射された光を前記偏光ビームスプリッターで検光する構成である。反射型液晶表示素子に入射する光の偏光方向の基準は照明光学系の基準軸Oと偏光ビームスプリッターPBSの反射面で決まる。具体的には図５に示すように反射面RSにおいて反射する前の基準軸Oiと反射した後の基準軸Ooでできる平面SSおよび基準軸Ooを含みこの平面SSに垂直な平面がそれぞれ偏光の基準面となる。
【０００４】
このとき斜め方向から入射した光線の偏光方向は、入射する光線方向と偏光ビームスプリッターの偏光分離面の幾何学的な関係により、前記偏光の基準面から傾いてしまう。
【０００５】
このため反射型液晶表示素子を用いた画像投射装置では、偏光ビームスプリッターに起因するコントラストの低下と反射型液晶表示素子に起因するコントラストの低下を同時に効率よく補償しなければならない。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、画相投射装置は光源とリフレクターとレンズアレイと集光光学系からなるインテグレーターと偏光ビームスプリッターと投射レンズからなり、光源からの光をリフレクターで集光し、集光された光をレンズアレイで複数の光束に分離し、集光光学系により複数の照明光束を重ね合わせて均一照明領域を形成し,集光光学系と反射型液晶表示素子の間に設けた偏光ビームスプリッターにより所定の偏光方向の照明光を反射型液晶表示装置に導き,反射型液晶表示装置で反射した光を前記偏光ビームスプリッターで検光し、かつ投射レンズに導き、投射レンズにより画像を投射する構成である。
【０００７】
このとき偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子の間に１／４位相差板と複屈折性位相補償素子を設け、光源側から偏光ビームスプリッター、１／４位相差板、複屈折性位相補償素子、反射型液晶表示素子の順に構成し、１／４位相差板の進相（遅相）軸を偏光ビームスプリッターと照明光学系で決まる偏光の基準面に垂直（または平行）に配置し, 複屈折性位相補償素子の最も屈折率の小さい軸方向が前述の照明系の基準軸に対して平行に配置されることにより,偏光ビームスプリッターによるコントラスト低下と反射型液晶表示素子によるコントラスト低下を抑えることが可能となる。
【０００８】
レンズアレイを矩形の外形形状とすると、反射型液晶表示素子を照明する光束は矩形の断面を有する収束光束となる。このとき偏光ビームスプリッターから反射型液晶表示素子に導かれる光束内の偏光方向は図６に示すように偏光の基準面（図６ではｘ方向）に対して対称な分布となる。これに対して前記の１／４位相板を作用させるとそれぞれの偏光はy軸方向に長軸を有する楕円偏光に変換される(図７)。このように偏光の方向をそろえた後、複屈折性位相補償素子に入射させ前記楕円偏光の長軸と後述の複屈折性位相差補償素子の屈折率楕円体における異方性を示す光学軸との傾き角と楕円偏光の楕円率に応じて所定の位相差を付加し、液晶で発生する位相差を補償することになる。
【０００９】
複屈折性位相差素子の異方性は、異方性を表す屈折率楕円体の主軸方向の屈折率をncx,ncy,nczとすると
ncz<ncx
ncz<ncy
となっており、厚みをdcとしたとき、異方性の度合いを示す量としてδcを
δc=(ncz-(ncx+ncy)/2)*dc
とすると
-0.8>δc/δp>-3.0
を満足することにより液晶層で発生する位相差を打ち消すことができコントラストを向上することができる。ここでδpは反射型液晶表示素子における異方性の度合いを示す量で、液晶層を厚みdで屈折率楕円体としてnx,ny,nz（nzが面法線方向、nx=ny)と定義したとき
δp=(nz-nx)*d'
と表す。
【００１０】
条件式が上限値よりも大きいと複屈折性位相差補償素子で発生する位相差が小さく位相補償の効果が少なく、下限値よりも小さいと複屈折性位相差補償素子で発生する位相差が大きくなり過ぎ、白を表示するときの光量が減少し明るさが暗くなるのでよろしくない。
【００１１】
δc/δp=-1のときが完全に対象な構成となるが、-0.8>δc/δp>-1.2の範囲で本発明による効果は十分得られる。-1.2>δc/δpは複屈折性位相差補償素子で発生する位相差は過剰補正となるが、画像投射装置においては矩形の光束で照明され斜め方向から入射する光が多く、後述するように複屈折性位相差補償素子は斜め方向から入射する光の位相補償を主に行うのでこの範囲においても位相補償が有効に行われる。
【００１２】
液晶層の屈折率を表す屈折率楕円体(nx,ny,nz)は反射型液晶表示素子を直接測定して得られた位相差データーを元に定義することができる。
【００１３】
まず液晶のコントラスト特性を測定する方法を説明する。測定には図８に示すような測定系を用いる。LSは光源、Lはレンズ、LCDは反射型液晶表示素子、PDは光量を測定する受光素子、POはパネルに入射する光の偏光軸を調整する偏光子、ANは検光子である。
【００１４】
光源からの光はレンズにより平行光にコリメートされ、偏光子で所定の偏光光となり反射型液晶表示素子で反射したのち検光子で検光され受光素子に入射する。
【００１５】
反射型液晶表示素子において矩形の画像を表示する領域の中心を原点とし、矩形の辺の方向をx,y座標反射型液晶表示素子に垂直な方向にz軸とする座標形を定義する。入射角度θは入射光線とz軸とのなす角度である。
【００１６】
図９は、反射型液晶表示素子LCDに入射する光線をxy平面に射影した図である。このとき、入射方位角度φは入射光線をxy平面に射影した方向とx軸とがなす角度をあらわす。R1は入射方位角度φ=0°方向からの入射光、R1'は入射光R1が反射型液晶表示素子を反射した光、R2'は任意の入射方位角度φ方向からの入射光、R2'は入射光R2が反射型液晶表示素子を反射した光、それぞれ入射光R1、R2の入射偏光軸方向a,bはそれぞれy軸方向である。
【００１７】
このような測定装置で入射方位角度φと入射角度θをパラメーターとして入射光線を設定し、検光子を偏光子と平行な状態として測定した光の強度I0と検光子を偏光子と垂直な状態として測定した光の強度I1を測定する。
【００１８】
C=I0/I1
で求められるＣがコントラスト値である。
【００１９】
実際はφ=0,45,90,135,180,225,270,315°方向から測定したコントラスト値
C0(θ),C90(θ),C135(θ),C180(θ),C225(θ),C270(θ),C315(θ)
を測定する。
【００２０】
コントラスト値は反射型液晶表示素子が黒表示状態のときの漏れ光量の逆数の関係になる為、このときの位相差値はコントラスト値の逆数を漏れ光量として反射型液晶表示素子の特性を光学軸がxy平面上でx軸に対して45°傾いた位相差板に置き換えたときに位相差板で発生する漏れ光に相当する位相差Γ（φ、θ）を計算することができる。位相差の符号は図８の測定計で直線偏光の代わりに円偏光を入射し、反射型液晶表示素子の位相差により変換された楕円偏光の長軸の向きで決定することができる。
【００２１】
反射型液晶表示素子の異方性の決定方法を以下に示す。
【００２２】
ここでは反射型液晶表示素子の屈折率楕円体を面法線方向に屈折率が異なる一軸性として定義する。図１０に楕円体の斜視図、および図１１ａ，１１ｂにそれぞれ楕円体のｘｙ平面における断面、ｘｚ平面における断面を表す。
【００２３】
一軸性の屈折率楕円体の異方性は、入射方位角に応じて屈折率楕円体を進行する光の方向に垂直な平面で楕円体を切り取ったときの切り口でできる楕円の短軸、長軸が常光線方向noと異常光線方向neの光学軸として定義される（ボルン・ウォルフ著  光学の原理III第XIV章参照）。図１２に入射する方位角φが0°、45°、90°のときの切り口となる楕円と常光線方向noと異常光線方向ne、さらに入射する光の偏光方向ｐを示す。これにより、入射方位角φが0(180),90(270)から入射したときには、屈折率楕円体における異方性の光学軸と光の偏光方向が一致するので複屈折による位相差は発生しない。
【００２４】
しかし、実際の測定ではこの方位からの入射においてもコントラスト値の低下があるので、反射型液晶表示素子で発生する位相差Γ（φ、θ）をΔ（θ）とδ（θ）に分解する。
【００２５】
Δ（θ）は方位角φによらない位相差とし、Γ(0,θ)、Γ(90,θ)、Γ(180,θ)、Γ(270,θ)の平均として求める。δ(θ）は、斜め方向の位相差とし、Γ(45,θ)、Γ(135,θ)、Γ(225,θ)、Γ(315,θ)の平均測定値Δ45（θ）から前述のΔ（θ）を引いた位相差
δ（θ）=Δ45（θ）-Δ（θ）
として求める。
【００２６】
黒表示状態にある反射型液晶表示素子を一軸性の屈折率楕円体(nx=ny,nz)と仮定し、所定のnx（たとえば1.5）に対するnzをパラメーターとして、方位角４５°から入射する光の位相差を計算し、上記測定による位相差δ（θ）に一致するnzの値を決定することにより、反射型液晶表示素子の異方性を決定することができる。
【００２７】
光源と、リフレクターと、レンズアレイと集光光学系からなるインテグレーターと、偏光ビームスプリッターと、投射レンズからなり、光源からの光をリフレクターで集光し、集光された光をレンズアレイで複数の光束に分離し、集光光学系により複数の照明光束を重ね合わせて均一照明領域を形成し,集光光学系と反射型液晶表示素子の間に設けた偏光ビームスプリッターにより所定の偏光方向の照明光を反射型液晶表示装置に導き,反射型液晶表示装置で反射した光を前記偏光ビームスプリッターで検光し、かつ投射レンズに導き、投射レンズにより画像を投射する構成で、偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子の間に１／４位相差板と複屈折性位相補償素子を設け、光源側から偏光ビームスプリッター、１／４位相差板、複屈折性位相補償素子、反射型液晶表示素子の順に構成したことを特徴としている。
【００２８】
また、前記１／４位相差板の進相（遅相）軸を偏光の基準面に垂直（または平行）に配置し、複屈折性位相補償素子の最も屈折率の小さい軸方向が前述の照明系の基準軸に対して平行に配置されることを特徴としている。ここで照明系の基準軸とは照明系を構成するレンズの光軸であり、偏光の基準面は前記照明系の基準軸と、前記照明系の基準軸が偏光ビームスプリッターの偏光分離面で反射したときにできる反射した基準軸を含む平面に平行な方向である。
【００２９】
また、前記複屈折性位相差素子の異方性は、異方性を表す屈折率楕円体の主軸方向の屈折率をncx,ncy,nczとすると
ncz<ncx
ncz<ncy
となっており、厚みをdcとしたとき、異方性の度合いを示す量としてδcを
δc=(ncz-(ncx+ncy)/2)*dc
とし、同様に反射型液晶表示素子における異方性の度合いを示す量としてδpを液晶層を厚みdで屈折率楕円体としてnx,ny,nz（nzが面法線方向、nx=ny)と定義したとき
δp=(nz-nx)*d'
とするとき
-0.8>δc/δp>-3.0
であることを特徴としている。
【００３０】
ここで反射型液晶表示素子におけるは屈折率楕円体nx,ny,nzは反射型液晶表示素子のコントラスト測定から得られる位相差で定義される。
【００３１】
また、本発明は、光源からの光を分解する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターを介した所定の偏光方向の光で照明される反射型液晶表示素子（液晶パネル）とを有する液晶表示装置であって、前記偏光ビームスプリッタと前記反射型液晶表示素子との間に、前記反射型液晶表示素子に入射する光束と平行な光学軸を有する複屈折板（複屈折フィルタ）を有することを特徴としている。
【００３２】
また、光源からの光を分解する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターを介した所定の偏光方向の光で照明される複数の反射型液晶表示素子（液晶パネル）とを有し、前記複数の反射型液晶表示素子からの反射光を前記偏光ビームスプリッターで合成する液晶表示装置であって、前記偏光ビームスプリッタと前記反射型液晶表示素子との間に、前記反射型液晶表示素子に入射する光束と平行な光学軸を有する複屈折板（複屈折フィルタ）を有することを特徴としている。
【００３３】
また、前記複屈折板は、所望の方位角におけるコントラストを改善することを特徴としている。
【００３４】
光源からの光を分解する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターを介した所定の偏光方向の光で照明される反射型液晶表示素子（液晶パネル）とを有する液晶表示装置であって、前記偏光ビームスプリッタと前記反射型液晶表示素子との間に、所望の方位核におけるコントラストを改善する複屈折板（複屈折フィルタ）を有することを特徴としている。
【００３５】
光源からの光を分解する偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターを介した所定の偏光方向の光で照明される複数の反射型液晶表示素子（液晶パネル）とを有し、前記複数の反射型液晶表示素子からの反射光を前記偏光ビームスプリッターで合成する液晶表示装置であって、前記偏光ビームスプリッタと前記反射型液晶表示素子との間に、所望の方位核におけるコントラストを改善する複屈折板（複屈折フィルタ）を有することを特徴としている。
【００３６】
また、上記の表示装置において、１／４位相差板や複屈折板は開口部を有する保持枠によって支持されるように構成するのが好ましい。
【００３７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１には、本発明の第１実施例である反射型画像変調装置を示している。図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源、２は光源1から光を所定の方向に放射するためのリフレクター、３は均一な照明強度を有する照明領域を形成するためのインテグレーターであり、フライアイレンズ3a、3bから構成されており、４は無偏光な光を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子であり、偏光分離膜4aと1/2位相差板4bと反射板4cとから構成されており、５は照明光を集光するコンデンサーレンズ、６はミラー、７は照明光をテレセントリックな光にするフィールドレンズ、８は緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラー、９a1、9b1、9c1はそれぞれS偏光を反射してP偏光を透過させる特性をもつ偏光分離膜、9a、9b、9cはそれぞれ偏光分離膜９a1、9b1、9c1を有する偏光ビームスプリッター、10a、10bはそれぞれ所定波長領域の光の偏光方向を90°変換（回転）する色選択性位相差板、11r、11g、11bはそれぞれ入射した照明光を反射するとともに画像信号に応じて変調して画像光を形成する反射型液晶表示素子、12r、12g、12bはそれぞれ１／４位相差板、13r、13g、13bはそれぞれ反射型液晶表示素子11r、11g、11bが黒表示のときに発生する位相差を補正する複屈折性位相差補償素子としての一軸性の複屈折フィルター、14は投射レンズ系である。
【００３８】
次に、上記構成の光学的な作用を説明する。光源1から出射した光はリフレクター２によりフライアイレンズ3aの方向に集光される。この光束は、フライアイレンズ3aにより複数の光束に分割された後、複数の光束はフライアイレンズ3b、コンデンサーレンズ５およびフィールドレンズ７の作用によって各反射型液晶表示素子11r、11g、11b上に重ね合わされ、均一な照明強度の照明領域を各反射型液晶表示素子11r、11g、11b上に形成する。また、このときフライアイレンズ3bから出射した多数の光束はそれぞれの光束に対応した偏光分離膜4aでP偏光とS偏光とに分離される。P偏光は1/2位相差板4bによりS偏光と同方向の偏光成分に変換され、S偏光は反射膜4cにより反射される。これにより、フライアイレンズ3bから出射した多数の光束は、所定の偏光方向を有する光として同一方向に出射される。偏光変換素子４によりほぼS偏光にそろえられた光は、緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラー８（図２に透過曲線を示す）に入射し、緑の波長領域光は透過し、赤と青の波長領域光は反射する。ダイクロイックミラー８を透過した緑領域光は偏光ビームスプリッター9aに入射し、偏光分離膜9a1において反射して、１／４位相差板12gを透過し、更に複屈折フィルター13gを透過し、反射型液晶表示素子11gに入射する。一方、ダイクロイックミラー８を反射した赤と青の波長領域光は、第1の色選択性位相差板10aによって青の波長領域光のみ偏光方向を90°変換されてP偏光となり、赤の波長領域光はS偏光のままで、偏光ビームスプリッター9bに入射する。ここで、第1の色選択性位相差板10aの特性を図３に示す。点線の曲線が入射偏光方向に対して直交した偏光方向（Ｐ偏光）の透過率を示し、実線が入射偏光方向に対して平行な偏光方向（Ｓ偏光）の透過率を示す。偏光ビームスプリッター9bの偏光分離膜9b1において、P偏光である青の波長領域光は透過し、S偏光である赤の波長領域光は反射する。これにより、互いに偏光方向が直交する赤と青の波長領域光に分離される。偏光ビームスプリッター9bを反射した赤の波長領域光は、１／４位相差板12rを透過し、更に複屈折フィルター13rを透過し、反射型液晶表示素子11rに入射し、偏光ビームスプリッター9bを透過した青の波長領域光は、１／４位相差板12bを透過し、更に複屈折フィルター13bを透過し、反射型液晶表示素子11bに入射する。
【００３９】
さらに、反射型液晶表示素子11gによって変調され反射した緑の波長領域光は、複屈折フィルター13gを透過し、１／４位相差板12gを透過し、P偏光となって偏光ビームスプリッター9a、9cを透過する。また、反射型液晶表示素子11rによって変調され反射した赤の波長領域光は、複屈折フィルター13rを透過し、１／４位相差板12rを透過し、P偏光となって偏光ビームスプリッター9bを透過し、第2の色選択性位相差板10bに入射する。ここで、第２の色選択性位相差板10bの特性を図４に示す。点線の曲線が入射偏光方向に対して直交した偏光方向の透過率を示し、実線が入射偏光方向に対して平行な偏光方向の透過率を示す。また反射型液晶表示素子11bによって変調され反射した青の波長領域光は、複屈折フィルター13bを透過し、１／４位相差板12bを透過し、S偏光となって偏光ビームスプリッター9bを反射し、第2の色選択性位相差板10bに入射する。赤の波長領域光のみ偏光方向を90°変換する第2の色選択性位相差板10bに入射した赤と青の波長領域光は第2の色選択性位相差板10bにより赤の波長領域光のみ偏光方向を90°変換されてS偏光となり、青の波長領域光はS偏光のままで、偏光ビームスプリッター9cに入射し、反射する。そして、RGBの全波長領域の光は偏光ビームスプリッター9cによって合成され、投射レンズ14に導かれ、不図示のスクリーン等に投射される。
【００４０】
図８の光学測定系を用いて入射角度θと入射方位角度φを変化させてコントラスト測定をおこなった結果（コントラストコンタ）を図１３に示す。
【００４１】
測定結果より、入射方位角度φとφ+90のコントラスト値はほぼ等しく対称性のあるコントラスト値となる。また、入射方位角度φ=45°、135°、225°、315°方向のコントラスト値が特に劣化している。図１３に示したコントラスト測定結果より、反射型液晶表示素子が黒表示状態のときに発生する位相差Δ（θ）（実線）、Δ45（θ）（点線）を図１４に、δ（θ）を図１５に示す。それぞれ横軸は入射角度θ、縦軸は位相差（度で表す）でる。
【００４２】
ここで、図１５に近似した位相差を発生させる一軸性屈折率楕円体を求めると、
波長λ=550nmのとき、厚みd=5.0μm、屈折率楕円体の屈折率nx=1.5、nz=1.542と決定することができ、この一軸性屈折率楕円体における入射方位角度φ＝45°（135°、225°、315°）方向の入射光の位相差を図１６に示す。図１６で示す実線は上記の一軸性屈折率楕円体から計算で求められた位相差で、点線は測定による位相差（符号を逆に取っている）を表す。
【００４３】
ここで、位相補償に用いる複屈折フィルターを波長λ=550nmのとき、厚みd=2.5μm、屈折率楕円体の屈折率nx=1.5、nz=1.461とすると位相補償が行われる。
【００４４】
ここで、
δp= 0.210
δc= -0.195
δc/δp= -0.929
である。
【００４５】
このとき、複屈折フィルターを反射型液晶表示素子の直前に挿入することで、入射方位角度φ=45°（135°、225°、315°）の位相差を基準位相差まで減少させることができ、コントラストを向上させることが可能となる。
【００４６】
反射型液晶表示素子の直前に複屈折フィルターを挿入したときのコントラスト値を図１７にあらわす。図１７より入射角度θ=14°以下では全方位角度φにおいてコントラスト値約600以上となり、図１４のような特性の反射型液晶表示素子におけるコントラスト値を向上させることが可能となる。
【００４７】
（実施例２）
本発明の第２実施例を説明する。
【００４８】
反射型液晶表示素子で発生する位相差は図１４と同じとし、本実施例では、位相補償に用いる複屈折フィルターを波長λ=550nmのとき、厚みd=2.5μm、屈折率楕円体の屈折率nx=1.5、nz= 1.416として位相補償を行っている。
【００４９】
このとき
δc= -0.420
δc/δp= -2.000
である。
【００５０】
複屈折フィルターで発生する位相差を多く発生させ、反射型液晶表示素子の直前に挿入することで、入射方位角度φ=45°（135°、225°、315°）の位相差を基準位相差よりも良好に減少させることができ、矩形光束照明においてコントラストを向上させることが可能となる。
【００５１】
反射型液晶表示素子の直前に複屈折フィルターを挿入したときのコントラスト値を図１８にあらわす。図１８より、入射角度θ=14°以下では４５°方向の方位角度φにおいてコントラスト値約1000以上となり、反射型液晶表示素子におけるコントラスト値をさらに向上させることが可能となる。また、不図示の入射角度θ=12°、14°はφ=45°においてコントラスト値2000以上である。
【００５２】
（実施例３）
本発明における第３の実施例を説明する。第３の実施例では複屈折性位相差補償素子として、z軸方向の屈折率が異なる第１の一軸性複屈折フィルターとxy平面においてx軸とy軸の間に屈折率が異なる第２の一軸性複屈折フィルターを用いたものである。図１９に示すように偏光ビームスプリッターから反射型液晶表示素子（不図示）に至る光路上に１／４位相差板３１、第2の一軸性複屈折フィルター３３、第１の一軸性複屈折フィルター３２の順で配置し、１／４位相差板の進相軸方向は偏光の基準方向（図１９ではy軸方向）に設定し,第１の一軸性複屈折フィルターは基準軸Oに平行な方向に異方性の光軸を設定し, 第２の複屈折フィルターはいわゆる位相差板であり、その進相軸方向３４は図２０に示すように偏光の基準方向に対して斜めになるように配置する。
【００５３】
本実施例では、第１の複屈折フィルターにより入射方位角度４５°方向の位相差δ（θ）を補償し、第２の複屈折フィルターで残存する位相差Δ（θ）を補償することでさらに補正しコントラストを向上させるものである。
【００５４】
本実施例における31は第２の複屈折フィルター、32は第２の複屈折フィルターの進相軸方向、33は入射偏光軸方向を表す。位相差板31の進相軸32はxy平面上にありx軸に対して45度傾けて設定すると、反射型液晶表示素子に入射する光線の偏光軸は入射角度θおよび入射方位角度φよらずY軸方向である為に、いずれの光線に対しても常に入射偏光軸方向と進相（遅相）軸方向は45度傾いており等しい位相差を生じる。
【００５５】
第２の複屈折フィルターの位相差Γ'を−2.0（度）とし、実施例１で述べた複屈折フィルター組み合わせることで図２１に示すように入射角度θ=14°以下で1度以下の位相差となり更に位相差を減少させることができる。図２１において実線は入射方位角度φ＝45°（135°、225°、315°）方向の位相差、点線は入射方位角度φ＝0°（90°、180°、270°）方向の位相差を表す。
【００５６】
このときのコントラスト値を図２２に示す。図２２より、入射角度θ=14°以下では全方位角度φにおいてコントラスト値20000以上となり、反射型液晶表示素子のコントラスト値をより効果的に向上させることが可能となる。このとき、入射角度θ=12°、14°は全方位角度φにおいてコントラスト値100000以上であるために不図示とする。また、入射角度θ=5°において全入射方位角度φのコントラスト値は80000（φ=0°）以上、また入射角度θ=10°において全入射方位角度φのコントラスト値は53000（φ=45°）以上となり、ぞれぞれコントラスト値100000以上は不図示とする。また、入射角度θ=12°の入射方位角度φ=45°の位相差はφ=0°の位相差より大きいためにφ=0°のコントラスト値が高いが、逆に入射角度θ=14°の入射方位角度φ=45°の位相差はφ=0°の位相差より小さいためにφ=45°のコントラスト値が高くなる。
【００５７】
（実施例４）
本発明の第４実施例は複屈性位相差補償素子として二軸性の複屈折フィルターを用いた例である。
【００５８】
本実施例での複屈折フィルターの屈折率楕円体（二軸性）はz軸方向に屈折率nz、xy平面上ではx軸に対して45度傾いた方向に屈折率nx、さらに屈折率nxの方向に対して直交する方向に屈折率nyのそれぞれ屈折率をもった屈折率楕円体とする。
【００５９】
ここで、複屈折フィルターに入射する光線が入射角度θ=0°のときの入射偏光軸方向と入射光に対する複屈折フィルターの屈折率方向の関係を図２３に示す。ｐは入射偏光軸方向を示す。
【００６０】
このとき、入射偏光軸方向ｐは屈折率nx,ny方向に対して45°傾いた方向にあるために位相差が発生し、入射角度θ=0°の場合でも反射型液晶表示素子で発生する位相差を補正することが可能となる。
【００６１】
ここで、図１４で述べた黒表示状態の反射型液晶表示素子に入射角度θ=0°で入射した光の位相差(度)はδ'=3.430である。
【００６２】
このとき波長λ=550nmのとき、厚みd=2.5μm、屈折率楕円体の屈折率nx=1.50105,ny=1.5,nz=1.461とすると、入射角度θ=0°のときに複屈折フィルターで発生する位相差(度)δ''は
δ''=−3.430
となり、黒表示状態の反射型液晶表示素子で発生する位相差δ'を打ち消すことができ、さらにコントラストを向上させることができる。
【００６３】
ここまで画像投射装置の実施形態を図１の形態で説明してきたが照明光を偏光ビームスプリッターで反射型液晶表示素子に導き、反射型液晶表示素子を反射した光が再び偏光ビームスプリッターを介して投射レンズに至る構成であれば、本発明は図１の光学系の構成に限定されるものではない。
【００６４】
（第５実施例）
次に、本発明による画像投射装置を構成する際の、複屈折フィルターの取り付け方法に関して図２６乃至２９にしたがって説明する。
【００６５】
図２６、２７，２８，２９は図１に光学的な構成を示した本発明による画像表示装置の偏光ビームスプリッタ−、１／４位相差板、複屈折フィルターおよび反射型液晶表示素子の固定方法を示す図であり、特に例として、図１に９ａ、１１ｇ、１２ｇ、１３ｇで示した緑の光の光路の構成に関する物である。他の赤および青の光路においても、以下に説明する構成により、より具体的に画像表示装置を実現する事ができる。
【００６６】
図２６は緑光路の偏光ビームスプリッタ−部分を上方から見た図であり、図２７はその側面を断面としてみた図である。
【００６７】
図２６乃至２９において、図１と共通な構成に関しては同一の符号を付している。図２６乃至２９において、９ａは偏光ビームスプリッタ−、１１ｇは反射型液晶表示素子、１２ｇは１／４位相差板、１３ｇは複屈折フィルター、６１、６２は第１、第２の取り付け板、７１は１／４位相差板１２ｇを保持する第１の保持枠、７２は複屈折フィルター１３ｇを保持する第２の保持枠、７３は反射型液晶表示素子を保持する液晶ホルダー、７４はカバー、７５は第１の押さえ板、７６、７７は第２，第３の押さえ板である。
【００６８】
１／４位相差板１２ｇおよび複屈折フィルター１３ｇはそれぞれ、１／４位相差フィルムと複屈折フィルムをガラス基板に貼り付けることで、面精度を確保できるようになっている。また、１／４位相差板１２ｇと複屈折フィルター１３ｇのそれぞれ第１，第２の表面には反射防止処理が、反射防止コーティングや、反射防止効果を有するフィルムを貼り付けることによって施されている。
【００６９】
第１，第２の取り付け板６１，６２は、例えば鉄とニッケルの合金等の金属材料で作られ、それぞれ第１、第２の伸長部を有している。第１，第２の取り付け板６１，６２は偏光ビームスプリッタ−に紫外線硬化型の接着剤によって接着固定されている。
【００７０】
第1の保持枠７１は例えばりん青銅などの金属材料で作られ、その表面は黒色になるように塗装などの処理がされている。
【００７１】
第１の保持枠７１は、略円形形状を有し、図２９に示すように開口部７１ａと伸長部７１ｂが設けられている。
【００７２】
第１の保持枠７１には図２９に示すように、１／４位相差板が接着などの手段により固定されている。
【００７３】
第2の保持枠７２は例えばりん青銅などの金属材料で作られ、その表面は黒色になるように塗装などの処理がされている。
【００７４】
第２の保持枠７２は、略円形形状を有し、図２８に示すように開口部７２ａと伸長部７２ｂが設けられている。
【００７５】
第2の保持枠７２には図２９に示すように、１／４位相差板が接着などの手段により固定されている。
【００７６】
反射型液晶表示素子１１ｇは、周知の液晶表示素子であり、液晶ホルダー７３に接着などの手段により固定されている。
【００７７】
液晶ホルダー７３は、例えばアルミニウムで作られ、前記第１と第２の取り付け板６１，６２のそれぞれ第１，第２の伸長部と所定のクリアランスを有してはめあい関係となる第１，第２，第３，第４の穴が設けられている。
【００７８】
カバー７４は例えばポリカーボネートなどのプラスチックや、アルミニウムのような金属材料で作られ、前記、第１の保持枠７１、第２の保持枠７２が所定の範囲で回転できるように第１，第２の保持枠７１，７２の外周部と勘合するし保持できる受け部を内部に有し、また、第１、第２の保持枠７１，７２は光軸方向には、第２，第３の例えばりん青銅で作られた押さえ板７６，７７によって位置を規制される。
【００７９】
カバー７４にはさらに、前記第１，第２の取り付け板６１，６２のそれぞれ第１，第２の伸長部が貫通する不図示の第１、第２，第３，第４の穴が設けられている。
【００８０】
さらにカバー７４の上部には切り欠き７４ａが設けられており、図２７に示すように第１，第２の保持枠７１，７２のそれぞれ伸長部７１ｂ、７２ｂがカバー７４の外部に突出するようになっている。図２７において、第２の保持枠の伸長部は、説明を分かりやすくするために書いてあるが、図２６より明らかなように、第１の保持枠の伸長部７１ｂと第２の保持枠の伸長部７２ｂは重ならないようになっている。
【００８１】
カバー７４は不図示のネジによって、液晶ホルダー７３に固定されている。
【００８２】
また、カバー７４には、例えばりん青銅で作られた第１の押さえ板７５がビス止めなどの手段で固定されている。
【００８３】
前述の液晶ホルダー７３は、反射型液晶表示素子１１ｇが照明領域のほぼ中心に位置し、他の色のパネルの画素と、投射スクリーン上で一致し、また投射スクリーン上でピントが合うように調整され、前述の不図示の液晶ホルダーに設けられた第１，第２，第３，第４の穴と前述の第１、第２の取り付け板６１，６２のそれぞれ第１，第２の伸長部とを接着剤で充填し、接着する事で固定される。
【００８４】
また、１／４位相差板12ｇは第１の保持枠の突出部を回して例えば黒表示が最も暗くなる位置で第１の保持枠７１の突出部７１ｂとカバー７４を接着する事で固定される。
【００８５】
さらに、複屈折フィルター1３ｇは第２の保持枠の突出部を回して例えば反射型液晶表示素子に白表示と黒表示をさせた際のコントラストが最大になる位置で第２１の保持枠７２の突出部７２ｂと第１の押さえ板７５を接着する事で固定される。
【００８６】
このような構成を青光路の反射型表示素子部と赤光路の反射型表示素子部にも設けることによって本発明による画像表示素子は、高いコントラストを得る事ができる。
【００８７】
また、前述の１／４位相差フィルムと、複屈折フィルムをそれらのフィルムをそれぞれ透過する光の波長にあわせて最適化することで、さらに高いコントラストを得る事ができる。
【００８８】
【発明の効果】
本発明によれば反射型液晶表示素子で発生する位相差に起因するコントラストの低下を効果的に補償し、コントラストの高い画像投射装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例における液晶プロジェクター全体の構成図
【図２】実施例１におけるダイクロミラーの特性図
【図３】実施例１における色選択性フィルターの特性図
【図４】実施例１における色選択性フィルターの特性図
【図５】偏光の基準方向を説明する図
【図６】照明系の偏光状態を説明する図
【図７】照明系の偏光状態を説明する図
【図８】反射型液晶表示素子の特性を測定する測定系を説明する図
【図９】方位角を説明する図
【図１０】屈折率楕円体を説明する図
【図１１】屈折率楕円体を説明する図
【図１２】入射光に対する屈折率楕円体の異方性を説明する図
【図１３】反射型液晶表示素子の特性を表す図
【図１４】反射型液晶表示素子における位相差を表す図
【図１５】位相差δ（θ）を表す図
【図１６】複屈折フィルターの位相差を表す図
【図１７】第１の実施例における補正された特性を表す図
【図１８】第２の実施例における補正された特性を表す図
【図１９】第３の実施例の構成を説明する図
【図２０】第３の実施例の構成を説明する図
【図２１】第３の実施例における補正された位相差を表す図
【図２２】第３の実施例における補正された特性を表す図
【図２３】第４の実施例における複屈折フィルターを説明する図
【図２４】従来例の説明図
【図２５】従来例の説明図
【図２６】緑光路の偏光ビームスプリッタ−を上方から見た図。
【図２７】緑光路の偏光ビームスプリッタ−を側面から見た図。
【図２８】複屈折フィルタの保持枠への固定方法の説明図
【図２９】１／４位相差版の保持枠への固定方法の説明図
【符号の説明】
９a1、9b1、9c１  偏光分離膜
9a、9b、9c  偏光ビームスプリッター
11r、11g、11b  反射型液晶表示素子
12r、12g、12b  １／４位相差板
13r、13g、13b  複屈折性位相差補償素子
【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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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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