(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレーズ型回折格子が形成された第１の部材と、複屈折材料より成り第１の部材の回折格子面に密着した第２の部材を備え、所定範囲の広がりをもつ波長の光を透過させて、偏光面が互いに垂直な第１の偏光と第２の偏光に分離する偏光分離器において、
前記第１の偏光の偏光面は、前記ブレーズ型回折格子の格子の配列方向に対して平行または垂直であり、前記第２の偏光の偏光面は、前記第１の偏光の偏光面に対して垂直であり、
ブレーズ型回折格子の格子の高さをｈ、
波長λの光に対する第１の部材の屈折率をＮ（λ）、
波長λの第１の偏光に対する第２の部材の屈折率をＮｏ（λ）、
波長λの第２の偏光に対する第２の部材の屈折率をＮｅ（λ）
で表すとき、
第１の式（Ｎｏ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λと
第２の式（Ｎｅ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λ
の値の差の絶対値が、前記所定範囲内の光の分光強度分布の極大の波長に略等しい基準波長の光に対して、３以上かつ１０以下であることを特徴とする偏光分離器。
【請求項２】
基準波長の第２の偏光に対する第２の式の値は、差が０．２未満の範囲内で、整数に近似されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光分離器。
【請求項３】
ブレーズ型回折格子が形成された第１の部材と、複屈折材料より成り第１の部材の回折格子面に密着した第２の部材を備え、所定範囲の広がりをもつ波長の光を透過させて、偏光面が互いに垂直な第１の偏光と第２の偏光に分離する偏光分離器において、
前記第１の偏光の偏光面は、前記ブレーズ型回折格子の格子の配列方向に対して平行または垂直であり、前記第２の偏光の偏光面は、前記第１の偏光の偏光面に対して垂直であり、
ブレーズ型回折格子の格子の高さをｈ、
波長λの光に対する第１の部材の屈折率をＮ（λ）、
波長λの第１の偏光に対する第２の部材の屈折率をＮｏ（λ）、
波長λの第２の偏光に対する第２の部材の屈折率をＮｅ（λ）
で表すとき、
第１の式（Ｎｏ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λと
第２の式（Ｎｅ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λ
の値の差の絶対値が、基準波長の光に対して、３以上かつ１０以下であり、
前記所定範囲は青色光から赤色光までに対応する範囲であって、
前記基準波長は、緑色光の中心波長に略等しく、
青色光、緑色光および赤色光の中心波長に略等しい３つの波長の第２の偏光に対する第２の式の値は、差が０．２未満の範囲内で、互いに異なる３つの整数に近似されていることを特徴とする偏光分離器。
【請求項４】
ブレーズ型回折格子が形成された第１の部材と、複屈折材料より成り第１の部材の回折格子面に密着した第２の部材を備え、所定範囲の広がりをもつ波長の光を透過させて、偏光面が互いに垂直な第１の偏光と第２の偏光に分離する偏光分離器において、
前記第１の偏光の偏光面は、前記ブレーズ型回折格子の格子の配列方向に対して平行または垂直であり、前記第２の偏光の偏光面は、前記第１の偏光の偏光面に対して垂直であり、
ブレーズ型回折格子の格子の高さをｈ、
波長λの光に対する第１の部材の屈折率をＮ（λ）、
波長λの第１の偏光に対する第２の部材の屈折率をＮｏ（λ）、
波長λの第２の偏光に対する第２の部材の屈折率をＮｅ（λ）
で表すとき、
第１の式（Ｎｏ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λと
第２の式（Ｎｅ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λ
の値の差の絶対値が、基準波長の光に対して、３以上かつ１０以下であり、
前記所定範囲は青色光から赤色光までに対応する範囲であって、
前記基準波長は、緑色光の中心波長に略等しく、
青色光、緑色光および赤色光の中心波長に略等しい３つの波長の第１の偏光に対する第１の式の値は、差が０．２未満の範囲内で、互いに異なる３つの整数に近似されていることを特徴とする偏光分離器。
【請求項５】
光源からの光を偏光分離して分離後の偏光を画像の投射に用いる投射型画像表示装置であって、
光源からの光の偏光分離のために、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の偏光分離器を備えることを特徴とする投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、投射型画像表示装置等の光学装置に用いられる偏光分離器に関し、より詳しくは、ブレーズ型回折格子と複屈折材料の組み合わせによって、偏光面が垂直な２つの偏光を分離する偏光分離器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
複屈折材料をブレーズ型回折格子に密着させ、偏光面が垂直な２つの偏光に対する複屈折材料の屈折率の差を利用して、両偏光を分離するすることが行われている。ブレーズ型回折格子の材料の屈折率をＮ、第１の偏光面をもつ偏光に対する複屈折材料の屈折率をＮｏ、第１の偏光面に垂直な第２の偏光面をもつ偏光に対する複屈折材料の屈折率をＮｅとするとき、回折格子面における屈折率の差が、第１の偏光面をもつ偏光に対しては（Ｎｏ−Ｎ）、第２の偏光面をもつ偏光に対しては（Ｎｅ−Ｎ）となって、両偏光の回折角に差異が生じることにより、これらを分離することができる。
【０００３】
特開平６−２７４９２７号公報には、この方法を用いた光磁気ヘッドが開示されている。この公報では、複屈折材料として水晶、方解石等の鉱物を使用し、レーザ光源が発する単波長の光を分離している。第１の実施例では、回折格子の屈折率Ｎを２つの偏光に対する複屈折材料の屈折率ＮｏとＮｅの中間値に設定して、±１次の回折光として２つの偏光を取り出している。また、第２の実施例では、回折格子の屈折率Ｎを第１の偏光面をもつ偏光に対する複屈折材料の屈折率Ｎｏと等しく設定して、第１の偏光面をもつ偏光を０次の回折光として、第２の偏光面をもつ偏光を１次の回折光として取り出すようにしている。
【０００４】
実際には、第１の実施例のように、複屈折材料の屈折率ＮｏとＮｅのちょうど中間の屈折率Ｎを有する回折格子材料が存在するとは限らない。このため、第２の実施例のように、回折格子の屈折率Ｎを複屈折材料の２つの屈折率Ｎｏ、Ｎｅのいずれかに等しくして、分離される偏光の一方を０次とすることが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記公報の装置は、光磁気ヘッドのように、光束径の小さい光を分離する場合に有用である。しかしながら、投射テレビ、データプロジェクタ等の投射型画像表示装置のように大きな光束径を必要とする装置では、複屈折材料として大口径のものが要求される。しかも、明るい画像を表示するために回折効率をできるだけ高める必要があり、複屈折材料の２つの屈折率の差（Ｎｏ−Ｎｅ）を大きくしなければならない。このため、水晶等の鉱物は複屈折材料として採用し難い。
【０００６】
口径に制約がなくしかも２つの複屈折率の差が大きい複屈折材料に、液晶がある。回折格子の基板材料として熱可塑性樹脂や紫外線硬化樹脂を用い、金型からの転写により回折格子を形成して、これに液晶を配向を揃えて密着させるようにすれば、投射型画像表示装置で求められる大口径で回折効率の高い偏光分離器を容易にかつ効率よく製造することができる。
【０００７】
ところが、そのようにして偏光分離器を製造すると、前記公報の装置のように０次と１次の回折光を取り出す構成では別な問題が生じる。分離の対象である光の波長をλ、回折角をθとすると、１次の回折を生じさせるための格子の配列ピッチｐは、ｐ＝λ／ｓｉｎθで求められる。また、１次の回折効率が最大になるようにするための格子の高さｈは、ｈ＝λ／（Ｎｅ−Ｎ）となる。
【０００８】
光の波長λが０．５５μｍで回折角θが５゜のとき、１次の回折光を得るためには格子ピッチｐは６．３μｍとなり、複屈折材料の屈折率差（Ｎｅ−Ｎ）を０．１７とすれば格子高さｈは３．２μｍとなる。このようなブレーズ型回折格子は非常に細かく、金型作製精度や成型転写精度等の回折格子の作製精度の影響が格子の性能に大きく現れる。上記数値の理想的な回折格子と、作製精度の影響により格子のエッジに略１μｍのだれが生じたときの回折格子を、図１２の（ａ）、（ｂ）にそれそれ示す。（ｂ）の回折格子では、格子表面の約３０％の部分がだれることになり、回折効率が大きく低下する。
【０００９】
また、投射型画像表示装置では、カラー画像を表示するために可視領域全体にわたる波長（０．４５〜０．６５μｍ）の光を使用するから、前記公報の如く単一波長の偏光を分離する場合と異なり、波長による回折角の違いや回折効率の低下が問題となる。回折角は波長に比例して変化するため、可視領域の光の同一次数の回折角は、短波長側と長波長側で略１．５倍も相違する。図１２に、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、および青色（Ｂ）光の１次の回折光を模式的に示す。Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光は、回折角の差により互いに違う方向に進む。実際には、（ｂ）に示したように、格子のだれによる不要光がＲ光とＢ光の外側に生じる。
【００１０】
屈折率Ｎが１．５０（Ｎｄ）でアッベ数νが６４（νｄ）の回折格子と、屈折率Ｎｅが１．６７でアッベ数νｅが３０の複屈折材料を用いた場合の、第２の偏光面をもつ偏光の１次の回折光の回折角と回折効率をそれぞれ図１３、１４に示す。図１３から明らかなように、波長０．５５μｍのＧ光の回折角を５．０゜とするとき、０．４５μｍのＢ光から０．６５μｍのＲ光までの回折角は、４．１゜から５．９゜までの１．８゜の範囲に広がる。また、図１４に見られるように、波長０．５５μｍのＧ光の回折効率を１とするとき、Ｂ光の回折効率は大きく低下して６０〜７０％程度となり、Ｒ光の回折効率も８０〜９０％程度に低下する。なお、屈折率ＮとＮｏが等しいため、第１の偏光面をもつ偏光に回折は生じない。
【００１１】
このように、従来の偏光分離器では、波長に広がりをもつ大きな光束径の光を回折させて偏光分離し、所望の２以上の波長帯の偏光を同程度の回折角でかつ効率よく取り出すことはできない。本発明は、これを可能とする偏光分離器を提供し、また、そのような偏光分離器を備えた投射型画像表示装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、ブレーズ型回折格子が形成された第１の部材と、複屈折材料より成り第１の部材の回折格子面に密着した第２の部材を備え、所定範囲の広がりをもつ波長の光を透過させて、偏光面が互いに垂直な第１の偏光と第２の偏光に分離する偏光分離器において、前記第１の偏光の偏光面は、前記ブレーズ型回折格子の格子の配列方向に対して平行または垂直であり、前記第２の偏光の偏光面は、前記第１の偏光の偏光面に対して垂直であり、第１の式（Ｎｏ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λと第２の式（Ｎｅ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λの値の差の絶対値が、前記所定範囲内の光の分光強度分布の極大の波長に略等しい基準波長の光に対して、３以上かつ１０以下となるようにする。ここで、ｈはブレーズ型回折格子の格子の高さ、Ｎ（λ）は波長λの光に対する第１の部材の屈折率、Ｎｏ（λ）およびＮｅ（λ）はそれぞれ波長λの第１の偏光と第２の偏光に対する第２の部材の屈折率である。
【００１３】
上記第１の式は波長λの第１の偏光の回折次数を表し、第２の式は波長λの第２の偏光の回折次数を表す。したがって、この偏光分離器によって分離された基準波長の２つの偏光の回折次数は、少なくとも３以上相違することになる。また、両偏光の回折次数の差は多くとも１０以下に留まることになる。
【００１４】
分離する２つの偏光の回折次数の差を３以上とすることで、回折次数の差が１の場合に比べて、ブレーズ型回折格子の格子ピッチが３倍以上となる。その結果、回折格子全体に占める作製精度の影響によるだれの部分の割合が大幅に低下し、回折効率を大きく向上させることができる。また、回折次数の差を１０以下とすることで、第１の部材と第２の部材のアッベ数の差に起因する不要な回折の発生が抑えられ、これによっても回折効率が向上する。また、透過させる光の分光強度分布の極大近傍の波長を基準波長とすることで、透過させる光の波長範囲全体について、回折効率を高めることができる。
【００１５】
回折効率の高い次数は波長に応じて変化していき、回折効率の高い波長領域の回折角は、１次の回折光の回折角に比べて狭い範囲内に収まる。換言すれば、比較的狭い回折角の範囲内に、それぞれ回折次数の異なる複数の回折波長帯が現れる。したがって、基準波長近傍の光が効率よく第１と第２の偏光に分離されるだけでなく、基準波長から離れた波長の光も効率良く第１と第２の偏光に分離され、しかも、後者の第１と第２の偏光はそれぞれ前者の第１と第２の偏光と略同一方向に進むことになる。
【００１６】
基準波長の第２の偏光に対する第２の式の値を、差が０．２未満の範囲内で、整数に近似するようにするのが好ましい。回折格子のピッチや高さは、この条件に合致するように設定することになる。基準波長の第２の偏光に対する第２の式の値が整数に近いということは、その整数の次数での回折光の強度がピーク強度に近いということである。したがって、回折した第２の偏光は強度が高くなる。
【００１７】
また、本発明では、ブレーズ型回折格子が形成された第１の部材と、複屈折材料より成り第１の部材の回折格子面に密着した第２の部材を備え、所定範囲の広がりをもつ波長の光を透過させて、偏光面が互いに垂直な第１の偏光と第２の偏光に分離する偏光分離器において、前記第１の偏光の偏光面は、前記ブレーズ型回折格子の格子の配列方向に対して平行または垂直であり、前記第２の偏光の偏光面は、前記第１の偏光の偏光面に対して垂直であり、第１の式（Ｎｏ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λと第２の式（Ｎｅ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λの値の差の絶対値が、基準波長の光に対して、３以上かつ１０以下であり、前記所定範囲は青色光から赤色光までに対応する範囲であって、前記基準波長は、緑色光の中心波長に略等しく、青色光、緑色光および赤色光の中心波長に略等しい３つの波長の第２の偏光に対する第２の式の値は、差が０．２未満の範囲内で、互いに異なる３つの整数に近似するようにする。
また、本発明では、ブレーズ型回折格子が形成された第１の部材と、複屈折材料より成り第１の部材の回折格子面に密着した第２の部材を備え、所定範囲の広がりをもつ波長の光を透過させて、偏光面が互いに垂直な第１の偏光と第２の偏光に分離する偏光分離器において、前記第１の偏光の偏光面は、前記ブレーズ型回折格子の格子の配列方向に対して平行または垂直であり、前記第２の偏光の偏光面は、前記第１の偏光の偏光面に対して垂直であり、第１の式（Ｎｏ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λと第２の式（Ｎｅ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λの値の差の絶対値が、基準波長の光に対して、３以上かつ１０以下であり、前記所定範囲は青色光から赤色光までに対応する範囲であって、前記基準波長は、緑色光の中心波長に略等しく、青色光、緑色光および赤色光の中心波長に略等しい３つの波長の第１の偏光に対する第１の式の値は、差が０．２未満の範囲内で、互いに異なる３つの整数に近似するようにする。
ここで、ｈはブレーズ型回折格子の格子の高さ、Ｎ（λ）は波長λの光に対する第１の部材の屈折率、Ｎｏ（λ）およびＮｅ（λ）はそれぞれ波長λの第１の偏光と第２の偏光に対する第２の部材の屈折率である。
上記の構成によれば、分離する２つの偏光の回折次数の差を３以上とすることで、回折次数の差が１の場合に比べて、ブレーズ型回折格子の格子ピッチが３倍以上となる。その結果、回折格子全体に占める作製精度の影響によるだれの部分の割合が大幅に低下し、回折効率を大きく向上させることができる。また、回折次数の差を１０以下とすることで、第１の部材と第２の部材のアッベ数の差に起因する不要な回折の発生が抑えられ、これによっても回折効率が向上する。また、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色の第２または第１の偏光がそれぞれ異なる次数で回折することになり、それらの回折角を略同じにすることができる。
【００１８】
本発明では、上記の偏光分離器を、光源からの光を偏光分離して分離後の偏光を画像の投射に用いる投射型画像表示装置に備える。光源からの光を効率よく偏光分離することが可能になり、例えば、液晶パネルで光を変調する構成のように特定の偏光を投射に利用する装置であっても、分離後の偏光の一方の偏光面を他方の偏光面に揃える偏光変換を行うことによって、明るい画像を表示することができる。また、分離後の各組の偏光のＲ、Ｇ、Ｂの３色光を略同一方向に進ませることができるから、光学系を小型に構成することが可能になる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の偏光分離器および投射型画像表示装置（以下、単に投射表示装置ともいう）の実施形態について、図面を参照しながら説明する。図１に第１の実施形態の投射型画像表示装置１の光学系の構成を示す。投射表示装置１は、光源が発する白色光をＲ、Ｇ、Ｂの３色の光に分解し、分解後の３色の光を３つの液晶パネルで個別に変調して、変調後の光を合成して投射することにより、カラー画像を表示するものである。また、投射への光の利用効率を高めるために、光源からの光を偏光分離し、分離後の一方の偏光を変換して他方の偏光に合致させて、偏光面が一定の直線偏光とする。
【００２０】
投射表示装置１は、光源１１、偏光分離のための偏光分離器１２、光の強度均一化と偏光変換のためのインテグレータ１３、変調のための３つの透過型液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ、および投射レンズ２７を備えている。また、投射表示装置１は、光を分解するための２つのダイクロイックミラー１５ａ、１５ｂ、分解後の光を液晶パネルに導くための３つの全反射ミラー１６ａ、１６ｂ、１６ｃおよび２つのリレーレンズ１７ａ、１７ｂ、ならびに液晶パネルで変調された光を合成するための２つのダイクロイックミラー２４、２５を備えている。
【００２１】
３つの液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂにはそれぞれ、入射する光を集光させるコンデンサレンズ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂと、射出する光を集光させるコンデンサレンズ２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂが備えられている。また、液晶パネル２１Ｂとダイクロイックミラー２５の間にはダミー平板２６が配置されている。合成のためのダイクロイックミラー２４、２５、ダミー平板２６および投射レンズ２７は投射光学系を成す。
【００２２】
液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂは同じ大きさであり、同等の性能を有する。液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂにはそれぞれ駆動回路（不図示）が設けられており、これらの駆動回路にはそれぞれ、画像のＲ、Ｇ、Ｂの成分を表す信号が与えられる。したがって、液晶パネル２１Ｒが変調した光はＲ成分の画像、液晶パネル２１Ｇが変調した光はＧ成分の画像、液晶パネル２１Ｂが変調した光はＢ成分の画像となる。
【００２３】
液晶パネル２１Ｇは投射レンズ２７の光軸Ａｘ上に位置し、光軸Ａｘに対して垂直に配置されている。ダイクロイックミラー２４は光軸Ａｘ上に位置し、液晶パネル２１Ｇに近接して投射レンズ２７側に配置されている。ダイクロイックミラー２４は光軸Ａｘに対して４５゜傾けて配置されている。ダイクロイックミラー２５は光軸Ａｘ上に位置し、ダイクロイックミラー２４に近接して投射レンズ２７側に配置されている。ダイクロイックミラー２５は光軸Ａｘに対して４５゜傾けて配置されており、ダイクロイックミラー２４、２５は互いに垂直である。
【００２４】
液晶パネル２１Ｒは、ダイクロイックミラー２４に関して、液晶パネル２１Ｇと対称に配置されている。液晶パネル２１Ｂは、ダイクロイックミラー２５に関して、液晶パネル２１Ｇと対称に配置されており、ダミー平板２６も、ダイクロイックミラー２５に関して、ダイクロイックミラー２４と対称に配置されている。
【００２５】
コンデンサレンズ２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂはそれぞれ、光軸が液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに対して垂直になるように配置されている。コンデンサレンズ２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂも同様である。
【００２６】
ダイクロイックミラー２４、２５は反射膜を２枚の平板ガラスで挟んだ高精度サンドイッチミラーであり、両者は同じ大きさ同じ厚さである。ダイクロイックミラー２４の反射膜はＲ光を反射し、Ｇ光とＢ光を透過させるように設定されている。ダイクロイックミラー２５の反射膜はＢ光を反射し、Ｇ光とＲ光を透過させるように設定されている。ダミー平板２６はダイクロイックミラー２４、２５と同材質のガラス製であり、大きさや厚さも同じである。ただし、ダミー平板２６には反射膜は形成されていない。
【００２７】
ダイクロイックミラー１５ｂは、光軸Ａｘ上で液晶パネル２１Ｇに関して投射レンズ２７の反対側に位置し、ダイクロイックミラー２４と平行に配置されている。ダイクロイックミラー１５ｂはＢ光を透過させ、Ｒ光とＧ光を反射するように設定されている。全反射ミラー１６ａは、ダイクロイックミラー２４に関して、ダイクロイックミラー１５ｂと対称に配置されている。ダイクロイックミラー１５ａは、ダイクロイックミラー１５ｂによって折り返された光軸Ａｘと、ダイクロイックミラー２４と全反射ミラー１６ａによって２度折り返された光軸Ａｘの交点上に位置し、ダイクロイックミラー２４と平行に配置されている。ダイクロイックミラー１５ａはＲ光を透過させ、Ｇ光とＢ光を反射するように設定されている。
【００２８】
全反射ミラー１６ｃは、ダイクロイックミラー２５によって折り返された光軸Ａｘ上に位置し、ダイクロイックミラー２５と平行に配置されている。全反射ミラー１６ｂは、ダイクロイックミラー２５と全反射ミラー１６ｃによって２度折り返された光軸Ａｘと、ダイクロイックミラー１５ｂによって折り返された光軸Ａｘの延長線の交点上に位置し、ダイクロイックミラー２４と平行に配置されている。
【００２９】
光源１１は、メタルハライドランプ１１ａと放物面リフレクタ１１ｂを有しており、ダイクロイックミラー１５ａに関して全反射ミラー１６ａの反対側に位置する。光源１１は、リフレクタ１１ｂの光軸が、ダイクロイックミラー２４と全反射ミラー１６ａによって２度折り返された光軸Ａｘに一致するように配置されている。ランプ１１ａはリフレクタ１１ｂの焦点に位置する。
【００３０】
偏光分離器１２は光源１１とダイクロイックミラー１５ａの間に位置し、インテグレータ１３は偏光分離器１２とダイクロイックミラー１５ａの間に位置している。偏光分離器１２およびインテグレータ１３は、ダイクロイックミラー２４と全反射ミラー１６ａによって２度折り返された光軸Ａｘに対して垂直に配置されている。
【００３１】
リレーレンズ１７ａおよび１７ｂはそれぞれ、ダイクロイックミラー１５ｂと全反射ミラー１６ｂの間および全反射ミラー１６ｂと全反射ミラー１６ｃの間に位置する。リレーレンズ１７ａおよび１７ｂの光軸は光軸Ａｘに対して、それぞれ垂直および平行である。
【００３２】
ダイクロイックミラー１５ａから全反射ミラー１６ａを経て液晶パネル２１Ｒに至る光路長と、ダイクロイックミラー１５ａからダイクロイックミラー１５ｂを経て液晶パネル２１Ｇに至る光路長は等しいが、ダイクロイックミラー１５ａからダイクロイックミラー１５ｂおよび全反射ミラー１６ｂ、１６ｃを経て液晶パネル２１Ｂに至る光路長は、これらと異なる。リレーレンズ１７ａ、１７ｂは、この光路長差を補正して、液晶パネル２１Ｂに入射する光を液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇに入射する光と実質的に等価にするために配設されている。
【００３３】
液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇから投射レンズ２７に至る光路には、光軸Ａｘに斜交する２つのダイクロイックミラー２４、２５が存在する。これによって生じる液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇからの光の収差を補正するために、投射レンズ２７には、プラスチックをモールドして成るシリンダーレンズ２７ａが備えられている。シリンダーレンズ２７ａの軸は、ダイクロイックミラー２４または２５によって折り返された光軸Ａｘと平行である。
【００３４】
一方、液晶パネル２１Ｂから投射レンズ２７に至る光路にはダイクロイックミラー２４は存在ず、液晶パネル２１Ｂからの光は液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇからの光と非等価になって、補正を過剰に受けてしまう。これを防止するために、ダミー平板２６が液晶パネル２１Ｂとダイクロイックミラー２５の間に配設されている。なお、投射レンズ２７は、プラスチックをモールドして成る大口径の非球面レンズ２７ｂを前群に備えており、中群と後群の間に絞り２７ｃを有している。
【００３５】
光源１１、偏光分離器１２およびインテグレータ１３の構成を図２に示す。光源１１はリフレクタ１１ｂの前方に、ＵＶ・ＩＲカットフィルタ１１ｃを有している。ランプ１１ａが発する光はリフレクタ１１ｂによって反射されて平行光束とされ、ＵＶ・ＩＲカットフィルタ１１ｃを透過することにより紫外領域と赤外領域の波長成分を除去されて、可視領域の波長成分（波長０．４５〜０．６５μｍ）のみを含む光となる。この光は振動方向が無秩序な偏光成分の集合である。
【００３６】
偏光分離器１２は、ブレーズ型回折格子が表面に形成された格子基板１２ａ、格子基板１２ａの格子面に対向して平行に配置された平板１２ｃ、および格子基板１２ａと平板１２ｃに挟まれた液晶１２ｂより成る。格子基板１２ａの回折格子は、各格子の傾斜面を同じ向きに揃えて平行に配列されている。格子基板１２ａの屈折率は等方性であり、その屈折率をＮで表す。格子基板１２ａはアクリル等の熱可塑性の樹脂製であり、金型を用いた量産が可能である。なお、格子基板１２ａの材料は熱可塑性樹脂に限られるものではなく、例えば紫外線硬化樹脂も利用可能であり、その場合も金型を用いて量産することができる。
【００３７】
液晶１２ｂは複屈折材料であり、屈折率に異方性を有する。液晶１２ｂは、格子基板１２ａの格子の配列方向の偏光面Ｙ（図中矢印で示す）をもつ偏光ＰＹ（図中実線で示す）に対する屈折率と、偏光面Ｙに対して垂直な偏光面Ｘ（図中丸印で示す）をもつ偏光ＰＸ（図中破線で示す）に対する屈折率とが、異なるように配向されている。液晶１２ｂの、偏光ＰＹに対する屈折率をＮｏ、偏光ＰＸに対する屈折率をＮｅで表す。
【００３８】
屈折率Ｎ、Ｎｏ、Ｎｅは透過する光の波長に応じて変化し、波長λの光に対する各屈折率はＮ（λ）、Ｎｏ（λ）、Ｎｅ（λ）で表される。屈折率の変化は分散が大きいほど、したがってアッベ数が小さいほど大きくなる。ここでは、格子基板１２ａのアッベ数νと偏光ＰＹに対する液晶１２ｂのアッベ数νｏを大きくして、短波長側の一部の波長領域を除き、格子基板１２ａの屈折率Ｎと偏光ＰＹに対する液晶１２ｂの屈折率Ｎｏを等しくしている。また、偏光ＰＸに対する液晶１２ｂの屈折率Ｎｅを格子基板１２ａの屈折率Ｎよりも大きくしている。格子基板１２ａの屈折率Ｎ、液晶１２ｂの屈折率Ｎｏ、Ｎｅ、および格子基板１２ａの格子のピッチや高さについては、後に具体的数値を掲げて説明する。
【００３９】
格子基板１２ａの屈折率Ｎと液晶１２ｂの屈折率Ｎｅが異なるため、光源１１から入射する光のうち偏光面Ｘをもつ偏光ＰＸには、格子の配列方向に回折が生じる。一方、格子基板１２ａの屈折率Ｎと液晶１２ｂの屈折率Ｎｏは等しいため、光源１１から入射する光のうち偏光面Ｙをもつ偏光ＰＹは、回折せずに直進する。その結果、光源１１からの光は偏光面が垂直なこれら２つの偏光ＰＸ、ＰＹに分離される。
【００４０】
インテグレータ１３は、レンズセルが２次元に配列された第１のレンズアレイ１３ａと、レンズアレイ１３ａに対応してレンズセルが配列された第２のレンズアレイ１３ｂより成る。これらのレンズアレイ１３ａ、１３ｂは平行に配置されており、レンズアレイ１３ａの各レンズセルの光軸はアレイ面に対して垂直である。第２のレンズアレイ１３ｂのレンズセルは、偏心して形成されている。
【００４１】
第１のレンズアレイ１３ａの各レンズセルは、偏光分離器１２から入射する光を、第２のレンズアレイ１３ｂの対応するレンズセル上に結像させる。このとき、偏光ＰＸと偏光ＰＹは分離されているため、両者は第２のレンズアレイ１３ｂの各レンズセル上で異なる位置に結像することになる。偏光ＰＹは第１のレンズアレイ１３ａに垂直に入射し、レンズアレイ１３ｂのレンズセルの光軸上に結像する。一方、偏光ＰＸは偏光分離器１２による回折角だけ傾いて第１のレンズアレイ１３ａに入射し、レンズアレイ１３ｂのレンズセルの光軸から外れた位置に結像する。第２のレンズアレイ１３ｂのレンズセルが偏心しているのは、光軸から外れた位置に結像する偏光ＰＸが、透過後に偏光ＰＹと平行に進むようにするためである。
【００４２】
第２のレンズアレイ１３ｂは、それぞれのレンズセルを透過する光が液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂのパネル面全体に入射するように設定されており、液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂのパネル面のどの部位にも、第２のレンズアレイ１３ｂの全てのレンズセルからの光が入射する。これにより、光源１１が発する光の強度分布のむらがなくなって、各液晶パネルは強度分布が均一な光を受けることになる。また、第２のレンズアレイ１３ｂは、それぞれのレンズセルを透過する光が全て液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに入射するように設定されており、インテグレータ１３からの光は損失なく各液晶パネルに導かれる。
【００４３】
第２のレンズアレイ１３ｂの第１のレンズアレイ１３ａ側の面には、格子基板１２ａの各格子に沿う方向（紙面に対して垂直方向）に延びる１／２波長板１４が設けられている。１／２波長板１４は、格子の配列方向のレンズセル数と同数設けられており、偏光ＰＸが通過する位置に配置されている。偏光ＰＸは、１／２波長板１４を透過することにより偏光面が９０゜変化する。一方、偏光ＰＹは１／２波長板１４を透過せず、その偏光面は変化しない。こうして、第２のレンズアレイ１３ｂに入射する光、したがってインテグレータ１３から出る光は、全て偏光面Ｙをもつ偏光ＰＹとなる。
【００４４】
１／２波長板１４が偏光変換することと、インテグレータ１３が損失なく光を液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに導くことにより、光源１１が発する光は無駄なく変調に利用される。なお、１／２波長板１４を、偏光ＰＸが通過する位置ではなく、偏光ＰＹが通過する位置に配置してもよい。その場合、液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに与えられる光は全て、偏光面Ｘをもつ偏光ＰＸとなる。
【００４５】
インテグレータ１３からの光はダイクロイックミラー１５ａに入射し、透過するＲ光と反射されるＧ光およびＢ光に分解される。Ｒ光は全反射ミラー１６ａによって反射され、コンデンサレンズ２２Ｒを経て液晶パネル２１Ｒに入射し、これを透過する間にＲ信号に応じて変調される。液晶パネル２１Ｒを透過した変調後のＲ光は、コンデンサレンズ２３Ｒを経てダイクロイックミラー２４に入射して反射され、次いでダイクロイックミラー２５に入射してこれを透過し、投射レンズ２７に入射してスクリーンに向けて投射される。投射されたＲ光はスクリーン上に結像して、Ｒ成分の画像を形成する。
【００４６】
ダイクロイックミラー１５ａで反射されたＧ光とＢ光はダイクロイックミラー１５ｂに入射し、反射されるＧ光と透過するＢ光に分解される。Ｇ光はコンデンサレンズ２２Ｇを経て液晶パネル２１Ｇに入射し、これを透過する間にＧ信号に応じて変調される。液晶パネル２１Ｇを透過した変調後のＧ光は、コンデンサレンズ２３Ｇを経てダイクロイックミラー２４に入射してこれを透過し、次いでダイクロイックミラー２５に入射してこれも透過し、投射レンズ２７に入射してスクリーンに向けて投射される。投射されたＧ光はスクリーン上に結像して、Ｇ成分の画像を形成する。
【００４７】
ダイクロイックミラー１５ｂを透過したＢ光は、リレーレンズ１７ａを経て全反射ミラー１６ｂによって反射され、さらにリレーレンズ１７ｂを経て全反射ミラー１６ｃによって反射される。全反射ミラー１６ｃによって反射されたＢ光は、コンデンサレンズ２２Ｂを経て液晶パネル２１Ｂに入射し、これを透過する間にＢ信号に応じて変調される。液晶パネル２１Ｂを透過した変調後のＢ光は、コンデンサレンズ２３Ｂを経てダミー平板２６に入射してこれを透過し、次いでダイクロイックミラー２５に入射して反射され、投射レンズ２７に入射してスクリーンに向けて投射される。投射されたＢ光はスクリーン上に結像して、Ｂ成分の画像を形成する。
【００４８】
液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇによって個別に変調されたＲ光とＧ光がダイクロイックミラー２４によって合成され、この合成された光に、液晶パネル２１Ｂによって変調されたＢ光がさらに合成されることにより、３色の光は重なり合ってスクリーン上にずれなく結像する。これにより、スクリーン上にカラー画像が表示される。
【００４９】
偏光分離器１２について説明する。偏光分離器１２に入射する光の波長をλ、格子基板１２ａの格子の配列ピッチをｐ、格子の高さをｈで表すと、偏光面Ｘをもつ偏光ＰＸの回折次数ｍｅ（λ）および偏光面Ｙをもつ偏光ＰＹの回折次数ｍｏ（λ）は、
ｍｅ（λ）＝（Ｎｅ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λ
ｍｏ（λ）＝（Ｎｏ（λ）−Ｎ（λ））・ｈ／λ
によって求められる。また、これらの回折次数での偏光ＰＸの回折角θｅ（λ）および偏光ＰＹの回折角θｏ（λ）は、
ｓｉｎ（θｅ（λ））＝λ・ｍｅ（λ）／ｐ
ｓｉｎ（θｏ（λ））＝λ・ｍｏ（λ）／ｐ
となる。
【００５０】
格子基板１２ａの屈折率Ｎは１．５０（Ｎｄ）であり、アッベ数νは６４（νｄ）である。偏光面Ｘをもつ偏光ＰＸに対する液晶１２ｂの屈折率Ｎｅは１．６７であり、アッベ数νｅは３０である。また、偏光ＰＹに対する液晶１２ｂの屈折率Ｎｏは、前述のように屈折率Ｎに等しく、１．５０であり、そのアッベ数νｏは４０である。
【００５１】
光源１１が発する光の分光強度分布のピークはＧ光の領域にあり、偏光分離器１２は、ピーク波長近傍の０．５５μｍを基準波長λ０として、この基準波長λ０の偏光ＰＸ、ＰＹを約５゜の角度に分離するように設定されている。偏光ＰＹは回折を起こさず、回折角０゜の０次の回折光として取り出される。したがって、偏光ＰＸは約５゜の回折角で取り出されることになり、偏光分離器１２では、この偏光ＰＸの回折次数が６次になるように設定している。すなわち、ｍｅ（λ０）＝６、ｍｏ（λ０）＝０である。
【００５２】
上記の回折条件を満たすための格子のピッチｐと高さｈは、それぞれｐ＝３７．９μｍ、ｈ＝１８．９μｍであり、格子基板１２ａの格子はこれらの値に設定されている。格子基板１２ａの回折格子を図３に示す。図３は、理想の格子ではなく、作製精度の影響により格子のエッジに略１μｍのだれが生じた格子を示したものである。（ａ）は偏光ＰＸの回折、（ｂ）は偏光ＰＹの回折を表している。この格子は、図１２に示した１次の回折光を取り出すための回折格子と略相似形である。しかしながら、格子基板１２ａの格子は図１２の格子の約６倍の大きさであるから、作製精度の影響によるだれの部分が回折格子全体に占める割合は１／６の約５％程度となり、回折効率が大幅に向上する。
【００５３】
偏光面Ｘをもつ偏光ＰＸの波長、回折角および回折次数の関係を図４に示し、波長と回折効率の関係を図５に示す。図４に示すように、回折角５゜付近において、基準波長λ０では６次の回折が生じ、これより長波長の０．６５μｍ近傍では５次の回折が生じ、短波長の０．４７μｍ近傍では７次の回折が生じている。図５に示すように、６次の回折光の最大強度は基準波長０．５５μｍ近傍にあり、５次および７次の回折光の最大強度はそれぞれ、０．６３μｍおよび０．４９μｍ近傍にある。
【００５４】
図４において、斜線を付した範囲は、これら５次、６次、７次の各回折光の強度が他の次数の回折光の強度以上となる範囲を表している。この範囲を回折角についてみると４．４〜５．５゜の範囲に収まり、特に強い強度は回折角５゜の近傍に集中している。例えば、最大強度の８０％以上の強度の範囲は４．６〜５．３゜である。５゜から離れた回折角で発生する０．５８μｍ、０．５２μｍの回折光は、それぞれＲ光とＧ光およびＧ光とＢ光の境界領域であり、投射表示装置１では、表示する画像の色純度を高めるために利用しない不要な波長の光である。
【００５５】
５次光の最大強度の波長０．６３μｍ、６次光の最大強度の波長０．５５μｍ、および７次光の最大強度の波長０．４９μｍは、それぞれＲ、ＧおよびＢの原色光の中心近傍の波長であり、各中心波長の回折角は４．８〜５．２゜の範囲内に収まる。Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の中心波長をそれぞれλＲ、λＧ、λＢで表すと、ｍｅ（λＧ）＝ｍｅ（λ０）＝６、ｍｅ（λＲ）≒５、ｍｅ（λＢ）≒７となる。ここで、近似等号≒は、計算によって求められる回折次数が、±０．２の範囲内で整数となることを表す。
【００５６】
このように、使用する波長中に複数の重要な波長がある場合、それらの重要な波長を異なる次数で回折させ、しかも回折角の差を小さくするのがよい。回折角の差を小さくしたことで、この投射表示装置１では、１／２波長板１４の幅を大きくする必要がなくなり、インテグレータ１３を構成するレンズアレイ１３ａ、１３ｂを小さくするとともに、両者間の距離を短くすることが可能になっている。これにより、インテグレータ１３自体が小型化するのみならず、他の構成要素も小型化し、投射表示装置１全体も小型軽量となっている。
【００５７】
偏光面Ｙをもつ偏光ＰＹは、前述のように、回折角０゜の０次光として取り出される。偏光ＰＹの波長と回折効率の関係を図６に示す。この図に示すように、回折効率は０．５３μｍ以上の波長範囲では一定であるが、これ以下の波長では低下し、波長０．４５μｍでは８０％程度となる。これは、格子基板１２ａのアッベ数νと偏光ＰＹに対する液晶１２ｂのアッベ数νｏに差があることにより、短波長で１次以上の回折が若干発生するためである。
【００５８】
偏光分離器１２を作製するにあたっては、格子のだれを極力小さくするのが望ましい。しかしながら、どのように加工技術が進歩しても、加工精度に誤差が含まれ、これにより生じる格子のだれが回折効率の低下を招くことは避けられない。回折効率への格子のだれの影響を少なくし、広い波長領域で回折角の差を小さくするためには、基準波長λ０の偏光ＰＸ、ＰＹの回折次数ｍｅ（λ０）、ｍｏ（λ０）の差が大きい方がよく、３≦｜ｍｅ（λ０）−ｍｏ（λ０）｜であることが必要である。偏光分離器１２においては、｜ｍｅ（λ０）−ｍｏ（λ０）｜＝６であり、この条件が満たされている。
【００５９】
偏光ＰＹの０次の回折効率の低下は、格子基板１２ａと液晶１２ｂのアッベ数ν、νｏを等しくすれば防止される。しかしながら、一般に、液晶はガラスやプラスチックに比べてアッベ数が小さいという特性があるため、現実にこの条件を液晶で達成することはほとんど不可能である。また、屈折率Ｎと屈折率Ｎｏが等しく、アッベ数νとアッベ数νｏが等しく、しかも屈折率Ｎと屈折率Ｎｅの差が大きいという、等方性材料と複屈折材料の組み合わせを見い出すこともほとんど不可能である。
【００６０】
不要な次数の回折が発生することによる所望の次数の回折効率の低下は、偏光ＰＸ、ＰＹの回折次数ｍｅ（λ０）、ｍｏ（λ０）の差が大きい方ほど顕著になる。このため｜ｍｅ（λ０）−ｍｏ（λ０）｜≦１０とするのがよい。また、回折次数ｍｅ（λ０）、ｍｏ（λ０）の差を大きくするためには、格子の高さｈを大きくする必要がある。格子の高さｈを大きくすれば、複屈折材料の厚さが格子の山と谷の部位で大きく異なることになって、本実施形態のように複屈折材料として液晶を使用する場合、液晶の配向を一定にすることが困難になる。この点でも、回折次数ｍｅ（λ０）、ｍｏ（λ０）の差を１０以下とするのが好ましいといえる。偏光分離器１２ではこの条件も満たされている。
【００６１】
第２の実施形態の投射型画像表示装置２について説明する。本実施形態の投射表示装置２は、偏光分離器とインテグレータの構成が上述の投射表示装置１と異なるのみで、他の構成は同じである。投射表示装置１と同一の構成要素は同一の符号で表し、図１を参照して既に説明した光学系全体の構成については説明を省略する。
【００６２】
投射表示装置２における光源１１、偏光分離器３２およびインテグレータ３３の構成を図７に示す。偏光分離器３２は、ブレーズ型回折格子が表面に形成された格子基板３２ａ、格子基板３２ａの格子面に対向して平行に配置された平板３２ｃ、および格子基板３２ａと平板３２ｃに挟まれた液晶３２ｂより成る。格子基板３２ａの回折格子は、格子の配列方向の中央に関して対称に形成されており、半分の傾斜面は他の半分の傾斜面と逆向きになっている。
【００６３】
液晶３２ｂは、格子基板３２ａの格子の配列方向の偏光面Ｙをもつ偏光ＰＹに対する屈折率と、偏光面Ｙに対して垂直な偏光面Ｘをもつ偏光ＰＸに対する屈折率とが、異なるように配向されている。格子基板３２ａの屈折率、液晶３２ｂの偏光ＰＹ、偏光ＰＸに対する屈折率を、第１の実施形態と同様に、それぞれＮ、Ｎｏ、Ｎｅで表す。
【００６４】
格子基板３２ａの屈折率Ｎは、液晶の２つの屈折率Ｎｏ、Ｎｅの間の値に設定されており、偏光分離器３２は、偏光ＰＸを正の次数の回折光として、偏光ＰＹを負の次数の回折光として、両者を分離する。
【００６５】
インテグレータ３３は、レンズセルが２次元に配列された第１のレンズアレイ３３ａと、レンズアレイ３３ａに対応してレンズセルが配列された第２のレンズアレイ３３ｂより成る。レンズアレイ３３ａ、３３ｂは平行に配置されており、レンズアレイ３３ａ、３３ｂの各レンズセルの光軸はアレイ面に対して垂直である。また、第１のレンズアレイ３３ａの各レンズセルの光軸と、第２のレンズアレイ３３ｂの対応するレンズセルの光軸は一致している。
【００６６】
第２のレンズアレイ３３ｂのレンズセルは偏心して形成されているが、格子基板３２ａの回折格子が対称であることに対応して、第２のレンズアレイ３３ｂのレンズセルも対称に配置されている。また、偏光分離器３２による偏光ＰＸ、ＰＹの回折角が正と負になることから、レンズアレイ３３ｂのレンズセルの偏心の程度は、投射表示装置１のレンズアレイ１３ｂのレンズセルよりも小さい。
【００６７】
第１のレンズアレイ３３ａの各レンズセルは、偏光分離器３２から入射する光を、第２のレンズアレイ３３ｂの対応するレンズセル上に結像させる。このとき、偏光ＰＸと偏光ＰＹは分離されているため、両者は第２のレンズアレイ３３ｂの各レンズセル上で異なる位置に結像する。偏光ＰＸと偏光ＰＹはレンズアレイ３３ｂのレンズセルの光軸上から外れた位置に結像し、２つの結像位置はレンズセルの光軸に関して反対側になる。レンズアレイ３２ｂを透過した両偏光は、レンズセルの光軸に平行に進む。
【００６８】
第２のレンズアレイ３３ｂは、それぞれのレンズセルを透過する光が液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂのパネル面全体に入射するように設定されており、液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂのパネル面のどの部位にも、第２のレンズアレイ３３ｂの全てのレンズセルからの光が入射する。これにより、光源１１が発する光の強度分布のむらがなくなって、各液晶パネルは強度分布が均一な光を受けることになる。また、第２のレンズアレイ３３ｂは、それぞれのレンズセルを透過する光が全て液晶パネル２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂに入射するように設定されており、インテグレータ３３からの光は損失なく各液晶パネルに導かれる。
【００６９】
しかも、偏光分離器３２とインテグレータ３３がそれぞれ対称に構成されているため、各液晶パネルに導かれる光は、レンズアレイ３３ｂを出る光束の対称な部分同士が重なり合ったものとなる。このため、回折効率に波長によるばらつきが生じて光束に強度むらが発生した場合でも、その強度むらが相殺されることになり、表示する画像に色むらが発生することが防止される。
【００７０】
第２のレンズアレイ３３ｂの第１のレンズアレイ３３ａ側の面には、格子基板３２ａの各格子に沿う方向（紙面に対して垂直方向）に延びる１／２波長板３４が設けられている。１／２波長板３４は、格子の配列方向のレンズセル数と同数設けられており、偏光ＰＸが通過する位置に配置されている。１／２波長板３４も対称に配置されており、中央の２つの１／２波長板３４は一体化して他の略２倍の大きさとなっている。偏光ＰＸは、１／２波長板３４を透過することにより偏光面が９０゜変化する。一方、偏光ＰＹは１／２波長板３４を透過せず、その偏光面は変化しない。したがって、インテグレータ３３から出る光は、全て偏光面Ｙをもつ偏光ＰＹとなる。
【００７１】
偏光分離器３２の格子基板３２ａの屈折率Ｎは１．５９（Ｎｄ）であり、アッベ数νは３５（νｄ）である。偏光ＰＸに対する液晶３２ｂの屈折率Ｎｅは１．７３であり、アッベ数νｅは２５である。また、偏光ＰＹに対する液晶３２ｂの屈折率Ｎｏは１．５０であり、アッベ数νｏは３０である。
【００７２】
偏光分離器３２は、光源１１からの光のピーク強度の波長近傍の０．５５μｍを基準波長λ０として、この基準波長λ０の偏光ＰＸ、ＰＹを約５゜の角度に分離するように設定されている。基準波長λ０の回折次数は、ｍｅ（λ０）＝４．９、ｍｏ（λ０）＝−３．１である。基準波長λ０の近傍では、偏光ＰＸに５次の回折が生じ、その回折角は３．１゜である。また、偏光ＰＹには−３次の回折が生じ、その回折角は−１．９゜である。
【００７３】
偏光面Ｘをもつ偏光ＰＸの波長、回折角および回折次数の関係を図８に示し、波長と回折効率の関係を図９に示す。図８に示すように、回折角３゜付近において、基準波長λ０では５次の回折が生じ、これより長波長の０．６５μｍ近傍では４次の回折が生じ、短波長の０．４７μｍ近傍では６次の回折が生じている。図９に示すように、５次の回折光の最大強度は波長０．５４μｍ近傍にあり、４次および６次の回折光の最大強度はそれぞれ、０．６４μｍおよび０．４７μｍ近傍にある。
【００７４】
図８において、斜線を付した範囲は、これら４次、５次、６次の各回折光の強度が他の次数の回折光の強度以上となる範囲を表している。この範囲を回折角についてみると２．６〜３．４゜の範囲に収まり、特に強い強度は回折角３゜の近傍に集中している。例えば、最大強度の８０％以上の強度の範囲は２．８〜３．３゜である。３゜から離れた回折角で発生する０．５８μｍ、０．５０μｍの回折光は、それぞれＲ光とＧ光およびＧ光とＢ光の境界領域であり、強度も弱い。
【００７５】
４次光の最大強度の波長０．６４μｍ、５次光の最大強度の波長０．５４μｍ、および６次光の最大強度の波長０．４７μｍは、回折角２．９〜３．２゜の範囲内にほぼ収まる。Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光の中心波長λＲ、λＧ、λＢの回折次数は、ｍｅ（λＧ）＝ｍｅ（λ０）≒５、ｍｅ（λＲ）≒４、ｍｅ（λＢ）≒６となる。ここで、近似等号≒は、計算によって求められる回折次数が、±０．２の範囲内で整数となることを表す。
【００７６】
偏光面Ｙをもつ偏光ＰＹの波長、回折角および回折次数の関係を図１０に示し、波長と回折効率の関係を図１１に示す。図１０に示すように、短波長側の一部を除く可視領域の波長全体にわたって、回折角−２゜付近に−３次の回折が生じており、短波長では−４次の回折が生じている。図１０において、斜線を付した範囲は、これら−３次、−４次の各回折光の強度が他の次数の回折光の強度以上となる範囲を表している。この範囲を回折角についてみると−２．２〜−１．６゜の範囲に収まる。
【００７７】
基準波長λ０の偏光ＰＸ、ＰＹの回折次数ｍｅ（λ０）、ｍｏ（λ０）の差は８であり、本実施形態の偏光分離器３２においても、３≦｜ｍｅ（λ０）−ｍｏ（λ０）｜≦１０の条件が満たされている。これにより、回折効率への格子のだれの影響を少なくして、広い波長領域で回折角の差を小さくすることが可能になっており、また、不要な次数の回折の発生による回折効率の低下が防止され、液晶３２ｂの配向を一定に揃えることも容易になっている。
【００７８】
なお、ここでは透過型液晶パネルによって光の変調を行う投射型画像表示装置の例を示したが、各実施形態の偏光分離器は、反射型液晶パネルによって光の変調を行う投射型画像表示装置にも適用可能であり、また、投射型画像表示装置以外の光学装置にも利用することができる。
【００７９】
【発明の効果】
本発明の偏光分離器によるときは、ブレーズ型回折格子の格子ピッチが大きくなって、回折格子の作製精度の影響が回折効率に現れ難くなり、理想に近い効率で偏光分離をすることができる。また、波長の異なる光を同時に偏光分離することが可能であり、しかも各波長の回折角があまり違わず、波長の異なる偏光を分離後も方向を揃えて導くことができる。
【００８０】
特に、透過させる光の極大強度近傍の波長を基準波長とし、この波長の第２の偏光の回折次数を整数に近似させることで、他の波長を含めた全体の回折効率が高くなり、光を有効に利用するできる。
【００８１】
また、透過させる光の波長範囲を青色光から赤色光までに対応する範囲とし、青色光、緑色光および赤色光の中心波長に略等しい３つの波長の、第２の偏光または第１の偏光の回折次数を異なる３つの整数に近似させることで、Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光をそれぞれ偏光分離し、分離後の各光を方向を揃えて導くことができる。
【００８２】
本発明の投射型画像表示装置は、光源からの光の利用効率が高く、明るい画像を表示することができる。しかも、カラー画像を表示する場合、偏光分離後のＲ、Ｇ、Ｂの３色の光の進行方向を略同一方向とすることが可能であるから、光学系が小型になって装置全体も小型化する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  第１および第２の実施形態の投射型画像表示装置の光学系の全体構成を示す図。
【図２】  第１の実施形態の光源、偏光分離器、インテグレータの構成および１／２波長板を示す図。
【図３】  第１の実施形態の偏光分離器の回折格子を模式的に示す図。
【図４】  第１の実施形態の偏光分離器における偏光ＰＸの波長、回折角および回折次数の関係を示す図。
【図５】  第１の実施形態の偏光分離器における偏光ＰＸの波長と回折効率の関係を示す図。
【図６】  第１の実施形態の偏光分離器における偏光ＰＹの波長と回折効率の関係を示す図。
【図７】  第２の実施形態の光源、偏光分離器、インテグレータの構成および１／２波長板を示す図。
【図８】  第２の実施形態の偏光分離器における偏光ＰＸの波長、回折角および回折次数の関係を示す図。
【図９】  第２の実施形態の偏光分離器における偏光ＰＸの波長と回折効率の関係を示す図。
【図１０】  第２の実施形態の偏光分離器における偏光ＰＹの波長、回折角および回折次数の関係を示す図。
【図１１】  第２の実施形態の偏光分離器における偏光ＰＹの波長と回折効率の関係を示す図。
【図１２】  １次の回折光を取り出す回折格子の理想の状態と、作製精度の影響により格子のエッジにだれが生じた状態を示す図。
【図１３】  １次の回折光を取り出す回折格子における偏光の波長と回折角の関係の例を示す図。
【図１４】  １次の回折光を取り出す回折格子における偏光の波長と回折効率の関係の例を示す図。
【符号の説明】
１、２        投射型画像表示装置
１１            光源
１１ａ          ランプ
１１ｂ          リフレクタ
１１ｃ          ＵＶ・ＩＲカットフィルタ
１２、３２      偏光分離器
１２ａ、３２ａ  格子基板
１２ｂ、３２ｂ  液晶
１２ｃ、３２ｃ  平板
１３、３３      インテグレータ
１３ａ、３３ａ  レンズアレイ
１３ｂ、３３ｂ  レンズアレイ
１４、３４      １／２波長板
１５ａ、１５ｂ  ダイクロイックミラー
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ  全反射ミラー
１７ａ、１７ｂ  リレーレンズ
２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂ  透過型液晶パネル
２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂ  コンデンサレンズ
２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ  コンデンサレンズ
２４、２５      ダイクロイックミラー
２６            ダミー平板
２７            投射レンズ
２７ａ          シリンダーレンズ
２７ｂ          非球面レンズ
２７ｃ          絞り
【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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