JP2005070089A - 画像表示装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】十分なコントラストを得る。
【解決手段】反射型液晶表示素子１０ｒ、１０ｇ、１０ｂと、入射光を複数の光束に分割する光束分割手段と、コンデンサーレンズ５及びフィールドレンズ７及び偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂ，８ｃ及び該偏光ビームスプリッターと前記反射型液晶表示素子との間に配置された１／４位相板１１とを備えて前記複数の光束を前記反射型液晶表示素子１０ｒ、１０ｇ、１０ｂに導く集光光学系とを有する画像表示装置であって、前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズ５の有効域幅Ｌとすると、
により決まる前記集光光学系の光束の最大角度θにおいて、前記１／４位相板１１の位相差φが π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２を満足する。
【選択図】 図１
【解決手段】反射型液晶表示素子１０ｒ、１０ｇ、１０ｂと、入射光を複数の光束に分割する光束分割手段と、コンデンサーレンズ５及びフィールドレンズ７及び偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂ，８ｃ及び該偏光ビームスプリッターと前記反射型液晶表示素子との間に配置された１／４位相板１１とを備えて前記複数の光束を前記反射型液晶表示素子１０ｒ、１０ｇ、１０ｂに導く集光光学系とを有する画像表示装置であって、前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズ５の有効域幅Ｌとすると、
により決まる前記集光光学系の光束の最大角度θにおいて、前記１／４位相板１１の位相差φが π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２を満足する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネル等の画像表示素子、特に反射型の画像表示素子を用いた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反射型液晶表示装置を用いた画像投射装置において、光源からの光を偏光ビームスプリッターを介して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を再び偏光ビームスプリッターで検光し投影する構成で、前記偏光ビームスプリターと前記反射型液晶表示素子の間に１／４位相板を設け、コントラスト補正を行う形態が特許文献１に開示されている（図６）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０２−２５００２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
画像投射装置で投射する画像の明るさを明るくするためには、均一な照明領域を形成するための光束分離手段と照明光の偏光方向をそろえるための偏光分離手段を有し、偏光分離手段を射出する複数の光束を集光するコンデンサーレンズと反射型液晶表示素子への入射光をテレセントリックな光とするフィールドレンズからなる集光光学系が必要となり、かつこれらから成る照明系の利用効率を高くするためには集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌにより決まる照明光学系のＦｎｏ（＝ｆ／Ｌ）を小さくする必要があり、これにより反射型液晶表示素子上の任意の１点に集光する光束の最大入射角度はより大きくする必要がある。
【０００５】
しかしながら、１／４位相板は所定の厚みを有する異方性の構造体であるので、入射角によって生じる位相差が異なる。常光線の屈折率ｎｏ、異常光線の屈折率ｎｅである異方性の物質中を、常光線と異常光線の軸に対して４５°傾いた偏光軸の光が常光線方向に伝播すると、光の位相差φは
【外３】
と表される。ここで、λは波長、ｌは光が伝播する物質の厚さである。
【０００６】
式（１）から、波長λの光が物質を通過することにより常光線方向と異常光線方向で発生する光路差が
【外４】
のとき、位相差
【外５】
となり、直線偏光で入射された光は円偏光に変換され、１／４位相板となる。
【０００７】
しかし、異方性のある上記物質中に光が斜入射すると、図５に示すｘ軸方向とｙ軸方向に屈折率ｎｏ、ｚ軸方向に屈折率ｎｅの屈折率楕円体で示されるようになり、波面の伝播方向（ベクトルａ）を異常光線方向からｙｚ平面上でα傾いた方向に入射された場合、互いに垂直な電場に対する常光線の屈折率ｎｏ’と異常光線の屈折率ｎｅ’は、
【０００８】
【外６】
【外７】
となり、光の位相差φ’は
【外８】
と表され、位相差φは入射角度αに依存することになり、１／４位相板に対する入射角度が基準の入射角度（α＝９０°）からはずれると式（３）で表される位相差φ’が式（１）から得られる値とは大きく異なることとなってしまい、１／４位相板を用いても十分なコントラストが得られないという問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題を解決するために、本発明の画像表示装置は、反射型液晶表示素子と、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割手段と、該光束分割手段からの出射光を前記反射型液晶表示素子に導く集光光学系とを有する画像表示装置であって、前記集光光学系が、前記光源側から順に、前記光束分割手段からの出射光を集光するコンデンサーレンズと、前記反射型液晶表示素子への入射光を略テレセントリックな光とするフィールドレンズと、前記フィールドレンズから出射した光を偏光分離する偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターと前記反射型液晶表示素子との間に配置された１／４位相板とを有しており、前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌとすると
【外９】
により決まる前記集光光学系の光束の最大角度θにおいて、前記１／４位相板の位相差φが
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することを特徴としている。
【００１０】
ここで、前記集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足することが好ましい。
【００１１】
さらに、前記位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の画像投射装置は、白色光源と画像を表示する反射型液晶表示素子と投射光学系を有し、前記白色光源からの光を光束分割手段と偏光変換手段からなる照明光学系と、照明光学系からの光を集光するコンデンサーレンズと反射型液晶表示素子への入射光をテレセントリックな光とするフィールドレンズからなる集光光学系により反射型液晶表示素子に光を導き、かつ反射型液晶表示素子からの光を投射光学系に導く偏光ビームスプリッターを有し、前記偏光ビームスプリターと前記反射型液晶表示素子の間に１／４位相板を設け、前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌとすると
【外１０】
により決まる前記集光光学系の光束の最大角度θにおいて、前記１／４位相板の位相差φが
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することを特徴としている。
【００１３】
さらに、前記集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足し、かつ位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足すると尚好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記の条件式について簡単に説明する。白色光源と画像を表示する反射型液晶表示素子と投射光学系を有し、前記白色光源からの光を光束分割手段と偏光変換手段からなる照明光学系と、照明光学系からの光を集光するコンデンサーレンズと反射型液晶表示素子への入射光をテレセントリックな光とするフィールドレンズからなる集光光学系により反射型液晶表示素子に光を導き、かつ反射型液晶表示素子からの光を投射光学系に導く偏光ビームスプリッターを有し、前記偏光ビームスプリターと前記反射型液晶表示素子の間に１／４位相板を設け、偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子の間に設けられた１／４位相板への最大入射角度θは、集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌによって決まるθ＝ｔａｎ−１（Ｌ／２ｆ）であり、図４で示されるように最大入射角度θのＳ偏光の光束が理想的な偏光ビームスプリッターＰの偏光分離膜Ｔを反射し１／４位相板Ｑを透過し反射型液晶表示素子Ｌに入射され、更に反射型液晶表示素子Ｌを反射した光が再度１／４位相板Ｑを透過して偏光ビームスプリッターＰに入射し検光される光学系において、照明光学系の利用効率を高くすることのできる集光光学系の光束の最大角度θの光線において１／４位相板の位相差φが
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足するような１／４位相板を用いることで、反射型液晶表示素子Ｌを反射し１／４位相板Ｑを透過した光が偏光分離膜Ｔで漏れるＰ成分の光量を少なくすることができ、コントラストのとれた明るい投射光を得ることができる。
【００１５】
さらにコントラストの高い画像を得る為に、集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足し、かつ位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足する１／４位相板を用いることで、さらに偏光分離膜Ｔで漏れるＰ成分の光量を少なくすることができ、コントラストを向上させることが可能となる。
【００１６】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例を表す図である。図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源で、２は光源から光を所定の方向に放射するためのリフレクターで、３は均一な照明領域を作成するためのインテグレーターで、フライアイレンズ３ａ，３ｂからなり、４は光源からの無偏光光を所定の方向に揃える偏光変換素子で、偏光分離膜４ａと反射膜４ｂと１／２位相板４ｃからなり、５は照明光を集光するコンデンサーレンズで、６は光路を照明光学系に導くためのミラーで、７はフィールフドレンズで、８ａ，８ｂ，８ｃはＰ偏光透過しＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッターで、９ａ，９ｂは緑の波長領域の光の偏光方向を９０°変換させる色選択位相差板で、１０ｒ，１０ｇ，１０ｂは各色の画像を表示するための反射型液晶表示素子で、１１は１／２位相板で、１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは赤用の１／４位相板、緑用の１／４位相板、青用の１／４位相板で、１３は投射レンズ系で、１４は青と緑の波長領域の光を透過し赤の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーである。
【００１７】
次に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離された後、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の作用により、反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上に重ね合わされ、均一な照明強度の光を各反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ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、偏光変換素子４によりＳ偏光に変換される（Ｐ偏光でも構わない）。詳細には、それぞれの光束に対応した偏光分離膜４ａでＰ偏光とＳ偏光に分離され、Ｓ偏光は反射膜４ｂを反射し、Ｐ偏光は偏光分離膜４ａを透過した後、１／２位相板４ｃを透過しＳ偏光に変換され、Ｓ偏光成分と同じ方向に出射し、結局所定の偏光光（Ｓ偏光光）として同方向に出射される。
【００１８】
光源からの光偏光変換素子４を出射した光は、コンデンサーレンズ５およびフィールドレンズ７により集光され、ダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４は図３で示すような特性を有しており、青と緑の波長領域の光は透過し、赤の波長領域の光は反射する。ダイクロイックミラー１４を反射した赤の光は偏光ビームスプリッター８ａを反射し、１／４位相板１２ｒを透過し、反射型液晶表示素子１０ｒに入射する。反射型液晶表示素子１０ｒに入射された光は反射型液晶表示素子１０ｒにより画像変調されて、反射される。画像変調された光は再度１／４位相板１２ｒを透過し、偏光ビームスプリッター８ｂに入射する。このとき反射型液晶表示素子を出射した光のうちＳ偏光成分の光（黒表示の光）は偏光ビームスプリッター８ａを反射し、光源側に戻され除去される。また反射型液晶表示素子により画像変調されてＰ偏光成分となった光（白表示の光）は偏光ビームスプリッター８ａを透過し、投射光学系１３に導かれて、被投影面上に投影される。
【００１９】
このとき、液晶表示素子１０ｒで画像変調されない光が、偏光ビームスプリッター８ａの偏光分離膜でＳ偏光（黒表示の光）になるように、偏光ビームスプリッター８ａと反射型液晶表示素子１０ｒの間に設けられた１／４位相板１２ｒの進相軸を所定の方向に補正し、偏光ビームスプリッター８ａと反射型液晶表示素子１０ｒで発生する偏光状態の乱れを小さく抑える。
【００２０】
反射型液晶表示素子１０ｒで画像変調され偏光ビームスプリッター８ａにＰ偏光で入射される光は偏光ビームスプリッター８ａを透過し、１／２位相板１１で偏光方向を９０°変換されＳ偏光となり、偏光ビームスプリッター８ｃに入射し偏光ビームスプリッター８ｃにおいて反射することで投射レンズ１３に導かれ投影される。
【００２１】
ダイクロイックミラー１４を透過したＳ偏光の青と緑の光は、緑の波長領域の光だけ偏光方向を９０°変換させる色選択性位相差板９ａに入射され、青の波長領域の偏光方向は変換されずＳ偏光のままで、緑の波長領域の偏光方向はＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター８ｂに入射する。偏光ビームスプリッター８ｂでは、Ｓ偏光である青の波長領域の光を反射し、Ｐ偏光である緑の波長領域の光が透過することで色分解する。偏光ビームスプリッター８ｂを反射した青の波長領域の光は、１／４位相板１２ｂを透過し、反射型液晶表示素子１０ｂに入射する。反射型液晶表示素子１０ｂから出射する光のうちのＰ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｂで偏光方向が変わった成分）は、再度１／４位相板１２ｂを透過し、偏光ビームスプリッター８ｂ及び偏光ビームスプリッター８ｃを透過して、投射レンズ１３によって被投影面に投影される。また、反射型液晶表示素子１０ｂから出射する光のうちのＳ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｂで偏光方向が変わらなかった成分）は偏光ビームスプリッター８ｂで反射されて、光源側に戻され除去される。
【００２２】
また、偏光ビームスプリッター８ｂを透過した緑の波長領域の光は、１／４位相板１２ｇを透過し、反射型液晶表示素子１０ｇに入射する。反射型液晶表示素子１０ｇから出射する光のうちＳ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｇによって偏光方向が変わった成分）は、再度１／４位相板１２ｇを透過し、偏光ビームスプリッター８ｂで反射されて、投射レンズ１３に導かれる。また、反射型液晶表示素子１０ｇから出射する光のうちＰ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｇで偏光方向が変わらなかった成分）は偏光ビームスプリッター８ｂを透過し光源側に戻され除去される。
【００２３】
偏光ビームスプリッター８ｂを出射した投影光である青色領域のＰ偏光の光と緑色領域のＳ偏光の光は、緑の波長領域の偏光方向のみ９０°変換させる色選択性位相差板９ｂに入射され、青の波長領域の偏光方向は変換されずＰ偏光のままで、緑の波長領域の偏光方向がＰ偏光に変換され、青と緑の波長領域の光は偏光ビームスプリッター８ｃを透過することで投射レンズ１３に導かれ投影される。このとき、偏光ビームスプリッター８ｂと反射型液晶表示素子１０ｇ，１０ｂの間に設けられた１／４位相板１２ｇ，１２ｂの進相軸を補正して、赤光路で用いた１／４位相板１２ｒと同様に黒の表示の調節を行う。
【００２４】
ここで、勿論赤色成分の偏光方向を回転させる１／２波長板（位相板）１１を除き、色選択性位相差板９ｂの代わりに、青の波長領域の光の偏光方向を９０度変換し、緑の波長領域の光の偏光方向を変化させない特性を有する色選択性位相差板を配置し、投影レンズ１３の配置位置を図１における偏光ビームスプリッターの紙面上側（すなわち、ビームスプリッター８ａと８ｃと投影レンズ１３とがほぼ一直線に並ぶように配置する）に変更しても構わない。
【００２５】
ここで、偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂに入射角度θで入射される光が入射角度θにおける位相差φの１／４位相板１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを透過し、反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂを反射した後、再度１／４位相板１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを透過し、偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂを透過（或いは反射）するときの漏れ光量を、Ｐ偏光を全て透過させＳ偏光を全て反射させる理想的な偏光ビームスプリッターＰと、反射する光の偏光状態が変わらない理想的な反射型液晶表示素子ＬＬを用いてあらわすと、図２で示すように偏光ビームスプリッターＰの偏光分離膜Ｔに４５°で入射される光軸をＸ軸、偏光ビームスプリッターＰを反射し１／４位相板Ｑおよび反射型液晶表示素子ＬＬに垂直に入射される光線ｃの軸方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に垂直な軸をＹ軸とすると、ＸＹ平面内でパネルに入射角度θで入射するＳ偏光の入射光線ａが偏光ビームスプリッターＰを反射し、ベクトルｆ’の進相軸（遅相軸方向のベクトルｓ’はベクトルｆ’に直交する）をＹ軸方向とした１／４位相板Ｑを透過し反射型液晶表示素子ＬＬに入射され、更に反射型液晶表示素子ＬＬをｚ軸に対称な方向に反射する光線ｂが再度１／４位相板Ｑを透過して偏光ビームスプリッターＰで検光される光学系において、入射光線ａの入射光強度Ｉ０と黒表示にした反射型液晶表示素子ＬＬを反射した光線ｂが偏光ビームスプリッターＰで検光されずに漏れるＰ成分の光強度Ｉｐの比をジョーンズベクトルを用いて表すと、Ｓ偏光の入射光線ａは偏光ビームスプリッターＰの偏光分離膜Ｔを反射することでＹ軸に対するＳ偏光の方向がＸＹ平面で右回りにθ傾くために、１／４位相板Ｑに入射された光線の偏光軸βは進相軸に対してｆ’ｓ’平面でθ傾くことになる。さらに黒を表示した反射型液晶表示素子ＬＬにより入射光線ａは偏光状態を変えずにＹＺ平面上でＺ軸に対称な方向に反射し入射角度θで１／４位相板Ｑに入射する。このとき１／４位相板は入射角度によって決められた位相差をもつため、入射角度θにおける１／４位相板Ｑの位相差をφとすると、同じ入射角度θで２度１／４位相板Ｑを透過することから、
１／４位相板ＱのジョーンズベクトルＡは
【外１１】
となる。また、１／４位相板Ｑに入射する偏光軸βは１／４位相板Ｑの進相軸ｆ’に対してθ傾いているために１／４位相板ＱのジョーンズベクトルＡ’（φ，θ）は、
回転行列
【外１２】
によって、式（４）を座標変換し
【外１３】
と表される。
【００２６】
また偏光ビームスプリッターＰに入射する光線ａを直線偏光のジョーンズベクトル
【外１４】
で表すと、１／４位相板Ｑを２度透過した後の光線ｂのジョーンズベクトル
【外１５】
は
【外１６】
と表される。
【００２７】
ここで、入射光線ａの偏光分離膜ＴにおけるＳ偏光の方向（ベクトルｕ）が光線ｂの偏光分離膜ＴにおけるＳ偏光の方向（ベクトルｕ’）に対して２θ回転しているために、偏光分離膜ＴにおいてＳ成分を検光するジョーンズベクトルＰδは、
回転行列Ｐ
【外１７】
をもちいて
【外１８】
とあらわされ、偏光ビームスプリッターＰに入射される光線ｂ（式（６））が偏光ビームスプリッターＰの偏光分離膜ＴでＳ検光され出射するジョーンズベクトル
【外１９】
は
【外２０】
とあらわされる。
【００２８】
偏光ビームスプリッターＰで検光されたＳ偏光成分の光強度ＩＳは
【外２１】
であり、入射光線ａの強度Ｉ０とすると
【外２２】
と表すことができ、また偏光ビームスプリッターＰで検光されたＰ偏光成分の光強度Ｉｐは
【外２３】
と表される。
【００２９】
ここで、Ｆｎｏを２とすると光束の最大角度は１４°であり、最大入射角度１４°の入射光線ａが１／４位相板Ｑに入射される光の偏光軸は１／４位相板Ｑの進相軸に対して１４°傾いているためθ＝１４°であり、また１４°入射のときの１／４位相板の位相差φがφ＝π／２×１．２（＝１０８°）のとき、
入射強度Ｉ０＝１として、
Ｓ偏光方向強度 ＩＳ＝０．９７９
Ｐ偏光方向強度 ＩＰ＝０．０２１ （１２）
入射光とＰ偏光成分の強度比 Ｉ０／ＩＰは
Ｉ０／ＩＰ＝４７．６ （１３）
となる。
【００３０】
また同様に、１／４位相板の位相差φ＝π／２×０．８（＝７２°）のときの入射光とＰ成分の強度比 Ｉ０／ＩＰは、
ＩＯ／ＩＰ＝４７．６ （１４）
となり、図２の光学系において入射角度（θ）１４°の光線が偏光ビームスプリッターＰで漏れる光の強度Ｉｐと入射光の強度Ｉ０の比が式（１３）と式（１４）で表される値以上となることが望ましい。
【００３１】
このとき偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂと反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの間に設けられた１／４位相板１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、それぞれの波長領域（赤の波長領域は５９０〜６５０ｎｍ、緑の波長領域は５００〜５９０ｎｍ、青の波長領域は４３０〜５００ｎｍ）において、１／４位相板の位相差φが照明光学系の利用効率を高くすることのできる集光光学系の光束の最大角度（θ）１４°において
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することによって、コントラストの高い画像を投影することができる。
【００３２】
【発明の効果】
１／４位相板の入射角特性をよくすることで、明るい照明系に対しても適切な補正ができ、明るくコントラストの高い投射装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例を説明する図
【図２】第１の実施例の１／４位相板へ入射された光の偏光軸方向を表す図
【図３】赤反射用ダイクロミラーの特性を表す図
【図４】偏光ビームスプリッターに入射する光線を説明する図
【図５】異方性物質に斜入射したときの屈折率を説明する図
【図６】従来例を説明する図
【符号の説明】
１ 光源
２ リフレクター
３ａ，３ｂ フライアイレンズ
４ 偏光変換素子
５ コンデンサーレンズ
６ ミラー
７ フィールドレンズ
８ａ，８ｂ，８ｃ 偏光ビームスプリッター
９ａ，９ｂ 色選択位相差板
１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ 反射型液晶表示素子
１１ １／４位相板
１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ １／４位相板
１３ 投射レンズ
１４ 赤反射用ダイクロイックミラー
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネル等の画像表示素子、特に反射型の画像表示素子を用いた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
反射型液晶表示装置を用いた画像投射装置において、光源からの光を偏光ビームスプリッターを介して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を再び偏光ビームスプリッターで検光し投影する構成で、前記偏光ビームスプリターと前記反射型液晶表示素子の間に１／４位相板を設け、コントラスト補正を行う形態が特許文献１に開示されている（図６）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平０２−２５００２６号公報
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
画像投射装置で投射する画像の明るさを明るくするためには、均一な照明領域を形成するための光束分離手段と照明光の偏光方向をそろえるための偏光分離手段を有し、偏光分離手段を射出する複数の光束を集光するコンデンサーレンズと反射型液晶表示素子への入射光をテレセントリックな光とするフィールドレンズからなる集光光学系が必要となり、かつこれらから成る照明系の利用効率を高くするためには集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌにより決まる照明光学系のＦｎｏ（＝ｆ／Ｌ）を小さくする必要があり、これにより反射型液晶表示素子上の任意の１点に集光する光束の最大入射角度はより大きくする必要がある。
【０００５】
しかしながら、１／４位相板は所定の厚みを有する異方性の構造体であるので、入射角によって生じる位相差が異なる。常光線の屈折率ｎｏ、異常光線の屈折率ｎｅである異方性の物質中を、常光線と異常光線の軸に対して４５°傾いた偏光軸の光が常光線方向に伝播すると、光の位相差φは
【外３】
【０００６】
式（１）から、波長λの光が物質を通過することにより常光線方向と異常光線方向で発生する光路差が
【外４】
【外５】
【０００７】
しかし、異方性のある上記物質中に光が斜入射すると、図５に示すｘ軸方向とｙ軸方向に屈折率ｎｏ、ｚ軸方向に屈折率ｎｅの屈折率楕円体で示されるようになり、波面の伝播方向（ベクトルａ）を異常光線方向からｙｚ平面上でα傾いた方向に入射された場合、互いに垂直な電場に対する常光線の屈折率ｎｏ’と異常光線の屈折率ｎｅ’は、
【０００８】
【外６】
【外８】
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記のような問題を解決するために、本発明の画像表示装置は、反射型液晶表示素子と、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割手段と、該光束分割手段からの出射光を前記反射型液晶表示素子に導く集光光学系とを有する画像表示装置であって、前記集光光学系が、前記光源側から順に、前記光束分割手段からの出射光を集光するコンデンサーレンズと、前記反射型液晶表示素子への入射光を略テレセントリックな光とするフィールドレンズと、前記フィールドレンズから出射した光を偏光分離する偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターと前記反射型液晶表示素子との間に配置された１／４位相板とを有しており、前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌとすると
【外９】
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することを特徴としている。
【００１０】
ここで、前記集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足することが好ましい。
【００１１】
さらに、前記位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の画像投射装置は、白色光源と画像を表示する反射型液晶表示素子と投射光学系を有し、前記白色光源からの光を光束分割手段と偏光変換手段からなる照明光学系と、照明光学系からの光を集光するコンデンサーレンズと反射型液晶表示素子への入射光をテレセントリックな光とするフィールドレンズからなる集光光学系により反射型液晶表示素子に光を導き、かつ反射型液晶表示素子からの光を投射光学系に導く偏光ビームスプリッターを有し、前記偏光ビームスプリターと前記反射型液晶表示素子の間に１／４位相板を設け、前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌとすると
【外１０】
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することを特徴としている。
【００１３】
さらに、前記集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足し、かつ位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足すると尚好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
上記の条件式について簡単に説明する。白色光源と画像を表示する反射型液晶表示素子と投射光学系を有し、前記白色光源からの光を光束分割手段と偏光変換手段からなる照明光学系と、照明光学系からの光を集光するコンデンサーレンズと反射型液晶表示素子への入射光をテレセントリックな光とするフィールドレンズからなる集光光学系により反射型液晶表示素子に光を導き、かつ反射型液晶表示素子からの光を投射光学系に導く偏光ビームスプリッターを有し、前記偏光ビームスプリターと前記反射型液晶表示素子の間に１／４位相板を設け、偏光ビームスプリッターと反射型液晶表示素子の間に設けられた１／４位相板への最大入射角度θは、集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌによって決まるθ＝ｔａｎ−１（Ｌ／２ｆ）であり、図４で示されるように最大入射角度θのＳ偏光の光束が理想的な偏光ビームスプリッターＰの偏光分離膜Ｔを反射し１／４位相板Ｑを透過し反射型液晶表示素子Ｌに入射され、更に反射型液晶表示素子Ｌを反射した光が再度１／４位相板Ｑを透過して偏光ビームスプリッターＰに入射し検光される光学系において、照明光学系の利用効率を高くすることのできる集光光学系の光束の最大角度θの光線において１／４位相板の位相差φが
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足するような１／４位相板を用いることで、反射型液晶表示素子Ｌを反射し１／４位相板Ｑを透過した光が偏光分離膜Ｔで漏れるＰ成分の光量を少なくすることができ、コントラストのとれた明るい投射光を得ることができる。
【００１５】
さらにコントラストの高い画像を得る為に、集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足し、かつ位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足する１／４位相板を用いることで、さらに偏光分離膜Ｔで漏れるＰ成分の光量を少なくすることができ、コントラストを向上させることが可能となる。
【００１６】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例を表す図である。図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源で、２は光源から光を所定の方向に放射するためのリフレクターで、３は均一な照明領域を作成するためのインテグレーターで、フライアイレンズ３ａ，３ｂからなり、４は光源からの無偏光光を所定の方向に揃える偏光変換素子で、偏光分離膜４ａと反射膜４ｂと１／２位相板４ｃからなり、５は照明光を集光するコンデンサーレンズで、６は光路を照明光学系に導くためのミラーで、７はフィールフドレンズで、８ａ，８ｂ，８ｃはＰ偏光透過しＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッターで、９ａ，９ｂは緑の波長領域の光の偏光方向を９０°変換させる色選択位相差板で、１０ｒ，１０ｇ，１０ｂは各色の画像を表示するための反射型液晶表示素子で、１１は１／２位相板で、１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは赤用の１／４位相板、緑用の１／４位相板、青用の１／４位相板で、１３は投射レンズ系で、１４は青と緑の波長領域の光を透過し赤の波長領域の光を反射するダイクロイックミラーである。
【００１７】
次に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離された後、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の作用により、反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ上に重ね合わされ、均一な照明強度の光を各反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ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、偏光変換素子４によりＳ偏光に変換される（Ｐ偏光でも構わない）。詳細には、それぞれの光束に対応した偏光分離膜４ａでＰ偏光とＳ偏光に分離され、Ｓ偏光は反射膜４ｂを反射し、Ｐ偏光は偏光分離膜４ａを透過した後、１／２位相板４ｃを透過しＳ偏光に変換され、Ｓ偏光成分と同じ方向に出射し、結局所定の偏光光（Ｓ偏光光）として同方向に出射される。
【００１８】
光源からの光偏光変換素子４を出射した光は、コンデンサーレンズ５およびフィールドレンズ７により集光され、ダイクロイックミラー１４に入射する。ダイクロイックミラー１４は図３で示すような特性を有しており、青と緑の波長領域の光は透過し、赤の波長領域の光は反射する。ダイクロイックミラー１４を反射した赤の光は偏光ビームスプリッター８ａを反射し、１／４位相板１２ｒを透過し、反射型液晶表示素子１０ｒに入射する。反射型液晶表示素子１０ｒに入射された光は反射型液晶表示素子１０ｒにより画像変調されて、反射される。画像変調された光は再度１／４位相板１２ｒを透過し、偏光ビームスプリッター８ｂに入射する。このとき反射型液晶表示素子を出射した光のうちＳ偏光成分の光（黒表示の光）は偏光ビームスプリッター８ａを反射し、光源側に戻され除去される。また反射型液晶表示素子により画像変調されてＰ偏光成分となった光（白表示の光）は偏光ビームスプリッター８ａを透過し、投射光学系１３に導かれて、被投影面上に投影される。
【００１９】
このとき、液晶表示素子１０ｒで画像変調されない光が、偏光ビームスプリッター８ａの偏光分離膜でＳ偏光（黒表示の光）になるように、偏光ビームスプリッター８ａと反射型液晶表示素子１０ｒの間に設けられた１／４位相板１２ｒの進相軸を所定の方向に補正し、偏光ビームスプリッター８ａと反射型液晶表示素子１０ｒで発生する偏光状態の乱れを小さく抑える。
【００２０】
反射型液晶表示素子１０ｒで画像変調され偏光ビームスプリッター８ａにＰ偏光で入射される光は偏光ビームスプリッター８ａを透過し、１／２位相板１１で偏光方向を９０°変換されＳ偏光となり、偏光ビームスプリッター８ｃに入射し偏光ビームスプリッター８ｃにおいて反射することで投射レンズ１３に導かれ投影される。
【００２１】
ダイクロイックミラー１４を透過したＳ偏光の青と緑の光は、緑の波長領域の光だけ偏光方向を９０°変換させる色選択性位相差板９ａに入射され、青の波長領域の偏光方向は変換されずＳ偏光のままで、緑の波長領域の偏光方向はＰ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター８ｂに入射する。偏光ビームスプリッター８ｂでは、Ｓ偏光である青の波長領域の光を反射し、Ｐ偏光である緑の波長領域の光が透過することで色分解する。偏光ビームスプリッター８ｂを反射した青の波長領域の光は、１／４位相板１２ｂを透過し、反射型液晶表示素子１０ｂに入射する。反射型液晶表示素子１０ｂから出射する光のうちのＰ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｂで偏光方向が変わった成分）は、再度１／４位相板１２ｂを透過し、偏光ビームスプリッター８ｂ及び偏光ビームスプリッター８ｃを透過して、投射レンズ１３によって被投影面に投影される。また、反射型液晶表示素子１０ｂから出射する光のうちのＳ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｂで偏光方向が変わらなかった成分）は偏光ビームスプリッター８ｂで反射されて、光源側に戻され除去される。
【００２２】
また、偏光ビームスプリッター８ｂを透過した緑の波長領域の光は、１／４位相板１２ｇを透過し、反射型液晶表示素子１０ｇに入射する。反射型液晶表示素子１０ｇから出射する光のうちＳ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｇによって偏光方向が変わった成分）は、再度１／４位相板１２ｇを透過し、偏光ビームスプリッター８ｂで反射されて、投射レンズ１３に導かれる。また、反射型液晶表示素子１０ｇから出射する光のうちＰ偏光成分（反射型液晶表示素子１０ｇで偏光方向が変わらなかった成分）は偏光ビームスプリッター８ｂを透過し光源側に戻され除去される。
【００２３】
偏光ビームスプリッター８ｂを出射した投影光である青色領域のＰ偏光の光と緑色領域のＳ偏光の光は、緑の波長領域の偏光方向のみ９０°変換させる色選択性位相差板９ｂに入射され、青の波長領域の偏光方向は変換されずＰ偏光のままで、緑の波長領域の偏光方向がＰ偏光に変換され、青と緑の波長領域の光は偏光ビームスプリッター８ｃを透過することで投射レンズ１３に導かれ投影される。このとき、偏光ビームスプリッター８ｂと反射型液晶表示素子１０ｇ，１０ｂの間に設けられた１／４位相板１２ｇ，１２ｂの進相軸を補正して、赤光路で用いた１／４位相板１２ｒと同様に黒の表示の調節を行う。
【００２４】
ここで、勿論赤色成分の偏光方向を回転させる１／２波長板（位相板）１１を除き、色選択性位相差板９ｂの代わりに、青の波長領域の光の偏光方向を９０度変換し、緑の波長領域の光の偏光方向を変化させない特性を有する色選択性位相差板を配置し、投影レンズ１３の配置位置を図１における偏光ビームスプリッターの紙面上側（すなわち、ビームスプリッター８ａと８ｃと投影レンズ１３とがほぼ一直線に並ぶように配置する）に変更しても構わない。
【００２５】
ここで、偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂに入射角度θで入射される光が入射角度θにおける位相差φの１／４位相板１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを透過し、反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂを反射した後、再度１／４位相板１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを透過し、偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂを透過（或いは反射）するときの漏れ光量を、Ｐ偏光を全て透過させＳ偏光を全て反射させる理想的な偏光ビームスプリッターＰと、反射する光の偏光状態が変わらない理想的な反射型液晶表示素子ＬＬを用いてあらわすと、図２で示すように偏光ビームスプリッターＰの偏光分離膜Ｔに４５°で入射される光軸をＸ軸、偏光ビームスプリッターＰを反射し１／４位相板Ｑおよび反射型液晶表示素子ＬＬに垂直に入射される光線ｃの軸方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸に垂直な軸をＹ軸とすると、ＸＹ平面内でパネルに入射角度θで入射するＳ偏光の入射光線ａが偏光ビームスプリッターＰを反射し、ベクトルｆ’の進相軸（遅相軸方向のベクトルｓ’はベクトルｆ’に直交する）をＹ軸方向とした１／４位相板Ｑを透過し反射型液晶表示素子ＬＬに入射され、更に反射型液晶表示素子ＬＬをｚ軸に対称な方向に反射する光線ｂが再度１／４位相板Ｑを透過して偏光ビームスプリッターＰで検光される光学系において、入射光線ａの入射光強度Ｉ０と黒表示にした反射型液晶表示素子ＬＬを反射した光線ｂが偏光ビームスプリッターＰで検光されずに漏れるＰ成分の光強度Ｉｐの比をジョーンズベクトルを用いて表すと、Ｓ偏光の入射光線ａは偏光ビームスプリッターＰの偏光分離膜Ｔを反射することでＹ軸に対するＳ偏光の方向がＸＹ平面で右回りにθ傾くために、１／４位相板Ｑに入射された光線の偏光軸βは進相軸に対してｆ’ｓ’平面でθ傾くことになる。さらに黒を表示した反射型液晶表示素子ＬＬにより入射光線ａは偏光状態を変えずにＹＺ平面上でＺ軸に対称な方向に反射し入射角度θで１／４位相板Ｑに入射する。このとき１／４位相板は入射角度によって決められた位相差をもつため、入射角度θにおける１／４位相板Ｑの位相差をφとすると、同じ入射角度θで２度１／４位相板Ｑを透過することから、
１／４位相板ＱのジョーンズベクトルＡは
【外１１】
回転行列
【外１２】
【外１３】
【００２６】
また偏光ビームスプリッターＰに入射する光線ａを直線偏光のジョーンズベクトル
【外１４】
【外１５】
【外１６】
【００２７】
ここで、入射光線ａの偏光分離膜ＴにおけるＳ偏光の方向（ベクトルｕ）が光線ｂの偏光分離膜ＴにおけるＳ偏光の方向（ベクトルｕ’）に対して２θ回転しているために、偏光分離膜ＴにおいてＳ成分を検光するジョーンズベクトルＰδは、
回転行列Ｐ
【外１７】
【外１８】
【外１９】
【外２０】
【００２８】
偏光ビームスプリッターＰで検光されたＳ偏光成分の光強度ＩＳは
【外２１】
【外２２】
【外２３】
【００２９】
ここで、Ｆｎｏを２とすると光束の最大角度は１４°であり、最大入射角度１４°の入射光線ａが１／４位相板Ｑに入射される光の偏光軸は１／４位相板Ｑの進相軸に対して１４°傾いているためθ＝１４°であり、また１４°入射のときの１／４位相板の位相差φがφ＝π／２×１．２（＝１０８°）のとき、
入射強度Ｉ０＝１として、
Ｓ偏光方向強度 ＩＳ＝０．９７９
Ｐ偏光方向強度 ＩＰ＝０．０２１ （１２）
入射光とＰ偏光成分の強度比 Ｉ０／ＩＰは
Ｉ０／ＩＰ＝４７．６ （１３）
となる。
【００３０】
また同様に、１／４位相板の位相差φ＝π／２×０．８（＝７２°）のときの入射光とＰ成分の強度比 Ｉ０／ＩＰは、
ＩＯ／ＩＰ＝４７．６ （１４）
となり、図２の光学系において入射角度（θ）１４°の光線が偏光ビームスプリッターＰで漏れる光の強度Ｉｐと入射光の強度Ｉ０の比が式（１３）と式（１４）で表される値以上となることが望ましい。
【００３１】
このとき偏光ビームスプリッター８ａ，８ｂと反射型液晶表示素子１０ｒ，１０ｇ，１０ｂの間に設けられた１／４位相板１２ｒ，１２ｇ，１２ｂは、それぞれの波長領域（赤の波長領域は５９０〜６５０ｎｍ、緑の波長領域は５００〜５９０ｎｍ、青の波長領域は４３０〜５００ｎｍ）において、１／４位相板の位相差φが照明光学系の利用効率を高くすることのできる集光光学系の光束の最大角度（θ）１４°において
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することによって、コントラストの高い画像を投影することができる。
【００３２】
【発明の効果】
１／４位相板の入射角特性をよくすることで、明るい照明系に対しても適切な補正ができ、明るくコントラストの高い投射装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例を説明する図
【図２】第１の実施例の１／４位相板へ入射された光の偏光軸方向を表す図
【図３】赤反射用ダイクロミラーの特性を表す図
【図４】偏光ビームスプリッターに入射する光線を説明する図
【図５】異方性物質に斜入射したときの屈折率を説明する図
【図６】従来例を説明する図
【符号の説明】
１ 光源
２ リフレクター
３ａ，３ｂ フライアイレンズ
４ 偏光変換素子
５ コンデンサーレンズ
６ ミラー
７ フィールドレンズ
８ａ，８ｂ，８ｃ 偏光ビームスプリッター
９ａ，９ｂ 色選択位相差板
１０ｒ，１０ｇ，１０ｂ 反射型液晶表示素子
１１ １／４位相板
１２ｒ，１２ｇ，１２ｂ １／４位相板
１３ 投射レンズ
１４ 赤反射用ダイクロイックミラー
Claims (6)
- 反射型液晶表示素子と、光源からの光を複数の光束に分割する光束分割手段と、該光束分割手段からの出射光を前記反射型液晶表示素子に導く集光光学系とを有する画像表示装置であって、
前記集光光学系が、前記光源側から順に、前記光束分割手段からの出射光を集光するコンデンサーレンズと、前記反射型液晶表示素子への入射光を略テレセントリックな光とするフィールドレンズと、前記フィールドレンズから出射した光を偏光分離する偏光ビームスプリッターと、該偏光ビームスプリッターと前記反射型液晶表示素子との間に配置された１／４位相板とを有しており、
前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌとすると
【外１】
により決まる前記集光光学系の光束の最大角度θにおいて、前記１／４位相板の位相差φが
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することを特徴とする画像表示装置。 - 前記集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足することを特徴とする請求項１記載の画像表示装置。 - 前記位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。 - 赤色波長領域、緑色波長領域、青色波長領域の夫々に対応する３つの反射型液晶表示素子と、前記３つの反射型液晶表示素子からの光を被投影面に投影する投影光学系とを有することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の画像表示装置。
- 画像を形成する反射型液晶表示素子と投射光学系を有し、白色光源からの光を光束分割手段と偏光変換手段を有する照明光学系と、照明光学系からの光を集光するコンデンサーレンズと反射型液晶表示素子への入射光をテレセントリックな光とするフィールドレンズからなる集光光学系により反射型液晶表示素子に光を導き、かつ反射型液晶表示素子からの光を投射光学系に導く偏光ビームスプリッターを有し、前記偏光ビームスプリターと前記反射型液晶表示素子の間に１／４位相板を設け、前記集光光学系の合成焦点距離ｆとコンデンサーレンズの有効域幅Ｌとすると
【外２】
により決まる前記集光光学系の光束の最大角度θにおいて、前記１／４位相板の位相差φが
π／２×０．８＜φ＜π／２×１．２
を満足することを特徴とする画像表示装置。 - 前記集光光学系の光束の最大角度θが
θ≧１０°
を満足し、かつ位相差φが
π／２×０．９＜φ＜π／２×１．１
を満足することを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。
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