JP2011209545A - 画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる画像投射装置を得ること。
【解決手段】 光源手段と、偏光分離素子と、少なくとも１つの反射型の液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記液晶表示素子との間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板と、液晶表示素子を介した画像光を投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、液晶表示素子の面の法線方向をｚ方向、偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とするときに、液晶表示素子が正の屈折率異方性を有する場合には、波長板は、その光学軸がｙ方向と平行な方向となるように配置され、液晶表示素子が負の屈折率異方性を有する場合には、波長板は、その光学軸がｘ方向と平行な方向となるように配置されること。
【選択図】 図１

Description

本発明は画像投射装置に関し、例えば液晶パネル（画像表示素子）に基づく投射像原画をスクリーン面上に拡大投影するプロジェクターに好適なものである。

従来、液晶パネル等の画像表示素子に基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした画像投射装置（プロジェクター）が種々と提案されている。一般的に画像投射装置では、液晶表示素子が黒表示状態であるにもかかわらず、不要な光が投射光学系側に漏れることがある。そうすると投射画像のコントラストが低下してくる。画像投射装置を構成する素子（部材）のうち、偏光分離素子や位相板等の偏光制御素子は光束の入射角度の違いにより光学特性が変化する。

そのためこれらの素子に入射する光が偏光光束のときは偏光の特性も入射角度に依存して変化する。この偏光状態の変動により偏光制御素子に入射した光のうち本来ならば出射してはならない光（投射光学系に入射し、スクリーンに投射されてはならない光）が出射してしまい、所謂漏れ光が生じる。偏光制御素子から漏れ光が生じると投射画像のコントラストが低下してくる。従来よりこの漏れ光を軽減した画像投射装置が知られている（特許文献１〜３）。

特許文献１では偏光素子と液晶表示素子との間に１／４波長板を配置することで漏れ光を軽減した画像投射装置を開示している。特許文献２では、入射角度による位相変化が小さい波長以下の微細な周期構造を有する波長板を用いた画像投射装置を開示している。また特許文献３では、偏光分離素子と液晶表示素子の間に１／４波長板と位相板を配置し、かつその光学軸の方向を規定することにより、高い位相補償効果を得るようにした画像投射装置を開示している。

特開平02-250026号公報 特開2005-106901号公報 特開2006-039135号公報

画像投射装置において、偏光制御素子からの漏れ光を軽減し、投射画像のコントラストを高めるためには、偏光分離素子、１／４波長板、液晶表示素子の入射角度特性や屈折率異方性等を考慮して適切な構成、配置とすることが求められている。

本発明は偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる画像投射装置の提供を目的とする。

本発明の画像投射装置は、光源手段と、前記光源手段から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光を透過し、それと直交する偏光方向の光を反射する偏光分離素子と、前記照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記液晶表示素子との間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板と、前記液晶表示素子を介した画像光を投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、
前記液晶表示素子の面の法線方向をｚ方向、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とするときに、前記液晶表示素子が正の屈折率異方性を有する場合には、前記波長板は、その光学軸がｙ方向と平行な方向となるように配置され、前記液晶表示素子が負の屈折率異方性を有する場合には、前記波長板は、その光学軸がｘ方向と平行な方向となるように配置されることを特徴としている。

本発明によれば、偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる画像投射装置が得られる。

本発明の実施例１の画像投射装置の構成外略図 １軸性の屈折率楕円体を示す図 1/4波長板の屈折率異方性と位相差入射角度特性の相関を示す図 実施例１のＧ帯域用光路の構成を示す図 実施例１の各素子を透過後の偏光状態を示す図 比較例１のＧ帯域用光路の構成を示す図 比較例１の各素子を透過後の偏光状態を示す図 光束最大入射角度と漏れ光量の相関を示す図 微細１次元格子波長板の構造概略図 有効屈折率とフィリングファクタの相関を示す図 表１の１次元格子波長板の位相差の波長特性を示す図 実施例２のＧ帯域用光路の構成を示す図 実施例２の各素子を透過後の偏光状態を示す図 比較例２のＧ帯域用光路の構成を示す図 比較例２の各素子を透過後の偏光状態を示す図 光束最大入射角度と漏れ光量の相関を示す図 本発明の実施例３の画像投射装置の構成外略図 実施例３のＧ帯域用光路の構成を示す図 光束最大入射角度と漏れ光量の相関を示す図 位相板リタ-ダンス量と漏れ光量の相関を示す図 積層薄膜の位相板の構造概略図 実施例４のＧ帯域用光路の構成を示す図 光束最大入射角度と漏れ光量の相関を示す図

以下に、本発明の画像投射装置の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の画像投射装置は、白色光を放射する光源手段１を有する。更に、光源手段１から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光（一方向に振動する光）を透過し、それと直交する偏光方向の光（他方向に振動する光）を反射する偏光分離面９ａ１、９ｂ１を含む偏光分離素子９ａ、９ｂを有する。照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒと、偏光分離素子９ａ、９ｂと液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒとの間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒを有する。更に液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒを介した画像光を投射する投射光学系２０と、を有する。

いま座標軸として液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの面の法線方向をｚ方向、偏光分離素子９ａ、９ｂの偏光分離面９ａ１、９ｂ１の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とする。このとき液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒが正の屈折率異方性を有する場合には、波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは、その光学軸がｙ方向と平行な方向となるように配置される。また液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒが負の屈折率異方性を有する場合には、波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは、その光学軸がｘ方向と平行な方向となるように配置される。波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは、格子形状が可視光域の光の波長以下の格子周期を持つ１次元格子構造を１層以上有する。または無機誘電体の負結晶または負の屈折率異方性を有する液晶材料を有する。

［実施例１］
図１は本発明の実施例１の投射型の画像投射装置１００の概略構成図である。光源（光源手段）１から照射される光束（白色光）は、リフレクタＲａによって反射され略平行光束２となって偏光変換素子３に入射する。図１においては、この白色の平行光束２を緑・青・赤色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを緑色光２ｇ、青色光２ｂ、赤色光２ｒとして図示している。勿論、この緑、青、赤色光２ｇ、２ｂ、２ｒのそれぞれは、図上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光２ｇ、２ｂ、２ｒはこの段階では空間的に分離されていない。以下、緑色光はＧ，青色光はＢ、赤色光はＲと省略して示す。

光源１から発せられる各色の光は様々な偏光を含んでおり、偏光変換素子３を透過することにより、一様な偏光方向へ揃えられてＧ偏光４ｇ、Ｂ偏光４ｂ、Ｒ偏光４ｒとなり、ダイクロイックミラー５へ入射する。ダイクロイックミラー５はＧ帯域のみ反射する特性を有しており、Ｇ偏光４ｇは反射され、Ｒ、Ｂ偏光４ｒ、４ｂは透過することでＧ偏光４ｇが色分離される。Ｇ偏光８ｇはそのまま偏光分離素子９ａに入射し、偏光分離面９ａ１、１／４波長板１２ｇを透過してＧ用液晶表示素子１１ｇに照射される。

色分離されたＲ偏光４ｒとＢ偏光４ｂの各偏光は偏光板６を透過することにより偏光度が向上した後に色選択性位相板７に入射する。色選択性位相板７はＢ偏光４ｂのみ偏光方向を９０°変換させる特性を有しており、これによりＲ偏光８ｒの偏光状態は維持したまま、Ｂ偏光８ｂは９０°偏光方向が回転した状態で偏光分離素子９ｂに入射する。偏光分離素子９ａ、９ｂはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する素子である。

このような作用を有する素子は例えば屈折率の異なる薄膜を積層した構成より成っている。偏光分離素子９ｂの偏光分離面９ｂ１によりＢ偏光８ｂは反射、Ｒ偏光８ｒは透過して色分離され、１／４波長板１２ｂ、１２ｒを透過して各色に対応する液晶表示素子１１ｂ、１１ｒに照射される。液晶表示素子１１ｂ、１１ｒ、１１ｇに照明された光は画像信号に応じて画素ごとに照明光の偏光方向を９０°変換され、反射されることにより画像光となる。Ｂ偏光８ｂとＲ偏光８ｒの画像光は再び１／４波長板１２ｂ、１２ｒを透過した後に偏光分離素子９ｂに再入射する。

ここでＢ偏光８ｂの画像光は透過され青色光１５ｂとなり、Ｒ偏光８ｒの画像光は偏光分離面９ｂ１に反射され赤色光１５ｒとなって偏光分離素子９ｂを出射することで青色光１５ｂと赤色光１５ｒが合成される。Ｇ偏光１５ｇの画像光も１／４波長板１２ｇを透過した後に偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１により反射され、合成プリズム１８に入射する。合成プリズム１８内のダイクロイック膜１９により、Ｇの画像光１５ｇは反射され、ＲとＢの画像光１５ｂ、１５ｒは透過することでＧとＲとＢの画像光１５ｇ、１５ｂ、１５ｒが合成されて出射される。色合成された画像光１５ｂ、１５ｒ、１５ｇは投射光学系２０によりスクリーンＳに投影、結像される。ここで本実施例の画像表示装置において用いている、１／４波長板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒは光学軸方向に相対的に小さな屈折率を有する負の屈折率異方性を有している。負の屈折率異方性を有する１／４波長板を用いることで、入射角度増大時に生じる位相ズレに起因する漏れ光を抑えている。

以下で屈折率異方性と位相差の入射角度特性について説明する。波長板、位相板等の偏光制御素子は、ある互いに直交する３つの方向のうち少なくとも１つの方向に振動する偏光に対して、他方と異なる屈折率を持つ。この屈折率差によって２つの偏光成分の間に光路長差が生じ、出射光に位相差を生む。このような偏光方向に対して屈折率が異なる特徴を屈折率異方性という。また前記３つの方向に対する屈折率の分布を回転楕円体表示したものを屈折率楕円体といい、このような屈折率異方性を有する媒質において、どのような偏光を入射しても屈折率差が生じない方向を光学軸という。光学軸が１軸（１軸性楕円体）の場合には前記３つの方向の屈折率のうち２方向の屈折率が等しく、光学軸が２軸（２軸性楕円体）の場合には３つの方向の屈折率が全て異なる値を持つ。なお、屈折率異方性や光学軸に関しては「応用光学」（応用物理学会編、山口一郎著、オーム社発行、ｐ７１−ｐ８４）に詳細に記載されている。

図２（Ａ）、（Ｂ）に１軸性楕円体の２つの例を示す。どちらの図もｙ方向と光学軸が平行となるように示してある。図２ａに示すように光学軸方向に大きな屈折率を持つ場合（ｎｙ＞ｎｘ，ｎｚ）を正の屈折率異方性、図２ｂのように光学軸方向に小さな屈折率を持つ場合（ｎｙ＜ｎｘ，ｎｚ）を負の屈折率異方性という。負の屈折率異方性を有する材料を負結晶という。屈折率異方性を示す２つの屈折率のうち、一方の屈折率（ｎ０＝ｎｘ＝ｎｚ）は光線の入射方向に依らず一定であるが、もう一方の屈折率（＝ｎｅと表す）は入射角度により屈折率ｎ０から屈折率ｎｙの範囲で偏光に対する屈折率が変化する場合がある。この変化は透過光に生じる位相差の入射角度に大きな影響を与える。

ここで図３に１／４波長板により生じる位相差の入射角度特性を示す。図３の横軸に入射角度を示し、縦軸は位相差を表す。１／４波長板の光学軸方向（図２のｙ方向に対応）は板面と平行であり、入射角度は波長板面法線（図２のｚ方向に対応）と成す角度としている。図３の３本の特性曲線のうち、黒太線３１は図２におけるｘｚ面内で入射する場合の１／４波長板の位相差角度依存性を示し、黒細線３２と点線３３は、図２におけるｙｚ面内で入射する場合の１／４波長板の位相差角度依存性を示す。

このうち細線３２は１／４波長板の屈折率異方性が負の場合、点線３３は１／４波長板の屈折率異方性が正の場合を示している。なお屈折率異方性は正負異なるが屈折率差は等しい場合の比較としている。ｘｚ面内入射では位相差の入射角度特性に屈折率異方性の正負の差は殆ど表れない。しかしｘｙ面内入射では、負の屈折率異方性を有する波長板は、正の屈折率異方性を有する波長板に比べて角度に対して緩やかな特性を示していることが分かる。ｙｚ面内入射では入射角度の増大に伴なって波長板の屈折率差が減少することにより位相差は減少する。負の屈折率異方性の場合、入射角増大に伴い屈折率ｎｅは増大し、正の屈折率異方性の場合は逆に入射角増大に伴い屈折率ｎｅは減少する。屈折率異方性の大きさが同程度であれば、負の屈折率異方性の１／４波長板の方が媒質中における屈折角度が相対的に小さくなり、入射角度特性が緩やかになる。その結果小さいＦｎｏ（Ｆナンバー）でも入射角度に起因する位相ズレを小さく抑え、結果として漏れ光を低減することができる。そのため本実施例の投射型の画像投射装置においては負の屈折率異方性を有する波長板を用いることが望ましい。

次に負の屈折率異方性の波長板の配置方法について説明する。本実施例の投射型の画像投射装置においては、１／４波長板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒの光学軸方向は偏光分離素子９ａ、９ｂの偏光分離面９ａ１、９ｂ１の方向、液晶表示素子１２ｇ、１２ｂ、１２ｒの屈折率異方性により決定される。図４は実施例１の画像投射装置（図１）のうち、Ｇ用光学系１１０ａの部分を抜き出して示した説明図である。図４においてＧ用光学系１１０ａ中９ａはＧ用の偏光分離素子、９ａ１は偏光分離面、１１ｇｐは正の屈折率異方性のＧ用液晶表示素子、１２ｇはＧ用の１／４波長板を示す。以後の説明はＧ用光学系１１０ａの部分を用いて行うが、本実施例の構成は特にＧ帯域に限定するものではなく、Ｒ帯域、Ｂ帯域についても同様に扱うことが出来る。

まず、座標軸として液晶表示素子１１ｇの面法線方向をｚ方向、偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１の法線方向とｚ方向の両方に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向として３次元軸方向を規定する。上記のように規定した座標軸を図４右下に記載している。以後、座標軸について特に記載のない場合は全て上記と同様の方法により規定しているものとする。

上記の座標軸において、液晶表示素子１１ｇが正の屈折率異方性を有する場合には図４のＧ用光学系１１０ａのように１／４波長板１２ｇの光学軸はｙ方向と平行な方向となるように配置する。（図４の１／４波長板１２ｇ内の矢印は光学軸方向を示す。）このように配置することで特にパネル面法線（Ｚ方向）に角度を持って入射する偏光に対する漏れ光を抑制する。斜入射光の漏れ光抑制のためには、液晶表示素子１１ｇの面の法線に対して角度を持って入射する光線の偏光状態が、偏光分離素子９ａ，液晶表示素子１１ｇ，１／４波長板１２ｇの各素子を透過した際にそれぞれどのように変化するかを考慮する必要がある。

ここで図４のＧ用光学系１１０ａにおいて、ｚ軸に対して１２°、ｘｙ面内においてｘ軸に対し方位＋４５°の方位から光線が入射した場合の各素子を通過後の偏光状態を図５に示す。４つのグラフは横軸ｘ方向振幅、縦軸ｙ方向振幅として、それぞれの偏光状態を楕円表示で示している。

図５中の番号１ａ、２ａ、３ａ、４ａは図４中の番号と対応しており、各素子透過後の偏光状態を表している。１ａは光源側から偏光分離素子９ａ透過直後、２ａは光源側から１／４波長板１２ｇ透過後、３ａは液晶表示素子１１ｇｐ反射後、４ａは液晶側から入射した時の１／４波長板透過後の偏光状態を表す。なお液晶表示素子は黒表示状態で、セル内の液晶分子はほぼ垂直配向している状態である。また１ａで偏光分離素子９ａを透過した後、偏光軸がｙ軸に対して傾いた直線偏光となっている。これは偏光分離素子面９ａ１に方位４５°で斜入射したため起こるものであり、ｚ軸と平行に入射した場合にはｙ方向に振動する直線偏光となる。

比較例１として実施例１の１／４波長板１２ｇの光学軸をｘｙ面内で９０°回転させて配置した、図６のＧ用光学系１１０ｂの素子配置における各素子透過後の偏光状態を図７に示す。図５と図７を比較すると、２ａまでは同じ偏光状態に見えるが、実際には楕円偏光の回転方向が左右反対になっている。１／４波長板によって与えられる位相差の大きさ自体はＧ用光学系１１０ａ，１１０ｂで差はないが、両者の位相状態は図５では右回り、図７では左回り楕円偏光となり、異なっている。

その結果、液晶表示素子１１ｇｐを通過する際に光線に与える偏光特性が変化し、液晶表示素子１１ｇｐで反射後の偏光状態３ａ（楕円形状）に差が生じる。ここで図５、図７中の４ａに重ねて示されている矢印は偏光分離素子面９ａ１の液晶側表示素子１１ｇｐから入射した時の透過偏光方向を表す。入射偏光がｙ方向に対して傾いているのと同様に偏光分離素子の透過偏光方向も傾いているため、４ａの時点で矢印方向に対して最適な偏光状態にすることが望ましい。つまり図５、図７中４ａの偏光状態と前記矢印が重なっていれば偏光は偏光分離素子９ａを透過して光源側に戻るため、漏れ光は最小限に抑えられる。

図５と図７の偏光状態４ａを比較すると、図５の４ａの方が偏光状態と矢印の重なりが大きい。つまり実施例１の構成は比較例１の構成に比べて漏れ光が小さくなる。ここまでの説明はｘ方向に対して４５°の方位についての説明であったが、方位対称性から他の方位に関しても概ね同様の傾向が見られる。他の方位から斜入射した偏光であっても実施例１は比較例１に対して漏れ光を低減する傾向を有する。

以上の説明から、１／４波長板１２ｇの光学軸の最適な方向は、液晶表示素子１１ｇｐの屈折率異方性、１／４波長板１２ｇの屈折率異方性によって決定される。どれか１つの屈折率異方性が反転すると偏光状態２ａ、３ａに大きく影響する。実施例１のように液晶表示素子１１ｇｐが正の屈折率異方性を有し、１／４波長板１２ｇが負の屈折率異方性を有する場合には、１／４波長板１２ｇの光学軸方向は図４の座標系においてｙ方向と平行な方向に配置することが望ましい。

図８に本発明の実施例１の構成（図４）と比較例の構成（図６）において、光束の最大入射角度と漏れ光量の相関を計算した結果を示す。横軸は入射光束の最大の入射角度（４ｄｅｇ〜１６ｄｅｇ）であり、横軸が大きいほど入射する光束のＦナンバーＦｎｏが小さくなる。縦軸は各光束におけるＧ光路の漏れ光量を示している。縦軸の漏れ光量は入射光量に対する比率（％）である。これは以下同じである。図８の計算において偏光分離素子９ａの材料の屈折率は１．８、波長板のリタ−ダンス（波長板が与える位相差）を１３８ｎｍ、液晶表示素子のリタ−ダンスをおよそ２５０ｎｍとした。ここでいうリタ−ダンスは屈折率異方性を有する層の最大屈折率差と層の厚さの積である。図８から実施例１は、どの入射角度の光束であっても比較例１に比べて漏れ光量を小さく抑えていることが分かる。特に入射角度の大きな領域で効果が大きく、本実施例の構成とすることでＦナンバーＦｎｏを小さくして光量を得つつ、高いコントラストの投射画像を得ることができる。

以上のように本実施例の投射型画像表示装置では、１／４波長板として負の屈折率異方性の材料を用いることが望ましい。このような屈折率異方性を持つ波長板としてはニオブ酸リチウム等の無機誘電体の負結晶の厚みを制御して位相差を１／４波長としたものが一般的であり、他には負の屈折率異方性を有する液晶材料を用いることもできる。またその他の波長板として光の波長以下の微細な１次元格子を用いた波長板も適用できる。

図９には、１次元格子構造を用いた波長板１２の模式図である。詳細な構成については後述する。１次元格子構造５０の格子形状部分（格子形状）５３及び５４の格子周期が可視光域の光の波長以下であれば、その微細な周期構造により構造複屈折が生じる。ここでいう光とは主として波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光域を指している。例えば偏光方向が１次元格子周期方向と平行でない直線偏光が格子を透過する場合、格子周期に平行な方向と直交する方向とでは、各偏光に対する屈折率が異なるので、その格子高さに応じた位相差が生じる。

ここで有効屈折率法について説明する。有効屈折率法とは、回折限界以下の微細な周期構造体について、構造の持つ見かけの屈折率（＝有効屈折率）を求める手法である。実際の設計においては厳密結合波解析などの手法を用いる必要があるが、有効屈折率法を用いることにより微細構造全体で生じる位相差を簡易に算出することができる。図９の各格子層（５３および５４）において、格子周期に直交する偏光成分をＴＥ偏光、ＴＥ偏光と入射面に垂直な偏光成分をＴＭ偏光とする。このときＴＥ，ＴＭ偏光に対する有効屈折率ｎ_ｍ（ＴＥ），ｎ_ｍ（ＴＭ）は以下の式（２）（３）で与えられる。

ここでｎ_ｍは格子材質の屈折率である。ｎ_ａは格子層に充填される媒質の屈折率であり、通常ではｎａ＝１．０（空気）である。また、フィリングファクタｆｆは構造周期をＰ，格子幅をＷ_ｍとすると、式（４）
ｆｆ＝Ｗ_ｍ／Ｐ ・・・（４）
で定義される量である。

図１０に有効屈折率ｎ_ｍ（ＴＥ），ｎ_ｍ（ＴＭ）とフィリングファクタｆｆの関係を示す。図１０から明らかなように１次元格子の有効屈折率は常に
ｎ_ｍ （ＴＥ）＞ｎ_ｍ （ＴＭ）
となっていることがわかる。また図９のｚ方向と平行に振動する偏光成分に対する有効屈折率は、周期構造の対称性から前記ＴＥ方向に同等と近似できるとすると、１次元格子構造は周期方向（ｙ方向）に光学軸を持つ負の屈折率異方性を持つと考えることができる。

構造複屈折は材料の屈折率異方性には依存しないので材料の自由度が高い。例えば格子材質として透明無機誘電体を用いれば、高分子延伸フィルムの波長板に比べて耐熱性の高い波長板を得ることができる。また形状によって位相差特性を制御でき、広い帯域で位相分散の小さい波長板を設計することも可能である。

表１に広帯域位相差波長特性を有する１次元格子構造より成る波長板の設計値を示す。表１に示す波長板の概略構造は図９と対応しており、表１記載の１層目は図９中の格子形状部分５４、２層目は図９中の格子形状部分５３、３層目は図９中の中間層５２、基板は図９中の基板５１と対応している。

表１に示した１次元格子波長板の設計値の分光位相差特性を厳密結合波解析の手法を用いて計算すると図１１のようになる。広帯域の１次元格子波長板の設計指針としては、格子の材料の屈折率に１．６以上の材質を用い、フィリングファクタを０．６５以上とすることが望ましい。即ち１次元格子構造の格子周期をＰ，格子幅をＷ，格子材料の屈折率をｎとする。このとき、
ｎ＞１．６０ かつ Ｗ／Ｐ＞０．６５
を満たすのが良い。位相差の広帯域化のためには、位相差と屈折率差、波長の関係が式（５）
位相差Δ＝２π・屈折率差Δｎ／波長λ ・・・（５）
である。これより互いに直交する偏光方向の光に対する屈折率の差（以下、端に「屈折率差」という。）Δｎの波長変化を１／λと相殺させる必要がある。フィリングファクタｆｆが０．６５以下では屈折率差Δｎの波長変化が１／λの変化と相殺しない方向となるので望ましくない。また格子屈折率が小さいと得られる屈折率差Δｎ自体が小さくなり、屈折率差Δｎの波長変化量が小さくなってしまうので広帯域化の観点からは望ましくない。

図１１のような特性を有する１／４波長板を用いれば、設計中心波長λ０から離れた波長でも位相ズレを少なく抑え、漏れ光を低減できる。高い漏れ光抑制効果を得る為には使用波長帯域内で設計中心波長λ０からの位相ズレ量を±５°以内に抑えることが望ましい。

以上の結果から本実施例の画像投射装置においては、１／４波長板として負の屈折率異方性を有する１／４波長板を用いることが好ましい。さらに光の波長以下の周期構造の１次元格子構造を１層以上有する１／４波長板を用いることが好ましい。また本実施例の構成の説明においては、入射偏光がＰ偏光として偏光分離素子９ａの透過側に液晶表示素子および１／４波長板の構成としているが、これに限定されない。図１のＢ光路の様に液晶表示素子に入射する偏光が偏光分離素子で反射して入射されるＳ偏光であるような構成であっても、本実施例の構成であればこれまでの説明と同等の漏れ光抑制効果を得ることが出来る。

本実施例及び以下の各実施例において、例えば１／４波長板を光学軸がｙ方向又はｘ方向に平行となるように配置するとは厳密に平行でなくとも、ある程度の許容範囲（例えば±１０度以内）に配置されていれば良い。このことは他の光学素子においても同様である。

［実施例２］
次に本発明の実施例２の画像投射装置について説明する。実施例２の構成概略図については図１の実施例１と同じ構成であるため詳細な説明は省略する。実施例２の画像投射装置は実施例１の正の屈折力異方性の液晶画像表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒの代わりに負の屈折率異方性の液晶画像表示素子を用いている点が異なっている。図１２は、実施例２の画像投射装置のうちＧ光路を抜き出したＧ用光学系１２０ａを示した説明図である。

図中１１ｇｎは負の屈折率異方性の液晶表示素子を示している。実施例１では図４のＧ用光学系１１０ａの様に１／４波長板１２ｇの光学軸はｙ方向と平行な方向を向いているのに対し、実施例２では図１２のＧ用光学系１２０ａの様に１／４波長板１２ｇの光学軸はｘ方向と平行な方向を向く様に配置する。

図１３は実施例２の各素子を透過後の偏光状態を示す図である。入射条件は実施例１の図５と同じである。比較例２として図１４のＧ用光学系１２０ｂのように１／４波長板１２ｇの光学軸をｙ方向に向けた場合の偏光状態を図１５に示す。図１３、図１５を実施例１の図５、図７と同様に比較すると、偏光状態４ａの比較から実施例２は比較例２に比べて漏れ光が少ないことがわかる。実施例２の構成の投射型画像表示装置においては、液晶表示素子１１ｇｎの屈折率異方性が負の屈折率異方性を有する。そのため液晶表示素子１１ｇｎによる偏光状態の変化が実施例１の場合とは異なる。実施例２では１／４波長板１２ｇの光学軸をｘ方向と平行な方向に配置することで、漏れ光をより低減することができる。

図１６に本発明の実施例２の構成（図１２）と比較例２の構成（図１４）における、光束の最大入射角度と漏れ光量の相関を計算した結果を示す。横軸は光束の最大入射角度（４ｄｅｇ〜１６ｄｅｇ）、縦軸に漏れ光量を示している。計算条件については液晶表示素子の屈折率異方性の正負を除いて実施例１と同一とした。２つの曲線を比較すると、比較例２に比べ実施例２の構成の方が漏れ光量を小さく抑えていることが分かる。

［実施例３］
図１７は本発明の実施例３の投射型の画像投射装置２００の概略構成図である。本実施例を構成する各要素のうち、位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒ以外の要素は図１の実施例１の構成要素と同じであるため詳細な説明は省略する。

実施例３の画像投射装置２００では、各色帯域に対応した位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒが液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒと１／４波長板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒとの間に配置されている。位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒは面法線に平行な方向（Ｚ方向）に光学軸を持ち、通常液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒの面法線に対して斜入射した偏光に生じる所望しない位相差を補正する為に用いられる。そのため通常では位相板が液晶表示素子の屈折率異方性の符号と反対の屈折率異方性を有するものが用いられている。ここで液晶表示素子の屈折率差ΔｎＬＣ、液晶セル厚ｄＬＣとし、位相板の屈折率差ΔｎＣＰ、位相板の屈折率異方性層の厚さｄＣＰとする。このときにそれぞれのリタ−ダンスが等しくなるように、位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒの特性が選択される。すなわちΔｎＬＣ・ｄＬＣ＝ΔｎＣＰ・ｄＣＰの条件を各帯域ごとに満たす位相板を用いることにより、液晶表示素子に斜入射した時に生じる位相差をキャンセルしている。

上記の条件は液晶表示素子で生じる位相差を、位相板単体で補償する場合の最適な条件である。本実施例の投射型の画像投射装置のように液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒの周りに偏光分離素子９ａ，９ｂや１／４波長板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒが配置されている場合には、それらの影響を受けて位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒの位相補償条件は変化する。そのため光学系全体としての位相補償については前述の条件が最適とは言えない。

図１８は実施例３の画像投射装置（図１７）のうち、Ｇ用光学系２１０ａの部分を抜き出して示した説明図である。図中９ａはＧ用偏光分離素子、９ａ１は偏光分離面、１１ｇｐは正の屈折率異方性のＧ用液晶表示素子、１２ｇはＧ用の負の屈折率異方性の１／４波長板、１３ｇｎはＧ用負の屈折率異方性の位相板を示す。図１８のように液晶表示素子１１ｇｐが正の屈折率異方性を有する場合には、位相板１３ｇｎは負の屈折率異方性を有し、かつ負の屈折率異方性の波長板１２ｇの光学軸をｙ方向と平行な方向に配置する。負の屈折率異方性の１／４波長板１２ｇを用いることにより入射角度特性に優れ、光束のＦｎｏ（Ｆナンバー）の小さく高輝度の画像投射装置を得ることが出来る。このとき液晶表示素子１１ｇｐが正の屈折率異方性を有する場合には、また面法線方向に光学軸を持つ、負の屈折率異方性の位相板１３ｇｎを加えることにより高い位相補償効果が得られる。

図１９に入射光束の最大入射角度と漏れ光量の相関を計算した結果を示す。具体的には図１８中の偏光分離素子９ａの材料の屈折率を１．８、１／４波長板１２ｇのリターダンスは１３８ｎｍとしている。また屈折率ｎ０＝１．９４、ｎｅ＝１．７５を有する負の屈折率異方性の位相板１３ｇｎのリターダンスを２２０ｎｍ、液晶表示素子１１ｇｐのリターダンスをおよそ２５０ｎｍとした場合の相関を示している。

図１９において実線は図１８で示される実施例３の構成を示し、点線は比較例３として図１８の１／４波長板１２ｇの光学軸がｘ方向と平行な場合を示している。比較例３に比べて実施例３の漏れ光が非常に小さいことが見て取れる。また位相板１３ｇｎのリタ−ダンスは液晶表示素子１１ｇｐの８８％という小さいリターダンスでも高い位相補償効果が得られている。これは図１８に示されるＧ用光学系２１０ａ全体で、斜入射の偏光状態を考慮した補償を行った結果得られたものである。

図２０は実施例３において光束の最大入射角度１５°の場合における、位相板１３ｇｎのリタ−ダンス量と漏れ光量の相関を示している。図２０において曲線の極小値が最適なリターダンス条件を示している。また横軸は以下の式（６）で示されるＲｅでプロットしており、位相板１３ｇｎのリタ−ダンスと液晶表示素子１１ｇｐのリタ−ダンスの比率を表す量である。

Ｒｅ＝ΔｎＣＰ・ｄＣＰ ／ ΔｎＬＣ・ｄＬＣ ・・・（６）
３本の曲線Ａ，Ｂ，ＣはそれぞれＧ用光学系２１０ａの構成要素を変えている。曲線Ａは図１９の実施例３の計算条件と等しく、曲線Ｂは位相板１３ｇｎの屈折率異方性が（リターダンスは変えずに）変化した場合、曲線Ｃは液晶表示素子１１ｇｐのリタ−ダンスがＡに比べ３０％減少した場合を示している。曲線Ａ，Ｂ，ＣともにＲｅ＜１００％、つまり液晶表示素子より小さなリタ−ダンスで最適に補償できることがわかる。位相板１３ｇｎによる位相補償の効果を効果的に得るには次の如く設定することが望ましい。

Δｎ（ｐｃ）を位相板１３ｇの最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｐｃ）を位相板１３ｇの厚さ、Δｎ（ｌｃ）を液晶表示素子の最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｌｃ）を液晶表示素子の厚さとする。このとき、
０．４０＜（Δｎ（ｐｃ）・ｄ（ｐｃ））／Δｎ（ｌｃ）・ｄ（ｌｃ）＜１．４
なる条件式を満たすのが良い。更に好ましくは、
０．５５＜（Δｎ（ｐｃ）・ｄ（ｐｃ））／Δｎ（ｌｃ）・ｄ（ｌｃ）＜０．９５
とするのが良い。即ち位相板のリターダンスを液晶表示素子のリターダンスより小さく設定するのがより好ましい。

従来例では、１／４波長板の屈折率異方性および軸方向、かつ斜入射偏光の位相状態まで含めた形で光学系全体における位相状態を最適化しておらず、光学系の持つ性能を最大限に引き出せていなかった。それに対し本実施例では液晶表示素子の屈折率異方性、位相板の屈折率異方性、偏光分離素子の偏光分離面方向、及び１／４波長板の屈折率異方性と光学軸方向から、斜入射での漏れ光を効果的に低減する配置を決定するものである。これにより入射角度の大きい領域でも良好に漏れ光を補正して、コントラストの高い画像投射装置を得ることができる。このような負の屈折率異方性を示す位相板１３ｇｎとしては、誘電体結晶（無機誘電体材料）や液晶材料を用いたものがある。それ以外に屈折率の異なる２つ以上の等方性材質を積層した構造を面法線方向に光学軸を有する位相板として用いることができる。

図２１は積層構造の位相板３００の構成略図である。高屈折率膜と低屈折率膜の屈折率の異なる２つの薄膜３０１、３０２を図２１のように繰り返し積層する。このとき全体として１０層以上積層するのが良い。この積層構造の位相板３００の面法線に対して角度を持って入射した偏光は、薄膜間の干渉の影響によって透過光に位相差を生じる。この位相差は入射角度が大きい程大きく、面法線と平行に入射した光線に対しては位相差は付与されない。積層数や膜厚によって制御でき、所望の位相差の位相板を構造制御により得ることができる。

本実施例ではこのような位相板１３ｇｎを用いる場合に、１／４波長板１２ｇの光学軸を最適な方向とすることで少ない位相差で位相補償できる。その場合には位相板の積層数を低減することができる。実施例３の構成に合わせた具体的な位相板の設計値を表２に示す。１６層という層数と１μｍ以下の厚さで、少なくとも入射角度２０°までの範囲において図１９の実施例３に示した特性と同等の位相補償効果を得ることが出来る。また積層薄膜であるので、１／４波長板の液晶表示素子側、または液晶表示素子面上に反射防止層とともに形成することで、部品点数を減らして低コストで高い位相補償効果を得られる。

［実施例４］
次に本発明の実施例４の画像投射装置について説明する。実施例４の構成概略図は図１７の実施例３と同じ構成であるため詳細な説明は省略する。実施例４の画像投射装置は実施例３の正の屈折率異方性の液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒの代わりに負の屈折率異方性の液晶表示素子を用いた点が異なっている。図２２は実施例４の画像投射装置のうちＧ光路を抜き出したＧ用光学系２２０ａを示している。

図中１１ｇｎは負の屈折率異方性の液晶表示素子を示し、１３ｇｐは正の屈折率異方性の位相板を示している。実施例３では図１８のように負の屈折率異方性の位相板１３ｇｎを配置し、かつ図１７の様に１／４波長板１２ｇの光学軸はｙ方向と平行な方向を向いていた。それに対し実施例４では図２２の様に正の屈折率異方性を有する位相板１３ｇｐを配置し、また１／４波長板１２ｇの光学軸はｘ方向と平行な方向を向くように配置する。実施例４の画像投射装置においては、液晶表示素子１１ｇｎの屈折率異方性が実施例３に対して正負逆転したことにより、液晶表示素子１１ｇｎによる偏光状態の変化が実施例３とは異なる。このような構成においては１／４波長板１２ｇの光学軸をｘ方向と平行な方向に配置することで、漏れ光を効果的に低減することができる。

図２３は入射光束の最大入射角度と漏れ光量の相関を示す。具体的な構成は液晶表示素子１１ｇｎ及び位相板１３ｇｐの屈折率異方性の正、負を除いて実施例３の構成と同一である。図２３中の実線は図２２に示す実施例４の構成２２０ａの場合を示し、点線は比較例４として図２２中の１／４波長板の光学軸がｘ方向と平行な方向を向いている場合を示している。比較例４に比べて実施例４の漏れ光が非常に小さいことが見て取れる。また位相板１３ｇｐのリタ−ダンスは液晶表示素子１１ｇｎの８９％で、小さいリターダンスでも高い位相補償効果が得られている。これは図２２に示される光学系２２０ａ全体で、斜入射の偏光状態を考慮した補償を行った結果得られたものである。

以上のように各実施例によれば、偏光分離素子の入射角度特性、液晶表示素子の屈折率異方性等を考慮して負の屈折率異方性の１／４波長板の配置を光学軸を参照して決定する。その結果、光学系全体に最適な位相補償が行なわれるので漏れ光を効果的に軽減することが出来る。また入射角度特性に優れた負の屈折率異方性を有する１／４波長板を用いることで高い入射角でも漏れ光が少なくコントラストの高い高品位な投射画像が得られる画像投射装置を得ることができる。

１ 光源 ９ａ，９ｂ 偏光分離素子 １１ｇ，１１ｂ，１１ｒ 液晶表示素子
２０ 投射光学系 １２ｇ，１２ｂ，１２ｒ 波長板 ９ａ１，９ｂ１ 偏光分離面

Claims (9)

1. 光源手段と、前記光源手段から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光を透過し、それと直交する偏光方向の光を反射する偏光分離素子と、前記照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記液晶表示素子との間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板と、前記液晶表示素子を介した画像光を投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、
   前記液晶表示素子の面の法線方向をｚ方向、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とするときに、前記液晶表示素子が正の屈折率異方性を有する場合には、前記波長板は、その光学軸がｙ方向と平行な方向となるように配置され、前記液晶表示素子が負の屈折率異方性を有する場合には、前記波長板は、その光学軸がｘ方向と平行な方向となるように配置されることを特徴とする画像投射装置。
2. 前記波長板は、格子形状が可視光域の光の波長以下の格子周期を持つ１次元格子構造を１層以上有することを特徴とする請求項１に記載の画像投射装置。
3. 前記１次元格子構造の格子周期をＰ，格子幅をＷ，格子材料の屈折率をｎとするとき、
   ｎ＞１．６０ かつ Ｗ／Ｐ＞０．６５
   を満たすことを特徴とする請求項２に記載の画像投射装置。
4. 前記液晶表示素子と前記波長板との間の光路中に、光学軸が前記Ｚ方向と平行な位相板が配置されており、
   前記位相板は、前記液晶表示素子の屈折率異方性の符号と反対の符号の屈折率異方性を有することを特徴とする請求項１、２又は３に記載の画像投射装置。
5. Δｎ（ｐｃ）を前記位相板の最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｐｃ）を前記位相板の厚さ、Δｎ（ｌｃ）を前記液晶表示素子の最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｌｃ）を前記液晶表示素子の厚さとするとき、
   ０．４０＜（Δｎ（ｐｃ）・ｄ（ｐｃ））／Δｎ（ｌｃ）・ｄ（ｌｃ）＜１．４
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項４の画像投射装置。
6. 前記位相板は高屈折率膜と低屈折率膜を全体として１０層以上積層した構造を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の画像投射装置。
7. 前記波長板、および前記位相板は無機誘電体材料からなることを特徴とする請求項４、５又は６に記載の画像投射装置。
8. 前記波長板は無機誘電体の負結晶を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像投射装置。
9. 前記波長板は負の屈折率異方性を有する液晶材料を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像投射装置。