JP2015034996A

JP2015034996A - プロジェクター

Info

Publication number: JP2015034996A
Application number: JP2014203325A
Authority: JP
Inventors: 伊藤　嘉高; Yoshitaka Ito; 嘉高伊藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-10-01
Filing date: 2014-10-01
Publication date: 2015-02-19

Abstract

【課題】光学的な手法によって見掛け上の画素数を増加させることで、画像の全領域にわたる高精細化を実現し得るプロジェクターを提供する。
【解決手段】本発明のプロジェクター１は、第１サブフレームに対応する画像データと第２サブフレームに対応する画像データを交互に線順次に書き込む液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂと、複数の切替領域にわたって第１、第２偏光状態を線順次に切り替える偏光切替素子９と、入射光の光路をその偏光状態に応じて変更する複屈折光学素子１１と、液晶ライトバルブからの光を偏光切替素子で略結像させて中間像を形成する光伝達光学系と、を備え、第１、第２画像データ書き込み領域の境界位置に対応する中間像上の境界位置の移動に略同期して、第１、第２偏光状態の切替領域の境界位置を移動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクターに関し、より詳しくは、光学的な手法によって画素数を増加させることで高精細な投写画像の表示が可能なプロジェクターに関する。

高精細画像の普及に伴って、より高精細な画像をより高輝度で表示できるプロジェクターへの要求が高まっている。表示画像を高精細化するには、例えば液晶ライトバルブ等の光変調素子の画素数を増やすことが一つの方策である。しかしながら、画素サイズを変えずに画素数を増やすと、光変調素子が大型化し、製造コストが高騰する。それに加えて、光変調素子から射出される画像光を扱う光学系も大型化するため、製造コストの高騰が避けられない。逆に、光変調素子のサイズを変えずに画素数を増やそうとすると、画素サイズを縮小する必要がある。ところが、光変調素子に設けるスイッチング素子や配線等の小型化は難しく、限界がある。そのため、画素サイズの縮小に伴って開口率が低下し、画像光の光強度が低下する結果、表示画像が暗くなる。

そこで、光変調素子の物理的な画素数を増やすことなく、光学的な手法を用いて見掛け上の画素数を増やすことで表示画像の高精細化を図る方策が提案されている（下記の特許文献１参照）。特許文献１に記載の表示装置では、画像光を生成する液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）の射出側に偏波面回転素子と複屈折光学素子とを配置し、これらの素子を透過する画像光の光路をシフトさせる構成となっている。特許文献１には、時間軸上で連続するフィールド毎に画像光の光路をシフトさせ、異なる位置に画像を表示して見掛け上の画素数を倍増させることにより、低解像度の表示素子でも高精細な画像の表示が可能になる、と記載されている。

特開平８−２９７７９号公報

ところで、一般に液晶を用いた光変調素子（以下、液晶型光変調素子と称する）は、画像データを保持する画像メモリーを画素毎に備えていない。そのため、液晶型光変調素子では、画像データが行毎に順次書き込まれて最終的に１フレームの画像が形成される方式、いわゆる線順次方式が一般に採用されている。すなわち、表示画像においては、現行のサブフレームの画像が行単位で次のサブフレームの画像に常に書き換えられている。したがって、液晶型光変調素子によって形成される画像は、ある時点において、現行のサブフレームの画像と新たに書き換えられた次のサブフレームの画像とが１つの画面の中に併存している。

上述の特許文献１に記載の表示装置では、偏波面回転素子を用いて、ＬＣＤから射出された画像光の偏波面をフィールド毎に所定のタイミングで画像全体にわたって一括して回転させている。この場合、ＬＣＤにより画像データを行毎に連続的に書き換える動作と、偏波面回転素子と複屈折光学素子とにより画像全体にわたって画像光の光路をあるタイミングで同時にシフトさせる動作と、を同期させることができない。そのため、画像の全領域にわたる高精細化を実現できず、場所によっては画像が二重化して画質劣化を生じることとなる。

また、特許文献１には、偏波面回転素子を構成する強誘電液晶セルの電極を複数本（具体的には５本）のライン電極に分割し、各ライン電極に対応する領域毎に画像光の光路をシフト可能とすることで画素数増加の効果を高められると記載されている。しかしながら、ＬＣＤから射出された画像光は発散光であり、ＬＣＤと離間して配置された偏波面回転素子に画像光が入射する段階では光束径が大きく拡がっている。そのため、仮に偏波面回転素子の電極の分割数をＬＣＤの画素の行数と一致させたとしても、現行のサブフレームの画像と次のサブフレームの画像との境界と、異なる偏波面を有する領域同士の境界と、を一致させることができない。そのため、画像の全領域にわたる高精細化は実現できず、画質劣化を十分に回避することはできない。

なお、以上の説明では、液晶型光変調素子における一般的な画像データの書き込み方式である線順次方式の例を挙げた。しかしながら、液晶型光変調素子には画像データを画素毎に順次書き換える方式、いわゆる点順次方式の書き込みを採用する場合もある。上記の問題は点順次方式を採用したプロジェクターにも共通する問題である。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、光変調素子の物理的な画素数を増加させることなく、光学的な手法によって見掛け上の画素数を増加させることで、画像の全領域にわたる高精細化を実現し得るプロジェクターを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明のプロジェクターは、光源と、マトリクス状に配列された複数の画素に対して、第１サブフレームに対応する第１画像データと、前記第１サブフレームに時間的に隣接する第２サブフレームに対応する第２画像データと、が交互に線順次に書き込まれ、書き込まれた前記第１画像データまたは前記第２画像データに基づいて前記光源からの光を変調する光変調素子と、入射された光の偏光状態を、第１偏光状態と第２偏光状態とに時間的に切り替える複数の線状の切替領域を有し、前記複数の切替領域にわたって前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを線順次に切り替える偏光切替素子と、前記偏光切替素子から入射された光の光路をその偏光状態に応じて変更し、前記光を異なる位置から射出させる複屈折光学素子と、前記光変調素子によって変調された光を前記偏光切替素子に伝達し、前記偏光切替素子において略結像させて中間像を形成する光伝達光学系と、前記偏光切替素子に形成された前記中間像を投写する投写光学系と、前記偏光切替素子を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記光変調素子上の前記第１画像データが書き込まれた領域と前記第２画像データが書き込まれた領域との境界位置に対応する前記中間像上の境界位置の移動に略同期して、前記偏光切替素子の前記第１偏光状態とされた切替領域と前記第２偏光状態とされた切替領域との境界位置が移動するように、前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを線順次に切り替えることを特徴とする。

すなわち、本実施形態のプロジェクターは光伝達光学系を備えており、光伝達光学系が光変調素子からの射出光を偏光切替素子に伝達し、偏光切替素子において略結像させて中間像を形成する。これにより、光変調素子と偏光切替素子とが離間した位置にあり、かつ、光変調素子からの射出光が発散光であっても、光変調素子の所定の画素から射出した投写光を偏光切替素子の所定の場所に精度良く入射させることができる。また、偏光切替素子は、制御部によって制御されており、光変調素子上の第１画像データの書き込み領域と第２画像データの書き込み領域との境界位置に対応する中間像上の境界位置の移動に略同期して、偏光切替素子の第１偏光状態とされた切替領域と第２偏光状態とされた切替領域との境界位置が移動するように、第１偏光状態と第２偏光状態とを線順次に切り替える。これにより、光変調素子での各画像データの書き換えと偏光切替素子での偏光状態の切り替えとを空間的にも時間的にも確実に同期させることができる。そして、偏光切替素子から射出された光が複屈折光学素子に入射されると、光の偏光状態に応じて光路が変更し、各サブフレームで画像光が複屈折光学素子の異なる位置から射出されることで見掛け上の画素数が増える。このようにして、画面の全領域にわたって高精細の投写画像を得ることができる。

本発明のプロジェクターにおいて、前記偏光切替素子における前記複数の切替領域の数と前記光変調素子における前記複数の画素の行数とが同一である構成を採用できる。
この構成によれば、光変調素子での各画像データを書き込む行方向の画素群と偏光切替素子での線状の切替領域とが１対１で対応する。この場合、光変調素子での各画像データの書き込みの境界位置と偏光切替素子での偏光状態の切り替えの境界位置とを空間的、時間的に略完全に同期できる。そのため、画面の全領域にわたってより高精細の画像を得ることができる。

本発明のプロジェクターにおいて、前記偏光切替素子における前記複数の切替領域の数が、前記光変調素子における前記複数の画素の行数よりも少ない構成を採用できる。
この構成の場合、光変調素子での各画像データを書き込む行方向の画素群と偏光切替素子での線状の切替領域とが１対１で対応しない。そのため、光変調素子での各画像データの書き込みの境界位置と偏光切替素子での偏光状態の切り替えの境界位置とを完全には同期できない。よって、画像光の偏光状態が局所的に乱れる、つまり所定の偏光状態にならないことにより、見掛け上の画素数の増加による投写画像の高精細化が局所的に実現されないことになる。しかしながら、偏光状態の乱れが生じる領域、すなわち、高精細化が実現されない領域の大きさが画像全体の大きさに比べてごく僅かであれば、実用上ほとんど問題とならない。また、この構成によれば、偏光切替素子の駆動素子や駆動回路を簡素にでき、低コスト化が図れる。

本発明のプロジェクターにおいて、前記偏光切替素子における前記複数の切替領域の数が、前記光変調素子における前記複数の画素の行数よりも多い構成を採用できる。
この構成の場合、光変調素子での各画像データを書き込む行方向の１つの画素群に対して偏光切替素子での複数の切替領域が対応する。例えば光変調素子として液晶素子を用いた場合、液晶素子によっては素子の構造や液晶の物性等に依存して画像データの書き替えに長い時間を要する、いわゆる応答時間が長い場合がある。この場合、例えば、画像データの書き替えの過渡期間に偏光切替素子の複数の切替領域を対応させて細かな切り替えを行うことにより、画像光の偏光状態を高い精度で所定の偏光状態となるように制御でき、見掛け上の画素数を適切に増やした高精細な投写画像を得ることができる。

本発明のプロジェクターは、光源と、マトリクス状に配列された複数の画素に対して、第１サブフレームに対応する第１画像データと、前記第１サブフレームに時間的に隣接する第２サブフレームに対応する第２画像データと、が交互に点順次に書き込まれ、書き込まれた前記第１画像データまたは前記第２画像データに基づいて前記光源からの光を変調する光変調素子と、入射された光の偏光状態を、第１偏光状態と第２偏光状態とに時間的に切り替える複数の切替領域を有し、前記複数の切替領域にわたって前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを点順次に切り替える偏光切替素子と、前記偏光切替素子から入射された光の光路をその偏光状態に応じて変更し、前記光を異なる位置から射出させる複屈折光学素子と、前記光変調素子によって変調された光を前記偏光切替素子に伝達し、前記偏光切替素子において略結像させて中間像を形成する光伝達光学系と、前記偏光切替素子に形成された前記中間像を投写する投写光学系と、前記偏光切替素子を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記光変調素子上の前記第１画像データが書き込まれた領域と前記第２画像データが書き込まれた領域との境界位置に対応する前記中間像上の境界位置の移動に略同期して、前記偏光切替素子の前記第１偏光状態とされた切替領域と前記第２偏光状態とされた切替領域との境界位置が移動するように、前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを点順次に切り替えることを特徴とする。

上述のプロジェクターが線順次方式の画像データ書き込みを採用したものであったのに対し、本プロジェクターは点順次方式の画像データ書き込みを採用したものである。このプロジェクターにおいても、光変調素子での各画像データの書き込みと偏光切替素子での偏光状態の切り替えとを空間的にも時間的にも同期できるため、画像光の偏光状態を高い精度で所定の偏光状態となるように制御でき、見掛け上の画素数を適切に増やした高精細な投写画像を画面の全領域にわたって得ることができる。

本発明のプロジェクターにおいて、前記光伝達光学系は、少なくとも前記光変調素子側にテレセントリック性を有することが望ましい。前記光変調素子側と前記偏光切替素子側の双方にテレセントリック性を有するものであれば、より望ましい。
テレセントリック性を有する光学系とは、主光線が像側焦点あるいは物体側焦点を通る光学系のことである。このような光学系からなる光伝達光学系を用いることにより、光変調素子や偏光切替素子が光軸方向に位置ずれを生じても、伝達される画像の寸法および形状が変わらない。そのため、光変調素子と偏光切替素子との位置合わせが容易であり、正確な画像の伝達を実現できる。

本発明のプロジェクターにおいて、前記光伝達光学系が等倍伝達光学系である構成を採用できる。
この構成によれば、光変調素子の画素領域と同一寸法、同一形状の偏光切替領域を有する偏光切替素子を用いることにより、正確な画像の伝達を実現できる。

本発明のプロジェクターにおいて、前記光伝達光学系が縮小伝達光学系である構成を採用できる。
この構成によれば、偏光切替素子や投写光学系を小型化でき、プロジェクター全体の小型化、低コスト化が図り易い。

本発明のプロジェクターにおいて、前記光伝達光学系が拡大伝達光学系である構成を採用できる。
この構成によれば、偏光切替素子に伝達された中間像と偏光切替素子との位置合わせが容易となり、偏光切替素子の配置精度を確保し易い。

本発明のプロジェクターにおいては、前記光伝達光学系と前記偏光切替素子との間の光路上に、偏光状態の乱れを補償する偏光補償光学系を備えた構成を採用できる。あるいは、前記偏光切替素子の入射側に配置された光吸収型あるいは光反射型の偏光素子を備えた構成を採用できる。
これらの構成によれば、偏光切替素子に入射する偏光の偏光度を高められるため、偏光切替素子で画像光の偏光状態を正確に切り替えることができ、画質に優れた高精細画像表示を実現できる。

本発明の第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。第１実施形態のプロジェクターの偏光切替素子を示す図である。偏光切替素子と画像光との対応関係を説明するための図である。複屈折光学素子による画素数倍増の効果を説明するための図である。複屈折光学素子の作用を説明するための図である。光伝達光学系のいくつかの構成例を示す図である。光伝達光学系に光路長補正光学系を付加した構成例を示す図である。光伝達光学系において光路長を補正する他の構成例を示す図である。光伝達光学系に偏光補償光学系を付加した構成例を示す図である。本発明の第２実施形態のプロジェクターの偏光切替素子を示す図である。本発明の第３実施形態のプロジェクターの概略構成図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。
本実施形態では、光変調素子として透過型の液晶ライトバルブを３組使用した、いわゆる３板式の液晶プロジェクターを例示する。また、本実施形態のプロジェクターは、画像データの書き込み方式として線順次方式を採用している。

図１は本実施形態のプロジェクターの概略構成図である。図２（Ａ）、（Ｂ）は本実施形態のプロジェクターの領域分割型偏光切替素子を示す図であり、図２（Ａ）はｚ軸方向から見たｘｙ平面図、図２（Ｂ）はｘ軸方向から見たｙｚ平面断面図である。図３（Ａ）〜（Ｃ）は領域分割型偏光切替素子と画像光との対応関係を説明するための図である。図４（Ａ）、（Ｂ）は複屈折光学素子による画素数倍増の効果を説明するための図である。図５（Ａ）、（Ｂ）は複屈折光学素子の作用を説明するための図である。図６（Ａ）〜（Ｅ）は光伝達光学系のいくつかの構成例を示す図である。図７は光伝達光学系に光路長補正光学系を付加した構成例を示す図である。図８は光伝達光学系において光路長を補正する他の構成例を示す図である。図９は光伝達光学系に偏光補償光学系を付加した構成例を示す図である。
なお、以下の全ての図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

本実施形態を含め、以下の実施形態では、光透過領域を複数の領域に分割し、個々の領域毎に通過する光の偏光状態を切り替えられる構成として、偏光状態を切り替えるためのスイッチング素子を領域毎に備えた偏光切替素子、あるいは領域を順次選択して偏光状態を切り替える走査回路を外部に備えた偏光切替素子、いわゆる「領域分割型偏光切替素子」を用いる。ただし、領域分割型偏光切替素子を単に「偏光切替素子」と記載する。

本実施形態のプロジェクター１は、図１に示すように、光源２と、インテグレーター光学系３と、色光分離光学系４と、光路長補正用リレー光学系５と、各色光を変調する３つの液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ（光変調素子）と、色光合成光学系７と、光伝達光学系８と、偏光切替素子９と、複屈折光学素子１１と、投写光学系１０と、を主に備えている。なお、本実施形態の構成では、２つの光伝達光学系が存在するため、照明光路の光路長を補正する目的で用いる方を「光路長補正用リレー光学系５」、液晶ライトバルブが生成した画像光を偏光切替素子に伝達する目的で用いる方を「光伝達光学系８」（特許請求の範囲の「光伝達光学系」に相当）と呼称して区別する。

以下、プロジェクター１の各構成要素について説明する。
光源２は、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等からなり、白色光を射出する光源ランプ１２と、光源ランプ１２からの光を反射してインテグレーター光学系３に向けて射出させるリフレクター１３と、を有している。インテグレーター光学系３は、フライアイレンズ等からなる第１レンズアレイ１４および第２レンズアレイ１５と、重畳レンズ１６と、を有している。インテグレーター光学系３は、光源２から射出された光の照度分布を各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ上で略均一化する機能を有している。

色光分離光学系４は、ダイクロイックミラー１８，１９と、反射ミラー２０と、を有している。ダイクロイックミラー１８，１９は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものであり、入射した白色光に含まれる所定の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる特性を有している。ダイクロイックミラー１８は、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとを反射させ、赤色光ＬＲを透過する。ダイクロイックミラー１９は、ダイクロイックミラー１８で反射した色光のうち、緑色光ＬＧを反射させ、青色光ＬＢを透過する。反射ミラー２０は、ダイクロイックミラー１８を透過した赤色光ＬＲを赤色光変調用液晶ライトバルブ６Ｒの平行化レンズ２１に向けて反射させる。

光路長補正用リレー光学系５は、入射側レンズ２３と、リレーレンズ２４と、反射ミラー２５，２６と、を有しており、青色光ＬＢが他の色光ＬＲ，ＬＧに比べて液晶ライトバルブ６Ｂまでの光路長が長いことによる光損失を補正する機能を有している。入射側レンズ２３は、リレーレンズ２４に光を効率良く入射させる機能を有している。リレーレンズ２４は、入射側レンズ２３近傍の光を平行化レンズ２１を経て青色光変調用液晶ライトバルブ６Ｂに伝達する機能を有している。光路長補正用リレー光学系５により、入射側レンズ２３に入射した青色光ＬＢは、光強度分布が略保存された状態で光損失を殆ど伴うことなく、空間的に離れた液晶ライトバルブ６Ｂに伝達される。

各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂは、一対の基板と基板間に挟持された液晶とを備え、透過率を独立に制御可能な複数の画素がマトリクス状に配列された構成を有している。光透過領域には複数の走査線と複数のデータ線とが互いに交差して設けられ、複数のデータ線に画像データを供給する一方、複数の走査線を一方から他方に線順次に走査することにより、各走査線に対応する行方向に並ぶ複数の画素（画素群）に画像データが書き込まれる。例えば、赤色光変調用の液晶ライトバルブ６Ｒは、平行化レンズ２１によって略平行化されて入射した赤色光を画像データに基づいて光変調し、光学像を内包した画像光を射出する。緑色光変調用の液晶ライトバルブ６Ｇ、青色光変調用の液晶ライトバルブ６Ｂの作用も、赤色光変調用の液晶ライトバルブ６Ｒと同様である。

本実施形態の場合、画像データは２つのサブフレーム毎に線順次方式で書き込まれる。以下の説明では、第１サブフレームに対応する画像データを「第１画像データ」と称し、第１サブフレームの次の第２サブフレーム（第１サブフレームに時間的に隣接するサブフレーム）に対応する画像データを「第２画像データ」と称する。すなわち、第１画像データは第１サブフレーム（第１期間）に線順次方式で書き込まれ、第２画像データは第１サブフレームの次のサブフレームである第２サブフレーム（第２期間）に線順次方式で書き込まれる。各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂは、書き込まれた第１画像データまたは第２画像データに基づいて光変調を行う。

第１画像データによる画像と第２画像データによる画像とは、後述するように、画素の列方向（データ線の延在方向）の１／２ピッチ分ずれた位置に投写され、これら２つの画像で画素数が２倍となった１フレーム分の画像が形成される。すなわち、第１サブフレーム、第２サブフレームの２つのサブフレームで１フレームが構成されている。また、１フレームの表示周波数は６０Ｈｚ、１サブフレームの表示周波数は１２０Ｈｚに設定することが望ましい。その理由は、表示周波数がこれより小さいと、観察者が投写画像を観察したときに画質劣化につながるフリッカーを感じる虞があるからである。

色光合成光学系７は、クロスダイクロイックプリズム２８と、波長選択位相板２９と、を有している。クロスダイクロイックプリズム２８は、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、クロスダイクロイックプリズム２８の選択反射面になる。クロスダイクロイックプリズム２８の内面に、赤色光ＬＲが反射し緑色光ＬＧが透過する選択反射面と、青色光ＬＢが反射し緑色光ＬＧが透過する選択反射面と、が互いに直交して形成されている。クロスダイクロイックプリズム２８に入射した緑色光ＬＧは、選択反射面を通ってそのまま射出され、赤色光ＬＲ、青色光ＬＢは、選択反射面で選択的に反射して、緑色光ＬＧの射出方向と同じ方向に射出される。

波長選択位相板２９は、入射光のうち、特定の波長帯域の色光の偏光状態を選択的に変換するものであり、例えばColor Select（Color Link社の商品名）等を用いることができる。すなわち、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから射出される画像光は射出側偏光板（図示せず）を透過した直線偏光であり、色光合成光学系７であるクロスダイクロイックプリズム２８での効率を考慮して、緑色光ＬＧはＰ偏光、赤色光ＬＲおよび青色光ＬＢはＳ偏光の状態でクロスダイクロイックプリズム２８に入射し、カラー画像を形成する画像光に合成されて射出される。クロスダイクロイックプリズム２８から射出された画像光は、波長選択位相板２９に入射し、緑色光ＬＧの偏光方向のみが９０度回転してＳ偏光となり、偏光状態が揃った３つの色光で構成された画像光となって波長選択位相板２９から射出される。このように全ての色光でその偏光状態を揃えた場合には、後述する光伝達光学系８において色光間で伝達特性を揃えやすく、高い伝達効率を実現しやすい。勿論、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから射出側偏光板（図示せず）を透過して射出される各色光ＬＲ，ＬＧ，ＬＢが、全て同じ状態の直線偏光（例えば、Ｓ偏光）となる構成を採用することもできる。その場合には、波長選択位相板２９は不要である。

光伝達光学系８は、入射側レンズ３１と、リレーレンズ３２と、射出側レンズ３３と、を有している。光伝達光学系８は、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから射出された画像光を偏光切替素子９に伝達し、偏光切替素子９において結像させて中間像を形成する機能を有している。本実施形態の光伝達光学系８は等倍伝達光学系を採用するが、縮小伝達光学系や拡大伝達光学系を採用しても良い。光伝達光学系８の結像倍率については後述する。

入射側レンズ３１は、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂとクロスダイクロイックプリズム２８との間に配置されている。入射側レンズ３１は、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからの画像光をリレーレンズ３２に効率良く入射させる機能を有している。リレーレンズ３２は、入射側レンズ３１近傍の画像光を、クロスダイクロイックプリズム２８を介して一つに合成しつつ、偏光切替素子９上で結像させ、中間像が形成されるように伝達する機能を有している。なお、クロスダイクロイックプリズム２８の色光合成特性は入射角依存性を有するため、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの射出側には入射側レンズ３１を配置せず、一つの入射側レンズをクロスダイクロイックプリズム２８の射出端面に近接させて配置しても良い。その構成とした場合、色光合成時に発生し易い色ムラを低減することができる。射出側レンズ３３は、リレーレンズ３２から射出された画像光を偏光切替素子９に効率良く入射させる機能を有している。

光伝達光学系８は、例えば歪曲収差や倍率色収差などの光学収差の発生が少ない光学系であることが望ましく、リレーレンズ３２においても同様である。この観点から、リレーレンズ３２を複数のレンズで構成する、非球面レンズを使用する、低分散性の硝材を用いるなどの手段を採用するのが効果的である。また、レンズに限定することなく、反射ミラーなどを用いた構成、もしくはレンズと反射ミラーとを組み合わせた構成としても良い。なお、入射側レンズ３１や射出側レンズ３３は、光伝達効率を向上させる面で有効であるが、必須の光学要素ではなく、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから射出される画像光の特性や光伝達光学系の構成によっては備えなくても良い。

光伝達光学系８は光学収差の発生が少ない光学系であることが望ましいと述べたが、より詳しくは、画像伝達特性の波長依存性が小さい光学系であることが望ましい。その理由は、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂでは波長域の異なる光によって赤色光用画像、緑色光用画像、青色光用画像が形成され、それらの画像が一つの光伝達光学系８で扱われるためである。そのためには、ゼロ分散や低分散性の光学材料を用いて構成することが望ましい。

あるいは、他の手段として、図７に示すように、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの射出側に光路長補正光学系３５を配置して光路毎に光路長を補正する、図８に示すように、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂと偏光切替素子９との間の距離ＤＲ，ＤＧ，ＤＢを変えて光路毎に光路長を補正する、などの方策が有効である。図７では光路長補正光学系の一例として、レンズ特性（例えば曲率、材質）が異なる３つの平凸レンズ３５Ｒ，３５Ｇ，３５Ｂを光路毎に用いた場合を示す。光路毎にレンズ特性を最適化することで画像伝達時の波長依存性を小さくできる。なお、図８では図面を見易くするため、距離ＤＲ，ＤＧ，ＤＢを示す矢印を各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから射出光軸までのみ描いた。

さらに、複数の液晶ライトバルブを備えた構成では、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの画像光を正確に重畳しつつ偏光切替素子９に確実に伝達しなければならない。そのためには、上述の光伝達光学系８の光学特性を考慮しつつ、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂと偏光切替素子９との間の光学距離を所定の関係に設定する必要がある。すなわち、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの投写光軸方向における位置を正確に設定する必要がある。ところが、これは容易なことではない。そこで、少なくとも液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ側の片側に、好ましくは、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ側と偏光切替素子９側の両側にテレセントリック性を有する光伝達光学系を用いることが望ましい。テレセントリック性を有する光学系とは、主光線が像側焦点あるいは物体側焦点を通る光学系である。このような光学系を用いることにより、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂや偏光切替素子９が光軸方向に位置ずれを生じても、伝達される画像の寸法および形状が変わらない。そのため、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂと偏光切替素子９との位置合わせが容易であり、正確な画像伝達を実現できる。

このようなテレセントリック性を有する光伝達光学系のいくつかの例を図６（Ａ）〜（Ｅ）に示す。図６（Ａ）は、レンズ方式の両側テレセントリックの光伝達光学系の例であり、２つのレンズ３７Ａ，３７Ｂと１つの光学絞り３８とを備えている。図６（Ｂ）は、ミラー方式の両側テレセントリックの光伝達光学系の例であり、３つの反射ミラー３９Ａ，３９Ｂ，３９Ｃを備えている。図６（Ｃ）は、レンズ・ミラー併用方式の両側テレセントリックの光伝達光学系の例であり、２つのミラー４０Ａ，４０Ｂ，４１Ａ，４１Ｂの対が２対と１つのレンズ４２とを備えている。図６（Ｄ）は、両側テレセントリックの縮小伝達光学系の例であり、２つのレンズ４３Ａ，４３Ｂと１つの光学絞り４４とを備えている。図６（Ｅ）は、物体側テレセントリックの光伝達光学系の例であり、１つのレンズ４５と１つの光学絞り４６とを備えている。

なお、色光合成光学系７であるクロスダイクロイックプリズム２８も、光伝達光学系８と同様、光学収差の発生が少ない素子とすることが望ましく、ゼロ分散や低分散性の光学材料を用いて構成することが望ましい。

偏光切替素子９は、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから入射した光の偏光状態を、Ｓ偏光（第１偏光状態）とＰ偏光（第２偏光状態）とに時間的に切り替える複数の線状の切替領域を有しており、複数の切替領域にわたってＳ偏光とＰ偏光とを線順次に切り替えるものである。偏光切替素子９は、図２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、各々が透明電極４３，４４を備えた一対の透明基板４５，４６間に液晶４７が所定の配向状態で封入された液晶素子によって構成されている。本実施形態において、偏光切替素子９は、直線偏光を入射させて入射時とは異なる直線偏光を射出させる必要があるため、１／２波長板として機能させる必要がある。よって、偏光切替素子９に適用可能な液晶素子の種類としては、例えばパイセル液晶素子、強誘電性液晶素子、ＴＮ液晶素子等の液晶素子が挙げられる。また、偏光切替素子９には、極力応答速度の速い液晶素子を用いることが望ましい。

一方の透明基板４５には、透明導電膜からなる細長い矩形状の複数のライン電極４３が形成されている。各ライン電極４３の形成領域が、入射光の偏光状態を、Ｓ偏光とＰ偏光とに時間的に切り替える個々の切替領域に対応する。各ライン電極４３（切替領域）の寸法および形状は、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの行方向（走査線の延在方向）に並ぶ複数の画素全体の寸法および形状に対応している。また、ライン電極４３（切替領域）の数は、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向（データ線の延在方向）に並ぶ画素の数（行数）と一致している。他方の透明基板４６には、透明導電膜からなる対向電極４４が全面に形成されている。

ライン電極４３の行方向の寸法は、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの行方向に並ぶ全ての画素の両端部間の寸法よりも若干大きく設定されている。したがって、図２（Ａ）に示すように、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからの画像光が伝達される領域Ｇはライン電極４３の長手方向の両端部よりも内側に位置する。偏光切替素子９は、ｘ軸方向、ｙ軸方向、ｚ軸方向の全ての方向に位置調整が可能なホルダー（保持部材）で保持することが望ましい。液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂに形成された画像の行方向に並ぶ画素群と偏光切替素子９のライン電極４３とが１対１で対応するように、光伝達光学系８は液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの画像を偏光切替素子９の所定の位置に正確に伝達する必要がある。この場合、上述の位置調整機構を備えることにより、光伝達光学系８や偏光切替素子９の位置調整が容易になる。

偏光切替素子９は、図１に示すように、駆動素子や駆動回路（ともに図示せず）を含む制御部４９を備えている。制御部４９は、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの垂直方向への線順次走査に同期させて、偏光切替素子９のライン電極４３と対向電極４４との間に電圧を順次印加して、ライン電極４３と対向電極４４とで挟まれた個々の切替領域における液晶の配向状態を制御する。これにより、特定のライン電極４３に対応する切替領域に入射した偏光の偏光状態をＳ偏光からＰ偏光に線順次に切り替え、例えば図２（Ａ）の矢印Ｅの方向に走査しながら射出することができる。勿論、偏光切替素子９にＰ偏光を入射させる構成とすることもでき、その場合には切替領域に入射した偏光の偏光状態をＰ偏光からＳ偏光に切り替えることになる。具体的には、例えば直線偏光であるＳ偏光（あるいはＰ偏光）を偏光切替素子９に入射させたとき、偏光方向を９０度回転させてＰ偏光（あるいはＳ偏光）として射出させたり、偏光方向を回転させずにＳ偏光（あるいはＰ偏光）のまま射出させたりすることができる。

多くの液晶ライトバルブでは、線順次方式の画像データの書き込み形態が採用されている。すなわち、行方向に並ぶ画素群の全てに対して画像データが同時に書き込まれ、その画素群が列方向に順次移動することで全ての画素に画像データが書き込まれ、最終的に１サブフレームの画像が完成する。したがって、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの線順次書き込み方式に対応させ、行方向に並ぶ画素群の全てに対して１本のライン電極４３が対応するように偏光切替素子９を構成している。

偏光切替素子９に入射した液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからの画像光が、偏光切替素子９によって所定の偏光状態を有する画像光に変換されて射出される様子を、以下、図３（Ａ）〜（Ｃ）を用いて説明する。
なお、図３（Ａ）は偏光切替素子９に入射する画像光の状態を示し、図３（Ｂ）は偏光切替素子９の状態を示し、図３（Ｃ）は偏光切替素子９から射出する画像光の状態を示している。

偏光切替素子９に入射した画像光を仔細に見ると、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの垂直方向への線順次走査での画像データの書き込みに対応して、その画像はライン単位で連続的に書き換えられている。すなわち、偏光切替素子９に入射した画像光によって形成される中間像は、図３（Ａ）に示すように、ある時点において、第１サブフレーム（前のサブフレーム）の画像（前画像）と新たに書き換えられた第２サブフレーム（現行のサブフレーム）の画像（現画像）とが所定の走査線（所定の境界位置Ｘ）を挟んで併存している。ただし、この段階では、第１サブフレームの画像と第２サブフレームの画像を構成する画像光はともにＳ偏光である。

ここで、制御部４９は、この走査線（境界位置Ｘ）の垂直方向への移動に同期させて、図３（Ｂ）に示すように、偏光切替素子９の複数のライン電極４３に対して所定の電圧を線順次に印加し、液晶の偏光状態がＳ偏光にある切替領域とＰ偏光にある切替領域との境界位置Ｘ１が移動するように、液晶の配向状態を所定の状態に順次切り替える。ここでは、境界位置Ｘ１より下側のライン電極４３の電圧をオフとし、この切替領域に入射するＳ偏光の偏光方向を回転させずにＳ偏光のまま射出させる。一方、境界位置Ｘ１より上側のライン電極４３の電圧をオンとし、この切替領域に入射するＳ偏光の偏光方向を回転させてＰ偏光として射出させる。

これにより、偏光切替素子９を透過した画像光は、図３（Ｃ）に示すように、その境界位置Ｘ１の上下で異なる偏光状態を取ることができ、図３（Ａ）の走査線（境界位置Ｘ）を跨いで同じ偏光状態が続くことがない。例えば、図３（Ｃ）に示すように、第１サブフレームの画像についてはその偏光状態を変えることなくＳ偏光のままで射出され、第２サブフレームの画像についてはその偏光状態が変換され、Ｐ偏光となって射出される。なお、偏光切替素子９では、その構成に依存して、透過する偏光の偏光状態を電圧オン時に変換する形式、透過する偏光の偏光状態を電圧オフ時に変換する形式、のいずれかを採用することができる。いずれを採用するかは、偏光切替素子に入射する画像光の偏光状態や後述する複屈折光学素子１１の光学軸の配置関係により適切な形式を選択すれば良い。

複屈折光学素子１１は、例えば方解石や水晶、あるいは液晶を配向させた液晶セル、高分子配向体等で構成されており、屈折率異方性を有している。すなわち、複屈折光学素子１１は、入射する光の偏光状態に応じて異なる屈折作用を発現する。この作用により、複屈折光学素子１１は、偏光切替素子９から入射された光の光路をその偏光状態に応じて変更し、入射された光を射出端面の異なる位置から射出させる。なお、図１では図面の見やすさの観点から、偏光切替素子９と複屈折光学素子１１とを互いに離して描いてあるが、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからの画像光による中間像は偏光切替素子９上に結像されるため、複屈折光学素子１１は偏光切替素子９の極近傍に、例えば密接させて配置することが望ましい。これにより、中間像の極近傍で光路を変更できるため、投写表示時の画質劣化を抑えられ、高画質な高精細画像表示を実現できる。

ここで、複屈折光学素子１１に入射した画像光の振る舞いについて、図５を用いて説明する。図５（Ａ）、（Ｂ）において、複屈折光学素子１１の光学軸Ｐ１は紙面に平行な面内に配置されているものとする。また、図５（Ａ）において、複屈折光学素子１１に入射する偏光Ｌ１はＳ偏光であり、その偏光方向Ｐｓは紙面に垂直である。図５（Ｂ）において、複屈折光学素子１１に入射する偏光Ｌ２はＰ偏光であり、その偏光方向Ｐｐは紙面に平行である。

図５（Ａ）に示すように、入射する偏光Ｌ１の偏光面（偏光方向Ｐｓと入射光の中心軸とを含む面）内に複屈折光学素子１１の光学軸Ｐ１が存在しない場合には、入射した偏光Ｌ１はその光路を変えずに射出される。一方、図５（Ｂ）に示すように、入射する偏光Ｌ２の偏光面（偏光方向Ｐｐと入射光の中心軸とを含む面）内に複屈折光学素子１１の光学軸Ｐ１が存在する場合には、複屈折光学素子１１の常光屈折率と異常光屈折率との差に起因する偏向角θに応じて、入射した偏光Ｌ２はその光路を変えて射出される。したがって、この例では、Ｓ偏光はその光路を変えずに射出され、Ｐ偏光はその光路を変えて射出される。

ここで、厚みＴの複屈折光学素子１１の入射端面１１ａと射出端面１１ｂとが平行な状態で形成されている場合には、入射端面１１ａから入射した偏光はその光路がシフト量Ｄだけ平行シフトした状態で射出端面１１ｂから射出される。シフト量Ｄは偏向角θと厚みＴに依存し、Ｄ＝Ｔ・tanθで表される。

したがって、図４（Ａ）に示すように、例えば境界位置Ｘ１より下側で第１サブフレームの画像光がＳ偏光で射出され、境界位置Ｘ１より上側で第２サブフレームの画像光がＰ偏光で射出されたとき、図４（Ｂ）に示すように、Ｓ偏光の状態で複屈折光学素子１１に入射した第１サブフレームの画像は、その光路を変えずに射出される。一方、Ｐ偏光の状態で複屈折光学素子１１に入射した第２サブフレームの画像は、その光路をシフト量Ｄだけ平行シフトさせた状態で射出される。このシフト量Ｄを液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂにおける列方向（ｙ軸方向）の画素ピッチの半分に設定しておけば、第１サブフレームの画像と第２サブフレームの画像とが液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向（ｙ軸方向）、すなわち画面の垂直方向の画素ピッチの半分だけずれた位置に表示されることになる。
なお、本実施形態では、第１サブフレームの画像と第２サブフレームの画像とは画面の水平方向（ｘ軸方向）にはずれないが、図４（Ｂ）では、図面を見やすくするために、第１サブフレームの画像と第２サブフレームの画像を画面の水平方向（ｘ軸方向）にもずらして描いている。

このように、本実施形態のプロジェクター１によれば、各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからの画像光を偏光切替素子９上に結像させて中間像を形成する光伝達光学系８を備えているので、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂと偏光切替素子９とが離れた位置にあり、かつ、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからの画像光が発散光であっても、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの所定の画素から射出した画像光を偏光切替素子９の所定の切替領域に精度良く入射させることができる。また、偏光切替素子９においては、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの各サブフレームの画像の境界位置の垂直方向への移動に同期して、液晶の偏光状態がＳ偏光にある切替領域とＰ偏光にある切替領域との境界位置が移動するので、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂでの各画像データの書き込みと偏光切替素子９での偏光状態の切り替えとを空間的にも時間的にも同期させることができる。以上により、本実施形態のプロジェクター１においては、画面の全領域にわたって画面の垂直方向（ｙ軸方向）の見掛け上の画素数が２倍となった高精細の画像表示を実現できる。

本実施形態では、光伝達光学系８として等倍伝達光学系を用いたため、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの画素領域と同一寸法、同一形状の偏光切替領域を有する偏光切替素子９を用いることにより、正確な画像伝達を実現できる。しかしながら、光伝達光学系の構成として、等倍伝達光学系に代えて、縮小伝達光学系や拡大伝達光学系を採用しても良い。縮小伝達光学系、すなわち、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂで形成された画像を縮小して偏光切替素子９に伝達する構成では、偏光切替素子９、複屈折光学素子１１、投写光学系１０等を小型化できるため、プロジェクター全体の小型化、低コスト化が図り易い。これに対して、拡大伝達光学系、すなわち、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂで形成された画像を縮小して偏光切替素子９に伝達する構成では、偏光切替素子９に伝達された中間像と偏光切替素子９との位置合わせが容易となり、偏光切替素子９の配置精度を確保し易い。

本実施形態の場合、偏光切替素子９は投写光学系１０の焦点位置に配置され、偏光切替素子９と投写光学系１０との間には空気以外の介在物が存在しないため、バックフォーカス長が極めて短い投写光学系を用いることができる。バックフォーカス長が短くなる程、Ｆ値が小さく大口径であるにもかかわらず、高性能な投写光学系をより容易に実現できる。したがって、光伝達光学系８における画像伝達の倍率を等倍以外に設定した場合でも、この構成に対応する投写光学系１０を比較的容易に実現できる。

偏光切替素子９のライン電極４３（切替領域）の数は、本実施形態のように、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向に並ぶ画素数と同じであることが望ましいが、これに限定されるものではない。偏光切替素子９のライン電極４３（切替領域）の数が液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向に並ぶ画素数と一致しない場合には、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの行方向の画素群と偏光切替素子９の切替領域とが１対１で対応しないため、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂでの各画像データの境界位置と偏光切替素子９での異なる偏光状態の境界位置とを完全には同期できない。そのため、例えば境界位置の近傍で本来Ｓ偏光となるべき光束がＰ偏光として射出される等、画像光の局所的な偏光状態の乱れ（所定の偏光状態にならないこと）が若干生じることになる。しかしながら、偏光状態の乱れが生じる領域、すなわち、高精細化が実現されない領域の大きさが画像全体の大きさに比べてごく僅かであれば、実用上ほとんど問題とならない。

したがって、偏光切替素子９のライン電極４３（切替領域）の数が液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向に並ぶ画素数よりも少ない構成としても良い。液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向の画素数に対して、その１／２程度以上の数のライン電極４３が形成されていれば、偏光切替素子９としてほぼ所望の効果を得られる。偏光切替素子９のライン電極４３（切替領域）の数が液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向に並ぶ画素数よりも少ない構成の場合、偏光切替素子９の駆動素子や駆動回路を簡素にでき、低コスト化が図れる。

逆に、偏光切替素子９のライン電極４３（切替領域）の数が液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの列方向に並ぶ画素数よりも多い構成としても良い。この構成を採用した場合、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂにおける行方向の１行の画素群に対して偏光切替素子９における複数のライン電極４３（切替領域）が対応する。例えば、光変調素子を構成する液晶素子によっては素子の構造や液晶の物性等に依存して画像データの書き替えに長い時間を要する、いわゆる応答時間が長い場合がある。この場合、例えば、画像データの書き替えの過渡期間に偏光切替素子９の複数の切替領域を対応させて細かな切り替えを行うことにより、画像光の偏光状態を高い精度で所定の偏光状態となるように制御でき、見掛け上の画素数を適切に増やした高精細な投写画像を得ることができる。

また、偏光切替素子９で画像光の偏光状態を正確に切り替えるためには、偏光切替素子９に入射する画像光は偏光度が高い直線偏光であることが望ましい。光変調素子である液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから射出された画像光は偏光度が高い直線偏光であるが、偏光切替素子９に至る途中に存在する色光合成光学系７（例えば、誘電体多層膜で形成されたダイクロイック膜を有するクロスダイクロイックプリズム）や光伝達光学系８（曲率を有するレンズ類を備える）によって、偏光が乱され、偏光度が低下する。

そこで、偏光切替素子９に入射する画像光の偏光度を高める方策として、図９に示すように、色光合成光学系７や光伝達光学系８に起因して生じる偏光の乱れを補償する偏光補償光学系５３を、光伝達光学系８のリレーレンズ３２と偏光切替素子９との間の光路上に配置する構成を採用できる。偏光補償光学系５３では、不要な偏光特性の光を補償して有用な偏光特性の光に大きな光損失を伴うことなく変換できるため、画像光の光量低下を小さく抑えることができる。この構成によれば、偏光切替素子９に入射する偏光の偏光度を高められるため、偏光切替素子９によって投写光の偏光状態を正確に切り替えることができ、画質に優れた高精細画像表示を実現できる。

偏光補償光学系５３としては、周知のレクチファイアを用いることができる。レクチファイアは１／２波長板７１と屈折力の無いレンズ７２から構成される。屈折力の無いレンズ７２は、一対の強い屈折面を持つ凸レンズ７３と凹レンズ７４の組み合わせで構成される。屈折力の無いレンズ７２は、透過光線のＰ偏光成分とＳ偏光成分に透過率差を生じさせ、偏光面を回転させることができる。その曲面の曲率半径、ガラス屈折率を調整することで、偏光の回転の度合いを広範囲に調節することが可能である。さらに、１／２波長板７１の表面や、屈折力の無いレンズ７２の各面に所望のリターデーションを発生する誘電体多層膜を形成することで、透過光線に所望のリターデーションを付与することができる。

液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂから射出された各色の偏光がクロスダイクロイックプリズム２８、リレーレンズ３２を透過することで生じる偏光変化は完全に同一ではない。クロスダイクロイックプリズム２８においては、緑色光（Ｇ光）はＲ光反射面およびＢ光反射面を透過する。赤色光（Ｒ光）はＲ光反射面で反射しＢ光反射面を透過する。青色光（Ｂ光）はＢ光反射面を透過しＢ光反射面で反射する。したがって、各色光がＲ光反射面、Ｂ光反射面の誘電体多層膜（Ｒ光反射ダイクロイック膜、Ｂ光反射ダイクロイック膜）で受けるリターデーションは異なる。また、リレーレンズ３２においてはガラス屈折率の色分散により、偏光面の回転度合いが色光毎に異なる。

以上の理由により、レクチファイアで全波長域にわたって完全に偏光変化を元に戻すことは難しく、それを実現するためには偏光補償光学系の大型化、複雑化、大幅なコストアップを招く虞がある。この場合、例えば人間の視感度の最も高いＧ光の偏光補償を重視してレクチファイアを構成しても良い。具体的には、Ｇ光の受けるリターデーションおよび偏光面の回転を最小にするように、レクチファイアの誘電体多層膜と屈折力の無いレンズ７２の曲率半径、ガラス材料を調整する。このようにすることで、偏光補償光学系５３（レクチファイア）の大型化、複雑化、コストアップを避けながらも最も効果的に画像光の偏光状態を補償して、画質に優れた高精細画像を表示することができる。なお、光源２として超高圧水銀ランプ等の水銀ランプを使用する場合は、Ｇ光波長域で最も強度の高いｅ線（５４６．１ｎｍ）付近でリターデーションおよび偏光面回転を最小にすることが望ましい。

偏光補償光学系５３が配置可能な場所は、スペースの制約等から各液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂからの色光がクロスダイクロイックプリズム２８で合成された以降（偏光切替素子９側）であって、偏光切替素子９に近い位置に限定される。また、赤色光、緑色光、青色光の各光路では、介在するダイクロイック素子等の光学特性が異なり、使用される光学材料が波長分散性を有する等の理由により、各光路における偏光度の低下の度合いが一様ではない。そのため、偏光切替素子９に入射する画像光の偏光度を全波長域にわたって補償することはできない。そこで、本構成では、偏光度の低下が最も大きい色光に合わせて偏光補償量を設定する方策を採用することが望ましい。あるいは、偏光度の低下が３色の色光間で平均化されるように偏光補償量を設定する方策を採用することが望ましい。

なお、本例においては、クロスダイクロイックプリズム２８、リレーレンズ３２で発生するリターデーションを補償するための誘電体多層膜を、レクチファイアを構成する光学素子の少なくとも１面以上に形成していたが、誘電体多層膜の形成位置はレクチファイアに限定されることはなく、同等の機能を果たすのであれば他の光学素子の面に形成してもよい。具体的には、クロスダイクロイックプリズム２８の光射出面や、リレーレンズ３２の各レンズ面があげられる。さらには、これらの面には通常反射防止膜が形成されているが、これらの面の少なくとも一面に反射防止膜を形成しないことで効果的に補償用のリターデーションを発生させることも可能である。

また、レクチファイアの配置位置は、リレーレンズ３２の後段（光射出側）に限らず、リレーレンズ３２の前段（光入射側）でもよい。この場合、例えば、図９に示したレクチファイアのうちの、屈折率の無いレンズ７２を前段に配し、１／２波長板７１を後段に配するとよい。

上述のように、偏光補償光学系５３を使用することにより、光損失を殆ど伴うことなく偏光の乱れを補償できる。これに対し、偏光補償光学系５３を使用せず、図１に示すように、光吸収型あるいは光反射型の偏光素子７５を偏光切替素子９の入射側に配置する構成を採用してもよい。偏光素子７５としては、高分子素材の延伸フィルムを用いた光吸収型偏光素子、光吸収性の微粒子を配向させた光吸収型偏光素子、構造複屈折性を利用した光反射型偏光素子あるいは光吸収型偏光素子などを用いることができる。これらの構成によれば、低いコストで偏光の乱れを補償することができる。

ここで、これらの偏光素子７５を偏光切替素子９の直前（液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ側）に配置することが望ましい。これらの偏光素子７５はいずれも不要な偏光成分の光を吸収あるいは反射して排除する素子である。したがって、偏光切替素子９に入射する直線偏光の偏光度が高められ、偏光切替素子９で画像光の偏光状態を正確に切り替えることができ、画質に優れた高精細画像を実現できる。
また、偏光素子７５を偏光切替素子９の入射端面に密着させて配置しても良い。特に、光吸収型の偏光素子７５を使用すれば、設置スペースが限られる場合に有効である。もしくは、光反射型の偏光素子７５を用いて不要な偏光成分の光を透過により排除し、反射光である画像光を偏光切替素子９に入射させる構成としても良い。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１０を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であり、液晶ライトバルブの画像データの書き込み方式のみが第１実施形態と異なるため、その点について説明する。
図１０は本実施形態のプロジェクターの偏光切替素子を示す図であり、図１におけるｚ軸方向から見たｘｙ平面図である。

第１実施形態の場合、液晶ライトバルブ６Ｒ，６Ｇ，６Ｂの画像データの書き込み形態が線順次方式であるとして説明した。ところが、液晶ライトバルブの中に、画像データの書き込み方式として点順次方式を採用しているものがある。本実施形態のプロジェクターは、光変調素子として、点順次方式の画像データ書き込みを採用した液晶ライトバルブを用いている。点順次方式の液晶ライトバルブでは、マトリクス状に配置された画素の一つ一つを順次選択して画像データを書き込み、最終的に１フレームの画像を完成させる。

このような書き込み形態の液晶ライトバルブを使用する場合には、第１実施形態のライン電極４３と異なり、図１０に示すように、液晶ライトバルブの画素配列と対応するように複数の画素状電極６０をマトリクス状に備えた偏光切替素子５９を用いる必要がある。本実施形態においても、偏光切替素子５９上に形成される中間像は、ある時点において、前のサブフレームの画像と新たに書き換えられた現行のサブフレームの画像とが所定の境界位置を挟んで併存している。

ところが、本実施形態の場合、この境界位置は、垂直方向へのみ移動するのではなく、所定の行の画素群に対して水平方向に矢印Ｅ１で示す向きに移動した後、垂直方向に矢印Ｅ２で示す向きに移動し、次の行の画素群に対して再度水平方向に移動するというように、水平方向、垂直方向の双方に移動する。これに伴って、制御部は、偏光切替素子５９の複数の画素状電極６０に対して所定の電圧を点順次に印加し、液晶がＳ偏光（第１偏光状態）にある切替領域とＰ偏光（第２偏光状態）にある切替領域との境界位置が、データ書き込みの境界位置の移動に同期して移動するように、液晶の配向状態を順次所定の状態に切り替える。

本実施形態においても、液晶ライトバルブでの各画像データの書き込みと偏光切替素子での偏光状態の切り替えとを空間的にも時間的にも同期できるため、画像光の偏光状態を高い精度で所定の偏光状態となるように制御でき、見掛け上の画素数を適切に増やした高精細な投写画像を画面の全領域にわたって得ることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

さらに本実施形態の場合、図５（Ａ）、（Ｂ）に示した紙面に平行な面内に光学軸Ｐ１が配置された複屈折光学素子１１に加えて、紙面に垂直な面内に光学軸が配置された第２の複屈折光学素子を備え、２つの複屈折光学素子を備えた構成としても良い。この構成によれば、第１の複屈折光学素子によって画面の垂直方向（ｙ軸方向）の見掛け上の画素数を２倍にするとともに、第２の複屈折光学素子によって画面の水平方向（ｘ軸方向）の見掛け上の画素数を２倍にすることができる。したがって、見掛け上の画素数が４倍となった高精細画像表示を実現できる。
勿論、第１実施形態のプロジェクターにおいても、複屈折光学素子１１に加えて上述のように第２の複屈折光学素子を配置することにより、見掛け上の画素数が４倍となった高精細画像表示を実現できる。この場合、従来の１つのフレームを表示する時間内に第１〜第４の４つのサブフレームを表示する構成とし、第１サブフレームに対して第２サブフレームはその画面を垂直方向（ｙ軸方向）のみに、第３サブフレームはその画面を水平方向（ｘ軸方向）のみに、第４サブフレームはその画面を垂直方向（ｙ軸方向）と水平方向（ｘ軸方向）の両方向に同時に、各々シフトさせる構成とすればよい。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図１１を用いて説明する。
第１実施形態では、光変調素子として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、本実施形態のプロジェクターでは、光変調素子として反射型の液晶ライトバルブを用いた構成例を挙げて説明する。
図１１は本実施形態のプロジェクターの概略構成図である。図１１において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

本実施形態のプロジェクター６１においては、図１１に示すように、インテグレーター光学系３を構成する重畳レンズ１６の射出側に、色光分離光学系６２であるダイクロイックミラー６３，６４が備えられている。ダイクロイックミラー６３は、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとを反射させ、赤色光ＬＲを透過する。ダイクロイックミラー６４は、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとを透過し、赤色光ＬＲを反射させる。また、ダイクロイックミラー６３で反射した緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢの光路上に、反射ミラー６５と、ダイクロイックミラー６６と、が備えられている。ダイクロイックミラー６６は、ダイクロイックミラー６３で反射された緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢのうち、緑色光ＬＧを反射させ、青色光ＬＢを透過する。

ダイクロイックミラー６４で反射した赤色光ＬＲは、反射ミラー６７で反射し、平行化レンズ２１を経て偏光分離プリズム６８に入射する。偏光分離プリズム６８は例えばＰ偏光を透過してＳ偏光を反射させる偏光分離面を備えており、赤色光ＬＲは、偏光分離面によって特定の偏光状態、例えばＰ偏光となって反射型の液晶ライトバルブ６９Ｒに入射する。液晶ライトバルブ６９Ｒで異なる偏光状態に変調された光、例えばＳ偏光は、偏光分離プリズム６８の偏光分離面で反射し、色光合成光学系であるダイクロイックプリズム２８に入射する。ダイクロイックミラー６６で反射した緑色光ＬＧ、およびダイクロイックミラー６６を透過した青色光ＬＢの振る舞いは赤色光ＬＲと同様であり、説明を省略する。その他の構成および作用は第１実施形態と同様である。

なお、本構成例では、光伝達光学系８の入射側レンズ３１を偏光分離プリズム６８とクロスダイクロイックプリズム２８との間に配置しているが、偏光分離プリズム６８と液晶ライトバルブ６９Ｒ，６９Ｇ，６９Ｂとの間に配置しても良い。さらには、３枚の入射側レンズ３１を集約してクロスダイクロイックプリズム２８の射出側に１枚配置しても良い。

本実施形態においても、液晶ライトバルブ６９Ｒ，６９Ｇ，６９Ｂでの各画像データの書き込みと偏光切替素子９での偏光状態の切り替えとを空間的にも時間的にも同期できるため、画像光の偏光状態を高い精度で所定の偏光状態となるように制御でき、見掛け上の画素数を適切に増やした高精細な投写画像を画面の全領域にわたって得ることができる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態では、偏光切替素子として液晶素子を採用したが、偏光状態を局所的かつ時間的に高速で切り替え可能な素子であれば、液晶素子に限定されることはない。また、光変調素子としては、透過型液晶ライトバルブ、反射型液晶ライトバルブの他、線順次方式もしくは点順次方式の画像データの書き込みを用いる他の光変調素子を採用しても良い。その他、上記実施形態のプロジェクターの各部の具体的な構成は、上記実施形態に限定されず、適宜変更が可能である。

１，６１…プロジェクター、２…光源、６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ，６９Ｒ，６９Ｇ，６９Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、８…光伝達光学系、９，５９…偏光切替素子、１０…投射光学系、１１…複屈折光学素子、４９…制御部、５３…偏光補償光学系。

上記の目的を達成するために、本発明のプロジェクターは、光源と、マトリクス状に配列された複数の画素に対して、第１サブフレームに対応する第１画像データと、前記第１サブフレームに時間的に隣接する第２サブフレームに対応する第２画像データと、が交互に線順次に書き込まれ、書き込まれた前記第１画像データまたは前記第２画像データに基づいて前記光源からの光を変調する、異なる色の複数の色光に対応した複数の光変調素子と、入射された光の偏光状態を、第１偏光状態と第２偏光状態とに時間的に切り替える複数の線状の切替領域を有し、前記複数の切替領域にわたって前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを線順次に切り替える偏光切替素子と、前記偏光切替素子から入射された光の光路をその偏光状態に応じて変更し、前記光を異なる位置から射出させる複屈折光学素子と、前記光変調素子によって変調された光を前記偏光切替素子に伝達し、前記偏光切替素子において略結像させて中間像を形成する光伝達光学系と、前記偏光切替素子に形成された前記中間像を投写する投写光学系と、前記偏光切替素子を制御する制御部と、前記複数の光変調素子により変調された複数の色光を合成する色光合成光学系と、を備え、前記制御部は、前記光変調素子上の前記第１画像データが書き込まれた領域と前記第２画像データが書き込まれた領域との境界位置に対応する前記中間像上の境界位置の移動に略同期して、前記偏光切替素子の前記第１偏光状態とされた切替領域と前記第２偏光状態とされた切替領域との境界位置が移動するように、前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを線順次に切り替え、前記光伝達光学系は、前記色光合成光学系と前記偏光切替素子との間に設けられたリレーレンズを備えることを特徴とする。

本発明のプロジェクターは、光源と、マトリクス状に配列された複数の画素に対して、第１サブフレームに対応する第１画像データと、前記第１サブフレームに時間的に隣接する第２サブフレームに対応する第２画像データと、が交互に点順次に書き込まれ、書き込まれた前記第１画像データまたは前記第２画像データに基づいて前記光源からの光を変調する、異なる色の複数の色光に対応した複数の光変調素子と、入射された光の偏光状態を、第１偏光状態と第２偏光状態とに時間的に切り替える複数の切替領域を有し、前記複数の切替領域にわたって前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを点順次に切り替える偏光切替素子と、前記偏光切替素子から入射された光の光路をその偏光状態に応じて変更し、前記光を異なる位置から射出させる複屈折光学素子と、前記光変調素子によって変調された光を前記偏光切替素子に伝達し、前記偏光切替素子において略結像させて中間像を形成する光伝達光学系と、前記偏光切替素子に形成された前記中間像を投写する投写光学系と、前記偏光切替素子を制御する制御部と、前記複数の光変調素子により変調された複数の色光を合成する色光合成光学系と、を備え、前記制御部は、前記光変調素子上の前記第１画像データが書き込まれた領域と前記第２画像データが書き込まれた領域との境界位置に対応する前記中間像上の境界位置の移動に略同期して、前記偏光切替素子の前記第１偏光状態とされた切替領域と前記第２偏光状態とされた切替領域との境界位置が移動するように、前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを点順次に切り替え、前記光伝達光学系は、前記色光合成光学系と前記偏光切替素子との間に設けられたリレーレンズを備えることを特徴とする。

本発明のプロジェクターにおいては、前記光伝達光学系と前記偏光切替素子との間の光路上に、偏光状態の乱れを補償する偏光補償光学系を備えた構成を採用できる。あるいは、前記偏光切替素子の入射側に配置された光吸収型あるいは光反射型の偏光素子を備えた構成を採用できる。
これらの構成によれば、偏光切替素子に入射する偏光の偏光度を高められるため、偏光切替素子で画像光の偏光状態を正確に切り替えることができ、画質に優れた高精細画像表示を実現できる。
また、本発明のプロジェクターにおいて、前記光伝達光学系は、前記複数の光変調素子と前記色光合成光学系との間に設けられた複数の入射側レンズと、前記色光合成光学系と前記偏光切替素子との間に設けられた射出側レンズと、をさらに備え、前記複数の入射側レンズのレンズ特性が異なっていてもよい。もしくは、前記複数の光変調素子と前記偏光切替素子との間の光路長が光路毎に異なっていてもよい。

Claims

光源と、
マトリクス状に配列された複数の画素に対して、第１サブフレームに対応する第１画像データと、前記第１サブフレームに時間的に隣接する第２サブフレームに対応する第２画像データと、が交互に線順次に書き込まれ、書き込まれた前記第１画像データまたは前記第２画像データに基づいて前記光源からの光を変調する光変調素子と、
入射された光の偏光状態を、第１偏光状態と第２偏光状態とに時間的に切り替える複数の線状の切替領域を有し、前記複数の切替領域にわたって前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを線順次に切り替える偏光切替素子と、
前記偏光切替素子から入射された光の光路をその偏光状態に応じて変更し、前記光を異なる位置から射出させる複屈折光学素子と、
前記光変調素子によって変調された光を前記偏光切替素子に伝達し、前記偏光切替素子において略結像させて中間像を形成する光伝達光学系と、
前記偏光切替素子に形成された前記中間像を投写する投写光学系と、
前記偏光切替素子を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記光変調素子上の前記第１画像データが書き込まれた領域と前記第２画像データが書き込まれた領域との境界位置に対応する前記中間像上の境界位置の移動に略同期して、前記偏光切替素子の前記第１偏光状態とされた切替領域と前記第２偏光状態とされた切替領域との境界位置が移動するように、前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを線順次に切り替えることを特徴とするプロジェクター。
前記偏光切替素子における前記複数の切替領域の数と前記光変調素子における前記複数の画素の行数とが同一であることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
前記偏光切替素子における前記複数の切替領域の数が、前記光変調素子における前記複数の画素の行数よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
前記偏光切替素子における前記複数の切替領域の数が、前記光変調素子における前記複数の画素の行数よりも多いことを特徴とする請求項１に記載のプロジェクター。
光源と、
マトリクス状に配列された複数の画素に対して、第１サブフレームに対応する第１画像データと、前記第１サブフレームに時間的に隣接する第２サブフレームに対応する第２画像データと、が交互に点順次に書き込まれ、書き込まれた前記第１画像データまたは前記第２画像データに基づいて前記光源からの光を変調する光変調素子と、
入射された光の偏光状態を、第１偏光状態と第２偏光状態とに時間的に切り替える複数の切替領域を有し、前記複数の切替領域にわたって前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを点順次に切り替える偏光切替素子と、
前記偏光切替素子から入射された光の光路をその偏光状態に応じて変更し、前記光を異なる位置から射出させる複屈折光学素子と、
前記光変調素子によって変調された光を前記偏光切替素子に伝達し、前記偏光切替素子において略結像させて中間像を形成する光伝達光学系と、
前記偏光切替素子に形成された前記中間像を投写する投写光学系と、
前記偏光切替素子を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記光変調素子上の前記第１画像データが書き込まれた領域と前記第２画像データが書き込まれた領域との境界位置に対応する前記中間像上の境界位置の移動に略同期して、前記偏光切替素子の前記第１偏光状態とされた切替領域と前記第２偏光状態とされた切替領域との境界位置が移動するように、前記第１偏光状態と前記第２偏光状態とを点順次に切り替えることを特徴とするプロジェクター。
前記光伝達光学系が、少なくとも前記光変調素子側にテレセントリック性を有することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記光伝達光学系が、等倍伝達光学系であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記光伝達光学系が、縮小伝達光学系であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記光伝達光学系が、拡大伝達光学系であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記光伝達光学系と前記偏光切替素子との間の光路上に、偏光状態の乱れを補償する偏光補償光学系を備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載のプロジェクター。
前記偏光切替素子の入射側に配置された光吸収型あるいは光反射型の偏光素子を備えたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載のプロジェクター。