JP3762272B2

JP3762272B2 - 色分解合成光学系、画像表示光学系および投射型画像表示装置

Info

Publication number: JP3762272B2
Application number: JP2001268069A
Authority: JP
Inventors: 達生千明; 敦奥山; 雅之阿部
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-09-04
Filing date: 2001-09-04
Publication date: 2006-04-05
Anticipated expiration: 2021-09-04
Also published as: JP2003075778A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明光を複数の色光に分解して、これら複数の色光をそれぞれ画像表示素子に導き、これら画像表示素子により変調された各色光を合成する色分解合成光学系、これを用いた画像表示光学系および投射型画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
反射型液晶表示素子と偏光ビームスプリッターとを組み合わせた投射型画像表示装置は、例えば米国特許６，１８３，０９１号に開示されている。この米国特許に係る投射型画像表示装置は、本願図６に示すように、４つの偏光ビームスプリッター１１８，１２０，１２４，１２８と３つの色選択性位相差板１１６，１２６，１３４とを有して構成されている。
【０００３】
ここで、色選択性位相差板とは、可視光の波長領域において所定の波長領域の光の偏光方向を９０度変換し、その他の波長の光の偏光方向は変化させない作用を有するものである。
【０００４】
そして、図６に示した装置では、光源１００からの直線偏光光（Ｓ偏光）のうち青（Ｂ）の光のみ第１の色選択性位相差板１１６によって偏光方向を９０度回転させ（Ｐ偏光）、第１の偏光ビームスプリッター１１８に入射させてＰ偏光であるＢの光を透過させ、Ｓ偏光であるＢ以外の緑（Ｇ）と赤（Ｒ）の光を反射させることで色分解を行う。Ｂの光（Ｐ偏光）は、第２の偏光ビームスプリッター１２０を透過して反射型液晶表示素子Ｂ１２２に至る。また、Ｇ，Ｒの光は第２の色選択性位相差板１２６に入射し、Ｇの偏光方向のみが９０度変換され（Ｐ偏光）、第２の偏光ビームスプリッター１２０によりＰ偏光であるＧの光が透過してＳ偏光であるＲの光が反射されることで色分解される。
【０００５】
分解されたＧ，Ｒの光はそれぞれ反射型液晶表示素子Ｇ１３２および反射型液晶表示素子Ｒ１３０に至る。
【０００６】
反射型液晶表示素子Ｂ１２２で変調されたＢの光のうちＰ偏光成分は、第２の偏光ビームスプリッター１２０を透過して光源１００側に戻り、Ｓ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター１２０で反射して投射光となる。また、反射型液晶表示素子Ｒ１３０で変調されたＲの光のうちＳ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８で反射して光源１００側に戻り、Ｐ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８を透過して投射光となる。さらに、反射型液晶表示素子Ｇ１３２で変調されたＧの光のうちＰ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８を透過して光源１００側に戻り、Ｓ偏光成分は第３の偏光ビームスプリッター１２８で反射して投射光となる。
【０００７】
ＧとＲの投射光は第３の色選択性位相差板１３４に入射し、Ｇの偏光方向のみが９０度回転することによってＧ，Ｒの光はＰ偏光にそろえられる。そして、Ｇ，Ｒの光は、第４の偏光ビームスプリッター１２４を透過し、Ｓ偏光であるＢの光は第４の偏光ビームスプリッター１２４で反射する。これにより、Ｒ，Ｇ，Ｂの光は１つに合成され、カラー画像として投影される。
【０００８】
また、特開２００１−１５４１５２号公報にて提案されている投射型画像表示装置では、色分離合成手段としての偏光ビームスプリッターと照明光学系との間又は偏光ビームスプリッターと投射レンズとの間に偏光板を設けて高いコントラストの画像を得るようにしている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、一般に、偏光ビームスプリッターは４５度で入射する光に対しては図７に示すような理想的な偏光分離性能を示すが、４５度からずれた角度で入射する光に対しては図８に示すような不完全な特性となってしまう。
【００１０】
これは偏光ビームスプリッターに形成されている光学薄膜において、薄膜の屈折率をｎ、薄膜の厚さをｄ、光の入射角度をθとしたとき、光学薄膜は光学性能に対してｎｄｃｏｓθで作用するために、入射する角度θにより光学性能が変化してしまうためである。
【００１１】
上述したような投射型画像表示装置において、反射型液晶表示素子を照明する光はある程度の広がり角度２ω（２ωは照明系で決まる）を有する光束であるので、偏光ビームスプリッターに対しては４５度±ωの広がりをもつ光が入射することになる。このため、偏光ビームスプリッターにおいて、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分は完全には分離されず、液晶表示素子に入射する光は完全な直線偏光にならないことになる。このことによって、コントラストが低下し、投射画像の品位が低下するという問題が生ずる。
【００１２】
さらに、照明系に用いられる偏光変換素子は、Ｐ偏光，Ｓ偏光の混在するランプの光を所定の偏光方向にそろえる素子であるが、その変換効率は１００％ではなく、無視できない割合で、望まない偏光成分が残ってしまう。
【００１３】
また、通常の偏光ビームスプリッターにおいては、例えばＰ偏光を反射させる割合と、Ｓ偏光を透過させる割合とのバランスがとられているために、例えばＰ偏光を反射させる偏光ビームスプリッターによって反射された光にはある程度のＳ偏光成分が存在することになる。
【００１４】
反射型液晶表示素子が黒を表示しているときには、偏光ビームスプリッターに入射したＰ偏光光は、Ｐ偏光で反射されて偏光ビームスプリッターで反射されて光源に戻るが、偏光ビームスプリッターの特性により、反射型液晶表示素子の照明光に混在したＳ偏光光の一部はそのまま偏光ビームスプリッターを透過して投射レンズに向かうことになる。
【００１５】
そこで、特開２００１−１５４１５２号公報にて提案の構成を応用し、偏光ビームスプリッターの入射側と出射側とに偏光板を配置すれば、偏光ビームスプリッターの特性に起因する前述のコントラスト低下の問題は解決するが、偏光板の透過率が１００％でないために、明るさが暗くなるという問題が生じる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明では、照明光を緑色光、青色光及び赤色光に分解して、これらの色光を色光ごとに設けられた第１から第３の画像表示素子に入射させ、これら画像表示素子により変調された各色光を合成する色分解合成光学系において、照明光を緑色光と青色光及び赤色光とに分解する色分解手段と、偏光分離作用によって緑色光が色分解手段から第１の画像表示素子に入射する光路と第１の画像表示素子から射出する光路とを異ならせる第１の偏光分離面と、偏光分離作用によって、色分解手段からの青色光及び赤色光を分解するとともに、これら青色光及び赤色光がそれぞれ第２および第３の画像表示素子に入射する光路と第２および第３の画像表示素子から射出する光路とを異ならせる第２の偏光分離面と、偏光分離作用によって、第１の偏光分離面からの緑色光と第２の偏光分離面からの青色光および赤色光を合成する第３の偏光分離面とを設け、第１の偏光分離面と第２の偏光分離面の偏光分離特性を互いに異ならせるようにしている。
【００１７】
ここで、偏光分離特性とは、第１の偏光成分を反射し、この第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分を透過する特性を有する偏光分離面において、この偏光分離面における反射光中の第１の偏光成分の含有率や、偏光分離面における透過光中の第２の偏光成分の含有率（すなわち、請求項中にいう直線偏光度）のことである。つまり、偏光分離特性とは、偏光分離面から射出するこの偏光分離面での反射光および透過光の直線偏光度のことである。
【００１８】
このように第１の偏光分離面および第２の偏光分離面の偏光分離特性を、それぞれの偏光分離面の役割や要求される透過率・反射率に応じて異ならせることにより、偏光ビームスプリッターの特性に起因したコントラスト低下等の問題を容易に解消することが可能となる。
【００１９】
ここで、各色光に含まれる所望の偏光方向の成分の割合を直線偏光度とするとき、第１の偏光分離面から第１の画像表示素子に入射するときの緑色光の直線偏光度が、第２の偏光分離面から第２および第３の画像表示素子に入射する青色光及び赤色光の直線偏光度よりも高くなるように、第１の偏光分離面と前記第２の偏光分離面の偏光分離特性を互いに異ならせている。これにより、第１の画像表示素子に入射して変調され、カラー画像のコントラストに大きく影響する緑色光のコントラストを他の色光の比べて高くすることが可能となり、色合成されたカラー画像全体のコントラストを高くして、品位の高い表示（投射）画像を得ることが可能となる。
【００２０】
この場合、第２の偏光分離面に、例えば第２の偏光分離面にて反射した青色光及び赤色光の直線偏光度と、この第２の偏光分離面を透過した青色光及び赤色光の直線偏光度とが略等しくなる偏光分離特性を持たせるようにして、高い色再現性を得るようにするとよい。
【００２１】
また、第１の偏光分離面と色合成手段との間に偏光板を配置してもよい。さらに、第１の偏光分離面に、この第１の偏光分離面から第１の画像表示素子に入射する緑色光の直線偏光度が、第１の画像表示素子から第１の偏光分離面を経て第３の偏光分離面に向かって射出する緑色光の直線偏光度よりも高くなる偏光分離特性を持たせるようにしてもよい。
【００２２】
これにより、第１の偏光分離面で反射又は透過する際や第１の画像表示素子によって変調を受ける際に、正しい方向に偏光している光に不要な作用を受けた光の成分が混ざったとしても、不要な方向の偏光で照明されていないために、例えば黒表示の際に、偏光ビームスプリッターの特性に依存して出射してきてしまう本来光源方向に戻るべき光を第１の偏光分離面の出射側に配置した偏光板によって検光することができるので、不要な作用を受けた光が悪影響を及ぼすにとどめることができ、高いコントラストを得ることが可能となる。
【００２４】
この場合、第１の偏光分離面での角度依存性によって楕円偏光になって第１の画像表示素子に入射した緑色光が第１の画像表示素子によって変調された後、有効な成分のみが偏光板によって検光され、さらに第３の偏光分離面によって各色光が合成されるため、高いコントラストを得ることが可能となる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１には、本発明の第１実施形態である投射型画像表示装置の構成を示している。図１中、１は連続スペクトルで白色光を発光する光源、２は光源１からの光を所定の方向に集光するリフレクターである。
【００２６】
３ａは矩形のレンズをマトリックス状に配置した第１のフライアイレンズ、３ｂは第１のフライアイレンズの個々のレンズに対応したレンズアレイからなる第２のフライアイレンズ、４は無偏光光を所定の偏光光に揃える偏光変換素子である。５は集光光学系であり、５ａはコンデンサーレンズ、５ｂはフィールドレンズで、５ｃはミラーである。以上により照明系が構成される。
【００２７】
６は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の波長領域の光を透過し、緑（Ｇ）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。
【００２８】
なお、ここでは、ダイクロイックミラーを用いているが、ダイクロイックミラーに限るものではなく、偏光ビームスプリッターを用いても構わない。その際には、偏光ビームスプリッターの光源側に緑の波長領域の光の偏光方向を、青、赤の波長領域の光の偏光方向と９０度異ならしめる手段が必要であるが、その手段の一つとして色選択性波長板を配置し、緑の波長領域の光の偏光方向のみを９０度回転させても良いし、予めダイクロイックミラーで３色を分解した上で偏光方向を変え、再び３色の光路を合成するという公知の方法を用いても構わない。また、ここでのダイクロイックミラーとは、請求項中の「色分解手段」に相当するものである。つまり、「色分解手段」は、具体的にはダイクロイックミラーでもよいし、偏光ビームスプリッターであってもよい。後述の他の実施形態に関しても上記のことと同様のことが言える。
【００２９】
７はＧとＲの中間の波長領域の光を一部カットするカラーフィルターである。
【００３０】
８ａ，８ｂはＢの光の偏光方向を９０度変換し、Ｒの光の偏光方向は変換しない第１および第２の色選択性位相差板である。９ａ，９ｂは第１および第２の偏光板であり、１０ａは１／２波長板である。
【００３１】
１１ａ，１１ｂはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第１および第２の偏光ビームスプリッターであり、それぞれ偏光分離面（第１および第２の偏光分離面）を有する。また、１１ｃはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第３の偏光ビームスプリッター（色合成手段）であり、偏光分離面（第３の偏光分離面）を有する。
【００３２】
１２ｒ，１２ｇ，１２ｂはそれぞれ入射した光を反射するとともに画像変調する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子である。１３ｒ，１３ｇ，１３ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板である。以上のダイクロイックミラー６から１／４波長板１３ｒ，１３ｇ，１３ｂにより、色分解合成光学系が構成される。
【００３３】
１４は投射レンズであり、投射光学系を構成する。なお、上記照明系，色分解合成光学系および投射光学系により画像表示光学系が構成される。
【００３４】
次に光学的な作用を説明する。光源１から発した光はリフレクター２により所定の方向に集光される。リフレクター２は放物面形状を有しており、放物面の焦点位置からの光は放物面の対称軸に平行な光束となる。
【００３５】
ただし、光源１は理想的な点光源ではなく有限の大きさを有しているので、集光する光束には放物面の対称軸Ｏに平行でない光の成分も多く含まれている。
【００３６】
これらの集光光束は、第１のフライアイレンズ３ａに入射する。第１のフライアイレンズ３ａは、外形が矩形である正の屈折力を有するレンズをマトリックス状に組み合わせて構成されており、入射した光束はそれぞれのレンズに応じた複数の光束に分割、集光され、第２のフライアイレンズ３ｂを経て、複数の光源像を偏光変換素子４の近傍にマトリックス状に形成する。
【００３７】
偏光変換素子４は、偏光分離面と反射面と１／２波長板とからなり、マトリックス状に集光される複数の光束は、その列に対応した偏光分離面に入射し、透過するＰ偏光成分の光と反射するＳ偏光成分の光に分割される。
【００３８】
反射されたＳ偏光成分の光は反射面で反射し、Ｐ偏光成分と同じ方向に出射する。一方、透過したＰ偏光成分の光は、１／２波長板４ｃを透過してＳ偏光成分と同じ偏光成分に変換され、偏光方向（・）が揃った光として射出する公知の偏光変換素子である。
【００３９】
偏光変換された複数の光束は、偏光変換素子４を射出した後、発散光束として集光光学系５に至る。なお、集光光学系５のうちミラー５ｃは屈折力を持たない。
【００４０】
表１には、図２に示したフライアイレンズ３ａ，３ｂのレンズデータを、表２には、図３に示した集光光学系５のレンズデータを示す。これら表１，２において、ｒは各レンズ面の曲率半径を、ｄは面の間隔を、ｎは材質の屈折率を表す。
【００４１】
【表１】

【００４２】
なお、面１〜２は第１のフライアイレンズ３ａを、面３〜４は第２のフライアイレンズ３ｂを示している。
【００４３】
【表２】

【００４４】
なお、面１〜２はコンデンサーレンズ５ａを、面３〜４はフィールドレンズ５ｂを示している。
【００４５】
集光光学系５の合成の焦点距離ｆｃは、
ｆｃ＝８２．４ｍｍ
であり、第２のフライアイレンズ３ｂの焦点距離ｆｆ２は、
ｆｆ２＝２９．５ｍｍ
である。このため、集光光学系５は、
β＝ｆｃ／ｆｆ２＝２．７９３
で決まる倍率βで第１のフライアイレンズ３ａの矩形形状の像を形成する。
【００４６】
これにより複数の光束は矩形形状の像ができる位置で重なり、矩形の均一な照明エリアを形成する。この照明エリアに反射型液晶表示素子１２ｒ，１２ｇ，１２ｂを配置する。
【００４７】
ここで、フィールドレンズ５ｂの焦点距離ｆｃ２は、
ｆｃ２＝８４ｍｍ
であるので、
ｆｃ／ｆｃ２＝０．９８
となり、フィールドレンズ５ｂから反射型液晶表示素子に至る光路において反射型液晶表示素子上に集光する光は集光光学系５の光軸Ｏ’に対してほぼテレセントリックになる。
【００４８】
ダイクロイックミラー６および偏光ビームスプリッター１１ａ，１１ｂ，１１ｃは光学薄膜で構成されており、これらの光学薄膜に入射する角度によりその特性が変化する。このとき、反射型液晶表示素子に対する照明光束をテレセントリックに設定することにより、光学薄膜で発生する特性の変動が反射型液晶表示素子上で発生しない構成となっている。
【００４９】
ダイクロイックミラー６は、図４の実線で示すような特性を有しており、Ｂ（４３０〜４９５ｎｍ）とＲ（５９０〜６５０ｎｍ）の光は透過し、Ｇ（５０５〜５８０ｎｍ）の光は反射する。ここで、ＧのＳ偏光成分の透過率は、Ｇの波長範囲の中心波長である５５０ｎｍにおいて１％以下に設定されており，他の２つの色光の色純度の低下を防いでいる。
【００５０】
図１においては、偏光変換素子４によりＳ偏光とされた光は、ダイクロイックミラー６によって分解された後もＳ偏光（・）となっている。
【００５１】
Ｇの光路において、ダイクロイックミラー６を反射した光はカラーフィルター７に入射する。カラーフィルター７は、図４に点線で示すような特性を有しており、ＧとＲの中間の波長領域にあたる黄色の色光（５７５〜５８５ｎｍ）を反射するダイクロイックフィルターとして、黄色の光を除去する。緑の光に黄色の色成分が多いと、緑が黄緑になってしまうので、黄色の光を除去する方が色再現上望ましい。また、カラーフィルター７は黄色の光を吸収する特性のものでもよい。
【００５２】
こうして色調整されたＧの光は、第１の偏光ビームスプリッター１１ａに対してＳ偏光（・）として入射して偏光分離面で反射され、Ｇ用の反射型液晶表示素子１２ｇへと至る。
【００５３】
Ｇ用の反射型液晶表示素子１２ｇにおいては、Ｇの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分（・）は、再び第１の偏光ビームスプリッター１１ａの偏光分離面で反射し、光源側に戻され、投射光から除去される。
【００５４】
一方、画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分（｜）は、第１の偏光分離面を透過し、投射光として第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに向かう。
【００５５】
このとき、すべての偏光成分をＳ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッター１１ａとＧ用の反射型液晶表示素子１２ｇとの間に設けられた１／４波長板１３ｇの遅相軸を所定の方向に調整することにより、第１の偏光ビームスプリッター１１ａとＧ用の反射型液晶表示素子１２ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。
【００５６】
また、第１の偏光ビームスプリッタ１１ａの偏光分離面は、この偏光分離面で反射した光に含まれる主たる偏光成分であるＳ偏光の割合、すなわち直線偏光度が特に高い（例えば、ほぼ１００％）とともに、透過したＰ偏光の純度は上記Ｓ偏光の純度に比べて若干劣る偏光分離特性を有している。
【００５７】
このような特性の偏光ビームスプリッターを用いることにより、第１の反射型液晶表示素子１２ｇを照明する照明光には不要な偏光成分が含まれないため、第１の偏光ビームスプリッター１１ａを透過する（出射する）光の少なくともＰ偏光成分は、画像を表示するために第１の反射型液晶表示素子１２ｇと１／４波長板１３ｇによって作用を受けた光と、反射型液晶表示素子や１／４波長板や偏光ビームスプリッタ−によって不要な作用を受けて発生する位相の狂った成分となる。また、第１の偏光ビームスプリッタ−１１ａで反射するＳ偏光成分（を出射するＳ偏光成分）は、第１の偏光ビームスプリッタ−１１ａの偏光分離面の特性によって透過してしまったＳ偏光成分であり、このＳ偏光成分の光は投影画像のコントラストを低下させる要因となるため、偏光板などによって除去する。
【００５８】
第１の偏光ビームスプリッター１１ａから射出したＧの光（｜）は、Ｐ偏光のみを透過する第１の偏光板９ａで検光される。これにより、第１の偏光ビームスプリッター１１ａとＧ用の反射型液晶表示素子１２ｇを通ることによって生じた無効な成分がカットされた光となる。そして、次に偏光方向に対して遅相軸が４５度で設定された第１の１／２波長板１０ａにより偏光方向を９０度回転され、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに対してＳ偏光（・）として入射し、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面で反射されて投射レンズ１４へと至る。
【００５９】
ここで、第１の１／２波長板１０ａの遅相軸を回転調整できるようにしておくと、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面に入射するＧの光の偏光方向を微調整することができる。
【００６０】
これにより、取り付け誤差などによって第１の偏光ビームスプリッター１１ａの偏光分離面と第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面との間に相対的な傾きがあるときなどは、この調整機構により第３の偏光ビームスプリッター１１ｃにおける非投射光の漏れが最小となるようにすることができ、Ｇにおける黒表示の画像調整が可能となる。
【００６１】
さらに、第１の偏光板９ａと第１の１／２波長板１０ａを貼り付けて、一体的に調整することもできる。
【００６２】
ダイクロイックミラー６を透過したＲとＢの光は、第１の色選択性位相差板８ａに入射する。第１の色選択性位相差板は、Ｂの光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＢの光はＰ偏光（｜）として、Ｒの光はＳ偏光（・）として第２の偏光ビームスプリッター１１ｂに入射する。Ｓ偏光（・）として第２の偏光ビームスプリッター１１ｂに入射したＲの光は、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面で反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子１２ｒへと至る。また、Ｐ偏光（｜）として第２の偏光ビームスプリッター１１ｂに入射したＢの光は、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶表示素子１２ｂへと至る。
【００６３】
ここで、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面は、この偏光分離面で反射した光に含まれる主たる偏光成分であるＰ偏光の割合、すなわち直線偏光度と、偏光分離面を透過した光に含まれる主たる偏光成分であるＳ偏光の純度とがほぼ等しくなる（ともにほぼ９５％程度となる）ような偏光分離特性を有している。これにより、ＲとＢのバランスが保たれ、色再現性が確保される。
【００６４】
なお、第１の偏光ビームスプリッター１１ａの偏光分離面は、この偏光分離面にて反射した光の直線偏光度が、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面にて反射および透過した光の直線偏光度よりも高くなるように偏光分離特性が設定されている。すなわち、第１の偏光ビームスプリッター１１ａの偏光分離面と第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面は、互いに異なる偏光分離特性を有する。
【００６５】
Ｒ用の反射型液晶表示素子１２ｒに入射したＲの光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分（・）は、再び第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。
【００６６】
一方、画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分（｜）は第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面を透過して投射光として第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに向かう。
【００６７】
第２の偏光ビームスプリッター１１ｂを出射したＲの光は第２の色選択性位相板８ｂをそのまま透過し、さらに第２の偏光板９ｂで検光されて第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに入射する。そして、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面を透過して投射レンズ１４に至る。
【００６８】
また、Ｂ用の反射型液晶表示素子１２ｂに入射したＢの光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分（｜）は、再び第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。
【００６９】
一方、画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分（・）は第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面で反射して投射光として第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに向かう。
【００７０】
このとき、第２の偏光ビームスプリッター１０ｂとＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子１１ｂ，１１ｒの間に設けられた１／４波長板１２ｂ，１２ｒの遅相軸を調整することにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行う。
【００７１】
こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッター１０ｂから射出したＲとＢの投射光のうちＢの光は、第２の色選択性位相板８ｂによって偏光方向が９０度回転されてＰ偏光成分（｜）となり、さらに第２の偏光板９ｂで検光されて第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに入射する。Ｒの光は第２の色選択性位相板８ｂをそのまま透過し、さらに第２の偏光板９ｂで検光されて第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに入射する。第２の偏光板９ｂで検光されることにより、ＲとＢの投射光は第２の偏光ビームスプリッタ１１ｂとＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子１２ｂ，１２ｒ、１／４波長板１３ｂ、１３ｒを通ることによって生じた無効な成分をカットされた光となる。
【００７２】
そして、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに入射したＲとＢの投射光は第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面を透過し、この偏光分離面にて反射したＧの光と合成されて投射レンズ１４に至る。
【００７３】
ここで、第２の色選択性位相差板８ｂと第３の偏光ビームスプリッター１１ｃとの間に第２の１／２波長板１０ｂ（不図示）を配置し、第２の１／２波長板１０ｂの遅相軸を透過する偏光方向と同じ方向（偏光状態を変換しない方向）に設定し、Ｇのときと同じように、第２の１／２波長板１０ｂの遅相軸の傾き調整を行うことで、Ｒ，Ｂの光の偏光方向が第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面に対して適切に入射するように調整し、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃにおける非投射光の漏れが最小となるようにすることができ、Ｒ，Ｂにおける黒表示の画像調整をすることもできる。
【００７４】
合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光は、投射レンズ１４によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。
【００７５】
なお、上述した各光学素子の空気との境界面には反射防止コートが施されている。Ｇの光のみが透過する面には、最も反射率が低下する波長帯域を５５０ｎｍの近傍に設定した反射防止コートが施され、Ｒの光のみが透過する面には最も反射率が低下する波長帯域を６１０ｎｍの近傍に設定した反射防止コートが施されている。また、Ｂの光のみが透過する面には最も反射率が低下する波長帯域を４５０ｎｍの近傍に設定した反射防止コートが施され、ＲとＢの光が透過する面には反射率が低下する波長帯域を４５０ｎｍの近傍と６１０ｎｍの近傍に２つあるような反射防止コートが施されている。
【００７６】
また、光源１から投射レンズ１４に至る光束は、反射型液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒに到達する際に光束径が最も細くなるので、反射型液晶表示素子の近傍に配置した偏光ビームスプリッター１１ａ，１１ｂを投射レンズ１４側に配置した偏光ビームスプリッター１１ｃよりも小さく構成している。
【００７７】
さらに、投射レンズ１４のＦｎｏは、反射型液晶表示素子における回折や取り付け誤差による投射レンズ１４の光軸と集光光学系５の光軸のずれを考慮して、照明系のＦｎｏよりも明るく設定している。
【００７８】
（第２実施形態）
前述した第１実施形態においては、第１の反射型液晶表示素子１２ｇに第１の偏光ビームスプリッター１１ｇの偏光分離面で反射させた光を入射させていたが、第１の偏光ビームスプリッターの偏光分離面を透過した光を入射させることもできる。一般に、偏光ビームスプリッターの性能としては、偏光ビームスプリッターを透過するＰ偏光光にＳ偏光の光を入りにくくするほうが容易であり、これにより、投射画像のより高いコントラストを得ることができる。
【００７９】
図５には、本発明の第２実施形態である投射型画像表示装置の構成を示している。図５中、第１実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付して説明に代える。
【００８０】
図５において、４０は偏光変換素子であり、ランプ１からの無偏光光をＰ偏光（｜）に変換する。本実施形態において、第１の液晶表示素子１２ｇと第１の１／４波長板１３ｇは、第１の偏光ビームスプリッター１１０ａの偏光分離面からＰ偏光光（｜）が透過して射出してくる面の側に配置されている。
【００８１】
第１の偏光ビームスプリッター１１０ａの偏光分離面は、この偏光分離面を透過したＰ偏光（｜）にＳ偏光光（・）がほとんど混ざらない、つまり直線偏光度がきわめて高い（例えは、ほぼ１００％の）偏光分離特性を有する。なお、第１の偏光ビームスプリッター１１０ａの偏光分離面は、この偏光分離面で反射したＳ偏光光の直線偏光度が、透過するＰ偏光の直線偏光度よりも若干劣る偏光分離特性をも有する
第１の偏光ビームスプリッター１１０ａと第３の偏光ビームスプリッター１１ｃとの間に配置された第１の偏光板９０ａは、Ｓ偏光（・）を透過して、Ｐ偏光（｜）を吸収するものである。
【００８２】
次に、本実施形態の光学的な作用を説明する。光源１から発した照明光は、偏光変換素子４によりＰ偏光に揃えられて、ダイクロイックミラー６に入射し、緑（Ｇ）の光と、赤（Ｒ）および青（Ｂ）の光とに分解される。
【００８３】
ダイクロイックミラー６によって反射されたＧの光は、カラーフィルター７を通過して第１の偏光ビームスプリッター１１０ａに入射する。Ｇの光は偏光変換素子４により偏光変換されているために、その大部分を占めるＰ偏光光は第１の偏光ビームスプリッター１１０ａの偏光分離面を透過し、第１の１／４波長板１３ｇを通過して第１の反射型液晶表示素子１２ｇに入射する。
【００８４】
この際、偏光変換素子４の変換効率が有限の値であるために照明光にわずかに混在するＳ偏光光は、第１の偏光ビームスプリッター１１０ａの偏光分離面にて反射され、主光路から除去される。
【００８５】
例えば、黒表示の際には、第１の反射型液晶表示素子１２ｇおよび第１の１／４波長板１３ｇは入射した光に対して変調作用を及ぼさずに反射させ、このＧの反射光は再度、第１の偏光ビームスプリッター１１０ａの偏光分離面を透過して光源側に戻る。また、例えば白色表示を行なう際には、第１の反射型液晶表示素子１２ｇは入射光の偏光方向を変えず、第１の１／４波長板の作用によって偏光方向を９０度回転させるために、出射光はＳ偏光光となり、このＳ偏光光は第１の偏光ビームスプリッター１１０ａの偏光分離面で反射して第１の偏光板９０ａで検光されて第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに入射し、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面で反射して投射レンズ１４に至る。
【００８６】
この際、第１の反射型液晶表示素子１２ｇの作用や、第１の偏光ビームスプリッター１１０ａや第１の１／４波長板１３ｇを通過する際に発生した位相誤差成分は、第１の偏光板９０ａで吸収される。
【００８７】
また、ダイクロイックミラー６を透過したＲとＢの光は、第１の色選択性位相差板８ａに入射し、Ｒの光の偏光方向のみがＰからＳに変換され、Ｓ偏光となったＲの光とＰ偏光のＢの光とが第２の偏光ビームスプリッター１１ｂに入射する。
【００８８】
第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面は、反射したＳ偏光の純度と、透過したＰ偏光の純度とが略一致する（例えば、いずれもほぼ９５％となる）ような偏光分離特性を有する。すなわち、第１実施形態と同様に、第１の偏光ビームスプリッター１１ａの偏光分離特性と第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離特性とは互いに異なる。
【００８９】
第２の偏光ビームスプリッター１１ｂにＳ偏光として入射したＲの光は、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面で反射し、第２の１／４波長板１３ｒを介して第２の反射型液晶表示素子１２ｒに入射する。そして、第２の反射型液晶表示素子１２ｒで反射されて変調を受けてたＲの光は、第２の１／４波長板１３ｒを介してＰ偏光に変換され、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂに再度入射し、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面を透過して第２の色選択性位相差板８ｂおよび第２の偏光板９０ｂに入射する。
【００９０】
第２の色選択性位相差板８ｂは、Ｂの光の偏光方向のみを９０度回転させる作用を持ち、Ｒの光には作用を及ぼさない。また、第２の偏光板９０ｂは、Ｐ偏光を透過させる構成となっており、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂから出射してくるＲの光に含まれるＳ偏光成分を吸収する。
【００９１】
第２の偏光板９０ｂで検光されたＰ偏光であるＲの光は、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに入射して、その偏光分離面を透過し、投射レンズ１４に至る。
【００９２】
また、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂにＰ偏光として入射したＢの光は、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面を透過し、第３の１／４波長板１３ｂを介して第３の反射型液晶表示素子１２ｂに入射する。そして、第３の液晶表示素子１２ｂで反射されて変調を受けたＢの光は、第３の１／４波長板１３ｂを介してＳ偏光に変換され第２の偏光ビームスプリッター１１ｂに再度入射し、第２の偏光ビームスプリッター１１ｂの偏光分離面で反射され、第２の色選択性位相差板８ｂに入射する。
【００９３】
第２の色選択性位相差板８ｂに入射したＢの光は、その偏光方向が９０度回転させられてＰ偏光に変換される。また、第２の色選択性位相差板８ｂから射出したＰ偏光であるＢの光は、第２の偏光板９０ｂによって、Ｂの光に含まれるＳ偏光成分が吸収される。
【００９４】
こうして第２の偏光板９０ｂで検光されたＢの光は、第３の偏光ビームスプリッター１１ｃに入射して、その偏光分離面を透過し、投射レンズ１４に至る。
【００９５】
以上のようにして第３の偏光ビームスプリッター１１ｃの偏光分離面の作用により合成されたＲ，Ｇ，Ｂの光は、投射レンズ１４によって不図示のスクリーン等の被投射面上に拡大投射される。
【００９６】
本実施形態においては、第１実施形態においてＧの光路中に設けられていた１／２波長板１０ａを使用する必要がないために、１／２波長板による光の吸収作用による透過率の影響を受けない。したがって、明るい投射像を得ることができる。
【００９７】
以上、本願発明の実施形態について説明を行ったが、上記の第１実施形態（図１）および第２実施形態（図５）におけるダイクロイックミラー６の代わりに、偏光ビームスプリッターを用いても構わない。その際、色分解する３色の色光の光路を本願実施形態１及び２と同様にするためには、ダイクロイックミラー６の代わりに配置する偏光ビームスプリッターより光源側に、緑色の偏光成分を赤色及び青色の偏光成分と異ならせる特性を有する色選択性位相差板を配置することが必要である。
【００９８】
また、本願発明の実施形態においては、ダイクロイックミラー６（或いはそれに代わる偏光ビームスプリッター）で赤色青色の色光の光路と、緑色の色光の光路とを分離したが、この限りではなく赤色の色光のみを分離しても良いし、青色の色光のみを分離しても構わない。
【００９９】
また、本願発明の実施形態の偏光ビームスプリッターは、反射光の主たる偏光成分がＳ偏光であり、透過光の主たる偏光成分がＰ偏光であるような特性を有していたが、この逆の特性を有する偏光ビームスプリッターを用いても構わない。
【０１００】
また、本願発明の実施形態においては、液晶表示素子は反射型のものを用いていたが、透過型でも構わないし、３板式（３つの色光それぞれに対して液晶表示素子がある）ではなく、単板式でも構わない。
【０１０１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、第１の偏光分離面および第２の偏光分離面の偏光分離特性を、それぞれの偏光分離面の役割や要求される透過率・反射率に応じて異ならせるようにしているので、偏光ビームスプリッターの特性に起因したコントラスト低下等の問題を容易に解消することができる。
【０１０２】
ここで、各色光に含まれる主たる偏光方向の成分の割合を直線偏光度とするとき、第１の偏光分離面から第１の画像表示素子に入射するときの緑色光の直線偏光度が、第２の偏光分離面から第２および第３の画像表示素子に入射する青色光及び赤色光の直線偏光度よりも高くなるように、第１の偏光分離面と前記第２の偏光分離面の偏光分離特性を互いに異ならせることで、第１の画像表示素子に入射して変調され、カラー画像のコントラストに大きく影響する緑色光のコントラストを他の色光の比べて高くすることができ、色合成されたカラー画像全体のコントラストを高くして、品位の高い表示（投射）画像を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である投射型画像表示装置の構成を示す図。
【図２】上記投射型画像表示装置に用いられているフライアイレンズを説明する図。
【図３】上記投射型画像表示装置の集光光学系を説明する図。
【図４】上記投射型画像表示装置に用いられているダイクロイックミラーとカラーフィルターの特性を説明する図。
【図５】本発明の第２実施形態である投射型画像表示装置の構成を示す図。
【図６】従来の投射型画像表示装置の構成を示す図。
【図７】従来の投射型画像表示装置における偏光ビームスプリッターの特性（４５度入射時）を説明する図。
【図８】従来の投射型画像表示装置における偏光ビームスプリッターの特性（４５度外入射時）を説明する図。
【符号の説明】
１光源
２リフレクター
３ａ第１のフライアイレンズ
３ｂ第２のフライアイレンズ
４偏光変換素子
５集光光学系
５ａコンデンサーレンズ
５ｂフィールドレンズ
５ｃミラー
６ダイクロイックミラー
７カラーフィルター
８ａ、８ｂ色選択性位相差板
９ａ、９ｂ偏光板
１０ａ、１０ｂ１／２波長板
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ偏光ビームスプリッター
１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ反射型液晶表示素子
１３ｒ、１３ｇ、１３ｂ１／４波長板
１４投射レンズ

Claims

照明光を緑色光、青色光及び赤色光に分解して、これらの色光を色光ごとに設けられた第１から第３の画像表示素子に入射させ、これら画像表示素子により変調された各色光を合成する色分解合成光学系であって、
前記照明光を緑色光と青色光および赤色光とに分解する色分解手段と、
偏光分離作用によって前記緑色光が前記色分解手段から前記第１の画像表示素子に入射する光路と前記第１の画像表示素子から射出する光路とを異ならせる第１の偏光分離面と、
偏光分離作用によって、前記色分解手段からの前記青色光および赤色光を分解するとともに、これら青色光および赤色光がそれぞれ前記第２および第３の画像表示素子に入射する光路と前記第２および第３の画像表示素子から射出する光路とを異ならせる第２の偏光分離面と、
偏光分離作用によって、前記第１の偏光分離面からの緑色光と前記第２の偏光分離面からの青色光および赤色光を合成する第３の偏光分離面とを有し、
前記各色光に含まれる主たる偏光方向の成分の割合を直線偏光度とするとき、前記第１の偏光分離面から前記第１の画像表示素子に入射するときの緑色光の直線偏光度が、前記第２の偏光分離面から前記第２および第３の画像表示素子に入射する青色光および赤色光の直線偏光度よりも高くなるように、前記第１の偏光分離面と前記第２の偏光分離面の偏光分離特性を互いに異ならせたことを特徴とする色分解合成光学系。
前記第２の偏光分離面が、この第２の偏光分離面にて反射した青色光および赤色光の直線偏光度と、この第２の偏光分離面を透過した青色光および赤色光の直線偏光度とが略等しくなる偏光分離特性を有することを特徴とする請求項１に記載の色分解合成光学系。
前記第１の偏光分離面が、この第１の偏光分離面から第１の画像表示素子に入射する緑色光の直線偏光度が、前記第１の画像表示素子から前記第１の偏光分離面を経て前記第３の偏光分離面に向かって射出する緑色光の直線偏光度よりも高くなる偏光分離特性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の色分解合成光学系。
前記第１の偏光分離面と前記第３の偏光分離面との間に偏光板を配置したことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の色分解合成光学系。
前記画像表示素子は反射型の画像表示素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項記載の色分解合成光学系。
請求項１から５のいずれかに記載の色分解合成光学系と、照明光を偏光方向を揃えた状態で前記色分解合成光学系に入射させる照明系と、前記色分解合成光学系から射出したカラー光を投射する投射光学系とを有することを特徴とする画像表示光学系。
請求項６に記載の画像表示光学系を有することを特徴とする投射型画像表示装置。