JP3856501B2 - 光学装置、光学補正方法及び投写型表示装置 - Google Patents
光学装置、光学補正方法及び投写型表示装置 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばライトバルブ上に形成された光学像をスクリーン上に拡大投写する装置に利用可能な、光学装置、光学補正方法及び投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大画面映像を得るために、ライトバルブに映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射し投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来よりよく知られている。最近では、ライトバルブとして液晶パネルを用いる投写型表示装置が注目されている。
【０００３】
また、投写画像の高解像度化を図る上で、液晶パネルの画素開口率を低下させることなく画素数の大容量化が可能な反射型のライトバルブを用いる方法を、例えばLedebuhrらが米国特許4,836,649号明細書で提案している。反射型ライトバルブの場合、画素電極の間にスイッチング素子を配置する必要がないので、画素ピッチを小さくでき、高密度化が容易であり、透過型に比べて明るく、高解像度の投写画像が得られる。
【０００４】
反射型ライトバルブの基本構成例と動作原理を図１２を参照して以下に説明する。２つのガラス基板１，７上に形成された２つの透明電極２，６間に、光導電層３、光反射層４、光変調層としての液晶層５が狭持され、２つの透明電極２，６の間には電圧が印加されている。画像源からの書き込み光８は、ガラス基板１側から光導電層３に入射する。一方、読み出し光９はガラス基板７側から液晶層５に入射する。液晶層５は光導電層３上に形成された書き込み画像に応じて印加電圧が変化し、読み出し光９を変調する。変調された読み出し光９は光反射層４によって反射された後、投写画像としてスクリーン（図示せず）上に投写される。なお、光変調層の材料としては、強誘電性液晶や、ネマティック液晶などを用いることができる。
【０００５】
次に、フルカラーで、高輝度、高解像度の投写画像を得るために、反射型ライトバルブを赤用、緑用、青用として３つ用いる投写型表示装置の構成例を図１３に示す。光源１１から出射する平行に近い光は、紫外光、および赤外光を透過し可視光を反射するコールドミラー１２を経て、ダイクロイックミラー１３、１４、平面ミラー１５からなる色分解光学系により緑、青、赤の３原色光に分解される。３原色光は平面ミラー１６、１７、１８によってそれぞれ対応する偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１に入射し、反射するＳ偏光成分と透過するＰ偏光成分とに分離され、Ｓ偏光成分は読み出し光として対応する反射型ライトバルブ２２、２３、２４にそれぞれ入射する。反射型ライトバルブ２２、２３、２４は液晶の複屈折性を利用して読み出し光を変調するものであり、図１２に示したような構成となっている。ＣＲＴなどの画像源２５、２６、２７からの書き込み光が書き込みレンズ２８、２９、３０によって反射型ライトバルブ２２、２３、２４の光導電層上に結像され、この書き込み画像に応じた印加電圧によって液晶層の複屈折性は変化を示す。即ち、所定の偏光方向の直線偏光が読み出し光として入射すると反射光は楕円偏光となる。従って、Ｓ偏光成分は反射型ライトバルブ２２、２３、２４により、一部がＰ偏光成分に変換されて再び偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１に入射する。反射光に含まれるＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１を透過した後、ダイクロイックミラー３１、３２、平面ミラー３３からなる色合成光学系によって１つに合成されて投写レンズ３４に入射し、Ｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１によって反射されて光源１１の方に進む。このようにして、反射型ライトバルブ２２、２３、２４の液晶層に複屈折性の変化として形成された光学像は投写レンズ３４によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示した構成では、投写レンズ３４は１つであり、投写レンズを３つ用いる場合に比べて３原色の投写画像のコンバージェンス調整や色均一性、及びセットのコンパクト性の点で有利である。しかし、３つライトバルブからの反射光を１つに合成するための色合成光学系を必要とし、この場合に用いるダイクロイックミラー３１、３２の色合成面は、投写レンズ３４の光軸に対して斜めに傾いて配置される。斜めに傾いた特定の厚みを有する平行平面板（ダイクロイックミラー）が結像光学系の光路中にあると非点収差が発生し、投写画像の解像度を著しく劣化させる要因となる。
【０００７】
そこで、ダイクロイックミラー３１、３２で発生する非点収差を低減、または除去する手段として、次の２つの方法が考えられる。
【０００８】
ａ）ダイクロイックミラーの基板厚を薄くする。
【０００９】
ｂ）非点収差の発生しないダイクロイックプリズムを用いる。
【００１０】
色合成光学系はライトバルブと投写レンズの間に配置されているため、投写光学系の一部として考える必要があり、その場合、特にダイクロイックミラーの反射面は高い面精度が要求され、基板厚を薄くするほどこれが困難となる。特に、ハイビジョンなど高精細の投写画像を表示する場合、ダイクロイックミラーの反射面に要求される面精度を満足するには少なくとも基板厚が１．５ｍｍ以上を必要とする。従って、ａ）の方法には限界があり、非点収差の解像度への悪影響を低減することは困難であると言う課題が有った。
【００１１】
また、ｂ）の方法はダイクロイックプリズムとして２つのガラスプリズムを用い、その接合面に色合成面を形成する方法と、ダイクロイックミラーを中に配置した透明容器中にダイクロイックミラー基板の屈折率と同じ屈折率を有する液体を充填し、全体としてプリズム状とする方法が考えられる。しかし、前者は非常に高価となり、また重量が重くなる点において、後者は色合成光路中の液体の占める光路長が非常に長くなるため、液体屈折率の温度依存性による投写画像の焦点移動が無視できない点でいずれも採用は難しいと言う課題が有った。
【００１２】
本発明は、従来のこの様な課題を考慮し、色合成光学系で発生する非点収差を従来に比べてより一層良好に補正することができる光学装置及び光学補正方法を提供し、又、この光学装置を用いることで従来に比べてより一層高解像度の投写画像を表示できる投写型表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、光学像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段の光軸上前方に配置された第１のレンズ手段と、
前記画像形成手段と前記第１のレンズ手段との間に配置され、正パワーを有する第２のレンズ手段と、
前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段との間に配置され、色合成手段を構成し、前記光学像を透過する第１の平面板部材と、
前記第２のレンズ手段と前記画像形成手段との間に配置され、偏光分離性能を有し、前記光学像を透過する第２の平面板部材とを備え、
前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段とは、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、
第２の平面板部材は、片面に偏光選択特性を有する薄膜が設けられ、偏光分離性能を有する所定厚みの透明基板であって、
前記第１及び第２の平面板部材は、前記第１及び前記第２のレンズ手段のなす光軸に対して斜めに配置されており、
前記第１の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面と、前記第２の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面とが互いに直交しており、
前記第１の平面板部材の板厚ｔ１と第２の平面板部材の板厚ｔ２との関係は、以下の式を満足することを特徴とする光学装置である。
【数４】
ただし、ｍＳは前記第２のレンズ手段のサジタル近軸像点での虚像倍率、ｎ１は前記第１の平面板部材の屈折率、ｎ１′は前記第１の平面板部材の媒質の屈折率、θ１は前記第１の平面板部材の媒質から前記平面板部材に入射する、前記第１及び第２のレンズ手段の光軸上光線の入射角、ｎ２は前記第２の平面板部材の屈折率、ｎ２′は前記第２の平面板部材の媒質の屈折率、θ２は前記第２の平面板部材の媒質から前記第２の平面板部材に入射する、前記第１及び第２のレンズ手段の光軸上光線の入射角である。
【００１４】
また、第５の本発明は、光学像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段の光軸上前方に配置された第１のレンズ手段と、前記画像形成手段と前記第１のレンズ手段との間に配置され、正パワーを有する第２のレンズ手段と、前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段との間に配置され、色合成手段を構成し、前記光学像を透過する第１の平面板部材と、前記第２のレンズ手段と前記画像形成手段との間に配置され、偏光分離性能を有し、前記光学像を透過する第２の平面板部材とを備え、前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段とが、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、第２の平面板部材は、片面に偏光選択特性を有する薄膜が設けられ、偏光分離性能を有する所定厚みの透明基板であって、前記第１及び第２の平面板部材は、前記第１及び前記第２のレンズ手段のなす光軸に対して斜めに配置されている光学装置の光学補正方法であって、
前記第１の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面と、前記第２の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面とを互いに直交させ、前記第１の平面板部材と前記第２の平面板部材とにより生じる非点収差が、互いに補正するように、前記第１の平面板部材の板厚ｔ１と前記第２の平面板部材の板厚ｔ２との関係を、以下の式を満足するように調整することを特徴とする光学補正方法である。
【数４】
ただし、ｍＳは前記第２のレンズ手段のサジタル近軸像点での虚像倍率、ｎ１は前記第１の平面板部材の屈折率、ｎ１′は前記第１の平面板部材の媒質の屈折率、θ１は前記第１の平面板部材の媒質から前記平面板部材に入射する、前記第１及び第２のレンズ手段の光軸上光線の入射角、ｎ２は前記第２の平面板部材の屈折率、ｎ２′は前記第２の平面板部材の媒質の屈折率、θ２は前記第２の平面板部材の媒質から前記第２の平面板部材に入射する、前記第１及び第２のレンズ手段の光軸上光線の入射角である。
【００１５】
また、第７の本発明は、３原色の色成分を含む光を放射する光源と、
前記光源の放射光を３つの原色光に分解する色分解手段と、
前記色分解手段の３つの出力光のそれぞれが個別的に入射する３つの前置偏光子と、
複屈折性の変化として光学像を形成する複数の画像形成手段と、
前記画像形成手段毎に設けられた、偏波面が互いに直交する偏光成分を分離する偏光分離手段と、
それら各偏光分離手段毎に設けられた、その偏光分離手段からの光を透過させる、正パワーを有する第２レンズと、
前記各偏光分離手段からの光を１つに合成する色合成手段と、
前記色合成手段からの出射光を入射して出射する第１レンズとを備え、
前記各偏光分離手段は、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の、前記光学像を透過する透明基板を有し、その透明基板上には偏光選択性を有する誘電体多層膜が形成されており、
前記色合成手段は、前記３つの原色光のうち２つの光については、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の、透明基板上に波長選択性を有する誘電体多層膜を形成した、前記２つの光をそれぞれ透過するダイクロイックミラーを含んで構成されたものであり、前記３つの原色光のうち残りの１つの光については、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の透明基板の両面に反射防止処理を施した、前記残りの１つの光を透過する光学補正板を含んで構成されたものであり、
前記各第１のレンズと前記各第２のレンズとは、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、
前記３つの原色光のうち前記２つの光についての前記色合成手段の前記各ダイクロイックミラーの誘電体多層膜形成面の法線又は前記３つの原色光のうち前記残りの１つの光についての前記色合成手段の前記光学補正板の反射防止面の法線と前記第１レンズ及び第２レンズの光軸とを含む平面と、前記各偏光分離手段の誘電体多層膜形成面の法線と前記第１レンズ及び第２レンズの光軸とを含む平面とが互いに直交しており、
前記３つの原色光のうち前記２つの光についての前記色合成手段の前記ダイクロイックミラーの板厚であって、前記３つの原色光のうち前記残りの１つの光についての前記色合成手段の前記光学補正板の板厚である板厚ｔ１と、前記３つの原色光に対応する前記偏光分離手段の前記透明基板の板厚ｔ２とは、以下の条件を満足することを特徴とする投写型表示装置である。
【数４】
ただし、ｍＳは前記第２レンズのサジタル近軸像点での虚像倍率、ｎ１は前記ダイクロイックミラー基板又は前記光学補正板の屈折率、ｎ１′は前記ダイクロイックミラー又は前記光学補正板の媒質の屈折率、θ１は前記媒質から前記ダイクロイックミラー又は前記光学補正板に入射する、前記第１レンズ又は前記第２レンズの光軸上光線の入射角、ｎ２は前記偏光分離手段の透明基板の屈折率、ｎ２′は前記偏光分離手段の媒質の屈折率、θ２は前記媒質から前記偏光分離手段の偏光分離面に入射する、前記第１レンズ又は前記第２レンズの光軸上光線の入射角である。
【００２４】
以上の様な構成により、例えば色合成光学系で発生する非点収差を良好に補正することができ、しかも投写光学系をコンパクトに構成できる。従って、本発明の光学装置を用いた投写型表示装置では、例えば色合成光学系を有する１つの投写レンズで構成した場合でも、非常に高い解像度の投写画像を表示できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００２６】
色合成手段としてのダイクロイックミラーによる非点収差は、図１に示すように、光軸に対して斜めに傾いた平行平面の透明板Ｐを、収束光が透過する場合、透明板Ｐと媒質（この場合は空気）との境界面の法線と、収束光の主光線Ｏとを含む平面を入射面とし、その入射面に垂直な平面内にある光線をサジタル光線Ｓ、その入射面に平行な平面内にある光線をメリディオナル光線Ｍとすると、透明板Ｐを通過したサジタル光線Ｓとメリディオナル光線Ｍが、それぞれ主光線Ｏと交わる点がＱS、ＱMとなって異なることによって発生する。又、この場合の点ＱSと点ＱMとの間隔は非点隔差と呼ばれる。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、互いに入射面が直交する２つの平行平面の透明板Ｐ１、Ｐ２を配置すれば、透明板Ｐ１、Ｐ２でそれぞれで定義されるサジタル光線とメリディオナル光線は互いに入れ替り、非点収差も互いに打ち消し合うように作用する。透明板Ｐ１と透明板Ｐ２の間にパワーを有するレンズ系が無い場合、光軸に対する傾き角、板厚、および透明板の屈折率を同じにすれば非点収差を補正することができる。
【００２８】
ただし、色合成手段としてのダイクロイックミラーの他に非点収差を補正するための透明板を、投写手段である投写レンズと画像形成手段であるライトバルブとの間に追加する場合、投写レンズは非常に長いバックフォーカスを有するものが要求される。
【００２９】
そこで、図２（ｂ）の示すように、投写レンズを長い空気間隔を有する第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２で構成し、第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２との間に色合成光学系を配置し、さらに第２レンズ群Ｌ２とライトバルブＬＶとの間に色合成光学系のダイクロイックミラーとなる平行平面の透明板Ｐ１で発生する非点収差を補正するような平行平面の透明板Ｐ２を配置すれば、実質的に長いバックフォーカス（第１レンズ群Ｌ１からライトバルブＬＶまでの間隔）を実現しながらレンズ外径の小さい投写レンズが実現できる。
【００３０】
この場合、色合成光学系と、色合成光学系の透明板Ｐ１で発生する非点収差を補正する透明板Ｐ２との間に、パワーを有する第２レンズ群Ｌ２が配置されるため、色合成光学系で発生する非点隔差ｄ1′は次の式で表される。
【００３１】
【数６】
【００３２】
ただし、ｍは第２レンズ群Ｌ２の虚像倍率、ｄ1は第２レンズ群Ｌ２が無い場合の色合成光学系で発生する非点隔差である。
【００３３】
従って、第２レンズ群Ｌ２とライトバルブＬＶとの間に配置される透明板Ｐ２で発生する非点隔差をｄ2とすると、透明板Ｐ１と、非点収差を補正する透明板Ｐ２との関係は以下の条件を満足するように互いの板厚を設定すればよい。
【００３４】
【数７】
【００３５】
さらに、本発明の光学装置は、偏光子、および検光子の機能を有する偏光分離手段として、偏光ビームスプリッタを用いており、第２レンズ群と結像面との間に偏光ビームスプリッタを配置し、偏光分離面を形成する平行平面の透明板を色合成光学系で発生する非点収差を補正するように配置する。こうすることによって、偏光ビームスプリッタは偏光分離機能と非点収差補正機能とを同時に有することができる。
【００３６】
尚、（数６）からわかるように色合成光学系の透明板Ｐ１（ダイクロイックミラー）で発生する非点隔差ｄ1′は、第２レンズ群Ｌ２が無い場合の非点隔差ｄ1と比べて、正パワーを有する第２レンズ群による虚像倍率ｍの２乗分だけ小さくすることができる。この点についても具体的な実施の形態を後述する。
【００３７】
以下に、本発明の光学装置を用いた投写型表示装置の具体的な実施の形態について、図３に示す構成図を用いて説明する。
【００３８】
第２レンズ群６４，６５，６６は、それぞれ対応する偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４と接合されている。また、第１レンズ群７１と第２レンズ群６４，６５，６６とで投写レンズを構成し、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４から第１レンズ群７１までの光学系を、反射型ライトバルブ５５，５６，５７上の光学像をスクリーン上に投写する投写光学系と呼ぶことにする。
【００３９】
光源４１の放射光は３原色の色成分を含む光を放射する。コールドミラー４２は可視光を反射し、赤外光を透過するものである。光源４１からの放射光は、コールドミラー４２によって可視光のみが反射され、３枚のダイクロイックミラー４３，４４，４５で構成される色分解光学系により順次緑、青、赤の３原色光に分解される。各原色光は、それぞれ前置偏光子４６，４７，４８に入射し、いずれも略直線偏光となって出射する。略直線偏光となった各原色光は、読み出し光としてミラー４９，５０，５１を経て偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に入射し、反射型ライトバルブ５５，５６，５７側に反射される。反射型ライトバルブ５５，５６，５７は、図１２に示したものと同じような基本構成のものを用いている。
【００４０】
一方、ＣＲＴ５８，５９，６０上に形成された画像は、書き込み光として書き込みレンズ６１，６２，６３によって対応する反射型ライトバルブ５５，５６，５７の光導電層上に結像される。光変調層である液晶層は、光導電層上に形成された画像に応じて、入射する直線偏光の読み出し光を楕円偏光に変調する。変調された読み出し光は反射型ライトバルブ５５，５６，５７の光反射層によって反射されて再び偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に入射し、反射される偏光成分は光源４１側に進行し、透過する偏光成分は第２レンズ群６５，６６，６７に入射する。
【００４１】
第２レンズ群６５，６６，６７からの出射光は、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９、および平面ミラー７０を組み合わせた色合成光学系により１つの光に合成され、合成された光は第１レンズ群７１に入射する。３つの反射型ライトバルブ５５，５６，５７上の光学像は第１レンズ群７１と第２レンズ群６４，６５，６６により離れた位置にあるスクリーン上に拡大投写される。
【００４２】
尚、透明板６７は、３原色光のそれぞれの色合成光学系で発生する非点隔差を同一にするために挿入されたものである。これにより、３つの偏光ビームスプリッタ５２、５３、５４の各透明板の板厚等を同じにすることが出来ると言う効果がある。
【００４３】
偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４、第２レンズ群６４，６５，６６、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９、ミラー７０、第１レンズ群７１をすべて１つの鏡筒に収納するとよい。こうすると、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４から第１レンズ群７１までの投写光学系を精度良く組み立てることができる。
【００４４】
次に、偏光ビームスプリッタの詳細な構成を図４を参照して説明する。偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４、第２レンズ群６４，６５，６６は図３に示した、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４、第２レンズ群６４，６５，６６とそれぞれ同じものである。
【００４５】
枠体８１、透明板８２，８３、偏光分離ミラー８４で構成される容器の空間には液体８５が充填されている。偏光分離ミラー８４は誘電体多層膜を透明なガラス基板上に蒸着したものであり、偏光分離面となる誘電体多層膜面は周囲の液体８５と密着することで偏光分離性能を示す。
【００４６】
偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に用いる液体８５は、透明であること、光学特性が均一であること、凝固点が低いこと、沸点が高いこと、安価であることなどが要求される。上記条件をほぼ満足する液体として、本実施の形態ではエチレングリコール５５重量％、ジエチレングリコール３０重量％、グリセリン１５重量％の３種混合液を用いている。この３種混合液は光学性能が良好であり、しかも凝固点が−５２℃、沸点が＋１９８℃と、本実施の形態の投写型表示装置の使用環境では問題なく使用できる。また、コストも安価であり、ガラスプリズムを用いた場合に比べて、重量、コストともに圧倒的に有利である。
【００４７】
液体としては他にエチレングリコールを主成分として上記３種類液体の混合比を変えたものや、純エチレングリコール、またはエチレングリコール水溶液などを用いてもよい。但し、水溶液は枠体９１の材質がアルミニウムの場合、アルミニウムと水の反応により酸化アルミニウムが析出し、液体が次第に白濁する場合があるので注意を要する。また、液体として、組立時には液体であるが組み立て完了後は固体またはゲル状となる材料（例えば信越化学工業（株）ゲル状透明シリコーン樹脂ＫＥ１０５１）などを用いてもよい。
【００４８】
偏光選択性ミラー８４は、ガラス基板上に低屈折率膜層と高屈折率膜層とが交互に積層された誘電体多層膜を蒸着したもので、Ｐ偏光の透過率が最大となるブリュースタ角と誘電体多層膜の干渉効果を利用したタイプを採用している。このタイプの偏光分離ミラーは、外部媒質の屈折率をｎM、低屈折率層の屈折率をｎL、高屈折率層の屈折率をｎHとすると光線の最適入射角θMは次式で求められる。
【００４９】
【数８】
【００５０】
（数８）の条件を満たしていれば、Ｐ偏光の透過率を１００％に保ちながらＳ偏光は誘電体多層膜の層数を増やすことで反射率を高くすることがでる。
【００５１】
本実施の形態の偏光分離ミラー８４は低屈折率膜としてフッ化マグネシウム（屈折率１．３９）、高屈折率膜として二酸化チタン（屈折率２．３０）を用い、液体８６，８７，８８の屈折率は１．４４であるので（数８）より、最適な光線入射角は５５．６°となる。従って、偏光選択性ミラー８４は投写光学系の光軸となす角度が３４．４°となるように傾けて配置されている。誘電体多層膜は１３層構成であり、Ｓ偏光の反射率ピークが入射する３原色光のそれぞれの中心波長となるように誘電体多層膜の各膜厚を設定している。
【００５２】
この様に、反射率については、誘電体多層膜の層数が関係しており、反射波長の中心波長については、誘電体多層膜の各膜厚が関係している。
【００５３】
また、反射波長帯域を広帯域化する構成としては、次の２つの構成がある。
【００５４】
即ち、第１の構成としては、偏光分離ミラー８４は、ガラス基板の両面にＳ偏光成分の反射波長帯域が異なる第１の誘電体多層膜と第２の誘電体多層膜をそれぞれ形成して構成すれば、全体としてＳ偏光の反射波長帯域をより広帯域化できる。こうすることにより、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に入射する光の波長帯域が広帯域の場合でも良好な偏光分離性能を示すことができる。
【００５５】
又、第２の構成としては、偏光分離ミラー８４は誘電体多層膜を構成する低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きいほどＳ偏光を反射する波長帯域を広くすることができる。本実施の形態の偏光分離ミラー８４では、できるだけＳ偏光成分の反射波長帯域を広げるために、透明で耐久性に優れた材料として使用できる最も低い屈折率材料であるフッ化マグネシウムと、最も高い屈折率材料である二酸化チタンを用いたが他の屈折率の薄膜材料を用いてもよい。例えば、低屈折率層として二酸化珪素（屈折率１．４６）、三酸化二アルミニウム（屈折率１．６２）など、また、高屈折率層として硫化亜鉛（屈折率２．３０）、二酸化セリウム（屈折率２．３０）、二酸化ジルコニウム（屈折率２．０５）、五酸化二タンタル（屈折率２．１０）、二酸化ハフニウム（屈折率２．００）などを用いることができる。但し、その場合も、偏光分離ミラー８４の配置角度は（数８）の条件を満足するように設定する必要がある。
【００５６】
図４に示すように、透明板８２へ垂直に入射するＳ偏光８６は液体８５を透過して偏光分離ミラー８４へ５５．６°の角度で入射する。偏光分離ミラー８４により反射されたＳ偏光８７は液体８５を通過し、透明板８３から反射型ライトバルブ側に出射する。反射型ライトバルブにより反射された光は再び透明板８３、液体８５を透過して偏光分離ミラー８４に入射する。反射型ライトバルブにより変調されたＰ偏光８８は偏光分離ミラー８４、液体８５、第２レンズ群８８を順次透過して、図３に示した第１レンズ群７１側に進み、変調されないＳ偏光は再び偏光分離ミラー８４によって透明基板８２側に反射される。
【００５７】
図３に示した構成では、図２（ｂ）に示した図のように色合成光学系を構成する透明板６７の反射防止面、及びダイクロイックミラー６８，６９の色合成面の法線と投写光学系の光軸とを含む平面と、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離面の法線と投写光学系の光軸とを含む平面とが互いに直交するように配置されている。こうすることにより、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９で発生する非点収差と、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４で発生する非点収差が互いに打ち消し合うように作用する。本実施の形態の構成の最大の特徴は、特に偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離ミラーとなるガラス基板と媒質である液体との間に屈折率差を設け、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４が偏光子、及び検光子としての機能と、色合成光学系で発生する非点収差を補正する機能とを併せ持っていることである。
【００５８】
以下に、非点収差発生の原理、非点隔差量について、図５（ａ），（ｂ）に示すモデル図を用いて説明する。
【００５９】
図５（ａ）は、屈折率差を有する境界平面Ａに収束光が斜めに入射する場合である。入射媒質から点Ｑに向かって進む光線が境界平面Ａ上の点Ｂで屈折するものとする。入射側媒質の屈折率をｎ、出射側媒質の屈折率をｎ′、入射角をθ、屈折角をθ′とすると、スネルの法則から、
【００６０】
【数９】
【００６１】
の関係が成り立つ。
【００６２】
入射側媒質中のサジタル近軸光線は、点Ｑから境界平面Ａに下した垂線の足をＮとし、直線ＮＱを中心軸として直線ＢＱを回転してできる円錐の表面上にあると考えてよい。従って、サジタル近軸像点ＱSは直線ＮＱ上に存在するはずである。
【００６３】
△ＢＮＱと△ＢＮＱSの関係から、
【００６４】
【数１０】
【００６５】
の関係が成り立つ。（数９）、（数１０）から、サジタル近軸像点ＱSの位置を表す式として、次の式が得られる。
【００６６】
【数１１】
【００６７】
一方、メリディオナル近軸像点を求めるために、入射側媒質から点Ｑに向かい境界面Ａ上の点Ｂ′に入射する入射光線を考える。点Ｂ′は点Ｂからわずかに離れている。点Ｂ′に入射する入射光線の入射角をθ＋δθとし、屈折角をθ′＋δθ′とする。△ＢＢ′Ｑと△ＢＢ′ＱMに三角形の正弦法則を適用すると、それぞれ、
【００６８】
【数１２】
【００６９】
【数１３】
【００７０】
の関係が成り立つ。（数１２）、（数１３）から、
【００７１】
【数１４】
【００７２】
となる。δθ、δθ′がいずれも非常に小さいとすると、（数１４）は、
【００７３】
【数１５】
【００７４】
となる。（数９）の両辺をθで微分すると、次のようになる。
【００７５】
【数１６】
【００７６】
（数１５）、（数１６）より、δθ′／δθを消去すると、メリディオナル近軸像点ＱMの位置を表す式として、次式が得られる。
【００７７】
【数１７】
【００７８】
（数１１）、（数１７）の比較から、屈折率差を有する境界平面に光線が斜めに入射する場合、サジタル近軸像点ＱSとメリディオナル近軸像点ＱMは一致しないことがわかる。
【００７９】
次に、図５（ｂ）に示すように、平行平面の透明板Ｐが光軸に対して斜めに配置されている場合を考える。透明板Ｐの厚さをｔ、屈折率をｎと、透明板Ｐの外部媒質の屈折率をｎ′とする。
【００８０】
透明板Ｐが無い場合の近軸像点をＱ、光軸に沿って進む光線が透明板Ｐに入射する場合の入射点をＢ、出射点をＣとする。透明板Ｐの入射平面による点Ｑに対応するサジタル近軸像点をＱS1、メリディオナル近軸像点をＱM1、出射側平面による点ＱS1に対応するサジタル近軸像点をＱS2、メリディオナル近軸像点をＱM2とする。
【００８１】
（数１１）、（数１７）により、以下の式が成り立つ。
【００８２】
【数１８】
【００８３】
【数１９】
【００８４】
【数２０】
【００８５】
【数２１】
【００８６】
透明板Ｐの厚さｔ、光線の入射角θを用いると、
【００８７】
【数２２】
【００８８】
と表せる。また、図５（ｂ）より、
【００８９】
【数２３】
【００９０】
【数２４】
【００９１】
となり、（数１８）、（数１９）、（数２２）を（数２３）、（数２４）に代入し、その結果を（数２０）、（数２１）に代入すると、次式が得られる。
【００９２】
【数２５】
【００９３】
【数２６】
【００９４】
（数２５）、（数２６）より、透明板Ｐが光軸に対して斜めに配置された場合の近軸像点Ｑに対応する近軸像点ＱS2、ＱM2を求めることができる。透明板Ｐが光軸に対して垂直でない場合には、点ＱS2と点ＱM2は一致しないので非点収差を発生することがわかる。
【００９５】
サジタル近軸像点ＱS2とメリディオナル近軸像点ＱM2の間隔をｄとすると、
【００９６】
【数２７】
【００９７】
となり、（数２５）、（数２６）を（数２７）に代入し、さらに（数９）を利用してθ′を消去すると、非点隔差ｄは次式で求めることができる。
【００９８】
【数２８】
【００９９】
また、媒質が空気の場合、屈折率ｎ′は１とし、（数２８）は次式のように表せる。
【０１００】
【数２９】
【０１０１】
図３に示した構成は、図２（ｂ）に示したモデル図のように透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９、第２レンズ群６４，６５，６６、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４をそれぞれ配置することで、非点収差の補正をしている。この配置方法の中で、特に第２レンズ群６４，６５，６６の効果を図６に示す投写光学系の概略図を用いて説明する。
【０１０２】
尚、ここで、図６に示す、反射型ライトバルブ９１を、図３に示す、反射型ライトバルブ５６に対応するとした場合、図６の偏光ビームスプリッタ９２、第２レンズ群９３、色合成光学系を構成する平行平面板９４，９５，９６は、それぞれ、図３の偏光ビームスプリッタ５３、透明板６７、ダイクロイックミラー６９、６８に対応する。又、図６に示す、第１レンズ群９７は、図３の第１レンズ群７１に対応している。
【０１０３】
反射型ライトバルブ９１からの反射光は、偏光ビームスプリッタ９２、第２レンズ群９３、色合成光学系を構成するダイクロイックミラー、透明板、または平面ミラーとなる平行平面板９４，９５，９６、第１レンズ群９７をそれぞれ通過してスクリーン（図示せず）に投写される。
【０１０４】
実線９８は第２レンズ群９３を用いた場合の光線、破線９９は第２レンズ群９３が無い場合の光線である。
【０１０５】
本実施の形態の投写型表示装置装置は反射型ライトバルブ９１を用い、偏光子、及び検光子として多層膜を利用した偏光ビームスプリッタ９２を用いているため、特に投写画像の周辺のコントラストは偏光ビームスプリッタ９２に入射する光線の入射角に依存する。従って、偏光ビームスプリッタ９２中を通過する光はテレセントリックに近いことが好ましい。
【０１０６】
また、図３に示したように装置全体をコンパクトにするため、反射型ライトバルブ５５，５６，５７からＣＲＴ５８，５９，６０までの光軸は平行であること、即ち、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離面が互いに平行であることが望ましい。そのためには、図６に示すように第１レンズ群９７と反射型ライトバルブ９１との間に偏光分離機能と非点収差補正機能を併せ持つ偏光ビームスプリッタ９２と、色合成光学系として少なくとも３つの平行平面板を配置する空間が必要となる。この場合、投写レンズのバックフォーカスは非常に長いものが要求される。本実施の形態においては、反射型ライトバルブ９１の有効表示領域が対角２．５インチ（縦横比３：４）、投写レンズの焦点距離が約７８ｍｍ、Ｆナンバが４．０のものを用いており、バックフォーカスは空気光路長換算で少なくとも３２０ｍｍ以上、望ましくは３５０ｍｍ以上を必要とする。第１レンズ群９７のみで投写レンズを構成しようとすると、偏光ビームスプリッタ９２を出射した光は破線９９のように進行し、投写レンズの反射型ライトバルブ側のレンズ、および色合成光学系を構成する平行平面板９４，９５，９６は大口径のものが必要となる。従って、投写レンズ、色合成光学系とも非常に高価で、しかも投写レンズは重量の重いものとなる。
【０１０７】
そこで、正パワーを有する第２レンズ群９３を第１レンズ群９７とは十分離れた位置に配置して投写レンズ全体を長い空間を有する２群で構成すれば、実線９８のように光は進行し、投写光学系全体をコンパクトに構成できる。第２レンズ群９３は、材料をプラスチックとして偏光ビームスプリッタ９８から出射する光の有効領域に応じて周辺を長方形状に切断して用いてもよい。
【０１０８】
このように、第２レンズ群９３を、平行平面板９４，９５，９６と偏光ビームスプリッタ９２との間に配置することで、装置全体のコンパクト性とテレセントリック性、及び非点収差補正の機能を同時に満たすことができる。この構成は、偏光ビームスプリッタ９２の代わりに非点収差の補正のみの機能を有する平行平面の透明板を配置する場合の光学装置にも同様に有効である。
【０１０９】
次に、パワーを有する第２レンズ群６４，６５，６６が配置された場合の透明板６７、およびダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、図７に示すモデル図を用いて説明する。なお、光線はスクリーン側から反射型ライトバルブ側に進行するものとして考える。
【０１１０】
図７中の平行平面の透明板Ｐは図３の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９に、レンズＬは第２レンズ群６４、６５、６６に相当する。
【０１１１】
レンズＬの焦点距離をｆ、レンズＬが無い場合のサジタル近軸像点をＱaS、メリディオナル近軸像点をＱaM、非点隔差をｄ1、レンズＬの主平面からサジタル近軸像点ＱaSまでの距離をａとすると、レンズＬによる虚像のサジタル倍率ｍS、メリディオナル倍率ｍMは次式で表すことができる。
【０１１２】
【数３０】
【０１１３】
【数３１】
【０１１４】
また、レンズＬが配置された場合のサジタル近軸像点をＱbS、メリディオナル近軸像点をＱbM、非点隔差をｄ1′とし、レンズＬの主平面からサジタル近軸像点ＱbSまでの距離をｂS、メリディオナル近軸像点ＱbMまでの距離をｂMとすると
【０１１５】
【数３２】
【０１１６】
【数３３】
【０１１７】
【数３４】
【０１１８】
となる。（数３０）、（数３１）、（数３２）、（数３３）、（数３４）より、非点隔差ｄ′は次式で表すことができる。
【０１１９】
【数３５】
【０１２０】
（数３５）はｄ1がｆ、ａよりも充分小さいとすると次のように近似できる。
【０１２１】
【数３６】
【０１２２】
従って、（数２８）、（数３６）より、図７の透明板Ｐの非点隔差ｄ1′は、透明板Ｐの板厚をｔ1、屈折率をｎ1、媒質の屈折率をｎ1′、透明板Ｐへの光線入射角をθ1とすると、次式で求めることができる。
【０１２３】
【数３７】
【０１２４】
一方、図３に示した偏光ビームスプリッタ５２、５３、５４で発生する非点隔差ｄ2は、偏光分離ミラー基板の板厚をｔ2、基板の屈折率をｎ2、液体の屈折率をｎ2′、液体中から偏光分離面への光線入射角をθ2とすると、（数２８）により次式となる。
【０１２５】
【数３８】
【０１２６】
非点隔差ｄ2は液体中での値なので、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４を出射した後の空気中での、即ち空気換算での非点隔差ｄ2'はｄ2'＝ｄ2／ｎ2’と言う関係から次式のようになる。
【０１２７】
【数３９】
【０１２８】
従って、（数３７）、（数３９）より、図３に示した投写光学系は、次式を満足することで非点収差を補正することができる。
【０１２９】
【数４０】
【０１３０】
（数３７）、（数３９）より、板厚ｔ1，ｔ2の関係は次式の条件を満足すればよいことがわかる。
【０１３１】
【数４１】
【０１３２】
なお、図３に示した構成では、色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９のそれぞれの基板と、偏光ビームスプリッタの偏光分離ミラー基板は、屈折率がいずれも同じものを用いており、ｎ1＝ｎ2となり、さらに透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９の媒質は空気であるのでｎ1′＝１であるので、（数４１）は、
【０１３３】
【数４２】
【０１３４】
となる。
【０１３５】
以上の非点収差の考え方、及び非点収差の補正条件は、投写光学系の光軸上、またはその近くを通る光線を基準にして説明したもので、光軸から離れた位置を通過し、光軸とのなす角度が大きい光線ほど、厳密な非点収差の様子は光軸付近とは若干異なる。しかし、光軸に対して斜めに傾いた平行平面な透明板を、結像性能を有する光が透過した場合に起こる非点収差の基本的な考え方と傾向は同様であり、特に透明板の板厚が比較的薄い場合には光軸上付近と比べて大きな違いとはならない。従って、上記非点収差補正条件は、図３に示したような投写型表示によって投写された投写画像の全有効領域の解像度向上に十分大きな効果がある。
【０１３６】
また、すべての屈折率の値は可視光の中心波長付近であるｅ線（５４６．０７ｎｍ）での値を用いている。屈折率は波長分散特性を有し波長によって若干屈折率が異なり、厳密には、赤、青、緑の３原色光それぞれの条件に応じて最適化すればよい。しかし、可視光の中で最も視感度が高く、投写画像の解像度に支配的に影響する緑色光であるｅ線を基準としても、非点収差補正効果には特に問題とはならない。
【０１３７】
本実施の形態では、第２レンズ群６４，６５，６６の焦点距離ｆが２４０ｍｍ、第２レンズ群の主平面から第２レンズ群６４，６５，６６が無い場合のサジタル近軸像点までの距離ａが１１０ｍｍであり、（数３０）よりサジタル倍率ｍSは約０．６８６となる。また、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９基板、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離ミラー基板のそれぞれの屈折率ｎ1は１．５２、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の液体の屈折率ｎ2は１．４４、媒質（空気）側から透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９への光線入射角θ1は４５°、液体側から偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離ミラー８４に入射する光線の入射角θ2は５５．６°であり、（数４２）よりｔ2／ｔ1は０．６６８となる。
【０１３８】
ここで、図３に示したダイクロイックミラー６８，６９と平面ミラー７０の光反射面の面精度は、投写光学系の解像度性能に大きく影響し、また、この面精度は基板の板厚条件に大きく左右される。ハイビジョン映像などの高解像度の投写画像と表示する場合、各反射面の面精度は理想的な平面（曲率半径は無限大）に対して面が凹状、または凸状のどちらかに変形しているとして、曲率半径で少なくとも±２λ（λは入射する光の中心波長）以下、望ましくは±λ以下が要求される。
【０１３９】
基板の板厚が薄いと誘電体多層膜を蒸着した際の応力や、装置に組み込んで固定する際の周辺機構部品による圧力の影響で面精度は劣化し易い。本実施の形態のダイクロイックミラー６８，６９と平面ミラー７０の有効領域は、それぞれ少なくとも８０ｍｍ×６０ｍｍ以上を必要とし、表面研磨後も上記面精度の条件のを満たすためには、少なくとも１．５ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上の基板厚が必要となる。このうち平面ミラー７０は表面鏡であり、十分な厚さの基板を使用できるので問題ないが、ダイクロイックミラー６８，６９は基板が厚すぎると、投写光学系の光軸から離れた位置を通過する光線の非点収差の補正が困難となる。従って、基板厚は少なくとも３．０ｍｍ以下、好ましくは２．５ｍｍ以下が望ましい。
【０１４０】
以上のことから、ダイクロイックミラー６８，６９の基板厚は１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が望ましい。また、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４は、投写光学系の光路中では反射型ライトバルブ５５，５６，５７からの光が透過するのみなので、偏光分離ミラー基板の面精度による解像度劣化の影響はほとんどないと考えてよい。
【０１４１】
従って、本実施の形態では透明板６７とダイクロイックミラー６８，６９の厚さｔ1を約２．０ｍｍし、（数４２）による計算結果から偏光分離ミラー基板の厚さｔ2を約１．３ｍｍとしている。こうすることで、投写光学系全体としての非点収差を良好に補正でき、高解像度の投写画像を表示できる。
【０１４２】
上記説明では、色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、第２レンズ群（６４，６５，６６）の虚像倍率ｍの２乗分だけ小さくして、しかも、その小さくした非点収差を、偏光ビームスピリッタ（５２，５３，５４）の偏光分離ミラー８４で発生する非点収差により打ち消し合う様に構成する場合等について述べた。
【０１４３】
次に述べるのは、上記実施の形態とは異なり、第２レンズ群を備えず、色合成光学系で発生する非点収差を偏光分離ミラー８４で発生する非点収差により打ち消し合う様に構成する場合の具体例である。
【０１４４】
即ち、この場合、上記（数４２）において、ｍs＝１とした場合に相当する。従って、第２レンズ群の虚像倍率がｍs＝０．６８６となる上記実施の形態においては、ｔ2／ｔ1＝０．６６８が導き出されたが、ここでは、（数４２）はｔ2／ｔ1＝０．６６８／０．６８６2＝１．４１９の値となる。
【０１４５】
このことから、ｔ1＝２．０ｍｍとすると、ｔ2＝２．８３９ｍｍとなるので、この場合、偏光ビームスプリッタの偏光分離基板の厚さは、２．８４ｍｍとすればよい。
【０１４６】
以下に、図３に示した構成の中で、照明光学系の構成について図８を参照して説明する。図３の構成図では図示していないが、光源４１からの放射光が反射型ライトバルブ５５，５６，５７を照明するまでの光路中には図８のようにリレーレンズ１０５，１０６を配置するとよい。反射型ライトバルブ１０７は図３に示した反射型ライトバルブ５５，５６，５７と同じものである。第１のリレーレンズ１０５と第２のリレーレンズ１０６との間には図３に示したダイクロイックミラー４３，４４，４５で構成される色分解光学系、前置偏光子４６，４７，４８、平面ミラー４９，５０，５１が配置され、第２のリレーレンズ１０６と反射型ライトバルブ１０８の間には偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４が配置される。光源４１はランプ１０１と楕円面鏡１０２とで構成され、ランプ１０１はキセノンランプであり、３原色の色成分を含む光を放射する。楕円面鏡１０２はガラス製であり、反射面にアルミニウム薄膜層がコーティングされてある。なお、光反射面には赤外光を透過させ可視光を反射する多層膜を蒸着したものであってもよい。
【０１４７】
ランプ１０１の放射光は楕円鏡１０２で反射され、コールドミラー１０３によって赤外光が除去されて楕円面鏡１０２の第２焦点１０４に集光する。第２焦点１０４を通過した後、発散光となった光は第１のリレーレンズ１０４によって平行に近い光に変換される。誘電体多層膜を用いたダイクッロイックミラーは光線の入射角依存性によって分光性能が変化する特性を持つので、ダイクロイックミラーを通過する光はできるだけ平行光であることが望ましい。平行に近い光は第２のリレーレンズ１０６によって再び集光され反射型ライトバルブ１０７を照明する。リレーレンズ１０５，１０６は楕円面鏡１０２の第２焦点１０３に結像されたランプ１０１の像を反射型ライトバルブ１０７の有効表示用域に対応する拡大倍率で効率よく照明する役割を有する。
【０１４８】
なお、図８では第１のリレーレンズ１０５を２枚構成としているが１枚、または３枚以上であってもよい。また、第２のリレーレンズ１０６は、図３に示した色分解光学系と前置偏光子４６，４７，４８の間、または前置偏光子４６，４７，４８と偏光ビームスプリッタに導く平面ミラー４９，５０，５１の間に配置しても良い。さらに、本実施の形態では、ランプ１０１にキセノンランプを用いたが、他にメタルハライドランプやハロゲンランプなどを用いてもよい。
【０１４９】
以下に、前置偏光子４６，４７，４８の詳細な構成を図９を参照して説明する。
【０１５０】
枠体１１１の内側にはＶ字状の溝が形成され、その溝に偏光選択性ミラー１１４，１１５の端部を挿入し、それぞれの断面がＶ字状になるように配置している。枠体１１１、ガラス基板からなる入射窓１１２と出射窓１１３、偏光分離ミラー１１４，１１５で構成される容器の空間には液体１１６が充填されている。液体材料、及び偏光分離ミラー１１４，１１５の多層膜構成は、図４に示した偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４のものと同じものを用いている。
【０１５１】
図９に示すように、前置偏光子４６，４７，４８に垂直に入射する自然光１１７はそれぞれ入射窓１１２、液体１１６を透過して偏光分離ミラー１１４へ５５．６°の角度で入射する。偏光分離ミラー１１４により、自然光１１７はそれぞれＳ偏光成分１１８とＰ偏光成分１１９とに分離され、Ｐ偏光成分１１９は、液体１１６を透過後、出射窓１１３より出射し、Ｓ偏光成分１１８ｂは枠体１１１の内壁にそれぞれ入射する。
【０１５２】
前置偏光子４６，４７，４８のコンパクト性を確保するために、偏光分離ミラー１１４，１１５の枚数は２枚とし、光軸に対してＶ字状に対称に配置している。偏光分離ミラー１１４，１１５によって反射された不要となるＳ偏光成分は出射窓１１３側に進行しないように、Ｖ字の頂点は光源側に向けて配置するとよい。偏光分離ミラーが１枚の場合には、光軸方向の寸法が大きくなるだけでなく、前置偏光子に光が斜めに入射する場合に入射角依存性が非対称になり、この影響が投写画像に現われやすいという問題を生じる。また、３枚以上の偏光分離ミラーを用いてジクザグ状に配置してもよいが、奇数枚の場合、光軸に対して偏光分離ミラーの配置が非対称となるため、偶数枚の構成の方が好ましい。さらに、不要光となるＳ偏光成分が偏光分離ミラーによって反射された後、隣り合った偏光ビームスプリッタに入射し、多重反射光の一部が出射窓側に進行する場合がある。この不要偏光成分が図３に示した偏光ビームスプリタ５２，５３，５４、及び反射型ライトバルブ５５，５６，５７に到達すると投写画像のコントラスト性能を著しく劣化させる要因となる場合があるので注意を要する。このように、図９に示した構成の前置偏光子は、直線偏光に近い光を効率良く取り出せることがわかる。
【０１５３】
前置偏光子と偏光ビームスプリッタと配置関係は、前置偏光子から出射するＰ偏光が偏光ビームスプリッタではＳ偏光として反射されるように配置する。一般に、入射光は光軸を中心に、ある角度範囲に広がっており、入射する光の波長も単一波長ではないことから、Ｓ偏光の反射率は上記入射光の使用条件でも偏光分離ミラーの誘電体多層膜の層数を増やすことで１００％に近づけることが比較的容易であるのに対し、Ｐ偏光の透過率を１００％に近づけることは困難である。従って、不要偏光成分をカットする必要がある前置偏光子ではＰ偏光を取り出すことが好ましい。偏光ビームスプリッタに入射する直線偏光を効率よく反射型ライトバルブ側へ導き、また、黒表示の場合には反射型ライトバルブから反射された読み出し光を偏光ビームスプリッタでカットする必要があるために、偏光ビームスプリッタに入射する偏光成分はＳ偏光であることが好ましい。こうすることにより、高コントラストの投写画像を表示できる。
【０１５４】
図３に示した本発明の投写型表示装置は、第２レンズ群６４，６５，６６を用いているので投写光学系がコンパクトでありながら偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４中の通過する光のテレセントリック性が良好という性能を有する。従って、偏光ビームスプリッタの偏光分離面に入射する主光線は、ほぼ投写光学系の光軸とほぼ平行であり、偏光分離面への光線入射角依存性による偏光分離性能の劣化がほとんど発生しない。従って、偏光分離性能の劣化によって生じる投写画像のコントラスト低下や不均一性の問題がない、高画質な投写画像を表示できる。
【０１５５】
また、図３に示した構成は、投写レンズが実質的に１本であるので、カラーシェーディングは発生しない。また、光源４１から各反射型ライトバルブ５５，５６，５７までの照明光路長が３色で等しく、また各反射型ライトバルブ５５，５６，５７の画面中心が投写レンズの光軸上に位置するので、色むらの発生は少ない。
【０１５６】
本実施の形態では、ＣＲＴ画面の水平方向にそれぞれ３つのＣＲＴ、書き込みレンズ、反射型ライトバルブ、偏光ビームスプリッタ、第２レンズ群を配列する構成としたが、ＣＲＴ画面の垂直方向に配列してもよい。
【０１５７】
また、本実施の形態では画像源としてＣＲＴを用いたが、例えば透過型のＴＦＴ液晶パネルを用い、後方からメタルハライドランプなどの光源で照明するようにし、液晶パネル上に映像信号に応じて形成された光学像を書き込みレンズにより反射型ライトバルブの光導電層上に結像させる構成としてもよい。また、書き込み光学系も、書き込みレンズの他にイメージガイドとして用いられる光フィアバーなどを用いてもよい。
【０１５８】
以下に、本発明の他の実施の形態について説明する。
【０１５９】
図１０は、図３に示した投写型表示装置の中で色合成光学系の構成のみが異なる場合の投写光学系の構成図である。
【０１６０】
色合成光学系は、平面ミラー１３０，１３３、ダイクロイックミラー１３１、１３２により構成される。
【０１６１】
反射型ライトバルブ１２１からの光は、偏光ビームスプリッタ１２４、第２レンズ群１２７を透過後、２枚のダイクロイックミラー１３１，１３２を透過して第１レンズ群１３４に入射する。また、反射型ライトバルブ１２２からの光は、偏光ビームスプリッタ１２５、第２レンズ群１２８を透過後、表面鏡に平行平面の透明板を接合した平面ミラー１３０とダイクロイックミラー１３１によって反射され、ダイクロイックミラー１３２を透過して第１レンズ群１３４に入射する。さらに、反射型ライトバルブ１２３からの光は、偏光ビームスプリッタ１２６、第２レンズ群１２９を透過後、表面鏡の平面ミラー１３３とダイクロイックミラー１３２の裏面で反射されて第１レンズ群１３４に入射する。
【０１６２】
平面ミラー１３０，１３３の反射面、ダイクロイックミラー１３１，１３２の色合成面は、投写光学系の光軸に対していずれも４５°傾けて配置している。また、ダイクロイックミラー１３１，１３２の基板、および平面ミラー１３０の反射面と接合している透明板はいずれも図３に示した各種基板のものと同じものを用いている。
【０１６３】
図１０に示す投写光学系の色合成光学系は、平面ミラー１３０とダイクロイックミラー１３２の反射面を事実上裏面反射とすることにより、３つの反射型ライトバルブ１２１，１２２，１２３からそれぞれ出射する光の非点収差補正の条件を同一にしている。
【０１６４】
（数４０）の条件式と、ダイクロイックミラー１３１、１３２の反射面の面精度を考慮し、偏光ビームスプリッタ１２４，１２５，１２６の偏光分離ミラーの基板厚ｔ2は２ｍｍ、平面ミラー１３０の反射面と接合している透明板の基板厚は０．７５ｍｍ、ダイクロイックミラー１３１，１３２の基板厚はそれぞれ１．５ｍｍとし、色合成光学系における各色毎の平行平面板の総板厚ｔ1はいずれも３．０ｍｍとなるようにしている。
【０１６５】
この場合、（数４１）の基板厚ｔ1、ｔ2はそれぞれ次式で表した値となる。
【０１６６】
【数４３】
【０１６７】
【数４４】
【０１６８】
ただし、ｉは色合成光学系の平行平面板を透過する枚数、ｊは色合成光学系で発生する非点収差を補正するために設けられた平行平面の枚数である。裏面反射の場合は１回の反射につき２枚の平行平面板を透過するものと考える。
【０１６９】
図１０に示した実施の形態は、反射型ライトバルブ１２１，１２２，１２３からのそれぞれの光路について、ｊはいずれも１であるが、ｉについては反射型ライトバルブ１２１からの光路が２、反射型ライトバルブ１２２からの光路が３、反射型ライトバルブ１２３からの光路が２となる。
【０１７０】
このように、図１０に示した実施の形態では光線が複数の平行平面板を透過する場合、及び２回透過する場合と同じ条件となる裏面反射を用いる場合で色合成光学系を構成しているが、非点収差補正の考え方、および補正条件の基本式である（数４０）はそのまま応用できる。
【０１７１】
以上の実施の形態ではライトバルブとして光導電層に書き込まれた画像に応じて読み出し光の偏光状態を液晶層で変調する反射型ライトバルブを用いたが、他の方式の液晶パネルや電気光学結晶を用いるものなど、複屈折性の変化として光学像を形成する反射型のものであればライトバルブとして用いることができる。
【０１７２】
また、本発明の非点収差補正の考え方、及び方法は、透過型のライトバルブの場合や、光変調方式として、散乱、回折、または光偏向方式のライトバルブなど、光学的特性の変化として光学像を形成するものであればすべて応用できる。
【０１７３】
以下、本発明の参考例として、透過型のライトバルブを用いて構成した投写型装置の一実施の形態を図１１を用いて説明する。
【０１７４】
透過型ライトバルブ１５０、１５１、１５２は、ツイスト・ネマティック液晶を光変調材料として用いたＴＦＴ液晶セルと、その前後に偏光子、検光子として用いる偏光板を配置したものである。
【０１７５】
光源１４１から放射される光は、紫外光と赤外光を吸収、または反射し、可視光のみを透過するＵＶ−ＩＲカットフィルタ１４２と平面ミラー１４３を経て、ダイクロイックミラー１４４，１４５と平面ミラー１４６で構成される色分解光学系によって、赤、緑、青の３原色光に分解される。３原色光は、それぞれ対応するフィールドレンズ１４７，１４８，１４９、透過型ライトバルブ１５０，１５１，１５２に順次入射する。
【０１７６】
色合成光学系は、平面ミラー１５３、及びダイクロイックミラー１５４，１５５により構成される。投写レンズは、正パワーを有する第２レンズ群１５６，１５７と第１レンズ群１５８により構成される。また、平面ミラー１５３の反射面、及びダイクロイックミラー１５４，１５５の色合成面は、いずれも投写レンズの光軸に対して４５°に傾けて配置している。
【０１７７】
ライトバルブ１５０，１５１，１５２からの出射光は、色合成光学系によって１つに合成され、投写レンズによってスクリーン上に拡大投写される。
【０１７８】
先述したように、色合成光学系を構成する平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５４，１５５の光反射面は高い面精度が要求され、面精度は基板厚に大きく左右される。特に、この面精度は反射面の位置が投写レンズの主点に近いほど、投写画像の解像度に及ぼす影響が大きくなる。即ち、平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５４に比べてダイクロイックミラー１５５の光反射面の面精度の条件が厳しくなる。
【０１７９】
そこで、図１１に示す構成は、第１レンズ群１５８とは離れた位置にある第２レンズ群１５６，１５７をそれぞれ平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５４とダイクロイックミラー１５５との間に配置している。こうすることにより、（数３６）からわかるように、ライトバルブ１５０，１５１，１５２側で見たダイクロイックミラー１５５で発生する非点隔差は、第２レンズ群１５６が無い場合と比べて、正パワーを有する第２レンズ群による虚像倍率の２乗分だけ小さくすることができる。従って、ダイクロイックーミラー１５５の基板厚は、第２レンズ群１５６が無い場合よりも厚くすることができ、非点収差を大きくすることなくダイクロイックミラー１５５の反射面を高い面精度とすることができる。
【０１８０】
図１１に示した実施の形態は、色合成光学系で発生する非点収差を投写光学系の近軸上で完全に補正するものではないが、本発明の光学装置の非点収差の考え方は同じであり、第２レンズ群１５６を用いる効果は大きい。
【０１８１】
尚、第２レンズ群１５７を通過する光路では、ライトバルブ１５２を出射する光が平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５５によって反射されるのみなので、非点収差を発生させる要因がない。従って、第２レンズ群１５７は非点収差を低減すると言う効果は発揮しない。しかし、第１レンズ群１５８と、第２レンズ群１５６、１５７は、一体で結像性能を有するレンズ系であるため、結像性能上第２レンズ群１５７は必要である。
【０１８２】
又、図１１の構成においても、ライトバルブ１５０，１５１，１５２から第１レンズ群１５８までの間に、平行平面の法線と投写レンズの光軸とを含む平面と、ダイクロイックミラー１５４，１５５の色合成面の法線と投写レンズの光軸とを含む平面が互いに直交するような透明板を配置する空間を設けて、非点収差を補正してもよい。
【０１８３】
以上、図１１に示した参考例では、透過型のライトバルブを用いたが、色合成光学系を有する投写光学系を用いるものであれば、反射型のライトバルブを用いた場合でも同様の効果が得られる。
【０１８４】
以上のように本発明によれば、色合成光学系で発生する非点収差を良好に補正することができ、しかも投写光学系をコンパクトに構成できる。従って、本発明の光学装置を投写型表示装置に用いることにより、色合成光学系を有し、１つの投写レンズで構成した投写光学系の場合でも、非常に高い解像度の投写画像を表示でき大きな効果がある。
【０１８５】
尚、上記実施の形態では、フルカラーの投写画像を得るために、ライトバルブを赤用、緑用、青用として３つ用いる投写型表示装置等あるいは、その様な装置に利用する光学補正方法について説明したが、これに限らず例えば、単色光の光学像を形成して出力する光学装置あるいは、この様な光学装置に利用する光学補正方法であってもよい。
【０１８６】
又、上記実施の形態では、本発明の第２レンズ手段としての第２レンズ群と、本発明の偏光分離手段の透明基板としての偏光分離ミラーとを備え、本発明の平面板部材としての、色合成光学系のダイクロイックミラーなどで発生する非点収差を小さくして（あるいは、非点収差を大きくすることなく、ダイクロイックミラーの面精度を上げて）、しかも、その非点収差を打ち消し合う様に補正する場合の投写型表示装置あるいは、その様な装置に利用する光学補正方法について説明した。一方、本発明の参考例としては、例えば、偏光分離手段の透明基板を備えず、第２レンズ手段を備えた構成の装置や、この様な構成の装置に利用する光学補正方法でもよい。この場合、上述した（数３６）からわかる様に、例えば、図３に示した色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、第２レンズ群（６４，６５，６６）の虚像倍率ｍの２乗分だけ小さく出来ると言う効果を発揮する。あるいはこれとは別の効果として、非点収差を大きくすることなく、ダイクロイックーミラーの基板厚を、第２レンズ群が無いとした場合に比べて、より一層厚くすることができるので、ダイクロイックミラーの反射面を高い面精度に出来ると言う効果も有している。
【０１８７】
又、上記実施の形態では、本発明の偏光分離手段が、偏光選択特性を有する膜が形成された、所定厚みの透明基板を有している場合について説明した。一方、本発明の参考例としては、これに限らず例えば、偏光分離手段は、偏光選択特性を有する薄膜を備え、その薄膜の両側をプリズム状の部材により保持した構成であってももちろよい。この場合でも、例えば、図３に示した色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、第２レンズ群（６４，６５，６６）の虚像倍率ｍの２乗分だけ小さく出来ると言う効果を発揮する。
【０１８８】
本発明の光学補正方法による光学装置の利点は以上明らかなように、色合成光学系で発生する非点収差を良好に補正することができ、しかも投写光学系をコンパクトに構成できることである。従って、本発明の光学装置を用いた投写型表示装置は色合成光学系を有する１つの投写レンズで構成した場合でも、非常に高い解像度の投写画像を表示できる。
【０１８９】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、非点収差を従来に比べてより一層良好に補正することができると言う長所を有する。又、本発明は、従来に比べてより一層高解像度の投写画像を表示できると言う長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における非点収差を説明する概略図
【図２】（ａ）：本実施の形態における、互いに入射面が直交する２つの平行平面の透明板Ｐ１、Ｐ２を配置した非点収差補正方法を説明する概略構成図
（ｂ）：本実施の形態における、第１レンズ群Ｌ１と、色合成光学系のダイクロイックミラーとなる平行平面の透明板Ｐ１と、第２レンズ群Ｌ２と、透明板Ｐ１で発生する非点収差を補正するような平行平面の透明板Ｐ２と、ライトバルブＬＶとを配置した構成により、非点収差補正方法を説明する概略構成図
【図３】本発明の投写型表示装置の一実施の形態の構成を示す斜視図
【図４】本実施の形態の偏光ビームスプリッタの構成を示す断面図
【図５】（ａ）：本実施の形態における、屈折率差を有する境界平面Ａに収束光が斜めに入射する場合の、非点収差の原理を説明する説明図
（ｂ）：本実施の形態における、平行平面の透明板Ｐが光軸に対して斜めに配置されている場合の、非点収差の原理を説明する説明図
【図６】本発明の光学装置の一実施の形態の投写光学系の概略構成図
【図７】本実施の形態における、非点隔差量を説明する説明図
【図８】本発明の光学装置の一実施の形態の照明光学系の概略構成図
【図９】本発明の光学装置の一実施の形態の前置偏光子の構成を示す断面図
【図１０】本発明の他の実施の形態における光学装置の投写光学系の概略構成図
【図１１】 本発明の参考例における光学装置の概略構成図
【図１２】反射型ライトバルブの基本構成を示す概略断面図
【図１３】従来の光学装置の構成例を示す斜視図
【符号の説明】
４１ 光源
４３，４４，４５，６８，６９ ダイクロイックミラー
４６，４７，４８ 前置偏向子
４９，５０，５１，７０ 平面ミラー
５２，５３，５４，９２ 偏光ビームスプリッタ
５５，５６，５７，９１ 反射型ライトバルブ
５８，５９，６０ ＣＲＴ
６１，６２，６３ 書き込みレンズ
Ｌ２，６４，６５，６６，９３ 第２レンズ群
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，６７，９４，９５，９６ 透明板
Ｌ１，７１，９７ 第１レンズ群
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばライトバルブ上に形成された光学像をスクリーン上に拡大投写する装置に利用可能な、光学装置、光学補正方法及び投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大画面映像を得るために、ライトバルブに映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を照射し投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方法が従来よりよく知られている。最近では、ライトバルブとして液晶パネルを用いる投写型表示装置が注目されている。
【０００３】
また、投写画像の高解像度化を図る上で、液晶パネルの画素開口率を低下させることなく画素数の大容量化が可能な反射型のライトバルブを用いる方法を、例えばLedebuhrらが米国特許4,836,649号明細書で提案している。反射型ライトバルブの場合、画素電極の間にスイッチング素子を配置する必要がないので、画素ピッチを小さくでき、高密度化が容易であり、透過型に比べて明るく、高解像度の投写画像が得られる。
【０００４】
反射型ライトバルブの基本構成例と動作原理を図１２を参照して以下に説明する。２つのガラス基板１，７上に形成された２つの透明電極２，６間に、光導電層３、光反射層４、光変調層としての液晶層５が狭持され、２つの透明電極２，６の間には電圧が印加されている。画像源からの書き込み光８は、ガラス基板１側から光導電層３に入射する。一方、読み出し光９はガラス基板７側から液晶層５に入射する。液晶層５は光導電層３上に形成された書き込み画像に応じて印加電圧が変化し、読み出し光９を変調する。変調された読み出し光９は光反射層４によって反射された後、投写画像としてスクリーン（図示せず）上に投写される。なお、光変調層の材料としては、強誘電性液晶や、ネマティック液晶などを用いることができる。
【０００５】
次に、フルカラーで、高輝度、高解像度の投写画像を得るために、反射型ライトバルブを赤用、緑用、青用として３つ用いる投写型表示装置の構成例を図１３に示す。光源１１から出射する平行に近い光は、紫外光、および赤外光を透過し可視光を反射するコールドミラー１２を経て、ダイクロイックミラー１３、１４、平面ミラー１５からなる色分解光学系により緑、青、赤の３原色光に分解される。３原色光は平面ミラー１６、１７、１８によってそれぞれ対応する偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１に入射し、反射するＳ偏光成分と透過するＰ偏光成分とに分離され、Ｓ偏光成分は読み出し光として対応する反射型ライトバルブ２２、２３、２４にそれぞれ入射する。反射型ライトバルブ２２、２３、２４は液晶の複屈折性を利用して読み出し光を変調するものであり、図１２に示したような構成となっている。ＣＲＴなどの画像源２５、２６、２７からの書き込み光が書き込みレンズ２８、２９、３０によって反射型ライトバルブ２２、２３、２４の光導電層上に結像され、この書き込み画像に応じた印加電圧によって液晶層の複屈折性は変化を示す。即ち、所定の偏光方向の直線偏光が読み出し光として入射すると反射光は楕円偏光となる。従って、Ｓ偏光成分は反射型ライトバルブ２２、２３、２４により、一部がＰ偏光成分に変換されて再び偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１に入射する。反射光に含まれるＰ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１を透過した後、ダイクロイックミラー３１、３２、平面ミラー３３からなる色合成光学系によって１つに合成されて投写レンズ３４に入射し、Ｓ偏光成分は偏光ビームスプリッタ１９、２０、２１によって反射されて光源１１の方に進む。このようにして、反射型ライトバルブ２２、２３、２４の液晶層に複屈折性の変化として形成された光学像は投写レンズ３４によりスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図１３に示した構成では、投写レンズ３４は１つであり、投写レンズを３つ用いる場合に比べて３原色の投写画像のコンバージェンス調整や色均一性、及びセットのコンパクト性の点で有利である。しかし、３つライトバルブからの反射光を１つに合成するための色合成光学系を必要とし、この場合に用いるダイクロイックミラー３１、３２の色合成面は、投写レンズ３４の光軸に対して斜めに傾いて配置される。斜めに傾いた特定の厚みを有する平行平面板（ダイクロイックミラー）が結像光学系の光路中にあると非点収差が発生し、投写画像の解像度を著しく劣化させる要因となる。
【０００７】
そこで、ダイクロイックミラー３１、３２で発生する非点収差を低減、または除去する手段として、次の２つの方法が考えられる。
【０００８】
ａ）ダイクロイックミラーの基板厚を薄くする。
【０００９】
ｂ）非点収差の発生しないダイクロイックプリズムを用いる。
【００１０】
色合成光学系はライトバルブと投写レンズの間に配置されているため、投写光学系の一部として考える必要があり、その場合、特にダイクロイックミラーの反射面は高い面精度が要求され、基板厚を薄くするほどこれが困難となる。特に、ハイビジョンなど高精細の投写画像を表示する場合、ダイクロイックミラーの反射面に要求される面精度を満足するには少なくとも基板厚が１．５ｍｍ以上を必要とする。従って、ａ）の方法には限界があり、非点収差の解像度への悪影響を低減することは困難であると言う課題が有った。
【００１１】
また、ｂ）の方法はダイクロイックプリズムとして２つのガラスプリズムを用い、その接合面に色合成面を形成する方法と、ダイクロイックミラーを中に配置した透明容器中にダイクロイックミラー基板の屈折率と同じ屈折率を有する液体を充填し、全体としてプリズム状とする方法が考えられる。しかし、前者は非常に高価となり、また重量が重くなる点において、後者は色合成光路中の液体の占める光路長が非常に長くなるため、液体屈折率の温度依存性による投写画像の焦点移動が無視できない点でいずれも採用は難しいと言う課題が有った。
【００１２】
本発明は、従来のこの様な課題を考慮し、色合成光学系で発生する非点収差を従来に比べてより一層良好に補正することができる光学装置及び光学補正方法を提供し、又、この光学装置を用いることで従来に比べてより一層高解像度の投写画像を表示できる投写型表示装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明は、光学像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段の光軸上前方に配置された第１のレンズ手段と、
前記画像形成手段と前記第１のレンズ手段との間に配置され、正パワーを有する第２のレンズ手段と、
前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段との間に配置され、色合成手段を構成し、前記光学像を透過する第１の平面板部材と、
前記第２のレンズ手段と前記画像形成手段との間に配置され、偏光分離性能を有し、前記光学像を透過する第２の平面板部材とを備え、
前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段とは、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、
第２の平面板部材は、片面に偏光選択特性を有する薄膜が設けられ、偏光分離性能を有する所定厚みの透明基板であって、
前記第１及び第２の平面板部材は、前記第１及び前記第２のレンズ手段のなす光軸に対して斜めに配置されており、
前記第１の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面と、前記第２の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面とが互いに直交しており、
前記第１の平面板部材の板厚ｔ１と第２の平面板部材の板厚ｔ２との関係は、以下の式を満足することを特徴とする光学装置である。
【数４】
【００１４】
また、第５の本発明は、光学像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段の光軸上前方に配置された第１のレンズ手段と、前記画像形成手段と前記第１のレンズ手段との間に配置され、正パワーを有する第２のレンズ手段と、前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段との間に配置され、色合成手段を構成し、前記光学像を透過する第１の平面板部材と、前記第２のレンズ手段と前記画像形成手段との間に配置され、偏光分離性能を有し、前記光学像を透過する第２の平面板部材とを備え、前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段とが、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、第２の平面板部材は、片面に偏光選択特性を有する薄膜が設けられ、偏光分離性能を有する所定厚みの透明基板であって、前記第１及び第２の平面板部材は、前記第１及び前記第２のレンズ手段のなす光軸に対して斜めに配置されている光学装置の光学補正方法であって、
前記第１の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面と、前記第２の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面とを互いに直交させ、前記第１の平面板部材と前記第２の平面板部材とにより生じる非点収差が、互いに補正するように、前記第１の平面板部材の板厚ｔ１と前記第２の平面板部材の板厚ｔ２との関係を、以下の式を満足するように調整することを特徴とする光学補正方法である。
【数４】
【００１５】
また、第７の本発明は、３原色の色成分を含む光を放射する光源と、
前記光源の放射光を３つの原色光に分解する色分解手段と、
前記色分解手段の３つの出力光のそれぞれが個別的に入射する３つの前置偏光子と、
複屈折性の変化として光学像を形成する複数の画像形成手段と、
前記画像形成手段毎に設けられた、偏波面が互いに直交する偏光成分を分離する偏光分離手段と、
それら各偏光分離手段毎に設けられた、その偏光分離手段からの光を透過させる、正パワーを有する第２レンズと、
前記各偏光分離手段からの光を１つに合成する色合成手段と、
前記色合成手段からの出射光を入射して出射する第１レンズとを備え、
前記各偏光分離手段は、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の、前記光学像を透過する透明基板を有し、その透明基板上には偏光選択性を有する誘電体多層膜が形成されており、
前記色合成手段は、前記３つの原色光のうち２つの光については、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の、透明基板上に波長選択性を有する誘電体多層膜を形成した、前記２つの光をそれぞれ透過するダイクロイックミラーを含んで構成されたものであり、前記３つの原色光のうち残りの１つの光については、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の透明基板の両面に反射防止処理を施した、前記残りの１つの光を透過する光学補正板を含んで構成されたものであり、
前記各第１のレンズと前記各第２のレンズとは、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、
前記３つの原色光のうち前記２つの光についての前記色合成手段の前記各ダイクロイックミラーの誘電体多層膜形成面の法線又は前記３つの原色光のうち前記残りの１つの光についての前記色合成手段の前記光学補正板の反射防止面の法線と前記第１レンズ及び第２レンズの光軸とを含む平面と、前記各偏光分離手段の誘電体多層膜形成面の法線と前記第１レンズ及び第２レンズの光軸とを含む平面とが互いに直交しており、
前記３つの原色光のうち前記２つの光についての前記色合成手段の前記ダイクロイックミラーの板厚であって、前記３つの原色光のうち前記残りの１つの光についての前記色合成手段の前記光学補正板の板厚である板厚ｔ１と、前記３つの原色光に対応する前記偏光分離手段の前記透明基板の板厚ｔ２とは、以下の条件を満足することを特徴とする投写型表示装置である。
【数４】
【００２４】
以上の様な構成により、例えば色合成光学系で発生する非点収差を良好に補正することができ、しかも投写光学系をコンパクトに構成できる。従って、本発明の光学装置を用いた投写型表示装置では、例えば色合成光学系を有する１つの投写レンズで構成した場合でも、非常に高い解像度の投写画像を表示できる。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら説明する。
【００２６】
色合成手段としてのダイクロイックミラーによる非点収差は、図１に示すように、光軸に対して斜めに傾いた平行平面の透明板Ｐを、収束光が透過する場合、透明板Ｐと媒質（この場合は空気）との境界面の法線と、収束光の主光線Ｏとを含む平面を入射面とし、その入射面に垂直な平面内にある光線をサジタル光線Ｓ、その入射面に平行な平面内にある光線をメリディオナル光線Ｍとすると、透明板Ｐを通過したサジタル光線Ｓとメリディオナル光線Ｍが、それぞれ主光線Ｏと交わる点がＱS、ＱMとなって異なることによって発生する。又、この場合の点ＱSと点ＱMとの間隔は非点隔差と呼ばれる。
【００２７】
図２（ａ）に示すように、互いに入射面が直交する２つの平行平面の透明板Ｐ１、Ｐ２を配置すれば、透明板Ｐ１、Ｐ２でそれぞれで定義されるサジタル光線とメリディオナル光線は互いに入れ替り、非点収差も互いに打ち消し合うように作用する。透明板Ｐ１と透明板Ｐ２の間にパワーを有するレンズ系が無い場合、光軸に対する傾き角、板厚、および透明板の屈折率を同じにすれば非点収差を補正することができる。
【００２８】
ただし、色合成手段としてのダイクロイックミラーの他に非点収差を補正するための透明板を、投写手段である投写レンズと画像形成手段であるライトバルブとの間に追加する場合、投写レンズは非常に長いバックフォーカスを有するものが要求される。
【００２９】
そこで、図２（ｂ）の示すように、投写レンズを長い空気間隔を有する第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２で構成し、第１レンズ群Ｌ１と第２レンズ群Ｌ２との間に色合成光学系を配置し、さらに第２レンズ群Ｌ２とライトバルブＬＶとの間に色合成光学系のダイクロイックミラーとなる平行平面の透明板Ｐ１で発生する非点収差を補正するような平行平面の透明板Ｐ２を配置すれば、実質的に長いバックフォーカス（第１レンズ群Ｌ１からライトバルブＬＶまでの間隔）を実現しながらレンズ外径の小さい投写レンズが実現できる。
【００３０】
この場合、色合成光学系と、色合成光学系の透明板Ｐ１で発生する非点収差を補正する透明板Ｐ２との間に、パワーを有する第２レンズ群Ｌ２が配置されるため、色合成光学系で発生する非点隔差ｄ1′は次の式で表される。
【００３１】
【数６】
ただし、ｍは第２レンズ群Ｌ２の虚像倍率、ｄ1は第２レンズ群Ｌ２が無い場合の色合成光学系で発生する非点隔差である。
【００３３】
従って、第２レンズ群Ｌ２とライトバルブＬＶとの間に配置される透明板Ｐ２で発生する非点隔差をｄ2とすると、透明板Ｐ１と、非点収差を補正する透明板Ｐ２との関係は以下の条件を満足するように互いの板厚を設定すればよい。
【００３４】
【数７】
さらに、本発明の光学装置は、偏光子、および検光子の機能を有する偏光分離手段として、偏光ビームスプリッタを用いており、第２レンズ群と結像面との間に偏光ビームスプリッタを配置し、偏光分離面を形成する平行平面の透明板を色合成光学系で発生する非点収差を補正するように配置する。こうすることによって、偏光ビームスプリッタは偏光分離機能と非点収差補正機能とを同時に有することができる。
【００３６】
尚、（数６）からわかるように色合成光学系の透明板Ｐ１（ダイクロイックミラー）で発生する非点隔差ｄ1′は、第２レンズ群Ｌ２が無い場合の非点隔差ｄ1と比べて、正パワーを有する第２レンズ群による虚像倍率ｍの２乗分だけ小さくすることができる。この点についても具体的な実施の形態を後述する。
【００３７】
以下に、本発明の光学装置を用いた投写型表示装置の具体的な実施の形態について、図３に示す構成図を用いて説明する。
【００３８】
第２レンズ群６４，６５，６６は、それぞれ対応する偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４と接合されている。また、第１レンズ群７１と第２レンズ群６４，６５，６６とで投写レンズを構成し、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４から第１レンズ群７１までの光学系を、反射型ライトバルブ５５，５６，５７上の光学像をスクリーン上に投写する投写光学系と呼ぶことにする。
【００３９】
光源４１の放射光は３原色の色成分を含む光を放射する。コールドミラー４２は可視光を反射し、赤外光を透過するものである。光源４１からの放射光は、コールドミラー４２によって可視光のみが反射され、３枚のダイクロイックミラー４３，４４，４５で構成される色分解光学系により順次緑、青、赤の３原色光に分解される。各原色光は、それぞれ前置偏光子４６，４７，４８に入射し、いずれも略直線偏光となって出射する。略直線偏光となった各原色光は、読み出し光としてミラー４９，５０，５１を経て偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に入射し、反射型ライトバルブ５５，５６，５７側に反射される。反射型ライトバルブ５５，５６，５７は、図１２に示したものと同じような基本構成のものを用いている。
【００４０】
一方、ＣＲＴ５８，５９，６０上に形成された画像は、書き込み光として書き込みレンズ６１，６２，６３によって対応する反射型ライトバルブ５５，５６，５７の光導電層上に結像される。光変調層である液晶層は、光導電層上に形成された画像に応じて、入射する直線偏光の読み出し光を楕円偏光に変調する。変調された読み出し光は反射型ライトバルブ５５，５６，５７の光反射層によって反射されて再び偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に入射し、反射される偏光成分は光源４１側に進行し、透過する偏光成分は第２レンズ群６５，６６，６７に入射する。
【００４１】
第２レンズ群６５，６６，６７からの出射光は、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９、および平面ミラー７０を組み合わせた色合成光学系により１つの光に合成され、合成された光は第１レンズ群７１に入射する。３つの反射型ライトバルブ５５，５６，５７上の光学像は第１レンズ群７１と第２レンズ群６４，６５，６６により離れた位置にあるスクリーン上に拡大投写される。
【００４２】
尚、透明板６７は、３原色光のそれぞれの色合成光学系で発生する非点隔差を同一にするために挿入されたものである。これにより、３つの偏光ビームスプリッタ５２、５３、５４の各透明板の板厚等を同じにすることが出来ると言う効果がある。
【００４３】
偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４、第２レンズ群６４，６５，６６、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９、ミラー７０、第１レンズ群７１をすべて１つの鏡筒に収納するとよい。こうすると、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４から第１レンズ群７１までの投写光学系を精度良く組み立てることができる。
【００４４】
次に、偏光ビームスプリッタの詳細な構成を図４を参照して説明する。偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４、第２レンズ群６４，６５，６６は図３に示した、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４、第２レンズ群６４，６５，６６とそれぞれ同じものである。
【００４５】
枠体８１、透明板８２，８３、偏光分離ミラー８４で構成される容器の空間には液体８５が充填されている。偏光分離ミラー８４は誘電体多層膜を透明なガラス基板上に蒸着したものであり、偏光分離面となる誘電体多層膜面は周囲の液体８５と密着することで偏光分離性能を示す。
【００４６】
偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に用いる液体８５は、透明であること、光学特性が均一であること、凝固点が低いこと、沸点が高いこと、安価であることなどが要求される。上記条件をほぼ満足する液体として、本実施の形態ではエチレングリコール５５重量％、ジエチレングリコール３０重量％、グリセリン１５重量％の３種混合液を用いている。この３種混合液は光学性能が良好であり、しかも凝固点が−５２℃、沸点が＋１９８℃と、本実施の形態の投写型表示装置の使用環境では問題なく使用できる。また、コストも安価であり、ガラスプリズムを用いた場合に比べて、重量、コストともに圧倒的に有利である。
【００４７】
液体としては他にエチレングリコールを主成分として上記３種類液体の混合比を変えたものや、純エチレングリコール、またはエチレングリコール水溶液などを用いてもよい。但し、水溶液は枠体９１の材質がアルミニウムの場合、アルミニウムと水の反応により酸化アルミニウムが析出し、液体が次第に白濁する場合があるので注意を要する。また、液体として、組立時には液体であるが組み立て完了後は固体またはゲル状となる材料（例えば信越化学工業（株）ゲル状透明シリコーン樹脂ＫＥ１０５１）などを用いてもよい。
【００４８】
偏光選択性ミラー８４は、ガラス基板上に低屈折率膜層と高屈折率膜層とが交互に積層された誘電体多層膜を蒸着したもので、Ｐ偏光の透過率が最大となるブリュースタ角と誘電体多層膜の干渉効果を利用したタイプを採用している。このタイプの偏光分離ミラーは、外部媒質の屈折率をｎM、低屈折率層の屈折率をｎL、高屈折率層の屈折率をｎHとすると光線の最適入射角θMは次式で求められる。
【００４９】
【数８】
（数８）の条件を満たしていれば、Ｐ偏光の透過率を１００％に保ちながらＳ偏光は誘電体多層膜の層数を増やすことで反射率を高くすることがでる。
【００５１】
本実施の形態の偏光分離ミラー８４は低屈折率膜としてフッ化マグネシウム（屈折率１．３９）、高屈折率膜として二酸化チタン（屈折率２．３０）を用い、液体８６，８７，８８の屈折率は１．４４であるので（数８）より、最適な光線入射角は５５．６°となる。従って、偏光選択性ミラー８４は投写光学系の光軸となす角度が３４．４°となるように傾けて配置されている。誘電体多層膜は１３層構成であり、Ｓ偏光の反射率ピークが入射する３原色光のそれぞれの中心波長となるように誘電体多層膜の各膜厚を設定している。
【００５２】
この様に、反射率については、誘電体多層膜の層数が関係しており、反射波長の中心波長については、誘電体多層膜の各膜厚が関係している。
【００５３】
また、反射波長帯域を広帯域化する構成としては、次の２つの構成がある。
【００５４】
即ち、第１の構成としては、偏光分離ミラー８４は、ガラス基板の両面にＳ偏光成分の反射波長帯域が異なる第１の誘電体多層膜と第２の誘電体多層膜をそれぞれ形成して構成すれば、全体としてＳ偏光の反射波長帯域をより広帯域化できる。こうすることにより、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４に入射する光の波長帯域が広帯域の場合でも良好な偏光分離性能を示すことができる。
【００５５】
又、第２の構成としては、偏光分離ミラー８４は誘電体多層膜を構成する低屈折率層と高屈折率層の屈折率差が大きいほどＳ偏光を反射する波長帯域を広くすることができる。本実施の形態の偏光分離ミラー８４では、できるだけＳ偏光成分の反射波長帯域を広げるために、透明で耐久性に優れた材料として使用できる最も低い屈折率材料であるフッ化マグネシウムと、最も高い屈折率材料である二酸化チタンを用いたが他の屈折率の薄膜材料を用いてもよい。例えば、低屈折率層として二酸化珪素（屈折率１．４６）、三酸化二アルミニウム（屈折率１．６２）など、また、高屈折率層として硫化亜鉛（屈折率２．３０）、二酸化セリウム（屈折率２．３０）、二酸化ジルコニウム（屈折率２．０５）、五酸化二タンタル（屈折率２．１０）、二酸化ハフニウム（屈折率２．００）などを用いることができる。但し、その場合も、偏光分離ミラー８４の配置角度は（数８）の条件を満足するように設定する必要がある。
【００５６】
図４に示すように、透明板８２へ垂直に入射するＳ偏光８６は液体８５を透過して偏光分離ミラー８４へ５５．６°の角度で入射する。偏光分離ミラー８４により反射されたＳ偏光８７は液体８５を通過し、透明板８３から反射型ライトバルブ側に出射する。反射型ライトバルブにより反射された光は再び透明板８３、液体８５を透過して偏光分離ミラー８４に入射する。反射型ライトバルブにより変調されたＰ偏光８８は偏光分離ミラー８４、液体８５、第２レンズ群８８を順次透過して、図３に示した第１レンズ群７１側に進み、変調されないＳ偏光は再び偏光分離ミラー８４によって透明基板８２側に反射される。
【００５７】
図３に示した構成では、図２（ｂ）に示した図のように色合成光学系を構成する透明板６７の反射防止面、及びダイクロイックミラー６８，６９の色合成面の法線と投写光学系の光軸とを含む平面と、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離面の法線と投写光学系の光軸とを含む平面とが互いに直交するように配置されている。こうすることにより、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９で発生する非点収差と、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４で発生する非点収差が互いに打ち消し合うように作用する。本実施の形態の構成の最大の特徴は、特に偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離ミラーとなるガラス基板と媒質である液体との間に屈折率差を設け、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４が偏光子、及び検光子としての機能と、色合成光学系で発生する非点収差を補正する機能とを併せ持っていることである。
【００５８】
以下に、非点収差発生の原理、非点隔差量について、図５（ａ），（ｂ）に示すモデル図を用いて説明する。
【００５９】
図５（ａ）は、屈折率差を有する境界平面Ａに収束光が斜めに入射する場合である。入射媒質から点Ｑに向かって進む光線が境界平面Ａ上の点Ｂで屈折するものとする。入射側媒質の屈折率をｎ、出射側媒質の屈折率をｎ′、入射角をθ、屈折角をθ′とすると、スネルの法則から、
【００６０】
【数９】
の関係が成り立つ。
【００６２】
入射側媒質中のサジタル近軸光線は、点Ｑから境界平面Ａに下した垂線の足をＮとし、直線ＮＱを中心軸として直線ＢＱを回転してできる円錐の表面上にあると考えてよい。従って、サジタル近軸像点ＱSは直線ＮＱ上に存在するはずである。
【００６３】
△ＢＮＱと△ＢＮＱSの関係から、
【００６４】
【数１０】
の関係が成り立つ。（数９）、（数１０）から、サジタル近軸像点ＱSの位置を表す式として、次の式が得られる。
【００６６】
【数１１】
一方、メリディオナル近軸像点を求めるために、入射側媒質から点Ｑに向かい境界面Ａ上の点Ｂ′に入射する入射光線を考える。点Ｂ′は点Ｂからわずかに離れている。点Ｂ′に入射する入射光線の入射角をθ＋δθとし、屈折角をθ′＋δθ′とする。△ＢＢ′Ｑと△ＢＢ′ＱMに三角形の正弦法則を適用すると、それぞれ、
【００６８】
【数１２】
【数１３】
の関係が成り立つ。（数１２）、（数１３）から、
【００７１】
【数１４】
となる。δθ、δθ′がいずれも非常に小さいとすると、（数１４）は、
【００７３】
【数１５】
となる。（数９）の両辺をθで微分すると、次のようになる。
【００７５】
【数１６】
（数１５）、（数１６）より、δθ′／δθを消去すると、メリディオナル近軸像点ＱMの位置を表す式として、次式が得られる。
【００７７】
【数１７】
（数１１）、（数１７）の比較から、屈折率差を有する境界平面に光線が斜めに入射する場合、サジタル近軸像点ＱSとメリディオナル近軸像点ＱMは一致しないことがわかる。
【００７９】
次に、図５（ｂ）に示すように、平行平面の透明板Ｐが光軸に対して斜めに配置されている場合を考える。透明板Ｐの厚さをｔ、屈折率をｎと、透明板Ｐの外部媒質の屈折率をｎ′とする。
【００８０】
透明板Ｐが無い場合の近軸像点をＱ、光軸に沿って進む光線が透明板Ｐに入射する場合の入射点をＢ、出射点をＣとする。透明板Ｐの入射平面による点Ｑに対応するサジタル近軸像点をＱS1、メリディオナル近軸像点をＱM1、出射側平面による点ＱS1に対応するサジタル近軸像点をＱS2、メリディオナル近軸像点をＱM2とする。
【００８１】
（数１１）、（数１７）により、以下の式が成り立つ。
【００８２】
【数１８】
【数１９】
【数２０】
【数２１】
透明板Ｐの厚さｔ、光線の入射角θを用いると、
【００８７】
【数２２】
と表せる。また、図５（ｂ）より、
【００８９】
【数２３】
【数２４】
となり、（数１８）、（数１９）、（数２２）を（数２３）、（数２４）に代入し、その結果を（数２０）、（数２１）に代入すると、次式が得られる。
【００９２】
【数２５】
【数２６】
（数２５）、（数２６）より、透明板Ｐが光軸に対して斜めに配置された場合の近軸像点Ｑに対応する近軸像点ＱS2、ＱM2を求めることができる。透明板Ｐが光軸に対して垂直でない場合には、点ＱS2と点ＱM2は一致しないので非点収差を発生することがわかる。
【００９５】
サジタル近軸像点ＱS2とメリディオナル近軸像点ＱM2の間隔をｄとすると、
【００９６】
【数２７】
となり、（数２５）、（数２６）を（数２７）に代入し、さらに（数９）を利用してθ′を消去すると、非点隔差ｄは次式で求めることができる。
【００９８】
【数２８】
また、媒質が空気の場合、屈折率ｎ′は１とし、（数２８）は次式のように表せる。
【０１００】
【数２９】
図３に示した構成は、図２（ｂ）に示したモデル図のように透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９、第２レンズ群６４，６５，６６、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４をそれぞれ配置することで、非点収差の補正をしている。この配置方法の中で、特に第２レンズ群６４，６５，６６の効果を図６に示す投写光学系の概略図を用いて説明する。
【０１０２】
尚、ここで、図６に示す、反射型ライトバルブ９１を、図３に示す、反射型ライトバルブ５６に対応するとした場合、図６の偏光ビームスプリッタ９２、第２レンズ群９３、色合成光学系を構成する平行平面板９４，９５，９６は、それぞれ、図３の偏光ビームスプリッタ５３、透明板６７、ダイクロイックミラー６９、６８に対応する。又、図６に示す、第１レンズ群９７は、図３の第１レンズ群７１に対応している。
【０１０３】
反射型ライトバルブ９１からの反射光は、偏光ビームスプリッタ９２、第２レンズ群９３、色合成光学系を構成するダイクロイックミラー、透明板、または平面ミラーとなる平行平面板９４，９５，９６、第１レンズ群９７をそれぞれ通過してスクリーン（図示せず）に投写される。
【０１０４】
実線９８は第２レンズ群９３を用いた場合の光線、破線９９は第２レンズ群９３が無い場合の光線である。
【０１０５】
本実施の形態の投写型表示装置装置は反射型ライトバルブ９１を用い、偏光子、及び検光子として多層膜を利用した偏光ビームスプリッタ９２を用いているため、特に投写画像の周辺のコントラストは偏光ビームスプリッタ９２に入射する光線の入射角に依存する。従って、偏光ビームスプリッタ９２中を通過する光はテレセントリックに近いことが好ましい。
【０１０６】
また、図３に示したように装置全体をコンパクトにするため、反射型ライトバルブ５５，５６，５７からＣＲＴ５８，５９，６０までの光軸は平行であること、即ち、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離面が互いに平行であることが望ましい。そのためには、図６に示すように第１レンズ群９７と反射型ライトバルブ９１との間に偏光分離機能と非点収差補正機能を併せ持つ偏光ビームスプリッタ９２と、色合成光学系として少なくとも３つの平行平面板を配置する空間が必要となる。この場合、投写レンズのバックフォーカスは非常に長いものが要求される。本実施の形態においては、反射型ライトバルブ９１の有効表示領域が対角２．５インチ（縦横比３：４）、投写レンズの焦点距離が約７８ｍｍ、Ｆナンバが４．０のものを用いており、バックフォーカスは空気光路長換算で少なくとも３２０ｍｍ以上、望ましくは３５０ｍｍ以上を必要とする。第１レンズ群９７のみで投写レンズを構成しようとすると、偏光ビームスプリッタ９２を出射した光は破線９９のように進行し、投写レンズの反射型ライトバルブ側のレンズ、および色合成光学系を構成する平行平面板９４，９５，９６は大口径のものが必要となる。従って、投写レンズ、色合成光学系とも非常に高価で、しかも投写レンズは重量の重いものとなる。
【０１０７】
そこで、正パワーを有する第２レンズ群９３を第１レンズ群９７とは十分離れた位置に配置して投写レンズ全体を長い空間を有する２群で構成すれば、実線９８のように光は進行し、投写光学系全体をコンパクトに構成できる。第２レンズ群９３は、材料をプラスチックとして偏光ビームスプリッタ９８から出射する光の有効領域に応じて周辺を長方形状に切断して用いてもよい。
【０１０８】
このように、第２レンズ群９３を、平行平面板９４，９５，９６と偏光ビームスプリッタ９２との間に配置することで、装置全体のコンパクト性とテレセントリック性、及び非点収差補正の機能を同時に満たすことができる。この構成は、偏光ビームスプリッタ９２の代わりに非点収差の補正のみの機能を有する平行平面の透明板を配置する場合の光学装置にも同様に有効である。
【０１０９】
次に、パワーを有する第２レンズ群６４，６５，６６が配置された場合の透明板６７、およびダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、図７に示すモデル図を用いて説明する。なお、光線はスクリーン側から反射型ライトバルブ側に進行するものとして考える。
【０１１０】
図７中の平行平面の透明板Ｐは図３の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９に、レンズＬは第２レンズ群６４、６５、６６に相当する。
【０１１１】
レンズＬの焦点距離をｆ、レンズＬが無い場合のサジタル近軸像点をＱaS、メリディオナル近軸像点をＱaM、非点隔差をｄ1、レンズＬの主平面からサジタル近軸像点ＱaSまでの距離をａとすると、レンズＬによる虚像のサジタル倍率ｍS、メリディオナル倍率ｍMは次式で表すことができる。
【０１１２】
【数３０】
【数３１】
また、レンズＬが配置された場合のサジタル近軸像点をＱbS、メリディオナル近軸像点をＱbM、非点隔差をｄ1′とし、レンズＬの主平面からサジタル近軸像点ＱbSまでの距離をｂS、メリディオナル近軸像点ＱbMまでの距離をｂMとすると
【０１１５】
【数３２】
【数３３】
【数３４】
となる。（数３０）、（数３１）、（数３２）、（数３３）、（数３４）より、非点隔差ｄ′は次式で表すことができる。
【０１１９】
【数３５】
（数３５）はｄ1がｆ、ａよりも充分小さいとすると次のように近似できる。
【０１２１】
【数３６】
従って、（数２８）、（数３６）より、図７の透明板Ｐの非点隔差ｄ1′は、透明板Ｐの板厚をｔ1、屈折率をｎ1、媒質の屈折率をｎ1′、透明板Ｐへの光線入射角をθ1とすると、次式で求めることができる。
【０１２３】
【数３７】
一方、図３に示した偏光ビームスプリッタ５２、５３、５４で発生する非点隔差ｄ2は、偏光分離ミラー基板の板厚をｔ2、基板の屈折率をｎ2、液体の屈折率をｎ2′、液体中から偏光分離面への光線入射角をθ2とすると、（数２８）により次式となる。
【０１２５】
【数３８】
非点隔差ｄ2は液体中での値なので、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４を出射した後の空気中での、即ち空気換算での非点隔差ｄ2'はｄ2'＝ｄ2／ｎ2’と言う関係から次式のようになる。
【０１２７】
【数３９】
従って、（数３７）、（数３９）より、図３に示した投写光学系は、次式を満足することで非点収差を補正することができる。
【０１２９】
【数４０】
（数３７）、（数３９）より、板厚ｔ1，ｔ2の関係は次式の条件を満足すればよいことがわかる。
【０１３１】
【数４１】
なお、図３に示した構成では、色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９のそれぞれの基板と、偏光ビームスプリッタの偏光分離ミラー基板は、屈折率がいずれも同じものを用いており、ｎ1＝ｎ2となり、さらに透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９の媒質は空気であるのでｎ1′＝１であるので、（数４１）は、
【０１３３】
【数４２】
となる。
【０１３５】
以上の非点収差の考え方、及び非点収差の補正条件は、投写光学系の光軸上、またはその近くを通る光線を基準にして説明したもので、光軸から離れた位置を通過し、光軸とのなす角度が大きい光線ほど、厳密な非点収差の様子は光軸付近とは若干異なる。しかし、光軸に対して斜めに傾いた平行平面な透明板を、結像性能を有する光が透過した場合に起こる非点収差の基本的な考え方と傾向は同様であり、特に透明板の板厚が比較的薄い場合には光軸上付近と比べて大きな違いとはならない。従って、上記非点収差補正条件は、図３に示したような投写型表示によって投写された投写画像の全有効領域の解像度向上に十分大きな効果がある。
【０１３６】
また、すべての屈折率の値は可視光の中心波長付近であるｅ線（５４６．０７ｎｍ）での値を用いている。屈折率は波長分散特性を有し波長によって若干屈折率が異なり、厳密には、赤、青、緑の３原色光それぞれの条件に応じて最適化すればよい。しかし、可視光の中で最も視感度が高く、投写画像の解像度に支配的に影響する緑色光であるｅ線を基準としても、非点収差補正効果には特に問題とはならない。
【０１３７】
本実施の形態では、第２レンズ群６４，６５，６６の焦点距離ｆが２４０ｍｍ、第２レンズ群の主平面から第２レンズ群６４，６５，６６が無い場合のサジタル近軸像点までの距離ａが１１０ｍｍであり、（数３０）よりサジタル倍率ｍSは約０．６８６となる。また、透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９基板、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離ミラー基板のそれぞれの屈折率ｎ1は１．５２、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の液体の屈折率ｎ2は１．４４、媒質（空気）側から透明板６７、ダイクロイックミラー６８，６９への光線入射角θ1は４５°、液体側から偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４の偏光分離ミラー８４に入射する光線の入射角θ2は５５．６°であり、（数４２）よりｔ2／ｔ1は０．６６８となる。
【０１３８】
ここで、図３に示したダイクロイックミラー６８，６９と平面ミラー７０の光反射面の面精度は、投写光学系の解像度性能に大きく影響し、また、この面精度は基板の板厚条件に大きく左右される。ハイビジョン映像などの高解像度の投写画像と表示する場合、各反射面の面精度は理想的な平面（曲率半径は無限大）に対して面が凹状、または凸状のどちらかに変形しているとして、曲率半径で少なくとも±２λ（λは入射する光の中心波長）以下、望ましくは±λ以下が要求される。
【０１３９】
基板の板厚が薄いと誘電体多層膜を蒸着した際の応力や、装置に組み込んで固定する際の周辺機構部品による圧力の影響で面精度は劣化し易い。本実施の形態のダイクロイックミラー６８，６９と平面ミラー７０の有効領域は、それぞれ少なくとも８０ｍｍ×６０ｍｍ以上を必要とし、表面研磨後も上記面精度の条件のを満たすためには、少なくとも１．５ｍｍ以上、好ましくは２ｍｍ以上の基板厚が必要となる。このうち平面ミラー７０は表面鏡であり、十分な厚さの基板を使用できるので問題ないが、ダイクロイックミラー６８，６９は基板が厚すぎると、投写光学系の光軸から離れた位置を通過する光線の非点収差の補正が困難となる。従って、基板厚は少なくとも３．０ｍｍ以下、好ましくは２．５ｍｍ以下が望ましい。
【０１４０】
以上のことから、ダイクロイックミラー６８，６９の基板厚は１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が望ましい。また、偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４は、投写光学系の光路中では反射型ライトバルブ５５，５６，５７からの光が透過するのみなので、偏光分離ミラー基板の面精度による解像度劣化の影響はほとんどないと考えてよい。
【０１４１】
従って、本実施の形態では透明板６７とダイクロイックミラー６８，６９の厚さｔ1を約２．０ｍｍし、（数４２）による計算結果から偏光分離ミラー基板の厚さｔ2を約１．３ｍｍとしている。こうすることで、投写光学系全体としての非点収差を良好に補正でき、高解像度の投写画像を表示できる。
【０１４２】
上記説明では、色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、第２レンズ群（６４，６５，６６）の虚像倍率ｍの２乗分だけ小さくして、しかも、その小さくした非点収差を、偏光ビームスピリッタ（５２，５３，５４）の偏光分離ミラー８４で発生する非点収差により打ち消し合う様に構成する場合等について述べた。
【０１４３】
次に述べるのは、上記実施の形態とは異なり、第２レンズ群を備えず、色合成光学系で発生する非点収差を偏光分離ミラー８４で発生する非点収差により打ち消し合う様に構成する場合の具体例である。
【０１４４】
即ち、この場合、上記（数４２）において、ｍs＝１とした場合に相当する。従って、第２レンズ群の虚像倍率がｍs＝０．６８６となる上記実施の形態においては、ｔ2／ｔ1＝０．６６８が導き出されたが、ここでは、（数４２）はｔ2／ｔ1＝０．６６８／０．６８６2＝１．４１９の値となる。
【０１４５】
このことから、ｔ1＝２．０ｍｍとすると、ｔ2＝２．８３９ｍｍとなるので、この場合、偏光ビームスプリッタの偏光分離基板の厚さは、２．８４ｍｍとすればよい。
【０１４６】
以下に、図３に示した構成の中で、照明光学系の構成について図８を参照して説明する。図３の構成図では図示していないが、光源４１からの放射光が反射型ライトバルブ５５，５６，５７を照明するまでの光路中には図８のようにリレーレンズ１０５，１０６を配置するとよい。反射型ライトバルブ１０７は図３に示した反射型ライトバルブ５５，５６，５７と同じものである。第１のリレーレンズ１０５と第２のリレーレンズ１０６との間には図３に示したダイクロイックミラー４３，４４，４５で構成される色分解光学系、前置偏光子４６，４７，４８、平面ミラー４９，５０，５１が配置され、第２のリレーレンズ１０６と反射型ライトバルブ１０８の間には偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４が配置される。光源４１はランプ１０１と楕円面鏡１０２とで構成され、ランプ１０１はキセノンランプであり、３原色の色成分を含む光を放射する。楕円面鏡１０２はガラス製であり、反射面にアルミニウム薄膜層がコーティングされてある。なお、光反射面には赤外光を透過させ可視光を反射する多層膜を蒸着したものであってもよい。
【０１４７】
ランプ１０１の放射光は楕円鏡１０２で反射され、コールドミラー１０３によって赤外光が除去されて楕円面鏡１０２の第２焦点１０４に集光する。第２焦点１０４を通過した後、発散光となった光は第１のリレーレンズ１０４によって平行に近い光に変換される。誘電体多層膜を用いたダイクッロイックミラーは光線の入射角依存性によって分光性能が変化する特性を持つので、ダイクロイックミラーを通過する光はできるだけ平行光であることが望ましい。平行に近い光は第２のリレーレンズ１０６によって再び集光され反射型ライトバルブ１０７を照明する。リレーレンズ１０５，１０６は楕円面鏡１０２の第２焦点１０３に結像されたランプ１０１の像を反射型ライトバルブ１０７の有効表示用域に対応する拡大倍率で効率よく照明する役割を有する。
【０１４８】
なお、図８では第１のリレーレンズ１０５を２枚構成としているが１枚、または３枚以上であってもよい。また、第２のリレーレンズ１０６は、図３に示した色分解光学系と前置偏光子４６，４７，４８の間、または前置偏光子４６，４７，４８と偏光ビームスプリッタに導く平面ミラー４９，５０，５１の間に配置しても良い。さらに、本実施の形態では、ランプ１０１にキセノンランプを用いたが、他にメタルハライドランプやハロゲンランプなどを用いてもよい。
【０１４９】
以下に、前置偏光子４６，４７，４８の詳細な構成を図９を参照して説明する。
【０１５０】
枠体１１１の内側にはＶ字状の溝が形成され、その溝に偏光選択性ミラー１１４，１１５の端部を挿入し、それぞれの断面がＶ字状になるように配置している。枠体１１１、ガラス基板からなる入射窓１１２と出射窓１１３、偏光分離ミラー１１４，１１５で構成される容器の空間には液体１１６が充填されている。液体材料、及び偏光分離ミラー１１４，１１５の多層膜構成は、図４に示した偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４のものと同じものを用いている。
【０１５１】
図９に示すように、前置偏光子４６，４７，４８に垂直に入射する自然光１１７はそれぞれ入射窓１１２、液体１１６を透過して偏光分離ミラー１１４へ５５．６°の角度で入射する。偏光分離ミラー１１４により、自然光１１７はそれぞれＳ偏光成分１１８とＰ偏光成分１１９とに分離され、Ｐ偏光成分１１９は、液体１１６を透過後、出射窓１１３より出射し、Ｓ偏光成分１１８ｂは枠体１１１の内壁にそれぞれ入射する。
【０１５２】
前置偏光子４６，４７，４８のコンパクト性を確保するために、偏光分離ミラー１１４，１１５の枚数は２枚とし、光軸に対してＶ字状に対称に配置している。偏光分離ミラー１１４，１１５によって反射された不要となるＳ偏光成分は出射窓１１３側に進行しないように、Ｖ字の頂点は光源側に向けて配置するとよい。偏光分離ミラーが１枚の場合には、光軸方向の寸法が大きくなるだけでなく、前置偏光子に光が斜めに入射する場合に入射角依存性が非対称になり、この影響が投写画像に現われやすいという問題を生じる。また、３枚以上の偏光分離ミラーを用いてジクザグ状に配置してもよいが、奇数枚の場合、光軸に対して偏光分離ミラーの配置が非対称となるため、偶数枚の構成の方が好ましい。さらに、不要光となるＳ偏光成分が偏光分離ミラーによって反射された後、隣り合った偏光ビームスプリッタに入射し、多重反射光の一部が出射窓側に進行する場合がある。この不要偏光成分が図３に示した偏光ビームスプリタ５２，５３，５４、及び反射型ライトバルブ５５，５６，５７に到達すると投写画像のコントラスト性能を著しく劣化させる要因となる場合があるので注意を要する。このように、図９に示した構成の前置偏光子は、直線偏光に近い光を効率良く取り出せることがわかる。
【０１５３】
前置偏光子と偏光ビームスプリッタと配置関係は、前置偏光子から出射するＰ偏光が偏光ビームスプリッタではＳ偏光として反射されるように配置する。一般に、入射光は光軸を中心に、ある角度範囲に広がっており、入射する光の波長も単一波長ではないことから、Ｓ偏光の反射率は上記入射光の使用条件でも偏光分離ミラーの誘電体多層膜の層数を増やすことで１００％に近づけることが比較的容易であるのに対し、Ｐ偏光の透過率を１００％に近づけることは困難である。従って、不要偏光成分をカットする必要がある前置偏光子ではＰ偏光を取り出すことが好ましい。偏光ビームスプリッタに入射する直線偏光を効率よく反射型ライトバルブ側へ導き、また、黒表示の場合には反射型ライトバルブから反射された読み出し光を偏光ビームスプリッタでカットする必要があるために、偏光ビームスプリッタに入射する偏光成分はＳ偏光であることが好ましい。こうすることにより、高コントラストの投写画像を表示できる。
【０１５４】
図３に示した本発明の投写型表示装置は、第２レンズ群６４，６５，６６を用いているので投写光学系がコンパクトでありながら偏光ビームスプリッタ５２，５３，５４中の通過する光のテレセントリック性が良好という性能を有する。従って、偏光ビームスプリッタの偏光分離面に入射する主光線は、ほぼ投写光学系の光軸とほぼ平行であり、偏光分離面への光線入射角依存性による偏光分離性能の劣化がほとんど発生しない。従って、偏光分離性能の劣化によって生じる投写画像のコントラスト低下や不均一性の問題がない、高画質な投写画像を表示できる。
【０１５５】
また、図３に示した構成は、投写レンズが実質的に１本であるので、カラーシェーディングは発生しない。また、光源４１から各反射型ライトバルブ５５，５６，５７までの照明光路長が３色で等しく、また各反射型ライトバルブ５５，５６，５７の画面中心が投写レンズの光軸上に位置するので、色むらの発生は少ない。
【０１５６】
本実施の形態では、ＣＲＴ画面の水平方向にそれぞれ３つのＣＲＴ、書き込みレンズ、反射型ライトバルブ、偏光ビームスプリッタ、第２レンズ群を配列する構成としたが、ＣＲＴ画面の垂直方向に配列してもよい。
【０１５７】
また、本実施の形態では画像源としてＣＲＴを用いたが、例えば透過型のＴＦＴ液晶パネルを用い、後方からメタルハライドランプなどの光源で照明するようにし、液晶パネル上に映像信号に応じて形成された光学像を書き込みレンズにより反射型ライトバルブの光導電層上に結像させる構成としてもよい。また、書き込み光学系も、書き込みレンズの他にイメージガイドとして用いられる光フィアバーなどを用いてもよい。
【０１５８】
以下に、本発明の他の実施の形態について説明する。
【０１５９】
図１０は、図３に示した投写型表示装置の中で色合成光学系の構成のみが異なる場合の投写光学系の構成図である。
【０１６０】
色合成光学系は、平面ミラー１３０，１３３、ダイクロイックミラー１３１、１３２により構成される。
【０１６１】
反射型ライトバルブ１２１からの光は、偏光ビームスプリッタ１２４、第２レンズ群１２７を透過後、２枚のダイクロイックミラー１３１，１３２を透過して第１レンズ群１３４に入射する。また、反射型ライトバルブ１２２からの光は、偏光ビームスプリッタ１２５、第２レンズ群１２８を透過後、表面鏡に平行平面の透明板を接合した平面ミラー１３０とダイクロイックミラー１３１によって反射され、ダイクロイックミラー１３２を透過して第１レンズ群１３４に入射する。さらに、反射型ライトバルブ１２３からの光は、偏光ビームスプリッタ１２６、第２レンズ群１２９を透過後、表面鏡の平面ミラー１３３とダイクロイックミラー１３２の裏面で反射されて第１レンズ群１３４に入射する。
【０１６２】
平面ミラー１３０，１３３の反射面、ダイクロイックミラー１３１，１３２の色合成面は、投写光学系の光軸に対していずれも４５°傾けて配置している。また、ダイクロイックミラー１３１，１３２の基板、および平面ミラー１３０の反射面と接合している透明板はいずれも図３に示した各種基板のものと同じものを用いている。
【０１６３】
図１０に示す投写光学系の色合成光学系は、平面ミラー１３０とダイクロイックミラー１３２の反射面を事実上裏面反射とすることにより、３つの反射型ライトバルブ１２１，１２２，１２３からそれぞれ出射する光の非点収差補正の条件を同一にしている。
【０１６４】
（数４０）の条件式と、ダイクロイックミラー１３１、１３２の反射面の面精度を考慮し、偏光ビームスプリッタ１２４，１２５，１２６の偏光分離ミラーの基板厚ｔ2は２ｍｍ、平面ミラー１３０の反射面と接合している透明板の基板厚は０．７５ｍｍ、ダイクロイックミラー１３１，１３２の基板厚はそれぞれ１．５ｍｍとし、色合成光学系における各色毎の平行平面板の総板厚ｔ1はいずれも３．０ｍｍとなるようにしている。
【０１６５】
この場合、（数４１）の基板厚ｔ1、ｔ2はそれぞれ次式で表した値となる。
【０１６６】
【数４３】
【数４４】
ただし、ｉは色合成光学系の平行平面板を透過する枚数、ｊは色合成光学系で発生する非点収差を補正するために設けられた平行平面の枚数である。裏面反射の場合は１回の反射につき２枚の平行平面板を透過するものと考える。
【０１６９】
図１０に示した実施の形態は、反射型ライトバルブ１２１，１２２，１２３からのそれぞれの光路について、ｊはいずれも１であるが、ｉについては反射型ライトバルブ１２１からの光路が２、反射型ライトバルブ１２２からの光路が３、反射型ライトバルブ１２３からの光路が２となる。
【０１７０】
このように、図１０に示した実施の形態では光線が複数の平行平面板を透過する場合、及び２回透過する場合と同じ条件となる裏面反射を用いる場合で色合成光学系を構成しているが、非点収差補正の考え方、および補正条件の基本式である（数４０）はそのまま応用できる。
【０１７１】
以上の実施の形態ではライトバルブとして光導電層に書き込まれた画像に応じて読み出し光の偏光状態を液晶層で変調する反射型ライトバルブを用いたが、他の方式の液晶パネルや電気光学結晶を用いるものなど、複屈折性の変化として光学像を形成する反射型のものであればライトバルブとして用いることができる。
【０１７２】
また、本発明の非点収差補正の考え方、及び方法は、透過型のライトバルブの場合や、光変調方式として、散乱、回折、または光偏向方式のライトバルブなど、光学的特性の変化として光学像を形成するものであればすべて応用できる。
【０１７３】
以下、本発明の参考例として、透過型のライトバルブを用いて構成した投写型装置の一実施の形態を図１１を用いて説明する。
【０１７４】
透過型ライトバルブ１５０、１５１、１５２は、ツイスト・ネマティック液晶を光変調材料として用いたＴＦＴ液晶セルと、その前後に偏光子、検光子として用いる偏光板を配置したものである。
【０１７５】
光源１４１から放射される光は、紫外光と赤外光を吸収、または反射し、可視光のみを透過するＵＶ−ＩＲカットフィルタ１４２と平面ミラー１４３を経て、ダイクロイックミラー１４４，１４５と平面ミラー１４６で構成される色分解光学系によって、赤、緑、青の３原色光に分解される。３原色光は、それぞれ対応するフィールドレンズ１４７，１４８，１４９、透過型ライトバルブ１５０，１５１，１５２に順次入射する。
【０１７６】
色合成光学系は、平面ミラー１５３、及びダイクロイックミラー１５４，１５５により構成される。投写レンズは、正パワーを有する第２レンズ群１５６，１５７と第１レンズ群１５８により構成される。また、平面ミラー１５３の反射面、及びダイクロイックミラー１５４，１５５の色合成面は、いずれも投写レンズの光軸に対して４５°に傾けて配置している。
【０１７７】
ライトバルブ１５０，１５１，１５２からの出射光は、色合成光学系によって１つに合成され、投写レンズによってスクリーン上に拡大投写される。
【０１７８】
先述したように、色合成光学系を構成する平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５４，１５５の光反射面は高い面精度が要求され、面精度は基板厚に大きく左右される。特に、この面精度は反射面の位置が投写レンズの主点に近いほど、投写画像の解像度に及ぼす影響が大きくなる。即ち、平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５４に比べてダイクロイックミラー１５５の光反射面の面精度の条件が厳しくなる。
【０１７９】
そこで、図１１に示す構成は、第１レンズ群１５８とは離れた位置にある第２レンズ群１５６，１５７をそれぞれ平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５４とダイクロイックミラー１５５との間に配置している。こうすることにより、（数３６）からわかるように、ライトバルブ１５０，１５１，１５２側で見たダイクロイックミラー１５５で発生する非点隔差は、第２レンズ群１５６が無い場合と比べて、正パワーを有する第２レンズ群による虚像倍率の２乗分だけ小さくすることができる。従って、ダイクロイックーミラー１５５の基板厚は、第２レンズ群１５６が無い場合よりも厚くすることができ、非点収差を大きくすることなくダイクロイックミラー１５５の反射面を高い面精度とすることができる。
【０１８０】
図１１に示した実施の形態は、色合成光学系で発生する非点収差を投写光学系の近軸上で完全に補正するものではないが、本発明の光学装置の非点収差の考え方は同じであり、第２レンズ群１５６を用いる効果は大きい。
【０１８１】
尚、第２レンズ群１５７を通過する光路では、ライトバルブ１５２を出射する光が平面ミラー１５３、ダイクロイックミラー１５５によって反射されるのみなので、非点収差を発生させる要因がない。従って、第２レンズ群１５７は非点収差を低減すると言う効果は発揮しない。しかし、第１レンズ群１５８と、第２レンズ群１５６、１５７は、一体で結像性能を有するレンズ系であるため、結像性能上第２レンズ群１５７は必要である。
【０１８２】
又、図１１の構成においても、ライトバルブ１５０，１５１，１５２から第１レンズ群１５８までの間に、平行平面の法線と投写レンズの光軸とを含む平面と、ダイクロイックミラー１５４，１５５の色合成面の法線と投写レンズの光軸とを含む平面が互いに直交するような透明板を配置する空間を設けて、非点収差を補正してもよい。
【０１８３】
以上、図１１に示した参考例では、透過型のライトバルブを用いたが、色合成光学系を有する投写光学系を用いるものであれば、反射型のライトバルブを用いた場合でも同様の効果が得られる。
【０１８４】
以上のように本発明によれば、色合成光学系で発生する非点収差を良好に補正することができ、しかも投写光学系をコンパクトに構成できる。従って、本発明の光学装置を投写型表示装置に用いることにより、色合成光学系を有し、１つの投写レンズで構成した投写光学系の場合でも、非常に高い解像度の投写画像を表示でき大きな効果がある。
【０１８５】
尚、上記実施の形態では、フルカラーの投写画像を得るために、ライトバルブを赤用、緑用、青用として３つ用いる投写型表示装置等あるいは、その様な装置に利用する光学補正方法について説明したが、これに限らず例えば、単色光の光学像を形成して出力する光学装置あるいは、この様な光学装置に利用する光学補正方法であってもよい。
【０１８６】
又、上記実施の形態では、本発明の第２レンズ手段としての第２レンズ群と、本発明の偏光分離手段の透明基板としての偏光分離ミラーとを備え、本発明の平面板部材としての、色合成光学系のダイクロイックミラーなどで発生する非点収差を小さくして（あるいは、非点収差を大きくすることなく、ダイクロイックミラーの面精度を上げて）、しかも、その非点収差を打ち消し合う様に補正する場合の投写型表示装置あるいは、その様な装置に利用する光学補正方法について説明した。一方、本発明の参考例としては、例えば、偏光分離手段の透明基板を備えず、第２レンズ手段を備えた構成の装置や、この様な構成の装置に利用する光学補正方法でもよい。この場合、上述した（数３６）からわかる様に、例えば、図３に示した色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、第２レンズ群（６４，６５，６６）の虚像倍率ｍの２乗分だけ小さく出来ると言う効果を発揮する。あるいはこれとは別の効果として、非点収差を大きくすることなく、ダイクロイックーミラーの基板厚を、第２レンズ群が無いとした場合に比べて、より一層厚くすることができるので、ダイクロイックミラーの反射面を高い面精度に出来ると言う効果も有している。
【０１８７】
又、上記実施の形態では、本発明の偏光分離手段が、偏光選択特性を有する膜が形成された、所定厚みの透明基板を有している場合について説明した。一方、本発明の参考例としては、これに限らず例えば、偏光分離手段は、偏光選択特性を有する薄膜を備え、その薄膜の両側をプリズム状の部材により保持した構成であってももちろよい。この場合でも、例えば、図３に示した色合成光学系の透明板６７、ダイクロイックミラー６８、６９で発生する非点収差を、第２レンズ群（６４，６５，６６）の虚像倍率ｍの２乗分だけ小さく出来ると言う効果を発揮する。
【０１８８】
本発明の光学補正方法による光学装置の利点は以上明らかなように、色合成光学系で発生する非点収差を良好に補正することができ、しかも投写光学系をコンパクトに構成できることである。従って、本発明の光学装置を用いた投写型表示装置は色合成光学系を有する１つの投写レンズで構成した場合でも、非常に高い解像度の投写画像を表示できる。
【０１８９】
【発明の効果】
以上述べたところから明らかなように本発明は、非点収差を従来に比べてより一層良好に補正することができると言う長所を有する。又、本発明は、従来に比べてより一層高解像度の投写画像を表示できると言う長所を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態における非点収差を説明する概略図
【図２】（ａ）：本実施の形態における、互いに入射面が直交する２つの平行平面の透明板Ｐ１、Ｐ２を配置した非点収差補正方法を説明する概略構成図
（ｂ）：本実施の形態における、第１レンズ群Ｌ１と、色合成光学系のダイクロイックミラーとなる平行平面の透明板Ｐ１と、第２レンズ群Ｌ２と、透明板Ｐ１で発生する非点収差を補正するような平行平面の透明板Ｐ２と、ライトバルブＬＶとを配置した構成により、非点収差補正方法を説明する概略構成図
【図３】本発明の投写型表示装置の一実施の形態の構成を示す斜視図
【図４】本実施の形態の偏光ビームスプリッタの構成を示す断面図
【図５】（ａ）：本実施の形態における、屈折率差を有する境界平面Ａに収束光が斜めに入射する場合の、非点収差の原理を説明する説明図
（ｂ）：本実施の形態における、平行平面の透明板Ｐが光軸に対して斜めに配置されている場合の、非点収差の原理を説明する説明図
【図６】本発明の光学装置の一実施の形態の投写光学系の概略構成図
【図７】本実施の形態における、非点隔差量を説明する説明図
【図８】本発明の光学装置の一実施の形態の照明光学系の概略構成図
【図９】本発明の光学装置の一実施の形態の前置偏光子の構成を示す断面図
【図１０】本発明の他の実施の形態における光学装置の投写光学系の概略構成図
【図１１】 本発明の参考例における光学装置の概略構成図
【図１２】反射型ライトバルブの基本構成を示す概略断面図
【図１３】従来の光学装置の構成例を示す斜視図
【符号の説明】
４１ 光源
４３，４４，４５，６８，６９ ダイクロイックミラー
４６，４７，４８ 前置偏向子
４９，５０，５１，７０ 平面ミラー
５２，５３，５４，９２ 偏光ビームスプリッタ
５５，５６，５７，９１ 反射型ライトバルブ
５８，５９，６０ ＣＲＴ
６１，６２，６３ 書き込みレンズ
Ｌ２，６４，６５，６６，９３ 第２レンズ群
Ｐ，Ｐ１，Ｐ２，６７，９４，９５，９６ 透明板
Ｌ１，７１，９７ 第１レンズ群
Claims (9)
- 光学像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段の光軸上前方に配置された第１のレンズ手段と、
前記画像形成手段と前記第１のレンズ手段との間に配置され、正パワーを有する第２のレンズ手段と、
前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段との間に配置され、色合成手段を構成し、前記光学像を透過する第１の平面板部材と、
前記第２のレンズ手段と前記画像形成手段との間に配置され、偏光分離性能を有し、前記光学像を透過する第２の平面板部材とを備え、
前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段とは、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、
第２の平面板部材は、片面に偏光選択特性を有する薄膜が設けられ、偏光分離性能を有する所定厚みの透明基板であって、
前記第１及び第２の平面板部材は、前記第１及び前記第２のレンズ手段のなす光軸に対して斜めに配置されており、
前記第１の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面と、前記第２の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面とが互いに直交しており、
前記第１の平面板部材の板厚ｔ１と第２の平面板部材の板厚ｔ２との関係は、以下の式を満足することを特徴とする光学装置。
- 前記第１の平面板部材の板厚は、１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
- 前記第１及び第２の平面板部材が、それぞれ複数個設けられている場合、前記板厚ｔ１及び前記板厚ｔ２は、以下の式で表されることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
- 前記画像形成手段は、光の偏光方向を変調する反射型のライトバルブであることを特徴とする請求項１記載の光学装置。
- 光学像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段の光軸上前方に配置された第１のレンズ手段と、前記画像形成手段と前記第１のレンズ手段との間に配置され、正パワーを有する第２のレンズ手段と、前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段との間に配置され、色合成手段を構成し、前記光学像を透過する第１の平面板部材と、前記第２のレンズ手段と前記画像形成手段との間に配置され、偏光分離性能を有し、前記光学像を透過する第２の平面板部材とを備え、前記第１のレンズ手段と前記第２のレンズ手段とが、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、第２の平面板部材は、片面に偏光選択特性を有する薄膜が設けられ、偏光分離性能を有する所定厚みの透明基板であって、前記第１及び第２の平面板部材は、前記第１及び前記第２のレンズ手段のなす光軸に対して斜めに配置されている光学装置の光学補正方法であって、
前記第１の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面と、前記第２の平面板部材の平面に対する法線と前記第１及び第２のレンズ手段の光軸とを含む平面とを互いに直交させ、前記第１の平面板部材と前記第２の平面板部材とにより生じる非点収差が、互いに補正するように、前記第１の平面板部材の板厚ｔ１と前記第２の平面板部材の板厚ｔ２との関係を、以下の式を満足するように調整することを特徴とする光学補正方法。
- 前記第１及び第２の平面板部材が、それぞれ複数個設けられている場合、前記板厚ｔ１及び前記板厚ｔ２は、以下の式で表されることを特徴とする請求項５記載の光学補正方法。
- ３原色の色成分を含む光を放射する光源と、
前記光源の放射光を３つの原色光に分解する色分解手段と、
前記色分解手段の３つの出力光のそれぞれが個別的に入射する３つの前置偏光子と、
複屈折性の変化として光学像を形成する複数の画像形成手段と、
前記画像形成手段毎に設けられた、偏波面が互いに直交する偏光成分を分離する偏光分離手段と、
それら各偏光分離手段毎に設けられた、その偏光分離手段からの光を透過させる、正パワーを有する第２レンズと、
前記各偏光分離手段からの光を１つに合成する色合成手段と、
前記色合成手段からの出射光を入射して出射する第１レンズとを備え、
前記各偏光分離手段は、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の、前記光学像を透過する透明基板を有し、その透明基板上には偏光選択性を有する誘電体多層膜が形成されており、
前記色合成手段は、前記３つの原色光のうち２つの光については、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の、透明基板上に波長選択性を有する誘電体多層膜を形成した、前記２つの光をそれぞれ透過するダイクロイックミラーを含んで構成されたものであり、前記３つの原色光のうち残りの１つの光については、前記第１レンズの光軸に対して斜めに配置された平行平面の透明基板の両面に反射防止処理を施した、前記残りの１つの光を透過する光学補正板を含んで構成されたものであり、
前記各第１のレンズと前記各第２のレンズとは、前記画像形成手段上の前記光学像をスクリーン上に拡大投写するように組み合わされており、
前記３つの原色光のうち前記２つの光についての前記色合成手段の前記各ダイクロイックミラーの誘電体多層膜形成面の法線又は前記３つの原色光のうち前記残りの１つの光についての前記色合成手段の前記光学補正板の反射防止面の法線と前記第１レンズ及び第２レンズの光軸とを含む平面と、前記各偏光分離手段の誘電体多層膜形成面の法線と前記第１レンズ及び第２レンズの光軸とを含む平面とが互いに直交しており、
前記３つの原色光のうち前記２つの光についての前記色合成手段の前記ダイクロイックミラーの板厚であって、前記３つの原色光のうち前記残りの１つの光についての前記色合成手段の前記光学補正板の板厚である板厚ｔ１と、前記３つの原色光に対応する前記偏光分離手段の前記透明基板の板厚ｔ２とは、以下の条件を満足することを特徴とする投写型表示装置。
- 前記偏光分離手段は、前記偏光選択性を有する誘電体多層膜が形成された透明基板の屈折率とは異なる屈折率を有する液体または固体と、前記透明基板の両面とを密着させて全体としてプリズム状をなしたものであることを特徴とする請求項７記載の投写型表示装置。
- 前記ダイクロイックミラー及び前記光学補正板の板厚は、１．５ｍｍ以上３．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項７記載の投写型表示装置。
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