JP4040484B2 - 偏光分離光学系、投射型表示光学系、投射型画像表示装置および画像表示システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光分離膜を用いて光を導き、画像表示素子に表示された原画の像を拡大投射する投射型画像表示装置に用いられる偏光分離光学系、投射型表示光学系に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
大画面の画像を投射表示する投射型画像表示装置として、反射型液晶表示素子を用いたものがある。この投射型画像表示装置は、反射型液晶表示素子に入射した光(照明光)を反射型液晶表示素子に表示された原画に応じて変調するとともに反射させ、この変調および反射された光(画像光)を投射光学系によってスクリーン上に拡大投射するものである。
【0003】
このような投射型画像表示装置において、照明光を反射型液晶表示素子に導き、さらに反射型液晶表示素子で反射した画像光を投射光学系に導くために偏光ビームスプリッターが使われる場合がある。
【0004】
ここで、偏光ビームスプリッターは、特定の偏光成分の照明光を作成する偏光子としての作用と、特定の偏光成分の画像光を作成する検光子としての作用とを併せ持つものである。
【0005】
偏光ビームスプリッターを用いた投射型画像表示装置の光学系としては、特許文献1にて開示されているものがある。この公報にて開示の光学系は、本願図31に示すように、偏光ビームスプリッター101と反射型液晶表示素子102との間に1/4波長板103を配置し、偏光ビームスプリッター101の偏光分離膜104で反射した後の偏光方向113が、図31中のX軸方向に対して傾いてしまう光線111に対して、1/4波長板103の進相軸105をX軸方向105に設け、光線111が1/4波長板103を往復で2回通過することにより、X軸に対して傾いた偏光方向113をX軸に対して反転させ、光線112における偏光分離膜104のS偏光の方向114と一致させるものである。
【0006】
【特許文献1】
特公平7−38050号公報
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、投射画像の明るさをより明るくしようとすると、照明系のFナンバーを明るくする、すなわち偏光ビームスプリッターに入射する光の角度を大きくする必要があるが、これによって偏光ビームスプリッターにおける検光性能が低下してしまうおそれがある。
【0008】
ここで、照明系のFナンバー(Fno)とは、反射型液晶表示素子上の任意の1点に集光する照明光束の収束角ψに関連し、
Fno=1/(2tanψ)
と定義される。
【0009】
図21を用いて、照明系のFnoを明るく(小さく)したときの問題点を説明する。
【0010】
図31に示した従来の光学系においては、偏光ビームスプリッター101に入射する光線は、偏光ビームスプリッター101(偏光分離膜104)の中心を原点とする座標系において、XY平面に平行な光線のみを問題としている。しかし、実際の照明光束は、図21に示すように、Y軸(光軸)を中心として様々な方向から(Y軸に対して様々な角度をもって)偏光ビームスプリッター101に入射する。
【0011】
このとき、偏光ビームスプリッター101から射出する光束における偏光の傾きを光束内で表すと図22のようになる。yは偏光ビームスプリッターの入射面iにおいてYZ平面に平行な方向から入射する光線で、xは入射面iにおいてXY平面に平行な方向から入射する光線である。また、AはYZ平面に対して+45°傾いた平面に平行な方向から入射する光線で、BはYZ平面に対して−45°傾いた平面に平行な方向から入射する光線である。以後、AおよびBの方向を照明光束における対角方向と呼ぶ。
【0012】
図22に示すように、y方向以外の光線は、それぞれの光線の偏光分離膜104におけるS偏光方向に応じて全てx方向に対して偏光方向が傾いた偏光状態となる。また、同じA方向でも偏光分離膜に対する入射角度が異なる光線a1,a2は、以下の式で示すように、偏光の傾き角γa1,γa2が異なっている(B方向からの入射光線b1,b2の偏光傾き角γb1,γb2も同様である)。
【0013】
γa1=−γb1≠γa2
γa2=−γb2≠γa1
図23には、光線a1において偏光ビームスプリッター101を射出した偏光状態をp1とし、1/4波長板103を往復で通過したあとの偏光状態をp2として示す。
【0014】
偏光状態p1とp2の偏光方向は、1/4波長板103の作用によりx軸に対して反転した関係である。ここでa1の光線は反射型液晶表示素子102で反射するために、再度、偏光ビームスプリッター101に入射するときには偏光ビームスプリッター101を射出するa2の光路と同じ光路を逆の順で進む光となる。
【0015】
このときの偏光分離膜104におけるS偏光方向は、図22における光線a2の偏光の傾き方向であり、この方向を図23において点線で表している。
【0016】
図23から分かるように、1/4波長板103で変換された偏光方向p2と偏光分離膜104におけるS偏光方向にはズレΔが生じ、仮に偏光分離膜104の偏光分離性能が理想的であっても、照明光束の対角方向(AまたはBの方向)の光線については完全に検光されないことになる。
【0017】
この偏光方向のズレΔは、図21での偏光ビームスプリッター101の入射面iにおいてY軸(照明光束の光軸)に対する角度ψが大きいほど、つまり照明系のFnoが明るいほど顕著となる。そして、これにより、偏光ビームスプリッター101における漏れ光が増大し、投射画像の明るさを明るくしようとすると、コントラストがさらに低下することになってしまう。
【0018】
このとき、漏れ光の偏光方向は、偏光分離膜においてS偏光成分が取り除かれるために、図24に示すような偏光分離膜におけるP偏光成分m1である。偏光ビームスプリッターの特性を補うために、偏光ビームスプリッター101の射出側にYZ平面の方向に透過軸を有する偏光板などの検光素子を追加することができるが、漏れ光(P偏光成分)m1の振動方向はほぼ偏光板105の透過軸とほぼ同じ方向(y方向)であるので、偏光板でカットしたとしても、図25に示すように、ほとんどの漏れ光m2が残存することになる。したがって、ここで説明した漏れ光は、偏光ビームスプリッターを射出してしまうと必ずスクリーンまで到達してしまう。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系において、P偏光とS偏光の偏光分離膜における位相差をδとするとき、
120°≦|δ|≦180° …(1)
なる条件を満足するようにしている。
【0020】
また、偏光分離膜は、この偏光分離膜に、該偏光分離膜の法線に対して角度θをもって入射する光に対して、偏光分離膜におけるP偏光の反射率をRpとするときに、
Rp>0% …(2)
となるようにしてもよい。
【0021】
但し、上記入射角度θは、照明光学系から偏光分離膜に至る光軸と偏光分離膜の法線とのなす角をα、照明光学系から偏光分離膜に至る光軸に対する偏光分離膜への光束の最大入射角度をψとするとき、
α−ψ≦θ≦α+ψ …(3)
である。
【0022】
【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に搭載される投射型表示光学系の構成を示している。
【0023】
図中の1は連続スペクトルで白色光を発光する光源で、超高圧水銀ランプ等が用いられる。2は光源1からの光を所定の方向に集光し略平行光とするリフレクターであり、放物面形状(楕円面形状でもよい)の反射面を有する。
【0024】
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アレイで、3bは第1のフライアイレンズアレイ3aの個々のレンズに対応したレンズアレイを有した第2のフライレンズアレイである。
【0025】
4は光源1からの無偏光光を特定の偏光光(本実施形態では、S偏光)に揃える偏光変換素子である。5は偏光変換素子4からの光束を集光するコンデンサーレンズである。
【0026】
6はP偏光を透過し、S偏光を反射する偏光分離膜を有した偏光ビームスプリッターである。
【0027】
7は原画を表示し、入射した光(照明光)を反射するとともに原画に応じて照明光を変調する反射型液晶表示素子である。
【0028】
ここで、液晶表示素子7には、駆動回路20が接続されており、駆動回路20には、パーソナルコンピュータ、ビデオ、テレビ、DVDプレーヤ等の画像情報供給装置30からの画像情報が供給される。駆動回路20は、供給された画像情報に基づいて液晶表示素子7に原画を表示させるための信号を出力する。
【0029】
8は1/4波長板で、偏光ビームスプリッター6と液晶表示素子7との間に配置されている。
【0030】
9は偏光ビームスプリッター6を射出した画像光のうち特定の偏光状態の光を透過する偏光板であり、10は偏光板9を透過した画像光を不図示のスクリーンに投射する投射レンズである。
【0031】
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。ここでリフレクター2は放物面形状をなしており、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。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、集光する光束には平行でない光の成分も多く含まれている。
【0032】
この集光光束は、第1のフライアイレンズアレイ3aに入射する。第1のフライアイレンズアレイ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部分に分割、集光され、第2のフライアイレンズアレイ3bを経て、マトリックス状に複数の光源像を偏光変換素子4の近傍に形成する。
【0033】
偏光変換素子4は、偏光分離膜と反射面と1/2波長板からなり、マトリックス状に集光した複数の光束部分はそのマトリクス位置に対応した偏光分離膜に入射し、透過するP偏光成分の光と反射するS偏光成分の光とに分割される。偏光分離膜で反射した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射出する。一方、偏光分離膜を透過したP偏光成分の光は1/2波長板を透過し、S偏光成分と同じ偏光成分に変換される。これにより、偏光変換素子4から射出する光束はすべて偏光方向が揃っている。
【0034】
偏光変換素子4から射出した光束は発散光束としてコンデンサーレンズ5に入射し、コンデンサーレンズ5で集光される。コンデンサーレンズ5から射出した光束は、偏光ビームスプリッター6に対してS偏光として入射し、偏光分離膜6aで反射され、1/4波長板8を介して液晶表示素子7へと至る。液晶表示素子7において照明光が変調されて反射される。
【0035】
変調された反射光(画像光)のうちS偏光成分は再び偏光分離膜6aで反射し、光源側に戻されて投射光から除去される。
【0036】
一方、変調された画像光のうちP偏光成分は偏光分離膜6aを透過して、偏光ビームスプリッター6から射出し、投射レンズ10によって不図示のスクリーンに投射される。
【0037】
ここで、偏光ビームスプリッター6の偏光分離膜6aは、理想的な特性(S偏光反射率 Rs=100%、P偏光反射率 Rp=0%)を持たないので、変調された画像光のうち特定角度(図1では、偏光分離膜6aの法線方向に対して45°)からずれた角度で偏光分離膜6aに入射したS偏光も透過してしまう。
【0038】
このため、本実施形態では、偏光ビームスプリッター6と投射レンズ10の間に偏光板9を設け、偏光ビームスプリッター6で検光しきれなかった漏れ光をカットしている。
【0039】
ここで、照明系のFナンバー(Fno)は、液晶表示素子7に集光する照明光束の収束角(偏光分離膜6aへの入射光束の光軸Lに対する最大入射角度)ψで定義することができ、本実施形態において、第2のフライアイレンズアレイ3bの外形形状を図2に示すように設定して、その有効範囲を、
a=42mm,b=39mm
とし、コンデンサーレンズ5の合成焦点距離fcを、
fc=95.8mm
と設定することにより、照明系のFnoは、
【0040】
【数1】
【0041】
照明系のFno=fc/l=2.33
となる。
【0042】
このときの照明光束の収束角度ψは、
ψ=tan-1(Fno/2)=12.1度
である。
【0043】
以下、照明光束の対角方向(図22に示したA,Bの方向)の偏光状態を計算する方法を説明する。
【0044】
偏光ビームスプリッターの入射面(光軸L〈Y軸〉に直交する面)において、上記対角方向から入射する光線の光路を図3に表す。対角方向を表す方位をφ、入射する角度をψとする。このとき、入射光線の偏光方向は、X軸に平行な方向である。
【0045】
偏光分離膜6aにおけるP偏光成分は、入射光線Riと反射後の射出光線Roでできる平面Pに平行で、S偏光成分は平面Pに垂直である。
【0046】
ここで、図17を用いて面と偏光方向について説明する。図17において、図3と同じものには同じ符号を付している。
【0047】
入射光線Riと射出光線Roを含む平面Pは太実線で表している。この平面Pは偏光分離膜6a上の反射点Uにおける偏光分離膜6aの法線nを含んでいる。
【0048】
YZ面に平行で、かつ法線nを含む平面をQとすると、入射光線Riの偏光方向は平面Qに垂直な方向(X軸に平行な方向)である。反射点Uにおいて平面Qに垂直な方向をTと表す。Tの方向は偏光分離膜6aの面内に含まれるので、光線の反射における偏光方向と考えることができる。
【0049】
次に、偏光分離膜6aにおいて、平面Pに垂直な方向がS偏光方向であるので、反射点Uにおいて平面Pに垂直な方向をSとする。このとき、Tの方向が光の偏光方向で、Sの方向が反射面のS偏光方向であるから、SとTのなす角εiが偏光分離膜6aにおける偏光の傾きを表している.
同様に、偏光ビームスプリッター6を射出した光線は、液晶表示素子7で反射して再び偏光ビームスプリッター6に入射し、偏光分離膜6aに至る。このときの偏光分離膜6aでのP偏光成分は、入射光線Ri’と反射後の射出光線Ro’でできる平面P’に平行で、S偏光成分は平面P’に垂直である。ここでも平面P’はYZ面に対して傾いているので、XY面に含まれる偏光方向は偏光分離膜6aのS偏光方向に対して傾いている。このときの偏光の傾き角をεoとする。
【0050】
これらの幾何学的な関係を踏まえて、偏光状態をジョーンズ行列を使って計算する。
【0051】
計算に使う偏光の座標系は、偏光分離膜6aに入射し、反射する光線に沿ってz軸を定義し、z軸に垂直でz軸とX軸からなる平面に平行な偏光成分をx成分、それに垂直な偏光成分をy成分とする。
【0052】
入射状態のジョーンズベクトルを、
【0053】
【数2】
【0054】
射出状態のジョーンズベクトルを、
【0055】
【数3】
【0056】
偏光分離膜6aでの作用をジョーンズマトリックスJm1とすると、
入射偏光状態は、
Jix=1,Jiy=0
であり、偏光分離面6aにおけるジョーンズマトリックスは、
【0057】
【数4】
【0058】
Ji11 =0
Ji12 =Rseiδ
Ji21=Rpe-iδ
Ji22=0
で、RpはP偏光成分の振幅反射率、RsはS偏光成分の振幅反射率、δはP偏光成分とS偏光成分の反射における位相差である(位相差が180°または−180°のとき位相差がない状態を表す)。
【0059】
これらより、射出状態の偏光状態は、
Jo=Jm1*Ji
として計算される。
【0060】
次に、光線は1/4波長板8によりx成分の位相が90°(π/2)遅れ、画像表示素子7における反射でx方向の位相が反転するので180°(π)遅れ、再び1/4波長板8によりx成分の位相が90°(π/2)遅れる。
【0061】
これをジョーンズマトリックスJm2で表すと、
Jm2=Jr*Jmr*Jr
Jrは1/4波長板8の作用を表し、
【0062】
【数5】
【0063】
Jr11=0
Jr12 =Rseiπ/2
Jr21 =Rpe-iπ/2
Jr22 =0
また、Jmrは反射の作用を表し、
【0064】
【数6】
【0065】
Jm11=0
Jm12=Rseiπ
Jm21 =Rpe-iπ
Jm22=0
となる。
【0066】
これにより、再度、偏光ビームスプリッター6に入射する偏光状態Ji’をジョーンズベクトルにより表すと、
【0067】
【数7】
【0068】
とするとき、
Ji’=Jr*Jmr*Jr*Jo
として計算される。
【0069】
再度、偏光ビームスプリッター6に入射するときには、式(4)と同様に、平面P’の傾き角εoを用いて、偏光分離膜6aの作用をJm2とすると、
【0070】
【数8】
【0071】
Ji11’=0
Ji12’=Tseiδ'
Ji21’=Tpe-iδ'
Ji22’=0
で、TpはP偏光成分の振幅透過率、TsはS偏光成分の振幅透過率、δ’はP偏光成分とS偏光成分の透過における位相差である。
【0072】
これより、偏光ビームスプリッター6を透過して射出する光線の偏光状態は、
Jo’=Jm2*Ji’
として計算される。
【0073】
最後に、検光のために設けられた偏光板は、
【0074】
【数9】
【0075】
と表せるので、漏れ光は、
【0076】
【数10】
【0077】
となり、Jox’が漏れ光量を表すことになる。
【0078】
前述したFno2.3の照明光束で、光束全角の約9割に当たる11度で入射する光線において、偏光ビームスプリッター6の屈折率を1.74とすると、偏光分離膜6aにおける偏光の傾きεiは−6°、εoは+2°となる。
【0079】
ここで、11度で偏光ビームスプリッター6に入射した光線は、実際の偏光ビームスプリッター6内では屈折によりY軸に対して6.3度傾き、偏光分離膜6aに入射する光線Riの法線nに対する入射角度θは40.6度である。
【0080】
S偏光の振幅反射率Rs=1とし、S偏光の振幅透過率Ts=0とし、P偏光の振幅透過率Tpを、P偏光の振幅反射率Rpを用いてTp=1−Rpとし、透過の位相差をδ‘=0とし、Rpとδをパラメーターとして漏れ光Jox’を計算した結果を図4に示す。
【0081】
図4において、Rp=0のときに偏光分離膜6aが理想的な特性となるが、これまで説明してきたように、偏光面分離膜6aの傾きがあるために所定の漏れ光が発生している(M)。
【0082】
これに対して、Rp>0のときは、位相差δにより漏れ光が変化し、δ=180°(−180°)において最小となり、かつ理想的な特性のときよりもさらに漏れ光量が少なくなる。さらに、Rpにより漏れ光が変化し、Rpが大きいほど漏れ光量が少なくなる。
【0083】
図4から、Rpが0よりも大きい場合であって、位相差δが120度よりも大きい(または−120度よりも小さい)とき、理想的な特性の偏光分離膜における漏れ光よりも漏れ光量が少なくなることが分かる。
【0084】
以上のことについて、図26〜図30を用いてさらに詳しく説明する。
【0085】
図26において、照明光として偏光分離膜6aに入射する光線の偏光方向p2をx軸とする。このときの偏光分離面におけるS偏光方向をS軸、P偏光方向をP軸とし、偏光分離膜が理想的な特性であると、偏光ビームスプリッター6を射出する光線の偏光方向poはS軸に沿った偏光方向である。
【0086】
これに対し、偏光分離膜6aの特性が、Rp>0%となるように設定すると、図27に示すように、反射光にはP偏光方向の偏光成分も含まれ、偏光ビームスプリッター6を射出する偏光方向po’は、S方向の偏光成分とP方向の偏光成分の合成の方向となる。
【0087】
この偏光po’を1/4波長板8の往復で反転した偏光方向porを、図28に示す。偏光方向porを先に図23に示した偏光ビームスプリッターでの検光に際しての偏光分離膜でのS偏光方向(図28で点線Sで示す)に近づけることができる。
【0088】
これにより、検光に際してのP偏光方向の成分が減少するので、偏光分離膜6aにおける漏れ光が減少することになる。
【0089】
ここで、偏光分離膜6aで反射するときP偏光とS偏光の位相差が180°(π)または−180°(−π)のときは、図28のように漏れ光が少なくなるような偏光状態になるが、偏光分離膜での位相差が90°(π/2)のときには図29のように、また位相差が0°のときには図30のようになり、再び偏光分離膜の検光に際してP偏光成分が発生するので、上記の範囲に位相差を設定するのが望ましい。
【0090】
このように、偏光分離膜6aに、特定の方向(偏光分離膜6aの法線に対して45°傾いた方向)に対してずれた方向から入射し、偏光分離膜6aで反射される偏光光の偏光の向き(楕円偏光のときは長軸の向き)が、偏光分離膜6aへの入射方向と偏光分離膜6aとの幾何学的な関係で決まるS偏光の向きよりも、偏光分離膜6aでの反射で偏光方向が変化しない方向から入射した光線におけるS偏光の向きに近づくように偏光分離膜6aを構成することにより、偏光ビームスプリッター6における漏れ光を減少させることができる。
【0091】
特に、偏光ビームスプリッター6の入射面(光軸Lに対して直交する面)又は射出面と偏光分離膜6aとのなす角度よりも小さい入射角度で、偏光分離膜6aに入射する光線において上記条件を満足するのが望ましい。
【0092】
なお、偏光ビームスプリッター6の入射面又は射出面と偏光分離膜6aとのなす角度を45°とするとき、偏光ビームスプリッター6は最もコンパクトになるのでよい。
【0093】
以下、偏光ビームスプリッター6における漏れ光を減少させる条件を満足する偏光分離膜の数値実施例を示す。
《数値実施例1》
表1には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例1を示す。
【0094】
【表1】
【0095】
図5には、この数値実施例1における入射角45°におけるP偏光、S偏光の反射率とFno2.3での対角方向でほぼ9割と7割に相当する光線の入射角である40.6°と41.6°(θに相当)におけるP偏光の反射率を示し、図6に入射角が40.6°と41.6°における偏光分離面でのP偏光とS偏光の位相差を示す。
《数値実施例2》
表2には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例2を示す。
【0096】
【表2】
【0097】
図7に、この数値実施例2における入射角45°におけるP偏光、S偏光の反射率とFno2.3での対角方向でほぼ9割と7割に相当する光線の入射角である40.6°と41.6°におけるP偏光の反射率を示す。また、図8に入射角が40.6°と41.6°における偏光分離面でのP偏光とS偏光の位相差を示す。
《数値実施例3》
表3には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例3を示す。本数値実施例は、偏光ビームスプリッターのガラスの屈折率が1.6の場合の数値実施例である。
【0098】
【表3】
【0099】
図9に、この数値実施例3における入射角45°におけるP偏光、S偏光の反射率とFno2.3での対角方向でほぼ9割と7割に相当する光線の入射角である40.3°と41.3°におけるP偏光の反射率を示す。また、図10に入射角が40.3°と41.3°における偏光分離面でのP偏光とS偏光の位相差を示す。
《数値実施例4》
表4には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例4を示す。
【0100】
【表4】
【0101】
図11に、この数値実施例4における入射角45°におけるP偏光、S偏光の反射率とFno2.3での対角方向でほぼ9割と7割に相当する光線の入射角である40.3°と41.3°におけるP偏光の反射率を示す。また、図12に入射角が40.3°と41.3°における偏光分離面でのP偏光とS偏光の位相差を示す。
《数値実施例5》
表5には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例5を示す。
【0102】
【表5】
【0103】
図13に、この数値実施例5における入射角45°におけるP偏光、S偏光の反射率とFno2.3での対角方向でほぼ9割と7割に相当する光線の入射角である40.3°と41.3°におけるP偏光の反射率を示す。また、図14に入射角が40.3°と41.3°における偏光分離面でのP偏光とS偏光の位相差を示す。
《数値実施例6》
表6には、本発明の偏光分離光学系に使用される偏光分離膜の数値実施例5を示す。
【0104】
【表6】
【0105】
図15に、この数値実施例6における入射角45°におけるP偏光、S偏光の反射率とFno2.3での対角方向でほぼ9割と7割に相当する光線の入射角である40.3°と41.3°におけるP偏光の反射率を示す。また、図16に入射角が40.3°と41.3°における偏光分離面でのP偏光とS偏光の位相差を示す。
【0106】
上記各数値実施例における偏光分離面でのP偏光とS偏光の位相差は、図10,12,14に示すように、照明光として用いられる白色の範囲(例えば430〜650nm)において所定の条件の範囲に入っていることが望ましいが、図6,8,16に示すように、使用する範囲の平均値として所定の条件を満足していればよい。
【0107】
また、スクリーン上での投射画像のコントラストという照度を測定値と考えると、比視感度で加重平均した値が所定の条件を満足していても本発明の効果は得られる。
【0108】
白色の範囲ではなく偏光ビームスプリッターにおいて反射で用いる色光の範囲(例えば、青は430〜490nm、緑は510〜570nm、赤は590〜630nm)において所定の条件を満足しいてもよい。
【0109】
ここでは、偏光ビームスプリッターの基板の屈折率は約1.75と約1.61(数値実施例1〜2と3〜6)の2種類を用いたが、屈折率は特に制限はなく、任意の屈折率のガラス材において本発明の条件を満足する偏光分離膜を設けることにより、漏れ光量を減少させることが可能である。
【0110】
ガラス材の内部特性としては、内部を透過していく偏光の方向が変化しないように光弾性係数βが小さい方がよく、例えば、
β<1(nm/cm/105Pa)
であることが望ましい。
【0111】
また、反射型液晶表示素子7の長辺と短辺は、図3に示した方向に限定されるものではなく、図18に示すように長辺と短辺の関係が逆であってもよい。
【0112】
また、投射型表示光学系全体の構成としては、図1に示すものに限られない。例えば、図19に示すように、ダイクロイックミラーと3つの偏光ビームスプリッターとを組み合わせて3つの反射型液晶表示素子を用いた構成や、図20に示すように、3つの偏光ビームスプリッターとクロスダイクロイックプリズムとを組み合わせて3つの反射型液晶表示素子を用いた構成でもよい。要するに、偏光ピームスプリッターを用いて反射型液晶表示素子に表示された原画を投影する構成であればよい。
【0113】
(第2実施形態)
図19に示した投射型表示光学系の構成を説明する。21は連続スペクトルで白色光を発光する光源、22は光を所定の方向に集光するリフレクター、23a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、23b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である。
【0114】
24は無偏光光を所定の偏光光(S偏光光)に揃える偏光変換素子、25はコンデンサーレンズ、26は反射ミラーである。
【0115】
27は青(B)と赤(R)の波長領域の光を反射し、緑(G)の波長領域の光を反射するダイクロイックミラー、28はB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。
【0116】
29a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の色選択性位相差板、29bはRの光の偏光方向を90度変換し、Bの光の偏光方向は変換しない第2の色選択性位相差板である。
【0117】
30a,30b,30cはそれぞれP偏光を透過し、S偏光を反射する第1の偏光ビームスプリッター、第2の偏光ビームスプリッターおよび第3の偏光ビームスプリッターである。
【0118】
31r,31g,31bはそれぞれ、表示した原画に応じて光を変調し反射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および青用の反射型液晶表示素子である。
【0119】
32r,32g,32bはそれぞれ、赤用の1/4波長板、緑用の1/4波長板および青用の1/4波長板である。
【0120】
33a,33bは所定の偏光成分を透過する偏光板で、34は投射レンズである。
【0121】
偏光ビームスプリッター30aには緑の光が作用し、偏光ビームスプリッター30bには青と赤の光が作用している。
【0122】
(第3実施形態)
図20に示した投射型表示光学系の構成を説明する。41は連続スペクトルで白色光を発光する光源、42は光を所定の方向に集光するリフレクター、43a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、43b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である。
【0123】
44は無偏光光を所定の偏光光(S偏光光)に揃える偏光変換素子、45aはコンデンサーレンズ、45b,45c,45dはフィールドレンズ、46a,46bは長い光路中の照明光をロスなく伝達するリレーレンズである。
【0124】
47は赤(R)の波長領域の光を透過し、青(B)と緑(G)の波長領域の光を反射するダイクロイックミラー、48は青(B)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。
【0125】
49a,49bは反射ミラーで、50a,50b,50cはそれぞれ、P偏光を透過し、S偏光を反射する第1の偏光ビームスプリッター、第2の偏光ビームスプリッターおよよび第3の偏光ビームスプリッターである。
【0126】
51r,51g,51bは表示した原画に応じて光を変調し反射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および青用の反射型液晶表示素子である。
【0127】
52r,52g,52bはそれぞれ、赤用の1/4波長板、緑用の1/4波長板および青用の1/4波長板である。
【0128】
53r,53g,53bは所定の偏光成分を透過する偏光板、54は投射レンズである。
【0129】
偏光ビームスプリッター50aには青の光が作用し、偏光ビームスプリッター50bには緑の光が作用し、偏光ビームスプリッター50cには赤の光が作用している。
【0130】
さらに、以上説明した各実施形態は、以下に示す各発明を実施した場合の一例であり、下記の各発明は上記各実施形態に様々な変更や改良が加えられて実施されるものである。
【0131】
〔発明1〕 照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、前記画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系であって、
P偏光とS偏光の前記偏光分離膜における位相差をδとするとき、
120°≦|δ|≦180°
なる条件を満足する構造を有することを特徴とする偏光分離光学系。
【0132】
〔発明2〕 前記偏光分離膜は、この偏光分離膜に、前記偏光分離膜の法線に対して角度θをもって入射する光に対して、前記偏光分離膜におけるP偏光の反射率をRpとするとき、
Rp>0%
なる条件を満たすことを特徴とする発明1に記載の偏光分離光学系。
【0133】
但し、前記入射角度θは、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸と前記偏光分離膜の法線とのなす角をα、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸に対する前記偏光分離膜への光束の最大入射角度をψとするとき、
α−ψ≦θ≦α+ψ
である。
【0134】
〔発明3〕 前記偏光分離膜は、前記照明光学系の光軸に対して傾いて設けられていることを特徴とする発明1又は2に記載の偏光分離光学系。
【0135】
〔発明4〕 前記偏光分離膜と前記画像表示素子との間に1/4波長板が設けられていることを特徴とする発明1から3のいずれかに記載の偏光分離光学系。
【0136】
このように偏光分離膜と画像表示素子との間に1/4波長板を設ければ、より上記漏れ光を大幅に減少させることができる。
【0137】
〔発明5〕 照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、前記画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系であって、
前記偏光分離膜は、この偏光分離膜に、前記偏光分離膜の法線に対して角度θをなす方向から入射して前記偏光分離膜で反射される偏光光の偏光方向を、前記偏光分離膜とこの偏光分離膜への偏光光の入射方向との幾何学的な関係で決まるS偏光の向きよりも、前記偏光分離膜での反射で偏光方向が変化しない方向から入射したS偏光の向きに近づける構造を有することを特徴とする偏光分離光学系。
【0138】
本発明によっても、照明光学系の光軸に対して傾いて偏光分離膜に入射して検光された偏光光に含まれるP偏光方向の成分を減少させることができるので、従来、偏光分離膜での検光により除去することができなかった漏れ光を減少させることができる。したがって、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【0139】
〔発明6〕 前記偏光分離膜と前記画像表示素子との間に1/4波長板が設けられていることを特徴とする発明5に記載の偏光分離光学系。
【0140】
〔発明7〕 前記入射角度θは、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸に対して直交する面と前記偏光分離膜とのなす角度よりも小さい角度であることを特徴とする発明5に記載の偏光分離光学系。
【0141】
〔発明8〕 照明光学系と、
前記照明光学系からの光を変調する画像形成素子と、
発明1から7のいずれかに記載の偏光分離光学系と、
前記偏光分離光学系からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする投射型表示光学系。
【0142】
〔発明9〕 発明8に記載の投射型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。
【0143】
〔発明10〕 発明9に記載の投射型画像表示装置と、前記画像表示素子に原画を表示させるための画像情報を前記投射型画像表示装置に供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
【0144】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、照明光学系の光軸に対して傾いて偏光分離膜に入射して検光された偏光光に含まれるP偏光方向の成分を減少させることができるので、従来、偏光分離膜での検光により除去することができなかった漏れ光を減少させることができる。したがって、投射画像のコントラストを向上させることができる。
【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表示光学系(投射型画像表示装置)の構成を示す図。
【図2】図1に示した投射型表示光学系に用いられているフライアイレンズアレイを説明する図。
【図3】図1に示した投射型表示光学系に用いられている偏光ビームスプリッターにおける光路図。
【図4】上記偏光ビームスプリッタでの漏れ光量を計算した結果を表す図。
【図5】本発明の数値実施例1の偏光分離特性を示す図。
【図6】本発明の数値実施例1の位相差特性を示す図。
【図7】本発明の数値実施例2の偏光分離特性を示す図。
【図8】本発明の数値実施例2の位相差特性を示す図。
【図9】本発明の数値実施例3の偏光分離特性を示す図。
【図10】本発明の数値実施例3の位相差特性を示す図。
【図11】本発明の数値実施例4の偏光分離特性を示す図。
【図12】本発明の数値実施例4の位相差特性を示す図。
【図13】本発明の数値実施例5の偏光分離特性を示す図。
【図14】本発明の数値実施例5の位相差特性を示す図。
【図15】本発明の数値実施例6の偏光分離特性を示す図。
【図16】本発明の数値実施例6の位相差特性を示す図。
【図17】偏光分離膜における偏光方向を説明する図。
【図18】上記第1実施形態における反射型液晶表示素子の他の配置例を示す図。
【図19】本発明の第2実施形態である投射型表示光学系(投射型画像表示装置)の構成を示す図。
【図20】本発明の第3実施形態である投射型表示光学系(投射型画像表示装置)の構成を示す図。
【図21】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図22】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図23】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図24】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図25】偏光分離膜で漏れ光が生ずる理由を説明する図。
【図26】上記第1実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図27】上記第1実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図28】上記第1実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図29】上記第1実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図30】上記第1実施形態により偏光分離膜での漏れ光が少なくなる理由を説明する図。
【図31】従来の偏光ビームスプリッタを示す図。
【符号の説明】
1,21,41 光源
2,22,42 リフレクター
3a,23a,43a 第1のフライアイレンズアレイ
3b,23b,43b 第2のフライアイレンズアレイ
4,24,44 偏光変換素子
5,25,45a コンデンサーレンズ
6,30a〜30c,50a〜50c 偏光ビームスプリッター
7,31r,31g,31b,51r,51g,51b 反射型液晶表示素子
8,32r,32g,32b,52r,52g,52b 1/4波長板
9,33a,33b,53r,53g,53b 偏光板
10,34,54 投射レンズ
Claims (10)
- 照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、前記画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系であって、
P偏光とS偏光の前記偏光分離膜における位相差をδとするとき、
120°≦|δ|≦180°
なる条件を満足する構造を有することを特徴とする偏光分離光学系。 - 前記偏光分離膜は、この偏光分離膜に、前記偏光分離膜の法線に対して角度θをもって入射する光に対して、前記偏光分離膜における P 偏光の反射率をRpとするとき、
Rp>0%
なる条件を満たすことを特徴とする請求項1に記載の偏光分離光学系。
但し、前記入射角度θは、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸と前記偏光分離膜の法線とのなす角をα、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸に対する前記偏光分離膜への光束の最大入射角度をψとするとき、
α−ψ≦θ≦α+ψ
である。 - 前記偏光分離膜は、前記照明光学系の光軸に対して傾いて設けられていることを特徴とする請求項1又は2に記載の偏光分離光学系。
- 前記偏光分離膜と前記画像表示素子との間に1/4波長板が設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれかに記載の偏光分離光学系。
- 照明光学系からの偏光光を反射型画像表示素子に導くとともに、前記画像表示素子からの偏光光を検光して投射光学系に導く偏光分離膜を有する偏光分離光学系であって、
前記偏光分離膜は、この偏光分離膜に、前記偏光分離膜の法線に対して角度θをなす方向から入射して前記偏光分離膜で反射される偏光光の偏光方向を、前記偏光分離膜とこの偏光分離膜への偏光光の入射方向との幾何学的な関係で決まるS偏光の向きよりも、前記偏光分離膜での反射で偏光方向が変化しない方向から入射したS偏光の向きに近づける構造を有することを特徴とする偏光分離光学系。 - 前記偏光分離膜と前記画像表示素子との間に1/4波長板が設けられていることを特徴とする請求項5に記載の偏光分離光学系。
- 前記入射角度θは、前記照明光学系から前記偏光分離膜に至る光軸に対して直交する面と前記偏光分離膜とのなす角度よりも小さい角度であることを特徴とする請求項5に記載の偏光分離光学系。
- 照明光学系と、
前記照明光学系からの光を変調する画像形成素子と、
請求項1から7のいずれかに記載の偏光分離光学系と、
前記偏光分離光学系からの光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする投射型表示光学系。 - 請求項8に記載の投射型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。
- 請求項9に記載の投射型画像表示装置と、
前記画像表示素子に原画を表示させるための画像情報を前記投射型画像表示装置に供給する画像情報供給装置とを有することを特徴とする画像表示システム。
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