JP4900438B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源が出射した光を複数の色の光に分離した後に、表示する画像に応じて変調し、変調した各色の光を合成して拡大投影する投射型表示装置に関する。

近年、ＣＲＴを用いた映像表示装置の代わりに液晶パネルを用いた投射型表示装置が開発され、急速に普及してきている。この投射型表示装置は、大画面で小型、軽量の映像表示装置の要求に伴って開発されたもので、液晶パネルを用いることによって、従来のＣＲＴを用いた装置に比べて小型化、軽量化を可能にすると共に、大画面表示を容易に実現することが可能であること、また面倒なコンバーゼンス調整、すなわちカラー電子ビームの収束状態の微調整等が不要で地磁気の影響を受けないこと等の利点を有している。

液晶投射型表示装置の例としては、メタルハライドランプ等の白色光源、照明光学系、色分離光学系、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）用の液晶パネル、色合成光学系、投射光学系等によって構成される３板式の液晶プロジェクタがある。この３板式の液晶プロジェクタは、以下のように作用する。まず、色分離光学系中のダイクロイックミラーが、白色光源からの白色光をＲ、Ｇ、Ｂの３色に分離し、ＲＧＢ用の３枚の液晶パネルに照射する。
次に、ＲＧＢ用の各液晶パネルが照射された各光を表示する画像に応じて画像変調し、色合成光学系中のダイクロイックプリズムが画像変調された各色光を合成しカラー画像の光学像にする。そして、投射レンズがこの光学像をスクリーン上に拡大投影する。

このような従来の液晶投射型表示装置を構成する各液晶パネルの入射側および出射側には偏光手段が設けられており、入射側の偏光手段（偏光板）が特定方向に偏光した光を取り出し、液晶パネルが特定方向に偏光した光を変調し、出射側の偏光手段（検光子）が予め決められた偏光方向の光だけを取り出すようになっている。ここで、偏光手段（偏光板）の消光比が高い程コントラストを高くできるため、この消光比は液晶投射型表示装置の重要な性能の一つとされている。

次に消光比について説明する。まず、偏光手段の偏光軸の方向を第１の偏光方向とし、第１の偏光方向に直交する偏光方向を第２の偏光方向とするとき、偏光手段を透過する第１の偏光方向に偏光した光の光量と、偏光手段を透過する第２の偏光方向に偏光した光の光量との比を消光比という。以下では、上記の比をデシベル単位で表した値の絶対値のことを、消光比という。消光比の値が高い程、コントラストを高くでき、液晶投射型表示装置の性能が向上する。

従来の液晶投射型表示装置においては、白色光源から出射された強い光が偏光手段等で吸収されることによって、偏光手段が発熱して偏光手段の温度が上昇し、偏光手段が劣化しやすいという問題があった。係る問題を解決し要望に応えるために、偏光手段（偏光板）として、高い消光比、すなわち高コントラストが得られると共に、熱に強い構造複屈折型偏光板を使用することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、上記の液晶パネルとして反射型液晶表示素子を用い、この反射型液晶表示素子の入射側および出射側に、同一の特定方向に偏光した光に対して回折格子として作用する反射型偏光手段を偏光子及び検光子として設けた、液晶投射型表示装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００１−２８１６１５号公報 特開２００４−１８４８８９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構造複屈折型偏光板では、光を光軸に対して斜めから入射させる必要があるため、偏光手段を光軸に対して斜めに配置しなければならず、その分のスペースが必要となり、小型化が難しいという問題があった。特に、全面黒の表示を行う場合は、液晶パネルの出射側に置かれる検光子にも構造複屈折型偏光板を使用する必要があり、上記検光子を光軸に対して斜めに配置しなければならず、ますます小型化が困難となっていた。

また、特許文献２に記載の投射型表示装置においても、やはり反射型偏光板を光軸に対して斜めに配置しなければならず、特許文献１に記載の投射型表示装置と同様に小型化が難しいという問題があった。

さらに、光源からの光が平行光でなく、収束光や拡散光などの場合には、反射ミラー等の光学部品への入射角度がその反射面内で一様ではなく一定の分布が生じるため、液晶パネルに入射する光の偏光方向は、光束断面内においてある分布をもった状態となる。したがって、光の偏光方向の乱れによって充分な消光比を有する光を液晶パネルに入射させることができず、コントラストを低下させてしまうという問題があった。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を提供するものである。

以上の点を考慮して、態様１に係る発明は、可視光を出射する光源と、前記光源から出射された可視光を複数の波長帯域光に分離する色分離手段と、前記色分離手段により分離された各波長帯域光に対して、第１の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向に偏光した光の進行方向を変更または前記第２の偏光方向に偏光した光を吸収する複数の偏光子によって構成された第１の偏光手段と、前記第１の偏光手段を直進透過した少なくとも１つの波長帯域光を反射する少なくとも１つの反射ミラーと、前記少なくとも１つの反射ミラーによって反射された少なくとも１つの波長帯域光および前記第１の偏光手段を直進透過した前記少なくとも１つの波長帯域光以外の波長帯域光を、波長帯域毎に表示する画像に応じて変調する複数の液晶パネルと、各前記液晶パネルから出射された光を合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された光を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置であって、前記複数の偏光子のうち前記色分離手段と前記反射ミラーとの間の光路上に配置された偏光子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の中心部において第１の偏光方向に偏光した光を第１の偏光方向で直進透過させるとともに、該面内の周辺部において第１の偏光方向に偏光した光を第１の偏光方向と異なる偏光方向で直進透過させることにより、前記反射ミラーで反射される波長帯域光の偏光方向の分布を相殺する構成を有している。

この構成により、複層回折型偏光素子が第１の偏光方向に偏光した光を光軸上において直進透過させ、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光を偏向させて光軸からそらせるため、複層回折型偏光素子を光軸に対して斜めに配置しなくとも、複層回折型偏光素子を透過する第２の偏光方向を有する光の光量を低減でき、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。
また、光源からの光が平行光でない場合にも、反射ミラーなどによる偏光方向の光束断面内における分布の影響を相殺させることができ、したがって、一様な偏光状態の光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。

また、態様２に係る発明は、態様１において、前記複数の偏光子は、第１の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向に偏光した光を回折させる偏光回折格子を複数積層した複数の複層回折型偏光素子であって、各前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも２つの前記偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλ_０とするとき、前記偏光回折格子のうち２つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λ_１およびλ_２が、それぞれ、
λ_０−７０ｎｍ≦λ_１≦λ_０−１０ｎｍ
λ_０＋１０ｎｍ≦λ_２≦λ_０＋７０ｎｍ
を満たす構成を有している。

この構成により、複層回折型偏光素子が第１の偏光方向に偏光した光を光軸上において直進透過させ、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光を回折させて光軸からそらせるため、複層回折型偏光素子を光軸に対して斜めに配置しなくとも、複層回折型偏光素子を透過する第２の偏光方向を有する光の光量を低減でき、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。
また、色分離手段によって分離された各色の光毎に複層回折型偏光素子が配置されるので、いずれの色の光に対しても安定して高い消光比を得ることが可能な投射型表示装置を実現できる。
また、対応する色の最大強度の波長が、各色の波長帯域内で、回折効率が最も高い波長λ_１および波長λ_２によって挟まれるため、広い波長範囲で消光比を向上することが可能な投射型表示装置を実現でき、また、３つ以上の偏光回折格子を有する構成により、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対しても、さらに高い消光比が得られる。

また、態様３に係る発明は、態様２において、前記波長λ_１およびλ_２が｜λ_１−λ_０｜＜｜λ_２−λ_０｜を満たす構成を有している。
この構成により、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対してより高い消光比が得られる。

また、態様４に係る発明は、態様２または３の態様において、前記複数の複層回折型偏光素子のうち前記色分離手段と前記反射ミラーとの間の光路上に配置された複層回折型偏光素子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の周辺部における光学軸の方向が中心部における光学軸の方向とは異なる方向に分布する複屈折性材料層を備える構成を有している。
この構成により、光源からの光が平行光でない場合にも、反射ミラーなどによる偏光方向の光束断面内における分布の影響を相殺させることができ、したがって、一様な偏光状態の光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。

また、態様５に係る発明は、態様２から４までのいずれかの態様において、ｎを２以上の整数とするとき、前記複層回折型偏光素子がｎ層の前記偏光回折格子を備え、前記偏光回折格子は、格子の長手方向が互いに（１８０／ｎ）度の角度をなすように積層されている構成を有している。

この構成により、態様２から４までのいずれかの態様の効果に加え、不安定な回折光による迷光の影響を抑えるとともに、後述の絞りをより有効に機能させることができるので、高い消光比が要求される波長域の消光比をさらに高くでき、視感度が高い波長域でのコントラストを大きくすることができる。

また、態様６に係る発明は、態様２から５までのいずれかの態様において、前記可視光を出射する光源が赤、緑および青の３原色の波長帯域のうち少なくとも１つ以上の波長帯域において輝線をもつ光源であって、前記輝線が含まれる波長帯域の複層回折型偏光素子が有する前記偏光回折格子の少なくとも１つが、最も高い回折効率の波長が前記輝線の波長と実質的に一致する偏光回折格子である構成を有している。

この構成により、態様２から５までのいずれかの態様の効果に加え、それぞれの波長帯域の輝線の波長の光に対して消光比が高い偏光回折格子が用いられているので、高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が得られる。

また、態様７に係る発明は、態様２から６までのいずれかの態様において、可視光を出射する光源が、高圧水銀ランプからなる光源であって、青の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、４４０ｎｍ、４９０ｎｍと実質的に等しい偏光回折格子を備えていて、緑の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、５５０ｎｍ、５８０ｎｍと実質的に等しい偏光回折格子を備えている構成を有している。

この構成により、態様２から６までのいずれかの態様の効果に加え、青および緑の波長帯域においてより高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が得られる。

また、態様８に係る発明は、態様１から７までのいずれかの態様において、各前記液晶パネルによって変調された各波長帯域光のうち、予め決められた偏光方向の光を透過させて前記光合成手段に出射する第２の偏光手段をさらに備え、前記第２の偏光手段が、複層回折型偏光素子によって構成され、前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも２つの偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλ_０とするとき、前記偏光回折格子のうち２つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λ_１およびλ_２が、それぞれ、
λ_０−７０ｎｍ≦λ_１≦λ_０−１０ｎｍ
λ_０＋１０ｎｍ≦λ_２≦λ_０＋７０ｎｍ
を満たす構成を有している。

この構成により、態様１から７までのいずれかの態様の効果に加え、液晶パネルの出射側に配置された第２の偏光手段としての複層回折型偏光素子によって、第２の偏光方向に偏光した各光を回折させるため、第２の偏光手段を最小限の個数に抑えコンパクト化を図ることが可能となり、安定して高い消光比が得られるとともにコンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。

また、態様９に係る発明は、態様１から８までのいずれかの態様において、前記液晶パネルと前記投影手段との間の光路上に、前記液晶パネルから出射する光のうちの不要部分を遮光する絞り手段が配置された構成を有している。

この構成により、態様１から８までのいずれかの態様の効果に加え、絞り手段が複層回折型偏光素子から出射する光のうちの不要な回折光を遮光するため、投射される画像以外に発生する、好ましくない迷光を除去することが可能な投射型表示装置を実現できる。

本発明は、複層回折型偏光素子が第１の偏光方向に偏光した光を光軸上において直進透過させ、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する光を回折させて光軸からそらせるため、複層回折型偏光素子を光軸に対して斜めに配置しなくとも、複層回折型偏光素子を透過する第２の偏光方向を有する光の光量を低減でき、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強いという効果を有する投射型表示装置を提供できる。

図１は本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す図である。 図２は図１の投射型表示装置に設置される複層回折型偏光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図３は図１の投射型表示装置に設置される絞りの作用を説明する概略図である。 図４は図２の複層回折型偏光素子における偏光回折格子のストライプ長手方向の好ましい配置を示す概略図である。 図５は図３の絞りの位置における０次透過光の像と、回折像および絞りの開口の位置関係を示す概略図である。 図６は本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図である。 図７は本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す図である。 図８は図７の投射型表示装置に設置される複層回折型偏光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図９は本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図で、Ｒ（赤）成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。 図１０は本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図で、Ｇ（緑）成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。 図１１は本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図で、Ｂ（青）成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。 図１２は本発明の第３の実施の形態に係る投射型表示装置において、反射ミラーで反射された光の偏光方向の光束断面内における分布の一例を示す模式図である。 図１３は本発明の第３の実施の形態に係る投射型表示装置において、複層回折型偏光素子を透過した光の偏光方向の光束断面内における分布の一例を示す模式図である。 図１４は第３の実施例の光源１として用いるショートアーク超高圧水銀ランプの分光強度分布を示す図である。 図１５は第３の実施例に係る投射型表示装置に用いられる、Ｇ（緑）波長帯域用の複層回折型偏向素子の消光比と波長の関係を示す図である。 図１６は第３の実施例に係る投射型表示装置に用いられる、Ｂ（青）波長帯域用の複層回折型偏向素子の消光比と波長の関係を示す図である。 図１７は第３の実施例に係る投射型表示装置において、Ｇ（緑）波長帯域用の複層回折型偏向素子に入射する光および直進透過される第１の偏光の分光強度を示す図である。 図１８は第３の実施例に係る投射型表示装置において、Ｂ（青）波長帯域用の複層回折型偏向素子に入射する光および直進透過される第１の偏光の分光強度を示す図である。 図１９は第３の実施例に係る投射型表示装置において、Ｇ（緑）波長帯域用の複層回折型偏向素子を透過する第２の偏光の強度と波長の関係を、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いた場合と比較して示す図である。 図２０は第３の実施例に係る投射型表示装置に用いられる、Ｂ（青）波長帯域用の複層回折型偏向素子を透過する第２の偏光の強度と波長の関係を、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いた場合と比較して示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。

（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す図である。図１において、投射型表示装置１０１は、可視光を発するメタルハライドランプ等の白色の光源１と、入射する光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色成分の光に分離する色分離手段としてのダイクロイックミラー３１、３２と、表示する画像に応じて入射光を変調する複数の液晶パネル４１、４２、４３と、ダイクロイックミラー３１、３２が分離した各色の光を対応する液晶パネル４１、４２、４３に導く反射ミラー３１ａ、３３ａ、３３ｂと、光源１から各液晶パネル４１、４２、４３までの光路上に配置された第１の偏光手段としての複層回折型偏光素子２と、各液晶パネル４１、４２、４３の出射側に配置された第２の偏光手段としての検光子５１、５２、５３と、各検光子５１、５２、５３を透過する光を合成する光合成手段としてのダイクロイックプリズム６と、ダイクロイックプリズム６によって合成された光を拡大投影する投影手段としての投射レンズ系８とを備える。ここで、投射レンズ系８から出射された光は、スクリーン９上に投影される。

光源１から出射しランダムに偏光した白色の可視光は、複層回折型偏光素子２に入射する。複層回折型偏光素子２は後述するような作用によって、第１の偏光方向に偏光した入射光を直進透過させ、前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向に偏光した入射光を回折させるようになっている。

次に、複層回折型偏光素子２を透過した光は、ダイクロイックミラー３１によってＲ（赤）成分の光が透過（分離）され、Ｒ（赤）成分の光は反射ミラー３１ａで反射されて液晶パネル４１に入射する。また、ダイクロイックミラー３１によってＲ（赤）成分が分離され反射された光は、ダイクロイックミラー３２でＧ（緑）成分の光が反射して分離され、Ｇ（緑）成分の光は液晶パネル４２に直接入射する。さらに、ダイクロイックミラー３２によってＧ（緑）成分が分離されて透過されたＢ（青）成分の光は、反射ミラー３３ａ、３３ｂで反射されて液晶パネル４３に入射する。本発明の第１の実施の形態では、複層回折型偏光素子２が、光源１と色分離手段であるダイクロイックミラー３１、３２との間に配置された構成を有している。

液晶パネル４１、４２、４３に入射した各色成分の光は、それぞれ、表示する画像に応じて変調され、検光子５１、５２、５３を各々透過して特定方向に直線偏光した光が取り出される。検光子５１、５２、５３を透過した光は、ダイクロイックプリズム６によって再度合成された後、絞り７を通過し、投射レンズ系８を介してスクリーン９に投射され、カラー画像が表示される。なお、各色成分の光の波長帯域および中心波長は、使用する光源や必要な表示特性等に応じて適宜決められる。波長帯域の中心波長は、該波長帯域の上限の波長と下限の波長とを平均した波長としてもよく、あるいは、液晶パネルに入射する各色成分の光の強度が、それぞれの波長帯域における最大強度の５０％となる最も長い波長と最も短い波長とを平均した波長としてもよく、またあるいは、該波長帯域において最大強度となる波長としてもよい。各色成分の光に対して光路長差がある場合には、必要に応じて光路長差による影響を補正する不図示の光学素子を用いることができる。

次に、複層回折型偏光素子２の構成の一例について図２を用いて詳細に説明する。図２は複層回折型偏光素子２の構成を模式的に示す断面図である。図２において、Ｚ軸は光軸に平行であり、光の進行方向がＺ軸の正の方向である。透光性基板２０１ｂの両面および透光性基板２０１ｃの片面には、それぞれ、常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）の複屈折性材料層２１１が、進相軸（常光屈折率を示す方向）が後述の所望の方向となるように形成される。それぞれの複屈折性材料層は加工されて、断面形状が段差ｄ_１かつ格子ピッチｐ_１の周期的な凹凸形状をなす縞状の形状（以下、ストライプという）に形成された複屈折性材料層２１１からなる偏光回折格子１１０と、同様に形成された複屈折性材料層２１１からなる断面形状が段差ｄ_２かつ格子ピッチｐ_２のストライプを有する偏光回折格子１２０と、断面形状が段差ｄ_３かつ格子ピッチｐ_３のストライプを有する偏光回折格子１３０とが形成される。偏光回折格子１１０、１２０、１３０のストライプの長手方向は、図２に示すＹ軸に平行としてもよいが、この３つのストライプの長手方向を互いに平行としない方が、後述する理由から好ましい。

偏光回折格子はＬｉＮ_ｂＯ_３をイオン交換法により加工して作成することもできるが、イオン交換法では微細な領域のみにイオン交換することが難しいため、充分大きな回折角を実現する１０μｍ以下のピッチの偏光回折格子が得られにくく、不要な偏光方向の光の除去が困難であった。これに対して、重合性の液晶組成物を重合硬化させて形成した高分子液晶により複屈折性材料層２１１を形成し、これを加工して各偏光回折格子を作成する方法によれば、ピッチが１０μｍ以下の偏光回折格子が容易に作成可能となり、不要な偏光方向の光を除去することができる。

次に、偏光回折格子１１０、１２０、１３０の各ストライプの凹部に屈折率ｎ_ｓの等方性透明材料を充填し、等方性透明材料層２１２が形成される。但し、等方性透明材料とは、屈折率が等方的な透明材料のことをいい、等方性透明材料層２１２の屈折率ｎ_ｓは複屈折性材料層２１１の常光屈折率ｎ_ｏまたは異常光屈折率ｎ_ｅに等しいとする。以下では、説明を簡単にするために、ｎ_ｓ＝ｎ_ｏの場合について説明する。さらに、透光性基板２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃが、透光性基板２０１ｂ表面の偏光回折格子１２０と透光性基板２０１ｃ表面の偏光回折格子１３０とが対向するようにして積層される。上記のようにして複層回折型偏光素子２が形成される。

複屈折性材料層２１１に用いられる材料の例について説明する。有機物材料としては、液晶や、液晶を重合し高分子化した高分子液晶、延伸することなどで複屈折発生させた複屈折樹脂フィルムなどを用いることができる。また、無機物材料としては、ＬｉＮ_ｂＯ_３や水晶、方解石などの複屈折性単結晶などを用いることができる。但し、加工性の観点からは、高分子液晶を用いることが最も好ましい。また、利用する可視光線の光に加え、紫外線も若干漏れて照射される可能性があるために、有機物材料を用いる場合は、紫外線による劣化を防ぐため、短波長の吸収波長が３７０ｎｍ以下である有機物材料を用いることが好ましい。

等方性透明材料層２１２を形成する場合には、図２に示すようにストライプの凹部に充填した後さらにその表面に一定の厚みとなるように形成してもよいし、ストライプの凹部のみに充填してもよい。また、上記では、偏光回折格子１２０と偏光回折格子１３０とが対向するように積層された構成について説明したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、偏光回折格子１１０と偏光回折格子１２０とが対向するように積層される構成でも、３つの偏光回折格子１１０、１２０、１３０が透光性基板２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ上に対向しないように積層される構成でもよい。

複層回折型偏光素子２に、複屈折性材料層２１１の異常光方向に偏光した光、すなわち第２の偏光方向に偏光した光（以下、異常光線という）が入射する場合には、偏光回折格子１１０、１２０、１３０が屈折率ｎ_ｅと屈折率ｎ_ｓの偏光回折格子として作用することによって、入射した異常光線は一部が直進透過し、大部分が回折光となる。偏光回折格子１１０によって回折されずに直進透過した一部の異常光線は、次に偏光回折格子１２０によって順次回折され、偏光回折格子１２０によって回折されずに直進透過した一部の異常光線は、偏光回折格子１３０によってさらに回折される。したがって、複層回折型偏光素子２を透過する異常光線の光量は、３回の回折によって大幅に減少する。

一方、複層回折型偏光素子２に、複屈折性材料層２１１の常光方向に偏光した光、すなわち第１の偏光方向に偏光した光（以下、常光線という）が入射する場合には、偏光回折格子１１０、１２０、１３０がストライプ構造を有しているにも拘らず、常光線に対しては複屈折性材料層２１１も等方性透明材料層２１２も共に屈折率ｎ_ｓ（＝ｎ_０）の等方的な透明材料として振舞うため、入射した常光線は回折されず直進透過する。
また、ｎ_ｓ＝ｎ_ｅの場合には、複屈折性材料層２１１の常光方向に偏光した光、すなわち常光線が入射する場合には、偏光回折格子が回折格子として作用するので、入射した常光線は積層された偏光回折格子により順次回折されて、複層回折型偏光素子２を透過する常光線の光量は大幅に減少する。異常光線が入射する場合には、偏光回折格子が偏光回折格子として作用せず、入射した異常光線は回折されず直進透過する。

本実施の形態の複層回折型偏光素子２の構成は、常光線に対しては回折格子として作用せず直進透過させ、異常光線に対しては回折格子として作用して回折させる偏光回折格子１１０、１２０、１３０を、３つ積層した構成となっている。

上記のような複層回折型偏光素子２において、偏光回折格子１１０、１２０、１３０の最も回折効率の高い波長を、それぞれλ_ｒ、λ_ｇ、λ_ｂとし、ダイクロイックミラー３１、３２によって分離されたＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）各成分の光強度の最も高い波長ピークを、それぞれλ_Ｒ、λ_Ｇ、λ_Ｂとするとき、
λ_Ｒ−５０ｎｍ≦λ_ｒ≦λ_Ｒ＋７０ｎｍ
λ_Ｇ−６０ｎｍ≦λ_ｇ≦λ_Ｇ＋６０ｎｍ
λ_Ｂ−７０ｎｍ≦λ_ｂ≦λ_Ｂ＋５０ｎｍ
を満たすように構成するのが好ましい。このように構成することによって、光強度が高い波長と複層回折型偏光素子２の消光比の高い波長域とを一致させるように構成することができ、投射型表示装置１０１をシステムとしてみた場合の高い消光比が得られる。

また、複層回折型偏光素子２について、λ_Ｒより長波長の光の消光比を高めると共に、λ_Ｂより短波長の光の消光比を高めるためには、
λ_Ｒ≦λ_ｒ≦λ_Ｒ＋５０ｎｍ
λ_Ｇ−３０ｎｍ≦λ_ｇ≦λ_Ｇ＋３０ｎｍ
λ_Ｂ−６０ｎｍ≦λ_ｂ≦λ_Ｂ
を満たすように構成するのがより好ましい。

以上、偏光回折格子を３層積層した構成についてについて説明したが、さらに積層数を増やして、４層以上の積層数とすることによって、さらに消光比を高くできる。例えば、偏光回折格子を４層積層する場合には、上述の３層積層する場合の条件に加え、第４層目の最も回折効率の高い波長λ_４を、視感度が最も高く、高い消光比が要求されるλ_Ｇ付近の波長、好ましくは、
λ_Ｇ−３０ｎｍ≦λ_４≦λ_Ｇ＋３０ｎｍ
を満たす波長にすることによって、視感度が高いλ_Ｇ付近の波長域でのコントラストを大きくすることができる。

また、液晶パネル４１、４２、４３と投影手段としての投射レンズ系８との間の光路上に、絞り７が配置されることによって、絞り７が液晶パネル４１、４２、４３から出射する光のうちの不要な回折光を遮光するため、投射される画像以外に発生する、好ましくない迷光を除去することが可能な投射型表示装置を実現できる。

次に、絞り７の作用について、図３を用いて説明する。図３において、説明の都合上、光源１、ダイクロイックミラー３１、３２、反射ミラー３１ａ、３３ａ、３３ｂ、ダイクロイックプリズム６等は省略されている。光源からの光１００は、複層回折型偏光素子２を透過し、液晶パネル４１、検光子５１を透過して絞り７に入射する。図３は、Ｒ（赤）成分の光に対応する液晶パネル４１および検光子５１が配置された部分を示す図であるが、Ｇ（緑）成分の光に対応する液晶パネル４２および検光子５２、または、Ｂ（青）成分の光に対応する液晶パネル４３および検光子５３が配置される部分についても同様である。

複層回折型偏光素子２によって不要な回折光１００Ａが発生し、回折光１００Ａが消光比を低下させたり、好ましくない迷光を発生させたりする。しかし、絞り７を検光子５１の出射側に配置することによって、不要な回折光１００Ａを遮光することができる。これによって、消光比がさらに高められ、好ましくない迷光を除去することができる。なお、図３では、Ｒ（赤）成分の光に対する絞り７の作用を説明したが、Ｇ（緑）成分の光およびＢ（青）成分の光についても絞り７の作用は同様である。

絞り７と複層回折型偏光素子２との距離は、なるべく大きくなるように配置することが好ましい。この理由は、以下の通りである。絞り７を複層回折型偏光素子２に近い位置に配置して不要光を遮光しようとすると、複層回折型偏光素子２による不要な回折光１００Ａの回折角度が大きくなるように偏光回折格子１１０、１２０、１３０のピッチを小さくする必要がある。しかしながら、格子のピッチが小さくなって各色の光の波長に近くなると、消光比を悪化させる異常光線の０次光の光量を小さくできない恐れがある。このため、格子のピッチは各色の光の波長の２倍以上とすることが好ましい。このとき、絞り７と複層回折型偏光素子２との距離をなるべく大きくなるように絞り７を配置すると、不要な回折光１００Ａの回折角度が小さくても絞り７によって不要光を充分に遮光できるので好ましい。上記理由から、絞り７は、図３のように、液晶パネル４１と投影手段としての投射レンズ系８との間の光路上に配置するか、あるいは、投射レンズ系８が複数のレンズからなる場合に投射レンズ系８内のレンズとレンズの間に配置するのが好ましい。かかる構成により、偏光回折格子１１０、１２０、１３０のピッチを波長の２倍以上とすることができて、異常光線の０次光の強度を小さく抑えることができる。さらに、小さいピッチの偏光回折格子を形成するための微細な加工を行う必要がなくなるという効果もある。
第２の偏光手段として複層回折型偏向素子を用いる場合には、絞り７は、上述と同様の理由により、絞り７と複層回折型偏光素子からなる第２の偏光手段との距離がなるべく大きくなるように配置することが好ましい。すなわち絞り７は上述の場合と同様に配置されることが好ましい。また、複層回折型偏光素子からなる第２の偏光手段は、各液晶パネルの出射側、すなわち各液晶パネルにおいて液晶パネルにより変調された光が出射される出射面と投影手段との間の光路上に配置されるが、絞り７と複層回折型偏光素子からなる第２の偏光手段との距離がなるべく大きくなるように、各前記液晶パネルの出射側に直接積層することが好ましい。

次に、偏光回折格子のストライプの方向について説明する。偏光回折格子によって回折された回折光はストライプの長手方向に直交する方向に進行する。したがって、複層回折型偏光素子２を構成する複数の偏光回折格子のストライプの長手方向が互いになす角度を所定の角度とすると、積層された偏光回折格子によって回折された光が他の偏光回折格子によって順次回折されて生じる回折光、すなわち不要な回折光が液晶パネルに入射することを防止でき、消光比の劣化を防ぐことができる。このとき各偏光回折格子の複屈折性材料層は、積層されたときに進相軸（常光屈折率を示す方向）が同一方向になるよう形成する。

図４は、３つの偏光回折格子１１０、１２０、１３０を備えた複層回折型偏光素子２におけるストライプ長手方向の好ましい配置を示す概略図である。図４においては、左から順に偏光回折格子１１０、１２０、１３０のストライプ長手方向を表している。偏光回折格子１１０、１２０、１３０のストライプ長手方向は、図４のように互いに６０度毎の角度をもって配置し積層するのが好ましい。この理由を図５を用いて説明する。図５は、偏光回折格子１１０、１２０、１３０のストライプ長手方向が６０度毎の角度をもつとともに、各偏光回折格子の複屈折性材料層が、積層されたときに進相軸が同一方向になるように形成して配置したときの、絞り７の位置における０次透過光の像２００と、回折像２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ、２００Ｆの位置関係を示す図である。偏光回折格子１１０、１２０、１３０のストライプ長手方向を６０度毎の角度をもって配置されることが好ましい。さらに、各偏光回折格子が積層されたときに、各々の複屈折性材料層の進相軸（常光屈折率を示す方向）が同一方向となるように形成される。また、例えば図１に示す投射型表示装置に組み込まれたときに、各々の複屈折性材料層の進相軸が紙面に垂直方向となるよう形成されることが好ましい。かかる構成とすることにより、図５に示すように、０次透過光（必要な偏光方向の光）の像２００の周りに、不要な回折光の回折像２００Ａ〜２００Ｆが配置される。この回折像２００Ａ〜２００Ｆは０次透過光の像２００から等間隔に配置される。したがって、絞り７の開口は、図５に７０で示したように０次透過光の像２００の位置に簡単に配置でき、不要な回折光を絞り７によって遮光しやすい。一方、偏光回折格子１１０、１２０、１３０のストライプ長手方向の角度が６０度以外の時は、多重回折像が、０次透過光（必要な偏光方向の光）の像に近づいて迷光を生じ、コントラストを低下させる恐れがある。

また、複層回折型偏光素子を、ｎ層（ｎは２以上の整数とする）の偏光回折格子を積層して形成する場合には、隣り合う層における偏光回折格子のストライプ長手方向が互いに１８０／ｎ度の角度をなすように配置され積層されるようにすることが好ましい。この場合、前述の３層の偏光回折格子を積層する場合と同様の理由から、複層回折型偏光素子を構成する各々の偏光回折格子の複屈折性材料層の進相軸（常光屈折率を示す方向）は、各偏光回折格子が積層されたときに同一方向となるように形成される。また、例えば図１に示す投射型表示装置に組み込まれたときに、複屈折性材料層の進相軸が紙面に垂直方向となるように形成されることが好ましい。また、偏光回折格子を、長手方向に直交する方向の断面形状が鋸歯状のブレーズド格子とすることは、多重回折による迷光を低減できるので好ましい。

以上説明したように、本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置では、複層回折型偏光素子２が第１の偏光方向に偏光した常光線を透過させ、第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する異常光線を回折させるため、複層回折型偏光素子２を光軸に対して斜めに配置しなくとも第２の偏光方向を有する異常光線を回折させて光軸からそらせ、光量を低減できるので、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。

また、光源１と色分離手段としてのダイクロイックミラー３１との間の光路上に配置された第１の偏光手段としての複層回折型偏光素子２によって、第２の偏光方向に偏光した各光を回折させるため、第１の偏光手段としての複層回折型偏光素子２を最小限の個数に抑えることができ、コンパクトな投射型表示装置を実現できる。

また、色分離手段としてのダイクロイックミラー３１、３２が、光源１からの可視光を波長λ_Ｒで最大強度となる赤、波長λ_Ｇで最大強度となる緑、および、波長λ_Ｂで最大強度となる青の３原色の光に分離し、複層回折型偏光素子２が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも３つの偏光回折格子１１０、１２０、１３０を備え、各偏光回折格子１１０、１２０、１３０の最も高い回折効率の波長λ_ｒ、λ_ｇおよびλ_ｂが、それぞれ、
λ_Ｒ−５０ｎｍ≦λ_ｒ≦λ_Ｒ＋７０ｎｍ
λ_Ｇ−６０ｎｍ≦λ_ｇ≦λ_Ｇ＋６０ｎｍ
λ_Ｂ−７０ｎｍ≦λ_ｂ≦λ_Ｂ＋５０ｎｍ
を満たすように構成することによって、色分離手段としてのダイクロイックミラー３１、３２によって分離される各色の光の波長域と消光比の高い波長域とを一致させることができるため、３原色の色毎に高いコントラストと輝度を得ることが可能な投射型表示装置を実現できる。また、４層以上の偏光回折格子を積層することによって、高い消光比が要求される波長域での消光比をさらに高くすることができ、例えば視感度が高い緑色の波長域でのコントラストを大きくすることができる。

（第２の実施の形態）
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置の構成の一例を示す図である。本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置の構成は、複層回折型偏光素子（図１に示す複層回折型偏光素子２）の個数及びその配置場所を除いては、本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置１０１の構成と同様である。図７において、図１と同一の構成部については同一の符号を付してある。

本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置１０２では、複層回折型偏光素子２１がダイクロイックミラー３１と反射ミラー３１ａとの間に、複層回折型偏光素子２２がダイクロイックミラー３２と液晶パネル４２との間に、複層回折型偏光素子２３が反射ミラー３３ａと反射ミラー３３ｂとの間に、各々配置されている。すなわち、複層回折型偏光素子２１、２２、２３が、色分離手段としてのダイクロイックミラー３１、３２と液晶パネル４１、４２、４３との間に各々配置された構成を有している。

このような構成において、ダイクロイックミラー３１によってＲ（赤）成分の光が透過（分離）され、Ｒ（赤）成分の光は複層回折型偏光素子２１を透過し、反射ミラー３１ａで反射されて液晶パネル４１に入射する。また、ダイクロイックミラー３１によってＲ（赤）成分が分離され反射された光は、ダイクロイックミラー３２でＧ（緑）成分の光が反射して分離され、Ｇ（緑）成分の光は複層回折型偏光素子２２を透過して液晶パネル４２に直接入射する。さらに、ダイクロイックミラー３２によってＧ（緑）成分が分離されて透過されたＢ（青）成分の光は、反射ミラー３３ａで反射され、複層回折型偏光素子２３を透過し、反射ミラー３３ｂで反射されて液晶パネル４３に入射する。

上記以外の構成及び動作は、本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置１０１の構成と同様であるため、その説明を省略する。

次に、複層回折型偏光素子２１、２２、２３の構成の一例について図８に示す構成図を用いて説明する。図８において、Ｚ軸は光軸に平行であり、光の進行方向がＺ軸の正の方向である。但し、複層回折型偏光素子２１、２２、２３は、偏光回折格子の段差および格子ピッチの寸法を除いては、いずれも同様の構成を有している。透光性基板２０１ｄ、２０１ｅの片面には、それぞれ、常光屈折率ｎ_ｏおよび異常光屈折率ｎ_ｅ（ｎ_ｏ≠ｎ_ｅ）の複屈折性材料層２４１が後述の所望の方向となるように形成される。次に、複屈折性材料層２４１は加工されて、断面形状が段差ｄ_４かつ格子ピッチｐ_４のストライプを有する偏光回折格子１４０と、断面形状が段差ｄ_５かつ格子ピッチｐ_５のストライプを有する偏光回折格子１５０とが形成される。

次に、偏光回折格子１４０、１５０の各ストライプの凹部に屈折率ｎ_ｓの等方性透明材料を充填し、等方性透明材料層２４２を形成する。但し、等方性透明材料層２４２の屈折率ｎ_ｓは、複屈折性材料層２４１の常光屈折率ｎ_ｏまたは異常光屈折率ｎ_ｅに等しいとする。以下では、説明を簡単にするために、ｎ_ｓ＝ｎ_ｏの場合について説明する。さらに、透光性基板２０１ｄ、２０１ｅが、透光性基板２０１ｄ表面の偏光回折格子１４０と透光性基板２０１ｅ表面の偏光回折格子１５０とが対向するようにして積層される。上記のようにして複層回折型偏光素子２１が形成される。なお、上記では、偏光回折格子１４０と偏光回折格子１５０とが対向するように積層された構成について説明したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、２つの偏光回折格子１４０、１５０が対向しないように積層される構成でもよい。

本実施の形態の複層回折型偏光素子２１、２２、２３の構成は、常光線に対しては回折格子として作用せず直進透過させ、異常光線に対しては回折格子として作用して回折させる偏光回折格子１４０、１５０を備えた構成となっている。なお、特開２００３−６６２３２号公報に、上記のような複層回折型偏光素子と同様の構成を有するものが開示されている。
また、ｎ_ｓ＝ｎ_ｅの場合には、複屈折性材料層２４１の常光方向に偏光した光、すなわち常光線が入射する場合には、偏光回折格子が回折格子として作用するので、入射した常光線は積層された偏光回折格子により順次回折されて、複層回折型偏光素子２１、２２、２３を透過する常光線の光量は大幅に減少する。異常光線が入射する場合には、偏光回折格子が偏光回折格子として作用せず、入射した異常光線は回折されず直進透過する。

複層回折型偏光素子２１においては、偏光回折格子１４０および１５０の最も高い回折効率の波長が互いに異なる値であって、対応するＲ（赤）の波長帯域の光の中心波長をλ_０とするとき、偏光回折格子１４０、１５０の最も高い回折効率となる波長λ_１、λ_２が、それぞれ、
λ_０−７０ｎｍ≦λ_１≦λ_０−１０ｎｍ
λ_０＋１０ｎｍ≦λ_２≦λ_０＋７０ｎｍ
を満たすように設定されることが好ましい。また、Ｇ（緑）およびＢ（青）のそれぞれ波長帯域に対応する複層回折型偏光素子２２、２３も、Ｒ（赤）に対応する複層回折型偏光素子２１と同様に構成されることが好ましい。このように構成することによって、各色の波長帯域内の広い波長範囲で消光比を向上することが可能な投射型表示装置を実現できる。

この場合、波長λ_１およびλ_２は、それらの差（λ_２−λ_１）が４０ｎｍ以上とすると、各色の波長範囲の全域で高い消光比が実現されるので、より好ましい。

また、この場合、λ_０とλ_２の差がλ_０とλ_１の差より大きくなるように、すなわち、 ｜λ_１−λ_０｜＜｜λ_２−λ_０｜
となるように、λ_１とλ_２とを選ぶと、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対してより高い消光比が得られるようになり、さらに好ましい。

以上、各複層回折型偏光素子として、偏光回折格子を２層積層した構成について説明したが、さらに積層数を増やして、３層以上の積層数とすることによって、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対しても、さらに高い消光比が得られるようになり、さらに好ましい。例えば、偏光回折格子を３層積層する場合には、上述の２層積層する場合の条件に加え、第３層目の回折効率が最も高い波長λ_３が、λ_０付近の波長、すなわち、
λ_０−３５ｎｍ≦λ_３≦λ_０＋３５ｎｍ
を満たすように、複層回折型偏光素子を積層することが好ましい。さらには、λ_３が、
λ_０−１０ｎｍ≦λ_３≦λ_０＋３５ｎｍ
を満たすように、複層回折型偏光素子を積層することによって、該波長帯域の全域に渡って、斜めに入射した光に対してもさらに高い消光比が実現されるので、より好ましい。

また、複層回折型偏光素子を、ｎ層（ｎは２以上の整数）の偏光回折格子を積層して形成し、隣り合う層における偏光回折格子のストライプ長手方向を互いに１８０／ｎ度の角度をなすように配置することによって、さらに消光比を高くでき、視感度が高い波長域でのコントラストを大きくすることができる。とくにｎ＝２とすると迷光の影響を小さく抑えられて高い消光比が得られるので好ましい。

以上説明したように、本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置では、色分離手段としてのダイクロイックミラー３１、３２によって分離された各色の光毎に複層回折型偏光素子２１、２２、２３が配置されるので、複層回折型偏光素子２１、２２、２３として各色の光毎に最も高い回折効率を有する偏光回折格子１４０、１５０を積層したものを用いることができ、いずれの色の光に対しても安定して高い消光比を得ることが可能な投射型表示装置を実現できる。

また、複層回折型偏光素子２１、２２、２３は、各色毎に、最も高い回折効率の波長が前述の関係を満たす２つの偏光回折格子１４０、１５０を積層する構成とすることによって、広い波長範囲で消光比を向上することが可能な投射型表示装置を実現できるが、３つ以上の偏光回折格子を積層する構成とすることにより、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対しても、さらに高い消光比が得られる。

本発明の第２の実施の形態とは異なり、複層回折型偏光素子を１つの偏光回折格子によって構成し、その最も回折効率の高い波長を、各色の光強度の最も高い波長ピークに合わせるようにする場合には、消光比が本実施の形態に比べて低くなり、実用に向く値には足りなくなる。これに対し、本発明の第２の実施の形態では、２つの偏光回折格子を積層することによって複層回折型偏光素子を構成したため、各色の光の波長帯域内全体の消光比を高くすることができ、実用上充分な消光比値（３５ｄＢ超）を実現することができる。

上記第１および第２の実施の形態においては、液晶パネルとして、透過型の液晶素子が用いられる場合について説明したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、反射型の液晶パネルが用いられる場合にも適用され得る。また、液晶パネルは、液晶素子で構成されることに限らず、それ以外の表示手段で構成されるようにしてもよい。

なお、実用的に消光比が不足するような場合には、複層回折型偏光素子を、液晶パネルに入射する光のプレ偏光子として用い、従来から用いられている熱吸収型の偏光子を液晶パネルに別途貼り付けることによって、高い消光比を確保することも可能である。

本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置においても、本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置と同様に、液晶パネル４１、４２、４３と、投影手段としての投射レンズ系８との間の光路上に配置するか、投射レンズ系８が複数のレンズからなる場合に投射レンズ系８内のレンズとレンズの間に絞り７を配置することは、本発明の第１の実施の形態で説明した理由と同様の理由により好ましい。

また、偏光回折格子を複数積層して複層回折型偏光素子を形成する場合、第１の実施の形態において説明した積層の方法と同様に、偏光回折格子のストライプ長手方向が互いに１８０／ｎ度（ｎは積層する偏光回折格子の数で２以上の整数。）の角度をなすように配置して積層することが、本発明の第１の実施の形態で説明した理由と同様の理由により好ましい。

また、偏光回折格子を複数積層して複層回折型偏光素子を形成する場合、本発明の第１の実施の形態で説明した理由と同様の理由により、各偏光回折格子の複屈折性材料層は、複屈折材料の進相軸（常光屈折率を示す方向）が同一方向になるように形成される。例えば図７に示す投射型表示装置に組み込まれた場合は、各々の複屈折性材料層の進相軸が紙面に垂直な方向を向くように形成される。

また、本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置において、光源１として、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、および、Ｂ（青）の３原色の波長帯域の少なくとも１つ以上の波長帯域において輝線をもつ光源を用いることができる。その場合、輝線の波長λ_ＥＬが、該波長帯域の中心波長をλ_０としたときに（λ_０−７０）〜（λ_０−１０）ｎｍまたは（λ_０＋１０）〜（λ_０＋７０）ｎｍの範囲である場合は、該波長帯域に対する複層回折型偏光素子を構成する偏光回折格子のうちの１枚の回折効率が最も高い波長を、輝線の波長λ_ＥＬと実質的に等しくする、すなわち輝線の波長λ_ＥＬに対して±１０ｎｍの範囲とすることが好ましい。また、該波長帯域における（λ_０−７０）〜（λ_０−１０）ｎｍの範囲および（λ_０＋１０）〜（λ_０＋７０）ｎｍの範囲のそれぞれの範囲に輝線がある場合には、回折効率が最も高い波長がそれぞれの範囲の輝線の波長と実質的に等しくされた偏光回折格子を積層して、該波長帯域に対する複層回折型偏光素子を構成することが好ましい。これらの構成とすると、該波長帯域に対して高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が得られる。
本発明の投射型表示装置に用いることができる、輝線をもつ光源としては、高圧水銀ランプが例示される。高圧水銀ランプは、Ｇ（緑）波長帯域において波長５５０ｎｍ、５８０ｎｍ、Ｂ（青）波長帯域において波長４４０ｎｍ、４９０ｎｍの輝線をもつ。また、本明細書における輝線とは、励起された原子から放射される特定の波長の光に限定されず、各色の波長帯域中において光の強度が高い波長範囲があればその波長範囲の光を用いてもよい。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態に係る投射型表示装置について説明する。本発明の第３の実施の形態に係る投射型表示装置の構成は、複層回折型偏光素子の構成を除いては、本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置１０２の構成と同様であるため、その説明を省略する。

光源からの光が平行光でなく、収束光や発散光などの場合には、反射ミラーへの入射角度が反射面内で一様ではなく一定の分布が生じるため、反射ミラーで反射された光の偏光方向は、光束断面内においてある分布をもった状態となる。図１２は、光源１からの光が発散光である場合における、反射ミラーで反射された光の偏光方向の光束断面内における分布の一例を示す模式図である。図１２においては、反射ミラーに入射する光の偏光状態が直線偏光であり、その偏光方向が紙面横方向であるとした。光源１からの光が平行光でない場合、光が反射ミラーに斜め方向から入射することになるために、図１２に示すように、光束の周辺部では光の偏光方向が中央から両端に向かって徐々に回転するような分布となる。

したがって、消光比の高い複層回折型偏光素子を用いても、複層回折型偏光素子を透過した光が反射ミラーで反射された後には、光の偏光方向が図１２のような分布となり、偏光方向の乱れによって充分な消光比を有する光を液晶パネルに入射させることができず、コントラストを低下させてしまう。

しかしながら、本実施の形態においては、複層回折型偏光素子の光の入射する面（以下、入射面という）内における光学軸が所定の分布となるように構成することによって、複層回折型偏光素子がかかる光学軸の所定分布を備えない場合に生じる図１２に示すような偏光方向の分布を相殺させることができる。すなわち、複層回折型偏光素子を透過後の偏光方向の光束断面内における分布が、図１３に模式図で示すような分布となるように複層回折型偏光素子を構成することによって、図１２のような偏光状態に対応させてその偏光方向の分布を相殺させることができる。複層回折型偏光素子を透過する光の偏光方向は、その複屈折性材料に対する異常光方向または常光方向に平行になるため、複層回折型偏光素子の透過後の光において図１３に示すような偏光方向の分布が得られるようにするためには、複屈折性材料の異常光方向、すなわち光学軸の方向に所定の分布を付与する。上記のように、反射ミラーで反射された光の偏光方向の分布を相殺させることによって、光源１からの光が平行光でなくとも、反射ミラーによる偏光方向の分布の影響を受けず、一様に直線偏光した光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。
すなわち、複層回折型偏向素子を透過後の偏光方向の光束断面内における図１２のような分布を相殺するように、複層回折型偏向素子の複屈折性材料の光学軸を図１３の四隅に対応する部分において中央部に対して１°以上分布させた分布を付与することが好ましい。

次に、複層回折型偏光素子の入射面内における光学軸に所定の分布を付与する方法の一例を、高分子液晶を用いた複層回折型偏光素子の例により説明する。高分子液晶を用いた複層回折型偏光素子の場合には、透過する光の偏光方向は、偏光回折格子のストライプ長手方向には依存せず、高分子液晶の配向方向に依存する。したがって、例えば図１３に示すような偏光方向の分布に対応するように、複層回折型偏光素子における高分子液晶の配向方向を分布させる。

高分子液晶の配向方向に所定の分布を付与する方法の例としては、
（１）高分子液晶の配向膜のラビング方向を入射面内で湾曲するように分布させ、配向膜のラビング方向の分布に沿って液晶分子を配向させ、その状態で高分子液晶を重合させ高分子化させる方法
（２）高分子液晶の基板表面に微細な凹凸状のストライプ構造を湾曲するように作成しておき、そのストライプ長手方向に液晶分子が体積排除効果によって沿うことを利用して、上記微細な凹凸状のストライプ長手方向に沿った液晶分子の配向分布を付与し、重合させる方法
（３）光配向を利用して、液晶分子の配向方向に所定の分布を付与する方法
などがある。

上記の説明においては、複層回折型偏光素子に、透過後の偏光方向の分布が図１３に示す分布となるような機能を付与したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、複層回折型偏光素子とは別に、光路上の反射ミラーの入射側に、透過後の偏光方向の分布が図１３に示す分布となるような機能を付与した偏光子を配置してもよい。

また、偏光方向の分布が一定の分布となるような機能を付与する偏光子としては、偏光回折格子を有する偏光子に限定されず、他の構成を有する偏光子を用いてもよい。例えば、吸収型偏光子、構造複屈折型偏光子、金属ワイヤーグリッド型偏光子などを用いることができる。

構造複屈折型偏光子に入射した光は、特開２００１−２８１６１５号公報の[００９４]段に記載されているように、構造複屈折型偏光子に形成されたストライプに平行な偏光成分は反射され、ストライプに垂直な偏光成分は透過する。したがって、図１３の偏光方向の分布と平行になるようにストライプ方向を湾曲させることにより、透過後の偏光方向の分布が図１３に示す分布となる構造複屈折型偏光子を実現することができる。

また、金属ワイヤーグリッドを用いた金属ワイヤーグリッド型偏光子は、格子がアルミニウムなどの金属からなり、１００ｎｍまたはそれ以下の幅の金属細線を基板上に形成して作製され、入射した光は、この金属細線に平行な偏光成分は透過される。したがって、透過後に図１３に示す偏光方向の分布が得られるようにするためには、光の入射する面内における金属細線の方向を図１３の偏光方向の分布と平行になるように湾曲させて配置すればよい。

偏光方向の分布が所定の分布となるような機能を有する上記の偏光子において、偏光方向の分布は、図１２に示す偏光方向の分布に応じ、これを相殺するように決められる。面内の偏光方向の分布を、図１３に示すように弓形に湾曲した分布とすることが好ましく、光が入射する面内における偏光方向を、周辺部と中心部とで１度以上角度を変えることが好ましい。

以上説明したように、本発明の第３の実施の形態に係る投射型表示装置では、複層回折型偏光素子の入射面内における光学軸が所定の分布となるように構成することによって、光源からの光が平行光でない場合にも、反射ミラーによる偏光方向の光束断面内における分布の影響を相殺させることができ、したがって、一様な偏光状態の光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。

（第１の実施例）
以下、本発明の第１の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例について説明する。本実施例で用いられる複層回折型偏光素子２の消光比の波長依存性を、図６の矢印Ａの太線で示す。複層回折型偏光素子２は、最も回折効率の高い波長が、各々、λ_ｒ＝６５０ｎｍ、λ_ｇ＝５２０ｎｍ、λ_ｂ＝４１５ｎｍである偏光回折格子１１０、１２０、１３０を積層して形成されている。また、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）各成分の光強度の最も高い波長ピーク波長λ_Ｒ、λ_Ｇ、λ_Ｂは、各々、６３０ｎｍ、５４０ｎｍ、４６０ｎｍである。本実施例では、可視光波長帯域の全域に渡って消光比が３０ｄＢ以上を実現でき、特に人間の網膜視感度の高いＧ（緑）の波長帯域では３７ｄＢ以上と、高い値を実現できる。

また、図６において、矢印Ｂで示す細線は比較例を示しており、２層の偏光回折格子が積層されたタイプの回折型偏光素子を適用した場合の特性である。但し、２層の偏光回折格子の最も回折効率の高い波長λ_１、λ_２は、各々４２０ｎｍ、６９０ｎｍである。なお、この比較例は、特開平６−２７３２０号公報に開示されているものと同様の例である。

比較例の場合は、５４０ｎｍ付近を中心とするＧ（緑）の波長帯域において、消光比が１７ｄＢ程度であり、充分な消光比が得られていない。特に、緑は視感度が高いため、１７ｄＢという消光比は、実用上不充分な値である。

（第２の実施例）
以下、本発明の第２の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例について説明する。図９は、投射型表示装置１０２のＲ（赤）成分の光の消光比と波長の関係を示す図、図１０は、投射型表示装置１０２のＧ（緑）成分の光の消光比と波長の関係を示す図、図１１は、投射型表示装置１０２のＢ（青）成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。

本実施例では、Ｒ（赤）の波長帯域が、６３５±４５ｎｍのとき、図９に示すように、偏光回折格子１４０の回折効率が最も高い波長λ_１を５９５ｎｍ、偏光回折格子１５０の回折効率が最も高い波長λ_２を６７０ｎｍとした。また、Ｇ（緑）の波長帯域が、５４５±４５ｎｍのとき、図１０に示すように、偏光回折格子１４０の回折効率が最も高い波長λ_１を５１５ｎｍ、偏光回折格子１５０の回折効率が最も高い波長λ_２を５８５ｎｍとした。また、Ｂ（青）の波長帯域が、４６０±４０ｎｍのとき、図１１に示すように、偏光回折格子１４０の回折効率が最も高い波長λ_１を４２５ｎｍ、偏光回折格子１５０の回折効率が最も高い波長λ_２を４８５ｎｍとした。

図９〜図１１から明らかなように、本実施例では、いずれの色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の光の波長帯域においても、λ_１とλ_２の間の波長帯域内で最低３７ｄＢ以上で概ね４０ｄＢ以上の良好な消光比が得られる。

なお、複層回折型偏光素子における２つの偏光回折格子の最も回折効率の高い波長λ_１、λ_２が、共に各色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の最大強度の波長と同一になるように構成した場合には、それぞれの色の光の波長帯域内での消光比が不足する。したがって、２つの偏光回折格子の最も回折効率の高い波長λ_１、λ_２が、対応する色を有する光の最大強度の波長を挟むと共に、対応する色の波長帯域内に入るように、偏光回折格子１４０、１５０を構成することが好ましい。例えば、回折効率の最も高い波長が４５５ｎｍの偏光回折格子が２枚積層され形成されている複層回折型偏光素子の場合には、Ｂ波長帯域の波長４６０±４０ｎｍの範囲において消光比は３４ｄＢ以上であるが、回折効率の最も高い波長がそれぞれ４２５ｎｍ、４８５ｎｍの偏光回折格子が積層され形成されている複層回折型偏光素子の場合には、同波長範囲において３７ｄＢ以上と優れた消光比が得られる。

（第３の実施例）
以下、本発明の第３の実施例に係る投射型表示装置の実施例について説明する。本例の投射型表示装置は、光源１として点灯時の水銀動作蒸気圧を２００気圧に高めたショートアーク超高圧水銀ランプを用いていること、および、Ｇ（緑）波長帯域用およびＢ（青）波長帯域用の複層回折型偏光素子が備える偏光回折格子の回折効率が最も高い波長が、高圧水銀ランプの輝線の波長と実質的に一致されている（以下、これらの複層回折型偏光素子を、輝線の波長と一致させた複層回折型偏光素子という。）こと以外は、第２の実施形態にかかる投射型表示装置と同様の構成を有する。すなわち、本例の投射型表示装置のＧ（緑）波長帯域用の複層回折型偏光素子２２は、回折効率が最も高い波長がそれぞれ５５０ｎｍ、５８０ｎｍである２枚の偏光回折格子を積層して形成されており、Ｂ（青）波長帯域用の複層回折型偏光素子２３は、回折効率が最も高い波長がそれぞれ４４０ｎｍ、４９０ｎｍである２枚の偏光回折格子を積層して形成されている。それぞれの複層回折型偏光素子２２、２３の消光比と波長の関係を図１５、図１６に示す。

本例の投射型表示装置において、ショートアーク超高圧水銀ランプの光源１から出射された光は、色分離手段３１、３２によりＧ（緑）波長帯域およびＢ（青）波長帯域に分離され、図１７および１８の分光強度をもつランダム偏光として、それぞれの波長帯域用の複層回折型偏光素子２２および２３に入射する。光源１として用いるショートアーク超高圧水銀ランプの分光強度分布を図１４に示す。

それぞれの波長帯域用の複層回折型偏光素子２２および２３に入射したＧ（緑）波長帯域およびＢ（青）波長帯域の光のうち、第１の偏光方向に偏光した光は、入射光と同様の分光強度をもつ光として直進透過される。すなわち図１７および１８の分光強度をもつ第１の偏光方向に偏光した光が直進透過される。また、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向に偏光した光は、大部分が回折されて光軸から外され、それぞれ図１９および２０に実線で示す分光強度をもつ光のみが直進透過される。また、図１９および２０中の点線は、それぞれの波長帯域用の複層回折型偏光素子２２、２３において、２枚の偏光回折格子の回折効率が最も高い波長を輝線波長と一致させず、それぞれ５１５ｎｍ、５８５ｎｍ、および４２５ｎｍ、４８５ｎｍとしたときに複層回折型偏光素子を直進透過する第２の偏光の分光強度を示す。以下、これらの複層回折型偏光素子を、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子という。

図１９から、本例の投射型表示装置において、輝線の波長と一致させたＧ（緑）波長帯域用の複層回折型偏光素子２２に対して、光源１からの出射光を色分離手段で分離して得られたＧ（緑）波長帯域のランダム偏光を入射させたときに直進透過した第２の偏光は、Ｇ（緑）波長帯域用の複層回折型偏光素子として、回折効率が最も高い波長を輝線波長と一致させずそれぞれ５１５ｎｍ、５８５ｎｍとした、２枚の偏光回折格子を積層した複層回折型偏光素子を用いた場合に直進透過する第２の偏光より、Ｇ（緑）波長帯域のほぼ全域において強度が小さく、より優れた消光比が得られることがわかる。

このとき直進透過する光のうち、第１の偏光に対する第２の偏光の強度比、すなわち投射型表示装置の消光比を、Ｇ（緑）波長帯域の中心波長５５０〜５６５ｎｍの帯域で比較すると、本例の輝線の波長と一致させた複層回折型偏光素子を用いる構成では５５ｄＢ以上であって、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いる構成での４０ｄＢ以上と比較して優れた値が得られる。

また、図２０から、本例の投射型表示装置において、輝線の波長と一致させたＢ（青）波長帯域用の複層回折型偏光素子２３に対して、光源１からの出射光を色分離手段で分離して得られたＢ（青）波長帯域のランダム偏光を入射させたときに直進透過した第２の偏光は、Ｂ（青）波長帯域用の複層回折型偏光素子として、回折効率が最も高い波長を輝線波長と一致させずそれぞれ４２５ｎｍ、４８５ｎｍとした、２枚の偏光回折格子を積層した複層回折型偏光素子を用いた場合に直進透過する第２の偏光より、Ｂ（青）波長帯域のほぼ全域において強度が小さく、より優れた消光比が得られることがわかる。

このとき直進透過する光のうち、第１の偏光に対する第２の偏光の強度比、すなわち投射型表示装置の消光比をＢ（青）波長帯域の中心波長４５５〜４６５ｎｍの帯域で比較すると、本例の輝線の波長と一致させた複層回折型偏光素子を用いる構成では４３ｄＢ以上であって、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いる構成での３９ｄＢ以上と比較して優れた値が得られる。すなわち、それぞれの波長帯域の輝線の波長の光に対して消光比が高い偏光回折格子が用いられているので、高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が実現される。

本発明の第２の実施例および第３の実施例の構成の投射型表示装置において、光源１と複層回折型偏光素子２１、２２、２３との間の光路上に、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）および（青）成分の波長帯域の、第１の偏光方向に偏光した直線偏光を透過させる偏光子や、入射した第２の偏光方向の直線偏光を第１の偏光方向の直線偏光に変換して、入射した第１の偏光方向の直線偏光とともに透過させる偏光変換素子を、さらに配置した構成とすると、より高い消光比が得られて好ましい。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２００４年１２月２日出願の日本特許出願２００４−３４９８９９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明に係る投射型表示装置は、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強いという効果が有用な、投射型表示装置の用途にも適用できる。

１ 光源
２ 複層回折型偏光素子（第１の偏光手段）
６ ダイクロイックプリズム
７ 絞り
８ 投射レンズ系
９ スクリーン
２１、２２、２３ 複層回折型偏光素子（第１の偏光手段）
３１、３２ ダイクロイックミラー（色分離手段）
３１ａ、３３ａ、３３ｂ 反射ミラー（光誘導手段）
４１、４２、４３ 液晶パネル
５１、５２、５３ 検光子（第２の偏光手段）
１００ 光
１００Ａ 不要な回折光
１０１ 投射型表示装置
１０２ 投射型表示装置
１１０、１２０、１３０ 偏光回折格子
１４０、１５０ 偏光回折格子
２００ ０次透過光の像
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、２００Ｅ、２００Ｆ 回折像
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ 透光性基板
２１１ 複屈折性材料層
２１２ 等方性透明材料層
２４１ 複屈折性材料層
２４２ 等方性透明材料層

Claims (9)

1. 可視光を出射する光源と、
   前記光源から出射された可視光を複数の波長帯域光に分離する色分離手段と、
   前記色分離手段により分離された各波長帯域光に対して、第１の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向に偏光した光の進行方向を変更または前記第２の偏光方向に偏光した光を吸収する複数の偏光子によって構成された第１の偏光手段と、
   前記第１の偏光手段を直進透過した少なくとも１つの波長帯域光を反射する少なくとも１つの反射ミラーと、
   前記少なくとも１つの反射ミラーによって反射された少なくとも１つの波長帯域光および前記第１の偏光手段を直進透過した前記少なくとも１つの波長帯域光以外の波長帯域光を、波長帯域毎に表示する画像に応じて変調する複数の液晶パネルと、
   各前記液晶パネルから出射された光を合成する光合成手段と、
   前記光合成手段によって合成された光を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置であって、
   前記複数の偏光子のうち前記色分離手段と前記反射ミラーとの間の光路上に配置された偏光子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の中心部において第１の偏光方向に偏光した光を第１の偏光方向で直進透過させるとともに、該面内の周辺部において第１の偏光方向に偏光した光を第１の偏光方向と異なる偏光方向で直進透過させることにより、前記反射ミラーで反射される波長帯域光の偏光方向の分布を相殺することを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記複数の偏光子は、第１の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向に偏光した光を回折させる偏光回折格子を複数積層した複数の複層回折型偏光素子であって、
   各前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも２つの前記偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλ _０ とするとき、前記偏光回折格子のうち２つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λ _１ およびλ _２ が、それぞれ、
   λ _０ −７０ｎｍ≦λ _１ ≦λ _０ −１０ｎｍ
   λ _０ ＋１０ｎｍ≦λ _２ ≦λ _０ ＋７０ｎｍ
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記波長λ _１ およびλ _２ が
   ｜λ _１ −λ _０ ｜＜｜λ _２ −λ _０ ｜
   を満たすことを特徴とする請求項２に記載の投射型表示装置。
4. 前記複数の複層回折型偏光素子のうち前記色分離手段と前記反射ミラーとの間の光路上に配置された複層回折型偏光素子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の周辺部における光学軸の方向が中心部における光学軸の方向とは異なる方向に分布する複屈折性材料層を備えることを特徴とする請求項２または３に記載の投射型表示装置。
5. ｎを２以上の整数とするとき、前記複層回折型偏光素子がｎ層の前記偏光回折格子を備え、前記偏光回折格子は、格子の長手方向が互いに（１８０／ｎ）度の角度をなすように積層されている請求項２から４までのいずれか１項に記載の投射型表示装置。
6. 前記可視光を出射する光源が赤、緑および青の３原色の波長帯域のうち少なくとも１つ以上の波長帯域において輝線をもつ光源であって、
   前記輝線が含まれる波長帯域の複層回折型偏光素子が有する前記偏光回折格子の少なくとも１つが、最も高い回折効率の波長が前記輝線の波長と実質的に一致する偏光回折格子である請求項２から５までのいずれか１項に記載の投射型表示装置。
7. 可視光を出射する光源が、高圧水銀ランプからなる光源であって、
   青の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、４４０ｎｍ、４９０ｎｍと実質的に等しい偏光回折格子を備えていて、
   緑の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、５５０ｎｍ、５８０ｎｍと実質的に等しい偏光回折格子を備えている請求項２から６までのいずれか１項に記載の投射型表示装置。
8. 各前記液晶パネルによって変調された各波長帯域光のうち、予め決められた偏光方向の光を透過させて前記光合成手段に出射する第２の偏光手段をさらに備え、
   前記第２の偏光手段が、複層回折型偏光素子によって構成され、
   前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも２つの偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλ _０ とするとき、前記偏光回折格子のうち２つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λ _１ およびλ _２ が、それぞれ、
   λ _０ −７０ｎｍ≦λ _１ ≦λ _０ −１０ｎｍ
   λ _０ ＋１０ｎｍ≦λ _２ ≦λ _０ ＋７０ｎｍ
   を満たす請求項１から７までのいずれか１項に記載の投射型表示装置。
9. 前記液晶パネルと前記投影手段との間の光路上に、前記液晶パネルから出射する光のうちの不要部分を遮光する絞り手段が配置された請求項１から８までのいずれか１項に記載の投射型表示装置。

Images