JP5528171B2 - 画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は画像投射装置に関し、例えば液晶パネル（画像表示素子）に基づく投射像原画をスクリーン面上に拡大投影するプロジェクターに好適なものである。

従来、液晶パネル等の画像表示素子に基づく投影像原画をスクリーン面上に拡大投影するようにした画像投射装置（プロジェクター）が種々提案されている。一般的に画像投射装置では、液晶表示素子が黒表示状態であるにもかかわらず、不要な光が投射光学系側に漏れることがある。そうすると投射画像のコントラストが低下してくる。画像投射装置を構成する素子（部材）のうち、偏光分離素子や位相板等の偏光制御素子は光束の入射角度の違いにより光学特性が変化する。

そのためこれらの素子に入射する光が偏光光束のときは偏光の特性も入射角度に依存して変化する。この偏光状態の変動により偏光制御素子に入射した光のうち本来ならば出射してはならない光（投射光学系に入射し、スクリーンに投射されてはならない光）が出射してしまい、所謂漏れ光が生じる。偏光制御素子から漏れ光が生じると投射画像のコントラストが低下してくる。従来よりこの漏れ光を軽減した画像投射装置が知られている（特許文献１〜３）。

特許文献１では偏光素子と液晶表示素子との間に１／４波長板を配置することで漏れ光を軽減した画像投射装置を開示している。特許文献２では、入射角度による位相変化が小さい波長以下の微細な周期構造を有する波長板を用いた画像投射装置を開示している。また特許文献３では、偏光分離素子と液晶表示素子の間に１／４波長板と位相板を配置し、かつその光学軸の方向を規定することにより、高い位相補償効果を得るようにした画像投射装置を開示している。

特開平０２−２５００２６号公報 特開２００５−１０６９０１号公報 特開２００６−０３９１３５号公報

画像投射装置において、偏光制御素子からの漏れ光を軽減し、投射画像のコントラストを高めるためには、偏光分離素子、１／４波長板、位相板、液晶表示素子の入射角度特性や屈折率異方性等を考慮して適切な構成、配置とすることが求められる。

本発明は偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる画像投射装置の提供を目的とする。

本発明に係る画像投射装置の代表的な構成は、光源手段から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光を透過し、それと直交する偏光方向の光を反射する偏光分離素子と、前記照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記液晶表示素子との間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板と、前記液晶表示素子と前記波長板との間の光路中に配置された位相板と、前記液晶表示素子を介した画像光を投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、前記位相板のリターダンスは前記液晶表示素子のリターダンスよりも大きく、前記液晶表示素子面の法線方向をｚ方向、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とするとき、前記液晶表示素子が正の屈折率異方性を有し、前記波長板の光学軸はｘ方向と平行な方向となるように配置され、前記位相板の光学軸は前記ｚ方向と平行に配置され、前記位相板は、前記液晶表示素子の屈折率異方性の符号と反対の符号の屈折率異方性を有することを特徴としている。
また、本発明に係る画像投射装置の他の代表的な構成は、光源手段から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光を透過し、それと直交する偏光方向の光を反射する偏光分離素子と、前記照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記液晶表示素子との間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板と、前記液晶表示素子と前記波長板との間の光路中に配置された位相板と、前記液晶表示素子を介した画像光を投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、前記位相板のリターダンスは前記液晶表示素子のリターダンスよりも大きく、前記液晶表示素子面の法線方向をｚ方向、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とするとき、前記液晶表示素子が負の屈折率異方性を有し、前記波長板の光学軸はｙ方向と平行な方向となるように配置され、前記位相板の光学軸は前記ｚ方向と平行に配置され、前記位相板は、前記液晶表示素子の屈折率異方性の符号と反対の符号の屈折率異方性を有することを特徴としている。

本発明によれば、偏光制御素子への光束の入射角度が大きくても漏れ光が少なく、コントラストの高い投射画像が容易に得られる画像投射装置が得られる。

本発明の実施例１の画像投射装置の構成外略図 １軸性の屈折率楕円体を示す図 １／４波長板の屈折率異方性と位相差入射角度特性の相関を示す図 微細１次元格子波長板の構造概略図 有効屈折率とフィリングファクタの相関を示す図 表１の１次元格子波長板の位相差の波長特性を示す図 実施例１のＧ帯域用光路の構成を示す図 実施例１の各素子を透過後の偏光状態を示す図 比較例１のＧ帯域用光路の構成を示す図 比較例１の各素子を透過後の偏光状態を示す図 比較例２のＧ帯域用光路の構成を示す図 比較例２の各素子を透過後の偏光状態を示す図 光束最大入射角度と漏れ光量の相関を示す図 位相板リタ−ダンス量と漏れ光量の相関を示す図 積層薄膜の位相板の構造概略図 実施例２のＧ帯域用光路の構成を示す図 光束最大入射角度と漏れ光量の相関を示す図

以下に、本発明の画像投射装置の実施の形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明の画像投射装置は、白色光を放射する光源手段１を有する。更に、光源手段１から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光（一方向に振動する光）を透過し、それと直交する偏光方向の光（他方向に振動する光）を反射する偏光分離面９ａ１、９ｂ１を含む偏光分離素子９ａ、９ｂを有する。

照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒと、偏光分離素子９ａ、９ｂと液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒとの間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒを有する。液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒと前記波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒとの間の光路中に配置された位相板１３ｇ、１３ｂ、１３ｒと、液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒを介した画像光を投射する投射光学系２０と、を有する。位相板１３ｇ、１３ｂ、１３ｒのリターダンス（位相板が与える位相差）は液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒのリターダンスよりも大きい。ここでは、波長板１２、位相板１３と記載したが、波長板１２を第１の位相差板（波長板、位相板）と記載し、位相板１３を第２の位相差板（波長板、位相板）と記載しても構わない。

いま座標軸として液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒ面の法線方向をｚ方向、偏光分離素子９ａ、９ｂの偏光分離面９ａ１、９ｂ１の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とする。このとき、液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒが正の屈折率異方性を有する場合には波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒの光学軸はｘ方向と平行な方向となるように配置される。また液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒが負の屈折率異方性を有する場合には波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒの光学軸はｙ方向と平行な方向となるように配置される。位相板１３ｇ、１３ｂ、１３ｒの光学軸はｚ方向と平行に配置される。位相板１３ｇ、１３ｂ、１３ｒは、液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの屈折率異方性の符号と反対の符号の屈折率異方性を有する。

波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは、格子形状が可視光域の光の波長以下の格子周期を持つ１次元格子構造を１層以上有する。波長板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒ、および位相板１３ｇ、１３ｂ、１３ｒは無機誘電体材料からなる、又は無機誘電体の負結晶を有する、又は負の屈折率異方性を有する液晶材料を有する。

［実施例１］
図１は本発明の実施例１の投射型の画像投射装置１００の概略構成図である。光源（光源手段）１から照射される光束（白色光）は、リフレクタＲａによって反射され略平行光束２となって偏光変換素子３に入射する。

図１においては、この白色の平行光束２を緑・青・赤色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを緑色光２ｇ、青色光２ｂ、赤色光２ｒとして図示している。勿論、この緑、青、赤色光２ｇ、２ｂ、２ｒのそれぞれは、図上では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光２ｇ、２ｂ、２ｒはこの段階では空間的に分離されていない。以下、緑色光はＧ，青色光はＢ、赤色光はＲと省略して示す。光源１から発せられる各色の光は様々な偏光を含んでおり、偏光変換素子３を透過することにより、一様な偏光方向へ揃えられてＧ偏光４ｇ、Ｂ偏光４ｂ、Ｒ偏光４ｒとなり、ダイクロイックミラー５へ入射する。

ダイクロイックミラー５はＧ帯域のみ反射する特性を有しており、Ｇ偏光４ｇは反射され、Ｒ、Ｂ偏光４ｒ、４ｂは透過することでＧ偏光４ｇが色分離される。Ｇ偏光８ｇはそのまま偏光分離素子９ａに入射し、偏光分離面９ａ１、１／４波長板１２ｇおよび位相板１３ｇを透過してＧ用液晶表示素子１１ｇに照射される。色分離されたＲ偏光４ｒとＢ偏光４ｂの偏光は偏光板６を透過することにより偏光度が向上した後に色選択性位相板７に入射する。色選択性位相板７はＢ偏光４ｂのみ偏光方向を９０°変換させる特性を有しており、これによりＲ偏光８ｒの偏光状態は維持したまま、Ｂ偏光８ｂは９０°偏光方向が回転した状態で偏光分離素子９ｂに入射する。偏光分離素子９ａ、９ｂはＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する素子である。このような作用を有する素子は例えば屈折率の異なる薄膜を積層した構成より成っている。偏光分離素子９ｂの偏光分離面９ｂ１によりＢ偏光８ｂは反射、Ｒ偏光８ｒは透過して色分離され、１／４波長板１２ｂ、１２ｒ、および位相板１３ｂ，１３ｒを透過して各色に対応する液晶表示素子１１ｂ、１１ｒに照射される。

液晶表示素子１１ｂ、１１ｒ、１１ｇに照明された光は画像信号に応じて画素ごとに照明光の偏光方向を９０°変換され、反射されることにより画像光となる。Ｂ偏光８ｂとＲ偏光８ｒの画像光は再び１／４波長板１２ｂ、１２ｒ、および位相板１３ｂ，１３ｒを透過した後に偏光分離素子９ｂに再入射する。ここでＢ偏光８ｂの画像光は透過され青色光１５ｂとなり、Ｒ偏光８ｒの画像光は偏光分離面９ｂ１に反射され赤色光１５ｒとなって偏光分離素子９ｂを出射することで青色光１５ｂ、青色光１５ｒが合成される。Ｇ偏光１５ｇの画像光も１／４波長板１２ｇおよび位相板１３ｇを透過した後に偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１により反射され、合成プリズム１８に入射する。

合成プリズム１８内のダイクロイック膜１９により、Ｇの画像光１５ｇは反射され、ＲとＢの画像光１５ｂ、１５ｒは透過することでＧとＲとＢの画像光１５ｇ、１５ｒ、１５ｂが合成されて出射される。色合成された画像光１５ｇ、１５ｒ、１５ｂは投射光学系２０によりスクリーン（被投影面）Ｓに投影、結像される。ここで本実施例の画像投射装置において用いている、１／４波長板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒは光学軸方向に相対的に小さな屈折率を有している。負の屈折率異方性を有する１／４波長板を用いることで、入射角度増大時に生じる位相ズレに起因する漏れ光を抑えている。

以下で屈折率異方性と位相差の入射角度特性について説明する。波長板、位相板等の偏光制御素子は、ある互いに直交する３つの方向のうち少なくとも１つの方向に振動する偏光に対して、他方と異なる屈折率を持つ。この屈折率差によって２つの偏光成分の間に光路長差が生じ、出射光に位相差を生む。このような偏光方向に対して屈折率が異なる特徴を屈折率異方性という。また前記３つの方向に対する屈折率の分布を回転楕円体表示したものを屈折率楕円体といい、このような屈折率異方性を有する媒質において、どのような偏光を入射しても屈折率差が生じない方向を光学軸という。光学軸が１軸（１軸性楕円体）の場合には前記３つの方向の屈折率のうち２方向の屈折率が等しく、光学軸が２軸（２軸性楕円体）の場合には３つの方向の屈折率が全て異なる値を持つ。なお、屈折率異方性や光学軸に関しては「応用光学」（応用物理学会編、山口一郎著、オーム社発行、ｐ７１−ｐ８４）に詳細に記載されている。

図２（Ａ）、（Ｂ）に１軸性楕円体の２つの例を示す。どちらの図もｙ方向と光学軸が平行となるように示してある。図２ａに示すように光学軸方向に大きな屈折率を持つ場合（ｎｙ＞ｎｘ，ｎｚ）を正の屈折率異方性、図２ｂのように光学軸方向に小さな屈折率を持つ場合（ｎｙ＜ｎｘ，ｎｚ）を負の屈折率異方性という。負の屈折率異方性を有する材料を負結晶という。屈折率異方性を示す２つの屈折率のうち、一方の屈折率（ｎ０＝ｎｘ＝ｎｚ）は光線の入射方向に依らず一定であるが、もう一方の屈折率（＝ｎｅと表す）は入射角度により屈折率ｎ０から屈折率ｎｙの範囲で偏光に対する屈折率が変化する場合がある。この変化は透過光に生じる位相差の入射角度に大きな影響を与える。

ここで図３に１／４波長板により生じる位相差の入射角度特性を示す。図３の横軸に入射角度を示し、縦軸は位相差を表す。１／４波長板の光学軸方向（図２のｙ方向に対応）は板面と平行であり、入射角度は波長板面法線（図２のｚ方向に対応）と成す角度としている。図３の３本の特性曲線のうち、黒太線３１はｘｚ面内で入射する場合の１／４波長板の位相差角度依存性を示し、黒細線３２と点線３３は、ｙｚ面内で入射する場合の１／４波長板の位相差角度依存性を示す。このうち細線３２は１／４波長板の屈折率異方性が正の場合、点線３３は１／４波長板の屈折率異方性が負の場合を示している。なお屈折率異方性は正負異なるが屈折率差は等しい場合の比較としている。ｘｚ面内では位相差の入射角度特性に屈折率異方性の正負の差は殆ど表れない。

しかしｘｙ面内では、負の屈折率異方性を有する波長板は、正の屈折率異方性を有する波長板に比べて角度に対して緩やかな特性を示していることが分かる。ｙｚ面内では入射角度の増大に伴って波長板の屈折率差が減少することにより位相差は減少する。負の屈折率異方性の場合、入射角増大に伴ない屈折率ｎｅは増大し、正の屈折率異方性の場合は逆に入射角増大に伴ない屈折率ｎｅは減少する。屈折率異方性の大きさが同程度であれば、負の屈折率異方性の１／４波長板の方が媒質中における屈折角度が相対的に小さくなり、入射角度特性が緩やかになる。その結果小さいＦｎｏ（Ｆナンバー）でも入射角度に起因する位相ズレを小さく抑え、結果として漏れ光を低減することができる。そのため本実施例の投射型の画像投射装置においては負の屈折率異方性を有する波長板を用いることが望ましい。

このような屈折率異方性を持つ波長板としてはニオブ酸リチウム等の誘電体負結晶の厚みを制御して位相差を１／４波長としたものが一般的であり、他には負の屈折率異方性を有する液晶材料を用いることが可能である。またその他に光の波長以下の微細な１次元格子を用いた波長板が適用できる。

図４は１次元格子構造を用いた波長板１２の模式図である。詳細な構成については後述する。１次元格子構造５０の格子形状部分（格子形状）５３および５４の格子周期が可視光域の光の波長以下であれば、その微細な周期構造により構造複屈折が生じる。ここでいう光とは主として波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視光域を指している。例えば偏光方向が１次元格子周期方向と平行でない直線偏光が格子を透過する場合、格子周期に平行な方向と直交する方向とでは、各偏光に対する屈折率が異なるので、その格子高さに応じた位相差が生じる。

ここで有効屈折率法について説明する。有効屈折率法とは、回折限界以下の微細な周期構造体について、構造の持つ見かけの屈折率（＝有効屈折率）を求める手法である。実際の設計においては厳密結合波解析などの手法を用いる必要があるが、有効屈折率法を用いることで微細構造全体により生じる位相差を簡易に算出することができる。図９の各格子層（５３および５４）において、格子周期に直交する偏光成分をＴＥ偏光、ＴＥ偏光と入射面に垂直な偏光成分をＴＭ偏光とする。このときＴＥ、ＴＭ偏光に対する有効屈折率ｎ_ｍ（ＴＥ），ｎ_ｍ（ＴＭ）は以下の式（２）（３）で与えられる。

ここでｎ_ｍは格子材質の屈折率である。ｎ_ａは格子層に充填される媒質の屈折率であり、通常ではｎａ＝１．０（空気）である。また、フィリングファクタｆｆは構造周期をＰ，格子幅をＷ_ｍとすると式（４）
ｆｆ＝Ｗ_ｍ／Ｐ ・・・（４）
で定義される量である。図５に有効屈折率ｎ_ｍ（ＴＥ），ｎ_ｍ （ＴＭ）とフィリングファクタｆｆの関係を示す。図５から１次元格子の有効屈折率は常にｎ_ｍ （ＴＥ）＞ｎ_ｍ （ＴＭ）となっていることがわかる。また図４のｚ方向と平行な方向に振動する偏光成分に対する有効屈折率は、周期構造の対称性から前記ＴＥ方向に同等と近似できるとすると、１次元格子構造は周期方向（ｙ方向）に光学軸を持つ負の屈折率異方性を持つと考えることができる。

構造複屈折は材料の屈折率異方性に依存しないので材料の自由度が高い。例えば格子材質として透明無機誘電体を用いれば、高分子延伸フィルムの波長板に比べて耐熱性の高い波長板を得ることができる。また形状によって位相差特性を制御でき、広い帯域で位相分散の小さい波長板を設計することも可能である。

表１に広帯域位相差波長特性を有する１次元格子構造より成る波長板の設計値を示す。表１に示す波長板の概略構造は図４と対応しており、表１に記載の１層目は図４中の格子形状部分５４、２層目は図４中の格子形状部分５３、３層目は図４中の中間層５２、基板は図４中の基板５１と対応している。表１に示した１次元格子波長板の設計値の分光位相差特性を厳密結合波解析の手法を用いて計算すると図６のようになる。広帯域の１次元格子波長板の設計指針としては、格子の材料の屈折率ｎに１．６以上の材質を用い、フィリングファクタｆｆを０．６５以上とすることが望ましい。即ち１次元格子構造の格子周期をＰ，格子幅をＷ，格子材料の屈折率をｎとする。このとき、
ｎ＞１．６０かつＷ／Ｐ＞０．６５
を満たすのが良い。

位相差の広帯域化のためには、位相差と屈折率差、波長の関係が式（５）
位相差Δ＝２π・屈折率差Δｎ／波長λ ・・・（５）
である。これより互いに直交する偏光方向の光に対する屈折率の差（屈折率差）Δｎの波長変化を１／λと相殺させる必要がある。フィリングファクタｆｆが０．６５以下では屈折率差Δｎの波長変化が１／λの変化と相殺しない方向となるので望ましくない。また格子屈折率が小さいと得られる屈折率差Δｎ自体が小さくなり、屈折率差Δｎの波長変化量が小さくなってしまうので広帯域化の観点からは望ましくない。

図６のような特性を有する１／４波長板を用いれば、設計中心波長λ０から離れた波長でも位相ズレを少なく抑え、漏れ光を低減できる。高い漏れ光抑制効果を得る為には使用波長帯域内で設計中心波長λ０からの位相ズレ量を±５°以内に抑えることが望ましい。

以上の結果から本実施例の画像投射装置においては、１／４波長板として負の屈折率異方性を有する１／４波長板を用いることが好ましく、さらに光の波長以下の周期構造の１次元格子構造を１層以上有する１／４波長板を用いることが好ましい。

次に負の屈折率異方性の波長板の配置方法および位相板に必要なリターダンス量について説明する。図７は実施例１の画像投射装置（図１）のうち、Ｇ用光学系１１０ａの部分を抜き出して示した説明図である。Ｇ用光学系１１０ａ中９ａはＧ用の偏光分離素子、９ａ１は偏光分離面、１１ｇｐは正の屈折率異方性のＧ用液晶表示素子、１２ｇはＧ用の１／４波長板、１３ｇｎはＧ用の負の屈折率異方性の位相板を示す。以後の説明はＧ用光学系の部分を用いて行うが、本実施例の構成は特にＧ帯域に限定するものではなく、Ｒ帯域、Ｂ帯域についても同様に扱うことが出来る。

まず、座標軸として液晶表示素子１１ｇの面法線方向をｚ方向、偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１の法線方向とｚ方向の両方に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向として３次元軸方向を規定する。上記のように規定した座標軸を図７右下に記載している。以後、座標軸について特に記載のない場合は全て上記と同様の方法により規定しているものとする。

上記の座標軸において、実施例１のように液晶表示素子１１ｇｐが正の屈折率異方性を有する場合には図７のように位相板１３ｇｎは負の屈折率異方性を有し、その光学軸はｚ方向と平行になるよう配置する。さらに１／４波長板１２ｇの光学軸はｘ方向と平行な方向となるように配置する。このとき位相板１３ｇｎのリターダンスは液晶表示素子１１ｇｐよりも大きなリターダンスを有することが好ましい。ここでいうリターダンスは屈折率異方性を有する層の最大屈折率差と層の厚さの積である。このように素子を配置することで特に液晶表示素子の面法線に角度を持って入射する偏光に対する漏れ光を効果的に抑制することができる。

液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒと１／４波長板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒとの間に配置されている位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒは、液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒの面法線に対して斜入射する偏光に生じる所望しない位相差を補正する為に用いられる。そのため位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒは液晶表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒの屈折率異方性の符号と反対の屈折率異方性を有するものが用いられる。通常は液晶表示素子の屈折率差ΔｎＬＣ、液晶セル厚ｄＬＣとし、位相板の屈折率差ΔｎＣＰ、位相板の屈折率異方性層の厚さｄＣＰとする。このときにそれぞれのリターダンスが等しくなるように、位相板の特性が選択される。すなわちΔｎＬＣ・ｄＬＣ＝ΔｎＣＰ・ｄＣＰの条件を各帯域ごとに満たす位相板を用いることにより、液晶表示素子に斜入射した時に生じる位相差をキャンセルしている。

しかし上記の条件は液晶表示素子で生じる位相差を、位相板単体で補償する場合の最適な条件である。本実施例の画像投射装置のように液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒの周りに偏光分離素子９ａ，９ｂや１／４波長板１２ｇ，１２ｂ，１２ｒが配置されている場合には、それらの影響を受けて位相板１３ｇ，１３ｂ，１３ｒの位相補償条件は変化する。そのため光学系全体としての位相補償については前述の条件が最適とは言えない。

偏光制御素子に斜入射光が入射したときに生ずる斜入射光の漏れ光を抑制するためには、次のことを考慮する必要がある。即ち、斜入射する光線の偏光状態が、偏光分離素子９ａ，液晶表示素子１２ｇｐ，１／４波長板１２ｇおよび位相板１３ｇｎの各素子を透過した際にそれぞれどのように変化するかを考慮する必要がある。

斜入射の偏光状態の例として図７の光学系１１０ａにおいて、ｚ軸に対して１２°、ｘｙ面内においてｘ軸に対し方位＋４５°の方位から光線が入射した場合の各素子を通過後の偏光状態を図８に示す。図８の６つのグラフ１ａ〜６ａは横軸ｘ方向振幅、縦軸ｙ方向振幅として、それぞれの偏光状態を楕円表示で示している。図８中の番号１ａ〜６ａは図７中の番号と対応しており、各素子を透過後の偏光状態を表している。１ａは光源側から偏光分離素子９ａ透過直後、２ａは光源側から１／４波長板１２ｇ透過後、３ａは光源側から位相板１３ｇ透過後の偏光状態を表す。４ａは液晶表示素子１１ｇｐ反射後、５ａは液晶表示素子側から位相板１３ｇ透過後、６ａは液晶表示素子側から入射した時の１／４波長板を透過後の偏光状態を表す。なお液晶表示素子は黒表示状態で、セル内の液晶分子はほぼ垂直配向している状態である。また１ａで偏光分離素子９ａを透過した後、偏光軸がｙ軸に対して傾いた直線偏光となっている。これは偏光分離素子面９ａ１に方位４５°で斜入射したため起こるものであり、ｚ軸と平行に入射した場合にはｙ方向に振動する直線偏光となる。

比較例１として図９の光学系１１０ｂのように位相板１３ｇｎが液晶表示素子１１ｇｐと等しいリターダンス量を有する場合の各素子を透過後の位相状態を図１０に示した。また比較例２として図１１の光学系１１０ｃのように位相板１３ｇｎが光学系に配置されない場合における同様の結果を図１２に示した。

この中で図８、図１０、図１２の各図の６ａに注目する。図８，１０，１２の６ａ中に重ねて示されている矢印は偏光分離素子面９ａ１の液晶表示素子側から入射した時の偏光分離素子の透過偏光方向を示している。入射偏光がｙ方向に対して傾いているのと同様に透過偏光方向も傾いているため、６ａの時点で矢印方向に対して最適な偏光状態にすることが望ましい。つまり図８、図１０、図１２中６ａの偏光状態と前記矢印が重なっていれば偏光は偏光分離素子９ａを透過して光源側に戻るため、漏れ光は最小限に抑えられる。

以上を踏まえて各図の偏光状態６ａを比較すると、偏光状態と矢印の重なりは図８＞図１０＞図１２の順に小さくなり、この順に漏れ光が大きくなる。各図の構成の違いは位相板１３ｇｎのリターダンスの量である。液晶表示素子のリターダンス量に合わせた位相板を配置した比較例１（図１０）よりも大きなリターダンス量の位相板を配置した実施例１（図８）の方が漏れ光は少なくなる。即ち、液晶表示素子のリターダンスより位相板のリターダンスが大きいことが良い。ここまでの説明はｘ方向に対して４５°の方位についての説明であったが、方位対称性から他の方位に関しても概ね同様の傾向が見られる。他の方位から斜入射した偏光であっても実施例１は比較例１に対して漏れ光を低減する傾向を有する。

図１３に本実施例の構成（図７）における光束の最大入射角度と漏れ光量の相関を計算した結果を示す。比較例１および比較例２の構成（図９，図１１）における同様の計算結果も重ねて示した。横軸は入射光束の最大の入射角度（４ｄｅｇ〜１６ｄｅｇ）であり、横軸が大きいほど入射する光束のＦｎｏが小さくなる。縦軸は各光束におけるＧ光路の漏れ光量を示している。縦軸の漏れ光量は入射光量に対する比率（％）である。これは以下同じである。図１３に示す計算において偏光分離素子９ａの材料の屈折率は１．８、１／４波長板のリターダンス１３８ｎｍ、実施例１の位相板の屈折率ｎｘ＝ｎｙ＝１．９，ｎｚ＝１．７５でリターダンス５１０ｎｍ、液晶表示素子のリターダンスをおよそ２５０ｎｍとした。

図１３から、比較例１，２に比べ実施例１の構成とすることで、どの入射角度の光束であっても漏れ光量を小さく抑えていることが分かる。特に入射角度の大きな領域で効果が大きい。本実施例の構成とすることでＦｎｏ（Ｆナンバー）を小さくして光量を得つつ、高いコントラストの投射画像を得ることができる。液晶表示素子１１ｇｐと同等のリターダンスの位相板を配置した比較例１でも比較例２に比べれば一定の位相補償効果は得られる。しかし光学系全体での斜入射の偏光状態を考慮した補償を行うためには、実施例１の構成においては位相板は液晶表示素子と同等以上のリターダンス量を有することが望ましい。

図１４は実施例１において光束の最大入射角度１５°の場合における、位相板１３ｇｎのリターダンス量と漏れ光量の相関を示している。図１４中の曲線の極小値が最適なリターダンス条件を示している。また横軸は以下の式（６）で示されるＲｅでプロットしており、位相板１３ｇｎのリターダンスと液晶表示素子１１ｇｐのリターダンスの比率を表す量である。

Ｒｅ＝ΔｎＣＰ・ｄＣＰ／ΔｎＬＣ・ｄＬＣ ・・・（６）
３本の曲線Ａ，Ｂ、ＣはそれぞれＧ用光学系１１０ａの構成要素を変えている。曲線Ａは図７の実施例１の計算条件と等しく、曲線Ｂは位相板１３ｇｎの屈折率異方性が変化した場合（リターダンスは変化せずに）である。曲線Ｃは液晶表示素子１１ｇｐのリターダンスが曲線Ａに比べ３０％減少した場合を示している。曲線Ａ，Ｂ，Ｃともに１４０％＜Ｒｅ＜２６０％程度のリターダンスを選択することで最適に補償できることがわかる。この結果から位相板１３ｇによる位相補償の効果を効果的に得るには次の如く設定することが望ましい。

Δｎ（ｐｃ）を位相板１３ｇの最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｐｃ）を位相板１３ｇの厚さ、Δｎ（ｌｃ）を液晶表示素子の最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｌｃ）を液晶表示素子の厚さとする。このとき、
１．４＜（Δｎ（ｐｃ）・ｄ（ｐｃ））／Δｎ（ｌｃ）・ｄ（ｌｃ）＜２．６
なる条件式を満たすのが良い。更に好ましくは、
１．６＜（Δｎ（ｐｃ）・ｄ（ｐｃ））／Δｎ（ｌｃ）・ｄ（ｌｃ）＜２．４
とするのが良い。

従来例では、１／４波長板の屈折率異方性および軸方向、かつ斜入射偏光の位相状態まで含めた形で光学系全体における位相状態を最適化しておらず、光学系の持つ性能を最大限に引き出せていなかった。それに対し本実施例では液晶表示素子１１ｇｐの屈折率異方性、位相板１３ｇｎの屈折率異方性、偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１の方向を適切に設定している。更に１／４波長板１２ｇの屈折率異方性と光学軸方向等から、斜入射での漏れ光を効果的に低減する配置を決定するものである。これにより入射角度の大きい領域でも良好に漏れ光を補正して、コントラストの高い投射画像が得られる。

このような負の屈折率異方性を示す位相板としては、誘電体結晶や液晶材料を用いたものがある。それ以外に屈折率の異なる２つ以上の等方性材質を積層した構造を面法線方向に光学軸を有する位相板として用いることができる。

図１５は積層型の位相板３００の構成略図である。高屈折率膜と低屈折率膜の屈折率の異なる２つの薄膜３０１、３０２を図１５のように繰り返し積層する。このとき全体として１０層以上積層するのが良い。この積層型の位相板３００の面法線に対して角度を持って入射した偏光は、薄膜間の干渉の影響によって透過光に位相差を生じる。この位相差は入射角度が大きい程大きく、面法線と平行に入射した光線に対しては位相差は付与されない。積層数や膜厚によって制御でき、所望の位相差の位相板を構造制御により得ることが出来る。

本実施例ではこのような位相板１３ｇｎを用いる場合に、１／４波長板１２ｇの光学軸を最適な方向とすることで少ない位相差で位相補償できる。その場合には位相板１３ｇｎの積層数を低減することができる。実施例１の構成に合わせた具体的な位相板の設計値を表２に示す。表２の積層薄膜構造を有する素子により、少なくとも入射角度２０°までの範囲において図１３の実施例１に示した特性と同等の位相補償効果を得ることが出来る。また積層薄膜であるので、１／４波長板の液晶表示素子側、または液晶表示素子面上に反射防止層とともに形成することで、部品点数を減らして低コストで高い位相補償効果を得られる。

また本実施例の構成の説明においては、入射偏光がＰ偏光として偏光分離素子９ａの透過側に液晶表示素子および１／４波長板の構成としているが、これに限定されない。入射偏光がＳ偏光であった場合、偏光分離素子の反射側に液晶表示素子および１／４波長板が配置された構成であっても本実施例の構成であれば同等の漏れ光抑制効果を得ることが出来る。

［実施例２］
次に本発明の実施例２の画像投射装置について説明する。実施例２の構成概略図については図１の実施例１と同じ構成であるため詳細な説明は省略する。実施例２の画像投射装置は実施例１の正の屈折率異方性の液晶表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒの代わりに負の屈折率異方性の液晶表示素子を用いた点が異なっている。図１６は実施例２の画像投射装置のうちＧ光路を抜き出したＧ用光学系２１０ａを示している。図中、１１ｇｎは負の屈折率異方性の液晶表示素子を示し、１３ｇｐは正の屈折率異方性の位相板を示している。
実施例１では図７に示すように負の屈折率異方性の位相板１３ｇｎ（その光学軸は前述したようにz方向と平行）を配置し、かつ図７の様に１／４波長板１２ｇの光学軸はｘ方向と平行な方向を向いていた。それに対し実施例２では図１６に示す様に正の屈折率異方性を有する位相板１３ｇｐ（その光学軸は図７に示す位相板１３ｇｎと同様でz方向と平行）を配置し、また１／４波長板１２ｇの光学軸はｙ方向と平行な方向を向くように配置する。実施例２の画像投射装置においては、液晶表示素子１１ｇｎの屈折率異方性の符号が実施例１に対して正，負逆転したことにより、液晶表示素子１１ｇｎによる偏光状態の変化が実施例１とは異なる。このような構成においては１／４波長板１２ｇの光学軸をｙ方向と平行な方向に配置する。

図１７は本実施例における入射光束の最大入射角度と漏れ光量の相関を示す。図１７の計算において偏光分離素子９ａの材料の屈折率は１．８、１／４波長板のリターダンス１３８ｎｍである。また位相板１３ｇｐの材料の屈折率ｎｘ＝ｎｙ＝１．９，ｎｚ＝１．７５でリターダンス５１０ｎｍ、液晶表示素子１１ｇｎのリターダンスをおよそ２５０ｎｍとした。即ち位相板１３ｇｐのリターダンスが液晶表示素子１１ｇｐのリターダンスよりも大きくしている。

図１７では比較例３として位相板１３ｇｐが液晶表示素子１３ｇｎと等しいリターダンス量の場合の計算結果を示し、比較例４として位相板１３ｇｐが光学系に配置されない場合の計算結果を重ねて示した。図１７から、比較例３，４に比べ実施例２の構成とすることで、どの入射角度の光束であっても漏れ光量を小さく抑えていることが分かる。特に入射角度の大きな領域で効果が大きい。本実施例の構成とすることでＦｎｏ（Ｆナンバー）を小さくして光量を得つつ、高いコントラストの投射画像を得ることができる。

液晶表示素子１１ｇｎと同等のリターダンスの位相板を配置した比較例３でも比較例４に比べれば一定の位相補償効果は得られる。しかし光学系全体での斜入射の偏光状態を考慮した補償を行うためには、実施例２の構成においては位相板１２ｇｐは液晶表示素子１１ｇｎと同等以上のリターダンス量を有することが望ましい。

以上、各実施例によれば、偏光分離素子の入射角度特性、液晶表示素子の屈折率異方性を考慮して負の屈折率異方性の１／４波長板を配置するときの光学軸の方向、および位相板のリターダンス等を規定する。その結果、光学系全体に最適な位相補償を行なわれて漏れ光を効果的に軽減することが出来る。また入射角度特性に優れた負の屈折率異方性を有する１／４波長板を用いることで高い入射角でも漏れ光が少なくコントラストの高い高品位な投射画像が得られる。

１ 光源 ９ａ，９ｂ 偏光分離素子 １１ｇ，１１ｂ，１１ｒ 液晶表示素子
２０ 投射光学系 １２ｇ，１２ｂ，１２ｒ 波長板 ９ａ１，９ｂ１ 偏光分離面
１３ｇ，１３ｂ，１３ｒ 位相板

Claims (9)

1. 光源手段から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光を透過し、それと直交する偏光方向の光を反射する偏光分離素子と、前記照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記液晶表示素子との間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板と、前記液晶表示素子と前記波長板との間の光路中に配置された位相板と、前記液晶表示素子を介した画像光を投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、
   前記位相板のリターダンスは前記液晶表示素子のリターダンスよりも大きく、前記液晶表示素子面の法線方向をｚ方向、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とするとき、前記液晶表示素子が正の屈折率異方性を有し、前記波長板の光学軸はｘ方向と平行な方向となるように配置され、前記位相板の光学軸は前記ｚ方向と平行に配置され、前記位相板は、前記液晶表示素子の屈折率異方性の符号と反対の符号の屈折率異方性を有することを特徴とする画像投射装置。
2. 光源手段から放射される照明光のうち所定の偏光方向の光を透過し、それと直交する偏光方向の光を反射する偏光分離素子と、前記照明光を画像光に変換する少なくとも１つの反射型の液晶表示素子と、前記偏光分離素子と前記液晶表示素子との間の光路中に配置される負の屈折率異方性の波長板と、前記液晶表示素子と前記波長板との間の光路中に配置された位相板と、前記液晶表示素子を介した画像光を投射する投射光学系と、を有する画像投射装置であって、
   前記位相板のリターダンスは前記液晶表示素子のリターダンスよりも大きく、前記液晶表示素子面の法線方向をｚ方向、前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向とｚ方向に垂直な方向をｘ方向、ｚ方向とｘ方向の両方に垂直な方向をｙ方向とするとき、前記液晶表示素子が負の屈折率異方性を有し、前記波長板の光学軸はｙ方向と平行な方向となるように配置され、前記位相板の光学軸は前記ｚ方向と平行に配置され、前記位相板は、前記液晶表示素子の屈折率異方性の符号と反対の符号の屈折率異方性を有することを特徴とする画像投射装置。
3. 前記波長板は、格子形状が可視光域の光の波長以下の格子周期を持つ１次元格子構造を１層以上有することを特徴とする請求項１または２に記載の画像投射装置。
4. 前記１次元格子構造の格子周期をＰ，格子幅をＷ，格子材料の屈折率をｎとするとき、
   ｎ＞１．６０かつＷ／Ｐ＞０．６５
   を満たすことを特徴とする請求項３に記載の画像投射装置。
5. 前記波長板、および前記位相板は無機誘電体材料からなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか1項に記載の画像投射装置。
6. 前記波長板、および前記位相板は無機誘電体の負結晶を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像投射装置。
7. 前記波長板、および前記位相板は負の屈折率異方性を有する液晶材料を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の画像投射装置。
8. 前記位相板は高屈折率膜と低屈折率膜を全体として１０層以上積層した構造を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の画像投射装置。
9. Δｎ（ｐｃ）を前記位相板の最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｐｃ）を前記位相板の厚さ、Δｎ（ｌｃ）を前記液晶表示素子の最大屈折率と最小屈折率の差、ｄ（ｌｃ）を前記液晶表示素子の厚さとするとき、
   １．４＜（Δｎ（ｐｃ）・ｄ（ｐｃ））／Δｎ（ｌｃ）・ｄ（ｌｃ）＜２．６
   なる条件式を満たすことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の画像投射装置。