JP6083997B2 - 投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶プロジェクタなどの投射型表示装置（画像表示装置）に関する。

投射型表示装置の偏光分離素子や位相補償板（位相差板）の偏光特性は入射角度依存性を持つため、全ての入射角度の偏光を一様に偏光分離することはできず、一部の光は漏れ光となる。また、入射光は画像表示素子（画像変調素子）によって反射される際に生じる、正反射光（０次反射光）と他の次数の回折光は異なる角度で反射されるため、各偏光素子で受ける影響が異なり、漏れ光の要因となる。そして、このような漏れ光により、投射画像のコントラストが低下するという問題が発生する。

この問題を解決するために、特許文献１は、偏光分離素子と画像表示素子との間に光学軸の傾いた位相差板を配置することを提案している。この位相差板は、光学面内において直交する２つの方向で異なる屈折率を有し、光学面に垂直に入射した設計波長λの偏光光に対しλ／４より大きな位相差を与える。また、偏光分離素子の入出射面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸と定義すると、位相差板の光学軸はｘｚ面内にあり、ｘ軸に対して傾いている。この光学軸の角度を適当に設定することによって、偏光分離素子によって発生する非対性を補償（キャンセル）することができる。

特開２０１１−３３７６２号公報

しかしながら、特許文献１は位相差板としてサファイアや水晶などの１軸性の誘電体結晶を用いているが、加工や取り扱いが困難で、軸角度に対する敏感度が高く、コントラストの安定性が低い。つまり、製造誤差や設置誤差によって光学軸の角度が設定角度からずれると投射画像のコントラストの低下が激しく、コントラストを安定的に向上することができない。

本発明は、投射画像のコントラストを安定的に向上することが可能な投射型表示装置を提供することを例示的な目的とする。

本発明の投射型表示装置は、被投射面に画像を投射する投射型表示装置であって、入射光の第１の偏光光を透過し、前記第１の偏光光と偏光方向が直交する第２の偏光光を反射する反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、屈折率異方性を有する２層または３層以上を有し、前記偏光分離素子からの波長λの偏光光に対して合計λ／４よりも大きなリターダンスを与える第１の位相補償板と、前記第１の位相補償板からの光を画像信号に応じて変調する光変調素子と、を有する。前記光変調素子の入射面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と前記偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸、前記２層または３層以上の層の各層の光学軸と前記ｚ軸とのなす９０度以下の角度を軸角度と定義すると、前記各層は一定の軸角度を有し、前記各層の前記光学軸はｘｚ面内にあって前記ｘ軸に対して傾いている。２層の場合には、前記偏光分離素子に近い層の前記軸角度は前記偏光分離素子から遠い層の前記軸角度よりも大きい。前記軸角度の最大値をθｍａｘ、最小値をθｍｉｎとすると２０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦８０度が満足され、前記２層の前記軸角度の平均をθａｖｅとすると、４０度≦θａｖｅ≦７０度が満足されることを特徴とする。

本発明によれば、投射画像のコントラストを安定的に向上することが可能な投射型表示装置を提供することができる。

本実施形態の投射型表示装置のブロック図である。 図１の概略部分拡大図である。 入射角度と偏光状態の関係を示す図である。 図３に示した偏光状態を、図２に示す位相補償板で補償するときの補償特性を示すグラフである。 比較例１としての位相補償板の図２に対応する構成を示す概略図である。 図５に示す位相補償板で補償する場合の図４に対応するグラフである。 比較例２としての位相補償板の図２に対応する構成を示す概略図である。 図２と図７の位相補償板の効果を比較するためのグラフである。 図２の変形例の構成を示す概略図である。 図９に示す位相補償板で補償する場合の図４に対応するグラフである。 図２の変形例の構成を示す概略図である。 図２の変形例の構成を示す概略図である。 図２の変形例の構成を示す概略図である。 本発明の位相補償板の軸角度を示すグラフである。（実施例１） 本発明の位相補償板のコントラストの軸角度敏感度を示すグラフである。（実施例１） 本発明の位相補償板の軸角度を示すグラフである。（実施例２） 本発明の位相補償板のコントラストの軸角度敏感度を示すグラフである。（実施例２） 本発明の位相補償板の軸角度を示すグラフである。（実施例３） 本発明の位相補償板のコントラストの軸角度敏感度を示すグラフである。（実施例３）

図１は、本実施形態による投射型表示装置（画像表示装置）１００のブロック図である。投射型表示装置１００は、例えば、液晶プロジェクタであり、被投射面に画像を投射する。投射型表示装置は、光源１、偏光変換素子３、ダイクロイックミラー５、偏光板６、色選択性位相差板７、偏光分離素子９ａ、９ｂ、画像表示素子１１ｇ，１１ｂ，１１ｒ、位相補償板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒ、合成プリズム１８、投射光学系２０を有する。

光源１は本実施例ではリフレクタを備えた白色ランプであるが、ランプに限定されず、レーザーやＬＥＤなどを使用することができる。２は光源１から出射する白色平行光束であり、２ｇ，２ｂ，２ｒはそれぞれ緑色光、青色光、赤色光を示す。なお、実際にはこの３つの光はこの段階では空間的に分離されていない。

光源から出射した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、ダイクロイックミラー５へ入射する。例えば、偏光変換素子３は光源１からの光束の偏光方向をＰ偏光光に揃える。４ｇ，４ｂ，４ｒは偏光変換された緑色光、青色光、赤色光を示す。

ダイクロイックミラー５は、青の波長帯域（Ｂ）の色光４ｂと赤の波長帯域（Ｒ）の色光４ｒを透過し、緑の波長帯域（Ｇ）の色光４ｇを反射して分離する特性を有する。この結果、Ｇ色光（Ｇ偏光光）は偏光分離素子９ａに入射し、ＢＲ色光（ＢＲ偏光光）は偏光板６に入射する。

偏光板６は、例えば、Ｐ偏光光（第１の偏光光）を透過し、Ｓ偏光光（第１の偏光光とは異なるあるいは直交する第２の偏光光）を反射させることによってＢＲ色光の偏光度を向上させる。色選択性位相差板７は、Ｂの色光の偏光方向を９０度変換（例えば、Ｐ偏光からＳ偏光に変更）し、Ｒの色光の偏光方向を維持する。

偏光変換素子９ａは緑色用の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）であり、偏光変換素子９ｂは青色、赤色用のＰＢＳである。偏光分離素子９ａ、９ｂは入射角依存性を有する。例えば、偏光分離素子９ａ、９ｂは偏光分離面９ａ１、９ｂ１に入射する偏光のうち、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するマクニール型の偏光分離素子である。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偏光分離面９ａ１，９ｂ１に積層したものなどがある。

画像表示素子（光変調素子）１１ｂ、１１ｒ、１１ｇに入射した光は画像信号に応じて画素ごとに偏光方向が９０°変換され、変調および反射されることにより画像光となる。

ダイクロイックミラー５で反射されたＧ偏光は、例えば、Ｐ偏光であるから偏光分離素子９ａの偏光分離面９ａ１、位相補償板１２ｇを透過してＧ用画像表示素子１１ｇで反射されてＳ偏光（画像光１５ｇ）となり、偏光分離面９ａ１で反射される。画像光１５ｇは、合成プリズム１８に入射する。

一方、ＲＢ偏光は偏光板６を透過することにより偏光度が向上し、色選択性位相板７によってＢ色光は、例えば、Ｓ偏光光、Ｒ色光は、例えば、Ｐ偏光光が維持されて偏光分離素子９ｂに入射する。この結果、Ｂ色光は偏光分離面９ｂ１で反射され、Ｒ色光は偏光分離面９ｂ１を透過する。偏光分離面９ｂ１で反射されたＢ色光は位相補償板１２ｂを透過してＢ用画像表示素子１１ｂで反射されてＰ偏光（画像光１５ｂ）となり、偏光分離面９ｂ１を透過する。偏光分離面９ｂ１を透過したＲ色光は位相補償板１２ｒを透過してＲ用画像表示素子１１ｒで反射されてＳ偏光（画像光１５ｒ）となり、偏光分離面９ｂ１で反射される。画像光１５ｂ、１５ｒは偏光分離面９ｂ１によって合成され、合成プリズム１８に入射する。

合成プリズム１８のダイクロイック膜１９は、画像光１５ｇを反射し、画像光１５ｂ、１５ｒは透過する。これにより、合成プリズム１８は、画像光１５ｇ、１５ｂ、１５ｒを合成し、投射光学系（投射レンズ）２０が色合成された画像光（投射画像）を不図示の投射面（スクリーンなど）に投射する。

位相補償板１２ｇは、偏光分離素子９ａと画像表示素子１１ｇとの間に配置される。位相補償板１２ｂは、偏光分離素子９ｂと画像表示素子１１ｂとの間に配置される。位相補償板１２ｒは、偏光分離素子９ｂと画像表示素子１１ｒとの間に配置される。

位相補償板（第１の位相補償板）１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは、特許文献１の位相差板と同様の機能を有するが、製造誤差や設置誤差に対するロバスト性が向上している。位相補償板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは、板面法線に対し光学軸の傾きが相互に異なる複数層の屈折率異方性層を有する。

ここで、画像表示素子（または偏光分離素子）の入射面または射出面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸と定義する。また、入射光の入射角度をｚ軸となす角度、入射方位を入射方向のｘｙ面への投射像のｘ軸とのなす角度と定義する。位相補償板の各屈折率異方性層は、光学面内において直交する２つの方向で異なる屈折率を有する。偏光分離素子から光学面に垂直に入射した使用波長域内の波長λの偏光光に合計λ／４より大きなリターダンス（位相差）を与える。位相補償板の各屈折率異方性層の光学軸はｘｚ面内にあってｘ軸に対して傾いている。

これは、特許文献１に記載されているように、入射光が偏光分離素子に入射した直後の光線の偏光状態の角度分布が、ｘ軸に対しては対称であるがｙ軸に対しては非対称な分布を有しているからである。光学軸をｙ軸まわりに傾けることにより、偏光光はｘ軸に対しては対称に、かつ、ｙ軸に対しては非対称な位相差を受ける。このため、偏光分離素子９ａ、９ｂで生じるｙ軸に非対称な位相差を、位相補償板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒで生じるｙ軸に非対称な位相差とが相補的であればその非対称性を補償（キャンセル）できるという効果を得ることができる。また、往路と復路で入射角度が変化する回折光に対しても正反射光と同等の補償効果を得ることができる。

以下、Ｇ光路の構成を用いて詳細を説明する。なお、以下の説明はＲ、Ｂ光路にもあてはまる。

図２は、偏光分離素子９ａ、画像表示素子１１ｇ、位相補償板１２ｇ近傍の拡大図である。同中、偏光分離素子９ａの入射面の法線方向と平行な方向がｚ軸、ｚ軸と偏光分離面９ａ１の法線方向ｎの両方に垂直な方向がｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向がｘ軸である。

位相補償板１２ｇは、図２に示すように、複数層の屈折率異方性層１２ｇ−１、１２ｇ−２により構成されている。各層内では、軸角度が一定であるとみなすことができる。
板面に垂直に入射する緑色帯域の中心波長λの直線偏光に対して、２枚合わせてλ／４よりも大きな位相差を与える。屈折率異方性層１２ｇ−１、１２ｇ−２の光学軸ｃ１、ｃ２は任意の深さにおいてｘｚ面と平行に配置され、光学軸ｃ１、ｃ２とｚ方向との成す角度θ１、θ２（９０度以下の角度、即ち、鋭角または直角）は相互に異なる角度を有する（θ１≠θ２）。

光学軸ｃ１、ｃ２は直交しておらず、互いにｚ方向に対して所定の角度傾いている。「光学軸」とは入射光に対して屈折率異方性の生じない方向に延びる軸であるが、本実施形態では主に１軸性の屈折率異方性を考えており、この場合、異常光屈折率の方向と同義である。光学軸は厳密にｘｚ面内である必要はなく、製造誤差や配置ズレ等を考慮して、５度（５°）以内となるように配置されていることが望ましく、２．５°以内であることがより望ましい。このような、軸角度を所定の方向に配置した屈折率異方性層１２ｇ−１，１２ｇ−２からなる位相補償板１２ｇにより、位相補償効果を確保しつつ角度敏感度を低減させることができる。

ここで、ストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）を用いて本実施形態の効果を説明する。ストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）は、直交する２つの偏光の振幅Ｅｘ，Ｅｙ、およびその位相差δを用いて次のように表せる（＜＞は時間平均）。

Ｓ１＝＜Ｅｘ^２＞−＜Ｅｙ^２＞
Ｓ２＝２＜ＥｘＥｙＣｏｓδ＞
Ｓ３＝２＜ＥｘＥｙＳｉｎδ＞
例えば、ｘ軸方向に振動する直線偏光は（１，０，０）、ｙ軸方向に振動する直線偏光は（−１，０，０）、円偏光は（０，０，１）または（０，０，−１）と表される。ここで、ｚ方向に対して４５度傾いた図３に示す偏光分離素子９ａに、入射角度ｉ＝２０度、入射方位Ψ＝９０度で入射する光線Ｉｉの透過偏光状態Ｉｔは、偏光板の消光比を理想とすると（０．１８，０．９２，０）となる。この結果、入射角度ｉ＝０［度］の場合、即ち、ｘ軸に平行な直線偏光（１，０，０）とズレが生じる。このズレは入射角度ｉの大きさと、入射方位Ψに依存し、漏れ光の原因となるため、位相補償板１２ｇを用いて所望の偏光状態に近づけることが望ましい。ここでは直線偏光（１，０，０）に近付けることとする。

図４は、図３に示した偏光状態を、図２に示す位相補償板１２ｇで補償するときの補償特性を示すグラフである。図４において、縦軸は偏光ズレ量をストークスパラメータ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）と（１，０，０）の差分ベクトルの絶対値で示したものであり、横軸は位相補償板１２ｇの厚み（規格化）を表す。

図４は初期状態Ｉｔの偏光状態が位相補償板１２ｇを透過する際の、深さ方向における偏光状態の変化を示している。また、点線、破線は、軸角度の厚み方向における平均値θａｖｅが基準値から平均±２度変化した場合を示している。比較例１として、図５に示すような単一の屈折率異方性層を持つ位相補償板１２ｇで補償した場合の図４と同様の補償特性を図６に示す。

最適値ではどちらも所望の偏光状態へと補償できているが、図４と図６の位相補償板透過後（横軸＝１）における軸角度θａｖｅ±２ｄｅｄｇでのズレ量を比較すると、２層構成の場合の方が単層構成に比べて偏光ズレ量の変動が２２％低減している。特に、単層構成では深さ方向に一様にズレが増大しているのに対し、２層構成の場合では厚み８割程度の領域まで変動が小さく抑えられている。ストークスパラメータで見積もったズレ量と漏れ光の角度敏感度は単純に等価ではないものの、２層構成の方が単層構成に比べて角度に対する変動敏感度を軽減できていることがわかる。

これは、位相補償板が単層構成と複数層構成とでは取り得るパラメータに差があることに起因する。単層構成における位相補償板は、厚みｄおよび軸角度θにより補償特性が決定される。このうち軸角度θは偏光分離素子で生じる偏光軸の変化の大きさに依存し、厚みｄは透過光に付与する位相差により決定されるため、敏感度に対しては調整できない。一方、本実施形態の場合には、総厚みｄ、軸角度θ１，θ２に対して軸角度θ１，θ２のバランスを軸角度の平均値θａｖｅを変えずに調整することができる。その結果、図４に示すように、角度変化に対する補償効果の変動を抑え、高いコントラストを保持することが可能となる。

軸角度の配置によって補償効果に異なる影響を及ぼす。例えば、図２とは２枚の屈折率異方性層の光学軸の配置が異なる比較例２として図７の構成を考える。偏光分離素子側の屈折率異方性層１２ｇ−１が層厚ｄ１、軸角度θ１を有し、画像表示素子側の屈折率異方性層１２ｇ−２が層厚ｄ２、軸角度θ２を有するとき、厚みはｄ１＝ｄ２で等しいが、図２はθ１＞θ２、図７ではθ１＜θ２となっている。軸角度の平均値θａｖｅは同一であるが、配置される屈折率異方性層の軸角度の大小関係が、画像表示素子側と偏光分離素子側とで反対となっている。

このときの、図２と図７の場合における補償特性を重ねたグラフを図８に示す。座標軸の定義は図４，６と同様である。実線は図２、点線は図７の構成の場合を示す。図８のうち左側の領域（灰色領域）が偏光分離素子側の屈折率異方性層１２ｇ−１を透過した時の変化を示し、右側の領域が屈折率異方性層１２ｇ−２を透過した時の変化に対応する。図７の構成では特に屈折率異方性層１２ｇ−１の領域で反補償状態となり、偏光状態が理想値に収束しない。

このように、図８から、軸角度の平均値θａｖｅが同じでも屈折率異方性層の配置により補償効果に違いがあること、特に図２の構成に比べて図７の構成は位相補償に不利な構成であることがわかる。即ち、偏光分離素子からｚ軸方向に離れるに従って屈折率異方性層の軸角度が小さくなるように配置されていることが望ましい。また、偏光分離素子側からｚ軸方向に向かって最も離れた位置での軸角度が、位相補償板の軸角度の平均値θａｖｅよりも小さいことが好ましい。

ただし、これは２層構成の場合であり、図７の構成からさらに屈折率異方性層を積層し、各層の厚みや軸角度を適切に選択することにより、所望の偏光状態へと補償することは可能である。

３層以上の屈折率異方性層が設けられる場合、各層の軸角度はｚ方向に向かってランダムに配置するよりは、例えば、偏光分離素子側から離れるに従って単調に増加または減少するように変化するように配置することが望ましい。また、一様な軸角度を有する位相補償板を複数用いるだけでなく、例えば、面外に配向した液晶材料（フィルム）を屈折率異方性層として用いてもよい。位相補償板１２ｇとして液晶を用いた構成を図９に示す。図９では、深さ方向に徐々に光学軸が変化するような液晶を位相補償板１２ｇとして用いる。

液晶は連続的な配向角度を有し、連続的に軸角度が変化しているため、空間的に各層が分離しているわけではない。しかし、ごく薄い領域では平均的に等しい軸角度を持つ屈折率異方性層として扱うことができ、それらが積層した構造と見做すことで、上述の説明と同等に軸角度の異なる複数の屈折率異方性層からなる構造として扱うことができる。

なお、画像表示素子の液晶を補償するために液晶層を用いた位相補償板を使用する場合には画像表示素子の液晶配向方位に合わせて液晶層の軸方向および厚みを調整する必要があり、本実施形態の位相補償板と共通に使用することができず、別途配置する必要がある。

図９の構成における補償特性と軸角度敏感度の変化を図１０に示す。図１０では図６に比べて角度変動による偏光ズレ量を半分以下に低減でき、液晶のような軸角度の異なる多層の屈折率異方性層を用いることで、さらに角度敏感度を低減することができる。

ただし、液晶フィルムのような有機系材料を用いる場合、集光される光強度によっては耐光性が懸念され、特に、エネルギーの高い短波長側ではその影響が大きくなる。そのため、特に異なる波長帯域毎に複数の画像表示素子を有する光学系に用いる場合には、緑色光路および赤色光路の少なくとも１光路に用いるか、最も短波長に対応する光路以外の少なくとも１箇所以上に配置されることが望ましい。その結果、高いコントラストと長期に渡る信頼性を確保することができる。

本実施形態の効果を得るためには、軸角度の異なる複数の屈折率異方性層を有する位相補償板である必要がある。屈折率異方性層のうち軸角度の最大値、最小値をθｍｉｎ、θｍａｘとしたとき、軸角度に対して以下の条件式を満たすことが望ましい。

２０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦８０度 ・・・（１）
数式１の下限を満たさない場合には、単一の軸角度を持つ図５の構成に近づくため、補償効果は得られるものの、軸角度の敏感度低減効果は得られにくい。また上限を超える場合、光学軸がｘ方向またはｚ方向に配向し、光学軸が傾くことにより得られる補償効果が著しく弱まる。

また、以下の条件式を満たすことが更に好ましい。

４０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦７０度 ・・・（２）
軸角度が面法線、すなわちｚ方向と平行または垂直に近付くと、偏光分離素子での入射角度・入射方位に対する偏光の非対称性を補償する効果が得られないため、軸角度はあるｚ方向に対して傾いている必要がある。軸角度θの厚み方向における平均値θａｖｅは、以下の条件式を満足することが望ましい。

４０度≦θａｖｅ≦７０度・・・ （３）
ここで、θａｖｅは各屈折率異方性層の軸角度の厚み方向における平均値であり、軸角度θを深さ方向ｚの関数θ（ｚ）として積分し、全体の厚みで割ることで求められる。但し、各層の厚みが等しければ、各軸角度θの平均値を取れば良く、また液晶層などの屈折率異方性媒質であっても深さ方向への軸角度の変化がほぼ一様とみなせる場合には、液晶層の表面側と基板側の軸角度（θｍｉｎとθｍａｘ）の平均値をθａｖｅとすればよい。

また、以下の条件式を満たすことが更に好ましい。

５５度≦θａｖｅ≦７０度・・・ （４）
また、これら（１）式、（３）式の２つの軸角度条件から、以下の条件式を満足することが好ましい。

６５度≦θｍａｘ≦９０度・・・ （５）
１０度≦θｍｉｎ≦５０度・・・ （６）
また図７、図８での説明から、軸角度の配列の順序により補償効果が異なる。特に偏光分離素子からＺ方向に離れるに従って軸角度が徐々に低減するように変化することが望ましく、屈折率異方性層のうち偏光分離素子側からｚ軸方向に最も遠い側の軸角度が平均軸角度θａｖｅよりも小さくなるように配置することがより望ましい。これらの角度条件を満たすことにより、位相補償効果と角度敏感度低減の効果を高いレベルで両立することができる。

偏光分離素子と画像表示素子の間に、他の位相補償板を追加してもよい。例えば、画像表示素子１１ｇとして垂直配向（ＶＡ）タイプの反射型液晶を用いる場合には、黒表示状態におけるプレチルト補償のために、図１１に示すように、λ／１６以上でλ／４以下の面内位相差を有する第２の位相補償板１３ｇを用いることも有効である。このとき第２の位相補償板１３ｇはｚ軸を回転中心として回転させる必要があるが、微小位相差であれば第２の位相補償板自身が面外に軸方向を有する位相補償板であってもよい。さらに反射型液晶自身の射入射特性を補償するために、反射型液晶の屈折率異方性と反対の屈折率異方性を有する第３の位相補償板１４ｇを用いてもよい。これらの素子は偏光分離素子との一体化、位相補償板同士の一体化により不要反射を無くし、ゴーストやコントラストの低下を抑えることができる。

他の位相補償板を、光源と偏光分離素子の間、または投射光学系と偏光分離素子との間に配置してもよい。このとき光源側、または投射光学系と偏光分離素子との間には偏光板が配置され、その偏光板と偏光分離素子との間に前記位相差板が配置されていることが望ましい。例えば、図１２に示すようなステレオ型の立体表示を目的として偏光分離素子を用いて左右眼の画像を合成して投射する光学系などがある。

図１２では、右目用の透過型液晶１１ｇ＿Ｒ，左目用の透過型液晶１１ｇ＿Ｌの前後に偏光板１６Ｒ，１７Ｒおよび１６Ｌ，１７Ｌが配置され、偏光分離素子により左右眼の画像を合成することでステレオ画像を表示する構成の一例である。このとき該偏光板と偏光分離素子との間に位相補償板１２ｇ＿Ｒ、１２ｇ＿Ｌが配置され、偏光板と偏光分離素子の間に生じる偏光軸のズレを補償する。

また、本実施形態は、偏光分離素子２２と画像表示素子との間に、異なる波長帯域の光を異なる方向へ反射または透過するダイクロイック膜２１ａ，２１ｂを有するクロスプリズム２１が配置された光学系にも有効である。例えば、図１３の光学系では、光源からの光はクロスダイクロイックプリズム２１により赤、緑、青の３色に分離され、各色に対応した画像表示素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂに照明される。画像表示素子１１ｒ，１１ｇ，１１ｂに反射された画像光は再びクロスダイクロイックプリズム２１により合成されて偏光分離素子側へと導かれる。この場合、ダイクロイック膜を射入射で透過・反射する際に非対称な位相差が生じる。ここではダイクロイック膜と偏光分離素子との間の光路上に位相補償板１２を配置することにより位相補償される。

なお、偏光分離素子としては、ワイヤグリッド偏光子、薄膜積層型、屈折率異方性膜積層型などを使用することができる。この中でプリズム型の薄膜積層型の偏光分離素子は、高い補償効果が得られるため、特に好ましい。

実施例１の投射型表示装置は、図１及び図２に示す構成を有し、位相補償板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒとして２枚のサファイア板を配置した構成からなる。各位相補償板の設計値を表１に示す。また、本実施例を含む各実施例において、Ｒｃｈ（赤の波長）光として６３０ｎｍの波長の光、Ｇｃｈ（緑の波長）光として５５０ｎｍの波長の光、Ｂｃｈ（青の波長）光として４５０ｎｍの波長の光を使用している。

表１から実施例１の位相補償板の光学軸はｘｚ面内にあり、上記条件式（１）〜（６）を満たしている。またこのとき、各光路を代表して位相補償板１２ｇの深さ方向における軸角度θを示すグラフを図１４に示す。縦軸は軸角度θを示し、横軸は規格化された厚みを示す。図１４から実施例１の位相補償板を構成する屈折率異方性層の軸角度は、偏光分離素子側７７［度］、および画像表示素子側３７［度］を有する２つの層から構成されていることがわかる。

また光路を代表してＧ光路における軸角度に対するコントラストの変動を図１５に示す。縦軸は投射画像のコントラストを示し、理想的に設定された光学軸の角度ズレがゼロの場合にコントラストが１になるように規格化されている。横軸は光学軸角度ズレ量［度］を示している。実線が実施例１の特性であり、比較例としてサファイア板単層で位相補償した場合（図５に示す比較例１）を点線で示している。図１５からわかるように、実施例１は比較例に比べ角度に対するコントラストの変動が抑制されていることがわかる。即ち、図１５では、比較例では、製造誤差や設置誤差によって光学軸の角度ズレが、例えば、１度あると投射画像のコントラストは２５％減少してしまうのに対して実施例１では１５％しか低減せず、ロバスト性に優れているといえる。

尚、各波長は、本実施例で使用した波長に限られるものではなく、６００ｎｍから６７０ｎｍの間の赤の波長、５００ｎｍから５８０ｎｍの間の緑の波長、４３０ｎｍから４８０ｎｍの間の青の波長であれば、本発明の効果を得ることができる。これは、以下の実施例においても同様である。

実施例２の投射型表示装置は、図１及び図９に示す構成を有し、位相補償板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒは屈折率異方性層として配向が深さ方向に徐々に変化する液晶層からなっている。各位相補償板の設計値を表２に示す。

表２から実施例２の位相補償板の光学軸はｘｚ面内にあり、上記条件式（１）〜（６）を満たしている。またこのとき、各光路を代表して位相補償板１２ｇの深さ方向における軸角度θを示すグラフを図１６に示す。縦軸は軸角度θを示し、横軸は規格化された厚みを示す。位相補償板の軸角度は偏光分離素子側の９０［度］から画像表示素子側３７［度］に向かって一様に変化（減少）している。

また光路を代表してＧ光路における軸角度に対するコントラストの変動を図１７に示す。縦軸は投射画像のコントラストを示し、理想的に設定された光学軸の角度ズレがゼロの場合にコントラストが１になるように規格化されている。横軸は光学軸角度ズレ量［度］を示している。実線が実施例２の特性であり、比較例（図５に示す比較例１）に比べて角度敏感度が大きく改善していることがわかる。即ち、実施例１と同様に、ロバスト性が向上している。

実施例３の投射型表示装置は、図１及び図１１に示す構成を有し、位相補償板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒとして深さ方向に徐々に屈折率異方性の配向方向が変化する液晶層が３層積層している。また、位相補償板１２ｇ、１２ｂ、１２ｒと画像表示素子１１ｇ、１１ｂ、１１ｒとの間に第２の位相補償板１３ｇ、１３ｂ、１３ｒおよび第３の位相補償板１４ｇ、１４ｂ、１４ｒを配置している。各位相補償板の設計値は表３に示す。

表３から実施例３の位相補償板の光学軸はｘｚ面内にあり、上記条件式（１）〜（６）を満たしている。またこのとき、各光路を代表して位相補償板１２ｇの深さ方向における軸角度θを示すグラフを図１８に示す。縦軸は軸角度θを示し、横軸は規格化された厚みを示す。位相補償板の軸角度は偏光分離素子側の９０［度］から画像表示素子側２０［度］に向かって一様に変化する屈折率異方性層が、３層積層された構成となっている。このとき３層の液晶の配向方向は同一ではなく、最も偏光分離素子側の層は他の２層と反対に配向している。

また光路を代表してＧ光路における軸角度に対するコントラストの変動を示す図を図１９に示す。縦軸は投射画像のコントラストを示し、理想的に設定された光学軸の角度ズレがゼロの場合にコントラストが１になるように規格化されている。横軸は光学軸角度ズレ量［度］を示している。実線が実施例３の特性であり、比較例（図５に示す比較例１）に比べて角度敏感度が大きく改善していることがわかる。即ち、実施例１と同様に、ロバスト性が向上している。このように軸角度が不連続な構成であっても本発明の効果は得られる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

投射型表示装置は液晶プロジェクタの用途に適用することができる。

１００…投射型表示装置、９ａ、９ｂ…偏光分離素子、９ａ１、９ｂ１…偏光分離面、１１ｂ、１１ｒ、１１ｇ…画像表示素子、１２ｇ、１２ｂ、１２ｒ…位相補償板（第１の位相補償板）、１２ｇ−１、１２ｇ−２…屈折率異方性層、ｃ１、ｃ２…光学軸、θ１、θ２…軸角度

Claims (20)

1. 被投射面に画像を投射する投射型表示装置であって、
   入射光の第１の偏光光を透過し、前記第１の偏光光と偏光方向が直交する第２の偏光光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
   屈折率異方性を有する２層を有し、前記偏光分離素子からの波長λの偏光光に対して合計λ／４よりも大きなリターダンスを与える第１の位相補償板と、
   前記第１の位相補償板からの光を画像信号に応じて変調する光変調素子と、
   を有し、
   前記光変調素子の入射面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と前記偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸、前記２層の各層の光学軸と前記ｚ軸とのなす９０度以下の角度を軸角度と定義すると、前記各層は一定の軸角度を有し、前記各層の前記光学軸はｘｚ面内にあって前記ｘ軸に対して傾いており、
   前記２層のうち前記偏光分離素子に近い層の前記軸角度は前記偏光分離素子から遠い層の前記軸角度よりも大きく、
   前記軸角度の最大値をθｍａｘ、最小値をθｍｉｎとすると以下の条件式が満足され、２０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦８０度、
   前記２層の前記軸角度の平均をθａｖｅとすると、以下の条件式が満足されることを特徴とする投射型表示装置。
   ４０度≦θａｖｅ≦７０度
2. 被投射面に画像を投射する投射型表示装置であって、
   入射光の第１の偏光光を透過し、前記第１の偏光光と偏光方向が直交する第２の偏光光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
   屈折率異方性を有する３層以上の層を有し、前記偏光分離素子からの波長λの偏光光に対して合計λ／４よりも大きなリターダンスを与える第１の位相補償板と、
   前記第１の位相補償板からの光を画像信号に応じて変調する光変調素子と、
   を有し、
   前記光変調素子の入射面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と前記偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸、前記３層以上の層の各層の光学軸と前記ｚ軸とのなす９０度以下の角度を軸角度と定義すると、前記各層は一定の軸角度を有し、前記各層の前記光学軸はｘｚ面内にあって前記ｘ軸に対して傾いており、前記３層以上の層は異なる軸角度を含み、
   前記軸角度の最大値をθｍａｘ、最小値をθｍｉｎとすると以下の条件式が満足され、
   ２０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦８０度、
   前記３層以上の層の前記軸角度の平均をθａｖｅとすると、以下の条件式が満足されることを特徴とする投射型表示装置。
   ４０度≦θａｖｅ≦７０度
3. 以下の条件式が更に満足されることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
   ４０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦７０度
4. 以下の条件式が更に満足されることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
   ５５度≦θａｖｅ≦７０度
5. 以下の条件式が更に満足されることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
   ６５度≦θｍａｘ≦９０度
6. 以下の条件式が更に満足されることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
   １０度≦θｍｉｎ≦５０度
7. 前記３層以上の層の前記軸角度は前記ｚ軸にそって前記偏光分離素子から離れるに従って単調に増加または減少するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の投射型表示装置。
8. 前記第１の位相補償板は液晶材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
9. それぞれが入射光を変調して反射し、異なる波長帯域の入射光に対応する複数の画像表示素子を更に有し、
   前記第１の位相補償板は前記複数の画像表示素子の少なくとも一つと前記偏光分離素子との間に設けられることを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
10. 前記第１の位相補償板は緑色光の光路に配置されることを特徴とする請求項９に記載の投射型表示装置。
11. それぞれが入射光を変調して反射し、異なる波長帯域の入射光に対応する複数の画像表示素子と、
    前記偏光分離素子と前記複数の画像表示素子の一つとの間に配置され、波長λの光に対してλ／１６以上でλ／４以下のリターダンスを有する第２の位相補償板と、
    を更に有することを特徴とする請求項１乃至１０のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
12. それぞれが入射光を変調して反射し、異なる波長帯域の入射光に対応する複数の画像表示素子と、
    前記偏光分離素子と前記複数の画像表示素子の一つとの間に配置され、前記画像表示素子の屈折率異方性と反対の屈折率異方性を有する第３の位相補償板と、
    を更に有することを特徴とする請求項１１に記載の投射型表示装置。
13. 前記偏光分離素子は、プリズム型の偏光分離素子であることを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
14. 前記第１の偏光光を透過し、前記第２の偏光光を反射する偏光板を更に有し、
    前記第１の位相補償板は前記偏光板と前記偏光分離素子との間に配置されることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の投射型表示装置。
15. 前記被投射面に前記画像を投射する投射光学系を更に有し、
    前記第１の位相補償板は前記偏光分離素子と前記投射光学系との間の光路上に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
16. 前記被投射面に前記画像を投射する投射光学系を更に有し、
    前記第１の位相補償板は前記偏光分離素子の光源側に配置されることを特徴とする請求項１または２に記載の投射型表示装置。
17. 被投射面に画像を投射する投射型表示装置であって、
    入射光の第１の偏光を透過し、前記第１の偏光と偏光方向が直交する第２の偏光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
    異なる波長帯域の光を反射または透過するダイクロイック膜と、
    屈折率異方性を有する２層を有し、前記偏光分離素子からの波長λの偏光光に対して合計λ／４よりも大きなリターダンスを与える第１の位相補償板と、
    前記第１の位相補償板からの光を画像信号に応じて変調する光変調素子と、
    を有し、
    前記光変調素子の入射面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と前記偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸、前記２層の各層の光学軸と前記ｚ軸とのなす９０度以下の角度を軸角度と定義すると、前記各層は一定の軸角度を有し、前記各層の前記光学軸はｘｚ面内にあって前記ｘ軸に対して傾いており、
    前記２層のうち前記偏光分離素子に近い層の前記軸角度は前記偏光分離素子から遠い層の前記軸角度よりも大きく、
    前記軸角度の最大値をθｍａｘ、最小値をθｍｉｎとすると以下の条件式が満足され、２０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦８０度、
    前記２層の前記軸角度の平均をθａｖｅとすると、以下の条件式が満足されることを特徴とする投射型表示装置。
    ４０度≦θａｖｅ≦７０度
18. 被投射面に画像を投射する投射型表示装置であって、
    入射光の第１の偏光を透過し、前記第１の偏光と偏光方向が直交する第２の偏光を反射する偏光分離面を有する偏光分離素子と、
    異なる波長帯域の光を反射または透過するダイクロイック膜と、
    屈折率異方性を有する３層以上の層を有し、前記偏光分離素子からの波長λの偏光光に対して合計λ／４よりも大きなリターダンスを与える第１の位相補償板と、
    前記第１の位相補償板からの光を画像信号に応じて変調する光変調素子と、
    を有し、
    前記光変調素子の入射面の法線の方向をｚ軸、ｚ軸と前記偏光分離面の法線の両方に垂直な方向をｙ軸、ｚ軸とｙ軸に垂直な方向をｘ軸、前記３層以上の層の各層の光学軸と前記ｚ軸とのなす９０度以下の角度を軸角度と定義すると、前記各層は一定の軸角度を有し、前記各層の前記光学軸はｘｚ面内にあって前記ｘ軸に対して傾いており、前記３層以上の層は異なる軸角度を含み、
    前記軸角度の最大値をθｍａｘ、最小値をθｍｉｎとすると以下の条件式が満足され、
    ２０度≦θｍａｘ−θｍｉｎ≦８０度、
    前記３層以上の層の前記軸角度の平均をθａｖｅとすると、以下の条件式が満足されることを特徴とする投射型表示装置。
    ４０度≦θａｖｅ≦７０度
19. 前記第１の位相補償板は、前記ダイクロイック膜と前記偏光分離素子との間に配置されることを特徴とする請求項１７または１８に記載の投射型表示装置。
20. それぞれが入射光を変調して反射し、異なる波長帯域の入射光に対応する複数の画像表示素子を更に有し、
    前記第１の位相補償板は、前記ダイクロイック膜と前記複数の画像表示素子の少なくとも一つの間に配置されることを特徴とする請求項１７または１８に記載の投射型表示装置。