JP2007163597A - 波長選択性偏光変換素子、照明光学系、投射表示光学系および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の偏光変換素子と波長選択性位相差板とにより得られる偏光変換機能を有し、特に画像投射装置における光学部品点数の減少や構造の簡略化が図れる波長選択性偏光変換素子を提供する。
【解決手段】波長選択性偏光変換素子５は、第１の偏光方向の光Ｐおよび第２の偏光方向の光Ｓに対する透過率がそれぞれ、波長域に応じて、５０％より高い透過率と５０％より低い透過率との間で変化する特性を有する偏光分離膜３２と、偏光分離膜で透過又は反射した光の偏光方向を第１の偏光方向と第２の偏光方向との間で変換する位相差板３３とを有する。該偏光変換素子は、２つの波長域の光を第１および第２の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する偏光光として射出し、他の波長域の光を第１および第２の偏光方向のうち他方の偏光方向を有する偏光光として射出する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、無偏光光を波長域（色）に応じた偏光方向の光に変換する波長選択性偏光変換素子およびこれを備えた液晶プロジェクタ等の画像投射装置に関するものである。

偏光ビームスプリッタにより色分解および色合成を行う画像投射装置が、特許文献１，２に開示されている。該装置では、光源から射出された無偏光光をレンズアレイによって複数の光束に分割し、各光束により形成された２次光源像を、コンデンサレンズによって液晶パネル等の画像形成素子上に重畳させてこれを略均一な明るさで照明する。

ここで、レンズアレイから射出した各分割光束は、偏光変換素子に設けられた、レンズアレイのそれぞれのレンズセルに対応した複数の偏光変換セルに入射する。各偏光変換セルは、偏光分離膜と１／２波長板と反射面とを有する。各偏光変換セルに入射した無偏光光は、偏光分離膜でＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光は、偏光分離膜を透過した後、１／２波長板によってその偏光方向が９０°回転させられてＳ偏光として射出する。一方、Ｓ偏光は、偏光分離膜によって反射され、反射面で反射してＳ偏光のまま射出される。

偏光変換素子から偏光方向が揃えられて射出したＳ偏光は、コンデンサレンズに入射する。さらに、コンデンサレンズから射出したＳ偏光は、ダイクロイック素子によって第１および第２の波長域光と第３の波長域光とに分離される。この段階では、第１および第２の波長域光は同じ光路を進み、かつ同じ偏光方向を有する。そしてこの後、偏光ビームスプリッタを用いて第１および第２の波長域光をそれぞれ第１および第２の画像形成素子に導くため、波長（色）選択性位相差板を通過させる。これにより、第１および第２の波長域光を、互いに異なる偏光方向を有する光に分離することができる。波長選択性位相差板は、延伸したフィルムを複数積層して作成され、入射した第１および第２の波長域光のうち、一方の波長域光の偏光方向のみを該偏光方向に直交する偏光方向に変換し、他方の波長域光を偏光方向を変えずに透過させる特性を有する。

このように偏光ビームスプリッタを用いて色分解を行う画像投射装置には、レンズアレイの近傍に配置される偏光変換素子と、偏光ビームスプリッタの近傍に配置される波長選択性位相差板とが用いられることが一般的である。

なお、特殊な例として、特許文献２や特許文献３にて開示された光学素子が用いられる場合もある。特許文献２には、所定波長域光を透過して他の波長域光を反射する第１ダイクロイック層と、該第１ダイクロイック層を透過した光の偏光面を９０度回転させる位相差層と、該位相差層からの光を全反射する全反射層とからなる光学素子が開示されている。

従来の偏光ビームスプリッタは使用波長帯全域においてＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射することを目的としている。非特許文献１にはＰ偏光を反射、Ｓ偏光を透過する偏光ビームスプリッタが報告されている。いずれの偏光ビームスプリッタも使用波長帯全帯域に対して偏光分離する作用である。これに対して、ある波長帯のＳ偏光を透過、Ｐ偏光を反射、それと異なる波長帯のＳ偏光を反射、Ｐ偏光を透過させるような偏光ビームスプリッタはこれまで報告されていない。

また、ダイクロイックフィルタは斜入射によりＰ偏光に対する透過帯域が広がり、Ｓ偏光に対する透過帯域が狭くなるため、偏光分離する波長帯域が現れる。しかし、Ｐ偏光は透過、Ｓ偏光は反射するのみで、Ｐ偏光は反射、Ｓ偏光は透過することはなく、異なる波長帯域で偏光分離特性が逆になる特性となることはない。

特許文献３には、波長選択性を備え、光の偏光、検光、色分離および色合成を行う偏光ビームスプリッタが開示されている。同公報では、青波長帯域のＰ偏光を反射、Ｓ偏光を透過し、且つ緑と赤帯域のＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射する作用を有する偏光ビームスプリッタを用いた色分解色合成手段を開示している。しかし、この偏光ビームスプリッタについては機能のみが示されており、実際の実現方法に関しては開示されていない。
特開２００１−１５４１５２号公報（段落００４５、図１等） 特開２０００−１９４５５号公報（段落００１３〜００１４、図１等） 特開平１１−１５３７７４号公報（段落００１２〜００１４、図１，２等） Li Li and J. A. Dobrowolski, Appl. Opt., vol.39, p.2754, 2000.

しかしながら、特許文献１に開示されているように、偏光変換素子とは別に波長選択性位相差板を用いると、画像投射装置を構成する光学部品の数が増加する。また、波長選択性位相差板を位置決め支持したり、多層フィルムにより構成される該波長選択性位相差板を冷却したりする構造が必要となり、構造が複雑になる。

本発明は、従来の偏光変換素子と波長選択性位相差板とにより得られる偏光変換機能を有し、特に画像投射装置における光学部品点数の減少や構造の簡略化が図れるようにした波長選択性偏光変換素子を提供することを目的の１つとする。

本発明の一側面としての波長選択性偏光変換素子は、第１の波長域の光、第２の波長域の光および第３の波長域の光を含む無偏光光を偏光光に変換する偏光変換素子である。該波長選択性偏光変換素子は、透過および反射作用により光を分離する機能を有し、第１の偏光方向の光および該第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向の光に対する透過率がそれぞれ、波長域に応じて、５０％より高い透過率と５０％より低い透過率との間で変化する特性を有する偏光分離膜を有する。さらに、該偏光分離膜で透過又は反射した光の偏光方向を第１の偏光方向と第２の偏光方向との間で変換する位相差板を有する。そして、該波長選択性偏光変換素子は、該２つの波長域の光を第１および第２の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する偏光光として射出し、該他の波長域の光を第１および第２の偏光方向のうち他方の偏光方向を有する偏光光として射出することを特徴とする。

本発明によれば、上記のような特性を有する光分離膜と位相差板の作用により、第１から第３の波長域のうち２つの波長域の光と他の波長域の光とを互いに異なる偏光方向を有する偏光光として射出することができる。これにより、波長選択性偏光変換機能を有する単一の素子としての偏光変換素子を実現することができる。

したがって、該偏光変換素子からの上記２つの波長域の光のうち一方の光と上記他の波長域の光とを従来の波長選択性位相差板を介さずに同一光路から偏光ビームスプリッタに導くことができる。すなわち、この場合でも、偏光ビームスプリッタによってこれらの波長域光を偏光方向に応じて分離することができる。このため、偏光ビームスプリッタを用いて色分離を行い、第１から第３の波長光をそれぞれ対応する画像形成素子に導く投射表示光学系や画像投射装置の光学部品点数を、従来に比べて少なくすることができる。また、波長選択性位相差板が不要となることにより、これを支持したり冷却したりする構造も不要になり、画像投射装置の構造を簡略化することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である波長選択性偏光変換素子を用いた投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示す。

白色光源１から射出した光束は、放物面リフレクタ２によって平行光束に変換されて射出される。なお、ここにいう平行光束は、完全に平行な光束だけでなく、光学系の特性上平行とみなせる程度に拡散又は収束する光束も含む意味である。このことは、以下の実施例でも同じである。

この平行光束は、第１のフライアイレンズ３によって複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は、第２のフライアイレンズ４、波長選択性偏光変換素子５の近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。フライアイレンズ３，４は複数のレンズセルが２次元方向に配置されて構成されている。各レンズセルは、被照明面である後述する液晶パネル（画像形成素子）と相似形状である矩形のレンズ形状を有する。

第２のフライアイレンズ４を射出して波長選択性偏光変換素子５に入射する光束は、第１の偏光方向の直線偏光であるＰ偏光と第２の偏光方向の直線偏光であるＳ偏光とを含む無偏光光である。

波長選択性偏光変換素子５は、第２のフライアイレンズ４を射出した各分割光束のうち第１および第２の波長域である赤（Ｒ）帯域と緑（Ｇ）帯域の光をＳ偏光に変換する。また、第３の波長域である青（Ｂ）帯域の光をＰ偏光に変換する。

ここで、一般に、Ｂ帯域の波長は４３０〜５００ｎｍ、Ｇ帯域の波長は５００〜５８０ｎｍ、Ｒ帯域の波長は５８０〜６７０ｎｍと言われている。但し、本実施例のプロジェクタにおいては、必ずしも上記の定義に基づいたＢＧＲ帯域の光を用いている訳ではなく、ＢＧＲ帯域の波長として以下のような波長の光を用いている。例えば、Ｂ帯域としては、４３０ｎｍ以上４９０ｎｍ以下（４３５ｎｍ以上４８５ｎｍ以下でもよい）の光を用いている。Ｇ帯域としては、５１０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下（５１５ｎｍ以上５６５ｎｍ以下でもよい）の光を用いている。Ｒ帯域としては、６００ｎｍ以上６６０ｎｍ以下（６０５ｎｍ以上６５５ｎｍ以下でもよい）の光を用いている。このことは、以下に説明する他の実施例でも同様である。なお、上記波長の範囲は例であり、本発明を限定するものではない。

波長選択性偏光変換素子５から射出したＲ帯域およびＧ帯域のＳ偏光とＢ帯域のＰ偏光は、ミラー２０で反射される。その後、コンデンサレンズ６によって集光され、色分解合成光学系７を経てＲ帯域、Ｇ帯域およびＢ帯域用の反射型液晶パネル１５，１０，１４をそれぞれ重畳的に照明する。なお、光源１から少なくともコンデンサレンズ６までを照明光学系という。このことは、以下に説明する実施例でも同様である。

色分解合成光学系７は、コンデンサレンズ６を透過した偏光光のうちＢ帯域とＲ帯域の光を反射し、Ｇ帯域光を透過するダイクロイックミラー８を有する。ダイクロイックミラー８を透過したＧ帯域の偏光光は、第１の偏光ビームスプリッタ９で反射され、Ｇ帯域用反射型液晶パネル１０に入射する。

ここで、各反射型液晶パネルは、駆動回路Ｄに接続されている。該投射表示光学系を搭載したプロジェクタ（画像投射装置）の一部である駆動回路Ｄには、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、ビデオデッキ、テレビチューナ等の画像情報供給装置ＩＰから画像信号が入力される。これらによって、画像表示システムが構成される。駆動回路Ｄは、入力された画像信号のＲ，Ｇ，Ｂ成分に基づいてそれぞれの色に対応する反射型液晶パネルを駆動する。これにより、各反射型液晶パネルは、各波長帯の入射光を反射するとともに変調して画像光として射出する。なお、このような構成は、以下の実施例でも、図示しないが、同じである。

Ｇ帯域用液晶パネル（以下、Ｇ液晶パネルという）１０からの画像光（偏光光）は、第１の偏光ビームスプリッタ９を透過し、さらに第２の偏光ビームスプリッタ１１を透過して投射レンズ１２によって不図示のスクリーン上に投影される。

一方、ダイクロイックミラー８で反射したＢ帯域およびＲ帯域の偏光光のうちＢ帯域の偏光光は第３の偏光ビームスプリッタ１３を透過し、Ｒ帯域の偏光光は該第３の偏光ビームスプリッタ１３で反射する。そして、第３の偏光ビームスプリッタ１３から射出したＲ帯域の偏光光およびＢ帯域の偏光光はそれぞれ、Ｒ帯域用液晶パネル（以下、Ｒ液晶パネルという）１５およびＢ帯域用液晶パネル（以下、Ｂ液晶パネルという）１４上に集光する。

Ｂ液晶パネル１４で反射され、かつ変調されたＢ帯域の偏光光は、第３の偏光ビームスプリッタ１３で反射される。また、Ｒ液晶パネル１５で反射され、かつ変調されたＲ帯域の偏光光は、第３の偏光ビームスプリッタ１３を透過する。その後、波長選択性位相板１６によってＲ帯域の偏光光の偏光方向のみが９０度回転させられ、Ｒ帯域の偏光光とＢ帯域の偏光光の偏光方向が揃えられる。そして、両帯域の偏光光は、第２の偏光ビームスプリッタ１１で反射され、投射レンズ１２によってスクリーン上に投影される。これにより、ＲＧＢフルカラーの投射画像がスクリーン上に表示される。

次に、前述した波長選択性偏光変換素子５の構成および光学作用について図２を用いて詳しく説明する。波長選択性偏光変換素子５は、フライアイレンズ３，４を構成する複数のレンズセルに対応して設けられた、互いに同じ構成を有する複数の偏光変換セルＣから構成されている。

なお、各偏光変換セルＣの光入射面のうち、後述する波長選択性偏光分離膜３２の位置からその下側の反射膜３１までの領域には、光の入射を遮るための遮光板３４が設けられている。これにより、光は各偏光変換セルＣの入射面のうち波長選択性偏光分離膜３２とその上方に配置された反射膜３１との間の領域からのみ入射する。また、３３は位相差板を示す。以下、波長選択性偏光分離膜３２を、単に偏光分離膜と略記する。

偏光分離膜３２は、光の入射光軸方向（図の左側から右側に向かう方向）に対して該４５度の傾きを有する。また、反射膜３１は、偏光分離膜３２に対して平行に配置されている。また、偏光分離膜３２は、実際には平行平板であるガラスやアクリル製の基板の表面に多層膜として形成されている。

また、位相差板３３はフィルム状に形成され、波長選択性偏光変換素子５の射出面のうち、反射膜３１の位置から上方向に偏光分離膜３２の位置までの領域に形成されている。

なお、本実施例では、波長選択性偏光変換素子５の射出面に位相差板３３を設けた場合について説明するが、図３に示すように、位相差板３３を入射側に偏光分離膜３２が形成された基板における射出側に形成してもよい。

偏光分離膜３２は、Ｒ帯域とＧ帯域のＰ偏光に対する透過率が１００％又はそれに近く（５０％より高く）、Ｂ帯域光のＰ偏光に対する透過率が０％又はそれに近い（５０％より低い）特性を有する。また、偏光分離膜３２は、Ｒ帯域とＧ帯域のＳ偏光に対する透過率が０％又はそれに近く（５０％より低く）、Ｂ帯域光のＳ偏光に対する透過率が１００％又はそれに近い（５０％より高い）特性を有する。

また、位相差板３３は１／２波長板であり、入射した直線偏光の偏光方向を９０度回転させる機能を有する。

このように構成された波長選択性偏光変換素子５には、白色の無偏光光が図の左側から入射する。該無偏光光のうちＲ帯域およびＧ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜３２を透過した後、位相差板３３を透過してＳ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子５から射出する。Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光は、偏光分離膜３２で反射し、さらに反射膜３１で反射してＳ偏光として波長選択性偏光変換素子５から射出する。Ｂ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜３２で反射し、さらに反射膜３１で反射してＰ偏光として波長選択性偏光変換素子５から射出する。Ｂ帯域のＳ偏光は、偏光分離膜３２を透過した後、位相差板３３を透過してＰ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子５から射出する。

このように、単一の素子として構成された波長選択性偏光変換素子５に入射した白色無偏光光は、Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光とＢ帯域のＰ偏光に変換されて該素子５から射出する。

したがって、該偏光変換素子５からＢ帯域光とＲ帯域光とを、従来用いられていた波長選択性位相差板を介さずにダイクロイックミラー８から第３の偏光ビームスプリッタ１３に導くことができる。すなわち、この場合でも、第３の偏光ビームスプリッタ１３によってこれらＢ帯域光とＲ帯域光をその偏光方向に応じて分離し、Ｒ液晶パネル１５とＢ液晶パネル１４にそれぞれ入射させることができる。このため、ダイクロイックミラー８から第３の偏光ビームスプリッタ１３までの光路に波長選択性位相差板を設ける従来の場合に比べて、光学系の光学部品点数を少なくすることができる。しかも、波長選択性位相差板が不要となることにより、これを支持したり冷却したりする構造も不要になる。

ここで、Ｒ帯域およびＧ帯域の光に関してＰ偏光の透過率が高く、Ｓ偏光の透過率が低く、Ｂ帯域の光に関してＰ偏光の透過率が低く、Ｓ偏光の透過率が高い光学特性を有する偏光分離膜３２の多層膜構造について示す。

偏光分離膜３２の膜構造としては、Ｒ帯域およびＧ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｓ偏光の透過率が低く、Ｂ帯域のＰ偏光の透過率が低く、Ｓ偏光の透過率が高い光学特性を直接有する膜構造がある。

また、他の膜構造として、光学特性が異なる２つの膜部を積層したものに相当する構造もある。例えば、第１の膜部として、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光の透過率が低く、Ｂ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有するものを用いる。また、第２の膜部として、Ｒ帯域およびＧ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｂ帯域のＰ偏光の透過率が低く、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有するものを用いる。なお、ここにいう「高い」、「低い」は基本的には５０％よりも高い、低いことを表す。より詳細には、透過率が高い（反射率が低い）という表現は、偏光分離膜に対して所定の角度（ここでは４５度）で入射する光の透過率が５０％を越えている（好ましくは８０％以上）ことを意味する（逆に反射率は５０％より低い、好ましくは２０％より低い）。逆に、透過率が低い（反射率が高い）という表現は、偏光分離膜に対して所定の角度（ここでは４５度）で入射する光の透過率が５０％より低い（好ましくは２０％以下）ことを意味する（逆に反射率は５０％より高い、好ましくは８０％以上）。以下の説明でも、特に説明をしない限り同様である。

さらに、高屈折率入射プリズムから低屈折率媒質に臨界角以上で入射させ、エバネッセント波がしみ出している領域に薄膜が存在すると、光が透過し、位相変化する全反射減衰（Frustrated Total Internal Reflection：ＦＴＩＲ）を利用した膜構造もある。本発明はこれらの膜構造に限定されることはない。

表１には、上述した２つの膜部を積層したものに相当する構造を有する偏光分離膜３２の例を示す。ここでは、ガラス基板としてはＯＨＡＲＡ社製のＰＢＨ５６を用いた。また、表中のＨ，Ｍ，Ｌはそれぞれ、高屈折率層、中屈折率層および低屈折率層を示し、Ｈ，Ｍ，Ｌの左側の数字は各層（膜）の厚み（ｎｍ）を示す。本構成例では、高屈折率層としてＴｉＯ_２を、中屈折率層としてＡｌ_２Ｏ_３を、低屈折率層としてＭｇＦ_２を用いた。

前述した第１の膜部のように、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光の透過率が低く、Ｂ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有する膜構造は良く知られている。例えば、Ｐ偏光に対して多層膜の屈折率から求められるブリュースター角を満たし、Ｓ偏光入射に対してダイクロイックフィルタとして機能する膜である。また、ダイクロイックフィルタにおけるＳ偏光とＰ偏光のカットオフ波長を調整することによっても実現することができる。

このような第１の膜部を構成する多層膜の例として、
「Ｓｕｂ｜（１０８Ｍ １００Ｈ）^５｜接」
の分光透過率特性のシミュレーション結果を図４に示す。Ｓｕｂは基板を、接は接着剤を示している。

一方、前述した第２の膜部のように、Ｒ帯域およびＧ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｂ帯域のＰ偏光の透過率が低く、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有するもの膜構造は従来知られていない。しかし、検討の結果、多くの膜構造で実現できることが分かった。このような第２の膜部を構成する多層膜の例として、
「Ｓｕｂ｜（１１６Ｍ １７１Ｌ １１５Ｍ ７５Ｈ）^５｜接」
の分光透過率特性のシミュレーション結果を図５に示す。なお、この例に示す第２の膜部において、Ｒ帯域のうち６４５ｎｍ以上の部分でＳ偏光の透過率が５０％を下回るが、これについては、最終的に本実施例で得たい偏光分離膜３２の特性から見れば許容範囲である。別の見方をすれば、該Ｒ帯域のＳ偏光の透過率は、第１の膜部のＲ帯域（およびＧ帯域）でのＳ偏光の透過率より高ければよい。

表１に示す偏光分離膜３２の膜構造例は、これら２つの膜部を積層して、Ｐ偏光およびＳ偏光それぞれの透過帯および反射帯のリップルを低減させるために、膜厚を最適化した例である。なお、第１〜第３２層までが第１の膜部に相当し、第３３〜４２層までが第２の膜部に相当する。但し、これらの膜部を積層してから全体として最適化を行ったので、各膜部の光学特性が完全に分かれるわけではない。

また、図６には、表１に示す偏光分離膜３２の透過率特性のシミュレーション結果を示している。この図において、Ｔｐ４５は、Ｐ偏光を該偏光分離膜３２に対して４５度の入射角で入射させたときの透過率特性を、Ｔｓ４５は、Ｓ偏光を該偏光分離膜に対して４５度の入射角で入射させたときの透過率特性を示している。

図６に示すように、偏光分離膜３２は、Ｒ帯域とＧ帯域のＰ偏光に対する透過率が高く、Ｂ帯域光のＰ偏光に対する透過率が低く、Ｒ帯域とＧ帯域のＳ偏光に対する透過率が低く、Ｂ帯域光のＳ偏光に対する透過率が高い特性を有する。

なお、表１に示したガラス基板の材料、薄膜の材料、各薄膜の順番、層数および膜厚は例に過ぎず、本発明の偏光分離膜の構成はこれに限定されない。

次に、本実施例において、波長選択性偏光変換素子５を第２のレンズアレイ４とコンデンサレンズ６との間に配置した理由について説明する。レンズアレイ３，４はそれぞれ、放物面リフレクタ２から射出された平行光束を複数光束に分割する機能と、各分割光束を波長選択性偏光変換素子５の近傍に集光する機能とを有する。一方、コンデンサレンズ６は、第２のレンズアレイ４から射出した複数の分割光束が液晶パネル上にて重なり合うように集光する機能を有する。この場合、第２のレンズアレイ４による分割光束の波長選択性偏光変換素子５に向けた集光度合いと、コンデンサレンズ６による集光度合いとを比べると、前者の集光度合いの方が小さい。

ところで、一般に、ダイクロイック膜や偏光分離膜といった多層膜の分光特性は入射角度依存性が強く、４５度の入射角度に対しては設計上の特性に近い良好な分光特性が得られるが、入射角度が４５度から離れるにつれて分光特性がシフトする傾向がある。すなわち、分離する波長帯にずれが生じる。

前述したようにコンデンサレンズ６による光束の集光度合いは大きい。このため、仮に波長選択性偏光変換素子５をコンデンサレンズ６よりも液晶パネル側に配置すると、該波長選択性偏光変換素子５を構成する波長選択性偏光分離膜３２での分光特性がシフトする。これにより、各液晶パネルに入射する各帯域光に予定外の偏光方向の光が多く混ざり、その結果、投射画像のコントラストが低下する。

このため、本実施例では、第２のレンズアレイ４とコンデンサレンズ６の間に波長選択性偏光変換素子５を配置して、該偏光変換素子５への入射光束の集光度合いを小さく（つまりは平行光束に近い状態と）している。これにより、波長選択性偏光変換素子５を構成する第１および第２の波長選択性偏光分離膜３２において良好な分光特性が得られるようにしている。したがって、本実施例によれば、波長選択性偏光変換素子５による適正な分光特性を利用して、コントラストの高い投射画像を得ることができる。

以上説明した波長選択性偏光変換素子を第２のレンズアレイとコンデンサレンズとの間に配置する理由については、以下に説明する他の実施例でも同じである。

図７には、本発明の実施例２である波長選択性偏光変換素子を示す。この波長選択性偏光変換素子２０５を用いた投射表示光学系は、実施例１で図１に示した投射表示光学系と同じであり、該投射表示光学系を構成する波長選択性偏光変換素子以外の構成要素については実施例１と同符号を付す。本実施例でも、Ｐ偏光を第１の偏光方向の光とし、Ｓ偏光を第２の偏光方向とする。

本実施例の波長選択性偏光変換素子２０５の構成および光学作用について詳しく説明する。波長選択性偏光変換素子２０５は、フライアイレンズ３，４を構成する複数のレンズセルに対応して設けられた、互いに同じ構成を有する複数の偏光変換セルＣから構成されている。なお、各偏光変換セルＣの光入射面のうち、後述する波長選択性偏光分離膜４２の位置からその下側の反射膜４１までの領域には、光の入射を遮るための遮光板４４が設けられている。これにより、光は各偏光変換セルＣの入射面のうち波長選択性偏光分離膜４２とその上方に配置された反射膜４１との間の領域からのみ入射する。また、４３は位相差板を示す。以下、波長選択性偏光分離膜４２を、単に偏光分離膜と略記する。

偏光分離膜４２は、光の入射光軸方向（図の左側から右側に向かう方向）に対して４５度より大きい角度、例えば５０度の傾きを有する。また、反射膜４１は、偏光分離膜４２に対して平行に配置されている。偏光分離膜４２を４５度より大きい角度に傾けたことにより、遮光板４４を各偏光変換セルＣの光入射面のうち、反射膜４１の位置よりも下側まで延ばしている。これにより、光は入射面のうち反射膜４１と偏光分離膜４２との間の領域からのみ入射する。また、４３は位相差板を示す。

また、偏光分離膜４２は、実際には平行平板であるガラスやアクリル製の基板の表面に多層膜として形成されている。また、位相差板４３はフィルム状に形成され、波長選択性偏光変換素子２０５の射出面のうち、反射膜４１の位置から上方向に偏光分離膜４２の位置までの領域に形成されている。

なお、本実施例でも、図３に示すように、位相差板４３を入射側に偏光分離膜４２が形成される基板の射出側に形成してもよい。

本実施例でも、偏光分離膜４２は、Ｒ帯域とＧ帯域のＰ偏光に対する透過率が１００％又はそれに近く（５０％より高く）、Ｂ帯域光のＰ偏光に対する透過率が０％又はそれに近い（５０％より低い）特性を有する。また、偏光分離膜４２は、Ｒ帯域とＧ帯域のＳ偏光に対する透過率が０％又はそれに近く（５０％より低く）、Ｂ帯域光のＳ偏光に対する透過率が１００％又はそれに近い（５０％より高い）特性を有する。

また、位相差板４３は１／２波長板であり、入射した直線偏光の偏光方向を９０度回転させる機能を有する。

このように構成された波長選択性偏光変換素子２０５には、白色の無偏光光が図の左側から入射する。該無偏光光のうちＲ帯域およびＧ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜４２を透過した後、位相差板４３を透過してＳ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子２０５から射出する。Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光は、偏光分離膜４２で反射し、さらに反射膜４１で反射してＳ偏光として波長選択性偏光変換素子２０５から射出する。Ｂ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜４２で反射し、さらに反射膜４１で反射してＰ偏光として波長選択性偏光変換素子２０５から射出する。Ｂ帯域のＳ偏光は、偏光分離膜４２を透過した後、位相差板４３を透過してＰ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子２０５から射出する。

このように、単一の素子として構成された波長選択性偏光変換素子２０５に入射した白色無偏光光は、Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光とＢ帯域のＰ偏光に変換されて該素子２０５から射出する。このように、単一の素子として構成された波長選択性偏光変換素子２０５に入射した白色無偏光光は、Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光とＢ帯域のＰ偏光に変換されて該素子５から射出する。これにより、実施例１にて説明したものと同様の効果が得られる。

表１には、Ｒ帯域およびＧ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｂ帯域のＰ偏光の透過率が低く、Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光の透過率が低く、Ｂ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有する偏光分離膜４２の多層膜構造の例を示す。ここでは、実施例１と同様に２つの膜部を積層したものに相当する膜構造を示す。第１の膜部としては、実施例１と同様に、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光の透過率が低く、Ｂ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有するものを用いる。また、第２の膜部として、Ｒ帯域およびＧ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｂ帯域のＰ偏光の透過率が低く、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有するものを用いる。

ガラス基板としてはＯＨＡＲＡ社製のＬＡＬ１４を用いた。また、表中のＨ，Ｍ，ＬおよびＨ，Ｍ，Ｌの左側の数字の意味は実施例１と同様である。本構成例でも、高屈折率層としてＴｉＯ_２を、中屈折率層としてＡｌ_２Ｏ_３を、低屈折率層としてＭｇＦ_２を用いた。

表１に示す偏光分離膜４２の膜構造例は、これら２つの膜部を積層して、Ｐ偏光およびＳ偏光それぞれの透過帯および反射帯のリップルを低減させるために、膜厚を最適化した例である。なお、第１〜第３２層までが第１の膜部に相当し、第３３〜４４層までが第２の膜部に相当する。但し、これらの膜部を積層してから全体として最適化を行ったので、各膜部の光学特性が完全に分かれるわけではない。

また、図８には、表１に示す偏光分離膜４２の透過率特性のシミュレーション結果を示している。この図において、Ｔｐ５０は、Ｐ偏光を偏光分離膜４２に対して５０度の入射角で入射させたときの透過率特性を、Ｔｓ５０は、Ｓ偏光を偏光分離膜４２に対して５０度の入射角で入射させたときの透過率特性を示している。このように、偏光分離膜に対しする入射角度は４５度に限定されるものではない。

なお、表１に示したガラス基板の材料、薄膜の材料、各薄膜の順番、層数および膜厚は例に過ぎず、本発明の偏光分離膜の構成はこれに限定されない。

図９には、本発明の実施例３である波長選択性偏光変換素子を用いた投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタの構成を示す。

白色光源３０１から射出した光束は、放物面リフレクタ３０２によって平行光束に変換されて射出される。この平行光束は、第１のフライアイレンズ３０３によって複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は、第２のフライアイレンズ３０４，波長選択性偏光変換素子３０５の近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。

フライアイレンズ３０３，３０４は複数のレンズセルが２次元方向に配置されて構成されている。各レンズセルは、被照明面である後述する液晶パネルと相似形状である矩形のレンズ形状を有する。

第２のフライアイレンズ３０４を射出して波長選択性偏光変換素子３０５に入射する光束は、第１の偏光方向の直線偏光であるＰ偏光と第２の偏光方向の直線偏光であるＳ偏光とを含む無偏光光である。

波長選択性偏光変換素子３０５は、第２のフライアイレンズ３０４を射出した各分割光束のうち第１および第２の波長域であるＲ帯域とＧ帯域の光をＰ偏光に変換する。また、第３の波長域であるＢ帯域の光をＳ偏光に変換する。

波長選択性偏光変換素子３０５から射出したＲ帯域およびＧ帯域のＰ偏光とＢ帯域のＳ偏光は、ミラー３２０で反射される。その後、コンデンサレンズ３０６によって集光され、色分解合成光学系３０７を経てＲ帯域、Ｇ帯域およびＢ帯域用の反射型液晶パネル（Ｒ，Ｇ，Ｂ液晶パネル）３１５，３１０，３１４を重畳的に照明する。

色分解合成光学系３０７は、コンデンサレンズ３０６を透過した偏光光のうちＲ帯域とＢ帯域の光を反射し、Ｇ帯域光を透過するダイクロイックミラー３０８を有する。ダイクロイックミラー３０８を透過したＧ帯域の偏光光は、第１の偏光ビームスプリッタ３０９を透過して反射型のＧ液晶パネル３１０に入射する。

Ｇ液晶パネル３１０からの画像光（偏光光）は、第１の偏光ビームスプリッタ３０９で反射され、さらに波長選択性偏光ビームスプリッタ３１１で反射されて投射レンズ３１２によって不図示のスクリーン上に投影される。ここで、波長選択性偏光ビームスプリッタ３１１は、Ｒ帯域のＳ偏光を透過し、Ｇ帯域のＳ偏光を反射する。また、Ｂ帯域のＳ偏光を反射し、Ｒ帯域のＰ偏光を透過する。

一方、ダイクロイックミラー３０８で反射したＲ帯域およびＢ帯域の偏光光のうちＲ帯域の偏光光は、第２の偏光ビームスプリッタ３１３を透過し、Ｂ帯域の偏光光は該第２の偏光ビームスプリッタ３１３で反射される。そして、第２の偏光ビームスプリッタ３１３から射出したＲ帯域の偏光光およびＢ帯域の偏光光はそれぞれ、反射型のＲ液晶パネル３１５およびＢ液晶パネル３１４上に集光する。

Ｒ液晶パネル３１５で反射され、かつ変調されたＲ帯域の偏光光は、第２の偏光ビームスプリッタ３１３で反射される。また、Ｂ液晶パネル３１４で反射され、かつ変調されたＢ帯域の偏光光は、第２の偏光ビームスプリッタ３１３を透過する。

その後、両波長帯の光は、波長選択性ビームスプリッタ３１１を透過して、投射レンズ３１２によってスクリーン上に投影される。これにより、ＲＧＢフルカラーの投射画像がスクリーン上に表示される。

次に、前述した波長選択性偏光変換素子３０５の構成および光学作用について図１０を用いて詳しく説明する。波長選択性偏光変換素子３０５は、フライアイレンズ３０３，３０４を構成する複数のレンズセルに対応して設けられた同じ構成の複数の偏光変換セルＣから構成されている。なお、各偏光変換セルＣの光入射面のうち、後述する波長選択性偏光分離膜３２の位置からその下側の反射膜３１の位置までの領域には、光の入射を遮るための遮光板３４が設けられている。これにより、光は入射面のうち波長選択性偏光分離膜３２とその上方に配置された反射膜３１との間の領域からのみ入射する。また、３６は位相差板を示す。以下、波長選択性偏光分離膜３２を、単に偏光分離膜と略記する。

偏光分離膜３２は、光の入射光軸方向（図の左側から右側に向かう方向）に対して４５度の傾きを有する。また、反射膜３１は、偏光分離膜３２に対して平行に配置されている。また、偏光分離膜３２は、実際には平行平板であるガラスやアクリル製の基板の表面に多層膜として形成されている。

また、位相差板３６はフィルム状に形成され、波長選択性偏光変換素子３０５の射出面のうち、偏光分離膜３２の位置から下方向に反射膜３１の位置までの領域に形成されている。

なお、図３に示すように、位相差板３６を、偏光分離膜３２が入射側に形成される基板の射出側に形成してもよい。

本実施例の偏光分離膜３２としては、実施例１と同じものが用いられている。また、位相差板３６も、実施例１の位相差板３３と同様に、１／２波長板であり、入射した直線偏光の偏光方向を９０度回転させる機能を有する。

このように構成された波長選択性偏光変換素子３０５には、白色の無偏光光が図の左側から入射する。該無偏光光のうちＲ帯域およびＧ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜３２を透過して波長選択性偏光変換素子３０５から射出する。Ｒ帯域およびＧ帯域のＳ偏光は、偏光分離膜３２で反射し、さらに反射膜３１で反射した後、位相差板３６を透過してＰ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子３０５から射出する。また、Ｂ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜３２で反射し、さらに反射膜３１で反射した後、位相差板３６を透過してＳ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子３０５から射出する。Ｂ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜３２を透過して波長選択性偏光変換素子３０５から射出する。

このように、単一の素子として構成された波長選択性偏光変換素子３０５に入射した白色無偏光光は、Ｒ帯域およびＧ帯域のＰ偏光とＢ帯域のＳ偏光に変換されて該素子３０５から射出する。これにより、実施例１にて説明したものと同様の効果が得られる。

本実施例では、偏光分離膜３２に対する光束の入射角度が４５度の場合を示したが、本発明においては、実施例２のように入射角度は４５度に限定されない。また、偏光分離膜が形成されるガラス基板の材料や、薄膜の材料、各薄膜の順番、層数、膜厚も表１に示した実施例１と同じものに限定されない。

図１１には、本発明の実施例４である波長選択性偏光変換素子を用いた投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタの構成を示す。

白色光源４０１から射出した光束は、放物面リフレクタ４０２によって平行光束に変換されて射出される。この平行光束は、第１のフライアイレンズ４０３によって複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は、第２のフライアイレンズ４０４、波長選択性偏光変換素子４０５の近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。

フライアイレンズ４０３，４０４は複数のレンズセルが２次元方向に配置されて構成されている。各レンズセルは、被照明面である後述する液晶パネルと相似形状である矩形のレンズ形状を有する。

第２のフライアイレンズ４０４を射出して波長選択性偏光変換素子４０５に入射する光束は、第１の偏光方向の直線偏光であるＰ偏光と第２の偏光方向の直線偏光であるＳ偏光とを含む無偏光光である。

波長選択性偏光変換素子４０５は、第２のフライアイレンズ４０４を射出した各分割光束のうち第１および第３の波長域であるＲ帯域とＢ帯域の光をＰ偏光に変換する。また、第２の波長域であるＧ帯域の光をＳ偏光に変換する。

波長選択性偏光変換素子４０５から射出したＲ帯域およびＢ帯域のＰ偏光とＧ帯域のＳ偏光は、コンデンサレンズ４０６によって集光される。さらに、ミラー４０７で反射され、色分解合成光学系４０８を経てＲ帯域、Ｂ帯域およびＧ帯域用の反射型液晶パネル（ＲＢ，Ｇ液晶パネル）４１３，４１４，４１１を重畳的に照明する。

色分解合成光学系４０８は、偏光光のうちＲ帯域とＢ帯域の光を透過し、Ｇ帯域光を反射する偏光ビームスプリッタ４０９を有する。偏光ビームスプリッタ４０９で反射したＧ帯域の偏光光は、ガラスブロック４１０を透過して反射型のＧ液晶パネル４１１に入射する。

Ｇ液晶パネル４１１からの画像光（偏光光）は、ガラスブロック４１０を透過し、偏光ビームスプリッタ４０９を透過して投射レンズ４１５によって不図示のスクリーン上に投影される。

一方、偏光ビームスプリッタ４０９を透過したＲ帯域およびＢ帯域の偏光光のうちＢ帯域の偏光光は、ダイクロイックプリズム４１２で反射し、Ｒ帯域の偏光光は該ダイクロイックプリズム４１２を透過する。そして、ダイクロイックプリズム４１２から射出したＢ帯域の偏光光およびＲ帯域の偏光光はそれぞれ、反射型のＢ液晶パネル４１４およびＲ液晶パネル４１３上に集光する。

Ｂ液晶パネル４１４で反射され、かつ変調されたＢ帯域の偏光光は、ダイクロイックプリズム４１２で反射される。また、Ｒ液晶パネル４１３で反射され、かつ変調されたＲ帯域の偏光光は、ダイクロイックプリズム４１２を透過する。その後、両波長帯の光は、偏光ビームスプリッタ４０９で反射して、投射レンズ３１２によってスクリーン上に投影される。これにより、ＲＧＢフルカラーの投射画像がスクリーン上に表示される。

次に、前述した波長選択性偏光変換素子４０５の構成および光学作用について図１２を用いて詳しく説明する。波長選択性偏光変換素子４０５は、フライアイレンズ４０３，４０４を構成する複数のレンズセルに対応して設けられた、互いに同じ構成を有する複数の偏光変換セルＣから構成されている。なお、各偏光変換セルＣの光入射面のうち、後述する偏光分離膜５２の位置からその下側の反射膜５１の位置までの領域には、光の入射を遮るための遮光板５４が設けられている。これにより、光は入射面のうち波長選択性偏光分離膜５２とその上方に配置された反射膜５１との間の領域からのみ入射する。また、５３は位相差板を示す。

偏光分離膜５２は、光の入射光軸方向（図の左側から右側に向かう方向）に対して４５度の傾きを有する。また、反射膜５１は、偏光分離膜５２に対して平行に配置されている。また、偏光分離膜５２は、実際には平行平板であるガラスやアクリル製の基板の表面に多層膜として形成されている。

また、位相差板５３はフィルム状に形成され、波長選択性偏光変換素子４０５の射出面のうち、偏光分離膜５２の位置から上方向に反射膜５１の位置までの領域に形成されている。

なお、図３に示すように、位相差板５３を、入射側に偏光分離膜５２が形成される基板の射出側に形成してもよい。

本実施例の偏光分離膜５２は、Ｒ帯域とＢ帯域のＰ偏光に対する透過率が１００％又はそれに近く（５０％より高く）、Ｇ帯域光のＰ偏光に対する透過率が０％又はそれに近い（５０％より低い）特性を有する。また、偏光分離膜５２は、Ｒ帯域とＢ帯域のＳ偏光に対する透過率が０％又はそれに近く（５０％より低く）、Ｇ帯域光のＳ偏光に対する透過率が１００％又はそれに近い（５０％より高い）特性を有する。

また、位相差板５３は１／２波長板であり、入射した直線偏光の偏光方向を９０度回転させる機能を有する。

このように構成された波長選択性偏光変換素子４０５には、白色の無偏光光が図の左側から入射する。該無偏光光のうちＲ帯域およびＢ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜５２を透過して波長選択性偏光変換素子４０５から射出する。Ｒ帯域およびＢ帯域のＳ偏光は、偏光分離膜５２で反射し、さらに反射膜５１で反射した後、位相差板５３を透過してＰ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子４０５から射出する。Ｇ帯域のＰ偏光は、偏光分離膜５２で反射し、さらに反射膜５１で反射した後、位相差板５３を透過してＳ偏光に変換されて波長選択性偏光変換素子４０５から射出する。Ｇ帯域のＳ偏光は、偏光分離膜５２を透過して波長選択性偏光変換素子４０５から射出する。

このように、単一の素子として構成された波長選択性偏光変換素子４０５に入射した白色無偏光光は、Ｒ帯域およびＢ帯域のＰ偏光とＧ帯域のＳ偏光に変換されて該素子４０５から射出する。これにより、実施例１にて説明したものと同様の効果が得られる。

表１には、Ｒ帯域およびＢ帯域の光に関してＰ偏光の透過率が高く、Ｓ偏光の透過率が低く、Ｇ帯域の光に関してＰ偏光の透過率が低く、Ｓ偏光の透過率が高い光学特性を有する偏光分離膜５２の多層膜構造について示す。

ここでは、実施例１と同様に２つの膜部を積層したものに相当する膜構造を示す。第１の膜部としては、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｒ帯域およびＢ帯域のＳ偏光の透過率が低く、Ｇ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有するものを用いる。また、第２の膜部として、Ｒ帯域およびＢ帯域のＰ偏光の透過率が高く、Ｇ帯域のＰ偏光の透過率が低く、Ｒ帯域，Ｇ帯域およびＢ帯域のＳ偏光の透過率が高い光学特性を有するものを用いる。

ガラス基板としてはＯＨＡＲＡ社製のＰＢＨ５６を用いた。また、表中のＨ，Ｍ，ＬおよびＨ，Ｍ，Ｌの左側の数字の意味は実施例１と同様である。本構成例でも、高屈折率層としてＴｉＯ_２を、中屈折率層としてＡｌ_２Ｏ_３を、低屈折率層としてＭｇＦ_２を用いた。

表１に示す偏光分離膜５２の膜構造例は、これら２つの膜部を積層して、Ｐ偏光およびＳ偏光それぞれの透過帯および反射帯のリップルを低減させるために、膜厚を最適化した例である。なお、第１〜第２８層までが第１の膜部に相当し、第２９〜５２層までが第２の膜部に相当する。但し、これらの膜部を積層してから全体として最適化を行ったので、各膜部の光学特性が完全に分かれるわけではない。

また、図１３には、表１に示す偏光分離膜５２の透過率特性のシミュレーション結果を示している。この図において、Ｔｐ４５は、Ｐ偏光を偏光分離膜５２に対して４５度の入射角で入射させたときの透過率特性を、Ｔｓ４５は、Ｓ偏光を偏光分離膜５２に対して４５度の入射角で入射させたときの透過率特性を示している。

なお、実施例２で説明したように、偏光分離膜５２に対する入射角度は４５度に限定されるものではない。また、ガラス基板の材料や、薄膜材料、各薄膜の順番、層数、膜厚は表１のものに限定されない。

図１４には、本発明の実施例５である波長選択性偏光変換素子を用いた投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタの構成を示す。

白色光源５０１から射出した光束は、放物面リフレクタ５０２によって平行光束に変換されて射出される。この平行光束は、第１のフライアイレンズ５０３によって複数の光束に分割され、各分割光束は集光される。各分割光束は、第２のフライアイレンズ５０４，波長選択性偏光変換素子５０５の近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。

フライアイレンズ５０３，５０４は複数のレンズセルが２次元方向に配置されて構成されている。各レンズセルは、被照明面である後述する液晶パネルと相似形状である矩形のレンズ形状を有する。

第２のフライアイレンズ５０４を射出して波長選択性偏光変換素子５０５に入射する光束は、第１の偏光方向の直線偏光であるＳ偏光と第２の偏光方向の直線偏光であるＰ偏光とを含む無偏光光である。

波長選択性偏光変換素子５０５は、第２のフライアイレンズ５０４を射出した各分割光束のうち第１および第３の波長域であるＲ帯域とＢ帯域の光をＳ偏光に変換する。また、第２の波長域であるＧ帯域の光をＰ偏光に変換する。

波長選択性偏光変換素子５０５から射出したＲ帯域およびＢ帯域のＳ偏光とＧ帯域のＰ偏光は、コンデンサレンズ５０６によって集光される。さらに、色分解合成光学系５２２を経てＲ帯域、Ｇ帯域およびＢ帯域用の透過型液晶パネル（以下、Ｒ，Ｇ，Ｂ液晶パネルという）５１０，５２１，５１９を重畳的に照明する。

色分解合成光学系５２２は、Ｒ帯域光を透過し、Ｂ帯域光およびＧ帯域光を反射する第１のダイクロイックミラー５０７を有する。該第１のダイクロイックミラー５０７を透過したＲ帯域の偏光光は、反射ミラー５０８で反射し、フィールドレンズ５０９を介して、Ｒ液晶パネル５１０に入射する。Ｒ液晶パネル５１０で変調された光（画像光）は、ダイクロイックプリズム５１１で進行方向を９０度変えられ、投射レンズ５１２によって不図示のスクリーンに投影される。

一方、第１のダイクロイックミラー５０７で反射したＢ帯域の偏光光およびＧ帯域の偏光光のうちＧ帯域の偏光光は、第２のダイクロイックミラー５１３で反射し、Ｂ帯域の偏光光はこれを透過する。第２のダイクロイックミラー５１３で反射したＧ帯域の偏光光は、フィールドレンズ５２０を透過して、Ｇ液晶パネル５２１に入射する。Ｇ液晶パネル５２１で変調された光は、ダイクロイックプリズム５１１を透過し、投射レンズ５１２によってスクリーンに投影される。

また、第２のダイクロイックミラー５１３を透過したＢ帯域の偏光光は、リレーレンズ５１４，５１６、反射ミラー５１５，５１７およびフィールドレンズ５１８を介してＢ液晶パネル５１９に入射する。Ｂ液晶パネル５１９で変調された光（画像光）は、ダイクロイックプリズム５１１で進行方向を９０度変えられ、投射レンズ５１２によってスクリーンに投影される。これにより、ＲＧＢフルカラーの投射画像がスクリーンに表示される。

次に、前述した波長選択性偏光変換素子５０５の構成および光学作用について図１５を用いて詳しく説明する。波長選択性偏光変換素子５０５は、フライアイレンズ５０３，５０４を構成する複数のレンズセルに対応して設けられた、互いに同じ構成を有する複数の偏光変換セルＣから構成されている。なお、各偏光変換セルＣの光入射面のうち、後述する波長選択性偏光分離膜５２の位置からその下側に設けられた反射膜５１の位置までの領域には、光の入射を遮るための遮光板５４が設けられている。これにより、光は入射面のうち波長選択性偏光分離膜５２とその上方に配置された反射膜５１との間の領域からのみ入射する。また、５６は位相差板を示す。なお、波長選択性偏光分離膜５２を、以下、単に偏光分離膜と略記する。

偏光分離膜５２は、光の入射光軸方向（図の左側から右側に向かう方向）に対して４５度の傾きを有する。また、反射膜５１は、偏光分離膜５２に対して平行に配置されている。また、偏光分離膜５２は、実際には平行平板であるガラスやアクリル製の基板の表面に多層膜として形成されている。

また、位相差板５６はフィルム状に形成され、波長選択性偏光変換素子５０５の射出面のうち、偏光分離膜５２の位置から下方向に反射膜５１の位置までの領域に形成されている。

なお、図３に示すように、位相差板５６を、偏光分離膜５２が入射側に形成される基板の射出側に形成してもよい。

本実施例の偏光分離膜５２としては、実施例４と同じものが用いられている。また、位相差板５６も、実施例４の位相差板５３と同様に、１／２波長板であり、入射した直線偏光の偏光方向を９０度回転させる機能を有する。

このように、単一の素子として構成された波長選択性偏光変換素子５０５に入射した白色無偏光光は、Ｒ帯域およびＢ帯域のＳ偏光とＧ帯域のＰ偏光に変換されて該素子５０５から射出する。

なお、実施例２で説明したように、偏光分離膜５２に対する入射角度は４５度に限定されるものではない。また、ガラス基板の材料や、薄膜材料、各薄膜の順番、層数、膜厚は表１のものに限定されない。

ここで、従来の偏光変換素子と透過型液晶パネルを用いた構成では、図１４に示したフィールドレンズ５２０とＧ液晶パネル５２１との間に、入射した直線偏光の偏光方向を９０°回転させる位相板を配置していた。これは、Ｇ帯域をＰ偏光、Ｒ，Ｂ帯域をＳ偏光とすることで、ダイクロイックプリズムの損失を抑えるためである。

これに対し、本実施例の波長選択性偏光変換素子５０５を用いることで、これと同様の効果を、フィールドレンズ５２０とＧ液晶パネル５２１との間に位相板を配置しなくても実現することができる。なお、本実施例では、液晶パネル５１０，５１９，５２１をそれぞれＲ帯域用、Ｂ帯域用およびＧ帯域用とした場合について説明したが、液晶パネルの配置と帯域との組み合わせはどのようなものであってもよい。

なお、波長選択性偏光変換素子としては、上記各実施例にて説明したもの以外の構成を採ることもできる。Ｒ，Ｇ，Ｂのうちいずれか１つの波長帯域光をＰ偏光に、他の２つの波長帯域光をＳ偏光に変換したり、いずれか１つの波長帯域光をＳ偏光に、他の２つの波長帯域光をＰ偏光に変換したりすることができる。この波長選択性偏光変換素子を用いて上記各実施例にて説明したもの以外の構成を採ることもできる。

なお、本実施例では、画像形成素子として反射型液晶パネルや透過型液晶パネルを用いる場合について説明したが、本発明では、他の画像形成素子、例えばＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）を用いてもよい。

本発明の実施例１である投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタの構成を示す図である。 実施例１で使用される波長選択性偏光変換素子の概略構成図である。 実施例１の変形例としての波長選択性偏光変換素子の概略構成図である。 実施例１で使用される波長選択性偏光変換素子における偏光分離膜の一部の分光透過率シミュレーション結果を示す図である。 実施例１で使用される波長選択性偏光変換素子における偏光分離膜の一部の分光透過率シミュレーション結果を示す図である。 実施例１で使用される波長選択性偏光変換素子における偏光分離膜の分光透過率シミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例２である波長選択性偏光変換素子の概略構成図である。 実施例２の波長選択性偏光変換素子における偏光分離膜の分光透過率シミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例３である投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタの構成を示す図である。 実施例３で使用される波長選択性偏光変換素子の概略構成図である。 本発明の実施例４である投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタの構成を示す図である。 実施例４で使用される波長選択性偏光変換素子の概略構成図である。 実施例４で使用される波長選択性偏光変換素子における偏光分離膜の分光透過率シミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例５である投射表示光学系およびこれを備えた液晶プロジェクタの構成を示す図である。 実施例５で使用される波長選択性偏光変換素子の概略構成図である。

符号の説明

１，３０１，４０１，５０１：光源
２，３０２，４０２，５０２：リフレクタ
３，３０３，４０３，５０３：第１のフライアイレンズ
４，３０４，４０４，５０４：第２のフライアイレンズ
５，２０５，３０５，４０５，５０５：波長選択性偏光変換素子
６，３０６，４０６，５０６：コンデンサレンズ
７，３０７，４０８，５２２：色分解合成光学系
８，３０８，５０７，５１３：ダイクロイックミラー
９，１１，１３，３０９，３１３，４０９：偏光ビームスプリッタ
１０，１４，１５，３１０，３１４，３１５，４１１，４１３，４１４：反射型液晶パネル
１２，３１２，４１５，５１２：投射レンズ
２０，３２０，４０７，５０８，５１５，５１７：ミラー
１６：波長選択波長板
３１，４１，５１：反射膜
３２，４２，５２：波長選択性偏光分離膜
３３，３６，４３，５３，５６：位相差板
３４，４４，５４：遮光板
３１１，４１２，５１１：ダイクロイックプリズム
４１０：ガラスブロック

Claims (11)

1. 第１の波長域の光、第２の波長域の光および第３の波長域の光を含む無偏光光を偏光光に変換する偏光変換素子であって、
   透過および反射作用により光を分離する機能を有し、第１の偏光方向の光および該第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向の光に対する透過率がそれぞれ、波長域に応じて、５０％より高い透過率と５０％より低い透過率との間で変化する特性を有する偏光分離膜と、
   該偏光分離膜で透過又は反射した光の偏光方向を前記第１の偏光方向と前記第２の偏光方向との間で変換する位相差板とを有し、
   該偏光変換素子は、前記第１、第２および第３の波長域のうち２つの波長域の光を前記第１および第２の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する偏光光として射出し、前記第１、第２および第３の波長域のうち他の波長域の光を前記第１および第２の偏光方向のうち他方の偏光方向を有する偏光光として射出することを特徴とする波長選択性偏光変換素子。
2. 前記偏光分離膜は、前記第１の偏光方向の光に対する前記２つの波長域での透過率が５０％より高く、他の波長域での透過率が５０％より低く、かつ前記第２の偏光方向の光に対する前記２つの波長域での透過率が５０％より低く、前記他の波長域での透過率が５０％より高い光学特性を有することを特徴とする請求項１に記載の波長選択性偏光変換素子。
3. 前記２つの波長域における前記第１の偏光方向の光が、前記偏光分離膜を透過して、前記位相差板で前記第２の偏光方向の光に変換されて射出し、前記２つの波長域における前記第２の偏光方向の光が、前記偏光分離膜で反射して射出し、
   前記他の波長域における前記第１の偏光方向の光が、前記偏光分離膜で反射して射出し、前記他の波長域における前記第２の偏光方向の光が、前記偏光分離膜を透過して、前記位相差板で前記第１の偏光方向の光に変換されて射出することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択性偏光変換素子。
4. 前記２つの波長域における前記第１の偏光方向の光が、前記偏光分離膜を透過して射出し、前記２つの波長域における前記第２の偏光方向の光が、前記偏光分離膜で反射して、前記位相差板で前記第１の偏光方向の光に変換されて射出し、
   前記他の波長域における前記第１の偏光方向の光が、前記偏光分離膜で反射して、前記位相差板で前記第２の偏光方向の光に変換されて射出し、前記他の波長域における前記第２の偏光方向の光が、前記偏光分離膜を透過して射出することを特徴とする請求項１又は２に記載の波長選択性偏光変換素子。
5. 前記偏光分離膜で反射した光を反射して、該偏光変換素子の射出方向に向かわせる反射面を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の波長選択性偏光変換素子。
6. それぞれ前記偏光分離膜と前記位相差板とを含む偏光変換セルを複数有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の波長選択性偏光変換素子。
7. 光源から射出された第１、第２および第３の波長域の光を含む無偏光光を偏光光に変換する請求項１から６のいずれか１つに記載の波長選択性偏光変換素子を含むことを特徴とする照明光学系。
8. 光源から射出された第１、第２および第３の波長域の光を含む無偏光光を偏光光に変換する請求項１から６のいずれか１つに記載の波長選択性偏光変換素子を含む照明光学系と、
   前記照明光学系からの前記第１、第２および第３の波長域の光をそれぞれ第１、第２および第３の画像形成素子に導き、該第１、第２および第３の画像形成素子からの光を合成する色分解合成光学系と、
   該合成された光を投射する投射レンズとを有することを特徴とする投射表示光学系。
9. 前記照明光学系は、前記無偏光光を複数の光束に分割するレンズアレイと、前記波長選択性偏光変換素子と、該波長選択性偏光変換素子からの光束を集光するコンデンサレンズとを有することを特徴とする請求項８に記載の投射表示光学系。
10. 請求項８又は９に記載の投射表示光学系と、
    入力された画像信号に基づいて前記第１、第２および第３の画像形成素子を駆動する駆動回路とを有することを特徴とする画像投射装置。
11. 請求項１０に記載の画像投射装置と、
    該画像投射装置に画像信号を供給する画像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。