CN1664653A - 光学单元以及使用该光学单元的投影型图像显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供在投影型图像显示技术中，能够抑制偏光分离元件的温度上升，且能够确保图像高像质的技术。作为偏光分离机构，是在光折射率比1大的介质中配置偏光分离元件的结构，作为偏光分离元件，是设置有由基于晶格结构的衍射而对光进行偏光分离的偏光分离面，与该偏光分离面相接形成空气层的结构。而且，作为投影型图像显示装置或该装置中所使用的光学单元，是由所述偏光分离机构对照射到光阀的光或由该光阀所调制的光进行偏光分离，由色合成装置将该偏光分离的光进行色合成，由投影透镜单元对该合成的光进行放大的结构。

Description

光学单元以及使用该光学单元的投影型图像显示装置

技术领域

本发明涉及将来自光源侧的光照射到液晶面板等光阀，形成与图像信号相对应的光学像并放大投影的投影型图像显示装置中的偏光分离技术。

背景技术

营业用途的液晶投影仪得到了很大的普及。而且，作为历来的将布朗管中所显示的图像投影于屏幕方式的图像显示装置的替代品，对使用液晶面板的投影电视也进行了开发。特别是作为家庭用的投影电视，与营业用途的液晶投影仪相比，要求更忠实的色彩再现性，更高的对比度性能，以及更敏捷灵活的动画显示性能。

在反射型液晶面板的情况下，由于是经反射两次通过液晶层，所以与透过型液晶相比，其液晶层的厚度可以减少到大约一半。液晶层的厚度减半，其响应速度成为4倍，对于动画显示是有利的。

在使用该反射型液晶面板的投影型液晶投影仪装置中，一般地，在反射型液晶面板的前面，配置有具有偏光元件及检光元件的作用、使预定偏光方向的偏振波通过，使与预定方向垂直的偏光方向的偏振波反射的偏光分离机构。这样的技术，例如在特开2001-142028号公报及特开2003-131212号公报中有记载。

在这些专利公报中，配置有3组红色、绿色、蓝色光用的反射型液晶面板与偏光分离机构，3色光为由交叉双色棱镜(Cross Dichroic Prism)色合成的结构。

作为偏光分离机构，有在两个直角的棱镜界面形成介电体多层膜的偏光束分裂机(Polarized Beam Splitter，以下简称PBS)的PBS棱镜(特开2001-142028号公报记载)，以及在玻璃基板上以预定的间隔(形成周期)形成线栅(金属晶格)，作为衍射晶格的晶格结构衍射晶格的线栅型偏光分离元件(特开2003-131212号公报记载)。

上述特开2001-132028号公报中记载的PBS棱镜中，对于垂直入射光线的消光比大，偏光分离作用优异。但是，在与由光轴和PBS膜面的法线所形成的面(主入射角)不平行的斜光入射到PBS棱镜的情况下会产生泄漏光，使消光比降低。作为解决这一问题的对策，在特开2001-142028号公报中提出了在反射型液晶面板的前面设置1/4波长板，但其效果不十分明显，还有不能提高对比度的担忧。

另外，在上述特开2003-131212号公报中所记载的线栅型偏光分离元件的情况下，入射角45°的消光比的峰值虽然较低，但是如在特开2003-131212号公报中的图4的偏光分离特性中所示，对于带角度的光线(斜光)消光比的劣化少。因此，虽然作为光束全体的对比度性能良好，但对于该线栅型偏光分离元件，存在有以下的问题。

作为在将反射型液晶面板反射的光束入射到投影透镜的光路上配置线栅型偏光分离元件的方法，有两种考虑。图12显示了其配置方法。在图12(1)的配置方法中，来自照明光学系统的S偏振光的入射光束在线栅型偏光分离元件17反射，入射到反射型液晶面板214，由反射型液晶面板214变换为P偏振光的射出光(反射光)透过线栅型偏光分离元件17而射向投影透镜(未图示)(由于这种配置是来自反射型液晶面板的反射光透过线栅型偏光分离元件而射向投影透镜，所以为了方便，以下将其称为“透过配置”)。在图12(2)的配置方法中，来自照明光学体系的P偏振光的入射光束在线栅型偏光分离元件17通过，入射到反射型液晶面板217，由反射型液晶面板217变换为S偏振光的射出光(反射光)在线栅型偏光分离元件17反射而射向投影透镜(未图示)(由于这种配置是来自反射型液晶面板的反射光反射线栅型偏光分离元件而射向投影透镜，所以为了方便，以下将其称为“反射配置”)。

在图12(2)所示的反射配置线栅型偏光分离元件的情况下，线栅型偏光分离元件的配置偏差、及线栅型偏光分离元件因热而发生膨胀变形时，有投影性能发生恶化的担忧。另一方面，在图12(1)所示的透过配置线栅型偏光分离元件的情况下，在透过平板状的线栅型偏光分离元件时会产生像散。同样有投影性能恶化的担忧。

在上述特开2003-131212号公报中，如其图1所示，线栅型偏光分离元件为透过配置，而且，如其图2所示，为了减低由透过配置而产生的像散，在两个直角棱镜的斜面之间配置线栅型偏光分离元件，构成偏光分离机构。在这种情况下，由于线栅型偏光分离元件的玻璃元件的玻璃基板与直角棱镜具有大体相同的折射率，所以能够减少其像散。

而且，在这样的两个直角棱镜的斜面之间配置线栅型偏光分离元件，作为偏光分离机构的偏光分离棱镜(以下称“衍射棱镜”)中，由于可缩短光路长度，所以能够缩短投影透镜的反焦距(back focus)，即能够使投影透镜小型化。进而由于能够减小光线的扩展，所以能够减小衍射棱镜。

在外形形状为长方体的光透过性容器中填充具有与线栅型偏光分离元件的玻璃基板大体相同d折射率的液体介质，在该介质中配置线栅型偏光分离元件，也能够得到同样的效果。

但是，线栅型偏光分离元件的线栅，吸收入射光量的约5～10％成为高温。由于温度的上升，基于光透过性基板的玻璃基板的热应力会产生复折射，使对比度下降。而且，玻璃基板发生热膨胀变形还会使折射性能恶化。因此，在液体介质中，设置线栅型偏光分离元件，能够减少温度的上升，而且，还能够具有与上述衍射棱镜同样的效果。

然而，像衍射棱镜那样，在将线栅型偏光分离元件配置于折射率比空气大的介质，例如玻璃及乙二醇等折射率为1及其以上的介质中的情况下，与在空气中使用线栅型偏光分离元件的情况相比，为了缩短光的波长，确保适当的偏光分离特性，必须减小线栅的晶格间距。

作为线栅型偏光分离元件的制造方法，有以下的方法：如上述特开2003-131212号公报的0039段中所述，在玻璃基板上形成铝的基底膜，由电子线扫描而制作抵抗图形，接着蒸镀预定膜厚的铝，再通过剥离(lift off)选择性地去除不必要的铝，形成金属晶格的方法。因此，尺寸精度依赖于电子扫描线装置的性能。现在的电子线扫描装置的最小扫描线宽，在通常分辨率的情况下约为100×10^-9m左右，在高分辨率的情况下约为30×10^-9m左右。

在现在市场上所销售的制品中，例如线栅的线宽为65×10^-9m，晶格间隔为150～200×10^-9m，线栅的玻璃基板的厚度约为0.7×10^-3～1.6×10^-3m(MOXTEK公司制造)，为了在折射率为1.5的介质中得到同等的偏光分离性能，必须使其线宽为43×10^-9m，晶格间隔为100～130×10^-9m左右。考虑到尺寸精度，该数值难以与高分辨率的电子线扫描装置相对应。

这样，使线栅的晶格间距减小与制造相伴随的困难。现在市场上销售的都是以在空气中使用为前提。

图13、图14显示，将以在空气中使用为前提而设计的线栅偏光分离元件配置于空气中的情况，以及配置于折射率为1.45的乙二醇与甘油的混合液(以下将该混合液称为“GE55”)的情况下的偏光分离特性。图13是P偏振光透过率特性的说明图，图14是S偏振光透过率特性的说明图。从图13、图14可知，在GE55的介质中配置以空气中使用为前提而设计的线栅偏光分离元件时，作为透过光的P偏振光的透过量低下，作为反射光的S偏振光的透过量增大。在上述透过配置中，P偏振光的透过量低下时，由于从反射型液晶面板向投影透镜的P偏振光的反射光的透过量低下，所以亮度低下。而且，由于应该除去的S偏振光的透过量增加，所以偏光度低下，对比度下降。

发明内容

本发明的课题是鉴于上述历来技术的状况，使上述线栅型偏光分离元件等，基于晶格结构的衍射而对光进行偏光分离的偏光分离元件，即使是在折射率比空气大的介质中使用的情况下，也能够抑制偏光分离性的恶化。

本发明的目的在于提供解决上述问题，在抑制偏光分离元件温度上升的状态下，能够确保图像的分辨率、亮度及对比度的投影型图像显示技术。

为了解决上述问题，在本发明中，作为偏光分离用结构体，在光的折射率大于1的介质中配置偏光分离元件，作为该偏光分离元件，设置有由基于线栅构造等晶格结构的衍射而对光进行偏光分离的偏光分离面，与该偏光分离面相接形成空气层的结构。而且，作为将来自光源一侧的光进行偏光变换并照射到光阀上，形成与图像信号相对应的光学像并进行放大投影的投影型图像显示装置或该装置中所使用的光学单元，其结构如下：由所述偏光分离用结构体将照射到所述光阀的光以及由该光阀调制的光进行偏光分离，由色合成机构将该偏光分离后的光进行色合成，由投影透镜单元将该经色合成的光放大投影于屏幕上。

根据本发明，在投影型图像显示技术中，能够抑制偏光分离元件部的温度上升，同时能够确保图像的高质量。

附图说明

图1是作为本发明实施方式的投影型图像显示装置的结构图例。

图2是图1的投影型图像显示装置中所使用的偏光分离机构的第一结构图例。

图3是图2的偏光分离机构的光路图。

图4是图1的投影型图像显示装置中所使用的偏光分离机构的第二结构图例。

图5是图4的偏光分离机构的光路图。

图6是图1的投影型图像显示装置中所使用的偏光分离机构的第四结构图例。

图7是影响偏光分离机构的空气层的模拟结果图。

图8是影响偏光分离机构的空气层的模拟结果图。

图9是影响偏光分离机构的空气层的模拟结果图。

图10是显示像散的模拟条件的图。

图11是偏光分离机构中空气层的像散的说明图。

图12是线栅型偏光分离元件的配置方法的说明图。

图13是线栅型偏光分离元件的P偏振光的透过率特性的说明图。

图14是线栅型偏光分离元件的S偏振光的透过率特性的说明图。

图15是图1的投影型图像显示装置中所使用的偏光分离机构的第三结构图例。

具体实施方式

以下结合附图说明本发明的实施方式。

以下对为了实施本发明的优选实施方式，使用附图进行说明。还有，在全部的图中对于具有共同功能的构成元件，都赋予同样的符号。

本发明的特征在于，为了降低在将线栅型偏光分离元件设置于折射率比空气大的介质中的情况下所产生的偏光分离特性的恶化，在该线栅型偏光分离元件的线栅与介质之间具有对像散没有影响程度的薄空气层。

图1是作为本发明实施方式的投影型图像显示装置的结构图例，显示了在光阀中使用反射型液晶面板的液晶投影仪装置的情况的例子。

在图1中，11是光源，12是抛物反射面形状的反射镜，13与14分别是构成积分光学系的第一多重透镜阵列与第二多重透镜阵列，15是由棱镜阵列所构成的平板型偏光变换机构，16是集光透镜，10是由它们所组成的照明光学系统。21、22是物镜，23是中继透镜，18、19是分色镜，20是由分色镜18、19所构成的色分离机构，24是全反射镜，291、292、293分别是透过S偏振光的入射侧偏光板，301、302、303分别是由透过P偏振光反射S偏振光而进行偏光分离的偏光分离用结构体的偏光分离机构，411、412、413是透过P偏振光的射出侧偏光板，401、402、403分别是作为光阀(反射型光阀)的反射型液晶面板，42、43分别是变换P偏振光与S偏振光的1/2波长相位差板，44是色合成用交叉双色棱镜，45是将色合成后的光在屏幕等上放大投影的投影单元。

从光源11射出的光，由抛物反射面形状的反射镜12反射，入射到透镜队列方式的积分式光学系统，积分光学系统的构成如下：由设置于与反射镜12的射出开口大体相同尺寸的矩形框内的多个矩形形状的透镜单元所构成的、用于形成多个二次光源像的第一多重透镜阵列13；以及同样由多个矩形状的透镜单元所构成的、配置于形成所述多个二次光源像的附近，且在反射型液晶面板401、402、403上形成第一多重透镜阵列13的各个透镜单元像的第二多重透镜阵列14。积分光学系中分割为多个光束的各光束，由平板型偏光变换机构15在预定的偏光方向(这里是S偏振光)上会聚，聚集于S偏振光的各光束由集光透镜16集光，通过物镜21、物镜22成为与主光线平行的光远程聚焦之后，重叠照射于反射型液晶面板401、402、403上。因此，该反射型液晶面板401、402、403被均匀照射。还有，光源11、积分式光学系统、平板型偏光变换机构15、集光透镜16构成照明光学系统。

从集光透镜16所射出的光，由对于光轴以45°角而配置的分色镜18分离为RG(红和绿)光与B(蓝)光，RG光透过分色镜18，B光在分色镜18反射。透过分色镜18的RG光，由分色镜19分离为R光与G光，R光透过分色镜19入射到反射型液晶面板401，G光在分色镜19反射，入射到反射型液晶面板402。另一方面，由分色镜18所反射的B光透过中继透镜23，其光路由全反射镜24而弯折90°，由物镜22使主光线与光轴平行，入射到反射型液晶面板403。还有，由于反射型液晶面板403的光路长比其它两个的光路长，所以中继透镜23将照明光束引向比其它两个光路长的反射型液晶面板403。

接着，对在各色光用的反射型液晶面板401、402、403(以下将它们总称为反射型液晶面板40)的前面所配置的各色光用偏光分离机构301、302、303(以下将它们总称为偏光分离机构30)加以说明。

偏光分离机构30具有在光的折射率比1大的介质中配置偏光分离元件的结构，作为该偏光分离元件，使用配置有基于线栅结构等晶格结构的衍射而将光进行偏光分离的偏光分离面、与该偏光分离面相接而形成空气层的结构。如上所述，在该偏光分离元件中，由于与PBS棱镜相比偏光度不足，所以在偏光分离机构30的入射侧设置作为辅助偏光件(透过S偏振光)的入射侧偏光板291、292、293(以下将它们总称为入射侧偏光板29)，以及作为射出侧辅助检光件(透过P偏振光)的射出侧偏光板411、412、413(以下将它们总称为射出侧偏光板41)。

由色分离机构20进行色分离的各色光(S偏振光)朝向对应的反射型液晶面板40，由入射侧偏光板29将S偏振光的偏光度提高后，由偏光分离机构30进行偏光分离，仅S偏振光反射，并大致垂直照射到反射型液晶面板40。在反射型液晶面板40上，被照射的S偏振光根据每一个象素的图像信号而调制光强度形成光学像，同时，改变偏光状态后变为P偏振光。在形成光学像变换为P偏振光的状态下，从反射型液晶面板40所反射的各色光再一次入射到该偏光分离机构30。该P偏振光由偏光分离机构30的偏光分离元件而偏光分离，透过该偏光分离机构30。透过偏光分离机构30的该P偏振光，由射出侧偏光板41增大偏光度，进而由交叉双色棱镜44进行色合成。

反射型液晶面板40由驱动电路(未图示)根据图像信号而驱动，上述入射的S偏振光对于每一个象素改变偏光方向，同时调制光强度，与图像信号相对应，形成P偏振光的光学像。

在来自反射型液晶面板40的各色光的光学像中，R光与B色光由1/2波长相位差板42、43从P偏振光变换为S偏振光，由交叉双色棱镜44进行色合成，形成彩色的光学像(图像)，由投影透镜45向屏幕等放大投影。还有，也可以不配置1/2波长相位差板42、43、而是在交叉双色棱镜44中将全色光保持P偏振光原封不动地进行色合成。

在所述图1的结构中，从光源11到投影透射单元45一连串的光学系统，形成包含液晶投影仪装置的照明光学系统而构成的光学单元。

图2～图3是偏光分离机构30的第一结构例的说明图。图2是偏光分离机构30的第一结构例的图，图3是其光路图。在本第一结构例中，偏光分离机构30称为偏光分离机构30A。在偏光分离机构30A的介质中设置的偏光分离元件中，与空气层相接的的偏光分离面使用具有线栅结构的线栅型偏光分离元件。

在图2中，偏光分离机构30A由外部形状为长方形的玻璃或塑料构成的光透过性容器35，作为在其内部填充的介质的液体31，以及在该液体中配置的线栅型偏光分离元件50所构成。线栅型偏光分离元件50由板厚t2为0.7×10^-3m的光透过性基板51，在其上以预定的周期间隔形成的衍射晶格即偏光分离面的、例如铝的线栅(金属晶格)52，对于光透过性基板51对向平行配置、板厚t1为0.7×10^-3m的光透过性平板54，覆盖光透过性平板51与平板54的周围侧面的侧板55，在以预定的间隔平行配置的光透过性基板51、平板54及侧面的侧板55所围成的空间内气密地填充空气所形成的空气层56等所构成。在偏光分离机构30A的光透过性容器35的一个面(与XY平面平行)上，配置有反射型液晶面板40。线栅型偏光分离元件50在从反射型液晶面板40到投影透镜45的光路(Z轴)上倾斜θ°(这里是45°)而配置。而且，在偏光分离机构30A的光透过性容器35的入射面35i上设置有入射侧偏光板29，在射出面上设置有射出侧偏光板41。

入射到偏光分离机构30A的主光线L1，首先，由入射侧偏光板29提高预定偏光方向(这里是S偏振光)的偏光度，入射到偏光分离机构30A。由入射侧偏光板29提高S偏光度的主光线L1中，P偏振光成分透过线栅型偏光分离元件50的偏光分离面，S偏振光成分则在该偏光分离面反射，入射到反射型液晶面板40。在反射型液晶面板40上，S偏振光的入射光束根据图像信号调制其强度，形成P偏振光的光学像，并向Z轴反射。来自反射型液晶面板40的P偏振光的反射光，透过线栅型偏光分离元件50，由射出侧偏光板41检光，射向投影单元45。

还有，在偏光分离机构30A的入射侧与射出侧所设置的偏光板，是为了补偿线栅型偏光分离元件50的偏光分离功能的部件。而且，在光透过性基板51与光透过性平板54之间形成充满空气的空气层56。在该空气层56的厚度(以下称为“空气厚”)过厚的情况下，来自反射型液晶面板40的反射光透过线栅型偏光分离元件50时，在该空气层56中发生像散。因此，空气层必须有适当的厚度。关于这一点，后面叙述。

如上所述，由于上述线栅型偏光分离元件50是具有空气层56的构成，所以线栅的晶格节距，能够至少与空气中使用的晶格节距相同。所以不存在所述线栅型偏光分离元件50制造的困难的问题。而且，由于线栅型偏光分离元件50是配置于光的折射率比空气大的液体31中，所以可以使光路长度缩短，投影透镜的反焦距缩短，使投影透镜小型化。进而，能够由液体31冷却，能够改善投影性能的恶化以及由复折射引起的对比度的下降。

由于线栅型偏光分离元件50配置有空气层56，所以有必要注意在光的折射率大的介质与折射率小的介质之间的界面上所产生的全反射。以下为了容易进行计算，假定平板54与液体31的光的折射率大体相同。例如，在液体31的光的折射率为1.5的情况下，在与空气层之间发生全反射的角度，由斯涅耳折射定律为41.8°(＝sin^-1(1/1.5))。不仅是入射到线栅型偏光分离元件50的光的光轴上S偏振光，而且应该透过线栅型偏光分离元件50的P偏振光也反射。在偏光分离而发生全反射时，有消光比，即对比度发生恶化的情况。

图3是图2的偏光分离机构30A中的光路图。

在图3中，53是线栅型偏光分离元件50的偏光分离面(设置有线栅结构，使光偏光分离的面)，N是作为介质的液体31的光的折射率。

由照明光学系统入射到反射型液晶面板40并反射，入射到投影透镜单元的光束，除了与光轴平行的平行光束之外，还有具有角度的光束。设具有该角度的光束换算为F值的值为F，则在图3中，为了使在液体介质与空气层之间不产生全反射，F值最大角的光线L2在入射面35i上应满足以下式2的关系，与空气层56的界面必须满足以下式3的关系。还有，θ是光轴的主光线L1的空气层界面、或光透过性平面51、54的入射角，同Z轴与线栅型偏光分离元件所成的角度相等。

sinα＝sin{tan^-1[1/(2F)]}＝Nsinβ            式(2)

Nsin(β+θ)＜1                               式(3)

由式2及式3，可得以下式4：

θ＜sin^-1(1/N)-sin^-1{(1/N)sin[tan^-1(1/2F)]}  式(4)

在式4中，θ＞0。

所以，如果介质的光的折射率N小，入射光线L2满足上述式4，则在介质与线栅型偏光分离元件的空气层的界面上不发生全反射。但是，在介质的光的折射率N大，不满足上述式4的情况下，会发生全反射，使偏光分离性能恶化。例如，在F＝3，N＝1.2的情况下，由式4知，不发生全反射的入射角θ，角度不到48.6°。其结果是，即使线栅型偏光分离元件倾斜45°，也不会发生全反射。但是，如果F＝3，N＝1.39，则不发生全反射的入射角θ为不到39.2°，在线栅型偏光分离元件倾斜45°的情况下，就会发生全反射。还有，在主光线的情况下，由于上述式4的右边第二项消失，所以θ为不到46°的值，偏光分离机构在介质与线栅型偏光分离元件的空气层的界面上不发生全反射。

图4～图5是偏光分离机构30的第二结构例的说明图。图4是偏光分离机构30的第二结构图例。图5是其光路图。在该第二结构例中，偏光分离机构30称为偏光分离机构30B。作为偏光分离机构30B的介质中设置的偏光分离元件，与上述第一结构例的情况相同，与空气层相接的偏光分离面使用具有线栅结构的线栅型偏光分离元件50。该第二结构例是，该线栅型偏光分离元件50与Z轴所成的角，仅比45°大预定的角度Φ，主入射光线L3对于Y轴倾斜2Φ，能够回避全反射的情况的例。

在图4中，偏光分离机构30B，由在光的通过部分设置光透过性窗口37的金属容器36，作为在其内部填充的介质的液体32，以及在液体32中设置的线栅型偏光分离元件50所构成。作为液体32，例如可以使用乙二醇与甘油的混合液GE55。GE55的光的折射率为1.45。

图5是图4的偏光分离机构的光路图。在该图5中，入射侧偏光板29，射出侧偏光板41等图示省略。而且，为了说明的方便，假定平板54与液体32的光的折射率大体相同。从图5可知，线栅型偏光分离元件50从对于Z轴倾斜45°的倾斜位置向逆时针方向偏离角度Φ的位置而配置。所以，在由线栅型偏光分离元件50所反射的S偏振光朝Z轴负方向的情况下，反射角为45°-Φ，主光线L3的向线栅型偏光分离元件50的入射角也为45°-Φ。此时，主光线L3与Y轴所成的角度为2Φ。金属容器36的入射面36i对于Z轴的负方向倾斜2Φ，入射到金属容器36的光透过性窗口37的主光线L3垂直入射于入射面36i。

在这样结构的偏光分离机构30B中，由于主光线L3对于线栅型偏光分离元件50的入射角为45°-Φ，所以即使是考虑具有角度的光束(换算F值为F的光束)，也能够消除空气层的全反射。所以，入射到偏光分离机构30B的入射光线中的S偏振光，由线栅型偏光分离元件50所反射，入射到反射型液晶面板40。在形成经光强度调制后的光学像的同时，作为P偏振光从该反射型液晶面板40反射。从该反射型液晶面板40射出的P偏振光，再次入射偏光分离机构30B。透过偏光分离机构30B中的线栅型偏光分离元件50，向色合成用交叉双色棱镜44一侧射出。由交叉双色棱镜44进行色合成的光，进而射出至投射透镜单元45一侧。

所以，如果以从上述式4计算出的θ作为临界入射角θ_m，则上述角度Φ必须满足以下式5。

45°-θ_m＜Φ    式(5)

例如，如果介质的光折射率N为1.45，F为3，则由式4可知，主光线的空气层界面的临界入射角θ_m为37.1°；由式5可知，Φ必须为7.9°以上。如果Φ为7.9°及其以上，由于满足式4，所以在空气层界面不发生全反射。

在上述第二结构例中，线栅型偏光分离元件50是对于Z轴从45°的倾斜位置仅倾斜角度Φ而配置，但与PBS棱镜的情况不同，由于对于线栅型偏光分离元件50的偏光分离特性的入射角的依赖性低，所以与第一结构的情况同样，能够得到良好的偏光分离特性。

图15是偏光分离机构30的第三结构图例。在图15中，作为偏光分离机构，使用将具有在光透过性基板上形成了线栅结构的衍射晶格的偏光分离面的线栅型偏光分离元件，设置在填充有与该光透过性基板具有大体相同光折射率N的介质的光透过性容器中，在该偏光分离面与该介质的界面上形成薄的空气层的装置。该偏光分离机构的偏光分离面，对于反射型光阀的光照射面，是不到45°角度而配置。就是说，该偏光分离机构的向偏光分离面的入射光可对该偏光分离面，以入射角不到45°的角度(45-θ)入射，由该偏光分离面所偏光分离的光以反射角不到45°的角度(45-θ)射出，对于反射型光阀的光照射面垂直入射。而且，该偏光分离机构的光入射面，对于入射方向从垂直方向倾斜，入射光线的方向与在偏光分离面进行偏光分离、垂直入射至反射型光阀的射出光线的方向相垂直。

在偏光分离机构中，为了使在介质与空气层的界面上不产生全反射，在偏光分离面的倾斜角与介质的光折射率N之间，应满足以下的式6的关系。

Φ≥45°-sin^-1(1/N)                  式(6)

在图15中，进行对应于图像信号的光强度调制的液晶面板等反射型光阀40，与XY面平行配置，向该反射型液晶面板40入射与Z轴平行的例如S偏振光，在ON的象素中变换为P偏振光，向具有与Z轴平行光轴的投影透镜单元(未图示)射出。作为偏光分离结构体的偏光分离机构30，是由作为介质的液体32，填充有该液体32的光透过性容器36，以及在该光透过性容器36中配置的线栅型偏光分离元件50所构成的结构体。线栅型偏光分离元件50，在光透过性基板(未图示)上形成的线栅的偏光分离面(未图示)与反射型液晶面板40一侧对置，在线栅的偏光分离面(未图示)上与液体32的界面上设置有薄的空气层(未图示)。该空气层是为了使以在空气中使用为前提而设计的线栅型偏光分离元件能够使用而设置的。线栅型偏光分离元件50，其偏光分离面对于反射型光阀40的光照射面，即对XY平面成不到45°的角度。与Y轴平行的入射光线L1入射到偏光分离机构30的光透过性容器19的入射壁面19i，对于XZ平面倾斜。

入射到这样结构的偏光分离机构30、与Y轴平行的入射光线L1，在光透过性容器36的入射壁面36i上A点折射(折射角为α)，成为折射光线L1′，入射到线栅型偏光分离元件50。由线栅型偏光分离元件50所偏光分离的S偏振光的反射光线L2对于反射型液晶面板40垂直入射。就是说，入射光线L1与反射光线L2垂直。还有，折射光线L1’与入射壁面36Bi垂直，将其向入射方向延长的光线与入射光线L10相等。

这里，为了使线栅型偏光分离元件50的偏光分离面，对于反射型液晶面板40的光照射面从45°的位置仅偏差角度θ，成为不到45°的角度，使Y轴方向与折射光线L1′所成的角度为2Φ。所以，在入射壁面36i入射光线L1的入射角为α+2Φ，按照斯涅耳折射定律，可得以下式7：

        sin(2Φ+α)＝N·sinα                  式(7)

将其变形，得到以下式8：

        tanα＝sin2Φ/(N-cos2Φ)               式(8)

这里，由于γ与90-(2Φ+α)有互为余角的关系，所以可得以下式9：

        γ＝2Φ+α                             式(9)

而且，在折射光线L1′入射到线栅型偏光分离元件50时，为了在液体32与空气层的界面上不发生全反射，折射光线L1′对于线栅型偏光分离元件50的入射角为45°-Φ，必须满足上述式6，作为具体的数据例，例如在图15中，假定液体的光折射率为N＝1.4，偏光分离面的旋转角为θ＝7°，则由式8得，α＝29.4°，由式9得γ＝43.4°。

而且，入射到反射型光阀40的S偏振光，在ON的象素反射，变换为P偏振光，再一次垂直入射到偏光分离机构30，原封不动地透过线栅型偏光分离元件50射向投影透镜单元。此时，为了使透过线栅型偏光分离元件50时不产生像散，在本实施例中，使介质液体32的光折射率与线栅型偏光分离元件50的光透过性基板(未图示)的光折射率大体相等。

还有，在所述图15中，显示的是在照明光学系统(未图示)的光轴上的光线L1入射到偏光分离机构的点A不变，以该点为中心旋转入射面的情况，即入射壁面36Bi与入射壁面36i重合旋转的情况。但如图15，在与反射型光阀40对置的偏光分离机构30的面的中心与反射型光阀40的中心偏离的情况下，点A的位置变化，与此相对应照明光学系统的光轴也可向Z轴方向平行移动。还有，在使用图15的偏光分离机构，取代上述图5的偏光分离机构的情况下，由于入射到该偏光分离机构的入射光线与反射型光阀的光照射面相平行，所以能够使照明光学系统成为紧凑的结构。

图6是偏光分离机构30的第四结构图例。在该第四结构例中，偏光分离机构30称为偏光分离机构30C。作为在偏光分离机构30C的介质中设置的偏光分离机构，与上述第一、第二结构例的情况同样，与空气层相接的偏光分离面使用设置有线栅结构的线栅型偏光分离元件。在该第三结构例中，在两个棱镜之间设置线栅型偏光分离元件。

在图6中，偏光分离机构30由直角棱镜33、与其对置的棱镜34，以及在直角棱镜33与棱镜34之间配置的线栅型偏光分离元件60所构成。而且，线栅型偏光分离元件60由板厚为0.7×10^-3m的光透过性基板61，在其上以预定的间隔形成的形成具有衍射作用的即偏光分离面的线栅(金属晶格)62，覆盖光透过性基板61与直角棱镜34的周围侧面的侧板65，以及在由光透过性基板61、直角棱镜34及侧板65所围成的空间内气密地填充空气所形成的空气层66所构成。与棱镜34的线栅型偏光分离元件60侧面以外一侧的面341，(与XY面平行)平行地配置有反射型液晶面板40，线栅型偏光分离元件60在从反射型液晶面板40向投影单元45的光路(Z轴)上，与上述第二结构例的情况相同，配置于从对于Z轴倾斜45°的位置逆时针仅偏离角度Φ的位置。而且，棱镜34的入射面34i对于Z轴的负方向倾斜角度2Φ，入射到偏光分离机构30C的主光线L5对于Y轴倾斜角度2Φ。所以，偏光分离机构30C的入射、射出的光路图与上述图5的情况相同。

在上述第四结构例的偏光分离机构中，介质为玻璃例如是HOYA公司的BSC7(商品名)，光的折射率为1.52，由于比上述第二结构例的液体介质(例如折射率为1.45)的折射率大，所以必须使从45°倾斜位置所偏离的角度Φ比液体介质的情况要大。例如，如果玻璃介质的折射率为1.52，F为3，则由式4，主光线在空气层界面的临界入射角θ_m为34.9°，结果是，从式5，角度Φ必须大于45°-34.9°＝10.1°，必须是比液体介质的情况大的角度Φ。

以上所述的偏光分离机构的线栅型偏光分离元件，由于设置有空气层，所以有必要抑制在该空气层发生的像散的影响。为了抑制该像散的影响，减薄该空气层的厚度是有效的。

图7～图9是显示由模拟所求得的在介质中配置具有空气层的线栅型偏光分离元件的情况下，空气层的厚度(空气厚)与光束尺寸(斑点点尺寸)之间关系的结果的图。图10显示该模拟的条件。

如图10(a)所示，由放大倍数约为56的投影透镜单元45将0.8英寸宽的反射型液晶面板40上的斑点像投影到45英寸的屏幕90，对屏幕90上的各点A～F求出斑点尺寸比，进行平均。如图10(b)所示，斑点尺寸的基准是空气层的厚度为0.01×10^-3m，使偏光分离机构30′的介质中线栅型偏光分离元件50(60)与光轴相垂直配置情况下的斑点尺寸。由此为基准求出每一个空气厚的斑点尺寸比。如图10(c)所示，每一个空气厚的斑点尺寸，是在偏光分离机构30的介质中倾斜配置线栅型偏光分离元件50(60)使主光线的入射角为35°而求得的。而且，在各空气厚，改变构成投影单元45的非球面透镜的两个面的形状，与从偏光分离机构30的介质到投影单元45的第一枚透镜的距离d，进行最优化而求出斑点尺寸。

图7是光折射率为1.3的偏光分离机构的液体介质的情况下的斑点尺寸比，图8是光折射率为1.45的液体介质(例如GE55)情况，图9是光折射率为1.52的介质(例如玻璃BK7)的情况下的斑点尺寸比。

在图7中，在空气层的厚度约为0.1～0.15×10^-3m时，斑点尺寸比为最小。而且，在图8中，空气层的厚度约为0.01×10^-3m左右时，斑点尺寸比为最小。这被认为是，如图11所示，比介质的折射率低的空气层56在比介质的折射率高的光透过性基板51与光透过性平板54之间，由于由它们所产生的像散的方向在空气层与光透过性基板51及平板54上相反，所以横向像散抵消，在预定的空气层厚度，斑点尺寸能够成为最小。也就是说，在夹持空气层在两侧具有比介质高的折射率的平行平板(光透过性基板也是平行平板)的情况下，存在有使与平行平板的厚度及平行平板与介质的光折射率差相对应的像散可为最小的适当的空气厚，优选能够找到这个空气厚。

对于此，在图9中，由于光透过性基板51与光透过性的平板54的折射率与介质相等，像散仅在空气层中产生，所以空气层的厚度越薄，就越能够减低像散。作为光透过性基板51及光透过性平板54，在使用光折射率比介质高的板的情况下，与上述图7及图8的情况同样，有使与平行平板的厚度及平行平板与介质的光折射率差相对应的像散为最小的适当的空气厚，优选能够找到该空气厚。但是，由于空气层厚度过薄时会产生干涉作用，所以优选至少为约3/2λ(红色的λr＝700×10^-9m)的1×10^-6m(微米)及其以上的厚度。

根据上述本发明的实施方式，基于上述线栅型偏光分离元件等晶格结构的衍射而将光进行偏光分离的偏光分离元件，即使是在光折射率比空气大的介质中使用的情况下，也能够抑制偏光分离性的恶化。因此，在投影型图像显示装置中，在抑制了偏光分离元件的温度上升的状态下，能够抑制像散，确保图像的分辨率，且能够确保亮度及对比度。

还有，在上述实施方式中，作为偏光分离机构，使用的是线栅型偏光分离元件，但本发明并不仅限于此，例如，也可以是使用具有在光透过性基板上以预定的周期形成光衍射凹凸所构成的偏光分离面的偏光分离元件。而且，光阀也不限于反射型光阀，也可以是透过型光阀。而且，该光阀也可以是液晶面板以外的部件。

Claims (20)

1.一种投影型图像显示装置，将来自光源一侧的光进行偏光变换后照射到光阀上，形成与图像信号相对应的光学像并进行放大投影，其特征在于：具有：

通过空气层在介质中形成由基于晶格结构的衍射而对光进行偏光分离的偏光分离面，将照射到所述光阀上的光及由该光阀调制的光进行偏光分离的偏光分离机构；

将所述偏光分离后的光进行色合成的色合成机构；

将所述色合成后的光进行放大投影的投影透镜单元；以及

驱动所述光阀的驱动电路。

2.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的结构为：所述介质为光透过性液体，所述偏光分离面在光透过性的平板上形成。

3.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

设由所述光阀调制的、通过所述投影透镜单元的光的F值为F，所述介质的光的折射率为N，从所述光阀射出的主光线的、向所述偏光分离机构的所述空气层或形成该空气层的光透过性平板的入射角为θ，则该θ在满足下式的范围内：

   0＜θ＜sin^-1(1/N)-sin^-1{(1/N)sin[tan^-1(1/2F)]}。

4.根据权利要求2所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述光阀为反射型光阀。

5.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的偏光分离面对于所述光阀的光照射面倾斜不到45°的角度而构成。

6.根据权利要求5所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的结构为使入射光线的方向与由偏光分离面偏光分离、垂直入射至所述光阀的射出光线的方向相垂直。

7.根据权利要求5所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构中，光对于所述偏光分离面的入射角，小于等于所述介质与所述空气层的界面的临界角。

8.一种投影型图像显示装置，将来自一侧的光照射到图像显示元件上，形成与图像信号相对应的光学像并放大投影，其特征在于，具有：

将来自光源侧的光在偏光方向会聚、形成P偏振光或S偏振光的偏光变换机构；

将所述偏光变换后的偏振光分离为R、G、B各色光的分离机构；

照射所述分离后的各色光的偏振光，基于图像信号对偏振光进行调制的光阀；

通过空气层在介质中形成由基于晶格结构的衍射而对光进行偏光分离的偏光分离面，将照射到所述光阀的光及由该光阀调制后的光进行偏光分离的偏光分离机构；

将所述偏光分离后的光进行色合成的色合成机构；

将所述色合成后的光进行放大投影的投影透镜单元；以及

驱动所述光阀的驱动电路。

9.根据权利要求8所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的结构为：所述介质为光透过性液体，所述偏光分离面在光透过性的平板上形成。

10.根据权利要求8所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

设由所述光阀调制的、通过所述投影透镜单元的光的F值为F，所述介质的光的折射率为N，从所述光阀射出的主光线的、向所述偏光分离机构的所述空气层或形成该空气层的光透过性平板的入射角为θ，则该θ在满足下式的范围内：

0＜θ＜sin^-1(1/N)-sin^-1{(1/N)sin[tan^-1(1/2F)]}。

11.根据权利要求10所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述光阀为反射型光阀。

12.根据权利要求8所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的偏光分离面对于所述光阀的光照射面倾斜不到45°的角度而构成。

13.根据权利要求12所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的结构为使入射光线的方向与由偏光分离面偏光分离、垂直入射至所述光阀的射出光线的方向相垂直。

14.根据权利要求12所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构中，光对于所述偏光分离面的入射角小于等于所述介质与所述空气层的界面的临界角。

15.一种光学单元，将来自光源一侧的光进行偏光变换后照射到光阀上，形成与图像信号相对应的光学像并进行放大投影，其特征在于：具有：

通过空气层在介质中形成由基于晶格结构的衍射而对光进行偏光分离的偏光分离面，将照射到所述光阀上的光及由该光阀调制的光进行偏光分离的偏光分离机构；

将所述偏光分离后的光进行色合成的色合成机构；以及

将所述色合成后的光进行放大投影的投影透镜单元。

16.根据权利要求15所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的结构为：所述介质为光透过性液体，所述偏光分离面在光透过性的平板上形成。

17.根据权利要求15所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

设由所述光阀调制的、通过所述投影透镜单元的光的F值为F，所述介质的光的折射率为N，从所述光阀射出的主光线的、向所述偏光分离机构的所述空气层或形成该空气层的光透过性平板的入射角为θ，则该θ在满足下式的范围内：

0＜θ＜sin^-1(1/N)-sin^-1{(1/N)sin[tan^-1(1/2F)]}。

18.根据权利要求16所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述光阀为反射型光阀。

19.根据权利要求15所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的偏光分离面对于所述光阀的光照射面倾斜不到45°的角度而构成。

20.根据权利要求19所述的投影型图像显示装置，其特征在于：

所述偏光分离机构的结构为使入射光线的方向与由偏光分离面偏光分离、垂直入射至所述光阀的射出光线的方向相垂直。

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