CN1932585A - 波长选择性偏振光变换元件、投射显示光学系统以及图像投射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有偏振光变换功能，并可谋求减少光学系统的光学部件的个数、构造简化的波长选择性偏振光变换元件。该波长选择性偏振光变换元件(5)将包含第1波长区域(B)的光、第2波长区域(G)的光以及第3波长区域(R)的光的非偏振光变换成偏振光。该元件(5)具有至少对于第1偏振方向的光的透射率依照波长区域进行变化的特性的光分离膜(32、34)和在第1偏振方向以及第2偏振方向之间变换来自该光分离膜的光的偏振方向的相位差板(33)。该变换元件将第1～第3波长区域之中两个波长区域的光作为具有第1以及第2偏振方向之中某一偏振方向的偏振光出射，并将其他波长区域的光作为具有另一偏振方向的偏振光出射。

Description

波长选择性偏振光变换元件、 投射显示光学系统以及图像投射装置

技术领域

本发明涉及将非偏振光变换成与波长区域(色彩)相对应的偏振方向的光的波长选择性偏振光变换元件以及具有该元件的液晶投影仪等图像投射装置。

背景技术

日本专利特开2001-154152号专利公报、特开2000-19455号专利公报公开了通过偏光光束分离器进行色彩分解以及色彩合成的图像投射装置。在该装置中，从光源出射的非偏振光被透镜阵列分割成多条光束，利用各条光束形成二次光源像，利用聚光透镜将来自该二次光源像的光束重叠在液晶板等图像形成元件上以近似均匀的亮度照明该图像形成元件。

在此，从透镜阵列出射的各分割光束入射到设置在偏振光变换元件上的、分别对应于透镜阵列的各个透镜单元的多个偏振光变换单元。各偏振光变换单元具有偏振光分离膜、1/2波长板和反射面。入射到各偏振光变换单元的非偏振光被偏振光分离膜分离成P偏振光和S偏振光。P偏振光透过了偏振光分离膜后，通过1/2波长板使其偏振方向旋转90度，成为S偏振光出射。

另一方面，S偏振光被偏振光分离膜反射，在反射面反射并保持为S偏振光出射。由偏振光变换元件使偏振方向一致后出射的S偏振光入射到聚光透镜。

进而，从聚光透镜出射的S偏振光被二向色元件分离成第1以及第2波长区域的光和第3波长区域的光。在该阶段中，第1以及第2波长区域的光沿同一光路前进且具有同样的偏振方向。并且，此后使用偏光光束分离器将第1以及第2波长区域的光分别导向第1以及第2图像形成元件，使之通过波长(色彩)选择性相位差板。

由此，可以将第1以及第2波长区域的光分离成具有相互不同偏振方向的光。波长选择性相位差板积层多层延展的薄膜而成，具有只将入射的第1以及第2波长区域的光中某一方波长区域的偏振方向变换到与该偏振方向正交的偏振方向，但不改变其他波长区域的光的偏振方向而让其透过的特性。

这样，在使用偏光光束分离器进行色彩分解的图像投射装置中，一般地要使用配置在透镜阵列附近的偏振光变换元件和配置在偏光光束分离器附近的波长选择性相位差板。

此外，作为特殊的例子，也有使用通过特开2000-19455号专利公报或特开平11-153774号专利公报等公开的光学元件的情况。在特开2000-19455号专利公报中，公开了由透过规定波长区域的光反射其他波长区域的光的第1二向色层、使透过了该第1二向色层的光的偏振面旋转90度的相位差层和全反射来自该相位差层的光的全反射层组成的光学元件。再者，在特开平11-153774号专利公报中公开了具有波长选择性，并进行光的偏振、检光、色彩分离以及色彩合成的偏光光束分离器，但是如特开2001-154152号专利公报公开那样若不同于偏振光变换元件而另行使用波长选择性相位差板，则构成图像投射装置的光学部件的个数就会增加。另外，由于需要定位并支撑波长选择性相位差板，或冷却利用多层薄膜构成的该波长选择性相位差板的构造，因而构造复杂。

发明内容

本发明之目的在于提供一种具有与利用以往的偏振光变换元件和波长选择性相位差板所得到的功能同样的偏振光变换功能，特别是为谋求减少投射显示光学系统及图像投射装置中的光学部件个数或构造简化的波长选择性偏振光变换元件。

作为本发明一个方面的波长选择性偏振光变换元件是一种将包含第1波长区域的光、第2波长区域的光以及第3波长区域的光的非偏振光变换成偏振光的偏振光变换元件。该偏振光变换元件的特征是包括：具有通过透射以及反射作用分离光的功能，并且具有至少对于第1偏振方向的光的透射率依照波长区域在高于50％的透射率和低于50％的透射率之间变化的特性的光分离膜。另外，还具有在第1偏振方向和与该第1偏振方向正交的第2偏振方向之间变换来自该光分离膜的光的偏振方向的相位差板。该偏振光变换元件将第1、第2以及第3波长区域之中两个波长区域的光作为具有第1以及第2偏振方向之中某一偏振方向的偏振光出射，并将第1、第2以及第3波长区域之中其他波长区域的光作为具有第1以及第2偏振方向之中另一偏振方向的偏振光出射。

附图说明

图1所示是作为本发明实施例1的投射显示光学系统的构成图；

图2所示是在实施例1中使用的波长选择性偏振光变换元件的概略构成图；

图3所示是构成实施例1的波长选择性偏振光变换元件的第1光分离膜的特性图；

图4所示是构成实施例1的波长选择性偏振光变换元件的第2光分离膜的特性图；

图5所示是作为本发明实施例2的投射显示光学系统的构成图；

图6所示是在实施例2中使用的波长选择性偏振光变换元件的概略构成图；

图7所示是构成实施例2的波长选择性偏振光变换元件的第1光分离膜的特性图；

图8所示是构成实施例2的波长选择性偏振光变换元件的第2光分离膜的特性图；

图9所示是作为本发明实施例3的投射显示光学系统的构成图；

图10所示是在实施例3中使用的波长选择性偏振光变换元件的概略构成图；

图11所示是构成实施例3的波长选择性偏振光变换元件的第1光分离膜的特性图；

图12所示是构成实施例3的波长选择性偏振光变换元件的第2光分离膜的特性图；

图13所示是作为本发明实施例4的投射显示光学系统的构成图；

图14所示是在实施例4中使用的波长选择性偏振光变换元件的概略构成图；

图15所示是构成实施例4的波长选择性偏振光变换元件的第1光分离膜的特性图；

图16所示是构成实施例4的波长选择性偏振光变换元件的第2光分离膜的特性图；

图17所示是二向色棱镜的分光特性图；

图18所示是构成实施例1的波长选择性偏振光变换元件的第1以及第2光分离膜的构成例；

图19所示是图18所示的第1光分离膜的特性图；

图20所示是图18所示的第2光分离膜的特性图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明的实施例进行说明。

【实施例1】

图1中给出了作为本发明实施例1的使用了波长选择性偏振光变换元件的投射显示光学系统。

从白色光源1出射的光束被抛物面反光镜2变换成平行光束，这里所说的平行光束，不仅仅是指完全平行的光束，也包含着从在光学系统的特性上被视为平行的程度进行扩散或者收敛的光束的意思。此点在下面的各实施例中相同。

该平行光束被第1复眼透镜(蝇眼透镜)3分割成多条光束，并会聚各分割光束。各分割光束被会聚在第2复眼透镜4、波长选择性偏振光变换元件5的附近，形成光源的像(二次光源像)。复眼透镜3、4是在二维方向上排列多个透镜单元而成的透镜阵列。各透镜单元具有与作为被照明面的后述的液晶板(图像形成元件)相似形状的矩形的透镜形状。

波长选择性偏振光变换元件5将出射于第2复眼透镜4的各分割光束中作为第1以及第2波长区域的蓝(B)区域和绿(G)区域的光变换成作为具有第1偏振方向的线偏振光的S偏振光。将作为第3波长区域的红(R)区域的光变换成具有第2偏振方向的线偏振光的P偏振光。

自波长选择性偏振光变换元件5出射的B区域以及G区域的S偏振光和R区域的P偏振光被反射镜20反射。此后，受到聚光透镜6聚光，经由色彩分解合成光学系统7分别重叠地照明在B区域、G区域以及R区域用的反射型液晶板15、10、14上。这里，称从光源1至少到聚光透镜6为照明光学系统。此点在以下进行说明的实施例中亦相同。

色彩分解合成光学系统7具有反射透过聚光透镜6的偏振光中的B区域和R区域的光、透过G区域的光的二向色镜8。透过了二向色镜8的G区域偏振光被第1偏光光束分离器9反射，入射到G区域用的反射型液晶板10上。

这里，各反射型液晶板连接于驱动电路D上。在作为搭载了该投射显示光学系统的投影仪(图像投射装置)的一部分的驱动电路D中，入射有来自个人计算机、DVD播放机、视频平台、电视调谐器等图像供给装置IP的图像信号。驱动电路D基于输入的图像的R、G、B成分，分别驱动对应各自的色彩的反射型液晶板。由此，各反射型液晶板在反射各波段的入射光的同时，调制并出射图像光。这样的构成在以下的实施例中虽然没有图示，但是相同的。

来自G区域用液晶板(以下称之为G液晶板)10的图像光(偏振光)透过第1偏光光束分离器9，进而透过第2偏光光束分离器11由投射透镜12投影到没有图示的屏幕上。

另一方面，被二向色镜8反射的B区域以及R区域偏振光中，R区域的偏振光透过第3偏光光束分离器13，B区域的偏振光被该第3偏光光束分离器13反射。进而，从第3偏光光束分离器13出射的B区域偏振光以及R区域偏振光将分别会聚到B区域用液晶板(以下称之为B液晶板)15以及R区域用液晶板(以下称之为R液晶板)14上。

被R液晶板14反射且调制过的R区域偏振光被第3偏光光束分离器13反射。而被B液晶板15反射且调制过的B区域偏振光则透过第3偏光光束分离器13。此后，通过波长选择性相位板16只将B区域偏振光的偏振方向旋转90度，使B区域偏振光和R区域偏振光的偏振方向一致。然后，两区域的偏振光被第2偏光光束分离器11反射，由投射透镜12投影到屏幕上。

其次，使用图2对前述的波长选择性偏振光变换元件5的构成以及光学作用进行详细说明。在图2的右侧给出了波长选择性偏振光变换元件5的概略构成。

图中，被虚线的圆围起来的部分构成一个偏振光变换单元5a，对应构成复眼透镜3、4的多个透镜单元设置了同样构成的多个偏振光变换单元5a。这里，各偏振光变换单元5a的光入射面中，在从后述的反射膜的位置到邻接上面方向的偏振光变换单元的区域设置有遮光板5b，遮挡着对这部分的光的入射。由此，光将只能从入射面中反射膜和后述的波长选择性偏振光分离膜之间的区域入射。

图2的左侧的图是放大给出的一个偏振光变换单元5a。31是前述的反射膜，其构成反射面。此外，从光的入射侧开始，顺次地给出第1波长选择性偏振光分离膜32、相位差板33、第2波长选择性偏振光分离膜34。以下将波长选择性偏振光分离膜简记为光分离膜。

此外，这些第1光分离膜32、相位差板33以及第2光分离膜34相对于光的入射轴方向(从图的左侧朝向右侧的方向)具有45度的倾斜。另外，反射膜31则相对于第1光分离膜31平行地配置着。此外，各光分离膜在实际中作为多层膜形成于作为平行平板的玻璃或丙烯酸酯类基板的表面。另外，也薄膜状地形成相位差板33粘贴在同样的基板上。

图3、图4分别给出了第1光分离膜32以及第2光分离膜34的特性。第1光分离膜32具有对B区域光和G区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)，对R区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)的特性。

另一方面，第2光分离膜34则具有对B区域光和G区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)，对R区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)的特性。这样，第1以及第2光分离膜32、34对S偏振光的透射率在各波长区域(波段)具有互为相反的特性。

另外，这些第1以及第2光分离膜32、34对P偏振光的透射率与波段无关地具有100％或者接近于100％(高于50％)的特性。

进而，相位差板33为1/2波长板，具有使线偏振光的偏振方向旋转90度的功能。

在这样构成的波长选择性偏振光变换元件5上，从图2的左侧入射白色的非偏振光。该非偏振光之中，B区域以及G区域的P偏振光在透过了第1光分离膜32后，透过相位差板33，被变换成S偏振光，并作为S偏振光透过第2光分离膜34从波长选择性偏振光变换元件5出射。

另外，B区域以及G区域的S偏振光在第1光分离膜32处反射，进而在反射膜31处反射并作为S偏振光从波长选择性偏振光变换元件5出射。

再者，R区域的P偏振光在透过了第1光分离膜32后，透过相位差板33被变换成S偏振光，并在第2光分离膜34处反射。并且，该反射光再次透过相位差板33又被变换为P偏振光，透过第1光分离膜32在反射膜31处反射，并作为P偏振光从波长选择性偏振光变换元件5出射。

进而，R区域的S偏振光在透过了第1光分离膜32后，透过相位差板被变换成P偏振光，并作为P偏振光透过第2光分离膜34从波长选择性偏振光变换元件5出射。

这样，入射到作为单一元件构成的波长选择性偏振光变换元件5的白色非偏振光被变换成B区域以及G区域的S偏振光和R区域的P偏振光从该元件5出射。

因而，可以不经由以往所使用的波长选择性相位差板而由该偏振光变换元件5将B区域光和R区域光从二向色镜8导向第3偏光光束分离器13。

由此，可以通过第3偏光光束分离器13将这些B区域光和R区域光依照其偏振方向进行分离，并使之分别入射到B液晶板15和R液晶板14上。

为此，与在二向色镜8到第3偏光光束分离器13的光路上设置波长选择性相位差板的以往的情况相比，可以减少光学系统光学部件的个数。而且，通过不采用波长选择性相位差板，还可以省去支撑冷却该波长选择性相位差板的构造。

这里，在图18中，例示了通过上述图3以及图4说明过的作为第1以及第2光分离膜32、34的多层膜的构成例。不管是在哪一种分离膜32、34中，作为玻璃基板，都使用了OHARA公司制造的PBH56。

另外，图中的H、M、L分别表示高折射率层、中折射率层以及低折射率层，H、M、L左侧的数字表示各层(膜)的厚度(nm)。在本构成例中，作为高折射率层使用了TiO₂，作为中折射率层使用了Al₂O₃，作为低折射率层使用了SiO₂。

在图19以及图20中分别给出了具有图18所示的膜构成的第1以及第2光分离膜32、34的透射率特性数据。Tp45表示使P偏振光以45度的入射角相对于该光分离膜入射时的透射率特性，Ts45表示使S偏振光以45度的入射角相对于该光分离膜入射时的透射率特性。

此外，在下面的实施例中，虽然没有给出具体的膜构成，但通过适当地对本实施例构成的膜构成进行变形，可以获得对应于各实施例的特性。

其次，对在本实施例中在第2复眼透镜4和聚光透镜6之间配置波长选择性偏振光变换元件5的理由进行说明。

复眼透镜3、4分别具有将抛物面反光镜2出射的平行光束分割成多条光束的功能和将各分割光束会聚到波长选择性偏振光变换元件5的附近的功能。

另一方面，聚光透镜6具有可以将从第2复眼透镜4出射的多条的分割光束重叠合成在液晶板上的功能。此时，比较经由第2复眼透镜4的分割光束的朝向波长选择性偏振光变换元件5的聚光比例和经由聚光透镜6的聚光比例，可知前者的聚光比例要小。

然而，一般而言二向色膜或偏振光分离膜之类的多层膜的分光特性入射角依赖性强，相对于45度的入射角度可以获得接近设计上的特性的良好的分光特性，但存在随着入射角度偏离45度其分光特性偏移的倾向。即，在分离的波长区域产生偏离。

如前所述的那样，经由聚光透镜6的光束的聚光比例大。因此，如果假定波长选择性偏振光变换元件5较聚光透镜6配置在靠近液晶板一侧，则在构成该波长选择性偏振光变换元件5的第1以及第2波长选择性偏振光分离膜32、34处的分光特性将发生偏移。由此，入射到各液晶板的各区域光将混杂很多预定外偏振方向的光，其结果将导致投射图像的对比度下降。

因此，在本实施例中，将波长选择性偏振光变换元件5配置在第2复眼透镜4和聚光透镜6之间，以减小入射光束向该偏振光变换元件5的聚光比例(即成为接近于平行光束的状态)。

由此，可以在构成该波长选择性偏振光变换元件5的第1以及第2波长选择性偏振光分离膜32、34处获得良好的分光特性。因而，根据本实施例，利用基于波长选择性偏振光变换元件5的适当的分光特性，可以获得高对比度的投射图像。

有关将以上说明过的波长选择性偏振光变换元件配置在第2复眼透镜和聚光透镜之间的处理，在以下将要说明的其他实施例中也是相同的。

【实施例2】

图5中给出了作为本发明实施例2的使用了波长选择性偏振光变换元件的投射显示光学系统。

从白色光源301出射的光束被抛物面反光镜302变换成平行光束。该平行光束被第1复眼透镜303分割成多条光束，并会聚各分割光束。各分割光束被会聚在第2复眼透镜304、波长选择性偏振光变换元件305的附近，生成光源的像(二次光源像)。

复眼透镜303、304是在二维方向上排列多个透镜单元而成的透镜阵列。各透镜单元具有与作为被照明面的后述的液晶板相似形状的矩形的透镜形状。

波长选择性偏振光变换元件305将出射于第2复眼透镜304的各分割光束中作为第1以及第2波长区域的蓝(B)区域和绿(G)区域的光变换成作为具有第2偏振方向的线偏振光的P偏振光。此外，将作为第3波长区域的红(R)区域的光变换成具有第1偏振方向的线偏振光的S偏振光。

自波长选择性偏振光变换元件305出射的B区域以及G区域的P偏振光和R区域的S偏振光被反射镜320反射。此后，受到聚光透镜306聚光，经由色彩分解合成光学系统307分别重叠地照明在B区域、G区域以及R区域用的反射型液晶板(B、G、R液晶板)315、310、314上。

色彩分解合成光学系统307具有反射透过了聚光透镜306的偏振光中的B区域和R区域的光、透过G区域的光的二向色镜308。透过了二向色镜308的G区域偏振光透过第1偏光光束分离器309，入射到反射型的G液晶板310上。

来自G液晶板310的图像光(偏振光)被第1偏光光束分离器309反射，进而被第2偏光光束分离器311反射并由投射透镜312投影到没有图示的屏幕上。这里，波长选择性偏光光束分离器311透过B区域的S偏振光，反射G区域的S偏振光，反射R区域的S偏振光，透过R区域的P偏振光。

另一方面，被二向色镜308反射了的B区域以及R区域偏振光中，B区域的偏振光透过第2偏光光束分离器313，R区域的偏振光被该第2偏光光束分离器313反射。进而，从第2偏光光束分离器313出射的B区域偏振光以及R区域偏振光被分别会聚到反射型的B液晶板315以及R液晶板314上。

被B液晶板315反射且调制过的B区域偏振光被第2偏光光束分离器313反射。而被R液晶板314反射且调制过的R区域偏振光则透过第2偏光光束分离器313。此后，两区域的光透过波长选择性光束分离器311，由投射透镜312投影到屏幕上。

其次，使用图6对前述的波长选择性偏振光变换元件305的构成以及光学作用进行详细说明。波长选择性偏振光变换元件305的整体构成与在实施例1中使用图2右侧的图说明过的构成相同，图6中放大并原理地给出了一个偏振光变换单元。

41是反射膜。此外，从光的入射侧开始，顺次地给出第1波长选择性偏振光分离膜42、相位差板43、第2波长选择性偏振光分离膜44。以下将波长选择性偏振光分离膜简记为光分离膜。

第1光分离膜42、相位差板43以及第2光分离膜44相对于光的入射轴方向(从图的左侧朝向右侧的方向)具有45度的倾斜。而反射膜41则相对于第1光分离膜42平行地配置着。此外，各光分离膜在实际中作为多层膜形成于作为平行平板的玻璃或丙烯酸酯类基板的表面。另外，也薄膜状地形成相位差板43粘贴在同样的基板上。

图7、图8分别给出了第1光分离膜42以及第2光分离膜44的特性。第1光分离膜42具有对B区域光和G区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)，对R区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)的特性。

另一方面，第2光分离膜44则具有对B区域光和G区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)，对R区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)的特性。这样，第1以及第2光分离膜42、44对S偏振光的透射率在各波长区域具有互为相反的特性。

另外，这些第1以及第2光分离膜42、44对P偏振光的透射率与波长区域无关地具有100％或者接近于100％(高于50％)的特性。

进而，相位差板43为1/2波长板，具有使入射的线偏振光的偏振方向旋转90度的功能。

在这样构成的波长选择性偏振光变换元件305上，从图6的左侧入射白色的非偏振光。该非偏振光中R区域的P偏振光在透过了第1光分离膜42后，透过相位差板43被变换成S偏振光，并透过第2光分离膜44作为S偏振光从波长选择性偏振光变换元件305出射。

R区域的S偏振光被第1光分离膜42反射，进而在反射膜41处反射，作为S偏振光从波长选择性偏振光变换元件305出射。

B区域以及G区域的P偏振光在透过了第1光分离膜42后，透过相位差板43，被变换成S偏振光，进而在第2光分离膜44处反射。并且，该反射光将再次通过相位差板43被变换成P偏振光，透过第1光分离膜42在反射膜41处反射，作为P偏振光从波长选择性偏振光变换元件305出射。

B区域以及G区域的S偏振光在透过了第1光分离膜42后，透过相位差板43被变换成P偏振光，再透过第2光分离膜44并作为P偏振光从波长选择性偏振光变换元件305出射。

这样，入射到作为单一元件构成的波长选择性偏振光变换元件305的白色非偏振光被变换成B区域以及G区域的P偏振光和R区域的S偏振光从该元件305出射。由此，可以获得与实施例1说明过的构成同样的效果。

【实施例3】

图9中给出了作为本发明实施例3的使用了波长选择性偏振光变换元件的投射显示光学系统。

从白色光源401出射的光束被抛物面反光镜402变换成平行光束。该平行光束被第1复眼透镜403分割成多条光束，并会聚各分割光束。各分割光束被会聚在第2复眼透镜404、波长选择性偏振光变换元件405的附近，生成光源的像(二次光源像)。

复眼透镜403、404是在二维方向上排列多个透镜单元而成的透镜阵列。各透镜单元具有与作为被照明面的后述的液晶板相似形状的矩形的透镜形状。

波长选择性偏振光变换元件405将出射于第2复眼透镜404的各分割光束中作为第1以及第3波长区域的B区域和R区域的光变换成作为具有第2偏振方向的线偏振光的P偏振光。此外，将作为第2波长区域的G区域的光变换成具有第1偏振方向的线偏振光的S偏振光。

自波长选择性偏振光变换元件405出射的B区域以及R区域的P偏振光和G区域的S偏振光被聚光透镜406会聚。进而，被反射镜407反射，并经由色彩分解合成光学系统408分别重叠地照明B区域、G区域以及R区域用的反射型液晶板(B、G、R液晶板)414、411、413。

色彩分解合成光学系统408具有透过偏振光中B区域和R区域的光、反射G区域的光的偏光光束分离器409。在偏光光束分离器409反射的G区域偏振光透过玻璃模块410，入射到反射型的G液晶板411上。

来自G液晶板411的图像光(偏振光)透过玻璃模块410以及透过偏光光束分离器409，由投射透镜415投影到没有图示的屏幕上。

另一方面，透过了偏光光束分离器409的B区域以及R区域偏振光中，B区域的偏振光被二向色棱镜412反射，R区域偏振光则透过该二向色棱镜412。进而，从二向色棱镜412出射的B区域偏振光以及R区域偏振光被分别会聚到反射型的B液晶板414以及R液晶板413上。

被B液晶板414反射且调制过的B区域偏振光被二向色棱镜412反射。而被R液晶板413反射且调制过的R区域偏振光则透过二向色棱镜412。此后，两波长区域的光在偏光光束分离器409处反射，由投射透镜415投影到屏幕上。

其次，使用图10对前述的波长选择性偏振光变换元件405的构成以及光学作用进行详细说明。波长选择性偏振光变换元件405的整体构成与在实施例1中使用图2右侧的图说明过的构成相同，图10中放大并原理地给出了一个偏振光变换单元。

51是反射膜。此外，从光的入射侧开始，依次是52表示第1波长选择性偏振光分离膜、53表示相位差板、54表示第2波长选择性偏振光分离膜。以下将波长选择性偏振光分离膜简记为光分离膜。

第1光分离膜52、相位差板53以及第2光分离膜54相对于光的入射轴方向(从图的左侧朝向右侧的方向)具有45度的倾斜。而反射膜51则相对于第1光分离膜52平行地配置着。此外，各光分离膜在实际中作为多层膜形成于作为平行平板的玻璃或丙烯酸酯类基板的表面。另外，也薄膜状地形成相位差板53粘贴在同样的基板上。

图11以及图12分别给出了第1光分离膜52以及第2光分离膜54的特性。第1光分离膜52具有对B区域光和R区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)，对G区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)的特性。

另一方面，第2光分离膜54则具有对B区域光和R区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)，对G区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)的特性。这样，第1以及第2光分离膜52、54对S偏振光的透射率在各波段具有互为相反的特性。

另外，这些第1以及第2光分离膜52、54对P偏振光的透射率与波段无关地具有100％或者接近于100％(高于50％)的特性。

进而，相位差板53为1/2波长板，具有使入射的线偏振光的偏振方向旋转90度的功能。

在这样构成的波长选择性偏振光变换元件405上，从图10的左侧入射白色的非偏振光。

在非偏振光之中G区域的P偏振光在透过了第1光分离膜52后，透过相位差板53被变换成S偏振光，并透过第2光分离膜54作为S偏振光从波长选择性偏振光变换元件405出射。

G区域的S偏振光被第1光分离膜52反射，进而在反射膜51处反射，作为S偏振光从波长选择性偏振光变换元件405出射。

B区域以及R区域的P偏振光在透过了第1光分离膜52后，透过相位差板53被变换成S偏振光，进而在第2光分离膜54处反射。并且，该反射光将再次通过相位差板53被变换成P偏振光，透过第1光分离膜52在反射膜51处反射，作为P偏振光从波长选择性偏振光变换元件405出射。

B区域以及R区域的S偏振光在透过了第1光分离膜52后，透过相位差板53被变换成P偏振光，再透过第2光分离膜54并作为P偏振光从波长选择性偏振光变换元件405出射。

这样，入射到作为单一元件构成的波长选择性偏振光变换元件405的白色非偏振光被变换成B区域以及R区域的P偏振光和G区域的S偏振光从该元件405出射。由此，可以获得与实施例1说明过的构成同样的效果。

【实施例4】

图13中给出了作为本发明实施例4的使用了波长选择性偏振光变换元件的投射显示光学系统。

从白色光源501出射的光束被抛物面反光镜502变换成平行光束。该平行光束被第1复眼透镜503分割成多条光束，并会聚各分割光束。各分割光束被会聚在第2复眼透镜504、波长选择性偏振光变换元件505的附近，生成光源的像(二次光源像)。

复眼透镜503、504是在二维方向上排列多个透镜单元而成的透镜阵列。各透镜单元具有与作为被照明面的后述的液晶板相似形状的矩形的透镜形状。

波长选择性偏振光变换元件505将出射于第2复眼透镜504的各分割光束中作为第1以及第3波长区域的B区域和R区域的光变换成作为具有第1偏振方向的线偏振光的S偏振光。此外，将作为第2波长区域的G区域的光变换成具有第2偏振方向的线偏振光的P偏振光。

自波长选择性偏振光变换元件505出射的B区域以及R区域的S偏振光和G区域的P偏振光被聚光透镜506会聚。进而，经由色彩分解合成光学系统522分别重叠地照明在B区域、G区域以及R区域用的透射型液晶板(以下称之为B、G、R液晶板)519、521、510上。

色彩分解合成光学系统522具有透过R区域的光、反射B区域以及G区域光的第1二向色镜507。透过该第1二向色镜507的R区域偏振光在反射镜508处反射，经由场镜509入射到R液晶板510上。被R液晶板510调制了的光(图像光)被二向色棱镜511反射，由投射透镜512投影到没有图示的屏幕上。

另一方面，在第1二向色镜507处反射的B区域偏振光以及G区域偏振光中，G区域偏振光在第2二向色棱镜513处反射，B区域偏振光则透过。被第2二向色镜513反射了的G区域偏振光透过场镜520，入射到G液晶板521上。被G液晶板调制了的光透过二向色棱镜511，由投射透镜512投影到没有图示的屏幕上。

另外，透过了第2二向色棱镜513的B区域偏振光则经由中继透镜514、516、反射镜515、517以及场镜518入射到B液晶板519上。被B液晶板519调制了的光(图像光)被二向色棱镜511反射，由投射透镜512投影到没有图示的屏幕上。

其次，使用图14对前述的波长选择性偏振光变换元件505的构成以及光学作用进行详细说明。波长选择性偏振光变换元件505的整体构成与在实施例1中使用图2右侧的图说明过的构成相同，图14中放大并原理地给出了一个偏振光变换单元。

61是反射膜。此外，从光的入射侧开始，顺次地给出第1波长选择性偏振光分离膜62、相位差板63、第2波长选择性偏振光分离膜64。以下将波长选择性偏振光分离膜简记为光分离膜。

第1光分离膜62、相位差板63以及第2光分离膜64相对于光的入射轴方向(从图的左侧朝向右侧的方向)具有45度的倾斜。而反射膜61则相对于第1光分离膜62平行地配置着。此外，各光分离膜在实际中作为多层膜形成于作为平行平板的玻璃或丙烯酸酯类基板的表面。另外，也薄膜状地形成相位差板63粘贴在同样的基板上。

图15以及图16分别给出了第1光分离膜62以及第2光分离膜64的特性。第1光分离膜62具有对B区域光和R区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)，对G区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)的特性。

另一方面，第2光分离膜64则具有对B区域光和R区域光的S偏振光的透射率为100％或者接近于100％(高于50％)，对G区域光的S偏振光的透射率为0％或者接近于0％(低于50％)的特性。这样，第1以及第2光分离膜62、64对S偏振光的透射率在各波长区域具有互为相反的特性。

另外，这些第1以及第2光分离膜62、64对P偏振光的透射率与波长区域无关地具有100％或者接近于100％(高于50％)的特性。

进而，相位差板63为1/2波长板，具有使入射的线偏振光的偏振方向旋转90度的功能。

在这样构成的波长选择性偏振光变换元件505上，从图14的左侧入射白色的非偏振光。该非偏振光中B区域以及R区域的P偏振光在透过了第1光分离膜62后，透过相位差板63被变换成S偏振光，并透过第2光分离膜64作为S偏振光从波长选择性偏振光变换元件505出射。

另外，B区域以及R区域的S偏振光则在第1光分离膜62处反射，进而在反射膜61处反射，作为S偏振光从波长选择性偏振光变换元件505出射。

另外，G区域的P偏振光在透过了第1光分离膜62后，透过相位差板63，被变换成S偏振光，进而在第2光分离膜64处反射。并且，该反射光将再次通过相位差板63被变换成P偏振光，透过第1光分离膜62在反射膜61处被反射，作为P偏振光从波长选择性偏振光变换元件505出射。

进而，G区域的S偏振光则在透过了第1光分离膜62后，透过相位差板63被变换成P偏振光，进而透过第2光分离膜64并作为P偏振光从波长选择性偏振光变换元件505出射。

这样，入射到作为单一元件构成的波长选择性偏振光变换元件505的白色非偏振光被变换成B区域以及R区域的S偏振光和G区域的P偏振光从该元件505出射。

这里，在使用了以往的偏振光变换元件和透射型液晶板的构成中，在图13所示的场镜502和G液晶板521之间，配置了将入射的线偏振光的偏振方向旋转90度的相位板。这是因为，通过将G区域变为P偏振光，将R、B区域变为S偏振光，可以抑制图17所示的二向色棱镜分光特性的在上沿部(图中的A部)和下沿部(图中的B部)的光的损失。

相对于此，通过使用本实施例的波长选择性偏振光变换元件505，即便是不在场镜502和G液晶板521之间配置相位板也可以实现与之相同的效果。

此外，虽然在本实施例中，说明了如图13所示的那样配置了R区域用、B区域用以及G区域用液晶板510、519、521的情况，但本发明并非仅限于这些波段用的液晶板的配置。

如以上所说明的那样，根据上述各实施例，利用波长选择性偏振光变换元件的对特定偏振方向的光的透射率具有依照波长区域变化的特性的偏振光分离膜和相位差板的作用，可以将第1至第3波长区域中两个波长区域的第1非偏振光和另一波长区域的第2非偏振光变换成具有相互不同的偏振方向的偏振光。由此，可以实现作为具有波长选择性偏振光变换功能的单一元件的偏振光变换元件。

因而，就可以不经由以往的波长选择性相位差板地将来自该偏振光变换元件的上述两个波长区域的光中一方的光和上述其他波长区域的光从同一光路导向偏光光束分离器。由此，就可以利用该偏光光束分离器依照偏振方向来分离这些波长区域的光。

因此，就可以使用偏光光束分离器进行色彩分离，与以往相比减少将第1到第3波长光导向各自对应的图像形成元件的投射显示光学系统或图像投射装置的光学部件的个数。再者，通过不采用波长选择性相位差板，还可以省掉支撑、冷却波长选择性相位差板的构造，简化图像投射装置的构造。

此外，作为波长选择性偏振光变换元件，也可以采用在上述各实施例中说明过的以外的构成。例如，在将非偏振光变换成P偏振光的波段，使第1光分离膜具有透过P偏振光以及S偏振光的特性，使第2光分离膜具有透过P偏振光并反射S偏振光的特性。另一方面，在将非偏振光变换成S偏振光的波段，使第1光分离膜具有透过P偏振光并反射S偏振光的特性，使第2光分离膜具有透过P偏振光以及S偏振光的特性。

由此，可以将R、G、B中的任何一个波长区域的光变换成P偏振光，其他的两个波长区域的光变换成S偏振光，或者将任何一个波长区域的光变换成S偏振光，其他的两个波长区域的光变换成P偏振光。

另外，虽然在上述各实施例中，对波长选择性偏振光变换元件具有两个波长选择性偏振光分离膜，且只有各波长选择性偏振光分离膜的对于S偏振光的透射率依照波段产生较大变化的情况进行了说明。但是，作为波长选择性偏振光分离膜，也可以使用对于S偏振光和P偏振光的透射率依照各个波段分别产生较大变化(例如，对S偏振光和P偏振光的透射率的高低在各波段相反)的波长选择性偏振光分离膜。如果采用这样的波长选择性偏振光分离膜，则通过一个波长选择性偏振光分离膜和相位差板的组合就可以实现与在上述各实施例中说明过的波长选择性偏振光变换元件同等的功能。

此外，虽然在本实施例中，对作为图像形成元件使用了反射型液晶板或透射型液晶板的情况进行了说明，但在本发明中，也可以使用其他的图像形成元件，例如DMD(数字微镜器件)。

Claims (12)

1.一种波长选择性偏振光变换元件，将包含第1波长区域的光、第2波长区域的光以及第3波长区域的光的非偏振光变换成偏振光，其特征在于，具有：

光分离膜，具有通过透射以及反射作用来分离光的功能，并且具有至少对于第1偏振方向的光的透射率依照波长区域在高于50％的透射率和低于50％的透射率之间变化的特性；和

相位差板，在上述第1偏振方向和与该第1偏振方向正交的第2偏振方向之间变换来自该光分离膜的光的偏振方向，

其中，该偏振光变换元件将上述第1、第2以及第3波长区域之中两个波长区域的光变换成具有上述第1以及第2偏振方向之中某一偏振方向的偏振光，并将上述第1、第2以及第3波长区域之中其他波长区域的光变换成具有上述第1以及第2偏振方向之中另一偏振方向的偏振光。

2.根据权利要求1所述的波长选择性偏振光变换元件，其特征在于：

作为上述光分离膜，具有对上述第1偏振方向的光表示出高于50％的透射率的波长区域以及表示出低于50％的透射率的波长区域相互不同的第1光分离膜以及第2光分离膜，

从光向该偏振光变换元件入射一侧起，按顺序配置有上述第1光分离膜、上述相位差板以及上述第2光分离膜。

3.根据权利要求2所述的波长选择性偏振光变换元件，其特征在于：

上述第1以及第2光分离膜具有对于上述第1、第2以及第3波长区域的上述第2偏振方向的光的透射率高于50％的特性。

4.根据权利要求3所述的波长选择性偏振光变换元件，其特征在于：

上述第1光分离膜具有对于上述两个波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率低于50％，对于上述其他波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率高于50％的特性，

上述第2光分离膜具有对于上述两个波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率高于50％，对于上述其他波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率低于50％的特性，

上述两个波长区域的上述第1偏振方向的光用上述第1光分离膜反射后出射，

上述两个波长区域的上述第2偏振方向的光透过上述第1光分离膜，在用上述相位差板变换成上述第1偏振方向的光之后，透过上述第2光分离膜后出射，

上述其他波长区域的上述第1偏振方向的光透过上述第1光分离膜，在用上述相位差板变换成上述第2偏振方向的光之后，透过上述第2光分离膜后出射，

上述其他波长区域的上述第2偏振方向的光透过上述第1光分离膜，在周上述相位差板变换成上述第1偏振方向的光之后，用上述第2光分离膜反射并在用上述相位差板再次变换成上述第2偏振方向的光之后，透过上述第1光分离膜后出射。

5.根据权利要求3所述的波长选择性偏振光变换元件，其特征在于：

上述第1光分离膜具有对于上述两个波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率高于50％，对于上述其他波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率低于50％的特性，

上述第2光分离膜具有对于上述两个波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率低于50％，对于上述其他波长区域的上述第1偏振方向的光的透射率高于50％的特性，

上述两个波长区域的上述第1偏振方向的光透过上述第1光分离膜并在用上述相位差板变换成上述第2偏振方向的光之后，透过上述第2光分离膜后出射，

上述两个波长区域的上述第2偏振方向的光透过上述第1光分离膜，在用上述相位差板变换成上述第1偏振方向的光之后，用上述第2光分离膜反射并在用上述相位差板再次变换成上述第2偏振方向的光之后，透过上述第1光分离膜后出射，

上述其他波长区域的上述第1偏振方向的光用上述第1光分离膜反射后出射，

上述其他波长区域的上述第2偏振方向的光透过上述第1光分离膜，在用上述相位差板变换成上述第1偏振方向的光之后，透过上述第2光分离膜后出射。

6.根据权利要求1所述的波长选择性偏振光变换元件，其特征在于：

还具有反射用上述光分离膜反射后的光，并使之朝向来自该偏振光变换元件的出射方向的反射面。

7.根据权利要求1所述的波长选择性偏振光变换元件，其特征在于：

还具有多个分别包含上述光分离膜和上述相位差板的偏振光变换单元。

8.一种投射显示光学系统，其特征在于，具有：

照明光学系统，包含将从光源出射的包含第1、第2以及第3波长区域的光的非偏振光变换成偏振光的权利要求1到7中任意一项所记载的波长选择性偏振光变换元件；

色彩分解合成光学系统，利用偏振光分离功能分别将来自上述照明光学系统的上述第1、第2以及第3波长区域的光导向第1、第2以及第3图像形成元件，并合成来自该第1、第2以及第3图像形成元件的光；以及

投射透镜，投射该经过合成的光。

9.根据权利要求8所记述的投射显示光学系统，其特征在于：

上述照明光学系统具有将作为上述非偏振光的近似平行光束分割成多条光束的透镜阵列；上述波长选择性偏振光变换元件；和会聚来自该波长选择性偏振光变换元件的光束的聚光透镜。

10.一种图像投射装置，其特征在于，具有：

权利要求9所记载的投射显示光学系统；和基于被输入的图像信号来驱动上述第1、第2以及第3图像形成元件的驱动电路。

11.一种图像显示系统，其特征在于，具有：

权利要求10所记载的图像投射装置；和对该图像投射装置供给图像信号的图像供给装置。

12.一种照明光学系统，其特征在于，包含：

将从光源出射的包含第1、第2以及第3波长区域的光的非偏振光变换成偏振光的权利要求1到7中任意一项所记载的波长选择性偏振光变换元件。

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