JP2020181133A - 投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スペックルを抑制したレーザープロジェクタを提供する。【解決手段】投射型表示装置１０は、空間光変調器１１，１２，１３と、空間光変調器１１，１２，１３のそれぞれが出射した光ＬR，ＬG，ＬBを同一光軸の光ＬClrとする色合成プリズム５と、色合成プリズム５の光の出射側に配置され、投影する画像の寸法を制御する投射レンズ６および光ＬClrの偏光方向を変化させる偏光制御素子７０と、を備え、偏光制御素子７０が、交流電源ＰＳに接続した一対の電極で液晶を挟んだ液晶素子７と、その光の出射側に配置された波長板８と、を備え、前記液晶に印加する電圧の大きさを時間的に変化させる構成とする。【選択図】図１

Description

本発明は、スクリーンに画像を表示する投射型表示装置に関する。

次世代の映像規格である４Ｋ、８Ｋ放送では、従来よりも広い色域の色域規格（ＩＴＵ−Ｒ勧告 ＢＴ．２０２０）が採用される。このような広い色域の表色系の色をディスプレイで完全に再現するためには、Ｒ，Ｇ，Ｂの三原色の光に単波長光源のレーザー光源が用いられる。ところが、レーザー光はコヒーレンシー（可干渉性）が高いので、相互に干渉し易い。そのため、液晶パネル等からスクリーンに画像を投影するプロジェクタにおいては、スクリーンで反射した光がスクリーン表面の微小な凹凸によって相互干渉し、局所的に明暗の変化を生じる。この明暗の変化による斑点（スペックル）模様が発生し、見かけ上、画像にざらつきを生じて画質を低下させることになる。

スペックルは、画像上に固定されたパターンであることにより視認されるので、パターンを時間的に変化させることで、積分効果によって視認され難くすることができる。そこで、スクリーンを振動させるスクリーン用のアクチュエータが開示されている（例えば、特許文献１）。また、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）で入射光をＳ偏光とＰ偏光とに分離して、一方の偏光を２枚のミラーで多重反射させて光路長の異なる無数のスペックルパターンを生成し、重畳してスペックルのコントラストを低減するプロジェクタが開示されている（例えば、特許文献２）。また、スペックルパターンが偏光方向にも依存することから、レーザー光の偏光方向を時間的に変化させながら、走査型ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーデバイスやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）で構成された空間光変調器（ＳＬＭ：Spatial Light Modulator）に入射する画像投射装置が開示されている（例えば、特許文献３，４）。特許文献３に記載された装置は、回転する１／２波長板、または電気光学結晶（ニオブ酸リチウム）や可変ファラデー回転子による偏波制御器で偏光方向を回転させている。特許文献４に記載された装置は、液晶素子で、印加電圧を変化させて偏光方向を回転させている。

特表２０１７−５０７３４７号公報 特開２０１３−２３８８５８号公報 特開２００６−４７４２２号公報 特許第５６７３５４４号公報

しかし、特許文献１に記載された装置は、スクリーンが大画面化すると実用困難になる。また、特許文献２に記載された装置は、ＰＢＳやミラー等の光学素子の配置、構成が複雑である。また、特許文献３に記載された装置は、大判の１／２波長板を機械的手段で高速回転させるのは困難であり、また、電気光学結晶や可変ファラデー回転子は、大型のものは製造困難で製造コストが増大する。そのため、空間光変調器等に入力する前の小さい光径の光に対して偏光方向を変化させてから、レンズで必要な光径に拡大する必要があり、一定の偏光方向の光を入射する液晶空間光変調器等には適用困難である。特許文献４に記載された装置は、走査型ＭＥＭＳミラーデバイスによる装置であるので、フレームを形成する期間に偏光方向を回転させることができない。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであり、大型化、複雑化することなく、スペックルを低減した高画質の画像をスクリーンに投影することができる、投射型表示装置を提供することを課題とする。

本発明に係る投射型表示装置は、互いに波長域の異なる光を出射する２以上の空間光変調器と、前記２以上の空間光変調器のそれぞれが出射した光を同一光軸とする光合成手段と、前記光合成手段の光の出射側に配置され、投影する画像の寸法を制御する投射レンズおよび光の偏光方向を変化させる偏光制御素子と、を備え、前記偏光制御素子が、交流電源に接続した一対の電極で液晶を挟んだ液晶複屈折制御素子と、前記液晶複屈折制御素子の光の出射側に配置された波長板と、を備え、前記液晶に印加する電圧の大きさを時間的に変化させる構成とする。

かかる構成により、投射型表示装置は、偏光方向を回転させながら光をスクリーンに投影するので、スクリーンに表示された画像において、見かけ上、スペックルを低減することができる。また、偏光制御素子に液晶を用いることにより、製造容易で大きな光径の光に対して使用することができ、また、偏光方向の回転角度や回転のタイミングの制御が容易である。また、複数の単波長の光を合成した光を偏光制御素子に入射するので、装置が大型化せず、かつ複雑化しない。

本発明に係る投射型表示装置によれば、大型化、複雑化させることなく、レーザー光源を用いて、スペックルの低減された高画質のカラー画像をスクリーンに投射することができる。

本発明に係る投射型表示装置の構造を説明する模式図である。 本発明に係る投射型表示装置に使用される偏光制御素子の構造を模式的に説明する断面図である。 図２に示す偏光制御素子による、光の偏光方向について第１の例の制御動作を説明する模式図である。 図２に示す偏光制御素子による、光の偏光方向について第２の例の制御動作を説明する模式図である。 図２に示す偏光制御素子による、光の偏光方向について第３の例の制御動作を説明する模式図である。 図２に示す偏光制御素子による、光の偏光方向について第４の例の制御動作を説明する模式図である。 図２に示す偏光制御素子への印加電圧と光の偏光方向の変化との相関を説明する表である。 図２に示す偏光制御素子への印加電圧について、第１の例のタイムチャートである。 図２に示す偏光制御素子への印加電圧について、第２の例のタイムチャートである。 図２に示す偏光制御素子への印加電圧について、第３の例のタイムチャートである。 本発明に係る投射型表示装置に使用される別の偏光制御素子の構造を模式的に説明する断面図である。 図６に示す偏光制御素子への印加電圧のタイムチャートである。

本発明に係る投射型表示装置を実施するための形態について、図を参照して説明する。図面に示す投射型表示装置およびその要素は、説明を明確にするために、大きさや位置関係等を誇張していることがあり、また、形状を単純化していることがある。

〔投射型表示装置〕
図１に示すように、本発明の実施形態に係る投射型表示装置１０は、フルカラー画像をスクリーンＳに投影するプロジェクタである。投射型表示装置１０は、三原色の光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bを照射する光源装置３１，３２，３３と、光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bの１つを変調して出射する空間光変調器１１，１２，１３と、空間光変調器１１，１２，１３のそれぞれから出射した光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bを一体にまとめる色合成プリズム（光合成手段）５と、一体にまとめられた光Ｌ_Clrを所望の寸法に拡大してスクリーンＳに投射する投射レンズ６と、スクリーンＳに投射される光Ｌ_Clrの偏光方向を制御する偏光制御素子７０と、を備える。偏光制御素子７０は、液晶素子（液晶複屈折制御素子）７および波長板８を備える。投射型表示装置１０はさらに、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）２１，２２，２３、波長板２４，２５，２６、フィールドレンズ４１，４２，４３、および反射ミラー４４，４５を備える。投射型表示装置１０は、公知の３枚方式のカラー液晶プロジェクタに、偏光制御素子７０を追加した構成であるといえる。以下、各要素について詳細に説明する。

（光源装置）
光源装置３１，３２，３３は、それぞれ１ないし配列された複数の半導体レーザー（レーザーダイオード）を備えるレーザー光源であり、互いに異なる波長域の三原色の光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bを照射する。光源装置３１は、光Ｌ_Rを発光する半導体レーザーを備える。光Ｌ_Rは、例えば中心波長λ_R＝６３０ｎｍの赤色光である。光源装置３２は、光Ｌ_Gを発光する半導体レーザーを備える。光Ｌ_Gは、例えば中心波長λ_G＝５３２ｎｍの緑色光である。光源装置３３は、光Ｌ_Bを発光する半導体レーザーを備える。光Ｌ_Bは、例えば中心波長λ_B＝４６７ｎｍの青色光である。光源装置３１，３２，３３は、後記するように、光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_BがＰＢＳ２１，２２，２３で反射して空間光変調器１１，１２，１３に入射されるように配置され、必要に応じて間に反射ミラー４４，４５が配置される。

（空間光変調器）
空間光変調器１１，１２，１３は、それぞれ画素が二次元配列され、入射した光を画素毎に変調して出射する。空間光変調器１１は光Ｌ_Rを、空間光変調器１２は光Ｌ_Gを、空間光変調器１３は光Ｌ_Bを、それぞれ入射される。本実施形態において、空間光変調器１１，１２，１３は、反射型の液晶空間光変調器であり、入射した光を、偏光方向を変化させて反射し、入射面から出射する。反射型の液晶空間光変調器としては、高開口率で比較的高精細化の容易なＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）型が挙げられる。ＬＣＯＳ−ＳＬＭは、シリコン（Ｓｉ）基板に駆動回路を形成してその上に金属電極材料で形成した光反射率の高い画素電極を備え、ガラス等の透明基板上にインジウム−スズ酸化物（Indium Tin Oxide：ＩＴＯ）等の透明電極材料で形成した対向電極との間に液晶が封入された構成であり、対向電極側を光の入出射面とする。液晶は、ねじれネマティック（ＴＮ：Twisted Nematic）方式、垂直配向（ＶＡ：Vertical Alignment）方式、ＯＣＢ（Optically Compensated Bend）方式等の、液晶ディスプレイに適用される公知の材料が挙げられる。

投射型表示装置１０において、空間光変調器１１，１２，１３は、それぞれ光の出射面（入出射面）を、色合成プリズム５の光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bの各入射面に対向させて配置される。さらに、空間光変調器１１と色合成プリズム５の間には、波長板２４、ＰＢＳ２１が配置され、空間光変調器１２と色合成プリズム５の間には、波長板２５、ＰＢＳ２２が配置され、空間光変調器１３と色合成プリズム５の間には、波長板２６、ＰＢＳ２３が配置される。

（偏光ビームスプリッタ）
ＰＢＳ２１，２２，２３は、光源装置３１，３２，３３から照射された、様々な方向の偏光を含む光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bから、Ｐ偏光とそれに直交するＳ偏光の２つの直線偏光に分離して取り出す光学素子である。図１に示すＰＢＳ２１，２２，２３は、２つの直角プリズムを接合したキューブタイプの偏光ビームスプリッタである。ＰＢＳ２１，２２，２３は、それぞれ空間光変調器１１，１２，１３の入出射面に対向し、かつ入出射面に対して界面（接合面）を４５°傾斜させて配置される。図１においては、ＰＢＳ２１，２２，２３はいずれも、界面を紙面方向に４５°回転させて配置されている。

（波長板）
波長板２４，２５，２６は、空間光変調器１１，１２，１３の液晶による光の位相差を補償するために設けられる位相差板であり、液晶空間光変調器を搭載した液晶ディスプレイに一般的に使用される１／４波長板（λ／４板）や１／２波長板（λ／２板）が適用される。波長板２４は、空間光変調器１１とＰＢＳ２１の間に配置され、位相差を補償する光Ｌ_Rの波長λ_Rに対応したものが選択される。波長板２５は、空間光変調器１２とＰＢＳ２２の間に配置され、光Ｌ_Gの波長λ_Gに対応したものが選択される。波長板２６は、空間光変調器１３とＰＢＳ２３の間に配置され、光Ｌ_Bの波長λ_Bに対応したものが選択される。ここでは、波長板２４，２５，２６は、１／４波長板とし、遅相軸を、入射する光（ＰＢＳ２１，２２，２３の界面で反射したＳ偏光）の偏光方向に対して４５°にして配置される。

（フィールドレンズ）
フィールドレンズ４１は、ＰＢＳ２１と光源装置３１の間の光Ｌ_Rの光路上に設けられ、空間光変調器１１への入射光の光径や光強度、拡がり等を調整する。同様に、フィールドレンズ４２は、ＰＢＳ２２と光源装置３２の間の光Ｌ_Gの光路上に設けられ、空間光変調器１２への入射光について調整する。フィールドレンズ４３は、ＰＢＳ２３と光源装置３３の間の光Ｌ_Bの光路上に設けられ、空間光変調器１３への入射光について調整する。投射型表示装置１０において、フィールドレンズ４１，４２，４３は必要に応じて設けられ、図１ではそれぞれ１枚の凸レンズで表されているが、２枚以上のレンズで構成されたり、コリメータレンズを備えて、平行光が空間光変調器１１，１２，１３に入射されるように構成されたりしてもよい。

（反射ミラー）
反射ミラー４４は、光源装置３１から照射された光Ｌ_Rを、ＰＢＳ２１に入射するように進行方向を変えるために、必要に応じて設けられる。反射ミラー４５は、光源装置３３から照射された光Ｌ_Bを、ＰＢＳ２３に入射するように進行方向を変えるために、必要に応じて設けられる。したがって、反射ミラー４４，４５は、投射型表示装置１０におけるＰＢＳ２１と光源装置３１の位置関係、ＰＢＳ２３と光源装置３３の位置関係、さらにはＰＢＳ２２と光源装置３２の位置関係にそれぞれ基づき、１枚ないし複数枚配置される。

投射型表示装置１０はさらに、光源装置３１とＰＢＳ２１の間、光源装置３２とＰＢＳ２２の間、光源装置３３とＰＢＳ２３の間に、それぞれ必要に応じて、光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bの波長域を狭くするための光学フィルタや、照射領域における光強度を均一化するフライアイレンズ（インテグレータ）等の光学素子を備えていてもよい。また、空間光変調器１１，１２，１３および光源装置３１，３２，３３は、それぞれ電源（図示省略）が接続されている。

（色合成プリズム）
色合成プリズム５は、空間光変調器１１から出射して、波長板２４、ＰＢＳ２１を透過して進行する光Ｌ_R、空間光変調器１２から出射して、波長板２５、ＰＢＳ２２を透過して進行する光Ｌ_G、空間光変調器１３から出射して、波長板２６、ＰＢＳ２３を透過して進行する光Ｌ_B、の３つの進行方向（光軸）の異なる光を一体にまとめる光学素子である。色合成プリズム５は、ダイクロイックプリズム（クロスダイクロイックプリズム、フィリップスタイプ）や複数枚のダイクロイックミラー等の、公知の色分解・合成光学系が適用される。図１に示す色合成プリズム５は、クロスダイクロイックプリズムであり、立方体の３側面に、それぞれ光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bが入射し、残りの１側面（光Ｌ_Gの入射面と対向する面）から一体となった光Ｌ_Clrが出射する。

（投射レンズ）
投射レンズ６は、空間光変調器１１，１２，１３に基づく小さな光径の光Ｌ_Clr（Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_B）を、所望の寸法の画像に拡大してスクリーンＳに投射するための投射光学系である。投射レンズ６は、図１では簡潔に１枚の凸レンズで表されるが、一般に、２枚以上のレンズを備え、光軸方向に移動可能に構成されていることが好ましい。

（偏光制御素子）
偏光制御素子７０は、光Ｌ_Clrの偏光方向を時間的に変化（回転）させてスクリーンＳに投射する光学素子である。偏光制御素子７０は、光Ｌ_Clrの入射側から順に、液晶素子７、波長板８を備える。偏光制御素子７０は、投射型表示装置１０において投射レンズ６の光の出射側に配置されるので、投射レンズ６によって発散した光Ｌ_Clrの全体が入射する寸法に設計される。以下、偏光制御素子７０について、図２を参照して詳細に説明する。

液晶素子７は、交流電源ＰＳに接続した一対の電極７３，７３で液晶層（液晶）７１を挟んだ可変位相差板である。液晶素子７は、光Ｌ_Clrすなわち可視光を透過するように構成される。このような液晶素子７として、それぞれ片面に透明電極膜からなる電極７３および配向膜７２を成膜した２枚の透明基板７４，７４の間に液晶材料を封入した透過型液晶セルを適用することができる。すなわち、液晶素子７は、液晶層７１を挟んでその両外側のそれぞれに、配向膜７２、電極７３、透明基板７４を順に備える。

液晶素子７は、液晶層７１の液晶の複屈折性によって、電極７３，７３からの印加電圧に応じて透過する直線偏光の偏光状態を変化させ、後記するように波長板８と合わせて偏光方向の変化した直線偏光を得ることができる。液晶の動作モードとしては、液晶の配向を透明基板７４に水平方向とし、電圧印加により液晶分子の長軸の向きを制御する複屈折モード（ＥＣＢモード）、初期配向で液晶分子を透明基板７４と垂直方向となるように配向し、電圧印加によって液晶分子が基板と水平となる方向に変位する垂直配向（ＶＡ）モード、液晶の配向を初期スプレー配向から弓状のベント配向に遷移させた状態で動作させるＯＣＢ（Optically Compensated Birefringence）モード等を適用することができる。特に、ＯＣＢモードは、中間調電圧間も含めて高速応答性に優れるため、偏光制御素子７０が短時間で偏光方向を切り換えることができ、積分効果によるスペックル低減に好適である。

液晶層７１は、上記の動作モードに対応した液晶材料として、液晶ディスプレイと同様にネマティック液晶が適用される。液晶層７１は、リタデーション（Δｎｄ）が電圧印加によって最大で波長λ以上となる、すなわち透過した光の偏光方向の回転角が１８０°以上となる厚さｄに設計されることが好ましい。一方で、液晶の応答時間は厚さの２乗に略比例するので、液晶層７１の厚さｄが大きくなるにしたがい、液晶素子７の応答速度が遅くなる。液晶素子７の応答時間は、中間調電圧間も含めて、４ｍｓ以下であることが好ましい。

配向膜７２は、液晶層７１の液晶分子の向きを制御するために、液晶層７１の両側に接触して設けられる。配向膜７２によって、液晶層７１が光の入射面全体で一様な方向の複屈折光学軸（遅相軸、進相軸）を示す。配向膜７２は、ポリイミド等の有機膜やＳｉ酸化物（ＳｉＯ_x）等の無機膜であり、液晶の動作モードに対応した公知の材料が適用される。

電極７３は、一対で液晶層７１を挟んで液晶層７１に電圧を印加する透明電極膜である。電極７３は、ＩＴＯ等の公知の透明電極材料を、透明基板７４の一面上に成膜して形成される。透明基板７４は、電極７３および配向膜７２を形成するための土台であり、液晶層７１を両側から挟んで支持するための土台である。透明基板７４は、公知の透明基板材料が適用され、具体的にはガラス基板が挙げられる。

波長板８は、波長板２４，２５，２６と同様、液晶層７１による光の位相差を補償するために設けられる位相差板であり、１／４波長板または３／４波長板が適用される。ただし、波長板８は、光Ｌ_Clrすなわち光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bのすべての光の位相差を補償するように、中心波長λ_R，λ_G，λ_Bの３波長域に対応する波長板とする。または、波長板８は、可視光全域に対応する広帯域波長板であってもよい。なお、波長板８は、例えば、光Ｌ_R，Ｌ_Bについては１／４波長板として機能し、光Ｌ_Gについては３／４波長板として機能する構成であってもよい。

偏光制御素子７０において、液晶素子７と波長板８は、互いの光学軸（遅相軸または進相軸）を４５°ずらして組み合わされる。また、偏光制御素子７０は、液晶素子７（液晶層７１）の光学軸が、入射する光Ｌ_Clrの偏光方向に対して４５°（または１３５°）傾斜した向きに配置される。このような構成により、偏光制御素子７０は、後記するように、印加電圧を変化させて、回転角０°から４５°刻みで回転した直線偏光を出射することができる。

〔投射型表示装置の動作〕
本実施形態に係る投射型表示装置による画像の投影を、図１を参照して説明する。
光源装置３１から照射された光Ｌ_Rは、反射ミラー４４、フィールドレンズ４１を経由して、ＰＢＳ２１に入射する。光Ｌ_Rは、ＰＢＳ２１の界面でＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離され、Ｐ偏光が界面を透過して直進し、Ｓ偏光が反射して空間光変調器１１に向かって進行する。図１においては、紙面に垂直な偏光方向の光がＳ偏光である。ＰＢＳ２１で反射した光Ｌ_Rは、波長板２４を透過して円偏光となって空間光変調器１１に入射する。空間光変調器１１で反射して出射したＬ_Rは、画素毎に偏光が変調され、再び波長板２４を透過してＰＢＳ２１に入射する。ＰＢＳ２１は、Ｐ偏光を界面で透過させて直進させる。この、空間光変調器１１から出射してＰＢＳ２１を直進した光Ｌ_Rは、偏光方向が図１の紙面方向の直線偏光（偏光方向を両矢印で表す）であり、また、画素毎に強さが異なる明暗のパターンを有する。そして、紙面方向の直線偏光となった光Ｌ_Rは、色合成プリズム５の一面に入射する。光源装置３２から照射された光Ｌ_G、光源装置３３から照射された光Ｌ_Bも、それぞれ空間光変調器１２，１３によって画素毎に強さの異なる紙面方向の直線偏光となって、色合成プリズム５のそれぞれ異なる面に入射する。

色合成プリズム５の３側面にそれぞれ入射した光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bは、同じ光軸となって残りの１面から光Ｌ_Clrとして出射し、投射レンズ６、偏光制御素子７０を順次透過してスクリーンＳへ投射され、スクリーンＳの表面にフルカラーの画像を投影する。光Ｌ_Clrは、投射レンズ６により、所望の光径でスクリーンＳの表面に投射されるように発散され、偏光制御素子７０によって、図１の紙面方向の偏光方向の直線偏光から、時間毎に異なる偏光方向に変化しながらスクリーンＳに投射される。

（偏光制御素子の動作）
偏光制御素子７０による光の偏光方向の制御動作を、図３Ａ〜３Ｄおよび図４を参照して説明する。図３Ａ〜３Ｄにおいては、偏光制御素子７０を、簡略化して液晶層７１および波長板８のみで示す。また、液晶層７１、波長板８のそれぞれの遅相軸の向きを、網掛けを付した両矢印で表す。ここでは、入射する光Ｌの偏光方向（白抜き両矢印で表す）を０°として、液晶層７１の遅相軸を１３５°（＝−４５°）、波長板８の遅相軸を０°として配置する。また、波長板８はλ／４板である。また、液晶の動作モードとして垂直配向（ＶＡ）モードの液晶素子７を用いた場合を例に説明する。なお、ＯＣＢモード液晶では、印加電圧に対するリタデーション増減の関係がＶＡモードと逆になるが、偏光制御素子の基本的な作用については同じである。

液晶の動作モードがＶＡモードである液晶素子７への印加電圧が０Ｖ（無印加）のときは、液晶層７１はリタデーションがなくΔｎｄ＝０であり、図３Ａに示すように、液晶層７１を透過した光Ｌは、偏光方向０°の直線偏光のままである。そして、波長板８に入射する光Ｌは、偏光方向が遅相軸と同じ方向であるので位相ずれを生じず、偏光方向０°の直線偏光が出射する。すなわち、偏光制御素子７０は、無印加においては光Ｌの偏光方向を変化させない（回転角０°）。

液晶素子７に電圧を印加すると、液晶層７１の液晶分子の向きが変化してリタデーションを生じ、電圧Ｖ１（＞０Ｖ）でΔｎｄ＝λ／４となる。図３Ｂに示すように、このときの液晶層７１に入射する光Ｌは、偏光方向が遅相軸に対して＋４５°傾斜しているので、液晶層７１を透過した光Ｌは右円偏光（ＲＣＰ）になる。そして、波長板８は、右円偏光を、遅相軸に対して＋４５°傾斜した直線偏光にする。したがって、偏光制御素子７０は、液晶素子７に電圧Ｖ１を印加されたとき、光Ｌの偏光方向を＋４５°回転させる。

液晶素子７への印加電圧を大きくすると、液晶層７１のリタデーションが増大し、電圧Ｖ２（＞Ｖ１）でΔｎｄ＝λ／２となる。このような液晶層７１は、入射する光Ｌの偏光方向を、光学軸に対する角度の２倍の角度に回転させる。したがって、図３Ｃに示すように、液晶層７１を透過した光Ｌは偏光方向が９０°回転し、偏光方向９０°の直線偏光になる。そして、波長板８に入射する光Ｌは、遅相軸方向の偏光成分を含まないので位相ずれを生じず、偏光方向９０°の直線偏光が出射する。したがって、偏光制御素子７０は、液晶素子７に電圧Ｖ２を印加されたとき、光Ｌの偏光方向を９０°回転させる。

液晶素子７への印加電圧をさらに大きくして、電圧Ｖ３（＞Ｖ２）でΔｎｄ＝３／４λとなる。このときの液晶層７１は、Δｎｄ＝λ／２の液晶層７１（図３Ｃ参照）とΔｎｄ＝λ／４の液晶層７１（図３Ｂ参照）を合わせたものと同等の光学素子であり、その結果、図３Ｄに示すように、液晶層７１を透過した光Ｌは左円偏光（ＬＣＰ）になる。そして、波長板８は、左円偏光を、遅相軸に対して−４５°傾斜した直線偏光にする。したがって、偏光制御素子７０は、液晶素子７に電圧Ｖ３を印加されたとき、光Ｌの偏光方向を＋１３５°（−４５°）回転させる。

液晶素子７にΔｎｄ＝λとなる電圧Ｖ４（＞Ｖ３）を印加されると、このときの液晶層７１を透過した光Ｌは偏光方向が１８０°回転し、見かけ上、図３Ａに示すように、Δｎｄ＝０のときと同様に偏光方向が変化しない。したがって、偏光制御素子７０は、液晶素子７に電圧Ｖ４を印加されたとき、光Ｌの偏光方向を変化させない。

以上のように、液晶素子７と波長板８を所定の光学軸の向きに配置した偏光制御素子７０は、段階的に電圧を変化させて印加することにより、図４に示すように直線偏光の偏光方向を４５°刻みで回転させることができる。投射型表示装置１０からスクリーンＳに投射される光Ｌ_Clrは、直前の偏光方向との角度の差が大きいほど画像のスペックルパターンの変化が大きく、したがってスペックル低減効果が高く、４５°以上であれば十分な効果が得られる。また、偏光方向の切替えの遷移期間が長いとスペックル低減効果が低下する。したがって、短時間で偏光方向を切り替えて断続的に偏光方向を回転させることが好ましい。また、積分効果によるスペックル低減効果を十分なものとするために、１フレームと同等の１／６０秒（＝１６．７ｍｓ）毎に偏光方向を変化させることが好ましく、より短時間毎に偏光方向を変化させることがさらに好ましい。

次に、電圧変化による偏光制御素子７０による偏光方向の変化のパターンについて、図５Ａ〜５Ｃを参照して説明する。なお、図５Ａ〜５Ｃにおいて、電圧０ＶからＶ４まで電圧が一定の差となっているが、実際には異なる電圧であってよい。一般に、液晶は、極性が一定で電圧を印加されると劣化するので、交流電圧が適用される。そのため、図５Ａに示すように、電圧の大きさの段階毎に電圧の極性が双方となるように、例えば、１／１２０秒毎に電圧の大きさを変化させる場合には、交流電圧の周波数は１２０Ｈｚとする。

図５Ａにおいては、電圧の大きさをＶ４→Ｖ３→Ｖ２→Ｖ１→Ｖ４→Ｖ３→…と繰り返すことにより、光Ｌ_Clrの偏光方向が見かけ上、時計回りに４５°刻みで回転する。また、偏光方向の回転のタイミングすなわち電圧の大きさの切替えタイミングは、空間光変調器１１，１２，１３のフレームの切換えと合わせなくてもよいし、同期させてもよい。例えば、１／１２０秒毎に、すなわち１／２フレーム周期で偏光方向を変化させる場合には、１回おきにフレームの切換えに合わせる。

前記したように偏光方向の変化角度は４５°以上であれば十分な効果が得られ、したがって最大の９０°でもよい。例えば図５Ｂに示すように、Ｖ４→Ｖ２→Ｖ３→Ｖ１→Ｖ４→Ｖ２→…と繰り返すことにより、９０°の変化と４５°の変化が交互に行われる。また、電圧の大きさの切替え毎に極性を反転させてもよい。この場合、大きな電圧が同じ極性に偏らないように、例えば図５Ｃに示すように、＋Ｖ４→−Ｖ３→＋Ｖ２→−Ｖ１→＋Ｖ３→−Ｖ２→＋Ｖ１→−Ｖ４→＋Ｖ３→…と、同じ大きさの電圧において前回と極性が反転するようにする。

図５Ａ〜５Ｃにおいては、偏光方向０°（＝１８０°）を最大電圧のＶ４を印加することで出射しているが、０Ｖ、または極めて小さな電圧を印加してもよい。このように駆動すれば、液晶層７１は、リタデーションΔｎｄが最大で３／４λ以上となればよいので厚さｄを小さくして、応答時間を短縮することができる。あるいはさらに、リタデーションΔｎｄを最大でλ／２以上となる厚さｄに設計して、偏光方向を、０°，４５°，９０°で切り換えてもよい。

偏光制御素子７０は、色合成プリズム５で一体にまとめられた直後の平行光でも、投射レンズ６で発散させた光でも、その偏光方向を制御することができる。本実施形態に係る投射型表示装置１０においては、図１に示すように、偏光制御素子７０は、投射レンズ６の出射側に配置され、投射レンズ６で発散させた光Ｌ_Clrについてその偏光方向を回転させる構成としている。投射レンズ６の入射側に偏光制御素子７０を配置すると、偏光制御素子７０を構成する液晶素子７の各部品および波長板８の面精度や光学特性に起因する波面収差の影響が、投影された画像により顕著に現れる傾向がある。したがって、偏光制御素子７０は、投射レンズ６の入射側に配置されてもよいが、その場合には、構成部材に高い波面収差精度が要求される。また、光源装置３１，３２，３３が高輝度レーザーを備える高輝度プロジェクタである場合には、光Ｌ_Clrのエネルギーが大きく、投射レンズ６の入射側では光束が高密度で集中するので、偏光制御素子７０はこのような光路上に配置されると、耐光性、耐熱性について考慮する必要がある。投射型表示装置１０において、偏光制御素子７０は、投射レンズ６の出射側に配置することにより、投射光学系に高い結像特性が要求される高精細プロジェクタであっても、構成部材の波面収差の精度や、耐光性、耐熱性を緩和することができる。

（変形例）
前記したように、液晶素子の液晶が厚くなると、応答時間が長くなり、偏光制御素子による偏光方向の断続的な回転が困難になる。そこで、液晶の厚さの小さい液晶素子を複数並べた構成とすることで、応答時間を短縮しつつ、偏光方向を大きく回転させることができる。以下、変形例として、本発明に係る投射型表示装置に使用される別の偏光制御素子について、図６を参照して説明する。

偏光制御素子７０Ａは、光Ｌ_Clrの入射側から順に、液晶素子（液晶複屈折制御素子）７Ａ、液晶素子７Ａ、波長板８を備える。液晶素子７Ａは、液晶層７１Ａの厚さが液晶層７１よりも小さいこと以外は、液晶素子７と同じ構造である。液晶層７１Ａは、リタデーション（Δｎｄ）が電圧印加によって最大で波長λ／２以上となる厚さｄに設計されることが好ましい。具体的には、液晶層７１Ａは、厚さが液晶層７１の１／２である。また、２つの液晶素子７Ａは、それぞれの液晶層７１の光学軸の向きを揃えて並べる。このように２つの液晶素子７Ａを光Ｌ_Clrの進行方向に並べた構造により、これら２つの液晶素子７Ａを透過する光に対する複屈折位相差は最大でλとなり、実質的に前記実施形態の液晶素子７の１つ分と等価となる。

偏光制御素子７０Ａは、２つの液晶素子７Ａに交流電源ＰＳを並列に接続して、同じ大きさの電圧を印加して、合計でΔｎｄ＝λ／４，λ／２，３／４λ，λになるように切り換えることができる。あるいは、２つの液晶素子７Ａのそれぞれに交流電源を接続して、同期させつつ、図７に示すように、交互に電圧の大きさを切り換えてΔｎｄの合計を切り換えることもできる。なお、図７において、Ｖ１は液晶層７１Ａのリタデーションをλ／４とする電圧、Ｖ２はλ／２とする電圧である。

投射型表示装置１０は、このような構造の偏光制御素子７０Ａを備えることで、光Ｌ_Clrを、より高速で断続的に４５°刻みまたは９０°刻みで偏光方向を回転させながら、投射することができる。なお、偏光制御素子は、３以上の液晶素子を光Ｌ_Clrの進行方向に並べて備える構成としてもよく、その１つあたりの液晶層の厚さを小さくして、いっそう応答時間を短くすることができる。

前記実施形態に係る投射型表示装置１０の光源装置３１，３２，３３は、三色の半導体レーザーを内蔵して白色光を照射する一体のユニットであってもよい。投射型表示装置１０は、このような光源装置を適用する場合には、ダイクロイックミラー等を備えて各色の光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bに分解する。また、広い色域を要しない場合には、青色の半導体レーザーと蛍光体を組み合わせて光Ｌ_R，Ｌ_G，Ｌ_Bを照射する構成としてもよい。

前記実施形態に係る投射型表示装置１０の空間光変調器１１，１２，１３は、透過型の液晶空間光変調を適用してもよい。あるいは、液晶空間光変調器に限られず、磁気光学材料を用いた磁気光学式空間光変調器や、半導体素子を搭載した可動式の微小鏡面をアレイ状に配置したＤＭＤ（Digital Micromirror Device）で構成された空間光変調器を適用することもできる。

以上、本発明に係る投射型表示装置を実施するための各実施形態について述べてきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。

１０ 投射型表示装置
１１，１２，１３ 空間光変調器
３１，３２，３３ 光源装置
５ 色合成プリズム（光合成手段）
６ 投射レンズ
７０，７０Ａ 偏光制御素子
７，７Ａ 液晶素子（液晶複屈折制御素子）
７１，７１Ａ 液晶層（液晶）
７３ 電極
８ 波長板
ＰＳ 交流電源
Ｓ スクリーン

Claims (6)

1. 互いに波長域の異なる光を出射する２以上の空間光変調器と、前記２以上の空間光変調器のそれぞれが出射した光を同一光軸とする光合成手段と、前記光合成手段の光の出射側に配置され、投影する画像の寸法を制御する投射レンズおよび光の偏光方向を変化させる偏光制御素子と、を備え、
   前記偏光制御素子は、交流電源に接続した一対の電極で液晶を挟んだ液晶複屈折制御素子と、前記液晶複屈折制御素子の光の出射側に配置された波長板と、を備え、前記液晶に印加する電圧の大きさを時間的に変化させることを特徴とする投射型表示装置。
2. 前記偏光制御素子は、２以上の前記液晶複屈折制御素子を光の進行方向に並べて備えることを特徴とする請求項１に記載の投射型表示装置。
3. 前記偏光制御素子が、前記投射レンズの光の出射側に配置されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の投射型表示装置。
4. 前記偏光制御素子は、光の偏光方向を断続的に変化させることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
5. 前記偏光制御素子は、光の偏光方向を互いに４５°以上異なる３通り以上に変化させるように、前記液晶に印加する電圧の大きさを段階的に変化させることを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。
6. 前記液晶複屈折制御素子は、ＯＣＢ方式であることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の投射型表示装置。

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