投影型图像显示装置的制作方法

专利名称：投影型图像显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学单元，通过利用偏光作用的反射型图像显示元件对来自照明光学系统的光束进行强度调制形成光学像，通过投影光学系统把该光学像投射在屏幕上，以及利用上述光学单元的投影型图像显示装置。
背景技术：
以前，已知的投影仪是把光学单元和电源电路及图像驱动电路一起放置在壳体内，所述光学单元对来自光源的光进行如下的强度调制利用偏光作用通过光阀元件根据图像信号变化每个像素的浓淡，形成光学像，通过投影透镜将该光学像投影在屏幕等上面。
在作为光阀元件使用反射型液晶板的情况下，一般偏光元件和检光元件使用偏振光束分光棱镜(后面称为PBS棱镜)。比较便宜的PBS棱镜具有多层电介质膜，利用其膜面(以后称为PBS膜)透过P偏振光，反射S偏振光。
在偏光元件和检光元件使用PBS棱镜的情况下，由于反射型投影仪中的对比度高，为了减少黑图像时PBS棱镜漏光必须使用1/4波长板，即使使用1/4波长板的情况下效果也不够好。
一般1/4波长板具有波长特性和角度特性，因此如果入射光线波长距离设计中心波长越远，而且入射角变得越大，则它的性能越低。因此，在入射到反射型液晶板的光具有一定波长范围和一定角度范围时，对于反射型液晶投影仪中全部入射光不能实现充分减少漏光的效果。
即使为防止该漏光照射到屏幕上，把偏光板设置在PBS棱镜和投影透镜之间等，由于该漏光中含有与偏光板的透光轴方向相同的偏振光成分，所以不能防止。
而且使用PBS棱镜还存在重量上不利的因素。而且，在光线透过玻璃材料时由于偏振混乱产生漏光，为了防止因此导致的对比度下降，PBS棱镜必须使用光弹性系数低的玻璃材料。这样的玻璃材料由于比重大，特别重，而且销售少，因此价格贵。
为了解决上述课题，例如如同US6234634和美国Moxtek公司的目录No.PBF02A中记载的那样，考虑偏光元件和检光元件使用反射型偏光板。这样的反射型偏光板以如下方式起偏光板的作用，通过光栅衍射，反射平行于光栅方向的偏振光，透过偏振方向垂直于光栅方向的偏振光。
可是，这样的结构由于不产生使用PBS棱镜的结构中的倾斜漏光，因此原理上相对于使用PBS棱镜的结构对比度很高。
上述USP中没有记载关于彩色显示问题。而且，在上述目录中，虽然彩色图像显示装置使用色轮(color wheel)，但是由于这种情况下色轮透光时的光损失大致达到2/3程度，光利用率低，如果不使用高功率的灯不能获得高亮度。而且，由于辅助检光元件使用反射型偏光板，可能产生坏像(ghost)。而且，对比度还不够好，需要进一步改善。

发明内容
本发明就是针对上述课题提出的，本发明的目的是提供一种投影型图像显示装置用的光学单元和使用该光学单元的投影型图像显示装置，所述光学单元使用小型化、重量轻、亮度、对比度和图像分辨率等图像性能良好的反射型图像显示元件。
为了解决上述课题，本发明是一种投影型图像显示装置，具有光源、照明光学系统、反射型图像显示元件和投影透镜，该反射型图像显示装置具有作为与该反射型图像显示元件相对的偏光元件和检光元件，通过衍射(diffraction)起偏光板作用的反射型偏光板；配置在光路上的上述光源和上述反射型偏光板之间的辅助偏光元件和配置在光路上的上述反射型偏光板和上述投影透镜之间的、起检光元件作用的、由吸收型偏光板构成的辅助检光元件的至少之一，被上述反射型图像显示元件反射后的图像光从上述反射型偏光板的作用面一侧入射，被上述反射型偏光板反射后入射到上述投影透镜，将上述反射型偏光板在光路上配置在上述反射型图像显示元件稍稍之前、稍稍之后。


图1是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第一实施方式的结构图；图2是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第二实施方式的结构图；图3是示出偏光变换元件和偏光板以及反射型偏光板的对比度比值测定方法的图；图4是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第二实施方式的结构图；图5是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第三实施方式的结构图；图6是图2的腰部的放大图；图7是图5的腰部的放大图；图8是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第四实施方式的结构图；图9是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第五实施方式的结构图；图10是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第六实施方式的结构图；图11是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第七实施方式的结构图；图12是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第八实施方式的结构图；图13是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第九实施方式的结构图；图14是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第十实施方式的结构图；图15是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第十一实施方式的结构图；图16是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第十二实施方式的结构图；图17是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第十三实施方式的结构图。
表1是示出反射型液晶板的偏光轴角度的测定结果和对应偏光轴对应角度的计算结果的表。
具体实施例方式
下面，参照

本发明的实施方式。而且，在全部附图中，具有相同功能的部件使用相同符号表示，曾经说明的内容省略重复说明。
图1是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的第一实施方式。
在图1中，1是光源，2是反射型液晶投影仪用光学单元的光轴，90是白色用辅助偏光元件，100是白色用反射型偏光板，110是白色用反射型液晶板，120是白色用辅助检光元件，15是投影透镜。
下面，利用图1描述本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的动作。
显示白色图像的动作如下所述。在图1中，从光源1射出的光中偏振方向与辅助偏光元件90的吸收轴或者反射轴99垂直的光透过辅助偏光元件90，入射到反射型偏光板100。由于反射型偏光板100设置成反射轴大致与辅助偏光元件90的吸收轴或者反射轴99平行的形式，入射到反射型偏光板100的光透过反射型偏光板100，入射到反射型液晶板110。一般反射型液晶板110在被输入白色图像信号的情况下，由于使入射光使其偏振方向大致旋转90°而反射，通过反射型液晶板110反射的光的偏振方向大致与反射型偏光板100的反射轴平行。因此，在反射型液晶板110反射的光通过反射型偏光板100使光轴方向转折90°反射，入射到辅助检光元件120。由于辅助检光元件120设置成吸收轴129与反射型偏光板100的反射轴大致正交，因此被反射型偏光板100反射的光透过辅助检光元件120。透过辅助检光元件120的光通过投影透镜15到达图中未示出的屏幕上，形成白色图像显示。
显示黑色图像的动作如下所述。光在入射到上述反射型液晶板110之前与上述显示白色图像的动作相同。一般，反射型液晶板110在被输入黑色图像信号的情况下，由于入射光的偏振方向状态不变化地被反射，通过反射型液晶板110反射的光的偏振方向与入射到反射型液晶板110之前相同。因此，在反射型液晶板110反射的光通过反射型偏光板100，透过辅助检光元件90，返回光源1。因此光没有到达屏幕上，形成黑色图像显示。
一般对比度是根据表示显示白色图像时的照度是显示黑色图像时的照度的多少倍的对比度比值来评价的，对比度比值越大表示图像质量越高。如果反射型偏光板100和反射型液晶板110的性能理想，对比度比值可以无限大，但是实际上反射型偏光板100和反射型液晶板110在显示黑色图像时发生漏光，导致对比度下降。
下面，针对显示黑色图像时的漏光说明本实施方式中减少的方法。
首先对反射型偏光板100进行说明。通常的偏光板(偏光膜)是通过整列的二向色性分子(dichroic molecules)发挥作用的，透过与分子排列方向垂直的偏振光，吸收与分子排列方向平行的偏振光。反射型偏光板通过只具有特定方向的光栅作用发挥偏光板的作用，反射与光栅方向平行的偏振光，透过与光栅方向垂直的偏振光。因此，对于透过来说，两个偏光板在基本偏振光特性方面没有差别。例如，无论对于包括偏光板的透过轴与偏光板的法线的面内的还是对于包括偏光板的吸收轴或者反射轴和偏光板的法线的面内的光线，对比度大致相同等的特性是两个偏光板的共同特性。
而且，一般反射型偏光板设置成反射轴与相对于光轴光线的S偏振光方向平行，反射光轴光线的S偏振光，透过P偏振光，这样使用时透过光和反射光的偏振度也增加。因此，本结构中这样设置。
而且在使用PBS棱镜结构的情况下，PBS棱镜产生的漏光含有与偏光板的透光轴方向相同的偏振光成分，因此即使在投影透镜与反射型液晶板之间等设置偏光膜(检光元件)也不能完全防止漏光，对于这一问题，在使用反射型偏光板110的情况下的漏光多数情况是由于反射型偏光板110的对比度不足的原因，在这种情况下通过使用辅助偏光元件90和辅助检光元件120能够防止大部分漏光，因此可以提高对比度。
例如，对于入射到反射型液晶板的光束在F2.5情况下，仅光学单元的对比度(把反射型液晶板置换为反射镜进行测定)，在使用PBS棱镜情况下为500至2000，相对于此，在使用反射型偏光板的情况下为5000至15000。
而且，在本结构中，在反射型偏光板100的反射面位于反射型液晶板110一侧，通过反射型液晶板110反射的光不透过作为反射型偏光板100的基板的透明平行平板。因此由于不产生像散，图像分辨率不下降。
下面具体说明由于反射型偏光板100的性能导致的漏光。
如果反射型偏光板100的偏光分离性能充分，即理想情况下是与光栅方向平行的偏振光完全被反射，与光栅方向垂直的偏振光完全透过，但是实际上不是这样。因此，在图1中，即使配置反射型偏光板100作为从来白光源1的非偏振光中取出与反射轴正交的偏振光成分的偏光元件，由于还透过一些与反射轴平行的偏振光成分，因此与反射轴平行的偏振光成分也入射在反射型液晶板110上。在用反射型液晶板110显示黑色图像时，由于这些平行于反射轴的偏振光成分偏振方向不变化地进行反射，通过在反射型偏光板100反射，透过投影透镜15，到达屏幕(图中未示出)成为漏光。其中，为了抑制该漏光，把辅助偏光元件90设置在光源1和反射型偏光板100之间，使它的反射轴或者吸收轴平行于反射型偏光板100的反射轴，平行于反射型偏光板100的反射轴的偏振光成分被衰减。通过使用辅助偏光元件90使入射到反射型液晶板110上的光通过两个偏光元件，因此变成只有大致垂直于反射轴的偏振光成分，可以减少在反射型液晶板110反射后由反射型偏光板100沿投影透镜15方向被反射的漏光。
可是，即使设置辅助偏光元件90，使入射到反射型液晶板110的光变成大致只有垂直于反射轴的偏振光成分，在来自反射型液晶板110的反射光透过反射型偏光板100时，一些与反射轴垂直的偏振光成分被反射。这些光透过投影透镜15，到达屏幕(图中未示出)成为漏光。为了抑制该漏光，把辅助检光元件120设置在反射型偏光板100和投影透镜15之间，使它的吸收轴垂直于反射型偏光板100的反射轴。通过使用辅助检光元件120，来自反射型液晶板110的反射光透过反射型偏光板100时被反射的垂直于反射轴的一些偏振光成分不能透过辅助检光元件120，能够减少漏光。
上述是反射型偏光板100不理想的情况，如果能够实现理想性能，就不需要辅助偏光元件90和辅助检光元件120。在现行的一般反射型偏光板中，与光栅方向垂直的偏振光入射情况的(反射光量(漏光的主要原因)/透光量)比较，与光栅方向平行的偏振光入射情况的(透光量(漏光的主要原因)/反射光量)少。因此，使用现行的反射型偏光板100，在来自反射型液晶板110的图像光被反射型偏光板100反射入射到投影透镜15的结构情况下，可不需要辅助偏光元件90，相反，使用现行的反射型偏光板100，在来自反射型液晶板110的图像光透过反射型偏光板100入射到投影透镜15的结构情况下，可不需要辅助检光元件120。
下面，具体说明由于反射型液晶板110的性能引起的漏光。
虽然理想地是在显示黑色图像时反射型液晶板110在保持入射光的偏振状态的同时进行反射，但是实际上入射光的偏振方向多少有些偏离地进行反射，因此产生一些由反射型偏光板100反射的偏振光成分，因该成分透过辅助检光元件120而成为漏光。
为了防止该漏光，也可以使反射型液晶板110不偏转入射光的偏振方向进行反射。发现反射型液晶板110根据入射光的偏振方向而基本上不改变反射光的偏振方向。该偏振方向与反射型偏光板100的反射轴的垂直方向成几度角。一般由于反射型偏光板100在它的反射轴与包括反射型偏光板100的法线和光轴的主入射面(为了与通常的光入射的面相区别，称为主入射面)的法线平行的角度情况下偏光分离性能最强，通常配置在该角度，透过反射型偏光板100的光成为与反射型偏光板100的反射轴垂直的偏振方向，该偏振方向与由反射型液晶板100不改变入射光的偏振方向地反射的入射光的偏振方向有偏差。
因此，为了减少由于反射型液晶板110的性能引起的漏光，在显示黑色图像时，入射到反射型液晶板110的光的偏振方向是该反射型液晶板110不偏离偏振方向地进行反射的偏振方向即可。为了实现这一点，可以使反射型偏光板100的反射轴在反射型液晶板110不偏离偏振方向地反射的偏振方向上在反射型偏光板100的作用面上旋转。
可是，反射型液晶板110不改变入射光的偏振方向地进行反射的偏振方向根据反射型液晶板110的种类而不同，而且即使是相同种类的反射型液晶板每个液晶板之间也存在差异。因此，最好是具有能够根据各个反射型液晶板110的差异调整反射型偏光板100的反射轴的旋转角度的结构。
可是，虽然如果如上所述使反射型偏光板100的反射轴按照从包括反射型偏光板100的法线和光轴的主入射面的法线偏离的方式在反射型偏光板100的作用面内旋转，偏振分离性能下降，但是由于旋转角度量小，偏振分离性能的下降是很小的，可以忽略它的影响。
而且，使辅助偏光元件90的吸收轴或者反射轴以及辅助检光元件120的吸收轴根据反射型偏光板100的反射轴方向旋转更好。辅助偏光元件90，按照它的反射轴或者吸收轴与反射型偏光板100的反射轴从辅助偏光元件90一侧看接近平行的方式在辅助偏光元件90的作用面内旋转，而且具有对应于反射型液晶板110的差异的调整机构。辅助检光元件120，按照它的吸收轴与反射型偏光板100的透光轴(与反射型偏光板的作用面内的反射轴垂直的轴)从辅助检光元件120一侧看接近平行的方式在辅助检光元件120的作用面内旋转，而且具有对应于反射型液晶板110的差异的调整机构。而且，如同本实施方式一样，对于使辅助偏光元件90和反射型偏光板100以及辅助检光元件120，通过使它们的吸收轴和反射轴根据反射型液晶板110的种类预先旋转，能够减少调整机构的调整范围量和调整量，即使在对于差异小的反射型液晶板110不进行轴角度调整的情况下也能够一定程度上提高对比度。
对于某种类型的反射型液晶板110，在表1中示出反射型液晶板110显示黑色图像时如下的数据以反射型液晶板110的图像显示领域的长边为基准测定反射型液晶板110不改变入射光的偏振方向地反射的入射光的偏振方向的角度(称为板偏光轴角度)的结果、以及在按照该角度的偏振光入射的方式而使反射型偏光板100的反射轴旋转情况下该反射轴与辅助偏光元件90的吸收轴或者反射轴的角度差的计算结果、以及为了使与辅助检光元件120的透光轴的角度差最小使该辅助偏光元件的吸收轴或者反射轴以及辅助检光元件的吸收轴在作用面内旋转的角度的计算结果(称为偏光元件对应轴角度、检光元件对应轴角度)。
表1

从表1中可以看出，板偏光轴角度大约在6°以内，偏光元件对应轴角度大约在4°以内，检光元件对应轴角度大约在8°以内。分别在所述范围内旋转，反射型液晶板110显示黑色图像时能够使入射光的偏振方向不改变地反射。
而且，在该实施方式中辅助检光元件120使用吸收型偏光板，通过使用吸收型偏光板防止产生坏像，能够提高对比度。下面说明原理。
对于显示白色图像的像素，偏振光旋转大约90度的光被反射型偏光板100反射，入射到辅助检光元件120。在辅助检光元件120使用反射型偏光板的情况下，辅助检光元件120如上所述也反射少量与应完全透过的光栅方向垂直的偏振光。因此，一部分光被辅助检光元件120反射，被反射型偏光板100反射后再次入射到反射型液晶板110。该光线在不平行于光轴的情况下再次入射到反射型液晶板110上的位置与初次入射的位置不同，再次入射位置的像素在是显示黑色图像的像素情况下大致维持偏振光方向进行反射。因此该光线被反射型偏光板100反射，透过辅助检光元件120，通过投影透镜15到达屏幕(图中未示出)。如上所述在辅助检光元件120使用反射型偏光板的情况下，本来不应显示图像的像素表示模糊图像产生坏像。因此黑白对比度(ANSI对比度)下降。为了防止发生这种情况，本实施方式中辅助检光元件120使用吸收型偏光板。通过这种结构辅助检光元件120不反射入射光，因此能够防止发生坏像和对比度下降。
而且，即使在整个画面都显示黑色图像的情况下，通过辅助检光元件120使用吸收型偏光板，能够减少如下所述的漏光提高对比度。这是因为在辅助检光元件120使用反射型偏光板的情况下，由于反射型液晶板110使偏振方向混乱等情况下，来自反射型液晶板110的反射光中与反射型偏光板100的反射轴平行的偏振光成分被反射，透过辅助检光元件120，该光中的一部分被设置在后面的光学部件(这里是投影透镜15)反射返回辅助检光元件120。特别是投影透镜15由多个透镜构成，透过率达到85％以上，将近15％的光被投影透镜15反射。虽然大部分返回光的偏振方向在透过辅助检光元件120的方向，但是由于辅助检光元件120是反射型，一部分光被反射，透过投影透镜15成为漏光。而且，来自投影透镜15的返回光被不垂直于光轴的透镜表面反射，被这样的面反射的光的偏振方向偏离，所以产生平行于反射型辅助检光元件120的反射轴的偏振光成分，该偏振光被辅助检光元件120反射透过投影透镜15成为漏光。为了防止该漏光，在本实施方式中辅助检光元件120使用吸收型偏光板。通过这样的结构，由于辅助检光元件120不反射入射光，能够防止对比度下降。
而且，在本实施方式中，通过把反射型偏光板100配置在光路上位于反射型液晶板110的正前方或正后方的结构，提高对比度。在透镜或者棱镜等光学部件配置在反射型偏光板100和反射型液晶板110之间的情况下由于如下理由能够降低对比度。在配置透镜情况下，由于光轴光线以外的光线透过透镜时发生光线折射，入射光的偏振方向与主入射面不平行或者垂直的角度入射的光线的偏振方向偏转，产生与反射型偏光板100的反射轴平行的偏振光成分成为漏光。在配置棱镜情况下，由于棱镜玻璃等的残留应力或者热应力等而存在双折射，光透过时偏振方向混乱，产生与反射型偏光板100的反射轴平行的偏振光成分成为漏光。
而且，即使在与透过型液晶板相同的反射型液晶板中考虑使用负延时器(negative retardation film)等适当的视场角补偿元件，对于倾斜入射光提高反射型液晶板的对比度，考虑把该视场角补偿元件配置在反射型液晶板的稍稍前方或者组合在反射型液晶板内的可能性。考虑该视场角补偿元件是补偿反射型液晶板的元件，是反射型液晶板的一个部件，这里作为光学部件不包括它。
图2示出本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的另一个实施方式。图2中1是光源，2是反射型液晶投影仪用光学单元的光轴，3是带具有积分功能的、具有偏振光变换作用的棒透镜。作为棒透镜3中具有的图中未示出的偏振光变换元件的例子例如是棒透镜的入射面中央部分是圆形透明部分，其外部区域是全反射镜，射出面自光源一侧由1/4波长板与反射型偏光板积层形成。4是将棒透镜3的射出口的像照射在反射型液晶板111、112、113上的成像透镜。5是白色反射镜，6是B透过RG反射的分色镜，7是R透过G反射的分色镜，8是B反射的分色镜，91、92、93分别是R用辅助偏光元件、G用辅助偏光元件、B用辅助偏光元件，101、102、103分别是R用反射型偏光板、G用反射型偏光板、B用反射型偏光板，剖面线部分是作用面一侧。111、112、113分别是R用反射型液晶板、G用反射型液晶板、B用反射型液晶板，121、122、123分别是R用辅助检光元件、G用辅助检光元件、B用辅助检光元件，132是G用1/2波长板，14是交叉双色棱镜(cross dichroic prism)，15是投影透镜。其中辅助偏光元件91、92、93和辅助检光元件121、122、123是配置或形成在透明的平行平板的基板上。而且，R表示红色光，G表示绿色光，B表示蓝色光。
下面，利用图2描述本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的显示白色图像的动作。而且，辅助偏光元件91、92、93、反射型偏光板101、102、103、反射型液晶板111、112、113和辅助检光元件121、122、123的作用与图1所示的辅助偏光元件90、反射型偏光板100、反射型液晶板110和辅助检光元件120的作用相同，省略它们的详细说明。
在图2中，光源1发出的光通过棒透镜3。此时由于棒透镜3具有偏振光变换作用，射出光的偏振方向整齐地变成P偏振光。棒透镜3射出的光在白色反射镜5处光线方向转折90度，入射到B透过RG反射的分色镜6，B光透过，RG光反射。反射的RG光通过R透过G反射的分色镜7的作用，R光透过，G光反射。透过的R光透过R用辅助偏光元件91入射到R用反射型液晶板111。R透过G反射的分色镜7反射的G光透过G用辅助偏光元件92入射到G用反射型液晶板112。B透过RG反射的分色镜6透射的B光通过反射镜8的作用光线方向转折90度，透过B用辅助偏光元件93，透过B用反射型偏光板103，入射到B用反射型液晶板113。这样，R、G、B色光被分离。在被R用反射型液晶板111、G用反射型液晶板112、B用反射型液晶板113反射时偏振方向旋转90度变成S偏振光，分别被R用反射型偏光板101、G用反射型偏光板102、B用反射型偏光板103反射的光线方向转折90度，分别通过R用辅助检光元件121、G用辅助检光元件122、B用辅助检光元件123，通过G用1/2波长板别132，变成P偏振光，R、G、B也入射到交叉双色棱镜14。R、G、B被交叉双色棱镜14合成白色，被投影透镜15扩大投影到屏幕(图中未示出)上。
如上所述，虽然辅助偏光元件91、92、93设置在反射型偏光板101、102、103的前面，但是如果反射型偏光板101、102、103的性能好，漏光影响小，也可以没有辅助检光元件。
如上所述，虽然积分器使用棒透镜3，但是并不限于此，可以使用光导管或者多透镜等。而且，如上所述光路中是先把来自光源的白光分离成RG光和B光，然后把RG光分离成R光和G光，但是也可以先分离成R光和GB光，然后把GB光分离成G光和B光。
在本实施方式中光源1使用超高压水银灯、金属卤化物灯、氙灯、水银氙灯、卤灯等白色灯，这些灯中含有影响R、G、B色的波长成分，入射到分色镜的光线由于不是远心，由于光线的入射位置透过或者反射的波长不同产生色斑。为了防止发生这种情况，可以通过在辅助偏光元件的基板上施加二色涂层，去掉不必要的波长成分。
本实施方式中反射型偏光板101、102、103的作用面在反射型液晶板111、112、113一侧，被反射型液晶板111、112、113反射的光不透过作为反射型偏光板101、102、103的基板的透明平行平板。因此由于不产生像散，不发生清晰度下降。
而且，在该结构中由于棱镜只使用交叉双色棱镜14，能够实现与透过型液晶投影仪用的光学单元相同重量。
而且，在色光分离光学系统使用色轮的情况下，由于利用色轮的颜色显示是通过将1个反射型液晶板分时分别高速显示R、G、B进行白色图像显示，构成为显示其中一种颜色时其他两种颜色不作为成像光而被投射。与此相反，本结构中显示白色图像时通常三种颜色都投射，光利用率提高，且更加明亮。
本实施方式中使用的棒透镜3中所具有的图中未示出的偏振光变换元件、辅助偏光元件91、92、93、反射型偏光板101、102、103、辅助检光元件121、122、123的对比度和透过率之间存在折衷关系。即，如果提高对比度透过率下降，如果提高透过率对比度恶化。因此如果从投影型图像显示装置的性能看它们，意味着对比度和亮度之间存在折衷关系。
在本实施方式中，光学部件使用棒透镜3中所具有的图中未示出的偏振光变换元件、辅助偏光元件91、92、93、反射型偏光板101、102、103、辅助检光元件121、122、123多个光学部件。通过下述法则组合上述光学部件的性能，能够确保投影型图像显示装置的高效率和高对比度。
光学系统的对比度用下面的式子求出1/光学系统的对比度＝1/板入射侧的光学系统对比度+1/板射出侧的光学系统对比度通过分析可以看出，只有板入射侧的光学系统对比度高，或者只有射出方的对比度高，不能有效地提高光学系统的对比度。只有入射方和射出方的对比度平衡，才是提高亮度和对比度的最佳方法。
光学系统的对比度是通过各个部件的对比度乘积求得的。即，如果棒透镜3中所具有的图中未示出的偏振光变换元件的对比度是A，辅助偏光元件91、92、93的对比度为B，辅助检光元件121、122、123的对比度为E，反射型偏光板101、102、103的透过对比度为C，反射型偏光板101、102、103的反射对比度为D，如本实施方式所示来自反射型液晶板111、112、113的反射光被反射型偏光板101、102、103反射后入射到投影透镜15的结构中，入射侧的光学系统对比度用A*B*C求出，射出侧的光学系统对比度用D*E求出。或者在如后面说明的图8所示的结构中，即来自反射型液晶板111、112、113的反射光透过反射型偏光板101、102、103后入射到投影透镜15的结构中，入射侧的光学系统对比度用A*B*D求出，射出侧的光学系统对比度用C*E求出。因此，为了两者更好地平衡，在本实施方式中，使用满足A*B*C＝(0.5～5)*D*E的各个参数值，在来自反射型液晶板111、112、113的反射光透过反射型偏光板101、102、103后入射到投影透镜15的结构中，使用满足A*B*D＝(0.5～5)*C*E的各个参数值的棒透镜3中所具有的图中未示出的偏振光变换元件、辅助偏光元件91、92、93，辅助检光元件121、122、123、反射型偏光板101、102、103就可以了。在不使用棒透镜3中所具有的图中未示出的偏振光变换元件，或者辅助偏光元件91、92、93，或者辅助检光元件121、122、123的情况下，作为对比度将1代入上述式，满足上述式子也可以。
图3(a)示出偏振光变换元件的对比度测定方法。在图3(a)中，光从测定用光源50射出。通过在光源50后方设置开口入射到测定物的光的宽度大约为F20，偏振状态是非偏振光(随机偏振状态)。然后在光源50一侧进一步设置棒透镜3中所具有的偏振光变换元件25、测定用偏光板51(最好是尽量提高偏振度)、测定用光接收部52。从光源50发出的光透过棒透镜3中所具有的偏振光变换元件25、测定用偏光板51，入射到测定用光接收部52，这样测定透过光的亮度。而且，通过测定没有配置测定物(棒透镜3中所具有的偏振光变换元件25)的所谓参考测定状态下的亮度，能够计算出测定物的透过率。偏振光变换元件3(25)的透过率通过下面的式子求出(偏振光变换元件25的透过率)＝(配置测定物时的亮度测定值)/(参考测定时的亮度测定值)/2该式子中用2除的理由是理想偏振光变换元件25将入射光完全变换为偏振光，亮度是参考测定时的2倍。
为了计算对比度比值，在下面的两个模式中必须进行测定和计算透过率。一个模式作为测定物的偏振光变换元件中的PBS膜或者反射型偏光板的反射轴平行于测定用偏光元件的吸收轴(或者反射轴)的模式，另一个是作为测定物的偏振光变换元件中的PBS膜或者反射型偏光板的反射轴垂直于测定用偏光元件的吸收轴(或者反射轴)的模式(下面分别称为平行模式和垂直模式)。对比度比值用下面的式子求出(对比度比值)＝(平行模式的透过率)/(垂直模式的透过率)测定透过率后的光谱分布与光谱光效(spectralluminous efficacy)相乘求出亮度。即，如果透过率是T(λ)，光谱光效为A(λ)，理论上亮度值是在所使用波长范围内对T(λ)*A(λ)积分求出，即∫T(λ)*A(λ)dλ。在反射情况下，用反射率R(λ)代替透过率T(λ)就可以了。
图3(b)示出使用辅助偏光元件和辅助检光元件的偏光板的对比度的测定方法。在图3(b)中，测定用光源50、测定用偏光板51、测定用光接收部52表示与上述相同的部件。各个部件按照光源、测定用偏光板、测定物(偏光板)、测定用光接收部顺序设置，进行与上述相同的亮度测定。而且，参考测定也与上述相同在没有配置测定物的情况下进行。只是，透过率变成如下式子(偏光板以及PBS棱镜的透过率)＝(配置测定物时的亮度测定值)/(参考测定时的亮度测定值)对比度比值与上述相同进行下面两个模式的测定并算出。一个模式为作为测定物的吸收型偏光板的吸收轴或者反射型偏光板的反射轴平行于测定用偏光板的吸收轴的模式，另一个是作为测定物的吸收型偏光板的吸收轴或者反射型偏光板的反射轴垂直于测定用偏光元件的吸收轴(或者反射轴)的模式(下面分别称为平行模式和垂直模式)。对比度比比值与上述相同用下面的式子求出(对比度比值)＝(平行模式的透过率)/(垂直模式的透过率)图3(c)示出使用反射型偏光板作为偏光元件和检光元件的情况下的对比度的测定方法。在图3(c)中，测定用光源50、测定用偏光板51、测定用光接收部52表示与上述相同的部件。各个部件按照光源、测定用偏光板、测定物(反射型偏光板)、测定用光接收部的顺序配置，与上述相同测定亮度。只是，作为测定物的反射型偏光板配置成其法线相对光轴倾斜45°角。而且，参考测定也与上述相同在没有配置测定物的情况下进行。在使用反射型偏光板作为偏光元件和检光元件的情况下，测定透过反射型偏光板的光的透过率和测定反射型偏光板反射的光的反射率两者影响对比度和亮度。透过率和反射率与上述相同，变成如下式子(反射型偏光板的透过率)＝(配置测定物时的透射光的亮度测定值)/(参考测定时的亮度测定值)(反射型偏光板的反射率)＝(配置测定物时的反射光亮度测定值)/(参考测定时的亮度测定值)反射型偏光板具有透过对比度比值与反射对比度比值，为了求出二者，必须求出反射型偏光板的反射轴与测定用偏光板的反射轴(吸收轴)平行情况下和垂直情况下两种模式(下面分别称为平行模式和垂直模式)各自的透过率和反射率。这样测量4次。透射对比度比值与反射对比度比值分别用下面的式子求出(反射型偏光板的透过对比度比值)＝(平行模式的透过率)/(垂直模式的透过率)(反射型偏光板的反射对比度比值)＝(垂直模式的反射率)/(平行模式的反射率)其中，一般反射型偏光板的对比度比值是透过对比度比值一方比反射对比度比值高。因此，如同本实施方式一样，在来自反射型液晶板111、112、113的反射光在反射型偏光板101、102、103反射后入射到投影透镜15的结构中，如果根据上述关系的辅助检光元件121、122、123的对比度比值比棒透镜3中所具有的偏振光变换元件25的对比度比值与辅助偏光元件91、92、93的对比度比值的乘积高，即如果A*B＜D，就能够实现高效率高对比度。或者如图8所示的结构，在来自反射型液晶板111、112、113的反射光透过反射型偏光板101、102、103后入射到投影透镜15的结构中，如果根据上述关系棒透镜3中所具有的偏振光变换元件25的对比度比值与辅助偏光元件91、92、93的对比度比值的乘积比辅助检光元件121、122、123的对比度比值高，即如果A*B＞D，可实现高效率高对比度。
图4示出本发明的反射型液晶板投影仪用光学单元的另一个实施方式。而且，在示出包括图4在内的下面各个实施方式的图中，与前面图中具有相同功能的部件使用相同符号表示，省略它们的说明。而且，在包括图4中的实施方式在内的下面各个实施方式中的基本动作与图2的实施方式相同时，省略重复说明，只说明不同的动作。
图4中，与上述实施方式相同，辅助偏光元件91、92、93和辅助检光元件121、122、123配置或形成在透明的平行平板的基板上，在与辅助偏光元件91、92、93和辅助检光元件121、122、123相对的位置上，配置成像透镜4或者交叉双色棱镜14等透明部件且在部件间设置空隙(空间)。通过这样的结构，能够利用上述空间作为冷却辅助偏光元件91、92、93和辅助检光元件121、122、123的风路，能够有效地进行冷却，冷却扇能够低速旋转，由于能够降低冷却扇的翅片(图中未示出)产生的风声，因此可以降低噪声。特别是在辅助偏光元件91、92、93和辅助检光元件121、122、123是吸收型偏光板的情况下，因偏光板吸收的光大部分变换成热而有效。该风路的距离在光轴上1mm至4mm是适当的，太长或者太短冷却风不能有效通过，太长时光学单元变得过大。而且，本实施方式中虽然作为透明部件配置成像透镜4或者交叉双色棱镜14等光学部件，但是在设计上不必要配置光学部件的情况下也可以配置透明的平行平板等。
在图4所示的实施方式中，确保上述辅助偏光元件91、92、93的风路而配置的各个成像透镜4上贴合有各个光路色光用的1/2波长板131’、132’、133’。通过这样的结构，能够在1/2波长板前后使偏振光方向旋转90度，例如在如下情况有效。一般反射镜(反射镜或者分色镜等)在S偏振光反射时是效率最高，因此在本实施方式中，棒透镜3中所具有的偏振光变换元件(图中未示出)射出S偏振光，白光反射镜5和B光反射镜8反射S偏振光，反射型偏光板101、102、103前面的1/2波长板131’、132’、133’将之变成P偏振光，则能够有效利用光。本结构是G光被白光反射镜5、B透过RG反射分色镜6、R透过G反射分色镜7全部反射的结构，例如在重视亮度性能的光学单元情况下，由于能够最有效地利用G光，因此是最合适的。特别适合于要求亮度的前面投影型图像显示装置用的光学单元。而且，如同本结构一样，通过从分离各色光开始配置1/2波长板131’、132’、133’，能够使用各色光用的1/2波长板131’、132’、133’，因此效率高。而且，由于能够面向风路配置1/2波长板131’、132’、133’，在1/2波长板由有机膜等作成必须冷却情况下能够有效进行冷却，因此效率高。
本实施方式中，G光路的交叉双色棱镜14的入射面上贴合1/2波长板132。一般P偏振光比S偏振光更容易透过分色镜，对于交叉双色棱镜14也是同样。因此，通过本结构这样设置，能够使透过交叉双色棱镜14的G光变成P偏振光，因此能够提高效率。而且，1/2波长板132面向风路，能够有效冷却，与上述相同。
图5示出本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图5中R用反射型偏光板101、B用反射型偏光板103、R用反射型液晶板111、B用反射型液晶板113倾斜配置。通过这样倾斜配置，在最小尺寸配置情况下投影透镜15与R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113之间的间隔变窄，能够避免发生干涉。而且，对R用辅助检光元件121和B辅助检光元件123后面的部件的光轴光线的入射角能够变成0°。利用图6和图7详细说明。图6和图7分别示出图2和图5的交叉双色棱镜14和B用反射型液晶板113附近的放大图。在图6和图7中，16是入射到反射型液晶板113的入射光束，17是从反射型液晶板113射出的光束，18是反射型液晶板113的旋转中心点，19是投影透镜15的背焦距(投影透镜15的最靠近交叉双色棱镜14的透镜到反射型液晶板的距离)与光轴一致。20是投影透镜15与反射型液晶板113之间的最短物理距离。图7中B用反射型液晶板113相对于图6的相同部件的配置而保持到旋转中心点18的距离，而且配置成以旋转中心点18为中心倾斜5度。通过如图7所示方式的配置，从投影透镜15到B用反射型液晶板113之间的光学距离即背焦距19不变长，能够使投影透镜15与反射型液晶板113之间的最短物理距离20变长。因此，在图7所示的结构中，在以最小尺寸配置光学系统的情况下，由于能够使投影透镜15与B用反射型液晶板113之间的最短距离20的间隔变大，能够避免保持这些部件的结构部件干涉，能够把以最小尺寸配置光学系统。
而且，图7中的B用反射型偏光板103与B用反射型液晶板113的倾斜方向相同，也倾斜5度.这样通过使同一光路上反射型偏光板与反射型液晶板配置成在相同方向上倾斜相同角度，能够到B用反射型偏光板103后面的部件的光轴光线的入射角变为0度。即，通过B用辅助偏光元件93的光线入射到反射型偏光板103时的光轴光线的入射角在图6的配置中是45度，相对于此，在图7的配置中是40度，然后在入射到B用反射型液晶板113时的入射角在图6的配置中是0度，与此相对在图7的配置中是5度，在被B用反射型液晶板113反射后的再次入射到B用反射型偏光板103时的入射角在图6的配置中是45度，与此相对在图7的配置中是50度，B用反射型偏光板103反射后的光线方向转折后入射到B用辅助检光元件123的入射角在图6的配置和图7的配置中都是0度。通常，在交叉双色棱镜14和投影透镜15在光轴光线垂直入射情况下色合成性能和成像性能好，因此在图7配置中的光学性能与图6中配置中相同。图7中的结构中反射型偏光板103和反射型液晶板113倾斜的角度以旋转中心18为中心在3度至15度范围内是适当的。在该角度过小情况下效果小，在该角度过大情况下反射型偏光板和反射型液晶板的性能不容易发挥。而且在图7中虽然用B光路进行说明，可以明白对于R光路也是相同的。
图8示出本发明的反射型液晶投影仪用的光学单元的另一个实施方式。
在图8中，反射型液晶板111、112、113与图2中的情况不同，设置成分别平行于交叉双色棱镜14的三个入射面。因此，构成来自光源1的光被反射型偏光板101、102、103反射后入射到反射型液晶板111、112、113。因此，反射型偏光板101、102、103的剖面线部分所示的作用面形成在辅助偏光元件91、92、93侧的入射光一侧。
在图8中，211、212、213分别是R用像散补偿元件、G用像散补偿元件、B用像散补偿元件，圆柱透镜或者透明平行平板发挥作用(透明平行平板配置成平行于反射型偏光板的主入射面而且以垂直于光轴的轴为旋转轴进行旋转)。
下面说明本结构的动作。在本实施方式中，从具有偏振光变换作用的棒透镜3射出S偏振光，然后除了偏振光是S偏振光之外，在R、G、B分别透过R用辅助偏光元件91、G用辅助偏光元件92、B用辅助偏光元件93之前与图2中的结构相同。然后，在由S偏振光入射来的光分别被R用反射型偏光板101、G用反射型偏光板102、B用反射型偏光板103反射而光线方向转折90度，入射到R用反射型液晶板111、G用反射型液晶板112、B用反射型液晶板113。R、G、B分别被反射型液晶板111、112、113反射后变成P偏振光，分别透过R用反射型偏光板101、G用反射型偏光板102、B用反射型偏光板103和R用辅助检光元件121、G用辅助检光元件122、B用辅助检光元件123。在这种结构情况下，在透过反射型偏光板111、112、113时，透过基板的平行平板。因此产生像散，这样降低投影图像的分辨率。因此，在本结构中为了补偿该像散，防止分辨率降低，在辅助检光元件121、122、123的后面配置有R用像散补偿元件211、G用像散补偿元件212、B用像散补偿元件213，补偿像散。在透过该像散补偿元件之后，R和B通过R用1/2波长板131和B用1/2波长板133变成S偏振光，G光保持为P偏振光，入射到交叉双色棱镜14，通过投影透镜15投射到屏幕上(图中未示出)。
而且，在本实施方式中，虽然像散补偿元件配置在辅助检光元件121、122、123与交叉双色棱镜14之间，但是并不限于此，也可以配置在反射型偏光板101、102、103与交叉双色棱镜14之间。
而且，通过这样的结构，由于能够把反射型液晶板111、112、113配置在离开投影透镜15的位置上，因此能够避免投影透镜15与保持R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113的部件的结构部件等的干涉。可是，由于配置像散补偿元件211、212、213光学单元尺寸变大。
图9示出本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图9中，221、222、223分别是R用反射型偏光棱镜、G用反射型偏光棱镜、B用反射型偏光棱镜，具有内部剖面线部分所示的反射型偏光面。132’是1/2波长板。
本结构中的R、B的动作从光源1开始到辅助检光元件121、123之前，只是反射型偏光板变化为反射型偏光棱镜，其他与图8中的结构相同，而且G是反射型偏光板变为反射型偏光棱镜，在G用反射型偏光棱镜222的前面设置有把G光的偏振方向由S偏振光变换为P偏振光的G用1/2波长板132’，在交叉双色棱镜14的前面设置有G用1/2波长板132，其他与图8结构的动作相同，因此省略重复说明，只说明不同功能。
透过辅助检光元件121、122的R光、B光在分别透过R用1/2波长板131、B用1/2波长板133时变成S偏振光，入射到交叉双色棱镜14。G光路中在G用反射型偏光棱镜222的前面设置有G用1/2波长板132’，其中，变成P偏振光透过G用反射型偏光棱镜222，入射到G用反射型液晶板112。在G用反射型液晶板112反射的光变成S偏振光，透过G用辅助检光元件122后，通过G用1/2波长板132变成P偏振光，入射到交叉双色棱镜14。虽然关于G光即使构成是与R、B光同样的、在G用反射型液晶板112处反射的光透过G用反射型偏光棱镜的结构也可以，例如，在由于中继光路用的部件与G用反射型液晶板112的保持部件等互相影响等而不能配置G用反射型液晶板112的情况下，如同本结构一样，构成G用反射型液晶板112反射的光在G用反射型偏光棱镜内的作用面反射的结构也可以。
其中，因为在反射型偏光棱镜221、222、223处入射出射的光线只透过垂直面，不产生像散，因此不需要图8中所示结构中所使用的像散补偿元件。而且，由于R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113能够设置在离开投影透镜15的位置上，因此能够避免投影透镜15与保持R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113的部件的结构部件等互相影响。
图10示出本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的另一个实施方式。在图10中，24是两个透镜组(各个透镜组是由呈阵列方式排列的透镜单元构成的)构成的积分器，25是PBS阵列和1/2波长板构成的偏振光变换元件，26是把构成积分器24的光源一侧的透镜组的各个透镜单元(图中未示出)的形状(与反射型液晶板相似的矩形形状)投影在反射型液晶板111、112、113上的透镜。
下面，利用图10，说明本发明的反射型液晶投影仪用光学单元显示白色图像时的动作。在图10中，光源1发出的光透过两个透镜组24、透过偏振光变换元件25，在白色反射镜5处光线方向转折大约120度，通过B透过RG反射分色镜6，R、G光的反射光线方向转折大约60度，B光透过。R、G通过G反射R透过分色镜7，G光的反射光线方向转折大约90度，R光透过。B光通过B反射镜8光线方向转折大约60度。因此，R、G、B分别入射到R用辅助偏光元件91、G用辅助偏光元件92、B辅助偏光元件93。后面与图2所示实施方式的动作相同，因此省略说明。
下面说明本实施方式的内容。通过光源1附近的B透过RG反射分色镜6透过的B光光路相对于其他的R、G光路，从B透过RG反射的分色镜6到反射型液晶板113之间的光学距离长，称为中继系统光路。与R、G光路中由积分器24和透镜26形成的积分器24的各个透镜单元的矩形像直接成像在反射型图像显示元件111、112上相反，中继系统光路上由于光学距离长，积分器24的各个透镜单元的矩形像在光路中一次成像(31的位置)，该像再次被成像在反射型液晶板113上。因此中继系统中上述用于再次成像的透镜26至少是一个以上。在反射型液晶板113上形成的矩形像由于是再次成像，与R、G光路的反射型液晶板111、112上的矩形像比较成像性能不好，矩形像的周边容易模糊。矩形像模糊处与不模糊处比较平均单位面积内的光量少，因此在反射型液晶板113的有效领域内存在该矩形像模糊的情况下，显示白色图像时的周边照度比(周边部分相对于图像的中央部分等的照度比)下降。而且，在R、G光路的反射型液晶板111、112的有效领域内没有矩形像模糊而中继光路的反射型液晶板113的有效领域内存在矩形像模糊的情况下，中央部分等各个色光的照度平衡与周边部分各个色光的照度平衡不同，因此在显示白色图像时中央部分等的颜色与周边部分不同，产生色斑。为了防止发生这种情况，相对于R、G光路中的矩形像的成像倍率，中继系统的矩形像成像倍率高，在反射型液晶板113上形成大的矩形像，使矩形像内侧没有模糊的领域照射在反射型液晶板113的有效领域内也可以。可是，在这种情况下由于没有利用周边部分有模糊的部分的光，光利用率下降。为了防止这种情况，再次成像用的透镜26使用两个以上，提高再次成像时的成像性能即可。其中，虽然再次成像透镜26中尽可能多地使用非球面形状也是有效的，但是由于非球面透镜成本高，因此必须与成本平衡。
而且，为了使光照射时，入射到反射型液晶板的光的角度范围最窄，而且反射型液晶板上的积分器的矩形像的模糊尽量少，不仅与上述透镜26的数量和透镜种类有关，而且与光学距离有关。从中继光路中的积分器的矩形像(31位置)到光路上最靠近反射型液晶板113的透镜26之间的光学距离尽可能长是有效的，期望是从光路上最靠近反射型液晶板113的透镜26到反射型液晶板113之间的光学距离的两倍以上是最好的。为了实现这一点，在图10中的结构中，分离中继光路的B光的B透过RG反射的分色镜6和中继光路的光路上最靠近光源1一侧的透镜26尽可能设置在光源1一侧，该透镜26的曲率半径减小到使成像性能不降低的程度，中继光路中的积分器的矩形像尽可能成像在光路上的光源1一侧。
而且，在图10中，两个分色镜6、7中在光路上靠近光源1一方的B透过RG反射分色镜6配置成光轴光线的入射角大约为30度，配置在该B光透过RG反射分色镜6透过的B光的光路后方的B反射镜8也配置成光轴光线的入射角分别大约为30度。这样通过把光轴光线的入射角度设置成45度以下，可以使只有中继系统的光学距离变长。而且，该配置角度如果相对于光轴光线的入射角为45度的差值过小就没有效果，差值过大则由于不能在上述分色镜附近设置透镜，因此在20度以上40度以下是适当的。
如上所述，由于能够使从中继光路中的积分器的矩形像(31的位置)到光路上最靠近反射型液晶板113的透镜26之间的光学距离变长，能够提高成像性能，获得亮度均匀，而且没有色斑的图像，而且结果光利用率提高。
图11示出本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的另一个实施方式，在图11中，61是RG透过B反射分色镜。
下面，利用图11说明根据本发明的反射型液晶投影仪用光学单元显示白色图像时动作。在图11中，光源1发出的光透过两个透镜组24和偏振光变换元件25，RG透过B反射分色镜61反射B光，光线方向转折大约50度，透过R、G光。R、G光被R透过G反射分色镜7反射G光，光线方向转折大约90度，透过R光。B光通过B反射镜8使光线方向转折大约50度。然后，分别入射到R用辅助偏光元件91、G用辅助偏光元件92、B辅助偏光元件93。后面与图2所示实施方式的动作相同，因此省略说明。
通过这样的结构，与图10的实施方式相同，由于能够使从中继光路中的积分器的矩形像(31位置)到光路上最靠近反射型液晶板113的透镜26之间的光学距离是从光路上最靠近反射型液晶板113的透镜26到反射型液晶板113之间的光学距离的两倍以上，能够提高成像性能，获得亮度均匀，而且没有色斑的图像，而且结果光利用率提高。
图12是本发明的反射型液晶投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图12中，63是RB透过G反射分色镜，92是G用辅助偏光元件，93是B用辅助偏光元件，271是R用色选择性波长板，222是G用反射型偏光棱镜，224是RB用反射型偏光棱镜。从111至113分别是R用反射型液晶板、G用反射型液晶板、B用反射型液晶板，121是R用辅助检光元件，273是B用色选择性波长板，282和284是间隔棱镜，220是合成用反射型偏光棱镜，30是白色用1/4波长板，15是投影透镜。
下面，利用图12说明本发明的反射型液晶投影仪用光学单元显示白色图像时的动作。在图12中，光源1发出的光透过积分器24和偏振光变换元件25，调整为S偏振光。然后，在白色反射镜5处光线方向转折90度，RB透过G反射分色镜63反射G光，透过的RB光分色之后，G光透过G用辅助偏光元件92由于为S偏振光，因此在G用反射型偏光棱镜222内反射，光线方向转折90度，入射到G用反射型液晶板112。通过G用反射型液晶板112反射的光是P偏振光，透过G用反射型偏光棱镜222、间隔棱镜282入射到合成用反射型偏光棱镜220。RB光透过R用色选择波长板271，透过B用辅助偏光元件93。透过该R用色选择波长板271时只有R光的偏振方向旋转大约90度变成P偏振光，因此R透过RB用反射型偏光棱镜224，B光在RB用反射型偏光棱镜224内反射，光线方向转折90度，R与B分离。然后，分别入射到R用反射型液晶板111、B用反射型液晶板113。被反射型液晶板反射后的光是R光为S偏振光，B变成P偏振光，因此R在RB用反射型偏光棱镜224内反射，B透过RB反射型偏光棱镜224，RB合成。RB在透过R用辅助检光元件121、B用色选择波长板273、间隔棱镜284，入射到合成用反射型偏光棱镜220。透过该B用色选择性波长板273时只有B光的偏振方向大致旋转90度变成S偏振光，因此RB在合成用反射型偏光棱镜220内反射光线方向转折90度。G和RB通过合成用反射型偏光棱镜220合成为白色，通过投影透镜15放大投影在屏幕(图中未示出)上。
在本实施方式中，G光路的G用反射型偏光棱镜222的射出侧没有设置G用检光元件。理由是因为合成用反射型偏光棱镜220起G光检光元件的作用。而且，由于同样的理由，B光路的RB用反射型偏光棱镜224的射出侧也没有设置B用检光元件。可是，R用反射型液晶板111反射的R光在RB用反射型偏光棱镜224和合成用反射型偏光棱镜220的作用面上被反射，在作为检光元件使用两个反射型偏光棱镜的情况下，与一次通过作用面的G光和B光比较，漏光多。为了除去(吸收)该漏光，在RB用反射型偏光棱镜224的射出侧设置R用辅助检光元件121。而且，RB透过G反射的分色镜63分离的RB光中，由于R光透过RB用反射型偏光棱镜224，变成漏光的偏振光成分少，因此，没有设置R用辅助偏光元件。可是，在上述RB光中，B光被RB反射型偏光棱镜224反射，设置有B用辅助偏光元件93。
在上述中，虽然积分器使用透镜组，但是并不限于此，可以看到也可以使用光导管或者棒透镜等。
在本实施方式中，虽然使用反射型偏光棱镜220内的反射型偏光面作为白色合成面，但是也可以使用分色镜面，在这种情况下由于不再配置B用色选择性波长板273，成本降低了，但是可能需要配置多个辅助检光元件。
而且，作为偏光元件和检光元件所使用的两个反射型偏光棱镜222和224一面是棱镜，一面是平板也可以。在这种情况下，为了获得投影透镜的成像性能，从反射型液晶板到投影透镜之间的光学距离对于R、G、B必须大致相同，在使用反射型偏光棱镜的光路一侧反射型偏光棱镜和光合成棱镜之间的光学距离必须加长。
通过本实施方式的结构，具有高亮度、高对比度且成像性能良好的光学单元与上述实施方式相同，由于本实施方式中使用一个反射型偏光棱镜作为与两个反射型液晶板相应的偏光元件和检光元件，能够共用光路，不需要中继光路，能够实现光学单元的小型化。
图13示出本发明的投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图13中，90是白色用辅助偏光元件，281、282、283分别是R用间隔棱镜、G用间隔棱镜、B用间隔棱镜。
本实施方式是在图2的实施方式中，把三个辅助偏光元件91、92、93置换为一个白色用辅助偏光元件90，在交叉双色棱镜14和各个辅助检光元件121、122、123之间配置间隔棱镜281、282、283。
如同本结构一样，通过在光路上把间隔棱镜281、282、283配置在反射型液晶板111、112、113与投影透镜15之间，为了避免保持R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113的结构部件等与投影透镜15之间互相影响，可扩大R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113之间的最短物理距离。在这种情况下，虽然相对于图2中的实施方式背焦距增大，但是相对于在将间隔棱镜281、282、283之外的光学部件配置在相同位置、没有间隔棱镜218、282、283而其间是空气间隙的情况下，由于配置间隔棱镜281、282、283情况时因它们的折射率而能够缩短光学距离，所以由于投影透镜15的背焦距增大而引起的投影透镜15的大型化可以作到最小限度。而且，如同本结构中一样，通过在光路上光源1附近B透过RG反射分色镜6与光源1之间设置白色用辅助偏光元件90，由于该白色用辅助偏光元件90对R、G、B起辅助偏光元件的作用，能够降低部件数量，降低成本。R、G、B所有光入射到该白色用辅助偏光元件90，而且在显示黑色图像时从反射型液晶板111、112、113返回的光再次入射，因此大量的光能被照射。吸收型偏光板由于该光能而性能立即恶化，因此该白色用辅助偏光元件90有必要是反射型偏光元件。
图14示出本发明的投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图14中，94是RG用辅助偏光元件，280是白色用间隔棱镜。
本实施方式中是图2中的两个辅助偏光元件91、92置换成一个RG用辅助偏光元件94，能够降低该部分的部件数量，实现降低成本。而且，在交叉双色棱镜14和投影透镜15之间配置白色间隔棱镜280。通过配置该白色间隔棱镜280，能够增大投影透镜15与R用反射型液晶板111、B用反射型液晶板113之间的距离，能够避免保持R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113的结构部件等与投影透镜15互相影响。而且，相比于在将白色间隔棱镜280之外的光学部件配置在相同位置、没有间隔棱镜280其间是空气间隙的情况下，由于配置间隔棱镜280情况下因间隔棱镜280的折射率而能够缩短光学距离，因此可将因投影透镜15的背焦距增大而引起的投影透镜15的大型化作到最小限度。
与利用图13的实施方式说明的内容相同，通过本结构，把投影透镜15的大型化限制在最小限度内以及降低部件数量，RG用辅助偏光元件有必要是反射型偏光元件等。
图15示出本发明的投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图15中，231、232、233分别是R用投影透镜辅助透镜、G用投影透镜辅助透镜、B用投影透镜辅助透镜，各个透镜中心与投影透镜15的光轴同轴，起投影透镜15的后透镜的作用。
通过本结构，投影透镜辅助透镜231、232、233可看作投影透镜15的一部分，包括该透镜291、292、293的合成的投影透镜15的背焦距成为投影透镜辅助透镜231、232、233与反射型液晶板111、112、113之间的光学距离。因此，由于能够缩短背焦距，因此能够提高投影透镜15的成像性能。
图16示出本发明的投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图16中，1是光源，2是反射型液晶投影仪用光学单元的光轴，24是2个透镜组构成的积分器，25是PBS阵列与1/2波长板构成的偏振光变换元件，26是把构成积分器24的光源一侧的透镜组的各个透镜单元(图中未示出)的形状照射在反射型液晶板111、112、113上的透镜。5是白色反射镜，90是白色用辅助偏光元件，100是白色用反射型偏光板。29是菲立谱棱镜(Philips prism)，111、112、113分别是R用反射型液晶板、G用反射型液晶板、B用反射型液晶板，120是白色用辅助检光元件，30是白色用1/4波长板，15是投影透镜。
下面，利用图16，说明本发明的反射型液晶投影仪用光学部件显示白色图像时的动作。在图16中，光源1发出的光透过积分器24、偏振光变换元件25，变成P偏振光。然后，在白色反射镜5处光线方向转折90度，通过白色用辅助偏光元件90，由于是P偏振光，透过白色用反射型偏光板100，入射到菲立谱棱镜29。入射到菲立谱棱镜29的白色光在菲立谱棱镜29内分离为R、G、B光，分别入射到各个反射型液晶板111、112、113。通过各个反射型液晶板以S偏振光反射的光在菲立谱棱镜29内合成为白色光，由于是S偏振光，在白色用反射型偏光板100光线方向转折90度，通过白色用辅助检光元件120、白色用1/4波长板30，通过投影透镜15放大投影在屏幕(图中未示出)上。
在上述中，虽然积分器使用透镜组，但是并不限于此，可以看出也可以使用导光管或者棒透镜。
在本实施方式中，虽然使用反射型偏光板100，但是在使用反射型偏光棱镜代替它的情况下，由于能够缩短投影透镜15的背焦距，能够提高成像性能。虽然通过本实施方式的结构具有高亮度、高对比度且成像性能优良的光学单元与上述其他实施方式相同，但是本实施方式中由于使用一个反射型偏光板作为R、G、B偏光元件和检光元件，能够减少部件数量。而且，由于能够共用光路，不需要中继光路，能够使光学单元小型化。
图17示出本发明的投影仪用光学单元的另一个实施方式。
在图17中，62是GB透过R反射分色镜，80是R反射镜，72是B透过G反射分色镜。
在图17中，光源1在Z轴方向发出的光透过作为积分器的透镜组24，由偏振光变换元件25调整为P偏振光。然后，在GB透过R反射分色镜62处GB光通过，R光反射，光轴方向转折90度为X轴。然后GB光由于B透过G反射分色镜72，G光反射，光轴方向转折90度入射到G用辅助偏光元件92，B光透过入射到B用辅助偏光元件93。而且，GB透过R反射分色镜62反射的R光在R反射镜80处光轴转折90度，入射到R用辅助偏光元件91。以后由于与图2的动作相同，下面省略。
各个光学部件其大致中心配置在包括光轴2的XZ面内，反射型液晶板111、113是Y轴方向在其长边方向，短边方向是X轴方向。反射型液晶板112平行于YZ平面，它的长边方向是Y轴方向，短边方向是Z轴方向。
在本结构中，由于交叉双色棱镜14的光透过的面的形状是二色面的主入射面的法线方向(Y轴方向)为长边，因此能够将交叉双色棱镜14的尺寸作得最小，而且这样能够使投影透镜15的背焦距最短，而且也能够使反射型偏光板101、102、103和其他光学部件的尺寸最小。因此，能够降低成本和使投影透镜15小型化。
而且，在本实施方式中，构成为偏振光变换元件25的射出光为P偏振光、B光透过两个分色镜62、72的结构。一般，透镜和偏光板等光学部件与R光和G光相比对于B光透过率低，特别是在部件数量趋于多的反射型图像显示装置中它的影响显著，B光不充足，白色的色平衡变差。而且，一般在光透过分色镜时P偏振光比S偏振光的透过率高，效率高。因此，通过本结构能够提高B光的光利用效率，为了提高显示白色图像时的色平衡或为了色平衡，能够通过减少因调整B光量而减少的G光量和R光量的减少量，提高光利用效率。而且，一般，交叉双色棱镜的透过率(自棱镜的射出光量与到棱镜的入射光量的比值，包括棱镜内的反射光路)与G光和R光比较，B光是下降到92％的程度，但是在本实施方式中使用的交叉双色棱镜14通过优先设计B，B的透过率能够提高到95％以上。因此，虽然G光和R光的棱镜透过率下降，但由于R光量和G光量可以通过减少因调整B光量而减少的R和G的减少量而增加，所以没有问题。然后，通过增加B光量，进一步减少R和G光的减少量，结果能够提高整体光利用率。
而且，在本实施方式中，对于在中继光路的光路上、最靠近R用反射型液晶板111的透镜26，其作为靠近G用反射型液晶板112的反射型液晶板111的短边方向的X轴方向的部分且光线不通过的领域被切掉。在通过使用这样的形状的透镜而以最小尺寸构成各个光学部件和光学单元的情况下，能够避免该透镜和G用反射型液晶板112相互影响，能够将该透镜靠近R用辅助检光元件91配置。因此，能够缩短中继光路中的矩形像的成像位置(图中未示出)到最靠近R用反射型液晶板111的透镜26之间的光路长度，而且能够缩短该透镜26到R用反射型液晶板111之间的光路长度。因此由于图10和图11中说明的理由，能够提高R光的利用率。
而且，在本实施方式中，对于投影透镜15的入射面一侧，物理距离接近R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113的部分且光线不通过的领域被切掉。图17(b)中示出这种情况。图17(b)是从交叉双色棱镜14一侧看投影透镜15的入射面(垂直于光轴2，平行于XY平面)的图。在图17(b)中，34是位于投影透镜15内的最入射侧(交叉双色棱镜14一侧)的透镜领域，32是从交叉双色棱镜14发出的光入射的领域，33是位于投影透镜15的入射侧的切掉部的领域。在本实施方式中，将本发明适用于前面投影型图像显示装置用的光学单元，按照图像从上方(X轴方向)不失真地投影、投影透镜15的中心相对于图像光的中心在上方(X轴方向)的方式投影透镜15偏移而配置。因此，领域33上下方尺寸不同。通过使用这样形状的投影透镜15，在以最小尺寸构成各个光学部件和光学单元的情况下，能够避免投影透镜15、R用反射型液晶板111和B用反射型液晶板113互相影响，能够把投影透镜15配置在非常靠近交叉双色棱镜14的射出面的附近。因此，能够缩短投影透镜15的背焦距，能够提高投影透镜15的成像性能。
上面，如同所说明的一样，使用了本发明的反射型图像显示元件的光学单元和使用了它的投影型图像显示装置，利用只在特定方向上具有光栅作用的偏光板作为反射型偏光板和辅助偏光元件以及吸收型的辅助检光元件，能够减少显示黑色图像时的漏光，而且投影透镜和保持反射型图像显示元件的结构部件不相互影响，因此能够在不降低分辨率情况下提高对比度、减少部件数量(亮度提高)，实现小型轻量化。
权利要求
1.一种投影型图像显示装置，其特征在于，具有光源；使所述光源发射的光均匀化的积分器；从来自所述积分器的光分离第一色光的第一分色镜；将所述第一色光被分离后的光分离为第二色光和第三色光的第二分色镜；所述第一色光用的第一反射型图像显示元件；所述第二色光用的第二反射型图像显示元件；所述第三色光用的第三反射型图像显示元件；合成来自所述第一反射型图像显示元件的第一色光、来自所述第二反射型图像显示元件的第二色光、和来自所述第三反射型图像显示元件的第三色光的双色棱镜；投影透镜；在从所述第一分色镜经由所述第一反射型图像显示元件到达所述投影透镜的第一光路上，在所述第一反射型图像显示元件之前或之后配置的第一反射型偏光板；在所述光源和所述第一反射型偏光板之间配置的第一辅助偏光元件；在所述反射型偏光板和所述投影透镜之间配置的第一辅助检光元件；和在所述第一光路上配置，再投影所述积分器形成的影像的第一中继透镜。
2.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于此外，作为再投影所述积分器形成的影像的第二中继透镜，距离所述第一反射型图像显示元件的光学距离是从所述第一反射型图像显示元件到所述第一中继透镜的光学距离的一半以下。
3.根据权利要求1所述的投影型图像显示装置，其特征在于从所述积分器向所述第一分色镜的入射角为45度以下。
4.根据权利要求3所述的投影型图像显示装置，其特征在于还具有在所述第一分色镜和所述第一反射型偏光板之间配置的、入射光的入射角在45度以下的反射镜。
5.根据权利要求3所述的投影型图像显示装置，其特征在于向所述第二分色镜入射的光的入射角在45度以下。
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，还具有在从所述第二分色镜经由所述第二反射型图像显示元件到达所述投影透镜的第二光路上，在所述第二反射型图像显示元件之前或之后配置的第二反射型偏光板；在所述光源和所述第二反射型偏光变换元件之间配置的第二辅助偏光元件；在所述第二反射型偏光板和所述投影透镜之间配置的第二辅助检光元件；在从所述第二分色镜经由所述第三反射型图像显示元件到达所述投影透镜的第三光路上，在所述第三反射型图像显示元件之前或之后配置的第二反射型偏光板；在所述光源和所述第三反射型偏光变换元件之间配置的第三辅助偏光元件；和在所述第三反射型偏光板和所述投影透镜之间配置的第三辅助检光元件。
全文摘要
本发明的目的是提供一种投影型图像显示装置，实现一种反射型液晶投影仪用的光学单元，其小型化、重量轻、亮度高、显示黑色图像时不因漏光对比度下降、价格低廉，以及实现一种反射型液晶投影仪，其小型化、重量轻、亮度高、显示黑色图像时不因漏光对比度下降、价格低廉。作为与该反射型液晶板相对的偏光元件和检光元件使用只在相同特定方向上具有光栅作用的偏光板作为反射型偏光板，使用辅助偏光元件和吸收型的辅助检光元件，根据反射型液晶板的特性，构成为将它们的反射轴或者吸收轴在显示黑色图像时漏光少的方向上使用。
文档编号G03B21/14GK1740848SQ20051009386
公开日2006年3月1日 申请日期2003年7月29日 优先权日2002年8月5日
发明者中岛努, 大内敏, 今长谷太郎, 三好智浩 申请人:株式会社日立制作所