偏光変換照明光学系及び投射型表示装置

【課題】Ｓ偏光・Ｐ偏光の分離特性が良好な偏光変換照明光学系が得られ、明るさ、コントラストを向上させることができる偏光変換照明光学系及び投射型表示装置を提供する。
【解決手段】ランプ光源１７から出射して楕円リフレクタ１８から出射する光の中心付近が暗い特性を利用し、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタ４２の偏光分離機能部６４で偏光分離を行うと同時に、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタの中心部に設けられた偏光分離非機能部６３を利用して、ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタを透過したＰ偏光を偏光変換し、収束光とした上でワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタに設けられた偏光分離非機能部を通過させる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ランプ光源からの無偏光の偏光状態を一方向に変換し、光を表示素子に照射する偏光変換照明光学系及びそれを用いた投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクタは、直線偏光を液晶デバイスに入射させ、その直線偏光を変調することで画像を形成する投射型表示装置である。キセノンランプや超高圧水銀ランプ等のランプ光源から射出する光は、偏光方向がほぼランダムで無偏光である。偏光を変調する投射型表示装置では、一種類の偏光しか利用できず、光の利用効率は低い。そこで、ランプ光源から射出する無偏光を一方向の偏光に変換する偏光変換照明光学系を採用することが提案されている。特許文献１には、ガラスに誘電体多層膜を形成した偏光ビームスプリッタ（以下、「ガラス誘電体膜ＰＢＳ」という。）を使用した偏光変換照明光学系が、特許文献２には、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ（以下、「ＷＧ−ＰＢＳ」という。）を使用した偏光変換照明光学系が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平９−５００００号公報
【特許文献２】特開２００６−３０１３７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、偏光変換照明光学系に一般的に求められる特性は、Ｓ偏光・Ｐ偏光の分離特性が高いこと、及び、投射型表示装置に適用した場合に明るく、コントラストが高いことである。また、偏光変換照明部材の信頼性が高いことも必要である。
そこで本発明は、Ｓ偏光・Ｐ偏光の分離特性が良好な偏光変換照明光学系が得られ、明るさ、コントラストを向上させることができる偏光変換照明光学系及び投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、入射された光を偏光分離する偏光分離機能部（６４）と偏光分離しない偏光分離非機能部（６３）とが形成され、光源から発せられた光を前記偏光分離機能部によって偏光分離して第１の偏光を射出するワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタ（４２）と、前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタを透過した前記第１の偏光とは異なる第２の偏光の偏光方向を変換して前記第１の偏光として射出する偏光変換部（４４）と、前記偏光変換部より射出された前記第１の偏光を反射して前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタの前記偏光分離非機能部に入射させる反射部（４５，４６，４７）と、複数のレンズセル（４８ａ）を有し、周辺部（４８２）のレンズセルと中心部（４８１）のレンズセルとでパワーが異なっており、前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタの前記偏光分離機能部によって偏光分離された前記第１の偏光を前記周辺部のレンズセルで受光し、前記反射部から入射され、前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタの前記偏光分離非機能部を透過した前記第１の偏光を前記中心部のレンズセルで受光するインテグレータ（４８）と、を備えることを特徴とする偏光変換照明光学系を提供する。
また、光源（１７）と、前記偏光変換照明光学系と、前記偏光変換照明光学系から発する光を変調する液晶デバイス（４）と、前記液晶デバイスで変調された光を投射する投射レンズ（１）と、を備えることを特徴とする投射型表示装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、Ｓ偏光・Ｐ偏光の分離特性が良好な偏光変換照明光学系が得られ、明るさ、コントラストを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１の実施形態を示す図である。
【図２】ＷＧ−ＰＢＳ４２の構造を示す平面図である。
【図３】インテグレータ４８の構造を示す図である。
【図４】ＷＧ−ＰＢＳ４２上で光が強い部分と弱い部分とＷＧ−ＰＢＳ４２の偏光分離非機能部６３との位置関係を示す概略図である。
【図５】図４（Ａ）のＸ軸を横軸にとった場合のＷＧ−ＰＢＳ４２近傍での光の強度分布を示す図である。
【図６】図１に示した偏光変換照明光学系を搭載した投射型表示装置の構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下、本発明に係る偏光変換照明光学系及び投射型表示装置の実施形態について、図面を参照して説明する。
【０００９】
図１は、本発明の第１の実施形態を示す図である。図１において、ランプ光源１７から発せられた光は楕円リフレクタ１８で反射され一旦焦点を結んだあと発散してコンデンサレンズ４１に入射する。コンデンサレンズ４１の焦点と楕円リフレクタの第二焦点とを合わせておくことによりコンデンサレンズ４１を透過した光５５は平行光線となる。ランプ光源としては、超高圧水銀ランプやキセノンランプ等が使われる。コンデンサレンズ４１を透過した光５５は、光軸に対して４５度に配置されたＷＧ−ＰＢＳ４２に入射する。
【００１０】
図２は、ＷＧ−ＰＢＳ４２の構造を示す平面図である。ＷＧ−ＰＢＳ４２は、入射された光を偏光分離する機能を持つ偏光分離機能部６４の中心部分に偏光分離機能を持たない楕円形の偏光分離非機能部６３が形成されている。ここで、ＷＧ４２の偏光分離非機能部６３は次の方法で設けられる。第一は、楕円形の穴をガラスに開ける方法である。第二は、ＷＧ−ＰＢＳ４２のワイヤグリッドを構成する金属をＷＧ−ＰＢＳ４２作成後に除去する方法である。第三は、該当部分にマスクをしてＷＧ−ＰＢＳ４２の構成金属材料を製膜する方法である。
【００１１】
図１に戻り、ＷＧ−ＰＢＳ４２に４５度の角度で入射した光５５は、ＷＧ−ＰＢＳ４２の偏光分離非機能部６４によりＳ偏光５６とＰ偏光５７とに分離される。ＷＧ−ＰＢＳ４２で反射したＳ偏光５６は、インテグレータ４８に向かう。一方、ＷＧ−ＰＢＳ４２を透過したＰ偏光５７はフィールドレンズ４３で収束光とされ、偏光変換部である１／２波長板４４でＳ偏光５８に変換される。１／２波長板４４の挿入位置は、光が集中する位置を避け、フィールドレンズ４３の後に設定されている。１／２波長板４４で変換されたＳ偏光５８は、反射部として機能しているミラー４５、４６、４７で反射してＷＧ−ＰＢＳ４２に戻る。そしてＷＧ−ＰＢＳ４２の偏光分離非機能部６３を通過して、インテグレータ４８に向かう。なお、フィールドレンズ４３を設ける替わりに、ミラー４５、４６、４７のいずれか１個以上を凹面鏡形状としてフィールドレンズ４３に相当するパワーを持たせてもよい。
【００１２】
図３は、インテグレータ４８の構造を示す図である。インテグレータ４８は、矩形状の各々のレンズセル４８ａが集合した構造を有している。インテグレータ４８は入射した光束を各々のレンズセル４８ａで受光して矩形の光束に分割し、分割された矩形状の光束を液晶デバイス４上に重畳して照明する機能を有する。ここで、ＷＧ−ＰＢＳ４２で反射したＳ偏光５６は略平行光であって、そのままインテグレータ４８の周辺部４８２に入射する。一方、ＷＧ−ＰＢＳ４２の偏光分離非機能部６３を通過したＳ偏光は、偏光分離非機能部６３の位置で最も収束光となりその後発散光となってインテグレータ４８の中心部４８１に入射する。
【００１３】
インテグレータ４８の中心部４８１の４つのレンズセル４８ａは他の周辺部のレンズセル４８ａとはパワーが異なる。すなわち、インテグレータ４８の中心部４８１の４つのレンズセル４８ａは、発散光となっているＳ偏光５８を受光して液晶デバイス４にケラレなく照射するパワーを有する。一方、インテグレータ４８の周辺部４８２の各々のレンズセル４８ａは、略平行光５６を受光して液晶デバイス４にケラレなく照射するパワーを有する。
【００１４】
本実施形態では、インテグレータ４８の他のインテグレータ（第２のインテグレータと称する。）は不要である。すなわち、インテグレータ４８の個々のレンズセル４８ａが各々偏芯し、液晶デバイス４上に集光することができれば、第２のインテグレータは不要である。なお、必要なパワーを確保するため、インテグレータ４８を、両面が凸レンズ形状である両面インテグレータとすることも可能であり、また、中心部４８１のみ両面インテグレータ構造とすることも可能である。さらに、フィールドレンズ１１とインテグレータ４８の間に集光用凸レンズ（フィールドレンズ）を設けてもよい。
【００１５】
インテグレータ５８を射出した光はフィールドレンズ１１、ＷＧ−ＰＢＳ３、波長板５を通過し、液晶デバイス４に入射する。ここで、ランプ光源１７からインテグレータ４８までの光学系に対し、フィールドレンズ１１以降の光学系は実際には９０度ねじれて配置されているが、図１においては簡略化のため９０度ねじれた状態を図示していない。したがって、ランプ光源１７からインテグレータ４８までの光学系においてＳ偏光と表現した光は、フィールドレンズ１１以降の光学系においてＰ偏光と表現される。液晶デバイス４に入射したＰ偏光は液晶デバイス４で変調される。変調された光の内Ｓ偏光成分がＷＧ−ＰＢＳ３で反射され、アナライザ６を通過する。
【００１６】
図４は、ＷＧ−ＰＢＳ４２上で光が強い部分と弱い部分とＷＧ−ＰＢＳ４２の偏光分離非機能部６３との位置関係を示す概略図である。図５は、図４のＸ軸を横軸にとった場合のＷＧ−ＰＢＳ４２近傍での光の強度分布を示す。図５における光が強い部分６１０に対応して、図４のＷＧ−ＰＢＳ４２上で楕円状に光が強い部分６１が存在する。図５における光が弱い部分６２０に対応して、図４におけるＷＧ−ＰＢＳ４２上で光が強い部分６１の内側に、楕円状に光が弱い部分６２が存在する。ＷＧ−ＰＢＳ４２の偏光分離非機能部６３は、その光が弱い部分６２に対応して設けられている。
【００１７】
図５に示すように、ＷＧ−ＰＢＳ４２の中心を通る照明光軸近傍の光強度は、弱い。この部分の光が弱い理由は、第一に、楕円リフレクタ１８で反射した光のなかで、楕円リフレクタ１８の出口側のランプ電極の影になって遮られてしまう部分であるからである。第二に照明光軸の延長上にある楕円リフレクタ１８の中心部分は電極保持のため反射面がなく、影になるからである。ＷＧ−ＰＢＳ４２の楕円形の偏光分離非機能部６３は光が弱い部分６２に対応して設けられているので、偏光分離非機能部６３を設けることによる照明光学系の光量ロスは少なく、照明強度にはほとんど影響しない。しかし偏光分離非機能部６３はできるだけ小さいほうが光量ロスは少ない。
【００１８】
偏光分離非機能部６３の大きさは、主にフィールドレンズ４３の焦点距離に依存する。焦点距離が長いと焦点深度が深くなり、焦点での光束の直径は大きくなる傾向を示す。具体的には、ＷＧ−ＰＢＳ４２で焦点が結ぶ条件の中で焦点距離を短くできる条件を選択して、焦点距離を決定する。図５はキセノンランプでの例を示しているが、超高圧水銀ランプでも同様に、ＷＧ−ＰＢＳ４２の中心部分の光強度が顕著に低下する。その理由は、超高圧水銀ランプもキセノンランプと同じく両口金（電極部）タイプであること、リフレクタの中心部分は電極保持のため反射面がないのは同じであることによる。
【００１９】
本実施形態では、偏光ビームスプリッタとして、ＷＧ−ＰＢＳ４２を使用し、かつＷＧ−ＰＢＳ４２にほぼ垂直に入射する無偏光を偏光分離する。偏光ビームスプリッタは一般的に、入射角度依存性を有し、垂直に入射する光に対するＳ偏光・Ｐ偏光の分離特性は良く、斜めに入射する光の、分離特性は劣化する。したがって、特許文献１の偏光変換照明光学系のように集光された位置にガラス誘電体膜ＰＢＳを配置する場合に比べてＳ偏光・Ｐ偏光の分離特性は良好なものとなる。さらに、ガラス誘電体膜ＰＢＳに対して、ＷＧ−ＰＢＳは原理的に入射角度依存性が少ない。
【００２０】
さらに、第１・第２インテグレータを用いた偏光変換照明光学系の場合、インテグレータの周辺のレンズセルほど液晶デバイス４に入射する角度が大きくなり、結像光学系によるロスやデバイス特性によるコントラストが低下しやすい。しかし、本実施形態では、インテグレータ４８を通過する光のなかでおよそ半分にあたるＳ偏光５８がインテグレータ４８の中心部４８１のレンズセル４８ａを通過するので液晶デバイス４に入射する光の入射角も０度に近く、明るさ、コントラストの点で有利である。
【００２１】
また、本実施形態によれば、１／２波長板４４付近では光は集光されておらず、照射単位面積あたりの光密度は低い。また、光の偏光分離に接着剤を使う必要のないＷＧ−ＰＢＳを使用している。したがって、光学系の部材の焼けの問題がなく、信頼性は高い。
【００２２】
図６は、図１に示した偏光変換照明光学系を搭載した投射型表示装置の構成図である。図６は、図１とランプ光源１７からインテグレータ４８までの光学系部品が共通なので、重複する説明は省略する。ランプハウス１９には、防爆のため、及び、赤外・紫外光をカットするためのウィンドウガラス２０が設けられている。ウィンドウガラス２０部分での光は、射出角度分布が大きいため、赤外・紫外光を完全にカットできないことがある。その場合、コンデンサレンズ４１で光が略平行とされた後にフィルタ２２でさらに赤外光または紫外光をカットする。また、既述の通り、第２のインテグレータはない。また、インテグレータ４８の後に集光用凸レンズ（フィールドレンズ）２５が設けられている。
【００２３】
次に、色分解・合成光学系を説明する。ここで、ランプ光源１７からインテグレータ４８までの光学系に対し、集光用凸レンズ（フィールドレンズ）２５以降の光学系は実際には、９０度ねじれて配置されているが、図６においては簡略化のため９０度ねじれた状態を図示していない。したがって、ランプ光源１７からインテグレータ４８までの光学系においてＳ偏光と表現した光は、集光用凸レンズ（フィールドレンズ）２５以降の光学系においてＰ偏光と表現される。
【００２４】
集光用凸レンズ（フィールドレンズ）２５を出射した光（Ｓ偏光）は、Ｂ／ＲＧ分離クロスダイクロイックミラー７でＢ光（Ｐ偏光）とＲＧ光（Ｐ偏光）に分離される。Ｂ光（Ｐ偏光）は、Ｂミラー８で光路が曲げられ、Ｂフィールドレンズ１１ｂ、Ｂ用ＷＧ−ＰＢＳ３ｂ、Ｂ波長板５ｂと通過し、Ｂ用液晶デバイス４ｂに入射する。Ｂ用液晶デバイス４ｂで反射して変調されたＳ偏光成分がＢ用ＷＧ−ＰＢＳ３ｂで反射され、アナライザ６ｂを通過した後合成ダイクロイックプリズム２に向かう。
【００２５】
Ｂ／ＲＧ分離クロスダイクロイックミラー７で分離されたＲＧ光は、ＲＧミラー９で光路が曲げられ、ＲＧダイクロイックミラー１０でＲ光とＧ光に分離される。Ｒ光及びＧ光はそれぞれ、Ｂ光の場合と同様、フィールドレンズ１１ｒ、１１ｇ、ＷＧ−ＰＢＳ３ｒ、３ｇ、波長板５ｒ、５ｇと通過し、液晶デバイス１１ｒ、１１ｇに入射する。液晶デバイス１１ｒ、１１ｇで反射して変調されたＳ偏光成分がＷＧ−ＰＢＳ３ｒ、３ｇで反射され、アナライザ６ｒ、６ｇを通過した後合成ダイクロイックプリズム２に向かう。合成ダイクロイックプリズム２で３色の光が合成され、投射レンズ１でスクリーンに投影される。
【００２６】
〈第２の実施の形態〉
図７は、本発明の第２の実施形態を示す図である。図１に示した第１の実施形態と同じ部品には同じ番号を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、ミラー４５のほぼ中心にＷＧ−ＰＢＳ４２の偏光分離非機能部６３とほぼ同じ大きさの開口７３が設けられている。また、フィールドレンズ４３と１／２波長板４４をミラー４５とミラー４６の間に配置する。レーザ光源６９から発し光ファイバ７０を通過したレーザ光（Ｐ偏光）は、レンズ７１、７２にてミラー４５の開口７３の大きさに合った並行光線とされる。そして、フィールドレンズ４３で収束光とされ、１／２波長板４４でＳ偏光に変換される。次に、ミラー４５、４６、４７で反射してＷＧ−ＰＢＳ４２に戻る。そしてＷＧ−ＰＢＳ４２の中心に設けられた偏光分離非機能部６３を通過して、インテグレータ４８中心部４８１に入射する。
【００２７】
本実施形態において、レーザ光線は、ミラー４５からＷＧ−ＰＢＳ４２の間で偏光変換されるわけではないが、ランプ光源の他にレーザ光線を付加することによって、光源の特性によりＲＧＢのバランス上明るさが足りない色を付加すること及び明るさを向上させることができる。
【符号の説明】
【００２８】
１投射レンズ、２合成ダイクロイックプリズム、
３，３ｒ，３ｇ，３ｂＷＧ−ＰＢＳ、
４，４ｒ，４ｇ，４ｂ液晶デバイス、
５，５ｒ，５ｇ，５ｂ波長板、
６，６ｒ，６ｇ，６ｂアナライザ、
７Ｂ／ＲＧ分離クロスダイクロイックミラー、
８Ｂミラー、９ＲＧミラー、１０ＲＧダイクロイックミラー、
１１，１１ｒ，１１ｇ，１１ｂフィールドレンズ、
１７ランプ光源、１８リフレクタ、１９ランプハウス、
２０ウインドウガラス、２２フィルタ、
２５フィールドレンズ、
４１コンデンサレンズ、４２ＷＧ−ＰＢＳ、４３フィールドレンズ、
４４１／２波長板、４５ミラー、４６ミラー、４７ミラー、
４８インテグレータ、
６３偏光分離非機能部、６４偏光分離機能部

【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射された光を偏光分離する偏光分離機能部と偏光分離しない偏光分離非機能部とが形成され、光源から発せられた光を前記偏光分離機能部によって偏光分離して第１の偏光を射出するワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタと、
前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタを透過した前記第１の偏光とは異なる第２の偏光の偏光方向を変換して前記第１の偏光として射出する偏光変換部と、
前記偏光変換部より射出された前記第１の偏光を反射して前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタの前記偏光分離非機能部に入射させる反射部と、
複数のレンズセルを有し、周辺部のレンズセルと中心部のレンズセルとでパワーが異なっており、前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタの前記偏光分離機能部によって偏光分離された前記第１の偏光を前記周辺部のレンズセルで受光し、前記反射部から入射され、前記ワイヤグリッド型偏光ビームスプリッタの前記偏光分離非機能部を透過した前記第１の偏光を前記中心部のレンズセルで受光するインテグレータと、
を備えることを特徴とする偏光変換照明光学系。
【請求項２】
光源と、
請求項１記載の偏光変換照明光学系と、
前記偏光変換照明光学系から射出した光を変調する液晶デバイスと、
前記液晶デバイスで変調された光を投射する投射レンズと、
を備えることを特徴とする投射型表示装置。

【図１】