偏光照明光学素子
【課題】傾きを持って入射する光も適切に直線偏光光に変換できる偏光照明光学素子を提供する。
【解決手段】偏光照明光学素子は、偏光ビームスプリッタアレイ１０を有している。偏光ビームスプリッタアレイ１０は、直角プリズム２０、２１を組み合わせた第１プリズムセット１４と、同様に構成された第２プリズムセット１５とを備えている。各プリズムセット１４、１５は、直角プリズム２０、２１の斜面と直角プリズム２２、２３の斜面とを直交させて配置されている。直角プリズム２０、２１の間には、Ｐ偏光成光を透過させ、Ｓ偏光光を反射させる偏光分離膜１６がある。直角プリズム２２、２３の間にも、同様の偏光分離膜１７がある。各プリズムセット１４、１５の間には、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる角度選択膜１８がある。
【解決手段】偏光照明光学素子は、偏光ビームスプリッタアレイ１０を有している。偏光ビームスプリッタアレイ１０は、直角プリズム２０、２１を組み合わせた第１プリズムセット１４と、同様に構成された第２プリズムセット１５とを備えている。各プリズムセット１４、１５は、直角プリズム２０、２１の斜面と直角プリズム２２、２３の斜面とを直交させて配置されている。直角プリズム２０、２１の間には、Ｐ偏光成光を透過させ、Ｓ偏光光を反射させる偏光分離膜１６がある。直角プリズム２２、２３の間にも、同様の偏光分離膜１７がある。各プリズムセット１４、１５の間には、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる角度選択膜１８がある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無偏光の入射光を一定の偏光方向をもつ直線偏光光に変換する偏光照明光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示パネルに表示させた画像を光源ランプからの光で照明してスクリーンに投写する液晶プロジェクタが種々製品化されている。よく知られるように、液晶表示パネルは、液晶分子を封入した所定厚みの液晶層と、その入射面側と出射面側にそれぞれ配置された偏光子と検光子とを備えている。偏光子と検光子とは、それぞれの偏光方向が互いに直交、あるいは平行となるように配置され、液晶層に入射した直線偏光光の通過を液晶分子の配向姿勢に応じて制御し、検光子を通して出射する直線偏光光の光量調節を行う。
【０００３】
一方、液晶プロジェクタの光源装置中には、光源からの無偏光光を液晶表示パネルの偏光子と同じ向きの偏光方向の直線偏光光に変換する偏光照明光学素子が用いられるのが通常である。このような偏光照明光学素子としては、特許文献１で知られるように、偏光ビームスプリッタとλ／２位相差板とを組み合わせたプリズムアレイが多用されている。偏光ビームスプリッタは、偏光方向が互いに直交する２種類の直線偏光光のうちの一方を透過させ他方を反射させる偏光分離面を備え、この偏光分離面で分離された二種類の直線偏光光のいずれかをλ／２位相差板を通して偏光方向を９０度回転させた後、他方の直線偏光光と併せることによって、偏光方向がそろった直線偏光光を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液晶プロジェクタの光源装置では、光源から照射された照明光をレンズアレイで平行光束に変換してから偏光照明光学素子に入射させている。しかしながら、照明光は、レンズアレイで平行光束に変換したとしても、その全てが光軸と平行にはならず、一部の光線は、５度程度の傾きを持って偏光照明光学素子に入射する。このように傾きを持って偏光照明光学素子に入射した照明光は、偏光照明光学素子の内部で反射して光源側に戻ったり、偏光分離面に入射せず、偏光方向が直交する２種類の直線偏光光が混在した状態のまま偏光照明光学素子から出射したりする場合があり、偏光照明光学素子の直線偏光光への変換効率を低下させる要因となっていた。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、液晶プロジェクタの光源装置などに用いられる偏光照明光学素子において、傾きを持って入射する照明光も適切に直線偏光光に変換できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の偏光照明光学素子は、一対の直角プリズムを組み合わせることで四角柱状に形成された第１プリズムセットと、前記第１プリズムセットと略同一に構成され、側面を合わせるように前記第１プリズムセットに隣接して配置される第２プリズムセットと、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、Ｐ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方を透過させて前記第１プリズムセットから出射させるとともに、他方を反射させて前記第２プリズムセットに入射させる偏光分離膜と、前記第１プリズムセットから出射する直線偏光光と同じ方向に向かって出射するように、前記前記第２プリズムセットに入射した直線偏光光の光路を変える光路変更手段と、前記偏光分離膜が分離させたＰ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方の偏光方向を９０度回転させることにより、前記各プリズムセットから出射する直線偏光光をＰ偏光又はＳ偏光の一方に揃える偏光変換手段と、前記各プリズムセットの間に設けられ、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有する角度選択膜とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
前記第２プリズムセットは、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが直交するように配置され、前記光路変更手段は、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、前記第１プリズムセットに設けられた前記偏光分離膜と同一の特性を有する偏光分離膜であり、前記偏光変換手段は、各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列された複数の直角プリズム要素を有し、前記各稜線がＰ偏光及びＳ偏光の直線偏光光の偏光方向に対して４５度傾くように前記第２プリズムセットの入射側の側面に設けられ、入射した直線偏光光を前記直角プリズム要素の一対の斜面でそれぞれ内面全反射させることにより、直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるとともに、変換後の直線偏光光を入射方向と逆向きに出射させることが好ましい。
【０００９】
また、前記第２プリズムセットを、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが平行になるように配置し、前記光路変更手段を、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、入射した直線偏光光を反射させる反射膜とし、前記偏光変換手段を、前記各プリズムセットの出射側の側面の一方に設けられ、透過する直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるλ／２位相差膜としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有する角度選択膜を各プリズムセットの間に設けたので、傾きを持って入射した無偏光の入射光も適切に直線偏光光に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】液晶プロジェクタの光源装置の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】偏光照明光学素子の外観図である。
【図３】０〜１０度の入射光に対する角度選択膜の特性を示すグラフである。
【図４】８０〜９０度の入射光に対する角度選択膜の特性を示すグラフである。
【図５】偏光照明光学素子の構造を示す部分破断斜視図である。
【図６】垂直に入射した光の光路を示す説明図である。
【図７】傾斜して入射した光の光路を示す説明図である。
【図８】角度選択膜がない場合を示す説明図である。
【図９】各直角プリズムの斜面が平行になるように各プリズムセットを配置した例を示す説明図である。
【図１０】傾斜して入射した光の光路を示す説明図である。
【図１１】角度選択膜がない場合を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に示すように、液晶プロジェクタの光源装置は、リフレクタ３とともに用いられる光源ランプ２を備えている。この光源ランプ２には、超高圧水銀ランプなどの高輝度のランプが用いられる。照明光路中には、赤外線及び紫外線カット用のフィルタ４が設けられ、種々の偏光光が合成された無偏光・可視域の照明光は、第１レンズアレイ５に入射する。第１レンズアレイ５は、複数のセグメントレンズを液晶表示パネルの矩形形状に倣うように矩形マトリクス状に配列したもので、同様の構造をもつ第２レンズアレイ６と協同して光源からの光を複数の光束に分割する。
【００１３】
第２レンズアレイ６の個々のセグメントレンズから出射した照明光は、偏光照明光学素子７にほぼ平行光束となって入射する。偏光照明光学素子７は、様々な偏光光を含む無偏光の照明光中から紙面と垂直な偏光方向をもった直線偏光光を分離して照明レンズ８に入射させる作用をもつ。照明レンズ８は、偏光照明光学素子７から出射した直線偏光光を液晶表示パネルの有効画面内に導き、これにより液晶表示パネルを直線偏光光で効率的に照明することができる。
【００１４】
図２に示すように、偏光照明光学素子７は、直方体状の外観を呈しており、偏光ビームスプリッタアレイ１０と、その光入射面側に接合された複数のプリズムシート（偏光変換手段）１２とから構成されている。偏光ビームスプリッタアレイ１０は、一対の直角プリズム２０、２１を組み合わせた第１プリズムセット１４と、同様に一対の直角プリズム２２、２３を組み合わせた第２プリズムセット１５とを有し、これらを照明光の光軸と直交する方向に交互に複数並べることによって構成されている。直角プリズム２０〜２３は、同一形状の直角二等辺三角柱に形成されている。また、直角プリズム２０〜２３には、例えば、屈折率１．５２の光学ガラス（ＢＫ７）が用いられている。
【００１５】
第１プリズムセット１４は、互いの斜面を合わせるように直角プリズム２０、２１を組み合わせて接合させることで、正四角柱の外形を成している。第２プリズムセット１５も同様に、互いの斜面を合わせるように直角プリズム２２、２３を組み合わせて接合させることで、正四角柱の外形を成している。各プリズムセット１４、１５は、側面を合わせるように隣接して接合されている。ここで、直角プリズム２０〜２３の斜面とは、直角二等辺三角形に形成された上面及び底面の双方の斜辺を含む面のことである。
【００１６】
偏光ビームスプリッタアレイ１０は、このように各プリズムセット１４、１５を複数接合することで、直方体状に形成される。また、偏光ビームスプリッタアレイ１０は、直角プリズム２０、２１の斜面と直角プリズム２２、２３の斜面とが直交するように向きを決めて各プリズムセット１４、１５を接合させている。
【００１７】
第１プリズムセット１４の直角プリズム２０、２１の間には、誘電体多層膜からなる偏光分離膜１６が設けられている。第２プリズムセット１５の直角プリズム２２、２３の間にも、同様の偏光分離膜（光路変更手段）１７が設けられている。偏光分離膜１６、１７は、Ｐ偏光成分の直線偏光光（偏光分離膜１６、１７の法線と入射光線とを含む面に平行な偏光方向をもつ）を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光（Ｐ偏光成分の直線偏光光の偏光方向と直交する偏光方向をもつ）を反射させる特性を有している。
【００１８】
また、各プリズムセット１４、１５の間には、入射した光の入射角によって、その光を透過又は反射させる特性を有する角度選択膜１８が設けられている。角度選択膜１８は、図３に示すように、４００〜７００ｎｍの可視域の光が０〜１０度の入射角で入射した場合、その光をほぼ１００％透過させる。一方、角度選択膜１８は、図４に示すように、４００〜７００ｎｍの可視域の光が８０〜９０度の入射角で入射した場合、その光をほぼ１００％反射させる。ここで、入射角とは、入射光線が入射点に立てた法線に対してなす角のことであるから、入射角０度で入射する光とは、すなわち角度選択膜１８の表面に対する法線と平行に入射する光（表面に対して垂直に入射する光）のことである。
【００１９】
このように、角度選択膜１８は、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有している。この角度選択膜１８は、例えば、屈折率１．４６の酸化シリコン（ＳｉＯ２）の単層膜を約０．５μｍの厚みで成膜することにより構成される。
【００２０】
プリズムシート１２は、偏光ビームスプリッタアレイ１０に含まれる各第２プリズムセット１５のそれぞれに対応して設けられている。プリズムシート１２は、直角プリズム２２の側面と略同一の外形を有する短冊状に形成され、入射側の側面を覆うように直角プリズム２２に接合されている。このプリズムシート１２は、透明なプラスチックまたはガラスで製造することができる。
【００２１】
このように、偏光ビームスプリッタアレイ１０は、第２レンズアレイ６と対面する直角プリズム２０、２２の各側面のうち、直角プリズム２０の側面は外部に露呈され、直角プリズム２２の側面はプリズムシート１２によって覆われている。なお、直角プリズム２０の側面を覆う部分を平行平面にしておけば、短冊状の複数枚のプリズムシート１２を一繋がりした１枚のシートにすることも可能である。
【００２２】
図５に示すように、プリズムシート１２には、互いの稜線が平行かつ同一面上に並ぶように配列された複数の直角プリズム要素２６が形成されている。直角プリズム要素２６は、それぞれの稜線が直角プリズム２０〜２３の各稜線に対して４５度傾いて形成されている。プリズムシート１２は、偏光分離膜１７で反射したＳ偏光成分の直線偏光光が直角プリズム２２の側面から出射し、直角プリズム要素２６の斜面に入射した際に、直角プリズム要素２６の一対の斜面で２回内面全反射させることにより、入射したＳ偏光成分の直線偏光光の光路を１８０度反転させて入射方向と逆向きに出射させるとともに、偏光方向を９０度回転させる。このように、プリズムシート１２は、直角プリズム２２の側面から出射したＳ偏光成分の直線偏光光を、Ｐ偏光成分の直線偏光光に変換して再び偏光分離膜１７に入射させる。
【００２３】
次に、上記偏光照明光学素子７の作用について説明する。第２レンズアレイ６を構成する個々のマイクロレンズから主光線が略平行に出射した無偏光の照明光は、それぞれのマイクロレンズごとに偏光照明光学素子７に入射する。図６に示すように、マイクロレンズから出射した照明光は、第１プリズムセット１４の直角プリズム２０の側面を通って偏光分離膜１６に４５度の入射角で入射する。
【００２４】
偏光分離膜１６は、入射した照明光の中からＰ偏光成分の直線偏光光を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光を９０度反射させる。透過したＰ偏光成分の直線偏光光は、そのまま直角プリズム２１を通って第１プリズムセット１４から出射する。
【００２５】
偏光分離膜１６で反射したＳ偏光成分の直線偏光光は、約０度の入射角で角度選択膜１８に入射して角度選択膜１８を透過し、第２プリズムセット１５の直角プリズム２２に入射する。そして、頂角９０度で偏光分離膜１６と対面している第２プリズムセット１５の偏光分離膜１７で再度反射し、直角プリズム２２の側面から出射してプリズムシート１２に向かう。
【００２６】
この直線偏光光は、偏光方向（偏光面）が紙面に対して垂直なＳ偏光成分からなる偏光光になっているが、その偏光方向に対して稜線が４５度傾いた直角プリズム要素２６に入射すると、その一対の斜面でそれぞれ内面全反射する間に偏光方向が９０度回転し、偏光方向が紙面と平行なＰ偏光成分の直線偏光光となって第１プリズムセット１４から出射する直線偏光光に揃えられる。
【００２７】
変換されたＰ偏光成分の直線偏光光は、再び偏光分離膜１７に入射する。そして、偏光分離膜１７及び直角プリズム２３を透過し、第１プリズムセット１４から出射するＰ偏光成分の直線偏光光と同じ方向に向かって第２プリズムセット１５を出射する。これにより、偏光分離膜１６によって分離されたＳ偏光成分の直線偏光光も、偏光分離膜１６を透過したＰ偏光成分の直線偏光光とともに液晶表示パネルの照明光として利用することができるようになる。
【００２８】
ところで、第２レンズアレイ６から偏光照明光学素子７に照射される無偏光の照明光は、その全てが光軸と平行にはならず、図７、８に示すように、一部の光線は、５度程度の傾きを持って直角プリズム２２の側面に入射する（これ以降、傾きを持って入射する光線を傾斜光線と称す）。
【００２９】
図８に示すように、各プリズムセット１４、１５の間に角度選択膜１８が設けられていない場合には、傾斜光線が直角プリズム２０、２２の境界部分を透過して、第１プリズムセット１４側の偏光分離膜１６ではなく、第２プリズムセット１５側の偏光分離膜１７に入射してしまうことがある。このように傾斜光線が偏光分離膜１７に入射すると、傾斜光線に含まれるＳ偏光成分の直線偏光光が、偏光分離膜１６、１７で反射した後、直角プリズム２０の側面から光源側に出射して不要光となってしまう。
【００３０】
一方、各プリズムセット１４、１５の間に角度選択膜１８が設けられていると、図７に示すように、５度程度の傾きを持って直角プリズム２０の側面から入射した傾斜光線は、約８５度の入射角で角度選択膜１８に入射し、角度選択膜１８で反射して偏光分離膜１６に入射する。そして、偏光分離膜１６に入射した後は、直角プリズム２０の側面に対して垂直に入射した光線（図６参照）と同様の経路を辿り、Ｐ偏光成分の直線偏光光に変換されて第２プリズムセット１５から出射される。
【００３１】
このように、各プリズムセット１４、１５の間に角度選択膜１８を設ければ、傾斜光線に含まれるＳ偏光成分の直線偏光光が光源側に出射して不要光となることを防ぎ、Ｐ偏光成分の直線偏光光に適切に変換することができる。そして、この偏光照明光学素子７を利用することによって、無偏光光として光源ランプ２から照射された照明光の中から、Ｐ偏光成分の直線偏光光をほぼ損失なく取り出すことが可能となり、液晶表示パネルを効率的に照明することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と機能・構成上同一のものについては、同符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態の偏光照明光学素子４０は、偏光ビームスプリッタアレイ４２を備えている。偏光ビームスプリッタアレイ４２は、上記第１の実施形態と同様に、一対の直角プリズム５０、５１を組み合わせた第１プリズムセット４４と、一対の直角プリズム５２、５３を組み合わせた第２プリズムセット４５とを有し、これらを交互に複数並べることによって構成されている。また、本実施形態の偏光ビームスプリッタアレイ４２は、直角プリズム５０、５１の斜面と直角プリズム５２、５３の斜面とが平行になるように向きを決めて各プリズムセット４４、４５を接合させている。
【００３３】
第１プリズムセット４４の直角プリズム５０、５１の間には、Ｐ偏光成分の直線偏光光を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光を反射させる特性を有する偏光分離膜４６が設けられている。第２プリズムセット４５の直角プリズム５２、５３の間には、入射したＰ偏光成分又はＳ偏光成分の直線偏光光を反射させる反射膜（光路変更手段）４７が設けられている。また、各プリズムセット４４、４５の間には、上記第１の実施形態の角度選択膜１８と同様の特性を有する角度選択膜４８が設けられている。
【００３４】
第２レンズアレイ６と対面する直角プリズム５２の側面には、第２レンズアレイ６から照射される無偏光の照明光が入射することを防ぐ遮光膜５６が設けられている。一方、第２レンズアレイ６と対面する直角プリズム５０の側面は、外部に露呈している。従って、照明光は、第１プリズムセット４４のみに入射する。また、直角プリズム５３の側面には、Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分の直線偏光光が透過する際に、その偏光方向を９０度回転させるλ／２位相差膜（偏光変換手段）５８が設けられている。
【００３５】
次に、本実施形態の作用を説明する。第２レンズアレイ６が照射した無偏光の照明光は、第１プリズムセット４４の直角プリズム５０の側面を通って偏光分離膜４６に４５度の入射角で入射する。偏光分離膜４６は、入射した照明光の中からＰ偏光成分の直線偏光光を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光を９０度反射させる。透過したＰ偏光成分の直線偏光光は、そのまま直角プリズム５１を通って第１プリズムセット４４から出射する。
【００３６】
偏光分離膜４６で反射したＳ偏光成分の直線偏光光は、約０度の入射角で角度選択膜４８に入射して角度選択膜４８を透過し、第２プリズムセット４５の直角プリズム５３に入射する。直角プリズム５３に入射したＳ偏光成分の直線偏光光は、偏光分離膜４６と平行に対面している反射膜４７に入射する。反射膜４７は、入射したＳ偏光成分の直線偏光光を、第１プリズムセット４４から出射するＰ偏光成分の直線偏光光と同じ方向に向かうように反射させ、λ／２位相差膜５８に入射させる。λ／２位相差膜５８は、入射したＳ偏光成分の直線偏光光の偏光方向を９０度回転させてＰ偏光成分の直線偏光光に変換し、第１プリズムセット４４から出射する直線偏光光に偏光方向を揃える。これにより、上記第１の実施形態と同様に、偏光分離膜４６によって分離されたＳ偏光成分の直線偏光光も、偏光分離膜４６を透過したＰ偏光成分の直線偏光光とともに液晶表示パネルの照明光として利用することができる。
【００３７】
ところで、図１１に示すように、各プリズムセット４４、４５の間に角度選択膜４８が設けられていない場合には、照明光に含まれる傾斜光線が偏光分離膜４６に入射せず、直角プリズム５０、５３の境界部分を透過してλ／２位相差膜５８に入射してしまうことがある。この場合には、傾斜光線に含まれるＰ偏光成分の直線偏光光がＳ偏光成分の直線偏光光に変換されるとともに、Ｓ偏光成分の直線偏光光がＰ偏光成分の直線偏光光に変換され、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが混在した直線偏光光として偏光照明光学素子４０から出射してしまう。そして、Ｓ偏光成分の直線偏光光は、液晶表示パネルの照明光として利用することができないため、いわゆる迷光になってしまう。
【００３８】
一方、各プリズムセット４４、４５の間に角度選択膜４８が設けられていると、図１０に示すように、傾斜光線が角度選択膜１８で反射して偏光分離膜４６に入射する。そして、偏光分離膜４６に入射した後は、直角プリズム５０の側面に対して垂直に入射した光線（図９参照）と同様の経路を辿り、Ｐ偏光成分の直線偏光光に変換されて各プリズムセット４４、４５から出射される。
【００３９】
このように、直角プリズム５０、５１の斜面と直角プリズム５２、５３の斜面とが平行になるように各プリズムセット４４、４５を配置した際にも、各プリズムセット４４、４５の間に角度選択膜４８を設けることで、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが混在した直線偏光光となって傾斜光線が偏光照明光学素子４０から出射することを防ぎ、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、上記第２の実施形態では、第２プリズムセット４５の直角プリズム５３の側面にλ／２位相差膜５８を設け、Ｐ偏光成分の直線偏光光に揃えて照明光を出射させるようにしたが、これとは反対に、第１プリズムセット４４の直角プリズム５１の側面にλ／２位相差膜５８を設け、Ｓ偏光成分の直線偏光光に揃えて照明光を出射させるようにしてもよい。
【００４１】
上記各実施形態では、角度選択膜１８、４８の材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の単層膜を示したが、角度選択膜１８、４８の材料は、これに限ることなく、直角プリズム２０〜２３、５０〜５３よりも屈折率の低い材料であればよい。例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の単層膜を用いてもよいし、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）と酸化シリコンとを交互に積層した誘電体多層膜を用いてもよい。さらには、屈折率の低い（例えば、屈折率１．４４）シリコーン接着剤を用いてもよい。
【００４２】
上記各実施形態では、０〜１０度の入射角で入射した光をほぼ１００％透過させ、８０〜９０度の入射角で入射した光をほぼ１００％反射させる角度選択膜１８、４８を示したが、角度選択膜１８、４８が透過又は反射させる入射角の範囲は、上記に限定されるものではない。
【００４３】
上記各実施形態では、直角プリズム２０〜２３、５０〜５３の材料として、屈折率１．５２の光学ガラスを用いたが、直角プリズム２０〜２３、５０〜５３の材質、及び屈折率は、これに限定されるものではない。
【００４４】
上記各実施形態では、液晶プロジェクタの光源装置に本発明の偏光照明光学素子を適用した例を示したが、本発明の偏光照明光学素子は、これに限ることなく、他の光学機器に適用してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
７、４０ 偏光照明光学素子
１０、４２ 偏光ビームスプリッタアレイ
１２ プリズムシート（偏光変換手段）
１４、４４ 第１プリズムセット
１５、４５ 第２プリズムセット
１６、４６ 偏光分離膜
１７ 偏光分離膜（光路変更手段）
１８、４８ 角度選択膜
２０〜２３、５０〜５３ 直角プリズム
４７ 反射膜（光路変更手段）
５８ λ／２位相差膜（偏光変換手段）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無偏光の入射光を一定の偏光方向をもつ直線偏光光に変換する偏光照明光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示パネルに表示させた画像を光源ランプからの光で照明してスクリーンに投写する液晶プロジェクタが種々製品化されている。よく知られるように、液晶表示パネルは、液晶分子を封入した所定厚みの液晶層と、その入射面側と出射面側にそれぞれ配置された偏光子と検光子とを備えている。偏光子と検光子とは、それぞれの偏光方向が互いに直交、あるいは平行となるように配置され、液晶層に入射した直線偏光光の通過を液晶分子の配向姿勢に応じて制御し、検光子を通して出射する直線偏光光の光量調節を行う。
【０００３】
一方、液晶プロジェクタの光源装置中には、光源からの無偏光光を液晶表示パネルの偏光子と同じ向きの偏光方向の直線偏光光に変換する偏光照明光学素子が用いられるのが通常である。このような偏光照明光学素子としては、特許文献１で知られるように、偏光ビームスプリッタとλ／２位相差板とを組み合わせたプリズムアレイが多用されている。偏光ビームスプリッタは、偏光方向が互いに直交する２種類の直線偏光光のうちの一方を透過させ他方を反射させる偏光分離面を備え、この偏光分離面で分離された二種類の直線偏光光のいずれかをλ／２位相差板を通して偏光方向を９０度回転させた後、他方の直線偏光光と併せることによって、偏光方向がそろった直線偏光光を得るようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−１９４０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
液晶プロジェクタの光源装置では、光源から照射された照明光をレンズアレイで平行光束に変換してから偏光照明光学素子に入射させている。しかしながら、照明光は、レンズアレイで平行光束に変換したとしても、その全てが光軸と平行にはならず、一部の光線は、５度程度の傾きを持って偏光照明光学素子に入射する。このように傾きを持って偏光照明光学素子に入射した照明光は、偏光照明光学素子の内部で反射して光源側に戻ったり、偏光分離面に入射せず、偏光方向が直交する２種類の直線偏光光が混在した状態のまま偏光照明光学素子から出射したりする場合があり、偏光照明光学素子の直線偏光光への変換効率を低下させる要因となっていた。
【０００６】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、液晶プロジェクタの光源装置などに用いられる偏光照明光学素子において、傾きを持って入射する照明光も適切に直線偏光光に変換できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の偏光照明光学素子は、一対の直角プリズムを組み合わせることで四角柱状に形成された第１プリズムセットと、前記第１プリズムセットと略同一に構成され、側面を合わせるように前記第１プリズムセットに隣接して配置される第２プリズムセットと、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、Ｐ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方を透過させて前記第１プリズムセットから出射させるとともに、他方を反射させて前記第２プリズムセットに入射させる偏光分離膜と、前記第１プリズムセットから出射する直線偏光光と同じ方向に向かって出射するように、前記前記第２プリズムセットに入射した直線偏光光の光路を変える光路変更手段と、前記偏光分離膜が分離させたＰ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方の偏光方向を９０度回転させることにより、前記各プリズムセットから出射する直線偏光光をＰ偏光又はＳ偏光の一方に揃える偏光変換手段と、前記各プリズムセットの間に設けられ、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有する角度選択膜とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
前記第２プリズムセットは、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが直交するように配置され、前記光路変更手段は、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、前記第１プリズムセットに設けられた前記偏光分離膜と同一の特性を有する偏光分離膜であり、前記偏光変換手段は、各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列された複数の直角プリズム要素を有し、前記各稜線がＰ偏光及びＳ偏光の直線偏光光の偏光方向に対して４５度傾くように前記第２プリズムセットの入射側の側面に設けられ、入射した直線偏光光を前記直角プリズム要素の一対の斜面でそれぞれ内面全反射させることにより、直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるとともに、変換後の直線偏光光を入射方向と逆向きに出射させることが好ましい。
【０００９】
また、前記第２プリズムセットを、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが平行になるように配置し、前記光路変更手段を、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、入射した直線偏光光を反射させる反射膜とし、前記偏光変換手段を、前記各プリズムセットの出射側の側面の一方に設けられ、透過する直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるλ／２位相差膜としてもよい。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有する角度選択膜を各プリズムセットの間に設けたので、傾きを持って入射した無偏光の入射光も適切に直線偏光光に変換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】液晶プロジェクタの光源装置の構成を概略的に示す説明図である。
【図２】偏光照明光学素子の外観図である。
【図３】０〜１０度の入射光に対する角度選択膜の特性を示すグラフである。
【図４】８０〜９０度の入射光に対する角度選択膜の特性を示すグラフである。
【図５】偏光照明光学素子の構造を示す部分破断斜視図である。
【図６】垂直に入射した光の光路を示す説明図である。
【図７】傾斜して入射した光の光路を示す説明図である。
【図８】角度選択膜がない場合を示す説明図である。
【図９】各直角プリズムの斜面が平行になるように各プリズムセットを配置した例を示す説明図である。
【図１０】傾斜して入射した光の光路を示す説明図である。
【図１１】角度選択膜がない場合を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図１に示すように、液晶プロジェクタの光源装置は、リフレクタ３とともに用いられる光源ランプ２を備えている。この光源ランプ２には、超高圧水銀ランプなどの高輝度のランプが用いられる。照明光路中には、赤外線及び紫外線カット用のフィルタ４が設けられ、種々の偏光光が合成された無偏光・可視域の照明光は、第１レンズアレイ５に入射する。第１レンズアレイ５は、複数のセグメントレンズを液晶表示パネルの矩形形状に倣うように矩形マトリクス状に配列したもので、同様の構造をもつ第２レンズアレイ６と協同して光源からの光を複数の光束に分割する。
【００１３】
第２レンズアレイ６の個々のセグメントレンズから出射した照明光は、偏光照明光学素子７にほぼ平行光束となって入射する。偏光照明光学素子７は、様々な偏光光を含む無偏光の照明光中から紙面と垂直な偏光方向をもった直線偏光光を分離して照明レンズ８に入射させる作用をもつ。照明レンズ８は、偏光照明光学素子７から出射した直線偏光光を液晶表示パネルの有効画面内に導き、これにより液晶表示パネルを直線偏光光で効率的に照明することができる。
【００１４】
図２に示すように、偏光照明光学素子７は、直方体状の外観を呈しており、偏光ビームスプリッタアレイ１０と、その光入射面側に接合された複数のプリズムシート（偏光変換手段）１２とから構成されている。偏光ビームスプリッタアレイ１０は、一対の直角プリズム２０、２１を組み合わせた第１プリズムセット１４と、同様に一対の直角プリズム２２、２３を組み合わせた第２プリズムセット１５とを有し、これらを照明光の光軸と直交する方向に交互に複数並べることによって構成されている。直角プリズム２０〜２３は、同一形状の直角二等辺三角柱に形成されている。また、直角プリズム２０〜２３には、例えば、屈折率１．５２の光学ガラス（ＢＫ７）が用いられている。
【００１５】
第１プリズムセット１４は、互いの斜面を合わせるように直角プリズム２０、２１を組み合わせて接合させることで、正四角柱の外形を成している。第２プリズムセット１５も同様に、互いの斜面を合わせるように直角プリズム２２、２３を組み合わせて接合させることで、正四角柱の外形を成している。各プリズムセット１４、１５は、側面を合わせるように隣接して接合されている。ここで、直角プリズム２０〜２３の斜面とは、直角二等辺三角形に形成された上面及び底面の双方の斜辺を含む面のことである。
【００１６】
偏光ビームスプリッタアレイ１０は、このように各プリズムセット１４、１５を複数接合することで、直方体状に形成される。また、偏光ビームスプリッタアレイ１０は、直角プリズム２０、２１の斜面と直角プリズム２２、２３の斜面とが直交するように向きを決めて各プリズムセット１４、１５を接合させている。
【００１７】
第１プリズムセット１４の直角プリズム２０、２１の間には、誘電体多層膜からなる偏光分離膜１６が設けられている。第２プリズムセット１５の直角プリズム２２、２３の間にも、同様の偏光分離膜（光路変更手段）１７が設けられている。偏光分離膜１６、１７は、Ｐ偏光成分の直線偏光光（偏光分離膜１６、１７の法線と入射光線とを含む面に平行な偏光方向をもつ）を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光（Ｐ偏光成分の直線偏光光の偏光方向と直交する偏光方向をもつ）を反射させる特性を有している。
【００１８】
また、各プリズムセット１４、１５の間には、入射した光の入射角によって、その光を透過又は反射させる特性を有する角度選択膜１８が設けられている。角度選択膜１８は、図３に示すように、４００〜７００ｎｍの可視域の光が０〜１０度の入射角で入射した場合、その光をほぼ１００％透過させる。一方、角度選択膜１８は、図４に示すように、４００〜７００ｎｍの可視域の光が８０〜９０度の入射角で入射した場合、その光をほぼ１００％反射させる。ここで、入射角とは、入射光線が入射点に立てた法線に対してなす角のことであるから、入射角０度で入射する光とは、すなわち角度選択膜１８の表面に対する法線と平行に入射する光（表面に対して垂直に入射する光）のことである。
【００１９】
このように、角度選択膜１８は、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有している。この角度選択膜１８は、例えば、屈折率１．４６の酸化シリコン（ＳｉＯ２）の単層膜を約０．５μｍの厚みで成膜することにより構成される。
【００２０】
プリズムシート１２は、偏光ビームスプリッタアレイ１０に含まれる各第２プリズムセット１５のそれぞれに対応して設けられている。プリズムシート１２は、直角プリズム２２の側面と略同一の外形を有する短冊状に形成され、入射側の側面を覆うように直角プリズム２２に接合されている。このプリズムシート１２は、透明なプラスチックまたはガラスで製造することができる。
【００２１】
このように、偏光ビームスプリッタアレイ１０は、第２レンズアレイ６と対面する直角プリズム２０、２２の各側面のうち、直角プリズム２０の側面は外部に露呈され、直角プリズム２２の側面はプリズムシート１２によって覆われている。なお、直角プリズム２０の側面を覆う部分を平行平面にしておけば、短冊状の複数枚のプリズムシート１２を一繋がりした１枚のシートにすることも可能である。
【００２２】
図５に示すように、プリズムシート１２には、互いの稜線が平行かつ同一面上に並ぶように配列された複数の直角プリズム要素２６が形成されている。直角プリズム要素２６は、それぞれの稜線が直角プリズム２０〜２３の各稜線に対して４５度傾いて形成されている。プリズムシート１２は、偏光分離膜１７で反射したＳ偏光成分の直線偏光光が直角プリズム２２の側面から出射し、直角プリズム要素２６の斜面に入射した際に、直角プリズム要素２６の一対の斜面で２回内面全反射させることにより、入射したＳ偏光成分の直線偏光光の光路を１８０度反転させて入射方向と逆向きに出射させるとともに、偏光方向を９０度回転させる。このように、プリズムシート１２は、直角プリズム２２の側面から出射したＳ偏光成分の直線偏光光を、Ｐ偏光成分の直線偏光光に変換して再び偏光分離膜１７に入射させる。
【００２３】
次に、上記偏光照明光学素子７の作用について説明する。第２レンズアレイ６を構成する個々のマイクロレンズから主光線が略平行に出射した無偏光の照明光は、それぞれのマイクロレンズごとに偏光照明光学素子７に入射する。図６に示すように、マイクロレンズから出射した照明光は、第１プリズムセット１４の直角プリズム２０の側面を通って偏光分離膜１６に４５度の入射角で入射する。
【００２４】
偏光分離膜１６は、入射した照明光の中からＰ偏光成分の直線偏光光を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光を９０度反射させる。透過したＰ偏光成分の直線偏光光は、そのまま直角プリズム２１を通って第１プリズムセット１４から出射する。
【００２５】
偏光分離膜１６で反射したＳ偏光成分の直線偏光光は、約０度の入射角で角度選択膜１８に入射して角度選択膜１８を透過し、第２プリズムセット１５の直角プリズム２２に入射する。そして、頂角９０度で偏光分離膜１６と対面している第２プリズムセット１５の偏光分離膜１７で再度反射し、直角プリズム２２の側面から出射してプリズムシート１２に向かう。
【００２６】
この直線偏光光は、偏光方向（偏光面）が紙面に対して垂直なＳ偏光成分からなる偏光光になっているが、その偏光方向に対して稜線が４５度傾いた直角プリズム要素２６に入射すると、その一対の斜面でそれぞれ内面全反射する間に偏光方向が９０度回転し、偏光方向が紙面と平行なＰ偏光成分の直線偏光光となって第１プリズムセット１４から出射する直線偏光光に揃えられる。
【００２７】
変換されたＰ偏光成分の直線偏光光は、再び偏光分離膜１７に入射する。そして、偏光分離膜１７及び直角プリズム２３を透過し、第１プリズムセット１４から出射するＰ偏光成分の直線偏光光と同じ方向に向かって第２プリズムセット１５を出射する。これにより、偏光分離膜１６によって分離されたＳ偏光成分の直線偏光光も、偏光分離膜１６を透過したＰ偏光成分の直線偏光光とともに液晶表示パネルの照明光として利用することができるようになる。
【００２８】
ところで、第２レンズアレイ６から偏光照明光学素子７に照射される無偏光の照明光は、その全てが光軸と平行にはならず、図７、８に示すように、一部の光線は、５度程度の傾きを持って直角プリズム２２の側面に入射する（これ以降、傾きを持って入射する光線を傾斜光線と称す）。
【００２９】
図８に示すように、各プリズムセット１４、１５の間に角度選択膜１８が設けられていない場合には、傾斜光線が直角プリズム２０、２２の境界部分を透過して、第１プリズムセット１４側の偏光分離膜１６ではなく、第２プリズムセット１５側の偏光分離膜１７に入射してしまうことがある。このように傾斜光線が偏光分離膜１７に入射すると、傾斜光線に含まれるＳ偏光成分の直線偏光光が、偏光分離膜１６、１７で反射した後、直角プリズム２０の側面から光源側に出射して不要光となってしまう。
【００３０】
一方、各プリズムセット１４、１５の間に角度選択膜１８が設けられていると、図７に示すように、５度程度の傾きを持って直角プリズム２０の側面から入射した傾斜光線は、約８５度の入射角で角度選択膜１８に入射し、角度選択膜１８で反射して偏光分離膜１６に入射する。そして、偏光分離膜１６に入射した後は、直角プリズム２０の側面に対して垂直に入射した光線（図６参照）と同様の経路を辿り、Ｐ偏光成分の直線偏光光に変換されて第２プリズムセット１５から出射される。
【００３１】
このように、各プリズムセット１４、１５の間に角度選択膜１８を設ければ、傾斜光線に含まれるＳ偏光成分の直線偏光光が光源側に出射して不要光となることを防ぎ、Ｐ偏光成分の直線偏光光に適切に変換することができる。そして、この偏光照明光学素子７を利用することによって、無偏光光として光源ランプ２から照射された照明光の中から、Ｐ偏光成分の直線偏光光をほぼ損失なく取り出すことが可能となり、液晶表示パネルを効率的に照明することができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。なお、上記実施形態と機能・構成上同一のものについては、同符号を付し、詳細な説明を省略する。本実施形態の偏光照明光学素子４０は、偏光ビームスプリッタアレイ４２を備えている。偏光ビームスプリッタアレイ４２は、上記第１の実施形態と同様に、一対の直角プリズム５０、５１を組み合わせた第１プリズムセット４４と、一対の直角プリズム５２、５３を組み合わせた第２プリズムセット４５とを有し、これらを交互に複数並べることによって構成されている。また、本実施形態の偏光ビームスプリッタアレイ４２は、直角プリズム５０、５１の斜面と直角プリズム５２、５３の斜面とが平行になるように向きを決めて各プリズムセット４４、４５を接合させている。
【００３３】
第１プリズムセット４４の直角プリズム５０、５１の間には、Ｐ偏光成分の直線偏光光を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光を反射させる特性を有する偏光分離膜４６が設けられている。第２プリズムセット４５の直角プリズム５２、５３の間には、入射したＰ偏光成分又はＳ偏光成分の直線偏光光を反射させる反射膜（光路変更手段）４７が設けられている。また、各プリズムセット４４、４５の間には、上記第１の実施形態の角度選択膜１８と同様の特性を有する角度選択膜４８が設けられている。
【００３４】
第２レンズアレイ６と対面する直角プリズム５２の側面には、第２レンズアレイ６から照射される無偏光の照明光が入射することを防ぐ遮光膜５６が設けられている。一方、第２レンズアレイ６と対面する直角プリズム５０の側面は、外部に露呈している。従って、照明光は、第１プリズムセット４４のみに入射する。また、直角プリズム５３の側面には、Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分の直線偏光光が透過する際に、その偏光方向を９０度回転させるλ／２位相差膜（偏光変換手段）５８が設けられている。
【００３５】
次に、本実施形態の作用を説明する。第２レンズアレイ６が照射した無偏光の照明光は、第１プリズムセット４４の直角プリズム５０の側面を通って偏光分離膜４６に４５度の入射角で入射する。偏光分離膜４６は、入射した照明光の中からＰ偏光成分の直線偏光光を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光を９０度反射させる。透過したＰ偏光成分の直線偏光光は、そのまま直角プリズム５１を通って第１プリズムセット４４から出射する。
【００３６】
偏光分離膜４６で反射したＳ偏光成分の直線偏光光は、約０度の入射角で角度選択膜４８に入射して角度選択膜４８を透過し、第２プリズムセット４５の直角プリズム５３に入射する。直角プリズム５３に入射したＳ偏光成分の直線偏光光は、偏光分離膜４６と平行に対面している反射膜４７に入射する。反射膜４７は、入射したＳ偏光成分の直線偏光光を、第１プリズムセット４４から出射するＰ偏光成分の直線偏光光と同じ方向に向かうように反射させ、λ／２位相差膜５８に入射させる。λ／２位相差膜５８は、入射したＳ偏光成分の直線偏光光の偏光方向を９０度回転させてＰ偏光成分の直線偏光光に変換し、第１プリズムセット４４から出射する直線偏光光に偏光方向を揃える。これにより、上記第１の実施形態と同様に、偏光分離膜４６によって分離されたＳ偏光成分の直線偏光光も、偏光分離膜４６を透過したＰ偏光成分の直線偏光光とともに液晶表示パネルの照明光として利用することができる。
【００３７】
ところで、図１１に示すように、各プリズムセット４４、４５の間に角度選択膜４８が設けられていない場合には、照明光に含まれる傾斜光線が偏光分離膜４６に入射せず、直角プリズム５０、５３の境界部分を透過してλ／２位相差膜５８に入射してしまうことがある。この場合には、傾斜光線に含まれるＰ偏光成分の直線偏光光がＳ偏光成分の直線偏光光に変換されるとともに、Ｓ偏光成分の直線偏光光がＰ偏光成分の直線偏光光に変換され、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが混在した直線偏光光として偏光照明光学素子４０から出射してしまう。そして、Ｓ偏光成分の直線偏光光は、液晶表示パネルの照明光として利用することができないため、いわゆる迷光になってしまう。
【００３８】
一方、各プリズムセット４４、４５の間に角度選択膜４８が設けられていると、図１０に示すように、傾斜光線が角度選択膜１８で反射して偏光分離膜４６に入射する。そして、偏光分離膜４６に入射した後は、直角プリズム５０の側面に対して垂直に入射した光線（図９参照）と同様の経路を辿り、Ｐ偏光成分の直線偏光光に変換されて各プリズムセット４４、４５から出射される。
【００３９】
このように、直角プリズム５０、５１の斜面と直角プリズム５２、５３の斜面とが平行になるように各プリズムセット４４、４５を配置した際にも、各プリズムセット４４、４５の間に角度選択膜４８を設けることで、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とが混在した直線偏光光となって傾斜光線が偏光照明光学素子４０から出射することを防ぎ、上記第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
なお、上記第２の実施形態では、第２プリズムセット４５の直角プリズム５３の側面にλ／２位相差膜５８を設け、Ｐ偏光成分の直線偏光光に揃えて照明光を出射させるようにしたが、これとは反対に、第１プリズムセット４４の直角プリズム５１の側面にλ／２位相差膜５８を設け、Ｓ偏光成分の直線偏光光に揃えて照明光を出射させるようにしてもよい。
【００４１】
上記各実施形態では、角度選択膜１８、４８の材料として、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の単層膜を示したが、角度選択膜１８、４８の材料は、これに限ることなく、直角プリズム２０〜２３、５０〜５３よりも屈折率の低い材料であればよい。例えば、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の単層膜を用いてもよいし、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）と酸化シリコンとを交互に積層した誘電体多層膜を用いてもよい。さらには、屈折率の低い（例えば、屈折率１．４４）シリコーン接着剤を用いてもよい。
【００４２】
上記各実施形態では、０〜１０度の入射角で入射した光をほぼ１００％透過させ、８０〜９０度の入射角で入射した光をほぼ１００％反射させる角度選択膜１８、４８を示したが、角度選択膜１８、４８が透過又は反射させる入射角の範囲は、上記に限定されるものではない。
【００４３】
上記各実施形態では、直角プリズム２０〜２３、５０〜５３の材料として、屈折率１．５２の光学ガラスを用いたが、直角プリズム２０〜２３、５０〜５３の材質、及び屈折率は、これに限定されるものではない。
【００４４】
上記各実施形態では、液晶プロジェクタの光源装置に本発明の偏光照明光学素子を適用した例を示したが、本発明の偏光照明光学素子は、これに限ることなく、他の光学機器に適用してもよい。
【符号の説明】
【００４５】
７、４０ 偏光照明光学素子
１０、４２ 偏光ビームスプリッタアレイ
１２ プリズムシート（偏光変換手段）
１４、４４ 第１プリズムセット
１５、４５ 第２プリズムセット
１６、４６ 偏光分離膜
１７ 偏光分離膜（光路変更手段）
１８、４８ 角度選択膜
２０〜２３、５０〜５３ 直角プリズム
４７ 反射膜（光路変更手段）
５８ λ／２位相差膜（偏光変換手段）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の直角プリズムを組み合わせることで四角柱状に形成された第１プリズムセットと、
前記第１プリズムセットと略同一に構成され、側面を合わせるように前記第１プリズムセットに隣接して配置される第２プリズムセットと、
前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、Ｐ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方を透過させて前記第１プリズムセットから出射させるとともに、他方を反射させて前記第２プリズムセットに入射させる偏光分離膜と、
前記第１プリズムセットから出射する直線偏光光と同じ方向に向かって出射するように、前記前記第２プリズムセットに入射した直線偏光光の光路を変える光路変更手段と、
前記偏光分離膜が分離させたＰ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方の偏光方向を９０度回転させることにより、前記各プリズムセットから出射する直線偏光光をＰ偏光又はＳ偏光の一方に揃える偏光変換手段と、
前記各プリズムセットの間に設けられ、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有する角度選択膜とを備えたことを特徴とする偏光照明光学素子。
【請求項２】
前記第２プリズムセットは、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが直交するように配置され、
前記光路変更手段は、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、前記第１プリズムセットに設けられた前記偏光分離膜と同一の特性を有する偏光分離膜であり、
前記偏光変換手段は、各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列された複数の直角プリズム要素を有し、前記各稜線がＰ偏光及びＳ偏光の直線偏光光の偏光方向に対して４５度傾くように前記第２プリズムセットの入射側の側面に設けられ、入射した直線偏光光を前記直角プリズム要素の一対の斜面でそれぞれ内面全反射させることにより、直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるとともに、変換後の直線偏光光を入射方向と逆向きに出射させることを特徴とする請求項１記載の偏光照明光学素子。
【請求項３】
前記第２プリズムセットは、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが平行になるように配置され、
前記光路変更手段は、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、入射した直線偏光光を反射させる反射膜であり、
前記偏光変換手段は、前記各プリズムセットの出射側の側面の一方に設けられ、透過する直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるλ／２位相差膜であることを特徴とする請求項１記載の偏光照明光学素子。
【請求項１】
一対の直角プリズムを組み合わせることで四角柱状に形成された第１プリズムセットと、
前記第１プリズムセットと略同一に構成され、側面を合わせるように前記第１プリズムセットに隣接して配置される第２プリズムセットと、
前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、Ｐ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方を透過させて前記第１プリズムセットから出射させるとともに、他方を反射させて前記第２プリズムセットに入射させる偏光分離膜と、
前記第１プリズムセットから出射する直線偏光光と同じ方向に向かって出射するように、前記前記第２プリズムセットに入射した直線偏光光の光路を変える光路変更手段と、
前記偏光分離膜が分離させたＰ偏光又はＳ偏光の直線偏光光の一方の偏光方向を９０度回転させることにより、前記各プリズムセットから出射する直線偏光光をＰ偏光又はＳ偏光の一方に揃える偏光変換手段と、
前記各プリズムセットの間に設けられ、小さい入射角で入射した光を透過させ、大きい入射角で入射した光を反射させる特性を有する角度選択膜とを備えたことを特徴とする偏光照明光学素子。
【請求項２】
前記第２プリズムセットは、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが直交するように配置され、
前記光路変更手段は、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、前記第１プリズムセットに設けられた前記偏光分離膜と同一の特性を有する偏光分離膜であり、
前記偏光変換手段は、各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列された複数の直角プリズム要素を有し、前記各稜線がＰ偏光及びＳ偏光の直線偏光光の偏光方向に対して４５度傾くように前記第２プリズムセットの入射側の側面に設けられ、入射した直線偏光光を前記直角プリズム要素の一対の斜面でそれぞれ内面全反射させることにより、直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるとともに、変換後の直線偏光光を入射方向と逆向きに出射させることを特徴とする請求項１記載の偏光照明光学素子。
【請求項３】
前記第２プリズムセットは、前記第１プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面と、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの斜面とが平行になるように配置され、
前記光路変更手段は、前記第２プリズムセットの前記一対の直角プリズムの間に設けられ、入射した直線偏光光を反射させる反射膜であり、
前記偏光変換手段は、前記各プリズムセットの出射側の側面の一方に設けられ、透過する直線偏光光の偏光方向を９０度回転させるλ／２位相差膜であることを特徴とする請求項１記載の偏光照明光学素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１０−１８１７１７（Ｐ２０１０−１８１７１７Ａ）
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６２０５（Ｐ２００９−２６２０５）
【出願日】平成２１年２月６日（２００９．２．６）
【出願人】（０００００５４３０）フジノン株式会社 (2,231)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年８月１９日（２０１０．８．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年２月６日（２００９．２．６）
【出願人】（０００００５４３０）フジノン株式会社 (2,231)
【Ｆターム（参考）】
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