光学素子、光学ユニットおよび投写型映像表示装置
【課題】簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換える。
【解決手段】偏光板ホイール２は、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域、入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域が形成される。偏光板ホイール２は、入射方向を回転軸方向として回転する。第１偏光成分と第２偏光成分とは互いに直交する成分であってもよい。
【解決手段】偏光板ホイール２は、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域、入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域が形成される。偏光板ホイール２は、入射方向を回転軸方向として回転する。第１偏光成分と第２偏光成分とは互いに直交する成分であってもよい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無偏光状態と偏光状態とを切り換えるための光学素子、光学ユニットおよび投写型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の映像（以下、二次元画像という）を投写して投影面に表示させる機能と、視差画像を投写して投影面に表示させることにより立体映像（以下、三次元画像という）を観察者に見せる機能の両方を持つ投写型映像表示装置（以下適宜、プロジェクタともいう）の開発が進められている。三次元画像を観察者に見せる方式の一つに、偏光メガネ方式がある。偏光メガネは、直交する偏光成分（たとえば、Ｐ偏光とＳ偏光）や互いに逆回転の円偏光（右円偏光と左円偏光）が観察者の右眼と左眼にそれぞれ入射されるよう、入射光をそれぞれフィルタリングするメガネである。
【０００３】
偏光メガネ方式を採用したプロジェクタシステムとして、様々な手法が提案されている。たとえば、右眼用画像を投写する第１プロジェクトと、左眼用画像を投写する第２プロジェクタを二つ用いて、第１プロジェクタの投写レンズの後段（より具体的には、投写レンズから出射される光の光路上）に右眼用の偏光成分を透過する偏光板を設置し、第２プロジェクタの投写レンズの後段に左眼用の偏光成分を透過する偏光板を設置する手法（第１手法）が提案されている。
【０００４】
また、右眼用画像と左眼用画像とを時分割に切り換えて投写するプロジェクタを一つ用いて、そのプロジェクタの投写レンズの後段に偏光スイッチャを設置する手法（第２手法）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。当該偏光スイッチャは、偏光板と、電圧印加に応じて偏光方向を切り換える液晶素子を含む。
【０００５】
また、カラーホイールに偏光素子を貼り付け、カラーホイールを回転させることにより、色成分および偏光方向を時分割に切り換える手法（第３手法）が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１８８９４号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した第１手法はプロジェクタを二つ用いる必要がある。また、上述した第１手法および第２手法は、既存の二次元画像用のプロジェクタを、三次元画像用に容易に転用することができるが、偏光板または偏光スイッチャが投写レンズの後段に設置されるため、大きなサイズの偏光板または偏光スイッチャを用いる必要がある。
【０００８】
上述した第３手法は、偏光素子を小型化することができる。ただし、当該第３手法に係るプロジェクタでは、二次元画像を投写する場合でも、光源から発光される無偏光の光が、カラーホイールに貼り付けられた偏光素子を通過してしまうため、二次元画像を投写する場合の光量が低下する。より具体的には、二次元画像を投写する場合の本来の光量の半分に低下してしまう。なお、上述した第１手法および第２手法でも、投写レンズの後段の偏光板または偏光スイッチャを取り外さなければ、同様に光量が低下するが、取り外せば、光量の低下を抑制することができる。
【０００９】
また、第３手法のようにカラーホイールと一体ではなく、偏光素子が独立してプロジェクタ本体の内部に設置される手法も考えられる。ただし、そのような手法に係るプロジェクタにて、二次元画像を投写する場合の光量の低下を抑制するには、その偏光素子を光路から外す必要があり、そのための機構が必要となる。
【００１０】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換える技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様の光学素子は、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域と、入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域と、が形成され、入射方向を回転軸方向として面が回転可能である。
【００１２】
本発明の別の態様は、投写型映像表示装置である。この装置は、上述した光学素子を用いた偏光板と、二次元画像を表示させるための二次元モードと、三次元画像を表示させるための三次元モードとを切り替える制御部と、を備える。制御部は、三次元モードでは偏光板を回転させ、二次元モードでは偏光板を通る光路に対して無偏光領域を固定的に位置づける。
【００１３】
本発明のさらに別の態様は、光学ユニットである。この光学ユニットは、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域とが形成された偏光板と、偏光板を透過した第１偏光成分および第２偏光成分のそれぞれの偏光方向を補正する１／２波長板と、を備える。
【００１４】
本発明のさらに別の態様は、投写型映像表示装置である。この装置は、上述した光学ユニットと、偏光板および１／２波長板を回転させる制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態２に係る偏光板ホイールおよびカラーホイールの構成を示す図である。図２（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図２（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示し、図２（ｃ）は、二次元モード時の状態を示す。
【図３】本発明の実施の形態３に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。
【図４】実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイールおよび１／２波長板ホイールの状態遷移の第１フェーズ（横偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図４（ａ）は、偏光板ホイールの第１フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図４（ｂ）は、１／２波長板ホイールの第１フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図４（ｃ）は、偏光板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｄ）は、１／２波長板ホイールの遅相軸の方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｅ）は、１／２波長板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示す。
【図５】実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイールおよび１／２波長板ホイールの状態遷移を第２フェーズ（縦偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図５（ａ）は、偏光板ホイールの第２フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図５（ｂ）は、１／２波長板ホイールの第２フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図５（ｃ）は、偏光板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｄ）は、１／２波長板ホイールの遅相軸の方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｅ）は、１／２波長板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示す。
【図６】実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイールと、カラーホイールとの関係を示す図である。
【図７】実施の形態４の実施例２に係る偏光板ホイール、カラーホイールおよび１／２波長板ホイールを示す図である。
【図８】実施の形態４の実施例３に係るカラーホイールおよび１／２波長板ホイールを示す図である。
【図９】実施の形態４の実施例４に係るカラーホイールおよび偏光板ホイールを示す図である。
【図１０】実施の形態４の実施例５に係る偏光板ホイールおよび１／２波長板ホイールの状態遷移を説明するための図である。図１０（ａ）は、偏光板ホイールの状態遷移（半回転）を示し、図１０（ｂ）は、１／２波長板ホイールの状態遷移（１／４回転）を示し、図１０（ｃ）は、偏光板ホイールを通過後の光の偏光方向の遷移を示し、図１０（ｄ）は、１／２波長板ホイールの遅相軸の方向の遷移を示し、図１０（ｅ）は、１／２波長板ホイールを通過後の光の偏光方向の遷移を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の構成を示す概略図である。投写型映像表示装置１００は、二次元画像をスクリーンなどの投影面に投写して、二次元画像を表示すること（以下、この使用方法を二次元モードという）も、視差画像を投影面に投写して、三次元画像を表示する（より厳密には、観察者に認識させる）こと（以下、この使用方法を三次元モードという）もできる。
【００１８】
光源１は、ランプ駆動部１２による制御にしたがい、光学ユニット５０に光を照射する。光源１は、フィラメント型の電極構造を有するハロゲンランプ、アーク放電を発生させる電極構造を有するメタルハライドランプ、キセノンショートアークランプ、高圧型の水銀ランプ、ＬＥＤランプなどを用いることができる。光源１の中央部に設けられた発光管１ａから出射された光は、楕円面または双曲面で形成されたリフレクタ１ｂで集光されて、光学ユニット５０に進入する。
【００１９】
光学ユニット５０は、偏光板ホイール２、カラーホイール３、ロッドインテグレータ５、およびコンデンサレンズ６ａ、６ｂを含む。光源１から照射された光は、偏光板ホイール２、カラーホイール３、ロッドインテグレータ５、およびコンデンサレンズ６ａ、６ｂの順に通過する。偏光板ホイール２およびカラーホイール３はそれぞれ、円盤状であって、光源１から照射された光の光軸に対して垂直に配置される。偏光板ホイール２およびカラーホイール３はそれぞれ、ホイール駆動部１１の制御にしたがい、当該光軸と平行な回転軸を中心に回転する。なお、偏光板ホイール２およびカラーホイール３の詳細は後述する。
【００２０】
ロッドインテグレータ５は、上記光軸上に、偏光板ホイール２およびカラーホイール３を介して配置される。ロッドインテグレータ５は、入射面５ａから入射された光の照度を均一化して、出射面５ｂから出射する。
【００２１】
コンデンサレンズ６ａ、６ｂは、上記光軸上に、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに対向して配置される。コンデンサレンズ６ａ、６ｂは、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂから出射された光を集光して、ミラー７に出射する。
【００２２】
ミラー７は、上記光軸上に、当該光軸に対して所定の傾きを持って配置される。ミラー７は、コンデンサレンズ６ａ、６ｂから出射された光を反射して、光変調素子８に出射する。
【００２３】
光変調素子８は、制御部１０から設定される画像信号に応じて、入射される光を変調する。ここでは、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いる例を描いている。ＤＭＤは、画素数に対応した複数のマイクロミラーを備え、各マイクロミラーの向きが各画素信号に応じて制御されることにより、所望の画像を形成する。
【００２４】
投写レンズ９は、光変調素子８により変調された光を図示しないスクリーンなどの投影面に向けて投写する。その際、投写レンズ９が光変調素子８により変調された光を結像することにより、光変調素子８により形成された画像は、投影面に拡大されて表示される。
【００２５】
制御部１０は、ランプ駆動部１２、ホイール駆動部１１および光変調素子８を制御する。より具体的には、制御部１０は、ランプ駆動部１２にオン／オフ信号を設定して、ランプ駆動部１２に光源１の電源をオン／オフさせる。また、制御部１０は、ホイール駆動部１１に回転制御信号を設定して、ホイール駆動部１１に偏光板ホイール２およびカラーホイール３を回転させる。また、制御部１０は、光変調素子８に画像信号を設定して、光変調素子８に所望の画像を形成させる。また、制御部１０は、二次元モードと三次元モードとを切り替える。なお、このモード切替処理の詳細は後述する。
【００２６】
図２は、実施の形態２に係る偏光板ホイールおよびカラーホイールの構成を示す図である。図２（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図２（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示し、図２（ｃ）は、二次元モード時の状態を示す。実施の形態２に係る偏光板ホイールは、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の偏光板ホイール２として採用することに適した光学素子である。以下、実施の形態２に係る偏光板ホイールおよびカラーホイールが、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００に搭載されている状態を前提に説明する。
【００２７】
偏光板ホイール２は、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域と、入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域と、が形成される。偏光板ホイール２は、入射方向を回転軸方向として回転し、第１偏光成分と第２偏光成分と無偏光成分（すなわち、自然光）とを時分割に、順次透過する。
【００２８】
第１偏光成分と第２偏光成分とは互いに直交する成分であり、以下、第１偏光成分を縦偏光成分、第２偏光成分を横偏光成分と表記する。
【００２９】
透過部２ａは、入射光が通過する光路である。偏光板ホイール２は、入射光が中心側ではなく円周側を通過するように、配置される（図１参照）。
【００３０】
図２では、偏光板ホイール２は、七つの扇形領域に分割される。すなわち、第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂ、第３縦偏光領域２２ｃおよび無偏光領域（ＮＰ）２３に分割され、この順番で時計回りに配置される。ここでは、第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂおよび第３縦偏光領域２２ｃは、同じ中心角の扇形である。
【００３１】
第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂおよび第３横偏光領域２１ｃはそれぞれ、半径方向に直交する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂおよび第３縦偏光領域２２ｃはそれぞれ、半径方向に平行する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。
【００３２】
無偏光領域（ＮＰ）２３は、入射光のすべての偏光成分を透過する。無偏光領域（ＮＰ）２３は、透過部２ａを包含することができるサイズであればよい。三次元モードにおける光量の使用効率を確保する観点からは、無偏光領域（ＮＰ）２３のサイズはできるだけ小さいことが好ましい。たとえば、無偏光領域（ＮＰ）２３の円弧方向の幅と、透過部２ａの幅とが実質的に一致していてもよい。
【００３３】
無偏光領域（ＮＰ）２３は空白領域であってもよい。すなわち、偏光板ホイール２のうち、無偏光領域（ＮＰ）２３に対応する領域が切り取られていてもよい。
【００３４】
カラーホイール３は、入射光に対向する面上に、入射光のうち赤成分を透過するＲ領域と、入射光のうち緑成分を透過するＧ領域と、入射光のうち青成分を透過するＢ領域と、入射光のうちすべての色成分を透過するＷ領域と、が形成される。カラーホイール３は、入射方向を回転軸方向として回転し、それぞれ異なる複数の色成分を順次透過する。ここでは、赤色光と緑色光と青色光と白色光とを時分割に順次透過する。
【００３５】
透過部３ａは、入射光が通過する光路である。入射光が中心側ではなく円周側を通過するように、配置される（図１参照）。
【００３６】
図２では、カラーホイール３は、七つの扇形領域に分割される。すなわち、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂ、第２Ｂ領域３２ｃおよびＷ領域３３に分割され、この順番で時計回りに配置される。ここでは、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃは、同じ中心角の扇形である。
【００３７】
第１Ｒ領域３１ａおよび第２Ｒ領域３２ａは、入射光のうち赤成分を透過し、それ以外の色成分を遮断する。第１Ｇ領域３１ｂおよび第２Ｇ領域３２ｂは、入射光のうち緑成分を透過し、それ以外の色成分を遮断する。第１Ｂ領域３１ｃおよび第２Ｂ領域３２ｃは、入射光のうち青成分を透過し、それ以外の色成分を遮断する。Ｗ領域３３は、入射光のすべての色成分を透過する。
【００３８】
なお、Ｗ領域３３は設けられなくてもよい。すなわち、Ｒ領域、Ｇ領域およびＢ領域のみのカラーホイールであってもよい。また、Ｗ領域３３の代わりに、シアン、マゼンダ、イエローなどの補色領域が設けられてよいし、黒領域が設けられてもよい。また、Ｗ領域３３の代わりに、Ｗ領域と、補色領域または黒領域との組み合わせ領域が設けられてもよい。
【００３９】
カラーホイール３の第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂ、第２Ｂ領域３２ｃおよびＷ領域３３は、偏光板ホイール２の第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂ、第３縦偏光領域２２ｃおよび無偏光領域（ＮＰ）２３に、それぞれ同期して回転する。そのため、第１Ｒ領域３１ａと第１横偏光領域２１ａとの中心角、第１Ｇ領域３１ｂと第２横偏光領域２１ｂとの中心角、第１Ｂ領域３１ｃと第３横偏光領域２１ｃとの中心角、第２Ｒ領域３２ａと第１縦偏光領域２２ａとの中心角、第２Ｇ領域３２ｂと第２縦偏光領域２２ｂとの中心角、第２Ｂ領域３２ｃと第３縦偏光領域２２ｃとの中心角、およびＷ領域３３と無偏光領域（ＮＰ）２３との中心角は、それぞれ同じであることが望ましい。
【００４０】
三次元モードでは、制御部１０は、ホイール駆動部１１に偏光板ホイール２およびカラーホイール３を実質的に同じ速度で回転させる（図２（ａ）参照）。したがって、三次元モードにて、カラーホイール３から出射される光は、縦偏光成分の青色光、縦偏光成分の緑色光、縦偏光成分の赤色光、横偏光成分の青色光、横偏光成分の緑色光、横偏光成分の赤色光、無偏光の白色光の順に、繰り返し切り換えられる。したがって、偏光メガネを装着した観察者に、立体カラー映像を認識させることが可能となる。なお、モノクロ画像を表示する場合や、カラーホイール３以外の構成でカラー画像を生成する場合、カラーホイール３を設ける必要はない。
【００４１】
なお、三次元モードでは無偏光の白色光は使用しないため、制御部１０は、無偏光領域（ＮＰ）２３が透過部２ａを横切る期間（図２（ｂ）参照）、光変調素子８に黒画像を設定する。すなわち、その期間には、投影面に光が照射されない状態に設定する。三次元モードで無偏光の光が投影面に照射されると、偏光メガネを装着した観察者にとって、ノイズ画像となる。上述したように、無偏光領域（ＮＰ）２３が透過部２ａを横切る期間に、黒画像を設定することにより、主観画質の低下を抑制することができる。
【００４２】
二次元モードでは、制御部１０は、ホイール駆動部１１に、無偏光領域（ＮＰ）２３が透過部２ａに重なる位置まで偏光板ホイール２を回転させ、両者が重なったら偏光板ホイール２を静止させる。すなわち、偏光板ホイール２を通る光路に対して、無偏光領域（ＮＰ）２３を固定的に位置づける。これにより、二次元モードでは、偏光板ホイール２が存在しない状況を作り出すことができる。
【００４３】
ここまで説明の分かりやすさから、光源１からみて、偏光板ホイール２、カラーホイール３の順に設置される例を説明した。この点、光源１からみて、カラーホイール３、偏光板ホイール２の順に設置されてもよい。むしろ、この順に設置されることが好ましい。
【００４４】
一般的に、偏光板ホイールは、ＰＶＡ（Poly Vinyl Alcohol）などの有機材を主要部材として生成され、カラーホイールは、ダイクロイックミラーにより形成される。したがって、偏光板ホイール２は透過しなかった成分の多くを吸収し、カラーホイール３は、透過しなかった成分の多くを反射する。偏光板ホイール２に吸収される光は熱を発生させ、その熱は、偏光板ホイール２の劣化を早める原因となる。
【００４５】
光源１からみて、カラーホイール３、偏光板ホイール２の順に設置した場合、偏光板ホイール２、カラーホイール３の順に設置される場合と比較し、偏光板ホイール２に入射される光量を約１／３に低下させることができる。したがって、前者の配置のほうが、偏光板ホイール２に発生する熱を少なくすることができ、偏光板ホイール２の寿命を延ばすことができる。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態１、２によれば、偏光板ホイール２に無偏光領域２３を設けたことにより、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができる。
【００４７】
すなわち、既存の投写型映像表示装置１００のカラーホイール３の前段または後段に偏光板ホイール２を追加し、カラーホイール３と同様に回転させるだけの制御を追加すればよいことから、追加される構成は簡素なものである。また、二次元モードでは光路に無偏光領域２３を固定的に配置させることにより、偏光板ホイール２が存在しない状態と同様の状態を作り出すことができる。したがって、二次元モードでも、従来と同様の光量を確保することができる。この点、無偏光領域２３が存在せず、偏光板ホイール２を光路から外す機構が存在しない場合、偏光板ホイール２を通過することにより光量が半減してしまう。
【００４８】
図３は、本発明の実施の形態３に係る投写型映像表示装置１００の構成を示す概略図である。実施の形態３に係る投写型映像表示装置１００は、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の構成に、１／２波長板（λ／２位相差板ともいう）ホイール４が追加された構成である。
【００４９】
１／２波長板ホイール４は、偏光板ホイール２より後段に設置され、偏光板ホイール２を透過した横偏光成分および縦偏光成分のそれぞれの偏光方向を補正する。１／２波長板ホイール４は、入射光の互いに直交する成分に１８０°の位相差を与えることにより、直線偏光を回転させることができる。その回転角は、入射偏光と遅相軸とのなす角にて調整可能であり、たとえば、直線偏光と遅相軸とのなす角が４５°の場合、その直線偏光の偏光面が９０°回転する。
【００５０】
三次元モードにて、制御部１０は、偏光板ホイール２を透過した横偏光成分および縦偏光成分のそれぞれの偏光方向を一定に保つべく、ホイール駆動部１１に１／２波長板ホイール４を回転させる。二次元モードでは、１／２波長板ホイール４に無偏光の光が入射されるため、１／２波長板ホイール４を回転させる必要はない。
【００５１】
図４は、実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４の状態遷移の第１フェーズ（横偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図４（ａ）は、偏光板ホイール２の第１フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図４（ｂ）は、１／２波長板ホイール４の第１フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図４（ｃ）は、偏光板ホイール２を通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｄ）は、１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｅ）は、１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示す。
【００５２】
図５は、実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４の状態遷移を第２フェーズ（縦偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図５（ａ）は、偏光板ホイール２の第２フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図５（ｂ）は、１／２波長板ホイール４の第２フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図５（ｃ）は、偏光板ホイール２を通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｄ）は、１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｅ）は、１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示す。
【００５３】
当該実施例１に係る偏光板ホイール２は、二つの半円領域に分割される。一方が横偏光領域２１であり、他方が縦偏光領域２２である。透過部２ａは光路である。当該実施例１に係る１／２波長板ホイール４は、遅相軸の方向が一つに設計され、全領域について共通である。透過部４ａは光路である。
【００５４】
三次元モードにて、制御部１０は、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。制御部１０は、偏光板ホイール２の横偏光領域および縦偏光領域のそれぞれの偏光方向と１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向が４５°ずれた状態から、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、１／２波長板ホイール４を、偏光板ホイール２の回転速度の実質的に半分の速度で回転させる。
【００５５】
以下、図４、５を参照して具体的に説明する。図４、５では、左から右に状態が遷移する。図４にて、第１フェーズの初期状態では、偏光板ホイール２は、垂直中心線を境に、左側が横偏光領域２１、右側が縦偏光領域２２に配置される。１／２波長板ホイール４は、その遅相軸の方向が垂直中心線から４５°時計回りに進んだ状態である。
【００５６】
この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの左半分を通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００５７】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに４５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００５８】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、水平方向となる。
【００５９】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに１３５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００６０】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの右半分を通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、水平方向となる。
【００６１】
図５にて、第２フェーズの初期状態では、第１フェーズの終了状態と同じ状態である。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの右半分を通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００６２】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向から時計回りに４５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００６３】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。
【００６４】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向から時計回りに１３５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００６５】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの右半分を通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。この状態は、第１フェーズの初期状態と同じ状態である。
【００６６】
このように、第１フェーズでは１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向が常に水平方向に保たれ、第２フェーズではその偏光方向が常に垂直方向に保たれる。すなわち、偏光板ホイール２の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光が、偏光板ホイール２が１８０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。
【００６７】
図６は、実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイール２と、カラーホイール３との関係を示す図である。ここでは、カラーホイール３は六つの扇形領域に等分割される。すなわち、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃに分割され、この順に時計回りに配置される。第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃは、偏光板ホイール２の横偏光領域２１に同期して回転し、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃは、偏光板ホイール２の縦偏光領域２２に同期して回転する。これにより、二種類の偏光状態のそれぞれにおいて、カラー画像を生成することができる。
【００６８】
偏光板ホイール２とカラーホイール３とは、図３に示すように別々に設けられてもよいし、一体的に形成されてもよい。一体的に形成される場合、図６に示すように、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１および第１Ｂ領域３１ｃにより形成される半円領域を横偏光領域に割り当て、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃにより形成される半円領域を縦偏光領域に割り当てる。
【００６９】
なお、モノクロ画像を表示する場合や、カラーホイール３以外の構成でカラー画像を生成する場合、カラーホイール３を設ける必要はない。
【００７０】
図７は、実施の形態４の実施例２に係る偏光板ホイール２、カラーホイール３および１／２波長板ホイール４を示す図である。なお、図７では偏光板ホイール２とカラーホイール３とを一体的に描いているが、上述したように別々に設けられてもよい。
【００７１】
当該実施例２に係るカラーホイール３は、六つの扇形領域に等分割される。すなわち、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃに分割され、この順に時計回りに配置される。第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂおよび第１Ｂ領域３１ｃはそれぞれ、偏光板としての機能も備え、半径方向に対して直交する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃもそれぞれ、偏光板としての機能も備え、半径方向に平行する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。
【００７２】
当該実施例２に係る１／２波長板ホイール４は、十二の扇形領域に等分割される。すなわち、第１横遅相軸領域４１ａ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄ、第５縦遅相軸領域４２ｅ、第６縦遅相軸領域４２ｆ、第４横遅相軸領域４１ｄ、第５横遅相軸領域４１ｅ、第６横遅相軸領域４１ｆ、第１縦遅相軸領域４２ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂおよび第３縦遅相軸領域４２ｃに分割され、その順に時計回りに配置される。
【００７３】
第１横遅相軸領域４１ａ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４横遅相軸領域４１ｄ、第５横遅相軸領域４１ｅ、第６横遅相軸領域４１ｆはそれぞれ、半径方向に対して直交する方向に遅相軸の方向が設計される。第１縦遅相軸領域４２ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂ、第３縦遅相軸領域４２ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄ、第５縦遅相軸領域４２ｅおよび第６縦遅相軸領域４２ｆはそれぞれ、半径方向に平行する方向に遅相軸の方向が設計される。
【００７４】
制御部１０は、カラーホイール３の第１Ｒ領域３１ａと、１／２波長板ホイール４の第４縦遅相軸領域４２ｄおよび第５縦遅相軸領域４２ｅとが対応する位置から、カラーホイール３および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、後者の回転速度を前者の回転速度の１／２に設定する。
【００７５】
当該実施例２によっても、カラーホイール３の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光が、カラーホイール３が１８０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。
【００７６】
図８は、実施の形態４の実施例３に係るカラーホイール３および１／２波長板ホイール４を示す図である。当該実施例３は、上記実施例２と同様に、カラーホイール３が六分割され、１／２波長板ホイール４が十二分割されるが、それぞれにおいて分割された領域の配置が異なる。
【００７７】
当該実施例３に係るカラーホイール３は、第１Ｒ領域３１ａ、第２Ｇ領域３２ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、および第２Ｂ領域３２ｃの順に時計回りに配置される。当該実施例３に係る１／２波長板ホイール４は、第１縦遅相軸領域４２ａ、第１横遅相軸領域４１ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３縦遅相軸領域４２ｃ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄ、第４横遅相軸領域４１ｄ、第５縦遅相軸領域４２ｅ、第５横遅相軸領域４１ｅ、第６縦遅相軸領域４２ｆおよび第６横遅相軸領域４１ｆの順に時計回りに配置される。
【００７８】
制御部１０は、カラーホイール３の第１Ｒ領域３１ａと、１／２波長板ホイール４の第４縦遅相軸領域４２ｄおよび第４横遅相軸領域４１ｄ第４縦遅相軸領域４２ｄとが対応する位置から、カラーホイール３および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、後者の回転速度を前者の回転速度の１／２に設定する。
【００７９】
当該実施例３では、カラーホイール３の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光が、カラーホイール３が６０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。当該実施例３では、上記実施例２と比較し、横偏光成分と縦偏光成分との切り換わり周波数が３倍となる。
【００８０】
ここまで説明の分かりやすさから、カラーホイール３および偏光板ホイール２にそれぞれ、Ｗ領域３３および無偏光領域２３が設けられない例を説明した。以下、Ｗ領域３３および無偏光領域２３が設けられる例を説明する。なお、Ｗ領域３３および無偏光領域２３は、三次元画像を専用に表示する投写型映像表示装置１００の場合、設ける必要はない。また、二次元画像を表示する際、偏光板ホイール２を光路から外す機構を備える投写型映像表示装置１００でも、設ける必要はない。また、二次元画像を表示する際の光量の低下を甘受する場合も、設ける必要はない。
【００８１】
図９は、実施の形態４の実施例４に係るカラーホイール３および偏光板ホイール２を示す図である。当該実施例４に係るカラーホイール３の構成は、図２に示したカラーホイール３の構成と同様である。当該実施例４に係る偏光板ホイール２の構成は、図４、５に示した実施例１に係る偏光板ホイール２に、無偏光領域（ＮＰ）２３が追加された構成である。当該実施例４に係るカラーホイール３および偏光板ホイール２の動作は、図２に示した実施の形態２に係るそれらの動作と同様である。
【００８２】
図１０は、実施の形態４の実施例５に係る偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４の状態遷移を説明するための図である。図１０（ａ）は、偏光板ホイール２の状態遷移（半回転）を示し、図１０（ｂ）は、１／２波長板ホイール４の状態遷移（１／４回転）を示し、図１０（ｃ）は、偏光板ホイール２を通過後の光の偏光方向の遷移を示し、図１０（ｄ）は、１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向の遷移を示し、図１０（ｅ）は、１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向の遷移を示す。
【００８３】
当該実施例５に係る偏光板ホイール２は、偏光方向が一つに設計され、全領域について共通である。当該実施例５に係る１／２波長板ホイール４は、八つの扇形領域に等分割される。すなわち、第１縦遅相軸領域４２ａ、第１横遅相軸領域４１ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３縦遅相軸領域４２ｃ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄおよび第４横遅相軸領域４１ｄに分割され、その順に時計回りに配置される。
【００８４】
三次元モードにて、制御部１０は、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。制御部１０は、偏光板ホイール２の偏光方向と、１／２波長板ホイール４の第１縦遅相軸領域４２ａの遅相軸の方向が一致した状態から、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、１／２波長板ホイール４を、偏光板ホイール２の回転速度の実質的に半分の速度で回転させる。
【００８５】
以下、図１０を参照して具体的に説明する。初期状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。
【００８６】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに４５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００８７】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、水平方向となる。
【００８８】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに１３５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００８９】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。この状態は、初期状態と同じ状態である。
【００９０】
当該実施例５では、偏光板ホイール２の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光は、偏光板ホイール２が９０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。
【００９１】
以上説明したように、実施の形態３、４によれば、１／２波長板ホイール４を設置することにより、偏光板ホイール２から出射される互いに直交する二種類の偏光成分の精度を向上させることができる。すなわち、二種類の偏光成分のそれぞれの偏光方向を一定に保つことができる。
【００９２】
偏光板ホイール２を回転させて、互いに直交する二種類の偏光成分を生成する場合、それぞれの偏光方向を一定に保つことが難しい。上述したように、偏光方向が所望の方向からずれてしまうと、偏光メガネを装着している観察者にとってノイズ画像となる。この点、１／２波長板ホイール４を設置することにより、当該観察者の主観画質を向上させることができる。
【００９３】
実施の形態４に係る１／２波長板ホイール４を設置すると、実施の形態２に係る偏光板ホイール２から出射される偏光成分の精度を向上させることができ、実施の形態２に係る偏光板ホイール２の採用を、精度面からサポートすることができる。したがって、実施の形態３、４によれば、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができ、かつ偏光成分の精度を確保することができる。
【００９４】
以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００９５】
実施の形態１、３に係る投写型映像表示装置１００に、偏光板ホイール２を冷却するための冷却機構を搭載してもよい。上述したように偏光板ホイール２は光を吸収するため熱を持つ。これに対し、ファンを搭載し、偏光板ホイール２に送風して偏光板ホイール２を冷却する。その際、偏光板ホイール２の中心点を対称点として、偏光板ホイール２の透過部２ａと、点対称の関係となる位置をターゲット位置として送風してもよい。偏光板ホイール２は回転するため、直接、透過部２ａをターゲット位置として送風しなくても、透過部２ａを冷却することができる。
【００９６】
偏光板ホイール２を通過する光路上に、ロッドインテグレータ５が存在するため、透過部２ａを直接冷却する位置にファンを設置することは難しい。この点、透過部２ａと点対称となる位置を冷却することにより、ファンの設置場所を確保することができる。なお、透過部２ａと点対称となる位置ではなく、透過部２ａを通る円周上の任意に位置を冷却してもよい。いずれの場合も、他の位置を冷却する場合より、冷却効率が高い。
【００９７】
実施の形態３では、光源１からみて、偏光板ホイール２、カラーホイール３、１／２波長板ホイール４の順に配置される例を示したが、カラーホイール３、偏光板ホイール２、１／２波長板ホイール４の順に配置されてもよい。また、偏光板ホイール２、１／２波長板ホイール４、カラーホイール３の順に配置されてもよい。
【００９８】
また、上述した偏光板ホイール２、カラーホイール３、１／２波長板ホイール４は、円盤状である例を説明したが、多角形状であってもよい。
【００９９】
実施の形態１、２においては、第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂおよび第３縦偏光領域２の扇形の中心角がそれぞれ異なっていてもよい。また、実施の形態3、4においては、扇形は円を等分割せず、それぞれ異なる中心角であってもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１ 光源、 ２ 偏光板ホイール、 ３ カラーホイール、 ４ １／２波長板ホイール、 ５ ロッドインテグレータ、 ６ａ、ｂ コンデンサレンズ、 ７ ミラー、 ８ 光変調素子、 ９ 投写レンズ、 １０ 制御部、 １１ ホイール駆動部、 １２ ランプ駆動部、 １００ 投写型映像表示装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無偏光状態と偏光状態とを切り換えるための光学素子、光学ユニットおよび投写型映像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常の映像（以下、二次元画像という）を投写して投影面に表示させる機能と、視差画像を投写して投影面に表示させることにより立体映像（以下、三次元画像という）を観察者に見せる機能の両方を持つ投写型映像表示装置（以下適宜、プロジェクタともいう）の開発が進められている。三次元画像を観察者に見せる方式の一つに、偏光メガネ方式がある。偏光メガネは、直交する偏光成分（たとえば、Ｐ偏光とＳ偏光）や互いに逆回転の円偏光（右円偏光と左円偏光）が観察者の右眼と左眼にそれぞれ入射されるよう、入射光をそれぞれフィルタリングするメガネである。
【０００３】
偏光メガネ方式を採用したプロジェクタシステムとして、様々な手法が提案されている。たとえば、右眼用画像を投写する第１プロジェクトと、左眼用画像を投写する第２プロジェクタを二つ用いて、第１プロジェクタの投写レンズの後段（より具体的には、投写レンズから出射される光の光路上）に右眼用の偏光成分を透過する偏光板を設置し、第２プロジェクタの投写レンズの後段に左眼用の偏光成分を透過する偏光板を設置する手法（第１手法）が提案されている。
【０００４】
また、右眼用画像と左眼用画像とを時分割に切り換えて投写するプロジェクタを一つ用いて、そのプロジェクタの投写レンズの後段に偏光スイッチャを設置する手法（第２手法）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。当該偏光スイッチャは、偏光板と、電圧印加に応じて偏光方向を切り換える液晶素子を含む。
【０００５】
また、カラーホイールに偏光素子を貼り付け、カラーホイールを回転させることにより、色成分および偏光方向を時分割に切り換える手法（第３手法）が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭６３−１８８９４号公報
【特許文献２】特開平１０−１５３７５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した第１手法はプロジェクタを二つ用いる必要がある。また、上述した第１手法および第２手法は、既存の二次元画像用のプロジェクタを、三次元画像用に容易に転用することができるが、偏光板または偏光スイッチャが投写レンズの後段に設置されるため、大きなサイズの偏光板または偏光スイッチャを用いる必要がある。
【０００８】
上述した第３手法は、偏光素子を小型化することができる。ただし、当該第３手法に係るプロジェクタでは、二次元画像を投写する場合でも、光源から発光される無偏光の光が、カラーホイールに貼り付けられた偏光素子を通過してしまうため、二次元画像を投写する場合の光量が低下する。より具体的には、二次元画像を投写する場合の本来の光量の半分に低下してしまう。なお、上述した第１手法および第２手法でも、投写レンズの後段の偏光板または偏光スイッチャを取り外さなければ、同様に光量が低下するが、取り外せば、光量の低下を抑制することができる。
【０００９】
また、第３手法のようにカラーホイールと一体ではなく、偏光素子が独立してプロジェクタ本体の内部に設置される手法も考えられる。ただし、そのような手法に係るプロジェクタにて、二次元画像を投写する場合の光量の低下を抑制するには、その偏光素子を光路から外す必要があり、そのための機構が必要となる。
【００１０】
本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換える技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明のある態様の光学素子は、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域と、入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域と、が形成され、入射方向を回転軸方向として面が回転可能である。
【００１２】
本発明の別の態様は、投写型映像表示装置である。この装置は、上述した光学素子を用いた偏光板と、二次元画像を表示させるための二次元モードと、三次元画像を表示させるための三次元モードとを切り替える制御部と、を備える。制御部は、三次元モードでは偏光板を回転させ、二次元モードでは偏光板を通る光路に対して無偏光領域を固定的に位置づける。
【００１３】
本発明のさらに別の態様は、光学ユニットである。この光学ユニットは、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域とが形成された偏光板と、偏光板を透過した第１偏光成分および第２偏光成分のそれぞれの偏光方向を補正する１／２波長板と、を備える。
【００１４】
本発明のさらに別の態様は、投写型映像表示装置である。この装置は、上述した光学ユニットと、偏光板および１／２波長板を回転させる制御部と、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施の形態１に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。
【図２】実施の形態２に係る偏光板ホイールおよびカラーホイールの構成を示す図である。図２（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図２（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示し、図２（ｃ）は、二次元モード時の状態を示す。
【図３】本発明の実施の形態３に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。
【図４】実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイールおよび１／２波長板ホイールの状態遷移の第１フェーズ（横偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図４（ａ）は、偏光板ホイールの第１フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図４（ｂ）は、１／２波長板ホイールの第１フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図４（ｃ）は、偏光板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｄ）は、１／２波長板ホイールの遅相軸の方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｅ）は、１／２波長板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示す。
【図５】実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイールおよび１／２波長板ホイールの状態遷移を第２フェーズ（縦偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図５（ａ）は、偏光板ホイールの第２フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図５（ｂ）は、１／２波長板ホイールの第２フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図５（ｃ）は、偏光板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｄ）は、１／２波長板ホイールの遅相軸の方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｅ）は、１／２波長板ホイールを通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示す。
【図６】実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイールと、カラーホイールとの関係を示す図である。
【図７】実施の形態４の実施例２に係る偏光板ホイール、カラーホイールおよび１／２波長板ホイールを示す図である。
【図８】実施の形態４の実施例３に係るカラーホイールおよび１／２波長板ホイールを示す図である。
【図９】実施の形態４の実施例４に係るカラーホイールおよび偏光板ホイールを示す図である。
【図１０】実施の形態４の実施例５に係る偏光板ホイールおよび１／２波長板ホイールの状態遷移を説明するための図である。図１０（ａ）は、偏光板ホイールの状態遷移（半回転）を示し、図１０（ｂ）は、１／２波長板ホイールの状態遷移（１／４回転）を示し、図１０（ｃ）は、偏光板ホイールを通過後の光の偏光方向の遷移を示し、図１０（ｄ）は、１／２波長板ホイールの遅相軸の方向の遷移を示し、図１０（ｅ）は、１／２波長板ホイールを通過後の光の偏光方向の遷移を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の構成を示す概略図である。投写型映像表示装置１００は、二次元画像をスクリーンなどの投影面に投写して、二次元画像を表示すること（以下、この使用方法を二次元モードという）も、視差画像を投影面に投写して、三次元画像を表示する（より厳密には、観察者に認識させる）こと（以下、この使用方法を三次元モードという）もできる。
【００１８】
光源１は、ランプ駆動部１２による制御にしたがい、光学ユニット５０に光を照射する。光源１は、フィラメント型の電極構造を有するハロゲンランプ、アーク放電を発生させる電極構造を有するメタルハライドランプ、キセノンショートアークランプ、高圧型の水銀ランプ、ＬＥＤランプなどを用いることができる。光源１の中央部に設けられた発光管１ａから出射された光は、楕円面または双曲面で形成されたリフレクタ１ｂで集光されて、光学ユニット５０に進入する。
【００１９】
光学ユニット５０は、偏光板ホイール２、カラーホイール３、ロッドインテグレータ５、およびコンデンサレンズ６ａ、６ｂを含む。光源１から照射された光は、偏光板ホイール２、カラーホイール３、ロッドインテグレータ５、およびコンデンサレンズ６ａ、６ｂの順に通過する。偏光板ホイール２およびカラーホイール３はそれぞれ、円盤状であって、光源１から照射された光の光軸に対して垂直に配置される。偏光板ホイール２およびカラーホイール３はそれぞれ、ホイール駆動部１１の制御にしたがい、当該光軸と平行な回転軸を中心に回転する。なお、偏光板ホイール２およびカラーホイール３の詳細は後述する。
【００２０】
ロッドインテグレータ５は、上記光軸上に、偏光板ホイール２およびカラーホイール３を介して配置される。ロッドインテグレータ５は、入射面５ａから入射された光の照度を均一化して、出射面５ｂから出射する。
【００２１】
コンデンサレンズ６ａ、６ｂは、上記光軸上に、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに対向して配置される。コンデンサレンズ６ａ、６ｂは、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂから出射された光を集光して、ミラー７に出射する。
【００２２】
ミラー７は、上記光軸上に、当該光軸に対して所定の傾きを持って配置される。ミラー７は、コンデンサレンズ６ａ、６ｂから出射された光を反射して、光変調素子８に出射する。
【００２３】
光変調素子８は、制御部１０から設定される画像信号に応じて、入射される光を変調する。ここでは、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いる例を描いている。ＤＭＤは、画素数に対応した複数のマイクロミラーを備え、各マイクロミラーの向きが各画素信号に応じて制御されることにより、所望の画像を形成する。
【００２４】
投写レンズ９は、光変調素子８により変調された光を図示しないスクリーンなどの投影面に向けて投写する。その際、投写レンズ９が光変調素子８により変調された光を結像することにより、光変調素子８により形成された画像は、投影面に拡大されて表示される。
【００２５】
制御部１０は、ランプ駆動部１２、ホイール駆動部１１および光変調素子８を制御する。より具体的には、制御部１０は、ランプ駆動部１２にオン／オフ信号を設定して、ランプ駆動部１２に光源１の電源をオン／オフさせる。また、制御部１０は、ホイール駆動部１１に回転制御信号を設定して、ホイール駆動部１１に偏光板ホイール２およびカラーホイール３を回転させる。また、制御部１０は、光変調素子８に画像信号を設定して、光変調素子８に所望の画像を形成させる。また、制御部１０は、二次元モードと三次元モードとを切り替える。なお、このモード切替処理の詳細は後述する。
【００２６】
図２は、実施の形態２に係る偏光板ホイールおよびカラーホイールの構成を示す図である。図２（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図２（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示し、図２（ｃ）は、二次元モード時の状態を示す。実施の形態２に係る偏光板ホイールは、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の偏光板ホイール２として採用することに適した光学素子である。以下、実施の形態２に係る偏光板ホイールおよびカラーホイールが、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００に搭載されている状態を前提に説明する。
【００２７】
偏光板ホイール２は、入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域と、入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域と、が形成される。偏光板ホイール２は、入射方向を回転軸方向として回転し、第１偏光成分と第２偏光成分と無偏光成分（すなわち、自然光）とを時分割に、順次透過する。
【００２８】
第１偏光成分と第２偏光成分とは互いに直交する成分であり、以下、第１偏光成分を縦偏光成分、第２偏光成分を横偏光成分と表記する。
【００２９】
透過部２ａは、入射光が通過する光路である。偏光板ホイール２は、入射光が中心側ではなく円周側を通過するように、配置される（図１参照）。
【００３０】
図２では、偏光板ホイール２は、七つの扇形領域に分割される。すなわち、第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂ、第３縦偏光領域２２ｃおよび無偏光領域（ＮＰ）２３に分割され、この順番で時計回りに配置される。ここでは、第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂおよび第３縦偏光領域２２ｃは、同じ中心角の扇形である。
【００３１】
第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂおよび第３横偏光領域２１ｃはそれぞれ、半径方向に直交する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂおよび第３縦偏光領域２２ｃはそれぞれ、半径方向に平行する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。
【００３２】
無偏光領域（ＮＰ）２３は、入射光のすべての偏光成分を透過する。無偏光領域（ＮＰ）２３は、透過部２ａを包含することができるサイズであればよい。三次元モードにおける光量の使用効率を確保する観点からは、無偏光領域（ＮＰ）２３のサイズはできるだけ小さいことが好ましい。たとえば、無偏光領域（ＮＰ）２３の円弧方向の幅と、透過部２ａの幅とが実質的に一致していてもよい。
【００３３】
無偏光領域（ＮＰ）２３は空白領域であってもよい。すなわち、偏光板ホイール２のうち、無偏光領域（ＮＰ）２３に対応する領域が切り取られていてもよい。
【００３４】
カラーホイール３は、入射光に対向する面上に、入射光のうち赤成分を透過するＲ領域と、入射光のうち緑成分を透過するＧ領域と、入射光のうち青成分を透過するＢ領域と、入射光のうちすべての色成分を透過するＷ領域と、が形成される。カラーホイール３は、入射方向を回転軸方向として回転し、それぞれ異なる複数の色成分を順次透過する。ここでは、赤色光と緑色光と青色光と白色光とを時分割に順次透過する。
【００３５】
透過部３ａは、入射光が通過する光路である。入射光が中心側ではなく円周側を通過するように、配置される（図１参照）。
【００３６】
図２では、カラーホイール３は、七つの扇形領域に分割される。すなわち、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂ、第２Ｂ領域３２ｃおよびＷ領域３３に分割され、この順番で時計回りに配置される。ここでは、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃは、同じ中心角の扇形である。
【００３７】
第１Ｒ領域３１ａおよび第２Ｒ領域３２ａは、入射光のうち赤成分を透過し、それ以外の色成分を遮断する。第１Ｇ領域３１ｂおよび第２Ｇ領域３２ｂは、入射光のうち緑成分を透過し、それ以外の色成分を遮断する。第１Ｂ領域３１ｃおよび第２Ｂ領域３２ｃは、入射光のうち青成分を透過し、それ以外の色成分を遮断する。Ｗ領域３３は、入射光のすべての色成分を透過する。
【００３８】
なお、Ｗ領域３３は設けられなくてもよい。すなわち、Ｒ領域、Ｇ領域およびＢ領域のみのカラーホイールであってもよい。また、Ｗ領域３３の代わりに、シアン、マゼンダ、イエローなどの補色領域が設けられてよいし、黒領域が設けられてもよい。また、Ｗ領域３３の代わりに、Ｗ領域と、補色領域または黒領域との組み合わせ領域が設けられてもよい。
【００３９】
カラーホイール３の第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂ、第２Ｂ領域３２ｃおよびＷ領域３３は、偏光板ホイール２の第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂ、第３縦偏光領域２２ｃおよび無偏光領域（ＮＰ）２３に、それぞれ同期して回転する。そのため、第１Ｒ領域３１ａと第１横偏光領域２１ａとの中心角、第１Ｇ領域３１ｂと第２横偏光領域２１ｂとの中心角、第１Ｂ領域３１ｃと第３横偏光領域２１ｃとの中心角、第２Ｒ領域３２ａと第１縦偏光領域２２ａとの中心角、第２Ｇ領域３２ｂと第２縦偏光領域２２ｂとの中心角、第２Ｂ領域３２ｃと第３縦偏光領域２２ｃとの中心角、およびＷ領域３３と無偏光領域（ＮＰ）２３との中心角は、それぞれ同じであることが望ましい。
【００４０】
三次元モードでは、制御部１０は、ホイール駆動部１１に偏光板ホイール２およびカラーホイール３を実質的に同じ速度で回転させる（図２（ａ）参照）。したがって、三次元モードにて、カラーホイール３から出射される光は、縦偏光成分の青色光、縦偏光成分の緑色光、縦偏光成分の赤色光、横偏光成分の青色光、横偏光成分の緑色光、横偏光成分の赤色光、無偏光の白色光の順に、繰り返し切り換えられる。したがって、偏光メガネを装着した観察者に、立体カラー映像を認識させることが可能となる。なお、モノクロ画像を表示する場合や、カラーホイール３以外の構成でカラー画像を生成する場合、カラーホイール３を設ける必要はない。
【００４１】
なお、三次元モードでは無偏光の白色光は使用しないため、制御部１０は、無偏光領域（ＮＰ）２３が透過部２ａを横切る期間（図２（ｂ）参照）、光変調素子８に黒画像を設定する。すなわち、その期間には、投影面に光が照射されない状態に設定する。三次元モードで無偏光の光が投影面に照射されると、偏光メガネを装着した観察者にとって、ノイズ画像となる。上述したように、無偏光領域（ＮＰ）２３が透過部２ａを横切る期間に、黒画像を設定することにより、主観画質の低下を抑制することができる。
【００４２】
二次元モードでは、制御部１０は、ホイール駆動部１１に、無偏光領域（ＮＰ）２３が透過部２ａに重なる位置まで偏光板ホイール２を回転させ、両者が重なったら偏光板ホイール２を静止させる。すなわち、偏光板ホイール２を通る光路に対して、無偏光領域（ＮＰ）２３を固定的に位置づける。これにより、二次元モードでは、偏光板ホイール２が存在しない状況を作り出すことができる。
【００４３】
ここまで説明の分かりやすさから、光源１からみて、偏光板ホイール２、カラーホイール３の順に設置される例を説明した。この点、光源１からみて、カラーホイール３、偏光板ホイール２の順に設置されてもよい。むしろ、この順に設置されることが好ましい。
【００４４】
一般的に、偏光板ホイールは、ＰＶＡ（Poly Vinyl Alcohol）などの有機材を主要部材として生成され、カラーホイールは、ダイクロイックミラーにより形成される。したがって、偏光板ホイール２は透過しなかった成分の多くを吸収し、カラーホイール３は、透過しなかった成分の多くを反射する。偏光板ホイール２に吸収される光は熱を発生させ、その熱は、偏光板ホイール２の劣化を早める原因となる。
【００４５】
光源１からみて、カラーホイール３、偏光板ホイール２の順に設置した場合、偏光板ホイール２、カラーホイール３の順に設置される場合と比較し、偏光板ホイール２に入射される光量を約１／３に低下させることができる。したがって、前者の配置のほうが、偏光板ホイール２に発生する熱を少なくすることができ、偏光板ホイール２の寿命を延ばすことができる。
【００４６】
以上説明したように、実施の形態１、２によれば、偏光板ホイール２に無偏光領域２３を設けたことにより、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができる。
【００４７】
すなわち、既存の投写型映像表示装置１００のカラーホイール３の前段または後段に偏光板ホイール２を追加し、カラーホイール３と同様に回転させるだけの制御を追加すればよいことから、追加される構成は簡素なものである。また、二次元モードでは光路に無偏光領域２３を固定的に配置させることにより、偏光板ホイール２が存在しない状態と同様の状態を作り出すことができる。したがって、二次元モードでも、従来と同様の光量を確保することができる。この点、無偏光領域２３が存在せず、偏光板ホイール２を光路から外す機構が存在しない場合、偏光板ホイール２を通過することにより光量が半減してしまう。
【００４８】
図３は、本発明の実施の形態３に係る投写型映像表示装置１００の構成を示す概略図である。実施の形態３に係る投写型映像表示装置１００は、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の構成に、１／２波長板（λ／２位相差板ともいう）ホイール４が追加された構成である。
【００４９】
１／２波長板ホイール４は、偏光板ホイール２より後段に設置され、偏光板ホイール２を透過した横偏光成分および縦偏光成分のそれぞれの偏光方向を補正する。１／２波長板ホイール４は、入射光の互いに直交する成分に１８０°の位相差を与えることにより、直線偏光を回転させることができる。その回転角は、入射偏光と遅相軸とのなす角にて調整可能であり、たとえば、直線偏光と遅相軸とのなす角が４５°の場合、その直線偏光の偏光面が９０°回転する。
【００５０】
三次元モードにて、制御部１０は、偏光板ホイール２を透過した横偏光成分および縦偏光成分のそれぞれの偏光方向を一定に保つべく、ホイール駆動部１１に１／２波長板ホイール４を回転させる。二次元モードでは、１／２波長板ホイール４に無偏光の光が入射されるため、１／２波長板ホイール４を回転させる必要はない。
【００５１】
図４は、実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４の状態遷移の第１フェーズ（横偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図４（ａ）は、偏光板ホイール２の第１フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図４（ｂ）は、１／２波長板ホイール４の第１フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図４（ｃ）は、偏光板ホイール２を通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｄ）は、１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向の、第１フェーズの遷移を示し、図４（ｅ）は、１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向の、第１フェーズの遷移を示す。
【００５２】
図５は、実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４の状態遷移を第２フェーズ（縦偏光成分の出射期間）を説明するための図である。図５（ａ）は、偏光板ホイール２の第２フェーズの状態遷移（半回転）を示し、図５（ｂ）は、１／２波長板ホイール４の第２フェーズの状態遷移（１／４回転）を示し、図５（ｃ）は、偏光板ホイール２を通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｄ）は、１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向の、第２フェーズの遷移を示し、図５（ｅ）は、１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向の、第２フェーズの遷移を示す。
【００５３】
当該実施例１に係る偏光板ホイール２は、二つの半円領域に分割される。一方が横偏光領域２１であり、他方が縦偏光領域２２である。透過部２ａは光路である。当該実施例１に係る１／２波長板ホイール４は、遅相軸の方向が一つに設計され、全領域について共通である。透過部４ａは光路である。
【００５４】
三次元モードにて、制御部１０は、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。制御部１０は、偏光板ホイール２の横偏光領域および縦偏光領域のそれぞれの偏光方向と１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向が４５°ずれた状態から、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、１／２波長板ホイール４を、偏光板ホイール２の回転速度の実質的に半分の速度で回転させる。
【００５５】
以下、図４、５を参照して具体的に説明する。図４、５では、左から右に状態が遷移する。図４にて、第１フェーズの初期状態では、偏光板ホイール２は、垂直中心線を境に、左側が横偏光領域２１、右側が縦偏光領域２２に配置される。１／２波長板ホイール４は、その遅相軸の方向が垂直中心線から４５°時計回りに進んだ状態である。
【００５６】
この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの左半分を通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００５７】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに４５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００５８】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、水平方向となる。
【００５９】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに１３５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００６０】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの右半分を通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、水平方向となる。
【００６１】
図５にて、第２フェーズの初期状態では、第１フェーズの終了状態と同じ状態である。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの右半分を通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００６２】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向から時計回りに４５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００６３】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。
【００６４】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向から時計回りに１３５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００６５】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａの右半分を通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により反時計回りに９０°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。この状態は、第１フェーズの初期状態と同じ状態である。
【００６６】
このように、第１フェーズでは１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向が常に水平方向に保たれ、第２フェーズではその偏光方向が常に垂直方向に保たれる。すなわち、偏光板ホイール２の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光が、偏光板ホイール２が１８０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。
【００６７】
図６は、実施の形態４の実施例１に係る偏光板ホイール２と、カラーホイール３との関係を示す図である。ここでは、カラーホイール３は六つの扇形領域に等分割される。すなわち、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃに分割され、この順に時計回りに配置される。第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃは、偏光板ホイール２の横偏光領域２１に同期して回転し、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃは、偏光板ホイール２の縦偏光領域２２に同期して回転する。これにより、二種類の偏光状態のそれぞれにおいて、カラー画像を生成することができる。
【００６８】
偏光板ホイール２とカラーホイール３とは、図３に示すように別々に設けられてもよいし、一体的に形成されてもよい。一体的に形成される場合、図６に示すように、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１および第１Ｂ領域３１ｃにより形成される半円領域を横偏光領域に割り当て、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃにより形成される半円領域を縦偏光領域に割り当てる。
【００６９】
なお、モノクロ画像を表示する場合や、カラーホイール３以外の構成でカラー画像を生成する場合、カラーホイール３を設ける必要はない。
【００７０】
図７は、実施の形態４の実施例２に係る偏光板ホイール２、カラーホイール３および１／２波長板ホイール４を示す図である。なお、図７では偏光板ホイール２とカラーホイール３とを一体的に描いているが、上述したように別々に設けられてもよい。
【００７１】
当該実施例２に係るカラーホイール３は、六つの扇形領域に等分割される。すなわち、第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃに分割され、この順に時計回りに配置される。第１Ｒ領域３１ａ、第１Ｇ領域３１ｂおよび第１Ｂ領域３１ｃはそれぞれ、偏光板としての機能も備え、半径方向に対して直交する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。第２Ｒ領域３２ａ、第２Ｇ領域３２ｂおよび第２Ｂ領域３２ｃもそれぞれ、偏光板としての機能も備え、半径方向に平行する偏光成分を透過し、それ以外の偏光成分を遮断する。
【００７２】
当該実施例２に係る１／２波長板ホイール４は、十二の扇形領域に等分割される。すなわち、第１横遅相軸領域４１ａ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄ、第５縦遅相軸領域４２ｅ、第６縦遅相軸領域４２ｆ、第４横遅相軸領域４１ｄ、第５横遅相軸領域４１ｅ、第６横遅相軸領域４１ｆ、第１縦遅相軸領域４２ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂおよび第３縦遅相軸領域４２ｃに分割され、その順に時計回りに配置される。
【００７３】
第１横遅相軸領域４１ａ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４横遅相軸領域４１ｄ、第５横遅相軸領域４１ｅ、第６横遅相軸領域４１ｆはそれぞれ、半径方向に対して直交する方向に遅相軸の方向が設計される。第１縦遅相軸領域４２ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂ、第３縦遅相軸領域４２ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄ、第５縦遅相軸領域４２ｅおよび第６縦遅相軸領域４２ｆはそれぞれ、半径方向に平行する方向に遅相軸の方向が設計される。
【００７４】
制御部１０は、カラーホイール３の第１Ｒ領域３１ａと、１／２波長板ホイール４の第４縦遅相軸領域４２ｄおよび第５縦遅相軸領域４２ｅとが対応する位置から、カラーホイール３および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、後者の回転速度を前者の回転速度の１／２に設定する。
【００７５】
当該実施例２によっても、カラーホイール３の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光が、カラーホイール３が１８０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。
【００７６】
図８は、実施の形態４の実施例３に係るカラーホイール３および１／２波長板ホイール４を示す図である。当該実施例３は、上記実施例２と同様に、カラーホイール３が六分割され、１／２波長板ホイール４が十二分割されるが、それぞれにおいて分割された領域の配置が異なる。
【００７７】
当該実施例３に係るカラーホイール３は、第１Ｒ領域３１ａ、第２Ｇ領域３２ｂ、第１Ｂ領域３１ｃ、第２Ｒ領域３２ａ、第１Ｇ領域３１ｂ、および第２Ｂ領域３２ｃの順に時計回りに配置される。当該実施例３に係る１／２波長板ホイール４は、第１縦遅相軸領域４２ａ、第１横遅相軸領域４１ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３縦遅相軸領域４２ｃ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄ、第４横遅相軸領域４１ｄ、第５縦遅相軸領域４２ｅ、第５横遅相軸領域４１ｅ、第６縦遅相軸領域４２ｆおよび第６横遅相軸領域４１ｆの順に時計回りに配置される。
【００７８】
制御部１０は、カラーホイール３の第１Ｒ領域３１ａと、１／２波長板ホイール４の第４縦遅相軸領域４２ｄおよび第４横遅相軸領域４１ｄ第４縦遅相軸領域４２ｄとが対応する位置から、カラーホイール３および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、後者の回転速度を前者の回転速度の１／２に設定する。
【００７９】
当該実施例３では、カラーホイール３の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光が、カラーホイール３が６０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。当該実施例３では、上記実施例２と比較し、横偏光成分と縦偏光成分との切り換わり周波数が３倍となる。
【００８０】
ここまで説明の分かりやすさから、カラーホイール３および偏光板ホイール２にそれぞれ、Ｗ領域３３および無偏光領域２３が設けられない例を説明した。以下、Ｗ領域３３および無偏光領域２３が設けられる例を説明する。なお、Ｗ領域３３および無偏光領域２３は、三次元画像を専用に表示する投写型映像表示装置１００の場合、設ける必要はない。また、二次元画像を表示する際、偏光板ホイール２を光路から外す機構を備える投写型映像表示装置１００でも、設ける必要はない。また、二次元画像を表示する際の光量の低下を甘受する場合も、設ける必要はない。
【００８１】
図９は、実施の形態４の実施例４に係るカラーホイール３および偏光板ホイール２を示す図である。当該実施例４に係るカラーホイール３の構成は、図２に示したカラーホイール３の構成と同様である。当該実施例４に係る偏光板ホイール２の構成は、図４、５に示した実施例１に係る偏光板ホイール２に、無偏光領域（ＮＰ）２３が追加された構成である。当該実施例４に係るカラーホイール３および偏光板ホイール２の動作は、図２に示した実施の形態２に係るそれらの動作と同様である。
【００８２】
図１０は、実施の形態４の実施例５に係る偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４の状態遷移を説明するための図である。図１０（ａ）は、偏光板ホイール２の状態遷移（半回転）を示し、図１０（ｂ）は、１／２波長板ホイール４の状態遷移（１／４回転）を示し、図１０（ｃ）は、偏光板ホイール２を通過後の光の偏光方向の遷移を示し、図１０（ｄ）は、１／２波長板ホイール４の遅相軸の方向の遷移を示し、図１０（ｅ）は、１／２波長板ホイール４を通過後の光の偏光方向の遷移を示す。
【００８３】
当該実施例５に係る偏光板ホイール２は、偏光方向が一つに設計され、全領域について共通である。当該実施例５に係る１／２波長板ホイール４は、八つの扇形領域に等分割される。すなわち、第１縦遅相軸領域４２ａ、第１横遅相軸領域４１ａ、第２縦遅相軸領域４２ｂ、第２横遅相軸領域４１ｂ、第３縦遅相軸領域４２ｃ、第３横遅相軸領域４１ｃ、第４縦遅相軸領域４２ｄおよび第４横遅相軸領域４１ｄに分割され、その順に時計回りに配置される。
【００８４】
三次元モードにて、制御部１０は、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。制御部１０は、偏光板ホイール２の偏光方向と、１／２波長板ホイール４の第１縦遅相軸領域４２ａの遅相軸の方向が一致した状態から、偏光板ホイール２および１／２波長板ホイール４を回転させる。その際、１／２波長板ホイール４を、偏光板ホイール２の回転速度の実質的に半分の速度で回転させる。
【００８５】
以下、図１０を参照して具体的に説明する。初期状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。
【００８６】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに４５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向となる。
【００８７】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、水平方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、水平方向となる。
【００８８】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向から時計回りに１３５°回転した方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により時計回りに４５°回転され、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向となる。
【００８９】
つぎに、偏光板ホイール２が時計回りに４５°回転し、１／２波長板ホイール４が時計回りに２２．５°回転する。この状態では、偏光板ホイール２の透過部２ａを通過後の光の偏光方向は、垂直方向である。その光は、１／２波長板ホイール４により回転されず、１／２波長板ホイール４の透過部４ａを通過後の光の偏光方向も、垂直方向となる。この状態は、初期状態と同じ状態である。
【００９０】
当該実施例５では、偏光板ホイール２の回転角と関係なく、１／２波長板ホイール４を通過後の光は、偏光板ホイール２が９０°回転するたびに、横偏光成分と縦偏光成分との間で交互に切り換わる。
【００９１】
以上説明したように、実施の形態３、４によれば、１／２波長板ホイール４を設置することにより、偏光板ホイール２から出射される互いに直交する二種類の偏光成分の精度を向上させることができる。すなわち、二種類の偏光成分のそれぞれの偏光方向を一定に保つことができる。
【００９２】
偏光板ホイール２を回転させて、互いに直交する二種類の偏光成分を生成する場合、それぞれの偏光方向を一定に保つことが難しい。上述したように、偏光方向が所望の方向からずれてしまうと、偏光メガネを装着している観察者にとってノイズ画像となる。この点、１／２波長板ホイール４を設置することにより、当該観察者の主観画質を向上させることができる。
【００９３】
実施の形態４に係る１／２波長板ホイール４を設置すると、実施の形態２に係る偏光板ホイール２から出射される偏光成分の精度を向上させることができ、実施の形態２に係る偏光板ホイール２の採用を、精度面からサポートすることができる。したがって、実施の形態３、４によれば、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができ、かつ偏光成分の精度を確保することができる。
【００９４】
以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。
【００９５】
実施の形態１、３に係る投写型映像表示装置１００に、偏光板ホイール２を冷却するための冷却機構を搭載してもよい。上述したように偏光板ホイール２は光を吸収するため熱を持つ。これに対し、ファンを搭載し、偏光板ホイール２に送風して偏光板ホイール２を冷却する。その際、偏光板ホイール２の中心点を対称点として、偏光板ホイール２の透過部２ａと、点対称の関係となる位置をターゲット位置として送風してもよい。偏光板ホイール２は回転するため、直接、透過部２ａをターゲット位置として送風しなくても、透過部２ａを冷却することができる。
【００９６】
偏光板ホイール２を通過する光路上に、ロッドインテグレータ５が存在するため、透過部２ａを直接冷却する位置にファンを設置することは難しい。この点、透過部２ａと点対称となる位置を冷却することにより、ファンの設置場所を確保することができる。なお、透過部２ａと点対称となる位置ではなく、透過部２ａを通る円周上の任意に位置を冷却してもよい。いずれの場合も、他の位置を冷却する場合より、冷却効率が高い。
【００９７】
実施の形態３では、光源１からみて、偏光板ホイール２、カラーホイール３、１／２波長板ホイール４の順に配置される例を示したが、カラーホイール３、偏光板ホイール２、１／２波長板ホイール４の順に配置されてもよい。また、偏光板ホイール２、１／２波長板ホイール４、カラーホイール３の順に配置されてもよい。
【００９８】
また、上述した偏光板ホイール２、カラーホイール３、１／２波長板ホイール４は、円盤状である例を説明したが、多角形状であってもよい。
【００９９】
実施の形態１、２においては、第１横偏光領域２１ａ、第２横偏光領域２１ｂ、第３横偏光領域２１ｃ、第１縦偏光領域２２ａ、第２縦偏光領域２２ｂおよび第３縦偏光領域２の扇形の中心角がそれぞれ異なっていてもよい。また、実施の形態3、4においては、扇形は円を等分割せず、それぞれ異なる中心角であってもよい。
【符号の説明】
【０１００】
１ 光源、 ２ 偏光板ホイール、 ３ カラーホイール、 ４ １／２波長板ホイール、 ５ ロッドインテグレータ、 ６ａ、ｂ コンデンサレンズ、 ７ ミラー、 ８ 光変調素子、 ９ 投写レンズ、 １０ 制御部、 １１ ホイール駆動部、 １２ ランプ駆動部、 １００ 投写型映像表示装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に対向する面上に、
入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、
入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域と、
入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域と、が形成され、
入射方向を回転軸方向として前記面が回転可能なことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子を用いた偏光板と、
二次元画像を表示させるための二次元モードと、三次元画像を表示させるための三次元モードとを切り替える制御部と、を備え、
前記制御部は、前記三次元モードでは前記偏光板を回転させ、前記二次元モードでは前記偏光板を通る光路に対して前記無偏光領域を固定的に位置づけることを特徴とする投写型映像表示装置。
【請求項３】
前記偏光板より後段に設置される１／２波長板をさらに備え、
前記制御部は、前記三次元モードにて、前記偏光板を透過した第１偏光成分および前記第２偏光成分のそれぞれの偏光方向を一定に保つべく、前記１／２波長板を回転させることを特徴とする請求項２に記載の投写型映像表示装置。
【請求項４】
回転することにより、それぞれ異なる複数の色成分を順次透過するカラーホイールをさらに備え、
前記カラーホイールは、前記偏光板の前段に設置されることを特徴とする請求項２または３に記載の投写型映像表示装置。
【請求項５】
入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域とが形成された偏光板と、
前記偏光板を透過した第１偏光成分および前記第２偏光成分のそれぞれの偏光方向を補正する１／２波長板と、
を備えることを特徴とする光学ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の光学ユニットと、
前記偏光板および前記１／２波長板を回転させる制御部と、
を備えることを特徴とする投写型映像表示装置。
【請求項１】
入射光に対向する面上に、
入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、
入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域と、
入射光のすべての偏光成分を透過する無偏光領域と、が形成され、
入射方向を回転軸方向として前記面が回転可能なことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１に記載の光学素子を用いた偏光板と、
二次元画像を表示させるための二次元モードと、三次元画像を表示させるための三次元モードとを切り替える制御部と、を備え、
前記制御部は、前記三次元モードでは前記偏光板を回転させ、前記二次元モードでは前記偏光板を通る光路に対して前記無偏光領域を固定的に位置づけることを特徴とする投写型映像表示装置。
【請求項３】
前記偏光板より後段に設置される１／２波長板をさらに備え、
前記制御部は、前記三次元モードにて、前記偏光板を透過した第１偏光成分および前記第２偏光成分のそれぞれの偏光方向を一定に保つべく、前記１／２波長板を回転させることを特徴とする請求項２に記載の投写型映像表示装置。
【請求項４】
回転することにより、それぞれ異なる複数の色成分を順次透過するカラーホイールをさらに備え、
前記カラーホイールは、前記偏光板の前段に設置されることを特徴とする請求項２または３に記載の投写型映像表示装置。
【請求項５】
入射光に対向する面上に、入射光のうち第１偏光成分を透過する第１偏光領域と、入射光のうち第２偏光成分を透過する第２偏光領域とが形成された偏光板と、
前記偏光板を透過した第１偏光成分および前記第２偏光成分のそれぞれの偏光方向を補正する１／２波長板と、
を備えることを特徴とする光学ユニット。
【請求項６】
請求項５に記載の光学ユニットと、
前記偏光板および前記１／２波長板を回転させる制御部と、
を備えることを特徴とする投写型映像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−４８０７１（Ｐ２０１１−４８０７１Ａ）
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１９５４７５（Ｐ２００９−１９５４７５）
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年３月１０日（２０１１．３．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年８月２６日（２００９．８．２６）
【出願人】（０００００１８８９）三洋電機株式会社 (18,308)
【Ｆターム（参考）】
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