附图说明
图1是本发明的实施方式1中的色分离合成部的构成图;
图2是本发明的实施方式1中的色分离合成部的偏振光轴的说明图;
图3是使用本发明的实施方式1中的色分离合成部的投射型投影装置的光学系统的整体构成图;
图4是在本发明的实施方式1中,在正交棱镜和反射型液晶板的光路之间设置有偏振光板的色分离合成部的构成图;
图5是本发明的实施方式2中的色分离合成部的构成图;
图6是本发明的实施方式2中的色分离合成部的偏振光轴的说明图;
图7是按照本发明的实施方式3中的色分离合成部的透视图所形成的构成图;
图8是本发明的实施方式3中的色分离合成部的构成图;
图9是本发明的实施方式3中的色分离合成部的偏振光轴的说明图;
图10是表示本发明的实施方式3中的偏振光变换器件、PBS和正交棱镜的偏振光轴的关系的说明图;
图11是本发明中使用的法拉第转子的作用的说明图;
图12是表示在使用正交棱镜的反射型液晶板中的色分离合成部的偏振光状态的构成图。
具体实施方式
以下用图1至图11来说明本发明的实施方式。
图1、图2和图3是本发明的实施方式1的说明图。图1是投射型投影装置的色分离合成部的基本构成图,图2是说明光束的偏振光状态的详细情况的图,图3是表示使用图1的色分离合成部的投射型投影装置的光学系统的整体构成图。
在图1中,1是具有反射S偏振光而使P偏振光通过作用的PBS,2是由石榴石结晶板所构成法拉第转子,3是具有使入射的直线偏振光转动45度的偏振光轴的1/2波长板,4是对法拉第转子提供一定方向的磁场施加取向的磁体,5是具有分色作用的正交棱镜,6是反射型液晶板。
首先,用图11来说明上述法拉第转子2的作用。
图11表示某个直线偏振光由法拉第转子使偏振光角度变化的情况。把磁体与图中的偏振光片A和法拉第转子和偏振光片B组合起来构成隔离器,隔离器是用于除去光连接的连接部中的有害的返回反射光的装置。法拉第效应能够得到光的偏振波方向转动的性质(旋光性),但是,与通常的旋光性(自然旋光性)不同,即使使光的行进方向相反,法拉第效应也不会使其还原,并且进一步使偏振波方向转动。以下,用图1具体进行说明。
在顺行光中,以与偏振光片A相同的振偏振光方向输入的直线偏振光在法拉第转子的作用下偏振光方向转动45度,通过45度方向的偏振光片B。接着,在逆行光中,在反射而返回的直线偏振光通过偏振光片B之后,法拉第转子再次沿同一方向使其转动45度,因此,不能通过偏振光片A。即,能够除去有害的反射返回光。
1/2波长板也能使直线偏振光的偏振光方向转动45度。假定,对于顺行光,配置使与法拉第转子相同方向的直线偏振光转动的1/2波长板,相对于逆行光,该1/2波长板把直线偏振光转动为与原来的转动方向相反的方向上,通过偏振光片A。
而且,在图11中,使用石榴石结晶板作为法拉第转子,使用法拉第转动角度为45的板厚以及施加磁场。
在图1中,把偏振光状态对准为S偏振光(①)的入射光束入射到PBS 1中。S偏振光由PBS 1的PBS面反射,而反射到正交棱镜5的方向上,入射到法拉第转子2中。接着由1/2波长板3使由法拉第转子2把直线偏振光转动45度的直线偏振光(②)转动45度,而成为P偏振光(③)。正交棱镜5的分色作用把以P偏振光而入射到正交棱镜5中的白色光分离成R、G、B三色,由与各色相对应的反射型液晶板6分别进行反射。反射型液晶板6的作用是根据输入图像信号由未图示的驱动电路驱动,对于ON光束,使偏振光状态以P偏振光原样反射,对于OFF光束,使偏振光状态从P偏振光变换为S偏振光。与图12说明的反射型液晶板12的情况相反,该作用也可以使图12的反射型液晶板6白黑反转驱动。
接着,这次由正交棱镜5把反射型液晶板6反射后的光束进行色合成,入射到1/2波长板3中。在ON光束的情况下,由于P偏振光(④)入射到1/2波长板3中,成为与原来相同的45度方向的直线偏振光(⑤),入射到法拉第转子2中。在法拉第转子2中,再次沿相同的方向转动45度,因此,成为P偏振光(⑥),并透过PBS1。另一方面,在OFF光束的情况下,由于S偏振光(④)入射到1/2波长板3中,成为与原来相反的45度方向(与ON光束时90度正交的方向)的直线偏振光(⑤),入射到法拉第转子2中。在法拉第转子2中,再次沿相同的方向转动45度,因此,恢复为S偏振光(⑥),由PBS1反射。
对于图1中附加了编号的①、②、③、④、⑤、⑥的偏振光方向,在图2中进行详细说明。在图2中,入射系统的偏振光轴用从入射侧看的坐标来表示,反射系统的偏振光轴用从出射侧看的坐标来表示。即,图2的入射系统和出射系统的坐标系为相同的坐标系。而且,S偏振光和P偏振光的定义是:对于由入射光的传播方向和边界面的法线建立的平面定义的入射面平行地被偏振的偏振光是P偏振光,与入射面垂直地被偏振的偏振光是S偏振光。在图2中,分别用S偏振光、P偏振光的偏振光方向的箭头来表示S偏振光和P偏振光。
入射的S偏振光(①)通过法拉第转子2而向左转动45度(②)。接着,沿具有相对于图中的水平轴(X轴)右旋22.5度的偏振光轴的1/2波长板3的偏振光轴而折返,在图中左抬高45度方向的直线偏振光成为P偏振光(③)。接着,作为由反射型液晶板6反射的ON光束的P偏振光(④)沿具有相对于图中的水平轴(X轴)右旋22.5度的偏振光轴的1/2波长板3的偏振光轴而折返,成为图中左抬高45度方向的直线偏振光(⑤)。最后,法拉第转子2使直线偏振光沿与最初相同的方向左旋45度,而成为P偏振光(⑥)。
另一方面,虽然图中省略了,但是,作为由反射型液晶板6反射的OFF光束的S偏振光沿具有相对于图中的水平轴(X轴)右旋22.5度的偏振光轴的1/2波长板3的偏振光轴而折返,成为与原来相反的图中右抬高45度方向的直线偏振光。最后,法拉第转子2使直线偏振光沿与最初相同的方向左旋45度,而成为S偏振光。可是,通常,使入射光束和反射的ON光束的偏振光状态(在图1中的P偏振光)优先来设计正交棱镜5,因此,反射的OFF光束的一部分不会返回到PBS1。例如,反射的OFF光束的一部分到达对着的反射型液晶板6。相对于图1的构成,图4是在正交棱镜5与反射型液晶板6的光路之间配置仅使入射光束和反射ON光束的偏振光方向透过的偏振光板的构成图。在该图4中,即使在正交棱镜5的分光透过率特性不好的情况下,在正交棱镜5与反射型液晶板6的光路之间配置仅使入射光束和反射ON光束的偏振光方向透过的偏振光板也能够容易地用偏振光板吸收偏振光状态不同的反射的OFF光束。另一方面,在图12那样的构成的情况下,由于入射光束的偏振光状态与反射ON光束的偏振光状态不同,所以不可能在正交棱镜5与反射型液晶板6的光路之间配置偏振光板。
而且,由1/2波长板3所产生的偏振光轴的转动角度可以不是45度而是135度。在此情况下,如果使图2的1/2波长板3的偏振光轴转动90度,还能够使直线偏振光的偏振光方向转动90度的两倍即180度。而且,也可以设置具有1/2波长板同等作用的光学器件例如两片相同偏振光轴的1/4波长板来取代1/2波长板3,当然能够得到相同的效果。
而且,也可以最初不是把对准为S偏振光的光束入射到PBS1中,而是把对准为P偏振光的光束入射到PBS 1中,在此情况下,可以根据入射到正交棱镜5中的偏振光状态来改变1/2波长板3的偏振光轴的角度。同样,最初入射到正交棱镜5中的光束可以不是P偏振光而是S偏振光,在此情况下,也可以改变1/2波长板3的偏振光轴的角度。
对于由法拉第转子2所产生的转动角度,在往复通过两次之后,同样,S偏振光和P偏振光也可以替换,因此,该转动角度可以是90度或270度的一半即45度或135度。在此情况下,也可以使对应于转动角度的1/2波长板3的偏振光轴最佳地对应。
下面用图3来说明使用该色分离合成部的投射型投影装置的光学系统的整体构成。
在图3中,11是光源,12是凹面镜,13是积光镜,14是偏振光变换器件,15是成像透镜,16是反射镜,17是物镜,18是投射镜头,标号从1至6与图1相同。把凹面镜12作成抛物面,把光源11配置在抛物面的焦点位置上,来自光源11的光由凹面镜12反射,就成为与光轴平行的光束。由透镜按二维排列的2组多透镜阵列构成的积光镜13把来自光源的光变换为多个二次光源像。配置在积光镜13之后的成像透镜15把自然光分离成P偏振光和S偏振光之后,使偏振光对准为S偏振光。成像透镜和物镜17把成为S偏振光的该二次光源像引导到反射型液晶板6上,具体地说,把第一多透镜阵列面上的各透镜一个一个的光量分布重叠在反射型液晶板6面上。在图3中,虽然成像透镜15和物镜17的构成两片,成像透镜15主要负担成像作用,物镜17主要负担把入射到反射型液晶板6的主光线焦阑化的作用,但是,透镜个数也可以为3片构成,反之,一片透镜也能够负担该作用。而且,在图中,在中途配置反射镜16,使光路曲折来实现整体紧凑化,但是,反射镜16还可以使照射到反射型液晶板6上有害的紫外线或红外线透过,仅反射可见光。而且,就紫外线而言,还可以在中途的光路上配置紫外线吸收滤光镜,并且是有效的。
在实施方式1中,对于白色光,使PBS1的特性为反射S偏振光而使P偏振光透过,但是,在设计上,也可以使PBS1的特性对于G光束,为反射S偏振光而使P偏振光透过,对于R光束和B光束,为反射P偏振光而使S偏振光透过,在入射到PBS 1中之前,用转子仅改变特定色的偏振光状态,把G光束作为S偏振光,把R光束和B光束作为P偏振光,最初输入到PBS 1中。在此情况下,把正交棱镜5的各色的偏振光状态区分开,例如,在入射时和ON反射时,把G光束作为P偏振光,把R光束和B光束作为S偏振光,这样就能够改善正交棱镜5的性能。
接着,用图5和图6来说明本发明的实施方式2。图5是投射型投影装置的色分离合成部的基本构成图,图6是说明光束的偏振光状态的详细情况的图。
在图5中,把偏振光状态对准为S偏振光(①)的入射光束入射到PBS 1中。S偏振光由PBS1的PBS面反射,而反射到正交棱镜5的方向上,入射到1/2波长板3中。由1/2波长板3把直线偏振光转动45度的直线偏振光(②)接着由法拉第转子2进行45度转动,而成为P偏振光(③)。以P偏振光而入射到正交棱镜5中的白色光,由正交棱镜5的分色作用,分离成R、G、B三色,分别由与各色相对应的反射型液晶板6反射。对于ON光束,反射型液晶板6使偏振光状态以P偏振光原样反射,对于OFF光束,反射型液晶板6使偏振光状态从P偏振光变换为S偏振光。
接着,由反射型液晶板6反射后的光束这次由正交棱镜5进行色合成,入射到法拉第转子2中。在ON光束的情况下,由于P偏振光(④)入射到法拉第转子2中,再次沿与原来相同方向转动45度,所以成为与原来相反的45度方向的直线偏振光(⑤),入射到1/2波长板3中。当沿该1/2波长板3的偏振光轴而弯折直线偏振光时,成为P偏振光(⑥),透过PBS1。另一方面,在OFF光束的情况下,由于S偏振光(④)入射到法拉第转子2中,再次沿相同的方向转动45度而成为与入射光束相同的45度方向(与ON光束情况90度正交的方向)的直线偏振光,入射到1/2波长板3中。这样,在1/2波长板3中,恢复为与原来相同的S偏振光(⑥),由PBS1反射。
对于图5中附加了编号的①、②、③、④、⑤、⑥的偏振光方向,用图6进行详细说明。在图6中,入射系统的偏振光轴用从入射侧看的坐标来表示,反射系统的偏振光轴用从出射侧看的坐标来表示。即,图6的入射系统和出射系统的坐标系为相同的坐标系。入射的S偏振光(①)沿具有相对于图中的垂直轴(Y轴)左旋22.5度的偏振光轴的1/2波长板3的偏振光轴而折返,成为图中左抬高45度方向的直线偏振光(②)。接着,法拉第转子2使其左旋45度,成为P偏振光(③)。然后,作为由反射型液晶板6反射的ON光束的P偏振光(④)在法拉第转子2中,沿与最初相同的方向,左旋45度来转动直线偏振光,成为图中右抬高45度方向的直线偏振光(⑤),入射到1/2波长板3中。沿具有相对于图中的垂直轴(Y轴)左旋22.5度的偏振光轴的1/2波长板3的偏振光轴而折返,而成为P偏振光(⑥)。
另一方面,虽然图中省略了,但是,法拉第转子2使由反射型液晶板6反射的OFF光束即S偏振光沿与最初相同的方向左旋45度,成为图中左抬高45度方向的直线偏振光入射到1/2波长板3中。沿具有相对于图中的垂直轴(Y轴)左旋22.5度的偏振光轴的1/2波长板3的偏振光轴而折返,成为S偏振光。
以下用图7至图10来说明本发明的实施方式3。图7和图8是投射型投影装置的色分离合成部的基本构成图,图9是说明光束的偏振光状态的详细情况的图,图10是在本发明的实施方式3中使用的1/2波长板的作用图。
如图7所示,与图1的实施方式1或图4的实施方式2的最大不同是把PBS1转动45度。
入射照到PBS 1上的S偏振光,由PBS面反射,然后向正交棱镜5侧入射。
在图8中,把照到PBS1上的偏振光状态对准为S偏振光(①)的入射光束入射到PBS1中。S偏振光由PBS1的PBS面反射,而反射到正交棱镜5的方向上。但是,PBS 1的法线方向和正交棱镜5的法线方向存在转动45度的关系,正交棱镜5使照到PBS1上的S偏振光成为45度方向的直线偏振光。由法拉第转子2把该45度方向的直线偏振光转动45度,而成为P偏振光(③)。以P偏振光而入射到正交棱镜5中的白色光,由正交棱镜5的分色作用,而分离成R、G、B三色,分别由与各色相对应的反射型液晶板6反射。反射型液晶板6的作用是:对于ON光束,使偏振光状态以P偏振光原样反射,对于OFF光束,使偏振光状态从P偏振光变换为S偏振光。
接着,由反射型液晶板6反射后的光束这次由正交棱镜5进行色合成,入射到法拉第转子2中。在ON光束的情况下,由于P偏振光(④)入射到法拉第转子2中,再次沿相同的方向转动45度而成为与原来相反的45度方向的直线偏振光(⑤)。该与原来相反方向的45度直线偏振光通过PBS 1而成为P偏振光(⑥),透过PBS1。另一方面,在OFF光束的情况下,由于S偏振光(④)入射到法拉第转子2中,再次转动45度成为与入射光束相同的45度方向的直线偏振光,因为由PBS1恢复为与原来相同的S偏振光(⑥),而由PBS1反射。
对于图8中附加了编号的①、②、③、④、⑤、⑥的偏振光方向,在图9中进行详细说明。在图9中,入射系统的偏振光轴用从入射侧看的坐标来表示,反射系统的偏振光轴用从出射侧看的坐标来表示。即,图9的入射系统和出射系统的坐标系为相同的坐标系。由于PBS1的法线方向与正交棱镜5的法线方向错开45度,入射到PBS1中的S偏振光(①)成为照到正交棱镜5上的图中左抬高45度方向的直线偏振光(②)。接着,法拉第转子2使其左旋45度,成为P偏振光(③)。然后,由反射型液晶板6反射的ON光束的P偏振光(④)在法拉第转子2中沿与最初相同的方向左旋45度,成为图中右抬高45度方向的直线偏振光(⑤),同样,由于PBS 1的法线方向与正交棱镜5的法线方向错开45度,而成为照到PBS1上的P偏振光(⑥)。
另一方面,虽然图中省略了,但是,法拉第转子2使由反射型液晶板6反射的OFF光束的S偏振光沿与最初相同的方向左旋45度,成为图中左抬高45度方向的直线偏振光。同样,由于PBS1的法线方向与正交棱镜5的法线方向错开45度,而成为照到PBS1上的S偏振光。
以下,用图10来对照到PBS 1上的S偏振光进行说明。该图是用于说明偏振光变换器件14中的偏振光方向与PBS1中的偏振光方向与正交棱镜5中的偏振光方向的关系的图。
为了使构成积光镜13的各个透镜面的光量分布重叠在反射型液晶板6的面上,必须保持偏振光变换器件14与反射型液晶板6的光学成像关系。因此,偏振光变换器件14的偏振光方向与正交棱镜5的偏振光方向也相同。与此相对,由于正交棱镜5的偏振光方向与PBS1的偏振光方向错开45度,所以偏振光变换器件14与PBS1的偏振光方向也错开45度。因此,在本发明的实施方式3中,必须在偏振光变换器件14与PBS1的途中的光路上配置1/2波长板,用来使直线偏振光的偏振方向转动45度,成为照到PBS1上的S偏振光。
如上所述,根据本发明,以使用了具有分色作用的正交棱镜的构成来实现入射到反射型液晶板之前的偏振光状态与由反射型液晶板反射后的ON光束的偏振光状态相同的偏振光状态,这样,就能够得到小型、轻型、低成本的照明装置以及使用它的投射型投影装置。