JP2002250898A - 偏光照明装置およびそれを用いた投写型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 明るく、単純構成であり、小型軽量である直
線偏光光源を実現すること、および、明るく、単純構成
であり、小型軽量であり、マルチレンズアレイ以外のイ
ンテグレータを用いることが可能である投写型液晶表示
装置を実現する。 【解決手段】 リフレクタを有する光源の光束出射面近
傍に位相差板と反射型偏光板を光源側から位相差板、反
射型偏光板の順に光軸に略垂直に配置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば液晶表示素
子を用いた投写型映像表示装置、偏光顕微鏡、水上から
の水中照明に係り、特に照明光が直線偏光であることが
必要あるいは有効である装置および装置用の照明に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】液晶表示素子によって映像を表示し、光
源からの光を液晶表示素子に投射し、液晶表示素子から
の透過光または反射光に基づく映像を投写手段により拡
大投写する液晶プロジェクタ等の投写型液晶表示装置が
数多く提案されている。

【０００３】液晶表示素子の代表例であるＴＮ型液晶表
示素子は、液晶の電気光学効果により偏光面を回転させ
る作用を利用している。通常、液晶表示素子の前後に偏
光子や、検光子等の偏光フィルタが設けられている。偏
光フィルタは入射する光の特定の偏光方向を透過し、そ
れと直交する偏光方向を遮断する特性を有している。

【０００４】入射側の偏光子によって一定方向の直線偏
光に揃えられた光は、液晶表示素子を透過する際、液晶
表示素子への入力信号に応じて偏光面が回転させられる
為、その後の検光子を透過する光量が液晶表示素子への
入力信号に応じて変化する。この様に液晶表示素子は偏
光子や、検光子等の偏光フィルタと組み合わせることに
よって映像を表示している。従って、液晶プロジェクタ
に利用される光は入射側の偏光子により、少なくとも半
分は遮断されることになるため、光源から放射される全
光束量に対して投射映像に寄与する光束量の比率（以
下、光利用効率と称す）が低くなる。

【０００５】液晶プロジェクタ用の照明装置として、液
晶表示素子への入射光を、特定の方向に偏光面を有する
光束として変換し射出させる偏光変換素子と、被照射面
上を均一に照明するための均一照明手段（インテグレー
タ）として二つのマルチレンズアレイとを用い、光利用
効率の向上を図りつつ被照明領域を照明するようにした
偏光照明装置が例えば特開平８−３０４７３９号公報で
提案されている。

【０００６】上記偏光変換素子は、マルチレンズアレイ
の各セルの縦一列と同等サイズを一つのユニットとして
おり、各ユニットは二つの偏光ビームスプリッター（以
下、ＰＢＳと称す）プリズム（あるいは一つのＰＢＳプ
リズムと一つの全反射プリズム）とλ／２位相差板によ
って構成される。このユニットをマルチレンズアレイの
横方向のセル数と同じだけアレイ状（ＰＢＳプリズムア
レイ）に並べることで偏光変換素子は構成される。ＰＢ
Ｓプリズムの偏光分離面（以後ＰＢＳ面と称す）は入射
光のＰ偏光成分のＰ偏光波とＳ偏光成分のＳ偏光波の何
れか一方を透過し、他方を反射する。そして、反射され
た方の偏光波はＰＢＳ面に平行に配置されたＰＢＳ面
（あるいは全反射面）によりさらに反射されて他方の偏
光波と平行な方向に進行する。ＰＢＳプリズムにはＳ偏
光波とＰ偏光波のいずれかの出射面にλ／２位相差板が
配置されており、このためλ／２位相差板が出射面に配
置されている方の偏光波は偏光方向を９０°回転され、
他方の偏光波と同じ偏光となる。この偏光変換素子を用
いることにより光源からのランダムな偏光波を一方向の
偏光方向に揃えて液晶表示素子へ入射させることができ
る。従って原理的には、偏光変換素子を用いることによ
り用いない場合と比較して、光利用効率を２倍とするこ
とが可能である。しかし、光源から放射された光のうち
リフレクタの方向に向かう光量に対する、ＰＢＳ及び偏
光変換素子透過後の光量は光線追跡による計算では約６
０％以下であった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記従来技術
では、ＰＢＳ面は光軸に対して傾いて（通常は略４５
°）配置されるため従来の偏光変換素子は光軸方向への
厚みが必要であり、また通常はＰＢＳ面は透明な材質か
らなるプリズムの内部に構成されるが、このプリズム重
量が光学系重量の増加の一因であった。また、上記の偏
光変換素子は複雑な構成をしており製造に比較的高度な
技術を要する。

【０００８】この課題を解決する反射型偏光板を用いた
偏光照明装置のアイデアが特開平１１−２２３７９８で
開示されている。

【０００９】図１は、上記反射型偏光板を用いた偏光照
明装置のアイデアを示す光線図と軸角度図である。以
下、図１を用いて、上記アイデアを説明する。

【００１０】図１において、１は超高圧水銀ランプ、メ
タルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンラ
ンプ、ハロゲンランプ等の白色光源、２は略焦点位置に
配置された光源１からの光を光軸に略平行に反射する回
転放物面形状をした放物リフレクタ、４は光軸に略垂直
に配置された反射型偏光板、５は光軸である。９は光源
１からの光を示す光線、１０は反射型偏光板４を透過し
たＸ偏光波である。

【００１１】反射型偏光板４は、Ｚ軸に等しい光軸５に
略垂直に配置されている。図１では、反射型偏光板４の
反射軸７がＹ軸に略平行である場合を示しているが、Ｘ
軸に略平行であっても同様の効果が得られる。

【００１２】光源１より放射して放物リフレクタ２の方
向に進行する光線９は放物リフレクタ２で反射するが、
放物リフレクタ２が放物面形状であるため、光線９は光
軸５に略平行となって反射型偏光板４の方向に進行す
る。そして光線９は反射型偏光板４に入射する。反射型
偏光板４に入射した光線９のうち、反射軸（Ｙ軸）７に
平行な振動方向の偏光成分は反射し、振動方向が反射軸
７に垂直な透過軸（Ｘ軸）方向の偏光成分は透過する。
即ち、光源１と放物リフレクタ２と反射型偏光板４から
なる偏光照明装置は、透過軸方向の直線偏光の光線であ
るＸ偏光波１０を発生することが出来る。

【００１３】光源１は任意の振動方向を持った無偏光波
の集まりである白色光であるため、反射型偏光板４で光
線９の略１／２が反射する。

【００１４】反射型偏光板４は光軸５に略垂直に配置さ
れているため、反射型偏光板４を反射した光線９は反射
型偏光板４へ入射するまでと同じ軌跡を逆行して放物リ
フレクタ２で反射し、光源１へと戻って行く。光源１へ
達した光線９は光源１から影響を受けずに通過する。光
源１を通過した光線９は、放物リフレクタ２で２回目の
反射をして、光軸５に略平行となって反射型偏光板４に
再入射する。

【００１５】最初に反射型偏光板４で反射した光線９
は、反射軸（Ｙ軸）７に略平行な直線偏光となってい
る。この反射型偏光板４で反射した光線９のうち、反射
型偏光板４のＸ軸、Ｙ軸近傍以外で反射した光線９は、
反射位置により徐々に異なっており、Ｘ軸、Ｙ軸近傍で
は回転せず、Ｙ＝Ｘ線およびＹ＝−Ｘ線の近傍では、反
射光線は偏光が略９０°回転するようになる。

【００１６】前記反射型偏光板４で反射した光線９のう
ち、反射型偏光板４のＸ軸、Ｙ軸近傍で反射した光線９
は、放物リフレクタ２での反射の際、方位角（光線の振
動方向と入射面とのなす角）が略０度又は略９０度とな
るため、偏光方向（振動方向）が変わらない。

【００１７】従って、最初に反射型偏光板で反射した、
反射位置がＸ軸、Ｙ軸近傍以外の光線９（反射光の略１
／２）は放物リフレクタ２による２回の反射で、偏光方
向（振動方向）が任意の方向に回転し、再入射光の１／
２は透過する。反射型偏光板４で再び反射した再反射光
線９は、上記と同様に、放物リフレクタ２による２回の
反射で偏光方向が任意の方向に回転し再再度反射型偏光
板４に入射する。この手順が以下繰替えされ、結果とし
て、最初に反射型偏光板４で反射した、反射位置がＸ
軸、Ｙ軸近傍以外である光線９（反射光の略１／２）は
反射型偏光板４を略全てが透過することになる。

【００１８】しかし、最初に反射型偏光板４で反射した
光線９のうち、反射型偏光板４での反射位置がＸ軸、Ｙ
軸近傍の光線９は、放物リフレクタ２による２回の反射
の際、方位角が略０度又は略９０度となるため、偏光方
向（振動方向）が回転しないので反射型偏光板４を透過
出来ない。

【００１９】以上の説明から明らかなように、上記した
光源と放物リフレクタと反射型偏光板を用いた偏光照明
装置では、光源１から放射された光のうち放物リフレク
タ２の方向に向かう光量に対する、反射型偏光板４を透
過する光量の割合は原理的に３／４となる（但し、光線
は何度も反射して往復することにより、減衰し平行度も
保てなくなり、効率の低下は避けられない）。これに対
して、上記したマルチレンズアレイとＰＢＳプリズムア
レイによる偏光変換素子を組み合わせる従来の構成で
は、光源の発光部１から放射された光のうち放物リフレ
クタ２の方向に向かう光量に対する偏光変換素子透過後
の光量は光線追跡による計算では約６０％以下であっ
た。従って、反射型偏光板による偏光変換方法は前記偏
光変換素子の場合より、光利用効率は原理的に約１５％
向上することがわかる。

【００２０】しかし、上記した光源と放物リフレクタと
反射型偏光板からなる偏光照明装置では、反射型偏光板
での反射光のうち、反射位置が反射型偏光板の透過軸
（Ｘ軸）、反射軸（Ｙ軸）近傍の反射光の場合、放物リ
フレクタでの２回の反射による任意の方向への偏光方向
（振動方向）の回転が生ぜず、透過光として利用するこ
とが出来ない。

【００２１】本発明の目的は、上記した課題である、Ｐ
ＢＳプリズムアレイとマルチレンズアレイとを組合わせ
た偏光照明装置に替えて、ＰＢＳプリズムアレイをなく
して小型軽量化、単純構成化を計り、反射型偏光板の透
過軸（Ｘ軸）、反射軸（Ｙ軸）近傍での反射光を透過光
として光利用効率を向上させ、さらに、マルチレンズア
レイ以外のインテグレ−タを用いることができるで反射
型偏光板を用いた偏光照明装置およびこれを用いた投写
型液晶表示装置を提供することにある。

【００２２】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに、リフレクタと光源と反射型偏光板とを有し、該反
射型偏光板の透過軸方向に偏光した光を出射する偏光照
明装置であって、光軸を原点とした時の透過軸と反射軸
の各々からの角度が２５度以下の領域を略λ／４の位相
差を生じさせる領域とする位相差板を前記反射型偏光板
の前記光源側に配置した構成とする。

【００２３】更に、前記位相差板の略λ／４の位相差を
生じさせる領域での特性が、上記原点に対して対向する
領域間で異なるように構成する。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。

【００２５】図２は本発明の実施形態を示す光線図と軸
角度図である。図２において、３はλ／４位相差板であ
る。４は反射型偏光板で、光源の発光部の管球よりも硬
度な材質により構成されており、反射型偏光板が光源の
管球の破裂などに伴う破裂音の防音および破裂物の飛散
防止などの役割を兼ねている。６はλ／４位相差板３の
遅相軸あるいは進相軸（以後、これらを併せて光学軸と
呼ぶ）を示す。他の図１と共通の部分には、同一符号を
付して説明を省略する。

【００２６】図２の構成は、図１の構成にλ／４位相差
板３を追加したものであり、λ／４位相差板３は反射型
偏光板４と同様に光軸５（Ｚ軸に等しい）に略垂直に、
光源側よりλ／４位相差板３、反射型偏光板４の順で配
置されている。λ／４位相差板３の配置されている領域
およびその光学軸６の角度は、例えば図２の軸角度図に
示すようなものであり、配置されている領域は、λ／４
位相差板３の中心８から放射状にＸ軸（透過軸）、Ｙ軸
（反射軸）、Ｙ=ＸおよびＹ=-Ｘを中心線として８等分
された領域のうちのＸ軸およびＹ軸を中心とする斜線で
示した４つの領域（Ｘ軸、Ｙ軸から各々２２．５度以下
の領域）としており、光学軸６の軸角度は、反射型偏光
板４の反射軸に対して４５°傾いており、さらに対向す
る領域同士で反転している。また、λ／４位相差板３の
中心８は光軸５にほぼ一致するように配置されている。

【００２７】以下、図２を用いて詳細に説明する。

【００２８】光源１より放射した光線９のほとんどは放
物リフレクタ２を反射して光軸５に略平行となり、λ／
４位相差板３がある領域はλ／４位相差板３を透過し、
λ／４位相差板３がない領域はそのまま反射型偏光板４
に入射する。反射型偏光板４に入射した光線９のうち、
反射型偏光板４の反射軸（Ｙ軸）に平行な偏光成分の光
は反射し、反射軸に垂直な透過軸（Ｘ軸）方向の偏光成
分の光は透過する。反射型偏光板４を反射した光はＹ軸
に略平行な直線偏光波となっている。この反射した光線
９がλ／４位相差板３がある領域を再び透過すると円偏
光となる。これらの光線９は放物リフレクタ２を反射
し、光源１を通過し、再度放物リフレクタ２を反射し、
λ／４位相差板３を再々透過し、反射型偏光板４に入射
する。

【００２９】このときの各光線の偏光状態について以下
に説明する。円偏光の回転方向は反射する度に反転する
ため、λ／４位相差板３のある領域であるＸ軸およびＹ
軸近傍に再々入射する光線は、その円偏光の回転方向が
放物リフレクタ２を２回反射する前と同じとなる。しか
し進行方向が逆であることから、再々透過光の偏光を反
射型偏光板４の反射軸に垂直（即ち透過軸に平行）にす
るために、再々透過光の透過位置でのλ／４位相差板３
の光学軸６の角度を、この光線がλ／４位相差板３を再
透過した領域の光学軸角度を略９０°回転させた角度と
する必要がある。そこで、λ／４位相差板３の軸角度
は、対向する位置で互いに反転するように配置されてお
り、このためにＸ軸およびＹ軸近傍のλ／４位相差板を
再々透過した光線の偏光方向はちょうど反射型偏光板の
透過軸方向と略同一となるため、再々透過光は反射型偏
光板４を透過することが出来る。

【００３０】λ／４位相差板３がない領域を再透過と再
々透過する光線は、図１を用いて説明した場合と同じで
ある。

【００３１】以上述べたように、本発明による偏光照明
装置では、光源１から放射された光のうち放物リフレク
タ２の方向に向かう光量に対する、反射型偏光板４を透
過する光量の割合は原理的に７／８とすることが出来
る。従って、本発明による偏光変換方法はλ／４位相差
板のない場合に比べ、約１３％高効率となる。

【００３２】以上の実施の形態では、Ｘ軸、Ｙ軸の各々
から２２．５度以下の全領域をλ／４位相差板３がある
領域として説明したが、２５度以下の全領域をλ／４位
相差板３がある領域としても、同様の効果を得ることが
実験により確認できた。また、本発明はこの領域に限定
するものではなく、Ｘ軸、Ｙ軸との角度を更に狭くした
領域をλ／４位相差板３がある領域とする場合において
も本発明が適用可能であることは明らかである。

【００３３】図３は本発明による偏光照明装置を適用し
た投写型液晶表示装置の概略を示す図である。

【００３４】図３において、１１は第１マルチレンズア
レイ、１２は第２マルチレンズアレイで、２つのマルチ
レンズアレイ１１と１２を用い被照射面上を均一に照明
するための均一照明手段（インテグレータ）としてい
る。１３は全反射ミラ−、１４はＢ透過ＲＧ反射ダイク
ロイックミラ−、１５はＲ透過Ｇ反射ダイクロイックミ
ラ−、１６と１７と１８は全反射ミラ−、１９はＲ液晶
表示素子、２０はＧ液晶表示素子、２１はＢ液晶表示素
子である。２２は液晶表示素子１９、２０、２１で変調
されたＲＧＢ光を色合成する色合成ダイクロイックプリ
ズム、２３はスクリ−ン（図示せず）に拡大投射する投
射レンズである。その他の共通する部分には同一符号を
付して説明を略す。

【００３５】以下、図３を用いて、投写型液晶表示装置
の動作を述べる。

【００３６】図３において、光源１と放物リフレクタと
λ／４位相差板と反射型偏光板からなる偏光照明装置を
出射した光は、第１マルチレンズアレイ１１、第２マル
チレンズアレイ１２を通過して全反射ミラー１３にて光
線の方向を９０°曲げられ、ダイクロイックミラー１４
とダイクロイックミラー１５によってＲ（赤色）、Ｇ
（緑色）、Ｂ（青色）に色分離された後、全反射ミラー
１６、全反射ミラー１７、全反射ミラー１８により光線
の方向を曲げられてＲ、Ｇ、Ｂに対応するライトバルブ
素子である液晶表示素子１９、液晶表示素子２０、液晶
表示素子２１に入射する。Ｒ、Ｇ、Ｂそれぞれの液晶表
示素子を通過した光はダイクロイックプリズム２２によ
って再び色合成され、投射レンズ２３によってスクリー
ンに投射される。

【００３７】図３の構成から明らかなように、インテグ
レ−タであるマルチレンズアレイにＰＢＳプリズムアレ
イを組合わせてないので、小型軽量化と単純構成化が可
能となる。また、本発明による偏光照明装置を適用して
いるので、光利用効率が向上し、明るさの向上した投写
型液晶表示装置とすることができる。

【００３８】上記では、インテグレ−タとしてマルチレ
ンズアレイを用いたが、偏光照明装置としてＰＢＳプリ
ズムアレイとマルチレンズアレイを組合わせた特開平８
−３０４７３９号で開示の技術を使用せず、反射型偏光
板を利用しているので、これに限定されるものではな
く、ライトパイプ等を用いることができるのは明らかで
ある。

【００３９】尚、図３では、本発明による偏光照明装置
を透過型液晶表示素子による投写型液晶表示装置に適用
した場合について述べたが、これに限定されるものでは
ないことは明らかである。

【００４０】本発明による偏光照明装置とこれを用いた
投写型液晶表示装置により、明るく、小型軽量とするこ
とができ、またマルチレンズアレイ以外のインテグレ−
タ−方式を用いることが可能となった。

【００４１】

【発明の効果】以上、説明したように本発明の偏光照明
装置および投写型液晶表示装置は反射型偏光板による偏
光変換方式を用いることにより、明るさの向上、単純構
成化、小型軽量化、マルチレンズアレイ以外のインテグ
レータ方式の採用が実現可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】反射型偏光板を用いた従来技術を示す図であ
る。

【図２】本発明の偏光照明装置の実施の形態を示す図で
ある。

【図３】本発明の偏光照明装置を投写型液晶表示装置に
適用した実施の形態を示す図である。

【符号の説明】

１…光源、２…放物リフレクタ、３…λ／４位相差板、
４…反射型偏光板、５…光軸、６…λ／４位相差板の光
学軸、７…反射型偏光板の反射軸、８…λ／４位相差板
の中心、９…光線、１０…Ｘ偏光波、１１…第１マルチ
レンズアレイ、１２…第２マルチレンズアレイ、１３…
全反射ミラー、１４…ダイクロイックミラー、１５…ダ
イクロイックミラー、１６…全反射ミラー、１７…全反
射ミラー、１８…全反射ミラー、１９…液晶表示素子、
２０…液晶表示素子、２１…液晶表示素子、２２…ダイ
クロイックプリズム、２３…投射レンズ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｂ 5/30 Ｇ０２Ｆ 1/13363 Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｅ 1/13363 21/14 Ａ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｆ２１Ｙ 101:00 21/14 Ｆ２１Ｍ 1/00 Ｒ // Ｆ２１Ｙ 101:00 (72)発明者 松田 裕 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所デジタルメディアシステ ム事業部内 (72)発明者 仕明 卓也 神奈川県横浜市戸塚区吉田町292番地 株 式会社日立製作所デジタルメディアシステ ム事業部内 Ｆターム(参考） 2H049 BA02 BA07 BA43 BB03 BB61 BC22 2H088 EA14 HA13 HA16 HA18 HA21 HA24 HA25 MA06 MA20 2H091 FA05Z FA08Z FA11Z FA14Z FA26X FA26Z FA29Z FA41Z LA11 LA16 MA07 2H099 AA12 BA09 CA11 DA00 3K042 AA01 AB02 AC06 AC07 BA01 BB03 BD01

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】リフレクタと光源と反射型偏光板とを有
   し、該反射型偏光板の透過軸方向に偏光した光を出射す
   る偏光照明装置であって、光軸を原点とした時の透過軸
   と反射軸の各々からの角度が略２５度以下の所定の領域
   を略λ／４の位相差を生じさせる領域とする位相差板を
   前記反射型偏光板の前記光源側に配置したことを特徴と
   する偏光照明装置。
2. 【請求項２】前記位相差板の略λ／４の位相差を生じさ
   せる領域での特性が、上記原点に対して対向する領域間
   で異なるように構成したことを特徴とする請求項１に記
   載の偏光照明装置。
3. 【請求項３】前記リフレクタが略放物面形状であること
   を特徴とする請求項１乃至請求項２の何れかに記載の偏
   光照明装置。
4. 【請求項４】前記反射型偏光板を、前記光源の発光部の
   管球よりも硬度な材質で構成し、前記管球の破裂による
   破裂物の外部への飛散を防止するようにしたことを特徴
   とする請求項１乃至請求項３の何れかに記載の偏光照明
   装置。
5. 【請求項５】請求項１乃至請求項４の何れかに記載の偏
   光照明装置と、照明光学系と、液晶表示素子と、投射レ
   ンズとを有することを特徴とする投写型液晶表示装置。