JP2004020671A

JP2004020671A - Polarization beam splitter

Info

Publication number: JP2004020671A
Application number: JP2002172228A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Inoue; 井上　和彦
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2002-06-13
Filing date: 2002-06-13
Publication date: 2004-01-22

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarization beam splitter which can consistently splits polarized beam from a light flux with large divergence and which is small in size and easily manufactured, and to provide a small-size display with high luminance and high contrast by using the above splitter. <P>SOLUTION: The polarization beam splitting planes (T1, T2) are formed by first to third prisms (R1 to R3). The first and the third prisms (R1, R3) in the three prisms (R1 to R3) have three optically effective planes, while the second prism (R2) has four optically effective planes. The first and second polarization separation planes (T1, T2) adjacent to each other are almost orthogonal to each other, and the crossing point of the polarization beam splitting planes almost orthogonal to each other is present at the position within 1 mm from the optical end face (X1, X2). <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光分離装置に関するものであり、例えば、投射型表示装置（照明した液晶パネルの２次元映像をスクリーンに投影表示する液晶プロジェクター等）やヘッドマウントディスプレイ等の表示装置に用いられる偏光分離装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ライトバルブ（例えば液晶パネル）に対する照明やライトバルブで画像変調された光の投射に、複数の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ　Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）を用いた投射型表示装置が従来より知られている（特開平１２−３３０１９６号公報，特開平１２−３２１６６２号公報等）。しかし、このような投射型表示装置には、高い輝度や高いコントラストが得られないという問題がある。そこで、本出願人は投射型表示装置の高輝度化・高コントラスト化を達成するために、３種類の偏光ビームスプリッターを効果的に用いた偏光分離技術を特願２００１−３１４３７１号で提案した。その偏光分離技術が適用された投射型表示装置の先行例を図１３に示す。
【０００３】
図１３（Ａ）は、投射型表示装置の第１先行例を示す光学構成図である。この投射型表示装置は、光源（１），第１レンズアレイ（２ａ），第２レンズアレイ（２ｂ），重ね合わせレンズ（３），第１ダイクロイックミラー（４ａ），第２ダイクロイックミラー（４ｂ），反射ミラー（５ａ，５ｂ），フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ），プレ偏光ビームスプリッター（プレＰＢＳ；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ），メイン偏光ビームスプリッター（メインＰＢＳ；８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ），反射型のライトバルブ（例えば反射型液晶パネル；９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ），ポスト偏光ビームスプリッター（ポストＰＢＳ；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ），クロスダイクロイックプリズム（１１），投射レンズ（１２）等で構成されている。
【０００４】
光源（１）から発せられた光は、第１レンズアレイ（２ａ）と第２レンズアレイ（２ｂ）によって空間的なエネルギー分布が均一化される。第２レンズアレイ（２ｂ）の各セルを射出した光は、重ね合わせレンズ（３）によって各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）上に重ね合わせられる。その一方で、重ね合わせレンズ（３）から射出した光は、第１，第２ダイクロイックミラー（４ａ，４ｂ）により、３原色に対応した赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各原色光に色分解される。Ｂの原色光は、第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ａ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｂ）を通過する。一方、Ｇ，Ｒの原色光は第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ｂ）で反射された後、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）でＧとＲとに色分解される。Ｇの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｇ）を通過する。Ｒの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）を透過した後、フィールドレンズ（６Ｒ）を通過する。
【０００５】
各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）は、照明光をテレセントリックな光束にするとともに、そのパワーによって投影光を投射レンズ（１２）の瞳に入射させる機能を持つ。各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）を通過したＲＧＢの各原色光は、各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）に入射する。各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射させる。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｐ偏光）を透過させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｓ偏光）のみを反射させて各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に入射させる。
【０００６】
各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）は、偏光方向が揃った各原色光（Ｓ偏光）を２次元映像の各画素の表示（つまり画素毎のＯＮ／ＯＦＦ）に応じた選択的な偏光制御により変調し、２種類の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）から成る反射光を射出する。各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）から射出した各原色光は、再び各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射する。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）に入射させる。ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）は、メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）と同様、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させる。ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）を透過した各原色光は、クロスダイクロイックプリズム（１１）に入射して色合成される。クロスダイクロイックプリズム（１１）で色合成された投影光は、投射レンズ（１２）でスクリーン（不図示）に投射される。
【０００７】
上記のように各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）を照明する原色光（ＲＧＢ）の偏光分離及び各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）で変調された原色光（ＲＧＢ）の偏光分離を行うＰＢＳ系の機能を、図１４に基づいて更に詳しく説明する。図１４中の各要素はＲＧＢの各原色光に対応するものを代表しており、６はフィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）、７はプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）、８はメインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）、９はライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）、１０はポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）にそれぞれ対応している。また、７Ｌ，８Ｌ，１０Ｌは、プレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８），ポストＰＢＳ（１０）の各偏光分離面を示しており、２重丸は紙面に対して垂直に振動する偏光、両端矢印は紙面に対して平行に振動する偏光を示している。
【０００８】
図１４（Ａ）は正面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており、紙面に平行な面がメインＰＢＳ（８）及びポストＰＢＳ（１０）の入射面（ｐｌａｎｅ　ｏｆ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）である。また、図１４（Ｂ）は側面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており｛ただしライトバルブ（９）は図示省略する。｝、紙面に平行な面がプレＰＢＳ（７）の入射面である。なお、偏光状態を分かりやすくするために、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）との間隔はあけた状態で示している。
【０００９】
フィールドレンズ（６）を通った光は、プレＰＢＳ（７）とメインＰＢＳ（８）において、ライトバルブ（９）の照明に不要な偏光成分が除かれ、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分のみがライトバルブ（９）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して垂直に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＳ偏光｝が、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分となる。投射型表示装置の高輝度化・高コントラスト化を達成するには、この方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、プレＰＢＳ（７）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面を光軸（ＡＸ）について略９０度回転したものになっている。
【００１０】
ライトバルブ（９）で変調・反射された光は、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）において、スクリーンへの投影に不要な偏光成分が除かれ、スクリーンへの投影に必要な偏光成分のみがクロスダイクロイックプリズム（１１）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して平行に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＰ偏光｝が、スクリーンへの投影に必要な偏光成分となる。投射型表示装置の高輝度化・高コントラスト化を達成するには、この方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、ポストＰＢＳ（１０）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面と同一（つまり互いに平行）になっている（具体的には、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）とで偏光分離面（８Ｌ，１０Ｌ）が互いに平行になっている。）。
【００１１】
上記第１先行例では照明光束が円錐状の広がりを持つため、表示装置全体が大きなものになってしまう。これを改善したのが、図１３（Ｂ）及び図１５に示す第２先行例である｛表現形式は図１３（Ａ），図１４と同様。｝。図１３（Ｂ）はライトバルブ（９）での光束の広がりを図１３（Ａ）の第１先行例と同じにしたときの大きさで第２先行例を示している。図１３（Ｂ）及び図１５に示す表示装置はプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）に特徴があり、図１５（Ｂ）に示すようにプレＰＢＳ（７）が偏光分離面（７Ｌ）を２面有し、その２面（７Ｌ）が光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっている。このような偏光分離面（７Ｌ）を有するプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）を用いることは、高輝度を得るために照明光束の広がりを大きくした投射型表示装置を小型化する上で非常に有効である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記第２先行例に用いられているプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）には、以下に説明するような製造上の問題がある。図１６（Ａ）に、第２先行例におけるプレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８；ただし、光路の折り曲げは図示省略する。），ライトバルブ（９）の光学配置を示す。プレＰＢＳ（７）での偏光分離は、３個のプリズム（７ａ，７ｂ，７ｃ）の境界に設けられている２面の偏光分離面（７Ｌ）で行われる。この２面の偏光分離面（７Ｌ）は、図１６（Ｂ）に示すように、プレＰＢＳ（７）の光射出端面（７Ｘ）上で交わること、つまりプリズム突き合わせ部（Ｋ０）で連続することが理想的である。これにより、プレＰＢＳ（７）に入射した光はすべていずれかの偏光分離面（７Ｌ）で偏光分離されることになる。
【００１３】
ところが、プレＰＢＳ（７）の実際の製造においては、図１６（Ｃ）に示すように偏光分離面（７Ｌ）の不連続なプリズム突き合わせ部（Ｋ１）が生じてしまうことがあり、その寸法をゼロにすることは困難である場合が多い。偏光分離面（７Ｌ）の不連続なプリズム突き合わせ部（Ｋ１）がプレＰＢＳ（７）にあると、そこでは偏光分離が行われないことになる。その結果、プリズム突き合わせ部（Ｋ１）がライトバルブ（９）の投影画面に筋状模様のカゲ（Ｍ）となって現れてしまい｛図１６（Ｄ）｝、画質を低下させる原因となる。
【００１４】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することのできる小型で製造容易な偏光分離装置と、それを用いた高輝度・高コントラストの小型の表示装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の偏光分離装置は、ｎ個（ｎ≧３）のプリズムから成り、それらのプリズムが（ｎ−１）面の偏光分離面を形成するように構成された偏光分離装置であって、前記ｎ個のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有することを特徴とする。
【００１６】
第２の発明の偏光分離装置は、第１，第２，第３のプリズムから成り、前記第１，第２のプリズムの間に第１の偏光分離面を有し、前記第１，第３のプリズムの間に第２の偏光分離面を有する偏光分離装置であって、前記第１のプリズムが他の２個のプリズムよりも大きく、前記第２，第３のプリズムが略同等の大きさを有し、前記第２，第３のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有し、前記第１，第２の偏光分離面が互いに略直交することを特徴とする。
【００１７】
第３の発明の偏光分離装置は、上記第２の発明の偏光分離装置において、その光入射端面又は光射出端面から１ｍｍ以内の位置に、前記略直交する偏光分離面の交点が存在することを特徴とする。
【００１８】
第４の発明の投射型表示装置は、上記第１又は第２の発明の偏光分離装置を備えたことを特徴とし、第５の発明のヘッドマウントディスプレイは、上記第１又は第２の発明の偏光分離装置を備えたことを特徴とする。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した偏光分離装置を、図面を参照しつつ説明する。なお、前記先行例（図１３〜図１５）や各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００２０】
［ｎ個のプリズムから成る偏光分離装置］
図１に、５個のプリズム（Ｐ１〜Ｐ５）から成る偏光分離装置の一例を示す。この偏光分離装置は、第１〜第５のプリズム（Ｐ１〜Ｐ５）を接合して成るものであり、第１，第２のプリズム（Ｐ１，Ｐ２）の間に第１の偏光分離面（Ｓ１）を有し、第２，第３のプリズム（Ｐ２，Ｐ３）の間に第２の偏光分離面（Ｓ２）を有し、第３，第４のプリズム（Ｐ３，Ｐ４）の間に第３の偏光分離面（Ｓ３）を有し、第４，第５のプリズム（Ｐ４，Ｐ５）の間に第４の偏光分離面（Ｓ３）を有する構成になっている。このように４面の偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）を形成する第１〜第５のプリズム（Ｐ１〜Ｐ５）のうち、第１，第２のプリズム（Ｐ１，Ｐ２）は光学的に有効な面を３面有しており、第３〜第５のプリズム（Ｐ３〜Ｐ５）は光学的に有効な面を４面有している。そして、４面の偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）のうち、隣り合った偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）は互いに略直交するように構成されており、その交点から各光学端面（Ｘ１，Ｘ２）にかけた部分にプリズム突き合わせ部（Ｋ２）が形成されている。なお、２つの光学端面（Ｘ１，Ｘ２）のうち、一方が偏光分離装置の光入射端面に相当し、他方が偏光分離装置の光射出端面に相当する。
【００２１】
図２に、３個のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）から成る偏光分離装置の一例を示す。この偏光分離装置は、第１〜第３のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）を接合して成るものであり、第１のプリズム（Ｒ１）は他の２個のプリズム（Ｒ２，Ｒ３）よりも大きくなっており、第２，第３のプリズム（Ｒ２，Ｒ３）は略同等の大きさになっている。また、第１，第２のプリズム（Ｒ１，Ｒ２）の間には第１の偏光分離面（Ｔ１）を有しており、第１，第３のプリズム（Ｒ１，Ｒ３）の間には第２の偏光分離面（Ｔ２）を有している。このように２面の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）を形成する第１〜第３のプリズム（Ｒ１〜Ｒ３）のうち、第１，第３のプリズム（Ｒ１，Ｒ３）は光学的に有効な面を３面有しており、第２のプリズム（Ｒ２）は光学的に有効な面を４面有している。そして、隣り合った第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）は互いに略直交するように構成されており、その交点から光学端面（Ｘ１）にかけた部分にプリズム突き合わせ部（Ｋ２）が形成されている。なお、図１の偏光分離装置と同様、２つの光学端面（Ｘ１，Ｘ２）のうちの一方が光入射端面に相当し、他方が光射出端面に相当する。
【００２２】
図１，図２に示す偏光分離装置のように、ｎ個（ｎ≧３）のプリズムから成り、それらのプリズムが（ｎ−１）面の偏光分離面を形成するように構成された偏光分離装置において、ｎ個のプリズムのうち、少なくとも１つのプリズムが光学的に有効な面を４面以上有し、（ｎ−１）面の偏光分離面のうち、隣り合った偏光分離面が互いに略直交する構成であれば、偏光分離面の連続性が得られる。このため、偏光分離装置に入射した光線はすべて偏光分離面に入射し、適正な偏光分離作用を受けてから射出することになる。したがって、偏光分離装置に入射した光線が偏光分離面を通らずに射出することを防止して、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することができる。
【００２３】
ここで図２の偏光分離装置を例に挙げて、上記偏光分離面の連続性とプリズム突き合わせ部（Ｋ２）の改善を説明する。図２の偏光分離装置では、第２のプリズム（Ｒ２）が光学的に有効な面を４面有する構成において、第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）が互いに略直交する構成になっている。このため、図３に示すようにプリズム突き合わせ部（Ｋ２）で第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）が連続することになり、その結果、偏光分離装置に入射した光はすべて第１，第２の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）のいずれかで偏光分離されることになる。ただし、プリズム突き合わせ部（Ｋ２）では偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）を２度通過する光線（Ｌｉ）が発生する。その光線（Ｌｉ）の透過率は、偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）を２度通過する分だけ低下することになる。この透過率の低下量を少なくするには、プリズム突き合わせ部（Ｋ２）のサイズδが１ｍｍ以下であること（δ≦１ｍｍ）が望ましい。つまり、偏光分離装置の光学端面（つまり、光入射端面又は光射出端面）からδ＝１ｍｍ以内の位置に、略直交する偏光分離面の交点（Ｔ０）が存在するように構成すれば、透過率の低下を好適に抑えることが可能である。
【００２４】
図１に示す偏光分離装置では構成プリズム個数：ｎ＝５であり、図２に示す偏光分離装置では構成プリズム個数：ｎ＝３である。構成プリズム個数：ｎが少ないほどプリズム突き合わせ部（Ｋ２）の数：（ｎ−２）も少なくなるため、上記透過率の低下を抑える上では、図２に示すｎ＝３タイプの偏光分離装置が好ましい。一方、図１の偏光分離装置のように５個以上（ｎ≧５）のプリズムを接合して４面以上の偏光分離面を構成すれば、非常に薄型で偏光分離面の実質的に広いＰＢＳを構成することが可能になる。したがって、左右の対称性を保ちながら偏光分離装置の軽量・薄型化を図る上では、ｎ≧５タイプの偏光分離装置が好ましい。
【００２５】
図２に示す偏光分離装置は、例えば以下に説明する製法により製造可能である。図４に示すように、第１のプリズム（Ｒ１）は光学的に有効な３つの面として、第１面（ａ１），第２面（ａ２）及び第３面（ａ３）を有し、第３のプリズム（Ｒ３）は光学的に有効な３つの面として、第１面（ｃ１），第２面（ｃ２）及び第３面（ｃ３）を有し、第２のプリズム（Ｒ２）は光学的に有効な４つの面として、第１面（ｂ１），第２面（ｂ２），第３面（ｂ３）及び第４面（ｂ４）を有する。そして、第２のプリズム（Ｒ２）の第２面（ｂ２）と第３のプリズム（Ｒ３）の第２面（ｃ２）は、偏光分離コート面になっている。
【００２６】
まず、第１のプリズム（Ｒ１）の第２面（ａ２）と第２のプリズム（Ｒ２）の第２面（ｂ２）とを接合する。第２のプリズム（Ｒ２）の第２面（ｂ２）には予め偏光分離コートが施されているので、接合により第１の偏光分離面（Ｔ１）が形成される。そして、第１のプリズム（Ｒ１）の第３面（ａ３）と第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）とが同一平面になるように研磨する。前述したようにδ≦１ｍｍが望ましいことから、第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）は面積の小さなものとして形成されている。したがって、第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）は研磨の際に発生する面であってもよく、研磨前には存在しなくても構わない。つまり、研磨前の第２のプリズム（Ｒ２）の光学的に有効な面は、第１面（ｂ１）〜第３面（ｂ３）の３つの面であってもよい。
【００２７】
次に、第１のプリズム（Ｒ１）と第２のプリズム（Ｒ２）との接合体に、第３のプリズム（Ｒ３）を接合する。このとき、同一平面を形成している第１のプリズム（Ｒ１）の第３面（ａ３）と第２のプリズム（Ｒ２）の第４面（ｂ４）に、第３のプリズム（Ｒ３）の第２面（ｃ２）を接合する。第３のプリズム（Ｒ３）の第２面（ｃ２）には予め偏光分離コートが施されているので、接合により第２の偏光分離面（Ｔ２）が形成される。そして、第２のプリズム（Ｒ２）の第１面（ｂ１）と第３のプリズム（Ｒ３）の第１面（ｃ１）とが同一平面になるように研磨すると、図２に示す偏光分離装置が完成する。
【００２８】
上述した偏光分離装置の構成によると、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することが可能であり、しかも小型でその製造も容易に行うことが可能である。そして本発明に係る偏光分離装置を、投射型表示装置，ヘッドマウントディスプレイ等の表示装置に用いれば、表示装置の高輝度化，高コントラスト化及び小型化を達成することが可能である。以下に説明する投射型表示装置の実施の形態では、その照明光学系や投影光学系に偏光分離装置の実施の形態が用いられている。しかし、本発明に係る偏光分離装置が適用される表示装置は、投射型表示装置に限らない。例えば、ヘッドマウントディスプレイ等の投影光学系についても同様に実施可能である。
【００２９】
［ｎ＝５タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置］
図５に、ｎ＝５タイプの偏光分離装置（図１）をプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として備えた投射型表示装置全体の概略光学構成を示す。この投射型表示装置は、光源（１），第１レンズアレイ（２ａ），第２レンズアレイ（２ｂ），重ね合わせレンズ（３），第１ダイクロイックミラー（４ａ），第２ダイクロイックミラー（４ｂ），反射ミラー（５ａ，５ｂ），フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ），プレ偏光ビームスプリッター（プレＰＢＳ；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ），メイン偏光ビームスプリッター（メインＰＢＳ；８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ），反射型のライトバルブ（例えば反射型液晶パネル；９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ），ポスト偏光ビームスプリッター（ポストＰＢＳ；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ），クロスダイクロイックプリズム（１１），投射レンズ（１２）等で構成されている。
【００３０】
光源（１）から発せられた光は、第１レンズアレイ（２ａ）と第２レンズアレイ（２ｂ）によって空間的なエネルギー分布が均一化される。第２レンズアレイ（２ｂ）の各セルを射出した光は、重ね合わせレンズ（３）によって各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）上に重ね合わせられる。その一方で、重ね合わせレンズ（３）から射出した光は、第１，第２ダイクロイックミラー（４ａ，４ｂ）により、３原色に対応した赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）の各原色光に色分解される。なお、光源（１）からの光の利用効率を向上させるために、光の偏光方向を揃える偏光変換手段を必要に応じて配置してもよい。
【００３１】
Ｂの原色光は、第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ａ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｂ）を通過する。一方、Ｇ，Ｒの原色光は第１ダイクロイックミラー（４ａ）で反射され、反射ミラー（５ｂ）で反射された後、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）でＧとＲとに色分解される。Ｇの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）で反射された後、フィールドレンズ（６Ｇ）を通過する。Ｒの原色光は、第２ダイクロイックミラー（４ｂ）を透過した後、フィールドレンズ（６Ｒ）を通過する。
【００３２】
各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）は、照明光をテレセントリックな光束にするとともに、そのパワーによって投影光を投射レンズ（１２）の瞳に入射させる機能を持つ。各フィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）を通過したＲＧＢの各原色光は、各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）に入射する。各プレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射させる。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に不要な偏光成分（Ｐ偏光）を透過させて除き、各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に対する照明に必要な偏光成分（Ｓ偏光）のみを反射させて各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）に入射させる。
【００３３】
各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）は、偏光方向が揃った各原色光（Ｓ偏光）を２次元映像の各画素の表示（つまり画素毎のＯＮ／ＯＦＦ）に応じた選択的な偏光制御により変調し、２種類の偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）から成る反射光を射出する。各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）から射出した各原色光は、再び各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）に入射する。各メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）は、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）に入射させる。
【００３４】
ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）は、メインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）と同様、投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させる。ポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）を透過した各原色光は、クロスダイクロイックプリズム（１１）に入射して色合成される。クロスダイクロイックプリズム（１１）で色合成された投影光は、投射レンズ（１２）でスクリーン（不図示）に投射される。なお、色分解・色合成におけるＲＧＢの順序や配置は、この投射型表示装置の場合に限らず、各光学部品の特性変更により容易に入れ替えることが可能である。
【００３５】
上記のように各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）を照明する原色光（ＲＧＢ）の偏光分離及び各ライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）で変調された原色光（ＲＧＢ）の偏光分離を行うＰＢＳ系の機能を、図６に基づいて更に詳しく説明する。図６中の各要素はＲＧＢの各原色光に対応するものを代表しており、６はフィールドレンズ（６Ｒ，６Ｇ，６Ｂ）、７はプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）、８はメインＰＢＳ（８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ）、９はライトバルブ（９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ）、１０はポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）にそれぞれ対応している。また、７Ｌ，８Ｌ，１０Ｌは、プレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８），ポストＰＢＳ（１０）の各偏光分離面を示しており、２重丸は紙面に対して垂直に振動する偏光、両端矢印は紙面に対して平行に振動する偏光を示している。プレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）は、図１中の偏光分離面（Ｓ１〜Ｓ４）に相当するものであり、光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっている。
【００３６】
図６（Ａ）は正面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており、紙面に平行な面がメインＰＢＳ（８）及びポストＰＢＳ（１０）の入射面（ｐｌａｎｅ　ｏｆ　ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）である。また、図６（Ｂ）は側面側から見たＰＢＳ系の配置を示しており｛ただしライトバルブ（９）は図示省略する。｝、紙面に平行な面がプレＰＢＳ（７）の入射面である。なお、偏光状態を分かりやすくするために、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）との間隔はあけた状態で示している。
【００３７】
フィールドレンズ（６）を通った光は、プレＰＢＳ（７）とメインＰＢＳ（８）において、ライトバルブ（９）の照明に不要な偏光成分が除かれ、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分のみがライトバルブ（９）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して垂直に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＳ偏光｝が、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分となる。高消光比を得るにはこの方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、プレＰＢＳ（７）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面を光軸（ＡＸ）について略９０度回転したものになっている。
【００３８】
プレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）での透過により、メインＰＢＳ（８）に入射する光の偏光方向が予め整えられるため、より高いコントラストが得られる。メインＰＢＳ（８）はライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分を反射で取り出すため、メインＰＢＳ（８）単独では高消光比が得られない。しかし、ライトバルブ（９）の照明に必要な偏光成分を透過光として用いるプレＰＢＳ（７）がメインＰＢＳ（８）の直前に配置されているため、高い照明側消光比を得ることが可能になる。しかも、プレＰＢＳ（７）とメインＰＢＳ（８）との間には、偏光を乱す要因となる光学部品（レンズ，ミラー等）が配置されていないため、照明光の偏光状態に乱れは生じない。したがって、高い照明側消光比をより効果的に確保することができる。
【００３９】
ライトバルブ（９）で変調・反射された光は、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）において、スクリーンへの投影に不要な偏光成分が除かれ、スクリーンへの投影に必要な偏光成分のみがクロスダイクロイックプリズム（１１）に到達する。ここで、メインＰＢＳ（８）の入射面に対して平行に振動する成分｛メインＰＢＳ（８）に対するＰ偏光｝が、スクリーンへの投影に必要な偏光成分となる。高消光比を得るにはこの方向の偏光成分を透過で取り出して利用することが好ましいため、ポストＰＢＳ（１０）の入射面はメインＰＢＳ（８）の入射面と同一（つまり互いに平行）になっている（具体的には、メインＰＢＳ（８）とポストＰＢＳ（１０）とで偏光分離面（８Ｌ，１０Ｌ）が互いに平行になっている。）。
【００４０】
上記のように各原色光（ＲＧＢ）について光路順に、プレＰＢＳ（７），メインＰＢＳ（８）及びポストＰＢＳ（１０）の３種類で構成されたＰＢＳ系において、プレＰＢＳ（７）がライトバルブ（９）の照明に不要な偏光成分を除去する機能を持ち、ポストＰＢＳ（１０）がライトバルブ（９）で変調された原色光のうちスクリーンへの投影に不要な偏光成分を除去する機能を持つ構成になっているため、得られる高消光比によって高コントラストを達成することができる。なかでもプレＰＢＳ（７）とポストＰＢＳ（１０）では、照明又は投影に必要な偏光成分が透過により取り出されて利用されるため、得られる高消光比によってより一層高いコントラストを達成することができる。また、各ＰＢＳ（７，８，１０）が照明や投影に不要な偏光の除去を吸収により行うわけではないので、不要な偏光を吸収することにより生じる熱で性能が劣化することはなく、したがって高輝度を達成することができる。しかも、プレＰＢＳ（７）に小型で製造容易な偏光分離装置が用いられているため、表示装置の小型化も達成される。
【００４１】
［ｎ＝３タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置］
図７に、ｎ＝３タイプの偏光分離装置（図２）をプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として備えた投射型表示装置全体の概略光学構成を、図５と同様の形式で示す。また図８に、図７の表示装置に用いられているＰＢＳ系の配置を、図６と同様の形式で示す。図８におけるプレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）は、図２中の偏光分離面（Ｔ１，Ｔ２）に相当するものであり、光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっている。また、プレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）以外の光学部品の構成・機能は、先に説明した表示装置（図５，図６）と同様であり、それにより得られる効果も同様である。
【００４２】
プレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として、ｎ＝５タイプの偏光分離装置（図１）を用いた場合（図５，図６）と、ｎ＝３タイプの偏光分離装置（図２）を用いた場合（図７，図８）とでは、不要光により生じる影響が異なる。これを図９と図１０に基づいて説明する。図９はメインＰＢＳ（８）とｎ＝５タイプのプレＰＢＳ（７）との関係を図６と同様の形式で示しており、図１０はメインＰＢＳ（８）とｎ＝３タイプのプレＰＢＳ（７）との関係を図８と同様の形式で示している。
【００４３】
図９（Ａ），図１０（Ａ）に示すように、メインＰＢＳ（８Ｂ）は投影に不要な偏光成分（Ｓ偏光）を反射させて除き、投影に必要な偏光成分（Ｐ偏光）のみを透過させて各ポストＰＢＳ（１０）に入射させる。メインＰＢＳ（８）での反射光は、図９（Ｂ），図１０（Ｂ）に示すように、不要光（Ｑ）としてプレＰＢＳ（７）に戻ってくる。その不要光（Ｑ）はプレＰＢＳ（７）に対するＰ偏光であるが、Ｐ偏光に対するプレＰＢＳ（７）の透過率が完全に１００％でない場合、不要光（Ｑ）は偏光分離面（７Ｌ）で反射されてしまう。
【００４４】
図９に示すｎ＝５タイプのプレＰＢＳ（７）では、戻ってきた不要光（Ｑ）が偏光分離面（７Ｌ）で反射されてメインＰＢＳ（８）に戻り、偏光分離面（８Ｌ）で反射されてライトバルブ（９）に再入射することになる。このライトバルブ（９）に対する戻り光は、ゴースト像発生の原因となり、コントラスト低下を招くおそれがある。これに対し、図１０に示すｎ＝３タイプのプレＰＢＳ（７）では、戻ってきた不要光（Ｑ）が偏光分離面（７Ｌ）で反射されてＰＢＳ系外へ射出するため、不要光（Ｑ）はライトバルブ（９）に対する戻り光とはならない。したがってゴースト像は発生せず、ｎ＝５タイプのプレＰＢＳ（７）から成るＰＢＳ系に比べてより高いコントラストが得られる。
【００４５】
［ｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備え、ｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳとして備えた投射型表示装置］
図１１に、ｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳ（７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として備え、ｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳ（１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）として備えた投射型表示装置全体の概略光学構成を、図５と同様の形式で示す。また図１２に、図１１の表示装置に用いられているＰＢＳ系の配置を、図６と同様の形式で示す。図１２におけるプレＰＢＳ（７），ポストＰＢＳ（１０）の各偏光分離面（７Ｌ，１０Ｌ）は、前述の偏光分離面（図１中のＳ１〜Ｓ４，図２中のＴ１，Ｔ２）と同様のものである。プレＰＢＳ（７）の偏光分離面（７Ｌ）は、光軸（ＡＸ）を含んだメインＰＢＳ（８）の入射面に関して略対称になっており、その対称面を光軸（ＡＸ）について略９０度回転させた平面に関してポストＰＢＳ（１０）の偏光分離面（１０Ｌ）も略対称になっている。また、プレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）及びポストＰＢＳ（１０；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）以外の光学部品の構成・機能は、先に説明した表示装置（図５，図６）と同様であり、それにより得られる効果も同様である。
【００４６】
この投射型表示装置のように、構成プリズム個数の多いｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳ（７；７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ）として用い、更にｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳ（１０；１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ）として用いることにより、前述の投射型表示装置（図５，図６；図７，図８）よりも更に小型で高品質画像が得られる投射型表示装置を実現することが可能になる。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広がりの大きい光束を確実に偏光分離することのできる小型で製造容易な偏光分離装置と、それを用いた高輝度・高コントラストの小型の表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ｎ＝５タイプの偏光分離装置の一実施の形態を示す断面図。
【図２】ｎ＝３タイプの偏光分離装置の一実施の形態を示す断面図。
【図３】ｎ＝３タイプの偏光分離装置のプリズム突き合わせ部を示す拡大断面図。
【図４】ｎ＝３タイプの偏光分離装置の製法及び構造を説明するための断面図。
【図５】ｎ＝５タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置の一実施の形態を示す光学構成図。
【図６】図５の投射型表示装置におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図７】ｎ＝３タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備えた投射型表示装置の一実施の形態を示す光学構成図。
【図８】図７の投射型表示装置におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図９】図６のＰＢＳ系においてメインＰＢＳから戻ってくる不要光に対するプレＰＢＳの作用を説明するための模式図。
【図１０】図８のＰＢＳ系においてメインＰＢＳから戻ってくる不要光に対するプレＰＢＳの作用を説明するための模式図。
【図１１】ｎ＝７タイプの偏光分離装置をプレＰＢＳとして備え、ｎ＝３タイプの偏光分離装置をポストＰＢＳとして備えた投射型表示装置の一実施の形態を示す光学構成図。
【図１２】図１１の投射型表示装置におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図１３】投射型表示装置の第１，第２先行例を示す光学構成図。
【図１４】第１先行例におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図１５】第２先行例におけるＰＢＳ系配置を示す模式図。
【図１６】第２先行例に用いるプレＰＢＳの問題点を説明するための模式図。
【符号の説明】
Ｐ１〜Ｐ５　…第１〜第５のプリズム
Ｒ１〜Ｒ３　…第１〜第３のプリズム
Ｓ１〜Ｓ４　…第１〜第４の偏光分離面
Ｔ１，Ｔ２　　…第１，第２の偏光分離面
Ｔ０　…交点
Ｘ１，Ｘ２　　…光学端面（光入射端面，光射出端面）
Ｋ２　…プリズム突き合わせ部
１　　…光源
７，７Ｒ，７Ｇ，７Ｂ　…プレＰＢＳ（偏光分離装置）
８，８Ｒ，８Ｇ，８Ｂ　…メインＰＢＳ
９，９Ｒ，９Ｇ，９Ｂ　…反射型のライトバルブ
１０，１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ　…ポストＰＢＳ（偏光分離装置）
７Ｌ，８Ｌ，１０Ｌ　　…偏光分離面
１１　…クロスダイクロイックプリズム
１２　…投射レンズ
ＡＸ　…光軸[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization separation device, for example, a polarization separation device used for a display device such as a projection display device (a liquid crystal projector for projecting and displaying a two-dimensional image of an illuminated liquid crystal panel on a screen) and a head mounted display. It is about.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art A projection display device using a plurality of polarizing beam splitters (PBS: Polarizing Beam Splitter) for illuminating a light valve (for example, a liquid crystal panel) or projecting light image-modulated by the light valve is conventionally known. JP-A-12-330196, JP-A-12-321662 and the like. However, such a projection display device has a problem that high luminance and high contrast cannot be obtained. Therefore, the present applicant has proposed in Japanese Patent Application No. 2001-314371 a polarization separation technique that effectively uses three types of polarization beam splitters in order to achieve high brightness and high contrast of a projection display device. FIG. 13 shows a prior example of a projection display device to which the polarization separation technique is applied.
[0003]
FIG. 13A is an optical configuration diagram showing a first prior example of a projection display device. This projection type display device includes a light source (1), a first lens array (2a), a second lens array (2b), a superposition lens (3), a first dichroic mirror (4a), and a second dichroic mirror (4b). , Reflection mirrors (5a, 5b), field lenses (6R, 6G, 6B), pre-polarization beam splitters (pre-PBS; 7R, 7G, 7B), main polarization beam splitter (main PBS; 8R, 8G, 8B), reflection Type light valve (for example, reflection type liquid crystal panel; 9R, 9G, 9B), post-polarization beam splitter (post PBS; 10R, 10G, 10B), cross dichroic prism (11), projection lens (12) and the like. I have.
[0004]
The light emitted from the light source (1) has a uniform spatial energy distribution by the first lens array (2a) and the second lens array (2b). Light emitted from each cell of the second lens array (2b) is superimposed on each light valve (9R, 9G, 9B) by the superimposing lens (3). On the other hand, light emitted from the superimposing lens (3) is converted into red (R), green (G), and blue (B) corresponding to the three primary colors by the first and second dichroic mirrors (4a, 4b). Each primary color light is separated into colors. The B primary color light is reflected by the first dichroic mirror (4a), reflected by the reflection mirror (5a), and then passes through the field lens (6B). On the other hand, the G and R primary color lights are reflected by the first dichroic mirror (4a), reflected by the reflection mirror (5b), and then color-separated into G and R by the second dichroic mirror (4b). After being reflected by the second dichroic mirror (4b), the G primary color light passes through the field lens (6G). The R primary color light passes through the second dichroic mirror (4b) and then passes through the field lens (6R).
[0005]
Each of the field lenses (6R, 6G, 6B) has a function of converting the illumination light into a telecentric light flux and causing the projection light to enter the pupil of the projection lens (12) by its power. The RGB primary color lights that have passed through the field lenses (6R, 6G, 6B) are incident on the pre-PBSs (7R, 7G, 7B). Each pre-PBS (7R, 7G, 7B) reflects and removes a polarization component (S-polarized light) unnecessary for illumination to each light valve (9R, 9G, 9B), and removes each light valve (9R, 9G, 9B). Only the polarization component (P-polarized light) necessary for illumination is transmitted and incident on each main PBS (8R, 8G, 8B). Each main PBS (8R, 8G, 8B) transmits and removes a polarization component (P-polarized light) unnecessary for illumination of each light valve (9R, 9G, 9B), and removes each light valve (9R, 9G, 9B). Only the polarization component (S-polarized light) necessary for illumination is reflected and incident on each light valve (9R, 9G, 9B).
[0006]
Each light valve (9R, 9G, 9B) selectively controls each primary color light (S-polarized light) having the same polarization direction according to the display of each pixel of a two-dimensional image (that is, ON / OFF for each pixel). And emits reflected light composed of two types of polarized light (P-polarized light and S-polarized light). Each primary color light emitted from each light valve (9R, 9G, 9B) again enters each main PBS (8R, 8G, 8B). Each of the main PBSs (8R, 8G, 8B) reflects and removes a polarization component (S-polarized light) unnecessary for projection, and transmits only a polarization component (P-polarized light) necessary for projection, and each post PBS (10R, 10G). , 10B). The post PBS (10R, 10G, 10B) reflects only the polarization component (P-polarized light) necessary for projection, similar to the main PBS (8R, 8G, 8B), by reflecting off unnecessary polarization components (S-polarized light). Through. The primary color lights transmitted through the post PBSs (10R, 10G, 10B) are incident on the cross dichroic prism (11) and are combined in color. The projection light color-combined by the cross dichroic prism (11) is projected on a screen (not shown) by a projection lens (12).
[0007]
As described above, polarization separation of primary color light (RGB) illuminating each light valve (9R, 9G, 9B) and polarization separation of primary color light (RGB) modulated by each light valve (9R, 9G, 9B) are performed. The function of the PBS system will be described in more detail with reference to FIG. Each element in FIG. 14 represents one corresponding to each primary color light of RGB, 6 is a field lens (6R, 6G, 6B), 7 is a pre-PBS (7R, 7G, 7B), and 8 is a main PBS. (8R, 8G, 8B), 9 correspond to the light valves (9R, 9G, 9B), and 10 correspond to the post PBSs (10R, 10G, 10B), respectively. 7L, 8L, and 10L denote respective polarization separation surfaces of the pre-PBS (7), the main PBS (8), and the post-PBS (10). Double circles indicate polarized light that vibrates perpendicularly to the paper surface. Arrows at both ends indicate polarized light that oscillates parallel to the paper surface.
[0008]
FIG. 14A shows the arrangement of the PBS system viewed from the front side, and the plane parallel to the paper is the plane of incidence of the main PBS (8) and the post PBS (10). FIG. 14B shows an arrangement of the PBS system viewed from the side. The light valve (9) is not shown. ｝, The plane parallel to the paper surface is the entrance surface of the pre-PBS (7). In addition, in order to make the polarization state easy to understand, the interval between the main PBS (8) and the post PBS (10) is shown in a spaced state.
[0009]
In the pre-PBS (7) and the main PBS (8), the polarized light unnecessary for illumination of the light valve (9) is removed from the light passing through the field lens (6), and the light necessary for illumination of the light valve (9) is removed. Only the polarization component reaches the light valve (9). Here, a component that oscillates perpendicular to the incident surface of the main PBS (8) {S-polarized light with respect to the main PBS (8)} is a polarization component necessary for illumination of the light valve (9). In order to achieve high brightness and high contrast of the projection type display device, it is preferable to take out and use the polarized light component in this direction by transmission. Therefore, the entrance surface of the pre-PBS (7) is connected to the main PBS (8). The incident surface is rotated about 90 degrees about the optical axis (AX).
[0010]
In the main PBS (8) and the post PBS (10), the polarized light unnecessary for the projection onto the screen is removed from the light modulated and reflected by the light valve (9), and only the polarized light necessary for the projection onto the screen is removed. Reaches the cross dichroic prism (11). Here, a component that vibrates in parallel to the incident surface of the main PBS (8) {P-polarized light with respect to the main PBS (8)} is a polarization component necessary for projection onto the screen. In order to achieve high brightness and high contrast of the projection display device, it is preferable to take out and use the polarized light component in this direction by transmission. Therefore, the incident surface of the post PBS (10) is the same as that of the main PBS (8). It is the same as the incident surface (that is, parallel to each other) (specifically, the polarization separation surfaces (8L, 10L) of the main PBS (8) and the post PBS (10) are parallel to each other).
[0011]
In the first prior example, the illumination light beam has a conical spread, so that the entire display device becomes large. This is improved in the second prior art example shown in FIGS. 13B and 15. The expression form is the same as in FIGS. 13A and 14. ｝. FIG. 13B shows the second precedent example with the size when the spread of the light beam at the light valve (9) is made the same as the first precedent example of FIG. 13A. The display device shown in FIGS. 13 (B) and 15 is characterized by a pre-PBS (7; 7R, 7G, 7B). As shown in FIG. 15 (B), the pre-PBS (7) has a polarization separation surface (7L). And the two surfaces (7L) are substantially symmetric with respect to the incident surface of the main PBS (8) including the optical axis (AX). The use of the pre-PBS (7; 7R, 7G, 7B) having such a polarization splitting surface (7L) is necessary to reduce the size of a projection display device in which the spread of an illumination light beam is increased in order to obtain high luminance. Very effective.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
However, the pre-PBS (7; 7R, 7G, 7B) used in the second prior example has a manufacturing problem as described below. FIG. 16A shows the optical arrangement of the pre-PBS (7), the main PBS (8; however, bending of the optical path is not shown), and the light valve (9) in the second prior art. The polarization separation in the pre-PBS (7) is performed on two polarization separation surfaces (7L) provided at the boundaries between the three prisms (7a, 7b, 7c). As shown in FIG. 16B, the two polarization separation surfaces (7L) intersect on the light exit end surface (7X) of the pre-PBS (7), that is, are continuous at the prism abutting portion (K0). Is ideal. As a result, all the light incident on the pre-PBS (7) is polarized and separated by any one of the polarization separating surfaces (7L).
[0013]
However, in the actual manufacture of the pre-PBS (7), as shown in FIG. 16C, a discontinuous prism abutting portion (K1) of the polarization separation surface (7L) may be generated, and the size thereof is reduced. It is often difficult to get to zero. When the discontinuous prism abutting portion (K1) of the polarization separation surface (7L) is in the pre-PBS (7), no polarization separation is performed there. As a result, the prism abutting portion (K1) appears as a streak-like pattern (M) on the projection screen of the light valve (9) {FIG. 16 (D)}, which causes deterioration in image quality.
[0014]
The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is to provide a small-sized and easy-to-manufacture polarization separation device capable of reliably separating a wide-spread light flux, and a high-luminance using the same. -To provide a small display device with high contrast.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a polarization separation device according to a first aspect of the present invention comprises n (n ≧ 3) prisms, and these prisms form a (n−1) polarization separation surface. And wherein at least one of the n prisms has four or more optically effective surfaces.
[0016]
According to a second aspect of the present invention, there is provided a polarization separation device including first, second, and third prisms, having a first polarization separation surface between the first and second prisms, and Wherein the first prism is larger than the other two prisms, and the second and third prisms have substantially the same size. Wherein at least one of the second and third prisms has four or more optically effective surfaces, and the first and second polarization separation surfaces are substantially orthogonal to each other. Features.
[0017]
A polarization separation device according to a third aspect of the present invention is the polarization separation device according to the second aspect, wherein an intersection of the substantially orthogonal polarization separation surfaces exists at a position within 1 mm from the light incident end surface or the light exit end surface. Features.
[0018]
A projection type display device according to a fourth aspect is provided with the polarization splitting device according to the first or second aspect, and a head mounted display according to a fifth aspect is characterized in that the head mount display according to the first or second aspect is provided. A polarization separation device is provided.
[0019]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a polarization separation device embodying the present invention will be described with reference to the drawings. The same reference numerals are given to the same or corresponding parts of the preceding example (FIGS. 13 to 15) and the respective embodiments and the like, and redundant description will be appropriately omitted.
[0020]
[Polarization separation device consisting of n prisms]
FIG. 1 shows an example of a polarization separation device including five prisms (P1 to P5). This polarization separation device is formed by joining first to fifth prisms (P1 to P5), and a first polarization separation surface (S1) is provided between the first and second prisms (P1, P2). ), A second polarization separation surface (S2) between the second and third prisms (P2, P3), and a third polarization separation surface (S3) between the third and fourth prisms (P3, P4). , And a fourth polarization separating surface (S3) between the fourth and fifth prisms (P4, P5). Of the first to fifth prisms (P1 to P5) forming the four polarization separation surfaces (S1 to S4), the first and second prisms (P1 and P2) are optically effective. It has three surfaces, and the third to fifth prisms (P3 to P5) have four optically effective surfaces. Then, among the four polarization separation surfaces (S1 to S4), the adjacent polarization separation surfaces (S1 to S4) are configured to be substantially orthogonal to each other, and each optical end surface (X1, X2) is determined from the intersection. A prism abutting portion (K2) is formed at the portion where the prism is applied. One of the two optical end faces (X1, X2) corresponds to the light incident end face of the polarization beam splitter, and the other corresponds to the light emission end face of the polarization beam splitter.
[0021]
FIG. 2 shows an example of a polarization splitting device including three prisms (R1 to R3). This polarization separation device is formed by joining first to third prisms (R1 to R3), and the first prism (R1) is larger than the other two prisms (R2, R3). And the second and third prisms (R2, R3) have substantially the same size. A first polarization separation surface (T1) is provided between the first and second prisms (R1, R2), and a first polarization separation surface (T1) is provided between the first and third prisms (R1, R3). 2 polarization separation surfaces (T2). Of the first to third prisms (R1 to R3) forming the two polarization separation surfaces (T1 and T2), the first and third prisms (R1 and R3) are optically effective. It has three surfaces, and the second prism (R2) has four optically effective surfaces. The adjacent first and second polarization separation surfaces (T1, T2) are configured to be substantially orthogonal to each other, and a prism abutting portion (K2) is provided at a portion extending from the intersection to the optical end surface (X1). Is formed. Note that, like the polarization separation device of FIG. 1, one of the two optical end faces (X1, X2) corresponds to the light incident end face, and the other corresponds to the light exit end face.
[0022]
As in the polarization separation device shown in FIGS. 1 and 2, the polarization separation device includes n (n ≧ 3) prisms, and these prisms are configured to form a (n−1) polarization separation surface. In the apparatus, at least one of the n prisms has four or more optically effective surfaces, and among the (n-1) polarization separation surfaces, adjacent polarization separation surfaces are substantially equal to each other. With the orthogonal configuration, continuity of the polarization separation plane can be obtained. For this reason, all the light rays incident on the polarization separation device are incident on the polarization separation surface, and are emitted after receiving an appropriate polarization separation action. Therefore, it is possible to prevent a light beam incident on the polarization beam splitter from exiting without passing through the polarization beam splitting surface, and to reliably split a light beam having a large spread.
[0023]
Here, the continuity of the polarization separation surface and the improvement of the prism butting portion (K2) will be described by taking the polarization separation device of FIG. 2 as an example. In the polarization separation device shown in FIG. 2, in the configuration in which the second prism (R2) has four optically effective surfaces, the first and second polarization separation surfaces (T1, T2) are substantially orthogonal to each other. Has become. For this reason, as shown in FIG. 3, the first and second polarization separation surfaces (T1, T2) are continuous at the prism abutting portion (K2), and as a result, all the light incident on the polarization separation device is the first. The polarization is separated on one of the first and second polarization separation surfaces (T1, T2). However, at the prism abutting portion (K2), a light beam (Li) passing twice through the polarization splitting surface (T1, T2) is generated. The transmittance of the light beam (Li) decreases by an amount corresponding to twice passing through the polarization separation surface (T1, T2). In order to reduce the decrease in the transmittance, it is desirable that the size δ of the prism butted portion (K2) be 1 mm or less (δ ≦ 1 mm). In other words, if the polarization separation device is configured such that the intersection (T0) of the polarization separation surface that is substantially orthogonal exists at a position within δ = 1 mm from the optical end surface (that is, the light incidence end surface or the light emission end surface) of the polarization separation device, the transmittance becomes higher. Can be suitably suppressed.
[0024]
In the polarization separation device shown in FIG. 1, the number of constituent prisms is n = 5, and in the polarization separation device shown in FIG. 2, the number of constituent prisms is n = 3. The smaller the number of constituent prisms: n, the smaller the number of prism abutting portions (K2): (n−2), so that in order to suppress the decrease in transmittance, the n = 3 type polarization separation device shown in FIG. preferable. On the other hand, if four or more polarization separation surfaces are formed by joining five or more (n ≧ 5) prisms as in the polarization separation device of FIG. 1, a very thin PBS having a substantially wide polarization separation surface can be obtained. Can be configured. Therefore, in order to reduce the weight and thickness of the polarization separation device while maintaining left-right symmetry, n ≧ 5 type polarization separation devices are preferable.
[0025]
The polarization separation device shown in FIG. 2 can be manufactured by, for example, a manufacturing method described below. As shown in FIG. 4, the first prism (R1) has three optically effective surfaces, a first surface (a1), a second surface (a2), and a third surface (a3). The third prism (R3) has a first surface (c1), a second surface (c2), and a third surface (c3) as three optically effective surfaces, and the second prism (R2) is an optically effective three surface. As effective four surfaces, there are a first surface (b1), a second surface (b2), a third surface (b3), and a fourth surface (b4). The second surface (b2) of the second prism (R2) and the second surface (c2) of the third prism (R3) are polarized light separation coating surfaces.
[0026]
First, the second surface (a2) of the first prism (R1) and the second surface (b2) of the second prism (R2) are joined. Since the second surface (b2) of the second prism (R2) is preliminarily coated with the polarized light separating surface, the first polarized light separating surface (T1) is formed by bonding. Then, polishing is performed so that the third surface (a3) of the first prism (R1) and the fourth surface (b4) of the second prism (R2) are on the same plane. As described above, since δ ≦ 1 mm is desirable, the fourth surface (b4) of the second prism (R2) is formed with a small area. Therefore, the fourth surface (b4) of the second prism (R2) may be a surface generated at the time of polishing or may not be present before polishing. That is, the optically effective surfaces of the second prism (R2) before polishing may be three surfaces of the first surface (b1) to the third surface (b3).
[0027]
Next, a third prism (R3) is joined to a joined body of the first prism (R1) and the second prism (R2). At this time, the third surface (a3) of the first prism (R1) and the fourth surface (b4) of the second prism (R2) forming the same plane are provided with the third prism (R3). Two surfaces (c2) are joined. Since the second surface (c2) of the third prism (R3) is preliminarily coated with the polarized light separating surface, the second polarized light separating surface (T2) is formed by bonding. When the first surface (b1) of the second prism (R2) and the first surface (c1) of the third prism (R3) are polished so as to be on the same plane, the polarization separation device shown in FIG. Complete.
[0028]
According to the configuration of the above-described polarization separation device, it is possible to surely separate a light beam having a large spread, and furthermore, it is small in size and easy to manufacture. If the polarization separation device according to the present invention is used for a display device such as a projection display device or a head-mounted display, it is possible to achieve high brightness, high contrast, and small size of the display device. In the embodiment of the projection type display device described below, the embodiment of the polarization separation device is used for the illumination optical system and the projection optical system. However, the display device to which the polarization separation device according to the present invention is applied is not limited to the projection display device. For example, a projection optical system such as a head-mounted display can be similarly implemented.
[0029]
[Projection display device equipped with n = 5 type polarization separation device as pre-PBS]
FIG. 5 shows a schematic optical configuration of the entire projection type display device provided with the n = 5 type polarization separation device (FIG. 1) as a pre-PBS (7R, 7G, 7B). This projection type display device includes a light source (1), a first lens array (2a), a second lens array (2b), a superposition lens (3), a first dichroic mirror (4a), and a second dichroic mirror (4b). , Reflection mirrors (5a, 5b), field lenses (6R, 6G, 6B), pre-polarization beam splitters (pre-PBS; 7R, 7G, 7B), main polarization beam splitter (main PBS; 8R, 8G, 8B), reflection Type light valve (for example, reflection type liquid crystal panel; 9R, 9G, 9B), post-polarization beam splitter (post PBS; 10R, 10G, 10B), cross dichroic prism (11), projection lens (12) and the like. I have.
[0030]
The light emitted from the light source (1) has a uniform spatial energy distribution by the first lens array (2a) and the second lens array (2b). Light emitted from each cell of the second lens array (2b) is superimposed on each light valve (9R, 9G, 9B) by the superimposing lens (3). On the other hand, light emitted from the superimposing lens (3) is converted into red (R), green (G), and blue (B) corresponding to the three primary colors by the first and second dichroic mirrors (4a, 4b). Each primary color light is separated into colors. In addition, in order to improve the use efficiency of the light from the light source (1), a polarization conversion unit for aligning the polarization direction of the light may be arranged as necessary.
[0031]
The B primary color light is reflected by the first dichroic mirror (4a), reflected by the reflection mirror (5a), and then passes through the field lens (6B). On the other hand, the G and R primary color lights are reflected by the first dichroic mirror (4a), reflected by the reflection mirror (5b), and then color-separated into G and R by the second dichroic mirror (4b). After being reflected by the second dichroic mirror (4b), the G primary color light passes through the field lens (6G). The R primary color light passes through the second dichroic mirror (4b) and then passes through the field lens (6R).
[0032]
Each of the field lenses (6R, 6G, 6B) has a function of converting the illumination light into a telecentric light flux and causing the projection light to enter the pupil of the projection lens (12) by its power. The RGB primary color lights that have passed through the field lenses (6R, 6G, 6B) are incident on the pre-PBSs (7R, 7G, 7B). Each pre-PBS (7R, 7G, 7B) reflects and removes a polarization component (S-polarized light) unnecessary for illumination to each light valve (9R, 9G, 9B), and removes each light valve (9R, 9G, 9B). Only the polarization component (P-polarized light) necessary for illumination is transmitted and incident on each main PBS (8R, 8G, 8B). Each main PBS (8R, 8G, 8B) transmits and removes a polarization component (P-polarized light) unnecessary for illumination of each light valve (9R, 9G, 9B), and removes each light valve (9R, 9G, 9B). Only the polarization component (S-polarized light) necessary for illumination is reflected and incident on each light valve (9R, 9G, 9B).
[0033]
Each light valve (9R, 9G, 9B) selectively controls each primary color light (S-polarized light) having the same polarization direction according to the display of each pixel of a two-dimensional image (that is, ON / OFF for each pixel). And emits reflected light composed of two types of polarized light (P-polarized light and S-polarized light). Each primary color light emitted from each light valve (9R, 9G, 9B) again enters each main PBS (8R, 8G, 8B). Each of the main PBSs (8R, 8G, 8B) reflects and removes a polarization component (S-polarized light) unnecessary for projection, and transmits only a polarization component (P-polarized light) necessary for projection, and each post PBS (10R, 10G). , 10B).
[0034]
The post PBS (10R, 10G, 10B) reflects only the polarization component (P-polarized light) necessary for projection, similar to the main PBS (8R, 8G, 8B), by reflecting off unnecessary polarization components (S-polarized light). Through. The primary color lights transmitted through the post PBSs (10R, 10G, 10B) are incident on the cross dichroic prism (11) and are combined in color. The projection light color-combined by the cross dichroic prism (11) is projected on a screen (not shown) by a projection lens (12). Note that the order and arrangement of RGB in color separation and color synthesis are not limited to the case of the projection display device, and can be easily changed by changing the characteristics of each optical component.
[0035]
As described above, polarization separation of primary color light (RGB) illuminating each light valve (9R, 9G, 9B) and polarization separation of primary color light (RGB) modulated by each light valve (9R, 9G, 9B) are performed. The function of the PBS system will be described in more detail with reference to FIG. Each element in FIG. 6 represents one corresponding to each primary color light of RGB, 6 is a field lens (6R, 6G, 6B), 7 is a pre-PBS (7R, 7G, 7B), and 8 is a main PBS. (8R, 8G, 8B), 9 correspond to the light valves (9R, 9G, 9B), and 10 correspond to the post PBSs (10R, 10G, 10B), respectively. 7L, 8L, and 10L denote respective polarization separation surfaces of the pre-PBS (7), the main PBS (8), and the post-PBS (10). Double circles indicate polarized light that vibrates perpendicularly to the paper surface. Arrows at both ends indicate polarized light that oscillates parallel to the paper surface. The polarization splitting surface (7L) of the pre-PBS (7) corresponds to the polarization splitting surfaces (S1 to S4) in FIG. 1, and relates to the incidence surface of the main PBS (8) including the optical axis (AX). It is almost symmetric.
[0036]
FIG. 6A shows the arrangement of the PBS system as viewed from the front side, and the plane parallel to the plane of the drawing is the plane of incidence of the main PBS (8) and the post PBS (10). FIG. 6B shows the arrangement of the PBS system viewed from the side. The light valve (9) is not shown. ｝, The plane parallel to the paper surface is the entrance surface of the pre-PBS (7). In addition, in order to make the polarization state easy to understand, the interval between the main PBS (8) and the post PBS (10) is shown in a spaced state.
[0037]
In the pre-PBS (7) and the main PBS (8), the polarized light unnecessary for illumination of the light valve (9) is removed from the light passing through the field lens (6), and the light necessary for illumination of the light valve (9) is removed. Only the polarization component reaches the light valve (9). Here, a component that oscillates perpendicular to the incident surface of the main PBS (8) {S-polarized light with respect to the main PBS (8)} is a polarization component necessary for illumination of the light valve (9). In order to obtain a high extinction ratio, it is preferable to take out and use the polarized component in this direction by transmission, so that the incidence surface of the pre-PBS (7) is approximately 90 degrees with respect to the optical axis (AX). It has been rotated by degrees.
[0038]
Since the polarization direction of light incident on the main PBS (8) is adjusted in advance by the transmission of the pre-PBS (7) through the polarization separation surface (7L), higher contrast is obtained. Since the main PBS (8) takes out, by reflection, a polarization component necessary for illumination of the light valve (9), a high extinction ratio cannot be obtained by using the main PBS (8) alone. However, since the pre-PBS (7), which uses the polarization component necessary for illumination of the light valve (9) as transmitted light, is disposed immediately before the main PBS (8), it is possible to obtain a high illumination-side extinction ratio. Become. Moreover, no optical components (lenses, mirrors, etc.) that disturb the polarization are arranged between the pre-PBS (7) and the main PBS (8), so that the polarization state of the illumination light is not disturbed. . Therefore, a high illumination side extinction ratio can be more effectively secured.
[0039]
In the main PBS (8) and the post PBS (10), the polarized light unnecessary for the projection onto the screen is removed from the light modulated and reflected by the light valve (9), and only the polarized light necessary for the projection onto the screen is removed. Reaches the cross dichroic prism (11). Here, a component that vibrates in parallel to the incident surface of the main PBS (8) {P-polarized light with respect to the main PBS (8)} is a polarization component necessary for projection onto the screen. In order to obtain a high extinction ratio, it is preferable to take out and use the polarized component in this direction by transmission, so that the incidence surface of the post PBS (10) is the same as the incidence surface of the main PBS (8) (that is, parallel to each other). (Specifically, the polarization separation surfaces (8L, 10L) of the main PBS (8) and the post PBS (10) are parallel to each other.)
[0040]
As described above, in the PBS system composed of the pre-PBS (7), the main PBS (8), and the post-PBS (10) in the optical path order for each primary color light (RGB), the pre-PBS (7) is a light valve. The post-PBS (10) has a function to remove unnecessary polarization components for the illumination of (9), and the post-PBS (10) removes unnecessary polarization components of the primary color light modulated by the light valve (9) for projection onto the screen. With this configuration, high contrast can be achieved by the obtained high extinction ratio. Above all, in the pre-PBS (7) and the post-PBS (10), a polarization component necessary for illumination or projection is extracted and used by transmission, so that a higher contrast can be achieved by the obtained high extinction ratio. . In addition, since each PBS (7, 8, 10) does not absorb and remove unnecessary polarized light for illumination and projection, the performance does not deteriorate due to heat generated by absorbing unnecessary polarized light. High brightness can be achieved. In addition, since a small and easy-to-manufacture polarization separation device is used for the pre-PBS (7), the display device can be downsized.
[0041]
[Projection display device provided with n = 3 type polarization separation device as pre-PBS]
FIG. 7 shows a schematic optical configuration of the entire projection type display device provided with the n = 3 type polarization separation device (FIG. 2) as a pre-PBS (7R, 7G, 7B) in the same format as FIG. FIG. 8 shows the arrangement of the PBS system used in the display device of FIG. 7 in the same format as that of FIG. The polarization splitting surface (7L) of the pre-PBS (7) in FIG. 8 corresponds to the polarization splitting surface (T1, T2) in FIG. 2, and the main PBS (8) including the optical axis (AX). It is substantially symmetric with respect to the plane of incidence. The configuration and function of the optical components other than the pre-PBS (7; 7R, 7G, 7B) are the same as those of the display device (FIGS. 5 and 6) described above, and the effects obtained thereby are also the same. .
[0042]
As the pre-PBS (7; 7R, 7G, 7B), n = 5 type polarization separation device (FIG. 1) is used (FIGS. 5 and 6), and n = 3 type polarization separation device (FIG. 2). (FIGS. 7 and 8) differs in the effect caused by unnecessary light. This will be described with reference to FIGS. FIG. 9 shows the relationship between the main PBS (8) and the n = 5 type pre-PBS (7) in the same format as FIG. 6, and FIG. 10 shows the main PBS (8) and the n = 3 type pre-PBS. The relationship with (7) is shown in the same format as in FIG.
[0043]
As shown in FIGS. 9 (A) and 10 (A), the main PBS (8B) reflects only the polarization component (P-polarized light) necessary for projection by reflecting off the polarization component (S-polarized light) unnecessary for projection. The light is transmitted and incident on each post PBS (10). The reflected light from the main PBS (8) returns to the pre-PBS (7) as unnecessary light (Q) as shown in FIGS. 9 (B) and 10 (B). The unnecessary light (Q) is P-polarized light with respect to the pre-PBS (7). If the transmittance of the pre-PBS (7) with respect to the P-polarized light is not completely 100%, the unnecessary light (Q) is converted into the polarized light separating surface (7L). Will be reflected.
[0044]
In the pre-PBS (7) of the n = 5 type shown in FIG. 9, the returned unnecessary light (Q) is reflected by the polarization splitting surface (7L), returns to the main PBS (8), and is returned by the polarization splitting surface (8L). The light is reflected and re-enters the light valve (9). The return light to the light valve (9) may cause a ghost image and may cause a decrease in contrast. On the other hand, in the n = 3 type pre-PBS (7) shown in FIG. 10, the returned unnecessary light (Q) is reflected by the polarization separation surface (7L) and is emitted outside the PBS system. Q) does not become return light to the light valve (9). Therefore, no ghost image is generated, and higher contrast is obtained as compared with a PBS system composed of n = 5 types of pre-PBS (7).
[0045]
[Projection display device provided with n = 7 type polarization separation device as pre-PBS and n = 3 type polarization separation device as post PBS]
FIG. 11 shows a projection type display device having an n = 7 type polarization separation device as a pre-PBS (7R, 7G, 7B) and an n = 3 type polarization separation device as a post PBS (10R, 10G, 10B). The overall schematic optical configuration is shown in a format similar to FIG. FIG. 12 shows an arrangement of a PBS system used in the display device of FIG. 11 in the same format as that of FIG. The polarization separation surfaces (7L, 10L) of the pre-PBS (7) and post-PBS (10) in FIG. 12 are the same as the above-mentioned polarization separation surfaces (S1 to S4 in FIG. 1, and T1, T2 in FIG. 2). belongs to. The polarization separation surface (7L) of the pre-PBS (7) is substantially symmetric with respect to the incident surface of the main PBS (8) including the optical axis (AX), and the symmetric surface is substantially 90 degrees with respect to the optical axis (AX). The polarization separation surface (10L) of the post PBS (10) is also substantially symmetric with respect to the plane rotated by degrees. The configuration and function of the optical components other than the pre-PBS (7; 7R, 7G, 7B) and the post-PBS (10; 10R, 10G, 10B) are the same as those of the display device described above (FIGS. 5 and 6). And the effect obtained thereby is also the same.
[0046]
As in this projection display device, an n = 7 type polarization separation device having a large number of constituent prisms is used as a pre-PBS (7; 7R, 7G, 7B), and an n = 3 type polarization separation device is used as a post PBS ( 10; 10R, 10G, and 10B) to realize a projection display device that is smaller than the above-described projection display device (FIGS. 5, 6; FIGS. 7, 8) and that can obtain high-quality images. It becomes possible.
[0047]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a small and easy-to-manufacture polarization separation device capable of reliably separating a light beam having a large spread and a small display device with high brightness and high contrast using the same are realized. can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing an embodiment of an n = 5 type polarization separation device.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an embodiment of an n = 3 type polarization separation device.
FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a prism butting portion of an n = 3 type polarization separation device.
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a manufacturing method and a structure of an n = 3 type polarization separation device.
FIG. 5 is an optical configuration diagram showing an embodiment of a projection display device provided with an n = 5 type polarization separation device as a pre-PBS.
FIG. 6 is a schematic diagram showing a PBS-based arrangement in the projection type display device of FIG. 5;
FIG. 7 is an optical configuration diagram showing an embodiment of a projection display device provided with an n = 3 type polarization separation device as a pre-PBS.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a PBS-based arrangement in the projection display device of FIG. 7;
FIG. 9 is a schematic diagram for explaining an effect of a pre-PBS on unnecessary light returning from a main PBS in the PBS system of FIG. 6;
FIG. 10 is a schematic diagram for explaining an effect of a pre-PBS on unnecessary light returning from a main PBS in the PBS system of FIG. 8;
FIG. 11 is an optical configuration diagram showing an embodiment of a projection display device provided with an n = 7 type polarization separation device as a pre-PBS and an n = 3 type polarization separation device as a post-PBS.
FIG. 12 is a schematic diagram showing a PBS-based arrangement in the projection display of FIG. 11;
FIG. 13 is an optical configuration diagram showing first and second prior examples of the projection type display device.
FIG. 14 is a schematic view showing a PBS arrangement in the first prior art.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a PBS-based arrangement in a second prior example.
FIG. 16 is a schematic diagram for explaining a problem of the pre-PBS used in the second prior art.
[Explanation of symbols]
P1 to P5 ... first to fifth prisms
R1 to R3 ... first to third prisms
S1 to S4: First to fourth polarization separation surfaces
T1, T2: First and second polarization separation surfaces
T0 ... intersection
X1, X2 ... optical end faces (light incident end face, light exit end face)
K2: Prism butting part
1 ... light source
7, 7R, 7G, 7B ... Pre-PBS (polarization separation device)
8, 8R, 8G, 8B ... Main PBS
9, 9R, 9G, 9B ... Reflective light valve
10, 10R, 10G, 10B ... post PBS (polarization separation device)
7L, 8L, 10L ... polarized light separating surface
11 Cross dichroic prism
12 ... Projection lens
AX: Optical axis

Claims

A polarizing beam splitter comprising n (n ≧ 3) prisms, each of which forms a (n-1) plane of polarization splitting, wherein at least one of the n prisms A polarization splitting device, wherein one prism has four or more optically effective surfaces.

A first polarization separation surface between the first and second prisms; and a second polarization separation surface between the first and third prisms. A polarization separation device having a surface,
The first prism is larger than the other two prisms, the second and third prisms have substantially the same size, and at least one of the second and third prisms is A polarization separation device comprising four or more optically effective surfaces, wherein the first and second polarization separation surfaces are substantially orthogonal to each other.

3. The polarization separation device according to claim 2, wherein an intersection of the substantially orthogonal polarization separation surfaces exists at a position within 1 mm from the light incidence end surface or the light emission end surface.

A projection display device comprising the polarization separation device according to claim 1.

A head-mounted display comprising the polarization separation device according to claim 1.