JP2004053703A

JP2004053703A - 偏光変換素子及び、それを用いた液晶プロジェクタ装置

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Publication number: JP2004053703A
Application number: JP2002207695A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Tanitsu; 谷津　雅彦; Koji Hirata; 平田　浩二
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-07-17
Filing date: 2002-07-17
Publication date: 2004-02-19
Anticipated expiration: 2022-07-17
Also published as: JP3873831B2

Abstract

【課題】本発明の目的は、偏光変換素子の出射光束自体の偏光度を改善し、コントラスト性能に優れた照明装置、及び、それを用いた投射型プロジェクタ装置を提供することにある。
【解決手段】光束を第１の直線偏光と第１の直線偏光の偏光方向に直交する第２の直線偏光に分離する偏光分離面と、偏光分離面で反射した一方の直線偏光を他方の直線偏光と同じ向きに出射する反射面と、同一方向に出射した一方の直線偏光の出射面に偏光方向を他方の直線偏光の偏光方向にそろえる偏光回転手段を有し、偏光方向を同一とした２種類の直線偏光の偏光変換素子の出射面に、２種類の光束の境の光路を遮蔽する出射遮光板を配置する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ装置に関する。この液晶プロジェクタ装置は、前面投射のいわゆる液晶プロジェクタや、投射型テレビといった分野に広く利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
業務用途の液晶プロジェクタが大きく普及してきている。また、従来のブラウン管に表示された画像をスクリーンに投影する方式の画像表示装置に代わるものとして、液晶表示素子を用いた投射型テレビの開発が行われてきた。
【０００３】
液晶プロジェクタ装置を家庭用の投射型テレビとして用いる場合は、業務用の液晶プロジェクタに比べて、高いコントラスト性能及び素早い動画表示性能が求められている。
【０００４】
液晶パネルには、そのタイプから、透過型液晶パネルと反射型液晶パネルがある。反射型液晶パネルは、光束が液晶層を２回通過するので、その分、透過型液晶パネルに比べて液晶層の厚みを薄くできる。この結果、反射型液晶パネルは、高速応答性が良いため、動画表示、即ち、投射型テレビ用途に適している。
【０００５】
一方、透過型液晶パネルでは液晶自体のシャッター作用により、いわゆるＯＮ状態と、ＯＦＦ状態を作りだしているが、反射型液晶パネルの場合は、ＯＮ状態の光束もＯＦＦ状態の光束も同じ光路上に反射されるので、偏光状態の違いで光束の分離を行うＰＢＳ（偏光分離素子）が不可欠な構成要素となっている。
【０００６】
例えば、照明光学系の光束をＳ偏光に変換しＰＢＳに入射させた構成では、Ｓ偏光はＰＢＳのＰＢＳ面で反射し、反射型液晶パネルに照射される。反射型液晶パネルがＯＮの状態ではＳ偏光がＰ偏光に変換されるので、反射型液晶パネルで反射した光束は、今度はＰＢＳを通過し、後続の投射レンズによってスクリーン面に投射される。一方、反射型液晶パネルがＯＦＦの状態ではＳ偏光のままなので、反射型液晶パネルで反射した光束は、再び、ＰＢＳのＰＢＳ面で反射し、元の照明光学系側に戻ってしまう。
【０００７】
ところで、ＰＢＳの入射角度に対する消光比の特性は、ＰＢＳの偏光分離面の法線を含む平面より、ＰＢＳの偏光分離面の法線を含む平面に直交する平面での方が、良好な消光比が得られる。一方で、プリズムタイプの偏光変換素子の場合、通常、出射側での光束の大きさが約２：１と大きく異なるので、この光束サイズが小さい方向を、ＰＢＳの偏光分離面の法線を含め面に合致させることが有効である。また、パネルは横長なので、短辺方向に光路を折り曲げた方がＰＢＳを小さくできるので、ＰＢＳは垂直方向に分離合成し、偏光変換素子は水平方向に分離変換する座標系を採用した。従って、偏光変換素子のＰ偏光がＰＢＳのＳ偏光に、偏光変換素子のＳ偏光がＰＢＳのＰ偏光に相当する。尚、アレイタイプの偏光変換素子の場合は偏光出射側での光束の大きさが約１：１であるが、パネルが横長なので水平方向に分離変換する、プリズムタイプと同じ偏光状態とした。
【０００８】
以下、図１２を用いて従来の技術について以下、説明する。
【０００９】
図１２で、１は偏光変換素子、１１は光源、１２は凹面鏡、１３はインテグレータ、１４は結像レンズ、１５はミラー、１６はダイクロミラー、１７はフィールドレンズ、１８はＰＢＳ、１９はパネル、２０は投射レンズ、２２は偏光板である。
【００１０】
光源１１を出射した自然偏光状態の白色光は、凹面鏡１２で反射し、インテグレータ１３へ入射する。図１２のインテグレータ１３はレンズアレイのタイプであり、第１のレンズアレイで光束を分割し、第２のレンズアレイのところに二次光源像を形成する。後続の結像レンズ１４の作用により、第１のアレイレンズの各レンズ面の光量分布をパネル１９面上に重畳し、パネル１９面上での光量分布の一様性を改善している。また、第２のレンズアレイの後で二次光源像を形成する箇所に配置した偏光変換素子で、自然光をＰ偏光にそろえている。尚、途中のミラー１５で光路の折り曲げ作用を、ダイクロミラー１５では色分離作用を、フィールドレンズ１７では主光線を平行すなわちテレセントリック化する作用を行っている。パネル１９直前のＰＢＳ１８では、前述のようにＯＮ光束とＯＦＦ光束の分離作用を行っている。投射レンズ２０手前のＰＢＳ１８では偏光状態の違いを利用した色合成作用を行っており、このＰＢＳ１８に関しては、ダイクロミラーに置換することも構成上は可能であるが、コントラスト性能を優先した場合、ＰＢＳが望ましい。本発明の改善すべき対象ではないので詳細説明は省くが、色分離合成部分には、特定の波長域の色のみの偏光状態をＰ偏光とＳ偏光で変換する光学素子を配置している。例えば、ダイクロミラー１６を透過した２色の光束を後続のＰＢＳ１８で色分離するために、一方の色の偏光状態のみを変換する波長選択性偏光変換素子を配置している。
【００１１】
この図１２では、ＰＢＳ１８の手前に偏光板２２を配置している。この偏光板２２では、ＰＢＳ１８に入射する照明光学系の偏光状態の純度を改善する作用を行っている。試作機において、この偏光板２２を削除しコントラスト性能の変化を測定したところコントラスト性能が約１／１０に劣化した。即ち、この偏光板２２がコントラスト性能の改善に役にたっていることになる。しかしながら、前述したＰＢＳ１８は垂直入射の光線では消光比１０００：１以上の性能を持っている。このＰＢＳ１８を各色の光路で２段で使用しているにも関わらず、偏光板２２の有無でコントラスト性能が大きく劣化している。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、偏光変換素子の出射光束自体の偏光度を改善し、コントラスト性能に優れた照明装置、及び、それを用いた投射型プロジェクタ装置を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記した課題を解決するために、本願発明は、　第１の直線偏光光を透過し、偏光方向が第１の直線偏光の偏光方向に直交する第２の直線偏光光を反射することにより光束を分離する偏光分離面と、該偏光分離面で反射した第２の直線偏光光を第１の直線偏光光と同じ向きに出射する反射面と、同一方向に出射した一方の直線偏光光の出射面に偏光方向を他方の直線偏光光の偏光方向にそろえる偏光回転手段と、を有する偏光変換素子であって、偏光方向を同一とした２種類の直線偏光の偏光変換素子の出射面に、２種類の光束の境の光路を遮蔽する出射遮光板を配置するように構成する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
先ず、本発明の出射遮光板の作用について図１から図４を用いて説明する。
【００１５】
図１は本発明の出射遮光板を適用したプリズムタイプの偏光変換素子１の実施の形態を示す構成図である。入射した自然光はＰ偏光とＳ偏光に分離され、Ｐ偏光はそのまま出射する。反射したＳ偏光はもう一度反射し出射方向をそろえた後、出射部に配置した偏光回転手段としての１／２波長板によってＰ偏光に変換する。これが偏光変換素子の基本作用である。
【００１６】
ところで、１／２波長板は別部品であり、貼り合わせる構成なので、部品精度及び貼り合わせ精度により１／２波長板の貼り合わせ位置がずれる。
【００１７】
図２は、１／２波長板の大きさが小さい場合の例であり、本来、Ｓ偏光からＰ偏光に変換すべき光束の一部がＳ偏光のままで出射する様子を表している。
【００１８】
図３は、逆に１／２波長板の大きさが大きい場合の例であり、本来、Ｐ偏光のままで出射すべき光束一部がＳ偏光に変換されて出射する様子を表している。
【００１９】
図４は、１／２波長板の大きさ及び、貼り合わせ位置があっている場合でも、偏光変換素子に入射する光束の平行度が悪い場合は、自然光の一部が直接、１／２波長板に到達し、自然光即ちＰ偏光とＳ偏光として出射する様子を表している。
【００２０】
従って、図１で配置した出射遮光板によって、図２から図４で起こる不要な偏光状態の光束を遮光する。
【００２１】
ところで、プリズムタイプの偏光変換素子でも本発明は有効であるが、アレイ状の偏光変換素子においては特に有効である。アレイ状の偏光変換素子の場合、必然的にそのアレイのピッチは小さい値となる。例えば、レンズアレイのピッチを６ｍｍとすると、通常は偏光変換素子のアレイピッチは３ｍｍとなる。これに対し、１／２波長板の貼り付け後の精度を±０．３ｍｍとすると、面積比で１０％がＰ偏光とＳ偏光が反転した光束となりうる。実際は、偏光変換素子では光束は二次光源像として絞られているので、面積比ほどは劣化しないが、仮に面積比の半分と仮定すると５％、即ち、消光比２０：１となってしまう。１／２波長板の貼り付け後の精度を±０．１ｍｍと厳しくしても、面積比で約３．３％、同様に、仮に面積比の半分と仮定すると１．７％、即ち、消光比６０：１となってしまう。
【００２２】
次に、図１と、図５から図９を用いて本発明の偏光変換素子の実施の形態について更に詳しく説明する。図５、図６と図９においては、説明のために出射遮光板を取った組図も一緒に示している。また、図１０、図１１、図１３で本発明の偏光変換素子を用いた液晶プロジェクタ装置の実施の形態について説明する。
【００２３】
図１、図５は、本発明の実施の形態１の説明図である。図１はプリズムタイプの偏光変換素子を側面側からみた基本構成図であり、図５は同様に光軸の出射側から見た基本構成図である。
【００２４】
図１で、自然光である光束は、偏光分離面１００で第１の直線偏光としてのＰ偏光と、第２の直線偏光であるＳ偏光に分離される。Ｐ偏光はそのまま出射する。一方、偏光分離面１００で反射したＳ偏光はさらに反射面１０１で反射しＰ偏光と同じ向きに出射し、出射面に配置した偏光回転手段としての１／２波長板２により、Ｐ偏光に変換される。本発明においては、偏光変換素子１の出射面に、元々のＰ偏光光束と、Ｓ偏光をＰ偏光に変換した光束の境に、光路を遮蔽する出射遮光板３を配置し、１／２波長板２の貼り付け精度等により生じるＳ偏光光束を遮光している。図１と図５では、Ｘ軸の＋側に１／２波長板２を大きくしても、１／２波長板２がプリズムからはみ出すだけなので、１／２波長板２のＸ軸の＋側の遮光を不要にできる。従って、図１と図５では、１／２波長板２のＸ軸の−側のみの遮光を行った。
【００２５】
図６は、１／２波長板２の貼り付け精度をＸ軸の＋側と−側でほぼ同じにしたので、両側を遮光する形状の出射遮光板３を配置した。尚、図６ではＸ軸の＋側の遮光板と−側の遮光板を一体とし、所定サイズの開口を設けた出射遮光板３を配置している。図１、図５と図６の出射遮光板３は、偏光変換素子１を保持する構造部品と一体で構成しても良い。
【００２６】
尚、図１でのプリズムタイプの偏光変換素子１は、約半分の大きさのもの２組を光軸に対して対象に配置してもよく、その場合は、元々のＰ偏光光束と、Ｓ偏光をＰ偏光に変換した光束の境が２箇所存在するので、出射遮光板はアレイ状の配置となる。それ以外の構成でも、例えば、プリズムタイプではなく、偏光分離面を平板タイプとし、図１でＳ偏光を反射する反射面を反射ミラーとしても、それぞれ可能である。
【００２７】
図１０は、本発明の第１の実施の形態による偏光変換素子を用いた液晶プロジェクタ装置の基本構成図である。
【００２８】
図１０で、１は偏光変換素子、１１は光源、１２は凹面鏡、１３はインテグレータ、１４は結像レンズ、１５はミラー、１６はダイクロミラー、１７はフィールドレンズ、１８はＰＢＳ、１９はパネル、２０は投射レンズ、２２は偏光板である。
【００２９】
光源１１を出射した自然偏光状態の白色光は、凹面鏡１２で反射し、出射遮光板を配置した偏光変換素子１でＰ偏光（ＰＢＳにとってはＳ偏光）にそろえられる。Ｐ偏光にそろえた白色光はインテグレータ１３へ入射する。図１０のインテグレータ１３はレンズアレイタイプであり、第１のレンズアレイで光束を分割し、第２のレンズアレイのところに二次光源像を形成する。後続の結像レンズ１４との作用により、第１のアレイレンズの各レンズ面の光量分布をパネル１９面上に重畳し、パネル１９面上での光量分布の一様性を改善している。途中のミラー１５で光路の折り曲げ作用を、ダイクロミラー１６では色分離作用を、フィールドレンズ１７では主光線を平行すなわちテレセントリック化する作用を行っている。パネル１９直前のＰＢＳ１８では、前述のようにＯＮ光束とＯＦＦ光束の分離作用を行っている。投射レンズ２０手前のＰＢＳ１８では偏光状態の違いを利用した色合成作用を行っており、このＰＢＳ１８に関しては、ダイクロミラーに置換することも構成上は可能であるが、コントラスト性能を優先した場合、ＰＢＳが望ましい。本発明の改善すべき対象ではないので詳細説明は省くが、色分離合成部分には、特定の波長域の色のみの偏光状態をＰ偏光とＳ偏光で変換する光学素子を配置している。例えば、ダイクロミラー１６を透過した２色の光束を後続のＰＢＳ１８で色分離するために、一方の色の偏光状態のみを変換する波長選択性偏光変換素子を配置している。
【００３０】
図７は、出射遮光板とレンズアレイタイプのインテグレータの関係について説明した図である。図７では、出射遮光板３によりインテグレータ１３の中央部分に照射されない箇所が存在する。照射されない箇所がレンズアレイのある１個のレンズにかかると、一部、暗くなっているレンズ面の光量分布が、パネル１９上に写像されるので、パネル面での明るさの一様性を劣化させる。そこで、図７では、出射遮光板に対応した箇所がレンズアレイの各レンズにかからないように、レンズアレイの各レンズの配置を対応させている。この場合は、出射遮蔽板がより重要となる。何故なら、もし、レンズアレイの各レンズでない平板の部分に入射する平行光束が存在すると、後続の結像レンズによって、パネル面で光軸上に結像するからである。
【００３１】
図８、図９、図１１は、本発明の第２の実施の形態の説明図である。図８はアレイタイプの偏光変換素子１を側面側からみた基本構成図であり、図９は同様に光軸の出射側から見た基本構成図である。
【００３２】
図８で、自然光である光束は、アレイ状に配置した偏光分離面１００で第１の直線偏光としてのＰ偏光と、第２の直線偏光であるＳ偏光に分離される。Ｐ偏光はそのまま出射する。一方、偏光分離面１００で反射したＳ偏光はさらにアレイ状に配置した反射面１０１で反射しＰ偏光と同じ向きに出射し、出射面にアレイ状に配置した偏光回転手段としての１／２波長板２により、Ｐ偏光に変換される。本発明においては、偏光変換素子１の出射面に、元々のＰ偏光光束と、Ｓ偏光をＰ偏光に変換した光束の境に、光路を遮蔽する出射遮光板３をアレイ状に配置し、１／２波長板２の貼り付け精度等により生じるＳ偏光光束を遮光している。
【００３３】
図９ではＸ軸の＋側の遮光板と−側の遮光板を一体とし、所定サイズの開口を設けた出射遮光板を配置している。図８、図９の出射遮光板は、偏光変換素子を保持する構造部品と一体で構成しても良い。
【００３４】
ところで、偏光変換素子１の偏光分離面のピッチの半分Ａと、出射遮光板の夫々の開口幅Ｂの関係に着目すると、Ａ＞Ｂの関係が必要条件となる。尚、図８においては、偏光分離面と反射面とを交互にアレイ状に配置したが、反射面も偏光分離面で構成することが可能である。この場合は、偏光分離面としてはピッチが半分になるので、この半分になったピッチをＡとする。
【００３５】
次に、図１１は、本発明の第２の実施の形態による偏光変換素子を用いた液晶プロジェクタ装置の基本構成図である。
【００３６】
図１１で、１は偏光変換素子、１１は光源、１２は凹面鏡、１３はインテグレータ、１４は結像レンズ、１５はミラー、１６はダイクロミラー、１７はフィールドレンズ、１８はＰＢＳ、１９はパネル、２０は投射レンズ、２２は偏光板である。
【００３７】
光源１１を出射した自然偏光状態の白色光は、凹面鏡１２で反射し、白色光はインテグレータ１３へ入射する。図１１のインテグレータ１３はレンズアレイタイプであり、第１のレンズアレイで光束を分割し、第２のレンズアレイのところに二次光源像を形成する。
【００３８】
後続の結像レンズ１４の作用により、第１のアレイレンズの各レンズ面の光量分布をパネル１９面上に重畳し、パネル１９面上での光量分布の一様性を改善している。第２のレンズアレイの後にある、出射遮光板を配置した偏光変換素子１によって自然光はＰ偏光（ＰＢＳにとってはＳ偏光）にそろえられる。尚、途中のミラー１５で光路の折り曲げ作用を、ダイクロミラー１５では色分離作用を、フィールドレンズ１７では主光線を平行すなわちテレセントリック化する作用を行っている。パネル１９直前のＰＢＳ１８では、前述のようにＯＮ光束とＯＦＦ光束の分離作用を行っている。投射レンズ２０手前のＰＢＳ１８では偏光状態の違いを利用した色合成作用を行っており、このＰＢＳ１８に関しては、ダイクロミラーに置換することを構成上は可能であるが、コントラスト性能を優先した場合、ＰＢＳが望ましい。本発明の改善すべき対象ではないので詳細説明は省くが、色分離合成部分には、特定の波長域の色のみの偏光状態をＰ偏光とＳ偏光で変換する光学素子を配置している。例えば、ダイクロミラー１６を透過した２色の光束を後続のＰＢＳ１８で色分離するために、一方の色の偏光状態のみを変換する波長選択性偏光変換素子を配置している。
【００３９】
以上の発明の実施の形態では、反射型の液晶パネルを用いているが、図１３のように透過型の液晶パネルでも本発明は有効である。
【００４０】
また、図１０、図１１、図１３では、偏光変換素子での偏光状態自体を改善しているので、図１２の従来例で用いていた偏光板を用いなくとも、従来に比べ良好なコントラスト性能が得られるが、更により一層、コントラスト性能を改善するためには、偏光板を配置することは有効である。
【００４１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、ダイクロイック作用を有するクロスプリズムを用いた構成で、且つ、反射型液晶パネルに入射する前の偏光状態と、反射型液晶パネルで反射後のＯＮ光束の偏光状態が同じ偏光状態を実現し、よって、小型・軽量で低コストな照明装置、及び、それを用いた投射型プロジェクタ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子の光軸を含む断面図である。
【図２】偏光変換素子での第１の条件による不要な偏光光束発生の説明図である。
【図３】偏光変換素子での第２の条件による不要な偏光光束発生の説明図である。
【図４】偏光変換素子での第３の条件による不要な偏光光束発生の説明図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子をパネル側から見た構成図である。
【図６】本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子をパネル側から見た別な構成図である。
【図７】本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子とレンズアレイの位置に関する説明図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子の光軸を含む断面図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子をパネル側から見た構成図である。
【図１０】本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子を用いた反射型の液晶プロジェクタ装置の基本構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子を用いた反射型の液晶プロジェクタ装置の基本構成図である。
【図１２】従来例における反射型の液晶プロジェクタ装置の基本構成図である。
【図１３】本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子を用いた透過型の液晶プロジェクタ装置の基本構成図である。
【符号の説明】
１…偏光変換素子、２…１／２波長板、３…出射遮光板、１１…光源、１２…凹面鏡、１３…インテグレータ、１４…結像レンズ、１５…ミラー、１６…ダイクロミラー、１７…フィールドレンズ、１８…ＰＢＳ、１９…パネル、２０…投射レンズ、２１…リレーレンズ、２２…偏光板。

Claims

第１の直線偏光光を透過し、偏光方向が第１の直線偏光の偏光方向に直交する第２の直線偏光光を反射することにより光束を分離する偏光分離面と、
該偏光分離面で反射した第２の直線偏光光を第１の直線偏光光と同じ向きに出射する反射面と、
同一方向に出射した一方の直線偏光光の出射面に偏光方向を他方の直線偏光光の偏光方向にそろえる偏光回転手段と、を有する偏光変換素子であって、
偏光方向を同一とした２種類の直線偏光の偏光変換素子の出射面に、２種類の光束の境の光路を遮蔽する出射遮光板を配置したことを特徴とする偏光変換素子。
自然光を放射する光源と、該光源から放射した光束を反射する凹面鏡と、請求項１に記載の偏光変換素子と、画像表示素子と、該画像表示素子での光量分布の一様性を改善する手段と、該画像表示素子の画像を投射する投射レンズとを備えたことを特徴とする液晶プロジェクタ装置。
第１の直線偏光光を透過し、偏光方向が第１の直線偏光の偏光方向に直交する第２の直線偏光光を反射することにより光束を分離する偏光分離面と、
該偏光分離面で反射した第２の直線偏光光を第１の直線偏光光と同じ向きに出射する、交互にアレイ状に配置された反射面と、
同一方向に出射した一方の直線偏光の出射面に偏光方向を他方の直線偏光の偏光方向にそろえるアレイ状の偏光回転手段と、を有する偏光変換素子であって、偏光方向を同一とした２種類の直線偏光の偏光変換素子の出射面に、２種類の光束の境の光路を遮蔽する出射遮光板をアレイ状に配置したことを特徴とする偏光変換素子。
前記偏光分離面のピッチの半分より、前記出射遮光板の開口幅が小さいことを特徴とする請求項３に記載の偏光変換素子。
自然光を放射する光源と、該光源から放射した光束を反射する凹面鏡と、請求項３乃至請求項４の何れかに記載の偏光変換素子と、画像表示素子と、該画像表示素子での光量分布の一様性を改善する手段と、該画像表示素子の画像を投射する投射レンズとを備えたことを特徴とする液晶プロジェクタ装置。