JP2005106940A - 反射型偏光子及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高温になっても十分に光学特性を維持することができる反射型偏光子を提供し、このような反射型偏光子を用いて画像表示装置を提供すること。
【解決手段】 光学ガラスからなる光透過性の基板１と、この基板１の両主面部にそれぞれ形成されたワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂとを備え、各ワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂは、互いに平行ニコルの関係となされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、入射光束の偏光状態に応じてこの入射光束を分離させる反射型偏光子及びこの反射型偏光子を用いて構成される画像表示装置に関する。

従来、照明光学系から出射される照明光によって反射型空間光変調素子を照明し、この反射型空間光変調素子において変調されて反射された反射光束を結像光学系によって結像させることにより、画像表示を行う画像表示装置が提案されている。

反射型空間光変調素子としては、例えば、反射型液晶表示素子や、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）等が使用される。反射型液晶表示素子は、透過型液晶表示素子に比較して、開口率を高くすることができるとともに、画素の高密度化が容易であるため、小型で高効率の画像表示装置を実現することを可能としている。

結像光学系としては、拡大した実像を結像する投射光学系や、虚像を結像する虚像光学系等が使用される。

このような画像表示装置として、特許文献１に記載されているように、４個の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）及びカラー偏光子を備えて構成されたものがある。この画像表示装置においては、照明光に含まれる３原色光について、各原色光ごとに、カラー偏光子により、所定の偏光状態となるようにしている。そして、これら各原色光は、偏光ビームスプリッタによって分離されて各色用の反射型空間光変調素子に入射されるとともに、この反射型空間光変調素子において変調されて反射され、再び偏光ビームスプリッタによって合成されて、結像光学系に入射される。

すなわち、この画像表示装置においては、３原色光を含み直線偏光となされた照明光のうち、まず、１原色光のみの偏光方向がカラー偏光子によって９０°回転される。この照明光は、第１の偏光ビームスプリッタに入射されて、２原色光と１原色光とに分離され、互いに直交する２方向に出射される。

この第１の偏光ビームスプリッタにより分離された光束のうち、２原色光を含む光束は、１原色光のみの偏光方向がカラー偏光子によって９０°回転され、第２の偏光ビームスプリッタに入射される。第２の偏光ビームスプリッタにおいて、各原色光は、互いに直交する２方向に分離され、第１及び第２の反射型空間光変調素子にそれぞれ入射される。そして、これら第１及び第２の反射型空間光変調素子において変調されて反射された反射光束は、第２の偏光ビームスプリッタによって再び合成され、１原色光のみの偏光方向がカラー偏光子によって９０°回転され、第３の偏光ビームスプリッタに入射される。

一方、第１の偏光ビームスプリッタによって分離された光束のうち、１原色光を含む光束は、第４の偏光ビームスプリッタを経て、第３の反射型空間光変調素子に入射される。この第３の反射型空間光変調素子において変調されて反射された反射光束は、再び第４の偏光ビームスプリッタを経て、第３の偏光ビームスプリッタに入射される。

そして、第３の偏光ビームスプリッタは、３原色光を合成して、結像光学系に入射させる。

この画像表示装置においては、４個の偏光ビームスプリッタが各偏光ビームスプリッタの表面を互いに平行となして一平面上の正方形の各頂点にあたる位置に配置され、また、反射ミラー等光路を屈曲させる光学素子が不要であるため、照明光の利用効率が高く、また、小型な装置構成とすることができる。
特開２０００−２８４２２８号公報

ところで、前述のような画像表示装置においては、近年、表示画面の大型化及び高輝度化についての要求がさらに高くなってきている。

表示画面の大型化及び高輝度化のためには、照明光学系の光源の光出力を高くし、照明光の輝度を高くすることが考えられる。

しかしながら、光源の光出力を高くすることにより、光源から発せられる熱も増大することとなり、反射型空間光変調素子や偏光ビームスプリッタ等の各光学素子の温度上昇が招来され、これら光学素子の特性の劣化を生じさせてしまう虞れがある。特に、この画像表示装置において、偏光ビームスプリッタが高温となると、この偏光ビームスプリッタを構成する硝材の複屈折等の影響により、表示画像のシェーディングやコントラスト比の低下が招来される。

一方、近年において、偏光ビームスプリッタに代えて、反射型偏光子（ワイヤーグリッド偏光子）を使用した画像表示装置が提案されている。この反射型偏光子は、偏光ビームスプリッタに比較して、高熱化による特性の劣化が少ないといわれている。

しかしながら、反射型偏光子においても、光学ガラスからなる光透過性の基板を有しているため、この光学ガラスにおける複屈折によって生ずる問題は依然として残っている。光学ガラスにおける複屈折を減らすためには、光弾性定数の小さな硝材を使うということが考えられるが、光弾性定数の小さな硝材を使う場合には、加工が困難となることや、製造コストが高騰するなどの問題を生ずる。

そこで、本発明は、前述の実情に鑑みて提案されるものであり、高温になっても十分に光学特性を維持することができる反射型偏光子を提供し、また、このような反射型偏光子を用いて構成された画像表示装置を提供することを目的とする。

前述の目的を達成するため、本発明に係る反射型偏光子は、光学ガラスからなる光透過性の基板と、この基板の両主面部にそれぞれ形成されたワイヤーグリッド偏光膜とを備え、各ワイヤーグリッド偏光膜は、互いに平行ニコルの関係となされて形成されている。

この反射型偏光子においては、入射光のうち、ワイヤーグリッド偏光膜によって反射される偏光状態の光束は、基板のいずれの主面部の側から入射する場合であっても、基板内に入射することなく、基板の表面部において反射されるので、基板内における複屈折の影響を受けることがない。また、入射光のうち、ワイヤーグリッド偏光膜を透過する偏光状態の光束は、基板のいずれの主面部の側から入射する場合であっても、基板内において基板内における応力（歪み）による複屈折の影響を受けても、出射する主面部上のワイヤーグリッド偏光膜を透過するときに、複屈折の影響を受けた成分が遮断される。

また、本発明に係る偏光子は、請求項１に記載の反射型偏光子において、基板は、光学ガラスからなる光透過性の基板が２枚貼合わせられたものであって、各ワイヤーグリッド偏光膜は、各基板の片側の主面部にそれぞれ形成されていることが好ましい。

そして、本発明に係る画像表示装置は、３原色光を含み所定の偏光状態となされた照明光が入射されこの照明光を各原色光の偏光状態に応じて第１及び第２の原色光を含む光束と第３の原色光を含む光束とに分離させこれら光束を互いに直交する２方向に出射する光束分離手段と、この光束分離手段により分離された光束のうち第１及び第２の原色光を含む光束が入射されこの光束を各原色光の偏光状態に応じて互いに直交する２方向に分離させて第１及び第２の反射型空間光変調素子にそれぞれ入射させるとともにこれら第１及び第２の反射型空間光変調素子において変調されて反射された反射光束を合成して光束分離手段からの光束の入射方向に対して直交する方向に出射する第１の光束分離合成手段と、光束分離手段により分離された光束のうち第３の原色光を含む光束が入射されこの光束を第３の反射型空間光変調素子に入射させるとともにこの第３の反射型空間光変調素子において変調されて反射された反射光束を光束分離手段からの光束の入射方向に対して直交する方向に出射する第２の光束分離合成手段と、第１の光束分離合成手段からの出射光束及び第２の光束分離合成手段からの出射光束が入射されこれら光束を合成して結像光学系に入射させる光束合成手段とを備え、光束分離手段、第１の光束分離合成手段及び第２の光束分離合成手段のうち、少なくとも第１の光束分離合成手段は、光学ガラスからなる光透過性の基板の両主面部に互いに平行ニコルの関係となされてワイヤーグリッド偏光膜がそれぞれ形成されたものである。

この画像表示装置においては、少なくとも第１の光束分離合成手段において、入射光のうちワイヤーグリッド偏光膜によって反射される偏光状態の光束が基板のいずれの主面部の側から入射する場合であっても基板内に入射することなく基板の表面部において反射されるので、基板内における複屈折の影響を受けることがない。

前記画像表示装置において、基板は、光学ガラスからなる光透過性の基板が２枚貼合わせられたものであって、各ワイヤーグリッド偏光膜は、各基板の片側の主面部にそれぞれ形成されているものであることが好ましい。

本発明は、高温になっても十分に光学特性を維持することができる反射型偏光子を提供し、また、このような反射型偏光子を用いて構成された画像表示装置を提供することができるものである。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明に係る反射型偏光子の構成を示す側面図である。

本発明に係る反射型偏光子は、図１に示すように、光学ガラスからなる光透過性の基板１を有している。この基板１をなす光学ガラスとしては、種々のいわゆる白色光学ガラスを用いることができる。

そして、基板１の両主面部には、それぞれワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂが形成されている。ワイヤーグリッド偏光膜は、反射型偏光膜とも呼ばれているものである。これらワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂは、互いに平行ニコルの関係となされて形成されている。すなわち、これらワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂにおいて反射される光束の偏光方向は、互いに平行な方向となる。

この反射型偏光子においては、不定偏光の入射光が一方の主面部上のワイヤーグリッド偏光膜１ａに入射すると、この入射光に含まれるＳ偏光成分は、このワイヤーグリッド偏光膜１ａによって反射される。そして、入射光のＰ偏光成分は、反射面１ａを透過し、基板１を透過し、さらに、他方の主面部上のワイヤーグリッド偏光膜１ｂを透過する。

この反射型偏光子においては、入射光のうち、ワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂによって反射される偏光成分は、基板１のいずれの主面部の側から入射する場合であっても、基板１内に入射することなく、基板１の表面部において反射されるので、基板１内における応力（歪み）による複屈折の影響を受けることがない。

また、この反射型偏光子においては、入射光のうち、ワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂを透過する偏光成分は、基板１のいずれの主面部の側から入射する場合であっても、基板１内において基板１内における応力（歪み）による複屈折の影響を受けても、出射する主面部上のワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂを透過するときに、複屈折の影響を受けた成分が遮断される。

すなわち、基板１内においては、通常の使用状態において、光束が入射され温度が上昇し熱膨張が生じることによる内部応力の増大や、この基板１を支持、固定する図示しない枠部材等からの応力により、複屈折を生じる。このような複屈折は、この基板１を透過するＰ偏光成分の偏光方向を乱してしまい、楕円偏光にしてしまう。偏光状態の乱れは不均一であり、偏光を利用して画像表示を行う反射型空間光変調素子を用いた画像表示装置において大きな問題となる。

本発明に係る反射型偏光子を経た光束においては、基板１内で偏光面が乱れても、この基板１の両主面部上のワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂにより、基板１における複屈折の影響が抑制される。

なお、ワイヤーグリッド偏光膜の構成については、特表２００２−５１４７７８号公報にも記載されている。

そして、本発明に係る反射型偏光子においては、基板１は、光学ガラスからなる透明な基板が２枚貼合わせられたものとしてもよい。

この場合には、各ワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂは、各基板の片側の主面部にそれぞれ形成されているものとしておく。そして、これら各基板同士を各ワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂが外側になるよう貼合わせるときに、各基板同士の位置関係を調整することにより、各ワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂを、容易に平行ニコルの関係とすることができる。

図２は、本発明に係る画像表示装置の構成を示す平面図である。

本発明に係る画像表示装置は、図２に示すように、光源部６と、光束分離手段となる色成分分離部１０と、第１の光束分離合成手段となる第１の色成分分離合成部２０と、第２の光束分離合成手段となる第２の色成分分離合成部３０と、光束合成手段となる色合成部４０と、結像光学系となる投写レンズ８とを有して構成されている。

光源部６は、凹面反射板を備えたランプ６１と、偏光板６２とを有して構成されている。ランプ６１から出射されたＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）３原色光を含む白色の不定偏光光束は、偏光板６２を透過することにより、概ねＰ偏光成分のみ、あるいは、Ｓ偏光成分のみからなる所定の偏光状態の照明光となり、色成分分離部１０に入射される。

色成分分離部１０は、入射された照明光を、各原色光の偏光状態に応じて、第１及び第２の原色光を含む光束と第３の原色光を含む光束とに分離させ、これら光束を互いに直交する２方向に出射する。

すなわち、色成分分離部１０は、光源部６からの照明光が入射される第１のカラー偏光子１２と、この第１のカラー偏光子１２を透過した照明光が入射される色分離用反射型偏光子１１とから構成されている。光源部６から入射された照明光は、第１のカラー偏光子１２において、白色光のうちの所望の波長域成分（第３の原色光）のみの偏光方向を９０°回転されて、色分離用反射型偏光子１１に対し、ガラス基板面から入射される。

この色分離用反射型偏光子１１は、ガラス基板の片側のみにワイヤーグリッド偏光膜が形成されたものである。

色分離用反射型偏光子１１においては、第１のカラー偏光子１２を透過した照明光のうちのＰ偏光成分（第１及び第２の原色光）が透過して第１の色成分分離合成部２０に入射される。第１のカラー偏光子１２を透過した照明光のうちのＳ偏光成分（第３の原色光）は、色分離用反射型偏光子１１において反射され、この色分離用反射型偏光子１１に対する入射光に直交する方向に出射されて、第２の色成分分離合成部３０に入射される。

第１の色成分分離合成部２０は、色成分分離部１０により分離された光束のうち、第１及び第２の原色光を含む光束が入射され、この光束を各原色光の偏光状態に応じて互いに直交する２方向に分離させて第１及び第２の反射型空間光変調素子２３，２４にそれぞれ入射させるとともに、これら第１及び第２の反射型空間光変調素子２３，２４において変調されて反射された反射光束を合成して、色成分分離部１０からの光束の入射方向に対して直交する方向に出射する。

すなわち、第１の色成分分離合成部２０は、色成分分離部１０からの光束が入射される第２のカラー偏光子２２と、この第２のカラー偏光子２２の透過光が入射される反射型偏光子２５と、この反射型偏光子２５の透過光が入射される第１の波長板２７及び第１の反射型空間光変調素子２３と、反射型偏光子２５における反射光が入射される第２の波長板２６及び第２の反射型空間光変調素子２４とを備えている。

反射型偏光子２５は、光学ガラスからなる光透過性の基板の両主面部に互いに平行ニコルの関係となされてワイヤーグリッド偏光膜がそれぞれ形成された構成となっている。

色成分分離部１０の色分離用反射型偏光子１１を透過したＰ偏光成分（第１及び第２の原色光）は、第２のカラー偏光子２２において、所望の波長域成分（第１または第２の原色光）のみの偏光方向を９０°回転されて、反射型偏光子２５に入射される。第２のカラー偏光子２２において偏光方向を９０°回転された成分は、反射型偏光子２５に対するＳ偏光成分となり、この反射型偏光子２５の反射面により反射され、第２の反射型空間光変調素子２４に入射される。

一方、第２のカラー偏光子２２において偏光方向を回転されずに透過した成分は、反射型偏光子２５に対するＰ偏光成分となり、この反射型偏光子２５を透過し、第１の反射型空間光変調素子２３に入射される。

第１の反射型空間光変調素子２３及び第２の反射型空間光変調素子２４に入射された光束は、表示画像に応じて偏光方向を変調されて反射される。表示画像において明るい画素の部分では、入射光の偏光方向が９０°回転されて反射され、暗い画素の部分では、入射光の偏光方向がそのままで反射される。

すなわち、第１の反射型空間光変調素子２３に入射されたＰ偏光成分は、表示画像に応じてＳ偏光成分となって反射され、反射型偏光子２５において反射されて色成分合成部４０に入射される。そして、偏光方向を変調されなかったＰ偏光成分は、反射型偏光子２５を透過して、色成分分離部１０に戻り、光源部６へ戻される。

第２の反射型空間光変調素子２４に入射されたＳ偏光成分は、表示画像に応じてＰ偏光成分となって反射され、反射型偏光子２５を透過して色成分合成部４０に入射される。そして、偏光方向を変調されなかったＳ偏光成分は、反射型偏光子２５において反射され、色成分分離部１０に戻り、光源部６へ戻される。

第２の色成分分離合成部３０は、色成分分離部１０により分離された光束のうち、第３の原色光を含む光束が入射され、この光束を第３の反射型空間光変調素子３２に入射させるとともに、この第３の反射型空間光変調素子３２において変調されて反射された反射光束を、色成分分離部１０からの光束の入射方向に対して直交する方向に出射する。

すなわち、第２の色成分分離合成部３０は、色成分分離部１０からの光束が入射される第３のカラー偏光子３５と、この第３のカラー偏光子３５の透過光が入射される反射型偏光子３３と、この反射型偏光子３３の透過光が入射される第３の波長板３４及び第３の反射型空間光変調素子３２とを備えている。

色成分分離部１０の色分離用反射型偏光子１１により反射されたＳ偏光成分（第３の原色光）は、第３のカラー偏光子３５において、偏光方向を９０°回転されて、反射型偏光子３３に対し、ガラス基板面から入射される。この反射型偏光子３３は、ガラス基板の片側のみにワイヤーグリッド偏光膜が形成されたものである。なお、第３のカラー偏光子３５は、λ／２板（二分の一波長板）としてもよい。反射型偏光子３３への入射光は、この反射型偏光子３３に対するＳ偏光成分となっており、この反射型偏光子３３を透過し、第３の反射型空間光変調素子３２に入射される。

第３の反射型空間光変調素子３２に入射されたＰ偏光成分は、表示画像に応じてＳ偏光成分となって反射され、反射型偏光子３３において反射されて色成分合成部４０に入射される。そして、偏光方向を変調されなかったＰ偏光成分は、反射型偏光子３３を透過して、色成分分離部１０に戻り、光源部６へ戻される。

色合成部４０は、第１の色成分分離合成部２０からの出射光束及び第２の色成分分離合成部３０からの出射光束が入射され、これら光束を合成して、投写レンズ８に入射させる。

すなわち、色合成部４０は、第１の色成分分離合成部２０からの光束が入射される第４のカラー偏光子４３と、この第４のカラー偏光子４３の透過光及び第２の色成分分離合成部３０からの光束が入射される色合成用の偏光ビームスプリッタ４１と、この偏光ビームスプリッタ４１を経た光束が入射される第５のカラー偏光子４４及び偏光板４５とを備えている。

この色合成部４０において、第２の色成分分離合成部３０から入射されたＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ４１の偏光反射面において反射され、投射レンズ８側に出射される。このとき、第２の色成分分離合成部３０からの入射光の波長帯域成分（第３の原色光）の偏光方向を、第５のカラー偏光子４４によって、９０°回転させ、Ｐ偏光成分として、偏光板４５を透過させる。

一方、第１の色成分分離合成部２０から入射された光束のうち第１の反射型空間光変調素子２３において反射されたＳ偏光成分は、第４のカラー偏光子４３において偏光方向を９０°回転され、Ｐ偏光成分として、偏光ビームスプリッタ４１の偏光膜を透過し、そのまま投射レンズ８側に出射される。

第１の色成分分離合成部２０から入射された光束のうち第２の反射型空間光変調素子２４において反射されたＰ偏光成分は、第４のカラー偏光子４３を偏光方向を回転されることなく透過し、さらに、偏光ビームスプリッタ４１の偏光膜を透過し、そのまま投射レンズ８側に出射される。

この画像表示装置においては、色成分分離部１０の色分離用反射型偏光子１１、第１の色成分分離合成部２０の反射型偏光子２５及び第２の色成分分離合成部３０の反射型偏光子３３のうち、少なくとも第１の色成分分離合成部２０の反射型偏光子２５は、光学ガラスからなる光透過性の基板１の両主面部に互いに平行ニコルの関係となされてワイヤーグリッド偏光膜１ａ，１ｂがそれぞれ形成された構成となっている。したがって、この反射型偏光子２５においては、基板１内における複屈折が表示画像に影響することがない。

なお、色成分分離部１０の色分離用反射型偏光子１１及び第２の色成分分離合成部３０の反射型偏光子３３も、光学ガラスからなる光透過性の基板の両主面部に互いに平行ニコルの関係となされてワイヤーグリッド偏光膜がそれぞれ形成された構成としてもよい。このように、各反射型偏光子を、基板の両面にワイヤーグリッド偏光膜を有するものとすることにより、基板内における複屈折の表示画像に対する影響をより確実に抑制することができる。

この画像表示装置において、第１乃至第３の反射型空間光変調素子２３，２４，３２の入射面側に配置されている第１乃至第３波長板２７，２６，３４は、各反射型空間光変調素子２３，２４，３２が反射型液晶表示素子である場合において、液晶プレチルト角の偏光状態の補正を行なうためのものである。なお、これらいずれの波長板２７，２６，３４も、各透過波長に対応したλ／４板（四分の一波長板）あるいはλ／２板（二分の一波長板）である。液晶プレチルト角分の補正は、微量でよく、１／１０波長以下、さらには、１／２０波長以下の微量な補正板であるほうが望ましい。

実際の波長板の取り付けにあたっての光学軸方向の設定は、反射型空間光変調素子を黒表示状態とし、表示される画像において黒が最も沈んだ状態（黒くなる状態）とになるようにして調整を行なう。

なお、図２においては、第２の反射型空間光変調素子２４と反射型偏光子２５との間にシリンドリカルレンズ８１が配置されている。このシリンドリカルレンズ８１は、第２の反射型空間光変調素子２４において反射された変調光の投射レンズ８に至る光路上に反射型偏光子２５の基板１が傾斜して挿入されているために、この基板１において非点収差が発生するので、この非点収差を補正するためのレンズである。

本発明に係る反射型偏光子の構成を示す側面図である。 本発明に係る画像表示装置の構成を示す平面図である。

符号の説明

１ 基板
１ａ，１ｂ ワイヤーグリッド偏光膜
６ 光源部
８ 投写レンズ
１０ 色成分分離部
２０ 第１の色成分分離合成部
３０ 第２の色成分分離合成部
４０ 色合成部

Claims (2)

1. 光学ガラスからなる光透過性の基板と、
   前記基板の両主面部にそれぞれ形成されたワイヤーグリッド偏光膜と、を備え、
   前記各ワイヤーグリッド偏光膜は、互いに平行ニコルの関係となされて形成されていることを特徴とする反射型偏光子。
2. ３原色光を含み所定の偏光状態となされた照明光が入射され、この照明光を、各原色光の偏光状態に応じて、第１及び第２の原色光を含む光束と第３の原色光を含む光束とに分離させ、これら光束を互いに直交する２方向に出射する光束分離手段と、
   前記光束分離手段により分離された光束のうち、第１及び第２の原色光を含む光束が入射され、この光束を各原色光の偏光状態に応じて互いに直交する２方向に分離させて第１及び第２の反射型空間光変調素子にそれぞれ入射させるとともに、これら第１及び第２の反射型空間光変調素子において変調されて反射された反射光束を合成して、前記光束分離手段からの光束の入射方向に対して直交する方向に出射する第１の光束分離合成手段と、
   前記光束分離手段により分離された光束のうち、第３の原色光を含む光束が入射され、この光束を第３の反射型空間光変調素子に入射させるとともに、この第３の反射型空間光変調素子において変調されて反射された反射光束を、前記光束分離手段からの光束の入射方向に対して直交する方向に出射する第２の光束分離合成手段と、
   前記第１の光束分離合成手段からの出射光束及び前記第２の光束分離合成手段からの出射光束が入射され、これら光束を合成して、結像光学系に入射させる光束合成手段と、を備え、
   前記光束分離手段、前記第１の光束分離合成手段及び前記第２の光束分離合成手段のうち、少なくとも前記第１の光束分離合成手段は、光学ガラスからなる光透過性の基板の両主面部に互いに平行ニコルの関係となされてワイヤーグリッド偏光膜がそれぞれ形成されたものであることを特徴とする画像表示装置。

Images