JP2005189588A - 偏光変換素子及びこれを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明の目的は、偏光光を回転させる偏光回転素子であるλ／２位相差膜の帯熱や蓄熱を防止することで、信頼性の向上を図る偏光変換素子及びこれを用いた投射型表示装置を提供することにある。
【解決手段】
光源からの光を偏光方向が異なる２種類の偏光光に分離する偏光分離面と該偏光光の何れか１種類の偏光光を反射する反射面とを有する透明部材と、該偏光光の何れか１種類の光を回転させるλ／２位相差膜とで構成される偏光変換素子であって、前記透明部材は酸化マグネシウムを含むように構成する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏光変換素子を備えた照明装置、及びその様な照明装置を用いた投射型表示装置に関する。

ガラスより熱伝導率が高い上、ビッカース硬度が約４００とガラスに近い硬度を持つマグネシアを、偏光ビームスプリッタや偏光板、位相差板などの光学素子の硝材に使用する技術が開示されている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３−２９４９４９号公報

最近の投射型表示装置は、投写画像の高輝度化に対する市場ニーズが高まっており、光源ランプの高輝度化が進んでいる。その結果、偏光方向の回転手段であるλ／２位相差膜に入射する光量或いは光の密度が大幅に増加している。この光量或いは光の密度の増加によって、光や熱による性能劣化を生じ易い有機材料によって形成されたλ／２位相差膜にかかる熱的負荷は、著しく増大するため、λ／２位相差膜の特性を長期に渡って維持することは難しく、偏光変換素子の信頼性の低下を招く課題があった。

本発明の目的は、上記課題を解決し、信頼性の向上を図る偏光変換素子及びこれを用いた投射型表示装置を提供することにある。

光源からの光を偏光方向が異なる２種類の偏光光に分離する偏光分離面と該偏光光の何れか１種類の偏光光を反射する反射面とを有する透明部材と、該偏光光の何れか１種類の光を回転させるλ／２位相差膜とで構成される偏光変換素子であって、前記透明部材は酸化マグネシウムを含むように構成する。

本発明によれば、投射型表示装置の信頼性を向上させることができる。

以下、本発明による実施の形態を図面を用いて説明する。尚、図中に示すＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向は、互いに直交する３つの方向を示しており、基本的にはＺ方向に光の進行方向を設定している。

図１は、本発明による第１の実施の形態としての照明装置１の概略構成を示す平面図である。照明光軸Ｌに沿って、ランプバルブ２１とリフレクタ２２を備えた光源２０、第１のレンズアレイ３１及び第２のレンズアレイ３２を備えた均一照明光学素子であるインテグレーター３０、不定偏光光を偏光方向が揃った偏光光に変換する偏光変換素子１０、偏光変換素子１０からの光を映像表示素子５０に伝達して重畳する伝達レンズ４０を備えて大略構成されている。偏光変換素子１０は、偏光分離膜１２と反射膜１３が略平行な状態で交互に配置された硝材部１１とその出射側に配置されたλ／２位相差膜１４とを有する偏光分離ブロックを、複数個配置することにより構成されている。

光源２０から出射された不定偏光光は、インテグレーター３０によって複数の部分光に分割され、偏光変換素子１０の偏光分離膜１２で偏光方向が異なる２種類の偏光光に分離された後、λ／２位相差膜１４で偏光方向が揃えられ（少なくとも一方の偏光光の偏光方向を回転させて他方の偏光光の偏光方向と揃える）、映像表示素子５０に伝達される。

図２及び図３に示す様に、λ／２位相差膜１４は、Ｘ方向に並ぶその配列方向は硝材部１１における偏光分離の方向（Ｘ方向）と対応しており、短冊状に形成した構造を有している。ここで、λ／２位相差膜１４としては、ポリカーボネート（ＰＣ）やポリビニールアルコール（ＰＶＡ）などを延伸した有機膜を用いて実現することができる。このようなλ／２位相差膜１４における光吸収は僅かであるが、大きな強度の光を照射した場合には、その僅かな光吸収によって発熱し、帯熱や蓄熱を生じるため、長期間に渡って使用した場合には光学特性の劣化を生じやすい。光学特性の劣化は偏光変換効率の低下を招き照明効率を悪化させる。

硝材部１１の熱伝導透明材料としては、一般的な透明ガラス（例えばソーダガラス、熱伝導率は約０．５〜０．８Ｗ／ｍ／Ｋ）よりも高い熱伝導性を有する熱伝導透明材料が望ましく、冷却効率を考慮すると、５倍以上高い熱伝導率を有する熱伝導透明材料を用いることが望ましい。具体的には、酸化マグネシウム（熱伝導率は約５０Ｗ／ｍ／Ｋ）が適している。

更に、酸化マグネシウムは、光学的に等方性であり、複屈折性をもたない。そのため、硝材部１１を構成する透明材料に使用した場合、偏光方向が乱れることがないため、輝度の劣化を最小限に抑えることが可能である。従って、高効率な放熱及び高輝度化が可能な酸化マグネシウムは、本発明に用いる透明材料としては理想的である。

また、偏光変換素子１０の硝材部１１として従来より使用されている白板ガラスでは、厚さ１．５ｍｍ〜８．０ｍｍ、且つ波長５５０ｎｍの条件において、光の透過率（反射防止コート無し）は約９０％であって、白板ガラスを使用した偏光変換素子１０の両面に反射防止コートを施した場合には、光の透過率は９５％以上になる。仮に、白板ガラスを使用した偏光変換素子１０は、反射防止コートを施していない場合でも、上記したように光の透過率が約９０％あるので、反射防止コートを施さなくても実際に光学部品として使用可能である。これに対して、本実施の形態で用いる偏光変換素子１０の硝材部１１として酸化マグネシウムを使用した場合には、上記と同様な厚さ１．５ｍｍ〜８．０ｍｍ、且つ波長５５０ｎｍの条件において光の透過率（反射防止コート無し）は約８０％である。そして、酸化マグネシウムを用いた偏光変換素子１０の両面に反射防止コートを施すことにより、光の透過率は９５％以上となり、飛躍的に偏光変換素子１０から出射される光量が増大した。上記のように、硝材部１１として酸化マグネシウムを使用した偏光変換素子１０の両面に反射防止コートを施すことにより、高輝度化を図ることが可能となる。

また、本実施の形態では、偏光変換素子１０を実際の製品に適用するために、放熱効果及び装置の小型化等を考慮して、硝材部１１として用いる酸化マグネシウムの厚さを４．０ｍｍとする。そして、λ／２位相差膜１４は、熱伝導性が高い透明接着材によって硝材部１１上に密着形成されている。

以上のような構成の偏光変換素子１０においては、高熱伝導性透明材料を用いた硝材部１１上にλ／２位相差膜１４を密着形成しているため、λ／２位相差膜１４の僅かな光吸収によって生じる熱を硝材部１１に伝達して速やかに外界（空気中）に放散できるため、耐熱性に課題を抱えるλ／２位相差膜１４であっても、帯熱や蓄熱を抑制し、長期間に渡って光学特性（例えば、偏光変換効率や光透過率）の劣化を防止することができる。

また、本実施の形態の様に均一照明光学素子であるインテグレーターを用いた照明装置では、第１のレンズアレイ３１による複数の部分光が硝材部１１の近傍で集光するため、硝材部１１上に配置されるλ／２位相差膜１４においては、局所的に光が集光する部分と光が存在しない部分とを生じ、これによりλ／２位相差膜１４の光学特性が局所的に劣化する可能性が極めて大きい。この様な場合においても、局所的に発生した熱を、硝材部１１を通じて速やかに拡散できるため、上述の効果を得ることができる。

したがって、上記のような偏光変換素子１０を備えた本発明の照明装置では、光強度が極めて大きな高輝度ランプを用いた場合においても、高い偏光変換効率を長期に渡って維持できると共に、偏光変換素子１０の帯熱や蓄熱を抑制するための冷却装置を不要に、或いは簡素化できるため、装置の小型化、静音化等を実現することができる。

本発明の偏光変換素子は、上記以外の照明装置においても適用可能である。例えば、図４に示す照明装置２は、均一照明光学素子として角柱状の導光ロッド７０（例えば、ガラスロッド）を用いた照明装置２である。この照明装置２では光源２０からの光を集光して導光ロッド７０に導き入れ、導光ロッド７０内とその出射側に配置された集光素子６０によって、導光ロッド７０から映像表示素子５０に至る光路上で複数の部分光を形成している。これらの部分光を集光する過程に本発明の偏光変換素子１０を配置すれば、照明装置１と同様に、偏光方向が揃った照明光を得られると共に、高い偏光変換効率を長期に渡って維持することができる。この様な照明装置は装置の高さ或いは幅を小さくし易い特徴をもつ。なお、導光ロッドは酸化マグネシウムを用いても良い。

以上、説明したように、本発明の偏光変換素子は、光源からの不定偏光光を偏光方向が異なる２種類の偏光光に空間的に分離し、少なくとも一方の偏光光の偏光方向を回転させて他方の偏光光の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子を備えた照明装置であれば、何れの照明装置に対しても適用することができる。

図５は、本発明による第２の実施の形態を示す図である。

本発明による偏光変換素子１０を、透過型の映像表示素子を３個用いた３板式投射型表示装置に適用した場合の光学ユニットの概略構成を示す平面図である。なお、光学ユニットは、光源からの光を映像表示素子で映像信号に合わせて光の濃淡に変える光強度変調（空間光変調ともいう）をして生成された画像を投写レンズで拡大投写するものである。

図５において、２０は光源、Ｌは光学ユニットの光軸、３０はインテグレーターであり、３１の第１のレンズアレイ及び３２の第２のレンズアレイを備えている。１０は偏光変換素子、８０は集光レンズ、９０は赤色光が反射し緑青色光が透過するダイクロイックミラー、９１は緑色光が反射し青色光が透過するダイクロイックミラー、１００は赤色光用全反射ミラー、１０１、１０２は青色光用全反射ミラー、１１０は第１のリレーレンズ、１１１は第２のリレーレンズ、１１２は第３のリレーレンズ、１２０はＩＲ（赤外線）カットフィルター、１３０はＵＶ（紫外線）カットフィルター、１４０Ｒ、１４０Ｇはコンデンサーレンズ、１６０Ｒ、１６０Ｇ、１６０Ｂは入射側偏光板、５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂは各色に対応した映像表示素子、１７０Ｒ、１７０Ｇ、１７０Ｂは出射側偏光板、１８０は合成プリズム、１９０は投写レンズ、２００はスクリーンを示している。

光源２０より出射した光は第１のレンズアレイ３１へと出射される。この第１のレンズアレイ３１はマトリックス状に複数のレンズセルが配列されており、入射した光を複数の光に分割して、効率よく第２のレンズアレイ３２、偏光変換素子１０を通過させるように導く。第２のレンズアレイ３２は第１のレンズアレイ３１と同様にマトリックス状に複数のレンズセルが配列されており、構成するレンズセルそれぞれが、対応する第１のレンズアレイ３１の各レンズセルの投影像を集光レンズ８０、及びコンデンサーレンズ１４０Ｒ、１４０Ｇ、第１のリレーレンズ１１０、第２のリレーレンズ１１１、第３のリレーレンズ１１２により各映像表示素子５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂ上に重ね合わせる。この時、集光レンズ８０を出射した光は、赤反射、緑青透過ダイクロイックミラー９０において、赤色光の成分は反射し、赤色光用全反射ミラー１００を経て、映像表示素子５０Ｒに入射する。赤反射、緑青透過ダイクロイックミラー９０において、透過した緑青色光の成分は、緑反射、青透過ダイクロイックミラー９１に入射する。ここで、緑色光の成分は反射し映像表示素子１９Ｇに入射する。緑反射、青透過ダイクロイックミラー９１を透過した青色光の成分は青色光用全反射ミラー１０１、１０２を経て、映像表示素子５０Ｂに入射する。映像表示素子５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂの入射側に配置されている入射側偏光板１６０Ｒ、１６０Ｇ、１６０Ｂは透明基材であるガラス基板に偏光フィルムが貼り付けられた構成である。

各映像表示素子５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂは映像信号駆動回路（図示しない）により映像表示素子の各画素に対応する透明電極に印加する電圧を制御することで、偏光の捩れ量を変化させる。このため、各画素に出射側偏光板を透過する光量を制御することが可能となり、各画素に濃淡を変える光強度変調を行うことで光学像を形成する。

この結果得られた映像表示素子５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂ上の光学像は、合成プリズム１８０によって色合成され、投写レンズ１９０によってスクリーン２００上へと投写され、大画面映像を得ることができる。また、第１のリレーレンズ１１０、第２のリレーレンズ１１１、第３のリレーレンズ１１２は映像表示素子５０Ｒ、５０Ｇに対して映像表示素子５０Ｂの光路長が長くなっていることを補うものである。

図６は、図５に示した投射型表示装置１に、本発明の酸化マグネシウムで構成される偏光変換素子を使用した場合の温度と、一般的な透明ガラスで構成される偏光変換素子を使用した場合の温度とを実測した結果を示す図である。図６から一般的な透明ガラスに比べ、本発明の酸化マグネシウムを使用した偏光変換素子の温度が低くなっていることが分かる。この結果から、酸化マグネシウムを使用した場合には、偏光変換素子で発生した熱を速やかに外界へ伝導し、帯熱や蓄熱の局所的な集中を防止して、長期的な光学特性の維持と信頼性を確保することができる。

さらに、本実施の形態では透過型の映像表示素子を３枚用いた３板式の投射型表示装置を例にして説明したが、本発明は反射型の映像表示素子を用いた投射型表示装置に対しても同様に適応可能である。

以上に記載した本実施の形態では、酸化マグネシウムを偏光変換素子１０に適用した場合について説明したが、これに限らず、図７に示すように、酸化マグネシウムを偏光板の保持板にも適用可能である。図７に示すように、偏光板の保持板に酸化マグネシウムを適用した場合には、酸化マグネシウム基板１６１、１７１の各々に、入射側偏光板１６０及び出射側偏光板１７０を透明接着剤により接着した構成となる。実施例１及び２で述べたように、酸化マグネシウムは複屈折性が無く、且つ熱伝導性が高いので、光の偏光方向を乱すことなく、且つ偏光板で吸収した光による熱を効率よく放熱させることができる。また、冷却ファンを組み合わせて使用することにより、極めて効率よく偏光板を冷却することができる。この構成において、酸化マグネシウム基板１７１を出射側偏光板１７０の保持板のみに使用しても良い。即ち、黒表示する際には、出射側偏光板１７０で映像表示素子５０から出射された光をほとんど吸収するので、入射側偏光板１６０に対して出射側偏光板１７０は格段に熱くなる。よって、低コスト化を考慮した場合には、出射側偏光板１７０にのみ酸化マグネシウム基板１７１を保持板として使用してもよい。

本発明による第１の実施の形態である照明装置１の概略構成を示す平面図である。 本発明による第１の実施の形態である偏光変換素子１０の概略構成を示す断面図である。 本発明による第１の実施の形態である偏光変換素子１０の概略構成を示す斜視図である。 本発明による第１の実施の形態である照明装置１の偏光変換素子１０を、他の照明装置に適用した場合の図である。 本発明による第２の実施の形態である投射型表示装置に偏光変換素子を適用した場合の構成図である。 本発明による第２の実施の形態である投射型表示装置に、酸化マグネシウムで構成される偏光変換素子を使用した場合の温度と一般的な透明ガラスで構成される偏光変換素子を使用した場合の温度との比較結果を示す図である。 偏光変換素子１０に使用した酸化マグネシウムを偏光板に適用した場合の図である。

符号の説明

１０…偏光変換素子、１１…硝材部、１２…偏光分離膜、１３…反射膜、１４…λ／２位相差膜、２０…光源、２１…ランプバルブ、２２…リフレクタ、３０…インテグレーター、３１…第１のレンズアレイ、３２…第２のレンズアレイ、４０…伝達レンズ、５０…映像表示素子、５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂ…各色に対応した映像表示素子、６０…集光素子、７０…導光ロッド、８０…集光レンズ、９０…赤色光が反射し緑青色光が透過するダイクロイックミラー、９１…緑色光が反射し青色光が透過するダイクロイックミラー、１００…赤色光用全反射ミラー、１０１、１０２…青色光用全反射ミラー、１１０…第１のリレーレンズ、１１１…第２のリレーレンズ、１１２…第３のリレーレンズ、１２０…ＩＲ（赤外線）カットフィルター、１３０…ＵＶ（紫外線）カットフィルター、１４０Ｒ、１４０Ｇ…コンデンサーレンズ、１６０、１６０Ｒ、１６０Ｇ、１６０Ｂ…入射側偏光板、１６１…酸化マグネシウム基板、１７０、１７０Ｒ、１７０Ｇ、１７０Ｂ…出射側偏光板、１８０…合成プリズム、１９０…投写レンズ、２００…スクリーン。

Claims (7)

1. 光源からの光を偏光方向が異なる２種類の偏光光に分離する偏光分離面と該偏光光の何れか１種類の偏光光を反射する反射面とを有する透明部材と、該偏光光の何れか１種類の光を回転させるλ／２位相差膜とで構成される偏光変換素子であって、
   前記透明部材は酸化マグネシウムを含むことを特徴とする偏光変換素子。
2. 前記偏光変換素子の表面に、光の反射を防止する反射防止コートを施したことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
3. 前記透明部材は、波長５５０ｎｍにおける光の透過率が９５％以上であることを特徴とする請求項２に記載の偏光変換素子。
4. 光源からの光を映像表示素子に照射し、前記映像表示素子からの出射光を投写レンズでスクリーン上に投写する投射型表示装置であって、
   第１及び第２のレンズアレイで構成される均一照明光学素子と、
   請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の偏光変換素子とを有することを特徴とする投射型表示装置。
5. 前記第１及び第２のレンズアレイは各々複数枚のレンズにより構成され、
   前記偏光変換素子は、各々１個の前記偏光分離面と前記反射面と前記λ／２位相差膜とを有する偏光分離ブロック（但し、ｎは自然数であって、ｎ≧２）がｎ個で構成され、
   前記ｎは、前記第１及び第２のレンズアレイのレンズセルの枚数に対応していることを特徴とする請求項４に記載の投射型表示装置。
6. 光源からの光を映像表示素子に照射し、前記映像表示素子からの出射光を投写レンズでスクリーン上に投写する投射型表示装置であって、
   導光ロッドで構成される均一照明光学素子と、
   請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の偏光変換素子とを有することを特徴とする投射型表示装置。
7. 前記偏光分離面と前記反射面と前記λ／２位相差膜とを有する偏光分離ブロックは１個で構成され、
   前記導光ロッドからの光は、前記偏光分離面に入射することを特徴とする請求項６に記載の投射型表示装置。
   

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