JP2006003384A - 偏光ビームスプリッタ、及び液晶プロジェクタ装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】
柱状体の側面として、光の入射面又は出射面となる第1、第2の端面と、対向面とを有する第1、第2のガラスプリズムと、ガラス基板の一方の面に金属格子が形成されて成るワイヤグリッド偏光分離素子とを有し、ワイヤグリッド偏光分離素子は金属格子が形成されていない方の面が、第1のガラスプリズムの対向面に固着される。そして第2のガラスプリズムは、その対向面が、空気層を形成する状態で、ワイヤグリッド偏光分離素子が固着された第1のガラスプリズムの上記対向面に対向するように配置されるようにする。即ち金属格子側は第2のガラスプリズム側に接触しないようにされる。
【選択図】 図1
Description
図12(a)に反射型液晶プロジェクタ装置の基本光学系を示す。
光源(放電ランプ)102から出射される光は、反射鏡106により集光され、略平行光の光束とされる。そして照明光学系103、及び偏光分離素子としての偏光ビームスプリッタ101を介して反射型液晶パネル104に集光照明する。
反射型液晶パネル104の前に配置される偏光ビームスプリッタ101は、図12(b)に示すようにS偏光(偏光ビームスプリッタの偏光分離面に対して)を反射し、P偏光を透過させる。従って図12(a)の場合、P偏光成分が反射型液晶パネル104に入射することになる。
このパネル出射光は、映像信号Svに応じた光学像とされるが、再度偏光ビームスプリッタ101に入射する。反射型液晶パネル104により、偏光の振動方向が回転されたS偏光(偏光ビームスプリッタの偏光分離面に対して)のみが、偏光ビームスプリッタ104の偏光分離面で反射し、投影レンズ105に向かう。
投影レンズ105は、反射型液晶パネル104で形成される光学像を投影出力する。これにより映像が投影表示される。
ところがこのような、ガラスプリズムを用いた偏光ビームスプリッタは、偏光分離特性(P偏光とS偏光の透過・もしくは反射の消光比)よくするには、Fナンバの大きな光、つまり平行光に近い光を入射させる必要がある。
そこで、偏光分離特性を向上させる提案が各種なされているが、その内の1つとして、上記特許文献1に記載されているように、ワイヤーグリッドを用いた偏光分離素子を三角柱ガラスプリズムで挟む構造のものがある。
ワイヤーグリッド偏光分離素子4は、ガラス基板4bの一方の面4a(金属格子構造面4a)に、アルミニウムなどの金属で平行な縞状の金属格子4cを形成したものである。
図示するように、金属格子4cを形成する個々の金属ストライプの幅をw、高さをhとし、また格子の形成周期(ピッチ)をpとしたとき、入射光の波長に対して約1/5以下の十分小さい周期pで金属格子4cを形成すると、周期方向と垂直に振動する電界成分の光は反射し、また平行に振動する電界成分の光は透過し、ほとんど光吸収がなく、効率よく偏光分離することができる。
このため図11(c)に示すように、自然光が或る入射角で入射したとき、反射する光はワイヤーグリッド偏光分離素子4の入射面に対してS偏光、透過する光は上記入射面に対してP偏光となる。
このようなワイヤグリッド偏光分離素子4は、偏光分離特性がよく、また入射角に対すして分光透過率の変化が小さいという利点を有することが知られている。
上記特許文献1に記載された偏光分離素子は、三角柱のガラスプリズムに、ワイヤグリッド偏光分離素子を挟み込むことで、偏光分離特性のよい偏光ビームスプリッタを構成することが記載されている。
まず、所期の偏光分離性能を出すことが困難であることが挙げられる。
上記特許文献1の記載によれば、ワイヤグリッド偏光分離素子を三角柱プリズムに接着して挟み込むことで、一体化するとされる。ところがワイヤグリッド偏光分離素子は、上記のように微小な金属で平行に縞状の金属格子4cを形成したものである。金属格子4cの高さは、100〜200nm程度で、金属格子4cの幅は50〜100nm程度である。
このような金属格子が形成された面に三角柱プリズムを接着すると、接着剤により、格子が破壊されてしまい、所望する偏光分離性能が発揮されないことが多い。
また上記第1、第2のガラスプリズムは、その柱状体の上面と下面が固定プレートに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置される構造を実現する。
或いは、上記第1、第2のガラスプリズムは、上記対向面の端部もしくは上記対向面に固着された上記ワイヤグリッド偏光分離素子の端部がスペーサに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置される構造を実現する。
また、ガラス基板の一方の面に金属格子が形成されて成る第2のワイヤグリッド偏光分離素子をさらに備え、上記第2のワイヤグリッド偏光分離素子は、上記ガラス基板の上記金属格子が形成されていない方の面が、上記第2のガラスプリズムの上記対向面に固着される。
また、上記所定の光経路として、上記光源からの白色光を、R光、G光、B光に分離する分離光学手段を備える。上記反射型液晶パネルとして、R、G、B各色の映像信号に応じて光学像を形成する第1,第2,第3の反射型液晶パネルを備える。上記偏光ビームスプリッタとして、上記分離光学手段で分離されたR光、G光、B光、及び上記第1,第2,第3の反射型液晶パネルにそれぞれ対応する第1,第2,第3の偏光ビームスプリッタを備える。さらに、上記第1,第2,第3の反射型液晶パネルで反射され、上記第1,第2,第3の偏光ビームスプリッタで偏光分離されたR、G、B各色の光を合成して上記投影レンズに導く光合成手段とを備えることでカラー表示を行う液晶プロジェクタ装置を構成する。
これらの液晶プロジェクタ装置において、偏光ビームスプリッタは、上記第1、第2のガラスプリズムが、その柱状体の上面と下面が固定プレートに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置される。
或いは、上記偏光ビームスプリッタにおける上記第1、第2のガラスプリズムは、上記対向面の端部もしくは上記対向面に固着された上記ワイヤグリッド偏光分離素子の端部がスペーサに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置される。
また上記偏光ビームスプリッタは、ガラス基板の一方の面に金属格子が形成されて成る第2のワイヤグリッド偏光分離素子をさらに備え、上記第2のワイヤグリッド偏光分離素子は、上記ガラス基板の上記金属格子が形成されていない方の面が、上記第2のガラスプリズムの上記対向面に固着される。
さらには、金属格子面側は屈折率が1である空気層となることから、ワイヤグリッド偏光分離素子としての本来の偏光分離性能を発揮できることになる。
以上のことから高性能の偏光ビームスプリッタを実現できる。
また、第1、第2のガラスプリズムの対向面の両方にワイヤグリッド偏光分離素子を固着すること、つまり2つのワイヤグリッド偏光分離素子を用いることで、偏光分離特性をより向上させることができる。
まず、図1,図2で実施の形態の偏光ビームスプリッタの基本構成を説明する。
図1(a)(b)に示すように、本例の偏光ビームスプリッタ1は、三角柱形状のガラスプリズム2,3と、ワイヤグリッド偏光分離素子4を有して成る。
ガラスプリズム2は、その三角柱形状として3つの側面2a,2b,2cを有するが、側面2a,2bは光学経路上に偏光ビームスプリッタ1が配置された際に入射面又は出射面となる面である。側面2cは、他方のガラスプリズム3に対向する対向面となる。
ガラスプリズム3も同様に、その三角柱形状として3つの側面3a,3b,3cを有するが、側面3a,3bは光学経路上に偏光ビームスプリッタ1が配置された際に入射面又は出射面となり、側面3cは、ガラスプリズム2に対向する対向面となる。
以下、説明上、側面2a,2b,3a,3bは、形成される光路に応じて入射面又は出射面と呼び、側面2c、3cは対向面と呼ぶ。
このとき、ワイヤグリッド偏光分離素子4のガラス基板4bは、接着剤によりガラスプリズム2の対向面2cに接着固定される。
一方、ワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aは、他方のガラスプリズム3の対向面3cに対して、エアギャップ(空気層)6を介して対向する状態となる。つまり金属格子構造面4a側は接着されない。
図2(a)に示すように、ガラスプリズム2の入射面2aから光が入射されるとする。入射光はP偏光とS偏光を有する。
入射光はまず、ガラスプリズム2に入射し、次に、ガラスプリズム2とワイヤグリッド偏光分離素子4の接着面に入射する。次に、ワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aに光が入射するが、金属格子構造面4aに対してS偏光は反射し、P偏光は透過する。
その後図2(b)に示すように、S偏光は、再びガラスプリズム2に入り、出射面2bより出射される。一方P偏光は、エアギャップ6に入射した後、他方のガラスプリズム3に入る。そしてガラスプリズム3に入射後、これを透過し、出射面3aより出射される。
図3は固定プレート7を用いる例である。
図のように、ガラスプリズム2、3の上面及び下面を固定プレート7、7で接着固定される。このように固定プレート7、7でガラスプリズム2、3を固定することで、上記のようにエアギャップ6を形成した偏光ビームスプリッタ1を実現できる。固定プレート7のサイズや形状は限定されず、ガラスプリズム2,3の上面及び下面を固定できるものであればよい。
図のように、ガラスプリズム2の対向面2c上に接着されたワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aの端部と、ガラスプリズム3の対向面3cの端部とを、スペーサ8、8を介在させる状態で接着固定する。もちろんスペーサ8を接着する端部とは、金属格子構造面4a上で光が入射しない部位とする。
スペーサ8は対向面3cに対して、その面の4辺上で囲むように形成しても良いし、少なくとも2辺に設けられても良い。
なお、図4のようにスペーサ8を用いた上で、さらにガラスプリズム2,3の上面及び下面を固定プレート7で固定するという構造であってもよい。
上記図1〜図4で説明した偏光ビームスプリッタ1は、ワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aへの入射角度が45度となる構造例で説明していたが、図5に示すように入射角度が45度から外れる構造も考えられる。
図5(a)は、入射角θが45度より大きくなる構造例、図5(b)は入射角θが45度より小さくなる構造例をそれぞれ示している。
即ちガラスプリズム2,3としての三角柱の断面形状は任意であり、必要な光路や入射角を形成するために所要の形状とされればよい。
なお、ワイヤグリッド偏光分離素子4は、入射角度に対してP/S分光分離特性が殆ど変化しないという特性を有するため、偏光ビームスプリッタ1に要求される入射光路、出射光路に応じてガラスプリズム2,3の形状を決めても、分離特性が悪化することはない。
即ち図6(a)に示すように、ガラスプリズム2の対向面2cにワイヤグリッド偏光分離素子4が接着されるとともに、ガラスプリズム3の対向面3cにもワイヤグリッド偏光分離素子4が接着される。そして、相対するワイヤグリッド偏光分離素子4、4の間(金属格子構造面4a,4a間)は、エアギャップ6が形成される。
このとき、各ワイヤグリッド偏光分離素子4、4の金属格子4cの溝方向は同じとする。
なお、この図6(a)のような配置の偏光ビームスプリッタ1も、図3のように固定プレート7を利用したり、図4のようにスペーサ8を利用することで実現できる。
つまり2つのワイヤグリッド偏光分離素子4、4で偏光選択を2回行うことにより、偏光分離特性を向上させることができる。
偏光ビームスプリッタ1に用いるワイヤグリッド偏光分離素子4は,金属格子4cの周期を120nm以下,金属格子4cの高さを180nm程度とすることが望ましい。
また、ガラスプリズム2,3は、必ずしも三角柱プリズムである必要はない。もちろん、三角柱であっても面取りがなされることで、正確に三角柱でなくなる場合もあるし、或いは4角柱以上の多角柱形状とされる場合も考えられる。あくまでも、偏光ビームスプリッタ1に求められる偏光光路形成に求められる形状とされればよい。
またガラスプリズム2,3は、部材ガラスの光弾性係数が0.5×10-8[cm2/N]以下であると、ガラスの複屈折の影響を受けない。
またガラスプリズム2,3の入射面/出射面(2a,2b,3a,3b)に界面反射を減少させるためのコーティングを施すことなども考えられる。
続いて、上述してきた偏光ビームスプリッタ1を用いた反射型液晶プロジェクタ装置の光学系の構成例を説明していく。
光源(放電ランプ)10から出射される光は、反射鏡11により集光され、略平行光の光束とされる。そして照明光学系12を介して偏光ビームスプリッタ1の入射面3aに入射される。そして入射面3aから偏光ビームスプリッタ1のガラスプリズム3に入射した光は、対向面3cからエアギャップ6に達し、その後ワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aで偏光分離されることで、P偏光のみがガラスプリズム2側に入射する。そして、そのP偏光は、出射面2aから出射され、反射型液晶パネル13に集光照明する。
反射型液晶パネル13には映像信号Svが印加される。印加される映像信号Svに従い、反射型液晶パネル13は、内部の液晶に電界を印加する。液晶分子の配列は、印加電界により変化する。この液晶分子の配列により、旋光性のため、入射光は偏光回転して出射される。
このパネル出射光のS偏光は、映像信号Svに応じた光学像とされるが、再度偏光ビームスプリッタ1に入射面2aから入射する。そしてガラスプリズム2を通過してワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aに達し、ここでS偏光のみが反射されて出射面2bから投影レンズ14に向かう。
投影レンズ14は、反射型液晶パネル13で形成された光学像を投影出力する。これにより映像が拡大投影表示される。
光源10から出射される光は、反射鏡11により集光され、略平行光の光束とされ、照明光学系12を介して偏光ビームスプリッタ1の入射面2aに入射される。
そして入射面2aから偏光ビームスプリッタ1のガラスプリズム2に入射した光は、ワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aで偏光分離されることで、P偏光はそのままエアギャップ6を通ってガラスプリズム3側に達し、一方S偏光は反射されて出射面2bから出射され、反射型液晶パネル13に集光照明する。
映像信号Svが印加されている反射型液晶パネル13で偏光回転して出射されたパネル出射光は、再度偏光ビームスプリッタ1に入射面2bから入射する。そしてガラスプリズム2を通過してワイヤグリッド偏光分離素子4の金属格子構造面4aに達し、ここでP偏光のみが透過されて投影レンズ14に向かう。投影レンズ14は、反射型液晶パネル13で形成された光学像を投影出力する。これにより映像が拡大投影表示される。
偏光ビームスプリッタ1R、1G、1Bは、上記図7,図8の偏光ビームスプリッタ1と同様の構成としている。
また、液晶パネル13R、13G、13Bには、それぞれR信号、G信号、B信号としての映像信号が供給されている。
R光及びG光は、次にダイクロイックミラー17に達し、R光が透過されG光が反射される。
ダイクロイックミラー16,17でRGBの三原色に分解されたそれぞれの光は、各偏光ビームスプリッタ1R、1G、1Bに入射する。
また偏光ビームスプリッタ1R、1G、1Bの金属格子構造面4aに対してのP偏光が入射する位置に、反射型液晶パネル13R、13G、13Bが設置されている。つまり反射型液晶パネル13R、13G、13BにはP偏光が入射する配置状態とされる。
ダイクロイックミラー17で反射されたG光は、偏光ビームスプリッタ1Gにおいて偏光分離され、P偏光のみが透過されて反射型液晶パネル13Gに入射される。そして反射型液晶パネル13GはG映像信号の印加によって、入射光を変調出射させるが、そのパネル出射光は偏光ビームスプリッタ1GでS偏光が選択されて色合成プリズム15に入射される。
ダイクロイックミラー16を透過したB光は、ミラー18で反射された後、偏光ビームスプリッタ1Bにおいて偏光分離され、P偏光のみが透過されて反射型液晶パネル13Bに入射される。そして反射型液晶パネル13BはB映像信号の印加によって、入射光を変調出射させるが、そのパネル出射光は偏光ビームスプリッタ1BでS偏光が選択されて色合成プリズム15に入射される。
ダイクロイックミラー16,17でRGBの三原色に分解されたそれぞれの光は、各偏光ビームスプリッタ1R、1G、1Bに入射するが、この場合、偏光ビームスプリッタ1R、1G、1Bの金属格子構造面4aに対してのS偏光が入射する位置に、反射型液晶パネル13R、13G、13Bが設置されている。
ダイクロイックミラー17で反射されたG光は、偏光ビームスプリッタ1Gにおいて偏光分離され、S偏光のみが反射されて反射型液晶パネル13Gに入射される。そして反射型液晶パネル13GはG映像信号の印加によって、入射光を変調出射させるが、そのパネル出射光は偏光ビームスプリッタ1GでP偏光が選択されて色合成プリズム15に入射される。
ダイクロイックミラー16を透過したB光は、ミラー18で反射された後、偏光ビームスプリッタ1Bにおいて偏光分離され、S偏光のみが反射されて反射型液晶パネル13Bに入射される。そして反射型液晶パネル13BはB映像信号の印加によって、入射光を変調出射させるが、そのパネル出射光は偏光ビームスプリッタ1BでP偏光が選択されて色合成プリズム15に入射される。
色合成プリズム15においては、入射されたR、G、B各光が合成され、同方向に出射される。そして投影レンズ14によって、カラー映像として拡大投影される。
また、この図10の構成では、反射型液晶パネルの配置位置、特に反射型液晶パネル13Rと13Bの配置位置が、投影レンズ14から離せるので、光学系の構成に余裕がある利点を有する。
一般に、投影レンズ14から液晶パネル13までの距離をバックフォーカスといい、このバックフォーカスが短いほど小型の投影レンズを使用できるため小型化やコストダウンに有利である。上記図9の構成の場合においてバックフォーカスを短くするには、反射型液晶パネル13R、13Bを投影レンズ14になるべく近い位置に配置したいが、実際の光学系アライメント上、位置的に困難になる場合がある。これに対して図10のような構成によれば、反射型液晶パネル13R、13Bは投影レンズ14との位置関係でアライメントが困難になることはないものである。
また、ワイヤグリッド偏光分離素子4は波長選択性がないという特徴も備えるため、R光、G光、B光に対応する偏光ビームスプリッタ1R、1G、1Bとしては共通の偏光ビームスプリッタ素子を利用でき、それにより製造効率やコストダウンなどにも都合が良い。
なお、液晶プロジェクタ装置で用いる偏光ビームスプリッタ1、1R、1G、1Bとしては、その光学系の設計に応じて、図1〜図6で説明した各種構成例のものを採用できる。
Claims (9)
- 柱状体の側面として、光の入射面又は出射面となる第1、第2の端面と、対向面とを有する第1のガラスプリズムと、
柱状体の側面として、光の入射面又は出射面となる第1、第2の端面と、対向面とを有する第2のガラスプリズムと、
ガラス基板の一方の面に金属格子が形成されて成るワイヤグリッド偏光分離素子と、
を有し、
上記ワイヤグリッド偏光分離素子は、上記ガラス基板の上記金属格子が形成されていない方の面が、上記第1のガラスプリズムの上記対向面に固着され、
上記第2のガラスプリズムは、その対向面が、空気層を形成する状態で、上記ワイヤグリッド偏光分離素子が固着された上記第1のガラスプリズムの上記対向面に対向するように配置されて成ることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。 - 上記第1、第2のガラスプリズムは、その柱状体の上面と下面が固定プレートに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置されることを特徴とする請求項1に記載の偏光ビームスプリッタ。
- 上記第1、第2のガラスプリズムは、上記対向面の端部もしくは上記対向面に固着された上記ワイヤグリッド偏光分離素子の端部がスペーサに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置されることを特徴とする請求項1に記載の偏光ビームスプリッタ。
- ガラス基板の一方の面に金属格子が形成されて成る第2のワイヤグリッド偏光分離素子をさらに備え、
上記第2のワイヤグリッド偏光分離素子は、上記ガラス基板の上記金属格子が形成されていない方の面が、上記第2のガラスプリズムの上記対向面に固着されることを特徴とする請求項1に記載の偏光ビームスプリッタ。 - 光源と、
映像信号に応じて光学像を形成する反射型液晶パネルと、
投影レンズと、
上記光源から所定の光経路で導かれた光を偏光分離して上記反射型液晶素子に導き、また上記反射型液晶素子で反射された光を偏光分離して上記投影レンズ側に導く偏光ビームスプリッタと、
を備え、
上記偏光ビームスプリッタは、
柱状体の側面として、光の入射面又は出射面となる第1、第2の端面と、対向面とを有する第1のガラスプリズムと、
柱状体の側面として、光の入射面又は出射面となる第1、第2の端面と、対向面とを有する第2のガラスプリズムと、
ガラス基板の一方の面に金属格子が形成されて成るワイヤグリッド偏光分離素子とを有し、
上記ワイヤグリッド偏光分離素子は、上記ガラス基板の上記金属格子が形成されていない方の面が、上記第1のガラスプリズムの上記対向面に固着され、
上記第2のガラスプリズムは、その対向面が、空気層を形成する状態で、上記ワイヤグリッド偏光分離素子が固着された上記第1のガラスプリズムの上記対向面に対向するように配置されて成ることを特徴とする液晶プロジェクタ装置。 - 上記所定の光経路として、上記光源からの白色光を、R光、G光、B光に分離する分離光学手段を備え、
上記反射型液晶パネルとして、R、G、B各色の映像信号に応じて光学像を形成する第1,第2,第3の反射型液晶パネルを備え、
上記偏光ビームスプリッタとして、上記分離光学手段で分離されたR光、G光、B光、及び上記第1,第2,第3の反射型液晶パネルにそれぞれ対応する第1,第2,第3の偏光ビームスプリッタを備え、
さらに、上記第1,第2,第3の反射型液晶パネルで反射され、上記第1,第2,第3の偏光ビームスプリッタで偏光分離されたR、G、B各色の光を合成して上記投影レンズに導く光合成手段とを備えたことを特徴とする請求項5に記載の液晶プロジェクタ装置。 - 上記偏光ビームスプリッタにおける上記第1、第2のガラスプリズムは、その柱状体の上面と下面が固定プレートに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置されることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の液晶プロジェクタ装置。
- 上記偏光ビームスプリッタにおける上記第1、第2のガラスプリズムは、上記対向面の端部もしくは上記対向面に固着された上記ワイヤグリッド偏光分離素子の端部がスペーサに固着されることで、上記対向面どうしが上記空気層を形成しながら固定配置されることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の液晶プロジェクタ装置。
- 上記偏光ビームスプリッタは、ガラス基板の一方の面に金属格子が形成されて成る第2のワイヤグリッド偏光分離素子をさらに備え、
上記第2のワイヤグリッド偏光分離素子は、上記ガラス基板の上記金属格子が形成されていない方の面が、上記第2のガラスプリズムの上記対向面に固着されることを特徴とする請求項5又は請求項6に記載の液晶プロジェクタ装置。
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