JP2006215404A - 光学デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 水晶を使用した従来の水晶2枚貼り合せタイプ１／４波長板は、光源の出力波長毎（光強度が高い主波長）に１／４波長板の設計値を変更する必要があり、１／４波長板の種類が増え、製造コストが高いという問題もあった。
【解決手段】 複数の水晶板を用いず単板水晶を用いて、光源の特性に合わせて光が光学デバイスを一回通過すると位相差を９０度ずらせたポイントを複数ヶ所できる設計にすることにより、シンプルな構造で製造コストを抑え良好な光学デバイスを実現した。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水晶板を用いコントラストや光の伝達効率を改善した光学デバイスに関する。

昨今のデジタル機器による映像機器の発展に伴い、より綺麗な画像を求められてきている。光源が水銀灯を使用する液晶プロジェクタや半導体レーザを用いた光ピックアップ等に用いられる光学デバイスとして、複数の水晶板を貼り合わせて光の偏光変換を行うデバイスが使用されている。
この光学デバイスに求められる性能として、コントラストを高くすることや光の伝達効率を上げ、映像の向上を目指している。

従来より、映像表示デバイスに反射型液晶デバイス使用する映像投影装置として、例えば特公平７−３８０５０、及び特開２００３−２２２７２４に開示されているものがある。

例えば、特公平７−３８０５０によると、光源から偏光ビームスプリッタにＳ偏光が入射され、偏光ビームスプリッタに入射したＳ偏光が偏光膜面で反射され、反射型液晶デバイスに入射する。反射型液晶デバイスで光が入射反射する際に、偏光状態を変調した光がもう一度、偏光ビームスプリッタに入射され、偏光膜面でＰ偏光成分は投影レンズ方向に、S偏光成分は偏光膜面で反射され光源方向に進んでいく様子を示している。
上記の開示資料に示されている問題として、偏光ビームスプリッタに入射する光線と入射光軸とのなす角度が大きくなると、投写画像のコントラスト比が低下するという現象がある。

この問題を解決するために、偏光ビームスプリッタと反射型液晶デバイスの間に1／4波長板を挿入し、1／4波長板の進相軸または遅相軸が偏光ビームスプリッタの入射光軸と反射光軸とを含む平面に直交するよう配置している。
光線が１／４波長板を２回通過すると1／２波長板として機能し、入射光の角度が垂直入射以外の成分の偏光方向を偏光ビームスプリッタで最適の反射光を得るＳ偏光とすることが出来、コントラスト比を大幅に改善できる。

１／４波長板としては、厚みが僅かに異なるＸカットあるいはＹカットの水晶板を２枚用い、各々の光学軸が略直交するように貼り合せたタイプが使用される。また、ガラスに一軸延伸されたポリカーボネートフィルムを位相差フィルムとし貼り合せタイプなどが使用される場合もある。

特開２００３−２２２７２４によると、位相差フィルムはそれ自身の熱収縮で歪み反射型液晶表示装置において色むらが生じる問題がある。一方、水晶のよう結晶では、熱収縮による影響が殆ど生じず、色むらが生じないという特徴がある。しかし、水晶の場合、光学的異方性結晶の持つ入射光線角度に対する位相差の入射角度依存性がコントラス比の問題になることが示されている。

この課題を解決するために、特開２００３−２２２７２４では、０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である水晶2枚貼り合わせタイプ1／4波長板を反射型液晶デバイスと偏光ビームスプリッタの間に配置するようにし、コントラスト比を改善している。

特公平７−３８０５０号公報 特開２００３−２２２７２４号公報

なお出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

本発明が解決しようとする課題は、前記１／４波長板として水晶板を２枚貼り合わせたり、サファイア板やガラスにフィルムを貼り着けているが、コストが高かったり、フィルムでの貼りムラによる信頼性の低下が生じる欠点があった。
また、水晶を使用した従来の水晶2枚貼り合せタイプ１／４波長板は、光源の出力波長毎(光強度が高い主波長)に１／４波長板の設計値を変更する必要があり、１／４波長板の種類が増え、製造コストが高いという問題もあった。

本発明は、水晶を用いた光学デバイスにおいて、光源の出力波長に合わせて複数の原色のそれぞれの色に対してその光学デバイスを往復する光路で常光線と異常光線の位相差を１８０度にする単板水晶である光学デバイスである。
また上記水晶板がＸカットまたはＹカットである光学デバイスである。
また上記水晶板の厚みが０．２〜０．２５ｍｍである光学デバイスである。
さらに複数の原色が光の３原色である光学デバイスである。

本発明によって、液晶プロジェクタや複数の半導体レーザを用いた光ピックアップなど光学製品におけるコントラスト比を従来に比べ上げることや光の伝達効率を高めることができるようになった。これは光の光源の特性に合わせて水晶を用いた光学デバイスがその特性を合わせられるために実現できた。

光の３原色である赤、緑、青のそれぞれの波長の光が単板水晶を用いた光学デバイスを通過することにより常光線と異常光線の位相差が９０度となり、さらに光が反射型液晶デバイスや光ディスクなどで反射して、単板水晶を用いた光学デバイスを通過すると常光線と異常光線の位相差が１８０度となるため、複数の水晶2枚貼り合わせタイプ１／４波長板を用意しなくても一種類の単板水晶を用いた光学デバイスで対応可能となった。
これにより液晶プロジェクタのコントラスト比を上げることができるようになった。また光ピックアップでは、光の伝達効率を上げることができた。

本発明は、光源の特性に合わせて光が光学デバイスを一回通過すると位相差を９０度ずらせたポイントを複数ヶ所できる設計にすることにより、液晶プロジェクタに使用した場合には画像のコントラスト比を高めることができ、鮮明な画像となる。水晶の切断方位はＸカット又はＹカットを用い、板厚０．２から０．２５mmで単板水晶が最適な波長板となる。

以下、実施例を説明する。
図１は、本発明の単板水晶板に光を片道通過(一回通過)させたときの位相差と波長を示す関係のグラフである。ＸカットまたはＹカットの水晶単板を厚み０．２２５ｍｍにし、このときの光が通過して片道での位相差が各波長によって図１のように変化する。この水晶単板の場合、４００〜７００ｎｍの波長の間に５ヶ所で９０度位相差のポイントを通っている。

この単板水晶板に光を往復させれば１８０度の位相差を生じさせることができる。
これを例えば液晶プロジェクタにおいて、光源に高圧水銀ランプを使用したときの例を示す。図２は、光源に使用される高圧水銀ランプの波長特性を示している。青色である４５０ｎｍ付近と、緑色の５５０ｎｍ付近とにピークがある。

図１と図２とを比べると、本発明の単板水晶板では波長が約４５０ｎｍ付近、すなわち光源の青色のピーク付近で位相差９０度の特性が一致している。また図１で波長５５０ｎｍ付近に位相差が９０度の特性があり、図２の光源の緑色のピークとほぼ一致している。
さらに赤色の場合にはピークはないが、図１では６３０ｎｍの赤色の範囲で位相差９０度を通っている。

本発明の波長板は、このような高圧水銀ランプで、常光線と異常光線の位相差を１８０度にするため、９０度の位相差をつくる波長板を２回通す（往復する）ことにより、実現することができる。
図１の波長板では、５ヶ所の波長のポイントで９０度の位相差をつくれるので、往復で１８０度の位相差にできる。すなわち１／２波長板として機能する。
その結果、液晶プロジェクタのコントラスト比を上げることができた。

本発明の単板水晶板は一種類で各出力波長に対して効果を示すものであるため、たとえば３板式の反射型プロジェクタに使用する場合、同じ単板水晶板を３枚使用すればよい。したがって、従来のように出力波長毎に設計・製作された１／４波長板のように光学エンジンへの挿入場所を気にする必要はなくなり、工数の削減を図れた。また、本発明は単板水晶板であるため、従来の2枚貼り合わせと比較すると製造コストを大幅に下げることが出来た。

本発明は、光学機器例えば液晶プロジェクタや光ピックアップ用の光学デバイスとして利用できる。

図１は、本発明の水晶単板を通過する光の波長に対する位相差を示すグラフである。 図２は、液晶プロジェクタに使用される高圧水銀ランプの光の波長特性を示すグラフである。

Claims (4)

1. 水晶を用いた光学デバイスにおいて、
   光源の出力波長に合わせて複数の原色のそれぞれの色に対して該光学デバイスを往復する光路で常光線と異常光線の位相差を１８０度にする単板水晶であることを特徴とする光学デバイス。
2. 請求項１において、水晶板がＸカットまたはＹカットであることを特徴とする光学デバイス。
3. 請求項１において、水晶板の厚みが０．２〜０．２５ｍｍであることを特徴とする光学デバイス。
4. 請求項１において、複数の原色が光の３原色であることを特徴とする特徴とする光学デバイス。

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