JP2006309174A - 投影型画像表示装置、および偏光性回折格子の作製方法 - Google Patents

Abstract

【課題】フルカラーの投影型画像表示装置として、３色対応の反射型液晶表示素子を用いるに当たって、色の数だけ偏光プリズムを用いていた。偏光プリズムは偏向反射面が光束の入出射面に対して４５°傾いている必要がある。そのほかに、３色を合成するためにクロスダイクロイックプリズムを用いる必要がある。そのため、装置が大型化することが避けられなかった。
【解決手段】従来偏光プリズムを用いていた３箇所の位置に、それぞれ偏光性回折格子プレート４、５、６を用いる。光源１から出た光束は、ダイクロイックミラー３によって色分解され、赤色光は偏光性回折格子プレート４に４５°以上の角度で入射し、入射光に対し９０°の角度になるように回折する。他の色の光束に関しても同様である。したがって、偏光性回折格子プレートは、見かけ上の厚さを小さくすることができる。
【選択図】図３

Description

本発明は、液晶プロジェクタのような投影型画像表示装置における偏光分離素子に関する。

図１１は従来の技術を説明するための図である。
同図において符号１０１は光源、１０２は放物面鏡、１０３はダイクロイックミラー、１０４、１０５、１０６はそれぞれ第１、第２、第３の偏光プリズム、１０７は反射ミラー、１０８、１０９、１１０はそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ用反射型液晶表示素子、１１１、１１２は偏光フィルタ、１１３はクロスダイクロイックプリズム、１１４は投影レンズをそれぞれ示す。
フルカラーの投影型画像表示装置として同図に示すような構成が知られている（例えば、特許文献１ 参照。）。この構成では画像表示素子として反射型液晶表示素子を用いている。
メタルハライドランプ、キセノンランプのような光源１０１から出射した光束は放物面鏡１０２で略平行光になってダイクロイックミラー１０３に入射する。ダイクロイックミラー１０３は光源からの白色光のうち、赤の波長帯の光を透過させ、緑、青の波長帯域の光を反射する特性を持っている。
ダイクロイックミラー１０３を透過した赤の光は第１の偏光プリズム１０４に入射し、Ｓ偏光の赤色光のみ反射してＲ用反射型液晶表示素子１０８に入射する。一方、ダイクロイックミラー１０３で反射された緑、青の波長帯域の光は、青の波長帯域の光を透過し、かつ緑のＳ偏光を反射、緑のＰ偏光を透過する第２の偏光プリズム１０５（以下、可視光の中で、ある特定の波長帯域に対してのみ偏光分離機能を有する素子を狭帯域偏光分離素子と記す。）に入射し、緑のＳ偏光をＧ用反射型液晶表示素子１０９の方向に反射させる。狭帯域偏光分離素子としての第２の偏光プリズム１０５を透過した青の光は反射ミラー１０７で反射された後、第３の偏光プリズム１０６に入射し、青の光のＳ偏光成分のみＢ用反射型液晶表示素子１１０の方向に反射させる。
以上の偏光プリズム、狭帯域反射プリズムは反射面が誘電体多層膜で作成された偏光ビームスプリッタなどを用いることができる。

これらＲ、Ｇ、Ｂ用反射型液晶表示素子に入射した光は、画像信号に合わせて偏光方向が変調された後、偏光プリズム１０４、１０６および狭帯域偏光プリズム１０５に再度入射し、偏光方向が変調された光のみそれぞれの偏光プリズムを透過して、色合成用のクロスダイクロイックプリズム１１３によって３色合成され、投影レンズに入射する。
このとき、各偏光プリズムを透過したＲ、Ｇ、Ｂ用反射型液晶表示素子からの反射光はP偏光である。一方クロスダイクロイックプリズム１１３はＳ偏光に対して分光特性が最適化されているため、クロスダイクロイックプリズム１１３の入射面に貼り合せた１／２波長板（図示せず）により偏光方向を９０°回転させ、Ｓ偏光としてクロスダイクロイックプリズムに入射させる。
色合成用のクロスダイクロイックプリズムによって３色合成された光は投影レンズにより図示しない表示スクリーン面に拡大表示される。
また同図では必要に応じ、コントラスト比の向上とゴースト防止のために第１〜第３の偏光分離プリズムの前後に偏光フィルタ１１１、１１２を配置することもある。入射側の偏光フィルタ１１１はＳ偏光の光のみ透過し、出射側の偏光フィルタ１１２はＰ偏光のみ透過するように設定される。

偏光プリズムを用いず、偏光選択性回折光学素子を用いたフルカラーの投影型画像表示装置の提案がある（例えば、特許文献２ 参照。）。この例では、光源から出た光束は、偏光選択性回折光学素子の面に垂直に入射し、Ｓ変更はそのまま透過し、Ｐ偏光は面に対して所定の角度回折されて、他の偏光選択性回折光学素子の面に同じ所定の角度で入射する。両偏光選択性回折光学素子は同じ特性をもつように構成されているので、Ｓ偏光はそのまま直進して光学系の外へ出、Ｐ偏光は面に垂直に偏向され、クロスダイクロイックプリズムに入射する。光束はここで３色に分解され、それぞれの色に対応する反射形空間変調素子に入射し、偏光方向を変調されて反射され再びクロスダイクロイックプリズムを通ることによって色合成される。合成された光束は再び偏光選択性回折光学素子に入射し、変調を受けなかったＰ偏光成分は光源側の偏光選択性回折光学素子方向に回折し、投影光学系の外に出る。偏光を受けた成分はＳ偏光になっているためそのまま透過して投影レンズに至り、スクリーン上に拡大投影される。

この構成では、投影光学系の光軸に対してＰ偏光を大きな角度で入射させなければならず、光束のけられを防ぐためには大きな空間が必要となり、装置が大型化する。
また、偏光分離を単一の偏光選択性回折光学素子で行っているので、可視光全域（３原色をすべて含む光、すなわち白色光）に対して高い偏光選択性を維持しなければならない。実際には、一部の波長域において所望の回折が得られず、透過光すなわち光量損失となる。しかも同一特性の偏光選択性回折光学素子を２個、直列的に用いるので、その損失による波長のひずみはさらに強調される。
クロスダイクロイックプリズムではＰ偏光、Ｓ偏光ともに良好な波長特性をもたせることが難しいため、このように１つのクロスダイクロイックプリズムで、Ｐ偏光とＳ偏光の双方に関して分光と色合成を行うと、表示された画像の色再現が劣化すると言う問題が生ずる。

特許第３４９１８０９号公報 特開２００３−２７０４１９号公報

上記反射型液晶表示素子の色分離、合成光学系には４５°の反射面をもつ偏光プリズム３つとクロスダイクロイックプリズム１つの合計４つのプリズムを用いることになる。このため立方体状のプリズム４個を配置する容積が必要で、色分離、合成光学系が大きくなる。
本発明はそのような問題を解決するため、反射型液晶表示素子を用いた３色分離、合成光学系の偏光プリズムを薄型化して全体を小型化、コンパクト化することを目的とする。
また光量ロスの少ない高効率で、色再現の良好な投影型画像表示装置を提供する。

請求項１に記載の発明では、光源と、該光源からの光を偏光方向によって透過または回折させて偏光分離する偏光分離素子と、該偏光分離素子からの偏光を受けて画像信号に合わせて前記偏光を変調する反射型画像表示素子と、該反射型画像表示素子を投影する投影手段とを備えた投影型画像表示装置において、前記偏光分離素子として偏光性回折格子を用いたことを特徴とする。

請求項２に記載の発明では、光源と、該光源からの光を複数の波長帯域に色分離し、各波長帯域の光を偏光方向によって透過または回折させて偏光分離する複数の偏光分離素子と、該偏光分離素子からの各波長帯域の偏光を受けて画像信号に合わせて前記偏光を変調する反射型画像表示素子と、該反射型画像表示素子により変調された光を合成する色合成素子と、合成された光を投影する投影手段とを備えた投影型画像表示装置において、前記偏光分離素子として偏光性回折格子を用いたことを特徴とする。
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の投影型画像表示装置において、少なくとも１つの前記偏光性回折格子の回折面が、対応する前記反射型画像表示素子表示面とは所定の角度θをもって配置され、前記偏光性回折格子からの回折光を前記反射型画像表示素子に入射させることを特徴とする。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の投影型画像表示装置において、前記所定の角度θが０°以上４５°未満であることを特徴とする。
請求項５に記載の発明では、請求項４に記載の投影型画像表示装置において、前記光源からの光の、前記偏光性回折格子への入射角が４５°以上、９０°未満であり、回折光の回折角が０°を超え４５°以下の範囲にあることを特徴とする。
請求項６に記載の発明では、請求項５に記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子への入射光の入射角と回折角の和が９０°であることを特徴とする。

請求項７に記載の発明では、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子が体積位相型偏光性回折格子であり、偏光分離にブラッグ回折を利用していることを特徴とする。
請求項８に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子が平面状のプレートで構成されていることを特徴とする。
請求項９に記載の発明では、請求項１ないし７のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子が直方体状のプリズムで構成されていることを特徴とする。

請求項１０に記載の発明では、請求項１ないし９のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子として、少なくとも誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合組成物を一対の透明基板間に保持し、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したポリマー分散液晶型の偏光性回折格子を用いたことを特徴とする。
請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の投影型画像表示装置に用いる前記偏光性回折格子の作製方法であって、回折格子原版に記録用照射光を入射させて回折格子原版から発生する０次光と＋１次回折光により二光束干渉露光を行う偏光性回折格子の作製方法を特徴とする。

本発明の偏光性回折格子を用いる偏光分離素子によれば、従来の方式に比べ、生産性が高く、低コストで作成ができる。
偏光性回折格子は回折、透過を基本としているので、入射角、回折角、格子傾き角の設定により従来法を凌ぐ素子の薄型化が可能となり、またこれら薄型偏光分離素子を用いた色分離、合成光学系を大幅に小型コンパクト化することができる。
偏光性回折格子が体積位相型偏光性回折格子であって偏光分離にブラッグ回折を利用していることにより、サブミクロンピッチの格子で４５°以上の斜入射角においても高回折効率が得られ、高効率な偏光分離が可能となる。
偏光性回折格子をプレート状として反射型画像表示素子と非平行に配置することにより、低コストな偏光分離素子を提供できる。
偏光性回折格子をプリズム状とすることにより、投影レンズ結像光路中に斜めに配置された平行平板が存在せず、非点収差の発生がおきずに高分解能の投影表示が可能となる。
サブミクロンピッチの格子で４５°以上の斜入射角においても高回折効率が得られ、かつＰ偏光とＳ偏光の分離比を数百以上に高くでき、高コントラストな投影表示が可能となる。

図１は本発明の基本原理を説明するための図である。同図（ａ）は透過型回折格子を用いる例、同図（ｂ）は反射型回折格子を用いる例をそれぞれ示す図である。
同図において符号ＰＤは偏光回折格子、ＲＬＣＤは反射型液晶表示素子、θは反射型液晶表示素子に対する偏光性回折格子の傾斜角、θｉｎは光源からの光束の偏光性回折格子に対する入射角、θｄは偏光性回折格子からの回折角をそれぞれ示す。
本発明では反射型液晶表示素子を用いた３色分離、合成光学系の偏光分離素子として偏光性回折格子を用いる。偏光性回折格子とは回折格子の回折特性が入射偏光方向により異なるものをいう。例えば入射光がＰ偏光のときは回折し、Ｓ偏光のときは透過するような回折特性を持つ回折格子である。これとは逆に入射Ｓ偏光は回折し、Ｐ偏光は透過するような特性も同様に偏光性回折格子という。また、回折光が透過光として出射するものと、反射光として出射するものとがある。便宜上前者を透過型、後者を反射型と呼ぶ。どちらを用いても、それに対応した構成にさえしておけば、全く同様に扱うことができる。以下は簡略化のため、図を含めてすべて透過型の回折格子として示す。

このような偏光性回折格子を３色分離、合成光学系の偏光分離素子として用いる場合について同図を用いて説明する。
反射型画像表示素子である反射型液晶表示素子ＲＬＣＤに対して、所定の角度θで傾斜して置かれた偏光性回折格子ＰＤに、入射角θｉｎでＰ偏光を入射させると、Ｐ偏光は回折により、偏光性回折格子ＰＤに対して回折角θｄで光路を偏向し、回折格子ＰＤ近傍に置かれた反射型液晶表示素子ＲＬＣＤに入射する。反射型液晶表示素子ＲＬＣＤに入射したＰ偏光は、画像信号に合わせて偏光方向が変調されＳ偏向となった後、再び偏光性回折格子ＰＤに入射し、偏光方向が変調された光のみ偏光性回折格子ＰＤを透過して、最初の入射光とは異なる方向に射出する。

従来の誘電体多層膜を用いた偏光分離プリズム等の素子は反射と透過で偏光分離をおこなうので、基本的には入射光に対して４５°の反射面をもったプレートやプリズムで構成される。このためプリズムは、少なくとも側断面が正方形の、正立方体状もしくは直方体状のバルク構成となる。一方、偏光性回折格子ＰＤは回折を用いて偏光分離をおこなうので、同図に示すように入射光に対してその回折面は必ずしも４５°である必要はなく、４５°より大きな入射角で入射した光を回折により反射型液晶表示素子へ向かわせることができる。このときの回折角θｄは４５°より小さな角度に設定することで、反射型液晶表示素子表示面に対する偏光性回折格子回折面の傾き角θを４５°より小さく設定できる。このことにより従来の４５°の反射面をもつ偏光プリズムなどに比べて、反射型液晶素子表示面の垂直方向の見かけ上の厚さを小さくすることができ、薄型の偏光分離素子の実現が可能となる。

本発明の偏光分離素子としての偏光性回折格子の回折面は、対応する反射型液晶表示素子の表示面に対し、平行にならずに光学的に非平行に配置するようにする。これは光学的に平行に配置する構成（θ＝０）では、反射型液晶表示素子に対して照明光を斜入射光で入射させねばならず、偏光分離素子の入射側には照明光がけられないようにするための余分な空間が必要となり、また、１箇所から入射した光束を色別の反射型液晶表示素子に振り分ける構成（図１０参照）において、光学系全体を小型、コンパクトに設定することが困難になるからである。
逆に、傾き角θ＝４５°では従来の誘電体多層膜を用いた偏光分離プリズムと同じ空間配置になってしまい、省スペースのメリットが得られなくなる。
このため、反射型液晶表示素子表示面に対する偏光性回折格子回折面の傾き角θは、
０°＜θ＜４５°と設定することにより、省スペースが可能な偏光分離系を構成できる。

また、省スペースのためには偏光性回折格子への照明光の入射方向は、同図に示すように反射型画像表示素子の表示面と平行に近い方向から入射させることが望ましい。
このような入射方向にすると、偏光性回折格子への入射角θｉｎは必然的に、
４５°≦θｉｎ ＜９０°となる。
また、反射型画像表示素子への照明光の入射はできれば垂直入射に近いことが望ましい。このためには回折角θｄの角度範囲は
０°＜θｄ≦４５°となる。
また、偏光分離素子として光学系全体を最もコンパクトにするためには、図１に示すように入射角θｉｎと回折角θｄの間には、
θｉｎ+θｄ＝９０°
となるような配置が好ましい。
入射光を反射型液晶表示素子表示面に対し平行に入射させ、回折光が反射型液晶表示素子表示面に対して垂直に入射するよう設定した場合、θ＝θｄとなる。これら３つの角の関係は反射型回折格子を用いた場合でも全く同じに当てはまる。ただし、それぞれの型において、角度は正負の符号を付けずに絶対値で表すものとする。

また、偏光性回折格子ＰＤにおいて、素子としての効率を高めるためにはＰ偏光の回折効率とＳ偏光の透過率を共に高くすることが必要である。
このとき４５°より大きな入射角を持った回折格子を実現するためには可視光領域の光に対しては１μｍ以下のサブミクロンの格子ピッチを持つ回折格子が必要となる。例えば、上述の角度条件のうち入射角の上限と回折角の下限の値、入射角４５°、回折角０°より大きい場合、波長は最長の７００ｎｍとして格子ピッチは０.９９μｍとなり、実際は、格子ピッチはこの値以下となる。
サブミクロンの格子ピッチにおいて、Ｐ偏光の回折効率とＳ偏光の透過率を共に高くするためには回折格子としては、限定されるものではないが、体積位相型の偏光性回折格子を用いて、ブラッグ回折光を利用することが好ましい。

図２は体積位相型偏光性回折格子の回折効率の波長特性を示す図である。
これは計算値で、コゲルニク（Ｋｏｇｅｌｎｉｋ）の結合波理論から計算したものである。前提となるパラメータは以下の通りである。
偏光性回折格子プレートの傾きθ：２０°
中心波長 ：４５０ｎｍ
入射角 ：７０°
回折角 ：２０°
格子内部ピッチ ：０．３４２８μｍ
回折格子内部平均屈折率 ：１．５２８
格子屈折率変化Δｎ ：Ｐ偏光 ０．１ （屈折率変化全幅）
Ｓ偏光 ０．０
回折格子厚 ：４μｍ

同図において、横軸は中心波長４５０ｎｍからの波長偏差、縦軸は＋１次光の回折効率を示している。サブミクロンピッチの格子でも屈折率変化と格子厚を適正化することで中心波長のＰ偏光でほぼ１００％の回折効率を得ることができる。この高回折効率は体積位相型回折格子のブラッグ回折を利用したことによる。また格子厚４μｍ程度にすると回折する波長の帯域幅は３色分解に必要な約１００ｎｍにほぼ収まる波長特性を持たせることができ、３色分解の偏光分離素子として用いることができる。またＳ偏光に対しては屈折率変化が０なので、回折は起らず全透過となり、偏光分離素子としての動作が実現する。
この例のように入射角がθｉｎ＝７０°、回折角θｄ＝２０°で格子の傾きθ＝２０°の場合（θｉｎ＋θｄ＝９０°、θ＝θｄ）、回折光は入射光入射光に対し直角に偏向して従来の偏光分離プリズムと同様の機能を持ち、かつ厚さ（反射型液晶素子面の垂直方向の見かけ上の厚さ）が従来の４５°反射面を持つプリズムに対して４８％となり半分以下に薄型化される。

図３は本発明の実施形態を説明するための図である。
同図において符号１は光源、２は放物面鏡、３はダイクロイックミラー、４、５、６はそれぞれ第１、第２、第３の偏光回折格子プレート、７は反射ミラー、８、９、１０はそれぞれＲ、Ｇ、Ｂ用反射型液晶表示素子、１３はクロスダイクロイックプリズム、１４は投影レンズをそれぞれ示す。
本実施形態は、図１に示した偏光性回折格子を、図１０に示した投影型画像表示装置の偏光プリズムの部分に、偏光性回折格子プレートとして置き換えたものである。
メタルハライドランプ、キセノンランプなどの光源１から出射した光束は放物面鏡２で略平行光になってダイクロイックミラー３に入射する。ダイクロイックミラー３は光源からの白色光のうち、赤の波長帯の光を透過させ、緑、青の波長帯域の光を反射する特性を持っている。

ダイクロイックミラー３を透過した赤の光は偏光性回折格子プレート４に入射し、Ｐ偏光の赤色光のみ回折してＲ用反射型液晶表示素子８に入射する。一方、ダイクロイックミラー３で反射された緑、青の波長帯域の光は、青の波長帯域の光を透過し、かつ緑のＰ偏光を回折、緑のＳ偏光を透過する偏光性回折格子プレート５に入射し、緑のＰ偏光をＧ用反射型液晶表示素子９の方向に反射させる。偏光性回折格子プレート５は、特に狭帯域偏光分離素子になっている。
偏光性回折格子プレート５を透過した青の光は反射ミラー７で反射された後、偏光性回折格子プレート６に入射し、青の光のＰ偏光成分のみＢ用反射型液晶表示素子１０の方向に回折させる。
以上の偏光性回折格子プレート４、５、６は回折面が体積位相型偏光性回折格子で作成されたものである。

これら反射型液晶表示素子８、９、１０に入射した光は、画像信号に合わせて偏光方向が変調された後、各々偏光性回折格子プレート４、５、６に再度入射し、偏光方向が変調された光のみ、各々偏光性回折格子プレート４、５、６を透過して色合成用のクロスダイクロイックプリズム１３によって３色合成され、投影レンズ１４に入射する。
このとき、偏光性回折格子プレート４、５、６を透過した反射型液晶表示素子８、９、１０からの反射光はＳ偏光である。クロスダイクロイックプリズム１３はＳ偏光に対して分光特性が最適化されているため良好な色合成が行われることになる。
本発明では、特許文献２のようにクロスダイクロイックプリズムへの入、出射で異なる変更（Ｐ偏光、Ｓ偏光）を用いるのではなく、Ｓ偏光のみを用いるので、波長特性の良好な色合成が行われることになる。
色合成用のクロスダイクロイックプリズム１３によって３色合成された光は投影レンズ１４により図示しない表示スクリーン面に拡大表示される。

図４は本発明の他の実施形態を説明するための図である。
同図において符号２４、２５、２６はそれぞれ第１、第２、第３の偏光性回折格子プリズムを示す。図３と同じ構成の部分は符号を省略した。
本実施形態では先の実施形態における偏光性回折格子の部分を、偏光性回折格子プリズムに置き換えた構成になっている。
偏光性回折格子プリズムは、直角三角柱状の透明媒体を三角柱斜辺部分で接合して、全体で直方体状のプリズムとなっている。この接合部に偏光性回折格子が形成されている。偏光性回折格子プリズム２４は赤の波長帯域のＰ偏光を回折して反射型液晶表示素子８に入射させ、同表示素子より反射した画像信号で変調されたＳ偏光を透過させる。偏光性回折格子プリズム２５は緑の波長帯域のＰ偏光を回折して反射型液晶表示素子９に入射させ、同表示素子より反射した画像信号で変調されたＳ偏光を透過させる。したがって、偏光性回折格子プリズム２５は、狭帯域偏光分離素子になっている。
偏光性回折格子プリズム２６は青の波長帯域のＰ偏光を回折して反射型液晶表示素子１０に入射させ、同表示素子より反射した画像信号で変調されたＳ偏光を透過させる。各プリズムからの透過光はクロスダイクロイックプリズム１３で色合成されて投影レンズ１４により図示しない表示スクリーンに拡大投影される。

以上図３、４の実施例における偏光性回折格子はＰ偏光を回折し、Ｓ偏光は透過する特性であったが、これに限定されず、Ｓ偏光を回折してＰ偏光を透過するものでも良い。このときには各波長帯域の光がクロスダイクロイックプリズム１３入射前に１／２波長板を配置してＳ偏光がクロスダイクロイックプリズム１３に入射するようにして、波長特性の良い色合成ができるようにする。
また、図３、４の実施例において必要に応じ各偏光性回折格子の入射側と出射側に直交した偏光特性を持つ偏光板１１１、１１２を配置して、コントラスト比の向上とゴーストの防止をおこなっても良い。
また、図３、４の実施例では光源としてメタルハライドランプ、キセノンランプのようなランプ光源について述べたが、これに限定されず、発光ダイオード（ＬＥＤ）のような固体光源を用いても良い。

図５は偏光性回折格子の他の使用例を説明するための図である。
同図において符号１５はカラーホイール、１６は偏光性回折プレート、１７は反射型画像表示素子をそれぞれ示す。
本構成では、メタルハライドランプ、キセノンランプのような光源１からの白色光を、放物面鏡２で略平行光に整形しカラーホイール１５に入射させる。カラーホイール１５は円板上に３原色、たとえば赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）、の各カラーフィルターが円周方向に３分割、あるいはその整数倍で分割されて配置され、円板中心を軸として連続回転している。カラーホイール１５は光源１からの白色光をＲ、Ｇ、Ｂの３原色として時分割的に３色分解する。
カラーホイール１５を透過したＲ、Ｇ、Ｂの各色光は偏光性回折格子プレート１６に入射し、Ｐ偏光のみ回折して反射型液晶表示素子１７に入射する。
本構成における偏光性回折プレート１６は、特許文献２で説明した偏光選択性回折光学素子と類似の回折格子を用いることができる。すなわち、理想的には白色光のすべてについてＰ偏光のみを１００％回折して、Ｓ偏光は完全に透過する回折格子を用いたい。実際にそのような完全な回折格子は得られないにしても、本構成においては、偏光性回折プレート１６を１枚だけ用い、Ｐ偏光の回折は１回しか行わないので、従来例のような、波長分布のひずみが強調されることはない。

色分解された３色のいずれかの光のＰ偏光成分が偏光性回折プレート１６によって回折され、反射型液晶表示素子１７に入射する。反射型液晶表示素子１７は、例えば、カラーホイール１５の回転から同期信号を取って、入射した光の色成分と同じ色に対応する画像情報によって時分割的に変調を受けるようになっている。画像情報によって変調され、部分的にＳ偏光となった光束は偏光性回折プレート１６を透過して投影レンズ１４に至り、変調されなかった部分はＰ偏光のままなので、光源方向へ回折され、投影光学系から外れる。したがって、投影レンズ１４によって図示しないスクリーンに拡大投影された画像は、３色Ｒ、Ｇ、Ｂが時分割で順番に表示される。これを眼によって観察すると眼の積分効果により３原色が合成されたカラー画像として認識される。

本構成で用いる偏光性回折プレート１６は回折面が体積位相型偏光性回折格子で作成されたものである。この体積位相型偏光性回折格子は格子屈折率変化Δｎが図３の実施例の場合より大きく、回折格子厚が薄い回折格子となっている。このような回折格子では、高効率に回折する波長範囲が図２の実施例より広くなり、可視光域のＲ、Ｇ、Ｂの３原色ともＰ偏光は回折し、Ｓ偏光は透過する特性を持たせることができる。色別の回折効率の差は３色のバランスを崩す元になるはずであるが、反射型液晶表示素子１７の色別変調レベルを補正することで投影像の色バランスを整えることができる。

図６は本発明に用いる偏光性回折格子の構成を説明するための図である。
同図において符号４１は透明基板、４２は非重合性液晶分子、４３は重合性材料としての重合性モノマーあるいはプレポリマー、４４は非重合性液晶分子と重合製材料の混合組成物をそれぞれ示す。
本発明の実施形態に示した偏光性回折格子の構成および作製法を以下に示す。
同図は作製の過程における出発点となる材料構成の断面図である。
非重合性液晶分子４２と重合性モノマーあるいはプレポリマー４３（簡略化のため同図では重合性モノマーのみで表示し、以下重合性モノマーを用いた例で説明する）と図示しない光重合開始剤とを均一に混合した混合組成物４４を二枚の透明基板４１、４１間に挟む。組成物の厚みは基板間隔を制御する図示しないスペーサー部材によって制御できる。この組成物は感光性を有するため、素子作製工程において感度を有する波長域の光を遮断した環境下で取り扱うことが好ましい。
非重合性液晶４２としては、屈折率異方性を有する液晶ならば一般的なものを使用できる。液晶材料を選択する時は、あるオーダーパラメーターの配向状態において、重合性モノマー４３の硬化層の屈折率と等しい屈折率となる液晶材料を選択してもよく、また、液晶材料を選択してから、その液晶のあるオーダーパラメーターの配向状態での屈折率と同じ屈折率になるように重合性材料４３を選択してもよい。
また重合性モノマーまたはそのプレポリマーとしては、重合による硬化収縮が大きいものを用いることが好ましい。

光重合開始剤としては、公知の材料を用いることができ、光重合開始剤の添加量が少なすぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が起こり難くなり、必要な露光時間が長くなってしまう。逆に、光重合開始剤が多すぎる場合にはポリマーと液晶の相分離が不十分な状態で硬化してしまうため、ポリマー中に多くの液晶分子が取り込まれ、偏光選択性が小さくなるという問題がある。
スペーサー部材としては、液晶表示装置に用いられるような球形スペーサー、ファイバースペーサー、フィルムなどを用いることが出来る。また、フォトリソグラフィーとエッチングあるいは成型技術などによって基板表面に突起形状を加工しても良い。スペーサー部材はホログラムの有効領域外に形成することが好ましい。スペーサー部材の高さは数μｍから数十μｍ範囲が好ましく、回折光の波長とポリマー部と液晶部の屈折率差に応じて所望の回折格子層厚みとなるように適宜設定される。
透明基板４１としては、液晶表示装置に用いられるようなガラス、プラスチックなどを用いることが出来る。

図７、８、９は相分離による回折格子形成過程を説明するための図である。
図７において、図示しない所望の波長のレーザー光源による二光束干渉露光系を用いて、混合組成物４４中に露光を行う。
図８に示すように干渉縞の明部において重合性材料４３の光重合反応が始まる。この時、硬化収縮が起こって密度差が生じ、隣接する重合性モノマーあるいはプレポリマー４３が明部に移動し更に重合が進行する。それと同時に明部に存在していた非重合性液晶４２が暗部に向かって追い出されることで相分離が起こる。このとき液晶分子が移動して行く際にモノマーやポリマー鎖との相互作用で液晶分子長軸を移動方向に配向させようとする力が働くと考えられる。すなわち、相分離過程において干渉縞の間隔方向に液晶分子を配向させようとする力が働くと考えられる。最終的には図９に示すように干渉縞の明暗のピッチに対応してポリマー層と非重合性液晶層４２の周期構造が形成され、液晶層部の配向ベクトルが干渉縞の間隔方向を向いた状態が得られる。この干渉露光および相分離過程において、試料を適当な温度に加熱保持しておくことが好ましい。温度によって相分離の速度が変化し、液晶分子の配向性に影響を及ぼすと考えられる。最適な加熱温度は使用する材料によって異なるが４０℃から１００℃程度が好ましい。

本実施の形態では、液晶部全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部の屈折率ｎｐがほぼ一致するように液晶の種類とポリマーの種類の組合せを適宜設定することで、Ｓ偏光の入射光に対しては液晶部全体の常光屈折率ｎｏとポリマー部の屈折率ｎｐの差を感じないため回折せず、Ｐ偏光の入射光に対しては液晶部全体の異常光屈折率ｎｅとポリマー部の屈折率差を感じて回折するような偏光性回折格子が得られる。ここで、体積型回折格子の回折効率は屈折率変調量Δｎと厚みｄの積Δｎ・ｄに依存するので、屈折率差Δｎを大きく出来ると回折格子の厚みｄを薄く出来る。体積型回折格子の厚みを薄くすると回折効率の角度依存性が小さくなり、入射角変動に対する光利用効率低下が改善できる。したがって、偏光選択性が大きく入射角度依存性が比較的少ない高効率な偏光性回折格子が得られる。
また、本材料、方法による偏光性回折格子は格子層内の厚さ方向全面に周期的屈折率変調構造が形成されているので、体積型格子となり、ブラッグ回折を行わせるのに適したものとなる。
体積型のブラッグ格子は９０％以上の高回折効率と数１００：１以上の偏光選択性を持っているので、本発明の偏光分離用の偏光性回折格子として適している。
なお、本発明の偏光性回折格子は上記に示した材料、作成法に限定されるものではなく複屈折性材料で形成したブレーズ回折格子、あるいは複屈折性のフォトポリマーで形成された回折格子等任意のもので良い。

図１０はポリマー分散型偏光性回折格子の作成における露光方法を示す図である。
同図において符号５０は回折格子部、５１は回折格子原版をそれぞれ示す。
回折格子５０が形成された回折格子原版５１を、非重合性液晶分子４２と重合性モノマーあるいはプレポリマー４３と光重合開始剤とを均一に混合した混合組成物４４を二枚の透明基板４１、４１間に挟んだ偏光性回折格子記録材料４５に近接配置する。この回折格子原版５１に照射光を入射させ、原版格子部から発生する０次光と＋１次光を偏光性回折格子記録材料４５の記録層となる混合組成物４４に二光束干渉露光して原版の回折格子を露光転写する。この露光時には記録材料を適切な温度に加熱保持しておくと偏光比の高い良好な偏光性回折格子が形成される。

本発明の基本原理を説明するための図である。 体積位相型偏光性回折格子の回折効率の波長特性を示す図である。 本発明の実施形態を説明するための図である。 本発明の他の実施形態を説明するための図である。 偏光性回折格子の他の使用例を説明するための図である。 本発明に用いる偏光性回折格子の構成を説明するための図である。 相分離による回折格子形成過程を説明するための図である。 相分離による回折格子形成過程を説明するための図である。 相分離による回折格子形成過程を説明するための図である。 ポリマー分散型偏光性回折格子の作成における露光方法を示す図である。 従来の技術を説明するための図である。

符号の説明

４、５、６ 偏光性回折格子プレート
８、９、１０ 反射型液晶表示素子
１３ クロスダイクロイックプリズム
２４、２５、２６ 偏光性回折格子プリズム
４２ 非重合性液晶
４３ 重合性モノマー

Claims (11)

1. 光源と、該光源からの光を偏光方向によって透過または回折させて偏光分離する偏光分離素子と、該偏光分離素子からの偏光を受けて画像信号に合わせて前記偏光を変調する反射型画像表示素子と、該反射型画像表示素子を投影する投影手段とを備えた投影型画像表示装置において、前記偏光分離素子として偏光性回折格子を用いたことを特徴とする投影型画像表示装置。
2. 光源と、該光源からの光を複数の波長帯域に色分離し、各波長帯域の光を偏光方向によって透過または回折させて偏光分離する複数の偏光分離素子と、該偏光分離素子からの各波長帯域の偏光を受けて画像信号に合わせて前記偏光を変調する反射型画像表示素子と、該反射型画像表示素子により変調された光を合成する色合成素子と、合成された光を投影する投影手段とを備えた投影型画像表示装置において、前記偏光分離素子として偏光性回折格子を用いたことを特徴とする投影型画像表示装置。
3. 請求項１または２に記載の投影型画像表示装置において、少なくとも１つの前記偏光性回折格子の回折面が、対応する前記反射型画像表示素子表示面とは所定の角度θをもって配置され、前記偏光性回折格子からの回折光を前記反射型画像表示素子に入射させることを特徴とする投影型画像表示装置。
4. 請求項３に記載の投影型画像表示装置において、前記所定の角度θが０°以上４５°未満であることを特徴とする投影型画像表示装置。
5. 請求項４に記載の投影型画像表示装置において、前記光源からの光の、前記偏光性回折格子への入射角が４５°以上、９０°未満であり、回折光の回折角が０°を超え４５°以下の範囲にあることを特徴とする投影型画像表示装置。
6. 請求項５に記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子への入射光の入射角と回折角の和が９０°であることを特徴とする投影型画像表示装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子が体積位相型偏光性回折格子であり、偏光分離にブラッグ回折を利用していることを特徴とする投影型画像表示装置。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子が平面状のプレートで構成されていることを特徴とする投影型画像表示装置。
9. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子が直方体状のプリズムで構成されていることを特徴とする投影型画像表示装置。
10. 請求項１ないし９のいずれか１つに記載の投影型画像表示装置において、前記偏光性回折格子として、少なくとも誘電異方性を有する非重合性液晶と、重合性モノマーあるいはプレポリマーと、光重合開始剤とからなる混合組成物を一対の透明基板間に保持し、前記組成物を二光束干渉露光することにより、主にポリマーから成る層と主に非重合性液晶から成る層との周期的な相分離構造を形成したポリマー分散液晶型の偏光性回折格子を用いたことを特徴とする投影型画像表示装置。
11. 請求項１０に記載の投影型画像表示装置に用いる前記偏光性回折格子の作製方法であって、回折格子原版に記録用照射光を入射させて回折格子原版から発生する０次光と＋１次回折光により二光束干渉露光を行うことを特徴とする偏光性回折格子の作製方法。

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