JP2007025572A - 偏光ビームスプリッタ及び反射型液晶プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】偏光ビームスプリッタの性能を高め、液晶プロジェクタの画像のコントラストを向上させる。
【解決手段】第１ＰＢＳ１７は、直角プリズムからなる入射側プリズム２５と出射側プリズム２６とを備えている。入射側プリズム２５と出射側プリズム２６の間には、入射光をＳ偏光光とＰ偏光光とに分離する偏光分離層２８と１／４波長板として作用する位相差層２９とが設けられている。位相差層２９は、第１ＰＢＳ１７の側面に垂直な入射軸Ａ１から傾いた角度で入射するスキュー光線Ｒの偏光方向を制御し、画像光として寄与しない不要な光を遮断することにより、投映画像のコントラストが低下することを防止する作用をする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、入射光束をその偏光方向に応じて分離する偏光ビームスプリッタ及びこれを備えた反射型液晶プロジェクタに関する。

反射型の液晶表示パネルを用いる反射型液晶プロジェクタでは、液晶表示パネルに入射させる照明光を偏光させる偏光子、及び液晶表示パネルによって画素ごとに変調された画像光を取り出す検光子として、偏光ビームスプリッタが使用されている。偏光ビームスプリッタは、例えば、斜面を対向させて接合した２つの直角プリズムからなり、接合された斜面の間に高屈折率材料と低屈折率材料の薄膜を交互に積層した多層膜が偏光分離層として設けられている。偏光分離膜は、照明光をその偏光方向に応じて分離し、Ｐ偏光光を透過させ、Ｓ偏光光を反射する。

偏光ビームスプリッタの偏光分離膜は、斜め４５度に入射する光に対して良好な偏光分離特性を示すように設計されている。このため、入射角度が偏光分離膜に対して斜め４５度の入射軸からずれた光に対しては偏光分離特性が低下する。液晶プロジェクタでは、入射軸からずれた角度で偏光分離膜に入射する光が照明光に含まれることにより、投映される画像のコントラストが低下するという問題点を有している。そこで、偏光ビームスプリッタと反射型液晶パネルとの間に１／４波長板を設け、入射軸からずれた角度で入射する光の遮断性を高めることにより投映画像のコントラストを向上させることが従来知られている（特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）。
特開平２−２５００２６号公報 特開平１０−２０６８４２号公報 M.G.Robinson 他２名「Wide Field of View Compensation Scheme for Cube Polarizing Beam Splitters」 SID'03 Digest Society for Information Display発行 p874

しかしながら、１／４波長板として使用される複屈折体として、光軸が基板面に対して傾斜した柱状構造を有し、例えば斜方蒸着法により作製できるＯプレートを使用する場合、光軸の傾斜角度が光束の入射方向に対して約７０度〜８０度である必要がある。通常の斜方蒸着法により作製できるＯプレートは、その傾斜角度として４５度〜６０度が限度であり、これより傾斜角度の大きいＯプレートを作製することは手間がかかるという問題がある。

本発明は、上記問題点を考慮してなされたもので、光束の入射方向に対して光軸の傾斜角度が十分に確保でき、偏光分離膜の入射角依存性に起因する画像のコントラスト低下を防止することが可能な偏光ビームスプリッタ及びこれを用いた反射型液晶プロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の偏光ビームスプリッタは、光束の入射方向に対して傾斜する面を接合面として複数のプリズムが互いに接合して構成され、入射光束をその偏光方向に応じて反射又は透過させる偏光分離層が前記接合面に設けられた偏光ビームスプリッタにおいて、前記接合面には、前記偏光分離層とともに、四分の一波長板として作用する位相差層が設けられていることを特徴とする。

前記位相差層は、斜方蒸着により形成されていることを特徴とする。

前記位相差層は、重合性棒状液晶分子の重合体からなることを特徴とする。

また、本発明の反射型液晶プロジェクタは、光束の入射方向に対して傾斜する面を接合面として複数のプリズムが互いに接合して構成され、前記接合面に入射光束をその偏光方向に応じて反射又は透過させる偏光分離層が設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにより分離された照明光を画像光に変調する反射型の液晶表示パネルと、前記液晶表示パネルにより変調された画像光を結像させる投映レンズとを備えた反射型液晶プロジェクタにおいて、前記偏光ビームスプリッタは、前記偏光分離層とともに、四分の一波長板として作用する位相差層が前記接合面に設けられており、前記位相差層が前記偏光分離層よりも光束の入射方向に対して上層側に位置するように設けられていることを特徴とする

本発明の偏光ビームスプリッタによれば、光束の入射方向に対して傾斜したプリズム接合面に偏光分離層と位相差層とが設けられているから、光束の入射方向に対して光軸が７０度から８０度の傾斜角度を有するＯプレートを位相差層として用いる場合に、Ｏプレートの光軸の傾斜角度は、プリズム接合面の傾斜角度を差し引いた２５度から３５度の角度で傾斜していればよく、斜方蒸着法を用いて容易に作製することが可能となる。また、偏光分離層を形成する偏光ビームスプリッタの製造工程の中に、位相差層を形成するプロセスを組み込むことができ、偏光ビームスプリッタと位相差板とを個別に作製していた従来に比べ、製造能率を高めることが可能となる。

図１において、液晶プロジェクタ１０は、光源部１１が発する白色光を、青色（Ｂ），緑色（Ｇ），赤色（Ｒ）の三原色の光に色分解し、色分解された各色の光が三枚の画像表示パネル１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒによって画像情報を有する光にそれぞれ変調される。光源部１１からの光は、リフレクタ１３を反射し、略平行光となって偏光変換素子１４に入射する。偏光変換素子１４は、光源部１１からのランダム偏光をＳ偏光に変換する。偏光変換素子１４を透過した光は、ダイクロイックミラー１５に入射する。

ダイクロイックミラー１５はＢ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過することにより、白色光からＢ光を分離する。分離されたＢ光は、ミラー１６を反射して直角方向に進路を変え、第１偏光ビームスプリッタ（第１ＰＢＳ）１７に入射する。ダイクロイックミラー１８は、Ｇ光を反射し、Ｒ光を透過することにより、Ｒ光とＧ光を分離する。分離されたＧ光は、第２偏光ビームスプリッタ（第２ＰＢＳ）１９に入射する。ダイクロイックミラー１８を透過したＲ光は、第３偏光ビームスプリッタ（第３ＰＢＳ）２０に入射する。

クロスダイクロイックプリズム２１は、第１ＰＢＳ１７，第２ＰＢＳ１９，第３ＰＢＳ２０に囲まれるように設けられている。クロスダイクロイックプリズム２１には、Ｇ光を直進させ、Ｒ光とＢ光をそれぞれ反射させる２種類のダイクロイック膜が交差して設けられている。画像表示パネル１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒによって変調された画像情報を有する各色の画像光は、クロスダイクロイックプリズム２１により色合成され、投映レンズに入射する。投映レンズは、画像光をスクリーン上に結像し、画像表示パネル１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒが形成する画像を拡大投映する。

画像表示パネル１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒは、液晶層と反射層とを備えた反射型液晶パネルからなり、第１ＰＢＳ１７，第２ＰＢＳ１９，第３ＰＢＳ２０からの光を画素ごとに変調する。第１ＰＢＳ１７，第２ＰＢＳ１９，第３ＰＢＳ２０は、２つの直角プリズムを組み合わせることにより、直方体形状に構成されている。第１ＰＢＳ１７，第２ＰＢＳ１９，第３ＰＢＳ２０は、それぞれの形状が同一であるので、以下では第１ＰＢＳ１７を例に説明する。

図２において、第１ＰＢＳ１７は、光源部１１からの光が入射する入射側プリズム２５と、クロスダイクロイックプリズム２１に向かって光が出射する出射側プリズム２６とからなる。入射側プリズム２５と出射側プリズム２６は、互いに垂直な側面２５ａ，２５ｂ及び側面２６ａ，２６ｂを有する。また、直角二等辺三角形の斜辺が属する斜面を接合面２５ｃ，２６ｃとし、この接合面２５ｃ，２６ｃを向かい合わせにして接合されている。

光源部１１からの光束は、入射側プリズム２５の側面２５ａに垂直な入射軸Ａ１と平行に入射し、入射側プリズム２５のもう一つの側面２５ｂと垂直な出射軸Ａ２と平行に出射する。入射側プリズム２５と出射側プリズム２６の間には偏光分離層２８と位相差層２９とが設けられている。偏光分離層２８は、基板面となる出射側プリズム２６の接合面２６ｃの上に形成されており、位相差層２９は偏光分離層２８の上に積層されている。位相差層２９は入射側プリズム２５に近い上層側に設けられている。

図３において、位相差層２９は、出射側プリズム２６の接合面２６ｃを水平方向に対して傾斜させ、鉛直下方から蒸着材料を蒸着させる斜方蒸着法により形成される。位相差層２９は、接合面２６ｃが水平方向に対して角度θだけ傾斜することにより、接合面２６ｃの法線Ｎ１に対して角度θだけ傾斜した柱状構造を形成する。これにより、位相差層２９の光軸Ａ３は、その柱状構造に応じて法線Ｎ１に対して傾く。接合面２６ｃを傾斜させる角度、すなわち光軸Ａ３の法線Ｎ１に対する傾斜角度θは、例えば３５度に設定される。位相差層２９を形成するための蒸着材料としては斜方晶系のＴａ₂Ｏ₅が用いられる。

位相差層２９の光軸Ａ３は、接合面２６ｃの法線Ｎ１に対する傾斜角度がθに設定されることにより、出射軸Ａ２に対して（θ＋４５）度の角度だけ傾斜する。すなわち、出射側プリズム２６の接合面２６ｃが出射軸Ａ２に対して４５度傾斜し、位相差層２９の柱状構造が接合面２６ｃに対して３５度傾斜すれば、位相差層２９の光軸Ａ３は、光束の出射軸Ａ２に対して８０度傾斜する。位相差層２９は、入射軸Ａ１の方向に進行する光に対しては複屈折性をほとんど示さないが、出射軸Ａ２の方向に進行する光に対しては顕著な複屈折性を示す。位相差層２９は、入射軸Ａ１及び出射軸Ａ２と平行な軸光線に対して、１／４波長板として作用するようにその厚みが設定されている。

次に、液晶プロジェクタ１０の作用について説明する。光源部１１から発せられた白色光は、偏光変換素子１４によってほぼＳ偏光光に変換される。Ｓ偏光光に変換された照明光は、ダイクロイックミラー１５に入射してＢ光が分離される。Ｂ光は、第３ＰＢＳ２０に入射する。ダイクロイックミラー１５を透過したＧ光とＲ光は、ダイクロイックミラー１８に入射し、これを反射するＧ光と、透過するＲ光とに分離される。

図２において、第１ＰＢＳ１７に入射したＢ光は、側面２５ａから入射側プリズム２５を透過し、接合面２５ｃから位相差層２９に入射する。位相差層２９は、入射軸Ａ１の方向から入射する光に対しては複屈折性をほとんど示さない。入射軸Ａ１と平行に入射したＢ光は、偏光分離層２８を反射したＳ偏光光が出射軸Ａ２の方向に進行する。位相差層２９の主軸を出射軸Ａ２の方向に進行するＳ偏光光の振動方向と平行にしておくことにより、出射軸Ａ２の方向に進行するＢ光に位相差は生じない。Ｂ光は、位相差層２９を透過し、入射側プリズム２５の側面２５ｂから画像表示パネル１２Ｂに入射する。画像表示パネル１２Ｂは、画素の明るさに対応して入射したＢ光のＳ偏光光をＰ偏光光に変調する。

画像表示パネル１２Ｂを出射したＢ光は、第１ＰＢＳ１７に再び入射する。入射側プリズム２５の側面２５ｂから入射したＢ光は、入射側プリズム２５を透過し、位相差層２９に入射する。出射軸Ａ２と平行に位相差層２９に入射したＢ光は、位相差を生じずに偏光分離層２８に入射する。偏光分離層２８では、Ｂ光のＳ偏光成分が反射され、Ｐ偏光成分は透過する。偏光分離層２８を透過したＢ光は画像光として出射側プリズム２６を透過し、クロスダイクロイックプリズム２１に入射する。

Ｒ光，Ｇ光は、Ｂ光と同様にして、第２ＰＢＳ１９，第３ＰＢＳ２０によって各色の画像光となり、クロスダイクロイックプリズム２１に入射する。Ｂ光，Ｇ光，Ｒ光の画像光はクロスダイクロイックプリズム２１によって色合成され、投映レンズによってスクリーン上に投映画像として投映される。

第１ＰＢＳ１７に入射するＢ光には、入射軸Ａ１に対して傾いた方向から入射するスキュー光線Ｒも含まれている。Ｂ光のスキュー光線Ｒは、入射側プリズム２５の側面２５ａに入射し、入射側プリズム２５及び位相差層２９を透過して、偏光分離層２８に達する。スキュー光線Ｒは、入射軸Ａ２と平行に入射するＢ光に対して、偏光分離層２８を反射した時にその振動方向が傾く。すなわち、偏光分離層２８を反射したＢ光のスキュー光線Ｒの振動方向は、位相差層２９の主軸と平行でなく、位相差層２９を透過することにより位相差を生じ、直線偏光から楕円偏光に変換される。

スキュー光線Ｒは、位相差層２９を透過した後、入射側プリズム２５の側面２５ｂから画像表示パネル１２Ｂに入射する。画像表示パネル１２Ｂでは、入射したＢ光のＳ偏光光が画素の明るさに対応してＰ偏光光に変調される。画像表示パネル１２Ｂを出射したＢ光は、第１ＰＢＳ１７に再び入射する。入射側プリズム２５の側面２５ｂから入射したＢ光は、入射側プリズム２５を透過し、位相差層２９に入射する。スキュー光線Ｒは、位相差層２９により位相差が与えられる。スキュー光線Ｒは、画像表示パネル１２Ｂにより変調されなかった成分が、偏光分離層２８の境界面に対して振動方向が平行なＳ偏光光に変換され、偏光分離層２８を反射する。また、画像表示パネル１２Ｂにより変調された成分は、偏光分離層２８を透過する。こうして偏光分離層２８は、画像光として寄与しない不要な光を遮断する検光子として作用する。

これは、Ｇ光，Ｒ光についても同様であり、入射軸Ａ１に対して傾斜して入射するスキュー光線は、第２ＰＢＳ１９，第３ＰＢＳ２０により画像光に寄与しない不要な光が遮断され、スクリーン上に投映される画像のコントラストが高められる。図４には、本発明の偏光ビームスプリッタに０度から１５度の範囲で入射角度を変えてＳ偏光光を入射させたときの透過率を示す。図４（ａ）は、位相差層のない偏光ビームスプリッタについての測定結果、図４（ｂ）は、位相差層を有する偏光ビームスプリッタについての測定結果である。両図を比較してわかる通り、位相差層を有する偏光ビームスプリッタでは、広い角度範囲でＳ偏光光の透過率が低い値に抑えられ、斜め入射光の影響が小さくなる。

なお、本発明の偏光ビームスプリッタは、偏光分離層２８の多層薄膜を構成する高屈折材料と低屈折材料の一方の素材と位相差層２９を構成する素材を同じにすることにより、製造工程を簡単にすることができるが、例えば、斜方蒸着法により位相差層２９を形成することに限られず、例えば、周知の重合性棒状液晶分子を用い、これを接合面に塗布し、固定化することにより位相差層２９を形成することもできる。また、上記実施形態の偏光ビームスプリッタは、反射型液晶プロジェクタに好適な形状として、２つの直角プリズムを組み合わせて直方体形状に構成されているが、他の光学系に用いる偏光ビームスプリッタであれば、直方体と異なる形状に構成されていてもよい。

液晶プロジェクタの主要部の構成を示す平面図である。 偏光ビームスプリッタの断面図である。 位相差層を蒸着形成する際の直角プリズムを示す平面図である。 位相差層を設けていないＰＢＳと位相差層を設けたＰＢＳについてＳ偏光光の透過率を光線の入射角度ごとに求めたグラフである。

符号の説明

１０ 液晶プロジェクタ
１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒ 画像表示パネル
１７ 第１ＰＢＳ
１９ 第２ＰＢＳ
２０ 第３ＰＢＳ
２５ 入射側プリズム
２５ａ，２５ｂ 側面
２５ｃ 接合面
２６ 出射側プリズム
２６ａ，２６ｂ 側面
２６ｃ 接合面
２８ 偏光分離層
２９ 位相差層

Claims (4)

1. 光束の入射方向に対して傾斜した面を接合面として複数のプリズムが互いに接合して構成され、入射光束をその偏光方向に応じて反射又は透過させる偏光分離層が前記接合面に設けられた偏光ビームスプリッタにおいて、
   前記接合面には、前記偏光分離層とともに、四分の一波長板として作用する位相差層が設けられていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
2. 前記位相差層は、斜方蒸着により形成されていることを特徴とする請求項１記載の偏光ビームスプリッタ。
3. 前記位相差層は、重合性棒状液晶分子の重合体からなることを特徴とする請求項１記載の偏光ビームスプリッタ。
4. 光束の入射方向に対して傾斜した面を接合面として複数のプリズムが互いに接合して構成され、前記接合面に入射光束をその偏光方向に応じて反射又は透過させる偏光分離層が設けられた偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにより分離された照明光を画像光に変調する反射型の液晶表示パネルとを備え、前記液晶表示パネルにより変調された画像光を投映する反射型液晶プロジェクタにおいて、
   前記偏光ビームスプリッタは、前記偏光分離層とともに、四分の一波長板として作用する位相差層が前記接合面に設けられており、前記位相差層が前記偏光分離層よりも光束の入射方向に対して上層側に位置するように設けられていることを特徴とする反射型液晶プロジェクタ。
   

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