JP2007133164A - 透過位相板、偏光ビームスプリッタ及び投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特別な蒸着膜や結晶軸によらずコントラスト低下を解消する。
【解決手段】偏光ビームスプリッタ２０には、入射光のうちＰ偏光又はＳ偏光のうち何れか一方を透過し、他方を反射する偏光分離膜３０が形成されている。偏光ビームスプリッタ２０に入射する入射光の入力側には補正用光学多層膜４０が形成され、出力側に偏光分離膜３０が形成されている。補正用光学多層膜４０は高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した光学多層膜であり、当該補正用光学多層膜４０は曲面上に形成されることにより波長板として機能する。従って、波長板として機能する補正用光学多層膜４０により、偏光方向を補正することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏光方向を補正する透過位相板、この透過位相板の機能を有する偏光ビームスプリッタ及びこれを適用した投射型表示装置に関するものである。

液晶プロジェクタ等の投射型表示装置は種々のものがあるが、近年ＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）反射型液晶プロジェクタが用いられるようになってきている。ＬＣＯＳ反射型液晶プロジェクタは、透過型の液晶プロジェクタとは異なり、液晶素子を駆動するための駆動回路が反射鏡の裏側に配置される。このため、画素間の隙間を狭くできることから高画質化を実現することができ、開口率が高いことから高輝度な画質を実現することができる表示装置である。

ＬＣＯＳ反射型液晶プロジェクタは、主に光源と偏光ビームスプリッタとＬＣＯＳ反射パネルとを有して構成される。光源から射出した光は、入射光のＰ偏光又はＳ偏光によって透過と反射とを分ける偏光ビームスプリッタに入射する。偏光ビームスプリッタで反射した光（Ｓ偏光）は、ＬＣＯＳ反射パネルで液晶パネルに電圧が印加されているとき（液晶素子がＯＮの状態）は偏光方向をＰ偏光に変換して反射し、電圧が印加されていないとき（液晶素子がＯＦＦの状態）は偏光方向をＳ偏光のまま反射する。ＬＣＯＳ反射パネルで反射された光は、再び偏光ビームスプリッタに入射し、液晶素子がＯＮである場合はＰ偏光であるため、偏光ビームスプリッタを透過し、スクリーン上に投影される。一方、液晶素子がＯＦＦである場合はＳ偏光であるため、偏光ビームスプリッタで反射し、スクリーン上には投影されない（スクリーン上には光が投影されない）。

ところで、偏光ビームスプリッタに対して発散光が入射したときには、反射すべきＳ偏光のうち一部が透過してしまい、コントラストの低下を招来するという問題点がある。一般に、偏光ビームスプリッタには４５度の傾斜角で平面形状の偏光分離膜が形成され、４５度の角度で入射する入射光に対して、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する光学特性を発揮する（逆の透過特性もある）。このとき、Ｐ偏光及びＳ偏光の偏光方向は、偏光分離膜の法線方向と入射光の進行方向とによって決定される。従って、偏光分離膜に入射する光の入射角が偏光分離膜に対して４５度であれば、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する光学特性を完全に発揮することができるが、４５度以外の角度であるとき（角度依存性が生じているとき）は、当該角度依存性が生じている光線の偏光方向がＰ偏光の偏光方向又はＳ偏光の偏光方向に対して傾斜することになる。つまり、Ｐ偏光の偏光方向に対して偏光方向が傾斜している光線は、Ｐ偏光成分の他にＳ偏光成分を有し、Ｓ偏光の偏光方向に対して偏光方向が傾斜している光線は、Ｓ偏光成分の他にＰ偏光成分を有していることになる。従って、Ｐ偏光の偏光方向に対して偏光方向が傾斜している光線は完全な透過光とはならず、一部の光が反射し、Ｓ偏光の偏光方向に対して偏光方向が傾斜している光線は完全な反射光とはならず、一部の光が透過するため、光学特性を満足に発揮することができない。

ここで、光源から射出される光を収束光とすると、ＬＣＯＳ液晶パネルを反射したＳ偏光（液晶素子がＯＦＦの反射光）は発散光となる。当該発散光又は収束光は偏光ビームスプリッタに入射することになるが、このとき、偏光分離膜に入射する入射光は発散光又は収束光であるため、入射領域（入射光が偏光分離膜に入射する領域）によっては偏光分離膜に対して４５度とは異なる角度で入射する。つまり、偏光分離膜に入射する入射光は、無数の光線の束により形成されるが、これら光線のうち、入射光の光軸中心の光線については偏光分離膜に対して４５度の角度で偏光分離膜に入射する。このため、偏光分離膜のＳ偏光の偏光方向と一致して、完全に反射される。しかし、入射光の光軸中心以外の光線については、４５度とは異なる角度で偏光分離膜に入射するため、偏光分離膜により定まるＳ偏光の方向と一致しない。このため、偏光分離膜に入射した発散光又は収束光は、完全には反射されず、その一部が透過する。

このため、本来偏光ビームスプリッタで反射すべき光の一部が透過してしまい、スクリーン上に光が投影される。その結果、スクリーン上に表示される映像のコントラストが低下するという問題を招来する。特に、入射領域の端部における光線は４５度から大きくずれた角度で入射されるため、コントラストの低下が顕著になる。

上記の問題は、ＬＣＯＳ型液晶プロジェクタにのみ起こる問題ではなく、偏光ビームスプリッタへの入射光の角度依存性によってコントラストが低下するという問題は、他の液晶プロジェクタにも生じる問題である。

そこで、コントラスト低下の問題を解決するために、偏光分離膜と位相板層とを備えた偏光ビームスプリッタが特許文献１に開示されている。
特開平１０−２８２３４０号公報

特許文献１で開示されている偏光ビームスプリッタは、偏光分離膜と位相板層とが接着層を介して対向して配置されている。特許文献１では、光軸に対して傾斜してライトバルブ（ＬＣＯＳ反射パネル）に入射する光線は、偏光ビームスプリッタとライトバルブとを往復するときに、偏光ビームスプリッタの位相板層（λ／４波長板として機能する）を２回透過している。このため、ライトバルブからの反射光は位相が１８０度ずれるため、偏光分離膜に入射する入射光が偏光分離膜のＳ偏光の方向に一致している。

ところで、特許文献１で開示されている偏光ビームスプリッタは、直角二等辺三角柱状に構成された２つのプリズム部材のうち第１のプリズム部材に偏光分離膜を形成し、第２のプリズム部材に位相板層を形成している。従って、特許文献１の図（図１）からも明らかなように、偏光分離膜と位相板層とは平行な状態で対向している。

ここで、位相板層に入射する全ての光に対して、位相板層をλ／４波長板として機能させるためには、位相板層が偏光方向を制御するための機能を有している必要がある。つまり、位相板層に入射する光は、光軸中心では４５度の角度で入射するが、それ以外では４５度とは異なる角度で入射する。従って、位相板層に入射する全ての光に対してλ／４波長板として機能させるためには、偏光方向の制御が必要となる。このため、特許文献１の位相板層は、法線方向に成長する柱状組織としての蒸着膜として形成される。つまり、特許文献１の位相板層は、偏光方向を制御するために特別な蒸着膜を形成する必要がある。

特許文献１のように法線方向に成長する柱状組織としての蒸着膜を用いなくても、フィルムや水晶板を使用してλ／４波長板として機能させる方法もある。フィルムや水晶板には結晶軸が存在するため、結晶軸の作用により、光軸中心以外の領域において偏光方向を制御することができる。しかし、フィルムには耐候性の問題があり、水晶板には大型の水晶板を得ることができないという問題がある。

そこで、本発明は、特別な蒸着膜や結晶軸によらず、高屈折率膜と低屈折率膜との交互積層からなる光学多層膜により、偏光ビームスプリッタに発散光が入射したときに、スクリーンに表示される映像のコントラストを改善することを目的とする。

本発明の透過位相板は、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した補正用光学多層膜を曲面上に形成することにより、前記補正用光学多層膜を波長板として機能させ、前記補正用光学多層膜に入力される発散光又は収束光の偏光状態を補正することを特徴とする。

また、本発明の偏光ビームスプリッタは、Ｐ偏光又はＳ偏光のうち何れか一方の光を透過し、他方の光を反射する偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタであって、前記偏光ビームスプリッタは、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層された補正用光学多層膜と、前記偏光分離膜とを有し、前記補正用光学多層膜は曲面形状に形成することにより前記補正用光学多層膜を波長板として機能させ、前記偏光分離膜に入射する光を透過と反射とに分けるときには、波長板として機能する曲面形状に形成された前記補正用光学多層膜により偏光方向を補正した状態で前記偏光分離膜に入射させることを特徴とする。

また、本発明の投射型表示装置は、上述の偏光ビームスプリッタにおいて、光源と、前記偏光ビームスプリッタと、偏光方向の変調制御を行う反射型ライトバルブとを有することを特徴とする。

本発明は、特別な蒸着膜や結晶軸によらずにコントラストを改善することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は本発明を適用することができる投射型表示装置の一例としてＬＣＯＳ反射型液晶プロジェクタを示している。ここでは、ＬＣＯＳ反射型液晶プロジェクタについて説明するが、他の種類の投射型表示装置、例えば透過型の液晶プロジェクタ等にも本発明を適用することができる。図１において、本発明の投射型表示装置は、光源１０と偏光ビームスプリッタ２０と反射型ライトバルブ６０とスクリーン７０とを有して構成される。光源１０からはランダム偏光やＰ偏光又はＳ偏光に整えられた直線偏光等の任意の光が射出される。また、光源１０から射出された光は、反射型ライトバルブ６０に集光させるために、収束光となって射出される。そして、光源１０から射出された光は偏光ビームスプリッタ２０において、Ｐ偏光又はＳ偏光のうち何れか一方の光が透過し、他方の光が反射される。ここでは、偏光ビームスプリッタ２０はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するものとする。従って、偏光ビームスプリッタ２０では、Ｓ偏光が反射型ライトバルブ６０に向かって反射する。

反射型ライトバルブ６０は、各画素の選択（ＯＮ）・非選択（ＯＦＦ）に対応して、入射光の偏光方向の変調制御を行うライトバルブである。反射型ライトバルブ６０には、各画素に対応してスイッチング素子が配置され、当該スイッチング素子により、各画素の液晶分子に電圧が印加される。液晶分子に電圧が印加されると、液晶分子の配列方向が変化し、反射型ライトバルブ６０では入射光の偏光方向を９０度回転させる配列方向に液晶分子が変化する。従って、画素が選択状態である場合は、入射光のＳ偏光はＰ偏光に偏光方向が変調されて、偏光ビームスプリッタ２０に向かって反射する。一方、画素が非選択状態である場合は、液晶分子に電圧が印加されないため、液晶分子の配列方向に変化は生じない。従って、入射光に対して変調作用を及ぼさないため、入射光のＳ偏光はそのままＳ偏光として、偏光ビームスプリッタ２０に向かって反射する。

上述したように偏光ビームスプリッタ２０は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する光学特性を有している。従って、反射型ライトバルブ６０で反射した反射光がＰ偏光である場合にはスクリーン７０に光が投射され、Ｓ偏光である場合には光源１０に向かって反射する。このため、スクリーン７０に白状態（画素が選択状態）と黒状態（画素が非選択状態）とを投影することができる。

ここで、図２に示されるように、偏光ビームスプリッタ２０には偏光分離膜３０と補正用光学多層膜４０とが設けられている。偏光分離膜３０は、入射光のＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する光学特性を有する光学多層膜であり、偏光ビームスプリッタ２０の機能は偏光分離膜３０により達成される。図２の偏光分離膜３０は４５度で入射する入射光に対してＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する光学特性を発揮する。

図１からも明らかなように、光源１０から射出された光は反射型ライトバルブ６０に集光させるための収束光となっている。つまり、反射型ライトバルブ６０に集光させるような収束光を用いることにより、光路を平行にするめのコリメータレンズや平行光を収束光にするための集光レンズを必要としないため、装置全体のコンパクト化を図ることができるためである。このため、反射型ライトバルブ６０で反射した光が再び反射型ライトバルブ６０に入射するときには発散光となっているため、偏光分離膜３０に対して角度依存性を生じることになる。ここで、偏光分離膜３０に入射する光に角度依存性が生じていると、本来反射されるべき光の一部が透過し、本来透過されるべき光の一部が反射する。つまり、偏光分離膜３０に対して角度依存性をもった光が入射すると、角度依存性をもった光の偏光方向はＰ偏光又はＳ偏光の偏光方向に対して傾斜していることになる。このため、偏光方向が傾斜している光は、Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分だけではなく、夫々Ｓ偏光成分又はＰ偏光成分を含んでいるため、偏光分離膜３０は透過・反射特性を完全に発揮することができず、本来反射又は透過されるべき光の一部が透過又は反射することになる。このとき、反射型ライトバルブ６０で反射した光はＳ偏光であるが、偏光分離膜３０においてＳ偏光の偏光方向に対して傾斜している光が入射すると、一部の光が透過し、スクリーン上に投影される映像のコントラストが低下する。つまり、偏光分離膜３０において完全に反射されるべき光の一部が透過することにより、スクリーン７０上に黒状態が維持されているべき画素が、光の透過により黒状態を維持することができず、コントラストが低下する。

そこで、本発明では、図１及び図２に示されるように、反射型ライトバルブ６０からの入射光の入力側に、曲面上に補正用光学多層膜４０を形成している。そして、偏光分離膜３０を出力側に形成する。補正用光学多層膜４０は、高屈折率膜と低屈折率膜との交互積層によってなる光学多層膜であり、曲面上に形成された部材（ガラス基板等）の上に形成されている。補正用光学多層膜４０が曲面上に形成されることにより、波長板として機能することができる。つまり、偏光分離膜３０に対して入射する入射光は収束光であり、入射角に角度依存性が存するため、一部の光が透過することによりコントラストが低下する。そこで、偏光ビームスプリッタ２０の入力側（つまり、偏光分離膜３０に入射する直前）に曲面上に形成された補正用光学多層膜４０を配置し、そして出力側（反射・透過されて偏光ビームスプリッタ２０から射出する側）に偏光分離膜３０を配置する。これにより、曲面上に形成された補正用光学多層膜４０により光軸中心以外の光線の偏光方向を補正することにより、コントラストの改善を図る。以下、さらに詳しく述べる。

本発明の補正用光学多層膜４０は、（１）補正用光学多層膜４０に入射する入射光の相互に直交する偏光方向（Ｐ偏光とＳ偏光）の間に所定の位相差を与える光学多層膜であり、（２）所定の曲率をもった曲面上に形成されていること、の２つの条件を充足するものである。上記（１）の条件は波長板としての機能を発揮するための条件である。上記（１）の条件を充足するために、補正用光学多層膜４０の膜構成は、高屈折率膜と低屈折率膜との材料の選択（つまり、所定の屈折率を有する膜の選択）、選択された高屈折率膜及び低屈折率膜の膜厚の制御、そして交互積層の積層数の制御を行う。入射光のＰ偏光とＳ偏光との間に与える位相差によっては、材料の選択、膜厚及び積層数の制御は夫々異なるものが採用される。補正用光学多層膜４０に適用される高屈折率膜の一例としては、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３等があり、低屈折率膜の一例としては、ＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２等がある。そして、夫々選択した材料に応じて、膜層数や膜厚等の制御を行う。膜層数の制御は材料の蒸着回数により、膜厚の制御は蒸着時間によって制御することができる。

例えば、高屈折率膜としてＴａ_２Ｏ_５を、低屈折率膜としてＳｉＯ_２を選択したときに、おおよそ４０層程度の交互積層により、Ｐ偏光とＳ偏光との間に１８０度の位相差を与えることができる。

ところで、上述した（１）のみの条件を充足する光学多層膜（平面上に形成されている光学多層膜）は、入射光の入射面がＰ偏光の偏光方向及びＳ偏光の偏光方向に対して０度の角度でないときに、その効果を発揮する。つまり、入射光の偏光方向がＰ偏光又はＳ偏光の偏光方向と一致しているときには、位相差を与える機能を発揮せず、そのまま透過する。ここで、本実施形態で述べているところのＰ偏光及びＳ偏光の偏光方向は、偏光分離膜３０の法線方向と入射光の進行方向とによって形成される入射面によって決定される。つまり、入射面内を振動している光がＰ偏光として定義され、入射面と垂直な面内を振動している光がＳ偏光として定義される。

ここで、上述した（１）の条件を充足する平面の光学多層膜が偏光分離膜３０よりも入力側に、且つ偏光分離膜３０と平行に配置されていると仮定すると、平面形状の光学多層膜に入射する光の偏光方向はＳ偏光の偏光方向と一致しているため、Ｐ偏光を進相軸、Ｓ偏光を遅相軸として作用させることはできない。つまり、光線の進行方向には屈折率が異ならないため、位相差を与える機能を発揮せず、入射光はそのまま透過する。従って、光軸中心以外の光線を偏光分離膜３０に対して傾斜させて、Ｐ偏光を進相軸、Ｓ偏光を遅相軸として作用させる必要がある。

そこで、上記（１）を満たす光学多層膜を、所定の曲率をもった曲面上に形成する（上記（２）の条件）。図２からも明らかなように、補正用光学多層膜４０に入射する入射光の光軸中心の光線は、補正用光学多層膜４０の頂点（最も偏光分離膜３０と接近している点）を透過する。ここで、補正用光学多層膜４０の頂点を通る光軸中心の光線の偏光方向は補正されない。つまり、補正用光学多層膜４０の頂点における接線の方向は、偏光分離膜３０の面の方向と平行となる。換言すれば、補正用光学多層膜４０の頂点における法線方向は、偏光分離膜３０の法線方向と一致する。ここで、図２に示されるように、入射光の光軸中心の光線は上記頂点と一致するため、光軸中心の光線はＳ偏光の偏光方向と一致し、位相差は与えられず入射光はそのまま透過する。

一方、補正用光学多層膜４０は曲面上に形成されているため、補正用光学多層膜４０の頂点以外に入射する光線の偏光方向は、偏光分離膜３０により定まるＰ偏光又はＳ偏光の偏光方向とは異なる。従って、入射光の光軸中心以外の光線は位相差が与えられることにより偏光方向が回転し、偏光方向を補正することができる。特に、曲面上に形成された補正用光学多層膜４０の頂点近傍においては偏光分離膜３０に対してほぼ平行であるため、殆ど偏光方向が回転しないが、補正用光学多層膜４０の偏光分離膜３０に対する傾斜角は光軸中心から端部になるにしたがって大きくなるため、端部における偏光方向の補正量は大きくなる。そして、補正用光学多層膜４０に入射する入射光の光軸中心は補正用光学多層膜４０の頂点を通り、光軸中心から端部になるにしたがって角度依存性が大きくなる。角度依存性が小さい光軸中心近傍では補正量は少なく、角度依存性が大きい端部では補正量が大きくなる。このため、曲面上に形成された補正用光学多層膜４０に入射する入射光の偏光方向を偏光分離膜３０のＳ偏光の偏光方向に補正することができる。このとき、補正用光学多層膜４０が形成される曲面は、補正用光学多層膜４０を透過したときに、入射光の全ての光線が偏光分離膜３０のＳ偏光の偏光方向と一致するような曲率で形成する。

ここで、補正用光学多層膜４０が与える位相差が９０度であればλ／４波長板として機能し、１８０度であればλ／２波長板として機能する。このとき、与える位相差によって補正用光学多層膜４０の曲率は異なることになるため、上記（１）で選択した高屈折率膜と低屈折率膜との材料、膜厚、積層数等によって、補正用光学多層膜４０の曲率を適宜制御する。

ところで、図１からも明らかなように、光源１０から入射して偏光分離膜３０で反射したＳ偏光は、反射型ライトバルブ６０で変調されて再び偏光分離膜３０に入射するとき（入力されるとき）には、往復で合計２回補正用光学多層膜４０を透過している。つまり、反射型ライトバルブ６０で変調・反射したＳ偏光は波長板として機能する補正用光学多層膜４０の作用を２回受けるため、光軸中心以外の光線は合計２回補正されることになる。従って、曲面上に形成された補正用光学多層膜４０を合計２回透過することにより、光軸中心以外の光線の偏光方向を偏光分離膜３０により定まるＳ偏光の偏光方向に補正するように、補正用光学多層膜４０の曲面の曲率を制御する。本実施形態では、２回の透過で偏光方向を補正しているが、勿論１回の透過で補正するようにしてもよい。つまり、図１に示される投射型表示装置では波長板として機能する補正用光学多層膜４０を２回透過することになるが、他の用途として補正用光学多層膜４０を使用する場合は、１回の透過で偏光分離膜３０のＳ偏光の偏光方向と一致するように補正を行うものであってもよい。

ところで、偏光ビームスプリッタ２０は偏光分離膜３０と補正用光学多層膜４０とにより構成されるため、２つの光学多層膜が形成された面を有している。偏光ビームスプリッタ２０がキューブ状のプリズムである場合について説明すると、偏光ビームスプリッタ２０は、夫々ガラス基板等の基板部材である第１の基板部材２１と第２の基板部材２２と第３の基板部材２３との３つの部材により構成される。第１の基板部材２１は三角柱状をしており、その斜面が第２の基板部材２２との接合面となる。第３の基板部材２３は、第１の基板部材２１の斜面に相当する部分が凸面形状の曲面形状をしている。第２の基板部材２２は、第１の基板部材２１及び第３の基板部材２３と一体となってキューブ状の偏光ビームスプリッタ２０を構成する部材であり、第１の基板部材２１及び第３の基板部材２３と接合される。従って、一面では凹面形状の曲面形状をしており、反対面では第１の基板部材２１の斜面と同一形状をしている。

そして、第１の基板部材２１と第２の基板部材２２とが接合される２つの接合面のうち何れか一方の接合面に偏光分離膜３０を形成し、第２の基板部材２２と第３の基板部材２３とが接合される２つの接合面のうち何れか一方の接合面に補正用光学多層膜４０を形成する。上述したものは、偏光ビームスプリッタ２０がキューブ状であるものについて説明したが、キューブ状でない場合にも採用することができる。

ここで、補正用光学多層膜４０を形成する面の曲面の曲率について説明する。補正用光学多層膜４０が形成される曲面の曲率中心は、補正用光学多層膜４０の頂点を基点として、光源１０又は反射型ライトバルブ６０を４５度傾斜させた点に設けられる。補正用光学多層膜４０を曲面上に形成して、λ／２波長板として機能させる場合には曲率を小さくし、λ／４波長板として機能させる場合には曲率を大きくする必要がある。このとき、曲率が大きい場合は、曲面の端部における角度制御が難しくなることもあるため、λ／４波長板と比較して、λ／２波長板の方がより偏光方向を補正することができる。

また、補正用光学多層膜４０が形成される曲面の曲率（Ｒとする）は、適正に偏光方向を補正するために、次の範囲内であることが好ましい。反射型ライトバルブ６０から補正用光学多層膜４０に入射する入射光の光軸中心の光線の進行方向をＺ軸とし、入射面（偏光分離膜３０の法線方向と入射光の光軸中心の光線の進行方向とにより形成される面）が形成される方向をＹ軸、これに垂直な方向をＸ軸としたときに、反射型ライトバルブ６０から補正用光学多層膜４０が形成されている曲面までの距離をＬとする。このとき、補正用光学多層膜４０が形成される曲面の曲率Ｒは、Ｘ軸方向においては「Ｌ／２≦Ｒ≦∞」の範囲内、Ｙ軸方向においては「Ｌ／２≦Ｒ≦１０Ｌ」の範囲内であることが好ましい。

なお、補正用光学多層膜４０の曲面としては、球面、非球面又はシリンダ形状等が考えられるが、入射面端部になるに従って傾斜角を大きくするために、理想的には非球面形状が望ましい。但し、球面形状、シリンダ形状その他の曲面であっても、十分に補正することは可能である。

また、補正用光学多層膜４０を波長板として機能させる場合において、曲率の制御だけではなく、補正用光学多層膜４０を構成する高屈折率膜及び低屈折率膜の種類や膜厚等を制御することにより、所定の位相差を与える波長板として機能させることができる。

図１に示した投射型表示装置は、偏光分離膜３０で反射したＳ偏光を利用するものであるが、透過したＰ偏光を利用するものであってもよい。例えば、図３に示すように、光源１０から射出した光は、偏光分離膜３０に入射しＰ偏光のみが透過する。反射型ライトバルブ６０では、黒状態を維持すべき画素はＰ偏光のまま反射し、白状態の画素はＰ偏光からＳ偏光に変調して反射する。そして、反射型ライトバルブ６０で反射して偏光分離膜３０に入力される光は、曲面上に形成された補正用光学多層膜４０を透過する。従って、補正用光学多層膜４０により光軸中心以外の光線の偏光方向は偏光分離膜３０のＰ偏光の偏光方向に補正されるため、本来透過すべきＰ偏光の光が角度依存性によりスクリーン上に反射されることを防止することができる。このため、図３に示されるような投射型表示装置でも、コントラストの改善を図ることができる。

以上に基づいて、図４に本発明を適用した場合の比較例を示す。図４は、偏光ビームスプリッタ２０に波長４５０ｎｍ、Ｆナンバー２．５のレーザー光が入射したときのコントラストの比較例を示す。図４において、補正用光学多層膜４０を形成していない場合、漏れ光（反射型ライトバルブ６０で反射した光（Ｓ偏光）のうち、偏光分離膜３０を透過する光の割合）は１．４６％と割合が高い。これに伴い、コントラスト（入射光／漏れ光）も低くなる。一方、補正用光学多層膜４０を形成した場合は、その形状が球面形状、シリンダ形状のいずれの場合でも、またλ／２波長板、λ／４波長板の何れの波長板として機能した場合でも、漏れ光の割合が少なく、高いコントラストを実現することができる。なお、シリンダ形状よりも球面形状の方が、λ／４波長板よりもλ／２波長板の方が、曲率の制御が容易である。なお、適切な曲率をもって曲面を非球面形状にすることにより、漏れ光を０％にすることができる。

以上説明したように、偏光ビームスプリッタ２０に、偏光分離膜３０よりも入射側に入射光のＰ偏光とＳ偏光との間に所定の位相差を与える機能を発揮する補正用光学多層膜４０を形成することにより、偏光方向が傾いている光線が入射したとしても、偏光方向を補正することができる。このため、投射型表示装置に発散光又は収束光を使用した場合でも、偏光分離膜３０で本来反射されるべき光（Ｓ偏光）のうち一部の光が漏れ光として透過することなく、確実に反射することができ、コントラストが低下することを防止することができる。

ところで、上述したものは、偏光ビームスプリッタ２０に補正用光学多層膜４０を形成したものについて説明した。つまり、偏光ビームスプリッタ２０に補正用光学多層膜４０と偏光分離膜３０とを形成し、補正用光学多層膜４０により入射光の偏光方向を補正した状態で偏光分離膜３０に入射させている。ここで、補正用光学多層膜４０と偏光分離膜３０とを夫々別の部品として設けることも可能である。つまり、図５に示されるように、偏光分離膜７１が形成された偏光ビームスプリッタ７０と補正用光学多層膜８１が形成された透過位相板８０との２つの部品に分離することも可能である。

このとき、偏光分離膜７１が形成された偏光ビームスプリッタ７０としては、キューブ状のプリズムの内部に偏光分離膜７１が形成された偏光ビームスプリッタを使用することができる。勿論、キューブ状のプリズムでないものを使用することも可能である。そして、偏光ビームスプリッタ７０の偏光分離膜７１に発散光又は収束光が入射するときに、入射面の端部における光線の偏光方向を補正するための光学素子として透過位相板８０を設ける。透過位相板８０は、Ｐ偏光とＳ偏光との間に所定の位相差を与える機能（つまり、波長板として機能する）を有する光学素子であり、上述の補正用光学多層膜４０と同じ機能を有する補正用光学多層膜８１が入力側に形成されている。

補正用光学多層膜８１は、高屈折率膜と低屈折率膜との交互積層によってなる光学多層膜であるため、結晶軸は存在しない。従って、補正用光学多層膜８１に対して直交する方向から入射する光に対しては、Ｐ偏光を進相軸、Ｓ偏光を遅相軸として作用することがないため、Ｐ偏光とＳ偏光との間に位相差を与えることができない。そこで、透過位相板８０には、曲面上に補正用光学多層膜８１が形成されている。補正用光学多層膜８１が曲面上に形成されていると、入射光に対して曲面の法線が傾斜するため、入射光に対してＰ偏光を進相軸、Ｓ偏光を遅相軸として作用することができる。このため、入射光のＰ偏光とＳ偏光との間に位相差を与えることができ、入射光の偏光方向を補正することができる。

以上の偏光ビームスプリッタ７０と透過位相板８０とを別個に設け、透過位相板８０を偏光ビームスプリッタ７０よりも入射光の入射側に設ける。入射光が発散光又は収束光である場合、透過位相板８０を透過したときに、偏光方向が補正されるため、偏光ビームスプリッタ７０において、入射光の偏光方向が傾斜していることにより、偏光ビームスプリッタ７０の光学特性を十分に発揮できないという問題を解消することができる。

ここで、透過位相板８０は、それ自体で偏光方向を補正する機能を有している。例えば、補正用光学多層膜８１がλ／４波長板として機能する場合、透過位相板８０の補正用光学多層膜８１に対して直線偏光が入射すると、透過位相板８０を透過したときは、円偏光に変化する。しかし、入射光が発散光又は収束光である場合は、光軸中心以外の光線は補正用光学多層膜８１に対して４５度の偏光方向とはならないため、円偏光ではなく楕円偏光に変化してしまう。そこで、透過位相板８０の曲面上に形成された補正用光学多層膜８１により、入射光の光軸中心以外の偏光方向を補正する。つまり、補正用光学多層膜８１を透過した後には、発散光又は収束光の全ての光線の偏光方向は同じ偏光状態となっていることになる。

図６（ａ）は補正用光学多層膜８１が曲面状態ではなく平面状態で形成されているときの透過光の偏光状態を示し、同図（ｂ）は補正用光学多層膜８１が曲面状態で形成されているときの透過光の偏光状態を示す。同図（ａ）に示されるように、補正用光学多層膜８１が平面状態で形成されているときは、光軸中心以外の光線は楕円偏光となる。これに対し、同図（ｂ）に示されるように、補正用光学多層膜８１が曲面状態で形成されているときは、偏光状態が補正されることにより、光軸中心以外の光線も円偏光となる。

投射型表示装置の概略構成図である。 偏光ビームスプリッタの説明図である。 投射型表示装置の他の例の概略構成図である。 比較例を示す説明図である。 偏光ビームスプリッタと透過位相板とを分離したときの説明図である。 補正用光学多層膜を透過したときの透過光の偏光状態を示す図である。

符号の説明

１０ 光源 ２０ 偏光ビームスプリッタ
３０ 偏光分離膜 ４０ 補正用光学多層膜
６０ 反射型ライトバルブ ７０ スクリーン

Claims (9)

1. 高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した補正用光学多層膜を曲面上に形成することにより、前記補正用光学多層膜を波長板として機能させ、前記補正用光学多層膜に入力される発散光又は収束光の偏光状態を補正することを特徴とする透過位相板。
2. 前記補正用光学多層膜が形成されている曲面は、前記発散光又は収束光の光線の偏光方向を全て同じ偏光状態に補正する曲率で形成されていることを特徴とする請求項１記載の透過位相板。
3. 前記曲面形状は、非球面形状、球面形状又はシリンダ形状であることを特徴とする請求項１記載の透過位相板。
4. Ｐ偏光又はＳ偏光のうち何れか一方の光を透過し、他方の光を反射する偏光分離膜を有する偏光ビームスプリッタであって、
   前記偏光ビームスプリッタは、高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層した補正用光学多層膜と、前記偏光分離膜とを有し、前記補正用光学多層膜を曲面形状に形成することにより前記補正用光学多層膜を波長板として機能させ、
   前記偏光分離膜に入射する光を透過と反射とに分けるときに、曲面形状に形成された前記補正用光学多層膜により偏光方向を補正して前記偏光分離膜に入射させることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
5. 前記補正用光学多層膜は、前記発散光又は収束光の偏光方向が前記偏光分離膜により定まる偏光方向と一致するように補正を行う曲率で前記曲面形状に形成されていることを特徴とする請求項４記載の偏光ビームスプリッタ。
6. 前記曲面形状は、非球面形状、球面形状又はシリンダ形状であることを特徴とする請求項４記載の偏光ビームスプリッタ。
7. 前記補正用光学多層膜は、λ／４波長板又はλ／２波長板として機能することを特徴とする請求項４記載の偏光ビームスプリッタ。
8. 請求項４乃至７記載の偏光ビームスプリッタにおいて、光源と、前記偏光ビームスプリッタと、偏光方向の変調制御を行う反射型ライトバルブとを有することを特徴とする投射型表示装置。
9. 前記偏光ビームスプリッタに入射する入射光の光軸中心の光線の進行方向をＺ軸とし、前記偏光分離膜の法線方向と前記光軸中心の光線の進行方向とにより形成される入射面が形成される方向をＹ軸、これに垂直な方向をＸ軸とし、前記反射型ライトバルブから前記補正用光学多層膜が形成されている曲面までの距離をＬとしたときに、
   前記補正用光学多層膜が形成される曲面の曲率Ｒは、Ｘ軸方向において、Ｌ／２≦Ｒ≦∞の範囲内であり、Ｙ軸方向において、Ｌ／２≦Ｒ≦１０Ｌの範囲内であることを特徴とする請求項８記載の投射型表示装置。
   

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