JP2007156294A - 偏光光源装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 面発光光源を用いた偏光光源装置において、システムのエタンデュー及び光源のエタンデューを変化させることなく、面発光光源からの射出光を効率良く偏光変換できるようにする。
【解決手段】 単色、かつ、不定偏光を発する面発光光源１と、この面発光光源１の発光面１ａ上に配置されこの発光面１ａより発せられた光が入射される平板状のフォトニク結晶体２と、面発光光源１より発せられフォトニク結晶体２を経た光が入射されるコリメータ６と、コリメータ６を経た光が入射される１／４波長板３と、フォトニク結晶体２に略平行に配置され１／４波長板３を経た光が入射される反射型偏光板４とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直線偏光状態の光を発し画像表示装置等において空間光変調素子を照明するために用いて好適な偏光光源装置及びこのような偏光光源装置を有して構成される画像表示装置に関する。

従来、複数の空間光変調素子を備え、これら空間光変調素子を照明装置により照明し、各空間光変調素子を経た照明光を結像させて画像表示を行う画像表示装置が提案されている。

各空間光変調素子は、表示画像の赤色成分、緑色成分及び青色成分をそれぞれ表示し、これら画像に応じて照明光を変調させる。照明装置は、赤色成分の画像の表示する空間光変調素子を赤色の照明光で照明し、緑色成分の画像の表示する空間光変調素子を緑色の照明光で照明し、青色成分の画像の表示する空間光変調素子を青色の照明光で照明する。

空間光変調素子としては、例えば、入射する照明光の偏光方向を変調させる液晶表示パネルが使用される。このような偏光変調を行う空間光変調素子を用いる場合には、この空間光変調素子に入射させる照明光は、偏光フィルタや偏光ビームスプリッタ等を用いて、予め、偏光方向を所定の一方向に揃えておく必要がある。

各空間光変調素子により変調された照明光は、色合成されて結像され、例えば、スクリーン上などに画像を表示する。

そして、このような画像表示装置の照明装置において、特許文献１には、図３に示すように、赤色光、緑色光及び青色光を発する面発光光源（均一光源）である固体発光素子１０１を光源として用いることが記載されている。ここで、固体発光素子としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いている。この照明装置においては、短冊状の偏光ビームスプリッタ１０２及び反射プリズム１０３を多数交互に配列させて平板状に構成した光学素子（いわゆる偏光変換素子）及び１／２波長板１０４を用いて、固体発光素子１０１からの射出光の偏光方向を所定の一方向に揃えている。そして、複数の固体発光素子１０１からの射出光をビームスプリッタ１０５に入射させ、偏光合成して、照明光としている。

また、特許文献２には、面発光光源を用いた偏光光源装置が記載されている。この偏光光源装置は、図４に示すように、面発光光源１０６より発せられた光を１／４波長板１０７及び反射型偏光板１０８に透すことにより、所定の方向の直線偏光のみが射出されるようにしたものである。１／４波長板１０７及び反射型偏光板１０８は、基台１０９上に設置された面発光光源１０６を覆うように半球形状に形成され、該基台１０９上に設置されている。そして、面発光光源１０６が設置された基台１０９の表面は、反射面１１０となされている。

この偏光光源装置においては、面発光光源１０６より発せられた光のうち、所定の方向の直線偏光と異なる方向の偏光成分は、反射型偏光板１０８により反射され、１／４波長板１０７を透過して、基台１０９の表面の反射面１１０に戻る。この反射面１１０に戻った光は、偏光方向を１８０°回転されて反射され、再び１／４波長板１０７を透過して、反射型偏光板１０８に至る。このとき、この光は、反射型偏光板１０８を透過する所定の方向の直線偏光となっており、反射型偏光板１０８を透過して射出される。このようにして、この偏光光源装置においては、面発光光源１０６より発せられた光が所定の方向の直線偏光に揃えられて射出される。

この偏光光源装置を画像表示装置の照明装置において使用する場合には、偏光光源装置から射出された光が既に所定の方向の直線偏光となっているため、照明光の偏光方向を揃えるための偏光フィルタや偏光ビームスプリッタ等を別に用いる必要がなく、画像表示装置の構成を簡素化することができる。

特開２００４−１８４７７７公報 特開２００５−５２１７公報

ところで、上述の特許文献１に記載された照明装置においては、各固体発光素子からの光は、短冊状の偏光ビームスプリッタ、反射プリズム及び１／２波長板からなる偏光変換素子（偏光変換素子）を介して入射されるため、システムのエタンデューが半減することとなる。なお、このような偏光変換素子を用いない場合には、各固体発光素子からの光のうちの一定方向の偏光成分しか利用できなくなるため、光利用効率は５０％以下となるという問題があった。

一方、上述の特許文献２に記載された偏光光源装置を用いた照明装置においては、光源の面積が実質的に反射面の面積まで増大することになり、光源のエタンデューが増大してしまうという問題があった。

さらには、上述のような従来の照明装置においては、面発光光源から放射される光線の射出角が広すぎるため、反射型偏光板及び１／４波長板の角度特性により、光利用率が著しく低下してしまうという問題があった。

本発明は、以上の点に鑑みなされたもので、面発光光源を用いた偏光光源装置であって、システムのエタンデュー及び光源のエタンデューを変化させることなく、面発光光源からの射出光を効率良く偏光変換できるようになされた偏光光源装置を提供し、また、このような偏光光源装置を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、以下の１）〜４）に記載の手段よりなる。
すなわち、
１）単色、かつ、不定偏光を面発光する面発光光源と、
前記面発光光源の発光面上に配置され、この発光面より発せられた光が入射される平板状のフォトニク結晶体と、
前記面発光光源より発せられ前記フォトニク結晶体を経た光が入射されるコリメータと、
前記コリメータを経た光が入射される１／４波長板と、
前記フォトニク結晶体の射出面に略平行に配置され、前記１／４波長板を経た光が入射される反射型偏光板と
を備えたことを特徴とする偏光光源装置。
２）前記フォトニク結晶体は、前記面発光光源の発光面に対応する領域以内に配置されていることを特徴とする１）記載の偏光光源装置。
３）１）または、２）のいずれか一に記載の偏光光源装置と、
前記偏光光源装置より発せられた光によって照明され、この照明光を画像信号に応じて変調する空間光変調素子と、
前記空間光変調素子の像を結像させる結像光学系と
を備えたことを特徴とする画像表示装置。
４）前記空間光変調素子は、反射型液晶表示パネルであることを特徴とする３）記載の画像表示装置。

本発明に係る偏光光源装置においては、面発光光源より発せられフォトニク結晶体及び１／４波長板を経た光のうち、所定の方向の直線偏光と異なる方向の偏光成分が反射型偏光板により反射され、１／４波長板を透過してフォトニク結晶体に戻り、このフォトニク結晶体により反射され、再び１／４波長板を透過して反射型偏光板に至ることにより、面発光光源より発せられた光を効率良く所定の方向の直線偏光に揃えられる。

また、この偏光光源装置において、フォトニク結晶体を面発光光源の発光面に対応する領域以内に配置すれば、フォトニク結晶体が配置されていない場合に比較して、光源のエタンデューが増大することがない。すなわち、この偏光光源装置においては、偏光変換の際に光源のエタンデューが変化しないため、偏光を制限することによる光損失を大幅に低減することが出来る。

そして、本発明に係る画像表示装置においては、本発明に係る偏光光源装置を備えることにより、光源のエタンデューが増大することがなく、また、光源からの光の利用効率が高いので、高画質で、かつ、明るい画像を表示することができる。

また、この画像表示装置において、空間光変調素子として反射型液晶表示パネル（いわゆるＬＣＯＳ）を用いた場合には、黒表示における不要光が光源側に戻るが、本発明においては、光源側に戻った黒表示における不要光が偏光光源装置において再反射されることを低減し、いわゆる「黒浮き」を抑えることができる。

すなわち、本発明は、面発光光源を用いた偏光光源装置において、システムのエタンデュー及び光源のエタンデューを変化させることなく、面発光光源からの射出光を効率良く偏光変換できるようになされた偏光光源装置を提供し、また、このような偏光光源装置を用いた画像表示装置を提供することができるものである。

以下、本発明に係る偏光光源装置及びこの偏光光源装置を用いた画像表示装置の発明を実施するための最良の形態につき、好ましい実施例により説明する。

図１は、実施例１に適用される偏光光源装置の構成を示す断面図である。

面発光光源１の発光面１ａ上には、この発光面１ａより発せられた光が入射される平板状のフォトニク結晶体２が配置されている。なお、このフォトニク結晶体２は、面発光光源１を構成する半導体としても使用されている。

フォトニク結晶とは、誘電率の異なる２種類の材料を波長オーダーの周期で配列した結晶体である。フォトニク結晶中では、フォトニクバンドギャップに対応する光はフォトニク結晶中に存在できず、そのような所定波長の近傍の光は、フォトニク結晶に照射されると略１００％反射される。

このフォトニク結晶体２は、図１中矢印Ａで示す面発光光源１の発光面１ａに対応する領域（例えば、２ｍｍ×４ｍｍ）以内に配置されていることが好ましい。

そして、この偏光光源装置においては、面発光光源１より発せられた光は、フォトニク結晶体２を経て、この光を平行光とするためのコリメータ６ａ，６ｂ，６ｃを透過した後１／４波長板３に入射される。面発光光源１より発せられる光は不定偏光であるが、この１／４波長板３を透過することにより、それぞれの偏光成分の位相が９０°回転される。この１／４波長板３としては、水晶板を用いることができる。

１／４波長板３を経た光は、反射型偏光板４に入射される。この反射型偏光板４は、フォトニク結晶体２に略平行となされて配置されている。この反射型偏光板４としては、いわゆる「ワイアグリッド」で構成された偏光板を用いることができる。この反射型偏光板４においては、所定の方向の直線偏光成分の光のみが透過して射出光となり、この所定方向に直交する方向の直線偏光成分の光は反射される。なお、反射型偏光板４が透過させる偏光方向は、１／４波長板３の光軸（結晶軸）の方向に対して、＋４５°、または、−４５°の方向となるように配置する。

反射型偏光板４において反射された反射光は、１／４波長板３に戻る。この反射光は、１／４波長板３を透過することにより、偏光の位相が９０°回転され、直線偏光成分が円偏光成分に変換され、コリメータ６ｃ，６ｂ，６ａを経た後、フォトニク結晶体２に戻る。フォトニク結晶体２に戻った光は、偏光成分の位相を１８０°回転されて反射される。

すなわち、フォトニク結晶体２に戻る光と、フォトニク結晶体２により反射された光とは、互いに逆方向の円偏光となる。ここで、フォトニク結晶体２により反射された光には、フォトニク結晶体２の表面上において反射された光の他、フォトニク結晶体２内において反射された光や、フォトニク結晶体２と面発光光源１の発光面１ａとの界面において反射された光も含まれている。

フォトニク結晶体２により反射された光は、再度コリメータ６ａ，６ｂ，６ｃを経た後１／４波長板３を透過して、反射型偏光板４に至る。このとき、この光は、反射型偏光板４によって反射されたときの偏光方向に対して直交する方向の直線偏光、すなわち、反射型偏光板４を透過する所定の方向の直線偏光となっている。したがって、この光は、反射型偏光板４を透過して射出光となる。

このようにして、この偏光光源装置においては、面発光光源１より発せられた光が効率良く所定の方向の直線偏光に揃えられて、射出光となる。偏光変換の効率は、フォトニク結晶体２を配置しない場合に比較して、少なくとも２０％以上は向上する。また、この偏光光源装置においては、反射型偏光板４からの反射光を反射するフォトニク結晶体２が、面発光光源１の発光面１ａに対応する領域以内に配置されていることにより、フォトニク結晶体２が配置されていない場合に比較して、光源のエタンデューが増大することがない。

図２は、実施例２に適用される画像表示装置の構成を示す平面図である。

この画像表示装置は、図２に示すように、前述した偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂと、これら偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂより発せられた光によって照明されこの照明光を画像信号に応じて変調する空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂと、これら空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂの像を結像させる結像光学系となる投射レンズ１２とを備えている。すなわち、この画像表示装置は、各空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂをこれら空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂに対応された偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにより照明し、各空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを経た照明光を色合成して結像させ、画像表示を行う画像表示装置である。

各空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、表示画像の赤色成分、緑色成分及び青色成分をそれぞれ表示し、これら画像に応じて照明光を偏光変調させる。実施例２においては、各空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂは、反射型空間光変調素子（いわゆる「ＬＣＯＳ」（反射型液晶表示パネル）や「ＤＭＤ」など）であり、入射された照明光を変調して反射する。

そして、この画像表示装置において、各偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、赤色光、緑色光及び青色光を発する。各偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂは、赤色成分の画像の表示する空間光変調素子１１Ｒを赤色の照明光で照明し、緑色成分の画像の表示する空間光変調素子１１Ｇを緑色の照明光で照明し、青色成分の画像の表示する空間光変調素子１１Ｂを青色の照明光で照明する。

赤色用の偏光光源装置１０Ｒから発せられた照明光は、フライアイレンズアレイ１５Ｒを経て照度分布を均一化される。このフライアイレンズアレイ１５Ｒは、表面及び裏面のそれぞれに複数のマイクロレンズ（凸レンズ）がマトリクス状に配列されて形成されている。フライアイレンズアレイ１５Ｒを経た照明光は、第１及び第２のフィールドレンズ１６Ｒ，１７Ｒを経て、偏光ビームスプリッタ１８Ｒに入射される。この偏光ビームスプリッタ１８Ｒは、反射型偏光板であり、入射する照明光の光軸に対して４５°傾斜され、入射光の偏光方向がＰ偏光となるように配置されている。この偏光ビームスプリッタ１８Ｒに入射した照明光は、この偏光ビームスプリッタ１８Ｒを透過して、赤色用の空間光変調素子１１Ｒに入射される。赤色の照明光は、空間光変調素子１１Ｒによって赤色成分の画像信号に応じて偏光変調され、赤色の画像光として反射され、偏光ビームスプリッタ１８Ｒに再入射する。偏光ビームスプリッタ１８Ｒに再入射した画像光は、この偏光ビームスプリッタ１８Ｒにより反射され、色合成プリズム（クロスダイクロイックプリズム）１９に入射される。

緑色用の偏光光源装置１０Ｇから発せられた照明光は、フライアイレンズアレイ１５Ｇを経て照度分布を均一化される。このフライアイレンズアレイ１５Ｇは、表面及び裏面のそれぞれに複数のマイクロレンズ（凸レンズ）がマトリクス状に配列されて形成されている。フライアイレンズアレイ１５Ｇを経た照明光は、第１及び第２のフィールドレンズ１６Ｇ，１７Ｇを経て、偏光ビームスプリッタ１８Ｇに入射される。この偏光ビームスプリッタ１８Ｇは、反射型偏光板であり、入射する照明光の光軸に対して４５°傾斜され、入射光の偏光方向がＰ偏光となるように配置されている。この偏光ビームスプリッタ１８Ｇに入射した照明光は、この偏光ビームスプリッタ１８Ｇを透過して、緑色用の空間光変調素子１１Ｇに入射される。緑色の照明光は、空間光変調素子１１Ｇによって緑色成分の画像信号に応じて偏光変調され、緑色の画像光として反射され、偏光ビームスプリッタ１８Ｇに再入射する。偏光ビームスプリッタ１８Ｇに再入射した画像光は、この偏光ビームスプリッタ１８Ｇにより反射され、色合成プリズム１９に入射される。

青色用の偏光光源装置１０Ｂから発せられた照明光は、フライアイレンズアレイ１５Ｂを経て照度分布を均一化される。このフライアイレンズアレイ１５Ｂは、表面及び裏面のそれぞれに複数のマイクロレンズ（凸レンズ）がマトリクス状に配列されて形成されている。フライアイレンズアレイ１５Ｂを経た照明光は、第１及び第２のフィールドレンズ１６Ｂ，１７Ｂを経て、偏光ビームスプリッタ１８Ｂに入射される。この偏光ビームスプリッタ１８Ｂは、反射型偏光板であり、入射する照明光の光軸に対して４５°傾斜され、入射光の偏光方向がＰ偏光となるように配置されている。この偏光ビームスプリッタ１８Ｂに入射した照明光は、この偏光ビームスプリッタ１８Ｂを透過して、青色用の空間光変調素子１１Ｂに入射される。青色の照明光は、空間光変調素子１１Ｂによって青色成分の画像信号に応じて偏光変調され、青色の画像光として反射され、偏光ビームスプリッタ１８Ｂに再入射する。偏光ビームスプリッタ１８Ｂに再入射した画像光は、この偏光ビームスプリッタ１８Ｂにより反射され、色合成プリズム１９に入射される。

色合成プリズム１９に入射された赤色、緑色及び青色の画像光は、色合成されて、投射レンズ１２に入射される。この投射レンズ１２は、各色の画像光を図示しないスクリーン上に投射し、拡大して結像させて、画像表示を行う。

ところで、この画像表示装置のように、空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂとして、いわゆる「ＬＣＯＳ」などの反射型空間光変調素子を用いた場合には、黒表示における不要光が光源側に戻る。しかし、この画像表示装置においては、光源側に戻った黒表示における不要光は、各偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにおいて再反射されることが低減され、いわゆる「黒浮き」が抑えられる。

すなわち、この画像表示装置においては、黒表示を行っている空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂにより反射された照明光は、各偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂからの照明光と同一の偏光方向の直線偏光として、各偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂに戻る。この戻り光は、各偏光光源装置１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂにおいて、反射型偏光板４を透過し、さらに、１／４波長板３を透過する（偏光状態の説明であるので、コリメータ６は省いて説明する）。１／４波長板３を透過するとき、この戻り光は、円偏光に変換される。そして、この戻り光は、フォトニク結晶体２において、逆方向の円偏光として反射される。この反射光は、１／４波長板３を透過して反射型偏光板４に至ったときには、この反射型偏光板４を透過できない方向の直線偏光となっているので、反射型偏光板４によって反射される。この光は、再び、１／４波長板３を経てフォトニク結晶体２に至り、このフォトニク結晶体２において反射され、１／４波長板３を経て反射型偏光板４に至る。この光は、反射型偏光板４を透過する方向の直線偏光となっているが、反射型偏光板４とフォトニク結晶体２との間で繰返し反射されたことによって減衰しており、空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂに到達する光量は減少するのである。

また、この画像表示装置においては、光源のエタンデューが増大することがなく、また、光源からの光の利用効率が高いので、高画質で、かつ、明るい画像を表示することができる。

なお、本発明に係る画像表示装置は、前述の実施例２のように空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂとして反射型空間光変調素子を用いた構成に限定されず、空間光変調素子１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂとして透過型光変調素子を用いた構成としてもよい。また、この画像表示装置においては、フライアイレンズアレイ１５Ｒ，１５Ｇ，１５Ｂに代えて、ロッドインテグレータ、ライトトンネル（ライトパイプ）インテグレータを用いてもよい。

実施例１に適用される偏光光源装置の構成を示す断面図である。 実施例２に適用される画像表示装置の構成を示す平面図である。 従来の画像表示装置の照明装置の構成を示す平面図である。 従来の偏光光源装置の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 面発光光源
１ａ 発光面
２ フォトニク結晶体
３ １／４波長板
４ 反射型偏光板
６ コリメータ
１０Ｒ 赤色用の偏光光源装置
１０Ｇ 緑色用の偏光光源装置
１０Ｂ 青色用の偏光光源装置
１１Ｒ 赤色用の空間光変調素子
１１Ｇ 緑色用の空間光変調素子
１１Ｂ 青色用の空間光変調素子
１２ 投射レンズ

Claims (4)

1. 単色、かつ、不定偏光を面発光する面発光光源と、
   前記面発光光源の発光面上に配置され、この発光面より発せられた光が入射される平板状のフォトニク結晶体と、
   前記面発光光源より発せられ前記フォトニク結晶体を経た光が入射されるコリメータと、
   前記コリメータを経た光が入射される１／４波長板と、
   前記フォトニク結晶体の射出面に略平行に配置され、前記１／４波長板を経た光が入射される反射型偏光板と
   を備えたことを特徴とする偏光光源装置。
2. 前記フォトニク結晶体は、前記面発光光源の発光面に対応する領域以内に配置されている
   ことを特徴とする請求項１記載の偏光光源装置。
3. 請求項１または、請求項２のいずれか一に記載の偏光光源装置と、
   前記偏光光源装置より発せられた光によって照明され、この照明光を画像信号に応じて変調する空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子の像を結像させる結像光学系と
   を備えたことを特徴とする画像表示装置。
4. 前記空間光変調素子は、反射型液晶表示パネルであることを特徴とする請求項３記載の画像表示装置。
   
   

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