JP2007178567A - 偏光光源装置及び画像表示装置 - Google Patents
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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ライトパイプ及びコリメータ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
【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ライトパイプ及びコリメータ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7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8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。
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)〜6)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ライトパイプと、
前記ライトパイプを経た光が入射されるコリメータと、
前記コリメータの入射側又は射出側に配置される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)前記ライトパイプは入射面および射出面は矩形形状であって、
入射面よりも射出面の面積が大きいテーパー形状であることを特徴とする1)又は2)に記載の偏光光源装置。
4)前記ライトパイプの入射面および射出面は矩形形状であって、
入射面の一辺が相当する射出面の1辺の長さが略2倍であることを特徴とする1)乃至3)のいずれか一に記載の偏光光源装置。
5)1)乃至4)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。
6)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5)記載の画像表示装置。
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ライトパイプと、
前記ライトパイプを経た光が入射されるコリメータと、
前記コリメータの入射側又は射出側に配置される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)前記ライトパイプは入射面および射出面は矩形形状であって、
入射面よりも射出面の面積が大きいテーパー形状であることを特徴とする1)又は2)に記載の偏光光源装置。
4)前記ライトパイプの入射面および射出面は矩形形状であって、
入射面の一辺が相当する射出面の1辺の長さが略2倍であることを特徴とする1)乃至3)のいずれか一に記載の偏光光源装置。
5)1)乃至4)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。
6)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5)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ライトパイプを経た後さらに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。
また、ライトパイプの入射面と射出面の面積を射出面側の面積を大とするようにしたテーパー形状とすることで、面発光光源に効率よく光が戻すことが出来る。すなわち、テーパー形状のライトパイプを用いることで、ライトパイプ射出面の面積を小さくすることが可能となり、射出面のエタンデューを小さく出来る。これにより、ライトパイプ以降の後段の照明効率を向上させることが出来る。
面発光光源のエタンデューよりも小さいエタンデューの系(ライトパイプ)が入ることにより、面発光光源からの発光光束の利用効率が低下することが考えられるが、ライトパイプをテーパー形状とすることで、面発光光源側に光を戻すことが可能となり、特に入射面に対して射出面の寸法を略2倍とすることで、戻せる光束が最も多くなる。
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。
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。
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を経た後さらにライトパイプ9を経て、この光を平行光とするためのコリメータ6a,6b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を経た後、さらにライトパイプ9を経てフォトニク結晶体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、再度ライトパイプ9、コリメータ6a,6b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3を用いて、ライトパイプ9について説明する。同図に示すように、ライトパイプ9は入射面および射出面は矩形形状であって、ライトパイプ9の入射面と射出面の面積を射出面側の面積を大とするようにしたテーパー形状としている。このようにテーパー形状とするとで、面発光光源に効率よく光が戻すことが出来る。すなわち、テーパー形状のライトパイプを用いることで、ライトパイプ射出面の面積を小さくすることが可能となり、射出面のエタンデューを小さく出来る。これにより、ライトパイプ以降の後段の照明効率を向上させることが出来るものである。
面発光光源のエタンデューよりも小さいエタンデューの系(ライトパイプ)が入ることにより、面発光光源からの発光光束の利用効率が低下することが考えられるが、ライトパイプをテーパー形状とすることで、面発光光源側に光を戻すことが可能となり、特に入射面aに対して射出面の寸法を2倍の2aとすることで、戻せる光束が最も多くなる。図4に各実施例において、入射開口と射出開口との比と面発光光源側に戻せる光束との関係を測定した結果を示す。
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。
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。
図5は、実施例3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1に共通する構成については同じ符号番号を付与して説明する。
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5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。
このフォトニク結晶体2は、図5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を経た後さらにライトパイプ9を経て1/4波長板23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23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23としては、水晶板を用いることができる。
1/4波長板23を経た光は、反射型偏光板24に入射される。この反射型偏光板24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24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24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。この透過した射出光は、射出光を平行光とするためのコリメータ26a,26bを透過した後、後段の光学系に入射される。なお、反射型偏光板24が透過させる偏光方向は、1/4波長板23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24において反射された反射光は、1/4波長板23に戻る。この反射光は、1/4波長板23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、ライトパイプ9を経てフォトニク結晶体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、再度ライトパイプ9を経た後1/4波長板23を透過して、反射型偏光板24に至る。このとき、この光は、反射型偏光板24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24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24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24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。なお、ライトパイプ9の形状については、実施例1の説明と同様である。
図6は、実施例4に適用される画像表示装置の構成を示す平面図である。実施例2に共通する構成については同じ符号番号を付与して説明する。
この画像表示装置は、図6に示すように、前述した偏光光源装置20R,20G,20Bと、これら偏光光源装置20R,20G,20B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20R,20G,20Bは、赤色光、緑色光及び青色光を発する。各偏光光源装置20R,20G,20B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20R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20G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20B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20R,20G,20B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20R,20G,20B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20R,20G,20Bに戻る。この戻り光は、各偏光光源装置20R,20G,20Bにおいて、反射型偏光板24を透過し、さらに、1/4波長板23を透過する(偏光状態の説明であるので、コリメータ26は省いて説明する)。1/4波長板23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23を透過して反射型偏光板24に至ったときには、この反射型偏光板24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24によって反射される。この光は、再び、1/4波長板23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23を経て反射型偏光板24に至る。この光は、反射型偏光板24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24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、実施例4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。
1…面発光光源
1a…発光面
2…フォトニク結晶体
3,23…1/4波長板
4,24…反射型偏光板
6,26…コリメータ
9…ライトパイプ
10R,20R…赤色用の偏光光源装置
10G,20G…緑色用の偏光光源装置
10B,20B…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
1a…発光面
2…フォトニク結晶体
3,23…1/4波長板
4,24…反射型偏光板
6,26…コリメータ
9…ライトパイプ
10R,20R…赤色用の偏光光源装置
10G,20G…緑色用の偏光光源装置
10B,20B…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 (6)
- 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ライトパイプと、
前記ライトパイプを経た光が入射されるコリメータと、
前記コリメータの入射側又は射出側に配置される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。 - 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。
- 前記ライトパイプは入射面および射出面は矩形形状であって、
入射面よりも射出面の面積が大きいテーパー形状であることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の偏光光源装置。 - 前記ライトパイプの入射面および射出面は矩形形状であって、
入射面の一辺が相当する射出面の1辺の長さが略2倍であることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一に記載の偏光光源装置。 - 請求項1乃至請求項4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。 - 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5記載の画像表示装置。
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