JP2009294679A - 投射型表示装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強いという効果を有する投射型表示装置を提供する。
【解決手段】光源と、光源から出射された可視光を複数の波長帯域光に分離する色分離手段と、第1の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した光の進行方向を変更または第2の偏光方向に偏光した光を吸収する複数の偏光子によって構成された第1の偏光手段と、第1の偏光手段を直進透過した波長帯域光を反射する反射ミラーと、各波長帯域光を表示する画像に応じて変調する複数の液晶パネルと、を備え、光路上の色分離手段と反射ミラーとの間に配置された偏光子が、各波長帯域光の入射する面内の中心部において第1の偏光方向に偏光した光を第1の偏光方向で直進透過させるとともに、該面内の周辺部において第1の偏光方向に偏光した光を第1の偏光方向と異なる偏光方向で直進透過させる。
【選択図】図7

Description

本発明は、光源が出射した光を複数の色の光に分離した後に、表示する画像に応じて変調し、変調した各色の光を合成して拡大投影する投射型表示装置に関する。
近年、CRTを用いた映像表示装置の代わりに液晶パネルを用いた投射型表示装置が開発され、急速に普及してきている。この投射型表示装置は、大画面で小型、軽量の映像表示装置の要求に伴って開発されたもので、液晶パネルを用いることによって、従来のCRTを用いた装置に比べて小型化、軽量化を可能にすると共に、大画面表示を容易に実現することが可能であること、また面倒なコンバーゼンス調整、すなわちカラー電子ビームの収束状態の微調整等が不要で地磁気の影響を受けないこと等の利点を有している。
液晶投射型表示装置の例としては、メタルハライドランプ等の白色光源、照明光学系、色分離光学系、R(赤)、G(緑)、B(青)用の液晶パネル、色合成光学系、投射光学系等によって構成される3板式の液晶プロジェクタがある。この3板式の液晶プロジェクタは、以下のように作用する。まず、色分離光学系中のダイクロイックミラーが、白色光源からの白色光をR、G、Bの3色に分離し、RGB用の3枚の液晶パネルに照射する。
次に、RGB用の各液晶パネルが照射された各光を表示する画像に応じて画像変調し、色合成光学系中のダイクロイックプリズムが画像変調された各色光を合成しカラー画像の光学像にする。そして、投射レンズがこの光学像をスクリーン上に拡大投影する。
このような従来の液晶投射型表示装置を構成する各液晶パネルの入射側および出射側には偏光手段が設けられており、入射側の偏光手段(偏光板)が特定方向に偏光した光を取り出し、液晶パネルが特定方向に偏光した光を変調し、出射側の偏光手段(検光子)が予め決められた偏光方向の光だけを取り出すようになっている。ここで、偏光手段(偏光板)の消光比が高い程コントラストを高くできるため、この消光比は液晶投射型表示装置の重要な性能の一つとされている。
次に消光比について説明する。まず、偏光手段の偏光軸の方向を第1の偏光方向とし、第1の偏光方向に直交する偏光方向を第2の偏光方向とするとき、偏光手段を透過する第1の偏光方向に偏光した光の光量と、偏光手段を透過する第2の偏光方向に偏光した光の光量との比を消光比という。以下では、上記の比をデシベル単位で表した値の絶対値のことを、消光比という。消光比の値が高い程、コントラストを高くでき、液晶投射型表示装置の性能が向上する。
従来の液晶投射型表示装置においては、白色光源から出射された強い光が偏光手段等で吸収されることによって、偏光手段が発熱して偏光手段の温度が上昇し、偏光手段が劣化しやすいという問題があった。係る問題を解決し要望に応えるために、偏光手段(偏光板)として、高い消光比、すなわち高コントラストが得られると共に、熱に強い構造複屈折型偏光板を使用することが提案されている(例えば、特許文献1参照)。また、上記の液晶パネルとして反射型液晶表示素子を用い、この反射型液晶表示素子の入射側および出射側に、同一の特定方向に偏光した光に対して回折格子として作用する反射型偏光手段を偏光子及び検光子として設けた、液晶投射型表示装置が提案されている(例えば、特許文献2参照)。
特開2001−281615号公報 特開2004−184889号公報
しかしながら、特許文献1に記載の構造複屈折型偏光板では、光を光軸に対して斜めから入射させる必要があるため、偏光手段を光軸に対して斜めに配置しなければならず、その分のスペースが必要となり、小型化が難しいという問題があった。特に、全面黒の表示を行う場合は、液晶パネルの出射側に置かれる検光子にも構造複屈折型偏光板を使用する必要があり、上記検光子を光軸に対して斜めに配置しなければならず、ますます小型化が困難となっていた。
また、特許文献2に記載の投射型表示装置においても、やはり反射型偏光板を光軸に対して斜めに配置しなければならず、特許文献1に記載の投射型表示装置と同様に小型化が難しいという問題があった。
さらに、光源からの光が平行光でなく、収束光や拡散光などの場合には、反射ミラー等の光学部品への入射角度がその反射面内で一様ではなく一定の分布が生じるため、液晶パネルに入射する光の偏光方向は、光束断面内においてある分布をもった状態となる。したがって、光の偏光方向の乱れによって充分な消光比を有する光を液晶パネルに入射させることができず、コントラストを低下させてしまうという問題があった。
本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を提供するものである。
以上の点を考慮して、態様1に係る発明は、可視光を出射する光源と、前記光源から出射された可視光を複数の波長帯域光に分離する色分離手段と、前記色分離手段により分離された各波長帯域光に対して、第1の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した光の進行方向を変更または前記第2の偏光方向に偏光した光を吸収する複数の偏光子によって構成された第1の偏光手段と、前記第1の偏光手段を直進透過した少なくとも1つの波長帯域光を反射する少なくとも1つの反射ミラーと、前記少なくとも1つの反射ミラーによって反射された少なくとも1つの波長帯域光および前記第1の偏光手段を直進透過した前記少なくとも1つの波長帯域光以外の波長帯域光を、波長帯域毎に表示する画像に応じて変調する複数の液晶パネルと、各前記液晶パネルから出射された光を合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された光を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置であって、前記複数の偏光子のうち前記光路上の前記色分離手段と前記反射ミラーとの間に配置された偏光子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の中心部において第1の偏光方向に偏光した光を第1の偏光方向で直進透過させるとともに、該面内の周辺部において第1の偏光方向に偏光した光を第1の偏光方向と異なる偏光方向で直進透過させることにより、前記反射ミラーで反射される波長帯域光の偏光方向の分布を相殺する構成を有している。
この構成により、複層回折型偏光素子が第1の偏光方向に偏光した光を光軸上において直進透過させ、第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向を有する光を偏向させて光軸からそらせるため、複層回折型偏光素子を光軸に対して斜めに配置しなくとも、複層回折型偏光素子を透過する第2の偏光方向を有する光の光量を低減でき、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。
また、光源からの光が平行光でない場合にも、反射ミラーなどによる偏光方向の光束断面内における分布の影響を相殺させることができ、したがって、一様な偏光状態の光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。
また、態様2に係る発明は、態様1において、前記複数の偏光子は、第1の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した光を回折させる偏光回折格子を複数積層した複数の複層回折型偏光素子であって、前記色分離手段が、前記可視光を波長λで最大強度となる赤、波長λで最大強度となる緑、および、波長λで最大強度となる青の3原色の波長帯域の光に分離し、各前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも3つの前記偏光回折格子を有し、前記偏光回折格子のうち3つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λ、λおよびλが、それぞれ、
λ−50nm≦λ≦λ+70nm
λ−60nm≦λ≦λ+60nm
λ−70nm≦λ≦λ+50nm
を満たす構成を有している。
この構成により、複層回折型偏光素子が第1の偏光方向に偏光した光を光軸上において直進透過させ、第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向を有する光を回折させて光軸からそらせるため、複層回折型偏光素子を光軸に対して斜めに配置しなくとも、複層回折型偏光素子を透過する第2の偏光方向を有する光の光量を低減でき、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。
また、色分離手段によって分離される各色の光の波長域と消光比の高い波長域とを一致させることができるため、3原色の色毎に高いコントラストと輝度を得ることが可能な投射型表示装置を実現でき、また、4つ以上の偏光回折格子を有する構成により、高い消光比が要求される波長域の消光比をさらに高くすることができる。また、この場合、前記の波長λ、λおよびλは、それぞれ赤、緑、および青の各波長帯において最大強度となる波長に代えて、該波長帯域の上限の波長と下限の波長とを平均した波長、あるいは、液晶パネルに入射する各色成分の光の強度が、それぞれの波長帯域における最大強度の50%となる最も長い波長と最も短い波長とを平均した波長を用いてもよい。
また、態様3に係る発明は、態様1において、前記複数の偏光子は、第1の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した光を回折させる偏光回折格子を複数積層した複数の複層回折型偏光素子であって、各前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも2つの前記偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλとするとき、前記偏光回折格子のうち2つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λおよびλが、それぞれ、
λ−70nm≦λ≦λ−10nm
λ+10nm≦λ≦λ+70nm
を満たす構成を有している。
この構成により、複層回折型偏光素子が第1の偏光方向に偏光した光を光軸上において直進透過させ、第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向を有する光を回折させて光軸からそらせるため、複層回折型偏光素子を光軸に対して斜めに配置しなくとも、複層回折型偏光素子を透過する第2の偏光方向を有する光の光量を低減でき、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。
また、色分離手段によって分離された各色の光毎に複層回折型偏光素子が配置されるので、いずれの色の光に対しても安定して高い消光比を得ることが可能な投射型表示装置を実現できる。
また、対応する色の最大強度の波長が、各色の波長帯域内で、回折効率が最も高い波長λおよび波長λによって挟まれるため、広い波長範囲で消光比を向上することが可能な投射型表示装置を実現でき、また、3つ以上の偏光回折格子を有する構成により、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対しても、さらに高い消光比が得られる。
また、態様4に係る発明は、態様2または3において、前記複数の複層回折型偏光素子のうち前記光路上の前記色分離手段と前記反射ミラーとの間に配置された複層回折型偏光素子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の周辺部における光学軸の方向が中心部における光学軸の方向とは異なる方向に分布する複屈折性材料層を備える構成を有している。
この構成により、光源からの光が平行光でない場合にも、反射ミラーなどによる偏光方向の光束断面内における分布の影響を相殺させることができ、したがって、一様な偏光状態の光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。
また、態様5に係る発明は、態様3または4の態様において、前記波長λおよびλが|λ−λ|<|λ−λ|を満たす構成を有している。
この構成により、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対してより高い消光比が得られる。
また、態様6に係る発明は、態様2から5までのいずれかの態様において、nを2以上の整数とするとき、前記複層回折型偏光素子がn層の前記偏光回折格子を備え、前記偏光回折格子は、格子の長手方向が互いに(180/n)度の角度をなすように積層されている構成を有している。
この構成により、態様2から5までのいずれかの態様の効果に加え、不安定な回折光による迷光の影響を抑えるとともに、後述の絞りをより有効に機能させることができるので、高い消光比が要求される波長域の消光比をさらに高くでき、視感度が高い波長域でのコントラストを大きくすることができる。
また、態様7に係る発明は、態様1から6までのいずれかの態様において、前記液晶パネルと前記投影手段との間の光路上に、前記液晶パネルから出射する光のうちの不要部分を遮光する絞り手段が配置された構成を有している。
この構成により、態様1から6までのいずれかの態様の効果に加え、絞り手段が複層回折型偏光素子から出射する光のうちの不要な回折光を遮光するため、投射される画像以外に発生する、好ましくない迷光を除去することが可能な投射型表示装置を実現できる。
また、態様8に係る発明は、態様1から7までのいずれかの態様において、各前記液晶パネルによって変調された各波長帯域光のうち、予め決められた偏光方向の光を透過させて前記光合成手段に出射する第2の偏光手段をさらに備え、前記第2の偏光手段が、複層回折型偏光素子によって構成され、前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも2つの前記偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλとするとき、前記偏光回折格子のうち2つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λおよびλが、それぞれ、
λ−70nm≦λ≦λ−10nm
λ+10nm≦λ≦λ+70nm
を満たす構成を有している。
この構成により、態様1から7までのいずれかの態様の効果に加え、液晶パネルの出射側に配置された第2の偏光手段としての複層回折型偏光素子によって、第2の偏光方向に偏光した各光を回折させるため、第2の偏光手段を最小限の個数に抑えコンパクト化を図ることが可能となり、安定して高い消光比が得られるとともにコンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。
また、態様9に係る発明は、態様1から8までのいずれかの態様において、前記可視光を出射する光源が赤、緑および青の3原色の波長帯域のうち少なくとも1つ以上の波長帯域において輝線をもつ光源であって、前記輝線が含まれる波長帯域の複層回折型偏光素子が有する前記偏光回折格子の少なくとも1つが、最も高い回折効率の波長が前記輝線の波長と実質的に一致する偏光回折格子である構成を有している。
この構成により、態様1から8までのいずれかの態様の効果に加え、それぞれの波長帯域の輝線の波長の光に対して消光比が高い偏光回折格子が用いられているので、高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が得られる。
また、態様10に係る発明は、態様1から9までのいずれかの態様において、可視光を出射する光源が、高圧水銀ランプからなる光源であって、青の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、440nm、490nmと実質的に等しい偏光回折格子を備えていて、緑の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、550nm、580nmと実質的に等しい偏光回折格子を備えている構成を有している。
この構成により、態様1から9までのいずれかの態様の効果に加え、青および緑の波長帯域においてより高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が得られる。
本発明は、複層回折型偏光素子が第1の偏光方向に偏光した光を光軸上において直進透過させ、第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向を有する光を回折させて光軸からそらせるため、複層回折型偏光素子を光軸に対して斜めに配置しなくとも、複層回折型偏光素子を透過する第2の偏光方向を有する光の光量を低減でき、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強いという効果を有する投射型表示装置を提供できる。
図1は本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す図である。 図2は図1の投射型表示装置に設置される複層回折型偏光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図3は図1の投射型表示装置に設置される絞りの作用を説明する概略図である。 図4は図2の複層回折型偏光素子における偏光回折格子のストライプ長手方向の好ましい配置を示す概略図である。 図5は図3の絞りの位置における0次透過光の像と、回折像および絞りの開口の位置関係を示す概略図である。 図6は本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図である。 図7は本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す図である。 図8は図7の投射型表示装置に設置される複層回折型偏光素子の構成を模式的に示す断面図である。 図9は本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図で、R(赤)成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。 図10は本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図で、G(緑)成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。 図11は本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例を説明する図で、B(青)成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。 図12は本発明の第3の実施の形態に係る投射型表示装置において、反射ミラーで反射された光の偏光方向の光束断面内における分布の一例を示す模式図である。 図13は本発明の第3の実施の形態に係る投射型表示装置において、複層回折型偏光素子を透過した光の偏光方向の光束断面内における分布の一例を示す模式図である。 図14は第3の実施例の光源1として用いるショートアーク超高圧水銀ランプの分光強度分布を示す図である。 図15は第3の実施例に係る投射型表示装置に用いられる、G(緑)波長帯域用の複層回折型偏向素子の消光比と波長の関係を示す図である。 図16は第3の実施例に係る投射型表示装置に用いられる、B(青)波長帯域用の複層回折型偏向素子の消光比と波長の関係を示す図である。 図17は第3の実施例に係る投射型表示装置において、G(緑)波長帯域用の複層回折型偏向素子に入射する光および直進透過される第1の偏光の分光強度を示す図である。 図18は第3の実施例に係る投射型表示装置において、B(青)波長帯域用の複層回折型偏向素子に入射する光および直進透過される第1の偏光の分光強度を示す図である。 図19は第3の実施例に係る投射型表示装置において、G(緑)波長帯域用の複層回折型偏向素子を透過する第2の偏光の強度と波長の関係を、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いた場合と比較して示す図である。 図20は第3の実施例に係る投射型表示装置に用いられる、B(青)波長帯域用の複層回折型偏向素子を透過する第2の偏光の強度と波長の関係を、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いた場合と比較して示す図である。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。
(第1の実施の形態)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置の構成を示す図である。図1において、投射型表示装置101は、可視光を発するメタルハライドランプ等の白色の光源1と、入射する光をR(赤)、G(緑)、B(青)の3つの色成分の光に分離する色分離手段としてのダイクロイックミラー31、32と、表示する画像に応じて入射光を変調する複数の液晶パネル41、42、43と、ダイクロイックミラー31、32が分離した各色の光を対応する液晶パネル41、42、43に導く反射ミラー31a、33a、33bと、光源1から各液晶パネル41、42、43までの光路上に配置された第1の偏光手段としての複層回折型偏光素子2と、各液晶パネル41、42、43の出射側に配置された第2の偏光手段としての検光子51、52、53と、各検光子51、52、53を透過する光を合成する光合成手段としてのダイクロイックプリズム6と、ダイクロイックプリズム6によって合成された光を拡大投影する投影手段としての投射レンズ系8とを備える。ここで、投射レンズ系8から出射された光は、スクリーン9上に投影される。
光源1から出射しランダムに偏光した白色の可視光は、複層回折型偏光素子2に入射する。複層回折型偏光素子2は後述するような作用によって、第1の偏光方向に偏光した入射光を直進透過させ、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した入射光を回折させるようになっている。
次に、複層回折型偏光素子2を透過した光は、ダイクロイックミラー31によってR(赤)成分の光が透過(分離)され、R(赤)成分の光は反射ミラー31aで反射されて液晶パネル41に入射する。また、ダイクロイックミラー31によってR(赤)成分が分離され反射された光は、ダイクロイックミラー32でG(緑)成分の光が反射して分離され、G(緑)成分の光は液晶パネル42に直接入射する。さらに、ダイクロイックミラー32によってG(緑)成分が分離されて透過されたB(青)成分の光は、反射ミラー33a、33bで反射されて液晶パネル43に入射する。本発明の第1の実施の形態では、複層回折型偏光素子2が、光源1と色分離手段であるダイクロイックミラー31、32との間に配置された構成を有している。
液晶パネル41、42、43に入射した各色成分の光は、それぞれ、表示する画像に応じて変調され、検光子51、52、53を各々透過して特定方向に直線偏光した光が取り出される。検光子51、52、53を透過した光は、ダイクロイックプリズム6によって再度合成された後、絞り7を通過し、投射レンズ系8を介してスクリーン9に投射され、カラー画像が表示される。なお、各色成分の光の波長帯域および中心波長は、使用する光源や必要な表示特性等に応じて適宜決められる。波長帯域の中心波長は、該波長帯域の上限の波長と下限の波長とを平均した波長としてもよく、あるいは、液晶パネルに入射する各色成分の光の強度が、それぞれの波長帯域における最大強度の50%となる最も長い波長と最も短い波長とを平均した波長としてもよく、またあるいは、該波長帯域において最大強度となる波長としてもよい。各色成分の光に対して光路長差がある場合には、必要に応じて光路長差による影響を補正する不図示の光学素子を用いることができる。
次に、複層回折型偏光素子2の構成の一例について図2を用いて詳細に説明する。図2は複層回折型偏光素子2の構成を模式的に示す断面図である。図2において、Z軸は光軸に平行であり、光の進行方向がZ軸の正の方向である。透光性基板201bの両面および透光性基板201cの片面には、それぞれ、常光屈折率nおよび異常光屈折率n(n≠n)の複屈折性材料層211が、進相軸(常光屈折率を示す方向)が後述の所望の方向となるように形成される。それぞれの複屈折性材料層は加工されて、断面形状が段差dかつ格子ピッチpの周期的な凹凸形状をなす縞状の形状(以下、ストライプという)に形成された複屈折性材料層211からなる偏光回折格子110と、同様に形成された複屈折性材料層211からなる断面形状が段差dかつ格子ピッチpのストライプを有する偏光回折格子120と、断面形状が段差dかつ格子ピッチpのストライプを有する偏光回折格子130とが形成される。偏光回折格子110、120、130のストライプの長手方向は、図2に示すY軸に平行としてもよいが、この3つのストライプの長手方向を互いに平行としない方が、後述する理由から好ましい。
偏光回折格子はLiNをイオン交換法により加工して作成することもできるが、イオン交換法では微細な領域のみにイオン交換することが難しいため、充分大きな回折角を実現する10μm以下のピッチの偏光回折格子が得られにくく、不要な偏光方向の光の除去が困難であった。これに対して、重合性の液晶組成物を重合硬化させて形成した高分子液晶により複屈折性材料層211を形成し、これを加工して各偏光回折格子を作成する方法によれば、ピッチが10μm以下の偏光回折格子が容易に作成可能となり、不要な偏光方向の光を除去することができる。
次に、偏光回折格子110、120、130の各ストライプの凹部に屈折率nの等方性透明材料を充填し、等方性透明材料層212が形成される。但し、等方性透明材料とは、屈折率が等方的な透明材料のことをいい、等方性透明材料層212の屈折率nは複屈折性材料層211の常光屈折率nまたは異常光屈折率nに等しいとする。以下では、説明を簡単にするために、n=nの場合について説明する。さらに、透光性基板201a、201b、201cが、透光性基板201b表面の偏光回折格子120と透光性基板201c表面の偏光回折格子130とが対向するようにして積層される。上記のようにして複層回折型偏光素子2が形成される。
複屈折性材料層211に用いられる材料の例について説明する。有機物材料としては、液晶や、液晶を重合し高分子化した高分子液晶、延伸することなどで複屈折発生させた複屈折樹脂フィルムなどを用いることができる。また、無機物材料としては、LiNや水晶、方解石などの複屈折性単結晶などを用いることができる。但し、加工性の観点からは、高分子液晶を用いることが最も好ましい。また、利用する可視光線の光に加え、紫外線も若干漏れて照射される可能性があるために、有機物材料を用いる場合は、紫外線による劣化を防ぐため、短波長の吸収波長が370nm以下である有機物材料を用いることが好ましい。
等方性透明材料層212を形成する場合には、図2に示すようにストライプの凹部に充填した後さらにその表面に一定の厚みとなるように形成してもよいし、ストライプの凹部のみに充填してもよい。また、上記では、偏光回折格子120と偏光回折格子130とが対向するように積層された構成について説明したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、偏光回折格子110と偏光回折格子120とが対向するように積層される構成でも、3つの偏光回折格子110、120、130が透光性基板201a、201b、201c上に対向しないように積層される構成でもよい。
複層回折型偏光素子2に、複屈折性材料層211の異常光方向に偏光した光、すなわち第2の偏光方向に偏光した光(以下、異常光線という)が入射する場合には、偏光回折格子110、120、130が屈折率nと屈折率nの偏光回折格子として作用することによって、入射した異常光線は一部が直進透過し、大部分が回折光となる。偏光回折格子110によって回折されずに直進透過した一部の異常光線は、次に偏光回折格子120によって順次回折され、偏光回折格子120によって回折されずに直進透過した一部の異常光線は、偏光回折格子130によってさらに回折される。したがって、複層回折型偏光素子2を透過する異常光線の光量は、3回の回折によって大幅に減少する。
一方、複層回折型偏光素子2に、複屈折性材料層211の常光方向に偏光した光、すなわち第1の偏光方向に偏光した光(以下、常光線という)が入射する場合には、偏光回折格子110、120、130がストライプ構造を有しているにも拘らず、常光線に対しては複屈折性材料層211も等方性透明材料層212も共に屈折率n(=n)の等方的な透明材料として振舞うため、入射した常光線は回折されず直進透過する。
また、n=nの場合には、複屈折性材料層211の常光方向に偏光した光、すなわち常光線が入射する場合には、偏光回折格子が回折格子として作用するので、入射した常光線は積層された偏光回折格子により順次回折されて、複層回折型偏光素子2を透過する常光線の光量は大幅に減少する。異常光線が入射する場合には、偏光回折格子が偏光回折格子として作用せず、入射した異常光線は回折されず直進透過する。
本実施の形態の複層回折型偏光素子2の構成は、常光線に対しては回折格子として作用せず直進透過させ、異常光線に対しては回折格子として作用して回折させる偏光回折格子110、120、130を、3つ積層した構成となっている。
上記のような複層回折型偏光素子2において、偏光回折格子110、120、130の最も回折効率の高い波長を、それぞれλ、λ、λとし、ダイクロイックミラー31、32によって分離されたR(赤)、G(緑)、B(青)各成分の光強度の最も高い波長ピークを、それぞれλ、λ、λとするとき、
λ−50nm≦λ≦λ+70nm
λ−60nm≦λ≦λ+60nm
λ−70nm≦λ≦λ+50nm
を満たすように構成するのが好ましい。このように構成することによって、光強度が高い波長と複層回折型偏光素子2の消光比の高い波長域とを一致させるように構成することができ、投射型表示装置101をシステムとしてみた場合の高い消光比が得られる。
また、複層回折型偏光素子2について、λより長波長の光の消光比を高めると共に、λより短波長の光の消光比を高めるためには、
λ≦λ≦λ+50nm
λ−30nm≦λ≦λ+30nm
λ−60nm≦λ≦λ
を満たすように構成するのがより好ましい。
以上、偏光回折格子を3層積層した構成についてについて説明したが、さらに積層数を増やして、4層以上の積層数とすることによって、さらに消光比を高くできる。例えば、偏光回折格子を4層積層する場合には、上述の3層積層する場合の条件に加え、第4層目の最も回折効率の高い波長λを、視感度が最も高く、高い消光比が要求されるλ付近の波長、好ましくは、
λ−30nm≦λ≦λ+30nm
を満たす波長にすることによって、視感度が高いλ付近の波長域でのコントラストを大きくすることができる。
また、液晶パネル41、42、43と投影手段としての投射レンズ系8との間の光路上に、絞り7が配置されることによって、絞り7が液晶パネル41、42、43から出射する光のうちの不要な回折光を遮光するため、投射される画像以外に発生する、好ましくない迷光を除去することが可能な投射型表示装置を実現できる。
次に、絞り7の作用について、図3を用いて説明する。図3において、説明の都合上、光源1、ダイクロイックミラー31、32、反射ミラー31a、33a、33b、ダイクロイックプリズム6等は省略されている。光源からの光100は、複層回折型偏光素子2を透過し、液晶パネル41、検光子51を透過して絞り7に入射する。図3は、R(赤)成分の光に対応する液晶パネル41および検光子51が配置された部分を示す図であるが、G(緑)成分の光に対応する液晶パネル42および検光子52、または、B(青)成分の光に対応する液晶パネル43および検光子53が配置される部分についても同様である。
複層回折型偏光素子2によって不要な回折光100Aが発生し、回折光100Aが消光比を低下させたり、好ましくない迷光を発生させたりする。しかし、絞り7を検光子51の出射側に配置することによって、不要な回折光100Aを遮光することができる。これによって、消光比がさらに高められ、好ましくない迷光を除去することができる。なお、図3では、R(赤)成分の光に対する絞り7の作用を説明したが、G(緑)成分の光およびB(青)成分の光についても絞り7の作用は同様である。
絞り7と複層回折型偏光素子2との距離は、なるべく大きくなるように配置することが好ましい。この理由は、以下の通りである。絞り7を複層回折型偏光素子2に近い位置に配置して不要光を遮光しようとすると、複層回折型偏光素子2による不要な回折光100Aの回折角度が大きくなるように偏光回折格子110、120、130のピッチを小さくする必要がある。しかしながら、格子のピッチが小さくなって各色の光の波長に近くなると、消光比を悪化させる異常光線の0次光の光量を小さくできない恐れがある。このため、格子のピッチは各色の光の波長の2倍以上とすることが好ましい。このとき、絞り7と複層回折型偏光素子2との距離をなるべく大きくなるように絞り7を配置すると、不要な回折光100Aの回折角度が小さくても絞り7によって不要光を充分に遮光できるので好ましい。上記理由から、絞り7は、図3のように、液晶パネル41と投影手段としての投射レンズ系8との間の光路上に配置するか、あるいは、投射レンズ系8が複数のレンズからなる場合に投射レンズ系8内のレンズとレンズの間に配置するのが好ましい。かかる構成により、偏光回折格子110、120、130のピッチを波長の2倍以上とすることができて、異常光線の0次光の強度を小さく抑えることができる。さらに、小さいピッチの偏光回折格子を形成するための微細な加工を行う必要がなくなるという効果もある。
第2の偏光手段として複層回折型偏向素子を用いる場合には、絞り7は、上述と同様の理由により、絞り7と複層回折型偏光素子からなる第2の偏光手段との距離がなるべく大きくなるように配置することが好ましい。すなわち絞り7は上述の場合と同様に配置されることが好ましい。また、複層回折型偏光素子からなる第2の偏光手段は、各液晶パネルの出射側、すなわち各液晶パネルにおいて液晶パネルにより変調された光が出射される出射面と投影手段との間の光路上に配置されるが、絞り7と複層回折型偏光素子からなる第2の偏光手段との距離がなるべく大きくなるように、各前記液晶パネルの出射側に直接積層することが好ましい。
次に、偏光回折格子のストライプの方向について説明する。偏光回折格子によって回折された回折光はストライプの長手方向に直交する方向に進行する。したがって、複層回折型偏光素子2を構成する複数の偏光回折格子のストライプの長手方向が互いになす角度を所定の角度とすると、積層された偏光回折格子によって回折された光が他の偏光回折格子によって順次回折されて生じる回折光、すなわち不要な回折光が液晶パネルに入射することを防止でき、消光比の劣化を防ぐことができる。このとき各偏光回折格子の複屈折性材料層は、積層されたときに進相軸(常光屈折率を示す方向)が同一方向になるよう形成する。
図4は、3つの偏光回折格子110、120、130を備えた複層回折型偏光素子2におけるストライプ長手方向の好ましい配置を示す概略図である。図4においては、左から順に偏光回折格子110、120、130のストライプ長手方向を表している。偏光回折格子110、120、130のストライプ長手方向は、図4のように互いに60度毎の角度をもって配置し積層するのが好ましい。この理由を図5を用いて説明する。図5は、偏光回折格子110、120、130のストライプ長手方向が60度毎の角度をもつとともに、各偏光回折格子の複屈折性材料層が、積層されたときに進相軸が同一方向になるように形成して配置したときの、絞り7の位置における0次透過光の像200と、回折像200A、200B、200C、200D、200E、200Fの位置関係を示す図である。偏光回折格子110、120、130のストライプ長手方向を60度毎の角度をもって配置されることが好ましい。さらに、各偏光回折格子が積層されたときに、各々の複屈折性材料層の進相軸(常光屈折率を示す方向)が同一方向となるように形成される。また、例えば図1に示す投射型表示装置に組み込まれたときに、各々の複屈折性材料層の進相軸が紙面に垂直方向となるよう形成されることが好ましい。かかる構成とすることにより、図5に示すように、0次透過光(必要な偏光方向の光)の像200の周りに、不要な回折光の回折像200A〜200Fが配置される。この回折像200A〜200Fは0次透過光の像200から等間隔に配置される。したがって、絞り7の開口は、図5に70で示したように0次透過光の像200の位置に簡単に配置でき、不要な回折光を絞り7によって遮光しやすい。一方、偏光回折格子110、120、130のストライプ長手方向の角度が60度以外の時は、多重回折像が、0次透過光(必要な偏光方向の光)の像に近づいて迷光を生じ、コントラストを低下させる恐れがある。
また、複層回折型偏光素子を、n層(nは2以上の整数とする)の偏光回折格子を積層して形成する場合には、隣り合う層における偏光回折格子のストライプ長手方向が互いに180/n度の角度をなすように配置され積層されるようにすることが好ましい。この場合、前述の3層の偏光回折格子を積層する場合と同様の理由から、複層回折型偏光素子を構成する各々の偏光回折格子の複屈折性材料層の進相軸(常光屈折率を示す方向)は、各偏光回折格子が積層されたときに同一方向となるように形成される。また、例えば図1に示す投射型表示装置に組み込まれたときに、複屈折性材料層の進相軸が紙面に垂直方向となるように形成されることが好ましい。また、偏光回折格子を、長手方向に直交する方向の断面形状が鋸歯状のブレーズド格子とすることは、多重回折による迷光を低減できるので好ましい。
以上説明したように、本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置では、複層回折型偏光素子2が第1の偏光方向に偏光した常光線を透過させ、第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向を有する異常光線を回折させるため、複層回折型偏光素子2を光軸に対して斜めに配置しなくとも第2の偏光方向を有する異常光線を回折させて光軸からそらせ、光量を低減できるので、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強い投射型表示装置を実現できる。
また、光源1と色分離手段としてのダイクロイックミラー31との間の光路上に配置された第1の偏光手段としての複層回折型偏光素子2によって、第2の偏光方向に偏光した各光を回折させるため、第1の偏光手段としての複層回折型偏光素子2を最小限の個数に抑えることができ、コンパクトな投射型表示装置を実現できる。
また、色分離手段としてのダイクロイックミラー31、32が、光源1からの可視光を波長λで最大強度となる赤、波長λで最大強度となる緑、および、波長λで最大強度となる青の3原色の光に分離し、複層回折型偏光素子2が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも3つの偏光回折格子110、120、130を備え、各偏光回折格子110、120、130の最も高い回折効率の波長λ、λおよびλが、それぞれ、
λ−50nm≦λ≦λ+70nm
λ−60nm≦λ≦λ+60nm
λ−70nm≦λ≦λ+50nm
を満たすように構成することによって、色分離手段としてのダイクロイックミラー31、32によって分離される各色の光の波長域と消光比の高い波長域とを一致させることができるため、3原色の色毎に高いコントラストと輝度を得ることが可能な投射型表示装置を実現できる。また、4層以上の偏光回折格子を積層することによって、高い消光比が要求される波長域での消光比をさらに高くすることができ、例えば視感度が高い緑色の波長域でのコントラストを大きくすることができる。
(第2の実施の形態)
図7は、本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置の構成の一例を示す図である。本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置の構成は、複層回折型偏光素子(図1に示す複層回折型偏光素子2)の個数及びその配置場所を除いては、本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置101の構成と同様である。図7において、図1と同一の構成部については同一の符号を付してある。
本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置102では、複層回折型偏光素子21がダイクロイックミラー31と反射ミラー31aとの間に、複層回折型偏光素子22がダイクロイックミラー32と液晶パネル42との間に、複層回折型偏光素子23が反射ミラー33aと反射ミラー33bとの間に、各々配置されている。すなわち、複層回折型偏光素子21、22、23が、色分離手段としてのダイクロイックミラー31、32と液晶パネル41、42、43との間に各々配置された構成を有している。
このような構成において、ダイクロイックミラー31によってR(赤)成分の光が透過(分離)され、R(赤)成分の光は複層回折型偏光素子21を透過し、反射ミラー31aで反射されて液晶パネル41に入射する。また、ダイクロイックミラー31によってR(赤)成分が分離され反射された光は、ダイクロイックミラー32でG(緑)成分の光が反射して分離され、G(緑)成分の光は複層回折型偏光素子22を透過して液晶パネル42に直接入射する。さらに、ダイクロイックミラー32によってG(緑)成分が分離されて透過されたB(青)成分の光は、反射ミラー33aで反射され、複層回折型偏光素子23を透過し、反射ミラー33bで反射されて液晶パネル43に入射する。
上記以外の構成及び動作は、本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置101の構成と同様であるため、その説明を省略する。
次に、複層回折型偏光素子21、22、23の構成の一例について図8に示す構成図を用いて説明する。図8において、Z軸は光軸に平行であり、光の進行方向がZ軸の正の方向である。但し、複層回折型偏光素子21、22、23は、偏光回折格子の段差および格子ピッチの寸法を除いては、いずれも同様の構成を有している。透光性基板201d、201eの片面には、それぞれ、常光屈折率nおよび異常光屈折率n(n≠n)の複屈折性材料層241が後述の所望の方向となるように形成される。次に、複屈折性材料層241は加工されて、断面形状が段差dかつ格子ピッチpのストライプを有する偏光回折格子140と、断面形状が段差dかつ格子ピッチpのストライプを有する偏光回折格子150とが形成される。
次に、偏光回折格子140、150の各ストライプの凹部に屈折率nの等方性透明材料を充填し、等方性透明材料層242を形成する。但し、等方性透明材料層242の屈折率nは、複屈折性材料層241の常光屈折率nまたは異常光屈折率nに等しいとする。以下では、説明を簡単にするために、n=nの場合について説明する。さらに、透光性基板201d、201eが、透光性基板201d表面の偏光回折格子140と透光性基板201e表面の偏光回折格子150とが対向するようにして積層される。上記のようにして複層回折型偏光素子21が形成される。なお、上記では、偏光回折格子140と偏光回折格子150とが対向するように積層された構成について説明したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、2つの偏光回折格子140、150が対向しないように積層される構成でもよい。
本実施の形態の複層回折型偏光素子21、22、23の構成は、常光線に対しては回折格子として作用せず直進透過させ、異常光線に対しては回折格子として作用して回折させる偏光回折格子140、150を備えた構成となっている。なお、特開2003−66232号公報に、上記のような複層回折型偏光素子と同様の構成を有するものが開示されている。
また、n=nの場合には、複屈折性材料層241の常光方向に偏光した光、すなわち常光線が入射する場合には、偏光回折格子が回折格子として作用するので、入射した常光線は積層された偏光回折格子により順次回折されて、複層回折型偏光素子21、22、23を透過する常光線の光量は大幅に減少する。異常光線が入射する場合には、偏光回折格子が偏光回折格子として作用せず、入射した異常光線は回折されず直進透過する。
複層回折型偏光素子21においては、偏光回折格子140および150の最も高い回折効率の波長が互いに異なる値であって、対応するR(赤)の波長帯域の光の中心波長をλとするとき、偏光回折格子140、150の最も高い回折効率となる波長λ、λが、それぞれ、
λ−70nm≦λ≦λ−10nm
λ+10nm≦λ≦λ+70nm
を満たすように設定されることが好ましい。また、G(緑)およびB(青)のそれぞれ波長帯域に対応する複層回折型偏光素子22、23も、R(赤)に対応する複層回折型偏光素子21と同様に構成されることが好ましい。このように構成することによって、各色の波長帯域内の広い波長範囲で消光比を向上することが可能な投射型表示装置を実現できる。
この場合、波長λおよびλは、それらの差(λ−λ)が40nm以上とすると、各色の波長範囲の全域で高い消光比が実現されるので、より好ましい。
また、この場合、λとλの差がλとλの差より大きくなるように、すなわち、 |λ−λ|<|λ−λ
となるように、λとλとを選ぶと、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対してより高い消光比が得られるようになり、さらに好ましい。
以上、各複層回折型偏光素子として、偏光回折格子を2層積層した構成について説明したが、さらに積層数を増やして、3層以上の積層数とすることによって、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対しても、さらに高い消光比が得られるようになり、さらに好ましい。例えば、偏光回折格子を3層積層する場合には、上述の2層積層する場合の条件に加え、第3層目の回折効率が最も高い波長λが、λ付近の波長、すなわち、
λ−35nm≦λ≦λ+35nm
を満たすように、複層回折型偏光素子を積層することが好ましい。さらには、λが、
λ−10nm≦λ≦λ+35nm
を満たすように、複層回折型偏光素子を積層することによって、該波長帯域の全域に渡って、斜めに入射した光に対してもさらに高い消光比が実現されるので、より好ましい。
また、複層回折型偏光素子を、n層(nは2以上の整数)の偏光回折格子を積層して形成し、隣り合う層における偏光回折格子のストライプ長手方向を互いに180/n度の角度をなすように配置することによって、さらに消光比を高くでき、視感度が高い波長域でのコントラストを大きくすることができる。とくにn=2とすると迷光の影響を小さく抑えられて高い消光比が得られるので好ましい。
以上説明したように、本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置では、色分離手段としてのダイクロイックミラー31、32によって分離された各色の光毎に複層回折型偏光素子21、22、23が配置されるので、複層回折型偏光素子21、22、23として各色の光毎に最も高い回折効率を有する偏光回折格子140、150を積層したものを用いることができ、いずれの色の光に対しても安定して高い消光比を得ることが可能な投射型表示装置を実現できる。
また、複層回折型偏光素子21、22、23は、各色毎に、最も高い回折効率の波長が前述の関係を満たす2つの偏光回折格子140、150を積層する構成とすることによって、広い波長範囲で消光比を向上することが可能な投射型表示装置を実現できるが、3つ以上の偏光回折格子を積層する構成とすることにより、複層回折型偏光素子に対して入射する光が平行光でなくある角度分布を有する場合に、斜めに入射した光に対しても、さらに高い消光比が得られる。
本発明の第2の実施の形態とは異なり、複層回折型偏光素子を1つの偏光回折格子によって構成し、その最も回折効率の高い波長を、各色の光強度の最も高い波長ピークに合わせるようにする場合には、消光比が本実施の形態に比べて低くなり、実用に向く値には足りなくなる。これに対し、本発明の第2の実施の形態では、2つの偏光回折格子を積層することによって複層回折型偏光素子を構成したため、各色の光の波長帯域内全体の消光比を高くすることができ、実用上充分な消光比値(35dB超)を実現することができる。
上記第1および第2の実施の形態においては、液晶パネルとして、透過型の液晶素子が用いられる場合について説明したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、反射型の液晶パネルが用いられる場合にも適用され得る。また、液晶パネルは、液晶素子で構成されることに限らず、それ以外の表示手段で構成されるようにしてもよい。
なお、実用的に消光比が不足するような場合には、複層回折型偏光素子を、液晶パネルに入射する光のプレ偏光子として用い、従来から用いられている熱吸収型の偏光子を液晶パネルに別途貼り付けることによって、高い消光比を確保することも可能である。
本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置においても、本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置と同様に、液晶パネル41、42、43と、投影手段としての投射レンズ系8との間の光路上に配置するか、投射レンズ系8が複数のレンズからなる場合に投射レンズ系8内のレンズとレンズの間に絞り7を配置することは、本発明の第1の実施の形態で説明した理由と同様の理由により好ましい。
また、偏光回折格子を複数積層して複層回折型偏光素子を形成する場合、第1の実施の形態において説明した積層の方法と同様に、偏光回折格子のストライプ長手方向が互いに180/n度(nは積層する偏光回折格子の数で2以上の整数。)の角度をなすように配置して積層することが、本発明の第1の実施の形態で説明した理由と同様の理由により好ましい。
また、偏光回折格子を複数積層して複層回折型偏光素子を形成する場合、本発明の第1の実施の形態で説明した理由と同様の理由により、各偏光回折格子の複屈折性材料層は、複屈折材料の進相軸(常光屈折率を示す方向)が同一方向になるように形成される。例えば図7に示す投射型表示装置に組み込まれた場合は、各々の複屈折性材料層の進相軸が紙面に垂直な方向を向くように形成される。
また、本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置において、光源1として、R(赤)、G(緑)、および、B(青)の3原色の波長帯域の少なくとも1つ以上の波長帯域において輝線をもつ光源を用いることができる。その場合、輝線の波長λELが、該波長帯域の中心波長をλとしたときに(λ−70)〜(λ−10)nmまたは(λ+10)〜(λ+70)nmの範囲である場合は、該波長帯域に対する複層回折型偏光素子を構成する偏光回折格子のうちの1枚の回折効率が最も高い波長を、輝線の波長λELと実質的に等しくする、すなわち輝線の波長λELに対して±10nmの範囲とすることが好ましい。また、該波長帯域における(λ−70)〜(λ−10)nmの範囲および(λ+10)〜(λ+70)nmの範囲のそれぞれの範囲に輝線がある場合には、回折効率が最も高い波長がそれぞれの範囲の輝線の波長と実質的に等しくされた偏光回折格子を積層して、該波長帯域に対する複層回折型偏光素子を構成することが好ましい。これらの構成とすると、該波長帯域に対して高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が得られる。
本発明の投射型表示装置に用いることができる、輝線をもつ光源としては、高圧水銀ランプが例示される。高圧水銀ランプは、G(緑)波長帯域において波長550nm、580nm、B(青)波長帯域において波長440nm、490nmの輝線をもつ。また、本明細書における輝線とは、励起された原子から放射される特定の波長の光に限定されず、各色の波長帯域中において光の強度が高い波長範囲があればその波長範囲の光を用いてもよい。
(第3の実施の形態)
本発明の第3の実施の形態に係る投射型表示装置について説明する。本発明の第3の実施の形態に係る投射型表示装置の構成は、複層回折型偏光素子の構成を除いては、本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置102の構成と同様であるため、その説明を省略する。
光源からの光が平行光でなく、収束光や発散光などの場合には、反射ミラーへの入射角度が反射面内で一様ではなく一定の分布が生じるため、反射ミラーで反射された光の偏光方向は、光束断面内においてある分布をもった状態となる。図12は、光源1からの光が発散光である場合における、反射ミラーで反射された光の偏光方向の光束断面内における分布の一例を示す模式図である。図12においては、反射ミラーに入射する光の偏光状態が直線偏光であり、その偏光方向が紙面横方向であるとした。光源1からの光が平行光でない場合、光が反射ミラーに斜め方向から入射することになるために、図12に示すように、光束の周辺部では光の偏光方向が中央から両端に向かって徐々に回転するような分布となる。
したがって、消光比の高い複層回折型偏光素子を用いても、複層回折型偏光素子を透過した光が反射ミラーで反射された後には、光の偏光方向が図12のような分布となり、偏光方向の乱れによって充分な消光比を有する光を液晶パネルに入射させることができず、コントラストを低下させてしまう。
しかしながら、本実施の形態においては、複層回折型偏光素子の光の入射する面(以下、入射面という)内における光学軸が所定の分布となるように構成することによって、複層回折型偏光素子がかかる光学軸の所定分布を備えない場合に生じる図12に示すような偏光方向の分布を相殺させることができる。すなわち、複層回折型偏光素子を透過後の偏光方向の光束断面内における分布が、図13に模式図で示すような分布となるように複層回折型偏光素子を構成することによって、図12のような偏光状態に対応させてその偏光方向の分布を相殺させることができる。複層回折型偏光素子を透過する光の偏光方向は、その複屈折性材料に対する異常光方向または常光方向に平行になるため、複層回折型偏光素子の透過後の光において図13に示すような偏光方向の分布が得られるようにするためには、複屈折性材料の異常光方向、すなわち光学軸の方向に所定の分布を付与する。上記のように、反射ミラーで反射された光の偏光方向の分布を相殺させることによって、光源1からの光が平行光でなくとも、反射ミラーによる偏光方向の分布の影響を受けず、一様に直線偏光した光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。
すなわち、複層回折型偏向素子を透過後の偏光方向の光束断面内における図12のような分布を相殺するように、複層回折型偏向素子の複屈折性材料の光学軸を図13の四隅に対応する部分において中央部に対して1°以上分布させた分布を付与することが好ましい。
次に、複層回折型偏光素子の入射面内における光学軸に所定の分布を付与する方法の一例を、高分子液晶を用いた複層回折型偏光素子の例により説明する。高分子液晶を用いた複層回折型偏光素子の場合には、透過する光の偏光方向は、偏光回折格子のストライプ長手方向には依存せず、高分子液晶の配向方向に依存する。したがって、例えば図13に示すような偏光方向の分布に対応するように、複層回折型偏光素子における高分子液晶の配向方向を分布させる。
高分子液晶の配向方向に所定の分布を付与する方法の例としては、
(1)高分子液晶の配向膜のラビング方向を入射面内で湾曲するように分布させ、配向膜のラビング方向の分布に沿って液晶分子を配向させ、その状態で高分子液晶を重合させ高分子化させる方法
(2)高分子液晶の基板表面に微細な凹凸状のストライプ構造を湾曲するように作成しておき、そのストライプ長手方向に液晶分子が体積排除効果によって沿うことを利用して、上記微細な凹凸状のストライプ長手方向に沿った液晶分子の配向分布を付与し、重合させる方法
(3)光配向を利用して、液晶分子の配向方向に所定の分布を付与する方法
などがある。
上記の説明においては、複層回折型偏光素子に、透過後の偏光方向の分布が図13に示す分布となるような機能を付与したが、本発明の適用は上記の構成に限られるものではなく、複層回折型偏光素子とは別に、光路上の反射ミラーの入射側に、透過後の偏光方向の分布が図13に示す分布となるような機能を付与した偏光子を配置してもよい。
また、偏光方向の分布が一定の分布となるような機能を付与する偏光子としては、偏光回折格子を有する偏光子に限定されず、他の構成を有する偏光子を用いてもよい。例えば、吸収型偏光子、構造複屈折型偏光子、金属ワイヤーグリッド型偏光子などを用いることができる。
構造複屈折型偏光子に入射した光は、特開2001−281615号公報の[0094]段に記載されているように、構造複屈折型偏光子に形成されたストライプに平行な偏光成分は反射され、ストライプに垂直な偏光成分は透過する。したがって、図13の偏光方向の分布と平行になるようにストライプ方向を湾曲させることにより、透過後の偏光方向の分布が図13に示す分布となる構造複屈折型偏光子を実現することができる。
また、金属ワイヤーグリッドを用いた金属ワイヤーグリッド型偏光子は、格子がアルミニウムなどの金属からなり、100nmまたはそれ以下の幅の金属細線を基板上に形成して作製され、入射した光は、この金属細線に平行な偏光成分は透過される。したがって、透過後に図13に示す偏光方向の分布が得られるようにするためには、光の入射する面内における金属細線の方向を図13の偏光方向の分布と平行になるように湾曲させて配置すればよい。
偏光方向の分布が所定の分布となるような機能を有する上記の偏光子において、偏光方向の分布は、図12に示す偏光方向の分布に応じ、これを相殺するように決められる。面内の偏光方向の分布を、図13に示すように弓形に湾曲した分布とすることが好ましく、光が入射する面内における偏光方向を、周辺部と中心部とで1度以上角度を変えることが好ましい。
以上説明したように、本発明の第3の実施の形態に係る投射型表示装置では、複層回折型偏光素子の入射面内における光学軸が所定の分布となるように構成することによって、光源からの光が平行光でない場合にも、反射ミラーによる偏光方向の光束断面内における分布の影響を相殺させることができ、したがって、一様な偏光状態の光を液晶パネルに入射させることができ、高い消光比を得ることができる。
(第1の実施例)
以下、本発明の第1の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例について説明する。本実施例で用いられる複層回折型偏光素子2の消光比の波長依存性を、図6の矢印Aの太線で示す。複層回折型偏光素子2は、最も回折効率の高い波長が、各々、λ=650nm、λ=520nm、λ=415nmである偏光回折格子110、120、130を積層して形成されている。また、R(赤)、G(緑)、B(青)各成分の光強度の最も高い波長ピーク波長λ、λ、λは、各々、630nm、540nm、460nmである。本実施例では、可視光波長帯域の全域に渡って消光比が30dB以上を実現でき、特に人間の網膜視感度の高いG(緑)の波長帯域では37dB以上と、高い値を実現できる。
また、図6において、矢印Bで示す細線は比較例を示しており、2層の偏光回折格子が積層されたタイプの回折型偏光素子を適用した場合の特性である。但し、2層の偏光回折格子の最も回折効率の高い波長λ、λは、各々420nm、690nmである。なお、この比較例は、特開平6−27320号公報に開示されているものと同様の例である。
比較例の場合は、540nm付近を中心とするG(緑)の波長帯域において、消光比が17dB程度であり、充分な消光比が得られていない。特に、緑は視感度が高いため、17dBという消光比は、実用上不充分な値である。
(第2の実施例)
以下、本発明の第2の実施の形態に係る投射型表示装置の実施例について説明する。図9は、投射型表示装置102のR(赤)成分の光の消光比と波長の関係を示す図、図10は、投射型表示装置102のG(緑)成分の光の消光比と波長の関係を示す図、図11は、投射型表示装置102のB(青)成分の光の消光比と波長の関係を示す図である。
本実施例では、R(赤)の波長帯域が、635±45nmのとき、図9に示すように、偏光回折格子140の回折効率が最も高い波長λを595nm、偏光回折格子150の回折効率が最も高い波長λを670nmとした。また、G(緑)の波長帯域が、545±45nmのとき、図10に示すように、偏光回折格子140の回折効率が最も高い波長λを515nm、偏光回折格子150の回折効率が最も高い波長λを585nmとした。また、B(青)の波長帯域が、460±40nmのとき、図11に示すように、偏光回折格子140の回折効率が最も高い波長λを425nm、偏光回折格子150の回折効率が最も高い波長λを485nmとした。
図9〜図11から明らかなように、本実施例では、いずれの色(R、G、B)の光の波長帯域においても、λとλの間の波長帯域内で最低37dB以上で概ね40dB以上の良好な消光比が得られる。
なお、複層回折型偏光素子における2つの偏光回折格子の最も回折効率の高い波長λ、λが、共に各色(R、G、B)の最大強度の波長と同一になるように構成した場合には、それぞれの色の光の波長帯域内での消光比が不足する。したがって、2つの偏光回折格子の最も回折効率の高い波長λ、λが、対応する色を有する光の最大強度の波長を挟むと共に、対応する色の波長帯域内に入るように、偏光回折格子140、150を構成することが好ましい。例えば、回折効率の最も高い波長が455nmの偏光回折格子が2枚積層され形成されている複層回折型偏光素子の場合には、B波長帯域の波長460±40nmの範囲において消光比は34dB以上であるが、回折効率の最も高い波長がそれぞれ425nm、485nmの偏光回折格子が積層され形成されている複層回折型偏光素子の場合には、同波長範囲において37dB以上と優れた消光比が得られる。
(第3の実施例)
以下、本発明の第3の実施例に係る投射型表示装置の実施例について説明する。本例の投射型表示装置は、光源1として点灯時の水銀動作蒸気圧を200気圧に高めたショートアーク超高圧水銀ランプを用いていること、および、G(緑)波長帯域用およびB(青)波長帯域用の複層回折型偏光素子が備える偏光回折格子の回折効率が最も高い波長が、高圧水銀ランプの輝線の波長と実質的に一致されている(以下、これらの複層回折型偏光素子を、輝線の波長と一致させた複層回折型偏光素子という。)こと以外は、第2の実施形態にかかる投射型表示装置と同様の構成を有する。すなわち、本例の投射型表示装置のG(緑)波長帯域用の複層回折型偏光素子22は、回折効率が最も高い波長がそれぞれ550nm、580nmである2枚の偏光回折格子を積層して形成されており、B(青)波長帯域用の複層回折型偏光素子23は、回折効率が最も高い波長がそれぞれ440nm、490nmである2枚の偏光回折格子を積層して形成されている。それぞれの複層回折型偏光素子22、23の消光比と波長の関係を図15、図16に示す。
本例の投射型表示装置において、ショートアーク超高圧水銀ランプの光源1から出射された光は、色分離手段31、32によりG(緑)波長帯域およびB(青)波長帯域に分離され、図17および18の分光強度をもつランダム偏光として、それぞれの波長帯域用の複層回折型偏光素子22および23に入射する。光源1として用いるショートアーク超高圧水銀ランプの分光強度分布を図14に示す。
それぞれの波長帯域用の複層回折型偏光素子22および23に入射したG(緑)波長帯域およびB(青)波長帯域の光のうち、第1の偏光方向に偏光した光は、入射光と同様の分光強度をもつ光として直進透過される。すなわち図17および18の分光強度をもつ第1の偏光方向に偏光した光が直進透過される。また、第1の偏光方向と直交する第2の偏光方向に偏光した光は、大部分が回折されて光軸から外され、それぞれ図19および20に実線で示す分光強度をもつ光のみが直進透過される。また、図19および20中の点線は、それぞれの波長帯域用の複層回折型偏光素子22、23において、2枚の偏光回折格子の回折効率が最も高い波長を輝線波長と一致させず、それぞれ515nm、585nm、および425nm、485nmとしたときに複層回折型偏光素子を直進透過する第2の偏光の分光強度を示す。以下、これらの複層回折型偏光素子を、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子という。
図19から、本例の投射型表示装置において、輝線の波長と一致させたG(緑)波長帯域用の複層回折型偏光素子22に対して、光源1からの出射光を色分離手段で分離して得られたG(緑)波長帯域のランダム偏光を入射させたときに直進透過した第2の偏光は、G(緑)波長帯域用の複層回折型偏光素子として、回折効率が最も高い波長を輝線波長と一致させずそれぞれ515nm、585nmとした、2枚の偏光回折格子を積層した複層回折型偏光素子を用いた場合に直進透過する第2の偏光より、G(緑)波長帯域のほぼ全域において強度が小さく、より優れた消光比が得られることがわかる。
このとき直進透過する光のうち、第1の偏光に対する第2の偏光の強度比、すなわち投射型表示装置の消光比を、G(緑)波長帯域の中心波長550〜565nmの帯域で比較すると、本例の輝線の波長と一致させた複層回折型偏光素子を用いる構成では55dB以上であって、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いる構成での40dB以上と比較して優れた値が得られる。
また、図20から、本例の投射型表示装置において、輝線の波長と一致させたB(青)波長帯域用の複層回折型偏光素子23に対して、光源1からの出射光を色分離手段で分離して得られたB(青)波長帯域のランダム偏光を入射させたときに直進透過した第2の偏光は、B(青)波長帯域用の複層回折型偏光素子として、回折効率が最も高い波長を輝線波長と一致させずそれぞれ425nm、485nmとした、2枚の偏光回折格子を積層した複層回折型偏光素子を用いた場合に直進透過する第2の偏光より、B(青)波長帯域のほぼ全域において強度が小さく、より優れた消光比が得られることがわかる。
このとき直進透過する光のうち、第1の偏光に対する第2の偏光の強度比、すなわち投射型表示装置の消光比をB(青)波長帯域の中心波長455〜465nmの帯域で比較すると、本例の輝線の波長と一致させた複層回折型偏光素子を用いる構成では43dB以上であって、輝線の波長と一致させない複層回折型偏光素子を用いる構成での39dB以上と比較して優れた値が得られる。すなわち、それぞれの波長帯域の輝線の波長の光に対して消光比が高い偏光回折格子が用いられているので、高いコントラストと輝度が得られるとともに、高い消光比が実現される。
本発明の第2の実施例および第3の実施例の構成の投射型表示装置において、光源1と複層回折型偏光素子21、22、23との間の光路上に、R(赤)、G(緑)および(青)成分の波長帯域の、第1の偏光方向に偏光した直線偏光を透過させる偏光子や、入射した第2の偏光方向の直線偏光を第1の偏光方向の直線偏光に変換して、入射した第1の偏光方向の直線偏光とともに透過させる偏光変換素子を、さらに配置した構成とすると、より高い消光比が得られて好ましい。
本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、2004年12月2日出願の日本特許出願2004−349899に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
本発明に係る投射型表示装置は、安定して高い消光比が得られると共に、コンパクトで熱に強いという効果が有用な、投射型表示装置の用途にも適用できる。
1 光源
2 複層回折型偏光素子(第1の偏光手段)
6 ダイクロイックプリズム
7 絞り
8 投射レンズ系
9 スクリーン
21、22、23 複層回折型偏光素子(第1の偏光手段)
31、32 ダイクロイックミラー(色分離手段)
31a、33a、33b 反射ミラー(光誘導手段)
41、42、43 液晶パネル
51、52、53 検光子(第2の偏光手段)
100 光
100A 不要な回折光
101 投射型表示装置
102 投射型表示装置
110、120、130 偏光回折格子
140、150 偏光回折格子
200 0次透過光の像
200A、200B、200C、200D、200E、200F 回折像
201a、201b、201c 透光性基板
211 複屈折性材料層
212 等方性透明材料層
241 複屈折性材料層
242 等方性透明材料層

Claims (10)

  1. 可視光を出射する光源と、
    前記光源から出射された可視光を複数の波長帯域光に分離する色分離手段と、
    前記色分離手段により分離された各波長帯域光に対して、第1の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した光の進行方向を変更または前記第2の偏光方向に偏光した光を吸収する複数の偏光子によって構成された第1の偏光手段と、
    前記第1の偏光手段を直進透過した少なくとも1つの波長帯域光を反射する少なくとも1つの反射ミラーと、
    前記少なくとも1つの反射ミラーによって反射された少なくとも1つの波長帯域光および前記第1の偏光手段を直進透過した前記少なくとも1つの波長帯域光以外の波長帯域光を、波長帯域毎に表示する画像に応じて変調する複数の液晶パネルと、
    各前記液晶パネルから出射された光を合成する光合成手段と、
    前記光合成手段によって合成された光を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置であって、
    前記複数の偏光子のうち前記光路上の前記色分離手段と前記反射ミラーとの間に配置された偏光子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の中心部において第1の偏光方向に偏光した光を第1の偏光方向で直進透過させるとともに、該面内の周辺部において第1の偏光方向に偏光した光を第1の偏光方向と異なる偏光方向で直進透過させることにより、前記反射ミラーで反射される波長帯域光の偏光方向の分布を相殺することを特徴とする投射型表示装置。
  2. 前記複数の偏光子は、第1の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した光を回折させる偏光回折格子を複数積層した複数の複層回折型偏光素子であって、
    前記色分離手段が、前記可視光を波長λで最大強度となる赤、波長λで最大強度となる緑、および、波長λで最大強度となる青の3原色の波長帯域の光に分離し、
    各前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも3つの前記偏光回折格子を有し、前記偏光回折格子のうち3つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λ、λおよびλが、それぞれ、
    λ−50nm≦λ≦λ+70nm
    λ−60nm≦λ≦λ+60nm
    λ−70nm≦λ≦λ+50nm
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載の投射型表示装置。
  3. 前記複数の偏光子は、第1の偏光方向に偏光した光を光軸上で直進透過させ、前記第1の偏光方向に直交する第2の偏光方向に偏光した光を回折させる偏光回折格子を複数積層した複数の複層回折型偏光素子であって、
    各前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも2つの前記偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλとするとき、前記偏光回折格子のうち2つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λおよびλが、それぞれ、
    λ−70nm≦λ≦λ−10nm
    λ+10nm≦λ≦λ+70nm
    を満たすことを特徴とする請求項1に記載の投射型表示装置。
  4. 前記複数の複層回折型偏光素子のうち前記光路上の前記色分離手段と前記反射ミラーとの間に配置された複層回折型偏光素子が、前記色分離手段により分離された各波長帯域光の入射する面内の周辺部における光学軸の方向が中心部における光学軸の方向とは異なる方向に分布する複屈折性材料層を備えることを特徴とする請求項2または3に記載の投射型表示装置。
  5. 前記波長λおよびλ
    |λ−λ|<|λ−λ
    を満たすことを特徴とする請求項3または4に記載の投射型表示装置。
  6. nを2以上の整数とするとき、前記複層回折型偏光素子がn層の前記偏光回折格子を備え、前記偏光回折格子は、格子の長手方向が互いに(180/n)度の角度をなすように積層されている請求項2から5までのいずれか1項に記載の投射型表示装置。
  7. 前記液晶パネルと前記投影手段との間の光路上に、前記液晶パネルから出射する光のうちの不要部分を遮光する絞り手段が配置された請求項1から6までのいずれか1項に記載の投射型表示装置。
  8. 各前記液晶パネルによって変調された各波長帯域光のうち、予め決められた偏光方向の光を透過させて前記光合成手段に出射する第2の偏光手段をさらに備え、
    前記第2の偏光手段が、複層回折型偏光素子によって構成され、
    前記複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長が相互に異なる少なくとも2つの前記偏光回折格子を有し、各前記波長帯域光の中心波長をλとするとき、前記偏光回折格子のうち2つの偏光回折格子の最も高い回折効率の波長λおよびλが、それぞれ、
    λ−70nm≦λ≦λ−10nm
    λ+10nm≦λ≦λ+70nm
    を満たす請求項1から7までのいずれか1項に記載の投射型表示装置。
  9. 前記可視光を出射する光源が赤、緑および青の3原色の波長帯域のうち少なくとも1つ以上の波長帯域において輝線をもつ光源であって、
    前記輝線が含まれる波長帯域の複層回折型偏光素子が有する前記偏光回折格子の少なくとも1つが、最も高い回折効率の波長が前記輝線の波長と実質的に一致する偏光回折格子である請求項1から8までのいずれか1項に記載の投射型表示装置。
  10. 可視光を出射する光源が、高圧水銀ランプからなる光源であって、
    青の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、440nm、490nmと実質的に等しい偏光回折格子を備えていて、
    緑の波長帯域の複層回折型偏光素子が、最も高い回折効率の波長がそれぞれ、550nm、580nmと実質的に等しい偏光回折格子を備えている請求項1から9までのいずれか1項に記載の投射型表示装置。
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