JP2011048070A - 光学素子、光学ユニットおよび投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換える。
【解決手段】第１偏光分離素子７１および第２偏光分離素子７３はそれぞれ、入射光に含まれる、互いに直交する二つの偏光成分のうちの一方を反射し、他方を透過する。切換素子７２は、第１偏光分離素子７１と第２偏光分離素子７３との間に間挿され、入射される偏光成分をそのまま透過する第１状態と、入射される偏光成分を直交する偏光成分に変換して透過する第２状態とを切り換える。
【選択図】図２

Description

本発明は、偏光方向を切り換えるための光学素子、光学ユニットおよび投写型映像表示装置に関する。

通常の映像（以下、二次元画像という）を投写して投影面に表示させる機能と、視差画像を投写して投影面に表示させることにより立体映像（以下、三次元画像という）を観察者に見せる機能の両方を持つ投写型映像表示装置（以下適宜、プロジェクタともいう）の開発が進められている。三次元画像を観察者に見せる方式の一つに、偏光メガネ方式がある。偏光メガネは、直交する偏光成分（たとえば、Ｐ偏光とＳ偏光）や互いに逆回転の円偏光（右円偏光と左円偏光）が観察者の右眼と左眼にそれぞれ入射されるよう、入射光をそれぞれフィルタリングするメガネである。

偏光メガネ方式を採用したプロジェクタシステムとして、様々な手法が提案されている。たとえば、右眼用画像を投写する第１プロジェクトと、左眼用画像を投写する第２プロジェクタを二つ用いて、第１プロジェクタの投写レンズの後段（より具体的には、投写レンズから出射される光の光路上）に右眼用の偏光成分を透過する偏光板を設置し、第２プロジェクタの投写レンズの後段に左眼用の偏光成分を透過する偏光板を設置する手法（第１手法）が提案されている。

また、右眼用画像と左眼用画像とを時分割に切り換えて投写するプロジェクタを一つ用いて、そのプロジェクタの投写レンズの後段に偏光スイッチャを設置する手法（第２手法）が提案されている（たとえば、特許文献１参照）。当該偏光スイッチャは、偏光板と、電圧印加に応じて偏光方向を切り換える液晶素子を含む。

また、カラーホイールに偏光素子を貼り付け、カラーホイールを回転させることにより、色成分および偏光方向を時分割に切り換える手法（第３手法）が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

特開昭６３−１８８９４号公報 特開平１０−１５３７５５号公報

上述した第１手法はプロジェクタを二つ用いる必要がある。また、上述した第１手法および第２手法は、既存の二次元画像用のプロジェクタを、三次元画像用に容易に転用することができるが、偏光板または偏光スイッチャが投写レンズの後段に設置されるため、大きなサイズの偏光板または偏光スイッチャを用いる必要がある。

上述した第３手法は、偏光素子を小型化することができる。ただし、当該第３手法に係るプロジェクタでは、二次元画像を投写する場合でも、光源から発光される無偏光の光が、カラーホイールに貼り付けられた偏光素子を通過してしまうため、二次元画像を投写する場合の光量が低下する。より具体的には、二次元画像を投写する場合の本来の光量の半分に低下してしまう。なお、上述した第１手法および第２手法でも、投写レンズの後段の偏光板または偏光スイッチャを取り外さなければ、同様に光量が低下するが、取り外せば、光量の低下を抑制することができる。

また、第３手法のようにカラーホイールと一体ではなく、偏光素子が独立してプロジェクタ本体の内部に設置される手法も考えられる。ただし、そのような手法に係るプロジェクタにて、二次元画像を投写する場合の光量の低下を抑制するには、その偏光素子を光路から外す必要があり、そのための機構が必要となる。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換える技術を提供することにある。

本発明のある態様の光学ユニットは、入射光に含まれる、互いに直交する二つの偏光成分のうちの一方を反射し、他方を透過する、第１偏光分離素子および第２偏光分離素子と、第１偏光分離素子と第２偏光分離素子との間に間挿され、入射される偏光成分をそのまま透過する第１状態と、入射される偏光成分を直交する偏光成分に変換して透過する第２状態とを切換可能な切換素子と、を備える。

本発明の別の態様は、投写型映像表示装置である。この装置は、上述した光学ユニットと、二次元画像を表示させるための二次元モードと、三次元画像を表示させるための三次元モードとを切り替える制御部と、を備える。制御部は、二次元モードと三次元モードとの切り替えに応じて、切換素子を第１状態または第２状態に制御する。

本発明のさらに別の態様は、光学素子である。この光学素子は、ワイヤーグリッド型の光学素子であって、金属ワイヤー間に、１／２波長板が挿入された。

本発明のさらに別の態様は、光学ユニットである。この光学ユニットは、上述した光学素子と、光学素子の後段に設けられた１／４波長板と、１／４波長板の後段に設けられた反射板と、を備える。

本発明によれば、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができる。

本発明の実施の形態１に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。 実施の形態２に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図２（ａ）は、三次元モード時の状態を示し、図２（ｂ）は、二次元モード時の状態を示す。 本発明の実施の形態１の変形例１に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。 実施の形態２の変形例１に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図４（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図４（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示す。 実施の形態２の変形例２に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図５（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図５（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示す。 実施の形態２の変形例３に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図６（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図６（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示す。 実施の形態２の変形例４に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。 実施の形態２の変形例５に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図８（ａ）は、第２偏光分離素子７３を凸面に形成した例であり、図８（ｂ）は、図２に示した構成である。 実施の形態３に係る光学素子の構造を示す図である。 実施の形態４に係る光学ユニットの構造を示す図である。 実施の形態５に係る光学ユニットの構造を示す図である。

図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の構成を示す概略図である。投写型映像表示装置１００は、二次元画像をスクリーンなどの投影面に投写して、二次元画像を表示すること（以下、この使用方法を二次元モードという）も、視差画像を投影面に投写して、三次元画像を表示する（より厳密には、観察者に認識させる）こと（以下、この使用方法を三次元モードという）もできる。

光源１は、ランプ駆動部１２による制御にしたがい、光学ユニット５０に光を照射する。光源１は、フィラメント型の電極構造を有するハロゲンランプ、アーク放電を発生させる電極構造を有するメタルハライドランプ、キセノンショートアークランプ、高圧型の水銀ランプ、ＬＥＤランプなどを用いることができる。光源１の中央部に設けられた発光管１ａから出射された光は、楕円面または双曲面で形成されたリフレクタ１ｂで集光されて、光学ユニット５０に進入する。

光学ユニット５０は、カラーホイール３、ロッドインテグレータ５、およびコンデンサレンズ６ａ、６ｂを含む。光源１から照射された光は、カラーホイール３、ロッドインテグレータ５、およびコンデンサレンズ６ａ、６ｂの順に通過する。カラーホイール３は、円盤状であって、光源１から照射された光の光軸に対して垂直に配置される。カラーホイール３は、ホイール駆動部１１の制御にしたがい、当該光軸と平行な回転軸を中心に回転する。

より具体的には、カラーホイール３は、入射光に対向する面上に、入射光のうち赤成分を透過するＲ領域と、入射光のうち緑成分を透過するＧ領域と、入射光のうち青成分を透過するＢ領域とが形成される。カラーホイール３は、回転することにより、赤色光と緑色光と青色光とを時分割に順次透過する。なお、入射光に対向する面上に、Ｒ領域、Ｇ領域およびＢ領域に加えて、入射光のうちすべての色成分を透過するＷ領域が形成されてもよい。また、シアン、イエロー、マゼンタなどの補色を透過するＣｙ領域、Ｙｅ領域、Ｍｇ領域が形成されてもよい。

ロッドインテグレータ５は、上記光軸上に、カラーホイール３を介して配置される。ロッドインテグレータ５は、入射面５ａから入射された光の照度を均一化して、出射面５ｂから出射する。

コンデンサレンズ６ａ、６ｂは、上記光軸上に、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂに対向して配置される。コンデンサレンズ６ａ、６ｂは、ロッドインテグレータ５の出射面５ｂから出射された光を集光して、反射用光学ユニット７に出射する。

反射用光学ユニット７は、上記光軸上に、当該光軸に対して所定の傾きを持って配置される。反射用光学ユニット７は、コンデンサレンズ６ａ、６ｂから出射された光を反射して、光変調素子８に出射する。反射用光学ユニット７は、制御部１０からの指示にしたがい、二次元モードと三次元モードとの間でモードを切り替える役割を担う。なお、反射用光学ユニット７の詳細は後述する。

光変調素子８は、制御部１０から設定される画像信号に応じて、反射用光学ユニット７により反射された光を変調し、変調した光を時分割偏光切換素子１３に出射する。ここでは、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を用いる例を描いている。ＤＭＤは、画素数に対応した複数のマイクロミラーを備え、各マイクロミラーの向きが各画素信号に応じて制御されることにより、所望の画像を形成する。

時分割偏光切換素子１３は、光変調素子８と投写レンズ９の間に設置される。ここでは、投写レンズ9の入射口に直接または所定の隙間を空けて設置している。三次元モードでは、時分割偏光切換素子１３は、制御部１０からの指示にしたがい、光変調素子８により変調された光の偏光方向を、直交する二つの偏光方向の間で時分割に切り換える。なお、時分割偏光切換素子１３の詳細は後述する。

投写レンズ９は、光変調素子８により変調された光を図示しないスクリーンなどの投影面に向けて投写する。その際、投写レンズ９が光変調素子８により変調された光を結像することにより、光変調素子８により形成された画像は、投影面に拡大されて表示される。なお、三次元モードでは、投写レンズ９に入射される光の偏光方向が、時分割偏光切換素子１３により時分割に切り換えられる。

制御部１０は、ランプ駆動部１２、ホイール駆動部１１、反射用光学ユニット７、光変調素子８および時分割偏光切換素子１３を制御する。より具体的には、制御部１０は、ランプ駆動部１２にオン／オフ信号を設定して、ランプ駆動部１２に光源１の電源をオン／オフさせる。また、制御部１０は、ホイール駆動部１１に回転制御信号を設定して、ホイール駆動部１１にカラーホイール３を回転させる。また、制御部１０は、光変調素子８に画像信号を設定して、光変調素子８に所望の画像を形成させる。

また、制御部１０は、反射用光学ユニット７にモード切替信号を設定して、反射用光学ユニット７に二次元モードまたはと三次元モードとの間でモードを切り替させる。なお、このモード切替処理の詳細は後述する。また、制御部１０は、三次元モードにて、時分割偏光切換素子１３に偏光切換信号を設定することにより、時分割偏光切換素子１３に偏光方向を時分割に切り換えさせる。なお、二次元モードでは、偏光方向を揃える必要がないため、時分割偏光切換素子１３に偏光方向を時分割に切り換えさせる必要はない。

図２は、実施の形態２に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図２（ａ）は、三次元モード時の状態を示し、図２（ｂ）は、二次元モード時の状態を示す。実施の形態２に係る反射用光学ユニットは、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００の反射用光学ユニット７として採用することに適した光学素子である。以下、実施の形態２に係る反射用光学ユニット７が、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００に搭載されている状態を前提に説明する。

実施の形態２に係る反射用光学ユニット７は、第１偏光分離素子７１、切換素子７２、第２偏光分離素子７３を備える。第１偏光分離素子７１および第２偏光分離素子７３はそれぞれ、入射光に含まれる、互いに直交する二つの偏光成分（たとえば、Ｐ偏光とＳ偏光）のうちの一方を反射し、他方を透過する。切換素子７２は、第１偏光分離素子７１と第２偏光分離素子７３との間に設けられ、入射される偏光成分をそのまま透過する第１状態と、入射される偏光成分を直交する偏光成分に変換して透過する第２状態とを切換可能な素子である。

反射用光学ユニット７は、第２偏光分離素子７３、切換素子７２および第１偏光分離素子７１の順に積層されて、一体的に形成されてもよい。なお、第２偏光分離素子７３と切換素子７２とは、接触していてもよいし、両者の間に空間が形成されていてもよい。切換素子７２と第１偏光分離素子７１との関係も同様である。

第１偏光分離素子７１は、無偏光な入射光を受ける層である。第１偏光分離素子７１は、無偏光な入射光に含まれる、入射面に垂直なＳ偏光および入射面に平行なＰ偏光のうち、一方である第１偏光を反射し、他方である第２偏光を透過する。

第１偏光分離素子７１には、ワイヤーグリッドを採用することができる。ワイヤーグリッドは、ガラス基板上に金属材料（アルミニウムなど）を蒸着し、ナノメーターレベルでの微細エッチングによりワイヤー状のグリッドを形成した非吸収型偏光板である。一般的に、ワイヤーグリッドは、入射光のうちＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。なお、グリッドを形成するリブの向きを変えることにより、入射光のうちＰ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過するタイプのワイヤーグリッドを生成することも可能である。また、第１偏光分離素子７１には、ワイヤーグリッド以外に、偏光分離コートされた誘電体多層膜を採用することもできる。

以下、入射光のうちＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するタイプの第１偏光分離素子７１を採用した例について説明する。なお、入射光のうちＰ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過するタイプの第１偏光分離素子７１を採用した場合、以下の説明における、Ｐ偏光とＳ偏光を読みかえて考えればよい。

切換素子７２は、第１偏光分離素子７１から出射されたＰ偏光をそのまま透過する第１状態と、第１偏光分離素子７１から出射されたＰ偏光をＳ偏光に変換して透過する第２状態とを切り換え可能な素子である。

切換素子７２は、電圧印加の有無により状態が変化する液晶素子を採用することができる。当該液晶素子は、電圧に応じて液晶分子の配向が変わる。電圧が印加されていない状態では、当該液晶素子は、１／２波長板（λ／２位相差板ともいう）として振る舞う（上記第２状態に対応）。１／２波長板は、入射光の互いに直交する成分に１８０°の位相差を与えることにより、直線偏光を回転させることができる。その回転角は、入射偏光と遅相軸とのなす角にて調整可能であり、直線偏光と遅相軸とのなす角が４５°の場合、その直線偏光の偏光面が９０°回転する。すなわち、Ｓ偏光をＰ偏光に、およびＰ偏光をＳ偏光に変換することができる。

当該液晶素子は、電圧が印加されていない状態では、入射光の互いに直交する成分に位相差を与えない単なる透過板として振る舞う（上記第１状態に対応）。すなわち、入射光をそのまま透過し、Ｓ偏光が入射された場合、Ｓ偏光のまま透過し、Ｐ偏光が入射された場合、Ｐ偏光のまま透過する。

第２偏光分離素子７３は、切換素子７２から出射された、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。第２偏光分離素子７３も第１偏光分離素子７１と同様に構成することが可能である。

制御部１０は、三次元モードでは切換素子７２に電圧を印加して、切換素子７２を第１状態（図２（ａ）参照）に制御し、二次元モードでは切換素子７２に電圧を印加せずに、切換素子７２を第２状態（図２（ｂ）参照）に制御する。

図２（ａ）に示すように三次元モードでは、切換素子７２は単なる透過板として振る舞い、第１偏光分離素子７１から出射されたＰ偏光をＰ偏光のまま透過する。第２偏光分離素子７３は、切換素子７２から出射されたＰ偏光を透過する。このように、三次元モードでは、反射用光学ユニット７は全体としてＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する偏光分離素子として機能する。

一方、図２（ｂ）に示すように二次元モードでは、切換素子７２は１／２波長板として振る舞い、第１偏光分離素子７１から出射されたＰ偏光をＳ偏光に変換して透過する。第２偏光分離素子７３は、切換素子７２から出射されたＳ偏光を反射する。切換素子７２は、第２偏光分離素子７３から出射されたＳ偏光をＰ偏光に変換して透過する。第１偏光分離素子７１は、切換素子７２から出射されたＰ偏光を透過する。このように、二次元モードでは、反射用光学ユニット７は全体としてＳ偏光もＰ偏光も反射するミラーとして機能する。

図１の時分割偏光切換素子１３には、切換素子７２と同様に上記液晶素子を採用することができる。三次元モードにて、制御部１０は、時分割偏光切換素子１３に電圧を印加する状態と印加しない状態とを時分割に切り換える。なお、二次元モードでは、偏光方向を揃える必要がないため、時分割に切り換える必要はなく、いずれかの状態に固定させる。消費電力の観点からは、電圧を印加しない状態に固定させることが望ましい。

時分割偏光切換素子１３は、電圧が印加されていない状態では、１／２波長板として振る舞い、反射用光学ユニット７から光変調素子８を介して入射されるＳ偏光を、Ｐ偏光に変換して透過する。一方、電圧が印加されている状態では、単なる透過板として振る舞い、反射用光学ユニット７から光変調素子８を介して入射されるＳ偏光を、Ｓ偏光のまま透過する。これにより、偏光メガネを装着した観察者の右眼及び左眼にそれぞれ入射させるべき視差画像光を、それぞれ対応する偏光成分で出射することができる。

なお、時分割偏光切換素子１３は、上記液晶素子に加えて、１／４波長板（λ／４位相差板ともいう）を含んでもよい。１／４波長板は、入射光の互いに直交する成分に９０°の位相差を与えることにより、直線偏光を円偏光に、または円偏光を直線偏光に変換することができる。直線偏光と遅相軸とのなす角が４５°の場合、その直線偏光が円偏光に変換される。例えば、Ｓ偏光は、右円偏光に変換され、Ｐ偏光は左円偏光に変換される。逆に、Ｓ偏光を右円偏光に変換し、Ｐ偏光を左円偏光に変換することもできる。

このように、時分割偏光切換素子１３に１／４波長板を追加すると、時分割偏光切換素子１３から右円偏光と左円偏光とを時分割に出射することができ、円偏光方式の偏光メガネに対応することができる。円偏光方式の偏光メガネは、直線偏光方式のそれと比較し、装着者が顔を傾けても左右映像のクロストークが小さく維持されるという特質がある。

なお、当該液晶素子と当該１／４波長板との順番は、当該液晶素子、当該１／４波長板の順であってもよいし、その逆の順であってもよい。

以上説明したように実施の形態１、２によれば、第１偏光分離素子７１と第２偏光分離素子７３との間に、１／２波長板とも単なる透過板とも振る舞うことができる切換素子７２を挟んて反射用光学ユニット７を形成したことにより、簡素な構成で、光量の低下を抑制しつつ、無偏光状態と偏光状態とを切り換えることができる。

すなわち、既存の投写型映像表示装置１００内にて、反射ミラーを設置していた箇所に、その反射ミラーに代えて実施の形態２に係る反射用光学ユニット７を設置し、かつ時分割偏光切換素子１３を追加するだけでよい。いずれも小型の部材であり、電気制御であるから、追加または置き換えられる構成は簡素なものである。また、二次元モードではすべての偏光成分を反射することができるから、二次元モードでも、従来と同様の光量を確保することができる。この点、第１偏光分離素子７１だけで反射用光学ユニット７を形成した場合、Ｐ偏光が反射されず、光量が半減してしまう。

図３は、本発明の実施の形態１の変形例１に係る投写型映像表示装置１００の構成を示す概略図である。当該変形例１に係る投写型映像表示装置１００は、図１に示した投写型映像表示装置１００と比較し、時分割偏光切換素子１３が投写レンズ９の入射口に設置されるのではなく、反射用光学ユニット７の構成要素として一体的に形成される。当該変形例１に係る投写型映像表示装置１００の各構成要素の動作は、図１に示した投写型映像表示装置１００と同様であるため、説明を省略する。

図４は、実施の形態２の変形例１に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図４（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図４（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示す。実施の形態２の変形例１に係る反射用光学ユニットは、実施の形態１の変形例１に係る投写型映像表示装置１００の反射用光学ユニット７として採用することに適した光学素子である。以下、実施の形態２の変形例１に係る反射用光学ユニット７が、実施の形態１の変形例１に係る投写型映像表示装置１００に搭載されている状態を前提に説明する。なお、後述する実施の形態２の変形例２、３に係る反射用光学ユニット７についても同様とする。

実施の形態２の変形例１に係る反射用光学ユニット７は、第１偏光分離素子７１、切換素子７２（実施の形態２の変形例１〜３ではモード切換素子７２と表記する）、第２偏光分離素子７３および時分割偏光切換素子７４を備える。反射用光学ユニット７は、第２偏光分離素子７３、モード切換素子７２、第１偏光分離素子７１、および時分割偏光切換素子７４の順に積層されて、一体的に形成される。

時分割偏光切換素子７４は、上述した時分割偏光切換素子１３と同様に、電圧が印加されている状態では（図４（ａ）参照）、単なる透過板として振る舞い、第１偏光分離素子７１から出射されるＳ偏光を、Ｓ偏光のまま透過する。一方、電圧が印加されていない状態（図４（ｂ）参照）では、１／２波長板として振る舞い、第１偏光分離素子７１から出射されるＳ偏光を、Ｐ偏光に変換して透過する。

なお、時分割偏光切換素子７４は無偏光な光には作用しないため、コンデンサレンズ６ａ、ｂから射される光、および二次元モードにて第１偏光分離素子７１から入射される光には影響を与えない。いずれの光も無偏光であるためである。

図５は、実施の形態２の変形例２に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図５（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図５（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示す。

実施の形態２の変形例２に係る反射用光学ユニット７は、第１偏光分離素子７１、モード切換素子７２、第２偏光分離素子７３、時分割偏光切換素子７４および１／４波長板７５を備える。反射用光学ユニット７は、第２偏光分離素子７３、モード切換素子７２、第１偏光分離素子７１、１／４波長板７５および時分割偏光切換素子７４の順に積層されて、一体的に形成される。すなわち、当該変形例２に係る反射用光学ユニット７は、上記変形例１に係る反射用光学ユニット７の第１偏光分離素子７１と時分割偏光切換素子７４との間に１／４波長板７５が追加された構成である。

三次元モードでは、１／４波長板７５は、第１偏光分離素子７１により反射されるＳ偏光を右円偏光に変換する。１／４波長板７５は無偏光な光には作用しないため、１／４波長板７５は、二次元モードでは作用しない。

時分割偏光切換素子７４は、上述した時分割偏光切換素子１３と同様に、電圧が印加されている状態では（図５（ａ）参照）、単なる透過板として振る舞い、１／４波長板７５から出射される右円偏光を、右円偏光のまま透過する。一方、電圧が印加されていない状態（図５（ｂ）参照）では、１／２波長板として振る舞い、１／４波長板７５から出射される右円偏光を、左円偏光に変換して透過する。

図６は、実施の形態２の変形例３に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図６（ａ）は、三次元モード時の状態１を示し、図６（ｂ）は、三次元モード時の状態２を示す。

実施の形態２の変形例３に係る反射用光学ユニット７は、第１偏光分離素子７１、モード切換素子７２、第２偏光分離素子７３、時分割偏光切換素子７４および１／４波長板７５を備える。反射用光学ユニット７は、第２偏光分離素子７３、モード切換素子７２、第１偏光分離素子７１、時分割偏光切換素子７４および１／４波長板７５の順に積層されて、一体的に形成される。すなわち、当該変形例３に係る反射用光学ユニット７は、上記変形例２に係る反射用光学ユニット７の時分割偏光切換素子７４と１／４波長板７５との順番を入れ替えた構成である。

時分割偏光切換素子７４は、上述した時分割偏光切換素子１３と同様に、電圧が印加されている状態では（図６（ａ）参照）、単なる透過板として振る舞い、第１偏光分離素子７１から出射されるＳ偏光を、Ｓ偏光のまま透過する。１／４波長板７５は、時分割偏光切換素子７４から出射されたＳ偏光を右円偏光に変換する。一方、電圧が印加されていない状態（図６（ｂ）参照）では、１／２波長板として振る舞い、第１偏光分離素子７１から出射されるＳ偏光を、Ｐ偏光に変換して透過する。１／４波長板７５は、時分割偏光切換素子７４から出射されたＰ偏光を左円偏光に変換する。

以上説明したように実施の形態１の変形例１および実施の形態２の変形例１〜３によれば、図１、２に示した実施の形態２の基本例と同様の効果をする。設計者は、反射用光学ユニット７および時分割偏光切換素子１３（または時分割偏光切換素子７４）以外の構成による制約、コストなどを考慮して、図２（図１を前提）の構成、図４〜６（図３を前提）の構成のいずれを採用することもできる。

図７は、実施の形態２の変形例４に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。実施の形態２の変形例４に係る反射用光学ユニットは、図２に示した実施の形態２の基本例に係る反射用光学ユニット７に吸収板７６が追加された構成である。当該変形例４に係る反射用光学ユニット７は、吸収板７６、第２偏光分離素子７３、切換素子７２および第１偏光分離素子７１の順に積層されて、一体的に形成される。

吸収板７６には、金属に黒塗料を塗布したものを採用することができる。三次元モードでは、第２偏光分離素子７３はＰ偏光を透過する。吸収板７６はこのＰ偏光を吸収する。

当該変形例４では、投写型映像表示装置１００内に吸収板７６を冷却するための冷却手段が搭載されてもよい。たとえば、ファン１４が搭載されてもよい。三次元モードにて、制御部１０は、ファン１４を回転させて吸収板７６を冷却させる。二次元モードでは、第２偏光分離素子７３はＰ偏光を透過しない（もちろん、Ｓ偏光を透過しない）ため、吸収板７６に第２偏光分離素子７３から光が入射されないため、吸収板７６を冷却させる必要性が低い。したがって、二次元モードでは、制御部１０はファン１４を停止させてもよい。

なお、吸収板７６は反射用光学ユニット７に一体的に形成される必要はなく、第２偏光分離素子７３から出射される光の光路上であれば、どこに設置されてもよい。また、吸収板７６の代わりに、Ｐ偏光を吸収する偏光板を用いてもよい。また、ファン１４の代わりに、ペルチェ素子などの接触型の冷却手段を用いてもよい。また、実施の形態２の変形例１〜３に係る反射用光学ユニット７に、当該変形例４に係る吸収板７６およびファン１４を適用することもできる。

以上説明したように実施の形態２の変形例４によれば、吸収板７６を設けたことにより、第２偏光分離素子７３を透過したＰ偏光が投写型映像表示装置１００内で乱反射し、正規の光路に進入したり、投写型映像表示装置１００内の各種部材に熱を発生させたりすることを抑制することができる。また、ファン１４などの冷却手段を設けることにより、吸収板７６の温度上昇を抑制することができる。

図８は、実施の形態２の変形例５に係る反射用光学ユニットの構成を示す図である。図８（ａ）は、第２偏光分離素子７３を凸面に形成した例であり、図８（ｂ）は、図２に示した構成である。ここまで、第１偏光分離素子７１、切換素子７２および第２偏光分離素子７３を平面板で形成し、第１偏光分離素子７１と切換素子７２との間、および切換素子７２と第２偏光分離素子７３との間に空間を空ける構成を説明してきた。この構成は、第１偏光分離素子７１、切換素子７２および第２偏光分離素子７３のそれぞれにたまった熱を放出するに適した構成である。

しかしながら、二次元モードでは、第１偏光分離素子７１により光変調素子８に向けて反射されるＳ偏光と、第２偏光分離素子７３により光変調素子８に向けて反射されるＰ偏光との間で、光線の出射方向にズレが生じてしまうという問題がある（図８（ｂ）参照）。すなわち、光変調素子８上における両者の照明領域の位置にズレが生じる。両者の照明領域が重ならない部分は暗くなるため使用できず、二つの照明領域が重なっている部分だけを使用することになり、光の利用効率が下がる。

これに対し、図８（ａ）に示すように第２偏光分離素子７３を凸面に形成することにより、第１偏光分離素子７１により反射されるＳ偏光と、第２偏光分離素子７３により反射されるＰ偏光との、光変調素子８上の照明領域の位置を実質的に一致させることができる。

なお、第２偏光分離素子７３を平面に形成した場合でも、第２偏光分離素子７３を第１偏光分離素子７１に対して傾けることにより、両者の集光位置をある程度、近づけることができる。ただし、第１偏光分離素子７１により反射されるＳ偏光と、第２偏光分離素子７３により反射されるＰ偏光とには光路差が発生するため、当該Ｓ偏光を光変調素子８上に集光させるように光学系を設計した場合、当該Ｐ偏光は光変調素子８上に集光しない。

これに対して、当該Ｓ偏光の焦点位置と、当該Ｐ偏光の焦点位置との間に、光変調素子８を設置することにより、照明光を均質化することができる。

以上説明したように実施の形態２の変形例５によれば、第１偏光分離素子７１、切換素子７２および第２偏光分離素子７３にたまる熱の放出しやすさ、二次元モードにおけるＳ偏光とＰ偏光との集光位置のズレ抑制の両方を実現することができる。すなわち、第１偏光分離素子７１と切換素子７２との間、および切換素子７２と第２偏光分離素子７３との間にエアギャップを設けることにより、熱を放出しやすくすることができる。また、第２偏光分離素子７３を凸面で形成するか、第２偏光分離素子７３を傾けることにより、二次元モードにおけるＳ偏光とＰ偏光との集光位置のズレを抑制することができる。なお、第１偏光分離素子７１と切換素子７２との間、および切換素子７２と第２偏光分離素子７３との間にエアギャップを設けない場合でも、各素子を構成する基板の厚み分の光路差が発生するので、以上の対策は有効である。

図９は、実施の形態３に係る光学素子の構造を示す図である。実施の形態３に係る光学素子は既存のワイヤーグリッドをベースとした光学素子である。すなわち、ガラス基板２１上に所定の間隔を空けて複数の金属ワイヤー２２が形成される。各金属ワイヤーは、アルミニウムのリブで形成されてもよい。

実施の形態３では、それら複数の金属ワイヤー間に１／２波長板２３を挿入する。すなわち、金属ワイヤー２２と１／２波長板２３とがストライプ状に並んで形成される。既存のワイヤーグリッドは、入射光のうちＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過するが、実施の形態３に係るワイヤーグリッド（以下、λ／２ワイヤーグリッド２０と表記する）は、入射光のうちＳ偏光を反射し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して透過する。

図１０は、実施の形態４に係る光学ユニット３０の構造を示す図である。実施の形態４に係る光学ユニット３０は、実施の形態３に係るλ／２ワイヤーグリッド２０を用いる。実施の形態４に係る光学ユニット３０は、λ／２ワイヤーグリッド２０、１／４波長板３１および反射板３２を備える。光学ユニット３０は、当該光学ユニット３０への入射光に対して、λ／２ワイヤーグリッド２０、１／４波長板３１および反射板３２の順に配置される。たとえば、反射板３２（たとえば、一般的なミラーで構成される）、１／４波長板３１およびλ／２ワイヤーグリッド２０の順に積層され、一体的に形成されてもよい。

λ／２ワイヤーグリッド２０は、入射光に含まれるＳ偏光を反射し、Ｐ偏光をＳ偏光に変換して透過する。１／４波長板３１は、λ／２ワイヤーグリッド２０が変換した透過したＳ偏光を、右円偏光に変換して透過する。反射板３２は、１／４波長板から入射される右円偏光を、左円偏光に変換して反射する。１／４波長板３１は、反射板３２から入射される左円偏光を、Ｐ偏光に変換して透過する。λ／２ワイヤーグリッド２０は、１／４波長板３１から入射されるＰ偏光を、Ｓ偏光に変換して透過する。これにより、実施の形態４に係る光学ユニット３０に入射される無偏光の光のすべての成分をＳ偏光に変換することができる。

以上説明したように実施の形態４によれば、無偏光の光のすべての成分をＳ偏光に変換することができるため、光量の低下を抑制しながら、偏光を一定方向に揃えることができる。

実施の形態４に係る光学ユニット３０は、実施の形態１、２に係る光学ユニット７として採用することができる。すなわち、第１偏光分離素子７１、切換素子７２および第２偏光分離素子７３の代わりに、λ／２ワイヤーグリッド２０、１／４波長板３１および反射板３２を用いることができる。

実施の形態４に係る光学ユニット３０では、三次元モードにおいても光量が低下しないため、二次元モードと三次元モードとで状態を切り換える必要がない。二次元モードでは無偏光状態、偏光が一定方向に揃っている状態のいずれもあってもよいためである。二次元モードと三次元モードとで状態を切り換える必要がないため、電気制御も必要ない。

このように、実施の形態４に係る光学ユニット３０は、実施の形態２に係る光学ユニットの効果に加えて、三次元モードにおいても各画像の光量が低下しない点、電気制御が必要なく、より簡素な構成とすることができる点において、さらに有利な効果を奏する。

図１１は、実施の形態５に係る光学ユニット４０の構造を示す図である。実施の形態５に係る光学ユニット４０も、実施の形態３に係るλ／２ワイヤーグリッド２０を用いる。実施の形態５に係る光学ユニット４０は、第１反射板４１、ノーマルワイヤーグリッド４２、λ／２ワイヤーグリッド２０および第２反射板４３を備える。光学ユニット４０は、当該光学ユニット４０への入射光に対して、ノーマルワイヤーグリッド４２、第１反射板４１および第２反射板４３（両者は同一順番）、ならびにλ／２ワイヤーグリッド２０の順に配置される。

ノーマルワイヤーグリッド４２は、入射光に含まれるＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過する。第１反射板４１は、ノーマルワイヤーグリッド４２により反射されたＳ偏光を反射する。第２反射板４３は、ノーマルワイヤーグリッド４２を透過したＰ偏光を反射する。λ／２ワイヤーグリッド２０は、第１反射板４１から入射されるＳ偏光を反射し、第２反射板４３から入射されるＰ偏光をＳ偏光に変換して透過する。これにより、実施の形態５に係る光学ユニット４０に入射される無偏光の光のすべての成分をＳ偏光に変換することができる。

以上説明したように実施の形態５に係る光学ユニット４０によれば、実施の形態４に係る光学ユニット３０と同様の効果を奏する。

以上、本発明をいくつかの実施の形態をもとに説明した。これらの実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述した説明では、実施の形態２、４、５に係る光学ユニットを、投写型映像表示装置１００に適用する例を説明した。この点、液晶ディスプレイや、有機ＥＬディスプレイなどの非投写型の表示装置にも適用可能である。

なお、実施の形態に係る光学ユニットと時分割切換素子は、光源とスクリーンの間であれば、いずれの位置に配置しても効果を発揮する。また、液晶の複屈折性を利用し1／２波長板として振る舞う液晶素子を例に説明したが、旋光性を利用する液晶の場合にも偏光方向の切換は可能である。

実施の形態２では、第１偏光分離素子７１でＳ偏光を反射し、第２偏光分離素子７３でＳ偏光を反射する例を説明したが、第１偏光分離素子７１でＰ偏光を反射し、第２偏光分離素子７３でP偏光を反射するように設定してもよいし、第１偏光分離素子７１でＳ偏光を反射し、第２偏光分離素子７３でP偏光を反射するように設定してもよいし、第１偏光分離素子７１でＰ偏光を反射し、第２偏光分離素子７３でＳ偏光を反射するように設定してもよい。

三つの設定例のうち最初の設定例では、制御部１０は、三次元モードでは切換素子７２に電圧を印加して、切換素子７２を上記第１状態（単なる透過板）に制御し、二次元モードでは切換素子７２に電圧を印加せずに、切換素子７２を上記第２状態（1／２波長板）に制御する。

三つの設定例のうち二番目および三番目の設定例では、制御部１０は、二次元モードでは切換素子７２に電圧を印加して、切換素子７２を上記第１状態（単なる透過板）に制御し、三次元モードでは切換素子７２に電圧を印加せずに、切換素子７２を上記第２状態（1／２波長板）に制御する。

１ 光源、 ３ カラーホイール、 ５ ロッドインテグレータ、 ６ａ、ｂ コンデンサレンズ、 ７ 反射用光学ユニット、 ８ 光変調素子、 ９ 投写レンズ、 １０ 制御部、 １１ ホイール駆動部、 １２ ランプ駆動部、 １３ 時分割偏光切換素子、 １４ ファン、 ２０ λ／２ワイヤーグリッド、 ３０ 光学ユニット、 ３１ １／４波長板、 ３２ 反射板、 ４０ 光学ユニット、 ４１ 第１反射板、 ４２ ノーマルワイヤーグリッド、 ４３ 第２反射板、 ５０ 光学ユニット、 ７１ 第１偏光分離素子、 ７２ 切換素子、 ７３ 第２偏光分離素子、 ７４ 時分割偏光切換素子、 ７５ １／４波長板、 ７６ 吸収板、 １００ 投写型映像表示装置。

Claims (6)

1. 入射光に含まれる、互いに直交する二つの偏光成分のうちの一方を反射し、他方を透過する、第１偏光分離素子および第２偏光分離素子と、
   前記第１偏光分離素子と前記第２偏光分離素子との間に間挿され、入射される偏光成分をそのまま透過する第１状態と、入射される偏光成分を直交する偏光成分に変換して透過する第２状態とを切換可能な切換素子と、
   を備えることを特徴とする光学ユニット。
2. 請求項１に記載の光学ユニットと、
   二次元画像を表示させるための二次元モードと、三次元画像を表示させるための三次元モードとを切り替える制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記二次元モードと前記三次元モードとの切り替えに応じて、前記切換素子を前記第１状態または前記第２状態に制御することを特徴とする投写型映像表示装置。
3. 前記光学ユニットにより反射された光を、画像信号に応じて変調する光変調素子と、
   前記光変調素子により変調された光を、投影面に向けて投写する投写レンズと、
   前記光変調素子と前記投写レンズの間に設置され、前記光変調素子により変調された光の偏光方向を時分割に切り換えるための時分割偏光切換素子と、をさらに備え、
   前記制御部は、前記三次元モードにて前記時分割偏光切換素子に前記偏光方向を時分割に切り換えさせることを特徴とする請求項２に記載の投写型映像表示装置。
4. 前記切換素子は、前記二次元モードと前記三次元モードとを切り換えるためのモード切換素子として機能し、
   前記光学ユニットは、
   前記第１偏光分離素子により反射された偏光成分の偏光方向を時分割に切り換えるための時分割偏光切換素子をさらに含み、
   前記第２偏光分離素子、前記モード切換素子、前記第１偏光分離素子および前記時分割偏光切換素子の順に配置され、
   前記制御部は、前記三次元モードにて前記時分割偏光切換素子に前記偏光方向を時分割に切り換えさせることを特徴とする請求項２に記載の投写型映像表示装置。
5. ワイヤーグリッド型の光学素子であって、
   金属ワイヤー間に、１／２波長板が挿入されたことを特徴とする光学素子。
6. 請求項５に記載の光学素子と、
   前記光学素子の後段に設けられた１／４波長板と、
   前記１／４波長板の後段に設けられた反射板と、
   を備えることを特徴とする光学ユニット。

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