JP2014092663A5 - 光学系、偏光分離合波素子および表示装置 - Google Patents

Description

本開示の一実施形態としての光学系は、光を発するように形成された光源と、その光を互いに異なる光路長を有する２つの偏光ビームに分離する第１のプリズムと、２つの偏光ビームを合成する第２のプリズムとを有する偏光分離合波素子とを備える。第１のプリズムは、一の透明板から切り出され、かつ、第１の反射面およびその第１の反射面と対向する第１の偏光分離面を含み、第２のプリズムは、一の透明板もしくは他の一の透明板から切り出され、かつ、第２の反射面および第２の反射面と対向する第２の偏光分離面を含む。

本開示の一実施形態としての偏光分離合波素子は、光を互いに異なる光路長を有する２つの偏光ビームに分離する第１のプリズムと、２つの偏光ビームを合成する第２の偏光分離面を含む第２のプリズムとを備える。第１のプリズムは、一の透明板から切り出され、かつ、第１の反射面およびその第１の反射面と対向する第１の偏光分離面を含み、第２のプリズムは、一の透明板もしくは他の一の透明板から切り出され、かつ、第２の反射面およびその第２の反射面と対向する第２の偏光分離面を含む。
また、本開示の一実施形態としての表示装置は、光を発するように形成された光源と、その光を互いに異なる光路長を有する２つの偏光ビームに分離する第１のプリズムと、２つの偏光ビームを合成する第２のプリズムとを有する偏光分離合波素子とを備える。第１のプリズムは、一の透明板から切り出され、かつ、第１の反射面およびその第１の反射面と対向する第１の偏光分離面を含み、第２のプリズムは、一の透明板もしくは他の一の透明板から切り出され、かつ、第２の反射面およびその第２の反射面と対向する第２の偏光分離面を含む。

本開示の一実施形態としての偏光分離合波素子、ならびにそれを備えた光学系および表示装置では、第１のプリズムが第１の偏光分離面および第１の反射面を有すると共に一の透明板から切り出されたものであって、第２のプリズムが第２の偏光分離面および第２の反射面を有すると共に上記の一の透明板もしくは他の一の透明板から切り出されたものである。このため、第１の偏光分離面および第１の反射面をそれぞれ別体に形成した場合と比較して、両者の位置精度が高まる。第２の偏光分離面および第２の反射面の関係についても同様である。また、そのような第１のプリズムと第２のプリズムとの組合せにより、Ｐ偏光とＳ偏光との光学遅延を精度よく生じさせることができる。

本開示の偏光分離合波素子、光学系および表示装置によれば、簡素な構成でありながら、第１および第２の反射面と第１および第２の偏光分離面の相互の傾き角の精度を向上させ、Ｐ偏光とＳ偏光との所望の光学遅延を得ることができる。よって、大型化を伴うことなくスペックルを低減でき、より良好な画像表示性能を発揮するのに適する。

コリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂは、赤色レーザ１１Ｒから出射された赤色レーザ光、緑色レーザ１１Ｇから出射された緑色レーザ光、青色レーザ１１Ｂから出射された青色レーザ光をそれぞれ、コリメートしてほぼ平行な光とするためのレンズである。ここでいうほぼ平行な光とは、コリメート直後よりわずかに発散する光である。すなわち、僅かにデフォーカスされたもの、コリメート直後は平行光であってコヒーレンス光の回折により徐々にビームが発散するもの、あるいは、コリメート直後はわずかに集光されておりコリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂを透過して数十ｃｍから数ｍの位置で集光したのちに発散していくものをいう。本技術は、ほぼ平行な光を用いた際により優れた効果を発揮する。なお、以下の説明では、この「ほぼ平行な光」を単に平行光と記載する。

［偏光分離合波素子の構成］
偏光分離合波素子１Ａは、一対の光学素子２０，３０を有している。光学素子２０における平行プリズム２２の、三角プリズム２１の斜面と対向する面２２Ｓ１には無偏光分離膜５が形成されている。よって、光学素子２０は互いに対向する無偏光分離面（面２２Ｓ１）および反射面（面２２Ｓ２）を有する。面２２Ｓ１と面２２Ｓ２とは互いに実質的に平行であることが望ましい。また、平行プリズム２２は、平坦かつ互いに実質的に平行な表面および裏面を有する一のガラス平板から切り出されたものであるとよい。より間便に、高精度の平行度を有する面２２Ｓ１および面２２Ｓ２を含む平行プリズム２２が得られるからである。光学素子３０は、偏光分離合波素子１と同様のものである。

［偏光分離合波素子の作用］
次に、偏光分離合波素子１Ａの作用について、主に図６Ａを参照して説明する。色合波部１３において色合波（光路合波）がなされた各色レーザ光は、例えばＰ偏光およびＳ偏光のうちの少なくとも一方を有する。ここでは、Ｐ偏光を有するレーザ光を入射させる場合を例示して説明する。Ｐ偏光のレーザ光は、例えば端面２２Ｓ４から平行プリズム２２へ入射する。平行プリズム２２へ入射したＰ偏光のレーザ光は、無偏光分離膜５が設けられた面２２Ｓ１において一部が反射し面２２Ｓ２へ向かう。面２２Ｓ２に到達したＰ偏光のレーザ光は反射し、端面２２Ｓ３、半波長膜６および端面３２Ｓ３を順次透過し、平行プリズム３２へ進入する。その際、半波長膜６によってＰ偏光のレーザ光はＳ偏光のレーザ光へ変換される。変換されたＳ偏光のレーザ光は面３２Ｓ２と、面３２Ｓ１とにおいて順次反射し、面３２Ｓ４から外部へ出射される。一方、無偏光分離膜５が設けられた面２２Ｓ１を透過したＰ偏光のレーザ光は面２１Ｓ２，面３１Ｓ２，面３２Ｓ１を順次透過して直進し、上記Ｓ偏光のレーザ光と合波されて面３２Ｓ４から外部へ出射される。これにより、同時に偏光分離合波素子１Ａへ入射したＰ偏光のレーザ光の一部が、残りのＰ偏光のレーザ光よりも長い光路長を経たＳ偏光のレーザ光として偏光分離合波素子１Ａから出射されることとなる。すなわち、Ｓ偏光のレーザ光とＰ偏光のレーザ光との間に光学遅延距離（光路長差）Ｄを生じさせることができる。このとき、面３２Ｓ１上における、Ｓ偏光のレーザ光の反射する位置およびＰ偏光のレーザ光の透過する位置、すなわちＳ偏光のレーザ光の出射位置とＰ偏光のレーザ光の出射位置とが互いに実質的に一致することが望ましい。スペックルを十分に低減するためである。

具体的には、Ｐ偏光のレーザ光は面２１Ｓ１から三角プリズム２１へ入射する。三角プリズム２１へ入射したＰ偏光のレーザ光の一部は、無偏光分離膜５が設けられた面２２Ｓ１において反射したのち、端面２１Ｓ２および端面３１Ｓ２を順次透過し、三角プリズム３１へ進入する。そののち、面３２Ｓ１をも透過して直進し、平行プリズム２２の端面３２Ｓ４から外部へ出射される。一方、三角プリズム２１へ入射したＰ偏光のレーザ光のうち、面２２Ｓ１において反射しなかった残りの部分は、面２２Ｓ１を透過したのち、面２２Ｓ２に到達する。面２２Ｓ２に到達したＰ偏光は反射し、端面２２Ｓ３、半波長膜６および端面３２Ｓ３を順次透過し、平行プリズム３２へ進入する。その際、半波長膜６によってＰ偏光のレーザ光はＳ偏光のレーザ光へ変換される。変換されたＳ偏光のレーザ光は面３２Ｓ２と、面３２Ｓ１とにおいて順次反射し、上記Ｐ偏光のレーザ光と合波されて面３２Ｓ４から外部へ出射される。これにより、同時に偏光分離合波素子１Ａへ入射したＰ偏光のレーザ光の一部が、残りのＰ偏光のレーザ光よりも長い光路を経たＳ偏光のレーザ光として偏光分離合波素子１Ａから出射されることとなる。

本変形例では、偏光分離合波素子１Ｂの面２１Ｓ１に入射される各レーザ光の偏光は例えばＳ偏光である。この場合、面２２Ｓ１上の無偏光分離膜５を反射したＳ偏光のレーザ光は、面３１Ｓ２を透過したのち半波長膜６によってＰ偏光のレーザ光に変換される。一方、面２２Ｓ１上の無偏光分離膜５を透過したレーザ光は、Ｓ偏光のまま面２２Ｓ２で反射したのち面２２Ｓ３および面３２Ｓ３を順次透過したのち面３２Ｓ２で反射される。以降は図７Ａの偏光分離合波素子１Ａと同様の経路を辿る。

［変形例２−６，２−７］
図９Ａは、偏光分離合波素子１Ａにおいて、三角プリズム２１の端面２１Ｓ１からＳ偏光のレーザ光を入射し、三角プリズム３１の面３１Ｓ１からＳ偏光のレーザ光およびＰ偏光のレーザ光を合波したレーザ光を出射する例を示している（変形例２−６）。また、図９Ｂは、偏光分離合波素子１Ｂにおいて、三角プリズム２１の端面２１Ｓ１からＰ偏光のレーザ光を入射し、三角プリズム３１の面３１Ｓ１からＳ偏光のレーザ光およびＰ偏光のレーザ光を合波したレーザ光を出射する例を示している（変形例２−７）。

［変形例２−８，２−９］
偏光分離合波素子１Ａに対しては、１方向に限らず２方向からレーザ光を入射してもよい。例えば図１０Ａは、光学素子２０における平行プリズム２２の端面２２Ｓ４および三角プリズム２１の端面２１Ｓ１の双方からＰ偏光のレーザ光を入射し、光学素子３０における平行プリズム３２の面３２Ｓ４からＳ偏光のレーザ光およびＰ偏光のレーザ光を合波したレーザ光を出射する例を示している（変形例２−８）。偏光分離合波素子１Ｂについても２方向からレーザ光を入射してもよい。例えば図１０Ｂは、光学素子２０における平行プリズム２２の端面２２Ｓ４および三角プリズム２１の端面２１Ｓ１の双方からＳ偏光のレーザ光を入射し、光学素子３０における平行プリズム３２の面３２Ｓ４からＳ偏光のレーザ光およびＰ偏光のレーザ光を合波したレーザ光を出射する例を示している（変形例２−９）。

［光学系］
図１２は、図６Ａに示した偏光分離合波素子１Ａを用いた光学系の一構成例を表す概略図である。この光学系は、例えば光源部１０Ｂと偏光分離合波素子１Ａとを有する。光源部１０Ｂは、レーザ光源１１、コリメート部１２、色合波部１３を有する。レーザ光源１１は、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇ、青色レーザ１１Ｂを有し、コリメート部１２は、赤色レーザ１１Ｒ、緑色レーザ１１Ｇ、青色レーザ１１Ｂにそれぞれ対応したコリメータレンズ１２Ｒ，１２Ｇ，１２Ｂを有する。色合波部１３は、ダイクロイック膜１３１を有する単一のダイクロイックプリズムからなる。ダイクロイック膜１３１は、青色レーザ１１Ｂから出射されてコリメータレンズ１２Ｂを通過して平行光となった青色レーザ光を反射させる一方、赤色レーザ１１Ｒから出射されてコリメータレンズ１２Ｒを通過して平行光となった赤色レーザ光を選択的に透過させる。ダイクロイック膜１３１を反射した青色レーザ光およびダイクロイック膜１３１を透過した赤色レーザ光は、例えば面２１Ｓ１から偏光分離合波素子１Ａの内部へ入射される。なお、色合波部１３は、例えば偏光分離合波素子１Ａの面２１Ｓ１と接合されていてもよい。また、コリメータレンズ１２Ｇは、例えば端面２２Ｓ４と対向して配置されている。このため、緑色レーザ１１Ｇから出射されてコリメータレンズ１２Ｇにより平行光とされた緑色レーザ光は、端面２２Ｓ４から偏光分離合波素子１Ａの内部へ入射される。このような構成により、全体のコンパクト化を実現しつつ、例えばＳ偏光の赤色レーザ光および青色レーザ光を面２１Ｓ１から偏光分離合波素子１Ａへ入射し、緑色レーザ光を端面２２Ｓ４から偏光分離合波素子１Ａへ入射することができる。その場合、図１１Ａに示した経路を辿り、光学素子３０における三角プリズム３１の面３１Ｓ１から、分離されたＳ偏光のレーザ光およびＰ偏光のレーザ光を合波したレーザ光を出射することとなる。

［変形例２−１２］
図１３は、図６Ａに示した偏光分離合波素子１Ａを用いた光学系の他の一構成例を表す概略図である（変形例２−１２）。本変形例の光学系は、上記実施の形態の光学系（図１２）における光源部１０Ｂを光源部１０Ｃに置換したものである。

色合波部１３Ｃは、反射ミラー１９Ｒ１，１９Ｒ２、ダイクロイックプリズム１９Ｂ，１９Ｇ１，１９Ｇ２を有する。具体的には、例えば偏光分離合波素子１Ａの面２１Ｓ１と対向する位置に、ダイクロイックプリズム１９Ｂが設けられている。ダイクロイックプリズム１９Ｂを挟んで偏光分離合波素子１Ａと反対側には、ダイクロイックプリズム１９Ｇ１と反射ミラー１９Ｒ１とが順に設けられている。ダイクロイックプリズム１９Ｂ，１９Ｇ１および反射ミラー１９Ｒ１は、それぞれ、コリメータレンズ１２Ｂ，１２Ｇ１，１２Ｒ１に対応して配置されている。偏光分離合波素子１Ａの面２２Ｓ４とコリメータレンズ１２Ｇ２との間にはダイクロイックプリズム１９Ｇ２が設けられている。さらに、ダイクロイックプリズム１９Ｇ２とコリメータレンズ１２Ｒ２との間には反射ミラー１９Ｒ２が設けられている。

（実験例３−２）
また、図１８における「■」は、図１７Ａの光学系を用いた場合のスペックルコントラストを、図１７Ａの光学系から偏光分離合波素子１を除いた光学系を用いた場合のスペックルコントラストで割ることで得られる相対スペックルコントラストを示す。図１７Ａの光学系を用いた場合とは、２つのレーザ光源からの２つのレーザ光を偏光ビームスプリッタで合波し、偏光分離合波素子１を透過させた場合である。図１７Ａの光学系から偏光分離合波素子１を除いた光学系を用いた場合とは、２つのレーザ光源からの２つのレーザ光を偏光ビームスプリッタで合波したが、偏光分離合波素子１を透過させなかった場合を意味する。偏光分離合波素子１を用いることにより、約８０％程度の相対スペックルコントラストが得られることがわかった。

Claims (17)

1. 光を発するように形成された光源と、
   前記光を互いに異なる光路長を有する２つの偏光ビームに分離する第１のプリズムと、前記２つの偏光ビームを合成する第２のプリズムとを有する偏光分離合波素子と
   を備え、
   前記第１のプリズムは、一の透明板から切り出され、かつ、第１の反射面および前記第１の反射面と対向する第１の偏光分離面を含み、
   前記第２のプリズムは、前記一の透明板もしくは他の一の透明板から切り出され、かつ、第２の反射面および前記第２の反射面と対向する第２の偏光分離面を含む
   光学系。
2. 前記第１のプリズムおよび第２のプリズムの少なくとも一方は、いずれも平坦であり互いに実質的に平行な前面および裏面を有する
   請求項１記載の光学系。
3. 前記第１の偏光分離面および前記第２の偏光分離面は、それぞれ、金属膜および誘電膜の少なくとも一方を含む反射膜を有する
   請求項１または請求項２に記載の光学系。
4. 前記第１の反射面および前記第２の反射面は、それぞれ、誘電膜およびワイヤーグリッドの少なくとも一方を含む偏光分離膜を有する
   請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の光学系。
5. 前記偏光分離合波素子は、前記第１の偏光分離面と対向する第１の三角プリズムと前記第２の偏光分離面と対向する第２の三角プリズムとをさらに有する
   請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学系。
6. 前記２つの偏光ビームのうちの第１の偏光ビームは、前記第１のプリズムおよび前記第２のプリズムを通過する光路を有し、
   前記２つの偏光ビームのうちの第２の偏光ビームは、前記第１の三角プリズムおよび前記第２の三角プリズムを通過する光路を有する
   請求項５記載の光学系。
7. 前記光学系はプロジェクタである
   請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の光学系。
8. 前記光源はレーザ光源である
   請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の光学系。
9. 前記第１のプリズムは前記第２のプリズムと隣接している
   請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の光学系。
10. 光を互いに異なる光路長を有する２つの偏光ビームに分離する第１のプリズムと、
    前記２つの偏光ビームを合成する第２の偏光分離面を含む第２のプリズムと
    を備え、
    前記第１のプリズムは、一の透明板から切り出され、かつ、第１の反射面および前記第１の反射面と対向する第１の偏光分離面を含み、
    前記第２のプリズムは、前記一の透明板もしくは他の一の透明板から切り出され、かつ、第２の反射面および前記第２の反射面と対向する第２の偏光分離面を含む
    偏光分離合波素子。
11. 前記第１のプリズムおよび第２のプリズムの少なくとも一方は、いずれも平坦であり互いに実質的に平行な前面および裏面を有する
    請求項１０記載の偏光分離合波素子。
12. 前記第１の偏光分離面および前記第２の偏光分離面は、それぞれ反射膜を有し、
    前記反射膜は、金属膜と誘電膜とのコンビネーションもしくは誘電体多層膜を含み、または、金属膜と誘電膜とのコンビネーションおよび誘電体多層膜の双方を含む
    請求項１０または請求項１１に記載の偏光分離合波素子。
13. 前記第１の反射面および前記第２の反射面は、ぞれぞれ、誘電膜およびワイヤーグリッドの少なくとも一方を含む偏光分離膜を有する
    請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載の偏光分離合波素子。
14. 前記第１の偏光分離面と対向する第１の三角プリズムと、
    前記第２の偏光分離面と対向する第２の三角プリズムとをさらに備えた
    請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載の偏光分離合波素子。
15. 前記２つの偏光ビームのうちの第１の偏光ビームは、前記第１のプリズムおよび前記第２のプリズムを通過する光路を有し、
    前記２つの偏光ビームのうちの第２の偏光ビームは、前記第１の三角プリズムおよび前記第２の三角プリズムを通過する光路を有する
    請求項１４記載の偏光分離合波素子。
16. 前記第１のプリズムは前記第２のプリズムと隣接している
    請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載の偏光分離合波素子。
17. 光を発するように形成された光源と、
    前記光を互いに異なる光路長を有する２つの偏光ビームに分離する第１のプリズムと、前記２つの偏光ビームを合成する第２のプリズムとを有する偏光分離合波素子と
    を備え、
    前記第１のプリズムは、一の透明板から切り出され、かつ、第１の反射面および前記第１の反射面と対向する第１の偏光分離面を含み、
    前記第２のプリズムは、前記一の透明板もしくは他の一の透明板から切り出され、かつ、第２の反射面および前記第２の反射面と対向する第２の偏光分離面を含む
    表示装置。