JP2017083499A - 反射型偏光板を用いた色分解合成光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度化を可能にした反射型偏光板を用いた色分解合成光学系を提供すること。【解決手段】光源と、所定の偏光方向の光を透過させる反射型偏光板と、前記光源からの光を前記反射型偏光板に入射させる照明光学系と、前記反射型偏光板を透過した偏光光を画像信号に基づいて変調して反射させる空間光変調素子と、前記空間光変調素子により変調された反射光を投影する投影光学系と、を有し、前記空間光変調素子と前記反射型偏光板とのなす角をαとしたとき、47°<αであり、前記反射型偏光板について、格子方向の偏光に対する反射率が極小値をとり、格子方向に垂直な方向の偏光に対する透過率が極大値をとる入射角が共に45°以上であることを特徴とする。【選択図】図２

Description

本発明は、投射型表示装置に関し、特に色分解合成光学系に関する。

反射型液晶パネルを用いた液晶プロジェクタでは表示素子の前に偏光ビームスプリッタを配置する必要がある。従来反射型偏光板を偏光ビームスプリッタとして用いて偏光分離を行う際、この反射型偏光板と表示素子の成す角は通常45°に配置されていた。また表示素子に入射してくる光束の主光線は表示素子に対して垂直であった (図１４)。

反射型偏光板と表示素子の成す角が45°以外になっている例としては、プリズムタイプの偏光分離素子において偏光分離面でのP偏光透過率を高めるために偏光分離面と投射投影光学系の成す角度θ1が33°≦θ1≦43°となるように配置するというものがある(特許文献１)。

特許文献２では、コンデンサーレンズを偏心させ、光束の主光線を傾けることで省スペース化を図っている。しかしこの特許ではあくまで省スペース化のために偏心レンズを用いており、高輝度化のために主光線の表示素子への入射角を傾けることは行っていない。

特開２０１１−２４２６６９号公報 特開２００７−１０１８７５号公報

しかしながら、上述の特許文献に開示された従来技術では、反射型偏光板を偏光分離素子として用いた場合、透過率、反射率が共に低いためプリズムタイプの偏光分離素子を用いる場合と比べて光の利用効率が低くなってしまう。

そこで、本発明の目的は、高輝度化を可能にした反射型偏光板を用いた色分解合成光学系を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明に係る投影装置は、
反射型偏光板として格子方向に垂直な方向に偏光している光線の透過率が極大値をとる入射角と格子方向に平行な方向に偏光している光線の反射率が極小値をとる入射角が共に45°以上のものを用い、この反射型偏光板1と表示素子2の成す角度(α)を前述の極値を持つ入射角付近になるように配置することを特徴とする(図２)。

また通常の反射型偏光板-表示素子間が45°となる配置に対して明るさ、コントラストが最適化された反射型偏光板を用いる場合、反射型偏光板1と表示素子2の成す角度(α)を前述の極値をとる入射角より大きく配置し、入射光束の主光線の表示素子2に対する入射角を同光束が反射型偏光板1を透過する際入射角が浅くなる方向に傾けることを特徴とする(図１０)。

本発明によれば、反射型偏光板の透過率、反射率が高い入射角で光線を入射させることが可能となり、光利用効率を向上させ、省電力、高輝度な投影装置を提供することができる。

反射型表示素子を用いた液晶プロジェクタの光学系 反射型偏光板1-表示素子2間の角度をαとしたときの図(α≧47°) 反射型偏光板の拡大図 格子高さを変化させた際の反射型偏光板のTp(P偏光透過率)、Rp(P偏光反射率)、Ts(S偏光透過率)、Rs(S偏光反射率) フィリングファクタを変化させた際の反射型偏光板のTp、Rp、Ts、Rs 格子ピッチを変化させた際の反射型偏光板のTp、Rp、Ts、Rs 従来の反射型偏光板と本発明の実施例の性能比較 図７のTpとRsの積 偏心させたコンデンサーレンズ10bを用いて主光線の表示素子2への入射角をβとした図 図９の拡大図 α=40°,45°,50°としたときのTp×Rs 黒表示時の漏れ光の各偏光成分をシミュレーションしたときの構成 図１２のシミュレーション結果 従来の反射型偏光板1-表示素子2間の角度α=45°の図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。

光源（ランプの発光部）3から全方向に射出した光束は楕円面リフレクタ4によって反射し、射出される。この光束は、凹レンズ5によって平行光となり、フライアイレンズＡ6によって複数の部分光束に分割される。各々の分割光束はUVカットフィルタ7を通った後フライアイレンズＢ8近傍に集光され、各々の部分光束が各々光源像（２次光源像）を形成する。

フライアイレンズＢ8を射出した分割光束は、偏光変換素子9によって偏光方向を揃えられ、コンデンサーレンズ10aによって集光され、反射型偏光板1を透過して表示素子2を重畳的に照明する。表示素子によって変調を受けた光線は再び反射型偏光板1に入射し、今度は反射型偏光板1によって反射され投射レンズへ導かれる。

図１の反射型偏光板1、表示素子2の部分を拡大して見ると、従来は図１４のように反射型偏光板1-表示素子2間の角度が45°であった。光源3からの光線(この図の場合反射型偏光板に対してP偏光)は反射型偏光板1を透過し、表示素子で信号光がS偏光に変調され、再び反射型偏光板1に入射した際は反射されて投射レンズに導かれる。このことから明るさに寄与するのは反射型偏光板1のP偏光透過率(Tp)とS偏光反射率(Rs)の積であることがわかる。

［実施例１］
図３は反射型偏光板の拡大図である。

基板20の上に細長い(紙面垂直方向)金属格子30が一定間隔で並んでいる。反射型偏光板の構造パラメータとして金属格子の高さt、格子幅をa、格子間隔をbとしたとき基板表面を格子が占める割合(フィリングファクタ)w(w=a/(a+b))、格子のピッチpを考える。

RCWA解析によってそれぞれのパラメータを変化させてシミュレーションを行った。金属格子の材質はアルミニウム(複素屈折率0.958+6.99i)、基板はホウケイ酸ガラスとした。反射型偏光板は波長依存性が少ないので以降550nmの光に対して議論する。

図４は反射型偏光板の格子高さを100nm〜180nmまで変化させたときのTp、Rp、Ts、Rsのグラフである。横軸は反射型偏光板への光線の入射角である。

Ts、Rsは入射角を大きくしていくにつれ単調減少(増加)であるのに対してTp、Rpはある入射角で極値を持つ。また格子高さが低い程Tp、Tsの値が高いことがわかる。Tpが極大値、Rpが極小値をとる入射角はほぼ一致しているが、格子高さを低くするほどこの極値を持つ入射角が大きくなっていくのがわかる。

図５は反射型偏光板のフィリングファクタを0.35〜0.55まで変化させたときのTp、Rp、Ts、Rsの値である。横軸は反射型偏光板への光線の入射角である。

格子高さを変化させたときと同じくTs、Rsは入射角を大きくしていくにつれ単調減少(増加)、Tp、Rpはある入射角度で極値を持っている。またフィリングファクタが大きい程Tp、Tsの値は低い。Tpが極大値、Rpが極小値をとる入射角はほぼ一致しているがフィリングファクタを大きくするほどこの極値を持つ入射角が大きくなっていくのがわかる。

図６は反射型偏光板のピッチを136nm〜152nmまで変化させたときのTp、Rp、Ts、Rsの値である。横軸は反射型偏光板への光線の入射角である。

ピッチを変化させた場合グラフの概形はほとんど変わらないが、ピッチが細かい程明るさに寄与するTp、Rsが高く、黒表示時の漏れ光の原因となってしまうTs、Rpが低い。よってピッチは細かい程性能がよいことがわかる。しかし無限に細かい格子は製造不可能なので、この先の議論ではピッチ144nmとして考えて行くことにする。

上述のようにRsは反射型偏光板の構造に関係なく入射角が大きくなるにつれて単調に増加する。図１の反射型偏光板1、表示素子2の部分を反射型偏光板の反射率(Rs)を高くするために反射時に入射角が大きくなるように配置すると図２のようになる。ここで反射型偏光板1-表示素子2間の角度をαと置いた。図２はα≧47°となるように描いてある。図２より入射光束の主光線(表示素子2に垂直に入射する光線)の反射型偏光板1への入射角は透過時、反射時共にαに等しいことがわかる。つまり反射時に入射角を大きくするためにαを大きく(47°以上)とした場合、透過時の入射角も大きくなる。

このことからTpが極大値をとる入射角が大きい構造を持つ反射型偏光板をα≧47°で配置すればTp、Rs両方の値が大きくなると期待できる。Tpが極大値をとる入射角を大きくするためには上記のRCWA解析結果より格子高さを低くすることとフィリングファクタを大きくすることの２つが考えられる。しかしフィリングファクタを大きくしてしまうとTpの値自体が低くなってしまい明るさアップがあまり期待できない。よって基本的には格子高さを低くすることでTpが極大値をとる入射角を大きくする。格子高さを低くする場合Tp自体の値も高くなる。

では実際に従来の反射型偏光板をα=45°で配置した場合と比べて反射型偏光板の各パラメータ、反射型偏光板とパネルの成す角度αを変化させると明るさがどのように変化するかを見て行く。

従来技術
一般的なα=45°配置に最適化された反射型偏光板。(格子高さ140nm、フィリングファクタ0.45、ピッチ144nm、波長550nm)
実施例1-1
格子高さを低くしてTpが極大値をとる入射角を大きくし、さらにTp自体の値を高くした。(格子高さ70nm、フィリングファクタ0.4、ピッチ144nm、波長550nm)
実施例1-2
格子高さが低すぎるとTsが増加してしまいコントラストが低下してしまう。よって格子高さを実施例1-1より高く設定した。(格子高さ110nm、フィリングファクタ0.45、ピッチ144nm、波長550nm)
それぞれの反射型偏光板の特性を示したものが図７である。横軸は反射型偏光板への入射角である。従来技術に比べ今回の実施例のほうが、Tpが極大値をとる入射角が大きくなっているのがわかる。図８はαを50°、53°、55°として主光線(表示素子へ垂直に入射する光線)±10°の光線についてTp×Rsの値を計算したグラフである。横軸は表示素子への入射角である。従来技術に比べて今回の実施例のほうが高い値を示しているのがわかる。表示素子への入射角0°は反射型偏光板への入射角αに対応している(図２)。

以下の表はTpが極大値をとる入射角と主光線(表示素子に垂直に入射してくる光線)から±5°の光線のTp×Rs、Tp×Rp、Ts×Rp、Ts×Rsそれぞれの値の平均値を示したものである。

実施例1-1ではα=55°、実施例1-2ではα=53°でTp×Rsの値が最も大きい。これは実施例1-1のほうがTpが極大となる入射角が大きいためである。実施例1-1(α=55°)の場合、従来技術と比べて約3.4%明るくなっている。しかしTs×Rsの値が急激に増加している。これは格子高さを低くしたためにTsの透過率が増加してしまったためである。(図８c)
実施例２(α=53°)の場合、従来技術と比べて約1.64％明るくなっている。一方Ts×Rsの増加は４倍程度に抑えられている。黒表示時の漏れ光すべてにTs×Rsが影響してくるわけではないので、全体の漏れ光の量は2倍にもならないと考えられる。よってコントラストの面を考えると格子高さは100nm以上が望ましいと言える。

［実施例２］
反射型偏光板の構造を変化させなくても主光線の表示素子への入射角度を垂直から傾ければTp×Rsの値を大きくすることが可能である。

図９は主光線を傾けるために図１のコンデンサーレンズ10aを偏心させたコンデンサーレンズ10bに置き換えた図である。図１０は図９の拡大図で、主光線を傾けた角度をβと置いている。反射型偏光板に入射する際の入射角が小さくなる方向をマイナスとしている。

従来のα=45°配置に明るさ、コントラストが最適化された反射型偏光板のTp×Rsのグラフを表示素子に垂直入射する光線から±10°の光線についてα毎に描いたものが図１１である。横軸は光線の表示素子への入射角である。正負の向きはβと対応している。Tpが極大値をとる入射角よりもαが大きい場合Tp×Rsのグラフは図１１のように右下がりのグラフとなる。またαが大きい程傾きが急になっている。表示素子へ主光線が垂直に入射している場合Tp×Rsの値は横軸の0°を中心に一定の入射角度範囲を持った光線に対応した値となるが、この主光線の入射角をマイナス側に傾けることで、横軸マイナス側のTp×Rsが高い光線の割合を増やすことができる。

以下の表はα=40°、45°、50°に対してβを0°〜-5°まで傾けたときのTp×Rs(主光線±5°の平均)の値である。

βをマイナス側に傾けるほど値が大きくなっていることが分かる。またαが大きいほど変化量が大きいこともわかる。α=50°、β=5°で従来のα=45°、β=0°より約1.3%明るくすることができる。

ただし主光線を表示素子2に対して傾けるとコントラストが低下してしまう。図１２のようにα=50°として黒表示の表示素子に光線を入射させた時の反射光が持つ偏光成分毎の割合をシミュレーションによって求めた。入射光線の偏光方向の割合はP:S=0.95:0.05で出射側にS偏光を透過させる偏光板40(透過率P:S=0.92:0.0034@550nm)を配置した。その結果が図１３である。横軸はβで、pp、ps、sp、ssとは入射光の偏光方向と出射光の偏光方向を並べて書いた記号である。βを傾けていくに連れてps(入射時P偏光、出射時S偏光)が急激に増加しているのがわかる。

これは主光線を表示素子2に対して傾けたため、表示素子に入射してくる光束全体の入射角が大きくなり、表示素子が黒状態にもかかわらずP偏光をS偏光に変換してしまっていると考えられる。図１３のpsのグラフを見てみるとβ=-5°付近から急激に値が増えているのがわかる。コントラストを考慮して、漏れ光が増えすぎないようにするためには-5°＜β＜0°が望ましいといえる。

1 反射型偏光板、2 表示素子、3 光源、4 楕円リフレクタ、5 凹レンズ、
6 フライアイレンズA、7 UVカットフィルタ、8 フライアイレンズB、9 PS変換素子、
10a コンデンサーレンズ、10b 偏心させたコンデンサーレンズ、20 基板、
30 金属格子、40 偏光板

Claims (8)

1. 光源と、
   所定の偏光方向の光を透過させる反射型偏光板と、
   前記光源からの光を前記反射型偏光板に入射させる照明光学系と、
   前記反射型偏光板を透過した偏光光を画像信号に基づいて変調して反射させる空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子により変調された反射光を投影する投影光学系と、を有し、
   前記空間光変調素子と前記反射型偏光板とのなす角をαとしたとき、47°<αであり、
   前記反射型偏光板について、格子方向の偏光に対する反射率が極小値をとり、格子方向に垂直な方向の偏光に対する透過率が極大値をとる入射角が共に45°以上であることを特徴とする投影装置。
2. 請求項１に記載の投影装置において、
   前記反射型偏光板は可視光内に配列された薄く細長い金属格子の平行配列であって、
   以下のような構造を持つことを特徴とする投影装置。
   格子ピッチP<250nm、格子高さをt、フィリングファクタをwとしたときt≦500w-100
3. 請求項１又は請求項２に記載の投影装置において、
   前記反射型偏光板の金属格子の高さtが以下のような構造を持つことを特徴とする投影装置。
   t>100nm
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の投影装置において、
   前記光源からの出射光が前記反射型偏光板に入射する際透過し、その後前記空間変調素子により変調された信号光が再び前記反射型偏光板に入射する際に反射するように配置されることを特徴とする投影装置。
5. 光源と、
   所定の偏光方向の光を透過させる反射型偏光板と、
   前記光源からの光を前記反射型偏光板に入射させる照明光学系と、
   前記反射型偏光板を透過した偏光光を画像信号に基づいて変調して反射させる空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子により変調された反射光を投影する投影光学系と、を有し、
   前記光源からの出射光を集光するレンズとして、前記空間光変調素子への主光線の入射角をβとしたとき以下の条件式を満たすように偏心させたレンズを用いることを特徴とする投影装置。
   -45°<β<0°
6. 請求項５に記載の投影装置において、
   前記反射型偏光板は可視光内に配列された薄く細長い金属格子の平行配列であって、
   前記空間光変調素子と前記反射型偏光板とのなす角をαとしたとき、格子方向に垂直な方向の偏光に対する透過率が極大値をとる入射角と格子方向の偏光に対する反射率が極小値をとる入射角が共にα以下である、以下のような構造を持つことを特徴とする投影装置。
   格子ピッチP<250nm、格子高さをt、フィリングファクタをwとしたときt≧500w-4α+80
7. 請求項５又は請求項６に記載の投影装置において、
   前記光源からの出射光が前記反射型偏光板に入射する際透過し、その後前記空間変調素子により変調された信号光が再び前記反射型偏光板に入射する際に反射するように配置されることを特徴とする投影装置。
8. 請求項５乃至請求項７の何れか一項に記載の投影装置において、
   前記光源からの出射光を集光するレンズとして、前記空間光変調素子への主光線の入射角をβとしたとき以下の条件式を満たすように偏心させたレンズを用いることを特徴とする投影装置。
   -5°<β<0°