JP3203049B2

JP3203049B2 - 光源装置および投影型液晶画像表示装置

Info

Publication number: JP3203049B2
Application number: JP13085092A
Authority: JP
Inventors: 靖高橋
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 1992-05-22
Filing date: 1992-05-22
Publication date: 2001-08-27
Anticipated expiration: 2016-08-27
Also published as: JPH05323237A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、光源装置および投影
型液晶画像表示装置に関する。この発明の光源装置は、
投影型液晶画像表示装置の光源として、また偏光顕微鏡
等、直線偏光した光を利用する光学装置の光源として利
用できる。

【０００２】

【従来の技術】投影型液晶画像表示装置、即ち所謂液晶
プロジェクターや偏光顕微鏡等、直線偏光した照明光を
必要とする光学装置は多い。直線偏光した光束を得る方
法としては偏光板を用いるのが最も容易であるが、偏光
板を用いると光量の損失が大きいという問題がある。こ
のような光量損失があると、投影型液晶画像表示装置の
ように大きな照明光量を要求される装置では、光源装置
における光源に極めて発光量の大きなものが必要とな
り、光源において発生する熱量も膨大になって熱に対す
る対策も大がかりなものとなる。

【０００３】ランダムな偏光状態を直線偏光状態にする
他の例として、特開平３−２０２８４６号公報、同３−
２１７８１４号公報に開示された「偏光変換モジュー
ル」があるが、これら公報には上記偏光変換モジュール
の具体的な構造・作用が開示されておらず、どのような
原理・機構により偏光変換を行うのか明らかでない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この発明は上述した事
情に鑑みてなされたものであって、ランダムな偏光状態
の光を放射する白色光源の光を極めて効率良く、直線偏
光に変換して放射できる新規な光源装置および、この光
源装置を用いることにより明るい表示画像を実現できる
投影型液晶画像表示装置の提供を目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】この発明の光源装置は
「直線偏光した光束を放射する」光源装置であって、白
色光源と、第１および第２の偏光分離素子と、分光手段
と、結像光学系と、反射型１／２波長板とを有する（請
求項１）。

【０００６】「白色光源」は、ランダムな偏光状態の光
を放射する。白色光源としては通常の白色光ランプのほ
か、赤、緑、青に発光する３個のＬＥＤを組み合わせた
もの等を用いることができる。

【０００７】「第１の偏光分離素子」は、白色光源から
の光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する光学素子で
ある。「分光手段」は、第１の偏光分離素子により分離
されたＰ（もしくはＳ）偏光成分をスペクトル分光する
手段である。「第２の偏光分離素子」は、第１の偏光分
離手段と同様のものであって、第１の偏光分離素子と分
光手段との間に配備される。

【０００８】「結像光学系」は、第２の偏光分離素子を
通過したＰ（もしくはＳ）偏光成分を結像させる。この
結像光学系は、上記分光手段によりスペクトル分光され
た光が入射するようにしても良いし、逆に、結像光学系
により結像途上にある光束が上記分光手段に入射するよ
うにしてもよい。

【０００９】「反射型１／２波長板」は、結像光学系に
よるスペクトル結像位置（スペクトル分解された各波長
の光がスペクトルをなして結像する位置）に反射面を有
し、反射光の偏光方向を波長に拘らず、入射光の偏光方
向から９０度旋回させる位相板を反射面側に有し、反射
光を上記結像光学系側へ戻すように設けられる。

【００１０】上記「第２の偏光分離素子」は、結像光学
系と分光手段とを介して第２の偏光分離手段に戻る光束
を、第１の偏光分離手段により分離されたＳ（もしくは
Ｐ）偏光成分と同方向的に合流させるように、配備態位
を定められる。

【００１１】上記第１および／または第２の偏光分離素
子としては、偏光ビームスプリッターもしくは偏光ビー
ムプレートを用いることができる（請求項２）。また、
分光手段としては、分光プリズムまたは透過型もしくは
反射型の回折格子を用いることができる（請求項３）。
回折格子はホログラム格子でもよい。

【００１２】結像光学系としてはテレセントリックな光
学系を用いることができる（請求項４）。反射型１／２
波長板の位相板としては、「スペクトル結像のスペクト
ル方向（波長が変化する方向）に直線的に厚さが変化し
ている複屈折結晶板」を用いることもできるし（請求項
５）、「上記スペクトル方向に直線的に厚さが変化する
ように、反射面上に斜め蒸着された金属酸化膜」とする
こともできる（請求項６）。

【００１３】この発明の投影型液晶画像表示装置は「印
加される画像信号に応じて偏光面の旋回により微小な画
素シャッターの開閉を行う２次元の液晶シャッターアレ
イに白色光源からの光束を照射し、上記液晶シャッター
アレイを透過した光を投影レンズにより投影して、画像
信号に従う画像を投影面上に表示する投影型液晶画像表
示装置」であって、その光源装置として上記請求項１ま
たは２または３または４または５または６記載の光源装
置を用いるものである（請求項７）。

【００１４】なお、白色光源からの輻射の可視領域以外
の紫外光成分や赤外光成分を除去するために、必要に応
じてコールドミラーやフィルター等を用いうることは言
うまでもない。

【００１５】

【作用】白色光源からの白色光束は、第１の偏光分離素
子によりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。分離
されたＰ（もしくはＳ）偏光成分は、分光手段と結像光
学系と反射型１／２波長板の作用により、偏光面を９０
度旋回されてＳ（もしくはＰ）偏光成分に変換され、第
２の偏光分離素子に戻ると、第１の偏光分離素子により
分離されたＳ（もしくはＰ）偏光成分と同方向的に合流
される。従って、各光学素子における微小な反射分や吸
収分を除き白色光源からの光は全てＳ（もしくはＰ）偏
光成分に変換される。

【００１６】

【実施例】以下、具体的な実施例を説明する。図１にお
いて、符号１１１で示す白色光源は、白色ランプとリフ
レクターにより構成され、ランダムな偏光状態の白色光
束を放射する。この白色光束は、フィルター１１３によ
り紫外光成分と赤外光成分を除かれて、第１の偏光分離
素子である偏光ビームスプリッター１２１に入射する。
偏光ビームスプリッター１２１は入射してくる白色光束
ＷのＳ偏光成分を光束Ｓ１として反射し、Ｐ偏光成分を
透過させる。透過したＰ偏光成分の光束Ｐは、偏光ビー
ムスプリッター１２１に接合された第２の偏光分離素子
としての偏光ビームスプリッター１２２を、そのまま透
過する。

【００１７】偏光ビームスプリッター１２２を透過した
光束Ｐは、分光手段をなす分光プリズム１２３ａに入射
してスペクトル分光される。スペクトル分光した光束
は、結像光学系としての結像レンズ１２４に入射し、結
像（集光）されるが、結像光束はスペクトル分光されて
いるので、結像部は線状であり、その長手方向に白色光
のスペクトルが得られる。この線状の結像状態が「スペ
クトル結像」である。

【００１８】符号１２５は反射型１／２波長板を示す。
反射型１／２波長板１２５は、図２（Ａ）に示すよう
に、反射面部材１２５ａと位相板１２５ｂとにより構成
されている。反射面部材１２５ａは平行平板の片面に反
射膜Ｍを形成され、位相板１２５ｂは、反射膜Ｍの表
面、即ち反射面に設けられている。位相板１２５ｂは、
この例においては、複屈折結晶板であって、図のように
一端から他端に向かって直線的に厚みを増すように形成
されている。この厚みの変化する方向（図２（Ａ）の左
右方向）は、スペクトル結像部におけるスペクトル方
向、即ち波長が変化する方向に対応し、位相板１２５ｂ
の厚さは上記スペクトル方向において波長が増大する向
きに厚みも増加するようになっている。

【００１９】さらに、位相板１２５ｂの各部の厚みは、
入射波長に対して１／４波長だけの位相差を生ぜしめる
ように定められている。図２（Ｂ）は、位相板１２５ｂ
が、透過光に対して与えるリターダンス量を波長に対し
てプロットしたものである。

【００２０】反射型１／２波長板１２５は、図１に示す
ように、反射面部材１２５ａの反射面を、スペクトル結
像部に一致させ、スペクトル方向が上記のように、位相
板の厚みの変化する方向に合致するように設けられてい
る。

【００２１】このため、反射型１／２波長板１２５によ
り反射された光は、位相板１２５ｂを往復透過すること
により、波長に拘らず一律に１／２波長の位相差を与え
られる。従って反射光束は、その偏光面が入射光束の偏
光面から９０度旋回する。

【００２２】反射光は、結像レンズ１２４と分光プリズ
ム１２３ａとを逆向きに透過することにより再び白色光
にもどり、偏光ビームスプリッター１２２に入射する
が、このとき偏光状態はＳ偏光となっているので偏光ビ
ームスプリッター１２２により反射されて光束Ｓ２とし
て射出し、光束Ｓ１と同方向的に合流する。

【００２３】この実施例では白色光源からの光をＳ偏光
に変換したが、図１において「白色光源からの白色光を
偏光ビームスプリッター１２１の右側の面から入射さ
せ、Ｐ偏光成分をそのまま透過させ、反射されたＳ偏光
成分を偏光ビームスプリッター１２２で反射させて同ス
プリッター１２２の右側の面から取りだし、この光を図
１の実施例と同様に、分光手段１２３ａ、結像光学系１
２４、反射型１／２波長板によりＰ偏光に変換し、偏光
ビームスプリッター１２２を透過させる」ようにすれ
ば、Ｐ偏光状態の照明光束を得ることができる。

【００２４】図３，４に変形実施例を２例示す。これら
の図は特徴部分のみ示すものであって、白色光源（図示
されず）から第２の偏光分離素子としての偏光ビームス
プリッター１２２に到る光学配置は図１の実施例のもの
と同一である。図３の実施例は、分光手段として透過型
の回折格子１２３ｂを用いた例である。図４の実施例
は、分光手段として反射型の回折格子１２３ｃを用いた
例である。

【００２５】上記実施例では、位相板として複屈折結晶
板を用いたが、前述したように「一方向に直線的に厚さ
が変化するように、反射面上に斜め蒸着された金属酸化
膜」を用いてもよい。

【００２６】反射型１／２波長板の反射面は、分光手段
による色分散が小さいときには平面でよい。分光手段に
よる色分散が大きい場合には、結像光学系による分光手
段の虚像位置を中心にする球面に合致するように、上記
反射面の形状を球面に設定する。このようにすると、反
射型１／２波長板による反射光を正確に結像光学系側へ
帰すことができる。あるいは結像光学系としてテレセン
トリックな光学系を用いれば、分光手段の色分散が大き
い場合にも、反射型１／２波長板の反射面を平面とし
て、なおかつ反射光を正確に結像光学系側へ戻すことが
できる。

【００２７】図５は、投影型液晶画像表示装置の１実施
例を要部のみ略示している。図において符号１は光源装
置、符号２は投影画像形成装置、符号３は投影レンズ装
置を示している。光源装置１は、白色光源１１１とフィ
ルター１１３との間にコールドミラー１１２が設けられ
ている点を除き、図１の実施例と同一であり、図１に即
して説明したように、Ｓ偏光状態の光束Ｓを放射する。

【００２８】投影画像形成装置２は、ダイクロイックミ
ラー２１１，２１２，２１３，２１４、全反射ミラー２
４１，２４２、液晶シャッターアレイ２２１，２２２，
２２３、コンデンサーレンズ２３１，２３２，２３３
を、図示のように組み合わせて構成されている。

【００２９】液晶シャッターアレイ２２１，２２２，２
２３は、同一構造のもので「印加される画像信号に応じ
て偏光面の旋回により微小な画素シャッターの開閉を行
う２次元の液晶シャッターアレイ」で、公知のものであ
り、光源装置１から放射される光束Ｓの直線偏光方向
は、これら液晶シャッターアレイの入射側の偏光子の偏
光方向と対応するように設定されている。

【００３０】液晶シャッターアレイ２２１には赤成分画
像に対応する画像信号ＲＳが印加され、液晶シャッター
アレイ２２２，２２３には、それぞれ緑成分画像、青成
分画像に対応する画像信号ＲＧ，ＲＢが印加される。ダ
イクロイックミラー２１１は赤色光を選択的に反射し、
他の色の光を透過させる。ダイクロイックミラー２１
２，２１３は緑色光を選択的に反射し、他の色の光を透
過させる。ダイクロイックミラー２１４は青色光を選択
的に反射し、他の色の光を透過させる。

【００３１】従って、液晶シャッターアレイ２２１，２
２２，２２３にそれぞれ画像信号ＲＳ，ＲＧ，ＲＢを印
加しつつ光源１を動作させれば、液晶シャッターアレイ
２２１，２２２，２２３には、それぞれ赤色画像、緑色
画像、青色画像が得られる。各液晶シャッターアレイ
は、投影レンズ装置３の投影レンズに対しては互いに等
価な光学位置にあり、各液晶シャッターアレイの画像を
投影レンズ装置３によりスクリーン４上に合成的に拡大
投影してカラー画像を表示することができる。

【００３２】モノクロ画像の投影表示を行うのであれ
ば、液晶シャッターアレイは一つでよく、光源装置から
の光を、この液晶シャッターアレイに照射しつつ、画像
信号に従うモノクロ画像を液晶シャッターアレイに得、
この画像を投影レンズ装置でスクリーン上に投影表示す
れば良い。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば新規な
光源装置および投影型液晶画像表示装置を提供できる。
この発明の光源装置は、上記の如き構成となっているか
ら、白色光源からのランダムな偏光状態の光を、極めて
効率良く直線偏光状態の光に変換して放射できる。従っ
て、この光源装置を光源として用いる投影型液晶画像表
示装置は、極めて光利用効率が高く、大発光量の光源を
用いること無く、明るい画像表示を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光源装置の１実施例を説明するための図であ
る。

【図２】図１の実施例における反射型１／２波長板を説
明するための図である。

【図３】光源装置の別実施例の要部のみを略示する図で
ある。

【図４】光源装置の他の実施例の要部のみを略示する図
である。

【図５】投影型液晶画像表示装置の１実施例を使用部の
み略示する図である。

【符号の説明】

１１１白色光源１１３フィルター
１２１偏光ビームスプリッター１２２
偏光ビームスプリッター１２３ａ分光プリズ
ム１２４結像レンズ１２５反射型
１／２波長板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/28 G03B 33/12 G02F 1/13 505

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直線偏光した光束を放射する光源装置であ
って、ランダムな偏光状態の光を放射する白色光源と、この白色光源からの光をＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分
離する第１の偏光分離素子と、第１の偏光分離素子により分離されたＰ（もしくはＳ）
偏光成分をスペクトル分光する分光手段と、第１の偏光分離手段と分光手段との間に配備される第２
の偏光分離手段と、第２の偏光分離手段を通過したＰ（もしくはＳ）偏光成
分を結像させる結像光学系と、この結像光学系によるスペクトル結像位置に反射面を有
し、反射光の偏光方向を、波長に拘らず、入射光の偏光
方向から９０度旋回させる位相板を上記反射面側に有す
る、反射型１／２波長板とを有し、この反射型１／２波長板は反射光を上記結像光学系側へ
戻すように設けられ、上記結像光学系と分光手段とを介
して第２の偏光分離手段に戻る光束を、上記第１の偏光
分離手段により分離されたＳ（もしくはＰ）偏光成分と
同方向的に合流させるように、上記第２の偏光分離手段
の配備態位を定めたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】請求項１記載の光源装置において、第１および／または第２の偏光分離手段が、偏光ビーム
スプリッターもしくは偏光ビームプレートであることを
特徴とする光源装置。
【請求項３】請求項１または２記載の光源装置におい
て、分光手段が、分光プリズムまたは透過型もしくは反射型
の回折格子であることを特徴とする光源装置。
【請求項４】請求項１または２または３記載の光源装置
において、結像光学系がテレセントリックな光学系であることを特
徴とする光源装置。
【請求項５】請求項１または２または３または４記載の
光源装置において、反射型１／２波長板の位相板が、スペクトル結像のスペ
クトル方向に直線的に厚さが変化している複屈折結晶板
であることを特徴とする光源装置。
【請求項６】請求項１または２または３または４記載の
光源装置において、反射型１／２波長板の位相板が、スペクトル結像のスペ
クトル方向に直線的に厚さが変化するように、反射面上
に斜め蒸着された金属酸化膜であることを特徴とする光
源装置。
【請求項７】印加される画像信号に応じて偏光面の旋回
により微小な画素シャッターの開閉を行う２次元の液晶
シャッターアレイに白色光源からの光束を照射し、上記
液晶シャッターアレイを透過した光を投影レンズにより
投影して、上記画像信号に従う画像を投影面上に表示す
る投影型液晶画像表示装置であって、その光源装置が、請求項１または２または３または４ま
たは５または６記載の光源装置であることを特徴とする
投影型液晶画像表示装置。