JP3373388B2

JP3373388B2 - 偏光変換素子及び偏光変換素子アレイ及び該偏光変換素子または該偏光変換素子アレイを用いた投射型表示装置

Info

Publication number: JP3373388B2
Application number: JP10123097A
Authority: JP
Inventors: 芳晴堺; 和宏猪子
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1997-04-18
Filing date: 1997-04-18
Publication date: 2003-02-04
Anticipated expiration: 2017-04-18
Also published as: JPH10293209A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は不定偏光である自然
光を、単一偏光に変換する光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】光源からの自然光を単一偏光に変換する
光学素子は、例えば液晶プロジェクタなどへ利用できる
ことが知られている。偏光板を用いた従来の液晶パネル
では自然光を発する光源から出射した光は液晶パネルの
入射側に設けられている偏光板のために、実際には入射
光の５０％が該偏光板に吸収されてしまい、明るさの損
失となる。また、偏光板に吸収された光は熱になるた
め、偏光板の温度が上昇するという問題も生じる。

【０００３】これを避けるために、偏光ビームスプリッ
タやコレステリック液晶などを用いて、入射した自然光
を２つの偏光成分に分離し、偏光状態と光の進行方向を
合わせた後、再度合成する偏光変換素子が考えられてい
る。偏向ビームスプリッタを用いた従来例としては特公
平５−５８８９９号公報に示される光学系や特開平４−
３１０９０３号公報に示される素子などがあげられる。
また、コレステリック液晶を用いた従来例としては、特
開平３−４５９０６号公報に示されるような光学系が考
えられている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
偏光変換素子には、以下のような問題があった。偏光ビ
ームスプリッタを使用するとき、前述した特公平５−５
８８９９号公報に示されるような光学系を用いた場合、
２つの異なる進行方向の光束を使うことになる。一般に
液晶パネルにおいては、該液晶パネルに垂直以外の角度
の光が入射したときには得られる画像のコントラストが
低下する。したがって、上記の光学系では液晶パネルに
対して垂直以外の光束が入射するためコントラストの悪
化を招くことになる。さらに、この場合、２つの光束の
進行方向が異なるため光の広がる範囲が大きくなって投
影レンズが取込みきれず、投影レンズの取りこぼしによ
る効率低下が生じる。この場合、両方の光束を有効に使
うためには口径の大きな投影レンズを用いる必要がある
が、重量，コストなどの面から現実的ではない。また、
本来１つの光束を２つに分岐させる構成を有しているた
めに光学系は大きくならざるを得ない。したがって、現
実的にはシステムおよび機器の大型化を伴うことにな
る。

【０００５】また、特開平４−３１０９０３号公報に示
されるような偏光変換素子ではシステムの大型化などは
伴わないが、その構成が複雑であり、加工が困難であ
る。コレステリック液晶は、選択波長域において入射し
た自然光のうちある回転方向の円偏光を選択反射する特
性があるが、この特性は垂直入射時に最も顕著に現れ、
角度のついた入射時には必ずしもその特性は完全に発揮
されない。従って、コレステリック液晶を用いた従来例
でも前記の特開平３−４５９０６号公報における請求項
６に記載されたもの等のように光束がコレステリック液
晶に対して大きい角度で入射している場合はコレステリ
ック液晶の特性が十分引き出せなくなり、偏光の変換に
よる利用効率はそれほど大きくならない。また、同じく
特開平３−４５９０６号公報における請求項２〜５に記
載された光束を分離したあと一旦ランプに帰還させる光
学系では、光束はコレステリック液晶にほぼ垂直に入射
しているためコレステリック液晶の特性を有効に扱える
が、現実にはランプに大きさがあることからランプ側に
帰還する光束はランプ自身による反射などで損失が生
じ、有効に再利用することは難しい。

【０００６】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、同一の回転方向を有する円偏光を高い光利
用効率で取り出すことができる偏光変換素子及び偏光変
換素子アレイと、該偏光変換素子または偏光変換素子ア
レイを用いた投射型表示装置を提供することをその解決
すべき課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、自然
光を集光する第１のレンズ部と、該第１のレンズ部によ
り集光した光のうち一方の回転方向の円偏光を反射し、
他方の回転方向の円偏光を透過する特性を有するコレス
テリック液晶と、前記第１のレンズ部と前記コレステリ
ック液晶の間の光路中に配され、該集光した光を通過さ
せる開口部が設けられるとともに、前記コレステリック
液晶で反射した円偏光の回転方向を逆にして該コレステ
リック液晶へ向けて再反射させる反射光学素子と、該反
射光学素子による該再反射の過程を経ることなく前記コ
レステリック液晶を透過した光を入射させる第２のレン
ズ部と、該反射光学素子による前記再反射の過程を経て
前記コレステリック液晶を透過した光を入射させる第３
のレンズ部とを備え、前記第１のレンズ部に入射する自
然光を回転方向が同一の円偏光に変換して前記第２及び
第３のレンズ部から出射させる機能を有することを特徴
とし、レンズ系を備えているため、その焦点距離、口径
等を最適化することにより偏光変換後の照射面積を制御
でき、照射範囲の光度ムラも生じさせずに偏光変換を行
なうことが可能となり、また、得られた円偏光を、例え
ば、位相差板に入射させることにより簡便に直線偏光が
得られ、液晶パネル表示装置や液晶プロジェクタに好適
に使用できるようにしたものである。

【０００８】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記第１のレンズ部に入射する自然光が平行光であ
るときに、前記第２及び第３のレンズ部から出射する光
が平行光となるように各構成要素が設定されていること
を特徴とし、液晶パネル表示装置や液晶プロジェクタに
好適である平行光の単一回転円偏光が得られるようにし
たものである。

【０００９】請求項３の発明は、請求項１または２の発
明において、前記コレステリック液晶及び前記反射光学
素子のそれぞれが入射する自然光の光軸に対して斜めに
配され、前記コレステリック液晶で反射した光が前記反
射光学素子の前記開口部を再度通過しないようにして損
失光となることを抑制することを特徴とし、光の利用効
率をより高めることができるようにしたものである。

【００１０】請求項４の発明は、請求項１ないし３のい
ずれか１の偏光変換素子をアレイ状に配列してなること
を特徴とし、薄型化，軽量化，光度ムラの改善，及びコ
ストダウンを実現した偏光変換素子アレイが得られるよ
うにしたものである。

【００１１】請求項５の発明は、請求項１ないし４いず
れか１の偏光変換素子または偏光変換素子アレイと、光
源と、該偏光変換素子または該偏光変換素子アレイを出
射した円偏光を直線偏光に変換する位相差板と、直線偏
光を変調する透過型ライトバルブと、該変調した光を投
射する投射光学手段とを備えることを特徴とし、従来、
偏光板により生じていた約５０％の損失光を有効利用
し、明るい画像を投射できる投射型表示装置が得られる
ようにしたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の偏光変換素子は入射自然
光をある１つの回転方向の円偏光に変換することができ
るものである。

【００１３】請求項１及び２の発明は、光源からの自然
光を２つの偏光成分に分離する手段と、偏光状態及び光
の進行方向を合わせる手段と、再度合成する手段とを有
する偏光変換素子において、集光機能を持つ第１のレン
ズ部と、その集光された光を２つの円偏光成分に分離す
る機能を持つコレステリック液晶と、コレステリック液
晶で反射した光の偏光状態及び光の進行方向を、透過し
た光に合わせる機能を持つ反射光学素子と、第１のレン
ズ部で集光された光を元に戻す第２，第３のレンズ部を
具備するようにしたものである。

【００１４】請求項３の発明は、光源からの自然光を２
つの偏光成分に分離する手段と、偏光状態及び光の進行
方向を合わせる手段と、再度合成する手段とを有する偏
光変換素子において、集光機能を持つ第１のレンズ部
と、その集光された光を２つの円偏光成分に分離する機
能を持つコレステリック液晶と、コレステリック液晶で
反射した光の偏光状態及び光の進行方向を、透過した光
に合わせる機能を持つ反射光学素子と、第１のレンズ部
で集光された光を元に戻す機能を持つ第２のレンズ部を
具備するとともに、上記コレステリック液晶面と反射光
学素子面を光軸に対して傾けさせ、再利用光の取込みを
良くしたものである。

【００１５】請求項４の発明は、請求項１ないし３のい
ずれかに記載の偏光変換素子をアレイ状に配列すること
で部材の薄型化および強度ムラの改善をはかるものであ
る。

【００１６】請求項５の発明は、自然光である白色光源
と、その光源光の有する２つの偏光成分の内の１つの偏
光成分のみを変調し、他の偏光成分は遮断する透過型ラ
イトバルブと、その変調された光を投射する投射型表示
装置に、請求項１ないし４のいずれかに記載の偏光変換
素子または偏光変換素子アレイと、円偏光を直線偏光に
変換する位相差板を具備するようにしたものである。

【００１７】ここで、本発明において、従来の技術にあ
げた特開平３−４５９０６号公報のものとの差異につい
て述べる。構成としては、本発明では、入射側と出射側
にレンズを配し、光利用効率を高めたものとなってい
る。すなわち、特開平３−４５９０６号公報における図
１に示される構成のものでは、入射する拡散光は偏光変
換後にその照射面積がさらに大きくなって出射してい
る。つまり、変換前の光に比べ、変換後の光は照射範囲
は広がっているがその密度が小さくなっており、更にそ
の密度分布にムラが大きく生じると思われる。また、拡
散光をそのまま入射，変換，出射させているので、光束
の持つ角度分布は非常に大きなものとなってしまう。例
えば、これを液晶プロジェクタの光学系に利用する際、
液晶パネルに入射する光はほぼ平行光束でなければなら
ないので光源の拡散光をそのまま用いるのは好ましくな
い。それに対し本発明ではレンズ系をあらかじめ設けて
あるため、その焦点距離，口径を選択し、最適化するこ
とで変換後の照射面積を増大させず、したがって、密度
もほとんど変えずにムラなく、平行光束で照射すること
ができる。

【００１８】本発明の請求項３では、コレステリック液
晶及びミラー面を傾けて配置することにより、変換を行
なう光をより多くすることができる。また、本発明の請
求項４では、偏光変換機能をもつ素子単位をアレイ上に
配列することにより、素子の薄型化，軽量化，ムラ改
善，及びコストダウンを図ることができる。

【００１９】また、同じく特開平３−４５９０６号公報
の図１に示してあるものは、「光源から出射した拡散光
の一部」を取込んで、偏光変換している。一方、本発明
では「入射してくる平行光束を全て」を取込んで、偏光
変換を行なっている。本発明の請求項ではその平行光束
がいかにして作り出されたかについて言及していない
が、その平行光束が請求項４に示す光学系のように光源
からの出射光をリフレクタで集光したものであるなら
ば、特開平３−４５９０６号公報のものに比べて高い効
率で光を利用しているといえる。

【００２０】以下に、本発明の実施例について添付され
た図面を参照しながらさらに詳しく説明する。なお、実
施例を説明するための全図において同一の作用をする部
分には同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略す
る。

【００２１】（実施例１）図１は、本発明の偏光変換素
子の一実施例を説明するための側面図で、図中、１は第
１のレンズ部（入射側レンズ部）、２はミラー、３はコ
レステリック液晶、４は第２のレンズ部（第１の出射側
レンズ部）、５は第３のレンズ部（第２の出射側レンズ
部）、Ｏは開口である。図２は、図１に示す実施例の斜
視図である。図３及び図４は、図１に示す実施例におけ
る光路の一部を概念的に示す図で、図中、Ｌ₁はコレス
テリック液晶の透過方向成分、Ｌ₂はコレステリック液
晶の反射方向成分である。図５は、図１に示す実施例の
偏光変換素子の製作方法の一例を概念的に示す側面図
で、図中、Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃は偏光変換素子を作製するた
めの部品である。

【００２２】第１のレンズ部１に入射した自然光の平行
光束は、ミラー２が設けられる面に集光される。ミラー
２には第１のレンズ部１によって平行光が焦点を結ぶ部
分に開口Ｏが設けられていて、結像した光源像にケラレ
が生じないような開口Ｏの幅が選択されている。焦点を
結んだ光束はさらにコレステリック液晶３において２つ
の回転方向の円偏光に分離される（自然光は２つのすな
わち右回転と左回転の円偏光が合成でしたものとして表
されるが、コレステリック液晶は、選択された波長域の
一方の円偏光を反射し、それ以外は透過する特性があ
る。ここでは選択波長域が可視波長域全体を占める広帯
域コレステリック液晶を用いるが、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれ
の選択波長域を持つコレステリック液晶を用いたもので
もよい）。

【００２３】図３は、別々の回転方向の円偏光に分離さ
れた光束のうち、コレステリック液晶３を透過する回転
方向の円偏光光束Ｌ₁の光路を示したものである。透過
する回転方向の円偏光光束は、第２のレンズ部４によっ
て再び平行光となって出射していく。一方、図４は、別
々の回転方向の円偏光に分離された光束のうち、コレス
テリック液晶３で反射する回転方向の円偏光光束Ｌ₂の
光路を示したものである。コレステリック液晶３によっ
て反射した光束はミラー２により再び反射し、このとき
に回転方向が反対の円偏光に変換される。この回転方向
が変換された円偏光光束は、コレステリック液晶３を透
過し、第３のレンズ部５によって再び平行光となって出
射する。従って、この素子を透過した光束は全て同一の
回転方向を有する円偏光に変換されることになる。

【００２４】このような偏光変換素子の実際の作製方法
のひとつとして、図５に示すように３つの部品Ｐ₁，
Ｐ₂，Ｐ₃をそれぞれ接合する方法が考えられる。部品Ｐ
₁及びＰ₃は、平凸レンズ断面を有するシリンドリカルレ
ンズである。部品Ｐ₂は普通のガラス板だが、光束の入
射側には、開口を設けるために一定の隙間をあけてミラ
ー２が蒸着により形成されており、出射側にはコレステ
リック液晶３として広帯域コレステリックフィルムが貼
り付けられている。また各部品Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃は同じ屈
折率のガラスから作られており、接合時には同様の屈折
率を持つマッチングオイルによって接合部分の隙間をう
めるようにする。このような作製方法は、後述する実施
例２及び実施例３の偏光変換素子にも適用できるもので
ある。

【００２５】（実施例２）図６は、本発明の偏光変換素
子の他の実施例を説明するための側面図で、素子構成と
概念的な光路とを示すものである。図中、１１は第１の
レンズ部（入射側レンズ部）、１２はミラー、１３はコ
レステリック液晶、１４は第２のレンズ部（第１の出射
側レンズ部）、１５は第３のレンズ部（第２の出射側レ
ンズ部）、Ｌは入射光束である。

【００２６】本実施例の偏光変換素子が実施例１の偏光
変換素子と異なる点は、ミラー１２及びコレステリック
液晶１３が光軸に対して垂直でなく、角度をもって斜め
に配置されているという点である。入射側レンズ部１１
に入射した自然光の平行光束Ｌは、焦点を結んだ後、コ
レステリック液晶１３において２つの回転方向の円偏光
に分離される。別々の回転方向の円偏光に分離された光
束のうちコレステリック液晶１３を透過する回転方向の
円偏光光は第２の出射側レンズ部１４によって再び平行
光となって出射していく。

【００２７】一方、コレステリック液晶１３によって反
射した光束は、ミラー１２により再び反射し、このと
き、回転方向が反対の円偏光に変換される。この回転方
向が変換された円偏光光束は、コレステリック液晶１３
を透過し、第３のレンズ部１５によって再び平行光とな
って出射する。従って、この素子を透過した光束は全
て、同一の回転方向の円偏光に変換されることになる。
このときコレステリック液晶１３には入射した全光束を
ミラー１２に向かって反射させ、さらにミラー１２には
その光束が第３のレンズ部１５によって平行光となるよ
うな角度に設定されているので、コレステリック液晶１
３に入射する角度はやや大きくなるが、実施例１で捨て
られていた光をも利用することが出来る。入射角度が大
きくなるという点については、第１のレンズ部１１の焦
点距離を長くすることで改善することも出来る。

【００２８】（実施例３）図７は、本発明の偏光変換素
子アレイの一実施例を説明するための側面図である。本
実施例の偏光変換素子は、実施例１の偏光変換素子をア
レイ状に配列したものである。これによって素子の薄型
化によるコストダウンや出射光の強度ムラの改善が図れ
る。ここではもちろん実施例２の偏光変換素子をアレイ
状に配列した構成としてもよい。

【００２９】（実施例４）図８は、本発明の投射型表示
装置の一実施例を説明するための構成概念図で、図中、
２０は偏光変換素子、２１は第１のコンデンサレンズ、
２２は四分の一波長板、２３は第２のコンデンサレン
ズ、２４は液晶パネル、２５は投影光学系、２６は光
源、２７はランプ、２８はリフレクタである。本実施例
の投射型表示装置は、自然光を発するランプ２７及びリ
フレクタ２８からなる光源２６と、第１及び第２のコン
デンサレンズ２１，２３と、光源２６からの自然光を特
定の回転方向の円偏光に変換する偏光変換素子２０と、
円偏光を直線偏光に変換する四分の一波長板２２と、液
晶パネル２４とその像をスクリーンに投影する投影光学
系２５からなる。実施例１ないし３のいずれかの偏光変
換素子または偏光変換素子アレイに四分の一波長板を組
み合わせることで自然光を同一の偏光方向の直線偏光に
変換することが出来る。このような構成とすることによ
って、従来の液晶プロジェクタよりも光の利用効率を向
上させることが可能となる。

【００３０】

【発明の効果】

請求項１の効果：不定偏光である自然光を効率よく単一
回転方向の円偏光に変換することができる。また、レン
ズ系を備えているため、その焦点距離，口径等を最適化
することにより偏光変換後の照射面積を制御でき、ま
た、照射範囲の光度ムラも生じさせずに偏光変換を行な
うことが可能となる。また、得られた円偏光を、例え
ば、位相差板に入射させることにより簡便に直線偏光が
得られ、液晶パネル表示装置や液晶プロジェクタに好適
に使用できる。

【００３１】請求項２の効果：液晶パネル表示装置や液
晶プロジェクタに好適である平行光の単一回転円偏光が
得られる。

【００３２】請求項３の効果：コレステリック液晶及び
反射光学素子を入射光の光軸に対して傾けることによ
り、光の利用効率をより高めることができる。

【００３３】請求項４の効果：偏光変換素子をアレイ状
に配列して一体化することにより、薄型化，軽量化，光
度ムラの改善，及びコストダウンを実現した偏光変換素
子アレイが得られる。

【００３４】請求項５の効果：従来、偏光板により生じ
ていた約５０％の損失光を有効利用し、明るい画像を投
射できる投射型表示装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の偏光変換素子の一実施例を説明するた
めの側面図である。

【図２】図１に示す実施例の斜視図である。

【図３】図１に示す実施例における光路の一部を概念的
に示す図である。

【図４】図１に示す実施例における光路の一部を概念的
に示す図である。

【図５】図１に示す実施例の偏光変換素子の製作方法の
一例を概念的に示す側面図である。

【図６】本発明の偏光変換素子アレイの一実施例を説明
するための側面図である。

【図７】本発明の投射型表示装置の一実施例を説明する
ための構成概念図である。

【図８】本発明の投射型表示装置の一実施例を説明する
ための構成概念図である。

【符号の説明】

１，１１…第１のレンズ部（入射側レンズ部）、２，１
２…ミラー、３，１３…コレステリック液晶、４，１４
…第２のレンズ部（第１の出射側レンズ部）、５，１５
…第３のレンズ部（第２の出射側レンズ部）、２０…偏
光変換素子、２１…第１のコンデンサレンズ、２２…四
分の一波長板、２３…第２のコンデンサレンズ、２４…
液晶パネル、２５…投影光学系、２６…光源、２７…ラ
ンプ、２８…リフレクタ、Ｌ…入射光束、Ｌ₁…コレス
テリック液晶の透過方向成分、Ｌ₂…コレステリック液
晶の反射方向成分、Ｏ…開口、Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃…部品。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】自然光を集光する第１のレンズ部と、該
第１のレンズ部により集光した光のうち一方の回転方向
の円偏光を反射し、他方の回転方向の円偏光を透過する
特性を有するコレステリック液晶と、前記第１のレンズ
部と前記コレステリック液晶の間の光路中に配され、該
集光した光を通過させる開口部が設けられるとともに、
前記コレステリック液晶で反射した円偏光の回転方向を
逆にして該コレステリック液晶へ向けて再反射させる反
射光学素子と、該反射光学素子による該再反射の過程を
経ることなく前記コレステリック液晶を透過した光を入
射させる第２のレンズ部と、該反射光学素子による前記
再反射の過程を経て前記コレステリック液晶を透過した
光を入射させる第３のレンズ部とを備え、前記第１のレ
ンズ部に入射する自然光を回転方向が同一の円偏光に変
換して前記第２及び第３のレンズ部から出射させる機能
を有することを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】前記第１のレンズ部に入射する自然光が
平行光であるときに、前記第２及び第３のレンズ部から
出射する光が平行光となるように各構成要素が設定され
ていることを特徴とする請求項１に記載の単一偏光変換
素子。
【請求項３】前記コレステリック液晶及び前記反射光
学素子のそれぞれが入射する自然光の光軸に対して斜め
に配され、前記コレステリック液晶で反射した光が前記
反射光学素子の前記開口部を再度通過しないようにして
損失光となることを抑制することを特徴とする請求項１
または２記載の偏光変換素子。
【請求項４】請求項１ないし３のいずれか１の偏光変
換素子をアレイ状に配列してなることを特徴とする偏光
変換素子アレイ。
【請求項５】請求項１ないし４いずれか１の偏光変換
素子または偏光変換素子アレイと、光源と、該偏光変換
素子または該偏光変換素子アレイを出射した円偏光を直
線偏光に変換する位相差板と、直線偏光を変調する透過
型ライトバルブと、該変調した光を投射する投射光学手
段とを備えることを特徴とする投射型表示装置。