JP4449768B2 - 偏光変換素子およびこれを備える投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光変換素子およびこれを備える投射装置に関する。

液晶パネルを有するプロジェクタは、光源から液晶パネルへ入射する光（通常は無偏光光）の光量損失を抑えて効率良く利用するために、入射する光の偏光方向を１つに揃えて射出するための光学素子を備えている。特許文献１の従来の光学素子は、透明平行平板の一方の面に偏光分離膜を設けておき、これにシリンドリカルレンズを通過した光束を４５°の角度で入射させ、その入射光を一方の偏光成分をもつ反射光と他方の偏光成分をもつ透過光に分離する板状の偏光素子である。反射光は、入射方向と９０°の角度でそのまま射出し、透過光は、偏光方向を変換され、透明平行平板の反対側の面で内部反射し、反射光と平行に射出する。この光学素子によれば、射出光の偏光方向が１つに揃うので光の利用効率が向上する（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−１０７５０５号公報（第２頁、図１）

特許文献１の光学素子は、板状の透明平行平板であるので、素子自体が大きくなる。また、入射光に対して透明平行平板を４５°に斜設し、さらにシリンドリカルレンズと透明平行平板上に設けられたストライプ状の偏光分離膜との位置合わせを行う必要があり、プロジェクタ製造時の光学的な位置合わせが難しいという問題がある。

（１）本発明の請求項１に係る発明の偏光変換素子は、透明部材からなる本体と、この本体に設けられ、光源から発する光を入射させる入射部と、入射部の周囲に形成される環状反射部と、環状反射部と相対して光の射出側に形成される偏光分離部とを有する偏光変換素子であって、入射光の一方の偏光成分の光を透過させて偏光分離部から射出するとともに、入射光の他方の偏光成分の光を偏光分離部で内部反射させ、環状反射部で一方の偏光成分の光と同じ偏光成分の光に変換して再反射させた後に偏光分離部から射出することを特徴とする。
（２）請求項２に係る発明は、請求項１の偏光変換素子において、入射部は、集光機能を有することを特徴とする。
（３）請求項３に係る発明は、請求項１または２の偏光変換素子において、偏光分離部は、円錐凹面形状であることを特徴とする。
（４）請求項４に係る発明は、請求項３の偏光変換素子において、偏光分離部は、円錐凹面の回転対称軸の近傍のみ凹曲面形状であり、この凹曲面形状の部分から一方の偏光成分の光を回転対称軸と平行に射出することを特徴とする。
（５）請求項５に係る発明の投射装置は、光源と、光源から発する光を１つの偏光成分の光として射出する請求項１〜４のいずれかの偏光変換素子と、射出された光を入射させる表示パネルと、表示パネルを通過した光をスクリーンへ投影する光学系とを備えることを特徴とする。
（６）請求項６に係る発明は、請求項５の投射装置において、光源は、点光源であることを特徴とする。

本発明の偏光変換素子は、透明部材である本体に設けられた偏光分離部と環状反射部とにより内部多重反射を利用して偏光方向を１つに揃えるように構成されるので、素子自体が小型であり、また、これを投射装置に組み込む際、光学的な位置調整を簡便に行うことができる。

以下、本発明の偏光変換素子および投射装置について図１〜４を参照しながら説明する。図１〜４中、同じ構成部品には同一符号を付し、方向をＸＹＺ直交座標で表す。

〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明の第１の実施の形態によるプロジェクタの構成を模式的に示す全体構成図である。図２は、本発明の第１の実施の形態による偏光変換素子の構造を模式的に示す図であり、図２（ａ）は偏光変換素子１０の断面図、図２（ｂ）は偏光変換素子１０の上面図（半分のみ図示）、図２（ｃ）は偏光変換素子１０の下面図（半分のみ図示）である。図３は、本発明の第１の実施の形態による偏光変換素子による偏光変換過程を説明するための図である。

図１に示されるように、プロジェクタ１００は、金属基板２に実装され、無偏光の光である光Ｌ１を放射する小型の点光源、たとえばＬＥＤ１と、ＬＥＤ１からの光の偏光方向を揃えて射出する偏光変換素子１０と、スクリーンに投影する文字や図形情報などが表示される液晶パネル３と、液晶パネル３からの光をスクリーンに向けて投射する光学ユニット４とを備えている。

偏光変換素子１０の構造を図２を参照して説明する。
偏光変換素子１０は、透明材料で製造された有底円筒形状の素子本体１０ａを有し、素子本体１０ａの下部が円筒状の脚部１０ｂとなっている。そして、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示されるように、Ｚ軸と平行な回転対称軸を有する回転対称形状である。偏光変換素子１０の素子本体１０ａには、ＬＥＤ１からの光Ｌ１を入射させる入射部１１と、入射部１１の周囲に形成される環状反射部１３と、光Ｌ１の射出側の面に形成される偏光分離部１２とが設けられている。

偏光変換素子１０は、ＬＥＤ１の放射光Ｌ１の偏光成分を１つに揃えて射出する素子である。すなわち、ＬＥＤ１から入射部１１に入射する入射光Ｌ１のうち、ｐ偏光成分の光は偏光分離部１２で光路をやや広げて透過する。ＬＥＤ１から入射部１１に入射する入射光Ｌ１のうち、ｓ偏光成分の光は、偏光分離部１２で反射して環状反射部１３に入射し、環状反射部１２でｐ偏光成分の光に変換されて反射し、偏光分離部１２を透過する。

偏光変換素子１０にこのような光学的機能を発揮させるため、偏光変換素子１０の入射部１１は、入射した光Ｌ１を略平行光とするように曲率がつけられている凸レンズ形状である。偏光分離部１２は、ＸＹ平面と所定角度をなす円錐凹面を呈し、素子本体１０ａの円錐凹面上に偏光分離膜（ＰＢＳ）を形成して構成されている。環状反射部１３は、ＸＹ平面と所定角度をなす円錐凸面を呈し、素子本体１０ａの円錐凸面上に１／４波長板１３ａと全反射膜１３ｂを順に形成して構成されている。なお、入射部１１は、集光機能をもっていればよく、凸レンズ形状の代わりにフレネルレンズ形状としてもよい。

図２および図３を参照しながら、偏光変換素子１０による偏光変換過程について説明する。無偏光の光Ｌ１は、点光源であるＬＥＤ１から一定の放射角度で放射され、全部の光が偏光変換素子１０の入射部１１へ入射する。入射した光Ｌ１は、図３（ａ）に示されるように、入射部１１の屈折作用により略平行光となって偏光変換素子１０の内部を進む。

その平行光のうち、一方の偏光成分（ｐ偏光）の光は、図３（ｂ）に示されるように、偏光分離部１２を通って透過光Ｌ２として外部へ射出する。このとき、透過光Ｌ２は、偏光分離部１２が円錐凹面となっているため、屈折作用を受け、光軸ＡＸに対して角度θ１だけ外側に向って射出する（図２参照）。

また、平行光のうち、他方の偏光成分（ｓ偏光）の光は、偏光分離部１２で内部反射し、その反射光Ｌ３は、偏光変換素子１０の内部を進行し、環状反射部１３へ到達する。このとき、すべての反射光Ｌ３が環状反射部１３へ向かうように、偏光分離部１２の円錐凹面の傾斜角度と環状反射部１３の円錐凸面の傾斜角度との関係が設定されている。

環状反射部１３へ到達した反射光Ｌ３は、１／４波長板１３ａを通過することによりｓ偏光の直線偏光から円偏光となり、全反射膜１３ｂで反射されて再び１／４波長板１３ａを通過することにより円偏光からｐ偏光の直線偏光となる。つまり、ｓ偏光の反射光Ｌ３は、偏光方向が９０°回転してｐ偏光の直線偏光光Ｌ４に変換される。このｐ偏光の直線偏光光Ｌ４は、図３（ｃ）に示されるように、偏光分離部１２へ向かう。偏光分離部１２へ到達したｐ偏光の直線偏光光Ｌ４は、図３（ｄ）に示されるように、偏光分離部１２を透過できるので、透過光Ｌ４として外部へ射出する。この透過光Ｌ４は、偏光分離部１２の円錐凹面に斜めに入射するため、屈折作用を受け、光軸ＡＸに対して角度θ２だけ内側に向って射出する（図２参照）。

この結果、偏光変換素子１０から射出されるすべての光、つまり透過光Ｌ２と透過光Ｌ４は、ｐ偏光の偏光成分をもつ光となる。すなわち、透過光Ｌ２は、図３（ｅ）に示されるように、光軸ＡＸに対して外側に向って射出する光束となり、透過光Ｌ４は、図３（ｆ）に示されるように、光軸ＡＸに対して内側に向って射出する光束となり、ｐ偏光の偏光成分をもつ２つの光束が偏光変換素子１０から射出され、重ね合わされることになる。これら２つの光束を併せたｐ偏光光は、ＬＥＤ１からの光Ｌ１とほぼ同じ光量を維持している。

また、点光源であるＬＥＤ１からの光Ｌ１は、偏光変換素子１０から射出されるときには所定サイズの光束断面積（ビーム径）となる。これは、偏光変換素子１０に入射した光Ｌ１のうちｓ偏光成分の光を偏光分離部１２と環状反射部１３とで内部多重反射させてビーム径を拡大しているためである。ビーム径は、偏光分離部１２の円錐凹面の傾斜角度と環状反射部１３の円錐凸面の傾斜角度を変えることにより、液晶パネル３の照明範囲に応じてその大きさを調節することができる。

再び、図１を参照して、偏光変換素子１０から射出された後の透過光Ｌ２，Ｌ４の進行過程を説明する。これら２つの光束を併せたｐ偏光光は、液晶パネル３に達し、液晶パネル３を透過することで偏光方向が９０°回転したｓ偏光光となる。このｓ偏光光である透過光Ｌ５は、光学ユニット４へ導かれる。

光学ユニット４は、プリズムブロック５と集光ミラー６とを有し、プリズムブロック５には、偏光分離膜（ＰＢＳ）５ａと１／４波長板５ｂが設けられている。プリズムブロック５の入射側の面５ＡはＸＹ面に平行であり、射出側の面５ＢはＹＺ面に平行である。偏光分離膜５ａは、入射側の面５Ａと射出側の面５Ｂのいずれに対しても４５°をなす面に配設され、１／４波長板５ｂは、射出側の面５Ｂに配設されている。

上述したように、液晶パネル３を透過するｓ偏光光である透過光Ｌ５は、光学ユニット４へ導かれる。プリズムブロック５の入射面５Ａに垂直入射した透過光Ｌ５は、偏光分離膜５ａで−Ｘ方向へ反射される。その反射光Ｌ６は、１／４波長板５ｂを通過することによりｓ偏光の直線偏光から円偏光となり、集光ミラー６で＋Ｘ方向へ反射されて再び１／４波長板５ｂを通過することにより円偏光からｐ偏光の直線偏光となる。すなわち、ｐ偏光の直線偏光である透過光Ｌ５は、偏光方向が９０°回転してｓ偏光の直線偏光光である透過光Ｌ７に変換される。この透過光Ｌ７が＋Ｘ方向へ進み、偏光分離膜５ａを透過し、液晶パネル３の液晶画面の像が拡大されて不図示のスクリーンに投影される。

本実施の形態では、光軸ＡＸに対して外側に向って射出する透過光Ｌ２と光軸ＡＸに対して内側に向って射出する透過光Ｌ４とにより、液晶パネル３が照明されるので、液晶パネル３の光軸方向の位置により、液晶画面の中央部と周辺部の照明光量の比を変えることができる。一般に、ＬＥＤの発光強度は光軸方向が最も大きく、指向性も強い。また、光学系は一般に中央が明るく周辺ほど暗くなる。従って、通常の照明では、画面上、中央に対して周辺が暗くなる傾向があるが、本実施の形態の偏光変換素子１０は、射出角度の異なる２つの光束を生成するので、液晶画面の周辺部を中央部と同等の明るさで照明することができる。その結果、スクリーン上でも周辺光量落ちのない投影像が得られる。

また、液晶パネル３を照明する光が平行光に近ければ近いほど焦点深度が大きくなるので、液晶画面上のゴミや傷などの欠陥が目立ち易くなる。本実施の形態のプロジェクタ１００では、偏光変換素子１０から射出される２つの光束が光軸ＡＸに平行ではないので、液晶画面上の欠陥が目立ち難い。その結果、スクリーン上でも欠陥が目立たない投影像が得られる。

第１の実施の形態による偏光変換素子１０は、次の作用効果を奏する。
（ａ）入射部１１と、環状反射部１３と、偏光分離部１２とが設けられた偏光変換素子１は回転対称形状であり、偏光分離部１２と環状反射部１３とにより内部多重反射を利用して偏光方向を１つに揃えるように構成されるので、素子自体が小型である。
（ｂ）入射部１１が凸レンズ形状であるので、点光源であるＬＥＤ１からの光Ｌ１を無駄なく導入して平行光とすることができる。
（ｃ）偏光分離部１２と環状反射部１３とで内部多重反射させてビーム径を拡大でき、拡大の程度は、偏光分離部１２の円錐凹面と環状反射部１３の円錐凸面の傾斜角度で任意に調節できる。

また、第１の実施の形態による偏光変換素子１０を備えるプロジェクタ１００は、次の作用効果を奏する。
（ｄ）偏光変換素子１０の回転対称軸をＬＥＤ１からの光Ｌ１の光軸に一致させるだけで、光学調整が簡単に済む。
（ｅ）点光源であるＬＥＤ１とのマッチングが良く、装置全体のコンパクト化を図ることができる。
（ｆ）偏光変換素子１０が射出角度の異なる２つの光束を生成するので、液晶パネル３の液晶画面の周辺部を中央部と同等の明るさで照明することができる。
（ｇ）偏光変換素子１０から射出される２つの光束が光軸ＡＸに平行ではないので、平行光束による照明と比べて液晶画面上の欠陥が目立ち難い。

〈第２の実施の形態〉
図４は、本発明の第２の実施の形態による偏光変換素子の構造を模式的に示す断面図である。図４（ａ）は、偏光変換素子２０の光軸付近の光路を示す図であり、図４（ｂ）は、偏光変換素子２０の光軸から離れた周辺部の光路を示す図であり、図４（ｃ）は、偏光変換素子２０の偏光分離部２２の部分拡大図である。図４では、図１〜３と同じ構成部品には同一符号を付し、説明を省略する。

図４に示される偏光変換素子２０が図１に示される第１の実施の形態による偏光変換素子１０と異なる点は、偏光分離部２２の形状である。すなわち、偏光変換素子１０の偏光分離部１２が円錐凹面形状であるのに対し、偏光変換素子２０の偏光分離部２２は、光軸ＡＸの付近だけ凹球面形状を呈し、その外周側は偏光分離部１２と同様の円錐凹面形状である。具体的には、図４（ｃ）の部分拡大図のように、偏光分離部２２は、領域Ａで表わされている凹球面部２２ａと、この凹球面部２２ａを取り囲むリング状の円錐凹面部２２ｂとから成っている。もちろん、凹球面部２２ａと円錐凹面部２２ｂには、偏光分離膜が形成されている。

入射部１１から偏光変換素子２０へ入射した光Ｌ１は、略平行光となって偏光変換素子２０の内部を進む。その平行光は、図４（ａ）に示されるように、光軸ＡＸ近傍を進み、偏光分離部２２の凹球面部２２ａへ到達する平行光と、図４（ｂ）に示されるように、光軸ＡＸから離れた周辺部を進み、偏光分離部２２の円錐凹面部２２ｂへ到達する平行光とを含んでいる。円錐凹面部２２ｂへ到達する平行光の進行については、第１の実施の形態で説明したのと同様であるので、説明を省略し、光軸ＡＸ近傍を進み、凹球面部２２ａへ到達する平行光について説明する。

凹球面部２２ａへ到達した平行光のうち、一方の偏光成分（ｐ偏光）の光は、凹球面部２２ａを通って透過光Ｌ８として外部へ射出する。このとき、透過光Ｌ８は、図４（ｂ）に示される透過光Ｌ２ほどは光軸ＡＸに対して外側に傾斜しない。特に、透過光Ｌ８に含まれる光軸ＡＸ上の光線は、屈折による角度の変化はなく、直進する。

凹球面部２２ａへ到達した平行光のうち、他方の偏光成分（ｓ偏光）の光は、凹球面部２２ａで反射し、その反射光Ｌ９は、拡がり角度αで入射部１１の方へ向かう。このとき、反射光Ｌ９は、図４（ｂ）に示される反射光Ｌ３ほどは光軸ＡＸに対して外側に傾斜しないので、環状反射部１３へ導かれずに入射部１１へ導かれ、入射部１１から外部へ出て行くことになり、この射出光の分だけ光量損失が生じる。

以上により、偏光変換素子２０から射出されるすべての光、つまり透過光Ｌ２、透過光Ｌ４および透過光Ｌ８は、ｐ偏光の偏光成分をもつ光となる。この偏光変換素子２０を偏光変換素子１０の代わりにプロジェクタ１００に搭載した場合、偏光変換素子２０以外の構成は第１の実施の形態と同様であるから、装置構成の説明は省略する。

ところで、第１の実施の形態による偏光変換素子１０では、透過光Ｌ２が光軸ＡＸに対して外側に向かって射出するため、偏光変換素子１０の上方（＋Ｚ方向）の光軸ＡＸ付近には透過光Ｌ２が到達しない。また、偏光変換素子１０内で内部反射して射出する透過光Ｌ４は光軸ＡＸに対して内側に向って射出するが、偏光変換素子１０の直上では透過光Ｌ４が光軸ＡＸまで届かない。そのため、偏光変換素子１０からの射出光、つまり透過光（Ｌ２＋Ｌ４）が存在しないゾーンには液晶パネル３を配置できず、液晶パネル３の位置に制約が生じる。

これに対し、第２の実施の形態による偏光変換素子２０では、光軸ＡＸ上の光線を含む透過光Ｌ８があるので、射出光（透過光）が存在しないゾーンは生じない。従って、液晶パネル３の配置に制約は生じない。液晶パネル３を偏光変換素子２０の直上に配置すれば、プロジェクタ装置全体を小型化できる。

第２の実施の形態による偏光変換素子２０も、第１の実施の形態による偏光変換素子１０と同じく、前述した（ａ）〜（ｃ）の作用効果を奏する。

また、第２の実施の形態による偏光変換素子２０を備えるプロジェクタも、前述した（ｄ）〜（ｇ）の作用効果を奏するとともに、液晶パネル３を偏光変換素子２０の直上に配置することも可能であり、プロジェクタ装置全体を小型化できるという効果が得られる。

本発明は、上記の実施の形態に限られず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。例えば、第１および第２の実施の形態では、点光源としてＬＥＤ１を使用しているが、小型の放電ランプでも、ＥＬなどの発光素子を使用してもよい。また、図１に示したプロジェクタ１００では、液晶パネル３の後段に光学ユニット４を配置し、透過光Ｌ５を偏光分離膜５ａで−Ｘ方向に曲げ、集光ミラー６で＋Ｘ方向へ反射させるという光学系を用いているが、透過光Ｌ５を偏光分離膜で＋Ｘ方向に曲げ、レンズで拡大して投影する光学系を用いてもよい。また、第２の実施の形態では、偏光変換素子２０の偏光分離部２２を光軸ＡＸの付近だけ凹球面形状としたが、この部分を非球面で形成してもよく、射出光のムラが緩和される曲面であればどのような曲面でも適用可能である。

本発明の第１の実施の形態に係るプロジェクタの構成を模式的に示す全体構成図である。 本発明の第１の実施の形態に係る偏光変換素子の構造を模式的に示す図である。図２（ａ）は偏光変換素子１０の断面図、図２（ｂ）は偏光変換素子１０の上面図、図２（ｃ）は偏光変換素子１０の下面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る偏光変換素子による偏光変換過程を説明するための図である。 本発明の第２の実施の形態に係る偏光変換素子の構造を模式的に示す断面図である。図４（ａ）は、偏光変換素子２０の光軸付近の光路を示す図であり、図４（ｂ）は、偏光変換素子２０の光軸から離れた周辺部の光路を示す図であり、図４（ｃ）は、偏光変換素子２０の偏光分離部２２の部分拡大図である。

符号の説明

１：ＬＥＤ
２：金属基板
３：液晶パネル
４：光学ユニット
５：プリズムブロック
６：集光ミラー
１０，２０：偏光変換素子
１０ａ：素子本体
１１：入射部
１２，２２：偏光分離部
１３：環状反射部
１３ａ：１／４波長板
１３ｂ：全反射膜
２２ａ：凹球面部
２２ｂ：円錐凹面部
１００：プロジェクタ
Ｌ１：光（入射光）
Ｌ２，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ７，Ｌ８：透過光
Ｌ３，Ｌ６，Ｌ９：反射光

Claims (6)

1. 透明部材からなる本体と、この本体に設けられ、光源から発する光を入射させる入射部と、前記入射部の周囲に形成される環状反射部と、前記環状反射部と相対して前記光の射出側に形成される偏光分離部とを有する偏光変換素子であって、
   前記入射光の一方の偏光成分の光を透過させて前記偏光分離部から射出するとともに、
   前記入射光の他方の偏光成分の光を前記偏光分離部で内部反射させ、前記環状反射部で前記一方の偏光成分の光と同じ偏光成分の光に変換して再反射させた後に前記偏光分離部から射出することを特徴とする偏光変換素子。
2. 請求項１に記載の偏光変換素子において、
   前記入射部は、集光機能を有することを特徴とする偏光変換素子。
3. 請求項１または２に記載の偏光変換素子において、
   前記偏光分離部は、円錐凹面形状であることを特徴とする偏光変換素子。
4. 請求項３に記載の偏光変換素子において、
   前記偏光分離部は、前記円錐凹面の回転対称軸の近傍のみ凹曲面形状であり、この凹曲面形状の部分から前記一方の偏光成分の光を前記回転対称軸と平行に射出することを特徴とする偏光変換素子。
5. 光源と、
   前記光源から発する光を１つの偏光成分の光として射出する請求項１〜４のいずれか一項に記載の偏光変換素子と、
   前記射出された光を入射させる表示パネルと、
   前記表示パネルを通過した光をスクリーンへ投影する光学系とを備えることを特徴とする投射装置。
6. 請求項５に記載の投射装置において、
   前記光源は、点光源であることを特徴とする投射装置。

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