JP5583558B2 - 偏光変換照明装置およびこれを用いた表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、表示装置に用いられる偏光変換照明装置に関する。

スクリーンに投射された映像光の反射光を視認する投影型映像表示装置は、液晶表示素子（ＬＣＤ、Ｌｃｏｓ）やＤＭＤ等をライトバルブとして用いる。このような投影型映像表示装置は、偏光光を利用するため、光源光を偏光させるための偏光板を備えている場合がある。しかしながら、例えば、吸収型偏光板（プレポラライザ）を用いる投影型映像表示装置では、光源から出射した光の一方向の偏光光（例えばＰ偏光）を吸収型偏光板により吸収させて、もう一方向の偏光光（例えばＳ偏光）に揃えているため、光の利用効率が低いという問題がある。

上述の問題を解消するために、偏光変換素子を用いて一方向の偏光光（例えばＰ偏光）を反射偏光分離すると共に、もう一方向の偏光光（例えばＳ偏光）に揃える投影型映像表示装置が提案されている（例えば特許文献１参照）。当該投影型映像表示装置に用いられる偏光変換素子は、吸収型偏光板では吸収される一方向の偏光光を有効に利用できるため、吸収型偏光板を用いる場合と比較して光の利用効率を向上させることができる。

図９に示されるように、特許文献１に示される投影型表示装置は、偏光変換素子８０とＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）８１で構成される。該偏光変換素子８０の偏光分離面８２と、ＰＢＳ８１の偏光分離面８３では、誘電体の多層膜で構成されており、ブリュースター角における反射特性を利用することによって光源８４からの光の偏光分離を行う。

しかしながら、該投影型表示装置の偏光変換素子８０とＰＢＳ８１では、誘電体の多層構造による偏光特性を利用している。そして、誘電体の多層構造でなる偏光分離面の偏光分離特性は、偏光分離層に入光する光の角度に強く依存する。例えば、当該偏光分離面において良好な偏光分離特性を得るには、入光角度を略４５度とし、かつ入光の受け入れ角を狭い範囲（例えば±３度以内）に制限する必要がある。このため、誘電体の多層構造を用いる場合には、該投影型表示装置の設計の自由度が低くなるという問題がある。

また、上述のように入光角度を略４５度付近の狭い範囲に収めるためには、入光する光を、偏光の揃った（例えばＳ偏光）少なくとも２つの略平行光に分離、整形し、さらに該平行光を合成する必要がある。しかしながら、合成には複雑なレンズ設計、光路設計が必要となる。また、偏光変換素子とＰＢＳが別個に必要となり、構成が複雑化する。さらに、光を整形するためには長い光路長を必要とし、小型化が困難になる。

当該問題を解消するため、反射偏光分離面の片方に角度をつける技術が提案されているが、光路設計の難しさはそれほど改善するものではなく、また、小型化に関しても大きなメリットはない。

特開２０１０−７２１３７号公報

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、光の利用効率が高く、小型化が可能で、かつ設計の自由度が高められた偏光変換照明装置の提供、および、それを用いた表示装置の提供を目的とする。

本発明の偏光変換照明装置は、斜面と第一面と第二面とを有し当該斜面と当該第二面とで挟まれる頂角が略３０度をなす直角プリズムと、前記第一面側に配置され、前記直角プリズムの前記第一面に入光するように光を発する光源と、前記第一面から入光した光が入光し反射されるように前記斜面に配置された１／４波長板および反射板と、前記反射板で反射された光が入光するように前記第二面に配置された反射型の偏光分離体と、前記偏光分離体を透過した光が入光し所定の方向に出光するように前記第二面側に配置された光学部材と、を備え、前記偏光分離体において反射された光が、前記１／４波長板および反射板を経て前記偏光分離体に入光し偏光分離されるように、前記偏光分離体は、少なくとも前記光源からの光および前記１／４波長板および前記反射板を経た光が入光する入光角度範囲において偏光分離特性を有することを特徴とする。

この構成によれば、頂角が略３０度の直角プリズムを用い、その斜面に偏光分離体を配置することにより偏光変換照明装置の構成要素の点数を減らしているため、光の利用効率を高く維持しながら小型化を実現し、また、設計の自由度を高めることができる。

本発明の偏光変換照明装置において、前記光源が第一面側に配置された前記直角プリズムは、第１のプリズムを構成し、前記光学部材は、斜面と第一面と第二面とを有し当該斜面と当該第二面とで挟まれる頂角が略３０度をなす直角プリズムである第２のプリズムを構成し、前記第１のプリズムの第二面と前記第２のプリズムの第一面が接するように配置され、当該第２のプリズムの斜面には、反射体または偏光分離体が配置されていても良い。

本発明の偏光変換照明装置において、前記光源が第一面側に配置された前記直角プリズムは、第１のプリズムを構成し、前記光学部材は、斜面と第一面と第二面とを有し当該斜面と当該第二面とで挟まれる頂角が略３０度をなす直角プリズムである第２のプリズムを構成し、前記第１のプリズムの第二面と前記第２のプリズムの第一面が接するように配置され、当該第２のプリズムの斜面には、偏光分離体が配置され、当該偏光分離体を透過した光が入光するように、さらに別の光学部材が配置されても良い。

本発明の偏光変換照明装置において、前記光学部材としての前記直角プリズムの斜面は、曲面形状を有していても良い。

また、本発明の偏光変換照明装置を複数備えた偏光変換照明装置としても良い。

本発明の偏光変換照明装置において、前記偏光分離体が、屈折率の異なる樹脂薄膜を多層に積層した反射型偏光分離膜で構成されても良い。また、本発明の偏光変換照明装置において、前記偏光分離体が、ワイヤグリッドタイプの反射型偏光分離膜で構成されていても良い。また、本発明の偏光変換照明装置において、前記偏光分離体が、ワイヤグリッド偏光板で構成され、当該ワイヤグリッド偏光板は、凹凸基材に偏在するように導電体が配置されてなるものでも良い。

本発明の偏光変換照明装置において、前記光源からの光の形状を整形するレンズを具備しても良い。また、本発明の偏光変換照明装置において、上記偏光変換照明装置からの光の形状を整形するレンズを具備しても良い。

本発明の表示装置は、上記偏光変換照明装置を用いたものである。また、本発明の投影型表示装置は、偏光変換照明装置と、透過型液晶表示素子とを含むものである。また、本発明の投影型表示装置は、偏光変換照明装置と、反射型液晶表示素子とを含むものである。また、本発明の投影型表示装置において、前記光学部材は、前記偏光分離体を透過した光が入光する入光面と当該入光面に略直交する面を少なくとも有する略直方体形状の光学ブロックであり、前記光学ブロックに対して、前記第１のプリズムに対する前記光源と同じ側に、前記反射型液晶表示素子が配置されており、前記光学ブロックの前記反射型液晶表示素子が配置された側の反対側の前記略直交する面には、前記略直交する面に対して略３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面で構成される偏光分離体が配置されても良い。

本発明の偏光変換照明装置によれば、頂角が略３０度の直角プリズムを用い、これに偏光分離体を配置することにより偏光変換照明装置の構成要素の点数を減らしているため、光の利用効率を高く維持しながら小型化を実現し、また、設計の自由度を高めることができる。

実施の形態に係る偏光変換照明装置と透過型液晶表示素子（ＬＣＤ）を用いた投影型映像表示装置の模式図である。 実施の形態に係る偏光変換照明装置において出光方向が異なるプリズム配置の偏光変換照明装置の模式図である。 実施の形態に係る偏光変換照明装置と反射型液晶表示素子（Ｌｃｏｓ）を用いた投影型映像表示装置の模式図である。 実施の形態に係る偏光変換照明装置において第２の偏光分離面が曲面で配置される偏光変換照明装置の模式図である。 実施の形態に係る偏光変換照明装置と光源を複数用いる反射型液晶表示素子（Ｌｃｏｓ）を用いる投影型映像表示装置の模式図である。 実施の形態に係る偏光変換照明装置において、第２の偏光分離面が、略３０度の傾きをなす複数の斜面で構成される偏光変換照明装置の模式図である。 実施の形態に係る偏光変換照明装置において光源を複数用い、かつ第２の偏光分離面が略±３０度の傾きをなす複数の斜面で構成され、各々の偏光光を重畳させる反射型液晶表示素子（Ｌｃｏｓ）を用いる投影型映像表示装置の模式図である。 実施の形態に係る偏光変換照明装置と光源を複数用い、導光板端面に偏光光を入光させる場合の偏光変換照明装置の模式図である。 偏光分離膜が略４５度の傾きを有する、従来技術に用いられる偏光変換照明装置の模式図である。

従来では、偏光変換照明装置に、誘電体の多層構造による偏光分離面と、頂角が略４５度の直角プリズムを用いていたため、入光角度の制限等により設計の自由度が低く、高い光の利用効率を保ったまま小型化することは困難であった。また、複雑な加工、組み立て工程を必要としたため、製造コストが高くなっていた。本発明者らは、偏光変換照明装置の偏光分離面に、屈折率の異なる樹脂薄膜層を多層積層した偏光板やワイヤグリッドタイプの偏光板を用い、かつ、頂角が略３０度のプリズムを用いることで、入光角度の制限を緩和して設計の自由度を高め、光の利用効率を高く維持しながら小型化を実現できることを見出した。以下、具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の態様である、偏光変換照明装置と透過型液晶表示素子を用いる投影型表示装置の構成を示す模式図である。以下、図１を参照して、第１の態様に係る偏光変換照明装置および投影型表示装置について説明する。

図１に示される投影型表示装置は、光源２１と、斜面と第一面と第二面とを有し斜面と第二面とで挟まれる頂角が略３０度（例えば２０度〜３５度）の直角プリズムである第１のプリズム２２および第２のプリズム２３と、を含む偏光変換照明装置と、透過型液晶表示素子２８と、投影レンズ３０とを含む。なお、適切な光学特性を得ることができるのであれば、プリズムは直角プリズムであることに限られない。また、斜面とは、プリズムを構成する三角柱の底面形状が直角三角形である場合には、その斜辺を含む面をいい、底面形状が直角三角形以外である場合には、三辺のうちで最大長さの辺を含む面をいう。また、頂角とは、プリズムを構成する三角柱の底面である三角形の角のうちの一である。

当該偏光変換照明装置において、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板２２ｃとミラー反射面（反射板）２２ｄとが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、偏光分離面２４には、第２のプリズム２３が配置されている。第２のプリズム２３の斜面２３ｂには、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５またはミラー反射面（反射板）２６を有する。

図１に示すように、本実施の形態に係る投影型表示装置では、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２の入光面２２ａから入光し、第１のプリズム２２の斜面２２ｂで反射される。または、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２の入光面から入光し、１／４波長板２２ｃを介して反射面２２ｄで反射される。斜面２２ｂまたは反射面２２ｄで反射された光Ｒ２は、第１の偏光分離面２４で偏光分離される。

なお、１／４波長板２２ｃおよびミラー反射面２２ｄが、第１のプリズム２２の斜面２２ｂに接着、粘着等により一体化されている場合は、主にミラー反射面２２ｄで反射し、第１の偏光分離面２４で透過光（例えばＳ偏光）と反射光（例えばＰ偏光）に分離される。一方で、１／４波長板２２ｃおよびミラー反射面２２ｄが、第１のプリズム２２の斜面２２ｂに接着、粘着等により一体化されていない場合は、光は第１のプリズム２２の斜面２２ｂで全反射し、第１の偏光分離面２４で透過光（例えばＳ偏光）と反射光（例えばＰ偏光）に分離される。

第１の偏光分離面２４において透過する偏光光Ｒ３（例えばＳ偏光）は、第２のプリズム２３の反射面２３ｃで全反射した後、第２の偏光分離面２５またはミラー反射面２６で反射され、反射面２３ｃから出光（例えばＳ偏光）する。第１のプリズム２２および第２のプリズム２３の頂角が略３０度となっているため、第２の偏光分離面２５またはミラー反射面２６に入光する光の入射角は、略３０度となる。また、第２の偏光分離面２５は第１の偏光分離面２４と透過軸が直交に配置されている。

第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、１／４波長板２２ｃを透過し、ミラー反射面２２ｄに入光、反射して再度１／４波長板２２ｃを透過することで、位相が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）に変換される。変換された偏光光Ｒ５は、第１の偏光分離面２４に入光し、第１の偏光分離面２４を透過する。透過した偏光光（例えばＳ偏光）は、第２の偏光分離面２５またはミラー反射面２６で反射され、反射面２３ｃから出光（例えばＳ偏光）する。

出光した偏光光Ｒ６（Ｓ偏光）は、透過型液晶表示素子２８に入光し、変調される。透過型液晶表示素子２８を透過した光は、投射レンズ３０で拡大され、スクリーンに投影される。

このように、第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、偏光方向を１／４波長分だけ回転させる１／４波長板２２ｃを二回通過することで、偏光が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）となり、第１の偏光分離面２４を透過することができる。このため、当該偏光光Ｒ５と偏光光Ｒ３とをあわせて用いることができるため、光源２１からの光を有効に利用することができるようになる。なお、第１の偏光分離面２４で反射する偏光光は、１／４波長板２２ｃに対し、略垂直に入射することが好ましい。これは、１／４波長板２２ｃが、垂直入射を考慮して設計されているためである。

上述の原理により、第１の偏光分離面２４で偏光分離された二つの光の偏光状態は、最終的に揃うことになる。そして、当該二つの光は、透過型液晶表示素子２８を透過し、投射レンズ３０で拡大され、スクリーンに投影される。このように、本発明の偏光変換照明装置は、頂角が略３０度の直角プリズムと、広い入光角度範囲において偏光分離特性を示す反射型偏光分離体とで構成されるため、小型かつ光の利用効率が高い偏光変換照明装置となる。また、これを利用する映像表示装置も、小型化され、輝度が高められることになる。

なお、上記偏光変換照明装置において、第１のプリズム２２や第２のプリズム２３の頂角の角度は、略３０度であれば良く、厳密に３０度であることに限られない。少なくとも反射面２３ｃにおける反射（全反射）を適切に実現できる角度であればよい。このような角度としては、例えば、２５度〜３５度の角度範囲を挙げることができる。

上記偏光変換照明装置において、第１のプリズム２２および第２のプリズム２３と、第１の偏光分離面２４とは、粘着剤や接着剤等により一体化されていることが望ましい。また、第２のプリズム２３と、第２の偏光分離面２５およびミラー反射面２６とは、粘着剤や接着剤等により一体化されていることが望ましい。同様に、第１のプリズム２２と、１／４波長板２２ｃおよびミラー反射面２２ｄとは、粘着剤や接着剤等により一体化されていることが望ましい。これらは、必ずしも一体化されている必要はないが、界面反射による光の損失等を考慮すると一体化されていることが好ましい。

また、第１のプリズム２２における入光面２２ａや第２のプリズム２３における反射面２３ｃには反射防止層を設けても良い。

第１の偏光分離面２４や第２の偏光分離面２５には、広い入光角度において高い偏光分離特性を備える反射型偏光板を用いることが好ましい。また、可視域の広い波長範囲（例えば、４００-７８０ｎｍ）に渡って偏光分離可能なものを用いることが望ましい。このような偏光板としては、屈折率の異なる樹脂薄膜層を多層積層した偏光板や、ワイヤグリッドタイプの偏光板を用いることができる。屈折率の異なる樹脂薄膜層を多層積層した偏光板としては、３Ｍ社製のＤＢＥＦ等を用いることができる。ワイヤグリッドタイプの偏光板としては、基板に樹脂フィルムを用いた旭化成社製のＷＧＦや、基板にガラスを用いたモックステック社製のＰｒｏｆｌｕｘ等を用いることができる。また、これらを複合して用いることもできる。

従来、ＰＢＳの偏光分離面には、誘電体の多層膜でなる偏光素子が用いられていたが、これは、入射角が４５±３度以下の範囲でなければ良好な偏光分離特性が得られないため、これを用いる偏光変換照明装置では設計の自由度が低くなっていた。一方で、上述の樹脂薄膜積層タイプの偏光板やワイヤグリッドタイプの偏光板は、０から±７０度の広い範囲の入光角に対し、高い偏光分離特性を有する。このため、上述の偏光板を用いることにより、偏光変換照明装置の設計の自由度を高めることが可能になり、略３０度の頂角を有するプリズムを用いることができるようになる。例えば、略３０度の頂角を有するプリズムを用いる場合には、第１の偏光分離面２４への光の入光角度（入射角度）θは、第１の偏光分離面２４の法線方向に対して略＋３０度（または略−３０度）となる。よって、この場合、当該入光角度の範囲（略−３０〜略＋３０度）において高い偏光分離特性を備える偏光板を用いればよい。第２の偏光分離面２５についても同様である。

ここで、光の入光角度（入射角度）は、対象とする偏光分離面（偏光分離体）の法線方向を基準とする角度である。要求される入光角度範囲は、少なくとも光源からの光が入光する角度を含む。ただし、光源からの光が入光する角度は、使用するプリズムの形状や光源の配置などに応じて異なるから、要求される入光角度範囲は適宜変更することができる。また、上記偏光板が「高い偏光分離特性」を備えるというためには、消光比ＥＲが十分に高いことが求められる。例えば、要求される入光角度範囲において、消光比ＥＲが１００以上であれば、発明の目的を達成できる程度に「高い偏光分離特性」を備えているということができる。なお、消光比ＥＲは、透過軸方向の偏光の透過率をＴ１、透過軸方向に垂直な方向の偏光の透過率をＴ２として、Ｔ１／Ｔ２で表現される指標である。例えば、誘電体の多層構造でなる偏光素子では、偏光分離面に３０度の角度で光が入光する場合の消光比ＥＲは６０程度となるが、上述の樹脂薄膜積層タイプの偏光板やワイヤグリッドタイプの偏光板では、同条件において、消光比ＥＲは４２０以上である。このように、要求される入光角度範囲において、消光比ＥＲが十分に高い偏光板を用いることで、偏光変換照明装置の設計の自由度を高め、偏光変換照明装置を小型化することが可能である。

ミラー反射面２２ｄやミラー反射面２６には、アルミニウム等の金属薄膜が好適に用いられる。また、１／４波長板２２ｃとしては、位相差の波長依存性を抑えた広帯域１／４波長板を用いることが好ましい。広帯域１／４波長板を用いることにより、位相差の波長依存性が低下し、広帯域に亘って安定した光学特性を得ることができる。なお、反射波の偏光状態を変更できるものであれば、広帯域１／４波長板を用いることに限定されない。

なお、透過型液晶表示素子２８の表示面は通常、略矩形形状を有している。したがって、ＬＥＤ等の光源２１から出射する光を、効率よく透過型液晶表示素子２８に照射するために、第一のプリズム２２への光の入射角度を傾斜させても良い。これにより、第１の偏光分離面２４で２つに分離される光を合成することが可能である。また、光源２１と第１のプリズム２２の入光面２２ａとの光路間に、集光レンズや拡散レンズ等を配置しても良い。これにより、透過型液晶表示素子２８の表示面と略同一形状に光を整形することができる。もちろん、第１のプリズムの入光面２２ａの形状をレンズ形状としても良い。また、第２のプリズム２３の出光面となる反射面２３ｃと透過型液晶表示素子２８との光路間に、集光レンズや拡散レンズを配置しても良い。もちろん、集光機能や拡散機能を有するフィルムやシート等を配置しても良い。また、第２の偏光分離面２５やミラー反射面２６の形状を曲面形状として、集光、拡散を制御しても良い。

従来では、出光する光を合成するために、入射角度を傾斜させ、または入射角度に広がりを持たせようとしても、複数存在する偏光分離面が干渉し、自由な角度設定ができなかった。上述のように、本発明の偏光変換照明装置では、同一の第１の偏光分離面２４で構成されるため、２つに分離された光を合成するための光路設計やレンズ設計が容易である。

図２は、第２の態様である偏光変換照明装置の構成を示す模式図である。図２に示される偏光変換照明装置は、図１に示される偏光変換照明装置の第２のプリズム２３の配置を変更したものに相当する。具体的には、第２のプリズム２３を、１８０度回転させた態様で配置している。

基本的な構成は、図１に示される偏光変換照明装置と同様である。すなわち、当該偏光変換照明装置において、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板２２ｃとミラー反射面（反射板）２２ｄとが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、第一の偏光分離面２４には、第２のプリズム２３が配置されている。第２のプリズム２３の斜面２３ｂには、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５またはミラー反射面（反射板）２６を有する。

図２に示される偏光変換照明装置では、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２の入光面２２ａから入光し、第１のプリズム２２の斜面２２ｂで反射される。または、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２の入光面から入光し、１／４波長板２２ｃを介して反射面２２ｄで反射される。斜面２２ｂまたは反射面２２ｄで反射された光Ｒ２は、第１の偏光分離面２４で偏光分離される。

第１の偏光分離面２４において透過する偏光光Ｒ３（例えばＳ偏光）は、第２のプリズム２３の斜面２３ｂで反射された後、出光（例えばＳ偏光）する。第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、１／４波長板２２ｃを透過し、ミラー反射面２２ｄに入光、反射して再度１／４波長板２２ｃを透過することで、位相が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）に変換される。変換された偏光光Ｒ５は、第１の偏光分離面２４に入光し、第１の偏光分離面２４を透過する。透過した偏光光（例えばＳ偏光）は、反射面２３ｃなどにおける反射を経て出光（例えばＳ偏光）する。

図２に示される偏光変換照明装置では、光源２１からの出光方向と、第２のプリズム２３からの出光方向とを１８０度異ならせることが可能である。このため、投影型表示装置等の構成に合わせ、光源、プリズム配置等を任意に設計可能である。

図３は、第３の態様である、偏光変換照明装置と反射型液晶表示素子２９を用いる投影型表示装置の構成を示す模式図である。以下、図３を参照して、第３の態様に係る偏光変換照明装置および投影型表示装置ついて説明する。

図３に示される投影型表示装置は、光源２１と、頂角が略３０度の直角プリズムである第１のプリズム２２、第２のプリズム２３および第３のプリズム２７と、を含む偏光変換照明装置と、反射型液晶表示素子２９と、投影レンズ３０とを含む。偏光変換照明装置の構成は、第３のプリズム２７を除き、図２に示す構成と同様である。すなわち、当該偏光変換照明装置において、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板２２ｃとミラー反射面（反射板）２２ｄとが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、第一の偏光分離面２４には、第２のプリズム２３が配置されている。第２のプリズム２３の斜面２３ｂには、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５またはミラー反射面（反射板）２６を有する。また、第２のプリズム２３と第３のプリズム２７との間には、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５を有する。各プリズム、および各偏光分離面は、粘着剤、接着剤等により一体化されていることが望ましい。また、１／４波長板２２ｃおよびミラー反射面２２ｄは、粘着剤、接着剤等によって第１のプリズム２２と一体化されていることが望ましい。これらは、必ずしも一体化されている必要はないが、界面反射による光の損失を考慮すると一体化されていることが好ましい。

図３に示すように、本実施の形態に係る投影型表示装置では、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２に入光し、第１のプリズム２２の斜面２２ｂで反射される。または、第１のプリズム２２に入光した光は、１／４波長板２２ｃを介して反射面２２ｄで反射される。斜面２２ｂまたは反射面２２ｄで反射された光Ｒ２は、第１の偏光分離面２４で偏光分離される。

偏光分離面２４において透過した偏光光Ｒ３（例えばＳ偏光）は、第２のプリズム２３の反射面２３ｃに対して略３０度の傾きをなし、かつ透過軸が、第１の偏光分離面２４の透過軸と直交となるように配置された第２の偏光分離面２５で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、１／４波長板２２ｃを透過し、反射面２２ｄに入光、反射して再度１／４波長板２２ｃを透過することで、位相が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）に変換される。変換された偏光光Ｒ５は、第１の偏光分離面２４に入光し、第１の偏光分離面２４を透過する。透過した偏光光（例えばＳ偏光）は、第２のプリズム２３の第２の反射面２３ｃで全反射した後、第２の偏光分離面２５で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

出光した偏光光（Ｓ偏光）は、反射型液晶表示素子２９に入光し、変調される。反射型液晶表示素子２９において反射され、出光した光Ｒ６は、第２の偏光分離面２５を透過した後に、第３のプリズム２７の出光面２７ａを経て、投射レンズ３０によってスクリーンに投影される。

なお、図３に示される投影型表示装置においても、光源２１から投影レンズ３０の光路間において、光の形状を整形する集光レンズ、拡散レンズ、フィルム等を用いることができる。

図３に示される投影型表示装置においては、光源からの光の出光方向と、液晶表示素子からの画像光の出光方向を、略同じにすることが可能である。また、図３に示される投影型表示装置においては、ＰＢＳの機能を有するプリズムの厚みを薄くできる。このため、投影型表示装置の小型化が可能となり、かつ表示機器の設計の自由度が向上する。

図４は、第４の態様である偏光変換照明装置の構成を示す模式図である。図４に示される偏光変換照明装置は、図３に示される偏光変換照明装置の第２のプリズムの斜面（第２の偏光分離面）を曲面形状としたものに相当する。基本的な構成や、各構成の機能は図３に示される偏光変換照明装置と同様である。すなわち、当該偏光変換照明装置において、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板２２ｃとミラー反射面（反射板）２２ｄとが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、第一の偏光分離面２４には、第２のプリズム２３が配置されている。第２のプリズム２３の斜面２３ｂには、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５またはミラー反射面（反射板）２６を有する。また、第２のプリズム２３と第３のプリズム２７との間には、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５を有する。

図４に示すように、本実施の形態に係る投影型表示装置では、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２に入光し、第１のプリズム２２の斜面２２ｂで反射される。または、第１のプリズム２２に入光した光は、１／４波長板２２ｃを介して反射面２２ｄで反射される。斜面２２ｂまたは反射面２２ｄで反射された光Ｒ２は、第１の偏光分離面２４で偏光分離される。

偏光分離面２４において透過した偏光光Ｒ３（例えばＳ偏光）は、第２のプリズム２３の反射面２３ｃに対して略３０度の傾きをなし、かつ透過軸が、第１の偏光分離面２４の透過軸と直交となるように配置された第２の偏光分離面２５で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、１／４波長板２２ｃを透過し、反射面２２ｄに入光、反射して再度１／４波長板２２ｃを透過することで、位相が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）に変換される。変換された偏光光Ｒ５は、第１の偏光分離面２４に入光し、第１の偏光分離面２４を透過する。透過した偏光光（例えばＳ偏光）は、第２のプリズム２３の第２の反射面２３ｃで全反射した後、第２の偏光分離面２５で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

出光した偏光光（Ｓ偏光）は、反射型液晶表示素子２９に入光し、変調される。反射型液晶表示素子２９において反射され、出光した光Ｒ６は、第２の偏光分離面２５を透過した後に、投射レンズ３０によってスクリーンに投影される。なお、第２のプリズムの斜面（第２の偏光分離面）が曲面形状となっているため、投射レンズ３０に入射する光は集光されたものになる。

このように、第２の偏光分離面を凹凸等の曲面とすることにより、第２の偏光分離面にレンズの機能を持たせることができる。なお、第３のプリズムの出光面２７ａに凹凸等の曲面を形成し、レンズ等の機能を付与することもできる。

図５は、第５の態様である偏光変換照明装置を用いる投影型表示装置の構成を示す模式図である。以下、図５を参照して、第５の態様に係る偏光変換照明装置および投影型表示装置ついて説明する。

図５に示される投影型表示装置は、図３に示される偏光変換照明装置に類似の偏光変換照明装置（ユニット）を二つ用いている。つまり、各ユニットにおいて、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板２２ｃとミラー反射面（反射板）２２ｄとが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、第一の偏光分離面２４には、第２のプリズム２３が配置されている。第２のプリズム２３の斜面２３ｂには、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５またはミラー反射面（反射板）２６を有する。また、第２のプリズム２３と第３のプリズム２７との間には、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）２５を有する。

このように、複数の偏光変換照明装置（光源２１、光源２１´、第１のプリズム２２、第１のプリズム２２´を含む）を用いることにより、より明るい投影画像を得ることが可能になる。また、偏光変換照明ユニットを薄くできるため、投影型表示装置の小型化が可能となる。

なお、偏光分離面２５は各々の偏光変換照明ユニット内で独立していても良いが、偏光分離面の境界が投影画像において影等になり、暗い部分が発生する場合には、Ｖ字型の一枚の偏光分離面とすることが好ましい。さらに、Ｖ字型の一枚の偏光分離面において、頂点に丸みを帯びさせて、その曲率が連続的に変化する曲面とするとより好ましい。

また、図５では２つの光源のみを図示しているが、第１のプリズム２２、および第１のプリズム２２´の入光面の奥行き方向に複数配置することも可能である。

図６は、第６の態様である偏光変換照明装置を用いる投影型表示装置の構成を示す模式図である。以下、図６を参照して、第６の態様に係る偏光変換照明装置および投影型表示装置ついて説明する。

図６に示される投影型表示装置の偏光変換照明装置は、図３に示される偏光変換照明装置の第２のプリズム２３と第３のプリズム２７が、光学ブロック５０に置き換えられ、また、第２の偏光分離面２５が、光学ブロックの反射面５０ａに対して略３０度の傾きをなす複数の偏光分離面４０で構成される第２の偏光分離面４１に置き換えられたものに相当する。

より具体的には、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板２２ｃとミラー反射面（反射板）２２ｄとが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、第一の偏光分離面２４には、当該面に略直交する面を少なくとも有する略直方体形状の光学ブロック５０が配置されている。光学ブロック５０の上記略直交する面には、略３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面で構成される偏光分離体４１が配置されている。

図６に示すように、本実施の形態に係る投影型表示装置では、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２に入光し、第１のプリズム２２の斜面２２ｂで反射される。または、第１のプリズム２２に入光した光は、１／４波長板２２ｃを介して反射面２２ｄで反射される。斜面２２ｂまたは反射面２２ｄで反射された光Ｒ２は、第１の偏光分離面２４で偏光分離される。

偏光分離面２４において透過した偏光光Ｒ３（例えばＳ偏光）は、略３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面で構成される偏光分離体４１で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、１／４波長板２２ｃを透過し、反射面２２ｄに入光、反射して再度１／４波長板２２ｃを透過することで、位相が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）に変換される。変換された偏光光Ｒ５は、第１の偏光分離面２４に入光し、第１の偏光分離面２４を透過する。透過した偏光光（例えばＳ偏光）は、光学ブロックの反射面５０ａで全反射した後、略３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面で構成される偏光分離体４１で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

出光した偏光光（Ｓ偏光）は、反射型液晶表示素子２９に入光し、変調される。反射型液晶表示素子２９において反射され、出光した光Ｒ６は、光学ブロック５０および第２の偏光分離面２５を透過した後に、投射レンズ３０によってスクリーンに投影される。

当該偏光変換照明装置においては、複数の偏光分離面４０を備えることにより、第１の偏光分離面２４を透過した偏光光Ｒ３と偏光光Ｒ５の光路間の距離が拡大されて、より広範囲に偏光光を照射可能となる。

複数の略３０度の傾きをなす偏光分離面４０は、それぞれ独立で形成されていても良いし、連続で形成されていても良い。偏光光の漏れ等に起因するコントラスト低下等の光学性能の観点からは、連続で形成されているほうが好ましい。

略３０度の傾きをなす複数の偏光分離面４０を連続的に形成する方法としては、偏光分離膜を加熱圧空成形する方法や、加熱真空成形する方法、熱プレス成形等により形成する方法などがある。この場合、偏光分離膜として、樹脂で構成される３Ｍ社製ＤＢＥＦや旭化成製ワイヤーグリッドフィルムなどが好適に用いられる。

偏光分離膜を加熱成形する場合、偏光分離特性の維持を考慮し、偏光分離膜を構成する樹脂のガラス転移温度以下の温度条件で加熱成形することが好ましい。加熱成形により形状を付与する際には、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＣＯＰ等の光学複屈折の少ない樹脂に、偏光分離膜を粘着剤、接着剤等を用いて一体化しておいても良い。さらに、形状を付与された偏光分離膜を、ガラスや樹脂製のブロック５０に接着して一体化することができる。

偏光分離膜として３Ｍ社製ＤＢＥＦを用いる場合で主成分がＰＥＴの場合は、樹脂のガラス転移温度Ｔｇが８０度程度のため、８０度以下で加熱成形することが好ましい。また、旭化成製ＷＧＦを用いる場合で基板がＴＡＣフィルムの場合は、樹脂のガラス転移温度Ｔｇが１５０度前後のため、１５０度以下で加熱成形することが好ましい。なお、３Ｍ社製ＤＢＥＦは、延伸による樹脂薄膜多層積層タイプのため、加熱成形時に応力緩和を引き起こし偏光分離特性が低下する場合がある。この場合、旭化成社製ＷＧＦが好適に用いられる。さらに、偏光分離面４０の頂角形状を正確に反映するためには、偏光分離膜の厚みは薄いほうが好ましい。例えば、偏光分離膜の厚みは１００ミクロン以下が好ましく、より好ましくは５０ミクロン以下である。

図７は、第７の態様である偏光変換照明装置を用いる投影型表示装置の構成を示す模式図である。図７に示される偏光変換照明は、略±３０度の傾きをなす複数の偏光分離面４２を有する第２の偏光分離面（偏光分離体）４３を有する。また、複数の光源を有する。

より具体的には、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板とミラー反射面（反射板）とが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、第一の偏光分離面２４には、当該面に略直交する面を少なくとも有する略直方体形状の光学ブロック５０が配置されている。光学ブロック５０の上記略直交する面には、略３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面４２で構成される偏光分離体４３が配置されている。また、当該偏光照明装置においては、光学ブロック５０に対して第一のプリズム２２と対称の位置に、第一のプリズム２２と同様の構成のプリズム５２（および光源５１）が配置されている。

図７に示すように、本実施の形態に係る投影型表示装置では、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２に入光し、第１のプリズム２２の斜面２２ｂで反射される。または、第１のプリズム２２に入光した光は、１／４波長板を介して反射面で反射される。斜面２２ｂまたは反射面で反射された光Ｒ２は、第１の偏光分離面２４で偏光分離される。

偏光分離面２４において透過した偏光光Ｒ３（例えばＳ偏光）は、略±３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面４２を有する偏光分離体４３で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、１／４波長板を透過し、反射面に入光、反射して再度１／４波長板を透過することで、位相が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）に変換される。変換された偏光光Ｒ５は、第１の偏光分離面２４に入光し、第１の偏光分離面２４を透過する。透過した偏光光（例えばＳ偏光）は、光学ブロック５０の反射面５０ａで全反射した後、略３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面４２で構成される偏光分離体４３で反射し、反射型液晶表示素子２９側に出光（例えばＳ偏光）する。

出光した偏光光（Ｓ偏光）は、反射型液晶表示素子２９に入光し、変調される。反射型液晶表示素子２９において反射され、出光した光Ｒ６は、光学ブロック５０および第２の偏光分離面４３を透過した後に、投射レンズ３０によってスクリーンに投影される。

このように、略±３０度の傾きを有する偏光分離面４２を複数有することにより、略同じ位置で偏光光を重畳することが可能となる。

図８は、第８の態様である偏光変換照明装置の構成を示す模式図である。当該偏光変換照明装置では、偏光変換照明装置（光源含む）を複数用いて、導光板６１の端面に偏光光を入光させている。このような構成とすることにより、ひとつの光源からの光を二つに分離し、かつ偏光を揃えることができる。このため、均一に拡散した光を得ることができる。

より具体的には、第１のプリズム２２の入光面２２ａ（第一面）には、光源２１が配置されている。第１のプリズム２２の斜面２２ｂには、１／４波長板とミラー反射面（反射板）とが配置されている。第１のプリズム２２の第二面には、第１の偏光分離面（偏光分離体）２４が設けられている。また、第一の偏光分離面２４には、第２のプリズム２３が配置されている。第２のプリズム２３の斜面２３ｂには、第１の偏光分離面２４と透過軸が直交する第２の偏光分離面（偏光分離体）を有する。また、第２のプリズム２３の第二面には、１／４波長板および反射板６４が配置されている。また、第２の偏光分離面には、第３のプリズム２７が配置されている。第三のプリズム２７の斜面には、導光板６１が配置されている。

図８に示すように、本実施の形態に係る偏光変換照明装置では、光源２１から出光した光Ｒ１は、第１のプリズム２２に入光し、第１のプリズム２２の斜面２２ｂで反射される。または、第１のプリズム２２に入光した光は、１／４波長板を介して反射面で反射される。斜面２２ｂまたは反射面で反射された光Ｒ２は、第１の偏光分離面２４で偏光分離される。

第一の偏光分離面２４において透過した偏光光Ｒ３（例えばＳ偏光）は、第２の偏光分離面で反射し、１／４波長板および反射板６４によって反射され、導光板６１側に出光（例えばＰ偏光）する。第１の偏光分離面２４で反射した偏光光Ｒ４（例えばＰ偏光）は、１／４波長板を透過し、反射面に入光、反射して再度１／４波長板を透過することで、位相が１／２波長分だけ回転した偏光光Ｒ５（例えばＳ偏光）に変換される。変換された偏光光Ｒ５は、第１の偏光分離面２４に入光し、第１の偏光分離面２４を透過する。透過した偏光光（例えばＳ偏光）は、１／４波長板および反射板６４によって反射され、導光板６１側に出光（例えばＰ偏光）する。そして、導光板６１に入光した光Ｒ６は拡散される。当該偏光変換照明装置は、液晶表示装置のバックライトなどとして好適に用いることができる。

なお、第３のプリズム２７と導光板６１の境界には拡散層６２を設けても良い。これにより、導光板６１中の明るさの均一性を向上させることができる。

以上の説明において、主として液晶表示素子において偏光変換照明装置を用いる例を説明したが、他の各種表示装置、偏光投光装置、センサー等に適宜適用することが可能である。また、反射型表示素子としてはＤＭＤ、ＤＬＰへの適用も可能である。

また、上記実施の形態において、添付図面に示されている構成などは、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。

本発明の偏光変換照明装置は、液晶デバイスやＤＭＤ等の映像表示機器に好適に用いられる。

２１ 光源
２２ 第１のプリズム
２２ａ 入光面
２２ｂ 斜面
２２ｃ １／４波長板
２２ｄ ミラー反射面
２３ 第２のプリズム
２３ｂ 斜面
２３ｃ 反射面
２４ 第１の偏光分離面
２５ 第２の偏光分離面
２６ ミラー反射面
２７ 第３のプリズム
２７ａ 出光面
２８ 透過型液晶表示素子（ＬＣＤ）
２９ 反射型液晶表示素子（Ｌｃｏｓ）
３０ 投影レンズ
４０ 略３０度の傾きをなす複数の偏光分離面
４１ 第２の偏光分離面
４２ 略±３０度の傾きをなす複数の偏光分離面
４３ 第２の偏光分離面
５０ ブロック
５０ａ 反射面
６１ 導光板
６２ 拡散層
６４ １／４波長板および反射板

Claims (14)

1. 斜面と第一面と第二面とを有し当該斜面と当該第二面とで挟まれる頂角が略３０度をなす直角プリズムと、
   前記第一面側に配置され、前記直角プリズムの前記第一面に入光するように光を発する光源と、
   前記第一面から入光した光が入光し反射されるように前記斜面に配置された１／４波長板および反射板と、
   前記反射板で反射された光が入光するように前記第二面に配置された反射型の偏光分離体と、
   前記偏光分離体を透過した光が入光し所定の方向に出光するように前記第二面側に配置された光学部材と、を備え、
   前記偏光分離体において反射された光が、前記１／４波長板および前記反射板を経て前記偏光分離体に入光し偏光分離されるように、前記偏光分離体は、少なくとも前記光源からの光および前記１／４波長板および前記反射板を経た光が入光する入光角度範囲において偏光分離特性を有することを特徴とする偏光変換照明装置。
2. 前記光源が第一面側に配置された前記直角プリズムは、第１のプリズムを構成し、
   前記光学部材は、斜面と第一面と第二面とを有し当該斜面と当該第二面とで挟まれる頂角が略３０度をなす直角プリズムである第２のプリズムを構成し、
   前記第１のプリズムの第二面と前記第２のプリズムの第一面が接するように配置され、
   当該第２のプリズムの斜面には、反射体または偏光分離体が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換照明装置。
3. 前記光源が第一面側に配置された前記直角プリズムは、第１のプリズムを構成し、
   前記光学部材は、斜面と第一面と第二面とを有し当該斜面と当該第二面とで挟まれる頂角が略３０度をなす直角プリズムである第２のプリズムを構成し、
   前記第１のプリズムの第二面と前記第２のプリズムの第一面が接するように配置され、
   当該第２のプリズムの斜面には、偏光分離体が配置され、
   当該偏光分離体を透過した光が入光するように、さらに別の光学部材が配置されたことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換照明装置。
4. 前記光学部材としての前記直角プリズムの斜面は、曲面形状を有することを特徴とする請求項３に記載の偏光変換照明装置。
5. 請求項３に記載の偏光変換照明装置を複数備えた偏光変換照明装置。
6. 前記偏光分離体が、屈折率の異なる樹脂薄膜を多層に積層した反射型偏光分離膜で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の偏光変換照明装置。
7. 前記偏光分離体が、ワイヤグリッドタイプの反射型偏光分離膜で構成されたことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の偏光変換照明装置。
8. 前記偏光分離体が、ワイヤグリッド偏光板で構成され、
   当該ワイヤグリッド偏光板は、凹凸基材に偏在するように導電体が配置されてなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の偏光変換照明装置。
9. 前記光源からの光の形状を整形するレンズを具備することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換照明装置。
10. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換照明装置からの光の形状を整形するレンズを具備する偏光変換照明装置。
11. 請求項１から請求項１０のいずれかに記載の偏光変換照明装置を用いた表示装置。
12. 請求項１または請求項２に記載の偏光変換照明装置と、透過型液晶表示素子とを含む投影型表示装置。
13. 請求項３から請求項５のいずれかに記載の偏光変換照明装置と、反射型液晶表示素子とを含む投影型表示装置。
14. 前記光学部材は、前記偏光分離体を透過した光が入光する入光面と当該入光面に略直交する面を少なくとも有する略直方体形状の光学ブロックであり、
    前記光学ブロックに対して、前記第１のプリズムに対する前記光源と同じ側に、前記反射型液晶表示素子が配置されており、
    前記光学ブロックの前記反射型液晶表示素子が配置された側の反対側の前記略直交する面には、前記略直交する面に対して略３０度の傾斜を有する複数の偏光分離面で構成される偏光分離体が配置されたことを特徴とする請求項１３に記載の投影型表示装置。

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