JPH08152580A

JPH08152580A - 偏光分離合成装置

Info

Publication number: JPH08152580A
Application number: JP944095A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Miyake; 隆浩三宅; Kazuhiko Ueda; 和彦上田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1994-09-30
Filing date: 1995-01-25
Publication date: 1996-06-11

Abstract

(57)【要約】【目的】光源から発せられた偏光方向が混在する白色
光から、偏光方向が一定の方向に揃った、かつ、色収差
の生じない光を合成して取り出す。【構成】光源から発せられた白色光を偏光ビームスプ
リッタを通過させることによりＰ偏光成分とＳ偏光成分
に分離し、続いて一方の光を１／２波長板を透過させ、
他方の光と偏光方向を一致させる。そして、各偏光成分
光を合成プリズム面に対して垂直に入射、垂直に出射さ
せることにより色収差の生じない光を合成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、偏光方向が混在する光
の偏光方向を揃えて取り出す偏光分離合成装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】液晶プロジェクションテレビなどの液晶
を利用した光学システムは、従来のＣＲＴに代わるもの
として近年注目を浴びており、その光源として偏光方向
が一定方向に直線偏光した光が用いられることが多い。
このようなある一定方向に直線偏光した光を得るため
に、メタルハライドランプなど偏光方向が混在する光源
と偏光板とを組み合わせる方法が一般に用いられてい
る。この場合、偏光板に入射した光のうち、偏光板を透
過する光に対して垂直な偏光面を持つ偏光成分光が除去
されるため偏光方向の揃った光が取り出されるが、偏光
板を透過して利用できる光の光量割合は元来の半分以下
に減少してしまうことになり、光量損失が大きいという
問題点があった。

【０００３】この問題点を解決する手段として、光源か
らの光を偏光ビームスプリッタにてＰ偏光及びＳ偏光の
２つの直線偏光成分に分離し、このうち片方の光のみ偏
光板を透過させることによりその偏光面を９０°回転さ
せ、その後もう一方の光と再度合成することにより、光
量損失を抑えたうえで一定方向に直線偏光した光を得る
方法が考えられており、例えば特開平３−１９６０１５
に開示されている。

【０００４】図９は特開平３−１９６０１５に開示され
た装置の構成を示す。図９では、光源１から発せられた
光は曲面鏡２にて反射することで平行光とされ、偏光ビ
ームスプリッタ１５を通過する際、Ｐ偏光とＳ偏光に分
離される。分離されたＰ偏光は、１／２波長板４を通過
することで偏光面が９０°回転し、Ｓ偏光へと変換され
る。上記偏光ビームスプリッタ１５によって分離された
２本の光は、反射ミラー５によって反射され合成プリズ
ム１６へと導かれる。合成プリズム１６に入射した２本
の光は、この合成プリズム１６に形成された光入射平面
部１６Ａ、及び光出射側プリズム列１６Ｂによって屈折
され、平行光に合成されて合成プリズム１６から出射さ
れる。

【０００５】以上のように、この従来技術では、Ｐ偏光
とＳ偏光との２つの偏光成分が混在する光源１からＰ偏
光をＳ偏光のみの直線偏光として取り出すことができる
うえ、合成プリズム８を用いない場合に比べて出射光量
を大幅に向上させることができる。

【０００６】図１０は、プリズム列１６Ｂに形成された
プリズム形状を示す。ここでのプリズムは、プリズム法
線７とプリズム面１７とのなす角θが以下の条件を満た
すように選択されている。

【０００７】ｎｓｉｎβ＝ｓｉｎα ・・・（Ｉ）ｎｃｏｓ（β＋θ）＝ｃｏｓθ ・・・（II）ここで、ｎは合成プリズム１６の屈折率、αは合成プリ
ズム１６への光の入射角、βは入射後の屈折角である。
つまり、合成プリズム１６に入射または出射する光は、
屈折作用を伴っている。入射角αにて入射した光は上記
（Ｉ）式を満足するβなる角度に屈折され、さらに合成
プリズム１６からの出射時の屈折により出射光はプリズ
ム法線７と平行となる。したがって、合成プリズム１６
からの出射光がプリズム法線７と平行となるには上記
（Ｉ）及び（II)式の条件を満たすことが必要となる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、光源として
メタルハライドランプやハロゲンランプなどを用いた場
合、そこから発せられる光は波長が同一の単色光ではな
く、赤色、緑色、青色などの波長が混じった白色光であ
る。合成プリズム１６の材料としてアクリル系樹脂を用
いた場合、（Ｉ）式で示される光の屈折率ｎの一例は、
図１１に示されるように光の波長によって異なってく
る。例えば光の波長λがλ＝５４６．１ｎｍ、つまり緑
色光を基準とした場合、合成プリズム１６の屈折率はｎ
＝１．４９３であるので、光の入射角α＝４５°と仮定
した場合、（II）式を満足するプリズム面のなす角はθ
＝２４．０°となり、この条件で作製されたプリズムに
入射角αにて入射した緑色光はプリズム法線７と平行な
角度で合成プリズム１６より出射される。

【０００９】一方、光の波長λ＝４３５．８ｎｍ、つま
り青色光の屈折率はｎ＝１．５０１であり、上記緑色光
で仮定したプリズム面のなす角θ、入射角αの条件でこ
の青色光が入射した場合、（Ｉ）および（II）式の条件
は満たし得ない。つまり、合成プリズム１６から出射さ
れる青色光は、プリズム法線７とのなす角γなる出射角
を持つことになる。上記青色光の場合、出射角γ＝１．
２２１°となり、同様に光の波長λ＝６５６．３ｎｍな
る赤色光は、出射角γ＝−１．５６４°にて合成プリズ
ム１６から出射されるため、光の波長によって出射角度
が異なってしまい色収差を持つことになる。

【００１０】以上のように図９に示す偏光分離合成装置
を用いた場合、合成プリズム１６内での光の屈折作用を
使って入射角度の異なる２本の光を１本に合成するが、
合成プリズム１６の材料特性に光の屈折率が依存される
ため、光の波長によって屈折率が異なってしまう。その
結果、光の波長により出射角度が異り、出射光の光軸ず
れによる色収差が発生するという問題点がある。

【００１１】さらに通常、このような偏光分離合成装置
を用いる場合、合成プリズム１６からの出射光は図示し
ない液晶パネル内のカラーフィルタなどへ導くが、この
際上記色収差により光量の減少や色のにじみが発生する
といった問題点がある。

【００１２】本発明はこれらの問題点に鑑み、偏光方向
が混在する光源から発せられた光の偏光方向を一定の偏
光方向に揃えて出射する偏光分離合成装置において、色
収差を生じない出射光を得る偏光分離合成装置を提供す
ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の偏光分離合成装
置では、白色光を発する光源と、光源から発せられた光
を偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、光の偏
光面を回転させる偏光角回転手段と、プリズム頂角が６
０°であるプリズム列を片面に有し、反対面は前記プリ
ズム列の稜線と平行であるよう形成された合成プリズム
とを備え、光源から発せられた光は前記偏光ビームスプ
リッタによりＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離され、この
分離された偏光成分光のうちどちらか一方の偏光面を前
記偏光角回転手段を透過させることにより９０°回転さ
せて他方の光と同一の偏光方向とし、各偏光成分光をプ
リズム列のプリズム斜面に対して異なる２方向から直角
に入射させ、入射したプリズム斜面と向かい合う斜面に
て全反射させることによりプリズム列側とは反対面より
垂直方向に２本の光を合成して取り出す構成としてい
る。

【００１４】また、本発明の偏光分離合成装置では、偏
光ビームスプリッタ及び偏光角回転手段を透過した光を
合成プリズム方向へ反射する反射ミラーとして一対の立
ち上げミラーを有し、光源、偏光ビームスプリッタ及び
偏光角回転手段の配置される平面と、合成プリズム及び
該合成プリズム透過後の光を用いる表示部が配置される
平面とが、前記立ち上げミラーを交線とする垂直の位置
関係になるよう立体的に配置することを特徴としてい
る。

【００１５】

【作用】偏光方向が混在する光を偏光ビームスプリッタ
により２本の直線偏光成分に分離し、分離された片方の
光を偏光板を透過させることにより、その偏光方向を９
０°回転させ他方の偏光方向と一致させた後、合成プリ
ズムへこの２本の光を導いて合成させるものであり、２
本の光を合成させる際に光の屈折作用を利用せず反射作
用のみを利用するため、出射光量の増大した、しかも色
収差の生じにくい出射光を得ることができる。

【００１６】また、光源、偏光ビームスプリッタ及び偏
光角回転手段の配置される平面と、合成プリズム及び該
合成プリズム透過後の光を用いる表示部が配置される平
面とを立体的に配置することにより、装置の小型化を実
現することができる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を用いて説明す
る。

【００１８】・実施例１図１は、本発明の偏光分離合成装置の平面図を表す。ま
ず、メタルハライドランプ、ハロゲンランプ、キセノン
ランプなど白色光を発する光源１から発せられた光は、
曲面鏡２にて反射することで平行光とされ、ミラー型偏
光ビームスプリッタ３を通過する際、透過光としてのＰ
偏光と反射光としてのＳ偏光に分離される。分離された
Ｓ偏光は、１／２波長板４を通過することで偏光面が９
０°回転し、Ｐ偏光へと変換された後合成プリズム６へ
入射する。上記偏光ビームスプリッタ３を透過したＰ偏
光は反射ミラー５によって反射され、合成プリズム６へ
と導かれる。

【００１９】図２は、合成プリズム６の詳細図である。
ここでプリズムの形状であるが、図３に示すようにある
光を合成プリズムに対して垂直に入射、垂直に出射させ
るとき、途中の全反射角をθとすると、プリズムの頂角
はそれぞれ９０°−θとなるため次式が成り立つ。

【００２０】３（９０°−θ）＝１８０° ゆえにθ＝３０°となり、図２に示す合成プリズム６の
各プリズム頂角２θは６０°となる。また、プリズム列
６Ａの反対面６Ｂはプリズム稜線８と平行に形成されて
いる。

【００２１】合成プリズム６へ入射する２本の光のう
ち、上記１／２波長板を透過した後の光をＰ１、反射ミ
ラー５により反射された後の光をＰ２とする。図２に示
すように、Ｐ１はプリズム斜面６Ｃに対して垂直に入射
するよう調整されている。このため、Ｐ１がプリズムに
入射する際屈折が起こらず、Ｐ１は入射角度のままプリ
ズム内を進行する。そして、プリズム斜面６Ｄでプリズ
ム法線７方向に全反射された後、プリズム列６Ａの反対
面６Ｂに対して垂直方向に合成プリズム６外へ出射され
る。これらのプリズム面での反射及びプリズムからの出
射に際しては光の屈折作用を利用していない。したがっ
て、光の波長の違いにより合成プリズム６での屈折率が
異なるといった現象は起こらず、すべての波長の光が同
一方向に進行することになり、出射光に色収差は発生し
ない。

【００２２】同様にして反射ミラー５により反射された
Ｐ２は、プリズム斜面６Ｄに対して垂直に入射した後入
射角度のままプリズム内を進行し、プリズム斜面６Ｃに
て全反射され、プリズム列６Ａの反対面６Ｂに対して垂
直に出射される。このＰ２出射光もＰ１出射光と同じく
屈折作用を利用していないため、波長に違いによる色収
差は発生しない。したがって、合成プリズム６に別々の
方向から直角に入射したＰ１、Ｐ２は色収差がなく、出
射角が一致した合成光として取り出される。そして、取
り出された合成光は図示されない液晶パネルへと導かれ
る。

【００２３】・実施例２図４は、本発明に係る偏光分離合成装置の第２の構成例
を表す。光源１から発せられた光は、曲面鏡２にて反射
することで平行光とされ、ミラー型偏光ビームスプリッ
タ３を通過する際、透過光としてのＰ偏光と反射光とし
てのＳ偏光に分離される。分離されたＰ偏光は、１／２
波長板４を通過することで偏光面が９０°回転しＳ偏光
（Ｓ１）へと変換された後反射ミラー５によって反射さ
れ、合成プリズム６へ入射するプリズム面に対して垂直
に入射する。上記偏光ビームスプリッタ３で反射された
Ｓ偏光（Ｓ２）は反射ミラー５によって反射された後、
入射するプリズム面に対して垂直に合成プリズム６へ入
射する。合成プリズム６に入射した２本の光Ｓ１、Ｓ２
は、図１で示した実施例の場合と同様にプリズム内の入
射したプリズム斜面と向かい合う斜面にて全反射され、
合成プリズム６のプリズム列の反対面より垂直方向に出
射される。このとき光の屈折作用を用いずにＳ偏光の合
成光として取り出すことができるため、その合成光は光
の波長の違いによる色収差の発生がない、出射角が一致
した光となる。

【００２４】・実施例３偏光分離合成装置のうち、光源、偏光ビームスプリッタ
及び偏光角回転手段からなる偏光交換光学系を構成する
偏光ビームスプリッタ３は、実際には図４で示したよう
な小さな入射角（図では３０°）で入射した光を分離で
きる性能を得ることは難しく、またコストも高くなる。
そのため、作製がしやすく安価である大きな入射角を利
用するビームスプリッタを用いることが望ましいが、こ
の場合は図５のごとく光源から合成プリズムまでの距離
が長くなり、さらに合成した光が導かれる液晶パネル
（図示せず）までの長さを考慮すると小型化が難しくな
る。

【００２５】図６は、本発明の偏光分離合成装置の第３
の実施例を表すものであり、偏光交換光学系と液晶パネ
ル部との配置が立体的になされる構成を示すものであ
る。図６（ａ）は、本発明の偏光分離合成装置の偏光交
換光学系の部分を上から見た図であり、図６（ｂ）は、
図６（ａ）における矢印方向より偏光交換光学系および
液晶パネル部を見た図である。

【００２６】図６（ａ）において光源１から発せられた
光は、大きな入射角（例えば７０°）で偏光ビームスプ
リッタ３に入射して、透過光としてのＰ偏光と反射光と
してのＳ偏光に分離される。透過したＰ偏光は立ち上げ
ミラー９により、紙面垂直方向に配置されている合成プ
リズム６に対して立ち上げられる。このとき、偏光方向
はθだけ回転した方向Ｐ’１となり、図６（ｂ）におい
て入射角が＋６０°、つまり入射するプリズム面に対し
て垂直であるように合成プリズムに入射する。偏光ビー
ムスプリッタ３で反射されたＳ偏光は、１／２波長板４
を透過することで偏光面が９０°回転しＰ偏光へと交換
された後、立ち上げミラー９により合成プリズム６に対
して立ち上げられ、偏光方向がθだけ回転した方向Ｐ’
２となって入射するプリズム面に対して垂直に入射す
る。

【００２７】合成プリズム６に入射した２本の光は、実
施例１で示した場合と同様にプリズム内の入射したプリ
ズム斜面と向かい合う斜面にて全反射され、合成プリズ
ム６のプリズム列の反対面より垂直方向に出射される。
そして出射された光は、液晶パネル１２とその両面をは
さむ偏光板１１、１３よりなる液晶パネル部へと導かれ
る。

【００２８】本実施例ではこのように、偏光交換光学系
及び液晶パネル部を立体的に配置することで、低コスト
で作製しやすい大きな入射角設定の偏光ビームスプリッ
タ３を使ったときでも、平面に配置する場合に比べてコ
ンパクトに装置を構成できる。

【００２９】出射した光は、２方向からの光が合成され
て図７に示すような楕円のスポット形状になり、その偏
光方向は楕円短軸方向に対してθだけ傾いた方向になっ
ている。そのため液晶パネル１２の両面にある偏光板１
１、１３の透過偏光光軸方向は、プリズムからの出射楕
円光の偏光光軸方向（例えば楕円偏光光軸方向からθ傾
いた方向）に対して平行、あるいは垂直になるように傾
けて構成する。

【００３０】また、合成プリズム６から出射した光を偏
光板１１に入射させる前に、λ／２偏光板１０を通して
出射光の偏光方向を短軸方向に揃える構成とすれば、偏
光板１１、１３の光軸を傾ける必要は無く、従来より用
いられている楕円光の短軸方向（液晶パネルの短辺方
向）の偏光を透過させる偏光板を用いることができるた
め、コストアップを防ぐことができる。

【００３１】さらに、図８のごとくビームスプリッタ３
とミラー９の間にλ／２偏光板１０、１０’を配置し、
合成プリズム６からの出射時に各光の偏光方向が楕円短
軸方向に揃うように、入射光の偏光方向を回転させる構
成とすれば、ビームスプリッタ３で反射された光も一度
偏光板を透過するだけでよいため、光量の減少が少な
く、光を効率よく利用することができる。

【００３２】なお、各実施例において偏光ビームスプリ
ッタとしてミラータイプのものを用いたが、プリズムタ
イプのものを用いることも可能である。また、偏光角回
転手段としては１／２波長板を用いたが、９０°ツイス
トのＴＮ型液晶素子を用いることも可能である。さら
に、出射光はＳ偏光に一致させてもＰ偏光に一致させて
も得られる効果は同様である。

【００３３】

【発明の効果】本発明の偏光分離合成装置では、偏光方
向が混在する白色光を光源とし、光源から発せられた光
を偏光ビームスプリッタにて偏光方向が異なる２本の直
線偏光成分に分離し、一方の光成分を１／２波長板を透
過させ、もう一方の光成分と偏光方向を一致させた後、
合成プリズムを用いて１本の直線偏光の光として合成し
て取り出すが、合成の際、光の屈折作用を用いないこと
からプリズムの材料特性による屈折率や波長分散の影響
が現れず、さらに光の波長の違いによる屈折率の差を起
因とした色収差の生じない光を合成することが可能であ
る。

【００３４】また、偏光分離合成装置の偏光交換光学系
と液晶パネル部を立体的に配置することにより、低コス
トで作製のしやすい大きな入射角設定の偏光ビームスプ
リッタを利用しても、装置の小型化を実現することがで
きる。

【００３５】さらに、偏光ビームスプリッタにより分離
された２本の光は同一の合成プリズム出射面より重なっ
て合成プリズムから出射されるため、出射光の広がりが
抑えられた照度の高い光として取り出すことができる。

【００３６】出射光の形状は、合成プリズムのプリズム
形状を小型化して連続して並べていくことで、入射時の
各成分光が円形状であるのに対し、長径が短径の約２倍
の楕円形状となる。液晶プロジェクションテレビでは、
一般にモニタ画面形状が横長であることから、横長の光
有効画面を取り出す際に出射光形状が円形である場合よ
り光の使用有効効率がよくなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る偏光分離合成装置の第１の実施例
を表す図である。

【図２】本発明に係る偏光分離合成装置の合成プリズム
部の詳細図である。

【図３】プリズム形状の説明図である。

【図４】本発明に係る偏光分離合成装置の第２の実施例
を表す図である。

【図５】本発明に係る偏光分離合成装置の不都合な点を
説明する図である。

【図６】本発明に係る偏光分離合成装置の第３の実施例
を表す図である。

【図７】合成プリズムから出射した光の偏光方向を説明
する図である。

【図８】第３の実施例の他の構成例を表す図である。

【図９】従来例の偏光分離合成装置を表す図である。

【図１０】従来例の偏光分離合成装置の合成プリズム部
の詳細図である。

【図１１】アクリル材（メチルメタクリレート）の光の
波長と屈折率との相関図を表す。

【符号の説明】

１光源２曲面鏡３偏光ビームスプリッタ４１／２波長板５反射ミラー６合成プリズム７プリズム法線８プリズム稜線９立ち上げミラー１２液晶パネル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】白色光を発する光源と、光源から発せら
れた光を偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタと、
光の偏光面を回転させる偏光角回転手段と、プリズム頂
角が６０°であるプリズム列を片面に有し、反対面は前
記プリズム列の稜線と平行であるよう形成された合成プ
リズムとを備え、光源から発せられた光は前記偏光ビームスプリッタによ
りＰ偏光成分とＳ偏光成分に分離され、この分離された
偏光成分光のうちどちらか一方の偏光面を前記偏光角回
転手段を透過させることにより９０°回転させて他方の
光と同一の偏光方向とし、各偏光成分光をプリズム列の
プリズム斜面に対して異なる２方向から直角に入射さ
せ、入射したプリズム斜面と向かい合う斜面にて全反射
させることによりプリズム列側とは反対面より垂直方向
に２本の光を合成して取り出すことを特徴とする偏光分
離合成装置。
【請求項２】請求項１記載の偏光分離合成装置におい
て、偏光ビームスプリッタ及び偏光角回転手段を透過した光
を合成プリズム方向へ反射する反射ミラーとして一対の
立ち上げミラーを有し、光源、偏光ビームスプリッタ及
び偏光角回転手段の配置される平面と、合成プリズム及
び該合成プリズム透過後の光を用いる表示部が配置され
る平面とが、前記立ち上げミラーを交線とする垂直の位
置関係になるよう立体的に配置することを特徴とする偏
光分離合成装置。