JPH10197827A - Polarized light separating element and projection type display device using the same - Google Patents

Polarized light separating element and projection type display device using the same

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JPH10197827A
JPH10197827A JP9002656A JP265697A JPH10197827A JP H10197827 A JPH10197827 A JP H10197827A JP 9002656 A JP9002656 A JP 9002656A JP 265697 A JP265697 A JP 265697A JP H10197827 A JPH10197827 A JP H10197827A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To easily obtain a thin-shaped high-efficiency polarized light separating element by constituting the polarized light separating element of a diffraction grating and an optical anisotropic layer formed adjacent to the diffraction grating. SOLUTION: This polarized light separating element 101 is constituted of the diffraction grating 102 and a double refraction layer 103. The diffraction grating 102 is formed by using an isotropic transparent substrate whose refractive index is N0. The double refraction layer 103 is constituted by orienting the positive uniaxial optical anisotropic body so that the optical axis may be aligned with the (z)-axis direction. As for the double refraction layer 103, the refractive index is N1 in the (z)-axis direction and the refractive index is N2 in an (y)-axis direction, and N1>N2 is established. In the case of selecting so that N0≈N1 may be satisfied, the first-order polarized light 104A out of the incident light 104 goes straight through the polarized light separating element 101 as it is, then, the light 104A is emitted. Since N0>N2 is established, the diffraction grating 102 works on the second-order polarized light 104B, then, the second order polarized light 104B is diffracted and emitted.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、主に光の偏光を利
用する空間光変調素子を照明する際に用いる偏光分離素
子と、当該偏光分離素子を用いた投写型表示装置に関す
る。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a polarization separation element used mainly for illuminating a spatial light modulation element utilizing the polarization of light, and a projection display device using the polarization separation element.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、原画像を投写レンズを用いて拡大
投影する投写型表示装置として、CRTを用いるもの、
光源と空間光変調素子を用いるもの、が知られている。
空間光変調素子としては、ツイストネマチック液晶を用
いた透過型の液晶パネルが知られており、投写器の小型
化が容易であること、画素数の豊富なパネルを用いれば
高精細な画像を投影できること、直視用途で液晶パネル
の量産技術が確立されていること、などから広く実用化
されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, a CRT has been used as a projection display apparatus for enlarging and projecting an original image using a projection lens,
A device using a light source and a spatial light modulator is known.
As a spatial light modulator, a transmission type liquid crystal panel using twisted nematic liquid crystal is known, and it is easy to miniaturize the projector, and a high definition image is projected by using a panel with a large number of pixels. It has been widely put to practical use because it can be used and mass-production technology for liquid crystal panels has been established for direct viewing.

【0003】ツイストネマチック液晶は光の偏光を利用
するので、このような空間光変調素子は入射側と出射側
に偏光子を備える。空間光変調素子を照明する光のう
ち、入射側の偏光子を通過した直線偏光の光の偏光状態
を空間的に変化せしめ、出射側の偏光子を通過する光量
を制御して光学像を形成する。
[0003] Twisted nematic liquid crystal uses the polarization of light, and thus such a spatial light modulator has polarizers on the incident side and the output side. Of the light that illuminates the spatial light modulator, spatially changes the polarization state of linearly polarized light that has passed through the polarizer on the incident side, and controls the amount of light that passes through the polarizer on the output side to form an optical image. I do.

【0004】空間光変調素子を用いた投写型表示装置
は、一般に、自然光を放射するランプを用いて空間光変
調素子を照明する。空間光変調素子が光の偏光を利用す
るものである場合、入射側の偏光子はランプの放射する
自然光の約半分の光しか通過させず、これ以外の光は反
射あるいは吸収されて損失となる。
A projection display device using a spatial light modulator generally illuminates the spatial light modulator using a lamp that emits natural light. When the spatial light modulator uses the polarization of light, the polarizer on the incident side transmits only about half of the natural light emitted by the lamp, and the other light is reflected or absorbed and lost. .

【0005】これに対し、偏光変換とよばれる技術が各
種提案されている。これは、光源の自然光を、必要な偏
光成分の光と、これと直交する偏光成分の光にあらかじ
め分離し、そのままでは利用できない偏光成分の光の偏
波面を90度回転させて、2つの光の偏波面を揃えた後
に空間光変調素子に供給し、これらを利用しようとする
ものである。
On the other hand, various techniques called polarization conversion have been proposed. This is because natural light of a light source is separated into light of a required polarization component and light of a polarization component orthogonal to the light in advance, and the polarization plane of the polarization component light that cannot be used as it is is rotated by 90 degrees to produce two lights. After the polarization planes are aligned, they are supplied to a spatial light modulator, and these are used.

【0006】従って、偏光変換を用いた投写型表示装置
には、自然光を互いに偏光方向の直交する2つの偏光成
分の光に分離する偏光分離素子と、分離した片方の偏光
光の偏波面を90度回転させる偏波面回転素子が必要で
ある。偏光分離素子としては、ブリュースター角と干渉
を利用した偏光分離多層膜が広く知られており、平板
型、プリズム型の偏光分離素子がある。
Therefore, a projection type display device using polarization conversion includes a polarization splitting element for splitting natural light into two polarized light components having polarization directions orthogonal to each other, and a polarization plane of one of the separated polarized light beams. It is necessary to provide a polarization plane rotation element for rotating the polarization plane. As the polarization separation element, a polarization separation multilayer film utilizing Brewster's angle and interference is widely known, and there are a plate type and a prism type polarization separation element.

【0007】一方、偏波面回転素子としては、λ/2板
と呼ばれる位相フィルムが一般に知られている。これ
は、光学的に透明な有機フィルムを一軸方向に延伸させ
て光学異方性を与えたもので、その厚みと光学異方性を
制御して透過する光に波長λの1/2に相当する位相差
を与えるものである。
On the other hand, a phase film called a λ / 2 plate is generally known as a polarization plane rotating element. This is an optically transparent organic film stretched uniaxially to give it an optical anisotropy. The thickness and optical anisotropy are controlled and the transmitted light is equivalent to half the wavelength λ. This gives a phase difference.

【0008】λ/2板に、光学軸に対して45度の方向
に偏波面を有する直線偏光の光を入射させた場合、出射
光は偏波面が90度回転した直線偏光となる。
When linearly polarized light having a plane of polarization in the direction of 45 degrees with respect to the optical axis is incident on the λ / 2 plate, the emitted light becomes linearly polarized light with the plane of polarization rotated by 90 degrees.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】従来から提案されてい
る偏光変換の構成ないしはこれに用いる光学系は、いず
れもその本来の目的から、十分な効果を得るものではな
い。
None of the conventionally proposed configurations of polarization conversion or the optical systems used therefor achieve satisfactory effects from their original purpose.

【0010】以下、光源から空間光変調素子に至る光路
において、空間光変調素子が本来利用する偏光方向の光
について1次偏光と呼び、偏波面を回転させる前にこれ
と直交する偏光方向の光について2次偏光と呼ぶ。ま
た、1次偏光の通過する光路について1次光軸とし、2
次偏光の通過する光路について2次光軸とする。
Hereinafter, in the optical path from the light source to the spatial light modulator, the light in the polarization direction originally used by the spatial light modulator is referred to as primary polarization, and the light in the polarization direction orthogonal to this is rotated before the polarization plane is rotated. Is called secondary polarization. An optical path through which the primary polarized light passes is defined as a primary optical axis, and
The optical path through which the secondary polarized light passes is defined as a secondary optical axis.

【0011】偏光変換を実現する場合、1次偏光と2次
偏光の両方について、光学系全体の光利用効率が十分に
高くなくてはいけない。偏光変換を用いることで、用い
ない場合と比較して1次偏光の効率が大きく低下する
と、偏光変換を導入したことによる光利用効率の増加が
目減りし、明るさを向上させるという本来の目的を十分
に達成できない。
In order to realize the polarization conversion, the light use efficiency of the entire optical system must be sufficiently high for both the primary polarized light and the secondary polarized light. When the primary conversion efficiency is greatly reduced by using the polarization conversion as compared with the case where the polarization conversion is not used, the original purpose of increasing the light use efficiency due to the introduction of the polarization conversion is reduced and the brightness is improved. Not enough.

【0012】また、2次偏光は、空間光変調素子を照明
する光の明るさむらや色むらを増加させるものであって
はいけない。照明光の照明むらは、投写画像の輝度むら
や色むらとなるので問題がある。
Further, the secondary polarization must not increase uneven brightness or color of light illuminating the spatial light modulator. There is a problem because the illumination unevenness of the illumination light causes uneven brightness and color of the projected image.

【0013】更に、偏光変換を実現する手段は、1次偏
光と2次偏光の光路長を著しく長くせしめるもの、光学
系の大きさを大きく増加せしめるもの、光学系のコスト
を著しく高価にするもの、であってはいけない。長い光
路での光損失が増加する、投写型表示装置が大きくな
る、高価になる、という問題を生じる。
[0013] Further, means for realizing polarization conversion are those which significantly increase the optical path length of primary polarized light and secondary polarized light, those which greatly increase the size of the optical system, and those which significantly increase the cost of the optical system. Don't be. Problems such as an increase in light loss in a long optical path, an increase in the size of the projection display device, and an increase in cost are caused.

【0014】上記理由から、従来の偏光変換技術とし
て、特開平3−13983号公報、特開平4−6331
8号公報、特開平4−177335号公報、特開平5−
27203号公報、特開平7−64075号公報、に記
載されるものは、十分ではない。いずれも偏光分離多層
膜を蒸着したプリズムを用いるので、偏光分離素子が高
価である、大型である、1次偏光と2次偏光の光路長を
増加せしめる、光源から空間光変調素子に至る光路長が
1次偏光と2次偏光で大きく異なる、投写画像を明るく
するという効果が十分ではない、という問題を有する。
For the above reasons, conventional polarization conversion techniques are disclosed in JP-A-3-13983 and JP-A-4-6331.
8, JP-A-4-177335, JP-A-5-177
No. 27203 and JP-A-7-64075 are not sufficient. Both use a prism on which a polarization separation multilayer film is deposited, so the polarization separation element is expensive, large, increases the optical path length of primary polarized light and secondary polarized light, and the optical path length from the light source to the spatial light modulator. However, there is a problem that the primary polarized light and the secondary polarized light are greatly different from each other, and the effect of brightening the projected image is not sufficient.

【0015】特に、光源から空間光変調素子に至る光路
長を1次偏光と2次偏光で同一とすることは重要であ
る。1次偏光と2次偏光の両方について、光源から出射
する光を集光し、伝達し、照明する条件を同じにでき
る。これは、両方の偏光方向の光について、光利用効率
を高くすること、照明光の均一性を同程度とすること、
が容易となるので好ましい。明るく、表示むらの少ない
投写画像を提供できる。
In particular, it is important that the optical path length from the light source to the spatial light modulator is the same for primary polarized light and secondary polarized light. The conditions for collecting, transmitting, and illuminating the light emitted from the light source can be the same for both the primary polarized light and the secondary polarized light. This means that the light use efficiency of the light in both polarization directions should be high, the uniformity of the illumination light should be the same,
This is preferred because it becomes easier. It is possible to provide a projection image which is bright and has little display unevenness.

【0016】これに対し、特開平3−174502号公
報に開示される偏光分離素子は、2つのプリズムの界面
に光学軸を揃えた一軸性複屈折材料を挟み込んだもの
で、2つの偏光方向のいずれかのみを選択的に全反射さ
せて、偏光を分離するものである。これは、耐熱性と偏
光分離効率に優れたものであるが、偏光分離素子が大き
く、バルク上のガラスプリズムを使用するので高価であ
る。また、作用する光路長が長くなるので問題がある。
On the other hand, the polarized light separating element disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 3-174502 has a structure in which a uniaxial birefringent material whose optical axes are aligned is sandwiched between two prisms. Only one of them is selectively totally reflected to separate polarized light. Although this is excellent in heat resistance and polarization separation efficiency, it is expensive because the polarization separation element is large and a glass prism on a bulk is used. Further, there is a problem because the length of the optical path that acts is long.

【0017】また、特開平4−234016号公報に開
示される光学系は、1次偏光と2次偏光について、光源
から空間光変調素子に至る光路長を同一としている。こ
れは、両方の偏光の光を同じ条件で扱う上で好ましい
が、当該公報に開示される構成は、全体の光路長が長
く、セット全体の大きさが大きくなるという問題があ
る。また、部品点数も多い。
The optical system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 4-234016 has the same optical path length from the light source to the spatial light modulator for primary polarized light and secondary polarized light. This is preferable in that both polarized lights are handled under the same conditions, but the configuration disclosed in the publication has a problem that the entire optical path length is long and the size of the entire set becomes large. Also, the number of parts is large.

【0018】更に、特開平6−202094号公報に開
示される光学系は、薄型の偏光分離素子を用いて、1次
偏光と2次偏光の両方を利用できる光学系の一例を開示
している。この光学系の構成を(図13)に示す。
Further, the optical system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-202094 discloses an example of an optical system that can use both primary polarized light and secondary polarized light by using a thin polarization separation element. . The configuration of this optical system is shown in FIG.

【0019】ランプ901より放射される自然光は、放
物面鏡902により集光され、第1レンズアレイ90
4、第2レンズアレイ905、を経て、液晶パネル90
7を照明する。第1レンズアレイ904は照明光束を分
割し、分割後の光束は第2レンズアレイ905により適
当な大きさに拡大される。凸レンズ908は、分割され
た各光束をパネル上に重畳させる。パネル近傍の凸レン
ズ909は、照明光の各画角における主光線を光軸と平
行にする。
The natural light radiated from the lamp 901 is condensed by the parabolic mirror 902 and the first lens array 90
4, through the second lens array 905, the liquid crystal panel 90
Illuminate 7. The first lens array 904 splits the illumination light beam, and the split light beam is enlarged to an appropriate size by the second lens array 905. The convex lens 908 superimposes each split light beam on the panel. The convex lens 909 near the panel makes the principal ray of the illumination light at each angle of view parallel to the optical axis.

【0020】903は偏光分離素子であり、その構成の
一例を(図14)に示す。これは、1次偏光の光と二次
偏光の光を、進行方向が角θだけ異なる光として出射せ
しめる。これにより、第1レンズアレイ904が第2レ
ンズアレイ905の開口上に収斂せしめる光束のスポッ
トが、一次偏光と二次偏光で、角θの方向に所定距離だ
けずれる。第2レンズアレイ905の開口近傍におい
て、二次偏光の収斂されたスポットにのみ選択的に位相
差板906を作用させてこの偏波面を90度回転させ
て、第2レンズアレイ905から出射する1次偏光と二
次偏光の光の偏波面を同一方向に揃える。これを、液晶
パネル907の入射側偏光板の偏光方向に対応させれ
ば、光利用効率の高い光学系を実現できる。
Reference numeral 903 denotes a polarization splitting element, an example of which is shown in FIG. This causes the primary polarized light and the secondary polarized light to be emitted as light whose traveling directions differ by an angle θ. As a result, the spot of the light beam that the first lens array 904 converges on the opening of the second lens array 905 is shifted by a predetermined distance in the direction of the angle θ between the primary polarized light and the secondary polarized light. In the vicinity of the opening of the second lens array 905, the phase difference plate 906 is selectively acted only on the converged spot of the secondary polarized light to rotate the plane of polarization by 90 degrees, and the light emitted from the second lens array 905 The planes of polarization of the secondary polarized light and the secondary polarized light are aligned in the same direction. If this is made to correspond to the polarization direction of the incident-side polarizing plate of the liquid crystal panel 907, an optical system with high light use efficiency can be realized.

【0021】偏光分離素子903の構成の一例を補足す
る。911は鋸歯状のプリズムアレイ基板、912は平
面基板、913は複屈折光学材料層であり、液晶層、有
機フィルム、モノマー、などが利用できるとされる。屈
折率が等方性であるプリズムに隣接させて複屈折材料か
らなるプリズム層を組み合わせ、プリズム界面における
屈折の条件を直交する偏光方向について異ならしめて、
2つの偏光光を分離させて進行方向を異ならせること
は、ウォラストンプリズムとして広く知られる。偏光分
離素子903は、これをアレイ状にしたものであり、一
般に複屈折材料として高価な方解石を用いる点を、液晶
やモノマーなどの有機材料を一軸方向に配向させて利用
しようとするものである。
An example of the configuration of the polarization separation element 903 will be supplemented. Reference numeral 911 denotes a sawtooth-shaped prism array substrate, 912 denotes a plane substrate, and 913 denotes a birefringent optical material layer, and a liquid crystal layer, an organic film, a monomer, and the like can be used. Combining a prism layer made of a birefringent material adjacent to a prism whose refractive index is isotropic, and changing the condition of refraction at the prism interface for orthogonal polarization directions,
Separating two polarized lights so that the traveling directions are different from each other is widely known as a Wollaston prism. The polarized light separating element 903 is an array of the polarized light separating elements 903, and generally uses expensive calcite as a birefringent material by using an organic material such as a liquid crystal or a monomer in a uniaxial direction. .

【0022】偏光分離素子903は、原理的に上記作用
は得られるものの、実際には以下の課題を有する。液晶
や有機フィルムは比較的熱に弱いので、高熱を発する光
源の近傍に配置して使用する上で問題がある。
Although the above-described operation can be obtained in principle, the polarization beam splitter 903 actually has the following problems. Since the liquid crystal and the organic film are relatively weak to heat, there is a problem in using the liquid crystal or the organic film arranged near a light source emitting high heat.

【0023】また、鋸歯状のプリズムアレイは、良好な
形状を加工することを考慮すれば、この周期ピッチが少
なくとも1mm以上は必要と考えられる。この場合、複
屈折材料層の厚みも、少なくとも1mm程度は必要とな
る。液晶などの複屈折性を有する分子を、磁界や電界、
ラビング、などの方法により一軸方向に配向させること
は広く知られているが、一般に配向できるのは大きくて
も数十ミクロンの厚みとされており、数ミリの厚い層全
体を均一に良好に配向させる方法や材料は広く知られて
いるものではない。この点については、特開平6−20
2094号公報に開示されてはいない。
It is considered that the periodic pitch of the sawtooth prism array is required to be at least 1 mm or more in consideration of processing a good shape. In this case, the thickness of the birefringent material layer also needs to be at least about 1 mm. Birefringent molecules such as liquid crystals are converted into magnetic fields, electric fields,
It is widely known that the film can be uniaxially oriented by rubbing or the like, but generally it can be oriented at most to a thickness of several tens of microns. The methods and materials used are not widely known. Regarding this point, see JP-A-6-20
No. 2094 is not disclosed.

【0024】従って、上記構成の偏光分離素子とこれを
用いた投写型表示装置は、所望の作用を有する偏光分離
素子を具現化する上で、大きな問題がある。
Therefore, the polarizing beam splitter having the above structure and the projection display device using the same have a serious problem in realizing a polarizing beam splitter having a desired function.

【0025】更に、特開平8−234205号公報は、
上記点を鑑みてなされ、偏光分離素子として、バルク状
のプリズムに多層膜からなる偏光選択性ミラーを組み合
わせた構成を開示している。小さな偏光選択性プリズム
をアレイ状に並べて、薄型の偏光分離素子を構成する方
法の一例も開示されている。
Further, JP-A-8-234205 discloses that
In view of the above, a configuration is disclosed in which a polarization-selective mirror composed of a multilayer film is combined with a bulk prism as a polarization separation element. An example of a method of configuring a thin polarization separation element by arranging small polarization selective prisms in an array has also been disclosed.

【0026】しかし、このいずれの方式も、プリズムを
配置するために長い光路長を必要とする、プリズムが高
価である、プリズムアレイの構成が複雑で十分な効率が
得られない、といった問題を有する。
However, each of these methods has a problem that a long optical path length is required for disposing the prism, the prism is expensive, and the configuration of the prism array is complicated and sufficient efficiency cannot be obtained. .

【0027】本発明は上記問題を鑑みてなされたもので
あり、具現化が比較的容易な薄型で効率の高い偏光分離
素子を提供することを目的とする。更に、当該偏光分離
素子を用いて、光利用効率が高く明るい表示画像を提供
する投写型表示装置を提供することを目的とする。
The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a thin and highly efficient polarization separation element which is relatively easy to realize. Further, it is another object of the present invention to provide a projection display device that provides a bright display image with high light use efficiency by using the polarization separation element.

【0028】[0028]

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めに本発明の第1の偏光分離素子は、入射する自然光
を、方位Aに電界の振動成分を有するA偏光成分と、方
位Aと直交する方位Bに電界の振動成分を有するB偏光
成分に分離して出射せしめる偏光分離素子であって、入
射光の光軸に略直交して配置される透光性基板と、基板
表面に沿った一軸方向Cに周期構造を有する回折格子
と、回折格子に隣接して形成される光学異方体層とから
なり、光学異方体層は基板表面上において方向Cとこれ
と直交する方向Dに異なる屈折率を有し、回折格子は、
A偏光成分ないしはB偏光成分のいずれか1つの偏光成
分についてのみ選択的に作用して当該偏光成分の光を所
定角度だけ回折せしめ、A偏光成分の光とB偏光成分の
光は互いに進行方向の異なる光としてこれらを出射せし
めるものとする。
In order to solve the above-mentioned problems, a first polarization splitting element of the present invention converts an incident natural light into an A-polarized component having an electric field vibration component in an azimuth A, and an A-polarized component. A polarization splitting element for separating and emitting a B-polarized component having an electric field vibration component in an orthogonal azimuth B, and comprising: a light-transmitting substrate disposed substantially orthogonal to an optical axis of incident light; A diffraction grating having a periodic structure in a uniaxial direction C, and an optically anisotropic layer formed adjacent to the diffraction grating, and the optically anisotropic layer is formed on the substrate surface in a direction C and a direction D orthogonal thereto. And the diffraction grating has
Only one of the A-polarized component and the B-polarized component acts selectively to diffract the light of the polarized component by a predetermined angle, and the light of the A-polarized component and the light of the B-polarized component move in the traveling direction of each other. These are emitted as different lights.

【0029】また、上記問題点を解決するために本発明
の第1の投写型表示装置は、自然光を放射する光源と、
光源の放射する光を集光せしめて略一軸方向に進行する
光を形成する集光手段と、集光手段から出射する光が入
射する偏光分離素子と、偏光分離素子の近傍に配置され
る第1レンズアレイと、第1レンズアレイから出射する
光が入射する第2レンズアレイと、第2レンズアレイの
近傍に配置されて当該レンズアレイを通過する光の一部
について選択的に作用せしめる偏波面回転手段と、第2
レンズアレイから出射する光が照射される空間光変調素
子と、空間光変調素子上の光学像を投影する投写レンズ
とを備え、偏光分離素子は上記記載の第1の偏光分離素
子であり、空間光変調素子は直線偏光の光に作用して光
学像を形成し、第1レンズアレイは複数の第1レンズを
二次元状に配列してなり、第2レンズアレイは第1レン
ズと対をなす複数の第2レンズを二次元状に配列してな
り、互いに進行方向の異なるA偏光成分の光とB偏光成
分の光は第1レンズにより対応する第2レンズの開口の
異なる位置に収斂せしめられ、偏波面回転手段は第2レ
ンズの開口上のいずれか1つの偏光成分の光にのみ選択
的に作用して当該偏光成分の光の偏波面を略90度回転
せしめ、空間光変調素子に照射されるA偏光成分の光の
偏波面とB偏光成分の光の偏波面とを略一致せしめてこ
れらを利用するようにしたものである。
Further, in order to solve the above problems, a first projection type display device according to the present invention comprises a light source which emits natural light,
A light condensing means for condensing the light emitted by the light source to form light traveling in a substantially uniaxial direction; a polarization separation element to which light emitted from the light condensing means is incident; and a light separation element disposed near the polarization separation element. One lens array, a second lens array on which light emitted from the first lens array is incident, and a polarization plane disposed near the second lens array and selectively acting on a part of light passing through the lens array Rotating means, second
A spatial light modulation element that is irradiated with light emitted from the lens array; and a projection lens that projects an optical image on the spatial light modulation element, wherein the polarization separation element is the first polarization separation element described above, The light modulating element acts on linearly polarized light to form an optical image, the first lens array has a plurality of first lenses arranged two-dimensionally, and the second lens array forms a pair with the first lens. A plurality of second lenses are two-dimensionally arranged, and the A-polarized light component and the B-polarized light component having different traveling directions are converged by the first lens at different positions of the corresponding openings of the second lens. The polarization plane rotating means selectively acts on only one of the polarized light components on the aperture of the second lens to rotate the polarized light plane of the polarized light component by approximately 90 degrees, and irradiates the spatial light modulator. Polarization plane of the A-polarized light component and B-polarized light It is obtained so as to take advantage of these and polarization of light allowed substantially coincide.

【0030】また、上記問題点を解決するために本発明
の第2の偏光分離素子は、入射する自然光を、方位Aに
電界の振動成分を有するA偏光成分と、方位Aと直交す
る方位Bに電界の振動成分を有するB偏光成分に分離し
て出射せしめる偏光分離素子であって、当該偏光分離素
子は複数単位の偏光分離要素を二次元状に配列して構成
し、偏光分離要素の1単位は、A偏光成分の光とB偏光
成分の光が所定方向に所定の分離角を成して互いに進行
方向が異なるように出射せしめるものであり、偏光分離
要素の少なくともいずれかについて分離角を異ならしめ
るようにするものである。
Further, in order to solve the above problem, the second polarization splitting element of the present invention converts an incident natural light into an A polarization component having an electric field vibration component in an azimuth A and an azimuth B component orthogonal to the azimuth A. A polarization separation element that separates and emits a B-polarization component having an electric field vibration component. The polarization separation element is configured by arranging a plurality of units of polarization separation elements in a two-dimensional manner. The unit is to cause the light of the A-polarized light component and the light of the B-polarized light component to emit at a predetermined separation angle in a predetermined direction so that the traveling directions are different from each other. It is to make them different.

【0031】望ましくは、本発明の第2の偏光分離素子
において、偏光分離要素は、入射光の光軸に略直交して
配置される透光性基板と、基板表面に沿った一軸方向C
に周期構造を有する回折格子と、回折格子に隣接して形
成される光学異方体層とからなり、光学異方体層は基板
表面上において方向Cとこれと直交する方向Dに異なる
屈折率を有し、回折格子は、A偏光成分ないしはB偏光
成分のいずれか1つの偏光成分についてのみ選択的に作
用して当該偏光成分の光を所定角度だけ回折せしめ、回
折格子のピッチを異ならしめて当該偏光分離要素の分離
角を適切に異ならしめるようにするものである。
Preferably, in the second polarization splitting element of the present invention, the polarization splitting element includes a light-transmitting substrate disposed substantially orthogonal to the optical axis of the incident light, and a uniaxial direction C along the substrate surface.
A diffraction grating having a periodic structure, and an optically anisotropic layer formed adjacent to the diffraction grating. The optically anisotropic layer has different refractive indices on a substrate surface in a direction C and a direction D orthogonal thereto. The diffraction grating selectively acts on only one of the A-polarization component and the B-polarization component to diffract light of the polarization component by a predetermined angle, and changes the pitch of the diffraction grating to change the diffraction grating pitch. This is to make the separation angles of the polarization separation elements different from each other appropriately.

【0032】更に、上記問題点を解決するために本発明
の第2の投写型表示装置は、自然光を放射する光源と、
光源の放射する光を集光せしめて略一軸方向に進行する
光を形成する集光手段と、集光手段から出射する光が入
射する偏光分離素子と、偏光分離手段の近傍に配置され
る第1レンズアレイと、第1レンズアレイから出射する
光が入射する第2レンズアレイと、第2レンズアレイの
近傍に配置されて当該レンズアレイを通過する光の一部
について選択的に作用せしめる偏波面回転手段と、第2
レンズアレイから出射する光が照射される空間光変調素
子と、空間光変調素子上の光学像を投影する投写レンズ
とを備え、空間光変調素子は直線偏光の光に作用して光
学像を形成し、第1レンズアレイは複数の第1レンズを
二次元状に配列してなり、第2レンズアレイは第1レン
ズと対をなす複数の第2レンズを二次元状に配列してな
り、偏光分離素子は上記本発明の第2の偏光分離素子で
あり、偏光分離素子は対応する第1レンズの位置に応じ
て偏光分離角を異ならしめ、互いに進行方向の異なるA
偏光成分の光とB偏光成分の光は第1レンズにより対応
する第2レンズの開口の異なる位置に隣接して収斂せし
められ、偏波面回転手段は第2レンズの開口上のいずれ
か1つの偏光成分の光にのみ選択的に作用して当該偏光
成分の光の偏波面を略90度回転せしめ、空間光変調素
子に照射されるA偏光成分の光の偏波面とB偏光成分の
光の偏波面を略一致せしめてこれを利用するようにした
ものである。
Further, in order to solve the above problem, a second projection type display device according to the present invention comprises a light source which emits natural light,
A light condensing means for condensing light emitted from the light source to form light traveling substantially in a uniaxial direction; a polarization separation element to which light emitted from the light condensing means is incident; One lens array, a second lens array on which light emitted from the first lens array is incident, and a polarization plane disposed near the second lens array and selectively acting on a part of light passing through the lens array Rotating means, second
Equipped with a spatial light modulator that irradiates light emitted from the lens array, and a projection lens that projects an optical image on the spatial light modulator. The spatial light modulator acts on linearly polarized light to form an optical image. The first lens array has a plurality of first lenses arranged two-dimensionally, and the second lens array has a plurality of second lenses paired with the first lens arranged two-dimensionally. The separation element is the above-mentioned second polarization separation element of the present invention, and the polarization separation element varies the polarization separation angle according to the position of the corresponding first lens, and has different traveling directions from each other.
The light of the polarization component and the light of the B polarization component are converged by the first lens adjacent to different positions of the corresponding apertures of the second lens, and the polarization plane rotation means operates any one of the polarizations on the aperture of the second lens. Selectively act on the component light to rotate the plane of polarization of the polarized component light by approximately 90 degrees, thereby irradiating the spatial light modulator with the polarized plane of the A polarized component light and the B polarized component light. The wavefronts are substantially matched to use this.

【0033】[0033]

【発明の実施の形態】本発明は、偏光分離素子として回
折格子と一軸性の光学異方体層を組み合わしてなること
を特徴とする。本発明の具体的な説明に先立ち、まず、
回折格子に関する一般的な公知事項を述べる。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention is characterized in that a polarization grating is formed by combining a diffraction grating and a uniaxial optically anisotropic layer. Prior to the specific description of the present invention, first,
The general public knowledge about the diffraction grating will be described.

【0034】(図1)は、鋸歯状の微小構造を周期的に
形成してなる回折格子11の一例である。鋸歯形状の周
期ピッチをD、最大高さ(深さ)をHとする。
FIG. 1 shows an example of a diffraction grating 11 in which sawtooth-shaped minute structures are periodically formed. The periodic pitch of the sawtooth shape is D, and the maximum height (depth) is H.

【0035】ここで、基板の法線方向から入射する波長
λ[m]の光12に対して、最大高さH[m]が2πの
位相差を与えるようにすると、入射光12のほぼ全てが
+1次の回折光として角θだけ折れ曲がり、出射光1
2’となる。
Here, if the maximum height H [m] gives a phase difference of 2π to the light 12 of wavelength λ [m] incident from the normal direction of the substrate, almost all of the incident light 12 Are bent by the angle θ as the + 1st-order diffracted light, and the outgoing light 1
2 '.

【0036】この場合、最大高さH[m]について(数
1)であり、回折角θについて、(数2)である。但
し、Nsは回折格子基板の屈折率、Naは回折格子を包
む媒質の屈折率、である。
In this case, the maximum height H [m] is (Equation 1), and the diffraction angle θ is (Equation 2). Here, Ns is the refractive index of the diffraction grating substrate, and Na is the refractive index of the medium surrounding the diffraction grating.

【0037】[0037]

【数1】 (Equation 1)

【0038】[0038]

【数2】 (Equation 2)

【0039】(図2)は、バイナリ光学素子として知ら
れる回折格子15の構成例である。これは、(図1)の
鋸歯状の微小構造を階段状のステップ構造で近似したも
のである。この場合、階段の平坦部の階数をレベル数と
呼び、回折格子15は7レベルの場合を図示している。
FIG. 2 shows a configuration example of the diffraction grating 15 known as a binary optical element. This is an approximation of the saw-tooth microstructure of FIG. 1 with a step-like step structure. In this case, the number of levels of the flat portion of the stairs is called the number of levels, and the case where the diffraction grating 15 has seven levels is illustrated.

【0040】バイナリ光学素子は、半導体露光装置(ス
テッパ光学系)を用いたフォトリソグラフィにより、微
細な形状が比較的容易に形成できる利点がある。この場
合も、高さHの与える位相差を2πとすれば、入射する
光16の大部分を+1次の回折光16’として出射せし
める。高さHとピッチDについて、(数1)、(数2)
が同様に成立する。
The binary optical element has an advantage that a fine shape can be formed relatively easily by photolithography using a semiconductor exposure apparatus (stepper optical system). Also in this case, if the phase difference given by the height H is 2π, most of the incident light 16 is emitted as + 1st-order diffracted light 16 '. For height H and pitch D, (Equation 1), (Equation 2)
Holds similarly.

【0041】また、例えばレベル数が2、4、8、16
である場合について、理論的な回折効率は、40.5
%、81%、95%、99%、となることが知られてお
り、レベル数を4以上とすれば、実用上ほぼ十分な回折
効率が得られる。
For example, if the number of levels is 2, 4, 8, 16
, The theoretical diffraction efficiency is 40.5
%, 81%, 95% and 99%, and if the number of levels is 4 or more, practically sufficient diffraction efficiency can be obtained.

【0042】次に、本発明の偏光分離素子の一例を(図
3)に示し、その作用を述べる。偏光分離素子101
は、回折格子基板102と複屈折層103から構成され
る。説明を容易にするために直交座標系を導入し、紙面
に沿った方向をx−y平面、紙面に直交する方向をz軸
とし、偏光分離素子101はy−z平面上に二次元状に
拡がり、基準として考える光線104はx軸に沿って入
射するものとする。
Next, an example of the polarization beam splitter of the present invention is shown in FIG. 3 and its operation will be described. Polarization separation element 101
Is composed of a diffraction grating substrate 102 and a birefringent layer 103. In order to facilitate the description, an orthogonal coordinate system is introduced, a direction along the plane of the paper is an xy plane, a direction perpendicular to the plane of the paper is az axis, and the polarization separation element 101 is two-dimensionally arranged on a yz plane. It is assumed that the light ray 104 that spreads and is considered as a reference is incident along the x-axis.

【0043】例えば、回折格子102は(図1)に示し
たものと同様であり、鋸歯状の微小構造をy軸方向にピ
ッチDで周期的に形成してなる。鋸歯構造の物理的な最
大高さはHとする。回折格子102は屈折率がN0の等
方性透明基板を用いて形成する。
For example, the diffraction grating 102 is the same as that shown in FIG. 1 and is formed by periodically forming a saw-toothed minute structure at a pitch D in the y-axis direction. The maximum physical height of the sawtooth structure is H. The diffraction grating 102 is formed using an isotropic transparent substrate having a refractive index of N0.

【0044】一方、複屈折層103は、正の一軸性光学
異方体を光学軸がz軸方向と一致するように配向させて
構成したものである。複屈折層103について、z軸方
向の屈折率をN1とし、y軸方向の屈折率をN2とし、
N1>N2とする。
On the other hand, the birefringent layer 103 is formed by orienting a positive uniaxial optically anisotropic body so that its optical axis coincides with the z-axis direction. Regarding the birefringent layer 103, the refractive index in the z-axis direction is N1, the refractive index in the y-axis direction is N2,
It is assumed that N1> N2.

【0045】回折格子102の基板の法線(x軸)方向
から入射する自然偏光の光104について、電界がz軸
方向に振動する偏光成分の光を1次偏光104Aとす
る。同様に、電界がy軸方向に振動する偏光成分の光を
2次偏光104Bとする。
With respect to the naturally polarized light 104 incident from the direction of the normal (x-axis) of the substrate of the diffraction grating 102, the polarized light whose electric field oscillates in the z-axis direction is defined as primary polarized light 104A. Similarly, the light of the polarization component in which the electric field oscillates in the y-axis direction is defined as the secondary polarization 104B.

【0046】例えば、回折格子102の基材の屈折率N
0と複屈折層103の屈折率N1を、N0≒N1を満た
すように選択する。こうすれば、1次偏光104Aの光
にとっては、回折格子102はあたかも存在しないよう
になり、入射光104のうち1次偏光104Aは、その
まま偏光分離素子101を直進して出射する。
For example, the refractive index N of the substrate of the diffraction grating 102
0 and the refractive index N1 of the birefringent layer 103 are selected so as to satisfy N0 ≒ N1. In this way, the diffraction grating 102 does not exist for the light of the primary polarized light 104A, and the primary polarized light 104A of the incident light 104 goes straight out of the polarized light separating element 101 and exits.

【0047】これに対し、N0>N2であるので、2次
偏光104Bの光に対しては、回折格子102が作用
し、2次偏光104Bは回折されて出射する。
On the other hand, since N0> N2, the diffraction grating 102 acts on the light of the secondary polarized light 104B, and the secondary polarized light 104B is diffracted and emitted.

【0048】この場合、回折格子102の高さHは、
(数3)を満たすように選択する。
In this case, the height H of the diffraction grating 102 is
Selection is made so as to satisfy (Equation 3).

【0049】[0049]

【数3】 (Equation 3)

【0050】これは、(数1)から、基準波長λの光に
ついて回折格子の与える最大の位相差が2πとなるため
の条件式である。このような鋸歯状の回折格子は、波長
λの光について+1次の回折光が理論上100%とな
る。ただし、基準波長λは可視の波長帯域を代表する波
長として、例えば550nmとすればよい。回折角θは、
回折格子の周期ピッチDを用いて(数2)である。
This is a conditional expression from (Equation 1) for the maximum phase difference given by the diffraction grating for the light of the reference wavelength λ to be 2π. In such a sawtooth diffraction grating, the + 1st-order diffracted light becomes 100% of the light of wavelength λ theoretically. However, the reference wavelength λ may be, for example, 550 nm as a wavelength representing a visible wavelength band. The diffraction angle θ is
(Equation 2) using the periodic pitch D of the diffraction grating.

【0051】上記理由から、入射する光104のうち2
次偏光104Bは、その大部分が+θだけ回折されて出
射する。つまり、偏光分離素子101は、入射光104
を互いに進行方向が角θをなす1次偏光104Aと2次
偏光104Bに分離して出射せしめるように、作用す
る。
For the above reason, two out of the incident light 104
Most of the secondary polarized light 104B is diffracted by + θ and emitted. That is, the polarization splitting element 101 converts the incident light 104
Acts to separate and emit the primary polarized light 104A and the secondary polarized light 104B whose traveling directions form an angle θ with each other.

【0052】更に、本発明の偏光分離素子は(図4)に
示す偏光分離素子111であってもよい。これは(図
3)の回折格子101の替わりに、(図2)に示したバ
イナリ光学素子を用いたものである。(図3)と同様の
直交座標系を導入する。
Further, the polarized light separating element of the present invention may be a polarized light separating element 111 shown in FIG. This uses the binary optical element shown in FIG. 2 instead of the diffraction grating 101 in FIG. An orthogonal coordinate system similar to that shown in FIG. 3 is introduced.

【0053】例えば、回折格子112は、階段状の微小
構造をy軸方向にピッチDで周期的に形成したもので、
レベル数は7とする。具体的に、一周期Dを7個の短冊
領域に等分割し、等しいステップ高さH/6を順次積み
上げて、階段形状を構成する。記号Hは、階段形状の物
理的な最大高さである。回折格子112の基材は、屈折
率N0の等方性透明材料とし、複屈折層113は(図
3)に示したものと同様とする。
For example, the diffraction grating 112 is formed by periodically forming a step-like minute structure at a pitch D in the y-axis direction.
The number of levels is seven. Specifically, one cycle D is equally divided into seven strip regions, and the same step height H / 6 is sequentially stacked to form a staircase shape. The symbol H is the physical maximum height of the step shape. The base material of the diffraction grating 112 is made of an isotropic transparent material having a refractive index N0, and the birefringent layer 113 is the same as that shown in FIG.

【0054】電界の振動方向がz軸方向である1次偏光
114Aの光は、回折格子112の作用を受けず、その
まま偏光分離素子111を直進して出射する。これに対
し、電界の振動方向がy軸方向である2次偏光114B
の光は、回折格子112により回折されて出射する。
The primary polarized light 114A whose electric field oscillates in the z-axis direction does not receive the action of the diffraction grating 112 and travels straight through the polarization splitting element 111 and exits. On the other hand, the secondary polarization 114B whose electric field oscillates in the y-axis direction
Is diffracted by the diffraction grating 112 and emitted.

【0055】この場合も、回折格子112の最大高さH
は、基準波長λに与える位相差が2πとなるように選択
する。このように選択されたステップ状のバイナリ光学
素子は+1次の回折光が支配的となり、7程度のレベル
数であれば実用上十分な回折効率となる。2次偏光11
4Bの回折角θは、回折格子の周期ピッチDを用いて
(数2)と同様である。
Also in this case, the maximum height H of the diffraction grating 112
Is selected such that the phase difference given to the reference wavelength λ is 2π. In the step-like binary optical element selected in this way, the + 1st-order diffracted light is dominant, and if the number of levels is about 7, the diffraction efficiency is practically sufficient. Secondary polarization 11
The diffraction angle θ of 4B is the same as (Equation 2) using the periodic pitch D of the diffraction grating.

【0056】(図3)と(図4)に示した偏光分離素子
は、回折格子を利用するので、複屈折層103、113
の厚みが非常に薄いことを特徴とする。10度程度の回
折角を得るには、ピッチDは数ミクロン程度であり、回
折格子の高さも同程度となる。従って、液晶分子や、液
晶モノマー、液晶ポリマー、一軸性有機材料、などを回
折格子の微小構造部に充填し、所定の一軸方向に配向さ
せることが極めて容易であり、実現性、量産性、に優れ
た偏光分離素子を得ることができる。
Since the polarization splitting elements shown in FIGS. 3 and 4 use a diffraction grating, the birefringent layers 103 and 113 are used.
Is characterized by having a very small thickness. In order to obtain a diffraction angle of about 10 degrees, the pitch D is about several microns, and the height of the diffraction grating is also about the same. Therefore, it is extremely easy to fill liquid crystal molecules, liquid crystal monomers, liquid crystal polymers, uniaxial organic materials, and the like into the microstructure portion of the diffraction grating and orient them in a predetermined uniaxial direction. An excellent polarization separation element can be obtained.

【0057】特に、微小ピッチの回折素子を構成する場
合、バイナリ光学素子は、加工性に優れている。半導体
露光装置に用いられるステッパ露光を用いて、レジスト
塗布、パターン露光、エッチング、のプロセスを組み合
わせて、加工精度が高く、量産性に優れ、安価で、比較
的大面積の回折格子を成形できる。従って、(図2)に
示した偏光分離素子は、回折格子の実現性が極めて容易
であり、より量産性に優れコストの安い素子を実現でき
る。
In particular, when a diffraction element having a minute pitch is formed, the binary optical element is excellent in workability. A stepper exposure used in a semiconductor exposure apparatus is used to form a diffraction grating having a high processing accuracy, excellent mass productivity, low cost, and a relatively large area by combining processes of resist coating, pattern exposure, and etching. Therefore, the polarization splitting element shown in FIG. 2 is extremely easy to realize a diffraction grating, and can realize an element with higher mass productivity and lower cost.

【0058】以下、本発明の偏光分離素子と投写型表示
装置の具体的な実施形態を、図面と数値例を挙げて述べ
る。
Hereinafter, specific embodiments of the polarizing beam splitter and the projection display device of the present invention will be described with reference to the drawings and numerical examples.

【0059】(偏光分離素子の実施例1)偏光分離素子
の第1の実施例として、(図3)に示したものについて
より詳細に述べる。
(First Embodiment of Polarization Separation Element) As a first embodiment of the polarization separation element, the one shown in FIG. 3 will be described in more detail.

【0060】例えば、回折格子102は屈折率が1.6
の等方性透明体とする。また、複屈折層103は、正の
複屈折性を有する材料を光学軸をz軸と一致させて配向
したものであり、z軸方向の屈折率を回折格子の屈折率
と同じ1.6とする。また、これと直交するy軸方向の
屈折率を1.45とする。
For example, the diffraction grating 102 has a refractive index of 1.6.
Isotropic transparent body. The birefringent layer 103 is formed by orienting a material having a positive birefringence such that the optical axis is aligned with the z-axis, and the refractive index in the z-axis direction is 1.6, which is the same as the refractive index of the diffraction grating. I do. Also, the refractive index in the y-axis direction orthogonal to this is 1.45.

【0061】上記構成は、例えば、適切に生成された液
晶ポリマー、液晶モノマーなどの有機分子を、回折格子
101上で強制的に配向させた状態で硬化させることで
実現できる。配向手段としては、例えば、ポリイミド膜
を塗布した上でのラビング処理を行う、適切な磁界を加
える、適切な電界を加える、などがある。
The above configuration can be realized, for example, by curing appropriately formed organic molecules such as a liquid crystal polymer and a liquid crystal monomer in a state where they are forcibly aligned on the diffraction grating 101. Examples of the orientation means include rubbing after applying a polyimide film, applying an appropriate magnetic field, and applying an appropriate electric field.

【0062】例えば、1次偏光104Aと2次偏光10
4Bの分離角θを8度とするために、(1)式を用い
て、回折格子102のピッチDは3.95μmとする。
ただし、基準波長λとして最も視感度の高い550nmを
選んだ。
For example, the primary polarized light 104A and the secondary polarized light 10A
In order to set the separation angle θ of 4B to 8 degrees, the pitch D of the diffraction grating 102 is set to 3.95 μm using Expression (1).
However, 550 nm having the highest visibility was selected as the reference wavelength λ.

【0063】この場合、回折角θは波長に依存して変化
するがその程度は小さく、偏光分離素子として用いる上
で特に問題はない。例えば、D=3.95μmの場合、
波長490nmの青の光について回折角は7.1度、波長
610nmの光について回折角は8.8度、である。
In this case, the diffraction angle θ changes depending on the wavelength, but the degree is small, and there is no particular problem in using it as a polarization separation element. For example, when D = 3.95 μm,
The diffraction angle of blue light having a wavelength of 490 nm is 7.1 degrees, and the diffraction angle of light having a wavelength of 610 nm is 8.8 degrees.

【0064】また、2次偏光104Bについて+1次の
回折効率を最大とするために、(2)式から、回折格子
の最大高さH=3.67μmとする。これにより、基準
波長550nmの光については、2次偏光104Bのほぼ
全ての光が回折されて角θの方向に分離される。波長が
異なると回折効率は低下するが、可視の全波長帯域で実
用上十分な回折効率を得ることができる。
In order to maximize the + 1st-order diffraction efficiency for the secondary polarized light 104B, the maximum height H of the diffraction grating is set to 3.67 μm from the equation (2). Thereby, with respect to the light having the reference wavelength of 550 nm, almost all the light of the secondary polarized light 104B is diffracted and separated in the direction of the angle θ. If the wavelengths are different, the diffraction efficiency decreases, but practically sufficient diffraction efficiency can be obtained in all visible wavelength bands.

【0065】(偏光分離素子の実施例2)偏光分離素子
の第2の実施例として、(図4)に示したものについて
より詳細に述べる。上記第1の実施例において(図3)
に適用した構成と数値パラメータは、ほぼ同様に(図
4)に適用できる。これにより、上記第1の実施例と同
様に、例えば偏光分離角が8度の偏光分離素子を構成で
きる。
(Second Embodiment of Polarization Separation Element) As a second embodiment of the polarization separation element, the one shown in FIG. 4 will be described in more detail. In the first embodiment (FIG. 3)
The configuration and numerical parameters applied to (1) can be applied to (FIG. 4) almost in the same manner. Thus, similarly to the first embodiment, for example, a polarization beam splitter having a polarization beam splitting angle of 8 degrees can be configured.

【0066】回折格子112のレベル数は、少なくとも
4以上、できれば8程度にすることで、実用上十分な回
折効率を得ることができる。
The practically sufficient diffraction efficiency can be obtained by setting the number of levels of the diffraction grating 112 to at least 4 or more, preferably about 8.

【0067】上記第1と第2の実施例では、複屈折層1
03、113を、正の光学異方体として定義し、その配
向方向をy軸方向に限定したが、本発明の効果は特にこ
の構成に限定されない。負の光学異方体であってもよ
く、また、複屈折層の光学軸はy軸方向に一致せしめて
も構わない。回折格子を直進する1次偏光の偏光方向な
いしは2次偏光(回折光)の曲がる方向が異なるだけ
で、上述と同様に1次偏光と2次偏光を、互いに角θを
なして進行する光として分離して出射せしめることがで
きる。
In the first and second embodiments, the birefringent layer 1
03 and 113 are defined as positive optical anisotropic bodies, and the orientation direction is limited to the y-axis direction. However, the effect of the present invention is not particularly limited to this configuration. It may be a negative optical anisotropic body, and the optical axis of the birefringent layer may coincide with the y-axis direction. The primary polarized light and the secondary polarized light are converted into light traveling at an angle θ to each other in the same manner as described above, except that the polarization direction of the primary polarized light or the bending direction of the secondary polarized light (diffracted light) that goes straight through the diffraction grating is different. It can be separated and emitted.

【0068】また、上記偏光分離素子は、偏光の分離角
を容易に制御できる利点を有する。つまり、回折格子1
02、112の格子ピッチDを変化させて、分離された
1次偏光と2次偏光のなす角θを任意に設定できる。こ
れは、偏光分離素子以降の光学系を構成する上で、設計
上の自由度が増えるので極めて好ましい。
The polarized light separating element has an advantage that the polarized light separating angle can be easily controlled. That is, the diffraction grating 1
The angle θ between the separated primary polarized light and the secondary polarized light can be arbitrarily set by changing the grating pitch D of 02 and 112. This is very preferable because the degree of freedom in design increases when configuring an optical system after the polarization separation element.

【0069】更に、上記実施例では、入射光を回折格子
の基板側から入射させる場合について述べたが、複屈折
層側から入射させても、同様の作用と効果を得ることが
できる。
Further, in the above embodiment, the case where the incident light is made to enter from the substrate side of the diffraction grating has been described. However, the same action and effect can be obtained by making the incident light enter from the birefringent layer side.

【0070】(投写型表示装置の実施例1)以下、本発
明の投写型表示装置の第1の実施例について、(図5)
を用いて述べる。
(Embodiment 1 of Projection Display Apparatus) Hereinafter, a first embodiment of the projection display apparatus of the present invention (FIG. 5)
It is described using.

【0071】本発明の投写型表示装置は、基本的に、ラ
ンプ121、放物面鏡122、偏光分離素子123、第
1レンズアレイ124、第2レンズアレイ125、フィ
ールドレンズ126、液晶パネル127、投写レンズ1
28、から構成される。第2レンズアレイ125の片面
には、部分的に位相差板129が貼付される。説明を容
易にするために(図3)と同様の直交座標系を導入し、
x軸を放物面鏡122の回転対称軸に沿った光軸方向、
z軸を紙面に直交する方向とする。
The projection display apparatus of the present invention basically includes a lamp 121, a parabolic mirror 122, a polarization separation element 123, a first lens array 124, a second lens array 125, a field lens 126, a liquid crystal panel 127, Projection lens 1
28. A retardation plate 129 is partially adhered to one surface of the second lens array 125. In order to facilitate the explanation, we introduced a rectangular coordinate system similar to that shown in FIG.
the x-axis is the optical axis direction along the rotational symmetry axis of the parabolic mirror 122,
Let the z-axis be the direction perpendicular to the plane of the paper.

【0072】液晶パネル127は、この用途に一般的な
ツイストネマチック液晶を、画素構造を有するガラス基
板で狭持したものであって、その入射側と出射側に、偏
光板127Aと127Bを備える。便宜上、入射側偏光
板127Aの透過軸(透過させる光の電界の振動方向)
はz軸方向とする。液晶パネル127には、外部から映
像信号が供給され、二次元状の画素構造により光学像を
形成する。当該光学像は、投写レンズ128によりスク
リーン上に投影されて、大画面映像を呈示せしめる。
The liquid crystal panel 127 is obtained by sandwiching a twisted nematic liquid crystal generally used for this purpose by a glass substrate having a pixel structure, and includes polarizing plates 127A and 127B on the incident side and the exit side. For convenience, the transmission axis of the incident-side polarizing plate 127A (the vibration direction of the electric field of the transmitted light)
Is the z-axis direction. A video signal is supplied to the liquid crystal panel 127 from the outside, and an optical image is formed by a two-dimensional pixel structure. The optical image is projected on a screen by the projection lens 128, so that a large screen image can be presented.

【0073】偏光分離素子123は、例えば、本発明の
偏光分離素子の実施例1に示したものであり、(図3)
のように構成してなる。y軸方向に周期的に構成された
鋸歯状の回折格子123Aと、z軸方向に配向された正
の一軸性光学異方体123Bを、適切に構成してなる。
The polarization beam splitter 123 is, for example, the one shown in Embodiment 1 of the polarization beam splitter of the present invention (FIG. 3)
It is configured as follows. A sawtooth diffraction grating 123A periodically formed in the y-axis direction and a positive uniaxial optically anisotropic body 123B oriented in the z-axis direction are appropriately formed.

【0074】第1レンズアレイ124は、複数の第1レ
ンズ131を二次元状に配列してなり、その構成の一例
を(図6)に示す。(図5)で導入した直交座標系につ
いて、(図6)中にその対応を示す。これは、放物面鏡
122から出射する正円の光束断面に内接させて18個
の第1レンズ131を配列せしめたものである。第1レ
ンズ131の各光軸中心は131Aであり、全てのレン
ズについて適切に偏心させている。
The first lens array 124 has a plurality of first lenses 131 arranged two-dimensionally, and an example of the configuration is shown in FIG. The correspondence of the rectangular coordinate system introduced in (FIG. 5) is shown in (FIG. 6). This is one in which 18 first lenses 131 are arranged so as to be inscribed in the cross section of a light beam of a perfect circle emitted from the parabolic mirror 122. The center of each optical axis of the first lens 131 is 131A, and all the lenses are appropriately decentered.

【0075】第2レンズアレイ125は、複数の第2レ
ンズ135を二次元状に配列してなり、その構成の一例
を(図6)と同様に(図7)に示す。第2レンズ135
の各々は第1レンズ131に対応させて同数を同様に配
列してなる。第2レンズ135の各々は、対応する第1
レンズ131の開口と液晶パネル127の表示領域を互
いに共役とせしめ、各レンズを通過する光束を重畳形態
でパネル上に導く。
The second lens array 125 has a plurality of second lenses 135 arranged two-dimensionally, and an example of the configuration is shown in FIG. 7 as in FIG. Second lens 135
Are similarly arranged in the same number corresponding to the first lens 131. Each of the second lenses 135 has a corresponding first lens.
The opening of the lens 131 and the display area of the liquid crystal panel 127 are conjugated to each other, and the light beam passing through each lens is guided onto the panel in a superimposed form.

【0076】各第2レンズ135のおよそ半分の領域に
は、選択的に適切に位相差板129を貼付する。位相差
板129は、入射する光の偏波面を約90度回転させる
ために用い、通過する光を代表する波長λについて、λ
/2の位相差板であればよい。その光学軸は、後述する
作用を果たすように適切な方向が選択される。本実施例
では、y軸方向からz軸方向に45度回った方向136
と位相差板129の光学軸方向を一致せしめる。
A phase difference plate 129 is selectively and appropriately affixed to approximately a half area of each second lens 135. The phase difference plate 129 is used to rotate the plane of polarization of the incident light by about 90 degrees, and the wavelength λ representing the passing light is λ
/ 2 retardation plate may be used. An appropriate direction of the optical axis is selected so as to perform the operation described later. In this embodiment, the direction 136 which is 45 degrees from the y-axis direction to the z-axis direction
And the optical axis direction of the phase difference plate 129 are matched.

【0077】偏光分離素子123の作用により、2次偏
光142は1次偏光141に対してy軸方向に所定角度
θだけずれて進行し、第1レンズアレイ124に入射す
る。1つの第2レンズ135について、位相差板129
の無い領域は1次偏光141のための開口領域であり、
その重心を135Aとする。位相差板129の有る領域
は2次偏光142のための開口領域であり、その重心を
125Bとする。
By the operation of the polarization splitting element 123, the secondary polarized light 142 travels with a predetermined angle θ shifted in the y-axis direction with respect to the primary polarized light 141, and enters the first lens array 124. Regarding one second lens 135, the phase difference plate 129
The region without the mark is an opening region for the primary polarized light 141,
The center of gravity is set to 135A. The region where the phase difference plate 129 exists is an opening region for the secondary polarized light 142, and its center of gravity is 125B.

【0078】上記重心135A近傍を、収斂した1次偏
光141'が通過するように、第1レンズ131の光軸
中心131Aを定めると良い。また、収斂された2次偏
光142'は、第2レンズ135の開口上でy軸方向に
所定距離だけずれた位置を通過する。上記偏光分離角θ
を適切に選択すれば、収斂した2次偏光142'の通過
位置を上記重心135B近傍とせしめることができる。
The center 131A of the optical axis of the first lens 131 is preferably determined so that the converged primary polarized light 141 'passes near the center of gravity 135A. In addition, the converged secondary polarized light 142 ′ passes through a position shifted by a predetermined distance in the y-axis direction on the opening of the second lens 135. The polarization separation angle θ
Is appropriately selected, the passing position of the converged secondary polarized light 142 ′ can be set near the center of gravity 135 </ b> B.

【0079】ランプ121から放射される自然偏光の光
は、偏光分離素子123により、電界の振動方向がz軸
方向である1次偏光141と、y軸方向である2次偏光
142に分離され、これらはy軸方向に互いに各θを成
して進行する光となって第1レンズアレイ124に入射
する。第1レンズアレイ124により収斂された光は、
第2レンズアレイ125の開口上に離散的な照明スポッ
トを形成し、上記構成から、2次偏光の通過領域にのみ
選択的に位相差板129が挿入されい波面は90度回転
し、z軸方向となる。入射側偏光板127Aに到達する
1次偏光141''と2次偏光142''の偏波面は、いず
れもz軸方向となるので、これらは偏光板を通過して液
晶パネル127を照明する光として有効に利用される。
The naturally polarized light emitted from the lamp 121 is separated by the polarization separation element 123 into a primary polarized light 141 in which the electric field oscillates in the z-axis direction and a secondary polarized light 142 in the y-axis direction. These become light traveling at each θ in the y-axis direction and enter the first lens array 124. The light converged by the first lens array 124 is
A discrete illumination spot is formed on the opening of the second lens array 125, and from the above configuration, the wavefront rotates by 90 degrees when the phase difference plate 129 is selectively inserted only in the region where the secondary polarized light passes, and the z-axis is rotated. Direction. Since the polarization planes of the primary polarized light 141 ″ and the secondary polarized light 142 ″ that reach the incident-side polarizing plate 127A are both in the z-axis direction, they pass through the polarizing plate and illuminate the liquid crystal panel 127. It is effectively used as

【0080】上記構成によれば、従来は入射側偏光板で
吸収されて損失となった2次偏光の光を有効に利用でき
るので、光利用効率の高い投写型表示装置を実現でき、
明るい投写画像を提供できる。
According to the above configuration, the light of the secondary polarization, which has been absorbed and lost by the incident-side polarizing plate, can be used effectively, so that a projection display device with high light use efficiency can be realized.
A bright projection image can be provided.

【0081】上記投写型表示装置に用いる偏光分離素子
123は、回折格子と適切に構成された複屈折光学層か
ら成り、複屈折光学層の必要な厚みが数ミクロン程度と
極めて薄いので、液晶ポリマーなどの一軸性光学異方体
を良好に配向させて構成できる。
The polarization separating element 123 used in the projection display device is composed of a diffraction grating and a birefringent optical layer appropriately formed. Since the required thickness of the birefringent optical layer is as extremely small as about several microns, the liquid crystal polymer Such a uniaxial optical anisotropic body can be favorably oriented.

【0082】また、上記照明光の経路は、1次偏光と2
次偏光について、ほぼ等しい光路長であり、放物面鏡1
22で集光された光の大部分は第1レンズアレイ124
に入射し、第2レンズアレイ125を経て液晶パネル1
27に到達するので、1次偏光と2次偏光ともに、高い
光利用効率を実現できる。これにより、明るさを向上さ
せる効果の高い偏光変換光学系を実現できる。
The path of the illumination light is the same as the primary polarization
For the second-order polarized light, the optical path lengths are almost equal, and the parabolic mirror 1
Most of the light condensed by the first lens array 124
To the liquid crystal panel 1 through the second lens array 125.
27, high light use efficiency can be realized for both primary polarized light and secondary polarized light. Thereby, a polarization conversion optical system having a high effect of improving brightness can be realized.

【0083】(偏光分離素子の実施例3)偏光分離素子
の第3の実施例を、(図8)を用いて述べる。偏光分離
素子151は、(図5)に示したような投写型表示装置
に用いた場合に、以下に述べる格別の効果を発揮するよ
うに、構成されたものである。
(Embodiment 3 of Polarization Separation Element) A third embodiment of the polarization separation element will be described with reference to FIG. The polarization separation element 151 is configured to exhibit the following special effects when used in a projection display device as shown in FIG.

【0084】(図8)は、偏光分離素子151の正面図
であり、その断面方向の構成は、上記本発明の偏光分離
素子の第1実施例、または第2実施例、と同様である。
ただし、偏光分離素子を構成する複数の回折格子151
Aを、二次元状に配列している。また、各回折格子15
1Aの有効領域は矩形開口とし、各領域において回折ピ
ッチを適切に異ならしめている。これらのアレイ状回折
格子の表面に、一軸方向に配向された正の光学異方体層
を密着させて、1次偏光は直進、2次偏光は回折させ
て、入射する光を分離する。(図8)において矩形開口
中の波線ハッチングは、各矩形開口領域の回折格子の周
期ピッチが、場所に依って異なる様子を模式的に示すた
めに付記する。
FIG. 8 is a front view of the polarization beam splitter 151, and its cross-sectional configuration is the same as that of the above-described first or second embodiment of the polarization beam splitter of the present invention.
However, a plurality of diffraction gratings 151 constituting the polarization splitting element
A is two-dimensionally arranged. In addition, each diffraction grating 15
The effective area of 1A is a rectangular aperture, and the diffraction pitch is appropriately varied in each area. A positive optically anisotropic layer oriented in a uniaxial direction is adhered to the surface of these arrayed diffraction gratings, the primary polarized light goes straight, and the secondary polarized light is diffracted to separate incident light. In FIG. 8, the wavy hatching in the rectangular apertures is added to schematically show how the periodic pitch of the diffraction grating in each rectangular aperture area differs depending on the location.

【0085】偏光分離素子151は、例えば以下の手順
に従って具現化できる。まず、必要な偏光分離角の種類
に応じて、複数の異なる周期ピッチの回折格子を形成す
る。具体的な構成は(図3)または(図4)に示したも
のと同様であり、具現化すべき格子形状の母型を、機械
的な精密加工、フォトリソ工程などにより成形する。こ
れらの母型を、与えられた矩形開口形状で切り出し、複
数個を適切に配列させて組み型を構成する。これを母型
として、透明樹脂材料などをプレス成形すれば、偏光分
離素子151の回折格子基板を得る。これの回折格子面
について、ラビング処理や、電界または磁界などの強制
力で持って、一軸性光学異方体を強制配向させ、紫外線
硬化などの手法によりその状態を保持すれば良い。これ
により、上記本発明の偏光分離素子の第1または第2実
施例と同様の素子を二次元状に配列し、かつ偏光分離角
を適宜異ならしめた形態で、容易に具現化できる。
The polarization separation element 151 can be embodied, for example, according to the following procedure. First, a plurality of diffraction gratings having different periodic pitches are formed according to the type of required polarization separation angle. The specific configuration is the same as that shown in (FIG. 3) or (FIG. 4), and a matrix having a lattice shape to be embodied is formed by mechanical precision processing, a photolithography process, or the like. These mother dies are cut out in a given rectangular opening shape, and a plurality of them are appropriately arranged to form a combined mold. By using this as a matrix and pressing a transparent resin material or the like, a diffraction grating substrate of the polarization separation element 151 is obtained. With respect to the diffraction grating surface, the uniaxial optically anisotropic body may be forcibly oriented by a rubbing process or a forced force such as an electric field or a magnetic field, and the state may be maintained by a method such as ultraviolet curing. Thus, the same elements as those of the first or second embodiment of the polarization splitting element of the present invention can be easily realized in a form in which the elements are two-dimensionally arranged and the polarization splitting angles are appropriately changed.

【0086】上記構成は、偏光分離素子151から出射
する1次偏光と2次偏光の光の分離角が、場所に依って
より好ましく異なることを特徴とする。このように構成
された偏光分離素子は、これと組み合わせて構成される
投写型表示装置において、より設計の自由度が高く、よ
り光利用効率の高い光学系を実現できる利点がある。
The above configuration is characterized in that the separation angle of the primary polarized light and the secondary polarized light emitted from the polarization separation element 151 is more preferably different depending on the location. The polarization splitting element configured as described above has an advantage that a projection display apparatus configured in combination therewith has a higher degree of freedom in design and can realize an optical system with higher light use efficiency.

【0087】(投写型表示装置の第2実施例)(図8)
に示した本発明の偏光分離素子の第3実施例を用いて、
(図5)と同様の投写型表示装置を構成する場合に、よ
り大きな効果を得ることのできる構成の一例を述べる。
(Second Embodiment of Projection Display Device) (FIG. 8)
Using the third embodiment of the polarization beam splitter of the present invention shown in FIG.
An example of a configuration capable of obtaining a greater effect when configuring a projection display device similar to that shown in FIG. 5 will be described.

【0088】(図9)は、第1レンズアレイ161の構
成の一例である。矩形開口を有する36個の第1レンズ
161Aを、二次元状に配列している。第1レンズ16
1Aの各開口は、照明する液晶パネルの表示領域と相似
形状である。第1レンズ161Aの光軸は、各々につい
て適宜偏心させる。こうすれば、各第1レンズが第2レ
ンズアレイ上に形成する照明スポットの配置を、比較的
自由に調整することができる。(図9)は、(図6)に
示した構成と比較して、レンズの個数を多くすると、液
晶パネルを照明する光の明るさの均一性が向上する、光
利用効率が高くできる、といった利点がある。
FIG. 9 shows an example of the configuration of the first lens array 161. 36 first lenses 161A having a rectangular opening are arranged two-dimensionally. First lens 16
Each opening 1A has a shape similar to the display area of the liquid crystal panel to be illuminated. The optical axis of the first lens 161A is appropriately decentered for each. In this case, the arrangement of the illumination spots formed by each first lens on the second lens array can be adjusted relatively freely. (FIG. 9) shows that, as compared with the configuration shown in (FIG. 6), when the number of lenses is increased, the brightness uniformity of the light illuminating the liquid crystal panel is improved, and the light use efficiency can be increased. There are advantages.

【0089】参考として、偏光分離素子を用いない従来
の構成の場合に、(図9)に示した配列及び開口形状の
第1レンズアレイと組み合わせて用いる第2レンズアレ
イ162の構成の一例を(図10)に示す。第2レンズ
アレイ162の開口上には、第1レンズアレイにより収
斂された複数の照明スポットが形成される。これは、ラ
ンプ内の発光体の実像163に相当し、その大きさと分
布の一例を(図10)中に模式的に付記する。
For reference, in the case of the conventional configuration using no polarization splitting element, an example of the configuration of the second lens array 162 used in combination with the first lens array having the arrangement and the aperture shape shown in FIG. It is shown in FIG. A plurality of illumination spots converged by the first lens array are formed on the opening of the second lens array 162. This corresponds to the real image 163 of the luminous body in the lamp, and an example of its size and distribution is schematically added in (FIG. 10).

【0090】以下に述べる理由から、第2レンズアレイ
162を構成する第2レンズ164の開口は、当該開口
上に形成される実像163の大きさに合わせて適切に異
ならしめ、これらを凝集して配列し、第2レンズアレイ
全体の有効開口の広がりをできるだけ小さくしている。
そのために、対応する第2レンズ164の開口位置に合
わせて、対応する第1レンズの偏心方向と偏心量を決め
る。
For the reason described below, the aperture of the second lens 164 constituting the second lens array 162 is appropriately varied according to the size of the real image 163 formed on the aperture, and these are aggregated. The arrangement is such that the spread of the effective aperture of the entire second lens array is made as small as possible.
For this purpose, the eccentric direction and the eccentric amount of the corresponding first lens are determined according to the opening position of the corresponding second lens 164.

【0091】(図5)を参照し、第2レンズアレイ12
5から出射した光の液晶パネル127に対する照射角
は、投写レンズ128の集光角と等しいかそれ以下でな
ければ、投写レンズを有効に通過できない光が発生し、
光損失を生じる。従って、液晶パネルから見た第2レン
ズアレイの有効開口の広がりは、できるだけ小さいこと
が好ましい。これは、液晶パネルを通過する照明光の照
射角をできるだけ小さくすることである。
Referring to FIG. 5, the second lens array 12
The irradiation angle of the light emitted from the liquid crystal panel 127 to the liquid crystal panel 127 is not equal to or smaller than the converging angle of the projection lens 128, and light that cannot effectively pass through the projection lens is generated.
This causes light loss. Therefore, it is preferable that the effective aperture of the second lens array as seen from the liquid crystal panel is as small as possible. This is to make the illumination angle of the illumination light passing through the liquid crystal panel as small as possible.

【0092】この理由から、(図10)に示す第2レン
ズアレイ162の開口形状と複数の実像l63の配置
は、都合がよい。波線で示した正円165は、投写レン
ズの集光範囲のより好ましい一例を第2レンズアレイ上
に書き示したものである。この正円165を投写レンズ
の入射瞳と見なし、実像163を当該入射瞳上における
複数の発光体の実像の大きさと分布として扱うことがで
きる。ここで、入射瞳の拡がり(面積)に対して複数の
実像163の拡がり(面積)の総和が占める割合を瞳利
用率とすれば、瞳利用率の高い光学系ほど、投写型表示
装置にとって、より明るく好ましい光学系と言える。
For this reason, the opening shape of the second lens array 162 and the arrangement of the plurality of real images 163 shown in FIG. 10 are convenient. A perfect circle 165 indicated by a wavy line shows a more preferable example of the condensing range of the projection lens on the second lens array. This perfect circle 165 can be regarded as the entrance pupil of the projection lens, and the real image 163 can be treated as the size and distribution of the real images of the plurality of light emitters on the entrance pupil. Here, assuming that the ratio of the sum of the spread (area) of the plurality of real images 163 to the spread (area) of the entrance pupil is the pupil utilization rate, the optical system having a higher pupil utilization rate requires a projection-type display device. It can be said that this is a brighter and preferable optical system.

【0093】(図5)に示した投写型表示装置におい
て、(図8)に示した偏光分離素子151を用いること
は、瞳利用率の高い光学系を実現する上で、極めて高い
効果を得る。具体的に、(図8)に示した偏光分離素子
151と(図9)に示した第1レンズアレイ161と組
み合わせて用いる第2レンズアレイ171の構成の一例
を(図11)に示し、この理由を述べる。
In the projection type display device shown in FIG. 5, the use of the polarization splitting element 151 shown in FIG. 8 has an extremely high effect in realizing an optical system having a high pupil utilization rate. . Specifically, FIG. 11 shows an example of the configuration of the second lens array 171 used in combination with the polarization beam splitter 151 shown in FIG. 8 and the first lens array 161 shown in FIG. State the reason.

【0094】第2レンズアレイ171は、開口の大きさ
と形状の異なる第2レンズ172を正円173の有効領
域内に凝集させて配列してなる。各第2レンズ172の
波線で区切られたおよそ半分の領域(便宜上、ハッチン
グで図示)には、当該領域を通過する2次偏光の偏波面
を90度回転させる位相差板が貼付される。(図9)の
第1レンズアレイ161と(図11)の第2レンズアレ
イ171には、各レンズの対応関係を明確化するため
に、(1)〜(36)の数字を付記する。
The second lens array 171 is formed by aggregating and arranging second lenses 172 having different sizes and shapes in the effective area of a perfect circle 173. A phase difference plate for rotating the plane of polarization of the secondary polarized light passing through the area by about 90 degrees is attached to an approximately half area (for convenience, shown by hatching) separated by a wavy line of each second lens 172. In the first lens array 161 of FIG. 9 and the second lens array 171 of FIG. 11, numerals (1) to (36) are added to clarify the correspondence between the lenses.

【0095】第2レンズアレイ171の構成は、各第2
レンズ172上に形成される実像の大きさが、光軸の近
傍ほど大きく、光軸から離れるほど小さいことを積極的
に利用し、瞳利用率がより大きくなるように、第1レン
ズアレイの形成する実像を配列し、それに対応したレン
ズの開口形状と配列を構成したものである。この場合
に、第2レンズアレイ171上に構成される実像の大き
さと分布の一例を、(図10)と同様にして(図12)
中に模式的に付記する。
The structure of the second lens array 171 is similar to that of the second lens array 171.
The first lens array is formed such that the size of the real image formed on the lens 172 is larger near the optical axis and smaller as the distance from the optical axis is smaller, so that the pupil utilization ratio is larger. Are arranged, and the corresponding aperture shapes and arrangements of the lenses are configured. In this case, an example of the size and distribution of the real image formed on the second lens array 171 is the same as in FIG. 10 (FIG. 12).
It is schematically added in the inside.

【0096】実線で示した36個の実像175は、第1
レンズアレイを通過する1次偏光成分についての照明ス
ポットである。各実像175は、対応する第2レンズの
開口の対応する位置に配置されるように、第1レンズ1
61Aを適宜偏心させている。
The 36 real images 175 shown by solid lines are the first
This is an illumination spot for the primary polarization component passing through the lens array. Each real image 175 is placed at a corresponding position of the corresponding aperture of the second lens so that the first lens 1
61A is appropriately eccentric.

【0097】破線で示した実像176は、同じく2次偏
光成分についての照明スポットである。これらの実像1
76は、偏光分離素子151の作用により、1次偏光に
ついての実像175に対して所定方向に所定距離だけず
れて形成される。ところが、瞳利用率を向上させるため
に第2レンズ172の開口形状と配列を変化させると、
各第1レンズと第2レンズの対ごとに、当該第1レンズ
を通過する1次偏光と2次偏光の偏光分離角を適宜異な
らしめる必要がある。第2レンズアレイ171上でずら
すべき実像175と実像176の距離に応じて、当該偏
光分離角を適宜定める必要がある。
A real image 176 shown by a broken line is an illumination spot for the secondary polarization component. These real images 1
76 is formed by being shifted by a predetermined distance in a predetermined direction with respect to the real image 175 of the primary polarized light by the operation of the polarization splitting element 151. However, when the aperture shape and arrangement of the second lens 172 are changed to improve the pupil utilization rate,
For each pair of the first lens and the second lens, it is necessary to appropriately change the polarization separation angles of the primary polarized light and the secondary polarized light passing through the first lens. It is necessary to appropriately determine the polarization separation angle in accordance with the distance between the real image 175 and the real image 176 to be shifted on the second lens array 171.

【0098】(図8)に示した偏光分離素子151は、
上記理由から構成されたもので、第1レンズアレイ16
1上の対応する第1レンズ161Aごとに、その近傍に
あって当該レンズを通過する2つの偏光光の偏光分離角
を、適宜、容易に異ならしめることができる。偏光分離
素子151は、回折格子を組み合わせてなるので、各矩
形領域中での回折ピッチを適宜異ならしめるだけで、容
易に偏光分離角を制御できる利点がある。
The polarization separation element 151 shown in FIG.
The first lens array 16 is configured for the above reason.
For each of the corresponding first lenses 161A on 1, the polarization separation angles of the two polarized lights that are in the vicinity and pass through the lens can be appropriately and easily changed. Since the polarization separation element 151 is formed by combining diffraction gratings, there is an advantage that the polarization separation angle can be easily controlled only by appropriately changing the diffraction pitch in each rectangular region.

【0099】具体的に、本発明の効果をある設計事例に
ちて数値を用いて述べる。上記本発明の投写型表示装置
の第2実施例において、第2レンズアレイから液晶パネ
ルに至る光路長を固定し、第2レンズアレイの有効開口
の大きさと瞳利用効率を述べる。
Specifically, the effects of the present invention will be described using numerical values based on a design example. In the second embodiment of the projection display apparatus of the present invention, the optical path length from the second lens array to the liquid crystal panel is fixed, and the size of the effective aperture of the second lens array and the pupil utilization efficiency will be described.

【0100】(図10)に示した偏光分離素子を用いな
い従来の構成の場合、拡がった実像163から放射され
る光を損失なく利用するために、投写レンズの入射瞳は
破線165の大きさが必要であり、これはFナンバーに
換算してF/2.5に相当した。この場合に、実像16
3の拡がり(面積)の総和の、入射瞳(半径165の正
円)の面積に占める割合として瞳利用率は、約33%で
あった。
In the case of the conventional configuration shown in FIG. 10 which does not use the polarization splitting element, the entrance pupil of the projection lens has a size of a broken line 165 in order to use the light radiated from the spread real image 163 without loss. , Which was equivalent to F / 2.5 in terms of F number. In this case, the real image 16
The pupil utilization rate was about 33% as a ratio of the total of the three spreads (areas) to the area of the entrance pupil (a perfect circle having a radius of 165).

【0101】(図12)に示した本発明の偏光分離素子
を用いる構成の場合、拡がった実像175と176から
放射される光を損失なく利用するために、投写レンズの
入射瞳は正円177の大きさが必要であり、これはFナ
ンバーに換算してF/2.3に相当した。この場合に瞳
利用率は、約57%であった。
In the case of the configuration using the polarization splitting element of the present invention shown in FIG. 12, the entrance pupil of the projection lens should be a perfect circle 177 in order to use the light radiated from the spread real images 175 and 176 without loss. Was required, which corresponded to F / 2.3 in terms of F number. In this case, the pupil utilization was about 57%.

【0102】両者を比較すると、本発明により、投写レ
ンズの集光角をあまり大きくすることなく、瞳利用率を
約2倍に向上させて、1次偏光と2次偏光の両方の成分
について、十分に高い光利用効率を実現できる。これ
は、投写レンズの口径を大きくしなくてもいいので、よ
りコストの安い光学系を実現できる。または、より小さ
い発光体のランプを利用しなくてもいいので、より明る
く信頼性の高いランプを利用して、より明るい投写型表
示装置を実現できる。
A comparison of the two shows that the present invention improves the pupil utilization factor by about twice without increasing the converging angle of the projection lens so much that the primary and secondary polarized light components are A sufficiently high light use efficiency can be realized. This eliminates the need to increase the diameter of the projection lens, so that an optical system with lower cost can be realized. Alternatively, since it is not necessary to use a lamp with a smaller luminous body, a brighter projection display device can be realized by using a brighter and more reliable lamp.

【0103】これにより、本願発明の偏光分離素子と、
これを用いた投写型表示装置は、光利用効率が高く、明
るい投写画像を提供するので、極めて大きな効果を得
る。
As a result, the polarized light separating element of the present invention is
A projection type display device using the same has a high light use efficiency and provides a bright projection image, so that an extremely large effect is obtained.

【0104】[0104]

【発明の効果】本発明の偏光分離素子は、回折格子と一
軸性光学異方体を組み合わせてなるので、構成が単純
で、偏光分離効率が高く、偏光分離角を制御しやすい、
という利点がある。また、光学異方体を配向させる厚み
は数ミクロン程度と薄いので、液晶ポリマーなどの一軸
性異方体を容易かつ良好に配向、充填し、所望の素子を
容易に、かつ高い量産性で実現できる。
Since the polarization splitting element of the present invention is a combination of a diffraction grating and a uniaxial optically anisotropic body, the configuration is simple, the polarization splitting efficiency is high, and the polarization splitting angle can be easily controlled.
There is an advantage. In addition, since the thickness for orienting the optical anisotropic body is as thin as several microns, a uniaxial anisotropic body such as a liquid crystal polymer can be easily and well aligned and filled, and the desired element can be easily realized with high mass productivity. it can.

【0105】更に、本発明の投写型表示装置は、上記本
発明の偏光分離素子を用いて、明るく表示むらの少ない
投写画像を提供できる。
Further, the projection type display device of the present invention can provide a bright projected image with less display unevenness by using the above-mentioned polarization splitting element of the present invention.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】回折格子の一般的な作用を説明するための略線
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a general operation of a diffraction grating.

【図2】他の回折格子の一般的な作用を説明するための
略線図
FIG. 2 is a schematic diagram for explaining a general operation of another diffraction grating;

【図3】本発明の偏光分離素子の一実施例を示す略構成
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the polarization beam splitter of the present invention.

【図4】本発明の他の偏光分離素子の一実施例を示す略
構成図
FIG. 4 is a schematic configuration diagram showing one embodiment of another polarization separation element of the present invention.

【図5】本発明の投写型表示装置の一実施例を示す略構
成図
FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an embodiment of the projection display device of the present invention.

【図6】第1レンズアレイの構成の一例を示す略構成図FIG. 6 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a configuration of a first lens array.

【図7】第2レンズアレイの構成の一例を示す略構成図FIG. 7 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a configuration of a second lens array.

【図8】本発明の更に他の偏光分離素子の一実施例を示
す略構成図
FIG. 8 is a schematic structural view showing still another embodiment of the polarization beam splitter of the present invention.

【図9】第1レンズアレイの構成の他の一例を示す略構
成図
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing another example of the configuration of the first lens array.

【図10】第2レンズアレイの従来の構成の一例を示す
略構成図
FIG. 10 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional configuration of a second lens array.

【図11】第2レンズアレイの構成の他の一例を示す略
構成図
FIG. 11 is a schematic configuration diagram showing another example of the configuration of the second lens array.

【図12】第2レンズアレイ上に形成される発光体の実
像の一例を示す模式図
FIG. 12 is a schematic view showing an example of a real image of a light emitting body formed on a second lens array.

【図13】従来の投写型表示装置の一例を示す略構成図FIG. 13 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional projection display device.

【図14】従来の偏光分離素子の一例を示す略構成図FIG. 14 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a conventional polarization separation element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

101,111,123,151 偏光分離素子 102,112 回折格子 103,113 一軸性光学異方体 121 ランプ 122 放物面鏡 124,161 第1レンズアレイ 125,171 第2レンズアレイ 126 フィールドレンズ 127 液晶パネル 128 投写レンズ 129 位相差板 101, 111, 123, 151 Polarization separation element 102, 112 Diffraction grating 103, 113 Uniaxial optical anisotropic body 121 Lamp 122 Parabolic mirror 124, 161 First lens array 125, 171 Second lens array 126 Field lens 127 Liquid crystal Panel 128 Projection lens 129 Phase difference plate

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 入射する自然光を、方位Aに電界の振動
成分を有するA偏光成分と、方位Aと直交する方位Bに
電界の振動成分を有するB偏光成分に分離して出射せし
める偏光分離素子であって、入射光の光軸に略直交して
配置される透光性基板と、前記基板表面に沿った一軸方
向Cに周期構造を有する回折格子と、前記回折格子に隣
接して形成される光学異方体層とからなり、前記光学異
方体層は前記基板表面上において前記方向Cとこれと直
交する方向Dに異なる屈折率を有し、前記回折格子は、
前記A偏光成分ないしは前記B偏光成分のいずれか1つ
の偏光成分についてのみ選択的に作用して当該偏光成分
の光を所定角度だけ回折せしめ、前記A偏光成分の光と
前記B偏光成分の光は互いに進行方向の異なる光として
これらを出射せしめることを特徴とする偏光分離素子。
1. A polarization splitting element for separating incident natural light into an A-polarized component having an electric field vibration component in an azimuth A and a B-polarized component having an electric field vibration component in an azimuth B orthogonal to the azimuth A and emitting the same. A translucent substrate disposed substantially orthogonal to the optical axis of the incident light, a diffraction grating having a periodic structure in a uniaxial direction C along the substrate surface, and formed adjacent to the diffraction grating. The optical anisotropic layer has different refractive indices on the substrate surface in the direction C and a direction D orthogonal thereto, and the diffraction grating has
The A-polarized component or the B-polarized component selectively acts on only one of the polarized components to diffract the light of the polarized component by a predetermined angle, and the light of the A-polarized component and the light of the B-polarized component are A polarized light separating element, which emits them as light having different traveling directions.
【請求項2】 自然光を放射する光源と、前記光源の放
射する光を集光せしめて略一軸方向に進行する光を形成
する集光手段と、前記集光手段から出射する光が入射す
る偏光分離素子と、前記偏光分離素子の近傍に配置され
る第1レンズアレイと、前記第1レンズアレイから出射
する光が入射する2レンズアレイと、前記第2レンズア
レイの近傍に配置されて当該レンズアレイを通過する光
の一部について選択的に作用せしめる偏波面回転手段
と、前記第2レンズアレイから出射する光が照射される
空間光変調素子と、前記空間光変調素子上の光学像を投
影する投写レンズとを備え、前記偏光分離素子は請求項
1に記載の偏光分離素子であり、前記空間光変調素子は
直線偏光の光に作用して前記光学像を形成し、前記第1
レンズアレイは複数の第1レンズを二次元状に配列して
なり、前記第2レンズアレイは前記第1レンズと対をな
す複数の第2レンズを二次元状に配列してなり、互いに
進行方向の異なるA偏光成分の光とB偏光成分の光は前
記第1レンズにより対応する前記第2レンズの開口の異
なる位置に収斂せしめられ、前記偏波面回転手段は前記
第2レンズの開口上のいずれか1つの偏光成分の光にの
み選択的に作用して当該偏光成分の光の偏波面を略90
度回転せしめ、前記空間光変調素子に照射される前記A
偏光成分の光の偏波面と前記B偏光成分の光の偏波面と
を略一致せしめてこれらを利用することを特徴とする投
写型表示装置。
2. A light source for radiating natural light, a light condensing means for condensing light emitted from the light source to form light traveling in a substantially uniaxial direction, and a polarized light on which light emitted from the light condensing means is incident. A separating element, a first lens array disposed near the polarization separating element, a two-lens array on which light emitted from the first lens array enters, and a lens disposed near the second lens array. Polarization plane rotating means for selectively acting on a part of light passing through the array, a spatial light modulation element irradiated with light emitted from the second lens array, and projecting an optical image on the spatial light modulation element A polarization lens, wherein the polarization beam splitting element is the polarization beam splitting element according to claim 1, wherein the spatial light modulation element acts on linearly polarized light to form the optical image;
The lens array has a plurality of first lenses arranged two-dimensionally, and the second lens array has a plurality of second lenses paired with the first lens arranged two-dimensionally. The light of the A-polarization component and the light of the B-polarization component, which are different from each other, are converged by the first lens at different positions of the corresponding apertures of the second lens. Only one polarization component of the light is selectively actuated to change the polarization plane of the polarization component of the light by approximately 90 degrees.
A, and the A is irradiated on the spatial light modulator.
A projection display device, wherein the polarization plane of the polarization component light and the polarization plane of the B-polarization component light are substantially matched to each other and used.
【請求項3】 入射する自然光を、方位Aに電界の振動
成分を有するA偏光成分と、方位Aと直交する方位Bに
電界の振動成分を有するB偏光成分に分離して出射せし
める偏光分離素子であって、当該偏光分離素子は複数単
位の偏光分離要素を二次元状に配列して構成し、前記偏
光分離要素の1単位は、前記A偏光成分の光と前記B偏
光成分の光が所定方向に所定の分離角を成して互いに進
行方向が異なるように出射せしめるものであり、前記偏
光分離要素の少なくともいずれかについて前記偏光分離
角を異ならしめることを特徴とする偏光分離素子。
3. A polarization splitting element for separating incident natural light into an A-polarized component having an electric field vibration component in an azimuth A and a B-polarized component having an electric field vibration component in an azimuth B perpendicular to the azimuth A and emitting the same. Wherein the polarization beam splitting element is configured by arranging a plurality of units of polarization beam splitting elements in a two-dimensional manner, and one unit of the polarization beam splitting element is configured such that the light of the A polarized light component and the light of the B polarized light component are predetermined. A polarized light separating element, which emits light so that the traveling directions are different from each other at a predetermined separating angle in the direction, and the polarized light separating angle is different for at least one of the polarized light separating elements.
【請求項4】 偏光分離要素は、入射光の光軸に略直交
して配置される透光性基板と、前記基板表面に沿った一
軸方向Cに周期構造を有する回折格子と、前記回折格子
に隣接して形成される光学異方体層とからなり、前記光
学異方体層は前記基板表面上において前記方向Cとこれ
と直交する方向Dに異なる屈折率を有し、前記回折格子
は、前記A偏光成分ないしは前記B偏光成分のいずれか
1つの偏光成分についてのみ選択的に作用して当該偏光
成分の光を所定角度だけ回折せしめ、前記回折格子のピ
ッチを異ならしめて当該偏光分離要素の分離角を適切に
異ならしめることを特徴とする請求項3記載の偏光分離
素子。
4. A polarization-separating element comprising: a light-transmitting substrate disposed substantially orthogonal to an optical axis of incident light; a diffraction grating having a periodic structure in a uniaxial direction C along the substrate surface; And an optically anisotropic layer formed adjacent to the optically anisotropic layer, the optically anisotropic layer has a different refractive index on the substrate surface in the direction C and a direction D perpendicular thereto, and the diffraction grating , Selectively act on only one of the A-polarized component or the B-polarized component to diffract light of the polarized component by a predetermined angle, and vary the pitch of the diffraction grating to change the polarization separation element. 4. The polarization splitting device according to claim 3, wherein the splitting angles are appropriately varied.
【請求項5】 自然光を放射する光源と、前記光源の放
射する光を集光せしめて略一軸方向に進行する光を形成
する集光手段と、前記集光手段から出射する光が入射す
る偏光分離素子と、前記偏光分離手段の近傍に配置され
る第1レンズアレイと、前記第1レンズアレイから出射
する光が入射する第2レンズアレイと、前記第2レンズ
アレイの近傍に配置されて当該レンズアレイを通過する
光の一部について選択的に作用せしめる偏波面回転手段
と、前記第2レンズアレイから出射する光が照射される
空間光変調素子と、前記空間光変調素子上の光学像を投
影する投写レンズとを備え、前記空間光変調素子は直線
偏光の光に作用して前記光学像を形成し、前記第1レン
ズアレイは複数の第1レンズを二次元状に配列してな
り、前記第2レンズアレイは前記第1レンズと対をなす
複数の第2レンズを二次元状に配列してなり、前記偏光
分離素子は請求項3に記載の偏光分離素子であり、前記
偏光分離素子は対応する前記第1レンズの位置に応じて
偏光分離角を異ならしめ、互いに進行方向の異なるA偏
光成分の光とB偏光成分の光は前記第1レンズにより対
応する前記第2レンズの開口の異なる位置に隣接して収
斂せしめられ、前記偏波面回転手段は前記第2レンズの
開口上のいずれか1つの偏光成分の光にのみ選択的に作
用して当該偏光成分の光の偏波面を略90度回転せし
め、前記空間光変調素子に照射される前記A偏光成分の
光の偏波面と前記B偏光成分の光の偏波面を略一致せし
めてこれを利用することを特徴とする投写型表示装置。
5. A light source for radiating natural light, a condensing means for condensing light emitted from the light source to form light traveling in a substantially uniaxial direction, and a polarized light on which light emitted from the condensing means is incident. A separating element, a first lens array arranged near the polarization separating means, a second lens array on which light emitted from the first lens array is incident, and a second lens array arranged near the second lens array. Polarization plane rotating means for selectively acting on a part of light passing through the lens array, a spatial light modulator to which light emitted from the second lens array is irradiated, and an optical image on the spatial light modulator. A projection lens for projecting, the spatial light modulator acts on linearly polarized light to form the optical image, and the first lens array has a plurality of first lenses arranged two-dimensionally, The second lens The ray is configured by two-dimensionally arranging a plurality of second lenses forming a pair with the first lens, wherein the polarized light separating element is the polarized light separating element according to claim 3, and the polarized light separating element is the corresponding polarized light separating element. The polarization separation angles are made different according to the position of the first lens, and the light of the A-polarized light component and the light of the B-polarized light component having different traveling directions are adjacent to the different positions of the openings of the second lens corresponding to the first lens. The polarization plane rotating means selectively acts on only one of the polarized light components on the aperture of the second lens to rotate the polarized light plane of the polarized light component by approximately 90 degrees. A projection display device, wherein the polarization plane of the A-polarized component light applied to the spatial light modulator is made substantially coincident with the polarization plane of the B-polarized component light and is used.
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