JPH112723A - 偏光変換光学系及び偏光変換素子及び偏光変換素子アレイ及びこれらのいずれかを用いた投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 入射自然光を高い光の利用効率で単一の偏光
方向の直線偏光に変換することができ、かつシンプルな
構成で小型化が可能である偏光変換光学系または偏光変
換素子または偏光変換素子アレイと、これらのいずれか
を用いた投射光学装置を提供する。 【解決手段】 偏光分離光学素子１は、入射した自然光
を、その光軸と、その光軸が交わる偏光分離面の法線と
を含む面に対し共に４５度傾き、かつ互いに直交する２
つの直線偏光に分離する。分離された直線偏光のうちの
１方は、第１及び第２のミラー２，３で反射して、その
偏光方向が９０度回転することにより、もう一方の直線
方向の偏光方向と一致する。このような分離機能によ
り、シンプルで小型の偏光変換光学系を得ることができ
る。上記のような特性をもつ偏光分離光学素子は、制御
された屈折率異方性を有するポリマーフィルムを積層し
てなるポリマーフィルム積層体を用いることにより得る
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、不定偏光である自
然光を、１方向の偏光方向を持つ直線偏光に変換する光
学素子及び該光学素子を用いた投射型表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】光源からの自然光を単一偏光に変換する
光学系或いは光学素子は、例えば、液晶プロジェクター
などへ利用できることが知られている。従来の液晶プロ
ジェクターにおいては、自然光を発する光源から出射し
た光は、液晶パネルの入射側に設けられた偏光板のため
に、実際には５０％が吸収されてしまい、明るさの損失
となる。また、偏光板に吸収された光は熱になるため、
偏光板の温度上昇も生じる。このような問題を避けるた
めに、偏光ビームスプリッターやコレステリック液晶な
どを用いて、自然光を２つの偏光成分に分離し、偏光状
態と光の進行方向を合わせた後、再度合成する偏光変換
光学系や偏光変換光学素子が考えられている。偏光ビー
ムスプリッターを用いた従来例としては、特公平５−５
８８９９号公報や実公平５−２６５６１号公報に示され
るような光学系や特開平５−１８１１３５号公報に示さ
れる光学素子などがあげられる。また、コレステリック
液晶を用いた従来例としては、特開平３−４５９０６号
公報に示されるような光学系や光学素子が考えられてい
る。

【０００３】しかしながら、従来の偏光変換の方法に
は、以下のような問題があった。偏光ビームスプリッタ
ーを使用する特公平５−５８８９９号公報や実公平５−
２６５６１号公報に示される光学系や特開平５−１８１
１３５号公報に示される光学素子を用いた場合、偏光ビ
ームスプリッターが非常に高価な上、２つに分離された
偏光光の偏光方向は、光の進行方向と偏光ビームスプリ
ッターの偏光分離を行なう面の法線とを含む平面に対
し、垂直な偏光方向と平行な偏光方向を持つ直線偏光に
分離される。従って、２つの偏光方向を揃えるために
は、特公平５−５８８９９号公報や特開平５−１８１１
３５号公報のように、一方の偏光を１／２波長板のよう
な位相差板に通して偏光方向を変換するか、或いは、実
公平５−２６５６１号公報のように、ミラーなどによる
３次元的な反射を用いることによって偏光方向の変換を
行なうことが必要であった。しかし、位相差板を用いた
場合は、位相差板の性能が大きく作用し、例えば、波長
ごとに偏光変換の機能にばらつきがあるときは、変換さ
れた光が波長ごとに異なる偏光状態となってしまい、最
終的に偏光板などを通過したとき、白色だった入射光が
色づくといった問題が生じてしまう。また、ミラーなど
を立体的に配置した反射を用いて偏光変換を行なった場
合には、２つの光束の合成が困難であるということや、
その構成の複雑さから現実的には、システムおよび機器
の大型化を伴うといった問題が生じてしまう。

【０００４】一方、コレステリック液晶は、選択波長域
において入射した自然光のうちある回転方向の円偏光を
選択反射する特性があるが、この特性は、コレステリッ
ク液晶に対して垂直入射時に最も顕著に現われるもの
で、大きな角度のついた入射光には必ずしもその特性は
完全に発揮されない。従って、コレステリック液晶を用
いた従来例でも、特開平３−４５９０６号公報のうちの
請求項６のように、光束がコレステリック液晶に対して
大きな角度で入射している場合には、コレステリック液
晶の特性が十分引き出せなくなり、偏光の変換による利
用効率はそれほど大きくならない。また、同じく特開平
３−４５９０６号公報の請求項２〜５にあるような、光
束を分離したあと一旦ランプに帰還させる光学系では、
光束はコレステリック液晶にほぼ垂直に入射するため、
コレステリック液晶の特性を有効に扱えるが、現実には
ランプに大きさがあることから、帰還する光束にはラン
プ自身による反射などによる損失が起こり、再利用する
ことは難しい。

【０００５】図１５は、偏光分離手段による分離光の偏
光方向の例を説明するための図で、本発明によるものを
図１５（Ａ）に、従来例によるものを図１５（Ｂ）に示
す。図中、１及び８０は偏光分離光学素子である。特開
平３−１９２３１９号公報においては、偏光分離手段で
分離した光の一方を２回反射させて偏光方向を回転さ
せ、分離したもう一方の光の偏光方向に合わせるように
した投射型表示装置が開示されている。この公報に述べ
られている偏光回転手段は、ミラーの入射面（入射光の
光軸と、この光軸に交る偏光回転手段のミラー面の法線
とを含む面）を、偏光ビームスプリッターで分離した直
線偏光の偏光方向に対して４５度傾けて配置し、２回の
反射を行なうことで偏光方向の回転を行なうものであ
る。しかしながら、従来の偏光分離手段で分離する直線
偏光の偏光方向は、図１５（Ｂ）に示すごとく、紙面に
対して垂直，水平であり、従って、直線偏光の偏光方向
を上記入射面に対し４５度傾けてミラーを配置させなけ
ればならず、すると、必然的に主光線の光路が３次元的
になってしまう。特開平３−１９２３１９号公報の図で
は、光路が２次元的に配置されているように描かれてい
るが、実際には、分離した２つの光線は同一紙面上には
表示できない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のごと
き実情に鑑みてなされたもので、入射自然光を高い光の
利用効率と変換精度をもって単一の偏光方向の直線偏光
に変換することができ、かつ、シンプルな構成で小型化
が可能である偏光変換光学系または偏光変換素子または
偏光変換素子アレイと、これらのいずれかを用いて明る
い画像が得られる投射光学装置を提供することをその解
決すベき課題とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、偏光
分離面を有し、自然光を該自然光の主光線進行方向と、
該主光線進行方向と前記偏光分離面との交点における該
偏光分離面の法線とを含む面に対し、４５度傾いた偏光
方向を持つ２つの直交した直線偏光に分離する偏光分離
光学素子と、前記２つに分離された直線偏光のいずれか
一方を２回反射させて偏光方向を９０度回転させる偏光
回転手段を有することを特徴とし、入射自然光を高い光
利用効率と変換精度をもって単一の偏光方向の直線偏光
の光に変換することができ、かつ、シンプルな構成で小
型化が可能である偏光変換光学系が得られるようにした
ものである。

【０００８】請求項２の発明は、偏光分離面を有し、自
然光を該自然光の主光線進行方向と、該主光線進行方向
と前記偏光分離面との交点における該偏光分離面の法線
とを含む面に対し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの
直交した直線偏光に分離する偏光分離光学素子と、前記
２つに分離された直線偏光のいずれか一方を全反射する
ことにより、前記いずれか一方の直線偏光を、前記分離
された他方の直線偏光の偏光方向に平行な楕円長軸をも
つ楕円偏光に変換させる全反射手段を有することを特徴
とし、入射自然光を２つの直線偏光に分離し、一方を全
反射させることにより、偏光方向が揃った直線偏光と楕
円偏光を得ることができ、従来損失光としていた一方の
分離光を利用できるため、高い光利用効率をもった偏光
変換光学系が得られるようにしたものである。

【０００９】請求項３の発明は、請求項２の発明におい
て、前記全反射手段を出射した楕円偏光を直線偏光に変
換する位相板を有することを特徴とし、位相板を配する
ことにより、全反射させることにより得られた楕円偏光
をさらに直線偏光に変換することができ、高偏光度の偏
光変換光学系が得られるようにしたものである。

【００１０】請求項４の発明は、請求項１ないし３いず
れか１の発明において、前記偏光分離光学素子として、
屈折率異方性を有する複数の延伸ポリマーフィルムをす
べての前記延伸ポリマーフィルムの延伸方向が一致する
ように積層してなるポリマーフィルム積層体であって、
隣接する該延伸ポリマーフィルムにおける延伸方向の屈
折率が互いに異なリ、かつ、該延伸ポリマーフィルムの
面方向で該延伸方向に直交する方向の屈折率が互いに同
一となるように前記複数の延伸ポリマーフィルムを配置
したポリマーフィルム積層体を用いることを特徴とし、
偏光変換光学系をシンプルな構成で小型化するための偏
光分離光学素子の具体的な構成が与えられるようにした
ものである。

【００１１】請求項５の発明は、偏光分離面を有し、自
然光を該自然光の主光線進行方向と、該主光線進行方向
と前記偏光分離面との交点における該偏光分離面の法線
とを含む面に対し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの
直交した直線偏光に分離する偏光分離光学要素と、前記
２つに分離された直線偏光のいずれか一方を２回反射さ
せて偏光方向を９０度回転させる偏光回転要素を有する
ことを特徴とし、入射自然光を高い利用効率と変換精度
をもって単一の偏光方向の光に変換することができ、か
つ、シンプルな構成で小型化が可能である偏光変換素子
が得られるようにしたものである。

【００１２】請求項６の発明は、偏光分離面を有し、自
然光を該自然光の主光線進行方向と、該主光線進行方向
と前記偏光分離面との交点における該偏光分離面の法線
とを含む面に対し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの
直交した直線偏光に分離する偏光分離光学要素と、前記
２つに分離された直線偏光のいずれか一方を全反射する
ことにより、前記いずれか一方の直線偏光を、前記分離
された他方の直線偏光の偏光方向に平行な楕円長軸をも
つ楕円偏光に変換させる全反射要素を有することを特徴
とし、入射自然光を２つの直線偏光に分離し、一方を全
反射させることにより、偏光方向が揃った直線偏光と楕
円偏光を得ることができ、従来損失光としていた一方の
分離光を利用できるため、高い光利用効率をもった偏光
変換素子が得られるようにしたものである。

【００１３】請求項７の発明は、請求項６の発明におい
て、前記全反射要素を出射した楕円偏光を直線偏光に変
換する位相板を有することを特徴とし、位相板を配する
ことにより、全反射させることにより得られた楕円偏光
をさらに直線偏光に変換することができ、高偏光度の偏
光変換素子が得られるようにしたものである。

【００１４】請求項８の発明は、請求項５ないし７いず
れか１の発明において、前記偏光分離光学要素として、
屈折率異方性を有する複数の延伸ポリマーフィルムをす
べての前記延伸ポリマーフィルムの延伸方向が一致する
ように積層してなるポリマーフィルム積層体であって、
隣接する該延伸ポリマーフィルムにおける延伸方向の屈
折率が互いに異なリ、かつ、該延伸ポリマーフィルムの
面方向で該延伸方向に直交する方向の屈折率が互いに同
一となるように前記複数の延伸ポリマーフィルムを配置
したポリマーフィルム積層体を用いることを特徴とし、
偏光変換素子をシンプルな構成で小型化するための偏光
分離光学要素の具体的な構成が与えられるようにしたも
のである。

【００１５】請求項９の発明は、請求項５ないし８いず
れか１記載の偏光変換素子を複数アレイ状に配列してな
ることを特徴とし、入射自然光を高い利用効率と変換精
度をもって偏光方向が揃った光に変換することができ、
シンプルな構成で小型かつ薄型の低コストな偏光変換素
子アレイが得られるようにしたものである。

【００１６】請求項１０の発明は、請求項１ないし４い
ずれか１記載の偏光変換光学系，または請求項５ないし
８いずれか１記載の偏光変換素子，または請求項９記載
の偏光変換素子アレイのいずれかと、光源と、光を変調
する透過型ライトバルブと、投射光学手段とを有するこ
とを特徴とし、光源光を効率良く利用でき、明るい画像
を投影できる投射型表示装置が得られるようにしたもの
である。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明の一実施形態は、入射光の
光軸と、その光軸と偏光分離面の交点における法線とを
含む入射面に対し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの
直交した直線偏光光に分離する偏光分離光学素子または
光学要素と、２つに分離された直線偏光の偏光方向を揃
えるためにどちらか一方の偏光光を２回反射させて偏光
方向を９０度回転させる偏光回転手段とを有し、自然光
を同一の偏光方向を持つ直線偏光に変換する機能を有す
るものである。なお、以下の説明において、偏光分離光
学素子（または偏光分離光学要素）が有する偏光分離面
または光学素子の反射面に入射する光の光軸と、その光
軸に交わる偏光分離面または反射面の法線とを含む面を
入射面として定義して用いることとし、その繰り返しの
説明は省略するものとする。

【００１８】偏光分離光学素子（または偏光分離光学要
素）に入射した自然光は、偏光の分離が行なわれる際
に、その入射面に対して、４５度傾いた偏光方向の互い
に直交した偏光光に分離される。この効果は光学薄膜を
用いた偏光ビームスプリッターでは実現できないが、複
屈折性を用いた偏光分離光学素子などで実現可能であ
る。

【００１９】このような複屈折性の光学部材として、具
体的には次のようなものが考えられる。有機系ポリマー
フィルムをある一方向で延伸したとき、延伸方向の屈折
率だけが変化し複屈折性（物質の屈折率が方向によって
異なる特性）を生じるということが一般に知られてい
る。２種類のフィルムを重ねて１方向に延伸したとき、
２つのフィルム間において延伸方向の屈折率には差が生
じるが、延伸方向と直交した方向の屈折率には差が生じ
ないように２種類のフィルムを選択したとする。このよ
うなフィルムに自然光（偏光していない光）をフィルム
面に対して垂直に入射させたとすると、フィルムの境界
面において、延伸軸に直交した方向の直線偏光は反射さ
れないが、延伸軸方向に偏光した直線偏光は、

【００２０】

【数１】

【００２１】の反射率で反射することになる。例えば、
ｎ₁＝１.４、ｎ₂＝１.６であるとき、２フィルムの境界
面における延伸軸方向の直線偏光の反射率は、Ｒ＝０.
４４％となる。従って、ｎ₁，ｎ₂，ｎ₁，…の組み合わ
せで繰り返しの多層構造にすれば、延伸軸方向の反射率
が大きくなって、自然光を２つの直交した直線偏光に分
離する機能を有することになる。

【００２２】一般に用いられている光学多層膜による偏
光ビームスプリッターは、ｐ，ｓ偏光の斜め入射による
反射率特性の違いを利用しているため、入射面に対して
垂直なｓ偏光と平行なｐ偏光にしか分離できない。これ
に対し、この複屈折性多層構造フィルムでは、その延伸
軸方向を入射面に対して任意に設定できるので、入射面
に対して任意の角度を持ち、それぞれが直交した直線偏
光に分離することができる。

【００２３】このようにして得られた、入射面に対して
４５度傾いた偏光方向の直線偏光は、２回反射を行なう
ことによって、その偏光方向が９０度反転し、元の偏光
方向に直交した直線偏光に変換することができる。従っ
て、上記の手段によって分離された、入射面に対して４
５度傾いた２つの直交する直線偏光のうち、一方を２回
反射させることによって２つの直線偏光の偏光方向を揃
えることができる。

【００２４】従って、自然光を偏光方向の揃った光に変
換することができ、また、偏光方向の変換の際に位相差
板を用いず、しかも、３次元的な構成を必要とせずに２
次元的な構成で偏光方向の変換を行なうことができるの
で、得られた偏光変換光の色の変化やシステムの大型化
を伴わない。

【００２５】上述した構成は、前述した特開平３−１９
２３１９号公報のものと「直線偏光の偏光方向を入射面
に対して４５度傾けさせて、２回反射を行うことによっ
て偏光変換を行なう」という原理自体は同じものである
が、偏光分離の時点で分離する直線偏光の方向を、図１
５（Ａ）に示すように、紙面に対して４５度傾いた直線
偏光に分離しており、従って、「直線偏光の偏光方向を
入射面に対して４５度傾けたミラーに入射させる」ため
にミラーを３次元的に傾けて配置する必要が無く、主光
線も２次元的に紙面上に表示できるようになる。すなわ
ち、光学系としてシンプルでわかりやすいものになる
上、２次元的な構成にすることができるので、光学系自
体のサイズも縮小できる。また、２次元的な構成なの
で、複数個並べてアレイ状にすることができ、さらなる
小型化，低コスト化が望める。

【００２６】本発明の他の実施形態は、入射面に対して
４５度傾いた偏光方向を持つ２つの直交した直線偏光に
分離する偏光分離光学素子と、２つに分離された直線偏
光の偏光方向を揃えるためにどちらか一方の直線偏光を
全反射させて、その長軸方向がもう一方の直線偏光の偏
光方向と平行な楕円偏光に変換させる全反射手段とを有
し、自然光を同一の偏光方向を持つ略直線偏光に変換す
る機能を有するものである。

【００２７】また、本発明の更に他の実施形態は、入射
面に対して４５度傾いた偏光方向を持つ２つの直交した
直線偏光に分離する偏光分離光学素子と、２つに分離さ
れた直線偏光の偏光方向を揃えるためにどちらか一方の
直線偏光を全反射させて、その長軸方向がもう一方の直
線偏光の偏光方向と平行な楕円偏光に変換させる全反射
手段と、さらに、この楕円偏光を完全な直線偏光に変換
させる位相板とを有し、自然光を同一の偏光方向を持つ
直線偏光に変換する機能を有するものである。

【００２８】偏光分離光学素子で分離された直線偏光の
一方をプリズム等で内部全反射させ、その際、直線偏光
の偏光方向が入射面に対して４５度傾くようにすること
で、その長軸方向が偏光分離光学素子で分離したもう一
方の直線偏光の偏光方向と平行な楕円偏光に変換され
る。屈折率ｎ₁の媒質からｎ₂（ｎ₁＞ｎ₂）の媒質に入射
角度θ₁で入射した光は、θ₁が、

【００２９】

【数２】

【００３０】の条件を満したとき、全反射をおこす。こ
のとき、ｐ偏光，ｓ偏光間には、

【００３１】

【数３】

【００３２】により求められる位相差δ＝δｐ−δｓ
（δｐ；ｐ偏光の位相とび，δｓ；ｓ偏光の位相とび）
が生じる。これにより、反射後の偏光は楕円偏光になる
が、δが９０°を超えないよう媒質や入射角度を選択す
れば、楕円の長軸方向は偏光分離光学素子で分離したも
う一方の直線偏光の偏光方向と平行になる。例えば、入
射面に対して４５度傾いて偏光している直線偏光光が、
屈折率ｎ₁＝１.５２のガラスの内部から外部の空気層
（ｎ₂＝１.０）に向かって入射角度４５°で入射したと
き、臨界角は４１.１°であることから、この入射光は
全反射する。このとき反射光において、ｐ偏光成分とｓ
偏光成分との間にδ＝４０.３°の位相差が生じるの
で、楕円率０.３７の楕円偏光となるが、位相差は９０
°に満たないため、その長軸方向がもう一方の直線偏光
の偏光方向と平行な楕円偏光に変換されることになる。

【００３３】従って、上記の手段を用いて分離された入
射面に対して４５度傾いた２つの直交する直線偏光のう
ち、一方を全反射させてその長軸方向がもう一方の直線
偏光の偏光方向と平行な楕円偏光に変換することによ
り、分離した２つの偏光光の偏光方向をほぼ揃えること
ができる。

【００３４】また、上記の構成で全反射させることによ
り変換されて得られた楕円偏光を、さらに適当な位相板
に通過させることで完全な直線偏光に変換することがで
き、より変換の効率を上げることができる。従って、簡
単な構成で自然光を偏光方向の揃った光に変換すること
ができ、偏光ビームスプリッターや膜蒸着を行った偏光
分離手段を用いないので安価であり、しかも、３次元的
な構成とならずに２次元的な構成で偏光方向の変換を行
うことができるので、システムの大型化を伴わない。

【００３５】以下に、本発明を具体化した実施例につい
て添付された図面を参照して詳細に説明する。図１は、
本発明による偏光変換光学系の一実施例を説明するため
の光学系構成と光路とを概念的に示す図で、図中、１は
偏光分離光学素子、２は第１のミラー、３は第２のミラ
ーである。図７は、本発明における偏光分離光学素子ま
たは偏光分離光学要素の分離光の特性を概念的に示す図
である。偏光分離光学素子１に入射した自然光は、図７
に示すように、入射面に対して４５度傾いた偏光方向を
持ち、かつ、互いに直交した直線偏光に分離される。図
１に示す光学系では、分離された２つの直交する直線偏
光のうち、偏光分離光学素子１で反射した光は第１のミ
ラー２及び第２のミラー３によって２回反射して、これ
によって、偏光方向が９０度回転し、偏光分離光学素子
１を透過した偏光方向の光に、その偏光方向が揃えられ
る。このような構成とすることにより、自然光を同一方
向の偏光方向を持つ直線偏光に変換することができる。

【００３６】図２は、本発明による偏光変換素子の一実
施例を説明するための素子構成と光路とを概念的に示す
図で、図中、１０は偏光変換素子、１１は偏光分離光学
要素、１２は第１の蒸着ミラー、１３は第２の蒸着ミラ
ー、１４は第１のガラス部、１５は第２のガラス部であ
る。本実施例の偏光変換素子は、第１のガラス部１４と
第２のガラス部１５の主に２つのガラス部からなってい
る。第１のガラス部１４には、図２に示すように、第１
の蒸着ミラー１２，及び第２の蒸着ミラー１３が設けら
れている。また、第１のガラス部１４と第２のガラス部
１５の間には、偏光分離光学要素１１が挟み込まれてい
る。第１のガラス部１４における第２の蒸着ミラー１３
が蒸着されている面は、偏光分離光学要素１１で反射
し、第１の蒸着ミラー１２で反射してきた光が、偏光分
離光学要素１１を透過した光と平行となるようにその反
射角度が設定されている。

【００３７】第１のガラス部１４に入射した自然光であ
る平行光束は、偏光分離光学要素１１に入射し、入射面
に対して偏光方向が４５度傾いた偏光方向を持つ互いに
直交した直線偏光に分離される。分離された２つの直交
する直線偏光のうち反射された光はガラス上に蒸着され
た第１の蒸着ミラー１２及び第２の蒸着ミラー１３によ
って更に２回反射され、これによって、偏光方向が９０
度回転し、偏光分離光学要素１１を透過した偏光方向の
光と偏光方向が揃えられる。従って、入射した自然光を
同一方向の偏光方向を持つ直線偏光の平行光に変換する
ことができる。

【００３８】図３は、本発明の偏光変換素子アレイの一
実施例を説明するための構成図で、図中、１０は偏光変
換素子、２０は偏光変換素子アレイである。本実施例の
偏光変換素子アレイは、図３に示すごとくに、図２に示
した偏光変換素子１０をアレイ状に配列したものであ
る。このような構成とすることによって、薄型化による
コストダウンや出射光の強度ムラの改善、及び光学系の
縮小化を図ることができる。

【００３９】図４は、本発明の偏光変換素子アレイに入
射させる光束を集光するために配置するレンズアレイを
説明するための図で、図中、２０は偏光変換素子アレ
イ、３０はレンズアレイである。図３に示した偏光変換
素子アレイ２０の入射側には、例えば、図４に示すごと
くのフライアイレンズのようなレンズアレイ３０を配置
し、光束を集光することによって、偏光変換素子アレイ
２０の蒸着ミラー部分で入射光が反射するときに損失光
が生じないようにすることが望ましい。このような光学
系を用いることによって、従来の液晶プロジェクターよ
りも光の利用効率を向上させることができる上、偏光変
換素子の薄型化によるコストダウンや偏光変換素子の出
射光の強度ムラの改善及び光学系の縮小化が図れる。

【００４０】図５は、本発明による投射型表示装置の一
実施例を説明するための概略構成図で、本発明の偏光変
換素子アレイを用いた液晶プロジェクター光学系を示す
ものである。本実施例の液晶プロジェクター光学系は、
自然光を発するランプ２７及びリフレクタ２８からなる
光源２６と、コンデンサレンズ２１と、入射側フライア
イレンズ２２及び出射側フライアイレンズ２３と、光源
２６からの自然光をある１つの偏光方向の直線偏光に変
換する本発明による偏光変換素子アレイ２０と、液晶パ
ネル２４と、その像をスクリーンに投影する投影光学系
２５からなる。

【００４１】図６は、本発明による偏光変換光学系の他
の実施例を説明するための光学系構成と光路とを概念的
に示す図で、図中、１′は偏光分離光学素子、４はプリ
ズムである。偏光分離光学素子１′に入射した自然光
は、図７に示す例と同様に、入射面に対して偏光方向が
４５度傾いた互いに直交した直線偏光に分離される。図
６に示す光学系では、分離された直線偏光のうち、偏光
分離光学素子１′で反射した直線偏光は、プリズム４に
よって全反射され、これによって、その長軸方向が偏光
分離光学素子１′を透過したもう一方の直線偏光の偏光
方向と平行な楕円偏光となり、ほぼ偏光方向が揃えられ
る。従って、上述したような構成の光学系により、自然
光を同一の偏光方向を持つ略直線偏光に変換することが
できる。

【００４２】図８は、本発明による偏光変換素子の他の
実施例を説明するための素子構成と光路とを概念的に示
す図で、図中、１１′は偏光分離光学要素、４０は偏光
変換素子、４１は第１のガラス部、４１ｒは全反射面、
４２は第２のガラス部である。本実施例の偏光変換素子
は、第１のガラス部４１と第２のガラス部４２の２つの
ガラス部から主になっている。第１のガラス部４１と第
２のガラス部４２の間には、偏光分離光学要素１１′が
挟み込まれている。第１のガラス部４１は、偏光分離光
学要素１１′で反射された光が全反射面４１ｒで全反射
するように、ガラスの材質（屈折率）、及び全反射面４
１ｒへの光の入射角度が設定されており、さらに、全反
射面４１ｒにおける反射光が偏光分離光学要素１１′を
透過した光と再び同じ進行方向になるように、全反射面
４１ｒと偏光分離光学要素１１′が平行な位置関係に設
定されている。

【００４３】第１のガラス部４１に入射した自然光であ
る平行光束は、偏光分離光学要素１１′に入射し、入射
面に対して４５度に傾いた偏光方向を持つ互いに直交し
た直線偏光に分離される。これらの直線偏光のうち、偏
光分離光学要素１１′で反射した光は、第１のガラス部
４１の全反射面４１ｒによって全反射され、これによっ
て、その長軸方向がもう一方の直線偏光の偏光方向と平
行な楕円偏光となり、偏光分離光学要素１１′を透過し
た直線偏光にほぼ偏光方向が揃えられる。従って、上述
したような構成の光学素子により、自然光を同一の偏光
方向を持つ略直線偏光に変換することができる。

【００４４】図９は、本発明による偏光変換素子アレイ
の他の実施例を説明するための構成図で、図中、４０は
偏光変換素子、５０は偏光変換素子アレイである。本実
施例の偏光変換素子アレイは、図８に示す偏光変換素子
４０をアレイ状に配列したものである。このような構成
とすることによって、薄型化によるコストダウンや出射
光の強度ムラの改善、及び光学系の縮小化を図ることが
できる。

【００４５】図１０は、本発明による偏光変換光学系の
更に他の実施例を説明するたるの光学系構成と光路とを
概念的に示す図で、図中、６は位相板で、その他、図６
と同様の作用をする部分には、図６と同じ符号が付して
ある。偏光分離光学素子１′に入射した自然光は、入射
面に対して４５度傾いた偏光方向を持つ互いに直交した
直線偏光に分離される。これらの直線偏光のうち、偏光
分離光学素子１′で反射した光は、プリズム４によって
全反射され、これによって、その長軸方向がもう一方の
直線偏光の偏光方向と平行な楕円偏光となり、位相板６
を通過する。位相板６は、入射してきた楕円偏光が、そ
の長軸方向を偏光方向とする直線偏光に変換されるよう
に位相差、及び配設方向が設定されており、従って、位
相板６を通過した楕円偏光は完全な直線偏光となり、偏
光分離光学素子１′を通過した直線偏光にその偏光方向
が揃えられる。従って、上述したような光学素子によ
り、自然光を同一の偏光方向を持つ直線偏光に変換する
ことができる。

【００４６】図１１は、本発明による偏光変換素子の更
に他の実施例を説明するための素子構成と光路とを概念
的に示す図で、図中、６′は位相板、６０は偏光変換素
子で、その他、図８と同様の作用をする部分には、図８
と同じ符号が付してある。本実施例の偏光変換素子は、
第１のガラス部４１と第２のガラス部４２の２つのガラ
ス部から主になっている。第１のガラス部４１と第２の
ガラス部４２の間には、偏光分離光学要素１１′が挟み
込まれている。第１のガラス部４１は、偏光分離光学要
素１１′で反射された光が全反射面４１ｒで全反射する
ように、ガラスの材質（屈折率）、及び全反射面４１ｒ
の光の入射角度が設定されており、さらに、全反射面４
１ｒにおける反射光が偏光分離光学要素１１′を透過し
た光と再び同じ進行方向になるように、全反射面４１ｒ
と偏光分離光学要素１１′とが平行な位置関係に設定さ
れている。

【００４７】第１のガラス部４１に入射した自然光であ
る平行光束は、偏光分離光学要素１１′に入射し、入射
面に対して４５度傾いた偏光方向を持つ互いに直交した
直線偏光に分離される。これらの直線偏光のうち、偏光
分離光学要素１１′で反射した光は、第１のガラス部４
１の全反射面４１ｒによって全反射され、これによっ
て、その長軸方向がもう一方の直線偏光の偏光方向と平
行な楕円偏光となり、位相板６′を通過する。位相板
６′は、入射してきた楕円偏光が、その長軸方向を偏光
方向とする直線偏光に変換されるように位相差、及び配
設方向が設定されており、従って、位相板６′を通過し
た楕円偏光は完全な直線偏光となり、偏光分離光学要素
１１′を透過した直線偏光の偏光方向にその偏光方向が
揃えられる。従って、上述したような構成により、自然
光を同一の偏光方向を持つ直線偏光に変換することがで
きる。

【００４８】図１２は、本発明による偏光変換素子アレ
イの更に他の実施例を説明するための構成図で、図中、
６０は偏光変換素子、７０は偏光変換素子アレイであ
る。本実施例の偏光変換素子アレイは、図１１に示す偏
光変換素子６０をアレイ状に配列したものである。この
ような構成とすることによって、薄型化によるコストダ
ウンや出射光の強度ムラの改善、及び光学系の縮小化を
図ることができる。

【００４９】図１３は、本発明による投射型表示装置の
他の実施例を説明するための概略構成図で、本発明の偏
光変換素子アレイを用いた液晶プロジェクター光学系の
他の例を示すものである。本実施例の液晶プロジェクタ
ー光学系は、自然光を発するランプ２７及びリフレクタ
２８からなる光源２６と、コンデンサレンズ２１と、入
射側フライアレイレンズ２２及び出射側フライアレイレ
ンズ２３と、光源２６からの自然光をある１つの偏光方
向の直線偏光に変換する図１０に示す偏光変換素子アレ
イ５０または、図１２に示す偏光変換素子アレイ７０
と、液晶パネル２４と、その像をスクリーンに投影する
投影光学系２５からなる。

【００５０】図１４は、本発明の偏光変換素子アレイに
入射させる光束を集光するレンズアレイを配置した構成
を示す図で、図中、３０′はレンズアレイである。図１
２または図１４に示した偏光変換素子アレイ５０（７
０）の入射側には、例えば、図１４に示すごとくのフラ
イアレイレンズのようなレンズアレイ３０を配置し、光
束を集光することによって、偏光変換素子アレイ５０
（７０）の全反射面部分で入射光が反射するときに損失
光が生じないようにすることが望ましい。このような光
学系を用いることによって、従来の液晶プロジェクター
よりも光の利用効率を向上させることができる上、偏光
変換素子の薄型化によるコストダウンや偏光変換素子の
出射光の強度ムラや改善、及び光学系の縮小化が図れ
る。

【００５１】

【発明の効果】

請求項１の効果：入射自然光を高い光利用効率と変換精
度をもって単一の偏光方向の直線偏光の光に変換するこ
とができ、かつ、シンプルな構成で小型化が可能である
偏光変換光学系が得られる。

【００５２】請求項２の効果：入射自然光を２つの直線
偏光に分離し、一方を全反射させることにより、偏光方
向が揃った直線偏光と楕円偏光を得ることができ、従来
損失光としていた一方の分離光を利用できるため、高い
光利用効率をもった偏光変換光学系が得られる。

【００５３】請求項３の効果：請求項２の効果に加え
て、位相板を配することにより、全反射させることによ
り得られた楕円偏光をさらに直線偏光に変換することが
でき、高偏光度の偏光変換光学系が得られる。

【００５４】請求項４の効果：請求項１ないし３いずれ
か１の効果に加えて、偏光変換光学系をシンプルな構成
で小型化するための偏光分離光学素子の具体的な構成が
与えられる。

【００５５】請求項５の効果：入射自然光を高い利用効
率と変換精度をもって単一の偏光方向の光に変換するこ
とができ、かつ、シンプルな構成で小型化が可能である
偏光変換素子が得られる。

【００５６】請求項６の効果：入射自然光を２つの直線
偏光に分離し、一方を全反射させることにより、偏光方
向が揃った直線偏光と楕円偏光を得ることができ、従来
損失光としていた一方の分離光を利用できるため、高い
光利用効率をもった偏光変換素子が得られる。

【００５７】請求項７の効果：請求項６の効果に加え
て、位相板を配することにより、全反射させることによ
り得られた楕円偏光をさらに直線偏光に変換することが
でき、高偏光度の偏光変換素子が得られる。

【００５８】請求項８の効果：請求項５ないし７いずれ
か１の効果に加えて、偏光変換素子をシンプルな構成で
小型化するための偏光分離光学要素の具体的な構成が与
えられる。

【００５９】請求項９の効果：入射自然光を高い利用効
率と変換精度をもって偏光方向が揃った光に変換するこ
とができ、シンプルな構成で小型かつ薄型の低コストな
偏光変換素子アレイが得られる。

【００６０】請求項１０の効果：光源光を効率良く利用
でき、明るい画像を投影できる投射型表示装置が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による偏光変換光学系の一実施例を説明
するための光学系構成と光路とを概念的に示す図であ
る。

【図２】本発明による偏光変換素子の一実施例を説明す
るための素子構成と光路とを概念的に示す図である。

【図３】本発明の偏光変換素子アレイの一実施例を説明
するための構成図である。

【図４】本発明の偏光変換素子アレイに入射させる光束
を集光するために配置するレンズアレイを説明するため
の図である。

【図５】本発明による投射型表示装置の一実施例を説明
するための概略構成図である。

【図６】本発明による偏光変換光学系の他の実施例を説
明するための光学系構成と光路とを概念的に示す図であ
る。

【図７】本発明における偏光分離光学素子または偏光分
離光学要素の分離光の特性を説明するための図である。

【図８】本発明による偏光変換素子の他の実施例を説明
するための素子構成と光路とを概念的に示す図である。

【図９】本発明による偏光変換素子アレイの他の実施例
を説明するための構成図である。

【図１０】本発明による偏光変換光学系の更に他の実施
例を説明するための光学系構成と光路とを概念的に示す
図である。

【図１１】本発明による偏光変換素子の更に他の実施例
を説明するための素子構成と光路とを概念的に示す図で
ある。

【図１２】本発明による偏光変換素子アレイの更に他の
実施例を説明するための構成図である。

【図１３】本発明による投射型表示装置の他の実施例を
説明するための概略構成図で、本発明の偏光変換素子ア
レイを用いた液晶プロジェクター光学系の他の例を示す
ものである。

【図１４】本発明の偏光変換素子アレイに入射させる光
束を集光するレンズアレイを配置した構成を示す図であ
る。

【図１５】偏光分離手段による分離光の偏光方向の例を
説明するための図である。

【符号の説明】

１，１′，８０…偏光分離光学素子、１ａ…延伸方向の
屈折率がｎ₁であるフィルム、１ｂ…延伸方向の屈折率
がｎ₂であるフィルム、２…第１のミラー、３…第２の
ミラー、４…プリズム、６，６′…位相板、１０…偏光
変換素子、１１，１１′…偏光分離光学要素、１２…第
１の蒸着ミラー、１３…第２の蒸着ミラー、１４…第１
のガラス部、１５…第２のガラス部、２０…偏光変換素
子アレイ、２１…コンデンサレンズ、２２…入射側フラ
イアイレンズ、２３…出射側フライアイレンズ、２４…
液晶パネル、２５…投影光学系、２６…光源、２７…ラ
ンプ、２８…リフレクタ、３０，３０′…レンズアレ
イ、４０…偏光変換素子、４１…第１のガラス部、４１
ｒ…全反射面、４２…第２のガラス部、５０…偏光変換
素子アレイ、６０…偏光変換素子、７０…偏光変換素子
アレイ、Ｏ…延伸方向。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光分離面を有し、自然光を該自然光の
   主光線進行方向と、該主光線進行方向と前記偏光分離面
   との交点における該偏光分離面の法線とを含む面に対
   し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの直交した直線偏
   光に分離する偏光分離光学素子と、前記２つに分離され
   た直線偏光のいずれか一方を２回反射させて偏光方向を
   ９０度回転させる偏光回転手段を有することを特徴とし
   た偏光変換光学系。
2. 【請求項２】 偏光分離面を有し、自然光を該自然光の
   主光線進行方向と、該主光線進行方向と前記偏光分離面
   との交点における該偏光分離面の法線とを含む面に対
   し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの直交した直線偏
   光に分離する偏光分離光学素子と、前記２つに分離され
   た直線偏光のいずれか一方を全反射することにより、前
   記いずれか一方の直線偏光を、前記分離された他方の直
   線偏光の偏光方向に平行な楕円長軸をもつ楕円偏光に変
   換させる全反射手段を有することを特徴とした偏光変換
   光学系。
3. 【請求項３】 前記全反射手段を出射した楕円偏光を直
   線偏光に変換する位相板を有することを特徴とする請求
   項２記載の偏光変換光学系。
4. 【請求項４】 前記偏光分離光学素子として、屈折率異
   方性を有する複数の延伸ポリマーフィルムをすべての前
   記延伸ポリマーフィルムの延伸方向が一致するように積
   層してなるポリマーフィルム積層体であって、隣接する
   該延伸ポリマーフィルムにおける延伸方向の屈折率が互
   いに異なリ、かつ、該延伸ポリマーフィルムの面方向で
   該延伸方向に直交する方向の屈折率が互いに同一となる
   ように前記複数の延伸ポリマーフィルムを配置したポリ
   マーフィルム積層体を用いることを特徴とする請求項１
   ないし３いずれか１記載の偏光変換光学系。
5. 【請求項５】 偏光分離面を有し、自然光を該自然光の
   主光線進行方向と、該主光線進行方向と前記偏光分離面
   との交点における該偏光分離面の法線とを含む面に対
   し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの直交した直線偏
   光に分離する偏光分離光学要素と、前記２つに分離され
   た直線偏光のいずれか一方を２回反射させて偏光方向を
   ９０度回転させる偏光回転要素を有することを特徴とし
   た偏光変換光学素子。
6. 【請求項６】 偏光分離面を有し、自然光を該自然光の
   主光線進行方向と、該主光線進行方向と前記偏光分離面
   との交点における該偏光分離面の法線とを含む面に対
   し、４５度傾いた偏光方向を持つ２つの直交した直線偏
   光に分離する偏光分離光学要素と、前記２つに分離され
   た直線偏光のいずれか一方を全反射することにより、前
   記いずれか一方の直線偏光を、前記分離された他方の直
   線偏光の偏光方向に平行な楕円長軸をもつ楕円偏光に変
   換させる全反射要素を有することを特徴とした偏光変換
   素子。
7. 【請求項７】 前記全反射要素を出射した楕円偏光を直
   線偏光に変換する位相板を有することを特徴とする請求
   項６記載の偏光変換素子。
8. 【請求項８】 前記偏光分離光学要素として、屈折率異
   方性を有する複数の延伸ポリマーフィルムをすべての前
   記延伸ポリマーフィルムの延伸方向が一致するように積
   層してなるポリマーフィルム積層体であって、隣接する
   該延伸ポリマーフィルムにおける延伸方向の屈折率が互
   いに異なリ、かつ、該延伸ポリマーフィルムの面方向で
   該延伸方向に直交する方向の屈折率が互いに同一となる
   ように前記複数の延伸ポリマーフィルムを配置したポリ
   マーフィルム積層体を用いることを特徴とする請求項５
   ないし７いずれか１記載の偏光変換素子。
9. 【請求項９】 請求項５ないし８いずれか１記載の偏光
   変換素子を複数アレイ状に配列してなることを特徴とす
   る偏光変換素子アレイ。
10. 【請求項１０】 請求項１ないし４いずれか１記載の偏
    光変換光学系，または請求項５ないし８いずれか１記載
    の偏光変換素子，または請求項９記載の偏光変換素子ア
    レイのいずれかと、光源と、光を変調する透過型ライト
    バルブと、投射光学手段とを有することを特徴とする投
    射型表示装置。