JP2004163782A

JP2004163782A - 偏光変換ユニット及び、それを用いたプロジェクタ装置

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Publication number: JP2004163782A
Application number: JP2002331531A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Tanitsu; 雅彦谷津; Koji Hirata; 浩二平田; Naoyuki Ogura; 直之小倉
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2002-11-15
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2004-06-10
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: GB2395798B; GB2395798A; JP3951897B2; US6869184B2; TW200407560A; CN1501122A; US20040105150A1; GB0322866D0; TWI245129B; CN1280654C

Abstract

【課題】本発明の目的は、コントラスト性能に優れ、高信頼性及び長寿命化を実現した偏光変換ユニット、及び、それを用いたプロジェクタ装置を提供することにある。
【解決手段】偏光変換ユニットを、一体化された第１、第２の偏光ビームスプリッターとを有し、第１の偏光ビームスプリッターは２種類の色光がそれぞれ入射される２つの入射面を備え、第２の偏光ビームスプリッターは、第１の偏光ビームスプリッターとの接合面と出射面とは異なる他の相隣接する２つの面の各々に、１／４波長板と第１のダイクロイックミラー、１／４波長板と第２のダイクロイックミラーを配設するように構成する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ装置に関する。この液晶プロジェクタ装置は、前面投射のいわゆる液晶プロジェクタや、投射型テレビといった分野に広く利用できる。
【０００２】
【従来の技術】
業務用途の液晶プロジェクタが大きく普及してきている。また、従来のブラウン管に表示された画像をスクリーンに投影する方式の画像表示装置に代わるものとして、液晶表示素子を用いた投射型テレビの開発が行われてきた。特に、家庭用の投射型テレビとしては、業務用の液晶プロジェクタに比べて、より忠実な色再現性、高いコントラスト性能及び素早い動画表示性能が求められている。
【０００３】
液晶の反射型ライトバルブの場合、液晶層を反射により往復で２回通過するので、透過型に比べてその液晶層の厚さを約半分にできる。液晶層の厚さが半分になったことによりその応答速度は４倍となる。反射型ライトバルブを適用した液晶プロジェクタとして、例えば特許文献１に示す構成がある。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−３１８４２６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開２００１−３１８４２６号公報に開示の色分離合成系（同公報の図１ダイクロイックミラー３からダイクロイックプリズム５までの光学系）と同様な構成の色分離合成系を図１７に示す。
【０００６】
図１７において、１１は光源、１２はリフレクタ、１３と１４はレンズアレイ方式インテグレータとしての第１マルチレンズアレイと第２マルチレンズアレイ、３２はマルチプリズムアレイからなる平板型偏光変換手段、１５は集光レンズ、１６はコンデンサーレンズ、１７は第６ダイクロイックミラー、１８と１９と２０は偏光ビームスプリッター、２１と２３は平板ガラス、２２は特定の波長域の色光（この場合、Ｒ光）の偏光状態をＰ偏光とＳ偏光とで変換する部分偏光回転素子、３３は特定の波長域の色光（この場合、Ｂ光）の偏光状態をＰ偏光とＳ偏光とで変換する部分偏光回転素子、２４と２５と２６は反射型ライトバルブ、３４は全反射ミラーである。
【０００７】
図１７において、光源１１から出射した光束は、放物面形状を有するリフレクタ１２で反射し光軸に平行な光束となる。第１マルチレンズアレイ１３の各レンズセル面での光量は、第２マルチレンズ１４及び集光レンズ１５の作用により反射型ライトバルブ２４・２５・２６の有効面上に重畳され、光量分布の一様性が改善される。尚、第２マルチレンズアレイ１４に後続し配置した平板型偏光変換手段により自然光は、その偏光方向を例えばＳ偏光（以降、Ｓ偏光の光線を実線で示す）に揃えられ、集光レンズ１５を通って、全反射ミラー３４で折り返されて、コンデンサーレンズ１６に入射する。また、コンデンサーレンズ１６では主光線を平行に、即ち、テレセントリック化の作用を行う。
【０００８】
Ｓ偏光に揃えられた白色色は、第６ダイクロイックミラー１７によって、Ｒ光とＢ光が反射され、Ｇ光が透過される。
【０００９】
第６ダイクロイックミラー１７で反射したＲ光はＳ偏光の光束なので、部分偏光回転素子３３を透過した後、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面で反射し、Ｒ用の反射型ライトバルブ２４に照射される。反射型ライトバルブ２４からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＰ偏光（以降、Ｐ偏光の光線を点線で示す）になるので、今度は偏光ビームスプリッター１８を透過し、平板ガラス２１を透過し、Ｒ光の偏光状態をＰ偏光とＳ偏光とで回転させる部分偏光回転素子２２によってＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面で反射し、投射レンズ（図示せず）に入射する。
【００１０】
第６ダイクロイックミラー１７を透過したＧ光はＳ偏光の光束なので、偏光ビームスプリッター１９の偏光分離面で反射し、Ｇ用の反射型ライトバルブ２５に照射される。反射型ライトバルブ２５からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＰ偏光になるので、今度は偏光ビームスプリッター１９を透過し、平板ガラス２３を透過し、偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面を透過し、投射レンズ（図示せず）に入射する。
【００１１】
第６ダイクロイックミラー１７で反射したＢ光はＳ偏光の光束であるが、部分偏光回転素子３３によってＰ偏光に変換されるので、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面を透過し、Ｂ用の反射型ライトバルブ２６に照射される。反射型ライトバルブ２６からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＳ偏光になるので、今度は偏光ビームスプリッター１８で反射し、平板ガラス２１と部分偏光回転素子２２を透過し、偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面で反射し、投射レンズ（図示せず）に入射する。
【００１２】
この第６ダイクロイックミラー１７から偏光ビームスプリッター２０までの光路は一般的には、色光の色分離と色合成を行うので色分離合成系と呼ばれている。
【００１３】
図１７の説明図と、特開２００１−３１８４２６号公報での色分離合成系の構成図では、各色用の反射型ライトバルブの位置が異なるが、ダイクロイックミラーで１色と２色に分離し、２色の光路に部分偏光回転素子を２個配置する点において同一構成である。
【００１４】
ところで、この部分偏光回転素子は、有機層をその構成において有しているので、光量が大きな照明光学系や、大きな寿命を必要とする民生用途の投射型テレビでは不適である。仮に、冷却手段によって部分偏光回転素子等を冷却するにしても、その冷却手段にファンを用いる場合、民生用途の投射型テレビでは、そのファンの騒音が問題となる。従って、光源１１に近く温度が高い個所に配置されている部分偏光回転素子３３の削除が望ましい。
【００１５】
本発明の第１の目的は、光源に近く温度が高い個所に配置されている部分偏光回転素子を１枚削除することによる高信頼性／長寿命化を実現できる偏光変換手段、及び、それを用いたプロジェクタ装置を提供することにある。
【００１６】
また、本発明の他の目的は、コントラスト性能に優れた偏光変換手段、及び、それを用いたプロジェクタ装置を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明を解決するために、本願発明は、柱状に接合または一体化されたプリズム形状の第１の偏光ビームスプリッターと第２の偏光ビームスプリッターとを有し、該第１の偏光ビームスプリッターは、白色光が特定の波長域の色光とその残りの波長域の色光に分離された２種類の色光がそれぞれ入射される２つの入射面を備え、該第２の偏光ビームスプリッターは、該第１の偏光ビームスプリッターとの接合面と出射面とは異なる他の相隣接する２つの面の各々に、１／４波長板と第１のダイクロイックミラー、１／４波長板と第１のダイクロイックミラーとは異なる波長特性の第２のダイクロイックミラーが配設されるように偏光変換ユニットを構成する。
【００１８】
このように偏光変換ユニットを構成することにより、例えば、２種類の色光をＢ光とＲ光・Ｇ光とすれば、偏光変換ユニットから出射されるＢ光とＲ光・Ｇ光は偏光方向が互いに異なるので、図１７で述べた色分離合成系でＲ光とＢ光を分離するために必要な部分偏光回転素子３３が不要となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１から図１５を用いて本発明の実施形態である偏光変換手段について、また、図１６を用いて、本発明の偏光変換手段を用いたプロジェクタ装置について説明する。なお、図において、共通な部分には同一符号を付し、一度説明したものについてはそれ以降の重複する説明を省略する。
【００２０】
先ず、図１を用いて、本発明の一実施形態である偏光変換手段の構成について説明する。図１で、１は色分離手段としての第１ダイクロイックミラー、２と３は全反射ミラー、４は偏光変換手段である。
【００２１】
図１において、光源１１及びリフレクタ１２（図１６のプロジェクタ装置の説明図にて後述）から出射した白色光は、色分離手段である第１ダイクロイックミラー１により、Ｂ光束が反射し、Ｒ光束とＧ光束が透過することで、色分離される。反射したＢ光束は直接、偏光変換手段４に入射し、また、透過したＲ光束とＧ光束は全反射ミラー２と全反射ミラー３を経て、異なる開口部から偏光変換手段４に入射する。
【００２２】
ここで、以降の説明を容易とするために、便宜上、図１で示すように、偏光変換手段４に入射するＲ光束とＧ光束の光軸方向をＺ軸、偏光変換手段４に入射するＢ光束の光軸方向をＸ軸、図１紙面の裏から表側に向かう方向をＹ軸とする右手座標系を導入する。
【００２３】
次に、図２から図９を用いて、本発明の実施形態である偏光変換手段４の基本構成と、Ｂ光束に対する偏光変換手段４と色分離合成系の作用について説明する。
図３はＢ光束に対する偏光変換手段の作用を示す図である。図３を用いてＰ偏光のＢ光束とＳ偏光のＢ光束の光路について説明する。
【００２４】
図３において、４０は第１偏光ビームスプリッター、４０１は該第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面、４１は第２偏光ビームスプリッター、４１１は第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面、４１２と４１３は１／４波長板、４２は第２ダイクロイックミラー、４３は第３ダイクロイックミラー、４４は第４ダイクロイックミラー、４５は第５ダイクロイックミラーである。
【００２５】
偏光変換手段４は、Ｘ軸方向に柱状に積層されたプリズム形状の第１偏光ビームスプリッター４０とプリズム形状の第２偏光ビームスプッタッター４１からなり、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１と第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１とは直交しており、その偏光分離面４０１と４１１の直交する交線側の面を出射面とする。
【００２６】
第１偏光ビームスプリッター４０は、互いに異なる波長域の２種類の色光（本実施形態ではＢ光束かＲ光束・Ｇ光束）がそれぞれ入射する相隣接する２つの面に、所定波長域の色光を選択して透過させるダイクロイックミラーをそれぞれ備えている。本実施形態では、Ｂ光束が入射する面のダイクロイックミラーがＢ光束を選択して透過させる第２ダイクロイックミラーで、Ｒ光束・Ｇ光束が入射する面のダイクロイックミラーがＧ光束とＲ光束の波長域の間で約５８０ｎｍ（黄色）の輝線をカットする第３ダイクロイックミラーである。
【００２７】
第２偏光ビームスプリッター４１は、第１偏光ビームスプリッター４０との積層面と出射面とは異なる相隣接する２つの面に、各々、１／４波長板と２種類の色光のうち異なる所定波長域の色光を選択して反射させるダイクロイックミラーとをこの順でそれぞれ備えている。本実施形態では、その相隣接する面のうち、Ｂ光束が入射する面に対向する面側の１／４波長板が１／４波長板４１３、Ｂ光束を反射させるダイクロイックミラーが第５ダイクロイックミラー４５である。他方の面の１／４波長板が１／４波長板４１２、Ｒ光束・Ｇ光束を反射させるダイクロイックミラーが第４ダイクロイックミラー４５である。
【００２８】
第１ダイクロイックミラー１は、図１から明らかなように、自然光に対して斜め４５度に配置されているので、Ｐ偏光に対する半値波長とＳ偏光に対する半値波長の違いから、自然光全体での半値波長の立ち上がりを急峻にできない。そこで、第２ダイクロイックミラー４２には図２の分光透過率特性を持たせてＢ光束とＧ光束の境を急峻とする作用を持たせてある。
【００２９】
図３の紙面下側から偏光変換手段４へ入射するＢ光束のＰ偏光成分（点線で図示）は、上で述べた第２ダイクロミックミラー４２を通過後、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１を透過し、第２偏光ビームスプリッター４１へ入射する。同様に、第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１も透過し、１／４波長板４１３を通過し、第５ダイクロイックミラー４５へ入射する。ところで、第５ダイクロイックミラー４５の分光透過率特性には、図４のように、Ｂ光束のみを反射する分光透過率特性を持たせており、Ｂ光束は、第５ダイクロイックミラー４５で反射し１／４波長板４１３を再び通過する。１／４波長板４１３には４５度方向に偏光軸を持たせているので、往復で２回透過することで、１／２波長板と同じ作用、即ち、Ｐ偏光をＳ偏光に変換する作用を有する。従って、今度は、第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１で反射し、図で右側にＳ偏光（実線で図示）として出射する。
【００３０】
Ｂ光束のＳ偏光成分（実線で図示）は、第２ダイクロミックミラー４２を通過後、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１で反射し、図で右側にＳ偏光のままで出射する。即ち、Ｂ光束は、全て、Ｓ偏光となって、偏光変換手段４を出射する。
【００３１】
次に、偏光変換手段４を出射したＢ光束に対する本発明による色分解合成系の作用について図５を用いて説明する。図５は、図１７の色分解合成系から光源に近い部分偏光回転素子３３を除いた本発明による色分解合成系である。図５において、構成要素の機能は図１７に同じであり、その機能の説明を省略する。
【００３２】
ここで、図１の偏光変換手段４は、ほぼ正方形の入射側光束サイズに対して、図３においてＢ光束で前述したように、出射側光束サイズが縦横比１：２の横長となる（Ｒ光束・Ｇ光束については後述する）。即ち、照明光学系のＦ値は、水平方向（ＸＺ平面に平行な方向）のＦ値が垂直方向（ＸＺ平面に直交する方向、即ちＹ軸方向）のＦ値の約半分の値となる。ところで、入射光線角度が基準角度からずれた場合での偏光ビームスプリッターの偏光分離特性の劣化は、光軸と偏光分離面の法線を含む平面（即ち、偏光分離面の入射面。ここでいう入射面とは、入射光の伝播の方向と境界面の法線とからできる面で定義される。但し、Ｆ値で角度分布を持った光束の場合でも、伝播の方向は、光軸によって定めるものとする。）内での特性劣化が、その面と直交する平面での特性劣化に比べて大きい。そこで、偏光変換手段から水平方向（即ち、偏光分離面の入射面に平行）に出射した光束が色分解合成系の偏光分離面の入射面と直交する面に平行に入射するように、図１の偏光変換手段４をＸＺ断面での構成とし、図５の色分解合成系をＹＺ断面での構成とした。即ち、図１の偏光変換手段４からＰ偏光で出射した光束は、その偏光方向がＸＺ平面に平行であり、図５の色分解合成系の偏光ビームスプリッター１８，１９，２０の偏光分離面の入射面と直交する面に平行に入射するので、色分解合成系にはＳ偏光として入射することになる。逆に、図１の偏光変換手段４からＳ偏光で出射した光束は、図５の色分解合成系へはＰ偏光として入射する。
【００３３】
上記した偏光変換手段４の偏光分離面の入射面と、色分解合成系の偏光分離面の入射面とのなす角が直交する関係は、偏光変換手段４の偏光分離面の入射面方向を色分解合成系の入射光入口に換算した場合において成立すればよいことは明らかであろう。例えば、偏光変換手段を含んだ照明光学系がミラー等で三次元的に折り曲げられている場合、色分解合成系の入射光入口から照明光学系を見たときの偏光変換手段４の偏光分離面の入射面と、色分解合成系の偏光分離面の入射面とが直交する関係にあればよいことになる。
【００３４】
ところで、図１の偏光変換手段４と図５の色分解合成系の位置関係はそのまま、９０度回転し水平・垂直を入れ替えても成り立つが、図５の色分解合成系での分離方向を反射型ライトバルブの縦方向（短辺）に一致させることで、色分解合成系を構成するプリズムの厚さを薄くすることができる。このとき、▲１▼偏光ビームスプリッターでの複屈折作用の軽減、▲２▼バックフォーカスを小さくでき投射レンズの小型化に有利、となる効果があるので、図１と図５の座標系を採用した。
【００３５】
図５に戻って、偏光変換手段４からＳ偏光で出射したＢ光束は、色分解合成系へＰ偏光として入射する。なお、色分解合成系の入口でみたＢ光束はＰ偏光（Ｒ光束・Ｇ光束はＳ偏光。詳細は後述）なので、従来図１７の青色光束の偏光方向を変える部分偏光回転素子３３は不要となる。
【００３６】
第６ダイクロイックミラー１７で、Ｂ光束は反射し、偏光ビームスプリッター１８に入射する。Ｐ偏光であるＢ光束は、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面を透過し、Ｂ用の反射型ライトバルブ２６に照射される。反射型ライトバルブ２６からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＳ偏光となるので、今度は、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面で反射し、平板ガラス２１とＲ光の偏光状態をＰ偏光とＳ偏光とで回転させる部分偏光回転素子２２を透過し、偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面で反射し、投射レンズ（図示せず）に入射する。
【００３７】
次に、図６と図７を用いて、偏光変換手段４のＢ光束の漏光について説明する。先ず、図６を用いて第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１でのＢ光束の漏光について説明する。
【００３８】
第１偏光ビームスプリッター４０でのＢ光束のＰ偏光の漏光は、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１で反射し、図の右側へＰ偏光として出射する。第１偏光ビームスプリッター４０でのＢ光束のＳ偏光の漏光は、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１を透過し、第２偏光ビームスプリッター４１へ入射する。Ｓ偏光なので第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１で反射し、１／４波長板４１２を透過して、第４ダイクロイックミラー４４へ入射する。第４ダイクロイックミラーに、図８に示す分光透過率特性のような、Ｂ光束を透過しＧ光束とＲ光束を反射する特性を持たせることで、この漏光は図の左へ出射するので問題とはならない。
【００３９】
次に、図７を用いて第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１でのＢ光束の漏光について説明する。
【００４０】
第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１を透過したＢ光束のＰ偏光は、本来、第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１を透過するが、漏光は偏光分離面４１１で反射する。この漏光は、先の説明と同様に、１／４波長板４１２と第４ダイクロイックミラー４４を透過して、図の左側へ出射するので問題とはならない。
【００４１】
以上より、Ｂ光束の漏光は、図６に示したように、元々のＰ偏光成分が、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１で反射する光束のみである。
【００４２】
図９を用いて、このＢ光束の漏光としてのＰ偏光に対する色分離合成系の作用について、説明する。
【００４３】
偏光変換手段４からのＰ偏光として出射した光束は、色分離合成系にとってはＳ偏光となる。このＢ光束の漏光としてのＳ偏光は、Ｂ光束を反射する第６ダイクロイックミラー１７で反射し、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面で反射し、Ｒ用の反射型ライトバルブ２４に照射される。反射型ライトバルブ２４からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＰ偏光となるので、今度は、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面を透過し、平板ガラス２１とＲ光の偏光状態をＰ偏光とＳ偏光とで回転させる部分偏光回転素子２２を透過し、偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面を透過し、図の右側へ出射するので問題とはならない。
【００４４】
以上の説明では、Ｂ光束の漏光として、第１偏光ビームスプリッター４０での漏光と、第２偏光ビームスプリッター４１での漏光をそれぞれ独立に説明した。これ以外にも、第１偏光ビームスプリッター４０と第２偏光ビームスプリッター４１での組合せや、他の光学素子との組合せも当然考えられるが、▲１▼Ｐ偏光とＳ偏光が反転した光束が反射型ライトバルブに入射することがコントラスト劣化の原因であること、▲２▼偏光分離面自体の消光比は基準入射では１０００：１を越える値を持っている、ことから、複数の光学素子での複数の漏光は、実質的には問題となることはない。
【００４５】
図１０から図１５を用いて、偏光変換手段４の基本構成と、Ｒ光束とＧ光束に対する偏光変換手段４と色分離合成系の作用について説明する。
【００４６】
先に図１で説明したように、Ｒ光束とＧ光束は、第１ダイクロイックミラー１を透過し、全反射ミラー２と全反射ミラー３で反射して、偏光変換手段４に入射する。偏光変換手段４のＲ光束とＧ光束の入射開口部には、図３で述べたように、第３ダイクロイックミラー４３を配置している。この第３ダイクロイックミラー４３には、Ｇ光束とＲ光束の間の波長域の光束を透過させない作用として図１０に示す分光透過率特性を持たせた。この理由は、Ｇ光束とＲ光束の間である約５８０ｎｍにある光源１１の輝線（エネルギーが大きい）をカットするための光学素子である。この輝線をカットしないと、白色が黄色っぽい色目になってしまうからである。
【００４７】
次に、図１１を用いてＰ偏光のＲ光束・Ｇ光束とＳ偏光のＲ光束・Ｇ光束の光路について説明する。Ｒ光束・Ｇ光束のＰ偏光成分は、第３ダイクロミックミラー４３を通過後、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１を透過し、図で右側へＰ偏光のままで出射する。
【００４８】
Ｒ光束・Ｇ光束のＳ偏光成分は、第３ダイクロミックミラー４３を通過後、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１で反射し、第２偏光ビームスプリッター４１へ入射する。同様に、第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１でも反射し、１／４波長板４１２を通過し、第４ダイクロイックミラー４５へ入射する。ところで、第４ダイクロイックミラー４５の分光透過率特性には、先に、図８で説明したように、Ｒ光束・Ｇ光束を反射する分光透過率特性を持たせており、Ｒ光束・Ｇ光束は、第４ダイクロイックミラー４４で反射し、１／４波長板４１２を再び通過する。１／４波長板４１２には４５度方向に偏光軸を持たせているので、往復で２回透過することで、１／２波長板と同じ作用、即ち、Ｓ偏光をＰ偏光に変換する作用を有する。従って、今度は、第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１を透過し、図で右側にＰ偏光として出射する。即ち、Ｒ光束・Ｇ光束は、全て、Ｐ偏光となって、偏光変換手段４を出射する。
【００４９】
次に、偏光変換手段４を出射したＲ光束・Ｇ光束に対する色分解合成系の作用について図１２を用いて説明する。
【００５０】
先に、Ｂ光束の場合で説明したように、図１１の偏光変換手段４からＰ偏光で出射したＲ光束・Ｇ光束は、図１２の色分離合成系へはＳ偏光として入射する。
【００５１】
Ｓ偏光であるＲ光束は、第６ダイクイックミラー１７で反射し、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面で反射し、Ｒ用の反射型ライトバルブ２４に照射される。反射型ライトバルブ２４からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＰ偏光となるので、今度は、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面と平板ガラス２１を透過する。次に、Ｒ光の偏光状態をＰ偏光とＳ偏光とで回転させる部分偏光回転素子２２を透過してＳ偏光となったＲ光束は、偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面で反射し、投射レンズ（図を略す）に入射する。
【００５２】
同様に、Ｓ偏光であるＧ光束は、第６ダイクイックミラー１７を透過後、偏光ビームスプリッター１９の偏光分離面で反射し、Ｇ用の反射型ライトバルブ２５に照射される。反射型ライトバルブ２５からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＰ偏光となるので、今度は、偏光ビームスプリッター１９の偏光分離面と平板ガラス２３と偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面を透過し、投射レンズ（図示せず）に入射する。
【００５３】
次に、図１３から図１５を用いて、偏光変換手段４のＲ光束・Ｇ光束の漏光について説明する。
【００５４】
先ず、図１３を用いて第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１でのＲ光束・Ｇ光束の漏光について説明する。
【００５５】
第１偏光ビームスプリッター４０でのＲ光束・Ｇ光束のＰ偏光の漏光は、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１で反射し、第２偏光ビームスプリッター４１へ入射する。Ｐ偏光なので、第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１を透過し、１／４波長板４１３を透過し、第５ダイクロイックミラー４５へ入射する。第５ダイクロイックミラー４５には、先に、図４で説明したように、Ｒ光束・Ｇ光束を透過する分光透過率特性を持たせており、Ｒ光束・Ｇ光束は、第５ダイクロイックミラー４５を透過して、図で上側へ出射するので問題とはならない。
【００５６】
次に、図１４を用いて第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１でのＲ光束・Ｇ光束の漏光について説明する。
【００５７】
第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１で反射したＲ光束・Ｇ光束のＳ偏光は、本来、第２偏光ビームスプリッター４１の偏光分離面４１１で反射するが、漏光は偏光分離面４１１を透過する。この漏光は、先の説明と同様に、１／４波長板４１３と第４ダイクロイックミラー４５を透過して、図で上側へ出射するので問題とはならない。
【００５８】
即ち、Ｒ光束・Ｇ光束の漏光としては、第１偏光ビームスプリッター４０の偏光分離面４０１での漏光であるＳ偏光が、偏光変換手段４を出射する。
【００５９】
次に、偏光変換手段４を出射したＲ光束・Ｇ光束の漏光に対する色分解合成系の作用について図１５を用いて説明する。
【００６０】
偏光変換手段４からのＳ偏光として出射した光束は、色分離合成系にとってはＰ偏光となる。このＲ光束の漏光としてのＰ偏光は、Ｒ光束を反射する第６ダイクロイックミラー１７で反射し、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面を透過し、Ｂ用の反射型ライトバルブ２６に照射される。反射型ライトバルブ２６からの反射光は、ＯＮの状態では偏光状態が入れ代わりＳ偏光となるので、今度は、偏光ビームスプリッター１８の偏光分離面と平板ガラス２１を透過する。次に、Ｒ光の偏光状態をＰ偏光とＳ偏光とで回転させる部分偏光回転素子２２を透過することでＰ偏光となり。偏光ビームスプリッター２０の偏光分離面を透過し、図の右側へ出射するので問題とはならない。
【００６１】
一方、Ｇ光束の漏光としてのＰ偏光は、Ｇ光束を透過する第６ダイクロイックミラー１７を透過し、偏光ビームスプリッター１９の偏光分離面を透過し、図の右側へ出射するので問題とはならない。
【００６２】
以上、偏光変換手段４と色分離合成系について述べたが、偏光変換手段から出射されるＳ偏光のＢ光とＰ偏光のＲ光・Ｇ光は偏光方向が互いに異なり、色分離合成系の入口ではＰ偏光のＢ光とＳ偏光のＲ光・Ｇ光となるため、図１７で述べた色分離合成系でＲ光とＢ光を分離するために必要な部分偏光回転素子３３が不要となる効果があり、光源に近く温度が高い個所に配置されている部分偏光回転素子を１枚削除できるので高信頼性／長寿命化を実現できる。
【００６３】
図１６は本発明の実施形態である偏光変換手段と色分離合成系を用いた液晶プロジェクタ装置の構成図である。図１６において、前出図に共通な機能の部分には同一符号を付して、その機能の重複した説明を省略する。
【００６４】
図１６において、光源１１から出射した光束は、放物面形状を有するリフレクタ１２で反射し光軸に平行な光束となる。この光軸に平行な白色の光束は、第１ダイクロイックミラー１でＢ光束とＲ光束・Ｇ光束に色分離され、Ｂ光束は反射されて、透過するＲ光束・Ｇ光束は全反射ミラー２と全反射ミラー３を経て、異なる開口部から偏光変換手段４に入射する。偏光変換手段４でＳ偏光に揃えられたＢ光束とＰ偏光に揃えられたＲ光束・Ｇ光束は、第１マルチレンズアレイ１３と第２マルチレンズアレイ１４とからなるレンズアレイ方式のインテグレータで複数の光束に分割され、集光レンズ１５で集光され、コンデンサーレンズ１６でテレセントリックな光束にされて、図５と図１２で述べた本発明による色分離合成系に入射する。
【００６５】
偏光変換手段４でＳ偏光に揃えられたＢ光束はＰ偏光として、また、Ｐ偏光に揃えられたＲ光束・Ｇ光束はＳ偏光として色分離合成系に入射し、色分離合成系で色分離と合成が行われる。色分離された光束は各々反射型ライトバルブ２４，２５，２６上で光強度変調を受けて、光学像が形成され、各光束の光学像は合成されて、色分離合成系から出射され、図示しない投射レンズで拡大されて、図示しないスクリーン上に投影される。
【００６６】
以上述べたように、本発明では、漏光を大幅に低減しコントラスト性能に優れた偏光変換手段を実現している。また、同時に、色分離合成系において、光源に近い側の温度の高くなる部分偏光回転素子を削除することを可能としているので、本発明の偏光変換手段と色分離合成系を用いた液晶プロジェクタ装置において、コントラスト性能に優れ、高信頼性／長寿命なプロジェクタ装置を実現している。
【００６７】
以上述べた実施形態においては、図１に示した偏光変換手段４には、光源からの白色光を第１ダイクロイックミラー１で反射させて色分離したＢ光束を図下側の入射面から、第１ダイクロイックミラー１を透過したＲ光束・Ｇ光束を図左側の入射面から入射させるようにしたが、これに限定されるものではない。
【００６８】
本発明の偏光変換手段は、光源からの白色光を色分離手段である第１ダイクロイックミラーで２色に色分離し、異なる色光束を異なる入射面から偏光変換手段に入射させる所に特徴を有する。
【００６９】
従って、例えば、Ｒ光束・Ｇ光束を第１ダイクロイックミラーで反射させ、Ｂ光束を透過させて色分離し、偏光変換手段へ入射させるようにしてもよい。このように、Ｒ光束・Ｇ光束反射Ｂ光束透過の第１ダイクロイックミラーで２色に色分離し、偏光変換手段に入射させるようにした第２の実施形態を図１８に示す。
【００７０】
図１８において、Ｒ光束・Ｇ光束反射Ｂ光束透過の第１ダイクロイックミラー１０１で、光源からの白色光のうちＲ光束・Ｇ光束は反射されて、図下側から偏光変換手段４に入射する。光源からの白色光のうち第１ダイクロイックミラー１０１を透過したＢ光束は全反射ミラー２，３で反射されて、図左側から偏光変換手段４に入射する。偏光変換手段４には、図１とは逆に２色に色分離された光束が入射するので、偏光変換手段４の第１偏光ビームスプリッター４０および第２偏光ビームスプリッター４１からＳ偏光のＲ光束・Ｇ光束とＰ偏光のＢ光束が出射される。ここで、偏光変換手段４に図５，図１６で示した色分離合成系を組合せる場合には、２色の偏光方向を図１に合わせるために、偏光変換手段４の出射側に１／２波長板１０５を備えて、Ｒ光束・Ｇ光束をＳ偏光からＰ偏光に変換し、Ｂ光束をＰ偏光からＳ偏光に変換して出力すればよい。勿論、詳細に述べないが、色分離合成系の反射型ライトバルブ２４，２５，２６の配置や投写レンズの方向を変えて１／２波長板１０５を省略することも可能である。
【００７１】
勿論、Ｒ光束とＧ光束・Ｂ光束に色分離する第１ダイクロイックミラーを用いて、光源からの白色光を２色分離し、偏光変換手段に入射してもよいことも明らかであり、これ以上の詳細な説明を省略する。
【００７２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、コントラスト性能に優れた偏光変換手段及びそれを用いた液晶プロジェクタ装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１における偏光変換手段を含む要部の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態１における第２ダイクロイックミラーの分光透過率の特性図である。
【図３】本発明の実施の形態１におけるＢ光束に対する偏光変換手段の作用図である。
【図４】本発明の実施の形態１における第５ダイクロイックミラーの分光透過率の特性図である。
【図５】本発明の実施の形態１におけるＢ光束に対する色分離合成系の作用図である。
【図６】本発明の実施の形態１におけるＢ光束の第１偏光ビームスプリッターでの漏光に対する偏光変換手段の作用図である。
【図７】本発明の実施の形態１におけるＢ光束の第２偏光ビームスプリッターでの漏光に対する偏光変換手段の作用図である。
【図８】本発明の実施の形態１における第４ダイクロイックミラーの分光透過率の特性図である。
【図９】本発明の実施の形態１におけるＢ光束の漏光に対する色分離合成系の作用図である。
【図１０】本発明の実施の形態１における第３ダイクロイックミラーの分光透過率の特性図である。
【図１１】本発明の実施の形態１におけるＲ光束とＧ光束に対する偏光変換手段の作用図である。
【図１２】本発明の実施の形態１におけるＲ光束とＧ光束に対する色分離合成系の作用図である。
【図１３】本発明の実施の形態１におけるＲ光束とＧ光束の第１偏光ビームスプリッターでの漏光に対する偏光変換手段の作用図である。
【図１４】本発明の実施の形態１におけるＲ光束とＧ光束の第２偏光ビームスプリッターでの漏光に対する偏光変換手段の作用図である。
【図１５】本発明の実施の形態１におけるＲ光束とＧ光束の漏光に対する色分離合成系の作用図である。
【図１６】本発明の実施の形態１における偏光変換手段と色分離合成系を用いた照明光学系の構成図である。
【図１７】平板タイプの偏光変換手段と色分離合成系を用いた従来の照明光学系の構成図である。
【図１８】Ｒ光束・Ｇ光束反射Ｂ光束透過の第１ダイクロイックミラーで２色に色分離して入射させるようにした偏光変換手段の第２の実施形態を示す図。
【符号の説明】
１…第１ダイクロイックミラー、２…全反射ミラー、３…全反射ミラー、４…偏光変換手段、１１…光源、１２…リフレクタ、１３…第１マルチレンズアレイ、１４…第２マルチレンズアレイ、１５…集光レンズ、１６…コンデンサーレンズ、１７…第６ダイクロイックミラー、１８…偏光ビームスプリッター、１９…偏光ビームスプリッター、２０…偏光ビームスプリッター、２１…平板プリズム、２２…部分偏光回転素子、２３…平板プリズム、２４…Ｒ用の反射型ライトバルブ、２５…Ｇ用の反射型ライトバルブ、２６…Ｂ用の反射型ライトバルブ、３１…１／２波長板、３２…平板型偏光変換手段、３３…部分偏光回転素子、３４…全反射ミラー、４０…第１偏光ビームスプリッター、４１…第２偏光ビームスプリッター、４２…第２ダイクロイックミラー、４３…第３ダイクロイックミラー、４４…第４ダイクロイックミラー、４５…第５ダイクロイックミラー、１０１…第１ダイクロイックミラー、１０５…１／２波長板。

Claims

柱状に接合または一体化されたプリズム形状の第１の偏光ビームスプリッターと第２の偏光ビームスプリッターとを有し、
該第１の偏光ビームスプリッターは、白色光が特定の波長域の色光とその残りの波長域の色光に分離された２種類の色光がそれぞれ入射される２つの入射面を備え、
該第２の偏光ビームスプリッターは、該第１の偏光ビームスプリッターとの接合面と出射面とは異なる他の相隣接する２つの面の各々に、１／４波長板と第１のダイクロイックミラー、１／４波長板と第１のダイクロイックミラーとは異なる波長特性の第２のダイクロイックミラーが配設されて成ることを特徴とする偏光変換ユニット。
前記第１の偏光ビームスプリッターと前記第２の偏光ビームスプリッターは各々第１偏光分離面と第２偏光分離面を有し、
該第１偏光分離面と該第２偏光分離面とは直交しており、直交する交線側の面を出射面とするように構成されることを特徴とする請求項１に記載の偏光変換ユニット。
前記第１のダイクロイックミラーは、前記出射面に隣接する第１の面に配設され、
前記出射面に隣接する第１の入射面に入射される第１の色光を反射する特性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項２の何れか１項に記載の偏光変換ユニット。
前記第２のダイクロイックミラーは、前記第２の面とは異なる面に配設され、
前記第１の入射面とは異なる第２の入射面に入射される第２の色光を反射する特性を有することを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の偏光変換ユニット。
前記１／４波長板と前記第１のダイクロイックミラー、前記１／４波長板と前記第２のダイクロイックミラーは、前記第２のダイクロイックミラーの２つの異なる面に、各々１／４波長板とダイクロイックミラーの順で配設されて成ることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の偏光変換ユニット。
白色光を照射する光源ユニットと、
該光源ユニットからの照明光束を変調する複数の反射型ライトバルブと、
該照明光束から該反射型ライトバルブへの色光を分離し該反射型ライトバルブでの反射後に色光を合成する色分離合成手段と、
該反射型ライトバルブ上の映像を投射する投射レンズと、
該光源ユニットと該色分離合成手段との間の光路に、該光源ユニットからの白色光を特定の波長域とその残りの波長域の２種類の色光に分離する色分解手段と、
該色分解手段により分解された該２種類の色光をそれぞれ異なる入射面から入射する、請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の偏光変換手段と、
を設けたことを特徴とするプロジェクタ装置。
前記色分解手段は、入射する光の３原色である第１の色光と第２の色光と第３の色光からなる白色光に対して、該第１の色光を反射させ、該第２の色光と該第３の色光を透過させるダイクロイック作用を持つことを特徴とする請求項６に記載のプロジェクタ装置。
前記色分解手段は、入射する光の３原色である第１の色光と第２の色光と第３の色光からなる白色光に対して、該第１の色光と該第２の色光を反射させ、該第３の色光を透過させるダイクロイック作用を持つことを特徴とする請求項６に記載のプロジェクタ装置。
前記色分離合成手段から見た前記偏光変換手段の偏光分離面の分離方向と、前記色分離合成手段の偏光分離面の分離方向とが直交する関係にあることを特徴とする請求項６乃至請求項８の何れか１項に記載のプロジェクタ装置。
前記色分離合成手段の分離の方向と前記反射型ライトバルブの短辺方向とが平行な位置関係にあることを特徴とする請求項６乃至請求項９の何れか１項に記載のプロジェクタ装置。
前記偏光変換手段と前記反射型ライトバルブの間の光路に、インテグレータとしての第１マルチレンズアレイと第２マルチレンズアレイと、該第１マルチレンズアレイの各レンズセルの光量分布を前記反射型ライトバルブ面上に重畳する集光レンズと、該反射型ライトバルブへ入射する光束をテレセントリック化するためのフィールドレンズとしてのコンデンサーレンズを設けたことを特徴とする請求項６乃至請求項１０の何れか１項に記載のプロジェクタ装置。