JP2005121960A - 投写型表示装置の偏光光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プリズム状のガラス製偏光ビームスプリッタ−を用いることなく効率良く非偏光光の偏光の種類の統一を行った投写型表示装置の偏光光源装置を提供する。
【解決手段】非偏光光を放射する発光ダイオード１１を楕円面反射鏡１２の第１の焦点１２ａに配置して、楕円面反射鏡１２の第２の焦点１２ｂ付近には１／４波長板１３と反射型偏光素子１４を配置する。発光ダイオード１１からの非偏光光のうちp偏光成分は反射型偏光素子１４を透過し、直接照明光として利用される。反射型偏光素子１４で反射されたs偏光成分の光は１／４波長板１３を介して円偏光光として楕円面反射鏡１２の第１の焦点１２ａに向けて進行するが、そこに配置されている平面反射鏡１５で反射されて再度進行方向を変えて１／４波長板１３に入射する。そこでｐ偏光光に偏光変換されるので反射型偏光素子１４を透過することが可能になり、照明光として利用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、投写型表示装置の光源装置に関し、特に偏光光源装置に関する。

現在、大画面で映像を手軽に楽しめる電子機器として投写型表示装置が知られている。投写型表示装置は、白色光源を用いて、液晶パネルやＤＭＤ（ディジタルミラーデバイス）といった二次元光変調器に生成した画像を、投写レンズを使ってスクリーン上に拡大投写する装置であり、従来、光源としては高圧水銀ランプやメタルハライドランプ等の高輝度の放電ランプが使用されているのが一般的である。しかしながら、これらの放電ランプは波長４００ｎｍから７００ｎｍ超にわたる発光スペクトル特性を有している。このため投写型表示装置においては、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）に相当する波長領域をダイクロイックフィルター等の光学部品で選択して使用しており、この画像形成に必要のない波長成分の光は、赤外領域の光では熱の発生を、また紫外領域の光では二次元光変調器へのダメージ等の問題を引き起こしていた。さらに、可視光利用域の光であっても、黄色成分の波長領域等はダイクロイックフィルター等で選択されることがなく、光の利用効率という点で損失となっていた。さらに、従来実用化されている放電ランプの寿命は１５００〜４０００時間程度であり、民生用として普及するためには寿命特性の改善が望まれている。

一方、寿命特性改善の要望に対応するため、固体光源であるレーザーを光源に利用して、投写型表示装置を構成するという提案がなされている（特許文献１参照）。

また、発光ダイオードを光源にした投写型表示装置としては特許文献２に開示された装置が知られている。
特開平５−２１００８２号公報 特開２００２−２４４２１２号公報

しかしながら、半導体レーザーや発光ダイオードのような固体光源は、放電ランプに比べて光出力が低いという大きな問題があり、これが主原因となって、これまで投写型表示装置用の光源としての実用化が阻害されていた。しかし最近では発光ダイオード（ＬＥＤ）開発の進歩はめざましいものがあり、高輝度で高効率な青や緑のＬＥＤも登場しはじめたことにより、以前から比較的高輝度、高効率であった赤色ＬＥＤと組み合わせることで投写型表示装置の光源を実現できる可能性がでてきた。特に発光ダイオードは半導体レーザーに比べて低価格であることから投写型表示装置全体のコストダウンが期待できる。このように投写型表示装置の光源として非常に有望な発光ダイオードであるが、その利用に当たっては、二次元光変調器が液晶パネルの場合、発光光が非偏光光であるために約半分の光は画像表示に利用できずに損失となるため、偏光の種類を統一した上で照明光として利用する必要がある。特許文献２においては、偏光ビームスプリッターと１／２波長板を用いた偏光変換素子アレイを用いて偏光の種類の統一を行っている。偏光ビームスプリッターは、接合面に誘電体多層膜が形成された２つのプリズムが多数格子状に接合された基板状のものであって、光学ガラス製であり、高度な接合技術を要する高価な光学素子であるために低コストな投写型表示装置の実現のためには好ましくない。

本発明の目的は、プリズム状のガラス製偏光ビームスプリッタ−を用いることなく効率良く非偏光光の偏光の種類の統一を行った投写型表示装置の偏光光源装置を提供することにある。

本発明の投写型表示装置の偏光光源装置は、非偏光光を発生させる光源部と、その光源部から出射された非偏光光から直線偏光光を作り出す偏光形成手段とを有している。

偏光形成手段は、楕円面反射鏡と、１／４波長板と、反射型偏光素子と、平面反射鏡とを備えており、光源部から出射した非偏光光は反射型偏光素子に入射し、その反射型偏光素子は所定の直線偏光光のみを照明光として通過させるとともに所定の直線偏光光以外の入射光は反射光として反射し、その反射光は楕円面反射鏡、平面反射鏡、および１／４波長板を経由して所定の直線偏光光として再び反射型偏光素子に入射し、その反射型偏光素子は照明光として通過させることを特徴とする。

楕円面反射鏡には、その楕円面反射鏡の内部の第１の焦点と、その第１の焦点からの投射光の楕円面反射鏡からの反射光がその楕円面反射鏡外部で集束する第２の焦点とが規定されており、光源部は、保持手段によって第１の焦点近傍に保持されており、平面反射鏡は、反射面の反対の面が光源部と近接するように楕円面反射鏡の軸線に沿って配置されており、１／４波長板と反射型偏光素子とは互いに近接して１／４波長板の一面が楕円面反射鏡の開口部に対向するように第２の焦点近傍に配置されていてもよいし、反射型偏光素子はその反射型偏光素子の一面が楕円面反射鏡の開口部に対向するように第２の焦点近傍に配置され、１／４波長板が平面反射鏡の反射面に近接して配置されていてもよい。

光源部の保持手段が平面反射鏡であり、平面反射鏡を構成する鏡面処理された基板の裏面に光源部が実装されていてもよい。

光源部は発光ダイオードであることが望ましく、発光ダイオードの発光色は、赤、青、緑、白のいずれかである。

本発明の偏光光源装置は、非偏光光を効率よく直線偏光光に偏光の種類を統一することができ、しかも高価な偏光ビームスプリッターではなく反射型の平板状の偏光素子を使うので、低コストでかつコンパクトな投写型表示装置の偏光光源装置を提供できるという効果がある。非常に安価な光源である発光ダイオードで発生する非偏光光を用いることによりさらに低コストにできる効果がある。

（第１の実施の形態）
本発明の投写型表示装置の偏光光源装置の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態の偏光光源装置の構成を示す模式的部分断面側面図である。図１において楕円面反射鏡１２は断面として示されている。本発明の第１の実施の形態の偏光光源装置１０は、発光ダイオード１１と、楕円面反射鏡１２と、１／４波長板１３と、反射型偏光素子１４と平面反射鏡１５とを備える。

楕円面反射鏡１２では、楕円面反射鏡１２内部の第１の焦点１２ａと、第１の焦点１２ａからの放射光が楕円面で反射して収束する第２の焦点１２ｂとが規定されている。平面反射鏡１５は楕円面反射鏡１２の軸線にその裏面が近接するように楕円面反射鏡１２内部に配置され、発光ダイオード１１は楕円面反射鏡１２内部の第１の焦点１２ａ近傍に配置される。１／４波長板１３と反射型偏光素子１４とは隣接して設けられ１／４波長板１３の一面が楕円面反射鏡１２と対向するように楕円面反射鏡１２の第２の焦点１２ｂ近傍に配置される。

発光ダイオード１１は偏光光源装置１０の光源であって非偏光光を発光する。発光色は目的に応じてＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）、Ｗ（白色）が選択される。発光ダイオード１１としては、発光素子としてＧａＰ系やＧａＡｓＰ系、ＧａＡｌＡｓ系の材料を用いたものを使用できる。通常、砲弾型と呼ばれる光を透過する熱硬化製樹脂で封止さていて、光を射出するレンズ面を有している構造が一般的であるが、レンズ面を有していない平面状に樹脂封止された構造のものを利用してもよい。発光ダイオード１１は、その発光部が楕円面反射鏡１２の第１の焦点１２ａ近傍に配置されているので、発光ダイオード１１から放射される光束は、断面が楕円形状を有する楕円面反射鏡１２により、その殆どが一旦第２の焦点１２ｂ近傍に収束されることになる。

楕円面反射鏡１２としては母材がガラス製のものにアルミコーティングされたものや、樹脂の塊を楕円形状にくりぬき、アルミコーティングしたものなど、種々の構造のものが利用可能である。

１／４波長板１３は、カルサイト（ｃａｌｃｉｔｅ）や水晶等の結晶材料や、延伸した透明なＰＶＡ膜をＴＡＣ膜等で挟んだフィルムタイプのもの等が知られている。１／４波長板１３は位相差板であって、入射する直線偏光光の振動方向と４５度の角度にその光学軸を配置すると、入射する直線偏光光を円偏光光に変換する特性がある。また、円偏光光の入射に対しては直線偏光光に変換する。

反射型偏光素子１４は、互いに直交する直線偏光光のうち、その一方を透過させ、他を反射させる特性を有する素子であって、このような偏光素子としては、例えば米国ＭＯＸＴＥＫ社のＰｒｏＦｌｕｘ（登録商標）や住友スリーエム社の製品名ＨＭＦ（Ｈｅａｒｔ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｆｉｌｔｅｒ）が知られている。ＰｒｏＦｌｕｘは、ガラス基板上に、幅が約６５ｎｍ、高さが１００〜２００ｎｍ、そしてピッチが１４０ｎｍ程度であるＡｌの微細なグリッドが形成されたもので、入射するランダム偏光光に対してｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる偏光素子である。また、ＨＭＦは、ポリエステル系の多層構造の樹脂フィルムであって、アクリル系の粘着剤を介してガラス基板等に貼り合わせて利用される。入射するランダム偏光光に対してｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる特性がある。いずれも、基材の偏光分離面の裏面には反射防止膜を施して光量損失を抑える構成とすることも可能である。

楕円面反射鏡１２の第１の焦点１２ａ近傍には発光ダイオード１１のほか、平面反射鏡１５が配置されている。この平面反射鏡１５は発光ダイオード１１が支持される基板を平板としその裏面を鏡面とすることで製作が可能である。また、発光ダイオード１１と平面反射鏡１５とを別々に配置しても構わない。

次に本発明の偏光光源装置１０の偏光変換について図１および図２を参照しながら詳細に説明する。図２は図１の１／４波長板、反射型偏光素子近傍の模式的拡大側面図である。発光ダイオード１１からは非偏光の光束が放射される。発光ダイオード１１の発光中心は、楕円面反射鏡１２の第１の焦点１２ａ近傍に配置されることが望ましく、これらの光束は断面が楕円形状の楕円面反射鏡１２でその大部分が反射され、楕円面反射鏡１２の第２の焦点１２ｂに向けて非偏光光２０１として収束される。楕円面反射鏡１２の第２の焦点１２ｂ近傍には１／４波長板１３と反射型偏光素子１４とが設けられており、発光ダイオード１１からの非偏光光２０１は、最初に１／４波長板１３に達し、１／４波長板１３を透過して反射型偏光素子１４に入射する。反射型偏光素子１４においては入射する非偏光光のうち、ｐ偏光光は反射型偏光素子１４を透過して偏光光源装置１０からのｐ偏光光２０２の射出光束となるが、ｓ偏光光２０３は反射される。このｓ偏光光２０３は、反射によりその進行方向が反転して１／４波長板１３側に進行する。１／４波長板１３通過後は円偏光光２０４となって、楕円面反射鏡１２の発光ダイオード１１の光投射側とは反対側の鏡面に達し、そこで反射されて楕円面反射鏡１２の第１の焦点１２ａ近傍に収束する光束となる。この収束点には平面反射鏡１５が配置されており、この平面反射鏡１５により再度反射されて楕円面反射鏡１２を経て円偏光光２０５として再び１／４波長板１３に入射する。１／４波長板を通過の際に円偏光光２０５はｐ偏光光２０６に偏光変換されるので、次の反射型偏光素子１４を透過することができ、ｐ偏光光２０６は照明光として利用される。このようにして発光ダイオード１１からの非偏光光２０１の殆どをｐ偏光光２０２、２０６に偏光変換できるので非常に効率のよい偏光光源装置１０が提供される。

なお、本実施の形態において１／４波長板１３と反射型偏光素子１４はそれぞれ独立して用意されているが、これらを一体型の構成とすることも可能である。例えば１つのガラス基板の一方に１／４波長板を貼りつけ、もう一方に反射型偏光素子を形成すれば、構成がより簡素なものとなる。また、この実施の形態では１／４波長板１３と反射型偏光素子１４とが隣接して配置された例で示したが、隣接して配置されなくともよい。

（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態の偏光光源装置の構成を示す模式的部分断面側面図である。第１の実施の形態と同じ構成については同じ符号を用いて説明する。第１の実施の形態では１／４波長板１３と反射型偏光素子１４とは隣接して配置されていたが、第２の実施の形態の偏光光源装置３０では図３に示すように、１／４波長板３３を反射型偏光素子１４と離して平面反射鏡１５に貼り合わせている。その他の構成は第１の実施の形態と同じなので説明を省力する。発光ダイオード１１で放射された非偏光光３０１は断面が楕円形の楕円面反射鏡１２で収束光となって反射型偏光素子１４に達する。ｐ偏光光成分のｐ偏光光３０２は反射型偏光素子１４を透過してそのまま照明光となるが、反射型偏光素子１４で反射されたｓ偏光光成分のｓ偏光光３０３は楕円面反射鏡１２へと進み、楕円面反射鏡１２で反射されて第１の焦点１２ａ近傍に向けて集束する。この集束点付近には１／４波長板３３が貼り合わされた平面反射鏡１５があり、ｓ偏光光３０３は１／４波長板３３を透過し、平面反射鏡１５により反射され、再び１／４波長板３３を透過するという過程でｐ偏光光に偏光変換が実施される。このp偏光光３０６は楕円面反射鏡１２で反射されて第２の焦点１２ｂ、すなわち反射型偏光素子１４に向けて入射し、反射型偏光素子１４をそのまま透過してp偏光光３０６の照明光となる。このようにして発光ダイオード１１から放射された非偏光光３０１のその殆どが偏光方向が統一されたｐ偏光光３０２、３０６に偏光変換され、照明光として利用することが可能になる。

これまで光源を発光ダイオードとして説明してきたがこれに限定されるものではなく、非偏光光を投射する半導体発光素子を含む小型の発光素子に適用することが可能である。

次に本発明の偏光光源装置を備えた投写型表示装置について説明する。図４は本発明の偏光光源装置を備えた投写型表示装置の１例の主要構成を示した模式的部分断面側面図である。偏光光源装置は第１の態様の偏光光源装置１０を用いることとしているが、第２の態様の偏光光源装置３０を用いてもよい。ここでは白色光を発光する発光ダイオード４１、楕円面反射鏡４２、１／４波長板４３、偏光素子４４、平面反射鏡４５で偏光光源装置４０が構成されている。また、表示光学系６０として、カラーホイール６１、ロッドインテグレータ６２、フィールドレンズ６３、コンデンサレンズ６４、液晶パネル６５、投写レンズ６６を有する。

発光ダイオード４１から照射された白色光を時分割でＲ、Ｇ、Ｂの各色に分解する回転式のカラーホイール６１が１／４波長板４３の直前に配置されている。さらに、偏光光源装置４０から照射される偏光光の光束がロッドインテグレータ６２に入射する構成となっている。ロッドインテグレータ６２を用いることで発光ダイオード４１の発光ムラの画像表示への影響が軽減できる。偏光光源装置４０で偏光の種類が統一された例えばｐ偏光光はロッドインテグレータ６２で光強度が均一化され、ロッドインテグレータ６２の射出端の照明情報がフィールドレンズ６３、コンデンサレンズ６４等により、液晶パネル６５上に結像する。液晶パネル６５の前後には偏光子と検光子が備えられているが、この図では省略されている。そして液晶パネル６５上の画像は投写レンズ６６により不図示のスクリーン上に拡大投写される。光源である発光ダイオード４１から放射された非偏光の白色光の殆どを偏光に変換後、カラーホイール６１により時分割でＲ、Ｇ、Ｂに分割し、それぞれの色の光に対して液晶パネル６５の変調を同期させて画像表示するので、光源の光の利用効率が高い単板型の投写型表示装置４が得られる。

図５は本発明の偏光光源装置を備えた投写型表示装置の他の例の主要構成を示した模式的部分断面側面図である。偏光光源装置は第１の態様の偏光光源装置１０を用いることとしているが、第２の態様の偏光光源装置３０を用いてもよい。図４の投写型表示装置との違いは、表示光学系７０に３つの透過型液晶パネル７５１、７５２、７５３を用い、カラーホイール６１を用いずにＲ、Ｇ、Ｂの３系統の偏光光源装置５０１、５０２、５０３とクロスダイクロイックプリズム７１が用いられている点である。例えば、Ｒ用の偏光光源装置５０１は、Ｒ色の色光を発光する発光ダイオード５１が楕円面反射鏡５２の第１の焦点近傍に配置されており、放射される非偏光光の光束は楕円面反射鏡５２でその大部分が反射されて、楕円面反射鏡５２の第２の焦点近傍に収束する。第２の焦点近傍には１／４波長板５３と反射型偏光素子５４が隣接して配置されているので、非偏光光の光束のうち、ｐ偏光光は反射型偏光素子５４を通過して、ロッドインテグレータ７２へと入射して、その後フィールドレンズ７３を介してＲ用の液晶パネル７５１の照明を行う。反射型偏光素子５４で反射されたｓ偏光の光束は１／４波長板５３を通過して円偏光光となり楕円面反射鏡５２で反射されて発光ダイオード５１の放射側とは逆の位置に配置される平面反射鏡５５へ到達し、そこで反射されて再び楕円面反射鏡５２の第２の焦点へむけて収束光となって進行する。楕円面反射鏡５２の第２の焦点付近にある１／４波長板５３を通過時にp偏光に偏光が変換されて反射型偏光素子５４を透過可能となり、ロッドインテグレータ７２へと入射して、Ｒ用の液晶パネル７５１の照明光となる。なお、液晶パネル７５１の前後には検光子と偏光子が配置されているがこの図では省略されている。Ｇ用の偏光光源装置５０２、Ｂ用の偏光光源装置５０３における動作はＲ用偏光光源装置５０１の動作と同じなので説明を省略する。各偏光光源装置５０１（Ｒ）、５０２（Ｇ）、５０３（Ｂ）により、光源で発生する非偏光光は効率よく偏光変換されて、対応する液晶パネル７５１（Ｒ）、７５２（Ｇ）、７５３（Ｂ）を照明し、それらの画像はクロスダイクロイックプリズム７１で合成されて、その後投写レンズ７６により不図示のスクリーンに拡大表示される。

発光ダイオードを光源に使用した偏光光源装置として、表示光学系が液晶パネルの投写型表示装置の光学系に利用できる。

本発明の第１の実施の形態の偏光光源装置の構成を示す模式的部分断面側面図である。 図１の１／４波長板、反射型偏光素子近傍の模式的拡大側面図である。 本発明の第２の実施の形態の偏光光源装置の構成を示す模式的部分断面側面図である。 本発明の偏光光源装置を備えた投写型表示装置の１例の主要構成を示した模式的部分断面側面図である。 本発明の偏光光源装置を備えた投写型表示装置の他の例の主要構成を示した模式的部分断面側面図である。

符号の説明

１０、３０、４０ 偏光光源装置
１１、４１、５１ 発光ダイオード
１２、４２、５２ 楕円面反射鏡
１２ａ 第１の焦点
１２ｂ 第２の焦点
１３、３３、４３、５３ １／４波長板
１４、４４、５４ 反射型偏光素子
１５、４５、５５ 平面反射鏡
６０、７０ 表示光学系
６１ カラーホイール
６２、７２ ロッドインテグレータ
６３、７３ フィールドレンズ
６４ コンデンサレンズ
６５ 液晶パネル
６６、７６ 投写レンズ
７１ クロスダイクロイックプリズム
２０１、３０１ 非偏光光
２０２、２０６、３０２、３０６ ｐ偏光光
２０３、３０３ ｓ偏光光
２０４、２０５ 円偏光光
５０１ Ｒ用偏光光源装置
５０２ Ｇ用偏光光源装置
５０３ Ｂ用偏光光源装置
７５１ Ｒ用液晶パネル
７５２ Ｇ用液晶パネル
７５１ Ｂ用液晶パネル

Claims (6)

1. 直線偏光光の光束をライトバルブに放射して該ライトバルブに投写映像を形成させ、該投写映像を投射面に拡大投写して該投射面上に画像を形成する投写型表示装置に用いられる前記直線偏光光の光束生成用の偏光光源装置であって、
   前記偏光光源装置は、非偏光光を出射する光源部と、該光源部から出射された非偏光光から直線偏光光を作り出す偏光形成手段とを有し、
   前記偏光形成手段は、楕円面反射鏡と、１／４波長板と、反射型偏光素子と、平面反射鏡とを備え、
   前記光源部から出射した非偏光光は前記反射型偏光素子に入射し、該反射型偏光素子は所定の直線偏光光のみを照明光として通過させるとともに所定の直線偏光光以外の入射光は反射光として反射し、該反射光は前記楕円面反射鏡、前記平面反射鏡、および前記１／４波長板を経由して前記所定の直線偏光光となって再び前記反射型偏光素子に入射し、該反射型偏光素子は照明光として通過させることを特徴とする投写型表示装置の偏光光源装置。
2. 前記楕円面反射鏡には、該楕円面反射鏡の内部の第１の焦点と、該第１の焦点からの投射光の前記楕円面反射鏡からの反射光が該楕円面反射鏡外部で集束する第２の焦点とが規定されており、
   前記光源部は、保持手段によって前記第１の焦点近傍に保持されており、前記平面反射鏡は、反射面の反対の面が前記光源部と近接するように前記楕円面反射鏡の軸線に沿って配置されており、前記１／４波長板と前記反射型偏光素子とは互いに近接して前記１／４波長板の一面が前記楕円面反射鏡の開口部に対向するように前記第２の焦点近傍に配置されている、請求項１に記載の投写型表示装置の偏光光源装置。
3. 前記楕円面反射鏡には、該楕円面反射鏡の内部の第１の焦点と、該第１の焦点からの投射光の前記楕円面反射鏡からの反射光が該楕円面反射鏡外部で集束する第２の焦点とが規定されており、
   前記光源部は、発光部が前記第１の焦点近傍位置するように保持手段によって保持されており、前記平面反射鏡は、反射面の反対の面が前記光源部と近接するように前記楕円面反射鏡の軸線に沿って配置されており、前記反射型偏光素子は該反射型偏光素子の一面が前記楕円面反射鏡の開口部に対向するように前記第２の焦点近傍に配置され、前記１／４波長板が前記平面反射鏡の反射面に近接して配置されている、請求項１に記載の投写型表示装置の偏光光源装置。
4. 前記光源部の保持手段が前記平面反射鏡であり、該平面反射鏡を構成する鏡面処理された基板の裏面に前記光源部が実装されている、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の投写型表示装置の偏光光源装置。
5. 前記光源部は発光ダイオードである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の投写型表示装置の偏光光源装置。
6. 前記発光ダイオードの発光色は、赤、青、緑、白のいずれかである、請求項５に記載の投写型表示装置の偏光光源装置。

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