JP2861187B2 - 光源用偏光変換素子 - Google Patents
光源用偏光変換素子Info
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- JP2861187B2 JP2861187B2 JP2020088A JP2008890A JP2861187B2 JP 2861187 B2 JP2861187 B2 JP 2861187B2 JP 2020088 A JP2020088 A JP 2020088A JP 2008890 A JP2008890 A JP 2008890A JP 2861187 B2 JP2861187 B2 JP 2861187B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は液晶プロジェクタ等の表示装置に用いて好適
な高輝度投射光学系用の光源用偏光変換素子に関する。
な高輝度投射光学系用の光源用偏光変換素子に関する。
本発明は液晶プロジェクタ等の表示装置に用いて好適
な高輝度投射光学系用の光源用偏光変換素子に関し、不
定偏光光を出射する光源と、光源から出射された不定偏
光光をＰ偏光成分光と、Ｐ偏光成分光に垂直な偏光成分
を有するＳ偏光成分光に分離する偏光プリズムと、偏光
プリズムから出射されたＰ偏光成分光とＳ偏光成分光を
異なる位置に収束させる微小光学素子アレーと、微小光
学素子アレーから出射されたＰ偏光成分光とＳ偏光成分
光のいずれか一方の光の偏光方向を略90度回転させる移
相子アレーとを備えて、薄型軽量な光源用偏光変換素子
を得る様にしたものである。
な高輝度投射光学系用の光源用偏光変換素子に関し、不
定偏光光を出射する光源と、光源から出射された不定偏
光光をＰ偏光成分光と、Ｐ偏光成分光に垂直な偏光成分
を有するＳ偏光成分光に分離する偏光プリズムと、偏光
プリズムから出射されたＰ偏光成分光とＳ偏光成分光を
異なる位置に収束させる微小光学素子アレーと、微小光
学素子アレーから出射されたＰ偏光成分光とＳ偏光成分
光のいずれか一方の光の偏光方向を略90度回転させる移
相子アレーとを備えて、薄型軽量な光源用偏光変換素子
を得る様にしたものである。
従来から液晶プロジェクタ或はビューファインダ等の
表示装置は広く利用され、これら表示装置のライトバル
ブの照明光としては白色光源、即ち、蛍光ランプ、メタ
ルハライドランプ、Xeランプ等が用いられている。この
様な白色光源からの出射光は不定偏光光であるために、
この様な不定偏光光を従来一般に用いられている偏光板
によって直線偏光化すると、半分以上の出射光が吸収さ
れてロスとなって光の利用効率が低下する問題があっ
た。この様な問題を解決するために、例えば1989年電子
情報通信学会秋季全国大会の論文C-34「液晶プロジェク
タ高輝度投射光学系用偏光変換素子」には偏光ビームス
プリッタ（以下PBSと記す）を用いて直交二偏光光を分
離し、有効に光を利用する様にした偏光変換素子が提案
されている。この偏光変換素子の原理と構成を第５図及
び第６図について簡単に説明する。第５図は偏光変換素
子の原理図を示すものであり、第６図はその具体的な構
成図である。第５図及び第６図で光源（１）は白色光源
で不定偏光光が出射される。この不定偏光光（２）はPB
S（３）に入射され、PBS（３）内で互に偏光方向が直交
する直線偏光光であるＰ偏光成分とＳ偏光成分のＰ偏光
光（４）とＳ偏光光（５）に分離される。PBS（３）を
通過したＰ偏光光（４）は２個の直角プリズム（６）
（７）の斜面で全反射する過程で回転し、偏光方向が90
°回転し合成用プリズム（10）に出射される。PBS
（３）で反射したＳ偏光成分のＳ偏光光（５）は直角プ
リズム（８）（９）を通して回転するが元のＳ偏光光
（５）にされ合成用プリズム（10）に出射され、合成用
プリズム（10）では共にＳ偏光光と成された二光束を屈
折させて液晶パネルのライトバルブ（11）上に合成させ
る様にしている。
表示装置は広く利用され、これら表示装置のライトバル
ブの照明光としては白色光源、即ち、蛍光ランプ、メタ
ルハライドランプ、Xeランプ等が用いられている。この
様な白色光源からの出射光は不定偏光光であるために、
この様な不定偏光光を従来一般に用いられている偏光板
によって直線偏光化すると、半分以上の出射光が吸収さ
れてロスとなって光の利用効率が低下する問題があっ
た。この様な問題を解決するために、例えば1989年電子
情報通信学会秋季全国大会の論文C-34「液晶プロジェク
タ高輝度投射光学系用偏光変換素子」には偏光ビームス
プリッタ（以下PBSと記す）を用いて直交二偏光光を分
離し、有効に光を利用する様にした偏光変換素子が提案
されている。この偏光変換素子の原理と構成を第５図及
び第６図について簡単に説明する。第５図は偏光変換素
子の原理図を示すものであり、第６図はその具体的な構
成図である。第５図及び第６図で光源（１）は白色光源
で不定偏光光が出射される。この不定偏光光（２）はPB
S（３）に入射され、PBS（３）内で互に偏光方向が直交
する直線偏光光であるＰ偏光成分とＳ偏光成分のＰ偏光
光（４）とＳ偏光光（５）に分離される。PBS（３）を
通過したＰ偏光光（４）は２個の直角プリズム（６）
（７）の斜面で全反射する過程で回転し、偏光方向が90
°回転し合成用プリズム（10）に出射される。PBS
（３）で反射したＳ偏光成分のＳ偏光光（５）は直角プ
リズム（８）（９）を通して回転するが元のＳ偏光光
（５）にされ合成用プリズム（10）に出射され、合成用
プリズム（10）では共にＳ偏光光と成された二光束を屈
折させて液晶パネルのライトバルブ（11）上に合成させ
る様にしている。
この様な構成によると、偏光板のみに比べて不定偏光
光を直線偏光化する場合の変換能率を43.8％から95.1％
に向上することが出来ることが示される。
光を直線偏光化する場合の変換能率を43.8％から95.1％
に向上することが出来ることが示される。
叙上の従来構成によれば不定偏光光を直線偏光化する
場合の変換能率を大幅に向上させ、且つ、液晶プロジェ
クタを高輝度化し、装置の低消費電力化に有効な偏光変
換素子が得られるが、PBS等の他に４個のプリズムや合
成プリズム等を必要とし、装置が大型化し、光源と液晶
ライトバルブを一直線上に配置出来ない等の問題があっ
た。
場合の変換能率を大幅に向上させ、且つ、液晶プロジェ
クタを高輝度化し、装置の低消費電力化に有効な偏光変
換素子が得られるが、PBS等の他に４個のプリズムや合
成プリズム等を必要とし、装置が大型化し、光源と液晶
ライトバルブを一直線上に配置出来ない等の問題があっ
た。
本発明は叙上の問題点を解決するために成されたもの
で、その目的とするところは、光源と液晶ライトバルブ
迄の光路を一直線上に配置することでアライメントが容
易で小型軽量化が出来る光源用偏光変換素子を得る様に
したものである。
で、その目的とするところは、光源と液晶ライトバルブ
迄の光路を一直線上に配置することでアライメントが容
易で小型軽量化が出来る光源用偏光変換素子を得る様に
したものである。
本発明の光源用偏光変換素子はその１例が第１図に示
されている様に、不定偏光光（２）を出射する光源
（１）と、この光源から出射された不定偏光光（２）を
Ｐ偏光成分光と、Ｐ偏光成分光に垂直な偏光成分を有す
るＳ偏光成分光に分離する偏光プリズム（13）と、偏光
プリズム（13）から出射されたＰ偏光成分光とＳ偏光成
分光を異なる位置に収束させる微小光学素子アレー（1
4）と、この微小光学素子アレー（14）から出射された
Ｐ偏光成分光とＳ偏光成分光のいずれか一方の光の偏光
方向を略90度回転させる移相子アレー（15）とを備えた
ものである。
されている様に、不定偏光光（２）を出射する光源
（１）と、この光源から出射された不定偏光光（２）を
Ｐ偏光成分光と、Ｐ偏光成分光に垂直な偏光成分を有す
るＳ偏光成分光に分離する偏光プリズム（13）と、偏光
プリズム（13）から出射されたＰ偏光成分光とＳ偏光成
分光を異なる位置に収束させる微小光学素子アレー（1
4）と、この微小光学素子アレー（14）から出射された
Ｐ偏光成分光とＳ偏光成分光のいずれか一方の光の偏光
方向を略90度回転させる移相子アレー（15）とを備えた
ものである。
本発明の光源用偏光変換素子によれば光源（１）から
の不定偏光光（２）は偏光プリズム（13）でＰ偏光光
（４）及びＳ偏光光（５）の直線偏光光に成し、この偏
光プリズム（13）よりの出射光をマイクロレンズアレー
やレンティキュラ板等の微小光学素子に結像させ、異な
る点に結像したＰ偏光光（４）及びＳ偏光光（５）を液
晶等で構成した移相子アレー（15）に入射させて、Ｓ偏
光光（５）又はＰ偏光光（４）を90度回転させ、Ｓ偏光
光（５）又はＰ偏光光（４）をそのまま通過させること
で移相子アレー（15）から100％近いＳ偏光光（５）又
はＰ偏光光（４）を液晶ライトバルブに供給する様にし
たので光学素子を光源と液晶ライトバルブに沿って直線
的に並べるだけで済むので小型、軽量化及び光学系のア
ライメントが容易なものが得られる。
の不定偏光光（２）は偏光プリズム（13）でＰ偏光光
（４）及びＳ偏光光（５）の直線偏光光に成し、この偏
光プリズム（13）よりの出射光をマイクロレンズアレー
やレンティキュラ板等の微小光学素子に結像させ、異な
る点に結像したＰ偏光光（４）及びＳ偏光光（５）を液
晶等で構成した移相子アレー（15）に入射させて、Ｓ偏
光光（５）又はＰ偏光光（４）を90度回転させ、Ｓ偏光
光（５）又はＰ偏光光（４）をそのまま通過させること
で移相子アレー（15）から100％近いＳ偏光光（５）又
はＰ偏光光（４）を液晶ライトバルブに供給する様にし
たので光学素子を光源と液晶ライトバルブに沿って直線
的に並べるだけで済むので小型、軽量化及び光学系のア
ライメントが容易なものが得られる。
以下、本発明の光学偏光変換素子を第１図乃至第４図
について説明する。第１図は本例の光学偏光変換素子の
一実施例を示す光学系の模式図である。第１図で（１）
は点光源の如き、例えばメタルハライドランプ、Xeラン
プで、この光源（１）から出射した出射光は不定偏光光
（２）でパラボラ状の反射板（1a）で反射され、集光レ
ンズ（12）を介して偏光プリズム（13）の入射面（13
a）に入射される。上述の光源（１）には点光源だけで
なく、例えば、熱冷陰極蛍光ランプの如きライン状の光
源であってもよい。偏光プリズム（13）としては第３図
A,B,Cに示す様にウォーラストンプリズム（Wallaston P
rism）、ローションプリズム（Rochon Prism）、セナル
モンプリズム（Senarmont Prism）等を用いることが出
来る。これらのプリズムは不定偏光光が、これらを通過
するとき、振動方向が互に垂直な二つの射出光に別れ、
その進行方向がウォーラストンプリズム（13b）では第
３図Ａの様に入射光の方向に対して対称にＰ偏光光
（４）とＳ偏光光（５）が出射する。又、ローションプ
リズム（13c）では第３図Ｂに示す様に出射されたＳ偏
光光（５）の進行方向は入射光のＳ偏光成分と合致して
いるがＰ偏光光（４）はＰ偏光成分の入射光とある角度
を成す様に出射する。更にセナルモンプリズム（13d）
は第３図Ｃに示す様にローションプリズムと反対にＰ偏
光光（４）の進行方向は入射光のＰ偏向成分と合致して
いるが、Ｓ偏光光（５）はＳ偏光成分の入射とある角度
を成す様に出射する様に構成されている。この様な偏光
プリズム（13）で偏光方向が直交する直線偏光光のＰ偏
光光（４）とＳ偏光光（５）に変えられたＰ偏光光
（４）及びＳ偏光光（５）はレンティキュラ板（14）に
入射される。レンティキュラ板（14）は第１図に示す様
に複数のカマボコ型レンズを縦方向に並べたもので通常
では第４図Ａに示す様に１つのカマボコ型レンズ（14
a）に入射したＰ偏光光（４）又はＳ偏光光（５）はレ
ンティキュラ板（14）の裏面（14b）に焦点を結ぶ、同
図でｔは結像位置、Ｐ′はレンティキュラ板のピッチを
示している。第４図Ｂの場合はカマボコ型レンズ（14
a）に異なった入射角でＰ偏光光（４）又はＳ偏光光
（５）が入射角度差βＤで入射した場合を示すもので、
レンティキュラ板（14）の裏面（14b）の異なる位置に
結像させた場合を示す。この場合に結像位置をｔとすれ
ば結像位置の距離ＷＤは次の様に求められる。
について説明する。第１図は本例の光学偏光変換素子の
一実施例を示す光学系の模式図である。第１図で（１）
は点光源の如き、例えばメタルハライドランプ、Xeラン
プで、この光源（１）から出射した出射光は不定偏光光
（２）でパラボラ状の反射板（1a）で反射され、集光レ
ンズ（12）を介して偏光プリズム（13）の入射面（13
a）に入射される。上述の光源（１）には点光源だけで
なく、例えば、熱冷陰極蛍光ランプの如きライン状の光
源であってもよい。偏光プリズム（13）としては第３図
A,B,Cに示す様にウォーラストンプリズム（Wallaston P
rism）、ローションプリズム（Rochon Prism）、セナル
モンプリズム（Senarmont Prism）等を用いることが出
来る。これらのプリズムは不定偏光光が、これらを通過
するとき、振動方向が互に垂直な二つの射出光に別れ、
その進行方向がウォーラストンプリズム（13b）では第
３図Ａの様に入射光の方向に対して対称にＰ偏光光
（４）とＳ偏光光（５）が出射する。又、ローションプ
リズム（13c）では第３図Ｂに示す様に出射されたＳ偏
光光（５）の進行方向は入射光のＳ偏光成分と合致して
いるがＰ偏光光（４）はＰ偏光成分の入射光とある角度
を成す様に出射する。更にセナルモンプリズム（13d）
は第３図Ｃに示す様にローションプリズムと反対にＰ偏
光光（４）の進行方向は入射光のＰ偏向成分と合致して
いるが、Ｓ偏光光（５）はＳ偏光成分の入射とある角度
を成す様に出射する様に構成されている。この様な偏光
プリズム（13）で偏光方向が直交する直線偏光光のＰ偏
光光（４）とＳ偏光光（５）に変えられたＰ偏光光
（４）及びＳ偏光光（５）はレンティキュラ板（14）に
入射される。レンティキュラ板（14）は第１図に示す様
に複数のカマボコ型レンズを縦方向に並べたもので通常
では第４図Ａに示す様に１つのカマボコ型レンズ（14
a）に入射したＰ偏光光（４）又はＳ偏光光（５）はレ
ンティキュラ板（14）の裏面（14b）に焦点を結ぶ、同
図でｔは結像位置、Ｐ′はレンティキュラ板のピッチを
示している。第４図Ｂの場合はカマボコ型レンズ（14
a）に異なった入射角でＰ偏光光（４）又はＳ偏光光
（５）が入射角度差βＤで入射した場合を示すもので、
レンティキュラ板（14）の裏面（14b）の異なる位置に
結像させた場合を示す。この場合に結像位置をｔとすれ
ば結像位置の距離ＷＤは次の様に求められる。
2 ttan（αＤ/2） 但し、ここでαＤはＰ偏光光（４）及びＳ偏光光（５）
の出射角度差である。
の出射角度差である。
上述の場合をレンティキュラ（14）の裏面（14b）に
結像させた場合を説明したが、裏面（14b）でなく、上
述した式に基づいてｔを自由に選択し、レンティキュラ
板（14）の裏面（14b）より外側に焦点を結ばしてもよ
い。更にレンティキュラ板（14）に限定されることな
く、はいの目レンズ板や球状のガラスビーズを多数配列
したマイクロレンズアレー等を用いることも出来る。本
発明ではこれらを含めて微小光学素子アレーと定義して
説明を進める。この様な微小光学素子アレー（14）の裏
面（14b）に例えば、対接して、マイクロ移相子アレー
（15）を接合させる。マイクロ移相子アレー（15）とし
ては叙上の微小光学素子アレー（14）によって異なる線
又は点に結像したＰ偏光光（４）及びＳ偏光光（５）が
空間的に分離される場所に、そのピッチに相当するピッ
チで透明電極（15a）が形成された例えば、２枚のガラ
ス基板（15b）及び（15c）間にツイストネマチック（NT
型）等の液晶（15d）を挟み込んだ液晶素子を用いる。
このマイクロ移相子アレー（15）の動作を第２図で説明
する。第２図は第１図とは異なる光学系の例を示してい
るが、第１図と異なる点は集光レンズ（12）と偏光プリ
ズム（13）の位置が入れ換ったもので偏光プリズム（1
3）でＰ偏光成分及びＳ偏光成分に分離されたＰ偏光光
（４）及びＳ偏光光（５）は集光レンズ（12）を介して
微小光学素子アレー（14）に入射される。夫々のＰ偏光
光（４）及びＳ偏光光（５）は第１のガラス基板（15
b）を介して透明電極（15a）と透明電極部間（15e）に
入射される。第２のガラス基板（15c）の透明電極（15
a）のピッチも第１のガラス基板（15b）に設けられたも
のと同様に対向して設けられ、その間に液晶（15d）が
挿入されているので両透明電極（15a）（15a）間に所定
の電圧を印加すれば第１のガラス基板（15b）の透明電
極（15a）部分を通過したＳ偏光光（又はＰ偏光光）は
Ｓ偏光光（又はＰ偏光光）のまま第２のガラス基板（15
c）の透明電極（15a）に達する。一方透明電極（15a）
（15a）間に入射されたＰ偏光光（又はＳ偏光光）は電
圧が印加されていないので液晶によって90度回転しＳ偏
光光（又はＰ偏光光）に変換されて第２のガラス基板
（15c）の電極間（15e）に表れることになる。依って、
すべての光をＳ偏光光にすることが出来る。当然のこと
ながらカッコ内に示した様にＳ偏光光を90度回転させれ
ばすべての光をＰ偏光光とすることが出来る。
結像させた場合を説明したが、裏面（14b）でなく、上
述した式に基づいてｔを自由に選択し、レンティキュラ
板（14）の裏面（14b）より外側に焦点を結ばしてもよ
い。更にレンティキュラ板（14）に限定されることな
く、はいの目レンズ板や球状のガラスビーズを多数配列
したマイクロレンズアレー等を用いることも出来る。本
発明ではこれらを含めて微小光学素子アレーと定義して
説明を進める。この様な微小光学素子アレー（14）の裏
面（14b）に例えば、対接して、マイクロ移相子アレー
（15）を接合させる。マイクロ移相子アレー（15）とし
ては叙上の微小光学素子アレー（14）によって異なる線
又は点に結像したＰ偏光光（４）及びＳ偏光光（５）が
空間的に分離される場所に、そのピッチに相当するピッ
チで透明電極（15a）が形成された例えば、２枚のガラ
ス基板（15b）及び（15c）間にツイストネマチック（NT
型）等の液晶（15d）を挟み込んだ液晶素子を用いる。
このマイクロ移相子アレー（15）の動作を第２図で説明
する。第２図は第１図とは異なる光学系の例を示してい
るが、第１図と異なる点は集光レンズ（12）と偏光プリ
ズム（13）の位置が入れ換ったもので偏光プリズム（1
3）でＰ偏光成分及びＳ偏光成分に分離されたＰ偏光光
（４）及びＳ偏光光（５）は集光レンズ（12）を介して
微小光学素子アレー（14）に入射される。夫々のＰ偏光
光（４）及びＳ偏光光（５）は第１のガラス基板（15
b）を介して透明電極（15a）と透明電極部間（15e）に
入射される。第２のガラス基板（15c）の透明電極（15
a）のピッチも第１のガラス基板（15b）に設けられたも
のと同様に対向して設けられ、その間に液晶（15d）が
挿入されているので両透明電極（15a）（15a）間に所定
の電圧を印加すれば第１のガラス基板（15b）の透明電
極（15a）部分を通過したＳ偏光光（又はＰ偏光光）は
Ｓ偏光光（又はＰ偏光光）のまま第２のガラス基板（15
c）の透明電極（15a）に達する。一方透明電極（15a）
（15a）間に入射されたＰ偏光光（又はＳ偏光光）は電
圧が印加されていないので液晶によって90度回転しＳ偏
光光（又はＰ偏光光）に変換されて第２のガラス基板
（15c）の電極間（15e）に表れることになる。依って、
すべての光をＳ偏光光にすることが出来る。当然のこと
ながらカッコ内に示した様にＳ偏光光を90度回転させれ
ばすべての光をＰ偏光光とすることが出来る。
上述の構成ではマイクロ移相子アレーとして液晶素子
を用いた例を説明したがこの様なものに限定されること
なく、例えば水晶の様に旋光性を持った光学結晶をエッ
チングして、レンティキュラ、はいの目レンズ或はマイ
クロレンズアレーに対応するパターンを微細加工して、
マイクロ移相子アレーを形成することも出来、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で種々変更し得ることは勿論であ
る。
を用いた例を説明したがこの様なものに限定されること
なく、例えば水晶の様に旋光性を持った光学結晶をエッ
チングして、レンティキュラ、はいの目レンズ或はマイ
クロレンズアレーに対応するパターンを微細加工して、
マイクロ移相子アレーを形成することも出来、本発明の
要旨を逸脱しない範囲で種々変更し得ることは勿論であ
る。
本発明の光源用偏光変換素子によれば極めて簡単な構
造で薄型・軽量で高効率光源が得られ、光源と表示用の
液晶素子とを直線上に配列出来るのでアライメントが容
易なものが得られる。
造で薄型・軽量で高効率光源が得られ、光源と表示用の
液晶素子とを直線上に配列出来るのでアライメントが容
易なものが得られる。
第１図は本発明の一実施例を示す光源用偏光変換素子の
模式図、第２図は本発明の光源用偏光変換素子の他の実
施例を示す光学系の説明図、第３図は本発明の光源用偏
光変換素子に用いる偏光プリズムの斜視図、第４図は本
発明の光源用偏光変換素子に用いる微小光学素子の光学
系路説明図、第５図は従来の偏光変換素子の原理図、第
６図は従来の偏光変換素子の構成図である。 （１）は光源、（12）は集光レンズ、（13）は偏光プリ
ズム、（14）はレンティキュラ等の微小光学素子アレ
ー、（15）はマイクロ移相子アレーである。
模式図、第２図は本発明の光源用偏光変換素子の他の実
施例を示す光学系の説明図、第３図は本発明の光源用偏
光変換素子に用いる偏光プリズムの斜視図、第４図は本
発明の光源用偏光変換素子に用いる微小光学素子の光学
系路説明図、第５図は従来の偏光変換素子の原理図、第
６図は従来の偏光変換素子の構成図である。 （１）は光源、（12）は集光レンズ、（13）は偏光プリ
ズム、（14）はレンティキュラ等の微小光学素子アレ
ー、（15）はマイクロ移相子アレーである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02F 1/13 505 G02F 1/01 G02B 27/28
Claims (1)
- 【請求項１】不定偏光光を出射する光源と、 前記光源から射出された不定偏光光をＰ偏光成分光と、
前記Ｐ偏光成分光に垂直な偏光成分を有するＳ偏光成分
光に分離する偏光プリズムと、 前記偏光プリズムから出射されたＰ偏光成分光とＳ偏光
成分光を異なる位置に収束させる微小光学素子アレー
と、 前記微小光学素子アレーから出射されたＰ偏光成分光と
Ｓ偏光成分光のいずれか一方の光の偏光方向を略90度回
転させる移相子アレーと を備えることを特徴とする光源用偏光変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020088A JP2861187B2 (ja) | 1990-01-30 | 1990-01-30 | 光源用偏光変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2020088A JP2861187B2 (ja) | 1990-01-30 | 1990-01-30 | 光源用偏光変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH03223811A JPH03223811A (ja) | 1991-10-02 |
| JP2861187B2 true JP2861187B2 (ja) | 1999-02-24 |
Family
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