JP3399755B2

JP3399755B2 - 偏光ビームスプリッタ及びそれを備える液晶プロジェクタ

Info

Publication number: JP3399755B2
Application number: JP27564396A
Authority: JP
Inventors: 芳晴堺
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1996-10-18
Filing date: 1996-10-18
Publication date: 2003-04-21
Anticipated expiration: 2016-10-18
Also published as: JPH10123321A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、偏光ビームスプリ
ッタ及び液晶プロジェクタに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、光源から出射した非偏光光を偏波
面の異なるＰ波とＳ波に分離する手段としては、例え
ば、２個のプリズムの斜面に多層薄膜を蒸着し、これら
を接着剤で有り合わせたキューブ型偏光ビームスプリッ
タが一般的に知られている。この多層薄膜は、屈折率の
高い膜と低い膜を交互に蒸着して形成したもので、その
屈折率の選定により屈折角度が決まり、ブリュースター
の条件により前記多層薄膜での反射率がＰ波の偏光成分
は０％に近づき、Ｓ波の偏光成分は１００％に近づく。

【０００３】このとき、前記の多層薄膜において、屈折
率の高い膜の屈折率をｎ_H，屈折率の低い膜の屈折率を
ｎ_L，プリズムの屈折率をｎ₀，多層薄膜面への入射角を
θ₀とすると、Ｐ波成分の反射率が０となる条件は、

【０００４】

【数１】

【０００５】となる。このとき、入射角θ₀を４５゜と
する場合には、

【０００６】

【数２】

【０００７】となるように、プリズムと膜の屈折率を選
定すればよい。例えば、屈折率の高い膜として、ＺｎＳ
（ｎ_H＝２.３），屈折率の低い膜として水晶石（ｎ_L＝
１.３５）を用いれば、プリズムは、ｎ₀＝１.６４７と
なる材料（ＳＦ２）を用いればよい。

【０００８】Ｓ波の反射率は、各層の光路長がλ／４の
場合に大きくできるから、高屈折率の膜厚をｄ_H，低屈
折率の膜厚をｄ_Lとすれば、ｎ_Hｄ_H cos θ_H＝ｎ_Lｄ_L cos θ_L＝λ／４とすればよい。この場合のＳ波の反射率Ｒ_Sは、

【０００９】

【数３】

【００１０】となり、膜の層数ｑが増加すると反射率Ｒ
_Sは１に近づく。また、Ｐ波の反射率は、ブリュースタ
ー角を満足しているために膜厚によらず０である。従っ
て、このような偏光ビームスプリッタに非偏光光を入射
すると、膜面でＰ波は透過して、Ｓ波は反射することに
なる。

【００１１】しかしながら、このような偏光ビームスプ
リッタを、例えば、液晶プロジェクタに利用する場合の
ように、膜面への入射角が４５゜で各偏光成分の分離が
必要なときにおいては、プリズムの屈折率と多層薄膜の
屈折率の選定によってその特性が決まるため、偏光ビー
ムスプリッタとして必要十分な性能を得るために屈折率
が特殊である材料の選定、あるいは、こうした材料によ
る多層膜の生成などが必要となり、高価なものとなって
しまう。また、サイズの大きい偏光ビームスプリッタ
は、その本来的なプリズムの大きさにより、プリズムが
有する偏肉部分での温度分布の差に起因して面内での均
一な光学特性を得ることができない。また、このような
プリズムは、重量が重くなるといった不都合が発生す
る。

【００１２】上記のような問題を解決するために、例え
ば、特開平５−１８１０１４号公報に開示される偏光ビ
ームスプリッタがある。この発明では、光学ブロックが
階段状に構成されているが、このブロックを通過する光
線の位置によっては、その偏光成分のＰ波とＳ波で光学
ブロックを通る距離が異なる部分が生じてしまう。これ
は、それぞれの偏光成分の光波の光路長が異なることに
なり、偏光ビームスプリッタとしての特性に重大な影響
を及ぼす可能性がある。また、階段状の光学ブロックの
下面（入射方向に平行な面）に角度をもって入射する光
は、入射面で反射され、偏光ビームスプリッタの膜面へ
の入射角度が大きくなってしまうという弊害が考えられ
る。

【００１３】一方、特開平５−１７３０２０号公報に開
示されている偏光ビームスプリッタは、膜面以外の部分
のプリズムをプラスチックで作成し、重量の軽量化及び
コストの改善を図るようにしたものであるが、前述の式
から判るように、必要なプリズムの屈折率性能を得るた
めに、膜面の部分の材料の屈折率とプラスチック部分の
屈折率を整合させる必要があり、実際には、このような
屈折率の管理は困難である。また、偏肉の問題は依然と
して存在し、光学特性の不均一の問題は解決されない。

【００１４】この問題を解決するために、特開平５−３
２３１２１号公報に開示される発明がある。これは、プ
リズムに該当する部分を液体で充填するようにしたもの
で、従来、プリズム自身がその温度差によりひずんでい
たものを液体にすることによって、均一化を図るように
したものである。しかしながら、液体を充填する筺体の
接合部分は防水性に優れていなければならず、また、取
り扱いも注意が必要となるという不都合があった。

【００１５】また、コレステリック液晶を利用してビー
ムを分離し利用する考案として、例えば、特開平４−１
８６２３１号公報に開示されたものは、コレステリック
液晶により、入射光を右回り円偏光の光と左回り円偏光
の光に分離し、その分離した円偏光の光をポリマー分散
型反射液晶に入射させ、ポリマー分散型反射液晶におい
て画像を変調するようにしたものである。即ち、前記ポ
リマー分散型反射液晶が黒表示の場合は入射した円偏光
の光を拡散させ、白表示の場合はそのまま反射して円偏
光の回転方向を反転させ、前記のコレステリック液晶で
再度反射あるいは透過してプロジェクションレンズに光
を導き、画像を投影するというものである。これは、ビ
ームを右回りと左回りの２つのビームに分離し反射型プ
ロジェクションに利用することを特徴とした発明であ
り、Ｐ波とＳ波の直交する２つの直線偏光に分離するこ
とを主旨とするものではない。

【００１６】また、特開平４−３３９４８８号公報に開
示されたものは、３次元の映像を空中像として再生する
装置を提供するもので、その構成にビームを分離あるい
は合成する手段としてコレステリック液晶あるいはハー
フミラーを用い、分離された円偏光の光を利用するよう
にしたものであり、これもＰ波とＳ波の直交する２つの
直線偏光に分離することを主旨とするものではない。

【００１７】また、特開平７−９２４４５号公報に開示
されたものは、コレステリック液晶を平面ガラス内に凹
面形状に配し、選択反射された光を一旦集光してミラー
でその反射方向を変えて分離した光を取り出すものであ
るが、この方法では、コレステリック液晶を透過した光
と選択反射して集光して取り出した光ではその強度分布
あるいは角度分布が変わってしまい好ましくない。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述のよう
な実情に鑑みてなされてもので、プリズムなどの厚肉の
部材を使用せず、軽量で取り扱い性に優れ、温度変化に
対する影響を受けにくい偏光ビームスプリッタ及び該偏
光ビームスプリッタを用いた液晶プロジェクタを提供す
ることをその解決すべき課題とする。

【００１９】

【００２０】

【００２１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、光源
からの出射光をそれぞれ振動面の異なるＰ波とＳ波の偏
光成分に分離する機能を有する偏光ビームスプリッタに
おいて、前記偏光ビームスプリッタの構成要素として、
ハーフミラーと全反射ミラーと特性の異なる２種のコレ
ステリック液晶パネルと各々の該コレステリック液晶に
対応して設けられる位相板とを備え、前記出射光に対し
て所定の角度で前記ハーフミラーを配し、該ハーフミラ
ーで前記出射光を分離し、前記分離したそれぞれの光の
光路上に前記コレステリック液晶と前記位相差板を順次
配し、該コレステリック液晶により、右回りもしくは左
回りの偏光成分のみを透過させて前記位相差板へ入射さ
せる一方、前記コレステリック液晶で透過せずに反射し
た偏光成分を前記ハーフミラーで再分離して、該再分離
した偏光成分の一方の光路上に設けられた前記全反射ミ
ラーにより、前記再分離された偏光成分の回転方向を変
えて、前記全反射ミラーに入射した光路上に戻して前記
位相差板へ入射させることにより、前記Ｐ波とＳ波を得
るようにしたものである。

【００２２】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、前記ハーフミラーを前記出射光に対して４５°の角
度で配置し、前記コレステリック液晶を前記ハーフミラ
ーで分離されたそれぞれの光に対して９０°の角度で配
置し、前記全反射ミラーを前記ハーフミラーで再分離さ
れた偏光成分の一方に対して９０°の角度で配置するよ
うにしたものである。

【００２３】請求項３の発明は、請求項１または２に記
載の偏光ビームスプリッタを備えるものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下に、本発明による偏光ビーム
スプリッタの実施形態を添付された図面を参照して具体
的に説明する。

【００２５】以下に、コレステリック液晶と位相差板を
組み合わせて偏光が９０゜異なる２種の直線偏光を得る
ための構成図を図１を参照して説明する。図１は、偏光
ビームスプリッタの一例を概念的に示した図で、図中、
１はコレステリック液晶、２ａ，２ｂはガラス、３ａ，
３ｂはλ／４位相差板、４ｌ，４ｒは自然光に含まれる
光成分のうちそれぞれ左回り円偏光，右回り円偏光、５
ｌはコレステリック液晶で反射した左回り円偏光、５ｒ
はコレステリック液晶を透過した右回り円偏光、６ａ，
６ｂは直線偏光である。

【００２６】光は波の動きで説明されるが、プロジェク
タの光源から発せられる光は、いわゆる自然光と呼ばれ
る光で、縦波と横波がその位相がそろっていない円偏光
と呼ばれる状態の光である。また、このような円偏光状
態も右回り回転の光４ｒと左回り回転の光４ｌが混在し
ているものである。

【００２７】コレステリック液晶１は、その特性とし
て、ある一方向の回転方向の光は透過し、逆の回転方向
の光は反射するという特性を持っている。従って、コレ
ステリック液晶１を透過した光は、ある一方向の回転方
向を持つ円偏光の光５ｒ（図では、右回り円偏光として
示す）となり、反射した光はそれと逆の回転方向の光５
ｌとなる。一方、位相板は、光の位相を変える特性を有
するが、特に、波長λの１／４の位相差をもつ位相差板
３ａ，３ｂは、入射した円偏光の光を直線偏光６ａ，６
ｂに変換する機能を持つ。従って、コレステリック液晶
１を透過及び反射した光をさらにλ／４位相差板３ａ，
３ｂを透過させることにより、それぞれ偏光方向が９０
゜異なる直線偏光の光６ａ，６ｂが得られることにな
る。

【００２８】上記の例では、コレステリック液晶を４５
゜に配置しＰＳ分離を実現しているために、その構成部
品はコレステリック液晶と位相板の２つの要素で実現で
き非常に簡易なシステムとなる。一方、コレステリック
液晶が回転選択反射をするのは、コレステリック液晶の
ヘリカル軸に平行に光が入射した場合であり、このとき
に、ヘリカル軸と同一方向の旋光方向を持つ円偏光が反
射される。４５゜傾いた状態で入射光をヘリカル軸に平
行にするためには、コレステリック液晶のヘリカル軸を
４５゜傾けて配向させる必要があり、コレステリック液
晶を作る難易度が高くなる。

【００２９】図２は、本発明による偏光ビームスプリッ
タの一実施形態の構成を概念的に示した図で、ハーフミ
ラーとコレステリック液晶を用いて、より有効にＰ波と
Ｓ波を分離するようにしたものである。図２において、
１１は左回り透過・右回り反射型コレステリック液晶、
１２は右回り透過・左回り反射型コレステリック液晶、
１３ａ，１３ｂはλ／４位相差板、１４は全反射ミラ
ー、１５はハーフミラー、２０〜４２は各構成要素間の
光成分の光量と光の回転方向を表したものである。ここ
では、ランプ５０から出た自然光の入射光を１００ＬＲ
として表し、この入射光の左回り成分を１００Ｌ、右回
り成分を１００Ｒで表す。図中及び以下の説明におい
て、光成分における数字とＬもしくはＲの組み合わせに
よる表示は、入射光の光量１００に対する光量を数字で
表し、光の回転方向をＬ，Ｒとして表して、各光成分の
性質を示すものとする。

【００３０】ハーフミラー１５は、半透膜を施したもの
で、偏光に関係なく光を５０％透過し、５０％反射す
る。従って、入射光１００ＬＲがハーフミラー１５に入
射し、これを透過した光２１及び反射した光３１は共に
５０ＬＲとなる。

【００３１】まず、透過した光２１について説明する
と、透過した光２１は、右回り透過・左回り反射の特性
を有するコレステリック液晶１２に入射する。このコレ
ステリック液晶１２の持つ特性により、コレステリック
液晶１２を透過した光２３は５０Ｒとなり、反対に反射
した光２２は５０Ｌとなる。この反射した光２２は再び
ハーフミラー１５へと到達し、このハーフミラー１５で
再び半分になるが、このうち反射する光２５は、反射に
よりその回転方向を変えるため２５Ｒとなり、透過光２
４が２５Ｌとして透過することになる。この透過した光
２４は損失光となって散逸する。

【００３２】一方、ハーフミラー１５で反射した２５Ｒ
の光２５は全反射ミラー１４で再び反射し、この反射光
２６は反射のため回転方向を変え２５Ｌの光となってハ
ーフミラー１５へ向かう。さらに、ハーフミラー１５で
は、透過した光２９は、１２.５Ｌとなって左回り透過
・右回り反射のコレステリック液晶１１に向かう。残り
半分の反射光２７は、再度回転方向を変え、１２.５Ｒ
となって右回り透過・左回り反射のコレステリック液晶
１２へ向かう。このコレステリック液晶１２は、右回り
透過の特性を持っているため、この１２.５Ｒの光２７
は、コレテリック液晶１２を透過して透過光２８とな
る。よって、最初にハーフミラー１５を透過した５０Ｌ
Ｒの光２１に対して５０Ｒの光２３と１２.５Ｒの光２
８との合計である６２.５Ｒの光が右回り透過・左回り
反射のコレステリック液晶１２を透過し、１２.５Ｌの
光３０がもう一方のコレステリック液晶１１を透過す
る。

【００３３】次に、最初にハーフミラー１５を反射した
５０ＬＲの光３１を考える。コレステリック液晶１１
は、前述のコレステリック液晶１２と逆に、左回り透過
・右回り反射の特性を持っている。この反射光３１にお
いても前述と同様の挙動を示すことになる。まず、コレ
ステリック液晶１１に入射した５０ＬＲの光３１のう
ち、透過光３２として５０Ｌが透過し、反射光３３とし
て５０Ｒが反射して、この反射光３３は、ハーフミラー
１５へ向かう。ハーフミラー１５では、反射光３５が２
５Ｌとなり損失光として散逸し、透過光３４が２５Ｒと
なって透過する。そして、この透過光３４は、全反射ミ
ラー１４で反射して２５Ｌの反射光３６となる。この２
５Ｌの光３６のうち、反射光３７が１２.５Ｒとなって
右回り透過・左回り反射のコレステリック液晶１２に向
かい、透過光３９が１２.５Ｌとなって左回り透過・右
回り反射のコレステリック液晶１１に向かうことにな
る。従って、最初のハーフミラー１５での反射光３１に
対して、５０Ｌの光３２とを１２.５Ｌの光４０の合計
である６２.５Ｌの光が左回り透過・右回り反射のコレ
ステリック液晶１１を透過し、１２.５Ｒの光２８がも
う一方のコレステリック液晶１２を透過する。

【００３４】以上の結果から、それぞれのコレステリッ
ク液晶１２，１１を最終的に透過することになる光成分
はそれぞれのコレステリック液晶１２，１１において、
７５Ｒの光４１と７５Ｌの光４２ということになる。単
に、ハーフミラーと偏光板のみで偏光方向を分離する場
合は、得られる光成分は、５０Ｒと５０Ｌになるのに比
べ、このように、コレステリック液晶と、全反射ミラー
を配置することにより、より有効に光を利用し、なおか
つ、偏光方向を分離することが可能となる。

【００３５】この実施形態では、ハーフミラー，全反射
ミラー，コレステリック液晶２種類，位相板とその構成
要素は多くなるが、コレステリック液晶への入射角は０
゜入射となり、コレステリック液晶のヘリカル軸は平行
配向で作成されるために、その作成は容易である。ま
た、前述したとおり、ハーフミラーで分離した光を偏光
板で直線偏光に変換する場合に比べ、コレステリック液
晶で反射した光の半分は利用できるために、より有効な
手段となる。

【００３６】次いで、本発明による偏光ビームスプリッ
タを使用した液晶プロジェクタを図３を参照して説明す
る。図３は、本発明による偏光ビームスプリッタを備え
る液晶プロジェクタの一実施形態の構成を概念的に示す
図で、図中、５０はパラボラリフレクタを具備した光源
（ランプ）、５１は偏光分離用の第１のコレステリック
液晶、５２は偏光合成用の第２のコレステリック液晶、
５３ａ，５３ｂ，５３ｃ，５３ｄはλ／４位相差板、５
４ａ，５４ｂは全反射ミラー、５５ａ，５５ｂは入射偏
光板、５６ａ，５６ｂは出射偏光板、５７ａ，５７ｂは
画像形成用液晶パネル、５８は投影レンズ、５９はスク
リーンで、光源５０からは自然光が発せられるものとす
る。

【００３７】この実施形態は、図１に示した構成である
４５゜に配した２つのコレステリック液晶５１，５２
と、位相差板５３ａ〜５３ｄからなる偏光ビームスプリ
ッタを用い、２枚の画像形成用液晶パネル５７ａ，５７
ｂを配して液晶プロジェクタを構成したものである。ラ
ンプ５０において、光源から出射した光は、リフレクタ
ーにより集光され、第１のコレステリック液晶５１に入
射する。第１のコレステリック液晶５１では、一方向の
回転方向の光のみ透過し、逆回転の光は反射する。この
第１のコレステリック液晶５１を透過あるいは反射した
光は、λ／４位相差板５３ａ，５３ｂによりそれぞれ位
相が異なる直線偏光の光に変換される。直線偏光に変換
された光は、全反射ミラー５４ａ，５４ｂで反射され、
入射偏光板５５ａ，５５ｂに入射する。ここでの光は、
すでにλ／４位相差板５３ａ，５３ｂにより直線偏光と
なっているが、この入射偏光板５５ａ，５５ｂにより更
に直線偏光度が高められる。これは、液晶プロジェクタ
としてのコントラストを高めるためのものである。そし
て、入射偏光板５５ａ，５５ｂを透過した光は、それぞ
れ画像作成用液晶パネル５７ａ，５７ｂと出射偏光板５
６ａ，５６ｂを透過する。それぞれ液晶パネル５７ａ，
５７ｂの画像によって変調され、出射偏光板５６ａ，５
６ｂを出た直線偏光の光は、λ／４位相差板５３ｄ，５
３ｃを通ることにより、再度、もとの回転方向の円偏光
となる。偏光合成用の第２のコレステリック液晶５２
は、入射側の第１のコレステリック液晶５１と同じ特性
を持っているため、光は再度合成され、投影レンズ５８
を介してスクリーン５９に合成された画像が投影され
る。

【００３８】

【発明の効果】この発明により偏光ビームスプリッタを
構成することで、プリズムのような厚肉部材が不要とな
り、プリズムを使用したものにおけるプリズム素材と多
層薄膜の屈折率の設定や、蒸着等による該多層薄膜の形
成工程を省くことができ、また、プリズムの温度差に起
因して面内に生じる不均一な光学特性を解消でき、軽量
で安価な偏光ビームスプリッタを得ることができる。

【００３９】

【００４０】また、コレステリック液晶への入射角は０
゜入射となり、コレステリック液晶のヘリカル軸は、平
行配向で作成されるために、その作成は容易である。ま
た、ハーフミラーで分離した光を偏光板で直線偏光に変
換する場合に比べ、コレステリック液晶で反射した光の
半分は利用できるために、より有効な手段となる。

【００４１】また本発明の偏光ビームスプリッタを使用
して液晶プロジェクタを構成することにより、軽量かつ
安価で、かつ温度による画質への影響を受けにくい液晶
プロジェクタを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】偏光ビームスプリッタの一例を概念的に示した
図である。

【図２】本発明による偏光ビームスプリッタの一実施形
態の構成を概念的に示した図である。

【図３】本発明による偏光ビームスプリッタを備える液
晶プロジェクタの一実施形態の構成を概念的に示す図で
ある。

【符号の説明】

１…コレステリック液晶、２ａ，２ｂ…ガラス、３ａ，
３ｂ…λ／４位相差板、４ｌ，４ｒ…自然光のうちそれ
ぞれ左回り円偏光，右回り円偏光、５ｌ…反射した左回
り円偏光、５ｒ…透過した右回り円偏光、６ａ，６ｂ…
直線偏光、１１…左回り透過・右回り反射型コレステリ
ック液晶、１２…右回り透過・左回り反射型コレステリ
ック液晶、１３ａ，１３ｂ…λ／４位相差板、１４…全
反射ミラー、１５…ハーフミラー、２０〜４２…各構成
要素間の光成分の光量と旋光方向を表したもの、５０…
パラボラリフレクタを具備した光源（ランプ）、５１…
偏光分離用の第１のコレステリック液晶、５２…偏光合
成用の第２のコレステリック液晶、５３ａ，５３ｂ，５
３ｃ，５３ｄ…λ／４位相差板、５４ａ，５４ｂ…全反
射ミラー、５５ａ，５５ｂ…入射偏光板、５６ａ，５６
ｂ…出射偏光板、５７ａ，５７ｂ…画像形成用液晶パネ
ル、５８…投影レンズ、５９…スクリーン。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの出射光をそれぞれ振動面の異
なるＰ波とＳ波の偏光成分に分離する機能を有する偏光
ビームスプリッタにおいて、前記偏光ビームスプリッタ
の構成要素として、ハーフミラーと全反射ミラーと特性
の異なる２種のコレステリック液晶と各々の該コレステ
リック液晶に対応して設けられる位相板とを備え、前記
出射光に対して所定の角度で前記ハーフミラーを配し、
該ハーフミラーで前記出射光を分離し、前記分離したそ
れぞれの光の光路上に前記コレステリック液晶と前記位
相差板を順次配し、該コレステリック液晶により、右回
りもしくは左回りの偏光成分のみを透過させて前記位相
差板へ入射させる一方、前記コレステリック液晶で透過
せずに反射した偏光成分を前記ハーフミラーで再分離し
て、該再分離した偏光成分の一方の光路上に設けられた
前記全反射ミラーにより、前記再分離された偏光成分の
回転方向を変えて、前記全反射ミラーに入射した光路上
に戻して前記位相差板へ入射させることにより、前記Ｐ
波とＳ波を得るようにしたことを特徴とする偏光ビーム
スプリッタ。
【請求項２】前記ハーフミラーを前記出射光に対して
４５°の角度で配置し、前記コレステリック液晶を前記
ハーフミラーで分離されたそれぞれの光に対して９０°
の角度で配置し、前記全反射ミラーを前記ハーフミラー
で再分離された偏光成分の一方に対して９０°の角度で
配置するようにしたことを特徴とする請求項１記載の偏
光ビームスプリッタ。
【請求項３】請求項１または２記載の偏光ビームスプ
リッタを備えることを特徴とする液晶プロジェクタ。