JP3521666B2 - 偏光分離素子およびこれを用いた投写型表示装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、主に光の偏光を利
用する空間光変調素子を照明する際に用いる偏光分離素
子と、当該偏光分離素子を用いた投写型表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、原画像を投写レンズを用いて拡大
投影する投写型表示装置として、ＣＲＴを用いるもの、
光源と空間光変調素子を用いるもの、が知られている。
空間光変調素子としては、ツイストネマチック液晶を用
いた透過型の液晶パネルが知られており、投写器の小型
化が容易であること、画素数の豊富なパネルを用いれば
高精細な画像を投影できること、直視用途で液晶パネル
の量産技術が確立されていること、などから広く実用化
されている。

【０００３】ツイストネマチック液晶は光の偏光を利用
するので、このような空間光変調素子は入射側と出射側
に偏光子を備える。空間光変調素子を照明する光のう
ち、入射側の偏光子を通過した直線偏光の光の偏光状態
を空間的に変化せしめ、出射側の偏光子を通過する光量
を制御して光学像を形成する。

【０００４】空間光変調素子を用いた投写型表示装置
は、一般に、自然光を放射するランプを用いて空間光変
調素子を照明する。空間光変調素子が光の偏光を利用す
るものである場合、入射側の偏光子はランプの放射する
自然光の約半分の光しか通過させず、これ以外の光は反
射あるいは吸収されて損失となる。

【０００５】これに対し、偏光変換とよばれる技術が各
種提案されている。これは、光源の自然光を、必要な偏
光成分の光と、これと直交する偏光成分の光にあらかじ
め分離し、そのままでは利用できない偏光成分の光の偏
波面を９０度回転させて、２つの光の偏波面を揃えた後
に空間光変調素子に供給し、これらを利用しようとする
ものである。

【０００６】従って、偏光変換を用いた投写型表示装置
には、自然光を互いに偏光方向の直交する２つの偏光成
分の光に分離する偏光分離素子と、分離した片方の偏光
光の偏波面を９０度回転させる偏波面回転素子が必要で
ある。偏光分離素子としては、ブリュースター角と干渉
を利用した偏光分離多層膜が広く知られており、平板
型、プリズム型の偏光分離素子がある。

【０００７】一方、偏波面回転素子としては、λ／２板
と呼ばれる位相フィルムが一般に知られている。これ
は、光学的に透明な有機フィルムを一軸方向に延伸させ
て光学異方性を与えたもので、その厚みと光学異方性を
制御して透過する光に波長λの１／２に相当する位相差
を与えるものである。

【０００８】λ／２板に、光学軸に対して４５度の方向
に偏波面を有する直線偏光の光を入射させた場合、出射
光は偏波面が９０度回転した直線偏光となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来から提案されてい
る偏光変換の構成ないしはこれに用いる光学系は、いず
れもその本来の目的から、十分な効果を得るものではな
い。

【００１０】以下、光源から空間光変調素子に至る光路
において、空間光変調素子が本来利用する偏光方向の光
について１次偏光と呼び、偏波面を回転させる前にこれ
と直交する偏光方向の光について２次偏光と呼ぶ。ま
た、１次偏光の通過する光路について１次光軸とし、２
次偏光の通過する光路について２次光軸とする。

【００１１】偏光変換を実現する場合、１次偏光と２次
偏光の両方について、光学系全体の光利用効率が十分に
高くなくてはいけない。偏光変換を用いることで、用い
ない場合と比較して１次偏光の効率が大きく低下する
と、偏光変換を導入したことによる光利用効率の増加が
目減りし、明るさを向上させるという本来の目的を十分
に達成できない。

【００１２】また、２次偏光は、空間光変調素子を照明
する光の明るさむらや色むらを増加させるものであって
はいけない。照明光の照明むらは、投写画像の輝度むら
や色むらとなるので問題がある。

【００１３】更に、偏光変換を実現する手段は、１次偏
光と２次偏光の光路長を著しく長くせしめるもの、光学
系の大きさを大きく増加せしめるもの、光学系のコスト
を著しく高価にするもの、であってはいけない。長い光
路での光損失が増加する、投写型表示装置が大きくな
る、高価になる、という問題を生じる。

【００１４】上記理由から、従来の偏光変換技術とし
て、特開平３−１３９８３号公報、特開平４−６３３１
８号公報、特開平４−１７７３３５号公報、特開平５−
２７２０３号公報、特開平７−６４０７５号公報、に記
載されるものは、十分ではない。いずれも偏光分離多層
膜を蒸着したプリズムを用いるので、偏光分離素子が高
価である、大型である、１次偏光と２次偏光の光路長を
増加せしめる、光源から空間光変調素子に至る光路長が
１次偏光と２次偏光で大きく異なる、投写画像を明るく
するという効果が十分ではない、という問題を有する。

【００１５】特に、光源から空間光変調素子に至る光路
長を１次偏光と２次偏光で同一とすることは重要であ
る。１次偏光と２次偏光の両方について、光源から出射
する光を集光し、伝達し、照明する条件を同じにでき
る。これは、両方の偏光方向の光について、光利用効率
を高くすること、照明光の均一性を同程度とすること、
が容易となるので好ましい。明るく、表示むらの少ない
投写画像を提供できる。

【００１６】これに対し、特開平３−１７４５０２号公
報に開示される偏光分離素子は、２つのプリズムの界面
に光学軸を揃えた一軸性複屈折材料を挟み込んだもの
で、２つの偏光方向のいずれかのみを選択的に全反射さ
せて、偏光を分離するものである。これは、耐熱性と偏
光分離効率に優れたものであるが、偏光分離素子が大き
く、バルク上のガラスプリズムを使用するので高価であ
る。また、作用する光路長が長くなるので問題がある。

【００１７】また、特開平４−２３４０１６号公報に開
示される光学系は、１次偏光と２次偏光について、光源
から空間光変調素子に至る光路長を同一としている。こ
れは、両方の偏光の光を同じ条件で扱う上で好ましい
が、当該公報に開示される構成は、全体の光路長が長
く、セット全体の大きさが大きくなるという問題があ
る。また、部品点数も多い。

【００１８】更に、特開平６−２０２０９４号公報に開
示される光学系は、薄型の偏光分離素子を用いて、１次
偏光と２次偏光の両方を利用できる光学系の一例を開示
している。この光学系の構成を（図１３）に示す。

【００１９】ランプ９０１より放射される自然光は、放
物面鏡９０２により集光され、第１レンズアレイ９０
４、第２レンズアレイ９０５、を経て、液晶パネル９０
７を照明する。第１レンズアレイ９０４は照明光束を分
割し、分割後の光束は第２レンズアレイ９０５により適
当な大きさに拡大される。凸レンズ９０８は、分割され
た各光束をパネル上に重畳させる。パネル近傍の凸レン
ズ９０９は、照明光の各画角における主光線を光軸と平
行にする。

【００２０】９０３は偏光分離素子であり、その構成の
一例を（図１４）に示す。これは、１次偏光の光と二次
偏光の光を、進行方向が角θだけ異なる光として出射せ
しめる。これにより、第１レンズアレイ９０４が第２レ
ンズアレイ９０５の開口上に収斂せしめる光束のスポッ
トが、一次偏光と二次偏光で、角θの方向に所定距離だ
けずれる。第２レンズアレイ９０５の開口近傍におい
て、二次偏光の収斂されたスポットにのみ選択的に位相
差板９０６を作用させてこの偏波面を９０度回転させ
て、第２レンズアレイ９０５から出射する１次偏光と二
次偏光の光の偏波面を同一方向に揃える。これを、液晶
パネル９０７の入射側偏光板の偏光方向に対応させれ
ば、光利用効率の高い光学系を実現できる。

【００２１】偏光分離素子９０３の構成の一例を補足す
る。９１１は鋸歯状のプリズムアレイ基板、９１２は平
面基板、９１３は複屈折光学材料層であり、液晶層、有
機フィルム、モノマー、などが利用できるとされる。屈
折率が等方性であるプリズムに隣接させて複屈折材料か
らなるプリズム層を組み合わせ、プリズム界面における
屈折の条件を直交する偏光方向について異ならしめて、
２つの偏光光を分離させて進行方向を異ならせること
は、ウォラストンプリズムとして広く知られる。偏光分
離素子９０３は、これをアレイ状にしたものであり、一
般に複屈折材料として高価な方解石を用いる点を、液晶
やモノマーなどの有機材料を一軸方向に配向させて利用
しようとするものである。

【００２２】偏光分離素子９０３は、原理的に上記作用
は得られるものの、実際には以下の課題を有する。液晶
や有機フィルムは比較的熱に弱いので、高熱を発する光
源の近傍に配置して使用する上で問題がある。

【００２３】また、鋸歯状のプリズムアレイは、良好な
形状を加工することを考慮すれば、この周期ピッチが少
なくとも１ｍｍ以上は必要と考えられる。この場合、複
屈折材料層の厚みも、少なくとも１ｍｍ程度は必要とな
る。液晶などの複屈折性を有する分子を、磁界や電界、
ラビング、などの方法により一軸方向に配向させること
は広く知られているが、一般に配向できるのは大きくて
も数十ミクロンの厚みとされており、数ミリの厚い層全
体を均一に良好に配向させる方法や材料は広く知られて
いるものではない。この点については、特開平６−２０
２０９４号公報に開示されてはいない。

【００２４】従って、上記構成の偏光分離素子とこれを
用いた投写型表示装置は、所望の作用を有する偏光分離
素子を具現化する上で、大きな問題がある。

【００２５】更に、特開平８−２３４２０５号公報は、
上記点を鑑みてなされ、偏光分離素子として、バルク状
のプリズムに多層膜からなる偏光選択性ミラーを組み合
わせた構成を開示している。小さな偏光選択性プリズム
をアレイ状に並べて、薄型の偏光分離素子を構成する方
法の一例も開示されている。

【００２６】しかし、このいずれの方式も、プリズムを
配置するために長い光路長を必要とする、プリズムが高
価である、プリズムアレイの構成が複雑で十分な効率が
得られない、といった問題を有する。

【００２７】本発明は上記問題を鑑みてなされたもので
あり、具現化が比較的容易な薄型で効率の高い偏光分離
素子を提供することを目的とする。更に、当該偏光分離
素子を用いて、光利用効率が高く明るい表示画像を提供
する投写型表示装置を提供することを目的とする。

【００２８】

【００２９】

【００３０】

【課題を解決するための手段】また、上記 問題点を解決
するために本発明の第１の偏光分離素子は、入射する自
然光を、方位Ａに電界の振動成分を有するＡ偏光成分
と、方位Ａと直交する方位Ｂに電界の振動成分を有する
Ｂ偏光成分に分離して出射せしめる偏光分離素子であっ
て、当該偏光分離素子は複数単位の偏光分離要素を二次
元状に配列して構成し、前記偏光分離要素の１単位は、
前記Ａ偏光成分の光と前記Ｂ偏光成分の光が所定方向に
所定の分離角を成して、互いに進行方向が異なるように
出射せしめるものであり、当該偏光分離素子と組み合わ
せる正円形状の第１レンズアレイと第２レンズアレイに
対して、第２レンズアレイは瞳利用率を向上させるよう
な開口形状と配列とし、前記第２レンズアレイ上に前記
Ａ偏光によって形成される実像と、前記Ｂ偏光によって
形成される実像との距離に対応して二次元状に配列した
複数の前記偏光分離要素をその配置場所に依って前記偏
光分離角を異ならしめることを特徴とするものである。

【００３１】望ましくは、本発明の第１の偏光分離素子
において、偏光分離要素は、入射光の光軸に略直交して
配置される透光性基板表面に沿って一軸方向Ｃに周期構
造を有する回折格子と、前記回折格子に隣接して形成さ
れる光学異方体層とからなり、前記光学異方体層は前記
基板表面上において前記方向Ｃの屈折率（Ｎ２）とこれ
と直交する方向Ｄの屈折率（Ｎ１）は互いに異なる屈折
率を有し、前記回折格子の屈折率（Ｎ０）は方向Ｄの屈
折率（Ｎ１）に略等しく選択されることにより入射光の
光軸に対して前記Ａ偏光成分ないしは前記Ｂ偏光成分の
いずれか１つの偏光成分についてのみ選択的に作用して
当該偏光成分の光を所定角度だけ回折せしめ、前記回折
格子の周期構造のピッチを異ならしめて当該偏光分離要
素の分離角を当該偏光分離素子と組み合わせる第２レン
ズアレイの開口形状と配列に対応して異ならしめるよう
にものである。

【００３２】更に、上記問題点を解決するために本発明
の第１の投写型表示装置は、自然光を放射する光源と、
光源の放射する光を集光せしめて略一軸方向に進行する
光を形成する集光手段と、集光手段から出射する光が入
射する偏光分離素子と、偏光分離手段の近傍に配置され
る第１レンズアレイと、第１レンズアレイから出射する
光が入射する第２レンズアレイと、第２レンズアレイの
近傍に配置されて当該レンズアレイを通過する光の一部
について選択的に作用せしめる偏波面回転手段と、第２
レンズアレイから出射する光が照射される空間光変調素
子と、空間光変調素子上の光学像を投影する投写レンズ
とを備え、空間光変調素子は直線偏光の光に作用して光
学像を形成し、第１レンズアレイは複数の第１レンズを
二次元状に配列してなり、第２レンズアレイは第１レン
ズと対をなす複数の第２レンズを二次元状に配列してな
り、偏光分離素子は上記本発明の第１の偏光分離素子で
あり、偏光分離素子は対応する第１レンズの位置に応じ
て偏光分離角を異ならしめ、互いに進行方向の異なるＡ
偏光成分の光とＢ偏光成分の光は第１レンズにより対応
する第２レンズの開口の異なる位置に隣接して収斂せし
められ、偏波面回転手段は第２レンズの開口上のいずれ
か１つの偏光成分の光にのみ選択的に作用して当該偏光
成分の光の偏波面を略９０度回転せしめ、空間光変調素
子に照射されるＡ偏光成分の光の偏波面とＢ偏光成分の
光の偏波面を略一致せしめてこれを利用するようにした
ものである。

【００３３】

【発明の実施の形態】本発明は、偏光分離素子として回
折格子と一軸性の光学異方体層を組み合わしてなること
を特徴とする。本発明の具体的な説明に先立ち、まず、
回折格子に関する一般的な公知事項を述べる。

【００３４】（図１）は、鋸歯状の微小構造を周期的に
形成してなる回折格子１１の一例である。鋸歯形状の周
期ピッチをＤ、最大高さ（深さ）をＨとする。

【００３５】ここで、基板の法線方向から入射する波長
λ［ｍ］の光１２に対して、最大高さＨ［ｍ］が２πの
位相差を与えるようにすると、入射光１２のほぼ全てが
＋１次の回折光として角θだけ折れ曲がり、出射光１
２’となる。

【００３６】この場合、最大高さＨ［ｍ］について（数
１）であり、回折角θについて、（数２）である。但
し、Ｎｓは回折格子基板の屈折率、Ｎａは回折格子を包
む媒質の屈折率、である。

【００３７】

【数１】

【００３８】

【数２】

【００３９】（図２）は、バイナリ光学素子として知ら
れる回折格子１５の構成例である。これは、（図１）の
鋸歯状の微小構造を階段状のステップ構造で近似したも
のである。この場合、階段の平坦部の階数をレベル数と
呼び、回折格子１５は７レベルの場合を図示している。

【００４０】バイナリ光学素子は、半導体露光装置（ス
テッパ光学系）を用いたフォトリソグラフィにより、微
細な形状が比較的容易に形成できる利点がある。この場
合も、高さＨの与える位相差を２πとすれば、入射する
光１６の大部分を＋１次の回折光１６’として出射せし
める。高さＨとピッチＤについて、（数１）、（数２）
が同様に成立する。

【００４１】また、例えばレベル数が２、４、８、１６
である場合について、理論的な回折効率は、４０．５
％、８１％、９５％、９９％、となることが知られてお
り、レベル数を４以上とすれば、実用上ほぼ十分な回折
効率が得られる。

【００４２】次に、本発明の偏光分離素子の一例を（図
３）に示し、その作用を述べる。偏光分離素子１０１
は、回折格子基板１０２と複屈折層１０３から構成され
る。説明を容易にするために直交座標系を導入し、紙面
に沿った方向をｘ−ｙ平面、紙面に直交する方向をｚ軸
とし、偏光分離素子１０１はｙ−ｚ平面上に二次元状に
拡がり、基準として考える光線１０４はｘ軸に沿って入
射するものとする。

【００４３】例えば、回折格子１０２は（図１）に示し
たものと同様であり、鋸歯状の微小構造をｙ軸方向にピ
ッチＤで周期的に形成してなる。鋸歯構造の物理的な最
大高さはＨとする。回折格子１０２は屈折率がＮ０の等
方性透明基板を用いて形成する。

【００４４】一方、複屈折層１０３は、正の一軸性光学
異方体を光学軸がｚ軸方向と一致するように配向させて
構成したものである。複屈折層１０３について、ｚ軸方
向の屈折率をＮ１とし、ｙ軸方向の屈折率をＮ２とし、
Ｎ１＞Ｎ２とする。

【００４５】回折格子１０２の基板の法線（ｘ軸）方向
から入射する自然偏光の光１０４について、電界がｚ軸
方向に振動する偏光成分の光を１次偏光１０４Ａとす
る。同様に、電界がｙ軸方向に振動する偏光成分の光を
２次偏光１０４Ｂとする。

【００４６】例えば、回折格子１０２の基材の屈折率Ｎ
０と複屈折層１０３の屈折率Ｎ１を、Ｎ０≒Ｎ１を満た
すように選択する。こうすれば、１次偏光１０４Ａの光
にとっては、回折格子１０２はあたかも存在しないよう
になり、入射光１０４のうち１次偏光１０４Ａは、その
まま偏光分離素子１０１を直進して出射する。

【００４７】これに対し、Ｎ０＞Ｎ２であるので、２次
偏光１０４Ｂの光に対しては、回折格子１０２が作用
し、２次偏光１０４Ｂは回折されて出射する。

【００４８】この場合、回折格子１０２の高さＨは、
（数３）を満たすように選択する。

【００４９】

【数３】

【００５０】これは、（数１）から、基準波長λの光に
ついて回折格子の与える最大の位相差が２πとなるため
の条件式である。このような鋸歯状の回折格子は、波長
λの光について＋１次の回折光が理論上１００％とな
る。ただし、基準波長λは可視の波長帯域を代表する波
長として、例えば５５０nmとすればよい。回折角θは、
回折格子の周期ピッチＤを用いて（数２）である。

【００５１】上記理由から、入射する光１０４のうち２
次偏光１０４Ｂは、その大部分が＋θだけ回折されて出
射する。つまり、偏光分離素子１０１は、入射光１０４
を互いに進行方向が角θをなす１次偏光１０４Ａと２次
偏光１０４Ｂに分離して出射せしめるように、作用す
る。

【００５２】更に、本発明の偏光分離素子は（図４）に
示す偏光分離素子１１１であってもよい。これは（図
３）の回折格子１０１の替わりに、（図２）に示したバ
イナリ光学素子を用いたものである。（図３）と同様の
直交座標系を導入する。

【００５３】例えば、回折格子１１２は、階段状の微小
構造をｙ軸方向にピッチＤで周期的に形成したもので、
レベル数は７とする。具体的に、一周期Ｄを７個の短冊
領域に等分割し、等しいステップ高さＨ／６を順次積み
上げて、階段形状を構成する。記号Ｈは、階段形状の物
理的な最大高さである。回折格子１１２の基材は、屈折
率Ｎ０の等方性透明材料とし、複屈折層１１３は（図
３）に示したものと同様とする。

【００５４】電界の振動方向がｚ軸方向である１次偏光
１１４Ａの光は、回折格子１１２の作用を受けず、その
まま偏光分離素子１１１を直進して出射する。これに対
し、電界の振動方向がｙ軸方向である２次偏光１１４Ｂ
の光は、回折格子１１２により回折されて出射する。

【００５５】この場合も、回折格子１１２の最大高さＨ
は、基準波長λに与える位相差が２πとなるように選択
する。このように選択されたステップ状のバイナリ光学
素子は＋１次の回折光が支配的となり、７程度のレベル
数であれば実用上十分な回折効率となる。２次偏光１１
４Ｂの回折角θは、回折格子の周期ピッチＤを用いて
（数２）と同様である。

【００５６】（図３）と（図４）に示した偏光分離素子
は、回折格子を利用するので、複屈折層１０３、１１３
の厚みが非常に薄いことを特徴とする。１０度程度の回
折角を得るには、ピッチＤは数ミクロン程度であり、回
折格子の高さも同程度となる。従って、液晶分子や、液
晶モノマー、液晶ポリマー、一軸性有機材料、などを回
折格子の微小構造部に充填し、所定の一軸方向に配向さ
せることが極めて容易であり、実現性、量産性、に優れ
た偏光分離素子を得ることができる。

【００５７】特に、微小ピッチの回折素子を構成する場
合、バイナリ光学素子は、加工性に優れている。半導体
露光装置に用いられるステッパ露光を用いて、レジスト
塗布、パターン露光、エッチング、のプロセスを組み合
わせて、加工精度が高く、量産性に優れ、安価で、比較
的大面積の回折格子を成形できる。従って、（図２）に
示した偏光分離素子は、回折格子の実現性が極めて容易
であり、より量産性に優れコストの安い素子を実現でき
る。

【００５８】以下、本発明の偏光分離素子と投写型表示
装置の具体的な実施形態を、図面と数値例を挙げて述べ
る。

【００５９】（偏光分離素子の実施例１）偏光分離素子
の第１の実施例として、（図３）に示したものについて
より詳細に述べる。

【００６０】例えば、回折格子１０２は屈折率が１.６
の等方性透明体とする。また、複屈折層１０３は、正の
複屈折性を有する材料を光学軸をｚ軸と一致させて配向
したものであり、ｚ軸方向の屈折率を回折格子の屈折率
と同じ１．６とする。また、これと直交するｙ軸方向の
屈折率を１.４５とする。

【００６１】上記構成は、例えば、適切に生成された液
晶ポリマー、液晶モノマーなどの有機分子を、回折格子
１０１上で強制的に配向させた状態で硬化させることで
実現できる。配向手段としては、例えば、ポリイミド膜
を塗布した上でのラビング処理を行う、適切な磁界を加
える、適切な電界を加える、などがある。

【００６２】例えば、１次偏光１０４Ａと２次偏光１０
４Ｂの分離角θを８度とするために、（１）式を用い
て、回折格子１０２のピッチＤは３.９５μｍとする。
ただし、基準波長λとして最も視感度の高い５５０nmを
選んだ。

【００６３】この場合、回折角θは波長に依存して変化
するがその程度は小さく、偏光分離素子として用いる上
で特に問題はない。例えば、Ｄ＝３.９５μｍの場合、
波長４９０nmの青の光について回折角は７.１度、波長
６１０nmの光について回折角は８.８度、である。

【００６４】また、２次偏光１０４Ｂについて＋１次の
回折効率を最大とするために、（２）式から、回折格子
の最大高さＨ＝３.６７μｍとする。これにより、基準
波長５５０nmの光については、２次偏光１０４Ｂのほぼ
全ての光が回折されて角θの方向に分離される。波長が
異なると回折効率は低下するが、可視の全波長帯域で実
用上十分な回折効率を得ることができる。

【００６５】（偏光分離素子の実施例２）偏光分離素子
の第２の実施例として、（図４）に示したものについて
より詳細に述べる。上記第１の実施例において（図３）
に適用した構成と数値パラメータは、ほぼ同様に（図
４）に適用できる。これにより、上記第１の実施例と同
様に、例えば偏光分離角が８度の偏光分離素子を構成で
きる。

【００６６】回折格子１１２のレベル数は、少なくとも
４以上、できれば８程度にすることで、実用上十分な回
折効率を得ることができる。

【００６７】上記第１と第２の実施例では、複屈折層１
０３、１１３を、正の光学異方体として定義し、その配
向方向をｙ軸方向に限定したが、本発明の効果は特にこ
の構成に限定されない。負の光学異方体であってもよ
く、また、複屈折層の光学軸はｙ軸方向に一致せしめて
も構わない。回折格子を直進する１次偏光の偏光方向な
いしは２次偏光（回折光）の曲がる方向が異なるだけ
で、上述と同様に１次偏光と２次偏光を、互いに角θを
なして進行する光として分離して出射せしめることがで
きる。

【００６８】また、上記偏光分離素子は、偏光の分離角
を容易に制御できる利点を有する。つまり、回折格子１
０２、１１２の格子ピッチＤを変化させて、分離された
１次偏光と２次偏光のなす角θを任意に設定できる。こ
れは、偏光分離素子以降の光学系を構成する上で、設計
上の自由度が増えるので極めて好ましい。

【００６９】更に、上記実施例では、入射光を回折格子
の基板側から入射させる場合について述べたが、複屈折
層側から入射させても、同様の作用と効果を得ることが
できる。

【００７０】（投写型表示装置の実施例１）以下、本発
明の投写型表示装置の第１の実施例について、（図５）
を用いて述べる。

【００７１】本発明の投写型表示装置は、基本的に、ラ
ンプ１２１、放物面鏡１２２、偏光分離素子１２３、第
１レンズアレイ１２４、第２レンズアレイ１２５、フィ
ールドレンズ１２６、液晶パネル１２７、投写レンズ１
２８、から構成される。第２レンズアレイ１２５の片面
には、部分的に位相差板１２９が貼付される。説明を容
易にするために（図３）と同様の直交座標系を導入し、
ｘ軸を放物面鏡１２２の回転対称軸に沿った光軸方向、
ｚ軸を紙面に直交する方向とする。

【００７２】液晶パネル１２７は、この用途に一般的な
ツイストネマチック液晶を、画素構造を有するガラス基
板で狭持したものであって、その入射側と出射側に、偏
光板１２７Ａと１２７Ｂを備える。便宜上、入射側偏光
板１２７Ａの透過軸（透過させる光の電界の振動方向）
はｚ軸方向とする。液晶パネル１２７には、外部から映
像信号が供給され、二次元状の画素構造により光学像を
形成する。当該光学像は、投写レンズ１２８によりスク
リーン上に投影されて、大画面映像を呈示せしめる。

【００７３】偏光分離素子１２３は、例えば、本発明の
偏光分離素子の実施例１に示したものであり、（図３）
のように構成してなる。ｙ軸方向に周期的に構成された
鋸歯状の回折格子１２３Ａと、ｚ軸方向に配向された正
の一軸性光学異方体１２３Ｂを、適切に構成してなる。

【００７４】第１レンズアレイ１２４は、複数の第１レ
ンズ１３１を二次元状に配列してなり、その構成の一例
を（図６）に示す。（図５）で導入した直交座標系につ
いて、（図６）中にその対応を示す。これは、放物面鏡
１２２から出射する正円の光束断面に内接させて１８個
の第１レンズ１３１を配列せしめたものである。第１レ
ンズ１３１の各光軸中心は１３１Ａであり、全てのレン
ズについて適切に偏心させている。

【００７５】第２レンズアレイ１２５は、複数の第２レ
ンズ１３５を二次元状に配列してなり、その構成の一例
を（図６）と同様に（図７）に示す。第２レンズ１３５
の各々は第１レンズ１３１に対応させて同数を同様に配
列してなる。第２レンズ１３５の各々は、対応する第１
レンズ１３１の開口と液晶パネル１２７の表示領域を互
いに共役とせしめ、各レンズを通過する光束を重畳形態
でパネル上に導く。

【００７６】各第２レンズ１３５のおよそ半分の領域に
は、選択的に適切に位相差板１２９を貼付する。位相差
板１２９は、入射する光の偏波面を約９０度回転させる
ために用い、通過する光を代表する波長λについて、λ
／２の位相差板であればよい。その光学軸は、後述する
作用を果たすように適切な方向が選択される。本実施例
では、ｙ軸方向からｚ軸方向に４５度回った方向１３６
と位相差板１２９の光学軸方向を一致せしめる。

【００７７】偏光分離素子１２３の作用により、２次偏
光１４２は１次偏光１４１に対してｙ軸方向に所定角度
θだけずれて進行し、第１レンズアレイ１２４に入射す
る。１つの第２レンズ１３５について、位相差板１２９
の無い領域は１次偏光１４１のための開口領域であり、
その重心を１３５Ａとする。位相差板１２９の有る領域
は２次偏光１４２のための開口領域であり、その重心を
１２５Ｂとする。

【００７８】上記重心１３５Ａ近傍を、収斂した１次偏
光１４１'が通過するように、第１レンズ１３１の光軸
中心１３１Ａを定めると良い。また、収斂された２次偏
光１４２'は、第２レンズ１３５の開口上でｙ軸方向に
所定距離だけずれた位置を通過する。上記偏光分離角θ
を適切に選択すれば、収斂した２次偏光１４２'の通過
位置を上記重心１３５Ｂ近傍とせしめることができる。

【００７９】ランプ１２１から放射される自然偏光の光
は、偏光分離素子１２３により、電界の振動方向がｚ軸
方向である１次偏光１４１と、ｙ軸方向である２次偏光
１４２に分離され、これらはｙ軸方向に互いに各θを成
して進行する光となって第１レンズアレイ１２４に入射
する。第１レンズアレイ１２４により収斂された光は、
第２レンズアレイ１２５の開口上に離散的な照明スポッ
トを形成し、上記構成から、２次偏光の通過領域にのみ
選択的に位相差板１２９が挿入されい波面は９０度回転
し、ｚ軸方向となる。入射側偏光板１２７Ａに到達する
１次偏光１４１''と２次偏光１４２''の偏波面は、いず
れもｚ軸方向となるので、これらは偏光板を通過して液
晶パネル１２７を照明する光として有効に利用される。

【００８０】上記構成によれば、従来は入射側偏光板で
吸収されて損失となった２次偏光の光を有効に利用でき
るので、光利用効率の高い投写型表示装置を実現でき、
明るい投写画像を提供できる。

【００８１】上記投写型表示装置に用いる偏光分離素子
１２３は、回折格子と適切に構成された複屈折光学層か
ら成り、複屈折光学層の必要な厚みが数ミクロン程度と
極めて薄いので、液晶ポリマーなどの一軸性光学異方体
を良好に配向させて構成できる。

【００８２】また、上記照明光の経路は、１次偏光と２
次偏光について、ほぼ等しい光路長であり、放物面鏡１
２２で集光された光の大部分は第１レンズアレイ１２４
に入射し、第２レンズアレイ１２５を経て液晶パネル１
２７に到達するので、１次偏光と２次偏光ともに、高い
光利用効率を実現できる。これにより、明るさを向上さ
せる効果の高い偏光変換光学系を実現できる。

【００８３】（偏光分離素子の実施例３）偏光分離素子
の第３の実施例を、（図８）を用いて述べる。偏光分離
素子１５１は、（図５）に示したような投写型表示装置
に用いた場合に、以下に述べる格別の効果を発揮するよ
うに、構成されたものである。

【００８４】（図８）は、偏光分離素子１５１の正面図
であり、その断面方向の構成は、上記本発明の偏光分離
素子の第１実施例、または第２実施例、と同様である。
ただし、偏光分離素子を構成する複数の回折格子１５１
Ａを、二次元状に配列している。また、各回折格子１５
１Ａの有効領域は矩形開口とし、各領域において回折ピ
ッチを適切に異ならしめている。これらのアレイ状回折
格子の表面に、一軸方向に配向された正の光学異方体層
を密着させて、１次偏光は直進、２次偏光は回折させ
て、入射する光を分離する。（図８）において矩形開口
中の波線ハッチングは、各矩形開口領域の回折格子の周
期ピッチが、場所に依って異なる様子を模式的に示すた
めに付記する。

【００８５】偏光分離素子１５１は、例えば以下の手順
に従って具現化できる。まず、必要な偏光分離角の種類
に応じて、複数の異なる周期ピッチの回折格子を形成す
る。具体的な構成は（図３）または（図４）に示したも
のと同様であり、具現化すべき格子形状の母型を、機械
的な精密加工、フォトリソ工程などにより成形する。こ
れらの母型を、与えられた矩形開口形状で切り出し、複
数個を適切に配列させて組み型を構成する。これを母型
として、透明樹脂材料などをプレス成形すれば、偏光分
離素子１５１の回折格子基板を得る。これの回折格子面
について、ラビング処理や、電界または磁界などの強制
力で持って、一軸性光学異方体を強制配向させ、紫外線
硬化などの手法によりその状態を保持すれば良い。これ
により、上記本発明の偏光分離素子の第１または第２実
施例と同様の素子を二次元状に配列し、かつ偏光分離角
を適宜異ならしめた形態で、容易に具現化できる。

【００８６】上記構成は、偏光分離素子１５１から出射
する１次偏光と２次偏光の光の分離角が、場所に依って
より好ましく異なることを特徴とする。このように構成
された偏光分離素子は、これと組み合わせて構成される
投写型表示装置において、より設計の自由度が高く、よ
り光利用効率の高い光学系を実現できる利点がある。

【００８７】（投写型表示装置の第２実施例）（図８）
に示した本発明の偏光分離素子の第３実施例を用いて、
（図５）と同様の投写型表示装置を構成する場合に、よ
り大きな効果を得ることのできる構成の一例を述べる。

【００８８】（図９）は、第１レンズアレイ１６１の構
成の一例である。矩形開口を有する３６個の第１レンズ
１６１Ａを、二次元状に配列している。第１レンズ１６
１Ａの各開口は、照明する液晶パネルの表示領域と相似
形状である。第１レンズ１６１Ａの光軸は、各々につい
て適宜偏心させる。こうすれば、各第１レンズが第２レ
ンズアレイ上に形成する照明スポットの配置を、比較的
自由に調整することができる。（図９）は、（図６）に
示した構成と比較して、レンズの個数を多くすると、液
晶パネルを照明する光の明るさの均一性が向上する、光
利用効率が高くできる、といった利点がある。

【００８９】参考として、偏光分離素子を用いない従来
の構成の場合に、（図９）に示した配列及び開口形状の
第１レンズアレイと組み合わせて用いる第２レンズアレ
イ１６２の構成の一例を（図１０）に示す。第２レンズ
アレイ１６２の開口上には、第１レンズアレイにより収
斂された複数の照明スポットが形成される。これは、ラ
ンプ内の発光体の実像１６３に相当し、その大きさと分
布の一例を（図１０）中に模式的に付記する。

【００９０】以下に述べる理由から、第２レンズアレイ
１６２を構成する第２レンズ１６４の開口は、当該開口
上に形成される実像１６３の大きさに合わせて適切に異
ならしめ、これらを凝集して配列し、第２レンズアレイ
全体の有効開口の広がりをできるだけ小さくしている。
そのために、対応する第２レンズ１６４の開口位置に合
わせて、対応する第１レンズの偏心方向と偏心量を決め
る。

【００９１】（図５）を参照し、第２レンズアレイ１２
５から出射した光の液晶パネル１２７に対する照射角
は、投写レンズ１２８の集光角と等しいかそれ以下でな
ければ、投写レンズを有効に通過できない光が発生し、
光損失を生じる。従って、液晶パネルから見た第２レン
ズアレイの有効開口の広がりは、できるだけ小さいこと
が好ましい。これは、液晶パネルを通過する照明光の照
射角をできるだけ小さくすることである。

【００９２】この理由から、（図１０）に示す第２レン
ズアレイ１６２の開口形状と複数の実像ｌ６３の配置
は、都合がよい。波線で示した正円１６５は、投写レン
ズの集光範囲のより好ましい一例を第２レンズアレイ上
に書き示したものである。この正円１６５を投写レンズ
の入射瞳と見なし、実像１６３を当該入射瞳上における
複数の発光体の実像の大きさと分布として扱うことがで
きる。ここで、入射瞳の拡がり（面積）に対して複数の
実像１６３の拡がり（面積）の総和が占める割合を瞳利
用率とすれば、瞳利用率の高い光学系ほど、投写型表示
装置にとって、より明るく好ましい光学系と言える。

【００９３】（図５）に示した投写型表示装置におい
て、（図８）に示した偏光分離素子１５１を用いること
は、瞳利用率の高い光学系を実現する上で、極めて高い
効果を得る。具体的に、（図８）に示した偏光分離素子
１５１と（図９）に示した第１レンズアレイ１６１と組
み合わせて用いる第２レンズアレイ１７１の構成の一例
を（図１１）に示し、この理由を述べる。

【００９４】第２レンズアレイ１７１は、開口の大きさ
と形状の異なる第２レンズ１７２を正円１７３の有効領
域内に凝集させて配列してなる。各第２レンズ１７２の
波線で区切られたおよそ半分の領域（便宜上、ハッチン
グで図示）には、当該領域を通過する２次偏光の偏波面
を９０度回転させる位相差板が貼付される。（図９）の
第１レンズアレイ１６１と（図１１）の第２レンズアレ
イ１７１には、各レンズの対応関係を明確化するため
に、(1)〜(36)の数字を付記する。

【００９５】第２レンズアレイ１７１の構成は、各第２
レンズ１７２上に形成される実像の大きさが、光軸の近
傍ほど大きく、光軸から離れるほど小さいことを積極的
に利用し、瞳利用率がより大きくなるように、第１レン
ズアレイの形成する実像を配列し、それに対応したレン
ズの開口形状と配列を構成したものである。この場合
に、第２レンズアレイ１７１上に構成される実像の大き
さと分布の一例を、（図１０）と同様にして（図１２）
中に模式的に付記する。

【００９６】実線で示した３６個の実像１７５は、第１
レンズアレイを通過する１次偏光成分についての照明ス
ポットである。各実像１７５は、対応する第２レンズの
開口の対応する位置に配置されるように、第１レンズ１
６１Ａを適宜偏心させている。

【００９７】破線で示した実像１７６は、同じく２次偏
光成分についての照明スポットである。これらの実像１
７６は、偏光分離素子１５１の作用により、１次偏光に
ついての実像１７５に対して所定方向に所定距離だけず
れて形成される。ところが、瞳利用率を向上させるため
に第２レンズ１７２の開口形状と配列を変化させると、
各第１レンズと第２レンズの対ごとに、当該第１レンズ
を通過する１次偏光と２次偏光の偏光分離角を適宜異な
らしめる必要がある。第２レンズアレイ１７１上でずら
すべき実像１７５と実像１７６の距離に応じて、当該偏
光分離角を適宜定める必要がある。

【００９８】（図８）に示した偏光分離素子１５１は、
上記理由から構成されたもので、第１レンズアレイ１６
１上の対応する第１レンズ１６１Ａごとに、その近傍に
あって当該レンズを通過する２つの偏光光の偏光分離角
を、適宜、容易に異ならしめることができる。偏光分離
素子１５１は、回折格子を組み合わせてなるので、各矩
形領域中での回折ピッチを適宜異ならしめるだけで、容
易に偏光分離角を制御できる利点がある。

【００９９】具体的に、本発明の効果をある設計事例に
ちて数値を用いて述べる。上記本発明の投写型表示装置
の第２実施例において、第２レンズアレイから液晶パネ
ルに至る光路長を固定し、第２レンズアレイの有効開口
の大きさと瞳利用効率を述べる。

【０１００】（図１０）に示した偏光分離素子を用いな
い従来の構成の場合、拡がった実像１６３から放射され
る光を損失なく利用するために、投写レンズの入射瞳は
破線１６５の大きさが必要であり、これはＦナンバーに
換算してＦ／２．５に相当した。この場合に、実像１６
３の拡がり（面積）の総和の、入射瞳（半径１６５の正
円）の面積に占める割合として瞳利用率は、約３３％で
あった。

【０１０１】（図１２）に示した本発明の偏光分離素子
を用いる構成の場合、拡がった実像１７５と１７６から
放射される光を損失なく利用するために、投写レンズの
入射瞳は正円１７７の大きさが必要であり、これはＦナ
ンバーに換算してＦ／２．３に相当した。この場合に瞳
利用率は、約５７％であった。

【０１０２】両者を比較すると、本発明により、投写レ
ンズの集光角をあまり大きくすることなく、瞳利用率を
約２倍に向上させて、１次偏光と２次偏光の両方の成分
について、十分に高い光利用効率を実現できる。これ
は、投写レンズの口径を大きくしなくてもいいので、よ
りコストの安い光学系を実現できる。または、より小さ
い発光体のランプを利用しなくてもいいので、より明る
く信頼性の高いランプを利用して、より明るい投写型表
示装置を実現できる。

【０１０３】これにより、本願発明の偏光分離素子と、
これを用いた投写型表示装置は、光利用効率が高く、明
るい投写画像を提供するので、極めて大きな効果を得
る。

【０１０４】

【発明の効果】本発明の偏光分離素子は、回折格子と一
軸性光学異方体を組み合わせてなるので、構成が単純
で、偏光分離効率が高く、偏光分離角を制御しやすい、
という利点がある。また、光学異方体を配向させる厚み
は数ミクロン程度と薄いので、液晶ポリマーなどの一軸
性異方体を容易かつ良好に配向、充填し、所望の素子を
容易に、かつ高い量産性で実現できる。

【０１０５】更に、本発明の投写型表示装置は、上記本
発明の偏光分離素子を用いて、明るく表示むらの少ない
投写画像を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】回折格子の一般的な作用を説明するための略線
図

【図２】他の回折格子の一般的な作用を説明するための
略線図

【図３】本発明の偏光分離素子の一実施例を示す略構成
図

【図４】本発明の他の偏光分離素子の一実施例を示す略
構成図

【図５】本発明の投写型表示装置の一実施例を示す略構
成図

【図６】第１レンズアレイの構成の一例を示す略構成図

【図７】第２レンズアレイの構成の一例を示す略構成図

【図８】本発明の更に他の偏光分離素子の一実施例を示
す略構成図

【図９】第１レンズアレイの構成の他の一例を示す略構
成図

【図１０】第２レンズアレイの従来の構成の一例を示す
略構成図

【図１１】第２レンズアレイの構成の他の一例を示す略
構成図

【図１２】第２レンズアレイ上に形成される発光体の実
像の一例を示す模式図

【図１３】従来の投写型表示装置の一例を示す略構成図

【図１４】従来の偏光分離素子の一例を示す略構成図

【符号の説明】

１０１，１１１，１２３，１５１ 偏光分離素子 １０２，１１２ 回折格子 １０３，１１３ 一軸性光学異方体 １２１ ランプ １２２ 放物面鏡 １２４，１６１ 第１レンズアレイ １２５，１７１ 第２レンズアレイ １２６ フィールドレンズ １２７ 液晶パネル １２８ 投写レンズ １２９ 位相差板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G02B 27/28 G02F 1/13 505 G02F 1/13357 G02F 1/13363

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射する自然光を、方位Ａに電界の振動
   成分を有するＡ偏光成分と、方位Ａと直交する方位Ｂに
   電界の振動成分を有するＢ偏光成分に分離して出射せし
   める偏光分離素子であって、 当該偏光分離素子は複数単位の偏光分離要素を二次元状
   に配列して構成し、前記偏光分離要素の１単位は、前記
   Ａ偏光成分の光と前記Ｂ偏光成分の光が所定方向に所定
   の分離角を成して、互いに進行方向が異なるように出射
   せしめるものであり、当該偏光分離素子と組み合わせる正円形状の第１レンズ
   アレイと第２レンズアレイに対して、第２レンズアレイ
   は瞳利用率を向上させるような開口形状と配列とし、前
   記第２レンズアレイ上に前記Ａ偏光によって形成される
   実像と、前記Ｂ偏光によって形成される実像との距離に
   対応して二次元状に配列した複数の前記偏光分離要素を
   その配置場所に依って前記偏光分離角を異ならしめ るこ
   とを特徴とする偏光分離素子。
2. 【請求項２】 前記偏光分離要素は、入射光の光軸に略
   直交して配置される透光性基板表面に沿って一軸方向Ｃ
   に周期構造を有する回折格子と、前記回折格子に隣接し
   て形成される光学異方体層とからなり、 前記光学異方体層は前記基板表面上において前記方向Ｃ
   の屈折率（Ｎ２）とこれと直交する方向Ｄの屈折率（Ｎ
   １）は互いに異なる屈折率を有し、前記回折格子の屈折
   率（Ｎ０）は方向Ｄの屈折率（Ｎ１）に略等しく選択さ
   れることにより入射光の光軸に対して前記Ａ偏光成分な
   いしは前記Ｂ偏光成分のいずれか１つの偏光成分につい
   てのみ選択的に作用して当該偏光成分の光を所定角度だ
   け回折せしめ、前記回折格子の周期構造のピッチを異な
   らしめて当該偏光分離要素の分離角を当該偏光分離素子
   と組み合わせる第２レンズアレイの開口形状と配列に対
   応して異ならしめることを特徴とする請求項１記載の偏
   光分離素子。
3. 【請求項３】 自然光を放射する光源と、前記光源の放
   射する光を集光せしめて略一軸方向に進行する光を形成
   する集光手段と、前記集光手段から出射する光が入射す
   る偏光分離素子と、前記偏光分離手段の近傍に配置され
   る第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイから出射
   する光が入射する第２レンズアレイと、前記第２レンズ
   アレイの近傍に配置されて当該レンズアレイを通過する
   光の一部について選択的に作用せしめる偏波面回転手段
   と、前記第２レンズアレイから出射する光が照射される
   空間光変調素子と、前記空間光変調素子上の光学像を投
   影する投写レンズとを備え、前記空間光変調素子は直線
   偏光の光に作用して前記光学像を形成し、前記第１レン
   ズアレイは複数の第１レンズを二次元状に配列してな
   り、前記第２レンズアレイは前記第１レンズと対をなす
   複数の第２レンズを二次元状に配列してなり、前記偏光
   分離素子は請求項１に記載の偏光分離素子であり、前記
   偏光分離素子は対応する前記第１レンズの位置に応じて
   偏光分離角を異ならしめ、互いに進行方向の異なるＡ偏
   光成分の光とＢ偏光成分の光は前記第１レンズにより対
   応する前記第２レンズの開口の異なる位置に隣接して収
   斂せしめられ、前記偏波面回転手段は前記第２レンズの
   開口上のいずれか１つの偏光成分の光にのみ選択的に作
   用して当該偏光成分の光の偏波面を略９０度回転せし
   め、前記空間光変調素子に照射される前記Ａ偏光成分の
   光の偏波面と前記Ｂ偏光成分の光の偏波面を略一致せし
   めてこれを利用することを特徴とする投写型表示装置。