JP3738505B2 - 投射型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光に分離して空間変調を行った後、再び重ね合わせてスクリーン等に投射する投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光源からの光をＲ、Ｇ、Ｂの各色光に分離して、位相変調を施すことにより各光に画像情報を与えた後、再び重ね合わせてスクリーン等に投射することによりカラー画像を表示する投射型表示システムの開発が盛んに行われているが、これらのシステムにおいては、光の偏光特性の高精度な制御が要求されている。殊に偏光子および検光子となる偏光ビームスプリッタはその偏光特性を支配するものであり、投射画像の画質に果たす役割はたいへん大きい。
【０００３】
このような投射型表示装置に使用される偏光ビームスプリッタとしては、基材として光に対して等質等方な透光性材料を用いたものと、透光性材料を液体に漬けたもの（液体浸漬型）が考えられている。
【０００４】
一般に、前記等質等方な透光性材料を用いた偏光ビームスプリッタでは、種々の原因で透光性材料中に生じる光学的異方性が複屈折を誘発し、光の偏光特性を乱してしまう障害がある。そしてこの障害がＳ偏光、Ｐ偏光分離の消光比を低減したり、照度ムラを引き起こす原因となっている。透光性材料中に光学的異方性を生じさせる原因としては、主に、ガラスの加工工程（切断、他の材料との接合、表面への成膜など）や、ガラスを光学系に組み込む操作（治具での保持、接着など）の際に生じる外部応力や、ガラス内部の発熱（光エネルギーの吸収など）あるいは外部の発熱（周辺機器の発熱など）などにより生じる熱応力、さらに発熱の際に、ガラスと熱膨脹率の異なる材料を接触接合した場合に生じる応力などがある。
【０００５】
そこで、これら応力の問題を解消するために従来、例えばヒューズエアクラフト社の米国特許４，６８７，３０１号公報に示されているように、屈折率調整を施した液体中に偏光ビームスプリッタ用のコーティングを施した透光性材料の板を浸漬させた構成の液体浸漬型の偏光ビームスプリッタが多く提案されてきた。前記液体の屈折率は、前記透光性材料の屈折率と同一になるように調整されている。また、板状の透光性材料は必ずしも光に対して等質等方である必要はない。このように液体中に透光性材料を浸漬する理由は、応力が生じず、さらにコーティングの界面と空気の屈折率が異なるために使用できなかったコーティングの材料を偏光ビームスプリッタとして機能させることができるためである。
【０００６】
ところが、この液体浸漬型の偏光ビームスプリッタにおいても以下に示すような多くの問題を抱えている。
【０００７】
第一に温度に起因する液体の大きな屈折率変化、第二に屈折率変化によって生じる屈折率の不均一性、第三に液体であるがために生じる対流、第四にやはり液体であるがために生じる体積変化、第五に液中の不純物、ゴミおよび気泡の影響、第六に液漏れなどである。
【０００８】
このように、液体浸漬型の偏光ビームスプリッタは、基本的には優れた性能を持つが、一方で課題も多く、これを用いた投射型表示装置では、製作に非常に手間がかかり、コストアップにつながっている。殊に温度による特性変化は、本質的に避けがたい問題である。
【０００９】
これらの液体浸漬型の偏光ビームスプリッタの問題を解決するために、本発明者らは偏光光学系に透光性材料を用いる場合、光弾性定数が実質的に零であることが重要な要素であることを見いだし、特開平６−１３５７０号公報において、光弾性定数が実質的に零であるガラスを偏光ビームスプリッタの基体として用いれば、熱応力や力学的外部応力下においても光学的異方性がガラスに生じず、光の偏光特性は乱されないことを開示した。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記光弾性定数が実質的に零であるガラスを偏光ビームスプリッタの基材としても、ＲＧＢ三色を分離して変調するカラーの投射型表示装置では、偏光が乱されＳ偏光、Ｐ偏光分離の消光比を低減したり、照度ムラや色ムラが生じた。
【００１１】
本発明の目的は、ＲＧＢ三色を分離してそれぞれを変調した後、再び重ね合わせて投射するカラーの投射型表示装置であって、照度ムラが小さいカラー画像を表示することのできる装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような投射型表示装置が提供される。
【００１３】
すなわち、波長の異なる第１、第２、第３の光をそれぞれ異なる方向に出射する光源部と、前記第１、第２、第３の光にそれぞれ画像情報を与えるために、前記第１、第２、第３の光の強度をそれぞれ変調する第１、第２、第３の空間光変調素子と、前記空間光変調素子による反射光の光路を、入射光の光路から分離するために、前記光源部と前記第１、第２、第３の空間光変調素子との間にそれぞれ配置された第１、第２、第３の偏光分離部と、前記第１、第２、第３の分離部が分離した前記反射光を重ね合わせて投射する投射光学系とを有し、
前記第１、第２、第３の偏光分離部は、それぞれ、前記第１、第２、第３の空間光変調素子への入射光および反射光のうちの少なくとも一方が内部を通過する光学部材を有し、
前記第１の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、前記第２の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、および、第３の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、光弾性定数の絶対値が最小となる波長が互いに異なる投射型表示装置である。
【００１４】
発明者らは、種々のガラスについて、種々の波長で光弾性定数を測定したところ、ガラスの光弾性定数は、投射型表示装置に用いられる可視光の波長に対して、大きな分散を有し、これが、投射型表示装置の照度ムラの原因となっていることがわかった。すなわち、一つの波長の光について光弾性定数の絶対値が最小となるように組成を調節したガラスを偏光分離部の光学部材の基材として用いたとしても、この基材は他の波長の光については、光弾性定数の絶対値が大きく、他の偏光分離部の光分離特性が低下してしまうのである。そこで、本発明では、３つの偏光分離部の光学部材の基材として、互いに、異なる波長で光弾性定数の絶対値が最小になる材料を用いることにより、３つの波長の光それぞれについて、光弾性定数の絶対値を小さくし、照度ムラを低減する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
まず、本実施の形態の投射型表示装置の構成について、図４を用いて説明する。
【００１７】
図４のように、本実施の形態の投射型表示装置は、光軸１２上に、光源１９とクロスダイクロイックミラー１１を備えている。クロスダイクロイックミラー１１は、光源１９からの光を光の波長の帯域によって３つの光に分離し、分離した３つの光を方向の異なる３つの光軸１３、１４、１５へそれぞれ出射する。
【００１８】
光軸１３上には、ミラー１１２、補助偏光ビームスプリッタ１１５、主偏光ビームスプリッタ１１４、空間変調素子１１３、ミラー１１６が順に配置されている。また、光軸１４上には、ミラー２１２、補助偏光ビームスプリッタ２１５、主偏光ビームスプリッタ２１４、空間変調素子２１３が順に配置されている。光軸１５上には、ミラー３１２、補助偏光ビームスプリッタ３１５、主偏光ビームスプリッタ３１４、空間変調素子３１３、ミラー３１６が順に配置されている。
ミラー１１６により偏向された光と、主偏光ビームスプリッタ２１４を透過してきた光と、ミラー３１６により偏向された光とが入射する位置には、クロスダイクロイックプリズム１７が配置されている。クロスダイクロイックプリズム１７は、これらの光を重ね合わせて光軸１６の方向へ出射する。光軸１６上には、投射レンズ１８が配置されている。
【００１９】
本実施の形態では、光源１９として、キセノンランプやメタルハライドランプ等の白色光源と、この光源から出射された白色光のうち、波長４００ｎｍ未満の光および波長６８０ｎｍ以上の光を取り除くフィルタ（不図示）とを備えている。
【００２０】
また、クロスダイクロックミラー１１は、波長４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満のＢ（青色）光を光軸１３の方向へ偏向し、波長５１０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満のＧ（緑色）光を光軸１４の方向へ透過させ、波長５９０ｎｍ以上６８０ｎｍ未満の光を光軸１５の方向へ偏向するように構成されている。
【００２１】
また、空間変調素子１１３、２１３、３１３は、それぞれ、主平面が図４のｙｚ平面方向の反射型液晶パネルを有している。この反射型液晶パネルは、偏光方向がｙ軸方向の光を液晶に入射させ、偏光方向をｘ軸方向へ回転させるとともに、ｙｚ平面内の光強度を濃淡に変調し、濃淡で表される画像情報を与えて出射させる構成である。空間変調素子１１３、２１３、３１３は、不図示の画像制御装置に接続されている。画像制御装置は、液晶を駆動することにより光に与える画像情報を制御する。画像制御装置は、投射すべき画像情報を表す信号を、Ｂ用画像情報信号とＧ用画像情報信号とＲ用画像情報信号とに分離する。そして、空間変調素子１１３の液晶パネルをＢ用画像情報信号により駆動し、空間変調素子２１３の液晶パネルをＧ用画像情報信号により駆動し、空間変調素子３１３の液晶パネルをＲ用画像情報信号により駆動する。
【００２２】
また、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４の構成は、図３に示すような構成である。すなわち、補助偏光ビームスプリッタ１１５は、光軸に対して４５度の反射面を有する２つのプリズム１１５２、１１５１を反射面同士で貼り合わせた構成である。また、主偏光ビームスプリッタ１１４は、光軸に対して４５度の反射面を有する２つのプリズム１１４２、１１４１を反射面同士で貼り合わせた構成である。補助偏光ビームスプリッタ１１５の反射面の向きは、主偏光ビームスプリッタ１１４の反射面を光軸を中心に９０度回転させた面と平行である。補助偏光ビームスプリッタ１１５、主偏光ビームスプリッタ１１４は、いずれも、貼り合わせた反射面の間に、反射防止膜と、偏光分離性能を高めるための偏光分離膜とを備えている。反射防止膜としては、例えば、ＳｉＯx膜とＡｌ2Ｏ3膜とを光学膜厚が波長の１／４になるように交互に積層した多層膜を用いることができる。
【００２３】
補助偏光ビームスプリッタ２１５および主偏光ビームスプリッタ２１４、ならびに、補助偏光ビームスプリッタ３１５および主偏光ビームスプリッタ３１４も、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４と同様の構成である。
【００２４】
このような図４の投射型表示装置において、光源１９から出射された波長４００ｎｍ以上６８０ｎｍ未満の光は、クロスダイクロイックミラー１１によって分離され、波長４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満のＢ光が光軸１３の方向へ偏向され、波長５１０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満のＧ光が光軸１４の方向へ偏向され、波長５９００ｎｍ以上６８０ｎｍ未満のＲ光が光軸１５の方向へ偏向される。
【００２５】
Ｂ光は、ミラー１１２により偏向され、補助偏光ビームスプリッタ１１５に入射する。そして、補助偏光ビームスプリッタ１１５の４５度の反射面において、入射光のうちｘ軸方向に平行な偏光方向をもつ光のみが反射面を透過し、主偏光ビームスプリッタ１１４に入射する。他の偏光方向の光は反射される。主偏光ビームスプリッタ１１４の４５度の反射面は、ｘ軸方向に対して平行であるため、ｘ軸方向に平行な偏光は反射面で反射され、空間変調素子１１３に入射する。空間変調素子１１３は、入射したｘ軸方向に平行な偏光方向を有するＢ光を、ｘｙ平面方向について濃淡に変調することによりＢ光用画像情報を与えるとともに、偏光方向をｙ軸に平行な偏光に回転させて反射する。反射された偏光方向がｙ軸方向に平行なＢ光は、今度は、主偏光ビームスプリッタ１１４の反射面を透過して、反射ミラー１１６で偏向され、ダイクロイックプリズム１７へ入射する。
【００２６】
同様に、クロスダイクロックミラー１１を透過した、Ｇ光は、反射ミラー２１２で偏向され、補助偏光ビームスプリッタ２１５へ入射する。そして、Ｇ光のうち、偏光方向がｘ軸に平行な光のみが補助偏光ビームスプリッタ２１５を透過して、主偏光ビームスプリッタ２１４へ入射する。そして、主偏光ビームビームスプリッタ２１４で反射されて、空間変調素子２１３に入射する。空間変調素子２１３は、入射したｘ軸方向に平行な偏光方向を有するＧ光を、ｘｙ平面方向について濃淡に変調することによりＧ光用画像情報を与えるとともに、偏光方向をｙ軸に平行な偏光に回転させて反射する。反射された偏光方向がｙ軸方向に平行なＧ光は、今度は、主偏光ビームスプリッタ２１４を透過して、ダイクロイックプリズム１７へ入射する。
【００２７】
また、クロスダイクロックミラー１１で光軸１５の方向へ偏向されたＲ光は、反射ミラー３１２で偏向され、補助偏光ビームスプリッタ３１５へ入射する。そして、Ｒ光のうち、偏光方向がｘ軸に平行な光のみが補助偏光ビームスプリッタ３１５を透過して、主偏光ビームスプリッタ３１４へ入射し、主偏光ビームビームスプリッタ３１４で反射されて、空間変調素子３１３に入射する。空間変調素子３１３は、入射したｘ軸方向に平行な偏光方向を有するＲ光を、ｘｙ平面方向について濃淡に変調することによりＲ光用画像情報を与えるとともに、偏光方向をｙ軸に平行な偏光に回転させて反射する。反射された偏光方向がｙ軸方向に平行なＲ光は、今度は、主偏光ビームスプリッタ３１４を透過し、反射ミラー３１６でさらに偏向され、ダイクロイックプリズム１７へ入射する。
【００２８】
ダイクロイックプリズム１７は、入射したＢＧＲ光を合波し、光軸１６方向に出射する。投射レンズ１８は、合波されたＢＧＲ光を拡大光束に変換して、図示しないスクリーンに向けて出射する。これにより、スクリーンには、ＢＧＲ画像が重ね合わさったカラー画像が表示される。
【００２９】
このような投射表示装置において、画像が均一な照度で色ムラなどが生じない高性能な装置を実現させるためには、ＢＧＲ各色光がそれぞれ補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を透過する間において、高精度な偏光状態を保つ必要がある。
【００３０】
しかしながら、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４に全て同一のガラスを用いた場合は、特定の波長で光弾性定数が小さくとも、全ての可視光波長域で光弾性定数を小さくすることはできないことがわかった。すなわち、一種類のガラスで補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を構成すると、偏光の精度を全ての波長域で最適に保つことは不可能である。そこで、本発明では、以下のようにして、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４の基材を構成するガラスを選択した。
【００３１】
一般に、ガラスのような等質等方な透光性材料に力を加えて応力を生じさせると、この透光性材料に光学的な異方性が生じ、ある種の結晶体と同様に複屈折性を持つようになる。これは光弾性効果と呼ばれている。応力が生じたときの透光性材料の屈折率はいわゆる屈折率楕円体で表すことができ、この時、屈折率楕円体の主屈折率軸は主応力軸に一致する。一般に主屈折率をｎ1、ｎ2、ｎ3、主応力をσ1、σ2、σ3（それぞれ添字が共通なものは同一方向にある）とすると、これらの間には次のような関係が成立する。
【００３２】
【数１】
【００３３】
ここで、Ｃ1、Ｃ2は光の波長および透光性材料の物質に固有の定数である。ｎ0は無応力のときの屈折率である。
【００３４】
このような透光性材料に光を入射させた場合、その方向がσ3と同一方向となるように座標を取れば、入射光はそれぞれσ1、σ2方向の、すなわち互いに振動面が直交する２つの直線偏光に分かれる。透光性材料から光が出射する時には、各主応力方向の屈折率差（ｎ1，ｎ2）が生じるため、これらの２つの直線偏光間には次式で表せるような光路差（位相差）Δφが生じる。
【００３５】
【数２】
【００３６】
ここで、λは光波長、ｌは透光性材料の光透過厚である。Ｃ＝Ｃ1−Ｃ2は光弾性定数と呼ばれる。
【００３７】
本発明者らは、光透過厚１＝１０ｍｍのガラス試料を作成し、種々の波長の単色光を用いて、σ2 ＝σ3 ＝０となる方向に既知の応力をかけた状態で複屈折を測定し、上述の数１および数２から光弾性定数を算出した。
【００３８】
その結果、ガラスの光弾性定数は、投射型表示装置で用いられる可視光の波長域において、光の波長に対して大きな分散を有し、特定の波長域で光弾性定数の絶対値が小さくになるように組成を調整したガラス場合でも、他の波長域では、光弾性定数が大きくなることがわかった。よって、投射型表示装置として用いた場合、照度ムラや色ムラが表示装置として許容できないことがわかった。つまり、使用波長域が広範囲にわたるカラーの投射型表示装置では、一つのガラスで、全ての光の波長域において絶対値が小さな光弾性定数を得ることは不可能となることがわかった。例えば、ＲＧＢ三色を分離する投射型表示装置用光学系の場合、Ｒの領域で光弾性定数の絶対値が許容できる程度に小さくなるなるように組成が調整されたガラスを、全ての波長領域に適用すると、ＧあるいはＢの領域においての光弾性定数は許容できる範囲より大きくなってしまい、上記した諸原因により、偏光は乱され、投射型表示装置に照度ムラが生じる。
【００３９】
例として、後述する表１のＮｏ．５の組成のガラスの光弾性定数の波長依存性を測定した結果を図１に示す。このガラスの光弾性定数は、５８５ｎｍ付近で零となり、この近辺の波長域において使用される偏光ビームスプリッタの基材とするには最適のガラスであるが、波長が異なると、光弾性定数の絶対値は大きくなり最適とは言えない。
【００４０】
そこで、本発明者はＲＧＢ三色を分離する投射型表示装置用光学系において、ＲＧＢに分割されたそれぞれの波長域における光弾性定数の絶対値が小さい組成のガラスを作製して、それぞれの波長域に適用することにより、ＲＧＢ三色全ての波長域において熱応力や力学的外部応力により生じる複屈折を最小に抑える構成とした。
【００４１】
具体的には、本実施の形態では、酸化物換算の重量％で、組成が、
ＳｉＯ2 １７．０〜２７．０％
Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ ０．５〜 ５．０％
ＰｂＯ ７３．０〜７５．０％
Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3 ０ 〜 ３．０％
の範囲にあるガラスで光弾性定数測定用サンプルを測定し、上述のように単色光を照射して複屈折率を測定することにより、数１、数２から光弾性定数を求めた。
【００４２】
その測定結果の一部を表１に示す。表１には、光弾性定数の絶対値が最小となる波長と、その組成を示した。
【００４３】
【表１】
【００４４】
なお、ここで製造したガラスは、表１の各成分に原料として対応する酸化物、フッ化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩などを用意し、それらを所定の割合に秤量し混合して調合原料とし、９００〜１３００℃に加熱して電気炉中で溶解、清澄、撹拌を行って均質化した後、予め予熱された金型に鋳込み徐冷することにより製造したものである。また、光弾性定数測定用サンプルは、このように製造したガラスを研削および研磨して作製した。
【００４５】
また、光弾性定数の絶対値が最小となる光の波長の測定結果より、上述の組成範囲のガラスは、ガラスの組成中のＰｂＯ含有量と光弾性定数の絶対値が最小値をとる波長とに、図２に示すような相関関係があることがわかった。ただし、図中の曲線は３次の多項式によりフィッティングしたものである。
【００４６】
これにより、上述の組成範囲のガラスでは、組成中のＰｂＯ含有量を制御することにより光弾性定数の絶対値が最小値となる光の波長を制御できることが判った。
【００４７】
一方、発明者らは、図４の補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４を、これらを透過する光の波長に対する光弾性定数の絶対値が、０．０１×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下となるガラスにより作製して、図４の投射型表示装置を製造した場合に、Ｂ光のみでスクリーンに表示される画像すなわちＢ光画像の照度ムラを評価した。また、同様に、光弾性定数の絶対値が、１．３３×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となるガラスにより作製した場合と、２．２×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下となるガラスにより作製した場合の、Ｂ光画像の照度ムラを評価した。その結果、光弾性定数が１．３３×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下の場合のＢ光画像の照度ムラは、投射型表示装置として許容できるが、２．２×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下の場合のＢ光画像の照度ムラは、許容できないと判断した。そこで、本実施の形態では、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４をいずれも、透過光に対する光弾性定数がの絶対値１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下のガラス、すなわち、光弾性定数が−１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ以上１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下のガラスで構成することにより、照度ムラの少ない画像の得られる投射型表示装置を得ることにした。
【００４８】
そこで、下記表２のように、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４を透過する波長４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満のＢ光の波長の光に対しての光弾性定数の絶対値を１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下にするために、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４を構成するプリズム１１５１、１１５２、１１４１、１１４２の基材を表１のＮｏ．３の組成のガラスにより構成することにした。Ｎｏ．３のガラスのＰｂＯ組成は、７３．０重量％である。
【００４９】
また、補助偏光ビームスプリッタ２１５および主偏光ビームスプリッタ２１４を透過する波長５１０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満のＧ光の波長の光に対しての光弾性定数の絶対値を１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下にするために、補助偏光ビームスプリッタ２１５および主偏光ビームスプリッタ２１４を構成するプリズムの基材を表１のＮｏ．４の組成のガラスにより構成することにした。Ｎｏ．４のガラスのＰｂＯ組成は、７３．５重量％である。
【００５０】
補助偏光ビームスプリッタ３１５および主偏光ビームスプリッタ３１４を透過する波長５９０ｎｍ以上６８０ｎｍ未満のＲ光の波長の光に対しての光弾性定数の絶対値を１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下にするために、補助偏光ビームスプリッタ３１５および主偏光ビームスプリッタ３１４を構成するプリズムの基材を表１のＮｏ．６の組成のガラスにより構成することにした。Ｎｏ．６のガラスのＰｂＯ組成は、７４．５重量％である。
【００５１】
【表２】
【００５２】
このように透過波長に対する光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下になるガラスを３種類選択して、これらを研削及び研磨することにより、図３で説明したような光軸に対して４５の反射面を有するプリズムを製造し、さらに、これらに反射防止膜と偏向分離膜とを成膜し、プリズム同士を貼り合わせることにより、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を製造した。上述のように基材として、光弾性定数の絶対値が小さいガラスを選択しているため、研削、研磨、成膜および貼り合わせ工程で応力による複屈折が生じるおそれが小さいので、通常の工程で容易に偏光ビームスプリッタを製造することができる。
【００５３】
そして、これらの偏光ビームスプリッタを用いて図４の投射型表示装置を製造した。その結果、どの波長域においても、製造時の加工や熱による応力によって偏光ビームスプリッタの基材中で生じる複屈折を最小限にとどめることができるため、表示される画像の照度ムラや色ムラが小さく、投射型表示装置全体の性能を向上させることができた。
【００５４】
上述の実施の形態では、酸化物換算の重量％で、組成が、
ＳｉＯ2 １７．０〜２７．０％
Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ ０．５〜 ５．０％
ＰｂＯ ７３．０〜７５．０％
Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3 ０ 〜 ３．０％
のガラス（以下、組成Ａのガラスと称す）により、ＢＧＲ用の補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を構成したが、光弾性定数の絶対値が透過波長に対して１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下になる組成のガラスであれば、これ以外のガラスを用いることができる。
【００５５】
例えば、酸化物還元のｍｏｌ％表示で、
であり、かつ、フッ素イオンを含むガラスを用いることができる。フッ素イオンの量は、ガラス中に含まれるすべて陰イオンに占める割合が０〜０．１の範囲になるようにする。言い換えると、ガラス中に含まれるフッ素イオンと酸素イオンとをＦ2分子とＯ2分子に換算した場合、Ｆ2分子が、Ｆ2とＯ2との合計の０〜０．１の割合、すなわちＦ2／（Ｆ2＋Ｏ2）が０〜０．１となるようにフッ素を導入した上述の組成のガラスを用いることができる。このガラスを以下組成Ｂのガラスと称す。
【００５６】
この組成Ｂのガラスも、光弾性定数の絶対値の最小値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となるため、用いる波長範囲によって別々の組成のガラスを選択することにより、ＢＧＲ光についていずれも光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となる基材で構成された偏光ビームスプリッタを備える投射型表示装置を提供することができる。
【００５７】
また、ＢＧＲ光用の偏光ビームスプリッタのうち、いずれかの偏光ビームスプリッタを組成Ａのガラスで構成し、残りの偏光ビームスプリッタを組成Ｂのガラスで構成することももちろん可能である。
【００５８】
また、本実施の形態では、ＢＧＲ光の偏光ビームスプリッタを互いに異なる組成の３種類のガラスにより構成したが、例えば、Ｂ光用偏光ビームスプリッタとＧ光用偏光ビームスプリッタを同じ組成のガラスによって構成することも可能である。この場合にも、ガラス組成と、クロスダイクロイックプリズム１１の分離するＢＧＲ光の波長範囲とを調節することにより、Ｂ光及びＧ光の波長について光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となるように構成することも可能である。また、同様に、Ｇ光用偏光ビームスプリッタとＲ光用偏光ビームスプリッタとを同じ組成のガラスによって構成することも可能である。
【００５９】
また、本実施の形態では、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を、図３に示したように、２つの偏光ビームスプリッタの反射面が４５度ねじって方向を向くように配置した構成とした。これにより、光源から出射された光のうち、偏光方向がｘ軸に平行な光のみを効率よく取り出し、偏向させて空間変調素子に入射させることができる。また、空間変調素子からの反射光を入射光から効率よく分離することができる。
【００６０】
また、本実施の形態では、ＢＧＲ光用の偏光ビームスプリッタのみを光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下のガラスで構成したが、空間変調素子１１３、２１３、３１３を構成する部材の中で光を透過させる基板や、ダイクロイックプリズム１７の基材等を、上述してきたような透過光の波長に対して光り弾性定数の絶対値が小さい組成のガラスで構成することにより、照度ムラおよび色ムラをより小さくでき、さらに優れた画像を表示することのできる投射型表示装置を提供することができる。
【００６１】
また、本実施の形態のように、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４をガラスで構成しているため、これらを光軸に対して４５の反射面をもつ偏光ビームスプリッタにすることができたが、従来のように液体浸漬型偏光ビームスプリッタを用いた場合は、屈折率の関係で、設置角度を光軸に対して４５°にすることができず、投射型表示装置として大きく重いものとなってしまう。これに対し、本発明の光学系は、４５度の反射面と持つ偏光ビームスプリッタの構成にできるため、コンパクトな装置となる。
【００６２】
さらに、本実施の形態の投射型表示装置は、偏光ビームスプリッタに、液体を用いないため、温度変化に強く、また、取り扱いが容易であり、しかも、通常の研削と研磨工程により製造できるため、製造コストを低く押さえることができる。
【００６３】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、ＲＧＢ三色を分離してそれぞれを変調した後、再び重ね合わせて投射するカラーの投射型表示装置であって、照度ムラが小さいカラー画像を表示することのできる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の投射型表示装置の偏光ビームスプリッタに用いることにできるガラスの光弾性定数の波長依存性を表すグラフ。
【図２】本発明の一実施の形態の投射型表示装置の偏光ビームスプリッタに用いることにできるガラス組成の光弾性定数のＰｂＯ組成への依存性を表すグラフ。
【図３】本発明の一実施の形態の投射型表示装置に用いることのできる偏光ビームスプリッタの構成を示す斜視図。
【図４】本発明の一実施の形態の投射型表示装置の光学系の配置を示すブロック図。
【符号の説明】
１１…クロスダイクロックミラー、１２、１３、１４、１５、１６…光軸、１７…ダイクロイックプリズム、１８…投射レンズ、１９…光源、１１２、１１６、２１２、２１６、３１２、３１６…反射ミラー、１１４、２１４、３１４…主助偏光ビームスプリッタ、１１５、２１５、３１５…補助偏光ビームスプリッタ、１１３、２１３、３１３…空間変調素子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの光を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の各色光に分離して空間変調を行った後、再び重ね合わせてスクリーン等に投射する投射型表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光源からの光をＲ、Ｇ、Ｂの各色光に分離して、位相変調を施すことにより各光に画像情報を与えた後、再び重ね合わせてスクリーン等に投射することによりカラー画像を表示する投射型表示システムの開発が盛んに行われているが、これらのシステムにおいては、光の偏光特性の高精度な制御が要求されている。殊に偏光子および検光子となる偏光ビームスプリッタはその偏光特性を支配するものであり、投射画像の画質に果たす役割はたいへん大きい。
【０００３】
このような投射型表示装置に使用される偏光ビームスプリッタとしては、基材として光に対して等質等方な透光性材料を用いたものと、透光性材料を液体に漬けたもの（液体浸漬型）が考えられている。
【０００４】
一般に、前記等質等方な透光性材料を用いた偏光ビームスプリッタでは、種々の原因で透光性材料中に生じる光学的異方性が複屈折を誘発し、光の偏光特性を乱してしまう障害がある。そしてこの障害がＳ偏光、Ｐ偏光分離の消光比を低減したり、照度ムラを引き起こす原因となっている。透光性材料中に光学的異方性を生じさせる原因としては、主に、ガラスの加工工程（切断、他の材料との接合、表面への成膜など）や、ガラスを光学系に組み込む操作（治具での保持、接着など）の際に生じる外部応力や、ガラス内部の発熱（光エネルギーの吸収など）あるいは外部の発熱（周辺機器の発熱など）などにより生じる熱応力、さらに発熱の際に、ガラスと熱膨脹率の異なる材料を接触接合した場合に生じる応力などがある。
【０００５】
そこで、これら応力の問題を解消するために従来、例えばヒューズエアクラフト社の米国特許４，６８７，３０１号公報に示されているように、屈折率調整を施した液体中に偏光ビームスプリッタ用のコーティングを施した透光性材料の板を浸漬させた構成の液体浸漬型の偏光ビームスプリッタが多く提案されてきた。前記液体の屈折率は、前記透光性材料の屈折率と同一になるように調整されている。また、板状の透光性材料は必ずしも光に対して等質等方である必要はない。このように液体中に透光性材料を浸漬する理由は、応力が生じず、さらにコーティングの界面と空気の屈折率が異なるために使用できなかったコーティングの材料を偏光ビームスプリッタとして機能させることができるためである。
【０００６】
ところが、この液体浸漬型の偏光ビームスプリッタにおいても以下に示すような多くの問題を抱えている。
【０００７】
第一に温度に起因する液体の大きな屈折率変化、第二に屈折率変化によって生じる屈折率の不均一性、第三に液体であるがために生じる対流、第四にやはり液体であるがために生じる体積変化、第五に液中の不純物、ゴミおよび気泡の影響、第六に液漏れなどである。
【０００８】
このように、液体浸漬型の偏光ビームスプリッタは、基本的には優れた性能を持つが、一方で課題も多く、これを用いた投射型表示装置では、製作に非常に手間がかかり、コストアップにつながっている。殊に温度による特性変化は、本質的に避けがたい問題である。
【０００９】
これらの液体浸漬型の偏光ビームスプリッタの問題を解決するために、本発明者らは偏光光学系に透光性材料を用いる場合、光弾性定数が実質的に零であることが重要な要素であることを見いだし、特開平６−１３５７０号公報において、光弾性定数が実質的に零であるガラスを偏光ビームスプリッタの基体として用いれば、熱応力や力学的外部応力下においても光学的異方性がガラスに生じず、光の偏光特性は乱されないことを開示した。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記光弾性定数が実質的に零であるガラスを偏光ビームスプリッタの基材としても、ＲＧＢ三色を分離して変調するカラーの投射型表示装置では、偏光が乱されＳ偏光、Ｐ偏光分離の消光比を低減したり、照度ムラや色ムラが生じた。
【００１１】
本発明の目的は、ＲＧＢ三色を分離してそれぞれを変調した後、再び重ね合わせて投射するカラーの投射型表示装置であって、照度ムラが小さいカラー画像を表示することのできる装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような投射型表示装置が提供される。
【００１３】
すなわち、波長の異なる第１、第２、第３の光をそれぞれ異なる方向に出射する光源部と、前記第１、第２、第３の光にそれぞれ画像情報を与えるために、前記第１、第２、第３の光の強度をそれぞれ変調する第１、第２、第３の空間光変調素子と、前記空間光変調素子による反射光の光路を、入射光の光路から分離するために、前記光源部と前記第１、第２、第３の空間光変調素子との間にそれぞれ配置された第１、第２、第３の偏光分離部と、前記第１、第２、第３の分離部が分離した前記反射光を重ね合わせて投射する投射光学系とを有し、
前記第１、第２、第３の偏光分離部は、それぞれ、前記第１、第２、第３の空間光変調素子への入射光および反射光のうちの少なくとも一方が内部を通過する光学部材を有し、
前記第１の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、前記第２の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、および、第３の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、光弾性定数の絶対値が最小となる波長が互いに異なる投射型表示装置である。
【００１４】
発明者らは、種々のガラスについて、種々の波長で光弾性定数を測定したところ、ガラスの光弾性定数は、投射型表示装置に用いられる可視光の波長に対して、大きな分散を有し、これが、投射型表示装置の照度ムラの原因となっていることがわかった。すなわち、一つの波長の光について光弾性定数の絶対値が最小となるように組成を調節したガラスを偏光分離部の光学部材の基材として用いたとしても、この基材は他の波長の光については、光弾性定数の絶対値が大きく、他の偏光分離部の光分離特性が低下してしまうのである。そこで、本発明では、３つの偏光分離部の光学部材の基材として、互いに、異なる波長で光弾性定数の絶対値が最小になる材料を用いることにより、３つの波長の光それぞれについて、光弾性定数の絶対値を小さくし、照度ムラを低減する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について、図面を用いて説明する。
【００１６】
まず、本実施の形態の投射型表示装置の構成について、図４を用いて説明する。
【００１７】
図４のように、本実施の形態の投射型表示装置は、光軸１２上に、光源１９とクロスダイクロイックミラー１１を備えている。クロスダイクロイックミラー１１は、光源１９からの光を光の波長の帯域によって３つの光に分離し、分離した３つの光を方向の異なる３つの光軸１３、１４、１５へそれぞれ出射する。
【００１８】
光軸１３上には、ミラー１１２、補助偏光ビームスプリッタ１１５、主偏光ビームスプリッタ１１４、空間変調素子１１３、ミラー１１６が順に配置されている。また、光軸１４上には、ミラー２１２、補助偏光ビームスプリッタ２１５、主偏光ビームスプリッタ２１４、空間変調素子２１３が順に配置されている。光軸１５上には、ミラー３１２、補助偏光ビームスプリッタ３１５、主偏光ビームスプリッタ３１４、空間変調素子３１３、ミラー３１６が順に配置されている。
ミラー１１６により偏向された光と、主偏光ビームスプリッタ２１４を透過してきた光と、ミラー３１６により偏向された光とが入射する位置には、クロスダイクロイックプリズム１７が配置されている。クロスダイクロイックプリズム１７は、これらの光を重ね合わせて光軸１６の方向へ出射する。光軸１６上には、投射レンズ１８が配置されている。
【００１９】
本実施の形態では、光源１９として、キセノンランプやメタルハライドランプ等の白色光源と、この光源から出射された白色光のうち、波長４００ｎｍ未満の光および波長６８０ｎｍ以上の光を取り除くフィルタ（不図示）とを備えている。
【００２０】
また、クロスダイクロックミラー１１は、波長４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満のＢ（青色）光を光軸１３の方向へ偏向し、波長５１０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満のＧ（緑色）光を光軸１４の方向へ透過させ、波長５９０ｎｍ以上６８０ｎｍ未満の光を光軸１５の方向へ偏向するように構成されている。
【００２１】
また、空間変調素子１１３、２１３、３１３は、それぞれ、主平面が図４のｙｚ平面方向の反射型液晶パネルを有している。この反射型液晶パネルは、偏光方向がｙ軸方向の光を液晶に入射させ、偏光方向をｘ軸方向へ回転させるとともに、ｙｚ平面内の光強度を濃淡に変調し、濃淡で表される画像情報を与えて出射させる構成である。空間変調素子１１３、２１３、３１３は、不図示の画像制御装置に接続されている。画像制御装置は、液晶を駆動することにより光に与える画像情報を制御する。画像制御装置は、投射すべき画像情報を表す信号を、Ｂ用画像情報信号とＧ用画像情報信号とＲ用画像情報信号とに分離する。そして、空間変調素子１１３の液晶パネルをＢ用画像情報信号により駆動し、空間変調素子２１３の液晶パネルをＧ用画像情報信号により駆動し、空間変調素子３１３の液晶パネルをＲ用画像情報信号により駆動する。
【００２２】
また、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４の構成は、図３に示すような構成である。すなわち、補助偏光ビームスプリッタ１１５は、光軸に対して４５度の反射面を有する２つのプリズム１１５２、１１５１を反射面同士で貼り合わせた構成である。また、主偏光ビームスプリッタ１１４は、光軸に対して４５度の反射面を有する２つのプリズム１１４２、１１４１を反射面同士で貼り合わせた構成である。補助偏光ビームスプリッタ１１５の反射面の向きは、主偏光ビームスプリッタ１１４の反射面を光軸を中心に９０度回転させた面と平行である。補助偏光ビームスプリッタ１１５、主偏光ビームスプリッタ１１４は、いずれも、貼り合わせた反射面の間に、反射防止膜と、偏光分離性能を高めるための偏光分離膜とを備えている。反射防止膜としては、例えば、ＳｉＯx膜とＡｌ2Ｏ3膜とを光学膜厚が波長の１／４になるように交互に積層した多層膜を用いることができる。
【００２３】
補助偏光ビームスプリッタ２１５および主偏光ビームスプリッタ２１４、ならびに、補助偏光ビームスプリッタ３１５および主偏光ビームスプリッタ３１４も、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４と同様の構成である。
【００２４】
このような図４の投射型表示装置において、光源１９から出射された波長４００ｎｍ以上６８０ｎｍ未満の光は、クロスダイクロイックミラー１１によって分離され、波長４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満のＢ光が光軸１３の方向へ偏向され、波長５１０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満のＧ光が光軸１４の方向へ偏向され、波長５９００ｎｍ以上６８０ｎｍ未満のＲ光が光軸１５の方向へ偏向される。
【００２５】
Ｂ光は、ミラー１１２により偏向され、補助偏光ビームスプリッタ１１５に入射する。そして、補助偏光ビームスプリッタ１１５の４５度の反射面において、入射光のうちｘ軸方向に平行な偏光方向をもつ光のみが反射面を透過し、主偏光ビームスプリッタ１１４に入射する。他の偏光方向の光は反射される。主偏光ビームスプリッタ１１４の４５度の反射面は、ｘ軸方向に対して平行であるため、ｘ軸方向に平行な偏光は反射面で反射され、空間変調素子１１３に入射する。空間変調素子１１３は、入射したｘ軸方向に平行な偏光方向を有するＢ光を、ｘｙ平面方向について濃淡に変調することによりＢ光用画像情報を与えるとともに、偏光方向をｙ軸に平行な偏光に回転させて反射する。反射された偏光方向がｙ軸方向に平行なＢ光は、今度は、主偏光ビームスプリッタ１１４の反射面を透過して、反射ミラー１１６で偏向され、ダイクロイックプリズム１７へ入射する。
【００２６】
同様に、クロスダイクロックミラー１１を透過した、Ｇ光は、反射ミラー２１２で偏向され、補助偏光ビームスプリッタ２１５へ入射する。そして、Ｇ光のうち、偏光方向がｘ軸に平行な光のみが補助偏光ビームスプリッタ２１５を透過して、主偏光ビームスプリッタ２１４へ入射する。そして、主偏光ビームビームスプリッタ２１４で反射されて、空間変調素子２１３に入射する。空間変調素子２１３は、入射したｘ軸方向に平行な偏光方向を有するＧ光を、ｘｙ平面方向について濃淡に変調することによりＧ光用画像情報を与えるとともに、偏光方向をｙ軸に平行な偏光に回転させて反射する。反射された偏光方向がｙ軸方向に平行なＧ光は、今度は、主偏光ビームスプリッタ２１４を透過して、ダイクロイックプリズム１７へ入射する。
【００２７】
また、クロスダイクロックミラー１１で光軸１５の方向へ偏向されたＲ光は、反射ミラー３１２で偏向され、補助偏光ビームスプリッタ３１５へ入射する。そして、Ｒ光のうち、偏光方向がｘ軸に平行な光のみが補助偏光ビームスプリッタ３１５を透過して、主偏光ビームスプリッタ３１４へ入射し、主偏光ビームビームスプリッタ３１４で反射されて、空間変調素子３１３に入射する。空間変調素子３１３は、入射したｘ軸方向に平行な偏光方向を有するＲ光を、ｘｙ平面方向について濃淡に変調することによりＲ光用画像情報を与えるとともに、偏光方向をｙ軸に平行な偏光に回転させて反射する。反射された偏光方向がｙ軸方向に平行なＲ光は、今度は、主偏光ビームスプリッタ３１４を透過し、反射ミラー３１６でさらに偏向され、ダイクロイックプリズム１７へ入射する。
【００２８】
ダイクロイックプリズム１７は、入射したＢＧＲ光を合波し、光軸１６方向に出射する。投射レンズ１８は、合波されたＢＧＲ光を拡大光束に変換して、図示しないスクリーンに向けて出射する。これにより、スクリーンには、ＢＧＲ画像が重ね合わさったカラー画像が表示される。
【００２９】
このような投射表示装置において、画像が均一な照度で色ムラなどが生じない高性能な装置を実現させるためには、ＢＧＲ各色光がそれぞれ補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を透過する間において、高精度な偏光状態を保つ必要がある。
【００３０】
しかしながら、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４に全て同一のガラスを用いた場合は、特定の波長で光弾性定数が小さくとも、全ての可視光波長域で光弾性定数を小さくすることはできないことがわかった。すなわち、一種類のガラスで補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を構成すると、偏光の精度を全ての波長域で最適に保つことは不可能である。そこで、本発明では、以下のようにして、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４の基材を構成するガラスを選択した。
【００３１】
一般に、ガラスのような等質等方な透光性材料に力を加えて応力を生じさせると、この透光性材料に光学的な異方性が生じ、ある種の結晶体と同様に複屈折性を持つようになる。これは光弾性効果と呼ばれている。応力が生じたときの透光性材料の屈折率はいわゆる屈折率楕円体で表すことができ、この時、屈折率楕円体の主屈折率軸は主応力軸に一致する。一般に主屈折率をｎ1、ｎ2、ｎ3、主応力をσ1、σ2、σ3（それぞれ添字が共通なものは同一方向にある）とすると、これらの間には次のような関係が成立する。
【００３２】
【数１】
ここで、Ｃ1、Ｃ2は光の波長および透光性材料の物質に固有の定数である。ｎ0は無応力のときの屈折率である。
【００３４】
このような透光性材料に光を入射させた場合、その方向がσ3と同一方向となるように座標を取れば、入射光はそれぞれσ1、σ2方向の、すなわち互いに振動面が直交する２つの直線偏光に分かれる。透光性材料から光が出射する時には、各主応力方向の屈折率差（ｎ1，ｎ2）が生じるため、これらの２つの直線偏光間には次式で表せるような光路差（位相差）Δφが生じる。
【００３５】
【数２】
ここで、λは光波長、ｌは透光性材料の光透過厚である。Ｃ＝Ｃ1−Ｃ2は光弾性定数と呼ばれる。
【００３７】
本発明者らは、光透過厚１＝１０ｍｍのガラス試料を作成し、種々の波長の単色光を用いて、σ2 ＝σ3 ＝０となる方向に既知の応力をかけた状態で複屈折を測定し、上述の数１および数２から光弾性定数を算出した。
【００３８】
その結果、ガラスの光弾性定数は、投射型表示装置で用いられる可視光の波長域において、光の波長に対して大きな分散を有し、特定の波長域で光弾性定数の絶対値が小さくになるように組成を調整したガラス場合でも、他の波長域では、光弾性定数が大きくなることがわかった。よって、投射型表示装置として用いた場合、照度ムラや色ムラが表示装置として許容できないことがわかった。つまり、使用波長域が広範囲にわたるカラーの投射型表示装置では、一つのガラスで、全ての光の波長域において絶対値が小さな光弾性定数を得ることは不可能となることがわかった。例えば、ＲＧＢ三色を分離する投射型表示装置用光学系の場合、Ｒの領域で光弾性定数の絶対値が許容できる程度に小さくなるなるように組成が調整されたガラスを、全ての波長領域に適用すると、ＧあるいはＢの領域においての光弾性定数は許容できる範囲より大きくなってしまい、上記した諸原因により、偏光は乱され、投射型表示装置に照度ムラが生じる。
【００３９】
例として、後述する表１のＮｏ．５の組成のガラスの光弾性定数の波長依存性を測定した結果を図１に示す。このガラスの光弾性定数は、５８５ｎｍ付近で零となり、この近辺の波長域において使用される偏光ビームスプリッタの基材とするには最適のガラスであるが、波長が異なると、光弾性定数の絶対値は大きくなり最適とは言えない。
【００４０】
そこで、本発明者はＲＧＢ三色を分離する投射型表示装置用光学系において、ＲＧＢに分割されたそれぞれの波長域における光弾性定数の絶対値が小さい組成のガラスを作製して、それぞれの波長域に適用することにより、ＲＧＢ三色全ての波長域において熱応力や力学的外部応力により生じる複屈折を最小に抑える構成とした。
【００４１】
具体的には、本実施の形態では、酸化物換算の重量％で、組成が、
ＳｉＯ2 １７．０〜２７．０％
Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ ０．５〜 ５．０％
ＰｂＯ ７３．０〜７５．０％
Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3 ０ 〜 ３．０％
の範囲にあるガラスで光弾性定数測定用サンプルを測定し、上述のように単色光を照射して複屈折率を測定することにより、数１、数２から光弾性定数を求めた。
【００４２】
その測定結果の一部を表１に示す。表１には、光弾性定数の絶対値が最小となる波長と、その組成を示した。
【００４３】
【表１】
なお、ここで製造したガラスは、表１の各成分に原料として対応する酸化物、フッ化物、水酸化物、炭酸塩、硝酸塩などを用意し、それらを所定の割合に秤量し混合して調合原料とし、９００〜１３００℃に加熱して電気炉中で溶解、清澄、撹拌を行って均質化した後、予め予熱された金型に鋳込み徐冷することにより製造したものである。また、光弾性定数測定用サンプルは、このように製造したガラスを研削および研磨して作製した。
【００４５】
また、光弾性定数の絶対値が最小となる光の波長の測定結果より、上述の組成範囲のガラスは、ガラスの組成中のＰｂＯ含有量と光弾性定数の絶対値が最小値をとる波長とに、図２に示すような相関関係があることがわかった。ただし、図中の曲線は３次の多項式によりフィッティングしたものである。
【００４６】
これにより、上述の組成範囲のガラスでは、組成中のＰｂＯ含有量を制御することにより光弾性定数の絶対値が最小値となる光の波長を制御できることが判った。
【００４７】
一方、発明者らは、図４の補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４を、これらを透過する光の波長に対する光弾性定数の絶対値が、０．０１×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下となるガラスにより作製して、図４の投射型表示装置を製造した場合に、Ｂ光のみでスクリーンに表示される画像すなわちＢ光画像の照度ムラを評価した。また、同様に、光弾性定数の絶対値が、１．３３×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となるガラスにより作製した場合と、２．２×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下となるガラスにより作製した場合の、Ｂ光画像の照度ムラを評価した。その結果、光弾性定数が１．３３×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下の場合のＢ光画像の照度ムラは、投射型表示装置として許容できるが、２．２×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下の場合のＢ光画像の照度ムラは、許容できないと判断した。そこで、本実施の形態では、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４をいずれも、透過光に対する光弾性定数がの絶対値１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下のガラス、すなわち、光弾性定数が−１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ以上１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下のガラスで構成することにより、照度ムラの少ない画像の得られる投射型表示装置を得ることにした。
【００４８】
そこで、下記表２のように、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４を透過する波長４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満のＢ光の波長の光に対しての光弾性定数の絶対値を１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下にするために、補助偏光ビームスプリッタ１１５および主偏光ビームスプリッタ１１４を構成するプリズム１１５１、１１５２、１１４１、１１４２の基材を表１のＮｏ．３の組成のガラスにより構成することにした。Ｎｏ．３のガラスのＰｂＯ組成は、７３．０重量％である。
【００４９】
また、補助偏光ビームスプリッタ２１５および主偏光ビームスプリッタ２１４を透過する波長５１０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満のＧ光の波長の光に対しての光弾性定数の絶対値を１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下にするために、補助偏光ビームスプリッタ２１５および主偏光ビームスプリッタ２１４を構成するプリズムの基材を表１のＮｏ．４の組成のガラスにより構成することにした。Ｎｏ．４のガラスのＰｂＯ組成は、７３．５重量％である。
【００５０】
補助偏光ビームスプリッタ３１５および主偏光ビームスプリッタ３１４を透過する波長５９０ｎｍ以上６８０ｎｍ未満のＲ光の波長の光に対しての光弾性定数の絶対値を１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下にするために、補助偏光ビームスプリッタ３１５および主偏光ビームスプリッタ３１４を構成するプリズムの基材を表１のＮｏ．６の組成のガラスにより構成することにした。Ｎｏ．６のガラスのＰｂＯ組成は、７４．５重量％である。
【００５１】
【表２】
このように透過波長に対する光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下になるガラスを３種類選択して、これらを研削及び研磨することにより、図３で説明したような光軸に対して４５の反射面を有するプリズムを製造し、さらに、これらに反射防止膜と偏向分離膜とを成膜し、プリズム同士を貼り合わせることにより、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を製造した。上述のように基材として、光弾性定数の絶対値が小さいガラスを選択しているため、研削、研磨、成膜および貼り合わせ工程で応力による複屈折が生じるおそれが小さいので、通常の工程で容易に偏光ビームスプリッタを製造することができる。
【００５３】
そして、これらの偏光ビームスプリッタを用いて図４の投射型表示装置を製造した。その結果、どの波長域においても、製造時の加工や熱による応力によって偏光ビームスプリッタの基材中で生じる複屈折を最小限にとどめることができるため、表示される画像の照度ムラや色ムラが小さく、投射型表示装置全体の性能を向上させることができた。
【００５４】
上述の実施の形態では、酸化物換算の重量％で、組成が、
ＳｉＯ2 １７．０〜２７．０％
Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ ０．５〜 ５．０％
ＰｂＯ ７３．０〜７５．０％
Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3 ０ 〜 ３．０％
のガラス（以下、組成Ａのガラスと称す）により、ＢＧＲ用の補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を構成したが、光弾性定数の絶対値が透過波長に対して１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下になる組成のガラスであれば、これ以外のガラスを用いることができる。
【００５５】
例えば、酸化物還元のｍｏｌ％表示で、
【００５６】
この組成Ｂのガラスも、光弾性定数の絶対値の最小値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となるため、用いる波長範囲によって別々の組成のガラスを選択することにより、ＢＧＲ光についていずれも光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となる基材で構成された偏光ビームスプリッタを備える投射型表示装置を提供することができる。
【００５７】
また、ＢＧＲ光用の偏光ビームスプリッタのうち、いずれかの偏光ビームスプリッタを組成Ａのガラスで構成し、残りの偏光ビームスプリッタを組成Ｂのガラスで構成することももちろん可能である。
【００５８】
また、本実施の形態では、ＢＧＲ光の偏光ビームスプリッタを互いに異なる組成の３種類のガラスにより構成したが、例えば、Ｂ光用偏光ビームスプリッタとＧ光用偏光ビームスプリッタを同じ組成のガラスによって構成することも可能である。この場合にも、ガラス組成と、クロスダイクロイックプリズム１１の分離するＢＧＲ光の波長範囲とを調節することにより、Ｂ光及びＧ光の波長について光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下となるように構成することも可能である。また、同様に、Ｇ光用偏光ビームスプリッタとＲ光用偏光ビームスプリッタとを同じ組成のガラスによって構成することも可能である。
【００５９】
また、本実施の形態では、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４を、図３に示したように、２つの偏光ビームスプリッタの反射面が４５度ねじって方向を向くように配置した構成とした。これにより、光源から出射された光のうち、偏光方向がｘ軸に平行な光のみを効率よく取り出し、偏向させて空間変調素子に入射させることができる。また、空間変調素子からの反射光を入射光から効率よく分離することができる。
【００６０】
また、本実施の形態では、ＢＧＲ光用の偏光ビームスプリッタのみを光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ 以下のガラスで構成したが、空間変調素子１１３、２１３、３１３を構成する部材の中で光を透過させる基板や、ダイクロイックプリズム１７の基材等を、上述してきたような透過光の波長に対して光り弾性定数の絶対値が小さい組成のガラスで構成することにより、照度ムラおよび色ムラをより小さくでき、さらに優れた画像を表示することのできる投射型表示装置を提供することができる。
【００６１】
また、本実施の形態のように、補助偏光ビームスプリッタ１１５、２１５、３１５および主偏光ビームスプリッタ１１４、２１４、３１４をガラスで構成しているため、これらを光軸に対して４５の反射面をもつ偏光ビームスプリッタにすることができたが、従来のように液体浸漬型偏光ビームスプリッタを用いた場合は、屈折率の関係で、設置角度を光軸に対して４５°にすることができず、投射型表示装置として大きく重いものとなってしまう。これに対し、本発明の光学系は、４５度の反射面と持つ偏光ビームスプリッタの構成にできるため、コンパクトな装置となる。
【００６２】
さらに、本実施の形態の投射型表示装置は、偏光ビームスプリッタに、液体を用いないため、温度変化に強く、また、取り扱いが容易であり、しかも、通常の研削と研磨工程により製造できるため、製造コストを低く押さえることができる。
【００６３】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、ＲＧＢ三色を分離してそれぞれを変調した後、再び重ね合わせて投射するカラーの投射型表示装置であって、照度ムラが小さいカラー画像を表示することのできる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の投射型表示装置の偏光ビームスプリッタに用いることにできるガラスの光弾性定数の波長依存性を表すグラフ。
【図２】本発明の一実施の形態の投射型表示装置の偏光ビームスプリッタに用いることにできるガラス組成の光弾性定数のＰｂＯ組成への依存性を表すグラフ。
【図３】本発明の一実施の形態の投射型表示装置に用いることのできる偏光ビームスプリッタの構成を示す斜視図。
【図４】本発明の一実施の形態の投射型表示装置の光学系の配置を示すブロック図。
【符号の説明】
１１…クロスダイクロックミラー、１２、１３、１４、１５、１６…光軸、１７…ダイクロイックプリズム、１８…投射レンズ、１９…光源、１１２、１１６、２１２、２１６、３１２、３１６…反射ミラー、１１４、２１４、３１４…主助偏光ビームスプリッタ、１１５、２１５、３１５…補助偏光ビームスプリッタ、１１３、２１３、３１３…空間変調素子。
Claims (14)
- 波長の異なる第１、第２、第３の光をそれぞれ異なる方向に出射する光源部と、前記第１、第２、第３の光にそれぞれ画像情報を与えるために、前記第１、第２、第３の光の強度をそれぞれ変調する第１、第２、第３の空間光変調素子と、前記空間光変調素子による反射光の光路を、入射光の光路から分離するために、前記光源部と前記第１、第２、第３の空間光変調素子との間にそれぞれ配置された第１、第２、第３の偏光分離部と、前記第１、第２、第３の分離部が分離した前記反射光を重ね合わせて投射する投射光学系とを有し、
前記第１、第２、第３の偏光分離部は、それぞれ、前記第１、第２、第３の空間光変調素子への入射光および反射光のうちの少なくとも一方が内部を通過する光学部材を有し、
前記第１の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、前記第２の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、および、第３の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、光弾性定数の絶対値が最小となる波長が互いに異なることを特徴とする投射型表示装置。 - 波長の異なる第１、第２、第３の光をそれぞれ異なる方向に出射する光源部と、前記第１、第２、第３の光にそれぞれ画像情報を与えるために、前記第１、第２、第３の光の強度をそれぞれ変調する第１、第２、第３の空間光変調素子と、前記空間光変調素子による反射光の光路を、入射光の光路から分離するために、前記光源部と前記第１、第２、第３の空間光変調素子との間にそれぞれ配置された第１、第２、第３の偏光分離部と、前記第１、第２、第３の分離部が分離した前記反射光を重ね合わせて投射する投射光学系とを有し、
前記第１、第２、第３の偏光分離部は、それぞれ、前記第１、第２、第３の空間光変調素子への入射光および反射光のうちの少なくとも一方が内部を通過する光学部材を有し、
前記第１、第２、第３の偏光分離部のうちの少なくとも２つの偏光分離部の前記光学部材をそれぞれ構成する基材は、光弾性定数の絶対値が最小となる波長が互いに異なることを特徴とする投射型表示装置。 - 請求項１または２において、前記第１、第２、第３の偏光分離部の前記光学部材をそれぞれ構成する基材は、いずれも、その光学部材を通過する前記第１、第２、第３の光の波長についての光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下であることを特徴とする投射型表示装置。
- 波長の異なる第１、第２、第３の光をそれぞれ異なる方向に出射する光源部と、前記第１、第２、第３の光にそれぞれ画像情報を与えるために、前記第１、第２、第３の光の強度をそれぞれ変調する第１、第２、第３の空間光変調素子と、前記空間光変調素子による反射光の光路を、入射光の光路から分離するために、前記光源部と前記第１、第２、第３の空間光変調素子との間にそれぞれ配置された第１、第２、第３の偏光分離部と、前記第１、第２、第３の分離部が分離した前記反射光を重ね合わせて投射する投射光学系とを有し、
前記第１、第２、第３の偏光分離部は、それぞれ、前記第１、第２、第３の空間光変調素子への入射光および反射光のうちの少なくとも一方が内部を通過する光学部材を有し、
前記第１の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、前記第２の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材、および、第３の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、いずれも、その光学部材を通過する前記第１、第２、第３の光の波長についての光弾性定数の絶対値が１．５×１０-8ｃｍ2／Ｎ以下であることを特徴とする投射型表示装置。 - 請求項１、２または４において、前記第１、第２、第３の偏光分離部は、偏光ビームスプリッタであることを特徴とする投射型表示装置。
- 請求項１、２または４において、前記第１の光の波長は、４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満であり、前記第２の光の波長は、５１０ｎｍ以上５９０ｎｍ未満であり、前記第３の光の波長は、５９０ｎｍ以上６８０ｎｍ未満であることを特徴とする投射型表示装置。
- 請求項１、２または４において、前記第１および第２の光の波長は、４００ｎｍ以上５９０ｎｍ未満であり、前記第３の光の波長は、５９０ｎｍ以上６８０ｎｍ未満であることを特徴とする投射型表示装置。
- 請求項１、２または４において、前記第１の光の波長は、４００ｎｍ以上５１０ｎｍ未満であり、前記第２および第３の光の波長は、５１０ｎｍ以上６８０ｎｍ未満であることを特徴とする投射型表示装置。
- 請求項１、２または４において、前記第１、第２、第３の偏光分離部のうちの少なくとも一つの偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、その組成が酸化物換算のｍｏｌ％表示で、
の範囲にあり、かつ、
フッ素イオンを含むガラスであり、
前記フッ素イオンは、このガラスに含まれる全ての陰イオンの０〜１０％の割合を占めることを特徴とする投射型表示装置。 - 請求項１、２または４において、前記第１、第２、第３の偏光分離部のうちの少なくとも一つの偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、その組成が酸化物換算の重量％表示で、
ＳｉＯ2 １７．０〜２７．０％
Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ ０．５〜 ５．０％
ＰｂＯ ７３．０〜７５．０％
Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3 ０ 〜 ３．０％
のガラスであることを特徴とする投射型表示装置。 - 請求項１０において、前記第１の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、その組成が酸化物換算の重量％表示で、
ＳｉＯ2 ２４．９％
Ｎａ2Ｏ ０．９％
Ｋ2Ｏ ０．９％
ＰｂＯ ７３．０％
Ｓｂ2Ｏ3 ０．３％
のガラスであることを特徴とする投射型表示装置。 - 請求項１０において、前記第２の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、その組成が酸化物換算の重量％表示で、
ＳｉＯ2 ２４．４％
Ｎａ2Ｏ ０．９％
Ｋ2Ｏ ０．９％
ＰｂＯ ７３．５％
Ｓｂ2Ｏ3 ０．３％
のガラスであることを特徴とする投射型表示装置。 - 請求項１０において、前記第３の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、その組成が酸化物換算の重量％表示で、
ＳｉＯ2 ２３．４％
Ｎａ2Ｏ ０．９％
Ｋ2Ｏ ０．９％
ＰｂＯ ７４．５％
Ｓｂ2Ｏ3 ０．３％
のガラスであることを特徴とする投射型表示装置。 - 請求項１、２または４において、前記第１、第２、第３の偏光分離部の前記光学部材を構成する基材は、いずれも、その組成が酸化物換算の重量％表示で、
ＳｉＯ2 １７．０〜２７．０％
Ｌｉ2Ｏ＋Ｎａ2Ｏ＋Ｋ2Ｏ ０．５〜 ５．０％
ＰｂＯ ７３．０〜７５．０％
Ａｓ2Ｏ3＋Ｓｂ2Ｏ3 ０ 〜 ３．０％
のガラスであり、しかも、前記ＰｂＯ組成の値が、第１の偏光分離部の前記光学部材の基材、第２の偏光分離部の前記光学部材の基材、および、第３の偏光分離部の前記光学部材の基材で、互いに異なることを特徴とする投射型表示装置。
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