JP3964494B2

JP3964494B2 - 偏光変換光学系

Info

Publication number: JP3964494B2
Application number: JP09654997A
Authority: JP
Inventors: 正人野口
Original assignee: ペンタックス株式会社
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 2007-08-22
Anticipated expiration: 2017-03-31
Also published as: JPH10274753A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば液晶プロジェクターの光学系に利用され、光束の偏光方向を揃えるための偏光変換光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プロジェクターは、画素が二次元に配列した液晶パネルに光束を入射させ、画素毎の印加電圧の違いにより変化する偏光の変化を利用して画像を形成し、スクリーン上に投影する。液晶パネルに入射する光束は偏光方向が揃った直線偏光である必要がある。ただし、直線偏光を得るために偏光板を用いると、偏光板での損失によりスクリーンに達する光量が最大でも光源から発する光量の半分となってスクリーンが暗くなるため、従来から、光量損失のない偏光素子が提案されている。
【０００３】
例えば、特開昭６１−９０５８４号公報には、入射光束を偏光ビームスプリッターによりＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し、Ｐ偏光成分をそのまま射出させ、Ｓ偏光成分を反射プリズムＰＲで反射させた後に１／２波長板を透過させて偏光方向をＰ偏光成分に揃えて射出させる偏光素子が開示される。
【０００４】
また、特開平５−２７２０３号公報には、偏光ビームスプリッターで分離されたＰ偏光成分をそのまま射出させ、Ｓ偏光成分を立体的に２つの反射プリズムで反射させることにより偏光方向をＰ偏光成分に揃えて射出させる偏光素子が開示される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した２つの公報に記載された偏光素子は、それぞれ以下のような問題点を有している。特開昭６１−９０５８４号に開示される素子は、１／２波長板を用いるためにコストが比較的高くなると共に、光束の波長帯域が広い場合には投影される画像の鮮鋭度が低下する可能性かある。
【０００６】
波長板は、複屈折を有する平行平面板の厚さを調整することにより、常光線と異常光線との位相差を任意に設定するものであるが、その厚さは波長を基準として決定される。このため、白色光を利用する場合のように光束の波長帯域が広い場合には、特定波長については位相差が１／２波長となって射出光線も直線偏光となるが、特定波長から離れた他の波長については位相差が１／２波長とならず、射出光線が楕円偏光になる。液晶パネルに入射する光束が直線偏光でないと、消光比が小さくなり、投影される画像の鮮鋭度が低下する。
【０００７】
一方、特開平５−２７２０３号公報に開示される素子は、１／２波長板を用いずに偏光方向を揃えることはできるが、２つの光束の射出位置の空間的な距離が比較的大きくなり、これらを同一の液晶パネルに入射させるためには光束を合成する光学系が必要となる。また、光学素子の数が多くなる上、光学系の配置スペースも大きくなるという問題点を有している。
【０００８】
この発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、１／２波長板を用いることなく、かつ、２つの射出光線の空間的な距離を比較的小さくすることができる偏光変換光学素子の提供を目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、上記の課題を解決するため、１つの偏光分離面で分離した２つの直線偏光成分を２つの反射面を用いて反射させることにより、それらの偏光方向を同一方向にすると共に、射出方向を揃えるようにしたことを特徴とする。すなわち、この発明の偏光変換光学系は、入射面が入射光線と垂直な所定の基準方向に対して４５゜あるいは−４５゜をなすよう配置され、入射光束を偏光方向が基準方向に対して４５゜あるいは−４５゜をなす２つの直線偏光成分に分離する偏光分離面と、偏光分離面で反射された光束を反射させる第１の反射面と、第１の反射面で反射された光束を反射させる第２の反射面と、矩形状の入射端面と、を備えるプリズムによって構成され、基準方向は、入射端面の一辺と平行な方向であり、第１、第２の反射面は、２つの直線偏光成分の偏光方向が同一となるように、直線偏光の方向性を基準方向を対称軸として反転させると共に、２つの直線偏光成分の射出方向が揃うように配置されていることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる偏光変換光学系の実施形態を説明する。ここでは、最初にこの発明の偏光変換光学系の基本的な構成について説明し、続いて４つの実施形態を説明する。
【００１１】
偏光変換光学系は、単一の偏光分離面と、２つの反射面とを必須の要素として構成される。偏光分離面で入射光束を偏光方向(電界ベクトルの振動方向)が直交する２つの直線偏光成分に分離する。分離された光束の一方を２つの反射面で反射させ、あるいは両方をそれぞれ１つの反射面で反射させることにより、光学系から射出される際には分離された２つの直線偏光成分が同一の方向性を持つように、すなわち偏光方向が互いに平行になるように反射面の方向を設定する。
【００１２】
偏光分離面は、入射面(偏光分離面の法線と入射光線とを含む平面)が基準方向に対して４５゜あるいは−４５゜をなすよう配置される。すなわち、偏光分離面の法線を入射光束の主光線に垂直な平面上に投影した際の射影ベクトルが基準方向に対して４５゜あるいは−４５゜をなすよう配置する。これにより、電界ベクトルの振動面が基準方向に対して４５゜あるいは−４５゜のいずれか一方の直線偏光成分がＰ偏光として、他方がＳ偏光として偏光分離面に入射する。一般に、Ｐ偏光は透過しやすく、Ｓ偏光は反射しやすいという性質があるため、偏光分離面はＰ偏光を透過させＳ偏光を反射させるよう設計することが望ましい。
【００１３】
偏光分離面は、入射角度θがブリュースター角に等しくなるよう設定されることが望ましい。このとき、すなわち「tanθ＝n2/n1」の関係が成立する場合に、Ｐ偏光成分の透過率は１００％になり、多くの場合に良好な偏光分離が可能となる。なお、偏光分離に最適な角度は、膜構成によってある程度自由に設定することができ、かつ、ブリュースター角以外の角度で最適な解が存在する場合もあるが、一般的には、ブリュースター角に設定すると分離特性が良好になる。
偏光分離面がプリズムの一面として構成される場合、すなわち、偏光分離面での反射がプリズムの内部反射となる場合には入射角度θがほぼブリュースター角に等しい４５゜となるように設定される。一方、偏光分離面が平面型の素子の表面として構成される場合、すなわち偏光分離面が空気中に配置される場合には入射角度θは素子の屈折率に応じてブリュースター角に等しくなるように配置される。
【００１４】
ここで図１に示す座標系により偏光分離面Ｐの姿勢を定義する。主光線Ｌ0の入射方向と平行な軸をｘ軸、ｘ軸に直交するｙ軸、ｚ軸を定め、ｙ軸を上記の基準方向と定める。偏光分離面の法線ＬＮをｙ−ｚ平面に投影した際の射影ベクトルLNyzがｙ軸に対してなす角度φが４５゜となるよう設定する。ここで、法線ＬＮがｘ−ｙ平面に対してなす角度をα、法線ＬＮのｘ−ｙ平面への射影ベクトルLNxyがｘ軸となす角度をβとする。すなわち、偏光分離面Ｐは、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度βをなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度α回転させて得られる面と平行になるよう配置される。φ＝４５゜が成立するためには、αとθとは以下の(１)式を満たす必要がある。
cos2θ ＋ cos2|α| ＝０ …(１)
また、βは、αの値にしたがい、以下の(２)式で求められる。
sin|β| ＝１／tan|α| …(２)
【００１５】
２つの反射面は、上記の条件を満たすように設定された偏光分離面Ｐで分離された２つの直線偏光成分の偏光方向を揃えるように配置される。例えば、偏光分離面で反射された成分を２つの反射面で反射させる場合には、これらの３回の反射で直線偏光の方向性が基準方向(ｙ軸方向)を対称軸として反転するよう各面の角度を設定する。
基準方向であるｙ軸を対称軸に直線偏光の方向性を反転させる条件、すなわち、図中のｚ方向の上下が反転する条件は、偏光分離面、第１、第２の反射面による反射回転マトリクスをそれぞれＭ1，Ｍ2，Ｍ3としたときに、その合成回転マトリックスＭ(＝Ｍ3・Ｍ2・Ｍ1)の３×３の要素が下記の(３)式で示されるように、３行の１列と２列、３列の１行と２行の値が全て０、３行３列の値が−１となることである。ｍ11〜ｍ22は、射出光の偏向方向を規定する数値であり、ｍ11＝ｍ22、ｍ12＝-ｍ21、ｍ11²＋ｍ12²＝１を満たすよう定められる。
【００１６】
【数２】

【００１７】
各面が上記の合成回転マトリックスの条件(３)を満たす場合、偏光分離面Ｐで反射され、第１、第２の反射面で反射された光束の射出時の偏光方向Ｄ1は、偏光分離面Ｐを透過した光束の偏光方向Ｄ2に対してｙ方向の軸を対称軸として反転する。したがって、図２(ａ)に示すように偏光方向が基準方向(ｙ軸)に対して−４５゜をなす直線偏光成分がＰ偏光成分となるよう偏光分離面Ｐが配置されていると、図２(ｂ)に示すようにＳ偏光成分として入射したｙ軸に対して４５゜をなす偏光成分は、３回の反射で偏光方向はｙ軸に対して−４５゜となり、射出時の偏光方向Ｄ1、Ｄ2は同一方向に揃えられる。
【００１８】
なお、３つの面の方向性が上記(３)の合成回転マトリックスを満たす限り、第２の反射面を平行移動して偏光分離面を透過した光束を反射させる位置に配置してもよい。この場合にも、偏光分離面で反射され第１の反射面で反射された光束と、偏光分離面を透過して第２のミラーで反射された光束との射出方向を揃え、かつ、偏光方向を揃えることができる。また、偏光変換光学系を射出する際の２つの光束が空間的に離れている場合には、射出光の方向を非平行にして所定の位置で交差するよう設定することもできる。光束の交差位置は、偏光変換された光束を利用する射出側の光学系の入射瞳位置に一致させることが望ましい。
【００１９】
図３〜図５は、この発明にかかる偏光変換光学系をプリズム型の素子として形成した第１の実施形態を示す。図３は平面図、図４、図５はそれぞれ異なる方向から見た斜視図である。第１の実施形態にかかる偏光変換光学素子１０は、偏光分離面１１、第１、第２の反射面１２,１３を仮想的な三角柱の側面をそれぞれ構成するような位置関係で配置して構成されている。
【００２０】
プリズムの入射側端面Ｔ1と射出側端面Ｔ2とは、プリズムに入射する主光線Ｌ0と垂直になるように形成される。入射側端面Ｔ1に垂直に入射した光束のうち、偏光分離面１１に対してＰ偏光として入射した成分は、この偏光分離面１１を透過し、偏光分離面１１の外側面に貼り付けられた補助プリズム１５を通して射出される。補助プリズム１５の光束が射出する側の端面１５ａは入射側端面Ｔ1に対して平行となるよう形成されている。偏光分離面に対してＳ偏光として入射した成分は、偏光分離面１１で反射され、続けて第１、第２の反射面１２、１３で順に裏面反射され、射出側端面Ｔ2から垂直に射出する。
【００２１】
入射角度θをプリズム内での反射時のブリュースター角４５゜に等しく設定した場合、前述の(１)式、(２)式より、α＝６０゜、β＝３５．２６゜となる。偏光分離面１１は、この条件を満たすように、すなわち、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度３５．２６゜をなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度６０゜回転させて得られる面と平行になるよう配置される。第１の反射面２は、ｘ−ｙ平面と平行であり、第２の反射面３は、偏光分離面と対称に、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度３５．２６゜をなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度−６０゜回転させて得られる面と平行になるよう設定される。
【００２２】
第１の実施形態の偏光分離面１１、第１、第２の反射面１２、１３の位置関係は、中心軸に対して垂直な断面が正三角形として表される正三角柱のそれぞれの側面により規定される。各面を構成する三角柱の断面形状が少なくとも二等辺三角形である場合、この三角形の２つの等辺を挟む底辺に当たる断面を持つ側面に第１の反射面１２、そして各等辺に当たる断面を持つ側面によりそれぞれ偏光分離面１１、第２の反射面１３を配置すると、偏光分離面１１、第１、第２の反射面１２、１３での合成回転マトリックスはＭは以下の(４)式の通りであり、前記の条件(３)を満たす。
【００２３】
【数３】

【００２４】
この偏光変換光学系は、偏光分離面で反射された光束の直線偏光の方向性をｘ，ｙ方向については変化させず、ｚ方向についてのみ反転して射出させる。したがって、偏光分離面を透過した光束の偏光方向と、偏光分離面、第１、第２の反射面で３回反射された光束の偏光方向とは同一となり、かつ、射出方向も平行となる。
【００２５】
図６および図７は、この発明にかかる偏光変換光学系を平面型の素子で構成した第２の実施形態を示す。図６(Ａ)(Ｂ)(Ｃ)はそれぞれ平面図、側面図、正面図であり、図７は斜視図である。第２の実施形態の偏光変換光学系２０は、平板状の偏光分離板２１と第１、第２ミラー２２、２３とが三角柱の各側面を構成するよう配置されて構成されている。平板型の偏光分離板２１は、例えば特開平７−３１８５６１号公報に開示されるような比較的屈折率が高い複数のガラス板を合わせて構成される。
【００２６】
偏光分離板２１に入射した光束のうちのＰ偏光成分は透過してそのまま射出し、Ｓ偏光成分は偏光分離板２１、第１、第２のミラー２２、２３で反射されて射出する。空気中に配置される平面型の偏光分離板２１をガラスＳＦ５(屈折率1.6727)で構成する場合、ブリュースター角は５９．１３゜となる。入射角度θをブリュースター角に合わせると、前述の(１)式、(２)式より、偏光分離板２１のｘ−ｙ平面に対する角度α＝５２．６３゜、偏光分離板２１とｘ−ｙ平面との交線のｙ軸との間の角度β＝４９．７９゜となる。
【００２７】
偏光分離板２１は、この条件を満たすように、すなわち、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度４９．７９゜をなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度５２．６３゜回転させて得られる面と平行になるよう配置される。第１のミラー２２は、ｘ−ｙ平面と平行であり、第２のミラー２３は、偏光分離板２１と対称に、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度４９．７９゜をなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度−５２．６３゜回転させて得られる面と平行になるよう設定される。
【００２８】
偏光分離板２１、第１、第２のミラー２２、２３の位置関係は、中心軸に対して垂直な断面が頂角７４．７４゜の二等辺三角形として表される三角柱の側面により規定される。頂角に対向する二等辺三角形の底辺に当たる断面を持つ側面が第１のミラー２２、そしてこの側面を挟む両側の側面がそれぞれ偏光分離板２１、第２のミラー２３の位置を規定している。したがって、第２の実施形態の光学系２０においても、偏光分離板２１、第１、第２のミラー２２、２３の合成回転マトリックスは前述の(４)式に示すとおりとなり、条件(３)を満たすため反射光の直線偏光の方向性をｙ軸を対称軸として反転させ、偏光分離板２１を透過した成分と反射した成分との偏光方向を揃えて互いに平行に射出させることができる。
【００２９】
図８および図９は、この発明にかかる偏光変換光学系を平面型の素子で構成した第３の実施形態を示す。図８(Ａ)(Ｂ)(Ｃ)はそれぞれ平面図、側面図、正面図であり、図９は斜視図である。互いに垂直な偏向方向を有する直線偏光の偏向方向を揃える場合、２つの成分が相対的に９０゜回転すればよいため、前述の第１、第２の実施形態のように偏光分離面で反射された成分のみを反射させるのではなく、分離されたそれぞれの光束を反射させてもよい。
【００３０】
第３の実施形態の光学系２０'は、第２の実施形態の第２のミラー２３を平行移動し、偏光分離板２１を透過した光を反射させる位置に第２のミラー２３を設定している。偏光分離板２１で反射された成分は、第１のミラー２２で反射されて射出する。平面型の偏光分離板２１をガラスＳＦ５で構成する場合、偏光分離板２１は、第２の実施形態と同様に、入射角度θがブリュースター角５９．１３゜となり、α＝５２．６３゜、β＝４９．７９゜となるよう設定される。
【００３１】
第３の実施形態の光学系２０'の作用は、第２の実施形態と同様に考えることができる。すなわち、第２の実施形態では第１のミラー２２で反射された光束をさらに第２のミラー２３で反射させることにより、偏光分離板２１を透過した光束と平行に射出させているが、偏光分離板２１を透過した光束を第３の実施形態のように第２のミラー２３で反射させた場合には、その射出方向は偏光分離板２１および第１のミラー２２で反射された光束の射出方向と同一となる。また、両光束の偏光方向の回転を考えた場合にも、相対的な回転は第２の実施形態と同様であり、分離された２つの偏光成分の偏光方向は同一方向に揃えられる。
【００３２】
図１０は、この発明にかかる偏光変換光学系の第４の実施形態を示す。第４の実施形態にかかる偏光変換光学系３０は、偏光分離板３１、第１、第２のミラー３２、３３を三角錐の３つの側面をそれぞれ構成するように配置して構成されている。この例では、偏光変換光学系３０を射出する際の２つの光束Ｌ1、Ｌ2が空間的に離れており、分離された２つの射出光の方向を非平行にして所定の位置で交差するよう設定している。
【００３３】
偏光分離板３１に入射した光束のうちのＰ偏光成分は透過してそのまま射出し、Ｓ偏光成分は偏光分離素子３１、第１、第２のミラー３２、３３で反射されて射出する。空気中に配置される平面型の偏光分離板をガラスＳＦ６(屈折率1.80518)で構成する場合、ブリュースター角は６１．０２゜となる。入射角度θをブリュースター角に合わせると、前述の(１)式、(２)式より、偏光分離面のｘ−ｙ平面に対する角度α＝５１．７９゜、偏光分離面とｘ−ｙ平面との交線のｙ軸との間の角度β＝５１．９２゜となる。
【００３４】
偏光分離板３１はこの条件を満たすように、すなわち、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度５１．９２゜をなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度５１．７９゜回転させて得られる面と平行になるよう配置される。第１、第２のミラー３２、３３は、前記の条件(３)を満たすようにそれぞれ設定されており、第１の反射面３２は、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度５４．８１゜をなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度１１．７７゜回転させて得られる面と平行になるよう配置される。第２の反射面３３は、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度５７．７０゜をなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度−５１．７９゜回転させて得られる面と平行になるよう設定される。
【００３５】
上記の構成によると、偏光分離板３１、第１、第２のミラー３２、３３の合成回転マトリックスは、以下の(５)式の通りとなり、条件(３)を満たすために偏光分離板で反射された光束の直線偏光の方向性をｙ軸を対称軸として反転させることができる。したがって、反射光の偏光方向を偏光分離板を透過した光束の偏光方向に揃えることができる。
【００３６】
【数４】

【００３７】
また、上記の構成によると、偏光分離板３１を透過した光束Ｌ1と第２のミラー３３で反射された光束Ｌ2とはｘ−ｙ平面内で３０゜で交差する。この交差位置に、偏光変換された光束を利用する射出側の光学系の入射瞳を位置させることが望ましい。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、偏光分離面と２つの反射面とを所定の角度関係で組み合わせることにより、１／２波長板を用いることなく自然光を偏光方向の揃った直線偏光に変換することができ、かつ、２つの射出光線の空間的な距離を比較的小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明にかかる偏光変換光学系の偏光分離面の配置を示す斜視図である。
【図２】この発明にかかる偏光変換光学系による偏光方向の変換を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態の偏光変換光学系の平面図である。
【図４】第１の実施形態の偏光変換光学系の斜視図である。
【図５】第１の実施形態の偏光変換光学系を他の方向から見た斜視図である。
【図６】第２の実施形態の偏光変換光学系の(ａ)平面図、(ｂ)側面図、(ｃ)正面図である。
【図７】第２の実施形態の偏光変換光学系の斜視図である。
【図８】第３の実施形態の偏光変換光学系の(ａ)平面図、(ｂ)側面図、(ｃ)正面図である。
【図９】第３の実施形態の偏光変換光学系の斜視図である。
【図１０】第４の実施形態の偏光変換光学系の平面図である。
【符号の説明】
１１偏光分離面
１２第１の反射面
１３第２の反射面
２１，３１偏光分離板
２２，３２第１のミラー
２３，３３第２のミラー

Claims

入射面が入射光線と垂直な所定の基準方向に対して４５゜あるいは−４５゜をなすよう配置され、入射光束を偏光方向が前記基準方向に対して４５゜あるいは−４５゜をなす２つの直線偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面で反射された光束を反射させる第１の反射面と、
前記第１の反射面で反射された光束を反射させる第２の反射面と、
矩形状の入射端面と、を備えるプリズムによって構成され、
前記基準方向は、前記入射端面の一辺と平行な方向であり、
前記第１、第２の反射面は、前記２つの直線偏光成分の偏光方向が同一となるように、直線偏光の方向性を前記基準方向を対称軸として反転させると共に、前記２つの直線偏光成分の射出方向が揃うように配置されていることを特徴とする偏光変換光学系。
前記偏光分離面は、前記入射光線の入射角度θがブリュースター角と等しくなるよう配置されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光変換光学系。
前記入射光線の方向をｘ軸、該ｘ軸に対して垂直な面内で前記基準方向に平行な方向をｙ軸、ｘ，ｙ両軸に垂直なｚ軸により構成される三次元座標において、前記偏光分離面は、ｘ−ｙ平面内でｙ軸と角度βをなす回転軸を中心にｘ−ｙ平面を角度α回転させて得られる面と平行になるよう配置され、前記角度α、βは前記入射光線の入射角度θに基づいて以下の(１)式、(２)式により求められることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏光変換光学系。
cos2θ＋cos2｜α｜＝０…(１)
sin｜β｜＝１／tan｜α｜…(２)
前記偏光分離面、前記第１の反射面、前記第２の反射面で順に反射される際の合成回転マトリックスＭが、以下の(３)式を満たすことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の偏光変換光学系。

ただし、ｍ11〜ｍ22は任意の定数である。
前記第２の反射面は、前記第１の反射面で反射された光束を反射させる位置に配置されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の偏光変換光学系。
前記偏光分離面、前記第１の反射面、前記第２の反射面は、仮想的な三角柱の３つの側面をそれぞれ構成する位置関係で配置されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の偏光変換光学系。
前記第１の反射面、前記第２の反射面は、プリズムの側面として構成され、光束を内部反射させることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の偏光変換光学系。