JP3964494B2 - 偏光変換光学系 - Google Patents
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Description
【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 (7)
- 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。
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