JP5368501B2

JP5368501B2 - 偏光ビームスプリッタ及び投影装置

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Publication number: JP5368501B2
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Inventors: 裕二田中
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Filing date: 2011-03-29
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Description

本発明は、偏光ビームスプリッタ及びこれを用いた投影装置に関する。

近年、液晶表示素子やＤＭＤ等をライトバルブとして用いる投影型映像表示装置（以下、投影装置）の携帯機器への搭載が望まれており、これに伴い、投影装置に用いられる光学モジュールの小型化が要求されている。投影装置は、ＬＥＤ等の光源、光源から発生する光を導く導光体（例えば、ライトガイド）、レンズ、偏光ビームスプリッタ（以下、ＰＢＳ）、液晶表示装置等の表示装置（例えば、反射型液晶表示装置）、投射レンズ等で構成される。

上述した携帯機器向けの投影装置において、搭載される表示装置にも小型化が要求される。例えば、対角線長さで０．２１インチ＝約５．３ｍｍと小型の表示装置を採用することがある。しかし、ＬＥＤ等の光源から発生する光をフレネルレンズ、ライトガイド、Ｆナンバーの小さいレンズ（例えば、略半球形状のレンズ）などを用いて集光しても、直径６〜８ｍｍ程度にまでしか集光できない。表示装置に入射されない光は映像の投影には用いられないため、光の利用効率が大幅に低下するという問題がある。

ライトガイドや半球レンズ等を用いてＬＥＤから発生する拡散光を効率的に収集し、所望の形状の光を成形する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。しかしながらライトガイドと半球レンズとで構成される照明装置は、半球レンズから投影面までの光路上において複数の集光点を有し、照度ムラが大きく照度均一性に欠けるという問題がある。このため、この照明装置を用いて投影装置を構成しても、投影される映像に照度ムラが生じてしまう。半球レンズに非球面レンズ等を組み合わせることで、照度ムラを改善することは可能であるが、レンズ枚数の増加により光学系が大型化してしまう。また、このような光学系はレンズ設計が容易ではないという問題もある。

特開２００７−８８３７７号公報

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、光の利用効率が高い小型の投影装置を実現可能な偏光ビームスプリッタ、及び当該偏光ビームスプリッタを用いた投影装置を提供することを目的とする。

本発明の偏光ビームスプリッタは、所定方向の偏光成分を透過し、前記所定方向に略直交する方向の偏光成分を反射する偏光分離面を備えた偏光ビームスプリッタであって、前記偏光分離面において反射された光が集光されるように、前記偏光分離面が曲面と平面とで構成されたことを特徴とする。

この構成によれば、偏光ビームスプリッタの偏光分離面が曲面を含んで構成されているため、偏光分離された光を集光することができる。このような偏光ビームスプリッタを投影装置に用いる場合、光の利用効率を高く保つと共にレンズ等の光学素子の数を削減して小型化可能である。このため、上記構成により、光の利用効率が高い小型の投影装置を実現可能な偏光ビームスプリッタが提供される。

本発明の偏光ビームスプリッタにおいて、前記平面の中央部分に前記曲面が配置されても良い。また、本発明の偏光ビームスプリッタにおいて、前記偏光分離面が、拡散反射性を備えても良い。

本発明の偏光ビームスプリッタにおいて、前記偏光分離面が、ワイヤグリッド偏光子によって構成されても良い。この構成によれば、曲面においても光学特性が低下しにくいワイヤグリッド偏光子を用いるため、良好な光学特性の偏光ビームスプリッタが得られる。

本発明の偏光ビームスプリッタにおいて、前記ワイヤグリッド偏光子の厚みが５０μｍ以下であっても良い。

本発明の投影装置は、光源と、前記光源からの光を導いて光ビームを成形する導光体と、前記導光体からの光ビームの形状を補正する偏光素子と、前記偏光素子からの光ビームを偏光分離する上記の偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタにおいて反射され、集光された偏光ビームが入射される反射型表示装置と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、偏光ビームスプリッタの偏光分離面が曲面を含んで構成されているため、偏光分離された光を集光することができる。このため、このような偏光ビームスプリッタを投影装置に用いることで、光の利用効率を高く保つと共にレンズ等の光学素子の数を削減した投影装置が提供される。また、その結果、照度ムラがないように光ビームの形状を補正する素子を配置しても、十分に小型化することができる。

本発明の投影装置において、前記偏光ビームスプリッタと前記反射型表示装置との間に、前記反射型表示装置の入光面に略相似する形状の光ビームを成形するライトガイドを備えても良い。この構成によれば、光の利用効率がより高い投影装置が提供される。

本発明の投影装置において、前記ライトガイドと前記反射型表示装置との間に、前記光ビームの形状を補正するレンズを備えても良い。

本発明の投影装置において、前記偏光素子が、拡散反射性、及び正透過性を備えたワイヤグリッド偏光子であっても良い。また、本発明の投影装置において、前記偏光素子が、拡散反射性、及び拡散透過性を備えたワイヤグリッド偏光子であっても良い。また、本発明の投影装置において、前記偏光素子が、拡散反射性、及び拡散透過性を備えた樹脂多層複屈折ポリマー偏光子であっても良い。

本発明によれば、光の利用効率が高い小型の投影装置を実現可能な偏光ビームスプリッタ、及び当該偏光ビームスプリッタを用いた投影装置を提供することができる。

実施の形態１に係る投影装置の構成を示す模式図である。投影装置に用いられる偏光ビームスプリッタの構成を示す模式図である。比較例に係る投影装置の構成を示す模式図である。実施の形態２に係る投影装置の構成を示す模式図である。実施の形態３に係る投影装置の構成を示す模式図である。実施の形態４に係る投影装置の構成を示す模式図である。投影装置において反射型表示装置に放射される光の放射照度分布を確認するためのシミュレーションモデル及びシミュレーション結果について示す図である。拡散性を有する偏光フィルムの効果を確認するためのシミュレーションモデル及びシミュレーション結果について示す図である。

本発明者らは、曲面を含むように偏光ビームスプリッタの偏光分離面を構成することで、偏光ビームスプリッタに凹面鏡（又は凸面鏡）の機能を付与できることを見出した。そして、このような偏光ビームスプリッタを用いることにより、光の利用効率が高い小型の投影装置を実現可能であることを見出した。以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係る偏光ビームスプリッタを用いた投影装置の構成及び光路について示す模式図である。図１に示される投影装置１は、投影に用いられる光を発する光源１１と、光源１１からの光を導いて光ビームを成形するライトガイド（導光体）１２と、ライトガイド１２からの光ビームの形状を補正する拡散性（散乱性）を示す偏光フィルム（偏光素子）１３と、偏光フィルム１３からの光ビームを偏光分離する偏光分離面が曲面を含んで構成されるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１４と、ＰＢＳ１４において分離された偏光ビームを成形するライトガイド１５と、ライトガイド１５からの偏光ビームが入射される反射型表示装置１６と、反射型表示装置１６で反射され、ＰＢＳ１４を透過した偏光ビームを投影する投影レンズ１７と、を含む。

光源１１は、略直方体形状を有し、その発光面がライトガイド１２の入光面に近接するよう配置される。このように光源１１の発光面とライトガイド１２の入光面とを近接させることで、光源１１における発光を効率よく利用できる。光源１１は、例えば、単色光を発光可能なＬＥＤである。白色光を発光するＬＥＤとフィルタとを組み合わせて用いても良い。光源１１は、接着などによってライトガイド１２と密接していても良い。また、光源１１の形状は円柱形状などであっても良い。

ライトガイド１２は、光源１１からの光を成形して前方（図１の右方向）に照射するため、光源１１の発光面側に配置される。高輝度タイプのＬＥＤからの発光の拡散角は１２０度（片側６０度）程度になっている。このように広い拡散角を有する光源１１を用いる場合、光源からの発光は円錐状に拡散し、そのままでは効率よく利用できない。そこで、拡散する光を集光して前方に照射するためライトガイド１２を用いる。光源１１からライトガイド１２に入射した光は、ライトガイド１２の内面を全反射によって伝播するので光の拡散ロスを低減できる。

ライトガイド１２の出光面から発せられる光の拡散角度を小さくするため、ライトガイド１２の側面には入光面の面積より出光面の面積が大きくなるように傾斜をつけることが好ましい。ライトガイド１２が六面体である場合、少なくとも２面が傾斜面であることが好ましく、４面が傾斜面である（すなわち、ライトガイド１２が四角錐台形である）とより好ましい。傾斜面の角度（傾斜角度）は傾斜面毎に設定しても良く、傾斜面が曲面となるように曲率を有していてもよい。ライトガイド１２は六面体であることに限定されず、円錐台などの形状であっても良い。このように、ライトガイド１２の形状は、投影する光の照度分布に応じて設定することができる。

ライトガイド１２の側面には、光反射性のあるアルミニウムなどの金属で構成される反射面を設けることが好ましい。このような反射面を設けることにより、全反射の臨界角を越えてライトガイド１２の外に漏れ出た光を、再度、ライトガイド１２の出光面より出光できる。このため、光の利用効率を改善できる。なお、このような反射面として、ＰＥＴ樹脂等の複屈折性基材に形成されたものを用いても良い。

ライトガイド１２の長さ、側面の傾斜角度、入光面の面積、出光面の面積など、ライトガイド１２の各パラメータは、投影装置１の大きさなどに応じて設定できる。例えば、投影装置１が小型の場合、光源１１として用いられるＬＥＤの発光面の面積は１ｍｍ^２程度であるため、ライトガイド１２の入光面の大きさは、１〜２ｍｍ^２程度になる。光の利用効率を考慮すると、ライトガイド１２の長さは入光面の短辺の長さの２倍以上、傾斜角度は３〜１５度（基準は入光面に垂直な軸）とすることが好ましい。ライトガイド１２の出光面の面積は、ライトガイド１２の長さや側面の傾斜角度によって決定される。ライトガイド１２の材質は、ガラス、樹脂等の透明性が高い材質であれば特に限られず、加工性、コストなどを考慮して選択することができる。

偏光フィルム１３は、ライトガイド１２から出光した光の偏光度を所定程度に揃えると共に光ビームの形状を補正可能なように、ライトガイド１２の出光面側に配置される。ライトガイド１２から出光した光をそのまま用いる場合やレンズなどで集光して用いる場合、投影された映像の照度分布に大きなムラを生じることがある。これを解消するため、拡散性（散乱性）を有する偏光フィルム１３を用いる。なお、偏光フィルム１３は拡散性を有する偏光素子であればフィルム形状でなくとも良く、例えば、ＰＢＳなどであっても良い。

拡散性を有する偏光フィルム１３として、金属ワイヤグリッドが形成された樹脂基材表面に数ミクロンから数百ミクロンの微細な凹凸を付与したワイヤグリッド偏光子を用いることができる。このような構成のワイヤグリッド偏光子は、拡散透過性と拡散反射性とを有する。作製工程の加熱プレス等により任意の微細パターンを付与すること可能であり、拡散透過性、拡散反射性、および指向性を容易に制御可能である。例えば、ワイヤグリッド偏光子として、透明樹脂フィルム基材上に８０ｎｍ〜１３０ｎｍのピッチの微細な凹凸をＵＶ樹脂等で形成した後、凹凸形状の一面にアルミニウム等の金属を蒸着したものが好適に用いられる。また、樹脂基材にあらかじめ所望の延伸を施しておき、樹脂基材の加熱による収縮を利用して凹凸を形成したワイヤグリッド偏光子を用いることもできる。このワイヤグリッド偏光子は、加熱温度や延伸倍率などを制御することにより凹凸形状を制御することで拡散性を自由に設定できる。

ワイヤグリッド偏光子の拡散性は、凹凸形状の制御により設定できる。反射型表示装置１６に効率よく照明されるよう、指向性を持たせることも可能である。光路外への拡散ロスを低減するため拡散性は高すぎない（微拡散性を有する）ことが好ましい。例えば、拡散角度は、好ましくは３０度以下であり、より好ましくは２０度以下であり、さらに好ましくは５〜１０度である。以下の表に、拡散角度と照明光の特性との関係を示す。また、拡散性は、均等拡散でも異方性拡散でも良く、要求される照明効率、均整度などから設計できる。また、反射型表示装置１６の形状（アスペクト比）等に合わせ、垂直方向及び水平方向の拡散性を制御することで、反射型表示装置１６に対して均整度高く、かつ効率良く照明できる。このような制御は、例えば、反射型表示装置１６のアスペクト比が１０：７の場合、長辺側の拡散角度を大きく（小さく）することによって行うのが好ましい。このように、ワイヤグリッド偏光子の拡散角度は、投影装置１の光学設計に応じて設定できる。

上述した拡散透過性と拡散反射性とを有するワイヤグリッド偏光子に代えて、拡散反射性と正透過性（拡散性を有さない透過）を有する偏光素子を用いても良い。このような偏光素子は、拡散透過性と拡散反射性とを有するワイヤグリッド偏光子の両面を直角プリズムや樹脂フィルム等に接着し、これらを一体化することで得られる。直角プリズムや樹脂フィルム等との接着は、接着剤等を用いて行うことができる。ワイヤグリッド偏光子を接着剤等により直角プリズム等に接着した場合、反射面は拡散性を示すが、ワイヤグリッド偏光子が十分に薄いため、透過光の拡散性は極めて低くなる。つまり、実質的に透過光は拡散しない。このため、透過光は拡散せず、反射光は拡散するという特異な性質が得られる。透過光の拡散角度は、好ましくは１０度以下、より好ましくは０〜５度であり、反射光の拡散角度は、光路外への拡散ロスを低減するため、好ましくは３０度以下、より好ましくは２０度以下、さらに好ましくは５〜１５度である。

なお、偏光フィルム１３の配置位置は、光源１１からＰＢＳ１４までの光路間であれば特に限られない。また、偏光フィルム１３として、屈折率の異なる樹脂層を多層化した反射型の偏光子、例えば、３Ｍ社製ＤＢＥＦなどを用いても良い。また、ＰＢＳ１４によって、十分な偏光度と十分な拡散性とを得られる場合には、偏光フィルム１３を省略しても良い。

ＰＢＳ１４は、偏光フィルム１３からの光を偏光分離可能なように偏光フィルムの裏面側（ライトガイド１２と反対側）に配置される。ＰＢＳ１４は、偏光分離面１４１が曲面を含むように構成されており、入射した光を偏光分離するとともに、偏光分離面１４１において反射された光を集光する。ＰＢＳ１４を投影装置１に用いることで、光の利用効率を高く保つと共にレンズ等の光学素子の数を削減することが可能になる。つまり、ＰＢＳ１４を用いることにより、光の利用効率が高い小型の投影装置を実現可能である。

図２は、ＰＢＳ１４の構成及び光路について示す模式図である。図２Ａに示されるように、ＰＢＳ１４ａにおいて偏光分離面１４１ａは略円孤状に形成されており、反射側の一面Ａが凹面鏡を構成している。このため、偏光分離面１４１ａにおいて反射された一方の偏光の光は、反射光の出光面１４２ａ側において集光される。他方の偏光の光は、偏光分離面１４１ａを透過し、実質的に拡散されずに透過光の出光面１４３ａから出光する。反射光の集光度は、偏光分離面１４１ａの曲率半径によって変更することができる。例えば、曲率半径をある程度小さくすることで、反射光の集光度を高めることが可能である。

図２Ｂに示されるＰＢＳ１４ｂのように、偏光分離面が曲面１４１ｂと平面１４１ｃとで構成されても良い。図２Ｂでは、平面１４１ｃの中央部分に曲面１４１ｂが配置されており、曲面１４１ｂにおいて反射された光は集光される。図２Ｂにおいて、偏光分離面において反射された一方の偏光の光は、反射光の出光面１４２ｂ側において集光され、偏光分離面１４１ｂを透過した他方の偏光の光は、実質的に拡散されずに透過光の出光面１４３ｂから出光する。曲面１４１ｂにおいて反射された光は集光し、平面１４１ｃにおいて反射された光は集光しないため、曲面１４１ｂと平面１４１ｃとの面積を制御することで集光度を変更可能である。

ＰＢＳ１４の反射光の出光面１４２の形状は、反射型表示装置１６の入光面の形状と相似であることが好ましい。また、ＰＢＳ１４は十分に小型であることが好ましい。このように、ＰＢＳ１４を小型化すると共に、その形状を反射型表示装置１６の形状に対応させることで、投影装置１における光の利用効率を高め、照度を大きくできる。

ＰＢＳ１４には、ガラス等の透明性が高い材質が用いられる。例えば、ＰＢＳ１４として、２個の直角プリズムを貼り合わせたものを用いることができる。また、ＰＢＳ１４の偏光分離面１４１には、例えば、上述したワイヤグリッド偏光子を用いることができる。ワイヤグリッド偏光子は樹脂基材を用いて構成されているため、曲面を形成することが容易である。また、ワイヤグリッド偏光子は、曲面に貼り合わせても光学特性が低下しにくいため、これを用いることにより良好な光学特性のＰＢＳ１４が得られる。なお、曲面への形状追従性の観点から、ワイヤグリッド偏光子の厚みは５０μｍ以下とすることが好ましく、４０μｍ以下であるとより好ましい。

ＰＢＳ１４は拡散（散乱）反射性を有していることが好ましい。この場合、偏光フィルム１３を省略可能になるため、投影装置１をさらに小型化すると共に、部品コストを低減できる。また、ＰＢＳ１４を用いることにより、偏光分離面１４１において反射した偏光を十分に集光できるため、ＰＢＳ１４の反射光の出光面１４２側に配置されるライトガイド１５を省略することも可能である。

ライトガイド１５は、反射型表示装置１６の入光面の形状に合わせて光を成形可能なようにＰＢＳ１４の反射光の出光面１４２側に配置されている。例えば、ＰＢＳ１４の入光面における光ビームの直径が６ｍｍ〜８ｍｍ程度の場合、ＰＢＳ１４として少なくとも直径６ｍｍの照明光を受け入れ可能な大きさが必要となる。ＰＢＳ１４を略６ｍｍ角のキューブ状とすると、反射光の出光面１４２の面積は３６ｍｍ^２である。対角０．２１インチ、アスペクト比１０：７の反射型表示装置１６を用いる場合、その入光面の寸法は、横約４．３ｍｍ、縦約３．２ｍｍであるからその面積は約１４ｍｍ^２である。この場合、光の利用効率は３８．８％程度（１４／３６＝０．３８８）である。このような場合であっても、ライトガイド１５を用いることで光の利用効率は大幅に改善し、ほぼロス無く反射型表示装置１４へ照明可能になる。ライトガイド１５は、ライトガイド１２と同様に構成可能であるから詳細については省略する。

反射型表示装置１６は、ライトガイド１５の出光面側に配置されている。反射型表示装置１６として、代表的には、反射型の液晶表示装置（ＬＣＤ、ＬＣＯＳ）が用いられる。反射型表示装置１６において反射された光は偏光方向が略垂直方向に変更されるため、ＰＢＳ１４の偏光分離面１４１を透過して、ＰＢＳ１４の出光面１４２と反対の面側に配置された投影レンズ１７によって投影される。投影レンズ１７は１枚のレンズで構成されても良いし、複数枚のレンズを組み合わせて構成されても良い。

以上のように構成された投影装置１において、光源１１からの光は、ライトガイド１２を通じてビーム状になり、偏光フィルム１３においてビーム形状が補正された後、ＰＢＳ１４に入射する。ＰＢＳ１４では、ビームの一方の偏光成分が偏光分離面１４１において反射されて出光面１４２から出光し、集光する。他方の偏光成分は偏光分離面１４１を透過する。出光面１４２から出光した一方の偏光方向のビームは、ライトガイド１５によって反射型表示装置１６の形状に整えられ、反射型表示装置１６に入射する。反射型表示装置１６に入射されたビームは反射型表示装置１６の表示映像に応じて反射され、偏光分離面１４及び投影レンズ１７を通じて図示しないスクリーンなどに投影される。

このような構成の投影装置１では、ＰＢＳ１４の偏光分離面１４１が曲面を含んで構成されているため、偏光分離された光を集光することができる。このようなＰＢＳ１４を用いた投影装置１は、他に光学素子を付加することなく光の利用効率を高く保つことができる。また、ＰＢＳ１４の集光特性により、例えば、図３に示される投影装置３（光源３１、ライトガイド３２、集光レンズ３３、偏光フィルム３４、ＰＢＳ３５、ライトガイド３６、反射型表示装置３７、投影レンズ３８によって構成される）のように集光レンズ３３を用いなくとも十分な性能を得ることができる。つまり、ＰＢＳ１４により、レンズ、ライトガイド、偏光素子等の光学素子の数を削減し小型化可能である。また、その結果、照度ムラがないように光ビームの形状を補正する偏光フィルム１３などの光学素子を配置しても、十分に小型化可能である。このように、本実施の形態により、照度ムラがなく光の利用効率が高い小型の投影装置１を実現できる。

本実施の形態は、他の実施の形態に示される構成と適宜組み合わせて実施可能である。

（実施の形態２）
本実施の形態では、図１に示される投影装置の変形例について説明する。図４は、本実施の形態に係る投影装置の構成及び光路について示す模式図である。図４に示される投影装置１ａは、投影に用いられる光を発する光源１１と、光源１１の光から光ビームを成形するフレネルレンズ（導光体）２１と、フレネルレンズ２１からの光ビームの形状を補正する拡散性を示す偏光フィルム（偏光素子）１３と、偏光フィルム１３からの光ビームを偏光分離する偏光分離面が曲面を含んで構成されるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１４と、ＰＢＳ１４において分離された偏光ビームを成形するライトガイド１５と、ライトガイド１５からの偏光ビームが入射される反射型表示装置１６と、反射型表示装置１６で反射され、ＰＢＳ１４を透過した偏光ビームを投影する投影レンズ１７と、を含む。すなわち、投影装置１のライトガイド１２がフレネルレンズ２１に変更されている。以下において、実施の形態１との相違点について主に説明し、繰り返しの説明は省略する。また、上述した実施の形態１と同一の構成については同一の符号を用いる。

フレネルレンズ２１は、ライトガイド１２と同様に、光源１１からの光を成形して前方（図１の右方向）に照射する。このため、フレネルレンズ１２は、光源１１の発光面側に配置される。また、フレネルレンズ２１は、ＬＥＤからの光が十分に入射するように光源に近接して配置される。フレネルレンズ２１により、光源１１から発生する拡散光は略平行光に整えられて偏光フィルム１３に入射することになる。フレネルレンズ２１はライトガイド１２や通常のレンズなどと比較して小型化できるため、本実施の形態に示すフレネルレンズ２１を用いる投影装置１ａは、ライトガイド１２を用いる投影装置１と比較してさらに小型化が可能である。

投影装置１ａにおいて、光源１１からの光は、フレネルレンズ２１を通じて略平行光となり、偏光フィルム１３においてビーム形状が補正された後、ＰＢＳ１４に入射する。ＰＢＳ１４では、ビームの一方の偏光成分が偏光分離面１４１において反射されて出光面１４２から出光し、集光する。他方の偏光成分は偏光分離面１４１を透過する。出光面１４２から出光した一方の偏光方向のビームは、ライトガイド１５によって反射型表示装置１６の形状に整えられ、反射型表示装置１６に入射する。反射型表示装置１６に入射されたビームは反射型表示装置１６の表示映像に応じて反射され、ライトガイド１５、偏光分離面１４及び投影レンズ１７を通じて図示しないスクリーンなどに投影される。

（実施の形態３）
本実施の形態では、図１に示される投影装置の別の変形例について説明する。図５は、本実施の形態に係る投影装置の構成及び光路について示す模式図である。図５に示される投影装置１ｂは、投影に用いられる光を発する光源１１と、光源１１からの光を導いて光ビームを成形するライトガイド（導光体）１２と、ライトガイド１２からの光ビームの形状を補正する拡散性（散乱性）を示すＰＢＳ（偏光素子）２２と、ＰＢＳ２２からの光ビームを集光する集光レンズ２３と、集光レンズ２３からの光ビームを偏光分離する偏光分離面が曲面を含んで構成されるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１４と、ＰＢＳ１４において分離された偏光ビームを成形するライトガイド１５と、ライトガイド１５からの偏光ビームが入射される反射型表示装置１６と、反射型表示装置１６で反射され、ＰＢＳ１４を透過した偏光ビームを投影する投影レンズ１７と、を含む。すなわち、投影装置１の偏光フィルム１３がＰＢＳ２２に変更され、ＰＢＳ２２とＰＢＳ１４との間に集光レンズ２３が追加されている。以下において、実施の形態１との相違点について主に説明し、繰り返しの説明は省略する。また、上述した実施の形態１と同一の構成については同一の符号を用いる。

ＰＢＳ２２は、ライトガイド１２から出光された光の偏光度を所定程度に揃えると共に、光の形状を補正するため、入光面がライトガイド１２の出光面と向かい合うように配置される。また、光の形状を補正するため、ＰＢＳ２２は拡散性を有している。ＰＢＳ２２の偏光分離面２２１は、偏光分離された光が集光されるように曲面を含んで構成されることが好ましいが、偏光分離面２２１は曲面を含まなくとも良い。ＰＢＳ２２として、例えば、ＰＢＳ１４と同様の構成のものを用いることができる。なお、ＰＢＳ２２の偏光分離面２２１を反射せずに透過する光は、ＰＢＳ２２１の透過光の出光面側において吸収させることが好ましい。これにより光路内での不要な光を低減し、投影装置１ｂのコントラストを改善することができる。

集光レンズ２３は、ＰＢＳ２２からの光ビームを集光するため、入光面がＰＢＳ２２の反射光の出光面と向かい合うように配置される。集光レンズ２３は、例えば、半球状の凸レンズである。なお、ＰＢＳ２２が集光可能に構成される場合、集光レンズ２３は省略することが可能である。

投影装置１ｂにおいて、光源１１からの光は、ライトガイド１２を通じてビーム状になり、ＰＢＳ２２に入射する。ＰＢＳ２２では、ビームの一方の偏光成分が偏光分離面２２１において反射されて出光する。他方の偏光成分は偏光分離面２２１を透過する。ＰＢＳ２２において反射された光は、集光レンズ２３で集光された後、ＰＢＳ１４に入射する。ＰＢＳ１４では、ビームの一方の偏光成分が偏光分離面１４１において反射されて出光面１４２から出光し、集光する。他方の偏光成分は偏光分離面１４１を透過する。出光面１４２から出光した一方の偏光方向のビームは、ライトガイド１５によって反射型表示装置１６の形状に整えられ、反射型表示装置１６に入射する。反射型表示装置１６に入射されたビームは反射型表示装置１６の表示映像に応じて反射され、ライトガイド１５、偏光分離面１４及び投影レンズ１７を通じて図示しないスクリーンなどに投影される。

（実施の形態４）
本実施の形態では、図１に示される投影装置の別の変形例について説明する。図６は、本実施の形態に係る投影装置の構成及び光路について示す模式図である。図６に示される投影装置１ｃは、投影に用いられる光を発する光源１１と、光源１１からの光を導いて光ビームを成形するライトガイド（導光体）１２と、ライトガイド１２からの光ビームの形状を補正する拡散性（散乱性）及び集光性を示すＰＢＳ（偏光素子）２４と、ＰＢＳ２４からの光ビームを偏光分離する偏光分離面が曲面を含んで構成されるＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）１４と、ＰＢＳ１４において分離された偏光ビームを成形するライトガイド１５と、ライトガイド１５からの偏光ビームを補正する補正レンズ２５と、補正レンズ２５からの光が入射される反射型表示装置１６と、反射型表示装置１６で反射され、ＰＢＳ１４を透過した偏光ビームを投影する投影レンズ１７と、を含む。すなわち、投影装置１の偏光フィルム１３がＰＢＳ２４に変更され、ライトガイド１５と反射型表示装置１６との間に補正レンズ２５が追加されている。以下において、実施の形態１との相違点について主に説明し、繰り返しの説明は省略する。また、上述した実施の形態１と同一の構成については同一の符号を用いる。

ＰＢＳ２４は、ライトガイド１２から出光された光の偏光度を所定程度に揃え、光の形状を補正し、光を集光するため、入光面がライトガイド１２の出光面と向かい合うように配置される。光の形状を補正するため、ＰＢＳ２４は拡散性を有している。また、偏光分離された光を集光するため、ＰＢＳ２４の偏光分離面２４１は曲面を含んで構成されている。このように、ＰＢＳ２４が集光機能を有することで、集光レンズを省略することができる。ＰＢＳ２４は、ＰＢＳ１４と近接して配置することが好ましい。また、ＰＢＳ２４は、ＰＢＳ１４と接着しても良い。ＰＢＳ２４として、ＰＢＳ１４と同様の構成のものを用いることができる。なお、ＰＢＳ２４の偏光分離面２４１を反射せずに透過する偏光は、ＰＢＳ２４１の透過光の出光面側において吸収させることが好ましい。これにより光路内での不要な光を低減し、投影装置１ｃのコントラストを改善することができる。

補正レンズ２５は、ライトガイド１５からの光ビームを補正して反射型表示装置１６に入射させるため、入光面がＰＢＳ２２の反射光の出光面と向かい合うように、かつ、出光面が反射型表示装置１６の入光面と向かい合うように配置される。

投影装置１ｃにおいて、光源１１からの光は、ライトガイド１２を通じてビーム状になり、ＰＢＳ２４に入射する。ＰＢＳ２４では、ビームの一方の偏光成分が偏光分離面２４１において反射されて出光し、集光する。他方の偏光成分は偏光分離面２４１を透過する。ＰＢＳ２４において反射された光はＰＢＳ１４に入射する。ＰＢＳ１４では、ビームの一方の偏光成分が偏光分離面１４１において反射されて出光面１４２から出光し、集光する。他方の偏光成分は偏光分離面１４１を透過する。出光面１４２から出光した一方の偏光方向のビームは、ライトガイド１５及び補正レンズ２５によって反射型表示装置１６の形状に整えられ、反射型表示装置１６に入射する。反射型表示装置１６に入射されたビームは反射型表示装置１６の表示映像に応じて反射され、補正レンズ２５、ライトガイド１５、偏光分離面１４及び投影レンズ１７を通じて図示しないスクリーンなどに投影される。

なお、このような構成の投影装置１ｃは、ライトガイド１２、ＰＢＳ２４、ＰＢＳ１４、ライトガイド１５、補正レンズ２５などの一体化が可能となるため、各部材間における光の界面反射や拡散ロスを低減し、光の利用効率をさらに改善できる。

次に、発明の効果を確認するために行ったシミュレーション結果について説明する。

図７は、投影装置において反射型表示装置に放射される光の放射照度分布を確認するためのシミュレーションモデル及びシミュレーション結果について示す図である。図７Ａは、光源５０１、ライトガイド５０２、ＰＢＳ５０３、ＰＢＳ５０４、ライトガイド５０５で構成されるシミュレーションモデル（図６の投影装置１ｃの光学系の一部に相当）を示しており、図７Ｂは、ライトガイド５０５の出光面５０６における放射照度分布を示している。図７Ａにおいて、ＰＢＳ５０３の偏光分離面は曲率半径が２０ｍｍの曲面であり、拡散（散乱）反射性を有している。また、ＰＢＳ５０４の偏光分離面は曲率半径が２２ｍｍの曲面となっている。図７Ｂから、実施の形態に係る投影装置によって均質性の高い放射照度分布を実現できることが分かる。

図８は、拡散性（散乱性）を有する偏光フィルム（実施の形態における偏光フィルム１３に相当）の効果を確認するためのシミュレーションモデル及びシミュレーション結果について示す図である。図８Ａは、光源５１１、ライトガイド５１２、集光レンズ５１３、偏光フィルム５１４、スクリーン５１５で構成されるシミュレーションモデルを示しており、図８Ｂは偏光フィルム５１４が拡散性を有する場合のスクリーン５１５における放射照度分布を示しており、図８Ｃは偏光フィルム５１４が拡散性を有さない場合のスクリーン５１５における放射照度分布を示している。図８Ｂ及び図８Ｃから、偏光フィルム５１４に拡散性を付与した場合、放射照度ムラを大幅に低減できることが分かる。

以上のように、本発明によれば、ＰＢＳの偏光分離面が曲面を含んで構成されているため、偏光分離された光を集光することができる。このようなＰＢＳを用いた投影装置は、他に光学素子を付加することなく光の利用効率を高く保つことができる。また、ＰＢＳの集光特性により、集光レンズを用いなくとも十分な性能を得ることができる。つまり、ＰＢＳにより、レンズ、ライトガイド、偏光素子等の光学素子の数を削減し、投影装置の小型化が可能である。また、その結果、照度ムラがないように光ビームの形状を補正する偏光素子を配置しても十分に小型化可能である。このように、本発明により、光の利用効率が高い小型の投影装置を実現可能なＰＢＳを提供できる。また、照度ムラがなく光の利用効率が高い小型の投影装置を提供できる。

なお、本発明は上記実施の形態の記載に限定されず、その効果が発揮される態様で適宜変更して実施することができる。例えば、反射型表示装置としては液晶表示装置以外にＤＭＤ、ＤＬＰなどを適用することもできる。

また、添付図面に示されている構成の大きさや形状等については、発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明は、本発明の範囲を逸脱しないで適宜変更して実施することができる。

本発明の偏光ビームスプリッタ及び投影装置は、携帯型のコンピュータや携帯電話機等の小型の携帯機器に好適に用いられる。

１、１ａ、１ｂ、１ｃ、３投影装置
１１、３１光源
１２、１５、３２、３６ライトガイド
１３偏光フィルム
１４、１４ａ、１４ｂ、２２、２４、３５ＰＢＳ
１６、３７反射型表示装置
１７、３８投影レンズ
２１フレネルレンズ
２３、３３集光レンズ
２５補正レンズ

Claims

所定方向の偏光成分を透過し、前記所定方向に略直交する方向の偏光成分を反射する偏光分離面を備えた偏光ビームスプリッタであって、
前記偏光分離面において反射された光が集光されるように、前記偏光分離面が曲面と平面とで構成されたことを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
前記平面の中央部分に前記曲面が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光ビームスプリッタ。
前記偏光分離面が、拡散反射性を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏光ビームスプリッタ。
前記偏光分離面が、ワイヤグリッド偏光子によって構成された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ビームスプリッタ。
前記ワイヤグリッド偏光子の厚みが５０μｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の偏光ビームスプリッタ。
光源と、
前記光源からの光を導いて光ビームを成形する導光体と、
前記導光体からの光ビームの形状を補正する偏光素子と、
前記偏光素子からの光ビームを偏光分離する請求項１から請求項５のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタにおいて反射され、集光された偏光ビームが入射される反射型表示装置と、を備えたことを特徴とする投影装置。
前記偏光ビームスプリッタと前記反射型表示装置との間に、前記反射型表示装置の入光面に略相似する形状の光ビームを成形するライトガイドを備えたことを特徴とする請求項６に記載の投影装置。
前記ライトガイドと前記反射型表示装置との間に、前記光ビームの形状を補正するレンズを備えたことを特徴とする請求項７に記載の投影装置。
前記偏光素子が、拡散反射性、及び正透過性を備えたワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載の投影装置。
前記偏光素子が、拡散反射性、及び拡散透過性を備えたワイヤグリッド偏光子であることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載の投影装置。
前記偏光素子が、拡散反射性、及び拡散透過性を備えた樹脂多層複屈折ポリマー偏光子であることを特徴とする請求項６から請求項８のいずれかに記載の投影装置。