JPH06222212A - 偏波面回転光学装置及び偏光変換光学装置及び投写型表示装置 - Google Patents

偏波面回転光学装置及び偏光変換光学装置及び投写型表示装置

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JPH06222212A
JPH06222212A JP5003776A JP377693A JPH06222212A JP H06222212 A JPH06222212 A JP H06222212A JP 5003776 A JP5003776 A JP 5003776A JP 377693 A JP377693 A JP 377693A JP H06222212 A JPH06222212 A JP H06222212A
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light
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optical
thin film
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Yoshito Miyatake
義人 宮武
Shinya Mito
真也 三戸
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 自然光を効率良く直線偏光に近い光に変換す
る偏光変換光学装置を提供する。 【構成】 偏光ビームスプリッタ１４１と偏波面回転光
学装置１４２、１４３で構成される。偏波面回転光学装
置１４２は、透明板の一方の面１５５、１５６が平面で
他方の面に微小プリズム１５７、１５８を配列したもの
である。偏光ビームスプリッタ１４１から出射するＰ偏
光成分は直進し、Ｓ偏光成分は偏波面回転光学装置１４
２の平面１５５、１５６に入射する。 【効果】 偏波面回転光学装置１４２、１４３はプリズ
ム面１５７、１５８における２回の反射により入射直線
偏光の偏波面を90゜回転させ、光線進行方向を90゜折り
曲げるので、その出射光と偏光ビームスプリッタ１４１
を直進するＰ偏光成分とは偏波面と光線進行方向が揃
う。これにより、自然光が効率良く直線偏光に近い光に
変換される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、直線偏光を偏波面が90
°回転した直線偏光に近い光に変換する偏波面回転光学
装置、および自然光が入射すると直線偏光に近い光を出
射する偏光変換光学装置、および偏波面光学装置を用い
た投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】大画面映像を得るために、ライトバルブ
に映像信号に応じた光学像を形成し、その光学像に光を
照射し投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する方
法が従来よりよく知られている。最近では、ライトバル
ブとして液晶パネルを用いる投写型表示装置が注目され
ている（例えば、特開昭６２−１３３４２４号公報）。
【０００３】液晶パネルは、高画質の投写画像を得るた
めに、液晶材料としてツイストネマティック（ＴＮ）液
晶を用い、各画素にスイッチング素子としてＴＦＴを設
けたアクティブマトリックス型を用い、赤用、緑用、青
用として３枚の液晶パネルを用いるのが主流となりつつ
ある。
【０００４】ＴＮ液晶を用いた投写型表示装置の光学系
の構成例を（図３０）に示す。光源１１から出た光は、
ダイクロイックミラー１２，１３と平面ミラー１４で構
成される色分解光学系に入射し、赤、緑、青の３原色の
光に分解される。各原色光は、それぞれフィールドレン
ズ１５，１６，１７を透過した後に、液晶パネル１８，
１９，２０に入射する。液晶パネル１８，１９，２０に
は映像信号に応じて透過率の変化として光学像が形成さ
れる。液晶パネル１８，１９，２０からの出射光は、ダ
イクロイックミラー２１，２２と平面ミラー２３で構成
される色合成光学系により１つの光に合成された後に、
投写レンズ２４に入射し、３つの液晶パネル１８，１
９，２０上の光学像は、投写レンズ２４によりスクリー
ン上に拡大投写される。
【０００５】（図３０）に示した投写型表示装置に用い
られる液晶パネルは、入射側に偏光板が必要である。こ
の入射側偏光板は、光源から出射する自然光を直線偏光
に変換するために用いるが、入射光の約半分を吸収する
ので効率が低いという問題がある。この問題を解決する
ために、自然光を直線偏光に変換する種々の偏光変換光
学装置が提案されている。例えば、光源の直後に偏光ビ
ームスプリッタを配置し、光源から出射する自然光を２
つの直線偏光成分に分離し、一方の成分は90°ツイスト
ネマティック（ＴＮ）液晶により偏波面を90°回転さ
せ、さらに光線の進行方向を他方の光線の光線進行方向
と平行にし、この２つの成分を液晶パネルに入射させる
方法が提案されている（例えば、特開昭６３−１６８６
２２号公報）。ＴＮ液晶の代わりに、１／２波長板を用
いたもの（例えば、特開昭６３−２７１３１３号公
報）、２枚の平面ミラーを用いたもの（例えば、特開昭
６３−１９７９１３号公報）が提案されている。また、
偏光ビームスプリッタは、軽くするために、２枚の透明
板の間に偏光選択性の多層膜を挟持し、各透明板の外面
側に微小プリズムアレイを形成したものが提案されてい
る（例えば、特開平３−１２６９１０号公報）。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】偏光変換光学装置を配
置する場所として、光源の直後、色分解光学系の中間、
液晶パネルの直前の３つが考えられる。このうち、液晶
パネルの直前に偏光変換光学装置を配置するのは、２つ
の光の照度分布がなめらかにつながらないため、投写画
像に輝度むらを生じる。偏光変換光学装置を配置する場
所は、光源の直後か、色分解光学系の中間に限られる。
光源の直後は温度が高いので、偏光変換光学装置には耐
熱性が要求される。
【０００７】１／２波長板として、複屈折を有する光学
結晶を用いたもの、透明樹脂を延伸したものがある。光
学結晶は、耐熱性が有利であるが、高価である。透明樹
脂を延伸したものは、安価であるが、耐熱性に問題があ
る。光学結晶と透明樹脂を延伸したものは、いずれも位
相差に波長依存性があるため、投写型表示装置に用いる
と、投写画像に色むらを生じやすい。また、板状ではな
いが、１／２波長の位相差を発生する光学素子として、
フレネルロムがある。ガラスを用いたフレネルロムは、
耐熱性が良好であり、波長依存性も非常に小さいが、入
射光軸に沿った方向の寸法がかなり長く、しかも高価で
あるという問題がある。また、ＴＮ液晶は耐熱性に問題
がある。２枚の平面ミラーにより偏波面を90°回転させ
る方法は、２つの出射光が離れているため投写画像にむ
らを生じやすい。このように、偏光変換光学系に用いる
偏波面を90°回転する手段として、これまでに提案され
たものには適当なものがない。
【０００８】本発明は、コンパクトで、明るい投写画像
を表示する投写型表示装置、およびコンパクトな偏光光
源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、
光源から出射する自然光を直線偏光に近い光に変換する
偏光変換光学装置を提供することを目的とする。さら
に、本発明は、直線偏光の偏波面の向きを90°回転して
反射する偏波面回転光学装置を提供することを目的とす
る。
【０００９】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明の偏波面回転光学装置は、三角柱状の透明体を備
え、前記透明体は外部から入射する光を内部に透過させ
る第１の平面と、内部から入射する光を反射させる第２
の平面と、内部から入射する光を反射させる第３の平面
とを備え、前記３つの平面のつくる３つの交線を互いに
平行としたものである。第２の平面と第３の平面とは同
一の形状とし、第２の平面と第３の平面とのなす角を直
角とし、第２の平面における反射および第３の平面にお
ける反射はいずれも全反射となるのが望ましい。透明体
の第２の平面と第３の平面に透明体の屈折率より低い屈
折率を有する光学薄膜を着けるとよい。また、第２の平
面と第３の平面の上に２層以上の光学薄膜を積層しても
よく、この場合、透明体から最も離れた光学薄膜の屈折
率は透明体の屈折率より低くするとよい。
【００１０】本発明の他の偏波面回転光学装置は、一方
の面が平面で他方の面に複数の細長い微小プリズムを規
則的に形成した透明板を備え、前記微小プリズムを構成
する２つのプリズム面は前記平面に対する傾斜角を同一
としたものである。隣接する２つのプリズム面のなす角
は直角とするのが望ましい。
【００１１】本発明の偏光変換光学装置は、自然光を光
路の異なる第１の直線偏光に近い光と第２の直線偏光に
近い光に分ける偏光選択性ミラーと、偏波面回転光学装
置とを備え、前記偏波面回転光学装置は上記の偏波面回
転光学装置であって、前記第１の直線偏光に近い光は前
記偏波面回転光学装置に入射し、その入射光の偏波面の
方向を90°回転させ、かつ光線進行方向を前記第２の直
線偏光に近い光と略平行にするものである。偏光選択性
ミラーの入射光軸と出射光軸とのなす角を直角にすると
よい。偏光選択性ミラーは、２つの三角プリズムの間、
または２枚の透明板の間、または三角プリズムと透明板
の間にＰ偏光成分の大部分が透過しＳ偏光成分の大部分
が反射する多層光学薄膜を挟持し、前記２つの透明板の
外側の面に複数の細長い微小プリズムを規則的に形成し
たものを用いることができる。
【００１２】本発明の他の偏光変換光学装置は、自然光
を光路の異なる２つの直線偏光に近い光に分ける２つの
偏光選択性ミラーと、２つの偏波面回転光学装置とを備
え、前記２つの偏光選択性ミラーは反射面がＶ字状とな
るように配置され、前記偏波面回転装置は前記偏光選択
性ミラーの反射面と略平行に配置したものである。
【００１３】本発明の偏光光源装置は、光源と、上記の
偏光変換光学装置とを組み合わせ、光源から出射する自
然光が偏光変換光学装置に入射すると直線偏光に近い光
が出射するようにしたものである。
【００１４】本発明の投写型表示装置は、光源と、前記
光源から出射する自然光が入射して直線偏光に近い光を
出射する偏光変換手段と、前記偏光変換手段の出射光が
入射し映像信号に応じて旋光性または複屈折性の変化と
して光学像を形成するライトバルブと、前記ライトバル
ブからの出射光が入射し前記ライトバルブに形成された
光学像をスクリーン上に投写する投写レンズとを備え、
偏光変換手段として上記の偏光変換光学装置を用いたも
のである。
【００１５】本発明の他の投写型表示装置は、３原色の
色成分を含む光を放射する光源と、前記光源から出射す
る自然光を３つの原色光に分解する色分解手段と、前記
色分解手段からの３つの出力光が入射し映像信号に応じ
て旋光性または複屈折性の変化として光学像を形成する
３つのライトバルブと、前記３つのライトバルブからの
出射光を１つの光に合成する色合成手段と、前記色合成
手段からの出射光が入射し前記３つのライトバルブに形
成された光学像をスクリーン上に投写する投写レンズ
と、自然光を直線偏光に近い光に変換する偏光変換手段
とを備え、前記偏光変換手段は上記の偏光変換光学装置
であり、前記色分解手段の入射側または中間に配置した
ものである。
【００１６】
【作用】本発明の偏波面回転光学装置の作用について説
明する。
【００１７】偏波面回転光学装置のモデルを（図１）に
示す。偏波面回転光学装置は、断面形状が直角二等辺三
角形のプリズムであり、プリズムの屈折率をｎ0 、外部
媒質を空気（屈折率１）とする。両端の頂角が等しい面
を第１面Ｓ１、残る２面を第２面Ｓ２、第３面Ｓ３とす
る。ｘｙｚ直交座標系を考え、第２面Ｓ２と第３面Ｓ３
とがつくる稜線をｙ軸、ｙ軸と交わり第１面Ｓ１と垂直
な方向をｚ軸、ｙ軸とｚ軸とに垂直な方向をｘ軸とす
る。ｙｚ平面を基準平面ＳＡと呼ぶことにする。
【００１８】第１面Ｓ１に入射した光線は、第１面Ｓ１
で屈折して第２面Ｓ２と第３面Ｓ３とに分かれて入射
し、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３の順にまたは第３面Ｓ３、
第２面Ｓ２の順に反射した後、第１面Ｓ１から屈折して
出射する。第２面Ｓ２と第３面Ｓ３のなす角が直角であ
れば、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３の順に進み第１面Ｓ１か
ら出射する光線と第３面Ｓ３、第２面Ｓ２の順に進み第
１面Ｓ１から出射する光線は平行となる。
【００１９】偏波面が基準平面ＳＡと垂直で進行方向が
基準平面ＳＡと平行な直線光線が第１面Ｓ１に入射し、
第２面Ｓ２、第３面Ｓ３でそれぞれ反射し、第１面Ｓ１
から外部に出射する場合について考える。ここで、第１
面Ｓ１の透過率は 100％、第２面Ｓ２と第３面Ｓ３の反
射率は 100％、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３におけるＰ偏光
成分とＳ偏光成分の間の位相差はすべて０゜とする。そ
うすると、第１面Ｓ１に直線偏光が入射する場合、各面
で屈折または反射するときに偏光状態が変化しないの
で、第１面Ｓ１から直線偏光が出射する。
【００２０】偏波面がｙｚ平面と垂直な直線偏光が第１
面Ｓ１に入射する場合について、各面における入射光
線、出射光線の偏光状態を（図２）に示す。（図２）
は、上から順に第１面Ｓ１、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３、
第１面Ｓ１の様子を示し、左側の図は入射光線の光線進
行方向に垂直な平面における偏光状態、右側の図は屈折
光線または反射光線の光線進行方向に垂直な平面におけ
る偏光状態を示している。第１面Ｓ１から第２面Ｓ２に
向かう光線、第２面Ｓ２から第３面Ｓ３に向かう光線、
第３面Ｓ３から第１面Ｓ１に向かう光線について、出射
する面で決まるＳ偏光成分の方向と入射する面で決まる
Ｓ偏光成分の方向が異なることに注意すべきである。
【００２１】第１面Ｓ１への入射光線は、（図２
（ａ））に示すように、偏波面Ｅが＋ｘ方向に向く直線
偏光であり、Ｓ偏光成分のみでＰ偏光成分は存在しな
い。そのため、屈折光線もＳ偏光成分のみであり、第１
面Ｓ１における屈折光線の偏波面Ｅの方向は、（図２
（ｂ））に示すように、＋ｘ方向を向く。
【００２２】第２面Ｓ２への入射光線のＳ偏光成分は、
（図２（ｃ））に示すように、ｙｚ平面から反時計回り
にφk だけ回転した方向に向く。φk は偏波面回転角と
呼ぶことにするが、
【００２３】
【数１１】
【００２４】と表わせる。ここで、θ1は第１面Ｓ１に
入射する光線の入射角である。第２面Ｓ２への入射光線
の偏波面Ｅは、Ｓ偏光成分の方向から反時計回りにπ／
２−φ k だけ回転した方向に向く。第２面における反射
光線のＳ偏光成分は、（図２（ｄ））に示すように、ｘ
ｙ平面から反時計回りにφk だけ回転した方向に向く。
反射の前後でＳ偏光成分とＰ偏光成分の振幅は変化しな
いので、第２面Ｓ２における反射光線の偏波面ＥはＳ偏
光成分の方向から時計回りにπ／２−φk だけ回転した
方向に向く。従って、第２面Ｓ２における反射光線の偏
波面Ｅの方向をｘｙ平面から反時計回りに測った角φA
は、次のようになる。
【００２５】
【数１２】
【００２６】第３面Ｓ３への入射光線のＳ偏光成分は、
（図２（ｅ））に示すように、ｘｙ平面から反時計回り
にφk だけ回転した方向に向く。第３面Ｓ３への入射光
線の偏波面Ｅの方向はｘｙ平面から反時計回りにφA だ
け回転しているから、第３面Ｓ３への入射光線の偏波面
Ｅの方向をＳ偏光成分の方向から反時計回りに測った角
φB は、
【００２７】
【数１３】
【００２８】となる。第３面Ｓ３における反射光線のＳ
偏光成分は、（図２（ｆ））に示すように、＋ｘ方向か
ら反時計回りにπ／２−φk だけ回転した方向に向く。
反射の前後でＳ偏光成分とＰ偏光成分の大きさは変化し
ないので、第３面Ｓ３における反射光線の偏波面ＥはＳ
偏光成分の方向に対して反時計回りにφB だけ回転した
方向に向く。従って、第３面Ｓ３における反射光線の偏
波面Ｅの方向を＋ｘ方向から反時計回りに測った角φC
は、次のようになる。
【００２９】
【数１４】
【００３０】第３面Ｓ３から第１面Ｓ１に入射する光
線、第１面Ｓ１から外部に出射する光線の偏波面Ｅの方
向をそれぞれ（図２（ｇ）），（図２（ｈ））に示す。
【００３１】（数１４）より、φk ＝π／８の場合にφ
C ＝π／２となることが分かる。つまり、第３面Ｓ３に
おける反射光線の偏波面Ｅがｙｚ平面と平行となる。さ
らに、第１面Ｓ１から外部に出射する光線の偏波面Ｅが
ｙｚ平面（基準平面ＳＡ ）と平行になる。
【００３２】以上から、各面に損失がなく、２面Ｓ２と
第３面Ｓ３におけるＰ偏光成分とＳ偏光成分の間の位相
差が０°であり、φk ＝π／８であれば、第１面Ｓ１に
偏波面Ｅが基準平面ＳＡと垂直な直線偏光が入射し、第
１面Ｓ１から偏波面Ｅが基準平面ＳＡ と平行な直線偏
光が出射することが分かる。
【００３３】偏波面Ｅが基準平面ＳＡと垂直な直線偏光
が第１面Ｓ１に入射する場合に、第１面Ｓ１から出射す
る光のうち基準平面ＳＡと平行な偏光成分を有効出射成
分と呼ぶことにし、入射光の光強度に対する有効出射成
分の光強度の割合を偏波面変換光学装置の総合効率ηと
定義する。第１面Ｓ１の透過率、第２面Ｓ２と第３面Ｓ
３の位相差を考慮した偏光変換光学装置の総合効率η
は、計算により求めることができる。導出は非常に複雑
であるので結果のみ示すと、第２面Ｓ２の位相差と第３
面Ｓ３の位相差が同一で反射率が 100％の場合、総合効
率ηは次式で表わせる。
【００３４】
【数１５】
【００３５】
【数１６】
【００３６】
【数１７】
【００３７】ここで、ＴS は第１面Ｓ１のＳ偏光成分に
対する透過率、ＴP は第１面Ｓ１のＰ偏光成分に対する
透過率、ηE は位相差効率、ηR は偏波面回転効率、δ
は第２面Ｓ２、第３面Ｓ３のＰ偏光成分とＳ偏光成分の
間の位相差である。
【００３８】（数１５），（数１６），（数１７）よ
り、総合効率ηを最大にするには、第１面Ｓ１の透過率
をＴS＝１，ＴP＝１とし、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３の位
相差をδ＝0°とし、偏波面回転角をφk＝22.5°とすれ
ばよいことが分かる。
【００３９】偏波面回転光学装置は、他の光学装置との
組み合わせを考えると、入射光軸と出射光軸のなす角が
90°であるのが望ましい。そこで、（数１１）にθ1＝4
5°，φk＝22.5°を代入すると、ｎ0＝1.71 となる。従
って、光線を直角に折り曲げたい場合には、プリズムを
屈折率ｎ0 が1.71に近い材料で構成すればよい。ただ
し、φk が22.5°から多少ずれても sin2４φk は 1に
近いので、プリズムの材料として白クラウンガラス（屈
折率1.52）を用いることができる。
【００４０】第２面Ｓ２への入射角θ2 と偏波面回転角
φk の関係は、次式で表わされる。
【００４１】
【数１８】
【００４２】（数１８）にφk＝22.5°を代入すると、
θ2＝49.9°となる。プリズムの屈折率がｎ0＝1.5の場
合の全反射臨界角は41.8°であるので、第２面Ｓ２、第
３面Ｓ３では全反射を生じる。
【００４３】次に、第２面Ｓ２、第３面Ｓ３の反射によ
る位相差について説明する。全反射後のＰ偏光成分とＳ
偏光成分の間の位相差はそれぞれ次のように表わせる
（辻内順平著：「光学概論Ｉ」、株式会社朝倉書店、p.
37、昭和54年2月）。
【００４４】
【数１９】
【００４５】（数１９）より、θ2＝49.9°のときの位
相差は、ｎ0＝1.5のときδ＝44.9°、ｎ0＝1.7のときδ
＝56.5°となる。（数１６）より位相差効率ηE を求め
ると、それぞれ73.0％、60.2％とかなり低くなることが
分かる。そこで、本発明では、第２面Ｓ２と第３面Ｓ３
に多層膜を着けることにより位相差を小さくしている。
【００４６】（図３）に示すように、透明体の上にｋ層
（ｋは整数）の光学薄膜を積層するものとし、外部媒質
は空気とする。透明体側から順に、第１層Ｌ１、第２層
Ｌ２、‥‥、第ｋ層Ｌｋと呼ぶことにし、第ｊ層Ｌｊの
透明体側の面を第ｊ面、第ｋ層Ｌｋと空気との境界面
（最終面）を第（ｋ＋１）面と呼ぶことにする。
【００４７】透明体の屈折率をｎ0 、第ｊ層の屈折率を
ｎj 、外部媒質の屈折率をｎk+1 とし、透明体から第１
面に入射する光線の入射角をθ2 、第ｊ面から第（ｊ＋
１）面に向かう光線の屈折角をγj とすると、スネルの
法則により、
【００４８】
【数２０】
【００４９】の関係が成り立つ。プリズムから多層膜に
入射した光線が多層膜の中間のいずれの境界面でも全反
射しないものとすると、（数２０）より、光学薄膜が着
いていない場合に全反射を生じるなら光学薄膜と空気の
境界面で全反射を生じることが分かる。
【００５０】第ｊ面から最終面までの反射係数が求まる
とき、第ｊ面から最終面までを反射係数が同一の１つの
面に置き換えることができる。第ｊ面から最終面までが
１つの面と等価であるとして、その面を第ｊ等価面と呼
ぶことにする。この考え方に基づけば、漸化式をつくれ
る。そこで、まず最終面の反射係数を求め、漸化式を利
用して第ｋ等価面、第（ｋ−１）等価面、‥‥の順に反
射係数を求めれば、最後の第１等価面の反射係数が光学
薄膜全体の反射係数となる。
【００５１】最終面における全反射前後のＳ偏光成分の
位相変化εk+1,S 、Ｐ偏光成分の位相変化εk+1,P は次
式で表わせる。
【００５２】
【数２１】
【００５３】
【数２２】
【００５４】第ｊ面のＳ偏光成分の反射係数ρjS 、Ｐ
偏光成分の反射係数ρjP は、それぞれ次のように表わ
せる。
【００５５】
【数２３】
【００５６】
【数２４】
【００５７】第ｊ等価面の反射係数をｒjS ，ｒjP とす
る。第ｊ等価面の反射係数は、第ｊ面の反射係数、第
（ｊ＋１）等価面の反射係数、および第ｊ層の干渉作用
により決まり、次のように表わせる。
【００５８】
【数２５】
【００５９】
【数２６】
【００６０】ここで、βj は第ｊ面から第（ｊ＋１）面
の間を１往復する光線の位相変化を表わす。第ｊ層の屈
折率をｎj、膜厚をｄj、第ｊ面から第（ｊ＋１）面に向
かう光線の屈折角をγj、光線の空気中における波長を
λとすると、βjは次のように表わせる。
【００６１】
【数２７】
【００６２】光学薄膜に吸収がないとし、第ｊ等価面の
位相変化をεjS ，εjP とすると、（数２５），（数２
６）は次のように表わせる。
【００６３】
【数２８】
【００６４】
【数２９】
【００６５】実数部と虚数部に分けて、（数２５）と
（数２８）とを比較し、（数２６）と（数２９）とを比
較し、（数２３），（数２４）を利用すると、第ｊ等価
面の位相変化は次のように表わせる。
【００６６】
【数３０】
【００６７】
【数３１】
【００６８】（数２１），（数２２）より最終面の位相
変化εk+1,S ，εk+1,P を求め、次に（数３０），（数
３１）の漸化式を繰り返し用いることにより第１等価
面、つまり光学薄膜全体の位相変化ε1S ，ε1P を求め
ることができる。光学薄膜全体による位相差δは、
【００６９】
【数３２】
【００７０】とすれば求まる。ここで、δ＝０、つま
り、
【００７１】
【数３３】
【００７２】となる場合について考える。第１層から第
ｋ層までのすべての層についてβj＝πとする。（数３
０）、（数３１）でβj＝πとした漸化式を繰り返し用
い、さらに（数２１），（数２２），（数３３）を利用
すると、次の関係式が得られる。
【００７３】
【数３４】
【００７４】また、（数２７）にβj＝πを代入し、主
波長をλCとすると、次のようになる。
【００７５】
【数３５】
【００７６】（数３４），（数３５）が満足されると
き、主波長λC において位相差が０゜になる。
【００７７】光学薄膜が単層の場合、（数３４）でｋ＝
１とすればよく、
【００７８】
【数３６】
【００７９】となる。この条件を満足する光学薄膜は存
在しないので、単層膜では位相差を０゜にできないこと
が分かる。しかし、プリズムの屈折率より低い屈折率を
有する光学薄膜を用いると、光学薄膜がない場合に比べ
て位相差を小さくすることができる。
【００８０】光学薄膜が２層の場合、（数３４）でｋ＝
２とすればよく、
【００８１】
【数３７】
【００８２】となる。（数３５），（数３７）の条件を
満足すれば、位相差は０゜になる。ｎ 0＞１であるか
ら、（数３７）よりｎ1＞ｎ2 となる。つまり、第１層
の屈折率を高く、第２層の屈折率を低くすることにな
る。
【００８３】また、光学薄膜の層数が多いほど各層の屈
折率の選択の幅が拡がるので、容易に位相差を小さくで
きることが分かる。
【００８４】次に、主波長λC において、第ｍ層のみβ
m ＝２πとし、他の層はβj ＝πとする場合について説
明する。（数２７）でｊ＝ｍとした式にβm ＝２πを代
入すると、
【００８５】
【数３８】
【００８６】となる。（数３０）、（数３１）でβm ＝
２π、βj ＝π（ｊ≠ｍ）とした漸化式を繰り返し用
い、さらに（数２１）、（数２２）、（数３２）を利用
すると、第ｍ層の屈折率と無関係にδ＝０となる。これ
は、すべての層がβj ＝πである多層膜が既にある場
合、隣接する任意の２つの層の間にβm ＝２πの光学薄
膜を挿入しても、主波長における位相差は０のままであ
ることを意味する。ただし、主波長以外の波長では位相
差が変化する。この性質は、位相差の波長依存性の調整
に利用することができる。
【００８７】
【実施例】以下に、本発明の偏波面回転光学装置の具体
的な実施例について説明する。
【００８８】（図４）は本発明の偏波面回転光学装置の
第１の実施例の構成を示したもので、１０１はプリズ
ム、１０２は第１面、１０３は第２面、１０４は第３面
である。
【００８９】偏波面回転光学装置は、断面形状が二等辺
三角形のプリズム１０１で構成されている。両端の頂角
が等しい面を第１面１０２、残る２面を第２面１０３と
第３面１０４と呼ぶことにする。プリズム１０１は屈折
率1.52のガラスで構成され、第２面１０３と第３面１０
４とがなす角は90°であり、外部媒質は空気である。
【００９０】偏波面回転光学装置の断面構成を（図５）
に示す。第１面１０２には、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の
反射防止のための３層の光学薄膜１０５が蒸着されてい
る。プリズム１０１側から順に第１層、第２層、第３層
と呼ぶことにする。第２面１０３と第３面１０４には、
いずれもＳ偏光成分とＰ偏光成分の間の位相差を小さく
する単層の光学薄膜１０６，１０７が蒸着されている。
第１面１０２の光学薄膜１０５の構成を（表１）に、第
２面１０３、第３面１０４の光学薄膜１０６，１０７の
構成を（表２）に示す。
【００９１】
【表１】
【００９２】
【表２】
【００９３】第２面１０３と第３面１０４とがつくる稜
線１０８を含み、第１面１０２と垂直な面１０９を基準
平面と呼ぶことにする。入射光軸１１０と出射光軸１１
１は基準平面１０９上にあり、第１面１０２の法線１１
２と入射光軸１１０のなす角は45°、法線１１２と出射
光軸１１１のなす角は45°である。
【００９４】（図４）に示すように、入射光軸１１０と
平行に第１面１０２に入射した光線は、第１面１０２で
屈折し、第２面１０３または第３面１０４に入射する。
第２面１０３に入射した光線はその面で反射し、さらに
第３面１０４で反射し、第１面１０２で屈折して、出射
光軸１１１と平行に出射する。第３面１０４に入射した
光線は、その面で反射し、さらに第２面１０３で反射
し、第１面１０２で屈折して、出射光軸１１１と平行に
出射する。（数１１），（数１８）より第２面１０３と
光学薄膜１０６の境界面１１４に入射する光線の入射角
は51.2°であり、この境界面１０３における全反射臨界
角は66.1°であるので、光線はこの境界面を透過する光
線が存在する。（数２０）より光学薄膜１０６と空気の
境界面１１５に入射する光線の入射角は58.5°であり、
この境界面１１５における全反射臨界角は46.0°である
ので、この境界面１１５で全反射する。第３面１０４に
着けられている光学薄膜１０７も第２面１０３の場合と
同様の作用を生じる。
【００９５】光線が入射光軸１１０と平行でない場合
も、第２面１０３、第３面１０４の順に進み第１面１０
２から出射する光線と、第３面１０４、第２面１０３の
順に進み第１面１０２から出射する光線とは、互いに平
行である。また、入射光線と入射光軸１１０のなす角度
がそれほど大きくなければ、第２面１０３、第３面１０
４に着けられた光学薄膜１０６，１０７は、入射光線と
入射光軸１１０が平行の場合と同様の作用を生じる。
【００９６】入射光線が入射光軸と平行の場合の位相差
の波長依存性を（図６）に実線で示す。比較のために、
第２面と第３面に光学薄膜１０６，１０７を着けない場
合の特性を破線で示す。（図６）から分かるように、第
２面と第３面に光学薄膜１０６，１０７を着けることに
より、位相差δが小さくなることが分かる。この場合の
位相差効率ηE の波長依存性を（図７）に実線で示す。
破線は第２面１０３と第３面１０４に光学薄膜を着けな
い場合の特性である。（図７）より、第２面１０３と第
３面１０４に光学薄膜１０６，１０７を着けることによ
り位相差効率η E が大幅に向上することが分かる。従っ
て、第１面１０２に直線偏光が入射すると、第２面、第
３面で反射し、第１面から出射する光は直線偏光に近い
光となる。
【００９７】入射光線が基準平面１０９と平行の場合の
偏波面回転効率ηR の入射角依存性を（図８）に示す。
θ1＝39.0°のときにηR が最大となるが、θ1＝45.0°
のときでもηR＝0.971と１に非常に近い。従って、偏波
面が基準平面１０９に垂直な直線偏光が入射光軸１１０
と平行に第１面１０２に入射すると、第２面１０３、第
３面１０４の２回の全反射により偏波面が回転するの
で、第１面１０２から外部に出射する光線は偏波面が基
準平面１０９と平行に近くなる。
【００９８】第１面１０２ではＳ偏光成分とＰ偏光成分
の一方が入射し他方が出射するので、第１面１０２のＳ
偏光透過率ＴS とＰ偏光透過率ＴP の両方を高くする必
要がある。第１面１０２が空気と接する場合、第１面に
おける入射角が45°であり、ブリュースタ角56.7°に近
いので、ＴP は非常に高いが、ＴS は少し低い。そこ
で、第１面１０２に反射防止膜として３層の光学薄膜１
０５を蒸着している。Ｔ S ，ＴP 、および両者の積ＴS
ＴP の波長依存性を（図９）に示す。（図９）より、第
１面の透過効率ＴPＴS は１に非常に近いことが分か
る。
【００９９】本発明の偏波面回転光学装置は、偏波面が
基準平面１０９と垂直な直線偏光を偏波面が基準平面１
０９と平行な偏光成分の支配的な光に変換することがで
きる。また、光線進行方向を逆にする場合を考えると、
偏波面が基準平面１０９と平行な直線偏光を偏波面が基
準平面１０９と垂直な偏光成分が支配的な光に変換する
ことができる。プリズム１０１、光学薄膜１０６，１０
７，１０８は耐熱性が良好であるので、偏波面回転光学
装置の耐熱性は非常に良好である。従って、偏波面回転
光学装置は強力な光源の直後に配置することができる。
【０１００】（図４）に示した構成において、第２面１
０３と第３面１０４のなす頂角を90°からわずかにずら
してもよい。この場合、出射光は２つの光に分かれ、頂
角が90°より大きい場合には２つの光が進むにつれて発
散し、頂角が90°より小さい場合には２つの光がある距
離だけ進んだ位置で重なる。
【０１０１】（図１０）は本発明の偏波面回転光学装置
の第２の実施例の構成を示したもので、１２１は透明
板、１２２は三角プリズム、１２３は透明接着剤であ
る。
【０１０２】透明板１２１の一方の面上に複数の細長い
三角プリズム１２２を規則的に配列したものである。透
明板１２１と三角プリズム１２２とは光学ガラスで構成
され、透明板１２１と複数の三角プリズム１２２とは、
透明接着剤１２３により接合されている。透明板１２１
と各三角プリズム１２２の屈折率はいずれも1.52であ
り、（図１１）に示すように、透明板１２２の空気側の
面１２４には反射防止のための３層光学薄膜１２５が蒸
着され、三角プリズム１２２の空気側の面１２６，１２
７には反射における位相差を小さくするための２層光学
薄膜１２８が蒸着されている。光学薄膜１２５は（表
１）に示した構成と同一であり、光学薄膜１２８は（表
３）に示す構成としている。面１２６，１２７の位相差
の波長依存性を（図１２）に、位相差効率の波長依存性
を（図１３）に示す。（図１２）と（図６）を比較し、
また（図１３）と（図７）を比較すると、２層光学薄膜
は単層光学薄膜に比べて位相差が小さく、位相差効率も
高いことが分かる。
【０１０３】
【表３】
【０１０４】（図１０）に示した構成は、（図４）に示
した構成と全く同じ作用を示す。透明基板１２１の外形
寸法は縦30ｍｍ、横60ｍｍであり、三角プリズム１２２
のピッチは 7ｍｍである。そのため、（図１０）に示し
た構成は、（図４）に示した構成と比較して、薄くて軽
いという特徴があり、また、偏波面回転光学系の内部を
進む光線の光路長が短いという特徴がある。
【０１０５】なお、使用温度が 100℃を越える場合に
は、透明接着剤１２３としてゲル状透明シリコーン樹脂
（例えば、信越化学工業（株）のＫＥ１０５１）を用い
るとよい。ＫＥ１０５１は２液に分けて提供されてお
り、２液を混合し、室温放置または加熱によりゲル状に
硬化するものであり、使用上限温度は約 200℃である。
【０１０６】（図１４）は本発明の偏波面回転光学装置
の第３の実施例の構成を示したもので、１３１はプリズ
ム板、１３２，１３３は光学薄膜である。
【０１０７】（図１４）に示した偏波面回転光学装置
は、（図１０）に示した偏波面回転光学装置を一体化し
たものである。この偏波面回転光学装置は透明板１３１
と光学薄膜１３２，１３３で構成され、プリズム板１３
１は一方の面１３４が平面であり、他方の面には細長い
プリズム素子１３５が規則的に形成されている。プリズ
ム板１３１は屈折率1.52のガラスで構成されている。プ
リズム板１３１は、プリズム面を構成するジグザグの面
を有する金型により、加熱軟化させたガラス板またはブ
ロックをプレス成型して作成する。平面１３４側にひけ
を発生し凹凸ができる場合には、研磨により平面にする
とよい。平面１３４には反射防止のための光学薄膜１３
２が蒸着され、プリズム素子１３５の各面１３７には位
相差を小さくするための光学薄膜１３３が蒸着されてい
る。光学薄膜１３２は（表１）に示したものと同一であ
り、光学薄膜１３３は（表４）に示す構成としている。
位相差の波長依存性を（図１５）に、位相差効率の波長
依存性を（図１６）に示す。（図１６）と（図１３）を
比較すると、３層光学薄膜を用いる場合の位相差効率の
波長依存性は、２層光学薄膜の場合に比べて平坦である
ことが分かる。
【０１０８】
【表４】
【０１０９】本発明の偏波面回転光学装置の第４の実施
例について説明する。この実施例は、（図１４）に示し
た構成で、光学薄膜１３２を（表５）に示した構成に置
換したものである。（表５）に示した光学薄膜１３２の
各層の膜厚は、主波長において、β1 ＝π、β2 ＝２
π、β3 ＝πとなるようにしている。第１から第３の各
実施例では、各層の膜厚は主波長においてすべてβj ＝
πとしているが、第４の実施例では、第２層の膜厚は主
波長においてβ2 ＝２πとしている。位相差の波長依存
性を（図１７）に、位相差効率の波長依存性を（図１
８）に示す。（図１８）より、位相差効率の波長依存性
が非常に平坦であることが分かる。
【０１１０】
【表５】
【０１１１】本発明の偏波面光学装置の第５の実施例に
ついて説明する。構成は、（図１４）に示したものと同
一である。プリズム板１３１は屈折率1.71のガラスであ
り、光学薄膜１３２は（表６）に示した構成とし、光学
薄膜１３３は（表７）に示した構成としている。
【０１１２】
【表６】
【０１１３】
【表７】
【０１１４】偏波面回転効率ηR の入射角依存性を（図
１９）に示す。入射角がθ1＝45.0°のときに偏波面回
転効率が最大の１となる。プリズム面１３７の位相差の
波長依存性を（図２０）に、位相差効率の波長依存性を
（図２１）に示す。（図２１）と（図１６）を比較する
と、プリズム板１３１の屈折率が高い場合には、プリズ
ム面に蒸着する光学薄膜が同じ２層でも、位相差効率が
高く、しかも平坦に近くなることが分かる。平面１３４
のＳ偏光成分透過率ＴS 、Ｐ偏光成分透過率Ｔ P 、両者
の積ＴSＴP の波長依存性を（図２２）に示す。平面１
３４の透過率をかなり高くできることが分かる。
【０１１５】プリズム板１３１の材料として、アクリル
樹脂、ポリカーボネート樹脂などの透明樹脂を用いるこ
ともでき、圧縮成形により製作するとよい。偏波面回転
光学装置の最高使用温度が約80℃以下であれば、アクリ
ル樹脂を用いることができる。プリズム板１３１を成型
加工する場合にはプリズム素子１３５の面精度が問題と
なるが、本発明では結像を目的としないので、プリズム
素子１３５の面精度はそれほど厳しくなく、上述のよう
な成型加工により実用上問題のないものを製作すること
ができる。
【０１１６】次に、本発明の偏光変換光学装置の実施例
について説明する。（図２３）は本発明の偏光変換光学
装置の第１の実施例を示したもので、１４１は偏光ビー
ムスプリッタ、１４２，１４３は偏波面回転光学装置で
ある。
【０１１７】偏光変換光学装置は、偏光ビームスプリッ
タ１４１と偏波面回転光学装置１４２，１４３とで構成
される。
【０１１８】偏光ビームスプリッタ１４１は３つの直角
プリズム１４４，１４５，１４６を接合したものであ
り、２つの直角プリズム１４５，１４６の接合面には、
偏光選択性の多層膜１４７，１４８が蒸着されている。
直角プリズム１４５，１４６の材質は屈折率1.52のガラ
スである。多層膜１４７，１４８は、（表８）に示すよ
うに、二酸化シリコン（屈折率1.46）と二酸化チタン
（屈折率2.30）とを交互に積層したものであり、Ｐ偏光
成分は透過させ、Ｓ偏光成分は反射させる。偏光ビーム
スプリッタ１４１の空気と接する面１４９，１５０，１
５１，１５２，１５３には（表９）に示す構成の反射防
止膜が蒸着されている。自然光１５４が偏光ビームスプ
リッタ１４１の面１４９，１５０に垂直に入射すると、
Ｓ偏光成分は多層膜１４７，１４８により横方向に折り
曲げられて進み面１５１，１５２から出射し、Ｐ偏光成
分は多層膜１４７，１４８を直進して面１５３から出射
する。偏光ビームスプリッタ１４１のＳ偏光成分とＰ偏
光成分の分光透過率特性を（図２４）に示す。Ｐ偏光成
分の透過率およびＳ偏光成分の反射率は、いずれも理想
的な 100％ではないが、かなり高い。
【０１１９】
【表８】
【０１２０】
【表９】
【０１２１】偏波面回転光学装置１４２，１４３は（図
１４）に示したものと同一であり、偏光ビームスプリッ
タ１４１側の面１５５，１５６が平面、他方の面がプリ
ズム面１５７，１５８となっている。平面１５５，１５
６はそれぞれ偏光ビームスプリッタ１４１の多層膜１４
７，１４８と平行である。偏光ビームスプリッタ１４１
の面１５１，１５２から出射した光線は、偏波面回転光
学装置１４２，１４３の平面１５５，１５６に入射し、
プリズム面１５７，１５８で２回全反射し平面１５５，
１５６から出射する。
【０１２２】偏光ビームスプリッタ１４１の面１５１，
１５２から出射する直線偏光が偏波面回転光学装置１４
２，１４３に入射すると、偏波面が90°回転し、光線進
行方向が90°折り曲げられて出射する。偏波面回転光学
装置１４２，１４３から出射する光線と偏光ビームスプ
リッタ１４１の面１５３から出射する光線とは、偏波面
と光線進行方向が揃う。このように、（図２３）に示し
た偏光変換光学装置は、自然光を直線偏光に近い光に変
換することができる。
【０１２３】（図２５）は本発明の偏光変換光学装置の
第２の実施例を示したもので、１６１，１６２は偏光ビ
ームスプリッタ、１６３，１６４は偏波面回転光学装置
である。偏光変換光学装置は、偏光ビームスプリッタ１
６１，１６２と２つの偏波面回転光学装置１６３，１６
４で構成される。
【０１２４】偏光ビームスプリッタ１６１は、２枚の透
明板１６５，１６６と、多層膜１６７とで構成される。
透明板１６５，１６６は、材質が屈折率1.71のガラスで
あり、いずれも一方の面１６８，１６９が平面で他方の
面に微小プリズム素子１７０，１７１を規則的に形成し
たものである。微小プリズム素子１７０，１７１のプリ
ズム面１７２，１７３がそれぞれ平面１６８，１６９と
なす角は45°である。透明板１６５，１６６は、プリズ
ム面を構成するジグザグの面を有する金型により、加熱
軟化させたガラス板またはブロックをプレス成形して作
成する。透明板１６５、１６６を成型加工する場合には
微小プリズム素子１７０，１７１の面精度が問題となる
が、本発明では結像を目的としないので、プリズム素子
１７０，１７１の面精度はそれほど厳しくなく、上述の
ような成型加工により実用上問題のないものを製作する
ことができる。
【０１２５】一方の透明板１６５の平面１６８にＰ偏光
成分を透過させＳ偏光成分を反射させる多層膜１６７が
蒸着されている。多層膜１６７の構成を（表１０）に示
す。プリズム面１７２，１７３には（表１１）に示す構
成の反射防止膜が蒸着されている。２つの透明板１６
５，１６６は平面１６８，１６９を対向させて、微小プ
リズム素子１７０，１７１が平行となるように透明接着
剤１７４により接合されている。もう１つの偏光ビーム
スプリッタ１６２も偏光ビームスプリッタ１６１と全く
同一の構成であり、２つの偏光ビームスプリッタ１６
１，１６２は、各多層膜１６７，１７５が直角をなすよ
うにＶ字状に配置され、Ｖ字の交差部は入射側に向いて
いる。入射自然光は偏光ビームスプリッタ１６１，１６
２に分かれて入射し、それぞれＰ偏光成分は多層膜を直
進し、Ｓ偏光成分は多層膜１６７，１７５で横方向に反
射される。偏光ビームスプリッタ１６１，１６２のＰ偏
光成分とＳ偏光成分の透過率の波長依存性を（図２６）
に示す。
【０１２６】
【表１０】
【０１２７】
【表１１】
【０１２８】偏波面回転光学装置１６３，１６４は、い
ずれも（図１２）に示したものと同一であり、それぞれ
偏光ビームスプリッタ１６１，１６２側の面１７６，１
７７が平面、他方の面１７８，１７９がプリズム面とな
っている。平面１７６，１７７は、それぞれ偏光ビーム
スプリッタ１６１，１６２の多層膜１６７，１７５と平
行である。偏光ビームスプリッタ１６１，１６２から出
射したＳ偏光成分は、それぞれ偏波面回転光学装置１６
３，１６４の平面１７６，１７７に入射し、プリズム面
１７８，１７９で２回全反射し、平面１７６，１７７か
ら出射する。偏光ビームスプリッタ１６１，１６２を直
進して出射する直線偏光と偏波面回転光学装置１６３，
１６４から出射する直線偏光とは、偏波面が平行とな
り、光線進行方向が平行となる。こうして、自然光を直
線偏光に近い光に効率良く変換することができる。
【０１２９】偏光ビームスプリッタに用いる多層膜は、
高屈折率の光学薄膜と低屈折率の光学薄膜を交互に積層
したものであり、２種類の光学薄膜の間の境界面におけ
る入射角がブリュースタ角となる条件は、次のように表
わせる（藤原史郎編：「光学薄膜」、共立出版株式会
社、p.127、1986年2月）。
【０１３０】
【数３９】
【０１３１】ここで、ｎH は高屈折率光学薄膜の屈折
率、ｎL は低屈折率光学薄膜の屈折率、ｎG はプリズム
の屈折率、θG はプリズムから多層膜への入射角であ
る。
【０１３２】（数３９）より、２種類の光学薄膜の屈折
率が一定の場合、ｎG が高いほどθ G が小さくなること
が分かる。偏光ビームスプリッタを（図２５）に示した
ような構成とすれば、材料の使用量が（図２３）に示し
た構成の偏光ビームスプリッタに比べて格段に少ないの
で、屈折率が高く高価なガラスを用いても材料コストは
安価となる。透明板が薄ければ、上述のような方法で透
明板を成形できるので、（図２５）に示した偏光ビーム
スプリッタは安価に製造できる。
【０１３３】本発明の偏光光源装置の実施例の構成を
（図２７）に示す。２０２はランプ、２０４は偏光変換
光学装置である。
【０１３４】ランプ２０２はハロゲンランプである。凹
面鏡２０３はアルミニウムのプレス加工により作成され
ている。ランプ２０２から放射される光は、凹面鏡によ
り指向性の強い光に変換されて、偏光変換光学装置２０
４に入射する。偏光変換光学装置２０４は（図２５）に
示したものと同一である。凹面鏡２０３から出射する自
然光２０５は偏光変換光学装置２０４に入射して、直線
偏光に近い光２０６に変換されて出射する。
【０１３５】この偏光光源装置は、ビデオカメラやスチ
ルカメラなどで撮影する場合に、照明用の光源として有
用である。被写体に斜めに照明光を当てる場合、被写体
の一部が過剰に光ってしまい見苦しくなる場合がある。
この場合、直線偏光の光を照射し、しかも直線偏光の偏
波面を変えると光り方が変化する場合が多い。これは、
被写体の一部の反射率がＳ偏光成分とＰ偏光成分とで異
なるためである。そこで、本発明の偏光光源装置を用
い、出射光の偏波面の方位を調整して被写体を照明する
と、被写体の光り方を調整することができるので、被写
体を見苦しくなく撮影することができる。
【０１３６】以下に、本発明の投写型表示装置の実施例
について説明する。本発明の投写型表示装置の第１の実
施例の構成を（図２８）に示す。２１１は光源、２２０
偏光変換光学装置、２２１，２２２は偏光ビームスプリ
ッタ、２２３，２２４は偏波面回転光学装置、２２７は
フィールドレンズ、２２８は液晶パネル、２２９は投写
レンズ、２３０はスクリーンである。
【０１３７】光源２１１はランプ２１２と凹面鏡２１３
とフィルタ２１４で構成されている。ランプ２１２はメ
タルハライドランプであり、３原色の色成分を含む光を
放射する。凹面鏡２１３は、ガラス製で反射面の形状は
放物面であり、反射面に赤外光を透過させ可視光を反射
する多層膜を蒸着したものである。フィルタ２１４は、
ガラス基板の上に可視光を透過させ赤外光と紫外光を反
射する多層膜を蒸着したものである。凹面鏡２１３の光
軸２１６は水平方向に向き、ランプ２１２は管軸を光軸
２１６と一致させて配置される。ランプ２１２からの放
射光は、凹面鏡２１３で反射して赤外光が除去された平
行に近い光に変換され、フィルタ２１４を透過して赤外
光と紫外光を除去されて可視光が出射する。光源２１１
からの出射光は偏光変換光学装置２２０に入射する。
【０１３８】偏光変換光学装置２２０は、（図２５）に
示したものと同一であり、偏光ビームスプリッタ２２
１，２２２と偏波面回転光学装置２２３，２２４で構成
される。光源２１１からの出射光は、偏光ビームスプリ
ッタ２２１，２２２に入射し、Ｐ偏光成分は直進し、Ｓ
偏光成分は横方向に反射され、それぞれ直線偏光に近い
光となって出射する。Ｓ偏光成分は偏波面回転光学装置
２２３，２２４により光路が90°折れ曲がり、偏波面が
90°回転する。偏波面回転光学装置２２３，２２４から
の出射光線と偏光ビームスプリッタ２２１，２２２を直
進した光線とは、偏波面が平行に近く、進行方向が平行
となる。こうして、偏光変換光学装置２２０は、光源２
１１から出射する自然光を直線偏光に近い光に変換す
る。
【０１３９】偏光変換光学装置２２０の出射光は、フィ
ールドレンズ２２７を透過して液晶パネル２２８に入射
する。液晶パネル２２８はＴＮ液晶を用いたＴＦＴ液晶
パネルであり、カラーフィルタを内蔵し、映像信号に応
じて透過率の変化としてフルカラーの光学像が形成され
る。液晶パネル２２８からの出射光は投写レンズ２２９
に入射する。液晶パネル２２８上の光学像は投写レンズ
２２９により離れた位置にあるスクリーン２３０上に拡
大投写される。
【０１４０】液晶パネル２２８は、入射側偏光板、液晶
セル、出射側偏光板で構成される。入射側偏光板の偏光
軸は、画面水平方向に向いている。そのため、入射側偏
光板の透過率は高くなり、投写型表示装置の光利用効率
が大幅に向上する。また、入射側偏光板で吸収される光
パワーは少なく、入射側偏光板の温度上昇が非常に小さ
いので、入射側偏光板の信頼性が向上する。さらに、液
晶パネル２２８は表示画面が16：9 の横長となってお
り、偏光変換光学装置２２０の出射直後の光も有効領域
が横長となっているので、効率が良く、投写画像の周辺
照度比を高くすることができる。
【０１４１】液晶パネルは、入射側偏光板の偏光軸と画
面垂直方向のなす角が45°の場合がある。この場合に
は、入射側偏光板の入射側に１／２波長板を進相軸また
は遅相軸の方向を画面垂直方向に対して22.5°傾けて配
置し、入射側偏光板を透過する光が最大となるようにす
るとよい。また、偏光変換光学装置２２０の偏波面回転
光学装置２２３，２２４の傾きをわずかに変え、偏波面
回転光学装置２２３，２２４から出射する光を収束ぎみ
にしてもよく、この場合には投写画像の中心を少し明る
くすることができる。
【０１４２】本発明の投写型表示装置の第２の実施例の
構成を（図２９）に示す。２３１は光源、２４０は偏光
変換光学装置、２４７，２４８はダイクロイックミラ
ー、２４９は平面ミラー、２５０，２５１，２５２はフ
ィールドレンズ、２５３，２５４，２５５は液晶パネ
ル、２５６，２５７はダイクロイックミラー、２５８は
平面ミラー、２５９は投写レンズである。
【０１４３】光源２３１は、（図２８）に示した光源２
１１と同一のものであり、ランプ２３２と凹面鏡２３３
とフィルタ２３４で構成されている。ランプ２３２から
の放射光は、凹面鏡２３３で反射して赤外光が除去され
た平行に近い光に変換され、フィルタ２３４を透過して
赤外光と紫外光を除去されて可視光が出射する。光源２
３１からの出射光は偏光変換光学装置２４０に入射す
る。偏光変換光学装置２４０は、（図２５）に示したも
のと同一である。光源２３１から出射する自然光は、偏
光偏光変換光学装置２４０により直線偏光に近い光に効
率良く変換される。直線偏光に近い光の支配的な偏光波
面の方向は紙面と垂直である。
【０１４４】偏光変換光学装置２４０の出射光は、２枚
のダイクロイックミラー２４７，２４８と平面ミラー２
４９とで構成される色分解光学系に入射し、赤、緑、青
の原色光に分解される。各原色光は、いずれもフィール
ドレンズ２５０，２５１，２５２を透過して液晶パネル
２５３，２５４，２５５に入射する。液晶パネル２５
３，２５４，２５５はツイストネマティック液晶を用い
たＴＦＴ液晶パネルであり、映像信号に応じて透過率の
変化として光学像が形成される。液晶パネル２５３，２
５４，２５５からの出射光は、ダイクロイックミラー２
５６，２５７と平面ミラー２５８を組み合わせた色合成
光学系により１つの光に合成され、合成された光は投写
レンズ２５９に入射する。３つの液晶パネル２５３，２
５４，２５５上の光学像は投写レンズ２５９により離れ
た位置にあるスクリーン（図示せず）上に拡大投写され
る。
【０１４５】液晶パネル２５３，２５４，２５５は、い
ずれも入射側偏光板、液晶セル、出射側偏光板で構成さ
れる。入射側偏光板の偏光軸は、画面水平方向（紙面と
垂直）に向いている。そのため、入射側偏光板の透過率
は高くなり、投写型表示装置の光利用効率が大幅に向上
する。また、入射側偏光板で吸収される光パワーは少な
く、入射側偏光板の温度上昇が非常に小さいので、入射
側偏光板の信頼性が向上する。さらに、液晶パネル２５
３，２５４，２５５は、表示画面が16：9 の横長となっ
ており、偏光変換光学装置２４０の出射直後の光も有効
領域が横長となっているので効率がよく、投写画像の周
辺照度比を高くすることができる。
【０１４６】（図２９）に示した構成では、偏光変換光
学系を光源と色分解光学系の間に配置しているが、色分
解光学系を構成する２枚のダイクロイックミラーの間、
およびダイクロイックミラーと平面ミラーの間に配置す
ることもできる。偏光変換光学系が２つ必要であるが、
要求される使用最大温度が低くなるので、偏光変換光学
系に耐熱性の低い材料を用いることが可能になる。
【０１４７】上述の実施例ではライトバルブがＴＮ液晶
を用いるＴＦＴ液晶パネルの場合について説明したが、
他の方式の液晶パネルや電気光学結晶を用いたものな
ど、旋光性または複屈折性の変化として光学像を形成
し、少なくとも入射側に偏光板を有するライトバルブを
用いる投写型表示装置にはすべて、本発明の偏光変換光
学装置を用いることができる。
【０１４８】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、耐熱性が
良好な偏波面回転光学装置、および自然光を効率良く直
線偏光に近い光に変換する偏光変換光学装置を提供する
ことができ、また、この偏光変換光学装置を用いること
により、光利用効率の良好な偏光光源装置および投写型
表示装置を提供することができ、非常に大きな効果があ
る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏波回転光学装置の作用を説明するモ
デルの概略線図
【図２】本発明の偏波面回転光学装置の原理を説明する
説明図
【図３】本発明の偏波面回転光学装置の光学薄膜の作用
を説明するモデルの概略線図
【図４】本発明の偏波面回転光学装置の第１の実施例の
構成を示す斜視図
【図５】本発明の偏波面回転光学装置の第１の実施例の
断面構成を示す概略構成図
【図６】本発明の偏波面回転光学装置の第１の実施例に
おける第２面、第３面の位相差の波長依存性を示す特性
図
【図７】本発明の偏波面回転光学装置の第１の実施例に
おける位相差効率の波長依存性を示す特性図
【図８】本発明の偏波面回転光学装置の第１の実施例に
おける偏波面回転効率の入射角依存性を示す特性図
【図９】本発明の偏波面回転光学装置の第１の実施例に
おける第１面の透過率の波長依存性を示す特性図
【図１０】本発明の偏波面回転光学装置の第２の実施例
の構成を示す斜視図
【図１１】本発明の偏波面回転光学装置の第２の実施例
の断面構成を示す概略構成図
【図１２】本発明の偏波面回転光学装置の第２の実施例
における第２面、第３面の位相差の波長依存性を示す特
性図
【図１３】本発明の偏波面回転光学装置の第２の実施例
における位相差効率の波長依存性を示す特性図
【図１４】本発明の偏波面回転光学装置の第３の実施例
の構成を示す概略断面構成図
【図１５】本発明の偏波面回転光学装置の第３の実施例
における第２面、第３面の位相差の波長依存性を示す特
性図
【図１６】本発明の偏波面回転光学装置の第３の実施例
における位相差効率の波長依存性を示す特性図
【図１７】本発明の偏波面回転光学装置の第４の実施例
における第２面、第３面の位相差の波長依存性を示す特
性図
【図１８】本発明の偏波面回転光学装置の第４の実施例
における位相差効率の波長依存性を示す特性図
【図１９】本発明の偏波面回転光学装置の第５の実施例
における偏波面回転効率の入射角依存性を示す特性図
【図２０】本発明の偏波面回転光学装置の第５の実施例
における第２面、第３面の位相差の波長依存性を示す特
性図
【図２１】本発明の偏波面回転光学装置の第５の実施例
における位相差効率の波長依存性を示す特性図
【図２２】本発明の偏波面回転光学装置の第５の実施例
における平面の透過率の波長依存性を示す特性図
【図２３】本発明の偏光変換光学装置の第１の実施例の
構成を示す斜視図
【図２４】（図２３）に示した偏光ビームスプリッタの
分光透過率特性を示す特性図
【図２５】本発明の偏光変換光学装置の第２の実施例の
構成を示す斜視図
【図２６】（図２５）に示した偏光ビームスプリッタの
分光透過率特性を示す特性図
【図２７】本発明の偏光光源装置の実施例の構成を示す
概略構成図
【図２８】本発明の投写型表示装置の第１の実施例の構
成を示す斜視図
【図２９】本発明の投写型表示装置の第２の実施例の構
成を示す概略構成図
【図３０】従来の投写型表示装置の構成を示す概略構成
図
【符号の説明】
１０１ プリズム Ｓ１，１０２ 第１面 Ｓ２，１０３ 第２面 Ｓ３，１０４ 第３面 １０５，１０６，１０７ 光学薄膜 ＳＡ，１０９ 基準平面 １１０ 入射光軸 １１１ 出射光軸 １２１ 透明板 １２２ 三角プリズム １２５，１２８，１３２，１３３ 光学薄膜 １３１ 透明板 １４１，１６１，１６２ 偏光ビームスプリッタ １４２，１６３，１６４ 偏波面回転光学装置 ２０１，２１１，２３１ 光源 ２０４，２２０，２４０ 偏光変換光学装置 ２２１，２２２ 偏光ビームスプリッタ ２２３，２２４ 偏波面回転光学装置 ２２７，２５０，２５１，２５２ フィールドレンズ ２２８，２５３，２５４，２５５ 液晶パネル ２２９，２５９ 投写レンズ ２３０ スクリーン ２４７，２４８，２５６，２５７ ダイクロイックミラ
ー ２４９，２５８ 平面ミラー

Claims (37)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】三角柱状の透明体を備え、前記透明体は外
    部から入射する光を内部に透過させる第１の平面と、内
    部から入射する光を反射させる第２の平面と、内部から
    入射する光を反射させる第３の平面とを備え、前記３つ
    の平面のつくる３つの交線は互いに平行である偏波面回
    転光学装置。
  2. 【請求項２】第２の平面と第３の平面とは同一の形状で
    ある請求項１記載の偏波面回転光学装置。
  3. 【請求項３】第２の平面と第３の平面とのなす角は直角
    である請求項１記載の偏波面回転光学装置。
  4. 【請求項４】第２の平面における反射および第３の平面
    における反射はいずれも全反射である請求項１から請求
    項３のいずれかに記載の偏波面回転光学装置。
  5. 【請求項５】透明体の屈折率より低い屈折率を有する光
    学薄膜を第２の平面と第３の平面に着けた請求項１から
    請求項４のいずれかに記載の偏波面回転光学装置。
  6. 【請求項６】第２面と第３面の上に透明体側から順に第
    １層から第ｋ層までの２層以上の光学薄膜が積層され、
    前記透明体の屈折率をｎ0 、第ｊ層の光学薄膜の屈折率
    をｎj 、膜厚をｄj 、前記第ｊ層の光学薄膜中における
    屈折角をγj 、空気中における所定の波長をλとして、
    次の条件を満足する請求項１から請求項４のいずれかに
    記載の偏波面回転光学装置。 【数１】 【数２】
  7. 【請求項７】ｋ＝２である請求項６記載の偏波面回転光
    学装置。
  8. 【請求項８】第２面と第３面の上に多層光学薄膜を備
    え、前記多層光学薄膜は透明体側から順に第１層から第
    ｋ層までの２層以上の基本光学薄膜を備え、前記基本光
    学薄膜は前記透明体の屈折率をｎ0 、第ｊ層の光学薄膜
    の屈折率をｎj 、膜厚をｄj 、前記第ｊ層の光学薄膜中
    における屈折角をγj 、空気中における所定の波長をλ
    として、 【数３】 【数４】 の条件を満足し、さらに前記基本光学薄膜のうちの１つ
    以上について前記透明体側に屈折率をｎj'、膜厚を
    ｄj'、屈折角をγj'として、 【数５】 の条件を満足する光学薄膜を付加した請求項１から請求
    項４のいずれかに記載の偏波面回転光学装置。
  9. 【請求項９】第ｋ層の光学薄膜の屈折率は透明体の屈折
    率より低い請求項６から請求項８のいずれかに記載の偏
    波面回転光学装置。
  10. 【請求項１０】第ｋ層はフッ化マグネシウムの光学薄膜
    である請求項６から請求項９のいずれかに記載の偏波面
    回転光学装置。
  11. 【請求項１１】一方の面が平面で他方の面に複数の細長
    い微小プリズムを規則的に形成した透明板を備え、前記
    微小プリズムを構成する２つのプリズム面は前記平面に
    対して傾斜角が同一である偏波面回転光学装置。
  12. 【請求項１２】隣接する２つのプリズム面のなす角は直
    角である請求項１１記載の偏波面回転光学装置。
  13. 【請求項１３】プリズム面における反射はいずれも全反
    射である請求項１１または請求項１２記載の偏波面回転
    光学装置。
  14. 【請求項１４】透明板のプリズム面は、型を利用した成
    形加工により作成する請求項１１から請求項１３のいず
    れかに記載の偏波面回転光学装置。
  15. 【請求項１５】透明板の屈折率より低い屈折率を有する
    光学薄膜をプリズム面に着けた請求項１１から請求項１
    ４のいずれかに記載の偏波面回転光学装置。
  16. 【請求項１６】プリズム面の上に透明体側から順に第１
    層から第ｋ層までの２層以上の光学薄膜が積層され、前
    記透明板の屈折率をｎ0 、第ｊ層の光学薄膜の屈折率を
    ｎj 、膜厚をｄj 、前記第ｊ層の光学薄膜中における屈
    折角をγj 、空気中における所定の波長をλとして、次
    の条件を満足する請求項１１から請求項１４のいずれか
    に記載の偏波面回転光学装置。 【数６】 【数７】
  17. 【請求項１７】ｋ＝２である請求項１６記載の偏波面回
    転光学装置。
  18. 【請求項１８】第２面と第３面の上に多層光学薄膜を備
    え、前記多層光学薄膜は透明体側から順に第１層から第
    ｋ層までの２層以上の基本光学薄膜を備え、前記基本光
    学薄膜は前記透明体の屈折率をｎ0 、第ｊ層の光学薄膜
    の屈折率をｎj、膜厚をｄj 、前記第ｊ層の光学薄膜中
    における屈折角をγj 、空気中における所定の波長をλ
    として、 【数８】 【数９】 の条件を満足し、さらに前記基本光学薄膜のうちの１つ
    以上について前記透明体側に屈折率をｎj'、膜厚を
    ｄj'、屈折角をγj'として、 【数１０】 の条件を満足する光学薄膜を付加した請求項１１から請
    求項１４のいずれかに記載の偏波面回転光学装置。
  19. 【請求項１９】第ｋ層の光学薄膜の屈折率は透明体の屈
    折率より低い請求項１６から請求項１８のいずれかに記
    載の偏波面回転光学装置。
  20. 【請求項２０】第ｋ層はフッ化マグネシウムの光学薄膜
    である請求項１６または請求項１９記載の偏波面回転光
    学装置。
  21. 【請求項２１】自然光を光路の異なる第１の直線偏光に
    近い光と第２の直線偏光に近い光に分ける偏光選択性ミ
    ラーと、偏波面回転光学装置とを備え、前記偏波面回転
    光学装置は請求項１から請求項２０のいずれかに記載の
    偏波面回転光学装置であって、前記第１の直線偏光に近
    い光は前記偏波面回転光学装置に入射し、その入射光の
    偏波面の方向が略90°回転し、かつ光線進行方向が前記
    第２の直線偏光に近い光と略平行となるようにした偏光
    変換光学装置。
  22. 【請求項２２】偏光選択性ミラーの入射光軸と出射光軸
    とのなす角は直角である請求項２１記載の偏光変換光学
    装置。
  23. 【請求項２３】偏光選択性ミラーは、２つの三角プリズ
    ムの間にＰ偏光成分の大部分が透過しＳ偏光成分の大部
    分が反射する多層光学薄膜を挟持したものである請求項
    ２１または請求項２２記載の偏光変換光学装置。
  24. 【請求項２４】２つのプリズムは透明シリコーン樹脂を
    用いて接合した請求項２３記載の偏光変換光学装置。
  25. 【請求項２５】偏光選択性ミラーは、２枚の透明板の間
    にＰ偏光成分の大部分が透過しＳ偏光成分の大部分が反
    射する多層光学薄膜を挟持し、前記２つの透明板の外側
    の面に複数の細長い微小プリズムを規則的に形成したも
    のである請求項２１または請求項２２記載の偏光変換光
    学装置。
  26. 【請求項２６】２枚の透明板は透明シリコーン樹脂を用
    いて接合した請求項２５記載の偏光変換光学装置。
  27. 【請求項２７】自然光を光路の異なる２つの直線偏光に
    近い光に分ける２つの偏光選択性ミラーと、２つの偏波
    面回転光学装置とを備え、前記２つの偏光選択性ミラー
    は反射面がＶ字状となるように配置され、前記偏波面回
    転装置は前記偏光選択性ミラーの反射面と略平行に配置
    され、自然光が前記Ｖ字の交差部側から前記２つの偏光
    選択性ミラーに入射して各反射面を透過する第１の偏光
    成分と前記反射面で反射される第２の偏光成分とにそれ
    ぞれ分離され、前記２つの第２の偏光成分はそれぞれ前
    記偏波面回転光学装置に入射してその入射光の偏波面の
    方向が略90°回転しかつ光線進行方向が前記第１の偏光
    成分と略平行となるようにしたものであって、前記偏波
    面回転光学装置は請求項１から請求項２０のいずれかに
    記載の偏波面回転光学装置である偏光変換光学装置。
  28. 【請求項２８】偏光選択性ミラーの入射光軸と出射光軸
    とのなす角は直角である請求項２７記載の偏光変換光学
    装置。
  29. 【請求項２９】偏光選択性ミラーは、２つの三角プリズ
    ムの間にＰ偏光成分の大部分が透過しＳ偏光成分の大部
    分が反射する多層光学薄膜を挟持したものである請求項
    ２７または請求項２８記載の偏光変換光学装置。
  30. 【請求項３０】三角プリズムの屈折率は1.6以上1.8以下
    である請求項２９記載の偏光変換光学装置。
  31. 【請求項３１】２つの三角プリズムは透明シリコーン樹
    脂を用いて接合した請求項２９記載の偏光変換光学装
    置。
  32. 【請求項３２】偏光選択性ミラーは、２枚の透明板の間
    にＰ偏光成分の大部分が透過しＳ偏光成分の大部分が反
    射する多層光学薄膜を挟持し、前記２つの透明板の外側
    の面に複数の細長い微小プリズムを規則的に形成したも
    のである請求項２７または請求項２８記載の偏光変換光
    学装置。
  33. 【請求項３３】透明板の屈折率は1.6以上1.8以下である
    請求項３２記載の偏光変換光学装置。
  34. 【請求項３４】２枚の透明板は透明シリコーン樹脂を用
    いて接合した請求項３２記載の偏光変換光学装置。
  35. 【請求項３５】光源と、前記光源の出射光が入射する偏
    光変換手段とを備え、前記偏光変換手段として請求項２
    １から請求項３４のいずれかに記載の偏光変換光学装置
    を用いた偏光光源装置。
  36. 【請求項３６】光源と、前記光源から出射する自然光が
    入射して直線偏光に近い光を出射する偏光変換手段と、
    前記偏光変換手段の出射光が入射し映像信号に応じて旋
    光性または複屈折性の変化として光学像を形成するライ
    トバルブと、前記ライトバルブからの出射光が入射し前
    記ライトバルブに形成された光学像をスクリーン上に投
    写する投写レンズとを備え、前記偏光変換手段として請
    求項２１から請求項３４のいずれかに記載の偏光変換光
    学装置を用いた投写型表示装置。
  37. 【請求項３７】３原色の色成分を含む光を放射する光源
    と、前記光源から出射する自然光を３つの原色光に分解
    する色分解手段と、前記色分解手段からの３つの出力光
    が入射し映像信号に応じて旋光性または複屈折性の変化
    として光学像を形成する３つのライトバルブと、前記３
    つのライトバルブからの出射光を１つの光に合成する色
    合成手段と、前記色合成手段からの出射光が入射し前記
    ３つのライトバルブに形成された光学像をスクリーン上
    に投写する投写レンズと、自然光を直線偏光に近い光に
    変換する偏光変換手段とを備え、前記偏光変換手段は前
    記色分解手段の入射側または中間に配置され、前記偏光
    変換手段として請求項２１から請求項３４のいずれかに
    記載の偏光変換光学装置を用いた投写型表示装置。
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