(57)【要約】【課題】偏光変換素子の耐熱性を向上させて高輝度の光源の使用を可能とすることで、液晶プロジェクタなどの投影輝度を高くする。【解決手段】複数のプリズム１９１及びプリズム１９２から構成された偏光分離素子の、Ｐ偏光（第１偏光）の出射部となるプリズム１９２の出射面１９２ａに、１／２波長板１９５を設ける。１／２波長板１９５は、例えば短冊状の平行平板であり、出射面１９２ａの全域を覆うように設ける。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光を第１偏光とこの第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光とに分離して各々異なる領域より出射する偏光分離素子と、
この偏光分離素子の前記第１偏光の出射部に配置され、水晶からなり、前記第１偏光を偏光面が９０°異なる前記第２偏光に変換する１／２波長板と
を備えたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
入射面と、この入射面に平行な第１出射面と、前記入射面に対して９０°未満の所定の角度で接するをなして前記入射面から入射する光のうち第１偏光を透過させるとともにこの第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光を反射する偏光分離膜が設けられた偏光分離面と、この偏光分離面により反射された第２偏光を前記出射面方向に反射する反射膜が設けられた反射面とを有する第１プリズムと、
この第１プリズムの第１出射面と連続する第２出射面と、この第２出射面と前記所定の角度をなして前記偏光分離膜に接する第１平面と、この第１平面と平行な第２平面とを有し、前記第１プリズムの前記偏光分離面を透過した前記第１偏光を前記第２出射面から出射させる第２プリズムと、
前記第１出射面もしくは前記第２出射面の何れか一方に設けられ、透過する光の偏光面を９０°変換する水晶からなる１／２波長板と
から構成された複数の光学ユニットからなり、
互いに隣接する２つの光学ユニットは、一方の光学ユニットを構成する前記反射膜と、他方の光学ユニットを構成する前記第２プリズムの前記第２平面とが接している
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項３】
請求項２記載の偏光変換素子において、
前記１／２波長板は、前記第２出射面もしくは前記第１の出射面の何れか一方の全域を覆うように配置されたものである
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項４】
請求項２記載の偏光変換素子において、
複数の前記１／２波長板が、前記第２出射面もしくは前記第１の出射面の何れか一方の上で所定の間隔で配置されている
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項５】
請求項２〜４の何れか１項に記載の偏光変換素子において、
前記偏光分離面は、前記入射面の一端において前記所定の角度をなす平面に対する、前記入射面及び前記第２出射面の投影面であり、
前記反射面は、前記第１出射面の一端において前記所定の角度をなす平面に対する、前記第１出射面の投影面である
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項６】
請求項５記載の偏光変換素子において、
前記所定の角度は、略４５°であることを特徴とする偏光変換素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクタなどに用いられる偏光変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶投影型の液晶プロジェクタでは、液晶表示パネルの画像をスクリーンに投影して表示を行っている。このような液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルでは、液晶のもつ偏光特性を利用して像を形成している。このため、液晶パネルの前後に偏光フィルターを設け、入射する光の特定の偏光方向を透過させるようにしている。従って、液晶プロジェクタに利用される光は、偏光フィルターにより半分程度が遮断されていることになる。
【０００３】
このような光源からの光の無駄を解消するため、図３に示すような、偏光変換素子３０１が開発されている。偏光変換素子３０１は、偏光ビームスプリッタ３０２と反射プリズム部３０３とからなる複数の光学ユニットが配列され、１つ置きの光学ユニットに１／２波長板３０４が設けられた素子である。
偏光変換素子３０１の各々の光学ユニットに入射した光は、偏光ビームスプリッタ３０２によって、互いに直交する２つの直線偏光光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）に分離され、例えば、Ｓ偏光は反射し、Ｐ偏光は直進する。
【０００４】
偏光ビームスプリッタ３０２を反射したＳ偏光は、左隣の光学ユニットの反射プリズム部３０３との界面で再度反射し、１／２波長板３０４の設けられていない箇所よりＳ偏光のまま出射する。一方、偏光ビームスプリッタ３０２を直進したＰ偏光は、右隣の光学ユニット内を直進し、この光学ユニットに設けられている１／２波長板３０４を通過することでＳ偏光に変換されて出射する。
このように、図３に示す偏光変換素子３０１によれば、入射した光のほとんどを、Ｓ偏光にそろえて出射するので、光源からの光を有効に利用することが可能となっている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の偏光変換素子では、１／２波長板が、ポリカーボネイトなどの高分子フィルムから構成されていたので、耐熱性が低く、より高い輝度の光源による高熱に耐えることができないという問題があった。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、偏光変換素子の耐熱性を向上させて高輝度の光源の使用を可能とすることで、液晶プロジェクタなどの投影輝度を高くすることを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る偏光変換素子は、入射する光を第１偏光と偏光面が９０°異なる第２偏光とに分離して各々異なる領域より出射する偏光分離素子と、この偏光分離素子の第１偏光の出射部に配置され、水晶からなり、第１偏光を偏光面が９０°異なる第２偏光に変換する１／２波長板とを備えたものである。
この偏光変換素子では、偏光分離素子で分離された第２偏光は、第２偏光のまま出射し、偏光分離素子で分離された第１偏光は、水晶からなる１／２波長板を透過して第２偏光とされて出射する。
【０００７】
また、本発明に係る偏光変換素子は、入射面と、この入射面に平行な第１出射面と、入射面に対して９０°未満の所定の角度で接するをなして入射面から入射する光のうち第１偏光を透過させるとともにこの第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光を反射する偏光分離膜が設けられた偏光分離面と、この偏光分離面により反射された第２偏光を出射面方向に反射する反射膜が設けられた反射面とを有する第１プリズムと、この第１プリズムの第１出射面と連続する第２出射面と、この第２出射面と所定の角度をなして偏光分離膜に接する第１平面と、この第１平面と平行な第２平面とを有し、第１プリズムの偏光分離面を透過した第１偏光を第２出射面から出射させる第２プリズムと、第１出射面もしくは第２出射面の何れか一方に設けられ、透過する光の偏光面を９０°変換する水晶からなる１／２波長板とから構成された複数の光学ユニットからなり、互いに隣接する２つの光学ユニットは、一方の光学ユニットを構成する反射膜と、他方の光学ユニットを構成する第２プリズムの第２平面とが接しているものである。
この偏光変換素子では、偏光分離膜を反射した第２偏光は、反射膜を反射して第１出射面より第２偏光のまま出射し、偏光分離膜を透過した第１偏光は、水晶からなる１／２波長板を透過して第２偏光とされて出射する。
【０００８】
上記偏光変換素子において、１／２波長板は、第２出射面もしくは第１出射面の何れか一方の全域を覆うように配置されていてもよく、複数の１／２波長板が、第２出射面もしくは第１出射面の何れか一方の上で所定の間隔で配置されていてもよい。
また、上記偏光変換素子において、偏光分離面は、入射面の一端において所定の角度をなす平面に対する、入射面及び第２出射面の投影面であればよく、反射面は、第１出射面の一端に所定の角度をなす平面に対する、第１出射面の投影面であればよい。また、所定の角度は、略４５°であればよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。
図１は、本発明の実施の形態における偏光変換素子１０９、及び偏光変換素子１０９を用いた液晶プロジェクタの構成例を概略的に示す模式的な断面図である。
本実施の形態における偏光変換素子１０９は、ガラスなどの透明材料からなるプリズム（第１プリズム）１９１，プリズム（第２プリズム）１９２と、プリズム１９１とプリズム１９２とに挟まれるように配置された偏光分離膜１９３と、この偏光分離膜１９３が設けられたプリズム１９１の面に平行な対向面に設けられた反射膜１９４と、プリズム１９２に設けられた１／２波長板１９５とから構成された複数の光学ユニットが配列されたものである。
【００１０】
プリズム１９１は、集光された光が入射する入射面１９１ａと、入射面１９１ａに対して例えば４５°の角度で入射面１９１ａの一端に接する偏光分離面１９１ｂと、入射面１９１ａの他端に接して偏光分離面１９１ｂに平行な反射面１９１ｃと、反射面１９１ｃに４５°で配置されかつ入射面１９１ａに平行に配置され、加えて、反射面１９１ｃ及び偏光分離面１９１ｂと接して配置された出射面（第１出射面）１９１ｄとの４つの矩形面から構成されている。なお、ここでは、例えば、プリズム１９１の外側を構成している面の中で、光が入射する面を入射面１９１ａと定義する。
【００１１】
また、偏光分離面１９１ｂに偏光分離膜１９３が設けられ、反射面１９１ｃに反射膜１９４が設けられている。偏光分離膜１９３は、ここに入射する光のうち第１偏光を透過させるとともにこの第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光を反射するものであり、例えば、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過するものである。また、反射膜は１９４、光を反射するものであるが、以降に説明するように、反射膜１９４に到達する光は、偏光分離膜１９３を反射してきた偏光であり、反射膜１９４に偏光分離膜を用いるようにしても良いことはいうまでもない。
【００１２】
偏光分離面１９１ｂは、偏光分離面１９１ｂを含む平面に対する入射面１９１ａの投影面となっており、反射面１９１ｃは、反射面１９１ｃを含む平面に対する出射面１９１ｄの投影面となっている。また、プリズム１９１の断面を見ると、図１（ａ），（ｂ）に示すように、平行四辺形となっている。従って、プリズム１９１は、底面を平行四辺形とする柱状の構造体である。なお、図１（ａ）は、偏光変換素子１０９の部分的な拡大図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）を更に拡大した偏光変換素子１０９の基本構成を示す拡大図である。
【００１３】
一方、プリズム１９２は、まず、プリズム１９１の入射面１９１ａに平行に配置され、偏光分離面１９１ｂに対して例えば４５°で配置され、かつ偏光分離面１９１ｂの端部を介して出射面１９１ｄに連続して配置された出射面１９２ａを備えている。また、プリズム１９２は、偏光分離膜１９３を偏光分離面１９１ｂとで挟むように配置され、かつ出射面１９２ａの一端に接して配置された平面（第１平面）１９２ｂと、偏光分離面１９１ｂ及び平面１９２ｂと平行に配置され、かつ出射面１９２ａの他端に接して配置された平面（第２平面）１９２ｃとを備えている。各面は、矩形となっている。
【００１４】
加えて、プリズム１９２の出射面１９２ａ上には、水晶からなる１／２波長板１９５が設けられている。１／２波長板１９５は、例えば短冊状の平行平板であり、出射面１９２ａの全域を覆うように設けられている。
ここで、プリズム１９２においても、平面１９２ｂは、平面１９２ｂを含む平面における、出射面１９２ａの投影面となっている。なお、プリズム１９２にも、プリズム１９１の入射面１９１ａに対応する面を備え、プリズム１９２の断面を見ると、図１（ａ），（ｂ）に示すように、平行四辺形となっている。従って、プリズム１９２も、底面を平行四辺形とする柱状の構造体である。
【００１５】
図１の偏光変換素子１０９によれば、集光レンズを一定の周期で配列したレンズアレイ１０８により各々のプリズム１９１の入射面１９１ａに入射した光は、偏光分離面１９１ｂに設けられた偏光分離膜１９３よって、直交する２つの直線偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）に分離され、Ｓ偏光は反射し、Ｐ偏光は直進する。
偏光分離膜１９３を反射したＳ偏光は、プリズム１９１の反射面１９１ｃに設けられた反射膜１９４で再度反射し、１／２波長板１９５の設けられていないプリズム１９１の出射面１９１ｄよりＳ偏光のまま出射する。
【００１６】
一方、偏光分離膜１９３を直進（透過）したＰ偏光は、プリズム１９２内を直進して出射面１９２ａより出射し、出射面１９２ａに設けられている１／２波長板１９５を通過することでＳ偏光に変換されて出射する。
従って、本実施の形態の偏光変換素子は、複数のプリズム１９１及びプリズム１９２から構成された偏光分離素子の、Ｐ偏光（第１偏光）の出射部となるプリズム１９２の出射面１９２ａに、１／２波長板１９５を設けるようにしたものである。
なお、１／２波長板１９５は、出射面１９２ａ上ではなく、出射面１９１ｄ上に配置するようにしてもよい。また、反射膜１９４として、偏光分離膜を用いるようにしてもよい。
【００１７】
このように、図１（ａ），（ｂ）に示す偏光変換素子１０９によれば、入射した光のほとんどを、Ｓ偏光にそろえて出射するので、光源からの光を有効に利用することが可能となっている。また、１／２波長板１９５は、水晶から構成されているので、高熱に耐えることが可能となっている。偏光変換素子の１／２波長板以外の部分は、例えばガラスなどの耐熱性の高い材料から構成されているので、１／２波長板を水晶から構成することで、偏光変換素子の全体的な耐熱性を向上させることができるようになる。
【００１８】
ここで、上述した偏光変換素子１０９が用いられる液晶プロジェクタについて説明する。図１（ｃ）に示す液晶プロジェクタは、光源１００から出射され、レンズアレイ１０８及び上述した偏光変換素子１０９を通して偏光がそろえられた光を、色分解するダイクロイックミラー１０２，１１２，１２２と、Ｒ液晶表示パネル１０１，Ｇ液晶表示パネル１１１，Ｂ液晶表示パネル１２１と、Ｘプリズム１０３と、偏光板１０４，１１４，１２４と、例えば水晶などの複屈折を有する結晶からなる放熱板１０５，１１５，１２５と、波長フィルム１０６，１２６と、全反射ミラー１０７，１１７とを備えている。なお、偏光変換素子１０９の出射側や各液晶パネルの入射側など、所望の箇所にコンデンサーレンズを設けるようにしてもよい。
【００１９】
例えば、ダイクロイックミラー１０２は、光源からの光のうち、赤（Ｒ）成分の光を反射し、これを全反射ミラー１０７を介してＲ液晶表示パネル１０１に入射させる。Ｒ液晶表示パネル１０１に入射してくる光は、まず、一方の偏光板１０４を通り、また、波長フィルム１０６を通り、一方の放熱板１０５を通過してくる。このようにしてＲ液晶表示パネル１０１に入射した光は、Ｒ液晶表示パネル１０１に表示される画像に応じて部分的に偏光方向が回転されてＲ液晶表示パネル１０１から出射し、他方の放熱板１０５を介して他方の偏光板１０４を通過していく。
【００２０】
また、ダイクロイックミラー１１２では、緑（Ｇ）成分の光を反射し、これをＧ液晶表示パネル１１１に入射させ、ダイクロイックミラー１２２は、青（Ｂ）成分の光を反射し、これを全反射ミラー１１７を介してＢ液晶表示パネル１２１に入射させる。また、上述と同様に、各光は、偏光板１１４，１２４及び放熱板１１５，１２５を通過し、Ｇ液晶表示パネル１１１，Ｂ液晶表示パネル１２１を通過し、Ｒ液晶表示パネル１０１を通過した光とともに、Ｘプリズム１０３で合成される。なお、Ｇ液晶表示パネル１１１においては、波長板は用いない。なお、全ての液晶表示パネルに波長板を用いるようにする場合もあり、３つの内１つにだけに波長板を用いるようにする場合もある。
【００２１】
なお、上述では、図２（ａ）に示すように、１／２波長板１９５は、例えば短冊状の平行平板であり、出射面１９２ａの全域を覆うように設けたが、これに限るものではない。例えば、図２（ｂ）に示すように、例えば、平面視正方形の平行平板状の水晶からな複数の１／２波長板１９５ａが、出射面１９２ａに所定の間隔で配置されているようにしてもよい。
【００２２】
プリズム１９１に入射する光は、レンズアレイなどにより、プリズム１９１の幅以下の径の複数のスポット光とされ、プリズム１９１にのみ入射するようにされている。この場合、プリズム１９２を出射する光は、プリズム１９２の出射面１９２ａの全域から出射するわけではなく、所定の間隔で部分的に出射する。従って、この出射位置に合わせて１／２波長板１９５ａを配置すれば、出射面１９２ａを出射する偏光を偏光面が９０°異なる偏光とすることができる。
【００２３】
ところで、上述では、偏光分離膜を挟む２つのプリズムからなる複数の光学ユニットで偏光分離素子を構成するようにしたが、これに限るものではなく、例えば、所定の厚さの方解石などの複屈折結晶板から偏光分離素子を構成するようにしてもよい。方解石などの複屈折結晶板は、入射した光を偏光面が９０°異なる常光と異常光とに分離するので、図１（ａ），（ｂ）に示したプリズム１９１とプリズム１９２からなる複数の光学ユニットからなる偏光分離素子と同様の効果が得られる。この場合、複屈折結晶板の一方の偏光の出射部に、水晶からなり、偏光面が９０°異なる偏光に変換する１／２波長板を配置するようにすればよい。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、偏光分離素子により偏光面が９０°異なる第１及び第２偏光に分離された２つの偏光のうち、第１偏光が出射する箇所に水晶からなる１／２波長板を設けるようにした。この結果、本発明によれば、ポリカーボネイトなどから構成された従来の１／２波長板を用いた場合に比較し、１／２波長板の耐熱性が向上している。偏光変換素子の１／２波長板以外の部分は、例えばガラスなどの耐熱性の高い材料から構成されているので、本発明によれば、偏光変換素子の耐熱性を向上させて高輝度の光源の使用を可能とし、液晶プロジェクタなどの投影輝度を高くすることができるという優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における偏光変換素子の構成例、及びこの偏光変換素子を用いた液晶プロジェクタの構成例を示す模式的な断面図である。
【図２】偏光変換素子の構成例を示す斜視図である。
【図３】偏光変換素子の偏光作用を説明するための説明図である。
【符号の説明】
１００…光源、１０１…Ｒ液晶表示パネル、１０２，１１２，１２２…ダイクロイックミラー、１０３…Ｘプリズム、１０４，１１４，１２４…偏光板、１０５，１１５，１２５…放熱板、１０６，１１６…波長フィルム、１０７，１１７…全反射ミラー、１０８…レンズアレイ、１０９…偏光変換素子、１１１…Ｇ液晶表示パネル、１２１…Ｒ液晶表示パネル、１９１…プリズム（第１部分）、１９１ａ…入射面、１９１ｂ…偏光分離面、１９１ｃ…反射面、１９１ｄ…出射面（第１出射面）、１９２…プリズム（第２部分）、１９２ａ…出射面、１９２ｂ…平面（第１平面）、１９２ｃ…平面（第２平面）、１９３…偏光分離膜、１９４…反射膜、１９５…１／２波長板。
【図１】
2004093675.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004093675.tif 000005