(57)【要約】【課題】照明光の偏光方向を制御することができる分布型偏光子を提供すること、また、分布型偏光子を用いることにより、高輝度化、若しくは高コントラスト化、またはその両方を図ることができる投射型液晶表示装置を提供すること。【解決手段】分布型偏光子４は、第１の透過軸方向を有する第１の領域と、第１の透過軸方向と異なる第２の透過軸方向を有する第２の領域と、第１、第２の透過軸方向のいずれとも異なる第３の透過軸方向を有する第３の領域とを少なくとも有する。投射型液晶表示装置は照明系の瞳位置に分布型偏光子４が設けられる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の透過軸方向を有する第１の領域と、
前記第１の透過軸方向と異なる第２の透過軸方向を有する第２の領域と、
前記第１、第２の透過軸方向のいずれとも異なる第３の透過軸方向を有する第３の領域とを少なくとも有することを特徴とする分布型偏光子。
【請求項２】
前記第１の透過軸方向に対して前記第２の透過軸方向が所定の方向に２度から１４度傾いて設けられており、
前記第１の透過軸方向に対して前記第３の透過軸方向が前記所定の方向と異なる方向に２度から１４度傾けられて設けられている、
ことを特徴とする請求項１記載の分布型偏光子。
【請求項３】
光源と、
前記光源からの光を反射型液晶素子に照明する照明光学系と、
前記照明光学系から入射される光を偏光させるとともに前記反射型液晶素子にて変調された変調光を検光する偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタで偏光された光を変調する反射型液晶素子と、
前記偏光ビームスプリッタで検光された光を投射する投射レンズと、
前記照明光学系の瞳位置に配置される請求項１または請求項２記載の分布型偏光子と、
を有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項４】
前記偏光ビームスプリッタは、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタであることを特徴とする請求項３記載の投射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分布型偏光子およびそれを用いた投射型液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
透過型液晶表示素子を用いたプロジェクタでは、液晶表示素子に偏光を供給するための偏光子および液晶表示素子で変調された偏光成分を検光する検光子とが液晶表示素子の入口および出口に設けられているのが一般的である。また、反射型液晶表示素子を用いたプロジェクタでは、液晶表示素子に偏光を供給するための偏光子および液晶表示素子で変調された偏光成分を検光する検光子の役割を兼ねている偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が液晶表示素素子の近傍に設けられているのが一般的である。これら液晶表示素子を用いた投射型表示装置のコントラストを向上させる手法として、液晶表示素子近傍に設けられる偏光子、検光子、ＰＢＳの他に、照明光学系の光路に偏光子を付加的に配置してコントラストの向上を図ることが行われている。
【０００３】
特許文献１、特許文献２では、反射型プロジェクタについて、高いコントラストを実現するため照明光学系の部品である偏光変換素子とＰＢＳとの間に偏光子の作用をするワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタを偏光子として追加して配置する構成が開示されてる。また、特許文献３では、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタをＰＢＳとして使用した反射型プロジェクタが提案されており、その中で、追加された偏光子を回転することで、コントラスト若しくは光の効率、またはその両方を最適化できることが開示されている。これらの特許文献において開示されている偏光子は、偏光軸が面内で同一方向であることを前提としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１９５２２１号公報
【特許文献２】特開２００８−２７５９０９号公報
【特許文献３】特開２００４−４６１５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１〜３に開示されているように、反射型プロジェクタにおいて、従来の偏光子の特性は板状の面内において一様な偏光特性を有している。ところが、照明光学系は基本的に非テレセントリックな光学系であり、光軸に平行な光だけが存在するわけではないことから、偏光特性が面内で一様な偏光子を照明光学系に追加に設置しても、画面コントラストを全領域で最適化するには限界があった。反射型液晶プロジェクタにおいて、照明光学系に追加設置された偏光子から射出してワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタの境界面のそれぞれの場所に入射する偏光の偏光方向は、すべての境界面においてワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタの偏光軸に一致させることはできなかった。
【０００６】
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、照明光の偏光方向を制御することができる分布型偏光子を提供することを目的とする。また、分布型偏光子を用いることにより、高輝度化、若しくは高コントラスト化、またはその両方を図ることができる液晶表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、第１の透過軸方向を有する第１の領域と、前記第１の透過軸方向と異なる第２の透過軸方向を有する第２の領域と、前記第１、第２の透過軸方向のいずれとも異なる第３の透過軸方向を有する第３の領域とを少なくとも有することを特徴とする分布型偏光子（４）を提供する。
【０００８】
上記の構成において、前記第１の透過軸方向に対して前記第２の透過軸方向が所定の方向に２度から１４度傾いて設けられており、前記第１の透過軸方向に対して前記第３の透過軸方向が前記所定の方向と異なる方向に２度から１４度傾けられて設けられていることが好ましい。
【０００９】
また、光源（１ａ）と、前記光源からの光を反射型液晶素子（１２）に照明する照明光学系と、照明光学系から入射される光を偏光させるとともに前記反射型液晶素子にて変調された変調光を検光する偏光ビームスプリッタ（１０）と、前記偏光ビームスプリッタで偏光された光を変調する反射型液晶素子（１２）と、前記偏光ビームスプリッタで検光された光を投射する投射レンズ（１５）と、前記照明光学系の瞳位置に配置される上記構成の分布型偏光子（４、４０）と、を有することを特徴とする投射型液晶表示装置を提供する。
【００１０】
上記の投射型液晶表示装置において、前記偏光ビームスプリッタは、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタであることが好ましい
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る分布型偏光子によれば、照明光の偏光方向を制御することができる。また、投射型液晶表示装置に分布型偏光子を用いることにより、高輝度化、若しくは高コントラスト化、またはその両方を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る投射型表示装置の構成図である。
【図２】従来の偏光子の透過軸を示す図である。
【図３】本発明の第１の実施形態での偏光子の透過軸を示す図である。
【図４】偏光子４を透過した光がＷＧ−ＰＢＳ１０、反射型液晶素子１２に向かい、反射型液晶素子１２で反射されて検光子１３に向かう光路を示す。
【図５】従来の偏光子を瞳位置に設けた場合の、偏光子を透過した光の偏光方向を示した図である。
【図６】第１の実施形態での分布型偏光子４を瞳位置に設けた場合の、偏光子を透過した光の偏光方向を示した図である。
【図７】ＷＧ−ＰＢＳ１０に、或る角度で入射する偏光の偏光方向と、ＷＧ−ＰＢＳ１０の透過軸方向との関係を例示した図である。
【図８】偏光子の透過軸の角度を説明するための図である。
【図９】アジマス角０度、９０度、１８０度、２７０度の光について、偏光子の透過軸をθ度回転させた場合の利用効率を示す図である。
【図１０】アジマス角０度、９０度、１８０度、２７０度の光について、偏光子の透過軸をθ度回転させた場合のコントラストを示す図である。
【図１１】反射型液晶素子１２を示す図である。
【図１２】第２の実施形態での分布型偏光子および分布型偏光子を瞳位置に設けた場合の、偏光子を透過した光の偏光方向を示した図である。
【図１３】第３の実施形態での偏光子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る投射型表示装置の実施形態について、添付図面を参照して説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
図１は本発明の第１の実施形態に係る投射型表示装置の構成図である。光源１ａは超高圧水銀ランプであり、白色光を発する。リフレクタ１ｂは光源から射出した光を反射する。光源からの直接光およびリフレクタで反射された反射光は、第１のインテグレータ２ａ及び第２のインテグレータ２ｂにより光の輝度分布を均一化されたあと、偏光変換素子３により、光の偏光方向が一方向に揃えられる。揃えられた偏光をＰ偏光とする。
【００１５】
偏光変換素子３を射出したＰ偏光は、分布型偏光子４、重ね合わせレンズ５を透過してＹダイクロイックミラー６ａ、Ｂダイクロイックミラー６ｂにより、赤色光と緑色光の混合光と青色光に分離される。赤色光と緑色光の混合光，青色光はミラー７ａ、７ｂによりその光路が曲げられる。赤色光と緑色光の混合光はＧダイクロイックミラー８により、赤色光と緑色光に分離され、緑色光は光路が曲げられる。それぞれ別々の光路を進む赤色光，緑色光，青色光は，それぞれ、フィールドレンズ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ（以下、ＷＧ−ＰＢＳと称する）１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、補償器１１a、１１ｂ、１１ｃを透過した後、赤色光は赤色用反射型液晶素子１２ａに、緑色光は緑色用反射型液晶素子１２ｂに、青色光は青色用反射型液晶素子１２ｃに入射する。
【００１６】
各色用の反射型液晶素子１２ａ、１２ｂ、１２ｃは各色の入射光を反射・変調する。反射・変調された赤色光、緑色光は、再度補償器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを透過した後、変調されたＳ偏光成分がＷＧ−ＰＢＳ１０ａ、１０ｂ、１０ｃで反射される。反射した赤色光，緑色光，青色光のＳ偏光成分は検光子１３ａ、１３ｂ、１３ｃを透過して、クロスダイクロイックプリズム１４にて合成され、投射レンズ１５にて投射される。
【００１７】
図１１は反射型液晶素子１２を示す図である。反射型液晶素子１２のセルギャップは、１．３μｍ、アスペクトは１６：９である。反射型液晶素子１２は、表面に透明電極を形成した透明基板と、画素毎の反射電極と駆動回路をマトリクス状に配置したアクティブマトリクス基板とを、透明電極と反射電極とが向き合うように互いに対向して配置させて、その隙間に誘電異方性が負であるネマティック液晶を挟持させたものである。透明基板とアクティブマトリクス基板における液晶層側の各表面には蒸着表面処理方法によりＳｉＯｘ化合物の配向膜が施されている。ＳｉＯｘ化合物の配向膜による画素側（アクティブマトリクス基板側）液晶の配向方向とＳｉＯｘ化合物の配向膜による入射側液晶配向方向（透明基板側液晶の配向方向）は１２０度異なっている。約１２０度の角度はツイスト角度と呼ばれる。画素側液晶の配向方向と入射側液晶配向方向の間の方向の方向であって、画素側液晶の配向方向と入射側液晶配向方向から等しい角度にある角度の方向を基準軸と称する。基準軸は入射光の偏光方向と４５度に設定される。
【００１８】
分布型偏光子４は、照明光学系の瞳位置近傍に配置する。図１に示す光学系では、偏光変換素子３と重ね合わせレンズ５の間が瞳位置となるので、偏光変換素子３と重ね合わせレンズ５の間に分布型偏光子４が設けられている。ここで、照明光学系とは表示素子を照明するための光学系であって、本実施形態においては、光源、第１のインテグレータ２ａ、第２のインテグレータ２ｂ、偏光変換素子３、重ね合わせレンズ５、フィールドレンズ１０ａ、１０ｂ、１０ｃからなる光学系であり、反射型液晶素子を照明する。図３は第１の実施形態における分布型偏光子４を示す図である。従来は、図２ に示すように、透過軸の方向が面内で均一である偏光子を使用していた。それに対し、図３に示す第１の実施形態の偏光子は領域が３つに分割され、領域ごとに透過軸の方向が変えられている。偏光子の特性をこのようにすることで、分布型偏光子４を透過した光線の偏光方向を、ＷＧ−ＰＢＳ１０ａ、１０ｂ、１０ｃに最適な偏光方向に揃えることができる。その詳細は後述する。
【００１９】
図４は、偏光子４を透過した光がＷＧ−ＰＢＳ１０、反射型液晶素子１２に向かい、反射型液晶素子１２で反射されて検光子１３に向かう光路を示す。偏光子４から出た光はＷＧ−ＰＢＳ１０に向かう。なお、図４において、偏光子４からＷＧ−ＰＢＳ１０の間に存在するミラー、ダイクロイックミラー等の記載は省略されている。ＷＧ−ＰＢＳ１０はガラス基板上に金属をグリッド形状に形成されたワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタであり、光軸に対して４５度傾斜させて設けられている。すなわち、ＷＧ−ＰＢＳ１０の法線ベクトルと光軸のなす角度は４５度である。ワイヤーグリッドの方向と直交する方向が偏光を透過させる透過軸方向である。ＷＧ−ＰＢＳ１０は入射光から偏光させる偏光子としての役割と反射型液晶素子にて変調された変調光を検光する役割を果たす。偏光子４、ＷＧ−ＰＢＳ９を透過した光は反射型液晶素子１２に入射する。
【００２０】
照明系の光源１ａが有限な大きさの発光部を有していることに起因して、照明系中のある場所に入射する光線は、有限の角度分布を持つ。有限の角度分布を持つ光線は、主光線を中心とした多数の円錐状光束からなると表現されるのが通常である。そこで、ＷＧ−ＰＢＳ９へ入射する光について、主光線のまわりの円錐状光束のポーラ角、アジマス角を図４のように定義する。ポーラ角は光の広がり具合を示すもので、主光線からポーラ角に張られた円錐状の光が存在することを示している。ポーラ角はコーンアングル(円錐角)とも称される。
【００２１】
そのような有限の角度分布を持つ光の個々の光に着目すると、「ポーラ角、アジマス角で定義される角度の光」がどのような方向の偏光方向を有しているかは偏光子４を透過することにより決定される。そして、それら各角度を有する偏光の方向とワイヤーグリットの透過軸方向の関係により、ＷＧ−ＰＢＳに入射する際の透過率や消光比が決定される。これらの個々の光に対する透過率や消光比が総合された結果として、反射型プロジェクタのコントラストと輝度が決定される。すなわち、各角度を有する光の偏光の方向とワイヤーグリットの透過軸方向との位置関係が反射型プロジェクタのコントラストと輝度に対する支配的要因となる。
【００２２】
さて、瞳位置に配置された偏光子４の面上で光軸から所定の距離離れて入射して透過する光は、光軸からの距離に対応したポーラ角、アジマス角を有した状態にてＷＧ−ＰＢＳ１０に入射する。換言すると、あるポーラ角、アジマス角でＷＧ−ＰＢＳ１０に入射する光は、偏光子４のこの点を透過する、というように偏光子２の面内位置とＷＧ−ＰＢＳ１０の入射角（ポーラ角、アジマス角）の対応がとれる。そこで、瞳位置に配置された分布型偏光子４の面内において、一定領域ごとに偏光軸方向を異なる方向に指定すれば、分布型偏光子４の一定領域を透過してＷＧ−ＰＢＳ１０に入射する光は、対応する異なる偏光方向に設定できる結果となる。
【００２３】
以上の要領にて、所定のポーラ角、アジマス角を有する光の偏光の方向とワイヤーグリットの透過軸方向との位置関係を制御し、反射型プロジェクタのコントラストと輝度を最適化することができる。以下、具体的に説明する。
【００２４】
図５は、図２に示す従来の偏光子４２を瞳位置に設けた場合の、偏光子４２を透過した光の偏光方向を示した図である。アジマス方向が０度、９０度、１８０度、２７０度である光があるとき、従来の偏光子４２を透過した光の偏光方向は全角度とも同一の方向である。偏光子の偏光方向が面内で一様であるからである。図７は、ＷＧ−ＰＢＳ１０に、或る角度で入射する偏光の偏光方向と、ＷＧ−ＰＢＳ１０の透過軸方向との関係を例示した図である。図７では、入射光の角度が「ポーラ角１０度、アジマス角０度」の場合と、入射光の角度が「ポーラ角１０度、アジマス角９０度」である場合を例示している。このとき図７に示すように、アジマス角０度、１８０度の光についての光の偏光方向はＷＧ−ＰＢＳの透過軸方向と一致する。その結果、アジマス角０度、１８０度の光についてのコントラスト、効率はともに最大となる。一方、アジマス角９０度と２７０度の光については、光の偏光方向が、ＷＧ−ＰＢＳの透過軸方向と一致しない。その結果、アジマス角９０度と２７０度の光についてはコントラスト、効率とも最大値にはならない。
【００２５】
図６は、第１の実施形態での分布型偏光子４を瞳位置に設けた場合の、偏光子４を透過した光の偏光方向を示した図である。アジマス角０度、１８０度の光に対応する部分は、従来の偏光子４２と同じであって、アジマス角０度、１８０度の光についてのコントラスト、効率はとも最大となる。一方、アジマス角９０度と２７０度の光について、光の偏光方向をＷＧ−ＰＢＳの透過軸方向と一致させるため、９０度、２７０度の光に対応した偏光子の面内部分の透過軸が図６に示すように変えられている。その結果、アジマス角９０度、２７０度の光の偏光方向をもＷＧ−ＰＢＳの透過軸方向と一致させることができる。結果的に、全ての光に対してコントラスト、効率が最大値となる。ここで、図６の分布型偏光子４の中央の領域を第１の領域、その角度を第１の透過軸方向と称する。所定の方向が図８におけるθが正の方向とおくと、左側の領域を第２の領域、第２の領域における透過軸方向を第２の透過軸方向、右側の領域を第３の領域、第３の領域における透過軸方向を第３の透過軸方向と称される。
【００２６】
次に、図４の設定においてコントラストおよび効率について数値計算を行った結果を示す。図９は、アジマス角０度、９０度、１８０度、２７０度の光について、偏光子の透過軸をθ度回転させた場合の効率を示す図である。偏光子の透過軸の角度は図８に示す。図１０は、アジマス角０度、９０度、１８０度、２７０度の光について、偏光子の透過軸をθ度回転させた場合のコントラストを示す図である。
【００２７】
アジマス角０度および１８０度の光については、偏光子の透過軸がの傾きθが０度の場合において効率、コントラストともに最大となる。一方、アジマス角９０度の光に着目すると、図９より、θ=４度で効率最大、図１０よりθ=８度でコントラスト最大となることが判る。アジマス角２７０度の光に着目すると、図９より、θ=−４度で効率最大、図１０よりθ=−８度でコントラスト最大となることが判る。アジマス角９０度の光について、θ＝８度でも効率は４度から殆ど低下せず、また、θ＝１４度の効率はθ＝０度の効率に対して１〜２％の低下にとどまる。アジマス角２７０度の光について、θ＝−８度でも効率は−４度からほとんど低下せず、θ＝１４度の効率はθ＝０度の効率に対して１〜２％の低下にとどまる。
【００２８】
そこで図３および図６に示す第１の実施形態における分布型偏光子４は、中央領域では偏光子の透過軸をθ＝０度に設定し、左右の領域の透過軸の方向は中央の領域の透過軸に対して８度傾けて設定している。コントラストに着目した場合には、左右の領域の偏光子透過軸の角度の絶対値を２〜１４度の範囲に設定すればコントラストを向上させることができる。効率も向上させたい場合には、左右の領域の偏光子透過軸の角度の絶対値を２度〜６度程度に設定すればよいことがわかる。以上のように、偏光子の透過軸の角度を所定の状態に設定することにより、効率、コントラストの最適化、または両方のバランスをとることが可能である。
【００２９】
分布型偏光子は、透過軸を変えた短冊状の偏光板を３枚ガラス基板に貼り合わせることで製作することができる。また、３部品を枠で保持するようにしてもよい。
【００３０】
＜第２の実施の形態＞
図１２は、第２の実施形態での分布型偏光子４０および分布型偏光子を瞳位置に設けた場合の、偏光子を透過した光の偏光方向を示した図である。第２の実施形態では、図１２に示すように偏光子４０の領域を９分割する。図１２の上の図において、中央列の３領域では偏光透過軸の方向は一致させる。図１２の上の図において、左側の３領域および右側の３領域では面内毎に偏光透過軸の方向を変える。そうすることで、分布型偏光板を透過した以降の光線の偏光方向を、ＷＧ−ＰＢＳ１０ａ、１０ｂ、１０ｃに対しより最適化することが可能となる。一般化して表現すると、３以上の領域を有する分布型偏光子（４０）であって、第１の領域は第１の透過軸方向を有し、第１の透過軸方向に対して所定の方向に透過軸が最も傾いて設けられている領域の透過軸の傾き角度が２〜１４度であり、所定の方向と逆の方向に透過軸が最も傾いて設けられている領域の透過軸の傾き角度が２〜１４度であることを特徴とする分布型偏光子（４０）である。第１の領域は傾き角θが０度である中央列の３領域のいずれか１つである。所定の方向が図８におけるθが正の方向とおくと、第２の領域は図１２における左列中段の領域となり、第３の領域は図１２における右側中段の領域となる。
【００３１】
＜第３の実施の形態＞
図１３は、第３の実施形態での分布型偏光子を示す図である。第３の実施形態では、図１３に示すように、透過軸が面内均一である偏光子４０の直後に、１／２波長板４１を配置し、その遅相軸方向を面内の領域ごとに変える。等価的に領域ごとに偏光透過軸の方向が異なった分布型偏光子を作成することができる。図１３では説明の都合上、偏光子４０と１／２波長板４１とは離して作図されているが、実際の製作時は、偏光板４０と１／２波長板４１を機械的保持あるいは接着等により実質的に一体化させる。あるいは、両部品を所定の位置を保って光学系に実装してもよい。第３の実施形態での１／２波長板の分割数は３以上であればよい。
【００３２】
以上の実施形態では、入射光から偏光を透過させる偏光子としての役割と反射型液晶素子にて変調された変調光を検光する役割を果たすものとして、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ（ＷＧ−ＰＢＳ）を例示して説明したが、ガラスプリズムの間偏光分離膜が形成されているタイプの偏光ビームスプリッタを用いることもできる。また、分布型偏光子４、４０、４１の設置位置は照明系の瞳位置すなわち、偏光変換素子３と重ね合わせレンズ５の間に設置することが最もよい。重ね合わせレンズ５の後に設置してもよい。本願では、瞳位置には重ね合わせレンズ５の後の位置を含むものとする。
【符号の説明】
【００３３】
１ａ 光源ランプ、１ｂ  リフレクタ
２ａ  第１インテグレータ、２ｂ  第２インテグレータ、
３  偏光変換素子
４、４０、４１  分布型偏光子、４２  偏光子、４３  １／２波長板
５  重ね合わせレンズ
６ａ  Ｙダイクロイックミラー、６ｂ  Ｂダイクロイックミラー
７ａ、７ｂ  ミラー
８  Ｇダイクロイックミラー
９ａ  赤色用フィールドレンズ、９ｂ  緑色用フィールドレンズ、
９ｃ  青色用フィールドレンズ、
１０ａ  赤色用ＷＧ−ＰＢＳ、１０ｂ  緑色用ＷＧ−ＰＢＳ、
１０ｃ  青色用ＷＧ−ＰＢＳ、
１１ａ  赤色用補償器、１１ｂ  緑色用補償器、
１１ｃ  青色用補償器、
１２ａ  赤色用反射型液晶素子、１２ｂ  緑色用反射型液晶素子、
１２ｃ  青色用反射型液晶素子、
１３ａ  赤色用検光子、１３ｂ  緑色用検光子、１３ｃ  青色用検光子、
１４  クロスダイクロイックプリズム、
１５  投射レンズ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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