JP2002372626A

JP2002372626A - 偏光変換素子とそれを用いた表示装置

Info

Publication number: JP2002372626A
Application number: JP2001181134A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ishihara; 淳石原; Yasumasa Sawai; 靖昌澤井
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-06-15
Filing date: 2001-06-15
Publication date: 2002-12-26

Abstract

(57)【要約】【課題】製造容易で安価な偏光変換素子、光利用効率
の高い照明光学系、及び表示画像の明るい表示装置を提
供する。【解決手段】第１直線偏光(L1)を入射させる第１領域
と、第１直線偏光(L1)とは偏光状態の異なる第２直線偏
光(L2)を入射させる第２領域とを有する。第１領域は光
学的に等方な透明樹脂(1)から成り、第２領域はツイス
トしたネマチック液晶(2)から成る。第１領域では第１
直線偏光(L1)の偏光状態を変化させず、第２領域では第
２直線偏光(L2)の偏光状態を第１直線偏光(L1)と同じ偏
光状態に変化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は偏光変換素子とそれ
を用いた表示装置に関するものであり、更に詳しくは、
ランダム偏光を偏光状態の揃った直線偏光に変換するた
めに、特定の直線偏光の偏光状態を変化させる偏光変換
素子、その偏光変換素子を用いた照明光学系及び表示装
置(液晶プロジェクタ等)に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルのように特定偏光の光変調に
より画像表示を行うライトバルブでは、特定偏光以外の
照明光は入射側偏光板で吸収されるため、照明光がラン
ダム偏光の場合にはその約半分が光量損失となる。この
問題を解決して光利用効率を向上させるために、偏光分
離と偏光回転とにより偏光変換を行う照明光学系が各種
提案されている(特開２０００−１７１７５４号公報
等)。偏光分離に用いられる光学素子としてはＰＢＳ(Po
larizing Beam Splitter)プリズム，ＰＢＳアレイ，マ
イクロプリズムアレイ，複屈折ＤＯＥ(Diffractive Opt
ical Element)等が挙げられ、偏光回転に用いられる光
学素子としては１／２波長板，ＴＮ(Twisted Nematic)
液晶等が挙げられる。

【０００３】ランダム偏光は偏光分離において偏波面
(すなわち電気ベクトルの振動面)が互いに直交する２種
類の直線偏光に分離され、一方の直線偏光は偏光回転に
よりその偏波面が回転して他方の直線偏光と同じ偏光状
態となる。この偏光変換により、偏波面が揃った直線偏
光のみを入射側偏光板に入射させることができる。した
がって、入射側偏光板による光量損失はほとんどなくな
り、ライトバルブに対して光利用効率の高い照明が達成
可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記偏光変換において
は、偏光分離された２種類の直線偏光のうちの一方につ
いてのみ偏光回転を行う必要がある。したがって、１／
２波長板で偏光回転を行う場合には、１／２波長板をス
トライプ状に加工して基板に貼り付ける作業が必要とな
り、ＴＮ液晶で偏光回転を行う場合には、液晶に電圧を
印加するための透明電極をストライプ状にパターニング
する作業が必要となる。これらの作業には、高い位置精
度が要求されるとともに手間がかかるため、コストアッ
プを招くという問題がある。

【０００５】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、製造容易で安価な偏光変換素子、光利用
効率の高い照明光学系、及び表示画像の明るい表示装置
を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明の偏光変換素子は、第１直線偏光を入射
させる第１領域と、前記第１直線偏光とは偏光状態の異
なる第２直線偏光を入射させる第２領域と、を有し、前
記第１領域では前記第１直線偏光の偏光状態を変化させ
ず、前記第２領域では前記第２直線偏光の偏光状態を前
記第１直線偏光と同じ偏光状態に変化させる偏光変換素
子であって、前記第１領域が光学的に等方な透明樹脂か
ら成り、前記第２領域がツイストしたネマチック液晶か
ら成ることを特徴とする。

【０００７】第２の発明の偏光変換素子は、上記第１の
発明の構成において、さらに２枚の透明基板を備え、そ
の透明基板間に前記透明樹脂及びネマチック液晶が配置
されており、前記透明基板の少なくとも前記ネマチック
液晶と接する面には、その液晶分子を所定の方向に配向
させる配向処理が施されていることを特徴とする。

【０００８】第３の発明の偏光変換素子は、上記第１又
は第２の発明の構成において、前記透明樹脂が熱硬化型
樹脂又は紫外線硬化型樹脂であることを特徴とする。

【０００９】第４の発明の偏光変換素子は、上記第２又
は第３の発明の構成において、前記透明基板の少なくと
も一方にレンズアレイが形成されていることを特徴とす
る。

【００１０】第５の発明の偏光変換素子は、上記第１〜
第４のいずれか一つの発明の構成において、さらに入射
光を前記第１直線偏光と前記第２直線偏光とに分離する
偏光分離構造を有することを特徴とする。

【００１１】第６の発明の照明光学系は、ランダム偏光
を発する光源と、その光源からのランダム偏光を入射光
として偏光変換を行う上記第５の発明に係る偏光変換素
子と、を有することを特徴とする。

【００１２】第７の発明の表示装置は、上記第６の発明
に係る照明光学系と、その照明光学系から射出した直線
偏光を変調することにより画像表示を行うライトバルブ
と、を有することを特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した偏光変換
素子，それを用いた照明光学系及び表示装置を、図面を
参照しつつ説明する。なお、実施の形態等の相互で同一
の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明
を適宜省略する。

【００１４】図１〜図９に、本発明を実施した偏光変換
素子(A1〜A9)をそれぞれ断面的に示す。図１〜図９に示
す偏光変換素子(A1〜A9)は、２枚の透明基板(P1,P2)，
光学的に等方な透明樹脂(1)，ツイストしたネマチック
液晶(すなわちＴＮ液晶，2)，配向膜(3)，シール部(4)
等を主な構成要素とする偏光回転構造を有しており、図
４〜図９に示す偏光変換素子(A4〜A9)は、ホモジニアス
配向したネマチック液晶(5)，回折光学素子(6)等を主な
構成要素とする偏光分離構造を更に有している。また、
図３に示す偏光変換素子(A3)はインテグレータ構造の一
部を成す第２レンズアレイ(M2)を備えており、図４〜図
９に示す偏光変換素子(A4〜A9)はインテグレータ構造を
構成する第１，第２レンズアレイ(M1,M2)を備えてい
る。

【００１５】まず、図１〜図９に示す偏光変換素子(A1
〜A9)が具備する偏光回転構造を説明する。上記偏光回
転構造は、偏波面が互いに直交する２種類の直線偏光を
それぞれ入射させる２種類の領域を有している。２種類
の領域とは、透明樹脂(1)から成る第１領域(偏光非回転
領域)と、ネマチック液晶(2)から成る第２領域(偏光回
転領域)である。そして図４〜図９に示すように、第１
領域には第１直線偏光(L1)が入射し、第２領域には第１
直線偏光(L1)とは偏光状態の異なる(つまり偏波面が直
交する)第２直線偏光(L2)が入射する{図１〜図３の偏光
変換素子(A1〜A3)についても同様である。}。第１領域
は光学的に等方な透明樹脂(1)から成っているため、第
１直線偏光(L1)は第１領域を通過してもその偏光状態は
変化しない。これに対し、第２領域はツイスト配向した
ネマチック液晶(2)から成っているため、第２直線偏光
(L2)が第２領域を通過するとその偏光状態が第１直線偏
光(L1)と同じ偏光状態に変化する。したがって、偏光変
換素子(A1〜A9)からは一方向に偏光状態の揃った直線偏
光が射出することになる。

【００１６】上記偏光回転構造は、一般によく知られて
いるＴＮ液晶型の表示パネルとほぼ同様の工程で容易に
作製することができる。そして、２枚の透明基板(P1,P
2)間に透明樹脂(1)とネマチック液晶(2)を配置すること
により、上記第１，第２領域を構成することができる。
透明基板(P1,P2)としては、複屈折の生じないガラス基
板を用いることが望ましいが、光学的に等方な透明材料
から成るものであればこれに限らない。ただし、ネマチ
ック液晶(2)との接触面を樹脂で構成した場合には、樹
脂層と液晶層との境界面に保護コート層(SiO₂等)を形成
することが望ましい。また、図１，図２，図５〜図９に
示すように透明基板(P1,P2)を２枚とも平板で構成して
もよく、図３や図４に示すように一方の透明基板(P1)を
第２レンズアレイ(M2)と一体化してもよく、図５〜図７
に示すように一方の透明基板(P1)上に第２レンズアレイ
(M2)を樹脂成型してもよい。なお、２枚の透明基板(P1,
P2)の外側面(つまり空気と接する面)には、反射防止コ
ートを施すことが望ましい。

【００１７】ネマチック液晶(2)の液晶分子を所定の方
向に揃えてツイスト配向させるには、２枚の透明基板(P
1,P2)の対向する２面に配向処理を施せばよい。具体的
には、少なくともネマチック液晶(2)と接する基板面に
配向膜(3)を形成すればよい。配向膜(3)は、透明基板(P
1,P2)上に数十ｎｍの厚さに形成したポリイミド樹脂膜
をラビングする(つまり布で一方向に軽く擦ってやる)こ
とにより得られる。液晶分子はその長軸方向がラビング
方向に対して略平行に揃うように配向するため、ラビン
グ方向が直交するように対向する２面の配向膜(3)を形
成すれば、ネマチック液晶(2)をツイスト配向させるこ
とができる。

【００１８】配向膜(3)は、図１に示す偏光変換素子(A
1)のように、ネマチック液晶(2)が封入される第２領域
(偏光回転領域)に対応した面にさえ形成されていればよ
く、図２〜図９に示す偏光変換素子(A2〜A9)のように、
第１，第２領域を含む全域に配向膜(3)を形成してもも
ちろん構わない。ただし、配向膜(3)は若干の光吸収特
性を有するため第２領域にのみ形成されることが望まし
く、また、配向膜(3)の厚さに関しても薄くする方が光
吸収がより少なくなるため望ましい。

【００１９】配向膜(3)が形成された２枚の透明基板(P
1,P2)の一方に、透明樹脂(1)をスクリーン印刷等により
塗布すると、その塗布された透明樹脂(1)の部分が第１
領域(偏光非回転領域)となる。そして、偏光回転構造の
周辺部分に液晶セル形成用のシール部(4)を設け、２枚
の透明基板(P1,P2)を貼り合わせると、シール部(4)と透
明樹脂(1)との間に空間が形成される。その空間にネマ
チック液晶(2)を封入すると、封入されたネマチック液
晶(2)の部分が第２領域(偏光回転領域)となる。透明樹
脂(1)やシール部(4)の材料としては、熱硬化型樹脂，紫
外線硬化型樹脂等が挙げられる。なお、透明樹脂(1)と
シール部(4)とに同じ材料を用いてもよく、異なる材料
を用いてもよい。

【００２０】透明基板(P1,P2)間の距離、つまりネマチ
ック液晶(2)の層厚み(セルギャップ)に関しては、ネマ
チック液晶(2)の常光屈折率と異常光屈折率との差(Δ
ｎ)にもよるが、一般的にはΔｎが0.07程度の場合、7μ
ｍ程度の層厚みにすることで最も効率良く偏光を回転さ
せることができる。望ましくはネマチック液晶(2)のΔ
ｎが0.03〜0.3程度であればよく、ネマチック液晶(2)の
層厚みが5μｍ〜30μｍ程度であれば概ね問題はない。

【００２１】上記のようにセルギャップを制御するため
に、透明樹脂(1)，ネマチック液晶(2)，シール部(4)の
うちの少なくとも１つに、スペーサ(例えばガラスや樹
脂から成る微粒子)を入れておくことが望ましい。そし
て、透明樹脂(1)やネマチック液晶(2)に投入されるスペ
ーサは、投入される領域の材料と屈折率の近い透明材料
から成ることが望ましい。透明樹脂(1)やネマチック液
晶(2)の屈折率とスペーサの屈折率とをほぼ等しくする
ことにより、スペーサでの光の散乱や反射を防ぐことが
できる。ただし、偏光回転に対する影響をより小さくす
るために、ネマチック液晶(2)にはスペーサを入れない
方が好ましく、透明樹脂(1)にのみスペーサを入れる方
が好ましい。

【００２２】前述したように、偏光変換においては偏光
分離された２種類の直線偏光のうちの一方についてのみ
偏光回転を行う必要がある。この選択的な偏光回転を行
うために、各偏光変換素子(A1〜A9)では上述したよう
に、偏光回転を行わない第１領域が光学的に等方な透明
樹脂(1)で構成されており、偏光回転を行う第２領域が
ツイストしたネマチック液晶(2)で構成されている。こ
の構成によると、１／２波長板をストライプ状に加工し
て貼り付ける作業や透明電極をストライプ状にパターニ
ングする作業は不要であり、電気的な駆動が必要ないた
め透明電極も駆動回路も不要である。したがって製造容
易であり、低コストでの実現が可能である。また、透明
電極を構成する透明導電膜(ＩＴＯ膜等)は可視光波長域
での吸収が若干あるため透過率低下を招くが、透明電極
を必要としない偏光変換素子(A1〜A9)では高い透過効率
が達成される。

【００２３】液晶層のみで第１，第２領域を構成しよう
としても、各領域で液晶の配向を揃えることは困難であ
る。しかし、偏光変換素子(A1〜A9)のように一方を透明
樹脂(1)で構成すれば、２つの領域を簡単に得ることが
できる。また、透明樹脂(1)から成る第１領域を透明基
板(P1等)に転写することは、シール部(4)の形成と同様
に、スクリーン印刷等で容易に行うことができる。この
ため、第１，第２領域の形状を自由に設定することが可
能である。つまり、第１，第２領域のパターニングをス
トライプ状だけでなく様々な形状(市松模様等)で簡単に
行うことが可能である。第１，第２領域のパターニング
を適宜設定することにより偏光変換効率を高めることが
でき、照明光学系や液晶プロジェクタのコストダウン，
部品点数削減等を達成することができる。

【００２４】また、照明光学系をコンパクト化するため
に第１，第２レンズアレイ(M1,M2)のセル構造を微細化
していくと、それに応じて第１，第２領域の位置精度を
高精度化していく必要が生じる。第１，第２領域のパタ
ーニングは、上述したようにスクリーン印刷等により精
度良く行うことができるため、位置ズレによる光量ロス
を低減して高い性能を維持することができる。第１レン
ズアレイ(M1)のレンズセルパターンの具体例を図１０，
図１４，図１７に示し、各レンズセルパターンに対応し
た第１，第２領域パターンを有する偏光変換素子(B1〜B
7)を図１１〜図１３；図１５，図１６；図１８，図１９
にそれぞれ示す。

【００２５】図１０に示す第１レンズアレイ(M1)は、レ
ンズセルが縦横直線的に配置されたレンズセルパターン
を有しており、図１１〜図１３に示す偏光変換素子(B1,
B2,B3)は、図１０に示すレンズセルパターンに対応した
第１，第２領域のパターンをそれぞれ有している。これ
らの偏光変換素子(B1,B2,B3)では、透明樹脂(1)とネマ
チック液晶(2)とで構成された第１，第２領域が、第１
レンズアレイ(M1)のレンズセルパターンと対応するよう
に直線的に形成されている。

【００２６】図１４に示す第１レンズアレイ(M1)は、レ
ンズセルが互い違いに横方向にずれて配置されたレンズ
セルパターンを有しており、図１５，図１６に示す偏光
変換素子(B4,B5)は、図１４に示すレンズセルパターン
に対応した第１，第２領域のパターンをそれぞれ有して
いる。これらの偏光変換素子(B4,B5)では、透明樹脂(1)
とネマチック液晶(2)とで構成された第１，第２領域
が、第１レンズアレイ(M1)のレンズセルパターンと対応
するように市松模様に形成されている。

【００２７】図１７に示す第１レンズアレイ(M1)は、レ
ンズセルが横方向にランダムにずれて配置されたレンズ
セルパターンを有しており、図１８，図１９に示す偏光
変換素子(B6,B7)は、図１７に示すレンズセルパターン
に対応した第１，第２領域のパターンをそれぞれ有して
いる。これらの偏光変換素子(B6,B7)では、透明樹脂(1)
とネマチック液晶(2)とで構成された第１，第２領域
が、第１レンズアレイ(M1)のレンズセルパターンと対応
するようにランダムにずれて形成されている。

【００２８】次に、図４〜図９に示す偏光変換素子(A4
〜A9)が具備する偏光分離構造を説明する。この偏光分
離構造は、ネマチック液晶(5)と回折光学素子(6)との組
み合わせから成る、いわゆる複屈折ＤＯＥの構造をとっ
ている。その複屈折ＤＯＥは、図４〜図７に示す偏光変
換素子(A4〜A7)では透明基板(P2,P3)間において構成さ
れており、図８，図９に示す偏光変換素子(A8,A9)では
透明基板(P3,P4)間において構成されている。なお、２
枚の透明基板(P2,P3;P3,P4)は共に平板でもよく、一方
を第１レンズアレイ(M1)と一体化してもよく(図４等)、
一方の平板上に第１レンズアレイ(M1)を樹脂成型しても
よい(図５等)。

【００２９】回折光学素子(6)は、光学的に等方な透明
樹脂から成る表面レリーフ型(膜厚変調型)ＤＯＥであっ
て、ブレーズ形状の回折格子面を有している。その回折
格子面に隣接するようにネマチック液晶(5)が隙間なく
充填されている。そして回折光学素子(6)の回折格子面
と対向する面には、前記偏光回転構造と同様の配向膜
(3)が設けられており、その配向膜(3)には回折格子面の
溝方向に沿ってネマチック液晶(5)がホモジニアス配向
するようにラビング処理が施されている。

【００３０】回折光学素子(6)の構成材料としては熱可
塑性樹脂が望ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、
ＰＡ(polyamide)，ＰＥ(polyethylene)，ＰＳ(polystyr
ene)，ＰＣ(polycarbonate)，ＰＶＣ(polyvinyl chlori
de)，ＰＭＭＡ(polymethyl methacrylate)，非晶質ポリ
オレフィン系樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂は紫外
線硬化型樹脂等に比べて材料自体が安価であり、また、
回折光学素子(6)の構成材料として熱可塑性樹脂を用い
ると、射出成形やプレス成型(熱可塑性樹脂シートの表
面に金型によるプレスで回折格子を形成すること)が可
能になるため、回折光学素子(6)を安価に作製すること
ができる。

【００３１】ネマチック液晶(5)は、光学的な異方性を
有する複屈折材料であるため、常光に対する屈折率と異
常光に対する屈折率とは異なる。したがって、光学的に
略等方な回折光学素子(6)との境界に位置する回折格子
面が及ぼす回折作用も、常光と異常光とでは異なる。各
偏光変換素子(A4〜A9)では、常光，異常光のうちのいず
れか一方に対する屈折率が回折光学素子(6)の屈折率と
同じになるように各材料が選択されている。例えば、常
光に対するネマチック液晶(5)の屈折率と回折光学素子
(6)の屈折率とを同じにした場合、常光が回折作用を受
けずに回折格子面を透過し、異常光が回折格子面での回
折作用を受けて偏向することになる。逆に、異常光に対
するネマチック液晶(5)の屈折率と回折光学素子(6)の屈
折率とを同じにした場合、異常光が回折作用を受けずに
回折格子面を透過し、常光が回折格子面での回折作用を
受けて偏向することになる。したがって、入射光(ラン
ダム偏光)を偏波面が互いに直交する２つの直線偏光、
すなわち第１直線偏光(L1，透過光)と第２直線偏光(L
2，回折光)とに分離することができる。しかも、回折格
子面がブレーズ形状を成しているため高い回折効率が得
られる。回折格子面での回折効率が高ければ偏光変換効
率も高くなるため、光利用効率を向上させることが可能
である。

【００３２】次に、図３〜図９に示す偏光変換素子(A3
〜A9)が具備するレンズアレイ方式のインテグレータ構
造を説明する。図３に示す偏光変換素子(A3)では透明基
板(P1)の外側面に第２レンズアレイ(M2)が一体的に形成
されており、図４に示す偏光変換素子(A4)では透明基板
(P1,P3)の各外側面に第２，第１レンズアレイ(M2,M1)が
それぞれ一体的に形成されている。図５，図６に示す偏
光変換素子(A5,A6)では透明基板(P1,P3)の各外側面上に
第２，第１レンズアレイ(M2,M1)がそれぞれ樹脂成型さ
れており、図７に示す偏光変換素子(A7)では透明基板(P
1)の外側面上に第２レンズアレイ(M2)が樹脂成型されて
おり、図８に示す偏光変換素子(A8)では透明基板(P4)の
外側面上に第１レンズアレイ(M1)が樹脂成型されてい
る。

【００３３】図７，図９に示す偏光変換素子(A7,A9)で
は素子内において回折光学素子(6)と第１レンズアレイ
(M1)とが屈折率の異なる樹脂でそれぞれ２層成型されて
おり、図８，図９に示す偏光変換素子(A8,A9)では素子
内において透明基板(P2,P3)間に第２レンズアレイ(M2)
が屈折率の異なる樹脂でそれぞれ２層成型されている。
また、図６〜図８に示す偏光変換素子(A6〜A8)では、第
１レンズアレイ(M1)に対する第２レンズアレイ(M2)のレ
ンズセル領域を高さの１／４程度だけずらして、垂直入
射光が垂直に射出するように構成されている。図９に示
す偏光変換素子(A9)では、略垂直入射する光をライトバ
ルブ(例えば液晶パネル)へ集光するため、第２レンズア
レイ(M2)の各レンズセルを各々偏芯させることにより、
フィールドレンズのパワーを第２レンズアレイ(M2)に持
たせている。

【００３４】レンズアレイ方式のインテグレータ構造
は、偏光分離側に配置される第１レンズアレイ(M1)と偏
光回転側に配置される第２レンズアレイ(M2)とで構成さ
れ、そのインテグレータ構造と偏光回転構造との間に
は、相対的に高い位置精度が求められる。レンズアレイ
方式のインテグレータ構造を偏光変換素子と一体化すれ
ば、偏光変換光学系を組み立てるときの位置決め誤差を
低減して、第１，第２レンズアレイ(M1,M2)と偏光回転
構造との高い位置精度を確保することができる。これは
偏光変換効率の向上にもつながる。

【００３５】またインテグレータ構造の一体化により、
削減された光学要素の数だけコストダウンを達成するこ
とができ、削減された透過面の数だけ反射損も低減する
ことができる。したがって、反射防止コート数が削減さ
れるため、光利用効率のアップや更なるコストダウンを
達成することができる。なお、ロッド方式のインテグレ
ータ構造との組み合わせで偏光変換を行う場合には、例
えば偏光変換素子(A1,A2)において透明基板(P1,P2)の一
方又は両方をリレーレンズ(後述する図２６中の25)と一
体化することが好ましい。

【００３６】次に、レンズアレイ方式のインテグレータ
構造を備えた照明光学系及び液晶プロジェクタを説明す
る。図２０に偏光分離をＰＢＳプリズム(12A)で行い偏
光回転を偏光変換素子(A3)で行う液晶プロジェクタの光
学構成を示し、その液晶プロジェクタの偏光変換光学系
部分を拡大して図２１に示す。この液晶プロジェクタ
は、光路の順に、ランプ(10)，ＵＶ(ultraviolet ray)
−ＩＲ(infrared ray)カットフィルター(11)，第１レン
ズアレイ(M1)，ＰＢＳプリズム(12A)，偏光変換素子(A
3)，フィールドレンズ(13)，ダイクロイックミラー(DM
1,DM2)，ミラー(14A,14B,14C)，リレーレンズ(15A,15
B)，コンデンサレンズ(16A,16B,16C)，液晶パネル(17A,
17B,17C)，クロスダイクロイックプリズム(18)及び投影
レンズ(19)を備えており、ＲＧＢに対応する液晶パネル
(17A,17B,17C)の表示画像をスクリーンにカラー投影す
る構成になっている。

【００３７】ランプ(10)は、照明光としてランダム偏光
を放射する光源(10a)と、光源(10a)からの照明光を略平
行光にして所定方向へ光を導くリフレクタ(10b)と、か
ら成っている。ランプ(10)としては例えば、超高圧水銀
ランプ，メタルハライドランプ，キセノンランプ等が使
用される。ランプ(10)から射出した照明光は、ＵＶ−Ｉ
Ｒカットフィルター(11)を通過した後、第１レンズアレ
イ(M1)に入射する。第１レンズアレイ(M1)は、液晶パネ
ル(17A,17B,17C)と略相似な矩形のレンズセルを２次元
のアレイ状に配列して成るものであり、複数のレンズセ
ルで入射光を分割する。そして、第１レンズアレイ(M1)
と同様のアレイ構造を有する第２レンズアレイ(M2)上
に、複数の２次光源像(I2，図２１)を形成する。第１レ
ンズアレイ(M1)の各レンズセルと液晶パネル(17A,17B,1
7C)とは第２レンズアレイ(M2)の各レンズセルを介して
共役な関係にあるため、照明光の空間的なエネルギー分
布が均一化されて液晶パネル(17A,17B,17C)は無駄なく
均一に照明される。

【００３８】第１レンズアレイ(M1)を射出した照明光
は、三角プリズムと平行平板との組み合わせから成るＰ
ＢＳプリズム(12A)に入射する。ＰＢＳプリズム(12A)に
入射した照明光は、ＰＢＳコート面(12a)でＳ偏光が反
射され、ＰＢＳコート面(12a)を透過したＰ偏光が全反
射面(12b)で反射される。この偏光分離により、Ｓ偏光
とＰ偏光とで２次光源像(I2)の位置に光軸垂直方向のズ
レが生じることになる。偏波面が互いに直交するＰ偏光
とＳ偏光とに偏光分離された照明光は、偏光変換素子(A
3)に入射して、前述の偏光回転構造により偏光状態が一
方向に揃った直線偏光となる。なお、Ｓ偏光は第１直線
偏光(L1)に相当し、Ｐ偏光は第２直線偏光(L2)に相当す
る。

【００３９】偏光変換素子(A3)で偏光変換された照明光
は、フィールドレンズ(13)を通過した後、ダイクロイッ
クミラー(DM1,DM2)で色分解され、ミラー(14A,14B,14
C)，リレーレンズ(15A,15B)及びコンデンサレンズ(16A,
16B,16C)を通過して、液晶パネル(17A,17B,17C)を照明
する。液晶パネル(17A,17B,17C)は、以上の照明光学系
から射出した直線偏光を変調することにより画像表示を
行う。液晶パネル(17A,17B,17C)での光変調により構成
された投影光は、クロスダイクロイックプリズム(18)で
色合成された後、投影レンズ(19)でスクリーンに投影さ
れる。液晶パネル(17A,17B,17C)の入射側偏光板は、照
明光が透過できるようにその透過軸が偏光方向と一致し
た配置になっている。このため照明光は効率良く利用さ
れ、明るい表示画像を得ることができる。

【００４０】上述したプロジェクタでは液晶パネル(17
A,17B,17C)を用いているが、直線偏光を光変調するもの
であればどのようなライトバルブや表示パネルを用いて
も構わない。例えば、ＴＮ液晶，ＳＴＮ(Super Twisted
Nematic)液晶，強誘電性液晶，垂直配向の液晶等の液
晶表示素子、ＰＬＺＴ(PbLaZrTi)やLiNbO₃等の電気光学
セラミックスや結晶で構成された表示素子等を使用して
もよい。したがって、上述した照明光学系が搭載される
表示装置は液晶プロジェクタに限らない。

【００４１】図２２に、偏光分離を複屈折ＤＯＥ(12B)
で行い偏光回転を偏光変換素子(A1,A2)で行う偏光変換
光学系を示す。図２２中の光路において、実線が第１直
線偏光(L1，電気ベクトルの振動方向が紙面に平行)、破
線が第２直線偏光(L2，電気ベクトルの振動方向が紙面
に垂直)である。この複屈折ＤＯＥ(12B)による偏光分離
では、第１直線偏光(L1)が回折格子面で回折せずにその
まま複屈折ＤＯＥ(12B)を透過し、第２直線偏光(L2)が
回折格子面での回折により偏向する。そしてこの偏光分
離により、第１直線偏光(L1)と第２直線偏光(L2)とで２
次光源像(I2)の位置に光軸垂直方向のズレが生じること
になる。そして偏光分離された照明光は、偏光変換素子
(A1,A2)に入射して、前述の偏光回転構造により偏光状
態が一方向に揃った直線偏光となる。

【００４２】図２３に、偏光分離及び偏光回転を偏光変
換素子(A4)で行う液晶プロジェクタの光学構成を示す。
この液晶プロジェクタ及び照明光学系では、偏光変換素
子(A4)が偏光分離構造，偏光回転構造及びインテグレー
タ構造を有しているため、図２０に示すものよりもコン
パクトな光学構成になっている。図２４に、偏光分離を
マイクロプリズムアレイ(12C)で行い偏光回転を偏光変
換素子(A3)で行う偏光変換光学系を示し、図２５に、偏
光分離をＰＢＳアレイ(12D)で行い偏光回転を偏光変換
素子(A1,A2)で行う偏光変換光学系を示す。これらの偏
光変換光学系において、マイクロプリズムアレイ(12C)
は三角プリズムが複数に分割された構成になっており、
ＰＢＳアレイ(12D)はＰＢＳコート面(12a)や全反射面(1
2b)が複数に分割された構成になっているが、その基本
構成はいずれもＰＢＳプリズム(12A，図２１)と同様で
ある。

【００４３】ＰＢＳアレイ(12D)を用いた偏光変換光学
系(図２５)では、図１０に示す第１レンズアレイ(M1)や
それに対応したパターンを有する偏光変換素子(B1〜B
3，図１１〜図１３)を用いるのが好ましい。表示画面の
明るさムラを更に低減する場合には、図１４に示す第１
レンズアレイ(M1)のようにレンズセルを左右方向にずら
して、それに対応したパターンを有する偏光変換素子(B
4,B5)を用いるのが好ましい。ただし、そのレンズセル
パターンに対応したＰＢＳアレイ(12D)の加工は困難で
あるため、偏光分離素子としてはＰＢＳプリズム(12
A)，複屈折ＤＯＥ(12B)又はマイクロプリズムアレイ(12
C)を用いることが望ましい。ＰＢＳプリズム(12A)，複
屈折ＤＯＥ(12B)又はマイクロプリズムアレイ(12C)を用
いた偏光変換光学系(図２１，図２２，図２４)では、第
１レンズアレイ(M1)のレンズセルパターンを自由に変化
させることが可能であり、レンズセルパターンを変えて
も、第２レンズアレイ(M2)近傍に配置される第１，第２
領域のパターンを揃えるだけで対応することができる。

【００４４】次に、ロッド方式のインテグレータ構造を
備えた照明光学系を説明する。図２６に、偏光分離を複
屈折ＤＯＥ(12B)で行い偏光回転を偏光変換素子(A1,A2)
で行う照明光学系の光学構成を示す。この照明光学系
は、液晶パネル(29)を照明するための液晶プロジェクタ
ー用照明光学系であって、光路の順に、ランプ(20)，イ
ンテグレータロッド(22)，複屈折ＤＯＥ(12B)，コンデ
ンサーレンズ(24)，リレーレンズ(25)，偏光変換素子(A
1,A2)，トリミングフィルター(27)及びフィールドレン
ズ(28)を備えている。

【００４５】ランプ(20)は、照明光(ランダム偏光)を発
する光源(20a)と、光源(20a)からの照明光を集光するリ
フレクタ(20b)と、から成っている。ランプ(20)から射
出した照明光は、インテグレータロッド(22)に入射す
る。インテグレータロッド(22)は、多角柱形状のガラス
体、あるいは複数枚のミラーを組み合わせて成る中空筒
体であり、入射光をその側面で何度も繰り返し反射させ
ることにより、照明光の空間的なエネルギー分布(すな
わち照度分布)を均一化する。インテグレータロッド(2
2)の射出端面は液晶パネル(29)の表示面と共役な関係に
あるため、液晶パネル(29)の表示面を効率良く均一に照
明することができる。

【００４６】インテグレータロッド(22)を射出した照明
光は、複屈折ＤＯＥ(12B)に入射する。複屈折ＤＯＥ(12
B)は、インテグレータロッド(22)から射出した照明光
を、偏波面が互いに直交するＰ偏光とＳ偏光とに分離す
る。この偏光分離では、Ｐ偏光が回折格子面で回折せず
にそのまま複屈折ＤＯＥ(12B)を透過し、Ｓ偏光が回折
格子面での回折により偏向する。そしてこの偏光分離に
より、Ｐ偏光とＳ偏光とで結像位置(すなわち光源像位
置)に光軸垂直方向のズレが生じることになる。複屈折
ＤＯＥ(12B)を射出したＰ偏光とＳ偏光は、集光用のコ
ンデンサーレンズ(24)に入射する。

【００４７】コンデンサーレンズ(24)を通過した照明光
は、リレーレンズ(25)に入射する。２枚のリレーレンズ
(25)は、インテグレータロッド(22)の射出端面と液晶パ
ネル(29)の表示面とが共役になるように照明光をリレー
する。リレーレンズ(25)の絞り位置には偏光変換素子(A
1,A2)が配置されており、偏光変換素子(A1,A2)に入射し
た照明光は前述の偏光回転構造により偏光状態が一方向
に揃った直線偏光(Ｐ偏光)となる。なお、Ｐ偏光は第１
直線偏光(L1)に相当し、Ｓ偏光は第２直線偏光(L2)に相
当する。

【００４８】Ｐ偏光に揃えられた照明光は、リレーレン
ズ(25)の他に、色純度を上げるためのトリミングフィル
ター(27)と集光用のフィールドレンズ(28)を通過した
後、空間光変調素子である液晶パネル(29)を照明する。
液晶パネル(29)の入射側偏光板はＰ偏光を透過させる向
きに配置されているので、入射側偏光板による光量損失
はほとんどなく、液晶パネル(29)に対して光利用効率の
高い照明が達成可能となる。

【００４９】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、製
造容易で安価な偏光変換素子を実現することができる。
また、その偏光変換素子を用いることにより、光利用効
率の高い照明光学系と表示画像の明るい表示装置を実現
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】偏光変換素子の第１の実施の形態を示す断面
図。

【図２】偏光変換素子の第２の実施の形態を示す断面
図。

【図３】偏光変換素子の第３の実施の形態を示す断面
図。

【図４】偏光変換素子の第４の実施の形態を示す断面
図。

【図５】偏光変換素子の第５の実施の形態を示す断面
図。

【図６】偏光変換素子の第６の実施の形態を示す断面
図。

【図７】偏光変換素子の第７の実施の形態を示す断面
図。

【図８】偏光変換素子の第８の実施の形態を示す断面
図。

【図９】偏光変換素子の第９の実施の形態を示す断面
図。

【図１０】第１レンズアレイの第１の具体例を示す平面
図。

【図１１】偏光変換素子の第１０の実施の形態を示す平
面図。

【図１２】偏光変換素子の第１１の実施の形態を示す平
面図。

【図１３】偏光変換素子の第１２の実施の形態を示す平
面図。

【図１４】第１レンズアレイの第２の具体例を示す平面
図。

【図１５】偏光変換素子の第１３の実施の形態を示す平
面図。

【図１６】偏光変換素子の第１４の実施の形態を示す平
面図。

【図１７】第１レンズアレイの第３の具体例を示す平面
図。

【図１８】偏光変換素子の第１５の実施の形態を示す平
面図。

【図１９】偏光変換素子の第１６の実施の形態を示す平
面図。

【図２０】偏光分離にＰＢＳプリズムを用いた液晶プロ
ジェクタを示す光学断面図。

【図２１】図２０の液晶プロジェクタにおける偏光変換
光学系を示す拡大図。

【図２２】偏光分離に複屈折ＤＯＥを用いた照明光学系
を示す光学断面図。

【図２３】偏光変換素子が偏光分離・偏光回転構造を有
する液晶プロジェクタを示す光学断面図。

【図２４】偏光分離にマイクロプリズムアレイを用いた
照明光学系を示す光学断面図。

【図２５】偏光分離にＰＢＳアレイを用いた照明光学系
を示す光学断面図。

【図２６】ロッド方式のインテグレータ構造を備えた照
明光学系を示す光学断面図。

【符号の説明】

A1〜A9 …偏光変換素子 B1〜B7 …偏光変換素子 L1 …第１直線偏光 L2 …第２直線偏光 P1〜P4 …透明基板 M1 …第１レンズアレイ M2 …第２レンズアレイ 1 …透明樹脂(第１領域) 2 …ツイストしたネマチック液晶(第２領域) 3 …配向膜 4 …シール部 5 …ホモジニアス配向したネマチック液晶 6 …回折光学素子 10,20 …ランプ 10a,20a …光源 17A,17B,17C,29 …液晶パネル(ライトバルブ)

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 ＥＨ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 ＫＦターム(参考） 2H049 AA03 AA13 AA40 AA43 AA55 AA64 BA05 BA45 BA46 BA47 BB03 BB62 BC02 BC06 BC22 2H052 BA02 BA03 BA06 BA09 BA14 2H088 EA15 EA47 5C058 AB05 BA35 EA02 EA11 EA26

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】第１直線偏光を入射させる第１領域と、
前記第１直線偏光とは偏光状態の異なる第２直線偏光を
入射させる第２領域と、を有し、前記第１領域では前記
第１直線偏光の偏光状態を変化させず、前記第２領域で
は前記第２直線偏光の偏光状態を前記第１直線偏光と同
じ偏光状態に変化させる偏光変換素子であって、前記第
１領域が光学的に等方な透明樹脂から成り、前記第２領
域がツイストしたネマチック液晶から成ることを特徴と
する偏光変換素子。
【請求項２】さらに２枚の透明基板を備え、その透明
基板間に前記透明樹脂及びネマチック液晶が配置されて
おり、前記透明基板の少なくとも前記ネマチック液晶と
接する面には、その液晶分子を所定の方向に配向させる
配向処理が施されていることを特徴とする請求項１記載
の偏光変換素子。
【請求項３】前記透明樹脂が熱硬化型樹脂又は紫外線
硬化型樹脂であることを特徴とする請求項１又は請求項
２記載の偏光変換素子。
【請求項４】前記透明基板の少なくとも一方にレンズ
アレイが形成されていることを特徴とする請求項２又は
請求項３記載の偏光変換素子。
【請求項５】さらに入射光を前記第１直線偏光と前記
第２直線偏光とに分離する偏光分離構造を有することを
特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光変
換素子。
【請求項６】ランダム偏光を発する光源と、その光源
からのランダム偏光を入射光として偏光変換を行う請求
項５記載の偏光変換素子と、を有することを特徴とする
照明光学系。
【請求項７】請求項６記載の照明光学系と、その照明
光学系から射出した直線偏光を変調することにより画像
表示を行うライトバルブと、を有することを特徴とする
表示装置。