JP4877612B2 - Wave plate, polarization conversion element, and projection display device - Google Patents
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Description
本発明は、400〜700nmにわたる広帯域な波長域において、1/2波長板として機能する波長依存性の少ない波長板、それを用いた偏光変換素子、及びそれを備えた液晶プロジェクタ等の投写型表示装置に関する。 The present invention relates to a wavelength plate that functions as a half-wave plate in a wide wavelength range of 400 to 700 nm and has a small wavelength dependency, a polarization conversion element using the same, and a projection display such as a liquid crystal projector including the same. Relates to the device.
近年、パソコン等が表示する画面を直接スクリーンに投写することを可能とする液晶プロジェクタは、プレゼンティション等の用途を目的に広く普及しつつあると共に、小型化、解像度の向上、そして光利用効率の改善などが図られている。
そこで、液晶プロジェクタに偏光変換素子を内蔵し、ハロゲンランプ等を用いた光源が出力する光線を偏光変換して、液晶パネルに入射する光線の偏光を揃え、効率のよい光エネルギーの利用が為されるようになっている。
In recent years, liquid crystal projectors capable of directly projecting a screen displayed on a personal computer or the like to a screen are becoming widespread for the purpose of presentations, etc., and are also reduced in size, improved in resolution, and used in light efficiency. Improvements are being made.
Therefore, a polarization conversion element is built in the liquid crystal projector, and the light beam output from the light source using a halogen lamp or the like is converted into a polarized light beam so that the polarization of the light beam incident on the liquid crystal panel is aligned. It has become so.
図8に、従来の偏光変換素子の構成例を示す。偏光変換素子1は、プリズムの斜面に光学薄膜2を成膜したプリズムアレイ3の所定の位置に1/2波長板4を備えた構造である。図8の機能を説明すると、ハロゲンランプ等の光源から放出される光線は、S偏光成分とP偏光成分とを含んでおり、偏光変換素子1の入射光としてプリズムアレイ3に入力される。ここで、液晶パネルを使用した画面の投写に必要な光線は、ある一方の偏光成分のみであるため、偏光変換素子1を用いて不要な偏光成分を偏光させて出射光の偏光を揃えることにより、効率よく光のエネルギーを使用できるよう機能させている。
FIG. 8 shows a configuration example of a conventional polarization conversion element. The
そのため、プリズムアレイ3に入力された入射光のP偏光成分は、光学薄膜2を透過して1/2波長板4に入力し、該1/2波長板を通過する際に偏光面が90deg回転して第一の経路としてS偏光として出射する。一方、プリズムアレイ3に入力した入射光に含まれるS偏光成分は、光学薄膜2において反射し、第二の経路としてS偏光を出射する。従って、偏光変換素子1から出力する出射光は、S偏光に揃えられ、効率のよい光エネルギーの利用が図られる。
Therefore, the P-polarized component of incident light input to the
液晶プロジェクタで使用する光源の波長域は、通常、400〜700nm程度であり、偏光変換素子に求められる性能として、光学薄膜及び、1/2波長板夫々が、400〜700nmの広帯域な波長域で光の効率上損失を極限する必要がある。
そこで、以降、上述した偏光変換素子の構成要素である広帯域の1/2波長板について説明する。
The wavelength range of a light source used in a liquid crystal projector is usually about 400 to 700 nm. As performance required for a polarization conversion element, an optical thin film and a half-wave plate are each in a wide wavelength range of 400 to 700 nm. It is necessary to limit the loss in light efficiency.
Therefore, hereinafter, a broadband half-wave plate which is a component of the above-described polarization conversion element will be described.
波長板は、水晶のような結晶材料、或いは樹脂製フィルム等により構成し、それらの複屈折性による常光線と異常光線との速度差を利用した素子であり、両光線間に位相差を作り出し、光の偏光状態を変化させるものである。周知のように、1/2波長板は、入射した光の偏光面を90deg回転させた直線偏光に変換させる機能を有する。更に、従来の波長板は、波長依存性の問題から特定の波長において1/2波長板として機能を果たしていた。 A wave plate is an element made of a crystal material such as quartz, or a resin film, and uses the speed difference between ordinary and extraordinary rays due to their birefringence, and creates a phase difference between the two rays. This changes the polarization state of light. As is well known, the half-wave plate has a function of converting linearly polarized light obtained by rotating the polarization plane of incident light by 90 degrees. Further, the conventional wave plate has been functioning as a half wave plate at a specific wavelength due to the problem of wavelength dependency.
図9は、従来の1/2波長板の位相差波長依存性の例を示す図である。図9は、縦軸に位相差を示し、横軸に波長を示したグラフであり、波長の変化に伴う位相差の変化を求めたものである。図9に示すように、従来の1/2波長板は、波長500nm近辺で位相差180degを示し、前後の波長帯においては、所定の傾斜により増加、或いは減少している。 FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the retardation wavelength dependency of a conventional half-wave plate. FIG. 9 is a graph in which the vertical axis indicates the phase difference and the horizontal axis indicates the wavelength, and the change in the phase difference accompanying the change in the wavelength is obtained. As shown in FIG. 9, the conventional half-wave plate shows a phase difference of 180 deg in the vicinity of a wavelength of 500 nm, and increases or decreases by a predetermined inclination in the front and rear wavelength bands.
しかしながら、液晶プロジェクタで使用する偏光変換素子に内蔵する1/2波長板の性能は、波長400〜700nmの広帯域な波長域に対して位相が180degずれる必要があるが、従来の1/2波長板は波長依存性を有しているため、液晶プロジェクタの偏光変換素子として使用することが困難であった。 However, the performance of the half-wave plate incorporated in the polarization conversion element used in the liquid crystal projector needs to be 180 degrees out of phase with respect to a wide wavelength range of 400 to 700 nm. Has a wavelength dependency, so it has been difficult to use as a polarization conversion element of a liquid crystal projector.
ここで、波長板を広帯域にする手段としては、特許第3174367号により開示され、1/2波長の位相差を与える複数の延伸フィルムを積層してなる積層波長板が提案されているが、特許第3174367号による発明は、波長板の材料として延伸フィルムを使用しており、耐熱性、或いは信頼性に問題があった。 Here, as a means for widening the wavelength plate, disclosed in Japanese Patent No. 3174367, a laminated wave plate formed by laminating a plurality of stretched films giving a half-wave phase difference has been proposed. The invention according to No. 3174367 uses a stretched film as the material of the wave plate and has a problem in heat resistance or reliability.
そこで、本発明は、上述したような問題点を解決するためになされたものであって、波長板の材料として耐熱性、或いは信頼性に優れた水晶基板を用い、波長400〜700nmの波長域において1/2波長板として機能する波長板、それを用いた偏光変換素子、及び該偏光変換素子を備えた液晶プロジェクタ等の投写型表示装置を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and uses a quartz substrate having excellent heat resistance or reliability as a material for the wavelength plate, and a wavelength range of 400 to 700 nm. The objective of the present invention is to provide a wave plate that functions as a half-wave plate, a polarization conversion element using the wave plate, and a projection display device such as a liquid crystal projector provided with the polarization conversion element .
上記目的を達成するために、本発明の波長板は、波長λの光に対して位相差Γ1の第一の波長板と位相差Γ2の第二の波長板とを、各々の光学軸が交差するように配置してなり、波長λ1〜λ2(但し、λ1<λ<λ2)の範囲において入射する直線偏光の偏光面を90deg回転させた直線偏光に変換して出射する波長板であって、
第一の波長板の材料及び第二の波長板の材料が水晶であり、
入射する直線偏光の偏光面と第一の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ1とし、入射する直線偏光の偏光面と第二の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ2としたとき、光学軸方位角θ1と光学軸方位角θ2とが、
θ2=θ1+45 …(1)
0<θ1<45 …(2)
を満足し、
波長λを
λ1<λ<(λ2−λ1)/2+λ1 …(3)
の範囲に設定し、
位相差Γ1と位相差Γ2とが、
Γ1=180deg+a …(5)
Γ2=180deg+b …(6)
b=2×a …(7)
0deg≦a≦10deg
を満足すると共に、
光学軸方位角θ1が、θ1≠22.5degであり、波長λが変化したときの第一の波長板の位相差のずれ量をΔΓ1とし、波長λが変化したときの第二の波長板の位相差のずれ量をΔΓ2としたとき、
ΔΓ1=ΔΓ2 …(4)
を満足することを特徴とする。
In order to achieve the above object, the wave plate according to the present invention crosses the first wave plate having the phase difference Γ1 and the second wave plate having the phase difference Γ2 with respect to the light having the wavelength λ. A wavelength plate that is converted into linearly polarized light obtained by rotating the polarization plane of linearly polarized light that is incident in the range of wavelengths λ1 to λ2 (where λ1 <λ <λ2), and rotated by 90 degrees,
The material of the first wave plate and the material of the second wave plate are quartz,
The angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the first wave plate is defined as the optical axis azimuth angle θ1, and the angle formed between the incident plane of the linearly polarized light and the optical axis of the second wave plate is optical. When the axis azimuth θ2 is set, the optical axis azimuth θ1 and the optical axis azimuth θ2 are
θ2 = θ1 + 45 (1)
0 <θ1 <45 (2)
Satisfied,
Wavelength λ
λ1 <λ <(λ2-λ1) / 2 + λ1 (3)
To the range of
Phase difference Γ1 and phase difference Γ2 are
Γ1 = 180 deg + a (5)
Γ2 = 180 deg + b (6)
b = 2 × a (7)
0 deg ≦ a ≦ 10 deg
As well as
The optical axis azimuth θ1 is θ1 ≠ 22.5 deg, the amount of phase difference deviation of the first wave plate when the wavelength λ changes is ΔΓ1, and the second wave plate of the second wave plate when the wavelength λ changes. When the amount of phase difference deviation is ΔΓ2,
ΔΓ1 = ΔΓ2 (4)
It is characterized by satisfying.
或る実施例では、a=0であり、かつ入射する直線偏光の偏光面と第一の波長板の光学軸とのなす光学軸方位角θ1が、θ1=25degであるように設定される。
別の実施例では、a≠0である。この場合、更にθ1=19degに設定することができる。
In one embodiment, a = 0, and the optical axis azimuth angle θ1 formed by the incident polarization plane of the linearly polarized light and the optical axis of the first wave plate is set to be θ1 = 25 deg.
In another embodiment, a ≠ 0. In this case, θ1 = 19 deg can be further set.
また、本発明によれば、第1の主面を光入射面としかつ第2の主面を光出射面とする平板状の透光性基材と、該基材中に設けられた第1及び第2の光学薄膜と、該基材の第2の主面に設けられた波長板とを備え、
第1及び第2の光学薄膜が、第1及び第2の主面に対して傾斜させて、交互にかつ互いに間隔をおいて平行に配置され、
第1の光学薄膜が、第1の主面側から入射した光を互いに直交する第1の直線偏光と第2の直線偏光とに分離して、第1の直線偏光を透過させかつ第2の直線偏光を反射し、
第2の光学薄膜が、第1の光学薄膜により反射された第2の直線偏光を反射して第2の主面から出射させ、
波長板が、上述した本発明の波長板であり、第1の光学薄膜を透過した第1の直線偏光を出射させる第2の主面の部分に配置された偏光変換素子が提供される。
Further, according to the present invention, it provided the first major surface and the flat plate-like transparent base to the light incident morphism surface Toshikatsu second main surface a light-emitting surface, while the substrate first 1 and a second optical thin film, and a wave plate provided on the second main surface of the substrate,
The first and second optical thin films are inclined with respect to the first and second main surfaces and arranged alternately and parallel to each other;
The first optical thin film separates light incident from the first main surface side into first linearly polarized light and second linearly polarized light that are orthogonal to each other, transmits the first linearly polarized light, and second Reflects linearly polarized light,
The second optical thin film reflects and emits the second linearly polarized light reflected by the first optical thin film from the second main surface;
The wave plate is the wave plate of the present invention described above, and there is provided a polarization conversion element disposed on a portion of the second main surface that emits the first linearly polarized light transmitted through the first optical thin film.
或る実施例では、波長板が、第一の波長板と第二の波長板とを積層したものである。 In one embodiment, the wave plate is a laminate of a first wave plate and a second wave plate.
別の実施例では、本発明の偏光変換素子において、第1の直線偏光がP偏光であり、かつ第2の直線偏光がS偏光である。 In another embodiment, in the polarization conversion element of the present invention, the first linearly polarized light is P-polarized light and the second linearly polarized light is S-polarized light.
本発明の別の側面によれば、光源と、該光源からの光を第2の直線偏光に変換して出射する上述した本発明の偏光変換素子と、該偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する変調手段と、該変調手段により変調された光を投写する投写光学系とを有する投写型表示装置が提供される。According to another aspect of the present invention, the light source, the polarization conversion element of the present invention that converts the light from the light source into the second linearly polarized light and emits the light, and the light emitted from the polarization conversion element, There is provided a projection display device including a modulation unit that modulates according to image information to be projected, and a projection optical system that projects light modulated by the modulation unit.
或る実施例では、投写型表示装置の変調手段が液晶パネルである。In one embodiment, the modulation means of the projection display device is a liquid crystal panel.
上述したように、本発明の波長板は、所定の第一の波長板と第二の波長板とを積層することにより、波長400nmから700nmの波長域にわたって1/2波長板としての機能を有する。
この波長板を用いることによって、本発明の偏光変換素子は、液晶プロジェクタ等に用いる上で、著しい効果を発揮することが可能となる。
As described above, the wave plate of the present invention has a function as a half-wave plate over a wavelength range from 400 nm to 700 nm by laminating a predetermined first wave plate and a second wave plate. To do.
By using this wave plate, the polarization conversion element of the present invention can exhibit a remarkable effect when used in a liquid crystal projector or the like.
更に本発明の偏光変換素子は、波長板が、第一の波長板と第二の波長板を水晶基板により構成しており、耐熱性、或いは信頼性に優れた偏光変換素子を提供する上で著しい効果を発揮することが可能となる。 Furthermore, in the polarization conversion element of the present invention , the wavelength plate is composed of a first wavelength plate and a second wavelength plate made of a quartz substrate, and provides a polarization conversion element with excellent heat resistance or reliability. It becomes possible to exert a remarkable effect.
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図1は、本発明の偏光変換素子に使用する1/2波長板の一実施形態の構成を示す図であり、図1(a)は、斜視概観図であり、図1(b)は、分解斜視図である。1/2波長板5は、波長420nmに対して位相差Γ1が190deg、及び光学軸方位角θ1が19degの第一の水晶波長板6と、波長420nmに対して位相差Γ2が200deg、及び光学軸方位角θ2が64degの第二の水晶波長板7とを、各々の結晶光学軸8、9が45degの角度で交差するよう配置し、全体として波長400〜700nmの広帯域において1/2波長板として機能するよう積層したものである。つまり、この1/2波長板5にP偏光成分である直線偏光10が入射すると出射面で位相が180degずれるので、入射光の偏光面を90deg回転させたS偏光成分である直線偏光11として出力する機能を有している。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on illustrated embodiments.
FIG. 1 is a diagram showing the configuration of an embodiment of a half-wave plate used in the polarization conversion element of the present invention, FIG. 1 (a) is a perspective overview, and FIG. 1 (b) It is a disassembled perspective view. The half-
次に、本実施例に使用する1/2波長板5を構成する第一の水晶波長板6、及び第二の水晶波長板7について、光学特性の算出方法について説明する。
数値計算には、以下ミューラ行列を使用し各偏光状態を示すこととする。
Next, a method for calculating optical characteristics of the first
In the numerical calculation, the following Mueller matrix is used to indicate each polarization state.
第一の水晶波長板6のミューラ行列A1は、下記の式(1)で表すことが出来る。
The Mueller matrix A1 of the first
第二の水晶波長板7のミューラ行列A2は、下記の式(2)で表すことが出来る。
The Mueller matrix A2 of the second
1/2波長板5に入射する入射偏光状態をストークスベクトルTとし、下記の式(3)で表す。
The incident polarization state incident on the half-
1/2波長板5から出射する出射偏光状態をストークスベクトルSとし、下記の式(4)で表す。
The outgoing polarization state emitted from the half-
以上、式(1)〜(4)より下記の式(5)のミューラ行列式が得られる。 As described above, the Mueller determinant of the following equation (5) is obtained from the equations (1) to (4).
式(5)において、Tを下記の式(6)のような入射偏光状態とすると、 In Equation (5), when T is an incident polarization state as in Equation (6) below,
式(5)は、
となり、1/2波長板の位相差Γは、
そこで、上述した式(8)に推定されるθ1、Γ1、θ2、Γ2を入力して演算を行い、最適値を求めるが、組み合わせが莫大であるため、ポアンカレ球上での考察を加え、ある程度の目安を求める。 Therefore, θ1, Γ1, θ2, and Γ2 estimated by the above equation (8) are inputted to perform calculation and an optimum value is obtained. However, since the combinations are enormous, consideration on the Poincare sphere is added to some extent. Ask for a guide.
図2は、本発明に使用する1/2波長板のポアンカレ球を示す。そこで、本ポアンカレ球を用いて1/2波長板の波長依存性を相殺する方法を説明する。先ず、設定条件を、
入射偏光面:図2中、水平方向とする。
第一の水晶波長板:位相差Γ1=180deg
光学軸方位角:θ1
第二の水晶波長板:位相差Γ2=180deg
光学軸方位角:θ2
とすると、第一の水晶波長板、第二の水晶波長板を透過する光の偏光状態は、以下のように考察することができる。
FIG. 2 shows a Poincare sphere of a half-wave plate used in the present invention. Therefore, a method for canceling the wavelength dependence of the half-wave plate using the present Poincare sphere will be described. First, the setting conditions
Incident polarization plane: horizontal direction in FIG.
First quartz wave plate: phase difference Γ1 = 180 deg
Optical axis azimuth: θ1
Second quartz wave plate: phase difference Γ2 = 180 deg
Optical axis azimuth: θ2
Then, the polarization state of the light transmitted through the first quartz wave plate and the second quartz wave plate can be considered as follows.
本1/2波長板の機能は、400〜700nmの帯域にて偏光面を90deg回転させることにあり、これをポアンカレ球にて表すと座標P0(S1、S2、S3)=(1、0、0)の位置からP2(−1、0、0)に移動させることである。そこで、開始点をS1軸と球面の交点P0とする。次に、S1軸を2θ1反時計回りに回転させた位置に回転軸R1を設定した後、R1軸を回転軸として位相差180deg時計方向に回転させ、到達した地点をP1とする。次に、S1軸を2θ2反時計回りに回転させた位置に回転軸R2を設定した後、R2軸を回転軸として位相差180deg時計方向に回転させ、到達した地点をP2とする。 The function of this half-wave plate is to rotate the polarization plane by 90 deg in the band of 400 to 700 nm, and this can be expressed by Poincare sphere with coordinates P0 (S1, S2, S3) = (1, 0, 0) is moved to P2 (-1, 0, 0). Therefore, the starting point is the intersection point P0 between the S1 axis and the spherical surface. Next, after setting the rotation axis R1 to the position where the S1 axis is rotated counterclockwise by 2θ1, the phase difference is rotated 180 deg clockwise with the R1 axis as the rotation axis, and the point reached is defined as P1. Next, after setting the rotation axis R2 at a position where the S1 axis is rotated counterclockwise by 2θ2, the phase difference is rotated clockwise by 180 deg using the R2 axis as a rotation axis, and the point reached is defined as P2.
この操作方法によると、P2が(−1、0、0)に到達するためには、光学軸方向θ1、及びθ2が次式の条件を満足すればよい。
θ2=θ1+45 …(9)
0<θ1<45 …(10)
According to this operation method, in order for P2 to reach (−1, 0, 0), the optical axis directions θ1 and θ2 only need to satisfy the following conditions.
θ2 = θ1 + 45 (9)
0 <θ1 <45 (10)
また、波長が変化することは、第一の波長板、及び第二の波長板の位相差が180degからずれることを意味し、この時のずれ量を夫々ΔΓ1、ΔΓ2とすると、上述の操作方法から、
ΔΓ1=ΔΓ2 …(11)
であれば位相差を相殺出来、P2は常に赤道上に到達する。このことから、第一の波長板と第二の波長板は、同じ波長依存性を有したものである必要がある。
Further, the change in wavelength means that the phase difference between the first wave plate and the second wave plate is shifted from 180 deg. When the shift amounts at this time are ΔΓ1 and ΔΓ2, respectively, the operation method described above is used. From
ΔΓ1 = ΔΓ2 (11)
If so, the phase difference can be canceled out, and P2 always reaches the equator. For this reason, the first wave plate and the second wave plate need to have the same wavelength dependency.
また、位相差がずれるとS1座標に影響を与え、これによりP2→P2’となり、赤道上でのずれが生じ出射光偏光面の回転ずれとなる。このずれは、ΔΓ1とΔΓ2が小さいほど影響を少なくすることが出来るので、第一の波長板、及び第二の波長板は、波長依存性が極力小さいものを使用することが望ましい。従って、第一の波長板と第二の波長板は、シングルモードにより機能する波長板を使用することで最も良好な特性を得ることが出来る。 Further, if the phase difference is shifted, the S1 coordinate is affected, whereby P2 → P2 ', and a shift on the equator occurs, resulting in a rotational shift of the outgoing light polarization plane. Since this shift can reduce the influence as ΔΓ1 and ΔΓ2 are smaller, it is desirable to use the first wave plate and the second wave plate having the smallest wavelength dependency. Therefore, the first wave plate and the second wave plate can obtain the best characteristics by using a wave plate that functions in a single mode.
以上の結果より、シミュレーション解析を行う際の1/2波長板のファクター及び関係式は、下記の通りとすればよい。
ファクター
第一の波長板光軸方位角:θ1
第一の波長板位相差:Γ1(180deg)
第二の波長板光軸方位角:θ2
第二の波長板位相差:Γ2(180deg)
出射光の偏光面角度:φ(90deg)
From the above results, the factor and the relational expression of the half-wave plate when performing the simulation analysis may be as follows.
Factor first wave plate optical axis azimuth: θ1
First wave plate phase difference: Γ1 (180 deg)
Second wave plate optical axis azimuth: θ2
Second wave plate phase difference: Γ2 (180 deg)
Polarization angle of outgoing light: φ (90 deg)
関係式
θ2=θ1+φ/2
0<θ1<45
ΔΓ1=ΔΓ2
Relational expression θ2 = θ1 + φ / 2
0 <θ1 <45
ΔΓ1 = ΔΓ2
次に、偏光変換素子に使用した場合の波長板の性能の評価方法について説明する。この場合の波長板に対する規定としては、通常、S偏光透過率Tsが用いられており、そこで、以下にTsについて説明する。 Next, a method for evaluating the performance of a wave plate when used in a polarization conversion element will be described. In this case, the S-polarized light transmittance Ts is usually used as a rule for the wave plate. Therefore, Ts will be described below.
図3は、本発明に係わる1/2波長板を使用した偏光変換素子の一実施例を示す構成図である。偏光変換素子12は、図8に関連して上述した従来の偏光変換素子と同様に、プリズムの斜面に光学薄膜2を成膜したプリズムアレイ3の所定の位置に1/2波長板5を備えた構造である。この偏光変換素子12は、例えば液晶プロジェクタ等の投写型表示装置に使用される。
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of a polarization conversion element using a half-wave plate according to the present invention. Similarly to the conventional polarization conversion element described above with reference to FIG. 8, the
プリズムアレイ3は、従来から公知のように、第1の主面を光入斜面としかつ第2の主面を光出射面とする平板状の透光性基材から構成される。この透光性基材中には、第1及び第2の光学薄膜2、2が、前記プリズムの斜面に成膜することにより、前記第1及び第2の主面に対して傾斜させて、交互にかつ互いに間隔をおいて平行に配置されている。As is conventionally known, the
ハロゲンランプ等の光源から放出される光線は、互いに直交するS偏光成分とP偏光成分とを含んでおり、偏光変換素子1の入射光としてプリズムアレイ3に入力される。第1の光学薄膜2は、前記第1の主面側からプリズムアレイ3に入射した光をS偏光成分とP偏光成分とに分離し、そのP偏光成分を透過させかつS偏光成分を反射する。1/2波長板5は、プリズムアレイ3の前記第2の主面に、第1の光学薄膜2を透過したP偏光成分を出射する部分に配置されている。A light beam emitted from a light source such as a halogen lamp includes an S-polarized component and a P-polarized component that are orthogonal to each other, and is input to the
プリズムアレイ3に入力した入射光のP偏光成分は、第1の光学薄膜2を透過して1/2波長板5に入力し、これを通過する際に偏光面が90deg回転して、S偏光として第一の経路から出射する。プリズムアレイ3に入力した入射光のS偏光成分は、第1及び第2の光学薄膜2,2により反射され、S偏光のまま第二の経路から出射する。従って、偏光変換素子12から出力する光は、S偏光に揃えられる。このように偏光変換素子12からの出射光をS偏光に揃えることにより、効率のよい光エネルギーの利用が図られる。The P-polarized component of the incident light input to the
液晶パネルを使用した液晶プロジェクタにおいて画面の投写に必要な光線は、ある一方の偏光成分、即ちS偏光成分又はP偏光成分のみである。従って、本発明の偏光変換素子12を液晶プロジェクタ等の投写型表示装置に使用した場合、不要な偏光成分を偏光させて出射光の偏光を揃えることにより、効率よく光のエネルギーを使用できるように機能させることができる。In a liquid crystal projector using a liquid crystal panel, a light beam necessary for projecting a screen is only one polarization component, that is, an S polarization component or a P polarization component. Therefore, when the
そこで、図3において、1/2波長板の位相差が問題となるのは、経路1についてであり、経路1は、光学薄膜のP偏光透過率であるTpと1/2波長板の位相差の両方が影響し、通常、経路1に求められる平均透過率は、93%である。一方、光学薄膜のTpとしては、平均98%が得られており、以上のことから必要な1/2波長板のTsの出射特性についてシミュレーション式を求めると次の通りである。
Therefore, in FIG. 3, the phase difference of the half-wave plate becomes a problem for the
Tsの出射特性は、前述したミューラ行列演算により得られた位相差の値(式8)をジョーンズ行列演算に変換して求める。そこで、1/2波長板の位相差をδ、光学軸方位角をθとすると、下記の式(12)のようなジョーンズベクトル行列式が得られる。 The emission characteristic of Ts is obtained by converting the phase difference value (Equation 8) obtained by the aforementioned Mueller matrix calculation into Jones matrix calculation. Therefore, when the phase difference of the half-wave plate is δ and the optical axis azimuth is θ, a Jones vector determinant as shown in the following equation (12) is obtained.
次に、得られた行列解を二乗し強度を求めると下式の通りとなる。
Ts=4sin2θcos2sin2δ/2 …(13)
Next, when the obtained matrix solution is squared to obtain the intensity, the following equation is obtained.
Ts = 4
そこで、光学薄膜のTpを98%とすると、出射光のS偏光成分Tsは下記の通りとなり、
Ts=(4sin2θcos2sin2δ/2)×0.98 …(14)
Tsの出射特性のシミュレーションは式(14)を用いて行う。
Therefore, if the Tp of the optical thin film is 98%, the S-polarized component Ts of the emitted light is as follows:
Ts = (4
The simulation of the emission characteristic of Ts is performed using Expression (14).
次に、(14)式において、位相差と出射光S成分のTsに関する相関を、光学軸方位角をθ=45degとし、位相差δを変化させて求めてみると、Tsは、図4のとおりである。 Next, in equation (14), when the correlation between the phase difference and Ts of the emitted light S component is determined by setting the optical axis azimuth angle to θ = 45 deg and changing the phase difference δ, Ts is shown in FIG. It is as follows.
図4は、本発明に使用する1/2波長板において、位相差と出射光S成分のTsに関する相関を示すグラフである。この結果から、Ts≧0.93を満足するためには、位相差δは156≦δ≦204の範囲にあればよいことがわかる。 FIG. 4 is a graph showing the correlation between the phase difference and Ts of the outgoing light S component in the half-wave plate used in the present invention. From this result, in order to satisfy Ts ≧ 0.93, it is understood that the phase difference δ only needs to be in the range of 156 ≦ δ ≦ 204.
次に、前述した(8)式、及び(14)式を用いて、1/2波長板の位相差、S偏光透過率についてシミュレーション解析した結果を示す。
先ず、第一段階として前述したポアンカレ球上で考察した結果より、1/2波長板の最適なファクターを推測し、それを用いてシミュレーション解析を行った結果、下記のファクターによる最適なシミュレーション結果が得られ、それを図5に示す。
θ1=25、θ2=70、Γ1=180(λ=490nm)、Γ2=180(λ=490nm)
Next, the results of simulation analysis of the phase difference of the half-wave plate and the S-polarized light transmittance using the above-described equations (8) and (14) are shown.
First, from the results discussed on the Poincare sphere described above as the first step, the optimum factor of the half-wave plate is estimated, and simulation analysis is performed using it. As a result, the optimum simulation result based on the following factors is obtained. Which is shown in FIG.
θ1 = 25, θ2 = 70, Γ1 = 180 (λ = 490 nm), Γ2 = 180 (λ = 490 nm)
図5は、本発明に使用する1/2波長板において、第一のシミュレーション結果を示すグラフである。図5(a)は、位相差波長依存性を示し、図5(b)は、S偏光透過率波長依存性を示す。波長依存性は、500nm近辺の短波長側において変化が大きいため、シミュレーションは短波長側に重きを置いて行った。図5に示す如く従来の1/2波長板と比べ大幅な広帯域化がなされた。 FIG. 5 is a graph showing a first simulation result in the half-wave plate used in the present invention. FIG. 5A shows the retardation wavelength dependency, and FIG. 5B shows the S polarization transmittance wavelength dependency. Since the wavelength dependence varies greatly on the short wavelength side near 500 nm, the simulation was performed with emphasis on the short wavelength side. As shown in FIG. 5, the bandwidth was significantly increased compared to the conventional half-wave plate.
次に、液晶プロジェクタに使用されている光源であるハロゲンランプは、400〜700nmの波長域を有すると共に、±5degの光の広がりを持っており、液晶プロジェクタに使用する1/2波長板は、光の入射角度が変化しても位相差が変化しないようにする必要性がある。そこで、前述の第一のシミュレーションにおいて、光の入射光が±5deg変化した場合のシミュレーションを行い、その結果を図6に示す。 Next, a halogen lamp, which is a light source used in a liquid crystal projector, has a wavelength range of 400 to 700 nm and a light spread of ± 5 deg. There is a need to prevent the phase difference from changing even if the incident angle of light changes. Therefore, in the first simulation described above, a simulation is performed when the incident light changes by ± 5 degrees, and the result is shown in FIG.
図6は、本発明に使用する1/2波長板において第二のシミュレーション結果を示すグラフであり、図6(a)は、位相差波長依存性を示し、図6(b)は、S偏光透過率波長依存性を示す。また、図6(a)において、曲線13は入射角0deg、曲線14は入射角+5deg、曲線15は入射角−5degの場合を示し、図6(b)において、曲線16は入射角0deg、曲線17は入射角+5deg、曲線18は入射角−5degの場合を示す。図6に示すように、波長依存性は、500nm〜550nmの波長域で劣化しているが、光源であるハロゲンランプの波長域は、400nm〜700nmであるものの特に波長550nm付近の光が80%を占めるので、この波長における波長依存性の劣化を少なくすることが必要である。
FIG. 6 is a graph showing a second simulation result in the half-wave plate used in the present invention, FIG. 6 (a) shows phase difference wavelength dependence, and FIG. 6 (b) shows S-polarized light. The transmittance wavelength dependency is shown. 6A, the
入射光の角度依存性を小さくするためには、第一の水晶波長板、及び第二の水晶波長板の角度依存性を夫々小さくする必要がある。水晶においては、Y−cutが角度依存性が最小であるが、水晶基板の厚みを数十ミクロンにする必要があり、水晶基板の加工の面から現実的ではない。そこで、水晶波長板の量産を行うことを前提に水晶基板の厚みを0.1tと設定すると、水晶基板の原石からの切り出し角度βは、27degZとすればよい。 In order to reduce the angle dependency of incident light, it is necessary to reduce the angle dependency of the first quartz wavelength plate and the second quartz wavelength plate. In quartz, Y-cut has the smallest angle dependency, but the thickness of the quartz substrate needs to be several tens of microns, which is not practical from the viewpoint of processing the quartz substrate. Therefore, if the thickness of the quartz substrate is set to 0.1 t on the assumption that the quartz wavelength plate is mass-produced, the cut-out angle β from the raw quartz substrate may be 27 degZ.
一方、入射光の角度依存性が劣化する原因としては、角度が変化した際にΔΓ1=ΔΓ2の条件を満たすことが出来なくなるためである。これは、2枚の水晶波長板の光軸方位角が異なるため、角度を変化させたときの位相差変化量が異なってしまうためである。そこで、この位相変化量が異ならないように、1/2波長板のファクターの最適値をシミュレーション解析を行って求め、下記に示すような最適な1/2波長板のファクターを得た。
θ1=19、θ2=64、Γ1=190(λ=420nm)、Γ2=200(λ=420nm)
On the other hand, the reason why the angle dependency of incident light deteriorates is that the condition of ΔΓ1 = ΔΓ2 cannot be satisfied when the angle changes. This is because the optical axis azimuth angles of the two quartz wavelength plates are different, so that the amount of change in phase difference when the angle is changed is different. Therefore, the optimum value of the factor of the half-wave plate was obtained by simulation analysis so that the amount of phase change did not differ, and the optimum factor of the half-wave plate as shown below was obtained.
θ1 = 19, θ2 = 64, Γ1 = 190 (λ = 420 nm), Γ2 = 200 (λ = 420 nm)
そこで、このファクターを用いた1/2波長板の位相差波長依存性とS偏光透過率波長依存性を図7に示す。
図7は、本発明に使用する1/2波長板の一実施例における波長依存性を示すグラフであり、図7(a)は、位相差波長依存性を示し、図7(b)は、S偏光透過率波長依存性を示す。又、図7(a)において、曲線19は入射角0deg、曲線20は入射角+5deg、曲線21は入射角−5degの場合を示し、図7(b)において、曲線22は入射角0deg、曲線23は入射角+5deg、曲線24は入射角−5degの場合を示す。本実施例に示すようなファクターを1/2波長板に適用することにより、波長550nm近辺で波長依存性に優れた1/2波長板を構成することができた。従って、前述したように所定の計算式によりシミュレーション解析を繰り返すことにより、400〜700nmの波長域において所望の性能を有する1/2波長板の構成を得ることが可能となった。
Accordingly, FIG. 7 shows the retardation wavelength dependency and S-polarized light transmittance wavelength dependency of a half-wave plate using this factor.
FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence in one embodiment of the half-wave plate used in the present invention, FIG. 7 (a) shows the phase difference wavelength dependence, and FIG. S-polarized light transmittance wavelength dependence is shown. Further, in FIG. 7A, a
1…偏光変換素子、2…光学薄膜、3…プリズムアレイ、4…1/2波長板、5…1/2波長板、6…第一の水晶波長板、7…第二の水晶波長板、8…結晶光学軸、9…結晶光学軸、10…直線偏光、11…直線偏光、12…偏光変換素子、13…±0deg入射角での波長依存性曲線、14…+5deg入射角での波長依存性曲線、15…−5deg入射角での波長依存性曲線、16…±0deg入射角での波長依存性曲線、17…+5deg入射角での波長依存性曲線、18…−5deg入射角での波長依存性曲線、19…±0deg入射角での波長依存性曲線、20…+5deg入射角での波長依存性曲線、21−5deg入射角での波長依存性曲線、22…±0deg入射角での波長依存性曲線、23…+5deg入射角での波長依存性曲線、24−5deg入射角での波長依存性曲線。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記第一の波長板の材料及び前記第二の波長板の材料が水晶であり、The material of the first wave plate and the material of the second wave plate are quartz,
前記入射する直線偏光の偏光面と前記第一の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ1とし、前記入射する直線偏光の偏光面と前記第二の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ2としたとき、前記光学軸方位角θ1と前記光学軸方位角θ2とが、An angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the first wave plate is an optical axis azimuth angle θ1, and the angle of polarization of the incident linearly polarized light and the optical axis of the second wave plate is When the angle formed is the optical axis azimuth angle θ2, the optical axis azimuth angle θ1 and the optical axis azimuth angle θ2 are
θ2=θ1+45 …(1)θ2 = θ1 + 45 (1)
0<θ1<45 …(2)0 <θ1 <45 (2)
を満足し、Satisfied,
前記波長λをThe wavelength λ
λ1<λ<(λ2−λ1)/2+λ1 …(3)λ1 <λ <(λ2-λ1) / 2 + λ1 (3)
の範囲に設定し、To the range of
前記位相差Γ1と前記位相差Γ2とが、The phase difference Γ1 and the phase difference Γ2 are
Γ1=180deg+a …(5)Γ1 = 180 deg + a (5)
Γ2=180deg+b …(6)Γ2 = 180 deg + b (6)
b=2×a …(7)b = 2 × a (7)
0deg≦a≦10deg0 deg ≦ a ≦ 10 deg
を満足すると共に、As well as
前記光学軸方位角θ1が、θ1≠22.5degであり、前記波長λが変化したときの前記第一の波長板の位相差のずれ量をΔΓ1とし、前記波長λが変化したときの前記第二の波長板の位相差のずれ量をΔΓ2としたとき、The optical axis azimuth θ1 is θ1 ≠ 22.5 deg, the amount of phase difference deviation of the first wave plate when the wavelength λ changes is ΔΓ1, and the first when the wavelength λ changes When the amount of phase difference between the two wave plates is ΔΓ2,
ΔΓ1=ΔΓ2 …(4)ΔΓ1 = ΔΓ2 (4)
を満足することを特徴とする波長板。A wave plate characterized by satisfying
前記第1及び第2の光学薄膜が、前記第1及び第2の主面に対して傾斜させて、交互にかつ互いに間隔をおいて平行に配置され、
前記第1の光学薄膜が、前記第1の主面側から入射した光を互いに直交する第1の直線偏光と第2の直線偏光とに分離して、前記第1の直線偏光を透過させかつ第2の直線偏光を反射し、
前記第2の光学薄膜が、前記第1の光学薄膜により反射された第2の直線偏光を反射して前記第2の主面から出射させ、
前記波長板が、前記第1の光学薄膜を透過した前記第1の直線偏光を出射させる前記第2の主面の部分に配置された偏光変換素子であって、
前記波長板が、請求項1乃至4の何れか1項に記載の波長板であることを特徴とする偏光変換素子。 A flat translucent substrate to the first major surface light emitting surface light entrance morphism surface Toshikatsu second main surface, and first and second optical thin film provided in said base material A wave plate provided on the second main surface of the base material,
The first and second optical thin films are inclined with respect to the first and second main surfaces and alternately and parallel to each other;
The first optical thin film separates light incident from the first main surface side into first linearly polarized light and second linearly polarized light orthogonal to each other, and transmits the first linearly polarized light; Reflects the second linearly polarized light,
The second optical thin film reflects and emits the second linearly polarized light reflected by the first optical thin film from the second main surface;
The wave plate is a polarization conversion element disposed on a portion of the second main surface that emits the first linearly polarized light that has passed through the first optical thin film;
The polarization plate according to claim 1 , wherein the wave plate is the wave plate according to claim 1 .
前記光源からの光を前記第2の直線偏光に変換して出射する請求項5乃至7の何れか1項に記載の偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する変調手段と、
前記変調手段により変調された光を投写する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。 A light source;
The polarization conversion element according to any one of claims 5 to 7 , wherein the light from the light source is converted into the second linearly polarized light and emitted.
Modulation means for modulating light emitted from the polarization conversion element according to image information to be projected;
And a projection optical system for projecting the light modulated by the modulating means.
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