JP2005250057A - 投射型映像表示装置、それに用いる光学ユニット、及び偏光分離用構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】
投射型映像表示技術において、偏光分離素子の温度上昇が抑えられ、かつ映像の高画質性を確保可能な技術を提供する。
【解決手段】
偏光分離手段として、光の屈折率が１よりも大きい媒質中に偏光分離素子を配設した構成とし、偏光分離素子としては、格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面を備え、該偏光分離面に接して空気層が形成された構成とする。また、投射型映像表示装置またはそれに用いる光学ユニットとしては、ライトバルブに照射された光及び該ライトバルブで変調された光を上記偏光分離手段により偏光分離し、該偏光分離した光を色合成手段で色合成し、該色合成した光を投射レンズユニットで拡大投射する構成とする。
【選択図】 図２

Description

本発明は、光源側からの光を液晶パネル等のライトバルブに照射し映像信号に応じた光学像を形成して拡大投射する投射型映像表示装置における偏光分離技術に関する。

業務用途の液晶プロジェクタが大きく普及してきている。また、従来のブラウン管に表示された画像をスクリーンに投影する方式の画像表示装置に代わるものとして、液晶パネルを用いた投射型テレビの開発が行われてきた。特に、家庭用の投射型テレビとしては、業務用の液晶プロジェクタに比べて、より忠実な色再現性、高いコントラスト性能及び素早い動画表示性能が求められている。

反射型液晶パネルの場合、液晶層を反射により往復で２回通過するので、透過型液晶パネルに比べてその液晶層の厚さを約半分にできる。液晶層の厚さが半分になれば、その応答速度は４倍となり、動画表示に有利である。

この反射型液晶パネルを用いた投射型液晶プロジェクタ装置では、一般に、反射型液晶パネルの前に、偏光子および検光子の作用を有する、所定偏光方向の偏光波を透過し、それと直交する偏光方向の偏光波を反射させる偏光分離手段が配置される。このような技術は、例えば、特開２００１−１４２０２８号公報（特許文献１）や特開２００３−１３１２１２号公報（特許文献２）に記載されている。

これらの特許文献では、赤色・緑色・青色光用の反射型液晶パネルと偏光分離手段が３組配置され、３色光はクロスダイクロイックプリズムで色合成する構成となっている。

偏光分離手段としては、２つの直角プリズムの界面に誘電体多層膜である偏光ビームスプリッタ（Ｐｏｌａｒｉｚｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）（以下、ＰＢＳという）が形成されたＰＢＳプリズム（特許文献１記載）や、ガラス基板上にワイヤグリッド（金属格子）を所定のピッチ（形成周期）で形成して回折格子とした格子構造回折格子であるワイヤグリッド型偏光分離素子（特許文献２記載）等がある。

特開２００１−１４２０２８号公報

特開２００３−１３１２１２号公報

上記特許文献１記載のＰＢＳプリズムは、垂直に入射した光線に対する消光比が大きく、偏光分離作用が優れている。しかしながら、光軸とＰＢＳ膜面の法線とで形成する面（主入射面）に平行でない斜め光がＰＢＳプリズムに入射した場合には漏れ光が生じ、消光比が低下する。このための改善策として、該特許文献１では、反射型液晶パネルの前に１／４波長板を設けているが、その効果は十分ではなく、コントラストを高くできないおそれがある。

また、上記特許文献２記載のワイヤグリッド型偏光分離素子の場合は、入射角４５°での消光比のピーク値は低いが、該特許文献２中の図４の偏光分離特性に示されているように、角度の付いた光線（斜め光）に対する消光比の劣化が少ない。このため、光束全体としてのコントラスト性能が良くなるが、該ワイヤグリッド型偏光分離素子については、以下のことが懸念される。

反射型液晶パネルを反射した光束が投射レンズに入射する光路上に、ワイヤグリッド型偏光分離素子を配置する方法として、２つが考えられる。図１２はその配置方法を示すものである。図１２（１）の配置方法では、照明光学系からのＳ偏光の入射光束はワイヤグリッド型偏光分離素子１７を反射して、反射型液晶パネル２１４に入射し、反射型液晶パネル２１４でＰ偏光に変換された出射光（反射光）はワイヤグリッド型偏光分離素子１７を透過して投射レンズ（図示なし）へ向かう（以下、便宜上、この配置を、反射型液晶パネルからの反射光がワイヤグリッド型偏光分離素子を透過して投射レンズへ向かうことから「透過配置」という）。図１２（２）の配置方法では、照明光学系からのＰ偏光光の入射光束はワイヤグリッド型偏光分離素子１７を透過し、反射型液晶パネル２１７に入射し、反射型液晶パネル２１７でＳ偏光光に変換された出射光（反射光）は、ワイヤグリッド型偏光分離素子１７で反射して投射レンズ（不図示）へ向かう（以下、便宜上、この配置を、反射型液晶パネルからの反射光がワイヤグリッド型偏光分離素子を反射して投射レンズへ向かうことから「反射配置」という）。

図１２（２）に示すワイヤグリッド型偏光分離素子を反射配置した場合は、ワイヤグリッド型偏光分離素子の配置ズレや、ワイヤグリッド型偏光分離素子の熱による膨張変形が起きると、投射性能が劣化するとおそれがある。一方、図１２（１）に示すワイヤグリッド型偏光分離素子を透過配置した場合は、平板状のワイヤグリッド型偏光分離素子を透過することで、非点収差が生じ、同様に、投射性能が劣化するおそれがある。

上記特許文献２では、その図１に示されているように、ワイヤグリッド型偏光分離素子を透過配置とし、また、その図２で示されているように、透過配置で生じる非点収差を低減するために、２つの直角プリズムの斜面の間にワイヤグリッド型偏光分離素子を配設して、偏光分離手段を構成している。この場合、ワイヤグリッド型偏光分離素子のガラス基板と直角プリズムがほぼ同じ屈折率を有するため、非点収差は低減される。

また、このような２つの直角プリズムの斜面の間にワイヤグリッド型偏光分離素子を配設して偏光分離手段とした偏光分離プリズム（以下、「回折プリズム」という）では、光路長を短くできるため、投射レンズのバックフォーカスを短くするすなわち投射レンズを小型化することができ、さらには、光線の拡がりを小さくできるため、回折プリズムを小さくすることもできる。

外形形状が直方体の透光性容器の中にワイヤグリッド型偏光分離素子のガラス基板と略同等の屈折率を持つ液体媒質を充填し、この媒質中にワイヤグリッド型偏光分離素子を配設しても同様の効果が得られる。

しかし、ワイヤグリッド型偏光分離素子のワイヤグリッドは、入射光量の５〜１０％程度を吸収して高温となる。温度上昇により、透光性基板であるガラス基板に熱応力に基づく複屈折が生じてコントラストが低下したり、また、ガラス基板が熱膨張変形を起して投射性能が劣化したりする。そこで、ワイヤグリッド型偏光分離素子を液体媒質中に配設すれば、温度上昇を低減することができ、かつ、上記した回折プリズムと同様の効果を持たせることができる。

ところで、ワイヤグリッド型偏光分離素子を、回折プリズムのように、屈折率が空気より大きい媒質、例えばガラスやエチレングリコール液など屈折率が１以上の媒質の中に配設した場合、ワイヤグリッド型偏光分離素子を空気中で使用する場合に比べ、光の波長が短くなるため、適切な偏光分離特性を確保するためには、ワイヤグリッドの格子ピッチを小さくする必要がある。

ワイヤグリッド型偏光分離素子の製造方法としては、上記特許文献２の段落００３９に記載されているように、ガラス基板上にアルミニウム下地膜を形成し、電子線描画によりレジストパターンを作製し、次に所定膜厚のアルミニウムを蒸着し、リフトオフにより選択的に不要なアルミニウムを除去して金属格子を形成する方法が考えられる。従って、寸法精度は電子線描画装置の性能に依存することになる。現在の電子線描画装置では最小描画線幅が、通常の解像度のもので１００×１０^−９ｍ前後、高解像度のもので３０×１０^−９ｍ前後である。

現在市販されている製品では、例えばワイヤグリッドの線幅が６５×１０^−９ｍ、格子間隔が１５０〜２００×１０^−９ｍ、ワイヤグリッドのガラス基板の厚さは０．７×１０^−３ｍから１．６×１０^−３ｍ（ＭＯＸＴＥＫ社製）程度であり、屈折率が１．５である媒質中で同等の偏光分離性能を得るためには線幅が４３×１０^−９ｍ、格子間隔が１００〜１３０×１０^−９ｍ程度である必要がある。この数値は寸法精度を考慮すると、高解像度の電子線描画装置でも対応が難しい。

このように、ワイヤグリッドの格子ピッチを小さくすることは、製造上の困難を伴うことになる。現在、市販されているものは、空気中での使用を前提としている。

図１３、図１４は、空気中での使用を前提に設計したワイヤグリッド型偏光分離素子を、空気中に配設した場合と、屈折率１．４５のエチレングリコールとグリセリンの混合液（以下、この混合液を「ＧＥ５５」という）の媒質中に配設した場合とにおける偏光分離特性を示す。図１３はＰ偏光光透過率特性の説明図、図１４はＳ偏光光透過率特性の説明図である。図１３、図１４から明らかなように、空気中での使用を前提に設計されたワイヤグリッド型偏光分離素子をＧＥ５５の媒質中に配設すると、透過光であるＰ偏光光の透過量が低下し、反射光であるＳ偏光光の透過量が増加する。上記透過配置において、Ｐ偏光光の透過量が低下すると、反射型液晶パネルから投射レンズに向かうＰ偏光光の反射光の透過量が低下するため、明るさが低下する。また、除去されるべきＳ偏光光の透過量が増加するため、偏光度が低下し、コントラストが低下することになる。

本発明の課題点は、上記従来技術の状況に鑑み、上記ワイヤグリッド型偏光分離素子等、格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離素子を、空気より屈折率の大きい媒質中で用いた場合にも、偏光分離性の劣化を抑えることができるようにすることである。

本発明の目的は、上記課題点を解決し、偏光分離素子の温度上昇を抑えた状態で、映像の解像度、明るさ及びコントラストを確保できる投射型映像表示技術の提供にある。

上記課題点を解決するために、本発明では、偏光分離用構造体として、光の屈折率が１よりも大きい媒質中に偏光分離素子を配設した構成とし、該偏光分離素子としては、ワイヤグリッド構造等の格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面を備え、該偏光分離面に接して空気層が形成された構成とする。また、光源側からの光を偏光変換してライトバルブに照射し、映像信号に応じた光学像を形成して拡大投射する投射型映像表示装置またはそれに用いる光学ユニットとしては、上記ライトバルブに照射された光及び該ライトバルブで変調された光を上記偏光分離用構造体により偏光分離し、該偏光分離した光を色合成手段で色合成し、該色合成した光を投射レンズユニットでスクリーン等に拡大投射する構成とする。

本発明によれば、投射型映像表示技術において、偏光分離素子部の温度上昇を抑えられると同時に、映像の高画質性を確保することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態につき、図面を用いて説明する。なお、全図面において共通な機能を有する構成要素には、同一符号を付す。

本発明は、ワイヤグリッド型偏光分離素子を空気より屈折率の大きい媒質中に配設した場合に生じる偏光分離特性の劣化を低減するために、該ワイヤグリッド型偏光分離素子のワイヤグリッドと媒質との間に非点収差に影響を及ぼさない程度の薄い空気層を備えることに特徴がある。

図１は、本発明の実施形態としての投射型映像表示装置の構成例であって、ライトバルブに反射型液晶パネルを用いた液晶プロジェクタ装置の場合の例を示す。

図１において、１１は光源、１２は放物反射面形状のリフレクタ、１３、１４はそれぞれ、インテグレータ光学系を構成する第１マルチレンズアレイ、第２マルチレンズアレイ、１５はプリズムアレイから成る平板型偏光変換手段、１６は集光レンズで、１０はこれらから構成される照明光学系である。２１、２２はフィールドレンズ、２３はリレーレンズ、１８、１９はダイクロイックミラー、２０は、ダイクロイックミラー１８、１９から成る色分離手段、２４は全反射ミラー、２９１、２９２、２９３はそれぞれ、Ｓ偏光光を透過させる入射側偏光板、３０１、３０２、３０３は、Ｐ偏光光を透過しＳ偏光光を反射することで偏光分離を行う偏光分離用構造体である偏光分離手段、４１１、４１２、４１３はＰ偏光光を透過させる出射側偏光板、４０１、４０２、４０３は、ライトバルブ（反射型ライトバルブ）としての反射型液晶パネル、４２、４３は、Ｐ偏光光とＳ偏光光を変換する１／２波長位相差板、４４は色合成用のクロスダイクロイックプリズム、４５は、色合成された光をスクリーン等に拡大投射する投射レンズユニットである。

光源１１から出射した光は、放物反射面形状のリフレクタ１２で反射され、レンズアレイ方式のインテグレータ光学系に入射する。インテグレータ光学系は、リフレクタ１２の出射開口と略同等サイズの矩形枠に設けられた矩形状の複数のレンズセルにより構成され、複数の２次光源像を形成するための第１レンズアレイ１３と、同じく矩形状の複数のレンズセルにより構成され、前述の複数の２次光源像が形成される近傍に配置され、かつ反射型液晶パネル４０１、４０２、４０３に、第１レンズアレイ１３の個々のレンズセル像を結像させる第２レンズアレイ１４とから成る。インテグレータ光学系で複数光束に分割された各光束は、平板型偏光変換手段１５で所定偏光方向（ここではＳ偏光光）に揃えられ、Ｓ偏光光に揃えられた各光束は、集光レンズ１６により集光され、フィールドレンズ２１、２２により主光線が平行光とされた（テレセントリック化された）後、反射型液晶パネル４０１、４０２、４０３上に重畳して照射される。これにより、該反射型液晶パネル４０１、４０２、４０３には均一な光照射がなされる。なお、光源１１、インテグレータ光学系、平板型偏光変換手段１５、集光レンズ１６は照明光学系を構成する。

集光レンズ１６から出た光は、光軸に対し４５°の角度で配置されたダイクロイックミラー１８により、ＲＧ（赤色＋緑色）光とＢ（青色）光に色分離され、ＲＧ光はダイクロイックミラー１８を透過し、Ｂ光はダイクロイックミラー１８を反射する。ダイクロイックミラー１８を透過したＲＧ光は、ダイクロイックミラー１９によりＲ光とＧ光に色分離され、Ｒ光はダイクロイックミラー１９を透過して反射型液晶パネル４０１に入射し、Ｇ光はダイクロイックミラー１９を反射して、反射型液晶パネル４０２に入射する。一方、ダイクロイックミラー１８を反射したＢ光は、リレーレンズ２３を透過し、全反射ミラー２４によりその光路を９０°曲げられ、フィールドレンズ２２で主光線が光軸に平行とされ、反射型液晶パネル４０３に入射する。なお、反射型液晶パネル４０３の光路長は他の２つの光路に比べて長いため、リレーレンズ２３は他の２つの光路長より長い反射型液晶パネル４０３に照明光束を導く。

次に、各色光用の反射型液晶パネル４０１、４０２、４０３（以下、これらを総称して反射型液晶パネル４０という）の手前に配置された各色光用の偏光分離手段３０１、３０２、３０３（以下、これらを総称して偏光分離手段３０という）について説明する。

偏光分離手段３０は、光の屈折率が１よりも大きい媒質中に偏光分離素子を配設した構成を有し、該偏光分離素子としては、ワイヤグリッド構造等の格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面を備え、該偏光分離面に接して空気層が形成された構成のものを用いる。該偏光分離素子では、前述のように、ＰＢＳプリズムに比べて偏光度が不足するため、偏光分離手段３０の入射側に補助偏光子（Ｓ偏光光を透過）としての入射側偏光板２９１、２９２、２９３（以下、これらを総称して入射側偏光板２９という）を設け、出射側に補助検光子（Ｐ偏光光を透過）としての出射側偏光板４１１、４１２、４１３（以下、これらを総称して出射側偏光板４１という）を設ける。

色分離手段２０で色分離された各色光（Ｓ偏光光）は、対応する反射型液晶パネル４０に向かうが、入射側偏光板２９でＳ偏光光の偏光度が高められた後、偏光分離手段３０により偏光分離されＳ偏光光のみが反射されて反射型液晶パネル４０に略垂直に照射される。反射型液晶パネル４０では、照射されたＳ偏光光は、画素毎に映像信号に応じて光強度変調され光学像を形成するとともに、偏光状態を変えられてＰ偏光光に変換される。光学像を形成しＰ偏光光に変換された状態で反射型液晶パネル４０から反射される各色光は、再び偏光分離手段３０に入射する。該Ｐ偏光光は、該偏光分離手段３０の偏光分離素子で偏光分離され、該偏光分離手段３０を透過する。偏光分離手段３０を透過した該Ｐ偏光光は、出射側偏光板４１で偏光度を増大され、さらに、クロスダイクロイックプリズム４４で色合成される。

反射型液晶パネル４０は、駆動回路（図示なし）により映像信号に応じて駆動され、上記入射したＳ偏光光を画素毎に偏光方向を変えながら光強度変調し、映像信号に応じＰ偏光光の光学像を形成する。

反射型液晶パネル４０からの各色光の光学像のうち、Ｒ色光とＢ色光は１／２波長位相差板４２、４３でＰ偏光光がＳ偏光光に変換されて、クロスダイクロイックプリズム４４で色合成されてカラーの光学像（画像）が形成され、投射レンズ４５によりスクリーンなどに拡大投射される。なお、１／２波長位相差板４２、４３を配置せずに、全色光をＰ偏光光のままクロスダイクロイックプリズム４４において色合成するようにしてもよい。

上記図１の構成において、光源１１から投射レンズユニット４５までの一連の光学系は、液晶プロジェクタ装置の照明光学系を含み構成される光学ユニットを形成している。

図２〜図３は、偏光分離手段３０の第１の構成例の説明図である。図２は、偏光分離手段３０の第１の構成例図、図３はその光線図である。本第１の構成例においては、偏光分離手段３０を偏光分離手段３０Ａという。偏光分離手段３０Ａにおいて媒質中に設ける偏光分離素子には、空気層に接する偏光分離面がワイヤグリッド構造を備えたワイヤグリッド型偏光分離素子を用いる。

図２において、偏光分離手段３０Ａは、外形形状が直方体であるガラスやプラスチックから成る透光性容器３５と、その内部に充填された媒質としての液体３１と、該液体３１中に配設されたワイヤグリッド型偏光分離素子５０とから成る。ワイヤグリッド型偏光分離素子５０は、板厚ｔ２が０．７×１０^−３ｍである透光性基板５１と、その上に所定の周期間隔で形成された回折格子すなわち偏光分離面を形成した、例えばアルミニウムのワイヤグリッド（金属格子）５２と、透光性基板５１に対向して平行に配置され板厚ｔ１が０．７×１０^−３ｍである透光性の平板５４と、透光性基板５１と平板５４の周辺部側面を覆う側板５５と、所定の間隔をあけて平行に配置された透光性基板５１と平板５４と側板５５とで囲まれた空間内に空気が気密に充填されて形成された空気層５６とから成る。偏光分離手段３０Ａの透光性容器３５の１つの面（ＸＹ平面に平行）に反射型液晶パネル４０が配設されており、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０は、反射型液晶パネル４０から投射レンズ４５に向かう光路上（Ｚ軸方向）にθ°（ここでは４５°）傾斜して配設されている。また、偏光分離手段３０Ａの透光性容器３５の入射面３５ｉには入射側偏光板２９が、出射面には出射側偏光板４１が設けられている。

偏光分離手段３０Ａに入射する主光線Ｌ１は、先ず、入射側偏光板２９で所定偏光方向（ここではＳ偏光光）の偏光度が高められ、偏光分離手段３０Ａに入射する。入射側偏光板２９でＳ偏光度が高められた主光線Ｌ１のうち、Ｐ偏光光成分はワイヤグリッド型偏光分離素子５０の偏光分離面を透過し、Ｓ偏光光成分は該偏光分離面で反射され、反射型液晶パネル４０に入射する。反射型液晶パネル４０では、Ｓ偏光光の入射光束を映像信号に応じて光強度変調してＰ偏光光の光学像を形成しＺ軸方向に反射する。反射型液晶パネル４０からのＰ偏光光の反射光は、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０を透過し、出射側偏光板４１で検光されて投射レンズ４５側に向かう。

なお、偏光分離手段３０Ａの入射側と出射側に設けた偏光板は、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０の偏光分離機能を補うためのものである。また、透光性基板５１と平板５４との間は空気で満たされ空気層５６を形成している。該空気層５６の厚さ（以下、「エア厚」という）が厚過ぎる場合は、反射型液晶パネル４０からの反射光がワイヤグリッド型偏光分離素子５０を透過する際に該空気層５６で非点収差が発生する。このため、エア厚は適切な値とする必要がある。この点については、後述する。

以上述べたように、上記ワイヤグリッド型偏光分離素子５０は空気層５６を有する構成のため、ワイヤグリッドの格子ピッチを、少なくとも空気中で用いる格子ピッチと同じとすることができる。このため、上記ワイヤグリッド型偏光分離素子５０の製造が困難になるという問題はない。また、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０は、光の屈折率が空気よりも大きい液体３１中に配設されているため、光路長を短くすることができ、投射レンズのバックフォーカスを短くして投射レンズを小型化することが可能となる。さらに、液体３１で冷却することができ、投射性能の劣化や複屈折によるコントラスト低下を改善することができる。

ワイヤグリッド型偏光分離素子５０は、空気層５６を備えているため、光の屈折率が大きい媒質と同屈折率が小さい媒質との境界で生じる全反射に対して注意する必要がある。以下、計算を容易とするために、平板５４と液体３１の光の屈折率は互いに略同じとする。例えば、液体３１の光の屈折率が１．５である場合、空気層との間で全反射を起こす角度は、スネルの法則から４１．８°（＝ｓｉｎ^−１（１／１．５））となる。ワイヤグリッド型偏光分離素子５０に入射する光の光軸上のＳ偏光光のみならず、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０で透過すべきＰ偏光光も反射してしまう。偏光分離面で全反射が生じると消光比すなわちコントラストが劣化してしまうことがある。

図３は、図２の偏光分離手段３０Ａにおける光線図である。

図３において、５３は，ワイヤグリッド型偏光分離素子５０の偏光分離面（ワイヤグリッド構造が設けられ光を偏光分離する面）、Ｎは、媒質としての液体３１における光の屈折率である。

照明光学系から反射型液晶パネル４０に入射して反射され、投射レンズユニットに入射する光束は、光軸に平行な平行光束の他、角度を有した光束もある。この角度を有する光束をＦ値に換算した値をＦとすると、図３において、Ｆ値最大角の光線Ｌ２が、液体媒質と空気層との界面で全反射を起さないためには、入射面３５ｉにおいて下記数２の関係を満足し、空気層５６との界面で下記数３の関係を満足することが必要である。なお、θは光軸上の主光線Ｌ１の空気層界面、あるいは透光性の平板５１、５４での入射角であって、Ｚ軸とワイヤグリッド型偏光分離素子とのなす角に等しい。

ｓｉｎα＝ｓｉｎ〔ｔａｎ^−１｛１／（２Ｆ）｝〕＝Ｎｓｉｎβ …（数２）
Ｎｓｉｎ（β＋θ）＜１ …（数３）
数２と数３とから下記数４が得られる。

θ＜ｓｉｎ^−１（１／Ｎ）
−ｓｉｎ^−１［（１／Ｎ）ｓｉｎ〔ｔａｎ^−１｛１／（２Ｆ）｝〕］…（数４）
ただし、数４において、θ＞０である。

従って、媒質の光の屈折率Ｎが小さくて入射光線Ｌ２が上記数４を満足すれば、媒質とワイヤグリッド型偏光分離素子の空気層との界面では全反射が起きない。しかし、媒質の光の屈折率Ｎが大きく、上記数４を満足しない場合は全反射が起こり、偏光分離機能が劣化する。例えば、Ｆ＝３、Ｎ＝１．２の場合は、全反射が起きない入射角θは、数４から、４８．６°未満の値となり、この結果、ワイヤグリッド型偏光分離素子を４５°傾斜させても全反射は起きない。しかし、Ｆ＝３、Ｎ＝１．３９であれば、全反射が起きない入射角θは３９．２°未満の値となり、ワイヤグリッド型偏光分離素子を４５°傾斜させた場合には全反射が起きる。なお、主光線の場合は、上記数４の右辺第２項がなくなるため、θは４６°未満の値となり、偏光分離手段は、媒質とワイヤグリッド型偏光分離素子の空気層との界面で全反射は起きない。

図４〜図５は、偏光分離手段３０の第２の構成例の説明図である。図４は、偏光分離手段３０の第２の構成例図、図５はその光線図である。本第２の構成例においては、偏光分離手段３０を偏光分離手段３０Ｂという。偏光分離手段３０Ｂにおいて媒質中に設ける偏光分離素子としては、上記第１の構成例の場合と同様、空気層に接する偏光分離面がワイヤグリッド構造を備えたワイヤグリッド型偏光分離素子５０を用いる。本第２の構成例は、該ワイヤグリッド型偏光分離素子５０がＺ軸と成す角を、４５°より所定角φだけ大きくし、主入射光線Ｌ３をＹ軸に対して２φ傾斜させ、全反射を回避できるようにした場合の例である。

図４において、偏光分離手段３０Ｂは、光の通る部分には透光性の窓３７が設けられた金属容器３６と、その内部に充填された媒質としての液体３２と、液体３２中に配設されたワイヤグリッド型偏光分離素子５０とから成る。液体３２としては、例えば、エチレングリコールとグリセリンの混合液であるＧＥ５５などを用いる。ＧＥ５５の光の屈折率は１．４５である。

図５は、図４の偏光分離手段における光線図である。本図５では、入射側偏光板２９、出射側偏光板４１等の図示は省いてある。また、説明の便宜上、平板５４と液体３２の光の屈折率を略同じものとする。図５から明らかなように、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０は、Ｚ軸に対して４５°の傾斜位置から反時計方向に角度φだけずれた位置に配置されている。従って、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０で反射されたＳ偏光光がＺ軸の負方向に向かうようにした場合、反射角は４５°−φとなり、主光線Ｌ３のワイヤグリッド型偏光分離素子５０への入射角も４５°−φとなる。このとき、主光線Ｌ３がＹ軸と成す角は２φとなる。金属容器３６の入射面３６ｉはＺ軸の負方向に対して２φ傾斜し、金属容器３６の透光性の窓３７に入射する主光線Ｌ３は入射面３６ｉに垂直に入射する。

このように構成された偏光分離手段３０Ｂでは、主光線Ｌ３のワイヤグリッド型偏光分離素子５０への入射角は４５°−φとなるため、角度を持った光束（換算Ｆ値がＦの光束）を考慮しても、空気層での全反射をなくすことができる。従って、偏光分離手段３０Ｂに入射した入射光線のうちのＳ偏光光は、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０で反射して反射型液晶パネル４０に入射し、光強度変調され光学像を形成するとともにＰ偏光光として該反射型液晶パネル４０から反射される。該反射型液晶パネル４０から出射されたＰ偏光光は、再び偏光分離手段３０Ｂに入射し、偏光分離手段３０Ｂ中のワイヤグリッド型偏光分離素子５０を透過して、色合成用のクロスダイクロイックプリズム４４側に出射される。クロスダイクロイックプリズム４４で色合成された光はさらに、投射レンズユニット４５側に出射される。

従って、上記数４から算出するθを臨界入射角θ_ｍとすれば、上記角度φは次の数５を満たす必要がある。

４５−θ_ｍ＜φ …（数５）
例えば、媒質の光の屈折率Ｎを１．４５、Ｆを３とすれば、数４から主光線の空気層界面での臨界入射角θ_ｍは３７．１°となり、数５から、φは７．９°以上にする必要がある。φを７．９°以上とすれば、数４が満たされるため、空気層界面での全反射は生じない。

上記第２の構成例では、ワイヤグリッド型偏光分離素子５０をＺ軸に対し４５°傾斜の位置から角度φだけ傾けて配置しているが、ＰＢＳプリズムの場合とは異なり、該ワイヤグリッド型偏光分離素子５０の偏光分離特性の入射角に対する依存性が低いため、第１の構成の場合と同様、良好な偏光分離特性が得られる。

図６は、偏光分離手段３０の第３の構成例の説明図である。本第３の構成例においては、偏光分離手段３０を偏光分離手段３０Ｃという。偏光分離手段３０Ｃにおいても媒質中に設ける偏光分離素子としては、上記第１、第２の構成例の場合と同様、空気層に接する偏光分離面がワイヤグリッド構造を備えたワイヤグリッド型偏光分離素子を用いる。本第３の構成例では、２つのプリズムの間にワイヤグリッド型偏光分離素子を配設する。

図６において、偏光分離手段３０Ｃは、直角プリズム３３と、これに対向するプリズム３４と、直角プリズム３３とプリズム３４との間に配設されたワイヤグリッド型偏光分離素子６０とから成る。そして、ワイヤグリッド型偏光分離素子６０は、板厚が０．７×１０^−３ｍの透光性基板６１と、その上に所定の周期間隔で形成された回折作用を有するすなわち偏光分離面を形成したワイヤグリッド（金属格子）６２と、透光性基板６１とプリズム３４の周辺部側面を覆う側板６５と、透光性基板６１とプリズム３４と側板６５とで囲まれた空間内に空気が気密に充填されて形成された空気層６６とから成る。プリズム３４の、ワイヤグリッド型偏光分離素子６０側面以外の一方の面３４_１（ＸＹ平面に平行）に平行に、反射型液晶パネル４０が配設されており、ワイヤグリッド型偏光分離素子６０は、反射型液晶パネル４０から投射レンズ４５に向かう光路上（Ｚ軸方向）に、上記第２の構成例の場合と同様に、Ｚ軸に対して４５°傾斜位置から反時計方向に角度φだけすれた位置に配置されている。また、プリズム３４の入射面３４ｉはＺ軸の負方向に対して角度２φだけ傾斜しており、偏光分離手段３０Ｃに入射する主光線Ｌ５はＹ軸に対して角度２φ傾斜している。従って、偏光分離手段３０Ｃの入出射の光線図は、上記図５の場合と同様である。

上記第３の構成例の偏光分離手段では、媒質がガラス例えばＨＯＹＡ社のＢＳＣ７（商品名）であり、光の屈折率が１．５２と、上記第２の構成例の液体媒質（例えば屈折率１．４５）のそれよりも大きいため、４５°傾斜位置からのずれ角度φを、液体媒質の場合よりも大きくする必要がある。例えば、ガラス媒質の屈折率Ｎを１．５２、Ｆを３とすれば、数４から、主光線の空気層界面での臨海入射角θ_ｍは３４．９°となる結果、角度φは、数５から、４５°−３４．９°＝１０．１°より大きくする必要があり、液体媒質の場合よりも大きい角度φが必要となる。

以上述べた偏光分離手段のワイヤグリッド型偏光分離素子は、空気層を備えているため、該空気層で発生する非点収差の影響を抑える必要がある。該非点収差の影響を抑えるには、該空気層の厚さを薄くすることが有効である。

図７〜図９は、空気層を備えたワイヤグリッド型偏光分離素子を媒質中に配設した場合における空気層の厚さ（エア厚）と光束サイズ（スポットサイズ）の関係をシミュレーションにより求めた結果を示すグラフである。図１０に、該シミュレーションの条件を示す。

図１０（ａ）に示すように、０．８インチＷＩＤＥの反射型液晶パネル４０上のスポット像を倍率約５６倍の投射レンズユニット４５で４５インチのスクリーン９０上に投射し、スクリーン９０上の各点Ａ〜Ｆでスポットサイズ比を求め、平均化する。スポットサイズの基準は、空気層の厚さが０．０１×１０^−３ｍで、図１０（ｂ）に示すように、偏光分離手段３０’の媒質中にワイヤグリッド型偏光分離素子５０（６０）を光軸に垂直となるように配設した場合のスポットサイズである。これを基準として各エア厚毎にスポットサイズ比を求める。各エア厚毎のスポットサイズは、図１０（ｃ）に示すように、偏光分離手段３０の媒質中にワイヤグリッド型偏光分離素子５０（６０）を主光線の入射角が３５°となるように傾斜させて配設し、求めた。そして、各エア厚で、投射レンズユニット４５を構成する非球面レンズの２面の形状と、偏光分離手段３０の媒質から投射レンズユニット４５の１枚目のレンズまでの距離ｄとを変化させ、最適化してスポットサイズを求める。

図７は、光の屈折率Ｎが１．３である偏光分離手段の液体媒質の場合、図８は、光の屈折率Ｎが１．４５である液体媒質（例えばＧＥ５５）の場合、図９は、光の屈折率が１．５２である媒質（例えばガラスＢＫ７）の場合の、それぞれスポットサイズ比である。

図７では、空気層の厚さが約０．１〜０．１５×１０^−３ｍのときに、スポットサイズ比が最小となり、また、図８では、空気層の厚さが約０．０１×１０^−３ｍ前後のときに、スポットサイズ比が最小となる。これは、図１１に示すように、媒質より屈折率の低い空気層５６が媒質より屈折率の高い透光性基板５１と透光性の平板５４の間にあり、これらにより生じる非点収差の方向が空気層と透光性基板５１及び平板５４では逆であるため、横収差が相殺され、所定の空気層の厚さでスポットサイズが最小になるためと考えられる。すなわち、空気層をはさんで両側に媒質より高い屈折率を有する平行平板（透光性基板も平行平板である）がある場合には、平行平板の板厚及び平行平板と媒質の光の屈折率差に対応した非点収差を最小にできる適切なエア厚が存在し、該適切なエア厚値にすることが望ましい。

これに対し、図９では、透光性基板５１及び透光性の平板５４の屈折率は媒質と同等であり、非点収差は空気層のみで生じるため、空気層の厚さを薄くするほど、非点収差は低減されることになる。透光性基板５１及び透光性の平板５４として、光の屈折率が媒質よりも高いものを使用した場合には、上記図７及び図８の場合と同様に、平行平板の板厚及び平行平板と媒質の光の屈折率差に対応した非点収差を最小にできる適切なエア厚があり、該適切なエア厚値にするのが望ましい。しかしながら、空気層の厚さを薄くし過ぎると干渉作用が生じるため、少なくとも約３／２λ（赤色λｒ＝７００×１０^−９ｍ）である１×１０^−６ｍ（ミクロン）以上であることが望ましい。

上記本発明の実施形態によれば、上記ワイヤグリッド型偏光分離素子等格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離素子を、光の屈折率が空気よりも大きい媒質中で用いた場合にも、偏光分離性の劣化を抑えることができる。このため、投射型映像表示装置において、偏光分離素子の温度上昇を抑えた状態で、非点収差を抑えて映像解像度を確保し、かつ明るさ及びコントラストを確保することができる。

なお、上記実施形態では、偏光分離手段として、ワイヤグリッド型偏光分離素子を用いる構成としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、透光性基板上に所定周期で光回折用の凹凸が形成されて成る偏光分離面を有した偏光分離素子を用いる構成などとしてもよい。また、ライトバルブは、反射型のライトバルブに限定されず、透過型のライトバルブであってもよい。また、該ライトバルブは、液晶パネル以外のものであってもよい。

本発明の実施形態としての投射型映像表示装置の構成例図である。 図１の投射型映像表示装置に用いる偏光分離手段の第１の構成例図である。 図２の偏光分離手段の光線図である。 図１の投射型映像表示装置に用いる偏光分離手段の第２の構成例図である。 図４の偏光分離手段の光線図である。 図１の投射型映像表示装置に用いる偏光分離手段の第３の構成例図である。 偏光分離手段の空気層の影響についてのシミュレーション結果の図である。 偏光分離手段の空気層の影響についてのシミュレーション結果の図である。 偏光分離手段の空気層の影響についてのシミュレーション結果の図である。 非点収差のシミュレーション条件を示す図である。 偏光分離手段における空気層の非点収差の説明図である。 ワイヤグリッド型偏光分離素子の配置方法の説明図である。 ワイヤグリッド型偏光分離素子のＰ偏光光の透過率特性の説明図である。 ワイヤグリッド型偏光分離素子のＳ偏光光の透過率特性の説明図である。

符号の説明

１０…照明光学系、
１１…光源、
１２…リフレクタ、
１３、１４…マルチレンズアレイ、
１５…平板型偏光変換手段、
１６…集光レンズ、
２１、２２…フィールドレンズ、
２３…リレーレンズ、
１８、１９…ダイクロイックミラー、
２０…色分離手段、
２４…全反射ミラー、
２９、２９１、２９２、２９３…入射側偏光板、
３０、３０１、３０２、３０３、３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ…偏光分離手段、
３１、３２…液体、
３３…直角プリズム、
３４…プリズム、
３５…透光性容器、
３６…金属容器、
４１、４１１、４１２、４１３…出射側偏光板、
４０、４０１、４０２、４０３…反射型液晶パネル、
４２、４３…１／２波長位相差板、
４４…クロスダイクロイックプリズム、
４５…投射レンズユニット、
５０、６０…ワイヤグリッド型偏光分離素子、
５１、６１…透光性基板、
５６、６６…空気層。

Claims (10)

1. 光源側からの光を偏光変換してライトバルブに照射し、映像信号に応じた光学像を形成して拡大投射する投射型映像表示装置であって、
   格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面が、空気層を介して媒質中に形成され、上記ライトバルブに照射された光及び該ライトバルブで変調された光を偏光分離する偏光分離手段と、
   上記偏光分離された光を色合成する色合成手段と、
   上記色合成された光を拡大投射する投射レンズユニットと、
   上記ライトバルブを駆動する駆動回路と、
   を備えた構成を特徴とする投射型映像表示装置。
2. 光源側からの光を映像表示素子に照射し、映像信号に応じた光学像を形成して拡大投射する投射型映像表示装置であって、
   光源側からの光の偏光方向を揃えＰ偏光光またはＳ偏光光を形成する偏光変換手段と、
   上記偏光変換された偏光光を、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光に分離する分離手段と、
   上記分離された各色光の偏光光が照射され映像信号に基づき該偏光光を変調するライトバルブと、
   格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面が、空気層を介して媒質中に形成され、上記ライトバルブに照射された光及び該ライトバルブで変調された光を偏光分離する偏光分離手段と、
   上記偏光分離された光を色合成する色合成手段と、
   上記色合成された光を拡大投射する投射レンズユニットと、
   上記ライトバルブを駆動する駆動回路と、
   を備えた構成を特徴とする投射型映像表示装置。
3. 上記偏光分離手段は、上記媒質が光透過性の液体であり、上記偏光分離面が光透過性の平板上に形成された構成である請求項１または請求項２に記載の投射型映像表示装置。
4. 上記ライトバルブは、反射型ライトバルブである請求項１、２または３に記載の投射型映像表示装置。
5. 上記ライトバルブで変調され上記投射レンズユニットを通過する光のＦ値をＦ、上記媒質の光の屈折率をＮ、上記ライトバルブから出射する主光線の、上記偏光分離手段の上記空気層、または該空気層を形成する光透過性平板への入射角をθとするとき、該θは、
   ０＜θ＜ｓｉｎ^−１（１／Ｎ）
   −ｓｉｎ^−１［（１／Ｎ）ｓｉｎ〔ｔａｎ^−１｛１／（２Ｆ）｝〕］…（数１）
   の範囲にある請求項１または請求項２に記載の投射型映像表示装置。
6. 光源側からの光を偏光変換してライトバルブに照射し、映像信号に応じた光学像を形成して拡大投射する投射型映像表示装置用の光学ユニットであって、
   格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面が、空気層を介して媒質中に形成され、上記ライトバルブに照射された光及び該ライトバルブで変調された光を偏光分離する偏光分離手段と、
   上記偏光分離された光を色合成する色合成手段と、
   上記色合成された光を拡大投射する投射レンズユニットと、
   を備えた構成を特徴とする光学ユニット。
7. 光源側からの光を映像表示素子に照射し、映像信号に応じた光学像を形成して拡大投射する投射型映像表示装置用の光学ユニットであって、
   光源側からの光の偏光方向を揃えＰ偏光光またはＳ偏光光を形成する偏光変換手段と、
   上記偏光変換された偏光光を、Ｒ、Ｇ、Ｂの各色光に分離する分離手段と、
   上記分離された各色光の偏光光が照射され映像信号に基づき該偏光光を変調するライトバルブと、
   格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面が、空気層を介して媒質中に形成され、上記ライトバルブに照射された光及び該ライトバルブで変調された偏光光を偏光分離する偏光分離手段と、
   上記偏光分離された光を色合成する色合成手段と、
   上記色合成された光を拡大投射する投射レンズユニットと、
   を備えた構成を特徴とする光学ユニット。
8. 上記偏光分離手段は、上記媒質が光透過性の液体である請求項６または請求項７に記載の光学ユニット。
9. 入射された光を偏光分離する偏光分離用構造体であって、
   格子構造に基づく回折により光を偏光分離する偏光分離面が、空気層を介して媒質中に形成された構成を特徴とする偏光分離用構造体。
10. 上記媒質が光透過性の液体であり、上記偏光分離面が光透過性の平板上に形成された構成である請求項９に記載の偏光分離用構造体。
    
    

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