JP2004053655A

JP2004053655A - 偏光光学系及び投影装置

Info

Publication number: JP2004053655A
Application number: JP2002206993A
Authority: JP
Inventors: Takeo Arai; 新井　健雄
Original assignee: Tamron Co Ltd
Current assignee: Tamron Co Ltd
Priority date: 2002-07-16
Filing date: 2002-07-16
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】全体的にコンパクトすなわち体積利用効率が高く、部品点数が少なく、光源光量利用効率の高い反射型液晶パネル用の偏光光学系を提供すること。
【解決手段】角錘形ライトトンネルプリズムと、該角錘形ライトトンネルプリズムの射出面の近傍に配置され、入射された第１Ｐ偏光を透過して第２Ｐ偏光とし、入射された第３Ｓ偏光を第４Ｓ偏光として反射する偏光ビームスプリッタと、前記第２Ｐ偏光及び第４Ｐ偏光のうちの一方を直角に屈折させるための反射部材と、前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するために前記偏光ビームスプリッタに貼付された１／２波長板とを有し、前記偏光ビームスプリッタの入射面及び射出面に例えばＭｇＦ_２の屈折率１．４以下の物質の１／４波長の厚さの単層コートを設けたことを特徴とする偏光光学系。
【選択図】　　　図２

Description

【０００１】
【発明の技術的分野】
本発明は、反射型液晶パネルである電子デバイスによって映像を形成する投影装置及びそのための偏光光学系に関する。
【０００２】
【従来技術】
現在のシネマ上映用及びプレゼンテーション用プロジェクターの高解像度、高画質化への市場の要求はより高まっている。同時にプロジェクター本体のポータブル化への要求も大きい。
現状において、液晶プロジェクタの基本仕様として、シネマ上映用としては一般に３枚の液晶パネル又は３枚のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ　Ｍｉｃｒｏ　ｍｉｒｒｏｒ　Ｄｅｖｉｃｅ）を表示パネルとして使用している。ビジネス用やローコストな機種においては、単板の透過型液晶パネル又は単板のデジタル・マイクロミラー・デバイスＤＭＤを採用したものが多く見受けられる。特に最近デジタル・マイクロミラー・デバイスＤＭＤに関しては、照明光学系がシンプルに構成でき、しかもＤＭＤ特有の冷却効率に優れていることから、搭載する機種が出現している。しかし、構成部品の製造コストが高く、デジタル・マイクロミラー・デバイス方式プロジェクターの早い時期の普及は望めないことから、前述したようにシネマ用やプロフェショナル機器以外の３パネル（ＤＭＤ）化の早い時期の普及は望めない。
【０００３】
合理的な製造コストが可能で普及を望める反射液晶パネルＬＣＯＳ（　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ　ｏｎ　Ｓｉｌｉｃｏｎ　）を採用した投射型プロジェクタ等の投影装置が、提案されている。
【０００４】
従来技術の３枚の反射型液晶パネルを使用した投影装置１００は、図４に示すように、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等の白色光源ランプ１０２から放射されたＰ偏光及びＳ偏光を含む白色光束が、インテグレータ１０４によって均質化され、マルチ偏光ビームスプリッタ１０６に入射する。マルチ偏光ビームスプリッタ１０６は、Ｓ偏光をＰ偏光に変換して透過させ、Ｐ偏光をそのまま透過させるさせる作用を持ち、従ってマルチ偏光ビームスプリッタ１０６はＰ偏光のみを射出する。マルチ偏光ビームスプリッタ１０６から射出したＰ偏光光束は、全反射ミラー１０８によって反射され、赤色のみ透過させる第１ダイクロイックミラー１１０によって反射及び透過される。
【０００５】
第１ダイクロイックミラー１１０によって反射されたＰ偏光緑色青色光束は、緑色のみ反射する第２ダイクロイックミラー１１２によって反射されてＰ偏光緑色光束となって、Ｐ偏光光束のみ反射及び透過する第１偏光ビームスプリッタプリズム１１４に入射する。第１偏光ビームスプリッタプリズム１１４によって反射されたＰ偏光緑色光束は、緑色用反射型液晶パネル１２０に入射して反射され、緑色映像光束となって第１偏光ビームスプリッタプリズム１１４、及び赤色反射膜１２２及び青色反射膜１２４を有する第３ビームスプリッタプリズム１２６を透過して、投影レンズ１３０に入射する。
【０００６】
第２ダイクロイックミラー１１２を透過したＰ偏光青色光束は、Ｐ偏光光束のみを反射及び透過する第３偏光ビームスプリッタプリズム１３２によって反射されたＰ偏光青色光束は、青色用反射型液晶パネル１３４に入射して反射され、青色映像光束となり、第３偏光ｍビームスプリッタプリズム１３２を透過し、第３ビームスプリッタプリズム１２６に入射する。青色映像光束は、第３ビームスプリッタプリズム１２６の青色反射膜１２４によって反射され、投影レンズ１３０に入射する。
【０００７】
第１ダイクロイックミラー１１０を透過したＰ偏光赤光束は、全反射ミラー１４０によって反射され、Ｐ偏光光束のみ反射及び透過する第４偏光ビームスプリッタプリズム１４２に入射する。第４偏光ビームスプリッタプリズム１４２によって反射されたＰ偏光赤色光束は、赤色用反射型液晶パネル１４４に入射して反射され、赤色映像光束となる。赤色映像光束は、第４偏光ビームスプリッタプリズム１４２を透過し、第３ビームスプリッタプリズム１２６に入射する。赤色映像光束はさらに、第３ビームスプリッタプリズム１２６の赤色反射膜１２２によって反射され、投影レンズ１３０に入射する。
【０００８】
前記緑色映像光束、青色映像光束、及び赤色映像光束は、投影レンズ１３０に入射し、合体されてスクリーン（図示せず）に投影され、観察者に所定の色彩の像を提供する。上述した従来技術の３枚の反射型液晶パネルを使用した投影装置の光源光量利用効率は１０％以下である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の反射型液晶パネルを使用した投影装置は、さらにコンパクト化すなわち体積利用効率の向上、光源光量利用率の向上、低コスト化、品質安定化が望まれている。その対応策の一つとして、単反射型液晶パネルを使用した撮影装置が提案されているが、体積利用効率はまだまだ低く、部品点数が多い問題が残っている。この原因の一つとして、反射型液晶パネルの照明光の入射角は、例えば２０°以内とかなり制限されており、設計に大きな限定を与えている。
【００１０】
一方、特開平８−２３４１０９号公報には、ライトバルブ均等照射装置として角錘形ライトトンネルプリズムが開示されている。これは、費用効果的であり、様々な大きさや形の光源から発せられた光を効率的に利用しながら動作することができ、通常投射装置や表示装置に課されているスペース上の制約内で正しく機能することができる簡素で低価格の光均等化（均質化）透過プリズムである。しかし、特開平８−２３４１０９号公報には、反射型液晶パネルを照明するための偏光を形成するための構成や作用については何ら記載していない。
【００１１】
【発明の目的】
本発明は、従来の反射型液晶パネルによって映像を形成する投射型プロジェクタ等の投影装置及びその光学系における上述した問題点に鑑みてなされたものであって、全体的にコンパクトすなわち体積利用効率が高く、部品点数が少なく、光源光量利用効率の高い反射型液晶パネル用の偏光光学系を提供することを目的とする。
本発明はまた、全体的にコンパクトすなわち体積利用効率が高く、部品点数が少なく、光源光量効率の高い反射型液晶パネル用の偏光光学系及びこれを有効に利用した投影装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決する手段】
本発明は、角錘形ライトトンネルプリズムと、該角錘形ライトトンネルプリズムの射出面の近傍に配置され、入射された第１Ｐ偏光を透過して第２Ｐ偏光とし、入射された第３Ｓ偏光を第４Ｓ偏光として反射する偏光ビームスプリッタと、前記第２Ｐ偏光及び第４Ｐ偏光のうちの一方を直角に屈折させるための反射部材と、前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するために前記偏光ビームスプリッタに貼付された１／２波長板とを有し、
前記偏光ビームスプリッタの入射面及び射出面に屈折率１．４以下の物質の　１／４波長の厚さの単層コートを設けたことを特徴とする偏光光学系である。
【００１３】
本発明はまた、光源部と、
角錘形ライトトンネルプリズムと、該角錘形ライトトンネルプリズムの射出面の近傍に配置され、入射された第１Ｐ偏光を透過して第２Ｐ偏光とし、入射された第３Ｓ偏光を第４Ｓ偏光として反射する偏光ビームスプリッタと、前記第２Ｐ偏光及び第４Ｐ偏光のうちの一方を直角に屈折させるための反射部材と、前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するために前記偏光ビームスプリッタに貼付された１／２波長板とを有し、前記反射部材の入射面及び射出面に屈折率１．４以下の物質の１／４波長の厚さの単層コートを設けた偏光光学系と、
反射型液晶パネルとを備えた投影装置である。
【００１４】
本発明の実施態様は、以下のとおりである。
前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するための１／２波長板が、シート状で、前記偏光ビームスプリッタの射出面に貼付されていることを特徴とする。この実施態様は、偏光光学系の構成要素を少なくしかつ堅牢な構成とすることができる利点を有する。
前記単層コートが、ＭｇＦ_２によって形成されていることを特徴とする。ＭｇＦ_２　は、永い間製造されコート形成技術も成熟しており、これを使用することにより安定した品質と合理的な製造コストの偏光光学系及び投影装置を構成することができる。
【００１５】
【実施の形態】
本発明の第１実施形態の偏光変換系を備えた反射型液晶パネル式投影装置１は、ハウジング（図示せず）内に、図１に示すように、アライメントリフレクタ１０と組合されたライトバルブ１２、リフレクタ１０の投射光軸Ｏ上に直交配置されたＩＲカット板１５ａ、ＵＶカット板１５ｂ、カラーホイール１４、カラーホイール１４の直後に配置された偏光光学系１６、コリメータレンズ２０、偏光ビームスプリッタプリズム２２、反射型液晶パネル２４、及び偏光ビームスピリッタ２２の反射光軸上に配置された投影レンズ２６を備えている。
【００１６】
ライトバルブ１２は、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ等である。リフレクタ１０は、楕円鏡であって、一方の焦点がライトバルブ１２のアークギャップ１３又はその近傍にある。リフレクタ１０の反射面は、可視光以外、さらに詳しくは７００ｎｍより長い波長の赤外域等を透過させる誘電体多層膜コーティングが施され、コールドミラーとなっている。カラーホイール１４は、光束をＲ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）に分光するバンドパスフィルターセグメントが同一円周上に分割されて配置される。これによって、ＲＧＢの光束が、所定の順序及び時間差をもって偏光光学系１６に入射する。
【００１７】
このカラーホイール１４には、投影装置の投射総光量を増加すために、一部のセグメントを、ＲＧＢではなく無色透明部とする場合もある。この無色透明部を設ける必要性は、主にプロジェクター等の投影装置の商品性すなわち色再現性、光量、コントラスト比等の仕様によって決定される。カラーホイール１４を駆動するモータ３０は、軸ぶれ防止のためにアウターローター型モータである。
【００１８】
偏光光学系１６の構成・作用については、詳細は後述する。偏光光学系１６のガラス厚板６２から射出されたＰ偏光光束は、コリメータレンズ２０に入射する。コリメータレンズ２０は、複数の単体レンズからなるレンズ群であって、入射した拡散光束を平行光束にして射出する。
コリメータレンズ２０から射出されたＰ偏光平行光束は、偏光ビームスプリッタプリズム２２に入射する。偏光ビームスプリッタプリズム２２は、可視全域のＰ偏光光束を透過させ、可視全域のＳ偏光光束を反射させる偏光ビームスプリッタ膜３１を有する。偏光ビームスプリッタプリズム２２の後方の反射型液晶パネル２４は、放熱機能を持った反射型液晶パネル支持体３２によって支持されている。
【００１９】
偏光光学系１６は、図２に示すように、光束の進行方向に沿って断面積を拡大する四角錘形を中心線と直交する方向の２面で切断した形状の角錘形ライトトンネルプリズム５０と、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過する偏光ビームスプリッタ膜５３を有する偏光ビームスプリッタ５２と、入射光を直角に反射する反射プリズム５４と、光束の強度ムラを平均化するための厚ガラス板６２とからなる。
【００２０】
角錘形ライトトンネルプリズム５０は、その反射面が光束の進行方向に沿って中心軸に対し角度γ１及び角度γ２拡散する方向に傾斜している。そのため、角錘形ライトトンネルプリズム５０への入射光束の拡散角度は、該プリズム５０通過後小さい拡散角度となる。
偏光ビームスプリッタ５２の第２射出面５２ｃには、この面を透過するＳ偏光をＰ偏光に変えるための１／２波長板５８が貼付されている。
【００２１】
角錘形ライトトンネルプリズム５０の射出面５０ｂと偏光ビームスプリッタ５２の入射面５２ａとの間隔は、略０．１ないし１．０ｍｍである。偏光ビームスプリッタ５２の第２射出面５２ｃに貼付された１／２波長板５８と厚ガラス板６２との間隔、偏光ビームスプリッタ５２の第１射出面５２ｂと反射プリズム５４の入射面５４ａとの間隔、及び反射プリズム５４の射出面５４ｂと厚ガラス板６２との間隔は、いずれも略０．１ないし１．０ｍｍである。
【００２２】
偏光ビームスプリッタ５２は、側面による拡散や吸収によって光量損失をさけるため、６面全部を研磨して鏡面仕上げし、上下面で臨界全反射を行うようにする。
反射プリズム５４の反射面には、全光束を完全に反射させるため、銀コートを施し、さらにその上に酸化防止保護膜を施している。反射プリズム５４の上下面は、該面による全反射によって反射率を高めさらに該面による拡散吸収を減少させるために、研磨される。反射プリズム５４の上下面の支持は、該面における反射率を低めないために、点接触支持が望ましい。
【００２３】
偏光ビームスプリッタ５２の入射面５２ａ、透過Ｐ偏光を射出する第１射出面５２ｂ、反射Ｓ偏光ｈｅを射出する第２射出面５２ｃには、ＭｇＦ_２（屈折率１，３８、厚さλ／４）の単層コートが施される。偏光ビームスプリッタ５２の材料は、ＳＦ５７（屈折率１．８４７）である。
【００２４】
ＳＦ５７の偏光ビームスプリッタ５２において、入射面５２ａ及び射出面５２ｂ、５２ｃにコートを施さない場合、フレネル係数が

ムスプリッタ５２の入射面５２ａ及び射出面５２ｂ、５２ｃにＭｇＦ２（屈折率１，３８、厚さλ／２）の単層コートを施した場合、境界面でのフレネル係数

により、反射がほぼゼロになる。
【００２５】
この場合、全反射特性が確保できるかを検討する。臨界角は、

となり、実臨界角は、９０°−４８．３°＝約４１．７°となり、ほとんど問題ない臨界角が確保されている。すなわち、この偏光ビームスプリッタ５２は、全反射角を十分に確保しながら、入射面５２ａ及び射出面５２ｂ、５２ｃにおける反射ロスを格段に少なくすることができる。
【００２６】
第２射出面５２ｃは、１／２波長板５８が接着剤５９によって貼付されていることから、第２射出面５２ｃに前記単層コートを施すことなく、所望の臨界角を得ることができる場合がある。すなわち、接着剤５９の屈折率が１．５０の場合、臨界角は、

となり、９０°−５４．３°＝３５．７°の角度までは全反射する。従って、接着剤５９として屈折率１．５０のものを使用する場合、前記単層コートを施す必要がない場合が多く、コスト面で有利となる。
【００２７】
厚ガラス板６２は、表面反射による光損失を低減し、さらに境界部の反射による照度むらを低減させるために、米国のコーニング社が販売していてパイレックス（登録商標）や、独国ショット社が販売しているテンパックス（登録商標）によって作成することが望ましい。
【００２８】
次に、偏光光学系１６の作用を説明する。角錘形ライトトンネルプリズム５０の入射面５０ａに入射した発散光束は、角錘形ライトトンネルプリズム５０内で全反射を繰返して均質化され、入射光束の発散角度より小さい発散角度で射出面５０ｂから射出する。
角錘形ライトトンネルプリズム５０から射出された光束は、大きく発散することなく極近接した偏光ビームスプリッタ５２の入射面５２ａに入射する。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ５２へ入射した光束のＳ偏光は、偏光ビームスプリッタ膜５３をによって反射され、第２射出面５２ｃから射出され、１／２波長板５８に入射する。Ｓ偏光は、１／２波長板５８によってＰ偏光に変換される。
偏光ビームスプリッタ５２へ入射した光束のＰ偏光は、偏光ビームスプリッタ膜５３を透過し、第１射出面５２ｂから射出され、反射プリズム５４の銀コーテイングされた反射面５４ｃで反射され、射出面５４ｂから射出される。偏光ビームスプリッタ５２及び反射プリズム５４から射出されたＰ偏光光束は、ガラス厚板６２によって均質化されて射出される。
【００３０】
次に、反射型液晶パネル式投影光学系１４の作用について説明する。ライトバルブ１２から放射されアライメントリフレクタ１０によって反射された白色すなわち７００ｎｍより長い波長の赤外域を排除した光束は、カラーホイール１４のバンドパスフィルタ（図示せず）によって順次、Ｒ（赤）Ｇ（緑）Ｂ（青）に分光され、偏光光学系１６の入射面１６ａ近傍に合焦する。
【００３１】
偏光光学系１６の角錘形ライトトンネルプリズム５０の入射面５０ａに入射した光束は、偏光光学系１６から発散Ｐ偏光光束として射出され、コリメータレンズ２０によって平行光束になる。平行Ｐ偏光光束は、偏光ビームスプリッタプリズム２２を透過して、反射型液晶パネル２４に入射する。平行Ｐ偏光光束は反射型液晶パネル２４によって反射され、Ｓ偏光映像光束になって偏光ビームスプリッタプリズム２２によって反射され、投影レンズ２６に入射する。
【００３２】
ライトバルブ１２から放射されカラーホイール１４により分光された前記緑色光束、青色光束、及び赤色光束は、順次緑色映像光束、青色映像光束、及び赤色映像光束となって投影レンズ２６に入射し、スクリーン（図示せず）に投影され、観察者の残像機能により所定の色彩の像が観察される。
【００３３】
本発明の第２実施形態の偏光光学系は、図３に示されるが、上述した実施形態と実質上同一の構成については同一の符号を付してその説明を省略する。偏光ビームスプリッタ５２の第２射出面５２ｃの前方に、反射プリズム５４が配置される。偏光ビームスプリッタ５２の偏光ビームスプリッタ膜５３による反射Ｓ偏光は、１／２波長板５８によってＰ偏光に変えられ、反射プリズム５４によって反射されて、厚ガラス板６２に入射する。偏光ビームスプリッタ５２の第１射出面５２ｂからの射出されたＰ偏光光束は、狭い空間を介して、厚ガラス板６２に入射する。
【００３４】
本発明の第３実施形態の偏光光学系は、第１実施形態において、１／２波長板５８が偏光ビームスプリッタ５２の第２射出面５２ｃに貼付することに替えて、１／２波長板５８を厚ガラス板６２の入射面または射出面に貼付してなる。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、全体的にコンパクトすなわち体積利用効率が高く、部品点数が少なく、光源光量効率が１５ないし２０％である反射型液晶パネル用の偏光光学系を構成することができる。
本発明によればまた、反射型液晶パネル用の均質な偏光照明光束を形成し、光源光量の利用率を１５〜２０％を得、さらに鮮明な映像を得ることができる統制装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態の偏光光学系を組み込んだ投影装置光学系の光学図である。
【図２】本発明の第１実施形態の偏光光学系の斜視図である。
【図３】本発明の第２実施形態の偏光光学系の斜視図である。
【図４】従来技術の３枚の反射型液晶パネルデバイスを使用した投影装置光学系の平面図である。
【符号の説明】
１　　　反射型液晶パネル式投影装置
１０　　　アライメントリフレクタ
１２　　　ライトバルブ
１４　　　カラーホイール
１６　　　偏光光学系
２０　　　コリメータレンズ
２４　　　反射型液晶パネル
２６　　　投影レンズ
３１　　　偏光ビームスプリッタ膜
３２　　　反射型液晶パネル支持体
５０　　　角錘形ライトトンネルプリズム
５２　　　偏光ビームスプリッタ
５３　　　偏光ビームスプリッタ膜
５８　　　１／２波長板
６２　　　厚ガラス板

Claims

角錘形ライトトンネルプリズムと、該角錘形ライトトンネルプリズムの射出面の近傍に配置され、入射された第１Ｐ偏光を透過して第２Ｐ偏光とし、入射された第３Ｓ偏光を第４Ｓ偏光として反射する偏光ビームスプリッタと、前記第２Ｐ偏光及び第４Ｐ偏光のうちの一方を直角に屈折させるための反射部材と、前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するために前記偏光ビームスプリッタに貼付された１／２波長板とを有し、
前記偏光ビームスプリッタの入射面及び射出面に屈折率１．４以下の物質の　１／４波長の厚さの単層コートを設けたことを特徴とする偏光光学系。
前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するための１／２波長板が、シート状で、前記偏光ビームスプリッタの射出面に貼付されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光光学系。
前記単層コートが、ＭｇＦ_２によって形成されていることを特徴とする請求項１に記載の偏光光学系。
光源部と、
角錘形ライトトンネルプリズムと、該角錘形ライトトンネルプリズムの射出面の近傍に配置され、入射された第１Ｐ偏光を透過して第２Ｐ偏光とし、入射された第３Ｓ偏光を第４Ｓ偏光として反射する偏光ビームスプリッタと、前記第２Ｐ偏光及び第４Ｐ偏光のうちの一方を直角に屈折させるための反射部材と、前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するために前記偏光ビームスプリッタに貼付された１／２波長板とを有し、前記反射部材の入射面及び射出面に屈折率１．４以下の物質の１／４波長の厚さの単層コートを設けた偏光光学系と、
反射型液晶パネルとを備えた投影装置。
前記第４Ｓ偏光を第５Ｐ偏光に変換するための１／２波長板が、シート状で、前記偏光ビームスプリッタの射出面に貼付されていることを特徴とする請求項４に記載の投影装置。
前記単層コートが、ＭｇＦ_２によって形成されていることを特徴とする請求項４に記載の偏光光学系。