光學單元以及使用該光學單元的投影型圖像顯示裝置的制作方法

專利名稱：光學單元以及使用該光學單元的投影型圖像顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及將來自光源側的光照射到液晶面板等光閥，形成與圖像信號相對應的光學像并放大投影的投影型圖像顯示裝置中的偏光分離技術。
背景技術：
營業用途的液晶投影儀得到了很大的普及。而且，作為歷來的將布朗管中所顯示的圖像投影于屏幕方式的圖像顯示裝置的替代品，對使用液晶面板的投影電視也進行了開發。特別是作為家庭用的投影電視，與營業用途的液晶投影儀相比，要求更忠實的色彩再現性，更高的對比度性能，以及更敏捷靈活的動畫顯示性能。
在反射型液晶面板的情況下，由于是經反射兩次通過液晶層，所以與透過型液晶相比，其液晶層的厚度可以減少到大約一半。液晶層的厚度減半，其響應速度成為4倍，對于動畫顯示是有利的。
在使用該反射型液晶面板的投影型液晶投影儀裝置中，一般地，在反射型液晶面板的前面，配置有具有偏光元件及檢光元件的作用、使預定偏光方向的偏振波通過，使與預定方向垂直的偏光方向的偏振波反射的偏光分離機構。這樣的技術，例如在特開2001-142028號公報及特開2003-131212號公報中有記載。
在這些專利公報中，配置有3組紅色、綠色、藍色光用的反射型液晶面板與偏光分離機構，3色光為由交叉雙色棱鏡(Cross Dichroic Prism)色合成的結構。
作為偏光分離機構，有在兩個直角的棱鏡界面形成介電體多層膜的偏光束分裂機(Polarized Beam Splitter，以下簡稱PBS)的PBS棱鏡(特開2001-142028號公報記載)，以及在玻璃基板上以預定的間隔(形成周期)形成線柵(金屬晶格)，作為衍射晶格的晶格結構衍射晶格的線柵型偏光分離元件(特開2003-131212號公報記載)。
上述特開2001-132028號公報中記載的PBS棱鏡中，對于垂直入射光線的消光比大，偏光分離作用優異。但是，在與由光軸和PBS膜面的法線所形成的面(主入射角)不平行的斜光入射到PBS棱鏡的情況下會產生泄漏光，使消光比降低。作為解決這一問題的對策，在特開2001-142028號公報中提出了在反射型液晶面板的前面設置1/4波長板，但其效果不十分明顯，還有不能提高對比度的擔憂。
另外，在上述特開2003-131212號公報中所記載的線柵型偏光分離元件的情況下，入射角45°的消光比的峰值雖然較低，但是如在特開2003-131212號公報中的圖4的偏光分離特性中所示，對于帶角度的光線(斜光)消光比的劣化少。因此，雖然作為光束全體的對比度性能良好，但對于該線柵型偏光分離元件，存在有以下的問題。
作為在將反射型液晶面板反射的光束入射到投影透鏡的光路上配置線柵型偏光分離元件的方法，有兩種考慮。圖12顯示了其配置方法。在圖12(1)的配置方法中，來自照明光學系統的S偏振光的入射光束在線柵型偏光分離元件17反射，入射到反射型液晶面板214，由反射型液晶面板214變換為P偏振光的射出光(反射光)透過線柵型偏光分離元件17而射向投影透鏡(未圖示)(由于這種配置是來自反射型液晶面板的反射光透過線柵型偏光分離元件而射向投影透鏡，所以為了方便，以下將其稱為“透過配置”)。在圖12(2)的配置方法中，來自照明光學體系的P偏振光的入射光束在線柵型偏光分離元件17通過，入射到反射型液晶面板217，由反射型液晶面板217變換為S偏振光的射出光(反射光)在線柵型偏光分離元件17反射而射向投影透鏡(未圖示)(由于這種配置是來自反射型液晶面板的反射光反射線柵型偏光分離元件而射向投影透鏡，所以為了方便，以下將其稱為“反射配置”)。
在圖12(2)所示的反射配置線柵型偏光分離元件的情況下，線柵型偏光分離元件的配置偏差、及線柵型偏光分離元件因熱而發生膨脹變形時，有投影性能發生惡化的擔憂。另一方面，在圖12(1)所示的透過配置線柵型偏光分離元件的情況下，在透過平板狀的線柵型偏光分離元件時會產生像散。同樣有投影性能惡化的擔憂。
在上述特開2003-131212號公報中，如其圖1所示，線柵型偏光分離元件為透過配置，而且，如其圖2所示，為了減低由透過配置而產生的像散，在兩個直角棱鏡的斜面之間配置線柵型偏光分離元件，構成偏光分離機構。在這種情況下，由于線柵型偏光分離元件的玻璃元件的玻璃基板與直角棱鏡具有大體相同的折射率，所以能夠減少其像散。
而且，在這樣的兩個直角棱鏡的斜面之間配置線柵型偏光分離元件，作為偏光分離機構的偏光分離棱鏡(以下稱“衍射棱鏡”)中，由于可縮短光路長度，所以能夠縮短投影透鏡的反焦距(back focus)，即能夠使投影透鏡小型化。進而由于能夠減小光線的擴展，所以能夠減小衍射棱鏡。
在外形形狀為長方體的光透過性容器中填充具有與線柵型偏光分離元件的玻璃基板大體相同d折射率的液體介質，在該介質中配置線柵型偏光分離元件，也能夠得到同樣的效果。
但是，線柵型偏光分離元件的線柵，吸收入射光量的約5～10％成為高溫。由于溫度的上升，基于光透過性基板的玻璃基板的熱應力會產生復折射，使對比度下降。而且，玻璃基板發生熱膨脹變形還會使折射性能惡化。因此，在液體介質中，設置線柵型偏光分離元件，能夠減少溫度的上升，而且，還能夠具有與上述衍射棱鏡同樣的效果。
然而，像衍射棱鏡那樣，在將線柵型偏光分離元件配置于折射率比空氣大的介質，例如玻璃及乙二醇等折射率為1及其以上的介質中的情況下，與在空氣中使用線柵型偏光分離元件的情況相比，為了縮短光的波長，確保適當的偏光分離特性，必須減小線柵的晶格間距。
作為線柵型偏光分離元件的制造方法，有以下的方法如上述特開2003-131212號公報的0039段中所述，在玻璃基板上形成鋁的基底膜，由電子線掃描而制作抵抗圖形，接著蒸鍍預定膜厚的鋁，再通過剝離(lift off)選擇性地去除不必要的鋁，形成金屬晶格的方法。因此，尺寸精度依賴于電子掃描線裝置的性能。現在的電子線掃描裝置的最小掃描線寬，在通常分辨率的情況下約為100×10-9m左右，在高分辨率的情況下約為30×10-9m左右。
在現在市場上所銷售的制品中，例如線柵的線寬為65×10-9m，晶格間隔為150～200×10-9m，線柵的玻璃基板的厚度約為0.7×10-3～1.6×10-3m(MOXTEK公司制造)，為了在折射率為1.5的介質中得到同等的偏光分離性能，必須使其線寬為43×10-9m，晶格間隔為100～130×10-9m左右。考慮到尺寸精度，該數值難以與高分辨率的電子線掃描裝置相對應。
這樣，使線柵的晶格間距減小與制造相伴隨的困難。現在市場上銷售的都是以在空氣中使用為前提。
圖13、圖14顯示，將以在空氣中使用為前提而設計的線柵偏光分離元件配置于空氣中的情況，以及配置于折射率為1.45的乙二醇與甘油的混合液(以下將該混合液稱為“GE55”)的情況下的偏光分離特性。圖13是P偏振光透過率特性的說明圖，圖14是S偏振光透過率特性的說明圖。從圖13、圖14可知，在GE55的介質中配置以空氣中使用為前提而設計的線柵偏光分離元件時，作為透過光的P偏振光的透過量低下，作為反射光的S偏振光的透過量增大。在上述透過配置中，P偏振光的透過量低下時，由于從反射型液晶面板向投影透鏡的P偏振光的反射光的透過量低下，所以亮度低下。而且，由于應該除去的S偏振光的透過量增加，所以偏光度低下，對比度下降。

發明內容
本發明的課題是鑒于上述歷來技術的狀況，使上述線柵型偏光分離元件等，基于晶格結構的衍射而對光進行偏光分離的偏光分離元件，即使是在折射率比空氣大的介質中使用的情況下，也能夠抑制偏光分離性的惡化。
本發明的目的在于提供解決上述問題，在抑制偏光分離元件溫度上升的狀態下，能夠確保圖像的分辨率、亮度及對比度的投影型圖像顯示技術。
為了解決上述問題，在本發明中，作為偏光分離用結構體，在光的折射率大于1的介質中配置偏光分離元件，作為該偏光分離元件，設置有由基于線柵構造等晶格結構的衍射而對光進行偏光分離的偏光分離面，與該偏光分離面相接形成空氣層的結構。而且，作為將來自光源一側的光進行偏光變換并照射到光閥上，形成與圖像信號相對應的光學像并進行放大投影的投影型圖像顯示裝置或該裝置中所使用的光學單元，其結構如下由所述偏光分離用結構體將照射到所述光閥的光以及由該光閥調制的光進行偏光分離，由色合成機構將該偏光分離后的光進行色合成，由投影透鏡單元將該經色合成的光放大投影于屏幕上。
根據本發明，在投影型圖像顯示技術中，能夠抑制偏光分離元件部的溫度上升，同時能夠確保圖像的高質量。


圖1是作為本發明實施方式的投影型圖像顯示裝置的結構圖例。
圖2是圖1的投影型圖像顯示裝置中所使用的偏光分離機構的第一結構圖例。
圖3是圖2的偏光分離機構的光路圖。
圖4是圖1的投影型圖像顯示裝置中所使用的偏光分離機構的第二結構圖例。
圖5是圖4的偏光分離機構的光路圖。
圖6是圖1的投影型圖像顯示裝置中所使用的偏光分離機構的第四結構圖例。
圖7是影響偏光分離機構的空氣層的模擬結果圖。
圖8是影響偏光分離機構的空氣層的模擬結果圖。
圖9是影響偏光分離機構的空氣層的模擬結果圖。
圖10是顯示像散的模擬條件的圖。
圖11是偏光分離機構中空氣層的像散的說明圖。
圖12是線柵型偏光分離元件的配置方法的說明圖。
圖13是線柵型偏光分離元件的P偏振光的透過率特性的說明圖。
圖14是線柵型偏光分離元件的S偏振光的透過率特性的說明圖。
圖15是圖1的投影型圖像顯示裝置中所使用的偏光分離機構的第三結構圖例。
具體實施例方式
以下結合

本發明的實施方式。
以下對為了實施本發明的優選實施方式，使用附圖進行說明。還有，在全部的圖中對于具有共同功能的構成元件，都賦予同樣的符號。
本發明的特征在于，為了降低在將線柵型偏光分離元件設置于折射率比空氣大的介質中的情況下所產生的偏光分離特性的惡化，在該線柵型偏光分離元件的線柵與介質之間具有對像散沒有影響程度的薄空氣層。
圖1是作為本發明實施方式的投影型圖像顯示裝置的結構圖例，顯示了在光閥中使用反射型液晶面板的液晶投影儀裝置的情況的例子。
在圖1中，11是光源，12是拋物反射面形狀的反射鏡，13與14分別是構成積分光學系的第一多重透鏡陣列與第二多重透鏡陣列，15是由棱鏡陣列所構成的平板型偏光變換機構，16是集光透鏡，10是由它們所組成的照明光學系統。21、22是物鏡，23是中繼透鏡，18、19是分色鏡，20是由分色鏡18、19所構成的色分離機構，24是全反射鏡，291、292、293分別是透過S偏振光的入射側偏光板，301、302、303分別是由透過P偏振光反射S偏振光而進行偏光分離的偏光分離用結構體的偏光分離機構，411、412、413是透過P偏振光的射出側偏光板，401、402、403分別是作為光閥(反射型光閥)的反射型液晶面板，42、43分別是變換P偏振光與S偏振光的1/2波長相位差板，44是色合成用交叉雙色棱鏡，45是將色合成后的光在屏幕等上放大投影的投影單元。
從光源11射出的光，由拋物反射面形狀的反射鏡12反射，入射到透鏡隊列方式的積分式光學系統，積分光學系統的構成如下由設置于與反射鏡12的射出開口大體相同尺寸的矩形框內的多個矩形形狀的透鏡單元所構成的、用于形成多個二次光源像的第一多重透鏡陣列13；以及同樣由多個矩形狀的透鏡單元所構成的、配置于形成所述多個二次光源像的附近，且在反射型液晶面板401、402、403上形成第一多重透鏡陣列13的各個透鏡單元像的第二多重透鏡陣列14。積分光學系中分割為多個光束的各光束，由平板型偏光變換機構15在預定的偏光方向(這里是S偏振光)上會聚，聚集于S偏振光的各光束由集光透鏡16集光，通過物鏡21、物鏡22成為與主光線平行的光遠程聚焦之后，重疊照射于反射型液晶面板401、402、403上。因此，該反射型液晶面板401、402、403被均勻照射。還有，光源11、積分式光學系統、平板型偏光變換機構15、集光透鏡16構成照明光學系統。
從集光透鏡16所射出的光，由對于光軸以45°角而配置的分色鏡18分離為RG(紅和綠)光與B(藍)光，RG光透過分色鏡18，B光在分色鏡18反射。透過分色鏡18的RG光，由分色鏡19分離為R光與G光，R光透過分色鏡19入射到反射型液晶面板401，G光在分色鏡19反射，入射到反射型液晶面板402。另一方面，由分色鏡18所反射的B光透過中繼透鏡23，其光路由全反射鏡24而彎折90°，由物鏡22使主光線與光軸平行，入射到反射型液晶面板403。還有，由于反射型液晶面板403的光路長比其它兩個的光路長，所以中繼透鏡23將照明光束引向比其它兩個光路長的反射型液晶面板403。
接著，對在各色光用的反射型液晶面板401、402、403(以下將它們總稱為反射型液晶面板40)的前面所配置的各色光用偏光分離機構301、302、303(以下將它們總稱為偏光分離機構30)加以說明。
偏光分離機構30具有在光的折射率比1大的介質中配置偏光分離元件的結構，作為該偏光分離元件，使用配置有基于線柵結構等晶格結構的衍射而將光進行偏光分離的偏光分離面、與該偏光分離面相接而形成空氣層的結構。如上所述，在該偏光分離元件中，由于與PBS棱鏡相比偏光度不足，所以在偏光分離機構30的入射側設置作為輔助偏光件(透過S偏振光)的入射側偏光板291、292、293(以下將它們總稱為入射側偏光板29)，以及作為射出側輔助檢光件(透過P偏振光)的射出側偏光板411、412、413(以下將它們總稱為射出側偏光板41)。
由色分離機構20進行色分離的各色光(S偏振光)朝向對應的反射型液晶面板40，由入射側偏光板29將S偏振光的偏光度提高后，由偏光分離機構30進行偏光分離，僅S偏振光反射，并大致垂直照射到反射型液晶面板40。在反射型液晶面板40上，被照射的S偏振光根據每一個象素的圖像信號而調制光強度形成光學像，同時，改變偏光狀態后變為P偏振光。在形成光學像變換為P偏振光的狀態下，從反射型液晶面板40所反射的各色光再一次入射到該偏光分離機構30。該P偏振光由偏光分離機構30的偏光分離元件而偏光分離，透過該偏光分離機構30。透過偏光分離機構30的該P偏振光，由射出側偏光板41增大偏光度，進而由交叉雙色棱鏡44進行色合成。
反射型液晶面板40由驅動電路(未圖示)根據圖像信號而驅動，上述入射的S偏振光對于每一個象素改變偏光方向，同時調制光強度，與圖像信號相對應，形成P偏振光的光學像。
在來自反射型液晶面板40的各色光的光學像中，R光與B色光由1/2波長相位差板42、43從P偏振光變換為S偏振光，由交叉雙色棱鏡44進行色合成，形成彩色的光學像(圖像)，由投影透鏡45向屏幕等放大投影。還有，也可以不配置1/2波長相位差板42、43、而是在交叉雙色棱鏡44中將全色光保持P偏振光原封不動地進行色合成。
在所述圖1的結構中，從光源11到投影透射單元45一連串的光學系統，形成包含液晶投影儀裝置的照明光學系統而構成的光學單元。
圖2～圖3是偏光分離機構30的第一結構例的說明圖。圖2是偏光分離機構30的第一結構例的圖，圖3是其光路圖。在本第一結構例中，偏光分離機構30稱為偏光分離機構30A。在偏光分離機構30A的介質中設置的偏光分離元件中，與空氣層相接的的偏光分離面使用具有線柵結構的線柵型偏光分離元件。
在圖2中，偏光分離機構30A由外部形狀為長方形的玻璃或塑料構成的光透過性容器35，作為在其內部填充的介質的液體31，以及在該液體中配置的線柵型偏光分離元件50所構成。線柵型偏光分離元件50由板厚t2為0.7×10-3m的光透過性基板51，在其上以預定的周期間隔形成的衍射晶格即偏光分離面的、例如鋁的線柵(金屬晶格)52，對于光透過性基板51對向平行配置、板厚t1為0.7×10-3m的光透過性平板54，覆蓋光透過性平板51與平板54的周圍側面的側板55，在以預定的間隔平行配置的光透過性基板51、平板54及側面的側板55所圍成的空間內氣密地填充空氣所形成的空氣層56等所構成。在偏光分離機構30A的光透過性容器35的一個面(與XY平面平行)上，配置有反射型液晶面板40。線柵型偏光分離元件50在從反射型液晶面板40到投影透鏡45的光路(Z軸)上傾斜θ°(這里是45°)而配置。而且，在偏光分離機構30A的光透過性容器35的入射面35i上設置有入射側偏光板29，在射出面上設置有射出側偏光板41。
入射到偏光分離機構30A的主光線L1，首先，由入射側偏光板29提高預定偏光方向(這里是S偏振光)的偏光度，入射到偏光分離機構30A。由入射側偏光板29提高S偏光度的主光線L1中，P偏振光成分透過線柵型偏光分離元件50的偏光分離面，S偏振光成分則在該偏光分離面反射，入射到反射型液晶面板40。在反射型液晶面板40上，S偏振光的入射光束根據圖像信號調制其強度，形成P偏振光的光學像，并向Z軸反射。來自反射型液晶面板40的P偏振光的反射光，透過線柵型偏光分離元件50，由射出側偏光板41檢光，射向投影單元45。
還有，在偏光分離機構30A的入射側與射出側所設置的偏光板，是為了補償線柵型偏光分離元件50的偏光分離功能的部件。而且，在光透過性基板51與光透過性平板54之間形成充滿空氣的空氣層56。在該空氣層56的厚度(以下稱為“空氣厚”)過厚的情況下，來自反射型液晶面板40的反射光透過線柵型偏光分離元件50時，在該空氣層56中發生像散。因此，空氣層必須有適當的厚度。關于這一點，后面敘述。
如上所述，由于上述線柵型偏光分離元件50是具有空氣層56的構成，所以線柵的晶格節距，能夠至少與空氣中使用的晶格節距相同。所以不存在所述線柵型偏光分離元件50制造的困難的問題。而且，由于線柵型偏光分離元件50是配置于光的折射率比空氣大的液體31中，所以可以使光路長度縮短，投影透鏡的反焦距縮短，使投影透鏡小型化。進而，能夠由液體31冷卻，能夠改善投影性能的惡化以及由復折射引起的對比度的下降。
由于線柵型偏光分離元件50配置有空氣層56，所以有必要注意在光的折射率大的介質與折射率小的介質之間的界面上所產生的全反射。以下為了容易進行計算，假定平板54與液體31的光的折射率大體相同。例如，在液體31的光的折射率為1.5的情況下，在與空氣層之間發生全反射的角度，由斯涅耳折射定律為41.8°(＝sin-1(1/1.5))。不僅是入射到線柵型偏光分離元件50的光的光軸上S偏振光，而且應該透過線柵型偏光分離元件50的P偏振光也反射。在偏光分離而發生全反射時，有消光比，即對比度發生惡化的情況。
圖3是圖2的偏光分離機構30A中的光路圖。
在圖3中，53是線柵型偏光分離元件50的偏光分離面(設置有線柵結構，使光偏光分離的面)，N是作為介質的液體31的光的折射率。
由照明光學系統入射到反射型液晶面板40并反射，入射到投影透鏡單元的光束，除了與光軸平行的平行光束之外，還有具有角度的光束。設具有該角度的光束換算為F值的值為F，則在圖3中，為了使在液體介質與空氣層之間不產生全反射，F值最大角的光線L2在入射面35i上應滿足以下式2的關系，與空氣層56的界面必須滿足以下式3的關系。還有，θ是光軸的主光線L1的空氣層界面、或光透過性平面51、54的入射角，同Z軸與線柵型偏光分離元件所成的角度相等。
sinα＝sin{tan-1[1/(2F)]}＝Nsinβ式(2)Nsin(β+θ)＜1 式(3)由式2及式3，可得以下式4θ＜sin-1(1/N)-sin-1{(1/N)sin[tan-1(1/2F)]} 式(4)在式4中，θ＞0。
所以，如果介質的光的折射率N小，入射光線L2滿足上述式4，則在介質與線柵型偏光分離元件的空氣層的界面上不發生全反射。但是，在介質的光的折射率N大，不滿足上述式4的情況下，會發生全反射，使偏光分離性能惡化。例如，在F＝3，N＝1.2的情況下，由式4知，不發生全反射的入射角θ，角度不到48.6°。其結果是，即使線柵型偏光分離元件傾斜45°，也不會發生全反射。但是，如果F＝3，N＝1.39，則不發生全反射的入射角θ為不到39.2°，在線柵型偏光分離元件傾斜45°的情況下，就會發生全反射。還有，在主光線的情況下，由于上述式4的右邊第二項消失，所以θ為不到46°的值，偏光分離機構在介質與線柵型偏光分離元件的空氣層的界面上不發生全反射。
圖4～圖5是偏光分離機構30的第二結構例的說明圖。圖4是偏光分離機構30的第二結構圖例。圖5是其光路圖。在該第二結構例中，偏光分離機構30稱為偏光分離機構30B。作為偏光分離機構30B的介質中設置的偏光分離元件，與上述第一結構例的情況相同，與空氣層相接的偏光分離面使用具有線柵結構的線柵型偏光分離元件50。該第二結構例是，該線柵型偏光分離元件50與Z軸所成的角，僅比45°大預定的角度Φ，主入射光線L3對于Y軸傾斜2Φ，能夠回避全反射的情況的例。
在圖4中，偏光分離機構30B，由在光的通過部分設置光透過性窗口37的金屬容器36，作為在其內部填充的介質的液體32，以及在液體32中設置的線柵型偏光分離元件50所構成。作為液體32，例如可以使用乙二醇與甘油的混合液GE55。GE55的光的折射率為1.45。
圖5是圖4的偏光分離機構的光路圖。在該圖5中，入射側偏光板29，射出側偏光板41等圖示省略。而且，為了說明的方便，假定平板54與液體32的光的折射率大體相同。從圖5可知，線柵型偏光分離元件50從對于Z軸傾斜45°的傾斜位置向逆時針方向偏離角度Φ的位置而配置。所以，在由線柵型偏光分離元件50所反射的S偏振光朝Z軸負方向的情況下，反射角為45°-Φ，主光線L3的向線柵型偏光分離元件50的入射角也為45°-Φ。此時，主光線L3與Y軸所成的角度為2Φ。金屬容器36的入射面36i對于Z軸的負方向傾斜2Φ，入射到金屬容器36的光透過性窗口37的主光線L3垂直入射于入射面36i。
在這樣結構的偏光分離機構30B中，由于主光線L3對于線柵型偏光分離元件50的入射角為45°-Φ，所以即使是考慮具有角度的光束(換算F值為F的光束)，也能夠消除空氣層的全反射。所以，入射到偏光分離機構30B的入射光線中的S偏振光，由線柵型偏光分離元件50所反射，入射到反射型液晶面板40。在形成經光強度調制后的光學像的同時，作為P偏振光從該反射型液晶面板40反射。從該反射型液晶面板40射出的P偏振光，再次入射偏光分離機構30B。透過偏光分離機構30B中的線柵型偏光分離元件50，向色合成用交叉雙色棱鏡44一側射出。由交叉雙色棱鏡44進行色合成的光，進而射出至投射透鏡單元45一側。
所以，如果以從上述式4計算出的θ作為臨界入射角θm，則上述角度Φ必須滿足以下式5。
45°-θm＜Φ式(5)例如，如果介質的光折射率N為1.45，F為3，則由式4可知，主光線的空氣層界面的臨界入射角θm為37.1°；由式5可知，Φ必須為7.9°以上。如果Φ為7.9°及其以上，由于滿足式4，所以在空氣層界面不發生全反射。
在上述第二結構例中，線柵型偏光分離元件50是對于Z軸從45°的傾斜位置僅傾斜角度Φ而配置，但與PBS棱鏡的情況不同，由于對于線柵型偏光分離元件50的偏光分離特性的入射角的依賴性低，所以與第一結構的情況同樣，能夠得到良好的偏光分離特性。
圖15是偏光分離機構30的第三結構圖例。在圖15中，作為偏光分離機構，使用將具有在光透過性基板上形成了線柵結構的衍射晶格的偏光分離面的線柵型偏光分離元件，設置在填充有與該光透過性基板具有大體相同光折射率N的介質的光透過性容器中，在該偏光分離面與該介質的界面上形成薄的空氣層的裝置。該偏光分離機構的偏光分離面，對于反射型光閥的光照射面，是不到45°角度而配置。就是說，該偏光分離機構的向偏光分離面的入射光可對該偏光分離面，以入射角不到45°的角度(45-θ)入射，由該偏光分離面所偏光分離的光以反射角不到45°的角度(45-θ)射出，對于反射型光閥的光照射面垂直入射。而且，該偏光分離機構的光入射面，對于入射方向從垂直方向傾斜，入射光線的方向與在偏光分離面進行偏光分離、垂直入射至反射型光閥的射出光線的方向相垂直。
在偏光分離機構中，為了使在介質與空氣層的界面上不產生全反射，在偏光分離面的傾斜角與介質的光折射率N之間，應滿足以下的式6的關系。
Φ≥45°-sin-1(1/N) 式(6)在圖15中，進行對應于圖像信號的光強度調制的液晶面板等反射型光閥40，與XY面平行配置，向該反射型液晶面板40入射與Z軸平行的例如S偏振光，在ON的象素中變換為P偏振光，向具有與Z軸平行光軸的投影透鏡單元(未圖示)射出。作為偏光分離結構體的偏光分離機構30，是由作為介質的液體32，填充有該液體32的光透過性容器36，以及在該光透過性容器36中配置的線柵型偏光分離元件50所構成的結構體。線柵型偏光分離元件50，在光透過性基板(未圖示)上形成的線柵的偏光分離面(未圖示)與反射型液晶面板40一側對置，在線柵的偏光分離面(未圖示)上與液體32的界面上設置有薄的空氣層(未圖示)。該空氣層是為了使以在空氣中使用為前提而設計的線柵型偏光分離元件能夠使用而設置的。線柵型偏光分離元件50，其偏光分離面對于反射型光閥40的光照射面，即對XY平面成不到45°的角度。與Y軸平行的入射光線L1入射到偏光分離機構30的光透過性容器19的入射壁面19i，對于XZ平面傾斜。
入射到這樣結構的偏光分離機構30、與Y軸平行的入射光線L1，在光透過性容器36的入射壁面36i上A點折射(折射角為α)，成為折射光線L1′，入射到線柵型偏光分離元件50。由線柵型偏光分離元件50所偏光分離的S偏振光的反射光線L2對于反射型液晶面板40垂直入射。就是說，入射光線L1與反射光線L2垂直。還有，折射光線L1’與入射壁面36Bi垂直，將其向入射方向延長的光線與入射光線L10相等。
這里，為了使線柵型偏光分離元件50的偏光分離面，對于反射型液晶面板40的光照射面從45°的位置僅偏差角度θ，成為不到45°的角度，使Y軸方向與折射光線L1′所成的角度為2Φ。所以，在入射壁面36i入射光線L1的入射角為α+2Φ，按照斯涅耳折射定律，可得以下式7sin(2Φ+α)＝N·sinα 式(7)將其變形，得到以下式8tanα＝sin2Φ/(N-cos2Φ) 式(8)這里，由于γ與90-(2Φ+α)有互為余角的關系，所以可得以下式9γ＝2Φ+α 式(9)而且，在折射光線L1′入射到線柵型偏光分離元件50時，為了在液體32與空氣層的界面上不發生全反射，折射光線L1′對于線柵型偏光分離元件50的入射角為45°-Φ，必須滿足上述式6，作為具體的數據例，例如在圖15中，假定液體的光折射率為N＝1.4，偏光分離面的旋轉角為θ＝7°，則由式8得，α＝29.4°，由式9得γ＝43.4°。
而且，入射到反射型光閥40的S偏振光，在ON的象素反射，變換為P偏振光，再一次垂直入射到偏光分離機構30，原封不動地透過線柵型偏光分離元件50射向投影透鏡單元。此時，為了使透過線柵型偏光分離元件50時不產生像散，在本實施例中，使介質液體32的光折射率與線柵型偏光分離元件50的光透過性基板(未圖示)的光折射率大體相等。
還有，在所述圖15中，顯示的是在照明光學系統(未圖示)的光軸上的光線L1入射到偏光分離機構的點A不變，以該點為中心旋轉入射面的情況，即入射壁面36Bi與入射壁面36i重合旋轉的情況。但如圖15，在與反射型光閥40對置的偏光分離機構30的面的中心與反射型光閥40的中心偏離的情況下，點A的位置變化，與此相對應照明光學系統的光軸也可向Z軸方向平行移動。還有，在使用圖15的偏光分離機構，取代上述圖5的偏光分離機構的情況下，由于入射到該偏光分離機構的入射光線與反射型光閥的光照射面相平行，所以能夠使照明光學系統成為緊湊的結構。
圖6是偏光分離機構30的第四結構圖例。在該第四結構例中，偏光分離機構30稱為偏光分離機構30C。作為在偏光分離機構30C的介質中設置的偏光分離機構，與上述第一、第二結構例的情況同樣，與空氣層相接的偏光分離面使用設置有線柵結構的線柵型偏光分離元件。在該第三結構例中，在兩個棱鏡之間設置線柵型偏光分離元件。
在圖6中，偏光分離機構30由直角棱鏡33、與其對置的棱鏡34，以及在直角棱鏡33與棱鏡34之間配置的線柵型偏光分離元件60所構成。而且，線柵型偏光分離元件60由板厚為0.7×10-3m的光透過性基板61，在其上以預定的間隔形成的形成具有衍射作用的即偏光分離面的線柵(金屬晶格)62，覆蓋光透過性基板61與直角棱鏡34的周圍側面的側板65，以及在由光透過性基板61、直角棱鏡34及側板65所圍成的空間內氣密地填充空氣所形成的空氣層66所構成。與棱鏡34的線柵型偏光分離元件60側面以外一側的面341，(與XY面平行)平行地配置有反射型液晶面板40，線柵型偏光分離元件60在從反射型液晶面板40向投影單元45的光路(Z軸)上，與上述第二結構例的情況相同，配置于從對于Z軸傾斜45°的位置逆時針僅偏離角度Φ的位置。而且，棱鏡34的入射面34i對于Z軸的負方向傾斜角度2Φ，入射到偏光分離機構30C的主光線L5對于Y軸傾斜角度2Φ。所以，偏光分離機構30C的入射、射出的光路圖與上述圖5的情況相同。
在上述第四結構例的偏光分離機構中，介質為玻璃例如是HOYA公司的BSC7(商品名)，光的折射率為1.52，由于比上述第二結構例的液體介質(例如折射率為1.45)的折射率大，所以必須使從45°傾斜位置所偏離的角度Φ比液體介質的情況要大。例如，如果玻璃介質的折射率為1.52，F為3，則由式4，主光線在空氣層界面的臨界入射角θm為34.9°，結果是，從式5，角度Φ必須大于45°-34.9°＝10.1°，必須是比液體介質的情況大的角度Φ。
以上所述的偏光分離機構的線柵型偏光分離元件，由于設置有空氣層，所以有必要抑制在該空氣層發生的像散的影響。為了抑制該像散的影響，減薄該空氣層的厚度是有效的。
圖7～圖9是顯示由模擬所求得的在介質中配置具有空氣層的線柵型偏光分離元件的情況下，空氣層的厚度(空氣厚)與光束尺寸(斑點點尺寸)之間關系的結果的圖。圖10顯示該模擬的條件。
如圖10(a)所示，由放大倍數約為56的投影透鏡單元45將0.8英寸寬的反射型液晶面板40上的斑點像投影到45英寸的屏幕90，對屏幕90上的各點A～F求出斑點尺寸比，進行平均。如圖10(b)所示，斑點尺寸的基準是空氣層的厚度為0.01×10-3m，使偏光分離機構30′的介質中線柵型偏光分離元件50(60)與光軸相垂直配置情況下的斑點尺寸。由此為基準求出每一個空氣厚的斑點尺寸比。如圖10(c)所示，每一個空氣厚的斑點尺寸，是在偏光分離機構30的介質中傾斜配置線柵型偏光分離元件50(60)使主光線的入射角為35°而求得的。而且，在各空氣厚，改變構成投影單元45的非球面透鏡的兩個面的形狀，與從偏光分離機構30的介質到投影單元45的第一枚透鏡的距離d，進行最優化而求出斑點尺寸。
圖7是光折射率為1.3的偏光分離機構的液體介質的情況下的斑點尺寸比，圖8是光折射率為1.45的液體介質(例如GE55)情況，圖9是光折射率為1.52的介質(例如玻璃BK7)的情況下的斑點尺寸比。
在圖7中，在空氣層的厚度約為0.1～0.15×10-3m時，斑點尺寸比為最小。而且，在圖8中，空氣層的厚度約為0.01×10-3m左右時，斑點尺寸比為最小。這被認為是，如圖11所示，比介質的折射率低的空氣層56在比介質的折射率高的光透過性基板51與光透過性平板54之間，由于由它們所產生的像散的方向在空氣層與光透過性基板51及平板54上相反，所以橫向像散抵消，在預定的空氣層厚度，斑點尺寸能夠成為最小。也就是說，在夾持空氣層在兩側具有比介質高的折射率的平行平板(光透過性基板也是平行平板)的情況下，存在有使與平行平板的厚度及平行平板與介質的光折射率差相對應的像散可為最小的適當的空氣厚，優選能夠找到這個空氣厚。
對于此，在圖9中，由于光透過性基板51與光透過性的平板54的折射率與介質相等，像散僅在空氣層中產生，所以空氣層的厚度越薄，就越能夠減低像散。作為光透過性基板51及光透過性平板54，在使用光折射率比介質高的板的情況下，與上述圖7及圖8的情況同樣，有使與平行平板的厚度及平行平板與介質的光折射率差相對應的像散為最小的適當的空氣厚，優選能夠找到該空氣厚。但是，由于空氣層厚度過薄時會產生干涉作用，所以優選至少為約3/2λ(紅色的λr＝700×10-9m)的1×10-6m(微米)及其以上的厚度。
根據上述本發明的實施方式，基于上述線柵型偏光分離元件等晶格結構的衍射而將光進行偏光分離的偏光分離元件，即使是在光折射率比空氣大的介質中使用的情況下，也能夠抑制偏光分離性的惡化。因此，在投影型圖像顯示裝置中，在抑制了偏光分離元件的溫度上升的狀態下，能夠抑制像散，確保圖像的分辨率，且能夠確保亮度及對比度。
還有，在上述實施方式中，作為偏光分離機構，使用的是線柵型偏光分離元件，但本發明并不僅限于此，例如，也可以是使用具有在光透過性基板上以預定的周期形成光衍射凹凸所構成的偏光分離面的偏光分離元件。而且，光閥也不限于反射型光閥，也可以是透過型光閥。而且，該光閥也可以是液晶面板以外的部件。
權利要求
1.一種投影型圖像顯示裝置，將來自光源一側的光進行偏光變換后照射到光閥上，形成與圖像信號相對應的光學像并進行放大投影，其特征在于具有通過空氣層在介質中形成由基于晶格結構的衍射而對光進行偏光分離的偏光分離面，將照射到所述光閥上的光及由該光閥調制的光進行偏光分離的偏光分離機構；將所述偏光分離后的光進行色合成的色合成機構；將所述色合成后的光進行放大投影的投影透鏡單元；以及驅動所述光閥的驅動電路。
2.根據權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的結構為所述介質為光透過性液體，所述偏光分離面在光透過性的平板上形成。
3.根據權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于設由所述光閥調制的、通過所述投影透鏡單元的光的F值為F，所述介質的光的折射率為N，從所述光閥射出的主光線的、向所述偏光分離機構的所述空氣層或形成該空氣層的光透過性平板的入射角為θ，則該θ在滿足下式的范圍內0＜θ＜sin-1(1/N)-sin-1{(1/N)sin[tan-1(1/2F)]}。
4.根據權利要求2所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述光閥為反射型光閥。
5.根據權利要求1所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的偏光分離面對于所述光閥的光照射面傾斜不到45°的角度而構成。
6.根據權利要求5所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的結構為使入射光線的方向與由偏光分離面偏光分離、垂直入射至所述光閥的射出光線的方向相垂直。
7.根據權利要求5所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構中，光對于所述偏光分離面的入射角，小于等于所述介質與所述空氣層的界面的臨界角。
8.一種投影型圖像顯示裝置，將來自一側的光照射到圖像顯示元件上，形成與圖像信號相對應的光學像并放大投影，其特征在于，具有將來自光源側的光在偏光方向會聚、形成P偏振光或S偏振光的偏光變換機構；將所述偏光變換后的偏振光分離為R、G、B各色光的分離機構；照射所述分離后的各色光的偏振光，基于圖像信號對偏振光進行調制的光閥；通過空氣層在介質中形成由基于晶格結構的衍射而對光進行偏光分離的偏光分離面，將照射到所述光閥的光及由該光閥調制后的光進行偏光分離的偏光分離機構；將所述偏光分離后的光進行色合成的色合成機構；將所述色合成后的光進行放大投影的投影透鏡單元；以及驅動所述光閥的驅動電路。
9.根據權利要求8所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的結構為所述介質為光透過性液體，所述偏光分離面在光透過性的平板上形成。
10.根據權利要求8所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于設由所述光閥調制的、通過所述投影透鏡單元的光的F值為F，所述介質的光的折射率為N，從所述光閥射出的主光線的、向所述偏光分離機構的所述空氣層或形成該空氣層的光透過性平板的入射角為θ，則該θ在滿足下式的范圍內0＜θ＜sin-1(1/N)-sin-1{(1/N)sin[tan-1(1/2F)]}。
11.根據權利要求10所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述光閥為反射型光閥。
12.根據權利要求8所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的偏光分離面對于所述光閥的光照射面傾斜不到45°的角度而構成。
13.根據權利要求12所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的結構為使入射光線的方向與由偏光分離面偏光分離、垂直入射至所述光閥的射出光線的方向相垂直。
14.根據權利要求12所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構中，光對于所述偏光分離面的入射角小于等于所述介質與所述空氣層的界面的臨界角。
15.一種光學單元，將來自光源一側的光進行偏光變換后照射到光閥上，形成與圖像信號相對應的光學像并進行放大投影，其特征在于具有通過空氣層在介質中形成由基于晶格結構的衍射而對光進行偏光分離的偏光分離面，將照射到所述光閥上的光及由該光閥調制的光進行偏光分離的偏光分離機構；將所述偏光分離后的光進行色合成的色合成機構；以及將所述色合成后的光進行放大投影的投影透鏡單元。
16.根據權利要求15所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的結構為所述介質為光透過性液體，所述偏光分離面在光透過性的平板上形成。
17.根據權利要求15所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于設由所述光閥調制的、通過所述投影透鏡單元的光的F值為F，所述介質的光的折射率為N，從所述光閥射出的主光線的、向所述偏光分離機構的所述空氣層或形成該空氣層的光透過性平板的入射角為θ，則該θ在滿足下式的范圍內0＜θ＜sin-1(1/N)-sin-1{(1/N)sin[tan-1(1/2F)]}。
18.根據權利要求16所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述光閥為反射型光閥。
19.根據權利要求15所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的偏光分離面對于所述光閥的光照射面傾斜不到45°的角度而構成。
20.根據權利要求19所述的投影型圖像顯示裝置，其特征在于所述偏光分離機構的結構為使入射光線的方向與由偏光分離面偏光分離、垂直入射至所述光閥的射出光線的方向相垂直。
全文摘要
本發明提供在投影型圖像顯示技術中，能夠抑制偏光分離元件的溫度上升，且能夠確保圖像高像質的技術。作為偏光分離機構，是在光折射率比1大的介質中配置偏光分離元件的結構，作為偏光分離元件，是設置有由基于晶格結構的衍射而對光進行偏光分離的偏光分離面，與該偏光分離面相接形成空氣層的結構。而且，作為投影型圖像顯示裝置或該裝置中所使用的光學單元，是由所述偏光分離機構對照射到光閥的光或由該光閥所調制的光進行偏光分離，由色合成裝置將該偏光分離的光進行色合成，由投影透鏡單元對該合成的光進行放大的結構。
文檔編號G02B27/18GK1664653SQ20041008898
公開日2005年9月7日 申請日期2004年11月23日 優先權日2004年3月3日
發明者中島努, 谷津雅彥, 平田浩二 申請人:株式會社日立制作所