JP2000321535A - 平行光偏光変換装置、照明装置及び液晶プロジェクタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光源から発せられる光束を効率よく被投射体
に対して利用し得るために効率よく偏光方向を揃える機
能を簡易な構成で持たせることができる照明装置及び液
晶プロジェクタを提供する。 【解決手段】 液晶パネル１を照射するための仮想光源
となる２次光源像１０の広がりを小さくするためのいわ
ゆるインテグレータ光学系Ｄ１のレンズアレイ８と組を
なす集光レンズ９により光束を絞る前に、光源装置Ｂ１
から出射されるままの略平行光束を偏光変換要素Ｃ１に
入射させて偏光方向を揃えることで、偏光変換の効率が
よく、かつ、偏光変換要素Ｃ１よりも入射側には略平行
光束を発するための放物面鏡４等を有する通常の光源装
置Ｂ１を備えるだけで簡易な構成で実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液晶パネルなどの
被投射体を照明するのに適した平行光偏光変換装置、照
明装置及びこの照明装置を用いた液晶プロジェクタに関
する。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルのような矩形状の被投射体を
均一に照明するための照明光学系としては、従来より、
２組のレンズアレイを組合せたインテグレータ光学系が
例えば特開平３−１１１８０６号公報により知られてい
る。

【０００３】同公報等に示されるインテグレータ光学系
は、光源からの光束を、第１のレンズアレイを構成して
いる複数の矩形状の集光レンズにより分割して２次光源
像を形成し、これらの２次光源像を第１のレンズアレイ
の複数の矩形状の集光レンズに対応させた複数の集光レ
ンズを備えた第２のレンズアレイを介して同一の被投射
体上に重畳結像させるようにしたものである。このよう
なインテグレータ光学系によれば、光源光の利用効率が
向上するとともに、被投射体面上の光の強度分布をほぼ
一様にすることができるとされている。特に、第１，２
のレンズアレイにおける各集光レンズの形状を矩形状の
被投射体のアスペクト比率に対応させて、例えば、４：
３なる比率の矩形状に形成することにより光の利用効率
及び強度分布の均一化を図ることができる。

【０００４】一方、偏光光を変調するタイプの液晶パネ
ルを用いた一般的な液晶プロジェクタでは、Ｐ偏光成分
又はＳ偏光成分のみの１種類の偏光光しか利用できない
ため、ランダムな偏光光を発する光源の場合には、光源
光の約半分は利用されないことになってしまい、光源光
の利用効率の悪いものとなる。この光源光の利用効率を
高めるための偏光変換構造も各種提案されている。

【０００５】その原理は、ランダムな偏光光を直交する
２つの偏光成分（Ｐ偏光成分、Ｓ偏光成分）に分離した
後、一方の偏光成分を１／２位相板等により９０度回転
させて、他方の偏光成分と同じ方向の成分とし、かつ、
両者の光軸を合わせるものである。従って、例えば、偏
光ビームスプリッタと全反射プリズムとを併設させ、偏
光ビームスプリッタ又は全反射プリズムの何れか一方の
出射面側に１／２位相板を配置させるような偏光変換光
学系構造で偏光方向を揃え得る。この場合に変換効率を
高めるために、光源側からの光をレンズ板により偏光ビ
ームスプリッタの作用面（４５度の誘電体多層膜による
偏光分離膜）に収束させるようにしたものが、例えば、
特開平７−２９４９０６号公報により提案されている。

【０００６】一方、偏光ビームスプリッタと直角プリズ
ムとを単純に併設させるだけの構成では、光学系全体の
横幅又は縦幅が約２倍になってしまい、Ｆナンバーの小
さな極めて大口径の投射レンズを使用しなければならな
くなってしまう点に関しては、前述の特開平３−１１１
８０６号公報に示されるインテグレータ光学系を組合せ
る構成例が例えば特開平８−３０４７３９号公報により
提案されている。これは、概略的には、複数の微小な矩
形状の集光レンズからなる第１のレンズアレイにより複
数の微小な光束（２次光源像）を形成し、これらの光束
を偏光方向が異なるＰ偏光成分とＳ偏光成分とに分離し
た後、一方の偏光成分を回転させて偏光面を揃えて出射
させるようにしたものである。つまり、インテグレータ
光学系の特徴である微小な２次光源像の生成というプロ
セスを利用して偏光光の分離を行わせることで、偏光光
の分離に伴う光路の空間的な広がりを抑制するようにし
たものである。

【０００７】さらには、特開平１０−１６１０６５号公
報によれば、光源装置の放物面鏡により反射されて出射
する平行光を一旦凸レンズにより集光してから凹レンズ
により再度平行化させることでビーム径を約半分に小さ
くして偏光変換構造に導くことにより、この偏光変換構
造やインテグレータ光学系を実質的に小型化し得る提案
がなされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところが、このような
各種従来例による場合、光源装置からの光束を偏光変換
構造に入射させる際に何らかの光学素子により処理して
から入射させており、構造が複雑化しやすい。特に、イ
ンテグレータ光学系を併用するものでは、特開平３−１
１１８０６号公報に示されるように、第１のレンズアレ
イによる２次光源像近傍位置に偏光変換構造が配設され
て、第１のレンズアレイの各レンズ要素による集光光が
偏光変換構造の偏光ビームスプリッタ部分に入射される
ものであり、偏光ビームスプリッタに対して平行光束が
入射される場合よりも偏光変換効率の悪いものとなって
しまう。

【０００９】ちなみに、特開平７−２９４９０６号公報
により提案されている偏光変換光学系構造例によれば、
光源側からの光をレンズ板により偏光ビームスプリッタ
の作用面に収束させているので、光源側からの光が全て
偏光ビームスプリッタに入射することとなり、光の利用
効率を高め得るが、偏光ビームスプリッタを透過して出
射する偏光成分の光束と偏光ビームスプリッタの作用面
及び全反射ミラーで反射されて出射する偏光成分の光束
とではその光路長が異なるため、偏光変換光学系を経て
照明される被投射体に輝度むらを生じてしまう。

【００１０】そこで、本発明は、光源から発せられる光
束を効率よく被投射体に対して利用し得るために効率よ
く偏光方向を揃える機能を簡易な構成で持たせることが
できる照明装置及び液晶プロジェクタを提供することを
目的とする。

【００１１】併せて、輝度むらを生ずることなく被投射
体を照明し得る平行光偏光変換装置、照明装置及び液晶
プロジェクタを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の照明装置
は、偏光方向がランダムな略平行光束を出射する光源装
置と、被投射体の形状と略相似形をなす矩形状に形成さ
れた複数のレンズ要素が２次元状に配列されて前記光源
装置から出射される略平行光束から複数の２次光源像を
分割形成するレンズアレイと、前記レンズ要素の各々の
光軸が前記被投射体の中心に向かうように焦点距離が設
定された集光レンズとの組合せによるレンズ組と、前記
光源装置と前記レンズ組との間に配設されて前記光源装
置から出射される平行光束を、Ｐ偏光成分又はＳ偏光成
分の何れか一方のみの偏光成分に揃えて出射させる偏光
変換要素と、を備える。

【００１３】従って、被投射体を照射するための仮想光
源となる２次光源像の広がりを小さくするためのいわゆ
るインテグレータ光学系のレンズアレイと組をなす集光
レンズにより光束を絞る前に、光源装置から出射される
ままの略平行光束を偏光変換要素に入射させて偏光方向
を揃えるので、偏光変換の効率がよく、かつ、偏光変換
要素よりも入射側には略平行光束を発するための放物面
鏡等を有する通常の光源装置を備えるだけの簡易な構成
で実現できる。なお、本発明においては、特に光源装置
における光源を点光源と見倣せる場合には２次光源像自
体も点光源と見倣せるため、インテグレータ光学系に第
２のレンズアレイを要することなく、実現し得る。

【００１４】請求項２記載の発明は、偏光方向がランダ
ムな略平行光束を出射する光源装置と、被投射体の形状
と略相似形をなす矩形状に形成された複数の第１のレン
ズ要素が２次元状に配列されて前記光源装置から出射さ
れる略平行光束から複数の２次光源像を分割形成する第
１のレンズアレイと、前記第１のレンズ要素の各々の光
軸が前記被投射体の中心に向かうように焦点距離が設定
された集光レンズとの組合せによるレンズ組と、このレ
ンズ組の焦点位置近傍に配置され前記第１のンズ要素に
各々対応する複数の第２のレンズ要素が２次元状に配列
されて対応する第１のレンズ要素による２次光源像を各
々前記被投射体上に重畳させて投射する第２のレンズア
レイと、前記光源装置と前記レンズ組との間に配設され
て前記光源装置から出射される略平行光束を、Ｐ偏光成
分又はＳ偏光成分の何れか一方のみの偏光成分に揃えて
出射させる偏光変換要素と、を備える。

【００１５】従って、被投射体を照射するための仮想光
源となる２次光源像の広がりを小さくするためのいわゆ
るインテグレータ光学系のレンズアレイと組をなす集光
レンズにより光束を絞る前に、光源装置から出射される
ままの略平行光束を偏光変換要素に入射させて偏光方向
を揃えるので、偏光変換の効率がよく、かつ、偏光変換
要素よりも入射側には略平行光束を発するための放物面
鏡等を有する通常の光源装置を備えるだけの簡易な構成
で実現できる。

【００１６】請求項３記載の発明の照明装置は、偏光方
向がランダムなほぼ略平行光束を出射する光源装置と、
被投射体の形状と略相似形をなす矩形状に形成された複
数の第１のレンズ要素が２次元状に配列されて前記光源
装置から出射される略平行光束から複数の２次光源像を
分割形成する第１のレンズアレイと、集光レンズとの組
合せによる第１のレンズ組と、この第１のレンズ組の焦
点位置近傍に配置され前記第１のレンズ要素に各々対応
する複数の第２のレンズ要素が２次元状に配列された第
２のレンズアレイと、前記第１のレンズ組を透過した光
に対して発散作用を示し、前記第１のレンズ要素の各々
の光軸が前記被投射体の中心に向かうように前記集光レ
ンズとともに焦点距離が設定されて前記第１のレンズ要
素による２次光源像を各々前記被投射体上に重畳させて
投射する第２のレンズとの組合せによる第２のレンズ組
と、前記光源装置と前記第１のレンズ組との間に配設さ
れて前記光源装置から出射される略平行光束を、Ｐ偏光
成分又はＳ偏光成分の何れか一方のみの偏光成分に揃え
て出射させる偏光変換要素と、を備える。

【００１７】従って、被投射体を照射するための仮想光
源となる２次光源像の広がりを小さくするためのいわゆ
るインテグレータ光学系のレンズアレイと組をなす集光
レンズにより光束を絞る前に、光源装置から出射される
ままの略平行光束を偏光変換要素に入射させて偏光方向
を揃えるので、偏光変換の効率がよく、かつ、偏光変換
要素よりも入射側には略平行光束を発するための放物面
鏡等を有する通常の光源装置を備えるだけの簡易な構成
で実現できる。特に、凹レンズのような発散作用を示す
第２のレンズを用いているので、被投射体を照射するた
めの仮想光源をなす２次光源像の広がりをより一層小さ
くすることができ、投射レンズの口径を小さくするため
にさらに有効な構成となる。

【００１８】請求項４記載の発明は、請求項１，２又は
３記載の照明装置における前記偏光変換要素は、略平行
光束が入射される偏光ビームスプリッタと、この偏光ビ
ームスプリッタにより反射された偏光成分を前記偏光ビ
ームスプリッタを透過する他方の偏光成分と同一方向に
向けて反射させる全反射ミラーと、前記偏光ビームスプ
リッタと前記全反射ミラーとの何れか一方の出射側に配
設させた１／２波長板との組を単位として構成されてい
る。

【００１９】従って、請求項１，２又は３記載の照明装
置を実現する上で、偏光ビームスプリッタと全反射ミラ
ーと１／２波長板との組を単位とする通常の偏光変換要
素を用いればよい。具体的には、請求項５記載の発明の
ように、偏光ビームスプリッタと全反射ミラーと１／２
波長板との組を、偏光ビームスプリッタを隣合せに２組
対称に配設させた構成や、請求項６記載の発明のよう
に、偏光ビームスプリッタと全反射ミラーと１／２波長
板との組を複数組アレイ状に配設させた構成でよい。

【００２０】請求項７記載の発明は、請求項６記載の照
明装置に加えて、前記偏光変換要素に対して入射する前
記略平行光束を各偏光ビームスプリッタの偏光分離膜の
略中央位置に集光させるように焦点距離が設定された複
数の集光レンズ要素を有する入射側レンズアレイと、前
記偏光ビームスプリッタを透過して出射する偏光成分の
光束と前記全反射ミラーで反射されて出射する偏光成分
の光束とに対して各々の光路長に対応させて異なる焦点
距離に設定された複数の異焦点レンズ要素を交互に有す
る出射側レンズアレイと、を備える。

【００２１】従って、アレイ状構造からなる偏光変換要
素に入射する略平行光束を入射側レンズアレイの各集光
レンズ要素により各偏光ビームスプリッタの偏光分離膜
の略中央位置に集光させることで、入射光の全てを効率
よく偏光変換要素に入射させて偏光変換に供することが
でき、光の利用効率が高い上に、偏光ビームスプリッタ
を透過して出射する偏光成分の光束と全反射ミラーで反
射されて出射する偏光成分の光束とでは各々の光路長が
ことなるが、出射側レンズアレイの異焦点レンズ要素に
よりその光路長の違いが修正されて全て同じ光路長とさ
れるので、輝度むらを生ずることなく被投射体を照明で
きる。

【００２２】請求項８記載の発明の液晶プロジェクタ
は、情報表示システムにより投射すべき像が形成される
少なくとも１つの液晶パネルと、この液晶パネルを被投
射体として照明する請求項１ないし７の何れか一に記載
の照明装置と、前記液晶パネルの像をスクリーン上に投
射する投射レンズ系と、を備える。

【００２３】従って、光源装置を用いる請求項１ないし
７の何れか一に記載の照明装置を利用して液晶パネルを
照明するので、簡易な構成で偏光成分の揃った光束で液
晶パネルを照明して、口径の小さめな投射レンズ系によ
りスクリーン上に投射させることができる。

【００２４】ここに、液晶パネルとしては、反射型液晶
パネルであっても透過型液晶パネルであってもよい。ま
た、カラー表示の場合であれば、通常、３原色、ＲＧＢ
（レッド、グリーン、ブルー）の３つの液晶パネルが，
例えば、ダイクロイックプリズム又はミラーのような分
光素子等とともに用いられる。

【００２５】請求項９記載の発明の平行光偏光変換装置
は、略平行光束が入射される偏光ビームスプリッタと、
この偏光ビームスプリッタにより反射された偏光成分を
前記偏光ビームスプリッタを透過する他方の偏光成分と
同一方向に向けて反射させる全反射ミラーと、前記偏光
ビームスプリッタと前記全反射ミラーとの何れか一方の
出射側に配設させた１／２波長板との組を単位として複
数組アレイ状に配設させてなる偏光変換要素と、この偏
光変換要素に対して入射する略平行光束を各偏光ビーム
スプリッタの偏光分離膜の略中央位置に集光させるよう
に焦点距離が設定された複数の集光レンズ要素を有する
入射側レンズアレイと、前記偏光ビームスプリッタを透
過して出射する偏光成分の光束と前記全反射ミラーで反
射されて出射する偏光成分の光束とに対して各々の光路
長に対応させて異なる焦点距離に設定された複数の異焦
点レンズ要素を交互に有する出射側レンズアレイと、を
備える。

【００２６】従って、アレイ状構造からなる偏光変換要
素に入射する略平行光束を入射側レンズアレイの各集光
レンズ要素により各偏光ビームスプリッタの偏光分離膜
の略中央位置に集光させることで、入射光の全てを効率
よく偏光変換要素に入射させて偏光変換に供することが
でき、光の利用効率が高い上に、偏光ビームスプリッタ
を透過して出射する偏光成分の光束と全反射ミラーで反
射されて出射する偏光成分の光束とでは各々の光路長が
異なるが、出射側レンズアレイの異焦点レンズ要素によ
りその光路長の違いが修正されて全て同じ光路長となる
平行光偏光変換装置を提供できる。

【００２７】

【発明の実施の形態】本発明の第一の実施の形態を図１
に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項１，４及
び５記載の発明に相当するもので、図１（ａ）にその照
明装置Ａ１の概要を示す。

【００２８】この照明装置Ａ１は、縦横のアスペクト比
率が４：３なる矩形状の液晶パネル１を被投射体とする
もので、その前面には各液晶素子に対して光を集光させ
るためのコンデンサレンズ２が付設されている。このよ
うな液晶パネル１に対して、本実施の形態の照明装置Ａ
１は、光源装置Ｂ１と、偏光変換要素Ｃ１と、インテグ
レータ光学系Ｄ１とより構成されている。光源装置Ｂ１
は、点光源状の光源３と、この光源３が焦点Ｆ位置に配
設されて略平行光束を出射させる反射鏡４と、反射鏡４
の開口部に配設された紫外線カットガラス５と、赤外線
ＩＲを透過させ可視光を液晶パネル１側に向けて反射さ
せる４５度配置のコールドミラー６とにより構成されて
いる。

【００２９】コールドミラー６の反射光路上に配設され
るインテグレータ光学系Ｄ１は、本実施の形態では、レ
ンズ組Ｅ１からなる。このレンズ組Ｅ１は、液晶パネル
１の形状（アスペクト比率が４：３なる矩形状）と略相
似形をなす４：３の比率の矩形状（図示せず）に形成さ
れた複数のレンズ要素７が２次元状に配列されたレンズ
アレイ８と、これらのレンズ要素７の各々の光軸が液晶
パネル１の中心に向かうように焦点距離が設定された集
光レンズ９との組合せ構成とされている。即ち、いわゆ
るインテグレータ光学系の第１のレンズアレイ側に相当
し、レンズアレイ８は光源装置Ｂ１から出射される光か
ら各レンズ要素７毎に２次光源像１０を分割形成するこ
とになる。よって、１１が仮想光源面となる。

【００３０】これにより、基本的には、光源装置Ｂ１か
ら出射される光からレンズアレイ８の各レンズ要素７に
より２次光源像１０を分割形成し、その光軸を集光レン
ズ９により液晶パネル１の中心に向けることにより、
４：３の比率で矩形状をなす個々のレンズ要素７を通っ
た光束を各々液晶パネル１上で重畳させる形で照明す
る。この場合、液晶パネル１を照射するための仮想光源
をなす２次光源像１０の広がりを小さくすることがで
き、投射レンズ（図示せず）の口径を小さくするための
有効な構成となる。

【００３１】また、偏光変換要素Ｃ１は、光源装置Ｂ１
から出射される偏光方向がランダムな略平行光束を、Ｐ
偏光成分又はＳ偏光成分の何れか一方のみの偏光成分に
揃えて出射させるもので、基本的には、偏光ビームスプ
リッタ１２と全反射ミラー１３と１／２波長板１４との
組を単位として構成されている。例えば、偏光ビームス
プリッタ１２に入射するＰ＋Ｓ偏光のうち、Ｓ偏光成分
は偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離面を透過させて
そのまま出射させる。一方、Ｐ偏光成分は偏光ビームス
プリッタ１２の偏光分離面で反射させ、さらに、全反射
ミラー１３でＳ偏光成分と同一方向に全反射させ、か
つ、１／２波長板１４でその偏光面を９０度回転させる
ことでＳ偏光に変換し、全て、Ｓ偏光成分の光束として
集光レンズ９側に出射させる。

【００３２】ここに、本実施の形態では、偏光変換要素
Ｃ１として、その要素を２組中心対称に配設させたもの
が用いられている。即ち、２個の偏光ビームスプリッタ
１２ａ，１２ｂと全反射ミラー１３ａ，１３ｂと１／２
波長板１４ａ，１４ｂとを偏光ビームスプリッタ１２
ａ，１２ｂが隣合せとなるように対称に組合せてなる。

【００３３】ここに、本実施の形態では、反射鏡４が断
面真円をなす単なる放物面鏡ではなく、その開口４ａの
形状が図１（ｂ）に示すように、液晶パネル１の縦横の
アスペクト比率４：３に応じてＸ，Ｙ方向に２：３の比
率を持たせて扁平とさせた回転放物面４ｂを有する形状
に形成されている。即ち、扁平放物面鏡として構成され
ている。図１（ａ）では、実線と破線とより放物面の広
がりの異なる状態を併せて示している。ここに、反射鏡
４としての焦点Ｆ位置は唯一、即ち、１点のみでＸ，Ｙ
方向を問わず共通されるように設定されている。このよ
うな反射鏡４であっても、出射させる光束は略平行光束
となる。また、２個の偏光ビームスプリッタ１２ａ，１
２ｂは図１（ｃ）に示すように、各々１：３の比率の直
方体形状に形成され、両者を合わせることで２：３なる
比率となり、反射鏡４の開口形状に内接する形に設定さ
れている。従って、偏光変換要素Ｃ１全体でみると、２
個の偏光ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂと全反射ミラ
ー１３ａ，１３ｂとは図１（ｃ）に示すように、各々
１：３の比率の直方体形状に形成され、４つ合わせて液
晶パネル１対応の４：３なる比率となるように構成され
ている。

【００３４】よって、本実施の形態によれば、反射鏡４
自体が、開口形状が真円をなす放物面鏡ではなく、光源
３が配設される焦点Ｆを共通にして目的とする液晶パネ
ル１のアスペクト比率、及び、偏光変換要素Ｃ１により
偏光分離方向に光束が２倍に拡大される点を考慮し、そ
の半分の比率２：３となるように拡大方向を扁平とさせ
た回転放物面４ｂを有しているので、その略平行光束が
入射される偏光ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂの形状
も合わせて２：３なる比率の直方体形状、さらに反射プ
リズム１３ａ，１３ｂの形状も合わせて２：３なる比率
の直方体形状として光源光束を効率よく入射させること
ができ、偏光変換要素Ｃ１全体を合わせた形状が４：３
となり、対象とする液晶パネル１の比率に合致するの
で、そのまま効率良く液晶プリズム１の照明に利用する
ことができる。

【００３５】そして、光源装置Ｂ１から発せられる偏光
方向がランダムな光束に関して偏光変換要素Ｃ１により
Ｓ偏光成分のみに揃えて出射させるものであるが、この
偏光変換処理において偏光ビームスプリッタ１２ａ，１
２ｂに入射させる光は平行光束の方がその変換効率のよ
いものとなる。この点、本実施の形態では、光源装置Ｂ
１の反射鏡４が略平行光束を出射させる点を利用し、光
源装置Ｂ１からの略平行光束を直接的に偏光変換要素Ｃ
１に入射させているので、変換効率がよいものとなる。
同時に、他の光束平行化手段等を要しないため、簡易な
構成で実現できる。

【００３６】本発明の第二の実施の形態を図２に基づい
て説明する。第一の実施の形態で示した部分と同一部分
は同一符号を用いて示し、説明も省略する（以降の各実
施の形態でも順次同様とする）。本実施の形態は、請求
項２，４及び５記載の発明に相当する。

【００３７】本実施の形態では、インテグレータ光学系
Ｄ２が、レンズ組Ｅ１とその焦点位置（仮想光源面１
１）近傍に配置させた第２のレンズアレイ１５とにより
構成されている。この第２のレンズアレイ１５は第１の
レンズアレイ８よりもサイズ的に小型ではあるが、各第
１のレンズ要素７に対応する同数かつ相似形(従って、
４：３なる比率の矩形状)の第２のレンズ要素１６が２
次元状に配列されている。

【００３８】このような構成において、第１のレンズ要
素７及び対応する第２のレンズ要素１６を通った光束が
各々液晶パネル１上に重畳される形で照射される。ここ
に、原理的には図１に示したような構成だけ（第１のレ
ンズアレイ８だけ）でよいが、現実には、光源３は点光
源ではなく、或る程度の体積を持っているため、個々の
２次光源像１０も点光源ではなく体積を持つものとなる
が、この位置に個々に第２のレンズ要素１６を有する第
２のレンズアレイ１５を配設させることで収束性を高め
て液晶パネル１に向けて投影させることにより、良好な
る照明状態が得られる。

【００３９】本実施の形態による場合も、偏光変換要素
Ｃ１を光源装置Ｂ１と集光レンズ９との間に配設し、反
射鏡４により得られる略平行光束を直接的に偏光変換要
素Ｃ１の偏光ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂに入射さ
せているので、偏光変換効率がよい上に、簡易な構成で
済む。さらには、扁平放物面鏡による反射鏡４を用いる
ことで光源光束の利用効率を向上させ得る上に、液晶パ
ネル１を照射するための仮想光源をなす２次光源像１０
の広がりを小さくすることができ、投射レンズ（図示せ
ず）の口径を小さくするための有効な構成となる。

【００４０】本発明の第三の実施の形態を図３に基づい
て説明する。本実施の形態では、インテグレータ光学系
Ｄ３をレンズ組Ｄ１とその焦点位置（仮想光源面１１）
近傍に配置されて発散作用を示す第２のレンズなる凹レ
ンズ１７とより構成されている。ここに、レンズ要素７
の各々の光軸が液晶パネル１の中心に向かうように集光
レンズ９の焦点距離と凹レンズ１７の焦点距離とが設定
されている。このため、図１との対比では、レンズ組Ｄ
１による収束性が強められている（焦点距離が短くされ
ている）。

【００４１】このような構成において、レンズアレイ８
の個々のレンズ要素７を通った光束が凹レンズ１７を介
して各々液晶パネル１上に重畳される形で照射される。
ここに、発散作用を示す凹レンズ１７を用いているた
め、レンズ組Ｄ１により形成される２次光源像１０の広
がりをより小さくすることができ、投射レンズ（図示せ
ず）の口径を小さくするためにより有効な構成となる。
また、本実施の形態による場合も、偏光変換要素Ｃ１を
光源装置Ｂ１と集光レンズ９との間に配設し、反射鏡４
により得られる略平行光束を直接的に偏光変換要素Ｃ１
の偏光ビームスプリッタ１２ａ，１２ｂに入射させてい
るので、偏光変換効率がよい上に、簡易な構成で済む。
さらに、扁平放物面鏡による反射鏡４を用いることで光
源光束の利用効率を向上させ得る。

【００４２】本発明の第四の実施の形態を図４に基づい
て説明する。本実施の形態は、請求項３，４及び５記載
の発明に相当する。本実施の形態では、インテグレータ
光学系Ｄ４が、第１のレンズ組Ｅ１とその焦点位置（仮
想光源面１１）近傍に配置させた第２のレンズ組Ｈ１と
により構成されている。第２のレンズ組Ｈ１は、第２の
レンズアレイ１５と発散作用を示す凹レンズ１７とより
構成されている。ここに、本実施の形態の第２のレンズ
アレイ１５は、周辺のレンズ収差を補正し得るように段
違いに形成されている。

【００４３】即ち、本実施の形態は前述の第二、第三の
実施の形態を合わせた構成よりなり、両実施の形態の効
果を併有する。

【００４４】本発明の第五の実施の形態を図５及び図６
に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項３，４，
６，７及び９記載の発明に相当する。本実施の形態で
は、光源装置Ｂ１と集光レンズ９との間に配設される偏
光変換要素Ｃ２としてアレイ状構造のものが用いられて
いる。即ち、偏光ビームスプリッタ１８と全反射ミラー
１９と１／２波長板２０との組を細分化させてアレイ状
に配設させたもので、本実施の形態では、Ｐ偏光成分は
偏光ビームスプリッタ１８を透過させて１／２波長板２
０で９０度回転させてＳ偏光成分に変換し、Ｓ偏光成分
は偏光ビームスプリッタ１８、全反射ミラー１９でその
まま反射させて出射させることで全ての光をＳ偏光成分
に揃えるものである。

【００４５】ここに、本実施の形態では、このような偏
光変換要素Ｃ２に対して、入射側レンズアレイ２１と出
射側レンズアレイ２２とが付加された平行光偏光変換装
置２３として設けられている。入射側レンズアレイ２１
は、偏光変換要素Ｃ２に対して入射する略平行光束を各
偏光ビームスプリッタ１８の４５度に形成された偏光分
離膜の略中央位置に集光させるように焦点距離が設定さ
れた複数（偏光ビームスプリッタ１８と全反射ミラー１
９との組数と同数）の集光レンズ要素２４を有する。ま
た、出射側レンズアレイ２２は偏光ビームスプリッタ１
８対応部分のレンズ要素２５ａと全反射ミラー１９対応
部分のレンズ要素２５ｂとが異焦点レンズ要素として交
互に形成されたアレイ状のものである。即ち、偏光ビー
ムスプリッタ１８を透過して出射する偏光成分の光束用
のレンズ要素２５ａと、偏光ビームスプリッタ１８で反
射され全反射ミラー１９で反射されて出射する偏光成分
の光束用のレンズ要素２５ｂとでは各々の光路長に対応
させて異なる焦点距離に設定されている。

【００４６】即ち、偏光変換要素Ｃ２における動作を詳
細にみると、図６からもわかるように、偏光ビームスプ
リッタ１８の偏光分離膜を透過して出射する光束と、偏
光ビームスプリッタ１８の偏光分離膜で反射され、さら
に全反射ミラー１９で反射されて出射される光束とで
は、偏光分離膜で反射される分だけその光路長が異なっ
てしまう。ここに、本実施の形態では、上述のように、
これらの光路長の異なる成分毎に細かく分割されたレン
ズ要素２５ａ，２５ｂを有してその焦点距離が異なるこ
とにより、光路長が全て一定となるように修正されるの
で、結像光学特性が向上し、輝度むらを生ずることなく
液晶パネル１を照明できる。

【００４７】なお、これらの実施の形態では、反射鏡４
からの光をコールドミラー６で反射させて偏光変換要素
Ｃ１，Ｃ２に入射させる構成としたが、直接的に入射さ
せる構成であってもよい。但し、反射鏡４に関するＸ，
Ｙ方向の比率は逆となる。また、偏光変換要素Ｃ１はＰ
偏光成分を透過させる構成でもよく、偏光変換要素Ｃ２
はＳ偏光成分を透過させる構成でもよい。

【００４８】本発明の第六の実施の形態を図７及び図８
に基づいて説明する。本実施の形態は、請求項８記載の
発明に相当し、図７にその液晶プロジェクタの構成例、
図８に光軸を直線状に伸ばした集光系・投射系の模式図
を示す。この液晶プロジェクタは、例えば図４に示した
ようなインテグレータ光学系Ｄ４を有する照明装置Ａ１
を用いた例であり、偏光ビームスプリッタ３１、分光集
光素子３２、３枚の反射型液晶パネル１Ｒ，１Ｇ，１
Ｂ、各反射型液晶パネル毎のコンデンサレンズ３３を備
えている。

【００４９】偏光ビームスプリッタ３１は、照明装置Ａ
１から照射されるＳ偏光成分の光を分光集光素子３２側
に向けて９０度反射させるものである。分光集光素子３
２は、本実施の形態では、ダイクロイックプリズム３４
が用いられている。このダイクロイックプリズム３４
は、赤色Ｒ以上の長波長の光のみを反射させる特性を持
つレッド層３５ｒと青色Ｂ以下の短波長の光のみを反射
させる特性を持つブルー層３５ｂとを備えた一対のプリ
ズム３５が上下対称位置に配置され、一対の通常のプリ
ズム３６が左右対称位置に配置された状態で、これらの
４つのプリズム３５，３６が接合されて構成された立方
体状の光学素子である。従って、１つの分光集光素子３
２として見た場合、ダイクロイックプリズム３４には、
偏光ビームスプリッタ３１の反射面と平行なレッド層３
５ｒとこのレッド層３５ｒに直交するブルー層３５ｂと
が形成されている。レッド層３５ｒやブルー層３５ｂは
非金属の多層膜として形成されている。

【００５０】３枚の反射型液晶パネル１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ
は、ダイクロイックプリズム３４のレッド層３５ｒ及び
ブルー層３５ｂに対応させて配置されている。即ち、レ
ッド層３５ｒで反射される赤色Ｒ以上の長波長の反射方
向には反射型液晶パネル１Ｒが配置され、ブルー層３５
ｂで反射される青色Ｂ以下の短波長の反射方向には反射
型液晶パネル１Ｂが配置され、レッド層３５ｒ及びブル
ー層３５ｂの透過方向には反射型液晶パネル１Ｇが配置
されている。これらの反射型液晶パネル１Ｒ，１Ｇ，１
Ｂは特に図示しないが情報表示システムにより投射すべ
き各色毎の画像が各液晶素子のオン・オフ制御により形
成されるものである。

【００５１】さらに、偏光ビームスプリッタ３１とスク
リーン３７との間の光軸上には投射レンズ３８を備えた
投射レンズ系３９が設けられている。ここに、図８に示
すように、仮想光源面１１から各反射型液晶パネル１
Ｒ，１Ｇ，１Ｂまでの光路長と、各反射型液晶パネル１
Ｒ，１Ｇ，１Ｂから投射レンズ３８までの光路長は全て
等しく設定されている。

【００５２】このような構成において、照明装置Ａ１か
らのＳ偏光成分のみに揃えられた光束は、偏光ビームス
プリッタ３１で反射されて分光集光素子３２に入射す
る。ここで、その波長に応じて赤色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂ
に分光されて、各々対応する反射型液晶パネル１Ｒ，１
Ｇ，１Ｂに入射する。ここで、各反射型液晶パネル１
Ｒ，１Ｇ，１Ｂは情報表示システムにより液晶プロジェ
クタに入力された画像信号に応じてオン・オフし、オフ
時にはＳ偏光成分をＳ偏光成分のまま反射し、オン時に
はＳ偏光成分をＰ偏光成分に変換して反射する。そし
て、これらのＳ偏光成分又はＰ偏光成分からなる各反射
型液晶パネル１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからの反射光は、ダイク
ロイックプリズム３４において各々集合合成されて偏光
ビームスプリッタ３１に再帰する。この際、各反射型液
晶パネル１Ｒ，１Ｇ，１Ｂにおいてオンしている液晶素
子対応部分から反射されたＰ偏光成分のみが偏光ビーム
スプリッタ３１を透過するため、この透過光が投射レン
ズ系３９によりスクリーン３７上に拡大投影される。こ
れにより、液晶プロジェクタに入力された画像信号に応
じた画像がスクリーン３７にカラー画像として映し出さ
れる。

【００５３】ここに、本実施の形態では、前述したよう
な照明装置Ａ１を用いているので、光源光束の利用効率
及び偏光変換効率が高いため、良好なる投影像を得るこ
とができる。なお、本実施の形態では、図４に例示した
照明装置Ａ１を用いた例で示したが、これに限らず、前
述した何れの形態の照明装置であってもよい。

【００５４】さらには、図９に示すように、透過型液晶
パネル１Ｒ′，１Ｇ′，１Ｂ′を用いるタイプの液晶プ
ロジェクタにも同様に適用し得る。図９の場合、照明装
置Ａ１として図５に示したタイプのものを若干変更して
用いられている（レンズ組Ｅ１とコールドミラー６とが
入替えられている）。また、照明装置Ａ１からの偏光方
向の揃えられた光束は、青色用の分光ミラー４１で反射
され、かつ、全反射ミラー４２により反射された青色Ｂ
以下の波長光が透過型液晶パネル１Ｂ′に導かれ、青色
用の分光ミラー４１を透過し緑色用の分光ミラー４３で
反射された青色Ｂより大きく緑色Ｇ以下の波長光が透過
型液晶パネル１Ｇ′に導かれ、緑色用の分光ミラー４３
を透過しリレーレンズ４４、全反射ミラー４５、リレー
レンズ４６、全反射ミラー４７により光路長を補正され
つつ反射された赤色Ｒ以上の波長光が透過型液晶パネル
１Ｒ′に導かれるように設定されている。また、本実施
の形態では、各透過型液晶パネル１Ｒ′，１Ｇ′，１
Ｂ′に対してコンデンサレンズ３３に代えてマイクロレ
ンズアレイ４８が用いられ、分光集光素子３２とともに
光合成プリズム４９が用いられている。マイクロレンズ
アレイ４８は液晶パネルにおける各液晶素子毎に光の利
用効率を高めるために液晶素子単位でマトリクス状に形
成されたものである。

【００５５】

【発明の効果】請求項１ないし３記載の発明の照明装置
によれば、被投射体を照射するための仮想光源となる２
次光源像の広がりを小さくするためのいわゆるインテグ
レータ光学系のレンズアレイと組をなす集光レンズによ
り光束を絞る前に、光源装置から出射されるままの略平
行光束を偏光変換要素に入射させて偏光方向を揃えるよ
うにしたので、偏光変換の効率がよく、かつ、偏光変換
要素よりも入射側には略平行光束を発するための放物面
鏡等を有する通常の光源装置を備えるだけの簡易な構成
で実現できる。

【００５６】請求項４記載の発明によれば、請求項１，
２又は３記載の照明装置を実現する上で、偏光ビームス
プリッタと全反射ミラーと１／２波長板との組を単位と
する通常の偏光変換要素を用いればよく、具体的には、
請求項５記載の発明のように、偏光ビームスプリッタと
全反射ミラーと１／２波長板との組を、偏光ビームスプ
リッタを隣合せに２組対称に配設させた構成や、請求項
６記載の発明のように、偏光ビームスプリッタと全反射
ミラーと１／２波長板との組を複数組アレイ状に配設さ
せた構成で簡単に実現できる。

【００５７】請求項７記載の発明によれば、アレイ状構
造からなる偏光変換要素に入射する略平行光束を入射側
レンズアレイの各集光レンズ要素により各偏光ビームス
プリッタの偏光分離膜の略中央位置に集光させること
で、入射光の全てを効率よく偏光変換要素に入射させて
偏光変換に供することができ、光の利用効率が高い上
に、偏光ビームスプリッタを透過して出射する偏光成分
の光束と全反射ミラーで反射されて出射する偏光成分の
光束とでは各々の光路長が異なるが、出射側レンズアレ
イの異焦点レンズ要素によりその光路長の違いが修正さ
れて全て同じ光路長とされるので、輝度むらを生ずるこ
となく被投射体を照明できる。

【００５８】請求項８記載の発明の液晶プロジェクタに
よれば、源装置を用いる請求項１ないし７の何れか一に
記載の照明装置を利用して液晶パネルを照明するので、
簡易な構成で偏光成分の揃った光束で液晶パネルを照明
して、口径の小さめな投射レンズ系によりスクリーン上
に投射させることができる。

【００５９】請求項９記載の発明の平行光偏光変換装置
によれば、アレイ状構造からなる偏光変換要素に入射す
る略平行光束を入射側レンズアレイの各集光レンズ要素
により各偏光ビームスプリッタの偏光分離膜の略中央位
置に集光させることで、入射光の全てを効率よく偏光変
換要素に入射させて偏光変換に供することができ、光の
利用効率が高い上に、偏光ビームスプリッタを透過して
出射する偏光成分の光束と全反射ミラーで反射されて出
射する偏光成分の光束とでは各々の光路長が異なるが、
出射側レンズアレイの異焦点レンズ要素によりその光路
長の違いが修正されて全て同じ光路長となる平行光偏光
変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態の照明装置を示す光
学系構成図である。

【図２】本発明の第二の実施の形態の照明装置を示す光
学系構成図である。

【図３】本発明の第三の実施の形態の照明装置を示す光
学系構成図である。

【図４】本発明の第四の実施の形態の照明装置を示す光
学系構成図である。

【図５】本発明の第五の実施の形態の照明装置を示す光
学系構成図である。

【図６】その平行光偏光変換装置を拡大して示す光学系
構成図である。

【図７】本発明の第六の実施の形態の液晶プロジェクタ
を示す光学系構成図である。

【図８】その光軸を直線状に伸ばして示す集光系・投射
系の模式図である。

【図９】その変形例を示す光学系構成図である。

【符号の説明】

１ 被投射体、液晶パネル ７ レンズ要素、第１のレンズ要素 ８ レンズアレイ、第１のレンズアレイ ９ 集光レンズ １０ ２次光源像 １２ 偏光ビームスプリッタ １３ 全反射プリズム １４ １／２波長板 １５ 第２のレンズアレイ １６ 第２のレンズ要素 １７ 第２のレンズ １８ 偏光ビームスプリッタ １９ 全反射プリズム ２０ １／２波長板 ２１ 入射側レンズアレイ ２２ 出射側レンズアレイ ２３ 平行光偏光変換装置 ２４ 集光レンズ要素 ２５ａ，２５ｂ 異焦点レンズ要素 ３７ スクリーン ３９ 投射レンズ系 Ａ１ 照明装置 Ｂ１ 光源装置 Ｃ１，Ｃ２ 偏光変換要素 Ｅ１ レンズ組、第１のレンズ組 Ｈ１ 第２のレンズ組

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H088 EA14 EA15 EA16 EA18 HA13 HA15 HA20 HA24 HA25 HA28 MA04 2H091 FA05X FA05Z FA10X FA10Z FA11Z FA26X FA26Z FA29Z FA41Z LA18 MA07 2H099 AA12 BA09 CA02 CA08 DA05

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光方向がランダムな略平行光束を出射
   する光源装置と、 被投射体の形状と略相似形をなす矩形状に形成された複
   数のレンズ要素が２次元状に配列されて前記光源装置か
   ら出射される略平行光束から複数の２次光源像を分割形
   成するレンズアレイと、前記レンズ要素の各々の光軸が
   前記被投射体の中心に向かうように焦点距離が設定され
   た集光レンズとの組合せによるレンズ組と、 前記光源装置と前記レンズ組との間に配設されて前記光
   源装置から出射される平行光束を、Ｐ偏光成分又はＳ偏
   光成分の何れか一方のみの偏光成分に揃えて出射させる
   偏光変換要素と、を備える照明装置。
2. 【請求項２】 偏光方向がランダムな略平行光束を出射
   する光源装置と、 被投射体の形状と略相似形をなす矩形状に形成された複
   数の第１のレンズ要素が２次元状に配列されて前記光源
   装置から出射される略平行光束から複数の２次光源像を
   分割形成する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズ
   要素の各々の光軸が前記被投射体の中心に向かうように
   焦点距離が設定された集光レンズとの組合せによるレン
   ズ組と、 このレンズ組の焦点位置近傍に配置され前記第１のレン
   ズ要素に各々対応する複数の第２のレンズ要素が２次元
   状に配列されて対応する第１のレンズ要素による２次光
   源像を各々前記被投射体上に重畳させて投射する第２の
   レンズアレイと、 前記光源装置と前記レンズ組との間に配設されて前記光
   源装置から出射される略平行光束を、Ｐ偏光成分又はＳ
   偏光成分の何れか一方のみの偏光成分に揃えて出射させ
   る偏光変換要素と、を備える照明装置。
3. 【請求項３】 偏光方向がランダムなほぼ略平行光束を
   出射する光源装置と、 被投射体の形状と略相似形をなす矩形状に形成された複
   数の第１のレンズ要素が２次元状に配列されて前記光源
   装置から出射される略平行光束から複数の２次光源像を
   分割形成する第１のレンズアレイと、集光レンズとの組
   合せによる第１のレンズ組と、 この第１のレンズ組の焦点位置近傍に配置され前記第１
   のレンズ要素に各々対応する複数の第２のレンズ要素が
   ２次元状に配列された第２のレンズアレイと、前記第１
   のレンズ組を透過した光に対して発散作用を示し、前記
   第１のレンズ要素の各々の光軸が前記被投射体の中心に
   向かうように前記集光レンズとともに焦点距離が設定さ
   れて前記第１のレンズ要素による２次光源像を各々前記
   被投射体上に重畳させて投射する第２のレンズとの組合
   せによる第２のレンズ組と、 前記光源装置と前記第１のレンズ組との間に配設されて
   前記光源装置から出射される略平行光束を、Ｐ偏光成分
   又はＳ偏光成分の何れか一方のみの偏光成分に揃えて出
   射させる偏光変換要素と、を備える照明装置。
4. 【請求項４】 前記偏光変換要素は、略平行光束が入射
   される偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリ
   ッタにより反射された偏光成分を前記偏光ビームスプリ
   ッタを透過する他方の偏光成分と同一方向に向けて反射
   させる全反射ミラーと、前記偏光ビームスプリッタと前
   記全反射ミラーとの何れか一方の出射側に配設させた１
   ／２波長板との組を単位として構成されていることを特
   徴とする請求項１，２又は３記載の照明装置。
5. 【請求項５】 前記偏光変換要素は、前記偏光ビームス
   プリッタと前記全反射ミラーと前記１／２波長板との組
   を、前記偏光ビームスプリッタを隣合せに２組対称に配
   設させてなることを特徴とする請求項４記載の照明装
   置。
6. 【請求項６】 前記偏光変換要素は、前記偏光ビームス
   プリッタと前記全反射ミラーと前記１／２波長板との組
   を、複数組アレイ状に配設させてなることを特徴とする
   請求項４記載の照明装置。
7. 【請求項７】 前記偏光変換要素に対して入射する前記
   略平行光束を各偏光ビームスプリッタの偏光分離膜の略
   中央位置に集光させるように焦点距離が設定された複数
   の集光レンズ要素を有する入射側レンズアレイと、 前記偏光ビームスプリッタを透過して出射する偏光成分
   の光束と前記全反射ミラーで反射されて出射する偏光成
   分の光束とに対して各々の光路長に対応させて異なる焦
   点距離に設定された複数の異焦点レンズ要素を交互に有
   する出射側レンズアレイと、を備える請求項６記載の照
   明装置。
8. 【請求項８】 情報表示システムにより投射すべき像が
   形成される少なくとも１つの液晶パネルと、 この液晶パネルを被投射体として照明する請求項１ない
   し７の何れか一に記載の照明装置と、 前記液晶パネルの像をスクリーン上に投射する投射レン
   ズ系と、を備える液晶プロジェクタ。
9. 【請求項９】 略平行光束が入射される偏光ビームスプ
   リッタと、この偏光ビームスプリッタにより反射された
   偏光成分を前記偏光ビームスプリッタを透過する他方の
   偏光成分と同一方向に向けて反射させる全反射ミラー
   と、前記偏光ビームスプリッタと前記全反射ミラーとの
   何れか一方の出射側に配設させた１／２波長板との組を
   単位として複数組アレイ状に配設させてなる偏光変換要
   素と、 この偏光変換要素に対して入射する略平行光束を各偏光
   ビームスプリッタの偏光分離膜の略中央位置に集光させ
   るように焦点距離が設定された複数の集光レンズ要素を
   有する入射側レンズアレイと、 前記偏光ビームスプリッタを透過して出射する偏光成分
   の光束と前記全反射ミラーで反射されて出射する偏光成
   分の光束とに対して各々の光路長に対応させて異なる焦
   点距離に設定された複数の異焦点レンズ要素を交互に有
   する出射側レンズアレイと、を備える平行光偏光変換装
   置。