JP2001305483A

JP2001305483A - 照明光学装置

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Publication number: JP2001305483A
Application number: JP2000120452A
Authority: JP
Inventors: Kotaro Hayashi; 宏太郎林
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2000-04-21
Filing date: 2000-04-21
Publication date: 2001-10-31
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: US7286290B2; US20030206348A1; US20040218505A1; JP4075284B2; US20010033418A1

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】照明光のＦナンバーが小さくならないので投影
光学系の負担が軽くて済み、しかも偏光依存性のある色
切り替えデバイスを挿入する事が可能な照明光学装置を
提供する。【解決手段】光源からの光を所定の偏光状態に揃えるた
めの偏光変換装置と、その所定の偏光状態の光を表示パ
ネルに照明するインテグレータ光学系とを備えた照明光
学装置であって、前記偏光変換装置により、前記光源か
らの光を前記表示パネルの長辺方向に偏光分離し、その
分離した第１の光束と第２の光束の一方を他方と同一偏
光状態に揃える照明光学装置において、前記第１の光束
と第２の光束は、前記インテグレータ光学系の第１レン
ズアレイにおける同一セルを通過し、そのインテグレー
タ光学系の第２レンズアレイにおける同一セル上に結像
する事を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表示パネルを用い
た表示光学装置における照明光学装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来より、映像を表示する手段の一つと
して、例えばプロジェクター等の投影型の表示光学装置
が知られている。このような表示光学装置においては、
反射型液晶表示パネル等の表示パネル上の光学像を、効
率よく均一に照明するための照明光学装置が必要であ
る。図１０は、このような従来の照明光学装置が用いら
れている表示光学装置の一例を原理的に示す構成図であ
る。

【０００３】同図において、１０１は光源であり、１０
２は光源１０１を取り囲むように配置されるリフレクタ
ーである。リフレクター１０２の直後即ち図中の右側に
は、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズムを並列
に配設したＰＢＳプリズムユニット１０３が配置されて
いる。ここでは光源１０１からの光の偏光分離を行う。
そして、その各ＰＢＳプリズム１０３ａ，１０３ｂのう
ち、後述するようにＳ偏光が射出する１０３ｂについて
は、その直後に１／２波長板１０４が配置されている。

【０００４】ＰＢＳプリズムユニット１０３の後方即ち
図中の右方には、順に第１レンズアレイ１０５、少し離
れて第２レンズアレイ１０６、その直後に重ね合わせレ
ンズ１０７が配置されている。なお、第１レンズアレイ
１０５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一
致した長方形の格子状に組み合わされた各セル１０５ａ
を有している。また、第２レンズアレイ１０６は、第１
レンズアレイ１０５の場合と同様に、長方形の格子状に
組み合わされた各セル１０６ａを有している。これは、
必ずしも１０５ａと相似形である必要はない。

【０００５】そして、第２レンズアレイ１０６とその直
後の重ね合わせレンズ１０７により、重ね合わせレンズ
１０７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ１０５の各
セル１０５ａの像が重なり合うようにしている。この重
ね合わせレンズ１０７の焦点位置に表示パネル１０９が
配置されている。また、その直前に配置されたコンデン
サーレンズ１０８によって、表示パネル１０９をテレセ
ントリック照明する。以上の第１レンズアレイ１０５か
ら重ね合わせレンズ１０７までを、インテグレータ光学
系と呼ぶ。なお、以下に示す各光は、その光軸のみ図示
している。これは従来技術及び実施形態全般に渡って同
様とする。

【０００６】光源１０１から射出された光は、リフレク
ター１０２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズ
ムユニット１０３のＰＢＳプリズム１０３ａに入射す
る。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズ
ム１０３ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示すＳ
偏光の光は、入射したＰＢＳプリズム１０３ａ内部で反
射され、外側に隣合ったＰＢＳプリズム１０３ｂに入射
してその内部で再び反射され、Ｓ偏光のままここから射
出する。即ちここでは同図の紙面に沿った表示パネル１
０９の長辺方向（図中の上下方向）に偏光分離される。

【０００７】そして、ＰＢＳプリズム１０３ｂから射出
したＳ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板
１０４を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即
ち、光源１０１からの光は、ＰＢＳプリズムユニット１
０３及び１／２波長板１０４により偏光変換され、最終
的にＰ偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換
装置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向はＰ偏光に限定され
ない。また、以上に述べてきた光源１０１から表示パネ
ル１０９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。

【０００８】上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、
上記インテグレータ光学系を経て、表示パネル１０９に
入射する。表示パネル１０９は、ここに照明された光を
画素毎に表示情報に応じて変調し、射出する。射出した
光は投影光学系１１０に到る。この投影光学系１１０に
より、表示パネル１０９の表示情報が図示しないスクリ
ーンに投影される。なお、１１０ａは投影光学系に配置
された絞りである。

【０００９】図１１は、従来の照明光学装置が用いられ
ている表示光学装置の他の例を原理的に示す構成図であ
る。同図において、２０１は光源であり、２０２は光源
２０１を取り囲むように配置されるリフレクターであ
る。リフレクター２０２の後方即ち図中の右方には、順
に第１レンズアレイ２０３、少し離れて第２レンズアレ
イ２０４が配置されている。なお、第１レンズアレイ２
０３は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致
した長方形の格子状に組み合わされた各セル２０３ａを
有している。また、第２レンズアレイ２０４は、第１レ
ンズアレイ２０３の場合と同様に、長方形の格子状に組
み合わされた各セル２０４ａを有している。これは、必
ずしも２０３ａと相似形である必要はない。

【００１０】第２レンズアレイ２０４の直後には、ＰＢ
Ｓ（偏光ビームスプリッター）プリズムをアレイ状に配
設したＰＢＳプリズムアレイ２０５が配置されている。
ここでは光源２０１からの光の偏光分離を行う。そし
て、その各ＰＢＳプリズム２０５ａ，２０５ｂのうち、
後述するようにＳ偏光が射出する２０５ｂについては、
その直後に１／２波長板２０６が配置されている。

【００１１】また、ＰＢＳプリズムアレイ２０５の後方
に重ね合わせレンズ２０７が配置されている。そして、
第２レンズアレイ２０４と重ね合わせレンズ２０７によ
り、重ね合わせレンズ２０７の焦点位置近傍に、第１レ
ンズアレイ２０３の各セル２０３ａの像が重なり合うよ
うにしている。この重ね合わせレンズ２０７の焦点位置
に表示パネル２０９が配置されている。また、その直前
に配置されたコンデンサーレンズ２０８によって、表示
パネル２０９をテレセントリック照明する。以上の第１
レンズアレイ２０３，第２レンズアレイ２０４，重ね合
わせレンズ２０７の組み合わせを、インテグレータ光学
系と呼ぶ。

【００１２】光源２０１から射出された光は、リフレク
ター２０２で反射され、略平行光となって第１レンズア
レイ２０３，第２レンズアレイ２０４を通過し、第２レ
ンズアレイ２０４の各セル２０４ａからの光毎にＰＢＳ
プリズムアレイ２０５のＰＢＳプリズム２０５ａに入射
する。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリ
ズム２０５ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示す
Ｓ偏光の光は、入射したＰＢＳプリズム２０５ａ内部で
反射され、隣合ったＰＢＳプリズム２０５ｂに入射して
その内部で再び反射され、Ｓ偏光のままここから射出す
る。

【００１３】そして、その直後に配置された１／２波長
板２０６を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即
ち、光源２０１からの光は、ＰＢＳプリズムアレイ２０
５及び１／２波長板２０６により偏光変換され、最終的
にＰ偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装
置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向はＰ偏光に限定されな
い。また、以上に述べてきた光源２０１から表示パネル
２０９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。

【００１４】上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、
重ね合わせレンズ２０７を経て、表示パネル２０９に入
射する。表示パネル２０９は、ここに照明された光を画
素毎に表示情報に応じて変調し、射出する。射出した光
は投影光学系２１０に到る。この投影光学系２１０によ
り、表示パネル２０９の表示情報が図示しないスクリー
ンに投影される。なお、２１０ａは投影光学系に配置さ
れた絞りである。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記図
１０に示したような従来の照明光学装置の構成では、光
源の直後で偏光変換を行うので、これにより光源１０１
からリフレクター１０２を経た光の光束幅が、おおよそ
倍に拡大される。従って、表示パネル１０９へ入射する
照明光ＩａのＦナンバーが小さくなる。故に、表示パネ
ル１０９から射出する投影光ＥａのＦナンバーも小さく
なるので、投影光学系１１０の負担が重くなる。

【００１６】また、上記図１１に示したような従来の照
明光学装置の構成では、光源２０１からリフレクター２
０２を経た光の光束幅が拡大される事はないので、表示
パネル２０９へ入射する照明光ＩｂのＦナンバー及び表
示パネル２０９から射出する投影光ＥｂのＦナンバーは
小さくならず、投影光学系２１０の負担が重くなる事は
ない。ところが、光源２０１からの光の偏光方向が揃う
のは、第２レンズアレイ２０４を通過した後であるた
め、後述する本発明の実施形態で説明するような、偏光
依存性のある色切り替えデバイスをこの照明光学装置に
挿入するスペースがないため、これを用いたいわゆるカ
ラーシーケンシャル方式の照明を行う事ができない。

【００１７】本発明は、このような問題点に鑑み、照明
光のＦナンバーが小さくならないので投影光学系の負担
が軽くて済み、しかも偏光依存性のある色切り替えデバ
イスを挿入する事が可能な照明光学装置を提供する事を
目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明では、光源からの光を所定の偏光状態に揃え
るための偏光変換装置と、その所定の偏光状態の光を表
示パネルに照明するインテグレータ光学系とを備えた照
明光学装置であって、前記偏光変換装置により、前記光
源からの光を前記表示パネルの長辺方向に偏光分離し、
その分離した第１の光束と第２の光束の一方を他方と同
一偏光状態に揃える照明光学装置において、前記第１の
光束と第２の光束は、前記インテグレータ光学系の第１
レンズアレイにおける同一セルを通過し、そのインテグ
レータ光学系の第２レンズアレイにおける同一セル上に
結像する事を特徴とする。

【００１９】また、以下の条件式を満たす事を特徴とす
る。０．３＜ｌ・ｔａｎθ／ｄ＜０．７５但し、 θ：偏光分離されて所定の偏光状態に揃えられた光各々
が互いに成す角度ｌ：第１レンズアレイと第２レンズアレイとの光学的距
離ｄ：第２レンズアレイにおけるセルの長辺方向のサイズである。

【００２０】また、前記偏光変換装置と前記インテグレ
ータ光学系との間に、前記所定の偏光状態の光を所定の
各色に時分割で切り替える色切り替えデバイスを配置し
た事を特徴とする。

【００２１】また、前記色切り替えデバイスはコレステ
リック液晶である事を特徴とする。或いは、前記色切り
替えデバイスは液晶ポリマー材料により形成されたホロ
グラムである事を特徴とする。或いは、前記色切り替え
デバイスは回折格子と反射型ライトバルブを組み合わせ
たものである事を特徴とする。

【００２２】また、前記偏光分離の方向は、画像表示方
向に向かって左右対称であり、前記第１レンズアレイに
おける各セルは、画像表示方向に向かって左右対称に偏
芯している事を特徴とする。

【００２３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の照
明光学装置が用いられている表示光学装置の一例を原理
的に示す構成図である。同図において、１は光源であ
り、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクタ
ーである。リフレクター２の直後即ち図中の右側には、
ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズムを並列に配
設したＰＢＳプリズムユニット３が配置されている。こ
こでは光源１からの光の偏光分離を行う。そして、その
各ＰＢＳプリズム３ａ，３ｂのうち、後述するようにＳ
偏光が射出する３ｂについては、その直後に１／２波長
板４が配置されている。

【００２４】ＰＢＳプリズムユニット３の後方即ち図中
の右方には、順に第１レンズアレイ５、少し離れて第２
レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置
されている。なお、第１レンズアレイ５は、後述する表
示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状
に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２
レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様
に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有し
ている。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はな
い。

【００２５】そして、第２レンズアレイ６とその直後の
重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点
位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重
なり合うようにしている。この重ね合わせレンズ７の焦
点位置に表示パネル９が配置されている。この表示パネ
ル９は、一枚でカラー表示を行ういわゆる単板方式であ
る。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ８
によって、表示パネル９をテレセントリック照明する。
以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせレンズ７まで
を、インテグレータ光学系と呼ぶ。

【００２６】光源１から射出された光は、リフレクター
２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニッ
ト３のＰＢＳプリズム３ａに入射する。ここで、実線Ｐ
で示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム３ａをそのまま透
過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰ
ＢＳプリズム３ａ内部で反射され、外側に隣合ったＰＢ
Ｓプリズム３ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ
偏光のままここから射出する。即ちここでは同図の紙面
に沿った表示パネル９の長辺方向（図中の上下方向）に
偏光分離される。

【００２７】そして、ＰＢＳプリズム３ｂから射出した
Ｓ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板４を
透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源１
からの光は、ＰＢＳプリズムユニット３及び１／２波長
板４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて
出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃え
る偏光方向はＰ偏光に限定されない。また、以上に述べ
てきた光源１から表示パネル９直前までの構成を、照明
光学装置と呼ぶ。

【００２８】上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、
上記インテグレータ光学系を経て、表示パネル９に入射
する。表示パネル９は、ここに照明された光を画素毎に
ＲＧＢ各色の表示情報に応じて変調し、射出する。射出
した光は投影光学系１０に到る。この投影光学系１０に
より、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリーン
に投影される。なお、１０ａは投影光学系に配置された
絞りである。

【００２９】ここで、破線Ｓで示したＳ偏光の光は、Ｐ
ＢＳプリズム３ｂにおいて、この照明光学装置に対して
若干内側に向けて反射される。即ち、ＰＢＳプリズムユ
ニット３で偏光分離された光のうち、ＰＢＳプリズム３
ａを透過した、当初よりＰ偏光の光をＰａとし、ＰＢＳ
プリズム３ｂから射出して、１／２波長板４でＳ偏光か
らＰ偏光に変換された光をＰｂとすると、Ｐｂは若干内
側に傾いており、Ｐａと共に第１レンズアレイ５の同一
セル５ａを透過する。

【００３０】なお、ＰＢＳプリズムユニット３と第１レ
ンズアレイ５との間の距離をＬで示す。これらの間に、
後述する色切り替えデバイスが配置される。またセル５
ａは、曲面の面頂点が外側に偏芯して配置され、略楔状
をしていて、Ｐａ，Ｐｂはここを透過する事によりそれ
ぞれ屈折し、第２レンズアレイ６の同一セル６ａ上に２
つの光源像を結像する。上記偏光変換装置により、光源
１からの光は、画像表示方向に向かって左右対称に偏光
分離される。従って、第１レンズアレイ５におけるセル
５ａの偏芯状態は、画像表示方向に向かって左右対称と
なっている。

【００３１】本発明の構成では、光源の直後で偏光変換
を行うので、これにより光源１からリフレクター２を経
た光の光束幅が、おおよそ倍に拡大される。この事は、
上記図１０に示したような従来の照明光学装置の構成と
同じである。しかし、本発明では、図１で示したよう
に、偏光分離された光が第１レンズアレイの同一セルを
透過し、また第２レンズアレイの同一セル上に２つの光
源像を結像する構成とする事により、表示パネル９へ入
射する照明光ＩのＦナンバーが小さくならずに済む。故
に、表示パネル９から射出する投影光ＥのＦナンバーも
小さくなる事はないので、投影光学系１０の負担が軽く
て済む。

【００３２】ここで、図１に示すように、ＰＢＳプリズ
ムユニット３で偏光分離されたＰ偏光及びＳ偏光の光
が、光束中心の位置で互いにＤだけ離れており、また光
束中心の方向が成す角度、即ちＰａ，Ｐｂの互いの成す
角度はθであるとする。さらに、第１レンズアレイ５と
第２レンズアレイ６との光学的距離をｌとし、第２レン
ズアレイ６のセル６ａの長辺方向のサイズをｄとする
と、以下の条件式を満たす事が望ましい。

【００３３】０．３＜ｌ・ｔａｎθ／ｄ＜０．７５ここで、最適値は０．５である。即ち、このとき第２レ
ンズアレイの同一セル上に結像する２つの光源像間の距
離が２／ｄとなり、そのセル上で偏りのない結像状態と
なる。

【００３４】ちなみに、後述する色切り替えデバイス
は、偏光依存性を考慮すれば、上記図１１に示したよう
な従来の照明光学装置の構成において、照明光Ｉｂの偏
光が揃っている重ね合わせレンズ２０７とコンデンサー
レンズ２０８との間に配置する事も考えられる。しか
し、この位置は色切り替えデバイスに入射する入射光の
角度範囲が大きくなり、色切り替えデバイスの入射角度
依存性の影響が出るので、配置は不適当となる。

【００３５】つまり、ここでの照明光Ｉｂは、Ｆナンバ
ーが小さくないといえども角度範囲は±１０度程度もあ
るので、その影響が大きくなる。一方、本発明のように
ＰＢＳプリズムユニット３と第１レンズアレイ５との間
に色切り替えデバイスを配置する場合は、ここでの入射
光の角度範囲に相当する上記角度θは、高々４〜５度で
あるので、入射角度依存性の影響は少ない。

【００３６】以下、各種の色切り替えデバイスを使用し
た照明光学装置の各実施形態について説明する。本発明
でも採用しているような、一枚の表示パネルでＲＧＢの
カラー表示を行ういわゆる単板方式においては、いわゆ
るカラーシーケンシャル（色時分割）方式の照明が行わ
れる。この場合、従来は例えばカラーホイル時分割方式
が採用されていた。

【００３７】このようなカラーホイルは、例えば円板状
を成しており、中心の回転軸周りの３つの領域に、それ
ぞれＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）を透過させる
カラーフィルターが配置されている。そして、これらが
回転軸の周りに高速で回転する事により、このカラーホ
イルを透過する照明光が、各カラーフィルターにより高
速で各色に切り替わる構成である。

【００３８】しかし、カラーホイル時分割方式は、カラ
ーホイルを機械的に回転させるものであり、信頼性や寿
命等の面で問題があった。そこで本発明では、以下の実
施形態に示すような色切り替えデバイスを用いて、照明
光を電気的に各色に切り替える構成としている。

【００３９】図２は、本発明の第１の実施形態の照明光
学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構
成図である。同図において、１は光源であり、２は光源
１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リ
フレクター２の直後即ち図中の右側には、ＰＢＳ（偏光
ビームスプリッター）プリズムを並列に配設したＰＢＳ
プリズムユニット３が配置されている。ここでは光源１
からの光の偏光分離を行う。

【００４０】そして、ＰＢＳプリズムユニット３の直後
には、１／４波長板１８が配置されている。具体的に
は、ＰＢＳプリズムユニット３の各ＰＢＳプリズム３
ａ，３ｂのうち、後述するようにＰ偏光が射出する３ａ
については、その直後に−４５度の主軸方位を持った１
／４波長板１８ａが配置されており、Ｓ偏光が射出する
３ｂについては、その直後に＋４５度の主軸方位を持っ
た１／４波長板１８ｂが配置されている。

【００４１】１／４波長板１８の後方即ち図中の右方に
は、順にコレステリック液晶装置１１、１／４波長板１
９、その直後に第１レンズアレイ５、少し離れて第２レ
ンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置さ
れている。なお、第１レンズアレイ５は、後述する表示
パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に
組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レ
ンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、
長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有してい
る。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。

【００４２】コレステリック液晶装置１１は、上述した
色切り替えデバイスの一種であり、照明光をＲＧＢ各色
に時分割で電気的に切り替えるものである。詳しくは後
述する。また、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合
わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近
傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合
うようにしている。

【００４３】以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせ
レンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。この重
ね合わせレンズ７の焦点位置に表示パネル９が配置され
ている。また、その直前に配置されたコンデンサーレン
ズ８によって、表示パネル９をテレセントリック照明す
る。コンデンサーレンズ８と表示パネル９との間には、
ＰＢＳプリズム１２が配置されており、ここで投影光と
照明光の分離を行う。

【００４４】光源１から射出された光は、リフレクター
２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニッ
ト３のＰＢＳプリズム３ａに入射する。ここで、実線Ｐ
で示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム３ａをそのまま透
過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰ
ＢＳプリズム３ａ内部で反射され、外側に隣合ったＰＢ
Ｓプリズム３ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ
偏光のままここから射出する。即ちここでは同図の紙面
に沿った表示パネル９の長辺方向（図中の上下方向）に
偏光分離される。

【００４５】そして、ＰＢＳプリズム３ａから射出した
Ｐ偏光の光は、その直後に配置された１／４波長板１８
ａを透過する事により、右円偏光に変換される。また、
ＰＢＳプリズム３ｂから射出したＳ偏光の光は、その直
後に配置された１／４波長板１８ｂを透過する事によ
り、同じく右円偏光に変換される。即ち、光源１からの
光は、ＰＢＳプリズムユニット３及び１／４波長板１８
により偏光変換され、最終的に右円偏光に揃えられて出
てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える
偏光方向は右円偏光に限定されない。また、以上に述べ
てきた光源１から表示パネル９直前までの構成を、照明
光学装置と呼ぶ。

【００４６】上述したように右円偏光に揃えられた光
は、コレステリック液晶装置１１により色切り替えされ
た後、１／４波長板１９で直線偏光に変換され、上記イ
ンテグレータ光学系を経て、最終的に表示パネル９に入
射する。表示パネル９は、ここに照明された光を画素毎
にＲＧＢ各色の表示情報に応じて変調し、射出する。射
出した光は投影光学系１０に到る。この投影光学系１０
により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリー
ンに投影される。なお、１０ａは投影光学系に配置され
た絞りである。

【００４７】図３は、図２で示した表示光学装置の実際
の構成を模式的に示す図である。図２においては、光学
系を直線的に展開した形で示したが、実際は図３に示す
ように、反射部で光軸が折れ曲がっている。また、図３
は図２の表示光学装置を紙面に沿って上から見た図とな
っており、図２を正面図とすると、図３は平面図である
関係となっている。

【００４８】図３において、本実施形態での光線の軌跡
を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレ
クター２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズム
ユニット３に入射する。そして、このＰＢＳプリズムユ
ニット３及び直後の１／４波長板１８により偏光変換さ
れ、最終的に右円偏光に揃えられて出てくる。右円偏光
に揃えられた光は、コレステリック液晶装置１１表面に
入射する。

【００４９】コレステリック液晶装置１１は、Ｒ用，Ｇ
用，Ｂ用の、各色専用のコレステリック液晶素子を例え
ば１層ずつ計３層重ね合わせたものである。このコレス
テリック液晶素子は、右円偏光の光しか反射しない偏光
依存性を持つ。ここでは各コレステリック液晶素子を、
ブロック図で示す制御部１５にて順次高速でＯＮ／ＯＦ
Ｆ制御により切り替える事により、カラーシーケンシャ
ル駆動し、光源からの白色光に含まれるＲＧＢ各色を時
分割で順次切り替えて反射する。反射しなかった色の光
は、コレステリック液晶装置１１を透過する。コレステ
リック液晶素子の具体的な構成については後述する。

【００５０】コレステリック液晶装置１１により色切り
替えされて、右円偏光のまま射出した光は、１／４波長
板１９で直線偏光に変換され、上記インテグレータ光学
系を経て、Ｓ偏光としてＰＢＳプリズム１２に入射し、
内部で反射されて表示パネル９に入射する。表示パネル
９は、例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、こ
こに照明された光を、画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に
応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかっ
たり（ＯＦＦ）して反射する。

【００５１】このとき、ＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリ
ズム１２に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反
射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、
Ｐ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻
ってここを透過し、次の投影光学系１０に到る。この投
影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示し
ないスクリーンに投影される。

【００５２】図４は、コレステリック液晶素子の構成を
模式的に示す断面図である。同図に示すように、コレス
テリック液晶素子は、互いに対面するガラス基板（或い
は透明フィルム基板）３１の各内面に、ＩＴＯ（透明電
極）３２が形成され、ＩＴＯ３２間にコレステリック液
晶３５が挟まれた構成となっている。ここで、各ＩＴＯ
３２間に、パルス電源３６により高いパルス電圧を印加
すると、同図（ａ）に示すように、液晶分子３５ａがい
わゆるプレーナ配列となり、着色状態となる。このと
き、液晶分子３５ａのいわゆる捩れのピッチをｐとし、
コレステリック液晶３５の平均屈折率ｎ_aとすると、反
射される光の波長λ＝ｎ_aｐとなる。

【００５３】この状態で、同図（ａ）において、矢印Ａ
で示すようにコレステリック液晶３５に入射した特定の
波長の光は、矢印Ｂで示すように反射され、それ以外の
波長の光は矢印Ｃで示すように透過する。一方、各ＩＴ
Ｏ３２間に、パルス電源３６により低いパルス電圧を印
加すると、同図（ｂ）に示すように、液晶分子３５ａが
いわゆるフォーカルコニック配列となり、透明状態とな
る。この状態で、コレステリック液晶３５に入射したす
べての光は矢印Ｄで示すように透過する。

【００５４】従って、ＩＴＯ３２に印加するパルス電圧
の高低を切り替えるパルス制御をする事により、コレス
テリック液晶３５において、着色状態と透明状態とを高
速で切り替える事ができる。即ち、各波長域、例えばＲ
ＧＢ各色に対して作用するコレステリック液晶３５をそ
れぞれ用意し、このようなコレステリック液晶を持つコ
レステリック液晶素子を重ね合わせれば、上述したよう
に、各コレステリック液晶素子を順次高速でパルス制御
により切り替える事により、ＲＧＢ各色を時分割で順次
切り替えて反射させる事ができる。

【００５５】図５は、本発明の第２の実施形態の照明光
学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構
成図である。同図において、１は光源であり、２は光源
１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リ
フレクター２の直後即ち図中の右側には、ＰＢＳ（偏光
ビームスプリッター）プリズムを並列に配設したＰＢＳ
プリズムユニット３が配置されている。ここでは光源１
からの光の偏光分離を行う。そして、その各ＰＢＳプリ
ズム３ａ，３ｂのうち、後述するようにＳ偏光が射出す
る３ｂについては、その直後に１／２波長板４が配置さ
れている。

【００５６】ＰＢＳプリズムユニット３の後方即ち図中
の右方には、順に液晶ホログラム装置１３、第１レンズ
アレイ５、第２レンズアレイ６、その直後に重ね合わせ
レンズ７が配置されている。なお、第１レンズアレイ５
は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した
長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有してい
る。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５
の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セ
ル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形で
ある必要はない。

【００５７】ここで、液晶ホログラム装置１３は、上述
した色切り替えデバイスの一種であり、照明光をＲＧＢ
各色に時分割で電気的に切り替えるものである。詳しく
は後述する。また、第２レンズアレイ６とその直後の重
ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位
置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重な
り合うようにしている。

【００５８】以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせ
レンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。この重
ね合わせレンズ７の焦点位置に表示パネル９が配置され
ている。また、その直前に配置されたコンデンサーレン
ズ８によって、表示パネル９をテレセントリック照明す
る。コンデンサーレンズ８と表示パネル９との間には、
ＰＢＳプリズム１２が配置されており、ここで投影光と
照明光の分離を行う。

【００５９】光源１から射出された光は、リフレクター
２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニッ
ト３のＰＢＳプリズム３ａに入射する。ここで、実線Ｐ
で示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム３ａをそのまま透
過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰ
ＢＳプリズム３ａ内部で反射され、外側に隣合ったＰＢ
Ｓプリズム３ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ
偏光のままここから射出する。即ちここでは同図の紙面
に沿った表示パネル９の長辺方向（図中の上下方向）に
偏光分離される。

【００６０】そして、ＰＢＳプリズム３ｂから射出した
Ｓ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板４を
透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源１
からの光は、ＰＢＳプリズムユニット３及び１／２波長
板４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて
出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃え
る偏光方向はＰ偏光に限定されない。また、以上に述べ
てきた光源１から表示パネル９直前までの構成を、照明
光学装置と呼ぶ。

【００６１】上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、
液晶ホログラム装置１３により色切り替えされ、上記イ
ンテグレータ光学系を経て、最終的に表示パネル９に入
射する。表示パネル９は、ここに照明された光を画素毎
にＲＧＢ各色の表示情報に応じて変調し、射出する。射
出した光は投影光学系１０に到る。この投影光学系１０
により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリー
ンに投影される。なお、１０ａは投影光学系に配置され
た絞りである。

【００６２】図６は、図５で示した表示光学装置の実際
の構成を模式的に示す図である。図５においては、この
光学系を直線的に展開した形で示したが、実際は図６に
示すように、反射部で光軸が折れ曲がっている。また、
図６は図５の表示光学装置を紙面に沿って上から見た図
となっており、図５を正面図とすると、図６は平面図で
ある関係となっている。

【００６３】図６において、本実施形態での光線の軌跡
を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレ
クター２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズム
ユニット３に入射する。そして、このＰＢＳプリズムユ
ニット３及び直後の１／２波長板４により偏光変換さ
れ、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。Ｐ偏光に揃
えられた光は、液晶ホログラム装置１３表面にＳ偏光と
して略垂直に入射する。

【００６４】液晶ホログラム装置１３は、Ｒ用，Ｇ用，
Ｂ用の、各色専用の液晶ホログラム素子を例えば１層ず
つ計３層重ね合わせたものである。この液晶ホログラム
素子は、偏光依存性及び入射光に対する角度依存性を有
する。ここでは各液晶ホログラム素子をブロック図で示
す制御部１６にて順次高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切
り替える事により、カラーシーケンシャル駆動し、光源
からの白色光に含まれるＲＧＢ各色を時分割で順次切り
替えて反射，回折し、表面から斜め方向に射出する。反
射，回折しなかった色の光は、液晶ホログラム装置１３
を透過する。液晶ホログラム素子の具体的な構成につい
ては後述する。

【００６５】液晶ホログラム装置１３により色切り替え
されて射出した光は、上記インテグレータ光学系を経
て、Ｓ偏光としてＰＢＳプリズム１２に入射し、内部で
反射されて表示パネル９に入射する。表示パネル９は、
例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照
明された光を、画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて
偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり
（ＯＦＦ）して反射する。

【００６６】このとき、ＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリ
ズム１２に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反
射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、
Ｐ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻
ってここを透過し、次の投影光学系１０に到る。この投
影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示し
ないスクリーンに投影される。

【００６７】図７は、液晶ホログラム素子の構成を模式
的に示す断面図である。同図に示すように、液晶ホログ
ラム素子は、互いに対面するガラス基板（或いは透明フ
ィルム基板）３１の各内面に、ＩＴＯ（透明電極）３２
が形成され、ＩＴＯ３２間にホログラム３３が挟まれた
構成となっている。ホログラム３３は、液晶ポリマー上
に２つの光を交差させて干渉縞を作り、これを固めて作
成したホログラムである。ここではポリマー３３ａと、
小滴状の液晶分子３３ｂの集合体とが、ガラス基板３１
に対して傾斜した状態で、互いに層状に重なり合ってい
る。

【００６８】通常は、例えば液晶分子３３ｂの屈折率が
ポリマー３３ａのそれよりも高い状態であり、この状態
でホログラム３３は、特定の波長域の光を反射，回折
し、他の波長域の光を透過させる。ここで、各ＩＴＯ３
２間に、電源３４により交流或いは直流の電圧を印加
し、ホログラム３３に電界を生じさせると、液晶分子３
３ｂの屈折率が低くなり、ポリマー３３ａと同等とな
る。このとき、ホログラム３３のホログラムとしての効
果が殆どなくなり、透明板と同様の状態となる。

【００６９】従って、ＩＴＯ３２に印加する電圧をＯＮ
／ＯＦＦ制御する事により、ホログラム３３において、
ホログラムとしての状態と透明板としての状態を高速で
切り替える事ができる。即ち、各波長域、例えばＲＧＢ
各色に対して作用するホログラム３３をそれぞれ用意
し、このようなホログラムを持つ液晶ホログラム素子を
重ね合わせれば、上述したように、各液晶ホログラム素
子を順次高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事に
より、ＲＧＢ各色を時分割で順次切り替えて反射，回折
させる事ができる。

【００７０】今、図７において、ＩＴＯ３２に電圧を印
加しない状態で、Ｓ偏光の光Ｌがガラス基板３１表面に
略垂直に入射したとすると、ホログラム３３により、こ
れに対応する特定の波長域の光がこのガラス基板３１表
面より斜めに射出される。このときの射出角度θは、層
状に重なり合ったポリマー３３ａと液晶３３分子ｂの傾
斜状態に応じた値となる。本実施形態では、θが約３０
〜４０度のものが使用される。

【００７１】図８は、本発明の第３の実施形態の照明光
学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構
成図である。同図において、１は光源であり、２は光源
１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リ
フレクター２の直後即ち図中の右側には、偏光分離ミラ
ー群２０が配置されている。ここでは光源１からの光の
偏光分離を行う。そして、その各偏光分離ミラー２０
ａ，２０ｂのうち、後述するようにＳ偏光が射出する２
０ｂについては、その直後に１／２波長板４が配置され
ている。

【００７２】偏光分離ミラー群２０の後方即ち図中の右
方には、順に回折格子１４、第１レンズアレイ５、第２
レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置
されている。なお、ここでは図示しないが、回折格子１
４に入射した光は、別途設けた光路に導かれ、そこで色
切り替えが行なわれる。詳しくは後述する。また、第１
レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比
がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル
５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１
レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み
合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも
５ａと相似形である必要はない。

【００７３】回折格子１４は、後述する反射型ライトバ
ルブとの組み合わせにより、上述した色切り替えデバイ
スの働きをするものであり、照明光をＲＧＢ各色に時分
割で電気的に切り替えるものである。詳しくは後述す
る。また、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合わせ
レンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍
に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合う
ようにしている。

【００７４】以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせ
レンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。この重
ね合わせレンズ７の焦点位置に表示パネル９が配置され
ている。また、その直前に配置されたコンデンサーレン
ズ８によって、表示パネル９をテレセントリック照明す
る。コンデンサーレンズ８と表示パネル９との間には、
ＰＢＳプリズム１２が配置されており、ここで投影光と
照明光の分離を行う。

【００７５】光源１から射出された光は、リフレクター
２で反射され、略平行光となって偏光分離ミラー群２０
の偏光分離ミラー２０ａに入射する。ここで、実線Ｐで
示すＰ偏光の光は、偏光分離ミラー２０ａをそのまま透
過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射した偏
光分離ミラー２０ａで反射され、外側に隣合った偏光分
離ミラー２０ｂに入射してそこで再び反射される。即ち
ここでは同図の紙面に沿った表示パネル９の長辺方向
（図中の上下方向）に偏光分離される。

【００７６】そして、偏光分離ミラー２０ｂから射出し
たＳ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板４
を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源
１からの光は、偏光分離ミラー群２０及び１／２波長板
４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出
てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える
偏光方向はＰ偏光に限定されない。

【００７７】また、以上に述べてきた光源１から表示パ
ネル９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。上述し
たようにＰ偏光に揃えられた光は、回折格子１４等の働
きにより色切り替えされ、上記インテグレータ光学系を
経て、最終的に表示パネル９に入射する。表示パネル９
は、ここに照明された光を画素毎にＲＧＢ各色の表示情
報に応じて変調し、射出する。射出した光は投影光学系
１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９
の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。な
お、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。

【００７８】図９は、図８で示した表示光学装置の実際
の構成を模式的に示す図である。図８においては、光学
系を直線的に展開した形で示したが、実際は図９に示す
ように、反射部で光軸が折れ曲がっている。また、図９
は図８の表示光学装置を紙面に沿って上から見た図とな
っており、図８を正面図とすると、図９は平面図である
関係となっている。

【００７９】図９において、本実施形態での光線の軌跡
を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレ
クター２で反射され、略平行光となって偏光分離ミラー
群２０に入射する。そして、この偏光分離ミラー群２０
及び直後の１／２波長板４により偏光変換され、最終的
にＰ偏光に揃えられて出てくる。Ｐ偏光に揃えられた光
は、フレネルレンズ２１を経て回折格子１４に入射す
る。なお、フレネルレンズには限定されるものではな
く、通常のレンズを使用しても良い。

【００８０】ここで、フレネルレンズ２１の焦点位置に
は、偏光依存性のある例えば強誘電液晶より成る反射型
ライトバルブ２３が配置されている。また、その直前に
配置されたコンデンサーレンズ２２によって、反射型ラ
イトバルブ２３をテレセントリック照明する。

【００８１】フレネルレンズ２１を経て回折格子１４に
入射した光は、偏光方向が紙面に垂直であり、波長の異
なる光であるＲＧＢ各色毎に、紙面に沿った平面上で異
なる角度で回折し、即ち角度分離されて、コンデンサー
レンズ２２透過後、反射型ライトバルブ２３上のＲＧＢ
各色に対応する領域にそれぞれ入射する。このとき、こ
の各領域をブロック図で示す制御部１７にて順次高速で
ＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、カラーシ
ーケンシャル駆動し、ＲＧＢ各色を時分割で順次切り替
えて反射する。

【００８２】反射型ライトバルブ２３により色切り替え
されて射出した光は、再び回折格子１４に入射して、こ
こで同一方向の光に統合され、再びフレネルレンズを透
過する。そして、上記インテグレータ光学系を経て、Ｓ
偏光としてＰＢＳプリズム１２に入射し、内部で反射さ
れて表示パネル９に入射する。表示パネル９は、例えば
反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照明され
た光を、画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて偏光面
を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦ
Ｆ）して反射する。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
照明光のＦナンバーが小さくならないので投影光学系の
負担が軽くて済み、しかも偏光依存性のある色切り替え
デバイスを挿入する事が可能な照明光学装置を提供する
事ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の照明光学装置が用いられている表示光
学装置の一例を原理的に示す構成図。

【図２】本発明の第１の実施形態の照明光学装置が用い
られている表示光学装置を原理的に示す構成図。

【図３】図２で示した表示光学装置の実際の構成を模式
的に示す図。

【図４】コレステリック液晶素子の構成を模式的に示す
断面図。

【図５】本発明の第２の実施形態の照明光学装置が用い
られている表示光学装置を原理的に示す構成図。

【図６】図５で示した表示光学装置の実際の構成を模式
的に示す図。

【図７】液晶ホログラム素子の構成を模式的に示す断面
図。

【図８】本発明の第３の実施形態の照明光学装置が用い
られている表示光学装置を原理的に示す構成図。

【図９】図８で示した表示光学装置の実際の構成を模式
的に示す図。

【図１０】従来の照明光学装置が用いられている表示光
学装置の一例を原理的に示す構成図。

【図１１】従来の照明光学装置が用いられている表示光
学装置の他の例を原理的に示す構成図。

【符号の説明】１光源２リフレクター３ＰＢＳプリズムユニット４１／２波長板５第１レンズアレイ６第２レンズアレイ７重ね合わせレンズ８，２２コンデンサーレンズ９表示パネル１０投影光学系１１コレステリック液晶装置１２ＰＢＳプリズム１３液晶ホログラム装置１４回折格子１５，１６，１７制御部１８，１９１／４波長板２０偏光分離ミラー群２１フレネルレンズ２３反射型ライトバルブ３１ガラス基板３２ＩＴＯ（透明電極）３３ホログラム３４電源３５コレステリック液晶３６パルス電源

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/14 Ａ 21/14 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０Ｆターム(参考） 2H052 BA02 BA03 BA09 BA14 2H088 EA15 EA16 HA18 HA23 HA28 MA02 MA04 2H091 FA10Z FA41X FB02 FD24 LA11 LA15 LA16 2H099 AA12 BA09 BA17 CA02 CA07 CA08 DA09

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源からの光を所定の偏光状態に揃える
ための偏光変換装置と、該所定の偏光状態の光を表示パ
ネルに照明するインテグレータ光学系とを備えた照明光
学装置であって、前記偏光変換装置により、前記光源からの光を前記表示
パネルの長辺方向に偏光分離し、該分離した第１の光束
と第２の光束の一方を他方と同一偏光状態に揃える照明
光学装置において、前記第１の光束と第２の光束は、前記インテグレータ光
学系の第１レンズアレイにおける同一セルを通過し、該
インテグレータ光学系の第２レンズアレイにおける同一
セル上に結像する事を特徴とする照明光学装置。
【請求項２】以下の条件式を満たす事を特徴とする請
求項１に記載の照明光学装置；０．３＜ｌ・ｔａｎθ／ｄ＜０．７５但し、 θ：偏光分離されて所定の偏光状態に揃えられた光各々
が互いに成す角度ｌ：第１レンズアレイと第２レンズアレイとの光学的距
離ｄ：第２レンズアレイにおけるセルの長辺方向のサイズである。
【請求項３】前記偏光変換装置と前記インテグレータ
光学系との間に、前記所定の偏光状態の光を所定の各色
に時分割で切り替える色切り替えデバイスを配置した事
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明光学装
置。
【請求項４】前記色切り替えデバイスはコレステリッ
ク液晶である事を特徴とする請求項３に記載の照明光学
装置。
【請求項５】前記色切り替えデバイスは液晶ポリマー
材料により形成されたホログラムである事を特徴とする
請求項３に記載の照明光学装置。
【請求項６】前記色切り替えデバイスは回折格子と反
射型ライトバルブを組み合わせたものである事を特徴と
する請求項３に記載の照明光学装置。
【請求項７】前記偏光分離の方向は、画像表示方向に
向かって左右対称であり、前記第１レンズアレイにおけ
る各セルは、画像表示方向に向かって左右対称に偏芯し
ている事を特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに
記載の照明光学装置。