JP2001311912A - 照明光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光利用効率の高い照明光学系を提供する。 【解決手段】 インテグレータロッド(22)は照明光の空
間的なエネルギー分布を均一化する。偏光分離素子(1,1
1)は、回折格子面を有し光学的に略等方な回折光学素子
層と回折格子面に隣接する液晶層とを備え、照明光を偏
波面が互いに直交するＰ，Ｓ偏光に分離する。１／２波
長板(26)は、リレーレンズ(25)からの射出光の偏光状態
が揃うように、リレーレンズ(25)の絞り位置近傍でＳ偏
光の偏波面を略90°回転させてＰ偏光にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は照明光学系に関する
ものであり、例えば液晶プロジェクターにおいて液晶パ
ネルを照明するために用いられる照明光学系に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルのように特定偏光の光変調に
より画像表示を行う空間光変調素子では、特定偏光以外
の照明光は偏光子で吸収されるため、一般に照明光の約
半分は光量損失となる。この問題を解決して光利用効率
を向上させるために、偏光の分離と偏波面(すなわち電
気ベクトルの振動面)の回転とにより偏光変換を行う照
明光学系が各種提案されている。偏光分離手段としては
ＰＢＳ(polarizing beam splitter)が一般的であり、偏
波面回転手段としては１／２波長板が一般的である。Ｐ
ＢＳで照明光を偏波面が互いに直交する２つの直線偏光
に分離し、そのうちの一方の偏波面を１／２波長板で略
90°回転させれば、偏光状態の揃った照明光を得ること
ができる。また照明光学系には、空間光変調素子を均一
に照明するためのインテグレータが必要とされる。代表
的なインテグレータとしては、カラーホイールとの組み
合わせが容易でコンパクトなインテグレータロッドが挙
げられる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、ＰＢＳは入射
角依存性が大きいため、大きな角度で照明光を射出する
インテグレータロッドとのマッチングは良くない。した
がって、ＰＢＳとインテグレータロッドとの組み合わせ
では、高い効率で偏光分離を行うことは困難である。偏
光分離効率が低ければ偏光変換効率も低くなるため、光
利用効率の向上は不可能である。

【０００４】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、光利用効率の高い照明光学系を提供する
ことを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明の照明光学系は、照明光を発する光源
と、前記光源からの照明光の空間的なエネルギー分布を
均一化するインテグレータロッドと、回折格子面を有し
光学的に略等方な回折光学素子層と前記回折格子面に隣
接する光学的異方体層とを備え、前記インテグレータロ
ッドから射出した照明光を偏波面が互いに直交する２つ
の直線偏光に分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素
子で分離された２つの直線偏光をリレーするリレーレン
ズと、前記リレーレンズからの射出光の偏光状態が揃う
ように、リレーレンズの絞り位置又はその共役位置の近
傍で、前記２つの直線偏光のうちの一方の偏波面を略90
°回転させる偏波面回転手段と、を有することを特徴と
する。

【０００６】第２の発明の照明光学系は、上記第１の発
明の構成において、前記回折格子面がブレーズ形状を成
すとともに、以下の条件式及び、並びに条件式又
はを満足することを特徴とする。 1.5＜H＜6 … 0.1＜Δn＜0.3 … np≒no … np≒ne … ただし、 H：回折格子高さ(μｍ)、 Δn：屈折率差｜np−no｜，｜np−ne｜のうちの大きい
方の値、 np：回折光学素子層の屈折率、 no：常光に対する光学的異方体層の屈折率、 ne：異常光に対する光学的異方体層の屈折率、 である。

【０００７】第３の発明の照明光学系は、上記第１又は
第２の発明の構成において、前記回折格子面が以下の条
件式を満足することを特徴とする。 5＜D＜15 … ただし、 D：回折格子ピッチ(μｍ)、 である。

【０００８】第４の発明の照明光学系は、上記第１〜第
３のいずれか一つの発明の構成において、前記光源と前
記偏光分離素子との間にＵＶ−ＩＲカットフィルターを
有することを特徴とする。

【０００９】第５の発明の照明光学系は、上記第１〜第
４のいずれか一つの発明の構成において、前記偏波面回
転手段が１／２波長板であることを特徴とする。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した偏光分離
素子及び照明光学系を、図面を参照しつつ説明する。な
お、実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分に
は同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

【００１１】《シート状の回折光学素子層を有する偏光
分離素子(図１〜図３)》図１に、シート状の回折光学素
子層(2)を有する偏光分離素子(1)を断面的に示す。この
偏光分離素子(1)は、表面レリーフ型(膜厚変調型)の回
折光学素子層(2)と、ネマティック液晶又はスメクティ
ック液晶から成る液晶層(3)と、対向平板(4)と、シール
剤(5)と、を主な構成要素として備えている。回折光学
素子層(2)は、光学的な略等方性を有する樹脂製の透明
シートから成り、かつ、ブレーズ形状の回折格子面(2a)
を有している。この回折格子面(2a)に隣接する液晶層
(3)は、光学的な異方性を有する一軸性の光学的異方体
層であり、また、液晶層(3)を回折光学素子層(2)との間
で挟むようにして液晶層(3)と隣接する対向平板(4)は、
樹脂製又はガラス製の透明基板である。対向平板(4)の
液晶層(3)側の面には配向膜(4a)が設けられており、配
向膜(4a)には回折格子面(2a)の溝方向に沿って液晶がホ
モジニアス配向するようにラビング処理が施されてい
る。

【００１２】回折光学素子層(2)は熱可塑性樹脂から成
ることが望ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、Ｐ
Ａ(polyamide)，ＰＥ(polyethylene)，ＰＳ(polystyren
e)，ＰＶＣ(polyvinyl chloride)，ＰＭＭＡ(polymethy
l methacrylate)，非晶質ポリオレフィン系樹脂等が挙
げられる。回折光学素子層(2)の構成材料として熱可塑
性樹脂を用いると、射出成形が可能になるため、回折光
学素子層(2)を安価に製造することができる。また、対
向平板(4)と回折光学素子層(2)とは略同じ線膨張係数を
有することが望ましい。線膨張係数を略同じにすれば、
環境変化(温度変化等)によって回折光学素子層(2)や対
向平板(4)が膨張又は収縮しても、シール剤(5)の部分で
の剥がれが生じにくくなるので、高い信頼性を達成する
ことができる。線膨張係数を略同じにするには、対向平
板(4)と回折光学素子層(2)とを同じ材質で構成するのが
好ましく、共に光学的な略等方性を有する樹脂で構成す
ることが更に好ましい。

【００１３】回折光学素子層(2)と対向平板(4)との間に
封入されている液晶は、光学的な異方性を有する複屈折
材料であるため、常光に対する屈折率と異常光に対する
屈折率とは異なる。したがって、光学的に略等方な回折
光学素子層(2)との境界に位置する回折格子面(2a)が及
ぼす回折作用も、常光と異常光とでは異なる。この偏光
分離素子(1)では、常光，異常光のうちのいずれか一方
に対する屈折率が回折光学素子層(2)の屈折率と同じに
なるように各材料が選択されている。例えば、常光に対
する液晶層(3)の屈折率と回折光学素子層(2)の屈折率と
を同じにした場合、常光が回折作用を受けずに回折格子
面(2a)を透過し、異常光が回折格子面(2a)での回折作用
を受けて偏向することになる。逆に、異常光に対する液
晶層(3)の屈折率と回折光学素子層(2)の屈折率とを同じ
にした場合、異常光が回折作用を受けずに回折格子面(2
a)を透過し、常光が回折格子面(2a)での回折作用を受け
て偏向することになる。

【００１４】上記のように液晶層(3)を回折格子面(2a)
に隣接させることにより、入射してきた照明光を偏波面
が互いに直交する２つの直線偏光に分離することができ
る。しかも、回折格子面(2a)がブレーズ形状を成してい
るため高い回折効率が得られる。回折格子面(2a)での回
折効率が高ければ偏光変換効率も高くなるため、光利用
効率を向上させることが可能である。

【００１５】上記偏光分離素子(1)による照明光の偏光
分離においては、回折光学素子層(2)，対向平板(4)のう
ちのどちら側から照明光を入射させてもよい。ただし、
回折格子面(2a)よりも射出側に位置する光学部材を適度
に薄くすることが望ましい。偏光分離素子(1)に入射す
る照明光は無偏光であるため、回折格子面(2a)に到達す
るまでは偏光状態に乱れが生じても問題ない。しかし、
回折格子面(2a)での偏光分離後に通過する光学部材で偏
光状態に乱れが生じると、偏光分離効率が低下して所望
の性能が得られなくなる。偏光状態に乱れが生じる原因
としては、光学部材の複屈折性が挙げられる。光学的に
略等方な透明部材で光学部材を構成しても、その厚みが
大きいほど複屈折の影響が大きくなり、それによって偏
光状態に乱れが生じる可能性は高くなる。光学部材を薄
くすれば複屈折の影響は小さくなるので、偏光状態の乱
れを抑えることが可能である。しかも、光学部材を薄く
ことにより、その光学部材での透過効率が高くなるとい
うメリットもある。

【００１６】上記観点から、回折格子面(2a)よりも射出
側に位置する光学部材の厚さは0.1〜1mmであることが望
ましい。特に、回折光学素子層(2)の厚さが0.1〜1mmで
あることが望ましい。このように薄いフィルム状に成形
された回折光学素子層(2)を用いることにより、分離後
の偏光を回折光学素子層(2)側から射出しても、前記複
屈折の影響による偏光状態の乱れを防止することが可能
である。また、回折光学素子層(2)を樹脂で成形する際
には、薄い方が成形を簡単に行うことができるため好ま
しく、コストダウンも可能である。ただし、回折光学素
子層(2)を厚さ0.1mmよりも薄くすると、機械的な強度が
低下するのでその取り扱いは困難になる。

【００１７】回折光学素子層(2)の厚みに関して更に詳
しい説明を行う。光学樹脂や光学ガラス等の光学材料
は、光学的に等方で複屈折性を示さないのが好ましい
が、実際にはわずかに複屈折性を有している。複屈折性
を示す原因としては、成形の際に光学材料の内部に残存
してしまう応力、成形体に加わる機械的な外力、加熱・
冷却による温度差で成形体に生じる応力等が挙げられ
る。

【００１８】上記複屈折により生じる光路差は以下の式
(FA)で表される。また表１に、ｄ＝1(cm)のときの各光
学材料での複屈折による光路差δ(nm)を示す。 δ＝Ｂ・σ・ｄ …(FA) ただし、 δ：複屈折による光路差(nm)、 Ｂ：光弾性定数(×10^-12／Pa)、 σ：光学材料に生じた応力差(10⁵Pa)、 ｄ：光学材料の厚さ(cm)、 である。

【００１９】

【表１】

【００２０】図１に示す偏光分離素子(1)で分離された
２つの直線偏光は、その一方の直線偏光の偏波面が90°
回転させられることにより、同じ偏波面を有する２つの
直線偏光となる。偏波面を回転させる偏波面回転手段と
して用いられるのが、例えば、後述する照明光学系に用
いられている１／２波長板(26,図１１〜図１３)であ
る。１／２波長板は、一方の直線偏光に対して１／２波
長だけの光路差を与えることにより、偏波面を90°回転
させる位相板である。したがって、複屈折による光路差
δが、可視光の波長の半分に対して(ｅ線の場合には54
6.1nmの半分である273nmに対して)十分に小さな値(数％
程度)でないと、偏光変換の機能が十分に達成されなく
なる。

【００２１】一般に、光学樹脂は複屈折性の小さい光学
ガラスに比べて、10倍以上もの複屈折性を有している。
このため、ランプ(20,図１１〜図１３)からの照明光が
液晶層(3)から樹脂製の回折光学素子層(2)へと進む場
合、回折格子面(2a)で偏光分離された各直線偏光が回折
光学素子層(2)の樹脂中を進むにしたがって、その偏光
状態に乱れが生じ、そもそもの偏光分離の機能が果たさ
れなくなる。樹脂材料そのものがもつ複屈折の影響も大
きいが、同じ樹脂材料であっても、成形時に必然的に残
存してしまう内部応力による複屈折の影響も大きい。例
えば射出成形では、ゲート(すなわち樹脂注入口)付近に
大きな内部応力が残存してしまうため、その場所での複
屈折が大きくなる。

【００２２】表１に示されている値δは、厚さｄが1(c
m)のときの複屈折性を示しているが、ＰＭＭＡのゲート
付近やＰＣ等ではかなり大きな複屈折が生じることが分
かる。その影響を無くすためには、光学樹脂の厚みを小
さくするのが有効である。例えば、ｅ線(波長λ=546.1n
m)に対するＰＭＭＡ(ゲート付近)での複屈折による光路
差δは、厚さｄ=1(cm)で50(nm)であるため、複屈折の影
響は大きい。しかし、厚さｄをその1／10の1(mm)程度に
すれば、波長λ=546.1(nm)に対して5(nm)程度の実質上
十分に小さな値となるので、複屈折の影響は問題になら
なくなる。厚みが小さすぎると、前述したように機械的
な強度を保てなくなるので、0.1(mm)程度の厚みは必要
となる。結果として、材質にかかわらず回折光学素子層
(2)の厚みは0.1〜1(mm)程度の範囲内にあることが望ま
しく、光学樹脂で回折光学素子層(2)を構成する場合に
は、0.1〜1(mm)の範囲の厚さにすることが特に望まし
い。

【００２３】回折格子面(2a)は、以下の条件式及び
、並びに条件式又はを満足することが望ましい。
これらの条件を満たすことにより、偏光分離効率を高め
ることができる。条件式の下限を超えると、回折格子
ピッチに対する回折格子高さが大きくなりすぎて、斜め
の入射光に対して回折が生じにくくなる。このため、回
折効率が低下することになる。条件式の上限を超えた
場合も同様である。複屈折材料として液晶を用いること
は、複屈折性を有する光学的異方体層を簡単・安価に構
成する上で有効であるが、液晶として条件式の上限を
超えるものは知られていない。また、条件式の下限を
超えると、回折格子面(2a)の形成が困難になる。

【００２４】1.5＜H＜6 … 0.1＜Δn＜0.3 … np≒no … np≒ne … ただし、 H：回折格子高さ(μｍ)、 Δn：屈折率差｜np−no｜，｜np−ne｜のうちの大きい
方の値、 np：回折光学素子層(2)の屈折率、 no：常光に対する光学的異方体層{ここでは液晶層(3)}
の屈折率、 ne：異常光に対する光学的異方体層{ここでは液晶層
(3)}の屈折率、 である。

【００２５】また、回折格子面(2a)が以下の条件式を
満足することが望ましい。条件式は、偏光分離素子
(1)を照明光学系に用いた際のレイアウト上でのコンパ
クト化が可能であって、しかも高い偏光分離効率を達成
することが可能な条件を規定している。条件式の下限
を超えると、斜めの入射光に対する回折が生じにくくな
るため回折効率が低下する。条件式の上限を超える
と、偏光分離角が小さくなるので共役長を長くする必要
が生じ、コンパクト化が困難になる。

【００２６】5＜D＜15 … ただし、 D：回折格子ピッチ(μｍ)、 である。

【００２７】図２のグラフに、偏光分離素子(1)におけ
る透過効率(E0,０次回折光)及び回折効率(E1,＋１次回
折光)の波長依存性を示す。回折光学素子層(2)の回折格
子ピッチD=8.5(μｍ)，回折格子高さH=2.75(μｍ)，屈
折率np=1.52であり、＋１次回折光の回折角度=3.8(°)
である。また、常光，異常光に対する液晶層(3)の屈折
率no=1.52，ne=1.72である(∴Δn=0.2)。

【００２８】図３のグラフに、Ｒ，Ｇ，Ｂの各波長の光
(R:633nm,G:532nm,B:473nm)に対する偏光分離素子(1)に
おける透過効率(E0R,E0G,E0B;０次回折光)及び回折効率
(E1R,E1G,E1B;＋１次回折光)の入射角依存性を示す。図
３から分かるように、Ｒ，Ｇ，Ｂ共に透過効率(E0R,E0
G,E0B)が90％以上、入射角度±20°の範囲で回折効率(E
1R,E1G,E1B)が50％以上の高い効率を得ることができ
る。

【００２９】《複合型回折光学素子を有する偏光分離素
子(図４〜図１０)》図５に、回折光学素子(10)を有する
偏光分離素子(11)を断面的に示す。また図４に、回折光
学素子(10)の回折格子面(7a)の形成工程を断面的に示
す。この偏光分離素子(11)は、表面に回折格子面(7a)を
有する樹脂層(7)をガラス基板(6)上に形成して成る複合
型・表面レリーフ型の回折光学素子(10)を備えている。
回折格子面(7a)に隣接する液晶層(3)は、ネマティック
液晶又はスメクティック液晶から成っている。また、液
晶層(3)を樹脂層(7)との間で挟むようにして液晶層(3)
と隣接する対向平板(4)は、樹脂製又はガラス製の透明
基板であり、対向平板(4)の液晶層(3)側の面には、前記
偏光分離素子(1)と同様、回折格子面(7a)の溝方向に沿
って液晶がホモジニアス配向するようにラビング処理さ
れた配向膜(4a)が設けられている。

【００３０】回折格子面(7a)を形成する際には、まず図
４に示すコア金型(15)上にＵＶ(ultraviolet ray)硬化
型樹脂を塗布し、その上にガラス基板(6)を載せ、樹脂
が所定の厚さになるように押圧した後、ＵＶ照射を行
う。ＵＶ硬化型樹脂が硬化したら、ガラス基板(6)の周
辺部をイジェクタ(16)で押して離型する。この工程によ
り、ブレーズ形状の回折格子面(7a)を表面に有する、Ｕ
Ｖ硬化型樹脂から成る樹脂層(7)が得られる。ガラス基
板(6)の全領域(A)のうち、離型の際にイジェクタ(16)と
接触する部分には樹脂層(7)が形成されないので、図５
に示すようにガラス基板(6)上には、樹脂層(7)が形成さ
れている形成領域(B1)と、樹脂層(7)が形成されていな
い非形成領域(B2)と、が存在することになる。

【００３１】上記のようにして得られた樹脂層(7)上に
シール剤(5，図６)を塗布し、対向平板(4)を固定する。
このとき対向平板(4)は、樹脂層(7)の形成領域(B1)から
非形成領域(B2)へはみ出ないように配置される。樹脂層
(7)の形成領域(B1)のうち、液晶層(3)の領域(D)はシー
ル剤(5)で規制され、対向平板(4)の領域(C)は領域(D)と
領域(B1)との中間領域となるので、各領域間にはD＜C＜
B1＜Aのサイズ関係が成立することになる。

【００３２】上記回折格子面(7a)の形成工程において
は、コア金型(15)とイジェクタ(16)との隙間に入り込ん
だ樹脂で、図６(図５のＺ部拡大図)に示すようにバリ(7
b)が同時に形成されてしまう。バリ(7b)の高さは50〜10
0μｍ程度になるのに対し、液晶層(3)の厚さは30μｍ以
下、好ましくは数μｍ程度である。液晶層(3)の厚さは
通常5〜10μｍ程度のスペーサ(不図示)によってコント
ロールされるが、バリ(7b)の上に対向平板(4)が載って
対向平板(4)に傾きや浮きが生じると、液晶層(3)の厚さ
をコントロールすることができなくなってしまう。液晶
層(3)が厚くなるほど液晶層(3)の中間付近の配向がラン
ダムになってしまい、液晶層(3)が光学的異方体層とし
て正常に機能しなくなる(例えば白濁する)。対向平板
(4)がバリ(7b)上に載らないようにバリ(7b)を削り取れ
ば上記問題は生じないが、そのための加工を増やすとコ
ストが高くなってしまう。また、バリを削ると樹脂層
(7)に細かい傷が生じてしまうため、使用時の環境変化
(温度変化等)が厳しいと、その細かい傷を発生源として
樹脂層(7)にひび割れが発生してしまう。

【００３３】上記問題を解決するために、対向平板(4)
は樹脂層(7)の形成領域(B1)から非形成領域(B2)へはみ
出ないように配置されている。この構成によると、バリ
(7b)があってもその上に対向平板(4)が載らないので、
液晶層(3)の厚さをスペーサでコントロールすることが
可能であり、樹脂層(7)と対向平板(4)との間に液晶を薄
く封入することができる。また、バリ(7b)を削り取る後
加工工程が不要であるため、コストアップを招かず、ひ
び割れの原因となる傷が樹脂層(7)に付くこともない。
したがって、製造容易で信頼性の高い偏光分離素子(11)
とすることができる。

【００３４】図６に示すようにバリ(7b)を削らずに残し
ておくと、バリ(7b)が欠けて樹脂層(7)に割れが生じる
おそれがある。そこで、バリ(7b)の欠け等を防ぐため
に、図７に示すように保護剤(8)でバリ(7b)を覆うこと
が望ましい。保護剤(8)としては、シリコンゴム等の柔
軟な材料が適当である。また、バリ(7b)はイジェクタ(1
6)と接触したＵＶ硬化型樹脂から成るため、樹脂層(7)
の端部であってもイジェクタ(16)と接触しない部分には
バリ(7b)は生じない。バリ(7b)がなければ保護剤(8)は
不要であるが、シール剤(5)の機能を補うために、図８
に示すようにバリ(7b)のない樹脂層(7)の端部も保護剤
(8)で覆うことが望ましい。図９に示す液晶注入口(5a)
の部分でもガラス基板(6)に対するイジェクタ(16)の接
触がないため、樹脂層(7)の端部であってもバリ(7b)は
生じない。この液晶注入口(5a)の部分は、図１０に示す
ように封止剤(9)で覆えばよい。封止剤(9)としては、シ
リコンゴムやＵＶ硬化型樹脂等が挙げられる。

【００３５】偏光分離素子(11)において、実際に照明光
が通過する使用範囲は液晶層(3)の領域(D)である。そし
て、液晶層(3)の外周部分{例えばシール剤(5)の部分や
液晶注入口(5a)の封止剤(9)の部分等}は、使用領域(D)
以外の不使用領域である。不使用領域にあるシール剤
(5)や封止剤(9)をＵＶ硬化型樹脂等で構成した場合、実
際の使用の際にそこに光が当たると、光を吸収して熱を
持ったり、長時間の照射により樹脂そのものが劣化した
りして、信頼性を保てなくなるおそれがある。また、温
度変化により液晶や樹脂の屈折率が変化して、回折光学
素子(10)の回折効率が低下するおそれもある。そこで、
上記不使用領域に光が当たらないように、光を反射する
薄いマスク板(例えばステンレス等から成る金属製の反
射板)を設けて、光源からの照明光を遮ることが望まし
い。

【００３６】図１の偏光分離素子(1)と同様、図５に示
す偏光分離素子(11)についても、偏光分離効率を高める
ために、回折格子面(7a)が以下の前記条件式及び、
並びに条件式又はを満足することが望ましい{ただ
し、npは樹脂層(7)の屈折率である。}。また、液晶層
(3)の厚さは50μｍ以下であることが望ましい。液晶層
(3)の厚さが50μｍを超えると、配向膜(4a)で液晶を配
向させることが困難になり、液晶層(3)の中間付近の配
向がランダムになってしまい、所望の性能(回折効率)を
得ることが困難になる。

【００３７】《照明光学系(図１１〜図１３)》前述の偏
光分離素子(1又は11)を備えた照明光学系の光学構成
を、図１１に色分解光路の断面(上面側から見た状態)で
示し、図１２に偏光変換光路の断面(側面側から見た状
態)で示す。この照明光学系は、液晶パネル(29)を照明
するための液晶プロジェクター用照明光学系であって、
光路の順に、ランプ(20)，ＵＶ(ultraviolet ray)−Ｉ
Ｒ(infrared ray)カットフィルター(21)，インテグレー
タロッド(22)，偏光分離素子(1又は11)，色分解用のホ
ログラム(23)，コンデンサーレンズ(24)，リレーレンズ
(25)，１／２波長板(26)，トリミングフィルター(27)，
及びフィールドレンズ(28)を備えている。

【００３８】ランプ(20)は、照明光を発する光源(20a)
と、光源(20a)からの照明光を集光する楕円鏡(20b)と、
から成っている。ランプ(20)から射出した照明光は、Ｕ
Ｖ−ＩＲカットフィルター(21)を通過する。ＵＶ−ＩＲ
カットフィルター(21)は必要に応じて設ければよいが、
ＵＶ−ＩＲカットフィルター(21)を光源(20a)と偏光分
離素子(1又は11)との間に配置して、必要な可視光以外
の紫外光及び赤外光を遮断すれば、偏光分離素子(1又は
11)の耐光性・耐熱性を高めて、偏光分離素子(1又は11)
の信頼性を上げることができる。

【００３９】ＵＶ−ＩＲカットフィルター(21)を通過し
た照明光は、カレイドスコープ方式のインテグレータロ
ッド(22)に入射する。インテグレータロッド(22)は、多
角柱形状のガラス体、あるいは複数枚のミラーを組み合
わせて成る中空筒体であり、入射光をその側面で何度も
繰り返し反射させることにより、照明光の空間的なエネ
ルギー分布(すなわち照度分布)を均一化する。インテグ
レータロッド(22)の射出端面は液晶パネル(29)の表示面
と共役な関係にあるため、液晶パネル(29)の表示面を効
率良く均一に照明することができる。

【００４０】インテグレータロッド(22)を射出した照明
光は、偏光分離素子(1又は11)に入射する。偏光分離素
子(1又は11)は、インテグレータロッド(22)から射出し
た照明光を、偏波面が互いに直交するＰ偏光とＳ偏光と
に分離する。この偏光分離では、Ｐ偏光が回折格子面(2
a又は7a)で回折せずにそのまま偏光分離素子(1又は11)
を透過し、Ｓ偏光が回折格子面(2a又は7a)での回折によ
り偏向する。そしてこの偏光分離により、Ｐ偏光とＳ偏
光とで結像位置(すなわち光源像位置)に光軸垂直方向の
ズレが生じることになる。偏光分離素子(1又は11)を射
出したＰ偏光とＳ偏光は、色分解用のホログラム(23)で
色分解されてＲＧＢの色毎に異なる角度で射出し、集光
用のコンデンサーレンズ(24)に入射する。なお、ホログ
ラム(23)の代わりに、他の種類の回折光学素子(表面レ
リーフ型等)、カラーホイール、ダイクロイックミラー
等を用いて色分解を行う構成にしてもよい。

【００４１】コンデンサーレンズ(24)を通過した照明光
は、リレーレンズ(25)に入射する。２枚のリレーレンズ
(25)は、インテグレータロッド(22)の射出端面と液晶パ
ネル(29)の表示面とが共役になるように照明光をリレー
する。リレーレンズ(25)の絞り位置の近傍(絞りの共役
位置近傍でもよい。)には、Ｓ偏光のみが入射するよう
に、１／２波長板(26)が偏波面回転手段として配置され
ている。リレーレンズ(25)の絞り位置近傍では、Ｓ偏光
とＰ偏光とが互いにズレた位置で結像するため、Ｓ偏光
のみを１／２波長板(26)に入射させることが可能であ
る。１／２波長板(26)は、リレーレンズ(25)からの射出
光の偏光状態が揃うように、Ｓ偏光の偏波面を略90°回
転させる。この偏波面の回転によりＳ偏光はＰ偏光に変
換され、その結果、照明光は全てＰ偏光となる。このよ
うに１／２波長板(26)を偏波面回転手段として用いるこ
とにより、偏波面の回転を安価に行うことができる。

【００４２】Ｐ偏光に揃えられた照明光は、コンデンサ
ーレンズ(24)の他に、色純度を上げるためのトリミング
フィルター(27)と集光用のフィールドレンズ(28)を通過
した後、空間光変調素子である液晶パネル(29)を照明す
る。液晶パネル(29)の偏光子(不図示)はＰ偏光を透過さ
せる向きに配置されているので、偏光子による光量損失
はほとんどなく、液晶パネル(29)に対して光利用効率の
高い照明が達成可能となる。また、ＲＧＢの照明光が互
いに異なる角度で液晶パネル(29)に入射し、液晶パネル
(29)の照明光入射側に位置するマイクロレンズアレイ
(不図示)でＲＧＢに対応する画素が照明されるため、単
板でのフルカラー表示が可能となる。なお、液晶パネル
(29)のマイクロレンズアレイに対して色毎に異なる角度
で光が入射すればフルカラー表示が可能となるため、ホ
ログラム(23)で色分解を行う代わりに３つのダイクロイ
ック面で色分解を行う構成にしても同様の照明が可能で
ある。

【００４３】偏光分離素子(1又は11)は入射角依存性が
小さいため(図３参照。)、入射角の大きな光に対しても
高い効率で偏光分離を行うことができる。したがって、
高い効率の偏光変換により光利用効率を向上させること
ができるため、液晶パネル(29)を明るく照明することが
できる。また、１／２波長板(26)との組み合わせによ
り、安価な偏光変換を達成することができる。これに対
し、ＰＢＳ(polarizingbeam splitter)のように入射角
依存性の大きい偏光分離手段は、大きな角度で照明光を
射出するインテグレータロッド(22)とのマッチングが良
くない。したがって、ＰＢＳとインテグレータロッド(2
2)との組み合わせでは、高い効率で偏光分離を行うこと
が困難である。偏光分離効率が低ければ偏光変換効率も
低くなるため、光利用効率の向上は不可能である。

【００４４】高速駆動が可能な反射型液晶パネルを用い
た単板方式の表示装置では、明るさを確保するために、
偏光変換が特に必要とされる。また、表示装置にカラー
シーケンシャル方式(カラーホイール等を使ってＲ，
Ｇ，Ｂを順次切り替える方式)を採用する場合、インテ
グレータロッド(22)の出口のような集光部が、カラーホ
イールを配置するために必要となる。図１１等に示すよ
うなインテグレータロッド(22)と偏光分離素子(1又は1
1)との組み合わせによれば、コンパクトな構成でありな
がら明るさを確保し、かつ、カラーシーケンシャル方式
を採用することができる。これに対し、レンズアレイ方
式のインテグレータを用いた場合には集光部の構成が困
難であり、照明光学系全体の大型化を招くことにもな
る。

【００４５】図１３に、図１２とは異なる偏光変換を行
う照明光学系の光学構成を、偏光変換光路の断面(側面
側から見た状態)で示す。この照明光学系は、偏光分離
素子(1又は11)による偏光分離角が大きく{つまり回折格
子面(2a又は7a)による回折角が大きく}、それに対応す
るように１／２波長板(26)が配置されている点を除け
ば、図１２の照明光学系と同様に構成されている。した
がって、この照明光学系の色分解光路の断面(上面側か
ら見た状態)は図１１と同じである。回折格子ピッチを
小さくすることにより回折格子面(2a又は7a)による回折
角を大きくすると、Ｓ偏光が全体として大きな偏光分離
角で偏向することになるため、照明光学系の各部配置の
自由度を向上させることができる。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、偏
光分離素子が回折光学素子層と光学的異方体層と有する
構成になっているため、インテグレータロッドと組み合
わせた構成であっても、光利用効率の高い照明光学系を
実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】シート状の回折光学素子層を有する偏光分離素
子を示す断面図。

【図２】図１の偏光分離素子における透過効率及び回折
効率の波長依存性を示すグラフ。

【図３】図１の偏光分離素子における透過効率及び回折
効率の入射角依存性を示すグラフ。

【図４】複合型回折光学素子の回折格子面形成工程を示
す断面図。

【図５】図４の回折光学素子で構成された偏光分離素子
を示す断面図。

【図６】図５の偏光分離素子の一部(Ｚ部)を示す拡大
図。

【図７】図５の偏光分離素子の樹脂層端部(バリのある
部分)が保護剤で覆われた状態を示す拡大図。

【図８】図５の偏光分離素子の樹脂層端部(バリのない
部分)が保護剤で覆われた状態を示す拡大図。

【図９】図５の偏光分離素子の液晶注入口部分を示す拡
大図。

【図１０】図５の偏光分離素子の液晶注入口部分が封止
剤で覆われた状態を示す拡大図。

【図１１】偏光分離素子を備えた照明光学系の光学構成
を色分解光路の断面で示す図。

【図１２】偏光分離素子を備えた照明光学系の光学構成
を偏光変換光路の断面で示す図。

【図１３】図１２とは異なる偏光変換を行う照明光学系
の光学構成を偏光変換光路の断面で示す図。

【符号の説明】

1 …偏光分離素子 2 …回折光学素子層 2a …回折格子面 3 …液晶層(光学的異方体層) 4 …対向平板(透明基板) 4a …配向膜 6 …ガラス基板 7 …樹脂層(回折光学素子層) 7a …回折格子面 10 …回折光学素子 11 …偏光分離素子 20 …ランプ 20a …光源 21 …ＵＶ−ＩＲカットフィルター 22 …インテグレータロッド 25 …リレーレンズ 26 …１／２波長板(偏波面回転手段) 29 …液晶パネル B1 …樹脂層の形成領域 B2 …樹脂層の非形成領域

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2H088 EA13 EA15 EA47 EA48 HA10 HA11 HA15 HA20 HA24 HA25 HA28 MA01 MA06 2H091 FA10Z FA12Z FA19Z FA26Z FA41Z LA03 LA17 2H099 AA12 BA09 CA08 CA17 DA00 5C060 AA00 BA04 BA06 BC01 EA02 EA10 GA02 HC12 HC14 JA17

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 照明光を発する光源と、 前記光源からの照明光の空間的なエネルギー分布を均一
   化するインテグレータロッドと、 回折格子面を有し光学的に略等方な回折光学素子層と前
   記回折格子面に隣接する光学的異方体層とを備え、前記
   インテグレータロッドから射出した照明光を偏波面が互
   いに直交する２つの直線偏光に分離する偏光分離素子
   と、 前記偏光分離素子で分離された２つの直線偏光をリレー
   するリレーレンズと、 前記リレーレンズからの射出光の偏光状態が揃うよう
   に、リレーレンズの絞り位置又はその共役位置の近傍
   で、前記２つの直線偏光のうちの一方の偏波面を略90°
   回転させる偏波面回転手段と、 を有することを特徴とする照明光学系。
2. 【請求項２】 前記回折格子面がブレーズ形状を成すと
   ともに、以下の条件式及び、並びに条件式又は
   を満足することを特徴とする請求項１記載の照明光学
   系； 1.5＜H＜6 … 0.1＜Δn＜0.3 … np≒no … np≒ne … ただし、 H：回折格子高さ(μｍ)、 Δn：屈折率差｜np−no｜，｜np−ne｜のうちの大きい
   方の値、 np：回折光学素子層の屈折率、 no：常光に対する光学的異方体層の屈折率、 ne：異常光に対する光学的異方体層の屈折率、 である。
3. 【請求項３】 前記回折格子面が以下の条件式を満足
   することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の照明
   光学系； 5＜D＜15 … ただし、 D：回折格子ピッチ(μｍ)、 である。
4. 【請求項４】 前記光源と前記偏光分離素子との間にＵ
   Ｖ−ＩＲカットフィルターを有することを特徴とする請
   求項１〜３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 【請求項５】 前記偏波面回転手段が１／２波長板であ
   ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載
   の照明光学系。