JP2002341291A - 偏光光源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 液晶ライトバブル等を効率良く照明可能な小
型の２光源型偏光光源装置を提案すること。 【解決手段】 ２光源型偏光光源装置１では、光源１
４、２４の発光管１２、２２からの光束を反射鏡１３、
２３および凹レンズ１５、２５を用いて平行光束Ｌ１
２、Ｌ２２とすると共に、プリズム合成体からなる偏光
変換光学系の入射開口部１６ｂ、２６ｂの大きさとなる
ように圧縮している。偏光変換光学系は、プリズム合成
体からなる偏光分離素子１６、２６と反射素子１７、２
７とを備え、これらによって、照明領域Ａに対応する状
態で４つの出射光束が射出され、偏光変換素子１８、２
８によって、偏光方向が揃えられた状態で、照明領域Ａ
を照射する。偏光変換後の出射光を照明領域Ａに対応さ
せてあるので、光の利用効率の高い光源を実現できる。
また、プリズム合成体を用いて偏光変換光学系を構成し
ているので、小型でコンパクトな偏光光源装置を実現で
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、液晶プロジェクタ
ーなどの光源装置として使用される特定の偏光成分のみ
からなる偏光光束を照明光として出射可能な偏光光源装
置に関するものである。更に詳しくは、本発明は、２個
の光源を備えた小型で高輝度の偏光光源装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】液晶プロジェクターなどの液晶表示装置
においては、メタルハライドランプなどのアークランプ
やハロゲンランプからなる光源の出射光を液晶表示パネ
ルからなるライトバルブに照射し、当該ライトバルブに
おいて表示画像に対応する変調を施した後に、投写光学
系を介して投写面上に投写画像を形成するようになって
いる。

【０００３】画像情報に対応した変調を施すための液晶
ライトバルブは、特定の偏光成分のみを使用しており、
光源からの出射光をそのまま液晶表示パネルに照射して
も偏光方向が直交する二つの直線偏光成分における一方
の偏光成分は利用されないので、光の利用効率が悪く、
投写画像を明るくすることができない。

【０００４】そこで、従来においては、光源から出射さ
れる平行光を偏光変換光学系に導き、これを介して偏光
方向を揃えた後に液晶ライトバルブを照射することによ
り、光の利用効率を高め明るい投写画像を得るようにし
ている。

【０００５】例えば、特開平８−２９７３４号公報に
は、このような偏光変換光学系を備えた光源装置が開示
されている。図６に示すように、当該公開公報に記載さ
れている光源装置１００の偏光変換光学系は、光源光軸
上に配置された偏光ビームスプリッタ１０１を挟み、入
射側に配置された１／４波長板１０２および出射側に配
置された１／４波長板１０３と、１／４波長板１０３の
後方に配置された全反射ミラー１０４と、偏光ビームス
プリッタ１０１の側下方に配置された全反射ミラー１０
５とを備えている。

【０００６】偏光ビームスプリッタ１０１は光源１０７
から出射される平行光のうちのＳ偏光成分を直交方向に
反射し、Ｐ偏光成分をそのまま透過させる偏光分離膜１
０１ａが備わっている。

【０００７】この構成の光源装置１００において、光源
１０７からの出射光は１／４波長板１０２を介して偏光
ビームスプリッタ１０１に入射し、Ｓ偏光成分のみが直
角に反射されて図の上方に向けて出射される。一方のＰ
偏光成分の光は、偏光分離膜１０１ａを通過して、反対
側に配置されている１／４波長板１０３および反射鏡１
０４、１０５と光源１００の反射鏡１０６との間を少な
くとも７回は通過し、５回は偏光ビームスプリッタ１０
３を通過した後にＳ偏光成分の光となって、図の上方に
出射されることになる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来にお
ける偏光光源装置では、光源からの出射光のうち偏光変
換が施される光成分を、多数回にわたり１／４波長板や
偏光ビームスプリッタに通す必要がある。このために、
これらの光学素子を通過する際に発生する光量損失や、
偏光効率の劣化を無視できない。従って、偏光変換によ
る光の利用効率の向上はあまり期待できない。

【０００９】一方、偏光光源装置による照明対象の液晶
ライトバルブは、一般に横長の矩形形状をしており、そ
のアスペクト比は４：３であり、近年においては１６：
９の横長のものも採用されている。したがって、偏光光
源装置を用いて、このような矩形の照明領域を効率良く
照明できるようにすることが望ましい。

【００１０】本発明の課題は、このような点に鑑みて、
偏光変換を光量の損失や偏光効率の低下を招くことなく
行うことのできる高輝度の偏光光源装置を提案すること
にある。

【００１１】また、本発明の課題は、２個の光源を用い
て、矩形形状の照明領域を効率良く照射可能な小型の偏
光光源装置を提案することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、液晶プロジェ
クターなどのように特定の偏光成分からなる偏光光束を
照明光として使用する場合に用いられる偏光光源装置に
おいて、第１の発光管および当該第１の発光管からの発
散光を第１の出射開口部に向けて反射する第１の反射鏡
を備えた第１の光源と、この第１の光源の前記第１の出
射開口部から射出される第１の出射光束を断面が所定寸
法の第１の平行光束にする第１の平行光束形成光学系
と、この第１の平行光束に含まれる偏波方向が直交する
二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１
の偏光分離素子と、この第１の偏光分離素子を透過した
直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子で反射された直
線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射
素子と、前記第１の偏光分離素子あるいは前記第１の反
射素子で反射された直線偏光光の偏波面を９０度回転さ
せて他方の直線偏光光に変換する第１の偏光変換素子と
を有していることを特徴としている。

【００１３】この構成の偏光光源装置においては、光源
からの出射光束における一方の直線偏光成分は、偏光分
離素子を１回通り、他方の直線偏光成分は偏光分離素子
および偏光変換素子をそれぞれ１回ずつ通るのみであ
る。よって、偏光変換を、光量損失や偏光変換効率の低
下を招くことなく行うことができる。

【００１４】次に、本発明の偏光光源装置は、上記の構
成に加えて、第２の発光管および当該第２の発光管から
の発散光を第２の出射開口部に向けて反射する第２の反
射鏡を備えた第２の光源と、この第２の光源の前記第２
の出射開口部から射出される第２の出射光束を断面が所
定寸法の第２の平行光束にする第２の平行光束形成光学
系と、この第２の平行光束に含まれる偏波方向が直交す
る二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第
２の偏光分離素子と、この第２の偏光分離素子を透過し
た直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子で反射された
直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反
射素子と、前記第２の偏光分離素子あるいは前記第２の
反射素子で反射された直線偏光光の偏波面を９０度回転
させて他方の直線偏光光に変換する第２の偏光変換素子
とを有していることを特徴としている。

【００１５】ここで、前記第１および第２の偏光分離素
子を、前記第１および第２の出射光束に対して４５度傾
斜した偏光分離膜を備えたプリズム合成体とすることが
できる。同様に、前記第１および第２の反射素子を、前
記第１および第２の出射光束に対して４５度傾斜した全
反射膜を備えたプリズム合成体とすることができる。

【００１６】この場合、前記第１および第２の偏光分離
素子を構成しているプリズム合成体、並びに、前記第１
および第２の反射素子を構成しているプリズム合成体
を、照明領域に対応する矩形形状となるように、並列配
置することが望ましい。

【００１７】また、前記第１および第２の偏光変換素子
として、１／２波長板を用いればよい。

【００１８】本発明の偏光光源装置では、２個の光源を
備えた偏光光源装置における偏光分離・変換光学系を小
型でコンパクトに構成でき、しかも、矩形の照明領域を
効率良く照明することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を適用した２光源型の偏光光源装置の実施例を説明す
る。

【００２０】図１は、矩形の液晶ライトバルブを備えた
液晶プロジェクターの光源装置として用いられる偏光光
源装置の一例を示す光学系の概略構成図である。また、
図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、その側面構成図、
平面構成図および偏光変換光学系の部分を取り出して示
す構成図である。本例の偏光光源装置１は、２組の光源
と、各光源に対応して設けた２組の偏光変換光学系とを
備えた２光源型の偏光光源装置である。

【００２１】詳細に説明すると、本例の偏光光源装置１
は、発光管１２および当該発光管１２からの発散光を出
射開口部１３ａに向けて反射する反射鏡１３を備えた第
１の光源１４を備えている。反射鏡１３の反射面は楕円
面であり、出射開口部１３ａから射出される第１の出射
光束Ｌ１１は収束光束となる。この出射光束Ｌ１１は、
光源光軸１４ａと同軸状態に配置されている凹レンズ１
５によって平行光束Ｌ１２とされる。この平行光束Ｌ１
２は、次に述べる偏光分離素子１６の入射開口部に収ま
る断面寸法とされる。このように、本例では、反射鏡１
３と凹レンズ１５によって第１の光源１４の出射開口部
１３ａから射出される第１の出射光束Ｌ１を断面が所定
寸法の平行光束にする第１の平行光束形成光学系が構成
されている。

【００２２】凹レンズ１５から出射される平行光束Ｌ１
２は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反
射し、他方を透過する第１の偏光分離素子１６の入射開
口部１６ｂに入射される。本例では、この第１の偏光分
離素子１６は、２個の直角プリズムから構成され、平行
光束Ｌ１２に対して４５度傾斜した偏光分離膜１６ａを
備えたプリズム合成体である。また、本例では、偏光分
離膜１６ａによってＳ偏光光が反射され、Ｐ偏光光は当
該偏光分離膜１６ａをそのまま透過するようになってい
る。

【００２３】この第１の偏光分離素子１６の背面側には
第１の偏光分離素子１６を透過した直線偏光光であるＰ
偏光光を、当該第１の偏光分離素子１６で反射されたＳ
偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素
子１７が配置されている。本例では、この第１の反射素
子１７も、２個の直角プリズムから構成されており、平
行光束に対して４５度傾斜した全反射膜１７ａを備えた
プリズム合成体である。この第１の反射素子１７は１個
の直角プリズムにより構成してもよい。

【００２４】また、第１の反射素子１７における出射面
１７ｂには、当該第１の反射素子１７で反射されたＰ偏
光光をＳ偏光光に変換するための第１の偏光変換素子１
８が貼り付けられている。本例の第１の偏光変換素子１
８は１／２波長板である。なお、この第１の偏光変換素
子１８を第１の偏光分離素子１６のＳ偏光光の出射面に
貼り付けて、Ｓ偏光光をＰ偏光光に変換することもでき
る。

【００２５】次に、本例の偏光光源装置１は、上記と同
一構成の第２の光源および第２の偏光変換光学系を備え
ており、図２（ｂ）の平面構成図から分かるように、第
１および第２の光学系は点Ｏを中心として点対称の状態
に配列されている。

【００２６】すなわち、発光管２２および当該発光管２
２からの発散光を出射開口部２３ａに向けて反射する反
射鏡２３を備えた第２の光源２４を備えている。反射鏡
２３の反射面は楕円面であり、出射開口部２３ａから射
出される第２の出射光束Ｌ２１は収束光束となる。この
出射光束Ｌ２１は、光源光軸２４ａと同軸状態に配置さ
れている凹レンズ２５によって平行光束Ｌ２２とされ
る。

【００２７】凹レンズ２５から出射される平行光束Ｌ２
２は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反
射し、他方を透過する第２の偏光分離素子２６に入射さ
れる。本例では、この第２の偏光分離素子は、２個の直
角プリズムから構成され、平行光束Ｌ２２に対して４５
度傾斜した偏光分離膜２６ａを備えたプリズム合成体で
ある。また、本例では、偏光分離膜２６ａによってＳ偏
光光が反射され、Ｐ偏光光は当該偏光分離膜２６ａをそ
のまま透過するようになっている。

【００２８】この第２の偏光分離素子２６の背面側には
第２の偏光分離素子２６を透過した直線偏光光であるＰ
偏光光を、当該第２の偏光分離素子２６で反射されたＳ
偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素
子２７が配置されている。本例では、この第２の反射素
子２７も、２個の直角プリズムから構成されており、平
行光束に対して４５度傾斜した全反射膜２７ａを備えた
プリズム合成体である。この第２の反射素子２７を、１
個の直角プリズムから構成することもできる。

【００２９】また、第２の反射素子２７における出射面
２７ｂには、当該第２の反射素子２７で反射されたＰ偏
光光をＳ偏光光に変換するための第２の偏光変換素子２
８が貼り付けられている。本例の第２の偏光変換素子２
８は１／２波長板である。

【００３０】このように構成した本例の偏光光源装置１
では、図１、図２から分かるように、２個の直角プリズ
ムを貼り合わせて構成した直方体形状、または片側が直
角な面を有した梯形体形状をした第１および第２の偏光
分離素子１６、２６、並びに第１および第２の反射素子
１７、２７が、照明対象の液晶ライトバルブの照明領域
Ａに対応するように、矩形状に配列されている。そし
て、各素子からは、偏光方向がそろった同一断面形状の
直線偏光光、すなわち円形断面のＳ偏光光が出射され、
照明領域Ａを照射する。

【００３１】以上のように、第１および第２の光源１
４、２４からの出射光束Ｌ１１、Ｌ２１の断面を、偏光
分離素子１６、１７の入射開口部１６ｂ、１７ｂに収ま
るように縮小しているので、光量損失を抑え、偏光効率
の低下を抑制できる。また、出射光束Ｌ１１、Ｌ２１
は、偏光分離素子１６、２６、偏光変換素子１７、２７
を１回通過するだけなので、この点においても、光量損
失および偏光効率の低下を抑制できる。

【００３２】さらには、偏光変換された後の出射光束
は、照明領域Ａに対応する形状とされているので、矩形
の液晶ライトバルブを効率良く照明することが可能にな
る。

【００３３】さらにまた、プリズム合成体を用いて偏光
変換光学系を小型でコンパクトに構成することができる
ので、装置の小型化を実現できる。

【００３４】（その他の実施の形態）ここで、図１、２
に用いた光源１４、２４の反射鏡１３、２３は楕円面の
ものを用いており、光源１４、２４からの光を凹レンズ
１５、２５を用いて圧縮し、ほぼ平行光として偏光分離
素子に導くようにしている。光源からの出射光束を圧縮
して平行光束化する光学系としては、図３、図４および
図５に示す各実施の形態のものを用いることができる。
なお、これらの図においては図１、２における各部分に
対応する部位には同一の符号を付してある。

【００３５】これらの実施の形態では、光源１４、２４
の反射鏡１３、２３は放物面を用いたもので、平行光束
が出射するようになっているタイプのものである。即
ち、図３および図４においては、光源１４、２４からの
平行光束を、凸レンズ１９および凹レンズ１５からなる
エキスパンダー光学系、並びに、凸レンズ２９および凹
レンズ２５からなるエキスパンダー光学系を用いて偏光
分離素子１６、２６の入射開口部１６ｂ、２６ｂに収ま
るように圧縮し、エキスパンダー光学系の中間部分にＩ
Ｒ・ＵＶカットミラー２０１、２０２を配置したもので
ある。

【００３６】図５においては、光源からの平行光束を、
凸レンズ１９、１９Ａからなるエキスパンダー光学系、
および凸レンズ２９、２９Ａからなるエキスパンダー光
学系をそれぞれ用いて、偏光分離素子１６、２６の入射
開口部１６ｂ、２６ｂに収まるように圧縮し、エキスパ
ンダー光学系の中間部分にＩＲ・ＵＶカットミラー２０
１、２０２、およびＩＲ・ＵＶカットフィルタ２１１、
２１２を配置したものである。

【００３７】また、図１、２および図３の各光源装置で
は、偏光分離素子１６、２６の光の入射開口部１６ｂ、
２６ｂを側面に設けたものであり、図４および図５では
偏光分離素子１６、２６の光の入射開口部１６ｃ、２６
ｃを、側面１６ｂ、２６ｂに隣接している直交する同一
側の側面に設けるように光学系を構成してある。

【００３８】いずれの実施例においても、偏光変換光学
系の偏光分離素子１６、２６において、直交する二つの
直線偏光光を分離する偏光分離面１６ａ、２６ａにより
Ｓ偏光成分が反射して、それらの出射面１７ｂ、２７ｂ
から出射するようにすると、もう一方のそれと直交する
Ｐ偏光成分は偏光分離膜１６ａ、２６ａを通過し、反射
素子１７、２７の４５度傾斜した全反射膜１７ａ、２７
ａで反射した後、１／２波長板１８、２８を通過してＳ
偏光成分となって、先のＳ偏光成分と同様に偏光変換光
学系の出射面１７ｂ、２７ｂから出射する。

【００３９】これら偏光変換光学系から直接に出射した
２つのＳ偏光成分からなる出射光束と、Ｐ偏光成分が１
／２波長板１８、２８によりＳ偏光成分となった２つの
Ｓ偏光成分からなる出射光束とは、必要とする画面サイ
ズ（Ａ）に対応するように矩形状に配列された状態にな
る。

【００４０】なお、上記の各例では、Ｓ偏光成分をその
まま出射し、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分に変換するように
しているが、この関係を逆にすることも可能である。

【００４１】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、光源
からの光束を、ほぼ平行光束とすると同時に偏光変換光
学系の入射開口部の大きさまでに圧縮し、これを偏光分
離素子および偏向変換素子を１回だけ通して偏光方向が
そろった直線偏光として、照明領域を照射するようにし
ている。従って、本発明によれば、光源からの光束の利
用効率を高めることができ、また、偏光分離素子および
偏光変換素子を複数回通過することによる光量損失およ
び偏光効率の低下を抑制できる。よって、高輝度の偏光
光源装置を実現できる。

【００４２】また、本発明では、２つの光源と、各光源
からの出射光束をひとつの直線偏光光に変換する２つの
偏光変換光学系を備えた偏光光源装置において、上記の
ように高輝度化を図ると共に、プリズム合成体などから
なる偏光分離素子および反射素子を用いて、矩形の照明
領域に対応するように、偏光変換後の光束を出射できる
ようにしている。従って、光の利用効率の高い偏光光源
装置を実現できる。また、偏光変換光学系を、プリズム
合成体からなる偏光分離素子および反射素子を並列配置
することにより構成しているので、当該偏光変換光学系
を小型でコンパクトに構成できる。よって、小型の２光
源型の偏光光源装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した偏光光源装置の一例を示す概
略構成図である。

【図２】（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は、それぞれ、図
１の偏光光源装置の側面構成図、平面構成図および偏光
変換光学系の部分を取り出して示す構成図である。

【図３】図１の偏光光源装置の変形例を示す概略側面構
成図、およびその部分平面図である。

【図４】図１の偏光光源装置の変形例を示す概略構成図
である。

【図５】図１の偏光光源装置の変形例を示す概略構成図
である。

【図６】従来の偏光光源装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１ 偏光光源装置 １２、２２ 発光管 １３、２３ 反射鏡 １４、２４ 光源 １５、２５ 凹レンズ １６、２６ 偏光分離素子 １６ａ、２６ａ 偏光分離膜 １６ｂ、２６ｂ 偏光変換光学系の入射開口部 １７、２７ 反射素子 １７ａ、２７ａ 全反射膜 １８、２８ 偏光変換素子 １９、１９Ａ、２９、２９Ａ 凸レンズ ２０１、２０２ ＩＲ・ＵＶカットミラー ２１１、２１２ ＩＲ・ＵＶカットフィルタ

───────────────────────────────────────────────────── 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） Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｚ (72)発明者 松井 俊雄 長野県諏訪市中洲5531−56 Ｆターム(参考） 2H042 CA06 CA14 CA17 2H049 BA05 BA06 BB61 BC22 2H091 FA10Z FA14Z FA21Z FA26Z FA41Z LA03 MA07 2H099 AA12 BA09 CA02 CA08 DA05 5C058 BA05 BA35 EA26 EA51

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の発光管および当該第１の発光管か
   らの発散光を第１の出射開口部に向けて反射する第１の
   反射鏡を備えた第１の光源と、 この第１の光源の前記第１の出射開口部から射出される
   第１の出射光束を断面が所定寸法の第１の平行光束にす
   る第１の平行光束形成光学系と、 前記第１の平行光束に含まれる偏波方向が直交する二つ
   の直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏
   光分離素子と、 この第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該
   第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向
   と平行な方向に反射する第１の反射素子と、 前記第１の偏光分離素子あるいは前記第１の反射素子で
   反射された直線偏光光の偏波面を９０度回転させて他方
   の直線偏光光に変換する第１の偏光変換素子とを有して
   いることを特徴とする偏光光源装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、更に、 第２の発光管および当該第２の発光管からの発散光を第
   ２の出射開口部に向けて反射する第２の反射鏡を備えた
   第２の光源と、 この第２の光源の前記第２の出射開口部から射出される
   第２の出射光束を断面が所定寸法の平行光束にする第２
   の平行光束形成光学系と、 前記第２の平行光束に含まれる偏波方向が直交する二つ
   の直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第２の偏
   光分離素子と、 この第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該
   第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向
   と平行な方向に反射する第２の反射素子と、 前記第２の偏光分離素子あるいは前記第２の反射素子で
   反射された直線偏光光の偏波面を９０度回転させて他方
   の直線偏光光に変換する第２の偏光変換素子とを有して
   いることを特徴とする偏光光源装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記第１の偏光分離素子は、前記第１の出射光束に対し
   て４５度傾斜した偏光分離膜を備えたプリズム合成体で
   あり、 前記第１の反射素子は、前記第１の出射光束に対して４
   ５度傾斜した全反射膜を備えたプリズム合成体であるこ
   とを特徴とする偏光光源装置。
4. 【請求項４】 請求項２において、 前記第１および第２の偏光分離素子は、前記第１および
   第２の出射光束に対して４５度傾斜した偏光分離膜を備
   えたプリズム合成体であり、 前記第１および第２の反射素子は、前記第１および第２
   の出射光束に対して４５度傾斜した全反射膜を備えたプ
   リズム合成体であることを特徴とする偏光光源装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、 前記第１および第２の偏光分離素子を構成しているプリ
   ズム合成体、並びに、前記第１および第２の反射素子を
   構成しているプリズム合成体は、照明領域に対応する矩
   形形状となるように、並列配置されていることを特徴と
   する偏光光源装置。
6. 【請求項６】 請求項５において、 前記第１および第２の偏光変換素子は、１／２波長板で
   あることを特徴とする偏光光源装置。