JP2008203293A - 多波長偏光変換素子、照明ユニット及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光路分離部の配列ピッチと同ピッチでＬＥＤを配置することが可能な構成の多波長対応の多波長偏光変換素子を実現する。
【解決手段】本発明の多波長偏光変換素子では、「配列した無偏光ビームに対応して配列され、該無偏光ビームを互いに偏光方向が直交する第１の偏光方向の偏光ビームと第２の偏光方向の偏光ビームに分離する機能と、無偏光ビームまたは偏光ビームの波長に応じて該ビームを透過または反射する機能とを有する光路分離部４」と、「偏光ビームの偏光方向を変換する機能を有する偏光方向変換部３」を備え、配列した光路分離部４において隣接する光路分離部には波長（λ１、λ２、λ３）が異なる無偏光ビームを入射し、光路分離部４と偏光方向変換部３を介して偏光の揃った多波長の偏光ビームに変換して出射する。これにより光路分離部の配列ピッチと同ピッチでＬＥＤを配置することが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、配列した無偏光ビームを、配列した偏光の揃ったビームに変換して出射する多波長偏光変換素子と、その多波長偏光変化素子を用いた照明ユニットと、その照明ユニットを用いたプロジェクタ装置、プロジェクションテレビ等の画像表示装置に関する。

従来、異なる波長の光ビームを偏光変換素子の隣接する膜部に入射させて、一方をＰ偏光に、他方をＳ偏光に揃えて射出し、射出された光の面内照度分布を均一化する照明光学系と、その照明光学系を用いたプロジェクタが提案されている（例えば特許文献１参照）。
この特許文献１に記載の発明では、液晶プロジェクタ装置の第１フライアイレンズと第２フライアイレンズの間に光路を略直角に曲げる全光路をカバーする大きさのダイクロイックミラーとそれに非平行な反射ミラーを設けてビームを緑（Ｇ）と赤（Ｒ）＋青（Ｂ）に２分するとともに、両波長間でビームの方向をずらし、偏光変換素子の隣接する膜（反射膜と偏光分離膜（ＰＢＳ膜））に導き、偏光変換素子透過後の光をＧはＰ偏光に揃え、Ｒ＋ＢはＳ偏光に揃え、後段に配された色分離・合成光学系の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）でＧは透過、Ｒ＋Ｂは反射させ、さらにＰＢＳの後段に配されたダイクロイックプリズムでＲとＢを分離し、それぞれの色に対応する反射型液晶パネルを照明する。

上記の従来技術は、各波長の液晶パネルに所定の波長の光を効率よく分離して導くことを目的としているが、光源ランプからの光束を色光分離光学素子で緑（Ｇ）色光と、赤（Ｒ）＋青（Ｂ）色光に分離して用いており、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた構成ではない。従って、ＬＥＤアレイを密に配置することを狙った本発明とは趣旨も違い、ＬＥＤ光源を用いたプロジェクタ装置への適用も難しい。

ＷＯ２００３／００１２７７公報 特表２０００−５１０９６１公報

近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）の発光効率が著しく上がり、照明光源としての利用が活発化している。屋内照明や車のヘッドランプ等への展開が先行しているが、プロジェクタにおいてもＬＥＤを光源としたポケットプロジェクタ等の試作品が出されたりして実用化の方向へ進んでいる。
しかしながら、ＬＥＤをプロジェクタ装置の光源としてみたとき、光量不足の感は否めず、現行の高圧水銀ランプ等の光源に取って代るには、ＬＥＤ自体の高出力化はもちろんのこと、光学系の光利用効率の向上、アレイ化配列数の増大、液晶プロジェクタ装置における偏光変換等、数々のハードルを越える必要がある。
そこで、本発明では、液晶プロジェクタ装置等の画像表示装置の光源としてＬＥＤを用いたときに発生する偏光変換の問題と、アレイ化配列数の向上を図ることを目的としている。

一般に液晶をライトバルブとして備えたプロジェクタ装置（液晶プロジェクタ装置）では、ライトバルブの照射光の偏光方向を揃えるために偏光変換素子が用いられている。偏光変換素子は例えば図２１に示すような構成であり、この偏光変換素子１００は、偏光分離膜（ＰＢＳ膜）１０１と反射膜１０２と１／２波長板１０３を組み合わせたものを１ユニットとして、これをアレイ状に配列したものが一般的である。
図示しない光源から出射された無偏光ビームはフライアイレンズ１０４等で偏光変換素子１００に集光され、偏光変換素子１００の偏光分離膜１０１に入射した偏光の揃わないビームは、偏光分離膜１０１でＰ偏光ビーム（透過光）とＳ偏光ビーム（反射光）に分離される。Ｓ偏光ビームは反射面１０２で反射されてＰ偏光ビームと平行なビームになる。このＰ偏光ビームとＳ偏光ビームのいずれか一方の光路上に１／２波長板１０３を配置すれば、偏光の揃ったビームが得られる。

また、反射膜の変わりに偏光分離膜（ＰＢＳ膜）としても同様な効果が得られる。偏光分離膜から反射されるビームは全てＳ偏光なので、反射膜の変わりにＰＢＳ膜としても、このＰＢＳ膜は全てのビームを反射するので、ＰＢＳ膜を反射機能膜として用いることができる。

しかしながら、この反射機能膜として用いるＰＢＳ膜に透過光を入射させることはできない。同一ＰＢＳ膜部に反射光と透過光が入射されると、ＰＢＳ膜の後段にＰ偏光とＳ偏光が混在してしまい偏光が分離されなくなってしまうからである。従って従来の偏光変換素子１００では、入射光の配列ピッチは偏光変換素子１００の膜のピッチの２倍にする必要がある。

このような偏光変換素子１００はフライアイレンズと組み合わせて用いられるのが一般的である。図２２は従来の液晶プロジェクタ装置の構成の一例を示す図である。光源ユニット１１０の光源ランプ（高圧水銀ランプ等）１１１ａから発した光はリフレクタ１１１ｂで略平行なビームになる。このビームは第１フライアイレンズ１１２で分割されて第２フライアイレンズ１１３の位置に集光される。このビームは偏光変換素子１００で偏光の揃ったビームとなり、第１コンデンサレンズ１１４を透過後、反射ミラー１１５，１１８，１２０，１２２、ダイクロイックミラー１１６，１１７、集光レンズ１１９，１２１、第２コンデンサレンズ１２３Ｒ，１２３Ｇ，１２３Ｂ等からなる光学系を介して各色の液晶ライトバルブ１２４Ｒ，１２４Ｇ，１２４Ｂ上に照射される。図２２の例では、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３系統の照明光が必要であるので、第１コンデンサレンズ１１４の後段で、ダイクロイックミラー１１６，１１７によりＲ、Ｇ、Ｂの３系統に分離される。

偏光変換素子１００は第２フライアイレンズ１１３の直後に置かれ、前述のように偏光方向を揃える役目を担う。このような一般的な液晶プロジェクタ装置の照明系においては、偏光変換素子１００に入射するビームの径は第１フライアイレンズ１１２によって絞られた位置の直近であるため、第２フライアイレンズ１１３のピッチよりもずっと小さくなっている。従って、フライアイレンズ１１２，１１３のピッチに合わせて偏光変換素子１００の偏光分離膜１０１を構成し、その間に反射膜１０２を構成しても、光量の損失は発生しない。

一方、この偏光変換素子１００をＬＥＤ光源と組み合わせて用いることを考えると、事情が違ってくる。ＬＥＤは面積をもつ面光源であるため平行光を得ることはできず、拡散光となってしまう。そのため、フライアイレンズで集光することは困難で、ビームがフライアイレンズのサイズを維持することさえ難しい。
仮に図２２の第１フライアイレンズ１１２の後のビーム幅を第２フライアイレンズ１１３のサイズに維持することができたとしても、偏光変換素子１００の部分で半分は遮光しなくてはならず、これでは偏光変換素子１００で偏光を揃えて光量を稼いでも意味が無いことになる。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、従来技術の不具合を解消すべく、偏光変換素子の光路分離部の配列ピッチと同ピッチでＬＥＤを配置することが可能な構成の多波長対応の多波長偏光変換素子を提供することを目的とする。
また、本発明は、上記の多波長偏光変換素子を用い、照明効率を改善した照明ユニットを提供することを目的とする。
さらに本発明は、上記の照明効率を改善した照明ユニットを用い、明るい表示画像が得られる画像表示装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明では以下のような手段を採っている。
本発明の第１の手段は、配列した無偏光ビームを、偏光方向の揃った配列した偏光ビームに変換して出射する多波長偏光変換素子において、「配列した無偏光ビームに対応して配列され、該無偏光ビームを互いに偏光方向が直交する第１の偏光方向（Ｐ偏光（またはＳ偏光））の偏光ビームと第２の偏光方向（Ｓ偏光（またはＰ偏光））の偏光ビームに分離する機能と、前記無偏光ビームまたは前記偏光ビームの波長に応じて該ビームを透過または反射する機能とを有する光路分離部」と、「前記偏光ビームの偏光方向を変換（Ｐ偏光をＳ偏光に、またはＳ偏光をＰ偏光に変換）する機能を有する偏光方向変換部」を備え、前記配列した光路分離部において隣接する光路分離部には波長が異なる無偏光ビームを入射し、前記光路分離部と前記偏光方向変換部を介して偏光の揃った多波長の偏光ビームに変換して出射することを特徴とする。

本発明の第２の手段は、第１の手段の多波長偏光変換素子において、前記光路分離部は、入射光軸に対して傾斜して配置され、前記無偏光ビームを互いに偏光方向が直交する第１の偏光方向の偏光ビームと第２の偏光方向の偏光ビームに分離する偏光分離膜と、前記無偏光ビームまたは前記偏光ビームの波長に応じて該ビームを透過または反射するダイクロイック膜とを平行に重ねて配設した光路分離膜からなり、前記偏光分離膜は前記無偏光ビームを第１の偏光方向（Ｐ偏光（またはＳ偏光））の偏光ビームからなる透過光と第２の偏光方向（Ｓ偏光（またはＰ偏光））の偏光ビームからなる反射光に分離し、前記ダイクロイック膜は前記光路分離部に入射された無偏光ビームまたは前記偏光分離膜を透過した第１の偏光方向の偏光ビームを透過するとともに、隣接する前記光路分離膜の前記偏光分離膜で反射された前記波長の異なる第２の偏光方向の偏光ビームを反射することを特徴とする。

本発明の第３の手段は、第２の手段の多波長偏光変換素子において、前記偏光方向変換部は、前記偏光ビームの偏光面を９０度回転して偏光方向を変換する１／２波長板の機能を有し、該偏光方向変換部を前記光路分離部に沿うように傾斜して一体に配設したことを特徴とする。
また、本発明の第４の手段は、第２または第３の手段の多波長偏光変換素子において、前記ダイクロイック膜が、前記無偏光ビームの入射方向に対して最後段に配設されていることを特徴とする。

本発明の第５の手段は、第１の手段の多波長偏光変換素子において、前記光路分離部は、入射光軸に対して傾斜して配置され、前記無偏光ビームを第１の偏光方向（Ｐ偏光（またはＳ偏光））の偏光ビームからなる透過光と第２の偏光方向（Ｓ偏光（またはＰ偏光））の偏光ビームからなる反射光に分離する偏光分離膜からなり、かつ前記偏光分離膜は、隣接する前記光路分離部の偏光分離膜で反射された前記波長の異なる第２の偏光方向（Ｓ偏光（またはＰ偏光））の偏光ビームを反射する２波長対応の偏光分離膜であることを特徴とする。

本発明の第６の手段は、第５の手段の多波長偏光変換素子において、前記偏光方向変換部は前記偏光分離膜の後段の光路中に配置され、特定の波長の偏光ビームの偏光面を９０度回転して偏光方向を変換する波長選択性の波長板の機能を有し、前記偏光方向変換部は、前記偏光分離膜を透過した偏光ビームと、隣接する光路分離部の偏光分離膜で反射され、前記偏光分離膜で再度反射された波長の異なる偏光ビームのいずれか一方に対してのみ１／２波長板として作用し、もう一方に対しては１／２波長板として作用しないことを特徴とする。

本発明の第７の手段は、第１〜第６のいずれか１つの手段の多波長偏光変換素子において、前記無偏光ビームの光路数を、波長に応じて異なるようにしたことを特徴とする。
また、本発明の第８の手段は、第１〜第７のいずれか１つの手段の多波長偏光変換素子において、前記無偏光ビームは、波長６５０ｎｍ近傍の赤色域、波長５５０ｎｍ近傍の緑色域、波長４５０ｎｍ近傍の青色域の無偏光ビームとするとともに、前記緑色域の波長の無偏光ビームに対応する光路を、他の色の波長の光路よりも多くしたことを特徴とする。
さらに本発明の第９の手段は、第８の手段の多波長偏光変換素子において、前記緑色域の波長の無偏光ビームに対応する光路を、１つ飛びに配したことを特徴とする。

本発明の第１０の手段は、照明ユニットであり、第１〜第９のいずれか１つの手段の多波長偏光変換素子を備え、前記配列した無偏光ビームを出射する光源として、波長の異なる複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第１１の手段は、第１０の手段の照明ユニットにおいて、前記光源は、波長６５０ｎｍ近傍の赤色域、波長５５０ｎｍ近傍の緑色域、波長４５０ｎｍ近傍の青色域の無偏光ビームをそれぞれ出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする。

本発明の第１２の手段は、第１０または第１１の手段の照明ユニットにおいて、前記発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射された無偏光ビームを前記多波長偏光変換素子にカップリングするカップリング光学系を備えたことを特徴とする。
また、本発明の第１３の手段は、第１２の手段の照明ユニットにおいて、前記カップリング光学系として、凸面付きテーパロッドアレイを用いたことを特徴とする。
さらに本発明の第１４の手段は、第１０〜第１３のいずれか１つの手段の照明ユニットにおいて、前記多波長偏光変換素子から出射された偏光の揃ったビームを集光する集光光学系を備えたことを特徴とする。

本発明の第１５の手段は、画像表示装置であり、第１０〜第１４のいずれか１つの手段の照明ユニットと、画像表示素子を有することを特徴とする。
また、本発明の第１６の手段は、第１５の手段の画像表示装置において、前記照明ユニットが１系統で構成されていることを特徴とする。
さらに本発明の第１７の手段は、第１５または第１６の手段の画像表示装置において、前記画像表示素子の画像を投射する投射レンズを有することを特徴とする。

本発明の多波長偏光変換素子では、「配列した無偏光ビームに対応して配列され、該無偏光ビームを互いに偏光方向が直交する第１の偏光方向（Ｐ偏光（またはＳ偏光））の偏光ビームと第２の偏光方向（Ｓ偏光（またはＰ偏光））の偏光ビームに分離する機能と、前記無偏光ビームまたは前記偏光ビームの波長に応じて該ビームを透過または反射する機能とを有する光路分離部」と、「前記偏光ビームの偏光方向を変換（Ｐ偏光をＳ偏光に、またはＳ偏光をＰ偏光に変換）する機能を有する偏光方向変換部」を備え、前記配列した光路分離部において隣接する光路分離部には波長が異なる無偏光ビームを入射し、前記光路分離部と前記偏光方向変換部を介して偏光の揃った多波長の偏光ビームに変換して出射するので、多波長偏光変換素子の光路分離部及び偏光方向変換部の配列ピッチと同ピッチで光源（例えばＬＥＤ）を配置することが可能となり、従来の偏光変換素子に比べて光量を増やすことができ、明るい照明系を構成することが可能となる。
また、多波長偏光変換素子の光路分離部を偏光分離膜とダイクロイック膜で構成することにより、偏光方向変換部に共通の１／２波長板を用いて、多波長偏光変換素子を実現することができる。
また、偏光方向変換部に波長選択性の波長板を用いることで、光路分離部を偏光分離膜のみで構成することができ、簡易な構成の多波長偏光変換素子を実現することができる。

さらに、無偏光ビームの光源として複数の波長のＬＥＤを配列して用いる場合に、本発明の多波長偏光変換素子を用いることにより、ＬＥＤのアレイ数を従来タイプの偏光変換素子を用いる場合に比べて倍近く取ることができ、明るい照明ユニットを構成できる。
また、液晶ライトバルブ等の画像表示素子を用いるプロジェクタ装置等の画像表示装置の照明系に本発明の照明ユニットを用いることにより、ＬＥＤのアレイ数を従来の偏光変換素子を用いた照明系に比べて倍近く取ることができ、明るい照明ユニットにより明るい画像表示を行うことができる液晶プロジェクタ装置等の画像表示装置を実現することができる。

さらに、従来の偏光変換素子を用いた場合には、明るい照明系を得るために複数系統の照明系からの照明光をダイクロイックプリズム等で合成する必要があったが、本発明の多波長偏光変換素子を用いることで１系統の照明系で済ませられ、小型で且つ簡易な照明ユニット及び画像表示装置を構成することができる。

以下、本発明の構成、動作及び作用を、図示の実施例に基づいて詳細に説明する。

［実施例１］
図１は本発明の一実施例を示す多波長偏光変換素子の構成説明図である。
図１（ａ）は多波長偏光変換素子１０Ａの断面構成例を示す部分断面図であり、透明なガラス部材５の間に、光路分離部である偏光分離膜１とダイクロイック膜２（２−１，２−２，２−３）からなる光路分離膜４と、偏光方向変換部である斜入射対応型の１／２波長膜（または１／２波長板）３とを重ねて、入射光軸に対して４５°に傾斜して複数列配置したものである。また、本明細書中においては、偏光分離を行なうために、偏光分離膜を用いている。これは、他の構成との関係から作製のし易さを考慮したものである。しかしながら、偏光分離を行なう構成として、ワイヤグリットを用いることでも対応が可能であることは言うまでもない。このワイヤグリッドを用いると、透過光をＰ偏光とし、反射光をＳ偏光とすることも可能であるし、また、透過光をＳ偏光とし、反射光をＰ偏光とすることも可能となる。

図１（ａ）において、光路分離膜４と１／２波長膜３の組は図示しない光源（例えばＬＥＤ）からの無偏光ビームの配列数と同数であり、光路分離膜４を構成する偏光分離膜１は、無偏光ビームを第１の偏光方向（例えばＰ偏光）の偏光ビームからなる透過光と第２の偏光方向（例えばＳ偏光）の偏光ビームからなる反射光に分離する機能を有している。なお、この光路分離膜４は、第１の偏光方向がＰ偏光であり、第２の偏光方向がＳ偏光である場合について記載したが、第１の偏光方向がＳ偏光であり、第２の偏光方向がＰ偏光であっても良い。この場合は、次に示す構成において、Ｓ偏光とＰ偏光の取扱いにより対応関係が変わるものがあるが、適宜に対応関係を読み替えて実施可能であることは理解される。
また、ダイクロイック膜２（２−１，２−２，２−３）は２波長対応の波長選択機能を有するものであり、ダイクロイック膜２−１は、波長λ１のビーム（無偏光ビームまたは偏光ビーム）を透過し、波長λ３のビームを反射する。また、ダイクロイック膜２−２は、波長λ２のビーム（無偏光ビームまたは偏光ビーム）を透過し、波長λ１のビームを反射する。さらに、ダイクロイック膜２−３は、波長λ３のビーム（無偏光ビームまたは偏光ビーム）を透過し、波長λ２のビームを反射する。

偏光方向変換部である１／２波長膜（斜入射対応型）３は、偏光ビームの偏光面を９０度回転して偏光方向を変換する１／２波長板としての機能を有している。すなわち、１／２波長膜３を透過したＰ偏光はＳ偏光に、Ｓ偏光はＰ偏光に変換される。
なお、図１（ａ）では波長λ１〜λ３の３波長の無偏光ビームに対応する構成としているが、複数波長ならば、異なる波長の数は幾つでも対応可能である。また、図１（ａ）は多波長偏光変換素子１０Ａの一部を示すものであり、光路分離膜４と１／２波長膜３の組の配列数を４つに規定したものではなく、配列数は適宜設定される。

図１（ａ）に示すようにな光路分離膜４と１／２波長膜３とを重ねて入射光軸に対して４５°に傾斜して複数列配置した構成の多波長偏光変換素子１０Ａの作製方法の一例としては、図２に示すように、透明な平行平板状のガラス部材５の上に偏光分離膜１とダイクロイック膜２及び１／２波長膜３を重ねて形成したものを作製し、さらにそれを必要な配列数分、多段に重ねて接合（透明接着剤による接着等）した積層構造物を形成する。次に図２に示すように、積層構造物を破線Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの部分で切断し、破線Ａ，Ｂの切断面を光学研磨することにより、図１（ａ）に示すような構造の多波長偏光変換素子１０Ａを容易に作製することができる。

図１（ａ）に示す構造の多波長偏光変換素子１０Ａでは、無偏光ビームの入射側から見て、偏光分離膜１、ダイクロイック膜２、１／２波長膜３の順に配置されているが、この限りではなく、偏光分離膜１、ダイクロイック膜２、１／２波長膜３の各膜の並びの順で図３から図８までの組み合わせが考えられる。
この場合、偏光変換素子としての性能的な優劣の差は殆ど無いので、設計のしやすさと作りやすさによって適宜選択することができるが、偏光分離膜１の後段に１／２波長膜３があれば、出射光はＳ偏光となり、偏光分離膜１の前段に１／２波長膜３があれば出射光はＰ偏光となる。

より具体的に説明すると、図３は入射ビームに対し、偏光分離膜１、１／２波長膜３、ダイクロイック膜２の順序で並べた実施例であり、光路分離部と偏光方向変換部は一体に配設されている。この配置例では、波長λ１の入射ビームは偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される。反射光（Ｓ偏光）はそのまま右隣の図示しない光路分離部へ向かう。透過光（Ｐ偏光）は１／２波長膜３でＳ偏光に変換され、ダイクロイック膜２をそのまま透過する。従ってＳ偏光で出射される。一方、図の左側に隣接する図示しない光路分離部からの波長の異なる反射光（波長λ３のＳ偏光）はダイクロイック膜２で反射されてＳ偏光のまま出射される。

次に図４は入射ビームに対し、偏光分離膜１、ダイクロイック膜２、１／２波長膜３の順序で並べた実施例であり、光路分離部の後段に偏光方向変換部が一体に配設されている。この配置例では、波長λ１の入射ビームは偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される。反射光（Ｓ偏光）はそのまま右隣の図示しない光路分離部へ向かう。透過光（Ｐ偏光）はダイクロイック膜２をそのまま透過し、１／２波長膜３でＳ偏光に変換される。従ってＳ偏光で出射される。一方、図の左側に隣接する図示しない光路分離部からの波長の異なる反射光（波長λ３のＳ偏光）は、１／２波長膜３で一度Ｐ偏光に変換され、ダイクロイック膜２で反射された後、再び１／２波長膜３でＳ偏光に変換されて出射される。

次に図５は入射ビームに対し、ダイクロイック膜２、偏光分離膜１、１／２波長膜３の順序で並べた実施例であり、光路分離部の後段に偏光方向変換部が一体に配設されている。この配置例では、波長λ１の入射ビームはダイクロイック膜２をそのまま透過し、偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される。反射光（Ｓ偏光）は再びダイクロイック膜２をそのまま透過し、右隣の図示しない光路分離部へ向かう。透過光（Ｐ偏光）は１／２波長膜３でＳ偏光に変換される。従ってＳ偏光で出射される。一方、図の左側に隣接する図示しない光路分離部からの波長の異なる反射光（波長λ３のＳ偏光）は１／２波長膜３でＰ偏光に変換され、偏光分離膜１を透過し、ダイクロイック膜２で反射された後、再び偏光分離膜１を透過し、１／２波長膜で再びＳ偏光に変換されて出射される。

次に図６は入射ビームに対し、ダイクロイック膜２、１／２波長膜３、偏光分離膜１の順序で並べた実施例であり、光路分離部と偏光方向変換部が一体に配設されている。この配置例では、波長λ１の入射ビームはダイクロイック膜２をそのまま透過し、１／２波長膜３を透過してもまだランダム偏光のままで、偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される。そして透過光（Ｐ偏光）はそのままＰ偏光で出射される。反射光（Ｓ偏光）は再び１／２波長膜３を透過してＰ偏光に変換され、そのままダイクロイック膜２を透過して右隣の図示しない光路分離部へ向かう。一方、図の左側に隣接する図示しない光路分離部からの波長の異なる反射光（波長λ３のＰ偏光）は偏光分離膜１を透過し、１／２波長膜３で一度Ｓ偏光に変換され、ダイクロイック膜２で反射された後、１／２波長膜３で再びＰ偏光に変換され、偏光分離膜１を透過してＰ偏光で出射される。

次に図７は入射ビームに対し、１／２波長膜３、ダイクロイック膜２、偏光分離膜１の順序で並べた実施例であり、光路分離部の前段に偏光方向変換部が一体に配設されている。この配置例では、波長λ１の入射ビームは１／２波長膜３を透過してもまだランダム偏光のままで、ダイクロイック膜２をそのまま透過し、偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される。そして透過光（Ｐ偏光）はそのままＰ偏光で出射される。反射光（Ｓ偏光）は再びダイクロイック膜２をそのまま透過し、１／２波長膜３でＰ偏光に変換されて右隣の図示しない光路分離部へ向かう。一方、図の左側に隣接する図示しない光路分離部からの波長の異なる反射光（波長λ３のＰ偏光）は偏光分離膜１を透過し、ダイクロイック膜２で反射された後、再び偏光分離膜１を透過してＰ偏光で出射される。

次に図８は入射ビームに対し、１／２波長膜３、偏光分離膜１、ダイクロイック膜２の順序で並べた実施例であり、光路分離部の前段に偏光方向変換部が一体に配設されている。この配置例では、波長λ１の入射ビームは１／２波長膜３を透過してもまだランダム偏光のままで、偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される。そして透過光（Ｐ偏光）はダイクロイック膜２をそのまま透過してＰ偏光で出射される。反射光（Ｓ偏光）は再び１／２波長膜３を透過してＰ偏光に変換されて右隣の図示しない光路分離部へ向かう。一方、図の左側に隣接する図示しない光路分離部からの波長の異なる反射光（波長λ３のＰ偏光）はダイクロイック膜２で反射されてＰ偏光のまま出射される。

以上の６通りの例を偏光分離膜１、ダイクロイック膜２、１／２波長膜３の各膜が対応すべき波長という観点で整理すると下記の表１のようになり、ダイクロイック膜２を最後段にする図３あるいは図８の構成が設計上からは一番簡易な構成である。すなわち、図３あるいは図８の構成では、図の左側に隣接する図示しない光路分離部からの波長の異なる反射光（波長λ３のＳ偏光あるいはＰ偏光）はダイクロイック膜２で反射されてそのまま出射されるので、偏光分離膜１と１／２波長膜３は１波長対応のものでよく、設計が簡単になる。但し、入射ビームの波長の数だけ違う膜の組み合わせが必要になる（波長が図１のようにλ１〜λ３の３通りの場合、膜の組み合わせは、表１のように×３通りとなる）。なお、ダイクロイック膜２以外の偏光分離膜１と１／２波長膜３は、全波長をカバーするような設計をすれば製造上は単純になる。

なお、図１（ａ）の多波長偏光変換素子１０Ａは図４に対応する膜構成の例であるが、これを上下反転して用いれば図１（ｂ）のような膜構成（図７の膜構成の例）の多波長偏光変換素子１０Ｂになり、同じ波長配列の入射ビームに対して、同一の多波長偏光変換素子を上下反転して横に１ピッチずらすことにより、出射光の偏光をＰ偏光とＳ偏光のどちらでも採り得るようにすることができる。

以上のような構成の本実施例の多波長偏光変換素子１０Ａ（または１０Ｂ）では、光路分離部及び偏光方向変換部の配列ピッチと同ピッチで無偏光ビームの光源（例えばＬＥＤ）を配置することができるので、従来の偏光変換素子に比べて光量をほぼ倍に増やすことが可能であり、後述するような明るい照明系を構成することができる。
また、多波長偏光変換素子の光路分離部を偏光分離膜とダイクロイック膜で構成することにより、偏光方向変換部に共通の１／２波長板を用いて、多波長偏光変換素子を実現することができる。

［実施例２］
図９は本発明の第２の実施例を示す多波長偏光変換素子の構成説明図である。
図９（ａ）は、波長λ１〜λ３の各無偏光ビームの入射光に対し、光路分離部となる光路分離膜４と、偏光方向変換部である波長板６で構成されているが、この実施例では、光路分離膜４は、無偏光ビームを第１の偏光方向（Ｐ偏光）の偏光ビームからなる透過光と第２の偏光方向（Ｓ偏光）の偏光ビームからなる反射光に分離する偏光分離膜１からなり、かつこの偏光分離膜１は、隣接する光路分離部の偏光分離膜で反射された波長の異なる反射光を反射する２波長対応の偏光分離膜である。また、波長板６は、波長に応じてλ板または１／２波長板として機能する波長選択性の波長板である。

すなわち、図９（ａ）に示す構成の多波長偏光変換素子１０Ｃでは、入射ビームは偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離され、透過光（Ｐ偏光）はそのまま直進してＰ偏光で波長板６に入射し、隣接する波長の異なるビームの隣接する偏光分離膜１からの反射光（Ｓ偏光）は、偏光分離膜１で反射されてＳ偏光で同一の波長板６に入射する。波長板６は、この同一波長板に入射するビームの一方に対してのみ１／２波長板として作用し、もう一方に対しては波長板として作用しないような（１波長板（λ板）として作用するといってもよい）、波長選択性の波長板になっており、これによって、両波長がＰ偏光あるいはＳ偏光に揃えられ、偏光方向の揃った多波長の偏光ビームとして出射される。このような波長選択性の波長板６は、例えば特許文献２（特表２０００−５１０９６１公報）等にその例がみられる。

次に図９（ｂ）に示す偏光変換素子１０Ｄは、光路分離膜４として、実施例１と同様に偏光分離膜１とダイクロイック膜２−１〜２−３で構成した例であるが、図９（ａ）と機能が変わらず、ダイクロイック膜が追加されただけなので、このような構成をとることは無駄であり、好ましくない。

また、図９（ｃ）に示す偏光変換素子１０Ｅは、波長板６を偏光分離膜１に沿って斜めに配置した例であり、このような構成も可能ではあるが、このときには隣接光を偏光分離膜１で再度反射させるために、隣接光に対しては１／２波長板として作用しないことが必要である。すなわち、入射ビームが偏光分離膜１でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される場合、異なる波長の隣接光は偏光分離膜１でＳ偏光で反射されてくるので、当該光をＳ偏光のまま偏光分離膜１で反射するためには、波長板６は当該ビームに対しては１／２波長板として作用しないことが必要がある。従ってこのような構成では出射光はＳ偏光のみに限定されるので、Ｐ偏光を得たい場合には、さらに１／２波長板を追加する必要があり、好ましくない。

以上のように、本実施例では、偏光方向変換部に波長選択性の波長板を用いて図９（ａ）のような構成の多波長偏光変換素子１０Ｃとすることにより、光路分離部４を偏光分離膜１のみで構成でき、簡易な構成で複数波長のビームの偏光方向を揃えて出射することができる多波長偏光変換素子を実現することができる。

［実施例３］
次に本発明の多波長偏光変化素子を用いた照明ユニットの実施例を示す。
図１０は上記の実施例１または実施例２に示した多波長偏光変換素子１０を、プロジェクタ装置等の画像表示装置の照明系に適用される照明ユニットに用いた例である。
この照明ユニットは、光源として複数の波長のＬＥＤチップ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを用い、この複数のＬＥＤチップ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを等間隔に配列し、隣接するＬＥＤチップは出射光の波長（色）が異なるものとし、この出射光をカップリング光学系の一例である凸面付き（例えば出射面が曲率半径Ｒの凸面）のテーパロッド（インテグレートしつつビームの広がりを抑えるもの）を配列したテーパロッドアレイ１２で本発明の多波長偏光変換素子１０に導くようにし、さらに多波長偏光変換素子１０の後段にフライアイレンズ１３とコンデンサレンズ１４，１５からなる集光光学系を配置した構成である。

ここで、ＬＥＤチップ１１Ｒは波長６５０ｎｍ近傍の赤色域の無偏光ビームを出射し、ＬＥＤチップ１１Ｇは波長５５０ｎｍ近傍の緑色域の無偏光ビームを出射し、ＬＥＤチップ１１Ｂは波長４５０ｎｍ近傍の青色域の無偏光ビームを出射する。そして各ＬＥＤチップ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂから出射された無偏光ビームは、Ｒ付きテーパロッドアレイ１２で多波長偏光変換素子１０に導きかれ、多波長偏光変換素子１０により偏光方向が揃った偏光ビームとして出射される。そして、多波長偏光変換素子１０を出射した偏光ビームは、フライアイレンズ１３とコンデンサレンズ１４，１５により集光されて白色光として画像表示素子（例えば液晶ライトバルブ）１６を照明する。なお、プロジェクタ装置等の画像表示装置では、当然ながら、この後段には投射手段である投射レンズが配置され、液晶ライトバルブ１６で作られた画像が投射レンズでスクリーン等に投影される。なお、画像表示装置の実施例については後述する。

ここで、図１１は比較のために提示した従来の偏光変換素子（図２１の構成）を用いた照明ユニットであり、従来の偏光変換素子１００では、図２１に示したように、偏光分離膜と反射膜を組み合わせた構成のため、偏光変換素子１００の膜配列に対して、ＬＥＤチップ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを一つ飛びにしかアレイ配列できない。
これに対して本発明の照明ユニットでは、実施例１または実施例２に示した多波長偏光変換素子１０を用いることで、多波長偏光変換素子１０の膜配列に対して、ＬＥＤチップ１１Ｒ，１１Ｇ，１１Ｂを１対１でアレイ配列でき、２倍近いＬＥＤアレイ数で構成することができるため、光量不足のＬＥＤを光源としても、従来より光量の多い、明るいプロジェクタ装置を構成することができる。

また、図２１の構成の従来の偏光変換素子を用いた場合には、ＬＥＤの配列数が少ないため光量が稼げず、カラー化のためには、光量不足（特に緑域の光量が不足する）を補うために、図１２に示すように２系統の照明系を設け、ダイクロイックプリズム２１による光路合成が必要であったが、本発明の多波長偏光変換素子１０を用いることにより、図１０に示すようにＬＥＤの配列数を増やすことができ、１系統の照明系でも十分に光量を増やすことができる。

なお、図１０には本発明の多波長偏光変換素子１０とＲ付きテーパロッドアレイ１２を組み合わせた例を示したが、図１３に示すように、カップリング光学系にはテーパロッドアレイ以外のレンズアレイ（フライアイレンズ等）２２を用いてもよく、この場合にも本発明の多波長偏光変換素子１０は有効に作用する。しかし、光源からの出射光の光利用効率を考えると、Ｒ付きテーパロッドアレイ１２を用いたほうが、以下のような利点がある。

図１４は、直方体ロッド、テーパロッド、Ｒ面を持つテーパロッドの形状と、光の集光状態を示す図である。
図１４（ｃ）が、図１０の実施例に係る凸面付きテーパロッドを示す図である。ここでは凸面形状の一例としてＲ面（曲率半径Ｒの凸面）にしたものを用いている。図１４（ａ），（ｂ）に示すように、直方体ロッドよりもテーパロッドにすることにより光ビームを光軸に平行に近づけられるが、テーパロッドにより光軸に平行に近づけられた光ビームを、さらに図１４（ｃ）に示すような凸面付きテーパロッドの凸面（Ｒ面）を透過させることで外周部の光線（光ビーム）を中央に寄せることが可能となり、より光軸に平行な光ビームを得ることができる。

図１５は、出射面にＲ面が付いたテーパロッド１２をカップリング光学系に用いた光源部を示す図である。テーパロッド入射端でのカップリング効率について見てみると、ＬＥＤ等の固体光源１１から発された光ビームは、テーパロッド１２の入射端で屈折されてロッド内に入射される。したがって、固体光源１１の発光面とロッド入射端とを密着させれば、カップリング効率は１００％にすることができる。実際には発熱等のため若干の隙間を持たせるとしても、かなり高いカップリング効率を持たせることが可能である。

次に、テーパロッド１２内の光ビームの伝播について見てみる。例えば、テーパロッド１２の硝材がＢＫ７（屈折率約１．５２）の場合、臨界角は約４１．１４°であるので、入射端からテーパロッド１２内に入った光ビームと光軸とのなす角は４１．１４°以下となる。したがって、これらの光ビームはテーパロッド１２の側面（テーパ面）で全反射されるため、ロッド内のビームの伝播に係る光量の損失はほとんどない。
また、テーパ面の角度をαとすれば、１回反射するごとに２αだけ光ビームの角度は光軸に近づく。もしテーパロッド１２が無限に長ければ、全ての光ビームはロッドの角度以下になって出射端に到達する。

しかしながら出射端のサイズ上の制約もあり、長くするといっても自ずと限界がある。入射端および出射端のサイズを固定すると、ロッドが短ければテーパ角は大きくなり、一度の反射でのビーム角度減少は大きくなるが反射回数が減る。一方、ロッドを長くすると反射回数は増えるが１回の反射でのビーム角度減少は小さくなる。いずれにしても出射端ではロッドの角度よりも大きな角度をもつビームが存在する。このうちの角度最大のものをロッド内最大角ビームと呼ぶことにする。

次に出射面での光ビームの挙動を見てみる。もし出射面が光軸に直角な平面であるならば、光軸に対して角度を持つ光ビームは出射面で屈折してより大きな角度の光ビームとなって発散していく。これを極力抑えるために、出射端面には曲率半径Ｒの凸面（Ｒ面）が付けられている。図１５においては、このＲ面は出射端面の上下端におけるロッド内最大角ビームがロッド出射後光軸と平行になるような曲率半径Ｒとして形成されている。したがって、このとき出射後の光ビーム平行領域を最も長く取ることが可能となる。この平行領域の長さが、プロジェクタ装置の照明系の光利用効率に効果を発揮する。

なお、本実施例では、凸面付きテーパロッドの端部形状はＲ面に限定されず、例えば台形面や、面に沿うように多数の平面を配列することでも、同様の効果を得ることができる。また、透明体のテーパロッドの代わりに、光軸に対して傾斜を持たせた４枚のミラーを四角錐状に組み合わせた中空テーパロッドでも同様の効果が得られる。ただし、中空テーパロッドの場合は出射端面が存在しないので、出射部にＲ面や台形面のような凸形状面を別部材で構成する必要がある。

［実施例４］
ＬＥＤを光源とするプロジェクタ装置等の画像表示装置においては、ホワイトバランスをとるために光量比率を緑（Ｇ）≫赤（Ｒ）＞青（Ｂ）にする必用がある。一方、ＬＥＤの発光光量はＧ≒Ｒ＞Ｂであり、ＬＥＤ数（光路数）をＧ＞Ｒ≒ＢあるいはＧ＞Ｒ＞Ｂとすることによって理想に近い白色が得られる。従って、多波長偏光変換素子の有効光路数をこれに合わせるておけば光学系の構成が容易になる。

そこで、多波長偏光変換素子に入射される無偏光ビームの波長は、図１６に示すように、波長６５０ｎｍ近傍の赤色域、波長５５０ｎｍ近傍の緑色域、波長４５０ｎｍ近傍の青色域にするとともに、緑色（Ｇ）域の対応光路を１つ飛びに配置するとよい。

図１７は、多波長偏光変換素子１０の緑色（Ｇ）域対応光路を１つ飛びに配置した構成の照明ユニットの例であり、緑色（Ｇ）用のＬＥＤチップ１１Ｇを、他の色のＬＥＤチップ１１Ｒ，１１Ｂよりも多くして１つ飛びに配置している。これにより、理想に近い白色光で画像表示素子（液晶ライトバルブ等）１６を照明することができる。

［実施例５］
次に画像表示装置の実施例を示す。
図１８は、本発明の照明ユニットを用いた画像表示装置の構成例を示す図であり、この画像表示装置は、３板式透過型液晶プロジェクタ装置の例である。
照明ユニット２０は、例えば実施例３で説明した図１０の構成と略同様の構成の照明ユニットであり、この照明ユニット２０の多波長偏光変換素子１０からは偏光方向の揃った多波長の偏光ビームが出射される。そして、この多波長の偏光ビームはフライアイレンズ１３と第１コンデンサレンズ１４により集光され、反射ミラー２５で反射されてダイクロイックミラー２６に入射する。このダイクロイックミラー２６は、赤色光（Ｒ光）を透過し、緑色光（Ｇ光）と青色光（Ｂ光）を反射するように作用し、ダイクロイックミラー２６を透過したＲ光は反射ミラー２８で反射され、第２コンデンサレンズ３３Ｒを介して赤用の透過型液晶ライトバルブ３４Ｒを照明する。一方、ダイクロイックミラー２６で反射されたＧ光とＢ光は、第２のダイクロイックミラー２７に入射し、Ｇ光はダイクロイックミラー２７で反射され、Ｂ光はダイクロイックミラー２７を透過する。ダイクロイックミラー２７で反射されたＧ光は、第２コンデンサレンズ３３Ｇを介して緑用の透過型液晶ライトバルブ３４Ｇを照明する。また、ダイクロイックミラー２７を透過したＢ光は、レンズ２９，３１や反射ミラー３０，３２及び第２コンデンサレンズ３３Ｂを介して青用の透過型液晶ライトバルブ３４Ｂを照明する。Ｒ，Ｇ，Ｂの各色の照明光で照明された透過型液晶ライトバルブ３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂの表示画像は、ダイクロイックプリズム３５によって合成され、投射レンズ３６により図示しないスクリーン等に投射され、画像表示が行われる。

本実施例の３板式透過型液晶プロジェクタ装置では、照明ユニットに前述の実施例の多波長偏光変換素子１０を用いているので、従来に比べてＬＥＤチップのアレイ数を倍近くに増やすことができ、また、緑色光の数を他の色よりも多くしているので、ホワイトバランスが良く、明るい表示画像を得ることができる。
また、図１８の構成の液晶プロジェクタ装置を遮光した筐体内に設置し、筐体の前面に設置したスクリーンに背面から投射する構成とすることにより、背面投射型のプロジェクションＴＶを提供することができる。

［実施例６］
図１９は、本発明の照明ユニットを用いた画像表示装置の別の構成例を示す図であり、この画像表示装置は、単板式透過型液晶プロジェクタ装置の例である。
照明ユニット４０は、例えば実施例３で説明した図１０の構成と同様の照明ユニットであり、この照明ユニット４０の多波長偏光変換素子１０からは偏光方向の揃った多波長の偏光ビームが出射される。そして、この多波長の偏光ビームはフライアイレンズ１３と第１コンデンサレンズ１４、第２コンデンサレンズ１５により集光され、透過型液晶ライトバルブ４１を照明する。Ｒ，Ｇ，Ｂを合成した照明光で照明された透過型液晶ライトバルブ４１の表示画像は、投射レンズ４２により図示しないスクリーン等に投射され、画像表示が行われる。

この単板式透過型液晶プロジェクタ装置では、透過型液晶ライトバルブ１５によるＲ，Ｇ，Ｂの画像表示はタイムシーケンシャル（時分割表示（時間毎の表示切り替え））となるので、各色毎の光量は少なくなるが、光学系の構成は３板式に比べて極めて簡易になる。

［実施例７］
図２０は、本発明の照明ユニットを用いた画像表示装置のさらに別の構成例を示す図であり、この画像表示装置は、単板式反射型液晶プロジェクタ装置の例である。
照明ユニット５０は、例えば実施例３で説明した図１０の構成と略同様の構成の照明ユニットであり、この照明ユニット５０の多波長偏光変換素子１０からは偏光方向の揃った多波長の偏光ビームが出射される。そして、この多波長の偏光ビームはフライアイレンズ１３と第１コンデンサレンズ１４、第２コンデンサレンズ１５により集光され、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１７を透過して反射型液晶ライトバルブ（ＬＣＯＳ）５１を照明する。Ｒ，Ｇ，Ｂを合成した照明光で照明された反射型液晶ライトバルブ（ＬＣＯＳ）５１の表示画像は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１７で反射され、投射レンズ５２により図示しないスクリーン等に投射され、画像表示が行われる。

この単板式反射型液晶プロジェクタ装置でも、反射型液晶ライトバルブ（ＬＣＯＳ）５１によるＲ，Ｇ，Ｂの画像表示はタイムシーケンシャル（時分割表示（時間毎の表示切り替え））となるので、各色毎の光量は少なくなるが、光学系の構成は３板式に比べて極めて簡易になる。
また、図２０の構成の単板式反射型液晶プロジェクタ装置では、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１７により光路を９０°偏向しているので、この単板式反射型液晶プロジェクタ装置を遮光した筐体内に設置し、筐体の前面に設置したスクリーンに背面から投射する構成とすることにより、薄型の背面投射型プロジェクションＴＶを容易に実現することができる。

本発明の一実施例を示す多波長偏光変換素子の構成説明図である。 図１（ａ）に示す多波長偏光変換素子の作製方法の説明図である。 本発明に係る多波長偏光変換素子を構成する偏光分離膜、ダイクロイック膜、１／２波長膜の配置順と、光路分離及び偏光変換の一例を示す図である。 本発明に係る多波長偏光変換素子を構成する偏光分離膜、ダイクロイック膜、１／２波長膜の配置順と、光路分離及び偏光変換の別の例を示す図である。 本発明に係る多波長偏光変換素子を構成する偏光分離膜、ダイクロイック膜、１／２波長膜の配置順と、光路分離及び偏光変換の別の例を示す図である。 本発明に係る多波長偏光変換素子を構成する偏光分離膜、ダイクロイック膜、１／２波長膜の配置順と、光路分離及び偏光変換の別の例を示す図である。 本発明に係る多波長偏光変換素子を構成する偏光分離膜、ダイクロイック膜、１／２波長膜の配置順と、光路分離及び偏光変換の別の例を示す図である。 本発明に係る多波長偏光変換素子を構成する偏光分離膜、ダイクロイック膜、１／２波長膜の配置順と、光路分離及び偏光変換の別の例を示す図である。 本発明の別の実施例を示す多波長偏光変換素子の構成説明図である。 本発明の多波長偏光変換素子を用いた照明ユニットの構成例を示す図である。 従来の偏光変換素子を用いた照明ユニットの構成例を示す図である。 従来の偏光変換素子を用いた照明系を２系統用いて光量を増やした照明ユニットの構成例を示す図である。 本発明の多波長偏光変換素子を用いた照明ユニットの別の構成例を示す図である。 直方体ロッド、テーパロッド、Ｒ面を持つテーパロッドの形状と、光の集光状態を示す図である。 Ｒ面を持つテーパロッドを用いた照明系の説明図である。 緑色光の光路を多くした多波長偏光変換素子の構成例を示す図である。 緑色光の光路を多くした照明ユニットの構成例を示す図である。 本発明の照明ユニットを用いた画像表示装置の構成例を示す３板式透過型液晶プロジェクタ装置の概略構成図である。 本発明の照明ユニットを用いた画像表示装置の別の構成例を示す単板式透過型液晶プロジェクタ装置の概略構成図である。 本発明の照明ユニットを用いた画像表示装置の別の構成例を示す単板式反射型液晶プロジェクタ装置の概略構成図である。 従来の偏光変換素子の構成例を示す図である。 照明系に従来の偏光変換素子を用いた画像表示装置の構成例を示す３板式透過型液晶プロジェクタ装置の概略構成図である。

符号の説明

１：偏光分離膜
２（２−１，２−２，２−３）：ダイクロイック膜
３：１／２波長膜（または１／２波長板）
４：光路分離膜（光路分離部）
５：ガラス部材
６：波長選択性の波長板
１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ，１０Ｄ，１０Ｅ：多波長偏光変換素子
１１Ｒ：赤色域の発光ダイオード（ＬＥＤ）
１１Ｇ：緑色域の発光ダイオード（ＬＥＤ）
１１Ｂ：青色域の発光ダイオード（ＬＥＤ）
１２：凸面付きテーパロッド（またはテーパロッドアレイ）
１３：フライアイレンズ
１４：第１コンデンサレンズ
１５：第２コンデンサレンズ
１６：液晶ライトバルブ（画像表示素子）
１７：偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）
２０，４０，５０：照明ユニット
２２：フライアイレンズ
２５，２８，３０，３２：反射ミラー
２６，２７：ダイクロイックミラー
２９，３１：レンズ
３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ：第２コンデンサレンズ
３４Ｒ：赤用液晶ライトバルブ（画像表示素子）
３４Ｇ：緑用液晶ライトバルブ（画像表示素子）
３４Ｂ：青用液晶ライトバルブ（画像表示素子）
３５：ダイクロイックプリズム
３６，４２，５２：投射レンズ
４１：透過型液晶ライトバルブ（画像表示素子）
５１：反射型液晶ライトバルブ（ＬＣＯＳ）

Claims (17)

1. 配列した無偏光ビームを、偏光方向の揃った配列した偏光ビームに変換して出射する多波長偏光変換素子において、
   配列した無偏光ビームに対応して配列され、該無偏光ビームを互いに偏光方向が直交する第１の偏光方向の偏光ビームと第２の偏光方向の偏光ビームに分離する機能と、前記無偏光ビームまたは前記偏光ビームの波長に応じて該ビームを透過または反射する機能とを有する光路分離部と、
   前記偏光ビームの偏光方向を変換する機能を有する偏光方向変換部を備え、
   前記配列した光路分離部において隣接する光路分離部には波長が異なる無偏光ビームを入射し、前記光路分離部と前記偏光方向変換部を介して偏光の揃った多波長の偏光ビームに変換して出射することを特徴とする多波長偏光変換素子。
2. 請求項１に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記光路分離部は、入射光軸に対して傾斜して配置され、前記無偏光ビームを互いに偏光方向が直交する第１の偏光方向の偏光ビームと第２の偏光方向の偏光ビームに分離する偏光分離膜と、前記無偏光ビームまたは前記偏光ビームの波長に応じて該ビームを透過または反射するダイクロイック膜とを平行に重ねて配設した光路分離膜からなり、
   前記偏光分離膜は前記無偏光ビームを第１の偏光方向の偏光ビームからなる透過光と第２の偏光方向の偏光ビームからなる反射光に分離し、前記ダイクロイック膜は前記光路分離部に入射された無偏光ビームまたは前記偏光分離膜を透過した第１の偏光方向の偏光ビームを透過するとともに、隣接する前記光路分離膜の前記偏光分離膜で反射された前記波長の異なる第２の偏光方向の偏光ビームを反射することを特徴とする多波長偏光変換素子。
3. 請求項２に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記偏光方向変換部は、前記偏光ビームの偏光面を９０度回転して偏光方向を変換する１／２波長板の機能を有し、該偏光方向変換部を前記光路分離部に沿うように傾斜して一体に配設したことを特徴とする多波長偏光変換素子。
4. 請求項２または３に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記ダイクロイック膜が、前記無偏光ビームの入射方向に対して最後段に配設されていることを特徴とする多波長偏光変換素子。
5. 請求項１に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記光路分離部は、入射光軸に対して傾斜して配置され、前記無偏光ビームを第１の偏光方向の偏光ビームからなる透過光と第２の偏光方向の偏光ビームからなる反射光に分離する偏光分離膜からなり、かつ前記偏光分離膜は、隣接する前記光路分離部の偏光分離膜で反射された前記波長の異なる第２の偏光方向の偏光ビームを反射する２波長対応の偏光分離膜であることを特徴とする多波長偏光変換素子。
6. 請求項５に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記偏光方向変換部は前記偏光分離膜の後段の光路中に配置され、特定の波長の偏光ビームの偏光面を９０度回転して偏光方向を変換する波長選択性の波長板の機能を有し、前記偏光方向変換部は、前記偏光分離膜を透過した偏光ビームと、隣接する光路分離部の偏光分離膜で反射され、前記偏光分離膜で再度反射された波長の異なる偏光ビームのいずれか一方に対してのみ１／２波長板として作用し、もう一方に対しては１／２波長板として作用しないことを特徴とする多波長偏光変換素子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記無偏光ビームの光路数を、波長に応じて異なるようにしたことを特徴とする多波長偏光変換素子。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記無偏光ビームは、波長６５０ｎｍ近傍の赤色域、波長５５０ｎｍ近傍の緑色域、波長４５０ｎｍ近傍の青色域の無偏光ビームとするとともに、前記緑色域の波長の無偏光ビームに対応する光路を、他の色の波長の光路よりも多くしたことを特徴とする多波長偏光変換素子。
9. 請求項８に記載の多波長偏光変換素子において、
   前記緑色域の波長の無偏光ビームに対応する光路を、１つ飛びに配したことを特徴とする多波長偏光変換素子。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の多波長偏光変換素子を備え、前記配列した無偏光ビームを出射する光源として、波長の異なる複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えたことを特徴とする照明ユニット。
11. 請求項１０に記載の照明ユニットにおいて、
    前記光源は、波長６５０ｎｍ近傍の赤色域、波長５５０ｎｍ近傍の緑色域、波長４５０ｎｍ近傍の青色域の無偏光ビームをそれぞれ出射する発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする照明ユニット。
12. 請求項１０または１１に記載の照明ユニットにおいて、
    前記発光ダイオード（ＬＥＤ）から出射された無偏光ビームを前記多波長偏光変換素子にカップリングするカップリング光学系を備えたことを特徴とする照明ユニット。
13. 請求項１２に記載の照明ユニットにおいて、
    前記カップリング光学系として、凸面付きテーパロッドアレイを用いたことを特徴とする照明ユニット。
14. 請求項１０〜１３のいずれか１項に記載の照明ユニットにおいて、
    前記多波長偏光変換素子から出射された偏光の揃ったビームを集光する集光光学系を備えたことを特徴とする照明ユニット。
15. 請求項１０〜１４のいずれか１項に記載の照明ユニットと、画像表示素子を有することを特徴とする画像表示装置。
16. 請求項１５に記載の画像表示装置において、
    前記照明ユニットが１系統で構成されていることを特徴とする画像表示装置。
17. 請求項１５または１６に記載の画像表示装置において、
    前記画像表示素子の画像を投射する投射レンズを有することを特徴とする画像表示装置。

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