JP2008268960A

JP2008268960A - 投写型表示装置

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Publication number: JP2008268960A
Application number: JP2008110690A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ito; 嘉高伊藤
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2008-11-06
Anticipated expiration: 2018-02-18
Also published as: JP4450090B2

Abstract

【課題】明るさが均一で、画質の良い投写型表示装置を得ること。
【解決手段】投写型表示装置は、偏光照明装置１００、偏光ビームスプリッタ２００、反射型液晶素子３００、投写光学系６００から概略構成される。偏光照明装置１００と偏光ビームスプリッタ２００との間には、集光レンズ４００が配置されており、光源部１１０から出射された光は、第１の光学要素１２０により複数の中間光束に分割された後、集光レンズ４００を介して反射型液晶素子３００に重畳される。このような投写型表示装置によれば、被照明領域である反射型液晶素子に対する照度ムラを低減し、明るさが均一で、質の良い投写画像を得ることができる。また、大口径の投写光学系６００を用いなくとも、明るい投写画像を得ることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は反射型液晶素子のような反射型変調素子により形成された表示画像を投写面に投写表示する、投写型表示装置に関するものである。

今日、大画面の画像を表示する方法として、反射型液晶素子を変調素子として用いた投写型表示装置が知られている。このような投写型表示装置の代表的な構成例を図１３に示す。光源部１０は光源ランプ１１と放物面リフレクター１２とから構成されており、光源ランプ１１から出射された光は放物面リフレクター１２により反射されて偏光ビームスプリッタ２０へ入射する。そして、特定の偏光光のみが偏光ビームスプリッタ２０の偏光分離面２１で反射されて、ダイクロイックプリズム５０へ入射する。さらに、ダイクロイックプリズム５０によって赤色光、緑色光、青色光に分離されて、それぞれの色光に対応した反射型液晶素子３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂに照射され、反射型液晶素子３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂによって変調される。反射型液晶素子３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂによって変調された各色光は、ダイクロイックプリズム５０によって合成され、偏光ビームスプリッタ２０側へ出射される。そして、偏光ビームスプリッタ２０の偏光分離面２１を透過してきた光が投写光学系６０を介して投写面７０上に投写される。

しかしながら、従来の投写型表示装置では、光源ランプ１１と放物面リフレクター１２とから構成される光源部１０からの出射光束が、光束の断面内で不均一な光強度分布を有しており、光源光軸近傍の照明光の光強度は大きく、光軸から離れるにしたがって照明光の光強度は小さくなるという特性を持つ。したがって、図１０に示した従来の投写型表示装置においては、被照明領域である液晶素子３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂにおける照明光の光強度分布が不均一となり、投写面７０上に投写される画像に明るさムラや色ムラが生じてしまうという問題点がある。

そこで、本発明は、明るさが均一で、投写画像にムラの少ない投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明第１の投写型表示装置は、光源と、
前記光源から出射された光を変調する反射型変調素子と、
前記反射型変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、
前記光源と前記反射型変調素子との間の光路中に配置され、前記光源から出射された光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記投写光学系へ到達させる偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記偏光光束選択素子との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
前記光学要素と前記偏光光束選択素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられ、
前記光学要素は、前記光学要素によって分割された前記複数の中間光束のそれぞれを、前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子を有することを特徴とする。

本発明第１の投写型表示装置の上記構成によれば、光源からの光束を複数の中間光束に分割し、それらの中間光束を被照明領域上で重畳することにより、単一光束の場合よりも照度のムラを低減することができる。よって、光源からの出射光束が光束の断面内で不均一な光強度分布を有していた場合でも、明るさが均一な照明光を得ることができる。特に、光源ランプと放物面等のリフレクターとからなる光源から出射される光束に見られるように、光束の光強度分布が全く無秩序ではなく、光強度分布に一定の傾向を有している場合には、上記の光学要素を用いることにより、被照明領域における照明光の光強度分布やその角度分布をきわめて均一なものとすることができる。このように、明るさが均一な照明光によって反射型変調素子を照明することにより、明るさが均一で、投写画像にムラの少ない投写型表示装置を提供することが可能となる。

ここで、光源からの光束を複数の中間光束に分離した場合、偏光光束選択素子に入射する光は発散光となってしまう。従って、誘電体多層膜によって構成される偏光ビームスプリッタのように、入射光の角度によって偏光光束の選択特性が変化しやすい偏光光束選択素子を用いた場合には、偏光光束選択素子の選択特性の変化による照度ムラが発生してしまうこととなる。しかしながら、本実施形態では、光源からの光束を複数の中間光束に分離する光学要素と、偏光光束選択素子との間に、光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられており、当該光学要素によって分割された複数の中間光束のそれぞれを、集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子を設けているため、偏光光束選択素子に入射する光の発散を低減することができる。従って、光源からの光束を複数の中間光束に分離する光学素子を用いているにもかかわらず、偏光光束選択素子の選択特性の変化による照度ムラを低減することができるので、極めて明るさが均一で、投写画像にムラの少ない投写型表示装置を提供することが可能となる。

さらに、光学要素と偏光光束選択素子との間に、光学要素から出射された光束を集光する集光レンズを設けることによって、照明光の広がりが抑えられるため、投写光学系への光の入射効率をも高めることができる。よって、大口径の投写光学系を用いなくともきわめて明るい投写画像を得ることが可能となる。

上記の投写型表示装置においては、集光レンズの焦点距離を、光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しくすることが好ましい。このように集光レンズの焦点距離を設定することにより、反射型変調素子から出射される光を平行光とすることが可能となる。従って、反射型変調素子から投写光学系へ至る光路においても偏光光束選択素子の選択特性の変化によるむらを低減することができ、さらに投写画像のムラを抑えることが可能となる。

本発明第１の投写型表示装置において、光学要素を、光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、当該第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有する構成とし、第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる前記重畳素子と、を有する構成とすることが可能である。

このような構成を採用すれば、第２の光学要素によって、中間光束をＰ偏光光束、Ｓ偏光光束に分離した後、どちらか一方の偏光方向を他方の偏光方向と揃え、最終的に一箇所の被照明領域上に重畳させることができる。従来の投写型表示装置においては、Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のいずれか一方しか用いることができず、光損失が大きなものもあったが、本発明の第２の光学要素を用いれば、どちらの偏光光束も無駄なく用いることが可能となるため、明るい画像を得ることが可能となる。また、分割された複数の中間光束を、最終的に一箇所の被照明領域上で重畳させるため、光源からの出射光束が光束の断面内で不均一な光強度分布を有していた場合でも、明るさが均一な偏光光束を照明光として得ることができる。特に、均等な光強度や分光特性で中間光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束に分離できない場合や、両偏光光束の偏光方向を揃える過程で一方の偏光光束の光強度やその分光特性が変化した場合においても、明るさが均一で色ムラの少ない偏光光束を照明光として得ることができる。

また、集光レンズを偏光光束選択素子の光入射面に取り付けるようにすれば、集光レンズと偏光光束選択素子との界面において発生する光損失を防ぐことができ、光の利用効率を高めることが可能となる。

さらに、集光レンズの焦点距離を、第１の光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しくすることが好ましい。このように集光レンズの焦点距離を設定することにより、反射型変調素子から出射される光を平行光とすることが可能となる。従って、反射型変調素子から投写光学系へ至る光路においても偏光光束選択素子の選択特性の変化によるむらを低減することができ、さらに投写画像のムラを抑えることが可能となる。

なお、本発明第１の投写型表示装置において、前記重畳素子と前記偏光光束選択素子との間の光路中や、前記偏光光束選択素子と前記投写光学系との間の光路中に偏光素子を配置することが好ましい。前者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光光束選択素子に入射する偏光光束、結果的には反射型変調素子を照明する照明光の偏光度を高めることができる。後者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光光束選択素子から出射する偏光光束、結果的には投写光学系を介して表示面、あるいは投写面上に投写される画像の偏光度を高めることができる。したがって、このように偏光素子を配置することにより、投写画像のコントラストを高めることができ、きわめて質の高い投写画像を得ることが可能となる。

本発明第２の投写型表示装置は、光源と、
前記光源から出射された光を複数の色光に分離する色光分離光学系と、
前記色光分離光学系によって分離された前記複数の色光のそれぞれを変調する複数の反射型変調素子と、
前記複数の反射型変調素子によって変調された光を合成する色光合成光学系と、
前記色光合成光学系によって合成された光を投写する投写光学系と、
前記色光分離光学系と前記反射型変調素子との間の光路中にそれぞれ配置され、前記色光分離光学系から出射された色光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記色光合成光学系へ到達させる複数の偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記色光分離光学系との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
前記光学要素とそれぞれの前記偏光光束選択素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられ、
前記光学要素は、前記光学要素によって分割された前記複数の中間光束のそれぞれを、前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子を有することを特徴とする。

本発明第２の投写型表示装置によっても、上述した第１の投写型表示装置と同様の作用により、明るさが均一で、投写画像にムラの少ない投写型表示装置を提供することが可能となり、また、大口径の投写光学系を用いなくともきわめて明るい投写画像を得ることができる。

上記の投写型表示装置においても、集光レンズの焦点距離を、光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しくすることが好ましい。このように集光レンズの焦点距離を設定することにより、反射型変調素子から出射される光を平行光とすることが可能となる。従って、反射型変調素子から投写光学系へ至る光路においても偏光光束選択素子の選択特性の変化によるむらを低減することができ、さらに投写画像のムラを抑えることが可能となる。

本発明第２の投写型表示装置においても、光学要素を、光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、当該第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有する構成とし、第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる前記重畳素子と、を有する構成とすることが可能である。

なお、本発明第２の投写型表示装置においても、第１の投写型表示装置の場合と同様、前記重畳素子と前記偏光光束選択素子との間の光路中や、前記偏光光束選択素子と前記投写光学系との間の光路中に偏光素子を配置することが好ましい。前者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光光束選択素子に入射する偏光光束、結果的には反射型変調素子を照明する照明光の偏光度を高めることができる。後者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光光束選択素子から出射する偏光光束、結果的には投写光学系を介して表示面、あるいは投写面上に投写される画像の偏光度を高めることができる。したがって、このように偏光素子を配置することにより、投写画像のコントラストを高めることができ、きわめて質の高い投写画像を得ることが可能となる。

本発明第３の投写型表示装置は、光源と、
前記光源から出射された光を変調する反射型変調素子と、
前記反射型変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、
前記光源と前記反射型変調素子との間の光路中に配置され、前記光源から出射された光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記投写光学系へ到達させる偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記偏光光束選択素子との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
前記偏光光束選択素子と前記反射型変調素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられ、
前記光学要素によって分割された前記複数の中間光束のそれぞれは、前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳されることを特徴とする。

本発明第３の投写型表示装置の上記構成によれば、光源からの光束を複数の中間光束に分割し、それらの中間光束を被照明領域上で重畳することにより、単一光束の場合よりも照度のムラを低減することができる。よって、光源からの出射光束が光束の断面内で不均一な光強度分布を有していた場合でも、明るさが均一な照明光を得ることができる。特に、光源ランプと放物面等のリフレクターとからなる光源から出射される光束に見られるように、光束の光強度分布が全く無秩序ではなく、光強度分布に一定の傾向を有している場合には、上記の光学要素を用いることにより、被照明領域における照明光の光強度分布やその角度分布をきわめて均一なものとすることができる。このように、明るさが均一な照明光によって反射型変調素子を照明することにより、明るさが均一で、投写画像にムラの少ない投写型表示装置を提供することが可能となる。

ここで、光源からの光束を複数の中間光束に分離した場合、偏光光束選択素子に入射する光は発散光となってしまう。従って、誘電体多層膜によって構成される偏光ビームスプリッタのように、入射光の角度によって偏光光束の選択特性が変化しやすい偏光光束選択素子を用いた場合には、偏光光束選択素子の選択特性の変化による照度ムラが発生してしまうこととなる。しかしながら、本実施形態では、偏光光束選択素子と反射型変調素子との間に、光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられているため、反射型変調素子から出射される光の発散を低減することができる。従って、光源からの光束を複数の中間光束に分離する光学素子を用いているにもかかわらず、偏光光束選択素子の選択特性の変化による照度ムラを低減することができるので、極めて明るさが均一で、投写画像にムラの少ない投写型表示装置を提供することが可能となる。

特に、集光レンズの焦点距離を、光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長の約２倍とすれば、反射型変調素子によって変調され、当該集光レンズを介して偏光光束選択素子に出射される光を平行光とすることが可能となり、効果的である。

さらに、偏光光束選択素子と反射型変調素子との間に、光学要素から出射された光束を集光する集光レンズを設けることによって、投写レンズへ入射する光の広がりが抑えられるため、投写光学系への光の入射効率をも高めることができる。よって、大口径の投写光学系を用いなくともきわめて明るい投写画像を得ることが可能となる。特に、集光レンズの焦点距離を、光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しくすれば、効果的である。

本発明第３の投写型表示装置において、光学要素を、光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、当該第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有する構成とし、第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子と、を有する構成とすることが可能である。

また、この場合にも、集光レンズの焦点距離を、第１の光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長の約２倍とすれば、反射型変調素子によって変調され、当該集光レンズを介して偏光光束選択素子に出射される光を平行光とすることが可能となり、偏光光束選択素子の選択特性の変化による照度ムラを低減する上で、効果的である。

さらに、集光レンズの焦点距離を、第１の光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しくすれば、投写光学系への光の入射効率を高める上で、効果的である。

なお、本発明第３の投写型表示装置において、集光レンズを偏光光束選択素子の光入射面あるいは反射型変調素子の光入出射面に取り付けるようにすれば、集光レンズと偏光光束選択素子、あるいは集光レンズと反射型変調素子との界面において発生する光損失を防ぐことができ、さらに光の利用効率を高めることが可能となる。

また、光学素子と前記偏光光束選択素子との間の光路中や、前記偏光光束選択素子と前記投写光学系との間の光路中に偏光素子を配置することが好ましい。前者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光光束選択素子に入射する偏光光束、結果的には反射型変調素子を照明する照明光の偏光度を高めることができる。後者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光光束選択素子から出射する偏光光束、結果的には投写光学系を介して表示面、あるいは投写面上に投写される画像の偏光度を高めることができる。したがって、このように偏光素子を配置することにより、投写画像のコントラストを高めることができ、きわめて質の高い投写画像を得ることが可能となる。

本発明第４の投写型表示装置は、光源と、
前記光源から出射された光を複数の色光に分離する色光分離光学系と、
前記色光分離光学系によって分離された前記複数の色光のそれぞれを変調する複数の反射型変調素子と、
前記複数の反射型変調素子によって変調された光を合成する色光合成光学系と、
前記色光合成光学系によって合成された光を投写する投写光学系と、
前記色光分離光学系と前記反射型変調素子との間の光路中にそれぞれ配置され、前記色光分離光学系から出射された色光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記色光合成光学系へ到達させる複数の偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記色光分離光学系との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
それぞれの前記偏光光束選択素子と前記反射型変調素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられてなることを特徴とする。

本発明第４の投写型表示装置によっても、前述した第３の投写型表示装置と同様の作用によって、明るさが均一で、投写画像にムラの少ない投写型表示装置を提供することが可能となり、また、大口径の投写光学系を用いなくともきわめて明るい投写画像を得ることができる。

また、本発明第４の投写型表示装置によっても、集光レンズの焦点距離を、光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長の約２倍とすれば、反射型変調素子によって変調され、当該集光レンズを介して偏光光束選択素子に出射される光を平行光とすることが可能となり、偏光光束選択素子の選択特性の変化による照度ムラを低減する上で、効果的である。さらにまた、集光レンズの焦点距離を、光学要素の焦点位置から集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しくすれば、投写光学系への光の入射効率を高める上で、効果的である。

本発明第４の投写型表示装置においても、光学要素を、光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、当該第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有する構成とし、第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子と、を有する構成とすることが可能である。

なお、本発明第４の投写型表示装置においても、集光レンズを偏光光束選択素子の光入射面あるいは反射型変調素子の光入出射面に取り付けるようにすれば、集光レンズと偏光光束選択素子、あるいは集光レンズと反射型変調素子との界面において発生する光損失を防ぐことができ、さらに光の利用効率を高めることが可能となる。

以上述べたように、本発明の投写型表示装置によれば、明るさが均一で、画質の良い投写型表示装置を得ることができる。また、大口径の投写光学系を用いなくとも明るい投写画像を得ることが可能である。

以下に、図面を参照して本発明を実施するための最良の形態（の実施形態）を説明する。以下の各の実施形態においては、互いに直交する３つの方向を、便宜的にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とし、Ｚ方向を光の進行方向とした。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態にかかる投写型表示装置の要部を平面的に見た概略構成図である。なお、図１は、後に詳しく述べる第１の光学要素１２０の中心を通るＸＺ平面における断面図である。

本実施形態の投写型表示装置は、システム光軸Ｌに沿って配置した光源部１１０、第１の光学要素１２０、第２の光学要素１３０から概略構成される偏光照明装置１００、偏光照明装置１００からの光を反射させて反射型液晶素子３００に到達させるとともに、反射型液晶素子３００により変調された光を透過させて投写光学系６００へ到達させるＳ偏光光束反射膜２０１を備えた偏光ビームスプリッタ２００、偏光ビームスプリッタ２００から出射された光を変調する反射型液晶素子３００、反射型液晶素子３００にて変調された光を投写面７００に投写する投写光学系６００から大略構成されている。

光源部１１０は、光源ランプ１１１と、放物面リフレクター１１２とから大略構成されている。光源ランプ１１１から放射された光は、放物面リフレクター１１２によって一方向に反射され、略平行な光束となって第１の光学要素１２０に入射する。ここで、光源ランプ１１１としては、メタルハライドランプ、キセノンランプ、高圧水銀ランプ、ハロゲンランプ等が、また、リフレクターとしては本実施形態に挙げた放物面リフレクター１１２の他に、楕円リフレクター、球面リフレクター等が使用できる。

第１の光学要素１２０は、その外観を図２に示す様に、マトリックス状に配列された複数の矩形の光束分割レンズ１２１を備えたレンズアレイである。光源部１１０と第１の光学要素１２０との位置関係は、光源光軸Ｒが第１の光学要素１２０の中心に来るように設定されている。第１の光学要素１２０に入射した光は、光束分割レンズ１２１により複数の中間光束１２２に分割され、同時に光束分割レンズの集光作用により、システム光軸Ｌと垂直な平面内（図１ではＸＹ平面）の中間光束が集束する位置に光束分割レンズの数と同数の集光像１２３を形成する。尚、光束分割レンズ１２１のＸＹ平面上における断面形状は反射型液晶素子３００の表示領域（被照明領域）の形状とほぼ相似形をなすように設計すると良い。本実施形態では、ＸＹ平面上でＸ方向に長い長方形の被照明領域を想定しているため、光束分割レンズ１２１のＸＹ平面上における断面形状もＸ方向に長い長方形としてある。

次に、第２の光学要素１３０の機能について説明する。

第２の光学要素１３０は、集光レンズアレイ１３１、偏光分離ユニットアレイ１４１と選択位相差板１４７とからなる板状の偏光変換素子１４０、偏光変換素子１４０から出射された中間光束を後述する集光レンズ４００を介して反射型液晶素子３００に重畳させる出射側レンズ１５０から大略構成される複合体である。第２の光学要素１３０は、第１の光学要素の光出射面側に、システム光軸Ｌに対してほぼ垂直となるように配置される。この第２の光学要素１３０は、中間光束１２２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離した後、一方の偏光光束の偏光方向と他方の偏光光束の偏光方向とを揃え、偏光方向がほぼ揃ったそれぞれの光束を一箇所の被照明領域に導くという機能を有している。

集光レンズアレイ１３１は、図２に示した第１の光学要素１２０と同様に、第１の光学要素１２０を構成する光束分割レンズ１２１と同数の集光レンズ１３２が、マトリックス状に複数配列されたものである。集光レンズアレイ１３１は、中間光束１２２のそれぞれを偏光分離ユニットアレイ１４１の特定の場所に集光しながら導くとともに、中間光束１２２の光軸をシステム光軸Ｌと平行にするという機能を有している。したがって、各集光レンズのレンズ特性は、第１の光学要素１２０により分割された中間光束１２２の特性に合わせて、また、偏光分離ユニットアレイ１４１に入射する光の主光線の傾きがシステム光軸Ｌと平行となるように、各々最適化されることが望ましい。但し、光学系の低コスト化および設計の容易さを考慮して、第１の光学要素１２０と全く同じレンズアレイを用いるか、あるいは、ＸＹ平面における断面形状が、第１の光学要素１２０を構成する光束分割レンズ１２１とほぼ相似形をなす集光レンズで構成したレンズアレイを用いても良い。
本実施形態の場合には、第１の光学要素１２０と同じレンズアレイを集光レンズアレイ１３１として用いている。尚、第１の光学要素１２０に入射する光束の平行性がきわめて高い場合には、第２の光学要素から集光レンズアレイ１３１を省略しても良い。

偏光分離ユニットアレイ１４１は、図３（Ａ）に示されたように、Ｘ方向に配列された複数の偏光分離ユニット１４２から構成されている。偏光分離ユニット１４２は、光学ガラス等からなるプリズム内に一対の偏光分離面１４３と反射面１４４とを備えた四角柱状の構造体であり、入射する中間光束１２２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離する機能を有している。尚、偏光分離ユニットアレイ１４１は、交互に繰り返し配列した偏光分離面１４３と反射面１４４とをその内部に有する構造体であれば良く、必ずしも、複数の偏光分離ユニット１４２によって構成される必要はない。偏光分離ユニットアレイの機能の理解を容易にするために、偏光分離ユニット１４２という概念を導入したに過ぎない。

偏光分離面１４３と反射面１４４とはＸ方向に交互に並ぶように配置されていおり、それぞれシステム光軸Ｌに対して約４５度の傾きをなしている。また、偏光分離面１４３と反射面１４４とは互いに重なり合わないように配置されている。また、偏光分離面１４３をＸＹ平面上に投影した面積と反射面１４４をＸＹ平面上に投影した面積とはそれぞれ等しい。偏光分離面１４３は誘電体多層膜等で、また、反射面１４４は誘電体多層膜、アルミニウム膜等で形成することができる。

偏光分離ユニット１４２に入射した光は、偏光分離面１４３を透過するＰ偏光光束と、偏光分離面１４３で反射されて反射面１４４の方向に進行方向を変えるＳ偏光光束とに分離される。Ｐ偏光光束は偏光分離ユニット１４２のＰ偏光光束出射面１４５から出射される。一方、Ｓ偏光光束は反射面１４４で反射され、Ｐ偏光光束とほぼ平行な状態となって、偏光分離ユニット１４２のＳ偏光光束出射面１４６から出射される。すなわち、偏光分離ユニット１４２に入射したランダムな偏光方向を有する中間光束１２２は、偏光分離ユニット１４２によりＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離され、それぞれ偏光分離ユニット１４２のＰ偏光光束出射面１４５、Ｓ偏光光束出射面１４６からほぼ同じ方向に向けて出射される。

なお、本実施形態の偏光照明装置１００では、偏光分離ユニット１４２の偏光分離面１４３上にそれぞれの中間光束１２２を導く必要がある。したがって、本実施形態では、図１に示すように、偏光分離面１４３の中央部に中間光束１２３が集光されるように、集光レンズアレイ１３１が偏光分離ユニット１４２の横幅の１／４に相当する距離だけ、偏光分離ユニットアレイ１４１に対してＸ方向にずらした状態で配置されている。また、その結果、光源部１１０も、その光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して偏光分離ユニット１４２の横幅の１／４に相当する距離だけＸ方向に平行シフトした状態となるように配置されている。

偏光分離ユニットアレイ１４１の光出射面側には、λ／２位相差層１４８が規則的に形成された選択位相差板１４７が設置されている。図３（Ｂ）に選択位相差板１４７の例を示す。

選択位相差板１４７は、偏光分離ユニット１４２のＰ偏光光束出射面１４５の部分にのみλ／２位相差層１４８が形成され、Ｓ偏光光束出射面１４６の部分にはλ／２位相差層１４８が形成されていない光学素子である。したがって、偏光分離ユニット１４２から出射されたＰ偏光光束は、選択位相差板１４７を通過する際にλ／２位相差層１４８によって偏光方向の回転作用を受け、Ｓ偏光光束へと変換される。一方、Ｓ偏光光束出射面１４６の部分にはλ／２位相差層１４８が形成されていないので、偏光分離ユニット１４２のＳ偏光光束出射面１４６から出射されたＳ偏光光束はＳ偏光のまま選択位相差板１４７を通過する。

すなわち、第１の光学要素から出射されたランダムな偏光方向を有する中間光束は、偏光分離ユニットアレイ１４１によりＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離され、選択位相差板１４７により、偏光方向が揃った一種類の偏光光束（本実施形態の場合はＳ偏光光束）に変換されたことになる。

再び、図１に戻って説明する。偏光変換素子１４０の光出射面側に配置された出射側レンズ１５０は、偏光変換素子１４０によりＳ偏光光束に揃えられたそれぞれの中間光束を、後述する集光レンズ４００を介して、反射型液晶素子３００に重畳させる重畳素子としての機能を有している。すなわち、第１の光学要素１２０により分割された中間光束１２２（つまり、光束分割レンズ１２１により切り出されたイメージ面）のそれぞれが、偏光変換素子１４０によって偏光方向の揃った一種類の偏光光に変換され、出射側レンズ１５０によって、集光レンズ４００を介して一箇所の被照明領域、すなわち反射型液晶素子３００に重畳される。この場合、第１の光学素子１２０に入射する光束の光強度分布がその入射断面内で均一でなくとも、複数の分割された中間光束が重畳される過程で光強度は平均化されるため、被照明領域上における照明光の光強度分布は殆ど均一である。
よって、被照明領域である反射型液晶素子３００を、一種類の偏光光束でほぼ均一に照明することができる。なお、出射側レンズ１５０は１つのレンズ体である必要はなく、第１の光学要素１２０のように、複数のレンズから構成されたレンズアレイとしても良い。

以上をまとめると、偏光照明装置１００によって、明るさが均一で偏光方向がほぼ揃った照明光を得ることができる。

偏光照明装置１００では、第１の光学要素１２０により微小な複数の集光像１２３を形成し、それらの形成過程で生じた光の存在しない空間を上手く利用し、その空間に偏光分離ユニット１４２の反射面１４４を配置している。したがって、光源からの出射光束を２種類の偏光光束に分離する際に生じる光束の拡幅を抑えることができ、少ないスペースで偏光変換を行うことができるという特徴がある。

なお、Ｘ方向に長い長方形である反射型液晶素子３００の形状に合わせて、第１の光学要素１２０を構成する光束分割レンズ１２１の断面形状をＸ方向に長い長方形にするとともに、偏光分離ユニットアレイ１４１から出射された二種類の偏光光束がＸ方向に交互に並ぶようにしている。このため、長方形の被照明領域であるを照明する場合でも、光量を無駄にすることなく、光の利用効率を高めることができる。

また、第２の光学要素１３０を構成する集光レンズアレイ１３１、偏光分離ユニットアレイ１４１、選択位相差板１４７、および出射側レンズ１５０を光学的に一体化することにより、それらの界面において発生する光損失を低減し、光の利用効率を一層高めるようにしている。しかしながら、これらの光学素子は必ずしも光学的に一体化する必要はない。

偏光ビームスプリッタ２００は、２つのプリズム部品２０２、２０３の接合面に沿って、Ｓ偏光光束反射膜２０１が形成されたものである。Ｓ偏光光束反射膜２０１は例えば誘電体多層膜で構成され、Ｓ偏光光束を反射し、かつＰ偏光光束を透過させる偏光光束選択素子として機能する。先に説明したように、偏光照明装置１００から出射される光束は、そのほとんどが一種類の偏光光束に変換されている。したがって、偏光照明装置１００から出射された光束のほとんどすべてがＳ偏光光束反射膜２０１によって反射あるいは透過されることとなる。本実施形態では、第２の光学要素１３０から出射される光束はＳ偏光光束である。よって、偏光ビームスプリッタ２００に入射した光束は、その殆どがＳ偏光光束反射膜２０１によって反射されて反射型液晶素子３００に到達することになる。

なお、第２の光学要素１３０から出射される光束がＰ偏光光束である場合には、偏光ビームスプリッタ２００に入射した光束はＳ偏光光束反射膜２０１を透過する。したがって、この場合には、偏光ビームスプリッタ２００を挟んで第２の光学要素と対向するように反射型液晶素子３００を配置すれば良い。

反射型液晶素子３００に入射した光束は、反射型液晶素子３００により所定の画像情報に基づいた変調を受ける。

ここで、反射型液晶素子３００の一例を図４に示す。反射型液晶素子３００は、マトリックス状に配置された反射画素電極３１９に、薄膜トランジスタからなるスイッチング素子が接続されたアクティブマトリックス型液晶素子であり、一対の基板３１０、３３０間に液晶層３２０が挟持された構造となっている。基板３１０は珪素からなり、その一部にソース３１１、ドレイン３１６が形成されている。また、基板３１０上には、アルミニウムからなるソース電極３１２およびドレイン電極３１７、二酸化珪素からなるチャネル３１３、珪素層３１４およびタンタル層３１５とからなるゲート電極、層間絶縁膜３１８、アルミニウムからなる反射画素電極３１９が形成され、ドレイン電極３１７と反射画素電極３１９とはコンタクトホールＨを介して電気的に接続されている。反射画素電極３１９は不透明であるため、ゲート電極、ソース電極３１２、ドレイン電極３１７の上に層間絶縁膜３１８を介して積層することができる。したがって、隣り合う反射画素電極３１９間の距離Ｘをかなり小さくすることができ、開口率を大きく取ることができる。

なお、本実施形態においては、ドレイン３１６、二酸化珪素層３４０、珪素層３４１、タンタル層３４２から構成される保持容量部を設けている。

一方、対向する基板３３０には、液晶層３２０側の面にＩＴＯからなる対向電極３３１が形成されており、他方の面には反射防止層３３２が形成されている。
この対向電極３３１とそれぞれの画素電極３１９との間に電圧を印加することによって、液晶層３２０の駆動が行われる。

液晶層３２０は、電圧無印加（ＯＦＦ）時には液晶分子３２１が垂直に配向しており、電圧印加（ＯＮ）時には液晶分子３２１が９０度ねじれるスーパーホメオトロピックタイプのものである。よって、図４に示したように、電圧無印加（ＯＦＦ）時に偏光ビームスプリッタ２００から反射型液晶素子３００に入射したＳ偏光光束は、その偏光方向を変えること無く反射型液晶素子３００から偏光ビームスプリッタ２００へ戻される。よって、Ｓ偏光光束反射膜２０１によって反射されて投写光学系６００の方へ到達することはない。一方、電圧印加（ＯＮ）時に偏光ビームスプリッタ２００から反射型液晶素子３００に入射したＳ偏光光束は、液晶分子３２１のねじれによりその偏光方向が変えられてＰ偏光光束となり、Ｓ偏光光束反射膜２０１を透過した後、投写光学系６００を介して投写面７００に投写されることとなる。

さて、本実施形態の投写型表示装置は、偏光照明装置１００と偏光ビームスプリッタ２００との間に、集光レンズ４００が設けられている点に特徴がある。この点について、図５と図６とを参照して説明する。なお、図５、図６では、説明の便宜上、第２の光学要素１３０（図１参照）の構成を簡略化して示している。

本実施形態の投写型表示装置では、光源からの光束を第１の光学要素１２０によって複数の中間光束１２２に分離しており、各中間光束１２２が集光される位置付近に複数の集光像１２３が形成される。そして、これら複数の集光像１２３が仮想光源となり、したがって、複数の仮想光源からの照明光によって反射型表示装置３００が照明されることになる。ここで、当該複数の仮想光源による照明光は発散光である。一方、偏光選択膜として用いられる誘電体多層膜等は、一般的に、その偏光選択特性が光の入射角によって変化しやすい。従って、もし、図５に示したように、第１の光学要素１２０から出射された光をそのまま偏光ビームスプリッタ２００へ入射させてしまうと、Ｓ偏光光束反射面２０１の偏光選択特性の変化による照度ムラが発生してしまうおそれがある。

一方、本実施形態の投写型表示装置では、図６に示すように、偏光照明装置１００と偏光ビームスプリッタ２００との間に集光レンズ４００が配置されており、第１の光学要素１２０によって分割された複数の中間光束１２２のそれぞれを、集光レンズ４００を介して反射型液晶素子３００に重畳させるようにしているため、偏光ビームスプリッタ２００のＳ偏光光束反射面２０１に入射する光の発散を低減することができる。従って、Ｓ偏光光束反射面２０１の偏光選択特性の変化による照度ムラを抑えることができ、極めて明るさが均一で、ムラの少ない投写画像を得ることができる。特に、集光レンズ４００の焦点距離を、第１の光学要素１２０の焦点位置、すなわち集光像１２３が形成される位置から集光レンズ４００の主点までの光路長とほぼ等しく設定すれば、図６に示したように、反射型液晶素子３００から出射される光を平行光とすることが可能となる。したがって、この場合、反射型液晶素子３００から投写光学系６００へ至る光路においてもＳ偏光光束反射面２０１の選択特性の変化によるムラを低減することができ、さらに投写画像のムラを抑えることが可能となる。

さらに、図５に示したように、第１の光学要素１２０から出射された光をそのまま偏光ビームスプリッタ２００へ入射させてしまうと、反射型液晶素子３００によって変調された後の光も大きな広がりをもって投写光学系６００へ向かうことになるため、大口径の投写光学系６００を用いなければ投写光をじゅうぶんにのみこむことができず、投写画像が暗くなってしまうおそれがある。

一方、本実施形態の投写型表示装置では、図６に示すように、偏光照明装置１００と偏光ビームスプリッタ２００との間に集光レンズ４００が配置されており、第１の光学要素１２０によって分割された複数の中間光束１２２のそれぞれを、集光レンズ４００を介して反射型液晶素子３００に重畳させるようにしている。従って、反射型液晶素子３００によって変調された後の光束の広がりをも抑えることができ、大口径の投写光学系６００を用いなくともきわめて明るい投写画像を得ることが可能となる。さらに、本実施形態の投写型表示装置では、集光レンズ４００が偏光ビームスプリッタ２００の光入射面に取り付けられており、これらの界面において発生する光損失も低減されている。従って、さらに明るい投写画像を得ることが可能となっている。

このように、本実施形態の投写型表示装置では、明るさが均一で、ムラが少なく、かつきわめて明るい投写画像を得ることができる。

なお、反射型液晶素子３００の構造、その各構成要素の材料、並びに液晶層３２０の動作モードについては上述の例に限られるものではない。

また、上述した反射型液晶素子３００はモノクロ画像表示用であるが、反射型液晶素子３００と偏光ビームスプリッタ２００との間に、或いは反射型液晶素子３００の内部にカラーフィルタを設ければ、カラー画像を表示することも可能である。

（第２の実施形態）
図７は、第２の実施形態にかかる投写型表示装置２の要部を平面的に見た概略構成図である。なお、図７は、第１の光学要素１２０の中心を通るＸＺ平面における断面図である。本実施形態の投写型表示装置２において、前に説明した第１の実施形態にかかる投写型表示装置の構成要素と同様の構成要素については、図１〜図６で用いたものと同じ参照番号を付し、その詳細な説明については省略する。

本実施形態の投写型表示装置は、システム光軸Ｌに沿って配置した光源部１１０、第１の光学要素１２０、反射ミラー１６０、第２の光学要素１３０から概略構成される偏光照明装置１０１を備えている。また、偏光照明装置１０１からの光を三色の色光に分離する色光分離光学系５００と、この色光分離光学系５００によって分離された三色の色光のそれぞれを変調する複数の反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂと、３つの反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂによって変調された光を合成するクロスダイクロイックプリズム５５０と、クロスダイクロイックプリズム５５０によって合成された色光を投写面７００に投写する投写光学系６００とを備えている。さらに、色光分離光学系５００によって分離されたそれぞれの色光を反射させて反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに到達させるとともに、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｇによって変調された光を透過させてクロスダイクロイックプリズム５５０へ到達させる３つの偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂを備えている。

本実施形態の投写型表示装置１では、第１の実施形態とほぼ同じ構成の偏光照明装置１０１が用いられている。第１の実施形態における偏光照明装置１００との相違点は、第１の光学要素１２０と第２の光学要素１３０との間に反射ミラー１６０が配置されていることであるが、これは、光軸Ｒを折り曲げるためのものであって、偏光照明装置の機能自体に何ら影響を及ぼすものではない。第１の実施形態で説明したように、偏光照明装置１０１において、光源部１１０から出射されたランダムな偏光光束は、第１の光学要素１２０により複数の中間光束に分割された後、第２の光学要素１３０により偏光方向がほぼ揃った一種類の偏光光束（本実施形態ではＳ偏光光束）に変換される。

色分離光学系５００は、偏光照明装置１０１から出射された光を赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂの三色の色光に分離する光学系である。色分離光学系５００は、青色光・緑色光反射ダイクロイックミラー５０１、赤色光反射ダイクロイックミラー５０２、緑色光反射ダイクロイックミラー５０５、及び、２つの反射ミラー５０３、５０４から構成される。

偏光照明装置１０１から出射された光は、色分離光学系５００に入射する。偏光照明装置１０１から出射された光のうち、赤色光Ｒの成分は、赤色光反射ダイクロイックミラー５０２によって反射ミラー５０３側へ反射される。このようにして分離された赤色光Ｒは、集光レンズ４００Ｒを介して偏光ビームスプリッタ２００Ｒへ入射する。

一方、偏光照明装置１０１から出射された光のうち、緑色光Ｇ、および青色光Ｂの成分は、緑色光・青色光反射ダイクロイックミラー５０１によって反射ミラー５０４側へ反射される。さらに、反射ミラー５０４によって反射された緑色光Ｇ、青色光Ｂは、緑色光反射ダイクロイックミラー５０５に入射し、ここで緑色光Ｇの成分のみが反射される。緑色光反射ダイクロイックミラー５０５によって反射された緑色光Ｇは、集光レンズ４００Ｇを介して偏光ビームスプリッタ２００Ｇへ入射する。緑色光反射ダイクロイックミラー５０５を透過した青色光Ｂは、集光レンズ４００Ｂを介して偏光ビームスプリッタ２００Ｂへ入射する。

偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂは、前述した第１の実施形態における偏光ビームスプリッタ２００と同様の構成、及び、機能を有している。従って、偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂに入射したＳ偏光光束である各色光は、各偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００ＢのＳ偏光光束反射膜によってそのほとんどが反射されて、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに到達することになる。

反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂは、前述した第１の実施形態における反射型液晶素子３００と同様の構成、及び、機能を有している。従って、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに入射した各色光は、所定の画像情報に基づいた変調を受け、偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂ側へ出射され、各々のＳ偏光光束反射膜を透過した光のみがクロスダイクロイックプリズム５５０側へ出射される。

クロスダイクロイックプリズム５５０は、ＸＺ平面における断面形状が二等辺三角形の４つの三角柱状プリズムで構成されている。４つの三角柱状プリズムは、その側面同士が互いに接着されており、その接着面に沿って、２種類のダイクロイック膜５５１、５５２が形成されている。ダイクロイック膜５５１の波長選択特性は、赤色光Ｒを反射し、緑色光Ｇと青色光Ｂとを透過させるように設定されている。また、ダイクロイック膜５５２の波長選択特性は、青色光Ｂを反射し、赤色光Ｒと緑色光Ｇとを透過させるように設定されている。従って、クロスダイクロイックプリズム５５０に入射した光は、２種類のダイクロイック膜５５１、５５２の波長選択特性に基づいて合成され、投写光学系６００を介して投写面７００上に投写される。

さて、本実施形態の投写型表示装置も、第１の実施形態にかかる投写型表示装置と同様、偏光照明装置１０１と偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂとの間に集光レンズ４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂが設けられている。従って、第１の実施形態にかかる投写型表示装置と同様に、偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００ＢのＳ偏光光束反射面に入射する光の発散を低減することができる。従って、Ｓ偏光光束反射面の波長選択特性の変化による照度ムラを抑えることができ、極めて明るさが均一で、ムラの少ない投写画像を得ることができる。そして、本実施形態の場合においても、特に、集光レンズ４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂの焦点距離を、第１の光学要素１２０の焦点位置から集光レンズ４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂの主点までの光路長とほぼ等しく設定することにより、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂから出射される光を平行光とすることが可能となる。従って、この場合、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂから投写光学系６００へ至る光路においてもＳ偏光光束反射面の選択特性の変化によるムラを低減することができ、さらに投写画像のムラを抑えることが可能となる。

さらに、本実施形態の投写型表示装置においても、第１の実施形態にかかる投写型表示装置と同様に、偏光照明装置１０１と偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂとの間に集光レンズ４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂが配置されており、第１の光学要素１２０によって分割された複数の中間光束のそれぞれを、集光レンズ４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂを介して反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに重畳させるようにしている。従って、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂによって変調された後の光束の広がりをも抑えることができ、大口径の投写光学系６００を用いなくとも極めて明るい投写画像を得ることが可能である。さらにまた、本実施形態の投写型表示装置では、集光レンズ４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂが各偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂの光入射面に取り付けられており、これらの界面において発生する光損失も低減されている。従って、さらに明るい投写画像を得ることが可能となっている。

このように、本実施形態の投写型表示装置でも、第１の実施形態と同様に、明るさが均一で、ムラが少なく、かつきわめて明るい投写画像を得ることができる。

（第３の実施形態）
前述した第１の実施形態にかかる投写型表示装置においては、偏光照明装置１００と偏光ビームスプリッタ２００との間に、第１の光学要素から出射された光束を集光する集光レンズ４００を設けている。この集光レンズを、偏光ビームスプリッタ２００と反射型液晶素子３００との間に配置することも可能である。このような投写型表示装置の例を図８に示す。

図８は、第３の実施形態にかかる投写型表示装置の要部を平面的に見た概略構成図である。なお、図８は、第１の光学要素１２０の中心を通るＸＺ平面における断面図である。
本実施形態の投写型表示装置において、前に説明した第１の実施形態にかかる投写型表示装置の構成要素と同様の構成要素については、図１〜図６で用いたものと同じ参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の投写型表示装置は、図８に示したように、偏光ビームスプリッタ２００と反射型液晶素子３００との間に集光レンズ４１０が設けられている点に特徴がある。この点について、図５、図９、図１０を参照して説明する。なお、図９、図１０では、説明の便宜上、第２の光学要素１３０（図８参照）の構成を簡略化して示している。

本実施形態の投写型表示装置では、光源からの光束を第１の光学要素によって複数の中間光束１２２に分離しており、各中間光束が集光される位置付近に複数の集光像が形成される。したがって、複数の仮想光源からの照明光によって反射型表示装置３００が照明されることになる。ここで、当該複数の仮想光源による照明光は発散光である。一方、偏光選択膜として用いられる誘電体多層膜等は、一般的に、その偏光選択特性が光の入射角によって変化しやすい。従って、もし、図５に示したように、第１の光学要素１２０から出射された光をそのまま偏光ビームスプリッタ２００へ入射させてしまうと、Ｓ偏光光束反射面２０１の偏光選択特性の変化による照度ムラが発生してしまう恐れがある。

一方、本実施形態の投写型表示装置では、図８、図９に示すように、偏光ビームスプリッタ２００と反射型液晶素子３００との間に集光レンズ４１０が配置されており、第１の光学要素１２０によって分割された複数の中間光束１２２のそれぞれを、集光レンズ４１０を介して反射型液晶素子３００に重畳させるようにしている。従って、反射型表示装置３００によって変調された後の光束の広がりを抑えることができ、反射型表示装置３００から投写光学系６００へ至る光路におけるＳ偏光光光束反射面２０１の選択特性の変化によるムラを低減することができる。よって、投写画像のムラを抑えることが可能となる。
特に、集光レンズ４１０の焦点距離を、第１の光学要素１２０の焦点位置、すなわち集光像１２３が形成される位置から集光レンズ４１０の主点までの光路長の２倍に設定すれば、図９に示したように、反射型液晶素子３００から出射される光を平行光とすることが可能となり、効果的である。

さらに、図５に示したように第１の光学要素１２０から出射された光をそのまま反射型液晶素子へ入射させてしまうと、反射型液晶素子３００によって変調された後の光も大きな広がりをもって投写光学系へ向かうこととなるため、大口径の投写光学系６００を用いなければ、投写光を十分にのみこむことができず、投写画像が暗くなってしまう恐れがある。

一方、本実施形態の投写型表示装置では、図９、図１０に示すように、偏光ビームスプリッタ２００と反射型液晶素子３００との間に集光レンズ４１０が配置されており、第１の光学要素１２０によって分割された複数の中間光束１２２のそれぞれを、集光レンズ４１０を介して反射型液晶素子３００に重畳させるようにしている。従って、反射型表示装置３００によって変調された後の光束の広がりを抑えることができ、大口径の投写光学系６００を用いなくとも、きわめて明るい投写画像を得ることが可能となる。さらに、本実施形態の投写型表示装置では、集光レンズ４１０が反射型液晶素子３００の光入出射面に取り付けられており、これらの界面において発生する光損失も低減されている。従って、さらに明るい投写画像を得ることが可能となっている。

特に、集光レンズ４１０の焦点距離を、第１の光学要素１２０の焦点位置、すなわち集光像１２３が形成される位置から集光レンズ４１０の主点までの光路長とほぼ等しく設定すれば、図１０に示したように、反射型液晶素子３００から出射される光を投写光学系６００へ最も集光した状態で入射させることが可能となり、投写光学系６００への光の入射効率を高める上で、効果的である。

なお、本実施形態の投写型表示装置では、集光レンズ４１０を反射型液晶素子３００の光入出射面に取り付けることにより、これらの界面において発生する光損失を低減するようにしているが、集光レンズ４１０は必ずしも反射型液晶素子３００の光入出射面に取り付ける必要はない。また、図１１に示すように、集光レンズ４１０を偏光ビームスプリッタ２００の光入出射面に取り付けることも可能であり、この場合には、偏光ビープスプリッタ２００と集光レンズ４１０との界面において発生する光損失を低減することが可能である。

（第４の実施形態）
前述した第２の実施形態にかかる投写型表示装置においても、第３の実施形態と同様、集光レンズを偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂと反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂとの間に配置することができる。このような投写型表示装置の例を図１２に示す。

図１２は、第４の実施形態にかかる投写型表示装置の要部を平面的に見た概略構成図である。なお、図１２は、第１の光学要素１２０の中心を通るＸＺ平面における断面図である。本実施形態の投写型表示装置において、前に説明した第１〜第３の実施形態にかかる投写型表示装置の構成要素と同様の構成要素については、図１〜図１１で用いたものと同じ参照番号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態の投写型表示装置においても、第３の実施形態にかかる投写型表示装置と同様、偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂと反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂとの間に、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂが設けられており、第１の光学要素１２０によって分割された複数の中間光束のそれぞれを、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂを介して反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに重畳させるようにしている。従って、反射型表示装置３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂによって変調された後の光束の広がりを抑えることができ、反射型表示装置３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂから投写光学系６００へ至る光路におけるＳ偏光光光束反射面の選択特性の変化によるムラを低減することができる。よって、投写画像のムラを抑えることが可能となる。特に、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの焦点距離を、第１の光学要素１２０の焦点位置、すなわち集光像１２３（図９参照）が形成される位置から集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの主点までの光路長の２倍に設定すれば、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂから出射される光を平行光とすることが可能となり、効果的である。

さらに、偏光ビームスプリッタ２００と反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂとの間に集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂが配置されており、第１の光学要素１２０によって分割された複数の中間光束のそれぞれを、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂを介して反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに重畳させるようにしているので、反射型表示装置３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂによって変調された後の光束の広がりを抑えることができる。従って、大口径の投写光学系６００を用いなくとも、きわめて明るい投写画像を得ることが可能となる。さらに、本実施形態の投写型表示装置では、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂが、それぞれ、偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂの光入出射面に取り付けられており、これらの界面において発生する光損失も低減されている。従って、さらに明るい投写画像を得ることが可能となっている。

特に、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの焦点距離を、第１の光学要素１２０の焦点位置、すなわち集光像１２３（図１０参照）が形成される位置から集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂの主点までの光路長とほぼ等しく設定すれば、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂから出射される光を投写光学系６００へ最も集光した状態で入射させることが可能となり、投写光学系６００への光の入射効率を高める上で、効果的である。

なお、本実施形態の投写型表示装置では、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂを、それぞれ、偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂの光入出射面に取り付けることにより、これらの界面において発生する光損失を低減するようにしているが、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂは必ずしも偏光ビームスプリッタ２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂの光入出射面に取り付ける必要はない。また、集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂを反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂの光入出射面に取り付けることも可能であり、この場合には、反射型液晶素子３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂと集光レンズ４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂとの界面において発生する光損失を低減することが可能である。

（その他の実施形態）
なお、この発明は、上記の実施例や実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上述した実施形態にかかる投写型表示装置は、いずれも第１の光学要素１２０から出射された光束の偏光方向を揃える偏光変換素子１４０を備えていたが、本発明は、このような偏光変換素子１４０を備えていない投写型表示装置に適用することも可能である。

また、上述した実施形態にかかる投写型表示装置において、偏光照明装置１００、１０１と偏光ビームスプリッタ２００、２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂとの間の光路中や、偏光ビームスプリッタ２００、２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂと投写光学系６００との間の光路中に偏光素子を配置することが好ましい。前者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光ビームスプリッタ２００、２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂに入射する偏光光束、結果的には反射型液晶素子３００、３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂを照射する照明光の偏光度を高めることができる。後者の位置に偏光素子を配置すれば、偏光ビームスプリッタ２００、２００Ｒ、２００Ｇ、２００Ｂから出射されて投写光学系６００へ向かう偏光光束、結果的には投写光学系６００を介して投写面７００上に投写される画像の偏光度を高めることができる。従って、このように偏光素子を配置することにより、投写画像のコントラストを高めることができ、極めて質の高い投写画像を得ることが可能となる。

さらにまた、上述した実施形態においては、いずれも偏光照明装置１００、１０１でＳ偏光光束を得る構成としているが、勿論、Ｐ偏光光束を得る構成としても良い。この場合は、選択位相差板１４７のλ／２位相差層１４８を偏光分離ユニットアレイ１４１のＳ偏光光束出射面１４６に形成するようにすれば良い。

さらに、投写型表示装置としては、投写面７００のうち、投写光学系６００の側の面から投写画像を観察するフロント型、あるいは投写光学系６００の反対側の面から投写画像を観察するリア型のものがあるが、本発明はいずれのタイプにも適用可能である。

第１の実施形態にかかる投写型表示装置の要部を示す概略構成図。偏光照明装置１００における第１の光学要素１２０の構成を示す斜視図。図３（Ａ）は、偏光照明装置１００における偏光分離ユニットアレイ１４１の構成を示す斜視図、図３（Ｂ）は、偏光照明装置１００における選択位相差板１４７の構成を示す斜視図。反射型液晶素子３００の一例を示す概略断面図。集光レンズの機能を説明するための比較例を示す図。第１の実施形態にかかる投写型表示装置における集光レンズ４００の機能を説明するための図。第２の実施形態にかかる投写型表示装置の要部を示す概略構成図。第３の実施形態にかかる投写型表示装置の要部を示す概略構成図。第３の実施形態にかかる投写型表示装置における集光レンズ４１０の機能を説明するための図。第３の実施形態にかかる投写型表示装置における集光レンズ４１０の機能を説明するための図。第３の実施形態にかかる投写型表示装置の変形例を示す概略構成図。第４の実施形態にかかる投写型表示装置４の要部を示す概略構成図。従来の投写型表示装置の要部を示す概略構成図である。

符号の説明

１０光源部１１光源ランプ１２放物面リフレクター２０偏光ビームスプリッタ２１偏光分離面３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂ反射型液晶装置５０ダイクロイックプリズム６０投写光学系７０投写面１００、１０１偏光照明装置１１０光源部１１１光源ランプ１１２放物面リフレクター１２０第１の光学要素１２１光束分割レンズ１２２中間光束１２３集光像１３０第２の光学要素１３１集光レンズアレイ１３２集光レンズ１４０偏光変換素子１４１偏光分離ユニットアレイ１４２偏光分離ユニット１４３偏光分離面１４４反射面１４５Ｐ偏光光束出射面１４６Ｓ偏光光束出射面１４７選択位相差板１４８λ／２位相差層１５０出射側レンズ１６０反射ミラー２００偏光ビームスプリッタ２０１Ｓ偏光光束反射面２０２、２０３プリズム部品３００、３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂ反射型液晶装置３１０基板３１１ソース３１２ソース電極３１３チャネル３１４珪素層３１５タンタル層３１６ドレイン３１７ドレイン電極３１８層間絶縁膜３１９反射画素電極３２０液晶層３２１液晶分子３３０基板３３１対向電極３３２反射防止層３４０二酸化珪素層３４１珪素層３４２タンタル層４００、４００Ｒ、４００Ｇ、４００Ｂ集光レンズ４１０、４１０Ｒ、４１０Ｇ、４１０Ｂ集光レンズ５００色光分離光学系５０１、５０２、５０５ダイクロイックミラー５０３、５０４反射ミラー５５０クロスダイクロイックプリズム５５１、５５２ダイクロイック膜６００投写光学系７００投写面

Claims

光源と、
前記光源から出射された光を変調する反射型変調素子と、
前記反射型変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、
前記光源と前記反射型変調素子との間の光路中に配置され、前記光源から出射された光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記投写光学系へ到達させる偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記偏光光束選択素子との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
前記光学要素と前記偏光光束選択素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられ、
前記光学要素は、前記光学要素によって分割された前記複数の中間光束のそれぞれを、前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１において、
前記集光レンズは、前記光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１において、
前記光学要素は、前記光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、前記第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有し、
前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる前記重畳素子と、を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項３において、
前記集光レンズは、前記第１の光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
光源と、
前記光源から出射された光を複数の色光に分離する色光分離光学系と、
前記色光分離光学系によって分離された前記複数の色光のそれぞれを変調する複数の反射型変調素子と、
前記複数の反射型変調素子によって変調された光を合成する色光合成光学系と、
前記色光合成光学系によって合成された光を投写する投写光学系と、
前記色光分離光学系と前記反射型変調素子との間の光路中にそれぞれ配置され、前記色光分離光学系から出射された色光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記色光合成光学系へ到達させる複数の偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記色光分離光学系との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
前記光学要素とそれぞれの前記偏光光束選択素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられ、
前記光学要素は、前記光学要素によって分割された前記複数の中間光束のそれぞれを、前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項５において、
前記集光レンズは、前記光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項５において、
前記光学要素は、前記光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、前記第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有し、
前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる前記重畳素子と、を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項７において、
前記集光レンズは、前記第１の光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
光源と、
前記光源から出射された光を変調する反射型変調素子と、
前記反射型変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、
前記光源と前記反射型変調素子との間の光路中に配置され、前記光源から出射された光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記投写光学系へ到達させる偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記偏光光束選択素子との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
前記偏光光束選択素子と前記反射型変調素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられ、
前記光学要素によって分割された前記複数の中間光束のそれぞれは、前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳されることを特徴とする投写型表示装置。
請求項９において、
前記集光レンズは、前記光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長の約２倍の焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項９において、
前記集光レンズは、前記光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項９において、
前記光学要素は、前記光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、前記第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有し、
前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子と、を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１２において、
前記集光レンズは、前記第１の光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長の約２倍の焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１２において、
前記集光レンズは、前記第１の光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
光源と、
前記光源から出射された光を複数の色光に分離する色光分離光学系と、
前記色光分離光学系によって分離された前記複数の色光のそれぞれを変調する複数の反射型変調素子と、
前記複数の反射型変調素子によって変調された光を合成する色光合成光学系と、
前記色光合成光学系によって合成された光を投写する投写光学系と、
前記色光分離光学系と前記反射型変調素子との間の光路中にそれぞれ配置され、前記色光分離光学系から出射された色光を反射または透過させて前記反射型変調素子に到達させるとともに、前記反射型変調素子により変調された光を透過または反射させて前記色光合成光学系へ到達させる複数の偏光光束選択素子と、を有する投写型表示装置であって、
前記光源と前記色光分離光学系との間には、前記光源から出射された光束を複数の中間光束に分割する光学要素が設けられ、
それぞれの前記偏光光束選択素子と前記反射型変調素子との間には、前記光学要素から出射された光束を集光する集光レンズが設けられてなることを特徴とする投写型表示装置。
請求項１５において、
前記集光レンズは、前記光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長の約２倍の焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１５において、
前記集光レンズは、前記光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１５において、
前記光学要素は、前記光源からの光束を集光し、複数の中間光束に分割する第１の光学要素と、前記第１の光学要素の光出射面側に配置された第２の光学要素と、を有し、
前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離し、前記Ｐ偏光光束、Ｓ偏光光束のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向と揃えて出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子の光出射面側に配置され、前記中間光束のそれぞれを前記集光レンズを介して前記反射型変調素子に重畳させる重畳素子と、を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１８において、
前記集光レンズは、前記第１の光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長の約２倍の焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。
請求項１８において、
前記集光レンズは、前記第１の光学要素の焦点位置から前記集光レンズの主点までの光路長とほぼ等しい焦点距離を有することを特徴とする投写型表示装置。