JP2009042770A - 照明装置及び投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的簡易な構造の偏光変換素子を用いることによって、高い効率及び純度で特定の偏光を発生させることができる照明装置を提供すること。
【解決手段】Ｒ光照明装置２１に設けたロッドインテグレータ２１ｃ等の存在によって、光源２１ａからの照明光が分割・重畳されて均一な輝度分布及び入射角分布を有する照明光として液晶ライトバルブ３１に入射する。また、このＲ光照明装置２１では、凹面反射鏡２１ｂ等の存在によって、偏光変換素子２１ｄからの戻り反射光を再利用するので、偏光変換素子２１ｄによる偏光変換効率を高めることができ、光源２１ａからの照明光を効率よく利用することができる。よって、後段の液晶ライトバルブやその周辺に配置される偏光板等における発熱を低減することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、液晶表示素子その他の空間光変調装置を照明するための照明装置、並びに、これら空間光変調装置及び照明装置を用いて画像を投射する投射装置に関する。

例えば下記特許文献１に開示された照明装置では、高圧水銀ランプ等のランプ光源からの光を一対のアレイレンズを通過させた後、偏光ビームスプリッタアレイによってＰ偏光を透過・射出させるとともにＳ偏光を反射・射出させる。この際、偏光ビームスプリッタアレイを透過・射出されたＰ偏光は、その射出面に設けた波長板によってＳ偏光に変換されるが、偏光ビームスプリッタアレイで反射・射出されたＳ偏光は、波長板を通過させいので偏光状態が維持される。これにより、偏光ビームスプリッタアレイを通過した光はＳ偏光のみとなる。このようにして得たＳ偏光は、コンデンサレンズ等を経て液晶表示素子に入射し、この液晶表示素子を効率的に照明する。

また、下記特許文献２に開示された照明装置では、ランプ光源からの光をコリメートし、一対のプリズム等によってＰ偏光を透過・射出させるとともにＳ偏光をランプ光源の背後に配置された球面反射鏡等に戻す。この際、プリズムで反射されたＳ偏光は、球面反射鏡との間に設けた波長板によって球面反射鏡との間を往復する間にＰ偏光に変換される。これにより、ランプ光源からの光をほぼＰ偏光のみに変換して一対のプリズム等を通過させることができる。このようにして得たＰ偏光は、コンデンサレンズ等を経て液晶表示素子に入射し、この液晶表示素子を効率的に照明する。

特開平１１−３５２４４４号公報 特開平５−６６３６８号公報

しかし、前者の照明装置では、一対のアレイレンズによって偏光ビームスプリッタアレイに入射するランプからの光の結合効率を高めているため、比較的高精度に加工されたアレイレンズを偏光ビームスプリッタアレイに対して精密に配置する必要があり、光源の構造の複雑化、コスト増加をまねいていた。

また、後者の照明装置では、光源からの光を十分に均一化することができず、プリズムやその後段の光学系によって光源が大型化し易くなる。

そこで、本発明は、比較的簡易な構造の偏光変換素子を用いることによって、高い効率及び純度で特定の偏光を発生させることができる照明装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、簡単な構造の偏光変換素子を用いることによって特定の偏光を発生させることができ、このような偏光を発生させる際に照明光の均一化を簡易に達成することができる照明装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、このような照明装置を組み込むことにより、簡易に効率的で均一な照明が可能であり高品質の画像を投射することができる投射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、照明光を発生する光源と、光源からの光を混合する光混合手段と、光混合手段を経た光のうち一部を反射するとともに、残りを透過させて特定方向の偏光光に変換する偏光変換素子と、偏光変換素子からの反射光を再度偏光変換素子に戻す光帰還手段とを備える。ここで、「光混合手段」は、例えば点状又は面状光源からの光を波面分割し、このように波面分割された光を重畳させることによって光の混合を行うものとすることができる。

上記照明装置では、光混合手段によって光源からの光を混合するので、この装置から射出させる照明光の輝度や射出角の分布の均一性を高めることができる。さらに、光帰還手段によって偏光変換素子からの反射光を再度偏光変換素子に戻すので、偏光変換素子による偏光光への変換効率を高めることができ、光源からの照明光を効率よく利用することができ、後段の偏光素子等における発熱を低減することができる。この結果、均一な偏光光を効率良く発生することができる。

また、上記照明装置の具体的態様では、光混合手段が、ロッドインテグレータである。この場合、簡単な光学素子によって均一な波面分割と混合が低損失で可能になる。

また、上記照明装置の別の具体的態様では、光混合手段が、光帰還手段を兼ねる光閉じ込め型のロッドインテグレータである。この場合、簡易な光学素子によって、偏光変換素子による偏光光への変換を効率的に行いつつ、低損失で均一な波面分割と混合とが可能になる。

また、上記照明装置の別の具体的態様では、光混合手段が、フライアイインテグレータである。この場合、極めて均一な波面分割と混合が低損失で可能になる。

また、上記照明装置の別の具体的態様では、光帰還手段が、光源から射出した照明光を集光する凹面反射鏡である。この場合、照明光を集光しつつ偏光変換素子からの反射光を再度偏光変換素子に戻すので、照明光の利用効率を高めつつ照明光の射出角等の分布を一定範囲内にそろえることができる。

また、上記照明装置の別の具体的態様では、偏光変換素子が、アレイ状に配列された複数の第１偏光分離部と、この複数の第１偏光分離部にそれぞれ隣接して配置されるとともに、複数の第１偏光分離部で反射された特定方向の偏光光を光源の反対側に射出する複数の第２偏光分離部と、複数の第２偏光分離部の光源側の側面に形成された反射部材と、複数の第１偏光分離部及び複数の第２偏光分離部のいずれか一方において光源の反対側の側面に形成された波長板とを有する。ここで「第１偏光分離部」は、ＳＰ偏光を分離する偏光分離膜を内蔵する偏光ビームスプリッタ等で構成することができる。この場合、偏光分離部のアレイによって純度の高いＰ偏光又はＳ偏光を得ることができる。

また、上記照明装置の別の具体的態様では、偏光変換素子が、ワイヤグリッド偏光素子である。この場合、簡単な光学素子によってＰ偏光又はＳ偏光を得ることができる。

また、上記照明装置の別の具体的態様では、偏光変換素子が、偏光変換素子は、短手方向に所定間隔でアレイ状に配列された複数の第１偏光分離部と、各第１偏光分離部に隣接して交互に配置されるとともに、各第１偏光分離部で反射された特定方向の偏光光を光源側にそれぞれ反射射出する複数の第２偏光分離部と有する。この場合、偏光分離部のアレイによって純度の高いＰ偏光又はＳ偏光を得ることができる。

また、上記照明装置の別の具体的態様では、偏光変換素子と光帰還手段との間に、偏光変換素子からの反射光の偏光状態を変更する波長板をさらに備える。この場合、偏光変換素子で反射された偏光光を、光帰還手段によって偏光変換素子に再度戻す際に、偏光変換素子を透過可能な偏光光に変換することができるので、特定方向の偏光光の効率的な取り出しが可能になる。

また、本発明に係る第１の投射装置は、上記した照明装置と、照明装置からの照明光によって照明される空間光変調装置と、空間光変調装置からの像光を投射する投射光学系とを備える。ここで、「空間光変調装置」とは、例えば液晶ライトバルブに代表される光デバイスであり、デジタルミラーデバイス等を含む概念である。

上記第１の投射装置では、上述の照明装置を用いて空間光変調装置を照明するので、均一な偏光光を効率良く発生することができ、高品質の画像を安価な装置によって投射することができる。

また、本発明に係る第２の投射装置は、上記した照明装置とこの照明装置からの照明光によって照明される空間光変調装置とをそれぞれ有する各色ごとの複数の画像形成ユニットと、複数の画像形成ユニットからの像光を合成して射出する光合成部材と、光合成部材を経て合成された像光を投射する投射光学系とを備える。

上記第２の投射装置では、上述の照明装置を用いて空間光変調装置を照明するので、均一な偏光光を各色ごとに効率良く発生することができ、高品質のカラー画像を安価な装置によって投射することができる。

〔第１実施形態〕
図１は、第１実施形態に係る投射装置の構造を概念的に説明するブロック図である。この投射装置、すなわちプロジェクタ１０は、照明装置２０と、光変調装置３０と、投射レンズ４０と、制御装置５０とを備える。ここで、照明装置２０は、Ｒ光照明装置２１と、Ｇ光照明装置２３と、Ｂ光照明装置２５と、光源駆動装置２７とを有する。また、光変調装置３０は、空間光変調装置である３つの液晶ライトバルブ３１，３３，３５と、光合成部材であるクロスダイクロイックプリズム３７と、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５に駆動信号を出力する素子駆動装置３８とを有する。なお、Ｒ光照明装置２１と液晶ライトバルブ３１は、これらを一組として画像形成ユニットと呼ぶ。同様に、Ｇ光照明装置２３及び液晶ライトバルブ３３のユニット、並びに、Ｂ光照明装置２５及び液晶ライトバルブ３５のユニットも、それぞれ画像形成ユニットと呼ぶ。

図２は、照明装置２０のうちＲ光照明装置２１の構造を説明する図である。このＲ光照明装置２１は、３原色のうちＲ光を発生する光源２１ａと、光源２１ａから側方に射出される照明光を集光する凹面反射鏡２１ｂと、凹面反射鏡２１ｂの開口に入射端が接続されたロッドインテグレータ２１ｃと、ロッドインテグレータ２１ｃの射出端に接続された偏光変換素子２１ｄとを備える。このうち、凹面反射鏡２１ｂは、偏光変換素子２１ｄからの反射光を再度偏光変換素子２１ｄに戻す光帰還手段として機能し、ロッドインテグレータ２１ｃは、光源２１ａからの照明光を分割して混合する光混合手段として機能する。

ここで、光源２１ａは、固体光源とも呼ばれるＬＥＤパッケージであり、発光部すなわちダイオードチップＰＣを内蔵する。ダイオードチップＰＣから正面方向に発散しつつ射出された光束ＬＦは、光源２１ａのレンズ部分ＬＰによって一定の広がりを有する光束に変換されてロッドインテグレータ２１ｃにその入射端ＩＰから入射する。なお、ダイオードチップＰＣから側面方向に発散しつつ射出された光束ＬＳも、凹面反射鏡２１ｂによって一定の広がりを有する光束に変換されて、ロッドインテグレータ２１ｃにその入射端ＩＰから入射する。

ロッドインテグレータ２１ｃは、四角柱状の筒内面を反射面に形成した構造を有し、入射端ＩＰから入射した照明光を角度に応じた内面反射によって波面分割するとともに、このように波面分割された照明光を射出端ＥＰに内側から重畳的に合成して入射させる。これにより、均一な分布の照明光を射出端ＥＰから一定の角度範囲内において均一な角度分布で射出させることができる。この際、凹面反射鏡２１ｂの開口ＡＰの寸法と、ロッドインテグレータ２１ｃの入射端ＩＰの寸法とを一致させ、入射端ＩＰの四隅に補助的な光帰還手段として機能する反射面を形成してあるので、ダイオードチップＰＣから射出した照明光を漏れなくロッドインテグレータ２１ｃに結合することができ、偏光変換素子２１ｄから戻って来た戻り反射光ＬＲがロッドインテグレータ２１ｃと凹面反射鏡２１ｂとのつなぎ目で外部に漏れ出すことを防止できる。

偏光変換素子２１ｄは、第１偏光分離部である第１偏光ビームスプリッタＳＰ１と、第２偏光分離部である第２偏光ビームスプリッタＳＰ２とをアレイ状に交互に隣接して配列した構造を有し、全体として、ロッドインテグレータ２１ｃの筒断面と同一の矩形形状を有している。第２偏光ビームスプリッタＳＰ２において、光源２１ａ側の側面には、ロッドインテグレータ２１ｃ側から入射した照明光を反射する反射部材であるミラーＭＭが形成されており、この第２偏光ビームスプリッタＳＰ２において、光源２１ａの反対側の側面には、隣接する第１偏光ビームスプリッタＳＰ１から入射したＳ偏光をＰ偏光に変換するための波長板である（λ／２）板ＷＰが取り付けられている。

ロッドインテグレータ２１ｃの射出端ＥＰから射出した照明光のうち第１偏光ビームスプリッタＳＰ１に入射したものは、第１偏光ビームスプリッタＳＰ１の偏光分離面でＰ偏光のみが選択され、偏光変換素子２１ｄの射出側に透過して出力光となる。また、この偏光分離面で反射されたＳ偏光は、第２偏光ビームスプリッタＳＰ２に入射し、これに設けた偏光分離面で再度反射されて（λ／２）板ＷＰに入射する。この（λ／２）板ＷＰに入射したＳ偏光は、（λ／２）板ＷＰを通過することによってＰ偏光に変換され、偏光変換素子２１ｄから出力光として射出される。以上により、偏光変換素子２１ｄからは、高輝度の出力光としてＰ偏光のみが射出される。

一方、ロッドインテグレータ２１ｃの射出端ＥＰから射出した照明光のうち第２偏光ビームスプリッタＳＰ２の位置に入射してミラーＭＭで反射されたものは、ロッドインテグレータ２１ｃに戻されてロッドインテグレータ２１ｃ中を逆行し、その入射端ＩＰから凹面反射鏡２１ｂに戻される。凹面反射鏡２１ｂは、ミラーＭＭすなわち偏光変換素子２１ｄからの、このような戻り反射光を１回以上反射することによってロッドインテグレータ２１ｃの入射端ＩＰに再度戻し、偏光変換素子２１ｄに再入射させる。つまり、凹面反射鏡２１ｂとロッドインテグレータ２１ｃとは、光閉じ込め容器として機能し、光源２１ａから射出された照明光を偏光変換素子２１ｄに漏れなく入射させるとともに、偏光変換素子２１ｄでＰ偏光に変換されなかった反射光を低損失で偏光変換素子２１ｄに再入射させる。これを繰返すことによって、光源２１ａから射出された照明光は、ほぼ完全にＰ偏光に変換され、偏光変換素子２１ｄの射出側から均一で高輝度の出力光として射出される。この際、偏光変換素子２１ｄからの戻り反射光は、光源２１ａのダイオードチップＰＣにも入射するが、ダイオードチップＰＣでは吸収されず、むしろダイオードチップＰＣの発光効率を高めることになる。なお、（λ／２）板ＷＰは、第２偏光ビームスプリッタＳＰ２側でなく、第１偏光ビームスプリッタＳＰ１の射出側に設けることもできる。この場合、Ｓ偏光を取り出すことができる。また、第２偏光ビームスプリッタＳＰ２は、偏光分離面に代えてミラーを内蔵するものとすることもできる。

偏光変換素子２１ｄからの出力光は、偏光変換素子２１ｄに対して一定距離だけ離間して対面配置された液晶ライトバルブ３１（図１参照）に入射する。液晶ライトバルブ３１は、偏光変換素子２１ｄから射出した出力光によって照明される。この際、Ｒ光照明装置２１に設けたロッドインテグレータ２１ｃ等の存在によって、光源２１ａからの照明光が分割・重畳されて均一な輝度分布及び入射角分布を有する照明光として液晶ライトバルブ３１に入射する。なお、凹面反射鏡２１ｂの焦点距離、光源２１ａの配置、ロッドインテグレータ２１ｃの長さ等を適宜調節することにより、出力光の均一性や液晶ライトバルブ３１への入射角範囲を適宜調節することができる。

また、このＲ光照明装置２１では、凹面反射鏡２１ｂ等の存在によって、偏光変換素子２１ｄからの戻り反射光を再利用するので、偏光変換素子２１ｄによる偏光変換効率を高めることができ、光源２１ａからの照明光を効率よく利用することができる。よって、後段の液晶ライトバルブ３１やその周辺に配置される偏光板等における発熱を低減することができる。

以上では、図１の照明装置２０のうち、Ｒ光照明装置２１の構造のみについて説明したが、Ｇ光照明装置２３やＢ光照明装置２５も、発光波長に合わせて透過波長等の設計仕様が多少変更されるだけで、Ｒ光照明装置２１と基本的に同一の構造を有する。

つまり、Ｇ光照明装置２３からのＧ光によってＧ光用の液晶ライトバルブ３３が極めて均一に照明されるが、この際の照明光は、固体光源であるＬＥＤパッケージからのＧ光をほぼ完全にＰ偏光に効率良く変換したものとなっている。また、Ｂ光照明装置２５からのＢ光によってＢ光用の液晶ライトバルブ３５が極めて均一に照明されるが、この際の照明光は、固体光源であるＬＥＤパッケージからのＢ光をほぼ完全にＰ偏光に効率良く変換したものとなっている。

各液晶ライトバルブ３１，３３，３５にそれぞれ入射した各照明装置２１，２３，２５からの光は、これら液晶ライトバルブ３１，３３，３５によってそれぞれ２次元的に変調される。各液晶ライトバルブ３１，３３，３５を通過した各色の光は、光合成部材であるクロスダイクロイックプリズム３７で合成されて、その一側面から射出する。クロスダイクロイックプリズム３７から射出した合成光の像は、投射光学系である投射レンズ４０に入射してプロジェクタ１０外部に設けたスクリーン（不図示）に適当な拡大率で投影される。つまり、プロジェクタ１０によって、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５に適宜形成された各色Ｒ，Ｇ，Ｂの画像を合成したカラー画像がスクリーン上に投射される。なお、図示を省略しているが、各液晶ライトバルブ３１，３３，３５の近辺の適所には、これらの液晶ライトバルブ３１，３３，３５を偏光光で照明し読み出すため、偏光板が配置されている。

制御装置５０は、マイクロコンピュータ等からなり、光源駆動装置２７や素子駆動装置３８に制御信号を出力することによって、各色の光照明装置２１，２３，２５や液晶ライトバルブ３１，３３，３５の動作を間接的に制御している。これにより、例えば外部から制御装置５０を介してプロジェクタ１０に入力された画像信号に応じて、カラーの動画又は静止画がスクリーン上に高輝度で投影・表示される。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態のプロジェクタについて説明する。第２実施形態のプロジェクタは、第１実施形態のプロジェクタの照明装置２１，２３，２５を変形したものであり、同一の部分には同一の符号を付して重複説明を省略する。

図３は、第２実施形態のプロジェクタに組み込まれるＲ光照明装置の構造を説明する図である。このＲ光照明装置１２１は、Ｒ光を発生・集光する光源部１２１ａと、光源部１２１ａから射出される照明光を閉じ込める端面封止型のロッドインテグレータ１２１ｃと、このロッドインテグレータ１２１ｃの射出端に接続された偏光変換素子２１ｄとを備える。このうち、ロッドインテグレータ１２１ｃは、光源部１２１ａからの照明光を分割して混合する光混合手段として機能するとともに、偏光変換素子２１ｄからの反射光を再度偏光変換素子２１ｄに戻す光帰還手段として機能する。

光源部１２１ａは、Ｒ光を発生する光源２１ａと、光源２１ａから側方に射出される照明光を集光する凹面反射鏡１２１ｂと、この光源２１ａから正面方向に射出される照明光を集光する凸レンズ１２１ｇとを備える。光源１２１ａに内蔵されたダイオードチップＰＣから正面方向に発散しつつ射出された光束ＬＦは、光源１２１ａのレンズ部分ＬＰと凸レンズ１２１ｇとによって収束されてロッドインテグレータ１２１ｃに設けたピンホールＰＨを介してロッドインテグレータ１２１ｃの内部に入射する。なお、ダイオードチップＰＣから側面方向に発散しつつ射出された光束ＬＳも、凹面反射鏡１２１ｂによって収束されてロッドインテグレータ１２１ｃに設けたピンホールＰＨに入射する。

ロッドインテグレータ１２１ｃは、四角柱状の筒内面及び一端面を反射面に形成した構造を有し、ピンホールＰＨから入射した照明光を波面分割するとともに、波面分割された照明光を射出端ＥＰすなわち偏光変換素子２１ｄに重畳的に合成して入射させる。偏光変換素子２１ｄに入射した照明光のうち偏光変換素子２１ｄを通過したものは、Ｐ偏光に変換された出力光となる。一方、偏光変換素子２１ｄに入射した照明光のうち偏光変換素子２１ｄで反射されたものは、ロッドインテグレータ２１ｃに戻されてロッドインテグレータ２１ｃ中を逆行し、その一端面ＳＰに入射する。一端面ＳＰは、偏光変換素子２１ｄからの戻り反射光を再度前方向に反射して偏光変換素子２１ｄに再入射させる。つまり、ロッドインテグレータ２１ｃは、光閉じ込め容器として機能し、光源２１ａから射出された照明光を漏れなく偏光変換素子２１ｄに入射させるとともに、偏光変換素子２１ｄでＰ偏光に変換されなかった反射光を低損失で偏光変換素子２１ｄに再入射させる。これを繰返すことによって、光源２１ａから射出された照明光は、ほぼ完全にＰ偏光に変換され、偏光変換素子２１ｄの射出側から均一で高輝度の出力光として射出される。

以上では、照明装置のうちＲ光照明装置１２１の構造のみについて説明したが、Ｇ光照明装置やＢ光照明装置も、発光波長に合わせて透過波長等の設計仕様が多少変更されるだけで、Ｒ光照明装置１２１と基本的に同一の構造を有する。このような各色の照明装置により、図１に示す各液晶ライトバルブ３１，３３，３５と同様の液晶ライトバルブを高輝度で均一に照明することができる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態のプロジェクタについて説明する。第３実施形態のプロジェクタも、第１実施形態のプロジェクタの照明装置２１，２３，２５を変形したものである。

図４は、第３実施形態のプロジェクタに組み込まれるＲ光照明装置の構造を説明する図である。このＲ光照明装置２２１は、Ｒ光を発生する光源２１ａと、光源２１ａから側方に射出される照明光を集光する凹面反射鏡２１ｂと、凹面反射鏡２１ｂの開口ＡＰを塞ぐように配置された反射型偏光板２２１ｄと、反射型偏光板２２１ｄの入射面に接合された波長板である（λ／４）板２２１ｈとを備える。このうち、凹面反射鏡２１ｂは、反射型偏光板２２１ｄからの反射光を再度反射型偏光板２２１ｄに戻す光帰還手段として機能するとともに、光源２１ａからの照明光や反射型偏光板２２１ｄからの戻り反射光を分割して混合する光混合手段としても機能する。

ここで、反射型偏光板２２１ｄは、ワイヤグリッド偏光素子であり、透明基板ＴＰ上に波長オーダ程度の等間隔で形成された等しい幅の導体パターンからなるストライプ導線ＳＭを有する。ストライプ導線ＳＭの幅や間隔は、Ｒ光の波長以下に設定されているので、この反射型偏光板２２１ｄに入射した光のうち、ストライプ導線ＳＭが延びる特定方向に垂直の偏光光（以下では便宜上Ｐ偏光と呼ぶものとする）のみが選択的にこの反射型偏光板２２１ｄを通過する。

動作について説明すると、光源１２１ａに内蔵されたダイオードチップＰＣから正面方向や側面方向に発散しつつ射出された光束Ｌ１は、適当な発散角に絞られて（λ／４）板２２１ｈを通過し、反射型偏光板２２１ｄに入射してこの反射型偏光板２２１ｄをほぼ一様に照明する。反射型偏光板２２１ｄに入射した光束Ｌ１のうち反射型偏光板２２１ｄを通過したものは、ほぼＰ偏光のみの出力光となっている。一方、反射型偏光板２２１ｄに入射した照明光のうち反射型偏光板２２１ｄで反射されたものは、ほぼＳ偏光のみからなるが、このような反射光は、（λ／４）板２２１ｈを経て円偏光に変換される。この（λ／４）板２２１ｈを通過した円偏光状態の反射光は、凹面反射鏡２１ｂに戻される。凹面反射鏡２１ｂは、反射型偏光板２２１ｄからの、このような戻り反射光Ｌ２を１回以上反射することによって反射型偏光板２２１ｄに再入射させる。この際、凹面反射鏡２１ｂで反射される円偏光は、回転方向が逆転するが円偏光のまま維持され、反射型偏光板２２１ｄに再入射する際に通過する（λ／４）板２２１ｈによって、円偏光からＰ偏光に変換される。これにより、反射型偏光板２２１ｄに再入射した戻り反射光Ｌ２は、効率的に反射型偏光板２２１ｄを通過する。この場合、凹面反射鏡２１ｂは、光閉じ込め容器として機能し、光源２１ａから射出された照明光を漏れなく反射型偏光板２２１ｄに入射させるとともに、反射型偏光板２２１ｄでＰ偏光に変換されなかった戻り反射光Ｌ２を低損失で波面分割しつつ重畳させて反射型偏光板２２１ｄに再入射させる。これにより、光源２１ａから射出された照明光は、ほぼ完全にＰ偏光に変換され、反射型偏光板２２１ｄの射出側から均一で高輝度の出力光として射出される。

以上では、照明装置のうちＲ光照明装置２２１の構造のみについて説明したが、Ｇ光照明装置やＢ光照明装置も、Ｒ光照明装置２２１と基本的に同一の構造を有する。このような各色の照明装置により、図１に示す各液晶ライトバルブ３１，３３，３５と同様の構造を有するＲＧＢの各色の液晶ライトバルブを高輝度で均一に照明することができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態のプロジェクタについて説明する。第４実施形態のプロジェクタも、第１実施形態のプロジェクタの照明装置を変形したものである。

図５（ａ）及び（ｂ）は、第４実施形態のプロジェクタに組み込まれるＲ光照明装置の構造を図示する平面図及び側面図である。このＲ光照明装置３２１は、Ｒ光を発生するアレイ光源部３２１ａと、アレイ光源部３２１ａから射出された照明光が通過するフライアイレンズ３２１ｃと、このフライアイレンズ３２１ｃを経た照明光が入射する偏光変換装置３２１ｄと、偏光変換装置３２１ｄを通過したＰ偏光を照明光としてＲ光用の液晶ライトバルブ３１に均一に入射させるレンズ３２１ｉとを備える。このうち、フライアイレンズ３２１ｃやレンズ３２１ｉは、アレイ光源部３２１ａからの照明光を混合する光混合手段として機能する。

アレイ光源部３２１ａは、マトリックス状に配置されてそれぞれＲ光を発生する複数のＬＥＤパッケージＰＡａ〜ＰＡｃと、各ＬＥＤパッケージＰＡａ〜ＰＡｃの周囲に配置され側面方向に射出される照明光を一定の広がり角でフライアイレンズ３２１ｃに入射させる複数の凹面反射鏡３２１ｊとを備える。なお、アレイ光源部３２１ａに設けた各凹面反射鏡３２１ｊは、偏光変換装置３２１ｄからの反射光を再度偏光変換装置３２１ｄに戻す光帰還手段として機能する。このようなアレイ光源部３２１ａからの照明光は、フライアイレンズ３２１ｃを経て偏光変換装置３２１ｄをほぼ一様に照明する。

偏光変換装置３２１ｄは、屏風状に周期的に折り曲げられた構造を有する偏光分離膜ＰＳＦを内蔵しており、その入射面側に（λ／４）板３２１ｋが貼り付けられている。偏光分離膜ＰＳＦは、（λ／４）板３２１ｋに向かって山側となっている９０゜の頂点と、（λ／４）板３２１ｋに向かって谷側となっている９０゜の頂点とをそれぞれ多数備えており、両頂点の間の平面部分でＰ偏光を透過させＳ偏光を反射する。

動作について説明すると、ＬＥＤパッケージＰＡａ〜ＰＡｃから正面方向や側面方向に発散しつつ射出された光束Ｌ１は、フライアイレンズ３２１ｃを経て均一化されて偏光変換装置３２１ｄに入射する。偏光変換装置３２１ｄに入射した光束Ｌ１のうち、偏光分離膜ＰＳＦに含まれる第１偏光分離部である特定の偏光分離面ＰＳＦ１を透過したＰ偏光成分は出力光となる。また、偏光分離面ＰＳＦ１で反射されたＳ偏光成分は、第１偏光分離部に対面する第２偏光分離部である偏光分離面ＰＳＦ２に再度入射して反射され、逆進して（λ／４）板３２１ｋに入射する。この（λ／４）板３２１ｋに入射したＳ偏光成分は、（λ／４）板３２１ｋを逆行することによってＳ偏光から円偏光に変換され、戻り反射光Ｌ２としてフライアイレンズ３２１ｃを経て凹面反射鏡３２１ｊに入射する。凹面反射鏡３２１ｊは、偏光変換装置３２１ｄからの、このような戻り反射光Ｌ２を１回以上反射することによって偏光変換装置３２１ｄに再入射させる。この際、凹面反射鏡３２１ｊで反射される円偏光は、回転方向が逆転するが円偏光のまま維持され、偏光分離膜ＰＳＦに再入射する前に通過する（λ／４）板３２１ｋによって、円偏光からＰ偏光に変換される。これにより、偏光分離膜ＰＳＦに再入射した戻り反射光Ｌ２は、効率的に偏光分離膜ＰＳＦを通過するので、各ＬＥＤパッケージＰＡａ〜ＰＡｃから射出された照明光は、ほぼ完全にＰ偏光に変換され、偏光変換装置３２１ｄの射出側から均一で高輝度の出力光として射出される。この偏光変換装置３２１ｄからの出力光は、レンズ３２１ｉによって適当なビームサイズにされてＲ光用の液晶ライトバルブ３１に投影される。

なお、特定のＬＥＤパッケージＰＡａ〜ＰＡｃから射出されて偏光分離膜ＰＳＦに入射に入射した光束Ｌ１は、同じＬＥＤパッケージＰＡａ〜ＰＡｃの凹面反射鏡３２１ｊに戻るとは限らない。例えば図５（ｂ）に示すように、ＬＥＤパッケージＰＡｂ‘から射出された光束Ｌ１を、偏光変換装置３２１ｄを介して偏光変換装置３２１ｄの稜線方向に隣接するＬＥＤパッケージＰＡｂの凹面反射鏡３２１ｊに反射光Ｌ２として戻し、再度偏光変換装置３２１ｄに再入射させることもできる。これにより、偏光分離膜ＰＳＦで反射されたＳ偏光を効率よく回収することができ、偏光変換装置３２１ｄから特定の偏光光を効率的に取り出すことができる。

偏光変換装置３２１ｄは、例えば以下の方法によって作製される。まず、偏光分離膜ＰＳＦの形状に対応する三角形状の溝アレイを有するガラス部材を準備する。次に、このガラス部材に設けた溝アレイの表面に偏光分離膜を成膜する。次に、この偏光分離膜に対向するようにガラス部材に対して（λ／４）板３２１ｋを当接させて、接着剤である透明樹脂をガラス部材と（λ／４）板３２１ｋとの隙間に注入する。これにより、溝アレイ中に透明樹脂が充填される。この状態で、溝アレイ中に充填された透明樹脂を紫外線等により硬化させることによって、偏光変換装置３２１ｄが完成するとともに、この偏光変換装置３２１ｄに（λ／４）板３２１ｋを貼り付けた一体素子とすることができる。

なお、以上の説明において、フライアイレンズ３２１ｃを構成するレンズ要素数を用途に応じて適宜変更できることは言うまでもない。また、偏光変換装置３２１ｄを構成する偏光分離膜ＰＳＦの折曲げ数すなわち偏光分離面の数も用途に応じて適宜変更できる。

以上では、照明装置のうちＲ光照明装置３２１の構造のみについて説明したが、Ｇ光照明装置やＢ光照明装置も、Ｒ光照明装置３２１と基本的に同一の構造を有する。このような各色の照明装置により、液晶ライトバルブ３１のほか、図１に示す各液晶ライトバルブ３３，３５と同様の構造を有するＲＧＢの各色の液晶ライトバルブを高輝度で均一に照明することができる。

〔第５実施形態〕
以下、第５実施形態のプロジェクタについて説明する。第５実施形態のプロジェクタも、第１実施形態のプロジェクタの照明装置を変形したものである。

図６は、第５実施形態のプロジェクタに組み込まれるＲ光照明装置の構造を説明する図である。このＲ光照明装置４２１は、Ｒ光を発生する光源２１ａと、光源２１ａから側方に射出される照明光を集光する凹面反射鏡２１ｂと、凹面反射鏡２１ｂの開口に入射端が接続されたロッドインテグレータ２１ｃと、ロッドインテグレータ２１ｃの射出端に接続された偏光変換装置３２１ｄとを備える。

偏光変換装置３２１ｄは、第４実施形態と同一のものであり、屏風状に周期的に折り曲げられた構造を有する偏光分離膜ＰＳＦを内蔵しており、その入射面側に（λ／４）板３２１ｋが貼り付けられている。

動作について説明すると、光源２１ａから正面方向や側面方向に発散しつつ射出された光束Ｌ１は、適当な発散角に絞られてロッドインテグレータ２１ｃに入射し、ロッドインテグレータ２１ｃを経て均一化されて偏光変換装置３２１ｄに入射する。偏光変換装置３２１ｄに入射した光束Ｌのうち、偏光分離膜ＰＳＦに含まれる第１偏光分離部である特定の偏光分離面ＰＳＦ１を透過したＰ偏光成分は出力光となる。また、偏光分離面ＰＳＦ１で反射されたＳ偏光成分は、第１偏光分離部に対面する第２偏光分離部である偏光分離面ＰＳＦ２に再度入射して反射され、逆進して（λ／４）板３２１ｋに入射する。この（λ／４）板３２１ｋに入射したＳ偏光成分は、（λ／４）板３２１ｋを逆行することによってＳ偏光から円偏光に変換され、戻り反射光Ｌ２としてロッドインテグレータ２１ｃを経て凹面反射鏡２１ｂに入射する。凹面反射鏡２１ｂは、偏光変換装置３２１ｄからの、このような戻り反射光Ｌ２を１回以上反射することによって偏光変換装置３２１ｄに再入射させる。この際、凹面反射鏡２１ｂで反射される円偏光は、回転方向が逆転するが円偏光のまま維持され、偏光分離膜ＰＳＦに再入射する前に通過する（λ／４）板３２１ｋによって、円偏光からＰ偏光に変換される。これにより、偏光分離膜ＰＳＦに再入射した戻り反射光Ｌ２は、効率的に偏光分離膜ＰＳＦを通過するので、光源２１ａから射出された照明光は、ほぼ完全にＰ偏光に変換され、偏光変換装置３２１ｄの射出側から均一で高輝度の出力光として射出される。

以上では、照明装置のうちＲ光照明装置４２１の構造のみについて説明したが、Ｇ光照明装置やＢ光照明装置も、Ｒ光照明装置４２１と基本的に同一の構造を有する。このような各色の照明装置により、図１に示す各液晶ライトバルブ３１，３３，３５と同様の構造を有するＲＧＢの各色の液晶ライトバルブを高輝度で均一に照明することができる。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、第１実施形態や第２実施形態では、偏光ビームスプリッタのアレイからなる偏光変換素子２１ｄを用いているが、これに代えて図４に示す反射型偏光板２２１ｄと（λ／４）板２２１ｈとを組み合わせたものを用いることができる。

また、第３実施形態では、凹面反射鏡２１ｂと反射型偏光板２２１ｄとを、（λ／４）板２２１ｈを介して直結しているが、凹面反射鏡２１ｂ及び反射型偏光板２２１ｄの間に第１実施形態で用いたロッドインテグレータ２１ｃを組み込むこともできる。この場合、照明光の均一性を高めることができる。

また、上記第１〜第３実施形態では、偏光変換素子２１ｄや反射型偏光板２２１ｄからの出力光を液晶ライトバルブ３１に直接入射させているが、これらの間に適当なリレーレンズを挿入することができる。

また、上記実施形態のプロジェクタ１０では、光変調装置３０を透過型の液晶ライトバルブ３１，３３，３５で構成しているが、反射型の液晶素子でこれを構成することもできる。また、液晶ライトバルブは、光書き込み型の液晶ライトバルブとすることができる。

また、上記実施形態では、ＬＥＤを用いて光源を構成しているが、ＬＥＤに代えてＥＬ発光素子、ＬＤ等の他の固体発光源を使用することもできる。

第１実施形態に係るプロジェクタの構造を示す図である。 図１の装置のうち光照明装置の構造を説明する図である。 第２実施形態における照明装置を説明する図である。 第３実施形態における照明装置を説明する図である。 （ａ）、（ｃ）は、第４実施形態を説明する図である。 第５実施形態を説明する図である。

符号の説明

２０ 照明装置、２１ Ｒ光照明装置、２１ａ 光源、２１ｂ 凹面反射鏡、２１ｃ ロッドインテグレータ、２１ｄ 偏光変換素子、２３ Ｇ光照明装置、２５ Ｂ光照明装置、３０ 光変調装置、３１，３３，３５ 液晶ライトバルブ、３７ クロスダイクロイックプリズム、４０ 投射レンズ、５０ 制御装置、ＡＰ 開口、ＥＰ 射出端、ＩＰ 入射端。

Claims (11)

1. 照明光を発生する光源と、
   前記光源からの光を混合する光混合手段と、
   前記光混合手段を経た光のうち一部を反射するとともに、残りを透過させて特定方向の偏光光に変換する偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子からの反射光を再度前記偏光変換素子に戻す光帰還手段とを備える照明装置。
2. 前記光混合手段は、ロッドインテグレータであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光混合手段は、前記光帰還手段を兼ねる光閉じ込め型のロッドインテグレータであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記光混合手段は、フライアイインテグレータであることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
5. 前記光帰還手段は、前記光源から射出した照明光を集光する凹面反射鏡である請求項１、請求項２及び請求項４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記偏光変換素子は、アレイ状に配列された複数の第１偏光分離部と、当該複数の第１偏光分離部にそれぞれ隣接して配置されるとともに、前記複数の第１偏光分離部で反射された特定方向の偏光光を前記光源の反対側に射出する複数の第２偏光分離部と、前記複数の第２偏光分離部の前記光源側の側面に形成された反射部材と、前記複数の第１偏光分離部及び前記複数の第２偏光分離部のいずれか一方において前記光源の反対側の側面に形成された波長板とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項記載の照明装置。
7. 前記偏光変換素子は、ワイヤグリッド偏光素子であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記偏光変換素子は、短手方向に所定間隔でアレイ状に配列された複数の第１偏光分離部と、各第１偏光分離部に隣接して交互に配置されるとともに、各第１偏光分離部で反射された特定方向の偏光光を前記光源側にそれぞれ反射射出する複数の第２偏光分離部と有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の照明装置。
9. 前記偏光変換素子と前記光帰還手段との間に、前記偏光変換素子からの反射光の偏光状態を変更する波長板をさらに備えることを特徴とする請求項７及び請求項８のいずれか一項に記載の照明装置。
10. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の照明装置と、
    前記照明装置からの照明光によって照明される空間光変調装置と、
    前記空間光変調装置からの像光を投射する投射光学系とを備える投射装置。
11. 請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の照明装置と、当該照明装置からの照明光によって照明される空間光変調装置とをそれぞれ有する各色ごとの複数の画像形成ユニットと、
    前記複数の画像形成ユニットからの像光を合成して射出する光合成部材と、
    前記光合成部材を経て合成された像光を投射する投射光学系とを備える投射装置。

Images