JP2009116165A - 照明光学系および投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光路を高精度に保ちながら、エテンデューを増加させること無く明るさを向上させることができる照明光学系、および投射型映像表示装置を得ることを目的とする。
【解決手段】 第１の光源２ａおよび第２の光源２ｂと、光源２ａと光源２ｂとを交互に時分割駆動させる駆動部２０と、一方の偏光光を透過させ、他方の偏光光を反射させることにより、第１の光源２ａからの第１の偏光光の光束と、第２の光源２ｂからの第２の偏光光の光束と、を同じ光軸の出射光として出射する第１の光学素子１０と、透過する光の偏光軸を変化させない第１の透過領域１１ａと、透過する光の偏光軸を変化させる第２の透過領域１１ｂとを有し、第１の光学素子１０からの出射光のうち、第１の光源２ａからの光束を第１の透過領域１１ａを透過させてから出射し、第２の光源２ｂからの光束を第２の透過領域１１ｂを透過させてから出射する第２の光学素子１１と、を備えた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、照明光学系および該照明光学系からの光を映像光に変換してスクリーンに投写して表示させる投写型映像表示装置に関するものである。

投写型映像表示装置の光源には、従来から高圧水銀ランプ等の放電型のランプが多用されてきたが、寿命が短く、立ち上がり時間が長いため、長寿命で点灯してから明るさが安定するまでにかかる時間が短時間であるＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）等の固体発光素子が光源として使用されるようになってきた。しかし、ＬＥＤ光源は、高圧水銀ランプと比較すると、１つの光源から射出される光束量が低いため、複数の光源を使用する必要がある。

しかし、複数の光源を使用すると発光点が大きくなる、つまりエテンデューが増加することにより光学系として照明効率が低下するという問題があった。そこで、複数のＬＥＤ光源を交番発光させるとともに、各光源から射出された発光光を所定の同一光路に導光する回動駆動手段を備え、短期間、定格以上の大電流を各ＬＥＤ光源に供給することにより、エテンデューの増加を防止し、かつ明るさを向上させる方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−９９０３７号公報（段落００２４〜００２７、第２図）

しかしながら、上記の構成では、光路に直接影響を与える光源や導光部材を移動させる必要があり、光路を高精度に保つことが困難であるという問題があった。

本発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、光路を高精度に保ちながら、エテンデューを増加させること無く明るさを向上させることができる照明光学系、および投写型映像表示装置を得ることを目的とする。

本発明にかかる照明光学系は、第１の光源および第２の光源と、前記第１の光源と前記第２の光源とを交互に時分割駆動させる駆動部と、２種類（ｐ偏光、ｓ偏光）の直線偏光光のうち、一方の直線偏光光を透過させ、他方の直線偏光光を反射させることにより、第１の方向から入射する前記第１の光源からの第１の直線偏光光の光束と、前記第１の方向と異なる第２の方向から入射する前記第２の光源からの第２の直線偏光光の光束と、を同じ光軸の射出光として射出する第１の光学素子と、透過する光の偏光軸を変化させない第１の透過領域と、透過する光の偏光軸を変化させる第２の透過領域とを有し、前記時分割駆動に同期して前記第２の透過領域の位置を移動させ、前記第１の光学素子からの射出光のうち、前記第１の光源からの光束を前記第１の透過領域を透過させてから射出し、前記第２の光源からの光束を前記第２の透過領域を透過させてから射出する第２の光学素子と、を備えたものである。

本発明によれば、交番発光させた２つの光源からの光の互いに異なる直線偏光光を同一の光軸の光束に合成する第１の光学素子と、２種類の透過領域を前記交番発光の時分割駆動に同期して移動させ、一方の直線偏光光の偏光軸を変換して、前記第１の光学素子から射出された互いに異なる直線偏光光を同一の直線偏光光にして射出する第２の光学素子を備えたことにより、光路を高精度に保ちながら、エテンデューの増加を防止し、明るさを向上させた照明光学系、および投写型映像表示装置を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る照明光学系、およびその照明光学系と反射型液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置の構成図である。図において、投写型映像表示装置１は、光を発する照明光学系４と、照明光学系４から発せられた光を受けて映像光を射出するライトバルブ３（液晶ライトバルブ）と、ライトバルブ３から射出された映像光を拡大投写する投写光学系５と、投写光学系５により拡大投写された映像光を表示するスクリーン６とを備えている。

照明光学系４は、ライトバルブ３に光を照射するように配置され、時分割駆動可能なＬＥＤの光源２ａ（第１の光源）およびＬＥＤの光源２ｂ（第２の光源）と、光源２ａと光源２ｂとを交互に時分割駆動させる駆動部２０と、光源２ａから射出された光束を光源２ａの光軸Ｃ１と略平行にするレンズ群７ａ（第１のレンズ群）、光源２ｂから射出された光束を光源２ｂの光軸Ｃ２と略平行にするレンズ群７ｂ（第２のレンズ群）と、レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂから射出された各々の光束を同一の光路上（光軸Ｃ１）に合成して射出する偏光分離素子１０（第１の光学素子）と、偏光分離素子１０から射出された光束の光強度分布を光軸Ｃ１に垂直な断面内で均一化する光強度均一化素子である柱状光学素子１２と、偏光分離素子１０から射出された光束を柱状光学素子１２の入射端に集光する集光レンズ群７ｃと、柱状光学素子１２に入射する光束を同一の偏光軸の直線偏光光とする円板１１（第２の光学素子）と、柱状光学素子１２から射出された光束をライトバルブ３に導くリレーレンズ群８と、を備える。

そして、リレーレンズ群８（照明光学系４）とライトバルブ３との間には、リレーレンズ群８から射出された光束のうち同一の直線偏光光をライトバルブ３へ透過させるとともに、ライトバルブ３に入射した前記直線偏光光と９０度偏光軸が異なる光束を投写光学系５へ反射する反射型偏光板９が設けられている。

なお、図１に示す投写型液晶表示装置１は、光源２ａおよび光源２ｂが１色の光路に関する構成を示しているが、赤、緑、青の各色について各々照明光学系４を経て、各ライトバルブ３の後段に備えられた光合成素子（図示せず）によって各色の画像光を合成した後に投写光学系５によってスクリーン６に投写させるようにしてもよい。

ライトバルブ３は、投写する画像光の各画素に対応する液晶表示素子を多数（例えば、数十万個）平面的に配列したものであり、画素情報に応じて各液晶表示素子を動作させることで、入射された光を基に画像光を射出する。なお、本発明の実施の形態では、ライトバルブ３として反射型液晶ライトバルブを用いたが、透過型液晶表示素子のようなライトバルブであってもよい。いずれのライトバルブであっても、液晶表示素子を用いる場合には、特定の直線偏光光を入射光として利用することができ、本実施の形態１におけるライトバルブ３は、ｐ偏光光のみを入射光として利用する。ただし、透過型液晶表示素子を用いる場合は、反射型偏光板９は不必要となり、透過型液晶表示素子の後段に偏光板、光合成素子、投写光学系という配置にすることにより実現可能となる。

光源２ａおよび光源２ｂは、時分割駆動が可能なＬＥＤを用いており、制御部２０によって交番発光するように時分割駆動される。ＬＥＤの発光光はランダム偏光光なので、上記ライトバルブ３に入射する光は、光源２ａおよび光源２ｂから発せられるランダム偏光光のうち、一方の直線偏光光を使用する。本実施の形態１では、後述する偏光分離素子１０を用いて、光源２ａ、２ｂから発せられる直線偏光光のうち、一方の直線偏光光のみを使用する構成としている。

レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂは、光源２ａおよび光源２ｂから入射した光束を広げ、レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂから射出する光束をそれぞれの光軸Ｃ１および光軸Ｃ２と略平行になるようにしている。また、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２は互いに垂直である。なお、本実施の形態１ではレンズ群７ａおよびレンズ群７ｂのレンズ枚数は３枚であるが、各々のレンズ群から射出される光束が略平行になるのであれば任意の枚数のレンズを備えても良い。ただし、レンズ群７ａおよびレンズ群７ｂの構成（レンズ枚数、レンズ間隔、レンズ曲率）は、同一であることが好ましい。

レンズ群７ａから射出された光源２ａからの光束は、光軸Ｃ１に略平行な光束となって偏光分離素子１０の図中左側から入射する。そして、レンズ群７ｂより射出された光源２ｂからの光束は光軸Ｃ２（光軸Ｃ１に対して垂直）に略平行な光束となって偏光分離素子１０の図中下側から入射する。

第１の光学素子である偏光分離素子１０の概略図を図２に示す。偏光分離素子１０は、２種類の直線偏光光を分離する特徴を有している。図２に示すように、偏光分離素子１０に入射したｐ偏光光およびｓ偏光光は、偏光分離膜１０ａによってｓ偏光光は反射され、ｐ偏光光が透過する。光軸Ｃ１と光軸Ｃ２とは直交しているので、光源２ａからの光束のうち、ｐ偏光光は光軸Ｃ１に沿って偏光分離素子１０から射出し、ｓ偏光光は偏光分離素子１０で反射されて図中上側へ抜けていく。一方、光源２ｂからの光束のうち、ｓ偏光光は偏光分離素子１０で反射されて光軸Ｃ１に沿って射出し、ｐ偏光光は偏光分離素子１０を直進して図中上側へ抜けていく。つまり、光源２ａのｐ偏光光と光源２ｂのｓ偏光光が偏光分離素子１０から同じ光軸Ｃ１の射出光として射出する。このとき、偏光分離素子１０は、入射角度依存性が反射型偏光板９より大きいため、偏光分離素子１０には、略平行の光束を入射させることが好ましい。そのため、偏光分離素子１０は、本実施の形態１のように照明光学系４の光路上において光束が広がった位置および光束が光軸に対して略平行となる位置に配置することが好ましい。

偏光分離素子１０から射出された光束は集光レンズ群７ｃにより、柱状光学素子１２に集光される。そして、この集光レンズ群７ｃと光強度均一化素子である柱状光学素子１２との間であって、柱状光学素子１２に近い位置に、互いに異なる偏光軸を有する直線偏光光を同一の偏光軸を有する直線偏光光として射出するための第２の光学素子である円板１１が設置されている。なお、本実施の形態１における集光レンズ群７ｃは２枚であるが、各々のレンズ群から射出された光束が柱状光学素子１２に集光されれば任意の枚数でよい。例えば、１枚でも良い。

図３は第２の光学素子である円板１１の構成を示す平面図、図４は円板１１の動作の概略を説明するための図である。なお、図４では記載を簡略化するため、レンズ群７ａ、レンズ群７ｂ、および集光レンズ群７ｃは省略している。図３において、円板１１は、円周方向に４つの領域に分かれており、光が透過するときに偏光軸が変化しない透過領域１１ａ（第１の透過領域）と、光が透過するときに偏光軸が９０°変化するλ／２位相差フィルムからなる透過領域１１ｂ（第２の透過領域）とが交互に並ぶように配置されている。そして、図４に示すように集光レンズ群７ｃから柱状光学素子１２に向かう光束が円板１１の回転位置に応じて第１の透過領域または第２の透過領域に当たるように配置されているので、円板が回転することにより、集光レンズ群７ｃから柱状光学素子１２に向かう光束を第１の領域１１ａを透過させてから射出するか、第２の透過領域１１ｂを透過させてから射出するかが変化することになる。

図４（ａ）は、光源２ａが点灯している場合を示す。このとき、第１の透過領域１１ａが集光レンズ群７ｃから柱状光学素子１２に向かう光束中に入ると、光源２ａから射出され、偏光分離素子１０を経てｐ偏光光のみとなった光源２ａからの光はｐ偏光光のまま円板１１を透過して射出する。図４（ｂ）に、光源２ｂが点灯している場合を示す。このとき、第２の透過領域１１ｂが集光レンズ群７ｃから柱状光学素子１２に向かう光束中に入ると、光源２ｂから射出され、偏光分離素子１０を経てｓ偏光光のみとなった光源２ｂからの光はλ／２位相差フィルムによって偏光軸が９０°回転してｐ偏光光として円板１１から射出することになる。

そこで、偏光分離素子１０から射出した光束のうち、光源２ａが点灯しているときは第１の透過領域１１ａを通過し、光源２ｂが点灯しているときは第２の透過領域１１ｂを通過するように円板１１の各領域の回転位置を光源２ａ、２ｂの発光に合わせて変えることにより、円板１１から射出する光をｐ偏光光単一とすることが可能となる。本実施の形態１において、光源は２ａ、２ｂの２つのため、それぞれの光源は５０％の時分割駆動となる。例えば、ライトバルブ３が１２０Ｈｚで駆動する場合、光源２ａ、光源２ｂは駆動部２０によって２４０Ｈｚ以上で駆動させることが望ましい。この場合、円板１１での領域の変化も、２４０Ｈｚ以上で駆動することが必要となるが、円板１１は速度一定の回転運動により光束の当たる領域を変化させることができるので、２４０Ｈｚ以上で、しかも、駆動部２０による時分割駆動と同期させることは容易である。また、図３に示すように、円板１１内では領域が４分割され、１回転で２サイクル分変化するので、１２０Ｈｚの回転駆動により、領域を２４０Ｈｚで変化させることができる。円板１１は、円形のガラスを用い、図３において、第１の透過領域はガラス板そのままを使用し、第２の透過領域としては、その領域内にλ／２位相差フィルムを貼付すれば容易に形成することができる。

つぎに、第２の透過領域１１ｂにおけるλ／２位相差フィルムの貼付方法について説明する。図５は、円板１１内での配置および位相差フィルム領域の説明を示す。図５（ａ）は、円板１１と柱状光学素子１２に向かう光束の光軸Ｃ１との配置位置を示す。柱状光学素子１２の中心である光軸Ｃ１と円板１１の中心軸とを結ぶ直線が、ｘ軸およびｙ軸に対してα＝４５度の角度を有する。ここで、柱状光学素子１２の光軸Ｃ１に垂直な断面における長軸はｘ軸と平行であり、短軸はｙ軸と平行であるとする。ここで、λ／２位相差フィルムは光学軸を４５度とすることにより、ｓ偏光光をｐ偏光光、あるいは、ｐ偏光光をｓ偏光光とする特徴を有する。

図５（ｂ）に、第２の透過領域１１ｂ内に同方向の光学軸のλ／２位相差フィルムのみを貼付した場合を示す。簡単のため、右下の領域のみ光学軸（矢印）を示した。５０ａ〜５０ｃは円板１１の位置を示す。図６に点Ｐｃ１に位置する第２の領域１１ｂにおける円板１１の周上の点（５０ａ〜５０ｂ〜５０ｃ）と偏光回転率の関係を示す。なお、点Ｐｃ１は、光軸Ｃ１と円板１１の中心軸とを結ぶ直線と円板１１の外周との交点であり、図において横軸は、点Ｐｃ１に位置する、第２の領域１１ｂにおける円板１１の周上の点（５０ａ〜５０ｂ〜５０ｃ）を示す。縦軸は、偏光回転率を示している。なお、偏光回転率とは、偏光軸が９０度回転した場合を１００％とし、１００％の偏光回転率でない場合は、ｐ偏光光とｓ偏光光が含まれる光束となる。図６により、一方向の光学軸のみ有するλ／２位相差フィルムを貼付した場合、第２の領域１１ｂ中の周方向での中央に相当する５０ｂの点が円板１１回転時にＰｃ１の位置にくるときのみ１００％偏光が回転することとなる。これは、円板１１が回転駆動しているため、光源２ｂが発光している間の第２の領域１１ｂ中での光学軸の角度が変化するためである。そのため、偏光回転率の平均値が約５０％となり好ましくない。

そこで、本実施の形態１においては、図７（ａ）に示すように、第２の透過領域１１内をさらに周方向に複数の領域に分割し、分割したそれぞれの複数の領域ごとに光学軸が円板１１の円弧の法線方向になるようにλ／２位相差フィルムを貼付した。これにより、円板１１の回転に伴う光学軸の変化が小さくなり、偏光回転率を改善することが可能である。

図７（ａ）において、領域６１〜６４は第２の透過領域１１ｂを４分割した２２．５度の内角を有する扇状の領域である。各々の領域６１〜６４には、それぞれ、周方向での中央部で円板１１の円弧の法線に光学軸６１ｆ〜６４ｆが一致する、つまり、各領域（６１〜６４）における円弧の法線と光学軸が平行になるようにλ／２位相差フィルムが貼付されている。図中、光学軸は直線の矢印で表している。図８に点Ｐｃ１に位置する第２の領域１１ｂにおける円板１１の周上の点（６０ａ〜６０ｂ〜６０ｃ〜６０ｄ〜６０ｅ）と偏光回転率の関係を示す。図８に示すように、一つの第２の領域１１ｂである９０度の領域を４分割して、２２．５度の内角を有する扇状の各領域６１〜６４のそれぞれにλ／２位相差フィルムを貼付することにより、偏光回転率の平均値が９５％以上となることが確認できる。従って、内角を２２．５度以下の扇状の各領域にλ／２位相差フィルムを回転方向に貼付することにより、偏光回転率の平均値が９５％以上とすることが可能となる。従って、図７（ｂ）のように、各領域における円弧の法線と平行あるいは垂直な方向に光学軸（矢印）を有することにより、光学軸が柱状光学素子１２の入射面において４５°または１３５°をなすように維持できるので、偏光変換を偏光回転率の低下を抑えて行うことが可能となる。

なお、本実施の形態１では、図５に示すように円板１１の中心と柱状光学素子１２の中心（光軸Ｃ１）とを結ぶ線が柱状光学素子１２の入射面において、ｘ軸およびｙ軸に対して４５°（α）の角度をなしているため、光学軸を円弧の法線に対して平行または垂直にすることにより、光学軸が柱状光学素子１２の入射面において４５°または１３５°となり、偏光回転率を向上させることができた。したがって、αが４５°（または１３５°）以外の角度であっても、例えばα＝Ａ°のとき、光学軸を法線に対して４５°−Ａ°、あるいは１３５°−Ａ°の一定値を取ることにより、光学軸が柱状光学素子１２の入射面において４５°または１３５°となり、偏光回転率を向上させることができる。

ここで、図７（ｂ）では、一部しか示していないが、λ／２位相差フィルム領域の円周全てにおいて、円弧の法線に対して平行あるいは垂直な方向とする、または上述したようなαが４５°以外の角度の場合は、一定の角度をもつように光学軸（矢印）を設ける（例えば放射線状）ことにより、偏光変換を偏光回転率の低下を抑えて行うことが可能となる。

また、本実施の形態１においては、図１に示すように円板１１の位置を集光レンズ群７ｃと柱状光学素子１２との間であって、柱状光学素子１２に近い側に設置している。柱状光学素子１２の入射端は集光位置であり、光束が小さいので、第１の透過領域１１ａ、第２の透過領域１１ｂそれぞれの大きさを小さくすることができる。そのため、円板１１の分割数を増やすことができ、ＬＥＤの時分割駆動をさらに高周波数側に設定することにより、スクリーン上に観察される光源のちらつきを抑制することが可能となる。例えば、図３の円板１１の場合、光束の大きさに合わせて領域を４分割しているため、ライトバルブ３が１２０Ｈｚで駆動する場合、円板１１のモータを１２０Ｈｚで駆動させることにより、光源２ａおよび光源２ｂを２４０Ｈｚで駆動させることができる。従って、ライトバルブ３の駆動１サイクルあたりにＬＥＤを２サイクル分、時分割駆動させることができ、スクリーン上に観察される光源のちらつきを抑制することが可能となる。

また、光束が小さいので、円板１１の大きさが小さくなり、装置を大型化することなく、上記構成を実現できる。

つぎに、光強度均一化素子である柱状光学素子１２の説明をする。柱状光学素子１２は、光源２ａ、２ｂから射出した光束を矩形断面（すなわち、光軸Ｃ１上を進む中心光に直交する矩形平面）の光束とし、かつ、光束断面内における光強度分布を均一化する（すなわち、照度むらを低減する）光強度均一化素子として機能する。そして、柱状光学素子１２は、入射した光束を内部で多重反射させることにより上記機能を発揮するものであり、一般的に、ガラス又は樹脂等の透明材料で作られ、側壁内側が全反射面となるように構成されている。例えば、四角柱状のロッド（すなわち、光軸Ｃ１に対して垂直な断面形状が四辺形の中実の柱状部材）、又は、光反射面を内側にして筒状に組み合わされ、断面形状が四辺形のパイプ（管状部材）、すなわち、空洞内面反射鏡がある。柱状光学素子１２が四角柱状ロッドである場合には、透明材料と空気界面との全反射作用を利用して光を複数回反射させた後に射出端（射出口）から射出させる。柱状光学素子１２が四辺形のパイプである場合には、内側を向く表面鏡の反射作用を利用して光を複数回反射させた後に、射出口から射出させる。柱状光学素子１２は、光の進行方向に適当な長さを確保すれば、内側で複数回反射した光が柱状光学素子１２の射出端の近傍に重畳照射され、柱状光学素子１２の射出端近傍においては、略均一な強度分布が得られる。この略均一な強度分布を有する射出端からの光を、リレーレンズ群８によってライトバルブ３へと導く。

ここで、リレーレンズ群８からの光束は反射型偏光板９を介してライトバルブに導かれ、さらにライトバルブ３から射出された映像光も反射型偏光板９を介して投写光学系５に導かれる。

反射型偏光板９の概略図の一例を図９に示す。反射型偏光板９は、２種類の直線偏光光を分離する特徴を有している。図９に示すように、反射型偏光板９に入射したｐ偏光光およびｓ偏光光は、ｓ偏光光は反射されてｐ偏光光は透過する。このとき、反射型偏光板９は、偏光分離素子１０と比較して入射角度依存性が小さいため、偏光分離素子１０と比較して効率よくｓ偏光光が反射される。反射型偏光板９を透過したｐ偏光光は、ライトバルブ３に照射され、ライトバルブ３にてｓ偏光光に変換された後に反射型偏光板９に射出する。ライトバルブ３から射出されたｓ偏光光は反射型偏光板９に反射されて投写光学系５に射出される。

なお、本実施の形態１では、図１に示すように柱状光学素子１２の前段にて光源２ａおよび光源２ｂの光束を合成している。柱状光学素子１２から射出した光束は偏光が少し乱れるものの、概ね入射偏光光と同一の直線偏光光が反射型偏光板９に到達し、反射型偏光板９により偏光がそろうため問題はない。また、反射型偏光板９の前段に偏光板を配置することにより、不要光（ここでは、ｓ偏光光）を吸収し、ｐ偏光光を反射型偏光板９に射出させるようにしても良い。

液晶ライトバルブであるライトバルブ３は上述したように一方の直線偏光光のみを利用するため、ランダム偏光光が射出された場合でも、反射型偏光板９により選択された一方の直線偏光光のみが有効な入射光としてライトバルブ３に入射する。本実施の形態１によれば第１の光学素子を用いることによって、２つの光源のそれぞれ異なる偏光光のみが通過することになる。しかし、第２の光学素子である円板１１では、偏光軸を変化させたい偏光光のみをλ／２位相差フィルムに透過させるように構成したので、単一偏光光に揃えることが可能となり、２つの光源の光束を有効に利用することが可能となる。

そして、光源２ａおよび光源２ｂを時分割駆動することが可能となるため、各光源に対して短時間ごとの定格以上の大電流を供給することができ、各光源から射出する光束量を増加させることが可能となる。また、偏光分離素子１０により、光源２ａおよび光源２ｂから射出された光束を同一光路上に合成するため、光束が広がることもなく、エテンデューが増加することもない。つまり、光源の冷却条件を同一とした場合、常時駆動させている場合と比較して、光源を効率よく冷却することが可能なため、光源あたりの電流値を増大（例えば約１．７倍）させることができる。

一方、例えば、レンズアレイを用い、その後段に設置した偏光変換素子により偏光変換を行い、１つの光源からの全ての光束を利用するようにすれば、本実施の形態１のように各光源の有効光束の半分を利用する場合よりも光束量が多くなるとも考えられる。しかし、レンズアレイを用いる場合において光源面積が大きくなると、後述するエテンデューの関係により、照明効率がかえって低下することが多い。そのため、本実施の形態１のように、全光束の半分（一方の直線偏光光）のみを利用した場合の方が総合的に有効光束量が多くなる場合がある。つまり、本発明にかかる実施の形態１の構成は、エテンデューを増加させずに２つの光源からの光を利用できるので、明るさを向上させる有効な手段となる。

さらに、本実施の形態１において、第１の透過領域１１ａと第２の透過領域１１ｂとを有する円板１１は、屈折や反射を用いる光学素子ではないので、光路に影響を及ぼすものではない。したがって、円板１１の回転運動は第１の光学素子１０から柱状光学素子１２までの光束の光路に変化をもたらすことは無い。つまり、照明光学系４において、光源（２ａ、２ｂ）や、屈折、反射を伴う光学素子、つまり光路に影響を与える部材は静止しているので、光路を高精度に保つことが可能となる。

ここで、本発明で問題としているエテンデューに関して説明する。エテンデューは、光源の面積と発散角との積で表され、光源の有効エテンデューは、ライトバルブ３の面積と照明光学系４のＦナンバ（取り込み角）により規定される。従って、光源の面積を大きくすると有効発散角が小さくなるため、ライトバルブ３に取り込める光源の光束量が少なくなることとなる。光源から射出された光束をできるだけ多く取り込むためには、光源の面積を大きくすることは避ける必要がある。図１０は、光源２ａとライトバルブ３とのエテンデューの関係を示す図である。図１０に示すように、レンズ７１は光源２ａから射出された光束をライトバルブ３に集光する。光源２ａの面積をＳ１、ライトバルブ３の面積をＳ２とすると、以下の式１の関係が成り立つ。
Ｓ１×ｓｉｎ^２（θ１）＝Ｓ２×ｓｉｎ^２（θ２） ・・・ 式１

図１で説明したように、本実施の形態１では、光軸Ｃ１と光軸Ｃ２は直交しており、偏光分離素子１０から射出される光束は、光軸Ｃ２から射出される光源２ｂからの光束も同一光路（光軸Ｃ１）の光束となりエテンデュー（ここでは面積Ｓ１）の増加は生じない。なお、図１０では光源２ａからの光束について説明したが、光源２ｂからの光束についても同様である。

以上のように、本実施の形態１によれば、第１の光源２ａおよび第２の光源２ｂと、光源２ａと光源２ｂとを交互に時分割駆動させる駆動部２０と、２種類の直線偏光光のうち、一方の直線偏光光（ｐ偏光光）を透過させ、他方の直線偏光光（ｓ偏光光）を反射させることにより、第１の方向Ｃ１から入射する第１の光源２ａからの第１の直線偏光光（ｐ偏光光）の光束と、第１の方向Ｃ１と異なる第２の方向Ｃ２から入射する第２の光源２ｂからの第２の直線偏光光（ｓ偏光光）の光束と、を同じ光軸Ｃ１の射出光として射出する第１の光学素子１０と、透過する光の偏光軸を変化させない第１の透過領域１１ａと、透過する光の偏光軸を９０度変化させる第２の透過領域１１ｂとを有し、時分割駆動に同期して第２の透過領域１１ｂの位置を移動させ、第１の光学素子１０からの射出光のうち、第１の光源２ａからの光束を第１の透過領域１１ａを透過させてから射出し、第２の光源２ｂからの光束を第２の透過領域１１ｂを透過させてから射出する第２の光学素子１１と、を備えたので、２つの光源からの射出光を同一の光路に合成して単一の直線偏光光が得られるので、光路を高精度に保ちながら、エテンデューを増大させること無く、明るさを向上させる照明光学系を得ることができる。

とくに、第２の光学素子１１は、第１の透過領域１１ａと第２の透過領域１１ｂが周方向に分割配置された円板１１であり、円板１１を駆動部２０の時分割駆動と同期させて回転駆動させる回転駆動制御部を備えたので、動きが滑らかな回転により第１の透過領域１１ａと第２の透過領域１１ｂを移動させることにより、騒音を抑制して正確に時分割駆動に同期させることができる。

さらに、第２の透過領域１１ｂは、前記周方向にさらに複数の領域（６１、６２、６３、６４）に分割され、複数の領域（６１〜６４）のそれぞれには、光学軸が各領域（６１〜６４）１の円弧の法線に対して一定の角度になるようにλ／２位相差フィルムが設けられているので、光学軸の変動が小さく、偏光回転率の高い偏光軸の変換が可能となる。

また、複数の領域（６１〜６４）のそれぞれの光学軸は、各領域（６１〜６４）１の円弧の法線に対して平行あるいは垂直な方向としたので、光学軸が柱状光学素子の入射面（ｘ軸、ｙ軸）で４５°あるいは、１３５°の一定値をとり、偏光回転率の高い偏光軸の変換が可能となる。

また、第１の光学素子１０から射出された光束を断面内において所定の光強度分布をつけた光に変換して射出する光強度均一化素子１２と、第１の光学素子１０からの射出光を光強度均一化素子１２の入射面に集光させる集光レンズ群７ｃと、を備え、第２の光学素子１１は、集光レンズ群７ｃと光強度均一化素子１２との間であって、光強度均一化素子１２に近い側に設置されているように構成したので、第２の光学素子１１を透過する光束が小さくなるので、第１の透過領域１１ａおよび第２の透過領域１１ｂの大きさを小さくすることができ、装置の大型化を抑制することができる。また、第２の光学素子内の各領域の分割数を多くすることにより、回転数を減じて騒音を下げる、あるいは回転数を落とさない場合には駆動周波数が上がるので、ちらつきの少ない画像を提供することができる。

また、第１の光源２ａから射出された光束を光軸Ｃ１に略平行にして第１の光学素子１０に射出する第１のレンズ群７ａと、第２の光源２ｂから射出された光束を光軸Ｃ２に略平行にして第１の光学素子１０に射出する第２のレンズ群７ｂと、を備えたので、第１の光学素子として入射角依存性の高い偏光分離膜１０ａを使った偏光分離素子１０を用いても、第１の方向Ｃ１から入射する第１の光源２ａからのｐ偏光光の光束と、第１の方向Ｃ１に対して垂直な第２の方向Ｃ２から入射する第２の光源２ｂからのｓ偏光光の光束と、を効率よく同じ光軸Ｃ１の射出光として射出することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、柱状光学素子１２にｐ偏光光を入射させることとしたが、本実施の形態２においては、光強度均一化素子である柱状光学素子１２内での光の減衰量を低減するため、断面形状が矩形の柱状光学素子１２内において反射回数が多いｙ方向（柱状光学素子１２の短軸方向）をｓ偏光光とすることとした。具体的には、実施の形態１の図１と同じ構成の照明光学系を構成し、第２の光学素子である円板１１の回転を第１の光源２ａが点灯しているときに第１の光学素子からの光束が第２の透過領域１１ｂを透過し、第２の光源２ｂが点灯しているときに第１の光学素子からの光束が第１の透過領域１１ａを透過することにより、円板１１から射出する光束を常時ｓ偏光光とする。そして、柱状光学素子１２の射出口から反射型偏光板９の間に図示しないλ／２位相差板を配置することによりｓ偏光光をｐ偏光光に変換し、反射型偏光板９に入射する光をｐ偏光光とする。ここで、光束が入射・反射する平面（基準面）に対して偏光軸が平行なｐ偏光光の反射率は、光束が入射・反射する平面（基準面）に対して偏光軸が垂直なｓ偏光光の反射率より低い特徴を有する。したがって、柱状光学素子１２内で反射回数が多いｙ方向（短軸方向）に偏光軸が垂直なｓ偏光光を入射させることにより、柱状光学素子１２内での光束量低下を抑制することが可能となる。また、反射型偏光板９に入射する光束がｐ偏光光であれば、光源および円板１１の制御方法や照明光学系４の構成に制限はない。

以上のように、本実施の形態２によれば、断面が矩形をなし、第１の光学素子１０から射出された光束を内部で多重反射させることにより、所定の光強度分布をつけた光に変換して射出する柱状光学素子１２を備え、柱状光学素子１２に入射する第１の直線偏光光の偏光軸が、前記矩形の短軸方向ｙに垂直となるので、柱状光学素子１２内での光強度の低下を抑制することができる。

実施の形態３．
上記実施の形態１または２においては、光源２ａおよび光源２ｂは、ランダム偏光光を発するＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いているが、第１の光源２ａにｐ偏光光を射出するレーザ光源を、第２の光源２ｂにｓ偏光光を射出するレーザ光源を使用すれば、第１の光学素子において光源２ａからのｓ偏光光、光源２ｂからのｐ偏光光の損失が発生せず、効率よく光源２ａ、２ｂからの光束を同一の光軸Ｃ１の光束として射出することができる。

以上のように、本実施の形態３によれば、第１の光源２ａは、前記直線偏光光のうち一方の直線偏光光（ｐ偏光光）を発するレーザ光源であり、第２の光源２ｂは、前記他方の直線偏光光（ｓ偏光光）を発するレーザ光源であるので、光源からの光束を効率よく単一の直線偏光光として合成して射出することができる。

実施の形態４．
図１１は、本発明の実施の形態４に係る照明光学系、およびその照明光学系と反射型液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置の構成図である。図において、投写型映像表示装置１ｂは、光を発する照明光学系４ｂと、照明光学系４ｂから発せられた光を受けて映像光を射出するライトバルブ３（液晶ライトバルブ）と、ライトバルブ３から射出された映像光を拡大投写する投写光学系５と、投写光学系５により拡大投写された映像光を表示するスクリーン６とを備えており、照明光学系４ｂ以外は実施の形態１と同様であるので、同様の部分についての説明は省略する。

そして、照明光学系４ｂは、ライトバルブ３に光を照射するように配置され、時分割駆動可能なＬＥＤの光源２ａ（第１の光源）およびＬＥＤの光源２ｂ（第２の光源）と、光源２ａと光源２ｂとを交互に時分割駆動させる駆動部２０と、光源２ａおよび光源２ｂから射出された光束をそれぞれの光源２ａ、２ｂの光軸Ｃ１、Ｃ２と略平行にするレンズ群７ａｂ（第１のレンズ群）およびレンズ群７ｂｂ（第２のレンズ群）と、レンズ群７ａｂおよびレンズ群７ｂｃから射出された各々の光束を同一の光路上（同じ光軸Ｃ１）に合成して射出する反射型偏光板１０ｂ（第１の光学素子）と、反射型偏光板１０ｂから射出された光束の光強度分布を光軸Ｃ１に垂直な断面内で均一化する柱状光学素子１２の入射端に集光する集光レンズ群７ｃｂと、柱状光学素子１２に入射する光束を同一の偏光軸の直線偏光光とする円板１１（第２の光学素子）と、柱状光学素子１２から射出された光束をライトバルブ３に導くリレーレンズ群８と、を備えており、第１の光学素子が反射型偏光板１０ｂで構成していること以外は実施の形態１と同様である。従って、反射型偏光板１０ｂ、および反射型偏光板１０ｂ周辺のレンズ群７ａｂ、７ｂｂ、集光レンズ群７ｃｂ以外の構成は概ね実施の形態１と同様のため、同様の部分についての説明は省略する。

本実施の形態４で用いた反射型偏光板１０ｂは、実施の形態１で用いた偏光分離素子１０と比較して入射角度依存性が小さいので、図１１に示すようにレンズ群７ａｂ、７ｂｂにより、反射型偏光板１０ｂにおいて、光束が比較的狭くなるように構成することが可能である。つまり、反射型偏光板１０ｂに入射させる光は、偏光分離素子１０と比較して、光束が広く、光軸Ｃ１および光軸Ｃ２と略平行にする必要がないという効果がある。ここで、図１１は、本実施の形態４における照明光学系および投写型映像表示装置の基本構成の一例であり、投写光学系５およびスクリーン６についての説明は省略している。また、集光レンズ７ｃｂは、レンズ群７ａｂおよびレンズ群７ｂｂの一部であり、第１レンズ群７ａｂと集光レンズ群７ｃｂによるレンズ群、および第２レンズ群７ｂｂと集光レンズ群７ｃｂによるレンズ群は柱状光学素子１２に光を集光させる作用を有する。また、リレーレンズ群８は、柱状光学素子１２から射出された光をライトバルブに集光する。

図１２に本実施の形態４における第２の光学素子である円板１１の動作の概略を説明する図を示す。図中、レンズ群７ａｂおよびレンズ群７ｂｂおよび集光レンズ群７ｃｂおよびリレーレンズ群８は省略している。図１２（ａ）は、光源２ａが点灯している場合を示す。図１２（ａ）に示すように、柱状光学素子１２に入射させる直線偏光光をｐ偏光光とするために、円板１１から射出する光束をｐ偏光光としなければならない。従って、図３に示される第１の透過領域１１ａが光軸Ｃ１に位置することにより、反射型偏光板１０ｂを透過してきたｐ偏光光をそのまま円板１１でも透過させる。図１２（ｂ）に、光源２ｂが点灯している場合を示す。図１２（ｂ）に示すように、柱状光学素子１２に入射させる直線偏光光をｐ偏光光とするために、円板１１から射出する光束をｐ偏光光としなければならない。従って、図３に示されるλ／２位相差フィルムを貼付した第２の透過領域１ｂが光軸Ｃ１に位置することにより、反射型偏光板１０ｂを反射してきたｓ偏光光の偏光軸を９０度回転させて円板１１からｐ偏光光を射出させる。光源２ａおよび光源２ｂは時分割駆動しているため、光源２ａおよび光源２ｂの点灯に同期して円板１１を図１２（ａ）および図１２（ｂ）のように動作させることによって、円板１１からは常にｐ偏光光が射出される。

つまり、反射型偏光板１０ｂを第１の光学素子に用いた場合でも、２つの光源２ａ、２ｂからの射出光を同一の光軸Ｃ１の光路の光束に合成して、光路を高精度に保ちながら、単一直線偏光光を射出することができる。

以上のように、本実施の形態４によれば、第１の光学素子１０ｂは、反射型偏光板１０ｂであるので、第１の光学素子に対し、光束を比較的絞って入射させることが可能であり、光学上の制約が少なく、簡易なレンズ構成でコンパクトな照明光学系４ｂを構築することが可能である。

また、上記各実施の形態１〜４にかかる照明光学系（４または４ｂ）と、液晶ライトバルブ３と、照明光学系から射出された光束を液晶ライトバルブ４に導くリレーレンズ群８と、液晶ライトバルブ３から射出された映像光をスクリーン６に導く投写光学系５と、を備えたので、画面が明るく、照明効率の高い投写型映像表示装置を得ることができる。

なお、上記各実施の形態においては、実施の形態３以外ではＬＥＤ光源を用いた場合について説明したが、これに限定されるものではない。時分割駆動可能な光源であれば、どのような光源を使用してもよい。また、実施の形態３においても単一直線偏光光が射出できるもので時分割駆動できるものであれば、レーザ光源に限らずどのような光源を使用してもよい。

さらに、上記各実施の形態においては、第２の光学素子として円板１１を使用したが、第１の光学素子１０または１０ｂからの入射光が第１の透過領域１１ａと第２の透過領域１１ｂに交互に当たるようにできればどのような形態でも構わない。例えば、第１の透過領域１１ａと第２の透過領域１１ｂが交互に並んだフィルムをループ状にし、そのループを巡回させるようにしても、フィルムを連続して移動させることにより滑らかに各領域を移動させることができる。また、騒音等の問題が解決できれば、各領域を往復直線運動させるようにしてもよい。これらの場合、各領域が移動する際に偏光軸の方向が変化しないので、偏光回転率を高く保つことができる。

本実施の形態１にかかる照明光学系と投写型映像表示装置の基本構成を示す図である。 本実施の形態１にかかる第１の光学素子である偏光分離素子の動作を説明するための図である。 本実施の形態１にかかる第２の光学素子である円板を示す図である。 本実施の形態１にかかる第２の光学素子である円板の動作を説明する図である。 本実施の形態１にかかる第２の光学素子である円板の動作を説明する平面図である。 円板１１の回転位置と射出光の偏光回転率との関係を示す図である。 本実施の形態１にかかる円板における第２の透過領域の構成を示す図である。 本実施の形態１にかかる円板の回転位置と偏光回転率との関係を示す図である。 本実施の形態１にかかる反射型偏光板の動作を説明するための図である。 光源とライトバルブとのエテンデューの関係を説明するための図である。 本実施の形態４にかかる照明光学系と投写型映像表示装置の基本構成を示す図である。 本実施の形態４にかかる第２の光学素子である円板の動作を説明する図である。

符号の説明

１、１ｂ 投写型液晶表示装置、 ２ａ 第１の光源、 ２ｂ 第２の光源、 ３ ライトバルブ、 ４、４ｂ 照明光学系、 ５ 投写光学系、 ６ スクリーン、 ７ａ，７ａｂ 第１レンズ群、 ７ｂ、７ｂｂ 第２レンズ群、 ７ｃ、７ｃｂ 集光レンズ群、 ８ リレーレンズ群、 ９ 反射型偏光板、 １０ 偏光分離素子（第１の光学素子）、 １０ｂ 反射型偏光板（第１の光学素子）、 １１ 円板（第２の光学素子）、 １１ａ 第１の透過領域、 １１ｂ 第２の透過領域、 １２ 柱状光学素子（光強度均一化素子）

Claims (10)

1. 第１の光源および第２の光源と、
   前記第１の光源と前記第２の光源とを交互に時分割駆動させる駆動部と、
   ２種類（ｐ偏光、ｓ偏光）の直線偏光光のうち、一方の直線偏光光を透過させ、他方の直線偏光光を反射させることにより、第１の方向から入射する前記第１の光源からの第１の直線偏光光の光束と、前記第１の方向と異なる第２の方向から入射する前記第２の光源からの第２の直線偏光光の光束と、を同じ光軸の射出光として射出する第１の光学素子と、
   透過する光の偏光軸を変化させない第１の透過領域と、透過する光の偏光軸を変化させる第２の透過領域とを有し、前記時分割駆動に同期して前記第２の透過領域の位置を移動させ、前記第１の光学素子からの射出光のうち、前記第１の光源からの光束を前記第１の透過領域を透過させてから射出し、前記第２の光源からの光束を前記第２の透過領域を透過させてから射出する第２の光学素子と、
   を備えてなる照明光学系。
2. 前記第２の光学素子は、前記第１の透過領域と前記第２の透過領域が周方向に分割配置された円板であり、
   前記円板を前記駆動部の時分割駆動と同期させて回転駆動させる回転駆動制御部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記第２の透過領域は、前記周方向にさらに複数の領域に分割され、
   前記複数の領域のそれぞれには、光学軸が前記領域の円弧の法線に対して一定の角度になるようにλ／２位相差フィルムが設けられていることを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記複数の領域におけるそれぞれの光学軸は、前記法線に対して平行、あるいは、前記法線に対して垂直な方向であることを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
5. 前記第１の光学素子から射出された光束を断面内において所定の光強度分布をつけた光に変換して射出する光強度均一化素子と、
   前記第１の光学素子からの射出光を前記光強度均一化素子の入射面に集光させる集光レンズ群と、を備え、
   前記第２の光学素子は、前記集光レンズ群と前記光強度均一化素子との間であって、前記光強度均一化素子に近い側に設置されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の照明光学系。
6. 断面が矩形をなし、前記第１の光学素子から射出された光束を内部で多重反射させることにより、所定の光強度分布をつけた光に変換して射出する光強度均一化素子を備え、
   前記光強度均一化素子に入射する前記第１の直線偏光光の偏光軸が、前記矩形の短軸方向に垂直であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の照明光学系。
7. 前記第１の光源から射出された光束を光軸に略平行にして前記第１の光学素子に射出する第１のレンズ群と、
   前記第２の光源から射出された光束を光軸に略平行にして前記第１の光学素子に射出する第２のレンズ群と、
   を備えたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の照明光学系。
8. 前記第１の光源は、前記直線偏光光のうち一方の直線偏光光を発するレーザ光源であり、
   前記第２の光源は、前記他方の直線偏光光を発するレーザ光源である、
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載の照明光学系。
9. 前記第１の光学素子は、反射型偏光板であることを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載の照明光学系。
10. 液晶ライトバルブと、
    請求項１ないし９のいずれかの照明光学系から射出された光束を前記液晶ライトバルブに導くリレーレンズ群と、
    前記液晶ライトバルブから射出された映像光を拡大投写する投写光学系と、
    前記拡大投写された映像光を表示するスクリーンと、
    を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。

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