JP3335885B2 - 偏光照明装置、および投写型液晶表示装置 - Google Patents

偏光照明装置、および投写型液晶表示装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、偏光方向を揃えた
直線偏光光により矩形の照明領域を均一に照明する偏光
照明系を備え、この偏光照明系から出射された直線偏光
光を液晶ライトバルブにより変調して映像をスクリーン
上に拡大表示する投写型液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】矩形の照明領域である液晶ライトバルブ
等を均一に照明するインテグレータ光学系は、例えば、
特開平３−１１１８０６号公報に開示されている。この
インテグレータ光学系は、第１の集光レンズアレイ板を
構成している複数の矩形集光レンズによって光源光束を
分割して、各矩形集光レンズで分割した光源像に対応し
た、集光レンズ群を備えた第２の集光レンズアレイ板を
介して一カ所の照明領域上に重ねて結像させるものであ
り、液晶ライトバルブ上の照明光強度分布を均一にする
ことが出来る。
【０００３】一方、直線偏光光を変調する液晶ライトバ
ルブを用いた投写型液晶表示装置は、偏光板により一方
の直線偏光光（例えばＰ偏光）しか透過できないため、
偏光方向のランダムな光源からの光を半分以下しか利用
することが出来ない。しかし、偏光ビームスプリッタと
１／２波長板を組み合わせた構成を用いて、利用されな
い他方の直線偏光光を偏光変換して利用することで、光
源からの光利用効率を高くすることが可能である。
【０００４】上述のインテグレータ光学系と偏光変換部
とを備えた偏光照明光学系は、例えば特開平８−３０４
７３９号公報に開示されており、液晶ライトバルブを用
いた投写型液晶表示装置の偏光照明装置としてすでに実
用化されている。ここで、従来の偏光照明装置について
説明する。図１１は、特開平８−３０４７８９公報に開
示されている従来の偏光照明装置の光学系を表した概略
構成図である。図１１に示される従来の偏光照明装置４
０１は、光源部４０２、第１の集光レンズアレイ板４０
３、第２の集光レンズアレイ板４０９、および偏光変換
部４０４をシステム光軸４１０に沿って配置して概ね構
成されている。光源部４０２は光源ランプ５０１と放物
面リフレクタ５０２からなり、光源ランプ５０１から放
射されたランダムな偏光光を放物面リフレクタ５０２で
一方向に反射して第１の集光アレイレンズ板４０３に入
射させるものである。第１の集光レンズアレイ板４０３
は矩形の輪郭の微小な集光レンズを縦横に複数配列した
構成で、入射光を矩形集光レンズと同数の光源像に分割
するものである。第２の集光レンズアレイ板４０９は第
１の集光レンズアレイ板４０３を構成する矩形集光レン
ズと同数の集光レンズ５０３を複数配列したもので、第
１の集光レンズアレイ板４０３からの光を集光する作用
がある。偏光変換部４０４は偏光方向がランダムな光を
２つの直線偏光光に分離し、かつ偏光方向を揃えて合成
するものであり、偏光分離器４０６、１／２波長板４０
５、および出射側レンズ４０７から構成される。偏光分
離器４０６は、内部に偏光分離膜５０３を備えた四角柱
状のプリズム合成体からなる偏光ビームスプリッタと、
同じく内部に反射膜５０５を備えた四角柱状のプリズム
合成体からなる反射ミラーとからなる対を基本構成単位
とし、その対を平面的に複数配列したものである。但
し、第２の集光レンズアレイ板４０９を構成する各集光
レンズ５０３に対して、１対の基本構成単位が対応する
ように規則的に配置されている。また、１／２波長板４
０５は、偏光分離器４０６を構成する偏光ビームスプリ
ッタの出射面部分にのみに配置され、反射ミラーの出射
面部分には配置されていない。尚、この例では第１の集
光レンズアレイ板４０３、第２の集光レンズアレイ板４
０９および出射側レンズ４０７でインテグレータ光学系
を構成し、偏光分離器４０６および１／２波長板４０５
で偏光変換部を構成している。
【０００５】このような偏光照明装置において、光源部
４０２から出射された光は、第１の集光レンズアレイ板
４０３および第２の集光レンズアレイ板４０９により複
数の集光像に分割され、各々の集光像が偏光分離器４０
６の基本構成単位に集光される。そして、偏光分離器４
０６を通過する過程において、第２の集光レンズアレイ
板４０９を構成する各集光レンズからのランダムな偏光
光は偏光分離器４０６の偏光ビームスプリッタにより偏
光方向の異なるＰ偏光光とＳ偏光光に分離される。分離
されたＰ偏光光は進行方向を変えずに偏光ビームスプリ
ッタをそのまま通過する。他方、Ｓ偏光光は偏光ビーム
スプリッタ内の偏光分離膜で進行方向を約９０度変え、
隣接する反射ミラーでさらに進行方向を９０度変え、最
終的にはＰ偏光光とほぼ平行な角度で偏光分離器４０６
より出射される。その後、前記偏光ビームスプリッタよ
り出射されたＰ偏光光は１／２波長板４０５を通過する
ので、Ｓ偏光光へと変換される。他方、前記隣接する反
射ミラーから出射されたＳ偏光光は１／２波長板４０５
を通過しないので、変換されない。以上により、第２の
集光レンズアレイ板４０９を構成する各集光レンズ５０
３からのランダムな偏光光は、偏光方向が揃った１種類
の偏光光に変換される。その後、１種類の偏光光に揃え
られた光束は出射側レンズ４０７により照明領域４０８
へと導かれ、照明領域４０８上で重なって結像される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の偏光照明装置は次のような問題点がある。この偏光照
明装置は、偏光分離器の内部において、偏光ビームスプ
リッタで分離された一方の偏光光を当該偏光ビームスプ
リッタと対の反射ミラーにより、前記偏光ビームスプリ
ッタで分離した他方の偏光光と同方向に反射させる構成
である。そのため、前記偏光分離器での透過光と反射光
の光路長を簡単に調整することが困難であり、インテグ
レータ光学系によって照明領域の位置近傍に出来る焦点
位置がほぼ一致してしまう。すなわち、インテグレータ
光学系としては、照明領域部と液晶ライトバルブ部の面
積を一致させることが光の利用効率が高く、投写画面を
明るくすることとなるが、照明領域周辺部には、輝度ム
ラが発生するため、十分な投写画面を得るためには、こ
の照明領域を液晶ライトバルブ部よりも、大きくしなけ
ればならないので、投写画面上は暗くなる。
【０００７】その他にも、インテグレータ光学系を構成
する集光レンズアレイのセルサイズによって、前記偏光
分離器のサイズが決まってしまうことにある。光源部の
アーク長によって集光レンズアレイのセル間隔を狭くす
る必要が生じ、また短冊状に配置された１／２波長板の
横幅を狭くする必要があり、また、偏光プリズムの１／
２波長板を貼り合わせている出射面部分にあとから反射
防止膜を蒸着する必要など、コスト高になるとともに特
に偏光変換光学系の限界に達してしまう。
【０００８】さらに、装置開発の度に集光レンズアレイ
のセル間隔の設計が必要であり、それに伴い偏光プリズ
ムアレイの設計を変更しなければならない。
【０００９】本発明の目的は、上述の課題に鑑みて、イ
ンテグレータ光学系と偏光変換光学系を組み合わせた、
光効率の高く、投写画面上の不具合を低減し、偏光変換
部の温度上昇も低減できる偏光照明装置、およびこれを
備えた小型の投写型液晶表示装置を実現することにあ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、偏光方向がランダムな光を出射する光源部
と、縦横に並ぶ複数の矩形集光レンズから構成され、前
記光源部から出射される光を集光して複数の２次光源像
を形成するための第１の集光レンズアレイ板と、該２次
光源像の各々に対応する集光レンズを縦横に複数配列し
てなる第２の集光レンズアレイ板と、該第２の集光レン
ズアレイ板の近傍に配置され、前記偏光方向がランダム
な光を２つの直線偏光光に分離し、且つ偏光方向を揃え
て合成する偏光変換部とを含む偏光照明装置において、
前記偏光変換部は、前記第２の集光レンズアレイ板の集
光レンズに対応するように配列された複数のスリット部
を有する反射板と、該反射板におけるスリット間の反射
部を少なくとも覆う１／４波長板と、平板状の偏光分離
器、および出射側レンズとをこの順番で光の入射側から
配置したものであり、前記偏光分離器は、三角柱プリズ
ムを基本構成単位とし、該三角柱プリズムの斜面どうし
を互いに貼り合わせて平板状にすると共に、隣り合う三
角柱プリズムの隣接面にそれぞれ偏光分離膜を形成した
平板状偏光ビームスプリッタアレイであり、前記第２の
集光レンズアレイの各集光レンズの配置間隔Ｓ１と前記
偏光分離器の入射側面における基本構成単位の配置間隔
Ｐ１との間にＰ１＝ｎ×Ｓ１／２（ｎは、ｎ≠２を満た
す自然数）の関係が成り立つように前記偏光変換部が構
成されたことを特徴とする。
【００１１】
【００１２】さらに、前記１／４波長板が、前記反射板
の前記偏光分離器側の全面を覆う１枚の平面板からなる
ものでもよく、また、前記反射板が、平板状の透明部材
の一面に反射部を施し、該反射部以外の透明部をスリッ
ト部としたものであってもよい。
【００１３】さらに、前記第２の集光レンズアレイ板を
構成する集光レンズが、前記第１の集光レンズアレイ板
を構成する矩形集光レンズと相似形である事が好まし
い。
【００１４】さらに上記の偏光照明装置は、前記偏光変
換部の出射側レンズの代わりに、前記第２の集光レンズ
アレイ板を構成する集光レンズのうちの少なくとも一つ
が偏心系のレンズとなっているものでもよい。
【００１５】また、本発明は、上記のような偏光照明装
置と、該偏光照明装置からの光を３原色に分離する色分
離光学系と、液晶ライトバルブと、該液晶ライトバルブ
により画像情報に応じて変調された光を合成する色合成
光学系と、投写レンズとから少なくとも構成された投写
型液晶表示装置をも提供する。
【００１６】（作用）次に、本発明の偏光照明装置の作
用について説明する。
【００１７】偏光分離器の内部において、第１の偏光分
離膜で分離された一方の偏光光が当該第１の偏光分離膜
と同一の隣り合う第２の偏光分離膜により、前記第１の
偏光分離膜で分離された他方の偏光光と反対方向に反射
する。その後、前記一方の偏光光が前記偏光分離器の外
部に出射され、１／４波長板に入射し、この１／４波長
板を通過後、反射板で反射され、再び１／４波長板を通
過して前記偏光分離器の内部に戻る。１／４波長板を２
回通過する過程において前記一方の偏光光は前記他方の
偏光光の偏光方向と同じになっているので、前記偏光分
離器の内部をそのまま通過する。最終的には、偏光方向
の揃った前記一方の偏光光と前記他方の偏光光の２つの
光路はほぼ平行な角度で前記偏光分離器を出射する。
【００１８】このように偏光分離器の外部に反射光を透
過光と反対方向に一度出射させ、反射板で再び偏光分離
器の内部に入射させる構成であるので、前記偏光分離器
での透過光と反射光の光路長を、前記偏光分離器の板
厚、および反射板と偏光分離器との距離で調整すること
が可能となる。その結果、本発明の偏光照明装置は、イ
ンテグレータ光学系によって照明領域の位置近傍に出来
る焦点位置を２箇所設けることができ、透過光路は明る
さ重視で照明領域と同等の領域を照明し、反射光路は照
明領域よりも大きな領域を照射するように設定すれば、
投写型液晶表示装置の液晶ライトバルブに対して輝度ム
ラを発生させることなく、明るい投写画面映像を供給す
ることが出来る。
【００１９】また、本発明の偏光照明装置は、前記スリ
ット状の反射板を偏光分離器の入射面側に配置すること
で、第１の集光レンズアレイ板で集光できない光（例え
ば、迷光）の偏光分離器への入射を殆ど遮断する機能も
併せており、偏光分離器での熱負荷を低減できる。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。
【００２１】（第１の実施の形態）図１は、本発明の第
１の実施形態である偏光照明装置の要部を平面的に見た
概略構成図である。この図に示される形態の偏光照明装
置１は、光源部２、第１の集光レンズアレイ板３、第２
の集光レンズアレイ板９、および偏光変換部１０をシス
テム光軸１１に沿って配置して概ね構成されている。
【００２２】光源部２は光源ランプ１０１と放物面リフ
レクタ１０２からなり、光源ランプ１０１から放射され
たランダムな偏光光を放物面リフレクタ１０２で一方向
に反射して第１の集光レンズアレイ板３に入射させるも
のである。ここで、放物面リフレクタの代わりに楕円リ
フレクタや球面リフレクタを用いる事も可能である。
【００２３】図２は第１の集光レンズアレイ板３の外観
斜視図である。この図のように、第１の集光レンズアレ
イ板３は、同一の矩形状の輪郭をした矩形集光レンズ１
０３が縦横に複数配列した構成である。第１の集光レン
ズアレイ板３に入射した光は、矩形レンズ１０３の集光
作用により、システム光軸９と垂直な平面内に矩形集光
レンズ１０３の数と同数の集光像を形成する。この複数
の集光像は、光源ランプの投写像に他ならないため、以
下では２次光源像と呼ぶものとする。
【００２４】第２の集光レンズアレイ板９は第１の集光
レンズアレイ板３とほぼ同様な構成となっている。但
し、第２の集光レンズアレイ板９を構成する集光レンズ
１０４と第１の集光レンズアレイ板３を構成する矩形集
光レンズ１０３とは、全くの同一の寸法形状及びレンズ
特性を有する必要はない。
【００２５】次に、再び図１を参照して本形態の偏光照
明装置の偏光変換部１０について説明する。偏光変換部
１０は、スリット状の反射板４、１／４波長板５、偏光
分離器６、および出射側レンズ７から構成されるもので
あり、第１の集光レンズアレイ板３により形成される２
次光源像をさらに集光する第２の集光レンズアレイ板９
の近傍に配置され、システム光軸９に対して垂直な平面
内に配置されている。この偏光変換部１０は、ランダム
な偏光光を２種類の偏光光に分離する機能と、分離した
２種類の偏光光を偏光方向を揃えて合成する機能とを併
せ持っている。図３は、偏光変換部１０の構成部品の外
観を示している。但し、この図には出射側レンズ７が省
略されている。この図に示すように偏光変換部１０で
は、第２の集光レンズアレイ板９を通過した光が反射板
４のスリット幅１５３を通過し、偏光分離器６に入射す
る。この偏光分離器６は三角柱プリズムを基本構成単位
としており、図３に示すように三角柱プリズムの斜面ど
うしを互いに貼り合わせるように三角柱プリズムを平面
的に複数配列（２次光源像が形成される平面内に配列さ
れる）して平板状にしたもので、かつ、隣り合う三角柱
プリズムの隣接面にそれぞれ偏光分離膜１０５、１０６
を形成した平板状偏光ビームスプリッタアレイである。
偏光分離膜は同一のもので偏光分離器６の内部にのこぎ
り歯状に形成されている。
【００２６】本形態では偏光分離器６の基本構成単位の
横幅Ｐ１は、第２の集光レンズアレイ９の各集光レンズ
１０４の横幅Ｓ１と等しい。スリット状反射板４のスリ
ットは開口部であって、第２の集光レンズアレイ９を構
成する縦列の集光レンズ１０４に対応するように規則的
に配列されている。反射板４におけるスリット間の板部
の出射面側部分に１／４波長板５がそれぞれ配置されて
いる。そして、偏光分離器６の各基本構成単位は、スリ
ット状反射板５の隣り合う反射部及びスリット部の組に
対応するように配置されている。また、偏光分離器６の
基本構成単位の横幅の約半分の幅Ｘｐ１５５と、各１／
４波長板５の横幅Ｘ１５４と、スリット状反射板４の各
スリットの横幅Ｘ１５３とは等しい。
【００２７】ここで、図１、図３及び図４を参照して偏
光変換部１０の機能について説明する。図４に偏光変換
部１０を通過する時の光の様子を模式的に示す。これら
の図に示すように、第２の集光レンズアレイ板９に入射
した偏光方向のランダムな光は反射板４のスリット部を
通過し、１／４波長板５どうしの隙間を通過した後、偏
光分離器６により偏光方向の異なるＰ偏光光とＳ偏光光
の２種類の直線偏光光に分離される。すなわち、Ｐ偏光
光は進行方向を変えずに偏光分離器６をそのまま通過す
る。一方、Ｓ偏光光は、偏光分離器６の偏光分離膜１０
５で反射され、その後に偏光分離膜１０６で反射され
（但し、この時、光軸は約Ｘｐ分シフトする）、１／４
波長板５に入射する。ここで、Ｓ偏光光は、１／４波長
板により偏光面の回転作用により楕円偏光に変換され、
スリット状の反射板４で反射される。そして、反射され
た楕円偏光光は再び１／４波長板５に入射し、偏光面の
回転作用により楕円偏光からＰ偏光光に変換され、偏光
分離器６をそのまま通過する。最終的にはこの２つの光
路においてＰ偏光光がほぼ平行な角度で偏光分離器６を
出射する。以上をまとめると偏光変換部１０により、光
源部２から偏光方向のランダムな光は１種類の直線偏光
光（この場合はＰ偏光光）に変換されることになる。
【００２８】このようにしてＰ偏光光に揃えられた光束
は、出射側レンズ７により照明領域８へと導かれ、照明
領域８上に重なって結像される。光源部２からの偏光方
向のランダムな光は１つの直線偏光光に変換されて、殆
ど全ての光が照明領域８へと達する。このため、照明領
域８は殆ど１つの偏光光で均一に照明され、光損失が殆
どないため、光利用効率が極めて高い。
【００２９】さらに、本形態では横長の矩形形状である
照明領域８の形状に合わせて、第１の集光レンズアレイ
板３を構成する微小な矩形集光レンズ１０３を横長の矩
形形状とし、同時に偏光分離器１０において透過および
反射した２種類の直線偏光光を横方向（水平方向）に分
離する形態となっている。このため、横長の矩形形状を
有する照明領域８を照明する場合でも、光量を無駄にす
ることなく、照明効率を高めることが出来る。
【００３０】一般に偏光ビームスプリッタを用いて偏光
方向のランダムな光をＰ偏光光とＳ偏光光に単純に分離
すると、偏光ビームスプリッタから出射される光束幅は
２倍に広がり、それに応じて光学系も大型化する。しか
し、本発明の偏光照明系では、インテグレータ光学系の
特徴である微小な２次光源像の生成という過程を高効率
で利用して、光を分離することで光束幅の広がりを吸収
でき、光束の幅は広がらず、小型の光学系を実現できる
特徴がある。
【００３１】（第２の実施の形態）上述の実施形態に
は、前記第２の集光レンズアレイの各集光レンズの横方
向（水平方向）の配置間隔Ｓ１が前記偏光分離器の入射
側面における基本構成単位（三角柱プリズム）の配置間
隔Ｐ１と等しい場合を示した。
【００３２】ここでは、Ｐ１＝Ｓ１／２の場合を示す。
図５及び図６には本発明の第２の実施形態である偏光照
明装置の偏光変換部を光が通過する時の様子を示す。図
５に示した、偏光分離器６の入射側面における基本構成
単位の配置間隔Ｐ１が第２の集光レンズアレイの各集光
レンズの配置間隔Ｓ１の１／２である場合においても、
第１の実施形態と同様な効果が得られる。尚、図５に示
される形態の偏光照明装置では、スリット状の反射板４
のスリット幅と、偏光分離器６の基本構成単位（三角柱
プリズム）の横幅とは等しく、前記スリットと前記基本
構成単位とは前記スリットの横幅の半分だけずれて配置
されている。偏光分離器６による透過光と反射光の光軸
は、第１の実施形態における図４で示したＸｐの１／２
だけシフトしている。このような構成を除いては第１の
実施形態と同じである。
【００３３】また、図６に示す様なＰ１＝３／２Ｓ１の
場合にも第１の実施形態と同様な効果が得られる。この
図６に示される形態の偏光照明装置では、偏光分離器６
の基本構成単位の横幅の約１／３の幅とスリット状の反
射板４のスリット幅とが等しくなっており、スリット状
反射板４の隣り合う反射部とスリット部の境界線に偏光
分離器６の基本構成単位の横幅での中心が対応してい
る。偏光分離器６による透過光と反射光の光軸は、第１
の実施形態における図４で示したＸｐの３／２だけシフ
トしている。このような構成を除いては第１の実施形態
と同じである。
【００３４】以上のように、本発明は基本的にはＰ１＝
ｎ・Ｓ１／２（ｎ：自然数）の場合においてはすべて第
１の実施形態と同様な効果が得られる。
【００３５】（第３の実施の形態）図７は本発明の第３
の実施形態である偏光照明装置の偏光変換部を光が通過
する時の様子を示す概略図である。この図には第１の実
施形態と同一の構成部品には同一番号を付してある。そ
して、以下では第１の実施形態と異なる構成についての
み説明する。第１及び第２の実施形態に示した１／４波
長板は、図７に示すように１枚の平面板からなる１／４
波長板５１にすることも可能である。この１／４波長板
５１の大きさは第２の集光レンズアレイ板９の有効領域
と同等にすることが好ましい。但し、第１の実施形態と
比べ、１／４波長板を光が通過する回数が増加するた
め、一般的には光損失は第１の実施形態に比べ多くな
る。しかし、製造コストの低減化が可能な偏光照明装置
である。
【００３６】尚、図７には第１の実施形態と同じである
Ｐ１＝Ｓ１の場合の構成を示したが、本形態の１／４波
長板はＰ１＝ｎ・Ｓ１／２（ｎ：自然数）の場合の構成
であればどれでも適用する事ができる。
【００３７】（第４の実施形態）図８は本発明の第４の
実施形態である偏光照明装置の偏光変換部を光が通過し
た時の様子を示す概略図である。この図には第１の実施
形態と同一の構成部品には同一番号を付してある。そし
て、以下では第１の実施形態と異なる構成についてのみ
説明する。第１、第２及び第３の実施形態に示した反射
板は、図８に示すように、スリットとしての開口部の無
い１枚の平面状反射板４１にすることも可能である。こ
の平面状反射板４１の大きさは第２の集光レンズアレイ
板９の有効領域と同等にすることが好ましい。反射板４
１の平面上の反射部４２は一枚の透明部材（例えば平面
ガラス）に反射蒸着、反射フィルム等を施してなり、こ
の反射部４２以外がスリットとしての透明部４３になっ
ている。この透明部４３に反射防止膜を追加することで
透過効率を向上させる事ができる。但し、このような形
態の偏光照明装置は、反射板５の透過部に光を透過させ
る構成のため、第１及び第２の実施形態に比べて一般的
には多くなる。しかし、製造コストの低減化が可能な偏
光照明装置である。
【００３８】尚、図８には第１の実施形態と同じである
Ｐ１＝Ｓ１の場合の構成を示したが、本形態の反射板４
１はＰ１＝ｎ・Ｓ１／２（ｎ：自然数）の場合の構成で
あればどれでも適用する事ができる。
【００３９】（第５の実施の形態）図５は、本発明の第
５の実施形態である偏光照明装置の要部を平面的に見た
概略構成図である。この図には第１〜４の実施形態で示
した構成部品と同一の部品に同一番号を付してある。
【００４０】図１〜図８に示された第１〜４の実施形態
の第２の集光レンズアレイ板９は、何れも集光レンズ１
０４と出射側レンズ７を備えている。偏光分離器６に入
射する光は、そのシステム主光線１５２の傾きがシステ
ム主光線９に平行が理想的であることから、集光レンズ
１０４は第１の集光レンズアレイ板３を構成する矩形集
光レンズ１０３と同一のレンズにより構成される場合が
多く、また、出射側のレンズ７は第２の集光レンズアレ
イ板９を通過した光束を所定の照明領域８上に重ねて結
像させる為に必要である。
【００４１】しかし、本形態では、上記の集光レンズ９
を図９に示すような偏心系の集光レンズ１１２〜１１４
に代えた第２の集光レンズアレイ板１１１とすると共
に、偏光分離膜１０５、１０６の設置角度を工夫するこ
とにより、出射側レンズ７を省略する事が可能となり、
光学系の低コスト化が可能となる。
【００４２】また、本形態のように出射側レンズを使用
しない構成では、第２の集光レンズアレイ板１１１の設
置場所は偏光分離器６の光源側に限定されることなく、
第２の集光レンズアレイ板１１１を構成する偏心系集光
レンズ１１２、１１３、１１４のレンズ特性、および偏
光分離器６の偏光分離膜１０５、１０６の配置角度によ
って第２の集光レンズアレイ板１１１を偏光分離器６よ
りも照明領域８の側に設置することもできる。
【００４３】以上のように、第１の集光レンズアレイ板
３により形成される２次光源像の位置とその大きさによ
って、第２の集光レンズアレイ板１１１を構成する偏心
系集光レンズ１１２、１１３、１１４の寸法形状と偏光
分離器６の偏光分離膜１０５、１０６の配置寸法とを最
適化することにより、光源光の利用効率を一層向上する
ことが出来ると共に低コスト化、小型化の効果がある。
【００４４】（第６の実施形態）次に、本発明の偏光照
明装置を用いた投写型液晶表示装置について説明する。
図１１は、本発明の第６の実施形態である投写型液晶表
示装置の光学系を示す概略図である。この形態では図１
で示した第１の実施形態の偏光照明装置を用いた投写型
液晶表示装置を例に採って説明する。
【００４５】図１１に示される形態の投写型液晶表示装
置１００は図１で示した偏光照明装置１を備えている。
この偏光照明装置１では、光源部２から放射された偏光
方向のランダムな光は、第１の集光レンズアレイ板３に
よって集光された状態で第２の集光レンズアレイ板９を
通過し、偏光変換部１０の中の偏光分離器６により２種
類の直線偏光光に分離される。また、分離された各直線
偏光光のうち、Ｐ偏光光はそのまま通過し、Ｓ偏光光に
関しては偏光分離膜１０５、１０６、１／４波長板５及
びスリット状の反射板４を通過又は反射し、偏光分離器
６を通過したときには殆どＰ偏光光に変換されて通過す
る。その後、偏光光の揃えられた光束は所定の照明領域
上に出射側レンズ７により重ねて結像される。このよう
な照明系では、光源部からの光利用効率を照明装置を大
型化することなく従来の約２倍の利用効率を実現してい
る。
【００４６】このような偏光照明装置１から出射した光
束はまず全反射ミラー２１０において、光軸の進行方向
を９０度変更され、青色緑色反射ダイクロイックミラー
２２０において、赤色光を透過し、青色光および緑色光
を反射する。赤色光は反射ミラー２３０で反射され、第
１の液晶ライトバルブ３１０に達する。一方、青色光及
び緑色光のうち、緑色光は、緑色反射ダイクロイックミ
ラー２４０によって反射され第２の液晶ライトバルブ３
２０に達する。
【００４７】ここで、青色光は各色光のうちで最も長い
光路長を持つので、青色光に対しては、入射側のレンズ
２５０、リレーレンズ２６０及び出射側のレンズ２７０
からなるリレーレンズ系で構成された導光手段２８０を
設けてある。すなわち、青色光は、緑色反射ダイクロイ
ックミラー２４０を透過した後、まず、入射側レンズ２
５０及び反射ミラー２９０を経て、リレーレンズ２６０
に導かれ、このリレーレンズ２６０に集束された後、反
射ミラー３００によって出射側レンズ２７０に導かれ、
第３の液晶ライトバルブ３３０に達する。ここで、第１
〜３の液晶ライトバルブは、それぞれの色光を変調し、
各色に対応した映像情報を含ませた後に、変調した色光
をダイクロイックプリズム３４０（色合成手段）に入射
する。ダイクロイックプリズム３４０には、赤色反射の
誘電体多層膜と青色反射の誘電体多層膜とが十字状に形
成されており、それぞれの変調光束を含成する。ここ
で、合成された光束は、投写レンズ３５０（投写手段）
を通過してスクリーン３６０上に映像を形成することに
なる。
【００４８】このように構成した投写型液晶表示装置１
００では、１種類の直線偏光光を変調するタイプの液晶
ライトバルブが用いられている。従って、従来の照明装
置を用い偏光方向のたランダムな光を液晶ライトバルブ
に導くと、偏光方向のランダムな光の半分は、偏光板
（図示せず）で吸収されて熱に変わってしまうので、光
の利用効率が悪いと共に、偏光板の発熱を抑える大型で
騒音が大きな冷却装置が必要であるという問題点があっ
た。しかし、本形態の投写型液晶表示装置１００では、
上記の問題点が大幅に改善される。
【００４９】すなわち、本形態の投写型液晶表示装置１
００では、図１に示した偏光照明装置１において、一方
の直線偏光光、例えばＳ偏光光に対して、１／４波長板
５によって偏光面を楕円偏光光にし、スリット状の反射
ミラー４で反射し、再度１／４波長板５を通過し、再度
偏光分離器６に入射し、Ｐ偏光光として透過し、偏光方
向の揃った状態となる。
【００５０】それ故、偏光光の揃った光が第１〜第３の
液晶ライトバルブ３１０、３２０、３３０に導かれるの
で、偏光板による光吸収は非常に少なく、光の利用効率
が向上し、明るい投写映像を得ることが出来る。また、
偏光板による光吸収量が低減できるので、偏光板での温
度上昇が抑制される。従って、冷却装置の小型化、低騒
音化、高性能な投写型液晶表示装置を実現できる。
【００５１】さらに、偏光照明装置１では、偏光変換部
１０において、第２の集光レンズアレイ板９の集光レン
ズ１０４の形状に合わせて２種類の直線偏光光を横方向
に分離している。従って、光量を無駄にすることなく、
横長の矩形形状をした照明領域を形成できる。そのため
に、偏光照明装置１は、横長の液晶ライトバルブを照明
するのに適している。
【００５２】先の第１の実施形態で説明したように、偏
光照明装置１では、偏光変換光学要素を組み入れている
にも関わらず、偏光分離器６を出射する光束幅の広がり
が抑えられている。このことは、液晶ライトバルブを照
明する際に、大きな角度を伴って液晶ライトバルブに入
射する光が殆どないことを意味している。従って、Ｆナ
ンバーの小さい極めて大口径の投写レンズを用いなくて
も、明るい投写映像を実現できる。
【００５３】また、本形態では、色合成手段として、ダ
イクロイックプリズム３４０を用いているので、小型化
が可能である。また、液晶ライトバルブ３１０、３２
０、３３０と投写レンズ３５０の間の光路長が短いの
で、比較的小さな口径の投写レンズを用いても、明るい
投写映像を実現できる。また、各色光は、３光路の内１
光路のみ、その光路長が異なるので、本形態では光路長
が最も長い青色光に対しては、入射側のレンズ２５０、
リレーレンズ２６０、及び出射側レンズ２７０からなる
リレーレンズ系で構成した導光手段２８０を設けてある
ので、色むら等が発生しないように考慮してある。
【００５４】なお、投写型液晶表示装置としては、色合
成手段に２枚のダイクロイックミラーを用いた光学系に
より構成することもできる。その場合においても本例の
偏光照明装置を組み込むことが可能であり、本形態の場
合と同様に、光の利用効率に優れた明るい投写映像を形
成できる。
【００５５】なお、上記各実施形態においては、偏光分
離器で、例えばＳ偏光光をＰ偏光光に揃えるようにして
いるが、勿論、偏光方向は何れの方向に揃えてもよい。
【００５６】
【発明の効果】以上説明したように、本発明に係わる偏
光照明装置は、偏光方向の揃った直線偏光光を照明領域
に照射できる。従って、偏光方向が揃った直線偏光光を
液晶ライトバルブに供給できるので、光の利用効率が向
上し、投写映像の明るさを向上することができる。
【００５７】また、本発明の偏光照明装置は、偏光分離
器の外部に反射光を透過光と反対方向に一度出射させ、
反射板で再び偏光分離器の内部に入射させる構成である
ので、前記偏光分離器の板厚および、反射板と偏光分離
器との距離によって、前記偏光分離器での透過光と反射
光の光路長を調整することが可能である。その結果、イ
ンテグレータ光学系による照明領域位置近傍に出来る焦
点位置を２箇所設けることができる。したがって、前記
偏光分離器による透過光路は明るさ重視で照明領域同等
程度の領域を照明し、反射光路は、照明領域よりも大き
な領域を照明するように設定すれば、液晶ライトバルブ
に対して輝度ムラのない明るい投写画面を供給すること
が出来る。
【００５８】また、前記スリット状の反射板を偏光分離
器の入射面側に配置することで、第１の集光レンズアレ
イ板で集光できない光（例えば、迷光）の入射を殆ど遮
断する機能が備えられ、その結果、偏光分離器での熱負
荷を低減する事ができる。
【００５９】また、偏光方向のランダムな光を１種類の
直線偏光に揃えて液晶ライトバルブに照明する構成であ
るため、液晶ライトバルブの偏光板による光吸収量が低
減でき、偏光板での温度上昇が抑制される。それ故、冷
却装置の小型化や低騒音化を実現できる。
【００６０】また、前記第２の集光レンズアレイの各集
光レンズの配置間隔Ｓ１と前記偏光分離器の入射側面に
おける基本構成単位の配置間隔Ｐ１との間にＰ１＝ｎ×
Ｓ１／２（ｎ＝１〜３以上の自然数）の関係が成り立つ
ように偏光変換部が構成されているので、集光レンズア
レイのセルサイズに関わらず、前記関係式に従って自由
に偏光ビームスプリッタアレイの基本構成単位のサイズ
を設定することができる。
【００６１】また、本発明では、インテグレータ光学系
の特徴である微少な２次光源像を生成する過程を利用し
て光の分離により生ずる空間的な広がりを回避してい
る。従って、偏光変換素子を備えた光学系で、更に装置
寸法を従来の照明装置と同じ程度の寸法に抑えることが
出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態である偏光照明装置の
要部を平面的に見た概略構成図である。
【図２】図１に示した第１の集光レンズアレイ板の外観
斜視図である。
【図３】図１に示した偏光変換部の構成部品の外観を示
す斜視図である。
【図４】本発明の第１の実施形態である偏光照明装置の
偏光変換部を光が通過する時の様子を示す概略図であ
る。
【図５】本発明の第２の実施形態である偏光照明装置の
偏光変換部を光が通過する時の様子を示す概略図であ
る。
【図６】本発明の第２の実施形態である偏光照明装置の
偏光変換部の変形例を光が通過する時の様子を示す概略
図である。
【図７】本発明の第３の実施形態である偏光照明装置の
偏光変換部を光が通過する時の様子を示す概略図であ
る。
【図８】本発明の第４の実施形態である偏光照明装置の
偏光変換部を光が通過する時の様子を示す概略図であ
る。
【図９】本発明の第５の実施形態である偏光照明装置の
偏光変換部を光が通過する時の様子を示す概略図であ
る。
【図１０】図１の偏光照明装置が組み込まれた投写型液
晶表示装置の一例を示す光学系の概略構成図である。
【図１１】特開平８−３０４７８９公報に開示されてい
る従来の偏光照明装置の光学系を表した概略構成図であ
る。
【符号の説明】
１ 偏光照明系 ２ 光源部 ３ 第１の集光レンズアレイ板 ４ スリット状の反射板 ５ １／４波長板 ６ 偏光分離器 ７ 出射側レンズ ８ 照明領域 ９ 第２の集光レンズアレイ板 １０ 偏光変換部 １１ システム光軸 ４１ 平面状の反射板 ４２ 光反射部 ４３ 透明部 ５１ 平面状の１／４波長板 １００ 投写型液晶表示装置 １０１ 光源ランプ １０２ 放物面リフレクタ １０３ 矩形集光レンズ １０４ 集光レンズ １０５，１０６ 偏光分離膜 １１２，１１３，１１４ 偏心系の集光レンズ １５２ システム主光線 １５３ スリット幅Ｘ １５４ １／４波長板幅Ｘ １５５ 幅Ｘｐ ２１０ 全反射ミラー ２２０ 青色緑色ダイクロイックミラー ２３０，２９０，３００ 反射ミラー ２４０ 緑色ダイクロイックミラー ２５０ 入射側レンズ ２６０ リレーレンズ ２７０ 出射側レンズ ２８０ 導光手段 ３１０ 第１の液晶ライトバルブ ３２０ 第２の液晶ライトバルブ ３３０ 第３の液晶ライトバルブ ３４０ ダイクロイックプリズム（色合成手段） ３５０ 投写レンズ（投写手段） ３６０ スクリーン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｇ０３Ｂ 21/14 Ｇ０２Ｆ 1/1335 ５３０ (72)発明者 坂本 幹雄 東京都港区芝五丁目７番１号 日本電気 株式会社内 (56)参考文献 特開 平10−319350（ＪＰ，Ａ)

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 偏光方向がランダムな光を出射する光源
    部と、縦横に並ぶ複数の矩形集光レンズから構成され、
    前記光源部から出射される光を集光して複数の２次光源
    像を形成するための第１の集光レンズアレイ板と、該２
    次光源像の各々に対応する集光レンズを縦横に複数配列
    してなる第２の集光レンズアレイ板と、該第２の集光レ
    ンズアレイ板の近傍に配置され、前記偏光方向がランダ
    ムな光を２つの直線偏光光に分離し、且つ偏光方向を揃
    えて合成する偏光変換部とを含む偏光照明装置におい
    て、 前記偏光変換部は、前記第２の集光レンズアレイ板の集
    光レンズに対応するように配列された複数のスリット部
    を有する反射板と、該反射板におけるスリット間の反射
    部を少なくとも覆う１／４波長板と、平板状の偏光分離
    器、および出射側レンズとをこの順番で光の入射側から
    配置したものであり、 前記偏光分離器は、三角柱プリズムを基本構成単位と
    し、該三角柱プリズムの斜面どうしを互いに貼り合わせ
    て平板状にすると共に、隣り合う三角柱プリズムの隣接
    面にそれぞれ偏光分離膜を形成した平板状偏光ビームス
    プリッタアレイであり、 前記第２の集光レンズアレイの各集光レンズの配置間隔
    Ｓ１と前記偏光分離器の入射側面における基本構成単位
    の配置間隔Ｐ１との間にＰ１＝ｎ×Ｓ１／２（ｎは、ｎ
    ≠２を満たす自然数）の関係が成り立つように前記偏光
    変換部が構成されたことを特徴とする偏光照明装置。
  2. 【請求項２】 偏光方向がランダムな光を出射する光源
    部と、縦横に並ぶ複数の矩形集光レンズから構成され、
    前記光源部から出射される光を集光して複数の２次光源
    像を形成するための第１の集光レンズアレイ板と、該２
    次光源像の各々に対応する集光レンズを縦横に複数配列
    してなる第２の集光レンズアレイ板と、該第２の集光レ
    ンズアレイ板の近傍に配置され、前記偏光方向がランダ
    ムな光を２つの直線偏光光に分離し、且つ偏光方向を揃
    えて合成する偏光変換部とを含む偏光照明装置におい
    て、 前記偏光変換部は、前記第２の集光レンズアレイ板の集
    光レンズに対応するように配列された複数のスリット部
    を有する反射板と、該反射板におけるスリット間の反射
    部を少なくとも覆う１／４波長板と、平板状の偏光分離
    器、および出射側レンズとをこの順番で光の入射側から
    配置したものであり、 前記偏光分離器は、三角柱プリズムを基本構成単位と
    し、該三角柱プリズムの斜面どうしを互いに貼り合わせ
    て平板状にすると共に、隣り合う三角柱プリズムの隣接
    面にそれぞれ偏光分離膜を形成した平板状偏光ビームス
    プリッタアレイであり、 前記第１の集光レンズアレイ板を構成する複数の矩形集
    光レンズの各々は、照明領域の形状に対応して形成され
    ており、 前記第２の集光レンズアレイの各集光レンズの配置間隔
    Ｓ１と前記偏光分離器の入射側面における基本構成単位
    の配置間隔Ｐ１との間にＰ１＝ｎ×Ｓ１／２（ｎは、ｎ
    ≠２を満たす自然数）の関係が成り立つように前記偏光
    変換部が構成された ことを特徴とする偏光照明装置。
  3. 【請求項３】 偏光方向がランダムな光を出射する光源
    部と、縦横に並ぶ複数の矩形集光レンズから構成され、
    前記光源部から出射される光を集光して複数の２次光源
    像を形成するための第１の集光レンズアレイ板と、該２
    次光源像の各々に対応する集光レンズを縦横に複数配列
    してなる第２の集光レンズアレイ板と、該第２の集光レ
    ンズアレイ板の近傍に配置され、前記偏光方向がランダ
    ムな光を２つの直線偏光光に分離し、且つ偏光方向を揃
    えて合成する偏光変換部とを含む偏光照明装置におい
    て、 前記偏光変換部は、前記第２の集光レンズアレイ板の集
    光レンズに対応するように配列された複数のスリット部
    を有する反射板と、該反射板におけるスリット間の反射
    部を少なくとも覆う１／４波長板と、平板状の偏光分離
    器とをこの順番で光の入射側から配置したものであり、 前記偏光分離器は、三角柱プリズムを基本構成単位と
    し、該三角柱プリズムの斜面どうしを互いに貼り合わせ
    て平板状にすると共に、隣り合う三角柱プリズムの隣接
    面にそれぞれ偏光分離膜を形成した平板状偏光ビームス
    プリッタアレイであり、 前記第２の集光レンズアレイ板を構成する集光レンズの
    うちの少なくとも一つが偏心系のレンズとなっており、 前記第２の集光レンズアレイの各集光レンズの配置間隔
    Ｓ１と前記偏光分離器の入射側面における基本構成単位
    の配置間隔Ｐ１との間にＰ１＝ｎ×Ｓ１／２（ｎは、ｎ
    ≠２を満たす自然数）の関係が成り立つように前記偏光
    変換部が構成された ことを特徴とする偏光照明装置。
  4. 【請求項４】 前記偏光変換部の出射側レンズの代わり
    に、前記第２の集光レンズアレイ板を構成する集光レン
    ズのうちの少なくとも一つが偏心系のレンズとなってい
    る請求項１又は２に記載の偏光照明装置。
  5. 【請求項５】 前記１／４波長板が、前記反射板の前記
    偏光分離器側の全面を覆う１枚の平面板からなる請求項
    １から４のいずれか１項に記載の偏光照明装置。
  6. 【請求項６】 前記反射板が、平板状の透明部材の一面
    に反射部を施し、該反射部以外の透明部をスリット部と
    したものである請求項１から５のいずれか１項に記載の
    偏光照明装置。
  7. 【請求項７】 前記第２の集光レンズアレイ板を構成す
    る集光レンズが、前記第１の集光レンズアレイ板を構成
    する矩形集光レンズと相似形である請求項１から６の何
    れか１項に記載の偏光照明装置。
  8. 【請求項８】 請求項１から７の何れか１項に記載の偏
    光照明装置と、該偏光照明装置からの光を３原色に分離
    する色分離光学系と、液晶ライトバルブと、該液晶ライ
    トバルブにより画像情報に応じて変調された光を合成す
    る色合成光学系と、投写レンズとから少なくとも構成さ
    れた投写型液晶表示装置。
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