JP3620196B2 - 照明装置および投写型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶装置等の変調手段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係り、特に、そこに用いる照明装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、大画面の映像を表示する方法としては、偏光を画像情報に応じて変調するライトバルブとして、液晶装置を用いた投写型表示装置がよく知られている。図１２に、このような投写型表示装置の例として、３枚の液晶装置を用いた投写型表示装置の構成例を示す。光源部１１０は光源ランプ１１１とリフレクタ１１２とから大略構成されている。光源ランプ１１１の発光部１１３から射出された光はリフレクタ１１２により略平行光となって、１／４波長板１３０を通過する。１／４波長板１３０によって円偏光となった光は、偏光ビームスプリッタ２００へ入射する。偏光ビームスプリッタ２００は、その内部に設けられた誘電体多層膜２０３で、所定の偏光方向を有する直線偏光光（Ｓ偏光光）のみを反射させる。したがって、Ｓ偏光光のみが誘電体多層膜２０３で反射されダイクロイックプリズム４００に入射する。ダイクロイックプリズム４００は４つのプリズムの集合体であり、その接合面は波長選択性のある２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２となっている。偏光光は、これらにより赤色光、緑色光、青色光の３原色の光に分離された後、それぞれの色光に対応した反射型液晶装置３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに照射される。３原色の光は、それぞれの反射型液晶装置により変調された後、再びダイクロイックプリズム４００により合成されて、偏光ビームスプリッタ２００を透過した光が、投写レンズ５００を介して投写面６００に投写される。
【０００３】
一方、偏光ビームスプリッタ２００の誘電体多層膜２０３により反射されず、これを透過した直線偏光光、すなわちＰ偏光光は、反射ミラー２０４により反射され、同一の経路を経て再び光源部１１０へ戻される（以下、このようにして光源部１１０に戻される光を「戻り光」と称する）。なお、図１３に示すように、この戻り光Ｂは、光源部１１０へ戻る途中で１／４波長板１３０を経ることにより、所定の回転方向、例えば右回りの円偏光光に変換されている。右回りの円偏光光に変換されて光源部１１０へ戻された戻り光Ｂは、リフレクタ１１２の反射作用により再び光源部１１０から射出され、１／４波長板１３０に入射する。このときの戻り光Ｂは、リフレクタ１１２で反射されることにより、１／４波長板１３０に対して左回りの円偏光光となっているため、１／４波長板１３０を経ることによりＳ偏光光に変換され、偏光ビームスプリッタ２００の誘電体多層膜２０３で反射されてダイクロイックプリズム４００に入射する。
【０００４】
つまり、図１２に示された投写型表示装置は、偏光ビームスプリッタ２００で透過された用いることができなかったＰ偏光光を、Ｓ偏光光に変換して再利用することにより、光源部１１０から最終的に得ることができる光の強度が増し、明るい投写画像が得られるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示すように、従来の投写型表示装置では、反射ミラー２０４により反射された光が射出時と同一の経路を経て光源部に戻るため、リフレクタ１１２の同一の位置で反射され、射出された光の多くが発光部１１３の発光点Ｐ１に戻る。このため、発光部が一種の影となり戻り光が発光部を通過できないがゆえに、光の再利用の効率が実際にはかなり悪いという問題が生じていた。また、射出した光が発光部１１３の一点に集中すると、発光部が必要以上に過熱し、光のスペクトルが変化したり光源の短寿命化をもたらす等の問題を生じていた。
【０００６】
そこで、本発明は、光源ランプから射出した光を高い効率で利用することのできる照明装置および明るい投写画像を得ることができる投写型表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１乃至請求項３に記載の照明装置は、
発光部から射出された光を反射するリフレクタにより、前記発光部から射出された光を集光し特定方向に射出する光源、光源から射出された光の偏光状態を変化させる偏光素子（例えば、１／４波長板）、前記偏光素子から射出された光のうち特定の偏光状態を有する光を選択する光選択手段、特定の偏光状態（例えば、Ｓ偏光状態にある光）を有する光以外の光を、光源からの光の射出方向に平行な方向からずれた方向に沿って光源に戻すための反射面を有する光学要素、を備えて構成される。
【０００８】
本発明によれば、光源の発光部から射出された光は、リフレクタにより反射することにより、特定方向に射出される。この光は偏光素子により、特定の偏光状態（例えば、回転方向の互いに異なる２種類の円偏光光）に変化させられる。このうち、特定の偏光状態を有する光が反射・透過することにより分離され、投写のために変調される。一方、反射または透過されなかった光は、光学要素の反射面により反射して光源に戻される。このとき、光の入射方向に平行な方向とずれた方向に反射されるため、反射された光が光源のリフレクタにおいて再び反射される際、射出時に反射したリフレクタの位置と異なる位置でこの光が再反射されることになる。したがって、リフレクタで再反射した光は発光部に遮られることなく、リフレクタ上の他の位置にて反射され、再度特定方向に射出される。この光は再度偏光素子により偏光状態が変化させられ、一部が光選択手段で反射され再利用される。つまり、一度は照明光として利用されなかった光の一部を、再利することができるのである。
【０００９】
請求項２に記載の照明装置は、発光部から射出された光を反射するリフレクタにより、発光部から射出された光を集光し特定方向に射出する光源、光源から射出された光の偏光状態を変化させる偏光素子、偏光素子から射出された光のうち特定の偏光状態を有する光を透過させ、かつ、特定の偏光状態を有する光以外の光を、光源からの光の射出方向に平行な方向からずれた方向に沿って光源に戻すための反射面を有する光学要素、を備えて構成される。
【００１０】
すなわち、本発明では、光学要素自体が特定の性質を有する光を透過する機能を兼ね備えている（例えば、偏光状態選択性を有する誘電体多層膜等）。
【００１１】
光学要素としては、請求項３に記載したように、光学要素としては、反射面が凹面形状をなすこと、あるいは、請求項４に記載したように、反射面が凸面形状をなすことが好ましい。この凹面あるいは凸面は、光軸上に中心点として大きな曲率を持つものでも、楕円形状を有するものでもよい。また、発明の実施の形態において後述するように、傾いた楕円（以下「傾楕円」形状）の曲面を有するものでもよい。
【００１２】
また、光学要素の反射面全面に曲面を設けず、微小面の集合により反射面を形成してもよい。例えば、請求項５に記載するように、反射面の中心点から尾根線が放射状に広がり、その同心円周に沿って当該光学要素を切断した際の断面が鋸歯状をなすように反射面を設ける。また、同様の形状の変形として、請求項６に記載するように、その同心円周に沿った断面が稲妻形状をなしたり、請求項７に記載するように、その同心円周に沿った断面が波形をなすように反射面の微小面を設けてもよい。
【００１３】
以上の構成により、一の方向に沿って光学要素に入射した光は、その反射方向が入射方向に平行な方向からわずかにずれた方向に沿って反射されることになる。しかし、その一方、あまりに大きく反射方向がずれてしまうと、光源のリフレクタで再び反射させ、再度光選択手段に入力させることができない。また、光選択手段等に再入射する角度が、最初に入射した角度と大きく異なると、効率よく光の分離が行えない。そのため、光の入射方向に平行な方向と反射方向とがなす角度は、微小である必要がある。例えば、反射面により反射されて光源のリフレクタにより反射された光は、リフレクタの焦点距離をｆとすると、当該リフレクタの焦点位置を中心に、２ｆ〜０．０５ｆ程度の半径をもって形成される領域内に集光されるように、光学要素の反射面の形状を調整するのが好ましい。
【００１４】
このような形状によれば、光源のリフレクタで再度反射された光は、発光部に遮られることが殆どなく、発光部の近傍を通過して再度リフレクタにおいて反射され、最初の射出時とほぼ同一方向に射出される。二度目に光選択手段あるいは光学要素に入射する際の偏光状態が当初の偏光状態と異なっているので、再入射した光のうちいくらかは、光選択手段あるいは光学要素を経て、利用可能な光となって射出される。したがって、照明装置から得られる光量を増大させることができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明によれば、上記のような照明装置から得られる光を変調する反射型変調手段と、変調された光を投写する投写手段とを備える。
【００１６】
請求項９に記載の発明によれば、上記のような照明装置から得られる光を変調する透過型変調手段と、変調された光を投写する投写手段とを備える。これらの構成によれば、従来よりも光量の多い照明装置を用いているので、十分に明るい投写表示が行える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。尚、以下の各実施の形態においては、互いに直交する３つの方向を便宜的にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とした。
【００１８】
実施の形態１
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置１００の要部を平面的に見た概略構成図である。この図１は、この装置の光軸を含むＸ−Ｚ平面における断面図である。図１に示すように、本投写表示装置１００は光軸Ｌに沿って配置した光源部１１０、１／４波長板１３０、偏光ビームスプリッタ２００、特定波長の光を反射するダイクロイックプリズム４００、反射型のライトバルブである反射型液晶装置３００、反射型液晶装置３００にて変調された光を投写スクリーン６００に投写する投写レンズ５００から大略構成されている。
【００１９】
光源部１１０は、偏光方向がランダムな偏光光を発光部１１３から射出する光源ランプ１１１および発光部１１３から射出された光を反射し、同図Ｘ方向に射出するリフレクタ１１２とを備える。発光部１１３から放射された光は、リフレクタ１１２によって一方向に反射され、略平行な光となって１／４波長板１３０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、ハロゲンランプ等が、また、リフレクタとしては放物面リフレクタ、楕円リフレクタ、球面リフレクタ等が使用できる。
【００２０】
１／４波長板１３０は、本発明の偏光素子に相当する。１／４波長板１３０では、１／４波長板を通過する偏光光の偏光状態を直線偏光から円偏光に、または、その逆の円偏光から直線偏光に、相互に変換することができる。ただし、直線偏光の種類（Ｐ偏光光、Ｓ偏光光）と、円偏光の種類（右回り、左回り）との対応関係は、１／４波長板１３０の配置状態によって変化するため、一様ではない。光源部１１０から射出された光は偏光方向がランダムな光である。この光は、ともに直線偏光であるＰ偏光光とＳ偏光光の集合光と見なすことができるため、１／４波長板１３０を通過することによって、左回りあるいは右回りの円偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ２００へと至る。
【００２１】
偏光ビームスプリッタ２００は、プリズム２０１と２０２を接合して構成される。両プリズムの接合面には誘電体多層膜２０３（特許請求の範囲における光選択手段に相当）が形成される。この誘電体多層膜２０３は、Ｐ偏光光をそのまま透過し、Ｓ偏光光を反射する。すなわち、図１で、偏光ビームスプリッタ２００に入射した光のうち、Ｐ偏光光は進行方向を変えずに誘電体多層膜２０３を透過して本発明に係る光学要素２０４ａに到達する。一方、Ｓ偏光光は、誘電体多層膜２０３で反射され、その進行方向を約９０°変え、後述するダイクロイックプリズム４００へと向かう。光学要素２０４ａは、入射方向に平行な方向とわずかにずれた方向に、Ｐ偏光光を反射する。このＰ偏光光は１／４波長板１３０により再び円偏光とされ、光源部１１０に戻される。光学要素２０４ａの詳細については後述する。
【００２２】
ダイクロイックプリズム４００は、４つのプリズムを接合した構造をなす。各プリズムの接合面には、波長選択性のある誘電体多層膜が設けられている。誘電体多層膜４０１は、光源部１１０から射出された光のうち赤色成分光（Ｒ）を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。誘電体多層膜４０２は、光源部１１０から射出された光のうち青色成分光（Ｂ）を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。したがって、光源部１１０から射出された光のうち、赤色成分光Ｒが反射型液晶装置３００Ｒに、青色成分光Ｂが反射型液晶装置３００Ｂに、残りの緑色成分光Ｇが反射型液晶装置３００Ｇに入射する。
【００２３】
反射型液晶装置３００は、図示しないが、一対の基板の間に液晶層を挟み込んだ構造をなす。そして、別途画像処理装置等から供給される画像データがオフ（切）状態を示している画素では、液晶層の液晶分子が一方向に配向するので、入射されたＳ偏光光はその偏光方向を変えることなく、反射型液晶装置３００から戻される。また、画像データがオン（入）状態を示している画素では、Ｓ偏光光は液晶分子のねじれによりその偏光方向がかえられＰ偏光成分を含む光となって、反射型液晶装置から戻される。
【００２４】
Ｓ偏光の赤色成分光Ｒは反射型液晶装置３００Ｒで変調を受け、再び誘電体多層膜４０１に向けて射出される。そして、再びこの膜の波長選択機能により偏光ビームスプリッタ２００に射出される。同様に、Ｓ偏光の青色成分光Ｂは反射型液晶装置３００Ｂで変調を受けた後再び誘電体多層膜４０２に向けて射出される。緑色成分光Ｇは反射型液晶装置３００Ｇで変調を受け、誘電体多層膜４０１および４０２のいずれにも反射されることなく、偏光ビームスプリッタ２００に向け射出される。つまり、ダイクロイックプリズム４００に入射したＳ偏光光が再びダイクロイックプリズム４００から射出されるときは、オン状態である画素部分がＰ偏光成分を含む状態となった３色の光が合成された光となっている。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ２００の誘電体多層膜２０３は、Ｓ偏光光を反射し、Ｐ偏光光を透過する機能を有するので、Ｐ偏光成分のみが投写レンズへ射出される。したがって、本来の画像データが示すオン・オフ状態に対応した画像が、投写レンズ５００を介して、投写スクリーン６００上に表示される。
【００２６】
（光学要素の構成）
図２に、光学要素２０４ａと光源部１１０との関係図を示す。理解を容易にするため、図１で示した光源部１１０、１／４波長板１３０および偏光ビームスプリッタ２００のみを図示する。図２に示すように、本実施の形態１では、光学要素が凹面反射ミラー２０４ａにより構成される。この反射ミラーは、少なくとも光源部１１０と凹面反射ミラー２０４ａとの間の距離に比べ大きい曲率半径を有するのが好ましい。
【００２７】
ここで、光の偏光状態に着目して、光が再利用される過程について説明する。発光点Ｐ１から射出したランダムな偏光状態を有する光は、互いの振動面が直交する２種類の光、すなわち直線偏光状態にあるＰ偏光光とＳ偏光光との集合光と見なすことができる。これら２種類の偏光光は、１／４波長板１３０によって左回りおよび右回りの円偏光光に変換されて、偏光ビームスプリッタ２００に至る。この円偏光光のうちのＳ偏光成分だけが誘電体多層膜２０３で反射分離され、Ｓ偏光光となってダイクロイックプリズム４００へと射出される。一方、誘電体多層膜２０３で反射分離されなかったＰ偏光成分光は、図２に実線で示すように凹面反射ミラー２０４ａに入射する。このとき、凹面反射ミラー２０４ａが所定の曲率を持っているので、入射光の入射方向と平行な方向から若干ずれた方向に反射される。この反射された光は、再び偏光ビームスプリッタ２００、１／４波長板１３０を経て楕円偏光光に変換される。この楕円偏光光は、図２に破線で示すように、光源部１１０からの射出方向に平行な方向とはずれた方向で、光源部１１０に入射する。このため、当初リフレクタ１１２で反射された位置と異なる位置で反射され、発光点Ｐ１とは異なる位置に集光し、光源部１１０のリフレクタ１１２で少なくとも１回反射して、光源部１１０から再度射出される。再度射出された偏光光は、１／４波長板１３０を一度も通過していない光とともに１／４波長板１３０を経て偏光ビームスプリッタ２００に入射し、二種類の偏光光に分けられる。以上の過程によって、一旦偏光ビームスプリッタ２００を透過した光であっても、それを光源部１１０に戻して再利用することができる。
【００２８】
図３に、発光部１１３から射出された光が反射され戻ってくるべき空間位置を示す。この集光領域は、リフレクタの焦点距離をｆとすると、焦点位置Ｐ１を中心に例えば２ｆ〜０．０５ｆ程度の半径で囲まれた領域である。この領域は、リフレクタ１１２で反射し再び偏光ビームスプリッタ２００へと到達する光の光量をより多くできるような大きさに設定する。同図に示すように、発光点Ｐ１から射出された光は、凹面反射ミラー２０４ａの反射を受け、受光点Ｐ２で示す集光領域に戻ってくる。もちろん、発光部１１１から射出する光の特性及び凹面反射ミラー２０４ａの集光特性等によっても、光の戻ってくる集光領域内の位置は変化する。一点から射出された光は、異なる位置に集光してくるので、発光部１１３によりこの戻り光が遮られることなく、再度リフレクタ１１２で反射させることができる。
【００２９】
なお、凹面反射ミラー２０４ａは、光軸上の一点を中心点とする球面でなく、光軸上の２点を中心として形成される楕円球の曲率を有してもよい。また、図５に示すように傾楕円面を有するものであってもよい。ここで、「傾楕円面」とは、楕円球の一方の焦点位置（図５の第１焦点）を固定し、他方の焦点を、光軸上の他の焦点（第２焦点）を中心とし、光軸に垂直な回転円の円周上を移動させた際の外形の軌跡により形成される曲面をいう。この傾楕円面を有するミラーは、反射する光を適度に分散した状態で集光するのに適する。
【００３０】
凹面反射ミラーの代わりに、図４に示すような凸面反射ミラーを用いてもよい。この凸面反射ミラー２０４ｂは、図４に示すように、凹面反射ミラー２０４ａと逆方向に中心点を有する曲率を有する。したがって、凸面反射ミラー２０４ｂに入射した光は、凹面反射ミラー２０４ａの反射する方向と異なり、光軸の外側方向に広がって反射される。入射方向と平行な方向と反射方向とのなす角度は、この場合でも微小なものとする。
【００３１】
なお、本実施の形態および後述する他の実施の形態で説明する光学要素２０４の外観形状は、必ずしも円形である必要はなく、例えば矩形であってもよい。
【００３２】
また、リフレクタ１１２を球面リフレクタとする場合には、図６に示すように、リフレクタ１１２と集光レンズ１２０とを組み合わせで用いることが、光源部１１０における光利用効率を向上できるという点で好ましい。
【００３３】
以上述べたように、本実施の形態の投写型表示装置１００は、偏光ビームスプリッタ２００で反射されなかったＰ偏光光を発光部１１３で遮られることなく再利用するので、発光部により射出された光の利用効率がよい。よって、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、戻り光となって再利用される際には、光の平行性が低下し光が分散され、光の強度分布が平均化されるため、明るさのムラが少ない照明光を得ることが可能となる。このため、表示面、並びに投写画面全体に渡って明るさが均一であり、かつきわめて明るい投写画像を得ることが可能となる。
【００３４】
実施の形態２
本実施の形態２は、光学要素２０４として前記実施の形態１のように所定の曲率を有する反射ミラーの代わりに、光軸の透過点を中心に回転対称をなす特殊形状の反射面を有するものである。
【００３５】
本実施の形態の投写型表示装置の構成は実施の形態１と同様なので説明を省略する。図７に、本実施の形態で採用する回転対称の光学要素２０４ｃの斜視図を示す。この光学要素の断面は、同図に示すように、同心円周に沿った断面が鋸歯状をなす。つまり、一つの面が中心点から扇状に広がる微小な扇形状をなす。各面の傾きθは、光の入射方向に対する反射方向の角度を規定するため、反射光が先の図３で示した光源部１１０の集光領域内に戻るような微小な角度とする。この反射面の形状によれば、当該光学要素２０４ｃの入射光が一様に角度２θだけずれた同一方向に反射される。
【００３６】
図８に、光学要素２０４ｃの変形例２０４ｄを示す。同図から判るように、本変形例においては、その同心円周に沿った断面が緩い傾斜の稲妻型、言い換えれば屋根型をなしている。この屋根の部分の傾斜が光軸に垂直な平面となす角度θも上記と同様微小なものとする。当該光学要素２０４ｄによっても、戻り光を先の図３で示した光源部１１０の集光領域内に戻すことができる。
【００３７】
図９に、光学要素２０４ｃの他の変形例２０４ｅを示す。同図から判るように、本変形例においては、その同心円周に沿った断面が波形をしている。この光学要素２０４ｅによれば、尾根線や谷線部分に入射した光は、ほぼ正反対の方向に反射されるので、戻り光の反射方向はかなり分散され、したがって、戻り光の強度分布はかなり均一化されることが期待できる。
【００３８】
本実施の形態２においても、偏光ビームスプリッタ２００で利用されなかったＰ偏光光は、当該反射ミラーへの入射時とは異なる経路で光源部１１０に戻されるため、発光部１１３に戻り光が遮られることがない。したがって、戻り光は、再びリフレクタ１１２にて有効に反射され、再利用されるため、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００３９】
実施の形態３
本実施の形態３は、透過型液晶装置を用いた投写型表示装置に本発明を適用したものである。
【００４０】
（全体の構成）
図１０に、本実施の形態における投写型表示装置１０１の構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態の投写型表示装置１０１は、概略して、光源部１１０、１／４波長板１３０、本発明に係る光学素子２０５、光源部１１０から射出された光Ｗを、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂに分離する色分離光学系７００、各色光を変調するライトバルブとしての透過型液晶装置３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ、色光のうち緑色光Ｇを透過型液晶装置３０１Ｇに導く導光系９００、変調された色光を再合成するダイクロイックプリズム４００、合成された光をスクリーン６００上に拡大して投写する投写レンズ５００を備えて構成される。
【００４１】
上記構成要素のうち、光源部１１０、１／４波長板１３０、ダイクロイックプリズム４００、投写レンズ５００については前述した実施の形態１と同様のものを用いるので、その説明を省略する。
【００４２】
色分離光学系７００は、複数のダイクロイックミラーを組み合わせて構成される。青緑反射ダイクロイックミラー７０２は、波長選択性を有し、光源部１１０から射出された光Ｗのうち、青色光Ｂと緑色光Ｇを反射し、赤色光Ｒを透過する。反射ミラー７０１は、青緑反射ダイクロイックミラー７０２を透過した赤色光Ｒを反射する。青反射ダイクロイックミラー７０３は、青緑反射ダイクロイックミラー７０２にて反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうち青色光Ｂのみを反射し、緑色光Ｇを透過する。光源部１１０から射出された光Ｗの色分離光学系７００への入射点から集光レンズ８０１、８０２および導光系９００への入射点までの各色光の光路の長さは、互いに等しくなるよう調節される。
【００４３】
このため、導光系９００は、集光レンズ９０１、反射ミラー９０１、９０４、中間レンズ９０３を備える。これらの構成は、各色光のうち光路の長さが唯一長い緑色光Ｇについて、光量損失を抑制し、この光路の長さを他の色光の光路の長さと実質的に等価なものとするためにある。なお、導光系９００を通過させる色光は、緑色光の代わりに赤色光でも青色光でもよい。しかし、一般的に、投写型表示装置における緑色光の光量が他の色光に比べて大きいので、緑色光を導光系９００に導くのが好ましい。
【００４４】
集光レンズ８０１乃至８０３は、各射出部から射出された各色光を平行光にする。透過型液晶装置３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、画像データが供給され、その画素情報の示すオン・オフ情報に対応して各色光Ｒ，Ｇ、Ｂの透過あるいは非透過を画素毎に制御する。
【００４５】
各透過型液晶装置３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂにより変調された各色光Ｒ、Ｇ、Ｂは、前記実施の形態１と同様にダイクロイックプリズム４００で合成され、投写レンズ５００を経て、投写スクリーン６００に投写される。なお、これら投写型表示装置の詳細については、本願出願人の先願に係る特願平５−５５９５２号に詳しい。
【００４６】
（光学要素の構成）
図１１に、本実施の形態における光学要素２０５を説明する図を示す。同図は、光源部１１０、１／４波長板１３０および当該光学要素２０５の間における光の反射の様子を示している。
【００４７】
光学要素２０５は、選択的偏光反射板であり、入射する円偏光光のうち、例えば、左回りの円偏光成分だけを通過させ、右回りの円偏光成分を反射する機能を有する。また、この光学要素２０５の反射面の形状は、実施の形態１および実施の形態２で説明した表面形状を採用できる。すなわち、図１１のように凹面形状とする他、凸面形状（図４参照）、傾楕円形状（図５参照）、回転対称な鋸歯形状（図７参照）、回転対称な稲妻型形状（図８参照）、回転対称な波形形状（図９参照）等種々の表面形状を選択できる。
【００４８】
さて、このような構成において、光源部１１０の発光部１１３から射出された光は、例えば、図１０の実線で示すような経路で１／４波長板１３０を透過し円偏光となった後、光学要素２０５に到達する。この円偏光のうち、左回りの円偏光成分は、光学要素２０５を透過して光学要素２０５の背後に射出される。一方、円偏光のうち右回りの円偏光成分は、光学要素２０５の有する反射作用により、光学要素２０５の反射面２０６の形状に対応した方向に反射する（図１０に破線で示す）。反射は、採用する反射面形状に対応して、前記実施の形態１または実施の形態２で説明したのと同様に行われる。すなわち、光学要素２０５への光の入射方向に平行な方向と若干異なる方向に反射することになる。このため、光学要素２０５で反射した右回りの円偏光成分は、１／４波長板１３０で直線偏光状態に変換され、当該光が最初に反射された位置とは異なる位置において、リフレクタ１１２により再反射される。このため、この戻り光は、発光部１１１の発光点にそのまま戻ることなく、発光部１１１の近傍を通過し、もう一度リフレクタ１１２にて反射される。このリフレクタ１１２における１回以上の反射により大部分の光の偏光方向が変化する。再度反射された光は、再び１／４波長板１３０を透過し円偏光となり、光学要素２０５に入射するので、入射した円偏光のうち左回りの円偏光成分は光学要素２０５を透過する。したがって、一旦光学要素２０５によって反射された右回りの円偏光光であっても、再度光源部１１０を経て光学要素２０５に再入射する際にはその偏光状態が異なるため、その一部を透過させることができ、光を有効に再利用できるのである。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においてはいずれも選択的偏光反射板の作用により右回りの円偏光光を反射する構成としているが、もちろん、左回りの円偏光光を反射する構成としてもよい。なお、上述した選択的偏光反射板は、例えば、コレステリック（ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ）液晶を層状に配列させることによって実現することができる。また、投写型表示装置の光学系の詳細については、上記実施の形態の構成によらず他の構成を用いてもよい。本発明は、光源部１１０から多くの光量を取り出すことを主眼としているため、取り出した光をどのように処理するかは、設計者の自由裁量に委ねられるからである。例えば、投写型表示装置としては、投写面６００のうち、投写光学系５００の側の面から観察するフロント型、あるいは投写光学系５００の反対側の面から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。
【００５０】
上記したように、本実施の形態３によれば、光学要素を採用した光源部を使用することにより、透過型液晶装置を用いた投写型表示装置においても明るい投写表示を行うことができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の投写型表示装置によれば、従来の投写型表示装置に比較して発光部から射出される光の利用効率を上げることができるので、大口径の投写レンズ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。また、発光部が過熱して光のスペクトルが変化したり光源の短寿命化を招く等の弊害もなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態１における投写型表示装置の全体構成図である。
【図２】発明の実施の形態１における光学要素を説明する図である。
【図３】光学要素により反射された光の集光領域を説明する図である。
【図４】発明の実施の形態１における他の光学要素を説明する図である。
【図５】発明の実施の形態１における傾楕円面を説明する図である。
【図６】球面リフレクタを用いる場合の構成図である。
【図７】発明の実施の形態２における光学要素（鋸歯形状）を説明する図である。
【図８】発明の実施の形態２における他の光学要素（稲妻型）を説明する図である。
【図９】発明の実施の形態２における他の光学要素（波形）を説明する図である。
【図１０】発明の実施の形態３における投写型表示装置の全体構成図である。
【図１１】発明の実施の形態３における光学要素を説明する図である。
【図１２】従来の投写型表示装置の概略構成図である。
【図１３】光源部の偏光状態を説明する図である。
【図１４】従来の反射ミラーにおける問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１００、１０１、１０２ 投写型表示装置
１１０ 光源部
１１１ 光源ランプ
１１２ リフレクタ
１１３ 発光部
１３０ １／４波長板
２００ 偏光ビームスプリッタ
２０１、２０２ プリズム部品
２０３ 誘電体多層膜
２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅ、２０５ 光学要素
３００、３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂ 反射型液晶装置
３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ 透過型液晶装置
４００ ダイクロイックプリズム
４０１ 赤色反射誘電体多層膜
４０２ 青色反射誘電体多層膜
５００ 投写光学系（投写レンズ）
６００ 投写スクリーン
７００ 色分離光学系
７０１、９０２、９０４ 反射ミラー
７０２ 青緑反射ダイクロイックミラー
７０３ 青反射ダイクロイックミラー
８０１、８０２、８０３ 集光レンズ
９００ 導光系
９０１ 集光レンズ
９０３ 中間レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は液晶装置等の変調手段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係り、特に、そこに用いる照明装置の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今日、大画面の映像を表示する方法としては、偏光を画像情報に応じて変調するライトバルブとして、液晶装置を用いた投写型表示装置がよく知られている。図１２に、このような投写型表示装置の例として、３枚の液晶装置を用いた投写型表示装置の構成例を示す。光源部１１０は光源ランプ１１１とリフレクタ１１２とから大略構成されている。光源ランプ１１１の発光部１１３から射出された光はリフレクタ１１２により略平行光となって、１／４波長板１３０を通過する。１／４波長板１３０によって円偏光となった光は、偏光ビームスプリッタ２００へ入射する。偏光ビームスプリッタ２００は、その内部に設けられた誘電体多層膜２０３で、所定の偏光方向を有する直線偏光光（Ｓ偏光光）のみを反射させる。したがって、Ｓ偏光光のみが誘電体多層膜２０３で反射されダイクロイックプリズム４００に入射する。ダイクロイックプリズム４００は４つのプリズムの集合体であり、その接合面は波長選択性のある２枚のダイクロイックミラー４０１、４０２となっている。偏光光は、これらにより赤色光、緑色光、青色光の３原色の光に分離された後、それぞれの色光に対応した反射型液晶装置３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂに照射される。３原色の光は、それぞれの反射型液晶装置により変調された後、再びダイクロイックプリズム４００により合成されて、偏光ビームスプリッタ２００を透過した光が、投写レンズ５００を介して投写面６００に投写される。
【０００３】
一方、偏光ビームスプリッタ２００の誘電体多層膜２０３により反射されず、これを透過した直線偏光光、すなわちＰ偏光光は、反射ミラー２０４により反射され、同一の経路を経て再び光源部１１０へ戻される（以下、このようにして光源部１１０に戻される光を「戻り光」と称する）。なお、図１３に示すように、この戻り光Ｂは、光源部１１０へ戻る途中で１／４波長板１３０を経ることにより、所定の回転方向、例えば右回りの円偏光光に変換されている。右回りの円偏光光に変換されて光源部１１０へ戻された戻り光Ｂは、リフレクタ１１２の反射作用により再び光源部１１０から射出され、１／４波長板１３０に入射する。このときの戻り光Ｂは、リフレクタ１１２で反射されることにより、１／４波長板１３０に対して左回りの円偏光光となっているため、１／４波長板１３０を経ることによりＳ偏光光に変換され、偏光ビームスプリッタ２００の誘電体多層膜２０３で反射されてダイクロイックプリズム４００に入射する。
【０００４】
つまり、図１２に示された投写型表示装置は、偏光ビームスプリッタ２００で透過された用いることができなかったＰ偏光光を、Ｓ偏光光に変換して再利用することにより、光源部１１０から最終的に得ることができる光の強度が増し、明るい投写画像が得られるというものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４に示すように、従来の投写型表示装置では、反射ミラー２０４により反射された光が射出時と同一の経路を経て光源部に戻るため、リフレクタ１１２の同一の位置で反射され、射出された光の多くが発光部１１３の発光点Ｐ１に戻る。このため、発光部が一種の影となり戻り光が発光部を通過できないがゆえに、光の再利用の効率が実際にはかなり悪いという問題が生じていた。また、射出した光が発光部１１３の一点に集中すると、発光部が必要以上に過熱し、光のスペクトルが変化したり光源の短寿命化をもたらす等の問題を生じていた。
【０００６】
そこで、本発明は、光源ランプから射出した光を高い効率で利用することのできる照明装置および明るい投写画像を得ることができる投写型表示装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１乃至請求項３に記載の照明装置は、
発光部から射出された光を反射するリフレクタにより、前記発光部から射出された光を集光し特定方向に射出する光源、光源から射出された光の偏光状態を変化させる偏光素子（例えば、１／４波長板）、前記偏光素子から射出された光のうち特定の偏光状態を有する光を選択する光選択手段、特定の偏光状態（例えば、Ｓ偏光状態にある光）を有する光以外の光を、光源からの光の射出方向に平行な方向からずれた方向に沿って光源に戻すための反射面を有する光学要素、を備えて構成される。
【０００８】
本発明によれば、光源の発光部から射出された光は、リフレクタにより反射することにより、特定方向に射出される。この光は偏光素子により、特定の偏光状態（例えば、回転方向の互いに異なる２種類の円偏光光）に変化させられる。このうち、特定の偏光状態を有する光が反射・透過することにより分離され、投写のために変調される。一方、反射または透過されなかった光は、光学要素の反射面により反射して光源に戻される。このとき、光の入射方向に平行な方向とずれた方向に反射されるため、反射された光が光源のリフレクタにおいて再び反射される際、射出時に反射したリフレクタの位置と異なる位置でこの光が再反射されることになる。したがって、リフレクタで再反射した光は発光部に遮られることなく、リフレクタ上の他の位置にて反射され、再度特定方向に射出される。この光は再度偏光素子により偏光状態が変化させられ、一部が光選択手段で反射され再利用される。つまり、一度は照明光として利用されなかった光の一部を、再利することができるのである。
【０００９】
請求項２に記載の照明装置は、発光部から射出された光を反射するリフレクタにより、発光部から射出された光を集光し特定方向に射出する光源、光源から射出された光の偏光状態を変化させる偏光素子、偏光素子から射出された光のうち特定の偏光状態を有する光を透過させ、かつ、特定の偏光状態を有する光以外の光を、光源からの光の射出方向に平行な方向からずれた方向に沿って光源に戻すための反射面を有する光学要素、を備えて構成される。
【００１０】
すなわち、本発明では、光学要素自体が特定の性質を有する光を透過する機能を兼ね備えている（例えば、偏光状態選択性を有する誘電体多層膜等）。
【００１１】
光学要素としては、請求項３に記載したように、光学要素としては、反射面が凹面形状をなすこと、あるいは、請求項４に記載したように、反射面が凸面形状をなすことが好ましい。この凹面あるいは凸面は、光軸上に中心点として大きな曲率を持つものでも、楕円形状を有するものでもよい。また、発明の実施の形態において後述するように、傾いた楕円（以下「傾楕円」形状）の曲面を有するものでもよい。
【００１２】
また、光学要素の反射面全面に曲面を設けず、微小面の集合により反射面を形成してもよい。例えば、請求項５に記載するように、反射面の中心点から尾根線が放射状に広がり、その同心円周に沿って当該光学要素を切断した際の断面が鋸歯状をなすように反射面を設ける。また、同様の形状の変形として、請求項６に記載するように、その同心円周に沿った断面が稲妻形状をなしたり、請求項７に記載するように、その同心円周に沿った断面が波形をなすように反射面の微小面を設けてもよい。
【００１３】
以上の構成により、一の方向に沿って光学要素に入射した光は、その反射方向が入射方向に平行な方向からわずかにずれた方向に沿って反射されることになる。しかし、その一方、あまりに大きく反射方向がずれてしまうと、光源のリフレクタで再び反射させ、再度光選択手段に入力させることができない。また、光選択手段等に再入射する角度が、最初に入射した角度と大きく異なると、効率よく光の分離が行えない。そのため、光の入射方向に平行な方向と反射方向とがなす角度は、微小である必要がある。例えば、反射面により反射されて光源のリフレクタにより反射された光は、リフレクタの焦点距離をｆとすると、当該リフレクタの焦点位置を中心に、２ｆ〜０．０５ｆ程度の半径をもって形成される領域内に集光されるように、光学要素の反射面の形状を調整するのが好ましい。
【００１４】
このような形状によれば、光源のリフレクタで再度反射された光は、発光部に遮られることが殆どなく、発光部の近傍を通過して再度リフレクタにおいて反射され、最初の射出時とほぼ同一方向に射出される。二度目に光選択手段あるいは光学要素に入射する際の偏光状態が当初の偏光状態と異なっているので、再入射した光のうちいくらかは、光選択手段あるいは光学要素を経て、利用可能な光となって射出される。したがって、照明装置から得られる光量を増大させることができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明によれば、上記のような照明装置から得られる光を変調する反射型変調手段と、変調された光を投写する投写手段とを備える。
【００１６】
請求項９に記載の発明によれば、上記のような照明装置から得られる光を変調する透過型変調手段と、変調された光を投写する投写手段とを備える。これらの構成によれば、従来よりも光量の多い照明装置を用いているので、十分に明るい投写表示が行える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施の形態を図面を参照して説明する。尚、以下の各実施の形態においては、互いに直交する３つの方向を便宜的にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とした。
【００１８】
実施の形態１
（全体構成）
図１は、本発明の実施の形態１に係る投写型表示装置１００の要部を平面的に見た概略構成図である。この図１は、この装置の光軸を含むＸ−Ｚ平面における断面図である。図１に示すように、本投写表示装置１００は光軸Ｌに沿って配置した光源部１１０、１／４波長板１３０、偏光ビームスプリッタ２００、特定波長の光を反射するダイクロイックプリズム４００、反射型のライトバルブである反射型液晶装置３００、反射型液晶装置３００にて変調された光を投写スクリーン６００に投写する投写レンズ５００から大略構成されている。
【００１９】
光源部１１０は、偏光方向がランダムな偏光光を発光部１１３から射出する光源ランプ１１１および発光部１１３から射出された光を反射し、同図Ｘ方向に射出するリフレクタ１１２とを備える。発光部１１３から放射された光は、リフレクタ１１２によって一方向に反射され、略平行な光となって１／４波長板１３０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、ハロゲンランプ等が、また、リフレクタとしては放物面リフレクタ、楕円リフレクタ、球面リフレクタ等が使用できる。
【００２０】
１／４波長板１３０は、本発明の偏光素子に相当する。１／４波長板１３０では、１／４波長板を通過する偏光光の偏光状態を直線偏光から円偏光に、または、その逆の円偏光から直線偏光に、相互に変換することができる。ただし、直線偏光の種類（Ｐ偏光光、Ｓ偏光光）と、円偏光の種類（右回り、左回り）との対応関係は、１／４波長板１３０の配置状態によって変化するため、一様ではない。光源部１１０から射出された光は偏光方向がランダムな光である。この光は、ともに直線偏光であるＰ偏光光とＳ偏光光の集合光と見なすことができるため、１／４波長板１３０を通過することによって、左回りあるいは右回りの円偏光に変換されて、偏光ビームスプリッタ２００へと至る。
【００２１】
偏光ビームスプリッタ２００は、プリズム２０１と２０２を接合して構成される。両プリズムの接合面には誘電体多層膜２０３（特許請求の範囲における光選択手段に相当）が形成される。この誘電体多層膜２０３は、Ｐ偏光光をそのまま透過し、Ｓ偏光光を反射する。すなわち、図１で、偏光ビームスプリッタ２００に入射した光のうち、Ｐ偏光光は進行方向を変えずに誘電体多層膜２０３を透過して本発明に係る光学要素２０４ａに到達する。一方、Ｓ偏光光は、誘電体多層膜２０３で反射され、その進行方向を約９０°変え、後述するダイクロイックプリズム４００へと向かう。光学要素２０４ａは、入射方向に平行な方向とわずかにずれた方向に、Ｐ偏光光を反射する。このＰ偏光光は１／４波長板１３０により再び円偏光とされ、光源部１１０に戻される。光学要素２０４ａの詳細については後述する。
【００２２】
ダイクロイックプリズム４００は、４つのプリズムを接合した構造をなす。各プリズムの接合面には、波長選択性のある誘電体多層膜が設けられている。誘電体多層膜４０１は、光源部１１０から射出された光のうち赤色成分光（Ｒ）を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。誘電体多層膜４０２は、光源部１１０から射出された光のうち青色成分光（Ｂ）を反射し、それ以外の波長の光を透過させる。したがって、光源部１１０から射出された光のうち、赤色成分光Ｒが反射型液晶装置３００Ｒに、青色成分光Ｂが反射型液晶装置３００Ｂに、残りの緑色成分光Ｇが反射型液晶装置３００Ｇに入射する。
【００２３】
反射型液晶装置３００は、図示しないが、一対の基板の間に液晶層を挟み込んだ構造をなす。そして、別途画像処理装置等から供給される画像データがオフ（切）状態を示している画素では、液晶層の液晶分子が一方向に配向するので、入射されたＳ偏光光はその偏光方向を変えることなく、反射型液晶装置３００から戻される。また、画像データがオン（入）状態を示している画素では、Ｓ偏光光は液晶分子のねじれによりその偏光方向がかえられＰ偏光成分を含む光となって、反射型液晶装置から戻される。
【００２４】
Ｓ偏光の赤色成分光Ｒは反射型液晶装置３００Ｒで変調を受け、再び誘電体多層膜４０１に向けて射出される。そして、再びこの膜の波長選択機能により偏光ビームスプリッタ２００に射出される。同様に、Ｓ偏光の青色成分光Ｂは反射型液晶装置３００Ｂで変調を受けた後再び誘電体多層膜４０２に向けて射出される。緑色成分光Ｇは反射型液晶装置３００Ｇで変調を受け、誘電体多層膜４０１および４０２のいずれにも反射されることなく、偏光ビームスプリッタ２００に向け射出される。つまり、ダイクロイックプリズム４００に入射したＳ偏光光が再びダイクロイックプリズム４００から射出されるときは、オン状態である画素部分がＰ偏光成分を含む状態となった３色の光が合成された光となっている。
【００２５】
偏光ビームスプリッタ２００の誘電体多層膜２０３は、Ｓ偏光光を反射し、Ｐ偏光光を透過する機能を有するので、Ｐ偏光成分のみが投写レンズへ射出される。したがって、本来の画像データが示すオン・オフ状態に対応した画像が、投写レンズ５００を介して、投写スクリーン６００上に表示される。
【００２６】
（光学要素の構成）
図２に、光学要素２０４ａと光源部１１０との関係図を示す。理解を容易にするため、図１で示した光源部１１０、１／４波長板１３０および偏光ビームスプリッタ２００のみを図示する。図２に示すように、本実施の形態１では、光学要素が凹面反射ミラー２０４ａにより構成される。この反射ミラーは、少なくとも光源部１１０と凹面反射ミラー２０４ａとの間の距離に比べ大きい曲率半径を有するのが好ましい。
【００２７】
ここで、光の偏光状態に着目して、光が再利用される過程について説明する。発光点Ｐ１から射出したランダムな偏光状態を有する光は、互いの振動面が直交する２種類の光、すなわち直線偏光状態にあるＰ偏光光とＳ偏光光との集合光と見なすことができる。これら２種類の偏光光は、１／４波長板１３０によって左回りおよび右回りの円偏光光に変換されて、偏光ビームスプリッタ２００に至る。この円偏光光のうちのＳ偏光成分だけが誘電体多層膜２０３で反射分離され、Ｓ偏光光となってダイクロイックプリズム４００へと射出される。一方、誘電体多層膜２０３で反射分離されなかったＰ偏光成分光は、図２に実線で示すように凹面反射ミラー２０４ａに入射する。このとき、凹面反射ミラー２０４ａが所定の曲率を持っているので、入射光の入射方向と平行な方向から若干ずれた方向に反射される。この反射された光は、再び偏光ビームスプリッタ２００、１／４波長板１３０を経て楕円偏光光に変換される。この楕円偏光光は、図２に破線で示すように、光源部１１０からの射出方向に平行な方向とはずれた方向で、光源部１１０に入射する。このため、当初リフレクタ１１２で反射された位置と異なる位置で反射され、発光点Ｐ１とは異なる位置に集光し、光源部１１０のリフレクタ１１２で少なくとも１回反射して、光源部１１０から再度射出される。再度射出された偏光光は、１／４波長板１３０を一度も通過していない光とともに１／４波長板１３０を経て偏光ビームスプリッタ２００に入射し、二種類の偏光光に分けられる。以上の過程によって、一旦偏光ビームスプリッタ２００を透過した光であっても、それを光源部１１０に戻して再利用することができる。
【００２８】
図３に、発光部１１３から射出された光が反射され戻ってくるべき空間位置を示す。この集光領域は、リフレクタの焦点距離をｆとすると、焦点位置Ｐ１を中心に例えば２ｆ〜０．０５ｆ程度の半径で囲まれた領域である。この領域は、リフレクタ１１２で反射し再び偏光ビームスプリッタ２００へと到達する光の光量をより多くできるような大きさに設定する。同図に示すように、発光点Ｐ１から射出された光は、凹面反射ミラー２０４ａの反射を受け、受光点Ｐ２で示す集光領域に戻ってくる。もちろん、発光部１１１から射出する光の特性及び凹面反射ミラー２０４ａの集光特性等によっても、光の戻ってくる集光領域内の位置は変化する。一点から射出された光は、異なる位置に集光してくるので、発光部１１３によりこの戻り光が遮られることなく、再度リフレクタ１１２で反射させることができる。
【００２９】
なお、凹面反射ミラー２０４ａは、光軸上の一点を中心点とする球面でなく、光軸上の２点を中心として形成される楕円球の曲率を有してもよい。また、図５に示すように傾楕円面を有するものであってもよい。ここで、「傾楕円面」とは、楕円球の一方の焦点位置（図５の第１焦点）を固定し、他方の焦点を、光軸上の他の焦点（第２焦点）を中心とし、光軸に垂直な回転円の円周上を移動させた際の外形の軌跡により形成される曲面をいう。この傾楕円面を有するミラーは、反射する光を適度に分散した状態で集光するのに適する。
【００３０】
凹面反射ミラーの代わりに、図４に示すような凸面反射ミラーを用いてもよい。この凸面反射ミラー２０４ｂは、図４に示すように、凹面反射ミラー２０４ａと逆方向に中心点を有する曲率を有する。したがって、凸面反射ミラー２０４ｂに入射した光は、凹面反射ミラー２０４ａの反射する方向と異なり、光軸の外側方向に広がって反射される。入射方向と平行な方向と反射方向とのなす角度は、この場合でも微小なものとする。
【００３１】
なお、本実施の形態および後述する他の実施の形態で説明する光学要素２０４の外観形状は、必ずしも円形である必要はなく、例えば矩形であってもよい。
【００３２】
また、リフレクタ１１２を球面リフレクタとする場合には、図６に示すように、リフレクタ１１２と集光レンズ１２０とを組み合わせで用いることが、光源部１１０における光利用効率を向上できるという点で好ましい。
【００３３】
以上述べたように、本実施の形態の投写型表示装置１００は、偏光ビームスプリッタ２００で反射されなかったＰ偏光光を発光部１１３で遮られることなく再利用するので、発光部により射出された光の利用効率がよい。よって、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、戻り光となって再利用される際には、光の平行性が低下し光が分散され、光の強度分布が平均化されるため、明るさのムラが少ない照明光を得ることが可能となる。このため、表示面、並びに投写画面全体に渡って明るさが均一であり、かつきわめて明るい投写画像を得ることが可能となる。
【００３４】
実施の形態２
本実施の形態２は、光学要素２０４として前記実施の形態１のように所定の曲率を有する反射ミラーの代わりに、光軸の透過点を中心に回転対称をなす特殊形状の反射面を有するものである。
【００３５】
本実施の形態の投写型表示装置の構成は実施の形態１と同様なので説明を省略する。図７に、本実施の形態で採用する回転対称の光学要素２０４ｃの斜視図を示す。この光学要素の断面は、同図に示すように、同心円周に沿った断面が鋸歯状をなす。つまり、一つの面が中心点から扇状に広がる微小な扇形状をなす。各面の傾きθは、光の入射方向に対する反射方向の角度を規定するため、反射光が先の図３で示した光源部１１０の集光領域内に戻るような微小な角度とする。この反射面の形状によれば、当該光学要素２０４ｃの入射光が一様に角度２θだけずれた同一方向に反射される。
【００３６】
図８に、光学要素２０４ｃの変形例２０４ｄを示す。同図から判るように、本変形例においては、その同心円周に沿った断面が緩い傾斜の稲妻型、言い換えれば屋根型をなしている。この屋根の部分の傾斜が光軸に垂直な平面となす角度θも上記と同様微小なものとする。当該光学要素２０４ｄによっても、戻り光を先の図３で示した光源部１１０の集光領域内に戻すことができる。
【００３７】
図９に、光学要素２０４ｃの他の変形例２０４ｅを示す。同図から判るように、本変形例においては、その同心円周に沿った断面が波形をしている。この光学要素２０４ｅによれば、尾根線や谷線部分に入射した光は、ほぼ正反対の方向に反射されるので、戻り光の反射方向はかなり分散され、したがって、戻り光の強度分布はかなり均一化されることが期待できる。
【００３８】
本実施の形態２においても、偏光ビームスプリッタ２００で利用されなかったＰ偏光光は、当該反射ミラーへの入射時とは異なる経路で光源部１１０に戻されるため、発光部１１３に戻り光が遮られることがない。したがって、戻り光は、再びリフレクタ１１２にて有効に反射され、再利用されるため、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【００３９】
実施の形態３
本実施の形態３は、透過型液晶装置を用いた投写型表示装置に本発明を適用したものである。
【００４０】
（全体の構成）
図１０に、本実施の形態における投写型表示装置１０１の構成図を示す。同図に示すように、本実施の形態の投写型表示装置１０１は、概略して、光源部１１０、１／４波長板１３０、本発明に係る光学素子２０５、光源部１１０から射出された光Ｗを、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂに分離する色分離光学系７００、各色光を変調するライトバルブとしての透過型液晶装置３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ、色光のうち緑色光Ｇを透過型液晶装置３０１Ｇに導く導光系９００、変調された色光を再合成するダイクロイックプリズム４００、合成された光をスクリーン６００上に拡大して投写する投写レンズ５００を備えて構成される。
【００４１】
上記構成要素のうち、光源部１１０、１／４波長板１３０、ダイクロイックプリズム４００、投写レンズ５００については前述した実施の形態１と同様のものを用いるので、その説明を省略する。
【００４２】
色分離光学系７００は、複数のダイクロイックミラーを組み合わせて構成される。青緑反射ダイクロイックミラー７０２は、波長選択性を有し、光源部１１０から射出された光Ｗのうち、青色光Ｂと緑色光Ｇを反射し、赤色光Ｒを透過する。反射ミラー７０１は、青緑反射ダイクロイックミラー７０２を透過した赤色光Ｒを反射する。青反射ダイクロイックミラー７０３は、青緑反射ダイクロイックミラー７０２にて反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうち青色光Ｂのみを反射し、緑色光Ｇを透過する。光源部１１０から射出された光Ｗの色分離光学系７００への入射点から集光レンズ８０１、８０２および導光系９００への入射点までの各色光の光路の長さは、互いに等しくなるよう調節される。
【００４３】
このため、導光系９００は、集光レンズ９０１、反射ミラー９０１、９０４、中間レンズ９０３を備える。これらの構成は、各色光のうち光路の長さが唯一長い緑色光Ｇについて、光量損失を抑制し、この光路の長さを他の色光の光路の長さと実質的に等価なものとするためにある。なお、導光系９００を通過させる色光は、緑色光の代わりに赤色光でも青色光でもよい。しかし、一般的に、投写型表示装置における緑色光の光量が他の色光に比べて大きいので、緑色光を導光系９００に導くのが好ましい。
【００４４】
集光レンズ８０１乃至８０３は、各射出部から射出された各色光を平行光にする。透過型液晶装置３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、画像データが供給され、その画素情報の示すオン・オフ情報に対応して各色光Ｒ，Ｇ、Ｂの透過あるいは非透過を画素毎に制御する。
【００４５】
各透過型液晶装置３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂにより変調された各色光Ｒ、Ｇ、Ｂは、前記実施の形態１と同様にダイクロイックプリズム４００で合成され、投写レンズ５００を経て、投写スクリーン６００に投写される。なお、これら投写型表示装置の詳細については、本願出願人の先願に係る特願平５−５５９５２号に詳しい。
【００４６】
（光学要素の構成）
図１１に、本実施の形態における光学要素２０５を説明する図を示す。同図は、光源部１１０、１／４波長板１３０および当該光学要素２０５の間における光の反射の様子を示している。
【００４７】
光学要素２０５は、選択的偏光反射板であり、入射する円偏光光のうち、例えば、左回りの円偏光成分だけを通過させ、右回りの円偏光成分を反射する機能を有する。また、この光学要素２０５の反射面の形状は、実施の形態１および実施の形態２で説明した表面形状を採用できる。すなわち、図１１のように凹面形状とする他、凸面形状（図４参照）、傾楕円形状（図５参照）、回転対称な鋸歯形状（図７参照）、回転対称な稲妻型形状（図８参照）、回転対称な波形形状（図９参照）等種々の表面形状を選択できる。
【００４８】
さて、このような構成において、光源部１１０の発光部１１３から射出された光は、例えば、図１０の実線で示すような経路で１／４波長板１３０を透過し円偏光となった後、光学要素２０５に到達する。この円偏光のうち、左回りの円偏光成分は、光学要素２０５を透過して光学要素２０５の背後に射出される。一方、円偏光のうち右回りの円偏光成分は、光学要素２０５の有する反射作用により、光学要素２０５の反射面２０６の形状に対応した方向に反射する（図１０に破線で示す）。反射は、採用する反射面形状に対応して、前記実施の形態１または実施の形態２で説明したのと同様に行われる。すなわち、光学要素２０５への光の入射方向に平行な方向と若干異なる方向に反射することになる。このため、光学要素２０５で反射した右回りの円偏光成分は、１／４波長板１３０で直線偏光状態に変換され、当該光が最初に反射された位置とは異なる位置において、リフレクタ１１２により再反射される。このため、この戻り光は、発光部１１１の発光点にそのまま戻ることなく、発光部１１１の近傍を通過し、もう一度リフレクタ１１２にて反射される。このリフレクタ１１２における１回以上の反射により大部分の光の偏光方向が変化する。再度反射された光は、再び１／４波長板１３０を透過し円偏光となり、光学要素２０５に入射するので、入射した円偏光のうち左回りの円偏光成分は光学要素２０５を透過する。したがって、一旦光学要素２０５によって反射された右回りの円偏光光であっても、再度光源部１１０を経て光学要素２０５に再入射する際にはその偏光状態が異なるため、その一部を透過させることができ、光を有効に再利用できるのである。
【００４９】
なお、上述した実施の形態においてはいずれも選択的偏光反射板の作用により右回りの円偏光光を反射する構成としているが、もちろん、左回りの円偏光光を反射する構成としてもよい。なお、上述した選択的偏光反射板は、例えば、コレステリック（ｃｈｏｌｅｓｔｅｒｉｃ）液晶を層状に配列させることによって実現することができる。また、投写型表示装置の光学系の詳細については、上記実施の形態の構成によらず他の構成を用いてもよい。本発明は、光源部１１０から多くの光量を取り出すことを主眼としているため、取り出した光をどのように処理するかは、設計者の自由裁量に委ねられるからである。例えば、投写型表示装置としては、投写面６００のうち、投写光学系５００の側の面から観察するフロント型、あるいは投写光学系５００の反対側の面から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。
【００５０】
上記したように、本実施の形態３によれば、光学要素を採用した光源部を使用することにより、透過型液晶装置を用いた投写型表示装置においても明るい投写表示を行うことができる。
【００５１】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の投写型表示装置によれば、従来の投写型表示装置に比較して発光部から射出される光の利用効率を上げることができるので、大口径の投写レンズ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。また、発光部が過熱して光のスペクトルが変化したり光源の短寿命化を招く等の弊害もなくなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】発明の実施の形態１における投写型表示装置の全体構成図である。
【図２】発明の実施の形態１における光学要素を説明する図である。
【図３】光学要素により反射された光の集光領域を説明する図である。
【図４】発明の実施の形態１における他の光学要素を説明する図である。
【図５】発明の実施の形態１における傾楕円面を説明する図である。
【図６】球面リフレクタを用いる場合の構成図である。
【図７】発明の実施の形態２における光学要素（鋸歯形状）を説明する図である。
【図８】発明の実施の形態２における他の光学要素（稲妻型）を説明する図である。
【図９】発明の実施の形態２における他の光学要素（波形）を説明する図である。
【図１０】発明の実施の形態３における投写型表示装置の全体構成図である。
【図１１】発明の実施の形態３における光学要素を説明する図である。
【図１２】従来の投写型表示装置の概略構成図である。
【図１３】光源部の偏光状態を説明する図である。
【図１４】従来の反射ミラーにおける問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１００、１０１、１０２ 投写型表示装置
１１０ 光源部
１１１ 光源ランプ
１１２ リフレクタ
１１３ 発光部
１３０ １／４波長板
２００ 偏光ビームスプリッタ
２０１、２０２ プリズム部品
２０３ 誘電体多層膜
２０４ａ、２０４ｂ、２０４ｃ、２０４ｄ、２０４ｅ、２０５ 光学要素
３００、３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂ 反射型液晶装置
３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ 透過型液晶装置
４００ ダイクロイックプリズム
４０１ 赤色反射誘電体多層膜
４０２ 青色反射誘電体多層膜
５００ 投写光学系（投写レンズ）
６００ 投写スクリーン
７００ 色分離光学系
７０１、９０２、９０４ 反射ミラー
７０２ 青緑反射ダイクロイックミラー
７０３ 青反射ダイクロイックミラー
８０１、８０２、８０３ 集光レンズ
９００ 導光系
９０１ 集光レンズ
９０３ 中間レンズ
Claims (9)
- 発光部から射出された光を反射するリフレクタにより、前記発光部から射出された光を集光し特定方向に射出する光源と、
前記光源から射出された光の偏光状態を変化させる偏光素子と、
前記偏光素子から射出された光のうち特定の偏光状態を有する光を選択する光選択手段と、
前記特定の偏光状態を有する光以外の光が前記光源からの光の射出方向に平行な方向からずれた方向に沿って進み前記リフレクタで反射されるように、かつ、前記リフレクタで反射される光が前記発光部に対して前記光の射出方向と平行な方向へずれた位置で集光するように前記特定の偏光状態を有する光以外の光を前記光源へ向けて反射する反射面を有する光学要素と、を備えたことを特徴とする照明装置。 - 発光部から射出された光を反射するリフレクタにより、前記発光部から射出された光を集光し特定方向に射出する光源と、
前記光源から射出された光の偏光状態を変化させる偏光素子と、
前記偏光素子から射出された光のうち特定の偏光状態を有する光を透過させることが可能であって、前記特定の偏光状態を有する光以外の光が前記光源からの光の射出方向に平行な方向からずれた方向に沿って進み前記リフレクタで反射されるように、かつ、前記リフレクタで反射される光が前記発光部に対して前記光の射出方向と平行な方向へずれた位置で集光するように前記特定の偏光状態を有する光以外の光を前記光源へ向けて反射する反射面を有する光学要素と、を備えたことを特徴とする照明装置。 - 前記光学要素は、前記反射面が凹面形状をなすことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記光学要素は、前記反射面が凸面形状をなすことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記光学要素は、前記反射面の中心点から尾根線が放射状に広がり、その同心円周に沿った断面が鋸歯状をなすことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記光学要素は、前記反射面の中心点から尾根線が放射状に広がり、その同心円周に沿った断面が稲妻形状をなすことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の照明装置。
- 前記光学要素は、前記反射面の中心点から尾根線が放射状に広がり、その同心円周に沿った断面が波形をなすことを特徴とする請求項１または請求項２のいずれか一項に記載の照明装置。
- 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の照明装置を備えた投写型表示装置であって、
前記特定の性質を有する光を変調し、変調した光を反射する反射型変調手段と、
前記反射型変調手段により変調された光を投写する投写手段とを備えた投写型表示装置。 - 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の照明装置を備えた投写型表示装置であって、
前記特定の性質を有する光を変調し、変調した光を透過する透過型変調手段と、
前記透過型変調手段により変調された光を投写する投写手段とを備えた投写型表示装置。
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