JP3622557B2 - 偏光変換光学系及び照明光学系、並びに投写型表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非偏光な光を特定の偏光光に変換する偏光変換光学系と、この偏光変換光学系を用いた光学装置とに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルは、直視型の表示装置や投写型表示装置に広く利用されている。例えば、投写型表示装置では、液晶パネル（液晶ライトバルブ）に照射された照明光を、表示させたい画像情報に応じて変調し、この変調光をスクリーン上に投写して画像表示を実現している。一般に、液晶パネルは特定の直線偏光光を変調することによって画像表示を行うため、光源から射出された非偏光な光を液晶パネルの入射側に配置した偏光板によって直線偏光光とする必要があるが、その際に半分以上の光は偏光板によって吸収され損失となる。そこで、液晶パネルに対する照明光学系の光の利用効率を向上させるために、光源から射出された非偏光な光を一種類の直線偏光光に変換する偏光変換光学系が用いられることが多い。
【０００３】
偏光変換光学系を用いた照明光学系としては、例えば、特開平８−３０４７３９号公報に記載されているものが知られている。この照明光学系に用いられている偏光変換光学系は、複数の偏光ビームスプリッタと複数の反射ミラーとから構成された偏光分離プリズムアレイと、偏光分離プリズムアレイの射出面側に配置されたλ／２位相差板とで構成されている。この偏光変換光学系は、非偏光な光を、偏光分離プリズムアレイで偏光面が互いに直交する２種類の直線偏光光に分離するとともに、分離した２種類の直線偏光光の内のいずれか一方の直線偏光光の偏光方向をλ／２位相差板によって他方の直線偏光光の偏光方向に揃えることにより、ほぼ一種類の直線偏光光に変換するものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、従来の偏光変換光学系は、非偏光な光を２種類の直線偏光光に分離するために、複数の偏光ビームスプリッタと複数の反射ミラーとから構成された複雑な構成の偏光分離プリズムアレイが必要であるという問題があった。
【０００５】
この発明は、従来技術における上述の課題を解決するためになされたものであり、従来よりも簡単な構成の偏光変換光学系、およびこの偏光変換光学系を用いた光学装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】
上述の課題の少なくとも一部を解決するため、本発明の偏光変換光学系は、
入射する非偏光な光を第１種と第２種の偏光光に分解し、前記第１種の偏光光を透過し、前記第２種の偏光光を反射する偏光選択反射要素と、
入射する光線束を前記偏光選択反射要素に入射させるリレー光学系と、
前記偏光選択反射要素に入射する光線束のうち前記偏光選択反射要素で反射される反射光線束の光路上に配置され、前記反射光線束が再び前記偏光選択反射要素に入射するように反射させるとともに、前記第２種の偏光光を前記第１種の偏光光と同じ種類の偏光光に変換する偏光反射光学系と、を備え、
前記偏光反射光学系は、前記リレー光学系に入射した光線束が集光されて小形化されることによって生じる空間に配置されていることを特徴とする。
【０００７】
上記のようにすれば、従来よりも簡単な構成の偏光変換光学系を実現することができる。
【０００８】
上記偏光変換光学系において、
前記リレー光学系は、
複数の第１の小レンズを有し、入射する光線束を複数の部分光線束に分割する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの光射出面側に前記複数の第１の小レンズに対応して配置される複数のリレーレンズを有するリレーレンズアレイと、
前記リレーレンズアレイの光射出面側に前記複数のリレーレンズに対応して配置される複数の第２の小レンズを有する第２のレンズアレイと、を備え、
前記第２のレンズアレイは、各第２の小レンズから射出されて前記偏光選択反射要素で反射された部分光線束が、前記偏光選択反射要素で反射される前の部分光線束が入射するのと同じ第２の小レンズに入射するように、前記偏光選択反射要素の入射側に近接して配置されており、
前記複数のリレーレンズは、前記複数の第１の小レンズの射出側焦点位置の近傍であって、かつ、前記複数の第２の小レンズの入射側焦点位置の近傍でもある特定の位置に配置されているとともに、前記複数の第１の小レンズと前記複数の第２の小レンズとは、前記複数のリレーレンズに対して互いに共役となる位置に配置されており、
前記偏光反射光学系は、
前記複数の第２の小レンズから射出される複数の反射部分光線束の光路上にそれぞれ配置され、それぞれ対応する反射光部分線束を反射するとともに、前記第２種の偏光光を前記第１種の偏光光と同じ種類の偏光光に変換する複数の偏光反射部と、
前記各偏光反射部で反射された反射部分光線束が、前記各偏光反射部で反射される前の反射部分光線束を射出したのと同じ第２の小レンズに戻るように設けられた複数の第３の小レンズと、を備えることが好ましい。
【０００９】
上記構成によれば、第１のレンズアレイに入射する光線束を複数の部分光線束に分割して集光することにより、対応するリレーレンズにおける各部分光線束の大きさを小さく抑えることがでる。このため、各リレーレンズもこれに応じた小さなサイズに設定することができる。そして、これらの小さなリレーレンズの間に生じた空間に偏光反射光学系を配置することができる。また、各偏光反射部は、これに入射する光が射出される第２のレンズアレイの方に反射するように配置されている。これにより、偏光変換光学系に入射した光線束の大きさをほとんど拡大させることなく、１種類の偏光光に変換して射出することができる。
【００１０】
また、リレー光学系は、リレーレンズアレイを備えているので、第１のレンズアレイから射出された複数の部分光線束のうち、リレーレンズアレイがなければ第２のレンズアレイに入射できない部分光線束をも、第２のレンズアレイに入射させることができる。これにより、光の利用効率を向上させることができる。
【００１１】
なお、前記複数の偏光反射部は、それぞれ対応する第２の小レンズの焦点位置の近傍に配置され、
前記複数の第３の小レンズは、それぞれ対応する前記第２の小レンズとほぼ等しい焦点距離を有し、それぞれ対応する偏光反射部の近傍に配置されていることが好ましい。
【００１２】
このようにすれば、さらに光の利用効率を向上させることができる。
【００１３】
ここで、前記第１種と第２種の偏光光は偏光面が互いに直交する第１種と第２種の直線偏光光であり、
前記複数の偏光反射部は、それぞれ、
反射ミラーと、
前記第３の小レンズと前記反射ミラーとの間に配置されたλ／４位相差板と、を備えることにより構成できる。
【００１４】
また、前記第１種と第２種の偏光光は、互いに回転方向の異なる第１種と第２種の円偏光光であり、
前記複数の偏光反射部は、それぞれ、反射ミラーを備えることにより構成することもできる。
【００１５】
この場合さらに、前記偏光選択反射要素を透過した前記第１種の円偏光光を所定の直線偏光光に変換するλ／４位相差板を備えるようにしてもよい。
【００１６】
いずれの場合においても、入射する非偏光な光を１種類の偏光光に変換することができる。
【００１７】
本発明の照明光学系は、
上記いずれかの偏光変換光学系と、
前記偏光変換光学系に、光線束を入射する光源と、
を備えることを特徴とする。
【００１８】
本発明の照明光学系は、上記本発明の偏光変換光学系を用いているので、液晶パネルのように特定の偏光光を利用する電気光学装置を照明領域とする場合において、光の利用効率を向上させることができる。
【００１９】
上記照明光学系において、さらに、
前記偏光変換光学系から射出された光線束を複数の分割光線束に分割するとともに、前記複数の分割光線束を前記照明領域上で重畳する重畳光学系を備えることが好ましい。
【００２０】
上記構成によれば、さらに、明るさムラや色ムラを抑えた均一な照明光を得ることができる。
【００２１】
本発明の第１の投写型表示装置は、
上記いずれかの照明光学系と、
前記照明光学系から射出された光を変調する電気光学装置と、
前記電気光学装置によって変調された光を投写面上に投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。
【００２２】
本発明の第１の投写型表示装置は本発明の照明光学系を用いているので、均一で明るい投写画像を得ることができる。
【００２３】
上記第１の投写型表示装置において、
前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は、前記投写光学系を介して投写される投写のあおり方向と略等しいことが好ましい。
【００２４】
このようにすれば、偏光変換光学系から射出される光を、効率よく投写光学系に入射させることができるので、投写画像の明るさを向上させることができる。
【００２５】
また、上記第１の投写型表示装置において、
前記透過光線束の傾き方向が、前記あおり方向と略等しいことが好ましい。
【００２６】
通常、透過光線束のほうが、反射光線束に比べて光強度が大きい場合が多い。上記構成によれば、透過光線束を、効率よく投写光学系に入射させることができるので、投写画像の明るさをさらに向上させることができる。
【００２７】
本発明の第２の投写型表示装置は、
上記いずれかの照明光学系と、
前記照明光学系からの射出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各色光をそれぞれ変調する複数の電気光学装置と、
前記複数の電気光学装置によって変調された各色光を合成する色光合成光学系と、
前記色光合成光学系から射出された合成光を投写面上に投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。
【００２８】
本発明の第２の投写型表示装置も本発明の照明光学系を用いているので、均一で明るい投写画像を得ることができる。
【００２９】
ここで、互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
前記色光分離光学系は、ｘｚ平面に対しては略垂直に、ｙｚ平面に対しては所定角度を成す色光分離面を有し、
前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｙ方向に等しいことが好ましい。
【００３０】
色光分離光学系においては、その色光分離特性に大きな入射角依存性を有し、色光分離方向における依存性の程度は、色光分離方向と直交する方向における依存性の程度よりも大きい。従って、上記のような構成とすれば、透過光線束と反射光線束の配列方向（合成方向）が、色光分離光学系の色光分離面における色光分離方向と直交する方向にほぼ等しくなるので、入射角依存性がより大きい色光分離方向において、色光分離面に入射する光の拡がり角（角度分布の幅）を相対的に狭くすることができる。これにより色光分離光学系から射出される各色光の色ずれを低減することができるので、明るさが均一でむらのない投写画像を得ることができる。
【００３１】
また、互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
前記色光合成光学系は、ｘｚ平面に対しては略垂直に、ｙｚ平面に対しては所定角度を成す色光合成面を有し、
前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｙ方向に等しいことも好ましい。
【００３２】
色光合成光学系においても、上述した色光分離光学系と同様に、その色光合成特性は大きな入射角依存性を有し、色光合成方向における依存性の程度は、色光合成方向と直交する方向における依存性の程度よりも大きい。従って、上記のような構成とすれば、透過光線束と反射光線束の配列方向（合成方向）が、色光合成光学系の色光合成面における色光合成方向と直交する方向にほぼ等しくなるので、入射角依存性がより大きい色光合成方向において、色光合成面に入射する光の拡がり角（角度分布の幅）を相対的に狭くすることができる。これにより色光合成面から射出される合成光の色ずれを低減することができるので、明るさが均一でむらのない投写画像を得ることができる。
【００３３】
本発明の第３の投写型表示装置は、
上記いずれかの照明光学系と、
入射光を、与えられた画像情報に応じて変調するとともに反射して射出する反射型電気光学装置と、
前記反射型電気光学装置からの光を投写面上に投写する投写光学系と、
前記照明光学系から前記反射型電気光学装置に入射する偏光光と、前記反射型電気光学装置から前記投写光学系に入射する偏光光とを、偏光特性の違いによって空間的に異なった方向に分離する偏光分離光学要素と、を備えることを特徴とする。
【００３４】
本発明の第３の投写型表示装置も本発明の照明光学系を用いているので、均一で明るい投写画像を得ることができる。
【００３５】
ここで、互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
前記偏光分離光学要素は、ｘｚ平面に対しては略垂直に、ｙｚ平面に対しては所定角度を成す偏光分離面を有し、
前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｘ方向に等しいことが好ましい。
【００３６】
偏光分離光学要素は、その偏光分離特性に大きな入射角依存性を有する。偏光分離方向における依存性の程度は、偏光分離面の光学的特性によって低減することが十分可能であるが、偏光分離方向と直交する方向における依存性の程度は、偏光分離面とそこに入射する光の幾何学的な位置関係によって決まるため、低減は非常に困難である。従って、ｙｚ平面内でｚ方向に対して傾きを有する偏光光が偏光分離面に入射すると、偏光軸の回転現象を顕著に生じるため、電気光学装置で利用される光の利用効率が低下する。そこで、上記の構成を採用すれば、透過光線束と反射光線束の配列方向（合成方向）が、偏光分離光学要素の偏光分離方向にほぼ等しくなるので、偏光分離面の光学的特性の改善を通じて入射角依存性を容易に緩和することができ、光の利用効率の低下を防止することができる。これにより、より明るくコントラストの高い投写画像を得ることができる。
【００３７】
本発明の第４の投写型表示装置は、
上記いずれかの照明光学系と、
複数の色光にそれぞれ対応する複数の部分画素を備えて構成される複数の画素と、各画素に対応した微小集光要素を複数備えて構成される集光光学系とを有し、与えられた画像情報に応じて各画素を通過する光を変調する電気光学装置と、
前記照明光学系からの射出光を複数の色光に分離するとともに、前記複数の色光をそれぞれ対応する前記複数の部分画素に入射するように、互いに異なった向きで射出する色光分離光学系と、
前記電気光学装置によって変調された各色光を投写面上に投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。
【００３８】
本発明の第４の投写型表示装置も本発明の照明光学系を用いているので、均一で明るい投写画像を得ることができる。
【００３９】
ここで、互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
前記色光分離光学系は、複数の色を選択的に分離する複数の色光分離面を有し、
複数の色光分離面は、ｘｚ平面に対してはすべて略垂直に配置され、ｙｚ平面に対しては、それぞれ異なった所定角度で配置され、
前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｙ方向に等しいことが好ましい。
【００４０】
色光分離光学系においては、その色光分離特性に大きな入射角依存性を有し、色光分離方向における依存性の程度は、色光分離方向と直交する方向における依存性の程度よりも大きい。従って、上記のような構成とすれば、透過光線束と反射光線束の配列方向（合成方向）が、色光分離光学系の色光分離面における色光分離方向と直交する方向にほぼ等しくなるので、入射角依存性がより大きい色光分離方向において、色光分離面に入射する光の拡がり角（角度分布の幅）を相対的に狭くすることができる。これによりの色光分離光学系から射出される各色光の色ずれを低減することができるので、明るさが均一でむらのない投写画像を得ることができる。
【００４１】
また、前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する複数の反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は、前記１つの画素に含まれる複数の部分画素の配列方向と垂直な方向にほぼ等しいことが好ましい。
【００４２】
上述の電気光学装置における部分画素の形状は、一方向に細長い特異な形状となっている。そのため、微小集光要素で各色光を十分に細く絞った状態で対応する部分画素に入射させなければ、隣接する部分画素に不要な色光が混入し、投写画像の画質を低下させてしまう。ここで、光の集光性は光の拡がり角と逆比例の関係にあり、すなわち、拡がり角の大きな（平行性の悪い）光束は細く絞り込めないことになる。そこで、上記のような構成を採用すれば、透過光線束と反射光線束の配列方向（合成方向）が、１つの画素に含まれる複数の部分画素の配列方向と垂直な方向（部分画素の形状の長手方向）に対応するので、部分画素の特異な形状を利用し、必要以上に各色光を細く絞り込むことなく、対応する部分画素に効率よく各色光を入射させることができる。従って、各部分画素に対応しない色光が入射することで発生する混色現象を低減でき、明るくコントラストの高い高品位な投写画像を実現できる。
【００４３】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の各実施例を説明する。尚、以下の各実施例においては、特に断りのない限り、光の進行方向をｚ軸方向（光軸と平行な方向）とし、ｚ軸上で＋ｚ方向に向かって１２時の方向をｙ軸方向（縦方向）とし、９時の方向をｘ軸方向（横方向）とする。
【００４４】
Ａ．第１実施例：
図１は、本発明の偏光変換光学系の要部を側面から見た概略構成図である。この偏光変換光学系３０は、第１のレンズアレイ５０と、リレーレンズアレイ６０と、偏光反射アレイ７０と、第２のレンズアレイ８０と、偏光選択反射板９０と、を備えている。リレーレンズアレイ６０と偏光反射アレイ７０は、一体に形成されている。ここで、システム光軸（偏光変換光学系の光軸）３０ＬＣをｚ軸方向に平行な方向とする。
【００４５】
図２は、第１のレンズアレイ５０の外観を示す斜視図である。第１のレンズアレイ５０は、略矩形形状の輪郭を有する平凸状の第１の小レンズ５２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有しており、ｘｙ平面に対してほぼ平行に配置されている。なお、図２は、Ｍ＝４，Ｎ＝４の例を示している。図１に示す第２のレンズアレイ８０は、第１のレンズアレイ５０の第１の各小レンズ５２と対をなすように平凸状の第２の小レンズ８２をＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列したものである。第２のレンズアレイ８０は、その中心軸８０ＬＣがシステム光軸３０ＬＣにほぼ一致するようにｘｙ平面に対してほぼ平行に配置されている。第１のレンズアレイ５０は、その中心軸５０ＬＣがシステム光軸３０ＬＣに対して第１の小レンズ５２のｙ軸方向に沿った幅ＤＬの１／２に等しい大きさだけ＋ｙ軸方向にずれて配置されている。なお、第１と第２のレンズアレイ５０，８０は、矩形形状の小レンズには限定されず、例えば、６角形状の小レンズが密接して配置されているものであってもよい。すなわち、小レンズの形状は、密接に配置できる形状であることが望ましい。また、第１のレンズアレイ５０は、複数の第１の小レンズ５２が必ずしも密接して配置されている必要はない。但し、光の利用効率を考えると密接して配置されているほうが好ましい。これらの点に関しては、第２のレンズアレイ８０も同様である。
【００４６】
偏光選択反射板９０は、第２のレンズアレイ８０の射出面上に貼りつけられている。偏光選択反射板９０としては、例えば、偏光面が互いに直交する２つの直線偏光成分のうち、一方の直線偏光成分を透過し、他方の直線偏光成分を反射する反射型偏光板を用いることができる。反射型偏光板としては、３Ｍ社製のＲＤＦ−Ｃ等を用いることができる。本第１実施例では、ｓ偏光成分を透過し、ｐ偏光成分を反射する反射型偏光板を用いた場合を示している。なお、偏光選択反射板９０は、第２のレンズアレイ８０に対して離間して配置してもよいが、第２のレンズアレイから射出される光の利用効率を考えると、第２のレンズアレイ８０の射出面上に貼りつけることが好ましい。
【００４７】
リレーレンズアレイ６０は、両凸状のリレーレンズ６２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。各リレーレンズ６２は、各第１の小レンズ５２の中心と対応する第２の小レンズ８２の中心とを結ぶ中心軸３２ＬＣ上で第１の小レンズ５２と第２の小レンズ８２の間の光学的にちょうど中間の位置に配置されている。
【００４８】
偏光反射アレイ７０は、複数の偏光反射部７２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。１つの偏光反射部７２は、平凸状の第３の小レンズ７４と、第３の小レンズ７４の平らな射出面上に貼りつけられたλ／４位相差板７６と、λ／４位相差板７６上に貼りつけられた反射ミラー７８とで構成されている。各偏光反射部７２は、反射ミラー７８の中心と第３の小レンズ７４の中心とを結ぶ法線（中心軸）７２ＬＣが各第２の小レンズ８２の中心を通るように傾いて配置されている。また、各リレーレンズ６２の中心位置６２Ｃと各偏光反射部７２の反射ミラー７８上の中心位置７２Ｃとが、各第２の小レンズ８２の中心軸８２ＬＣを対称軸として、ｙ軸方向に対称な位置に配置されている。尚、第３の小レンズ７４のレンズ特性を工夫すれば、偏光反射部７２を傾けることなくｘｙ平面とほぼ平行に配置することも可能である。この点については後述する。
【００４９】
図３は、第２のレンズアレイ８０とリレーレンズアレイ６０および偏光反射アレイ７０との対応関係を示す正面図である。図３（Ｂ）に示すように、リレーレンズアレイ６０と偏光反射アレイ７０とは、ｙ軸方向に沿ってリレーレンズ６２と偏光反射部７２とが交互に隣接して配置されており、ｙ軸方向に並んだ一対のリレーレンズ６２と偏光反射部７２が、図３（Ａ）に示す第２のレンズアレイ８０の１つの第２の小レンズ８２に対応している。１つのリレーレンズ６２および１つの偏光反射部７２は、それぞれ第２のレンズアレイ８０の１つの第２の小レンズ８２とｘ軸方向の大きさがほぼ等しく、ｙ軸方向の大きさがほぼ１／２の形状を有している。
【００５０】
ここで、図１に示すように、第１の小レンズ５２とリレーレンズ６２との距離をＬ１とし、リレーレンズ６２と第２の小レンズ８２との距離をＬ２とする。このとき、第１の小レンズ５２の焦点距離ｆ１はＬ１に等しく設定され、第２の小レンズの焦点距離ｆ２はＬ２に等しく設定されている。なお、Ｌ１とＬ２は、必ずしも等しくする必要はないが、この第１実施例では、Ｌ１とＬ２が等しく設定されている。リレーレンズ６２の焦点距離ｆｒは、第１の小レンズ５２の位置と第２の小レンズ８２の位置とが、リレーレンズ６２の共役点となるように設定されている。すなわち、ｆｒ＝（Ｌ１・Ｌ２／（Ｌ１＋Ｌ２））であり、特に本実施例の場合には、Ｌ１＝Ｌ２であるから、ｆｒ＝Ｌ１／２に設定されている。第３の小レンズ７４の焦点距離は、第３の小レンズ７４と第２の小レンズ８２との間の距離Ｌ２に設定されている。但し、第３の小レンズ７４の焦点距離は、この偏光変換光学系３０に入射する光の平行性の良し悪しや、偏光変換光学系３０の後段に配置される他の光学素子の特性などに合わせて設定することができ、さらに、この偏光変換光学系３０に入射する光の平行性が高い場合には、第３の小レンズ７４を省略した構成としても良い。
【００５１】
なお、リレーレンズアレイ６０と偏光反射アレイ７０は、以下のようにして製造することができる。まず、リレーレンズアレイ６０と偏光反射アレイ７０のうち、マトリクス状に配列されたリレーレンズ６２と第３の小レンズ７４とを、一体形成する。そして、第３の小レンズ７４の平らな面にのみ、λ／４位相差板７６と反射ミラー７８とを貼りつける。こうすれば、一体的に形成されたリレーレンズアレイ６０と偏光反射アレイ７０とを容易に製造することができる。
【００５２】
３つの小レンズ５２，６２，８２の中心を結ぶ中心軸３２ＬＣにほぼ平行に入射する非偏光な光線束は、第１のレンズアレイ５０に入射して第１の小レンズ５２の輪郭形状にほぼ等しい複数の部分光線束に分割される。分割された複数の部分光線束は、各第１の小レンズ５２の集光作用により、それぞれ対応するリレーレンズ６２内に集光像を形成する。各集光像から射出される各部分光線束は、発散しながら対応する第２の小レンズ８２に入射する。各第２の小レンズに入射した部分光線束の外形形状は、対応する第１の小レンズ５２に入射直後の部分光線束の外形形状にほぼ等しい（より正しくは、中心軸３２ＬＣを回転軸として１８０度回転している）。第２のレンズアレイ８０は、中心軸３２ＬＣにほぼ平行な複数の部分光線束を射出する。
【００５３】
第２のレンズアレイ８０から射出された複数の部分光線束は、偏光選択反射板９０に入射して、ｓ偏光成分とｐ偏光成分とに分解され、ｓ偏光成分の複数の部分光線束は、ほとんどそのまま透過して射出される。一方、ｐ偏光成分の複数の部分光線束は対応する偏光反射部７２の方向に反射される。偏光選択反射板９０で反射されたｐ偏光成分の複数の部分光線束は、それぞれ対応する偏光反射部７２に入射する。各偏光反射部７２に入射した部分光線束は、反射ミラー７８で反射されて、再び第２のレンズアレイ８０を介して偏光選択反射板９０に入射する。
【００５４】
各偏光反射部７２の反射ミラー７８で反射されて再び偏光選択反射板９０に入射する部分光線束は、反射ミラー７８における反射前後にλ／４位相差板７６を通過する。各λ／４位相差板７６の偏光軸は、ｐ偏光に対して４５度の傾きを有するように設定されている。従って、各偏光反射部７２で反射されて再び偏光選択反射板９０に入射する複数の部分光線束は、各λ／４位相差板７６によってｓ偏光に変換される。このように、偏光選択反射板９０で反射されたｐ偏光成分の複数の部分光線束は、各偏光反射部７２で反射される際にｓ偏光成分の複数の部分光線束に変換されるので、偏光選択反射板９０を透過することができる。
【００５５】
なお、第１のレンズアレイ５０に入射する光線束が、中心軸３２ＬＣに平行な理想的な平行光であれば、リレーレンズ６２および第３の小レンズ７４は必ずしも必要ではない。しかし、理想的な平行光を入射させることは困難である。このため、リレーレンズ６２がない場合には、第１の小レンズ５２から射出した光のうち第２の小レンズ８２に入射できない光が発生したり、偏光選択反射板９０で反射されて第２の小レンズ８２から射出された光のうち第３の小レンズ７４に入射できない光が発生したりする場合がある。このような場合には、偏光変換光学系３０における光の利用効率が低下するので好ましくない。リレーレンズ６２の焦点距離は、第１の小レンズ５２の位置と第２の小レンズ８２の位置とがリレーレンズ６２の共役点となるように設定されている。また、第３の小レンズ７４の焦点距離は、第３の小レンズ７４と第２の小レンズ８２との間の距離Ｌ２に設定されている。これにより、上記のように、第１のレンズアレイ５０に入射する光が中心軸３２ＬＣに平行でない光であっても、リレーレンズ６２の屈折力によって第２の小レンズ８２を通る光の光量を増加させることができる。また、偏光選択反射板９０で反射されて第２の小レンズ８２から射出された光のほとんどを、第３の小レンズ７４の屈折力によって再び同じ第２の小レンズ８２を介して偏光選択反射板９０に入射させることができる。この結果、偏光変換光学系３０の光の利用効率を向上させることができる。
【００５６】
３つの小レンズ５２，６２，８２の中心を結ぶ中心軸３２ＬＣにほぼ平行な状態で第１のレンズアレイ５０に入射した光線束のうち、偏光選択反射板９０で反射されることなく透過した光（透過光）ＴＬは、中心軸３２ＬＣにほぼ平行な方向（−ｙ方向に傾いた方向）に射出される。一方、偏光選択反射板９０で反射され、偏光反射アレイ７０で反射された後に偏光選択反射板９０を透過した光（反射透過光）ＲＴＬは、システム光軸３０ＬＣを対称軸として透過光ＴＬとは反対の＋ｙ方向に射出される。すなわち、反射透過光ＲＴＬは、ｙ方向に傾いた方向を有している。従って、偏光変換光学系３０から射出される光線束に含まれる光の角度分布は、偏光変換光学系３０に入射する光線束に含まれる光の角度分布に比べて広い角度範囲にわたっている。従って、この偏光変換光学系３０を光学装置に利用するときは、このような角度分布を考慮して、その他の光学系を設定することが好ましい。この点については、さらに後述する。
【００５７】
以上のことから、本実施例の偏光変換光学系３０は、入射する非偏光な光をほぼ１種類の直線偏光光に効率良く変換することができる。しかも、従来のように偏光分離を行うための複雑な偏光分離プリズムアレイが不要であり、偏光選択反射板９０とλ／４位相差板７６と反射ミラー７８とによる簡単な構成で偏光変換光学系を実現することができる。また、本実施例の偏光変換光学系３０では、第１のレンズアレイ５０に入射する光線束を複数の部分光線束に分割して集光することによりリレーレンズアレイ６０における各部分光線束の大きさを小さく抑えており、対応するリレーレンズ６２もこれに応じて小さなサイズに設定している。そして、これらの小さなリレーレンズ６２の間に生じた空間に偏光反射部７２を配置している。すなわち、一対のリレーレンズ６２および偏光反射部７２を合わせた大きさが第２の小レンズ８２の大きさにほぼ等しくなるように設定されている。従って、第１のレンズアレイ５０、リレーレンズアレイ６０及び第２のレンズアレイ８０の分割数を増やせば、非常に薄型の偏光変換光学系３０を実現することができる。また、第２の小レンズ８２から偏光反射部７２に入射した光は、再び元の第２の小レンズ８２に戻るように、各偏光反射部７２は配置されている。これにより、偏光変換光学系３０に入射した光線束の大きさをほとんど拡大させることなく、１種類の直線偏光光に変換して射出することができる。
【００５８】
なお、第１のレンズアレイ５０とリレーレンズアレイ６０と第２のレンズアレイ８０とが、本発明のリレー光学系に相当する。偏光反射アレイ７０が、本発明の偏光反射光学系に相当する。
【００５９】
ここで、本実施例の偏光変換光学系３０においては、第２のレンズアレイ８０から射出される複数の部分光線束のそれぞれがほぼ平行光となるように設定されているが、必ずしもこれに限定する必要はない。第２のレンズアレイ８０からの射出光が平行光となるように設定されていなくても、本実施例の偏光変換光学系３０は、偏光変換光学系に入射した非偏光な光をほぼ１種類の直線偏光光に変換して射出することができる。ただし、この場合には、各偏光反射部７２は、偏光選択反射板９０で反射されて第２のレンズアレイ８０から射出された各部分光線束が集光される位置に配置されることが好ましい。
【００６０】
また、偏光変換光学系３０は、以下に示す種々の変形が可能である。図４（Ａ）は、偏光反射アレイ７０の変形例を示している。この偏光反射アレイ７０ａの偏光反射部７２ａは、偏心レンズで構成された複数の第３の小レンズ７４ａを備えている。図１に示した偏光反射部７２においては、λ／４位相差板７６および反射ミラー７８がシステム光軸３０ＬＣに対して傾いていた。一方、図４（Ａ）の構成では、第３の小レンズ７４ａとして偏心レンズを用いているので、λ／４位相差板７６と反射ミラー７８を、システム光軸３０ＬＣに対してほぼ垂直に配置することができる。このような構成を採用することにより、偏光反射アレイ７０ａの製造が一層容易となる。
【００６１】
図４（Ｂ）は、第１のレンズアレイ５０の変形例を示している。この第１のレンズアレイ５０ａは偏心レンズで構成された複数の第１の小レンズ５２ａを備えている。これらの複数の第１の小レンズ５２ａは、システム光軸３０ＬＣにほぼ平行な光線束を複数の部分光線束に分割するとともに、分割された複数の部分光線束を第２のレンズアレイ８０に入射するように偏向する。なお、第１のレンズアレイ５０ａのかわりに、図４（Ａ）に示した第１のレンズアレイ５０と、第１のレンズアレイ５０の入射面側あるいは射出面側に設けられた偏角プリズムとを配置するようにしてもよい。この場合にもシステム光軸３０ＬＣにほぼ平行な光線束を偏光変換光学系に入射させるようにすることができる。このような構成を採用することにより、偏光変換光学系を光源ランプなどの他の光学要素と組み合わせて使用する場合に、光学要素を配置し易くなる効果がある。
【００６２】
図４（Ｃ）は、図４（Ａ）に示す偏光反射アレイ７０ａと、図４（Ｂ）に示す第１のレンズアレイ５０ａとを用いた例を示している。
【００６３】
図５（Ａ）は、リレーレンズアレイ６０の変形例を示している。このリレーレンズアレイ６０ａは、偏心レンズで構成された複数のリレーレンズ６２ａを備えている。図１と比較すればわかるように、図５（Ａ）では、第１のレンズアレイ５０のｙ軸方向の位置が第２のレンズアレイ８０の位置と一致している。各第１の小レンズ５２から対応するリレーレンズ６２ａに向けて射出された部分光線束の向きは、対応する第２の小レンズ８２の方向に偏向される。なお、このような構成においても、システム光軸３０ＬＣにほぼ平行な光線束を偏光変換光学系に入射する方法として、図４（Ｂ）に示したように偏心レンズで構成された第１の小レンズを備える第１のレンズアレイに置きかえる方法を採用することができる。また、第１のレンズアレイ５０の入射面側あるいは射出面側に偏角プリズムを配置する方法も適用可能である。また、偏光反射アレイ７０を図４（Ａ）に示した偏光反射アレイ７０ａに置き換えて、λ／４位相差板７６および反射ミラー７８がシステム光軸３０ＬＣにほぼ垂直に配置されるようにすることもできる。このような構成を採用することにより、偏光変換光学系を光源ランプなどの他の光学要素と組み合わせて使用する場合に、光学要素を配置し易くなる効果がある。
【００６４】
図５（Ｂ）は、第２のレンズアレイ８０の変形例を示している。この第２のレンズアレイ８０ａは、偏心レンズで構成された複数の第２の小レンズ８２ａを備えている。第１の小レンズ５２とリレーレンズ６２と第２の小レンズ８２とは、それらの中心を結ぶ中心軸３２ＬＣがシステム光軸３０ＬＣにほぼ平行となるように配置されている。偏光選択反射板９０で反射された光線束は、偏心レンズである第２の小レンズ８２ａによって偏光反射部７２の方向に偏向される。なお、このような構成においても、偏光反射アレイ７０を図４（Ａ）に示した偏光反射アレイ７０ａに置き換えて、λ／４位相差板７６および反射ミラー７８がシステム光軸３０ＬＣにほぼ垂直に配置されるようにすることもできる。このような構成を採用することにより、偏光変換光学系を光源ランプなどの他の光学要素と組み合わせて使用する場合に、光学要素を配置し易くなる効果がある。
【００６５】
図５（Ｃ）は、第２のレンズアレイ８０とリレーレンズアレイ６０の変形例を示している。このリレーレンズアレイ６０ｂは、偏心レンズで構成された複数のリレーレンズ６２ｂを備えている。また、第２のレンズアレイ８０ｂは、偏心レンズで構成された複数の第２の小レンズ８２ｂを備えている。なお、偏光反射アレイ７０ｃを構成する各偏光反射部７２は、それぞれの中心軸がシステム光軸３０ＬＣに平行となるように配列されている。第１の小レンズ５２と偏光反射部７２と第２の小レンズ８２ｂとは、それぞれの中心を結ぶ中心軸３４ＬＣがシステム光軸３０ＬＣに平行となるように配置されている。各第１の小レンズ５２から射出された部分光線束はリレーレンズアレイ６０ｂによって対応する第２の小レンズ８２ｂの方向に偏向される。また、偏光選択反射板９０で反射された光線束は、第２の小レンズ８２ｂによって偏光反射部７２の方向に偏向される。なお、このような構成においても、システム光軸３０ＬＣにほぼ平行な光線束を偏光変換光学系３０に入射する方法として、図４（Ｂ）に示したように偏心レンズで構成された第１の小レンズを備える第１のレンズアレイに置きかえる方法を採用することができる。また、第１のレンズアレイ５０の入射面側に偏角プリズムを配置する方法も適用可能である。
【００６６】
上記各変形例３０Ａ〜３０Ｆにおいても、偏光変換光学系３０と同様に、従来に比べて簡単な構成で、非偏光な光をほぼ１種類の直線偏光光に効率良く変換することができる。
【００６７】
また、図１の偏光変換光学系３０においては、第１の小レンズ５２とリレーレンズ６２との間の光学的な距離Ｌ１とリレーレンズ６２と第２の小レンズ８２との間の光学的な距離Ｌ２とがほぼ等しくなるように設定されているが、これらの距離Ｌ１とＬ２とを異なった距離に設定することも可能である。図６は、第１の小レンズ５２とリレーレンズ６２との間の距離Ｌ１を、リレーレンズ６２と第２の小レンズ８２との間の距離Ｌ２の２倍に設定した場合について示す概略構成図である。この場合においても、偏光変換光学系３０と同様に、簡単な構成で、非偏光な光をほぼ１種類の直線偏光光に効率良く変換することができる。
【００６８】
なお、第２の小レンズ８２ｃの射出面における部分光線束の幅Ｄ２は、第１の小レンズ５２の入射面における幅Ｄ１の部分光線束を、（Ｌ２／Ｌ１）倍した大きさにほぼ等しい。すなわち、本実施例において、Ｌ１はＬ２の２倍に設定されているので、第２の小レンズ８２ｃから射出される光線束の幅Ｄ２は、第１の小レンズ５２に入射する光線束の幅Ｄ１の１／２にほぼ等しい。このように、第２の小レンズ８２ｃの射出面における光線束の幅Ｄ２が第１の小レンズ５２の入射面における幅Ｄ１に比べて縮小されている場合には、第２のレンズアレイ８０ｃを構成する複数の第２の小レンズ８２ｃは、第２の小レンズ８２ｃに入射する光線束を含む大きさであればよい。また、３つの小レンズ５２，６２，８２ｃの中心を結ぶ中心軸３２ＬＣに対して角度θＬ１の傾きで入射する部分光線束（破線で示す）は、中心軸３２ＬＣに対して角度θＬ１よりも大きな角度θＬ２（≒θＬ１・Ｌ１／Ｌ２＝２θＬ１）の傾きで第２の小レンズ８２ｃから射出される。従って、第２のレンズアレイ８０ｃから射出される光線束の角度分布は、第１のレンズアレイ５０に入射する光線束の角度分布よりも広い角度範囲にわたっている。従って、この偏光変換光学系３０を光学装置に利用するときは、このような角度分布を考慮して、その他の光学系を設定することが好ましい。この点については、さらに後述する。
【００６９】
上述した各変形例は、後述する他の実施例においても同様に適用可能である。
【００７０】
Ｂ．第２実施例：
図７は、本発明の他の偏光変換光学系を側面から見た概略構成図である。この偏光変換光学系３０Ｈは、偏光変換光学系３０（図１）の偏光選択反射板９０と、偏光反射アレイ７０とを異なる構成を有する要素９０ｈ，７０ｈにそれぞれ置き換え、また、偏光選択反射板９０ｈの射出面側にλ／４位相差板９２を配置した例を示している。各構成要素の配置関係は、偏光変換光学系３０と同じである。
【００７１】
偏光選択反射板９０ｈは、回転方向が反対の２つの円偏光光のうち、一方の円偏光光をほとんど透過し、他方の円偏光光を反射するものである。このような偏光選択反射板９０ｈは、コレステリック液晶やカイラル・スメティック液晶を用いて実現することができる。これらの液晶は、液晶の配向を制御することによりある種の屈折率分布を作りこみ、上述の機能を実現させている。
【００７２】
偏光反射アレイ７０ｈは、図１の偏光反射部７２で用いられていたλ／４位相差板７６を有しておらず、第３の小レンズ７４と反射ミラー７８とで構成された複数の偏光反射部７２ｈで構成されている。
【００７３】
３つの小レンズ５２，６２，８２の中心を結ぶ中心軸３２ＬＣにほぼ平行に入射する非偏光な光線束は、第１のレンズアレイ５０によって、第１の小レンズ５２の輪郭形状にほぼ等しい複数の部分光線束に分割される。分割された複数の部分光線束は、各第１の小レンズ５２の集光作用により、それぞれ対応するリレーレンズ６２内に集光像を形成する。各集光像から射出される各部分光線束は、発散しながら対応する第２の小レンズ８２に入射する。各第２の小レンズに入射した部分光線束の外形形状は、対応する第１の小レンズ５２に入射直後の部分光線束の外形形状にほぼ等しい（より正しくは、中心軸３２ＬＣを回転軸として１８０度回転している）。第２のレンズアレイ８０は、中心軸３２ＬＣにほぼ平行な複数の部分光線束を射出する。
【００７４】
第２のレンズアレイ８０から射出された複数の部分光線束は、偏光選択反射板９０ｈに入射して、右回転円偏光光と左回転円偏光光とに分解される。例えば、左回転円偏光の複数の部分光線束は、ほとんどそのまま透過して射出される。一方、右回転円偏光の複数の部分光線束は対応する偏光反射部７２ｈの方向に反射される。偏光選択反射板９０ｈで反射された右回転円偏光の複数の部分光線束は、それぞれ対応する偏光反射部７２ｈに入射する。各偏光反射部７２に入射した部分光線束は、反射ミラー７８で反射されて、再び第２のレンズアレイ８０を介して偏光選択反射板９０ｈに入射する。
【００７５】
反射ミラー７８で反射されて再び偏光選択反射板９０ｈに入射する部分光線束は、反射ミラー７８における反射の際に、偏光選択反射板９０ｈに対して、左回転円偏光の部分光線束に変換される。このように、偏光選択反射板９０ｈと反射ミラー７８で反射された右回転円偏光の複数の部分光線束は、左回転円偏光の複数の部分光線束に変換されるので、偏光選択反射板９０ｈをほとんど透過することができる。
【００７６】
偏光選択反射板９０ｈから射出された左回転円偏光の複数の部分光線束は、λ／４位相差板９２に入射する。λ／４位相差板９２の偏光軸は、ｓ偏光光の偏光方向に対して４５度の傾きを有するように設定されている。従って、λ／４位相差板９２に入射した左回転円偏光の複数の部分光線束は、ｓ偏光状態にある複数の部分光線束に変換される。
【００７７】
なお、偏光選択反射板９０ｈは、右回転円偏光を透過し、左回転円偏光を反射するように設定することもできる。また、λ／４位相差板９２の偏光軸の設定の仕方に応じて、射出する複数の部分光線束の偏光状態を直線偏光状態であるｐ偏光状態に、あるいはｓ偏光状態に設定することができる。
【００７８】
以上のことから、本実施例の偏光変換光学系３０Ｈは、第１実施例の偏光変換光学系３０と同様に、従来に比べて簡単な構成で、入射する非偏光な光をほぼ１種類の直線偏光光に効率良く変換することができる。
【００７９】
なお、本実施例の偏光変換光学系３０Ｈは、λ／４位相差板９２を備えているが、λ／４位相差板９２を省略してもよい。この場合には、非偏光な光をほぼ１種類の円偏光光に変換することができる。また、第１のレンズアレイ５０の入射側あるいは射出側のどちらか一方に、さらにλ／４位相差板を配置した構成としても良い。このような構成を採用すれば、偏光選択反射板９０ｈの光学特性によっては、偏光選択反射板９０ｈにおける円偏光の分離効率を向上することができる。
【００８０】
また、第２実施例においても、第１実施例で説明したのと同様に、各構成要素の配置関係や、光学要素を変形することができる。
【００８１】
Ｃ．第３実施例：
図８は、本発明の偏光変換光学系を適用した照明光学系の要部を側面から見た概略構成図である。この照明光学系１００は、光源２０と、偏光変換光学系３０（図１）と、重畳光学系４０と、を備えている。
【００８２】
偏光変換光学系３０と重畳光学系４０は、システム光軸１００ＬＣに沿って、各光軸が一致するように順に配置されている。すなわち、偏光変換光学系３０のシステム光軸３０ＬＣと照明光学系１００のシステム光軸１００ＬＣとが一致するように配置されている。
【００８３】
光源２０は、放射状の光線を射出する放射光源としての光源ランプ２２と、光源ランプ２２から射出された放射光をほぼ平行な光線束として射出する凹面鏡２４とを有している。光源ランプ２２としては、通常、メタルハライドランプや高圧水銀灯などが用いられる。凹面鏡２４としては、放物面鏡を用いることが好ましい。なお、放物面鏡に代えて、楕円面鏡を用いて、集光光を射出する光源２０を用いるようにしてもよい。また、球面鏡を用いることもできる。
【００８４】
光源２０は、光源光軸２０ＬＣが偏光変換光学系３０の３つの小レンズ５２，６２、８２の中心を結ぶ中心軸３２ＬＣにほぼ平行で、かつ、第１のレンズアレイ５０の中心を通過するように傾いて配置されている。これにより、光源２０から射出されたほぼ平行な光線束を、偏光変換光学系３０に有効に入射させることができる。
【００８５】
重畳光学系４０は、第４のレンズアレイ１１０と、第５のレンズアレイ１２０と、重畳レンズ１３０と、を備えている。第４のレンズアレイ１１０は、第１のレンズアレイ５０（図２）と同様に、略矩形形状の輪郭を有する平凸状の第４の小レンズ１１２がＯ行Ｐ列のマトリクス状に配列された構成を有している。本実施例では、Ｏ＝５、Ｐ＝４に設定されている。なお、各第４の小レンズ１１２をｚ方向から見た外形形状は、通常、照明領域１５０における実際に光を照射する領域の形状とほぼ相似形をなすように設定されている。例えば、照明領域として液晶パネルを想定し、画像の形成領域のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、第４の小レンズ１１２のアスペクト比も４：３に設定する。
【００８６】
第５のレンズアレイ１２０は、第４のレンズアレイ１１０の各第４の小レンズ１１２に対応するように平凸状の第５の小レンズ１２２がＯ行Ｐ列のマトリクス状に配列されている。
【００８７】
偏光変換光学系３０から射出された光線束は、第４のレンズアレイ１１０によって複数の部分光線束（分割光線束）に分割され、各第４の小レンズ１１２の集光作用によって、第５のレンズアレイ１２０の近傍に集光される。第５のレンズアレイ１２０に入射した複数の部分光線束は、対応する第５の小レンズ１２２の集光作用によってそれぞれの主光線（中心軸）がシステム光軸１００ＬＣに平行となるように偏向される。第５のレンズアレイ１２０から射出された複数の部分光線束は、重畳レンズ１３０によって偏向され、照明領域１５０上のほぼ同じ位置で重畳される。この結果、照明領域１５０は、ほとんど１種類の直線偏光光でほぼ均一に照明されることになる。尚、本実施例においては説明を容易とするために第５のレンズアレイ１２０と重畳レンズ１３０を分離しているが、一般的には、両者を一体化して用いた方が界面における光損失を低減できる点で有効である。また、第５のレンズアレイ１２０を偏心レンズで構成すれば、第５のレンズアレイに重畳レンズ１３０の機能を併せ持たせられるため、その場合には重畳レンズ１３０を省略することができる。
【００８８】
本発明の照明光学系１００は、上述したように、本発明の偏光変換光学系３０を用いているので、従来に比べて簡単な構成でほぼ１種類の直線偏光光からなる照明光を射出することができる。また、重畳光学系４０を用いているので、照明領域をほぼ均一に照明することができる。
【００８９】
なお、照明光学系１００は、偏光変換光学系３０を用いた例を示しているが、上述した第２実施例の偏光変換光学系３０Ｈや、その他の種々の変形例を用いることができる。
【００９０】
また、照明光学系１００は、照明領域を均一に照明するための重畳光学系４０を用いた例を示しているが、ガラスロッドや中空ミラー管状体などに代表される棒状の導光体を用いた重畳光学系等の種々の重畳光学系を用いることもできる。また、重畳光学系を省略することもできる。
【００９１】
Ｄ．第４実施例：
図９は、本発明の照明光学系を適用した投写型表示装置の要部を側面から見た概略構成図である。この投写型表示装置１０００は、照明光学系１００Ａと、液晶ライトバルブ３００と、投写光学系３４０とを備えている。スクリーンＳＣへのあおり投写（液晶ライトバルブ３００の中心を通るシステム光軸１０００ＬＣよりもスクリーンＳＣ上の投写面の中心が上方にくるように投写する状態）を実現するため、システム光軸１０００ＬＣに対して投写光学系３４０の光軸３４０ＬＣが上方（＋ｙ軸方向）に位置するように配置されている。
【００９２】
照明光学系１００Ａは、光源２０と、図５（Ｂ）に示した偏光変換光学系３０Ｅとを備えている。偏光変換光学系３０Ｅおよび光源２０は、それぞれの光軸３０ＬＣおよび２０ＬＣがシステム光軸１０００ＬＣに一致するように配置されている。また、偏光変換光学系３０Ｅは、偏光選択反射板９０で一度も反射されることなく透過した光（透過光）ＴＬの方向があおり投写の方向と同様に、上方（＋ｙ方向）を向くように、図５（Ｂ）に示した配置とは上下方向が反対向きに配置されている。
【００９３】
光源２０から光源光軸２０ＬＣにほぼ平行な状態で偏光変換光学系３０Ｅに入射した光線束のうち、偏光選択反射板９０で一度も反射されることなく透過した光（透過光）ＴＬは、＋ｙ方向に傾いた方向に射出される。一方、偏光選択反射板９０で反射され、偏光反射アレイ７０で反射された後に偏光選択反射板９０を透過した光（反射透過光）ＲＴＬは、偏光変換光学系光軸３０ＬＣにほぼ平行な方向に射出される。
【００９４】
ここで、通常、偏光選択反射板９０の透過光の方が、反射透過光に比べて光強度が大きいことが多い。従って、反射透過光に比べて透過光を投写光学系３４０に対してより有効に入射させるほうが、光の利用効率の向上を図る点で有利である。
【００９５】
上記投写型表示装置１０００は、透過光の方向を、あおり投写方向に近づけて配置しているので、投写光学系３４０における光の利用効率向上を図ることが可能である。
【００９６】
以上のことをまとめると、この投写型表示装置１０００は、ほとんど１種類の直線偏光光を射出する照明光学系１００Ａを用いることによって、特に液晶ライトバルブ３００における光の利用効率を向上させることができる。これにより明るい画像を表示させることができる。さらに、この投写型表示装置１０００においては、偏光選択反射板９０を通過する２種類の光（透過光と反射透過光）のうちで、より光強度が大きい透過光の方向を、あおり投写方向に近づけた構成としているので、投写光学系３４０における光の利用効率向上を図ることが可能である。これにより、さらに投写画像の明るさを向上させることができる。
【００９７】
なお、この投写型表示装置１０００の照明光学系として、上述した種々の偏光変換光学系を用いた照明光学系を利用することもできる。
【００９８】
Ｅ．第５実施例：
図１０は、本発明の照明光学系を用いた他の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。この投写型表示装置２０００には、照明光学系１００（図８）を用いている。
【００９９】
投写型表示装置２０００は、照明光学系１００と、色光分離光学系２００と、導光光学系２２０と、３枚の液晶ライトバルブ（液晶パネル）３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと、クロスダイクロイックプリズム３２０と、投写光学系３４０とを備えている。投写型表示装置２０００は、照明光学系１００から射出された光を、色光分離光学系２００で赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色の色光に分離し、分離された各色光を液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを通して画像情報に対応させて変調し、変調された各色光をクロスダイクロイックプリズム３２０で合成して、投写光学系３４０を介してスクリーンＳＣ上に画像を表示するものである。
【０１００】
照明光学系１００は、上述したように、偏光方向の揃えられた直線偏光光（上述の例では、ｓ偏光光）の照明光を射出し、照明領域１５０である液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを照明する。なお、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂの光の入射面には、通常、偏光板が設けられているため、照明光学系１００から射出される直線偏光光の偏光方向を、これらの偏光板の透過軸の方向と一致させる。このようにすれば、照明光学系１００から射出された照明光を効率よく利用することができる。
【０１０１】
色光分離光学系２００は、２枚のダイクロイックミラー２０２，２０４と、反射ミラー２０８とを備えており、照明光学系１００から射出される光線束を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー２０２は、照明光学系１００から射出された光の赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２０２を透過した赤色光Ｒは、反射ミラー２０８で反射され、フィールドレンズ２３２を通って赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに達する。このフィールドレンズ２３２は、照明光学系１００から射出された各部分光線束をその中心軸に対して平行な光線束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ２３４，２３０も同様である。
【０１０２】
第１のダイクロイックミラー２０２で反射された青色光Ｂと緑色光Ｇのうちで、緑色光Ｇは第２のダイクロイックミラー２０４によって反射され、フィールドレンズ２３４を通って緑色光用の液晶ライトバルブ３００Ｇに達する。一方、第２のダイクロイックミラー２０４を透過した青色光Ｂは、色光分離光学系２００から射出されて、導光光学系２２０に入射する。導光光学系２２０に入射した青色光Ｂは、導光光学系２２０に備えられた入射側レンズ２２２、リレーレンズ２２６および反射ミラー２２４，２２８および射出側レンズ（フィールドレンズ）２３０を通って青色光用の液晶ライトバルブ３００Ｂに達する。ここで、青色光Ｂに導光光学系が用いられているのは、青色光Ｂの光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いことによって生じる光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ２２２に入射した青色光をその強度分布を維持したまま、射出側レンズ２３０に伝えるためである。従って、３カ所の液晶ライトバルブ３００Ｒ、３００Ｇ、３００Ｂには、強度分布がほぼ等しい照明光が入射される（但し、より厳密には、青色光の強度分布は他の色光の強度分布に対して１８０度反転している）。
【０１０３】
３枚の液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手段としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズム３２０は、液晶ライトバルブ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂを通って変調された３色の色光を合成してカラー画像を形成する色光合成光学系としての機能を有する。なお、クロスダイクロイックプリズム３２０には、赤色光を反射する誘電体多層膜が形成された赤色光反射ダイクロイック面３２１と、青色光を反射する誘電体多層膜が形成された青色光反射ダイクロイック面３２２とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの赤色光反射ダイクロイック面３２１と青色光反射ダイクロイック面３２２によって３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム３２０で生成された合成光は、投写光学系３４０の方向に射出される。投写光学系３４０は、クロスダイクロイックプリズム３２０から射出された合成光を投写して、スクリーンＳＣ上にカラー画像を表示する。なお、投写光学系３４０としてはテレセントリックレンズを用いることが望ましい。
【０１０４】
この投写型表示装置２０００は、ほとんど１種類の直線偏光光を射出する照明光学系１００を用いることによって、特に液晶ライトバルブにおける光の利用効率を向上させることができる。これにより明るい画像を表示させることができる。
【０１０５】
なお、この投写型表示装置２０００の照明光学系として、上述した種々の偏光変換光学系を用いた照明光学系を利用してもほぼ同様の効果を得ることができる。
【０１０６】
図１１は、照明光学系１００から射出して第１のダイクロイックミラー２０２およびクロスダイクロイックプリズム３２０に入射する光について示す説明図である。なお、図１１は、第１のダイクロイックミラー２０２と、赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒと、クロスダイクロイックプリズム３２０のみを取り出して、便宜的に直線状に示している。図１１（Ａ），図１１（Ｂ）に示すように第１のダイクロイックミラー２０２は、ｘｚ平面に対しては略垂直に配置され、ｙｚ平面に対しては所定の角度θＭ１を成すように配置されている。
【０１０７】
図１２は、第１のダイクロイックミラー２０２の色分離特性を示す説明図である。第１のダイクロイックミラー２０２は、所定の角度θＭ１で光が入射すると、その光の赤色光成分（約６００ｎｍ以上）のみを透過し、その他の色成分（青色光成分および緑色光成分）を反射する（図１２の実線）。このような色分離特性は、第１のダイクロイックミラー２０２に対する光の入射角がずれると、その入射角に応じて変化する。このため、第１のダイクロイックミラー２０２に所定の角度θＭ１で光を入射させないと、赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに導かれる赤色光の色が変化してしまうことになる。
【０１０８】
図１１（Ａ）に示すように、ｘ軸方向の異なった位置から射出する２つの光ＬＡ１，ＬＡ２は、システム光軸２０００ＬＣに対する傾き角θＬＡ１，θＬＡ２の絶対値が等しくても、第１のダイクロイックミラー２０２への入射角θＡ１，θＢ１が異なるとともに、所定の角度θＭ１からずれている。このため、光ＬＡ１に対しては、例えば、図１２に一点鎖線で示すような特性となり、実線で示したような所望の色分離特性は得られなくなる。また、光ＬＡ２に対しても、図１２に点線で示すような特性となり、やはり実線で示したような所望の色分離特性は得られなくなる。さらに、各射出光に対する色分離特性が相互に異なることになる。従って、第１のダイクロイックミラー２０２の色光分離特性は、第１のダイクロイックミラー２０２に入射する光のシステム光軸２０００ＬＣに対するｘ軸方向の傾きに大きく影響され、赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに導かれる赤色光はｘ軸方向に沿って色ずれ（色の変化）を発生しやすい。
【０１０９】
一方、図１１（Ｂ）に示すように、ｙ軸方向の異なった位置から射出する２つの光ＬＢ１，ＬＢ２は、システム光軸２０００ＬＣに対する傾き角θＬＢ１，θＬＢ２の絶対値が等しければ、第１のダイクロイックミラー２０２への入射角θａ１，θｂ１は等しくなる。このため、光ＬＢ１，ＬＢ２に対する色光分離特性も相互に等しくなる。従って、第１のダイクロイックミラー２０２の色光分離特性は、第１のダイクロイックミラー２０２に入射する光のシステム光軸２０００ＬＣに対するｙ軸方向の傾きに影響されるものの、赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに導かれる赤色光のｙ軸方向に沿って発生する色ずれ（色の変化）は、ｘ軸方向のそれに比べて小さい。この結果、第１のダイクロイックミラー２０２を透過して赤色光用の液晶ライトバルブ３００Ｒに導かれる赤色光のｙ軸方向に沿って発生する色ずれの程度は、ｘ軸方向に沿って発生する色ずれの程度に比べて小さい。
【０１１０】
従って、照明光学系から射出される光のシステム光軸２０００ＬＣに対する傾きは、ｙ軸方向に対するよりもｘ軸方向に対してより小さいほうが好ましいと言える。
【０１１１】
ここで、上述したように、照明光学系１００から射出される光には、偏光変換光学系３０において偏光選択反射板９０を反射することなく透過した光（透過光）と、偏光選択反射板９０と反射ミラー７８で反射された後に偏光選択反射板９０を透過した光（反射透過光）とが存在し、これらの光はリレーレンズ６２と偏光反射部７２とが配列する方向に沿って、第２のレンズアレイ８０上で合成される。従って、照明光学系１００から射出される光の拡がり角（角度分布の幅）は、合成方向（図８のｙ方向）では大きく、合成方向と直交する方向（図８のｘ方向）では比較的小さくなる傾向にある。
【０１１２】
なお、第２のダイクロイックミラー２０４においても第１のダイクロイックミラーと同様のことが言える。
【０１１３】
本実施例の投写型表示装置２０００においては、透過光と反射透過光の配列方向（合成方向）、すなわち、リレーレンズ６２と偏光反射部７２の配列方向がｙ方向となるように照明光学系１００を配置しているので、投写画像の色ムラの発生を低減できる点で有利である。
【０１１４】
さらに、ダイクロイックミラーに関する上述の説明は、クロスダイクロイックプリズム３２０の赤色光反射ダイクロイック面３２１、青色光反射ダイクロイック面３２２についても同様にあてはまる。すなわち、図１１（Ａ）に示すように、ｘ軸方向の異なった位置から射出して赤色光反射ダイクロイック面３２１に入射する２つの光ＬＡ１，ＬＡ２は、システム光軸２０００ＬＣに対する傾き角θＬＡ１，θＬＡ２の絶対値が等しくても、赤色光反射ダイクロイック面３２１への入射角θＡ２，θＢ２は異なるとともに、所定の角度θＭ２からずれている。また、図１１（Ｂ）に示すように、ｙ軸方向の異なった位置から射出して赤色光反射ダイクロイック面３２１に入射する２つの光ＬＢ１，ＬＢ２は、システム光軸２０００ＬＣに対する傾き角θＬＢ１，θＬＢ２の絶対値が等しければ、第１のダイクロイックミラー２０２への入射角θａ２，θｂ２も等しくなる。
【０１１５】
本実施例の投写型表示装置２０００においては、透過光と反射透過光の配列方向（合成方向）、すなわち、リレーレンズ６２と偏光反射部７２の配列方向がｙ方向となるように照明光学系１００を配置しているので、同様に、投写画像の色ムラの発生を低減できる点で有利である。
【０１１６】
以上説明したように、ダイクロイックミラーを有する色光分離光学系や、クロスダイクロイックプリズムを備える装置に、本発明の偏光変換光学系を用いた照明光学系を適用する場合には、偏光選択反射板の透過光および反射透過光の合成方向を、ダイクロイックミラーやクロスダイクロイックプリズムのダイクロイック面における色光の分離方向あるいは合成方向と直交するように配置することが好ましい。このような配置構成とすれば、投写画像における色ムラの発生を低減できる点で有利である。
【０１１７】
以上の説明からわかるように、ダイクロイックミラー２０２，２０４の反射／透過面が本発明の色光分離面に相当する。また、クロスダイクロイックプリズム３２０のダイクロイック面３２１，３２２が本発明の色光合成面に相当する。
【０１１８】
Ｆ．第６実施例：
図１３は、本発明の照明光学系を用いた別の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。この投写型表示装置３０００は、照明光学系１００（図８）のリレーレンズ６２と偏光反射部７２の配列方向をｘ軸方向とした照明光学系１００Ｂを用いている。
【０１１９】
投写型表示装置３０００は、照明光学系１００Ｂと、偏光分離プリズム４２０と、反射型液晶ライトバルブ（液晶パネル）４４０と、投写光学系３４０と、を備えている。反射型液晶ライトバルブ４４０と、偏光分離プリズム４２０と、投写光学系３４０とは、システム光軸３０００ＬＣ上に順に配置されている。
【０１２０】
照明光学系１００Ｂから射出されたｓ偏光状態にある直線偏光光（ｓ偏光光）は、偏光分離プリズム４２０のシステム光軸３０００ＬＣに平行な一方の側面４２２から入射し、偏光分離膜４２８に入射する。偏光分離膜４２８に入射したｓ偏光光は反射して反射型液晶ライトバルブ４４０側の側面４２４から射出する。
【０１２１】
反射型液晶ライトバルブ４４０に入射した光は、液晶ライトバルブ４４０内で反射されて入射方向とは反対の方向に射出される。この時、液晶が完全にオフ状態の場合には、反射型液晶ライトバルブ４４０から射出される光はｓ偏光状態のままであり、偏光分離プリズム４２０の偏光分離膜４２２で反射され、照明光学系１００Ｂの方向に戻される。従って、偏光分離プリズム４２０の側面４２６から射出して投写光学系４６０に入射する光は存在しないため、スクリーンＳＣ上の表示は暗表示となる。一方、液晶が完全にオン状態の場合には、反射型液晶ライトバルブ４４０から射出される光はその偏光状態がｐ偏光状態に変化しているため、偏光分離プリズム４２０の偏光分離膜４２８を透過する。従って、この光は偏光分離プリズム４２０の側面４２６から射出して投写光学系４６０に入射するため、スクリーンＳＣ上の表示は明表示となる。液晶がオンとオフの中間状態にある場合には、ｓ偏光光とｐ偏光光とを含む中間状態となり、中間調の表示となる。
【０１２２】
このように、投写型表示装置３０００は、照明光学系１００Ｂから射出された光を、与えられた画像情報に応じて変調することにより、偏光分離プリズム４２０の側面４２６から射出される光を制御し、スクリーンＳＣ上に画像を表示するものである。
【０１２３】
この投写型表示装置３０００も、ほとんど１種類の直線偏光光を射出する照明光学系１００Ｂを用いることによって、特に偏光分離プリズム４２０における光の利用効率を向上させることができる。これにより明るい投写画像を表示させることができる。
【０１２４】
なお、投写型表示装置３０００の照明光学系として、上述した種々の偏光変換光学系を用いた照明光学系を利用することもできる。
【０１２５】
図１４は、偏光分離プリズム４２０に入射する光について示す説明図である。偏光分離プリズム４２０の側面４２２に入射する照明光学系１００Ｂから射出された光の偏光軸方向を、偏光分離膜４２８の偏光分離方向（すなわち、ｚ軸方向およびｘ軸方向）に垂直な方向（ｙ軸方向）とする。このとき、側面４２２に入射する光のうち、ｚ軸方向に沿って入射し偏光分離膜４２８で反射して側面４２４から射出された光Ｂの偏光軸方向は、ｙ軸方向となる。しかし、ｚ軸に対してある角度を伴って側面４２２に入射する光ＡおよびＣは、偏光分離膜４２８に対する入射角が４５度からずれるため、側面４２４から射出された光ＡおよびＣの偏光軸方向は、ｚ軸方向から見てｙ軸方向とは僅かに異なった方向に＋θＲ，−θＲだけ回転している。ただし、反時計周りの回転を正とする。このように、偏光分離膜４２８の偏光分離方向（ｘ軸方向およびｚ軸方向）に垂直な平面（ｙｚ平面）内において、ｚ軸に対して傾いた光（斜入射光）が偏光分離膜４２８に入射すると、偏光分離膜４２８の偏光分離特性とは無関係に、光の偏光軸が回転する現象を生じる。これにより、予め偏光軸が決められた直線偏光光を偏光分離プリズム４２０に入射したとしても、側面４２４から射出して反射型液晶ライトバルブ４４０に入射する光の中には、所定の偏光状態にない不必要な直線偏光光が必ず含まれることになり、これが投写画像の明るさやコントラストの低下を招く大きな要因となる。尚、偏光分離方向を含む平面内において、ｚ軸に対して斜入射する光については、偏光軸の回転現象を生じない。
【０１２６】
従って、照明光学系から射出される光の拡がり角（角度分布の幅）は、偏光分離プリズム４２０における偏光分離方向と直交する方向に対して小さいほうが好ましいと言える。
【０１２７】
ここで、上述したように、照明光学系１００Ｂから射出される光には、偏光変換光学系３０において偏光選択反射板９０を反射することなく透過した光（透過光）と、偏光選択反射板９０と反射ミラー７８で反射された後に偏光選択反射板９０を透過した光（反射透過光）とが存在し、これらの光はリレーレンズ６２と偏光反射部７２とが配列する方向に沿って、第２のレンズアレイ８０上で合成される。従って、照明光学系１００Ｂから射出される光の拡がり角（角度分布の幅）は、合成方向（図８のｙ方向）では大きく、合成方向と直交する方向（図８のｘ方向）では比較的小さくなる傾向にある。
【０１２８】
以上のことから、偏光分離プリズムを有する投写型表示装置に用いられる照明光学系においては、透過光と反射透過光とが合成される方向、すなわち、リレーレンズ６２と偏光反射部７２の配列方向が、偏光分離プリズムにおける偏光分離方向と一致するように設定されていることが好ましい。
【０１２９】
本実施例の投写型表示装置３０００は、リレーレンズ６２と偏光反射部７２の配列方向が偏光分離プリズム４２０の偏光分離方向と一致するように設定されているので、明るくコントラストの高い投写画像を得ることが出来る点で有利である。
【０１３０】
以上の説明からわかるように、偏光分離プリズム４２０が本発明の偏光分離光学要素に相当する。
【０１３１】
Ｇ．第７実施例：
図１５は、本発明の照明光学系を用いたさらに別の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。この投写型表示装置４０００は、照明光学系１００を用いている。
【０１３２】
投写型表示装置４０００は、照明光学系１００と、３つのダイクロイックミラー５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂと、単板式カラー液晶ライトバルブ（液晶パネル）５２０と、投写光学系３４０とを備えている。各ダイクロイックミラー５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂはそれぞれ赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各色光を選択的に反射し他は透過する特性を有し、照明光学系１００に近い側から、ダイクロイックミラー５００Ｒ、５００Ｇ、５００Ｂの順に配置されている。なお、３枚のダイクロイックミラーの配置順は、必ずしもこの順に配置する必要はなく、後述する単板式カラー液晶ライトバルブ５２０の各色に対応する画素の配列に応じて決定される。また、照明光学系１００から最も遠い所に配置されるダイクロイックミラー（本実施例では、ダイクロイックミラー５００Ｂ）は、残った色光を反射すればよく、単なる反射ミラーで構成することも可能である。
【０１３３】
照明光学系１００の光軸１００ＬＣと単板式カラー液晶ライトバルブ５２０の中心を通る投写系の光軸４０００ＬＣとが直角に交差する近傍に３枚のダイクロイックミラー５００Ｒ、５００Ｇ、５００Ｂは配置され、緑色光反射ダイクロイックミラー５００Ｇは、ミラー面の法線と照明光学系１００の光軸１００ＬＣとの成す角がほぼ４５度となるように配置されている。また、赤色光反射ダイクロイックミラー５００Ｒは、ｙ軸方向を回転軸として、ダイクロイックミラー５００Ｇに対して時計周りに数度傾けて配置されている。また、青色光反射ダイクロイックミラー５００Ｂは、ｙ軸方向を回転軸として、ダイクロイックミラー５００Ｇに対して反時計周りに数度傾けて配置されている。これらの相互の配置状態については後述する。
【０１３４】
照明光学系１００から射出された光のうち赤色光Ｒは、赤色光反射ダイクロイックミラー５００Ｒによって反射されて単板式カラー液晶ライトバルブ５２０に入射する。緑色光Ｇは、赤色光反射ダイクロイックミラー５００Ｒを透過後、緑色光反射ダイクロイックミラー５００Ｇによって反射されて再び赤色光反射ダイクロイックミラー５００Ｒを透過して単板式カラー液晶ライトバルブ５２０に入射する。青色光Ｂは、赤色光反射ダイクロイックミラー５００Ｒおよび緑色光反射ダイクロイックミラー５００Ｇを透過後、青色光反射ダイクロイックミラー５００Ｂによって反射されて再び緑色光反射ダイクロイックミラー５００Ｇおよび赤色光反射ダイクロイックミラー５００Ｒを透過して単板式カラー液晶ライトバルブ５２０に入射する。このとき、３枚のダイクロイックミラー５００Ｒ、５００Ｇ、５００Ｂは、ｙ軸方向を回転軸として照明光学系１００の光軸１００ＬＣに対して互いに異なった角度で配置されているので、３色の色光は単板式カラー液晶ライトバルブ５２０に対して互いに異なる角度で入射する。
【０１３５】
図１６は、単板式カラー液晶ライトバルブ５２０の１つの画素を拡大して示す模式図である。図１６（Ａ）に示すように、単板式カラー液晶ライトバルブ５２０は、複数の画素を構成するライトバルブ部５３０と、ライトバルブ部５３０の入射面上に配置されたマイクロレンズアレイ５４０とを備えている。ライトバルブ部５３０の１つの画素５３１は、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の３つの色光に対応する３つの部分画素５３１Ｒ、５３１Ｇ、５３１Ｂで構成されている。また、１つの画素５３１の入射面上には１つのマイクロレンズ５４１が対応して設けられている。互いに異なる角度で単板式カラー液晶ライトバルブ５２０に入射した３つの色光は、マイクロレンズアレイ５４０の各マイクロレンズ５４１毎に集光されて、それぞれ対応する部分画素５３１Ｒ，５３１Ｇ，５３１Ｂに入射し、各部分画素に与えられた画像情報に応じて変調される。
【０１３６】
なお、単板式カラー液晶ライトバルブ５２０に入射する３つの色光の角度、すなわち、３枚のダイクロイックミラー５００Ｒ，５００Ｇ，５００Ｂの傾き角は、各マイクロレンズ５４１に入射した３つの色光（赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂ）がそれぞれ対応する部分画素５３１Ｒ，５３１Ｇ，５３１Ｂに入射するように設定されており、各部分画素５３１Ｒ、５３１Ｇ，５３１Ｂの配列間隔ＰＤとマイクロレンズ５４１の焦点距離ｆμによって決まる。
【０１３７】
単板式カラー液晶ライトバルブ５２０の各画素５３１から射出された光は、投写光学系３４０を介してスクリーンＳＣ上に投写されてカラー画像を表示する。
【０１３８】
この投写型表示装置４０００も、ほとんど１種類の直線偏光光を射出する照明光学系１００を用いることによって、光の利用効率を向上させることができる。これにより明るい投写画像を表示させることができる。
【０１３９】
なお、投写型表示装置４０００の照明光学系として、上述した種々の偏光変換光学系を用いた照明光学系を利用することもできる。
【０１４０】
ここで、上述したように、照明光学系１００から射出される光には、偏光変換光学系３０において偏光選択反射板９０を反射することなく透過した光（透過光）と、偏光選択反射板９０と反射ミラー７８で反射された後に偏光選択反射板９０を透過した光（反射透過光）とが存在し、これらの光はリレーレンズ６２と偏光反射部７２とが配列する方向に沿って、第２のレンズアレイ８０上で合成される。従って、照明光学系１００から射出される光の拡がり角（角度分布の幅）は、合成方向（図８のｙ方向）では大きく、合成方向と直交する方向（図８のｘ方向）では比較的小さくなる傾向にある。一般に、光の拡がり角と集光性は逆比例の関係にあり、拡がり角が大きい光の場合には小さな集光像を形成できないため、液晶ライトバルブを照明する光の拡がり角が大きくなるほど、液晶ライトバルブや投写光学系における光の利用効率は低下する。
【０１４１】
一方、単板式カラー液晶ライトバルブ５２０の１つの画素５３１を構成する３つの部分画素５３１Ｒ，５３１Ｇ，５３１Ｂは、図１６（Ｂ）に示すように、ｚ軸方向から見て、１つの画素５３１がほぼ正方形の輪郭となるように、ｙ軸方向に細長いの輪郭形状を有している。従って、これら部分画素の輪郭形状と、そこに入射する光の集光性や拡がり角などの光学特性を合わせた構成とすれば、照明光学系１００から射出される光のように、特定の一方向に比較的大きな拡がり角を有する照明光を用いた場合においても、液晶ライトバルブや投写光学系における光の利用効率を低下させることがない。すなわち、照明光学系１００から射出される光において、その拡がり角が大きい方向と、部分画素の長手方向とが一致するように配置すればよい。このように配置とすれば、ｘ軸方向には小さくｙ軸方向には比較的大きな寸法の集光像を形成できるので、対応する部分画素に色光を効率よく入射させることが可能である。
【０１４２】
以上のことから、単板式カラー液晶ライトバルブに代表される空間色分離型のライトバルブを適用した投写型表示装置に用いられる照明光学系においては、照明光学系１００のように、透過光と反射透過光とが合成される方向、すなわち、リレーレンズ６２と偏光反射部７２の配列方向が、液晶ライトバルブにおける細長い輪郭形状を有する部分画素の長手方向と一致するように設定されていることが好ましい。本実施例の投写型表示装置４０００は、リレーレンズ６２と偏光反射部７２がｙ軸方向に配列された照明光学系１００を用い、照明光学系１００から射出された光の拡がり角の大きい方向を各部分画素の長手方向に設定しているため、３つの色光が対応する各部分画素のみに入射し、互いに他の部分画素に入射することがないため、明るく、混色のない画像を得られる点で有利である。
【０１４３】
なお、本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る。
【０１４４】
例えば、上記説明では、本発明の照明光学系を投写型表示装置に適用した場合を説明しているが、これに限定される必要はない。本発明の照明光学系は、種々の装置（例えば、直視型の表示装置）における照明光学系として利用可能である。
【０１４５】
また、電気光学装置として液晶パネルを用いた例を示しているが、これに限定される必要はない。特定の偏光光を利用して画像表示を行う形式の電気光学装置であれば、いかなる電気光学装置に対しても本発明の照明光学系を適用することができる。
【０１４６】
また、上記各実施例においては、偏光変換光学系を構成するリレー光学系として、第１のレンズアレイとリレーレンズアレイと第２のレンズアレイとで構成された複数のリレー光学系を備える場合を例に説明しているが、これに限定されるものではない。例えば、第１のレンズアレイとリレーレンズアレイ及び第２のレンズアレイの各々をアレイ化することなく、すなわち、１つの第１の小レンズ５２と１つのリレーレンズ６２と１つの偏光反射部７２と１つの第２の小レンズ８２及び偏光選択反射板９０を用いて偏光変換光学系を構成しても良い。このような構成においても、上述したのと同じ効果を得ることが出来る。但し、アレイ化することによって、偏光変換光学系の薄型化を図ることが出来るため、より小型の光学系を実現できると言う点で、第１のレンズアレイとリレーレンズアレイ及び第２のレンズアレイを用いた構成とした方が有利である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏光変換光学系の要部を側面から見た概略構成図である。
【図２】第１のレンズアレイ５０の外観を示す斜視図である。
【図３】第２のレンズアレイ８０とリレーレンズアレイ６０および偏光反射アレイ７０との関係を示す正面図である。
【図４】偏光変換光学系３０の変形例を示す説明図である。
【図５】偏光変換光学系３０の変形例を示す説明図である。
【図６】第１の小レンズ５２とリレーレンズ６２との間の光学的な距離Ｌ１を、リレーレンズ６２と第２の小レンズ８２との間の光学的な距離Ｌ２の２倍に設定した場合について示す概略構成図である。
【図７】本発明の他の偏光変換光学系を側面から見た概略構成図である。
【図８】本発明の偏光変換光学系を適用した照明光学系の要部を側面から見た概略構成図である。
【図９】本発明の照明光学系を適用した投写型表示装置の要部を側面から見た概略構成図である。
【図１０】本発明の照明光学系を用いた他の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。
【図１１】照明光学系１００から射出して第１のダイクロイックミラー２０２およびクロスダイクロイックプリズム３２０に入射する光について示す説明図である。
【図１２】第１のダイクロイックミラー２０２の色分離特性を示す説明図である。
【図１３】本発明の照明光学系を用いた別の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。
【図１４】偏光分離プリズム４２０に入射する光について示す説明図である。
【図１５】本発明の照明光学系を用いたさらに別の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。
【図１６】単板式カラー液晶ライトバルブ５２０の１つの画素を拡大して示す模式図である。
【符号の説明】
２０…光源
２２…光源ランプ
２４…凹面鏡
３０…偏光変換光学系
３０Ａ…偏光変換光学系
３０Ｂ…偏光変換光学系
３０Ｃ…偏光変換光学系
３０Ｄ…偏光変換光学系
３０Ｅ…偏光変換光学系
３０Ｆ…偏光変換光学系
３０Ｇ…偏光変換光学系
３０Ｈ…偏光変換光学系
４０…重畳光学系
５０…第１のレンズアレイ
５０ａ…第１のレンズアレイ
５２…第１の小レンズ
５２ａ…第１の小レンズ
５６…重畳レンズ
６０…リレーレンズアレイ
６０ａ…リレーレンズアレイ
６０ｂ…リレーレンズアレイ
６２…リレーレンズ
６２ａ…リレーレンズ
６２ｂ…リレーレンズ
７０…偏光反射アレイ
７０ａ…偏光反射アレイ
７０ｃ…偏光反射アレイ
７０ｈ…偏光反射アレイ
７２…偏光反射部
７２ａ…偏光反射部
７２ｈ…偏光反射部
７４…第３の小レンズ
７４ａ…第３の小レンズ
７８…反射ミラー
８０…第２のレンズアレイ
８０ａ…第２のレンズアレイ
８０ｂ…第２のレンズアレイ
８０ｃ…第２のレンズアレイ
８２…第２の小レンズ
８２ａ…第２の小レンズ
８２ｂ…第２の小レンズ
８２ｃ…第２の小レンズ
９０…偏光選択反射板
９０ｈ…偏光選択反射板
１００…照明光学系
１００Ａ…照明光学系
１００Ｂ…照明光学系
１１０…第４のレンズアレイ
１１２…第４の小レンズ
１２０…第５のレンズアレイ
１２２…第５の小レンズ
１３０…重畳レンズ
１５０…照明領域
１０００…投写型表示装置
３００…液晶ライトバルブ
２０００…投写型表示装置
２００…色光分離光学系
２０２，２０４…ダイクロイックミラー
２０２…第１のダイクロイックミラー
２０４…第２のダイクロイックミラー
２０８…反射ミラー
２２０…導光光学系
２２２…入射側レンズ
２２４，２２８…反射ミラー
２２６…リレーレンズ
２３０…射出側レンズ（フィールドレンズ）
２３２…フィールドレンズ
２３４…フィールドレンズ
３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂ…液晶ライトバルブ
３２０…クロスダイクロイックプリズム
３２１…赤色光反射ダイクロイック面
３２２…青色光反射ダイクロイック面
３４０…投写光学系
３０００…投写型表示装置
４２０…偏光分離プリズム
４２２…側面
４２２…偏光分離膜
４２４…側面
４２６…側面
４２８…偏光分離膜
４４０…液晶ライトバルブ
４４０…反射型液晶ライトバルブ
４６０…投写光学系
４０００…投写型表示装置
５００Ｂ…ダイクロイックミラー
５００Ｂ…青色光反射ダイクロイックミラー
５００Ｇ…緑色光反射ダイクロイックミラー
５００Ｒ…赤色光反射ダイクロイックミラー
５２０…単板式カラー液晶ライトバルブ
５３０…ライトバルブ部
５３１…画素
５３１Ｒ，５３１Ｇ，５３１Ｂ…部分画素
５４０…マイクロレンズアレイ
５４１…マイクロレンズ

Claims (19)

1. 非偏光な光を特定の偏光光に変換する偏光変換光学系であって、
   入射する非偏光な光を第１種と第２種の偏光光に分解し、前記第１種の偏光光を透過し、前記第２種の偏光光を反射する偏光選択反射要素と、
   入射する光線束を前記偏光選択反射要素に入射させるリレー光学系と、
   前記偏光選択反射要素に入射する光線束のうち前記偏光選択反射要素で反射される反射光線束の光路上に配置され、前記反射光線束が再び前記偏光選択反射要素に入射するように反射させるとともに、前記第２種の偏光光を前記第１種の偏光光と同じ種類の偏光光に変換する偏光反射光学系と、を備え、
   前記偏光反射光学系は、前記リレー光学系に入射した光線束が集光されて小形化されることによって生じる空間に配置されていることを特徴とする、
   偏光変換光学系。
2. 請求項１に記載の偏光変換光学系であって、
   前記リレー光学系は、
   複数の第１の小レンズを有し、入射する光線束を複数の部分光線束に分割する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイの光射出面側に前記複数の第１の小レンズに対応して配置される複数のリレーレンズを有するリレーレンズアレイと、
   前記リレーレンズアレイの光射出面側に前記複数のリレーレンズに対応して配置される複数の第２の小レンズを有する第２のレンズアレイと、を備え、
   前記第２のレンズアレイは、各第２の小レンズから射出されて前記偏光選択反射要素で反射された反射部分光線束が、前記偏光選択反射要素で反射される前の部分光線束を射出したのと同じ第２の小レンズに戻るように、前記偏光選択反射要素の入射側に近接して配置されており、
   前記複数のリレーレンズは、前記複数の第１の小レンズの射出側焦点位置の近傍であって、かつ、前記複数の第２の小レンズの入射側焦点位置の近傍でもある特定の位置に配置されているとともに、前記複数の第１の小レンズと前記複数の第２の小レンズとは、前記複数のリレーレンズに対して互いに共役となる位置に配置されており、
   前記偏光反射光学系は、
   前記複数の第２の小レンズから射出される複数の反射部分光線束の光路上にそれぞれ配置され、それぞれ対応する反射光部分線束を反射するとともに、前記第２種の偏光光を前記第１種の偏光光と同じ種類の偏光光に変換する複数の偏光反射部と、
   前記各偏光反射部で反射された反射部分光線束が、前記各偏光反射部で反射される前の反射部分光線束を射出したのと同じ第２の小レンズに戻るように設けられた複数の第３の小レンズと、を備える、
   偏光変換光学系。
3. 請求項２記載の偏光変換光学系であって、
   前記複数の偏光反射部は、それぞれ対応する第２の小レンズの焦点位置の近傍に配置され、
   前記複数の第３の小レンズは、それぞれ対応する前記第２の小レンズとほぼ等しい焦点距離を有し、それぞれ対応する偏光反射部の近傍に配置されている、
   偏光変換光学系。
4. 請求項２または請求項３に記載の偏光変換光学系であって、
   前記第１種と第２種の偏光光は偏光面が互いに直交する第１種と第２種の直線偏光光であり、
   前記複数の偏光反射部は、それぞれ、
   反射ミラーと、
   前記第３の小レンズと前記反射ミラーとの間に配置されたλ／４位相差板と、を備える、
   偏光変換光学系。
5. 請求項２または請求項３に記載の偏光変換光学系であって、
   前記第１種と第２種の偏光光は、互いに回転方向の異なる第１種と第２種の円偏光光であり、
   前記複数の偏光反射部は、それぞれ、反射ミラーである、
   偏光変換光学系。
6. 請求項５に記載の偏光変換光学系であって、
   さらに、前記偏光選択反射要素を透過した前記第１種の円偏光光を所定の直線偏光光に変換するλ／４位相差板を備える、
   偏光変換光学系。
7. 所定の照明領域を照明する照明光学系であって、
   請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の偏光変換光学系と、
   前記偏光変換光学系に、光線束を入射する光源と、
   を備える、
   照明光学系。
8. 請求項７に記載の照明光学系であって、さらに、
   前記偏光変換光学系から射出された光線束を複数の分割光線束に分割するとともに、前記複数の分割光線束を前記照明領域上で重畳する重畳光学系を備える、
   照明光学系。
9. 画像を投写して表示する投写型表示装置であって、
   請求項７または請求項８に記載の照明光学系と、
   前記照明光学系から射出された光を変調する電気光学装置と、
   前記電気光学装置によって変調された光を投写面上に投写する投写光学系と、を備える、
   投写型表示装置。
10. 請求項９に記載の投写型表示装置であって、
    前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は、前記投写光学系を介して投写される投写のあおり方向と略等しい、
    投写型表示装置。
11. 請求項１０に記載の投写型表示装置であって、
    前記透過光線束の傾き方向が、前記あおり方向と略等しい、投写型表示装置。
12. 画像を投写して表示する投写型表示装置であって、
    請求項７または請求項８に記載の照明光学系と、
    前記照明光学系からの射出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各色光をそれぞれ変調する複数の電気光学装置と、
    前記複数の電気光学装置によって変調された各色光を合成する色光合成光学系と、
    前記色光合成光学系から射出された合成光を投写面上に投写する投写光学系と、を備える、
    投写型表示装置。
13. 請求項１２に記載の投写型表示装置であって、
    互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
    前記色光分離光学系は、ｘｚ平面に対しては略垂直に、ｙｚ平面に対しては所定角度を成す色光分離面を有し、
    前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｙ方向に等しい、
    投写型表示装置。
14. 請求項１２に記載の投写型表示装置であって、
    互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
    前記色光合成光学系は、ｘｚ平面に対しては略垂直に、ｙｚ平面に対しては所定角度を成す色光合成面を有し、
    前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｙ方向に等しい、
    投写型表示装置。
15. 画像を投写して表示する投写型表示装置であって、
    請求項７または請求項８に記載の照明光学系と、
    入射光を、与えられた画像情報に応じて変調するとともに反射して射出する反射型電気光学装置と、
    前記反射型電気光学装置からの光を投写面上に投写する投写光学系と、
    前記照明光学系から前記反射型電気光学装置に入射する偏光光と、前記反射型電気光学装置から前記投写光学系に入射する偏光光とを、偏光特性の違いによって空間的に異なった方向に分離する偏光分離光学要素と、を備える、
    投写型表示装置。
16. 請求項１５に記載の投写型表示装置であって、
    互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
    前記偏光分離光学要素は、ｘｚ平面に対しては略垂直に、ｙｚ平面に対しては所定角度を成す偏光分離面を有し、
    前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｘ方向に等しい、
    投写型表示装置。
17. 画像を投写して表示する投写型表示装置であって、
    請求項７または請求項８に記載の照明光学系と、
    複数の色光にそれぞれ対応する複数の部分画素を備えて構成される複数の画素と、各画素に対応した微小集光要素を複数備えて構成される集光光学系とを有し、与えられた画像情報に応じて各画素を通過する光を変調する電気光学装置と、
    前記照明光学系からの射出光を複数の色光に分離するとともに、前記複数の色光をそれぞれ対応する前記複数の部分画素に入射するように、互いに異なった向きで射出する色光分離光学系と、
    前記電気光学装置によって変調された各色光を投写面上に投写する投写光学系と、を備える、
    投写型表示装置。
18. 請求項１７に記載の投写型表示装置であって、
    互いに直交する３つの方向軸をｘ，ｙ，ｚとし、前記照明光学系からの射出光の光軸と平行な方向をｚ方向としたとき、
    前記色光分離光学系は、複数の色を選択的に分離する複数の色光分離面を有し、
    複数の色光分離面は、ｘｚ平面に対してはすべて略垂直に配置され、ｙｚ平面に対しては、それぞれ異なった所定角度で配置され、
    前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は略ｙ方向に等しい、
    投写型表示装置。
19. 請求項１７に記載の投写型表示装置であって、
    前記リレー光学系から前記偏光選択反射要素に入射した光線束のうち、前記偏光選択反射要素を透過する透過光線束と、前記偏光選択反射要素で反射され、さらに前記偏光反射光学系で反射されて再び前記偏光選択反射要素に入射する反射光線束とが、前記偏光選択反射要素において合成される方向は、前記１つの画素に含まれる複数の部分画素の配列方向と垂直な方向にほぼ等しい、
    投写型表示装置。

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