JP3627392B2 - Polarization generator, display device, and projection display device - Google Patents

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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランダムな偏光状態を有する入射光束から、照明領域における光強度分布が入射光束の光強度分布よりも均一であり、偏光方向がほぼ揃った出射光束を発生させるための偏光発生装置に関するものである。さらに、本発明は、上記の偏光発生装置を用いた表示装置及び投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルの様に、偏光光束を変調するタイプのパネルを用いた表示装置の照明光学系に対しては、（１）偏光光束の光強度が高いこと、（２）照明領域における光強度分布が均一であること、が主に要求される。
【０００３】
１．偏光光束の光強度を高める技術
光源から発せられるランダムな偏光光束を一種類の偏光光束に変換し、液晶パネルにおける光の利用効率を高めて明るい表示状態を達成しようとする光学系が提案されている。
【０００４】
その一例として、特開平７−２９４９０６号公報に開示されている光学系（便宜的に偏光光学系と称す）の概要を図１１を用いて説明する。この光学系は、主にレンズ板９１０、複数の偏光ビームスプリッタ９２０、複数の反射プリズム９３０及びλ／２位相差板９４０により構成されている。その原理は、ランダムな偏光光束である入射光束を偏光光束分離面３３１を備えた偏光ビームスプリッタ９２０と反射面３３２を備えた反射プリズム９３０により二種類の偏光光束（Ｐ偏光光束とＳ偏光光束）に分離し、分離後の一方の偏光光束の偏光方向をλ／２位相差板９４０を用いて他方の偏光光束の偏光方向と合わせることにより一種類の偏光光束を得、その光束で液晶パネル９５０を照明しようとするものである。但し、偏光光束の分離過程においては、２つの偏光光束を形成する空間が必要になるため、一般的には光学系の拡幅化が避けられない。そこで、この偏光光学系では、予めレンズ板９１０により入射光束を集光し、空間的に分離された複数の中間光束に変換しておき、その中間光束が収束することにより生じた空間に反射プリズム９３０（反射面）を配置することにより、光学系の拡幅を招かずに一種類の偏光光束を得ている。
【０００５】
２．照明領域における光強度分布を均一にする技術
照明領域における光強度分布が入射光束の光強度分布よりも均一であるような照明光束を発生させる照明光学系として、例えば、特開平３−１１１８０６号公報に開示されているインテグレータ光学系が実用化されている。ここで、開示されているインテグレータ光学系は、原理的には露光機に使用されているものと同一である。
【０００６】
前記公報に開示されたインテグレータ光学系は、２つの光学要素として第１及び第２のレンズ板を用い、光源からの光束を、第１のレンズ板を構成している複数の光束分割レンズによって中間光束に分割し、中間光束が収束する位置の付近に配置された複数の集光レンズからなる第２のレンズ板を介して、中間光束を重畳結合させ、一ヶ所の照明領域を照明するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
特開平７−２９４９０６号公報の偏光光学系では、単に光源からのランダムな偏光光束を一種類の偏光光束に変換しているに過ぎないため、幾つかの問題点が生じる。
【０００８】
第１に、光源から発せられる光束の強度分布が照明光の照度分布（強度分布）に直接的に反映されるため、明るさが均一で色ムラのない照明光を得ることは困難である。なぜなら、通常、光源から発せられる光束は著しい明るさムラや色ムラを有するためである。
【０００９】
第２に、偏光ビームスプリッタ及び反射プリズムの光学的特性から、偏光ビームスプリッタを通過して出射されるＰ偏光光束と、偏光ビームスプリッタ及び反射プリズムを通過して出射されるＳ偏光光束との間では光強度やその分光特性が異なる。同様のことは、分離された２つの偏光光束の偏光方向を揃えるために用いられるλ／２位相差板を通過する偏光光束と通過しない偏光光束との間においても生じる。この偏光光学系では偏光方向を揃えた後の光束を重畳結合しないため、上記のような理由により照明領域上では明るさムラや色ムラが生じることになり、やはり良好な照明状態は得られない。上記の明るさのムラを防止する手段として、上記の偏光光学系では光拡散板を使用する構成が提案されているが、光拡散板の使用により液晶パネルに達する光は明らかに減少するため、明るさを増加させるという偏光光学系の本来の目的とは相反し、根本的な解決手段とはなり得ない。
【００１０】
第３に、偏光ビームスプリッタ９２０及び反射プリズム９３０を出射した光束は一切集光されることなく、大きな角度を伴って発散しながら液晶パネルに達するため、照明効率は低く、明るい表示状態が得られないばかりか、液晶パネルを見る方向によっては大きな色ムラを発生することになる。
【００１１】
一方、特開平３−１１１８０６号公報のインテグレータ光学系を用いた場合には、光強度分布の均一化はある程度達成できるものの、依然としてランダムな偏光光束を照明光として用いているため、明るさの改善には殆ど効果がない。
【００１２】
さらに、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置では、大口径で高価な投写レンズを使用しなくても、明るい投写映像を容易に得ることができるが、その反面、用いる光源の光特性により、クロスダイクロイックプリズムを構成する４つの直角プリズムの接合部分で生じる光散乱のために、投写映像に暗い影が生じ易い。この暗い影は、変調手段を照明する照明光の強度分布とその角度分布を均一にすることで、その存在を目立たなくすることができる。しかし、従来の照明系では、光強度分布とその角度分布における均一性が十分ではなかったため、上記の暗い影の存在を目立たなくすることはできなかった。
【００１３】
従って、一種類の偏光光束で特定の照明領域を均一に効率よく照明する光学系は、従来存在しなかった。
【００１４】
以上の様な点に鑑みて、本発明の課題は、
第１に、ランダムな偏光光である入射光束から、照明領域における光強度分布が入射光束のそれよりも均一であり、偏光方向がほぼ揃った一種類の偏光光束を発生させるための偏光発生装置を実現することにあり、
第２に、そのような偏光発生装置を用いて、明るく、明るさムラや色ムラのない表示装置を実現することにあり、
第３に、そのような偏光発生装置を用いて、Ｆナンバーの小さい大口径で高価な投写レンズを使用しなくても、明るく、明るさムラや色ムラのない投写映像を得られ、特に、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた場合においても、クロスダイクロイックプリズムにより生じる暗い影が目立たない投写映像を表示できる投写型表示装置を実現することにある。なお、Ｆナンバーとは、焦点距離とレンズ径との比である。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
１．偏光発生装置
（１）本発明の偏光発生装置は、入射光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素とを有し、前記第１の光学要素は、マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離する偏光光束分離手段と、前記偏光光束分離手段によって分離された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段とを有することを特徴とする。
【００１６】
ここで、第１の光学要素を構成する複数の光束分割レンズは、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向の配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離だけ行方向に相互にずれた状態で配列されている。このような配置様式を採用することにより、光束分割レンズをずらして配置しない場合と比べて、入射光束が光束の断面内で局所的により大きな光強度分布を有していた場合でも、明るさが均一で色ムラのない高品位な偏光光束を照明光として得ることができる。特に、光源ランプとリフレクターからなる光源から出射される光束に見られるように、光束の光強度分布が全く無秩序ではなく、光強度分布にある種の特徴や傾向を有している場合には、上記の第１の光学要素を用いることにより、照明領域における光強度分布やその角度分布を極めて均一なものとすることができる。
【００１７】
例えば、放物面リフレクターを備えた光源から出射される光束は、光源の光軸を対称軸とする光強度分布（光軸付近で光強度が大きく、周辺部で小さい）とその角度分布（光軸付近で出射角が広く、周辺部で狭い）を有する。そのため、この様な光束から光強度分布が均一な照明光を得るためには、（ａ）光束分割レンズの数を多くする、即ち、光束分割レンズにより生成される中間光束の数を増やす、或いは、（ｂ）光強度分布やその角度分布等の光束の諸特性に対して光束分割レンズを不規則に配置する、という方法が考えられるが、（ａ）の方法では、光束分割レンズの増加に伴い光束分割レンズ間の界面が増加してしまい、界面での光損失が増えてしまう。よって、照明領域における光強度分布を均一にできる反面、明るさが低下する結果となる。一方、（ｂ）の方法においては、隙間無く、且つ全く不規則に光束分割レンズを配置することが困難である等、いずれも有効な策ではない。
【００１８】
これに対して、本発明の偏光発生装置の上記第１の光学要素は、光束分割レンズ間に不必要な隙間を生じることもなく、単に列方向に隣り合う光束分割レンズを相互にずらす配置を採用するだけで、光強度分布におけるある種の特徴や傾向を相互に打ち消し、或いは、弱めあい、照明領域における光強度分布やその角度分布を極めて均一にすることができる。従って、光束分割レンズの数を必要以上に増やす必要もなく、光束分割レンズの界面における光損失を低減でき、明るさを低下させることなく光強度分布とその角度分布が均一な照明光を得ることができる。
【００１９】
ここで、列方向に隣り合う光束分割レンズのずらし量については特に限定されるものではない。しかし、光束分割レンズのずらし量が照明光の光強度分布とその角度分布に及ぼす効果や、光束分割レンズに対応して配置される第２の光学要素の配置の容易さを考慮すると、ずらし量を行方向の配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離とするのが最適である。
【００２０】
次に、本発明の偏光発生装置の上記第２の光学要素は、中間光束を最終的に一ヶ所の照明領域上で重畳結合するため、入射光束が光束の断面内で大きな光強度分布を有していた場合でも、明るさが均一で、色ムラのない偏光光束を照明光として得ることができる。先に紹介したインテグレータ光学系においても、中間光束を最終的に一ヶ所の照明領域上で重畳結合するため、照明領域上における光強度分布をある程度均一化できるが、本発明の偏光発生装置では、中間光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する過程を有することから、照明領域上で重畳結合される光束の数は、（光束分割レンズの数が同じである場合）インテグレータ光学系の場合と比較して２倍に増加しており、その結果、インテグレータ光学系に比べて、照明領域上における光強度分布を著しく均一化できる優れた特徴がある。尚、中間光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する過程、及び、一方の偏光光束の偏光方向を他方の偏光光束の偏光方向に変換する過程においては、光吸収や光散乱をほとんど伴わないため、非常に高い効率で偏光方向がほぼ揃った光束を得ることができる。
【００２１】
さらに、均等な光強度や分光特性で中間光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束に分離できない場合や、両偏光光束の偏光方向を揃える過程で一方の偏光光束の光強度やその分光特性が変化した場合においても、明るさが均一で色ムラのない偏光光束を照明光として得ることができる。
【００２２】
尚、偏光変換手段は、偏光光束分離手段で分離された２種類の偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する機能を有するが、２種類の偏光光束のいずれに対しても偏光方向の回転作用を施し、最終的に両偏光光束の偏光方向を一種類に揃える機能であってもよい。
【００２３】
ここで、本発明の偏光発生装置の上記第２の光学要素を構成する光学素子は、複数の偏光光束分離手段を一方向に配列して一体化したコンパクトな光学素子であり、第２の光学要素を小型化することができる。
【００２４】
上述したように、本発明の偏光発生装置の上記構成によれば、先に説明したすべての課題が解決でき、ランダムな偏光光束である入射光束から、照明領域における光強度分布やその角度分布が入射光束のそれよりも均一であり、偏光方向がほぼ揃った出射光束を非常に高い効率で発生することができるという効果を有する。
【００２５】
（２）本発明の上記偏光発生装置において、前記偏光光束分離手段は反射面と偏光光束分離面とを備え、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配置された構成をとっても良い。
【００２６】
一対の反射面と偏光光束分離面とを有する偏光光束分離手段を用いて、中間光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離するためには、Ｓ偏光光束が存在できる新たな空間が必要となる。中間光束の光束径を全く変えずに偏光光束分離手段に入射した場合には、偏光光束分離後の光束の幅（Ｐ偏光光束の幅とＳ偏光光束の幅を合わせた総幅）は入射光束の幅に対して２倍に拡がることになり、このことは光学系の大型化（拡幅）につながる。
【００２７】
本発明の上記偏光発生装置の構成は、光束分割レンズにより入射光束を分割しながら集光して複数の中間光束を形成し、それぞれの中間光束が収束する位置の近傍に、偏光光束分離手段により、中間光束の存在する空間と、その空間に隣接し全く光束の存在しない空間とからなる一対の空間を複数形成したものである。そして、本発明の上記偏光発生装置では、全く光束が存在しない空間をＳ偏光光束が存在できる新たな空間として利用している。以上の構成により、偏光光束分離後の光束の総幅が偏光光束分離前の入射光束の幅よりも大きくならないようにしながら、Ｐ偏光光束とＳ偏光光束とを空間的に完全に分離することができる。従って、ランダムな偏光光束である入射光束から偏光方向がほぼ揃った出射光束を発生させる過程において、光束の総幅が拡がらないため、光学系の小型化を実現できる。さらに、光束の総幅が拡がらないということは、複数の偏光光束を重畳結合させる段階で、光束が大きな角度成分を有しないことを意味し、従って、これらの光束を用いて照明を行う場合には、高い照明効率を得ることができる。尚、例えば、誘電体多層膜を用いれば、光吸収や光散乱を殆ど伴わない反射面や偏光光束分離面を容易に実現できる。従って、非常に高い効率で特定の偏光光束を発生させることが可能となる。
【００２８】
さらに、偏光光束分離手段の反射面と偏光光束分離面とを互いに平行に配置することにより、偏光光束分離手段で空間的に分離された２種類の偏光光束を、互いに平行な状態で偏光光束分離手段から出射でき、従って、これら２種類の偏光光束を最終的に一ヶ所の照明領域上で容易に重畳結合することができる。尚、偏光光束分離面及び反射面の設置角度は、中間光束の入射方向に対して概ね４５度に設定される。また、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配列されることから、偏光光束分離手段のブロックを列毎にまとめて形成することができ、その結果、偏光光束分離手段の製造を容易にし、同時に低コスト化することができる。
【００２９】
（３）また、本発明の上記偏光発生装置において、前記光束分割レンズの外形形状を矩形とすることにより、複数の光束分割レンズを用いて特定の平面を隙間なく、且つ、互いに重なることなく被うことができるため、入射光束を複数の中間光束に分割する際の光利用効率を極めて高くすることができる。また、本発明の偏光発生装置を用いて表示装置や投写型表示装置を構成した場合、被照明体である液晶パネルなどの変調手段の外形形状は一般に矩形状であることから、光束分割レンズの列方向と行方向とで形成される平面における外形形状も矩形状とした方が光の利用効率が良い。
【００３０】
（４）また、本発明の上記偏光発生装置において、第２の光学要素が、さらに、前記第１の光学要素によって空間的に分離された複数の前記中間光束をそれぞれ集光する集光手段を有し、この集光手段をマトリックス状に配置された複数の集光レンズで構成することにより、偏光光束分離手段に対して中間光束を確実に入射させ、つまり光源光の無駄を防ぎ、光の利用効率を向上させることが可能となる。特に、集光手段の採用により、偏光発生装置の性能を低下させずに、第２の光学要素の大きさを第１の光学要素の大きさよりも小さくすることができるため、光学系の小型化を達成することが可能となる。さらに、集光手段の採用により、偏光光束分離手段の行方向における配列や大きさの自由度を増すことができる。例えば、偏光発生装置の中心軸を対称軸として、行方向に並ぶ偏光光束分離面が対称な配置となるように複数の偏光光束分離手段を配置して、或いは、後述するように、偏光発生装置の中心軸付近では寸法の大きな偏光光束分離手段を、その周辺部では寸法の小さな偏光光束分離手段を用いて偏光発生装置を構成することができる、その結果、光の利用効率を一層向上させたり、装置の小型化を実現することができる。尚、一般的には、前記第１の光学要素を構成する前記光束分割レンズの行方向における大きさと、前記第２の光学要素を構成する前記偏光光束分割手段の行方向における大きさとを同じとする構成をとる場合が多く、その場合には、前記光束分割レンズと全く同一のレンズ体を集光レンズとして使用することができるため、前記光束分割レンズ及び集光レンズの製造コストを低減できる効果がある。
【００３１】
（５）さらに、本発明の上記偏光発生装置において、前記複数の集光レンズをいずれも偏心レンズとすることにより、前記偏光光束分離手段に入射する前記中間光束の入射角度を調整でき、前記偏光光束分離面に対する入射角度を最も理想的な角度（一般的には４５度）に設定することができる。
【００３２】
２．表示装置並びに投写型表示装置
（６）本発明の表示装置は、光源部と、前記光源部からの光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素と、前記第２の光学要素から出射された光束を変調する変調手段とを有する表示装置であって、前記第１の光学要素は、マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離して出射する偏光光束分離手段と、前記偏光光束分離手段から出射された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段とを有することを特徴とする。
【００３３】
（８）また、本発明の第１の投写型表示装置は、光源部と、前記光源部からの光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素と、前記第２の光学要素から出射された光束を変調する変調手段と、前記変調手段によって変調された光束を投写する投写光学手段とを有する投写型表示装置であって、前記第１の光学要素は、マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離する偏光光束分離手段と、前記偏光光束分離手段によって分離された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段とを有することを特徴とする。
【００３４】
（１３）さらに、また、本発明の第２の投写型表示装置は、光源部と、前記光源部からの光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素と、前記第２の光学要素から出射された光束を２以上の色光に分離する色光分離手段と、前記色光分離手段から出射されるそれぞれの色光に対応して設けられた２以上の前記変調手段と、それぞれの前記変調手段によって変調された色光を合成する色光合成手段と、前記色光合成手段によって合成された光束を投写する投写光学手段とを有する投写型表示装置であって、前記第１の光学要素は、マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、前記第２の光学要素は、前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離して出射する偏光光束分離手段と、前記偏光光束分離手段にから出射された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段とを有することを特徴とする。
【００３５】
ここで、第１の光学要素を構成する複数の光束分割レンズは、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向の配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離だけ行方向に相互にずれた状態で配列されている。前に述べたように、このような構成により、光束分割レンズ間に不必要な隙間を生じることもなく、単に列方向に隣り合う光束分割レンズを相互にずらす配置を採用するだけで、光強度分布におけるある種の特徴や傾向を相互に打ち消し、或いは、弱めあい、照明領域における光強度分布やその角度分布を極めて均一にすることができる。従って、光束分割レンズの数を必要以上に増やす必要もなく、光束分割レンズの界面における光損失を低減でき、明るさを低下させずに光強度分布とその角度分布が均一な照明光を得ることができる。この効果は、特に、光源ランプとリフレクターからなる光源から出射される光束に見られるように、光束の光強度分布が全く無秩序ではなく、光強度分布にある種の特徴や傾向を有している場合に顕著であり、照明領域における光強度分布やその角度分布を極めて均一なものとすることができる。
【００３６】
その理由については前に述べた通りである。
【００３７】
なお、列方向に隣り合う光束分割レンズのずらし量については特に限定されるものではない。しかし、光束分割レンズのずらし量が照明光の光強度分布とその角度分布に及ぼす効果や、光束分割レンズに対応して配置される第２の光学要素の配置の容易さを考慮すると、ずらし量を行方向の配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離とするのが最適である。
【００３８】
また、先に述べたように、上記第２の光学要素は、入射光束を一旦複数の中間光束に分割し、さらに、複数の中間光束をその２倍の数の偏光光束（Ｐ偏光光束とＳ偏光光束）に分割した後、それらの偏光光束を最終的に一ヶ所の照明領域上で重畳結合するため、入射光束が光束の断面内で大きな光強度分布を有していた場合でも、明るさが均一で、色ムラのない偏光光束を照明光として得ることができる。さらに、均等な光強度や分光特性で中間光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束に分離できない場合や、両偏光光束の偏光方向を揃える過程で一方の偏光光束の光強度やその分光特性が変化した場合においても、明るさが均一で色ムラのない偏光光束を照明光として得ることができる。
【００３９】
このように、本発明の表示装置、並びに、第１及び第２の投写型表示装置の上記構成によれば、表示面並びに投写面全体に渡ってきわめて均一な画像を得ることが可能となる。
【００４０】
なお、光源部は、一般的に光源ランプとリフレクターにより構成されるものが多く、光源ランプとしては、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、リフレクターとしては放物面リフレクター、楕円リフレクター、球面リフレクター等が使用できる。また、変調手段としては、透過型液晶パネルや反射型液晶パネル等が使用できる。特に、反射型液晶パネルを用いた反射型の投写型表示装置においては、明るさムラや色ムラが非常に少ない照明光を必要とするため、そのような投写型表示装置を構成する際には、本発明の偏光発生装置を応用することは特に有効である。
【００４１】
（７）（９）（１４）また、本発明の上記表示装置、並びに、第１及び第２の投写型表示装置において、前記偏光光束分離手段は反射面と偏光光束分離面とを備え、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配置された構成をとっても良い。
【００４２】
先に説明したように、このような構成を採用することで、偏光光束分離後の光束の総幅が偏光光束分離前の入射光束の幅よりも大きくならないようにしながら、Ｐ偏光光束とＳ偏光光束とを空間的に完全に分離することができる。従って、ランダムな偏光光束である入射光束から偏光方向がほぼ揃った出射光束を発生させる過程において、光束の総幅が拡がらないため、光学系の小型化を実現できる。したがって、本発明によれば、非常に小型で取扱い性に優れたもの表示装置、並びに、投写型表示装置を提供することができる。
【００４３】
さらに、光束の総幅が拡がらないということは、複数の偏光光束を重畳結合させる段階で、光束が大きな角度成分を有しないことを意味し、従って、これらの光束を用いて照明を行う場合には、高い照明効率を得ることができる。なお、偏光発生過程においては殆ど光吸収を伴わないため、非常に高い効率で特定の偏光光束を発生させることが可能となる。よって、本発明によれば、Ｆナンバーの小さい大口径の高価な投写レンズを使用しなくても、画像の明るい投写型表示装置を提供することが可能となる。
【００４４】
このように、本発明の表示装置、第１及び第２の投写型表示装置の上記構成によれば、非常に小型で取扱い性に優れた表示装置、及び投写型表示装置を提供することができ、かつ投写面全体に渡って明るく、均一な画像を得ることが可能となる。また、Ｆナンバーの小さい大口径の高価な投写レンズを使用する必然性がないため、より安価な投写型表示装置を提供することも可能である。
【００４５】
さらに、偏光光束分離手段の反射面と偏光光束分離面とを互いに平行に配置することにより、偏光光束分離手段で空間的に分離された２種類の偏光光束を、互いに平行な状態で偏光光束分離手段から出射させ、これら２種類の偏光光束を最終的に一ヶ所の照明領域上で容易に重畳結合することができる。尚、偏光光束分離面及び反射面の設置角度は、中間光束の入射方向に対して概ね４５度に設定される。また、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配列されることから、偏光光束分離手段のブロックを列毎にまとめて形成することができ、その結果、偏光光束分離手段の製造を容易にし、同時に低コスト化することができる。
【００４６】
（１０）（１５）また、前記第２の光学要素に、マトリックス状に配置された複数の集光レンズからなる前記中間光束を集光する集光手段を設けることにより、偏光光束分離手段に対して中間光束を確実に入射させることができ、表示装置における光の利用効率の一層の向上や、装置自体の小型化を達成することが可能となる。尚、一般的には、前記第１の光学要素を構成する前記光束分割レンズの行方向における大きさと、前記第２の光学要素を構成する前記偏光光束分割手段の行方向における大きさとを同じとする構成をとる場合が多く、その場合には、前記光束分割レンズと全く同一のレンズ体を集光レンズとして使用することができるため、前記光束分割レンズ及び集光レンズの製造コストを低減できる効果がある。
【００４７】
（１１）（１６）さらに、前記複数の集光レンズをいずれも偏心レンズとした場合には、前記偏光光束分離手段に入射する前記中間光束の入射角度を調整でき、前記偏光光束分離面に対する入射角度を最も理想的な角度（一般的には４５度）に設定することができる。その結果、光の利用効率を一層向上でき、明るい投写映像を得られる投写型表示装置を実現することができる。
【００４８】
（１２）（１７）また、光源部の光軸付近に位置する光束分割レンズによって形成される集光像の方が、光源光軸から離れた周辺部に位置する光束分割レンズによって形成される集光像よりもその寸法が小さいため、前記複数の偏光光束分離手段のうち、前記光源部の光軸付近に位置する前記偏光光束分離手段の寸法を、前記光源部の光軸から離れた周辺部に位置する前記偏光光束分離手段の寸法よりも大きくすると、光学系の効率をより一層向上させることができ、同時に、偏光光束分離手段の大きさの最適化が図れるため、光学系の小型化を達成できる。
【００４９】
（１８）また、本発明の上記第２の投写型表示装置においては、前記第２の光学要素から出射された光束を２以上の色光に分離する色光分離手段と、前記それぞれの色光に対応して設けられた２以上の前記変調手段と、それぞれの前記変調手段によって変調された色光を合成する色光合成手段とを設け、前記色合成手段により合成された光束が、前記投写光学系を介して投写されるように構成されているため、分離された２つ以上の色光のそれぞれに対して専用の変調手段を配置することができ、その結果、明るく、色の表現性が良く、解像度の高いカラー映像を表示可能な小型の投写型表示装置を実現することができる。
【００５０】
ここで、前記色光合成手段として、ダイクロイック膜を十字状に配置したクロスダイクロイックプリズムを使用できる。クロスダイクロイックプリズムを用いた場合には、投写光学手段（投写レンズ）と変調手段（液晶パネル）との間の距離を短くできるため、Ｆナンバーの小さい大口径で高価な投写レンズを使用しなくても、明るい投写映像を表示することができる。一方、クロスダイクロイックプリズムを構成する４つの直角プリズムの接合部分では光散乱が生じるため、クロスダイクロイックプリズムを色光合成手段として用いた投写型表示装置では、投写映像に暗い影が生じる場合がある。しかし、この暗い影は、変調手段を照明する照明光の強度分布とその角度分布を均一にすることで、その存在を目立たなくすることができる。従って、本発明の投写型表示装置によれば、照明領域における光強度分布とその角度分布を極めて均一にできるため、クロスダイクロイックプリズムの使用時に生じる暗い影の存在を極めて目立ちにくくでき、結果として、高品位な投写映像を得ることができる。
【００５１】
なお、上記の第２の光学要素を構成するための集光手段、偏光光束分離手段、偏光変換手段、及び、前記重畳結合手段のうち、少なくとも２つ以上を一体化することにより、集光手段と偏光光束分離手段との界面、偏光光束分離手段と偏光変換手段との界面、又は、偏光変換手段と重畳結合手段との界面における光損失を低減でき、偏光発生装置における光の利用効率をより一層向上することが可能となる。
【００５２】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して本発明の各実施例について説明する。尚、以下の各実施例においては、特にことわりのない限り、互いに直行する３つの方向を便宜的にＸ方向、Ｙ方向、Ｚ方向とした。また、いずれの実施例においても、ランダムな偏光光束から一種類の偏光光束として、Ｓ偏光光束を得る構成としているが、勿論、Ｐ偏光光束を得る構成としてもよい。
【００５３】
（偏光照明装置１）
図１は、本発明の偏光発生装置を用いて構成した偏光照明装置１の一例を示すものであり、その光学系の要部を平面的にみた概略構成図である。尚、この図１は、後に詳しく述べる第２の光学要素３００の中心を通るＸＺ平面における断面図である。本例の偏光照明装置１はシステム光軸Ｌに沿って配置された光源部１０、偏光発生装置２０から大略構成されている。光源部１０から出射されたランダムな偏光光束は、偏光発生装置２０により偏光方向がほぼ揃った一種類の偏光光束に変換され、照明領域９０に至るようになっている。
【００５４】
光源部１０は、光源ランプ１０１と、放物面リフレクター１０２から大略構成されており、光源ランプから放射された光は、放物面リフレクター１０２によって一方向に反射され、略平行な光束となって偏光発生装置２０に入射する。ここで、光源部１０の光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して一定の距離ＤだけＸ方向に平行シフトした状態となるように、光源部１０は配置されている。
【００５５】
次に、偏光発生装置２０は、第１の光学要素２００と、第２の光学要素３００から構成されている。
【００５６】
第１の光学要素２００は、その外観を図２に示す様に、ＸＹ平面上で矩形状の外形を有する複数の光束分割レンズ２０１がマトリックス状に配列して構成されており、また、Ｙ方向（列方向）に隣り合う光束分割レンズは、Ｘ方向（行方向）における配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離だけ、それぞれがＸ方向に相互にずれた状態で配置されている。ここで、光源部１０と第１の光学要素２００との位置関係は、光源部１０の光源光軸Ｒが第１の光学要素２００の中心に来るように設定されている。
【００５７】
第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１は、いずれも偏心レンズであり、すなわち、それぞれの光束分割レンズにおいては、レンズ光軸が光束分割レンズの中心からずれた位置に設定されている。ここで、それぞれの光束分割レンズ２０１におけるレンズ光軸の設定状態を図３に示す。図３は、第１の光学要素２００を光源部側から見た場合のそれぞれの光束分割レンズ２０１におけるレンズ光軸の位置を示した図であり、奇数行目を構成する光束分割レンズでは、レンズ中心２０５から−Ｘ方向にシフトした位置（この場合の偏心量は光束分割レンズのＸ方向の大きさの１／４）に、また、偶数行目を構成する光束分割レンズでは、レンズ中心２０５から＋Ｘ方向にシフトした位置（偏心量は奇数行目を構成する光束分割レンズの場合と同じ）にそれぞれのレンズ光軸２０４は設定されている。すなわち、偏心方向が異なる２種類の偏心レンズが列方向に互い違いに配置されている。尚、それぞれの光束分割レンズにおける偏心方向及び偏心量については、後述する第２の光学要素の形状や大きさによって変化するため、固定値ではない。
【００５８】
再び、図２に戻って説明する。第１の光学要素２００に入射した光は、光束分割レンズ２０１により複数の中間光束２０２に分割され、同時に光束分割レンズの集光作用により、システム光軸Ｌと垂直な平面内（図１ではＸＹ平面）の中間光束が収束する位置に、光束分割レンズの数と同数の集光像２０３を形成する。第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１を偏心レンズとしているため、光束分割レンズの配列の仕方に左右されることなく、集光像を形成する位置を自在に設定することが可能となっている。従って、光束分割レンズ２０１のＹ方向（列方向）における配列の仕方はジグザグ状であるにもかかわらず、対応する集光像２０３の配列の仕方は、偏心レンズの使用により一直線状となっている。その結果、集光像２０３の集まりによって形成される光束の大きさ（ＸＹ平面上での断面積）を小さくすることができ、後述する第２の光学要素３００の大きさ（ＸＹ平面上での断面積）を小さく、つまり光学系を小型化できる。また、同一列方向（Ｙ方向）に列ぶ一連の集光像（図２では破線により囲まれた５つの集光像）に対してＹ方向に細長い１つの偏光分離ユニット３３０を対応させればよいため、第２の光学要素３００の構成が簡略化でき、製造も容易となる。尚、光束分割レンズ２０１のＸＹ平面上における外形形状は、照明領域９０の形状と相似形をなすように設定されている。本例では、ＸＹ平面上でＸ方向に長い横長の照明領域を想定しているため、光束分割レンズ２０１のＸＹ平面上における外形形状も横長である。
【００５９】
再び、図１に戻って説明する。第２の光学要素３００は、集光手段である集光レンズアレイ３１０、偏光光束分離手段である偏光分離ユニットアレイ３２０、偏光変換手段である選択位相差板３８０及び重畳結合手段である重畳結合レンズ３９０から大略構成される複合体であり、第１の光学要素２００による集光像２０３が形成される位置の近傍の、システム光軸Ｌに対して垂直な平面内（図１ではＸＹ平面）に配置される。この第２の光学要素３００は、中間光束２０２のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離した後、一方の偏光光束の偏光方向と他方の偏光光束の偏光方向とを揃え、偏光方向がほぼ揃ったそれぞれの偏光光束を一ヶ所の照明領域９０に導くような機能を有している。
【００６０】
集光レンズアレイ３１０は、その外観を図４に示すように、偏心レンズである集光レンズ３１１をマトリックス状に複数配列したものであり、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１と同数の集光レンズ３１１を用いて構成されている。すなわち、第１の光学要素がＭ行×Ｎ列からなる光束分割レンズで構成されていた場合、集光レンズアレイも同様にＭ行×Ｎ列からなる集光レンズにより構成されている。集光レンズアレイの機能は、第１の光学要素２００から出射されたそれぞれの中間光束を偏光分離ユニットアレイ３２０の特定の場所に集光しながら効率よく導くことである。そのため、一般的には、偏光分離ユニットアレイ３２０に入射する中間光束２０２の特性に合わせて、さらには、偏光分離ユニットアレイ３２０に入射する光はその主光線の傾きがシステム光軸Ｌと平行であることが理想的である点を考慮して、それぞれの集光レンズの大きさやレンズ特性は最適化される。さらに、光学系の小型化、及び、光利用効率の向上を図るといった観点から、光束分割レンズ２０１とＸＹ平面での形状が相似形である集光レンズを用いて、集光レンズアレイ３１０を構成する場合もある。従って、本例においては、光学特性の最適化及び光学系の低コスト化を考慮して、光束分割レンズ２０１と同一の偏心レンズを集光レンズ３１１として用いており、その結果、後述する偏光分離ユニット３３０に入射する中間光束の入射角度は最も理想的な角度（０度）となっている。また、集光レンズ３１１の配列の仕方も第１の光学要素２００により形成される集光像２０３の配列の仕方と対応するように設定されている。すなわち、偏心方向が異なる２種類の偏心レンズが列方向に互い違いに配置されている。但し、図２に示したように、同一列方向（Ｙ方向）における集光像の配列の仕方は一直線状であるため、集光レンズの配列の仕方も同一列方向において一直線状である。尚、集光レンズアレイ３１０は必ずしも必要不可欠な構成要素ではなく、偏光分離ユニットアレイ３２０に入射する中間光束の特性、偏光分離ユニットアレイの特性や配置形態、及び、重畳結合レンズ３９０のレンズ特性によっては、省略することが可能である。
【００６１】
次に、偏光分離ユニットアレイ３２０は、その外観を図５に示すように、複数の偏光分離ユニット３３０がＸ方向（行方向）に配列した構成であり、偏光分離ユニットの数は第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１のＸ方向に並ぶ数に等しい。
【００６２】
偏光分離ユニット３３０はその外観を図６に示す様に、内部に偏光光束分離面３３１と反射面３３２とを備えたＹ方向に細長い四角柱状の構造体であり、偏光分離ユニットに入射する中間光束のそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する機能を有している。本例の場合、偏光分離ユニット３３０のＸ方向における大きさは光束分割レンズ２０１のＸ方向における大きさと等しく、また、偏光分離ユニット３３０のＹ方向における大きさは第１の光学要素２００のＹ方向における大きさと等しくなるように設定されている。従って、同一列方向（Ｙ方向）に列ぶ一連（５つ）の中間光束（集光像）に対して１つの偏光分離ユニットが対応するようになっている。勿論、一つの中間光束に対して一つの偏光分離ユニットが対応するように、すなわち、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１と等しい数の偏光分離ユニットを、集光レンズアレイ３１０のように、マトリックス状に配列することにより偏光分離ユニットアレイ３２０を構成してもよい。但し、偏光分離ユニット３３０の大きさに関しては、必ずしも上記の設定値に限定される訳ではなく、第１の光学要素２００で形成された中間光束（集光像）の全体の大きさにより決定されるものである。
【００６３】
偏光光束分離面３３１はシステム光軸Ｌに対して約４５度の傾きをなし、且つ、反射面３３２は偏光光束分離面３３１と平行な状態をなし、さらに、偏光光束分離面３３１がＸＹ平面上に投影する断面積（後述するＰ出射面３３３の面積に等しい）と反射面３３２がＸＹ平面上に投影する断面積（後述するＳ出射面３３４の面積に等しい）が等しくなるように、偏光光束分離面３３１と反射面３３２とは設定されている。従って、本例では、偏光光束分離面３３１が存在する領域のＸＹ平面上でのＸ方向における大きさＷｐと反射面３３２が存在する領域のＸＹ平面上でのＸ方向における大きさＷｍとは等しくなり、且つ、それぞれは偏光分離ユニット３３０のＸＹ平面上でのＸ方向における大きさＷの半分に等しい。尚、一般的に、偏光光束分離面は誘電体多層膜で、また、反射面は誘電体多層膜またはアルミニウム膜で容易に形成することができる。誘電体多層膜の使用により、光吸収を伴うことなくランダムな偏光光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束とに分離でき、また、特定の偏光光束を反射させることができる。
【００６４】
偏光分離ユニット３３０に入射した中間光束２０２は、偏光光束分離面３３１において、進行方向を変えずに偏光光束分離面３３１を通過するＰ偏光光束３３５と、偏光光束分離面３３１で反射され隣接する反射面３３２の方向に進行方向を変えるＳ偏光光束３３６とに分離される。Ｐ偏光光束３３５はそのままＰ出射面３３３を経て偏光分離ユニットから出射され、Ｓ偏光光束３３６は再び反射面３３２で進行方向を変え、Ｐ偏光光束３３５とほぼ平行な状態となって、Ｓ出射面３３４を経て偏光分離ユニットから出射される。従って、偏光分離ユニットに入射したランダムな偏光光束は偏光分離ユニットにより偏光方向が異なるＰ偏光光束とＳ偏光光束の二種類の偏光光束に分離され、偏光分離ユニットの異なる場所（Ｐ出射面とＳ出射面）からほぼ同じ方向に向けて出射される。偏光分離ユニットは上記の様な作用を有することから、それぞれの偏光分離ユニット３３０の偏光光束分離面３３１が存在する領域にそれぞれの中間光束２０２を導く必要があり、そのため、偏光分離ユニット内の偏光光束分離面の中央部に中間光束が入射するように、それぞれの偏光分離ユニット３３０とそれぞれの集光レンズ３１１の位置関係やそれぞれの集光レンズ３１１のレンズ特性を調整しておく必要がある。本例の場合には、それぞれの偏光分離ユニット３３０内の偏光光束分離面３３１の中央部にそれぞれの集光レンズの中心（レンズの光軸ではない）が来るように配置するため、集光レンズアレイ３１０は、偏光分離ユニットのＸ方向における大きさの１／４に相当する距離だけ、偏光分離ユニットアレイ３２０に対してＸ方向にずらした状態で配置されている。尚、同様の観点から、第１の光学要素２００は、光束分割レンズ２０１のＸ方向における大きさの１／４に相当する距離だけ、第２の光学要素３００に対してＸ方向にずらした状態で配置されている（図１では、第１の光学要素２００の第３行目部分の光束分割レンズのみが描かれているため、第２の光学要素に対する第１の光学要素のずらし量は光束分割レンズ２０１のＸ方向における大きさの１／２となっている）。
【００６５】
偏光分離ユニットアレイ３２０の出射面の側には、λ／２位相差板３８１が規則的に配置された選択位相差板３８０が設置されている。即ち、偏光分離ユニットアレイ３２０を構成する偏光分離ユニット３３０のＰ出射面３３３の部分にのみλ／２位相差板３８１が配置され、Ｓ出射面３３４の部分にはλ／２位相差板３８１は設置されていない（図６を参照）。この様なλ／２位相差板３８１の配置状態により、偏光分離ユニット３３０から出射されたＰ偏光光束は、λ／２位相差板３８１を通過する際に偏光方向の回転作用を受けＳ偏光光束へと変換される。一方、Ｓ出射面３３４から出射されたＳ偏光光束はλ／２位相差板３８１を通過しないので、偏光方向は変化せず、Ｓ偏光光束のまま選択位相差板３８０を通過する。以上をまとめると、偏光分離ユニットアレイ３２０と選択位相差板３８０により、偏光方向がランダムな中間光束は一種類の偏光光束（この場合はＳ偏光光束）に変換されたことになる。
【００６６】
選択位相差板３８０の出射面の側には、重畳結合レンズ３９０が配置されており、選択位相差板３８０によりＳ偏光光束に揃えられた光束は、重畳結合レンズ３９０により照明領域９０へと導かれ、照明領域上で重畳結合される。ここで、重畳結合レンズ３９０は１つのレンズ体である必要はなく、第１の光学要素２００のように、複数のレンズの集合体であってもよい。
【００６７】
第２の光学要素３００の機能をまとめると、第１の光学要素２００により分割された中間光束２０２（つまり、光束分割レンズ２０１により切り出されたイメージ面）は、第２の光学要素３００により照明領域９０上で重畳結合される。これと同時に、途中の偏光分離ユニットアレイ３２０により、ランダムな偏光光束である中間光束は偏光方向が異なる二種類の偏光光束に空間的に分離され、選択位相差板３８０を通過する際に一種類の偏光光束に変換されて、殆どすべての光が照明領域９０へと達する。このため、照明領域９０は殆ど一種類の偏光光束でほぼ均一に照明されることになる。
【００６８】
以上説明したように、本例の偏光照明装置１によれば、光源部１０から出射されたランダムな偏光光束を、第１の光学要素２００と第２の光学要素３００により構成される偏光発生装置２０により、ほぼ一種類の偏光方向を有する非常に多数の光束に変換すると共に、その偏光方向の揃った光束により照明領域９０を均一に照明できるという効果を有する。特に、中間光束を２種類の偏光光束に分離する過程では、照明領域上で重畳結合される光束の数は中間光束の数の２倍に増えるため、照明領域における照明光の均一性は著しく向上する。加えて、偏光光束の発生過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源部から出射される光の殆どすべてを照明領域９０へと導くことができ、従って、偏光照明装置１においては光の利用効率が極めて高いという特徴を有する。
【００６９】
また、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１を、Ｙ方向に隣り合う光束分割レンズでは、Ｙ方向と直交するＸ方向における配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離だけ、それぞれがＸ方向に相互にずれた状態となるように配置しているため、光源部から出射される光束が非常に不均一な強度分布を有するような場合でも、必要以上に光束分割レンズの数を増やすことなく、照明領域９０上において光強度分布やその角度分布が極めて均一な高品位の偏光光束を照明光として得ることができる。
【００７０】
尚、本例では、第２の光学要素３００を構成する集光レンズアレイ３１０、偏光分離ユニットアレイ３２０、選択位相差板３８０及び重畳結合レンズ３９０は光学的に一体化されており、それらの界面において発生する光損失を低減し、光利用効率を一層高める効果を発揮している。
【００７１】
さらに、横長の矩形形状である照明領域９０の形状に合わせて、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１を横長の形状とし、同時に、偏光分離ユニットアレイ３２０から出射された二種類の偏光光束を横方向（Ｘ方向）に分離する形態としている。このため、横長の矩形形状を有する照明領域９０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（光利用効率）を高めることができる。
【００７２】
一般に、偏光方向がランダムな光束をＰ偏光光束とＳ偏光光束とに単純に分離すると、分離後の光束全体の幅は２倍に拡がり、それに応じて光学系も大型化してしまう。しかし、本発明の偏光照明装置では、第１の光学要素２００により微小な複数の集光像２０３を形成し、それらの形成過程で生じた光の存在しない空間を上手く利用し、その空間に偏光分離ユニット３３０の反射面３３２を配置することにより、２つの偏光光束に分離することに起因して生じる光束の横方向への幅の広がりを吸収しているので、光束全体の幅は広がらず、小型の光学系を実現できるという特徴がある。
【００７３】
（偏光照明装置２）
第１の光学要素２００により形成される集光像２０３の大きさと、中間光束２０２の光束径が最も細くなった状態における光束径とはほぼ等価であり、それぞれの集光像はすべて同じ寸法形状をなしている訳ではない。即ち、光源光軸Ｒ付近に位置する光束分割レンズによって形成される集光像はその寸法が大きく、光源光軸Ｒから離れた周辺部に位置する光束分割レンズによって形成される集光像はその寸法が小さい。従って、第１の光学要素により形成されるそれぞれの集光像の寸法形状に合わせて、偏光分離ユニットアレイを構成するそれぞれの偏光分離ユニットの寸法形状を最適化すれば、光学系の効率を一層向上させられると共に、光学系の小型化を達成できる。尚、この場合、２つの偏光光束をＸ方向に分離しているため、偏光分離ユニットのＸ方向とＺ方向の大きさを最適化するだけでも、光学系の効率を向上することができる。
【００７４】
また、偏光分離ユニットアレイ３２０を構成する偏光分離ユニット３３０の配置の仕方は、実施例１の場合のように全ての偏光分離面３３１が平行な位置関係で配置される必要はない。従って、偏光分離ユニットの配置の仕方を工夫することで、光学系の効率を一層向上できたり、或いは、第２の光学要素の大きさを小型化できる可能性がある。
【００７５】
さらに、集光レンズアレイ３１０を構成するそれぞれの集光レンズ３１１のＸＹ平面における寸法形状は、対応して配置されるそれぞれの偏光分離ユニット３３０に入射する中間光束の大きさに合わせて設定されればよい。すなわち、集光レンズのＸ方向の寸法は、対応して配置されるそれぞれの偏光分離ユニットのＸ方向の寸法の、少なくとも半分以上であれば十分である。
【００７６】
従って、上記の点を考慮して構成した別の偏光照明装置の一例を偏光照明装置２として、図７を用いて説明する。尚、この図７は、先の図１と同様に、第２の光学要素３００の中心を通るＸＺ平面における断面図である。また、この偏光照明装置２、および以下に説明する各実施例では、基本的な構成が実施例１に係わる偏光照明装置１と同じであるため、同じ機能を有する部分には同じ符号を付して、その説明を省略する。本例の偏光照明装置２では、偏光分離ユニットに入射する中間光束の大きさに合わせて、それぞれの偏光分離ユニットと集光レンズのＸ方向における大きさを最適化し、同時に、システム光軸Ｌを対称軸として、偏光分離面がＸＹ平面内で左右対称な状態となるように偏光分離ユニットを配置している。そのため、基本的な構成は偏光照明装置１の場合とほぼ同じであるが、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１のレンズ特性、偏光分離ユニットアレイ３２０を構成するそれぞれの偏光分離ユニット３３０の寸法形状及びその配置状態、選択位相差板３８０を構成するλ／２位相差板３８１の寸法形状及びその配置状態、及び重畳結合レンズ３９０の構成、偏光分離ユニットアレイ３２０に対する光源部１０と第１の光学要素２００の位置関係等が偏光照明装置１とはやや異なっている。
【００７７】
本例の偏光分離ユニットアレイ３２０は、Ｘ方向とＺ方向の寸法が異なる（Ｙ方向の寸法は同じである）２種類の偏光分離ユニットＬ３４０、偏光分離ユニットＳ３４１を用いて構成されている。即ち、システム光軸Ｌ付近に位置する偏光分離ユニットＬ３４０は寸法の大きな集光像に対応できるようにＸ方向とＺ方向の寸法が大きく、一方、システム光軸Ｌから離れた周辺部に位置する偏光分離ユニットＳ３４１は寸法の小さな集光像に対応できればよいからＸ方向とＺ方向の寸法は小さくなっている。尚、偏光分離ユニットの大きさを配置場所に応じて変化させた場合には、システム光軸Ｌを対称軸として、偏光光束分離面３３１がＸＹ平面内で左右対称な状態となるように偏光分離ユニットを配置することで、一般的には光学系が構成し易くなる。
【００７８】
また、偏光分離ユニットアレイ３２０の出射面の側に配置される選択位相差板３８０も、偏光分離ユニット３３０の大きさに対応するように、λ／２位相差板のＸＹ平面上における大きさが最適化されている。即ち、システム光軸Ｌ付近には大きな寸法のλ／２位相差板Ｌ３８２を、システム光軸Ｌから離れた周辺部には小さな寸法の小さなλ／２位相差板Ｓ３８３を配置した選択位相差板３８０を用いている。さらに、選択位相差板３８０の出射面の側に配置される重畳結合レンズ３９０も、偏光分離ユニット３３０の大きさに対応するように、大きさ及びレンズ特性の異なる複数のレンズで構成された複合レンズとなっている。
【００７９】
勿論、実施例１の偏光照明装置１の場合と同様に、光束分割レンズ２０１及び集光レンズ３１１はいずれも偏心レンズであり、第１の光学要素２００により形成される中間光束２０２をそれぞれの偏光分離ユニット３３０に効率よく入射できるように、上記レンズはそれぞれ最適化されている。
【００８０】
以上のような構成を採用することにより、第１の光学要素２００により形成されるそれぞれの中間光束２０２（集光像２０３）をほぼ完全に第２の光学要素３００に取り込むことができるため、偏光光束の発生過程で殆ど光損失を生じず、従って、光源光の利用効率を一層向上させることができる。また、偏光分離ユニット３３０及び集光レンズ３１１のＸＹ平面における寸法を必要最小限の大きさに最適化しているため、第２の光学要素３００を小型化できると共に、低コスト化を達成できる効果がある。
【００８１】
（偏光照明装置１を用いた表示装置）
偏光照明装置１が組み込まれた直視型の表示装置の一例について説明する。尚、本例においては、偏光照明装置からの出射光束を表示情報に基づいて変調する変調手段として透過型の液晶パネルを用いている。
【００８２】
図８は、本例の表示装置３の光学系の要部を示した概略構成図であり、ＹＺ平面における断面構造を示している。本例の表示装置３は、図１に示した偏光照明装置１、反射ミラー５１０、及び液晶パネル５２０から大略構成されている。
【００８３】
偏光照明装置１は、ランダムな偏光光束を一方向に出射する光源部１０を備え、この光源部１０から出射されたランダムな偏光光束は、偏光発生装置２０によりほぼ一種類の偏光光束に変換される。この偏光照明装置１から出射された偏光光束は、反射ミラー５１０により光の進行方向を約９０度曲げられ、液晶パネル５２０をほぼ一種類の偏光光束により照明する。液晶パネルの前後には偏光板５２１が配置されている。尚、反射ミラーに変えて導光体（例えば、光ファイバー）を用いてもよく、さらに、視野角の改善を目的として光拡散板を液晶パネル５２０の手前（反射ミラー５１０側）に配置した構造としてもよい。
【００８４】
このように構成した表示装置３では、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶パネルが用いられている。従って、従来の照明装置を用いてランダムな偏光光束を液晶パネルに導くと、ランダムな偏光光束のうちの約半分の光は、偏光板５２１で吸収されて熱に変わってしまい、光の利用効率が悪いという問題点があった。しかし、本例の表示装置３では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【００８５】
即ち、本例の表示装置３では、偏光照明装置１において、一方の偏光光束（例えばＰ偏光光束）のみに対して、λ／２位相差板によって偏光面の回転作用を与え、他方の偏光光束（例えばＳ偏光光束）と偏光方向が揃った状態とする。それ故、偏光方向の揃ったほぼ一種類の偏光光束が液晶パネル５２０に導かれるので、偏光板５２１による光吸収は非常に少なく、従って、光源光の利用効率が向上し、明るい表示状態を得ることができる。
【００８６】
また、本例の表示装置３を構成する偏光照明装置１においては、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１を、Ｙ方向に隣り合う光束分割レンズでは、Ｙ方向と直交するＸ方向における配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離だけ、それぞれがＸ方向に相互にずれた状態となるように配置すると共に、中間光束を２種類の偏光光束に分離する過程で照明領域である液晶パネル５２０上で重畳結合される光束の数が２倍に増えているため、液晶パネル上において光強度分布やその角度分布が極めて均一な高品位の照明光を得ることができ、従って、明るさムラや色ムラの少ない明るい高品位な表示状態を得ることができる。
【００８７】
なお、本例の表示装置３では実施例１の偏光照明装置１を用いたが、このかわりに前述した実施例２の偏光照明装置２を用いることができることは言うまでもない。
【００８８】
（偏光照明装置１を用いた投写型表示装置の第１の例）
実施例１に示した偏光照明装置１が組み込まれた投写型表示装置の第１の例について説明する。尚、本例においては、偏光照明装置からの出射光束を表示情報に基づいて変調する変調手段として透過型の液晶パネルを用いている。
【００８９】
図９は、本例の投写型表示装置４の光学系の要部を示した概略構成図であり、ＸＺ平面における構成を示している。本例の投写型表示装置４は、実施例１に示した偏光照明装置１、白色光束を３色の色光に分離する色光分離手段、それぞれの色光を表示情報に基づいて変調し表示映像を形成する３枚の透過型液晶パネル、３色の色光を合成しカラー画像を形成する色光合成手段、そのカラー画像を投写表示する投写光学系とから大略構成されている。
【００９０】
本例の偏光照明装置１は、ランダムな偏光光束を一方向に出射する光源部１０を備え、この光源部１０から出射されたランダムな偏光光束は、偏光発生装置２０によりほぼ一種類の偏光光束に変換される。
【００９１】
この偏光照明装置１から出射された光束は、まず、色光分離手段である青光緑光反射ダイクロイックミラー８０１において、赤色光が透過し、青色光及び緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー８０２で反射され、赤光用液晶パネル８０３に達する。一方、青色光及び緑色光のうち、緑色光は、やはり色光分離手段である緑光反射ダイクロイックミラー８０４によって反射され、緑光用液晶パネル８０５に達する。
【００９２】
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、入射レンズ８０６、リレーレンズ８０８、及び出射レンズ８１０からなるリレーレンズ系で構成された導光手段８５０を設けてある。即ち、青色光は、緑光反射ダイクロイックミラー８０４を透過した後に、まず、入射レンズ８０６及び反射ミラー８０７を経て、リレーレンズ８０８に導かれ、このリレーレンズに集束された後、反射ミラー８０９によって出射レンズ８１０に導かれ、しかる後に、青光用液晶パネル８１１に達する。ここで、３ヶ所の液晶パネル８０３、８０５、８１１は、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した映像情報を含ませた後に、変調した色光を色光合成手段であるクロスダイクロイックプリズム８１３に入射する。クロスダイクロイックプリズム８１３には、赤光反射の誘電体多層膜と青光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合成しカラー映像を形成する。ここで形成されたカラー映像は、投写光学系である投写レンズ８１４によりスクリーン８１５上に拡大投影され、投写映像を形成する。
【００９３】
このように構成した投写型表示装置４では、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶パネルが用いられている。従って、従来の照明装置を用いてランダムな偏光光束を液晶パネルに導くと、ランダムな偏光光束のうちの約半分の光は、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の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、本例の投写型表示装置４では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【００９４】
即ち、本例の投写型表示装置４では、偏光照明装置１において、一方の偏光光束（例えばＰ偏光光束）のみに対して、λ／２位相差板によって偏光面の回転作用を与え、他方の偏光光束（例えばＳ偏光光束）と偏光方向が揃った状態とする。それ故、偏光方向の揃ったほぼ一種類の偏光光束が３ヶ所の液晶パネル８０３、８０５、８１１に導かれるので、偏光板による光吸収は非常に少なく、従って、光の利用効率が向上し、明るい投写映像を得ることができる。また、偏光板による光吸収量が低減するので、偏光板での温度上昇が抑制され、従って、冷却装置の小型化と低騒音化を達成でき、高性能な投写型表示装置を実現できる。
【００９５】
また、本例の投写型表示装置４においては、色光合成手段としてクロスダイクロイックプリズム８１３を用いているが、このクロスダイクロイックプリズム８１３は赤光反射の誘電体多層膜と青光反射の誘電体多層膜を形成した４つの直角プリズムからなる複合体であるため、それらの直角プリズムが十字状に接合された境界面では局部的に大きな光散乱を生じる。従って、このクロスダイクロイックプリズムを用いて投写型表示装置を構成すると、クロスダイクロイックプリズムの中央部で生じる局部的な光散乱の影響で、投写映像の中央部が縦方向に暗くなり、非常に目障りなものとなるという問題があった。この問題を解決するためには、クロスダイクロイックプリズムを通過する光の均質性（光強度分布やその角度分布を均一化すること）を高めることが必要であり、即ちそれは、液晶パネルを照明する光の均質性を高めることに他ならない。これに対して、本例の投写型表示装置４では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【００９６】
即ち、本例の投写型表示装置４を構成する偏光照明装置１においては、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１を、Ｙ方向に隣り合う光束分割レンズでは、Ｙ方向と直交するＸ方向における配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離だけ、それぞれがＸ方向に相互にずれた状態となるように配置すると共に、中間光束を２種類の偏光光束に分離する過程で照明領域である各液晶パネル８０３、８０５、８１１上で重畳結合される光束の数が２倍に増えているため、各液晶パネル８０３、８０５、８１１上において極めて光強度分布やその角度分布が均一な高品位の照明光を得ることができる。この光の均質性が高い照明光を利用して投写映像を形成するため、クロスダイクロイックプリズム８１３における局部的な光散乱の影響を回避でき、投写映像の中央部が縦方向に暗くなることなく、高品位な映像をスクリーン８１５上に映し出すことができる。
【００９７】
さらに、偏光照明装置１では、第２の光学要素３００において、２種類の偏光光束を横方向（Ｘ方向）に空間的に分離している。従って、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした液晶パネルを照明するのに都合がよい。
【００９８】
先の実施例１に関して説明したように、本例の偏光照明装置１では、偏光変換光学要素を組み入れているにもかかわらず、偏光分離ユニットアレイ３２０を出射する光束の幅の広がりが抑えられている。このことは、液晶パネルを照明する際に、大きな角度を伴って液晶パネルに入射する光が殆どないことを意味している。従って、Ｆナンバーの小さい大口径で高価な投写レンズを用いなくても明るい投写映像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【００９９】
また、本例では、色光合成手段として、クロスダイクロイックプリズム８１３を用いているので、装置の小型化が可能である。また、液晶パネル８０２、８０５、８１１と投写レンズ系との間の光路の長さが短いので、比較的小さな口径の安価な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光路のうちの１光路のみ、その光路長が異なるが、本例では光路長が最も長い青色光に対しては、入射レンズ８０６、リレーレンズ８０８、及び出射レンズ８１０からなるリレーレンズ系で構成した導光手段８５０を設けてあるので、色ムラなどが生じない。
【０１００】
尚、２枚のダイクロイックミラーを色光合成手段として用いたミラー光学系により投写型表示装置を構成することもできる。勿論、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、本例の場合と同様に、光の利用効率に優れた明るい高品位の投写映像を形成することができる。
【０１０１】
最後に、本例の投写型表示装置４では実施例１の偏光照明装置１を用いたが、このかわりに前述した実施例２の偏光照明装置２を用いることができることは言うまでもない。
【０１０２】
（偏光照明装置１を用いた投写型表示装置の第２の例）
偏光照明装置１が組み込まれた投写型表示装置の第２の例について説明する。尚、本例においては、偏光照明装置からの出射光束を表示情報に基づいて変調する変調手段として反射型の液晶パネルを用いている。
【０１０３】
図１０は、本例の投写型表示装置５の光学系の要部を平面的にみた概略構成図である。本例の投写型表示装置５は、実施例１に示した偏光照明装置１、偏光ビームスプリッタ８６０、色光分離手段と色光合成手段を兼ねたクロスダイクロイックプリズム８１３、変調手段である３つの反射型液晶パネル、及び投写光学系である投写レンズ８１４とから大略構成されている。
【０１０４】
本例の偏光照明装置１は、ランダムな偏光光束を一方向に出射する光源部１０を備え、この光源部１０から出射されたランダムな偏光光束は、偏光発生装置２０によりほぼ一種類の偏光光束（本例の場合はＳ偏光光束）に変換される。
【０１０５】
この偏光照明装置１から出射された光束は、偏光ビームスプリッタ８６０に入射し、偏光分離面８６１で反射され進行方向を略９０度変えられ、隣接するクロスダイクロイックプリズム８１３へ入射する。ここで、偏光照明装置１から出射される光束はその大部分がＳ偏光光束であるが、僅かながらＳ偏光光束とは偏光方向が異なる偏光光束（本例の場合はＰ偏光光束）が混入している場合があり、その偏光方向が異なる偏光光束（Ｐ偏光光束）は偏光分離面８６１をそのまま通過し偏光ビームスプリッタ８６０から出射される（このＰ偏光光束は液晶パネルを照明する照明光とはならない）。
【０１０６】
クロスダイクロイックプリズム８１３に入射したＳ偏光光束は、クロスダイクロイックプリズムにより波長に応じて赤色光、緑色光、及び青色光の３つの光束に分離され、それぞれ対応する赤光用反射型液晶パネル８７１、緑光用反射型液晶パネル８７２、及び青光用反射型液晶パネル８７３に達し、それぞれの液晶パネルを照明する。即ち、クロスダイクロイックプリズム８１３は液晶パネルを照明する照明光に対しては色光分離手段として機能している。
【０１０７】
ここで、本例で用いている液晶パネル８７１、８７２、８７３は反射型であるため、それぞれの液晶パネルでは、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した外部からの表示情報を含ませると同時に、それぞれの液晶パネルから出射される光束の偏光方向を変化させ、且つ、光束の進行方向を略反転させている。従って、それぞれの液晶パネルからの反射光は表示情報に応じて部分的にＰ偏光状態となって出射される。それぞれの液晶パネルから出射された変調光束（Ｐ偏光光束が主体となる）は、再び、クロスダイクロイックプリズム８１３に入射し、一つの光学像に合成されて、隣接する偏光ビームスプリッタ８６０に再度入射する。即ち、クロスダイクロイックプリズム８１３は液晶パネルから出射される変調光束に対しては色光合成手段として機能している。
【０１０８】
偏光ビームスプリッタ８６０に入射した光束のうち、液晶パネル８７１、８７２、８７３で変調された光束はＰ偏光光束となっているため、偏光ビームスプリッタ８６０の偏光分離面８６１をそのまま通過し、投写レンズ８１４を経てスクリーン８１５上に投写映像を形成する。
【０１０９】
このように構成した投写型表示装置５においても、先の投写型表示装置４の場合と同様に、一種類の偏光光束を変調するタイプの液晶パネルが用いられているため、ランダムな偏光光束を照明光とする従来の照明装置を用いた場合には、先の実施例４で述べたように、光の利用効率が悪く明るい投写映像を得難いという問題点があった。しかし、本例の投写型表示装置５では、かかる問題点が大幅に改善されている。
【０１１０】
即ち、本例の投写型表示装置５では、従来の照明装置に代えて本発明の偏光照明装置１を用いることにより、偏光方向の揃ったほぼ一種類の偏光光束を効率的に発生でき、従って、偏光ビームスプリッタ８６０に入射する光束は、そのほとんど全てが照明光束として３ヶ所の反射型の液晶パネル８７１、８７２、８７３に導かれることになる。従って、光の利用効率が向上し、明るく、明るさムラや色ムラのない投写映像を得ることができる。
【０１１１】
また、本例の投写型表示装置５においては、色光分離手段及び色光合成手段としてクロスダイクロイックプリズムを用いているが、先の実施例４で述べたように、クロスダイクロイックプリズムの構造上の問題に起因して生じる局部的な光散乱による投写映像の画質の低下を、液晶パネルを照明する光の均質性を高めることにより大幅に改善している。
【０１１２】
すなわち、本例の投写型表示装置５を構成する偏光照明装置１においては、第１の光学要素２００を構成する光束分割レンズ２０１を、Ｙ方向に隣り合う光束分割レンズでは、Ｙ方向と直交するＸ方向における配列ピッチのほぼ半分の長さに相当する距離だけ、それぞれがＸ方向に相互にずれた状態となるように配置すると共に、中間光束を２種類の偏光光束に分離する過程で照明領域である各液晶パネル上で重畳結合される光束の数が２倍に増えているため、各液晶パネル上において極めて光強度分布やその角度分布が均一な高品位の照明光を得ることができる。この光の均質性が高い照明光を利用して投写映像を形成するため、クロスダイクロイックプリズム８１３における局部的な光散乱の影響を回避でき、投写映像の中央部が縦方向に暗くなることなく、高品位な映像をスクリーン８１５上に映し出すことができる。
【０１１３】
前に説明したように、本例の偏光照明装置１では、偏光変換光学要素を組み入れているにもかかわらず、偏光分離ユニットアレイ３２０を出射する光束の幅の広がりが抑えられている。このことは、液晶パネルを照明する際に、大きな角度を伴って液晶パネルに入射する光が殆どないことを意味している。従って、Ｆナンバーの小さい大口径で高価な投写レンズを用いなくても明るい投写映像を実現でき、その結果、小型の投写型表示装置を実現できる。
【０１１４】
尚、本例では、色光分離手段及び色光合成手段としてクロスダイクロイックプリズムを用いているが、それに代えて２枚のダイクロイックミラーを用いることによっても投写型表示装置を構成することができる。勿論、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、本例の場合と同様に、光の利用効率に優れた明るく高品位の投写映像を形成することができる。
【０１１５】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の光学素子は、非常に高い効率で特定の偏光光束を発生させることが可能であり、また、明るさが均一で色むらのない偏光光束を得ることが可能である。
【０１１６】
また、本発明の偏光発生装置は、ランダムな偏光光束である入射光束から、照明領域における光強度分布やその角度分布が入射光束のそれよりも均一であり、偏光方向がほぼ揃った出射光束を非常に高い効率で発生することができる。
【０１１７】
さらに、本発明の表示装置ならびに投写型表示装置は、表示面並びに投写面全体に渡ってきわめて均一な画像を得ることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏光発生装置を用いた偏光照明装置の一例である偏光照明装置１の光学系を示す概略構成図である。
【図２】偏光照明装置１の第１の光学要素の斜視図である。
【図３】偏光照明装置１の第１の光学要素を構成するそれぞれの光束分割レンズのレンズ光軸の位置を示す図である。
【図４】偏光照明装置１の集光レンズアレイの斜視図である。
【図５】偏光照明装置１の偏光分離ユニットアレイの斜視図である。
【図６】偏光照明装置１の偏光分離ユニットの機能を説明するための図である。
【図７】本発明の偏光発生装置を用いた偏光照明装置の第２の例である偏光照明装置２の光学系を示す概略構成図である。
【図８】偏光照明装置１が組み込まれた表示装置の一例を示す光学系の概略構成図である。
【図９】偏光照明装置１が組み込まれた投写型表示装置の一例を示す光学系の概略構成図である。
【図１０】偏光照明装置１が組み込まれた投写型表示装置の第２の例を示す光学系の概略構成図である。
【図１１】特開平７−２９４９０６号公報に開示されている偏光光学系の概略構成図である。
【符号の説明】
１、２ 偏光照明装置
３ 表示装置
４、５ 投写型表示装置
１０ 光源部
２０ 偏光発生装置
９０ 照明領域
１０１ 光源ランプ
１０２ 放物面リフレクター
２００ 第１の光学要素
２０１ 光束分割レンズ
２０２ 中間光束
２０３ 集光像
２０４ レンズ光軸
２０５ レンズ中心
３００ 第２の光学要素
３１０ 集光レンズアレイ
３１１ 集光レンズ
３２０ 偏光分離ユニットアレイ
３３０ 偏光分離ユニット
３３１ 偏光光束分離面
３３２ 反射面
３３３ Ｐ出射面
３３４ Ｓ出射面
３３５ Ｐ偏光光束
３３６ Ｓ偏光光束
３４０ 偏光分離ユニットＬ
３４１ 偏光分離ユニットＳ
３８０ 選択位相差板
３８１ λ／２位相差板
３８２ λ／２位相差板Ｌ
３８３ λ／２位相差板Ｓ
３９０ 重畳結合レンズ
５１０、８０２、８０７、８０９ 反射ミラー
５２０、９５０ 液晶パネル
５２１ 偏光板
８０１ 青光緑光反射ダイクロイックミラー
８０３ 赤光用液晶パネル
８０４ 緑光反射ダイクロイックミラー
８０５ 緑光用液晶パネル
８０６ 入射レンズ
８０８ リレーレンズ
８１０ 出射レンズ
８１１ 青光用液晶パネル
８１３ クロスダイクロイックプリズム
８１４ 投写レンズ
８１５ スクリーン
８５０ 導光手段
８６０ 偏光ビームスプリッタ
８６１ 偏光分離面
８７１ 赤光用反射型液晶パネル
８７２ 緑光用反射型液晶パネル
８７３ 青光用反射型液晶パネル
９１０ レンズ板
９２０ 偏光ビームスプリッタ
９３０ 反射プリズム
９４０ λ／２位相差板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization generator for generating an outgoing light beam having a light intensity distribution in an illumination area that is more uniform than a light intensity distribution of an incident light beam and having a substantially uniform polarization direction from an incident light beam having a random polarization state. Is. Furthermore, the present invention relates to a display device and a projection display device using the above polarized light generator.
[0002]
[Prior art]
For an illumination optical system of a display device using a panel that modulates a polarized light beam such as a liquid crystal panel, (1) the light intensity of the polarized light beam is high, and (2) the light intensity distribution in the illumination region is high. It is mainly required to be uniform.
[0003]
1. Technology to increase the light intensity of polarized light flux
An optical system has been proposed in which a random polarized light beam emitted from a light source is converted into one type of polarized light beam to improve the light use efficiency in a liquid crystal panel to achieve a bright display state.
[0004]
As an example, an outline of an optical system (referred to as a polarizing optical system for convenience) disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-294906 will be described with reference to FIG. This optical system mainly includes a lens plate 910, a plurality of polarizing beam splitters 920, a plurality of reflecting prisms 930, and a λ / 2 phase difference plate 940. The principle is that two types of polarized light beams (P-polarized light beam and S-polarized light beam) are obtained by using a polarized beam splitter 920 having a polarized light beam separation surface 331 and a reflecting prism 930 having a reflective surface 332 for an incident light beam, which is a random polarized light beam. And the polarization direction of one polarized light beam after separation is matched with the polarization direction of the other polarized light beam using the λ / 2 phase difference plate 940 to obtain one type of polarized light beam, and the liquid crystal panel 950 with that light beam. Is intended to illuminate. However, since a space for forming two polarized light beams is required in the process of separating the polarized light beams, in general, widening of the optical system is unavoidable. Therefore, in this polarization optical system, the incident light beam is condensed in advance by the lens plate 910, converted into a plurality of spatially separated intermediate light beams, and the reflecting prism is formed in the space generated by the convergence of the intermediate light beams. By arranging 930 (reflecting surface), one kind of polarized light beam is obtained without incurring widening of the optical system.
[0005]
2. Technology for uniform light intensity distribution in the illumination area
As an illumination optical system that generates an illumination light beam whose light intensity distribution in the illumination region is more uniform than the light intensity distribution of the incident light beam, for example, an integrator optical system disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-111806 is put into practical use. Has been. Here, the disclosed integrator optical system is in principle the same as that used in an exposure machine.
[0006]
The integrator optical system disclosed in the above publication uses the first and second lens plates as two optical elements, and the light beam from the light source is intermediated by a plurality of light beam splitting lenses constituting the first lens plate. This illuminates one illumination area by splitting the luminous flux into a luminous flux and superposing and coupling the intermediate luminous flux through a second lens plate made up of a plurality of condensing lenses arranged near the position where the intermediate luminous flux converges. is there.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In the polarizing optical system disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-294906, a random polarized light beam from a light source is merely converted into a single type of polarized light beam, which causes several problems.
[0008]
First, since the intensity distribution of the light beam emitted from the light source is directly reflected in the illuminance distribution (intensity distribution) of the illumination light, it is difficult to obtain illumination light with uniform brightness and no color unevenness. This is because the luminous flux emitted from the light source usually has significant brightness unevenness and color unevenness.
[0009]
Second, due to the optical characteristics of the polarizing beam splitter and the reflecting prism, it is between the P-polarized light beam that passes through the polarizing beam splitter and the S-polarized light beam that passes through the polarizing beam splitter and the reflecting prism. Then, the light intensity and its spectral characteristics are different. The same thing occurs also between a polarized light beam that passes through a λ / 2 phase difference plate that is used to align the polarization directions of two separated polarized light beams and a polarized light beam that does not pass through. Since this polarization optical system does not superimpose and combine the light beams after the polarization directions are aligned, brightness unevenness and color unevenness occur on the illumination area for the reasons described above, and a good illumination state cannot be obtained. . As a means for preventing the unevenness of brightness, a configuration using a light diffusing plate has been proposed in the polarizing optical system, but the light reaching the liquid crystal panel is obviously reduced by using the light diffusing plate. Contrary to the original purpose of the polarization optical system for increasing the brightness, it cannot be a fundamental solution.
[0010]
Third, since the light beams emitted from the polarizing beam splitter 920 and the reflecting prism 930 reach the liquid crystal panel while diverging with a large angle without being collected at all, the illumination efficiency is low and a bright display state is obtained. Not only that, but depending on the direction of viewing the liquid crystal panel, large color unevenness may occur.
[0011]
On the other hand, when the integrator optical system disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 3-111806 is used, the light intensity distribution can be made uniform to some extent, but a random polarized light beam is still used as illumination light, so that the brightness is improved. Has little effect.
[0012]
Furthermore, in a projection display device using a cross dichroic prism as color light combining means, a bright projection image can be easily obtained without using a large-diameter and expensive projection lens. Due to the light characteristics, a dark shadow is likely to occur in the projected image due to light scattering occurring at the junction of the four right-angle prisms constituting the cross dichroic prism. The dark shadow can be made inconspicuous by making the intensity distribution and the angular distribution of the illumination light that illuminates the modulation means uniform. However, in the conventional illumination system, the uniformity of the light intensity distribution and the angular distribution is not sufficient, and the presence of the dark shadow cannot be made inconspicuous.
[0013]
Therefore, there has been no optical system that illuminates a specific illumination area uniformly and efficiently with one type of polarized light beam.
[0014]
In view of the above points, the subject of the present invention is
First, a polarized light generating device for generating, from an incident light beam, which is randomly polarized light, one kind of polarized light beam whose light intensity distribution in the illumination region is more uniform than that of the incident light beam and whose polarization direction is substantially uniform. Is to realize
Secondly, by using such a polarized light generation device, it is possible to realize a bright display device having no brightness unevenness and color unevenness,
Third, by using such a polarized light generator, a bright projection image with no brightness unevenness or color unevenness can be obtained without using an expensive projection lens with a small F-number and a large aperture. Even when a cross dichroic prism is used as color light combining means, it is an object to realize a projection display device capable of displaying a projected image in which dark shadows generated by the cross dichroic prism are not noticeable. The F number is the ratio between the focal length and the lens diameter.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
1. Polarization generator
(1) The polarized light generator of the present invention is arranged near a position where a first optical element that condenses an incident light beam and converts it into a plurality of spatially separated intermediate light beams, and the intermediate light beam converges. The first optical element comprises a plurality of beam splitting lenses arranged in a matrix, each of the plurality of beam splitting lenses being an eccentric lens, and a row The light beam splitting lenses adjacent to each other in the direction are arranged so as to be shifted from each other in the row direction, and the second optical element is a polarized light beam that spatially separates each of the intermediate light beams into an S-polarized light beam and a P-polarized light beam. A separation means, a polarization conversion means for converting the polarization direction of any one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam separated by the polarized light beam separation means, and the other polarized light beam; The polarization conversion Stage polarization direction; and a superimposing coupling means for converting the emitted light beam by superimposing coupling the polarized light beams of the one that has been converted by the.
[0016]
Here, in the plurality of light beam splitting lenses constituting the first optical element, the light beam splitting lenses adjacent in the column direction are shifted from each other in the row direction by a distance corresponding to approximately half the length of the arrangement pitch in the row direction. Arranged in a state. By adopting such an arrangement mode, the brightness is improved even when the incident light beam has a locally larger light intensity distribution in the cross section of the light beam than when the light beam splitting lens is not shifted and arranged. A high-quality polarized light beam that is uniform and has no color unevenness can be obtained as illumination light. In particular, as seen in the light beam emitted from the light source consisting of the light source lamp and the reflector, the light intensity distribution of the light beam is not disordered at all, and has a certain characteristic or tendency in the light intensity distribution, By using the first optical element, the light intensity distribution and the angular distribution in the illumination area can be made extremely uniform.
[0017]
For example, a light beam emitted from a light source equipped with a parabolic reflector has a light intensity distribution (the light intensity is large near the optical axis and small at the periphery) with the optical axis of the light source as a symmetric axis and its angular distribution (light The exit angle is wide near the axis and narrow at the periphery. Therefore, in order to obtain illumination light having a uniform light intensity distribution from such a light beam, (a) increasing the number of light beam splitting lenses, that is, increasing the number of intermediate light beams generated by the light beam splitting lens, or (B) A method of irregularly arranging the light beam splitting lens with respect to various characteristics of the light beam such as the light intensity distribution and its angular distribution is conceivable. However, the method (a) increases the number of the light beam splitting lenses. As a result, the interface between the beam splitting lenses increases, and the light loss at the interface increases. Therefore, the light intensity distribution in the illumination area can be made uniform, but the brightness is lowered. On the other hand, the method (b) is not an effective measure because it is difficult to dispose the light beam splitting lens without any gaps and irregularly.
[0018]
On the other hand, the first optical element of the polarized light generating device of the present invention has an arrangement in which the light beam splitting lenses adjacent in the column direction are simply shifted from each other without causing unnecessary gaps between the light beam splitting lenses. By simply adopting, it is possible to cancel or weaken certain characteristics and trends in the light intensity distribution, and to make the light intensity distribution and its angular distribution in the illumination region extremely uniform. Therefore, it is not necessary to increase the number of beam splitting lenses more than necessary, light loss at the interface of the beam splitting lens can be reduced, and illumination light having a uniform light intensity distribution and its angular distribution can be obtained without reducing brightness. Can do.
[0019]
Here, the shift amount of the light beam splitting lenses adjacent in the column direction is not particularly limited. However, in consideration of the effect of the shift amount of the light beam splitting lens on the light intensity distribution of the illumination light and its angular distribution and the ease of placement of the second optical element disposed corresponding to the light beam splitting lens, the shift amount Is optimally a distance corresponding to approximately half the length of the array pitch in the row direction.
[0020]
Next, since the second optical element of the polarization generator of the present invention finally superimposes the intermediate light beam on one illumination area, the incident light beam has a large light intensity distribution in the cross section of the light beam. Even in such a case, a polarized light beam with uniform brightness and no color unevenness can be obtained as illumination light. Even in the integrator optical system introduced earlier, the intermediate light flux is finally overlapped and combined on one illumination area, so that the light intensity distribution on the illumination area can be made uniform to some extent, but in the polarization generator of the present invention, Since there is a process of spatially separating the intermediate light beam into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, the number of light beams that are superimposed and coupled on the illumination area is the number of integrator optics (when the number of light beam splitting lenses is the same). As compared with the case of the integrator optical system, the light intensity distribution on the illumination region can be remarkably uniformed. In the process of spatially separating the intermediate light beam into P-polarized light beam and S-polarized light beam, and in the process of converting the polarization direction of one polarized light beam into the polarization direction of the other polarized light beam, light absorption and light scattering Therefore, it is possible to obtain a light beam having a substantially uniform polarization direction with very high efficiency.
[0021]
Furthermore, when the intermediate light beam cannot be separated into P-polarized light beam and S-polarized light beam with uniform light intensity and spectral characteristics, or the light intensity of one polarized light beam and its spectral characteristics have changed in the process of aligning the polarization direction of both polarized light beams. Even in this case, it is possible to obtain a polarized light beam with uniform brightness and no color unevenness as illumination light.
[0022]
The polarization converting means has a function of converting one of the two types of polarized light beams separated by the polarized light beam separating means into the other direction of polarization. In contrast, a function of rotating the polarization direction and finally aligning the polarization directions of both polarized light beams into one type may be used.
[0023]
Here, the optical element constituting the second optical element of the polarized light generating apparatus of the present invention is a compact optical element in which a plurality of polarized light beam separating means are arranged in one direction and integrated, and the second optical element The element can be miniaturized.
[0024]
As described above, according to the configuration of the polarization generator of the present invention, all the problems described above can be solved, and the light intensity distribution and the angular distribution in the illumination region can be obtained from the incident light flux that is a randomly polarized light flux. An outgoing light beam that is more uniform than that of the incident light beam and that has a substantially uniform polarization direction can be generated with very high efficiency.
[0025]
(2) In the polarized light generator of the present invention, the polarized light beam separating means may include a reflecting surface and a polarized light beam separating surface, and the reflecting surface and the polarized light beam separating surface may be arranged in parallel to each other. .
[0026]
In order to spatially separate an intermediate light beam into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam using a polarized light beam separating means having a pair of reflecting surfaces and a polarized light beam separating surface, a new space where an S-polarized light beam can exist Is required. When the light beam is incident on the polarized light beam separating means without changing the diameter of the intermediate light beam, the width of the light beam after separation of the polarized light beam (the total width of the width of the P-polarized light beam and the width of the S-polarized light beam) is the incident light beam. The width of the optical system is doubled, which leads to an increase in the size (widening) of the optical system.
[0027]
In the configuration of the polarized light generation apparatus of the present invention, the incident light beam is condensed while being divided by the light beam dividing lens to form a plurality of intermediate light beams, and the polarized light beam separating means is provided in the vicinity of the position where each intermediate light beam converges. , A plurality of pairs of spaces composed of a space where an intermediate light beam exists and a space adjacent to the space where no light beam exists. In the polarized light generation apparatus of the present invention, a space where no light beam exists is used as a new space where an S-polarized light beam can exist. With the above configuration, the P-polarized light beam and the S-polarized light beam can be completely separated spatially while preventing the total width of the light beam after the polarized light beam separation from becoming larger than the width of the incident light beam before the polarized light beam separation. it can. Accordingly, in the process of generating an outgoing light beam having a substantially uniform polarization direction from an incident light beam that is a random polarized light beam, the total width of the light beam does not expand, and thus the optical system can be downsized. Furthermore, the fact that the total width of the light beam does not expand means that the light beam does not have a large angle component at the stage of superimposing and combining a plurality of polarized light beams, and accordingly, illumination is performed using these light beams. High illumination efficiency can be obtained. For example, if a dielectric multilayer film is used, it is possible to easily realize a reflection surface and a polarized light beam separation surface that hardly involve light absorption or light scattering. Therefore, it is possible to generate a specific polarized light beam with very high efficiency.
[0028]
Furthermore, by arranging the reflecting surface of the polarized light beam separating means and the polarized light beam separating surface in parallel with each other, two kinds of polarized light beams spatially separated by the polarized light beam separating means can be separated in a parallel state. Therefore, these two kinds of polarized light beams can be finally superimposed and combined easily on one illumination area. The installation angle of the polarized light beam separation surface and the reflection surface is set to approximately 45 degrees with respect to the incident direction of the intermediate light beam. In addition, since the reflecting surface and the polarized light beam separating surface are arranged in parallel with each other, the blocks of the polarized light beam separating unit can be collectively formed for each column, and as a result, the polarized light beam separating unit can be manufactured. It can be made easy and the cost can be reduced at the same time.
[0029]
(3) Further, in the polarized light generating device of the present invention, the outer shape of the light beam splitting lens is a rectangle, so that a specific plane is covered without gaps and without overlapping each other using a plurality of light beam splitting lenses. Therefore, the light utilization efficiency when the incident light beam is divided into a plurality of intermediate light beams can be made extremely high. Further, when a display device or a projection display device is configured using the polarized light generation device of the present invention, the outer shape of the modulation means such as a liquid crystal panel which is an object to be illuminated is generally a rectangular shape. The use efficiency of light is better when the outer shape in the plane formed by the column direction and the row direction is also rectangular.
[0030]
(4) Further, in the polarized light generating device of the present invention, the second optical element further includes a condensing unit that condenses each of the plurality of intermediate light beams spatially separated by the first optical element. And the condensing means is composed of a plurality of condensing lenses arranged in a matrix, so that the intermediate light flux is reliably incident on the polarized light flux separating means, that is, the waste of the light source light is prevented, Utilization efficiency can be improved. In particular, the use of the light condensing means allows the size of the second optical element to be made smaller than the size of the first optical element without degrading the performance of the polarized light generating device, thereby reducing the size of the optical system. Can be achieved. Furthermore, the adoption of the condensing means can increase the degree of freedom of the arrangement and size of the polarized light beam separating means in the row direction. For example, a plurality of polarized light beam separating means are arranged so that the polarized light beam separating surfaces arranged in the row direction are symmetrical with respect to the central axis of the polarized light generating device, or as described later, the polarized light generating device The polarized light generating device can be configured using a polarized light beam separating means having a large size in the vicinity of the central axis and a polarized light beam separating means having a small size in the periphery thereof, and as a result, the light utilization efficiency can be further improved. Therefore, it is possible to reduce the size of the apparatus. In general, the size in the row direction of the light beam splitting lens constituting the first optical element is the same as the size in the row direction of the polarized light beam splitting means constituting the second optical element. In this case, since the lens body that is exactly the same as the light beam splitting lens can be used as the light collecting lens, the manufacturing cost of the light beam splitting lens and the light collecting lens can be reduced. There is.
[0031]
(5) Further, in the polarized light generation device of the present invention, by making all of the plurality of condenser lenses eccentric lenses, the incident angle of the intermediate light beam incident on the polarized light beam separating means can be adjusted, and the polarized light The incident angle with respect to the light beam separation surface can be set to the most ideal angle (generally 45 degrees).
[0032]
2. Display device and projection display device
(6) A display device according to the present invention includes a light source unit, a first optical element that collects a light beam from the light source unit and converts the light beam into a plurality of spatially separated intermediate light beams, and the intermediate light beam A display device comprising: a second optical element disposed near a converging position; and a modulation means for modulating a light beam emitted from the second optical element, wherein the first optical element has a matrix shape Each of the plurality of light beam splitting lenses is an eccentric lens, and the light beam splitting lenses adjacent to each other in the column direction are arranged in a state shifted from each other in the row direction, The second optical element includes a polarized light beam separating unit that spatially separates each of the intermediate light beams into an S polarized light beam and a P polarized light beam, and the P polarized light beam emitted from the polarized light beam separating unit. Of the S-polarized light beam A polarized light conversion means for converting one of the polarization directions into the other polarization direction, the other polarized light beam, and the one polarized light beam whose polarization direction has been converted by the polarization conversion means are superimposed and coupled to each other, and the emitted light beam And a superimposing and coupling means for converting into the above.
[0033]
(8) Further, the first projection display device of the present invention includes a light source unit and a first optical unit that condenses the light beam from the light source unit and converts the light beam into a plurality of intermediate light beams spatially separated from each other. An element, a second optical element disposed near the position where the intermediate light beam converges, a modulation means for modulating the light beam emitted from the second optical element, and a light beam modulated by the modulation means Projection optical means for performing projection, wherein the first optical element is composed of a plurality of light beam splitting lenses arranged in a matrix, and each of the plurality of light beam splitting lenses is an eccentric lens. In addition, the beam splitting lenses adjacent in the column direction are arranged so as to be shifted from each other in the row direction, and the second optical element spatially converts each of the intermediate beams into an S-polarized beam and a P-polarized beam. Separated polarized light beam separating means , A polarization conversion means for converting the polarization direction of one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam separated by the polarized light beam separating means into the other polarization direction, the other polarized light beam, and the polarized light And a superimposing and coupling unit that superimposes and couples the one polarized light beam whose polarization direction has been converted by the conversion unit into an outgoing light beam.
[0034]
(13) Furthermore, the second projection display device of the present invention is a first light source unit and a first light beam that condenses the light beam from the light source unit and converts it into a plurality of intermediate light beams spatially separated from each other. An optical element, a second optical element disposed in the vicinity of a position where the intermediate light beam converges, a color light separating means for separating the light beam emitted from the second optical element into two or more color lights, and the color light The two or more modulation means provided corresponding to the respective color lights emitted from the separation means, the color light synthesis means for synthesizing the color lights modulated by the respective modulation means, and the color light synthesis means A projection display device having projection optical means for projecting a light beam, wherein the first optical element comprises a plurality of light beam splitting lenses arranged in a matrix, and each of the plurality of light beam splitting lenses is eccentric. Les And the beam splitting lenses adjacent to each other in the column direction are arranged so as to be shifted from each other in the row direction, and the second optical element converts each of the intermediate beams into an S-polarized beam and a P-polarized beam. A polarized light beam separating unit that emits spatially separated light, and a polarization direction of one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam emitted from the polarized light beam separating unit is converted into the other polarization direction. A polarization conversion unit; and a superimposing and coupling unit configured to superimpose and combine the other polarized light beam and the one polarized light beam whose polarization direction has been converted by the polarization conversion unit to convert it into an output light beam. .
[0035]
Here, in the plurality of light beam splitting lenses constituting the first optical element, the light beam splitting lenses adjacent in the column direction are shifted from each other in the row direction by a distance corresponding to approximately half the length of the arrangement pitch in the row direction. Arranged in a state. As described above, with such a configuration, an unnecessary gap is not generated between the beam splitting lenses, and the light intensity can be simply obtained by adopting an arrangement in which the beam splitting lenses adjacent in the column direction are shifted from each other. Certain characteristics and trends in the distribution can be canceled or weakened together, and the light intensity distribution and its angular distribution in the illumination area can be made very uniform. Therefore, it is not necessary to increase the number of beam splitting lenses more than necessary, light loss at the interface of the beam splitting lens can be reduced, and illumination light having a uniform light intensity distribution and its angular distribution can be obtained without reducing brightness. Can do. This effect is not particularly disordered in the light intensity distribution of the light beam as shown in the light beam emitted from the light source composed of the light source lamp and the reflector, and has certain characteristics and tendencies in the light intensity distribution. The light intensity distribution and the angular distribution in the illumination area can be made extremely uniform.
[0036]
The reason is as described above.
[0037]
Note that the shift amount of the light beam splitting lenses adjacent in the column direction is not particularly limited. However, in consideration of the effect of the shift amount of the light beam splitting lens on the light intensity distribution of the illumination light and its angular distribution and the ease of placement of the second optical element disposed corresponding to the light beam splitting lens, the shift amount Is optimally a distance corresponding to approximately half the length of the array pitch in the row direction.
[0038]
In addition, as described above, the second optical element once splits the incident light beam into a plurality of intermediate light beams, and further splits the plurality of intermediate light beams into twice the number of polarized light beams (P-polarized light beam and S After being divided into polarized light beams), these polarized light beams are finally superimposed and combined on one illumination area, so that even if the incident light beam has a large light intensity distribution in the cross section of the light beam, the brightness Can be obtained as illumination light. Furthermore, when the intermediate light beam cannot be separated into P-polarized light beam and S-polarized light beam with uniform light intensity and spectral characteristics, or the light intensity of one polarized light beam and its spectral characteristics changed in the process of aligning the polarization direction of both polarized light beams. Even in this case, it is possible to obtain a polarized light beam with uniform brightness and no color unevenness as illumination light.
[0039]
As described above, according to the configuration of the display device of the present invention and the first and second projection display devices, it is possible to obtain a very uniform image over the display surface and the entire projection surface.
[0040]
The light source section is generally composed of a light source lamp and a reflector, and as a light source lamp, a metal halide lamp, a xenon lamp, a halogen lamp, etc., and as a reflector, a parabolic reflector, an elliptical reflector, A spherical reflector or the like can be used. As the modulation means, a transmissive liquid crystal panel, a reflective liquid crystal panel, or the like can be used. In particular, a reflection type projection display device using a reflection type liquid crystal panel requires illumination light with very little brightness unevenness and color unevenness. Therefore, when configuring such a projection display device, The application of the polarized light generator of the present invention is particularly effective.
[0041]
(7) (9) (14) In the display device and the first and second projection display devices of the present invention, the polarized light beam separating means includes a reflecting surface and a polarized light beam separating surface, The reflecting surface and the polarized light beam separating surface may be arranged in parallel to each other.
[0042]
As described above, by adopting such a configuration, the P-polarized light beam and the S-polarized light beam can be obtained while preventing the total width of the light beam after the polarized light beam separation from becoming larger than the width of the incident light beam before the polarized light beam separation. The light flux can be completely separated spatially. Accordingly, in the process of generating an outgoing light beam having a substantially uniform polarization direction from an incident light beam that is a random polarized light beam, the total width of the light beam does not expand, and thus the optical system can be downsized. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a display device and a projection display device that are extremely small and excellent in handleability.
[0043]
Furthermore, the fact that the total width of the light beam does not expand means that the light beam does not have a large angle component at the stage of superimposing and combining a plurality of polarized light beams, and accordingly, illumination is performed using these light beams. High illumination efficiency can be obtained. In the polarization generation process, light is hardly absorbed, so that a specific polarized light beam can be generated with very high efficiency. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a projection display apparatus having a bright image without using an expensive projection lens having a small F number and a large aperture.
[0044]
As described above, according to the above-described configuration of the display device and the first and second projection display devices of the present invention, it is possible to provide a display device and a projection display device that are extremely small and excellent in handleability. In addition, a bright and uniform image can be obtained over the entire projection surface. Further, since there is no necessity to use an expensive projection lens having a small F number and a large aperture, it is also possible to provide a cheaper projection display apparatus.
[0045]
Furthermore, by arranging the reflecting surface of the polarized light beam separating means and the polarized light beam separating surface in parallel with each other, two kinds of polarized light beams spatially separated by the polarized light beam separating means can be separated in a parallel state. The two kinds of polarized light beams are finally emitted from the means and can be easily combined and superimposed on one illumination area. The installation angle of the polarized light beam separation surface and the reflection surface is set to approximately 45 degrees with respect to the incident direction of the intermediate light beam. In addition, since the reflecting surface and the polarized light beam separating surface are arranged in parallel with each other, the blocks of the polarized light beam separating unit can be collectively formed for each column, and as a result, the polarized light beam separating unit can be manufactured. It can be made easy and the cost can be reduced at the same time.
[0046]
(10) (15) Further, the second optical element is provided with condensing means for condensing the intermediate light flux composed of a plurality of condensing lenses arranged in a matrix. Thus, the intermediate light beam can be reliably incident, and it is possible to further improve the light use efficiency in the display device and to reduce the size of the device itself. In general, the size in the row direction of the light beam splitting lens constituting the first optical element is the same as the size in the row direction of the polarized light beam splitting means constituting the second optical element. In this case, since the lens body that is exactly the same as the light beam splitting lens can be used as the light collecting lens, the manufacturing cost of the light beam splitting lens and the light collecting lens can be reduced. There is.
[0047]
(11) (16) Further, when each of the plurality of condensing lenses is an eccentric lens, the incident angle of the intermediate light beam incident on the polarized light beam separating means can be adjusted, and the incident light on the polarized light beam separation surface can be adjusted. The angle can be set to the most ideal angle (generally 45 degrees). As a result, it is possible to realize a projection display device that can further improve the light use efficiency and obtain a bright projected image.
[0048]
(12) (17) Further, the condensed image formed by the light beam splitting lens positioned near the optical axis of the light source unit is collected by the light beam splitting lens positioned in the peripheral part far from the light source optical axis. Since the size is smaller than the optical image, the size of the polarized light beam separating means located in the vicinity of the optical axis of the light source unit among the plurality of polarized light beam separating means is set to a peripheral part away from the optical axis of the light source unit. If the size is larger than the size of the polarized light beam separating means located in the optical system, the efficiency of the optical system can be further improved, and at the same time, the size of the polarized light beam separating means can be optimized. Can be achieved.
[0049]
(18) Further, in the second projection display device of the present invention, color light separating means for separating a light beam emitted from the second optical element into two or more color lights, and corresponding to each of the color lights. Two or more modulation means provided in combination and a color light synthesis means for synthesizing the color lights modulated by the respective modulation means, and the luminous flux synthesized by the color synthesis means passes through the projection optical system. Since it is configured to project, dedicated modulation means can be arranged for each of the two or more separated color lights, and as a result, it is bright, has good color expression and high resolution A small projection display device capable of displaying a color image can be realized.
[0050]
Here, a cross dichroic prism in which dichroic films are arranged in a cross shape can be used as the color light combining means. When a cross dichroic prism is used, the distance between the projection optical means (projection lens) and the modulation means (liquid crystal panel) can be shortened, so an expensive projection lens with a small F-number and a large aperture can be used. In addition, a bright projected image can be displayed. On the other hand, light scattering occurs at the joints of the four right-angle prisms constituting the cross dichroic prism. Therefore, in a projection display device using the cross dichroic prism as color light combining means, a dark shadow may occur in the projected image. However, this dark shadow can be made inconspicuous by making the intensity distribution and the angular distribution of the illumination light that illuminates the modulating means uniform. Therefore, according to the projection display device of the present invention, the light intensity distribution in the illumination area and the angular distribution thereof can be made extremely uniform, so that the presence of dark shadows that occur when using the cross dichroic prism can be made extremely inconspicuous. High-quality projected images can be obtained.
[0051]
It should be noted that the light collecting means is formed by integrating at least two or more of the light collecting means, the polarized light beam separating means, the polarization converting means, and the superposition coupling means for constituting the second optical element. Light loss at the interface between the polarized light beam separating means, the polarized light beam separating means and the polarization converting means, or the interface between the polarized light converting means and the superimposing and coupling means can be reduced. This can be further improved.
[0052]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following embodiments, unless otherwise noted, the three directions perpendicular to each other are defined as the X direction, the Y direction, and the Z direction for convenience. In any of the embodiments, an S-polarized light beam is obtained as a single type of polarized light beam from a random polarized light beam, but it is of course possible to obtain a P-polarized light beam.
[0053]
(Polarized illumination device 1)
FIG. 1 shows an example of a polarization illumination device 1 configured using the polarized light generation device of the present invention, and is a schematic configuration diagram of the main part of the optical system as seen in a plan view. 1 is a cross-sectional view in the XZ plane passing through the center of the second optical element 300 described in detail later. The polarized illuminating device 1 of the present example is generally composed of a light source unit 10 and a polarized light generator 20 arranged along the system optical axis L. The randomly polarized light beam emitted from the light source unit 10 is converted into a single type of polarized light beam whose polarization directions are substantially uniform by the polarization generator 20, and reaches the illumination region 90.
[0054]
The light source unit 10 is mainly composed of a light source lamp 101 and a parabolic reflector 102, and light emitted from the light source lamp is reflected in one direction by the parabolic reflector 102 to become a substantially parallel light beam. The light enters the polarization generator 20. Here, the light source unit 10 is arranged so that the light source optical axis R of the light source unit 10 is shifted in parallel in the X direction by a certain distance D with respect to the system optical axis L.
[0055]
Next, the polarized light generator 20 includes a first optical element 200 and a second optical element 300.
[0056]
As shown in FIG. 2, the first optical element 200 is configured by a plurality of light beam splitting lenses 201 having a rectangular outer shape on the XY plane arranged in a matrix, and in the Y direction. The light beam splitting lenses adjacent to each other in the (column direction) are arranged so as to be shifted from each other in the X direction by a distance corresponding to approximately half the length of the arrangement pitch in the X direction (row direction). Here, the positional relationship between the light source unit 10 and the first optical element 200 is set so that the light source optical axis R of the light source unit 10 is at the center of the first optical element 200.
[0057]
The light beam splitting lenses 201 constituting the first optical element 200 are all decentered lenses, that is, in each light beam splitting lens, the lens optical axis is set at a position shifted from the center of the light beam splitting lens. . Here, the setting state of the lens optical axis in each light beam splitting lens 201 is shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing the position of the lens optical axis in each light beam splitting lens 201 when the first optical element 200 is viewed from the light source unit side. A position shifted in the −X direction from the center 205 (in this case, the amount of decentering is ¼ of the size in the X direction of the light beam splitting lens). Each lens optical axis 204 is set at a position shifted in the + X direction (the amount of eccentricity is the same as in the case of the light beam splitting lens constituting the odd-numbered row). That is, two types of eccentric lenses having different eccentric directions are arranged alternately in the column direction. Note that the decentering direction and decentering amount of each beam splitting lens are not fixed values because they vary depending on the shape and size of the second optical element described later.
[0058]
Again, referring back to FIG. The light incident on the first optical element 200 is split into a plurality of intermediate light beams 202 by the light beam splitting lens 201, and at the same time in a plane perpendicular to the system optical axis L (XY in FIG. The same number of condensing images 203 as the number of light beam splitting lenses are formed at positions where the intermediate light beam on the plane) converges. Since the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element 200 is an eccentric lens, the position at which a condensed image is formed can be freely set without being influenced by the way of arranging the light beam splitting lenses. It has become. Therefore, although the arrangement of the beam splitting lenses 201 in the Y direction (column direction) is zigzag, the arrangement of the corresponding condensed image 203 is linear due to the use of the eccentric lens. . As a result, the size (cross-sectional area on the XY plane) of the light beam formed by the collection of the condensed images 203 can be reduced, and the size (on the XY plane) of the second optical element 300 described later. (Cross-sectional area) can be reduced, that is, the optical system can be downsized. Further, if one polarization separation unit 330 elongated in the Y direction is made to correspond to a series of condensed images (five condensed images surrounded by broken lines in FIG. 2) arranged in the same column direction (Y direction). Therefore, the configuration of the second optical element 300 can be simplified, and the manufacture is facilitated. The outer shape of the beam splitting lens 201 on the XY plane is set to be similar to the shape of the illumination area 90. In this example, since a horizontally long illumination region that is long in the X direction on the XY plane is assumed, the outer shape of the light beam splitting lens 201 on the XY plane is also horizontally long.
[0059]
Again, returning to FIG. The second optical element 300 includes a condensing lens array 310 serving as a condensing unit, a polarization separation unit array 320 serving as a polarized light beam separating unit, a selective phase plate 380 serving as a polarization converting unit, and a superimposing coupling lens serving as a superimposing coupling unit. 390, which is substantially composed of 390, in a plane perpendicular to the system optical axis L (XY plane in FIG. 1) in the vicinity of the position where the condensed image 203 is formed by the first optical element 200. Be placed. The second optical element 300 spatially separates each of the intermediate light beams 202 into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, and then aligns the polarization direction of one polarized light beam with the polarization direction of the other polarized light beam, It has a function of guiding each polarized light beam having substantially the same polarization direction to one illumination area 90.
[0060]
As shown in FIG. 4, the condensing lens array 310 includes a plurality of condensing lenses 311 that are decentered lenses arranged in a matrix, and includes a light beam splitting lens 201 that constitutes the first optical element 200, and The same number of condensing lenses 311 are used. That is, when the first optical element is configured by a light beam splitting lens having M rows × N columns, the condensing lens array is similarly configured by a condensing lens having M rows × N columns. The function of the condensing lens array is to efficiently guide each intermediate light beam emitted from the first optical element 200 while condensing it on a specific location of the polarization separation unit array 320. Therefore, in general, in accordance with the characteristics of the intermediate light beam 202 incident on the polarization separation unit array 320, the light incident on the polarization separation unit array 320 has an inclination of the principal ray parallel to the system optical axis L. Considering the point that it is ideal, the size and lens characteristics of each condenser lens are optimized. Further, from the viewpoint of downsizing the optical system and improving the light utilization efficiency, the condenser lens array 310 is configured using the light beam splitting lens 201 and a condenser lens having a similar shape on the XY plane. There is also a case. Therefore, in this example, in consideration of optimization of optical characteristics and cost reduction of the optical system, the decentration lens same as the light beam splitting lens 201 is used as the condensing lens 311. As a result, polarization separation described later is performed. The incident angle of the intermediate light beam incident on the unit 330 is the most ideal angle (0 degree). Further, the arrangement of the condensing lenses 311 is also set so as to correspond to the arrangement of the condensing image 203 formed by the first optical element 200. That is, two types of eccentric lenses having different eccentric directions are arranged alternately in the column direction. However, as shown in FIG. 2, the arrangement of the condensed images in the same column direction (Y direction) is linear, so the arrangement of the condenser lenses is also linear in the same column direction. The condensing lens array 310 is not necessarily an indispensable component, and depends on the characteristics of the intermediate light beam incident on the polarization separation unit array 320, the characteristics and arrangement of the polarization separation unit array, and the lens characteristics of the superimposing coupling lens 390. Can be omitted.
[0061]
Next, as shown in FIG. 5, the polarization separation unit array 320 has a configuration in which a plurality of polarization separation units 330 are arranged in the X direction (row direction), and the number of polarization separation units is the first optical unit. It is equal to the number of light beam splitting lenses 201 constituting the element 200 arranged in the X direction.
[0062]
As shown in FIG. 6, the polarization separation unit 330 is a rectangular column-shaped structure elongated in the Y direction and provided with a polarization beam separation surface 331 and a reflection surface 332 therein, and an intermediate beam incident on the polarization separation unit. Are spatially separated into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam. In this example, the size of the polarization separation unit 330 in the X direction is equal to the size of the light beam splitting lens 201 in the X direction, and the size of the polarization separation unit 330 in the Y direction is the Y direction of the first optical element 200. Is set to be equal to the size at. Accordingly, one polarization separation unit corresponds to a series (five) of intermediate light beams (condensed images) arranged in the same column direction (Y direction). Needless to say, one polarization separation unit corresponds to one intermediate light beam, that is, the same number of polarization separation units as the light beam splitting lenses 201 constituting the first optical element 200 are arranged in the condenser lens array 310. Thus, the polarization separation unit array 320 may be configured by arranging in a matrix. However, the size of the polarization separation unit 330 is not necessarily limited to the above set value, and is determined by the overall size of the intermediate light beam (condensed image) formed by the first optical element 200. Is.
[0063]
The polarization beam separation surface 331 is inclined at about 45 degrees with respect to the system optical axis L, the reflection surface 332 is parallel to the polarization beam separation surface 331, and the polarization beam separation surface 331 is on the XY plane. Polarized light flux so that the cross-sectional area projected onto XY (equal to the area of a P exit surface 333 described later) and the cross-sectional area projected onto the XY plane (equal to the area of an S exit surface 334 described later) onto the reflecting surface 332 are equal The separation surface 331 and the reflection surface 332 are set. Therefore, in this example, the size Wp in the X direction on the XY plane of the region where the polarization beam separation surface 331 exists is equal to the size Wm in the X direction on the XY plane of the region where the reflection surface 332 exists. And each is equal to half the size W of the polarization separation unit 330 in the X direction on the XY plane. In general, the polarization beam separation surface can be easily formed of a dielectric multilayer film, and the reflection surface can be easily formed of a dielectric multilayer film or an aluminum film. By using the dielectric multilayer film, a random polarized light beam can be separated into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam without light absorption, and a specific polarized light beam can be reflected.
[0064]
The intermediate light beam 202 incident on the polarization separation unit 330 is reflected by the polarization light beam separation surface 331 and the P-polarization light beam 335 passing through the polarization beam separation surface 331 without changing the traveling direction on the polarization beam separation surface 331 and reflected adjacently. It is separated into an S-polarized light beam 336 that changes the traveling direction in the direction of the surface 332. The P-polarized light beam 335 is emitted from the polarization separation unit as it is through the P emission surface 333, and the S-polarized light beam 336 changes its traveling direction again at the reflection surface 332 and becomes substantially parallel to the P-polarized light beam 335, so that the S emission surface. The light is emitted from the polarization separation unit via 334. Therefore, the random polarized light beam incident on the polarization separation unit is separated into two types of polarized light beams of P-polarized light beam and S-polarized light beam having different polarization directions by the polarization separation unit. The light is emitted in substantially the same direction from the emission surface. Since the polarization separation unit has the above-described operation, it is necessary to guide each intermediate light beam 202 to a region where the polarization light beam separation surface 331 of each polarization separation unit 330 exists. It is necessary to adjust the positional relationship between each polarization separation unit 330 and each condensing lens 311 and the lens characteristics of each condensing lens 311 so that the intermediate light beam is incident on the center of the light beam separation surface. In the case of this example, the condenser lens is arranged so that the center (not the optical axis of the lens) of each condenser lens comes to the center of the polarized light beam separation surface 331 in each polarization separation unit 330. The array 310 is arranged in a state shifted from the polarization separation unit array 320 in the X direction by a distance corresponding to ¼ of the size of the polarization separation unit in the X direction. From the same viewpoint, the first optical element 200 is shifted in the X direction with respect to the second optical element 300 by a distance corresponding to ¼ of the size of the light beam splitting lens 201 in the X direction. (In FIG. 1, since only the light beam splitting lens in the third row portion of the first optical element 200 is drawn, the shift amount of the first optical element with respect to the second optical element is the light beam. This is ½ of the size of the split lens 201 in the X direction).
[0065]
A selective phase difference plate 380 in which λ / 2 phase difference plates 381 are regularly arranged is installed on the exit surface side of the polarization separation unit array 320. That is, the λ / 2 phase difference plate 381 is disposed only on the P exit surface 333 of the polarization separation unit 330 constituting the polarization separation unit array 320, and the λ / 2 phase difference plate 381 is disposed on the S exit surface 334 portion. Not installed (see Figure 6). With such an arrangement state of the λ / 2 phase difference plate 381, the P-polarized light beam emitted from the polarization separation unit 330 is subjected to a rotation action in the polarization direction when passing through the λ / 2 phase difference plate 381, and is an S-polarized light beam. Converted to. On the other hand, since the S-polarized light beam emitted from the S emission surface 334 does not pass through the λ / 2 phase difference plate 381, the polarization direction does not change and passes through the selective phase difference plate 380 as it is. In summary, the intermediate beam having a random polarization direction is converted into one type of polarized beam (in this case, an S-polarized beam) by the polarization separation unit array 320 and the selective phase difference plate 380.
[0066]
A superposed coupling lens 390 is arranged on the exit surface side of the selective phase difference plate 380, and the light beam aligned with the S-polarized light flux by the selective phase difference plate 380 is guided to the illumination region 90 by the superimposing coupling lens 390. Are superimposed on the illumination area. Here, the superposed coupling lens 390 does not have to be a single lens body, and may be an aggregate of a plurality of lenses like the first optical element 200.
[0067]
Summarizing the functions of the second optical element 300, the intermediate light beam 202 divided by the first optical element 200 (that is, the image plane cut out by the light beam dividing lens 201) is illuminated by the second optical element 300. 90 and superimposed. At the same time, an intermediate light beam, which is a randomly polarized light beam, is spatially separated into two types of polarized light beams having different polarization directions by the polarization separation unit array 320 on the way, and one type of light passes through the selective phase difference plate 380. Almost all of the light reaches the illumination area 90. For this reason, the illumination area 90 is almost uniformly illuminated by one type of polarized light beam.
[0068]
As described above, according to the polarized illuminating device 1 of the present example, the polarized light generating device configured by using the first optical element 200 and the second optical element 300 as the random polarized light beam emitted from the light source unit 10. 20 has an effect that the illumination region 90 can be uniformly illuminated by a light beam having a uniform polarization direction while being converted into a very large number of light beams having almost one kind of polarization direction. In particular, in the process of separating the intermediate light beam into two types of polarized light beams, the number of light beams that are superimposed and combined on the illumination area increases to twice the number of intermediate light beams, so the uniformity of the illumination light in the illumination area is significantly improved. To do. In addition, since almost no light loss is involved in the generation process of the polarized light flux, almost all of the light emitted from the light source unit can be guided to the illumination region 90. Therefore, in the polarization illumination device 1, the use of light is possible. It is characterized by extremely high efficiency.
[0069]
Further, in the light beam splitting lens 201 adjacent to the Y direction, the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element 200 is respectively separated by a distance corresponding to approximately half the length of the arrangement pitch in the X direction orthogonal to the Y direction. Are arranged so as to be shifted from each other in the X direction. Therefore, even when the light beam emitted from the light source section has a very non-uniform intensity distribution, the number of the light beam splitting lenses is more than necessary. Without increasing, it is possible to obtain a high-quality polarized light beam having a very uniform light intensity distribution and its angular distribution as illumination light on the illumination region 90.
[0070]
In this example, the condensing lens array 310, the polarization separation unit array 320, the selective phase difference plate 380, and the superposition coupling lens 390 constituting the second optical element 300 are optically integrated, and their interfaces are formed. The effect of reducing the light loss generated in the process and further improving the light utilization efficiency is exhibited.
[0071]
Furthermore, in accordance with the shape of the illumination region 90 that is a horizontally long rectangular shape, the light beam splitting lens 201 that constitutes the first optical element 200 has a horizontally long shape, and at the same time, two types of light emitted from the polarization separation unit array 320 are used. The polarized light flux is separated in the lateral direction (X direction). For this reason, even when illuminating the illumination area 90 having a horizontally long rectangular shape, the illumination efficiency (light utilization efficiency) can be increased without wasting the amount of light.
[0072]
In general, when a light beam with a random polarization direction is simply separated into a P-polarized light beam and an S-polarized light beam, the width of the entire light beam after separation is doubled, and the optical system is accordingly enlarged. However, in the polarized light illumination device of the present invention, the first optical element 200 forms a plurality of minute condensed images 203, makes good use of a space in which no light is generated in the formation process, and applies polarization to the space. By disposing the reflecting surface 332 of the separation unit 330, the width of the light beam caused by separation into two polarized light beams is absorbed in the lateral direction, so that the width of the entire light beam is not widened. There is a feature that a compact optical system can be realized.
[0073]
(Polarized illumination device 2)
The size of the condensed image 203 formed by the first optical element 200 is almost equivalent to the light beam diameter in the state where the light beam diameter of the intermediate light beam 202 is the smallest, and all the condensed images have the same size and shape. It doesn't mean that That is, the condensed image formed by the light beam dividing lens located near the light source optical axis R has a large size, and the condensed image formed by the light beam dividing lens located in the peripheral part away from the light source optical axis R is Small dimensions. Therefore, by optimizing the size and shape of each polarization separation unit constituting the polarization separation unit array in accordance with the size and shape of each condensed image formed by the first optical element, the efficiency of the optical system can be further improved. It is possible to improve the size of the optical system. In this case, since the two polarized light beams are separated in the X direction, the efficiency of the optical system can be improved only by optimizing the sizes of the polarization separation unit in the X direction and the Z direction.
[0074]
In addition, the arrangement of the polarization separation units 330 constituting the polarization separation unit array 320 does not require that all the polarization separation surfaces 331 be arranged in a parallel positional relationship as in the first embodiment. Therefore, by devising the arrangement of the polarization separation unit, the efficiency of the optical system can be further improved, or the size of the second optical element can be reduced.
[0075]
Furthermore, the size and shape of each condenser lens 311 constituting the condenser lens array 310 in the XY plane is set in accordance with the size of the intermediate light beam incident on the corresponding polarization separation unit 330. That's fine. That is, it is sufficient that the dimension in the X direction of the condensing lens is at least half or more than the dimension in the X direction of the corresponding polarization separation units.
[0076]
Accordingly, an example of another polarization illumination device configured in consideration of the above points will be described as a polarization illumination device 2 with reference to FIG. 7 is a cross-sectional view in the XZ plane passing through the center of the second optical element 300, as in FIG. Further, in this polarized light illumination device 2 and each embodiment described below, the basic configuration is the same as that of the polarized light illumination device 1 according to the first embodiment, and therefore parts having the same functions are denoted by the same reference numerals. The description is omitted. In the polarization illumination device 2 of this example, the size of each polarization separation unit and the condenser lens in the X direction is optimized according to the size of the intermediate light beam incident on the polarization separation unit, and at the same time, the system optical axis L is The polarization separation unit is arranged so that the polarization separation plane is symmetrical in the XY plane as a symmetry axis. Therefore, the basic configuration is almost the same as that of the polarization illumination device 1, but the lens characteristics of the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element 200 and the respective polarization separation units constituting the polarization separation unit array 320. 330, the shape and arrangement thereof, the shape and arrangement of the λ / 2 phase difference plate 381 constituting the selection phase difference plate 380, the configuration of the superposition coupling lens 390, and the light source unit 10 for the polarization separation unit array 320. The positional relationship or the like of the first optical element 200 is slightly different from that of the polarization illumination device 1.
[0077]
The polarization separation unit array 320 of this example is configured using two types of polarization separation units L340 and polarization separation units S341 having different dimensions in the X direction and Z direction (the dimensions in the Y direction are the same). That is, the polarization separation unit L340 located in the vicinity of the system optical axis L has large dimensions in the X direction and the Z direction so as to be able to deal with a condensed image having a large dimension, but is located in a peripheral portion away from the system optical axis L. Since the polarization separation unit S341 only needs to be able to handle a condensed image with a small size, the dimensions in the X direction and the Z direction are small. When the size of the polarization separation unit is changed depending on the arrangement location, the polarization separation is performed so that the polarization beam separation surface 331 is symmetrical in the XY plane with the system optical axis L as the symmetry axis. By arranging the units, it is generally easy to configure an optical system.
[0078]
Further, the selective retardation plate 380 disposed on the exit surface side of the polarization separation unit array 320 also has a λ / 2 retardation plate on the XY plane so as to correspond to the size of the polarization separation unit 330. Optimized. That is, a selective phase difference plate in which a λ / 2 phase difference plate L382 having a large size is disposed in the vicinity of the system optical axis L, and a small λ / 2 phase difference plate S383 having a small size is disposed in the peripheral portion away from the system optical axis L. 380 is used. Furthermore, the superposition coupling lens 390 disposed on the exit surface side of the selective phase difference plate 380 is also a composite composed of a plurality of lenses having different sizes and lens characteristics so as to correspond to the size of the polarization separation unit 330. It is a lens.
[0079]
Of course, as in the case of the polarization illumination device 1 of the first embodiment, the light beam splitting lens 201 and the condensing lens 311 are both decentered lenses, and the intermediate light beam 202 formed by the first optical element 200 is polarized. Each of the lenses is optimized so that it can efficiently enter the separation unit 330.
[0080]
By adopting the configuration as described above, each intermediate light beam 202 (condensed image 203) formed by the first optical element 200 can be almost completely taken into the second optical element 300. There is almost no light loss in the process of generating the luminous flux, and therefore the light source light utilization efficiency can be further improved. In addition, since the dimensions of the polarization separation unit 330 and the condenser lens 311 in the XY plane are optimized to the minimum necessary size, the second optical element 300 can be reduced in size and the cost can be reduced. is there.
[0081]
(Display device using polarized illumination device 1)
An example of a direct-view display device in which the polarization illumination device 1 is incorporated will be described. In this example, a transmissive liquid crystal panel is used as a modulation means for modulating the light beam emitted from the polarization illumination device based on display information.
[0082]
FIG. 8 is a schematic configuration diagram showing the main part of the optical system of the display device 3 of this example, and shows a cross-sectional structure in the YZ plane. The display device 3 of this example is generally composed of the polarization illumination device 1, the reflection mirror 510, and the liquid crystal panel 520 shown in FIG.
[0083]
The polarization illumination device 1 includes a light source unit 10 that emits a random polarized light beam in one direction. The random polarized light beam emitted from the light source unit 10 is converted into almost one type of polarized light beam by the polarization generator 20. The The polarized light beam emitted from the polarized illumination device 1 is bent by about 90 degrees in the light traveling direction by the reflection mirror 510, and illuminates the liquid crystal panel 520 with almost one type of polarized light beam. Polarizing plates 521 are arranged before and after the liquid crystal panel. A light guide (for example, an optical fiber) may be used instead of the reflection mirror, and a light diffusing plate is disposed in front of the liquid crystal panel 520 (on the reflection mirror 510 side) for the purpose of improving the viewing angle. Also good.
[0084]
In the display device 3 configured as described above, a liquid crystal panel of a type that modulates one type of polarized light beam is used. Therefore, when a random polarized light beam is guided to a liquid crystal panel using a conventional illumination device, about half of the random polarized light beam is absorbed by the polarizing plate 521 and converted into heat, and the light use efficiency is increased. There was a problem of being bad. However, in the display device 3 of this example, this problem is greatly improved.
[0085]
That is, in the display device 3 of this example, in the polarization illumination device 1, only one polarized light beam (for example, P-polarized light beam) is rotated by the polarization plane by the λ / 2 phase difference plate, and the other polarized light beam. (For example, S-polarized light beam) and the polarization direction are aligned. Therefore, since almost one type of polarized light beam having the same polarization direction is guided to the liquid crystal panel 520, the light absorption by the polarizing plate 521 is very little, so that the utilization efficiency of the light source light is improved and a bright display state is obtained. be able to.
[0086]
Further, in the polarization illumination device 1 that constitutes the display device 3 of this example, the light beam splitting lens 201 that constitutes the first optical element 200 is replaced by the X direction that is orthogonal to the Y direction in the light beam splitting lens that is adjacent to the Y direction. In the process of separating the intermediate light beam into two types of polarized light beams, and arranging them so as to be shifted from each other in the X direction by a distance corresponding to almost half the arrangement pitch of Since the number of light beams superimposed and coupled on the liquid crystal panel 520 is doubled, high-quality illumination light with an extremely uniform light intensity distribution and its angular distribution can be obtained on the liquid crystal panel, and therefore, bright A bright and high-quality display state with little unevenness and color unevenness can be obtained.
[0087]
In the display device 3 of this example, the polarization illumination device 1 of Example 1 is used, but it goes without saying that the polarization illumination device 2 of Example 2 described above can be used instead.
[0088]
(First example of a projection display device using the polarized illumination device 1)
A first example of a projection display device incorporating the polarization illumination device 1 shown in the first embodiment will be described. In this example, a transmissive liquid crystal panel is used as a modulation means for modulating the light beam emitted from the polarization illumination device based on display information.
[0089]
FIG. 9 is a schematic configuration diagram showing the main part of the optical system of the projection display device 4 of this example, and shows the configuration in the XZ plane. The projection display device 4 of this example includes the polarized illumination device 1 shown in the first embodiment, color light separation means for separating a white light beam into three color lights, and modulates each color light based on display information to form a display image. The transmissive liquid crystal panel, three color light combining means for combining color lights to form a color image, and a projection optical system for projecting and displaying the color image.
[0090]
The polarized illumination device 1 of this example includes a light source unit 10 that emits a random polarized light beam in one direction. The random polarized light beam emitted from the light source unit 10 is almost one type of polarized light beam by the polarization generator 20. Is converted to
[0091]
The luminous flux emitted from the polarized illumination device 1 first transmits red light and reflects blue light and green light in a blue light green light reflecting dichroic mirror 801 as color light separating means. The red light is reflected by the reflection mirror 802 and reaches the red light liquid crystal panel 803. On the other hand, of the blue light and the green light, the green light is reflected by the green light reflecting dichroic mirror 804 that is also a color light separating means, and reaches the green light liquid crystal panel 805.
[0092]
Here, since the blue light has the longest optical path length among the respective color lights, the light guide means configured by a relay lens system including the incident lens 806, the relay lens 808, and the emission lens 810 with respect to the blue light. 850 is provided. That is, after the blue light passes through the green light reflecting dichroic mirror 804, it first passes through the incident lens 806 and the reflecting mirror 807, is guided to the relay lens 808, is focused on the relay lens, and then is reflected by the reflecting mirror 809. Then, the light reaches the blue light liquid crystal panel 811. Here, the three liquid crystal panels 803, 805, and 811 modulate the respective color lights, include image information corresponding to each color light, and then enter the modulated color light into the cross dichroic prism 813 that is a color light combining unit. To do. In the cross dichroic prism 813, a red light reflecting dielectric multilayer film and a blue light reflecting dielectric multilayer film are formed in a cross shape, and the respective modulated light beams are combined to form a color image. The color image formed here is enlarged and projected on the screen 815 by the projection lens 814 which is a projection optical system, thereby forming a projection image.
[0093]
In the projection display device 4 configured as described above, a liquid crystal panel of a type that modulates one type of polarized light beam is used. Therefore, when a random polarized light beam is guided to a liquid crystal panel using a conventional illumination device, about half of the random polarized light beam is absorbed by a polarizing plate (not shown) and converted to heat. However, there is a problem that a large-sized and noisy cooling device that suppresses the heat generation of the polarizing plate is necessary as well as the light utilization efficiency is low. However, in the projection display device 4 of the present example, this problem is greatly improved.
[0094]
That is, in the projection display device 4 of the present example, in the polarization illumination device 1, only one polarized light beam (for example, P-polarized light beam) is rotated by the polarization plane by the λ / 2 phase difference plate, and the other The polarization light beam (for example, S-polarized light beam) and the polarization direction are aligned. Therefore, since almost one kind of polarized light beam having the same polarization direction is guided to the three liquid crystal panels 803, 805, 811, the light absorption by the polarizing plate is very small, and thus the light utilization efficiency is improved. A bright projected image can be obtained. In addition, since the amount of light absorbed by the polarizing plate is reduced, the temperature rise at the polarizing plate is suppressed. Therefore, the cooling device can be reduced in size and noise, and a high-performance projection display device can be realized.
[0095]
Further, in the projection display device 4 of this example, a cross dichroic prism 813 is used as color light combining means. The cross dichroic prism 813 is composed of a dielectric multilayer film reflecting red light and a dielectric multilayer film reflecting blue light. Therefore, a large light scattering locally occurs at the boundary surface where the right-angle prisms are joined in a cross shape. Therefore, when a projection display device is configured using this cross dichroic prism, the central portion of the projected image becomes darker in the vertical direction due to the influence of local light scattering that occurs in the central portion of the cross dichroic prism, which is very disturbing. There was a problem of becoming something. In order to solve this problem, it is necessary to increase the homogeneity of light passing through the cross dichroic prism (that is, to make the light intensity distribution and its angular distribution uniform), that is, the light that illuminates the liquid crystal panel. It is none other than improving the homogeneity of the. On the other hand, in the projection display device 4 of this example, such a problem is greatly improved.
[0096]
That is, in the polarization illumination device 1 constituting the projection display device 4 of the present example, the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element 200 is orthogonal to the Y direction in the light beam splitting lens adjacent to the Y direction. In the process of separating the intermediate light flux into two kinds of polarized light fluxes and arranging them so as to be shifted from each other in the X direction by a distance corresponding to approximately half the length of the arrangement pitch in the X direction. Since the number of light beams superimposed and coupled on each of the liquid crystal panels 803, 805, 811 is doubled, the light intensity distribution and the angular distribution thereof are extremely uniform on each of the liquid crystal panels 803, 805, 811. High quality illumination light can be obtained. Since the projection image is formed using the illumination light having high homogeneity of light, the influence of local light scattering in the cross dichroic prism 813 can be avoided, and the central portion of the projection image is not darkened in the vertical direction. A high-quality image can be displayed on the screen 815.
[0097]
Further, in the polarization illumination device 1, the second optical element 300 spatially separates two kinds of polarized light beams in the horizontal direction (X direction). Therefore, it is convenient to illuminate a horizontally long liquid crystal panel without wasting the amount of light.
[0098]
As described with respect to the first embodiment, in the polarization illumination device 1 of this example, the spread of the width of the light beam emitted from the polarization separation unit array 320 is suppressed despite the incorporation of the polarization conversion optical element. Yes. This means that when illuminating the liquid crystal panel, there is almost no light incident on the liquid crystal panel with a large angle. Accordingly, a bright projection image can be realized without using an expensive projection lens having a large aperture with a small F number, and as a result, a small projection display device can be realized.
[0099]
In this example, since the cross dichroic prism 813 is used as the color light combining means, the apparatus can be miniaturized. Further, since the length of the optical path between the liquid crystal panels 802, 805, 811 and the projection lens system is short, a bright projected image can be realized even with an inexpensive projection lens having a relatively small aperture. Each color light has a different optical path length in only one of the three optical paths. In this example, the blue light having the longest optical path length is incident on the incident lens 806, the relay lens 808, and the outgoing lens 810. Since the light guide means 850 configured by a relay lens system is provided, color unevenness does not occur.
[0100]
Note that the projection display device can also be configured by a mirror optical system using two dichroic mirrors as color light combining means. Of course, in this case as well, it is possible to incorporate the polarized illumination device of this example, and as in this example, it is possible to form a bright and high-quality projected image with excellent light utilization efficiency.
[0101]
Finally, in the projection display device 4 of the present example, the polarization illumination device 1 of Example 1 is used, but it goes without saying that the polarization illumination device 2 of Example 2 described above can be used instead.
[0102]
(Second Example of Projection Display Device Using Polarized Illumination Device 1)
A second example of the projection display device in which the polarization illumination device 1 is incorporated will be described. In this example, a reflective liquid crystal panel is used as a modulation means for modulating the light beam emitted from the polarization illumination device based on display information.
[0103]
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of the main part of the optical system of the projection display device 5 of this example as seen in a plan view. The projection display device 5 of this example includes the polarization illumination device 1, the polarization beam splitter 860, the cross dichroic prism 813 that serves as both color light separation means and color light synthesis means, and three reflective liquid crystals that are modulation means. A panel and a projection lens 814 which is a projection optical system are generally configured.
[0104]
The polarized illumination device 1 of this example includes a light source unit 10 that emits a random polarized light beam in one direction. The random polarized light beam emitted from the light source unit 10 is almost one type of polarized light beam by the polarization generator 20. (In this example, it is converted into an S-polarized light beam).
[0105]
The light beam emitted from the polarization illumination device 1 enters the polarization beam splitter 860, is reflected by the polarization separation surface 861, is changed in traveling direction by approximately 90 degrees, and enters the adjacent cross dichroic prism 813. Here, most of the light beam emitted from the polarization illumination device 1 is an S-polarized light beam, but a polarized light beam (in this example, a P-polarized light beam) having a slightly different polarization direction from the S-polarized light beam is mixed. A polarized light beam (P-polarized light beam) having a different polarization direction passes through the polarization separation surface 861 as it is and is emitted from the polarization beam splitter 860 (this P-polarized light beam is illumination light for illuminating the liquid crystal panel). Must not).
[0106]
The S-polarized light beam incident on the cross dichroic prism 813 is separated into three light beams of red light, green light, and blue light according to the wavelength by the cross dichroic prism, and the corresponding red reflective liquid crystal panel 871 and green light respectively. The reflective liquid crystal panel 872 for blue light and the reflective liquid crystal panel 873 for blue light are reached, and each liquid crystal panel is illuminated. That is, the cross dichroic prism 813 functions as a color light separating unit for the illumination light that illuminates the liquid crystal panel.
[0107]
Here, since the liquid crystal panels 871, 872, and 873 used in this example are of a reflection type, each liquid crystal panel modulates each color light and includes display information from the outside corresponding to each color light. At the same time, the polarization direction of the light beam emitted from each liquid crystal panel is changed, and the traveling direction of the light beam is substantially reversed. Therefore, the reflected light from each liquid crystal panel is emitted in a partially P-polarized state according to display information. The modulated light beams (mainly P-polarized light beams) emitted from the respective liquid crystal panels enter the cross dichroic prism 813 again, are combined into one optical image, and enter the adjacent polarizing beam splitter 860 again. . That is, the cross dichroic prism 813 functions as color light combining means for the modulated light beam emitted from the liquid crystal panel.
[0108]
Of the light beams incident on the polarization beam splitter 860, the light beams modulated by the liquid crystal panels 871, 872, and 873 are P-polarized light beams. Therefore, the light beams pass through the polarization separation surface 861 of the polarization beam splitter 860 as they are, and the projection lens 814. Then, a projected image is formed on the screen 815.
[0109]
Also in the projection display device 5 configured as described above, a liquid crystal panel of a type that modulates one type of polarized light beam is used as in the case of the previous projection display device 4, and therefore, a random polarized light beam is generated. In the case of using a conventional illumination device as illumination light, as described in the fourth embodiment, there is a problem that it is difficult to obtain a bright projected image due to poor light utilization efficiency. However, in the projection display device 5 of the present example, such problems are greatly improved.
[0110]
That is, in the projection display device 5 of the present example, by using the polarization illumination device 1 of the present invention instead of the conventional illumination device, it is possible to efficiently generate almost one type of polarized light flux with the same polarization direction. In addition, almost all of the light beam incident on the polarization beam splitter 860 is guided to three reflective liquid crystal panels 871, 872, and 873 as an illumination light beam. Accordingly, the light use efficiency is improved, and a bright projected image without uneven brightness or color can be obtained.
[0111]
In the projection display device 5 of this example, the cross dichroic prism is used as the color light separating means and the color light synthesizing means. However, as described in the fourth embodiment, there is a problem in the structure of the cross dichroic prism. The deterioration of the image quality of the projected image due to the local light scattering caused by this is greatly improved by enhancing the homogeneity of the light that illuminates the liquid crystal panel.
[0112]
That is, in the polarization illumination device 1 constituting the projection display device 5 of the present example, the light beam splitting lens 201 constituting the first optical element 200 is orthogonal to the Y direction in the light beam splitting lens adjacent to the Y direction. In the process of separating the intermediate light flux into two kinds of polarized light fluxes and arranging them so as to be shifted from each other in the X direction by a distance corresponding to approximately half the length of the arrangement pitch in the X direction. Since the number of light beams superimposed and coupled on each liquid crystal panel is doubled, high-quality illumination light with a very uniform light intensity distribution and angular distribution can be obtained on each liquid crystal panel. Since the projection image is formed using the illumination light having high homogeneity of light, the influence of local light scattering in the cross dichroic prism 813 can be avoided, and the central portion of the projection image is not darkened in the vertical direction. A high-quality image can be displayed on the screen 815.
[0113]
As described above, in the polarization illumination device 1 of this example, the spread of the width of the light beam emitted from the polarization separation unit array 320 is suppressed despite the incorporation of the polarization conversion optical element. This means that when illuminating the liquid crystal panel, there is almost no light incident on the liquid crystal panel with a large angle. Accordingly, a bright projection image can be realized without using an expensive projection lens having a large aperture with a small F number, and as a result, a small projection display device can be realized.
[0114]
In this example, the cross dichroic prism is used as the color light separating means and the color light synthesizing means, but the projection display device can also be configured by using two dichroic mirrors instead. Of course, in this case as well, it is possible to incorporate the polarized illumination apparatus of this example, and as in this example, it is possible to form a bright and high-quality projected image with excellent light utilization efficiency.
[0115]
【The invention's effect】
As described above, the optical element of the present invention can generate a specific polarized light beam with very high efficiency, and can obtain a polarized light beam with uniform brightness and no color unevenness. is there.
[0116]
In addition, the polarized light generation apparatus of the present invention generates an outgoing light beam in which the light intensity distribution and the angular distribution in the illumination area are more uniform than the incident light beam and the polarization direction is substantially uniform from an incident light beam that is a randomly polarized light beam. It can be generated with very high efficiency.
[0117]
Further, the display device and the projection display device of the present invention can obtain a very uniform image over the entire display surface and projection surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing an optical system of a polarization illumination device 1 which is an example of a polarization illumination device using a polarization generator of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a first optical element of the polarization illumination device 1;
FIG. 3 is a diagram showing the position of the lens optical axis of each light beam splitting lens constituting the first optical element of the polarization illumination device 1;
FIG. 4 is a perspective view of a condenser lens array of the polarization illumination device 1;
5 is a perspective view of a polarization separation unit array of the polarization illumination device 1. FIG.
FIG. 6 is a diagram for explaining a function of a polarization separation unit of the polarization illumination device 1;
FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing an optical system of a polarization illumination device 2 that is a second example of the polarization illumination device using the polarization generator of the present invention.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an optical system showing an example of a display device in which the polarization illumination device 1 is incorporated.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an optical system showing an example of a projection display device in which the polarization illumination device 1 is incorporated.
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of an optical system showing a second example of a projection display device in which the polarization illumination device 1 is incorporated.
FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a polarization optical system disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-294906.
[Explanation of symbols]
1, 2 Polarized illumination device
3 Display device
4, 5 Projection display device
10 Light source
20 Polarization generator
90 Illumination area
101 Light source lamp
102 Parabolic reflector
200 First optical element
201 luminous flux splitting lens
202 Intermediate luminous flux
203 Condensed image
204 Lens optical axis
205 Lens center
300 Second optical element
310 Condensing lens array
311 condenser lens
320 Polarized light separation unit array
330 Polarization Separation Unit
331 Polarized beam separation surface
332 reflective surface
333 P emission surface
334 S exit surface
335 P-polarized light flux
336 S-polarized light flux
340 Polarization separation unit L
341 Polarization separation unit S
380 Selective phase difference plate
381 λ / 2 retardation plate
382 λ / 2 phase difference plate L
383 λ / 2 retardation plate S
390 Superposition coupling lens
510, 802, 807, 809 Reflective mirror
520, 950 LCD panel
521 Polarizing plate
801 Blue light green light reflecting dichroic mirror
803 LCD panel for red light
804 Green light reflecting dichroic mirror
805 Green light LCD panel
806 Incident lens
808 Relay lens
810 Exit lens
811 Blue light LCD panel
813 Cross Dichroic Prism
814 Projection lens
815 screen
850 Light guiding means
860 Polarizing beam splitter
861 Polarization separation surface
871 Reflective LCD panel for red light
872 Reflective LCD panel for green light
873 Reflective LCD panel for blue light
910 Lens plate
920 Polarizing beam splitter
930 Reflective prism
940 λ / 2 phase difference plate

Claims (21)

入射光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素とを有し
前記第１の光学要素は、
マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、
前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心方向が異なる２種類の偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、
前記第２の光学要素は、
前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離して出射する偏光光束分離手段と、
前記偏光光束分離手段から出射された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、
前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段と
を有し、
前記光束分割レンズが、当該光束分割レンズによって集光される前記中間光束の像の配列が前記偏光光束分離手段の延在方向に沿って一直線状となるように配列されることを特徴とする偏光発生装置。A first optical element that condenses incident light flux and converts it into a plurality of intermediate light fluxes spatially separated from each other;
A second optical element disposed near a position where the intermediate light beam converges, the first optical element comprising:
It consists of a plurality of beam splitting lenses arranged in a matrix,
Each of the plurality of light beam splitting lenses is two types of decentering lenses having different decentering directions , and the light beam splitting lenses adjacent to each other in the column direction are arranged in a state shifted from each other in the row direction,
The second optical element comprises:
Polarized light beam separating means for spatially separating each of the intermediate light beams into an S-polarized light beam and a P-polarized light beam;
Polarization conversion means for converting the polarization direction of any one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam emitted from the polarized light beam separating means to the other polarization direction;
Superimposing and coupling means for superimposing and coupling the other polarized light flux and the one polarized light flux whose polarization direction has been converted by the polarization conversion means to convert it into an output light flux,
Polarized light characterized in that the light beam splitting lens is arranged so that the array of images of the intermediate light beam collected by the light beam splitting lens is in a straight line along the extending direction of the polarized light beam separating means Generator. 請求項１において、前記偏光光束分離手段は反射面と偏光光束分離面とを備え、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配列されてなることを特徴とする偏光発生装置。2. The polarization generator according to claim 1, wherein the polarized light beam separating means includes a reflecting surface and a polarized light beam separating surface, and the reflecting surface and the polarized light beam separating surface are arranged in parallel to each other. 請求項１において、前記光束分割レンズの外形形状が矩形であることを特徴とする偏光発生装置。2. The polarized light generator according to claim 1, wherein an outer shape of the light beam splitting lens is rectangular. 請求項１乃至請求項３のいずれかにおいて、前記重畳結合手段は、複数のレンズ体を備えることを特徴とする偏光発生装置。4. The polarization generator according to claim 1, wherein the superimposing and coupling unit includes a plurality of lens bodies. 請求項１乃至請求項４のいずれかにおいて、前記第２の光学要素が、さらに、前記複数の中間光束をそれぞれ集光する集光手段を有し、前記集光手段はマトリックス状に配置された複数の集光レンズからなることを特徴とする偏光発生装置。5. The method according to claim 1, wherein the second optical element further includes a condensing unit that condenses the plurality of intermediate light beams, and the condensing unit is arranged in a matrix. A polarized light generator comprising a plurality of condensing lenses. 請求項５において、前記複数の集光レンズはいずれも偏心レンズであることを特徴とする偏光発生装置。6. The polarized light generator according to claim 5, wherein each of the plurality of condensing lenses is an eccentric lens. 光源部と、
前記光源部からの光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素と、
前記第２の光学要素から出射された光束を変調する変調手段と
を有する表示装置であって、
前記第１の光学要素は、
マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、
前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心方向が異なる２種類の偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、
前記第２の光学要素は、
前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離して出射する偏光光束分離手段と、
前記偏光光束分離手段から出射された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、
前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段と
を有し、
前記光束分割レンズが、当該光束分割レンズによって集光される前記中間光束の像の配 列が前記偏光光束分離手段の延在方向に沿って一直線状となるように配列されることを特徴とする表示装置。A light source unit;
A first optical element that collects a light beam from the light source unit and converts it into a plurality of intermediate light beams spatially separated from each other;
A second optical element disposed near a position where the intermediate light beam converges;
A display device having modulation means for modulating a light beam emitted from the second optical element,
The first optical element comprises:
It consists of a plurality of beam splitting lenses arranged in a matrix,
Each of the plurality of light beam splitting lenses is two types of decentering lenses having different decentering directions , and the light beam splitting lenses adjacent to each other in the column direction are arranged in a state shifted from each other in the row direction,
The second optical element comprises:
Polarized light beam separating means for spatially separating each of the intermediate light beams into an S-polarized light beam and a P-polarized light beam;
Polarization conversion means for converting the polarization direction of any one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam emitted from the polarized light beam separating means to the other polarization direction;
Superimposing and coupling means for superimposing and coupling the other polarized light flux and the one polarized light flux whose polarization direction has been converted by the polarization conversion means to convert it into an output light flux,
The beam splitting lenses, characterized in that the array of image of the intermediate light flux condensed by the beam splitting lenses are arranged such that the straight line along the extending direction of the polarized light separating means Display device. 請求項７において、前記偏光光束分離手段は反射面と偏光光束分離面とを備え、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配列されてなることを特徴とする表示装置。8. The display device according to claim 7, wherein the polarized light beam separating means includes a reflecting surface and a polarized light beam separating surface, and the reflecting surface and the polarized light beam separating surface are arranged in parallel to each other. 光源部と、
前記光源部からの光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素と、
前記第２の光学要素から出射された光束を変調する変調手段と、
前記変調手段によって変調された光束を投写する投写光学手段とを有する投写型表示装置であって、
前記第１の光学要素は、
マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、
前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心方向が異なる２種類の偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、
前記第２の光学要素は、
前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離して出射する偏光光束分離手段と、
前記偏光光束分離手段から出射された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、
前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段と
を有し、
前記光束分割レンズが、当該光束分割レンズによって集光される前記中間光束の像の配列が前記偏光光束分離手段の延在方向に沿って一直線状となるように配列されることを特徴とする投射型表示装置。A light source unit;
A first optical element that collects a light beam from the light source unit and converts it into a plurality of intermediate light beams spatially separated from each other;
A second optical element disposed near a position where the intermediate light beam converges;
Modulation means for modulating the light beam emitted from the second optical element;
A projection display device having projection optical means for projecting a light beam modulated by the modulation means,
The first optical element comprises:
It consists of a plurality of beam splitting lenses arranged in a matrix,
Each of the plurality of light beam splitting lenses is two types of decentering lenses having different decentering directions , and the light beam splitting lenses adjacent to each other in the column direction are arranged in a state shifted from each other in the row direction,
The second optical element comprises:
Polarized light beam separating means for spatially separating each of the intermediate light beams into an S-polarized light beam and a P-polarized light beam;
Polarization conversion means for converting the polarization direction of any one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam emitted from the polarized light beam separating means to the other polarization direction;
Superimposing and coupling means for superimposing and coupling the other polarized light flux and the one polarized light flux whose polarization direction has been converted by the polarization conversion means to convert it into an output light flux,
Projection characterized in that the beam splitting lens is arranged so that an array of images of the intermediate beam focused by the beam splitting lens is in a straight line along the extending direction of the polarized beam splitting means Type display device. 請求項９において、前記偏光光束分離手段は反射面と偏光光束分離面とを備え、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配列されてなることを特徴とする投射型表示装置。10. The projection display device according to claim 9, wherein the polarized light beam separating means includes a reflecting surface and a polarized light beam separating surface, and the reflecting surface and the polarized light beam separating surface are arranged in parallel to each other. 請求項９または請求項１０において、前記重畳結合手段は、複数のレンズ体を備えることを特徴とする投射型表示装置。11. The projection display device according to claim 9, wherein the superimposing and coupling unit includes a plurality of lens bodies. 請求項９乃至請求項１１のいずれかにおいて、前記第２の光学要素が、さらに、前記複数の中間光束をそれぞれ集光する集光手段を有し、前記集光手段はマトリックス状に配置された複数の集光レンズからなることを特徴とする投射型表示装置。12. The method according to claim 9, wherein the second optical element further includes condensing means for condensing the plurality of intermediate light beams, and the condensing means are arranged in a matrix. A projection display device comprising a plurality of condensing lenses. 請求項１２において、前記複数の集光レンズはいずれも偏心レンズであることを特徴とする投射型表示装置。The projection display device according to claim 12, wherein each of the plurality of condensing lenses is an eccentric lens. 請求項９乃至請求項１３のいずれかにおいて、前記複数の偏光光束分離手段のうち、前記光源部の光軸付近に位置する前記偏光光束分離手段の寸法が、前記光源部の光軸から離れた周辺部に位置する前記偏光光束分離手段の寸法よりも大きいことを特徴とする投射型表示装置。14. The dimension of the polarized light beam separating unit located near the optical axis of the light source unit among the plurality of polarized light beam separating units is separated from the optical axis of the light source unit. A projection type display device characterized in that it is larger than the size of the polarized light beam separating means located at the periphery. 光源部と、
前記光源部からの光束を集光し、互いに空間的に分離された複数の中間光束に変換する第１の光学要素と、
前記中間光束が収束する位置付近に配置された第２の光学要素と、
前記第２の光学要素から出射された光束を２以上の色光に分離する色光分離手段と、
前記色光分離手段から出射されるそれぞれの色光に対応して設けられた２以上の前記変調手段と、
それぞれの前記変調手段によって変調された色光を合成する色光合成手段と、
前記色光合成手段によって合成された光束を投写する投写光学手段と
を有する投写型表示装置であって、
前記第１の光学要素は、
マトリックス状に配置された複数の光束分割レンズからなり、
前記複数の光束分割レンズはいずれも偏心方向が異なる２種類の偏心レンズであり、且つ、列方向に隣り合う光束分割レンズが行方向に相互にずれた状態で配列され、
前記第２の光学要素は、
前記中間光束のそれぞれをＳ偏光光束とＰ偏光光束とに空間的に分離して出射する偏光光束分離手段と、
前記偏光光束分離手段から出射された前記Ｐ偏光光束、前記Ｓ偏光光束のうちのいずれか一方の偏光方向を他方の偏光方向に変換する偏光変換手段と、
前記他方の偏光光束と、前記偏光変換手段によって偏光方向が変換された前記一方の偏光光束とを重畳結合させて出射光束に変換する重畳結合手段と
を有し、
前記光束分割レンズが、当該光束分割レンズによって集光される前記中間光束の像の配列が前記偏光光束分離手段の延在方向に沿って一直線状となるように配列されることを特徴とする投写型表示装置。A light source unit;
A first optical element that collects a light beam from the light source unit and converts it into a plurality of intermediate light beams spatially separated from each other;
A second optical element disposed near a position where the intermediate light beam converges;
Color light separating means for separating the light beam emitted from the second optical element into two or more color lights;
Two or more modulation means provided corresponding to the respective color lights emitted from the color light separation means;
Color light combining means for combining the color lights modulated by the respective modulation means;
A projection display device having projection optical means for projecting a light beam synthesized by the color light synthesis means,
The first optical element comprises:
It consists of a plurality of beam splitting lenses arranged in a matrix,
Each of the plurality of light beam splitting lenses is two types of decentering lenses having different decentering directions , and the light beam splitting lenses adjacent to each other in the column direction are arranged in a state shifted from each other in the row direction,
The second optical element comprises:
Polarized light beam separating means for spatially separating each of the intermediate light beams into an S-polarized light beam and a P-polarized light beam;
Polarization conversion means for converting the polarization direction of any one of the P-polarized light beam and the S-polarized light beam emitted from the polarized light beam separating means to the other polarization direction;
Superimposing and coupling means for superimposing and coupling the other polarized light flux and the one polarized light flux whose polarization direction has been converted by the polarization conversion means to convert it into an output light flux,
Projection characterized in that the beam splitting lens is arranged so that an array of images of the intermediate beam focused by the beam splitting lens is in a straight line along the extending direction of the polarized beam splitting means Type display device. 請求項１５において、前記偏光光束分離手段は反射面と偏光光束分離面とを備え、前記反射面と前記偏光光束分離面とは互いに平行に配列されてなることを特徴とする投射型表示装置。16. The projection display device according to claim 15, wherein the polarized light beam separating means includes a reflecting surface and a polarized light beam separating surface, and the reflecting surface and the polarized light beam separating surface are arranged in parallel to each other. 請求項１５または請求項１６において、前記重畳結合手段は、複数のレンズ体を備えることを特徴とする投射型表示装置。17. The projection display device according to claim 15, wherein the superimposing and coupling unit includes a plurality of lens bodies. 請求項１５乃至請求項１７のいずれかにおいて、前記第２の光学要素が、さらに、前記複数の中間光束をそれぞれ集光する集光手段を有し、前記集光手段はマトリックス状に配置された複数の集光レンズからなることを特徴とする投射型表示装置。In any one of Claims 15 thru | or 17, The said 2nd optical element has further the condensing means which each condenses these several intermediate | middle light beams, The said condensing means was arrange | positioned at matrix form. A projection display device comprising a plurality of condensing lenses. 請求項１８において、前記複数の集光レンズはいずれも偏心レンズであることを特徴とする投射型表示装置。19. The projection display device according to claim 18, wherein each of the plurality of condensing lenses is an eccentric lens. 請求項１５乃至請求項１９のいずれかにおいて、前記複数の偏光光束分離手段のうち、前記光源部の光軸付近に位置する前記偏光光束分離手段の寸法が、前記光源部の光軸から離れた周辺部に位置する前記偏光光束分離手段の寸法よりも大きいことを特徴とする投射型表示装置。20. The dimension of the polarized light beam separating unit located near the optical axis of the light source unit among the plurality of polarized light beam separating units is separated from the optical axis of the light source unit. A projection type display device characterized in that it is larger than the size of the polarized light beam separating means located at the periphery. 請求項１５において、前記色光合成手段は、ダイクロイック膜を十字状に配置したクロスダイクロイックプリズムからなることを特徴とする投射型表示装置。16. The projection type display device according to claim 15, wherein the color light combining means comprises a cross dichroic prism in which dichroic films are arranged in a cross shape.
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