JP3826950B2 - 偏光照明装置および投写型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光方向を揃えた偏光光を用いて矩形の照明領域などを均一に照明する偏光照明装置に関するものである。また、本発明は、この偏光照明装置から出射された偏光光を液晶ライトバルブにより変調して映像をスクリーン上に拡大表示する投写型表示装置に関するものである。

液晶ライトバルブ等の矩形の照明領域を均一に照明する光学系としては、従来より、２枚のレンズ板を用いたインテグレータ光学系が知られている。インテグレータ光学系は、例えば、特開平３−１１１８０６号公報に開示されており、液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置の照明装置としてすでに実用化されている。

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り、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矩形集光レンズによって分割して、各矩形集光レンズにより切りだされたイメージ（光源像）を各矩形集光レンズに対応した集光レンズ群を備えた構成の第２のレンズ板を介して一か所の照明領域上に重畳結像させるものである。この光学系では、光源光の利用効率（照明効率）が向上すると共に、液晶ライトバルブを照明する光の強度分布をほぼ一様にすることができる。

一方、偏光光を変調するタイプの液晶ライトバルブを用いた一般的な投写型表示装置では、一種類の偏光光しか利用できないため、ランダムな偏光光を発する光源からの光の内の約半分は利用されない。そこで、利用されない光を利用可能とすることにより光の利用効率を高めるようにした提案がなされている。代表的な例は、ＥＵＲＯＤＩＳＰＬＡＹ '９０ ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＳの６４頁から６７頁に開示されていように、主に偏光ビームスプリッターとλ／２位相差板を備えた偏光変換光学系を利用している。偏光変換光学系は、液晶ライトバルブでは利用できない種類の偏光光を、当該液晶ライトバルブが利用できる種類の偏光光に変換して、光源光の利用効率を高めるものである。

ここで、上記のインテグレータ光学系と偏光変換光学系を組み合わせることにより、光源光からの光の利用効率を一層向上させることが可能である。しかし、これらを単純に組み合わせた場合には、光学系全体の横幅が約２倍に拡大してしまう。このため、Ｆナンバーの小さな極めて大口径の投写レンズを使用しない限り、投写型表示装置における光利用効率を向上できないばかりか、光学系の小型化を達成することが困難になってしまう。

本発明の課題は、この点に鑑みて、インテグレータ光学系と偏光変換光学系を組み合わせた光利用効率の高い偏光照明装置を小型でコンパクトに構成することにある。

また、本発明の課題は、このような光利用効率が高く、小型でコンパクトな偏光照明装置を用いることにより、Ｆナンバーの小さい大口径の投写レンズを使用することなく、明るい投写画像を得ることの可能な投写型表示装置を実現することにある。

上記の課題を解決するために、本発明の偏光照明装置は、偏光方向がランダムな光を出射する光源部と、矩形状の外形を有する複数の矩形集光レンズから構成され、前記光源部から出射される光を集光して複数の２次光源像を形成するためのレンズ板と、前記複数の２次光源像が形成される位置の近傍に配置された、集光レンズアレイと偏光分離プリズムアレイと偏光変換素子と、を有し、前記集光レンズアレイは複数の集光レンズからなり、前記偏光分離プリズムアレイは、前記複数の矩形集光レンズによって集光される複数の光のそれぞれを隣り合う一対のＰ偏光光とＳ偏光光とに分離するものであって、複数の偏光ビームスプリッターと複数の反射ミラーとから構成され、前記偏光変換素子は、前記Ｐ偏光光とＳ偏光光の偏光方向を揃えるものであって、前記偏光分離プリズムアレイの出射面の側に配置されている、ことを特徴としている。

本発明の偏光照明装置においては、複数の微小な矩形集光レンズからなる第１のレンズ板によって複数の微小な光束（２次光源像）を形成し、これらの光束を偏光方向が異なるＰ偏光光およびＳ偏光光に分離した後に、一方の偏光光または双方の偏光光の偏光面を回転させて、偏光面が揃った状態にしている。したがって、偏光方向の揃った一種類の偏光光を照射することができる。このため、光利用効率が高く高品位な照明光を得ることができる。

また、偏光ビームスプリッタを単純に用いて偏光照明光学系を構成することは可能であるが、その場合には、光学系全体の横幅が約２倍に拡大してしまうので、光学系の小型化が極めて困難となる等の不都合を生ずる。本発明では、インテグレータ光学系の特徴である微小な２次光源像の生成というプロセスを利用して偏光光の分離を行なっているので、偏光光の分離に伴う光路の空間的な広がりを抑制できる。したがって、偏光変換光学系を備えているにもかかわらず、偏光照明装置の小型化を達成できる。

一方、本発明の投写型表示装置は、その照明装置として上記構成の偏光照明装置を備えたことを特徴としている。

本発明の偏光照明装置においては、前記第２のレンズ板を構成する前記集光レンズは、前記第１のレンズ板を構成する前記矩形集光レンズと相似形とすることができる。

この代わりに、前記第２のレンズ板を構成する前記集光レンズのそれぞれの大きさおよび形状を異なったものにしてもよい。すなわち、前記第１のレンズ板を構成する前記矩形集光レンズのそれぞれによって形成される２次光源像の大きさおよび形状に対応させて、これらの２次光源像が形成される前記偏光ビームスプリッタのそれぞれの大きさおよび形状を設定する構成を採用することができる。この場合には、前記第２のレンズ板を構成している各集光レンズも、対応する偏光ビームスプリッタの大きさおよび形状に対応した大きさおよび形状となるように設定される。

このように、形成される２次光源像の大きさ及び形状に対応させて、すなわち、当該２次光源像を包含するに足る大きさ及び形状となるように各集光レンズおよび偏光ビームスプリッタの大きさおよび形状を設定すれば、光の利用効率を向上させることができる。また、照度分布の均一化を図ることができる。

なお、一般的には、システム光軸の側である中心側において大きな２次光源像が形成され、その周辺側に向かうに伴って、形成される２次光源像は小さくなる。したがって、中心側の集光レンズおよび偏光ビームスプリッタを大きなものとし、周辺側のものを小さなものとすればよい。

ここで、集光レンズは同一の大きさおよび形状のものを使用し、各偏光ビームスプリッタのみを、それらの大きさおよび形状が、形成される２次光源像に対応するものとなるようにしてもよい。この場合においても、光の利用効率を向上させることができ、また、照度分布の均一化を図ることができる。

次に、第１のレンズ板により形成される２次光源像が偏光ビームスプリッタの部分に位置するように、光源部はその光源光軸がシステム光軸に対して僅かな角度をなすように配置する必要がある。この代わりに、変角プリズムを配置することで、光源光軸Ｒをシステム光軸Ｌと一致させ、光源部を傾けずに配置させることが出来る。例えば、光源部と第１のレンズ板の間に、変角レンズを配置する構成を採用することができる。変角レンズは、第１のレンズ板に対して一体化させることもできる。

変角レンズを使用する代わりに、第１のレンズ板を構成する矩形集光レンズを偏心系のレンズとすることもできる。この代わりに、第２のレンズ板の側の集光レンズアレイを構成する集光レンズを偏心系レンズとしてもよい。第２のレンズ板の側の集光レンズアレイを構成する集光レンズを偏心系レンズとする場合には、各偏心系レンズの偏心量および反射ミラーの反射膜の角度を調整することにより、第２のレンズ板の構成要素である出射側レンズを省略することができる。

一方、光源部の光源光軸がシステム光軸に対して傾斜するように光学系を構成する代わりに、次の構成を採用して、第１のレンズ板により形成される２次光源像を偏光ビームスプリッタの部分に位置させることもできる。すなわち、光源光軸がシステム光軸に対して、偏光ビームスプリッタの横幅の半分の量だけ当該偏光ビームスプリッタの配列方向に向けて平行移動した状態となるように光学系を構成すればよい。この場合には、光源光軸の移動に対応させて、第１のレンズ板も同一の量だけ同一方向に平行移動させて、当該第１のレンズ板の中心を光源光軸に合わせる。

なお、第２のレンズ板の集光レンズアレイを構成している集光レンズは、実際に必要な部分は偏光ビームスプリッタの横幅に対応する部分である。したがって、各集光レンズの横幅を、少なくとも、偏光ビームスプリッタの横幅に等しい寸法に設定すればよい。

また、λ／２位相差板としてはＴＮ（ツイステッド・ネマチック）液晶で形成されたものを使用することができる。

次に、前述した偏光分離プリズムアレイは、偏光ビームスプリッタとして、内部に偏光分離膜が形成された四角柱状のプリズム合成体を有していると共に、反射ミラーとして、内部に反射膜が形成された四角柱状のプリズム合成体を有している構成のものを採用できる。

この場合、偏光分離膜が形成されたプリズム合成体と反射ミラーが形成されたプリズム合成体は、システム光軸に対して直角の方向に一列に配列した構成とすることができる。

例えば、偏光分離膜が形成されたプリズム合成体と反射ミラーが形成されたプリズム合成体は、システム光軸光軸に対して直角の方向に交互に配列すると共に、偏光分離膜のそれぞれをシステム光軸に対してほぼ同一の傾斜角度となるように配列した構成を採用できる。

この代わりに、偏光分離膜が形成されたプリズム合成体と反射ミラーが形成されたプリズム合成体を、システム光軸に対して直角の方向に配列すると共に、偏光分離膜のそれぞれがシステム光軸の両側では、当該光軸に対して左右対称な傾斜角度となるように配列する構成を採用してもよい。

一方、上記の各構成の偏光照明装置を備えた本発明の投写型表示装置においては、一般的には、偏光照明装置からの光束を少なくとも２つの光束に分離する色光分離手段と、変調手段によって変調された後の変調光束を合成する色光合成手段とを有し、当該色光合成手段により得られた合成光束を投写光学系を介してスクリーン上にカラー画像として投写表示する構成とされる。

以下に、図面を参照して本発明の各実施例を説明する。
（実施例１）
図１は、実施例１の偏光照明装置の要部を平面的にみた概略構成図である。本例の偏光照明装置１はシステム光軸Ｌに沿って配置した光源部２、第１のレンズ板３、第２のレンズ板４から大略構成されている。光源部２から出射された光は、第１のレンズ板３により第２のレンズ板４内に集光され、第２のレンズ板４を通過する過程においてランダムな偏光光は偏光方向が揃った１種類の偏光光に変換され、照明領域５に至るようになっている。

光源部２は、光源ランプ２０１と、放物面リフレクター２０２から大略構成されている。光源ランプ２０１から放射されたランダムな偏光光は、放物面リフレクター２０２によって一方向に反射されて、略平行な光束となって第１のレンズ板３に入射される。ここで、放物面リフレクター２０２に代えて、楕円面リフレクター、球面リフレクターなども用いることができる。光源光軸Ｒはシステム光軸Ｌに対して一定の角度だけ傾斜させてある。

図２には第１のレンズ板３の外観を示してある。この図に示すように、第１のレンズ板３は矩形状の輪郭をした微小な矩形集光レンズ３０１が縦横に複数配列した構成である。第１のレンズ板３に入射した光は、矩形集光レンズ３０１の集光作用により、システム光軸Ｌと垂直な平面内に矩形集光レンズ３０１の数と同数の集光像を形成する。この複数の集光像は光源ランプの投写像に他ならないため、以下では２次光源像と呼ぶものとする。

次に、再び図１を参照して本例の第２のレンズ板４について説明する。第２のレンズ板４は、集光レンズアレイ４１０、偏光分離プリズムアレイ４２０、λ／２位相差板４３０、及び出射側レンズ４４０から構成される複合積層体であり、第１のレンズ板３による２次光源像が形成される位置の近傍における、システム光軸Ｌに対して垂直な平面内に配置されている。この第２のレンズ板４は、インデクレータ光学系の第２のレンズ板としての機能、偏光分離素子としての機能、および偏光変換素子としての機能を併せ持っている。

集光レンズアレイ４１０は第１のレンズ板３とほぼ同様な構成となっている。即ち、第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１と同数の集光レンズ４１１を複数配列したものであり、第１のレンズ板３からの光を集光する作用がある。集光レンズアレイ４１０は、インテグレータ光学系の第２のレンズ板に相当するものである。

集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１と第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１とは、全く同一の寸法形状及びレンズ特性を有する必要はない。光源部２からの光の特性に応じて各々最適化されることが望ましい。しかし、偏光ビームプリズムアレイ４２０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。この点から、集光レンズ４１１は第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１と同一のレンズ特性を有するものか、或いは矩形集光レンズ３０１と相似形の形状をしている同一レンズ特性を有するものとする場合が多い。

図３には偏光分離プリズムアレイ４２０の外観を示してある。この図に示すように、偏光分離プリズムアレイ４２０は、内部に偏光分離膜を備えた四角柱状のプリズム合成体からなる偏光ビームスプリッター４２１と、同じく内部に反射膜を備えた四角柱状のプリズム合成体からなる反射ミラー４２２とからなる対を基本構成単位とし、その対を平面的に複数配列（２次光源像が形成される平面内に配列される）したものである。集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１に対して１対の基本構成単位が対応するように規則的に配置されている。また、１つの偏光ビームスプリッター４２１の横幅Ｗｐと１つの反射ミラー４２２の横幅Ｗｍは等しい。さらに、この例では集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１の横幅の１／２となるように、ＷｐおよびＷｍの値は設定されているが、これに限定されない。

ここで、第１のレンズ板３により形成される２次光源像が偏光ビームスプリッター４２１の部分に位置するように、偏光分離プリズムアレイ４２０を含む第２のレンズ板４が配置されている。そのために、光源部２はその光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して僅かに角度をなすように配置されている。

図１および図３を参照して説明すると、偏光分離プリズムアレイ４２０に入射したランダムな偏光光は偏光ビームスプリッター４２１により偏光方向の異なるＰ偏光光とＳ偏光光の２種類の偏光光に分離される。Ｐ偏光光は進行方向を変えずに偏光ビームスプリッター４２１をそのまま通過する。他方、Ｓ偏光光は偏光ビームスプリッター４２１の偏光分離膜４２３で反射して進行方向を約９０度変え、隣接する反射ミラー４２２（対をなす反射ミラー）の反射面４２４で反射して進行方向を約９０度変え、最終的にはＰ偏光光とほぼ平行な角度で偏光分離プリズムアレイ４２０より出射される。

偏光分離プリズムアレイ４２０の出射面には、λ／２位相差膜４３１が規則的に配置されたλ／２位相差板４３０が設置されている。すなわち、偏光分離プリズムアレイ４２０を構成する偏光ビームスプリッター４２１の出射面部分にのみλ／２位相差膜４３１が配置され、反射ミラー４２２の出射面部分にはλ／２位相差膜４３１は配置されていない。この様なλ／２位相差膜４３１の配置状態により、偏光ビームスプリッター４２１から出射されたＰ偏光光は、λ／２位相差膜４３１を通過する際に偏光面の回転作用を受けＳ偏光光へと変換される。他方、反射ミラー４２２から出射されたＳ偏光光はλ／２位相差膜４３１を通過しないので、偏光面の回転作用は一切受けず、Ｓ偏光光のままλ／２位相差板４３０を通過する。以上をまとめると、偏光分離プリズムアレイ４２０とλ／２位相差板４３０により、ランダムな偏光光は１種類の偏光光（この場合はＳ偏光光）に変換されたことになる。

このようにしてＳ偏光光に揃えられた光束は、出射側レンズ４４０により照明領域５へと導かれ、照明領域５上で重畳結合される。すなわち、第１のレンズ板３により切り出されたイメージ面は、第２のレンズ板４により照明領域５上に重畳結像される。これと同時に、途中の偏光分離プリズムアレイ４２０によりランダムな偏光光は偏光方向が異なる２種類の偏光光に空間的に分離され、λ／２位相差板４３０を通過する際に１種類の偏光光に変換されて、殆ど全ての光が照明領域５へと達する。このため、照明領域５は殆ど１種類の偏光光でほぼ均一に照明されることになる。

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２から放射されたランダムな偏光光を第１のレンズ板３により偏光分離プリズムアレイ４２０の所定の微小な領域に集光し、偏光方向が異なる２種類の偏光光に空間的に分離した後、各偏光光をλ／２位相差板４３０の所定の領域に導いて、Ｐ偏光光をＳ偏光光に変換する。従って、光源部２から放射されたランダムな偏光光を殆どＳ偏光光に揃えた状態で照明領域５に照射出来るという効果を奏する。また、偏光光の変換過程においては光損失を殆ど伴わないため、光源光の利用効率が極めて高いという特徴を有する。

さらに、本例では、横長の矩形形状である照明領域５の形状に合わせて、第１のレンズ板３を構成する微小な矩形集光レンズ３０１を横長の矩形形状とし、同時に、偏光分離プリズムアレイ４２０から出射された２種類の偏光光を横方向に分離する形態となっている。このため、横長の矩形形状を有する照明領域５を照明する場合でも、光量を無駄にすることなく、照明効率を高めることが出来る。

一般に偏光ビームスプリッターを用いてランダムな偏光光をＰ偏光光とＳ偏光光に単純に分離すると、偏光ビームスプリッターから出射される光束の幅は２倍に広がり、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、インテグレータ光学系の特徴である微小な２次光源像の生成というプロセスを上手く利用して、偏光光を分離することに起因して生ずる光束幅の広がりを吸収しているので、光束の幅は広がらず、小型の光学系を実現できる特徴がある。

（実施例２）
実施例１においては、第１のレンズ板３により形成される２次光源像が偏光ビームスプリッター４２１の部分に位置するように、光源部２はその光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して僅かな角度をなすように配置する必要があったが、変角プリズムを配置することで、光源光軸Ｒをシステム光軸Ｌと一致させ、光源部を傾けずに配置させることが出来る。

図４に示す実施例２に係わる偏光照明装置１０は、変角プリズムを使用した例である。この図に示すように、偏光照明装置１０では、変角プリズム６が光源部２と第１のレンズ板３の間に配置されている。光源部２から変角プリズム６に入射した光は、変角プリズムにより進行方向を僅かに曲げられ、垂直ではないある角度を伴って第１のレンズ板３に入射し、偏光ビームスプリッタ４２１の所定の位置に達する。

このようにして、第１のレンズ板３により形成される２次光源像の位置を変角プリズム６を設置することにより自在に設定できる。したがって、光源部２をシステム光軸Ｌ上に配置することが出来、光学系の作製がより簡単、且つ容易となる。

ここで、本例では、変角プリズム６を第１のレンズ板３の入射側の面に対して一体化してある。このために、変角プリズム６と第１のレンズ板３との間で光の反射損失の原因となる界面の数を減少できる。変角プリズム６を第１のレンズ板３に対して一体化することにより、光源部２からの光を、損失することなく第２のレンズ板４へ導くことが出来る。

（実施例３）
システム光軸Ｌに対して僅かに傾けた状態で配置する必要がある光源部２をシステム光軸Ｌ上に配置できるようにするためには、上記の実施例２で示した方法以外にも、第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１を偏心系のレンズにする方法によっても実現可能である。図５に示す実施例３は、このような構成を備えた偏光照明装置である。

図５に示すように、本例の照明装置１００では偏心系微小集光レンズ３１０により第１のレンズ板３を構成し、第１のレンズ板３を出射する光束の主光線を僅かに傾け、偏光ビームスプリッタ４２１の所定の位置に２次光源像が形成されるように設定してある。このため、光源部２をシステム光軸Ｌ上に配置でき、光学系の作製がより簡単、且つ容易となる。

（実施例４）
上記の実施例１乃至３において用いた第２のレンズ板４は、何れも集光レンズアレイ４１０と出射側レンズ４４０を備えている。偏光ビームプリズムアレイ４１０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ことから、集光レンズアレイ４２１は第１のレンズ板３を構成する矩形集光レンズ３０１と同一のレンズにより構成される場合が多く、また、出射側レンズ４４０は第２のレンズ板４上のシステム光軸Ｌから離れた異なる位置を通過した光束を所定の照明領域５上に重畳結合させるために必要である。

しかし、集光レンズアレイ４１０を偏心系のレンズとすると共に、反射ミラー４２２の反射面４２４の設置角度を工夫することにより、出射側レンズ４４０を省略することが可能である。図６には、この構成を備えた実施例４に係わる偏光照明装置を示してある。

図６に示すように、本例では偏心系集光レンズ４１２、４１３を用いて集光レンズアレイ４１０を構成しているため、集光レンズアレイ４１０の部分において偏光ビームスプリッター４２１を通過するＰ偏光光の主光線を照明領域の中心５１に向けることが出来る。システム光軸Ｌから離れた位置にある偏光ビームスプリッター４２１を通過する光束に対しては、偏心系集光レンズ４１２の偏心量を大きくすることにより対応できる。一方、偏光ビームスプリッター４２１及び反射ミラー４２２を経て出射されるＳ偏光光に対しても、反射ミラー４２２の反射面４２４の設置角度を適当な値とすることで、Ｓ偏光光の主光線を照明領域の中心５１に向けることが出来る。勿論、この場合には、システム光軸Ｌからの距離に応じて反射面の設置角度を個々に最適化する必要がある。

以上のような構成とすることにより、出射側レンズ４４０は不要となり、光学系の低コスト化が可能となる。

また、本例のように出射側レンズを使用しない構成では、集光レンズアレイ４１０の設置場所は偏光分離プリズムアレイ４２０の光源側に限定されることはなく、集光レンズアレイ４１０を構成する偏心系集光レンズ４１２、４１３のレンズ特性、及び偏光分離プリズムアレイ４２０の偏光分離膜４２３と反射膜４２４の配置角度によっては、集光レンズアレイ４１０を偏光分離プリズムアレイ４２０よりも照明領域５の側に設置することもできる。

（実施例５）
上記の実施例１乃至３においては、何れの場合も光源部２及び第１のレンズ板３をシステム光軸Ｌ上に配置し、光源部２の向きや、或いは第１のレンズ板３のレンズ特性を調節することにより、偏光ビームスプリッタ４２１の所定の位置に２次光源像を結像させていた。これらに対して、光源部２及び第１のレンズ板３をシステム光軸に対して平行移動させることによっても、同様の結果を得ることが出来る。

さらに、第２のレンズ板４の集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１の横方向の大きさ（横幅）に着目すると、２次光源像の結像位置は常に偏光ビームスプリッタ４２１上に限定されることから、集光レンズ４１１の横幅は偏光ビームスプリッタ４２１の横幅Ｗｐに等しい大きさであれば、十分機能することが判る。

以上の内容を盛り込んだ具体例を、図７において実施例５に係る偏光照明装置３００として示してある。本例においては、システム光軸Ｌに対して、偏光ビームスプリッタ４２１の横幅Ｗｐの１／２に相当する移動量（＝Ｄ）だけ、偏光分離プリズムアレイ４２０において偏光ビームスプリッタ４２１が存在する方向（図では下方向）に、光源部２及び第１のレンズ板３を平行移動した状態で配置してある。また、偏光ビームスプリッタ４２１の横幅Ｗｐと等しいレンズ幅（横幅）を有する集光ハーフレンズ４１４を用いて、偏光ビームスプリッタの存在場所に対応させて配列することにより、第２のレンズ板４の集光レンズアレイ４１０を構成してある。

以上のような構成とすることにより、光学系の設計が容易になると共に、光学系の低コスト化が可能となっている。

（実施例５の変形例）
上記の実施例５においては、２次光源像の結像位置は常に偏光ビームスプリッタ４２１上に限定される点に着目して、集光レンズ４１１として、その横幅が偏光ビームスプリッタ４２１の横幅Ｗｐに等しい大きさの集光ハーフレンズ４１４を使用している。このような集光ハーフレンズ４１４は、通常の集光レンズ、例えば前述した実施例１ないし３に示す集光レンズ４１１の両端をカットすることにより製作される。

しかしながら、場合によっては集光ハーフレンズ４１４を採用するよりも、実施例１ないし３に示すような通常の集光レンズ４１１を使用した方がコストの点等において有利な場合もある。

図８には、この点を考慮して、集光ハーフレンズ４１４の代わりに、実施例１乃至３において使用している集光レンズ４１１を使用した場合の構成例を示してある。この図に示す偏光照明装置３００Ａは、全体の構成は上記の実施例５に係る偏光照明装置３００と同一である。異なる点は、集光レンズアレイ４１０を構成している集光レンズとして、ハーフレンズではなく実施例１ないし３で使用しているものと同様な集光レンズ４１１であることと、これらの集光レンズ４１１が偏光ビームスプリッタ４２１の幅方向に向けて、その幅Ｗｐの半分の量だけ移動した位置にあることである。

（実施例６）
上述した各実施例においては、第２のレンズ板４の構成要素の一つである偏光分離プリズムアレイ４２０に形成されている偏光ビームスプリッタ４２１の偏光分離膜４２３および反射ミラー４２２の反射面４２４は、システム光軸Ｌに対して同一方向に傾斜している。この構成を採用する代わりに、偏光分離膜４２３および反射膜４２４の傾斜方向がシステム光軸Ｌに対して左右対象となる構成を採用することもできる。

図９には、この構成を備えた偏光分離プリズムアレイが組み込まれた偏光照明装置５００を示してある。本例の偏光照明装置５００も、前述した各実施例と同様に、システム光軸Ｌに沿って配置した光源部２、第１のレンズ板３、第２のレンズ板４から大略構成されている。光源部２から出射された光は、第１のレンズ板３により第２のレンズ板４内に集光され、第２のレンズ板４を通過する過程においてランダムな偏光光は偏光方向が揃った１種類の偏光光に変換され、照明領域５に至るようになっている。

この偏光照明装置５００の第１のレンズ板３は、その中心側であるシステム光軸Ｌの側には、偏心レンズからなる微小集光レンズ３１１が配列され、その外側には通常の微小集光レンズ３１２が配列されている。偏心レンズからなる微小集光レンズ３１１は、システム光軸Ｌに対して軸対称に配列されて、照明領域５での明るさの均一化が図られている。

第２のレンズ板４は、前述の各実施例と同様に、その光入射側から、集光レンズアレイ４１０、偏光分離プリズムアレイ４２０、λ／２位相差板４３０、および出射側レンズ４４０がこの順序で配列された構成となっている。第２のレンズ板４は、第１のレンズ板３による２次光源像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に配置されている。

集光レンズアレイ４１０において、第１のレンズ板３の偏心レンズからなる各微小集光レンズ３１１による２次光源像の形成位置近傍には、同じく偏心レンズからなる集光レンズ４１５が配置されている。また、第１のレンズ板３の各微小集光レンズ３１２による２次光源像の形成位置近傍には、通常の同心系の集光レンズ４１６が配置されている。ここで、集光レンズアレイ４１０を構成している各集光レンズ４１５、４１６は、ここに形成される２次光源像を包含するのに充分な大きさに設定されている。すなわち、システム光軸Ｌの中心側に形成される２次光源像は、その外周側に形成される２次光源像よりも大きい。このために、本例では、システム光軸Ｌの側、すなわち集光レンズアレイ４１０の中心側に位置している偏心集光レンズ４１５の方を周辺側に位置している集光レンズ４１６に比べて大きな寸法に設定してある。

このように、第２のレンズ板４の側の集光レンズアレイ４１０を構成している集光レンズ４１５、４１６の大きさを、第２のレンズ板の中心側のものと周辺側のものとでは変えてあるので、集光レンズアレイ４１０の出射側に配置されている偏光分離プリズムアレイ４２０に形成されている偏光ビームスプリッタ４２１Ａ、４２１Ｂおよび反射ミラー４２２Ａ、４２２Ｂの寸法もこれに対応させて、中心側のものが周辺側のものに比べて大きな寸法にしてある。

また、本例の偏光プリズムアレイ４１０においては、システム光軸Ｌを中心として幅方向に向けて左右対称な状態で、内部に偏光分離膜４２３Ａが形成された偏光ビームスプリッタ４２１Ａが配置され、これらの両側には、内部に反射膜４２４Ａが形成された反射ミラー４２２Ａが配置されている。さらに、これらの両側には、小寸法の反射ミラー４２２Ｂが配置されている。これらの小寸法の反射ミラー４２２Ｂに形成されている反射膜４２４Ｂは、内側に位置している大きな寸法の反射ミラー４２２Ａの反射膜４２４Ａとは逆方向に傾斜している。この構成の小寸法の反射ミラー４２２Ｂの両側には、それぞれ小寸法の偏光ビームスプリッタ４２１Ｂが配置されている。これらの偏光ビームスプリッタ４２１Ｂに形成されている偏光分離膜４２３Ｂも、内側に位置している大きな寸法の偏光ビームスプリッタ４２１Ａの偏光分離膜４２３Ａとは逆方向に傾斜している。

以上のように、第１のレンズ板３により形成される２次光源像の位置とその大きさに合わせて、集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズと偏光分離プリズムアレイ４２０を構成する偏光ビームスプリッタ及び反射ミラーの寸法形状を最適化することにより、光源光の利用効率を一層向上出来ると共に、第２のレンズ板４を小型化できる効果がある。

（実施例７）
上記の実施例６では、第１のレンズ板３によって形成される２次光源像の大きさに対応させて、第２のレンズ板４の集光レンズアレイ４１０を構成する各集光レンズの寸法形状を設定している。同様に、偏光分離プリズムアレイ４２０を構成する各偏光ビームスプリッタおよび反射ミラーの寸法形状を設定している。

しかし、集光レンズアレイ４１０を同一寸法形状の集光レンズを用いて構成し、偏光分離プリズムアレイ４２０を構成している各プリズムの大きさ、すなわち、それらに形成されている偏光ビームスプリッタおよび反射ミラーの寸法形状のみを、２次光源像の大きさに対応させるようにしてもよい。

図１０にはこの構成を備えた偏光照明装置の例を示してある。この図に示す偏光照明装置６００は、基本的には、前述した実施例５の変形例である偏光照明装置３００Ａと同様な構成となっている。したがって、特徴となっている部分を以下に説明する。

本例の偏光照明装置６００では、第２のレンズ板４を構成している集光レンズアレイ４１０は、同一形状および同一寸法の集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄから構成されている。

しかるに、偏光分離プリズムアレイ４２０に形成されている偏光ビームスプリッタおよび反射ミラーの大きさは、形成される２次光源像の大きさに応じて変えてある。すなわち、システム光軸Ｌの側の中心側では形成される２次光源像が大きいので、それに対応させて、大きな偏光ビームスプリッタ４２５Ａおよび反射ミラー４２５Ｂを配置してある。これに対して、システム光軸Ｌから遠い周辺側では、形成される２次光源像が相対的に小さいので、それに対応させて、相対的に小さな偏光ビームスプリッタ４２６Ａおよび反射ミラー４２６Ｂを配置している。

ここで、第１のレンズ板３を構成している各レンズ３１４Ａ乃至３１４Ｄ、および第２のレンズ板４の側の集光レンズアレイ４１０を構成している各集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄでは、それらの一部のレンズに偏心系のレンズを使用している。また、前述の実施例５と同様に、光源光軸Ｒをシステム光軸Ｌから一定の距離Ｄだけ平行移動させた配列を採用している。なお、第１のレンズ板３もその中心が光源光軸に一致するように同一の量だけ同一方向に平行移動させてある。

これらの構成を採用することにより、第１のレンズ板３を介して得られる２次光源像を、偏光ビームスプリッタの部分に形成できるようにしている。

なお、図１０中の距離Ｄの値、集光レンズ３１４Ａ乃至３１４Ｄ、および集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄのうちのどのレンズを偏心系のものにするのか、また、使用する偏心系のレンズの偏心量をどの程度にするのかといったことは、光学系の設計により左右される事項である。したがって、これらの事項は、一義的には決定されず、個々具体的な装置構成に応じて決定されるべき性質のものである。

なお、本例では、第２のレンズ板４の側の集光レンズアレイ４１０を構成している各集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄは同心系のレンズを使用している。しかし、上記のように、大きさの異なる偏光ビームスプリッタ４２５Ａ、４２６Ａに同一形状および同一寸法の集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄを貼り合わせてあり、したがって、それらの中心にはずれがある。このために、結果として、これらの同心系の集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄは、偏心系のレンズを使用しているのと同等になっている。

このように偏光照明装置６００では、形成される２次光源像の大きさに対応した大きさの集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄを備えている。この構成によっても、上記の実施例６と同様に、光に利用効率を改善することができる。

また、本例では、第２のレンズ板４の集光レンズアレイ４１０が同一形状および同一寸法の集光レンズ４１６Ａ乃至４１６Ｄから構成されている。したがって、集光レンズアレイの作製が容易であるという利点もある。

（実施例１の偏光照明装置を用いた投写型表示装置）
図１１には、実施例１ないし６の偏光照明装置のうち、図５に示した偏光照明装置１００が組み込まれた投写型表示装置の例を示してある。

図１１に示すように、本例の投写型表示装置３４００の偏光照明装置１００は、ランダムな偏光光を一方向に出射する光源部２を備え、この光源部２から放射されたランダムな偏光光は、第１のレンズ板３によって集光された状態で第２のレンズ板４の所定の位置に導かれた後、第２のレンズ板４の中の偏光分離プリズムアレイ４２０により２種類の偏光光に分離される。また、分離された各偏光光のうち、Ｐ偏光光についてはλ／２位相差板４３０によってＳ偏光光に変換される。

この偏光照明装置１００から出射された光束は、まず、青色緑色反射ダイクロイックミラー３４０１において、赤色光が透過し、青色光および緑色光が反射する。赤色光は、反射ミラー３４０２で反射され、第１の液晶ライトバルブ３４０３に達する。一方、青色光および緑色光のうち、緑色光は、緑色反射ダイクロイックミラー３４０４によって反射され、第２の液晶ライトバルブ３４０５に達する。

ここで、青色光は各色光のうちで最も長い光路長を持つので、青色光に対しては、入射側レンズ３４０６、リレーレンズ３４０８および出射側レンズ３４１０からなるリレーレンズ系で構成された導光手段３４５０を設けてある。すなわち、青色光は、緑色反射ダイクロイックミラー３４０４を透過した後に、まず、入射側レンズ３４０６および反射ミラー３４０７を経て、リレーレンズ３４０８に導かれ、このリレーレンズ３４０８に集束された後、反射ミラー３４０９によって出射側レンズ３４１０に導かれ、しかる後に、第３の液晶ライトバルブ３４１１に達する。ここで、第１乃至第３の液晶ライトバルブ３４０３、３４０５、３４１１は、それぞれの色光を変調し、各色に対応した映像情報を含ませた後に、変調した色光をダイクロイックプリズム３４１３（色合成手段）に入射する。ダ
イクロイックプリズム３４１３には、赤色反射の誘電体多層膜と青色反射の誘電体多層膜とが十字状に形成されており、それぞれの変調光束を合成する。ここで合成された光束は、投写レンズ３４１４（投写手段）を通過してスクリーン３４１５上に映像を形成することになる。

このように構成した投写型表示装置３４００では、１種類の偏光光を変調するタイプの液晶ライトバルブが用いられている。したがって、従来の照明装置を用いてランダムな偏光光を液晶ライトバルブに導くと、ランダムな偏光光のうちの半分は、偏光板（図示せず）で吸収されて熱に変わってしまうので、光の利用効率が悪いと共に、偏光板の発熱を抑える大型で騒音が大きな冷却装置が必要であるという問題点があった。しかし本例の装置３４００では、かかる問題点が大幅に改善される。

すなわち、本例の投写型表示装置３４００では、偏光照明装置１００において、一方の偏光光、例えばＰ偏光光のみに対して、λ／２位相差板４３０によって偏光面の回転作用を与え、他方の偏光光、例えばＳ偏光光と偏光面が揃った状態とする。それ故、偏光方向の揃った偏光光が第１乃至第３の液晶ライトバルブ３４０３、３４０５、３４１１に導かれるので、偏光板による光吸収は非常に少なく、したがって、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る。したがって、冷却装置の小型化、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。

さらに、偏光照明装置１００では、第２のレンズ板４において、集光レンズ４１１の形状に合わせて２種類の偏光光を横方向に分離している。したがって、光量を無駄にすることがなく、横長の矩形形状をした照明領域を形成できる。そのために、偏光照明装置１００は、見やすく、かつ、迫力のある映像を投写できる横長の液晶ライトバルブ用に適している。

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１００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、偏光変換プリズムアレイ４２０を出射する光束幅の広がりが抑えられている。このことは、液晶ライトバルブを照明する際に、大きな角度を伴って液晶ライトバルブに入射する光が殆どないことを意味している。したがって、Ｆナンバーの小さい極めて大口径の投写レンズを用いなくても、明るい投写映像を実現できる。

また、本例では、色合成手段として、ダイクロイックプリズム３４１３を用いているので、小型化が可能である。また、液晶ライトバルブ３４０３、３４０５、３４１１と投写レンズ３４１４の間の光路長が短いので、比較的小さな口径の投写レンズを用いても、明るい投写映像を実現できる。また、各色光は、３光路のうちの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、入射側レンズ３４０６、リレーレンズ３４０８および出射側レンズ３４１０からなるリレーレンズ系で構成した導光手段３４５０を設けてあるので、色ムラ等が生じない。

なお、投写型表示装置としては、色合成手段に２枚のダイクロイックミラーを用いたミラー光学系により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できる。

（その他の実施形態）
なお、上記の各実施例においては、偏光分離手段で、例えばＰ偏光をＳ偏光に揃えるようにしているが、勿論、偏光方向はいずれの方向に揃えてもよい。また、Ｐ偏光光およびＳ偏光光の双方に対して、位相差層によって偏光面の回転作用を与えて、偏光面を揃えてもよい。

一方、各実施例では、λ／２位相差板として一般的な高分子フィルムからなるものを想定している。しかし、これらの位相差板をツイステッド・ネマチック液晶（ＴＮ液晶）を用いて構成してもよい。ＴＮ液晶を用いた場合には、位相差板の波長依存性を小さくできるので、一般的な高分子フィルムを用いた場合に比べ、λ／２位相差板の偏光変換性能を向上させることができる。

（発明の効果）
以上説明したように、本発明に係る偏光照明装置では、偏光方向の揃った偏光光を照射領域に照射できる。従って、液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置に本発明に係る偏光照明装置を用いた場合には、偏光面が揃った偏光光を液晶ライトバルブに供給できるので、光の利用効率が向上し、投写映像の明るさを向上することができる。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る。それ故、冷却装置の小型化や低騒音化を実現できる。

また、本発明では、インテグレータ光学系の特徴である微小な２次光源像を生成するというプロセスを利用して偏光光の分離により生ずる空間的な広がりを回避している。したがって、偏光変換素子を備えた光学系であるにもかかわらず、装置寸法を、従来の照明装置と同じ程度の寸法に抑えることができる。

さらにまた、偏光分離手段として、熱的に安定な誘電体多層膜を備えた偏光ビームスプリッタを用いているので、偏光分離部の偏光分離性能は、熱的に安定である。このため、大きな光出力が要求される投写型表示装置においても常に安定した偏光分離性能を発揮できる。

本発明の実施例１に係る偏光照明装置の光学系を示す概略構成図である。 図１の第１のレンズ板の斜視図である。 図１の偏光分離プリズムアレイの斜視図である。 本発明の実施例２に係る偏光照明装置の光学系を示す概略構成図である。 本発明の実施例３に係る偏光照明装置の光学系を示す概略構成図である。 本発明の実施例４に係る偏光照明装置の光学系を示す概略構成図である。 本発明の実施例５に係る偏光照明装置の光学系を示す概略構成図である。 図７の示す偏光照明装置の変形例を示す概略構成図である。 本発明の実施例６に係る偏光照明装置の光学系を示す概略構成図である。 本発明の実施例７に係る偏光照明装置の光学系を示す概略構成図である。 図５の偏光照明装置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。

符号の説明

１、１０、１００、２００、３００、３００Ａ、４００、５００、６００ 偏光照明装置
２ 光源部
３ 第１のレンズ板
３０１ 矩形集光レンズ
３１０、３１１、３１２、３１４Ａ〜３１４Ｄ 矩形集光レンズ
４ 第２のレンズ板
４１０ 集光レンズアレイ
４１１、４１２、４１３ 集光レンズ
４１４ 集光ハーフミラー
４１５ 偏心系の集光レンズ
４１６、４１６Ａ〜４１６Ｄ 集光レンズ
４２０ 偏光分離プリズムアレイ
４２１、４２１Ａ、４２１Ｂ、４２５Ａ、４２６Ａ 偏光ビームスプリッタ
４２２、４２２Ａ、４２２Ｂ、４２５Ｂ、４２６Ｂ 反射ミラー
４２３、４２３Ａ、４２３Ｂ 偏光分離膜
４２４，４２４Ａ、４２４Ｂ 反射膜
４３０ λ／２位相差板
４４０ 出射側レンズ
５ 照明領域
６ 変角プリズム
３４００ 投写型表示装置
３４０１ 青色緑色反射ダイクロイックミラー
３４０２ 反射ミラー
３４０３ 液晶ライトバルブ
３４０４ ダイクロイックミラー
３４０５ 液晶ライトバルブ３４０５
３４０６ 入射側レンズ
３４０７ 反射ミラー
３４０８ リレーレンズ
３４５０ 導光手段
３４１０ 出射側レンズ
３４０９ 反射ミラー
３４１１ 液晶ライトバルブ
３４１３ ダイクロイックプリズム
３４１４ 投写レンズ（投写手段）
３４１５ スクリーン

Claims (11)

1. 偏光方向がランダムな光を出射する光源部と、
   矩形状の外形を有する複数の矩形集光レンズから構成され、前記光源部から出射される光を集光して複数の２次光源像を形成するためのレンズ板と、
   前記複数の２次光源像が形成される位置の近傍に配置された、集光レンズアレイと偏光分離プリズムアレイと偏光変換素子と、を有し、
   前記集光レンズアレイは複数の集光レンズからなり、
   前記偏光分離プリズムアレイは、前記複数の矩形集光レンズによって集光される複数の光のそれぞれを隣り合う一対のＰ偏光光とＳ偏光光とに分離するものであって、複数の偏光ビームスプリッターと複数の反射ミラーとから構成され、
   前記偏光変換素子は、前記Ｐ偏光光とＳ偏光光の偏光方向を揃えるものであって、前記偏光分離プリズムアレイの出射面の側に配置されている、
   ことを特徴とする偏光照明装置。
2. 請求項１において、前記集光レンズアレイは、前記偏光分離プリズムアレイの光入射側に配置されていることを特徴とする偏光照明装置。
3. 請求項２において、さらに、前記偏光変換素子の光射出側に、出射側レンズが配置されていることを特徴とする偏光照明装置。
4. 請求項１ないし３のうちのいずれかの項において、前記集光レンズアレイを構成する前記集光レンズの横幅は、前記偏光ビームスプリッターの横幅に等しいことを特徴とする偏光照明装置。
5. 請求項１ないし４のうちのいずれかの項において、前記矩形集光レンズは、横長の矩形形状であることを特徴とする偏光照明装置。
6. 請求項１ないし５のうちのいずれかの項において、前記集光レンズアレイを構成する前記集光レンズは、前記レンズ板を構成する前記矩形集光レンズと相似形であることを特徴とする偏光照明装置。
7. 請求項１ないし６のうちいずれかの項において、前記偏光変換素子は位相差板で形成されていることを特徴とする偏光照明装置。
8. 請求項１ないし６のうちのいずれかの項において、前記偏光変換素子はツイステッド・ネマチック液晶で形成されていることを特徴とする偏光照明装置。
9. 請求項１ないし８のうちのいずれかの項に記載された偏光照明装置を備え、前記偏光照明装置からの光束を変調して投写表示することを特徴とする投写型表示装置。
10. 請求項１ないし８のうちのいずれかの項に記載された偏光照明装置と、この偏光照明装置からの光束に含まれる偏光光を変調して画像情報を含ませる液晶ライトバルブを備えた変調手段と、変調光束を投写表示する投写光学系と、を有することを特徴とする投写型表示装置。
11. 請求項１０において、更に、前記偏光照明装置からの光束を２つ以上の光束に分離する色光分離手段と、前記変調手段によって変調された後の変調光束を合成する色光合成手段とを有し、当該色光合成手段により得られた合成光束が前記投写光学系を介して投写表示されるようになっていることを特徴とする投写型表示装置。

Images