JP3949272B2 - 偏光装置、光源および投写型表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に表示装置に関し、特にライトバルブを使った投写型表示装置、およびかかる投写型表示装置で使われる偏光装置および光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ライトバルブを使った投写型表示装置では、光源から出射した照明光を、クロスニコル状態で配設された一対の偏光板中に挟持された液晶パネルよりなるライトバルブ中を通し、空間変調する。さらに空間変調された照明光を投写光学系により、表示スクリーンに投写する。
【０００３】
図１は、従来の投写表示装置１０の構成を示す。
図１を参照するに、投写表示装置１０はメタルハライドランプ等よりなる強力な光源１１と、前記光源１１から前記光源１１の一部として形成された紫外線カットフィルタ１１Ａを通って出射する光ビーム１２の光路中に配設され、典型的には５００ｎｍ以下波長の青色光成分を透過し、それ以外の光を反射するダイクロイック・ミラー２１と、前記ダイクロイックミラー２１で反射された光ビームの光路中に配設され、６００ｎｍ以上の波長の赤色光成分を反射し、それ以外の光、すなわち緑色光成分を透過するダイクロイック・ミラー２２と、前記ダイクロイックミラー２１を通過した青色光ビームの光路中に配設され、これを反射するミラー２３とを含み、前記ダイクロイックミラーを通過した青色光ビームＢは、ミラー２３により反射された後、図２に示す構成の反射型偏光要素３１Ｂおよび通常の透過型偏光要素３２Ｂよりなる入射側偏光装置３０Ｂを通され、液晶パネルよりなるライトバルブ３３Ｂに入射する。
【０００４】
図２を参照するに、反射型偏光要素３１Ｂは、ガラス基板３１上にλ／４位相差補償フィルム３１1 を形成し、さらにその上にコレステリック液晶層（３１1 ）Ｂ、（３１1 ）Ｇおよび（３１1 ）Ｒを順次積層した構成を有し、基板３１に入射した右回転および左回転円偏光成分を含む入射光ビームのうち、所望の偏光面を有する直線偏光成分のみを通過させ、他の偏光成分は反射する。
【０００５】
より具体的には、まず入射光ビームはλ／４位相差補償板フィルム３１1 において偏光面を回転され、コレステリック液晶層（３１1 ）Ｂ〜（３１1 ）Ｒよりなる液晶層スタックに入射する。この場合、液晶層（３１1 ）Ｂは、入射光を構成する青色波長の光成分のうち、右回転円偏光成分を反射させ左回転円偏光成分を直線偏光に変換し、通過させる。同様に、液晶層（３１1 ）Ｇは、液晶層（３１1 ）Ｂを通過した入射光を構成する緑色波長の光成分のうち、右回転円偏光成分を反射させ左回転円偏光成分を直線偏光に変換し、通過させる。さらに、液晶層（３１1 ）Ｒは、液晶層（３１1 ）Ｇを通過した入射光を構成する赤色波長の光成分のうち、右回転円偏光成分を反射させ左回転円偏光成分を直線偏光に変換し、通過させる。
【０００６】
このように、ダイクロイックミラー２１で分離され、ミラー２３で反射されて前記反射型偏光要素３１Ｂに入射する青色光ビームは前記反射型偏光要素３１Ｂを通過する際に直線偏光ビームに変換されるが、このようにして得られた直線偏光ビームはさらに透過軸を前記反射型偏光要素３１Ｂに一致するように設けられた透過型偏光要素３２Ｂを通過させられることにより、直線偏光の純度がさらに高められ、液晶パネル３３Ｂ中を通過し、さらに前記入射側偏光要素３１Ｂあるいは３２Ｂに対してクロスニコル状態で配設された出射側偏光装置３４Ｂを構成する透過型偏光要素により、空間変調を受ける。
【０００７】
同様に、前記ダイクロイックミラー２２で分離された赤色光ビームは、前記反射型偏光要素３１Ｂと同様な反射型偏光要素３１Ｒと透過型偏光要素３２Ｒとよりなる入射側偏光装置３０Ｒを通過させられ、さらに液晶パネル３３Ｒを通過した後、透過型偏光要素よりなる出射側偏光装置３４Ｒにより空間変調を受ける。前記出射側偏光要素３４Ｒで空間変調された赤色光ビームは、前記出射側偏光要素３４Ｂにより空間変調された青色光ビームとダイクロイックミラー２４において合成され、別のダイクロイックミラー２６に入射する。
【０００８】
同様に、前記ダイクロイックミラー２２で分離された緑色光ビームは、前記反射型偏光要素３１Ｂあるいは３１Ｒと同様な反射型偏光要素３１Ｇと透過型偏光要素３２Ｇとよりなる入射側偏光装置３０Ｇを通過させられ、さらに液晶パネル３３Ｇを通過した後、透過型偏光要素よりなる出射側偏光装置３４Ｇにより空間変調を受ける。前記出射側偏光要素３４Ｇで空間変調された緑色光ビームは、さらにミラー２５により、前記別のダイクロイックミラー２６に入射させられ、前記空間変調された青色光ビームおよび赤色光ビームと合成される。合成された光ビームは、投写光学系により、スクリーン２８上に投写される。
【０００９】
かかる構成の投写型表示装置１０では、入射側偏光装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂにおいて、入射側に反射型偏光要素を配設しているため、光源１１として非常に強力な光源を使った場合でも、その後ろに配設される透過型偏光要素３２Ｒ，３２Ｇあるいは３２Ｂの温度上昇を回避できる。
一方、図２に示す反射型の偏光要素では、液晶層（３１1 ）Ｒ，（３１1 ）Ｇ，（３１1 ）Ｂにおいて一方の円偏光成分が反射されるが、反射された円偏光成分はそのまま失われているため、光に利用効率が悪い問題点を有する。
【００１０】
これに対し、本発明の発明者は、先にかかる反射された円偏光成分をも所望の直線偏光成分に変換する構成の反射型偏光装置を提案した。
図３（Ａ）は、本発明者の先の提案に係る反射型偏光装置４０の構成を示す。図３（Ａ）を参照するに、偏光処理装置４０では、光源から入射する光ビームの光路ｌ，ｍ，ｎ上に、平凸レンズ要素４１ａ，４１ｂを含む一体的な光学部材４１を配設し、先に図２で説明した反射型偏光要素に対応する反射型偏光要素４２ａ，４２ｂを、それぞれ前記レンズ要素４１ａ，４１ｂで集光される光ビームの光路上に、前記レンズ要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に対して傾けて配設する。かかるレンズ４１ａ，４１ｂを含む光学要素４１では、前記レンズ４１ａ，４１ｂで集光される光ビームが到達しない光学的に無効な領域が形成されるが、本実施例では、かかる光学的無効領域に、前記反射型偏光要素４２ａで反射された不要偏光成分を反射するミラー４３を配設する。
【００１１】
ミラー４３は、前記不要偏光成分を前記反射型光学要素４２ａと隣接する反射型光学要素４２ｂとの間に形成された隙間に偏向させ、さらにかかる隙間に通過する光ビームの位相を約λ／２だけ遅らせるλ／２位相差補償フィルム４４を形成する。
かかる構成によれば、レンズ要素４１ａにより集束され、前記反射型偏光要素４２ａに入射する光線ｌ，ｍ，ｎのうち、必要偏光成分ｌａ，ｍａ，ｎａはそのまま通過するのに対し、不要偏光成分ｌｂ，ｍｂ，ｎｂは反射型偏光要素４２ａで反射された後ミラー４３で偏向され、前記位相差補償板４４を通過する。その際、偏向成分ｌｂ，ｍｂ，ｎｂの偏光面は、前記位相差補償板４４により約９０°回転し、前記必要偏向成分ｌａ，ｍａ，ｎａの偏光面に実質的に一致する。その結果、かかる反射型偏向装置４０を設けることにより、光源で形成される出射光の、吸収される分を除いた実質的に全ての光エネルギを表示のために使うことができ、特に輝度の高い、明るい表示が可能になる。
【００１２】
図３（Ｂ）は、偏向処理装置４０の一変形例４０’を示す。
図３（Ｂ）を参照するに、本実施例では、前記λ／２位相差補償板４４のかわりに通過光ビームの位相をλ／４だけ遅らせるλ／４位相差補償板４４ａを設け、さらに前記反射型偏向要素４２ａ，４２ｂを通過した必要偏光成分の位相、従って偏光面を９０°回転させるλ／４位相差板４４ｂを設けている。かかる構成でも、前記必要偏光成分ｌａ，ｍａ，ｎａの偏光面と、前記位相差補償板４４ａを通過した光ビームの偏光面とを一致させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図３（Ａ），（Ｂ）の反射型偏光装置は、先に説明したように、通常は損失となるはずの反射された円偏光成分をも使って所望の直線偏光を形成できるので光利用効率が確かに向上はするが、反射型偏光要素４２ａ，４２ｂの配置如何によっては、図４に示すように、反射円偏光成分から変換された直線偏光成分と、前記反射型偏光要素を通過した直線偏光成分との重なりが理想的な配置からずれてしまい、得られた直線偏光の光強度分布が不均一になってしまう場合がある。
【００１４】
図４を参照するに、反射型偏光要素４２ａで反射された円偏光成分ｌｂ，ｎｂ，ｍｂは、斜線で示す光錐ＣＯＮＥ１に沿ってミラー４３に入射するが、図４の構成では前記反射型偏光要素４２ａの位置がレンズ４１ａの光軸上で最適位置からずれているため、前記反射円偏光成分は前記ミラー４３の一部にしか入射しない。この場合、図４に示すように、前記ミラー４３で反射され位相差補償フィルム４４により変換された反射直線偏光成分よりなる光錐ＣＯＮＥ２に隣接して、前記反射直線偏光成分が到達しない領域Ｎが形成されてしまう。このような領域Ｎが形成されると、反射型偏光装置から出射する直線偏光ビーム中には強度のむらが生じてしまう。光錐ＣＯＮＥ２および領域Ｎは、いずれもレンズ４１ａ，４１ｂを含む光学部材４１が形成する光学的無効領域に対応する。
【００１５】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な投写型表示装置、およびかかる投写型表示装置で使われる偏光装置および光源装置に関する。
本発明のより具体的な課題は、入射光中に含まれる所望の直線偏光成分を通過させ、他の偏光成分を反射する反射型偏光要素を備えた偏光装置において、反射された偏光成分を所望の直線偏光成分に変換する変換光学系を設け、さらに前記変換光学系を最適化することにより、偏光装置の光損失を最小化し、また得られた直線偏光の一様性を向上させることにある。
【００１６】
本発明のその他の特徴は、光源と、前記光源で形成された光ビームを偏光させる偏光光学系とを備えた偏光光源装置において、前記偏光光学系中に、入射光中に含まれる所望の直線偏光成分を通過させ他の偏光成分を反射する反射型偏光要素と、前記反射された偏光成分を所望の直線偏光成分に変換する変換光学系とを設け、さらに前記変換光学系を最適化することにより、前記偏光光源装置から出射する光ビームの輝度を最大化し、また前記光ビーム中の強度分布の一様性を向上させることにある。
【００１７】
本発明のさらにその他の特徴は、ライトバルブを使った投写表示装置において、前記ライトバルブの光源側に、入射光中に含まれる所望の直線偏光成分を通過させ他の偏光成分を反射する反射型偏光要素と、前記反射された偏光成分を所望の直線偏光成分に変換する変換光学系とよりなる偏光光学系を設け、さらに前記変換光学系を最適化することにより、スクリーン上に投写される光ビームの輝度を最大化し、また前記光ビーム中の強度分布の一様性を向上させることにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を、
請求項１に記載したように、
各々入射光が入射する入射側と出射する出射側とを有し、互いに隣接した複数の集光要素と、
前記複数の集光要素の各々の出射側であって、前記各々の入射光の光路に対して斜交するように配設された反射型偏光要素と、
前記複数の集光要素の各々について、前記集光要素とこれに隣接する集光要素との間に形成され、前記複数の集光要素により集光される光束のいずれもが実質的に到達しない光学的無効領域と、
前記各々の光学的無効領域中に、前記反射型偏光要素により反射された反射光の光束と交差するように形成され、前記反射光を、前記光学的無効領域に沿って反射するミラーと、
前記ミラーで反射された前記反射光の光路中に配設され、前記反射光の偏向状態を変換する光学的位相差補償要素とよりなる偏光装置において、
前記ミラーは、その反射面上の全ての点が、前記反射光中の一つの光線の光路と交差し、
前記複数の反射型偏光要素の各々は、前記集光要素の光軸方向に垂直な第１の平面上に形成され、
前記複数のミラーの各々は、前記第１の平面に平行な第２の平面上に形成され、
前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第１および第２の平面に平行な第３の平面上に形成されることを特徴とする偏光装置により、または
請求項２に記載したように、
前記反射型偏光要素は、前記光軸上において、前記集光要素の焦点距離をｆとして、前記集光要素が前記光束を集光する集光点から（１／２）ｆ以内の距離に設けられることを特徴とする請求項１記載の偏光装置により、または
請求項３に記載したように、
前記複数の集光要素はピッチＰで形成されており、前記集光要素の焦点距離ｆは、関係式 Ｐ×ｆ／２≦１ を満足するように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の偏光装置により、または
請求項４に記載したように、
前記複数の反射型偏光要素は、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向し前記第３の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第１の基板上に、第２の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数のミラーは、第３の主面と、前記第３の主面に対向し前記第２の平面に対応する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第４の主面を部分的に覆うように形成され、前記複数の集光要素は、第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第６の主面上に形成され、前記第１〜第３の基板は、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層され、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板が接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項５に記載したように、
前記互いに接着された基板どうしは実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記接着された基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項４記載の偏光装置により、または
請求項６に記載したように、
前記複数の反射型偏光要素は、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第３の平面に対応する第３の主面と、前記第３の主面に対向する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第３の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数のミラーは、前記第２の平面に対応する第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第５の主面を部分的に覆うように形成され、前記複数の集光要素は、前記第３の基板の前記第６の主面上に形成され、前記第１〜第３の基板は、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層され、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板が接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項７に記載したように、
前記互いに接着された基板どうしは実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記接着された基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項６記載の偏光装置により、または
請求項８に記載したように、
前記第１の平面と前記第３の平面とは一致し、前記複数の反射型偏光要素の各々と、前記複数の光学的位相差補償要素の各々とは、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を交互に覆うように形成され、前記複数のミラーの各々は、前記第１の基板の前記第２の主面上に形成され、さらに前記複数の集光要素は、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成され、前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層され、接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項９に記載したように、
前記第１および第２の基板は実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記第１および第２の基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項８記載の偏光装置により、または
請求項１０に記載したように、
前記第１の平面と前記第３の平面とは一致し、前記複数の光学的位相差補償要素の各々は、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の反射型偏向要素の各々は、前記第１の基板上に、前記単一の連続層を覆う別の単一の連続層として形成され、前記複数のミラーの各々は、前記第１の基板の前記第２の主面上に形成され、さらに前記複数の集光要素は、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成され、前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層され、接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項１１に記載したように、
前記第１および第２の基板は実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記第１および第２の基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項１０記載の偏光装置により、または
請求項１２に記載したように、
前記偏光装置は、さらに入射側に、入射光の光路を前記光軸の方向に対して斜めに偏向させる偏向要素を備えたことを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１３に記載したように、
前記偏光装置は、さらに出射側に、出射光の光路を前記光軸の方向に一致するように偏向する別の偏向要素を備えたことを特徴とする請求項４〜１２のうちのいずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１４に記載したように、
前記光学的位相差補償要素は、通過する光ビームの位相を、前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせることを特徴とする請求項１〜１３のうち、いずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１５に記載したように、
さらに、前記反射型偏光要素と前記ミラーとの間にも、別の光学的位相差補償要素が設けられ、前記光学的位相差補償要素および前記別の光学的位相差補償要素は、通過する光ビームの位相を、合計で前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせることを特徴とする請求項１〜１４のうち、いずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１６に記載したように、
光源と、前記光源に隣接して配設され、前記光源で形成された光ビームを偏光させる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の偏光装置とよりなる偏光光源により、または
請求項１７に記載したように、
請求項１６記載の偏光光源と、
前記偏光光源から出射する偏光光ビームの光路中に配設された光学的空間変調要素と、
前記光学的空間変調要素中を通過した前記偏光光ビームをスクリーン上に投写する投写光学系とを備えたことを特徴とする投写表示装置により、または
請求項１８に記載したように、
前記複数の集光要素は、前記光源で形成された光ビームを、前記光ビームが、実質的に前記光学的空間変調要素の領域内を照射するように集光することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置により、または
請求項１９に記載したように、
前記複数の集光要素は、前記光源で形成された光ビームを、前記光ビームの最大広がり角が、前記投写光学系の有功瞳径よりも小さくなるように集光することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置により、または
請求項２０に記載したように、
前記複数の集光要素の各々は、前記集光要素の空間的位置により変化する形状を有することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置により、解決する。
【００１９】
本発明の偏光装置を通常の高輝度光源と組み合わせることにより、高輝度の偏光光源が得られる。かかる高輝度偏光光源では、反射型偏光要素で反射された不要偏光成分が所望の直線偏光に変換された後出射されるため、不要偏光成分が光源に戻ることがなく、光源の温度上昇を回避することができる。
また、かかる高輝度偏光光源を投写型表示装置に使うことにより、投写型表示装置中のライトバルブに隣接して形成される吸収形偏光要素の温度上昇を抑止することができ、従来の、通常の高輝度光源を使う場合に必要であった吸収形偏光要素の冷却機構を省略することが可能になる。また、場合によっては、ライトバルブの入射形に形成される吸収形偏光要素を省略することも可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の第１実施例による偏光装置５０の構成を示す。ただし、図５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図５を参照するに、前記偏光装置５０は前記偏光装置４０と同様に、複数の集光要素４１ａ，４１ｂよりなる集光部材４１と、前記集光要素の光軸上に設けられた反射型偏光要素４２ａ，４２ｂを含むが、前記反射型偏光要素４２ａは、対応する集光要素４１ａの光軸上において、前記集光要素４１ａが集光する光束中の実質的に全ての光線ｌ，ｍ，ｎを横切るような大きさを有し、所望の直線偏向成分を通過させると同時に不要な円偏光成分を反射する。その際、前記反射型偏光要素４２ａは、反射された円偏光成分が、前記集光要素４１ａと４１ｂとの間の光学的無効領域に形成されるミラー４３に入射するように、前記光軸に対して傾斜して設けられる。一方、前記ミラー４３は、前記光学的無効領域中において、隣接する集光要素４１ａあるいは４１ｂが集光する光束中に侵入しない限りで可能な最大の大きさを有しており、前記反射型偏光要素４２ａで反射された円偏光成分を反射し、これを前記光学的無効領域に沿って発散ビームの形で出射させる。このようにして形成された発散光ビームは、前記無効領域中に形成されたλ／２位相差補償フィルム４を通過することにより、前記反射型偏光要素４２ａを通過した所望の直線偏向ビームと実質的に同じ偏光面を有する直線偏向ビームに変換される。
【００２１】
その際、前記反射型偏光要素４２ａは、前記ミラー４３の反射面の各点に前記反射型偏光要素４２ａで反射された円偏光成分中の光線が入射するように、前記集光要素４１ａの光軸上の位置が設定されている。図示の例では、前記反射型偏光要素４２ａは、前記光軸上において、前記集光要素４１ａの焦点距離をｆとして、集光要素４１ａの焦点Ｆからの距離がｆ／２位内の位置、より具体的には前記焦点Ｆからの距離が約ｆ／４の位置に形成されている。前記反射型偏光要素４２ａの位置および大きさがこのように決定されているため、前記ミラー４３の位置も、前記光軸に平行な軸上において、前記焦点Ｆから集光部材４１の方に約３ｆ／４の距離だけずれた位置に決定される。
【００２２】
図５の構成では、また前記複数の集光要素４１ａ，４１ｂのピッチをＰとした場合、前記反射型偏光要素４２ａは前記焦点Ｆからｆ／４だけずれた位置に形成されているため、反射型偏光要素４２ａの前記光軸方向から見た大きさはＰ／４となる。また、ミラー４３の前記光軸に平行な方向から見た大きさもＰ／４となる。
【００２３】
また、本実施例では、前記反射型偏光要素４２ａの位置を、前記光軸上において焦点Ｆの前後、±ｆ／２以内の範囲に設定し、これに対応して前記ミラー４３の位置を、前記無効領域の中心を前記光軸に平行に走る軸上において、集光部材４１に対応する位置と焦点Ｆに対応する位置との間に設定するようにしてもよい。
【００２４】
本実施例によれば、反射型偏光要素で反射された入射光中の不要円偏光成分の実質的に全てを、集光要素４１ａ，４１ｂの間の無効領域の中心に形成されたミラー４３により、前記無効領域に沿って発散させ、これを所望の直線偏光ビームに変換することにより、非常に効率のよい偏光装置が得られる。また、その際、前記不要円偏光成分から変換された直線偏光成分が、前記無効領域を補うように形成されるため、得られる直線偏光ビームの光強度分布の一様性が向上する。
［第２実施例］
図６（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第２実施例による偏光装置６０の構成を示す。ただし、図６（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。また、図６（Ａ）の構成中、本実施例の要旨に関係のない部分は、簡単のため省略してある。
【００２５】
図６（Ａ）を参照するに、偏光装置６０中の集光要素４１ａ，４１ｂのピッチをＰ、焦点距離をｆとした場合、前記偏光装置６０中の集光要素４１ａを通過した直線偏光ビームは液晶パネル等の光学部材６１に、ｔａｎθ＝Ｐ／２ｆで与えられる入射角θで入射する。一方、図６（Ｂ）に示すように、光学部材６１の表面における反射の程度を表す表面反射率は、入射角θが約４５度を超えると急激に増加する。換言すると、前記入射角が４５度以上である場合、集光要素４１ａ，４１ｂで集光された直線偏光ビームは前記光学部材６１の表面でほとんど反射されてしまう。このため、焦点距離がｆの集光要素４１ａ，４１ｂを集光部材４１として使う場合には、ピッチＰを前記入射角θが４５°以下になるように設定するのが望ましい。特にピッチＰと焦点距離ｆの関係を、Ｐ×ｆ／２≦１とすることにより、光学部材６１の表面での反射を効果的に抑止することができる。
［第３実施例］
図７は、本発明の第３実施例による偏光装置７０の構成を示す。ただし、図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２６】
図７を参照するに、偏光装置７０では反射型偏光要素４１ａ，４２ｂと光学的位相差補償フィルム４４とが、前記集光要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に直交する同一の平面上に形成され、またミラー４３も前記平面に平行な、集光部材４１側の別の平面上に形成されている。その際、本実施例では、入射光は前記集光要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に対して斜めに入射され、その結果図５の偏光装置５０と同様に、入射光中の所望の直線偏光は反射型偏光要素４２ａあるいは４２ｂで分離され、前記偏光装置７０から斜めに出射するのに対し、入射光中の不要な円偏光は前記反射型偏光要素４２ａにより対応するミラー４３の方向に斜めに反射される。前記ミラー４３は、前記斜めに入射する光ビームについて、前記集光要素４１ａ，４１ｂが形成する光学的無効領域中に形成されており、前記反射した不要円偏光を、前記光学的無効領域に沿って、さらに反射する。ただし、前記光学的無効領域は、図７の構成の場合、前記集光要素４１ａ，４１ｂが前記入射光を集束する際に形成される隣接する光束の間に形成される。前記光学的無効領域中を伝播する前記不要円偏光は、前記隣接する反射型偏光要素４２ａの間に形成されたλ／２位相差補償フィルム４４により、所望の偏光面を有する直線偏光に変換され、前記偏光装置７０から、前記反射型偏光要素４２ａあるいは４２ｂを通過した所望直線偏光ビームと共に、斜めに出射する。
［第４実施例］
図８は、本発明の第４実施例による偏光装置８０の構成を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
図８を参照するに、偏光装置８０では偏光装置７０と同様に入射光が集光要素４１ａ，４１ｂを含む集光部材４１に斜めに入射するが、本実施例では偏光装置７０の反射型偏光要素４２ａ，４２ｂを単一の反射型偏光板４２により置き換える。また、これに伴い、位相差補償フィルム４４の形成位置を前記反射型偏光板４２と前記ミラー４３との間に変更し、さらに前記位相差補償フィルム４４が形成するリタデーションをλ／２からλ／４に変更する。
【００２８】
かかる構成では、前記偏光装置８０中を通過する光ビームの光路は前記偏光装置７０中におけるのと実質的に同一であるが、前記位相差補償フィルム４４が前記反射型偏光板４２とミラー４３のと間に形成されていることに関連して、前記反射型偏光板４２で反射された不要円偏光成分は前記位相差補償フィルム４４を二回通過し、その度にリタデーションを受ける。このため、前記位相差補償フィルム４４のリタデーションを、本実施例ではλ／４に設定する。
【００２９】
図９（Ａ），（Ｂ）は、図８の偏光装置８０において、ミラー４３の方向が正しくなかった場合に偏光装置８０で形成される直線偏光ビーム中に生じる強度分布の変化を示す。
図９（Ａ）を参照するに、前記ミラー４３が、図中に実線で示したように、前記集光要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に垂直な平面上に、前記反射型偏光板４２あるいは光学的位相差補償フィルム４４と平行に形成されている場合、ミラー４３で反射された不要円偏光成分およびこれから変換された直線偏光成分は、図９（Ａ）に示すように光学的無効領域の略中心を、前記反射型偏光板４２を通過した光ビームと略平行に、これを補間するように伝播するため、図９（Ｂ）に示すように、前記偏光装置８０で形成された直線偏光ビームの強度分布は、前記偏光装置８０の下流側に配設された光学素子上において曲線Ｂで示すようにほぼ一様であるが、前記ミラー４３が前記実線で示した最適角に対して傾いて設けられている場合には、図９（Ｂ）に曲線Ａで示すように不均一になってしまう。
［第５実施例］
図１０（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第５実施例による偏光装置９０の構成を示す。ただし、図１０（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３０】
図１０（Ａ），（Ｂ）を参照するに、偏光装置９０は基本的には先の実施例の偏光装置８０と同一の光学的構成を有するが、前記反射型偏光要素４２および位相差補償フィルム４４が、厚さがｆ／４の透明ガラス基板９０Ａの上下主面に形成され、さらにミラー４３が同じく厚さがｆ／４の透明ガラス基板９０Ｂの上主面に形成されている。さらに、前記透明ガラス基板９０Ｂ上には、集光要素４１を形成された厚さがｆ／４の透明ガラス基板９０Ｃが配設され、前記ガラス基板９０Ａ〜９０Ｃは、前記ガラス基板と同一の屈折率を有する接着剤層により、図１０（Ｂ）に示すように接着される。
【００３１】
かかる構成によれば、偏光装置９０を堅牢に構成でき、さらに各光学要素の表面において生じる不要反射を除去することが可能になる。また、かかる構成の偏光装置９０は、調整が不要で、容易に製造することができる。
なお、図１０（Ａ），（Ｂ）の構成において、前記位相差補償フィルム４４を基板９０Ｂの下主面上に形成し、また前記ミラー４３を基板９０Ｃの下主面に形成してもよいことは明らかである。また、前記基板９０Ａ〜９０Ｃの全てを接着する必要は必ずしもなく、そのうちの少なくとも二つを接着するようにしてもよい。
【００３２】
さらに、図示は省略するが、前記ガラス基板９０Ｃの下主面上に前記位相差補償フィルム４４を一様に形成し、前記位相差補償フィルム４４上に前記反射型偏光要素４２を、一様に形成することも可能である。この場合は、中間の基板９０Ｂを省略することが可能になる。この場合にも、基板９０Ａと９０Ｃとを同一の屈折率を有する接着剤層により接着することにより、界面での不要反射を除去することが可能になる。
［第６実施例］
図１１（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第６実施例による偏光装置１００の構成を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
図１１（Ａ）を参照するに、本実施例では先の実施例で説明した偏光装置９０の前に、単一の斜面を有するプリズム１０１を配設して入射光の光路を、偏光装置９０中の偏光要素４１の光軸に対して斜めに屈曲させる。その結果、偏光装置１００では、偏光装置１００全体を入射光の光路に対して斜めに配設する必要がなくなり、入射光を偏光装置９０を構成するガラス基板９０Ａ〜９０Ｃの主面に垂直に入射させることが可能になる。
【００３４】
図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の偏光装置１００の一変形例であり、図１１（Ａ）の単一の斜面を有するプリズム１０１の代わりに、前記複数の集光要素に対応した複数の斜面を有するプリズム１０２を使う。かかるプリズム１０２を使うことにより、プリズム全体の厚さを減少させ、偏光装置全体の大きさを減少させることが可能になる。
【００３５】
さらに、図１１（Ａ），（Ｂ）の構成では、前記プリズム１０１あるいは１０２の代わりに入射光を回折させるホログラムを使うことも可能である。
［第７実施例］
図１２（Ａ），（Ｂ）は本発明の第７実施例による偏光装置１１０の構成の一部、より具体的には集光部材４１の構成を示す。図１２（Ａ），（Ｂ）中、その他の部分の構成は、例えば先に説明した偏光装置８０あるいは９０と実質的に同一であり、説明を省略する。
【００３６】
図１２（Ａ）は、集光部材４１中の各々の集光要素として球面レンズを使った場合を示す。図１２（Ａ）を参照するに、かかる球面レンズで集束された光線は、レンズの焦点Ｆの近傍の領域で交差し、一点では集束しない。
これに対し、図１２（Ｂ）は、集光部材４１として非球面レンズを使った構成を示す。図１２（Ｂ）を参照するに、非球面レンズを使った場合には、レンズで集束された入射光中の光線は焦点Ｆ一点において集束する。本発明による偏光装置では、先に図９（Ａ），（Ｂ）で説明したように、偏光装置内における光線の光路が、得られる直線偏光の強度分布に大きな影響を与えるため、集光部材４１としては、図１２（Ａ）のような球面レンズよりも図１２（Ｂ）に示す非球面レンズを使った方が、よりよい結果を得られる。
［第８実施例］
図１３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第８実施例による偏光装置１２０およびその変形例を示す。
【００３７】
図１３（Ａ）を参照するに、偏光装置１２０は先に説明した偏光装置９０と同様な構成を有するが、集光部材４１として、２次元的なレンズアレイが形成される。かかる２次元レンズアレイは、型を使った透明樹脂の成形等により、容易に形成できる。
図１３（Ｂ）は、前記集光部材４１として、シリンドリカルレンズの一次元配列を形成した例を示す。かかるシリンドリカルレンズアレイも、型を使った透明樹脂の成形により容易に形成できる。特に、シリンドリカルレンズを使った場合、入射光は前記反射型偏光要素上に直線状に集光されるが、この場合、前記偏光要素上における光密度は、図１３（Ａ）のレンズアレイにおけるように点状に集光される場合に比べて実質的に低下し、非常に高輝度の光源を使った場合でも、前記反射型偏光要素を構成する液晶の劣化を回避することができる。
【００３８】
偏光装置１２０のその他の構成は、先に説明した例えば偏光装置９０の構成と同様であり、説明を省略する。
［第９実施例］
図１４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第９実施例による偏光装置１３０およびその変形例の構成を示す・
図１４（Ａ）を参照するに、本実施例の偏光装置１３０は、先に図１１（Ａ），（Ｂ）で説明した第６実施例の偏光装置１００に類似した構成を有し、図１０（Ｂ）で説明した偏光装置９０と入射側プリズム１０１とを含むが、偏光装置１３０は、さらに出射側にも前記偏光装置９０から出射した直線偏光ビームを、前記プリズム１０１に入射する入射光の光路に平行な光路に偏向する、単一の斜面を有するプリズム１３１を備える。図１４（Ａ）の構成は、また偏向装置１３０において、入射側プリズム１０１を使わない場合においても、偏光装置９０の出射光の光路を、前記偏光装置９０に入斜めに射する入射光の光路に一致させるのに有効である。一般に、前記偏光装置９０に斜めに入射光を入射させた場合、偏光装置９０からは出射光が同様に斜めに出射するが、出射光の光路は入射光の光路と厳密には平行にならない場合がある。出射側プリズム１３１を使うことにより、このような場合でも入射光の光路と出射光の光路とを平行にすることができる。
【００３９】
図１４（Ｂ）は、図１１（Ｂ）の構成の変形例において、偏光装置９０の出射側に多数の斜面よりなる出射側プリズム１３２を設けた構成を示す。図１４（Ｂ）の構成では、図１４（Ａ）の単一の斜面を有するプリズム１３１を使った場合に比べ、プリズムの厚さを減少させることができる。図１１（Ｂ）の実施例と同様に、図１４（Ｂ）の実施例においても、前記プリズム１３２の代わりにホログラムを使うことも可能である。
［第１０実施例］
図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１０実施例による偏光光源１４０の構成を示す。
【００４０】
図１５（Ａ）を参照するに、偏光光源１４０は、メタルハライドランプ、キセノンランプ、あるいは高圧水銀ランプ等のアーク発光する点光源１４１Ａと放物面鏡１４１Ｂとよりなる高輝度光源１４１と、前記高輝度光源１４１から出射する光ビームの光路中に配設され、これを偏光させる偏光装置１４２とよりなるが、偏光装置１４２は前記光軸を囲む同心円に沿った断面において偏光装置９０の断面構造と同様な断面構造を有し、従って基板９０Ａ，９０Ｂおよび９０Ｃを積層した構成を有する。一方、偏光装置１４２においては、集光要素を担持する基板９０Ｃ上には、前記集光要素として前記光ビームの光軸に対して放射状に配列された多数のシリンドリカルレンズ１４２Ａが形成されており、これに伴い、集光要素の光学的無効領域に形成されるミラー４３も、前記光軸の回りに放射状に形成されている。
【００４１】
かかる構成の偏光光源１４０では、前記点光源１４１Ａで形成され、放物面鏡１４１Ｂで反射された高輝度光ビームのうち、所望の直線偏光を有する成分のみが前記基板９０Ｃの底面の実質的に全面に形成された反射型偏光要素４２を通過する。一方、残りの偏光成分は前記反射型偏光要素４２で反射された後、基板９０Ａと９０Ｂの境界に形成されたλ／４位相差補償フィルム４４を通過し、前記光学的無効領域に配設されたミラー４３で反射される。反射された光ビームは、再び前記λ／４位相差補償フィルム４４を逆方向に通過し、所望の直線偏光に変換されて、前記基板９０Ａ底面の反射型偏光要素４２を通過して出射される。
【００４２】
ところで、かかる偏光光源１４０に使われる高輝度光源１４１では、放物面鏡１４１Ｂの焦点に配置される点光源１４１Ａは実際には厳密に点光源ではなく、図１５（Ｂ）に示すように、前記放物面鏡１４１Ｂの軸方向に無限小でない、有限のアーク長のアーク発光１４１ａが形成される。典型的にはアーク長は３〜５ｍｍの長さに達し、その結果、放物面鏡１４１Ｂで反射される光ビームは、前記放物面鏡１４１Ｂの軸を含む面内において、典型的には約±６°の広がり角θで広がる。
【００４３】
これに対し、図１５（Ｃ）に示すように、前記高輝度光源１４１を前記放物面鏡１４１Ｂの軸方向から見た図では、アーク発光１４１ａの径は１〜２ｍｍと非常に小さいため、前記放物面鏡１４１Ｂで反射される光ビームの周方向への広がり角φは、前記広がり角θよりも実質的に小さい２．５°程度の値となる。
本発明の偏光装置、例えば図１０（Ｂ）の偏光装置９０では、入射光の広がりにより、変換効率が変化し、例えば入射光の広がりが大きいと集光要素で十分に集光できず、反射型偏光要素に入射する光ビームに損失が生じやすい。図１５（Ａ）の構成では、放射状に配設されたシリンドリカルレンズ１４２Ａは、入射光の広がりが大きい径方向へは光ビームを集束しないが、入射光の広がりが小さい周方向へは光ビームを集束し、その結果高い効率で偏光状態を変換することが可能になる。
［第１１実施例］
図１６（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１１実施例による偏光光源１５０の構成を示す。ただし、図中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
図１６（Ａ）を参照するに、本実施例の偏光光源１５０は図１５（Ａ）の高輝度光源１４１に偏光装置１５１を組み合わせた構成を有し、前記偏光装置１５１は、先の実施例の偏光装置における放射状に配列されたシリンドリカルレンズ１４２Ａの代わりに、前記高輝度光源１４１の一部を構成する放物面鏡１４１Ｂの軸を囲むように同心円状に形成された、多数のシリンドリカルレンズ１５１Ａを含む。
【００４５】
図１６（Ｂ）は前記偏光装置１５１の一部を示す拡大断面図である。ただし、図１６（Ｂ）の断面図は、図１６（Ａ）の偏光装置１５１の、線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。
図１６（Ｂ）を参照するに、偏光装置１５１は図１０（Ｂ）の偏光装置９０と同様に、底面の実質的に全面にに反射型偏光要素４２を形成され、上面にλ／４位相差補償フィルム４４を形成された第１のガラス基板９０Ａと、前記第１のガラス基板９０Ａ上に形成され、上面に同心円状のミラー４３をシリンドリカルレンズ１５１Ａの無効領域に対応して形成された第２のガラス基板９０Ｂとを含み、さらに前記第２のガラス基板９０Ｂ上に、前記同心円状のシリンドリカルレンズ１５１Ａを形成されたガラス基板９０Ｃを配設する。先にも説明したように、ガラス基板９０Ａ〜９０Ｃは、ガラス基板と同一の屈折率の接着剤により接着することにより、基板界面での反射に伴う光損失を最小化することができる。
【００４６】
図１７は、図１６（Ａ）の偏光光源１５０における高輝度光源１４１の発光を示す。
図１７を参照するに、高輝度光源１４１における発光は、メタルハライドランプ等の点光源１４１Ａ中のアーク発光１４１ａにより生じるが、アーク発光１４１ａは放物面鏡１４１Ｂの軸方向に延在する形状を有し、アークの一方に青色成分が、他方に赤色成分が出現する。これらの青色成分あるいは赤色成分は、それぞれの経路を経て放物面鏡１４１Ｂにより反射され、前記偏光装置１５１の同心円状のシリンドリカルレンズ１５１Ａに入射するが、入射した青色成分および赤色成分の光ビームはシリンドリカルレンズ１５１Ａで集束される際に混合し、その結果、光源１４１で形成された光ビーム中の色むらを消すことができる。
【００４７】
ところで、図１８（Ａ）に示すように、点光源１４１Ａにおけるアーク発光１４１ａにより形成された光ビームの開き角φは、前記光ビームを反射する放物面鏡上の位置ａ，ｂ，ｃにより、φ1 ，φ2 ，φ3 と変化するが、図１８（Ｂ）の関係より、放物面鏡１４１Ｂの中心軸近傍の中央部ａ、あるいは縁部ｃで反射した光ビームでは、ビームの開き角φ1 ，φ3 が中間部ｂにおける開き角φ2 よりも小さくなっている。このため、図１８（Ｃ）に示すよう一変形例では、前記同心円状のシリンドリカルレンズ１５１Ａを前記中央部ａに対応するＺＯＮＥ１と、前記中間部ｂに対応するＺＯＮＥ２と、前記縁部に対応するＺＯＮＥ３とに分割し、前記ＺＯＮＥ２において、広がり角の大きい光ビームを十分に集束させるため、レンズのピッチをＺＯＮＥ１あるいはＺＯＮＥ３に比べて減少させている。かかる構成により、偏光装置１５１における偏光状態の変換を、前記放物面鏡１４１Ｂ上の反射点ａ〜ｃ如何によらず、一様に行なうことが可能である。
［第１２実施例］
図１９（Ａ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った投写型表示装置１６０の構成を示す。
【００４８】
図１９（Ａ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１６１から出射した直線偏光ビームは光路中に配設された液晶ライトバルブ１６２により空間変調され、次段の光学装置、例えば投写光学系に入射する。
かかる構成では、前記光源１６１により形成される光ビームがすでに所望の直線偏光になっているため、液晶ライトバルブ１６２の上流側に温度上昇を生じやすい吸収形の偏光板を使う必要がなく、これに伴い、光源１６１に非常に強力な光源を使った場合でも、従来必要であった吸収型偏光板の冷却装置を省略することができる。また、先にも説明したように、光源１６１では、放電等により形成される全ての光エネルギが所望の直線偏光を形成するのに使われているため、損失が少なく、また反射された不要偏光成分による光源の温度上昇の問題を回避できる。
［第１３実施例］
図１９（Ｂ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った本発明の第１３実施例による投写表示装置１７０の構成を示す。
【００４９】
図１９（Ｂ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１７１から出射した直線偏光ビームは光路中に配設された液晶ライトバルブ１６２により空間変調され、次段の光学装置、例えば投写光学系に入射する。
その際、本実施例では、前記光源１７１において、例えば図１５（Ａ）の集光要素１４２Ａあるいは図１６（Ａ）の集光要素１５１Ａの焦点距離ｆを設定することにより、前記光源１７１から出射する光ビームの広がり角Ωを、前記光ビームの実質的に全てが次段の例えば液晶ライトバルブよりなる光学素子１７２に入射するにようにする。このように構成することにより、投写表示装置１７０の光損失を最小化できる。
［第１４実施例］
図１９（Ｃ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った本発明の第１４実施例による投写表示装置１８０の構成を示す。
【００５０】
図１９（Ｃ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１８１から出射した直線偏光ビームは、光路中に配設された液晶ライトバルブ１８２により空間変調され、次段の投写光学系１８３に入射し、さらにスクリーン１８４上に投写される。
その際、本実施例では、前記光源１８１において、例えば図１５（Ａ）の集光要素１４２Ａあるいは図１６（Ａ）の集光要素１５１Ａの焦点距離ｆを適当に設定することにより、前記光源１８１から出射する光ビームの広がり角Ωを、前記光ビームの実質的に全てが投写光学系１８３に入射するにように設定する。このように構成することにより、投写表示装置１８０の光損失を最小化できる。
［第１５実施例］
図１９（Ｄ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った本発明の第１５実施例による投写表示装置１９０の構成を示す。
【００５１】
図１９（Ｄ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１９１から出射した直線偏光ビームは、光路中に配設された液晶ライトバルブ１９２により空間変調され、次段の光学装置、例えば投写光学系に入射する。
その際、本実施例では、前記光源１９１において、例えば図１４（Ｂ）に示す出射側プリズム１３２に対応するプリズムを設け、前記光源１９１から出射する光ビームの広がり角Ω1 ，Ω2 とその方向を、前記光ビームの実質的に全てが、光軸上から出射した光ビームであってもまた縁部から出射した光ビームであっても、次段の例えば液晶ライトバルブよりなる光学素子１９２に入射するにように設定する。このように構成することにより、投写表示装置１９０の光損失を最小化できる。
［第１６実施例］
図２０は、本発明の第１６実施例による投写表示装置２００の構成を示す。ただし、図２０中先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図２０を参照するに、投写表示装置２００は図１で説明した従来の投写表示装置１０と類似した構成を有するが、本実施例の投写表示装置２００では、紫外線カットフィルタ１１Ａを含む光源１１と最初のダイクロイックミラー２１との間に、先の実施例のいずれかで説明した構成の偏光装置１１Ｂを配設する。偏光装置１１Ｂは、前記光源で形成された光ビームを所望の直線偏光に変換し、光源１１と共に、先の実施例で説明した偏光光源を形成する。
【００５３】
本実施例では、このようにダイクロイックミラー２１に入射する光ビームがすでに直線偏光ビームであるため、図１の投写表示装置１０において前記吸収型偏光要素３２Ｒ，３２Ｇあるいは３２Ｂの下流側に配設される反射型偏光要素３１Ｒ，３１Ｇあるいは３１Ｂは、光源１１として高輝度メタルハライドランプ等の非常に強力な光源を使った場合でも、省略できる。また、その際に吸収型偏光要素に冷却機構は不必要である。
［第１７実施例］
図２１は、本発明の第１７実施例による投写表示装置２１０の構成を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５４】
図２１を参照するに、本実施例による投写表示装置では、図２０の投写表示装置２００と実質的に同一の構成を有するが、さらに各色の光ビームの光路において、液晶パネル３３Ｇの上流側の吸収型偏光要素３２Ｒ，３２Ｇあるいは３２Ｂも省略されている。要求される表示品質に応じて、かかる簡素化された構成の投写光学装置を使うことも可能である。
【００５５】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の特徴によれば、各々入射光が入射する入射側と出射する出射側とを有し、互いに隣接した複数の集光要素と、前記複数の集光要素の各々の出射側であって、前記各々の入射光の光路に対して斜交するように配設された反射型偏光要素と、前記複数の集光要素の各々について、前記集光要素とこれに隣接する集光要素との間に形成され、前記複数の集光要素により集光される光束のいずれもが実質的に到達しない光学的無効領域と、前記各々の光学的無効領域中に、前記反射型偏光要素により反射された反射光の光束と交差するように形成され、前記反射光を、前記光学的無効領域に沿って反射するミラーと、前記ミラーで反射された前記反射光の光路中に配設され、円偏光を直線偏光に変換する光学的位相差補償要素とよりなる偏光装置において、前記ミラー上の全ての点が、前記反射光中の一つの光線の光路と交差するように構成し前記複数の反射型偏光要素の各々を、前記集光要素の光軸方向に垂直な第１の平面上に形成し、前記複数のミラーの各々を、前記第１の平面に平行な第２の平面上に形成し、前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第１および第２の平面に平行な第３の平面上に形成することにより、光源で形成された光ビームのエネルギの実質的に全てを所望の直線偏光に変換することができ、偏光装置における光損失を最小化することが可能になる。
【００５７】
また本発明の特徴によれば、前記複数の集光要素をピッチＰで形成し、その際前記集光要素の焦点距離ｆを関係式 Ｐ×ｆ／２≦１を満足するように設定することにより、偏光装置から出射する光ビームの開き角を制御することが可能になる。
特に、前記ミラーを、対応する前記反射型偏光要素により反射された反射光中の全ての光線を遮断するような大きさに形成することにより、反射型偏光要素で反射された不要偏光成分を全て反射するミラーの大きさが決定され、偏光装置中における光損失が最小化される。
【００５８】
また、前記ミラーの大きさを前記光学的無効領域を超えない大きさに設定することにより、前記ミラーにより、前記反射型偏光要素に入射する光ビームの光量の減少が回避され、偏光装置中における光損失が最小化される。
さらに、前記反射型偏光要素を、前記光軸上において、前記ミラーが前記反射光中の全ての光線と交差するような位置に形成することにより、光源で形成された光ビームのエネルギの実質的に全てを所望の直線偏光に変換することができ、偏光装置における光損失を最小化することが可能になる。
【００５９】
また、前記ミラーを、前記反射光が前記複数の集光要素の光軸に平行な方向に反射されるように配設することにより、偏光装置の構成が簡単になり、製造が容易になる。
また、前記ミラーを、前記ミラーで反射された反射光が前記光学的無効領域に沿って進行するように、前記集光要素の光軸方向に対して斜めに配設することにより、前記ミラーで反射した不要偏光成分が、所望の直線偏光に変換された後、前記光学的無効領域に沿って、前記反射型偏光要素を通過した直線偏光成分を補間するように進行するため、偏光装置から出射する光ビームの強度分布が一様になる。
【００６０】
また本発明の特徴によれば、前記複数の反射型偏光要素の各々を、前記集光要素の光軸方向に垂直な第１の平面上に形成し、前記複数のミラーの各々を、前記第１の平面に平行な第２の平面上に形成し、さらに前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第１および第２の平面に平行な第３の平面上に形成し、さらに前記偏光装置全体を、前記入射光の光路に対して前記第１の平面が斜交するように配設することにより、偏光装置の構成が簡単になる。
【００６１】
特に前記複数の反射型偏光要素を、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向し前記第３の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第１の基板上に、第２の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数のミラーを、第３の主面と、前記第３の主面に対向し前記第２の平面に対応する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第４の主面を部分的に覆うように形成し、前記複数の集光要素を、第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第６の主面上に形成し、前記第１〜第３の基板を、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層し、少なくとも２つの基板を接着剤層により接着することにより、あるいは前記複数の反射型偏光要素を、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第３の平面に対応する第３の主面と、前記第３の主面に対向する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第３の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数のミラーを、前記第２の平面に対応する第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第５の主面を部分的に覆うように形成し、前記複数の集光要素を前記第３の基板の前記第６の主面上に形成し、前記第１〜第３の基板を、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層し、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板を接着剤層により接着することにより、あるいは前記第１の平面と前記第３の平面とは一致している場合に、前記複数の反射型偏光要素の各々と、前記複数の光学的位相差補償要素の各々とを、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を交互に覆うように形成し、前記複数のミラーの各々を前記第１の基板の前記第２の主面上に形成し、さらに前記複数の集光要素を、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成し、前記第１および第２の基板を、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層し、接着剤層により接着することにより、あるいは前記第１の平面と前記第３の平面とは一致する場合に、前記複数の光学的位相差補償要素の各々を、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数の反射型偏向要素の各々を、前記第１の基板上に、前記単一の連続層を覆う別の単一の連続層として形成し、前記複数のミラーの各々を前記第１の基板の前記第２の主面上に形成し、さらに前記複数の集光要素を、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成し、前記第１および第２の基板を、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層し、接着剤層により接着することにより、形成される偏光装置の構成が堅牢になる。
【００６２】
また接着剤層の屈折率を前記第１から第３の基板の屈折率と同一に設定することにより、各集光要素の表面における反射を消去することが可能になる。前記偏光装置の入射側に、さらに入射光の光路を前記光軸の方向に対して斜めに偏向させるプリズム等の偏向要素を備えることにより、前記偏光装置自体を前記入射光の光軸に対して垂直に配設することができ、偏光装置の構成が簡単になる。特に、前記偏向要素として前記複数の集光要素に対応した複数のプリズム要素を含むプリズムを使うことにより、前記偏向要素の厚さを減少させることが可能になる。
【００６３】
また本発明の特徴によれば、前記偏光装置の出射側に、出射光の光路を前記光軸の方向に一致するように偏光する別の偏向要素をさらに備えることにより、偏光装置から出射する所望の直線偏光ビームの方向を所望の方向に設定することができる。特に、前記別の偏向要素として前記複数の集光要素に対応した複数のプリズム要素を含むプリズムを使うことにより、前記偏向要素の厚さを減少させることが可能になる。
【００６４】
また本発明の特徴によれば、前記光学的位相差補償要素として、通過する光ビームの位相を、前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせる光学的位相差補償要素を使うことにより、前記反射型偏光要素で反射された不要偏光成分を所望の直線偏光成分に変換することが可能になる。
【００６５】
また本発明の特徴によれば、さらに、前記反射型偏光要素と前記ミラーとの間にも、別の光学的位相差補償要素を、通過する光ビームの位相が、合計で前記光ビームの波長の１／２だけ遅れるように配設することにより、前記反射型偏光要素で反射された不要偏光成分を所望の直線偏光成分に変換することが可能になる。
【００６６】
また、前記複数の集光要素の各々としてレンズあるいはシリンドリカルレンズを使うことにより、入射光を個々の反射型偏光要素に、それぞれの光路を通って導くことが可能になり、また個々の集光要素の間に形成される光学的無効領域に前記ミラーを配設することが可能になる。
さらに、前記複数の集光要素として、放射状に配列された円筒レンズを使うことにより、かかる偏光装置を放物面鏡を備えた光源と組み合わせて使った場合に、アークにより形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アークの長さが無限小でなく有限であることのために、前記放物面鏡の軸に対して径方向に発散する光ビームとなった場合であっても、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在する反射型偏光要素に確実に入射し、さらに前記反射型偏光要素で反射される不要偏光成分も、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在するミラーで確実に反射され、所望の直線偏光ビームに変換される。その結果、偏光装置の光損失が最小化される。
【００６７】
前記複数の集光要素を、同心円状に配列された円筒レンズより構成することにより、かかる偏光装置を放物面鏡を備えた光源と組み合わせて使った場合に、アークにより形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アークの長さが無限小でなく有限であり、またその結果形成される発散光ビームが不均一に着色しているような場合でも、光ビームが均一に混合され、着色を消去することが可能になる。
【００６８】
また本発明の特徴によれば、光源と、前記光源に隣接して配設され、前記光源で形成された光ビームを偏光させる前記いずれかの偏光装置とよりなる偏光光源により、高輝度で、損失の少ない直線偏光光源が得られる。前記複数の集光要素として、放射状に配列された複数の円筒レンズを使うことにより、アーク光源により形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アーク光源の長さが無限小でなく有限であることのために、前記放物面鏡の軸に対して径方向に発散する光ビームとなった場合であっても、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在する反射型偏光要素に確実に入射し、さらに前記反射型偏光要素で反射される不要偏光成分も、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在するミラーで確実に反射され、所望の直線偏光ビームに変換される。その結果、偏光装置の光損失が最小化され、偏光光源の輝度が最大化される。
【００６９】
また、前記複数の集光要素として、同心円状に配列された複数の円筒レンズを使うことにより、アーク光源により形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アーク光源の長さが無限小でなく有限であり、またその結果形成される発散光ビームが不均一に着色しているような場合でも、光ビームが均一に混合され、着色を消去することが可能になる。
【００７０】
さらに、前記複数の円筒レンズのピッチを半径方向に変化させることにより、アーク光源により形成され放物面鏡で反射される光ビームの発散角が、前記放物面鏡の軸方向上の位置で変化した場合でも、レンズの強度が対応して変化するため、光損失が発生するのが回避される。
また本発明の特徴によれば、前記偏光光源と、前記偏光光源から出射する偏光光ビームの光路中に配設された光学的空間変調要素と、前記光学的空間変調要素中を通過した前記偏光光ビームをスクリーン上に投写する投写光学系とを備えたことを特徴とする投写表示装置により、明るく視認性のよい表示が可能になる。また、吸収型偏光要素を使った場合でも、光源からの光ビームがすでに所望の直線偏光になっているため、吸収による発熱が少なく、このため特別な冷却機構なしに、非常に強力な光源を使うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の投写型表示装置の構成を示す図である。
【図２】従来の反射型偏光要素の構成を示す図である。
【図３】従来の反射型偏光要素を使った偏光装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の原理を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による偏光装置の構成およびその作用を示す図である。
【図７】本発明の第３実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）は、図８の偏光装置の作用を説明する図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第５実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第６実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第７実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第８実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第９実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１０実施例による偏光光源の構成を示す図である。
【図１６】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１１実施例による偏光光源の構成を示す図である。
【図１７】図１６の偏光光源で使われる光源の構成を示す図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１６の偏光光源の一変形例を示す図である。
【図１９】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１２〜第１５実施例による投写表示装置の構成を示す図である。
【図２０】本発明の第１６実施例による投写表示装置の構成を示す図である。
【図２１】本発明の第１７実施例による投写表示装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，１６０，１７０，１８０，１９０，２００，２１０ 投写光学装置
１１ ランプ
１１Ａ 紫外線カットフィルタ
１１Ｂ 偏光装置
１２ 光ビーム
２１，２２，２４，２６ ダイクロイックミラー
２３，２５ ミラー
２７，１８３ 投写光学系
２８ スクリーン
３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ 偏光装置
３１ 基板
３１1 λ／２位相差補償フィルム
（３１1 ）Ｂ〜（３１1 ）Ｒ コレステリック液晶層
３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ 反射型偏光要素
３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂ，３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂ 吸収型偏光要素
３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ，１６２，１７２，１８２，１９２ 液晶パネル
４０，４０’，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１１０，１２０，１３０，１４２，１５１ 偏光装置
４１ 集光部材
４１ａ，４１ｂ，１４２Ａ，１５１Ａ 集光要素
４２，４２ａ，４２ｂ 反射型偏光要素
４３ ミラー
４４ 位相差補償フィルム
６１ 光学部材
９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ 基板
１０１，１０２ 入射側プリズム
１３１，１３２ 出射側プリズム
１４０，１５０，１６１，１７１，１８１，１９１ 偏光光源
１４１ 光源
１４１Ａ 発光要素
１４１ａ アーク放電
１４１Ｂ 放物面鏡
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に表示装置に関し、特にライトバルブを使った投写型表示装置、およびかかる投写型表示装置で使われる偏光装置および光源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ライトバルブを使った投写型表示装置では、光源から出射した照明光を、クロスニコル状態で配設された一対の偏光板中に挟持された液晶パネルよりなるライトバルブ中を通し、空間変調する。さらに空間変調された照明光を投写光学系により、表示スクリーンに投写する。
【０００３】
図１は、従来の投写表示装置１０の構成を示す。
図１を参照するに、投写表示装置１０はメタルハライドランプ等よりなる強力な光源１１と、前記光源１１から前記光源１１の一部として形成された紫外線カットフィルタ１１Ａを通って出射する光ビーム１２の光路中に配設され、典型的には５００ｎｍ以下波長の青色光成分を透過し、それ以外の光を反射するダイクロイック・ミラー２１と、前記ダイクロイックミラー２１で反射された光ビームの光路中に配設され、６００ｎｍ以上の波長の赤色光成分を反射し、それ以外の光、すなわち緑色光成分を透過するダイクロイック・ミラー２２と、前記ダイクロイックミラー２１を通過した青色光ビームの光路中に配設され、これを反射するミラー２３とを含み、前記ダイクロイックミラーを通過した青色光ビームＢは、ミラー２３により反射された後、図２に示す構成の反射型偏光要素３１Ｂおよび通常の透過型偏光要素３２Ｂよりなる入射側偏光装置３０Ｂを通され、液晶パネルよりなるライトバルブ３３Ｂに入射する。
【０００４】
図２を参照するに、反射型偏光要素３１Ｂは、ガラス基板３１上にλ／４位相差補償フィルム３１1 を形成し、さらにその上にコレステリック液晶層（３１1 ）Ｂ、（３１1 ）Ｇおよび（３１1 ）Ｒを順次積層した構成を有し、基板３１に入射した右回転および左回転円偏光成分を含む入射光ビームのうち、所望の偏光面を有する直線偏光成分のみを通過させ、他の偏光成分は反射する。
【０００５】
より具体的には、まず入射光ビームはλ／４位相差補償板フィルム３１1 において偏光面を回転され、コレステリック液晶層（３１1 ）Ｂ〜（３１1 ）Ｒよりなる液晶層スタックに入射する。この場合、液晶層（３１1 ）Ｂは、入射光を構成する青色波長の光成分のうち、右回転円偏光成分を反射させ左回転円偏光成分を直線偏光に変換し、通過させる。同様に、液晶層（３１1 ）Ｇは、液晶層（３１1 ）Ｂを通過した入射光を構成する緑色波長の光成分のうち、右回転円偏光成分を反射させ左回転円偏光成分を直線偏光に変換し、通過させる。さらに、液晶層（３１1 ）Ｒは、液晶層（３１1 ）Ｇを通過した入射光を構成する赤色波長の光成分のうち、右回転円偏光成分を反射させ左回転円偏光成分を直線偏光に変換し、通過させる。
【０００６】
このように、ダイクロイックミラー２１で分離され、ミラー２３で反射されて前記反射型偏光要素３１Ｂに入射する青色光ビームは前記反射型偏光要素３１Ｂを通過する際に直線偏光ビームに変換されるが、このようにして得られた直線偏光ビームはさらに透過軸を前記反射型偏光要素３１Ｂに一致するように設けられた透過型偏光要素３２Ｂを通過させられることにより、直線偏光の純度がさらに高められ、液晶パネル３３Ｂ中を通過し、さらに前記入射側偏光要素３１Ｂあるいは３２Ｂに対してクロスニコル状態で配設された出射側偏光装置３４Ｂを構成する透過型偏光要素により、空間変調を受ける。
【０００７】
同様に、前記ダイクロイックミラー２２で分離された赤色光ビームは、前記反射型偏光要素３１Ｂと同様な反射型偏光要素３１Ｒと透過型偏光要素３２Ｒとよりなる入射側偏光装置３０Ｒを通過させられ、さらに液晶パネル３３Ｒを通過した後、透過型偏光要素よりなる出射側偏光装置３４Ｒにより空間変調を受ける。前記出射側偏光要素３４Ｒで空間変調された赤色光ビームは、前記出射側偏光要素３４Ｂにより空間変調された青色光ビームとダイクロイックミラー２４において合成され、別のダイクロイックミラー２６に入射する。
【０００８】
同様に、前記ダイクロイックミラー２２で分離された緑色光ビームは、前記反射型偏光要素３１Ｂあるいは３１Ｒと同様な反射型偏光要素３１Ｇと透過型偏光要素３２Ｇとよりなる入射側偏光装置３０Ｇを通過させられ、さらに液晶パネル３３Ｇを通過した後、透過型偏光要素よりなる出射側偏光装置３４Ｇにより空間変調を受ける。前記出射側偏光要素３４Ｇで空間変調された緑色光ビームは、さらにミラー２５により、前記別のダイクロイックミラー２６に入射させられ、前記空間変調された青色光ビームおよび赤色光ビームと合成される。合成された光ビームは、投写光学系により、スクリーン２８上に投写される。
【０００９】
かかる構成の投写型表示装置１０では、入射側偏光装置３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂにおいて、入射側に反射型偏光要素を配設しているため、光源１１として非常に強力な光源を使った場合でも、その後ろに配設される透過型偏光要素３２Ｒ，３２Ｇあるいは３２Ｂの温度上昇を回避できる。
一方、図２に示す反射型の偏光要素では、液晶層（３１1 ）Ｒ，（３１1 ）Ｇ，（３１1 ）Ｂにおいて一方の円偏光成分が反射されるが、反射された円偏光成分はそのまま失われているため、光に利用効率が悪い問題点を有する。
【００１０】
これに対し、本発明の発明者は、先にかかる反射された円偏光成分をも所望の直線偏光成分に変換する構成の反射型偏光装置を提案した。
図３（Ａ）は、本発明者の先の提案に係る反射型偏光装置４０の構成を示す。図３（Ａ）を参照するに、偏光処理装置４０では、光源から入射する光ビームの光路ｌ，ｍ，ｎ上に、平凸レンズ要素４１ａ，４１ｂを含む一体的な光学部材４１を配設し、先に図２で説明した反射型偏光要素に対応する反射型偏光要素４２ａ，４２ｂを、それぞれ前記レンズ要素４１ａ，４１ｂで集光される光ビームの光路上に、前記レンズ要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に対して傾けて配設する。かかるレンズ４１ａ，４１ｂを含む光学要素４１では、前記レンズ４１ａ，４１ｂで集光される光ビームが到達しない光学的に無効な領域が形成されるが、本実施例では、かかる光学的無効領域に、前記反射型偏光要素４２ａで反射された不要偏光成分を反射するミラー４３を配設する。
【００１１】
ミラー４３は、前記不要偏光成分を前記反射型光学要素４２ａと隣接する反射型光学要素４２ｂとの間に形成された隙間に偏向させ、さらにかかる隙間に通過する光ビームの位相を約λ／２だけ遅らせるλ／２位相差補償フィルム４４を形成する。
かかる構成によれば、レンズ要素４１ａにより集束され、前記反射型偏光要素４２ａに入射する光線ｌ，ｍ，ｎのうち、必要偏光成分ｌａ，ｍａ，ｎａはそのまま通過するのに対し、不要偏光成分ｌｂ，ｍｂ，ｎｂは反射型偏光要素４２ａで反射された後ミラー４３で偏向され、前記位相差補償板４４を通過する。その際、偏向成分ｌｂ，ｍｂ，ｎｂの偏光面は、前記位相差補償板４４により約９０°回転し、前記必要偏向成分ｌａ，ｍａ，ｎａの偏光面に実質的に一致する。その結果、かかる反射型偏向装置４０を設けることにより、光源で形成される出射光の、吸収される分を除いた実質的に全ての光エネルギを表示のために使うことができ、特に輝度の高い、明るい表示が可能になる。
【００１２】
図３（Ｂ）は、偏向処理装置４０の一変形例４０’を示す。
図３（Ｂ）を参照するに、本実施例では、前記λ／２位相差補償板４４のかわりに通過光ビームの位相をλ／４だけ遅らせるλ／４位相差補償板４４ａを設け、さらに前記反射型偏向要素４２ａ，４２ｂを通過した必要偏光成分の位相、従って偏光面を９０°回転させるλ／４位相差板４４ｂを設けている。かかる構成でも、前記必要偏光成分ｌａ，ｍａ，ｎａの偏光面と、前記位相差補償板４４ａを通過した光ビームの偏光面とを一致させることができる。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図３（Ａ），（Ｂ）の反射型偏光装置は、先に説明したように、通常は損失となるはずの反射された円偏光成分をも使って所望の直線偏光を形成できるので光利用効率が確かに向上はするが、反射型偏光要素４２ａ，４２ｂの配置如何によっては、図４に示すように、反射円偏光成分から変換された直線偏光成分と、前記反射型偏光要素を通過した直線偏光成分との重なりが理想的な配置からずれてしまい、得られた直線偏光の光強度分布が不均一になってしまう場合がある。
【００１４】
図４を参照するに、反射型偏光要素４２ａで反射された円偏光成分ｌｂ，ｎｂ，ｍｂは、斜線で示す光錐ＣＯＮＥ１に沿ってミラー４３に入射するが、図４の構成では前記反射型偏光要素４２ａの位置がレンズ４１ａの光軸上で最適位置からずれているため、前記反射円偏光成分は前記ミラー４３の一部にしか入射しない。この場合、図４に示すように、前記ミラー４３で反射され位相差補償フィルム４４により変換された反射直線偏光成分よりなる光錐ＣＯＮＥ２に隣接して、前記反射直線偏光成分が到達しない領域Ｎが形成されてしまう。このような領域Ｎが形成されると、反射型偏光装置から出射する直線偏光ビーム中には強度のむらが生じてしまう。光錐ＣＯＮＥ２および領域Ｎは、いずれもレンズ４１ａ，４１ｂを含む光学部材４１が形成する光学的無効領域に対応する。
【００１５】
そこで、本発明は上記の課題を解決した新規で有用な投写型表示装置、およびかかる投写型表示装置で使われる偏光装置および光源装置に関する。
本発明のより具体的な課題は、入射光中に含まれる所望の直線偏光成分を通過させ、他の偏光成分を反射する反射型偏光要素を備えた偏光装置において、反射された偏光成分を所望の直線偏光成分に変換する変換光学系を設け、さらに前記変換光学系を最適化することにより、偏光装置の光損失を最小化し、また得られた直線偏光の一様性を向上させることにある。
【００１６】
本発明のその他の特徴は、光源と、前記光源で形成された光ビームを偏光させる偏光光学系とを備えた偏光光源装置において、前記偏光光学系中に、入射光中に含まれる所望の直線偏光成分を通過させ他の偏光成分を反射する反射型偏光要素と、前記反射された偏光成分を所望の直線偏光成分に変換する変換光学系とを設け、さらに前記変換光学系を最適化することにより、前記偏光光源装置から出射する光ビームの輝度を最大化し、また前記光ビーム中の強度分布の一様性を向上させることにある。
【００１７】
本発明のさらにその他の特徴は、ライトバルブを使った投写表示装置において、前記ライトバルブの光源側に、入射光中に含まれる所望の直線偏光成分を通過させ他の偏光成分を反射する反射型偏光要素と、前記反射された偏光成分を所望の直線偏光成分に変換する変換光学系とよりなる偏光光学系を設け、さらに前記変換光学系を最適化することにより、スクリーン上に投写される光ビームの輝度を最大化し、また前記光ビーム中の強度分布の一様性を向上させることにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を、
請求項１に記載したように、
各々入射光が入射する入射側と出射する出射側とを有し、互いに隣接した複数の集光要素と、
前記複数の集光要素の各々の出射側であって、前記各々の入射光の光路に対して斜交するように配設された反射型偏光要素と、
前記複数の集光要素の各々について、前記集光要素とこれに隣接する集光要素との間に形成され、前記複数の集光要素により集光される光束のいずれもが実質的に到達しない光学的無効領域と、
前記各々の光学的無効領域中に、前記反射型偏光要素により反射された反射光の光束と交差するように形成され、前記反射光を、前記光学的無効領域に沿って反射するミラーと、
前記ミラーで反射された前記反射光の光路中に配設され、前記反射光の偏向状態を変換する光学的位相差補償要素とよりなる偏光装置において、
前記ミラーは、その反射面上の全ての点が、前記反射光中の一つの光線の光路と交差し、
前記複数の反射型偏光要素の各々は、前記集光要素の光軸方向に垂直な第１の平面上に形成され、
前記複数のミラーの各々は、前記第１の平面に平行な第２の平面上に形成され、
前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第１および第２の平面に平行な第３の平面上に形成されることを特徴とする偏光装置により、または
請求項２に記載したように、
前記反射型偏光要素は、前記光軸上において、前記集光要素の焦点距離をｆとして、前記集光要素が前記光束を集光する集光点から（１／２）ｆ以内の距離に設けられることを特徴とする請求項１記載の偏光装置により、または
請求項３に記載したように、
前記複数の集光要素はピッチＰで形成されており、前記集光要素の焦点距離ｆは、関係式 Ｐ×ｆ／２≦１ を満足するように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の偏光装置により、または
請求項４に記載したように、
前記複数の反射型偏光要素は、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向し前記第３の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第１の基板上に、第２の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数のミラーは、第３の主面と、前記第３の主面に対向し前記第２の平面に対応する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第４の主面を部分的に覆うように形成され、前記複数の集光要素は、第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第６の主面上に形成され、前記第１〜第３の基板は、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層され、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板が接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項５に記載したように、
前記互いに接着された基板どうしは実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記接着された基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項４記載の偏光装置により、または
請求項６に記載したように、
前記複数の反射型偏光要素は、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第３の平面に対応する第３の主面と、前記第３の主面に対向する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第３の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数のミラーは、前記第２の平面に対応する第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第５の主面を部分的に覆うように形成され、前記複数の集光要素は、前記第３の基板の前記第６の主面上に形成され、前記第１〜第３の基板は、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層され、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板が接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項７に記載したように、
前記互いに接着された基板どうしは実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記接着された基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項６記載の偏光装置により、または
請求項８に記載したように、
前記第１の平面と前記第３の平面とは一致し、前記複数の反射型偏光要素の各々と、前記複数の光学的位相差補償要素の各々とは、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を交互に覆うように形成され、前記複数のミラーの各々は、前記第１の基板の前記第２の主面上に形成され、さらに前記複数の集光要素は、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成され、前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層され、接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項９に記載したように、
前記第１および第２の基板は実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記第１および第２の基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項８記載の偏光装置により、または
請求項１０に記載したように、
前記第１の平面と前記第３の平面とは一致し、前記複数の光学的位相差補償要素の各々は、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の反射型偏向要素の各々は、前記第１の基板上に、前記単一の連続層を覆う別の単一の連続層として形成され、前記複数のミラーの各々は、前記第１の基板の前記第２の主面上に形成され、さらに前記複数の集光要素は、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成され、前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層され、接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置により、または
請求項１１に記載したように、
前記第１および第２の基板は実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記第１および第２の基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項１０記載の偏光装置により、または
請求項１２に記載したように、
前記偏光装置は、さらに入射側に、入射光の光路を前記光軸の方向に対して斜めに偏向させる偏向要素を備えたことを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１３に記載したように、
前記偏光装置は、さらに出射側に、出射光の光路を前記光軸の方向に一致するように偏向する別の偏向要素を備えたことを特徴とする請求項４〜１２のうちのいずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１４に記載したように、
前記光学的位相差補償要素は、通過する光ビームの位相を、前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせることを特徴とする請求項１〜１３のうち、いずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１５に記載したように、
さらに、前記反射型偏光要素と前記ミラーとの間にも、別の光学的位相差補償要素が設けられ、前記光学的位相差補償要素および前記別の光学的位相差補償要素は、通過する光ビームの位相を、合計で前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせることを特徴とする請求項１〜１４のうち、いずれか一項記載の偏光装置により、または
請求項１６に記載したように、
光源と、前記光源に隣接して配設され、前記光源で形成された光ビームを偏光させる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の偏光装置とよりなる偏光光源により、または
請求項１７に記載したように、
請求項１６記載の偏光光源と、
前記偏光光源から出射する偏光光ビームの光路中に配設された光学的空間変調要素と、
前記光学的空間変調要素中を通過した前記偏光光ビームをスクリーン上に投写する投写光学系とを備えたことを特徴とする投写表示装置により、または
請求項１８に記載したように、
前記複数の集光要素は、前記光源で形成された光ビームを、前記光ビームが、実質的に前記光学的空間変調要素の領域内を照射するように集光することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置により、または
請求項１９に記載したように、
前記複数の集光要素は、前記光源で形成された光ビームを、前記光ビームの最大広がり角が、前記投写光学系の有功瞳径よりも小さくなるように集光することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置により、または
請求項２０に記載したように、
前記複数の集光要素の各々は、前記集光要素の空間的位置により変化する形状を有することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置により、解決する。
【００１９】
本発明の偏光装置を通常の高輝度光源と組み合わせることにより、高輝度の偏光光源が得られる。かかる高輝度偏光光源では、反射型偏光要素で反射された不要偏光成分が所望の直線偏光に変換された後出射されるため、不要偏光成分が光源に戻ることがなく、光源の温度上昇を回避することができる。
また、かかる高輝度偏光光源を投写型表示装置に使うことにより、投写型表示装置中のライトバルブに隣接して形成される吸収形偏光要素の温度上昇を抑止することができ、従来の、通常の高輝度光源を使う場合に必要であった吸収形偏光要素の冷却機構を省略することが可能になる。また、場合によっては、ライトバルブの入射形に形成される吸収形偏光要素を省略することも可能である。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図５は、本発明の第１実施例による偏光装置５０の構成を示す。ただし、図５中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
図５を参照するに、前記偏光装置５０は前記偏光装置４０と同様に、複数の集光要素４１ａ，４１ｂよりなる集光部材４１と、前記集光要素の光軸上に設けられた反射型偏光要素４２ａ，４２ｂを含むが、前記反射型偏光要素４２ａは、対応する集光要素４１ａの光軸上において、前記集光要素４１ａが集光する光束中の実質的に全ての光線ｌ，ｍ，ｎを横切るような大きさを有し、所望の直線偏向成分を通過させると同時に不要な円偏光成分を反射する。その際、前記反射型偏光要素４２ａは、反射された円偏光成分が、前記集光要素４１ａと４１ｂとの間の光学的無効領域に形成されるミラー４３に入射するように、前記光軸に対して傾斜して設けられる。一方、前記ミラー４３は、前記光学的無効領域中において、隣接する集光要素４１ａあるいは４１ｂが集光する光束中に侵入しない限りで可能な最大の大きさを有しており、前記反射型偏光要素４２ａで反射された円偏光成分を反射し、これを前記光学的無効領域に沿って発散ビームの形で出射させる。このようにして形成された発散光ビームは、前記無効領域中に形成されたλ／２位相差補償フィルム４を通過することにより、前記反射型偏光要素４２ａを通過した所望の直線偏向ビームと実質的に同じ偏光面を有する直線偏向ビームに変換される。
【００２１】
その際、前記反射型偏光要素４２ａは、前記ミラー４３の反射面の各点に前記反射型偏光要素４２ａで反射された円偏光成分中の光線が入射するように、前記集光要素４１ａの光軸上の位置が設定されている。図示の例では、前記反射型偏光要素４２ａは、前記光軸上において、前記集光要素４１ａの焦点距離をｆとして、集光要素４１ａの焦点Ｆからの距離がｆ／２位内の位置、より具体的には前記焦点Ｆからの距離が約ｆ／４の位置に形成されている。前記反射型偏光要素４２ａの位置および大きさがこのように決定されているため、前記ミラー４３の位置も、前記光軸に平行な軸上において、前記焦点Ｆから集光部材４１の方に約３ｆ／４の距離だけずれた位置に決定される。
【００２２】
図５の構成では、また前記複数の集光要素４１ａ，４１ｂのピッチをＰとした場合、前記反射型偏光要素４２ａは前記焦点Ｆからｆ／４だけずれた位置に形成されているため、反射型偏光要素４２ａの前記光軸方向から見た大きさはＰ／４となる。また、ミラー４３の前記光軸に平行な方向から見た大きさもＰ／４となる。
【００２３】
また、本実施例では、前記反射型偏光要素４２ａの位置を、前記光軸上において焦点Ｆの前後、±ｆ／２以内の範囲に設定し、これに対応して前記ミラー４３の位置を、前記無効領域の中心を前記光軸に平行に走る軸上において、集光部材４１に対応する位置と焦点Ｆに対応する位置との間に設定するようにしてもよい。
【００２４】
本実施例によれば、反射型偏光要素で反射された入射光中の不要円偏光成分の実質的に全てを、集光要素４１ａ，４１ｂの間の無効領域の中心に形成されたミラー４３により、前記無効領域に沿って発散させ、これを所望の直線偏光ビームに変換することにより、非常に効率のよい偏光装置が得られる。また、その際、前記不要円偏光成分から変換された直線偏光成分が、前記無効領域を補うように形成されるため、得られる直線偏光ビームの光強度分布の一様性が向上する。
［第２実施例］
図６（Ａ）および（Ｂ）は、本発明の第２実施例による偏光装置６０の構成を示す。ただし、図６（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。また、図６（Ａ）の構成中、本実施例の要旨に関係のない部分は、簡単のため省略してある。
【００２５】
図６（Ａ）を参照するに、偏光装置６０中の集光要素４１ａ，４１ｂのピッチをＰ、焦点距離をｆとした場合、前記偏光装置６０中の集光要素４１ａを通過した直線偏光ビームは液晶パネル等の光学部材６１に、ｔａｎθ＝Ｐ／２ｆで与えられる入射角θで入射する。一方、図６（Ｂ）に示すように、光学部材６１の表面における反射の程度を表す表面反射率は、入射角θが約４５度を超えると急激に増加する。換言すると、前記入射角が４５度以上である場合、集光要素４１ａ，４１ｂで集光された直線偏光ビームは前記光学部材６１の表面でほとんど反射されてしまう。このため、焦点距離がｆの集光要素４１ａ，４１ｂを集光部材４１として使う場合には、ピッチＰを前記入射角θが４５°以下になるように設定するのが望ましい。特にピッチＰと焦点距離ｆの関係を、Ｐ×ｆ／２≦１とすることにより、光学部材６１の表面での反射を効果的に抑止することができる。
［第３実施例］
図７は、本発明の第３実施例による偏光装置７０の構成を示す。ただし、図７中、先に説明した部分に対応する部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２６】
図７を参照するに、偏光装置７０では反射型偏光要素４１ａ，４２ｂと光学的位相差補償フィルム４４とが、前記集光要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に直交する同一の平面上に形成され、またミラー４３も前記平面に平行な、集光部材４１側の別の平面上に形成されている。その際、本実施例では、入射光は前記集光要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に対して斜めに入射され、その結果図５の偏光装置５０と同様に、入射光中の所望の直線偏光は反射型偏光要素４２ａあるいは４２ｂで分離され、前記偏光装置７０から斜めに出射するのに対し、入射光中の不要な円偏光は前記反射型偏光要素４２ａにより対応するミラー４３の方向に斜めに反射される。前記ミラー４３は、前記斜めに入射する光ビームについて、前記集光要素４１ａ，４１ｂが形成する光学的無効領域中に形成されており、前記反射した不要円偏光を、前記光学的無効領域に沿って、さらに反射する。ただし、前記光学的無効領域は、図７の構成の場合、前記集光要素４１ａ，４１ｂが前記入射光を集束する際に形成される隣接する光束の間に形成される。前記光学的無効領域中を伝播する前記不要円偏光は、前記隣接する反射型偏光要素４２ａの間に形成されたλ／２位相差補償フィルム４４により、所望の偏光面を有する直線偏光に変換され、前記偏光装置７０から、前記反射型偏光要素４２ａあるいは４２ｂを通過した所望直線偏光ビームと共に、斜めに出射する。
［第４実施例］
図８は、本発明の第４実施例による偏光装置８０の構成を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００２７】
図８を参照するに、偏光装置８０では偏光装置７０と同様に入射光が集光要素４１ａ，４１ｂを含む集光部材４１に斜めに入射するが、本実施例では偏光装置７０の反射型偏光要素４２ａ，４２ｂを単一の反射型偏光板４２により置き換える。また、これに伴い、位相差補償フィルム４４の形成位置を前記反射型偏光板４２と前記ミラー４３との間に変更し、さらに前記位相差補償フィルム４４が形成するリタデーションをλ／２からλ／４に変更する。
【００２８】
かかる構成では、前記偏光装置８０中を通過する光ビームの光路は前記偏光装置７０中におけるのと実質的に同一であるが、前記位相差補償フィルム４４が前記反射型偏光板４２とミラー４３のと間に形成されていることに関連して、前記反射型偏光板４２で反射された不要円偏光成分は前記位相差補償フィルム４４を二回通過し、その度にリタデーションを受ける。このため、前記位相差補償フィルム４４のリタデーションを、本実施例ではλ／４に設定する。
【００２９】
図９（Ａ），（Ｂ）は、図８の偏光装置８０において、ミラー４３の方向が正しくなかった場合に偏光装置８０で形成される直線偏光ビーム中に生じる強度分布の変化を示す。
図９（Ａ）を参照するに、前記ミラー４３が、図中に実線で示したように、前記集光要素４１ａあるいは４１ｂの光軸に垂直な平面上に、前記反射型偏光板４２あるいは光学的位相差補償フィルム４４と平行に形成されている場合、ミラー４３で反射された不要円偏光成分およびこれから変換された直線偏光成分は、図９（Ａ）に示すように光学的無効領域の略中心を、前記反射型偏光板４２を通過した光ビームと略平行に、これを補間するように伝播するため、図９（Ｂ）に示すように、前記偏光装置８０で形成された直線偏光ビームの強度分布は、前記偏光装置８０の下流側に配設された光学素子上において曲線Ｂで示すようにほぼ一様であるが、前記ミラー４３が前記実線で示した最適角に対して傾いて設けられている場合には、図９（Ｂ）に曲線Ａで示すように不均一になってしまう。
［第５実施例］
図１０（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第５実施例による偏光装置９０の構成を示す。ただし、図１０（Ａ），（Ｂ）中、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３０】
図１０（Ａ），（Ｂ）を参照するに、偏光装置９０は基本的には先の実施例の偏光装置８０と同一の光学的構成を有するが、前記反射型偏光要素４２および位相差補償フィルム４４が、厚さがｆ／４の透明ガラス基板９０Ａの上下主面に形成され、さらにミラー４３が同じく厚さがｆ／４の透明ガラス基板９０Ｂの上主面に形成されている。さらに、前記透明ガラス基板９０Ｂ上には、集光要素４１を形成された厚さがｆ／４の透明ガラス基板９０Ｃが配設され、前記ガラス基板９０Ａ〜９０Ｃは、前記ガラス基板と同一の屈折率を有する接着剤層により、図１０（Ｂ）に示すように接着される。
【００３１】
かかる構成によれば、偏光装置９０を堅牢に構成でき、さらに各光学要素の表面において生じる不要反射を除去することが可能になる。また、かかる構成の偏光装置９０は、調整が不要で、容易に製造することができる。
なお、図１０（Ａ），（Ｂ）の構成において、前記位相差補償フィルム４４を基板９０Ｂの下主面上に形成し、また前記ミラー４３を基板９０Ｃの下主面に形成してもよいことは明らかである。また、前記基板９０Ａ〜９０Ｃの全てを接着する必要は必ずしもなく、そのうちの少なくとも二つを接着するようにしてもよい。
【００３２】
さらに、図示は省略するが、前記ガラス基板９０Ｃの下主面上に前記位相差補償フィルム４４を一様に形成し、前記位相差補償フィルム４４上に前記反射型偏光要素４２を、一様に形成することも可能である。この場合は、中間の基板９０Ｂを省略することが可能になる。この場合にも、基板９０Ａと９０Ｃとを同一の屈折率を有する接着剤層により接着することにより、界面での不要反射を除去することが可能になる。
［第６実施例］
図１１（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第６実施例による偏光装置１００の構成を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００３３】
図１１（Ａ）を参照するに、本実施例では先の実施例で説明した偏光装置９０の前に、単一の斜面を有するプリズム１０１を配設して入射光の光路を、偏光装置９０中の偏光要素４１の光軸に対して斜めに屈曲させる。その結果、偏光装置１００では、偏光装置１００全体を入射光の光路に対して斜めに配設する必要がなくなり、入射光を偏光装置９０を構成するガラス基板９０Ａ〜９０Ｃの主面に垂直に入射させることが可能になる。
【００３４】
図１１（Ｂ）は図１１（Ａ）の偏光装置１００の一変形例であり、図１１（Ａ）の単一の斜面を有するプリズム１０１の代わりに、前記複数の集光要素に対応した複数の斜面を有するプリズム１０２を使う。かかるプリズム１０２を使うことにより、プリズム全体の厚さを減少させ、偏光装置全体の大きさを減少させることが可能になる。
【００３５】
さらに、図１１（Ａ），（Ｂ）の構成では、前記プリズム１０１あるいは１０２の代わりに入射光を回折させるホログラムを使うことも可能である。
［第７実施例］
図１２（Ａ），（Ｂ）は本発明の第７実施例による偏光装置１１０の構成の一部、より具体的には集光部材４１の構成を示す。図１２（Ａ），（Ｂ）中、その他の部分の構成は、例えば先に説明した偏光装置８０あるいは９０と実質的に同一であり、説明を省略する。
【００３６】
図１２（Ａ）は、集光部材４１中の各々の集光要素として球面レンズを使った場合を示す。図１２（Ａ）を参照するに、かかる球面レンズで集束された光線は、レンズの焦点Ｆの近傍の領域で交差し、一点では集束しない。
これに対し、図１２（Ｂ）は、集光部材４１として非球面レンズを使った構成を示す。図１２（Ｂ）を参照するに、非球面レンズを使った場合には、レンズで集束された入射光中の光線は焦点Ｆ一点において集束する。本発明による偏光装置では、先に図９（Ａ），（Ｂ）で説明したように、偏光装置内における光線の光路が、得られる直線偏光の強度分布に大きな影響を与えるため、集光部材４１としては、図１２（Ａ）のような球面レンズよりも図１２（Ｂ）に示す非球面レンズを使った方が、よりよい結果を得られる。
［第８実施例］
図１３（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第８実施例による偏光装置１２０およびその変形例を示す。
【００３７】
図１３（Ａ）を参照するに、偏光装置１２０は先に説明した偏光装置９０と同様な構成を有するが、集光部材４１として、２次元的なレンズアレイが形成される。かかる２次元レンズアレイは、型を使った透明樹脂の成形等により、容易に形成できる。
図１３（Ｂ）は、前記集光部材４１として、シリンドリカルレンズの一次元配列を形成した例を示す。かかるシリンドリカルレンズアレイも、型を使った透明樹脂の成形により容易に形成できる。特に、シリンドリカルレンズを使った場合、入射光は前記反射型偏光要素上に直線状に集光されるが、この場合、前記偏光要素上における光密度は、図１３（Ａ）のレンズアレイにおけるように点状に集光される場合に比べて実質的に低下し、非常に高輝度の光源を使った場合でも、前記反射型偏光要素を構成する液晶の劣化を回避することができる。
【００３８】
偏光装置１２０のその他の構成は、先に説明した例えば偏光装置９０の構成と同様であり、説明を省略する。
［第９実施例］
図１４（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第９実施例による偏光装置１３０およびその変形例の構成を示す・
図１４（Ａ）を参照するに、本実施例の偏光装置１３０は、先に図１１（Ａ），（Ｂ）で説明した第６実施例の偏光装置１００に類似した構成を有し、図１０（Ｂ）で説明した偏光装置９０と入射側プリズム１０１とを含むが、偏光装置１３０は、さらに出射側にも前記偏光装置９０から出射した直線偏光ビームを、前記プリズム１０１に入射する入射光の光路に平行な光路に偏向する、単一の斜面を有するプリズム１３１を備える。図１４（Ａ）の構成は、また偏向装置１３０において、入射側プリズム１０１を使わない場合においても、偏光装置９０の出射光の光路を、前記偏光装置９０に入斜めに射する入射光の光路に一致させるのに有効である。一般に、前記偏光装置９０に斜めに入射光を入射させた場合、偏光装置９０からは出射光が同様に斜めに出射するが、出射光の光路は入射光の光路と厳密には平行にならない場合がある。出射側プリズム１３１を使うことにより、このような場合でも入射光の光路と出射光の光路とを平行にすることができる。
【００３９】
図１４（Ｂ）は、図１１（Ｂ）の構成の変形例において、偏光装置９０の出射側に多数の斜面よりなる出射側プリズム１３２を設けた構成を示す。図１４（Ｂ）の構成では、図１４（Ａ）の単一の斜面を有するプリズム１３１を使った場合に比べ、プリズムの厚さを減少させることができる。図１１（Ｂ）の実施例と同様に、図１４（Ｂ）の実施例においても、前記プリズム１３２の代わりにホログラムを使うことも可能である。
［第１０実施例］
図１５（Ａ）〜（Ｃ）は、本発明の第１０実施例による偏光光源１４０の構成を示す。
【００４０】
図１５（Ａ）を参照するに、偏光光源１４０は、メタルハライドランプ、キセノンランプ、あるいは高圧水銀ランプ等のアーク発光する点光源１４１Ａと放物面鏡１４１Ｂとよりなる高輝度光源１４１と、前記高輝度光源１４１から出射する光ビームの光路中に配設され、これを偏光させる偏光装置１４２とよりなるが、偏光装置１４２は前記光軸を囲む同心円に沿った断面において偏光装置９０の断面構造と同様な断面構造を有し、従って基板９０Ａ，９０Ｂおよび９０Ｃを積層した構成を有する。一方、偏光装置１４２においては、集光要素を担持する基板９０Ｃ上には、前記集光要素として前記光ビームの光軸に対して放射状に配列された多数のシリンドリカルレンズ１４２Ａが形成されており、これに伴い、集光要素の光学的無効領域に形成されるミラー４３も、前記光軸の回りに放射状に形成されている。
【００４１】
かかる構成の偏光光源１４０では、前記点光源１４１Ａで形成され、放物面鏡１４１Ｂで反射された高輝度光ビームのうち、所望の直線偏光を有する成分のみが前記基板９０Ｃの底面の実質的に全面に形成された反射型偏光要素４２を通過する。一方、残りの偏光成分は前記反射型偏光要素４２で反射された後、基板９０Ａと９０Ｂの境界に形成されたλ／４位相差補償フィルム４４を通過し、前記光学的無効領域に配設されたミラー４３で反射される。反射された光ビームは、再び前記λ／４位相差補償フィルム４４を逆方向に通過し、所望の直線偏光に変換されて、前記基板９０Ａ底面の反射型偏光要素４２を通過して出射される。
【００４２】
ところで、かかる偏光光源１４０に使われる高輝度光源１４１では、放物面鏡１４１Ｂの焦点に配置される点光源１４１Ａは実際には厳密に点光源ではなく、図１５（Ｂ）に示すように、前記放物面鏡１４１Ｂの軸方向に無限小でない、有限のアーク長のアーク発光１４１ａが形成される。典型的にはアーク長は３〜５ｍｍの長さに達し、その結果、放物面鏡１４１Ｂで反射される光ビームは、前記放物面鏡１４１Ｂの軸を含む面内において、典型的には約±６°の広がり角θで広がる。
【００４３】
これに対し、図１５（Ｃ）に示すように、前記高輝度光源１４１を前記放物面鏡１４１Ｂの軸方向から見た図では、アーク発光１４１ａの径は１〜２ｍｍと非常に小さいため、前記放物面鏡１４１Ｂで反射される光ビームの周方向への広がり角φは、前記広がり角θよりも実質的に小さい２．５°程度の値となる。
本発明の偏光装置、例えば図１０（Ｂ）の偏光装置９０では、入射光の広がりにより、変換効率が変化し、例えば入射光の広がりが大きいと集光要素で十分に集光できず、反射型偏光要素に入射する光ビームに損失が生じやすい。図１５（Ａ）の構成では、放射状に配設されたシリンドリカルレンズ１４２Ａは、入射光の広がりが大きい径方向へは光ビームを集束しないが、入射光の広がりが小さい周方向へは光ビームを集束し、その結果高い効率で偏光状態を変換することが可能になる。
［第１１実施例］
図１６（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１１実施例による偏光光源１５０の構成を示す。ただし、図中、先に説明した部分には対応する参照符号を付し、説明を省略する。
【００４４】
図１６（Ａ）を参照するに、本実施例の偏光光源１５０は図１５（Ａ）の高輝度光源１４１に偏光装置１５１を組み合わせた構成を有し、前記偏光装置１５１は、先の実施例の偏光装置における放射状に配列されたシリンドリカルレンズ１４２Ａの代わりに、前記高輝度光源１４１の一部を構成する放物面鏡１４１Ｂの軸を囲むように同心円状に形成された、多数のシリンドリカルレンズ１５１Ａを含む。
【００４５】
図１６（Ｂ）は前記偏光装置１５１の一部を示す拡大断面図である。ただし、図１６（Ｂ）の断面図は、図１６（Ａ）の偏光装置１５１の、線Ａ−Ａ’に沿った断面図を示す。
図１６（Ｂ）を参照するに、偏光装置１５１は図１０（Ｂ）の偏光装置９０と同様に、底面の実質的に全面にに反射型偏光要素４２を形成され、上面にλ／４位相差補償フィルム４４を形成された第１のガラス基板９０Ａと、前記第１のガラス基板９０Ａ上に形成され、上面に同心円状のミラー４３をシリンドリカルレンズ１５１Ａの無効領域に対応して形成された第２のガラス基板９０Ｂとを含み、さらに前記第２のガラス基板９０Ｂ上に、前記同心円状のシリンドリカルレンズ１５１Ａを形成されたガラス基板９０Ｃを配設する。先にも説明したように、ガラス基板９０Ａ〜９０Ｃは、ガラス基板と同一の屈折率の接着剤により接着することにより、基板界面での反射に伴う光損失を最小化することができる。
【００４６】
図１７は、図１６（Ａ）の偏光光源１５０における高輝度光源１４１の発光を示す。
図１７を参照するに、高輝度光源１４１における発光は、メタルハライドランプ等の点光源１４１Ａ中のアーク発光１４１ａにより生じるが、アーク発光１４１ａは放物面鏡１４１Ｂの軸方向に延在する形状を有し、アークの一方に青色成分が、他方に赤色成分が出現する。これらの青色成分あるいは赤色成分は、それぞれの経路を経て放物面鏡１４１Ｂにより反射され、前記偏光装置１５１の同心円状のシリンドリカルレンズ１５１Ａに入射するが、入射した青色成分および赤色成分の光ビームはシリンドリカルレンズ１５１Ａで集束される際に混合し、その結果、光源１４１で形成された光ビーム中の色むらを消すことができる。
【００４７】
ところで、図１８（Ａ）に示すように、点光源１４１Ａにおけるアーク発光１４１ａにより形成された光ビームの開き角φは、前記光ビームを反射する放物面鏡上の位置ａ，ｂ，ｃにより、φ1 ，φ2 ，φ3 と変化するが、図１８（Ｂ）の関係より、放物面鏡１４１Ｂの中心軸近傍の中央部ａ、あるいは縁部ｃで反射した光ビームでは、ビームの開き角φ1 ，φ3 が中間部ｂにおける開き角φ2 よりも小さくなっている。このため、図１８（Ｃ）に示すよう一変形例では、前記同心円状のシリンドリカルレンズ１５１Ａを前記中央部ａに対応するＺＯＮＥ１と、前記中間部ｂに対応するＺＯＮＥ２と、前記縁部に対応するＺＯＮＥ３とに分割し、前記ＺＯＮＥ２において、広がり角の大きい光ビームを十分に集束させるため、レンズのピッチをＺＯＮＥ１あるいはＺＯＮＥ３に比べて減少させている。かかる構成により、偏光装置１５１における偏光状態の変換を、前記放物面鏡１４１Ｂ上の反射点ａ〜ｃ如何によらず、一様に行なうことが可能である。
［第１２実施例］
図１９（Ａ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った投写型表示装置１６０の構成を示す。
【００４８】
図１９（Ａ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１６１から出射した直線偏光ビームは光路中に配設された液晶ライトバルブ１６２により空間変調され、次段の光学装置、例えば投写光学系に入射する。
かかる構成では、前記光源１６１により形成される光ビームがすでに所望の直線偏光になっているため、液晶ライトバルブ１６２の上流側に温度上昇を生じやすい吸収形の偏光板を使う必要がなく、これに伴い、光源１６１に非常に強力な光源を使った場合でも、従来必要であった吸収型偏光板の冷却装置を省略することができる。また、先にも説明したように、光源１６１では、放電等により形成される全ての光エネルギが所望の直線偏光を形成するのに使われているため、損失が少なく、また反射された不要偏光成分による光源の温度上昇の問題を回避できる。
［第１３実施例］
図１９（Ｂ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った本発明の第１３実施例による投写表示装置１７０の構成を示す。
【００４９】
図１９（Ｂ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１７１から出射した直線偏光ビームは光路中に配設された液晶ライトバルブ１６２により空間変調され、次段の光学装置、例えば投写光学系に入射する。
その際、本実施例では、前記光源１７１において、例えば図１５（Ａ）の集光要素１４２Ａあるいは図１６（Ａ）の集光要素１５１Ａの焦点距離ｆを設定することにより、前記光源１７１から出射する光ビームの広がり角Ωを、前記光ビームの実質的に全てが次段の例えば液晶ライトバルブよりなる光学素子１７２に入射するにようにする。このように構成することにより、投写表示装置１７０の光損失を最小化できる。
［第１４実施例］
図１９（Ｃ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った本発明の第１４実施例による投写表示装置１８０の構成を示す。
【００５０】
図１９（Ｃ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１８１から出射した直線偏光ビームは、光路中に配設された液晶ライトバルブ１８２により空間変調され、次段の投写光学系１８３に入射し、さらにスクリーン１８４上に投写される。
その際、本実施例では、前記光源１８１において、例えば図１５（Ａ）の集光要素１４２Ａあるいは図１６（Ａ）の集光要素１５１Ａの焦点距離ｆを適当に設定することにより、前記光源１８１から出射する光ビームの広がり角Ωを、前記光ビームの実質的に全てが投写光学系１８３に入射するにように設定する。このように構成することにより、投写表示装置１８０の光損失を最小化できる。
［第１５実施例］
図１９（Ｄ）は、先の実施例で説明した偏光光源１４０あるいは１５０を光源として使った本発明の第１５実施例による投写表示装置１９０の構成を示す。
【００５１】
図１９（Ｄ）を参照するに、前記偏光光源１４０あるいは１５０よりなる光源１９１から出射した直線偏光ビームは、光路中に配設された液晶ライトバルブ１９２により空間変調され、次段の光学装置、例えば投写光学系に入射する。
その際、本実施例では、前記光源１９１において、例えば図１４（Ｂ）に示す出射側プリズム１３２に対応するプリズムを設け、前記光源１９１から出射する光ビームの広がり角Ω1 ，Ω2 とその方向を、前記光ビームの実質的に全てが、光軸上から出射した光ビームであってもまた縁部から出射した光ビームであっても、次段の例えば液晶ライトバルブよりなる光学素子１９２に入射するにように設定する。このように構成することにより、投写表示装置１９０の光損失を最小化できる。
［第１６実施例］
図２０は、本発明の第１６実施例による投写表示装置２００の構成を示す。ただし、図２０中先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５２】
図２０を参照するに、投写表示装置２００は図１で説明した従来の投写表示装置１０と類似した構成を有するが、本実施例の投写表示装置２００では、紫外線カットフィルタ１１Ａを含む光源１１と最初のダイクロイックミラー２１との間に、先の実施例のいずれかで説明した構成の偏光装置１１Ｂを配設する。偏光装置１１Ｂは、前記光源で形成された光ビームを所望の直線偏光に変換し、光源１１と共に、先の実施例で説明した偏光光源を形成する。
【００５３】
本実施例では、このようにダイクロイックミラー２１に入射する光ビームがすでに直線偏光ビームであるため、図１の投写表示装置１０において前記吸収型偏光要素３２Ｒ，３２Ｇあるいは３２Ｂの下流側に配設される反射型偏光要素３１Ｒ，３１Ｇあるいは３１Ｂは、光源１１として高輝度メタルハライドランプ等の非常に強力な光源を使った場合でも、省略できる。また、その際に吸収型偏光要素に冷却機構は不必要である。
［第１７実施例］
図２１は、本発明の第１７実施例による投写表示装置２１０の構成を示す。ただし、先に説明した部分には同一の参照符号を付し、説明を省略する。
【００５４】
図２１を参照するに、本実施例による投写表示装置では、図２０の投写表示装置２００と実質的に同一の構成を有するが、さらに各色の光ビームの光路において、液晶パネル３３Ｇの上流側の吸収型偏光要素３２Ｒ，３２Ｇあるいは３２Ｂも省略されている。要求される表示品質に応じて、かかる簡素化された構成の投写光学装置を使うことも可能である。
【００５５】
以上、本発明を好ましい実施例について説明したが、本発明はかかる特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨内において様々な変形・変更が可能である。
【００５６】
【発明の効果】
本発明の特徴によれば、各々入射光が入射する入射側と出射する出射側とを有し、互いに隣接した複数の集光要素と、前記複数の集光要素の各々の出射側であって、前記各々の入射光の光路に対して斜交するように配設された反射型偏光要素と、前記複数の集光要素の各々について、前記集光要素とこれに隣接する集光要素との間に形成され、前記複数の集光要素により集光される光束のいずれもが実質的に到達しない光学的無効領域と、前記各々の光学的無効領域中に、前記反射型偏光要素により反射された反射光の光束と交差するように形成され、前記反射光を、前記光学的無効領域に沿って反射するミラーと、前記ミラーで反射された前記反射光の光路中に配設され、円偏光を直線偏光に変換する光学的位相差補償要素とよりなる偏光装置において、前記ミラー上の全ての点が、前記反射光中の一つの光線の光路と交差するように構成し前記複数の反射型偏光要素の各々を、前記集光要素の光軸方向に垂直な第１の平面上に形成し、前記複数のミラーの各々を、前記第１の平面に平行な第２の平面上に形成し、前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第１および第２の平面に平行な第３の平面上に形成することにより、光源で形成された光ビームのエネルギの実質的に全てを所望の直線偏光に変換することができ、偏光装置における光損失を最小化することが可能になる。
【００５７】
また本発明の特徴によれば、前記複数の集光要素をピッチＰで形成し、その際前記集光要素の焦点距離ｆを関係式 Ｐ×ｆ／２≦１を満足するように設定することにより、偏光装置から出射する光ビームの開き角を制御することが可能になる。
特に、前記ミラーを、対応する前記反射型偏光要素により反射された反射光中の全ての光線を遮断するような大きさに形成することにより、反射型偏光要素で反射された不要偏光成分を全て反射するミラーの大きさが決定され、偏光装置中における光損失が最小化される。
【００５８】
また、前記ミラーの大きさを前記光学的無効領域を超えない大きさに設定することにより、前記ミラーにより、前記反射型偏光要素に入射する光ビームの光量の減少が回避され、偏光装置中における光損失が最小化される。
さらに、前記反射型偏光要素を、前記光軸上において、前記ミラーが前記反射光中の全ての光線と交差するような位置に形成することにより、光源で形成された光ビームのエネルギの実質的に全てを所望の直線偏光に変換することができ、偏光装置における光損失を最小化することが可能になる。
【００５９】
また、前記ミラーを、前記反射光が前記複数の集光要素の光軸に平行な方向に反射されるように配設することにより、偏光装置の構成が簡単になり、製造が容易になる。
また、前記ミラーを、前記ミラーで反射された反射光が前記光学的無効領域に沿って進行するように、前記集光要素の光軸方向に対して斜めに配設することにより、前記ミラーで反射した不要偏光成分が、所望の直線偏光に変換された後、前記光学的無効領域に沿って、前記反射型偏光要素を通過した直線偏光成分を補間するように進行するため、偏光装置から出射する光ビームの強度分布が一様になる。
【００６０】
また本発明の特徴によれば、前記複数の反射型偏光要素の各々を、前記集光要素の光軸方向に垂直な第１の平面上に形成し、前記複数のミラーの各々を、前記第１の平面に平行な第２の平面上に形成し、さらに前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第１および第２の平面に平行な第３の平面上に形成し、さらに前記偏光装置全体を、前記入射光の光路に対して前記第１の平面が斜交するように配設することにより、偏光装置の構成が簡単になる。
【００６１】
特に前記複数の反射型偏光要素を、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向し前記第３の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第１の基板上に、第２の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数のミラーを、第３の主面と、前記第３の主面に対向し前記第２の平面に対応する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第４の主面を部分的に覆うように形成し、前記複数の集光要素を、第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第６の主面上に形成し、前記第１〜第３の基板を、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層し、少なくとも２つの基板を接着剤層により接着することにより、あるいは前記複数の反射型偏光要素を、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数の光学的位相差補償要素を、前記第３の平面に対応する第３の主面と、前記第３の主面に対向する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第３の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数のミラーを、前記第２の平面に対応する第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第５の主面を部分的に覆うように形成し、前記複数の集光要素を前記第３の基板の前記第６の主面上に形成し、前記第１〜第３の基板を、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層し、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板を接着剤層により接着することにより、あるいは前記第１の平面と前記第３の平面とは一致している場合に、前記複数の反射型偏光要素の各々と、前記複数の光学的位相差補償要素の各々とを、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を交互に覆うように形成し、前記複数のミラーの各々を前記第１の基板の前記第２の主面上に形成し、さらに前記複数の集光要素を、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成し、前記第１および第２の基板を、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層し、接着剤層により接着することにより、あるいは前記第１の平面と前記第３の平面とは一致する場合に、前記複数の光学的位相差補償要素の各々を、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成し、前記複数の反射型偏向要素の各々を、前記第１の基板上に、前記単一の連続層を覆う別の単一の連続層として形成し、前記複数のミラーの各々を前記第１の基板の前記第２の主面上に形成し、さらに前記複数の集光要素を、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成し、前記第１および第２の基板を、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層し、接着剤層により接着することにより、形成される偏光装置の構成が堅牢になる。
【００６２】
また接着剤層の屈折率を前記第１から第３の基板の屈折率と同一に設定することにより、各集光要素の表面における反射を消去することが可能になる。前記偏光装置の入射側に、さらに入射光の光路を前記光軸の方向に対して斜めに偏向させるプリズム等の偏向要素を備えることにより、前記偏光装置自体を前記入射光の光軸に対して垂直に配設することができ、偏光装置の構成が簡単になる。特に、前記偏向要素として前記複数の集光要素に対応した複数のプリズム要素を含むプリズムを使うことにより、前記偏向要素の厚さを減少させることが可能になる。
【００６３】
また本発明の特徴によれば、前記偏光装置の出射側に、出射光の光路を前記光軸の方向に一致するように偏光する別の偏向要素をさらに備えることにより、偏光装置から出射する所望の直線偏光ビームの方向を所望の方向に設定することができる。特に、前記別の偏向要素として前記複数の集光要素に対応した複数のプリズム要素を含むプリズムを使うことにより、前記偏向要素の厚さを減少させることが可能になる。
【００６４】
また本発明の特徴によれば、前記光学的位相差補償要素として、通過する光ビームの位相を、前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせる光学的位相差補償要素を使うことにより、前記反射型偏光要素で反射された不要偏光成分を所望の直線偏光成分に変換することが可能になる。
【００６５】
また本発明の特徴によれば、さらに、前記反射型偏光要素と前記ミラーとの間にも、別の光学的位相差補償要素を、通過する光ビームの位相が、合計で前記光ビームの波長の１／２だけ遅れるように配設することにより、前記反射型偏光要素で反射された不要偏光成分を所望の直線偏光成分に変換することが可能になる。
【００６６】
また、前記複数の集光要素の各々としてレンズあるいはシリンドリカルレンズを使うことにより、入射光を個々の反射型偏光要素に、それぞれの光路を通って導くことが可能になり、また個々の集光要素の間に形成される光学的無効領域に前記ミラーを配設することが可能になる。
さらに、前記複数の集光要素として、放射状に配列された円筒レンズを使うことにより、かかる偏光装置を放物面鏡を備えた光源と組み合わせて使った場合に、アークにより形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アークの長さが無限小でなく有限であることのために、前記放物面鏡の軸に対して径方向に発散する光ビームとなった場合であっても、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在する反射型偏光要素に確実に入射し、さらに前記反射型偏光要素で反射される不要偏光成分も、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在するミラーで確実に反射され、所望の直線偏光ビームに変換される。その結果、偏光装置の光損失が最小化される。
【００６７】
前記複数の集光要素を、同心円状に配列された円筒レンズより構成することにより、かかる偏光装置を放物面鏡を備えた光源と組み合わせて使った場合に、アークにより形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アークの長さが無限小でなく有限であり、またその結果形成される発散光ビームが不均一に着色しているような場合でも、光ビームが均一に混合され、着色を消去することが可能になる。
【００６８】
また本発明の特徴によれば、光源と、前記光源に隣接して配設され、前記光源で形成された光ビームを偏光させる前記いずれかの偏光装置とよりなる偏光光源により、高輝度で、損失の少ない直線偏光光源が得られる。前記複数の集光要素として、放射状に配列された複数の円筒レンズを使うことにより、アーク光源により形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アーク光源の長さが無限小でなく有限であることのために、前記放物面鏡の軸に対して径方向に発散する光ビームとなった場合であっても、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在する反射型偏光要素に確実に入射し、さらに前記反射型偏光要素で反射される不要偏光成分も、前記放射状の円筒レンズに対応して放射状に延在するミラーで確実に反射され、所望の直線偏光ビームに変換される。その結果、偏光装置の光損失が最小化され、偏光光源の輝度が最大化される。
【００６９】
また、前記複数の集光要素として、同心円状に配列された複数の円筒レンズを使うことにより、アーク光源により形成され前記放物面鏡で反射される光ビームが、前記アーク光源の長さが無限小でなく有限であり、またその結果形成される発散光ビームが不均一に着色しているような場合でも、光ビームが均一に混合され、着色を消去することが可能になる。
【００７０】
さらに、前記複数の円筒レンズのピッチを半径方向に変化させることにより、アーク光源により形成され放物面鏡で反射される光ビームの発散角が、前記放物面鏡の軸方向上の位置で変化した場合でも、レンズの強度が対応して変化するため、光損失が発生するのが回避される。
また本発明の特徴によれば、前記偏光光源と、前記偏光光源から出射する偏光光ビームの光路中に配設された光学的空間変調要素と、前記光学的空間変調要素中を通過した前記偏光光ビームをスクリーン上に投写する投写光学系とを備えたことを特徴とする投写表示装置により、明るく視認性のよい表示が可能になる。また、吸収型偏光要素を使った場合でも、光源からの光ビームがすでに所望の直線偏光になっているため、吸収による発熱が少なく、このため特別な冷却機構なしに、非常に強力な光源を使うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の投写型表示装置の構成を示す図である。
【図２】従来の反射型偏光要素の構成を示す図である。
【図３】従来の反射型偏光要素を使った偏光装置の構成を示す図である。
【図４】本発明の原理を説明する図である。
【図５】本発明の第１実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図６】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第２実施例による偏光装置の構成およびその作用を示す図である。
【図７】本発明の第３実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図８】本発明の第４実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図９】（Ａ），（Ｂ）は、図８の偏光装置の作用を説明する図である。
【図１０】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第５実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１１】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第６実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１２】本発明の第７実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１３】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第８実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１４】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第９実施例による偏光装置の構成を示す図である。
【図１５】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１０実施例による偏光光源の構成を示す図である。
【図１６】（Ａ），（Ｂ）は、本発明の第１１実施例による偏光光源の構成を示す図である。
【図１７】図１６の偏光光源で使われる光源の構成を示す図である。
【図１８】（Ａ）〜（Ｃ）は、図１６の偏光光源の一変形例を示す図である。
【図１９】（Ａ）〜（Ｄ）は、本発明の第１２〜第１５実施例による投写表示装置の構成を示す図である。
【図２０】本発明の第１６実施例による投写表示装置の構成を示す図である。
【図２１】本発明の第１７実施例による投写表示装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１０，１６０，１７０，１８０，１９０，２００，２１０ 投写光学装置
１１ ランプ
１１Ａ 紫外線カットフィルタ
１１Ｂ 偏光装置
１２ 光ビーム
２１，２２，２４，２６ ダイクロイックミラー
２３，２５ ミラー
２７，１８３ 投写光学系
２８ スクリーン
３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂ 偏光装置
３１ 基板
３１1 λ／２位相差補償フィルム
（３１1 ）Ｂ〜（３１1 ）Ｒ コレステリック液晶層
３１Ｒ，３１Ｇ，３１Ｂ 反射型偏光要素
３２Ｒ，３２Ｇ，３２Ｂ，３４Ｒ，３４Ｇ，３４Ｂ 吸収型偏光要素
３３Ｒ，３３Ｇ，３３Ｂ，１６２，１７２，１８２，１９２ 液晶パネル
４０，４０’，５０，６０，７０，８０，９０，１００，１１０，１２０，１３０，１４２，１５１ 偏光装置
４１ 集光部材
４１ａ，４１ｂ，１４２Ａ，１５１Ａ 集光要素
４２，４２ａ，４２ｂ 反射型偏光要素
４３ ミラー
４４ 位相差補償フィルム
６１ 光学部材
９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ 基板
１０１，１０２ 入射側プリズム
１３１，１３２ 出射側プリズム
１４０，１５０，１６１，１７１，１８１，１９１ 偏光光源
１４１ 光源
１４１Ａ 発光要素
１４１ａ アーク放電
１４１Ｂ 放物面鏡
Claims (20)
- 各々入射光が入射する入射側と出射する出射側とを有し、互いに隣接した複数の集光要素と、
前記複数の集光要素の各々の出射側であって、前記各々の入射光の光路に対して斜交するように配設された反射型偏光要素と、
前記複数の集光要素の各々について、前記集光要素とこれに隣接する集光要素との間に形成され、前記複数の集光要素により集光される光束のいずれもが実質的に到達しない光学的無効領域と、
前記各々の光学的無効領域中に、前記反射型偏光要素により反射された反射光の光束と交差するように形成され、前記反射光を、前記光学的無効領域に沿って反射するミラーと、
前記ミラーで反射された前記反射光の光路中に配設され、前記反射光の偏向状態を変換する光学的位相差補償要素とよりなる偏光装置において、
前記ミラーは、その反射面上の全ての点が、前記反射光中の一つの光線の光路と交差し、
前記複数の反射型偏光要素の各々は、前記集光要素の光軸方向に垂直な第１の平面上に形成され、
前記複数のミラーの各々は、前記第１の平面に平行な第２の平面上に形成され、
前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第１および第２の平面に平行な第３の平面上に形成されることを特徴とする偏光装置。 - 前記反射型偏光要素は、前記光軸上において、前記集光要素の焦点距離をｆとして、前記集光要素が前記光束を集光する集光点から（１／２）ｆ以内の距離に設けられることを特徴とする請求項１記載の偏光装置。
- 前記複数の集光要素はピッチＰで形成されており、前記集光要素の焦点距離ｆは、関係式 Ｐ×ｆ／２≦１ を満足するように設定されることを特徴とする請求項１または２記載の偏光装置。
- 前記複数の反射型偏光要素は、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向し前記第３の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第１の基板上に、第２の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数のミラーは、第３の主面と、前記第３の主面に対向し前記第２の平面に対応する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第４の主面を部分的に覆うように形成され、前記複数の集光要素は、第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第６の主面上に形成され、前記第１〜第３の基板は、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層され、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板が接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置。
- 前記互いに接着された基板どうしは実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記接着された基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項４記載の偏光装置。
- 前記複数の反射型偏光要素は、前記第１の平面に対応する第１の主面と前記第１の主面に対向する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の光学的位相差補償要素は、前記第３の平面に対応する第３の主面と、前記第３の主面に対向する第４の主面とにより画成された第２の基板上に、前記第３の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数のミラーは、前記第２の平面に対応する第５の主面とこれに対向する第６の主面とにより画成された第３の基板の前記第５の主面を部分的に覆うように形成され、前記複数の集光要素は、前記第３の基板の前記第６の主面上に形成され、前記第１〜第３の基板は、前記第１の基板の前記第２主面に前記第２の基板の前記第３の主面が接するように、また前記第２の基板の前記第４の主面に前記第３の基板の第５の主面が接するように積層され、前記第１〜第３の基板のうち、少なくとも２つの基板が接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置。
- 前記互いに接着された基板どうしは実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記接着された基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項６記載の偏光装置。
- 前記第１の平面と前記第３の平面とは一致し、前記複数の反射型偏光要素の各々と、前記複数の光学的位相差補償要素の各々とは、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を交互に覆うように形成され、前記複数のミラーの各々は、前記第１の基板の前記第２の主面上に形成され、さらに前記複数の集光要素は、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成され、前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層され、接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置。
- 前記第１および第２の基板は実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記第１および第２の基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項８記載の偏光装置。
- 前記第１の平面と前記第３の平面とは一致し、前記複数の光学的位相差補償要素の各々は、前記第１の平面に対応する第１の主面と、前記第１の主面に対向し、前記第２の平面に対応する第２の主面とにより画成された第１の基板上に、前記第１の主面を覆う単一の連続層として形成され、前記複数の反射型偏向要素の各々は、前記第１の基板上に、前記単一の連続層を覆う別の単一の連続層として形成され、前記複数のミラーの各々は、前記第１の基板の前記第２の主面上に形成され、さらに前記複数の集光要素は、前記第１の基板の前記第２の主面に対向して配設された第２の基板上に形成され、前記第１および第２の基板は、前記第１の基板の前記第２の主面が、前記第２の基板の前記複数の集光要素が形成された主面に対向する主面に接するように積層され、接着剤層により接着されていることを特徴とする請求項２記載の偏光装置。
- 前記第１および第２の基板は実質的に同一の屈折率を有し、前記接着剤層は、前記第１および第２の基板の屈折率と実質的に同一の屈折率を有することを特徴とする請求項１０記載の偏光装置。
- 前記偏光装置は、さらに入射側に、入射光の光路を前記光軸の方向に対して斜めに偏向させる偏向要素を備えたことを特徴とする請求項９〜１１のうち、いずれか一項記載の偏光装置。
- 前記偏光装置は、さらに出射側に、出射光の光路を前記光軸の方向に一致するように偏向する別の偏向要素を備えたことを特徴とする請求項４〜１２のうちのいずれか一項記載の偏光装置。
- 前記光学的位相差補償要素は、通過する光ビームの位相を、前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせることを特徴とする請求項１〜１３のうち、いずれか一項記載の偏光装置。
- さらに、前記反射型偏光要素と前記ミラーとの間にも、別の光学的位相差補償要素が設けられ、前記光学的位相差補償要素および前記別の光学的位相差補償要素は、通過する光ビームの位相を、合計で前記光ビームの波長の１／２だけ遅らせることを特徴とする請求項１〜１４のうち、いずれか一項記載の偏光装置。
- 光源と、前記光源に隣接して配設され、前記光源で形成された光ビームを偏光させる、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の偏光装置とよりなる偏光光源。
- 請求項１６記載の偏光光源と、
前記偏光光源から出射する偏光光ビームの光路中に配設された光学的空間変調要素と、
前記光学的空間変調要素中を通過した前記偏光光ビームをスクリーン上に投写する投写光学系とを備えたことを特徴とする投写表示装置。 - 前記複数の集光要素は、前記光源で形成された光ビームを、前記光ビームが、実質的に前記光学的空間変調要素の領域内を照射するように集光することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置。
- 前記複数の集光要素は、前記光源で形成された光ビームを、前記光ビームの最大広がり角が、前記投写光学系の有功瞳径よりも小さくなるように集光することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置。
- 前記複数の集光要素の各々は、前記集光要素の空間的位置により変化する形状を有することを特徴とする請求項１７記載の投写表示装置。
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