JP3951180B2 - 偏光変換素子および照明光学系、ならびにプロジェクタ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を所定の偏光光に変換する偏光変換素子、およびそれを利用した照明光学系ならびにプロジェクタに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、偏光光を利用した装置が知られている。例えば、液晶表示パネルなどを用いた投射型表示装置(プロジェクタ)では、表示パネルに対する照明光として直線偏光光を用いている。このような装置では、所定の偏光光を得るために、偏光変換素子が用いられている。
【0003】
図10は、プロジェクタなどに用いられる照明光学系の例を示している。この照明光学系は、光軸C1に沿って、第1レンズアレイ112と、第2レンズアレイ113と、偏光変換素子アレイ114とを備えている。
【0004】
第1レンズアレイ112は、正の屈折力を有する凸レンズのセル112Aを複数個、マトリクス状に並べたものである。第2レンズアレイ113は、第1レンズアレイ112の個々のレンズセル112Aに対応した正の屈折力を有する凸レンズのセル113Aを複数個、マトリクス状に並べたのものである。
【0005】
偏光変換素子アレイ114は、入射した無偏光の光束を直線偏光光に変換させるものである。この偏光変換素子アレイ114は、図11に拡大して示したように、偏光分離膜114Aと反射面114Bとを有し、それらが交互に複数配置されている。この偏光変換素子アレイ114の出射側には、1/2波長板114Cが所定間隔で複数配置されている。また入射側には、所定箇所に開口部130Aが設けられた遮光板130が配置されている。偏光分離膜114Aと反射面114Bは、光軸C1に対しほぼ45°の角度で設けられている。
【0006】
この照明光学系では、図示しない光源からの光が、第1レンズアレイ112の各レンズセル112Aにより複数の光束に分割され、対応する第2レンズアレイ113の各レンズセル113Aの開口部近傍に集光される。第2レンズアレイ113を透過した無偏光の光束は、遮光板130の開口部130Aから偏光変換素子アレイ114に入射する。
【0007】
偏光変換素子アレイ114では、図11に示したように、入射光が偏光分離膜114AによりS偏光成分とP偏光成分とに分離される。偏光分離膜114Aで反射されたS偏光光は、さらに反射面114Bで反射し、S偏光光のまま偏光変換素子アレイ114から射出される。一方、偏光分離膜114Aを透過したP偏光光は、1/2波長板114Cを透過し、その際に、S偏光光に変換され偏光変換素子アレイ114から射出される。この結果、偏光変換素子アレイ114から射出される光束はすべて直線偏光のS偏光光として射出される。このS偏光光が、例えば表示パネルへの照明光として利用される。なお、例えば1/2波長板114Cを設ける位置をずらすことにより、最終的な偏光成分をP偏光光にすることも可能である。
【0008】
偏光分離面と反射面とを利用して直線偏光光を得る偏光変換素子の従来例としては、以下の文献記載のものがある。
【0009】
【特許文献1】
特開平4−310903号公報
【特許文献2】
特開平5−72417号公報
【特許文献3】
特許第3298580号公報
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来では、偏光変換素子アレイ114の入射側開口部130Aに集光しきれない光線が、不要な偏光光として偏光変換素子アレイ114から出射しないよう、入射側に遮光スリット等の遮光板130や遮光膜を配置し、開口部130A以外から偏光変換素子アレイ114に光が入射しないようにする必要があった。すなわち、遮光板130がない場合、図12に示したように、本来の入射側開口部130Aではない部分に入射した光が、反射面114Bで反射した後、偏光分離膜114Aに入射する。そして、偏光分離膜114Aで反射したS偏光光が、1/2波長板114Cを透過し、そこでP偏光光に変換されて偏光変換素子アレイ114から射出されてしまう。また、偏光分離膜114Aを透過したP偏光光も他の反射面114Bで反射して、偏光変換素子アレイ114から射出されてしまう。このように、入射側に遮光板130を配置しない場合には、本来必要とされる成分とは異なる偏光成分が射出されてしまう。この不要偏光成分は、特にプロジェクタにおいては、表示パネルの入射側に設けられている入射側偏光板の熱負荷の要因となるため、好ましくない。また、遮光板130を配置することは、偏光変換素子アレイ114を小型化する上でも好ましくない。
【0011】
また、図11に示したように、偏光分離膜114Aで反射し、さらに反射面114Bで反射する光線212は、偏光分離膜114Aを透過した光線211に対し、偏光変換素子基板内での光路長が基板厚の2倍になる。このため、光線212の方が、光線211に比べて光束の広がりも大きくなるが、一方で偏光変換素子アレイ114における各光線211,212についての出射側開口サイズは同じであるため、光線212側の開口部140において光束のケラレ量が多く発生し、光利用効率低下の要因となっていた。
【0012】
さらに、光線212は、偏光分離膜114Aを透過した光線211に対し光路長が長くなるだけでなく、基板厚分だけ光軸が片側にシフトするため、照明光として利用する場合においては、光の照射面における照明性能が低下し、照明範囲形状および光利用効率が、光線211に比べて悪くなり、照射領域全体でのバランスが悪くなるという欠点があった。
【0013】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、部品の小型化を図ることができると共に、光利用効率の向上を図ることができる偏光変換素子、およびそれを利用して効率的で照明特性の良い照明光を得ることができる照明光学系、ならびにプロジェクタを提供することにある。
【0014】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の観点に係る偏光変換素子は、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、第1の偏光成分または第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、第1の偏光成分または第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板とを備えている。そして、偏光分離面が、入射光が入射する方向側に頂点を向けたV字形状を成し、反射面が、第1および第2の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたV字形状を成しているものである。
【0015】
本発明の第1の観点に係る照明光学系は、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第1レンズアレイと、第1レンズアレイによって分割された部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第2レンズアレイと、第2レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、偏光変換素子アレイが、上記本発明の第1の観点に係る偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と1/2波長板とを備え、互いに異なる方向に頂点を向けたV字形状の偏光分離面と反射面との組が、複数並列的に配置された構成となっている。
【0016】
本発明の第1の観点に係るプロジェクタは、光源と、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、照明光学系として、上記本発明の第1の観点に係る照明光学系を備えたものである。
【0017】
本発明の第2の観点に係る偏光変換素子は、光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、第1の偏光成分または第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、第1の偏光成分または第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板と、を含む一対のプリズムブロックを備えている。一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的となるように配置されている。
【0018】
本発明の第2の観点に係る照明光学系は、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第1レンズアレイと、第1レンズアレイによって分割された部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第2レンズアレイと、第2レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、偏光変換素子アレイが、上記本発明の第2の観点に係る偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と1/2波長板と、を含む一対のプリズムブロックを備え、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置された構成となっている。
【0019】
本発明の第2の観点に係るプロジェクタは、光源と、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、照明光学系として、上記本発明の第2の観点に係る照明光学系を備えたものである。
【0020】
本発明の第1および第2の観点に係る偏光変換素子では、上記した構成にすることにより、従来に比べて素子基板の薄型化が可能となり、部品の小型化が図られる。また、基板が薄型化されることで、偏光変換素子の出射側における光のケラレ量が低減し、光利用効率の向上が図られる。
【0021】
本発明の第1および第2の観点に係る照明光学系では、偏光変換素子アレイを上記した構成にすることにより、偏光変換素子アレイにおいて、偏光分離面と反射面とで反射されて出射した光線の光軸シフト量が従来よりも少なくなり、また、偏光分離面を透過する光線との基板内光路長差も少なくなる。このため、従来に比べて照明範囲特性が改善されると共に、光利用効率の向上が図られる。また、偏光変換素子アレイの薄型化が可能となり、照明光学系全体の全長が短縮化される。
【0022】
本発明の第1および第2の観点に係るプロジェクタでは、照明光学系を上記した構成にすることにより、効率的で照明特性の良い照明光が得られ、質の良い画像表示が実現される。
【0023】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0024】
本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の構成を説明する前に、まず、その偏光変換素子を用いた装置の全体構成を説明する。図1は、本実施の形態に係る偏光変換素子および照明光学系を用いた光照射装置の構成例を示している。この光照射装置は、例えば液晶表示パネルなどの画像表示パネル18を、直線偏光光によって照明するためのものである。この光照射装置は、光軸C1に沿って、光源10と、第1レンズアレイ12と、第2レンズアレイ13と、偏光変換素子アレイ31とを備えている。この光照射装置はまた、メインコンデンサレンズ15と、チャンネルコンデンサレンズ16と、入射側偏光板17とを備えている。
【0025】
光源10は、例えば反射面が放物面からなるリフレクター11を有している。光源10は、例えばカラー画像表示を行う場合には、赤色光(R)、青色光(B)および緑色光(G)を含んだ白色光を発するものであり、例えばハロゲンランプ、メタルハライドランプまたはキセノンランプなどにより構成されている。
【0026】
第1レンズアレイ12、第2レンズアレイ13、および偏光変換素子アレイ31は、本実施の形態に係る照明光学系の主要部を構成するものであり、光源10からの光を均一化すると共に、偏光方向がランダムな光束を直線偏光光に変換する機能を有している。
【0027】
メインコンデンサレンズ15およびチャンネルコンデンサレンズ16は、偏光変換素子アレイ31から出射された直線偏光光束を集光し、入射側偏光板17を介して、画像表示パネル18に入射させる機能を有している。入射側偏光板17は、所定方向の直線偏光光のみを通過させ、画像表示パネル18に入射させる。
【0028】
第1レンズアレイ12は、図4に拡大して示したように、正の屈折力を有する凸レンズのセル12Aを複数個、マトリクス状に並べたものである。第2レンズアレイ13は、第1レンズアレイ12の個々のレンズセル12Aに対応した正の屈折力を有する凸レンズのセル13Aを複数個、マトリクス状に並べたのものである。第1レンズアレイ12は、光源10から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する機能を有している。第2レンズアレイ13は、第1レンズアレイ12によって分割された部分光線束を照明領域上で重ね合わせるためのものである。
【0029】
なお、第1レンズアレイ12を構成する個々のレンズセル12Aの頂点位置は、各レンズセル12Aに対応する開口の中心位置から偏芯していることが好ましい。これにより、偏光変換素子アレイ31の入射面開口部への集光性を向上させることができる。
【0030】
偏光変換素子アレイ31は、本実施の形態において最も特徴的な部分であり、入射した無偏光の光束を直線偏光光に変換させる機能を有している。この偏光変換素子アレイ31の構成については、後に詳述する。
【0031】
図2は、本実施の形態に係る偏光変換素子および照明光学系を用いたプロジェクタの構成例を示している。なお、以下では、図1に示した光照射装置の構成要素と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【0032】
このプロジェクタは、透過型の3枚の画像表示パネル18A,18B,18Cを用いてカラー画像表示を行う、いわゆる3枚式の透過型プロジェクタである。このプロジェクタは、第1レンズアレイ12、第2レンズアレイ13、偏光変換素子アレイ31、およびメインコンデンサレンズ15を介して入射した光源10からの白色光を、赤色光Rと、その他の色光G,Bとに分離するダイクロイックミラー19を備えている。ダイクロイックミラー19によって分離された赤色光Rの光路上には、全反射ミラー24Aが配置されている。
【0033】
このプロジェクタはまた、ダイクロイックミラー19によって分離された緑色光Gおよび青色光Bの光路上に配置されたダイクロイックミラー20を備えている。ダイクロイックミラー20は、入射した緑色光Gと青色光Bとを分離する機能を有している。ダイクロイックミラー20によって分離された青色光Bの光路上には、光の進む順に、リレーレンズ26A、全反射ミラー24B、リレーレンズ26B、および全反射ミラー24Cが配置されている。
【0034】
このプロジェクタにおいて、赤色光R、緑色光Gおよび青色光Bの各光路上にはまた、それぞれの色光に対応して、光の入射側から順に、チャンネルコンデンサレンズ16(16A,16B,16C)と、入射側偏光板17A,17B,17Cと、画像表示パネル18A,18B,18Cと、出射側偏光板21A,21B,21Cとが設けられている。
【0035】
画像表示パネル18A,18B,18Cは、例えば液晶表示パネルによって構成され、入射した直線偏光光に対して、与えられた画像信号に応じて空間的な変調を施し、その変調光を出射するものである。画像表示パネル18A,18B,18Cは、本発明における「画像表示素子」の一具体例に対応する。
【0036】
このプロジェクタはまた、ダイクロイックプリズム22と投影レンズ23とを備えている。ダイクロイックプリズム22は、出射側偏光板21A,21B,21Cを介して出射された画像表示パネル18A,18B,18Cからの各色の変調光を、色合成するものである。投影レンズ23は、ダイクロイックプリズム22によって合成された光を図示しないスクリーン上に投射するものである。投影レンズ23は、本発明における「投射手段」の一具体例に対応する。
【0037】
次に、偏光変換素子アレイ31の構成について詳述する。この偏光変換素子アレイ31は、図5に拡大して示したように、偏光分離膜31Aと反射面31Bとを有し、それらが交互に複数配置されている。この偏光変換素子アレイ31の出射側には、1/2波長板31Cが所定間隔で複数配置されている。
【0038】
偏光分離膜31Aは、入射光を反射および透過させることによって、互いに直交する2つの偏光成分に分離する機能を有している。例えば、偏光分離膜31Aの作用面(偏光分離面)に対し透過した光はP偏光成分、反射した光はS偏光成分となる。ここで、偏光分離膜31Aを反射した例えばS偏光成分が、本発明における「第1の偏光成分」の一具体例に対応し、透過した例えばP偏光成分が、本発明における「第2の偏光成分」の一具体例に対応する。
【0039】
反射面31Bは、偏光分離膜31Aによって反射されたS偏光成分を、偏光分離膜31Aを透過したP偏光成分の出射方向と同一方向側に反射する機能を有している。
【0040】
偏光分離膜31Aは、光軸C1に対し上側および下側にほぼ45°の角度で傾斜配置され、これにより、入射光が入射する方向側(図の左側)に頂点を向けたV字形状を成している。また、反射面31Bは、偏光分離膜31Aを、ちょうど図の左右方向に反転させたような形状となっており、偏光成分の出射方向側(図の右側)に頂点を向けたV字形状を成している。そして、これら互いに異なる方向に頂点を向けたV字形状の偏光分離膜31Aと反射面31Bとの組が、複数並列的に配置されている。この場合において、偏光分離膜31Aと反射面31Bとは、厚み方向(光軸方向)において重なり合わないように配置されている。
【0041】
1/2波長板31Cは、この偏光変換素子アレイ31の出射側において、S偏光成分またはP偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、S偏光成分またはP偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にするためのものである。図5の例では、1/2波長板31CをP偏光成分の光路に設け、出射光をすべてS偏光成分に変換している。
【0042】
また、この偏光変換素子アレイ31の構成を別の観点から表現すると、以下のようになる。
【0043】
すなわち、この偏光変換素子アレイ31は、図6に示したように、一対のプリズムブロック61,62を有している。各プリズムブロック61,62は、光軸に対し傾斜配置された偏光分離膜31Aと、この偏光分離膜31Aと同一方向に傾斜配置された反射面31Bと、光の出射側に設けられた1/2波長板31Cとを含んでいる。一対のプリズムブロック61,62は、それぞれ互いに向かい合って対称的な配置となっている。この一対のプリズムブロック61,62が複数並列的に配置されて、偏光変換素子アレイ31が構成されている。
【0044】
一対のプリズムブロック61,62は、光学作用の観点から見ると、従来の偏光変換素子アレイ114(図11)における図示した単位ブロック160に対応している。
【0045】
図7(A)〜(F)は、偏光変換素子アレイ31の製造方法の一例を示している。偏光変換素子アレイ31を製造する場合、まず、それぞれ一方の面に反射膜51Bが形成された2つの板ガラス51,52を、偏光分離膜51Aを介して接着する。このような板ガラス51,52の組50を、図示したように約45°傾けた状態で複数接着していく(図7(A))。次に、このように接着されたものを、図7(A)において点線で示したように所定の大きさのブロックに切り出す。次に、切り出されたブロックをさらに、図7(B)において点線で示したように、短冊状のブロック55に切断する。
【0046】
この短冊状のブロック55をさらに、図7(C)において点線で示したように、偏光分離膜51Aと反射膜51Bとがそれぞれ1つずつ含まれるようなプリズムブロック60に切断する。このようにして得られた複数のプリズムブロック60(図7(D))を、部分的に反転させ、図7(E)に示したように、各プリズムブロック60が向かい合うように対称に配置する。最後に、このような配置の状態で、図7(F)に示したように、各プリズムブロック60同士を接着し、さらに一方の面側に1/2波長板31Cを所定の位置に接着する。以上のようにして、偏光分離膜31Aと反射面31Bとを備えた偏光変換素子アレイ31が製造される。
【0047】
次に、以上のように構成された光照射装置およびプロジェクタの作用、動作を説明する。
【0048】
まず、光照射装置およびプロジェクタの全体的な動作を説明する。図1に示した光照射装置において、光源10からの光束は、第1レンズアレイ12に向けて出射される。光源10は、図3に示したように、リフレクター11の焦点位置1に配置されているため、その光束はリフレクター11によって略平行光束に変換されて第1レンズアレイ12に入射する。
【0049】
第1レンズアレイ12では、各レンズセル12Aの作用により、入射光が複数の光束に分割され、図4に示したように、対応する第2レンズアレイ13の各レンズセル13Aの開口部近傍に集光される。第2レンズアレイ13を透過した無偏光の光束は、次に偏光変換素子アレイ31に入射する。偏光変換素子アレイ31は、入射光束を所定の直線偏光光に変換して出射する。
【0050】
偏光変換素子アレイ31から出射された直線偏光光は、メインコンデンサレンズ15、およびチャンネルコンデンサレンズ16の作用により集光され、入射側偏光板17を介して画像表示パネル18に照明光として入射される。
【0051】
図2に示したプロジェクタでは、光源10からの白色光が、第1レンズアレイ12、第2レンズアレイ13、偏光変換素子アレイ31、およびメインコンデンサレンズ15を介してダイクロイックミラー19に入射する。ダイクロイックミラー19では、入射光を赤色光Rとその他の色光G,Bとに分離して出射する。
【0052】
ダイクロイックミラー19によって分離された赤色光Rは、全反射ミラー24Aを介して、チャンネルコンデンサレンズ16A、入射側偏光板17Aおよび画像表示パネル18Aに入射する。
【0053】
緑色光Gと青色光Bは、ダイクロイックミラー20によって分離される。分離された緑色光Gは、チャンネルコンデンサレンズ16B、入射側偏光板17Bおよび画像表示パネル18Bに入射する。青色光Bは、リレーレンズ26A、全反射ミラー24B、リレーレンズ26B、および全反射ミラー24Cを介して、チャンネルコンデンサレンズ16C、入射側偏光板17Cおよび画像表示パネル18Cに入射する。
【0054】
画像表示パネル18A,18B,18Cでは、入射した直線偏光光に対して、入力された画像信号に応じた空間的な変調を施し、その変調光を出射する。画像表示パネル18A,18B,18Cによる各色の変調光は、出射側偏光板21A,21B,21Cを介してダイクロイックプリズム22に入射され、そこで色合成される。合成された光は、投影レンズ23によって、図示しないスクリーン上に投射される。これにより、スクリーン上に拡大された画像が形成される。
【0055】
次に、偏光変換素子アレイ31の作用について詳述する。図5に示したように、偏光変換素子アレイ31では、入射側開口部30Aから入射した光が偏光分離膜31AによりS偏光成分とP偏光成分とに分離される。偏光分離膜31Aで反射されたS偏光光は、さらに反射面31Bで反射し、S偏光光のまま偏光変換素子アレイ31から射出される。一方、偏光分離膜31Aを透過したP偏光光は、1/2波長板31Cを透過し、その際に、S偏光光に変換され偏光変換素子アレイ31から射出される。この結果、偏光変換素子アレイ31から射出される光束はすべて直線偏光のS偏光光として射出される。このS偏光光が、画像表示パネル18(18A,18B,18C)への照明光として利用される。
【0056】
なお、例えば1/2波長板31Cを設ける位置をずらすことにより、最終的な偏光成分をすべてP偏光光にすることも可能である。すなわち、図5の例では、1/2波長板31Cが偏光分離膜31Aに対応した位置に設けられているが、これを反射面31Bに対応した位置に設け、反射面31Bで反射したS偏光光をP偏光光に変換する構成にすることも可能である。
【0057】
ここで、この偏光変換素子アレイ31の作用を、さらに従来の偏光変換素子アレイ114(図11)と比較して説明する。
【0058】
既に[発明が解決しようとする課題]の項において説明したように、従来の偏光変換素子アレイ114では、偏光分離膜114Aで反射し、さらに反射面114Bで反射する光線212の偏光変換素子基板内での光路長が、偏光分離膜114Aを透過した光線211に対して、基板厚の2倍になっている。このため、光線212の方が、光線211に比べて光束の広がりも大きくなり、光線212側の開口部140において光束のケラレ量が多く発生し、光利用効率低下の要因となっていた。
【0059】
一方、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ31では、偏光分離膜31Aと反射面31Bとを含むプリズムブロック61,62(図6)を向かい合わせるような構造を持つことにより、従来の偏光変換素子アレイ114に比べて、入射側開口部30Aを同じサイズに保ったまま、基板厚を半分にすることができる。これにより、偏光分離膜31Aで反射し、さらに反射面31Bで反射した光線L12(図5)と、偏光分離膜31Aを透過した光線L11との基板内での光路長の差が、従来の偏光変換素子アレイ114に比べて半分になる。従って、出射光束の広がりが、従来の偏光変換素子アレイ114に比べて少なくなり、光のケラレ量も少なくなる。結果的に、光利用効率の向上が図られる。
【0060】
また、基板内での光路長のみならず、光線L12の光軸シフト量も、従来の偏光変換素子アレイ114に比べて半減される。このため、画像表示パネル18上に照明される、第1レンズアレイ12の照明像の性能が改善され、光利用効率が改善される。また、図5と図11とを比較して分かるように、従来では片側方向(図11では上側)にのみ光軸シフトが生じているが、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ31では、上側と下側との両側方向にシフトしているため、画像表示パネル18上での照度分布の形状がバランス的にも改善される。
【0061】
さらに、従来の偏光変換素子アレイ114では、入射側に遮光スリット等の遮光板130や遮光膜を配置し、開口部130A以外から光が入射しないようにする必要があった。一方、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ31では、図6に示したように、入射側開口部30A以外の部分に入射した光L10が、反射面31Bで順次反射され、入射してきた方向に再び戻っていく。このため、従来必要とされていた遮光板130などは不要となる。
【0062】
以上説明したように、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ31によれば、入射側開口サイズを同じに保ったまま、従来に比べて偏光変換素子基板の厚さを薄型化することができる。これにより、偏光変換素子アレイ31の部品の小型化が可能となる。また、偏光変換素子アレイ31を含む照明光学系全体の全長を短縮することも可能となる。また、基板厚が薄型化されることで、偏光変換素子アレイ31の出射側開口部による光のケラレ量を低減することができ、これにより光利用効率の向上を図ることができる。
【0063】
さらに、偏光分離膜31Aと反射面31Bとで反射して出射する光線L12の光軸シフト量を従来よりも少なくできる上、偏光分離膜31Aを透過する光線L11との基板内光路長差も少なくできるため、従来に比べてパネル照明範囲特性が改善され、光利用効率の向上を図ることができる。さらに、入射側開口部30A以外の部分に入射した光L10(図6)を、反射面31Bによって入射方向に戻すような構成にしたので、従来必要としていた遮光板等の設置が不要となり、構成の簡易化と小型化を図ることができる。また、この偏光変換素子アレイ31をプロジェクタの照明光学系に用いることで、効率的で照明特性の良い照明光を得ることができ、質の良い画像表示を行うことができる。
【0064】
[他の実施の形態]
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。以下では、上記実施の形態と異なる部分のみ説明する。
【0065】
図8は、偏光変換素子アレイ31の他の構成例を示している。上記実施の形態では、図6に示したように、入射側開口部30A以外の部分に入射した光L10を、反射面31Bによって入射方向に戻すような構成にしていた。
【0066】
一方、図8に示した偏光変換素子アレイは、入射側の反射面31Bに対応する位置(入射側開口部30A以外の部分)に、遮光部材33(遮光板や遮光膜等)を配置したものである。この場合、入射側開口部30A以外の部分に入射した光L10は、遮光部材33によって遮光されるので、反射面31Bを第2の偏光分離膜32にしても良い、反射面31Bを偏光分離膜32にしたとしても、入射側開口部30Aから入射し、第1の偏光分離膜31によって反射されたS偏光光は、反射面31Bを用いた場合と同様に第2の偏光分離膜32によって出射方向に反射される。すなわち、第2の偏光分離膜32は、S偏光光に対しては反射面として作用する。
【0067】
図9は、照明光学系の他の構成例を示している。図4に示した照明光学系では、第2レンズアレイ13と偏光変換素子アレイ31とが分離された構成になっていたが、図9の照明光学系では、第2レンズアレイ13と偏光変換素子アレイ31とが一体化されている。すなわち、偏光変換素子アレイ31の入射面側に第2レンズアレイ13の基板が一体化されて設けられている。第2レンズアレイ13における各レンズセル13Aは、光の入射側に配置されている。
【0068】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されず、さらに種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、プロジェクタとして3枚式の透過型プロジェクタの例について説明したが、本発明は、単板式や反射型等、他の方式のプロジェクタにも広く適用可能である。
【0069】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項1ないし3のいずれか1項に記載の偏光変換素子によれば、偏光分離面を、入射光が入射する方向側に頂点を向けたV字形状とし、反射面を、第1および第2の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたV字形状としているので、従来に比べて素子基板の薄型化が可能となり、部品の小型化を図ることができる。また、基板が薄型化されることで、出射側における光のケラレ量を低減することができ、光利用効率の向上を図ることができる。
【0070】
また、請求項4記載の偏光変換素子によれば、光軸に対し傾斜配置された偏光分離面と、この偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、第1の偏光成分または第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、第1の偏光成分または第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板とを含む一対のプリズムブロックを備え、その一対のプリズムブロックを、それぞれ互いに向かい合わせて対称的に配置するようにしたので、従来に比べて素子基板の薄型化が可能となり、部品の小型化を図ることができる。また、基板が薄型化されることで、出射側における光のケラレ量を低減することができ、光利用効率の向上を図ることができる。
【0071】
また、請求項5ないし8のいずれか1項に記載の照明光学系によれば、請求項1記載の偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と1/2波長板とを備え、互いに異なる方向に頂点を向けたV字形状の偏光分離面と反射面との組が、複数並列的に配置された構成の偏光変換素子アレイを用いるようにしたので、偏光変換素子アレイにおいて、偏光分離面と反射面とで反射されて出射した光線の光軸シフト量が従来よりも少なくなり、また、偏光分離面を透過する光線との基板内光路長差を少なくすることができる。このため、従来に比べて効率的で照明特性の良い照明光を得ることができる。また、偏光変換素子アレイの薄型化が可能となり、照明光学系全体の全長を短縮することができる。
【0072】
また、請求項9または10に記載の照明光学系によれば、請求項4記載の偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と1/2波長板と、を含む一対のプリズムブロックを備え、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置された構成の偏光変換素子アレイを用いるようにしたので、偏光変換素子アレイにおいて、偏光分離面と反射面とで反射されて出射した光線の光軸シフト量が従来よりも少なくなり、また、偏光分離面を透過する光線との基板内光路長差を少なくすることができる。このため、従来に比べて効率的で照明特性の良い照明光を得ることができる。また、偏光変換素子アレイの薄型化が可能となり、照明光学系全体の全長を短縮することができる。
【0073】
また、請求項11ないし13のいずれか1項に記載のプロジェクタによれば、照明光学系として、請求項5に記載の照明光学系を用いるようにしたので、効率的で照明特性の良い照明光を得ることができ、質の良い画像表示を行うことができる。
【0074】
また、請求項14記載のプロジェクタによれば、照明光学系として、請求項9に記載の照明光学系を用いるようにしたので、効率的で照明特性の良い照明光を得ることができ、質の良い画像表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係る光照射装置の構成例を示す図である。
【図2】本発明の一実施の形態に係るプロジェクタの構成例を示す図である。
【図3】光源部分の光学作用を示す説明図である。
【図4】本発明の一実施の形態に係る照明光学系の構成例を示す図である。
【図5】本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の構成例およびその光学作用を示す図である。
【図6】本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の光学作用を示す図である。
【図7】本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の製造方法の一具体例を示す説明図である。
【図8】本発明の他の実施の形態に係る偏光変換素子の構成例を示す図である。
【図9】本発明の他の実施の形態に係る照明光学系の構成例を示す図である。
【図10】従来の照明光学系の構成例を示す図である。
【図11】従来の偏光変換素子の構成例およびその光学作用を示す図である。
【図12】従来の偏光変換素子の光学作用を示す図である。
【符号の説明】
10…光源、11…リフレクター、12…第1レンズアレイ、12A,13A…レンズセル、13…第2レンズアレイ、15…メインコンデンサレンズ、16,16A,16B,16C…チャンネルコンデンサレンズ、17,17A,17B,17C…入射側偏光板、18,18A,18B,18C…画像表示パネル、19,20…ダイクロイックミラー、21A,21B,21C…出射側偏光板、22…ダイクロイックプリズム、23…投影レンズ、24A,24B,24C…全反射ミラー、26A,26B…リレーレンズ、31…偏光変換素子アレイ、31A…偏光分離膜、31B…反射面、31C…1/2波長板、33…遮光部材、61,62…プリズムブロック、51,52…板ガラス。
Claims (14)
- 入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板と
を備え、
前記偏光分離面は、前記入射光が入射する方向側に頂点を向けたV字形状を成し、
前記反射面は、前記第1および第2の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたV字形状を成している
ことを特徴とする偏光変換素子。 - 前記反射面は、光を全反射する全反射面である
ことを特徴とする請求項1に記載の偏光変換素子。 - 前記入射光の入射側に設けられ、当該入射側から前記反射面に入射する光を遮光する遮光部材をさらに備えた
ことを特徴とする請求項1に記載の偏光変換素子。 - 光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、前記偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板と
を含む一対のプリズムブロックを備え、
前記一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的に配置された構成となっている
ことを特徴とする偏光変換素子。 - 光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第1レンズアレイと、前記第1レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第2レンズアレイと、前記第2レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、
前記偏光変換素子アレイは、
入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板と
を備え、
前記偏光分離面は、前記入射光が入射する方向側に頂点を向けたV字形状を成し、
前記反射面は、前記第1および第2の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたV字形状を成し、
これら互いに異なる方向に頂点を向けたV字形状の前記偏光分離面と前記反射面との組が、複数並列的に配置された構成となっている
ことを特徴とする照明光学系。 - 前記反射面は、光を全反射する全反射面である
ことを特徴とする請求項5に記載の照明光学系。 - 前記入射光の入射側に設けられ、当該入射側から前記反射面に入射する光を遮光する遮光部材をさらに備えた
ことを特徴とする請求項5に記載の照明光学系。 - 前記偏光変換素子アレイの入射面側に、前記第2レンズアレイが一体的に設けられている
ことを特徴とする請求項5に記載の照明光学系。 - 光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第1レンズアレイと、前記第1レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第2レンズアレイと、前記第2レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、
前記偏光変換素子アレイは、
光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、前記偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板と
を含む一対のプリズムブロックを備え、
前記一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的な配置となっており、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置されている
ことを特徴とする照明光学系。 - 前記偏光変換素子アレイの入射面側に、前記第2レンズアレイが一体的に設けられている
ことを特徴とする請求項9に記載の照明光学系。 - 光源と、前記光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、前記照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、前記画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、
前記照明光学系は、前記分割された無偏光の各部分光線束を、直線偏光光に変換して出射する偏光変換素子アレイを含み、
前記偏光変換素子アレイは、
入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板と
を備え、
前記偏光分離面は、前記入射光が入射する方向側に頂点を向けたV字形状を成し、
前記反射面は、前記第1および第2の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたV字形状を成し、
これら互いに異なる方向に頂点を向けたV字形状の前記偏光分離面と前記反射面との組が、複数並列的に配置された構成となっている
ことを特徴とするプロジェクタ。 - 前記反射面は、光を全反射する全反射面である
ことを特徴とする請求項11に記載のプロジェクタ。 - 前記入射光の入射側に設けられ、当該入射側から前記反射面に入射する光を遮光する遮光部材をさらに備えた
ことを特徴とする請求項11に記載のプロジェクタ。 - 光源と、前記光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、前記照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、前記画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、
前記照明光学系は、前記分割された無偏光の各部分光線束を、直線偏光光に変換して出射する偏光変換素子アレイを含み、
前記偏光変換素子アレイは、
光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第1および第2の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、前記偏光分離面によって反射された第1の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第2の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第1の偏光成分または前記第2の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする1/2波長板と
を含む一対のプリズムブロックを備え、
前記一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的な配置となっており、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置されている
ことを特徴とするプロジェクタ。
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