JP4206671B2 - 偏光分離素子、偏光変換素子、照明装置及びプロジェクタ並びに偏光分離素子の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は偏光分離素子、偏光変換素子、照明装置、プロジェクタ及び偏光分離素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来のプロジェクタの光学系を示す図である。図８に示されるように、このプロジェクタ９０は、照明装置１００と、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｇと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えている。色分離装置２００は、ダイクロイックミラー２１０、２１２を有している。リレー光学装置２４０は、入射側レンズ２６２、反射ミラー２５２、リレーレンズ２６４、反射ミラー２５４及びフィールドレンズ２６６を有している。
【０００３】
このプロジェクタ９０は、照明装置１００から出射された光を色分離装置２００によって赤、緑及び青の３つの色光に分離し、それぞれの色光を３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂによって変調し、ダイクロイックプリズム４００によって合成し、この合成光を投写レンズ４２０を介してスクリーンＳ上に投写する。
【０００４】
このプロジェクタ９０の照明装置１００は、照明領域である液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの有効領域をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系であって、略平行な光束を出射する光源１１０と、第１のレンズアレイ１２０と、第２のレンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを備えている。
【０００５】
光源１１０は、光源ランプ１１２と、この光源ランプ１１２から出射された放射光をほぼ平行な光線束として出射する凹面鏡１１４とを有している。光源ランプ１１２としては、輝度の高い高圧水銀ランプが用いられている。
【０００６】
第１のレンズアレイ１２０は、複数の第１の小レンズを備え、これら複数の第１の小レンズによって光源１１０から出射された光束を複数の部分光束に分割する機能を有している。
【０００７】
図９は、第１のレンズアレイ１２０の外観を示す斜視図である。第１のレンズアレイ１２０は略矩形状の輪郭を有する小レンズ１２２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。この例では、Ｍ＝６、Ｎ＝４である。各小レンズ１２２は、光源１１０（図８）から入射された平行な光束を複数の（すなわちＭ×Ｎ個の）部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ１３０の近傍で収束させる。各小レンズ１２２をｚ方向から見た外形形状は、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。例えば、液晶パネルの照明領域（画像が表示される領域）のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、各小レンズ１２２のアスペクト比も４：３に設定する。
【０００８】
第２のレンズアレイ１３０は、複数の第２の小レンズを備え、これら複数の部分光束が集光される位置近傍に配置されている。第２のレンズアレイ１３０も、第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２に対応するように、小レンズがＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。第２のレンズアレイ１３０は、第１のレンズアレイ１２０から出射された各部分光束の中心軸（主光線）が重畳レンズ１５０の入射面に垂直に入射するように構成されている。
【０００９】
偏光変換素子１４０は、第２のレンズアレイ１３０から出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する機能を有している。
【００１０】
図１０は、偏光変換素子１４０の詳細な構成および機能を説明するための図である。偏光変換素子１４０は、図１０（Ａ）に示されるように、光軸を挟んで左右対称に配置された２つの偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒによって構成されている。この偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒは、偏光ビームスプリッタアレイ１７０Ｌ、１７０Ｒと、その光射出面の一部に選択的に配置されたλ／２位相差板１８０（図中斜線で示す。）とを備えている。偏光ビームスプリッタアレイ１７０Ｌ、１７０Ｒは、図１０（Ｂ）に示されるように、それぞれ断面が平行四辺形の柱状の透光性部材１７１が、順次貼り合わされた形状を有している。透光性部材１７１の界面には、偏光分離膜１７２と反射膜１７３とが交互に形成されている。λ／２位相差板１８０は、図１０（Ａ）に示されるように、偏光分離膜１７２又は反射膜１７３の光の射出面のｚ方向の写像部分に、選択的に貼り付けられる。この例では、偏光分離膜１７２の光の射出面のｚ方向の写像部分に貼り付けられている。
【００１１】
このように構成された偏光変換素子１４０の入射面には、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含む非偏光光（ランダムな偏光方向を有する入射光）が入射する。
この入射光は、図１０（Ａ）中矢印で示されるように、まず、偏光分離膜１７２によってＳ偏光光とＰ偏光光に分離される。Ｓ偏光光は、偏光分離膜１７２によってほぼ垂直に反射され、反射膜１７３によってさらに反射されてから射出される。一方、Ｐ偏光光は、偏光分離膜１７２をそのまま透過する。偏光分離膜を透過したＰ偏光光の射出面には、λ／２位相差板１８０が配置されており、このＰ偏光光がＳ偏光光に変換されて射出する。従って、偏光変換素子１４０を通過した光は、そのほとんどがＳ偏光光となって射出される。すなわち、偏光変換素子１４０は、第２のレンズアレイ１３０から出射された光をほぼ１種類の直線偏光光（例えば、Ｓ偏光光やＰ偏光光）に変換して射出する機能を有する。なお、偏光変換素子１４０から射出される光をＰ偏光光としたい場合には、λ／２位相差板１８０を、反射膜１７３によって反射されたＳ偏光光が射出する射出面に配置するようにすればよい。
【００１２】
重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０によってほぼ一種類の偏光光に変換された複数の部分光束を、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂに重畳させる機能を有している。
【００１３】
このプロジェクタ９０においては、光源１１０から出射された略平行な光束は、インテグレータ光学系を構成する第１と第２のレンズアレイ１２０、１３０によって、複数の部分光束に分割される。第１のレンズアレイ１２０の各小レンズから出射された部分光束は、第２のレンズアレイ１３０の各小レンズの近傍で光源１１０の光源像（２次光源像）が形成されるように集光される。第２のレンズアレイ１３０の近傍に形成された２次光源像から出射された部分光束は、重畳レンズ１５０によって液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの有効領域（表示に用いられる領域）上で重畳される。上記の結果、各液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂは、ほぼ均一に照明され、その結果、スクリーン上には輝度むらの抑制された画像を表示することができる。
【００１４】
また、このプロジェクタ９０においては、第２のレンズアレイ１３０と重畳レンズ１５０との間に、偏光変換素子１４０が設けられているため、従来利用されていなかったＰ偏光光又はＳ偏光光のいずれか一方の偏光成分をも利用することができ、照度の高い光を、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂに照射することが可能となり、その結果、スクリーン上には輝度の高い画像を表示することができる。
【００１５】
さらに、この照明装置１００は、これらのインテグレータ光学系と偏光変換素子１４０とが一体化されたコンパクトな照明装置となっているので、この照明装置を用いたプロジェクタも、全体としてもコンパクトなプロジェクタとなっている。
【００１６】
しかしながら、このようなプロジェクタにおいても、スクリーン上などに表示される画像の輝度をさらに向上させたいという要求が高まっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、プロジェクタがスクリーン上などに表示する画像の輝度をさらに向上させることを可能にする偏光分離素子、偏光変換素子及び照明装置を提供することを目的とする。また、スクリーン上などに表示される画像の輝度をさらに向上させたプロジェクタを提供することを目的とする。さらにまた、このような偏光分離素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
本発明の照明装置は、光源と、複数の第１の小レンズを備え、前記複数の第１の小レンズによって前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイから出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する偏光変換素子と、を備えた照明装置であって、前記偏光変換素子は、偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットと、Ｓ偏光光束の出射面及びＰ偏光光束の出射面のいずれかの面に配置されたλ／２位相差板とを備え、前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の長さが、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなっていることを特徴とする。
【００１９】
上述したように、照明装置においては、光源からの光は、第１のレンズアレイによって複数の部分光束に分割される。しかしながら、光源から出射される光は光軸から離れた周辺部分で最も平行性がよく、光軸に近づくに従って平行性が悪くなる傾向にある。このため、分割光束の集光像の大きさ（すなわち、分割光束の第２のレンズアレイの近傍での大きさ）は、光軸付近で最も大きく、光軸から離れた周辺部では小さくなる。従って、従来の偏光分離素子においては、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さが、光軸中心から周辺部にかけて、均一であることから、特に光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができず、光の利用効率が低下してしまう。一方、この問題を回避するために、偏光分離面の光束分離方向の長さを全体的に長くすると、光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことはできるようになるが、偏光分離素子に対応して設けられる第２の小レンズの数が少なくなり、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果が弱くなる。
【００２０】
これに対して、本発明のように、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすれば、光軸付近では偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができる一方、全体として第２の小レンズの数を確保することができるので、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果を維持することができる。このため、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光の利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の偏光分離装置を用いることによって、照明装置の明るさが向上するとともに、プロジェクタの輝度もさらに向上する。
【００２１】
本発明の照明装置は、光源と、複数の第１の小レンズを備え、前記複数の第１の小レンズによって前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイから出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する偏光変換素子と、を備えた照明装置であって、前記偏光変換素子は、偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットと、Ｓ偏光光束の出射面及びＰ偏光光束の出射面のいずれかの面に配置されたλ／２位相差板とを備え、前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなっていることを特徴とする。
【００２２】
このため、本発明の照明装置においては、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の偏光分離装置を用いることによって、照明装置の明るさが向上するとともに、プロジェクタの輝度をさらに向上させることができる。
【００２３】
上記本発明の照明装置においては、この偏光分離素子の入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなるよう構成されてなることが好ましい。
【００２４】
このように構成することにより、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くし、かつ、偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすることができる。
【００２５】
上記本発明の照明装置のいずれかに記載の照明装置においては、左右対称であることが好ましい。
【００２６】
このように構成することにより、スクリーンに表示される画像の輝度むらを左右対称なものにすることができ、プロジェクタの表示品質をさらに高めることができる。
【００２９】
上記本発明の照明装置のいずれかに記載の照明装置においては、前記第１のレンズアレイから射出された前記複数の部分光束が集光される位置近傍に配置される第２のレンズアレイを備えることが好ましい。
【００３１】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子の後段に重畳レンズを備えることが好ましい。
【００３２】
このように構成することにより、より輝度の高い均一な照明光を液晶パネルに照射することができる。
【００３３】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子と上記重畳レンズとの間に、上記偏光変換素子から出射する光を整形するためのくさび型光学要素をさらに備えることが好ましい。
【００３４】
このように構成することにより、上記偏光変換素子を射出した光は発散光となっているが、くさび型光学素子の作用により、この発散光が整形され、液晶パネル上に照明光を効率よく照射することが可能となる。
【００３５】
上記に記載の照明装置においては、上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっていることが好ましい。
【００３６】
このように構成することにより、上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっているため、くさび型光学素子の出射面と重畳レンズの入射面における反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００３７】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子とが一体となっていることが好ましい。
【００３８】
このように構成することにより、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子とが一体となっているため、偏光変換素子の出射面と上記くさび型光学素子の入射面における反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００３９】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっていることが好ましい。
【００４０】
このように構成することにより、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっているため、上記偏光変換素子の出射面と、くさび型光学素子の入出射面と、重畳レンズの入射面における反射損が減り、光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００４１】
上記本発明の照明装置のいずれかに記載の照明装置においては、複数の第２の小レンズを備え、前記偏光変換素子の後段に配置され、偏光光束を後段の照明すべき領域に重畳させる機能を有する第２のレンズアレイと、を備えることが好ましい。
【００４２】
このため、本発明の照明装置は、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の照明装置を用いることによって、プロジェクタの輝度をさらに向上させることができる。
【００４３】
上記いずれかの照明装置と、この照明装置からの光を赤、緑及び青の３つの色光に分離する色分離装置と、 上記３つの色光をそれぞれ変調するための３つの電気光学変調装置と、上記３つの電気光学変調装置で変調された光を投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする。
【００４４】
このため、本発明のプロジェクタは、上述した偏光分離素子の有する効果をそのまま有することになる。その結果、高輝度の画像を表示できるプロジェクタとなる。電気光学変調装置としては、液晶パネル、微小ミラーデバイス、微小油滴デバイスなどが好適に用いられる。
【００４５】
上記のプロジェクタにおいて、上記３つの電気光学変調装置で変調された光を合成して前記投写レンズに導く色合成装置をさらに備えることが好ましい。
【００４６】
このように構成することにより、投写レンズを調整するのみで、ズーム調整やフォーカス調整を行うことができ、使い勝手が向上する。
【００４７】
本発明の偏光分離素子の製造方法は、上記いずれかに記載の照明装置に備えられる偏光分離素子を製造するための方法であって、以下の（ａ）乃至（ｃ）の工程を有することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
（ａ）第１の基板、偏光分離層、第２の基板、反射層の繰り返し構造を有し、かつこの繰り返し構造の繰り返しピッチが徐々に変化している基板ブロックを形成する工程。
（ｂ）前記基板ブロックを切断して、断面が前記偏光分離素子の片側半分の形状をした四角柱の光学ブロックを形成する工程。
（ｃ）前記光学ブロックを２枚準備して、これらの２枚の光学ブロックを左右対称になるように貼り合せて前記偏光分離素子とする工程。
【００４８】
偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットを備え、前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、前記照明装置の光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなり、入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなることを特徴とする偏光分離素子を製造することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、特に説明のない限り、光の進行方向をｚ方向、光の進行方向（ｚ方向）からみて３時の方向をｘ方向、１２時の方向をｙ方向とする。
【００５０】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図１に示されるように、このプロジェクタ１０は、照明装置１００Ａと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｇと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には従来のプロジェクタ９０と同じ光学系を有している。実施形態１に係るプロジェクタ１０が、従来のプロジェクタ９０と異なるのは、照明装置１００Ａである。
【００５１】
実施形態１に係る照明装置１００Ａは、従来の照明装置１００と同じく、照明領域である液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの有効領域をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系であって、略平行な光束を出射する光源１１０と、第１のレンズアレイ１２０Ａと、第２のレンズアレイ１３０Ａと、偏光変換素子１４０Ａと、重畳レンズ１５０とを備えている。
【００５２】
第１のレンズアレイ１２０Ａは、従来の第１のレンズアレイ１２０と同じく、複数の第１の小レンズを備え、この複数の第１の小レンズによって光源から出射された光束を複数の部分光束に分割する機能を有している。実施形態１に係る第１のレンズアレイも、略矩形状の輪郭を有する小レンズが１２行８列のマトリクス状に配列された構成を有している。各小レンズは、光源１１０から入射された平行な光束を複数の（すなわち１２×８個の）部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ１３０Ａの近傍で収束させる。各小レンズをｚ方向から見た外形形状は、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。
【００５３】
第２のレンズアレイ１３０Ａは、複数の第２の小レンズを備え、これら複数の部分光束が集光される位置近傍に配置されている。第２のレンズアレイ１３０Ａも、第１のレンズアレイ１２０Ａの小レンズに対応するように、小レンズが１２行８列のマトリクス状に配列された構成を有している。第２のレンズアレイ１３０Ａは、第１のレンズアレイ１２０Ａから出射された各部分光束の中心軸（主光線）が重畳レンズ１５０の入射面に垂直に入射するように構成されている。
【００５４】
偏光変換素子１４０Ａは、第２のレンズアレイ１３０Ａから出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する機能を有している。
【００５５】
図２は、偏光変換素子１４０Ａの構造を示す図である。偏光変換素子１４０Ａは、図２に示されるように、光軸を挟んで左右対称に配置された２つの偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒによって構成されている。この偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒは、偏光ビームスプリッタアレイと、その光射出面の一部に選択的に配置されたλ／２位相差板１８０とを備えている。
【００５６】
偏光ビームスプリッタアレイは、図２に示されるように、偏光分離面１７２と反射面１７３とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する偏光分離ユニット１７６を複数備えている。そして、この偏光分離ユニット１７６の光束分離方向の長さＬが、光軸中心Ｏから周辺部Ｐにかけて、徐々に短くなっている。また、偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなっている。
【００５７】
従来の偏光分離素子においては、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さが、光軸中心から周辺部にかけて、均一であることから、特に光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができず、光の利用効率が低下してしまう。一方、この問題を回避するために、偏光分離面の光束分離方向の長さを全体的に長くすると、光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことはできるようになるが、偏光分離素子に対応して設けられる第２の小レンズの数が少なくなり、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果が弱くなる。
【００５８】
これに対して、実施形態１に係る偏光分離素子１４０Ａにおいては、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすれば、光軸付近では偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができる一方、全体として第２の小レンズの数を確保することができるので、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果を維持することができる。このため、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光の利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の偏光分離装置を用いることによって、照明装置１００Ａの明るさが向上するとともに、プロジェクタ１０の輝度もさらに向上する。
【００５９】
また、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａにおいては、入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなるよう構成されている。
【００６０】
このため、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くし、かつ、偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすることができる。
【００６１】
また、この偏光変換素子１４０Ａは左右対称である。このため、この偏光変換素子１４０Ａを用いることにより、スクリーンに表示される画像の輝度むらを左右対称なものにすることができ、プロジェクタ１０の表示品質がさらに高められている。
【００６２】
図３は、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａの製造方法を示す図である。図３に示されるように、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａは、以下の（ａ）乃至（ｄ）の工程を有する比較的簡単な方法で製造することができる。
（ａ）第１の基板１８４、偏光分離層１７２、第２の基板１８６、反射層１７３の繰り返し構造を有し、かつこの繰り返し構造の繰り返しピッチが徐々に変化している基板ブロック１８２を形成する。
（ｂ）次に、上記基板ブロック１８２を切断して、断面が上記偏光分離素子の片側半分の形状をした四角柱の光学ブロック１８８を形成する。
（ｃ）次に、上記光学ブロック１８８を２枚準備して、これらの２枚の光学ブロック１８８を左右対称になるように貼り合せて上記偏光分離素子１７８とする。（ｄ）次に、この偏光分離素子１７８の出射面における所定位置に、λ／２位相差板を形成して、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａとする。
【００６３】
実施形態１に係る重畳レンズ１５０は、従来の重畳レンズと同様に、偏光変換素子１４０Ａによってほぼ一種類の偏光光に変換された複数の部分光束を、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂに重畳させる機能を有している。
【００６４】
実施形態１に係る照明装置１００Ａは、従来の照明装置１００とは異なり、偏光変換素子１４０Ａと上記重畳レンズ１５０との間に、偏光変換素子１４０Ａから出射する光を整形するためのくさび型光学要素１６０をさらに備えている。このため、上記偏光変換素子１４０Ａを射出した発散光が、くさび型光学素子１６０の作用により、整形され、各液晶パネル３１０Ｒ，３１０Ｇ，３１０Ｂ上に照明光を効率よく照射することが可能となる。
【００６５】
色分離装置２００は、２つのダイクロイックミラー２１０、２１２を備え、重畳レンズ１５０から出射される光を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有している。第１のダイクロイックミラー２１０は、照明装置１００から出射された光束の赤色成分を透過させるとともに、青色成分と緑色成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光は、反射ミラー２２０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通って赤光用の液晶電気光学変調装置３１０Ｒに達する。
【００６６】
第１のダイクロイックミラー２１０で反射された青色光と緑色光のうち、緑色光は第２のダイクロイックミラー２１２によって反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通って緑光用の液晶パネル３１０Ｇに達する。
【００６７】
一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー２１２を透過し、入射側レンズ２６２、反射ミラー２５２、リレーレンズ２６４、反射ミラー２５４、フィールドレンズ２６６を備えたリレー光学系２４０を通り、青色用の液晶パネル３１０Ｂに達する。
【００６８】
液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、各色光の出射光強度を変調する。
【００６９】
ダイクロイックプリズム４００は、３色の色光を合成してカラー画像を形成する色合成装置としての機能を有している。ダイクロイックプリズム４００には、赤色光を反射する誘電体多層膜と、青色光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜で構成される色光反射膜の波長選択特性により、３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。
【００７０】
ダイクロイックプリズム４００で生成された合成光は、投写レンズ４２０に導かれる。投写レンズ４２０は、この合成光をスクリーンＳ上に投写して、カラー画像を表示する投写手段としての機能を有する。
【００７１】
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図４に示されるように、このプロジェクタ２０は、照明装置１００Ｂと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態２に係るプロジェクタ２０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｂである。
【００７２】
実施形態２に係る照明装置１００Ｂが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０とが分離しているのに対して、実施形態２に係る照明装置１００Ｂではくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とが一体となっている点である。
【００７３】
このため、くさび型光学素子１６０の出射面と重畳レンズ１５０の入射面における反射損が減り、光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００７４】
（実施形態３）
図５は、実施形態３に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図５に示されるように、このプロジェクタ３０は、照明装置１００Ｃと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態３に係るプロジェクタ３０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｃである。
【００７５】
実施形態３に係る照明装置１００Ｃが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０とが分離しているのに対して、実施形態３に係る照明装置１００Ｃでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０とが一体となっている点である。
【００７６】
このため、実施形態３に係る照明装置１００Ｃは、偏光変換素子１４０Ａの出射面とくさび型光学素子１６０の入射面における反射損が減り、光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００７７】
（実施形態４）
図６は、実施形態４に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図６に示されるように、このプロジェクタ４０は、照明装置１００Ｄと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態４に係るプロジェクタ４０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｄである。
【００７８】
実施形態４に係る照明装置１００Ｄが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とが分離しているのに対して、実施形態４に係る照明装置１００Ｄでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とが一体となっている点である。
【００７９】
このため、実施形態４に係る照明装置１００Ｄは、偏光変換素子１４０Ａの出射面とくさび型光学素子１６０の入射面及び反射面と、重畳レンズ１５０の入射面における反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００８０】
（実施形態５）
図７は、実施形態５に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図７に示されるように、このプロジェクタ５０は、照明装置１００Ｅと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態５に係るプロジェクタ５０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｅである。
【００８１】
実施形態５に係る照明装置１００Ｅが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは第２のレンズアレイ１３０とくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とがそれぞれ独立して配置されているのに対して、実施形態５に係る照明装置１００Ｅではこれらの機能が一体となった第２のレンズアレイ１９０を有している点である。
【００８２】
このため、実施形態５に係る照明装置１００Ｅは、これらの光学要素の入出射面の数が減少しているため反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る偏光変換素子の構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る偏光変換素子の製造方法を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図７】本発明の実施形態５に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図８】従来のプロジェクタの光学系を示す図である。
【図９】第１のレンズアレイの外観を示す斜視図である。
【図１０】従来の偏光変換素子の構成及び機能を説明するための図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０、５０、９０・・・プロジェクタ
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ・・・照明装置
１１０・・・光源
１１２・・・光源ランプ
１１４・・・凹面鏡
１２０、１２０Ａ・・・第１のレンズアレイ
１２２・・・小レンズ
１３０、１３０Ａ・・・第２のレンズアレイ
１４０、１４０Ａ・・・偏光変換素子
１４０Ｌ、１４０Ｒ・・・偏光変換素子アレイ
１５０・・・重畳レンズ
１６０・・・くさび型光学素子
１７０Ｌ、１７０Ｒ・・・偏光ビームスプリッタアレイ
１７１・・・透光性部材
１７２・・・偏光分離膜
１７３・・・反射膜
１７６・・・偏光分離ユニット
１７８・・・偏光分離素子
１８０・・・λ／２位相差板
１８２・・・基板ブロック
１８４・・・第１の基板
１８６・・・第２の基板
１８８・・・偏光分離素子の片側半分
２００・・・色分離装置
２１０・・・第１のダイクロイックミラー
２１２・・・第２のダイクロイックミラー
２２０、２５２、２５４・・・反射ミラー
２４０・・・リレー光学系
２６２・・・入射側レンズ
２６４・・・リレーレンズ
３００Ｒ、３００Ｇ、２６６・・・フィールドレンズ
３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂ・・・液晶パネル
４００・・・ダイクロイックプリズム
４２０・・・投写レンズ
Ｓ・・・スクリーン
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・・切断面
Ｌ・・・偏光分離ユニットの光束分離方向の長さ
Ｏ・・・光軸中心
Ｐ・・・周辺部
【発明が属する技術分野】
本発明は偏光分離素子、偏光変換素子、照明装置、プロジェクタ及び偏光分離素子の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来のプロジェクタの光学系を示す図である。図８に示されるように、このプロジェクタ９０は、照明装置１００と、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｇと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えている。色分離装置２００は、ダイクロイックミラー２１０、２１２を有している。リレー光学装置２４０は、入射側レンズ２６２、反射ミラー２５２、リレーレンズ２６４、反射ミラー２５４及びフィールドレンズ２６６を有している。
【０００３】
このプロジェクタ９０は、照明装置１００から出射された光を色分離装置２００によって赤、緑及び青の３つの色光に分離し、それぞれの色光を３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂによって変調し、ダイクロイックプリズム４００によって合成し、この合成光を投写レンズ４２０を介してスクリーンＳ上に投写する。
【０００４】
このプロジェクタ９０の照明装置１００は、照明領域である液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの有効領域をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系であって、略平行な光束を出射する光源１１０と、第１のレンズアレイ１２０と、第２のレンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０と、重畳レンズ１５０とを備えている。
【０００５】
光源１１０は、光源ランプ１１２と、この光源ランプ１１２から出射された放射光をほぼ平行な光線束として出射する凹面鏡１１４とを有している。光源ランプ１１２としては、輝度の高い高圧水銀ランプが用いられている。
【０００６】
第１のレンズアレイ１２０は、複数の第１の小レンズを備え、これら複数の第１の小レンズによって光源１１０から出射された光束を複数の部分光束に分割する機能を有している。
【０００７】
図９は、第１のレンズアレイ１２０の外観を示す斜視図である。第１のレンズアレイ１２０は略矩形状の輪郭を有する小レンズ１２２がＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。この例では、Ｍ＝６、Ｎ＝４である。各小レンズ１２２は、光源１１０（図８）から入射された平行な光束を複数の（すなわちＭ×Ｎ個の）部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ１３０の近傍で収束させる。各小レンズ１２２をｚ方向から見た外形形状は、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。例えば、液晶パネルの照明領域（画像が表示される領域）のアスペクト比（横と縦の寸法の比率）が４：３であるならば、各小レンズ１２２のアスペクト比も４：３に設定する。
【０００８】
第２のレンズアレイ１３０は、複数の第２の小レンズを備え、これら複数の部分光束が集光される位置近傍に配置されている。第２のレンズアレイ１３０も、第１のレンズアレイ１２０の小レンズ１２２に対応するように、小レンズがＭ行Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。第２のレンズアレイ１３０は、第１のレンズアレイ１２０から出射された各部分光束の中心軸（主光線）が重畳レンズ１５０の入射面に垂直に入射するように構成されている。
【０００９】
偏光変換素子１４０は、第２のレンズアレイ１３０から出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する機能を有している。
【００１０】
図１０は、偏光変換素子１４０の詳細な構成および機能を説明するための図である。偏光変換素子１４０は、図１０（Ａ）に示されるように、光軸を挟んで左右対称に配置された２つの偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒによって構成されている。この偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒは、偏光ビームスプリッタアレイ１７０Ｌ、１７０Ｒと、その光射出面の一部に選択的に配置されたλ／２位相差板１８０（図中斜線で示す。）とを備えている。偏光ビームスプリッタアレイ１７０Ｌ、１７０Ｒは、図１０（Ｂ）に示されるように、それぞれ断面が平行四辺形の柱状の透光性部材１７１が、順次貼り合わされた形状を有している。透光性部材１７１の界面には、偏光分離膜１７２と反射膜１７３とが交互に形成されている。λ／２位相差板１８０は、図１０（Ａ）に示されるように、偏光分離膜１７２又は反射膜１７３の光の射出面のｚ方向の写像部分に、選択的に貼り付けられる。この例では、偏光分離膜１７２の光の射出面のｚ方向の写像部分に貼り付けられている。
【００１１】
このように構成された偏光変換素子１４０の入射面には、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含む非偏光光（ランダムな偏光方向を有する入射光）が入射する。
この入射光は、図１０（Ａ）中矢印で示されるように、まず、偏光分離膜１７２によってＳ偏光光とＰ偏光光に分離される。Ｓ偏光光は、偏光分離膜１７２によってほぼ垂直に反射され、反射膜１７３によってさらに反射されてから射出される。一方、Ｐ偏光光は、偏光分離膜１７２をそのまま透過する。偏光分離膜を透過したＰ偏光光の射出面には、λ／２位相差板１８０が配置されており、このＰ偏光光がＳ偏光光に変換されて射出する。従って、偏光変換素子１４０を通過した光は、そのほとんどがＳ偏光光となって射出される。すなわち、偏光変換素子１４０は、第２のレンズアレイ１３０から出射された光をほぼ１種類の直線偏光光（例えば、Ｓ偏光光やＰ偏光光）に変換して射出する機能を有する。なお、偏光変換素子１４０から射出される光をＰ偏光光としたい場合には、λ／２位相差板１８０を、反射膜１７３によって反射されたＳ偏光光が射出する射出面に配置するようにすればよい。
【００１２】
重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０によってほぼ一種類の偏光光に変換された複数の部分光束を、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂに重畳させる機能を有している。
【００１３】
このプロジェクタ９０においては、光源１１０から出射された略平行な光束は、インテグレータ光学系を構成する第１と第２のレンズアレイ１２０、１３０によって、複数の部分光束に分割される。第１のレンズアレイ１２０の各小レンズから出射された部分光束は、第２のレンズアレイ１３０の各小レンズの近傍で光源１１０の光源像（２次光源像）が形成されるように集光される。第２のレンズアレイ１３０の近傍に形成された２次光源像から出射された部分光束は、重畳レンズ１５０によって液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの有効領域（表示に用いられる領域）上で重畳される。上記の結果、各液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂは、ほぼ均一に照明され、その結果、スクリーン上には輝度むらの抑制された画像を表示することができる。
【００１４】
また、このプロジェクタ９０においては、第２のレンズアレイ１３０と重畳レンズ１５０との間に、偏光変換素子１４０が設けられているため、従来利用されていなかったＰ偏光光又はＳ偏光光のいずれか一方の偏光成分をも利用することができ、照度の高い光を、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂに照射することが可能となり、その結果、スクリーン上には輝度の高い画像を表示することができる。
【００１５】
さらに、この照明装置１００は、これらのインテグレータ光学系と偏光変換素子１４０とが一体化されたコンパクトな照明装置となっているので、この照明装置を用いたプロジェクタも、全体としてもコンパクトなプロジェクタとなっている。
【００１６】
しかしながら、このようなプロジェクタにおいても、スクリーン上などに表示される画像の輝度をさらに向上させたいという要求が高まっている。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明は、プロジェクタがスクリーン上などに表示する画像の輝度をさらに向上させることを可能にする偏光分離素子、偏光変換素子及び照明装置を提供することを目的とする。また、スクリーン上などに表示される画像の輝度をさらに向上させたプロジェクタを提供することを目的とする。さらにまた、このような偏光分離素子の製造方法を提供することを目的とする。
【００１８】
本発明の照明装置は、光源と、複数の第１の小レンズを備え、前記複数の第１の小レンズによって前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイから出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する偏光変換素子と、を備えた照明装置であって、前記偏光変換素子は、偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットと、Ｓ偏光光束の出射面及びＰ偏光光束の出射面のいずれかの面に配置されたλ／２位相差板とを備え、前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の長さが、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなっていることを特徴とする。
【００１９】
上述したように、照明装置においては、光源からの光は、第１のレンズアレイによって複数の部分光束に分割される。しかしながら、光源から出射される光は光軸から離れた周辺部分で最も平行性がよく、光軸に近づくに従って平行性が悪くなる傾向にある。このため、分割光束の集光像の大きさ（すなわち、分割光束の第２のレンズアレイの近傍での大きさ）は、光軸付近で最も大きく、光軸から離れた周辺部では小さくなる。従って、従来の偏光分離素子においては、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さが、光軸中心から周辺部にかけて、均一であることから、特に光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができず、光の利用効率が低下してしまう。一方、この問題を回避するために、偏光分離面の光束分離方向の長さを全体的に長くすると、光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことはできるようになるが、偏光分離素子に対応して設けられる第２の小レンズの数が少なくなり、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果が弱くなる。
【００２０】
これに対して、本発明のように、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすれば、光軸付近では偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができる一方、全体として第２の小レンズの数を確保することができるので、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果を維持することができる。このため、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光の利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の偏光分離装置を用いることによって、照明装置の明るさが向上するとともに、プロジェクタの輝度もさらに向上する。
【００２１】
本発明の照明装置は、光源と、複数の第１の小レンズを備え、前記複数の第１の小レンズによって前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイから出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する偏光変換素子と、を備えた照明装置であって、前記偏光変換素子は、偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットと、Ｓ偏光光束の出射面及びＰ偏光光束の出射面のいずれかの面に配置されたλ／２位相差板とを備え、前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなっていることを特徴とする。
【００２２】
このため、本発明の照明装置においては、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の偏光分離装置を用いることによって、照明装置の明るさが向上するとともに、プロジェクタの輝度をさらに向上させることができる。
【００２３】
上記本発明の照明装置においては、この偏光分離素子の入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなるよう構成されてなることが好ましい。
【００２４】
このように構成することにより、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くし、かつ、偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすることができる。
【００２５】
上記本発明の照明装置のいずれかに記載の照明装置においては、左右対称であることが好ましい。
【００２６】
このように構成することにより、スクリーンに表示される画像の輝度むらを左右対称なものにすることができ、プロジェクタの表示品質をさらに高めることができる。
【００２９】
上記本発明の照明装置のいずれかに記載の照明装置においては、前記第１のレンズアレイから射出された前記複数の部分光束が集光される位置近傍に配置される第２のレンズアレイを備えることが好ましい。
【００３１】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子の後段に重畳レンズを備えることが好ましい。
【００３２】
このように構成することにより、より輝度の高い均一な照明光を液晶パネルに照射することができる。
【００３３】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子と上記重畳レンズとの間に、上記偏光変換素子から出射する光を整形するためのくさび型光学要素をさらに備えることが好ましい。
【００３４】
このように構成することにより、上記偏光変換素子を射出した光は発散光となっているが、くさび型光学素子の作用により、この発散光が整形され、液晶パネル上に照明光を効率よく照射することが可能となる。
【００３５】
上記に記載の照明装置においては、上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっていることが好ましい。
【００３６】
このように構成することにより、上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっているため、くさび型光学素子の出射面と重畳レンズの入射面における反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００３７】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子とが一体となっていることが好ましい。
【００３８】
このように構成することにより、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子とが一体となっているため、偏光変換素子の出射面と上記くさび型光学素子の入射面における反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００３９】
上記に記載の照明装置においては、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっていることが好ましい。
【００４０】
このように構成することにより、上記偏光変換素子と上記くさび型光学素子と上記重畳レンズとが一体となっているため、上記偏光変換素子の出射面と、くさび型光学素子の入出射面と、重畳レンズの入射面における反射損が減り、光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００４１】
上記本発明の照明装置のいずれかに記載の照明装置においては、複数の第２の小レンズを備え、前記偏光変換素子の後段に配置され、偏光光束を後段の照明すべき領域に重畳させる機能を有する第２のレンズアレイと、を備えることが好ましい。
【００４２】
このため、本発明の照明装置は、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の照明装置を用いることによって、プロジェクタの輝度をさらに向上させることができる。
【００４３】
上記いずれかの照明装置と、この照明装置からの光を赤、緑及び青の３つの色光に分離する色分離装置と、 上記３つの色光をそれぞれ変調するための３つの電気光学変調装置と、上記３つの電気光学変調装置で変調された光を投写する投写レンズとを備えたことを特徴とする。
【００４４】
このため、本発明のプロジェクタは、上述した偏光分離素子の有する効果をそのまま有することになる。その結果、高輝度の画像を表示できるプロジェクタとなる。電気光学変調装置としては、液晶パネル、微小ミラーデバイス、微小油滴デバイスなどが好適に用いられる。
【００４５】
上記のプロジェクタにおいて、上記３つの電気光学変調装置で変調された光を合成して前記投写レンズに導く色合成装置をさらに備えることが好ましい。
【００４６】
このように構成することにより、投写レンズを調整するのみで、ズーム調整やフォーカス調整を行うことができ、使い勝手が向上する。
【００４７】
本発明の偏光分離素子の製造方法は、上記いずれかに記載の照明装置に備えられる偏光分離素子を製造するための方法であって、以下の（ａ）乃至（ｃ）の工程を有することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
（ａ）第１の基板、偏光分離層、第２の基板、反射層の繰り返し構造を有し、かつこの繰り返し構造の繰り返しピッチが徐々に変化している基板ブロックを形成する工程。
（ｂ）前記基板ブロックを切断して、断面が前記偏光分離素子の片側半分の形状をした四角柱の光学ブロックを形成する工程。
（ｃ）前記光学ブロックを２枚準備して、これらの２枚の光学ブロックを左右対称になるように貼り合せて前記偏光分離素子とする工程。
【００４８】
偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットを備え、前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、前記照明装置の光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなり、入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなることを特徴とする偏光分離素子を製造することができる。
【００４９】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の説明では、特に説明のない限り、光の進行方向をｚ方向、光の進行方向（ｚ方向）からみて３時の方向をｘ方向、１２時の方向をｙ方向とする。
【００５０】
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図１に示されるように、このプロジェクタ１０は、照明装置１００Ａと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｇと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には従来のプロジェクタ９０と同じ光学系を有している。実施形態１に係るプロジェクタ１０が、従来のプロジェクタ９０と異なるのは、照明装置１００Ａである。
【００５１】
実施形態１に係る照明装置１００Ａは、従来の照明装置１００と同じく、照明領域である液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの有効領域をほぼ均一に照明するためのインテグレータ光学系であって、略平行な光束を出射する光源１１０と、第１のレンズアレイ１２０Ａと、第２のレンズアレイ１３０Ａと、偏光変換素子１４０Ａと、重畳レンズ１５０とを備えている。
【００５２】
第１のレンズアレイ１２０Ａは、従来の第１のレンズアレイ１２０と同じく、複数の第１の小レンズを備え、この複数の第１の小レンズによって光源から出射された光束を複数の部分光束に分割する機能を有している。実施形態１に係る第１のレンズアレイも、略矩形状の輪郭を有する小レンズが１２行８列のマトリクス状に配列された構成を有している。各小レンズは、光源１１０から入射された平行な光束を複数の（すなわち１２×８個の）部分光束に分割し、各部分光束を第２のレンズアレイ１３０Ａの近傍で収束させる。各小レンズをｚ方向から見た外形形状は、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂの形状とほぼ相似形をなすように設定されている。
【００５３】
第２のレンズアレイ１３０Ａは、複数の第２の小レンズを備え、これら複数の部分光束が集光される位置近傍に配置されている。第２のレンズアレイ１３０Ａも、第１のレンズアレイ１２０Ａの小レンズに対応するように、小レンズが１２行８列のマトリクス状に配列された構成を有している。第２のレンズアレイ１３０Ａは、第１のレンズアレイ１２０Ａから出射された各部分光束の中心軸（主光線）が重畳レンズ１５０の入射面に垂直に入射するように構成されている。
【００５４】
偏光変換素子１４０Ａは、第２のレンズアレイ１３０Ａから出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する機能を有している。
【００５５】
図２は、偏光変換素子１４０Ａの構造を示す図である。偏光変換素子１４０Ａは、図２に示されるように、光軸を挟んで左右対称に配置された２つの偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒによって構成されている。この偏光変換素子アレイ１４０Ｌ、１４０Ｒは、偏光ビームスプリッタアレイと、その光射出面の一部に選択的に配置されたλ／２位相差板１８０とを備えている。
【００５６】
偏光ビームスプリッタアレイは、図２に示されるように、偏光分離面１７２と反射面１７３とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する偏光分離ユニット１７６を複数備えている。そして、この偏光分離ユニット１７６の光束分離方向の長さＬが、光軸中心Ｏから周辺部Ｐにかけて、徐々に短くなっている。また、偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなっている。
【００５７】
従来の偏光分離素子においては、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さが、光軸中心から周辺部にかけて、均一であることから、特に光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができず、光の利用効率が低下してしまう。一方、この問題を回避するために、偏光分離面の光束分離方向の長さを全体的に長くすると、光軸付近において偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことはできるようになるが、偏光分離素子に対応して設けられる第２の小レンズの数が少なくなり、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果が弱くなる。
【００５８】
これに対して、実施形態１に係る偏光分離素子１４０Ａにおいては、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすれば、光軸付近では偏光分離面で分割光束の集光像を呑み込むことができる一方、全体として第２の小レンズの数を確保することができるので、液晶パネルの照明領域における輝度むらを抑制する効果を維持することができる。このため、輝度むらを抑制する効果を維持しつつ光の利用効率の向上が図られる。その結果、本発明の偏光分離装置を用いることによって、照明装置１００Ａの明るさが向上するとともに、プロジェクタ１０の輝度もさらに向上する。
【００５９】
また、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａにおいては、入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなるよう構成されている。
【００６０】
このため、偏光分離ユニットの光束分離方向の長さを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くし、かつ、偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチを、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くすることができる。
【００６１】
また、この偏光変換素子１４０Ａは左右対称である。このため、この偏光変換素子１４０Ａを用いることにより、スクリーンに表示される画像の輝度むらを左右対称なものにすることができ、プロジェクタ１０の表示品質がさらに高められている。
【００６２】
図３は、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａの製造方法を示す図である。図３に示されるように、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａは、以下の（ａ）乃至（ｄ）の工程を有する比較的簡単な方法で製造することができる。
（ａ）第１の基板１８４、偏光分離層１７２、第２の基板１８６、反射層１７３の繰り返し構造を有し、かつこの繰り返し構造の繰り返しピッチが徐々に変化している基板ブロック１８２を形成する。
（ｂ）次に、上記基板ブロック１８２を切断して、断面が上記偏光分離素子の片側半分の形状をした四角柱の光学ブロック１８８を形成する。
（ｃ）次に、上記光学ブロック１８８を２枚準備して、これらの２枚の光学ブロック１８８を左右対称になるように貼り合せて上記偏光分離素子１７８とする。（ｄ）次に、この偏光分離素子１７８の出射面における所定位置に、λ／２位相差板を形成して、実施形態１に係る偏光変換素子１４０Ａとする。
【００６３】
実施形態１に係る重畳レンズ１５０は、従来の重畳レンズと同様に、偏光変換素子１４０Ａによってほぼ一種類の偏光光に変換された複数の部分光束を、液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂに重畳させる機能を有している。
【００６４】
実施形態１に係る照明装置１００Ａは、従来の照明装置１００とは異なり、偏光変換素子１４０Ａと上記重畳レンズ１５０との間に、偏光変換素子１４０Ａから出射する光を整形するためのくさび型光学要素１６０をさらに備えている。このため、上記偏光変換素子１４０Ａを射出した発散光が、くさび型光学素子１６０の作用により、整形され、各液晶パネル３１０Ｒ，３１０Ｇ，３１０Ｂ上に照明光を効率よく照射することが可能となる。
【００６５】
色分離装置２００は、２つのダイクロイックミラー２１０、２１２を備え、重畳レンズ１５０から出射される光を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有している。第１のダイクロイックミラー２１０は、照明装置１００から出射された光束の赤色成分を透過させるとともに、青色成分と緑色成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー２１０を透過した赤色光は、反射ミラー２２０で反射され、フィールドレンズ３００Ｒを通って赤光用の液晶電気光学変調装置３１０Ｒに達する。
【００６６】
第１のダイクロイックミラー２１０で反射された青色光と緑色光のうち、緑色光は第２のダイクロイックミラー２１２によって反射され、フィールドレンズ３００Ｇを通って緑光用の液晶パネル３１０Ｇに達する。
【００６７】
一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー２１２を透過し、入射側レンズ２６２、反射ミラー２５２、リレーレンズ２６４、反射ミラー２５４、フィールドレンズ２６６を備えたリレー光学系２４０を通り、青色用の液晶パネル３１０Ｂに達する。
【００６８】
液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂは、与えられた画像情報（画像信号）に従って、各色光の出射光強度を変調する。
【００６９】
ダイクロイックプリズム４００は、３色の色光を合成してカラー画像を形成する色合成装置としての機能を有している。ダイクロイックプリズム４００には、赤色光を反射する誘電体多層膜と、青色光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜で構成される色光反射膜の波長選択特性により、３つの色光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。
【００７０】
ダイクロイックプリズム４００で生成された合成光は、投写レンズ４２０に導かれる。投写レンズ４２０は、この合成光をスクリーンＳ上に投写して、カラー画像を表示する投写手段としての機能を有する。
【００７１】
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図４に示されるように、このプロジェクタ２０は、照明装置１００Ｂと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態２に係るプロジェクタ２０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｂである。
【００７２】
実施形態２に係る照明装置１００Ｂが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０とが分離しているのに対して、実施形態２に係る照明装置１００Ｂではくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とが一体となっている点である。
【００７３】
このため、くさび型光学素子１６０の出射面と重畳レンズ１５０の入射面における反射損が減り、光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００７４】
（実施形態３）
図５は、実施形態３に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図５に示されるように、このプロジェクタ３０は、照明装置１００Ｃと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態３に係るプロジェクタ３０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｃである。
【００７５】
実施形態３に係る照明装置１００Ｃが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０とが分離しているのに対して、実施形態３に係る照明装置１００Ｃでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０とが一体となっている点である。
【００７６】
このため、実施形態３に係る照明装置１００Ｃは、偏光変換素子１４０Ａの出射面とくさび型光学素子１６０の入射面における反射損が減り、光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００７７】
（実施形態４）
図６は、実施形態４に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図６に示されるように、このプロジェクタ４０は、照明装置１００Ｄと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態４に係るプロジェクタ４０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｄである。
【００７８】
実施形態４に係る照明装置１００Ｄが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とが分離しているのに対して、実施形態４に係る照明装置１００Ｄでは偏光変換素子１４０Ａとくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とが一体となっている点である。
【００７９】
このため、実施形態４に係る照明装置１００Ｄは、偏光変換素子１４０Ａの出射面とくさび型光学素子１６０の入射面及び反射面と、重畳レンズ１５０の入射面における反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【００８０】
（実施形態５）
図７は、実施形態５に係るプロジェクタの光学系を示す図である。図７に示されるように、このプロジェクタ５０は、照明装置１００Ｅと、色分離装置２００と、リレー光学装置２４０と、反射ミラー２２０と、２つのフィールドレンズ３００Ｒ、３００Ｂと、３つの液晶パネル３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂと、ダイクロイックプリズム４００と、投写レンズ４２０とを備えており、基本的には実施形態１に係るプロジェクタ１０と同じ光学系を有している。実施形態５に係るプロジェクタ５０が、実施形態１に係るプロジェクタ１０と異なるのは、照明装置１００Ｅである。
【００８１】
実施形態５に係る照明装置１００Ｅが実施形態１に係る照明装置１００Ａと異なるのは、実施形態１に係る照明装置１００Ａでは第２のレンズアレイ１３０とくさび型光学素子１６０と重畳レンズ１５０とがそれぞれ独立して配置されているのに対して、実施形態５に係る照明装置１００Ｅではこれらの機能が一体となった第２のレンズアレイ１９０を有している点である。
【００８２】
このため、実施形態５に係る照明装置１００Ｅは、これらの光学要素の入出射面の数が減少しているため反射損が減り光利用効率が高まるとともに、部品点数が減ることにより光学系の組み立てが容易になるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態１に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図２】本発明の実施形態１に係る偏光変換素子の構造を示す図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る偏光変換素子の製造方法を示す図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図７】本発明の実施形態５に係る照明光学装置の光学系を示す図である。
【図８】従来のプロジェクタの光学系を示す図である。
【図９】第１のレンズアレイの外観を示す斜視図である。
【図１０】従来の偏光変換素子の構成及び機能を説明するための図である。
【符号の説明】
１０、２０、３０、４０、５０、９０・・・プロジェクタ
１００、１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ・・・照明装置
１１０・・・光源
１１２・・・光源ランプ
１１４・・・凹面鏡
１２０、１２０Ａ・・・第１のレンズアレイ
１２２・・・小レンズ
１３０、１３０Ａ・・・第２のレンズアレイ
１４０、１４０Ａ・・・偏光変換素子
１４０Ｌ、１４０Ｒ・・・偏光変換素子アレイ
１５０・・・重畳レンズ
１６０・・・くさび型光学素子
１７０Ｌ、１７０Ｒ・・・偏光ビームスプリッタアレイ
１７１・・・透光性部材
１７２・・・偏光分離膜
１７３・・・反射膜
１７６・・・偏光分離ユニット
１７８・・・偏光分離素子
１８０・・・λ／２位相差板
１８２・・・基板ブロック
１８４・・・第１の基板
１８６・・・第２の基板
１８８・・・偏光分離素子の片側半分
２００・・・色分離装置
２１０・・・第１のダイクロイックミラー
２１２・・・第２のダイクロイックミラー
２２０、２５２、２５４・・・反射ミラー
２４０・・・リレー光学系
２６２・・・入射側レンズ
２６４・・・リレーレンズ
３００Ｒ、３００Ｇ、２６６・・・フィールドレンズ
３１０Ｒ、３１０Ｇ、３１０Ｂ・・・液晶パネル
４００・・・ダイクロイックプリズム
４２０・・・投写レンズ
Ｓ・・・スクリーン
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４・・・切断面
Ｌ・・・偏光分離ユニットの光束分離方向の長さ
Ｏ・・・光軸中心
Ｐ・・・周辺部
Claims (9)
- 光源と、
複数の第１の小レンズを備え、前記複数の第１の小レンズによって前記光源から出射された光束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイから出射された光束をほぼ一種類の偏光光束に変換する偏光変換素子と、を備えた照明装置であって、
前記偏光変換素子は、偏光分離素子と、Ｓ偏光光束の出射面及びＰ偏光光束の出射面のいずれかの面に配置されたλ／２位相差板とを備え、
前記偏光分離素子は、偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットを有し、
前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、前記照明装置の光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなり、
前記偏光分離素子の入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなるよう構成されてなり、
前記偏光分離素子は、２つの四角柱の光学ブロックから構成され、
前記光学ブロックは、複数の偏光分離ユニットを有することを特徴とする照明装置。 - 請求項１に記載の照明装置において、前記光軸を挟んで左右対称であることを特徴とする照明装置。
- 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
前記第１のレンズアレイから射出された前記複数の部分光束が集光される位置近傍に配置される第２のレンズアレイを備えることを特徴とする照明装置。 - 請求項１乃至３に記載の照明装置において、
前記偏光変換素子の後段に重畳レンズを備えたことを特徴とする照明装置。 - 請求項４に記載の照明装置において、
前記偏光変換素子と前記重畳レンズとの間に、前記偏光変換素子から出射する光を整形するためのくさび型光学要素をさらに備えたことを特徴とする照明装置。 - 請求項５に記載の照明装置において、
前記くさび型光学素子が、前記重畳レンズと前記偏光変換素子との少なくとも一方と一体となっていることを特徴とする照明装置。 - 請求項１または請求項２に記載の照明装置において、
複数の第２の小レンズを備え、前記偏光変換素子の後段に配置され、偏光光束を後段の照明すべき領域に重畳させる機能を有する第２のレンズアレイと、を備えたことを特徴とする照明装置。 - 請求項１乃至７のいずれかに記載の照明装置と、
前記照明装置からの光を赤、緑及び青の３つの色光に分離する色分離装置と、
前記３つの色光をそれぞれ変調するための３つの電気光学変調装置と、
前記３つの電気光学変調装置で変調された光を合成する色合成装置と、
前記色合成装置で合成された光を投写する投写レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ。 - 偏光分離面と反射面とを有し入射光束をＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離する複数の偏光分離ユニットを備え、前記複数の偏光分離ユニットの光束分離方向の配列ピッチが、前記照明装置の光軸中心から周辺部にかけて、徐々に小さくなり、入射面から出射面までの距離が、光軸中心から周辺部にかけて、徐々に短くなることを特徴とする偏光分離素子を製造するための方法であって、以下の（ａ）乃至（ｃ）の工程を有することを特徴とする偏光分離素子の製造方法。
（ａ）第１の基板、偏光分離層、第２の基板、反射層の繰り返し構造を有し、かつこの繰り返し構造の繰り返しピッチが徐々に変化している基板ブロックを形成する工程。
（ｂ）前記基板ブロックを切断して、断面が前記偏光分離素子の片側半分の形状をした四角柱の光学ブロックを形成する工程。
（ｃ）前記光学ブロックを２枚準備して、これらの２枚の光学ブロックを左右対称になるように貼り合せて前記偏光分離素子とする工程。
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