JP5509827B2 - 照明光学系及び投影装置 - Google Patents

Description

本発明は照明光学系及び投影装置に関するものであり、例えば、デジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)やＬＣＤ(liquid crystal display)を表示素子として、その画像表示面を照明するための照明光学系と、それを備えた投影装置に関するものである。

近年、ＤＬＰプロジェクタ（ＤＬＰ：digital light processing；米国テキサス・インスツルメンツ社の登録商標）に偏光を利用した投影ニーズが高まっている。一つは、偏光眼鏡を利用した３Ｄ投影であり、一つは、偏光スクリーンを利用した高コントラスト投影である。いずれも偏光を利用しているが、ＤＬＰプロジェクタでは通常、ランダム偏光を使用しているため、偏光を利用した投影の場合、半分以上の光量を利用することができず効率が良くない。このため、あまり大画面では投影することができない。偏光変換や２灯合成を工夫したものが特許文献１〜４で提案されているが、ＤＬＰに適したロッドインテグレータを用い、かつ、２灯を用いて偏光変換を行う明るい照明光学系は提案されていない。

特許３６１０７８９号公報 特開２００６−３０３３０号公報 特開２００７−１４０３４４号公報 特開２０００−１８０７９６号公報

特許文献１で提案されている照明光学系では、ロッドインテグレータの入射面において、偏光ごとに結像位置をずらして偏光変換を行う構成になっている。偏光変換により光量の有効利用が可能ではあるが、２灯合成の構成を採用していないため、十分に明るい投影像を得ることはできない。また、偏光ビームスプリッタにプリズムを用いているので、偏光分離の方向と偏光成分に制約があり、レイアウトが限定されるという問題もある。

特許文献２で提案されている照明光学系では、ロッドインテグレータの入射面において、２つの光源からの光束を同じ位置に結像させることにより、２灯合成を行う構成になっている。しかし、偏光変換の構成を採用していないため、偏光を利用した投影時の効率が良くないという問題がある。

特許文献３で提案されている照明光学系では、ロッドインテグレータの入射面において、２つの光源からの光束を異なる位置に結像させることにより、２灯合成を行う構成になっている。しかし、偏光変換の構成を採用していないため、偏光を利用した投影時の効率が良くないという問題がある。

特許文献４で提案されている照明光学系では、２灯合成と偏光変換を行う構成になっている。しかし、インテグレータにレンズアレイを用いているため、個々のレンズアレイによる照明の表示素子上での重ね合せのバラツキが生じやすく、その拡がりがゴースト光となって投影品質を損なう要因となる。また、カラーホイールを配置できる箇所が無いため、単板式のＤＬＰには不向きである。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、高効率・高品質の明るい照明が可能でコンパクトな照明光学系と、その照明光学系を備えることにより明るく高品質の投影像が得られる投影装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明の照明光学系は、第１の光束を出射する第１の光源と、第２の光束を出射する第２の光源と、前記第１，第２の光束を集光する集光光学系と、前記第１，第２の光束を第１の偏光成分と第２の偏光成分とに分離する偏光分離光学系と、前記第１の偏光成分を前記第２の偏光成分と同じ偏光状態に変化させる二分の一位相差板と、前記集光光学系の集光作用を受けた後の第１，第２の光束の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータの出射面の像を被照明領域に結像させるリレー光学系と、を備え、前記集光光学系が、前記第１，第２の光束の第１の偏光成分を前記ロッドインテグレータの入射面の第１の領域に集光させ、前記第１，第２の光束の第２の偏光成分を前記ロッドインテグレータの入射面の第２の領域に集光させ、前記二分の一位相差板が、前記ロッドインテグレータの入射面の第１の領域又はその共役位置に配置されており、前記偏光分離光学系が、前記第１の光束のＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる第１の偏光分離面と、前記第１の偏光分離面を透過したＰ偏光成分を反射し、前記第１の偏光分離面で反射したＳ偏光成分と角度差をもって再び第１の偏光分離面を透過させる第１の反射面と、前記第２の光束のＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる第２の偏光分離面と、前記第２の偏光分離面を透過したＰ偏光成分を反射し、前記第２の偏光分離面で反射したＳ偏光成分と角度差をもって再び第２の偏光分離面を透過させる第２の反射面と、を有することを特徴とする。

第２の発明の照明光学系は、上記第１の発明において、前記偏光分離光学系が、さらに、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＳ偏光成分を前記第１の偏光成分に変換し、かつ、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＰ偏光成分を前記第２の偏光成分に変換するか、又は前記第１，第２の偏光分離面から出射したＳ偏光成分を前記第２の偏光成分に変換し、かつ、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＰ偏光成分を前記第１の偏光成分に変換する偏光変換素子を有することを特徴とする。

第３の発明の照明光学系は、上記第１又は第２の発明において、前記第１，第２の偏光分離面がワイヤグリッドで構成されていることを特徴とする。

第４の発明の照明光学系は、上記第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記集光光学系が、放物面鏡又は楕円鏡から成るリフレクタと、コンデンサーレンズと、を有することを特徴とする。

第５の発明の照明光学系は、上記第４の発明において、前記リフレクタが、前記第１の光束を集光する第１のリフレクタと、前記第２の光束を集光する第２のリフレクタと、から成り、前記コンデンサーレンズが、前記第１のリフレクタで反射した第１の光束を集光する第１のコンデンサーレンズと、前記第２のリフレクタで反射した第２の光束を集光する第２のコンデンサーレンズと、前記第１，第２のコンデンサーレンズを通過した第１，第２の光束を共に集光させる第３のコンデンサーレンズから成ることを特徴とする。

第６の発明の投影装置は、上記第１〜第５のいずれか１つの発明に係る照明光学系と、その照明光学系により照明される画像表示面を有する表示素子と、前記画像表示面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とする。

第７の発明の投影装置は、上記第６の発明において、前記表示素子が単一のデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、さらに、前記ロッドインテグレータの入射面近傍にカラーホイールを有することを特徴とする。

本発明によれば、２つの光源からの光束を偏光特性の同じものについてロッドインテグレータの入射面の同じ領域に集光させることにより２灯合成を行い、また、異なる偏光成分の光束をロッドインテグレータの入射面の異なる領域に集光させ、一方の偏光成分を他方に変換することで偏光変換を行う構成になっているため、高効率・高品質の明るい照明が可能でコンパクトな照明光学系を実現することができる。そして、その照明光学系を備えることにより明るく高品質の投影像が得られる投影装置を実現することができる。

第１の実施の形態を示す平面図。 第１の実施の形態を示す正面図。 ロッドインテグレータの要部を示す外観図。 第２の実施の形態の要部を示す平面図。

以下、本発明に係る照明光学系及び投影装置の実施の形態等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

《第１の実施の形態（図１〜図３）》
図１，図２に、照明光学系及び投影装置の第１の実施の形態を示す。図１は投影装置を上方から見た状態で示しており、図２は投影装置を正面側から見た状態で示している。図１，図２において、１Ａ，１Ｂは第１，第２の光源、２Ａ，２Ｂは第１，第２のリフレクタ（集光光学系）、３Ａ，３Ｂ，３Ｃは第１，第２，第３のコンデンサーレンズ（集光光学系）、４Ａ，４Ｂは第１，第２の偏光分離面（偏光分離光学系）、５Ａ，５Ｂは第１，第２の反射面（偏光分離光学系）、６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄは第１，第２，第３，第４の二分の一位相差板、７はカラーホイール、８は矩形形状の入射面８ａ及び出射面８ｂを有するロッドインテグレータ、９はリレー光学系、１０は折り返しミラー、１１はプリズムユニット、１１ａ，１１ｂはプリズムユニット１１を構成する第１，第２のプリズム、１２は被照明領域となる矩形形状の画像表示面１２ａを有する表示素子、１３は投影レンズ（投影光学系）である。

第１，第２の光源１Ａ，１Ｂは、白色光を発する放電ランプ（例えば、超高圧水銀灯）から成っている。集光光学系を構成する第１，第２のリフレクタ２Ａ，２Ｂの反射面は、回転放物面から成っており、その焦点位置に第１，第２の光源１Ａ，１Ｂがそれぞれ配置されている。このため、第１，第２の光源１Ａ，１Ｂから出射した第１，第２の光束ＬＡ，ＬＢは、略平行光として第１，第２のリフレクタ２Ａ，２Ｂから出射することになる。第１の光源１Ａから出射した第１の光束ＬＡは、ランプリフレクタ２Ａで平行光となった後、集光光学系を構成する第１のコンデンサーレンズ３Ａによって、収束しながら第１の偏光分離面４Ａに入射する。一方、第２の光源１Ｂから出射した第２の光束ＬＢは、ランプリフレクタ２Ｂで平行光となった後、集光光学系を構成する第２のコンデンサーレンズ３Ｂによって、収束しながら第２の偏光分離面４Ｂに入射する。

第１の偏光分離面４Ａは、可視域の光線に対し偏光分離を行うように構成されたワイヤグリッドで構成されている。第１の偏光分離面４Ａで反射されたＳ偏光成分の光束ＬＡは、第１の二分の一位相差板６Ａに入射する。第１の偏光分離面４Ａを透過したＰ偏光成分の光束ＬＡは、第１の反射面５Ａに入射する。第１の反射面５Ａは、多層膜から成る反射コート面である。Ｐ偏光成分の光束ＬＡは、第１の反射面５Ａで反射された後、再び第１の偏光分離面４Ａを透過し、第１の二分の一位相差板６Ａに入射する。

第２の偏光分離面４Ｂは、可視域の光線に対し偏光分離を行うように構成されたワイヤグリッドで構成されている。第２の偏光分離面４Ｂで反射されたＳ偏光成分の光束ＬＢは、第１の二分の一位相差板６Ａに入射する。第２の偏光分離面４Ｂを透過したＰ偏光成分の光束ＬＢは、第２の反射面５Ｂに入射する。第２の反射面５Ｂは、多層膜から成る反射コート面である。Ｐ偏光成分の光束ＬＢは、第２の反射面５Ｂで反射された後、再び第２の偏光分離面４Ｂを透過し、第１の二分の一位相差板６Ａに入射する。

第１の二分の一位相差板６Ａは、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂでそれぞれ反射されたＳ偏光成分の偏光方向が、ロッドインテグレータ８の入射面８ａの矩形形状の長辺方向に平行となり、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂをそれぞれ透過したＰ偏光成分の偏光方向が、ロッドインテグレータ８の入射面８ａの矩形形状の短辺方向に平行となるように、配置されている。つまり、第１の二分の一位相差板６Ａは、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂに対する第１，第２の光束ＬＡ，ＬＢのＳ偏光成分，Ｐ偏光成分の偏光方向を変化させることにより、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂでそれぞれ反射されたＳ偏光成分を第１の偏光成分αへと変換し、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂをそれぞれ透過したＰ偏光成分を第２の偏光成分βへと変換する。

上記のようにして、第１の光源１Ａから出射した第１の光束ＬＡは、第１の偏光分離面４Ａ，第１の反射面５Ａ及び第１の二分の一位相差板６Ａから成る偏光分離光学系により、第１の偏光成分αと第２の偏光成分βとに分離され、第２の光源１Ｂから出射した第２の光束ＬＢは、第２の偏光分離面４Ｂ，第２の反射面５Ｂ及び第１の二分の一位相差板６Ａから成る偏光分離光学系により、第１の偏光成分αと第２の偏光成分βとに分離される。なお、第１の二分の一位相差板６Ａは、２灯構成の照明光学系のレイアウトとの関係で配置された偏光変換素子であり、この第１の二分の一位相差板６Ａや後述する第３，第４の二分の一位相差板６Ｃ，６Ｄにより、照明光学系のレイアウトに自由度をもたせることが可能となる。

第１の二分の一位相差板６Ａにより第１の偏光成分αと第２の偏光成分βとに分離された各光束ＬＡ，ＬＢは、第３のコンデンサーレンズ３Ｃに入射する。第３のコンデンサーレンズ３Ｃは、第１，第２の光束ＬＡ，ＬＢに対して共用される集光光学系を構成している。第１，第２のコンデンサーレンズ３Ａ，３Ｂのパワーのみで、ロッドインテグレータ８に対する集光角を適正に小さくしようとすると、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂに対する入射角が大きくなってしまうが、第３のコンデンサーレンズ３Ｃで同時にパワーを負担することにより、そのような問題をコンパクトな構成で解決することができる。

第３のコンデンサーレンズ３Ｃを出射した各光束ＬＡ，ＬＢは、カラー表示のために出射光色を時分割で変化させるカラーホイール７に入射する。カラーホイール７は、表示素子１２をカラーシーケンシャル方式で照明するためのカラーフィルターから成っている。例えば、Ｒ（赤色）・Ｇ（緑色）・Ｂ（青色）の色光をそれぞれ透過させるカラーフィルターで構成されている。このカラーホイール７を回転させると、照明光透過位置のフィルター部分が回転移動して、照明する色光が時間的に順次切り替わる。したがって、各色に対応した画像情報を表示素子１２に表示すれば、投影画像をカラー化することができる。

カラーホイール７を経た各光束ＬＡ，ＬＢの第１の偏光成分αは、第２の二分の一位相差板６Ｂに入射する。第２の二分の一位相差板６Ｂは、ロッドインテグレータ８の入射面８ａに設けられている。図３に、ロッドインテグレータ８の要部外観を示す。図３（Ａ）は、ロッドインテグレータ８を側面側から見た外観を示しており、図３（Ｂ）は、ロッドインテグレータ８を入射面８ａ側から見た外観を示している。矩形形状の入射面８ａは斜めに傾いた状態で配置されており、入射面８ａの第１の領域Ｓ１には第２の二分の一位相差板６Ｂが配置されている。

第２の二分の一位相差板６Ｂは、第１の偏光成分αを第２の偏光成分βと同じ偏光状態（偏光方向がロッドインテグレータ８の入射面８ａの矩形形状の短辺方向に平行な偏光状態である。）に変化させる。第２の二分の一位相差板６Ｂで偏光変換された第１の偏光成分αは、前記集光光学系によりロッドインテグレータ８の入射面８ａ（又はその近傍）で結像してロッドインテグレータ８内に入射するが、その入射位置は入射面８ａの第１の領域Ｓ１（図３（Ｂ））である。

カラーホイール７を経た各光束ＬＡ，ＬＢの第２の偏光成分βは、前記集光光学系によりロッドインテグレータ８の入射面８ａ（又はその近傍）で結像してロッドインテグレータ８内に入射する。その入射位置は、入射面８ａの第２の領域Ｓ２（図３（Ｂ））である。

上記のように第２の二分の一位相差板６Ｂが、ロッドインテグレータ８の入射面８ａの第１の領域Ｓ１に配置されて、前記集光光学系が、第１の偏光成分αをロッドインテグレータ８の入射面８ａの第１の領域Ｓ１に集光させ、第２の偏光成分βをロッドインテグレータ８の入射面８ａの第２の領域Ｓ２に集光させることにより、第１，第２の光源１Ａ，１Ｂからの各光束ＬＡ，ＬＢの偏光状態が、全て第２の偏光成分βの状態になってロッドインテグレータ８に入射することになる。なお、第２の二分の一位相差板６Ｂをロッドインテグレータ８の入射面８ａの第２の領域Ｓ２に配置することにより、第１，第２の光源１Ａ，１Ｂからの各光束ＬＡ，ＬＢの偏光状態が、全て第１の偏光成分αの状態になるように、必要に応じて構成を変更してもよい。

この実施の形態では、ロッドインテグレータ８を用いた照明光学系において、空間的に偏光分離を行う前記偏光分離光学系と、同じ偏光成分の光束を角度差を利用して同じ位置に集光させる前記集光光学系と、で２灯合成を行う構成により、２灯合成と偏光変換とをコンパクトに実現している。したがって、コンパクトな照明光学系でありながら高効率・高品質の明るい照明が可能であり、明るく高品質の投影像を得ることが可能である。また、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂと第１，第２の反射面５Ａ，５Ｂとの組み合わせにより、異なる偏光成分α，βの光束に容易に角度を設けることができる。したがって、ロッドインテグレータ８の入射面８ａでの結像位置を簡単な構成で異ならせることができる。

ロッドインテグレータ８は、４枚の平面ミラーを貼り合わせて成る中空ロッド方式の光強度均一化手段であり、その入射面８ａを２次光源（又はその近傍）に有しており、前記集光光学系の集光作用を受けた後の照明光（第１，第２の光束ＬＡ，ＬＢ）の空間的なエネルギー分布を均一化する。入射面８ａから入射してきた照明光は、ロッドインテグレータ８の側面（すなわち内壁面）で何度も繰り返し反射されることによりミキシングされ、照明光の空間的なエネルギー分布が均一化されて出射面８ｂから出射する。このとき、偏光方向が壁面に対し垂直又は水平となるので、照明光は偏光方向が乱されること無く揃った状態でロッドインテグレータ８を出射することになる。

ロッドインテグレータ８の入射面８ａと出射面８ｂの形状（つまり断面形状）は、表示素子１２の画像表示面１２ａと相似（又は略相似）の四角形になっており、また、ロッドインテグレータ８の出射面８ｂと表示素子１２の画像表示面１２ａとは、照明用のリレー光学系９等により共役（略共役）になっている。したがって、上記ミキシング効果により出射面８ｂでの輝度分布が均一化されることにより、表示素子１２の画像表示面１２ａは効率良く均一に照明されることになる。つまり、ロッドインテグレータ８での反射回数に応じて複数の２次光源像がリレー光学系９の瞳位置に形成され、リレー光学系９で重畳されることによって均質な照明が行われる。なお、ロッドインテグレータ８は中空ロッドに限らず、四角柱形状のガラス体から成るガラスロッドでもよい。

ロッドインテグレータ８の後方には、リレー光学系９，第３の二分の一位相差板６Ｃ，折り返しミラー１０，第４の二分の一位相差板６Ｄ，エントランスレンズ９Ａ（図２）、プリズムユニット１１及び表示素子１２が配設されている。ロッドインテグレータ８から出射した照明光は、リレー光学系９に入射する。リレー光学系９は、エントランスレンズ９Ａと共に、ロッドインテグレータ８の出射面８ｂの像を表示素子１２の画像表示面１２ａに投影させることにより均一照明を行う。前述したように、ロッドインテグレータ８の出射面８ｂは表示素子１２の画像表示面１２ａと共役であり、ロッドインテグレータ８の出射面８ｂの形状を反射型表示素子１２の表示領域と略相似形にすることにより、高効率の照明が可能となる。

リレー光学系９から出射した照明光は、第３の二分の一位相差板６Ｃを通過した後、折り返しミラー１０で反射され、第４の二分の一位相差板６Ｄを通過する。第３の二分の一位相差板６Ｃは、リレー光学系９を経た照明光の偏光方向を、折り返しミラー１０への入射角を構成する進入面に対して平行又は垂直に変換する。こうすることにより、折り返しミラー１０で偏光が乱れることなく反射される。第４の二分の一位相差板６Ｄは、折り返しミラー１０で反射された照明光の偏光方向を、プリズムユニット１１の臨界面Ｆ２への入射角を構成する進入面に対して平行又は垂直に変換する。こうすることにより、臨界面Ｆ２で偏光が乱れることなく反射される。上記のように第３，第４の二分の一位相差板６Ｃ，６Ｄで照明光の偏光方向を入射前に制御することによって、反射面で直線偏光が乱れないようにすることができる。

第４の二分の一位相差板６Ｄから出射した照明光は、エントランスレンズ９Ａ（図２）を通過した後、プリズムユニット１１に入射する。プリズムユニット１１は、第１のプリズム１１ａと第２のプリズム１１ｂの２つのプリズムで構成されている。第１のプリズム１１ａは第１入射面Ｆ１と臨界面Ｆ２と第１出射面Ｆ３を有しており、第２のプリズム１１ｂは第２入射面Ｆ４と第２出射面Ｆ５を有している。そして、第１のプリズム１１ａの臨界面Ｆ２と第２のプリズム１１ｂの第２入射面Ｆ４とは、空気層を介して対向するように配置されている。

エントランスレンズ９Ａは、照明光がテレセントリックになるように、第１のプリズム１１ａの第１入射面Ｆ１に貼り付けられている。このエントランスレンズ９Ａを第１入射面Ｆ１に貼り付ける代わりに、第１のプリズム１１ａの第１入射面Ｆ１を曲面にして、エントランスレンズ９Ａの機能を第１のプリズム１１ａに持たせてもよい。また前述したように、エントランスレンズ９Ａはリレー光学系９と共に、照明光をリレーしてロッドインテグレータ８の出射面８ｂを表示素子１２の画像表示面１２ａ上で結像させるので、被照明領域である画像表示面１２ａ上には、ロッドインテグレータ８の出射面８ｂの像が形成されることになる。

照明光は、エントランスレンズ９Ａを経てテレセントリックな光線になり、第１入射面Ｆ１から第１のプリズム１１ａに入射する。第１のプリズム１１ａの臨界面Ｆ２は、照明光が全反射するように配置されている（すなわち、照明光は全反射条件を満たす角度で臨界面Ｆ２に到達する。）。したがって、照明光は臨界面Ｆ２で反射され、第１のプリズム１１ａの第１出射面Ｆ３から出射して、表示素子１２の画像表示面１２ａを照明する。

表示素子１２の画像表示面１２ａでは、照明光の強度変調により２次元画像が形成される。ここでは、表示素子１２としてデジタル・マイクロミラー・デバイス(digital micromirror device)を想定している。ただし、使用される表示素子１２はこれに限らず、投影光学系に適した他の反射型の表示素子（例えば液晶表示素子）を用いても構わない。デジタル・マイクロミラー・デバイスの画素は、画像表示面１２ａが構成する長方形の画像表示領域に対して４５°の回転軸（偏向軸）を有しており、その軸回りに例えば±１２°回動することにより、ＯＮ／ＯＦＦを表現する。

表示素子１２としてデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた場合、それに入射した光は、ＯＮ／ＯＦＦ状態（例えば±１２°の傾き状態）の各マイクロミラーで反射されることにより空間的に変調される。その際、ＯＮ状態のマイクロミラーで反射した光のみがプリズムユニット１１を通過することにより、表示素子１２の表示画像がスクリーン（不図示）上に拡大投影される。つまり、画像表示状態においてＯＮ状態のマイクロミラーで反射された光束（すなわち投影光）が、第１のプリズム１１ａの第１出射面Ｆ３から再び第１のプリズム１１ａに入射し、第１のプリズム１１ａの臨界面Ｆ２に到達する。投影光は、全反射条件を満たさない角度で臨界面Ｆ２に入射するため、臨界面Ｆ２を透過し、空気層を経て、第２入射面Ｆ４から第２のプリズム１１ｂに入射する。第２のプリズム１１ｂの第２出射面Ｆ５から出射した投影光は、投影レンズ１３によってスクリーン上に到達して、画像表示面１２ａの投影像を形成する。

第１，第２，第３，第４の二分の一位相差板６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄとしては、高分子フィルム，水晶板，構造性複屈折板等を用いることができる。また、第２の二分の一位相差板６Ｂの配置場所は、ロッドインテグレータ８の入射面８ａの位置に限らず、例えば、ロッドインテグレータ８の入射面８ａに対して光学的に共役な位置であるリレー光学系９の瞳位置又はその近傍でもよい。この場合、リレー光学系９の瞳位置には複数の２次光源像が形成されるため、その分布に対応した数の第２の二分の一位相差板６Ｂを配置することになる。

第１の偏光分離面４Ａ、第２の偏光分離面４Ｂ、第１の反射面５Ａ、第２の反射面５Ｂのそれぞれに、角度調整機構（図示せず）設けてもよい。ランプユニットのバラツキのためにランプの交換等によりロッドインテグレータ８の入射面８ａでの結像位置にバラツキが生じても、そのバラツキを角度調整機構で補正すれば、最適な位置設定にして明るい投影像を得ることができる。

《第２の実施の形態（図４）》
図４に、照明光学系及び投影装置の第２の実施の形態の要部を示す。第２の実施の形態は前記第１の実施の形態（図１等）の変形例であり、ロッドインテグレータ８以降は第１の実施の形態と同様の光学構成になっているが、集光光学系及び偏光分離光学系の構成は第１の実施の形態と異なっている（図４中、カラーホイール７は図示省略する。）。つまり、第１，第２の偏光分離面４Ａ，４Ｂと第１，第２の反射面５Ａ，５Ｂの代わりに複屈折回折格子１５を偏光分離光学系として用い、第１〜第３のコンデンサーレンズ３Ａ，３Ｂ，３Ｃの代わりにコンデンサーレンズ３を集光光学系として用いた構成になっている。したがって、偏光分離光学系が第１，第２の偏光分離面等を有していない点で、第２の実施の形態は本発明の参考のための一形態にすぎず、本発明には属さないものである。なお、ロッドインテグレータ８の入射面８ａの第１の領域Ｓ１（図３）には、第２の二分の一位相差板６Ｂの代わりに二分の一位相差板６が設けられているが、その構成・機能は同じである。

複屈折回折格子１５は、複屈折材料で構成された回折格子である。第１，第２の光束ＬＡ，ＬＢが複屈折回折格子１５を通過すると、偏光成分により回折作用に差が生じるため、光束ＬＡ，ＬＢの進行方向に差が生じる。本実施の形態では複屈折回折格子１５として、ガラス基板に樹脂成型でブレーズ型の回折格子を形成し、回折格子に対向するガラス基板で液晶を封入したものを想定している。液晶分子をブレーズ方向に揃え、その方向の偏光方向の液晶分子の屈折率と回折格子を形成する樹脂の屈折率とが等しく、それに直交する偏光方向の液晶分子の屈折率が樹脂の屈折率とは異なる構成になっている。このため、同じ屈折率の方向では回折格子としては作用せず、その方向の偏光成分の光束は直進するが、直交する方向の偏光成分の光束には回折格子として作用し、回折角の方向に進行することになる。したがって、異なる偏光成分α，βの光束が角度差を持ってコンデンサーレンズ３に入射するので、異なる位置に結像することになる。なお、複屈折回折格子としては、構造性複屈折により偏光分離を行うものを用いてもよい。

第１，第２の光源１Ａ，１Ｂ及び第１，第２のリフレクタ２Ａ，２Ｂは並列して配置されているため、放物面形状の反射面をそれぞれ有する第１，第２のリフレクタ２Ａ，２Ｂからは共に同じ方向に平行光が出射される。複屈折回折格子１５で回折作用を受け、偏角されて進行する第１，第２の光源１Ａ，１Ｂからの第１の偏光成分αの光束は、共通のコンデンサーレンズ３を透過し、ロッドインテグレータ８の入射面８ａの第１の領域Ｓ１（図３）で結像する。一方、複屈折回折格子１５を直進する第１，第２の光源１Ａ，１Ｂからの第２の偏光成分βの光束は、共通のコンデンサーレンズ３を透過し、ロッドインテグレータ８の入射面８ａの第２の領域Ｓ２（図３）で結像する。

ロッドインテグレータ８の入射面８ａの第１の領域Ｓ１には二分の一位相差板６が配置されているので、第１の偏光成分αは第２の偏光成分βと同じ偏光状態に変化する。したがって、第１，第２の光源１Ａ，１Ｂからの各光束ＬＡ，ＬＢの偏光状態が、全て第２の偏光成分βの状態になってロッドインテグレータ８に入射することになる。なお、第２の二分の一位相差板６をロッドインテグレータ８の入射面８ａの第２の領域Ｓ２に配置することにより、第１，第２の光源１Ａ，１Ｂからの各光束ＬＡ，ＬＢの偏光状態が、全て第１の偏光成分αの状態になるように、必要に応じて構成を変更してもよい。

《各実施の形態の特徴点等》
上述した記載から分かるように、各実施の形態には以下の照明光学系及び投影装置の構成（＃１）〜（＃９）が含まれている。

（＃１）：第１の光束を出射する第１の光源と、第２の光束を出射する第２の光源と、前記第１，第２の光束を集光する集光光学系と、前記第１，第２の光束を第１の偏光成分と第２の偏光成分とに分離する偏光分離光学系と、前記第１の偏光成分を前記第２の偏光成分と同じ偏光状態に変化させる二分の一位相差板と、前記集光光学系の集光作用を受けた後の第１，第２の光束の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータの出射面の像を被照明領域に結像させるリレー光学系と、を備え、前記集光光学系が、前記第１の偏光成分を前記ロッドインテグレータの入射面の第１の領域に集光させ、前記第２の偏光成分を前記ロッドインテグレータの入射面の第２の領域に集光させ、前記二分の一位相差板が、前記ロッドインテグレータの入射面の第１の領域又はその共役位置に配置されていることを特徴とする照明光学系。

（＃２）：前記偏光分離光学系が、前記第１の光束のＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる第１の偏光分離面と、前記第１の偏光分離面を透過したＰ偏光成分を反射し、前記第１の偏光分離面で反射したＳ偏光成分と角度差をもって再び第１の偏光分離面を透過させる第１の反射面と、前記第２の光束のＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる第２の偏光分離面と、前記第２の偏光分離面を透過したＰ偏光成分を反射し、前記第２の偏光分離面で反射したＳ偏光成分と角度差をもって再び第２の偏光分離面を透過させる第２の反射面と、を有することを特徴とする（＃１）記載の照明光学系。

（＃３）：前記偏光分離光学系が、さらに、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＳ偏光成分を前記第１の偏光成分に変換し、かつ、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＰ偏光成分を前記第２の偏光成分に変換するか、又は前記第１，第２の偏光分離面から出射したＳ偏光成分を前記第２の偏光成分に変換し、かつ、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＰ偏光成分を前記第１の偏光成分に変換する偏光変換素子を有することを特徴とする（＃２）記載の照明光学系。

（＃４）：前記第１，第２の偏光分離面がワイヤグリッドで構成されていることを特徴とする（＃２）又は（＃３）記載の照明光学系。

（＃５）：前記偏光分離光学系が複屈折回折格子から成ることを特徴とする（＃１）記載の照明光学系。

（＃６）：前記集光光学系が、放物面鏡又は楕円鏡から成るリフレクタと、コンデンサーレンズと、を有することを特徴とする（＃１）〜（＃５）のいずれか１項に記載の照明光学系。

（＃７）：前記リフレクタが、前記第１の光束を集光する第１のリフレクタと、前記第２の光束を集光する第２のリフレクタと、から成り、前記コンデンサーレンズが、前記第１のリフレクタで反射した第１の光束を集光する第１のコンデンサーレンズと、前記第２のリフレクタで反射した第２の光束を集光する第２のコンデンサーレンズと、前記第１，第２のコンデンサーレンズを通過した第１，第２の光束を共に集光させる第３のコンデンサーレンズから成ることを特徴とする（＃６）記載の照明光学系。

（＃８）：（＃１）〜（＃７）のいずれか１項に記載の照明光学系と、その照明光学系により照明される画像表示面を有する表示素子と、前記画像表示面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とする投影装置。

（＃９）：前記表示素子が単一のデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、さらに、前記ロッドインテグレータの入射面近傍にカラーホイールを有することを特徴とする（＃８）記載の投影装置。

構成（＃１）によれば、ロッドインテグレータを用いた照明光学系において、空間的に偏光分離を行い、角度差を利用して同じ偏光成分の光線を同じ位置に集光させ２灯合成を行う構成になっているため、２灯合成と偏光変換をコンパクトに実現することができる。つまり、２つの光源からの光束を偏光特性の同じものについてロッドインテグレータの入射面の同じ領域に集光させることにより２灯合成を行い、また、異なる偏光成分の光束をロッドインテグレータの入射面の異なる領域に集光させ、一方の偏光成分を他方に変換することで偏光変換を行う構成になっているため、高効率・高品質の明るい照明が可能でコンパクトな照明光学系を実現することができる。そして、その照明光学系を備えることにより明るく高品質の投影像が得られる投影装置を実現することができる。

なお、二分の一位相差板の位置は、ロッドインテグレータの入射面の第１の領域に限らず、その共役位置でもよい。例えば、リレー光学系内の共役位置（瞳位置又はその近傍）、すなわちリレー光学系内におけるロッドインテグレータの入射面の第１の領域に共役な位置でもよい。第１，第２の領域に対応するように第１，第２の偏光成分が交互に並ぶことになるので、第１の領域に対応する位置に二分の一位相差板を配置すればよい。

構成（＃２）によれば、第１，第２の偏光分離面と第１，第２の反射面とを用いることにより、異なる偏光成分の光束に容易に角度を設けることができる。したがって、ロッドインテグレータの入射面での結像位置を簡単な構成で異ならせることができる。

構成（＃３）のような偏光変換素子を用いることにより、ロッドインテグレータの入射面での偏光方向を任意に設定することができる。

構成（＃４）のようにワイヤグリッドを用いることにより、反射を利用して異なる偏光成分の光束のロッドインテグレータの入射面での結像位置を異ならせる場合でも、偏光分離特性の角度依存性が小さく、その反射角度を任意に設定できる。したがって、光源のレイアウトの自由度が高まりコンパクトな構成が実現可能である。さらに、軽量化もできる。構成（＃５）のように偏光分離光学系として複屈折回折格子を用いることにより、照明光学系及び投影装置の更なるコンパクト化及び軽量化が可能となる。

構成（＃６）、好ましくは構成（＃７）によれば、偏光分離性能とコンパクト性とのバランスをとりながら、より高効率・高品質の明るい照明が可能となる。

構成（＃８）によれば、偏光の利用効率の高い明るい投影装置が得られ、３Ｄの投影像やコントラストの良い投影像が明るい投影像で、大画面での鑑賞が可能となる。また、構成（＃９）によれば、ロッドインテグレータに好適なデジタル・マイクロミラー・デバイスを用いた投影装置において、偏光変換と２灯合成を実現し、ゴースト等の発生で品質を損なうこと無く、明るい３Ｄ投影像やコントラストの高い投影像を得ることができる。

１Ａ，１Ｂ 第１，第２の光源
２Ａ，２Ｂ 第１，第２のリフレクタ（集光光学系）
３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 第１，第２，第３のコンデンサーレンズ（集光光学系）
４Ａ，４Ｂ 第１，第２の偏光分離面（偏光分離光学系）
５Ａ，５Ｂ 第１，第２の反射面（偏光分離光学系）
６ 二分の一位相差板
６Ａ 第１の二分の一位相差板（偏光変換素子）
６Ｂ 第２の二分の一位相差板（二分の一位相差板）
６Ｃ 第３の二分の一位相差板
６Ｄ 第４の二分の一位相差板
７ カラーホイール
８ ロッドインテグレータ
８ａ ロッドインテグレータの入射面
８ｂ ロッドインテグレータの出射面
９ リレー光学系
１１ プリズムユニット
１１ａ，１１ｂ 第１，第２のプリズム
１２ 表示素子
１２ａ 画像表示面（被照明領域）
１３ 投影レンズ（投影光学系）
１５ 複屈折回折格子（偏光分離光学系）
α，β 第１，第２の偏光成分
ＬＡ，ＬＢ 第１，第２の光束
Ｓ１，Ｓ２ 第１，第２の領域

Claims (7)

1. 第１の光束を出射する第１の光源と、第２の光束を出射する第２の光源と、前記第１，第２の光束を集光する集光光学系と、前記第１，第２の光束を第１の偏光成分と第２の偏光成分とに分離する偏光分離光学系と、前記第１の偏光成分を前記第２の偏光成分と同じ偏光状態に変化させる二分の一位相差板と、前記集光光学系の集光作用を受けた後の第１，第２の光束の空間的なエネルギー分布を均一化するロッドインテグレータと、前記ロッドインテグレータの出射面の像を被照明領域に結像させるリレー光学系と、を備え、
   前記集光光学系が、前記第１，第２の光束の第１の偏光成分を前記ロッドインテグレータの入射面の第１の領域に集光させ、前記第１，第２の光束の第２の偏光成分を前記ロッドインテグレータの入射面の第２の領域に集光させ、前記二分の一位相差板が、前記ロッドインテグレータの入射面の第１の領域又はその共役位置に配置されており、
   前記偏光分離光学系が、前記第１の光束のＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる第１の偏光分離面と、前記第１の偏光分離面を透過したＰ偏光成分を反射し、前記第１の偏光分離面で反射したＳ偏光成分と角度差をもって再び第１の偏光分離面を透過させる第１の反射面と、前記第２の光束のＳ偏光成分を反射し、Ｐ偏光成分を透過させる第２の偏光分離面と、前記第２の偏光分離面を透過したＰ偏光成分を反射し、前記第２の偏光分離面で反射したＳ偏光成分と角度差をもって再び第２の偏光分離面を透過させる第２の反射面と、を有することを特徴とする照明光学系。
2. 前記偏光分離光学系が、さらに、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＳ偏光成分を前記第１の偏光成分に変換し、かつ、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＰ偏光成分を前記第２の偏光成分に変換するか、又は前記第１，第２の偏光分離面から出射したＳ偏光成分を前記第２の偏光成分に変換し、かつ、前記第１，第２の偏光分離面から出射したＰ偏光成分を前記第１の偏光成分に変換する偏光変換素子を有することを特徴とする請求項１記載の照明光学系。
3. 前記第１，第２の偏光分離面がワイヤグリッドで構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の照明光学系。
4. 前記集光光学系が、放物面鏡又は楕円鏡から成るリフレクタと、コンデンサーレンズと、を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記リフレクタが、前記第１の光束を集光する第１のリフレクタと、前記第２の光束を集光する第２のリフレクタと、から成り、前記コンデンサーレンズが、前記第１のリフレクタで反射した第１の光束を集光する第１のコンデンサーレンズと、前記第２のリフレクタで反射した第２の光束を集光する第２のコンデンサーレンズと、前記第１，第２のコンデンサーレンズを通過した第１，第２の光束を共に集光させる第３のコンデンサーレンズから成ることを特徴とする請求項４記載の照明光学系。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の照明光学系と、その照明光学系により照明される画像表示面を有する表示素子と、前記画像表示面の画像をスクリーン面上に拡大投影する投影光学系と、を備えたことを特徴とする投影装置。
7. 前記表示素子が単一のデジタル・マイクロミラー・デバイスであり、さらに、前記ロッドインテグレータの入射面近傍にカラーホイールを有することを特徴とする請求項６記載の投影装置。

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