JPH09171157A

JPH09171157A - 照明装置

Info

Publication number: JPH09171157A
Application number: JP18010696A
Authority: JP
Inventors: Satoru Nakayama; 悟中山; Tadaaki Nakayama; 唯哲中山
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-10-20
Filing date: 1996-06-20
Publication date: 1997-06-30

Abstract

(57)【要約】【構成】光源ランプ１０から放射された無偏光光束
は、リフレクタ１１で反射されてほぼ平行な光束とな
る。この光束は偏光分離プリズム１７で反射され、わず
かに進行方向の異なるＳ偏光とＰ偏光に分離される。そ
して第１レンズ板１２と第２レンズ板１３で構成される
オプティカルインテグレータに入射する。第２レンズ板
１３の付近に１／２波長板１８が選択的に配置されてお
り、全ての光束が同じ偏光方向を有する偏光光束に変換
される。矩形形状の照明対象１５は、均一な照度の偏光
光束で照明される。【効果】偏光光を変調する方式の液晶パネルを用いた
投影表示装置の照明系として用いれば、明るく高品位な
表示を実現できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、液晶パネルを用いた投
影表示装置等に使用される照明装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の照明装置には、その光束出射部分
にオプティカルインテグレータと呼ばれる光学素子が組
み込まれたものが知られている。例えば、米国特許５，
０９８，１８４号広報には、このオプティカルインテグ
レータが組み込まれた照明装置が開示されている。オプ
ティカルインテグレータを用いた照明系の原理が図１
（Ａ），（Ｂ）に示されている。光源ランプ１０から放
射された光束は、リフレクタ１１によってほぼ平行な光
束とされ、まず第１レンズ板１２に入射する。この第１
レンズ板１２は、図１（Ｂ）に示されるように、矩形に
カットされた矩形レンズ１６がマトリックス状に配置さ
れた構成をしている。それぞれの矩形レンズ１６に入射
した平行光束は、それぞれの矩形レンズ１６の焦点位置
に集光される。その集光される位置には、第２レンズ板
１３が配置されており、この第２レンズ板１３は第１レ
ンズ板１２と同一のものを用いる。次に集光レンズ１４
が配置され、このレンズの焦点位置には、照明対象１５
がある。第２レンズ板１３と集光レンズ１４は、照明対
象１５上に第１レンズ板１２における各矩形レンズ１６
の像を重畳結像する。オプティカルインテグレータを用
いた照明系は、照明対象を均一に、しかも効率良く照明
する手段として、非常に有効な方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら従来の照
明装置を液晶パネルを用いた投影表示装置に使用する
と、光源から放射された無偏光光束がそのまま液晶パネ
ルに照射されるため、偏光光を利用する液晶パネルで
は、液晶パネルの直前に偏光板が配置され、照明される
光束の半分以上が偏光板によって吸収され、光の利用効
率が低くなるという問題点があった。

【０００４】そこで本発明による照明装置は、このよう
な問題点を解決するためのもので、その目的とするとこ
ろは、照明対象を均一で効率よく、しかも光源の無偏光
光から効率よく変換された偏光光で照明する照明装置を
提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明の照明装置は、無
偏光光束を出射する光源装置と、複数のレンズを平面的
に並べた第１レンズ板と、同様に複数のレンズを平面的
に並べた第２レンズ板とを含んで構成され、照明対象を
均一な照度で照明する照明装置であって、前記光源装置
と前記第１レンズ板との間に、可視光に対する偏光反射
面と全反射面を含み、互いに垂直な二つの偏光光束を異
なる角度で反射させる偏光分離プリズムが配置され、さ
らに前記第２レンズ板の付近に、入射光束の偏光方向を
回転させる１／２波長板が選択的に配置され、照明対象
が均一な照度の偏光光束で照明されることを特徴とす
る。

【０００６】また、本発明の照明装置は、無偏光光束を
出射する光源装置と、オプティカルインテグレータを含
んで構成され、照明対象を均一な照度で照明する照明装
置であって、前記光源装置と前記オプティカルインテグ
レータとの間に、可視光に対する偏光反射面と全反射面
を含み、互いに垂直な二つの偏光光束を異なる角度で反
射させる偏光分離プリズムが配置され、さらにこの偏光
分離プリズムとオプティカルインテグレータの間にリレ
ーレンズを配置し、このリレーレンズ付近に形成される
２つの偏光スポットのうち一方を１／２波長板で偏光方
向を回転させることによって全ての光束を同じ方向の偏
光光に変換し、照明対象が均一な照度の偏光光束で照明
されることを特徴とする。

【０００７】

【実施例】本発明の照明装置の基本構成を、図２に示
す。光源ランプ１０から放射された光束は、リフレクタ
１１で反射されほぼ平行な光束となる。光源ランプ１０
としては、メタルハライドランプ，キセノンランプ，ハ
ロゲンランプなどが用いられ、またリフレクタ１１の曲
面形状としては、放物面や楕円面などが用いられる。こ
の出射光束は無偏光光束であるため、互いに垂直な２つ
の偏光光束（Ｐ偏光とＳ偏光）を同じ光量ずつ含んでい
る。この無偏光光束は、偏光分離プリズム１７に入射し
て反射され、Ｐ偏光とＳ偏光が方向的に分離されて出射
する。次に第１レンズ板１２と第２レンズ板１３で構成
されるオプティカルインテグレータに入射するが、第２
レンズ板１３の付近には、１／２波長板１８が選択的に
配置されており、一方の偏光光の偏光方向をもう一方の
偏光光の偏光方向と同一になるよう変換する。図２で
は、Ｐ偏光の入射部分に１／２波長板１８を配置して、
全ての出射光束がＳ偏光となってオプティカルインテグ
レータを出射する。そして出射した偏光光束は、集光レ
ンズ１４を通過して液晶パネル１５に集光され、液晶パ
ネル１５の表示面を均一な照度の偏光光束で照明する。

【０００８】図３は、偏光分離プリズム１７の構成と原
理を示す図である。偏光分離プリズム１７は、２つの硝
材プリズム１９，４１とそれらの間に配置される偏光反
射面２１で構成される。偏光反射面２１には偏光ビーム
スプリッターに含まれる誘電体多層膜と同じものが用い
られる。この偏光分離プリズム１７に入射する無偏光光
（Ｐ＋Ｓ）は、まず偏光反射面２１に入射してＳ偏光は
反射され、Ｐ偏光は透過する。透過したＰ偏光は、次に
硝材プリズム４１の全反射面２０で反射され再び偏光反
射面２１を透過する。この全反射面２０と偏光反射面２
１は、わずかに異なる角度（２α）で配置されているの
で、反射されたＳ偏光とＰ偏光は４αの角度だけ反射方
向が異なっている。なお、全反射面２０には誘電体多層
膜が蒸着されてもよい。

【０００９】図４は、偏光分離プリズム１７の別の構成
を示す図である。図３の例では、入射光（Ｐ＋Ｓ）が２
つの反射光（Ｐ，Ｓ）を含む平面内にある。本例では、
入射光（Ｐ＋Ｓ）は、２つの反射光（Ｐ＋Ｓ）を含む平
面に直角である。この場合も偏光反射面２１と全反射面
２０は２αの角度をもって配置されており、反射したＰ
偏光とＳ偏光は、それぞれの進行方向が４αだけ異なっ
ている。

【００１０】図５は、偏光分離プリズム１７の構成例を
示す図である。偏光分離プリズム１７は硝材で構成する
以外に、液体を用いる方法がある。この場合、光束の入
射部と出射部にはそれぞれガラス板２３，２４が配置さ
れ、Ｐ偏光の反射部には全反射板２６が配置される。そ
れらで囲まれた内部には例えばエチレングリコールのよ
うな液体２７が充填される。そして、表面に誘電体多層
膜のコーティングされたガラス板である偏光反射板２５
が内部に配置される。

【００１１】図６（Ａ）は、オプティカルインテグレー
タ部分の構成と偏光変換の原理を説明する図である。第
１レンズ板１２には、進行方向のわずかに異なるＳ偏光
とＰ偏光が入射する。第１レンズ板１２の各矩形レンズ
は、入射光束を第２レンズ板１３上に集光するが、Ｓ偏
光とＰ偏光では、集光位置が異なる。この様子が、図６
（Ｂ）に示されている。この図は、第２レンズ板１３と
選択的に配置された１／２波長板１８を平面的に見たも
のであるる。第２レンズ板１３の構成は、すでに図１
（Ｂ）で示された場合と同一であり、横長の矩形レンズ
がマトリックス状に配置されている。各矩形レンズ内に
は、集光スポット３０が二つずつ形成され、一方はＳ偏
光で、もう一方はＰ偏光である。一方の偏光スポットの
ある部分に選択的に１／２波長板１８が配置されると、
この図の場合はストライプ状に１／２波長板１８が配置
されることになる。従って、この第２レンズ板１３を通
過した光束は、すべて同じ偏光方向を有する偏光光束に
変換される。なお、１／２波長板１８は、第２レンズ板
１３に貼付することで容易に形成することができる。

【００１２】図７（Ａ）には、偏光分離プリズムの別な
構成が示されている。この偏光分離プリズム５１は、２
つの硝材プリズム５２，５３とそれらの間にある偏光反
射面５４で構成されており、この偏光反射面５４は、無
偏光光に含まれる互いに垂直な２つの偏光光のうち、一
方を反射させる。そして偏光反射面５４を透過したもう
一方の偏光光は、硝材プリズム５２における空気との境
界面で全反射され、再び偏光反射面５４を通過する。偏
光反射面５４と全反射面はわずかに方向が異なっている
ので、反射された２つの偏光光束は方向的に分離され
る。この偏光反射面５４としては、複屈折性のある物
質、例えば液晶を用いて形成することができる。液晶を
用いる場合は二つの硝材プリズム５２，５３の間に液晶
を偏光反射面５４の方向ベクトルに垂直にホモジニアス
配向させる。例えば液晶の屈折率が、常光に対して１．
５、異常光に対して１．７のものを用いるとき、硝材の
屈折率は１．７のものが選択される。このとき、入射す
る無偏光光に含まれる常光は、液晶面で全反射され異常
光は透過することになる。また、入射光が偏光反射面に
入射する角度θは、この場合３０度程度の値となる。図
７（Ｂ）には、この偏光分離プリズムを用いた照明装置
の構成例が示されている。光源ランプ１０からの放射光
はリフレクタ１１で反射され、平行化レンズ５０を照明
する。リフレクタ１１には、すでに述べた楕円面や放物
面のほかに、特開平５−３２３２５８号広報に開示され
たような、傾斜楕円を用いる方法があり、ここでは傾斜
楕円リフレクタで平行化レンズ５０の円形内を照明する
ことが好ましい。平行化レンズ５０には、凸レンズ、凹
レンズ、非球面レンズのいずれかが用いられ、この平行
化レンズ５０を通過すると、平行で均一性の良い光束と
なる。平行化レンズ５０から出射した無偏光光束は、次
に偏光分離プリズム５１に入射して反射され、わずかに
進行方向の異なる２つの偏光光に分離される。そして、
方向的に分離された２つの偏光光は、オプティカルイン
テグレータ２の第１レンズ板３を通過し、第２レンズ板
４の各矩形レンズ内に偏光光による２つの光束スポット
３４を形成する。２つの偏光光は集光位置で分離される
ので、この面に１／２波長板１８を配置すれば、互いに
垂直な２つの偏光光を同じ方向の偏光光に変換すること
ができる。なお、平行化レンズ５０は、オプティカルイ
ンテグレータ２の入射側に配置されてもよく、その場合
もリフレクタ１１は平行化レンズ５０の円形内を照明す
るように設計される。また、リフレクタ１１を放物面リ
フレクタとした場合は、平行化レンズ５０は不要であ
る。ここで説明したような、平行化レンズ５０を用いる
方法は、すでに説明した図２の場合にも適用することが
できる。

【００１３】図８（Ａ）は、本発明の照明装置の構成例
を示す図である。偏光分離プリズム３２の構成は、基本
的に図３の場合と同じであるが、偏光反射面２１と全反
射面２０がある程度離れた位置にある。集光レンズ３３
は各偏光光を平行化レンズ３５上で合成する。平行化レ
ンズ３５は凹レンズであり、入射光を平行化する。オプ
ティカルインテグレータ２の第２レンズ板４内の各矩形
レンズ内には２つの光束スポット３４が形成され、それ
ぞれＳ偏光とＰ偏光である。１／２波長板１８は第２レ
ンズ板４に貼り付けられ、一方の偏光の方向をもう一方
の偏光の方向に揃える。この構成は、オプティカルイン
テグレータ２が比較的小さく設計されたときに有効であ
る。

【００１４】図８（Ｂ）には、本発明の照明装置のさら
に別な構成例が示されている。光源ランプ１０からの放
射光は放物面リフレクタ１１で平行化される。偏光分離
プリズム１７は、入射光に含まれているＳ偏光とＰ偏光
を方向的に分離する。両偏光光は、集光レンズ３６に入
射して、リレーレンズ３７に向けて集光される。このリ
レーレンズ３７の位置で、Ｓ偏光のスポット３９とＰ偏
光のスポット４０が異なる位置に形成されるので、一方
の偏光光を１／２波長板１８によって偏光方向を回転さ
せ、もう一方の偏光光と同じ方向に変換する。リレーレ
ンズ３７は集光レンズ３６の像を平行化レンズ３８上に
縮小結像する。平行化レンズ３８を通過した光束は平行
化されてオプティカルインテグレータ２に入射する。第
２レンズ板４の各矩形レンズ内には、Ｓ偏光スポット３
９とＰ偏光スポット４０に対応する２つの光束スポット
３４が形成される。この構成では、リレーレンズ３７の
焦点距離を変えることで、オプティカルインテグレータ
２がいかなるサイズであっても対応することができる。
ここでは、１／２波長板１８をリレーレンズ３７付近に
配置したが、前述の場合のように第２レンズ板４の付近
に選択的に配置してもよい。

【００１５】

【発明の効果】以上、実施例に基づいて述べてきたよう
に、本発明による照明装置では、光源から放射される無
偏光光束を偏光光に変換し、矩形の照明対象を均一な照
度の偏光光束で効率よく照明することができる。従っ
て、本照明装置を液晶パネルを用いた投影表示装置の照
明系として使用すれば、明るく高品位な表示を実現する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）従来の照明装置の構成を示す図。（Ｂ）従来の照明装置に用いられたレンズ板の構成を示
す図。

【図２】本発明の照明装置の構成を示す図。

【図３】本発明の照明装置に用いられる偏光分離プリズ
ムの構成と原理を示す図。

【図４】本発明の照明装置に用いられる偏光分離プリズ
ムの構成例を示す図。

【図５】本発明の照明装置に用いられる偏光分離プリズ
ムの構成例を示す図。

【図６】（Ａ）本発明の照明装置における偏光変換の原
理を示す図。（Ｂ）本発明の照明装置における偏光変換の原理を示す
図。

【図７】（Ａ）本発明の照明装置に用いられる偏光分離
プリズムの構成を示す図。（Ｂ）本発明の照明装置の構成を示す図。

【図８】（Ａ）本発明の照明装置の構成を示す図。（Ｂ）本発明の照明装置の構成を示す図。

【符号の説明】

１０光源ランプ１１リフレクタ１２第１レンズ板１３第２レンズ板１４集光レンズ１５照明対象（液晶パネル）１７偏光分離プリズム１８１／２波長板２１偏光反射面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】無偏光光束を出射する光源装置と、複数
のレンズを平面的に並べた第１レンズ板と、同様に複数
のレンズを平面的に並べた第２レンズ板とを含んで構成
され、照明対象を均一な照度で照明する照明装置におい
て、前記光源装置と前記第１レンズ板との間に、可視光
に対する偏光反射面と全反射面を含み、互いに垂直な二
つの偏光光束を異なる角度で反射させる偏光分離プリズ
ムが配置され、さらに前記第２レンズ板の付近に、入射
光束の偏光方向を回転させる１／２波長板が選択的に配
置され、照明対象が均一な照度の偏光光束で照明される
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】無偏光光束を出射する光源装置と、オプ
ティカルインテグレータを含んで構成され、照明対象を
均一な照度で照明する照明装置において、前記光源装置
と前記オプティカルインテグレータとの間に、可視光に
対する偏光反射面と全反射面を含み、互いに垂直な二つ
の偏光光束を異なる角度で反射させる偏光分離プリズム
が配置され、さらにこの偏光分離プリズムとオプティカ
ルインテグレータの間にリレーレンズを配置し、このリ
レーレンズ付近に形成される２つの偏光スポットのうち
一方を１／２波長板で偏光方向を回転させることによっ
て全ての光束を同じ方向の偏光光に変換し、照明対象が
均一な照度の偏光光束で照明されることを特徴とする照
明装置。