WO2003001277A1 - Systeme d'eclairage optique et projecteur - Google Patents

Description

明 細 書 照明光学系およびプロジェクタ 技術分野

この発明は、 光源から射出された光の面内照度分布を均一化する照明光学系、 および、 そのような光学系を有するプロジェクタに関するものである。 背景技術

液晶プロジェクタとして、 3個の反射型液晶パネルを使用するいわゆる 3板式 の反射型液晶プロジェクタが知られている。 3板式の反射型液晶プロジェクタは、 光源から発せられた光を、 色分離系によって光の 3原色である赤 （R) 、 緑 （G ) 、 青 （B ) の色光に分光し、 分光した色光によって色光毎の 3個の反射型液晶 パネルを照明し、 各反射型液晶パネルによつて変調された 3原色の光を色合成し、 それにより得られるカラー画像を投写レンズによってスクリーン上に拡大投写す る。

上述の反射型液晶プロジェクタでは、 装置の小型化を重視して、 光軸に対して 4 5 ° に配置したダイクロイツク面を備えた光学素子を色分離や色合成に用いる 場合が多い。 しかし、 このようなプロジェクタでは、 ダイクロイツク面の分光特 性の偏光依存性によって色ムラを発生しやすく、 高画質化が難しいと云う問題が ある。

そこで、 ダイクロイツク面の特性を考慮して、 色ムラが発生し難く、 高画質ィ匕 を実現する光学系が幾つか提案されている。 例えば、 特開平 7— 8 4 2 1 8号公 報、 特開平 1 1— 6 4 7 9 4号公報には、 ダイクロイック面に代えて、 波長選択 位相差板や分光機能を備えた偏光ビームスプリッタを使用して分光を行う光学系 が提案されている。 しかしながら、 波長選択位相差板や分光機能を備えた偏光ビ 一ムスプリッタにおいて、 急峻に変化する分光特性を実現することは難しく、 高 価なものになってしまうという課題があった。

従って、 この発明は、 特定の色光の偏光方向が他の色光のそれに対して約 9 0 ° 異なる照明光を効率よく生成し、 その様な照明光で被照明領域を均一な照度分 布で照明できる照明光学系を提供することを目的とする。 さらに、 その様な照明 光学系を適用することによって、 色分離 ·合成光学系を構成するダイクロイツク 面における分光特性の偏光依存性を軽減し、 高画質な投写画像を表示するプロジ ェクタを提供することを目的としている。 発明の開示

この発明による第 1の照明光学系は、 光源からの光を複数の部分光束に分割し て各部分光束を集光する光束分割光学素子と、 それぞれの前記部分光束を第 1色 の部分光束と第 2色の部分光束とに分離し、 第 1色の部分光束と第 2色の部分光 束をそれぞれ異なる方向に、 または平行な状態で射出する色光分離光学素子と、 複数の偏光分離膜と複数の反射膜とが交互に配列された偏光ビームスプリッタァ レイと、 前記偏光分離膜を透過した光が射出される位置または前記反射膜によつ て反射された光が射出される位置に設けられた偏光方向回転素子とを具備し、 前 記偏光分離膜に入射する前記第 1色の部分光束を第 1の偏光方向に揃え、 前記反 射膜に入射する前記第 2色の部分光束を第 2の偏光方向に揃えて射出する偏光変 換素子と、 前記偏光変換素子の入射側または射出側に配置され、 前記光束分割光 学素子によって形成される像を被照明領域に伝達する伝達光学素子と、 前記偏光 変換素子より射出される部分光束を被照明領域で重畳させる重畳光学素子と、 を 有しているものである。

この構成によれば、 光源からの光が、 まず、 光束分割光学素子によって複数の 部分光束に分割および集光され、 その複数の部分光束のそれぞれが、 色光分離光 学素子によって第 1色の部分光束と第 2色の部分光束とに分離される。 分離され た第 1色、 第 2色の色光は、 偏光ビームスプリッタアレイと偏光方向回転素子と を備えた偏光変換素子に入射し、 色光毎に所望の偏光状態を有する第 1色の部分 光束と第 2色の部分光束とに変換される。 ここで、 偏光ビームスプリッタアレイ は一対の偏光分離膜と反射膜とを複数対配置した構造を有しており、 偏光分離膜 或いは反射膜の位置に対応させて偏光方向回転素子が、 偏光ビームスプリッタァ レイの射出側に位置選択的に配置されている。 例えば、 偏光分離膜の射出側にの み偏光方向回転素子が配置される。 したがって、 第 1色の部分光束と第 2色の部 分光束のうち、 一方は偏光分離膜に入射し、 他方は反射膜に選択的に入射する。 さらに、 第 1色、 第 2色の部分光束は、 それぞれ、 偏光ビームスプリッタアレイ において 2種類の偏光光束、 すなわち、 偏光分離膜を透過する第 1の偏光方向を 有する部分光束と偏光分離膜で反射される第 2の偏光方向を有する部分光束とに 分離される。 この 2種類の偏光光束のうち、 一方の偏光光束の偏光方向が; 1 2 波長板のような位相差板 （偏光方向回転素子） を通過することによって約 9 0 ° 回転される。 第 1色の部分光束と第 2色の部分光束は異なる膜 （偏光分離膜と反 射膜） に入射するため、 第 1色の部分光束は第 1の偏光方向に、 第 2色の部分光 束は第 2の偏光方向にという具合に、 第 1色の部分光束と第 2色の部分光束とは 異なる偏光方向に揃えられることになる。

たとえば、 第 1色の部分光束はすべて S偏光、 第 2色の部分光束はすべて P偏 光の光に揃えられる。 そして、 これらの部分光束は、 重畳光学素子を介して被照 明領域で重畳される。 伝達光学素子は、 各部分光束を被照明領域に伝達する機能 を有している。 この伝達光学素子は、 偏光変換素子の入射側に配置することも、 射出側に配置することも可能である。 伝達光学素子を偏光変換素子の入射側に配 置すれば、 各部分光束を偏光変換素子に対して所定の角度で入射することが可能 となり、 偏光分離膜における偏光分離性能を高めやすい。 よって、 照明効率の点 では、 伝達光学素子を偏光変換素子の入射側に配置した方が有利である。 一方、 伝達光学素子を偏光変換素子の射出側に配置すれば、 伝達光学素子に重畳光学素 子の機能を持たせることにより、 重畳光学素子と伝達光学素子とを一体の光学素 子で構成することも可能である。 よって、 部品点数を削減したい場合には、 伝達 光学素子を偏光変換素子の射出側に配置した方が有利である。 本発明による第 1 の照明光学系は、 以上説明した通り、 光源からの非偏光な光を、 予め色光毎に偏 光方向が揃った偏光光束に変換しているため、 照明光学系よりも光路下流側に配 置されるダイクロイツクブリズムゃ偏光ビームスプリッタなどの光学要素の偏光 依存性を軽減することができる。 よって、 照明効率を高めることが可能となる。 また、 この発明による第 2の照明光学系は、 光源からの光を第 1の色光と第 2 の色光とに分離し、 第 1の色光と第 2の色光をそれぞれ異なる方向に、 または平 行な状態で射出する色光分離光学素子と、 前記第 1の色光を複数の第 1色の部分 光束に分割し、 前記第 2の色光を複数の第 2色の部分光束に分割して各部分光束 を集光する光束分割光学素子と、 複数の偏光分離膜と複数の反射膜とが交互に配 列された偏光ビームスプリッタアレイと、 前記偏光分離膜を透過した光が射出さ れる位置または前記反射膜によって反射された光が射出される位置に設けられた 偏光方向回転素子とを具備し、 前記偏光分離膜に入射する前記第 1色の部分光束 を第 1の偏光方向を有する偏光光に揃え、 前記反射膜に入射する前記第 2色の部 分光束を第 2の偏光方向を有する偏光光に揃えて射出する偏光変換素子と、 前記 偏光変換素子の入射側または射出側に配置され、 前記光束分割光学素子によって 形成される像を被照明領域に伝達する伝達光学素子と、 前記偏光変換素子より射 出される部分光束を被照明領域で重畳させる重畳光学素子と、 を有しているもの である。

この構成によれば、 光源からの光が、 まず、 色光分離光学素子によって第 1の 色光と第 2の色光とに分離される。 第 1の色光と第 2の色光は、 光束分割光学素 子によってそれぞれ複数の部分光束に分割および集光される。 すなわち、 第 1の 色光は第 1色の部分光束に分割され、 第 2の色光は第 2色の部分光束に分割され る。 これらの各部分光束は、 偏光ビームスプリッタアレイと偏光方向回転素子と を備えた偏光変換素子に入射し、 色光毎に所望の偏光状態を有する第 1色の部分 光束と第 2色の部分光束に変換される。 ここで、 偏光ビームスプリッタアレイの 構成は上述の第 1の照明光学系と同じである。 したがって、 第 1色の部分光束と 第 2色の部分光束のうち、 一方は偏光分離膜に入射し、 他方は反射膜に入射する。 その後の作用は、 先の第 1の照明光学系と同じである。

第 2の照明光学系の場合も、 光源からの非偏光な光を、 予め色光毎に偏光方向 が揃った偏光光束に変換しているため、 第 1の照明光学系と同様の効果を得るこ とが可能である。 さらに、 第 2の照明光学系では、 色光分離光学素子が光源と光 束分割素子との間に配置されるため、 色光分離光学素子に平行性の高い光を入射 させることができる。 よって、 色光分離光学素子において、 色光の分離を一層高 い効率で、 確実に行うことが可能となる。 なお、 第 2の照明光学系においても、 第 1の照明光学系の場合と同様、 伝達光学素子を、 偏光変換素子の入射側に配置 することも、 射出側に配置することも可能である。

また、 この発明による第 3の照明光学系は、 光源からの光を複数の部分光束に 分割して各部分光束を集光する光束分割光学素子と、 それぞれの前記部分光束を 第 1色の部分光束と第 2色の部分光束とに分離し、 第 1色の部分光束と第 2色の 部分光束をそれぞれ異なる方向に、 または平行な状態で射出する色光分離光学素 子と、 複数の偏光分離膜が所定の間隔で配列された偏光ビームスプリッタアレイ と、 前記所定の間隔で配列され、 前記偏光ビームスプリッタアレイの射出側に設 けられた偏光方向回転素子とを具備し、 前記偏光分離膜の射出側に前記偏光方向 回転素子が設けられていない入射側端面に入射し、 前記偏光分離膜を透過する前 記第 1色の部分光束と、 前記偏光分離膜で反射された後隣接する前記偏光分離膜 で再度反射されて前記偏光方向回転素子を透過する前記第 1色の部分光束とを第 1の偏光方向に揃え、 前記偏光分離膜の射出側に前記偏光方向回転素子が設けら れている入射側端面に入射し、 前記偏光分離膜を透過した後前記偏光方向回転素 子を透過する前記第 2色の部分光束と、 前記偏光分離膜で反射された後隣接する 前記偏光分離膜で再度反射される前記第 2色の部分光束とを第 2の偏光方向に揃 えて射出する偏光変換素子と、 前記偏光変換素子の入射側または射出側に配置さ れ、 前記光束分割光学素子によって形成される像を被照明領域に伝達する伝達光 学素子と、

前記偏光変換素子より射出される部分光束を被照明領域で重畳させる重畳光学 素子と、 を有しているものである。

この構成によれば、 光源からの光が、 まず、 光束分割光学素子によって複数の 部分光束に分割および集光され、 その複数の部分光束のそれぞれが、 色光分離光 学素子によって第 1色の部分光束と第 2色の部分光束とに分離される。 分離され た第 1色、 第 2色の色光は、 偏光ビームスプリッタアレイと偏光方向回転素子と を備えた偏光変換素子に入射し、 色光毎に所望の偏光状態を有する第 1色の部分 光束と第 2色の部分光束とに変換される。 ここで、 偏光ビームスプリッタアレイ は偏光分離膜を複数配置した構造を有しており、 偏光方向回転素子が、 特定の偏 光分離膜の位置に対応して偏光ビームスプリッタアレイの射出側に位置選択的に 配置されている。 例えば、 一つ置きの偏光分離膜の射出側にのみ偏光方向回転素 子が配置される。 今、 射出側に偏光方向回転素子を備えた偏光分離膜を偏光分離 膜 A、 射出側に偏光方向回転素子を備えない偏光分離膜を偏光分離膜 Bと、 便宜 的に呼称する。 したがって、 第 1色の部分光束と第 2色の部分光束のうち、 一方 は偏光分離膜 B入射し、 他方は偏光分離膜 Aに選択的に入射する。 偏光分離膜 A、 Bでは、 上述の偏光分離膜と同様に、 入射した部分光束を透過する第 1の偏光方 向を有する部分光束と反射する第 2の偏光方向を有する部分光束とに分離する。 偏光分離膜 Bを透過した部分光束は第 1の偏光方向を有する部分光束として偏光 変換素子から射出される。 また、 偏光分離膜 Bで反射された部分光束は第 2の偏 光方向を有する部分光束であるが、 隣接する偏光分離膜 Aで再度反射された後、 ぇ 2波長板のような位相差板 （偏光方向回転素子） を通過することで偏光方向 を約 9 0 ° 回転され、 第 1の偏光方向を有する部分光束として偏光変換素子から 射出される。 これに対して、 偏光分離膜 Aを透過した部分光束は第 1の偏光方向 を有する部分光束であるが、 λ / 2波長板のような位相差板を通過することで偏 光方向を約 9 0 ° 回転され、 第 2の偏光方向を有する部分光束として偏光変換素 子から射出される。 また、 偏光分離膜 Αで反射された部分光束は隣接する偏光分 離膜 Bで再度反射された後、 第 2の偏光方向を有する部分光束として偏光変換素 子から射出される。 第 1色の部分光束と第 2色の部分光束は偏光方向回転素子の有無によって区別 された偏光分離膜に入射するため、 第 1色の部分光束は第 1の偏光方向に、 第 2 色の部分光束は第 2の偏光方向にという具合に、 第 1色の部分光束と第 2色の部 分光束とは異なる偏光方向に揃えられることになる。

たとえば、 第 1色の部分光束はすべて P偏光、 第 2色の部分光束はすべて S偏 光の光に揃えられる。 そして、 これらの部分光束は、 重畳光学素子を介して被照 明領域で重畳される。 その後の作用は、 先の第 1の照明光学系と同じである。 第 3の照明光学系においては、 先の第 1及び第 2の照明光学系の場合に比べて、 偏光変換素子内における第 1色及び第 2色の部分光束のうち、 最短の光路長を有 する部分光束と最長の光路長を有する部分光束との間の光路長差を小さくできる。 このため、 被照明領域において、 第 1色の部分光束の拡大率と第 2色の部分光束 の拡大率とを容易に一致させることができる。 この結果、 照明効率を向上できる。 また、 上述の第 1及び第 2の照明光学系における偏光ビームスプリッタアレイは 偏光分離膜と反射膜を備えているのに対して、 第 3の照明光学系における偏光ビ 一ムスプリッタアレイは偏光分離膜だけを備えて構成されているため、 偏光ビー ムスプリッタアレイの構造が単純であり、 製造が容易である。

また、 この発明による第 4の照明光学系は、 光源からの光を第 1の色光と第 2 の色光とに分離し、 第 1の色光と第 2の色光をそれぞれ異なる方向に、 または平 行な状態で射出する色光分離光学素子と、 前記第 1の色光を複数の第 1色の部分 光束に分割し、 前記第 2の色光を複数の第 2色の部分光束に分割して各部分光束 を集光する光束分割光学素子と、 複数の偏光分離膜が所定の間隔で配列された偏 光ビームスプリッタアレイと、 前記所定の間隔で配列され、 前記偏光ビームスプ リッタアレイの射出側に設けられた偏光方向回転素子とを具備し、 前記偏光分離 膜の射出側に前記偏光方向回転素子が設けられていない入射側端面に入射し、 前 記偏光分離膜を透過する前記第 1色の部分光束と、 前記偏光分離膜で反射された 後隣接する前記偏光分離膜で再度反射されて前記偏光方向回転素子を透過する前 記第 1色の部分光束とを第 1の偏光方向に揃え、 前記偏光分離膜の射出側に前記 偏光方向回転素子が設けられている入射側端面に入射し、 前記偏光分離膜を透過 した後前記偏光方向回転素子を透過する前記第 2色の部分光束と、 前記偏光分離 膜で反射された後隣接する前記偏光分離膜で再度反射される前記第 2色の部分光 束とを第 2の偏光方向に揃えて射出する偏光変換素子と、 前記偏光変換素子の入 射側または射出側に配置され、 前記光束分割光学素子によって形成される像を被 照明領域に伝達する伝達光学素子と、 前記偏光変換素子より射出される部分光束 を被照明領域で重畳させる重畳光学素子と、 を有しているものである。

この構成によれば、 光源からの光が、 まず、 色光分離光学素子によって第 1の 色光と第 2の色光とに分離される。 第 1の色光と第 2の色光は、 光束分割光学素 子によってそれぞれ複数の部分光束に分割および集光される。 すなわち、 第 1の 色光は第 1色の部分光束に分割され、 第 2の色光は第 2色の部分光束に分割され る。 これらの各部分光束は、 偏光ビームスプリッタアレイと偏光方向回転素子と を備えた偏光変換素子に入射し、 色光毎に所望の偏光状態を有する第 1色の部分 光束と第 2色の部分光束に変換される。 ここで、 偏光ビームスプリッタアレイの 構成は上述の第 3の照明光学系と同じである。 したがって、 第 1色の部分光束は 偏光分離膜 Bに、 第 2色の部分光束は偏光分離膜 Aに、 各々位置選択的に入射す る。 その後の作用は、 上述の第 3の照明光学系と同じである。 - 第 4の照明光学系では、 上述の第 3の照明光学系と同様に、 先の第 1及び第 2 の照明光学系の場合に比べて、 偏光変換素子内における第 1色及び第 2色の部分 光束のうち、 最短の光路長を有する部分光束と最長の光路長を有する部分光束と の間の光路長差を小さくできる。 このため、 被照明領域において、 第 1色の部分 光束の拡大率と第 2色の部分光束の拡大率とを容易に一致させることができる。 この結果、 照明効率を向上できる。 また、 第 3の照明光学系における偏光ビーム スプリッタアレイと同様に、 偏光ビームスプリッタアレイの構造が単純であり、 製造が容易である。

上記第 1、 第 2、 第 3、 第 4の照明光学系で使用する色光分離光学素子は、 2 つのミラー、 2つのミラーを備えた一つの光学部品、 反射型ホログラム、 または、 透過型ホログラムによって構成することが可能である。

色光分離光学素子を 2つのミラーによって構成する場合は、 第 1のミラーを色 分離を行うダイクロイツクミラーとし、 第 2のミラーを反射ミラーとすれば良い。 ダイクロイツクミラーや反射ミラーは、 一般的に反射率が高い。 よって、 このよ うなミラーを用いた構成とすれば、 色光の分離を高い効率で、 確実に行うことが 可能となる。 ここで、 反射ミラーは、 アルミニウム等の金属膜によって形成され た一般的な反射ミラーだけでなく、 特定の色光を反射するダイクロイツクミラー によっても構成することが可能である。 この様な構成によれば、 色光分離光学素 子によって照明光から不要光 （例えば、 赤外光、 紫外光、 黄色光などの特定の色 光） を排除できるため、 これらの照明光学系をプロジェクタに用いる場合には、 プロジヱクタに用いられる光変調装置の信頼性の向上ゃ投写画像の高画質化が可 能となる。 なお、 第 2のミラーの機能は、 第 1のミラーを透過してきた特定の色 光を反射することであるから、 必ずしも第 2のミラーをダイクロイツクミラーと する必要は無い。 し力 し、 ダイクロイツクミラーを用いると、 一般的な反射ミラ 一に比べて高い反射率を得やすいため、 色光分離光学素子における光利用効率を 高めるためには都合が良い。

さらに、 2つのミラーを用いる場合、 第 1のミラーと第 2のミラーは、 以下の •ように配置することが好ましい。

( 1 ) 前記第 1のミラーと前記第 2のミラーとは互いに非平行であって、 前記 第 1のミラーは前記光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置され、 前記第 2のミ ラーは前記光源の光軸に対して （4 5— α ) ° の角度で配置されている。

( 2 ) 前記第 1のミラーと前記第 2のミラーは互いに非平行であって、 前記第 1のミラーは前記光源の光軸に対して （4 5 + c ) ° の角度で配置され、 前記第 2のミラーは前記光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置されている。

( 3 ) 前記第 1のミラーと前記第 2のミラーは互いに非平行であって、 前記第

1のミラーは前記光源の光軸に対して （4 5 + ]3 ) ° の角度で配置され、 前記第 2のミラーは前記光源の光軸に対して （4 5— ]3 ) ° の角度で配置されている。 ( 4 ) 前記第 1のミラーと前記第 2のミラーは、 所定の間隔を隔て互いに平行 に、 前記光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置されている。

特に、 （3 ) や （4 ) のような配置にすると、 色光を所定の軸に対して対称に 分離することができ、 伝達光学素子の構成を簡素化する上で好ましい。

また、 （1 ) から （3 ) の場合には、 色光分離光学素子の機能は偏光変換素子 へ向けて射出する光束の方向を第 1色の部分光束と第 2色の部分光束との間で異 ならせることであるから、 この機能を実現するためには、 第 1のミラーと第 2の ミラーとを互いに非平行な状態で配置すれば良いため、 第 1のミラーと第 2のミ ラーの配置角度は上記の例に限定されない。 伹し、 伝達光学素子に対する色光の 入射角度に対応させて、 伝達光学素子の光学特性を適宜設定する必要がある。 次に、 色光分離光学素子を 2つのミラーを備えた一つの光学部品で構成する場 合について説明する。 2つのミラーを備えた一つの ~光学部品としては、 次のよう なものが挙げられる。

(A) 板状の透光性部材と、 前記透光性部材の対向する 2つの面のうち一方の 面に設けられたダイクロイツクミラーと、 他方の面に設けられた反射ミラーと、 を備えた光学部品。

( B ) 板状の透光性部材と、 前記透光性部材の対向する 2つの面のうち一方の 面に固着された直角プリズムと、 他方の面に設けられた反射ミラーと、 前記透光 性部材と前記直角プリズムとの間に設けられたダイクロイツクミラーと、 を備え た光学部品。

( C ) 板状の透光性部材と、 前記透光性部材の対向する 2つの面のうち一方の 面に固着された複数個の小寸法直角プリズムと、 他方の面に設けられた反射ミラ 一と、 前記透光性部材と前記直角プリズムとの間に設けられたダイクロイツクミ ラーと、 を備えた光学部品。

色光分離光学素子をこのような一つの光学部品とすれば、 光学系の組み立てを 容易化することが可能となる。 また、 （B ) や （C) のような光学部品を用いれ ば、 屈折率が 1よりも大きな直角プリズムを介してダイクロイツクミラーに光が 入射するため、 ダイクロイツクミラ一^■の光の入射角度が狭められ、 ダイクロイ ックミラーの分光特性を高められるとともに、 光路シフトをなくすことができる _c さらに、 （C ) のような光学部品を用いれば、 プリズム部分の小型化が図られる ため、 色光分離光学素子を小型 ·軽量化することができる。 なお、 反射ミラーは、 アルミニウム等の金属膜によって形成された一般的な反射ミラーだけでなく、 特 定の色光を反射するダイクロイックミラーによっても構成することが可能であり、 上述の効果を得ることができる。 第 2のミラーの機能は、 第 1のミラーを透過し てきた特定の色光を反射することであるから、 必ずしも第 2のミラーをダイク口 イツクミラーとする必要は無い。 しカゝし、 ダイクロイツクミラーを用いると、 一 般的な反射ミラーに比べて高い反射率を得やすいため、 色光分離光学素子におけ る光利用効率を高めるためには都合が良い。

さらに、 （A) 〜 （C ) の光学部品において、 ダイクロイツクミラー力 S設けら れる一方の面と、 反射ミラーが設けられる他方の面とは、 以下のように配置する ことが好ましい。

( a ) 前記第 1の面と前記第 2の面とは互いに非平行であって、 前記第 1の面 は前記光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置され、 前記第 2の面は前記光源の 光軸に対して （4 5— α ) ° の角度で配置されている。

( b ) 前記第 1の面と前記第 2の面は互いに非平行であって、 前記第 1の面は 前記光源の光軸に対して （4 5 + α ) ° の角度で配置され、 前記第 2の面は前記 光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置されている。

( c ) 前記第 1の面と前記第 2の面は互いに非平行であって、 前記第 1の面は 前記光源の光軸に対して （4 5 + ) ° の角度で配置され、 前記第 2の面は前記 光源の光軸に対して （4 5— ° の角度で配置されている。

( d ) 前記第 1の面と前記第 2の面は、 所定の間隔を隔て互いに平行に、 前記 光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置されている。

特に、 （c ) や （d ) のような配置にすると、 色光を所定の軸に対して対称に 分離することができ、 伝達光学素子の構成を簡素化する上で、 好ましい。 また、 （1 ) から （3 ) の場合には、 色光分離光学素子の機能は偏光変換素子 へ向けて射出する光束の方向を第 1色の部分光束と第 2色の部分光束との間で異 ならせることであるから、 この機能を実現するためには、 第 1の面と第 2の面と を互いに非平行な状態で配置すれば良いため、 第 1の面と第 2の面の配置角度は 上記の例に限定されない。 但し、 伝達光学素子に対する色光の入射角度に対応さ せて、 伝達光学素子の光学特性を適宜設定する必要がある。

最後に、 色光分離光学素子を、 反射型ホログラム素子や透過型ホログラム素子 によって構成する場合について説明する。 この場合は、 色光分離光学素子を 1つ の板状のホログラムによつて構成することができるため、 色光分離光学素子の部 品点数を減らすことができるとともに、 照明光学系の小型、 軽量化を図ることが 可能となる。

この発明による照明光学系で使用する光束分割光学素子は、 レンズアレイ、 ミ ラーアレイ、 複数の反射面を備えた導光ロッド等により構成することができる。 ミラーアレイを用いると、 レンズアレイや導光口ッドを用いた場合より安価にな る。 また、 ミラーアレイや導光ロッドを用いると、 レンズアレイにつきものの球 面収差が発生しないため、 集光性を高められ、 照明効率を向上させることができ る。

また、 この発明による照明光学系において、 さらに、 前記偏光ビームスプリツ タアレイの入射側に不要な色光の入射を遮るためのダイクロイックフィルターァ レイを設けることが好ましい。 このようにダイクロイツクフィルターアレイを設 ければ、 分光特性における入射角依存' I"生が比較的大きな色光分離光学素子を用い た場合でも、 偏光ビームスプリッタアレイに対して不要な色光が入射することを 回避でき、 第 1の色光と第 2の色光との分離を確実に行うことができる。 なお、 伝達光学素子を偏光変換素子の入射側に配置する場合、 ダイクロイックフィルタ 一アレイは、 伝達光学素子と偏光変換素子の間だけでなく、 伝達光学素子の入射 側に配置することもできる。

また、 この発明による照明光学系において、 前記色光分離光学素子は、 緑色光 と赤および青色光とを分離する色分解特性を有していることが好ましい。 このよ うにすれば、 色光分離光学素子における緑色光の選択特性を最適化しやすくなる。 よって、 このような構成とした照明光学系をプロジェクタに採用すれば、 緑色光 のコントラストと利用効率をより一層高め易くなり、 より高いコントラストで明 るい投写画像を表示することが可能となる。

さらに、 以上に述べたような照明光学系を用いて、 この照明光学系から射出さ れた光を変調する光変調装置と、 前記光変調装置によって変調された光を投写す る投写レンズとを有するプロジェクタを構成すれば、 照明光学系よりも光路下流 側に配置された光学素子の偏光依存性を軽減することができ、 投写画像の高画質 化と明るさ向上を実現することが可能となる。

特に、 この発明による照明光学系は、 次のようなプロジェクタに採用すること が好ましい。

( I ) 上述したような照明光学系と、 前記照明光学系から射出された前記第 1 色の光を変調する第 1の反射型光変調装置と、 前記照明光学系から射出された前 記第 2色の光に含まれる第 3の色光を変調する第 2の反射型光変調装置と、 前記 照明光学系から射出された前記第 2色の光に含まれる第 4の色光を変調する第 3 の反射型光変調装置と、 前記照明光学系から射出された光を前記第 1色の光と前 記第 2色の光とに分離する偏光ビームスプリッタと、 前記第 2色の光を前記第 3 の色光と前記第 4の色光とに分離するとともに前記第 2の反射型光変調装置から 射出された光と前記第 3の反射型光変調装置から射出された光を合成して前記偏 光ビームスプリッタに向けて射出する色光分離'合成素子と、 を有し、 前記第 1 の反射型光変調装置から射出された光と前記色光分離 ·合成素子から射出された 光のうち、 前記偏光ビームスプリッタによって選択された光を投写する投写レン ズと、 を有するプロジェクタ。

(II) 上述したような照明光学系と、 前記照明光学系から射出された光に含ま れる前記第 1色の光を変調する第 1の反射型光変調装置と、 前記照明光学系から 射出された前記第 2色の光に含まれる第 3の色光を変調する第 2の反射型光変調 装置と、 前記照明光学系から射出された前記第 2色の光に含まれる第 4の色光を 変調する第 3の反射型光変調装置と、 第 1〜第 4の偏光ビームスプリッタと、 前 記第 1の偏光ビームスプリッタと前記第 3の偏光ビームスプリッタとの間に設け られた第 1の波長選択位相差板と、 前記第 3の偏光ビームスプリッタと前記第 4 の偏光ビームスプリッタとの間に設けられた第 2の波長選択位相差板と、 前記第 4の偏光ビームスプリッタから射出された光を投写する投写レンズと、 を備え、 前記第 1の偏光ビームスプリッタは前記照明光学系から射出された光を前記第 1 色の光と前記第 2色の光とに分離し、 前記第 2の偏光ビームスプリッタは、 前記 第 1の偏光ビームスプリッタによって分離された前記第 1色の光を前記第 1の反 射型光変調装置に導くと共に、 前記第 1の反射型光変調装置によって変調された 前記第 1色の色光を前記第 4の偏光ビームスプリッタに導き、 前記第 1の波長選 択位相差板は、 前記第 1の偏光ビームスプリッタによって分離された前記第 2色 の光に含まれる前記第 3の色光と前記第 4の色光のうち、 前記第 3の色光の偏光 方向のみを約 9 0° .回転させ、 前記第 3の偏光ビームスプリッタは、 前記第 1の 波長選択位相差板から射出された前記第 3の色光と前記第 4の色光を前記第 2の 反射型光変調装置と前記第 3の反射型光変調装置に導くと共に、 前記第 2の反射 型光変調装置およぴ前記第 3の反射型光変調装置によつて変調された前記第 3の 色光および前記第 4の色光を前記第 2の波長選択位相差板に導き、 前記第 2の波 長選択位相差板は、 前記第 3の偏光ビームスプリッタから射出された前記第 3の 色光と前記第 4の色光のうち、 前記第 3の色光の偏光方向のみを約 9 0 ° 回転さ せ、 前記第 4の偏光ビームスプリッタは、 前記第 2の偏光ビームスプリッタから 射出された前記第 1色の光と、 前記第 2の波長選択位相差板から射出された前記 第 3の色光と前記第 4の色光とを合成して前記投写レンズに向けて射出するプロ ジェクタ。

(III) 上述したような照明光学系と、 前記照明光学系から射出された光を第

1色の光と第 2色の光と第 3色の光とに分離する色分離光学系と、 前記色分離光 学系により分離された前記第 1色の光を画像信号に応じて変調する第 1の透過型 光変調装置と、 前記色分離光学系により分離された前記第 2色の光を画像信号に 応じて変調する第 2の透過型光変調装置と、 前記色分離光学系により分離された 前記第 3色の光を画像信号に応じて変調する第 3の透過型光変調装置と、 前記第 1の透過型光変調装置、 前記第 2の透過型光変調装置、 及び前記第 3の透過型光 変調装置によりそれぞれ変調された前記第 1色の光、 前記第 2色の光、 及び前記 第 3色の光を合成する色合成光学系と、 前記色合成光学系により合成された光を 投写する投写レンズと、 を有することを特徴とするプロジェクタ。

( I ) 、 (II) 、 (III) のようなプロジェクタを構成すれば、 ダイクロイツ クミラー、 ダイクロイツクプリズム、 偏光ビームスプリッタ等における分光特性 の偏光依存性が軽減され、 投写画像の高画質化と高輝度化、 色光の分離や合成を 行う光学系の低コスト化を同時に実現することが可能となる。 また、 （Π) のよ うな構成のプロジェクタでは、 各色光がすべて 2つの偏光ビームスプリッタを通 過して投写レンズに至るから、 プロジェクタの投写画像のコントラストをさらに 高めることができる。 なお、 第 1と第 4の偏光ビームスプリッタをダイクロイツ クミラーやダイクロイツクプリズムに置き換えることもでき、 その場合には低コ スト化を達成できる。 さらに、 本発明による上述の照明光学系は、 第 1色光、 第 2色光、 及び第 3色光の 3つの色光のうち、 1つの色光の偏光状態を他の 2つの 色光の偏光状態と異ならせて射出することができる。 このため、 通常、 第 1色の 光、 第 2色の光、 及び第 3色の光をそれぞれ変調する 3つの透過型光変調装置と、 これらの透過型変調装置により変調された第 1色の光、 第 2色の光、 及び第 3色 の光を合成する色合成光学系とを備えた、 所謂 3板式のプロジェクタにおいては、 色合成光学系における色光の合成効率を向上させるために透過型光変調装置の直 前又は直後に; 1 / 2波長板を配置して、 色合成光学系に入射する少なくとも 1つ の色光の偏光状態を他の色光の偏光状態と異ならせているが、 本発明の照明光学 系を用いれば、 その様な目的で使用される； ノ 2波長板を省略できる。 この結果、 低コスト化を達成できる。

例えば、 照明光学系が、 緑色光を S偏光光、 青色光及び赤色光を P偏光光とし て射出する構成の場合、透過型光変調装置の直前又は直後の λ / 2波長板は不要 である。 また、 照明光学系が、 緑色光を Ρ偏光光、 青色光及び赤色光を S偏光光 として射出する構成の場合、 第 1〜第 3の全ての透過型光変調装置の直前又は直 後に各透過型光変調装置ごとに同じ数の; Lノ 2波長板が必要となる力 S、 各色ごと の光路中において、 それぞれ同じ数のえ 2波長板を配置しているため、 色ムラ を低減できる。

さらに、 透過型光変調装置が有する表示特性によっては、 この透過型光変調装 置へ入射する光の偏光状態が限定されている場合もある。 例えば、 緑色光を S偏 光光、 青色光及び赤色光を P偏光光として透過型光変調装置に入射させる場合、 (III) に記載したプロジェクタの構成は効果的である。 図面の簡単な説明

第 1図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの実施の形態 1を示 す概略構成図であり、 第 2図は、 この発明による照明光学系で使用される偏光変 換素子の詳細構成を示す断面図であり、 第 3図は、 この発明による照明光学系を 含むプロジェクタの実施の形態 2を示す概略構成図であり、 第 4図は、 この発明 による照明光学系を含むプロジェクタの実施の形態 3を示す概略構成図であり、 第 5図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの実施の形態 4を示す 概略構成図であり、 第 6図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの 実施の形態 5を示す概略構成図であり、 第 7図は、 この発明による照明光学系の 実施の形態 6を示す概略構成図であり、 第 8図は、 偏光変換素子の変形例の詳細 構成を示す断面図であり、 第 9図 （a ) 、 ( b ) は、 この発明による照明光学系 で使用される色光分離光学素子の他の実施の形態を示す図であり、 第 1 0図 （a ) 、 ( b ) は、 この発明による照明光学系で使用される色光分離光学素子の他の 実施の形態を示す図であり、 第 1 1図 （a ) 、 ( b ) は、 この発明による照明光 学系で使用される色光分離光学素子の他の実施の形態を示す図であり、 第 1 2図 は、 この発明による照明光学系で使用される色光分離光学素子の他の実施の形態 を示す図であり、 第 1 3図は、 この発明による照明光学系で使用される色光分離 光学素子の他の実施の形態を示す図であり、 第 1 4図は、 この発明による照明光 学系で使用される色光分離光学素子の他の実施の形態を示す図であり、 第 1 5図 は、 この発明による照明光学系で使用される光束分割光学素子と色光分離光学素 子の他の実施の形態を示す図であり、 第 1 6図は、 この発明による照明光学系で 使用されるダイクロイツクミラーの反射特性を示す説明図であり、 第 1 7図は、 この発明による照明光学系で使用されるダイクロイツクプリズムの分光特性を示 す説明図であり、 第 1 8図は、 この発明による照明光学系を用いたプロジェクタ で使用される波長選択位相差板の光学的特性を示す説明図である。 発明を実施するための最良の形態

以下に添付の図を参照して、 この発明にかかる照明光学系およびプロジェクタ の実施の形態を詳細に説明する。

(実施の形態 1 )

第 1図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの一つの実施の形態 を示している。 このプロジェクタは、 照朋光学系 1 0と、 色分離 ·合成光学系 1 0 0と、 光変調装置としての 3個の反射型液晶パネル 2 0 0 R、 2 0 0 G、 2 0 O Bと、 投写レンズ 2 1 0とを有している。

照明光学系 1 0は、 ほぼ平行な光束を射出する光源 2 0と、 光束分割光学素子 をなす第 1のレンズアレイ 3 0と、 色光分離光学素子 4 0と、 偏光変換素子 5 0 と、 伝達光学素子をなす第 2のレンズアレイ 6 0と、 重畳光学素子である重畳レ ンズ 7 0とを備えており、 色光毎に偏光方向がほぼ揃った照明光束を生成する機 能を有している。

光源 2 0は、 光源ランプ 2 1と凹面鏡 2 2とを有している。 光源ランプ 2 1か ら放射された光は、 凹面鏡 2 2によって一方向に反射され、 ほぼ平行な光線束と なって第 1のレンズアレイ 3 0に入射する。 ここで、 光源ランプ 2 1としては、 メタルハライドランプ、 キセノンランプ、 高圧水銀ランプ、 ハロゲンランプ等を、 凹面鏡 2 2としては、 放物面リフレクタ、 楕円面リフレクタ、 球面リフレクタ等 を使用できる。

第 1のレンズァレイ 3 0は、 被照明領域とほぼ相似関係にある輪郭形状を有す る複数の小レンズ 3 1を M行 N列のマトリックス状に配列した構成を有している。 本実施の形態の場合、 被照明領域は反射型液晶パネルの表示領域であり、 その輪 郭は矩形状であるため、 小レンズ 3 1も矩形状の輪郭形状に設定されている。 各 小レンズ 3 1は、 光源 2 0から入射したほぼ平行な光束を複数 （MX N個） の部 分光束に分割し、 偏光変換素子 5 0の近傍で各部分光束を個別に集光する。 換言 すれば、 第 1のレンズ了レイ 3 0の部分光束が集光する位置に偏光変換素子 5 0 が配置されている。

色光分離光学素子 4 0は、 第 1のレンズアレイ 3 0と第 2のレンズアレイ 6 0 との間に配置され、 第 1のミラーとしてのダイクロイツクミラー 4 1と、 第 1の ミラー 4 1の背面側に配置された第 2のミラーとしての反射ミラー 4 2とを備え ている。 ダイクロイツクミラー 4 1は、 第 1 6図に示されているような分光特性 を有しており、 赤色光 （R ) と青色光 （B ) とを反射し、 緑色光 （G) を透過す る。 反射ミラー 4 2はアルミニウム等の金属膜によって形成された一般的な反射 ミラー、 或いは、 緑色光 （G) を反射するダイクロイツクミラーにより構成され ている。 反射ミラー 4 2の機能は、 ダイクロイツクミラー 4 1を透過してきた特 定の色光を反射することであるから、 必ずしもダイクロイツクミラーを用いる必 要はないが、 一般的な反射ミラーに比べてダイクロイツクミラーでは高い反射率 を得やすいため、 色光分離光学素子 4 0における光利用効率を高めるためには都 合がよい。 なお、 ダイクロイツクミラーは誘電体多層膜によって形成することが できる。

これにより、 ダイクロイツクミラー 4 1は、 第 1のレンズアレイ 3 0から射出 された部分光束のすべてを、 緑色光 （G) である第 1色の部分光束と、 赤色光 （ R) と青色光 （B ) との合成色である第 2色の部分光束とに分離する。

ダイクロイツクミラー 4 1と反射ミラー 4 2は互いに非平行な状態にあり、 ダ イクロイックミラー 4 1は光源 2 0の光軸 L aに対して 4 5 ° の角度で配置され、 反射ミラー 4 2は光源 2 0の光軸 L aに対して （4 5—ひ） ° の角度で配置され ている （但し、 α > 0 ) 。 ダイクロイツクミラー 4 1を光源 2 0の光軸 L aに対 して （4 5 + c 。 の角度で配置し、 反射ミラー 4 2を光源 2 0の光軸 L aに対 して 4 5 ° の角度で配置するようにしても良い。

色光分離光学素子 4 0は、 ダイクロイツクミラー 4 1と反射ミラー 4 2の配置 角度の違いから、 第 1色の部分光束 （G) と第 2色の部分光束 （B + R) を、 第 2のレンズアレイ 6 0へ向けてそれぞれ異なる方向に射出する。 言い換えれば、 色光分離光学素子 4 0の機能は、 第 2のレンズアレイ 6 0へ向けて射出する光束 の方向を第 1色の部分光束と第 2色の部分光束との間で異ならせることであるか ら、 この機能を実現するためには、 ダイクロイツクミラー 4 1と反射ミラー 4 2 とを互いに非平行な状態で配置すれば良い。 したがって、 ダイクロイツクミラー 4 1と反射ミラー 4 2は上記以外の角度で配置することもできる。 但し、 後述す るように、 第 2のレンズアレイ 6 0に対する色光の入射角度に対応させて、 第 2 のレンズアレイ 6 0を構成するレンズ 6 1、 6 2の形状や光学特性を設定するこ とが必要となる。

第 2のレンズアレイ 6 0は、 第 2色の部分光束 （B + R) のそれぞれに対応す る同心レンズ 6 1と、 第 1色の部分光束 （G) のそれぞれに対応する偏心レンズ 6 2との対を、 M行 N列のマトリックス状に配列した構成を有している。 第 2の レンズアレイ 6 0は、 同心レンズ 6 1によって第 2色の部分光束 （B + R) のそ れぞれを偏光変換素子 5 0の後述する偏光分離膜 5 4に入射させ、 偏心レンズ 6 2によって第 1色の部分光束 （G) のそれぞれを偏光変換素子 5 0の後述する反 射膜 5 5に入射させる。

ここで、 同心レンズ 6 1はレンズ体の物理的中心に光軸を有するレンズであり、 偏心レンズ 6 2はレンズ体の物理的中心から離れたところに光軸を有するレンズ である。 これらのレンズ 6 1、 6 2は、 入射する部分光束を効率よく被照明領域 である液晶パネルに伝達する機能と、 各部分光束を偏光変換素子 5 0に対して所 定の角度で入射させる機能を有している。 本実施の形態の場合は、 各部分光束を 偏光変換素子 5 0に対してほぼ垂直に入射させている。 ダイクロイツクミラー 4 1と光軸 L aとの成す角度は 4 5 ° であるため、 第 2色の各部分光束 （B + R) は偏光変換素子 5 0に対してほぼ垂直に入射する。 よって、 これらの部分光束に 対するレンズは同心レンズ 6 1となっている。 一方、 反射ミラー 4 2と光軸 L a との成す角度は （4 5—《) ° であるため、 第 1色の各部分光束 （G) は偏光変 換素子 5 0に対して僅かに斜めに入射する。 よって、 これらの部分光束に対する レンズは偏心レンズ 6 2となっている。 すなわち、 偏心レンズ 6 2で部分光束の 光軸を曲げ、 偏光変換素子 5 0に対してほぼ垂直に入射するように構成されてい る。

ダイクロイックミラー 4 1を光源 2 0の光軸 L aに対して （4 5 + α ) 。 の角 度で配置し、 反射ミラー 4 2を光源 2 0の光軸 L aに対して 4 5 ° の角度で配置 するようにする場合は、 同心レンズ 6 1の位置と偏心レンズ 6 2の位置とを入れ かえ、 偏心レンズ 6 2の向きを第 1図とは逆 （レンズ厚の薄い部分が光源 2 0側 に来る） に設定すれば良い。 なお、 後述する偏光分離膜 5 4における偏光分離性 能を高めやすいため、 各部分光束を偏光変換素子 5 0に対してほぼ垂直に入射さ せる設定が望ましいが、 偏光分離膜 5 4の偏光分離特性は膜設計によって変化さ せることが可能である。 したがって、 偏光分離膜 5 4や反射膜 5 5の光学特性に よっては、 第 2のレンズアレイ 6 0を偏光変換素子 5 0の射出側に配置すること ができる。 この場合、 第 2のレンズアレイ 6 0は、 入射する部分光束を被照明領 域である液晶パネルに伝達する機能のみを有する。 また、 この場合、 第 2のレン ズアレイ 6 0に後述する重畳レンズ 7 0の機能を併せ持たせることもできる。 偏光変換素子 5 0は、 偏光ビームスプリッタアレイ 5 1と、 偏光ビームスプリ ッタアレイ 5 1の射出側に配置された偏光方向回転素子としての； Z 2波長板 5 2とにより構成されている。

偏光ビームスプリッタアレイ 5 1は、 第 2図に示されているように、 断面形状 が平行四辺形の柱状の透光性部材 5 3を複数個貼り合わせた構成となっている。 透光性部材 5 3としては、 光学ガラスを用いるのが一般的であるが、 その他の材 料 （例えば、 プラスチックや結晶） であっても構わない。 隣接する透光性部材 5 3の貼り合わせ界面には、 偏光分離膜 5 4と反射膜 5 5とを交互に配置している。 偏光分離膜 5 4と反射膜 5 5は、 偏光変換素子 5 0の入射端面 5 1 aに対して約 4 5 ° 傾斜している。 また、 偏光分離膜 5 4と反射膜 5 5とは対をなしており、 その対の数は、 第 1のレンズアレイ 3 0の列数 Nあるいは行数 Mに対応している。 偏光分離膜 5 4は、 誘電体多層膜等により構成され、 非偏光な光を偏光方向が 互いに直交する 2種類の直線偏光光に分離する。 例えば、 P偏光光を透過し、 S 偏光光を反射する偏光分離特性を有している。 また、 反射膜 5 5は、 誘電体多層 膜や金属膜等によつて構成される。

又 2波長板 5 2は、 偏光分離膜 5 4を透過した光が射出される位置に設けら れており、 透過する偏光光の偏光方向を 9 0 ° 回転させる。 これは、 P偏光光を S偏光光に、 S偏光光を P偏光光に変換することを意味する。

この実施の形態では、 偏光変換素子 5 0は、 偏光ビームスプリッタアレイ 5 1 とえ Z 2波長板 5 2との組み合わせにより、 偏光分離膜 5 4に入射する第 2色の 部分光束 （B + R) をすベて第 2の偏光方向を有する偏光光としての S偏光光に 変換し、 反射膜 5 5に入射する第 1色の部分光束 （G) をすベて第 1の偏光方向 を有する偏光光としての P偏光光に変換する。 なお、 変換の過程については後述 する。 勿論、 ぇ 2波長板 5 2を反射膜 5 5で反射した光が射出される位置に設 け、 第 1色の部分光束 （G) を S偏光光に、 第 2色の部分光束 （B + R ) を P偏 光光に変換する構成を採用することもできる。

重畳レンズ 7 0は、 偏光変換素子 5 0の射出側に配置され、 偏光変換素子 5 0 より射出される部分光束のすべてを被照明領域、 すなわち、 3個の反射型液晶パ ネノレ 2 0 0 R、 2 0 0 G、 2 0 O B上で重畳させる。 色分離'合成光学系 1 0 0 の入光部近傍には、 平行ィヒレンズ 9 9が配置され、 被照明領域に至る各部分光束 の中心光路が照明光軸 Lとほぼ平行となるように変換し、 被照明領域における照 明効率を向上させている。 つぎに、 色分離 ·合成光学系 1 0 0について説明する。 色分離 ·合成光学系 1 0 0は、 偏光ビームスプリッタ 1 1 0と、 色光分離 ·合成素子をなすダイクロイ ックプリズム 1 2 0とを有している。 偏光ビームスプリッタ 1 1 0は、 2個の直 角プリズム 1 1 1、 1 1 2の互いの接合面に偏光光分離膜 1 1 3が形成された光 学素子であり、 一つの入射端面 1 1 4と、 一つの射出端面 1 1 5と、 二つの入射 •射出端面 1 1 6、 1 1 7を有している。 偏光光分離膜 1 1 3は、 誘電体多層膜 等により構成され、 例えば P偏光光を透過し、 S偏光光を反射する偏光分離特性 を有している。

偏光ビームスプリッタ 1 1 0の入射端面 1 1 4は平行化レンズ 9 9と対向して 照明光学系 1 0からの光の入口面になっている。 偏光ビームスプリッタ 1 1 0の 射出端面 1 1 5に投写レンズ 2 1 0が対向配置され、 入射'射出端面 1 1 6に反 射型液晶パネル 2 0 O Gが対向配置されている。

ダイクロイツクプリズム 1 2 0は、 2個の直角プリズム 1 2 1、 1 2 2の互い の接合面にダイクロイツク面 1 2 3が形成された光学素子であり、 3つの入射 · 射出端面 1 2 4、 1 2 5、 1 2 6を有している。 ダイクロイツク面 1 2 3は、 誘 電体多層膜等により構成され、 少なくとも赤色光を反射する色分離特性を有して いる。 ダイクロイツクプリズム 1 2 0の入射'射出端面 1 2 4は偏光ビームスプ リツタ 1 1 0の入射 ·射出端面 1 1 7と接合されており、 入射 ·射出端面 1 2 5 に反射型液晶パネル 2 0 0 Bが、 もう一つの入射 ·射出端面 1 2 6に反射型液晶 パネル 2 0 O R力 それぞれ対向配置されている。

つぎに、 上述の構成によるプロジェクタの光学系の機能について説明する。 光 源 2 0からの光は、 第 1のレンズアレイ 3 0の各小レンズ 3 1によって複数の部 分光束に分割され、 色光分離光学素子 4 0に入射する。 各部分光束は色光分離光 学素子 4 0のダイクロイツクミラー 4 1によって、 緑色光 （G) である第 1色の 部分光束と、 赤色光 （R) と青色光 （B ) との合成色である第 2色の部分光束と に分離され、 第 2色の各部分光束はダイクロイツクミラー 4 1で反射して第 2の レンズアレイ 6 0の同心レンズ 6 1を経て偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の偏 光分離膜 5 4に入射する。 一方、 第 1色の各部分光束はダイクロイツクミラー 4 1を透過し、 反射ミラー 4 2で反射して第 2のレンズアレイ 6 0の偏心レンズ 6 2を経て偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の反射膜 5 5に入射する。

偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の偏光分離膜 5 4に入射した第 2色の部分光 束 （B + R) は、 偏光分離膜 5 4を透過する P偏光光と反射する S偏光光とに分 離される。 偏光分離膜 5 4を透過した P偏光光は λ Ζ 2波長板 5 2を通過するこ とによって偏光方向を 9 0 ° 回転し、 S偏光光に変換される。 これに対して、 偏 光分離膜 5 4で反射した S偏光光は隣接する反射膜 5 5で再度反射され、 偏光分 離膜 5 4を透過した偏光光とほぼ同じ方向に向かうが、 この偏光光は 1 2波長 板 5 2を通過しないので、 偏光方向は変化せず、 S偏光光のままである。 よって、 偏光分離膜 5 4に入射した第 2色の部分光束 （B + R) は、 S偏光光に揃えられ て偏光変換素子 5 0から射出される。

一方、 偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の反射膜 5 5に入射した第 1色の部分 光束 （G) は、 反射膜 5 5を経て偏光分離膜 5 4に入射するため、 第 1色の部分 光束 （G) が偏光分離膜 5 4に入射する方向は、 上記の第 2色の部分光束 （Β + R) に対して 9 0 ° 異なっている。 したがって、 反射膜 5 5を経て偏光分離膜 5 4で反射した S偏光光はえ / 2波長板 5 2を通過することによつて偏光方向を 9 0 ° 回転し、 Ρ偏光光に変換される。 これに対して、 反射膜 5 5を経て偏光分離 膜 5 4を透過した Ρ偏光光は隣接する別の反射膜 5 5で反射され、 偏光分離膜 5 4で反射した偏光光とほぼ同じ方向に向かうが、 この偏光光は 1 / 2波長板 5 2 を通過しないので、 偏光方向は変化せず、 Ρ偏光光のままである。 よって、 反射 膜 5 5に入射した第 1色の部分光束 （G) は、 Ρ偏光光に揃えられて偏光変換素 子 5 0から射出される。

なお、 第 2図において、 実線による光線表示は Ρ偏光光を、 破線による光線表 示は S偏光光をそれぞれ示している。 このルールは、 第 1図の色分離'合成光学 系 1 0 0部分における光線表示についても、 同様である。

偏光変換素子 5 0より射出される第 1色の各部分光束 （G) と第 2色の各部分 光束 （ B + R ) は重畳レンズ 7 0によつて被照明領域である 3個の反射型液晶パ ネル 2 0 0 R、 2 0 0 G、 2 0 O B上で重畳される。

入射端面 1 1 4を通って色分離.合成光学系 1 0 0の偏光ビームスプリッタ 1 1 0に入射した光束のうち、 第 1色の部分光束 （G) は、 すべて P偏光光である 力 ら、 偏光ビームスプリッタ 1 1 0の偏光光分離膜 1 1 3を透過して直進し、 入 射 ·射出端面 1 1 6より反射型液晶パネル 2 0 0 Gに入射する。 第 1色の部分光 束 （G) は、 反射型液晶パネル 2 0 0 Gによって図示しない外部からの画像情報 に応じて変調され、 変調の度合いによつて部分的に S偏光光を含んだ光束に変換 されると共に、 反射型液晶パネル 2 0 0 Gで反射して入射■射出端面 1 1 6に戻 り、 偏光ビームスプリッタ 1 1 0の偏光光分離膜 1 1 3に入射する。 第 1色の部 分光束 （G) のうち、 変調されて S偏光光に変換された光束は、 偏光光分離膜 1 1 3で反射して射出端面 1 1 5を通って投写レンズ 2 1 0に入射する。 なお、 反 射型液晶パネル 2 0 0 R、 2 0 0 G、 2 0 0 Bについては周知であるため、 その 構造や動作に関する詳細な説明は省略する。

一方、 入射端面 1 1 4を通って色分離 ·合成光学系 1 0 0の偏光ビームスプリ ッタ 1 1 0に入射した光束のうち、 第 2色の部分光束 （B + R) は、 すべて S偏 光光であるから、 偏光ビームスプリッタ 1 1 0の偏光光分離膜 1 1 3にて反射し、 ダイクロイツクプリズム 1 2 0のダイクロイック面 1 2 3に入射する。 ダイク口 イツクプリズム 1 2 0のダイクロイツク面 1 2 3に入射した第 2色の部分光束 （ B + R) のうち、 赤色光は、 ダイクロイツク面 1 2 3で反射し、 入射 ·射出端面 1 2 6より反射型液晶パネル 2 0 0 Rに入射する。 赤色光は、 反射型液晶パネノレ 2 0 O Rによって変調され、 変調の度合いによって部分的に P偏光光を含んだ光 束に変換されると共に、 反射型液晶パネル 2 0 0 Rで反射して入射 ·射出端面 1 2 6に戻り、 ダイクロイック面 1 2 3で反射し、 偏光ビームスプリッタ 1 1 0の 偏光光分離膜 1 1 3に入射する。 赤色光のうち、 変調されて P偏光光に変換され た光束は、 偏光光分離膜 1 1 3を透過して射出端面 1 1 5を通って投写レンズ 2 1 0に入射する。 さらに、 ダイクロイツクブリズム 1 2 0のダイクロイック面 1 2 3に入射した 第 2色の部分光束 （B + R ) のうち、 青色光は、 ダイクロイツク面 1 2 3を透過 し、 入射 ·射出端面 1 2 5を通って反射型液晶パネル 2 0 0 Bに入射する。 赤色 光と同様に青色光は、 反射型液晶パネル 2 0 O Bで変調されると共に、 反射して 入射 '射出端面 1 2 5に戻り、 ダイクロイツク面 1 2 3を透過して偏光ビームス プリッタ 1 1 0の偏光光分離膜 1 1 3に入射する。 青色光のうち、 変調されて!³ 偏光光に変換された光束は偏光光分離膜 1 1 3を透過して射出端面 1 1 5を通つ て投写レンズ 2 1 0に入射する。

ダイクロイツクプリズム 1 2 0としては、 第 1 7図に例示するような、 分光特 性に大きな偏光依存性を有しているものを使用することができる。 ダイクロイツ クプリズム 1 2 0で分光されるのは、 赤色光 （R) と青色光 （B ) であるため、 入射されない緑色光 (G) の波長に相当する波長領域を大きな偏光依存性を示す 過渡的な波長領域に割り当てることができる。 そのため、 ダイクロイツクプリズ ム 1 2 0において赤色光 （R) と青色光 （B ) の分離と合成を効率良く行え、 高 画質化と高輝度化を実現できる。 もちろん、 ダイクロイツク面の構成の仕方によ つては、 偏光依存性の小さな分光特性を有するダイクロイツクプリズムを実現す ることも可能である力 特殊な成膜材料を使用したり、 成膜数が多くなるため、 低コスト化が難しい。

以上のような構成により、 ダイクロイツクプリズム 1 2 0における分光特性の 偏光依存性を軽減でき、 ダイクロイツクプリズム 1 2 0を色分離'合成光学系に 使用したプロジェクタにおいて、 投写画像の高画質化と色分離 ·合成光学系の低 コスト化を同時に実現することが可能となる。 また、 第 1色の部分光束 （G) は 偏光ビームスプリッタ 1 1 0のみを通過する構成のため、 明るさへの影響が大き な緑色光の光利用効率が高く、 高輝度化を容易に実現できる。 さらに、 照明光学 系 1 0においては、 光源 2 0からの非偏光な光束を、 予め色光毎に偏光方向が揃 つた偏光光束に変換した後、 色分離 ·合成光学系 1 0 0に入射しているので、 照 明効率を高めることが可能となる。 (実施の形態 2 )

第 3図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの他の実施の形態を 示している。 この実施の形態は、 先に説明した実施の形態 1と、 色光分離光学素 子 4 0のミラー 4 1、 4 2の酉己置、 並びに、 ダイクロイツクフィルターアレイ 5 6が設けられている点において異なる。 その他の構成については、 実施の形態 1 と同様である。 なお、 本実施の形態を含めて、 以降に説明する各実施の形態にお いて、 既に説明済みの各構成要素と同様の構成要素については、 第 1図及び第 2 図に付した符号と同一の符号を付けて、 その説明を省略する。 また、 第 3図の色 分離 ·合成光学系 1 0 0において、 実線による光線表示は P偏光光を、 破線によ る光線表示は S偏光光をそれぞれ示している。

この実施の形態では、 色光分離光学素子 4 0のダイクロイックミラー 4 1と反 射ミラー 4 2は互いに非平行で、 ダイクロイツクミラー 4 1は光源 2 0の光軸 L aに対して （4 5 + ]3 ) ° の角度で配置され、 反射ミラー 4 2は光源 2 0の光軸 L aに対して （4 5 _ /3 ) ° の角度で配置されている （但し、 j3〉0 ) 。

また、 偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の入射側には、 偏光分離膜 5 4と反射 膜 5 5の各々に所定の色光ではない不要な色光が入射することを防止するための ダイクロイツクフィルターアレイ 5 6が設けられている。 本実施の形態では、 第 2色の部分光束 （B + R) は偏光分離膜 5 4に、 第 1色の部分光束 （G) は反射 膜 5 5に入射するように設定しているため、 偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の 偏光分離膜 5 4に対応する入射開口部 5 4 Aには、 第 2色の部分光束 （B + R) のみを透過させ、 第 1色の部分光束 （G) を遮るフィルター 5 8力 また、 反射 膜 5 5に対応する入射開口部 5 5 Aには、 第 1色の部分光束 （G) のみを透過さ せ、 第 2色の部分光束 （B + R) を遮るフィルター 5 7が各々配置されて、 ダイ クロイツクフィルターアレイ 5 6を構成している。

この実施の形態においても、 実施の形態 1と同様の効果を得ることが可能であ る。 さらに、 この実施の形態では、 ダイクロイツクミラー 4 1が光源 2 0の光軸 L aに対して （4 5 + /3 ) ° の角度で配置され、 反射ミラー 4 2が光源 2 0の光 軸 L aに対して （4 5 _ β ) ° の角度で配置され、 ダイクロイツクミラー 4 1と 反射ミラー 4 2が、 光源 2 0の光軸 L aと 4 5 ° の角度を成す軸 L cに対して各 々の交角が等しくなるように配置されることから、 色光分離光学素子 4 0におい て第 1色の部分光束と第 2色の部分光束の 2つの色光を光軸 L aと直交する光軸 L bに対して対称な角度で分離することができる。 したがって、 第 2のレンズァ レイ 6 0のレンズ 6 3を、 上述の実施の形態 1における同心レンズ 6 1と偏心レ ンズ 6 2とを一つに統合したもので構成できる。 これにより、 第 2のレンズァレ ィ 6 0を第 1のレンズアレイ 3 0と同等品で構成でき、 さらなるコストダウンを 図ることができる。 さらに、 ダイクロイツクミラー 4 1への部分光束の入射角度 ( 4 5— ]3 ) ° を4 5 ° ょりも小さくできるため、 ダイクロイツクミラー 4 1の 分光特性における入射角依存性を低減でき、 第 1色の部分光束と第 2色の部分光 束との分離をより精度良く確実に行うことができる。

また、 偏光ビームスプリツタアレイ 5 1の入射側には、 ダイクロイツクフィル ターアレイ 5 6が設けられている。 したがって、 分光特性における入射角依存性 が比較的大きなダイクロイツクミラー 4 1を用いた場合でも、 偏光ビームスプリ ッタアレイ 5 1に対して不要な色光が入射することを回避でき、 第 1色の部分光 束と第 2色の部分光束との分離を確実に行うことができる。 なお、 ダイクロイツ クフィルターアレイ 5 6は第 2のレンズアレイ 6 0の前面に配置することもでき る。

(実施の形態 3 )

第 4図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの他の実施の形態を 示している。 この実施の形態は、 先に説明した実施の形態 2と、 主に色光分離光 学素子 4 0のミラー 4 1、 4 2の配置と第 2のレンズアレイ 6 0の構成が異なる。 その他の構成については、 実施の形態 2と同様である。 なお、 第 4図の色分離' 合成光学系 1 0 0において、 実線による光線表示は P偏光光を、 破線による光線 表示は S偏光光をそれぞれ示している。

この実施の形態では、 色光分離光学素子 4 0のダイクロイツクミラー 4 1と反 射ミラー 4 2は互いに平行で、 光軸 L aの方向に沿って、 所定量 tの間隔を隔て て配置されている。 ここで、 所定量 tは偏光ビームスプリッタアレイ 5 1を構成 する偏光分離膜 5 4と反射膜 5 5の偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の入射端面 5 1 aに沿った方向における間隔にほぼ等しい。 ダイクロイツクミラー 4 1と反 射ミラー 4 2は、 いずれも、 光源 2 0の光軸 L aに対して 4 5 ° の角度で配置さ れている。

この実施の形態においても、 上述の実施の形態 1と同様の効果を得ることが可 能である。

さらに、 この実施の形態では、 このような構成の色光分離光学素子 4 0を用い ることによって、 第 1色の部分光束 （G) と第 2色の部分光束 （B + R ) を互い に平行な状態で、 それぞれ異なる位置に射出することができる。 したがって、 第 1色の部分光束 （G) と第 2色の部分光束 （B + R) の両方を第 2のレンズァレ ィ 6 0に対して垂直に入射させられるため、 第 2のレンズアレイ 6 0は同心レン ズ 6 1のみによって構成したものを用いることができる。 これにより、 第 2のレ ンズアレイ 6 0の構成を簡略化できるため、 さらなるコストダウンを図ることが できる。

(実施の形態 4 )

第 5図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの他の実施の形態を 示している。 この実施の形態は、 先に説明した実施の形態 2と、 色分離 ·合成光 学系の構成が異なる。 また、 偏光変換素子 5 0の； 2波長板 5 2の位置も異な つている。 その他の構成については、 実施の形態 2と同様である。 また、 第 5図 の後述する色分離 ·合成光学系 1 3 0において、 実線による光線表示は P偏光光 を、 破線による光線表示は S偏光光をそれぞれ示している。

この実施の形態では、 偏光変換素子 5 0の; / 2波長板 5 2は、 反射膜 5 5で 反射した光が射出される位置に設けられており、 反射膜 5 5から射出された光の 偏光面を 9 0° 回転させる。 これにより、 第 1色の部分光束 （G) は、 すべて S 偏光光となり、 第 2色の部分光束 （B + R) は、 すべて P偏光光となる。 この実施の形態では、 色分離 ·合成光学系 1 3 0は田の字形に配置された直方 体形状の第 1から第 4の偏光ビームスプリッタ 1 4 0、 1 5 0、 1 6 0、 1 7 0 と、 第 1の偏光ビームスプリッタ 1 4 0と第 3の偏光ビームスプリッタ 1 6 0と の間に配置された波長選択位相差板 1 8 0と、 第 3の偏光ビームスプリッタ 1 6 0と第 4の偏光ビームスプリッタ 1 7 0との間に配置された波長選択位相差板 1 8 1とを有して構成されている。

第 1の偏光ビームスプリッタ 1 4 0は、 2個の直角プリズム 1 4 1、 1 4 2の 互いの接合面に偏光光分離膜 1 4 3が形成された直方体状の光学素子であり、 偏 光光分離膜 1 4 3は、 誘電体多層膜等により構成され、 たとえば P偏光光のみを 透過し、 S偏光光を反射する偏光分離特性を有している。 他の第 2から第 4の偏 光ビームスプリッタ 1 5 0、 1 6 0、 1 7 0も、 第 1の偏光ビームスプリッタ 1 4 0と同様の構成と類似の偏光分離特性を有している。 なお、 図において、 1 5 1、 1 5 2、 1 6 1、 1 6 2、 1 7 1、 1 7 2は直角プリズムを示す。

波長選択位相差板 1 8 0、 1 8 1は、 第 1 8図に示されているような光学的特 性を有しており、 少なくとも、 透過する赤色光に対しては位相変化を与えず透過 する青色光に対して; / 2の位相変化を与えることで青色光の偏光方向を 9 0 ° 回転させるものである。 色分離'合成光学系 1 3 0では、 第 1の偏光ビームスプ リツタ 1 4 0の入射端面 1 4 4は平行化レンズ 9 9と対向して照明光学系 1 0力、 らの光の入口面となっており、 第 2の偏光ビームスプリッタ 1 5 0の入射 .射出 端面 1 5 4に反射型液晶パネル 2 0 0 Gが対向配置され、 第 3の偏光ビームスプ リツタ 1 6 0の 2つの入射 ·射出端面 1 6 4、 1 6 5に 2つの反射型液晶パネノレ 2 0 0 B、 2 0 O Rが対向配置され、 第 4の偏光ビームスプリッタ 1 7 0の射出 端面 1 7 4に投写レンズ 2 1 0が対向配置されている。

照明光学系 1 0から射出された光のうち、 P偏光光である第 2色の部分光束 （ B + R) は第 1の偏光ビームスプリッタ 1 4 0の偏光光分離膜 1 4 3を透過して 波長選択位相差板 1 8 0に入射し、 S偏光光である第 1の色光 （G) は偏光光分 離膜 1 4 3で反射して第 2の偏光ビームスプリッタ 1 5 0に入射する。 第 2の偏光ビームスプリッタ 1 5 0は、 第 1の偏光ビームスプリッタ 1 4 0よ りの S偏光光である第 1色の部分光束 （G) を反射型液晶パネル 2 0 0 Gに導く と共に、 反射型液晶パネル 2 0 0 Gによつて光変調されて P偏光光となつた第 1 色の部分光束 （G) を第 4の偏光ビームスプリッタ 1 7 0に導く。

波長選択位相差板 1 8 0は、 第 1の偏光ビームスプリッタ 1 4 0よりの第 2色 の部分光束 （B + R) に含まれる青色光と赤色光のうち、 青色光の偏光方向のみ を約 9 0 ° 回転させる。 これにより、 第 3の偏光ビームスプリッタ 1 6 0には、 P偏光光の赤色光と、 S偏光光の青色光とが入射し、 偏光方向の違いによって分 離される。 すなわち、 P偏光光の赤色光は偏光ビームスプリッタ 1 6 0の偏光光 分離膜 1 6 3を透過して反射型液晶パネル 2 0 0 Rに至り、 S偏光光の青色光は 偏光光分離膜 1 6 3で反射して反射型液晶パネル 2 0 0 Bに至る。 反射型液晶パ ネノレ 2 0 0 R、 反射型液晶パネノレ 2 0 0 Bによつて光変調された赤色光と青色光 は、 第 3の偏光ビームスプリッタ 1 6 0に戻り合成されて、 波長選択位相差板 1 8 1に入射する。

波長選択位相差板 1 8 1は、 第 3の偏光ビームスプリッタ 1 6 0よりの青色光 ( P偏光光） と赤色光 （S偏光光） のうち、 青色光の偏光方向のみを約 9 0 ° 回 転させる。 これにより、 第 4の偏光ビームスプリッタ 1 7 0には、 S偏光光の赤 色光と、 S偏光光の青色光とが入射する。 第 4の偏光ビームスプリッタ 1 7 0の 偏光光分離膜 1 7 3は、 第 2の偏光ビームスプリッタ 1 5 0よりの P偏光光の緑 色光を透過し、 第 3の偏光ビームスプリッタ 1 6 0よりの S偏光光の赤色光と S 偏光光の青色光を反射し、 これら 3色光を合成して投写レンズ 2 1 0に向けて射 出する。

本実施の形態においても、 上述の実施の形態と同様の効果を得ることができる。 さらに、 本実施の形態では、 各色光がすべて 2つの偏光ビームスプリッタを通過 して投写レンズ 2 1 0に至るから、 プロジェクタの投写画像のコントラストを高 めることができる。 なお、 第 1色の部分光束 （G) を P偏光光、 第 2色の部分光 束 （B + R) を S偏光光とし、 第 2の偏光ビームスプリッタ 1 5 0の側に青色光 用と赤色光用の 2つの反射型液晶パネル 2 0 0 B、 2 0 0 Rを、 第 3の偏光ビー ムスプリッタ 1 6 0の側に緑色光用の反射型液晶パネル 2 0 O Gを配置した構成 としても良い。 その場合には、 緑色光のコントラストをより一層高めることが可 能となるため、 より高いコントラストの投写画像を表示することができる。 本実 施の形態では、 色光分離光学素子 4 0のダイクロイツクミラー 4 1、 反射ミラー 4 2を実施の形態 2で説明した角度で配置しているが、 実施の形態 1や実施の形 態 3で説明した角度で配置するようにしても良い。

また、 第 1の偏光ビームスプリッタ 1 4 0は、 緑色光 （G) のみを反射し、 赤 色光 （R) と青色光 （B ) を透過させるダイクロイツクミラーやダイクロイツク プリズムに、 また、 第 4の偏光ビームスプリッタ 1 7 0は、 緑色光 （G) のみを 透過し、 赤色光 （R) と青色光 （B ) を反射させるダイクロイツクミラーやダイ クロイツクプリズムに、 それぞれ置き換えることができる。 さらに、 後者を採用 した場合には、 波長選択位相差板 1 8 1を省略することもできる。 この様な構成 を採用すれば、 低コスト化を実現しやすい点で都合がよい。

(実施の形態 5 )

第 6図は、 この発明による照明光学系を含むプロジェクタの実施の形態 5を示 している。 この実施の形態は、 透過型の光変調装置、 及びそれに対応した色分離 光学系及び色合成光学系を用いる点が先に説明した実施の形態 1〜4と異なる。 本実施の形態の照明光学系 1 0として、 上記実施の形態 1〜 4のいずれかの実施 形態に用いられている照明光学系 1 0も適用できる。 本実施の形態では、 代表例 として実施の形態 1の照明光学系 1 0を適用した構成を説明する。

ただし、 λ 2波長板 5 2の位置は、 第 1図の照明光学系 1 0で示す位置から隣 接する位置へシフトさせて配置している。 これにより、 第 1色の部分光束 （G) を S偏光光、 第 2色の部分光束 （B + R) を Ρ偏光光として射出できる。

なお、 本実施の形態において実施の形態 1と同様である部分は第 1図に付した符 号と同一の符号を付けて、 重複する説明を省略する。 また、 第 6図において、 実 線による光線表示は Ρ偏光光を、 破線による光線表示は S偏光光をそれぞれ示し ている。

まず、 照明光学系 1 0から射出された光のうち、 S偏光光である第 1色の部分 光束 （G) について説明する。 照明光学系 1 0からの第 1色の部分光束 （G) は、 ダイクロイツクミラー 5 0 1に入射する。 ここで、 ダイクロイツクミラー 5 0 1 は、 赤色光を透過し、 緑色光及び青色光を反射させる光学特性に設定されている。 ダイクロイツクミラー 5 0 1で反射された緑色光は、 ダイクロイツクミラー 5 0 3に入射する。 ここで、 ダイクロイツクミラ一 5 0 3は、 青色光を透過し、 緑色 光を反射させる光学特性に設定されている。 ダイクロイツクミラー 5 0 3で反射 された緑色光は、 平行化レンズ 5 1 O Gを経由して緑色光用の透過型光変調装置 5 2 0 Gに入射し、 透過型光変調装置 5 2 0 Gによって図示しない外部からの画 像情報に応じて変調され、 変調の度合いによって P偏光光として射出される。 な お、 後述する 3つの透過型光変調装置の前後には、 入射側に入射光の偏光度を高 めるためと射出側に不要な偏光光を排除するための一対の偏光板がそれぞれ配置 されているが、 第 6図ではその表記を省略している。

次に、 第 2色光の部分光束 （B + R ) のうち赤色光について説明する。 照明光 学系 1 0からの第 2色の部分光束 （B + R) は、 ダイクロイツクミラー 5 0 1に 入射する。 ダイクロイツクミラー 5 0 1を透過した赤色光は、 反射ミラー 5 0 2 で光路を略 9 0 ° 折り曲げられた後、 平行化レンズ 5 1 O Rを経由して赤色光用 の透過型光変調装置 5 2 0 Rに入射する。 透過型光変調装置 5 2 0 Rに入射した P偏光光である赤色光は、 透過型光変調装置 5 2 O Rによって図示しない外部か らの画像情報に応じて変調され、 変調の度合いによって S偏光光として射出され る。

次に、 第 2色光の部分光束 （B + R) のうち青色光について説明する。 照明光 学系 1 0からの第 2色の部分光束 （B + R) は、 ダイクロイツクミラー 5 0 1に 入射する。 ダイクロイツクミラー 5 0 1で反射された青色光は、 ダイクロイツク ミラー 5 0 3を透過した後、 第 1のリ レーレンズ L 1、 反射ミラー 5 0 4、 第 2 のリレーレンズ L 2、 反射ミラー 5 0 5からなるリレー光学系と平行化レンズ 5 1 0 Bを経由して青色光用の透過型光変調装置 5 2 O Bに入射する。 透過型光変 調装置 5 2 0 Bに入射した P偏光光である青色光は、 赤色光と同様に画像信号に 応じて変調され、 S偏光光として射出される。 ここで、 青色光路にリレー光学系 を用いる理由は、 他の 2つの色光の光路と、 光学的な光路の長さを略同一にする ことで、 色ムラや明るさムラの発生を抑制するためである。

各色光用の透過型光変調装置 5 2 0 R、 5 2 0 G、 5 2 O Bから射出され た光は、 それぞれ異なる入射端面からクロスダイクロイツクプリズム 5 3 0 に入射する。 クロスダイクロイツクプリズム 5 3 0は、 青色光反射ダイク口 イツク膜 5 3 O Bと、 赤色光反射ダイクロイツク膜 5 3 O Rとをそれぞれ入 射光軸に対して 4 5 ° の角度を有し、 かつ互いに直交するように X型に配置 したものである。

色合成光学系であるクロスダイクロイツクプリズム 5 3 0に入射した 3つ の色光は合成され、 色合成される。 そして、 合成光は投写レンズ 5 4 0によ り不図示のスクリーン上にフルカラー像を投写表示する。

3つの透過型光変調装置を用いるプロジェクタでは、 色合成光学系として クロスダイクロイツクプリズムを用いる場合が多い。 この場合、 クロスダイ クロイックプリズムのダイクロイツク膜で反射される色光は S偏光光に、 ま た、 ダイクロイツク膜を透過する色光は P偏光光に設定すれば、 色合成時の 光利用効率を向上させる点で都合がよい。 したがって、 本実施の形態では、 緑色光用の透過型光変調装置 5 2 0 Gから射出される光は P偏光光、 赤色光 及び青色光用の透過型光変調装置 5 2 O R , Bから射出される光は S偏光光 となるように構成されているため、 明るい投写画像を得ることができる。 (実施の形態 6 )

第 7図は、 この発明による照明光学系の他の実施の形態を示している。 本実施 の形態に係る照明光学系 1 O Aは、 第 1図、 第 3図、 第 4図に示したような色分 離'合成光学系 1 0 0、 第 5図に示したような色分離 ·合成光学系 1 3 0、 第 6 図に示したような透過型の光変調装置を前提とした色分離光学系及び色合成光学 系のいずれと組み合わせるこ,とも可能である。 この実施の形態に係る照明光学系 1 0 Aは、 光源 2 0と光束分割光学素子である第 1のレンズァレイ 3 0との間に 色光分離光学素子 4 0が設けられている点で、 実施の形態 2に係る照明光学系 1 0と異なっている。 その他の構成については、 実施の形態 2に係る照明光学系 1 0と同様である。 この実施の形態に係る照明光学系 1 O Aでは、 光源 2 0からの 光は、 まず、 色光分離光学素子 4 0によって第 1の色光 （G) と第 2の色光 （B + R) とに分離され、 これらの第 1の色光 （G) と第 2の色光 （B + R ) はそれ ぞれ僅かに異なる方向に射出される。

.第 1のレンズアレイ 3 0に入射した第 1の色光 （G) と第 2の色光 （B + R) は各小レンズ 3 1によってそれぞれ複数の部分光束に分割されて集光され、 第 2 のレンズアレイ 6 0を経て、 第 1色の部分光束 （G) は偏光変換素子 5 0の偏光 ビームスプリッタアレイ 5 1の反射膜 5 5に、 第 2色の部分光束 （B + R) は偏 光ビームスプリッタアレイ 5 1の偏光分離膜 5 4に入射する。 これらの部分光束 は; Lノ 2波長板 5 2によって、 第 2色の部分光束 （B + R) は S偏光光に、 第 1 色の部分光束 （G) は P偏光光に揃えられた後、 重畳レンズ 7 0によって被照明 領域上で重畳される。

この実施の形態に係る照明光学系 1 O Aは、 上述した実施の形態 2にかかる照 明光学系 1 0と同様の作用、 効果が得られる。 加えて、 色光分離光学素子 4 0を 光源 2 0と第 1のレンズァレイ 3 0との間に配置し、 色光分離光学素子 4 0には 平行性の高い光束が入射する構成となっているため、 他の実施の形態と比較して、 色光分離光学素子 4 0においては、 色光の分離を一層高い効率で確実に行うこと ができる。 なお、 本実施の形態では、 色光分離光学素子 4 0のダイクロイツクミ ラー 4 1と反射ミラー 4 2とを実施の形態 2で説明したような角度で配置してい るが、 実施の形態 1や実施の形態 3で説明したような角度で配置するようにして も良い。

(偏光変換素子の変形例）

第 8図は、 この発明による照明光学系の変形例に係る偏光変換素子 5 O Aの構 成を示す図である。 この偏光変換素子 5 O Aは、 反射膜 5 5 (第 2図） を用いず に偏光分離膜 5 4だけで構成している点が第 2図に示した偏光変換素子 5 0と異 なる。 その他の構成については、 実施の形態 2に係る照明光学系 1 0と同様であ る。 なお、 第 8図において、 第 2図に対応する部分には、 第 2図に付した符号と 同一の符号を付けて、 その説明を省略する。

まず、 この変形例に係る偏光変換素子 5 O Aの構成を説明する。 偏光ビームス プリッタアレイ 5 1は、 第 2図と同様に、 断面形状が平行四辺形の柱状の透光性 部材 5 3を複数個貼り合わせた構成となっている。 隣接する透光性部材 5 3の貼 り合わせ界面には、 偏光分離膜 5 4が所定の間隔 dで設けられている。 ここで、 所定の間隔 dは上述した偏光変換素子 5 0における偏光分離膜 5 4と反射膜 5 5 との間隔に等しい。 偏光分離膜 5 4は、 偏光変換素子 5 O Aの入射端面 5 1 aに 対して約 4 5 ° 傾斜している。 また、 偏光分離膜 5 4の数は、 第 1のレンズァレ ィ 3 0の列数 Nあるいは行数 Mの略 2倍に対応している。 言い換えれば、 偏光変 換素子 5 O Aの偏光分離膜 5 4の数は、 偏光変換素子 5 0における偏光分離膜 5 4と反射膜 5 5の数の総和に略等しい。

X / 2波長板 5 2は、 一つおきの偏光分離膜 5 4に対応させて、 所定の間隔 d を隔てて、 2 dのピッチで配置されている。

この変形例では、 偏光変換素子 5 O Aは、 偏光分離膜 5 4の後方 （射出側） に λ / 2波長板 5 2が配置されている入射端面 ΑΑに入射する第 2色の部分光束 （ 例えば B + R ) をすベて第 2の偏光方向を有する偏光光としての S偏光光に変換 する。 また、 偏光変換素子 5 O Aは、 偏光分離膜 5 4の後方 （射出側） に; L Z 2 波長板 5 2が配置されていない入射端面 B Bに入射する第 1色の部分光束 （例え ば G) をすベて第 1の偏光方向を有する偏光光としての P偏光光に変換する。 次に、偏光変換素子 5 O Aの機能を説明する。 偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の入射端面 A Aから偏光分離膜 5 4に入射した第 2色の部分光束 （B + R ) は、 偏光分離膜 5 4を透過する P偏光光と反射する S偏光光とに分離される。 偏光分 離膜 5 4を透過した P偏光光は；ノ 2波長板 5 2を通過することによって偏光方 向を 9 0 ° 回転し、 S偏光光に変換される。 これに対して、 偏光分離膜 5 4で反 射した S偏光光は隣接する偏光分離膜 5 4で再度反射され、 波長板 5 2を 通過しないで射出する。 このため、 偏光方向は変化せず、 S偏光光のままである。 よって、 入射端面 A Aから偏光分離膜 5 4に入射した第 2色の部分光束 （B + R ) は、 S偏光光に揃えられて偏光変換素子 5 O Aから射出される。

一方、 偏光ビームスプリッタアレイ 5 1の入射端面 B Bから偏光分離膜 5 4に 入射した第 1色の部分光束 （G) は、 偏光分離膜 5 4を透過する P偏光光と反射 する S偏光光とに分離される。 偏光分離膜 5 4を透過した P偏光光は ノ 2波長 板 5 2を通過しないで射出する。 このため、 偏光方向は変化せず、 P偏光光のま まである。 これに対して、 偏光分離膜 5 4で反射した S偏光光は、 隣接する偏光 分離膜 5 4で再度反射され、 ぇノ2波長板 5 2を通過することによって偏光方向 を 9 0 ° 回転し、 P偏光光に変換される。 よって、 入射端面 B Bから偏光分離膜 5 4に入射した第 1色の部分光束 （G) は、 P偏光光に揃えられて偏光変換素子 5 O Aから射出される。

なお、 第 8図において、 実線による光線表示は P偏光光を、 破線による光線表 示は S偏光光をそれぞれ示している。

勿論、 入射端面 AAに第 1色の部分光束 （例えば G) を入射させて、 偏光変換 素子 5 O Aから射出される第 1色の部分光束をすベて S偏光光に、 また、 入射端 面 B Bに第 2色の部分光束 （例えば B + R) を入射させて、 偏光変換素子 5 O A から射出される第 2色の部分光束をすベて P偏光光に変換する構成でも良い。 要 するに、 え Z 2波長板 5 2の配置の有無に対応して隣接する入射端面 A A、 B B に対して、 第 1色及び第 2色の部分光束を選択的に入射させることによって、 色 光毎に偏光方向を揃えることが可能となる。 偏光変換素子 5 O Aでは、 前述の偏 光変換素子 5 0に比べて、 偏光変換素子内における第 1色及び第 2色の部分光束 のうち、 最短の光路長を有する部分光束と最長の光路長を有する部分光束との間 の光路長差を小さくできる。 このため、 被照明領域において、 第 1色の部分光束 の拡大率と第 2色の部分光束の拡大率とを容易に一致させることができ、 この結 果、 高い照明効率で部分光束を重畳結合できる。 また、 偏光変換素子 50におけ る偏光ビ一ムスプリッタアレイ 5 1は偏光分離膜と反射膜を備えているのに対し て、 偏光変換素子 5 OAにおける偏光ビームスプリッタアレイ 5 1は偏光分離膜 だけを備えて構成されているため、 偏光ビームスプリッタアレイの構造が単純で あり、 製造が容易である。

(色光分離光学素子の各種実施の形態）

第 9図〜第 1 4図は、 色光分離光学素子の他の実施の形態を示している。 これ らの色光分離光学素子は、 先に説明した照明光学系 1 0、 1 OAにおける色光分 離光学素子 40と置き換えることが可能である。 第 9図 （a) 、 (b) に示され ている色光分離光学素子は、 対向する 2つの面を有する透光性部材 80の一方の 面にダイクロイツクミラー 8 1が設けられ、 他方の面に反射ミラー 82が設けら れた一つの光学部品として構成されている。

第 1 0図 （a) 、 (b) に示されている色光分離光学素子は、 対向する 2つの 面を有する透光性部材 83の一方の面に、 直角プリズム 84が固着された構成と なっている。 透光性部材 83と直角プリズム 84との間に、 ダイクロイツクミラ 一 8 5が設けられており、 透光性部材 83の他方の面に、 反射ミラー 86が設け られている。

第 1 1図 （a) 、 (b) に示されている色光分離光学素子は、 対向する 2つの 面を有する透光性部材 87の一方の面に複数個の小寸法直角プリズム 88が階段 状に固着された構成となっている。 透光性部材 8 7と小寸法直角プリズム 88と の間にはダイクロイツクミラー 8 9が設けられており、 透光性部材 87の他方の 面には反射ミラー 90が設けられている。

第 9図 （a) 、 第 10図 （a) 、 第 1 1図 （a) の色光分離光学素子では、 ダ ィクロイツクミラー 8 1、 85、 89と反射ミラー 82、 86、 90とが非平行 であり、 光源の光軸 L aに対してそれぞれ （45 + i3) ° 、 （45— j3) ° とな るように配置される。 ダイクロイツクミラー 8 1、 8 5、 8 9と反射ミラー 82、 86、 90とは、 光源の光軸 L aに対してそれぞれ 45° 、 （45— α) ° とな るように配置しても構わない。 あるいは、 光源の光軸 L aに対してそれぞれ （4 5 + α) ° 、 45° となるように配置しても構わない。 一方、 第 9図 （b) 、 第 1 0図 （b) 、 第 1 1図 （b) の色光分離光学素子では、 ダイクロイツクミラー 8 1、 85、 8 9と反射ミラー 82、 86、 90とが平行となっており、 光源の 光軸 L aに対して 45° となるように配置される。 ダイクロイツクミラー及び反 射ミラーに対する上記の設置角度の設定の仕方については、 上述の実施の形態で 説明したとおりである。

第 1のミラーとしてのダイクロイツクミラー 8 1、 85、 8 9は、 色光分離光 学素子 40のダイクロイツクミラー 4 1と対応しており、 これと同じように構成 することが可能である。 また、 第 2のミラーとしての反射ミラー 82、 86、 9 0は、 色光分離光学素子 40の反射ミラー 42と対応しており、 これと同じよう に構成することが可能である。

これらの色光分離光学素子は、 一つの光学部品として構成されている。 よって、 これらの色光分離光学素子を用いれば、 装置の組み立てを容易化することができ る。 さらに、 第 10図 （a) 、 第 1 0図 （b) の色光分離光学素子は、 屈折率が 1よりも大きな直角プリズム 84を介してダイクロイツクミラー 85に光が入射 するため、 ダイクロイツクミラー 8 5への光の入射角度が狭められ、 ダイクロイ ックミラー 85の分光特性を高められると共に、 直角プリズム 84と透光性部材 83の屈折率を一致させておけば、 直角プリズム 84からダイクロイックミラー 85に光が入射する場合に界面での屈折を生じないため、 界面での光損失を低減 できるという効果がある。 さらにまた、 第 1 1図 （a) 、 第 1 1図 （b) の色光 分離光学素子は、 第 1 0図 （a) 、 第 10図 （b) に示した色光分離光学素子と 同様の特徴に加えて、 プリズム部分の小型化が図られるため、 色光分離光学素子 を小型 ·軽量化することができるという特徴を有する。 なお、 第 9図〜第 1 1図 に示した色光分離光学素子では、 ダイクロイツクミラーと反射ミラーとの間に屈 折率が 1よりも大きな媒質が介在するため、 ダイクロイツクミラーと反射ミラー との間隔は介在する媒質の屈折率も考慮して設定する必要がある。 特に、 第 9図 の色光分離光学素子では、 空気中から媒質に光が入射する場合に光が屈折し光路 シフトを生じるため、 この点を考慮する必要がある。

第 1 2図に示されている色光分離光学素子は、 反射型ホログラム素子 9 1によ り構成され、 第 1 3図と第 1 4図に示されている色光分離光学素子は、 透過型ホ ログラム素子 9 2により構成されている。 第 1 2図〜第 1 4図において、 第 1図 や第 3図に対応する部分には、 第 1図や第 3図に付した符号と同一の符号を付け て、 その説明を省略する。 反射型ホログラム素子 9 1、 透過型ホログラム素子 9 2は、 光束分割光学素子である第 1のレンズアレイ 3 0の前後、 何れにも配置で きる。 また、 反射型、 透過型を問わず、 分離した光の方向を光軸 L bに対して対 称にも、 非対称にもすることができる。 第 1 2図、 第 1 3図は対称の場合の例、 第 1 4図は非対称の場合の例をそれぞれ示している。 対称の場合は、 第 3図に示 したような同心レンズ 6 3のみからなる第 2のレンズアレイ 6 0を用いることが できるが、 非対称の場合は、 第 1図に示したような同心レンズ 6 1と偏心レンズ 6 2とからなる第 2のレンズアレイ 6 0を用いることとなる。 上述したようなホ ログラム素子を使用すれば、 色光分離光学素子の部品点数を减らすことができる とともに、 照明光学系、 ひいてはこれを用いたプロジェクタの小型、 軽量化を図 ることが可能となる。

(光束分割光学素子と色光分離光学素子の他の実施の形態）

第 1 5図に示されている実施の形態では、 光束分割光学素子として、 第 1のレ ンズアレイ 3 0の代わりに小さい凹面鏡 9 3をマトリックス状に配置したミラー アレイ 9 4が使用されている。 また、 色光分離光学素子は、 透過型ホログラム素 子 9 2により構成されている。 第 2のレンズアレイ 6 0は、 実施の形態 2におけ るレンズアレイ 6 0と同じである。 この図に示した部分は、 第 1図、 第 3図、 第 5図、 第 6図などの第 1のレンズアレイ 3 0、 色光分離光学素子 4 0、 第 2のレ ンズアレイ 6 0の部分と置き換えることが可能である。 小さい凹面鏡 9 3は第 1 のレンズアレイ 3 0の小レンズ 3 1と同等の働きをする。 これにより、 ミラーァ レイ 9 4は第 1のレンズアレイ 3 0と同等に機能し、 レンズ構成による場合より、 安価になる。 また、 ミラーアレイ 9 4ではレンズアレイに付きものの球面収差が 発生しないため、 集光性を高められ、 照明効率を向上させることができる。

(その他の実施の形態）

なお、 この発明は、 上記の実施の形態に限られるものではなく、 その要旨を逸 脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、 例えば次 のような変形も可能である。

色光分離光学素子による色光分離は、 緑色光と青 +赤色光との分離に限られる ことはなく、 青色光と緑 +赤色光との分離、 赤色光と緑 +青色光との分離でもよ い。 このような色の組み合わせは、 ダイクロイツクミラー 4 1の分光特性の選定 により、 任意に設定することができる。 例えば、 ダイクロイツクミラー 4 1は緑 色光を選択的に反射し、 他の色光を透過させる分光特性を備えていても良い。 第 1図に示した実施の形態 1に係るプロジェクタを用いて、 色光分離の組み合 わせの効果を説明する。 青色光と緑 +赤色光との分離の組み合わせの場合は、 第 1図において入射 ·射出端面 1 1 6の対向位置に緑色光用の反射型液晶パネル 2 0 0 Gの代わりに赤色光用の反射型液晶パネル 2 0 0 Rを配置する。 この場合、 赤色光の利用効率を高くできる。 従って、 光源ランプ 2 1として、 例えば赤色光 が少ない高圧水銀ランプを用いた場合に、 色バランスを容易に確保できる。 この 結果、 プロジェクタにおける色再現性と光利用効率を高めることができる。 また、 赤色光と緑 +青色光との分離の組み合わせの場合は、 第 1図において入 射 ·射出端面 1 1 6の対向位置に緑色光用の反射型液晶パネル 2 0 0 Gの代わり に青色光用の反射型液晶パネル 2 0 0 Bを配置する。 この場合、 ダイクロイツク プリズム 1 2 0での青色光の吸収が少なくなる。 従って、 光弾性効果による青色 光の偏光解消を防止できる。 この結果、 プロジェクタにおける色再現性と光利用 効率を高めることができる。

また、 第 1色の光と第 2色の光の偏光方向の設定は、 上記の実施の形態に限定 されず、 色分離 ·合成光学系 1 0 0の構成に応じて、 偏光状態を任意に設定する ことができる。 例えば、 第 1色の光を S偏光光に、 第 2色の光を P偏光光に揃え るような光学構成を採用することができる。 換言すれば、 特定の色光が入射する 偏光分離膜の後方 （射出側） に λ Ζ 2波長板 5 2を配置した場合は、 この特定の 色光は S偏光光に変換されて射出する。 また、 特定の色光が入射する偏光分離膜 の後方 （射出側） に 1 / 2波長板 5 2を配置しない場合は、 この特定の色光の光 は Ρ偏光光に変換されて射出される。

さらに、 上記の実施の形態では、 色光分離光学素子 4 0のダイクロイツクミラ 一 4 1で反射した第 2色の部分光束を偏光変換素子 5 0の偏光分離膜 5 4に入射 させ、 反射ミラー 4 2で反射した第 1色の部分光束を反射膜 5 5に入射させる構 成としているが、 第 1および第 2色の部分光束と偏光分離膜 5 4および反射膜 5 5の対応関係は、 上記の逆であっても良い。 すなわち、 第 1色の部分光束を偏光 分離膜 5 4に、 第 2色の部分光束を反射膜 5 5に入射させる構成であっても良い。 但し、 偏光変換素子 5 0を用いる場合には、 第 1のレンズアレイ 3 0と第 2のレ ンズアレイ 6 0との間、 および、 偏光変換素子 5 0と色分離 ·合成光学系 1 0 0 との間において生じる第 1色の部分光束と第 2色の部分光束の光路の長さの違い を考慮すると、 上記の実施の形態での対応関係が最も適当である。 なお、 第 1及 び第 2のレンズァレイ 3 0、 6 0のレンズ特性を適当に設定すれば、 偏光分離膜 5 4と反射膜 5 5の対が光軸 L bを対称軸として折り返しの位置に配置された偏 光変換素子を用いることもできる。

さらにまた、 上記の実施の形態のうち一部のものでは、 光軸 L aと光軸 L bと の成す角を 9 0 ° とし、 色光分離光学素子 4 0に対しては約 4 5 ° の角度で光源 2 0からの光が入射する構成としているが、 光軸 L aと光軸 L bとの成す角度を 9 0 ° よりも小さくし、 光源 2 0からの光が色光分離光学素子 4 0に対して 4 5 ° よりも小さな角度で入射する構成としても良い。 その場合には、 色光分離光学 素子 4 0に使用されるダイクロイツクミラー 4 1や反射ミラー 4 2の分光特性や 反射特性を向上しやすく、 高い光学効率を実現することができる。 また、 これと は反対に、 光軸 L aと光軸 L bとの成す角度を 9 0 ° よりも大きくする構成とし ても良い。 これにより、 光学系のレイアウトの自由度を增すことができる。 また、 上記の実施の形態において、 光束分割光学素子としてのレンズアレイ 3 0の代わりに、 複数の反射面を備えた導光ロッドを用いることも可能である。 こ のような導光口ッドは、 特開平 1 0— 1 6 1 2 3 7号公報などに開示されており、 公知であるため、 その詳細な説明は省略する。 導光ロッドを用いれば、 ミラーァ レイ 9 4の場合と同様、 レンズアレイに付きものの球面収差が発生しないため、 集光性を高められ、 照明効率を向上させることができる。

また、 この発明による照明光学系は、 先に実施の形態で示したように、 反射型 と透過型を問わず種々の光変調装置を照明する装置として使用することができる。 以上の説明から理解される如く、 この発明による照明光学系によれば、 光源か らの非偏光な光を予め色光毎に偏光方向が揃った偏光光束に変換しているため、 照明光学系よりも光路下流側に配置されるダイクロイツクブリズムゃ偏光ビーム スプリッタなどの光学要素の偏光依存性を軽減することができる。 よって、 照明 効率を高めることができる。

さらに、 この照明光学系をプロジェクタに採用することにより、 投写画像の高 輝度化と高画質化、 高コントラスト化を図ることができる。 また、 従来の照明光 学系を用いた場合と比較して、 部品点数を削減でき、 低コスト化を実現できる。 産業上の利用可能性

以上説明したように、 本発明の照明光学系によれば、 特定の色光の偏光方向が 他の色光のそれに対して約 9 0 ° 異なる照明光を効率よく生成し、 その様な照明 光で被照明領域を均一な照度分布で照明できる。

また、 本発明のプロジェクタによれば、 上述の照明光学系を適用することによ つて、 色分離 ·合成光学系を構成するダイクロイック面における分光特性の偏光 依存性を軽減し、 明るく高画質な投写画像を表示できる。 また、 従来の照明光学 系を用いた場合と比較して、 部品点数を削減でき、 低コスト化を実現できる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . 光源からの光を複数の部分光束に分割して各部分光束を集光する光束分割 光学素子と、

それぞれの前記部分光束を第 1色の部分光束と第 2色の部分光束とに分離し、 第 1色の部分光束と第 2色の部分光束をそれぞれ異なる方向に、 または平行な状 態で射出する色光分離光学素子と、

複数の偏光分離膜と複数の反射膜とが交互に配列された偏光ビームスプリッタ アレイと、 前記偏光分離膜を透過した光が射出される位置または前記反射膜によ つて反射された光が射出される位置に設けられた偏光方向回転素子とを具備し、 前記偏光分離膜に入射する前記第 1色の部分光束を第 1の偏光方向に揃え、 前記 反射膜に入射する前記第 2色の部分光束を第 2の偏光方向に揃えて射出する偏光 変換素子と、

前記偏光変換素子の入射側または射出側に配置され、 前記光束分割光学素子に よって形成される像を被照明領域に伝達する伝達光学素子と、

前記偏光変換素子より射出される部分光束を被照明領域で重畳させる重畳光学 素子と、

を有していることを特徴とする照明光学系。

2 . 光源からの光を第 1の色光と第 2の色光とに分離し、 第 1の色光と第 2の 色光をそれぞれ異なる方向に、 または平行な状態で射出する色光分離光学素子と、 前記第 1の色光を複数の第 1色の部分光束に分割し、 前記第 2の色光を複数の 第 2·色の部分光束に分割して各部分光束を集光する光束分割光学素子と、

複数の偏光分離膜と複数の反射膜とが交互に配列された偏光ビームスプリツタ アレイと、 前記偏光分離膜を透過した光が射出される位置または前記反射膜によ つて反射された光が射出される位置に設けられた偏光方向回転素子とを具備し、 前記偏光分離膜に入射する前記第 1色の部分光束を第 1の偏光方向を有する偏光 光に揃え、 前記反射膜に入射する前記第 2色の部分光束を第 2の偏光方向を有す る偏光光に揃えて射出する偏光変換素子と、

前記偏光変換素子の入射側または射出側に配置され、 前記光束分割光学素子に よつて形成される像を被照明領域に伝達する伝達光学素子と、

前記偏光変換素子より射出される部分光束を被照明領域で重畳させる重畳光学 素子と、

を有していることを特徴とする照明光学系。

3 . 光源からの光を複数の部分光束に分割して各部分光束を集光する光束分割 光学素子と、

それぞれの前記部分光束を第 1色の部分光束と第 2色の部分光束とに分離し、 第 1色の部分光束と第 2色の部分光束をそれぞれ異なる方向に、 または平行な状 態で射出する色光分離光学素子と、

複数の偏光分離膜が所定の間隔で配列された偏光ビームスプリッタアレイと、 前記所定の間隔で配列され、 前記偏光ビームスプリツタアレイの射出側に設けら れた偏光方向回転素子とを具備し、

前記偏光分離膜の射出側に前記偏光方向回転素子が設けられていない入射側端 面に入射し、 前記偏光分離膜を透過する前記第 1色の部分光束と、 前記偏光分離 膜で反射された後隣接する前記偏光分離膜で再度反射されて前記偏光方向回転素 子を透過する前記第 1色の部分光束とを第 1の偏光方向に揃え、

前記偏光分離膜の射出側に前記偏光方向回転素子が設けられている入射側端面 に入射し、 前記偏光分離膜を透過した後前記偏光方向回転素子を透過する前記第 2色の部分光束と、 前記偏光分離膜で反射された後隣接する前記偏光分離膜で再 度反射される前記第 2色の部分光束とを第 2の偏光方向に揃えて射出する偏光変 換素子と、

前記偏光変換素子の入射側または射出側に配置され、 前記光束分割光学素子に よって形成される像を被照明領域に伝達する伝達光学素子と、 前記偏光変換素子より射出される部分光束を被照明領域で重畳させる重畳光学 素子と、

を有していることを特徴とする照明光学系。

4 . 光源からの光を第 1の色光と第 2の色光とに分離し、 第 1の色光と第 2の 色光をそれぞれ異なる方向に、 または平行な状態で射出する色光分離光学素子と、 前記第 1の色光を複数の第 1色の部分光束に分割し、 前記第 2の色光を複数の 第 2色の部分光束に分割して各部分光束を集光する光束分割光学素子と、

複数の偏光分離膜が所定の間隔で配列された偏光ビームスプリッタアレイと、 前記所定の間隔で配列され、 前記偏光ビームスプリッタアレイの射出側に設けら れた偏光方向回転素子とを具備し、

前記偏光分離膜の射出側に前記偏光方向回転素子が設けられていない入射側端 面に入射し、 前記偏光分離膜を透過する前記第 1色の部分光束と、 前記偏光分離 膜で反射された後隣接する前記偏光分離膜で再度反射されて前記偏光方向回転素 子を透過する前記第 1色の部分光束とを第 1の偏光方向に揃え、

前記偏光分離膜の射出側に前記偏光方向回転素子が設けられている入射側端面 に入射し、 前記偏光分離膜を透過した後前記偏光方向回転素子を透過する前記第 2色の部分光束と、 前記偏光分離膜で反射された後隣接する前記偏光分離膜で再 度反射される前記第 2色の部分光束とを第 2の偏光方向に揃えて射出する偏光変 換素子と、

前記偏光変換素子の入射側または射出側に配置され、 前記光束分割光学素子に よつて形成される像を被照明領域に伝達する伝達光学素子と、

前記偏光変換素子より射出される部分光束を被照明領域で重畳させる重畳光学 素子と、

を有していることを特徴とする照明光学系。

5 . 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一つにおいて、 前記色光分離光学素子は第 1のミラーと第 2のミラーを備えており、 前記第 1 のミラーは色分離を行うダイクロイツクミラーであり、 前記第 2のミラーは反射 ミラーであることを特徴とする照明光学系。

6 . 請求の範囲第 5項において、

前記第 1のミラーと前記第 2のミラーは互いに非平行であって、 前記第 1のミ ラーは前記光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置され、 前記第 2のミラーは前 記光源の光軸に対して （4 5— α ) ° の角度で配置されていることを特徴とする 照明光学系。

7 . 請求の範囲第 5項において、

前記第 1のミラーと前記第 2のミラーは互いに非平行であつて、 前記第 1のミ ラーは前記光源の光軸に対して （4 5 + α ) ° の角度で配置され、 前記第 2のミ ラーは前記光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置されていることを特徴とする 照明光学系。

8 . 請求の範囲第 5項において、

前記第 1のミラーと前記第 2のミラーは互いに非平行であって、 前記第 1のミ ラーは前記光源の光軸に対して （4 5 + ]3 ) ° の角度で配置され、 前記第 2のミ ラーは前記光源の光軸に対して （4 5— ） ° の角度で配置されていることを特 徴とする照明光学系。

9 . 請求の範囲第 5項において、

前記第 1のミラーと前記第 2のミラーは、 互いに平行に、 前記光源の光軸に対 して 4 5 ° の角度で配置されていることを特徴とする照明光学系。

1 0 . 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一^ ^こおいて、 前記色光分離光学素子は、 板状の透光性部材と、 前記透光性部材の対向する 2 つの面のうち一方の面に設けられたダイクロイツクミラーと、 他方の面に設けら れた反射ミラーと、 を備えた光学部品により構成されていることを特徴とする照 明光学系。

1 1 . 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一つにおいて、

前記色光分離光学素子は、 板状の透光性部材と、 前記透光性部材の対向する 2 つの面のうち一方の面に固着された直角プリズムと、 他方の面に設けられた反射 ミラーと、 前記透光性部材と前記直角プリズムとの間に設けられたダイクロイツ クミラーと、 を備えた光学部品により構成されていることを特徴とする照明光学 系。

1 2 . 請求の範固第 1項〜第 4項のいずれか一つにおいて、

前記色光分離光学素子は、 板状の透光性部材と、 前記透光性部材の対向する 2 つの面のうち一方の面に固着された複数個の小寸法直角プリズムと、 他方の面に 設けられた反射ミラーと、 前記透光性部材と前記直角プリズムとの間に設けられ たダイクロイツクミラーと、 を備えた光学部品により構成されていることを特徴 とする照明光学系。

1 3 . 請求の範囲第 1 0項〜第 1 2項のいずれか一つにおいて、

前記一方の面と前記他方の面とは互いに非平行であつて、 前記一方の面は前記 光源の光軸に対して 4 5 ° の角度で配置され、 前記他方の面は前記光源の光軸に 対して （4 5— α ) ° の角度で配置されていることを特徴とする照明光学系。

1 4 . 請求の範囲第 1 0項〜第 1 2項のいずれか一つにおいて、

前記一方の面と前記他方の面は互いに非平行であって、 前記第 1の面は前記光 源の光軸に対して （4 5 + α ) ° の角度で配置され、 前記第 2の面は前記光源の 光軸に対して 4 5 ° の角度で配置されていることを特徴とする照明光学系。

1 5 . 請求の範囲第 1 0項〜第 1 2項のいずれか一つにおいて、

前記一方の面と前記他方の面とは互いに非平行で、 前記一方の面は前記光源の 光軸に対して （4 5 + ]3 ) 。 の角度で配置され、 前記他方の面は前記光源の光軸 に対して （4 5— ]3 ) 。 の角度で配置されていることを特徴とする照明光学系。

1 6 . 請求の範囲第 1 0項〜第 1 2項のいずれか一つにおいて、

前記一方の面と前記他方の面とは互いに平行で、 それぞれ前記光源の光軸に対 して 4 5 ° の角度で配置されていることを特徴とする照明光学系。

1 7 . 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一つにおいて、

前記色光分離光学素子は反射型ホログラム素子により構成されていることを特 徴とする照明光学系。

1 8 . 請求の範囲第 1項〜第 4項のいずれか一つにおいて、

前記色光分離光学素子は透過型ホログラム素子により構成されていることを特 徴とする照明光学系。

1 9 . ' 請求の範囲第 1項〜第 1 8項のいずれか一つにおいて、

前記光束分割光学素子はレンズァレイにより構成されていることを特徴とする 照明光学系。

2 0. 請求の範囲第 1 8項において、

前記光束分割光学素子はミラーアレイにより構成されていることを特徴とする 照明光学系。

2 1 . 請求の範囲第 1項〜第 1 8項のいずれか一つにおいて、

前記光束分割光学素子は 4つの反射面を備えた導光口ッドにより構成されてい ることを特徴とする照明光学系。

2 2 . 請求の範囲第 1項〜第 2 1項のいずれか一つにおいて、

前記偏光ビームスプリッタアレイの入射側に不要な色光の入射を遮るためのダ イクロイックフィルターアレイが設けられていることを特徴とする照明光学系。

2 3 . 請求の範囲第 1項〜第 2 2項のいずれか一つにおいて、

前記色光分離光学素子は、 緑色光と赤および青色光とを分離する色分解特性を 有していることを特徴とする照明光学系。

2 4 . 請求の範囲第 1項〜第 2 3項のいずれか一つに記載の照明光学系と、 前記照明光学系から射出された光を変調する光変調装置と、

前記光変調装置によって変調された光を投写する投写レンズと、

を有することを特徴とするプロジェクタ。

2 5 . 請求の範囲第 1項〜第 2 3項のいずれか一つに記載の照明光学系と、 前記照明光学系から射出された前記第 1色の光を変調する第 1の反射型光変調 装置と、

前記照明光学系から射出された前記第 2色の光に含まれる第 3の色光を変調す る第 2の反射型光変調装置と、

前記照明光学系から射出された前記第 2色の光に含まれる第 4の色光を変調す る第 3の反射型光変調装置と、

前記照明光学系から射出された光を前記第 1色の光と前記第 2色の光とに分離 する偏光ビームスプリッタと、

前記第 2色の光を前記第 3の色光と前記第 4の色光とに分離するとともに前記 第 2の反射型光変調装置から射出された光と前記第 3の反射型光変調装置から射 出された光を合成して前記偏光ビームスプリッタに向けて射出する色光分離 ·合 成素子と、 を有し、

前記第 1の反射型光変調装置から射出された光と前記色光分離 ·合成素子から 射出された光のうち、 前記偏光ビームスプリッタによって選択された光を投写す る投写レンズと、

を有することを特徴とするプロジェクタ。

2 6 . 請求の範囲第 1項〜第 2 3項のいずれか一つに記載の照明光学系と、 前記照明光学系から射出された光に含まれる前記第 1色の光を変調する第 1の 反射型光変調装置と、

前記照明光学系から射出された前記第 2色の光に含まれる第 3の色光を変調す る第 2の反射型光変調装置と、

前記照明光学系から射出された前記第 2色の光に含まれる第 4の色光を変調す る第 3の反射型光変調装置と、

第 1〜第 4の偏光ビームスプリッタと、

前記第 1の偏光ビームスプリッタと前記第 3の偏光ビームスプリッタとの間に 設けられた第 1の波長選択位相差板と、

前記第 3の偏光ビームスプリッタと前記第 4の偏光ビームスプリッタとの間に 設けられた第 2の波長選択位相差板と、

前記第 4の偏光ビームスプリッタから射出された光を投写する投写レンズと、 を備え、

前記第 1の偏光ビームスプリツタは前記照明光学系から射出された光を前記第 1色の光と前記第 2色の光とに分離し、

前記第 2の偏光ビームスプリッタは、 前記第 1の偏光ビームスプリッタによつ て分離された前記第 1色の光を前記第 1の反射型光変調装置に導くと共に、 前記 第 1の反射型光変調装置によって変調された前記第 1色の色光を前記第 4の偏光 ビームスプリッタに導き、

前記第 1の波長選択位相差板は、 前記第 1の偏光ビームスプリツタによって分 離された前記第 2色の光に含まれる前記第 3の色光と前記第 4の色光のうち、 前 記第 3の色光の偏光方向のみを約 9 0 ° 回転させ、

前記第 3の偏光ビームスプリツタは、 前記第 1の波長選択位相差板から射出さ れた前記第 3の色光と前記第 4の色光を前記第 2の反射型光変調装置と前記第 3 の反射型光変調装置に導くと共に、 前記第 2の反射型光変調装置および前記第 3 の反射型光変調装置によって変調された前記第 3の色光および前記第 4の色光を 前記第 2の波長選択位相差板に導き、

前記第 2の波長選択位相差板は、 前記第 3の偏光ビームスプリッタから射出さ れた前記第 3の色光と前記第 4の色光のうち、 前記第 3の色光の偏光方向のみを 約 9 0° 回転させ、

前記第 4の偏光ビームスプリッタは、 前記第 2の偏光ビームスプリッタから射 出された前記第 1色の光と、 前記第 2の波長選択位相差板から射出された前記第 3の色光と前記第 4の色光とを合成して前記投写レンズに向けて射出すること、 を特徴とするプロジェクタ。

2 7 . 請求の範囲第 1項〜第 2 3項のいずれ力一つに記載の照明光学系と、 前記照明光学系から射出された光を第 1色の光と第 2色の光と第 3色の光とに 分離する色分離光学系と、

前記色分離光学系により分離された前記第 1色の光を画像信号に応じて変調す る第 1の透過型光変調装置と、

前記色分離光学系により分離された前記第 2色の光を画像信号に応じて変調す る第 2の透過型光変調装置と、

前記色分離光学系により分離された前記第 3色の光を画像信号に応じて変調す る第 3の透過型光変調装置と、

前記第 1の透過型光変調装置、 前記第 2の透過型光変調装置、 及び前記第 3の 透過型光変調装置によりそれぞれ変調された前記第 1色の光、 前記第 2色の光、 及び前記第 3色の光を合成する色合成光学系と、

前記色合成光学系により合成された光を投写する投写レンズと、

を有することを特徴とするプロジェクタ。