JP2004205665A - 偏光光源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】偏光変換を光量の損失や偏光効率の低下を招くことなく、液晶パネル等への照明の均一化と高輝度化を図る。
【解決手段】偏光分離素子７を透過したＳ偏光光Ｓの光束Ｌ１４ａと、偏光分離素子５偏光分離膜５ａにて反射し、全反射プリズム６を経て、当該全反射プリズムの出射面に貼り付けられている偏光変換素子７により変換されたＳ偏光光S'によって形成されるL14ｂの１対の直線偏光光からなる面光源は矩形形状を呈している。この二つの偏光光L14aとL14bは、集光レンズである凸レンズ８とインテグレータ・ロッド９によって均一化された偏光光はインテグレータ・ロッド９から射出し、集光凸レンズ１０により液晶ライトバルブAの所定画面寸法に照射される。
【選択図】 図１
【解決手段】偏光分離素子７を透過したＳ偏光光Ｓの光束Ｌ１４ａと、偏光分離素子５偏光分離膜５ａにて反射し、全反射プリズム６を経て、当該全反射プリズムの出射面に貼り付けられている偏光変換素子７により変換されたＳ偏光光S'によって形成されるL14ｂの１対の直線偏光光からなる面光源は矩形形状を呈している。この二つの偏光光L14aとL14bは、集光レンズである凸レンズ８とインテグレータ・ロッド９によって均一化された偏光光はインテグレータ・ロッド９から射出し、集光凸レンズ１０により液晶ライトバルブAの所定画面寸法に照射される。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクターなどの光源装置として使用される特定の偏光成分のみからなる偏光光束を照明光として射出可能な偏光光源装置に関するものであり、詳しくは、偏光光束が均質化されて照明ムラの少ない偏光光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プロジェクターなどの液晶表示装置においては、メタルハライドランプなどのアークランプやハロゲンランプからなる光源の出射光を液晶表示パネルからなるライトバルブに照射し、当該ライトバルブにおいて表示画像に対応する変調を施した後に、投写光学系を介して投写面上に投写画像を形成するようになっている。
【０００３】
画像情報に対応した変調を施すための液晶ライトバルブは、特定の偏光成分のみを使用しており、光源からの出射光をそのまま液晶表示パネルに照射しても偏光方向が直交する二つの直線偏光成分における一方の偏光成分は利用されないので、光の利用効率が悪く、投写画像を明るくすることができない。
【０００４】
そこで、従来においては、光源から出射される光束を偏光変換光学系に導き、これを介して偏光方向を揃えた後に液晶ライトバルブを照射するようにし、光の利用効率を高め、明るい投写画像を得るようにすることが提案されている。
【０００５】
図５には、このような偏光変換光学系を備えた光源装置が示されており、この光源装置の偏光変換光学系は、光源光軸上に配置された偏光ビームスプリッタ１０１を挟み、入射側に配置された１／４波長板１０２、および出射側に配置された１／４波長板１０３と、１／４波長板１０３の後方に配置された全反射ミラー１０４と、偏光ビームスプリッタ１０１の下側方向に配置された全反射ミラー１０５とを備えている。（例えば特許文献１）
この装置では、偏光ビームスプリッタ１０１は光源１０７から出射される平行光のうちのＳ偏光成分を直交方向に反射し、Ｐ偏光成分をそのまま透過させる偏光分離膜１０１a が備わっており、光源１０７からの出射光は１／４波長板１０２を介して偏光ビームスプリッタ１０１に入射し、Ｓ偏光成分のみが直角に反射されて図の上方に向けて出射される。一方のＰ偏光成分の光は、偏光分離膜１０１a を通過して、反対側に配置されている1／４波長板１０３および反射鏡１０４，１０５と光源１００の反射鏡１０６との間を少なくとも７回は通過し、５回は偏光ビームスプリッタ１０１を通過した後にＳ偏光成分の光となって、図の上方に出射されることとなる。その結果、これらの光学素子を通過する際に発生する光量損失や、偏光効率の劣化を無視できず、従って、偏光変換による光の利用効率の向上はあまり期待できない。
【０００６】
これを改善するため、本発明者らは、検討の結果、偏光ビームスプリッタを透過したP偏光成分の光を、S偏光成分の光束と平行な方向に反射させ、この反射されたP偏光成分光の偏波面を偏光変換素子で９０度回転させてS偏光成分の光束に変換させることによって偏光変換による光の利用効率の向上が図れることを見出し、提案した。（例えば、特許文献２）
しかし、この構造によれば、P偏光成分が１回偏光ビームスプリッタと偏光変換素子を透過するだけなので、光の利用効率が改善されるものの偏光変換素子を透過した光とそうでない光とにおいて光の均質性に問題があり、照明ムラが生じ易い問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２９７３４号公報
【特許文献２】
特開２００２−３４１２９１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点を解決しようとするもので、液晶プロジェクタなどの照明装置において使用される偏光光源として、上述の本発明者らの提案に係る偏光光源装置において、インテグレータ・ロッドと組み合わせ使用することにより、偏光変換を光量の損失や偏光効率の低下を招くことなく、液晶パネル等への照明の均一化と高輝度化を図り、液晶ライトバルブ上における照明ムラを低減した偏光光源装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の発明として、第１の発光管およびこの発光管からの発散光を射出開口部に向けて反射する第１の反射鏡を備えた第１の光源と、前記第１の反射鏡からの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子と、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子と、前記第１の偏光分離素子または、前記第１の反射素子に取り付けられ、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちら一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第１の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光との二つの偏光光を入射する第１のインテグレータ・ロッドと当該インテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子とを有していることを特徴とするとすることによって、前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光と他方の直線偏光光との二つの偏光光をインテグレータ・ロッドで混合合成して均質な偏光光として照度ムラの少ない偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１０】
本発明の第２発明としては、前記第１の発明記載の偏光光源装置において、前記第１の偏光分離素子に対して前記第１の光源と対向状態に配置された第２の発光管および当該第２の発光管からの発散光を第２の射出開口部に向けて反射する第２の反射鏡を備えた第２の光源と、前記第１の偏光分離素子と併設され、前記第２の反射鏡からの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を、前記第１の偏光分離素子によって反射される直線偏光光と同一成分でかつ同一方向に反射し、前記第１偏光分離素子を透過する直線偏光光と同一方向でかつ同一成分の他方の直線偏光光を透過する第２の偏光分離素子と、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子と、前記第２の偏光分離素子または、前記第２の反射素子にとりつけられ、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第２の反射素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第２の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第１の対をなす直線偏光光と、前記第１の対をなす直線偏光光と同一成分をなし、前記第２の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第２の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第２の対をなす直線偏光光の少なくとも１対の偏光光を前記第１のインテグレータ・ロッドに入射することを特徴とする偏光光源装置とすることによって、２個の光源を使用し、より高輝度で照明ムラの少ない偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１１】
本発明の第３の発明としては、前記第２の発明記載の偏光光源装置において、前記第１の対をなす直線偏光光と第２の対をなす直線偏光光の２対の直線偏光光を、第１のインテグレータ・ロッドに入射し、第１のインテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子に入射することを特徴とする偏光光源装置とすることにより、より高輝度で照明ムラが少なく、小型の偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１２】
本発明の第４の発明としては、前記第２の発明記載の偏光光源装置において、前記第１のインテグレータ・ロッドに併設して第２のインテグレータ・ロッドを配設し、第１のインテグレータ・ロッドに、第１の対をなす直線偏光光を、第２のインテグレータ・ロッドに、第２の対をなす直線偏光光を入射し、各インテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子に入射することを特徴とする偏光光源装置とすることにより、より均質な偏光光を出射可能とする偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１３】
本発明の第５の発明としては、前記第１の偏光分離素子または第１及び第２の偏光分離素子と第１のインテグレータ・ロッドまたは第１及び第２のインテグレータ・ロッドとの間に、前記第１の対をなす直線偏光光または前記第１及び第２の対をなす直線偏光光を前記第１のインテグレータ・ロッドまたは各インテグレータ・ロッドの入射開口部に収束させるための集光光学系を配置した前記第１の発明から第４の発明のいずれかに記載された偏光光源装置とすることによって、ライトバルブに対する照射効率を改善できる偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１４】
本発明の第６の発明としては、前記第１の光源と第１の偏光分離素子との間、または第２の光源と第２の偏光分離素子との間に、前記各光源の射出開口から放出される射出光束を平行光束にする平行光束形成光学系を配置した前記第１から第５の発明のいずれかに記載された偏光光源装置とすることによって、各光源から射出される光束を無駄なく偏光分離素子に入射可能となり、光の利用効率を高めることのできる偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１５】
本発明の第７の発明としては、第１の発光管および当該第１の発光管からの発散光を第１の射出開口部から収束するように反射する第１の反射鏡を備えた第１の光源と、前記第１の反射鏡によって収束する光束結像点に入射開口部を有する第１のインテグレータ・ロッドを配置し、前記第１のインテグレータ・ロッドからの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子と、この偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子を通過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子と、前記第１の偏光分離素子または、前記第１の反射素子に取り付けられ、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第１の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光との二つの偏光光を入射して、所定の画面寸法に導くための光学素子を有していることを特徴とする偏光光源装置とすることによって、光源中に含まれるノイズ成分を減少させて偏光分離素子における分離効率を改善して、照度ムラの少ない偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１６】
本発明の第８の発明としては、第７の発明記載の偏光光源装置において、前記第１の偏光分離素子に対して前記第１の光源と対向状態に配置された第２の発光管および当該第２の発光管からの発散光を第２の射出開口部に向けて反射する第２の反射鏡を備えた第２の光源と、前記第２の反射鏡によって収束する光束による結像点に入射開口部を有する第２のインテグレータ・ロッドを配置し、前記第１の偏光分離素子と併設され、前記第２のインテグレータ・ロッドからの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を、前記第１の偏光分離素子によって反射される直線偏光光と同一成分でかつ同一方向に反射し、前記第１偏光分離素子を透過する直線偏光光と同一方向でかつ同一成分の他方の直線偏光光を透過する第２の偏光分離素子と、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子と、前記第２の偏光分離素子または、前記第２の反射素子に取り付けられ、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第２の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第１の対をなす直線偏光光と、前記第１の対をなす直線偏光光と同一成分をなし、前記第２の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第２の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第２の対をなす直線偏光光の少なくとも１対の偏光光を入射して、所定の画面寸法に導くための光学素子を有していることを特徴とする偏光光源装置とすることによって、光源中に含まれるノイズ成分を減少させて偏光分離素子における分離効率を改善して、照度ムラの少なく、高輝度の偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１７】
本発明においては、液晶プロジェクターなどのように特定の偏光成分からなる偏光光束を照明光として使用する場合に用いられる偏光光源装置において、メタルハライドランプ等のアークランプやハロゲンランプ等の発光管および当該発光管からの発散光を射出開口部に向けて反射する反射鏡を備えた光源を使用し、この光源の射出開口部から放出される射出光束を断面が偏光分離素子の入射開口部の寸法にほぼ一致する平行光束にする平行光束形成光学系を配置し、この平行光束に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の中、P偏光成分を反射し、S偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタ等の偏光分離素子と、偏光分離素子で反射されたP偏光成分の直線偏光光を、当該偏光分離素子を透過したS偏光成分の直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記偏光分離素子を透過したS偏光成分の直線偏光光を、当該偏光分離素子で反射されたP偏光成分の直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する反射素子を使用し、この反射素子で反射されたP偏光成分の直線偏光光の偏波面を９０度回転させて偏光分離素子を透過したS偏光成分の直線偏光光と同一成分になるように変換する偏光変換素子を前記反射素子の後方に配置する構造とすると、S偏光成分の直線偏光光を偏光変換素子を透過させることなく利用できるので、偏光変換素子による光の損失を抑制できることになり、S偏光成分で作動するライトバルブを使用するときには、好適である。
【００１８】
本発明の第１から第６までの発明では、偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と偏光変換素子を透過した直線偏光光とは、基本的には同一成分であるが、わずかな相違が生じる場合が有り得、これらの直線偏光光を直接ライトバルブに照射すると、これらの直線偏光光の照射部分によって、照度が相違するなどの不具合を生じる場合があり得るが、これらの直線偏光光が第１及び第２のインテグレータ・ロッドを通過することによって、これらの直線偏光光が適当に混合合成され、均質な出射光となり、照明ムラを良好に抑制することができる。
【００１９】
これらのインテグレータ・ロッドは、１個または複数個であってもよいが、特に第１の光源と第２の光源の２つの光源を使用し、それぞれの光源からの光束を偏光変換素子を透過せず変換されない直線偏光光と偏光変換素子を透過して得られる直線偏光光とからなる第１及び第２の対をなす直線偏光光に対応して、それぞれに、第１及び第２のインテグレータ・ロッドを配設すれば、より適切な混合合成が行われるので、好ましい。
【００２０】
さらに、偏光分離素子を透過した直線偏光光と偏光変換素子を透過して得られる直線偏光光は、一般に、光軸に対し平行光束となっているので、これらの平行光束を集光レンズを使用して、前記インテグレータ・ロッドの入射開口部に収束させれば、光束の損失が少なくなるので好適である。
【００２１】
また、光源からの発散光を直接偏光分離素子に出射して、偏光分離素子での分離、偏光変換素子を介しての変換によってS偏光成分の直線偏光光とされるが、この際、これの偏光光に楕円光成分が含まれる場合があり、この楕円光成分は、ライトバルブでの変換効率を低下させるので、この楕円光成分を極力除去することが好ましい。本発明の第７及び第８発明では、この楕円光成分が光源からの発散光を偏光分離素子に出射する際に、これらの間に、第１または、第１及び第２のインテグレータ・ロッドを介したとき、楕円光成分が減少して変換効率が改善されることを見出し、本発明を完成させた。
【００２２】
本発明の偏光光源装置においては、光源からの射出光束における一方の直線偏光成分は、偏光分離素子を１回通り、他方の直線偏光成分は偏光分離素子、および偏光変換素子をそれぞれ１回ずつ通るのみである。従って、偏光変換を光量損失や偏光変換効率の低下を招くことなく行うことができる。
【００２３】
本発明における各々の偏光分離素子は、光源光軸に対し、４５度傾斜した偏光分離膜を備えたプリズム合成体、またはミラーとすることができる。この偏光分離膜の構成によって、S偏光成分を透過し、P偏光成分をするか、または、逆にP偏光成分を透過するか、S偏光成分を反射するかを選択し、ライトバルブが作動する成分によって適宜選択することができる。このライトバルブの作動成分等によって、偏光変換が必要とされる偏光成分が決定され、この決定に基づき、偏光変換素子を偏光分離素子を通過した光束に対して配置するか、偏光分離素子で反射された光束に対して配置するか決定される。このような偏光変換素子としては、１／２波長板が好適に使用できる。
【００２４】
同様に、各々の反射素子においても前記光軸に対して、４５度傾斜した全反射プリズム、ミラー、あるいは４５度傾斜した全反射膜を有するプリズム合成体とすることができる。
【００２５】
本発明においては、偏光分離素子に入射される光線は、光源光軸と平行な平行光線であることが好ましいが、反射鏡の形状によって平行光線を形成することが困難な場合があり、そのような場合には、反射鏡と偏光分離素子との間に、凹レンズ等の平行光束形成光学系を配置して偏光分離素子に適切に平行光線が入射されることが好ましい。
【００２６】
また、偏光光源装置による照明対象は、一般に横長の矩形形状をしているため、前記のそれぞれの偏光分離素子を構成しているプリズム合成体、並びに、反射素子を構成しているプリズム合成体を照明領域に対応する矩形形状となるように並列配置することが望ましい。
【００２７】
本発明の偏光光源装置は、１個、または２個の光源を備えた偏光光源装置であって、偏光分離・変換光学系を小型でコンパクトに構成でき、しかも、矩形形状の照明領域を効率良く照明することができる。
【００２８】
一方、偏光光源装置による照明対象の液晶ライトバルブは、一般に横長の矩形形状をしており、そのアスペクト比は４：３であり、近年においては１６：９の横長のものも採用されている。従って、偏光光源装置を用いて、この様な矩形の照明領域を効率良く照明できるようにすることが望ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した偏光光源装置の実施例を説明する。
（実施例１）
図１は、矩形の液晶ライトバルブを備えた液晶プロジェクターの光源装置として用いられる偏光光源装置の一例を示す光学系の概略構成図である。また、図１の（A）は、その側面構成図、（Ｂ）は、偏光変換光学系の部分図で、（C）は、偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と偏光変換素子を透過して変換された直線偏光光を示す図である。本例の偏光光源装置は、一つの光源を用いて、この光源に対応して設けた偏光変換光学系とを備えた偏光光源装置である。
【００３０】
詳細に説明すると、本例の偏光光源装置は、発光管１および当該発光管１からの発散光を射出開口部２aに向けて反射する反射鏡２を備えた光源１６である。反射鏡２の反射面は楕円面であり、射出開口部２a から射出される射出光束Ｌ１２は収束光束となる。この射出光束Ｌ１２は、光源光軸１５と同軸状態に配置されている凹レンズ４によって平行光束Ｌ１３とされる。この平行光束Ｌ１３は、次に述べる偏光分離素子５の入射開口部５bに導かれる。このように、本例では、光源反射鏡２と凹レンズ４によって光源１６の射出開口部２aから射出される射出光束Ｌ１２を断面が偏光分離素子５の入射開口部５bの形状よりわずかに小さい所定寸法の平行光束にする平行光束形成光学系が採用されている。
【００３１】
凹レンズ４から射出される平行光束Ｌ１３は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する偏光分離素子５の入射開口部５ｂに入射される。そして、本例では、この偏光分離素子５は２個の直角プリズムによって構成され、平行光束Ｌ１３に対して４５度傾斜した偏光分離膜５aを備えたプリズム合成体である。また、図１（B）にて判るように、本例では、偏光分離膜５aによってＳ偏光光が透過され、P偏光光は当該偏光分離膜５aによって反射されるようになっている。
【００３２】
この偏光分離膜５aで反射したＰ偏光光は、反射素子６である全反射プリズムに入り、４５度傾斜した面６aにより、当該偏光分離素子５で透過したＳ偏光光の進行方向と平行な方向に反射される。この場合、偏光変換素子７は、この例のように、必ずしも反射素子６の出射面に直接貼り付けることなく、前記出射面に近接させて保持部材によって取り付けることもできる。
【００３３】
また、反射素子６における出射面には、当該反射素子６で反射されたＰ偏光光をＳ偏光光に変換するための偏光変換素子７が貼り付けられている。本例の偏光変換素子７は１／２波長板である。なお、この偏光変換素子７を偏光分離素子５のＳ偏光光の出射面に貼り付けて、Ｓ偏光光をＰ偏光光に変換することもできる。
【００３４】
つぎに、本発明の偏光光源装置１では、図１（C）より判るように、偏光分離素子７を透過したＳ偏光光Sの光束L14aと、偏光分離素子５偏光分離膜５a にて反射し、全反射プリズム６を経て、当該全反射プリズムの出射面に貼り付けられている偏光変換素子７により変換されたＳ偏光光S'によって形成されるL14ｂの１対の直線偏光光からなる面光源は矩形形状を呈している。
【００３５】
そして、この二つの偏光光L14aとL14bは、集光レンズである凸レンズ８によってインテグレータ・ロッド９の入射開口部９aに収束されて導かれ、インテグレータ・ロッド９によって均一化された偏光光はインテグレータ・ロッド９から射出し、集光凸レンズ１０により液晶ライトバルブAの所定画面寸法に照射される。なお図１（A）中、３は、赤外線や紫外線等の特定の波長をカットする波長限定フィルターである。
【００３６】
このようにして液晶ライトバルブに照射されたS偏光光は、インテグレータ・ロッドのないものに比べ、偏光変換による光の利用効率を低下させることなく、照射ムラが少なく、改善されていることが確認された。
【００３７】
（実施例２）
図２は、本発明による他の実施例の概略構成図を示す。実施例１の偏光光源装置１において、一つの光源１６としたものであるが、この実施例２では、これに対し、光源を二つ使用しており、基本的には、その他の構成は実施例１と同様である。図２（A）は、その側面構成図であり、（Ｂ）は、集光凸レンズ４５とインテグレータ・ロッド４６と集光凸レンズ４７を除いて図２（A）の下方から見た平面構成図を示し、（Ｃ）は、図（B）の偏光変換光学系の部分構成図である。
【００３８】
本例の偏光光源装置２の１つの光源１６を使用した場合の基本構成について図２（A）により説明すると、発光管２１および当該発光管２１からの発散光を射出開口部２２aに向けて反射する反射鏡２２を備えた第１の光源３６を備えている。反射鏡２２の反射面は楕円面であり、射出開口部２２a から射出される第１の出射光束Ｌ３２は収束光束となる。この出射光束Ｌ３２は光源光軸２５と同軸状態に配置されている凹レンズ２４によって平行光束Ｌ３３とされる。この平行光束Ｌ３３は、つぎに述べる偏光分離素子１５の入射開口部１５ｂに収まる断面寸法とされる。このように、本例では、反射鏡２２と凹レンズ２４によって第１の光源３６の射出開口部２２a から射出される第１の出射光束Ｌ３２を断面が所定寸法の平行光束にする第１の平行光束形成光学系が構成されている。
【００３９】
凹レンズ２４から出射される平行光束Ｌ３３は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子１５は、２個の直角プリズムで構成され、平行光束Ｌ３３に対して４５度傾斜した偏光分離膜１５a によってＰ偏光光が反射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜１５a をそのまま透過するようになっている。
【００４０】
図２（A）で示すように、この第１の偏光分離素子１５の右側面側には第１の偏光分離素子１５を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第１の偏光分離素子１５で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向（図２（A）の下方）に反射する第１の反射素子１６が配置されている。本例では、この第１の反射素子１６は直角プリズムによる４５度の全反射プリズムとしている。このように、直方体状の偏光分離素子１５と同形状の反射素子１６を使用した場合には、これらの素子の取り付けが容易となって好ましいが、この反射素子１６は、この例で示すように、２個の直角プリズムで構成し、前記平行光束に対して４５度傾斜した全反射膜１６aを備えたプリズム合成体としてもよいが、４５度の傾斜を持たせた全反射ミラーとしてもよい。
【００４１】
また、第１の偏光分離素子１５の偏光分離膜１５aにて反射されたＰ偏光光は、第１の偏光分離素子１５の出射面に貼り付けられている第１の偏光変換素子１７によって、Ｓ偏光光に変換される。本例の第１の偏光変換素子１７は１／２波長板である。なお、この第１の偏光変換素子１７を第１の反射素子１６の出射面に貼り付けてＳ偏光光をＰ偏光光に変換することもできる。
【００４２】
次に、本例の偏光光源装置２は、図２（A）から明らかなように、上記の第１の光源３６を使用した場合と基本的には同一構成の第２の光源５６および第２の偏光分離素子１９と第２の反射素子２０と第２の偏光変換素子１８からなる第２の偏光変換光学系を備えており、第２の光源５６は、第１の偏光分離素子１５に対し第１の光源３６と対向し、その光軸４５が第１の光源３６の光軸２５と図２（A）の上方から見た場合（図２（B）参照）、平行にずれた状態に配設され、第２の偏光変換光学系は、前記第１の偏光分離素子１５と第１の反射素子１６と第１の偏光変換素子１７からなる第１の偏光変換光学系と併設されており、２（Ｂ）の平面構成図から明らかなように、第１および第２の光学系は点O を中心として点対称の状態に、即ち、直方体の第１の偏光分離素子１５の右側面に直方体の第１の反射素子１６を、この第１の反射素子１６の背面に同形状の第２の偏光分離装置１８を、また第１の偏光分離装置１５の背面に同形状の第２の反射素子２０取り付けられて、配置されている。
【００４３】
すなわち、発光管４１および当該発光管４１から発散光を射出開口部４２aに向けて反射する反射鏡４２を備えた第２の光源５６を備えている。反射鏡４２の反射面は楕円面であり、射出開口部４２aから射出される第２の出射光束Ｌ５２は収束光束となる。この出射光束Ｌ５２は、光源光軸４５と同軸状態に配置されている凹レンズ４４によって平行光束Ｌ５３とされる。
【００４４】
凹レンズ４４から出射される平行光束Ｌ５３は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第２の偏光分離素子１８に入射する。本例においては、この第２の偏光分離素子１８は、２個の直角プリズムから構成され、平行光束Ｌ５３に対して４５度傾斜した偏光分離膜１８aを備えたプリズム合成体である。このプリズム合成体に換わって偏光分離膜を有する４５度傾斜したミラーとしてもよい。また、本例では、偏光分離膜１８aによってＰ偏光光が反射されて図２（A）の下方に出射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜１８aをそのまま透過するようになっている。
【００４５】
この第２の偏光分離素子１８の背面側（図２（B）の左側）には、第２の偏光分離素子１８を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第２の偏光分離素子１８で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子２０が配置されている。本例では、この第２の反射素子２０は直角プリズムを用いて、平行光束に対して４５度の全反射プリズムとしている。この第２の反射素子２０は、４５度傾斜させた全反射ミラーか、または２個の直角プリズムで構成し、平行光束Ｌ５３に対して４５度傾斜した全反射膜２０aとするプリズム合成体とすることができる。
【００４６】
また、第２の偏光分離素子１８には、第２の偏光分離素子１８の偏光分離膜１８aにおいて、反射されたＰ偏光光をＳ偏光光に変換するための第２の偏光変換素子１９が貼り付けられており、本例においては、この第２の偏光変換素子１９を1／２波長板としている。なお、図中、２３と４３は、前述の波長限定フィルターである。
【００４７】
このように構成した本例の偏光光源装置２では、図２（A）および図２（Ｂ）から判るように、片側が直角な面を有した梯形体形状、または２個の直角プリズムを貼り合わせて構成した直方体形状をした第１および第２の偏光分離素子１５，１８、並びに第１および第２の反射素子１６，２０が、照明対象の液晶ライトバルブの照明領域A に対応するよう図２（Ｃ）に示す矩形形状に配列されている。そして、偏光方向がS偏光成分として揃った同一断面形状の直線偏光光が出射され、集光レンズ４５によって１個の第１のインテグレータ・ロッド４６の入射開口部４６aに導かれ、インテグレータ・ロッド４６によって均質化した光束とし、集光レンズ４７によって照明領域A を照射する。ここで、インテグレータ・ロッドの形状は、円柱、または角柱のものを使用できるが、取り付け等の上から角柱が望ましい。
【００４８】
以上のように、第１および第２の光源３６，５６からの出射光束Ｌ３２，Ｌ５２の断面を、偏光分離素子１５，１８の入射開口部１５ｂ、１８ｂに収まるように縮小しているので、光量損失を抑え、偏光効率の低下を抑制できる。また、出射光束Ｌ３２，Ｌ５２は、偏光分離素子１５，１８、偏光変換素子１７，１９を１回通過するだけなので、この点においても光量損失および偏光効率の低下を抑制できる。さらに第１の偏光分離素子１５を透過するS偏光成分（S1）と第１の偏光分離素子１５で反射されたP偏光成分を第１の偏光変換素子１７で変換されたS偏光成分（S2）とからなる第１の対をなす直線偏光光及び第２の偏光分離素子１８を透過するS偏光成分（S3）と第２の偏光分離素子１８で反射されたP偏光成分を第２の偏光変換素子１９で変換されたS偏光成分（S4）とからなる第２の対をなす直線偏光光とを１個の第１のインテク゛レータ・ロッド４６に入射して照射領域Aに出射するので、S1、S2、S3、S4の直線偏光光が適切に混合合成され、均質なS偏光成分の偏光光を照射領域Aに出射することができ、照射ムラの少ない光源となる。
【００４９】
また、偏光変換された後の出射光束は、照明領域Aに対応する形状となっているので、矩形の液晶ライトバルブを効率よく照明することができる。
【００５０】
加えて、インテグレータ・ロッドとプリズム合成体を用いた偏光変換光学系とすることによって、小型でコンパクトな構成とすることができるので、装置の小型化を実現できる。
【００５１】
なお、この実施例では、２個の光源３６及び５６を用いて高輝度の光源装置としているが、当然、１個の光源、偏光分離素子、反射素子及び偏光変換素子を使用しても所期の効果は十分に達成することができる。
【００５２】
（実施例３）
図３には、もう一つの他の実施例の概略構成図を示している。
２組の光源と各光源に対応して設けた２組の偏光変換光学系とを備えた２光源型の偏光光源装置において、前記実施例２では、偏光変換された直線偏光光を一つの集光レンズ４５によって、インテグレータ・ロッド４６の入射開口部に導くよう構成しているが、本例においては、集光レンズ４５を用いることなく、２組の偏光分離素子６５，７５、偏光変換素子６７，７７、および反射素子６６，７６によって偏光変換された光束を、2組の偏光分離素子６５，７５および反射素子６６，７６によって形成される出射光束の断面寸法、すなわち、図２（Ｃ）に示すような入射開口部６８aとなるようにした一個のインテグレータ・ロッド６８に入射させて、光束の均質化を図り、インテグレータ・ロッド６８から出射した光束を集光レンズ６９によって照明領域Aを照明するようにしている。なお、本実施例では、図３のインテグレータ・ロッド６８及び集光レンズ６９を除いた下方から見た平面図は、図２（B）と同一なので、省略したが、図３の第１の偏光分離素子６５及び第１の反射素子６６の背部にそれぞれ第２の反射素子（図３では、全反射膜７６aで表示している。）と第２の偏光分離素子（図３では、偏光分離膜７５aで表示している。）が取り付けられている。図中、６３と７３は、前述の波長限定フィルターである。
【００５３】
また、この実施例では、インテグレータ・ロッド６８は、１個のみを使用し、第１の反射素子６６及び第１の偏光変換素子６６から出射された第１の対のS偏光成分の直線偏光光と第２の反射素子７６及び第２の偏光変換素子７７から出射された第２の対のS偏光成分の直線偏光光の両方の直線偏光光をインテグレータ・ロッド６８の入射開口部６８aに入射させたが、２個の第１及び第２のインテグレータ・ロッドを使用し、第１の偏光変換系から出射された第１の対のS偏光成分の偏光光を第１のインテグレータ・ロッドに、また第２の偏光変換系から出射された第２の対のS偏光成分の偏光光を第２のインテグレータ・ロッドに入射させてもよく、さらに第１及び第２の反射素子と偏光変換素子とから出射された４種のS偏光成分の直線偏光光のそれぞれに対して４個のインテグレータ・ロッドを配置するように、複数個のインテグレータ・ロッドを使用してもよく、偏光変換された後の出射光束の断面寸法にインテグレータ・ロッドの入射開口部に合わせて、配置することが可能である。
【００５４】
本例の場合には、実施例２の構成に比べて、インテグレータ・ロッド自身は大きくなるが、偏光光源装置は小型化され、コンパクトとすることができ、しかも、実施例２と同様に光量損失を抑え、偏光効率の低下を抑制できる。この場合も、１個の光源、偏光分離素子、反射素子及び偏光変換素子を使用しても所期の効果は十分に達成することができる。
【００５５】
（実施例４）
この実施例では、偏光光源装置４において、２組の光源と各光源に対応した２組の偏光変換光学系を用いる２光源型の構成において、インテグレータ・ロッドを光源８０及び９０と第１及び第２の偏光分離素子８６及び９６の間にそれぞれ配置した例を示し、図４による概略構成図に基づいて説明する。
【００５６】
第１の発光管８１および当該発光管８１からの発散光を射出開口部８２aに向けて反射する反射鏡８２を備えた第１の光源８０を備えている。反射鏡８２の反射面は楕円面であり、射出開口部８２aから射出される第１の出射光束Ｌ８３は収束光束となる。この収束光束Ｌ８３は、光源光軸８９に対して４５度傾斜して配置した全反射ミラー８４によって反射され、その収束部に第１のインテグレータ・ロッド８５の入射開口部８５aを配置してある。第１のインテグレータ・ロッド８５から出射された光束は、第１のインテグレータ・ロッド８５と隣接して配置されている第１の偏光分離素子８６に入り、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方（P偏光成分）を反射し、他方（S偏光成分）を透過する。本例では、前記の実施例２と同様にこの第１の偏光分離素子８６は、２個の直角プリズムからなるプリズム合成体である。本例では、偏光分離膜８６ｂによりＰ偏光光が反射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜８６ｂをそのまま透過するようになっている。
【００５７】
この第１の偏光分離素子８６の右側面側には第１の偏光分離素子８６を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第１の偏光分離素子８６で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子８７が配置されている。本例では、この反射素子８７は直角プリズムによる全反射プリズムからなっている。この反射素子は全反射ミラー、または全反射膜を備えたプリズム合成体とすることができる。
【００５８】
また、第１の偏光分離素子８６で反射されたＰ偏光光をＳ偏光光に変換するための第１の偏光変換素子８８が、第１の偏光分離素子８６の出射面に貼り付けられている。本例の第１の偏光変換素子８８は1／２波長板である。この第１の偏光変換素子８８を第１の反射素子８７の出射面に貼り付けることにより、Ｓ偏光光をＰ偏光光に変換することができる。
【００５９】
次に、本例の偏光光源装置４は、前記の実施例２と同様な構成の第２の光源および第２の偏光変換光学素子を備えており、この場合における光源８０及び９０と偏光分離素子８６及び９６と反射素子８７及び９７の配置は、基本的に前記実施例の図２（Ｂ）で図示する配置と同一であり、第１および第２の光学系８６、８７、９６、９７は、点O を中心として点対称の状態に配列されている。
【００６０】
すなわち、第２の発光管９１および当該発光管９１からの発散光を射出開口部９２aに向けて反射する第２の反射鏡９２を備えた第２の光源９０を備えている。第２の反射鏡９２の反射面は楕円面であり、射出開口部９２aから射出される第２の出射光束Ｌ９３は収束光束となる。この出射光束Ｌ９３は、光源光軸９９に対して４５度傾斜して配置されている全反射ミラー９４によって反射され、その収束部に第２のインテグレータ・ロッド９５の入射開口部９５aが配置されてある。このインテグレータ・ロッド９５を経て出射された光束は、第２のインテグレータ・ロッド９５と隣接配置されている第２の偏光分離素子９６に入り、偏波面が直交する二つの直線偏光光の一方（P偏光成分）を反射し、他方（S偏光成分）を透過する。本例では、前記の実施例２と同様に第２の偏光分離素子９６は、２個の直角プリズムから構成されたプリズム合成体である。本例では、第２の偏光分離膜９６ｂにより、Ｐ偏光光が反射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜９６ｂをそのまま透過するようになっている。
【００６１】
この第２の偏光分離素子９６の左側面側には第２の偏光分離素子９６を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第２の偏光分離素子９６で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子９７が配置されている。本例では、この第２の反射素子９７は直角プリズムによる全反射プリズムによって構成されている。
【００６２】
また、第２の偏光分離素子９６おいて、偏光分離膜９６ｂによって反射したＰ偏光光の出射面には、Ｐ偏光光をＳ偏光光に変換する第２の偏光変換素子９８が貼り付けられている。本例の第２の偏光変換素子９８は１／２波長板である。
【００６３】
このように構成された偏光光源装置４の偏光変換光学系は、２個の直角プリズムを貼り合わせて構成した直方体形状、または片側が直角な面を有した梯形体形状をした第１および第２の偏光分離素子８６、９６、並びに第１および第２の反射素子８７，９７が、照明対象の液晶ライトバルブの照明領域Aに対応するように、矩形上に配列されている。そして、偏光分離素子８６、９６、および偏光変換素子８８，９８によって変換された光束は、集光レンズ１００によって照明領域Aに導かれるようになっている。
【００６４】
本例の偏光光源装置４は、偏光変換された後の射出光束が照明領域Aに対応する形状となっているので、矩形の液晶ライトバルブを効率良く照明することが可能となる。
【００６５】
さらには、プリズム合成体とインテグレータ・ロッドを用いた偏光変換光学系に１枚の集光レンズ１００で照明領域Aに導くようにしたことにより、よりコンパクトで装置の小型化が実現できる。なお、この例においても１個の光源、偏光分離素子、反射素子及び偏光変換素子を使用しても所期の効果は十分に達成することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、光源からの光束を偏光変換光学系の入射開口部の大きさまで圧縮し、これを偏光分離素子および偏光変換素子を１回だけ通して偏光方向が揃った直線偏光光として、しかも、インテグレータ・ロッドを導入したことにより、照明ムラをなくし、照明効率を高めて照射領域を照射するようにした高輝度対応の偏光光源装置を実現できる。
【００６７】
また、本発明においては、二つの光源と各光源からの射出光束を一つの直線偏光光に変換する二つの偏光変換光学系を備えた偏光光源装置において、上記のように高輝度化を図ると共に、プリズム合成体などからなる偏光分離素子および反射素子を用いて、矩形の照明領域に対応するように、偏光変換後の光束を出射するようにしているので、光の利用効率の高い偏光光源装置を実現できる。また、偏光変換光学系をプリズム合成体からなる偏光分離素子および反射素子を並列配置させており、あわせて、照明ムラを改善するための装置としてインテグレータ・ロッドを採用したことにより、偏光光源装置の小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一つの光源を用いた実施例１の偏光光源装置を示す概略構成図で、（A）、(B)、（Ｃ）は、それぞれ、図１の偏光光源装置の側面構成図、偏光変換光学系の部分図及び偏光分離素子と偏光変換素子から出射されるS偏光成分の偏光光束を示す図である。
【図２】本発明を適用した実施例２の偏光光源装置の概略構成図で、（A）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、偏光光源装置の側面構成図、（A）のインテグレータ・ロッド及び集光レンズを除いて下方から見た平面構成図、および（B）の偏光変換光学系の部分平面図である。
【図３】本発明を適用した実施例３の偏光光源装置の側面構成図である。
【図４】本発明を適用した実施例４の２光源型偏光光源装置の側面構成図である。
【図５】従来の偏光光源装置の側面構成図である。
【符号の説明】
１，２１，４１，６１，７１、８１，９１ 発光管
２，２２，４２，８２，９２ 反射鏡
２a、２２a、４２a、８２a、９２a 射出開口部
３、２３，４３，６３，７３ 波長限定フィルター
４，２４，４４，６４，７４ 平行光束形成光学系
５，１５，１８，６５，７５，８６，９６ 偏光分離素子
５a、１５a、１８a,８６a、９６a 偏光分離膜
５ｂ、１５ｂ、１８ｂ、 偏光分離素子の入射開口部
６，１６，２０，６６，７６、８７，９７ 反射素子
６a，１６a，２０a，６６a，７６a、８７a，９７a 全反射面
７，１７，１９，６７，７７，８８，９８ 偏光変換素子
８，１０，４５，４７，６９，１００ 集光レンズ
９，４６，６８，８５，９５ インテグレータ・ロッド
９a、４６a，６８a，８５a、９５a インテグレータ・ロッドの入射開口部
Ｌ１２，Ｌ３２，Ｌ５２，Ｌ８３，Ｌ９３ 発散光
Ｌ１３，Ｌ３３，Ｌ５３ 平行光束
Ｌ１４a 偏光分離素子を透過した光束
Ｌ１４ｂ 偏光分離膜により反射され、反射素子を経て偏光変換素子を通過した光束
８４，９４ 反射ミラー
１６，３６，５６，６０，７０，８０，９０ 光源
１５、２５，４５、６２，７２，８９，９９ 光源光軸
A 照明領域
【発明の属する技術分野】
本発明は、液晶プロジェクターなどの光源装置として使用される特定の偏光成分のみからなる偏光光束を照明光として射出可能な偏光光源装置に関するものであり、詳しくは、偏光光束が均質化されて照明ムラの少ない偏光光源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶プロジェクターなどの液晶表示装置においては、メタルハライドランプなどのアークランプやハロゲンランプからなる光源の出射光を液晶表示パネルからなるライトバルブに照射し、当該ライトバルブにおいて表示画像に対応する変調を施した後に、投写光学系を介して投写面上に投写画像を形成するようになっている。
【０００３】
画像情報に対応した変調を施すための液晶ライトバルブは、特定の偏光成分のみを使用しており、光源からの出射光をそのまま液晶表示パネルに照射しても偏光方向が直交する二つの直線偏光成分における一方の偏光成分は利用されないので、光の利用効率が悪く、投写画像を明るくすることができない。
【０００４】
そこで、従来においては、光源から出射される光束を偏光変換光学系に導き、これを介して偏光方向を揃えた後に液晶ライトバルブを照射するようにし、光の利用効率を高め、明るい投写画像を得るようにすることが提案されている。
【０００５】
図５には、このような偏光変換光学系を備えた光源装置が示されており、この光源装置の偏光変換光学系は、光源光軸上に配置された偏光ビームスプリッタ１０１を挟み、入射側に配置された１／４波長板１０２、および出射側に配置された１／４波長板１０３と、１／４波長板１０３の後方に配置された全反射ミラー１０４と、偏光ビームスプリッタ１０１の下側方向に配置された全反射ミラー１０５とを備えている。（例えば特許文献１）
この装置では、偏光ビームスプリッタ１０１は光源１０７から出射される平行光のうちのＳ偏光成分を直交方向に反射し、Ｐ偏光成分をそのまま透過させる偏光分離膜１０１a が備わっており、光源１０７からの出射光は１／４波長板１０２を介して偏光ビームスプリッタ１０１に入射し、Ｓ偏光成分のみが直角に反射されて図の上方に向けて出射される。一方のＰ偏光成分の光は、偏光分離膜１０１a を通過して、反対側に配置されている1／４波長板１０３および反射鏡１０４，１０５と光源１００の反射鏡１０６との間を少なくとも７回は通過し、５回は偏光ビームスプリッタ１０１を通過した後にＳ偏光成分の光となって、図の上方に出射されることとなる。その結果、これらの光学素子を通過する際に発生する光量損失や、偏光効率の劣化を無視できず、従って、偏光変換による光の利用効率の向上はあまり期待できない。
【０００６】
これを改善するため、本発明者らは、検討の結果、偏光ビームスプリッタを透過したP偏光成分の光を、S偏光成分の光束と平行な方向に反射させ、この反射されたP偏光成分光の偏波面を偏光変換素子で９０度回転させてS偏光成分の光束に変換させることによって偏光変換による光の利用効率の向上が図れることを見出し、提案した。（例えば、特許文献２）
しかし、この構造によれば、P偏光成分が１回偏光ビームスプリッタと偏光変換素子を透過するだけなので、光の利用効率が改善されるものの偏光変換素子を透過した光とそうでない光とにおいて光の均質性に問題があり、照明ムラが生じ易い問題があった。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−２９７３４号公報
【特許文献２】
特開２００２−３４１２９１号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、このような問題点を解決しようとするもので、液晶プロジェクタなどの照明装置において使用される偏光光源として、上述の本発明者らの提案に係る偏光光源装置において、インテグレータ・ロッドと組み合わせ使用することにより、偏光変換を光量の損失や偏光効率の低下を招くことなく、液晶パネル等への照明の均一化と高輝度化を図り、液晶ライトバルブ上における照明ムラを低減した偏光光源装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、第１の発明として、第１の発光管およびこの発光管からの発散光を射出開口部に向けて反射する第１の反射鏡を備えた第１の光源と、前記第１の反射鏡からの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子と、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子と、前記第１の偏光分離素子または、前記第１の反射素子に取り付けられ、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちら一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第１の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光との二つの偏光光を入射する第１のインテグレータ・ロッドと当該インテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子とを有していることを特徴とするとすることによって、前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光と他方の直線偏光光との二つの偏光光をインテグレータ・ロッドで混合合成して均質な偏光光として照度ムラの少ない偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１０】
本発明の第２発明としては、前記第１の発明記載の偏光光源装置において、前記第１の偏光分離素子に対して前記第１の光源と対向状態に配置された第２の発光管および当該第２の発光管からの発散光を第２の射出開口部に向けて反射する第２の反射鏡を備えた第２の光源と、前記第１の偏光分離素子と併設され、前記第２の反射鏡からの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を、前記第１の偏光分離素子によって反射される直線偏光光と同一成分でかつ同一方向に反射し、前記第１偏光分離素子を透過する直線偏光光と同一方向でかつ同一成分の他方の直線偏光光を透過する第２の偏光分離素子と、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子と、前記第２の偏光分離素子または、前記第２の反射素子にとりつけられ、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第２の反射素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第２の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第１の対をなす直線偏光光と、前記第１の対をなす直線偏光光と同一成分をなし、前記第２の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第２の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第２の対をなす直線偏光光の少なくとも１対の偏光光を前記第１のインテグレータ・ロッドに入射することを特徴とする偏光光源装置とすることによって、２個の光源を使用し、より高輝度で照明ムラの少ない偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１１】
本発明の第３の発明としては、前記第２の発明記載の偏光光源装置において、前記第１の対をなす直線偏光光と第２の対をなす直線偏光光の２対の直線偏光光を、第１のインテグレータ・ロッドに入射し、第１のインテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子に入射することを特徴とする偏光光源装置とすることにより、より高輝度で照明ムラが少なく、小型の偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１２】
本発明の第４の発明としては、前記第２の発明記載の偏光光源装置において、前記第１のインテグレータ・ロッドに併設して第２のインテグレータ・ロッドを配設し、第１のインテグレータ・ロッドに、第１の対をなす直線偏光光を、第２のインテグレータ・ロッドに、第２の対をなす直線偏光光を入射し、各インテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子に入射することを特徴とする偏光光源装置とすることにより、より均質な偏光光を出射可能とする偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１３】
本発明の第５の発明としては、前記第１の偏光分離素子または第１及び第２の偏光分離素子と第１のインテグレータ・ロッドまたは第１及び第２のインテグレータ・ロッドとの間に、前記第１の対をなす直線偏光光または前記第１及び第２の対をなす直線偏光光を前記第１のインテグレータ・ロッドまたは各インテグレータ・ロッドの入射開口部に収束させるための集光光学系を配置した前記第１の発明から第４の発明のいずれかに記載された偏光光源装置とすることによって、ライトバルブに対する照射効率を改善できる偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１４】
本発明の第６の発明としては、前記第１の光源と第１の偏光分離素子との間、または第２の光源と第２の偏光分離素子との間に、前記各光源の射出開口から放出される射出光束を平行光束にする平行光束形成光学系を配置した前記第１から第５の発明のいずれかに記載された偏光光源装置とすることによって、各光源から射出される光束を無駄なく偏光分離素子に入射可能となり、光の利用効率を高めることのできる偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１５】
本発明の第７の発明としては、第１の発光管および当該第１の発光管からの発散光を第１の射出開口部から収束するように反射する第１の反射鏡を備えた第１の光源と、前記第１の反射鏡によって収束する光束結像点に入射開口部を有する第１のインテグレータ・ロッドを配置し、前記第１のインテグレータ・ロッドからの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子と、この偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子を通過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子と、前記第１の偏光分離素子または、前記第１の反射素子に取り付けられ、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第１の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光との二つの偏光光を入射して、所定の画面寸法に導くための光学素子を有していることを特徴とする偏光光源装置とすることによって、光源中に含まれるノイズ成分を減少させて偏光分離素子における分離効率を改善して、照度ムラの少ない偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１６】
本発明の第８の発明としては、第７の発明記載の偏光光源装置において、前記第１の偏光分離素子に対して前記第１の光源と対向状態に配置された第２の発光管および当該第２の発光管からの発散光を第２の射出開口部に向けて反射する第２の反射鏡を備えた第２の光源と、前記第２の反射鏡によって収束する光束による結像点に入射開口部を有する第２のインテグレータ・ロッドを配置し、前記第１の偏光分離素子と併設され、前記第２のインテグレータ・ロッドからの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を、前記第１の偏光分離素子によって反射される直線偏光光と同一成分でかつ同一方向に反射し、前記第１偏光分離素子を透過する直線偏光光と同一方向でかつ同一成分の他方の直線偏光光を透過する第２の偏光分離素子と、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子と、前記第２の偏光分離素子または、前記第２の反射素子に取り付けられ、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第２の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第１の対をなす直線偏光光と、前記第１の対をなす直線偏光光と同一成分をなし、前記第２の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第２の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第２の対をなす直線偏光光の少なくとも１対の偏光光を入射して、所定の画面寸法に導くための光学素子を有していることを特徴とする偏光光源装置とすることによって、光源中に含まれるノイズ成分を減少させて偏光分離素子における分離効率を改善して、照度ムラの少なく、高輝度の偏光光源装置を提供しようとするものである。
【００１７】
本発明においては、液晶プロジェクターなどのように特定の偏光成分からなる偏光光束を照明光として使用する場合に用いられる偏光光源装置において、メタルハライドランプ等のアークランプやハロゲンランプ等の発光管および当該発光管からの発散光を射出開口部に向けて反射する反射鏡を備えた光源を使用し、この光源の射出開口部から放出される射出光束を断面が偏光分離素子の入射開口部の寸法にほぼ一致する平行光束にする平行光束形成光学系を配置し、この平行光束に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の中、P偏光成分を反射し、S偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタ等の偏光分離素子と、偏光分離素子で反射されたP偏光成分の直線偏光光を、当該偏光分離素子を透過したS偏光成分の直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記偏光分離素子を透過したS偏光成分の直線偏光光を、当該偏光分離素子で反射されたP偏光成分の直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する反射素子を使用し、この反射素子で反射されたP偏光成分の直線偏光光の偏波面を９０度回転させて偏光分離素子を透過したS偏光成分の直線偏光光と同一成分になるように変換する偏光変換素子を前記反射素子の後方に配置する構造とすると、S偏光成分の直線偏光光を偏光変換素子を透過させることなく利用できるので、偏光変換素子による光の損失を抑制できることになり、S偏光成分で作動するライトバルブを使用するときには、好適である。
【００１８】
本発明の第１から第６までの発明では、偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と偏光変換素子を透過した直線偏光光とは、基本的には同一成分であるが、わずかな相違が生じる場合が有り得、これらの直線偏光光を直接ライトバルブに照射すると、これらの直線偏光光の照射部分によって、照度が相違するなどの不具合を生じる場合があり得るが、これらの直線偏光光が第１及び第２のインテグレータ・ロッドを通過することによって、これらの直線偏光光が適当に混合合成され、均質な出射光となり、照明ムラを良好に抑制することができる。
【００１９】
これらのインテグレータ・ロッドは、１個または複数個であってもよいが、特に第１の光源と第２の光源の２つの光源を使用し、それぞれの光源からの光束を偏光変換素子を透過せず変換されない直線偏光光と偏光変換素子を透過して得られる直線偏光光とからなる第１及び第２の対をなす直線偏光光に対応して、それぞれに、第１及び第２のインテグレータ・ロッドを配設すれば、より適切な混合合成が行われるので、好ましい。
【００２０】
さらに、偏光分離素子を透過した直線偏光光と偏光変換素子を透過して得られる直線偏光光は、一般に、光軸に対し平行光束となっているので、これらの平行光束を集光レンズを使用して、前記インテグレータ・ロッドの入射開口部に収束させれば、光束の損失が少なくなるので好適である。
【００２１】
また、光源からの発散光を直接偏光分離素子に出射して、偏光分離素子での分離、偏光変換素子を介しての変換によってS偏光成分の直線偏光光とされるが、この際、これの偏光光に楕円光成分が含まれる場合があり、この楕円光成分は、ライトバルブでの変換効率を低下させるので、この楕円光成分を極力除去することが好ましい。本発明の第７及び第８発明では、この楕円光成分が光源からの発散光を偏光分離素子に出射する際に、これらの間に、第１または、第１及び第２のインテグレータ・ロッドを介したとき、楕円光成分が減少して変換効率が改善されることを見出し、本発明を完成させた。
【００２２】
本発明の偏光光源装置においては、光源からの射出光束における一方の直線偏光成分は、偏光分離素子を１回通り、他方の直線偏光成分は偏光分離素子、および偏光変換素子をそれぞれ１回ずつ通るのみである。従って、偏光変換を光量損失や偏光変換効率の低下を招くことなく行うことができる。
【００２３】
本発明における各々の偏光分離素子は、光源光軸に対し、４５度傾斜した偏光分離膜を備えたプリズム合成体、またはミラーとすることができる。この偏光分離膜の構成によって、S偏光成分を透過し、P偏光成分をするか、または、逆にP偏光成分を透過するか、S偏光成分を反射するかを選択し、ライトバルブが作動する成分によって適宜選択することができる。このライトバルブの作動成分等によって、偏光変換が必要とされる偏光成分が決定され、この決定に基づき、偏光変換素子を偏光分離素子を通過した光束に対して配置するか、偏光分離素子で反射された光束に対して配置するか決定される。このような偏光変換素子としては、１／２波長板が好適に使用できる。
【００２４】
同様に、各々の反射素子においても前記光軸に対して、４５度傾斜した全反射プリズム、ミラー、あるいは４５度傾斜した全反射膜を有するプリズム合成体とすることができる。
【００２５】
本発明においては、偏光分離素子に入射される光線は、光源光軸と平行な平行光線であることが好ましいが、反射鏡の形状によって平行光線を形成することが困難な場合があり、そのような場合には、反射鏡と偏光分離素子との間に、凹レンズ等の平行光束形成光学系を配置して偏光分離素子に適切に平行光線が入射されることが好ましい。
【００２６】
また、偏光光源装置による照明対象は、一般に横長の矩形形状をしているため、前記のそれぞれの偏光分離素子を構成しているプリズム合成体、並びに、反射素子を構成しているプリズム合成体を照明領域に対応する矩形形状となるように並列配置することが望ましい。
【００２７】
本発明の偏光光源装置は、１個、または２個の光源を備えた偏光光源装置であって、偏光分離・変換光学系を小型でコンパクトに構成でき、しかも、矩形形状の照明領域を効率良く照明することができる。
【００２８】
一方、偏光光源装置による照明対象の液晶ライトバルブは、一般に横長の矩形形状をしており、そのアスペクト比は４：３であり、近年においては１６：９の横長のものも採用されている。従って、偏光光源装置を用いて、この様な矩形の照明領域を効率良く照明できるようにすることが望ましい。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を適用した偏光光源装置の実施例を説明する。
（実施例１）
図１は、矩形の液晶ライトバルブを備えた液晶プロジェクターの光源装置として用いられる偏光光源装置の一例を示す光学系の概略構成図である。また、図１の（A）は、その側面構成図、（Ｂ）は、偏光変換光学系の部分図で、（C）は、偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と偏光変換素子を透過して変換された直線偏光光を示す図である。本例の偏光光源装置は、一つの光源を用いて、この光源に対応して設けた偏光変換光学系とを備えた偏光光源装置である。
【００３０】
詳細に説明すると、本例の偏光光源装置は、発光管１および当該発光管１からの発散光を射出開口部２aに向けて反射する反射鏡２を備えた光源１６である。反射鏡２の反射面は楕円面であり、射出開口部２a から射出される射出光束Ｌ１２は収束光束となる。この射出光束Ｌ１２は、光源光軸１５と同軸状態に配置されている凹レンズ４によって平行光束Ｌ１３とされる。この平行光束Ｌ１３は、次に述べる偏光分離素子５の入射開口部５bに導かれる。このように、本例では、光源反射鏡２と凹レンズ４によって光源１６の射出開口部２aから射出される射出光束Ｌ１２を断面が偏光分離素子５の入射開口部５bの形状よりわずかに小さい所定寸法の平行光束にする平行光束形成光学系が採用されている。
【００３１】
凹レンズ４から射出される平行光束Ｌ１３は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する偏光分離素子５の入射開口部５ｂに入射される。そして、本例では、この偏光分離素子５は２個の直角プリズムによって構成され、平行光束Ｌ１３に対して４５度傾斜した偏光分離膜５aを備えたプリズム合成体である。また、図１（B）にて判るように、本例では、偏光分離膜５aによってＳ偏光光が透過され、P偏光光は当該偏光分離膜５aによって反射されるようになっている。
【００３２】
この偏光分離膜５aで反射したＰ偏光光は、反射素子６である全反射プリズムに入り、４５度傾斜した面６aにより、当該偏光分離素子５で透過したＳ偏光光の進行方向と平行な方向に反射される。この場合、偏光変換素子７は、この例のように、必ずしも反射素子６の出射面に直接貼り付けることなく、前記出射面に近接させて保持部材によって取り付けることもできる。
【００３３】
また、反射素子６における出射面には、当該反射素子６で反射されたＰ偏光光をＳ偏光光に変換するための偏光変換素子７が貼り付けられている。本例の偏光変換素子７は１／２波長板である。なお、この偏光変換素子７を偏光分離素子５のＳ偏光光の出射面に貼り付けて、Ｓ偏光光をＰ偏光光に変換することもできる。
【００３４】
つぎに、本発明の偏光光源装置１では、図１（C）より判るように、偏光分離素子７を透過したＳ偏光光Sの光束L14aと、偏光分離素子５偏光分離膜５a にて反射し、全反射プリズム６を経て、当該全反射プリズムの出射面に貼り付けられている偏光変換素子７により変換されたＳ偏光光S'によって形成されるL14ｂの１対の直線偏光光からなる面光源は矩形形状を呈している。
【００３５】
そして、この二つの偏光光L14aとL14bは、集光レンズである凸レンズ８によってインテグレータ・ロッド９の入射開口部９aに収束されて導かれ、インテグレータ・ロッド９によって均一化された偏光光はインテグレータ・ロッド９から射出し、集光凸レンズ１０により液晶ライトバルブAの所定画面寸法に照射される。なお図１（A）中、３は、赤外線や紫外線等の特定の波長をカットする波長限定フィルターである。
【００３６】
このようにして液晶ライトバルブに照射されたS偏光光は、インテグレータ・ロッドのないものに比べ、偏光変換による光の利用効率を低下させることなく、照射ムラが少なく、改善されていることが確認された。
【００３７】
（実施例２）
図２は、本発明による他の実施例の概略構成図を示す。実施例１の偏光光源装置１において、一つの光源１６としたものであるが、この実施例２では、これに対し、光源を二つ使用しており、基本的には、その他の構成は実施例１と同様である。図２（A）は、その側面構成図であり、（Ｂ）は、集光凸レンズ４５とインテグレータ・ロッド４６と集光凸レンズ４７を除いて図２（A）の下方から見た平面構成図を示し、（Ｃ）は、図（B）の偏光変換光学系の部分構成図である。
【００３８】
本例の偏光光源装置２の１つの光源１６を使用した場合の基本構成について図２（A）により説明すると、発光管２１および当該発光管２１からの発散光を射出開口部２２aに向けて反射する反射鏡２２を備えた第１の光源３６を備えている。反射鏡２２の反射面は楕円面であり、射出開口部２２a から射出される第１の出射光束Ｌ３２は収束光束となる。この出射光束Ｌ３２は光源光軸２５と同軸状態に配置されている凹レンズ２４によって平行光束Ｌ３３とされる。この平行光束Ｌ３３は、つぎに述べる偏光分離素子１５の入射開口部１５ｂに収まる断面寸法とされる。このように、本例では、反射鏡２２と凹レンズ２４によって第１の光源３６の射出開口部２２a から射出される第１の出射光束Ｌ３２を断面が所定寸法の平行光束にする第１の平行光束形成光学系が構成されている。
【００３９】
凹レンズ２４から出射される平行光束Ｌ３３は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子１５は、２個の直角プリズムで構成され、平行光束Ｌ３３に対して４５度傾斜した偏光分離膜１５a によってＰ偏光光が反射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜１５a をそのまま透過するようになっている。
【００４０】
図２（A）で示すように、この第１の偏光分離素子１５の右側面側には第１の偏光分離素子１５を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第１の偏光分離素子１５で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向（図２（A）の下方）に反射する第１の反射素子１６が配置されている。本例では、この第１の反射素子１６は直角プリズムによる４５度の全反射プリズムとしている。このように、直方体状の偏光分離素子１５と同形状の反射素子１６を使用した場合には、これらの素子の取り付けが容易となって好ましいが、この反射素子１６は、この例で示すように、２個の直角プリズムで構成し、前記平行光束に対して４５度傾斜した全反射膜１６aを備えたプリズム合成体としてもよいが、４５度の傾斜を持たせた全反射ミラーとしてもよい。
【００４１】
また、第１の偏光分離素子１５の偏光分離膜１５aにて反射されたＰ偏光光は、第１の偏光分離素子１５の出射面に貼り付けられている第１の偏光変換素子１７によって、Ｓ偏光光に変換される。本例の第１の偏光変換素子１７は１／２波長板である。なお、この第１の偏光変換素子１７を第１の反射素子１６の出射面に貼り付けてＳ偏光光をＰ偏光光に変換することもできる。
【００４２】
次に、本例の偏光光源装置２は、図２（A）から明らかなように、上記の第１の光源３６を使用した場合と基本的には同一構成の第２の光源５６および第２の偏光分離素子１９と第２の反射素子２０と第２の偏光変換素子１８からなる第２の偏光変換光学系を備えており、第２の光源５６は、第１の偏光分離素子１５に対し第１の光源３６と対向し、その光軸４５が第１の光源３６の光軸２５と図２（A）の上方から見た場合（図２（B）参照）、平行にずれた状態に配設され、第２の偏光変換光学系は、前記第１の偏光分離素子１５と第１の反射素子１６と第１の偏光変換素子１７からなる第１の偏光変換光学系と併設されており、２（Ｂ）の平面構成図から明らかなように、第１および第２の光学系は点O を中心として点対称の状態に、即ち、直方体の第１の偏光分離素子１５の右側面に直方体の第１の反射素子１６を、この第１の反射素子１６の背面に同形状の第２の偏光分離装置１８を、また第１の偏光分離装置１５の背面に同形状の第２の反射素子２０取り付けられて、配置されている。
【００４３】
すなわち、発光管４１および当該発光管４１から発散光を射出開口部４２aに向けて反射する反射鏡４２を備えた第２の光源５６を備えている。反射鏡４２の反射面は楕円面であり、射出開口部４２aから射出される第２の出射光束Ｌ５２は収束光束となる。この出射光束Ｌ５２は、光源光軸４５と同軸状態に配置されている凹レンズ４４によって平行光束Ｌ５３とされる。
【００４４】
凹レンズ４４から出射される平行光束Ｌ５３は、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第２の偏光分離素子１８に入射する。本例においては、この第２の偏光分離素子１８は、２個の直角プリズムから構成され、平行光束Ｌ５３に対して４５度傾斜した偏光分離膜１８aを備えたプリズム合成体である。このプリズム合成体に換わって偏光分離膜を有する４５度傾斜したミラーとしてもよい。また、本例では、偏光分離膜１８aによってＰ偏光光が反射されて図２（A）の下方に出射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜１８aをそのまま透過するようになっている。
【００４５】
この第２の偏光分離素子１８の背面側（図２（B）の左側）には、第２の偏光分離素子１８を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第２の偏光分離素子１８で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子２０が配置されている。本例では、この第２の反射素子２０は直角プリズムを用いて、平行光束に対して４５度の全反射プリズムとしている。この第２の反射素子２０は、４５度傾斜させた全反射ミラーか、または２個の直角プリズムで構成し、平行光束Ｌ５３に対して４５度傾斜した全反射膜２０aとするプリズム合成体とすることができる。
【００４６】
また、第２の偏光分離素子１８には、第２の偏光分離素子１８の偏光分離膜１８aにおいて、反射されたＰ偏光光をＳ偏光光に変換するための第２の偏光変換素子１９が貼り付けられており、本例においては、この第２の偏光変換素子１９を1／２波長板としている。なお、図中、２３と４３は、前述の波長限定フィルターである。
【００４７】
このように構成した本例の偏光光源装置２では、図２（A）および図２（Ｂ）から判るように、片側が直角な面を有した梯形体形状、または２個の直角プリズムを貼り合わせて構成した直方体形状をした第１および第２の偏光分離素子１５，１８、並びに第１および第２の反射素子１６，２０が、照明対象の液晶ライトバルブの照明領域A に対応するよう図２（Ｃ）に示す矩形形状に配列されている。そして、偏光方向がS偏光成分として揃った同一断面形状の直線偏光光が出射され、集光レンズ４５によって１個の第１のインテグレータ・ロッド４６の入射開口部４６aに導かれ、インテグレータ・ロッド４６によって均質化した光束とし、集光レンズ４７によって照明領域A を照射する。ここで、インテグレータ・ロッドの形状は、円柱、または角柱のものを使用できるが、取り付け等の上から角柱が望ましい。
【００４８】
以上のように、第１および第２の光源３６，５６からの出射光束Ｌ３２，Ｌ５２の断面を、偏光分離素子１５，１８の入射開口部１５ｂ、１８ｂに収まるように縮小しているので、光量損失を抑え、偏光効率の低下を抑制できる。また、出射光束Ｌ３２，Ｌ５２は、偏光分離素子１５，１８、偏光変換素子１７，１９を１回通過するだけなので、この点においても光量損失および偏光効率の低下を抑制できる。さらに第１の偏光分離素子１５を透過するS偏光成分（S1）と第１の偏光分離素子１５で反射されたP偏光成分を第１の偏光変換素子１７で変換されたS偏光成分（S2）とからなる第１の対をなす直線偏光光及び第２の偏光分離素子１８を透過するS偏光成分（S3）と第２の偏光分離素子１８で反射されたP偏光成分を第２の偏光変換素子１９で変換されたS偏光成分（S4）とからなる第２の対をなす直線偏光光とを１個の第１のインテク゛レータ・ロッド４６に入射して照射領域Aに出射するので、S1、S2、S3、S4の直線偏光光が適切に混合合成され、均質なS偏光成分の偏光光を照射領域Aに出射することができ、照射ムラの少ない光源となる。
【００４９】
また、偏光変換された後の出射光束は、照明領域Aに対応する形状となっているので、矩形の液晶ライトバルブを効率よく照明することができる。
【００５０】
加えて、インテグレータ・ロッドとプリズム合成体を用いた偏光変換光学系とすることによって、小型でコンパクトな構成とすることができるので、装置の小型化を実現できる。
【００５１】
なお、この実施例では、２個の光源３６及び５６を用いて高輝度の光源装置としているが、当然、１個の光源、偏光分離素子、反射素子及び偏光変換素子を使用しても所期の効果は十分に達成することができる。
【００５２】
（実施例３）
図３には、もう一つの他の実施例の概略構成図を示している。
２組の光源と各光源に対応して設けた２組の偏光変換光学系とを備えた２光源型の偏光光源装置において、前記実施例２では、偏光変換された直線偏光光を一つの集光レンズ４５によって、インテグレータ・ロッド４６の入射開口部に導くよう構成しているが、本例においては、集光レンズ４５を用いることなく、２組の偏光分離素子６５，７５、偏光変換素子６７，７７、および反射素子６６，７６によって偏光変換された光束を、2組の偏光分離素子６５，７５および反射素子６６，７６によって形成される出射光束の断面寸法、すなわち、図２（Ｃ）に示すような入射開口部６８aとなるようにした一個のインテグレータ・ロッド６８に入射させて、光束の均質化を図り、インテグレータ・ロッド６８から出射した光束を集光レンズ６９によって照明領域Aを照明するようにしている。なお、本実施例では、図３のインテグレータ・ロッド６８及び集光レンズ６９を除いた下方から見た平面図は、図２（B）と同一なので、省略したが、図３の第１の偏光分離素子６５及び第１の反射素子６６の背部にそれぞれ第２の反射素子（図３では、全反射膜７６aで表示している。）と第２の偏光分離素子（図３では、偏光分離膜７５aで表示している。）が取り付けられている。図中、６３と７３は、前述の波長限定フィルターである。
【００５３】
また、この実施例では、インテグレータ・ロッド６８は、１個のみを使用し、第１の反射素子６６及び第１の偏光変換素子６６から出射された第１の対のS偏光成分の直線偏光光と第２の反射素子７６及び第２の偏光変換素子７７から出射された第２の対のS偏光成分の直線偏光光の両方の直線偏光光をインテグレータ・ロッド６８の入射開口部６８aに入射させたが、２個の第１及び第２のインテグレータ・ロッドを使用し、第１の偏光変換系から出射された第１の対のS偏光成分の偏光光を第１のインテグレータ・ロッドに、また第２の偏光変換系から出射された第２の対のS偏光成分の偏光光を第２のインテグレータ・ロッドに入射させてもよく、さらに第１及び第２の反射素子と偏光変換素子とから出射された４種のS偏光成分の直線偏光光のそれぞれに対して４個のインテグレータ・ロッドを配置するように、複数個のインテグレータ・ロッドを使用してもよく、偏光変換された後の出射光束の断面寸法にインテグレータ・ロッドの入射開口部に合わせて、配置することが可能である。
【００５４】
本例の場合には、実施例２の構成に比べて、インテグレータ・ロッド自身は大きくなるが、偏光光源装置は小型化され、コンパクトとすることができ、しかも、実施例２と同様に光量損失を抑え、偏光効率の低下を抑制できる。この場合も、１個の光源、偏光分離素子、反射素子及び偏光変換素子を使用しても所期の効果は十分に達成することができる。
【００５５】
（実施例４）
この実施例では、偏光光源装置４において、２組の光源と各光源に対応した２組の偏光変換光学系を用いる２光源型の構成において、インテグレータ・ロッドを光源８０及び９０と第１及び第２の偏光分離素子８６及び９６の間にそれぞれ配置した例を示し、図４による概略構成図に基づいて説明する。
【００５６】
第１の発光管８１および当該発光管８１からの発散光を射出開口部８２aに向けて反射する反射鏡８２を備えた第１の光源８０を備えている。反射鏡８２の反射面は楕円面であり、射出開口部８２aから射出される第１の出射光束Ｌ８３は収束光束となる。この収束光束Ｌ８３は、光源光軸８９に対して４５度傾斜して配置した全反射ミラー８４によって反射され、その収束部に第１のインテグレータ・ロッド８５の入射開口部８５aを配置してある。第１のインテグレータ・ロッド８５から出射された光束は、第１のインテグレータ・ロッド８５と隣接して配置されている第１の偏光分離素子８６に入り、偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方（P偏光成分）を反射し、他方（S偏光成分）を透過する。本例では、前記の実施例２と同様にこの第１の偏光分離素子８６は、２個の直角プリズムからなるプリズム合成体である。本例では、偏光分離膜８６ｂによりＰ偏光光が反射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜８６ｂをそのまま透過するようになっている。
【００５７】
この第１の偏光分離素子８６の右側面側には第１の偏光分離素子８６を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第１の偏光分離素子８６で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子８７が配置されている。本例では、この反射素子８７は直角プリズムによる全反射プリズムからなっている。この反射素子は全反射ミラー、または全反射膜を備えたプリズム合成体とすることができる。
【００５８】
また、第１の偏光分離素子８６で反射されたＰ偏光光をＳ偏光光に変換するための第１の偏光変換素子８８が、第１の偏光分離素子８６の出射面に貼り付けられている。本例の第１の偏光変換素子８８は1／２波長板である。この第１の偏光変換素子８８を第１の反射素子８７の出射面に貼り付けることにより、Ｓ偏光光をＰ偏光光に変換することができる。
【００５９】
次に、本例の偏光光源装置４は、前記の実施例２と同様な構成の第２の光源および第２の偏光変換光学素子を備えており、この場合における光源８０及び９０と偏光分離素子８６及び９６と反射素子８７及び９７の配置は、基本的に前記実施例の図２（Ｂ）で図示する配置と同一であり、第１および第２の光学系８６、８７、９６、９７は、点O を中心として点対称の状態に配列されている。
【００６０】
すなわち、第２の発光管９１および当該発光管９１からの発散光を射出開口部９２aに向けて反射する第２の反射鏡９２を備えた第２の光源９０を備えている。第２の反射鏡９２の反射面は楕円面であり、射出開口部９２aから射出される第２の出射光束Ｌ９３は収束光束となる。この出射光束Ｌ９３は、光源光軸９９に対して４５度傾斜して配置されている全反射ミラー９４によって反射され、その収束部に第２のインテグレータ・ロッド９５の入射開口部９５aが配置されてある。このインテグレータ・ロッド９５を経て出射された光束は、第２のインテグレータ・ロッド９５と隣接配置されている第２の偏光分離素子９６に入り、偏波面が直交する二つの直線偏光光の一方（P偏光成分）を反射し、他方（S偏光成分）を透過する。本例では、前記の実施例２と同様に第２の偏光分離素子９６は、２個の直角プリズムから構成されたプリズム合成体である。本例では、第２の偏光分離膜９６ｂにより、Ｐ偏光光が反射され、Ｓ偏光光は当該偏光分離膜９６ｂをそのまま透過するようになっている。
【００６１】
この第２の偏光分離素子９６の左側面側には第２の偏光分離素子９６を透過した直線偏光光であるＳ偏光光を、当該第２の偏光分離素子９６で反射されたＰ偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子９７が配置されている。本例では、この第２の反射素子９７は直角プリズムによる全反射プリズムによって構成されている。
【００６２】
また、第２の偏光分離素子９６おいて、偏光分離膜９６ｂによって反射したＰ偏光光の出射面には、Ｐ偏光光をＳ偏光光に変換する第２の偏光変換素子９８が貼り付けられている。本例の第２の偏光変換素子９８は１／２波長板である。
【００６３】
このように構成された偏光光源装置４の偏光変換光学系は、２個の直角プリズムを貼り合わせて構成した直方体形状、または片側が直角な面を有した梯形体形状をした第１および第２の偏光分離素子８６、９６、並びに第１および第２の反射素子８７，９７が、照明対象の液晶ライトバルブの照明領域Aに対応するように、矩形上に配列されている。そして、偏光分離素子８６、９６、および偏光変換素子８８，９８によって変換された光束は、集光レンズ１００によって照明領域Aに導かれるようになっている。
【００６４】
本例の偏光光源装置４は、偏光変換された後の射出光束が照明領域Aに対応する形状となっているので、矩形の液晶ライトバルブを効率良く照明することが可能となる。
【００６５】
さらには、プリズム合成体とインテグレータ・ロッドを用いた偏光変換光学系に１枚の集光レンズ１００で照明領域Aに導くようにしたことにより、よりコンパクトで装置の小型化が実現できる。なお、この例においても１個の光源、偏光分離素子、反射素子及び偏光変換素子を使用しても所期の効果は十分に達成することができる。
【００６６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、光源からの光束を偏光変換光学系の入射開口部の大きさまで圧縮し、これを偏光分離素子および偏光変換素子を１回だけ通して偏光方向が揃った直線偏光光として、しかも、インテグレータ・ロッドを導入したことにより、照明ムラをなくし、照明効率を高めて照射領域を照射するようにした高輝度対応の偏光光源装置を実現できる。
【００６７】
また、本発明においては、二つの光源と各光源からの射出光束を一つの直線偏光光に変換する二つの偏光変換光学系を備えた偏光光源装置において、上記のように高輝度化を図ると共に、プリズム合成体などからなる偏光分離素子および反射素子を用いて、矩形の照明領域に対応するように、偏光変換後の光束を出射するようにしているので、光の利用効率の高い偏光光源装置を実現できる。また、偏光変換光学系をプリズム合成体からなる偏光分離素子および反射素子を並列配置させており、あわせて、照明ムラを改善するための装置としてインテグレータ・ロッドを採用したことにより、偏光光源装置の小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した一つの光源を用いた実施例１の偏光光源装置を示す概略構成図で、（A）、(B)、（Ｃ）は、それぞれ、図１の偏光光源装置の側面構成図、偏光変換光学系の部分図及び偏光分離素子と偏光変換素子から出射されるS偏光成分の偏光光束を示す図である。
【図２】本発明を適用した実施例２の偏光光源装置の概略構成図で、（A）、（Ｂ）、（Ｃ）は、それぞれ、偏光光源装置の側面構成図、（A）のインテグレータ・ロッド及び集光レンズを除いて下方から見た平面構成図、および（B）の偏光変換光学系の部分平面図である。
【図３】本発明を適用した実施例３の偏光光源装置の側面構成図である。
【図４】本発明を適用した実施例４の２光源型偏光光源装置の側面構成図である。
【図５】従来の偏光光源装置の側面構成図である。
【符号の説明】
１，２１，４１，６１，７１、８１，９１ 発光管
２，２２，４２，８２，９２ 反射鏡
２a、２２a、４２a、８２a、９２a 射出開口部
３、２３，４３，６３，７３ 波長限定フィルター
４，２４，４４，６４，７４ 平行光束形成光学系
５，１５，１８，６５，７５，８６，９６ 偏光分離素子
５a、１５a、１８a,８６a、９６a 偏光分離膜
５ｂ、１５ｂ、１８ｂ、 偏光分離素子の入射開口部
６，１６，２０，６６，７６、８７，９７ 反射素子
６a，１６a，２０a，６６a，７６a、８７a，９７a 全反射面
７，１７，１９，６７，７７，８８，９８ 偏光変換素子
８，１０，４５，４７，６９，１００ 集光レンズ
９，４６，６８，８５，９５ インテグレータ・ロッド
９a、４６a，６８a，８５a、９５a インテグレータ・ロッドの入射開口部
Ｌ１２，Ｌ３２，Ｌ５２，Ｌ８３，Ｌ９３ 発散光
Ｌ１３，Ｌ３３，Ｌ５３ 平行光束
Ｌ１４a 偏光分離素子を透過した光束
Ｌ１４ｂ 偏光分離膜により反射され、反射素子を経て偏光変換素子を通過した光束
８４，９４ 反射ミラー
１６，３６，５６，６０，７０，８０，９０ 光源
１５、２５，４５、６２，７２，８９，９９ 光源光軸
A 照明領域
Claims (8)
- 第１の発光管およびこの発光管からの発散光を射出開口部に向けて反射する第１の反射鏡を備えた第１の光源と、前記第１の反射鏡からの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子と、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子と、前記第１の偏光分離素子または、前記第１の反射素子に取り付けられ、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第１の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光との二つの偏光光を入射する第１のインテグレータ・ロッドと当該インテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子とを有していることを特徴とする偏光光源装置。
- 請求項１記載の偏光光源装置において、前記第１の偏光分離素子に対して前記第１の光源と対向状態に配置された第２の発光管および当該第２の発光管からの発散光を第２の射出開口部に向けて反射する第２の反射鏡を備えた第２の光源と、前記第１の偏光分離素子と併設され、前記第２の反射鏡からの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を、前記第１の偏光分離素子によって反射される直線偏光光と同一成分でかつ同一方向に反射し、前記第１偏光分離素子を透過する直線偏光光と同一方向でかつ同一成分の他方の直線偏光光を透過する第２の偏光分離素子と、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子と、前記第２の偏光分離素子または、前記第２の反射素子にとりつけられ、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第２の反射素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第２の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第１の対をなす直線偏光光と、前記第１の対をなす直線偏光光と同一成分をなし、前記第２の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第２の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第２の対をなす直線偏光光の少なくとも１対の偏光光を前記第１のインテグレータ・ロッドに入射することを特徴とする偏光光源装置。
- 請求項２の偏光光源装置において、前記第１の対をなす直線偏光光と第２の対をなす直線偏光光の２対の直線偏光光を、第１のインテグレータ・ロッドに入射し、第１のインテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子に入射することを特徴とする偏光光源装置。
- 請求項２の偏光光源装置において、前記第１のインテグレータ・ロッドに併設して第２のインテグレータ・ロッドを配設し、第１のインテグレータ・ロッドに、第１の対をなす直線偏光光を、第２のインテグレータ・ロッドに、第２の対をなす直線偏光光を入射し、各インテグレータ・ロッドから射出された光束を所定の画面寸法に導くための光学素子に入射することを特徴とする偏光光源装置。
- 前記第１の偏光分離素子または第１及び第２の偏光分離素子と第１のインテグレータ・ロッドまたは第１及び第２のインテグレータ・ロッドとの間に、前記第１の対をなす直線偏光光または前記第１及び第２の対をなす直線偏光光を前記第１のインテグレータ・ロッドまたは各インテグレータ・ロッドの入射開口部に収束させるための集光光学系を配置した請求項１から４のいずれかに記載された偏光光源装置。
- 前記第１の光源と第１の偏光分離素子との間、または第２の光源と第２の偏光分離素子との間に、前記各光源の射出開口から放出される射出光束を平行光束にする平行光束形成光学系を配置した請求項１から５のいずれかに記載された偏光光源装置。
- 第１の発光管および当該第１の発光管からの発散光を第１の射出開口部から収束するように反射する第１の反射鏡を備えた第１の光源と、前記第１の反射鏡によって収束する光束による結像点に入射開口部を有する第１のインテグレータ・ロッドを配置し、前記第１のインテグレータ・ロッドからの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を反射し、他方を透過する第１の偏光分離素子と、この偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子を通過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第１の反射素子と、前記第１の偏光分離素子または、前記第１の反射素子に取り付けられ、前記第１の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第１の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちら一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第１の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光との二つの偏光光を入射して、所定の画面寸法に導くための光学素子を有していることを特徴とする偏光光源装置。
- 請求項７記載の偏光光源装置において、前記第１の偏光分離素子に対して前記第１の光源と対向状態に配置された第２の発光管および当該第２の発光管からの発散光を第２の射出開口部に向けて反射する第２の反射鏡を備えた第２の光源と、前記第２の反射鏡によって収束する光束による結像点に入射開口部を有する第２のインテグレータ・ロッドを配置し、前記第１の偏光分離素子と併設され、前記第２のインテグレータ・ロッドからの出射光に含まれる偏波方向が直交する二つの直線偏光光の一方を、前記第１の偏光分離素子によって反射される直線偏光光と同一成分でかつ同一方向に反射し、前記第１偏光分離素子を透過する直線偏光光と同一方向でかつ同一成分の他方の直線偏光光を透過する第２の偏光分離素子と、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射するかまたは、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光を、当該第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の進行方向と平行な方向に反射する第２の反射素子と、前記第２の偏光分離素子または、前記第２の反射素子に取り付けられ、前記第２の偏光分離素子を透過した直線偏光光の偏波面、または、前記第２の偏光分離素子で反射された直線偏光光の偏波面のどちらか一方を９０度回転させて他方の直線偏光光と同一成分になるように変換する第２の偏光変換素子と前記第１の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第１の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第１の対をなす直線偏光光と、前記第１の対をなす直線偏光光と同一成分をなし、前記第２の偏光変換素子を透過せず、変換されない直線偏光光と前記第２の偏光変換素子により変換された直線偏光光からなる第２の対をなす直線偏光光の少なくとも１対の偏光光を入射して、所定の画面寸法に導くための光学素子を有していることを特徴とする偏光光源装置。
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