JPH10501076A - 高効率照明装置及びこの照明装置を具える画像投射装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 照明すべき物体の位置において非回転対称なビーム断面を有する直線偏光した光のビームを発生する照明装置について説明する。この照明装置は、光源（５０）と、反射器（８０）と、ビーム断面を形成すると共にビーム断面にわたって均一な光分布を形成する光積分器（５４、８２）と、前記光源から発生した光を直線偏光した光に変換する偏光光学系（２０、３１）とを具える。偏光光学系は前記光積分器の前側の放射光路中に配置されるので、この照明装置は少ない部品点数で小型に構成できる。この照明装置は多くの利点をもって画像投射装置に用いることができる。

Description

【発明の詳細な説明】 高効率照明装置及びこの照明装置を具える画像投射装置 本発明は、照明すべき物体の位置において非回転対称なビーム断面を有する直 線偏光した光のビームを発生する照明装置であって、光源と、反射器と、ビーム 断面を形成すると共にビーム断面にわたって均一な光分布を形成する光積分器と 、前記光源から発生した光を直線偏光した光に変換する偏光光学系とを具える照 明装置に関するものである。 本発明は、このような照明装置を具える画像投射装置にも関するものである。 画像投写装置の用語は、広い意味を有し、例えばビデオ画像、図形画像、数値 情報又はこれらを結合したものを表する装置を具えるものと考えるべきである。 画像は単色及びカラーの両方とすることができる。カラー画像の場合、画像投写 装置は、例えば赤、緑及び青の原色の３個のカラーチャネルを有し、各カラーチ ャネルが画像表示パネルを有する画像表示装置を具える。 この型式の照明装置及び画像表示装置は米国特許第５１８４２４８号に記載さ れている。この米国特許明細書に記載されている照明装置は、光源から放出され た光の大部分を用いてＬＣＤと称せられる液晶画像表示パネルから成る物体を照 明し、その照明は満足し得る均一性を有している。均一な強度の明るい画像は、 この照明装置を有する画像投写装置により投写スクリーン上に投写することがで きる。これは、光源から放出された光ビームと、照明されるべきＬＣＤパネルの 高さ一幅比に対応する高い一幅比を有する第１の複数のレンズを具る第１のレン ズプレート及び第１レンズに形成された光スポットをＬＣＤパネル上に重畳する ように結像する第２の複数のレンズを有する第２のレンズプレートを有する光積 分器を介して送出することにより達成される。これにより、ＬＣＤパネルの区域 における光ビームの断面はＬＣＤパネルに正確に整合し、このビーム断面内の強 度分布が均一になる。従って、ビームは、はじめに偏光光学系において偏光感知 ビームスプリッタにより相互に直交する偏光方向を有する２本の直線偏光したサ ブビームに分割され、次にこれらサブビームは、一方のサブビームが他方のサブ ビームと同一の偏光方向を有するように偏光回転された後合成される。偏光に関 して、光源からの全ての光を用いてＬＣＤパネルを照明することができる。 既知の照明装置の多くの実施例において、第２のレンズプレートは偏光光学系 の出射面又はその近傍に結像される必要があり、そのためには複数のレンズが必 要であり、しかもこのレンズプレートと偏光光学系との間に所定の距離が必要に なる。 米国特許第５１８４２４８号には、その図３１において偏光光学系が光積分器 の後側に直接配置され第２の積分器プレートを結像するレンズ系が偏光光学系に 存在しない実施例が開示されている。一方、別の実施例は他の実施例で発生する ビームよりも大きな断面を有するビームを発生しており、この実施例を画像投写 装置に用いる場合投写レンズ系は大きな開口を有する必要がある。さらに、米国 特許第５１８４２４８号に記載されている照明装置では、レンズプレートは比較 的大きな寸法を有する必要があり、従って互いに比較的長い距離を以って配置さ れる。この理由は、光積分器が比較的大きな断面を有するビーム中に配置される からである。 本発明の目的は、冒頭部で述べた照明装置において、相当小さく且つ既知の装 置よりも光学素子の数が少なくなると共にビーム断面が制限されている照明装置 を提供することにある。 本発明による照明装置は、偏光光学系が光積分器の前側の光路中に配置されて いることを特徴とする。 この照明装置において、反射器の出射面の断面よりも小さい断面を有するレン ズプレートが用いられるので、これらレンズプレートはより安価であり、しかも 互いに接近して配置することができる。このため、第１のレンズプレートに入射 するビームは集束性ビームとする必要があり、反射器と第１レンズプレートとの 間の距離は観察される程度のものとする。反射器と第１レンズプレートとの間の 空間に偏光光学系を配置することにより、この空間は最適に利用され、所望の偏 光した光を得るため画像投射装置の構成長を拡大する必要もない。 本発明の照明装置において、光積分器に入射するビームを集束性ビームとする ことは必須事項である。このビームは、反射器の形状を集束効果を有するように 設定することにより得ることができる。この反射器は、例えば楕円形とする。 一方、照明装置は、光源と偏光光学系との間に集束性レンズを配置したことを 特徴とする。 このレンズは反射器の集束作用を具えており、すなわち反射器の集束性作用に さらに集束作用を付加することできるので、光源と偏光光学系との間の距離を一 層短くすることができる。反射器が集束性を必要としない場合、この反射器は他 の設計概念に対して最適なものとすることができ、例えばこの場合反射器は放物 形又は双曲線形とすることできる。このような面は、高反射層を形成することに より容易に形成することができる。 好ましくは、偏光光学系は、本願人により開発された偏光感知ビームスプリッ テングプリズムと、偏光回転素子との組み合せで構成され、これらの種々の組み 合せは請求項２〜１０に記載されている。これらの実施例は米国特許第５１８４ ２４８号明細書から既知であり、これら実施例の動作及び利点はこの米国特許明 細書に記載されている。これらの利点は、上記組み合せが本発明による新規な照 明装置に用いられる場合そのまま達成される。 この照明装置の光積分器は、内側壁部での反射により光が伝搬し出射面が偏光 光学系から出射するビームの断面に適合している光ガイド管により構成すること ができ、この光ガイド管の出射面は照明されるべき物体に近接して配置でき、照 明されるべき物体の形状及び方法に適合させる。 一方、光積分器は、請求項１１に記載されている構成及び機能を有する第１及 び第２のレンズプレートで構成される。この積分器の種々の実施例は請求項１２ 〜１６に記載されている。これらの実施例は、これら実施例の動作及び利点が記 載されている米国特許第５１８４２４８号から既知である。これらの利点は、上 記積分器が本発明の新規な照明装置に用いられる場合達成される。 本発明は、照明装置と、投射すべき画像を発生すると共に少なくとも１個の画 像表示パネルが設けられている画像表示装置と、この画像表示装置により形成さ れた画像を投射スクリーン上に投射する投射レンズ系とを具える画像投射装置に も関する。この画像投射装置は、照明装置を前述したように構成することを特徴 とする。 カラー画像を投射する画像投射装置の好適実施例は、前記画像表示装置が、請 求項画像表示装置が、ビームを３本の異なる色のサブビームに分割するカラー選 択性ビームスプリッタ、各サブビームについての個別の画像表示パネル、及び画 像表示パネルから入射するサブビームを１本のカラービームに合成するビーム合 成手段を具えることを特徴とする。 以下実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。 図１は画像投射装置を示す線図である。 図２は本発明による照明装置に用いるビームスプリッタの第１実施例を示す。 図３はこのビームスプリッタの動作を示す。 図４は一方の出射面に偏光回転素子を有するビームスプリッタを示す。 図５はビームスプリッタの第２実施例を示す。 図６は既知のビームスプリッタを斜視図として示す。 図７は本発明による照明装置の実施例を断面図として示す。 図８は既知の照明装置を断面図として示す。 図９及び図１０は光集積素子の第１レンズプレートの正面図及び背面図である 。 図１１は１個の照明装置及び透過型画像表示パネルを具えるカラー画像投射装 置の実施例を示す。 図１２は１個の照明装置及び反射型画像表示パネルを具えるカラー画像投射装 置の実施例を示す。 図１３は各カラーチャネル毎に個別の照明装置を具えるカラー画像投射装置を 示す。 図１において、ブロックＡは主軸が画像投射装置の光軸と一致した光ビームを 放出する照明装置を示す。このビームは、単色画像を投射する場合１個の画像表 示パネル１を有する画像表示装置Ｂに入射する。このパネルは例えば液晶表示パ ネル（すなわち、ＬＣＤパネル）とする。このパネルは、２個の透明な例えばガ ラスプレート２と３との間に封止された例えばネマテック形の液晶材料層４を具 える。駆動電極をこれらプレートの各々に配置する。これらの電極は画像表示パ ネルの多数の画素を規定する多数の行及び列に分割することができる。各画素は 駆動端子７及び８により線図的に示されるように、マトリックス電極を駆動する ことにより駆動される。所望の位置の液晶材料に電界を印加することができる。 この電界により液晶材料４の有効な屈折率が変化するので、所定の画素を通過す る光は、関連する画素の位置における局部的な電界に応じて偏光方向の回転を受 け又は受けない。 この受動型の画像表示パネルの代わりに、能動型の表示パネルを用いることが できる。能動型の表示パネルの場合、一方の支持プレートが電極を有し、他方の プレートには半導体駆動電子装置を設ける。各画素は、例えば薄膜トランジスタ のようなそれ自身の駆動素子により駆動される。両方の形式の直接駆動画像表示 パネルは、例えば欧州特許出願第０２６６１８４号に記載されている。 画像表示パネル１に入射したビームは、好ましくは直線偏光している必要があ る。一方、照明装置Ａは偏光していない光を発生する。この光から吸収性偏光子 １０により所望の偏光方向の直線偏光した光を選択することは一般的なことであ る。偏光方向が例えば偏光子１０の偏光方向に平行な検光子１１を画像表示パネ ルを透過した光の光路に配置する。従って、付勢されビームの偏光方向を変化さ せない画素からの光は検光子を経て投射レンズ系Ｃに入射する。ビームの偏光方 向を９０°回転させる付勢されていない画素からの光は検光子により阻止される 。従って、検光子はビームの偏光変調を強度変調に変換する。投射レンズ系Ｃは パネル１に形成された画像を投射スクリーンＤ上に投射する。この投射画像は投 射スクリーンの後側に位置する観客により見られることができる。 この画像表示パネルは、１９９２年に発行されたジャパン ディスプレイ の 第５３１〜６３４頁に記載されている文献「フルカラー ＴＦＴ−ＬＣＤ ウィ ズ ポリマ ディスパーズド ストラクチャ」に記載されているように、例えば 前側に偏光子が配置され後側に検光子が配置されているＰＤＬＣ（ポリマ分散液 晶）のような分散型パネルとすることができる。 透過型として用いる場合、液晶画像表示パネルは低効率を有し、単色パネルに 入射した放射の例えば３０％及びカラーパネルに入射した放射の１０％しか投射 レンズ系に入射しない。さらに、このシステムはパネルを拡大像とて投影するの で、スクリーンの単位表面積当たり十分な放射強度を必要とする場合照明ビーム は高い強度を有する必要がある。より高い強度のランプの形態の光源を用いるこ とにより制限された利点しか得られない。実際に、より高い光強度のランプは一 般的ランプアークの形態のより大きな放出表面を有しているので、照明装置の出 射開口がより大きくなってしまう。投射装置の後段の光学素子の寸法を小さくす るためビーム開口を小さくすると、光エネルギーの一部が損失となってしまう。 従って、ランプからのできるだけ多くの光を入射させ用いると共にその光を細い ビームに集束させることが望ましい。別の要件は、このビーム断面を画像表示パ ネルの矩形形状にできるだけ適合させ、パネルの外部に入射する光量を最小にす ることである。 これらの要件を満足するため、多数の方策が米国特許第５１８４２４８号にお いて採用されている。第１に、光源の２個の偏光成分を用いて画像表示パネルを 照明することである。このため、特別な偏光感知ビームスプリッタと偏光変換素 子の組み合わせが用いられている。第２に、ＬＣＤパネルに入射する光ビームが 特別な断面を有することを確実にすることである。 図２は偏光感知ビームスプリッタを断面として示す。このビームスプリッタ２ ０は、例えばガラスと複屈折層２７とから成る２個のプリズム２１及び２５を具 える。この層は例えば液晶材料で構成する。その常光線に対する屈折率ｎ。はほ ぼ常時１．５に等しく、その異常光線に対する屈折率ｎ_eは層２７の組成に応じ て１．６と１．８との間の値をとる。本例において層２７の光軸を紙面と直交さ せる配向層２８及び２９をプリズム上に形成する。この光軸は図２において符号 ３０で示す。プリズム材料の屈折率ｎ₁は層２７の屈折率例えば１．７に等しく する。偏光していない光ビームがプリズム２１を経て層２７にその臨界角に等し いか又はそれ以上の入射角φで入射すると、このビームのＰ偏光成分がプリズム ２１の出射面２３に向けて全反射する。この理由は、層２７の常光線に対する屈 折率はこの成分光に対してそのまま維持され、その屈折率プリズム２１の屈折率 よりも小さいからである。Ｐ偏光成分は偏光方向が入射面、すなわち層２７の法 線及び入射ビームの主光線を通る面、つまり図２の紙面と平行な成分である。偏 光方向が入射面と直交するＳ偏光成分については、層２７の異常光線に対する屈 折率は、この成分光がビームスプリッタを通る光路に対していかなる屈折率差を 有さずプリズム、層２７及びプリズム２５をオリジナルの方向に沿って順次通過 するように維持される。 Ｐ偏光成分に対する臨界角φ₁はsin φ₁＝ｎ₀／ｎ₁又はφ₁＝are sin ｎ₀／ｎ₁ で与えられるので、Ｐ偏光成分が完全に反射する場合入射角φに対して、φ＞a rc sin ｎ₀／ｎ₁となるようにする必要がある。また、層２７の異常光線に対す る屈折率がプリズム材料の屈折率ｎ₁に等しくない場合、Ｓ偏光成分は、入射角 が臨界角φ₂よりも小さい限り完全に通過し、臨界角φ₂については、sin φ₂＝ ｎ_e／ｎ₁又はφ₂＝arc sin ｎ_e／ｎ₁とする。この分割を層２７により得るため の入射角φについての全条件は、 である。角度φ₁及びφ₂は図２に示す。 液晶材料の屈折率差Δｎ＝ｎ_e−ｎ₀は大きいので、ビームスプリッタ２０は入 射角φの大きな範囲（φ₂−φ₁）に対して好適である。さらに、プリズム材料及 び層２７の屈折率は入射光ビームの波長変化に対して同じように変化するので、 このビームスプリッタは広い波長域に対して大きな偏光分離効率を有している。 図２のビームスプリッタの極めて重要な利点は安価なことである。この理由は、 ウオルストンプリズムのような高価な複屈折性材料が不要になるからであり、し かも比較的簡単な方法で製造できるからである。 プリズム２１および２５は周密である必要はない。これらのプリズムは、内部 に層２７の屈折率ｎ_eに等しい屈折率を有する透明液体又は合成材料が充填され ているガラス又は他の透明壁材で構成することができる。これらの壁材の内部の 液体又は合成材料と同一の屈折率を有する必要があり、これらの材料はいかなる 偏光解除効果を有する必要はない。 図２のビームスプリッタの偏光分離層として、液晶層の代わりに複屈折性接着 剤層が好適に用いられる。液晶層を有するビームスプリッタと比べて、複屈折性 接着剤層を有するビームスプリッタは、一層簡単に構成でき、温度依存性が低く く、より高い温度に対して良好な耐久性を有し、しかもこの層の屈折率とプリズ ムの屈折率との整合性を一層取り易い利点がある。 複屈折性接着剤層は、好ましくは単軸配向ポリマ層とする。所望な配向は例え ばこの層が一方向に形成されるべきプリズム表面間をラッビングすることにより 得ることができ、ラッビングすべき表面上にポリイミド層を形成する場合この方 法は実用的である。 高い耐熱性を有するビームスプリッタは、ポリマ層が固化した液晶のモノマ細 成を有するビームスプリッタである。 図３はビームスプリッタ２０に入射する照明ビームｂがいかにして２面の相互 に直交する直線偏光したビーム成分ｂ_p及びｂ_sに分割されるかを示す。面２２を 経てプリズム２１に入射する照明ビームｂの主光線及び２本の限界光線だけを示 す。この面は分離層２７に対して角度αをなすので、この面で屈折した後、層２ ７に対するビームの入射角φは上述した臨界角φ₁及びφ₂間の値をとり、Ｐ偏光 したビーム成分ｂ_Pは全反射し射出面２３を経てプリズム２１から射出する。Ｓ 偏光成分はプリズム２５に入射し射出面２６を経てプリズムから射出する。射出 面２３及び２６は分離層２７に対して開度αを以って形成されているので、ビー ム成分ｂ_p及びｂ_sは平行平面板を有効に通過し、面２３及び２６で屈折した後入 射ビームｂと平行になる。 ビームｂは層２７の一方の側に位置する。出射するビーム成分ｂ_p及びｂ_sは円 形の断面を有し、図３の右側部分に示すように、円３２内の主軸の異なる側に位 置する。 図４に示すように、一方の出射面例えば面２６にλ／２板３１を配置する場合 、ビーム成分ｂ₈の平行方向は９０°回転するので、λ／２板３１から出射する ビームはＰ偏光となる。図４のパネルを照明するのに好適な直線偏光した光は、 ビームスプリッタ２０と偏光回転素子３１とにより構成される偏光装置から出射 する。 λ／２板の代わりに、例えばポリマのような回転した液晶材料層又は相互に回 転した単軸複屈折層を偏光回転素子３１として用いることができる。この偏光回 転素子は、出射面２３又は２６上だけでなく、これら出射面の後側に設けること もできる。 図５はビームスプリッタの第２実施例を示す。このビームスプリッタ４０の偏 光感知分離層４１はコレストリック液晶材料を含む。この材料は、左旋性又は右 旋性とすることができる。この材料が左旋性の場合、入射した非偏光ビームｂの 左回りに偏光した成分ｂ_C,Lは反射し、右回り偏光した成分はｂ_C.Rは透過する。 この成分ｂ_C,Rは特別な反射器４２により画像表示装置（図示せず）に向けて反 射する。この反射器は成分ｂ_C,Rの偏光状態を変化させず、例えば左旋性液晶材 料を含む。反射した成分ｂ_C,Lは例えは金属ミラーのような通常の反射器４３に 入射し、この反射器は左回りに偏光した光を右回りの偏光した光に変換し、この 光は層４１を通過し成分ｂ_C,Rと同一の方向を有する。従って、ビームｂは共に 右回りの偏光した光の２個のビーム成分ｂ₁及びｂ₂に変換され、図５の下側部分 に示すように、円３２内に位置する。 右回り偏光したビームはその偏光状態を変換させることなく画像表示パネルに 入射させることができる。これは、例えばネマテック型のパネルを駆動するため の電界が直線偏光した放射を用いる場合よりも低くなる利点がある。変形例とし て、λ／４板４５をビームスプリッタ４０の後側に斜めに配置することができ、 このλ／４板は円偏光した光を直線偏光した光に変換する。 左旋性のコレストリック層の代わりに、右旋性コレストリック層を分離層４１ として用いることができ、この場合反射器４２は左旋性材料で構成し反射器４３ は通常のミラーとする。この場合、ビームスプリッタ４０から出射する光は左回 り偏光となる。 図６は、米国特許第５１３４２４８号による照明装置を斜視図として示し、こ の照明装置は光積分器と偏光光学系が設けられる。この装置は、さらに画像表示 パネルの方向及び後向きの方向（図６の左向き）の両方向に光を放出するランプ ５０を具える。反射器５１がランプの後側に配置され、この反射器はランプから 放出された光を第１のレンズプレート５４及びこれから離間した第２のレンズプ レート５７の形態の光積分器に向けて反射する。レンズプレート５４の複数のレ ンズ５５は入射ビームをこれらレンズの数に対応した多数のサブビームに分割す ると共に、これらサブビームが第２のレンズプレート５７のレンズ５８の面でビ ームが絞られるようにする。レンズ５５の数はレンズ５８の数に等しい。従って 、レンズ５５の各々は光源の像を関連するレンズ５８上に結像する。レンズ５８ は適切な方向にレンズカを有し、これらレンズはレンズプレート５４上に形成さ れた放射スポートを中間画像６０として重ね合わせるように結像する。これによ り、照明ビームが満足し得る均一な分布を有することが達成され、この分布は本 照明装置を一層良好に維持する。レンズプレート５７の区域において、反円形断 面の光源像が発生する。中間像はレンズ５５の像であり、従ってこれらレンズの 形状に対応する形状を有する。 例えば２個の平凸レンズ６３及び６３を有するレンズ系６２を中間像６０の後 側に配置する。このレンズ系は中間像を無限遠に結像すると共に、レンズプレー ト５７の像６５を偏光学系のプリズムの位置に結像する。 レンズプレート５７とよびその像６５は、プリズムにより最良に満たされるよ うに反円形とする。別のレンズ６７を偏光感知ビームスプリッタ２０の後側に配 置する。中間像６０の像７０、つまりレンズ５５の重ね合わせた最終の像は別の レンズ６７の焦点面に発生する。画像表示パネル１をこの最終画像の位置に配置 する。 本発明では、図３の偏光光学系２０，３１を放射源ユニット５０，５１と積分 器５４，５７との間に配置することにより、既知の装置の長さ及びレンズプレー ト５４，５７の直径を相当小さくすることができる。図７は新規な照明装置を断 面として示す。比較のために、図８は既知の照明装置を断面として示す。図８は 装置において、図６の半円形レンズ５７は円形レンズプレート５７′により置き 換えられている。この構成長は特別なレンズ７５により僅かに短くすることがで きる。２個の反部から成り例えばＰ偏光した光により形成される円形レンズの像 ５０′_pがプリズム２０の後側に発生する。 本発明による照明装置（図７）はラップ５０、反射器８０、偏光光学系２２０ ，３１及び２個のレンズプレート５４，８２から成る光積分器を具える。偏光光 学系は図２、ず３及び図４に基いて説明したものと同一の構成及び作用を有して いる。円形断面の１本のビームの代わりにそれぞれ強度が中心から端部に向かっ て減少する２本のサブビーム８６及び８７を偏光学系の後側に発生させる。この 状態を図７の挿入部８５として示す。この挿入部に示され放射ヒポット８６及び ８７は、実際には互いに僅かに近づいている。ビーム８５は積分器５４，８１を 通過するので、強度分布は、積分器から出射し画像表示パネルに入射するビーム が均一の強度を有するように一様にされている。これは、像５０′_pの各半部が 中心から端部に向けて強度が減少する複数のサブスポットにより構成されること になり、図８に比べて本発明の利点である。反射器８０は、ランプ５０からこの 反射器の第１焦点又はその近傍に配置され、第１のレンズプレート５４が第２焦 点又はその近傍に配置されている楕円反射器とすることができる。この理由は、 ビーム断面がこれらの位置において最小になるためである。或いは、例えば放物 形の反射器のような別の形状の反射器を用いることができ、このような反射器は ランプ光のほぼ平行なビームを形成する。放射形反射器の反射面は楕円形の反射 器の反射面よりも光軸に対して平行ではないので、この面への高反射性の層の形 成が容易になる。放物性の反射器を用いる場合、レンズ８１を反射器の後側に配 置してランプ光を第１のレンズプレート上に集束させる必要がある。或いは、自 身が集束性を有する反射器の後側にレンズを配置して特別なビームの集束を得る こともできる。この反射器は双曲線形状とし又はこれら反射器の組み合せとする ことができる。 第１のレンズプレート５４の光源と対向する側に複数のレンズ５５を設け、他 方の側は好ましくは平坦面とする。図９はこのプレートを前側斜視図として示し 、図１０は背面図として示す。プレート５４は例えば１０個のレンズを有する。 これらレンズの各々は光源５０を、第２のレンズプレート５７の関連するレンズ ５８上に結像する。このプレートの光源と対向する側５９はほぼ第１のレンズプ レート５４と同一の形状を有し、この面は平面とする。これに対して、光源から 離れた側は複数のレンズ５８を支持する。プレート５７のレンズの数は、例えば 反射器５１がランプ付近にランプの像を形成する場合、プレート５４のレンズの 数の２倍とする。別々のレンズ５５，----５５₁₀により光源５０を対応するレン ズ５８₁---５８₁₀上に結像するため、レンズプレート５４に入射するビームの各 異なる部分を毎回用いる。レンズ５５₁---５５₁₀は適切な方向に沿って適切レン ズ力を有し、通過するサブビームがレンズ５８の面上に集束し、これらサブビー ムの主光線は関連するレンズ５８の中心に入射する。レンズ５８は適切な方向に 適切なレンズ力を有し、レンズ５５上に形成された放射スポットを例えばＬＣＤ パネルのような照明すべき物体上に重ね合わせるように又はこの物体と共役な中 間像として結像する。これにより、物体又は中間像の視野ビームは満足する均一 な強度分布を有することが達成される。 次に、これらの位置におけるビームの断面は照明されるべき物体の断面に適合 させる。通常のビデオ画像を表示するために用いられる液晶表示パネルは、ｂ： ｈ＝４：３のアスペクト比を有する。ここで、ｂは図６のＸ方向の寸法であり、 高さｈはＹ方向の寸法である。図９及び図１０の実施例において、プレート５４ のレンズ５５は同一のアスペクト比を有する。これにより、放射源ユニット５０ ，８０からの全ての放射が画像表示パネルを通過し照明装置が高い集光効率を有 することが達成される。 画像表示パネル及びレンズ５５は、例えば１６：９のような別のアスペクト比 を有することができる。 既知の装置と同様に、少なくとも１個のレンズプレートの少なくとも１個のレ ンズは新規照明装置においても非球面とすることができる。 非球面レンズでは、基本形状は球面であるが、基本形状の球面収差を補正する ため実際の形状が球面から僅かに偏移しているレンズを意味するものと理解され る。レンズプレートに非球面レンズを用いることにより、照明装置の効率を改善 することができる。 第１のレンズは、第１レンズプレートの面が入射する照明ビームの断面にほぼ 等しくなるように適切な方法で配置すると共に適切な大きさを有する。 従って、光源から放射され放射器で集光された最大の光量が入射する。 第１レンズの直径は第２レンズの直径と相異させることができる。一方、照明 装置が、これらの直径が等しく第１及び第２のレンズの形状及び直径が等しくな るように構成されている場合、１つの型式のレンズプレートだけが用いられ、低 コストで製造できると共に組立作業も簡単になる。 第２レンズプレートのレンズの形状及び寸法は、第１レンズプレートにより形 成されるサブビームの第２レンズの面におけるビーム断面に正確に整合するよう に選択されることができるので、照明装置の効率が一層増強する。 第１及び第２のレンズプレートのレンズは関連するプレートの光源に対向する 側及び光源から離れた側にそれぞれ形成できるだけでなく、関連するプレートの 光源から離れた側及び対向する側にそれぞれ形成することができる。 レンズプレートの前段又は後段にレンズが配置される場合、このレンズ及びレ ンズプレートは、米国特許第５１８４２４８号の図１７及び図１８に示され並び にこの米国で説明されているように、１個の素子として一体化することができる 。 さらに、米国特許第５１８４２４８号の図１９に示すように第１レンズプレー トの支持面を湾曲させて画像表示パネル上の照明ビームの強度が中央部よりも周 辺部において低くなるようにして、米国特許第５１８４２４８号に記載されてい るように投射スクリーン上でより自然な画像を得ることができる。 本発明による照明装置においては、第２のレンズプレート５７はプリズム２０ の後側又は前側に結像されないので、この装置の部品の数及び装置の長さを既知 の装置よりも少なくし及び小さくすることができる。さらに、光積分器に入射す るビームは既知の装置におけるよりもより小さい断面を有しているので、積分器 のプレートが一層小さくなり、これらのプレートは共に接近して配置でき、従っ て組立られた長さが短くなる。 図１１は、本発明による照明装置を極めて有益に用いることができるカラー投 射型テレビジョン装置の実施例を示す。 この装置は３個の主要な構成段、照明装置Ａ、画像表示装置Ｂ及び例えばズー ムレンズのような投射レンズ系Ｃを備える。照明装置の主軸００′はこの装置の 光軸ＤＤ′に整列し、この光軸ＤＤ′は図示の実施例において三本のサブ光軸に 分割され、これらサブ光軸は投射レンズ系の光軸ＥＥ′に一致する１本の光軸に 結合される。 照明装置Ａからのビームは例えばダイクロイックミラーのような波長選択性反 射器９０に入射し、このダイクロイックミラーは例えば青のカラー成分ｂ_Bを反 射し、残りのビーム成分は通過させる。このビーム部分は、緑のカラー成分ｂ_G を反射し残りの赤のカラー成分ｂ_Rを反射器９２に向けて通過させる第２のカラ ー選択性反射器９１に入射し、反射器９２は赤のビームを投射レンズ系に向けて 反射する。反射器９２はニュートラル反射器又は赤の光に対して最適な反射器と することができる。青のビームはニュートラル又は青の選択性反射器９３により 反射し液晶パネルの形態の表示パネル９６に入射する。このパネルは既知の方法 で電子的に駆動されるので、投射されるべき画像の青の成分がこのパネル上に現 れる。青の情報により変調されたビームはカラー選択性反射器９４及び青のビー ムを反射する別のカラー選択性反射器９５を介して投射レンズ系Ｃに入射し、カ ラー選択性反射器９４は青のビームを通過させ緑のビームを反射する。緑のビー ムｂ_Gは第２の表示パネル９７を通過し、緑の画像成分により変調され、カラー 選択性反射器９４及び９５で順次反射して反射レンズ系Ｃに入射する。赤のビー ムｂ_Rは第３の表示パネル９８に入射し、赤の画像成分により変調され、カラー 選択性反射器９５を経て投射レンズ系に入射する。 青，赤及び緑のビームはこのレンズ系の入射側で重ね合わされ、この入射側で カラー画像に発生し、このカラー画像はこのレンズ系により図１１に図示されて いない投射スクリーン上に拡大画像として結像される。 照明装置Ａと各表示パネル９６，９７及び９８との間の光路長は等しいので、 ビームｂ_B，ｂ_G及びｂ_Rの断面は表示パネルの位置において互いに等しくなる。 表示パネル９６，９７及び９８と投射レンズ系の出射瞳との間の光路長は好まし くは等しくし、各カラー像は投射スクリーン上に満足できるように重ね合わされ る。 画像表示パネル９６，９７及び９８の前側に配置したレンズ９９，１００及び １０１の各々は図６のレンズ７３に対応し、照明装置の出射面からの全ての放射 は投射レンズ系Ｃの入射瞳に集束する。 図１２は反射型の画像表示パネルを有するカラー画像投射装置の実施例を示す 。本発明による照明装置から放出されたビームｂは、２個のダイクロイックミラ ー１１６及び１１７により構成されるダイクロイッククロス（DICHROIC CROSS） １１５により３本の異なるカラービームｂ_R，ｂ_G及びｂ_Bに分割する。 図１２において単レンズとして図示した投射レンズ系Ｃは、画像表示パネルに より反射したビームｂ_REの放射だけを受光し、照明装置から放出されたビームｂ_ON の放射は受光しない。 ビームｂ_ONとｂ_REとを投射レンズ系の区域において投射レンズと画像表示パネ ルとの間の距離を大きくする必要なくビームｂ_ONとビームｂ_REとを十分に分離す るため、複合プリズム系の形態の角度依存性ビームスプリッタを用いる。このプ リズム系はガラス又は合成材料から成り空気層１０８を形成した２個の透明プリ ズム１０６及び１０７で構成する。このプリズム材料の屈折率ｎ_m（ｎ_mは例えば １．５）は空気の屈折率ｎ_e（ｎ_e＝１．０）よりも大きいので、プリズムと空気 との界面に臨界角度θ_gに等しいか又はこれよりも大きい角度θ_iで入射した放射 ビームは全反射する。ここで ｓｉｎθ_g＝ｎ_e／ｎ_m 臨界角度よりも小さい角度で入射すると、そのビームは完全に透過する。図１２ の実施例において、プリズム１０６及び１０７の屈折率並びに空気層１０８の向 きは、照明装置ＡからのビームＯＮが界面１０６，１０８で表示装置に向けて全 反射し、表示装置からのビームｂ_REがこの界面を完全に通過するように選択する 。このため、この界面に対するｂ_ON及びｂ_REの入射角は臨界角よりもそれぞれ大 きく又は小さくなる。 このプリズム系によりビームｂ_REの主光線はビームｂ_ONの主光線に対して約９ ０°の大きな角度をなす。従って、投射レンズ系Ｃは表示装置に近接配置するこ とができ、この結果画像投射装置の長さをプリズム系がない場合よりも相当短く することができる。 ビームｂ_ON及びｂ_REに対する界面１０６，１０８の向きは、プリズム系の存在 のもとでビームｂ_ONが表示装置に向けて透過しビームｂ_REが投射レンズ系Ｃに向 けて反射するように選択することも可能である。カラービーム投射を用いる場合 、この条件設定により変調ビームｂ_REのカラー収差が一層減少する利点が得られ る。 図１２において、界面１０６，１０８で反射したビームｂ_ONは、例えば青の光 を反射する第１のダイクロイックミラー１１６に入射する。この青の成分ｂ_ON,B は表示パネル１１２に入射し、青のサブ画像が発生し、青の画像情報で変調され たビームｂ_RE,Bはパネル１１２によりダイクロイッククロス１１５に向けて反射 する。ダイクロイックミラー１１６を透過した赤及び緑の成分のビームは第２の ダイクロイックミラー１１７に入射し、このミラーにより赤の成分ｂ_ON,Rが表示 パネル１１０に向けて反射する。このパネルで赤のサブ画像が発生する。赤の画 像情報で変調されたビームｂ_RE,Rはダイクロイッククロス１１５に向けて反射す る。 ミラー１１７を透過した緑のビーム成分ｂ_ON,Gは緑の画像表示パネル１１１によ り変調されビーム成分ｂ_RE,Gとしてダイクロイッククロス１１５に向けて反射す る。 ダイクロイックミラー１１６及び１１７は戻りのビーム成分ｂ_RE,B及びｂ_RE,R を反射し、ビーム成分ｂ_RE,Gを透過するので、これらビーム成分はカラー画像情 報で変調された１本のビームｂ_REとして合成される。 好ましくは、偏光子１０及び検光子１１を照明装置Ａと画像表示装置との間及 び画像表示装置と投射レンズ系との間にそれぞれ配置されるので、これらの層は ３本のカラー成分に同時に作用し、各カラー成分に対してこれらの素子の個別の 光学系が不要になる。 直接駆動反射型液晶画像表示パネルは米国特許第４２３９２３６号に記載され ている。 このカラー画像投射装置において、複合プリズム１０５の代わりに偏光感知ビ ームスプリッタを用いることができるので、これらのビームは画像表示パネルに 垂直に入射する。偏光感知ビームスプリッタにより、所定の偏光方向を有する光 だけが表示パネルで反射させ表示パネルを透過させることができ、パネルで反射 した光のうち入射ビームの偏光方向と直交する偏光方向を有する成分だけが投射 レンズ系に向けて透過し又は反射する。この偏光感知ビームスプリッタは偏光変 調を強度変調に変換する変換器としての機能も果たす。 ３個の単色パネルを有する画像表示装置の代わりに、このカラー画像投射装置 は１個の画像表示パネルすなわち複合又はカラーパネルだけを有する画像表示装 置を有することができる。この場合、このカラーパネルは、例えば単色パネルの 画素数の３倍の画素の多数の画素を有する。このカラーパネルの画素は、赤，緑 及びサブ画像をそれぞれ発生する３個のグループに応じて配置する。各グループ の画素は投射スクリーン上の画素と毎回関連する。例えば、関連する画素につい てだけ所望のカラーを透過する個別のカラーフィルタを各画素の前面に配置する 。 カラーパネルは透過型パネルとすることができ、この場合カラー画像投射装置 は例えば図６に示すように構成する。カラーパネルが反射型の場合、カラー画像 投射外内は例えば図１２に示すように構成でき、カラーパネルは単色パネル１１ １の位置に配置され、パネル１１０及び１１２はダイクロイッククロス１１５と 共に削除する。 図１３は緑，青及び赤のそれぞれについてのカラーチャネル１２０，１２１及 び１２２を有するカラー画像投射装置を線図的に示す。これらカラーチャネルの 各々は、本発明の照明装置Ａに、レンズ７３と、透過型画像表示パネル１１１と を有する。これらの素子は緑のチャネル１２０において示す。他のチャネルにつ いて対応する素子は同一の方法で配置する。画像情報で変調されたガラービーム ｂ_G，ｂ_B及びｂ_Rは例えばダイクロイッククロス１１５により１本のビームｂ_RE に結合され、このビームは投射レンズ系Ｃにより表示スクリーン（図示せず）上 に投射される。 本発明の照明装置は液晶画像表示パネルを照明するだけでなく、光導電層と液 晶材料層との組合せとして陰極線管を用いる画像表示装置を照明するためにも用 いることができる。尚、この画像表示装置は米国特許第４１２７３２２号に記載 されている。 本発明は、一般に非円形物体を所定の偏光状態の光で照明する場合及び放射源 から発生した放射を極めて高い効率で用いる必要のある場合に用いることができ る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．照明すべき物体の位置において非回転対称なビーム断面を有する直線偏光し た光のビームを発生する照明装置であって、光源と、反射器と、ビーム断面を形 成すると共にビーム断面にわたって均一な光分布を形成する光積分器と、前記光 源から発生した光を直線偏光した光に変換する偏光光学系とを具える照明装置に おいて、前記偏光光学系を前記光積分器の前側の放射光路中に配置したことを特 徴とする照明装置。 ２．請求項１に記載の照明装置において、前記光源と偏光光学系との間に集束性 レンズを配置したことを特徴とする照明装置。 ３．前記偏光光学系が、前記ビームを、異なる偏光状態の２本のサブビームであ って、これらサブビームのうちの第１のサブビームが前記画像表示装置により直 接変調されのに適当にされている２本のサブビームに分割する偏光感知ビームス プリッタと、第２のサブビームを第１のサブビームと同一の偏光状態のビームに 変換する偏光回転素子とにより構成される請求項１又は２に記載の照明装置にお いて、前記偏光感知ビームスプリッタ複屈折性材料の配向層を有し、前記２本の サブビームがビームスプリッタを通る同一の光路長を伝搬し、前記ビームスプリ ッタと偏光回転素子との光学系から出射するサブビームが一緒になって円形断面 のビームを形成することを特徴とする照明装置。 ４．請求項３に記載の照明装置において、前記ビームスプリッタが、ビームスプ リッタに入射する照明ビームの主光線と平行な第１の面を有する第１のプリズム と、前記主光線と平行な第１の面を有し、第１のプリズムと同一の屈折率を有す る第２のプリズムと有し、前記複屈折性材料層が前記第１及び第２のプリズムの 第１の面間に位置し、前記複屈折性材料の屈折率が前記プリズムの屈折率にほぼ 等しく、前記第１のプリズムの前記第１の面に対してほぼ等しい大きさで反対向 きの角度で延在する第２及び第３の面がビームスプリッタの入射面及び第１の出 射面を構成し、前記第２のプリズムの第１のプリズムの第２の面に平行な第２の 面がビームスプリッタの第２の出射面を構成することを特徴とする照明装置。 ５．請求項４に記載の照明装置において、前記偏光回転素子が、前記ビームスプ リッタの一方の出射面に配置されていることを特徴とする照明装置。 ６．請求項４又は５に記載の照明装置において、前記複屈折性材料を液晶材とし たことを特徴とする照明装置。 ７．請求項４又は５に記載の照明装置において、前記複屈折性材料層を複数屈折 性接着剤層としたことを特徴とする照明装置。 ８．請求項７に記載の照明装置において、前記接着剤層を単軸配向したポリマ層 としたことを特徴とする照明装置。 ９．請求項８に記載の照明装置において、前記ポリマ層が硬化性の液晶モノマ組 成から構成されることを特徴とする照明装置。 １０．請求項１に記載の照明装置において、前記ビームスプリッタが主軸に対し て約４５°の角度で配置したコレストリック材料層を有し、このコレストリック 材料層が、照明ビームを第１の回転方向を有する円偏光した光の反射した第１の サブビームと反対の第２の回転方向を有する円偏光した光のそのまま進行する第 ２のサブビームとに分割し、前記ビームスプリッタには、さらに前記第１のサブ ビームの光路中に配置され前記主軸と平行な第１の反射器と、前記第２のサブビ ームの光路中に前記コレストリック層に対して約９０°の角度で配置した第２の 反射器とが設けられ、一方の反射器が入射したサブビームの回転方向を反転する ことを特徴とする照明装置。 １１．請求項１から１０までのいずれか１項に記載の照明装置において、前記光 積分器が、前記偏光光学系から出射するビームの主軸と直交する面内に、第１の 方向に均一な幅を有すると共に第１の方向と直交する第２の方向に均一な高さを 有する第１の複数のレンズが設けられている第１のレンズプレートと、前記第１ のレンズの数と対応する数の第２のレンズが設けられている第２のレンズプレー トとを順次具え、第１のレンズプレートが入射する光ビームを前記第２のレンズ の数に対応する数のサブビームに分割し、これらサブビームが第２のレンズの面 にビーム集束点を有し、これらサブビームの主光線が第２のレンズの中心に入射 し、第２のレンズが前記第１レンズプレートに形成された放射スポットを照明さ れるべき物体面又はそれと共役な面に重ね合わせるように結像し、前記第１レン ズのアスペクト比が前記物体面のアスペクト比に対応することを特徴とする照明 装置。 １２．請求項１１に記載の照明装置において、前記レンズプレートの少なくとも １個のレンズプレートの少なくとも１個のレンズを非球面としたことを特徴とす る照明装置。 １３．請求項１１又は１２に記載の照明装置において、前記第１レンズの数を第 ２レンズの数に等しくしたことを特徴とする照明装置。 １４．請求項１１、１２又は１３に記載の照明装置において、前記第１のレンズ が、第１レンズプレートの表面区域が入射するビームの断面にほぼ等しくなる大 きさを有すると共に配置されていることを特徴とする照明装置。 １５．請求項１１、１２、１３又は１４に記載の照明装置において、前記第１の レンズプレートが前記光源の第１の像がが形成される面に配置され、この像が第 ２のレンズプレートにより照明されるべき物体面に再結像されることを特徴とす る照明装置。 １６．請求項１１、１２、１３又は１４に記載の照明装置において、前記光源の 縮小像が各第２のレンズに形成されることを特徴とする照明装置。 １７．照明装置と、投射すべき画像を発生すると共に少なくとも１個の画像表示 パネルが設けられている画像表示装置と、この画像表示装置により形成された画 像を投射スクリーン上に投射する投射レンズ系とを具える画像投射装置において 、前記照明装置を、請求項１から１６までのいずれか１項に記載の照明装置とし たことを特徴とする画像投射装置。 １８．カラー画像を投射する請求項１７に記載の画像投射装置において、前記画 像表示装置が、請求項画像表示装置が、ビームを３本の異なる色のサブビームに 分割するカラー選択性ビームスプリッタ、各サブビームについての個別の画像表 示パネル、及び画像表示パネルから入射するサブビームを１本のカラービームに 合成するビーム合成手段を具えることを特徴とする画像投射装置。 １９．照明装置及び画像表示パネルをそれぞれ具える３個のカラーチャネルと、 カラーチャネルからのビームを１本のカラービームに合成するビーム合成光学系 と、画像表示パネルを投射スクリーン上に結像する投射レンズ系とを具えるカラ ー画像投射装置において、前記各照明装置を請求項１から１６までのいずれか１ 項に記載の照明装置としたことを特徴とするカラー画像投射装置。