JPH11183848A - 偏光照明装置および投写型表示装置 - Google Patents

偏光照明装置および投写型表示装置

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JPH11183848A
JPH11183848A JP9364500A JP36450097A JPH11183848A JP H11183848 A JPH11183848 A JP H11183848A JP 9364500 A JP9364500 A JP 9364500A JP 36450097 A JP36450097 A JP 36450097A JP H11183848 A JPH11183848 A JP H11183848A
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polarization
lens
incident
polarized light
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Toshiaki Hashizume
俊明 橋爪
Tomiyoshi Ushiyama
富芳 牛山
Hisashi Iechika
尚志 家近
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Seiko Epson Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 偏光照明装置およびこれを用いた投写型表示
装置における光の利用効率を向上させる。 【解決手段】 偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂは、シ
ステム光軸ＬＣを挟んでそれぞれの偏光分離膜１４４の
一つが近接し、かつそれぞれの有効入射領域ＥＡ（偏光
分離膜１４４に対応する光の入射面）および無効入射領
域ＵＡ（反射膜１４５に対応する光の入射面）がｘ方向
に交互に並ぶように配列される。有効入射領域ＥＡおよ
び無効入射領域ＵＡのｘ方向の幅ＷＰは、第２のレンズ
アレイ１３０の小レンズ１３２のｘ方向の幅ＷＬの１／
２よりも大きく設定される。第１のレンズアレイ１２０
の小レンズ１２２ａＬ〜１３２ｄＬから出射された部分
光束が入射すべき有効入射領域ＥＡ１〜ＥＡ４に最適に
入射するように、各小レンズ１２２ａＬ〜１３２ｄＬの
光軸位置はレンズ中心の位置からそれぞれずれている。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、射出する照明光
が所定の偏光方向を有する偏光光束である偏光照明装
置、およびこのような偏光照明装置を備えた投写型表示
装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】投写型表示装置には、光の利用効率を高
めて明るい表示を得るために、ランダムな偏光方向を有
する光（非偏光光）を、一方向の偏光方向を有する光に
変換して使用する照明装置が用いられている。このよう
な、ランダムな偏光方向を有する光を一方向の偏光方向
を有する光に変換して使用する例として、特開平７−２
９４９０６号公報に記載されたものが知られている。図
８は、このような、ランダムな偏光方向を有する光を一
方向の偏光方向を有する光に変換する場合に利用される
光学素子の平面図である。この光学素子は、偏光分離膜
３６を有する偏光ビームスプリッタ３０と、反射膜４６
を有するプリズム４０とを交互に貼り合わせた偏光ビー
ムスプリッタアレイ２０を備えている。また、偏光ビー
ムスプリッタアレイ２０の光の入射面には複数の集光レ
ンズ１１で構成されるレンズアレイ１０を備え、光の射
出面の一部には、λ／２位相差板２４が選択的に設けら
れている。
【０００３】図８（Ａ）に示すように、レンズアレイ１
０に入射した光束は、レンズアレイ１０を構成する複数
の集光レンズ１１によって複数の部分光束（中間光束）
に分割されて集光され、レンズアレイ１０に対応して配
置される偏光ビームスプリッタ３０に、ｓ偏光成分とｐ
偏光成分とを含む入射光として入射する。この入射光
は、まず、偏光分離膜３６によってｓ偏光光とｐ偏光光
とに分離される。ｓ偏光光は、光入射面に対して４５度
をなす偏光分離膜３６によってほぼ垂直に反射され、光
入射面に対して４５度をなす反射膜４６によってさらに
垂直に反射されて、プリズム４０から射出される。一
方、ｐ偏光光は、偏光分離膜３６をそのまま透過し、λ
／２位相差板２４によってｓ偏光光に変換されて射出さ
れる。従って、この光学素子は、入射したランダムな偏
光方向を有する光束を、ほとんどｓ偏光光束に変換して
射出する偏光変換素子である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】レンズアレイ１０に入
射された光束は、レンズアレイ１０を構成する各集光レ
ンズ１１によって集光されて、各集光レンズ１１に対応
する偏光ビームスプリッタ３０に、すべての光束が入射
することが理想的である。しかしながら、現実のレンズ
アレイ１０に入射された光束には、図８（Ｂ）に示すよ
うに、完全に集光されずにプリズム４０に入射する光束
が存在する。この理由は、偏光分離膜３６付近に結像さ
れる光源像（集光像）の大きさが、偏光分離膜３６の幅
と同程度のためであり、偏光分離膜３６の幅よりも十分
に小さな光源像を形成することが困難なためである。
【０００５】このような、プリズム４０に入射した光束
は、反射膜４６で全反射して隣に配置された偏光ビーム
スプリッタ３０に入射する。そして、偏光ビームスプリ
ッタ３０に入射した光束は、偏光分離膜３６によってｓ
偏光光とｐ偏光光とに分離される。分離されたｓ偏光光
は、偏光分離膜３６で反射し、λ／２位相差板２４によ
ってｐ偏光光に変換されて射出する。また、ｐ偏光光
は、偏光分離膜３６を透過して透過方向に配置されたプ
リズム４０の反射膜４６で反射して射出する。従って、
この光学素子に入射した光束は、ｓ偏光光の単一光束で
はなく、ｐ偏光光束も含んだ光束に変換されて射出する
ことになる。ここで、この偏光変換素子の入射領域は、
有効入射領域ＥＡと無効入射領域ＵＡとに分けられる。
有効入射領域ＥＡは、入射された光束が所望の偏光光に
変換されて射出される偏光変換素子の入射領域をいう。
また、無効入射領域ＵＡは、入射された光束が所望では
ない偏光光に変換されて射出される偏光変換素子の入射
領域をいう。したがって、本従来例では、複数の偏光ビ
ームスプリッタ３０の入射面が有効入射領域ＥＡであ
り、複数のプリズム４０の入射面が無効入射領域ＵＡと
なる。
【０００６】一種類の偏光光のみを利用することが望ま
れている場合には、このような無効入射領域ＵＡに入射
される光を偏光板等でカットしなければならない。すな
わち、このような場合に、上述のｐ偏光光の射出光は利
用されないため、光の利用効率が低下してしまうという
課題があった。特に、投写型表示装置の照明装置に用い
られる光源（メタルハライドランプ等の放電灯を光源ラ
ンプとして利用し略平行な光を射出する光源）は、光源
の光軸付近の光の平行性があまりよくないため、光源の
光軸付近の光の集光性がよくなく、偏光分離膜３６付近
の光源像を小さくするのは困難である。このため、プリ
ズム４０に入射する光束が多く存在する傾向にある。し
かも、光強度は光源の光軸付近でもっと高いため、光源
の光軸付近において光の利用効率の低下が顕著であっ
た。
【０００７】この発明は、従来技術における上述の課題
を解決するためになされたものであり、偏光照明装置お
よびこれを用いた投写型表示装置における光の利用効率
を向上させる技術を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段およびその作用・効果】上
述の課題を解決するため、本発明の第１の偏光照明装置
は、光源と、互いに直交する第１の方向と第２の方向に
沿ってマトリクス状に配列された複数の小レンズを有
し、前記光源から射出された光を複数の部分光束に分割
するレンズアレイと、入射光を２種類の直線偏光光に分
離する偏光分離面と、前記偏光分離面に平行であって前
記偏光分離面により分離された直線偏光光のうち一方を
反射する反射面とを少なくとも前記第１の方向に沿って
複数組有し、前記レンズアレイを通過した複数の部分光
束をそれぞれ２種類の直線偏光成分に分離する偏光ビー
ムスプリッタアレイと、前記偏光ビームスプリッタアレ
イから射出される２種類の直線偏光成分の偏光方向をど
ちらか一方の偏光方向に揃える位相差板と、を備える偏
光変換素子と、を備え、前記レンズアレイの複数の小レ
ンズは、前記複数の小レンズから射出した複数の部分光
束のうち前記第１の方向に並んだ少なくとも１行分の複
数の部分光束が入射すべき偏光分離面に入射するよう
に、それぞれの小レンズの光学的中心が調整されてい
る、ことを特徴とする。
【０００９】第１の偏光照明装置においては、レンズア
レイの複数の小レンズから射出した部分光束が、入射す
べき偏光分離面に効率よく入射するように調整されてい
る。従って、本発明の第１の偏光照明装置によれば、光
の利用効率を向上させることができる。
【００１０】本発明の第２の偏光照明装置は、光源と、
互いに直交する第１の方向と第２の方向に沿ってマトリ
クス状に配列された複数の小レンズを有し、前記光源か
ら射出された光を複数の部分光束に分割するレンズアレ
イと、入射光を２種類の直線偏光光に分離する偏光分離
面と、前記偏光分離面に平行であって前記偏光分離面に
より分離された直線偏光光のうち一方を反射する反射面
とを少なくとも前記第１の方向に沿って複数組有し、前
記レンズアレイを通過した複数の部分光束をそれぞれ２
種類の直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタア
レイと、前記偏光ビームスプリッタアレイから射出され
る２種類の直線偏光成分の偏光方向をどちらか一方の偏
光方向に揃える位相差板と、を備える第１、第２の偏光
変換素子と、を備え、前記第１、第２の偏光変換素子
は、前記光源の中心光軸を挟んでそれぞれの前記偏光分
離面の一つが近接して向かい合うように配置され、前記
レンズアレイの複数の小レンズは、前記複数の小レンズ
から射出した複数の部分光束のうち前記第１の方向に並
んだ少なくとも１行分の複数の部分光束が入射すべき偏
光分離面に入射するように、それぞれの小レンズの光学
的中心が調整されていることを特徴とする。
【００１１】上記第２の偏光照明装置においても、第１
の偏光照明装置と同様の作用・効果に加え、第１および
第２の偏光変換素子を光源の中心光軸を挟んでそれぞれ
の偏光分離膜が近接して向かい合うように（対称に）配
置することができるので、上記第１の偏光照明装置に比
べて光源の光強度の最も強い領域を有効に利用すること
ができる。
【００１２】上記第１、第２の偏光照明装置において、
前記偏光ビームスプリッタアレイは、前記偏光分離面と
前記反射面の前記第１の方向に沿った配列間隔ＷＰが、
ＷＬ／２（ＷＬは、前記レンズアレイの複数の小レンズ
の前記第１の方向の幅を示す）よりも大きく構成されて
いることが好ましい。
【００１３】上記第１、第２の偏光照明装置において
は、偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離面および反
射面の第１の方向に沿った幅ＷＰがレンズアレイの小レ
ンズの第１の方向の幅ＷＬの１／２よりも大きく構成さ
れているので、幅ＷＰを幅ＷＬの１／２に等しく構成し
た場合に比べて、より多くの光を偏光分離面に入射させ
ることができる。
【００１４】また、上記第１、第２の偏光照明装置にお
いて、前記それぞれの小レンズのうち、前記光源の中心
光軸に近接して配置される第１の小レンズの光学的中心
は、前記第１の小レンズの幾何学的中心よりも前記光源
の中心光軸に近い位置に調整され、前記第１の方向に沿
って隣接する少なくともいくつかの小レンズに関して
は、任意の２つの小レンズの光学的中心の距離が、前記
２つの小レンズの幾何学的中心のピッチ以上に設定され
ていることが好ましい。
【００１５】レンズアレイを上記のように構成すれば、
レンズアレイから射出された複数の部分光束を効率よく
偏光ビームスプリッタアレイの偏光分離面に入射させる
ことができる。
【００１６】なお、上記第１、第２の偏光照明装置にお
いて、前記少なくとも１行分の複数の部分光束を射出す
る複数の小レンズのうち少なくとも一部は偏心レンズと
することができる。
【００１７】偏心レンズは、レンズの幾何学的な中心
（レンズ中心）の位置から光学的な中心（レンズ光軸）
の位置がずれているレンズであり、このレンズを用いれ
ば、レンズから射出された光束の光路を容易に偏向させ
ることができる。また、偏心量の異なる偏心レンズを用
いれば、レンズから射出した光束の偏向量を変化させる
ことも容易である。従って、偏心レンズを用いれば、こ
のレンズから射出した部分光束が入射すべき偏光分離面
に入射するように容易に調整することができる。
【００１８】本発明の第１の投写型表示装置は、第１ま
たは第２の偏光照明装置と、前記偏光照明装置からの射
出光を与えられた画像信号に基づいて変調する変調手段
と、前記変調手段により変調された光を投写面上に投写
する投写手段と、を備えることを特徴とする。
【００１９】また、本発明の第２の投写型表示装置は、
第１または第２の偏光照明装置と、前記偏光照明装置か
らの射出光を３色の光に分離する色光分離手段と、前記
３色の光を、与えられた画像信号に基づいてそれぞれ変
調する３組の光変調手段と、前記３組の光変調手段によ
り変調された３色の変調光を合成して同一方向に射出す
る色光合成手段と、前記色光合成手段により合成された
光を投写面上に投写する投写手段と、を備えることを特
徴とする。
【００２０】上記第１、第２の偏光照明装置を第１、第
２の投写型表示装置に用いることにより光の利用効率を
向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態を実施
例に基づき説明する。なお、以下の説明では、特に説明
のない限り、光の進行方向をｚ方向、光の進行方向（ｚ
方向）からみて３時の方向をｘ方向、１２時の方向をｙ
方向とする。
【００２２】Ａ．第１実施例：図１は、この発明の第１
実施例としての投写型表示装置の要部を示す概略平面図
である。この投写型表示装置は、偏光照明装置１００
と、ダイクロイックミラー２１０，２１２と、反射ミラ
ー１６０，２１８，２２２，２２４と、入射側レンズ２
３０と、リレーレンズ２３２と、３枚のフィールドレン
ズ２４０，２４２，２４４と、３枚の液晶ライトバルブ
（液晶パネル）２５０，２５２，２５４と、クロスダイ
クロイックプリズム２６０と、投写レンズ系２７０とを
備えている。
【００２３】偏光照明装置１００は、ほぼ平行な光束を
射出する光源１１０と、第１のレンズアレイ１２０と、
第２のレンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０ａ，
１４０ｂと、重畳レンズ１５０とを備えている。この偏
光照明装置１００は、照明領域である３枚の液晶ライト
バルブ２５０，２５２，２５４をほぼ均一に照明するた
めのインテグレータ光学系である。
【００２４】光源１１０は、放射状の光線を射出する放
射光源としての光源ランプ１１２と、光源ランプ１１２
から射出された放射光をほぼ平行な光線束として射出す
る凹面鏡１１４とを有している。凹面鏡１１４として
は、放物面鏡を用いることが好ましい。
【００２５】第１のレンズアレイ１２０は、光源１１０
からの射出光を複数の部分光束に分割するとともに、各
部分光束をそれぞれ第２のレンズアレイ１３０の近傍で
集光させる機能を有している。また、第２のレンズアレ
イ１３０は、第１のレンズアレイ１２０から射出された
各部分光束を照明領域である３枚の液晶ライトバルブ２
５０，２５２，２５４に照射する機能を有している。ま
た、偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂは、入射された光
束（ランダムな偏光光を有する光束）を所定の直線偏光
光に変換する機能を有している。さらに、重畳レンズ１
５０は、偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂから射出され
た複数の部分光束を、照明領域である液晶ライトバルブ
２５０，２５２，２５４上で重畳させる機能を有する。
また、フィールドレンズ２４０，２４２，２４４は、照
明領域に照射される各部分光束をそれぞれの中心軸に平
行な光束に変換する機能を有する。
【００２６】図２は、第１のレンズアレイ１２０の外観
を示す斜視図である。第１のレンズアレイ１３０は、略
矩形状の輪郭を有する小レンズがＭ行Ｎ列のマトリクス
状に配列された構成を有している。この例では、Ｍ＝１
０，Ｎ＝８である。なお、各小レンズの光学的中心（光
軸）の位置は、各小レンズの配置位置に応じて幾何学的
中心（レンズ中心）の位置からずれている。これについ
ては、後述する。
【００２７】図３は、第２のレンズアレイ１３０の外観
を示す斜視図である。第２のレンズアレイ１３０も、第
１のレンズアレイ１２０と同様に複数の小レンズがＭ行
Ｎ列のマトリクス状に配列された構成を有している。第
２のレンズアレイ１３０の各小レンズの光軸の位置は、
レンズ中心の位置と一致している。但し、第１のレンズ
アレイ１２０と同様に、各小レンズの配置位置に応じて
レンズ中心の位置からずらすようにしてもよい。なお、
第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０は、それらの
中心位置がシステム光軸ＬＣの位置に一致するように配
置されている。
【００２８】第１のレンズアレイ１２０の各小レンズ
は、光源１１０（図１）から射出された光束を複数の
（すなわちＭ×Ｎ個の）部分光束に分割し、各部分光束
を第２のレンズアレイ１３０の近傍で集光させる。第１
のレンズアレイ１２０の各小レンズをｚ方向から見た外
形形状は、液晶ライトバルブ２５０，２５２，２５４の
表示領域の形状とほぼ相似形をなすように設定されてい
る。例えば、画像の表示領域のアスペクト比（横と縦の
寸法の比率）が４：３であるならば、第１のレンズアレ
イ１２０の小レンズのアスペクト比も４：３に設定す
る。
【００２９】図４は、第１の偏光変換素子１４０ａ（図
１）の構成およびその機能を示す説明図である。この偏
光変換素子１４０ａは、偏光ビームスプリッタアレイ１
４１と、選択位相差板１４２とを備えている。偏光ビー
ムスプリッタアレイ１４１は、それぞれ断面が平行四辺
形の柱状の複数の透光性板材１４３が、交互に貼り合わ
された形状を有している。透光性板材１４３の界面に
は、偏光分離膜１４４と反射膜１４５とが交互に形成さ
れている。なお、この偏光ビームスプリッタアレイ１４
１は、偏光分離膜１４４と反射膜１４５が交互に配置さ
れるように、これらの膜が形成された複数枚の板ガラス
を貼り合わせて、所定の角度で斜めに切断することによ
って作製される。
【００３０】第１と第２のレンズアレイ１２０，１３０
を通過した光は、偏光分離膜１４４でｓ偏光光とｐ偏光
光とに分離される。ｐ偏光光は、偏光分離膜１４４をそ
のまま透過する。一方、ｓ偏光光は、偏光分離膜１４４
で反射され、さらに反射膜１４５で反射されて、偏光分
離膜１４４をそのまま通過したｐ偏光光とほぼ平行な状
態で射出される。選択位相差板１４２の偏光分離膜１４
４を通過する光の射出面部分にはλ／２位相差層１４６
が形成されており、反射膜１４５で反射された光の射出
面部分にはλ／２位相差層が形成されていない。従っ
て、偏光分離膜１４４を透過したｐ偏光光は、λ／２位
相差層１４６によってｓ偏光光に変換されて射出する。
この結果、偏光変換素子１４０に入射したランダムな偏
光方向を有する光束は、ほとんどがｓ偏光光に変換され
て射出する。もちろん反射膜１４５で反射される光の射
出面部分だけに選択位相差板１４２のλ／２位相差層１
４６を形成することにより、ｐ偏光光に変換して射出す
ることもできる。
【００３１】なお、第２の偏光変換素子１４０ｂは、第
１の偏光変換素子１４０ａとほぼ同じ構成であり、膜の
配列の向きが異なるだけである。第１の偏光変換素子１
４０ａは、光の進行方向からみて左側に、偏光分離膜１
４４と反射膜１４５とがｘ方向に交互に並ぶように配置
されている。一方、第２の偏光変換素子１４０ｂは、光
の進行方向からみて右側に、偏光分離膜１４４と反射膜
１４５とがｘ方向に交互に並ぶように配置されている。
すなわち、第１の偏光変換素子１４０ａの偏光分離膜１
４４と第２の偏光変換素子１４０ｂの偏光分離膜１４４
とが、システム光軸ＬＣを含むｙｚ平面を挟んで反対向
きとなるように配置されている。
【００３２】図１に示す投写型表示装置において、光源
１１０から射出された略平行な光束は、インテグレータ
光学系を構成する第１と第２のレンズアレイ１２０，１
３０によって、複数の部分光束に分割される。第１のレ
ンズアレイ１２０の各小レンズから射出された部分光束
は、偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂの偏光分離膜１４
４の近傍で光源１１０の光源像（２次光源像）が形成さ
れるように集光される。また、既に説明したように、偏
光変換素子１４０ａ，１４０ｂに入射した部分光束は、
偏光分離膜１４４および反射膜１４５によって、２つの
偏光光に分離される。したがって、偏光変換素子１４０
ａ，１４０ｂの偏光分離膜１４４上に２次光源像がほぼ
形成されるとともに、実効的には反射膜１４５上にも２
次光源像が形成されているとみなすことができる。つま
り、偏光変換素子１４０ａ、１４０ｂ内には、第１と第
２のレンズアレイ１２０，１３０を通過した部分光束の
２倍の数の２次光源像が、偏光分離膜１４４上および反
射膜１４５上の対応する各位置に形成される。
【００３３】偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂ内に形成
された２次光源像から射出された部分光束は、重畳レン
ズ１５０によって照明領域である液晶ライトバルブ２５
０，２５２，２５４の表示領域上で重畳される。また、
反射ミラー１６０は、重畳レンズ１５０から射出された
光束をダイクロイックミラー２１０の方向に反射する機
能を有するが、装置の構成によっては、必ずしも必要と
されるものではない。上記の結果、各液晶ライトバルブ
２５０，２５２，２５４は、ほぼ均一に照明される。
【００３４】２枚のダイクロイックミラー２１０，２１
２は、重畳レンズ１５０で集光された白色光を、赤、
緑、青の３色の色光に分離する色光分離手段としての機
能を有する。第１のダイクロイックミラー２１０は、偏
光照明装置１００から射出された白色光束の赤色光成分
を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反
射する。第１のダイクロイックミラー２１０を透過した
赤色光は、反射ミラー２１８で反射され、フィールドレ
ンズ２４０を通って赤光用の液晶ライトバルブ２５０に
達する。このフィールドレンズ２４０は、第２のレンズ
アレイ１３０から射出された各部分光束をその中心軸に
対して平行な光束に変換する。他の液晶ライトバルブの
前に設けられたフィールドレンズ２４２，２４４も同様
である。第１のダイクロイックミラー２１０で反射され
た青色光と緑色光のうちで、緑色光は第２のダイクロイ
ックミラー２１２によって反射され、フィールドレンズ
２４２を通って緑光用の液晶ライトバルブ２５２に達す
る。一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー２１
２を透過し、入射側レンズ２３０、リレーレンズ２３２
および反射ミラー２２２，２２４を備えたリレーレンズ
系を通り、さらに射出側レンズ（フィールドレンズ）２
４４を通って青色光用の液晶ライトバルブ２５４に達す
る。なお、青色光にリレーレンズ系が用いられているの
は、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも
長いため、光の利用効率の低下を防止するためである。
すなわち、入射側レンズ２３０に入射した部分光束をそ
のまま、射出側レンズ２４４に伝えるためである。
【００３５】３枚の液晶ライトバルブ２５０，２５２，
２５４は、与えられた画像情報（画像信号）に従って、
３色の色光をそれぞれ変調して画像を形成する光変調手
段としての機能を有する。クロスダイクロイックプリズ
ム２６０は、３色の色光を合成してカラー画像を形成す
る色光合成手段としての機能を有する。なお、クロスダ
イクロイックプリズム２６０には、赤光を反射する誘電
体多層膜と、青光を反射する誘電体多層膜とが、４つの
直角プリズムの界面に沿って略Ｘ字状に形成されてい
る。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成さ
れて、カラー画像を投写するための合成光が形成され
る。クロスダイクロイックプリズム２６０で生成された
合成光は、投写レンズ系２７０の方向に射出される。投
写レンズ系２７０は、この合成光を投写スクリーン３０
０上に投写して、カラー画像を表示する投写手段として
の機能を有する。
【００３６】図１に示した投写型表示装置は、第１のレ
ンズアレイ１２０と、第２のレンズアレイ１３０と、偏
光変換素子１４０ａ，１４０ｂとを備える偏光照明装置
１００に特徴を有している。先に述べたように偏光変換
素子１４０ａ，１４０ｂは、システム光軸ＬＣを含むｙ
ｚ平面を挟んでそれぞれの偏光分離膜１４４が近接して
反対向きに配置されていているため、偏光変換素子１４
０ａを通過する光束のための光学系と偏光変換素子１４
０ｂを通過する光束のための光学系とは、機能が互いに
等しい。従って、以下では偏光変換素子アレイ１４０ａ
を通過する光束のための光学系について説明する。
【００３７】図５は、偏光照明装置１００の偏光変換素
子１４０ａと、第１のレンズアレイ１２０と、第２のレ
ンズアレイ１３０とを拡大して示す説明図である。偏光
変換素子１４０ａの光の入射面（ｘｙ平面に平行な面）
には、偏光分離膜１４４へ入射して有効な偏光光（本例
ではｓ偏光光）に変換される光が入射する有効入射領域
ＥＡ（偏光分離膜１４４に対応する光の入射面）と、反
射膜１４５に入射して無効な偏光光（本例ではｐ偏光
光）に変換される光が入射する無効入射領域ＵＡ（反射
膜１４５に対応する光の入射面、）とが、交互に配置さ
れている。この有効入射領域ＥＡ（ＥＡ１〜ＥＡ４）お
よび無効入射領域ＵＡ（ＵＡ１〜ＵＡ４）のｘ方向の幅
（偏光分離膜１４４および反射膜１４５のｘ方向の幅）
Ｗｐは、第２のレンズアレイ１３０の小レンズ１３２
（１３２ａＬ〜１３２ｄＬ）のｘ方向の幅ＷL の１／２
よりも大きく設定されている。この幅Ｗｐは、偏光分離
面１４４に対応する光の入射面に入射される光束が少し
でも多くなるように大きくすることが好ましい。特に、
光源の光軸付近の光束によって偏光分離面１４４に対応
する光の入射面の近傍に形成される光源像（集光像）の
大きさよりも大きくすることが好ましい。
【００３８】第１のレンズアレイ１２０の各小レンズ１
２２ａＬ〜１２２ｄＬと、第２のレンズアレイ１３０の
対応する各小レンズ１３２ａＬ〜１３２ｄＬとは、それ
ぞれのレンズ中心が一致するように配置されている。
【００３９】ここで、偏光変換素子１４０ａの偏光分離
膜１４４（１４４ａ〜１４４ｄ）のｘ方向の配列間隔は
反射膜１４５（１４５ａ〜１４５ｄ）のｘ方向の幅ＷＰ
に等しく、この幅Ｗｐは、上述したように第２のレンズ
アレイの小レンズ１３２（１３２ａＬ〜１３２ｄＬ）の
ｘ方向の幅ＷＬの１／２よりも大きい値である。従っ
て、第１のレンズアレイ１２０の各小レンズ１２２ａＬ
〜１２２ｄＬから射出された各部分光束が入射すべき偏
光分離膜１４４ａ〜１４４ｄの入射面の位置、すなわち
有効入射領域ＥＡ１〜ＥＡ４の位置は、各小レンズ１２
２ａＬ〜１２２ｄＬのレンズ中心１２２ａＬＧＣ〜１２
２ｄＬＧＣの位置に対してｘ方向にそれぞれ異なった位
置に配置されることになる。第１のレンズアレイ１２０
の各小レンズ１２２ａＬ〜１２２ｄＬが第２のレンズア
レイ１３０と同様に同心レンズ（レンズ中心と光軸とが
一致しているレンズ）であるとすると、各小レンズから
射出した部分光束は、入射すべき有効入射領域ＥＡ１〜
ＥＡ４の最適な位置に入射することができず、光の変換
効率が悪くなってしまう。そこで、本実施例にいては、
各小レンズ１２２ａＬ〜１２２ｄＬから射出された部分
光束が有効入射領域ＥＡ１〜ＥＡ４の最適な位置にそれ
ぞれ入射するように（部分光束の中心が有効入射領域Ｅ
Ａ１〜ＥＡ４のほぼ中心に入射するように）、第１のレ
ンズアレイ１２０の各小レンズ１２２ａＬ〜１２２ｄＬ
は、それぞれの光軸１２２ａＬ０Ｃ〜１２２ｄＬＯＣの
位置が調整された偏心レンズで構成されている。
【００４０】図６は、図５の構成の上に主要な光線を描
いたものである。図６の例では、システム光軸ＬＣに近
い位置にある有効入射領域ＥＡ１はその中心の位置が小
レンズ１２２ａＬのレンズ中心１２２ａＬＧＣの位置よ
りもシステム光軸ＬＣ側にずれて配置されている。そこ
で、この有効入射領域ＥＡ１に対応する小レンズ１２２
ａＬの光軸１２２ａＬＯＣは、小レンズ１２２ａＬから
射出された部分光束が有効入射領域ＥＡ１に最適に入射
するように、レンズ中心１２２ａＬＧＣの位置よりもシ
ステム光軸ＬＣ側にずれている。第２の有効入射領域Ｅ
Ａ２はその中心の位置が小レンズ１２２ｂＬのレンズ中
心１２２ｂＬＧＣの位置よりも少しシステム光軸ＬＣ側
にずれているので、小レンズ１２２ｂＬの光軸１２２ｂ
ＬＯＣの位置は、レンズ中心１２２ｂＬＧＣよりも少し
システム光軸側にずれている。一方、第３の有効入射領
域ＥＡ３はその中心の位置が小レンズ１２２ｃＬのレン
ズ中心１２２ｃＬＧＣの位置よりも少しシステム光軸Ｌ
Ｃと反対側にずれている。そこで、この有効入射領域Ｅ
Ａ３に対応する小レンズ１２２ｃＬの光軸１２２ｃＬＯ
Ｃの位置は、レンズ中心１２２ｃＬＧＣよりも少しシス
テム光軸と反対側にずれている。第４の有効入射領域Ｅ
Ａ４はその中心の位置が小レンズ１２２ｄＬのレンズ中
心１２２ｄＬＧＣの位置よりもシステム光軸ＬＣと反対
側にずれているので、小レンズ１２２ｄＬの光軸１２２
ｄＬＯＣの位置は、レンズ中心１２２ｄＬＧＣよりもシ
ステム光軸と反対側にずれている。なお、このようなレ
ンズ中心と光軸の位置とがずれているレンズは偏心レン
ズによって実現できる。
【００４１】本実施例においては、偏光変換素子１４０
ａ，１４０ｂの偏光分離膜１４４のｘ方向の幅ＷＰ、す
なわち、光の入射面（有効入射領域）の幅を、有効入射
領域の近傍で結像される光源像（集光像）の大きさに近
づけるように、第１と第２のレンズアレイ１２０，１３
０の各小レンズのｘ方向の幅ＷＬの１／２よりも大きく
設定しているので、従来例で説明したような無効入射領
域ＵＡに入射して利用できなかった光を少しでも有効入
射領域ＥＡに入射させることができる。この結果、光の
利用効率を向上させることができる。特に、光源１１０
（図１）からの射出光の光強度は、一般に光源の光軸付
近が高く周辺に離れるに従って急激に低下し、また、光
の平行性、すなわち光の集光性は、光源の光軸付近が最
も悪く周辺に離れるにしたがってよくなるという傾向に
ある。従って、光の利用効率を向上させて照明装置から
射出される照明光の明るさを向上させるためには、シス
テム光軸ＬＣ付近の光の利用効率を向上させることが最
も効果的である。そこで、第１のレンズアレイ１２０の
各小レンズによって偏光分離膜１４４の近傍に集光され
て形成される光源１１０の集光像のうち、システム光軸
ＬＣ付近に形成される集光像のｘ方向の大きさよりも、
偏光分離膜１４４のｘ方向の幅ＷＰを大きくすれば、光
の利用効率をさらに向上させることができる。
【００４２】なお、図５，図６は一例を説明したもので
あり、これに限定されるものではない。すなわち、偏光
変換素子１４０ａおよび１４０ｂの配置位置や、偏光分
離膜１４４や反射膜１４５のｘ方向の幅ＷＰの大きさに
応じて、第１のレンズアレイ１２０を構成する各小レン
ズの光軸を調整するようにすればよい。
【００４３】Ｂ．第２実施例：図７は、第２実施例の投
写型表示装置に用いられる偏光照明装置を構成する第１
のレンズアレイ１２０’と、第２のレンズアレイ１３０
と、偏光変換素子１４０とを拡大して示す説明図であ
る。他の構成要素は、第１の投写型表示装置と同じであ
るので説明を省略する。
【００４４】第１実施例では、２つの偏光変換素子１４
０ａ，１４０ｂをシステム光軸ＬＣを含むｙｚ平面を挟
んで近接して反対向きに対称な位置に配置する構成とし
ているが、第２実施例では、１つの偏光変換素子１４０
を用いる構成としている。この偏光変換素子１４０は、
第１実施例の偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂと同様の
機能を有している。また、この偏光変換素子１４０の有
効入射領域（偏光分離膜１４４に対応する光の入射面）
ＥＡ（ＥＡ１Ｌ〜ＥＡ４Ｌ，ＥＡ１Ｒ〜ＥＡ４Ｒ）の幅
（偏光分離膜１４４のｘ方向の幅）および無効入射領域
（反射膜１４５に対応する光の入射面）ＵＡ（ＵＡ１Ｌ
〜ＵＡ４Ｌ，ＵＡ１Ｒ〜ＵＡ４Ｒ）の幅（反射膜１４５
のｘ方向の幅）は、第１実施例の偏光変換素子１４０
ａ，１４０ｂと同様に、第２のレンズアレイ１３０の小
レンズ１３２（１３２ａＬ〜１３２ｄＬ，１３２ａＲ〜
１３２ｄＲ）のｘ方向の幅ＷL の１／２よりも大きく設
定されている。
【００４５】第１のレンズアレイ１２０’および第２の
レンズアレイ１３０は、それらの中心位置をシステム光
軸ＬＣに一致させるように配置されている。また、第１
のレンズアレイ１２０’の各小レンズ１２２’ａＬ〜１
２２’ｄＬ，１２２’ａＲ〜１２２’ｄＲと、第２のレ
ンズアレイ１３０の第１のレンズアレイ１２０’に対応
する各小レンズ１３２ａＬ〜１３２ｄＬ，１３２ａＲ〜
１３２ｄＲとは、それぞれのレンズ中心が一致するよう
に配置されている。
【００４６】偏光変換素子１４０は、システム光軸ＬＣ
に最も近い小レンズ１２２’ａＲから射出された部分光
束に対応する反射膜１４５ａＲのｘ方向の幅（無効入射
領域ＵＡ１Ｒのｘ方向の幅）の中心の位置がシステム光
軸ＬＣに一致するように配置されている。
【００４７】ここで、偏光分離膜１４４のｘ方向の配列
間隔は反射膜１４５のｘ方向の幅ＷＰに等しく、この幅
Ｗｐは、上述したように第２のレンズアレイの小レンズ
１３２のｘ方向の幅ＷＬの１／２よりも大きい値であ
る。従って、第１のレンズアレイ１２０’の各小レンズ
１２２’ａＬ〜１２２’ｄＬ，１２２’ａＲ〜１２２’
ｄＲから射出された各部分光束が入射すべき偏光分離膜
１４４ａＬ〜１４４ｄＬ，１４４ａＲ〜１４４ｄＲの入
射面の位置、すなわち有効入射領域ＥＡ１Ｌ〜ＥＡ４
Ｌ，ＥＡ１Ｒ〜ＥＡ４Ｒの位置は、各小レンズのレンズ
中心１２２’ａＬＧＣ〜１２２’ｄＬＧＣ，１２２’ａ
ＲＧＣ〜１２２’ｄＲＧＣの位置に対してｘ方向にそれ
ぞれ異なった位置に配置される。第２実施例において
も、第１実施例と同様に、各小レンズ１２２’ａＬ〜１
２２’ｄＬ，１２２’ａＲ〜１２２’ｄＲから射出され
た部分光束が有効入射領域ＥＡ１Ｌ〜ＥＡ４Ｌ，ＥＡ１
Ｒ〜ＥＡ４Ｒの最適な位置にそれぞれ入射するように
（部分光束の中心が有効入射領域ＥＡ１Ｌ〜ＥＡ４Ｌ，
ＥＡ１Ｒ〜ＥＡ４Ｒのほぼ中心に入射するように）、第
１のレンズアレイ１２０’の各小レンズ１２２’ａＬ〜
１２２’ｄＬ，１２２’ａＲ〜１２２’ｄＲは、それぞ
れの光軸１２２’ａＬ０Ｃ〜１２２’ｄＬＯＣ，１２
２’ａＲ０Ｃ〜１２２’ｄＲＯＣの位置が調整された偏
心レンズで構成されている。
【００４８】従って、第２実施例においても、従来例で
説明したような無効入射領域ＵＡに入射して利用できな
かった光も有効入射領域ＥＡに入射させることができる
ので、光の利用効率を向上させることができる。但し、
第２実施例においては、システム光軸付近に無効入射領
域ＵＡ２Ｌが存在するので、第１実施例に比べると光の
利用効率は低下する。しかし、偏光変換素子が１つで済
むという利点がある。
【００４９】また、図７は一例を説明したものであり、
これに限定されるものではない。すなわち、一般には、
偏光変換素子１４０の配置位置や、偏光分離膜１４４や
反射膜１４５のｘ方向の幅ＷＰの大きさ等に応じて、第
１のレンズアレイ１２０’を構成する各小レンズの光軸
を調整するようにすればよい。
【００５０】なお、この発明は上記の実施例や実施形態
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。
【００５１】（１）第１実施例、第２実施例において
は、偏光変換素子の偏光分離膜および反射膜をｘ方向に
交互に配列する場合を例に説明しているが、ｙ方向に配
列するようにしてもよい。このようにしても、同様の作
用・効果を得ることができる。
【００５２】（２）第１実施例においては、図５に示す
ように偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂをシステム光軸
ＬＣを挟んで隙間を設けて配置しているが、これらは、
偏光変換素子１４０ａ，１４０ｂの寸法誤差を考慮した
ものである。これらの寸法誤差が無視できる程度に微少
であれば、偏光変換素子１４０ａと１４０ｂとを密接さ
せるようにしてもよい。
【００５３】（３）本発明による偏光照明装置は、図１
に示す投写型表示装置に限らず、これ以外の種々の装置
に適用することが可能である。例えば、カラー画像でな
く、白黒画像を投写する投写型表示装置にも本発明の偏
光照明装置を適用することができる。この場合には、図
１の装置において、液晶ライトバルブが１枚で済み、ま
た、光束を３色に分離する色光分離手段と、３色の光束
を合成する色光合成手段とを省略できる。さらに、ライ
トバルブを１つしか用いない投写型カラー表示装置にも
本発明による偏光照明装置を適用することができる。ま
た、上記実施例では、透過型の投写型表示装置の例につ
いて説明したが本発明の偏光照明装置は、反射型の投写
型表示装置にも適用することが可能である。ここで、
「透過型」とは、液晶ライトバルブ等の光変調手段が光
を透過するタイプであることを意味しており、「反射
型」とは、光変調手段が光を反射するタイプであること
を意味している。反射型の投写型表示装置では、クロス
ダイクロイックプリズムは、白色光を赤、緑、青の３色
の光に分離する色光分離手段として利用されると共に、
変調された３色の光を再度合成して同一の方向に射出す
る色光合成手段としても利用される。反射型の投写型表
示装置にこの発明を適用した場合にも、透過型の投写型
表示装置とほぼ同様な効果を得ることができる。また、
リア型表示装置等にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施例としての投写型表示装置の要部を示
す概略平面図である。
【図２】第１のレンズアレイ１２０の外観を示す斜視図
である。
【図３】第２のレンズアレイ１３０の外観を示す斜視図
である。
【図４】偏光変換素子１４０ａの構成およびその機能を
示す説明図である。
【図５】偏光照明装置１００の偏光変換素子１４０ａ
と、第１のレンズアレイ１２０と、第２のレンズアレイ
１３０とを拡大して示す説明図である。
【図６】図４の構成の上に主要な波形を描いて示す説明
図である。
【図７】第２実施例の投写型表示装置に用いられる偏光
照明装置を構成する第１のレンズアレイ１２０’と、第
２のレンズアレイ１３０と、偏光変換素子１４０とを拡
大して示す説明図である。
【図８】ランダムな偏光方向を有する光を一方向の偏光
方向を有する光に変換する場合に利用される光学素子の
平面図である。
【符号の説明】
１０…レンズアレイ １１…集光レンズ ２０…偏光ビームスプリッタアレイ ３０…偏光ビームスプリッタ ３６…偏光分離膜 ４０…プリズム ４６…反射膜 １００…偏光照明装置 １１０…光源 １１２…光源ランプ １１４…凹面鏡 １２０…第１のレンズアレイ １２２ａＬ〜１２２ｄＬ…小レンズ １２２ａＲ〜１２２ｄＲ…小レンズ １２０’…第１のレンズアレイ １２２’ａＬ〜１２２’ｄＬ…小レンズ １２２’ａＲ〜１２２’ｄＲ…小レンズ １３０…第２のレンズアレイ １３２…小レンズ １３２ａＬ〜１３２ｄＬ…小レンズ １３２ａＲ〜１３２ｄＲ…小レンズ １４０…偏光変換素子 １４０ａ，１４０ｂ…偏光変換素子 １４１…偏光ビームスプリッタアレイ １４２…選択位相差板 １４３…透光性板材 １４４…偏光分離膜 １４４ａ〜１４４ｄ…偏光分離膜 １４４ａＬ〜１４４ｄＬ…偏光分離膜 １４４ａＲ〜１４４ｄＲ…偏光分離膜 １４５…反射膜 １４５ａＬ〜１４５ｄＬ…偏光分離膜 １４５ａＲ〜１４５ｄＲ…偏光分離膜 １５０…重畳レンズ １６０…反射ミラー ２１８，２２２，２２４…反射ミラー ２１０，２１２…ダイクロイックミラー ２３０…入射側レンズ ２３２…リレーレンズ ２４０，２４２…フィールドレンズ ２４４…射出側レンズ（フィールドレンズ） ２５０，２５２，２５４…液晶ライトバルブ ２６０…クロスダイクロイックプリズム ２７０…投写レンズ系 ３００…投写スクリーン

Claims (8)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源と、 互いに直交する第１の方向と第２の方向に沿ってマトリ
    クス状に配列された複数の小レンズを有し、前記光源か
    ら射出された光を複数の部分光束に分割するレンズアレ
    イと、 入射光を２種類の直線偏光光に分離する偏光分離面と、
    前記偏光分離面に平行であって前記偏光分離面により分
    離された直線偏光光のうち一方を反射する反射面とを少
    なくとも前記第１の方向に沿って複数組有し、前記レン
    ズアレイを通過した複数の部分光束をそれぞれ２種類の
    直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタアレイ
    と、前記偏光ビームスプリッタアレイから射出される２
    種類の直線偏光成分の偏光方向をどちらか一方の偏光方
    向に揃える位相差板と、を備える偏光変換素子と、を備
    え、 前記レンズアレイの複数の小レンズは、前記複数の小レ
    ンズから射出した複数の部分光束のうち前記第１の方向
    に並んだ少なくとも１行分の複数の部分光束が入射すべ
    き偏光分離面に入射するように、それぞれの小レンズの
    光学的中心が調整されている偏光照明装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の偏光照明装置であって、 前記偏光ビームスプリッタアレイは、 前記偏光分離面と前記反射面の前記第１の方向に沿った
    配列間隔ＷＰが、ＷＬ／２（ＷＬは、前記レンズアレイ
    の複数の小レンズの前記第１の方向の幅を示す）よりも
    大きく構成されている偏光照明装置。
  3. 【請求項３】 光源と、 互いに直交する第１の方向と第２の方向に沿ってマトリ
    クス状に配列された複数の小レンズを有し、前記光源か
    ら射出された光を複数の部分光束に分割するレンズアレ
    イと、 入射光を２種類の直線偏光光に分離する偏光分離面と、
    前記偏光分離面に平行であって前記偏光分離面により分
    離された直線偏光光のうち一方を反射する反射面とを少
    なくとも前記第１の方向に沿って複数組有し、前記レン
    ズアレイを通過した複数の部分光束をそれぞれ２種類の
    直線偏光成分に分離する偏光ビームスプリッタアレイ
    と、前記偏光ビームスプリッタアレイから射出される２
    種類の直線偏光成分の偏光方向をどちらか一方の偏光方
    向に揃える位相差板と、を備える第１、第２の偏光変換
    素子と、を備え、 前記第１、第２の偏光変換素子は、前記光源の中心光軸
    を挟んでそれぞれの前記偏光分離面の一つが近接して向
    かい合うように配置され、 前記レンズアレイの複数の小レンズは、前記複数の小レ
    ンズから射出した複数の部分光束のうち前記第１の方向
    に並んだ少なくとも１行分の複数の部分光束が入射すべ
    き偏光分離面に入射するように、それぞれの小レンズの
    光学的中心が調整されている偏光照明装置。
  4. 【請求項４】 請求項３記載の偏光照明装置であって、 前記偏光ビームスプリッタアレイは、 前記偏光分離面と前記反射面の前記第１の方向に沿った
    配列間隔ＷＰが、ＷＬ／２（ＷＬは、前記レンズアレイ
    の複数の小レンズの前記第１の方向の幅を示す）よりも
    大きく構成されている偏光照明装置。
  5. 【請求項５】 請求項１ないし請求項４のいずれかに記
    載の偏光照明装置であって、 前記それぞれの小レンズのうち、前記光源の中心光軸に
    近接して配置される第１の小レンズの光学的中心は、前
    記第１の小レンズの幾何学的中心よりも前記光源の中心
    光軸に近い位置に調整され、 前記第１の方向に沿って隣接する少なくともいくつかの
    小レンズに関しては、任意の２つの小レンズの光学的中
    心の距離が、前記２つの小レンズの幾何学的中心のピッ
    チ以上に設定されている偏光照明装置。
  6. 【請求項６】 請求項１ないし請求項５のいずれかに記
    載の偏光照明装置であって、 前記少なくとも１行分の複数の部分光束を射出する複数
    の小レンズのうち少なくとも一部は偏心レンズである偏
    光照明装置。
  7. 【請求項７】 請求項１ないし請求項６のいずれかに記
    載の偏光照明装置と、 前記偏光照明装置からの射出光を与えられた画像信号に
    基づいて変調する変調手段と、 前記変調手段により変調された光を投写面上に投写する
    投写手段と、を備える投写型表示装置。
  8. 【請求項８】 請求項１ないし請求項６のいずれかに記
    載の偏光照明装置と、 前記偏光照明装置からの射出光を３色の光に分離する色
    光分離手段と、 前記３色の光を、与えられた画像信号に基づいてそれぞ
    れ変調する３組の光変調手段と、 前記３組の光変調手段により変調された３色の変調光を
    合成して同一方向に射出する色光合成手段と、 前記色光合成手段により合成された光を投写面上に投写
    する投写手段と、を備える投写型表示装置。
JP9364500A 1997-12-17 1997-12-17 偏光照明装置および投写型表示装置 Withdrawn JPH11183848A (ja)

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