JP2002122812A

JP2002122812A - 照明光学装置と投射表示装置

Info

Publication number: JP2002122812A
Application number: JP2000321930A
Authority: JP
Inventors: Yoshihisa Sato; 能久佐藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2000-10-17
Filing date: 2000-10-17
Publication date: 2002-04-26

Abstract

(57)【要約】【課題】光源から出射される全光束を液晶パネルに入
射させることができる簡便で、安価な照明光学装置を実
現すること。【解決手段】光源１から出射された無偏光の光束のう
ち、例えばＰ偏光はＰＢＳ７を透過して液晶パネル８に
そのまま入射し、例えばＳ偏光はＰＢＳ７−反射鏡９−
ＰＢＳ７の順に反射して偏光変換素子４に入射する。偏
光変換素子４を１／４波長板アレイ４ａと反射鏡アレイ
４ｂとの２層構造に構成して、Ｓ偏光を１／４波長板ア
レイ４ａによる回転偏光と反射鏡アレイ４ｂによる反射
によってＰ偏光に変換して再びＰＢＳ７を通して液晶パ
ネル８に入射させるようにしたもの。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、フルカラ
ーの映像等をスクリーン等に投射する液晶プロジェクタ
装置に適用するのに最適な照明光学装置と、その照明光
学装置を用いた投射表示装置の技術分野に属するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】従来から、空間光変調素子に液晶パネル
を用いた投射表示装置は、液晶プロジェクタ装置と称さ
れている。この液晶プロジェクタ装置における液晶パネ
ル自体は発光機能を有しておらず、照明光学装置と組み
合せて、光源からの出射光を集光レンズ等によって集光
して液晶パネルを照明し、液晶パネルに印加される映像
信号に従い入射光を位相変調（光変調）する。そして、
液晶パネルで位相変調された映像等を投射レンズによっ
てスクリーン等の投射表示部に投射することにより、小
型で、効率の良いプロジェクタ装置を実現している。

【０００３】ところで、液晶パネルに使用されている液
晶材料の中には印加電界（印加電圧）に従い、入射光の
偏光を変化させる性質（閃光性）を持つものがあり、液
晶パネルはこの性質を利用して偏光を回転させる位相変
調を行うものが多い。従って、液晶パネルに入射する光
束は、ある一方向の直線偏光である必要がある。

【０００４】一方、液晶プロジェクタ装置の照明光学装
置には無偏光の光を出射する光源を用いるものが多く、
レーザを除くと、偏光度の高い光を出射する光源は少な
く、また、光出力も小さい。一般的に、液晶プロジェク
タ装置に使用される光源としては、アーク放電を利用す
る放電ランプとリフレクタである反射集光鏡とを組み合
せて使用するものが多い。そして、放電ランプは封入さ
れるガスの種類により水銀ランプ、キャノンランプ等の
種類が存在するが、何れにしろ、光源からの出射光は無
偏光であることから、液晶パネルの入射側には無偏光を
ある一方向の直線偏光に偏光するための偏光板を配置し
なければならない。

【０００５】そして、液晶パネルを出射する光は、液晶
パネルに印加される映像信号に従い偏光が回転される位
相変調が行われることから、液晶パネルの出射側には検
光子を配置する必要がある。

【０００６】図１９は、上記した条件を満足している従
来の透過型液晶プロジェクタ装置の基本的な構成を示し
た模式図を示したものであって、放電ランプ３１ａと反
射集光鏡３１ｂで構成された光源３１と、集光レンズ３
２と、入射側偏光板３３と、透過型液晶パネル３４と、
検光子である出射側偏光板３５と、投射レンズ３６とに
よって構成されている。

【０００７】そして、光源３１から出射された無偏光の
光束である、例えばＰ偏光＋Ｓ偏光を集光レンズ４２に
よって集光して入射側偏光板４３により一方の直線偏
光、例えばＰ偏光に偏光して透過型液晶パネル３４に入
射するようにして、ここで、他方の直線偏光、例えばＳ
偏光は外部へ捨てている。そして、透過型液晶パネル３
４に印加される映像信号によって位相変調された一方の
直線偏光、例えばＰ偏光を出射して、その出射光を出射
側偏光板３５で検光して、投射レンズ３６によってスク
リーン等の投射表示部３７に投射することにより映像等
を投射表示するように構成されていた。

【０００８】しかし、この透過型液晶プロジェクタ装置
では、光源３１から出射された無偏光の光束のうちの半
分である例えばＰ偏光のみを透過型液晶パネル３４に透
過し、残りの半分であるＳ偏光を入射側偏光板３３部分
で外部へ捨ててしまう方式では、光源３１から出射され
る全光量の半分しか利用することができないために、投
射表示部３７に投射される映像等の画面が暗くなり、高
輝度の液晶プロジェクタ装置を実現することができない
という問題があった。

【０００９】また、図２０は、従来の反射型液晶プロジ
ェクタ装置の基本的な構成を説明する模式図を示したも
のであって、放電ランプ４１ａと反射集光鏡４１ｂで構
成された光源４１と、集光レンズ４２と、偏光子と検光
子を兼用している偏光分離合成素子である偏光ビームス
プリッタ（以下、単にＰＢＳと記載する）４３と、反射
型液晶パネル４４と、投射レンズ４５とによって構成さ
れている。

【００１０】そして、光源４１から出射された無偏光の
光束である、例えばＰ偏光＋Ｓ偏光を集光レンズ４２に
よって集光してＰＢＳ４３に入射し、そのＰＢＳ４３の
偏光分離合成面４３で一方の直線偏光、例えばＰ偏光
（又はＳ偏光）に偏光して、例えばＰ偏光のみを透過し
て反射型液晶パネル４４に入射し、他方の直線偏光であ
る、例えばＳ偏光はこの偏光分離合成面４３で反射して
外部へ捨てている。そして、反射型液晶パネル４４に印
加される映像信号によって例えばＳ偏光に位相変調され
た一方向の直線偏光を入射面から出射してＰＢＳ４３に
再び入射し、偏光分離合成面４３ａで反射して投射レン
ズ３６に入射し、スクリーン等の投射表示部４６に投射
することによりフルカラーの映像等を投射表示するよう
に構成されていた。

【００１１】しかし、この反射型液晶プロジェクタ装置
においても、光源４１から出射された無偏光の光束のう
ちの半分である、例えばＰ偏光のみを反射型液晶パネル
４４で反射し、残りの半分である、例えばＳ偏光をＰＢ
Ｓ４３部分で外部へ捨ててしまう方式であることから、
やはり、光源４１から出射される全光量の半分しか利用
することができないために、投射表示部４６に投射され
る映像等の画面が暗くなり、高輝度の液晶プロジェクタ
装置を実現することができないという問題があった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】そこで、これまでに、
光源から出射された無偏光の光束のほぼ全部を直線偏光
に変換する偏光変換技術が提案されてきた。例えば、特
開平８−３０４７３９号公報に開示された偏光変換技術
は、インテダレータ光学系と、偏光分離プリズムアレイ
と、１／２位相差板とを組み合せたものであり、複数の
レンズで構成されていて、マルチレンズアレイとも称さ
れる集光レンズアレイはインテグレータ光学系との親和
性が高く、効率の良い偏光変換が可能である。

【００１３】しかし、偏光分離プリズムアレイは、内部
に偏光分離膜を備えた四角柱状のプリズム合成体からな
る偏光ビームスプリッタと、同じく、内部に反射膜を備
えた四角柱状のプリズム合成体からなる反射ミラーとか
らなる対を基本構成単位として、その対を平面的に複数
配列した複合構造に構成しなければならない。従って、
特に、この偏光分離プリズムアレイにおける四角柱状の
プリズム合成体の各々のプリズム内に偏光分離膜を製作
する技術が非常に困難であることから、この偏光分離プ
リズムアレイは大量生産に不向きであって、この偏光分
離プリズムアレイが非常に高価についている。そして、
この偏光分離プリズムアレイによって投射表示装置全体
のコストが引き上げられてしまうと言う問題があった。

【００１４】本発明は、上記の問題を解決するためにな
されたものであって、簡便、かつ、安価な手段によって
無偏光の光束の全てで被照明部を照明することができる
ようにした照明光学装置と投射表示装置とを提供するこ
とを目的としている。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明の照明光学装置は、光源と、光源からの出射
光を複数のレンズによって複数の光スポットに分割する
第１マルチレンズアレイと、第１マルチレンズアレイで
分割された複数の光スポットを複数のレンズによってそ
れぞれ集光する第２マルチレンズアレイと、第２マルチ
レンズアレイの複数のレンズでそれぞれ集光された複数
のスポットを互いに重ね合わせるように集光して出射す
る集光レンズと、集光レンズからの出射光を２つの異な
る直線偏光に分離して、一方の直線偏光を透過し、他方
の直線偏光を反射する偏光分離合成素子と、偏光分離合
成素子で反射された他方の直線偏光を反射して偏光分離
合素子に再度入射することにより、その他方の直線偏光
を偏光分離合素子で反射して第２マルチレンズアレイ側
へ出射する反射鏡と、第１マルチレンズアレイの焦点近
傍位置に平行状に配置され、反射鏡及び偏光分離合素子
で反射されて出射された他方の直線偏光の回転と反射に
よってその他方の直線偏光を一方の直線偏光と同じ直線
偏光に変換して偏光分離合成素子へ再度入射して透過さ
せる偏光回転素子と偏光反射素子とによって構成された
偏光変換素子と、偏光分離合成素子を透過した一方の直
線偏光と他方の直線偏光との全ての光束によって照明さ
れる被照明部とを備えたものである。

【００１６】上記のように構成された本発明の照明光学
装置は、光源からの無偏光の出射光を第１、第２マルチ
レンズアレイと集光レンズによって複数の光スポットが
互いに重ね合わされた光束に集光して偏光分離合成素子
を通して被照明部へ照明する際、その偏光分離合成素子
で無偏光の光束のうちの一方の直線偏光のみを透過して
被照明部へ出射すると共に、その偏光分離合素子で反射
されたその無偏光の光束のうちの他方の直線偏光を反射
鏡によって反射して、その偏光分離合素子に再び入射し
て反射させ、その反射された他方の直線偏光を第１マル
チレンズアレイの焦点近傍位置に配置された偏光変換素
子に入射する。そして、その他方の直線偏光が偏光変換
素子の偏光回転素子を通過して偏光反射素子で反射さ
れ、再度偏光回転素子を通過されるようにして、その他
方の直線偏光を往復で２回偏光回転素子を通過させるこ
とによって、その他方の直線偏光を一方の直線偏光と同
じ偏光に変換させる。そして、その一方の直線偏光と同
じ直線偏光に変換された他方の直線偏光を偏光分離合成
素子に再度入射して透過させて、その他方の直線偏光も
被照明部へ入射させるようにしたものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明を適用した照明光学
装置と投射表示装置の実施の形態を図１〜図１８を参照
して説明する。

【００１８】「照明光学装置の第１の実施の形態」ま
ず、図１〜図４によって、照明光学装置の第１の実施の
形態を説明すると、図２に示すように、この場合は、放
電ランプ１ａと反射集光鏡（集光反射鏡とも称される）
１ｂで構成された光源１と、第１、第２マルチレンズア
レイ（以下、単にＭＬＡと記載する）２、３と、偏光変
換素子４と、第１、第２集光レンズ５、６と、偏光分離
合成素子である偏光ビームスプリッタ（以下、単にＰＢ
Ｓと記載する）７と、被照明部である液晶パネル８と、
反射鏡９とによる簡便で安価な光学素子によって構成さ
れている。

【００１９】そして、光源１の光軸Ｆ１上に第１、第２
ＭＬＡ２、３と、偏光変換素子４と、第１、第２集光レ
ンズ５、６と、ＰＢＳ７及び液晶パネル８がそれぞれ所
定間隔で、かつ、光軸Ｆ１に対してそれぞれ直角状に配
置されている。なお、ＰＢＳ７の偏光分離合成膜７ａは
光軸Ｆ１に対して４５°に傾斜されている。そして、光
軸Ｆ１に対して直角である偏光分離合成膜７ａの反射光
軸Ｆ２上に反射鏡９が所定の角度で傾斜されて配置され
ている。

【００２０】そして、第１、第２ＭＬＡ２、３は、図３
に示すように、それぞれ透明なガラス板等からなるレン
ズ基板の片面又は両面に曲率を持たせた複数のレンズ２
ａ、３ａをマトリックス状等に一体に形成したものであ
り、第１ＭＬＡ２の複数のレンズ２ａの焦点位置近傍に
第２ＭＬＡ３の複数のレンズ３ａがそれぞれ対向されて
配置されている。そして、光源１の放電ランプ１ａで発
光され、反射集光鏡１ｂによって反射されて集光された
輝度むらがある無偏光の光束を第１ＭＬＡ２の複数のレ
ンズ２ａに入射することによって、その複数のレンズ２
ａによって光軸Ｆ１と平行な複数の光スポットに分割さ
れ、その複数の光スポットは第２ＭＬＡ３の対応する複
数のレンズ３ａのほぼ中心に光軸Ｆ１と平行に集光され
て、第１集光レンズ５に光軸Ｆ１と平行に入射される。
そして、この複数の光スポットは第１、第２集光レンズ
５、６によって互いに重ね合せるように集光されて出射
され、輝度むらのないほぼ均一の光束が形成されるよう
に構成されている。

【００２１】次に、偏光変換素子４は、偏光回転素子で
ある１／４波長板アレイ４ａと、偏光反射素子である反
射鏡アレイ４ｂとを接着等にて貼り合せた２層構造に構
成されている。そして、この偏光変換素子４も第２ＭＬ
Ａ３と同じように第１ＭＬＡ２の複数のレンズ２ａの焦
点近傍位置に配置されている。但し、第２ＭＬＡ３と偏
光変換素子４は光軸Ｆ１上に近接状態で平行状に配置さ
れている。そして、この偏光変換素子４には第１ＭＬＡ
２の複数のレンズ２ａによって形成される複数の光スポ
ットを透過させるための複数の光透過部４ｃが形成され
ている。そして、この照明光学装置の第１の実施の形態
では、図２に示すように、この偏光変換素子４を第２Ｍ
ＬＡ３と第１集光レンズ５との間に平行状に配置し、図
４に示すように、この偏光変換素子４の複数の光透過部
４ｃを１／４波長板アレイ４ａ及び反射鏡アレイ４ｂを
貫通するスリット状（又はマトリックス状）の複数の開
口で構成している。

【００２２】ここで、この照明光学装置の第１の実施の
形態による液晶パネル８の照明動作を図１の（Ａ）
（Ｂ）によって説明すると、まず、図１の（Ａ）に示す
ように、光源１からの出射光は無偏光（非偏光とも言
う）であり、例えば、Ｐ偏光＋Ｓ偏光の光束である。そ
して、このＰ偏光＋Ｓ偏光の光束は第１、第２ＭＬＡ
２、３を通過し、更に、偏光変換素子４の複数の光透過
部４ｃを通過して第１、第２集光レンズ５、６で集光さ
れてＰＢＳ７に入射される。

【００２３】そして、ＰＢＳ７に入射されたＰ偏光＋Ｓ
偏光の光束は偏光分離合成膜７ａで一方の直線偏光であ
るＰ偏光と他方の直線偏光であるＳ偏光とに分離され、
一方の直線偏光である例えばＰ偏光はこの偏光分離合成
膜７ａを透過して液晶パネル８に入射される。

【００２４】そして、他方の直線偏光である例えばＳ偏
光は、この偏光分離合成膜７ａで直角に反射されて反射
鏡９に入射された後、その反射鏡９で反射されて再びＰ
ＢＳ７の偏光分離合成膜７ａに入射される。この際、反
射鏡９が反射光軸Ｆ２に対して所定の角度に傾斜されて
いることから、そのＳ偏光の反射鏡９に対する入射角と
反射角の光軸Ｆ２に対する角度が異なり、その反射鏡９
で反射されたＳ偏光は所定の角度を与えられてＰＢＳ７
の偏光分離合成膜７ａで再び反射され、所定の角度を与
えられて第２集光レンズ６に入射される。

【００２５】そして、この所定の角度を与えられたＳ偏
光は第２集光レンズ６及び第１集光レンズ５によって偏
光変換素子４の対応する１／４波長板アレイ４ａに光軸
Ｆ１と平行な方向から入射されて、この１／４波長板ア
レイ４ａを透過（１回目の透過）する。この際、この１
／４波長板アレイ４ａは入射されるＳ偏光が１／４の円
偏光に変換されるように波長板の遅送軸が設定されてい
て、この１／４波長板アレイ４ａを１回目に透過したＳ
偏光は１／４円偏光に変換されて、光軸Ｆ１に対して直
角状の反射鏡アレイ４ｂに直角状に入射される。

【００２６】すると、図１の（Ｂ）に示すように、その
Ｓ偏光の１／４円偏光は再び１／４波長板アレイ４ａに
光軸Ｆ１と平行に入射されて、この１／４波長板アレイ
４ａを透過（２回目の透過）することになり、ここで、
Ｓ偏光の１／４円偏光は更に１／４円偏光に変換されて
Ｐ偏光に変換される。つまり、Ｓ偏光が１／４波長板ア
レイ４ａを往復で２回透過されてＳ偏光からＰ偏光に変
換されることになる。

【００２７】このようにして、偏光変換素子４によって
Ｓ偏光からＰ偏光に変換されて光軸Ｆ１と平行に出射さ
れたそのＰ偏光は第１、第２集光レンズ５、６によって
再びＰＢＳ７に入射されるが、その再入射されたＰ偏光
はそのまま偏光分離合成膜７ａを透過して液晶パネル８
に入射されることになる。従って、光源１から出射され
た無偏光のＰ偏光とＳ偏光の光束の全てを液晶パネル８
に入射して、この液晶パネル８の入射面８ａを高輝度
で、均一に照明することができる。

【００２８】そして、この照明光学装置の第１の実施の
形態によれば、前述した特開平８−３０４７３９号公報
に開示されているような構造が複雑で、製造が困難な偏
光変換技術（偏光変換のための光学素子）を使用する必
要がなく、１／４波長板アレイ４ａと反射鏡アレイ４ｂ
とを貼り合わせただけの構造が簡単で、製造が容易な２
層構造の光学素子である偏光変換素子４と、反射鏡９と
を設置するだけで、目的を達成することができる。ま
た、ＰＢＳ７は図１９で説明した従来の透過型液晶プロ
ジェクタ装置の入射側偏光板を兼用していて、部品点数
は大幅に削減されている。

【００２９】「照明光学装置の第２の実施の形態」次
に、図５の（Ａ）（Ｂ）によって、照明光学装置の第２
の実施の形態を説明すると、この場合は、照明光学装置
の第１の実施の形態における図１〜図４で説明した反射
鏡９を光軸Ｆ２に対して直角状に配置したものである。
このように、反射鏡９を光軸Ｆ２に対して直角状に配置
すると、第１の実施の形態で説明したように、光源１か
ら出射されて、第１、第２マルチレンズアレイ２、３、
偏光変換素子４の複数の光透過部４ｃ及び第１、第２集
光レンズ５を通過してＰＢＳ７に入射された無偏光（Ｐ
偏光＋Ｓ偏光）の出射光のうち、そのＰＢＳ７の偏光分
離合成膜７ａで反射されて反射鏡９に入射される例えば
Ｓ偏光のその反射鏡９に対する入射角と反射角は反射光
軸Ｆ２に対して対称状となる。

【００３０】つまり、図５の（Ａ）に示すように、光源
１の光軸Ｆ１より上側位置にてＰＢＳ７に入射された無
偏光の光束のＳ偏光は偏光分離合成膜７ａ及び反射鏡９
で反射された後、ＰＢＳ７の偏光分離合成膜７ａで再び
反射されて第２集光レンズ６側へ出射された時には、光
軸Ｆ１の下側の対称位置で偏光変換素子４の１／４波長
板アレイ７ａに入射されることになる。同様に、図５の
（Ｂ）に示すように、光源１の光軸Ｆ１より下側位置に
ＰＢＳ７に入射された無偏光のうちのＳ偏光は偏光分離
合成膜７ａ及び反射鏡９で反射された後、ＰＢＳ７の偏
光分離合成膜７ａで再び反射されて第２集光レンズ６側
へ出射された時には、光軸Ｆ１の上側対称位置で偏光変
換素子４の１／４波長板アレイ４ａに入射されることに
なる。

【００３１】従って、このように、反射鏡９を反射光軸
Ｆ２に対して直角状に配置した時には、例えば、第１、
第２マルチレンズアレイ２、３を光軸Ｆ１に対して下側
へ偏位させる一方、偏光変換素子４を光軸Ｆ１に対して
上側へ偏位させるようにして、光軸Ｆ１に対して上下非
対称状態に配置すれば、光軸Ｆ１のそれぞれ上側位置と
下側位置からＰＢＳ７に入射されるＳ偏光を光軸Ｆ１の
それぞれ下側位置と上側位置で１／４波長板アレイ４ａ
及び反射鏡アレイ４ｂに正確に到達させることができ
る。

【００３２】「照明光学装置の第３の実施の形態」次
に、図６によって、照明光学装置の第３の実施の形態に
ついて説明すると、この場合は、図１〜図４で説明した
第１の実施の形態の照明光学装置における偏光変換素子
４の配置位置の自由度を説明するものである。即ち、偏
光変換素子４の１／４波長板アレイ４ａ及び反射鏡アレ
イ４ｂは第１ＭＬＡ２の焦点近傍位置に配置すれば良
く、第１の実施の形態では、この偏光変換素子４を第２
ＭＬＡ３の出射側に配置したが、この第３の実施の形態
で示すように、第２ＭＬＡ３の入射側に配置しても良
い。但し、この場合には、第１ＭＬＡ２の複数のレンズ
２ａによって形成される複数の光スポットが偏光変換素
子４の複数の光透過部４ｃを通して第２ＭＬＡ３の対向
される複数のレンズ３ａに集光させることになるので、
その第２ＭＬＡ３の複数のレンズ３ａをその複数の光透
過部４ｃ内に挿入させるようにこれら偏光変換素子４と
第２ＭＬＡ３とを接近させて配置することが望ましい。

【００３３】「照明光学装置の第４の実施の形態」次
に、図７及び図８によって、照明光学装置の第４の実施
の形態について説明すると、この場合は、偏光変換素子
４を第２ＭＬＡ３又は第１集光レンズ５に一体化させた
ものである。即ち、図７に示す実施の形態は、偏光変換
素子４の反射鏡アレイ４ｂをアルミニウム等の真空蒸着
等によって第２ＭＬＡ３の出射面上に一体に形成し、そ
の反射鏡アレイ４ｂ上に１／４波長板アレイ４ａを接着
等にて一体化したものである。なお、第２ＭＬＡ３とは
別加工された偏光変換素子４を第２ＭＬＡ３の出射面又
は入射面上に接着等にて一体化させても良い。また、図
８に示す実施の形態は、偏光変換素子４を第１集光レン
ズ５の入射面上に接着等によって一体化したものであ
る。

【００３４】「照明光学装置の第５の実施の形態」次
に、図９によって、照明光学装置の第５の実施の形態に
ついて説明すると、この場合は、偏光変換素子４の異種
構造を示したものであって、例えば、透明ガラス板のよ
うな透明基板４ｄ上に反射鏡アレイ４ｂと１／４波長板
アレイ４ａを順次重ねて形成したものであり、透明基板
４ｄを使用することで、設置時の位置調整等を容易に行
える。

【００３５】「照明光学装置の第６の実施の形態」次
に、図１０及び図１１によって、照明光学装置の第６の
実施の形態について説明すると、この場合は、偏光変換
素子４の光透過部４ｃの異形を示したものである。即
ち、図１〜図４で説明した照明光学装置の第１の実施の
形態における第１ＭＬＡ２の複数のレンズ２ａによって
形成される複数の光スポットは複雑な分布を持つ場合が
あり、図１０はその光スポットＳＬの分布の一例を示し
たものである。

【００３６】一方、図１及び図２で説明したように、第
１ＭＬＡ２の焦点近傍位置に配置される偏光変換素子４
には、その第１ＭＬＡ２の複数のレンズ２ａによって形
成される光スポットＳＬを透過させるための複数の光透
過部４ｃが形成されている。そこで、図１１に示すよう
に、この偏光変換素子４に形成される複数の光透過部４
ｃの分布を図１０に示した第１ＭＬＡ２で形成される複
数の光スポットＳＬの分布に対応させることによって、
高効率の偏光変換を実行することができる。

【００３７】即ち、図１の（Ａ）（Ｂ）で説明したよう
に、光源１から出射されて第１ＭＬＡ２の複数のレンズ
２ａで複数の光スポットに形成された出射光であるＰ偏
光＋Ｓ偏光の光束は偏光変換素子４の図１１に示す分布
の光透過部４ｃを透過してＰＢＳ７に入射され、反射鏡
９で反射されたＳ偏光は再び偏光変換素子４の１／４波
長板アレイ４ａに入射して、反射鏡アレイ４ｂで反射さ
れる偏光変換が行われることになるが、この時、１／４
波長板アレイ４ａ及び反射鏡アレイ４ｂは図１１に示さ
れた複数の光透過部４ｃ以外の部分（図１２にクロスハ
ッチングで示してある部分）４ｅの全てに存在すること
になることから、その偏光変換時の光損失（Ｓ偏光が光
透過部４ｃを第１ＭＬＡ２側へ透過して逃げてしまい、
反射鏡アレイ４ｂで反射されないこと）を最小限に防止
することができて、高効率の偏光変換を実行することが
できる。

【００３８】「照明光学装置の第７の実施の形態」次
に、図１２〜図１４によって、照明光学装置の第７の実
施の形態について説明すると、この場合は、第２集光レ
ンズ６の配置等の自由度を説明するものであって、図１
２に示すように、ＰＢＳ７を光軸Ｆ１上で第１集光レン
ズ５と第２集光レンズ６との間に配置して、ＰＢＳ７の
透過後のＰ偏光とＳ偏光を第２集光レンズ６によって液
晶パネル８に集光させるように構成することもできる。
また、図１３に示すように、ＰＢＳ７と反射鏡９との間
に第３集光レンズ１０を配置して、ＰＢＳ７の偏光分離
合成膜７ａで反射された後、反射鏡９で反射されたＳ偏
光をその第３集光レンズ１０によって偏光変換素子４の
１／４波長板アレイ４ａの所望の位置に正確に到達され
るように構成しても良い。また、図１４に示すように、
第３集光レンズ１０を凹レンズを含レンズ系、例えば、
凹レンズ１１ａと凸レンズ１１ｂを組み合せた組合せレ
ンズ１１で構成してもよい。

【００３９】また、第１、第２ＭＬＡ２、３を用いた照
明光学系では、設計条件によっても、第１、第２集光レ
ンズ５、６の何れか一方を不要にすることもできる。

【００４０】また、偏光分離合成素子は必ずしもＰＢＳ
７である必要がなく、例えば反射型偏光板等を用いても
良い。この反射型偏光板はＰＢＳ７と同様に、Ｐ偏光を
透過し、Ｓ偏光を反射するものであり、具体的な製品と
しては、住友３Ｍ株式会社製のＤＢＥＦ等がある。

【００４１】「照明光学装置の第８の実施の形態」次
に、図１５によって、照明光学装置の第８の実施の形態
について説明すると、この場合は、偏光分離合成素子と
して偏光分離板１２を使用したものであり、この偏光分
離板１２にはコレステリック液晶が利用されていて、一
方の円偏向である例えば右回り円偏光を透過し、他方の
円偏向である例えば左回り円偏光を反射する円偏光の分
離合成を行うものである。そして、図１〜図４で説明し
た照明光学装置の第１の実施の形態におけるＰＢＳ７を
偏光分離板１２に置換したものであり、この偏光分離板
１２は光軸Ｆ１に対して４５°に傾斜されて配置されて
いる。そして、光軸Ｆ１上でこの偏光分離板１２と液晶
パネル８との間には１／４波長板１３が光軸Ｆ１に対し
て直角状に配置されている。

【００４２】そして、この照明光学装置の第８の実施の
形態によれば、光源１から出射された無偏光（右回り円
偏光＋左回り円偏光）の光束は第１、第２マルチレンズ
アレイ２、３を通過し、偏光変換素子４の複数の光透過
部４ｃを通過して第１、第２集光レンズ５、６によって
集光されて偏光分離板１２に入射される。そして、偏光
分離板１２に入射された無偏光中の一方の円偏光である
例えば右回り円偏光（又は左回り円偏光）は、この偏光
分離板１２を透過した後、１／４波長板１３を透過して
一方の直線偏光である例えばＰ偏光（又はＳ偏光）に偏
光されて液晶パネル８に入射される。

【００４３】一方、偏光分離板１２に入射された無偏光
中の他方の円偏光である左回り円偏光（又は右回り円偏
光）は、この偏光分離板１２によって直角に反射され
て、反射鏡９に入射された後、再び、この偏光分離板１
２に入射され、この偏光分離板１２によって再び反射さ
れて第２集光レンズ６、第１集光レンズ５を通過して偏
光変換素子４へ向う。そして、図１〜図４で説明した第
１の実施の形態と同じように、この左回り円偏光が１／
４波長板アレイ４ａを透過して反射鏡アレイ４ｂで反射
された後、再び１／４波長板アレイ４ａを透過するよう
にして、この１／４波長板アレイ４ａを往復で２回通過
することによって、この左回り円偏光が右回り円偏光に
変換される。そして、この変換された右回り円偏光は第
１、第２集光レンズ５、６を通過して再び偏光分離板１
２に入射されて、この偏光分離板１２を透過し、１／４
波長板１２によって一方向の直線偏光である例えばＰ偏
光（又はＳ偏光）に偏光されて液晶パネル８に入射され
ることになる。従って、光源１から出射された無偏光の
右回り円偏光と左回り円偏光の全ての光束を液晶パネル
８に入射して、この液晶パネル８の入射面８ａを高輝度
に、均一に照明することができる。

【００４４】「照明光学装置の第９の実施の形態」次
に、図１６によって、照明光学装置の第９の実施の形態
について説明すると、この場合は、図１〜図４で説明し
た照明光学装置における液晶パネル８と反射鏡９との配
置を入れ替えたものであり、これら液晶パネル８と反射
鏡９は光学的に共役関係にあることから、これらを入れ
替えても光学的な問題は全く発生しない。但し、この場
合には、液晶パネル８が反射光軸Ｆ２に対して直角状に
配置され、反射鏡９が光軸Ｆ１に対して所定の角度に傾
斜されて配置される。

【００４５】そして、この照明光学装置の第９の実施の
形態によれば、光源１から出射された無偏光（Ｐ偏光＋
Ｓ偏光）の光束は第１、第２マルチレンズアレイ２、３
を通過し、偏光変換素子４の複数の光透過部４ｃを通過
して第１、第２集光レンズ５、６によって集光されてＰ
ＢＳ７に入射される。そして、この場合には、Ｓ偏光が
ＰＢＳ７の偏光分離合成膜７ａで直角状に反射されて液
晶パネル８に入射される。そして、この場合には、Ｐ偏
光がＰＢＳ７の偏光分離合成膜７ａを透過して反射鏡９
に入射される。そして、このＰ偏光は反射鏡９によって
光軸Ｆ１に対する入射角と出射角が異なるように反射さ
れてＰＢＳ７の偏光分離合成膜７ａを透過し、第２集光
レンズ６、第１集光レンズ５を通過して偏光変換素子４
へ向う。そして、図１〜図４で説明した第１の実施の形
態と同じように、Ｐ偏光が１／４波長板アレイ４ａを透
過して反射鏡アレイ４ｂで反射された後、再び１／４波
長板アレイ４ａを透過するようにして、この１／４波長
板アレイ４ａを往復で２回通過することによって、この
Ｐ偏光がＳ偏光に変換される。そして、このＰ偏向から
Ｓ偏向に変換されたＳ偏光が第１、第２集光レンズ５、
６通過して再びＰＢＳ７に入射され、このＰＢＳ７の偏
光分離合成膜７ａで直角状に反射されて液晶パネル８に
入射されることになる。従って、光源１から出射された
無偏光のＰ偏光とＳ偏光の全ての光束を液晶パネル８に
入射して、この液晶パネル８の入射面を高輝度に、均一
に照明することができる。

【００４６】但し、この第９の実施の形態おいて、図５
の（Ａ）（Ｂ）で説明した第２の実施の形態における偏
光変換素子４の複数の光透過部４ｃを光軸Ｆ１に対して
上下非対称状態に配置する構成を採用すれば、反射鏡９
は光軸Ｆ１に対して直角状に配置することができる。

【００４７】「透過型液晶プロジェクタ装置の実施の形
態」次に、図１７によって、投射表示装置の一例である
透過型液晶プロジェクタ装置の実施の形態について説明
すると、この場合は、前述した照明光学装置の第１〜第
９の実施の形態における液晶パネル８を透過型液晶パネ
ル８Ａに構成し、その透過型液晶パネル８Ａの出射側に
投射レンズ１４を配置したものである。なお、この図１
７では照明光学装置として図２に示した第１の実施の形
態を図示している。

【００４８】この透過型液晶プロジェクタ装置によれ
ば、前述したように、光源１から出射された無偏光の光
束である例えばＰ偏光＋Ｓ偏光（又は右回り偏光＋左回
り偏光）の全ての光束を透過型液晶パネル８Ａの入射面
８ａに入射させて、その入射面８を高輝度に照明するこ
とができる。そして、透過型液晶パネル８Ａには検光子
が備えられていて、この透過型液晶パネル８Ａの入射面
８ａに入射された全ての光束は、この透過型液晶パネル
８Ａに印加される映像信号に従い変調されて出射面８ｂ
から出射され、投射レンズ１４によってスクリーン等の
投射表示部１５に高輝度で、均一の明るさの映像が投射
される。

【００４９】「反射型液晶プロジェクタ装置の実施の形
態」次に、図１８によって、投射表示装置の他の例であ
る反射型液晶プロジェクタ装置の実施の形態について説
明すると、この場合は、前述した照明光学装置の第１〜
第９の実施の形態における液晶パネル８を反射型液晶パ
ネル８Ｂに構成し、投射レンズ１４を反射光軸Ｆ２の延
長線上で偏光変換素子であるＰＢＳ７（又は偏光分離板
１２）を挟んで反射鏡９の反対側に配置したものであ
る。なお、この図１８では照明光学装置として図２に示
した第１の実施の形態を図示している。

【００５０】この反射型液晶プロジェクタ装置によれ
ば、前述したように、光源１から出射された無偏光の光
束である例えばＰ偏光＋Ｓ偏光（又は右回り偏光＋左回
り偏光）の全ての光束を反射型液晶パネル８Ｂの入射面
８ａに入射させて、その入射面８ａを高輝度に照明する
ことができる。そして、この反射型液晶パネル８Ｂの入
射面８ａに入射された全ての光束は、この反射型液晶パ
ネル８Ｂに印加される映像信号に従い変調されて内部で
反射され、同じ入射面８ｂから出射され、ＰＢＳ７の偏
光分離合成膜４ａによって反射鏡９とは反対側に反射さ
れた後、投射レンズ１４によってスクリーン等の投射表
示部１５に高輝度で、均一の明るさの映像が投射され
る。

【００５１】「３板式液晶プロジェクタ装置の実施の形
態」前述した図１７及び図１８では、１枚の透過型液晶
パネル８Ａや反射型液晶パネル８Ｂを用いる単板式液晶
プロジェクタ装置について説明したが、透過型液晶パネ
ル８Ａや反射型液晶パネル８Ｂをそれぞれ３枚用いて、
フルカラーの映像を投射レンズ１４によってスクリーン
等の投射表示部１５に投射する３板式液晶プロジェクタ
装置にも適用することができる。この場合、例えば、図
１７及び図１８に示した第１集光レンズ５の出射側等に
色分解素子を配置して、光源１からの無偏光の光束を赤
色Ｒ、緑色Ｇ、青色Ｂの３色に分解するようにし、その
Ｒ、Ｇ、Ｂの３色の光束についてそれぞれ前述した偏光
変換を行うように、第２集光レンズ６以降で、投射レン
ズ１４までの間に３系統の光学系を配置すれば良い。な
お、色分解素子は偏光分離合成素子であるＰＢＳ７等の
出射側に配置してもよい。

【００５２】「照明光学装置の他の装置への応用」図１
〜図１６によって説明した照明光学装置の第１〜第９の
実施形態は、図１７及び図１８で説明した透過型及び反
射型液晶プロジェクタ装置の照明光学装置として説明し
たが、本発明の照明光学装置は、例えば、半導体露光装
置等のような偏光を利用する各種用途の照明光学装置と
して広範囲に適用することができ、半導体露光装置等に
本発明の照明光学装置を適用すれば、高効率の半導体露
光が可能となる。

【００５３】以上、本発明の実施の形態について説明し
たが、本発明は上記した実施の形態に限定されることな
く、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能で
ある。

【００５４】

【発明の効果】本発明の照明光学装置は、光源からの無
偏光の出射光を第１、第２マルチレンズアレイと集光レ
ンズによって複数の光スポットが互いに重ね合された光
束に集光して偏光分離合成素子を通して被照明部へ照明
する際、その偏光分離合成素子で無偏光の光束のうちの
一方の直線偏光のみを透過して被照明部へ出射すると共
に、その偏光分離合素子で反射されたその無偏光の光束
のうちの他方の直線偏光を反射鏡によって反射して、そ
の偏光分離合素子に再び入射して反射させ、その反射さ
れた他方の直線偏光を第１マルチレンズアレイの焦点近
傍位置に配置された偏光変換素子に入射する。そして、
その他方の直線偏光が偏光変換素子の偏光回転素子を通
過して偏光反射素子で反射され、再度偏光回転素子を通
過されるようにして、その他方の直線偏光を往復で２回
偏光回転素子を通過させることによって、その他方の直
線偏光を一方の直線偏光と同じ偏光に変換させる。そし
て、その一方の直線偏光と同じ直線偏光に変換された他
方の直線偏光を偏光分離合成素子に再度入射して透過さ
せて、その他方の直線偏光も被照明部へ入射させるよう
にしたので、光源から出射される無偏光の光束の全てを
被照明部に入射して、その被照明部を高輝度で、均一に
照明することができる。それでいて、偏光変換素子は偏
光回転素子と偏光反射素子の２層構造からなる構造が簡
単で、製造が容易である簡便、かつ、安価な光学素子で
構成することができることから、低価格の照明光学装置
を実現できる。

【００５５】本発明の投射表示装置は、光源からの無偏
光の出射光を第１、第２マルチレンズアレイと集光レン
ズによって複数の光スポットが互いに重ね合わされた光
束に集光して偏光分離合成素子を通して空間光変調素子
へ入射する際、その偏光分離合成素子で無偏光の光束の
うちの一方の直線偏光のみを透過して空間光変調素子へ
出射すると共に、その偏光分離合素子で反射されたその
無偏光の光束のうちの他方の直線偏光を反射鏡によって
反射して、その偏光分離合素子に再び入射して反射さ
せ、その反射された他方の直線偏光を第１マルチレンズ
アレイの焦点近傍位置に配置された偏光変換素子に入射
する。そして、その他方の直線偏光が偏光変換素子の偏
光回転素子を通過して偏光反射素子で反射され、再度偏
光回転素子を通過されるようにして、その他方の直線偏
光を往復で２回偏光回転素子を通過させることによっ
て、その他方の直線偏光を一方の直線偏光と同じ偏光に
変換させる。そして、その一方の直線偏光と同じ直線偏
光に変換された他方の直線偏光を偏光分離合成素子に再
度入射して透過させて、その他方の直線偏光も空間光変
調素子へ入射させるようにしたので、光源から出射され
る無偏光の光束の全てを空間光変調素子に入射して、そ
の光束の全てを空間光変調素子に印加される映像信号に
よって変調し、投射レンズによってスクリーン等の投射
素子部に投射することができるので、高輝度で、均一の
明るさの映像を投射することができる高性能な投射表示
装置を実現できる。それでいて、偏光変換素子は偏光回
転素子と偏光反射素子の２層構造からなる構造が簡単
で、製造が容易である簡便、かつ、安価な光学素子で構
成することができることから、低価格の投射表示装置を
実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用した液晶プロジェクタ装置の照明
光学装置の第１の実施の形態におけるＰ偏光とＳ偏光と
を合成して液晶パネルに入射する光線の様子を説明する
模式図である。

【図２】同上の照明光学装置の第１の実施の形態の構成
を説明する模式図である。

【図３】同上の照明光学装置の第１、第２マルチレンズ
を説明する正面、上面、側面を示した３面図である。

【図４】同上の照明光学装置の偏光変換素子を説明する
斜視図である。

【図５】同上の照明光学装置の第２の実施の形態の構成
及び光線を説明する模式図である。

【図６】同上の照明光学装置の第３の実施の形態の構成
を説明する模式図である。

【図７】同上の照明光学装置の第４の実施の形態の構成
の第１の例を説明する模式図である。

【図８】同上の照明光学装置の第４の実施の形態の構成
の第２の例を説明する模式図である。

【図９】同上の照明光学装置の第５の実施の形態の構成
を説明する模式図である。

【図１０】同上の照明光学装置の第６の実施の形態にお
ける第１マルチレンズアレイによって形成される光スポ
ットの分布を説明する図面である。

【図１１】同上の照明光学装置の第６の実施の形態にお
ける偏光変換素子の光透過部の分布を説明する図面であ
る。

【図１２】同上の照明光学装置の第７の実施の形態の構
成の第１の例を説明する模式図である。

【図１３】同上の照明光学装置の第７の実施の形態の構
成の第２の例を説明する図面である。

【図１４】同上の照明光学装置の第７の実施の形態の構
成の第２の例を説明する図面である。

【図１５】同上の照明光学装置の第８の実施の形態の構
成及び光線を説明する模式図である。

【図１６】同上の照明光学装置の第９の実施の形態の構
成を説明する模式図である。

【図１７】本発明を適用した透過型液晶プロジェクタ装
置の実施の形態の構成を説明する模式図である。

【図１８】本発明を適用した反射型液晶プロジェクタ装
置の構成を説明する模式図である。

【図１９】従来の透過型液晶プロジェクタ装置の構成を
説明する模式図である。

【図２０】従来の反射型液晶プロジェクタ装置の構成を
説明する模式図である。

【符号の説明】

１は光源、２は第１マルチレンズアレイ、３は第２マル
チレンズアレイ、４は偏光変換素子、４ａは偏光変換素
子の偏光回転素子である１／４波長板アレイ、４ｂは偏
光変換素子の偏光反射素子である反射鏡アレイ、５は第
１集光レンズ、６は第２集光レンズ、８は空間光変調素
子である液晶パネル、８Ａは透過型液晶パネル、８Ｂは
反射型液晶パネル、９は反射鏡、１０は第３集光レン
ズ、１１は組合せレンズ、１２は偏光分離板、１３は１
／４波長板、１４は投射レンズである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｅ５Ｃ０６０ 21/14 21/14 ＡＨ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｋ 9/31 9/31 ＣＦターム(参考） 2H042 CA10 CA14 CA17 2H049 BA05 BA07 BA43 BB01 BB63 BC22 2H052 BA02 BA03 BA06 BA14 2H099 AA12 BA09 CA02 CA07 DA05 5C058 AA06 AB03 AB06 BA05 BA23 BA29 5C060 BA07 BB13 GA01 GB05 HC07 HC09 HC22 HD01 JA00

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、前記光源からの出射光を複数のレンズによって複数の光
スポットに分割する第１マルチレンズアレイと、前記第１マルチレンズアレイで分割された複数の光スポ
ットを複数のレンズによってそれぞれ集光する第２マル
チレンズアレイと、前記第２マルチレンズアレイの複数のレンズでそれぞれ
集光された複数のスポットを互いに重ね合せるように集
光して出射する集光レンズと、前記集光レンズからの出射光を２つの異なる直線偏光に
分離して、一方の直線偏光を透過し、他方の直線偏光を
反射する偏光分離合成素子と、前記偏光分離合成素子で反射された他方の直線偏光を反
射して前記偏光分離合成素子に再度入射することによ
り、その他方の直線偏光をその偏光分離合成素子で反射
して前記第２マルチレンズアレイ側へ出射する反射鏡
と、前記第１マルチレンズアレイの焦点近傍位置に平行状に
配置され、前記反射鏡及び前記偏光分離合成素子で反射
されて出射された他方の直線偏光の回転と反射によって
その他方の直線偏光を一方の直線偏光と同じ直線偏光に
変換して前記偏光分離合成素子へ再度入射して透過させ
る偏光回転素子と偏光反射素子とによって構成された偏
光変換素子と、前記偏光分離合成素子を透過した前記一方の直線偏光と
他方の直線偏光との全ての光束によって照明される被照
明部とを備えたことを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】前記偏光変換素子の前記偏光回転素子が１
／４波長板アレイで構成され、前記偏光反射素子が反射
鏡アレイで構成されていることを特徴とする請求項１に
記載の照明光学装置。
【請求項３】前記偏光変換素子の前記偏光回転素子が１
／４波長板アレイとほぼ同等の偏光回転機能を有し、液
晶材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記
載の照明光学装置。
【請求項４】前記偏光分離合成素子が偏光ビームスプリ
ッタで構成されていることを特徴とする請求項１に記載
の照明光学装置。
【請求項５】前記偏光分離合成素子が反射型偏光板で構
成されていることを特徴とする請求項１に記載の照明光
学装置。
【請求項６】前記偏光分離合成素子がコレステリック液
晶材料で構成され、入射光の円偏光の回転方向により偏
光の分離合成を行う素子に構成されていることを特徴と
する請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項７】前記偏光変換素子には前記第２マルチレン
ズアレイから前記集光レンズへ出射される複数の光スポ
ットが透過される複数の光透過部が形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項８】前記偏光変換素子が前記第２マルチレンズ
アレイに一体に結合されていることを特徴とする請求項
１に記載の照明光学装置。
【請求項９】前記偏光変換素子が前記集光レンズに一体
に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の照
明光学装置。
【請求項１０】前記反射鏡と前記被照明部とが光学的に
共役関係を有していることを特徴とする照明光学装置。
【請求項１１】前記反射鏡が前記偏光分離合成素子の反
射光軸に対して傾斜又は直角に配置されていることを特
徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項１２】光源と、前記光源からの出射光を複数のレンズによって複数の光
スポットに分割する第１マルチレンズアレイと、前記第１マルチレンズアレイで分割された複数の光スポ
ットを複数のレンズによってそれぞれ集光する第２マル
チレンズアレイと、前記第２マルチレンズアレイの複数のレンズでそれぞれ
集光された複数のスポットを互いに重ね合せるように集
光して出射する集光レンズと、前記集光レンズからの出射光を２つの異なる直線偏光に
分離して、一方の直線偏光を透過し、他方の直線偏光を
反射する偏光分離合成素子と、前記偏光分離合成素子で反射された他方の直線偏光を反
射して前記偏光分離合成素子に再度入射することによ
り、その他方の直線偏光をその偏光分離合成素子で反射
して前記第２マルチレンズアレイ側へ出射する反射鏡
と、前記第１マルチレンズアレイの焦点近傍位置に平行状に
配置され、前記反射鏡及び前記偏光分離合成素子で反射
されて出射された他方の直線偏光の偏光と反射によって
その他方の直線偏光を一方の直線偏光と同じ直線偏光に
変換して前記偏光分離合成素子へ再度入射して透過させ
る偏光回転素子と偏光反射素子とによって構成された偏
光変換素子と、前記偏光分離合成素子を透過した前記一方の直線偏光と
他方の直線偏光との全ての光束によって照明され、映像
信号の印加により前記一方の直線偏光と他方の直線偏光
との全てを変調して出射する空間光変調素子と、前記空間光変調素子からの出射光を投射する投射レンズ
とを備えたことを特徴とする投射表示装置。