JP2005258469A - 照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光源から出射される照明光の有効利用を図り、明るい画像表示を実現する。
【解決手段】 発光部１２から発光された光を反射する湾曲形成された反射面を有する反射鏡１６とを有する光源２７から出射された光束内の光強度分布を均一化するロッドインテグレータ２６と、ロッドインテグレータ２６から出射される光束を照明光として出射するレンズ系３０，２０とを有する照明光学系と、照明光学系から出射され光束のうち、照明光として用いられない不要光を、光源２７側に反射させるように配置された第１の反射素子６と、光源２７からの光束を透過する開口部が設けられ、ロッドインテグレータ２６の光源２７からの光束が入射される一端部側に配設され、第１の反射素子６により反射され、ロッドインテグレータ２６を透過した不要光を反射し、ロッドインテグレータ２６を介して上記レンズ系側に反射する第２の反射素子１４を備える。
【選択図】 図２２

Description

本発明は、照明装置に関し、特に、投射型の画像表示装置に用いられる照明装置に関する。

従来、照明装置と、この照明装置によって照明される変調素子と、この変調素子の像を結像させる投射レンズとを備えた投射型の画像表示装置が提案されている。このような画像表示装置は、照明装置の光源として放電ランプを用い、変調素子として液晶を用いて、比較的大型の画像表示装置として実用化されている。

このような画像表示装置においては、１個の変調素子の各画素にカラーフィルタを配置する構造や、時分割でカラー表示するいわゆるシーケンシャルカラー表示方式を採用することにより、装置の低コスト化が図られてはいるが、光利用効率が低く、消費電力が大きいことが問題となっている。

光利用効率が低い原因としては、変調素子が入射光の偏光状態を変調する非発光の素子であるため、光源から発せられる光束を偏光成分により分離しその後合成する手段が必要であり、自発光の表示装置と違い、黒表示においても光源が発光していること、変調素子の開口率で決まる光利用効率に応じた損失があることである。

このような問題点を解決するため、特開平６−２８１８１４号公報（特許文献１）に記されるようなものが提案されている。

特開平６−２８１８１４号公報

ところで、従来提案されている照明装置では、製造プロセスが複雑であり、製造が煩雑であるとともにコスト高ともなっている。

また、上記特許文献１に記載される照明装置は、画像表示装置として必要なコントラストを得るために、吸収型の偏光板（他方の偏光を吸収する偏光板）と併用することが必要であり、光利用効率を向上させることが困難であった。

そこで、本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、構成の複雑化や製造の煩雑化を招くことなく、照明光の利用効率を向上した照明装置を提供しようとするものである。

上述の課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、発光部とこの発光部から発光された光を反射する湾曲形成された反射面を有する反射鏡とを有する光源と、上記光源から出射された光束内の光強度分布を均一化するロッドインテグレータと、上記ロッドインテグレータから出射される光束を照明光として出射するレンズ系とを有する照明光学系と、上記照明光学系から出射され光束のうち、照明光として用いられない不要光を、上記光源側に反射させるように配置された第１の反射素子と、上記光源からの光束を透過する開口部が設けられて、上記ロッドインテグレータの上記光源からの光束が入射される一端部側に配設され、上記第１の反射素子により反射され、上記ロッドインテグレータを透過した上記不要光を反射し、上記ロッドインテグレータを介して上記レンズ系側に反射する第２の反射素子を備える。

本発明に係る照明装置は、上記ロッドインテグレータの上記照明光を出射するレンズ系を構成するリレーレンズとフィールドレンズとの間にコンデンサレンズを配置し、上記光源から上記ロッドインテグレータまでの光学系の光軸に対して、上記コンデンサレンズ以降の光学系の光軸を平行にずらすとともに、上記コンデンサレンズの光源側に、上記第１の反射素子により反射された上記不要光を上記第１の反射素子側に反射させる更なる反射素子を備えるようにしたものである。

本発明に係る照明装置は、不要光が、第１反射素子に光源側に反射され、照明光として利用できるので、照明光の利用効率が向上する。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

〔一般的な照明装置の概要〕
本発明の説明に先立って、偏光状態を変調する変調素子を用いた画像表示装置における一般的な照明装置を説明する。この照明装置は、図１に示すように、光源１、インテグレータ素子２、偏光変換素子３及びコンデンサレンズ群４からなる。この照明装置から出射された照明光は、変調素子５に入射する。また、３原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）の表示に対応する変調素子に対応するため、偏光変換素子３と変調素子５との間には、色分離素子が配置される場合がある。

インテグレータ素子２は、光源１から出射された光束内の光強度分布のムラを平均化する。偏光変換素子３は、光源１から発せられた光束を、偏光成分に応じて分離し、また、合成する機能を有する素子である。コンデンサレンズ群４は、インテグレータ素子３から出射された光束を変調素子５に効率よく入射させるための素子である。このコンデンサレンズ群４は、インテグレータ素子２の像を、変調素子５上に結像するレンズである。

〔照明装置の概要〕
本発明に係る照明装置は、光源より発せられた光束のうちの変調素子を照明しない不要光を光源側に反射する第１の反射素子と、この第１の反射素子により反射された光束を変調素子側に反射する第２の反射素子とを備えている。これら反射素子により、不要光を照明光として再利用することが可能となり、光源そのものの発光強度を上げることなく、表示画像を明るくすることが可能となる。

このような、不要光の照明光としての再利用が可能となされた照明装置を、以下の説明では、「リサイクル型照明装置」と呼ぶこととする。本発明においては、この「リサイクル型照明装置」を使用して、以下に示すような画像表示装置を構成することができる。

（１）偏光型リサイクル照明装置を備えた画像表示装置
（２）変調素子の開口率を実効的に改善する照明装置を備えた画像表示装置
（３）高効率単板カラー画像表示装置
（４）高効率シーケンシャルカラー画像表示装置
（５）ピーク輝度を改善した画像表示装置
これら画像装置に用いられる各照明装置については、後述する。

〔リサイクル型照明装置の基本型〕
リサイクル型照明装置は、図２に示すように、光源１、インテグレータ素子２、図示しない偏光変換素子、コンデンサレンズ群４からなる照明光学系を有し、さらに、第１の反射素子６を有している。ここで、光源１には、回転放物面の反射鏡である放物面鏡７を備えた放電ランプが用いられている。発光部である放電ランプの発光点は、放物面鏡７の焦点に位置している。インテグレータ素子２としては、第１のフライアイ（fly-eye）レンズ面８及び第２のフライアイレンズ面９を有するフライアイインテグレータとして示している。このインテグレータ素子２の後に、図示しない偏光変換素子が配置されている。コンデンサレンズ群４は、コンデンサレンズ１０及びフィールドレンズ１１からなるものとして示している。第１の反射素子６は、ここでは、光軸に垂直な平面鏡として示している。

ここからの説明では、光源１から第１の反射素子６に達する光束を１次光と称し、第１の反射素子６により反射された後の光束をリサイクル光と称する。図２においては、１次光の代表的な光束を実線で示し、この１次光に対応するリサイクル光を破線で示している。

すなわち、放物面鏡７の焦点に位置する放電ランプの発光点から出射された１次光は、放物面鏡７により反射されて平行光束となり、フライアイインテグレータの第１のフライアイレンズ面８に垂直に入射する。この１次光は、第１のフライアイレンズ面８の各分割エレメントごとに収束され、第２のフライアイレンズ面９の各分割エレメント上に集光する。すなわち、１次光の光源像は、第２のフライアイレンズ面９の各分割エレメント上に結像する。そして、１次光は、第２のフライアイレンズ面９、コンデンサレンズ群４を経て、第１の反射素子６に至る。この照明光学系は、第１の反射素子６の位置において、主光線が光軸に平行となっており、すなわち、テレセントリック光学系となっている。

ここで、第１のフライアイレンズ面８の各分割エレメントと、第１の反射素子６とは、共役の関係となっている。また、第２のフライアイレンズ面９と、光源１の発光点とは、共役の関係となっており、第１のフライアイレンズ面８の対応する分割エレメントが絞りの作用を奏する。

そして、第１の反射素子６に反射されたリサイクル光は、フライアイインテグレータ素子２に戻る。このリサイクル光のうち、第２のフライアイレンズ面９において１次光が通過した範囲を通過した光束で、かつ、対応する第１のフライアイレンズ面８を通過した光束は、発光点に結像する。

実際には、放物面鏡７の大きさが有限であり、光源１を形成するガラスバルブが遮蔽物となるため、発光点に戻る過程で遮光されるリサイクル光が存在する。

〔リサイクル効率を改善する照明装置〕
本発明に係る画像表示装置に用いられる照明装置では、図３に示すように、第１の反射素子６を、光軸に対して傾けるとともに、第２の反射素子となる反射板１４を設けることにより、照明光のリサイクル効率を改善している。この照明装置は、光源１、インテグレータ素子２、図示しない偏光変換素子、コンデンサレンズ群４からなる照明光学系を有し、さらに、第１の反射素子６を有している。ここで、光源１は、回転楕円面の反射鏡である楕円鏡１６を備えた放電ランプとして示しており、発光点が楕円鏡１６の第１の焦点上に位置している。コンデンサレンズ群４は、コンデンサレンズ（リレーレンズ）１０及びフィールドレンズ１１の２枚のレンズにより構成されている。

そして、楕円鏡１６の第２の焦点位置には、絞りを兼ねた反射板１４が配置されている。この反射板１４は、反射率の高い材料により形成され、インテグレータ素子２第２のフライアイレンズ面９から各分割エレメントごとに出射される光束に対応した開口パターンを有している。

コンデンサレンズ１０の像側焦点距離は、フィールドレンズ１１の近傍となるように設定されている。この照明光学系は、第１の反射素子６の位置において、主光線が光軸に平行となっており、すなわち、テレセントリック光学系となっている。この照明光学系において、第１の反射素子６に反射されたリサイクル光は、第１の反射素子６が光軸に対して傾いているために、反射板１４の開口パターンからずれた位置に戻り、この反射板１４によって反射される。反射板１４によって反射されたリサイクル光は、再び第１の反射素子６に戻る。図３においては、１次光の代表的光線を実線で示し、リサイクルの経路を破線で示している。

この照明装置は、図４に示すように、コンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸を適当量平行にずらして構成してもよい。ここで、光軸をずらす適当量とは、フライアイインテグレータ２におけるエレメントの分割ピッチの１／４程度である。図４においても、１次光の代表的光線を実線で示し、リサイクルの経路を破線で示している。

これら図３及び図４に示す照明装置において、反射板１４の開口径は、被照明物のエテンデュー（Etendue）によって概ね決まるが、被照明物のアスペクト比、リサイクルの効率を考慮して決定する。

また、第２のフライアアイレンズ面９と反射板１４の位置は、概ね共役の位置となっている。つまり、第１の反射素子６で反射されたリサイクル光は、第２のフライアイレンズ面９に１次光の照度分布とは違う照度分布を形成し、その各エレメントの照度パターンが反射板１４の位置に重ね合わされる。例えば、第２のフライアイレンズ面９の各エレメント形状が同一の矩形形状であれば、リサイクル光の反射板１４における照度パターンは、各エレメント形状に対応する中央の開口部分の照度が低い矩形形状となる。

また、第１の反射素子６での反射光のパターンは、第１のフライアイレンズ面８の各分割エレメントにおいて相似パターンを形成する。第１のフライアイレンズ面８とコンデンサレンズ群４の像側焦点位置が一致している場合、再び第１のフライアイレンズ面８に達した時点で、光軸に対して対称位置に戻る。第１のフライアイレンズ面８の構成が光軸に対して対称なレイアウトとなっている場合は、反射パターンの対称パターンが第１のフライアイレンズ面８の各分割エレメント上に形成され、再び第１の反射素子６を照度を均一化されずに照明する。照度の均一化を目的とする場合には、フィールドレンズ１１と第１のフライアイレンズ面８との間に間隔をとるほうがよい。主光線以外の光線は、第１のフライアイレンズ面８の位置において対称関係とはならないため、リサイクル光の照度の均一化が可能となる。

本発明に係る照明装置は、図５に示すように、楕円鏡１６を有する光源１、楕円鏡１６の第２の焦点上に配置されるリレーレンズ２０、このリレーレンズ２０の近傍に配置される反射板１４、フィールドレンズ２１、反射型偏光板１９、フライアイインテグレータ２、コンデンサレンズ１０、フィールドレンズ１１及び第１の反射素子６を順次配列させて構成した場合において、コンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸を平行にずらして構成することができる。

反射板１４は、中央部分が開口部となっており、リレーレンズ２０に対する絞りの機能を果たしている。

この照明装置において、反射型偏光板１９により反射されたリサイクル光は、フィールドレンズ２１、リレーレンズ２０、楕円鏡１６を介して、光源１の発光点に戻る。第１の反射素子６において反射されたリサイクル光は、反射板１４によって反射されて、再び第１の反射素子６に戻る。この図５においても、１次光の代表的光線を実線で示し、リサイクルの経路を破線で示している。

〔第１の反射素子について〕
第１の反射素子は、必ずしも第１の反射素子として特別の素子を付加しなければならないものではない。すなわち、本来は別の目的で不要光を反射するために存在する素子を、第１の反射素子として使用することができる。この第１の反射素子となり得る素子としては、反射型偏光板、偏光ビームスプリッタ、遮光層、反射型変調素子の反射層、反射型カラーフィルタ等が挙げられる。具体的な配置については、後述する。

〔リサイクル効率を改善するための要件〕
照明光についてのリサイクル効率を改善するための要件としては、下記の４つの要件が挙げられる。
（１）第１の反射素子とインテグレータが光学的共役点の関係であること。
（２）照明装置を構成する部材の表面反射が極力少ないこと。
（３）戻り光を効率良く反射する構造が備わっていること。
（４）変調素子のエテンデュー（Etendue）がリサイクルの過程で増大する光源のエテンデュー（Etendue）を許容する大きさであること。

第１の要件については、前述した通りである。

第２の要件を満たすためには、各光学部品に反射防止膜を施すとともに、一体化できる部品については一体化することによって反射面を少なくすることが必要である。例えば、放電バルブを構成するガラス表面にも反射防止膜が施されていることが望ましい。また、図２において、Ｐ−Ｓ変換素子、コンデンサレンズ１０及びフライアイインテグレータの第２のフライアイレンズ面９は、光学的に密着させる。

第３の要件に関しては、後述する。

第４の要件である「変調素子のエテンデュー（Etendue）」は、変調素子に照明される照明面積と照明光の立体角の積で表される。これに対して、「光源のエテンデュー（Etendue）」は、発光面積と出射光の放射立体角の積で表される。例えば、放物面鏡と放電バルブからなる光源においては、「光源のエテンデュー」は、放物面鏡の開口部の面積とその位置における出射光の放射立体角との積である。不要光を光源側に戻し、これを再度変調素子側に反射する過程において、光源のエテンデュー（Etendue）は増大することとなる。変調素子のエテンデュー（Etendue）が光源のエテンデューに比較して相対的に小さい場合には、リサイクル光は、目的とする照明範囲より大きな範囲を照明することとなり、リサイクル効率が低下する。

〔リサイクル効率を改善する光源の構成（１）〕
前述したように、リサイクル光は、光源が放物面鏡を備える場合において、この放物面鏡の開口部に不要光が戻った時点において、１次光と同じ位置、角度には完全には一致しない。また、リサイクル光は、製造上における光学素子の位置合わせにズレがある場合にも、光源の発光点に戻らなくなる。この点を改善した構造としては、図６に示すように、放物面鏡７を備えた光源において、この放物面鏡７の開口端に設けられた保護ガラス（フェースプレート）１３の表面１３ｂ若しくは裏面１３ａに、第２の反射素子となる反射板１４ａ，１４ｂを付加することが考えられる。この反射板１４ａ，１４ｂは、保護ガラス１３の中央部及び周辺部に位置しており、保護ガラス１３にアルミ、銀等の金属材料からなる薄膜や誘電体多層膜を形成することによって設けてもよく、また、保護ガラス１３とは別体の基板を有する反射板を反射板１３に近接させて配置することによって設けてもよい。

なお、発光点はガラスチューブからなるバルブ１２中にあり、ガラスチューブの表面には、反射防止膜１５が形成されている。

すなわち、一般的には、放物面鏡７とバルブ１２とからなる光源において、放物面鏡７の開口端の全領域が光源として有効なのではなく、図７に示すように、バルブ１２の正面である中央部と、周辺部とは、放物面鏡７によって反射された照明光が透過しない無効な領域となる。そこで、このような無効な領域に、反射板１４ａ，１４ｂを形成する。

そして、反射板１４ａ，１４ｂは、なるべく光源の発光点に近い位置に形成されていることが望ましい。なぜなら、図７に示すように、反射板１４ａ，１４ｂが発光点から離れていると、リサイクル光のうち、バルブ１２のガラスチューブによって遮光される光束の比率が増えてしまうからである。そこで、図８に示すように、反射板１４ａ，１４ｂは、保護ガラス１３の裏面１３ａに形成することによって発光点に近づけたほうが、保護ガラス１３の表面１３ｂに形成するよりも望ましい。また、反射板１４ａ，１４ｂの位置は、放物面鏡７の有効範囲に近いほうが望ましいといえる。反射板１４ａ，１４ｂが放物面鏡７の有効範囲から遠くなると、不要な１次光（発光点から直接発光された光）を充分に遮光できず、かつ、光源側に戻すべき反射光を反射してしまう比率が高くなるからである。

また、保護ガラス１３の周囲部の反射板１４ｂは、図９に示すように、光軸に対して適度に傾斜させておいてもよい。すなわち、この場合、反射板１４ｂは、円錐面、または、球面の一部である形状となる。反射板１４ｂを傾斜させない場合には、この反射板１４ｂにより反射された光束は、第１のフライアイレンズ面８において、半径方向に大きく拡がった範囲に達する。反射板１４ｂを傾斜させることにより、第１のフライアイレンズ面８において、この反射板１４ｂにより反射された光束が拡がらないようにすることができる。なお、反射板１４ｂの傾斜角は、放物面鏡７の焦点距離と発光点の大きさとの関係によって決まる。

〔リサイクル効率を改善する光源の構成（２）〕
光源を、図１０に示すように、バルブ１２と、上述の放物面鏡に代えて回転楕円面形状の楕円鏡１６と、保護ガラス１３とを用いて構成した場合にも、放物面鏡を用いた光源の場合と同様に、反射板１４ａ，１４ｂを、保護ガラス１３上であって１次光が透過しない無効な領域に形成する。すなわち、反射板１４ａ，１４ｂは、保護ガラス１３の中央部及び周辺部に形成する。

但し、楕円鏡１６においては、放物面鏡と違って、保護ガラス１３上に単に反射板１４ａ，１４ｂを形成しただけでは有効ではない。すなわち、この光源においては、発光点が楕円鏡１６の第１の焦点上に置かれているので、この発光点から発せられた光（１次光）は、楕円鏡１６の第２の焦点上に結像する。そのため、リサイクル光を有効にするためには、反射板により反射された光束を、楕円鏡１６の第２の焦点に結像させる必要がある。そのため、反射板１４ａ，１４ｂの近傍に、集光レンズ１７ａ，１７ｂを配置する。これら集光レンズ１７ａ，１７ｂは、反射板１４ａ，１４ｂに対応して保護ガラス１３の中央部及び周辺部に配置される円形及び円環状のレンズであって、焦点位置を楕円鏡１６の第２の焦点に一致させるようになされている。集光レンズ１７ａ，１７ｂによって楕円鏡１６の第２の焦点を経たリサイクル光は、上述したように、第１の反射素子においてテレセントリックとなる。したがって、第１の反射素子により反射されたリサイクル光は、楕円鏡１６の第２の焦点に戻り、その後、有効な光束となる。

〔リサイクル効率を改善する光源の構成（３）〕
光源は、図１１に示すように、放物面鏡７を備えたバルブ１２、１／４波長板１８、及び、反射型円偏光板１９を備えた構成とすることができる。前述したように、放物面鏡７による反射における位相変化は、１８０°とは限らず、また、入射角度や波長によっても変化する。そこで、この光源においては、１／４波長板１８及び反射型円偏光板１９の作用により、放物面鏡７の入射面に対して、Ｐ偏光若しくはＳ偏光に揃えるようにしている。１／４波長板１８は、図１２に示すように、放物面鏡７の中心軸を対称軸として、放射線状に複数（偶数個）の領域１８ａ，１８ｂ，１８ｃ，１８ｄ，１８ａ´，１８ｂ´，１８ｃ´，１８ｄ´に分割されている。これら各領域の遅相軸は、各領域における中心部と放物面鏡７の中心軸とを結ぶ直線に対して、４５°をなす方向となっており、かつ、放物面鏡７の中心軸を介して対称となる位置関係の領域の遅相軸に対して、直交する方向となっている。なお、１／４波長板１８とバルブ１２の保護ガラス１３の間には、図示しない紫外線、赤外線カットフィルタが形成されている。

反射型円偏光板１９としては、コレステリック液晶ポリマ円偏光板を使用することができる。また、１／４波長板１８は、広帯域の波長域で機能するものが望ましい。なお、空気界面には、反射防止膜が形成されている。

バルブ１２から出射された光は、１／４波長板１８を通過することにより直線偏光に変化され、反射型円偏光板１９に至る。このとき、この光の偏光軸は、反射型円偏光板１９の入射面に対してＰ偏光若しくはＳ偏光となる。そして、この反射型円偏光板１９においては、一方の方向の偏光が光源側に反射される。

反射型円偏光板１９により反射された光は、１／４波長板１８を経て、放物面鏡７において２回反射されて、再び１／４波長板１８に至る。このとき、この光は、反射型円偏光板１９により反射されたときに透過した１／４波長板１８の領域（例えば１８ａ）に対して、放物面鏡７の中心軸を介して対称となっいる領域（例えば１８ａ´）に至る。そして、この光は、すでに１／４波長板１８及び反射型円偏光板１９を経ているため、Ｐ偏光若しくはＳ偏光に揃っており、位相差を発生していない。したがって、遅相軸が直交する方位となっている１／４波長板１８の領域を通過することにより、反射型円偏光板１９への始めの入射時とは逆方向の円偏光となり、この反射型円偏光板１９を通過する。このようにして、この光源においては、偏光の変換が行われる。

なお、図１１においては、１／４波長板１８及び反射型円偏光板１９は、放物面鏡７に一体化された保護ガラス１３に一体化された構成としているが、この保護ガラス１３に対して別体とした構造としてもよい。

但し、１／４波長板１８は、放物面鏡７にできるだけ近い位置に配置されることが望ましい。なぜなら、１／４波長板１８が放物面鏡７から離れた位置に配置されると、光軸に対して傾き角度が大きい光束が放物面鏡７における２回の反射を受けて再び１／４波長板１８に達したとき、対称関係にある１／４波長板１８の領域を通過しなくなる可能性が大きくなるからである。

また、反射型円偏光板１９の位置が放物面鏡７から離れるにしたがい、この反射型円偏光板１９による反射光は、周縁部の反射板１４ｂに達する可能性が大きくなる。この場合、この光は、１／４波長板１８を通過せずに、円偏光として反射板１４ｂに達する。この光は、反射板１４ｂに反射されるときに位相が１８０°変化して逆の円偏光となり、反射型円偏光板１９を通過する。この場合には、放物面鏡７による反射やバルブ１２の影響を受けないため、照明光の効率が改善する場合がある。

なお、上述したような１／４波長板と円偏光板との組合わせではなく、二分の一（１／２）波長板と反射型直線偏光板との組合わせでも、同様の作用を発揮する光源を構成することが可能である。

〔リサイクル効率を改善する光源の構成（４）〕
光源は、図１３に示すように、楕円鏡１６を備えたバルブ１２、１／４波長板１８、リレーレンズ２０、フィールドレンズ２１及び反射型円偏光板１９を備えて構成されたものとしてもよい。

図１４に示すように、放物面鏡７を備えた光源の場合、放物面鏡７の焦点位置から外れた光束は、反射型円偏光板１９において反射されて、再びバルブ１２に進入したとき、このバルブ１２の電極等の遮蔽物に遮光される可能性がある。そこで、この楕円鏡１６を備えた光源においては、図１５に示すように、バルブ１２の発光点を楕円鏡１６の第１の焦点位置に配置し、この楕円鏡１６の第２焦点位置にリレーレンズ２０を配置するとともに、楕円鏡１６における反射位置とリレーレンズ２０についての概ね共役点に、反射型円偏光板１９を配置することとしている。そして、反射型円偏光板１９への入射光については、フィールドレンズ２１によって、テレセントリックな状態を設定している。

反射型円偏光板１９により反射された光束は、楕円鏡１６によって１次光が反射された位置と同じ位置に戻る。そして、ここで楕円鏡１６に反射された光束は、楕円鏡１６の第１の焦点を中心として発光点と対称である位置に戻る。つまり、この光束は、バルブ１２の放電電極等に遮光される比率が少ない。

１／４波長板１８は、上述した〔光源構造（３）〕におけると同様に、図１２に示すように、遅相軸方位の異なる複数の領域に放射状に分割されており、図１３に示すように、保護ガラス１３の近傍に配置されている。この１／４波長板１８は、反射型円偏光板１９とフィールドレンズ２１との間に配置しても、同様の効果を得ることができる。

この１／４波長板１８は、広帯域の波長域で機能するものが望ましい。また、１／４波長板１８と放電ランプの保護ガラス１３との間には、図示しない紫外線、赤外線カットフィルタが形成されている。

反射型円偏光板１９としては、コレステリック液晶ポリマ円偏光板を使用することができる。なお、空気界面には、反射防止膜２３が形成されている。

バルブ１２から出射された光は、１／４波長板１８を通過することにより直線偏光に変化され、反射型円偏光板１９に至る。このとき、この光の偏光軸は、反射型円偏光板１９の入射面に対してＰ偏光若しくはＳ偏光となる。そして、この反射型円偏光板１９においては、一方の方向の偏光が光源側に反射される。

反射型円偏光板１９により反射された光は、１／４波長板１８を経て、楕円鏡１６において２回反射されて、再び１／４波長板１８に至る。このとき、この光は、反射型円偏光板１９により反射されたときに透過した１／４波長板１８の領域（例えば１８ａ）に対して、楕円鏡１６の中心軸を介して対称となっいる領域（例えば１８ａ´）に至る。そして、この光は、すでに１／４波長板１８及び反射型円偏光板１９を経ているため、Ｐ偏光若しくはＳ偏光に揃っており、位相差を発生していない。したがって、遅相軸が直交する方位となっている１／４波長板１８の領域を通過することにより、反射型円偏光板１９への始めの入射時とは逆方向の円偏光となり、この反射型円偏光板１９を通過する。このようにして、この光源においては、偏光の変換が行われる。

なお、上述したような１／４波長板と円偏光板との組合わせではなく、二分の一（１／２）波長板と反射型直線偏光板との組合わせでも、同様の作用を発揮する光源を構成することが可能である。
〔リサイクル効率を改善する照明装置の構成（１）〕
また、この照明装置は、図１６に示すように、ロッドインテグレータ２６を使って構成することもできる。ロッドインテグレータ２６は、透明材料からなる角柱状の光学素子であり、一端部より光束が入射され、他端部より出射する。この照明装置は、楕円鏡１６を有する光源２７と、ロッドインテグレータ２６と、これら光源２７及びロッドインテグレータ２６間に、リレーコンデンサ光学系を配置して構成されている。リレーコンデンサ光学系は、コンデンサレンズ２８及びリレーレンズ２９からなり、楕円鏡１６の第２の焦点位置にコンデンサレンズ２８が配置され、このコンデンサレンズ２８の焦点位置にリレーレンズ２９が配置されている。

ロッドインテグレータ２６の光源２７からの光束が入射される一端部の近傍には、開口を設けた反射板１４が配置されている。この反射板１４は、図１７中の（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えば、ロッドインテグレータ２６の光源２７側の端面に形成することができる。

そして、ロッドインテグレータ２６の光束入射端側には、リレーレンズ系３０，２０、フィールドレンズ２１及び第１の反射素子６が配置されている。

第１の反射素子６により反射されたリサイクル光は、ロッドインテグレータ２６の光束入射端に戻ったときに、このロッドインテグレータ２６によって照度を均一化されている。そのため、反射板１４の開口部以外の部分に戻ったリサイクル光は、この反射板１４によって反射される。反射板１４で反射された光束は、１次光と同様に、ロッドインテグレータ２６によって均一化された状態で、被照明物を効率良く照明する。開口部を通過したリサイクル光は、光源２７に戻る。この過程が繰り返されることにより、照明光のリサイクルが達成される。

なお、光源としては、放物面鏡を有するものを使用してもよい。

〔リサイクル効率を改善する照明装置の構成（２）〕
また、この照明装置は、図１８に示すように、光学系の一部の光軸を他の光学系の光軸に対して平行にずらして構成することもできる。この照明装置は、図１６に示す照明装置におけるリレーレンズ２０とフィールドレンズ２１との間に、さらに、コンデンサレンズ１０を追加するとともに、このコンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸を、光源２７からリレーレンズ２０までの光学系の光軸に対して平行にずらして構成されている。そして、コンデンサレンズ１０の光源側には、リレーレンズ２０までの光学系の光軸に対してコンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸を中心として対称な位置に、反射板１４ｃが配置されている。

この正面装置において、第１の反射素子６によって反射されたリサイクル光は、反射板１４ｃに達し、この反射板１４ｃにより反射されて、コンデンサレンズ１０及びフィールドレンズ２１を経て再び第１の反射素子６に達する。ここで、再度第１の反射素子６によって反射されたリサイクル光は、ロッドインテグレータ２６に戻る。このリサイクル光は、ロッドインテグレータ２６の光源側の端部に戻ったときに、このロッドインテグレータ２６によって照度を均一化されている。そのため、反射板１４の開口部以外の部分に戻ったリサイクル光は、この反射板１４によって反射される。反射板１４で反射された光束は、１次光と同様に、ロッドインテグレータ２６によって均一化された状態で、被照明物を効率良く照明する。開口部を通過したリサイクル光は、光源２７に戻る。この過程が繰り返されることにより、照明光のリサイクルが達成される。

〔偏光変換機能を備えた画像表示装置の構成（１）〕
本発明に係る照明装置を用いた画像表示装置は、例えば、図１９に構成することができる。この画像表示装置は、図１９中の（ａ）に示すように、楕円鏡１６を備えた光源２７、リレーレンズ２８、フィールドレンズ２９、開口部を有する反射板１４、ロッドインテグレータ２６、コンデンサレンズ３０、リレーレンズ２０、反射板１４ｃ、コンデンサレンズ１０、フィールドレンズ２１、反射型偏光板６からなる照明装置に、変調素子３１を加えることによって構成される。コンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸は、光源２７からリレーレンズ２０までの光学系の光軸に対して、平行にずれて配置されている。この画像表示装置においては、照明装置２７と反射型偏光板６とにより、偏光変換機能が達成される。上述した実施の形態と同様に、反射型偏光板６としては、コレステリック液晶ポリマ円偏光板を使用する。

光源２７から出射された照明光は、リレーレンズ２８、フィールドレンズ２９、ロッドインテグレータ２６、コンデンサレンズ３０、リレーレンズ２０、コンデンサレンズ１０及びフィールドレンズ２１を経て反射型偏光板６に至り、図１９中の（ｂ）に示すように、この反射型偏光板６において、一方の円偏光が透過し、他方の円偏光が反射される。反射された円偏光は、反射板１４ｃに至り、この反射板１４ｃで反射されることにより、逆回りの円偏光となる。この光は、再度、反射型偏光板６に達し、この反射型偏光板６を透過する。このようにして反射型偏光板６を透過した光は、変調素子３１に至り、この変調素子３１によって、表示画像に応じた空間変調を施される。

なお、変調素子３１に直線偏光を入射させる必要がある場合には、反射型偏光板６と変調素子３１との間に、１／４波長板を配置すればよい。さらに、吸収型の偏光板を付加することで、不要な偏光を遮断することができる。

また、反射型偏光板としては、反射型直線偏光板を使用してもよい。この場合には、反射板１４上、あるいは、反射型直線偏光板の光源側に、１／４波長板を配置するようにする。

〔偏光変換機能を備えた画像表示装置の構成（２）〕
この画像表示装置は、図２０中の（ａ）、図２１中の（ａ）及び図２２に示すように、楕円鏡１６を備えた光源２７、リレーレンズ２８、フィールドレンズ２９、開口部を有する反射板１４、ロッドインテグレータ２６、コンデンサレンズ３０、リレーレンズ２０、反射板１４ｃ、コンデンサレンズ１０、フィールドレンズ２１を備え、さらに、偏光ビームスプリッタ３２を介して、変調素子３１を配置して構成してもよい。コンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸は、光源２７からリレーレンズ２０までの光学系の光軸に対して、平行にずらされている。また、コンデンサレンズ１０と反射板１４ｃとの間には、１／４波長板３４が配置してある。そして、この画像表示装置においては、偏光ビームスプリッタ３２によって、偏光変換機能が達成される。

すなわち、図２０中の（ａ）に示すように、フィールドレンズ２１より偏光ビームスプリッタ３２を通過した位置に反射板３３を配置し、この偏光ビームスプリッタ３２の側面に変調素子３１を配置する。これら反射板３３及び変調素子３１は、偏光ビームスプリッタ３２内の反射面を介して、互いにフィールドレンズ２１からの光路長が等しくなされて配置されている。

この画像表示装置においては、光源２７よりの出射光は、照明光学系を経て偏光ビームスプリッタ３２に達する。この照明光は、図２０中の（ｂ）に示すように、この偏光ビームスプリッタ３２において、この偏光ビームスプリッタ３２の反射面に対するＳ偏光は、反射面により反射されて変調素子３１に到達し、Ｐ偏光は、反射面を透過して反射板３３に到達しこの反射板３３により反射される。この反射板３３により反射されたリサイクル光は、光路を逆に辿って１／４波長板３４を経て反射板１４ｃにより反射され、再び１／４波長板３４を透過することによりＳ偏光に変換されて、再度偏光ビームスプリッタ３２に至る。このとき、リサイクル光は、偏光ビームスプリッタ３２の反射面に対するＳ偏光となっているので、反射面により反射されて変調素子３１を照明する。

なお、コンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸をずらす方向は、図２０中の（ｃ）に示すように、光軸の移動によってフィールドレンズ２１と偏光ビームスプリッタ３２の反射面との距離が変化しない方向であることが望ましい。光軸の移動に相当する光束の入射角度の広がりを許容するためである。また、この構成においては、後述するピーク輝度を改善する効果もある。

そして、１つのビームスプリッタによっては目的とする消光比が得られない場合には、図２１中の（ａ）及び（ｂ）に示すように、補助的に偏光ビームスプリッタを追加した構成とすることができる。すなわち、この画像表示装置においては、フィールドレンズ２１より、２個の偏光ビームスプリッタ３５，３２を通過した位置に反射板３３を配置し、２個めの偏光ビームスプリッタ３２の側面に変調素子３１を配置する。また、１個めの偏光ビームスプリッタ３５の側面には、光路長調整ブロック３６を介して、反射板３７が配置されている。これら反射板３３、変調素子３１及び反射板３７は、各偏光ビームスプリッタ３５，３２内の反射面を介して、互いにフィールドレンズ２１からの光路長が等しくなされて配置されている。そして、２個の偏光ビームスプリッタ３５，３２は、反射面において光束を反射させたときの反射光の方向が直交する位置関係となされている。

この画像表示装置においては、図２０中の（ａ）に示した画像表示装置と同様に、リサイクル光を変調素子３１に戻すことができるが、偏光ビームスプリッタが２個重ねられていることにより、より高い消光比を得ることができる。

さらに、変調素子として、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の三原色に対応した３枚の変調素子を使用する場合においては、図２２に示すように、フィールドレンズ２１より、偏光ビームスプリッタ３２及び光路長調整ブロック３６を通過した位置に反射板３３を配置し、偏光ビームスプリッタ３２の側面に色分離プリズム３７，３８，３９を介して、各色用の変調素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃを配置する。これら反射板３３及び各変調素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、偏光ビームスプリッタ３２内の反射面を介して、光路長調整ブロック３６及び色分離プリズム３７，３８，３９を透して、互いにフィールドレンズ２１からの光路長が等しくなされて配置されている。

この画像表示装置においては、照明光が色分離プリズム３７，３８，３９によってＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の三原色に分離され、各変調素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃが表示画像のＲ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の各色成分に応じた変調を行い、これら変調素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃを経た光束が再び合成されることによって、画像表示が行われる。

なお、図２２においては、コンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸のずれの方向が紙面と垂直な方向となっているために、図においては光軸のずれが表示されていないが、光源２７からフィールドレンズ２１までの光学系の構成は、図２０中の（ａ）及び図２１中の（ａ）に示しているものと同様である。

〔ピーク輝度を改善するための照明装置の構成（１）〕
また、本発明に係る照明装置を用いた画像表示装置は、図２３に示すように、楕円鏡１６を備えた光源２７、リレーレンズ２８、フィールドレンズ２９、開口部を有する反射板１４、ロッドインテグレータ２６、コンデンサレンズ３０、リレーレンズ２０、反射板１４ｃ、コンデンサレンズ１０、フィールドレンズ２１、反射型偏光板６、透過型の変調素子３１、さらに、検光子となる反射型偏光板６を順次配列させて構成することができる。コンデンサレンズ１０以降の光学系の光軸は、光源２７からリレーレンズ２０までの光学系の光軸に対して、平行にずれて配置されている。

この画像表示装置においては、照明装置２７と反射型偏光板６とにより、偏光変換機能が達成される。上述した実施の形態と同様に、反射型偏光板６としては、コレステリック液晶ポリマ円偏光板を使用する。

光源２７から出射された照明光は、リレーレンズ２８、フィールドレンズ２９、ロッドインテグレータ２６、コンデンサレンズ３０、リレーレンズ２０、コンデンサレンズ１０及びフィールドレンズ２１を経て反射型偏光板６，６に至り、この反射型偏光板６，６において、一方の円偏光が透過し、他方の円偏光が反射される。反射された円偏光は、反射板１４ｃに至り、この反射板１４ｃで反射されることにより、逆回りの円偏光となる。この光は、再度、反射型偏光板６に達し、この反射型偏光板６を透過する。このようにして反射型偏光板６を透過した光は、変調素子３１に至り、この変調素子３１によって、表示画像に応じた空間変調を施される。

この画像表示装置において、検光子となる反射型偏光板６においては、図２５に示すように、コレステリック液晶ポリマ円偏光板を変調素子３１の内部に形成してある。すなわち、この変調素子３１は、ＴＦＴ基板４８、配向層４５、液晶層４６、配向層４７、透明電極４４、反射型偏光板６及び基板４１が順次積層された構造を有している。そして、両面には、反射防止膜１５，１５が形成されている。また、変調素子の３１の前後の反射型偏光板６，６は、互いに反射型偏光板の螺旋方向が逆になっている。

この画像表示装置において、変調素子３１で変調を受けなかった光束は、この変調素子３１を透過して反射型偏光板６で反射され、ロッドインテグレータ２６若しくは反射板１４ｃに達する。反射板ｃに反射された光束は、逆捩れの円偏光となり、反射型偏光板６で反射され、ロッドインテグレータ２６に達する。この光は、ロッドインテグレータ２６で均一化され、光源２７側の端部の開口周辺に設けられた反射板１４によって一部が反射され、開口を通過した残部は光源２７に戻る。リサイクル光は、ロッドインテグレータ２６で均一化され、偏光変換された状態で、変調素子３１を均一に照明する。

この画像表示装置において、変調素子の液晶のモードはＶＡモードを採用しているが、コレステリック液晶ポリマ円偏光板と液晶層との間に１／４波長板を配置して直線偏光に変換することにより、直線偏光を用いるＴＮモード等の液晶とすることもできる。

さらに、この画像表示装置は、図２４に示すように、３枚の変調素子３１ａ，３１ｂ，３１ｃを用いて構成することもできる。すなわち、この画像表示装置においては、楕円鏡１６を備えた光源２７、リレーレンズ２８、フィールドレンズ２９、開口部を有する反射板１４、ロッドインテグレータ２６、コンデンサレンズ３０、リレーレンズ２０、反射板１４ｃ、コンデンサレンズ１０を順次配列させ、コンデンサレンズ１０の光軸を光源２７からリレーレンズ２０までの光学系の光軸に対して平行にずらした照明光学系を構成し、この光学系のからの射出光を、ミラー５６を経て第１の分光反射ミラー５７に導く。
第１の分光反射ミラー５７においては、例えば、Ｒ（赤色）光が透過され、Ｇ（緑色）光及びＢ（青色）光が反射される。Ｒ（赤色）光は、ミラー６２に反射され、リレーレンズ６４を経て、反射型偏光板６、透過型の変調素子３１ｂ及び検光子となる反射型偏光板６を経て、合成プリズム６６に至る。Ｇ（緑色）光及びＢ（青色）光は、第２の分光反射ミラー５８に至り、例えばＧ（緑色）光が透過し、Ｂ（青色）光が反射される。Ｇ（緑色）光は、リレーレンズ６０を経て、反射型偏光板６、透過型の変調素子３１ａ及び検光子となる反射型偏光板６を経て、合成プリズム６６に至る。Ｂ（青色）光は、リレーレンズ６１を経て、ミラー６３に反射され、リレーレンズ６５を経て、反射型偏光板６、透過型の変調素子３１ｃ及び検光子となる反射型偏光板６を経て、合成プリズム６６に至る。

そして、合成プリズム６６においては、Ｒ（赤色）光、Ｇ（緑色）光及びＢ（青色）光が合成されて、図示しない投射レンズに向けて出射される。この光は、投射レンズにより、スクリーンに投射される。

上述した各実施の形態においては、変調素子として液晶変調素子を使用しており、この変調素子において変調された光は、図示しない投射レンズを介してスクリーンに投射される。そして、変調素子としては、液晶変調素子に限らず、他の方式の変調素子を使用することとしてもよい。また、照明光学系の構造によってリサイクル効率を改善する構成は、上述したものに限定されず、光源の最適位置に反射機能を備えることでリサイクル効率を改善できる構造であればよい。

上述のように、本発明においては、投射装置における不要光のリサイクルを効率良く可能とする光源と照明装置とにより、偏光分離合成を安価に達成することが可能となる。また、カラーフィルタを用いた単板変調素子を用いた場合において、光利用効率を改善することが可能となり、シーケンシャルカラータイプの単板変調素子を用いた場合においても、光利用効率を改善することが可能となる。そして、開口率の低い変調素子の光利用効率を改善することが可能となり、暗い画面におけるピーク輝度を高くすることが可能となる。

本発明に係る画像表示装置の構成の概要を示すブロック図である。 上記画像表示装置を構成する照明装置における基本的な光路を示す側面図である。 上記画像表示装置を構成する照明装置における反射素子を傾けた場合の光路を示す側面図である。 上記画像表示装置を構成する照明装置における光学系の一部の光軸をずらした場合の光路を示す側面図である。 上記画像表示装置における光学系の一部の光軸をずらした場合の光路を示す側面図である。 上記画像表示装置を構成する光源の第１の構成を示す縦断面図である。 上記画像表示装置を構成する光源の第２の構成を示す縦断面図である。 上記画像表示装置を構成する光源の第３の構成を示す縦断面図である。 上記画像表示装置を構成する光源の第４の構成を示す縦断面図である。 上記画像表示装置を構成する光源の第５の構成を示す縦断面図である。 上記画像表示装置を構成する光源の第６の構成を示す縦断面図である。 上記光源の第６の構成における四分の一波長板の構成を示す正面図である。 上記画像表示装置を構成する照明装置を示す縦断面図である。 上記画像表示装置を構成する光源において問題が生じている状態を示す縦断面図である。 上記画像表示装置を構成する照明装置の光路を示す側面図である。 本発明に係る照明装置を示す縦断面図である。 本発明に係る照明装置を構成するロッドインテグレータ及び反射板の構成を示す斜視図（ａ）及び平面図（ｂ）である。 本発明に係る照明装置の他の例を示す縦断面図である。 本発明に係る照明装置のさらに他の例を示す縦断面図（ａ）及び原理図（ｂ）である。 本発明に係る照明装置のさらに他の例を示す縦断面図（ａ）、原理図（ｂ）及び要部斜視図（ｃ）である。 本発明に係る照明装置のさらに他の例を示す縦断面図（ａ）及び原理図（ｂ）である。 本発明に係る照明装置を用いた画像表示装置を示す縦断面図である。 本発明に係る照明装置を用いた画像表示装置の他の例を示す縦断面図である。 本発明に係る照明装置を用いた画像表示装置の他の例を示す縦断面図である。 本発明に係る照明装置を用いた画像表示装置に用いられる変調素子の構成を示す要部縦断面図である。

符号の説明

１，２７ 光源、 １２ バルブ、 ３ 偏光変換素子、 ４ コンデンサレンズ群、 ５，３１ 変調素子、 ６ 反射素子、 ７ 放物面鏡、 １４ 反射板、 １６ 楕円鏡、 ２０ リレーレンズ、 ２６ ロッドインテグレータ、 ２７ 光源、 コンデンサレンズ

Claims (2)

1. 発光部とこの発光部から発光された光を反射する湾曲形成された反射面を有する反射鏡とを有する光源と、
   上記光源から出射された光束内の光強度分布を均一化するロッドインテグレータと、上記ロッドインテグレータから出射される光束を照明光として出射するレンズ系とを有する照明光学系と、
   上記照明光学系から出射され光束のうち、照明光として用いられない不要光を、上記光源側に反射させるように配置された第１の反射素子と、
   上記光源からの光束を透過する開口部が設けられて、上記ロッドインテグレータの上記光源からの光束が入射される一端部側に配設され、上記第１の反射素子により反射され、上記ロッドインテグレータを透過した上記不要光を反射し、上記ロッドインテグレータを介して上記レンズ系側に反射する第２の反射素子を備えることを特徴とする照明装置。
2. 上記ロッドインテグレータの上記照明光を出射するレンズ系を構成するリレーレンズとフィールドレンズとの間にコンデンサレンズを配置し、上記光源から上記ロッドインテグレータまでの光学系の光軸に対して、上記コンデンサレンズ以降の光学系の光軸を平行にずらすとともに、上記コンデンサレンズの光源側に、上記第１の反射素子により反射された上記不要光を上記第１の反射素子側に反射させる更なる反射素子を備えることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
   

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