JP2015210488A - 照明光学系およびこれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明の目的は、より小さい偏光変換素子で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系を提供することである。【解決手段】 照明光学系が光源１からの光束のうちＳ偏光光をＰ偏光光と異なる方向に導くＰＢＳ１１と、互いに偏光方向が異なるＰ偏光光とＳ偏光光の偏光方向を揃える１／２波長板１２と、を備える。さらに、ＰＢＳ１１及び１／２波長板１２から出射する光束が入射するコリメータレンズ３と、フライアイレンズ４と、フライアイレンズ５と、を備える。そして、光源１からＰＢＳ１１に向かう光束は収斂光束であって、コリメータレンズ３は、ＰＢＳ１１とフライアイレンズ４との間に設けられている。【選択図】 図２

Description

本発明は、照明光学系およびこれを用いたプロジェクターなどの画像表示装置に関する発明である。

近年、液晶パネルを用いたプロジェクター（液晶プロジェクター）が開発されている。液晶プロジェクターでは、明るく、高いコントラストで、かつ、全体に渡ってほぼ均一な明るさを有する画像を投射できるプロジェクターが求められている。

高いコントラストの画像を投射するために、液晶パネルに所定の方向に揃えられた偏光を入射させる照明光学系として、特許文献１がある。

特許文献１では、プリズム型のＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）とプリズムミラーと、１／２波長板を一体に構成した偏光変換素子に、略平行光束を入射させ、所定の偏光方向に揃った光束を出射する技術が開示されている。

特開２００４−０５３６４１号公報

一般に、液晶プロジェクターには高画質な画像を投射することができることだけではなく、より小型なことも求められている。

しかしながら、特許文献１に記載の偏光変換素子においては、フライアイレンズに略平行光束を入射させるために、偏光変換素子をフライアイレンズと同等の大きさにする必要があり、偏光変換素子をより小型にすることが困難である。

そこで、本発明の目的は、より小さい偏光変換素子で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明の照明光学系は、
光源からの光束のうち、第１の偏光方向の光束と偏光方向が異なる第２の偏光方向の光束を、前記第１の偏光方向の光束と異なる方向に導く偏光素子と、
互いに偏光方向が異なる前記第１の偏光方向の光束と前記第２の偏光方向の光束の偏光方向を揃える第１の位相板と、
前記偏光素子及び前記第１の位相板から出射する光束が入射する正レンズと、
前記正レンズから出射する光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１のレンズアレイと、
前記第１のレンズアレイの複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２のレンズアレイと、を備え、
前記光源から前記偏光素子に向かう光束は収斂光束であって、
前記正レンズは、前記偏光素子と前記第１のレンズアレイとの間に設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、より小さい偏光変換素子で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系を提供することができる。

本発明の実施例で示す光源装置を搭載可能な画像表示装置の構成説明図。 本発明の実施例１に係る照明光学系。 本発明の実施例１における偏光変換素子２の構成。 本発明の実施例２に係る照明光学系。 本発明の実施例２における偏光変換素子２の構成。 本発明の実施例３に係る照明光学系。 本発明の実施例３における偏光変換素子２の構成。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の形状それらの相対配置などは、この発明が適用される装置の構成や各種条件により適宜変更されるべきものである。すなわち、構成部品の形状などは、この発明の範囲を以下の実施の形態に限定する趣旨で規定されたものではない。

〔画像表示装置の説明〕
図１は、後述の本発明の実施例で示す照明光学系を搭載した画像表示装置Ｍの構成を説明する図である。

発光管１００から全方向に射出した光束は、放物面鏡２００によって略平行光束となって射出され、照明光学系Ｌへ入射する。もちろん、完全な平行光束である必要はなく、使用に耐える範囲で若干発散していても収束していても構わない。

照明光学系Ｌは、後述の本発明の実施例で示す照明光学系である。

ダイクロイックミラー７００はＢ（青）とＲ（赤）の色光を反射し、Ｇ（緑）の色光を透過する特性を備える。

ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）８００は、Ｇの色光のうち、Ｐ偏光方向の光束を、Ｐ偏光方向の光束と偏光方向が異なるＳ偏光方向の光束と異なる方向に導く。具体的には、ＰＢＳ８００は、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するＰＢＳである。

９００（９００Ｒ、９００Ｇ、９００Ｂ）はそれぞれ、Ｒの色光用の液晶パネル、Ｇの色光用の液晶パネル、Ｂの色光用の液晶パネルである。液晶パネル９００は、色光を変調し、変調光を出射する光変調素子である。本実施例において、液晶パネル９００は、反射型液晶素子である。

１／４波長板１０００（１０００Ｒ、１０００Ｇ、１０００Ｂ）はそれぞれ、Ｒの色光用の１／４波長板、Ｇの色光用の１／４波長板、Ｂの色光用の１／４波長板である。

１１００はＰ偏光を透過する入射側偏光板であり、１２００はＲの色光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの色光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板である。

ＰＢＳ１３００はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するＰＢＳ（第１の偏光素子）であり、偏光分離面１３００ａを有する。

１４００はＳ偏光を透過するＧの色光用の出側偏光板である。

合成プリズム１７００（光合成素子）は、Ｂ、Ｇの色光に対してはＢの色光を透過し、Ｇの色光を反射するダイクロイックミラーとして作用する。一方、Ｒの色光に対しては、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射するＰＢＳとして作用する。すなわち、合成プリズム１７００は、Ｂの変調光と、Ｒの変調光と、Ｇの変調光とを合成する。

以上のダイクロイックミラー７００から合成プリズム１７００により、色分離合成系Ｃが構成される。

１８００は投射レンズ光学系であり、上記の照明光学系Ｌ、色分解合成光学系Ｃおよび投射レンズ光学系１８００により画像表示光学系が構成される。

以上が、画像表示装置Ｍの構成である。次に、照明光学系Ｌを通過した後の光学的な作用を説明する。まず、Ｇの光路について説明する。

ダイクロイックミラー７００を透過したＧの色光はＰＢＳ８００に入射して偏光分離面でＰ偏光の光が透過し、液晶パネル９００Ｇへと至る。液晶パネル９００Ｇにおいては、Ｇの色光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、再びＰＢＳ８００の偏光分離面を透過し、光源側に戻され、投射光から除去される。

一方、画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、ＰＢＳ８００の偏光分離面で反射され、Ｓ偏光を透過する出側偏光板１４００を透過し、投射光として合成プリズム１７００に向かう。

このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態である黒表示状態においては、１／４波長板１０００Ｇの進相軸または遅相軸を、ＰＢＳ８００への入射光の光軸と反射光の光軸を含む平面に略垂直な方向に調整する。なお、１／４波長板１０００は、ＰＢＳ８００と液晶パネル９００Ｇとの間に設けられている。これにより、ＰＢＳ８００と液晶パネル９００Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を抑制することができる。すなわち、１／４波長板１０００Ｇは、ＰＢＳ８００から出射するＧの色光の偏光方向を変換する位相板である。

一方、ダイクロイックミラー７００を反射したＲとＢの色光は、Ｐ偏光を透過する入射側偏光板１１００に入射する。そしてＲとＢの色光は、入射側偏光板１１００から出射した後、色選択性位相差板１２００に入射する。色選択性位相差板１２００は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転させる作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＰ偏光としてＰＢＳ１３に入射する。

Ｓ偏光としてＰＢＳ１３００に入射したＲの色光は、ＰＢＳ１３００の偏光分離面で反射され、液晶パネル９００Ｒへと至る。また、Ｐ偏光としてＰＢＳ１３００に入射したＢの色光は、ＰＢＳ１３００の偏光分離面を透過して液晶パネル９Ｂへと至る。

液晶パネル９００Ｒに入射したＲの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分は、再びＰＢＳ１３００の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分はＰＢＳ１３００の偏光分離面を透過して投射光として合成プリズム１７００に向かう。

すなわち、ＰＢＳ１３００は、Ｂの色光及びＲの色光のうち、一方の色光を他方の色光と異なる方向に導く偏光素子である。

また、ＰＢＳ１３００を透過したＢの色光は、液晶パネル９Ｂに入射し、画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分は、再びＰＢＳ１３００の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分はＰＢＳ１３００の偏光分離面で反射して投射光として合成プリズム１７００に向かう。

このとき、１／４波長板１０００Ｒおよび１０００Ｂの進相軸または遅相軸をＧの色光の場合と同じように調整することにより、ＲおよびＢの色光それぞれの黒の表示の調整を行うことができる。なお、１／４波長板１０００Ｒおよび１０００Ｂは、ＰＢＳ１３００と液晶パネル９００Ｒおよび９００Ｂの間に設けられている。

すなわち、１／４波長板１０００Ｂは、ＰＢＳ１３００から出射するＢの色光の偏光方向を変換し、１／４波長板１０００Ｒは、ＰＢＳ１３００から出射するＲの色光の偏光方向を変換する位相板である。

こうして１つの光束に合成され、ＰＢＳ１３００から出射したＲとＢの色光は、合成プリズム１７００に入射する、合成プリズム１７００に入射したＲとＢの色光は合成プリズム１７００を透過し、Ｇの色光と合成されて投射レンズ光学系１８００に至る。

そして、合成されたＲ、Ｇ、Ｂの投射光は、投射レンズ光学系１８００によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。

以上説明した光路は液晶パネル９が白表示を行う場合である。以下に液晶パネル９００が黒表示を行う場合での光路を説明する。

ダイクロイックミラー７００を透過したＧの色光のＰ偏光はＰＢＳ８００に入射して偏光分離面を透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子９００Ｇへと至る。液晶パネル９００Ｇが黒表示を行う場合、Ｇの色光は画像変調されないまま反射される。したがって、液晶パネル９００Ｇで反射された後もＧの色光はＰ偏光のままである為、再びＰＢＳ８００の偏光分離面を透過し、光源側に戻され、投射光から除去される。

次に、ＲとＢの色光の光路について説明する。

ダイクロイックミラー７００で反射されたＲとＢの色光は、Ｐ偏光を透過する入射側偏光板１１００に入射する。そしてＲとＢの色光は、入射側偏光板１１００から出射した後、色選択性位相差板１２００に入射する。色選択性位相差板１２００は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＳ偏光としてＰＢＳ１３００に入射する。Ｓ偏光としてＰＢＳ１３００に入射したＲの色光は、ＰＢＳ１３００の偏光分離面で反射され、液晶パネル９００Ｒへと至る。

Ｐ偏光としてＰＢＳ１３００に入射したＢの色光は、ＰＢＳ１３００の偏光分離面を透過して、液晶パネル９００Ｂへと至る。液晶パネル９００Ｒは黒表示の為、液晶パネル９００Ｒに入射したＲの色光は画像変調されないまま反射される。したがって、液晶パネル９００Ｒで反射された後もＲの色光はＳ偏光のままである為、再びＰＢＳ１３００の偏光分離面で反射され、色選択性位相差板１２００により、Ｐ偏光に変換される。Ｐ偏光に変換されたＲの色光は、再び入射側偏光板１１００を通過して光源側に戻され、投射光から除去される為、黒表示となる。

一方、液晶パネル９００Ｂに入射したＢの色光は液晶パネル９００Ｂが黒表示の為、画像変調されないまま反射される。したがって、液晶パネル９００Ｂで反射された後もＢの色光はＰ偏光のままである為、再びＰＢＳ１３００の偏光分離面を透過し、入射側偏光板１１００を透過して光源側に戻されて投射光から除去される。

このように、ＲＧＢの色光が投射光から除去されるために、黒表示を行うことができる。

以下、照明光学系Ｌに適用可能な構成について説明する。

本発明の実施例で示す照明光学系は、ＰＢＳ１１と、１／２波長板１２と、コリメータレンズ３と、フライアイレンズ群４５と、を備える。さらに、本発明の実施例で示す照明光学系は、ミラー１３をさらに備えても良い。

ＰＢＳ１１は、光源１からの光束のうち、Ｐ偏光の光束と偏光方向が異なるＳ偏光の光束を、Ｐ偏光の光束と異なる方向に導く偏光素子である。

１／２波長板１２は、第１の位相板である。

コリメータレンズ３は、ＰＢＳ１１および１／２波長板１２から出射する光束が入射する正レンズである。

フライアイレンズ４は、コリメータレンズ３から出射する光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１のレンズアレイである。

フライアイレンズ５は、フライアイレンズ４の複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２のレンズアレイである。

フライアイレンズ４５は、コリメータレンズ３から出射する光束を複数の光束に分割するレンズアレイユニットである。

光源１からの光束は、収斂光束であって、光源１からの光束に含まれる複数の光線が、ＰＢＳ１３に近づくにつれて、互いの距離を縮めるように進む。

コリメータレンズ３は、ＰＢＳ１１とフライアイレンズ４との間に設けられる。

さらに、本発明の一部の実施例で示す照明光学系は、１／２波長板１２から出射する光束の進行方向を変換するミラー１３をさらに備えている。

なお、本発明の実施例で示す照明光学系の具体的な構成は、以下の実施例で述べる。

〔第１実施例〕
図２は、本発明の第１実施例で示す照明光学系の構成を説明する図である。図２を用いて、光源１からの光束が液晶パネル７を照明するための構成を説明する。

本実施で示す照明光学系は、光源１からの光束で液晶パネル７を照明するための照明光学系である。液晶パネル７によって画像変調された光である画像光は、不図示の偏光ビームスプリッターまたは偏光板を介して不図示の投射レンズに導かれ、スクリーン等の被投射面に投射される。

本実施例において、光源１からの光束の光軸をＸ軸、Ｘ軸と直交するコリメータレンズ３の光軸をＺ軸、Ｘ軸およびＺ軸と直交する軸をＹ軸とする。さらに、Ｚ軸に平行な方向を光軸方向および光束の進行方向とする。

光源１は高圧水銀放電管である発光管１１と楕円鏡１２からなるランプであり、ランプは、Ｓ偏光とＰ偏光を含む光束を出射する。楕円鏡１２は、発光管１１から放射状に発せられる光束を、偏光変換素子２へ近づくについて互いの距離を縮める光束に変換し、１／２波長板１２の近傍に集光させる。

偏光変換素子２の構成について、図３を用いて説明する。偏光変換素子２は、プリズム型ＰＢＳであるＰＢＳ１１と、１／２波長板１２と、プリズムミラーであるミラー１３からなる。

ＰＢＳ１１に入射した光源１からの光束のうち、Ｓ偏光は、ＰＢＳ１１の偏光分離面１１ａで反射され、コリメータレンズ３に入射する。一方、ＰＢＳ１１に入射した光源１からの光束のうち、Ｐ偏光は、偏光分離面１１ａを透過し、１／２波長板１２に入射する。ここで、Ｐ偏光とは、図２において偏光分離面１１ａの法線と光軸のなす平面を主平面としたとき、主平面内で振動する直線偏光である。さらに、Ｓ偏光とは、主平面に垂直に振動する直線偏光である。

１／２波長板１２に入射したＰ偏光は、１／２波長板１２によってＳ偏光へ変換され、プリズムミラー１３の反射面１３ａで反射され、コリメータレンズ３に入射する。

コリメータレンズ３に入射した光束は、コリメータレンズ３によって平行光化され、フライアイレンズ４に入射する。フライアイレンズ４に入射した光束は複数の分割光束に分割され、フライアイレンズ５のレンズセル近傍に集光し、コンデンサーレンズ６に入射する。ここで、もちろん、集光とは完全に１点に光束が集まる必要はなく、実用に耐えうる範囲でほぼ集光していれば良い。同様に、レンズセル近傍とは、完全にレンズセル上である必要はなく、実用に耐えるうる範囲をレンズセル近傍としても良い。

コンデンサーレンズ６から出射した複数の分割光束は、液晶パネル７上で重ね合わされる。これにより、液晶パネル７は均一な分布を有する照明光束によって照明される。

以上が、光源１からの光束が液晶パネル７を照明するための構成である。照明光学系を本実施例で示す構成にすることで、より小さい偏光変換素子で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系を提供することができる。

なお、前述のように、液晶パネル７において画像変調および反射された光は、不図示の偏光ビームスプリッターを介して投射レンズに導かれる。本実施例では、液晶パネル７を１枚のみ示しているが、実際の一般的なプロジェクターでは、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応した３つの液晶パネルが設けられる。このような偏光ビームスプリッターは、これら３つの液晶パネルに対してＲ、Ｇ、Ｂの各色照明光を導き、３つの液晶パネルからの各色画像光を合成する、いわゆる色分解合成光学系の一部を構成する。

本発明の実施例では、上述の効果をより強くするため、あるいは、その他の効果を得るために、次に述べる構成も持つ。ただし、本発明は、次に述べる構成の全てを持つ照明光学系に限定されるものではない。

液晶パネル７の長手方向を図２のｘ軸方向に配置することで、更に照明効率を高めることが可能である。第１のフライアイレンズ４のレンズセルは、液晶パネルと共役関係にある。このため、液晶パネル７の長手方向をｘ軸方向に配置すると、第１のフライアイレンズ４のレンズセルのｘ軸方向の寸法を大きくする必要がある。同様に、第２のフライアイレンズ５のレンズセルの大きさも大きくなるため、第２のフライアイレンズ５のレンズセルで取り込める光束が増大して照明効率が向上させることが可能となる。

更に好ましい条件について説明する。

本実施例に示す構成では、ＰＢＳ１１の偏光分離面への入射角度が４５±２０°の光線を含む光束がＰＢＳ１１へ入射する。それに対して、ＰＢＳ１１の偏光分離面が最も効率良く偏光分離を行うことができる入射角度は４５°である。このため、高い偏光分離性能を得るためには高屈折率の硝材を使うことで、偏光分離面へ入射する光線を４５±１０°程度とすることが望ましい。

このとき、望ましい屈折率ｎは、
ｎ＞１．８
であり、更に望ましくは、
ｎ＞２．０
である。

更に好ましい条件について説明する。本発明の実施例において、ランプ１からの光束が１／２波長板に集光するため、１／２波長板１２には、水晶やサファイヤなどの耐久性の高い無機材料を使用することが望ましい。

また、１／２波長板１２に集光するためにＰＢＳ１１内の光密度が高く、ＰＢＳ１１が高温になり、熱応力によって光弾性が発生して偏光変換効率が低下するおそれがある。このため、可視光領域で吸収率が低く光弾性定数が低いことが望ましい。

そこで、１／２波長板１２の光弾性定数をβとし、１／２波長板１２が厚さ１０ｍｍのときの、波長が４６０ｎｍの入射光に対する内部透過率をＴとする。

このとき、
β＜１．０
Ｔ＞０．９５
となる条件を満たすことが望ましい。

この条件を満たすことで、上述の熱応力によって光弾性が発生して偏光変換効率が低下することを抑制することができる。

更に好ましい条件について説明する。本実施例において、フライアイレンズ５のレンズセル上に結像する２つの光源像を互いにレンズセルの中心方向へ近づけることで、より照明効率を向上させることができる。

そこで、コリメータレンズ３の光軸Ｏ２と平行な方向Ｏ２／／と、ＰＢＳ１１の偏光分離面１１ａとのなす角度をθ１とする。さらに、コリメータレンズ３の光軸Ｏ２と平行な方向Ｏ２／／と、プリズムミラー１３の反射面１３ａとのなす角度をθ２とするとき、
４６°＜θ１＜５０° ４０°＜θ２＜４４°・・・（１）
となる条件を満たすことが望ましい。

θ１およびθ２ともに４５°の場合、偏光分離面１１ａおよび反射面１３ａから出射する光束は光軸Ｏ２に平行であるため、前述のように、フライアイレンズ５のレンズセル上に２つの光源像が結像する。

一方、式（１）を満たすと、偏光分離面１１ａおよび反射面１３ａから出射する光束は、光軸Ｏ２に近づくように進む。このため、フライアイレンズ５のレンズセル上に結像する２つの光源像を互いにレンズセルの中心方向へ近づけることで、より照明効率を向上させることができる。

以上の理由から、式（１）を満足すると好ましい。

なお、本実施例においては、一例として、θ１＝４７°、θ２＝４３°となっており、上述の条件式を満たしている。もちろん、本発明の実施例は、θ１＝４７°、θ２＝４３°の場合に限定されるものではない。

更に好ましい条件について説明する。

コリメータレンズ３の光軸と平行な方向をｚ軸方向、ｚ軸方向と直交し、ＰＢＳ１１の偏光分離面１１ａとミラー１３の反射面１３ａとが対向する方向をｘ軸方向（鉛直方向）とし、ｚ軸方向およびｘ軸方向と直交する方向をｙ軸方向とする。

偏光分離面１１ａと反射面１３ａとの間のｘ軸方向の寸法をａとし、第２のフライアイレンズ５のレンズセルのｘ軸方向の寸法をｂとし、コリメートレンズ３の焦点距離をｆ１、第１のフライアイレンズ４のレンズセルの焦点距離をｆ２とする。

このとき、
０．６＜（２・ａ／ｂ）×（ｆ２／ｆ１）＜０．９５・・・（２）
となる条件式を満足することが望ましい。

式（２）の上限を超えると、ｆ２とｆ１を固定した場合、ｂに対してａが相対的に大きくなることを意味している。

言い換えれば、第２のフライアイレンズ５の各レンズセルに形成される２つの分割光束の光源像が離れることを意味している。その結果、対応するレンズセルではなく、隣のレンズセルに入射してしまう光束が増えるため、照明効率が低下するおそれがある。

一方、式（２）の下限を下回ると、ｆ２とｆ１を固定した場合、ｂに対してａが相対的に小さくなることを意味している。この場合、隣のレンズセルに入射してしまう光束の量は低減するものの、第１の偏光ビームスプリッター２へ入射できる光束が減少するため、照明効率が低下するおそれがある。

すなわち、式（２）を満足すると、対応するレンズセルではなく、隣のレンズセルに入射してしまう光束の量の増加を抑制しつつ、第１の偏光ビームスプリッター２へ入射できる光束の量の減少を抑制することができる。その結果、照明効率の低下を抑制することができる。

以上の理由から、式（２）を満足すると好ましい。

なお、本実施例においては、ａ＝４．０ｍｍ、ｂ＝６．３ｍｍ、ｆ２＝３０ｍｍ、ｆ１＝５０ｍｍ、（２・ａ／ｂ）×（ｆ２／ｆ１）＝０．７６となっており、式（２）を満足している。しかし、本発明の実施例は、式（２）を満足すれば、ａ＝４．０ｍｍ、ｂ＝６．３ｍｍ、ｆ２＝３０ｍｍ、ｆ１＝５０ｍｍの場合に限定されるものではない。

〔第２実施例〕
図４および図５は、本発明の第２実施例で示す照明光学系の構成を説明する図である。本実施例と前述の第１実施例との違いは、プリズム型ＰＢＳ１１ではなく、ワイヤーグリッド型ＰＢＳ３１を用い、プリズムミラー１３ではなく、プレート型のミラー３３を用いる点である。

また、前述の第１実施例においては、ＰＢＳ１１を透過した光束が、１／２波長板１２近傍に集光する。一方、本実施例においては、ＰＢＳ３１で反射された光束が、１／２波長板１２近傍に集光する。

ここで、ワイヤーグリッド型ＰＢＳ３１は、入射光の波長よりも狭い間隔で金属ワイヤーが並べられた構造（サブ波長格子構造）をもつ。ワイヤーグリッド型ＰＢＳ３１は、金属ワイヤーの長手方向に平行に振動する直線偏光を反射し、金属ワイヤーの長手方向と直交する方向に振動する直線偏光を透過する性質を持つ。

光源１からの光束のうち、ＰＢＳ３１でＰ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射される。ワイヤーグリッド面３１ａを反射したＳ偏光は、１／２波長板１２でＰ偏光に偏光変換され、プレート型のミラー３３の反射面３３ａで液晶パネル側に反射される。以後は、前述の第１実施例と同様の原理で、光源１からの光束が、液晶パネル７へ導かれる。

なお、本実施例においてより望ましい条件については、前述の第１実施例と同じである。

〔第３実施例〕
図６および図７は、本発明の第３実施例で示す照明光学系の構成を説明する図である。本実施例と前述の第１実施例との違いは、プリズム型ＰＢＳ１１の形状と、ミラー１２を用いない点である。なお、不図示ではあるが、前述の第１及び第２実施例と同様に、フライアイレンズ５の後ろにコンデンサーレンズ６および液晶パネル７が設けられている。

図７に偏光変換素子２の構成を示す。図７に示すように、本実施例における偏光変換素子２は、ＰＢＳ１１と、１／２波長板１２のみで構成されている。

光源１からの光束は、楕円鏡１２の作用によって、ＰＢＳ１１の偏光分離面１１ａ近傍に集光するように、ＰＢＳ１１へ導かれる。偏光分離面１１ａは、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する特性を有するために、偏光分離面１１ａを透過したＰ偏光は、ＰＢＳ１１の出射面１１ｂへ導かれる。偏光分離面１１ａで反射されたＳ偏光は、１／２波長板１２でＰ偏光に変換され、出射面１１ｂへ導かれる。出射面１１ｂへ導かれた光束は、出射面１１ｂで屈折されることで、コリメータレンズ３の光軸と平行になる。

言い換えれば、ＰＢＳ１１は、光源１からの光束の主光線のうち、偏光分離面１１ａで反射した光線Ｒ１１および偏光分離面１１ａを透過した光線Ｒ１２が、コリメータレンズ３の光軸に平行な光線として射出される形状のプリズム型ＰＢＳである。

このような構成にすることで、偏光分離面１１ａで反射された光線と、偏光分離面１１ａを透過した光線の光路長が等しくなるようにすることが可能となる。従って、第２のフライアイレンズ４５に形成される光源像位置の光軸方向のズレが少なくなるため、高い効率で液晶パネルを照明することが可能である。

〔他の実施形態〕
前述した実施例では、本発明の実施例で示す照明光学系を搭載可能な投射型表示装置の構成として、投射レンズを備える構成を例示した。しかし、本発明はこれに限定されるものではない。投射型表示装置であれば、例えば、着脱可能な投射レンズを用いる構成などでも良い。

また、前述した実施例を示す図においては、不図示ではあるが、光源からの光路を折り曲げるミラーや、熱線カットフィルタおよび偏光板等の各種光学素子を適宜配置する構成などでも良い。

また、前述した実施例では、１枚のコンデンサーレンズを備える構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。第２のレンズアレイの複数のレンズセルからの光束を被照明面に重ね合わせるためのコンデンサーレンズユニットであれば、例えば、２枚以上のレンズを備えるなどの構成であっても良い。なお、２枚以上のレンズを備えるコンデンサーレンズユニットは、２枚以上のレンズが一体的に照明光学系に取り付けられるものであっても、１枚１枚取り付けられるものであっても良い。

また、前述した実施例の一部では、１／２波長板を１枚設ける構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。より小さい偏光変換素子で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系であれば、例えば、１／２波長板を１枚設ける代わりに、１／４波長板を２枚設けるような構成などでも良い。

また、前述した実施例の一部では、光源からの光束が１／２波長板の近傍に集光する構成を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。より小さい偏光変換素子で、均一な照度で被照明面を照明することが可能な照明光学系であれば、例えば、偏光分離面と１／２波長板との間や、ミラーと１／２波長板との間に、光源からの光束が集光する構成などであっても良い。さらに、例えば、偏光変換素子の外側に、光源からの光束が集光する構成などであっても良い。

３ コリメータレンズ（正レンズ）
１１、３１ ＰＢＳ（偏光素子）
１２ １／２波長板（第１の位相板）
４ フライアイレンズ（第１のレンズアレイ）
５ フライアイレンズ（第２のレンズアレイ）

Claims (8)

1. 光源からの光束のうち、第１の偏光方向の光束と偏光方向が異なる第２の偏光方向の光束を、前記第１の偏光方向の光束と異なる方向に導く偏光素子と、
   互いに偏光方向が異なる前記第１の偏光方向の光束と前記第２の偏光方向の光束の偏光方向を揃える第１の位相板と、
   前記偏光素子及び前記第１の位相板から出射する光束が入射する正レンズと、
   前記正レンズから出射する光束を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイの複数のレンズセルに対応する複数のレンズセルを有する第２のレンズアレイと、を備え、
   前記光源から前記偏光素子に向かう光束は収斂光束であって、
   前記正レンズは、前記偏光素子と前記第１のレンズアレイとの間に設けられていることを特徴とする照明光学系。
2. 前記第２の偏光方向の光束の進行方向を変換するミラーをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記正レンズの光軸と平行な方向と、前記偏光素子の偏光分離面とのなす角度をθ１とし、
   前記正レンズの光軸と平行な方向と、前記ミラーの反射面とのなす角度をθ２とするとき、
   ４６°＜θ１＜５０°
   ４０°＜θ２＜４４°
   となる条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記偏光素子は、プリズム型の偏光ビームスプリッターであり、
   前記プリズム型の偏光ビームスプリッターの屈折率をｎとするとき、
   ｎ＞１．８
   となる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学系。
5. 前記偏光素子と、前記ミラーと、前記第１の位相板とは一体に構成される偏光変換素子であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の照明光学系。
6. 前記正レンズの光軸に直交し、前記偏光素子の偏光分離面と前記ミラーの反射面とが対向する方向を鉛直方向とし、
   前記偏光素子の偏光分離面と前記ミラーの反射面との間の前記鉛直方向の距離をａとし、
   前記第２のレンズアレイが有する前記複数のレンズセルの各々の前記鉛直方向の寸法をｂとし、
   前記正レンズの焦点距離をｆ１とし、
   前記第１のレンズアレイの複数のレンズセルの各々の焦点距離をｆ２とするとき、
   ０．６＜（２・ａ／ｂ）×（ｆ２／ｆ１）＜０．９５
   となる条件を満足することを特徴とする請求項２乃至５のいずれか１項に記載の照明光学系。
7. 光源装置と、
   請求項１乃至６のいずれか１項に記載の照明光学系と、
   を備えることを特徴とする照明装置。
8. 光変調素子と、
   請求項７に記載の照明装置と、
   を備えることを特徴とする画像表示装置。

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