(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
投射型表示装置に用いる照明装置において、
光源ランプと、この光源ランプの発散光の一部を反射して略平行な出射光として前面開口から出射するリフレクタとを有する照明装置において、
前記リフレクタの前記前面開口の出射側に配置されたホログラム素子を有し、当該ホログラム素子は、前記光源ランプの発散光のうち、該ホログラム素子の光入射面に対して所定の範囲で入射する光成分を前記光源ランプの光軸に略平行な方向に回折し、
前記ホログラム素子は、所定の波長帯の色光成分の光を、主に、前記光源ランプの光軸に略平行な方向に回折可能であり、
前記色光成分は、前記光源ランプの発散光の色光成分のうち、発光強度が他の色光成分に比べて低いものであることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１において、前記ホログラム素子は、体積変調型のホログラム素子であることを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項１または２において、前記ホログラム素子は、第１の波長帯の第１の色光成分を前記光源ランプの光軸に略平行な方向に回折する第１の偏向部分と、前記第１の波長帯とは異なる第２の色光成分を前記光源ランプの光軸に略平行な方向に回折する第２の偏向部分とを備え、前記第１および第２の偏向部分は光学特性の異なる少なくとも２つの偏向部から構成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかの項において、前記ホログラム素子は、前記光源ランプの光軸を中心とする中心領域を有し、この中心領域では光をそのまま透過させることを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１に記載の照明装置と、当該照明装置からの出射光を変調する透過型の光変調素子と、この光変調素子によって変調された変調光を投写面上に拡大投写する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。
【請求項６】
請求項１に記載の照明装置と、当該照明装置からの出射光を変調する反射型の光変調素子と、この光変調素子によって変調された変調光を投写面上に拡大投写する投写光学系とを有することを特徴とする投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源ランプからの発散光をリフレクタによって反射することにより略平行な出射光として出射する照明装置に関するものである。更に詳しくは、照明装置の光の利用効率を向上するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
メタルハライドランプ、キセノンランプ等の光源ランプは投写型表示装置の光源として広く利用されている。これらの光源ランプは、放物面リフレクタ等のリフレクタと共に使用され、ユニット形式の照明装置として投写型表示装置に組付けられる。
【０００３】
図９には従来の一般的な照明装置の概略構成を示してある。この図に示すように、照明装置１００は、メタルハライドランプ等の光源ランプ２と、この光源ランプ２が取り付けられたリフレクタ３とから基本的に構成されている。この照明装置１００では、光源ランプ２からの発散光はリフレクタ３の反射面１１で反射し、リフレクタ３の前面開口４からランプ光軸Ｌに略平行な光として出射する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
投写型表示装置に用いる照明装置としては、平行性の高い照明光を出射できる照明装置が望ましいため、リフレクタで反射し略平行な光となった反射出射光成分Ｌ２のみが照明光として使われる場合が多い。しかし、図９に示した照明装置１００では、光源ランプ２からの発散光のうち、リフレクタ３で反射されることなく前面開口４からそのまま出射される光成分（直接出射光成分）Ｌ１は、照明装置１００の出射光としては利用されていない。この直接出射光成分も出射光として利用できれば、照度の高い照明装置を実現でき、投写型表示装置の投写画像を明るくできる。
【０００５】
本発明の課題は、上記の点に鑑みて、光源ランプからの発散光のうち、反射出射光成分に加えて直接出射光成分をも有効利用できる照明装置を提供することにある。
【０００６】
また、本発明の課題は、この新規な照明装置を備え、明るい画像を投写可能な投写型表示装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の照明装置では、光源ランプと、この光源ランプの発散光の一部を反射して略平行な出射光として前面開口から出射するリフレクタとを有する照明装置において、前記リフレクタの前記前面開口の出射側に配置されたホログラム素子を有し、当該ホログラム素子は、前記光源ランプの発散光のうち、反射されることなく前記前面開口から直接に出射する直接出射光成分の少なくとも一部を前記光源ランプの光軸に略平行な方向に回折することを特徴としている。
【０００８】
本発明の照明装置では、光源ランプの発散光のうち、直接出射光成分の少なくとも一部はホログラム素子によって回折されてランプ光軸に略平行な光に変換される。従って、直接出射光成分を照明装置の出射光として利用できる。このため、従来利用されていない直接出射光成分を利用できる分、照明装置の光の利用効率を高めることができ、明るい出射光を得ることができる。また、本発明の照明装置を投写型表示装置に組み込むことにより、明るい投写画像を投写可能な投写型表示装置を実現できる。
【０００９】
ホログラム素子としては、表面（光入射面）が凹凸となったレリーフ型のホログラム素子を採用できる。また、屈折率などが周期的に変化した光学的な構造を内部に有する体積変調型のホログラム素子を用いることが可能である。この体積変調型のホログラム素子は入射角依存性が大きい。すなわち、十分に高い回折効率が得られる光の入射角の範囲が狭い。このため、体積変調型のホログラム素子を用いれば、その入射角依存性を適切に設置することにより、リフレクタで反射されて平行化された入射角の小さな光成分には回折作用を与えず、入射角の大きな直接出射光成分にのみ回折作用を与えることが容易となる。このようにすれば、従来の照明装置の出射光として利用していた光成分を回折させることなくそのまま有効に利用できる。
【００１０】
また、ホログラム素子に波長依存性を持たせて、所定の波長帯の色光成分のみを前記ランプ光軸に略平行な方向に回折するようにして、所望の色光成分のみの利用効率を高めても良い。一般的に、光源ランプの各波長帯における光（色光成分）の発光強度は不均一である。このため、光源ランプのある波長帯の光の強度が他の波長帯の光に比べて低い場合には、その波長帯の光に対してのみホログラム素子の回折作用が生じるようにすれば、照明装置からの出射光の色バランスをほぼ均一にできる。
【００１１】
ここで、１つの波長帯の光のみの発光強度を高めるだけでなく、複数の波長帯の光の発光強度を高めるようにすれば、照明装置からの出射光の色バランスをより均一化できる。すなわち、第１の波長帯の第１の色光成分のみを光源ランプの光軸に略平行な方向に回折する第１の偏向部分と、第１の波長帯とは異なる第２の波長帯の第２の色光成分のみを光源ランプの光軸に略平行な方向に回折する第２の偏向部分とから構成したホログラム素子を使用すれば良い。第１および第２の偏向部分は光学的特性の異なる少なくとも２つの偏向部から構成されるのが一般的である。このようなホログラム素子の例としては、第１の偏向部分に対応するホログラム素子（第１の偏向部分）と第２の偏向部分に対応するホログラム素子（第２の偏向部分）を積層して一体化したものが挙げられる。また、複数のホログラム材料を積層して第１および第２の偏向部分を構成したものが挙げられる。
【００１２】
一方、ホログラム素子に、ランプ光軸を中心とする中心領域を設け、この中心領域では光をそのまま透過させるようにしても良い。例えば、中心領域が貫通孔となった円環状のホログラム素子や、中心領域のみがガラス等の光をそのまま透過させる材質から形成されたホログラム素子を採用することができる。直接出射光成分のうち、ランプ光軸付近を通過する光成分はホログラム素子の光入射面に対する入射角は小さく、実質的にランプ光軸に略平行な光となっている。上記のような中心領域を有するホログラム素子を用いれば、実質的にランプ光軸に略平行な直接出射光成分を回折させることなくそのまま透過させることができるので、不要な回折による光損失を防止できる。
【００１３】
また、リフレクタの前面開口から出射される光の強度分布は、一般的にランプ光軸近傍が最も大きく、ランプ光軸から遠ざかるにつれて急激に低下する。すなわち、周辺部では光強度は小さい。上記のような中心領域を有するホログラム素子を用いれば、ランプ光軸近傍の光強度を不要な回折によって低下させることがなく、しかも周辺部の光強度をホログラム素子により確実に高めることができる。これにより、照明装置の出射光の照度ムラを低減できる。
【００１４】
次に、本発明の照明装置は、投写型表示装置の光源として適用可能である。すなわち、照明装置と、当該照明装置からの出射光を変調する光変調素子と、この光変調素子によって変調された変調光を投写面上に拡大投写する投写光学系とを有する投写型表示装置において、その照明装置として、前述した本発明の照明装置を採用できる。本発明の照明装置は、光の利用効率が高く、明るい出射光を出射できるので、本発明の投写型表示装置によれば、明るい投写画像を投写可能である。なお、光変調素子は透過型であっても良く、また、反射型であっても良い。
【００１５】
なお、本発明の照明装置は、投写型表示装置の光源としてだけでなく、車のヘッドライト等に対して適用できるのは勿論である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（照明装置）
以下に図面を参照して本発明を適用した照明装置を説明する。図１は照明装置の概略断面構成図である。図１に示す照明装置１は、基本的には、光源ランプ２からの発散光をリフレクタ３によって反射して、ランプ光軸Ｌに略平行な出射光として出射する形式のものである。また、照明装置１は、リフレクタ３の前面開口４の出射側に配置されたホログラム素子５を有している。
【００１７】
光源ランプ２としては、メタルハライドランプ、高圧水銀ランプ、キセノンランプ等を使用できる。光源ランプ２の発光管６は、石英ガラス製であり、その中央には断面が楕円形状をした球状の発光部７が形成されている。この発光部７の両側には外側に細長く直線的に伸びる封止部８、９が一体形成されている。発光部７の内部には、電極芯棒が所定の位置に配置されている。また、例えば、沃化ジスプロシウム、沃化ネオジム、沃化セシウム等の金属ハロゲン化物が封入されている。
【００１８】
リフレクタ３には、放物面状の反射面１１が備わっており、この反射面１１の前端縁によって前面開口４が規定されている。反射面１１に照射した光源ランプ２からの発散光はランプ光軸Ｌに略平行な反射出射光成分Ｌ２として反射される。この反射出射光成分Ｌ２の出射方向とランプ光軸Ｌがなす角度（反射出射光成分Ｌ２の拡がり角）は約１０°以下程度である。反射面１１の底部中央からはその背面側に向けて筒型のランプ取付け部１２が延びている。このランプ取付け部１２に、光源ランプ２の一方の封止部９が挿入されている。
【００１９】
なお、光源ランプ２は、封止部９に口金が取り付けられ、この口金を介してランプ取付け部１２に挿入された後、耐熱性の接着剤等によって固定される。また、光源ランプ２は、管軸とランプ光軸Ｌが略平行となるようにリフレクタ３に取り付けられ、発光部７が取付け部の底部中央から所定の量だけ前方に突き出た状態で固定される。
【００２０】
ホログラム素子５は、その光入射面５ａおよび光出射面５ｂが平坦で、屈折率等が周期的に変化した光学的な内部構造を有する体積変調型の素子である。このホログラム素子５は、ランプ光軸Ｌに直交する姿勢でその光入射面５ａがリフレクタ３の前面開口４から僅かに離れた位置に対峙するように配置されている。本例のホログラム素子５は、前面開口４よりも一回り大きな円形をしている。また、ホログラム素子５は、光源ランプ２の発散光のうち、その光入射面５ａに対して所定の角度範囲で入射する光だけを回折し、ランプ光軸Ｌに略平行な方向に出射する。
【００２１】
図２には、ホログラム素子５に入射する光の入射角θとホログラム素子５の回折効率の関係を示してある。この図から分かるように、本例のホログラム素子５は、入射角θがθ１からθ２（１０°＜θ１＜θ２）の範囲の光に対する回折効率が高くなるように設定されている。このようなホログラム素子５では、入射する光のうち、θ１以下の入射角θで入射する光は、ホログラム素子５の回折作用をほとんど受けずに、実質的にホログラム素子５をそのまま透過する。また、θ１〜θ２の入射角θで入射する光は、ホログラム素子５の回折作用によってランプ光軸Ｌに略平行な光に変換されることになる。
【００２２】
このため、照明装置１では、図３（Ａ）および図４に示すように、リフレクタ３の反射面１１で反射されることなく、前面開口４から出射された発散状態の直接出射光成分Ｌ１のうち、ホログラム素子５のランプ光軸Ｌを中心とする中心領域５ｃに入射する光成分Ｌ１２は、その入射角θがθ１以下となるので、回折作用を受けることなく、ホログラム素子５をそのまま透過する。この光成分Ｌ１２は、光入射面５ａに対する入射角θが小さいので、実質的にランプ光軸Ｌに略平行な光である。従って、光成分Ｌ１２は回折による光損失を伴うことなく、そのまま照明装置１からの出射光Ｈとして利用される。
【００２３】
また、直接出射光成分Ｌ１のうち、中心領域５ｃ以外の領域５ｄに入射する光成分Ｌ１１は、その入射角θがθ１より大きくなる。このため、光成分Ｌ１１のうち、ホログラム素子５に対する入射角θがθ１〜θ２の範囲に含まれている成分、すなわち、光成分Ｌ１１の全成分あるいは一部がホログラム素子５の回折作用を受けてランプ光軸Ｌに略平行な光に変換され、ホログラム素子５の光出射面５ｂから出射する。そして、照明装置１の出射光Ｈとして利用される。
【００２４】
一方、図３（Ｂ）に示すように、反射出射光成分Ｌ２は、ホログラム素子５に対する入射角がθ１より小さいので、入射する領域に関係なくその全成分が回折作用をほとんど受けずに当該ホログラム素子５を透過し、照明装置１の出射光Ｈとして利用される。
【００２５】
このように照明装置１では、リフレクタ３の前面開口４の出射側にホログラム素子５を配置して、光源ランプ２からの発散光のうち、従来利用されていなかった直接出射光成分Ｌ１を照明装置１の出射光Ｈとして利用している。従って、照明装置１の光の利用効率を高めることができ、明るい出射光Ｈを得ることができる。
【００２６】
また、照明装置１においては、体積変調型のホログラム素子５を採用している。体積変調型ホログラム素子は、レリーフ型のホログラム素子に比べて入射角依存性が大きく、回折作用が発揮される光の入射角の範囲（θ１〜θ２）が狭い。このため、リフレクタ３で反射されて平行化された反射出射光成分Ｌ２には回折作用をほとんど与えず、直接出射光成分Ｌ１の一部（光成分Ｌ１１）にのみ確実に回折作用を与えることができる。
【００２７】
ここで、リフレクタ３の前面開口４から出射される光の強度分布は、一般的にランプ光軸近傍が最も大きく、ランプ光軸Ｌから遠ざかるにつれて急激に低下する傾向にある。すなわち、ホログラム素子５の中心領域５ｃに入射する光の強度は、その他の領域５ｄに入射する光の強度に比べて大きい。照明装置１では、領域５ｃに入射する光はホログラム素子５を実質的にそのまま透過するので、ランプ光軸Ｌの近傍を通過する光の強度はほとんど低下することがない。また、前述のように、領域５ｄに入射する直接出射光成分（光成分Ｌ１１）を回折して照明装置１の出射光Ｈとして利用しているので、ランプ光軸Ｌから離れた周辺部を通過する光の強度は高まる。このため、照明装置１の出射光Ｈの光強度分布が均一化され、出射光Ｈの照度ムラを低減できる。
【００２８】
なお、ホログラム素子としては、体積変調型のホログラム素子の代わりに、レリーフ型のホログラム素子を採用することも可能である。このようなレリーフ型のホログラム素子を用いる場合には、図５（Ａ）および（Ｂ）に示すように、ホログラム素子５Ａの中心領域５ｃをガラス等の透明な材質から形成することが望ましい。中心領域５ｃは貫通孔としても良い。レリーフ型のホログラム素子は体積変調型のホログラム素子に比べて入射角依存性が低いので、光軸中心に沿って略平行に進む出射光が回折作用を受けてしまう恐れが高い。しかし、本例の構成のホログラム素子を用いれば、そのような不要な回折による光損失が発生しないという利点がある。
【００２９】
また、本例のホログラム素子５Ａを用いれば、それがレリーフ型、体積変調型のいずれであっても中心領域５ｃに入射する反射出射光成分Ｌ２は回折されずにそのまま透過するので、ランプ光軸Ｌの近傍を通過する光の強度の低下をより確実に防止でき、同時に照明装置１の出射光Ｈの照度ムラも一層低減できる。
【００３０】
（投写型表示装置）
次に、上述した照明装置１が組み込まれた投写型表示装置の一例を説明する。図６にはその投写型表示装置の光学系の概略構成を示してある。この図に示す投写型表示装置２０は、本発明を適用した照明装置１からの出射光Ｈを赤、緑、青の各色光Ｒ、Ｇ、Ｂに分離し、分離された各色光Ｒ、Ｇ、Ｂに対して反射型の液晶ライトバルブにより各色の画像信号に応じた変調を施し、変調後の各色光（変調光束）を再合成して投写面上に拡大投写する形式のものである。
【００３１】
詳細に説明すると、照明装置１からの出射光Ｈは、出射光Ｈに含まれるＰ偏光成分ＰおよびＳ偏光成分Ｓを空間的に分離する偏光ビームスプリッタ２１に入射する。この偏光ビームスプリッタ２１は、ランプ光軸Ｌに対して４５度傾斜した偏光分離膜２１ａを備えており、出射光Ｈに含まれるＰ偏光光Ｐを透過し、Ｓ偏光光Ｓを直交する方向に向けて反射することにより、２種類の偏光光を空間的に９０度の角度で分離する。
【００３２】
この偏光ビームスプリッタ２１におけるＰ偏光光Ｐの出射面３１に対峙させて、ダイクロイックプリズム２２が配置されている。このダイクロイックプリズム２２は上記の偏光分離膜２１ａと略平行に赤色・青色反射膜２２ａが形成されている。
【００３３】
ダイクロイックプリズム２２に入射したＰ偏光光Ｐに含まれる緑色光Ｇは赤色・青色反射膜２２ａを透過して当該ダイクロイックプリズム２２の出射面４１から出射する。この出射面４１に対峙させて、出射した緑色光Ｇの光路に直交する状態で、反射型の液晶ライトバルブ２３Ｇが配置されている。従って、Ｐ偏光光Ｐから分離された緑色光Ｇは当該液晶ライトバルブ２３Ｇに入射して、緑色画像信号に対応した変調が施される。Ｐ偏光光Ｐに含まれる赤色光Ｒおよび青色光Ｂはダイクロイックプリズム２２の赤色・緑色反射膜２２ａで反射される。
【００３４】
一方、偏光ビームスプリッタのＳ偏光光Ｓの出射面３２側には、ダイクロイックプリズム２４と、ダイクロイックプリズム２４における偏光ビームスプリッタ２１からＳ偏光光Ｓが入射する入射面４２に形成された緑色反射ダイクロイックフィルタ２５とが設けられている。偏光ビームスプリッタ２１から出射されたＳ偏光光Ｓは、緑色反射ダイクロイックフィルタ２５を通過する際に緑色成分が除去される。
【００３５】
そして、ダイクロイックプリズム２４に入射したＳ偏光光Ｓは、偏光分離膜２１ａとは直交する方向に形成された青色反射膜２４ａによって青色光Ｂが反射されて出射面４３から出射する。この出射面４３に対峙させて、出射した青色光Ｂの光路に直交する状態で、反射型の青色用液晶ライトバルブ２３Ｂが配置されている。従って、Ｓ偏光光Ｓから分離された青色光Ｂは当該液晶ライトバルブ２３Ｂに入射して青色画像信号に対応する変調が施される。青色反射膜２４ａを透過した赤色光Ｒは出射面４４から出射する。この出射面４４に対峙させて、出射した赤色光Ｒの光路に直交する状態で、反射型の赤色用液晶ライトバルブ２３Ｒが配置されている。従って、Ｓ偏光光Ｓから分離された赤色光Ｒは当該液晶ライトバルブ２３Ｒに入射して赤色画像信号に対応する変調が施される。
【００３６】
反射型の液晶ライトバルブ２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂに入射した各色光Ｒ、Ｇ、Ｂは、それぞれに供給されている各色の画像信号の画素信号に応じて各画素電極毎に偏光面の回転を受けた光が反射光（変調光）として得られる。このようにして得られた変調光は、再度、同一光路に沿って戻り、ダイクロイックプリズム２２、２４を通り、偏光ビームスプリッタ２１に至る。
【００３７】
ここで、Ｐ偏光光Ｐが入射した緑色用液晶ライトバルブ２３Ｇからの反射光は偏光面の回転作用を受けて部分的にＳ偏光光となっており、このＳ偏光成分のみが、当該偏光ビームスプリッタ２１の偏光分離膜２１ａで反射されて、投写光学系を構成している投写レンズ２６に供給され、変調されなかった光は偏光面の回転作用を受けずにＰ偏光光のままであるので、その残りのＰ偏光成分は光源の側に向けて戻っていく。
【００３８】
一方、Ｓ偏光光Ｓが入射した青色用および赤色用の液晶ライトバルブ２３Ｂ、２３Ｒからの変調光は、偏光面の回転作用を受けて部分的にＰ偏光光となっており、このＰ偏光成分のみが、当該偏光ビームスプリッタ２１の偏光分離膜２１ａを透過して、投写レンズ２６に供給され、残りのＳ偏光成分は反射されて光源の側に戻っていく。
【００３９】
この結果、偏光ビームスプリッタ２１の出射面３２からは各色の画像信号に応じて変調が施された各色光（変調光）が再度合成されて出力される。この合成光は投写レンズ２６を介して、投写面２７の上に拡大投写される。
【００４０】
このように構成された投写型表示装置２０は、本発明を適用した照明装置１を有している。照明装置１は、上述したように光の利用効率に優れ、明るい出射光Ｈを出射可能である。このため、投写型表示装置２０によれば、明るい投写画像を表示可能である。
【００４１】
（投写型表示装置の別の例）
上述した投写型表示装置２０は反射型液晶ライトバルブを光変調素子として用いたものであるが、本発明の照明装置は透過型液晶ライトバルブを光変調素子として用いたものに対しても適用可能である。
【００４２】
次に、透過型液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置の一例を説明する。図７はその投写型表示装置の光学系の要部を示した概略構成図であり、ＸＺ平面における構成を示している。また、図８には照明装置の周辺部分を取り出して示してある。なお、以下の説明においては、特にことわりのない限り、互いに直交する３方向を便宜的にＸ方向（横方向）、Ｙ方向（縦方向）、Ｚ方向（ランプ光軸Ｍの方向）とする。
【００４３】
投写型表示装置２０Ａは、前述した照明装置１と、この照明装置１から出射された光束を複数の中間光束に分割する第１の光学要素６１と、中間光束が集光する位置付近に配置された第２の光学要素６２と、この第２の光学要素６２から出射された光を画像情報に基づいて変調する３枚の透過型液晶ライトバルブ８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂと、透過型液晶ライトバルブ８０Ｒ、８０Ｇ、８０によって変調された光束を投写面２７上に拡大投写する投写光学系（投写レンズ）２６とを有している。
【００４４】
照明装置１は、ランプ光軸Ｍがシステム光軸Ｎに対して一定の距離ＤだけＸ方向に平行シフトした状態となるように配置されている。照明装置１から出射された光束は、第１の光学要素６１に入射する。
【００４５】
第１の光学要素６１は、ＸＹ平面上で矩形状の外形を有する複数の光束分割レンズ６１ａがマトリクス状に配列して構成されており、ランプ光軸Ｍが第１の光学要素６１の中心に来るように、照明装置１と第１の光学要素６１との位置関係が設定されている。第１の光学要素６１に入射した光は、光束分割レンズ６１ａにより複数の中間光束６１ｂに分割され、同時に光束分割レンズ６１ａの集光作用により、システム光軸Ｎと垂直な平面内（ＸＹ平面内）の中間光束が集束する位置に光束分割レンズの数と同数の集光像６１ｃを形成する。光束分割レンズ６１ａのＸＹ平面上における外形形状は、照明領域９０の形状と相似形をなすように設定される。本例では、ＸＹ平面上でＸ方向に長い横長の照明領域９０を想定しているため、光束分割レンズ６１ａのＸＹ平面上における外形形状も横長である。なお、この照明領域９０は、図７の液晶ライトバルブ８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂにおける画像形成領域に相当する。
【００４６】
集光像６１ｃが形成される位置の近傍には、システム光軸Ｎに対して垂直な平面内（ＸＹ平面内）に第２の光学要素６２が配置されている。この第２の光学要素６２は、集光レンズアレイ６３、遮光板６４、偏光変換装置６８および結合レンズ６７から大略構成される複合体である。なお、第１の光学要素６１に入射する光束の平行性が極めて良い場合には、第２の光学要素６２から集光レンズアレイ６３を省略した構成としても良い。この第２の光学要素６２は、中間光束６１ｂのそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離した後、一方の偏光光束の偏光方向と他方の偏光光束の偏光方向とを揃え、偏光方向がほぼ揃ったそれぞれの光束を照明領域に導くような機能を有している。
【００４７】
集光レンズアレイ６３は、第１の光学要素６１とほぼ同様な構成となっており、即ち、第１の光学要素６１を構成する光束分割レンズ６１ａと同数の集光レンズ６３ａをマトリクス状に配列したものであり、それぞれの中間光束６１ｂを後述する偏光変換装置６８の偏光分離ユニットアレイ６５の特定の場所に集光しながら導く機能を有している。従って、第１の光学要素６１により形成された中間光束６１ｂの特性に合わせて、また、偏光分離ユニットアレイ６５に入射する光はその主光線の傾きがシステム光軸Ｎと平行であることが理想的である点を考慮して、各集光レンズ６３ａのレンズ特性は各々最適化されることが望ましい。ただし、一般的には、光学系の低コスト化および設計の容易さを考慮して、第１の光学要素６１と全く同じものを集光レンズアレイ６３として用いるか、或いは、光束分割レンズ６１ａとＸＹ平面での形状が相似形である集光レンズを用いて構成した集光レンズアレイを用いても良いことから、本例の場合には、第１の光学要素６１を集光レンズアレイ６３として用いている。なお、集光レンズアレイ６３は遮光板６４や偏光変換装置６８から離れた位置（第１の光学要素６１に近い側）に配置してもよい。
【００４８】
遮光板６４は複数の遮光面６４ａと複数の開口面６４ｂが配列して構成されたものであり、遮光面６４ａと開口面６４ｂの配列の仕方は後述する偏光分離ユニットの配列の仕方に対応している。遮光板６４の遮光面６４ａに入射した光束は遮られ、開口面６４ｂに入射した光束は遮光板６４をそのまま透過する。従って、遮光板６４は、遮光板６４上の位置に応じて透過する光束を制御する機能を有しており、遮光面６４ａと開口面６４ｂの配列の仕方は、第１の光学要素６１による集光像６１ｃが後述する偏光分離ユニットの偏光分離面上のみに形成されるように設定されている。遮光板６４としては、ガラス板等の平板状の透明体に、クロムやアルミニウム等からなる遮光性の膜を部分的に形成したものや、アルミニウム板のような遮光性の平板に開口部を設けたもの等を使用することができる。特に、遮光性を有する膜を利用する場合には、遮光性を有する膜を集光レンズアレイ６３や後述する偏光分離ユニットアレイ６５上に直接形成しても同様の機能を発揮させることができる。
【００４９】
次に、偏光変換装置６８は偏光分離ユニットアレイ６５と、この偏光分離ユニットアレイ６５の出射面の側に取り付けられた選択位相差板６６とを有している。
【００５０】
偏光分離ユニットアレイ６５は、複数の偏光分離ユニット６５ａがマトリクス状に配列した構成をなしている。偏光分離ユニット６５ａの配列の仕方は、第１の光学要素６１を構成する光束分割レンズ６１ａのレンズ特性およびそれらの配列の仕方に対応している。本例においては、全て同じレンズ特性を有する同心系の光束分割レンズ６１ａを用いて、それらの光束分割レンズ６１ａを直交マトリクス状に配列することで第１の光学要素６１を構成しているため、偏光分離ユニットアレイ６５も全て同じ偏光分離ユニット６５ａを全て同じ向きに直交マトリクス状に配列することにより構成されている。なお、Ｙ方向に並ぶ同一列の偏光分離ユニットが全て同じ偏光分離ユニットである場合には、Ｙ方向に細長い偏光分離ユニットをＸ方向に配列して構成した偏光分離ユニットアレイ６５を用いた方が、偏光分離ユニット間の界面における光損失を低減できると共に偏光分離ユニットアレイの製造コストを低減できるという利点がある。
【００５１】
偏光分離ユニット６５ａは内部に偏光分離面６５ｂと反射面６５ｃを備えた四角柱状の構造体であり、偏光分離ユニット６５ａに入射する中間光束６１ｂのそれぞれをＰ偏光光束とＳ偏光光束とに空間的に分離する機能を有している。偏光分離ユニット６５ａのＸＹ平面上における外観形状は、光束分割レンズ６１ａのＸＹ平面上における外観形状と相似形をなしており、即ち、横長の矩形状である。従って、偏光分離面６５ｂと反射面６５ｃとは横方向（Ｘ方向）に並ぶように配置されている。ここで、偏光分離面６５ｂと反射面６５ｃとは、偏光分離面６５ｂがシステム光軸Ｎに対して約４５度の傾きをなし、且つ、反射面６５ｃが偏光分離面と平行な状態をなし、さらに、偏光分離面６５ｂがＸＹ平面上に投影する断面積（後述するＰ出射面の面積に等しい）と反射面６５ｃがＸＹ平面上に投影する断面積（後述するＳ出射面の面積に等しい）とが等しくなるように配置されている。従って、本例では、偏光分離面６５ｂが存在する領域のＸＹ平面上での横幅と反射面が存在する領域のＸＹ平面上での横幅とは等しくなり、且つ、それぞれが偏光分離ユニットのＸＹ平面上での横幅の半分になるように設定されている。なお、一般的に、偏光分離面６５ｂは誘電体多層膜で、また、反射面６５ｃは誘電体多層膜或いはアルミニウム膜で形成することができる。
【００５２】
偏光分離ユニット６５ａに入射した光は、偏光分離面６５ｂにおいて、進行方向を変えずに偏光分離面６５ｂを透過するＰ偏光光束と、偏光分離面６５ｂで反射され隣接する反射面６５ｃの方向に進行方向を変えるＳ偏光光束とに分離される。Ｐ偏光光束はそのままＰ出射面６５ｄを経て偏光分離ユニットから出射され、Ｓ偏光光束は再び反射面６５ｃで進行方向を変え、Ｐ偏光光束とほぼ平行な状態となって、Ｓ出射面６５ｅを経て偏光分離ユニットから出射される。従って、偏光分離ユニットに入射したランダムな偏光光束は偏光分離ユニットにより偏光方向が異なるＰ偏光光束とＳ偏光光束の二種類の偏光光束に分離され、偏光分離ユニットの異なる場所（Ｐ出射面６５ｄとＳ出射面６５ｅ）からほぼ同じ方向に向けて出射される。偏光分離ユニット６５ａは上記のような機能を有することから、それぞれの偏光分離ユニット６５ａの偏光分離面６５ｂが存在する領域にそれぞれの中間光束６１ｂを導く必要があり、そのため、偏光分離ユニット内の偏光分離面６５ｂの中央部に中間光束６１ｂが入射するように、それぞれの偏光分離ユニット６５ａとそれぞれの集光レンズ６３ａの位置関係やそれぞれの集光レンズ６３ａのレンズ特性は設定されている。特に、本例の場合には、それぞれの偏光分離ユニット内の偏光分離面６５ｂの中央部にそれぞれの集光レンズの中心軸が来るように配置するため、集光レンズアレイ６５は、偏光分離ユニットの横幅の１／４に相当する距離Ｄだけ、偏光分離ユニットアレイ６５に対してＸ方向にずらした状態で配置されている。
【００５３】
尚、偏光分離ユニットアレイにおいては、その内部に上述した偏光分離面と反射面が規則的に形成されたものであれば良く、上述した偏光分離ユニットを基本的な構成単位として用いる必要は必ずしもない。ここでは、偏光分離ユニットアレイの機能を説明し易くするために、偏光分離ユニットという構成単位を導入したに過ぎない。
【００５４】
遮光板６４は偏光分離ユニットアレイ６５と集光レンズアレイ６３との間にあって、遮光板６４のそれぞれの開口面６４ｂの中心とそれぞれの偏光分離ユニット６５ａの偏光分離面６５ｂの中心がほぼ一致するように配置され、また、開口面６４ｂの開口横幅（Ｘ方向の開口幅）は偏光分離ユニット６５ａの横幅の約半分の大きさに設定されている。この結果、偏光分離面６５ｂを経ずして反射面６５ｃに直接入射する中間光束６１ｂは、予め遮光板６４の遮光面６４ａで遮られるためほとんど存在せず、遮光板６４の開口面６４ｂの通過した光束はそのほとんど全てが偏光分離面６５ｂに入射することになる。従って、遮光板６４の設置により、偏光分離ユニット６５ａにおいて、直接反射面６５ｃに入射し、反射面６５ｃを経て隣接する偏光分離面６５ｂに入射する光束はほとんど存在しないことになる。
【００５５】
偏光分離ユニットアレイ６５の出射面側には、λ／２位相差板６６ａが規則的に配置された選択位相差板６６が設置されている。即ち、偏光分離ユニットアレイ６５を構成する偏光分離ユニット６５ａのＰ出射面６５ｄの部分にのみλ／２位相差板６６ａが配置され、Ｓ出射面６５ｅの部分にはλ／２位相差板６６ａは設置されていない。この様なλ／２位相差板６６ａの配置状態により、偏光分離ユニット６５ａから出射されたＰ偏光光束は、λ／２位相差板６６ａを通過する際に偏光方向の回転作用を受けＳ偏光光束へと変換される。一方、Ｓ出射面６５ｅから出射されたＳ偏光光束はλ／２位相差板６６ａを通過しないので、偏光方向は変化せず、Ｓ偏光光束のまま選択位相差板６６を通過する。以上をまとめると、偏光分離ユニットアレイ６５と選択位相差板６６により、偏光方向がランダムな中間光束６１ｂは一種類の偏光光束（この場合はＳ偏光光束）に変換されたことになる。
【００５６】
選択位相差板６６の出射面の側には、結合レンズ６７が配置されており、選択位相差板６６によりＳ偏光光束に揃えられた光束は、結合レンズ６７により照明領域（液晶ライトバルブ８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂの画像形成領域）９０へと導かれ、照明領域上で重畳結合される。ここで、結合レンズ６７は１つのレンズ体である必要はなく、第１の光学要素６１のように、複数のレンズの集合体であっても良い。
【００５７】
第２の光学要素６２の機能をまとめると、第１の光学要素６１により分割された中間光束６１ｂ（つまり、光束分割レンズ６１ａにより切り出されたイメージ面）は、第２の光学要素６２により照明領域上で重畳結合される。これと同時に、途中の偏光変換装置６８により、ランダムな偏光光束である中間光束は偏光方向が異なる二種類の偏光光束に空間的に分離され、その分離された二種類の偏光光束が一種類の偏光光束に変換される。ここで、偏光変換装置６８の偏光分離ユニットアレイ６５の入射側には遮光板６４が配置され、偏光分離ユニット６５ａの偏光分離面６５ｂにだけ中間光束が入射する構成となっているため、反射面６５ｃを経て偏光分離面６５ｂに入射する中間光束６１ｂはほとんどなく、偏光分離ユニットアレイ６５から出射される偏光光束の種類はほぼ一種類に限定される。従って、照明領域は殆ど一種類の偏光光束でほぼ均一に照明されることになる。
【００５８】
このような第２の光学要素６２から出射された一種類の偏光光束は、まず青光緑光反射ダイクロイックミラー７１において、赤色光Ｒが透過し、青色光Ｂおよび緑色光Ｇが反射する。赤色光Ｒは、反射ミラー７２で反射され、赤色用の透過型液晶ライトバルブ８０Ｒに達する。一方、青色光Ｂおよび緑色光Ｇのうち、緑色光Ｇは、緑光反射ダイクロイックミラー７３によって反射され、緑光用の透過型液晶ライトバルブ８０Ｇに達する。
【００５９】
ここで、青色光Ｂは、各色光のうちでその光路の長さが最も長いので、青色光Ｂに対しては、入射レンズ７４、リレーレンズ７５、および出射レンズ７６からなるリレーレンズ系で構成された導光手段７９を設けてある。即ち、青色光Ｂは、緑光反射ダイクロイックミラー７３を透過した後に、まず、入射レンズ７４を経て反射ミラー７７により反射されてリレーレンズ７５に導かれ、このリレーレンズ７５に集束された後、反射ミラー７８によって出射レンズ７６に導かれ、しかる後に、青光用の透過型液晶ライトバルブ８０Ｂに達する。ここで、３ヶ所の透過型液晶ライトバルブ８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂは、それぞれの色光を変調し、各色光に対応した画像情報を含まれた後に、変調した色光をクロスダイクロイックプリズム８５に入射する。クロスダイクロイックプリズム８５には、赤光反射の誘電体多層膜と青光反射の誘電体多層膜とがＸ字状に形成されており、それぞれの変調光束を合成しカラー画像を形成する。ここで形成されたカラー画像は、投写光学系である投写レンズ２６により投写面２７上に拡大投影され、投写画像を形成する。
【００６０】
このように構成された投写型表示装置２０Ａは、本発明を適用した照明装置１を有しているので、上述した反射型液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置２０と同様に、明るい投写画像を表示可能である。
【００６１】
ここで、照明装置１の構成要素である光源ランプ２の各色の発光バランスは一般的に不均一であるので、照明装置１からの出射光Ｈの色バランスも整っていない。このため、上述した投写型表示装置２０、２０Ａでは、分離された各色光Ｒ、Ｇ、Ｂの光強度は一致しておらず、例えば、所定の色光の光強度のみがその他の色光より弱くなる場合がある。
【００６２】
このような場合には、照明装置１のホログラム素子５に波長依存性を持たせて、光源ランプ２からの直接光Ｌ１のうち、所定の波長帯の色光のみに回折作用が働くように設定し、所定の波長帯の色光の強度を効果的に強めるようにすれば良い。このようにすれば、照明装置１からの出射光Ｈの色バランスを向上でき、投写型表示装置２０、２０Ａにおける各色光Ｒ、Ｇ、Ｂの光強度をほぼ一致させることができる。また、投写型表示装置２０、２０Ａにおいて、光路中における所定の色光の損失がその他の色光に比べて多い場合にも、ホログラム素子５に波長依存性を持たせて、光源ランプ２からの直接光Ｌ１のうち、所定の波長帯の色光のみに回折作用が働くようにすることが有効である。
【００６３】
さらに、２色の色光の強度を高める場合には、それぞれの色光に対応した２つのホログラム素子（第１および第２の偏向部分）を積層したものを使用すれば良い。また、複数のホログラム材料を積層することにより、第１および第２の偏向部分を構成したホログラム素子を使用することも可能である。
【００６４】
なお、本発明の照明装置は、投写型表示装置の光源に限らず、車のヘッドライト等に対して適用可能である。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、リフレクタの前面開口の出射側にホログラム素子を配置して、光源ランプからの発散光のうち、直接出射光成分の少なくとも一部をこのホログラム素子の回折作用によってランプ光軸に略平行な光に変換して照明装置の出射光として利用している。
【００６６】
従って、従来では利用されていない直接出射光成分を照明装置の出射光として利用できるので、その分、光の利用効率を高め、明るい出射光を得ることができる。また、本発明の照明装置を投写型表示装置に組み込むことにより、明るい投写画像を投写可能な投写型表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用した照明装置の概略断面構成図である。
【図２】ホログラム素子の光の入射角に対する回折効率の関係を示す図である。
【図３】（Ａ）は、図１に示す照明装置における直接出射光成分の回折状態を示す図、（Ｂ）は、ホログラム素子から出射される直接出射光成分の各光成分の分布を示す図である。
【図４】図１に示す照明装置における反射出射光成分の出射状態を示す図である。
【図５】（Ａ）は図１に示すホログラム素子とは異なる例のホログラム素子の平面図、（Ｂ）はその断面図である。
【図６】図１に示す照明装置を備えた投写型表示装置の光学系の概略構成図である。
【図７】図１に示す照明装置を備えた投写型表示装置の異なる光学系の例を示す概略構成図である。
【図８】図７に示す投写型表示装置の光学系における照明装置の周辺部分の拡大図である。
【図９】従来の照明装置の概略断面構成図である。
【符号の説明】
１  照明装置
２  光源ランプ
３  リフレクタ
４  前面開口
５、５Ａ  ホログラム素子
５ａ  光入射面
５ｂ  光出射面
７  発光部
１１  放物面反射面
２０、２０Ａ  投写型表示装置
２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂ  反射型液晶ライトバルブ
８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂ  透過型液晶ライトバルブ
２６  投写レンズ
５１  透明部分
Ｌ  ランプ光軸
Ｌ１  直接出射光成分
Ｌ２  反射出射光成分
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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