(57)【要約】【課題】部品の小型化を図ることができると共に、光利用効率の向上を図ることができる偏光変換素子、およびそれを利用して効率的で照明特性の良い照明光を得ることができる照明光学系、ならびにプロジェクタを提供する。【解決手段】偏光分離膜３１Ａは、光軸に対し上側および下側にほぼ４５°の角度で傾斜配置され、これにより、入射光が入射する方向側に頂点を向けたＶ字形状を成している。反射面３１Ｂは、偏光分離膜３１Ａを左右方向に反転させたような形状となっており、偏光成分の出射方向側に頂点を向けたＶ字形状を成している。そして、これら互いに異なる方向に頂点を向けたＶ字形状の偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとの組が、複数並列的に配置されている。この場合において、偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとは、厚み方向（光軸方向）において重なり合わないように配置されている。【選択図】      図５
2004240021.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板と
を備え、
前記偏光分離面は、前記入射光が入射する方向側に頂点を向けたＶ字形状を成し、
前記反射面は、前記第１および第２の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたＶ字形状を成している
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、前記偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板と
を含む一対のプリズムブロックを備え、
前記一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的に配置された構成となっている
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項３】
光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、
前記偏光変換素子アレイは、
入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板と
を備え、
前記偏光分離面は、前記入射光が入射する方向側に頂点を向けたＶ字形状を成し、
前記反射面は、前記第１および第２の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたＶ字形状を成し、
これら互いに異なる方向に頂点を向けたＶ字形状の前記偏光分離面と前記反射面との組が、複数並列的に配置された構成となっている
ことを特徴とする照明光学系。
【請求項４】
前記偏光変換素子アレイの入射面側に、前記第２レンズアレイが一体的に設けられている
ことを特徴とする請求項３に記載の照明光学系。
【請求項５】
光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第１レンズアレイと、前記第１レンズアレイによって分割された前記部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第２レンズアレイと、前記第２レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、
前記偏光変換素子アレイは、
光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、前記偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板と
を含む一対のプリズムブロックを備え、
前記一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的な配置となっており、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置されている
ことを特徴とする照明光学系。
【請求項６】
前記偏光変換素子アレイの入射面側に、前記第２レンズアレイが一体的に設けられている
ことを特徴とする請求項５に記載の照明光学系。
【請求項７】
光源と、前記光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、前記照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、前記画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、
前記照明光学系は、前記分割された無偏光の各部分光線束を、直線偏光光に変換して出射する偏光変換素子アレイを含み、
前記偏光変換素子アレイは、
入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板と
を備え、
前記偏光分離面は、前記入射光が入射する方向側に頂点を向けたＶ字形状を成し、
前記反射面は、前記第１および第２の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたＶ字形状を成し、
これら互いに異なる方向に頂点を向けたＶ字形状の前記偏光分離面と前記反射面との組が、複数並列的に配置された構成となっている
ことを特徴とするプロジェクタ。
【請求項８】
光源と、前記光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、前記照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、前記画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、
前記照明光学系は、前記分割された無偏光の各部分光線束を、直線偏光光に変換して出射する偏光変換素子アレイを含み、
前記偏光変換素子アレイは、
光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、
前記偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、前記偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、前記偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、
前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、前記第１の偏光成分または前記第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板と
を含む一対のプリズムブロックを備え、
前記一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的な配置となっており、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置されている
ことを特徴とするプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光を所定の偏光光に変換する偏光変換素子、およびそれを利用した照明光学系ならびにプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、偏光光を利用した装置が知られている。例えば、液晶表示パネルなどを用いた投射型表示装置（プロジェクタ）では、表示パネルに対する照明光として直線偏光光を用いている。このような装置では、所定の偏光光を得るために、偏光変換素子が用いられている。
【０００３】
図１０は、プロジェクタなどに用いられる照明光学系の例を示している。この照明光学系は、光軸Ｃ１に沿って、第１レンズアレイ１１２と、第２レンズアレイ１１３と、偏光変換素子アレイ１１４とを備えている。
【０００４】
第１レンズアレイ１１２は、正の屈折力を有する凸レンズのセル１１２Ａを複数個、マトリクス状に並べたものである。第２レンズアレイ１１３は、第１レンズアレイ１１２の個々のレンズセル１１２Ａに対応した正の屈折力を有する凸レンズのセル１１３Ａを複数個、マトリクス状に並べたのものである。
【０００５】
偏光変換素子アレイ１１４は、入射した無偏光の光束を直線偏光光に変換させるものである。この偏光変換素子アレイ１１４は、図１１に拡大して示したように、偏光分離膜１１４Ａと反射面１１４Ｂとを有し、それらが交互に複数配置されている。この偏光変換素子アレイ１１４の出射側には、１／２波長板１１４Ｃが所定間隔で複数配置されている。また入射側には、所定箇所に開口部１３０Ａが設けられた遮光板１３０が配置されている。偏光分離膜１１４Ａと反射面１１４Ｂは、光軸Ｃ１に対しほぼ４５°の角度で設けられている。
【０００６】
この照明光学系では、図示しない光源からの光が、第１レンズアレイ１１２の各レンズセル１１２Ａにより複数の光束に分割され、対応する第２レンズアレイ１１３の各レンズセル１１３Ａの開口部近傍に集光される。第２レンズアレイ１１３を透過した無偏光の光束は、遮光板１３０の開口部１３０Ａから偏光変換素子アレイ１１４に入射する。
【０００７】
偏光変換素子アレイ１１４では、図１１に示したように、入射光が偏光分離膜１１４ＡによりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。偏光分離膜１１４Ａで反射されたＳ偏光光は、さらに反射面１１４Ｂで反射し、Ｓ偏光光のまま偏光変換素子アレイ１１４から射出される。一方、偏光分離膜１１４Ａを透過したＰ偏光光は、１／２波長板１１４Ｃを透過し、その際に、Ｓ偏光光に変換され偏光変換素子アレイ１１４から射出される。この結果、偏光変換素子アレイ１１４から射出される光束はすべて直線偏光のＳ偏光光として射出される。このＳ偏光光が、例えば表示パネルへの照明光として利用される。なお、例えば１／２波長板１１４Ｃを設ける位置をずらすことにより、最終的な偏光成分をＰ偏光光にすることも可能である。
【０００８】
偏光分離面と反射面とを利用して直線偏光光を得る偏光変換素子の従来例としては、以下の文献記載のものがある。
【０００９】
【特許文献１】
特開平４−３１０９０３号公報
【特許文献２】
特開平５−７２４１７号公報
【特許文献３】
特許第３２９８５８０号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来では、偏光変換素子アレイ１１４の入射側開口部１３０Ａに集光しきれない光線が、不要な偏光光として偏光変換素子アレイ１１４から出射しないよう、入射側に遮光スリット等の遮光板１３０や遮光膜を配置し、開口部１３０Ａ以外から偏光変換素子アレイ１１４に光が入射しないようにする必要があった。すなわち、遮光板１３０がない場合、図１２に示したように、本来の入射側開口部１３０Ａではない部分に入射した光が、反射面１１４Ｂで反射した後、偏光分離膜１１４Ａに入射する。そして、偏光分離膜１１４Ａで反射したＳ偏光光が、１／２波長板１１４Ｃを透過し、そこでＰ偏光光に変換されて偏光変換素子アレイ１１４から射出されてしまう。また、偏光分離膜１１４Ａを透過したＰ偏光光も他の反射面１１４Ｂで反射して、偏光変換素子アレイ１１４から射出されてしまう。このように、入射側に遮光板１３０を配置しない場合には、本来必要とされる成分とは異なる偏光成分が射出されてしまう。この不要偏光成分は、特にプロジェクタにおいては、表示パネルの入射側に設けられている入射側偏光板の熱負荷の要因となるため、好ましくない。また、遮光板１３０を配置することは、偏光変換素子アレイ１１４を小型化する上でも好ましくない。
【００１１】
また、図１１に示したように、偏光分離膜１１４Ａで反射し、さらに反射面１１４Ｂで反射する光線２１２は、偏光分離膜１１４Ａを透過した光線２１１に対し、偏光変換素子基板内での光路長が基板厚の２倍になる。このため、光線２１２の方が、光線２１１に比べて光束の広がりも大きくなるが、一方で偏光変換素子アレイ１１４における各光線２１１，２１２についての出射側開口サイズは同じであるため、光線２１２側の開口部１４０において光束のケラレ量が多く発生し、光利用効率低下の要因となっていた。
【００１２】
さらに、光線２１２は、偏光分離膜１１４Ａを透過した光線２１１に対し光路長が長くなるだけでなく、基板厚分だけ光軸が片側にシフトするため、照明光として利用する場合においては、光の照射面における照明性能が低下し、照明範囲形状および光利用効率が、光線２１１に比べて悪くなり、照射領域全体でのバランスが悪くなるという欠点があった。
【００１３】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、部品の小型化を図ることができると共に、光利用効率の向上を図ることができる偏光変換素子、およびそれを利用して効率的で照明特性の良い照明光を得ることができる照明光学系、ならびにプロジェクタを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の観点に係る偏光変換素子は、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、第１の偏光成分または第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、第１の偏光成分または第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板とを備えている。そして、偏光分離面が、入射光が入射する方向側に頂点を向けたＶ字形状を成し、反射面が、第１および第２の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたＶ字形状を成しているものである。
【００１５】
本発明の第１の観点に係る照明光学系は、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第１レンズアレイと、第１レンズアレイによって分割された部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第２レンズアレイと、第２レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、偏光変換素子アレイが、上記本発明の第１の観点に係る偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と１／２波長板とを備え、互いに異なる方向に頂点を向けたＶ字形状の偏光分離面と反射面との組が、複数並列的に配置された構成となっている。
【００１６】
本発明の第１の観点に係るプロジェクタは、光源と、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、照明光学系として、上記本発明の第１の観点に係る照明光学系を備えたものである。
【００１７】
本発明の第２の観点に係る偏光変換素子は、光軸に対し傾斜配置され、入射光を反射および透過させることによって互いに直交する第１および第２の偏光成分に分離する偏光分離面と、偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、第１の偏光成分または第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、第１の偏光成分または第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板と、を含む一対のプリズムブロックを備えている。一対のプリズムブロックは、それぞれ互いに向かい合って対称的となるように配置されている。
【００１８】
本発明の第２の観点に係る照明光学系は、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する第１レンズアレイと、第１レンズアレイによって分割された部分光線束を照明領域上で重ね合わせるための第２レンズアレイと、第２レンズアレイを介して射出された無偏光の各部分光線束を直線偏光光に変換する偏光変換素子アレイと、を備えた照明光学系であって、偏光変換素子アレイが、上記本発明の第２の観点に係る偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と１／２波長板と、を含む一対のプリズムブロックを備え、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置された構成となっている。
【００１９】
本発明の第２の観点に係るプロジェクタは、光源と、光源から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割して照明光として出射する照明光学系と、照明光学系からの出射光を、与えられた画像信号に応じて変調する画像表示素子と、画像表示素子によって変調された光を投射する投射手段と、を備えたプロジェクタであって、照明光学系として、上記本発明の第２の観点に係る照明光学系を備えたものである。
【００２０】
本発明の第１および第２の観点に係る偏光変換素子では、上記した構成にすることにより、従来に比べて素子基板の薄型化が可能となり、部品の小型化が図られる。また、基板が薄型化されることで、偏光変換素子の出射側における光のケラレ量が低減し、光利用効率の向上が図られる。
【００２１】
本発明の第１および第２の観点に係る照明光学系では、偏光変換素子アレイを上記した構成にすることにより、偏光変換素子アレイにおいて、偏光分離面と反射面とで反射されて出射した光線の光軸シフト量が従来よりも少なくなり、また、偏光分離面を透過する光線との基板内光路長差も少なくなる。このため、従来に比べて照明範囲特性が改善されると共に、光利用効率の向上が図られる。また、偏光変換素子アレイの薄型化が可能となり、照明光学系全体の全長が短縮化される。
【００２２】
本発明の第１および第２の観点に係るプロジェクタでは、照明光学系を上記した構成にすることにより、効率的で照明特性の良い照明光が得られ、質の良い画像表示が実現される。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【００２４】
本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の構成を説明する前に、まず、その偏光変換素子を用いた装置の全体構成を説明する。図１は、本実施の形態に係る偏光変換素子および照明光学系を用いた光照射装置の構成例を示している。この光照射装置は、例えば液晶表示パネルなどの画像表示パネル１８を、直線偏光光によって照明するためのものである。この光照射装置は、光軸Ｃ１に沿って、光源１０と、第１レンズアレイ１２と、第２レンズアレイ１３と、偏光変換素子アレイ３１とを備えている。この光照射装置はまた、メインコンデンサレンズ１５と、チャンネルコンデンサレンズ１６と、入射側偏光板１７とを備えている。
【００２５】
光源１０は、例えば反射面が放物面からなるリフレクター１１を有している。光源１０は、例えばカラー画像表示を行う場合には、赤色光（Ｒ）、青色光（Ｂ）および緑色光（Ｇ）を含んだ白色光を発するものであり、例えばハロゲンランプ、メタルハライドランプまたはキセノンランプなどにより構成されている。
【００２６】
第１レンズアレイ１２、第２レンズアレイ１３、および偏光変換素子アレイ３１は、本実施の形態に係る照明光学系の主要部を構成するものであり、光源１０からの光を均一化すると共に、偏光方向がランダムな光束を直線偏光光に変換する機能を有している。
【００２７】
メインコンデンサレンズ１５およびチャンネルコンデンサレンズ１６は、偏光変換素子アレイ３１から出射された直線偏光光束を集光し、入射側偏光板１７を介して、画像表示パネル１８に入射させる機能を有している。入射側偏光板１７は、所定方向の直線偏光光のみを通過させ、画像表示パネル１８に入射させる。
【００２８】
第１レンズアレイ１２は、図４に拡大して示したように、正の屈折力を有する凸レンズのセル１２Ａを複数個、マトリクス状に並べたものである。第２レンズアレイ１３は、第１レンズアレイ１２の個々のレンズセル１２Ａに対応した正の屈折力を有する凸レンズのセル１３Ａを複数個、マトリクス状に並べたのものである。第１レンズアレイ１２は、光源１０から射出された無偏光の光束を複数の部分光線束に分割する機能を有している。第２レンズアレイ１３は、第１レンズアレイ１２によって分割された部分光線束を照明領域上で重ね合わせるためのものである。
【００２９】
なお、第１レンズアレイ１２を構成する個々のレンズセル１２Ａの頂点位置は、各レンズセル１２Ａに対応する開口の中心位置から偏芯していることが好ましい。これにより、偏光変換素子アレイ３１の入射面開口部への集光性を向上させることができる。
【００３０】
偏光変換素子アレイ３１は、本実施の形態において最も特徴的な部分であり、入射した無偏光の光束を直線偏光光に変換させる機能を有している。この偏光変換素子アレイ３１の構成については、後に詳述する。
【００３１】
図２は、本実施の形態に係る偏光変換素子および照明光学系を用いたプロジェクタの構成例を示している。なお、以下では、図１に示した光照射装置の構成要素と同様の機能を有する部分には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００３２】
このプロジェクタは、透過型の３枚の画像表示パネル１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃを用いてカラー画像表示を行う、いわゆる３枚式の透過型プロジェクタである。このプロジェクタは、第１レンズアレイ１２、第２レンズアレイ１３、偏光変換素子アレイ３１、およびメインコンデンサレンズ１５を介して入射した光源１０からの白色光を、赤色光Ｒと、その他の色光Ｇ，Ｂとに分離するダイクロイックミラー１９を備えている。ダイクロイックミラー１９によって分離された赤色光Ｒの光路上には、全反射ミラー２４Ａが配置されている。
【００３３】
このプロジェクタはまた、ダイクロイックミラー１９によって分離された緑色光Ｇおよび青色光Ｂの光路上に配置されたダイクロイックミラー２０を備えている。ダイクロイックミラー２０は、入射した緑色光Ｇと青色光Ｂとを分離する機能を有している。ダイクロイックミラー２０によって分離された青色光Ｂの光路上には、光の進む順に、リレーレンズ２６Ａ、全反射ミラー２４Ｂ、リレーレンズ２６Ｂ、および全反射ミラー２４Ｃが配置されている。
【００３４】
このプロジェクタにおいて、赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂの各光路上にはまた、それぞれの色光に対応して、光の入射側から順に、チャンネルコンデンサレンズ１６（１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ）と、入射側偏光板１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃと、画像表示パネル１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃと、出射側偏光板２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃとが設けられている。
【００３５】
画像表示パネル１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃは、例えば液晶表示パネルによって構成され、入射した直線偏光光に対して、与えられた画像信号に応じて空間的な変調を施し、その変調光を出射するものである。画像表示パネル１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃは、本発明における「画像表示素子」の一具体例に対応する。
【００３６】
このプロジェクタはまた、ダイクロイックプリズム２２と投影レンズ２３とを備えている。ダイクロイックプリズム２２は、出射側偏光板２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを介して出射された画像表示パネル１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃからの各色の変調光を、色合成するものである。投影レンズ２３は、ダイクロイックプリズム２２によって合成された光を図示しないスクリーン上に投射するものである。投影レンズ２３は、本発明における「投射手段」の一具体例に対応する。
【００３７】
次に、偏光変換素子アレイ３１の構成について詳述する。この偏光変換素子アレイ３１は、図５に拡大して示したように、偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとを有し、それらが交互に複数配置されている。この偏光変換素子アレイ３１の出射側には、１／２波長板３１Ｃが所定間隔で複数配置されている。
【００３８】
偏光分離膜３１Ａは、入射光を反射および透過させることによって、互いに直交する２つの偏光成分に分離する機能を有している。例えば、偏光分離膜３１Ａの作用面（偏光分離面）に対し透過した光はＰ偏光成分、反射した光はＳ偏光成分となる。ここで、偏光分離膜３１Ａを反射した例えばＳ偏光成分が、本発明における「第１の偏光成分」の一具体例に対応し、透過した例えばＰ偏光成分が、本発明における「第２の偏光成分」の一具体例に対応する。
【００３９】
反射面３１Ｂは、偏光分離膜３１Ａによって反射されたＳ偏光成分を、偏光分離膜３１Ａを透過したＰ偏光成分の出射方向と同一方向側に反射する機能を有している。
【００４０】
偏光分離膜３１Ａは、光軸Ｃ１に対し上側および下側にほぼ４５°の角度で傾斜配置され、これにより、入射光が入射する方向側（図の左側）に頂点を向けたＶ字形状を成している。また、反射面３１Ｂは、偏光分離膜３１Ａを、ちょうど図の左右方向に反転させたような形状となっており、偏光成分の出射方向側（図の右側）に頂点を向けたＶ字形状を成している。そして、これら互いに異なる方向に頂点を向けたＶ字形状の偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとの組が、複数並列的に配置されている。この場合において、偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとは、厚み方向（光軸方向）において重なり合わないように配置されている。
【００４１】
１／２波長板３１Ｃは、この偏光変換素子アレイ３１の出射側において、Ｓ偏光成分またはＰ偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、Ｓ偏光成分またはＰ偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にするためのものである。図５の例では、１／２波長板３１ＣをＰ偏光成分の光路に設け、出射光をすべてＳ偏光成分に変換している。
【００４２】
また、この偏光変換素子アレイ３１の構成を別の観点から表現すると、以下のようになる。
【００４３】
すなわち、この偏光変換素子アレイ３１は、図６に示したように、一対のプリズムブロック６１，６２を有している。各プリズムブロック６１，６２は、光軸に対し傾斜配置された偏光分離膜３１Ａと、この偏光分離膜３１Ａと同一方向に傾斜配置された反射面３１Ｂと、光の出射側に設けられた１／２波長板３１Ｃとを含んでいる。一対のプリズムブロック６１，６２は、それぞれ互いに向かい合って対称的な配置となっている。この一対のプリズムブロック６１，６２が複数並列的に配置されて、偏光変換素子アレイ３１が構成されている。
【００４４】
一対のプリズムブロック６１，６２は、光学作用の観点から見ると、従来の偏光変換素子アレイ１１４（図１１）における図示した単位ブロック１６０に対応している。
【００４５】
図７（Ａ）〜（Ｆ）は、偏光変換素子アレイ３１の製造方法の一例を示している。偏光変換素子アレイ３１を製造する場合、まず、それぞれ一方の面に反射膜５１Ｂが形成された２つの板ガラス５１，５２を、偏光分離膜５１Ａを介して接着する。このような板ガラス５１，５２の組５０を、図示したように約４５°傾けた状態で複数接着していく（図７（Ａ））。次に、このように接着されたものを、図７（Ａ）において点線で示したように所定の大きさのブロックに切り出す。次に、切り出されたブロックをさらに、図７（Ｂ）において点線で示したように、短冊状のブロック５５に切断する。
【００４６】
この短冊状のブロック５５をさらに、図７（Ｃ）において点線で示したように、偏光分離膜５１Ａと反射膜５１Ｂとがそれぞれ１つずつ含まれるようなプリズムブロック６０に切断する。このようにして得られた複数のプリズムブロック６０（図７（Ｄ））を、部分的に反転させ、図７（Ｅ）に示したように、各プリズムブロック６０が向かい合うように対称に配置する。最後に、このような配置の状態で、図７（Ｆ）に示したように、各プリズムブロック６０同士を接着し、さらに一方の面側に１／２波長板３１Ｃを所定の位置に接着する。以上のようにして、偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとを備えた偏光変換素子アレイ３１が製造される。
【００４７】
次に、以上のように構成された光照射装置およびプロジェクタの作用、動作を説明する。
【００４８】
まず、光照射装置およびプロジェクタの全体的な動作を説明する。図１に示した光照射装置において、光源１０からの光束は、第１レンズアレイ１２に向けて出射される。光源１０は、図３に示したように、リフレクター１１の焦点位置１に配置されているため、その光束はリフレクター１１によって略平行光束に変換されて第１レンズアレイ１２に入射する。
【００４９】
第１レンズアレイ１２では、各レンズセル１２Ａの作用により、入射光が複数の光束に分割され、図４に示したように、対応する第２レンズアレイ１３の各レンズセル１３Ａの開口部近傍に集光される。第２レンズアレイ１３を透過した無偏光の光束は、次に偏光変換素子アレイ３１に入射する。偏光変換素子アレイ３１は、入射光束を所定の直線偏光光に変換して出射する。
【００５０】
偏光変換素子アレイ３１から出射された直線偏光光は、メインコンデンサレンズ１５、およびチャンネルコンデンサレンズ１６の作用により集光され、入射側偏光板１７を介して画像表示パネル１８に照明光として入射される。
【００５１】
図２に示したプロジェクタでは、光源１０からの白色光が、第１レンズアレイ１２、第２レンズアレイ１３、偏光変換素子アレイ３１、およびメインコンデンサレンズ１５を介してダイクロイックミラー１９に入射する。ダイクロイックミラー１９では、入射光を赤色光Ｒとその他の色光Ｇ，Ｂとに分離して出射する。
【００５２】
ダイクロイックミラー１９によって分離された赤色光Ｒは、全反射ミラー２４Ａを介して、チャンネルコンデンサレンズ１６Ａ、入射側偏光板１７Ａおよび画像表示パネル１８Ａに入射する。
【００５３】
緑色光Ｇと青色光Ｂは、ダイクロイックミラー２０によって分離される。分離された緑色光Ｇは、チャンネルコンデンサレンズ１６Ｂ、入射側偏光板１７Ｂおよび画像表示パネル１８Ｂに入射する。青色光Ｂは、リレーレンズ２６Ａ、全反射ミラー２４Ｂ、リレーレンズ２６Ｂ、および全反射ミラー２４Ｃを介して、チャンネルコンデンサレンズ１６Ｃ、入射側偏光板１７Ｃおよび画像表示パネル１８Ｃに入射する。
【００５４】
画像表示パネル１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃでは、入射した直線偏光光に対して、入力された画像信号に応じた空間的な変調を施し、その変調光を出射する。画像表示パネル１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃによる各色の変調光は、出射側偏光板２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃを介してダイクロイックプリズム２２に入射され、そこで色合成される。合成された光は、投影レンズ２３によって、図示しないスクリーン上に投射される。これにより、スクリーン上に拡大された画像が形成される。
【００５５】
次に、偏光変換素子アレイ３１の作用について詳述する。図５に示したように、偏光変換素子アレイ３１では、入射側開口部３０Ａから入射した光が偏光分離膜３１ＡによりＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離される。偏光分離膜３１Ａで反射されたＳ偏光光は、さらに反射面３１Ｂで反射し、Ｓ偏光光のまま偏光変換素子アレイ３１から射出される。一方、偏光分離膜３１Ａを透過したＰ偏光光は、１／２波長板３１Ｃを透過し、その際に、Ｓ偏光光に変換され偏光変換素子アレイ３１から射出される。この結果、偏光変換素子アレイ３１から射出される光束はすべて直線偏光のＳ偏光光として射出される。このＳ偏光光が、画像表示パネル１８（１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ）への照明光として利用される。
【００５６】
なお、例えば１／２波長板３１Ｃを設ける位置をずらすことにより、最終的な偏光成分をすべてＰ偏光光にすることも可能である。すなわち、図５の例では、１／２波長板３１Ｃが偏光分離膜３１Ａに対応した位置に設けられているが、これを反射面３１Ｂに対応した位置に設け、反射面３１Ｂで反射したＳ偏光光をＰ偏光光に変換する構成にすることも可能である。
【００５７】
ここで、この偏光変換素子アレイ３１の作用を、さらに従来の偏光変換素子アレイ１１４（図１１）と比較して説明する。
【００５８】
既に［発明が解決しようとする課題］の項において説明したように、従来の偏光変換素子アレイ１１４では、偏光分離膜１１４Ａで反射し、さらに反射面１１４Ｂで反射する光線２１２の偏光変換素子基板内での光路長が、偏光分離膜１１４Ａを透過した光線２１１に対して、基板厚の２倍になっている。このため、光線２１２の方が、光線２１１に比べて光束の広がりも大きくなり、光線２１２側の開口部１４０において光束のケラレ量が多く発生し、光利用効率低下の要因となっていた。
【００５９】
一方、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ３１では、偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとを含むプリズムブロック６１，６２（図６）を向かい合わせるような構造を持つことにより、従来の偏光変換素子アレイ１１４に比べて、入射側開口部３０Ａを同じサイズに保ったまま、基板厚を半分にすることができる。これにより、偏光分離膜３１Ａで反射し、さらに反射面３１Ｂで反射した光線Ｌ１２（図５）と、偏光分離膜３１Ａを透過した光線Ｌ１１との基板内での光路長の差が、従来の偏光変換素子アレイ１１４に比べて半分になる。従って、出射光束の広がりが、従来の偏光変換素子アレイ１１４に比べて少なくなり、光のケラレ量も少なくなる。結果的に、光利用効率の向上が図られる。
【００６０】
また、基板内での光路長のみならず、光線Ｌ１２の光軸シフト量も、従来の偏光変換素子アレイ１１４に比べて半減される。このため、画像表示パネル１８上に照明される、第１レンズアレイ１２の照明像の性能が改善され、光利用効率が改善される。また、図５と図１１とを比較して分かるように、従来では片側方向（図１１では上側）にのみ光軸シフトが生じているが、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ３１では、上側と下側との両側方向にシフトしているため、画像表示パネル１８上での照度分布の形状がバランス的にも改善される。
【００６１】
さらに、従来の偏光変換素子アレイ１１４では、入射側に遮光スリット等の遮光板１３０や遮光膜を配置し、開口部１３０Ａ以外から光が入射しないようにする必要があった。一方、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ３１では、図６に示したように、入射側開口部３０Ａ以外の部分に入射した光Ｌ１０が、反射面３１Ｂで順次反射され、入射してきた方向に再び戻っていく。このため、従来必要とされていた遮光板１３０などは不要となる。
【００６２】
以上説明したように、本実施の形態に係る偏光変換素子アレイ３１によれば、入射側開口サイズを同じに保ったまま、従来に比べて偏光変換素子基板の厚さを薄型化することができる。これにより、偏光変換素子アレイ３１の部品の小型化が可能となる。また、偏光変換素子アレイ３１を含む照明光学系全体の全長を短縮することも可能となる。また、基板厚が薄型化されることで、偏光変換素子アレイ３１の出射側開口部による光のケラレ量を低減することができ、これにより光利用効率の向上を図ることができる。
【００６３】
さらに、偏光分離膜３１Ａと反射面３１Ｂとで反射して出射する光線Ｌ１２の光軸シフト量を従来よりも少なくできる上、偏光分離膜３１Ａを透過する光線Ｌ１１との基板内光路長差も少なくできるため、従来に比べてパネル照明範囲特性が改善され、光利用効率の向上を図ることができる。さらに、入射側開口部３０Ａ以外の部分に入射した光Ｌ１０（図６）を、反射面３１Ｂによって入射方向に戻すような構成にしたので、従来必要としていた遮光板等の設置が不要となり、構成の簡易化と小型化を図ることができる。また、この偏光変換素子アレイ３１をプロジェクタの照明光学系に用いることで、効率的で照明特性の良い照明光を得ることができ、質の良い画像表示を行うことができる。
【００６４】
［他の実施の形態］
次に、本発明の他の実施の形態について説明する。以下では、上記実施の形態と異なる部分のみ説明する。
【００６５】
図８は、偏光変換素子アレイ３１の他の構成例を示している。上記実施の形態では、図６に示したように、入射側開口部３０Ａ以外の部分に入射した光Ｌ１０を、反射面３１Ｂによって入射方向に戻すような構成にしていた。
【００６６】
一方、図８に示した偏光変換素子アレイは、入射側の反射面３１Ｂに対応する位置（入射側開口部３０Ａ以外の部分）に、遮光部材３３（遮光板や遮光膜等）を配置したものである。この場合、入射側開口部３０Ａ以外の部分に入射した光Ｌ１０は、遮光部材３３によって遮光されるので、反射面３１Ｂを第２の偏光分離膜３２にしても良い、反射面３１Ｂを偏光分離膜３２にしたとしても、入射側開口部３０Ａから入射し、第１の偏光分離膜３１によって反射されたＳ偏光光は、反射面３１Ｂを用いた場合と同様に第２の偏光分離膜３２によって出射方向に反射される。すなわち、第２の偏光分離膜３２は、Ｓ偏光光に対しては反射面として作用する。
【００６７】
図９は、照明光学系の他の構成例を示している。図４に示した照明光学系では、第２レンズアレイ１３と偏光変換素子アレイ３１とが分離された構成になっていたが、図９の照明光学系では、第２レンズアレイ１３と偏光変換素子アレイ３１とが一体化されている。すなわち、偏光変換素子アレイ３１の入射面側に第２レンズアレイ１３の基板が一体化されて設けられている。第２レンズアレイ１３における各レンズセル１３Ａは、光の入射側に配置されている。
【００６８】
なお、本発明は、以上の実施の形態に限定されず、さらに種々の変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、プロジェクタとして３枚式の透過型プロジェクタの例について説明したが、本発明は、単板式や反射型等、他の方式のプロジェクタにも広く適用可能である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の偏光変換素子によれば、偏光分離面を、入射光が入射する方向側に頂点を向けたＶ字形状とし、反射面を、第１および第２の偏光成分の出射方向側に頂点を向けたＶ字形状としているので、従来に比べて素子基板の薄型化が可能となり、部品の小型化を図ることができる。また、基板が薄型化されることで、出射側における光のケラレ量を低減することができ、光利用効率の向上を図ることができる。
【００７０】
また、請求項２記載の偏光変換素子によれば、光軸に対し傾斜配置された偏光分離面と、この偏光分離面と同一方向に傾斜配置され、偏光分離面によって反射された第１の偏光成分を、偏光分離面を透過した第２の偏光成分の出射方向に反射する反射面と、第１の偏光成分または第２の偏光成分のいずれか一方の光路に設けられ、第１の偏光成分または第２の偏光成分のいずれか一方の偏光方向を、他方の偏光成分と同一にする１／２波長板とを含む一対のプリズムブロックを備え、その一対のプリズムブロックを、それぞれ互いに向かい合わせて対称的に配置するようにしたので、従来に比べて素子基板の薄型化が可能となり、部品の小型化を図ることができる。また、基板が薄型化されることで、出射側における光のケラレ量を低減することができ、光利用効率の向上を図ることができる。
【００７１】
また、請求項３または４に記載の照明光学系によれば、請求項１記載の偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と１／２波長板とを備え、互いに異なる方向に頂点を向けたＶ字形状の偏光分離面と反射面との組が、複数並列的に配置された構成の偏光変換素子アレイを用いるようにしたので、偏光変換素子アレイにおいて、偏光分離面と反射面とで反射されて出射した光線の光軸シフト量が従来よりも少なくなり、また、偏光分離面を透過する光線との基板内光路長差を少なくすることができる。このため、従来に比べて効率的で照明特性の良い照明光を得ることができる。また、偏光変換素子アレイの薄型化が可能となり、照明光学系全体の全長を短縮することができる。
【００７２】
また、請求項５または６に記載の照明光学系によれば、請求項２記載の偏光変換素子と同様の偏光分離面と反射面と１／２波長板と、を含む一対のプリズムブロックを備え、その一対のプリズムブロックが複数並列的に配置された構成の偏光変換素子アレイを用いるようにしたので、偏光変換素子アレイにおいて、偏光分離面と反射面とで反射されて出射した光線の光軸シフト量が従来よりも少なくなり、また、偏光分離面を透過する光線との基板内光路長差を少なくすることができる。このため、従来に比べて効率的で照明特性の良い照明光を得ることができる。また、偏光変換素子アレイの薄型化が可能となり、照明光学系全体の全長を短縮することができる。
【００７３】
また、請求項７記載のプロジェクタによれば、照明光学系として、請求項３または４に記載の照明光学系を用いるようにしたので、効率的で照明特性の良い照明光を得ることができ、質の良い画像表示を行うことができる。
【００７４】
また、請求項８記載のプロジェクタによれば、照明光学系として、請求項５または６に記載の照明光学系を用いるようにしたので、効率的で照明特性の良い照明光を得ることができ、質の良い画像表示を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係る光照射装置の構成例を示す図である。
【図２】本発明の一実施の形態に係るプロジェクタの構成例を示す図である。
【図３】光源部分の光学作用を示す説明図である。
【図４】本発明の一実施の形態に係る照明光学系の構成例を示す図である。
【図５】本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の構成例およびその光学作用を示す図である。
【図６】本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の光学作用を示す図である。
【図７】本発明の一実施の形態に係る偏光変換素子の製造方法の一具体例を示す説明図である。
【図８】本発明の他の実施の形態に係る偏光変換素子の構成例を示す図である。
【図９】本発明の他の実施の形態に係る照明光学系の構成例を示す図である。
【図１０】従来の照明光学系の構成例を示す図である。
【図１１】従来の偏光変換素子の構成例およびその光学作用を示す図である。
【図１２】従来の偏光変換素子の光学作用を示す図である。
【符号の説明】
１０…光源、１１…リフレクター、１２…第１レンズアレイ、１２Ａ，１３Ａ…レンズセル、１３…第２レンズアレイ、１５…メインコンデンサレンズ、１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ…チャンネルコンデンサレンズ、１７，１７Ａ，１７Ｂ，１７Ｃ…入射側偏光板、１８，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ…画像表示パネル、１９，２０…ダイクロイックミラー、２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ…出射側偏光板、２２…ダイクロイックプリズム、２３…投影レンズ、２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ…全反射ミラー、２６Ａ，２６Ｂ…リレーレンズ、３１…偏光変換素子アレイ、３１Ａ…偏光分離膜、３１Ｂ…反射面、３１Ｃ…１／２波長板、３３…遮光部材、６１，６２…プリズムブロック、５１，５２…板ガラス。
【図１】
2004240021.tif 000003
【図２】
2004240021.tif 000004
【図３】
2004240021.tif 000005
【図４】
2004240021.tif 000006
【図５】
2004240021.tif 000007
【図６】
2004240021.tif 000008
【図７】
2004240021.tif 000009
【図８】
2004240021.tif 000010
【図９】
2004240021.tif 000011
【図１０】
2004240021.tif 000012
【図１１】
2004240021.tif 000013
【図１２】
2004240021.tif 000014