(57)【要約】【課題】非発光の空間光変調素子を用いた画像表示装置などにおいて、構成の複雑化や製造の煩雑化を招来することなく、この空間光変調素子を効率良く照明する。【解決手段】光源２からの光を偏光変換素子３を透過させ、反射型偏光板５によって特定の偏光成分のみを戻し、再び偏光変換素子３を透過させ、反射鏡１によって反射型偏光板５側に戻す。偏光変換素子３は、扇形の複数の領域に分割されこれら領域ごとに特性が定められた位相差板から構成されており、反射型偏光板５により反射されてこの偏光変換素子３に戻った光を一の領域を透過させて反射板１により反射させて他の領域を透過させたとき、反射型偏光板５を透過する偏光状態の光とする。【選択図】  図１
2004212731.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹面状に形成され開口端を有する反射鏡と、
上記反射鏡の焦点上に設置された光源と、
上記反射鏡の開口端に設けられこの開口端を閉蓋している平板状の偏光変換素子と、
上記光源から発せられ上記偏光変換素子を透過した光が入射されるとともに、この光のうち、特定の一の偏光状態の成分を反射し、この一の偏光状態と異なる他の偏光状態の成分を透過させる反射型偏光板と
を備え、
上記偏光変換素子は、上記光源から出射され上記反射鏡により反射された光束の光軸上の点を要とする扇形の複数の領域に分割されており、これら領域ごとに特性が定められた位相差板から構成され、
上記各領域は、上記光軸を介して対向している一対の領域が互いに等しい開き角の扇形の領域となっており、
上記偏光変換素子は、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を上記一対の領域の一方を透過させて上記反射板により反射させて該一対の領域の他方を透過させたとき、上記反射型偏光板を透過する偏光状態の光とする
ことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
上記反射型偏光板は、直線偏光板であり、
上記偏光変換素子を構成する位相差板は、二分の一波長板であることを特徴とする請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
上記偏光変換素子における領域ごとの特性の違いは、二分の一波長板の遅相軸の方向の違いであることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項４】
上記偏光変換素子は、開き角の合計が１８０度となる連続して隣接した第１の領域群においては、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を、上記光軸を中心とする円弧の径方向の直線偏光として透過させ、残る第２の領域群においては、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を、上記光軸を中心とする円弧の周方向の直線偏光として透過させることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項５】
上記偏光変換素子における各領域は、一枚、または、複数枚が積層された二分の一波長板からなり、
上記領域ごとの特性の違いは、二分の一波長板の枚数及び遅相軸の方向の違いであることを特徴とする請求項２記載の照明装置。
【請求項６】
上記偏光変換素子は、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を透過させたときに偏光方向を回転させる角度が大きい領域ほど、二分の一波長板の積層枚数が多くなっていることを特徴とする請求項５記載の照明装置。
【請求項７】
上記偏光変換素子は、開き角が９０度の扇形の４枚の二分の一波長板と、これら開き角が９０度の扇形の二分の一波長板に対して積層される開き角が９０度未満の扇形の複数の二分の一波長板とから構成されていることを特徴とする請求項５記載の照明装置。
【請求項８】
凹面状に形成され開口端を有する反射鏡と、
上記反射鏡の焦点上に設置された光源と、
上記反射鏡の開口端に設けられこの開口端を閉蓋している平板状の偏光変換素子と、
上記光源から発せられ上記偏光変換素子を透過した光が入射されるとともに、この光のうち、特定の一の偏光状態の成分を反射し、この一の偏光状態と異なる他の偏光状態の成分を透過させる反射型偏光板と、
上記光源から発せられ上記偏光変換素子及び上記反射型偏光板を透過した光によって照明される空間光変調素子と
を備え、
上記偏光変換素子は、上記光源から出射され上記反射鏡により反射された光束の光軸上の点を要とする扇形の複数の領域に分割されており、これら領域ごとに特性が定められた位相差板から構成され、
上記各領域は、上記光軸を介して対向している一対の領域が互いに等しい開き角の扇形の領域となっており、
上記偏光変換素子は、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を上記一対の領域の一方を透過させて上記反射板により反射させて該一対の領域の他方を透過させたとき、上記反射型偏光板を透過する偏光状態の光とし、
上記空間光変調素子は、入力される画像信号に応じて、入射光の偏光状態を変調させる素子である
ことを特徴とする画像表示装置。
【請求項９】
上記反射型偏光板は、直線偏光板であり、
上記偏光変換素子を構成する位相差板は、二分の一波長板であることを特徴とする請求項８記載の画像表示装置。
【請求項１０】
上記偏光変換素子における領域ごとの特性の違いは、二分の一波長板の遅相軸の方向の違いであることを特徴とする請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１１】
上記偏光変換素子は、開き角の合計が１８０度となる連続して隣接した第１の領域群においては、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を、上記光軸を中心とする円弧の径方向の直線偏光として透過させ、残る第２の領域群においては、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を、上記光軸を中心とする円弧の周方向の直線偏光として透過させることを特徴とする請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１２】
上記偏光変換素子における各領域は、一枚、または、複数枚が積層された二分の一波長板からなり、
上記領域ごとの特性の違いは、二分の一波長板の枚数及び遅相軸の方向の違いであることを特徴とする請求項９記載の画像表示装置。
【請求項１３】
上記偏光変換素子は、上記反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を透過させたときに偏光方向を回転させる角度が大きい領域ほど、二分の一波長板の積層枚数が多くなっていることを特徴とする請求項１２記載の画像表示装置。
【請求項１４】
上記偏光変換素子は、開き角が９０度の扇形の４枚の二分の一波長板と、これら開き角が９０度の扇形の二分の一波長板に対して積層される開き角が９０度未満の扇形の複数の二分の一波長板とから構成されていることを特徴とする請求項１２記載の画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、放電ランプなどの光源からの光の偏光状態を所定の偏光状態に揃えて照明を行う照明装置及びこの照明装置により照明される空間光変調素子を備えた画像表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、照明装置と、この照明装置によって照明される反射型空間光変調素子と、この反射型空間光変調素子の像を結像させる投射光学系（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、反射型空間光変調素子として液晶素子を用いて、比較的大型の画像表示装置として実用化されている。
【０００３】
このような画像表示装置においては、１個の反射型空間光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。
【０００４】
光利用効率が低いことの原因としては、反射型空間光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、また、自発光の変調素子と違って、黒表示においても光源が発光していること、及び、反射型空間光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などである。
【０００５】
従来の画像表示装置において、光利用効率の向上は、以下のように、この画像表示装置を構成する光学素子等においてなされている。
【０００６】
〔偏光成分の分離及び合成について〕
照明装置の光源から発せられた光束を、偏光成分に応じて分離し、また、合成する偏光変換素子として、光源と反射型空間光変調素子との間に配置されるＰ−Ｓ変換素子が知られている。このＰ−Ｓ変換素子は、無機物質からなる多層膜で構成された偏光分離膜が表面に形成された板ガラスと反射面が表面に形成された板ガラスとを交互に貼り合わせたガラスブロックを、その貼り合わせ面に対して傾斜した切断面に沿って板状に切断して構成したものである。
【０００７】
このＰ−Ｓ変換素子に、Ｐ偏光及びＳ偏光が混合した光束を入射させると、偏光分離膜においてＰ偏光とＳ偏光とが分離されるので、Ｐ偏光とＳ偏光とは、このＰ−Ｓ変換素子を構成する各層ごとに分離されて出射する。そして、この出射側において、Ｓ偏光、もしくは、Ｐ偏光に対応した出射部分に、二分の一波長（λ／２）板を配置しておくことにより、Ｐ偏光、もしくは、Ｓ偏光のうちいずれか一方のみの偏光成分を有する光束が得られる。
【０００８】
このようなＰ−Ｓ変換素子及び二分の一波長（λ／２）板を偏光分離装置として用いることにより、入射光の偏光成分を変調する反射型空間光変調素子を照明する照明装置としての光利用効率を改善することができる。
【０００９】
この照明装置においては、光源から発せられた光束は、放物面鏡によって反射され、一対のフライアイレンズを経てＰ−Ｓ変換素子に入射される。そして、二分の一波長（λ／２）板及びコンデンサレンズを経て、反射型空間光変調素子に至る。
【００１０】
〔反射型偏光板〕
従来より使用されている偏光板は、一方の偏光成分を透過させ、他方の偏光成分については、吸収してしまう。しかし、一方の偏光成分を透過させ、他方の偏光成分については、吸収せずに反射する機能を有する「反射型偏光板」が知られている。このような「反射型偏光板」を偏光変換素子として使用すると、他方の偏光成分については、再び反射させるなどして利用することができ、光利用効率を改善することができる。
【００１１】
〔複屈折多層膜を使った直線偏光板〕
複屈折多層膜を使った直線偏光板は、それぞれ屈折率異方性を有し互いに屈折率の異なる２種類のポリマフィルムを多層積層させて延伸することにより作られる。すなわち、積層された２種類のポリマフィルムは、一方の偏光軸方位についての屈折率を互いに一致させ、他方の偏光軸方位についての屈折率は互いに一致していない。そして、このように互いに異なる屈折率について調整することにより、一方の偏光軸方位の偏光を透過させ、これと直交する他方の偏光軸方位の偏光を反射させる「反射型偏光板」を構成することができる。
【００１２】
なお、このような「反射型偏光板」は、例えば、「３Ｍ社」より、商品名「ＤＢＥＦ」、または、商品名「ＨＭＦ」として発売されている。
【００１３】
〔ワイヤーグリッドポラライザ〕
ガラス基板上にストライプ状のアルミ層を配置した構造を有する反射型直線偏光板であり、一方の偏光軸方位の偏光を反射し、他方の偏光軸方位の偏光を透過させるのである。例えば、「Ｍｏｘｔｅｋ社」により実用化されている。
【００１４】
〔コレステリック液晶を使った円偏光板〕
コレステリック液晶の選択反射を利用した円偏光板は、例えば、特開平６−２８１８１４号公報に記載されているように、コレステリックのピッチが１００ｎｍ以上変化していることにより、選択反射の波長域を可視域全域とすることが可能である。このようなコレステリック円偏光板を使うことにより、波長依存性のない円偏光板を作製することが可能となる。
【００１５】
コレステリック液晶を使った円偏光板とこれを使った偏光変換素子は、例えば、特許２５０９３７２号公報に示されている。この発明は、円偏光の特性、すなわち、一回の反射によって位相が１８０°変化することにより、右回り円偏光は左回り円偏光へと、左回り円偏光は右回り円偏光へと変化することを利用したものである。
【００１６】
そして、コレステリック液晶に反射鏡を組み合わせることにより、偏光分離合成装置を構成することが可能となる。上述のような直線偏光を使った偏光分離合成装置においては、二分の一波長（λ／２）板を必要としたが、円偏光の場合には、二分の一波長（λ／２）板を必要としない。
【００１７】
すなわち、光源から発せられた光束は、その出射方向により、コンデンサレンズを介して直接コレステリック液晶に入射するか、あるいは、反射鏡に反射されてから、コンデンサレンズを介してコレステリック液晶に入射する。
【００１８】
このとき、一方向の円偏光はコレステリック液晶を透過するが、他方向の円偏光はコレステリック液晶により反射される。このようにしてコレステリック液晶により反射された他方向の円偏光は、反射鏡に反射されることにより、一方向の円偏光となって、再びコレステリック液晶に入射し、このコレステリック液晶を透過する。このようにして、コレステリック液晶を透過した光は、すべて一方向の円偏光となっている。
【００１９】
【特許文献１】
特開２００２−３２８４３０公報
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のような照明装置を有する画像表示装置においては、以下のような、種々の問題があった。
【００２１】
〔製造プロセス〕
上述のようなＰ−Ｓ変換素子を用いた照明装置においては、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、この照明装置においては、光源のエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）が１／２となり、光源の発光サイズに対して空間光変調素子が小さい場合などは、照明角度が小さくなるほど照明効率が低下し、全体としての照明効率（偏光変換効率×照明効率）は改善率が低減してしまう。
【００２２】
〔コレステリック液晶を使った円偏光板の問題点〕
上述した特開平６−２８１８１４号公報に記載されている円偏光板においては、波長依存性はないものの、偏光分離特性としては十分なものとはいえなかった。そのため、画像表示装置として必要なコントラストを得るためには、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った。そのため、光利用効率を向上させることが困難であった。
【００２３】
〔コレステリック液晶円偏光板を使った偏光分離装置の問題点〕
上述した特許２５０９３７２号公報、特開平６−２８１８１４号公報に記載された照明装置は、実際に光源として使用される放電ランプの反射板（リフレクター）の形状において考えた場合、または、反射型空間光変調素子を照明するものとし考えた場合においては、必ずしも予定された効果が得られるものではなかった。
【００２４】
すなわち、実際の放電ランプの反射板の形状は、回転放物面形状、または、回転楕円面形状となっているので、コレステリック液晶からなる偏光分離素子によって光源側に反射された光束は、反射板による反射を２回受ける。反射板における一回の反射で生ずる位相変化が１８０°として、２回反射されると、位相が変化しないこととなってしまう。
【００２５】
さらに、反射板におけるＰ偏光、Ｓ偏光の反射率に差があり、また、光源である放電ランプのガラスチューブを通過することによる位相変化、散乱が生じるため、偏光変換の効果は少なくなってしまう。また、反射板が放物面鏡である場合、焦点位置から発した光束は反射型偏光板で反射された場合に焦点位置に戻るが、焦点位置以外の点から発した光束は、反射型偏光板による反射光が必ずしも発光点に戻らない。
【００２６】
また、反射鏡として回転楕円面のミラーを使用した場合において、コレステリック液晶の位置によっては、このコレステリック液晶による反射光は、光源の発光点に戻らずに、放電ランプの電極によって吸収されたり、反射鏡による反射後に角度分布を拡げることとなってしまう。角度分布が拡がることは、光源のエテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ）を大きくすることとなり、照明光の利用効率を低下させる原因となる。
【００２７】
上述のように、従来の照明装置における偏光変換素子は、光利用効率の点や、製造コストの点において問題があり、光源に光を戻す手段として十分な効率が得られるものではなかった。
【００２８】
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、非発光の空間光変調素子を用いた画像表示装置などにおいて、構成の複雑化や製造の煩雑化を招来することなく、この空間光変調素子を効率良く照明できる照明装置を提供し、また、この照明装置を用いて構成された画像表示装置を提供しようとするものである。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
上述の課題を解決するため、本発明に係る照明装置は、凹面状に形成され開口端を有する反射鏡と、この反射鏡の焦点上に設置された光源と、反射鏡の開口端に設けられこの開口端を閉蓋している平板状の偏光変換素子と、光源から発せられ偏光変換素子を透過した光が入射されるとともにこの光のうち特定の一の偏光状態の成分を反射しこの一の偏光状態と異なる他の偏光状態の成分を透過させる反射型偏光板とを備えている。
【００３０】
偏光変換素子は、光源から出射され上記反射鏡により反射された光束の光軸上の点を要とする扇形の複数の領域に分割されており、これら領域ごとに特性が定められた位相差板から構成されている。これら各領域は、光軸を介して対向している一対の領域が互いに等しい開き角の扇形の領域となっている。
【００３１】
そして、偏光変換素子は、反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を一対の領域の一方を透過させて反射板により反射させて該一対の領域の他方を透過させたとき、反射型偏光板を透過する偏光状態の光とすることを特徴とするものである。
【００３２】
この照明装置においては、光源から出射され偏光変換素子を透過した光のうち、反射型偏光板により反射された光は、再び偏光変換素子を透過し反射板により反射されてさらに偏光変換素子を透過したとき、反射型偏光板を透過する偏光状態の光となっているので、光源から出射された光が効率良く反射型偏光板を透過して偏光状態が揃った光となされる。
【００３３】
また、本発明に係る画像表示装置は、凹面状に形成され開口端を有する反射鏡と、この反射鏡の焦点上に設置された光源と、反射鏡の開口端に設けられこの開口端を閉蓋している平板状の偏光変換素子と、光源から発せられ偏光変換素子を透過した光が入射されるとともにこの光のうち特定の一の偏光状態の成分を反射しこの一の偏光状態と異なる他の偏光状態の成分を透過させる反射型偏光板と、光源から発せられ偏光変換素子及び反射型偏光板を透過した光によって照明される空間光変調素子とを備えている。
【００３４】
偏光変換素子は、光源から出射され上記反射鏡により反射された光束の光軸上の点を要とする扇形の複数の領域に分割されており、これら領域ごとに特性が定められた位相差板から構成されている。これら各領域は、光軸を介して対向している一対の領域が互いに等しい開き角の扇形の領域となっている。
【００３５】
そして、偏光変換素子は、反射型偏光板により反射されてこの偏光変換素子に戻った光を一対の領域の一方を透過させて反射板により反射させて該一対の領域の他方を透過させたとき、上記反射型偏光板を透過する偏光状態の光とする。
【００３６】
また、空間光変調素子は、入力される画像信号に応じて、入射光の偏光状態を変調させる素子であることを特徴とするものである。
【００３７】
この画像表示装置においては、光源から出射され偏光変換素子を透過した光のうち、反射型偏光板により反射された光は、再び偏光変換素子を透過し反射板により反射されてさらに偏光変換素子を透過したとき、反射型偏光板を透過する偏光状態の光となっているので、光源から出射された光が効率良く反射型偏光板を透過して偏光状態が揃った光となって空間光変調素子を照明する。
【００３８】
【発明の実施の形態】
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。
【００３９】
本発明に係る画像表示装置は、図１に示すように、回転楕円面形状を有し開口端を有する凹面鏡である楕円反射鏡１及びこの楕円反射鏡１の第１焦点上に設置された光源２を備えている。この光源２としては、ＵＨＰランプ（超高圧水銀ランプ）の如き放電ランプを用いる。
【００４０】
楕円反射鏡１の開口端には、偏光変換素子３が、この開口端を閉蓋する状態で設けられている。この偏光変換素子３は、図２に示すように、光軸を中心として放射線状に偶数個の扇形の領域に分割された四分の一（１／４）波長板、または、二分の一（１／２）波長板から構成されている。これら各領域をなす扇形の要となる部分が、光軸に略々一致していることとなる。
【００４１】
そして、楕円反射鏡１の第２焦点の近傍には、中央部に開口部２６が形成されて円環状となされた反射板４及び反射型偏光板５を挟み込んで構成されたリレーレンズブロック６が配設されている。反射型偏光板５としては、反射型円偏光板、または、反射型（直線）偏光板（いわゆる「ワイヤグリッドボラライザ」）を用いる。反射型偏光板５が反射型円偏光板であるときには、偏光変換素子３は、四分の一（１／４）波長板により構成する。また、反射型偏光板５が反射型（直線）偏光板であるときには、偏光変換素子３は、二分の一（１／２）波長板により構成する。
【００４２】
この画像表示装置の光学系においては、上述のように配置された光源２より反射型偏光板５までの部分が、本発明に係る照明装置７を構成している。
【００４３】
この照明装置７においては、偏光変換素子３を経て反射型偏光板５に至った光について偏光分離を行い、この反射型偏光板５において反射された光を、再び偏光変換素子３及び楕円反射鏡１を経て、光源２に戻す。このようにして光源２に戻された光は、アークギャップを通過して楕円反射鏡１の反対側において反射され、再び偏光変換素子３を透過して反射型偏光板５に至る。このとき、この光は、反射型偏光板５を透過する偏光状態に変換されている。このようにして、反射型偏光板５を透過した光は、一定の偏光状態に揃えられる。
【００４４】
偏光変換素子３は、図２に示すように、光源２から出射され楕円反射鏡１により反射された光束の光軸上の点を要とする扇形の第１乃至第１２の領域３ａ，３ｂ，３ｃ、３ｄ，３ｅ，３ｆ、３ａ´，３ｂ´，３ｃ´，３ｄ´，３ｅ´，３ｆ´に分割されている。この偏光変換素子３は、これら領域ごとに特性が定められた位相差板から構成されている。そして、各領域は、光軸を介して対向している一対の領域が、互いに等しい開き角の扇形の領域となっている。そして、この偏光変換素子３は、反射型偏光板５により反射されてこの偏光変換素子３に戻った光を、一対の領域の一方を透過させて楕円反射鏡１により反射させて該一対の領域の他方を透過させたとき、反射型偏光板５を透過する偏光状態の光とする。
【００４５】
まず、偏光変換素子３が四分の一（１／４）波長板から構成され、反射型偏光板５が反射型円偏光板である場合について説明する。ここで、四分の一（１／４）波長板は、広帯域の波長域で機能するものが望ましい。また、反射型円偏光板としては、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。
【００４６】
光源２から出射された光は、偏光変換素子３の四分の一（１／４）波長板を透過することにより円偏光に変化され、反射型円偏光板である反射型偏光板５に至る。このとき、この光の偏光状態は、反射型円偏光板の入射面において一方向、または、他方向の円偏光となる。そして、この反射型円偏光板においては、一方向の円偏光が光源２側に反射される。
【００４７】
反射型円偏光板である反射型偏光板５により反射された光は、偏光変換素子３の四分の一（１／４）波長板を経て、楕円反射鏡１において２回反射されて、再び偏光変換素子３の四分の一（１／４）波長板に至る。このとき、この光は、反射型円偏光板により反射された後に透過した偏光変換素子３の領域（例えば３ａ）に対して、光軸を介して対称となっいる領域（例えば３ａ´）に至る。
【００４８】
このようにして、偏光変換素子３に至った光は、すでにこの偏光変換素子３をなす四分の一（１／４）波長板を２回透過し反射型円偏光板を経ているため、Ｐ偏光もしくはＳ偏光に揃った直線偏光状態となっており、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四分の一（１／４）波長板からなる領域を通過することにより、反射型偏光板５への初めの入射時とは逆方向の円偏光となり、この反射型偏光板５を通過する。このようにして、この照明装置においては、偏光の変換が行われる。
【００４９】
次に、偏光変換素子３が二分の一（１／２）波長板から構成され、反射型偏光板５が反射型偏光板である場合について説明する。この偏光変換素子３においては、各領域ごとに二分の一（１／２）波長板の特性、すなわち、遅相軸の方向が異なっている。
【００５０】
この照明装置７においては、光源２から出射された光は、偏光変換素子３の二分の一（１／２）波長板を透過することにより偏光方向を回転されて、反射型偏光板である反射型偏光板５に至る。そして、この反射型偏光板５においては、一方向の直線偏光が光源２側に反射される。
【００５１】
反射型偏光板である反射型偏光板５により反射された光は、偏光変換素子３の二分の一（１／２）波長板を経て、楕円反射鏡１において２回反射されて、再び偏光変換素子３の二分の一（１／２）波長板に至る。このとき、この光は、反射型偏光板により反射された後に透過した偏光変換素子３の領域に対して、光軸を介して対称となっている領域に至る。
【００５２】
このようにして、偏光変換素子３に至った光は、すでにこの偏光変換素子３をなす二分の一（１／２）波長板を２回透過し反射型偏光板５を経ていることにより、Ｐ偏光もしくはＳ偏光に揃った直線偏光状態となり、位相差を発生していない状態となる。したがって、反射型偏光板５への初めの入射時とは直交する直線偏光となり、この反射型偏光板５を透過する。このようにして、この照明装置においては、偏光の変換が行われる。
【００５３】
この偏光変換素子３においては、光軸回りの開き角の合計が１８０度となる連続して隣接した第１の領域群３ａ，３ｂ，３ｃ、３ｄ´，３ｅ´，３ｆ´においては、反射型偏光板５により反射されてこの偏光変換素子３に戻った図２中矢印Ｒで示す一定方向の直線偏光を、図２中矢印Ｐで示すように、光軸を中心とする円弧の径方向の直線偏光として透過させるような遅相軸の方向となっている。そして、残る第２の領域群３ａ´，３ｂ´，３ｃ´，３ｄ，３ｅ，３ｆにおいては、反射型偏光板５により反射されてこの偏光変換素子３に戻った図２中矢印Ｒで示す一定方向の直線偏光を、図２中矢印Ｓで示すように、光軸を中心とする円弧の周方向の直線偏光として透過させるような遅相軸の方向となっている。なお、ここで、反射型偏光板５により反射されてこの偏光変換素子３に戻った光の偏光方向は、図２中矢印Ｒで示すように、第１の領域群と第２の領域群との境界線に沿う方向となっている。
【００５４】
そして、この偏光変換素子３における各領域は、一枚、または、複数枚が積層された二分の一波長板により構成することができる。すなわち、二分の一波長板の枚数及び遅相軸の方向の違いによって、領域ごとの特性の違いを定めることができる。
【００５５】
この場合において、反射型偏光板５により反射されてこの偏光変換素子３に戻った光を透過させたときに偏光方向を回転させる角度が大きい領域ほど、二分の一波長板の積層枚数を多くすることにより、広い波長帯域に対して所定の特性を維持させることができる。
【００５６】
すなわち、二分の一波長板からの出射光の偏光軸は、１枚の二分の一波長板の遅相軸と入射光の偏光軸とのなす角の２倍の方位角に回転するが、一般的には、このように二分の一波長板として機能するのは、特定の波長においてである。入射光の波長が設計波長からずれると、二分の一波長板としての機能は、損なわれる。また、二分の一波長板への入射光の偏光軸に対して、偏光軸を大きく回転させる場合に、所定の特性を維持することが困難となる。
【００５７】
そこで、二分の一波長板を複数枚積層することにより、広い波長帯域において二分の一波長板の機能を維持させることができる。特に、入射光の偏光軸を回転させる角度が大きい領域においては、二分の一波長板の枚数を増やすことで、二分の一波長板の機能を維持させることができる。
【００５８】
ここで、入射光の偏光軸を回転させる角度が同じ場合に、用いる二分の一波長板の枚数が異なる場合の分光特性の違いを図４及び図５により示す。
【００５９】
偏光軸を回転させる角度が１５°である場合、図４中の（ａ）、（ｄ）はともに１枚の二分の一波長板を用いている場合であるが、図５中の（ａ）、（ｄ）に示すように、２枚の二分の一波長板を用いた場合のほうが分光特性が向上している。
【００６０】
また、偏光軸を回転させる角度が４５°である場合、図４中の（ｅ）及び図５中の（ｂ）は２枚の二分の一波長板を用いている場合であるが、図４中の（ｂ）は３枚、図５中の（ｅ）は４枚の二分の一波長板を用いており、枚数の多いほうが分光特性が向上している。
【００６１】
さらに、偏光軸を回転させる角度が７５°である場合、図５中の（ｃ）は２枚の二分の一波長板を用いている場合であるが、図４中の（ｆ）は３枚、図４中の（ｃ）は５枚、図５中の（ｆ）は６枚の二分の一波長板を用いており、枚数の多いほうが分光特性が向上している。
【００６２】
この実施の形態において、偏光変換素子３は、図３に示すように、開き角が９０度の扇形の４枚の二分の一波長板３Ｃ，３Ｆ，３Ａ´，３Ｄ´と、これら開き角が９０度の扇形の二分の一波長板に対して積層される開き角が９０度未満の扇形の複数の二分の一波長板、すなわち、開き角が６０度の扇形の複数の二分の一波長板３Ｂ，３Ｅ，３Ｂ´，３Ｅ´及び開き角が３０度の扇形の複数の二分の一波長板３Ａ，３Ｄ，３Ｃ´，３Ｆ´とから構成されている。
【００６３】
第１の領域３ａは、３枚の二分の一波長板３Ａ，３Ｂ，３Ｃが積層された領域である。第２の領域３ｂは、２枚の二分の一波長板３Ｂ，３Ｃが積層された領域である。第３の領域３ｃは、１枚の二分の一波長板３Ｃからなる領域である。第４の領域３ｄは、３枚の二分の一波長板３Ｄ，３Ｅ，３Ｆが積層された領域である。第５の領域３ｅは、２枚の二分の一波長板３Ｅ，３Ｆが積層された領域である。第６の領域３ｆは、１枚の二分の一波長板３Ｆからなる領域である。
【００６４】
第７の領域３ａ´は、１枚の二分の一波長板３Ａ´からなる領域である。第８の領域３ｂ´は、２枚の二分の一波長板３Ａ´，３Ｂ´が積層された領域である。第９の領域３ｃ´は、３枚の二分の一波長板３Ａ´，３Ｂ´，３Ｃ´が積層された領域である。第１０の領域３ｄ´は、１枚の二分の一波長板３Ｄ´からなる領域である。第１１の領域３ｅ´は、２枚の二分の一波長板３Ｄ´，３Ｅ´が積層された領域である。第１２の領域３ｆ´は、３枚の二分の一波長板３Ｄ´，３Ｅ´，３Ｆ´が積層された領域である。
【００６５】
この偏光変換素子３についてさらに説明する。第１の領域３ａをなす３枚の二分の一波長板３Ａ，３Ｂ，３Ｃの遅相軸は、反射型偏光板５からの反射光の偏光方位を０°とすると、それぞれ＋６０°、＋３０°、＋７．５°に設定されている。第４の領域３ｄをなす３枚の二分の一波長板３Ｄ，３Ｅ，３Ｆの遅相軸は、反射型偏光板５からの反射光の偏光方位を０°とすると、それぞれ−３０°、−６０°、−８２．５°に設定されている。第９の領域３ｃ´をなす３枚の二分の一波長板３Ａ´，３Ｂ´，３Ｃ´の遅相軸は、反射型偏光板５からの反射光の偏光方位を０°とすると、それぞれ＋８２．５°、＋６０°、＋３０°に設定されている。第１２の領域３ｆ´をなす３枚の二分の一波長板３Ｄ´，３Ｅ´，３Ｆ´の遅相軸は、反射型偏光板５からの反射光の偏光方位を０°とすると、それぞれ−７．５°、−３０°、−６０°に設定されている。
【００６６】
このような構成により、上述したような偏光変換特性を実現することができる。すなわち、第１象限（第１乃至第３の領域３ａ，３ｂ，３ｃ）において、第１の領域３ａに入射した光は、３枚の二分の一波長板３Ａ，３Ｂ，３Ｃを順次透過することにより、偏光軸が、０°から１５°、１５°から４５°、４５°から７５°と、順次回転する。また、第２の領域３ｂに入射した光は、２枚の二分の一波長板３Ｂ，３Ｃを通過することにより、偏光軸が、０°から１５°、１５°から４５°と、順次回転する。そして、第３の領域３ｃに入射した光は、１枚の二分の一波長板３Ｃを通過することにより、偏光軸が０°から１５°に回転される。このようにして、それぞれの領域３ａ，３ｂ，３ｃにおいて、透過光の偏光方向は、光軸を中心とする円弧の径方向となっている。また、偏光軸を回転させる角度が大きい領域ほど、二分の一波長板の積層数が多くなっている。
【００６７】
そして、楕円反射鏡１で反射され、再び偏光変換素子３に入射するとき、これらの光は、第３象限（第７乃至第９の領域３ａ´，３ｂ´，３ｃ´）において透過する。この第３象限において、第７の領域３ａ´に入射した光は、１枚の二分の一波長板３Ａ´を通過することにより、偏光軸が７５°から９０°に回転される。また、第８の領域３ｂ´に入射した光は、２枚の二分の一波長板３Ａ´，３Ｂ´を通過することにより、偏光軸が、４５°から７５°、７５°から９０°と、順次回転する。そして、第９の領域３ｃ´に入射した光は、３枚の二分の一波長板３Ａ´，３Ｂ´，３Ｃ´を順次透過することにより、偏光軸が、１５°から４５°、４５°から７５°、７５°から９０°と、順次回転する。
【００６８】
このようにして、それぞれの領域３ａ´，３ｂ´，３ｃ´において、透過光の偏光方向は、９０°となり、反射型偏光板５を透過する。
【００６９】
第３象限から最入射して第１象限から最出射する光、また、第２象限から最入射して第４象限から最出射する光及び第４象限から最入射して第２象限から最出射する光についても同様のことが起こり、これらは、すべて反射型偏光板５を透過する。
【００７０】
また、この偏光変換素子３においては、それぞれの領域を、開き角３０度の扇形の独立的な二分の一波長板を貼り合わせて構成する場合に比較して、各領域の境界部分に無効部分を発生させずに済むので、偏光変換効率を向上させることができる。
【００７１】
すなわち、開き角３０度の扇形の独立的な二分の一波長板を貼り合わせる場合には、各領域の境界部分に、二分の一波長板同士が重なった無効部分が必ず生ずるので、偏光変換効率が下がるのである。上述した偏光変換素子３の構成においては、無効部分が生じ得る境界部分は、開き角９０度の扇形の二分の一波長板同士の境界となる４箇所に過ぎないので、無効部分を減少させることができる。
【００７２】
なお、この照明装置７において、反射型円偏光板としては、複屈折多層膜を使った直線偏光板を用いることができる。この反射型偏光板は、屈折率の異なる２種類のポリマーフィルムを多層積層延伸することによって作られる。２種類のポリマーフィルムの一方の屈折率を一致させ、他方の屈折率を調整することにより、一方の偏光軸方位の偏光を透過し、それと直交する方位の偏光を反射させる素子となる。この技術を使った直線偏光板は、例えば「３Ｍ」社より、商品名「ＤＢＥＦ」、または、「ＨＭＦ」として実用化されている。
【００７３】
また、反射型偏光板である「ワイヤーグリッドポラライザ」は、ガラス基板上にストライプ状のアルミ層を配置した構造を有し、一方の直線偏光を反射し、他方の直線偏光を透過するものである。このような「ワイヤーグリッドポラライザ」は、例えば、「Ｍｏｘｔｅｋ」社により実用化されている。
【００７４】
そして、楕円反射鏡１は、凸レンズと組み合わせた放物面鏡に代えることができる。この場合には、光源から発せられた光が放物面鏡によって平行光束となされ、この平行光束が凸レンズによって集光される。そして、この凸レンズの焦点の近傍に、リレーレンズブロック６が配設される。
【００７５】
上述のような照明装置から発せられた光束は、次に、図１に示すように、リサイクル光学系８に入射する。このリサイクル光学系８においては、反射型偏光板５を透過した偏光変換された光が、第１及び第２のフライアイインテグレータ９，１０、フィールドレンズ１１、色選択手段となる色選択素子１２及び広波長帯域に対応した偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１３を経て、第１及び第２の空間光変調素子１４，１５に至る。フィールドレンズ１１の焦点距離は、反射型偏光板５の位置においてテレセントリックとなるように設定してある。
【００７６】
第１及び第２のフライアイインテグレータ９，１０は、それぞれ、一の面が凸レンズ、他の面がフライアイレンズ面となされて一体型に形成されており、互いにフライアイレンズ面を対向させて配設されている。
【００７７】
色選択素子１２は、特定の波長域の光（例えば、緑色の光束）のみを選択して偏光軸を回転させ、他の波長域の光（例えば、青色及び赤色の光束）の偏光方向と異なる方向とさせる素子である。このような色選択素子１２は、周知となっているものであり、例えば、カラーリンク社より「カラーセレクト」の名称で、すでに商品化もされている。
【００７８】
また、第１の空間光変調素子１４の入射側には、反射型カラーフィルタ１６が設けられている。この反射型カラーフィルタ１６は、無機材料から構成されたものを用いることができるが、有機材料から構成されたものであってもよい。
【００７９】
このリサイクル光学系８においては、偏光ビームスプリッタ１３の反射面において、２色の光束（例えば、青色及び赤色の光束）を反射させ、第１の空間光変調素子１４を照明する。この２色の光束は、偏光ビームスプリッタ１３の反射面に対してＳ偏光となっている。この２色の光束は、反射型カラーフィルタ１６によって選別されて、各色に対応する画素のみに照射され、照射されない成分は反射される。
【００８０】
また、このリサイクル光学系８においては、偏光ビームスプリッタ１３の反射面において、残る１色の光束（例えば、緑色の光束）を透過させ、第２の空間光変調素子１５を照明する。この１色の光束は、偏光ビームスプリッタ１３の反射面に対してＰ偏光となっている。
【００８１】
第１の空間光変調素子１４において変調された光は、偏光ビームスプリッタ１３の反射面に対するＰ偏光となってこの第１の空間光変調素子１４により反射され、偏光ビームスプリッタ１３の反射面を透過して投射レンズ１７に入射し、この投射レンズ１７によって図示しないスクリーンに向けて投影される。この第１の空間光変調素子１４において変調されずに第１の空間光変調素子１４により反射された光は、反射型カラーフィルタ１６によって反射された光とともに、偏光ビームスプリッタ１３の反射面において反射されて、光源２側に戻る。
【００８２】
また、第２の空間光変調素子１５において変調された光は、偏光ビームスプリッタ１３の反射面に対するＳ偏光となってこの第２の空間光変調素子１５により反射され、偏光ビームスプリッタ１３の反射面により反射されて投射レンズ１７に入射し、この投射レンズ１７によって図示しないスクリーンに向けて投影される。この第２の空間光変調素子１５において変調されずに第２の空間光変調素子１５により反射された光は、偏光ビームスプリッタ１３の反射面を透過して、光源２側に戻る。
【００８３】
このように、このリサイクル光学系８においては、反射型カラーフィルタ１６において選択されて透過する光以外の反射光、及び、空間光変調素子１４，１５において色信号に基づく画像表示に使用されない非変調光は、光源２側に戻っていくこととなる。
【００８４】
なお、この画像表示装置の光学系においては、光源２と、第１のフライアイインテグレータ９のフライアイレンズ面及び各空間光変調素子１４，１５とがそれぞれ共役の関係となっており、また、リレーレンズブロック６と、第２のフライアイインテグレータ１０のフライアイレンズ面とが共役の関係になっている。
【００８５】
なお、この実施の形態においては、空間光変調素子として、２枚の反射型液晶表示素子を用いているが、本発明に係る画像表示装置における空間光変調素子は、これに限定されず、反射型カラーフィルタを用いた「ＨＴＰＳ」（高温ポリシリコンなどの透過型液晶タイプ）を使用することも可能である。さらに、空間光変調素子としては、いわゆる「フィールドシーケンシャル方式」や「カラーホイール方式」のものも用いることができる。これらは、１つの反射型液晶表示素子が時間的に色分割する色選択手段を介して照明されることにより、時分割的に複数の色成分に基づく変調を行うものである。
【００８６】
また、反射型偏光板５は、上述したように、楕円反射鏡１の第２焦点位置の近傍や凸レンズの焦点位置の近傍に限定されず、フライアイインテグレータ９，１０の近傍や、このフライアイインテグレータ９，１０とフィールドレンズ１１との間に配置してもよい。
【００８７】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係る照明装置においては、光源から出射され偏光変換素子を透過した光のうち、反射型偏光板により反射された光は、再び偏光変換素子を透過し反射板により反射されてさらに偏光変換素子を透過したとき、反射型偏光板を透過する偏光状態の光となっているので、光源から出射された光が効率良く反射型偏光板を透過して偏光状態が揃った光となされる。
【００８８】
また、本発明に係る画像表示装置においては、光源から出射され偏光変換素子を透過した光のうち、反射型偏光板により反射された光は、再び偏光変換素子を透過し反射板により反射されてさらに偏光変換素子を透過したとき、反射型偏光板を透過する偏光状態の光となっているので、光源から出射された光が効率良く反射型偏光板を透過して偏光状態が揃った光となって空間光変調素子を照明する。
【００８９】
さらに、偏光変換素子の広帯域化を目的とする場合には、それぞれの領域をさらに複数枚の位相差板によって構成することが望ましい。これにより、広い波長帯域で効率のよい偏光変換が可能となり、部材を共通化することで低コスト化が可能となり、また、位相差板同士の重なり合いによる無効部分が低減し、偏光変換効率が改善されるとともに、製造が容易となるという効果が得られる。
【００９０】
すなわち、本発明は、非発光の空間光変調素子を用いた画像表示装置などにおいて、構成の複雑化や製造の煩雑化を招来することなく、この空間光変調素子を効率良く照明できる照明装置を提供することができ、また、この照明装置を用いて構成された画像表示装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る照明装置を備えた本発明に係る画像表示装置の構成を示す縦断面図である。
【図２】上記照明装置における偏光変換素子の構成を示す正面図である。
【図３】上記偏光変換素子の構成を示す分解斜視図である。
【図４】入射光の偏光軸を回転させる角度が同じ場合において、用いる二分の一波長板の枚数が異なる場合の分光特性の違い示すグラフである。
【図５】上記図４と同様に、入射光の偏光軸を回転させる角度が同じ場合において、用いる二分の一波長板の枚数が異なる場合の分光特性の違い示すグラフである。
【符号の説明】
１  楕円反射鏡、２  光源、３  偏光変換素子、５  反射型偏光板、７  照明装置、１４  第１の反射型空間光変調素子、１５  第２の反射型空間光変調素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
2004212731.tif 000005
【図４】
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【図５】
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