(57)【要約】【目的】光源側フライアイの２つのレンズセルからの２つの部分光束を対応する被照明領域側フライアイの２つのレンズセルに別々に入射させ、対応する１つの偏光分離面で偏光分離する構成により、小型で照明効率が高く、照度分布の均一性が優れた偏光照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置を得る。【構成】光源部１、光源部１からの照明光束を複数の照明光束に分割するインテグレータ部２、および照明光束の偏光方向を整える偏光変換部３を備えた偏光照明光学系である。第１のフライアイレンズ１２において１組のレンズセル群を構成する２つのレンズセル１４ａ、１４ｂからの２つの部分光束を、対応する第２のフライアイレンズ１３の２つのレンズセル１５ａ、１５ｂに別々に入射させ、さらに第１のフライアイレンズ１２の１組のレンズセル群からの２つの部分光束を、対応する偏光変換部３の１つの偏光分離面１６で偏光分離する。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズセル分割数が互いに等しく、各レンズセルが１対１に対応する少なくとも２枚のフライアイレンズよりなり、光源部からの光束を複数の部分光束に分割するインテグレータ部と、
内部に複数の偏光分離面と複数の反射面とが、互いに平行にかつ交互に、略等間隔で所定方向に配列され、各々の該偏光分離面により前記各部分光束を偏光方向が互いに直交する２つの偏光光束に偏光分離するとともに、一方の偏光光束を他方の偏光光束に変換し、前記複数の部分光束の偏光方向を整える偏光変換部とを備えた偏光照明光学系において、
前記少なくとも２枚のフライアイレンズのうち最も光源側のフライアイレンズは、前記所定方向に隣り合う２つの前記レンズセルよりなり前記所定方向において前記偏光分離面と１対１に対応するレンズセル群を有し、
この各レンズセル群において前記隣り合う２つのレンズセルは、各レンズセル光軸が各レンズセル中心位置よりも互いに近づくように偏芯され、
前記各レンズセル群は、１つの前記レンズセル群から出射された２つの前記部分光束が、対応する同一の前記偏光分離面で偏光分離されるように、構成されてなることを特徴とする偏光照明光学系。
【請求項２】
前記最も光源側のフライアイレンズの前記各レンズセルは、この偏光照明光学系の矩形形状の被照明領域と略相似形に形成され、前記所定方向が該矩形形状の長辺方向となるように構成されたことを特徴とする請求項１記載の偏光照明光学系。
【請求項３】
請求項１または２記載の偏光照明光学系からの光束によりライトバルブを照明し、このライトバルブで光変調された光束を投写レンズを用いて投写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、インテグレータ部と偏光変換部とを備えた偏光照明光学系に関するもので、特に、照明光束を液晶表示板等の、偏光を用いて変調を行うライトバルブにより光変調し、この投映光束によりスクリーン上に画像を拡大投映する投写型表示装置に好適な偏光照明光学系、およびこれを用いた投写型表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
フライアイレンズよりなり照度分布の均一化を図るインテグレータ部と、偏光方向を揃える偏光ビームスプリッタとを用いた明るい偏光照明光学系は、偏光を用いた投写型表示装置の照明光学系として一般に用いられている。また、近年では照度分布の均一化作用をより向上させつつ、フライアイレンズの間隔を短くし照明光学系のコンパクト化を図り得る偏光照明光学系が要望されている。
【０００３】
その手法としては、フライアイレンズのレンズセル分割数を多くすることが有効である。例えば、光源部１からの照明光束をインテグレータ部３１により照度分布の均一化を図り、偏光変換部３４により偏光方向を揃えて出射する図４（ａ）の偏光照明光学系と、光源部１からの照明光束をインテグレータ部４１により照度分布の均一化を図り、偏光変換部４４により偏光方向を揃えて出射する図４（ｂ）の偏光照明光学系とを比較する。インテグレータ部３１はフライアイレンズ３２、３３よりなり、偏光変換部３４は内部に偏光分離面３６と反射面３７を備え所定位置にλ／２位相板３８が配された偏光ビームスプリッタよりなる。また、インテグレータ部４１はフライアイレンズ４２、４３よりなり、偏光変換部４４は内部に偏光分離面４６と反射面４７を備え所定位置にλ／２位相板４８が配された偏光ビームスプリッタよりなる。
【０００４】
図４（ａ）のフライアイレンズ３２のレンズセル分割数に対し、図４（ｂ）のフライアイレンズ４２のレンズセル分割数は２倍とされている。レンズセル分割数が多く、より径の小さい部分光束を被照明領域に重畳させることにより、照度分布の均一性を高めることができる。また、図示のとおり、図４（ｂ）のものは、図４（ａ）のものに対し、フライアイレンズ４２、４３の間隔を１／２とすることができコンパクト化を図ることができる。
【０００５】
しかし同時に、図４（ｂ）のものでは、偏光変換部４４の光軸に平行な方向での厚みおよび偏光分離面４６と反射面４７との面間隔も、図４（ａ）のものに対し、１／２となる。一般に偏光変換部に関してはその構成上、上記厚みと面間隔があまり小さくなると製造性が劣化してしまう。すなわち、図５に示すとおり、内部に偏光分離面５６と反射面５７とを交互に平行に配列した構成の偏光変換部は、複数の平板ガラス５５を、間に偏光分離面５６や反射面５７のコートを施して層状に重ね接着した後、切断し、さらに変換させたいいずれかの偏光の出射側に、偏光方向を９０度回転させる素子を付けるという方法で製造される。ここで、平板ガラス５５の厚みが薄くなるとコートを施すことで平面がたわんでしまい、平面ガラス５５同士が良好に接着されないことがある。また、部品精度を出すことが非常に困難になり、コスト高ともなる。
【０００６】
特許文献１には、光源側フライアイレンズのレンズセル分割数を多くしつつも、それに伴って偏光分離素子の厚みや面間隔を小さくすることなく、従来と同様の偏光変換部を用いうる構成が記載されている。
【０００７】
【特許文献１】
特開２００２−２６７９９９号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１に記載された偏光照明光学系では、照度分布の均一化という視点を欠いたところがある。２枚のフライアイレンズの間に重畳手段を配したり、光源側フライアイレンズの複数レンズセルからの光束を被照明領域側フライアイレンズの単一レンズセルに入射させたりという構成は、照明領域の欠けや、照度分布のムラを生じさせるという問題がある。
【０００９】
本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、照度分布の均一性に優れ、明るく、製造性に優れたコンパクトな偏光照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る偏光照明光学系は、レンズセル分割数が互いに等しく、各レンズセルが１対１に対応する少なくとも２枚のフライアイレンズよりなり、光源部からの光束を複数の部分光束に分割するインテグレータ部と、
内部に複数の偏光分離面と複数の反射面とが、互いに平行にかつ交互に、略等間隔で所定方向に配列され、各々の該偏光分離面により前記各部分光束を偏光方向が互いに直交する２つの偏光光束に偏光分離するとともに、一方の偏光光束を他方の偏光光束に変換し、前記複数の部分光束の偏光方向を整える偏光変換部とを備えた偏光照明光学系において、
前記少なくとも２枚のフライアイレンズのうち最も光源側のフライアイレンズは、前記所定方向に隣り合う２つの前記レンズセルよりなり前記所定方向において前記偏光分離面と１対１に対応するレンズセル群を有し、
この各レンズセル群において前記隣り合う２つのレンズセルは、各レンズセル光軸が各レンズセル中心位置よりも互いに近づくように偏芯され、
前記各レンズセル群は、１つの前記レンズセル群から出射された２つの前記部分光束が、対応する同一の前記偏光分離面で偏光分離されるように、構成されてなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、前記最も光源側のフライアイレンズの前記各レンズセルは、この偏光照明光学系の矩形形状の被照明領域と略相似形に形成され、前記所定方向が該矩形形状の長辺方向となるように構成されることが好ましい。
【００１２】
本発明に係る投写型表示装置は、上記いずれかの偏光照明光学系からの光束によりライトバルブを照明し、このライトバルブで光変調された光束を投写レンズを用いて投写することを特徴とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態について、本発明に係る偏光照明光学系の一例を挙げて説明する。図１はこの偏光照明光学系の概略構成を示す断面図である。この偏光照明光学系は、光源部１、光源部１からの照明光束を複数の照明光束に分割するインテグレータ部２、および光源部１からの照明光束の偏光方向を整える偏光変換部３を備えている。この偏光照明光学系から出射された照明光束は、後段の集光レンズ等を介し画像表示素子等の被照明領域を照明することになる。
【００１４】
光源部１は、光源の発光点１０が放物面鏡よりなるリフレクタ１１の焦点に配置されたものである。光源部１から出射される照明光束は略平行光とされている。この光源は、発光分布が小さく発光効率の高いものが望ましく、現在では、超高圧水銀灯、メタルハライドランプ、キセノンランプなどの発光管等からなることが一般的である。リフレクタとしては放物面鏡に限られず凹面鏡を用いることができ、例えば楕円面鏡よりなるものを用いて後段に凹レンズを配すれば略同様の作用とすることができる。
【００１５】
インテグレータ部２は、光源部１からの照明光束の光軸と垂直な断面における光量分布の均一化を図るもので、光源部側から順に第１のフライアイレンズ１２および第２のフライアイレンズ１３が配設されている。フライアイレンズ１２は微小な凸レンズによるレンズセル１４ａ、１４ｂが、またフライアイレンズ１３は微小な凸レンズによるレンズセル１５ａ、１５ｂが、縦横に複数配列されたものである。２枚のフライアイレンズ１２、１３の凸レンズ形状は、光源側、被照明領域側、またはその両方に凸面を向けたものとすることができる。
【００１６】
インテグレータ部２においては、第１のフライアイレンズ１２が光源部１からの略平行光束を第１のフライアイレンズ１２のレンズセル１４ａ、１４ｂの数と同数の部分光束に分割し、第２のフライアイレンズ１３を構成する各レンズセル１５ａ、１５ｂの近傍に光源の２次光源像を形成させることにより光量分布の均一化を図る。
【００１７】
ここで、インテグレータ部２を構成するフライアイレンズのうち最も光源側のフライアイレンズである第１のフライアイレンズ１２において、各レンズセルは、所定方向に隣り合う２つのレンズセル１４ａ、１４ｂがそれぞれ１組のレンズセル群を構成している。この所定方向とは、後段の偏光変換部３の偏光分離面と反射面との配列方向に、略等しい方向である。また、フライアイレンズ１２、１３のレンズセル分割数は互いに等しく、第１のフライアイレンズ１２と第２のフライアイレンズ１３とは、各レンズセル１４ａが各レンズセル１５ａと、また各レンズセル１４ｂが各レンズセル１５ｂと、それぞれ１対１で対応するように構成されている。また、第１のフライアイレンズ１２において、各レンズセル群を構成する隣り合う２つのレンズセル１４ａ、１４ｂは、図示のとおり、各レンズセル光軸が各レンズセル中心位置よりも互いに近づくように偏芯されている。
【００１８】
偏光変換部３は、インテグレータ部２から出射された光源部１からの照明光束の偏光方向を揃えるもので、従来よく知られた、偏光ビームスプリッタアレイ（以下、ＰＢＳアレイと称する）、およびこのＰＢＳアレイの光出射面側に配設され複数のλ／２位相膜１８がストライプ状に配設されたλ／２位相板からなるものである。
【００１９】
ＰＢＳアレイはその内部に、複数の偏光分離面１６と複数の反射面１７とが、互いに平行に、略等間隔で所定方向に交互に形成されている。ランダムな偏光である光源部１からの照明光束は、第２のフライアイレンズ１３のうちの対応するレンズセル１５ａ、１５ｂから入射され、偏光分離面１６により偏光方向の異なるＰ偏光とＳ偏光の２種類の偏光に分離される。一方の偏光は偏光分離面１６を透過し、他方の偏光は偏光分離面１６および隣接する反射面１７で反射されて、互いにほぼ平行な角度でＰＢＳアレイより出射される。偏光分離面１６を透過した偏光は、ＰＢＳアレイの光出射面に配設されたλ／２位相膜１８を通過する際に、偏光面の回転作用により他方の偏光と略一致する偏光方向に変換され、最終的には偏光方向の揃った光束が偏光変換部３から出射されることになる。
【００２０】
偏光変換光学系３の複数の偏光分離面１６と第１のフライアイレンズ１２の各レンズセル群とは上記所定方向において１対１に対応し、この方向（例えば図１の断面上）において、１組のレンズセル群を構成するレンズセル１４ａ、１４ｂからの２つの部分光束は、これらのレンズセル１４ａ、１４ｂの偏芯作用により対応する同一の偏光分離面１６に入射され、偏光分離される。この方向において、各レンズセル群からの２つずつの部分光束は、それぞれ対応する別々の偏光分離面１６に入射され、偏光分離される。
【００２１】
なお、図１のものでは、偏光分離面１６と反射面１７とが光軸に対して略４５度の角度を有するように配されているので、偏光変換部３には各部分光束が略平行な状態で入射されることが、光の利用効率上、好ましい。この状態のときに偏光分離コートおよび反射コートでの反射率が最も高くなるためである。
【００２２】
本発明に係る偏光照明光学系の作用効果を、図２および図６を用いて説明する。図２は本発明の作用を説明する図であり、図６は上記特許文献１に記載された技術の作用を説明する図である。これらの偏光照明光学系は、光源部１、光源部１からの照明光束を複数の照明光束に分割するインテグレータ部２、７１、および光源部１からの照明光束の偏光方向を整える偏光変換部３を備えている。この偏光照明光学系から出射された照明光束は、後段の集光レンズ４等を介し画像表示素子等の被照明領域５を照明することになる。
【００２３】
図６に示すように、特許文献１記載のものは、第１のフライアイレンズ７２において１組のレンズセル群を構成するレンズセル７４ａ、７４ｂからの２つの部分光束を、第２のフライアイレンズ７３の単一のレンズセル７５に入射させる構成とされている。図示のとおり、このような構成によると、被照明領域５およびその延長面上で各部分光束による照明範囲がずれてしまい、結局、液晶パネル等の照明が必要な領域５における照明の欠けを生じたり、照明効率が低下したりする。また、フライアイレンズのセル分割数を増やしているにもかかわらず、被照明領域５での照度分布の均一性が劣化してしまう。
【００２４】
一方、図２に示すように、本発明に係る偏光照明光学系によれば、第１のフライアイレンズ１２の１組のレンズセル群を構成するレンズセル１４ａ、１４ｂからの２つの部分光束を、対応する第２のフライアイレンズ１３の２つのレンズセル１５ａ、１５ｂに別々に入射させる構成とされている。図示のとおり、このような構成によれば被照明領域５で各部分光束による照明範囲が良好に重畳され、液晶パネル等の照明が必要な領域５における照明効率が高い。また、フライアイレンズのレンズセル分割数を増やしたことによる照度分布の均一性向上作用を、有効に発揮させることができる。
【００２５】
すなわち本発明に係る偏光照明光学系は、最も光源側のフライアイレンズ１２において１組のレンズセル群を構成する２つのレンズセル１４ａ、１４ｂからの２つの部分光束を、対応する最も被照明領域側のフライアイレンズ１３の２つのレンズセル１５ａ、１５ｂに別々に入射させ、さらに上記最も光源側のフライアイレンズ１２の１組のレンズセル群からの２つの部分光束を、偏光変換部３のこれら２つの光束に対応する１つの偏光分離面で偏光分離する構成とされている。
【００２６】
これにより、最も光源側のフライアイレンズの１つのレンズセルからの部分光束を最も被照明領域側のフライアイレンズの１つのレンズセルに入射させ、その１つの部分光束を対応する１つの偏光分離面で偏光分離する構成と比較して、同サイズのフライアイレンズのサイズと偏光変換部のサイズに対してレンズセル分割数が２倍となり、これによりフライアイレンズの間隔を短縮でき、光学系と装置の小型化を図ることができる。このような比較例としては、例えば特許第３２７３９５５号公報に、フライアイレンズの１つのレンズセルからの部分光束を、対応する１単位の偏光素子中の偏光分離面で偏光分離する構成が記載されている。
【００２７】
また、最も光源側のフライアイレンズの１組のレンズセル群を構成する２つのレンズセルからの部分光束を最も被照明領域側のフライアイレンズの１つのレンズセルに入射させ、その２つの部分光束を対応する１つの偏光分離面で偏光分離する構成と比較して、照明効率が高く、照度分布の均一性が優れている。
【００２８】
本発明に係る偏光照明光学系において、上記照明効率および照度分布の均一性に関しては、最も光源側のフライアイレンズの各レンズセルが、この偏光照明光学系の矩形形状の被照明領域と略相似形に形成され、上記所定方向がこの矩形形状の長辺方向となるように構成された場合に、特に効果が高い。
【００２９】
図３は、本発明に係る投写型表示装置の一例を示すものである。この装置は、本発明に係る偏光照明光学系を代表したものとしての、図１に示す偏光照明光学系を用いた装置とされている。
【００３０】
この装置は、本発明に係る偏光照明光学系からの照明光束により、所定の画像情報に基づいて照明光束の光変調を行なう透過型画像表示素子よりなるライトバルブを照明し、このライトバルブからの画像情報を担持した投映光束を、投写光学系６７を介し投写するものである。照明光束は、光量分布が均一化され偏光方向が揃えられた状態で、本発明の偏光照明光学系から出射される。そしてこの照明光束は、以下に示すとおり、３原色光に分解され、各色光用の透過型画像表示素子である液晶パネル６４ａ〜ｃにより光変調されて、これらの投映光束が合成された後、投写光学系６７により投写されて、スクリーン（不図示）上にフルカラー画像が結像される。なお、以下に示す第１〜第３色光成分とは、青色、緑色、赤色の３原色光を任意の順に対応させることができる。
【００３１】
すなわち、照明光学系から出射された照明光束は、ダイクロイックミラー６２ａ、６２ｂにより色光分解され、それぞれ第１〜第３色光成分用の画像が表示される液晶パネル６４ａ〜ｃに照射される。ダイクロイックミラー６２ａは、照明光束を第１色光成分光束と第２、第３色光成分の合成光束とに分離し、ダイクロイックミラー６２ｂは、ダイクロイックミラー６２ａにより分離された第２、第３色光成分の合成光束を、第２色光成分と第３色光成分とに分離するものである。照明光束の光路上には、偏向のための全反射ミラー６３〜ｄと、集光レンズ６１ａ〜ｆとが配され、液晶パネル６４ａ〜ｃ上には、光源部１からの光束が重畳される。液晶パネル６４ａ〜ｃを透過し、所定の画像情報に基づいて光変調された投映光束である第１〜第３色光成分光束は、第１色光成分を反射するダイクロイック膜６５ａと第３色光成分を反射するダイクロイック膜６５ｂとを内部に有する、クロスプリズム６６により合成される。
【００３２】
この投写型表示装置は、本発明に係る偏光照明光学系を備えていることにより、偏光照明光学系部分をコンパクトな構成としながら、光源から発生した光量を効率よく利用し、明るく均一な偏光方向が統一された照明を行うことができる。
【００３３】
本発明に係る偏光照明光学系および投写型表示装置としては、上述したものに限られるものではなく、種々の態様の変更が可能である。例えば、偏光照明光学系において、最も光源側のフライアイレンズにおいて１組のレンズセル群を構成する２つのレンズセルからの２つの部分光束が、対応する偏光変換部の１つの偏光分離面に入射されるように、他のフライアイレンズのレンズセルも偏芯させて形成してもよい。
【００３４】
また、偏光照明光学系の偏光変換部において、λ／２位相膜の配設位置は偏光分離膜を透過した偏光の出射側に限られず、いずれの偏光の出射側とされていてもよい。
【００３５】
また、本発明の投写型表示装置としては、ライトバルブは上述のものに限られない。例えば、液晶を用いた反射型画像表示素子よりなるライトバルブを備えた投写型表示装置にも、本発明の偏光照明光学系を適用することができる。また、本発明の投写型表示装置は必ずしもカラー画像表示装置に限られず、モノクロ画像表示装置とされていてもよい。
【００３６】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明に係る偏光照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置によれば、最も光源側のフライアイレンズにおいて１組のレンズセル群を構成する２つのレンズセルからの２つの部分光束を、対応する最も被照明領域側のフライアイレンズの２つのレンズセルに別々に入射させ、さらに最も光源側のフライアイレンズの１組のレンズセル群からの２つの部分光束を、偏光変換部のこれら２つの光束に対応する１つの偏光分離面で偏光分離する構成とされている。これにより、光学系と装置の小型化を図り得るとともに、照明効率が高く、照度分布の均一性が優れた偏光照明光学系およびこれを用いた投写型表示装置とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る偏光照明光学系の概略構成図
【図２】本発明の作用を説明する図
【図３】本発明に係る投写型表示装置の概略構成図
【図４】フライアイレンズのレンズセル分割数による違いを説明する図
【図５】偏光変換部の製造方法を示す図
【図６】従来例の作用を説明する図
【符号の説明】
１    光源部
２、３１、４１、７１    インテグレータ部
３、３４、４４    偏光変換部
４、６１ａ〜ｆ    集光レンズ
５    被照明領域
１０    発光点
１１    放物面リフレクタ
１２、３２、４２、７２    第１のフライアイレンズ
１３、３３、４３、７３    第２のフライアイレンズ
１４ａ、１４ｂ、１５ａ、１５ｂ、７４ａ、７４ｂ、７５    レンズセル
１６、３６、４６、５６    偏光分離膜
１７、３７、４７、５７    反射膜
１８、３８、４８    λ／２位相膜
５５    平板ガラス
６２ａ、６２ｂ    ダイクロイックミラー
６３ａ〜ｄ    全反射ミラー
６４ａ〜ｃ    透過型液晶パネル
６５ａ、６５ｂ    ダイクロイック膜
６７    投写光学系
【図１】
2005024664.tif 000003
【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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