(57)【要約】【課題】  従来の偏光変換ユニットを改善することで、高輝度な投射型映像表示装置を実現する。【解決手段】  光源からの光を分離する光束分離手段２１を複数の入射面を有する偏光変換ユニット９６０の前に配置し、偏光変換ユニット９６０から出射される光がロッドインテグレータ２４に入射される構成とする。【選択図】  図１
2007248794.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの出射光を複数の光束に分割する光学素子と、
分割された光束を所定の方向の偏光光に揃える複数の偏光分離素子と、
前記複数の偏光分離素子の各々から出射された偏光光を入射するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータからの偏光光を用いて光学像を形成する液晶表示素子と、
前記光学像を投射する投射レンズを有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項２】
請求項１記載の投射型液晶表示装置において、
前記光学素子は第一の方向に配列され、分割した光を前記複数の偏光分離素子の少なくとも一つに照射する複数のレンズを有し、
前記複数の偏光分離素子は前記第一の方向に配列されることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項３】
請求項２記載の投射型液晶表示装置において、
前記ロッドインテグレータは前記第一の方向に長辺を有する長方形形状の入射側側面を有することを特徴とする投射型継承表示装置。
【請求項４】
請求項１記載の投射型液晶表示装置において、
前記光学素子は第一の方向に配列され、前記複数の偏光分離素子の少なくとも一つに分割した光を照射する複数のレンズを有し、
前記複数の偏光分離プリズムは少なくとも前記第一の方向に配列されていることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項５】
請求項１記載の投射型液晶表示装置において、
前記ロッドインテグレータは、前記液晶表示素子の形状の相似形の出射側側面を有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項６】
請求項４記載の投射型液晶表示装置において、
前記出射側側面の形状は、第一の方向に長辺方向を有する長方形形状であって、
前記光学素子は前記第一の方向に配列された複数のシリンドリカルレンズであることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項７】
光源と、
照射される光から光学像を形成する映像表示素子と、
前記光学像を投射する投射レンズと、
前記光源からの出射光を複数の光束に分割するレンズアレイと、
前記レンズアレイで分割された光束が入射される複数の入射面と所定の方向の偏光光として出射する複数の出射面を有する偏光変換ユニットと、
前記複数の出射面から出射された偏光光を入射するロッドインテグレータであって、前記映像表示素子の形状と相似形状の出射面を有するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから出射される光を前記液晶表示素子に写像する写像光学系を有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項８】
請求項７記載の投射型液晶表示装置において、
前記レンズアレイは第一の方向に配設された複数のシリンドリカルレンズであることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項９】
請求項８記載の投射型液晶表示装置において、
前記出射面は前記第一の方向に長辺を有する長方形であることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項１０】
請求項７記載の投射型液晶表示装置において、
前記レンズアレイはマトリクス状に配置される複数のレンズセルであることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項１１】
請求項７記載の投射型液晶表示装置において、
前記複数の入射面は複数の遮蔽面と交互に前記第一の方向に配列されることを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項１２】
請求項７記載の投射型液晶表示装置において、
前記ロッドインテグレータは、前記出射面と相似形状であって前記出射面の面積よりも小さい入射面を有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
【請求項１３】
光源と、
照射される光から光学像を形成する映像表示素子と、
前記光学像を投射する投射レンズと、
第一の方向に配列された複数のシリンドリカルレンズと、
前記第一の方向に配列された複数の偏光ビームスプリッタであって、前記偏光ビームスプリッタの各々は、前記複数のシリンドリカルレンズの少なくとも一つからの光を入射する入射面と入射した光を所定の方向の偏光光として出射する出射面を有する偏光ビームスプリッタであり、
前記偏光ビームスプリッタから出射された各々の光を集光する集光レンズと、
前記集光レンズからの光を入射するロッドインテグレータであって、前記第一の方向に長辺を有する出射面であって前記映像表示素子の相似形状の出射面を有するロッドインテグレータと、
前記ロッドインテグレータから出射される光を前記液晶表示素子に写像する写像光学系を有することを特徴とする投射型液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、映像表示素子として液晶パネルを使用して、スクリーン上に映像を投影する投射型映像表示装置、例えば、液晶プロジェクタ装置や、反射式映像表示プロジェクタ装置、投射型リアプロジェクションテレビ等に係わり、特にインテグレータ光学系と偏光変換技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
投射型映像表示装置では、投射表示される画像の輝度分布（光量分布）はほぼ均一であることが望ましい。映像表示素子として液晶パネルを用いる場合には、液晶パネルに所定偏光方向に揃えられた直線偏光光を照射する必要がある。このため、従来から、光源から射出された光の光量分布の均一化を行う第１および第２のレンズアレイによるレンズアレイ方式インテグレータ光学系と、インテグレータ光学系で均一化された照明光の偏光方向を所定直線偏光光に揃える偏光ビームスプリッタアレイと、集光レンズとを組み合わせた光学系（以下、説明の都合上この光学系を「偏光変換ユニット」と称する）を用いている。または、偏光変換素子と、ロッドインテグレータを組み合わせた光学系である偏光変換ユニットを用いている。この種の偏光変換ユニットを有する投射型映像表示装置としては、例えば特許文献１の図９や図１に記載されている。
【０００３】
特許文献１の図９に記載されているレンズアレイ方式インテグレータ光学系と偏光ビームスプリッタアレイの偏光変換素子を備えた偏光変換ユニットを用いる場合、第１のレンズアレイの各レンズセルの像が、第２のレンズアレイとその下流にある集光レンズによって映像表示素子の照明領域上に結像される。つまり、第１のレンズアレイの各レンズセルの形状と、映像表示素子の形状は、互いに相似の関係になるように設計されている。偏光変換素子は、遮光板、偏光ビームスプリッタアレイと、λ／２位相差板を備えている。
【０００４】
また、特許文献１の図１に記載されているロッドインテグレータ方式と偏光変換素子を組み合わせた偏光変換ユニットは、光を均一化するロッドインテグレータと、偏光分離作用を有する偏光分離プリズム、反射プリズムおよび反射プリリズムに接して配置されたλ／２位相差板による偏光変換素子をロッドインテグレータの入射面側に含む。
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−５７６０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前述のレンズアレイ方式インテグレータ光学系と偏光ビームスプリッタアレイの偏光変換素子の組合せにおいては、第１のレンズアレイの各レンズセルの像を、第２のレンズアレイと集光レンズにより映像表示素子上へ結像させるため、各レンズセルの形状を映像表示素子の形状と相似形にしなければならない。また、第１のレンズアレイの各レンズセルから出射した部分光束を、遮光板の開口面を通過させ、偏光変換素子内に集光させる必要がある。
【０００７】
これら２つの条件を上記構成で同時に満足させることは難しい。すなわち、上記従来技術においては、光の利用効率を向上させるために、各レンズセルから出射した部分光束が、遮光板の開口面を通過する量が最も多くなるように、第一のレンズアレイの各レンズセルの形状を最適化する必要がある。
【０００８】
また、第１のレンズアレイの各レンズセルの像を、第２のレンズアレイの各レンズセルと集光レンズにより、映像表示素子上へ結像させる。従って、第１、第２のレンズアレイのレンズセルなどの形状のばらつきにより、映像表示素子上に結像される第１のレンズアレイの各レンズセルの像の中心がずれ、ばらつきが生じてしまう。そのため、映像表示素子上で結像させるには、高い精度で第１、第２のレンズアレイの各レンズセルの形状をそれぞれ管理する必要があり、結果としてコストがかかってしまうという問題がある。
【０００９】
一方、特許文献１の図１に記載されているロッドインテグレータを用いた偏光変換ユニットの場合、図示しない光源から偏光分離プリズムに入射する光束は、例えば光源の楕円リフレクタの第２焦点近傍に配置されている偏光分離プリズムの入射側端面に集光される。このため、偏光分離プリズムの温度が上昇する。この温度上昇にともない、偏光分離特性が乱れ、偏光変換効率が劣化するという問題が生じる。
【００１０】
一般的に、照明光学系において、有効に扱うことができる光束が存在する空間的な広がりを、面積と立体角との積（エテンデュー：Geometrical Extent）として表すことができる。そして、この面積と立体角との積は、光学系において保存される。この法則を適用すると、偏光分離プリズムに入射する入射光束の集光面積が小さいので、入射光束の立体角は大きくなる。つまり光軸に対する入射光の光線の角度が大きくなる。従って、光源から偏光分離プリズムに入射する入射光線角度が大きくなる。一般に、偏光変換素子の特性は、光線の入射角度に依存しており、入射角度が大きくなると偏光変換特性が劣化する。すなわち、従来技術においては、偏光変換素子への入射角度が大きいことによって、偏光変換効率が劣化するという事情もある。このように、ロッドインテグレータを用いた偏光変換ユニットにおいては、偏光変換効率が劣化するので、偏光変換ユニットから射出される光に含まれる所望のＰ偏光光の割合が低下することになり、図示しない以降の光学系で利用できる光利用効率が低下することになる。
【００１１】
本発明の目的は、光の利用効率が向上し、映像の高輝度化が可能な偏光変換ユニットを有する投射型映像表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の一面は、光源からの光を分離する光束分離手段を複数の入射面を有する偏光変換ユニットの前に配置し、偏光変換ユニットから出射される光がロッドインテグレータに入射される構成とする。本発明の他の一面は、さらにロッドインテグレータの出射面が液晶表示素子の形状と相似形状を有する構成とする。
【発明の効果】
【００１３】
光の利用効率が向上し、高輝度な投射型映像表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、各図において、共通な機能を有する要素には同一な符号を付して示し、一度説明したものについてはその説明を省略する。
【００１５】
偏光変換ユニットの詳細は以下のいくつかの実施形態において述べるが、光源から射出された偏りのない非偏光の光を複数の部分光束に分割し、偏光変換を行い、その後ロッドインテグレータで光量分布の一様化（均一化）を行うものである。なお、偏光変換ユニットとは、光源から射出される光の光量分布を一様化するとともに、所定の偏光光に揃える光学系を指すものとする。
【００１６】
以下、図１、図５、図４、図２、図３を用いて、実施例１による偏光変換ユニットを備えた投射型映像表示装置について説明する。
【００１７】
最初に、図２を用いて実施例１による偏光変換ユニットを搭載した単板式の投射型映像表示装置について説明する。その前に、以下の図示を容易とするため、図２で右手直角座標系を導入する。すなわち、光源ユニット１の光軸方向をＺ軸、図２紙面に直交し、紙面裏から紙面表に向かう方向をＹ軸、ＹＺ軸で形成されるＹＺ平面に直交する軸をＸ軸とする。なお、説明の都合上Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ方向」と呼ぶものとする。
【００１８】
図２において、光源ユニット１は、光源１１とリフレクタ１２（この図の例では放物面リフレクタ）を備えている。光源１１から射出された光は、リフレクタ１２によって反射され、光源ユニット１からは、略平行の光束が射出され、偏光変換ユニット２ａに入射する。
【００１９】
偏光変換ユニット２ａは、入射側から順に、光源ユニット１から射出された光束を複数の部分光束に分割する複数のシリンドリカルレンズセル２１１が配置されたシリンドリカルレンズアレイ２１と、シリンドリカルレンズアレイ２１で分割された複数の部分光束の偏光方向を所定偏光方向に揃える偏光変換素子９６０と、集光レンズ２３と、光量分布の一様化作用を有するロッドインテグレータ２４を備える。偏光変換素子９６０は、光源から射出された光を複数の部分光束に分割し、偏光変換を行う。その後ロッドインテグレータ２４が光量分布の一様化（均一化）を行う。ロッドインテグレータ２４の出射側端面像が、後述する写像光学系３１により例えば反射型液晶で構成された反射型映像表示素子６上に写像される。従って、ロッドインテグレータ２４の出射側端面形状を、反射型映像表示素子６と相似形状とする。
【００２０】
偏光変換ユニット２ａから射出された光は、回転型色分離手段であるカラーホイール２５に入射し、例えば、３つの色光（Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光）に時分割で色分離される。ロッドインテグレータ２４出射側に配置されたカラーホイール２５は、図３(ａ)に示すように、薄板の円盤である。図３（a）はカラーホイールの一例の構成を示している。この円盤は、複数の扇形領域（ここでは３つの領域）に分割されており、各扇形領域には、入射光のうち、所定の波長帯域の光を透過し他の波長領域の光を反射して該所定波長帯域光を色分離する色分離領域部が形成されている。そして、カラーホイール２５は回転軸２６５の周りに回転し、入射光を複数の所定波長帯域光（ここではＲ光、Ｇ光、Ｂ光）に時分割で色分離する。
【００２１】
複数個の色分離領域部は、Ｒ光のみを透過しその他の色光を反射する赤色光透過ダイクロイックミラー２６１と、Ｇ光のみを透過しその他の色光を反射する緑色光透過ダイクロイックミラー２６２と、Ｂ光のみを透過しその他の色光を反射する青色光透過ダイクロイックミラー２６３を有する。また、線ａは、赤色光透過ダイクロイックミラー２６１と緑色光透過ダイクロイックミラー２６２の境界線を、線ｂは、緑色光透過ダイクロイックミラー２６２と青色光透過ダイクロイックミラー２６３の境界線を、線ｃは、緑色光透過ダイクロイックミラー２６２と青色光透過ダイクロイックミラー２６３の境界線を示す。
【００２２】
図２に戻って、カラーホイール２５を出射した光束は、写像光学系３１を透過し、所定方向の偏光光を透過する偏光板８１で偏光状態の純度が改善されて、偏光分離素子である偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter：以下、「ＰＢＳ」という）５１に入射する。ここで、ＰＢＳ５１に入射する光束の偏光方向は、入射面（入射光線と反射光線とで形成される面：ＺＸ面）に対して垂直な方向（Ｓ偏光）とする。したがって、偏光板８１が透過する偏光方向はＳ偏光とする。ＰＢＳ５１に入射したＳ偏光の光束は、偏光分離面Ｓ５１で反射し、例えば反射型液晶で構成された反射型映像表示素子６に入射する。反射型映像表示素子６の各画素で反射する光線は、各画素がＯＮの場合は、偏光状態がＰ偏光に変換されるので、今度は、ＰＢＳ５１を透過し投射レンズ７でスクリーン（図示せず）等に拡大投射される。また、各画素がＯＦＦの場合は、偏光状態がＳ偏光のままなので、再び、ＰＢＳ５１の偏光分離面Ｓ５１で反射し、Ｓ偏光の光束はスクリーン等に拡大投射されない。なお、８２はＰ偏光光を透過させる偏光板である。
【００２３】
次に、偏光変換ユニットについて、図１を用いて詳細に説明する。図１に偏光変換ユニットの一例を示す。
【００２４】
図１の偏光変換ユニット２ａは、入射側から順に、光源ユニットからの光を複数部分光束に分割する光束分割手段であるシリンドリカルレンズアレイ２１と、所定偏光方向にその偏光方向を揃える偏光変換素子９６０と、集光レンズ２３と、光量分布の一様化作用を有するロッドインテグレータ２４を有する。この偏光変換ユニットにおいて、光源ユニット１からの光の偏光方向を所定方向に揃える偏光の変換と、光量分布の一様化（均一化）を行う。
【００２５】
偏光変換ユニット２ａのシリンドリカルレンズアレイ２１は、図４（ａ）に示すように、Ｙ方向に延びたその断面がシリンドリカル状の複数のシリンドカルレンズセル２１１がＸ方向に沿って形成されたものである。従って、シリンドカルレンズアレイ２１は、光源ユニット１から射出された光をＸ方向で複数の部分光束に分割し、かつＸ方向で集光作用を有する。
【００２６】
偏光変換素子９６０は、遮光板９６２と、偏光ビームスプリッタアレイ９６４と、λ／２位相差板９６６を備えている。遮光板９６２は、Ｙ方向に延びたストライプ状の遮光面９６２ｂと開口面９６２ａとが交互にＸ方向に沿って板状に配列されたものである。偏光ビームスプリッタアレイ９６４は、例えばＹ方向に細長い略平行四辺形の断面を有する柱状（ＸＺ面に直交）のガラス基板９６４ｃが複数張り合わされたものである。各ガラス基板９６４ｃの界面には、偏光分離膜９６４ａと反射膜９６４ｂとが交互に形成されている。λ／２位相差板９６６は、Ｙ方向に延びたストライプ状の開口層９６６ａとλ／２位相差層９６６ｂとが、交互にＸ方向に沿って配列され構成されている。
【００２７】
集光レンズ２３は、偏光変換素子９６０とロッドインテグレータ２４との間に設けられている。ロッドインテグレータ２４は、ここでは例えば断面が略矩形の光学的に透明な部材（例えば硝子部材）で構成された角柱構造を有するロッドレンズであり、集光レンズ２３の出射側に設けられている。なお、ロッドインテグレータ２４の断面形状は反射型映像表示素子６の形状にほぼ相似とする。
【００２８】
光源ユニット１からシリンドリカルレンズアレイ２１に入射した略白色の自然光（偏りのない非偏光光）である光束は、複数のシリンドリカルレンズセル２１１によりＸ方向で部分光束に分割されて射出され、偏光変換素子９６０に入射する。つまり、シリンドリカルレンズアレイ２１は光束分割手段となる。
【００２９】
偏光変換素子９６０に入射したシリンドリカルレンズアレイ２１からの各部分光束は、それぞれ遮光板９６２の対応する開口面９６２ａを通過し、偏光分離膜９６４ａに入射する。偏光分離膜９６４ａは、入射した各部分光束のうち、Ｓ偏光光を反射し、Ｐ偏光光を透過することでＳ偏光光とＰ偏光光に分離する。偏光分離膜９６４ａを反射したＳ偏光光は、対を成す反射膜９６４ｂ（ここでは前記偏光分離膜９６４ａのＸ方向正側の反射膜）で反射し、開口層９６６から出射する。一方、偏光分離膜９６４ａを透過したＰ偏光光はλ／２位相差層９６６ｂにより、偏光方向が直交するＳ偏光光に変換される。このようにして、偏光変換素子９６０の全ての対を成す偏光分離膜９６４ａ／反射膜反射膜９６４ｂからほぼ一定方向に偏光方向の揃った部分光束（ここではＳ偏光光）がそれぞれ射出し、集光レンズ２３に入射する。集光レンズ２３に入射した各部分光束は、集光レンズ２３によりロッドインテグレータ２４の入射開口で重畳される。
【００３０】
ロッドインテグレータ２４に入射した光は、ロッドインテグレータ２４の側面で全反射を繰り返すことで光量分布の一様化が行なわれる。ロッドインテグレータ２４の反射型映像表示素子６と相似な形状の出射側端面から均一な光量分布を有する光がカラーホイール２５へ入射する。なお、ロッドインテグレータ２４の出射側端面像は写像光学系３１により反射型映像表示素子６上に写像される。
【００３１】
次に、図５を用いて、シリンドリカルレンズアレイ２１とロッドインテグレータ２４との配置方向について説明する。図５は偏光変換ユニットの集光作用を説明する模式光線図である。
【００３２】
光源ユニット１からシリンドリカルレンズアレイ２１の各シリンドリカルレンズ２１１に入射した光は、シリンドリカルレンズが配列している方向であるＸ方向で光は屈折し、Ｙ方向については、略平行に進行する。従って、集光レンズ２３によってロッドインテグレータ２４の入射側端面近傍に集光する光の形状はＹ方向に比べて、Ｘ方向が大きくなり易い。一方、ロッドインテグレータ２４の形状は、使用する映像表示素子の形状と相似形にする必要がある。そのため、入射側端面及び出射側端面形状は長方形とする必要がある。そこで、シリンドリカルレンズアレイ２１の配列方向（X方向）とロッドインテグレータ２４の断面の長辺方向を一致させることで、光線を効率良くロッドインテグレータ２４に取り込むことができる。
【００３３】
以上述べたように、図１の偏光変換ユニットにおいては、シリンドリカルレンズセル２１１の形状を、映像表示素子の形状と相似形にする必要がない。よって、シリンドリカルレンズアレイ２１から射出した部分光束が偏光変換素子９６０の遮光板９６２の開口面９６２ａを通過する量が多くなるように形状を調整する自由度がある。このようにシリンドリカルレンズセル２１１の形状を調整することにより、遮光板９６２の遮光面９６２ｂによるシリンドリカルレンズアレイ２１から射出した部分光束のケラレが低減され、従来例に比べて光の利用効率が向上する。
【００３４】
また、シリンドリカルレンズアレイ２１の出射光は、集光レンズ２３により、ロッドインテグレータ２４の入射側端面近傍に集光される。従って、第２のレンズアレイの各レンズセルと集光レンズによって、第１のレンズアレイの各レンズセルの像を映像表示素子上へ結像させるために、シリンドリカルレンズセル２１１の形状を高精度で調整する必要がなく、コストを低減することができる。
【００３５】
また、偏光変換素子９６０には、複数のシリンドリカルレンズセル２１１で複数に分割された光が入射する為、偏光変換素子９６０の入射部分での温度上昇が著しく高くなることがないため、温度上昇に伴う偏光変換効率の損失が少ない。
【００３６】
さらに、光源ユニット１とロッドインテグレータ２４との間に光源光を複数光束に分割する光束分割手段（上記ではシリンドリカルレンズアレイ２１）を配置するため、後段に配置されているロッドインテグレータ２４での光の均一負担が減少する。従って、ロッドインテグレータ２４の長さを縮小することができ、偏光変換ユニット２ａの小型化が可能となる。
【００３７】
図１の例では1枚のシリンドリカルレンズアレイ２１から構成されていたが、これに限定されるものではない。上述のような1枚のシリンドリカルレンズアレイ２１とせず、２枚のシリンドリカルレンズアレイから構成されても良い。図６に２枚のシリンドリカルレンズアレイによる偏光変換ユニット２ｄの構成図を示す。シリンドリカルレンズアレイ２１、１５は、光源（図示せず）から射出された略平行な光を複数の光束に分割して射出する。複数の部分光束に分割された光は、偏光変換素子９６０の遮光板９６２の対応する開口面９６２ａを通過し、偏光分離膜９６４ａに入射する。これにより複数の各部分光束を所定偏光方向のＳ偏光に揃え、Ｓ偏光の部分光束を集光レンズ２３により重畳してロッドインテグレータ２４の入射側端面近傍に集光し、ライトパイプのロッドインテグレータ２４により光量分布の一様化を行う。このように2枚のシリンドリカルレンズから構成することで、偏光変換素子９６０上に入射する光の収差が低減される。光の収差が低減されればスポット径を縮小することができ、遮光板９６２の遮光面９６２ｂによるシリンドリカルレンズ２１、１５から射出した部分光束のケラレが低減され、ひいては光の利用効率が向上する。
【００３８】
また、図１の例では光束分割手段としてシリンドリカルレンズアレイ２１を用いたが、これに限定するものではない。例えば複数のレンズセルがマトリクス状に配設されたレンズアレイの構成でも良い。図４（ｂ）にレンズアレイの構成図を示す。レンズアレイ３２に入射した略白色の自然光（偏りない非偏光）である光束は、複数のレンズセル３２１により複数の部分光束に分割されて射出され、偏光変換素子９６０の遮光板９６２の対応する開口面９６２ａを通過し、偏光分離膜９６４ａに入射する。レンズアレイ３２を構成する各レンズセル３２１は、マトリクス状に配設されているが、映像表示素子と相似形状とする必要がないため、レンズアレイ３２から射出した部分光束が偏光変換素子９６０の遮光板９６２の開口面９６２ａを通過する量が多くなるように形状を調節することができる。従って、遮光板９６２の遮光面９６２ｂによるレンズアレイ３２から射出した部分光束のケラレが低減され、光の利用効率が向上する。
【００３９】
さらには、図１の例では、ロッドインテグレータ２４として、内部が全て透明部材で構成されたロッドレンズを用いたが、これに代えて、中空構造をなし、内側の側面に反射ミラーが形成されたライトパイプを用いても良い。図７に、ロッドインテグレータとしてライトパイプを用いた偏光変換ユニットの例を示す。図７において、偏光変換ユニット２ｂは上記偏光変換ユニット２ａと同様に、光源ユニット１からの光をシリンドリカルレンズアレイ２１で複数の部分光束に分割し、偏光変換素子９６０により複数の各部分光束を所定偏光方向のＳ偏光に揃え、Ｓ偏光の部分光束を集光レンズ２３により重畳してロッドインテグレータ５００の入射側端面近傍に集光し、ライトパイプのロッドインテグレータ５００により光量分布の一様化を行う。ロッドインテグレータ５００の内側の側面に、反射ミラー５０１が配置されており、ロッドインテグレータ５００に入射した光は、反射ミラー５０１で全反射を繰り返しながらロッドインテグレータ５００内を進行し、光量分布の一様化を行う。
【００４０】
以上述べた例では、ロッドインテグレータとして入射側端面と出射側端面の面積が同じストレートタイプとしたが、これに限定されるものではない。ストレートタイプのロッドインテグレータはＦ値変換機能を有しないので、ロッドインテグレータに入射した光線角度を保存する。つまり、入射光線角度の大きい光線がロッドインテグレータに入射する場合、入射角度の大きい光線がロッドインテグレータ２４から出射され、カラーホイール２５の色分離性能が低下する。これを良くするために、ロッドインテグレータ２４は、入射側端面の面積が、出射側端面の面積よりも小さい構成として、出射側端面での光線角度を小さくするＦ値変換機能を持たせるのが好ましい。
【００４１】
図８は、入射側端面の面積が、出射側端面の面積よりも小さい構成をなす角柱形状からなるロッドインテグレータ６００を用いた偏光変換ユニットの構成図を示す。図８において、偏光変換ユニット２ｃは上記偏光変換ユニット２ａと同様に、光源ユニット１からの光をシリンドリカルレンズアレイ２１で複数の部分光束に分割し、偏光変換素子９６０により複数の各部分光束を所定偏光方向のＳ偏光に揃え、Ｓ偏光の部分光束を集光レンズ２３により重畳してロッドインテグレータ６００の入射側端面Ｓ１に集光し、ロッドインテグレータ６００により光量分布の一様化を行う。
【００４２】
ロッドインテグレータ６００は入射側端面Ｓ１の面積が出射側端面Ｓ２よりも小さいような形状を有する角柱形状である。そこで、入射側端面Ｓ１から入射した光は、反射を繰り返すことにより、光線角度が小さくなって、出射側端面Ｓ２から射出する。これにより、カラーホイール２５に入射する光束の光線角度を小さくすることができ、カラーホイール２５の色分離性能が向上すると共に、後段に配置されるＰＢＳなどでの偏光分離特性が向上して高コントラスト化を実現できる。
【００４３】
さらには、上述の例では、色分離手段であるカラーホイールとして、複数の色分離領域に区分され時分割的に色が分離されるものを用いて説明したが、これに限定されるものではない。例えば、回転中心に向かって渦巻き型に複数の色分離領域に区分されたものであっても、上記偏光変換ユニットは好適に適用できる。さらには、上述のカラーホイール２５は、赤色光透過ダイクロミラー２６１、緑色光透過ダイクロミラー２６２、青色光透過ダイクロミラー２６３のそれぞれの面積は略同一としているが、少なくとも１つの色光透過ダイクロイックミラーの面積を異なるような構成としても良い。
【００４４】
図３（ｂ）に、透過領域の面積を異ならしめたカラーホイール２７の構成例を示す。図３（ｂ）において、赤色光透過ダイクロイックミラー２７１、緑色光透過ダイクロイックミラー２７２、青色光透過ダイクロイックミラー２７３は、それぞれ特定の波長領域の光であるＲ光、Ｇ光、Ｂ光を透過させる色分離領域である。図３（ｂ）に示すように、赤色光透過ダイクロイックミラー２７１、緑色光透過ダイクロイックミラー２７２、青色光透過ダイクロイックミラー２７３のうち、少なくとも１つの色光透過ダイクロイックミラーの面積を異ならせることにより、明るさの調整や、色の調整が可能となる。
【００４５】
また、図３（ｃ）に、白色光を透過させる白色光透過ダイクロイックミラー２８４を設けたカラーホイール２８の構成例を示す。図３（ｃ）において、赤色光透過ダイクロイックミラー２８１、緑色光透過ダイクロイックミラー２８２、青色光透過ダイクロイックミラー２８３に加えて、白色光を透過させる白色光透過ダイクロイックミラー２８４は、それぞれ特定の波長領域の光であるＲ光、Ｇ光、Ｂ光、Ｗ光を透過させる領域である。このように白色光透過ダイクロイックミラー２８４を設けることで、白色光透過ダイクロイックミラー２８４を透過した白色光により、明るい投射像を得ることができる。
【００４６】
図３のいずれの例においても、色分離させる色はＲ、Ｇ、Ｂの３色であるが、Ｙ（黄色）、Ｃ（シアン）、Ｍ（マゼンダ）の組合せでも良い。また、３色以上の組合わせ、例えばＲ、Ｇ、Ｂ、Ｙの組合せでもよい。尚、３色以上の複数色を用いれば、色数を増やすことで、一般的なｘｙ色度図において、３色では三角形に表現されていた色度の表示可能範囲が、四角で表現できるので、色度表現範囲が広がる効果がある。また、ダイクロイックミラーの各領域の配置は、図示するものに限らない。
【００４７】
図２の例では、偏光変換ユニット２ａを、一つの反射型映像表示素子を用いた単板式投射型映像表示装置に適用したが、本発明はこれに限定されるものではない。次に、図９を用いて、三つの透過型液晶表示素子を用いた透過型３板式投射型映像表示装置に適用した例を説明する。なお、図９で、図１、図２と同様の要素には同一の符号を付して示し、その重複する説明を省略する。
【００４８】
図９において、光源ユニット１から出射した略平行光な白色光は、偏光変換ユニット２ａへ入射する。偏光変換ユニット２ａは、まず光源ユニット１からの光をシリンドリカルレンズアレイ２１で複数の部分光束に分割する。次に、偏光変換素子９６０により複数の各部分光束を所定偏光方向のＳ偏光に揃え、Ｓ偏光の部分光束を集光レンズ２３により重畳してロッドインテグレータ２４の入射側端面近傍に集光し、ロッドインテグレータ２４により光量分布の一様化を行う。そして、ロッドインテグレータ２４の出射側端面像を、集光レンズ１０９、コンデンサレンズ１１０Ｒ、１１０Ｇ、および第１リレーレンズ１１５、第２リレーレンズ１１６、第３リレーレンズ１１７により、透過型映像表示素子である各液晶パネル１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ上に写像する。
【００４９】
なお、第１リレーレンズ１１５、第２リレーレンズ１１６、第３リレーレンズ１１７は、液晶パネル１０２Ｂ、１０２Ｇの光路長に対し、液晶パネル１０２Ｒの光路長が長いことを補うリレーレンズ光学系である。偏光変換ユニット２ａから出射されたＳ偏光光は、集光レンズ１０９で集光された後、ダイクロイックミラー１１２とダイクロイックミラー１１３とからなる色分離手段へ入射する。
【００５０】
ダイクロイックミラー１１２は、例えばＢ光（青色帯域の光）を反射し、Ｇ光（緑色の帯域の光）およびＲ光（赤色帯域の光）を透過させる機能を持ち、２色の光に分離する。さらにＧ光とＲ光はダイクロイックミラー１１３によりＧ光とＲ光に分離される。例えばダイクロイックミラー１１３でＧ光は反射し、Ｒ光はダイクロイックミラー１１３を透過して、３色の光に分離される。図９の例においては、Ｂ光はダイクロイックミラー１１２を反射して、さらにミラー１１９で反射し、コンデンサレンズ１１０Ｂを透過して、Ｂ光用の透過型映像表示素子である液晶パネル１０２Ｂに入射する。ダイクロイックミラー１１２を透過したＧ光およびＲ光のうち、Ｇ光はダイクロイックミラー１１３を反射し、コンデンサレンズ１１０Ｇを透過してＧ光用透過型映像表示素子である液晶パネル１０２Ｇに入射する。Ｒ光はダイクロイックミラー１１３を透過し、第１リレーレンズ１１５、第２リレーレンズ１１６、第３リレーレンズ１１７からなるリレーレンズ光学系を介して、またミラー１２０、ミラー１１４で光路方向を変えてＲ光用の透過型映像表示素子である液晶パネル１０２Ｒに入射する。
【００５１】
各液晶パネル１０２（１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ）に入射した各色光（Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光）は、それぞれ各液晶パネルで図示しない映像信号に基づいて偏光方向が回転する光強度変調を受け、Ｐ偏光光の光学像が形成される。そして、Ｐ偏光光のＲ光とＢ光の光学像は、λ／２位相差板１２１Ｒ、１２１ＢによりＳ偏光光に変換されて、またＰ偏光光のＧ光の光学像はそのままクロスダイクロイックプリズムで構成された色合成プリズム１１１に入射する。各色光の光学像は色合成プリズム１１１よってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ１０３でスクリーン（図示せず）に拡大投射される。
【００５２】
なお、色分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー１１２でＲ光を反射させ、Ｇ光およびＢ光を透過させても良いし、Ｇ光を反射させ、Ｒ光およびＢ光を透過させても良く、この場合の透過型映像表示素子の配置は、図示するものには限らない。
【００５３】
次に、図１０を用いて、偏光変換ユニット２ａを、三つの反射型液晶表示素子を用いた反射型３板式投射型映像表示装置に適用した例について説明する。
【００５４】
図１０において、光源ユニット１から出射した略平行な白色光は、偏光変換ユニット２aに入射する。偏光変換ユニット２ａは、まず光源ユニット１からの光をシリンドリカルレンズアレイ２１で複数の部分光束に分割する。次に、偏光変換素子９６０により複数の各部分光束を所定偏光方向のＳ偏光に揃え、Ｓ偏光の部分光束を集光レンズ２３により重畳してロッドインテグレータ２４の入射側端面近傍に集光し、ロッドインテグレータ２４により光量分布の一様化を行う。そして、ロッドインテグレータ２４の出射側端面像を、集光レンズ２１２、コンデンサレンズ２２１Ｒ、２２１Ｇ、および第１リレーレンズ２１５、２リレーレンズ２２１、第３リレーレンズ２２２により、反射型映像表示素子である各液晶パネル２１８Ｒ、２１８Ｇ、２１８Ｂ上に写像する。
【００５５】
なお、第１リレーレンズ２１５、第２リレーレンズ２２１、第３リレーレンズ２２２は、液晶パネル２１８Ｒ、２１８Ｇの光路長に対し、液晶パネル２１８Ｂの光路長が長いことを補うリレーレンズ光学系である。偏光変換ユニット２ａから出射されたＳ偏光光は、集光レンズ２１２を透過した後、ダイクロイックミラー２１３とダイクロイックミラー２１６とからなる色分離手段へ入射する。
【００５６】
ダイクロイックミラー２１３は、Ｂ光を透過し、Ｇ光およびＲ光を反射させて２色の光に分離する。さらにＧ光とＲ光はダイクロイックミラー２１６によりＧ光とＲ光に分離される。すなわち、ダイクロイックミラー２１６でＧ光は反射し、Ｒ光はダイクロイックミラー２１６を透過して、３色の光に分離される。ダイクロイックミラー２１３を透過したＢ光は、第１リレーレンズ２１５、第２リレーレンズ２２１、第３リレーレンズ２２２からなるリレーレンズ光学系を介して、またミラー２１４で光路方向を変えてＰＢＳ２１７Ｂに入射する。ＰＢＳ２１７Ｂに入射したＢ光は、Ｓ偏光光であるため、偏光分離面Ｓ２１７Ｂを反射して、Ｂ光用反射型映像表示素子である液晶パネル２１８Ｂに入射する。一方、ダイクロイックミラー２１３を反射したＲ光とＧ光は、Ｇ光反射、Ｒ光透過特性のダイクロイックミラー２１６に入射し、反射するＧ光と、透過するＲ光とに色分離される。
【００５７】
ダイクロイックミラー２１６を透過したＲ光は、コンデンサレンズ２２１Ｒを透過し、ＰＢＳ２１７Ｒに入射する。ＰＢＳ１７Ｒに入射したＲ光は、Ｓ偏光光であるため、偏光分離面Ｓ２１７Ｒを反射して、Ｒ光用反射型映像表示素子である液晶パネル２１８Ｒに入射する。同様に、ダイクロイックミラー２１６を反射したＧ光は、コンデンサレンズ２２１Ｇを透過し、ＰＢＳ２１７Ｇに入射する。ＰＢＳ２１７Ｇに入射したＧ光は、偏光分離面Ｓ２１７Ｇを反射して、Ｇ光用反射型映像表示素子である液晶パネル２１８Ｇに入射する。
【００５８】
各色光用に配置された反射型映像表示素子である各液晶パネル２１８（２１８Ｒ、２１８Ｇ、２１８Ｂ）に入射した各色光（Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光）は、各液晶パネルの各画素がＯＮの場合は、偏光状態がＰ偏光に変換され射出される。従って、各液晶パネル２１８から射出する各色光は、今度は、各ＰＢＳ２１７（２１７Ｒ、２１７Ｇ、２１７Ｂ）を透過し、Ｒ光とＢ光に関しては、偏光方向を変換するλ/２位相差板２１９（２１９Ｒ、２１９Ｂ）を経て、Ｐ偏光光からＳ偏光光に変換された後、クロスダイクロイックプリズムで構成された色合成プリズム２２０に入射する。各色光は色合成プリズム２２０によってカラー光として色合成された後、投射レンズ２２５によりスクリーン（図示せず）上に拡大投射される。
【００５９】
なお、色分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー２１３でＲ光を透過させ、Ｇ光およびＢ光を反射させても良いし、Ｇ光を透過させ、Ｒ光およびＢ光を反射させても良く、この場合の反射型映像表示素子の配置は、図示するものには限らない。
【００６０】
次に、図１１を用いて、偏光変換ユニット２ａを、二つの反射型液晶表示素子を用いた反射型２板式の投射型映像表示装置に適用した例について説明する。
【００６１】
図１１において、光源ユニット１から出射した略平行な白色光は、偏光変換ユニット２aに入射する。偏光変換ユニット２ａは、まず光源ユニット１からの光をシリンドリカルレンズアレイ２１で複数の部分光束に分割する。次に、偏光変換素子９６０により複数の各部分光束を所定偏光方向のＳ偏光に揃え、Ｓ偏光の部分光束を集光レンズ２３により重畳してロッドインテグレータ２４の入射側端面近傍に集光し、ロッドインテグレータ２４により光量分布の一様化を行う。そして、ロッドインテグレータ２４の出射側端面像を、集光レンズ３１２を介して、反射型映像表示素子である各液晶パネル３１８ＧＲ、３１８Ｂ上に写像する。
【００６２】
偏光変換ユニット２ａを出射したＳ偏光の光は、集光レンズ３１２を経て、第１の色分離手段であるダイクロイックミラー３２３に入射するダイクロイックミラー３２３は、Ｒ光とＧ光を透過し、Ｂ光を反射させて２色の光に分離する。この光の色分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー３２３でＲ光を透過させ、Ｇ光およびＢ光を反射させても良いし、Ｇ光を透過させ、Ｒ光およびＢ光を反射させても良い。本実施例においては、ダイクロイックミラー３２３はＢ光を反射し、Ｇ光とＲ光を透過する場合を考える。ダイクロイックミラー３２３を反射したＢ光はＰＢＳ３１７Ｂに入射し、その偏光分離面Ｓ３１７Ｂを反射して、Ｂ光用反射型映像表示素子である液晶パネル３１８Ｂに入射する。
【００６３】
ダイクロイックミラー３２３を透過した、Ｇ光とＲ光の混合色は、第２の色分離手段であるカラーホイール３２４に入射し、カラーホイール３２４で時分割的にＧ光とＲ光に色分解される。カラーホイール３２４は、円盤形状の基板上にＧ光を透過し、Ｒ光を反射する特性を有するダイクロイック膜の領域（図示せず）と、Ｇ光を反射し、Ｒ光を透過する特性を有するダイクロイック膜の領域（図示せず）とを有し、図示しない円盤の中心軸周りに回転する。カラーホイール３２４が回転することによって、Ｇ光とＲ光とが交互に出射される。時分割的に色分解されたＧ光とＲ光は、ＰＢＳ３１７ＧＲに入射し、偏光分離面Ｓ３１７ＧＲを反射して、反射型映像表示素子である液晶パネル３１８ＧＲに入射する。
【００６４】
液晶パネル３１８Ｂに入射したＢ光は、液晶パネル３１８Ｂの各画素がＯＮの場合は、偏光状態がＰ偏光に変換され射出される。従って、今度は、ＰＢＳ３１７Ｂを透過し、色合成系のダイクロイックプリズム３２７に入射する。また、液晶パネル３１８ＧＲに時分割的に入射したＧ光とＲ光は、液晶パネル３１８ＧＲの各画素がＯＮの場合は、偏光状態がＰ偏光に変換され射出されるので、今度は、時分割的にＰＢＳ３１７ＧＲを透過し、色合成系のダイクロイックプリズム３２７に入射する。
【００６５】
ダイクロイックプリズム３２７の内部には、Ｇ光とＲ光を反射し、Ｂ光を透過する特性を有するダイクロイック膜３２７ＧＲが配置されている。従って、ダイクロイックプリズム３２７に入射したＢ光はダイクロイック膜３２７ＧＲを透過し、Ｇ光とＲ光は反射する。このようにして、Ｂ光と時分割的に表示されるＧ光／Ｒ光は色合成される。そして、投射レンズ３２１でスクリーン（図示せず）上に投射される。
【００６６】
なお、図１１の例においては、ダイクロイックミラー３２３でＢ光と、Ｇ光とＲ光との混合光とに分解したが、Ｂ光とシアン光、あるいはイエロー光、あるいはマゼンダ光との混合光を反射し、Ｇ光とＲ光との混合光を透過して、色分離してもかまわない。色数を増やすことで、一般的なｘｙ色度図において、３色では三角形に表現されていた色度の表示可能範囲が、四角で表現できるので、色度表現範囲が広がる効果がある。また、ダイクロイックミラーの各領域の配置は、特に限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】偏光変換ユニットの要部構成図である。
【図２】投射型映像表示装置の構成例を示す図である。
【図３（ａ）】カラーホイールの構成例を示す図である。
【図３（ｂ）】カラーホイールの他の構成例を示す図である。
【図３（ｃ）】カラーホイールの他の構成例を示す図である。
【図４】光束分割手段の構成図である。
【図５】偏光変換ユニットの集光作用を説明する光線図である。
【図６】偏光変換ユニットの要部構成図である。
【図７】偏光変換ユニットの他の構成例を示す図である。
【図８】偏光変換ユニットの他の構成例を示す図である。
【図９】投射型映像表示装置の他の構成例を示す図である。
【図１０】投射型映像表示装置の他の構成例を示す図である。
【図１１】投射型映像表示装置の他の構成例を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１…光源ユニット、２ａ、２ｂ、２ｃ…偏光変換ユニット、６…反射型映像表示素子、７…投射レンズ、１１…光源、１２…リフレクタ、２１、１５…シリンドリカルレンズアレイ、２３…集光レンズ、２４…ロッドインテグレータ、２５、２７、２８…カラーホイール、３１…写像光学系、３２…レンズセル、５１…ＰＢＳ、８１、８２…偏光板、１０２…液晶パネル、１０３…投射レンズ、１０９…集光レンズ、１１０…コンデンサレンズ、１１１…色合成プリズム、１１２、１１３…ダイクロイックミラー、１１４…ミラー、１１５…第１リレーレンズ、１１６…第２リレーレンズ、１１７…第３リレーレンズ、１１９、１２０…ミラー、１２１…λ／２位相差板、２１１、１５１…シリンドリカルレンズセル、２１２…集光レンズ、２１３…ダイクロイックミラー、２１４…ミラー、２１５…第１リレーレンズ、２１６…ダイクロイックミラー、２１７…ＰＢＳ、Ｓ２１７…偏光分離面、２１９…λ／２位相差板、２１８…液晶パネル、２２０…色合成プリズム、２２１…第２リレーレンズ、２２２…第３リレーレンズ、２２５…投射レンズ、２６１、２７１、２８１…赤色光透過ダイクロイックミラー、２６２、２７２、２８２…緑色光透過ダイクロイックミラー、２６３、２７３、２８３…青色光透過ダイクロイックミラー、２６５…回転軸、２８４…白色光透過ダイクロイックミラー、３１２…集光レンズ、３２３…ダイクロイックミラー、３２４…カラーホイール、３１７…ＰＢＳ、３１８…液晶パネル、３２１…レンズセル、３２７…ダイクロイックプリズム、３２７ＧＲ…ダイクロイック膜、３２１…投射レンズ、５００…ロッドインテグレータ、５０１…反射ミラー、６００…ロッドインテグレータ、９０５…光、９１０…偏光変換素子、９１１…偏光分離プリズム、９１４…λ／２位相差板、９１５…反射プリズム、９２０…ロッドインテグレータ、９２５…光、９４０…第１のレンズアレイ、９４２…レンズセル、９５０…第２のレンズアレイ、９５２…レンズセル、９７０…集光レンズ、９６０…偏光変換素子、９６２…遮光板、９６２ａ…開口面、９６２ｂ…遮光面、９６４…偏光ビームスプリッタアレイ、９６４a…偏光分離膜、９６４b…反射膜、９６４c…ガラス基板、９６６…λ／２位相差板、９６６a…開口層、９６６b…λ／２位相差層、９４２０、９４２１、９４２２、９４２３、９４２４、９４２５…像
【図１】
2007248794.tif 000003
【図２】
2007248794.tif 000004
【図３（ａ）】
2007248794.tif 000005
【図３（ｂ）】
2007248794.tif 000006
【図３（ｃ）】
2007248794.tif 000007
【図４】
2007248794.tif 000008
【図５】
2007248794.tif 000009
【図６】
2007248794.tif 000010
【図７】
2007248794.tif 000011
【図８】
2007248794.tif 000012
【図９】
2007248794.tif 000013
【図１０】
2007248794.tif 000014
【図１１】
2007248794.tif 000015