(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
略錐体状の中央部と、この中央部の錐面を囲うように設けられた外形略錐台状の外周部とからなる素子本体を備え、
この外周部および中央部はそれぞれの錐面の拡がり方向が同じとされているとともに、  外周部は、中央部の頂点側に設けられた光の入射面と、当該中央部の光出射側の中央出射面周囲に位置して環状に連続して設けられ、かつ当該中央出射面と同じ方向に面した外側出射面とを備え、
中央部は、外周部に設けられた錐体状の凹状部分に嵌め込まれており、
中央部および外周部との境界には偏光分離部が形成され、
中央部の中央出射面上には当該中央出射面の全域にわたって位相差部が直に形成され、  外周部の錐面には当該錐面の全域にわたって反射部が直に形成されている
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の偏光変換素子において、前記素子本体が面内方向に複数配置されていることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子と、この偏光変換素子の光入射側に配置された光源装置とを含んで構成される照明光学系を備え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、光源から射出された光束を２種類の偏光光に分離した後、偏光方向の揃った１種類の偏光光に変換する偏光変換素子、およびこの偏光変換素子を含んで構成される照明光学系を備えたプロジェクタに関する。
【０００２】
【背景技術】
従来より、光源と、この光源から射出された光束を画像情報に応じて変調する液晶パネル等の電気光学装置と、この電気光学装置で変調された光束を拡大投写する投写光学系とを備えたプロジェクタが利用されている。
このようなプロジェクタには、光源から電気光学装置に至る光路上に光束分割光学素子および偏光変換素子等を含む照明光学系が採用され、これにより光源光を無駄なく利用し、かつ明るさや色ムラのない投写画像を形成できるような工夫が施されている。
【０００３】
ここで用いられる偏光変換素子は、偏光方向がランダムな入射光束を２種類の偏光光に分離し、どちらか一方の偏光光の偏光方向を回転させることにより、偏光方向が揃った光束を射出する光学素子である。その具体的な構造を図６の（Ａ），（Ｂ）に示す。
【０００４】
図６において、偏光変換素子９０は、光入射側に配置された図示しないレンズアレイ（光束分割光学素子）で形成される複数の光源像に対応した複数の偏光変換部９１を備えている。
この偏光変換部９１は、偏光方向の異なる２種類の偏光光Ｓ、Ｐのうち、一方（図６では偏光光Ｐ）を透過し、他方（図６では偏光光Ｓ）を反射する偏光分離膜９２と、分離された他方の偏光光Ｓを反射する反射膜９３と、透過した偏光光Ｐを回転させる位相差板９４と、反射膜９３に対応した位置へ偏光光Ｓ，Ｐが入射するのを防ぐ遮光板９５とを含んで構成される。
【０００５】
このような偏光変換素子９０を採用することにより、光源から射出される光束の偏光光Ｓ、Ｐを一方向の偏光光Ｓのみに揃えることができるため、液晶パネルへの光路中に配置された偏光板で遮られる偏光光を少なくして、光源光の利用効率を向上させることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、偏光変換素子９０では、一対の断面平行四辺形または三角形のガラス体９６，９７（図６（Ｂ）でのハッチングを省略）を貼り合わせて一つの偏光変換部９１を構成するうえ、各偏光変換部９１を複数段積層した構造になっているため、ガラス体９６，９７間相互の位置決めに手間がかかるなど、容易に製作することができないという問題がある。
さらに、各偏光変換部９１を複数段積層した構造では、偏光変換部９１毎に遮光板９５を設ける必要があるため、この遮光板９５が偏光変換素子９０の小型化を阻害するという問題がある。
【０００７】
本発明の目的は、容易に製作でき、かつ確実に小型化できる偏光変換素子、およびこの偏光変換素子を用いたプロジェクタを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光変換素子は、略錐体状の中央部と、この中央部の錐面を囲うように設けられた外形略錐台状の外周部とからなる素子本体を備え、この外周部および中央部はそれぞれの錐面の拡がり方向が同じとされているとともに、外周部は、中央部の頂点側に設けられた光の入射面と、当該中央部の光出射側の中央出射面周囲に位置して環状に連続して設けられ、かつ当該中央出射面と同じ方向に面した外側出射面とを備え、中央部は、外周部の錐体状の凹状部分に嵌め込まれており、中央部および外周部との境界には偏光分離部が形成され、中央部の中央出射面には当該中央出射面の全域にわたって位相差部が直に形成され、外周部の錐面には当該錐面の全域にわたって反射部が直に形成されていることを特徴とする。
【０００９】
このような構成では、その製作にあたって、例えば、それぞれ別体とされた中央部と外周部とを組み合わせるが、この際には、外周部の凹状部分に中央部を嵌め込むだけでよいから、互いの位置決めが容易に行え、作業性が向上する。
また、素子本体（外周部）の光入射側の面状部の全域に偏光光を入射させることが可能になるので、従来の遮光板が不要になり、小型化が促進される。
以上により、本発明の目的が達成される。
【００１０】
本発明の偏光変換素子では、前記素子本体が面内方向に複数配置されていてもよい。
このような構成では、光源から射出された光束をレンズアレイ等の光束分割光学素子を用いて複数の部分光束に分割し、これらの部分光束を各素子本体に入射させることにより、電気光学装置などの画像形成領域等の照明領域に対し、輝度分布の揃った照明光束が照射される。
【００１１】
本発明の偏光変換素子では、前記中央部の頂点部は、素子本体の光入射側の面状部表面よりも光出射側の内部にずれて位置していることが望ましい。
このような構成では、素子本体の入射側の面状部での反射が防止されるから、当該面状部に照射された光源光が漏れなく素子本体内に入射し、光源光の利用効率が向上する。
【００１２】
本発明の偏光変換素子では、前記素子本体は円錐台状であり、前記中央部は円錐状であってもよい。
光源から出射される光源光は通常、照射形状が円形であるから、素子本体を円錐台にして光入射側の面状部を円形にすれば、この面状部に対して光源光が無駄なく入射するようになり、特に、一つの素子本体で偏光変換素子を構成する場合での光源光の利用効率が向上する。
また、一つの素子本体で偏光変換素子を構成した場合には、従来の光束分割光学素子が不要になるので、この偏光変換素子を含む照明光学系全体の小型化が促進されるうえ、コストも削減される。
【００１３】
これに対し、本発明の偏光変換素子では、前記素子本体は角錐台状であり、前記中央部は角錐状であってもよい。
このような構成では、素子本体の光出射側の面状部は多角形面となるから、素子本体の面状部の辺同士を近接させることで、複数の素子本体が隙間なく効率よく配置されるようになり、それら複数の素子本体で偏光変換素子を構成する場合での配置効率、ひいては光源光の利用効率が向上する。
【００１４】
一方、本発明のプロジェクタは、前述したいずれかの偏光変換素子と、この偏光変換素子の光入射側に配置された光源装置とを含んで構成された照明光学系を備えていることを特徴とする。
このようなプロジェクタでも、前記偏光変換素子を有することにより、前述した作用効果が同様に得られるから、本発明の目的が達成される。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るフロントタイプのプロジェクタに用いられる光学ユニット４を示す平面図である。
【００１６】
〔１．光学ユニットの全体説明〕
光学ユニット４は、光源から出射された光束を、光学的に処理して画像情報に対応した光学像を形成するユニットであり、インテグレータ照明光学系４１、色分離光学系４２、リレー光学系４３、電気光学装置４４、クロスダイクロイックプリズム４５、および投写レンズ４６を備えている。
【００１７】
インテグレータ照明光学系４１は、電気光学装置４４を構成する３枚の液晶パネル４４１（色光毎に液晶パネル４４１Ｒ，４４１Ｇ，４４１Ｂと示す）の画像形成領域に光束を供給するための光学系であり、光源装置４１３と、ＵＶフィルタ４１４と、平行化レンズ４１５と、偏光変換素子４１６と、凸レンズ４１７とを備えている。
【００１８】
このうちの光源装置４１３は、放射状の光線を出射する放射光源としての光源ランプ４１１と、この光源ランプ４１１から出射された放射光を反射するリフレクタ４１２とを有する。光源ランプ４１１としては、ハロゲンランプやメタルハライドランプ、または高圧水銀ランプが用いられることが多い。リフレクタ４１２としては、楕円面鏡を用いることが好ましい。
【００１９】
偏光変換素子４１６は、ＵＶフィルタ４１４を通して照射される光源装置４１３の光源光を１種類の偏光光に変換するものであり、これにより、電気光学装置４４での光の利用効率が高められている。偏光変換素子４１６によって１種類に変換された偏光光は、凸レンズ４１７および色分離光学系４２を通って集光レンズ４１８に集光し、最終的に電気光学装置４４の液晶パネル４４１Ｒ，４４１Ｇ，４４１Ｂ上にほぼ重畳される。
【００２０】
偏光光を変調するタイプの液晶パネル４４１を用いた本実施形態のプロジェクタ１（電気光学装置４４）では、１種類の偏光光しか利用できないため、他種類のランダムな偏光光を発する光源ランプ４１１からの光のほぼ半分が利用されない。そこで、偏光変換素子４１６を用いることにより、光源ランプ４１１からの出射光を全て１種類の偏光光に変換し、電気光学装置４４での光の利用効率を高めている。
なお、偏光変換素子４１６の具体的な構造については後述する。
【００２１】
色分離光学系４２は、２枚のダイクロイックミラー４２１，４２２と、反射ミラー４２３とを備え、ダイクロイックミラー４２１、４２２によりインテグレータ照明光学系４１から射出された偏光光を赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有している。
【００２２】
リレー光学系４３は、入射側レンズ４３１、リレーレンズ４３３、および反射ミラー４３２、４３４を備え、色分離光学系４２で分離された色光、例えば青色光を液晶パネル４４１Ｂまで導く機能を有している。
【００２３】
電気光学装置４４は、３枚の光変調装置となる液晶パネル４４１Ｒ，４４１Ｇ，４４１Ｂを備え、これらは、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いたものであり、色分離光学系４２で分離された各色光は、これら３枚の液晶パネル４４１Ｒ，４４１Ｇ，４４１Ｂによって、画像情報に応じて変調されて光学像を形成する。
【００２４】
クロスダイクロイックプリズム４５は、３枚の液晶パネル４４１Ｒ，４４１Ｇ，４４１Ｂから射出された各色光ごとに変調された画像を合成してカラー画像を形成するものである。
なお、プリズム４５には、赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に沿って略Ｘ字状に形成され、これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成される。そして、プリズム４５で合成されたカラー画像は、投写レンズ４６から射出され、スクリーン上に拡大投写される。
【００２５】
〔２．偏光変換素子の説明〕
以下には、図２，３をも参照し、本実施形態での最も特徴的な偏光変換素子４１６について詳説する。
偏光変換素子４１６は円錐台状の素子本体１０を備え、素子本体１０は円錐状の中央部１１と、この中央部１１の錐面１２を囲むように設けられた外周部１３とを含んで構成されている。これらの中央部１１および外周部１３は共にガラス製である。素子本体１０（外周部１３）の錐面１４と中央部１１の錐面１２とは同じ拡がり方向、すなわち光出射側に向かうに従って拡がるように形成されている。
なお、図３の断面図では、図面の見易さを考慮して、中央部１１および外周部１３のガラス部分（充実部分）のハッチングを省略してある。
【００２６】
中央部１１の錐面１２と外周部１３に設けられた凹状部分の内面１５との間には、偏光光Ｐ，Ｓのうちの偏光光Ｓを反射し、偏光光Ｐのみを透過する偏光分離部としての偏光分離膜１６が形成されている。中央部１１の光出射側の面状部である中央出射面１７には、偏光光Ｐを偏光光Ｓに変換する位相差部としての（１／２λ）位相差板１８が設けられている。
【００２７】
一方、素子本体１０の錐面１４には反射部としての反射膜１９が形成されている。この反射膜１９は、偏光分離膜１６で反射した偏光光Ｓをさらに反射させて外周部１３の円環状の外側出射面２０から出射させるものである。ただし、このような反射膜１９の外表面は逆に、偏光光Ｐ，Ｓの反射が抑えられるような黒色等の色合いを有していることが好ましい。
【００２８】
また、中央部１１の偏光分離膜１６を含む頂点部２１は、素子本体１０の光入射側の面状部である入射面２２表面よりも光出射側の内部に位置している。偏光分離膜１６分の厚みを含めた中央部１１の中央出射面１７の径寸法Ｒ１は、素子本体１０の入射面２２の径寸法Ｒ２よりも若干大きく設定されており、入射した偏光光Ｐ，Ｓが外側出射面２０からそのまま出射するのを防いで偏光分離膜１６に確実に照射されるようになっている。
【００２９】
このような構成では、先ず、中央部１１と外周部１３とを予め別体に製作しておき、中央部１１の錐面１２または外周部１３の内面１５に偏光分離膜１６を形成し、中央部１１の中央出射面１７に位相差板１８を取り付け、外周部１３（素子本体１０）の錐面１４に反射膜１９を形成し、この後に中央部１１を外周部１３の円錐形の凹状部分に嵌め込んで偏光変換素子４１６を完成させる。
なお、位相差板１８や反射膜１９を、中央部１１と外周部１３とを組み合わせた後に設けてもよい。
【００３０】
〔３．実施形態の効果〕
本実施形態によれば、以下のような効果がある。
(１)偏光変換素子４１６を製作するにあたっては、それぞれ別体とされた中央部１１と外周部１３とを組み合わせるが、この際には、外周部１３に設けられた凹状部分に中央部１１を嵌め込むだけでよく、手間のかかる互いの位置決め作業をなくすことができ、製作を容易に行える。
【００３１】
(２)また、中央部１１と外周部１３とは一対用意すればよいから、互いを嵌め込む手間も一回ですみ、偏光変換部９１（図６）を複数段積層する従来に比し、製作時の作業性を格段に向上させることができる。
【００３２】
(３)偏光変換素子４１６では、その構造上から反射膜１９の外表面が従来の遮光板としても機能するため、従来の遮光板９５（図６）を別途設ける必要がなく、偏光変換素子４１６をコンパクトにできる。
【００３３】
(４)偏光変換素子４１６は、一つの素子本体１０を備えていることで入射面２２も一つであるから、従来のようなレンズアレイ等の厚手で高価な光束分割光学素子を設ける代わりに、集光する光源光を平衡化するための平行化レンズ４１５を設けるだけでよい。従って、偏光変換素子４１６を含むインテグレータ照明光学系４１全体を小型化できるとともに、コストを大幅に削減できる。
【００３４】
(５)偏光変換素子４１６では、中央部１１の頂点部２１が入射面２２表面よりも光出射側の内部に位置しているので、入射面２２を完全に平面化でき、この入射面２２に照射される光源光を反射させることなく内部に入射させることができ、光源光の利用効率を向上させることができる。
【００３５】
(６)さらに、円錐台状の素子本体１０等によって入射面２２も円形となるから、もともと照射形状が円形である光源光を無駄なく入射させることができ、この点からも、光源光の利用効率を向上させることができる。
【００３６】
〔４．変形例〕
図４、５には本発明の変形例としての偏光変換素子５１６が示されている。ここで、前記実施形態と同じ機能部材には同一符号を付し、それらの詳細な説明を省略または簡略化する。
偏光変換素子５１６は、同一平面上に配置された複数の素子本体１０を含んで構成され、これらの素子本体１０は、図４中に２点鎖線で示すような外形六角形状の取付部材３０に取り付けられている。
【００３７】
素子本体１０は六角錐台状であり、中央部１１は六角錐状とされている。この素子本体１０の一つの大きさは前記実施形態に比較すると非常に小さいが、素子本体１０を複数配置することで形成される偏光変換素子５１６全体の大きさは、前記実施形態の偏光変換素子４１６とほぼ同じになっている。
その他、素子本体１０の断面形状や素子本体１０の製作手順などは、前記実施形態と同じである。
【００３８】
また、このような偏光変換素子５１６では、外側出射面２０の一辺同士を互いに近接させることにより、これらの素子本体１０を隙間なく配置している。ただし、光入射側では各素子本体１０の入射面２２間が離間するので、入射面２２に光源光を効率よく入射させるために、個々のレンズ形状が六角形をしたレンズアレイ等の光束分割光学素子が用いられる。
【００３９】
このような変形例では、前記実施形態と同様な構成により、前述の(１)、(３)、(５)の効果を同様に得ることができ、また、その特有な構成により、以下の効果がある。
(７)光束分割光学素子からの分割光束の輝度を等しくすることにより、各素子本体１０から出射される偏光光の輝度も均等にできるから、電気光学装置４４の画像形成領域等の照明領域に対し、輝度分布の揃った照明光束を照射でき、ムラのない投写画像を実現できる。
【００４０】
(８)外側出射面２０は六角形となるから、この外側出射面２０の辺同士を近接させることで、それぞれの素子本体１０を隙間なく効率よく配置でき、例えば、円錐台状の素子本体を用いる場合よりも、取付部材３０内での素子本体１０の配置効率、ひいては光源光の利用効率を向上させることができる。
また、素子本体１０間に隙間が生じないことで、このような隙間を遮蔽する遮蔽部材も不要である。
【００４１】
その他、変形例としては、本発明の目的を達成できる他の構成等を含み、以下に示すような形態も本発明に含まれる。
例えば、前述の偏光変換素子４１６，５１６では、中央部１１の中央出射面１７と外周部１３の外側出射面２０とは面一（図３）であったが、中央部１１の中央出射面１７を位相差板１８の厚さ分だけへこませてもよい。このような場合には、中央部１１と外周部１３とを組み合わせた後に当該へこみ部分が形成されるが、このへこみ部分を利用することで位相差板１８の位置決めを容易にでき、その取付作業を迅速に行える。
【００４２】
前記実施形態のように、一つの素子本体１０で偏光変換素子４１６を構成する場合などには、中央部１１の中央出射面１７と外周部１３の外側出射面２０とを平面状（フラット）に形成するのではなく、連続した球面状（凸レンズ状）に形成してもよい。このような場合には、出射する偏光光が集光するので、実施形態で用いた凸レンズ４１７を不要にでき、より小型化およびコスト削減を促進できる。
【００４３】
さらに、前記実施形態の偏光分離膜１６は、偏光光Ｓが反射し、偏光光Ｐが透過したが、偏光光Ｐが反射し、偏光光Ｓが透過する偏光分離膜を用いてもよく、偏光光Ｐを偏光光Ｓに回転させる位相差板１８の代わりに、偏光光Ｓを偏光光Ｐに回転させる位相差板を用いてもよい。
【００４４】
また、本発明に係る素子本体の形状は円錐台や六角錐台に限定されるものではなく、その他の多角錐台状であってよい。そして、その内部に配置される中央部の形状も、素子本体の形状に応じて適宜変更してよい。
さらに、本発明に係る偏光分離部、位相差部、および反射部は、フィルム状や板状の部材で形成されてもよく、塗布された材料によって形成されてもよい。
【００４５】
さらに、前記実施形態では、３つの光変調装置を用いたプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、１つの光変調装置のみを用いたプロジェクタ、２つの光変調装置を用いたプロジェクタ、あるいは、４つ以上の光変調装置を用いたプロジェクタにも適用可能である。
【００４６】
また、前記実施形態では、光変調装置として液晶パネルを用いていたが、マイクロミラーを用いたデバイスなど、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。
さらに、前記実施形態では、光入射面と光出射面とが異なる透過型の光変調装置を用いていたが、光入射面と光出射面とが同一となる反射型の光変調装置を用いてもよい。
【００４７】
さらにまた、前記実施形態では、スクリーンを観察する方向から投写を行なうフロントタイプのプロジェクタの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投写を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。
【００４８】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明によれば、偏光変換素子を容易に製作でき、かつ確実に小型化できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す平面図である。
【図２】前記実施形態の偏光変換素子を拡大して示す全体斜視図である。
【図３】前記偏光変換素子の断面図である。
【図４】本発明の変形例に係る偏光変換素子を光出射側から見た図である。
【図５】前記変形例の構成部品を拡大して示す全体斜視図である。
【図６】従来技術を示す斜視図（Ａ）および断面図（Ｂ）である。
【符号の説明】
１  プロジェクタ
１０  素子本体
１１  中央部
１２，１４  錐面
１３  外周部
１６  偏光分離部である偏光分離膜
１７  中央出射面
１８  位相差部である（１／２λ）位相差板
１９  反射部である反射膜
２１  頂点部
２２  入射面
４１  インテグレータ照明光学系
４１６，５１６  偏光変換素子
【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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