(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランダムな方向の偏光軸を含む光を出射する光源と、
前記光源の像を複数に分割されたスポットとして形成する第１のインテグレータと、
前記第１のインテグレータによる各スポットが入射され、それらを所定の照明領域上に重畳して結像する第２のインテグレータと、
前記第２のインテグレータの近傍に配置され、複数の短冊状の有効開口面を有し、前記有効開口面に入射される光を偏光方向の揃った光に変換する複数のプリズムブロックと
を有する照明光学装置において、
前記プリズムブロックの入射面内で、それぞれの有効開口面の長手方向が前記各スポットの長手方向に近似するように前記プリズムブロックが配置され、
前記プリズムブロックが、その有効開口面の長手方向が互いに直交する第１、第２の方向に配置されていることを特徴とする照明光学装置。
【請求項２】
ランダムな方向の偏光軸を含む光を出射する光源と、
前記光源の像を複数に分割されたスポットとして形成する第１のインテグレータと、
前記第１のインテグレータによる各スポットが入射され、それらを所定の照明領域上に重畳して結像する第２のインテグレータと、
前記第２のインテグレータの近傍に配置され、複数の短冊状の有効開口面を有し、前記有効開口面に入射される光を偏光方向の揃った光に変換する複数のプリズムブロックと
を有する照明光学装置において、
前記プリズムブロックの入射面内で、それぞれの有効開口面の長手方向が前記各スポットの長手方向に近似するように前記プリズムブロックが配置され、
前記プリズムブロックが、その有効開口面の長手方向が互いに直交する第１、第２の方向、及び斜めの方向に配置されていることを特徴とする照明光学装置。
【請求項３】
前記プリズムブロックは、短冊状に有効開口面と非有効開口面とが交互に配列され、有効開口のピッチが各プリズムブロック毎に異なっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の照明光学装置。
【請求項４】
前記プリズムブロックは、入射面に対して４５度に傾斜して配置された偏光分離膜と、出射面に前記偏光分離膜を透過した偏光光の偏光軸を回転させる機能を有する位相差板とを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の照明光学装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、インテグレータと偏光変換光学系とを用いて光源から発せられるランダム偏光光の偏光軸を揃えて、矩形の照明領域を均一に照射する照明光学装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は、従来の偏光変換光学系とインテグレータ照明系とから構成された照明光学装置を示す図である。また、図６は、従来の偏光変換光学系を構成する偏光変換素子を示す斜視図、図７は、偏光変換光学系の動作を説明するための原理図である。
【０００３】
図５に示す照明光学装置は、リフレクタ６、光源７から構成された光と、第１、第２インテグレータ８、９と、偏光分離素子９５、位相差板１１から構成された偏光変換素子１０と、フィールドレンズ１２とによって構成され、液晶パネル１３等の照明領域を均一に照射するものである。
【０００４】
光源７から出射した光はランダムな方向の偏光軸を含むランダム偏光光である。このランダム偏光光は、リフレクタ６によって反射された後、前方に配置された第１インテグレータ８を照射する。第１インテグレータ８に入射した光は複数のスポット光に分割され、第２インテグレータ９の近傍に光源像を形成する。分割された各スポット光はそれぞれ第２インテグレータ９によりフィールドレンズ１２を介して液晶パネル１３の照明領域上に重畳される。偏光分離素子９５、位相差板１１から構成された偏光変換素子１０は第２インテグレータ９の直後に挿入されており、偏光分離素子９５に入射されたランダム偏光光を一定方向の偏光軸を持つ直線偏光光に変換する。
【０００５】
従来の偏光分離素子９５は、図６に示すように同一形状をなす複数個の平行四辺形のプリズムを互いに接合配置して構成されている。各プリズムの隣接する接合面には、１つおきに偏光分離膜１と反射膜２とが介在されており、これらの偏光分離膜１と偏光軸を回転させる位相差板１１によって短冊状の開口面から入射されたランダム偏光光を偏光方向の揃った光に分離して出射するものである。
【０００６】
図７に示すように、たとえば偏光分離膜１をＰ偏光透過、Ｓ偏光反射の選択面として構成した場合には、有効開口１７から偏光分離膜１に入射したランダム偏光光１６に対して偏光分離膜１がＰ偏光１４のみを透過し、Ｓ偏光１９を反射する。反射されたＳ偏光１９は隣接する反射膜２でさらに反射され、Ｓ偏光２０として偏光変換素子１０から出射される。これに対して、偏光分離膜１を透過したＰ偏光１４は偏光変換素子１０の出射面に張り付けある位相差板１１により偏光軸が回転させられて、Ｓ偏光１８として出射される。
【０００７】
この結果、偏光変換素子１０から出射された光はすべてＳ偏光に変換されることになるが、ここで、偏光変換素子１０の入射面は偏光分離膜１に対向した開口部をなす１つおきのプリズムの短冊部分だけがランダム偏光光１６の有効開口１７となる。したがって、一方向の偏光軸をもつ光のみを利用して、液晶パネルの画像をスクリーンに投射するプロジェクタ等の照明光学装置として使用できる。そして、このような限られた有効開口面を有する偏光変換素子１０であっても、照明光学装置の光の利用効率を向上させることによって、明るい画面を楽しむことができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の照明光学装置では、光源７が有限の大きさの光源であるため、偏光変換素子１０の入射面に集光されるスポットも、それぞれが有限の大きさで、複数に分割されたスポットとして形成される。図８には、例えば８×８のレンズ要素をもつインテグレータ８、９を用いた場合に、偏光変換素子１０の入射面に形成されるスポット形状を示している。
【０００９】
しかしながら、従来の偏光変換光学系とインテグレータ照明系とから構成された照明光学装置では、図８に示すように長軸が放射方向を向く楕円形状のスポット２４が偏光変換素子１０に投射される場合に、スポット２４のうち有効開口１７から外れた光は正確に偏光変換されないため、液晶パネル１３の照明にすることが利用できない。
【００１０】
また、インテグレータ照明系の中心軸に対応するスポットと周辺部分のスポットとでスポット形状が異なるため、ランダム偏光光の有効開口１７の幅を最適に決定して、偏光変換素子１０へ入射した光量を効率よく取り出すことが困難であった。特に、矩形の偏光変換光学系を使用した場合に、その周辺部分でのスポットの両端は有効開口２２から外れてしまうため、入射光量の損失が大きいという問題があった。
【００１１】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、有限な面積を持つスポット形状のランダム偏光光を効率よく偏光変換でき、しかもコンパクトに構成された偏光変換光学系を有する照明光学装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
この発明の照明光学装置は、ランダムな方向の偏光軸を含む光を出射する光源と、光源の像を複数に分割されたスポットとして形成する第１のインテグレータと、第１のインテグレータによる各スポットが入射され、それらを所定の照明領域上に重畳して結像する第２のインテグレータと、第２のインテグレータの近傍に配置され、複数の短冊状の有効開口面を有し、有効開口面に入射される光を偏光方向の揃った光に変換する複数のプリズムブロックとを有する照明光学装置において、プリズムブロックの入射面内で、それぞれの有効開口面の長手方向が各スポットの長手方向に近似するようにプリズムブロックが配置され、プリズムブロックが、その有効開口面の長手方向が互いに直交する第１、第２の方向に配置されているものである。
【００１４】
また、この発明の照明光学装置は、ランダムな方向の偏光軸を含む光を出射する光源と、光源の像を複数に分割されたスポットとして形成する第１のインテグレータと、第１のインテグレータによる各スポットが入射され、それらを所定の照明領域上に重畳して結像する第２のインテグレータと、第２のインテグレータの近傍に配置され、複数の短冊状の有効開口面を有し、有効開口面に入射される光を偏光方向の揃った光に変換する複数のプリズムブロックとを有する照明光学装置において、プリズムブロックの入射面内で、それぞれの有効開口面の長手方向が各スポットの長手方向に近似するようにプリズムブロックが配置され、プリズムブロックが、その有効開口面の長手方向が互いに直交する第１、第２の方向、及び斜めの方向に配置されているものである。
【００１５】
また、この発明の照明光学装置のプリズムブロックは、短冊状に有効開口面と非有効開口面とが交互に配列され、有効開口のピッチが各プリズムブロック毎に異なっているものである。
【００１６】
さらに、この発明の照明光学装置のプリズムブロックは、入射面に対して４５度に傾斜して配置された偏光分離膜と、出射面に偏光分離膜を透過した偏光光の偏光軸を回転させる機能を有する位相差板とを備えているものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、添付した図面を参照して、この発明の実施の形態を説明する。
【００１８】
実施の形態１．
図１、図２は、実施の形態１の照明光学装置に用いられる偏光変換素子を示す斜視図、及び入射面の平面図である。この偏光変換素子は、図５に示した従来の照明光学装置と同様に使用されるものである。
【００１９】
図１には、例えば８×８のレンズ要素をもつインテグレータを用いた場合に、偏光変換素子１０の入射面に形成される入射光スポット形状５を破線によって示している。偏光変換素子１０は、３つのプリズムブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃから構成されており、中央部分にはプリズムブロック１０ａが配置され、その左右にプリズムブロック１０ｂ，１０ｃが配置されている。
【００２０】
図２に示すように、プリズムブロック１０ａには縦方向に短冊状の有効開口面２５１と非有効開口面２５２とが交互に形成されており（図２の例では有効開口面２５１は４本、非有効開口面２５２は５本）、左右部分のプリズムブロック１０ｂ，１０ｃには横方向に短冊状の有効開口面２６１と非有効開口面２６２とが交互に形成されている（図では有効開口面２６１は８本、非有効開口面２６２は９本）。各プリズムブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、複数のプリズム間に偏光分離膜１、及び反射膜２が交互に介在して配置され、また、偏光分離膜１を透過した光の出射面には位相差板１１が張り付けられていて、例えばプリズムブロック１０ａの有効開口面２５１に入射したランダム偏光光３を、偏光方向の揃ったＳ偏光光４に変換して出射するものである。なお、各プリズムブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃの有効開口はいずれも同じピッチに構成されている。
【００２１】
図３は、この偏光変換素子１０による偏光変換の原理を示す部分斜視図である。基本的な偏光変換方法を実行するために、ここでも従来の技術と同じ偏光光の選択、及び変換構造を有している。
【００２２】
図３には、図１、２に示す偏光変換素子１０の左上部分のみを示している。紙面上で縦方向に長い有効開口２５１を持つプリズムブロック１０ａに入射したランダム偏光光２７は、Ｐ偏光とＳ偏光とに横方向に分離され、そのうちＳ偏光は反射膜２で反射して出射し、偏光分離膜１を透過したＰ偏光も出射面の位相差板１１により変換され、いずれも偏光軸がすべてＳ偏光３４に揃えられて出射される。また、紙面上で横方向に長い有効開口２６１を持つプリズムブロック１０ｂでは、Ｐ偏光とＳ偏光が縦方向に分離され、Ｐ偏光が出射面の位相差板１１によりＳ偏光に変換され、いずれも偏光軸がすべてＳ偏光２９に揃えられて出射される。
【００２３】
上述のように構成された実施の形態１の偏光変換素子１０では、図２に示すように偏光変換素子１０の入射面には楕円形状のスポット光が形成されるが、それらは長軸が放射方向を向くものである。すなわち、プリズムブロック１０ａの上下位置に入射するスポットは縦方向に長く形成され、プリズムブロック１０ｂ，１０ｃの８本の有効開口２６１のうち中間の４本に入射するスポットは、明らかに横方向に長く形成されている。ここで光のスポットの形状は、模式的に楕円形状で示されているが、図８に示す従来の偏光変換素子における有効開口と比較した場合に、プリズムブロック１０ｂ，１０ｃの８本の有効開口２６１のうちの中間の４本の有効開口２６１によって、入射するスポットが効率よく利用されていることが理解できる。
【００２４】
したがって、上記の実施の形態１のように配置されたプリズムブロック１０ａ，１０ｂ，１０ｃから構成された偏光変換素子を用いることによって、照明光学装置における光の利用効率を向上することができ、同じ光源装置からの光でも結果的に図５に示す液晶パネル１３などの照明領域に到達する光量を大きくすることができる。
【００２５】
以上述べたように、この発明の実施の形態１によれば、スポット形状が偏光変換素子１０の周辺部分に行くに従って楕円率（離心率）が大きな楕円になることに着目し、複数のプリズムブロックを有効開口面の長手方向が互いに直交する第１、第２の方向に、即ち左右側では短冊状の有効開口を横向きに配置したので、スポットの全体が有効開口領域に入射するように構成できる。したがって、矩形の偏光変換光学系を使用した場合に、その周辺部分でのスポットの入射光量の損失を少なくでき、一方向の偏光軸をもつ光のみを利用して液晶パネルの画像を投射するプロジェクタ等の光源として使用した場合に、明るい画面を楽しむことができる。
【００２６】
実施の形態２．
図４は、実施の形態２の照明光学装置に用いられる偏光変換素子の入射面を示す平面図である。偏光変換光学系以外の光学系は実施の形態１のものと同じである。
【００２７】
偏光変換素子２０は、５つのプリズムブロック２０ａ〜２０ｅから構成されており、中央部分には縦方向に短冊状の有効開口面と非有効開口面とが交互に配列された矩形のプリズムブロック２０ａが配置され（図では有効開口面は４本、非有効開口面は５本）、その周囲には斜方向に短冊状の有効開口面と非有効開口面とが交互に配列されたプリズムブロック２０ｂ〜２０ｅが配置されている（図では有効開口面は９本、非有効開口面は８本）。
【００２８】
すなわち、実施の形態２のものは周辺部の有効開口３４を中央のプリズムブロック２０ａから放射状に配置して、矩形の偏光変換光学系から入射される楕円スポット形状５の長手方向に近似するように５つのプリズムブロックを組み合わせて構成したものである。また、放射状の有効開口を持つ周辺部のプリズムブロック２０ｂ〜２０ｅでは、短冊状の開口ピッチ３７が中央のプリズムブロック２０ａの開口ピッチ３６より狭く構成されている。したがって、図２に示す実施の形態１のものと比較した場合、さらに効率よく有効開口３４から入射されていることが理解できる。
【００２９】
なお、いずれの実施の形態１、２でも、照明領域には透過型液晶パネル等の表示素子が備え付けられ、その画像を投射レンズ等で拡大投影するプロジェクタ等に用いられる照明光学装置として説明したが、光源から発せられるランダム偏光光をインテグレータと偏光変換光学系を用いて偏光軸を揃えて、単一方向の偏光軸を持つ照明光学装置として広く利用できる。
【００３０】
【発明の効果】
この発明は以上に説明したように構成されているので、以下に示すような効果がある。
【００３１】
請求項１の発明によれば、有効開口面の長手方向が各スポットの長手方向に近似するように複数のプリズムブロックを配置することによって、より多くの光をプリズムブロックに取り込むことができ、偏光変換光学系における偏光変換効率を向上でき、コンパクトな構成の偏光変換光学系を有する照明光学装置が提供される。また、プリズムブロックをその有効開口面の長手方向が互いに直交する第１、第２の方向に配置することによって、周辺部分でのスポットの入射光量の損失を少なくできる。
【００３３】
請求項２の照明光学装置では、プリズムブロックがその有効開口面の長手方向を互いに直交する第１、第２の方向、及び斜めの方向に配置されていることによって、周辺部分でのスポットの入射光量の損失を更に少なくできる。
【００３４】
請求項３の照明光学装置では、短冊状に有効開口面と非有効開口面とが交互に配列され、有効開口のピッチが各プリズムブロック毎に異なっているので、周辺部分ほど楕円率が大きくなるスポット形状に対応させて、偏光変換効率の良いプリズムブロックを配置できる。
【００３５】
請求項４の照明光学装置では、入射面に対して４５度に傾斜して配置された偏光分離膜と、出射面に偏光分離膜を透過した偏光光の偏光軸を回転させる機能を有する位相差板とを備えているので、確実に偏光軸を揃えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１の偏光変換光学系を示す図である。
【図２】  この発明の実施の形態１の偏光変換光学系、及びそこに入射する光のスポット形状の概念図である。
【図３】  この発明の実施の形態１の偏光変換動作を示す原理図である。
【図４】  この発明の実施の形態２の偏光変換光学系、及びそこに入射する光のスポット形状の概念図である。
【図５】  偏光変換光学系を用いた照明光学装置の一例を示す図である。
【図６】  従来の偏光変換光学系の一例を示す図である。
【図７】  偏光変換光学系の変換動作の原理を示す図である。
【図８】  従来の偏光変換光学系、及びそこに入射する光のスポット形状を示す概念図である。
【符号の説明】
１  偏光分離膜、  ２  反射膜、  ３  ランダム偏光光、  ４  Ｓ偏光光、  ５  入射光スポット形状、  ６  リフレクタ、  ７  バルブ、  ８  第１インテグレータ、  ９  第２インテグレータ、  １０，２０  偏光変換素子、  １０ａ，１０ｂ，１０ｃ  プリズムブロック、  １１  位相差板、  １２  フィールドレンズ、  １３  液晶パネル、  １４  Ρ偏光、  １６  ランダム偏光光、  １７  有効開口、  １８〜２０  Ｓ偏光、  ２２  有効開口、  ２４  入射光のスポット、  ２５１，２６１  有効開口面、  ２５２，２６２  非有効開口面、  ２７  ランダム偏光光、  ２９  Ｓ偏光、  ３４  放射状有効開口、  ３６  中央部開口ピツチ、  ３７  周辺部開口ピッチ。
【図１】
0004007682.tif 000002
【図２】
0004007682.tif 000003
【図３】
0004007682.tif 000004
【図４】
0004007682.tif 000005
【図５】
0004007682.tif 000006
【図６】
0004007682.tif 000007
【図７】
0004007682.tif 000008
【図８】
0004007682.tif 000009