(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源からの光を所定の偏光状態に揃えるための偏光変換装置と、該所定の偏光状態の光を表示パネルに照明するインテグレータ光学系とを備えた照明光学装置であって、
前記偏光変換装置と前記インテグレータ光学系との間に、前記所定の偏光状態の光を所定の各色に時分割で切り替える色切り替えデバイスを配置し、
前記偏光変換装置により、前記光源からの光を前記表示パネルの長辺方向に偏光分離し、該分離した第１の光束と第２の光束の一方を他方と同一偏光状態に揃える照明光学装置において、前記第１の光束と第２の光束は、前記インテグレータ光学系の第１レンズアレイにおける同一セルを通過し、該インテグレータ光学系の第２レンズアレイにおける同一セル上に結像する事を特徴とする照明光学装置。
【請求項２】
以下の条件式を満たす事を特徴とする請求項１に記載の照明光学装置；
０．３＜ｌ・ｔａｎθ／ｄ＜０．７５
但し、
θ：偏光分離されて所定の偏光状態に揃えられた光各々が互いに成す角度
ｌ：第１レンズアレイと第２レンズアレイとの光学的距離
ｄ：第２レンズアレイにおけるセルの長辺方向のサイズ
である。
【請求項３】
前記色切り替えデバイスはコレステリック液晶である事を特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項４】
前記色切り替えデバイスは液晶ポリマー材料により形成されたホログラムである事を特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項５】
前記色切り替えデバイスは回折格子と反射型ライトバルブを組み合わせたものである事を特徴とする請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項６】
前記偏光分離の方向は、画像表示方向に向かって左右対称であり、前記第１レンズアレイにおける各セルは、画像表示方向に向かって左右対称に偏芯している事を特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか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】
本発明は、表示パネルを用いた表示光学装置における照明光学装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、映像を表示する手段の一つとして、例えばプロジェクター等の投影型の表示光学装置が知られている。このような表示光学装置においては、反射型液晶表示パネル等の表示パネル上の光学像を、効率よく均一に照明するための照明光学装置が必要である。図１０は、このような従来の照明光学装置が用いられている表示光学装置の一例を原理的に示す構成図である。
【０００３】
同図において、１０１は光源であり、１０２は光源１０１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター１０２の直後即ち図中の右側には、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズムを並列に配設したＰＢＳプリズムユニット１０３が配置されている。ここでは光源１０１からの光の偏光分離を行う。そして、その各ＰＢＳプリズム１０３ａ，１０３ｂのうち、後述するようにＳ偏光が射出する１０３ｂについては、その直後に１／２波長板１０４が配置されている。
【０００４】
ＰＢＳプリズムユニット１０３の後方即ち図中の右方には、順に第１レンズアレイ１０５、少し離れて第２レンズアレイ１０６、その直後に重ね合わせレンズ１０７が配置されている。なお、第１レンズアレイ１０５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル１０５ａを有している。また、第２レンズアレイ１０６は、第１レンズアレイ１０５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル１０６ａを有している。これは、必ずしも１０５ａと相似形である必要はない。
【０００５】
そして、第２レンズアレイ１０６とその直後の重ね合わせレンズ１０７により、重ね合わせレンズ１０７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ１０５の各セル１０５ａの像が重なり合うようにしている。この重ね合わせレンズ１０７の焦点位置に表示パネル１０９が配置されている。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ１０８によって、表示パネル１０９をテレセントリック照明する。以上の第１レンズアレイ１０５から重ね合わせレンズ１０７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。なお、以下に示す各光は、その光軸のみ図示している。これは従来技術及び実施形態全般に渡って同様とする。
【０００６】
光源１０１から射出された光は、リフレクター１０２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニット１０３のＰＢＳプリズム１０３ａに入射する。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム１０３ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰＢＳプリズム１０３ａ内部で反射され、外側に隣合ったＰＢＳプリズム１０３ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ偏光のままここから射出する。即ちここでは同図の紙面に沿った表示パネル１０９の長辺方向（図中の上下方向）に偏光分離される。
【０００７】
そして、ＰＢＳプリズム１０３ｂから射出したＳ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板１０４を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源１０１からの光は、ＰＢＳプリズムユニット１０３及び１／２波長板１０４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向はＰ偏光に限定されない。また、以上に述べてきた光源１０１から表示パネル１０９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。
【０００８】
上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、上記インテグレータ光学系を経て、表示パネル１０９に入射する。表示パネル１０９は、ここに照明された光を画素毎に表示情報に応じて変調し、射出する。射出した光は投影光学系１１０に到る。この投影光学系１１０により、表示パネル１０９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。なお、１１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【０００９】
図１１は、従来の照明光学装置が用いられている表示光学装置の他の例を原理的に示す構成図である。同図において、２０１は光源であり、２０２は光源２０１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２０２の後方即ち図中の右方には、順に第１レンズアレイ２０３、少し離れて第２レンズアレイ２０４が配置されている。なお、第１レンズアレイ２０３は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル２０３ａを有している。また、第２レンズアレイ２０４は、第１レンズアレイ２０３の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル２０４ａを有している。これは、必ずしも２０３ａと相似形である必要はない。
【００１０】
第２レンズアレイ２０４の直後には、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズムをアレイ状に配設したＰＢＳプリズムアレイ２０５が配置されている。ここでは光源２０１からの光の偏光分離を行う。そして、その各ＰＢＳプリズム２０５ａ，２０５ｂのうち、後述するようにＳ偏光が射出する２０５ｂについては、その直後に１／２波長板２０６が配置されている。
【００１１】
また、ＰＢＳプリズムアレイ２０５の後方に重ね合わせレンズ２０７が配置されている。そして、第２レンズアレイ２０４と重ね合わせレンズ２０７により、重ね合わせレンズ２０７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ２０３の各セル２０３ａの像が重なり合うようにしている。この重ね合わせレンズ２０７の焦点位置に表示パネル２０９が配置されている。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ２０８によって、表示パネル２０９をテレセントリック照明する。以上の第１レンズアレイ２０３，第２レンズアレイ２０４，重ね合わせレンズ２０７の組み合わせを、インテグレータ光学系と呼ぶ。
【００１２】
光源２０１から射出された光は、リフレクター２０２で反射され、略平行光となって第１レンズアレイ２０３，第２レンズアレイ２０４を通過し、第２レンズアレイ２０４の各セル２０４ａからの光毎にＰＢＳプリズムアレイ２０５のＰＢＳプリズム２０５ａに入射する。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム２０５ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰＢＳプリズム２０５ａ内部で反射され、隣合ったＰＢＳプリズム２０５ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ偏光のままここから射出する。
【００１３】
そして、その直後に配置された１／２波長板２０６を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源２０１からの光は、ＰＢＳプリズムアレイ２０５及び１／２波長板２０６により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向はＰ偏光に限定されない。また、以上に述べてきた光源２０１から表示パネル２０９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。
【００１４】
上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、重ね合わせレンズ２０７を経て、表示パネル２０９に入射する。表示パネル２０９は、ここに照明された光を画素毎に表示情報に応じて変調し、射出する。射出した光は投影光学系２１０に到る。この投影光学系２１０により、表示パネル２０９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。なお、２１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記図１０に示したような従来の照明光学装置の構成では、光源の直後で偏光変換を行うので、これにより光源１０１からリフレクター１０２を経た光の光束幅が、おおよそ倍に拡大される。従って、表示パネル１０９へ入射する照明光ＩａのＦナンバーが小さくなる。故に、表示パネル１０９から射出する投影光ＥａのＦナンバーも小さくなるので、投影光学系１１０の負担が重くなる。
【００１６】
また、上記図１１に示したような従来の照明光学装置の構成では、光源２０１からリフレクター２０２を経た光の光束幅が拡大される事はないので、表示パネル２０９へ入射する照明光ＩｂのＦナンバー及び表示パネル２０９から射出する投影光ＥｂのＦナンバーは小さくならず、投影光学系２１０の負担が重くなる事はない。ところが、光源２０１からの光の偏光方向が揃うのは、第２レンズアレイ２０４を通過した後であるため、後述する本発明の実施形態で説明するような、偏光依存性のある色切り替えデバイスをこの照明光学装置に挿入するスペースがないため、これを用いたいわゆるカラーシーケンシャル方式の照明を行う事ができない。
【００１７】
本発明は、このような問題点に鑑み、照明光のＦナンバーが小さくならないので投影光学系の負担が軽くて済み、しかも偏光依存性のある色切り替えデバイスを挿入する事が可能な照明光学装置を提供する事を目的とする。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、光源からの光を所定の偏光状態に揃えるための偏光変換装置と、その所定の偏光状態の光を表示パネルに照明するインテグレータ光学系とを備えた照明光学装置であって、前記偏光変換装置と前記インテグレータ光学系との間に、前記所定の偏光状態の光を所定の各色に時分割で切り替える色切り替えデバイスを配置し、前記偏光変換装置により、前記光源からの光を前記表示パネルの長辺方向に偏光分離し、その分離した第１の光束と第２の光束の一方を他方と同一偏光状態に揃える照明光学装置において、前記第１の光束と第２の光束は、前記インテグレータ光学系の第１レンズアレイにおける同一セルを通過し、そのインテグレータ光学系の第２レンズアレイにおける同一セル上に結像する事を特徴とする。
【００１９】
また、以下の条件式を満たす事を特徴とする。
０．３＜ｌ・ｔａｎθ／ｄ＜０．７５
但し、
θ：偏光分離されて所定の偏光状態に揃えられた光各々が互いに成す角度
ｌ：第１レンズアレイと第２レンズアレイとの光学的距離
ｄ：第２レンズアレイにおけるセルの長辺方向のサイズ
である。
【００２１】
また、前記色切り替えデバイスはコレステリック液晶である事を特徴とする。或いは、前記色切り替えデバイスは液晶ポリマー材料により形成されたホログラムである事を特徴とする。或いは、前記色切り替えデバイスは回折格子と反射型ライトバルブを組み合わせたものである事を特徴とする。
【００２２】
また、前記偏光分離の方向は、画像表示方向に向かって左右対称であり、前記第１レンズアレイにおける各セルは、画像表示方向に向かって左右対称に偏芯している事を特徴とする。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の照明光学装置が用いられている表示光学装置の一例を原理的に示す構成図である。同図において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２の直後即ち図中の右側には、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズムを並列に配設したＰＢＳプリズムユニット３が配置されている。ここでは光源１からの光の偏光分離を行う。そして、その各ＰＢＳプリズム３ａ，３ｂのうち、後述するようにＳ偏光が射出する３ｂについては、その直後に１／２波長板４が配置されている。
【００２４】
ＰＢＳプリズムユニット３の後方即ち図中の右方には、順に第１レンズアレイ５、少し離れて第２レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置されている。なお、第１レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。
【００２５】
そして、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合うようにしている。この重ね合わせレンズ７の焦点位置に表示パネル９が配置されている。この表示パネル９は、一枚でカラー表示を行ういわゆる単板方式である。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ８によって、表示パネル９をテレセントリック照明する。以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせレンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。
【００２６】
光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニット３のＰＢＳプリズム３ａに入射する。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム３ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰＢＳプリズム３ａ内部で反射され、外側に隣合ったＰＢＳプリズム３ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ偏光のままここから射出する。即ちここでは同図の紙面に沿った表示パネル９の長辺方向（図中の上下方向）に偏光分離される。
【００２７】
そして、ＰＢＳプリズム３ｂから射出したＳ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板４を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源１からの光は、ＰＢＳプリズムユニット３及び１／２波長板４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向はＰ偏光に限定されない。また、以上に述べてきた光源１から表示パネル９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。
【００２８】
上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、上記インテグレータ光学系を経て、表示パネル９に入射する。表示パネル９は、ここに照明された光を画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて変調し、射出する。射出した光は投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。なお、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００２９】
ここで、破線Ｓで示したＳ偏光の光は、ＰＢＳプリズム３ｂにおいて、この照明光学装置に対して若干内側に向けて反射される。即ち、ＰＢＳプリズムユニット３で偏光分離された光のうち、ＰＢＳプリズム３ａを透過した、当初よりＰ偏光の光をＰａとし、ＰＢＳプリズム３ｂから射出して、１／２波長板４でＳ偏光からＰ偏光に変換された光をＰｂとすると、Ｐｂは若干内側に傾いており、Ｐａと共に第１レンズアレイ５の同一セル５ａを透過する。
【００３０】
なお、ＰＢＳプリズムユニット３と第１レンズアレイ５との間の距離をＬで示す。これらの間に、後述する色切り替えデバイスが配置される。またセル５ａは、曲面の面頂点が外側に偏芯して配置され、略楔状をしていて、Ｐａ，Ｐｂはここを透過する事によりそれぞれ屈折し、第２レンズアレイ６の同一セル６ａ上に２つの光源像を結像する。上記偏光変換装置により、光源１からの光は、画像表示方向に向かって左右対称に偏光分離される。従って、第１レンズアレイ５におけるセル５ａの偏芯状態は、画像表示方向に向かって左右対称となっている。
【００３１】
本発明の構成では、光源の直後で偏光変換を行うので、これにより光源１からリフレクター２を経た光の光束幅が、おおよそ倍に拡大される。この事は、上記図１０に示したような従来の照明光学装置の構成と同じである。しかし、本発明では、図１で示したように、偏光分離された光が第１レンズアレイの同一セルを透過し、また第２レンズアレイの同一セル上に２つの光源像を結像する構成とする事により、表示パネル９へ入射する照明光ＩのＦナンバーが小さくならずに済む。故に、表示パネル９から射出する投影光ＥのＦナンバーも小さくなる事はないので、投影光学系１０の負担が軽くて済む。
【００３２】
ここで、図１に示すように、ＰＢＳプリズムユニット３で偏光分離されたＰ偏光及びＳ偏光の光が、光束中心の位置で互いにＤだけ離れており、また光束中心の方向が成す角度、即ちＰａ，Ｐｂの互いの成す角度はθであるとする。さらに、第１レンズアレイ５と第２レンズアレイ６との光学的距離をｌとし、第２レンズアレイ６のセル６ａの長辺方向のサイズをｄとすると、以下の条件式を満たす事が望ましい。
【００３３】
０．３＜ｌ・ｔａｎθ／ｄ＜０．７５
ここで、最適値は０．５である。即ち、このとき第２レンズアレイの同一セル上に結像する２つの光源像間の距離が２／ｄとなり、そのセル上で偏りのない結像状態となる。
【００３４】
ちなみに、後述する色切り替えデバイスは、偏光依存性を考慮すれば、上記図１１に示したような従来の照明光学装置の構成において、照明光Ｉｂの偏光が揃っている重ね合わせレンズ２０７とコンデンサーレンズ２０８との間に配置する事も考えられる。しかし、この位置は色切り替えデバイスに入射する入射光の角度範囲が大きくなり、色切り替えデバイスの入射角度依存性の影響が出るので、配置は不適当となる。
【００３５】
つまり、ここでの照明光Ｉｂは、Ｆナンバーが小さくないといえども角度範囲は±１０度程度もあるので、その影響が大きくなる。一方、本発明のようにＰＢＳプリズムユニット３と第１レンズアレイ５との間に色切り替えデバイスを配置する場合は、ここでの入射光の角度範囲に相当する上記角度θは、高々４〜５度であるので、入射角度依存性の影響は少ない。
【００３６】
以下、各種の色切り替えデバイスを使用した照明光学装置の各実施形態について説明する。本発明でも採用しているような、一枚の表示パネルでＲＧＢのカラー表示を行ういわゆる単板方式においては、いわゆるカラーシーケンシャル（色時分割）方式の照明が行われる。この場合、従来は例えばカラーホイル時分割方式が採用されていた。
【００３７】
このようなカラーホイルは、例えば円板状を成しており、中心の回転軸周りの３つの領域に、それぞれＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）を透過させるカラーフィルターが配置されている。そして、これらが回転軸の周りに高速で回転する事により、このカラーホイルを透過する照明光が、各カラーフィルターにより高速で各色に切り替わる構成である。
【００３８】
しかし、カラーホイル時分割方式は、カラーホイルを機械的に回転させるものであり、信頼性や寿命等の面で問題があった。そこで本発明では、以下の実施形態に示すような色切り替えデバイスを用いて、照明光を電気的に各色に切り替える構成としている。
【００３９】
図２は、本発明の第１の実施形態の照明光学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構成図である。同図において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２の直後即ち図中の右側には、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズムを並列に配設したＰＢＳプリズムユニット３が配置されている。ここでは光源１からの光の偏光分離を行う。
【００４０】
そして、ＰＢＳプリズムユニット３の直後には、１／４波長板１８が配置されている。具体的には、ＰＢＳプリズムユニット３の各ＰＢＳプリズム３ａ，３ｂのうち、後述するようにＰ偏光が射出する３ａについては、その直後に−４５度の主軸方位を持った１／４波長板１８ａが配置されており、Ｓ偏光が射出する３ｂについては、その直後に＋４５度の主軸方位を持った１／４波長板１８ｂが配置されている。
【００４１】
１／４波長板１８の後方即ち図中の右方には、順にコレステリック液晶装置１１、１／４波長板１９、その直後に第１レンズアレイ５、少し離れて第２レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置されている。なお、第１レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。
【００４２】
コレステリック液晶装置１１は、上述した色切り替えデバイスの一種であり、照明光をＲＧＢ各色に時分割で電気的に切り替えるものである。詳しくは後述する。また、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合うようにしている。
【００４３】
以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせレンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。この重ね合わせレンズ７の焦点位置に表示パネル９が配置されている。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ８によって、表示パネル９をテレセントリック照明する。コンデンサーレンズ８と表示パネル９との間には、ＰＢＳプリズム１２が配置されており、ここで投影光と照明光の分離を行う。
【００４４】
光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニット３のＰＢＳプリズム３ａに入射する。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム３ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰＢＳプリズム３ａ内部で反射され、外側に隣合ったＰＢＳプリズム３ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ偏光のままここから射出する。即ちここでは同図の紙面に沿った表示パネル９の長辺方向（図中の上下方向）に偏光分離される。
【００４５】
そして、ＰＢＳプリズム３ａから射出したＰ偏光の光は、その直後に配置された１／４波長板１８ａを透過する事により、右円偏光に変換される。また、ＰＢＳプリズム３ｂから射出したＳ偏光の光は、その直後に配置された１／４波長板１８ｂを透過する事により、同じく右円偏光に変換される。即ち、光源１からの光は、ＰＢＳプリズムユニット３及び１／４波長板１８により偏光変換され、最終的に右円偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向は右円偏光に限定されない。また、以上に述べてきた光源１から表示パネル９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。
【００４６】
上述したように右円偏光に揃えられた光は、コレステリック液晶装置１１により色切り替えされた後、１／４波長板１９で直線偏光に変換され、上記インテグレータ光学系を経て、最終的に表示パネル９に入射する。表示パネル９は、ここに照明された光を画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて変調し、射出する。射出した光は投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。なお、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００４７】
図３は、図２で示した表示光学装置の実際の構成を模式的に示す図である。図２においては、光学系を直線的に展開した形で示したが、実際は図３に示すように、反射部で光軸が折れ曲がっている。また、図３は図２の表示光学装置を紙面に沿って上から見た図となっており、図２を正面図とすると、図３は平面図である関係となっている。
【００４８】
図３において、本実施形態での光線の軌跡を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニット３に入射する。そして、このＰＢＳプリズムユニット３及び直後の１／４波長板１８により偏光変換され、最終的に右円偏光に揃えられて出てくる。右円偏光に揃えられた光は、コレステリック液晶装置１１表面に入射する。
【００４９】
コレステリック液晶装置１１は、Ｒ用，Ｇ用，Ｂ用の、各色専用のコレステリック液晶素子を例えば１層ずつ計３層重ね合わせたものである。このコレステリック液晶素子は、右円偏光の光しか反射しない偏光依存性を持つ。ここでは各コレステリック液晶素子を、ブロック図で示す制御部１５にて順次高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、カラーシーケンシャル駆動し、光源からの白色光に含まれるＲＧＢ各色を時分割で順次切り替えて反射する。反射しなかった色の光は、コレステリック液晶装置１１を透過する。コレステリック液晶素子の具体的な構成については後述する。
【００５０】
コレステリック液晶装置１１により色切り替えされて、右円偏光のまま射出した光は、１／４波長板１９で直線偏光に変換され、上記インテグレータ光学系を経て、Ｓ偏光としてＰＢＳプリズム１２に入射し、内部で反射されて表示パネル９に入射する。表示パネル９は、例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照明された光を、画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。
【００５１】
このとき、ＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここを透過し、次の投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。
【００５２】
図４は、コレステリック液晶素子の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、コレステリック液晶素子は、互いに対面するガラス基板（或いは透明フィルム基板）３１の各内面に、ＩＴＯ（透明電極）３２が形成され、ＩＴＯ３２間にコレステリック液晶３５が挟まれた構成となっている。ここで、各ＩＴＯ３２間に、パルス電源３６により高いパルス電圧を印加すると、同図（ａ）に示すように、液晶分子３５ａがいわゆるプレーナ配列となり、着色状態となる。このとき、液晶分子３５ａのいわゆる捩れのピッチをｐとし、コレステリック液晶３５の平均屈折率ｎaとすると、反射される光の波長λ＝ｎaｐとなる。
【００５３】
この状態で、同図（ａ）において、矢印Ａで示すようにコレステリック液晶３５に入射した特定の波長の光は、矢印Ｂで示すように反射され、それ以外の波長の光は矢印Ｃで示すように透過する。一方、各ＩＴＯ３２間に、パルス電源３６により低いパルス電圧を印加すると、同図（ｂ）に示すように、液晶分子３５ａがいわゆるフォーカルコニック配列となり、透明状態となる。この状態で、コレステリック液晶３５に入射したすべての光は矢印Ｄで示すように透過する。
【００５４】
従って、ＩＴＯ３２に印加するパルス電圧の高低を切り替えるパルス制御をする事により、コレステリック液晶３５において、着色状態と透明状態とを高速で切り替える事ができる。即ち、各波長域、例えばＲＧＢ各色に対して作用するコレステリック液晶３５をそれぞれ用意し、このようなコレステリック液晶を持つコレステリック液晶素子を重ね合わせれば、上述したように、各コレステリック液晶素子を順次高速でパルス制御により切り替える事により、ＲＧＢ各色を時分割で順次切り替えて反射させる事ができる。
【００５５】
図５は、本発明の第２の実施形態の照明光学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構成図である。同図において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２の直後即ち図中の右側には、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッター）プリズムを並列に配設したＰＢＳプリズムユニット３が配置されている。ここでは光源１からの光の偏光分離を行う。そして、その各ＰＢＳプリズム３ａ，３ｂのうち、後述するようにＳ偏光が射出する３ｂについては、その直後に１／２波長板４が配置されている。
【００５６】
ＰＢＳプリズムユニット３の後方即ち図中の右方には、順に液晶ホログラム装置１３、第１レンズアレイ５、第２レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置されている。なお、第１レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。
【００５７】
ここで、液晶ホログラム装置１３は、上述した色切り替えデバイスの一種であり、照明光をＲＧＢ各色に時分割で電気的に切り替えるものである。詳しくは後述する。また、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合うようにしている。
【００５８】
以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせレンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。この重ね合わせレンズ７の焦点位置に表示パネル９が配置されている。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ８によって、表示パネル９をテレセントリック照明する。コンデンサーレンズ８と表示パネル９との間には、ＰＢＳプリズム１２が配置されており、ここで投影光と照明光の分離を行う。
【００５９】
光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニット３のＰＢＳプリズム３ａに入射する。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、ＰＢＳプリズム３ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射したＰＢＳプリズム３ａ内部で反射され、外側に隣合ったＰＢＳプリズム３ｂに入射してその内部で再び反射され、Ｓ偏光のままここから射出する。即ちここでは同図の紙面に沿った表示パネル９の長辺方向（図中の上下方向）に偏光分離される。
【００６０】
そして、ＰＢＳプリズム３ｂから射出したＳ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板４を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源１からの光は、ＰＢＳプリズムユニット３及び１／２波長板４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向はＰ偏光に限定されない。また、以上に述べてきた光源１から表示パネル９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。
【００６１】
上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、液晶ホログラム装置１３により色切り替えされ、上記インテグレータ光学系を経て、最終的に表示パネル９に入射する。表示パネル９は、ここに照明された光を画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて変調し、射出する。射出した光は投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。なお、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００６２】
図６は、図５で示した表示光学装置の実際の構成を模式的に示す図である。図５においては、この光学系を直線的に展開した形で示したが、実際は図６に示すように、反射部で光軸が折れ曲がっている。また、図６は図５の表示光学装置を紙面に沿って上から見た図となっており、図５を正面図とすると、図６は平面図である関係となっている。
【００６３】
図６において、本実施形態での光線の軌跡を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となってＰＢＳプリズムユニット３に入射する。そして、このＰＢＳプリズムユニット３及び直後の１／２波長板４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。Ｐ偏光に揃えられた光は、液晶ホログラム装置１３表面にＳ偏光として略垂直に入射する。
【００６４】
液晶ホログラム装置１３は、Ｒ用，Ｇ用，Ｂ用の、各色専用の液晶ホログラム素子を例えば１層ずつ計３層重ね合わせたものである。この液晶ホログラム素子は、偏光依存性及び入射光に対する角度依存性を有する。ここでは各液晶ホログラム素子をブロック図で示す制御部１６にて順次高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、カラーシーケンシャル駆動し、光源からの白色光に含まれるＲＧＢ各色を時分割で順次切り替えて反射，回折し、表面から斜め方向に射出する。反射，回折しなかった色の光は、液晶ホログラム装置１３を透過する。液晶ホログラム素子の具体的な構成については後述する。
【００６５】
液晶ホログラム装置１３により色切り替えされて射出した光は、上記インテグレータ光学系を経て、Ｓ偏光としてＰＢＳプリズム１２に入射し、内部で反射されて表示パネル９に入射する。表示パネル９は、例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照明された光を、画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。
【００６６】
このとき、ＯＦＦの反射光は、ＰＢＳプリズム１２に戻るが、Ｓ偏光のままであるので、ここで反射され、光源側へと戻される。一方、ＯＮの反射光は、Ｐ偏光に変換されているので、ＰＢＳプリズム１２に戻ってここを透過し、次の投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。
【００６７】
図７は、液晶ホログラム素子の構成を模式的に示す断面図である。同図に示すように、液晶ホログラム素子は、互いに対面するガラス基板（或いは透明フィルム基板）３１の各内面に、ＩＴＯ（透明電極）３２が形成され、ＩＴＯ３２間にホログラム３３が挟まれた構成となっている。ホログラム３３は、液晶ポリマー上に２つの光を交差させて干渉縞を作り、これを固めて作成したホログラムである。ここではポリマー３３ａと、小滴状の液晶分子３３ｂの集合体とが、ガラス基板３１に対して傾斜した状態で、互いに層状に重なり合っている。
【００６８】
通常は、例えば液晶分子３３ｂの屈折率がポリマー３３ａのそれよりも高い状態であり、この状態でホログラム３３は、特定の波長域の光を反射，回折し、他の波長域の光を透過させる。ここで、各ＩＴＯ３２間に、電源３４により交流或いは直流の電圧を印加し、ホログラム３３に電界を生じさせると、液晶分子３３ｂの屈折率が低くなり、ポリマー３３ａと同等となる。このとき、ホログラム３３のホログラムとしての効果が殆どなくなり、透明板と同様の状態となる。
【００６９】
従って、ＩＴＯ３２に印加する電圧をＯＮ／ＯＦＦ制御する事により、ホログラム３３において、ホログラムとしての状態と透明板としての状態を高速で切り替える事ができる。即ち、各波長域、例えばＲＧＢ各色に対して作用するホログラム３３をそれぞれ用意し、このようなホログラムを持つ液晶ホログラム素子を重ね合わせれば、上述したように、各液晶ホログラム素子を順次高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、ＲＧＢ各色を時分割で順次切り替えて反射，回折させる事ができる。
【００７０】
今、図７において、ＩＴＯ３２に電圧を印加しない状態で、Ｓ偏光の光Ｌがガラス基板３１表面に略垂直に入射したとすると、ホログラム３３により、これに対応する特定の波長域の光がこのガラス基板３１表面より斜めに射出される。このときの射出角度θは、層状に重なり合ったポリマー３３ａと液晶３３分子ｂの傾斜状態に応じた値となる。本実施形態では、θが約３０〜４０度のものが使用される。
【００７１】
図８は、本発明の第３の実施形態の照明光学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構成図である。同図において、１は光源であり、２は光源１を取り囲むように配置されるリフレクターである。リフレクター２の直後即ち図中の右側には、偏光分離ミラー群２０が配置されている。ここでは光源１からの光の偏光分離を行う。そして、その各偏光分離ミラー２０ａ，２０ｂのうち、後述するようにＳ偏光が射出する２０ｂについては、その直後に１／２波長板４が配置されている。
【００７２】
偏光分離ミラー群２０の後方即ち図中の右方には、順に回折格子１４、第１レンズアレイ５、第２レンズアレイ６、その直後に重ね合わせレンズ７が配置されている。なお、ここでは図示しないが、回折格子１４に入射した光は、別途設けた光路に導かれ、そこで色切り替えが行なわれる。詳しくは後述する。また、第１レンズアレイ５は、後述する表示パネルとアスペクト比がほぼ一致した長方形の格子状に組み合わされた各セル５ａを有している。また、第２レンズアレイ６は、第１レンズアレイ５の場合と同様に、長方形の格子状に組み合わされた各セル６ａを有している。これは、必ずしも５ａと相似形である必要はない。
【００７３】
回折格子１４は、後述する反射型ライトバルブとの組み合わせにより、上述した色切り替えデバイスの働きをするものであり、照明光をＲＧＢ各色に時分割で電気的に切り替えるものである。詳しくは後述する。また、第２レンズアレイ６とその直後の重ね合わせレンズ７により、重ね合わせレンズ７の焦点位置近傍に、第１レンズアレイ５の各セル５ａの像が重なり合うようにしている。
【００７４】
以上の第１レンズアレイ５から重ね合わせレンズ７までを、インテグレータ光学系と呼ぶ。この重ね合わせレンズ７の焦点位置に表示パネル９が配置されている。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ８によって、表示パネル９をテレセントリック照明する。コンデンサーレンズ８と表示パネル９との間には、ＰＢＳプリズム１２が配置されており、ここで投影光と照明光の分離を行う。
【００７５】
光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となって偏光分離ミラー群２０の偏光分離ミラー２０ａに入射する。ここで、実線Ｐで示すＰ偏光の光は、偏光分離ミラー２０ａをそのまま透過する。また、破線Ｓで示すＳ偏光の光は、入射した偏光分離ミラー２０ａで反射され、外側に隣合った偏光分離ミラー２０ｂに入射してそこで再び反射される。即ちここでは同図の紙面に沿った表示パネル９の長辺方向（図中の上下方向）に偏光分離される。
【００７６】
そして、偏光分離ミラー２０ｂから射出したＳ偏光の光は、その直後に配置された１／２波長板４を透過する事により、Ｐ偏光に変換される。即ち、光源１からの光は、偏光分離ミラー群２０及び１／２波長板４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。この構成を偏光変換装置と呼ぶ。なお、揃える偏光方向はＰ偏光に限定されない。
【００７７】
また、以上に述べてきた光源１から表示パネル９直前までの構成を、照明光学装置と呼ぶ。上述したようにＰ偏光に揃えられた光は、回折格子１４等の働きにより色切り替えされ、上記インテグレータ光学系を経て、最終的に表示パネル９に入射する。表示パネル９は、ここに照明された光を画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて変調し、射出する。射出した光は投影光学系１０に到る。この投影光学系１０により、表示パネル９の表示情報が図示しないスクリーンに投影される。なお、１０ａは投影光学系に配置された絞りである。
【００７８】
図９は、図８で示した表示光学装置の実際の構成を模式的に示す図である。図８においては、光学系を直線的に展開した形で示したが、実際は図９に示すように、反射部で光軸が折れ曲がっている。また、図９は図８の表示光学装置を紙面に沿って上から見た図となっており、図８を正面図とすると、図９は平面図である関係となっている。
【００７９】
図９において、本実施形態での光線の軌跡を改めて説明する。光源１から射出された光は、リフレクター２で反射され、略平行光となって偏光分離ミラー群２０に入射する。そして、この偏光分離ミラー群２０及び直後の１／２波長板４により偏光変換され、最終的にＰ偏光に揃えられて出てくる。Ｐ偏光に揃えられた光は、フレネルレンズ２１を経て回折格子１４に入射する。なお、フレネルレンズには限定されるものではなく、通常のレンズを使用しても良い。
【００８０】
ここで、フレネルレンズ２１の焦点位置には、偏光依存性のある例えば強誘電液晶より成る反射型ライトバルブ２３が配置されている。また、その直前に配置されたコンデンサーレンズ２２によって、反射型ライトバルブ２３をテレセントリック照明する。
【００８１】
フレネルレンズ２１を経て回折格子１４に入射した光は、偏光方向が紙面に垂直であり、波長の異なる光であるＲＧＢ各色毎に、紙面に沿った平面上で異なる角度で回折し、即ち角度分離されて、コンデンサーレンズ２２透過後、反射型ライトバルブ２３上のＲＧＢ各色に対応する領域にそれぞれ入射する。このとき、この各領域をブロック図で示す制御部１７にて順次高速でＯＮ／ＯＦＦ制御により切り替える事により、カラーシーケンシャル駆動し、ＲＧＢ各色を時分割で順次切り替えて反射する。
【００８２】
反射型ライトバルブ２３により色切り替えされて射出した光は、再び回折格子１４に入射して、ここで同一方向の光に統合され、再びフレネルレンズを透過する。そして、上記インテグレータ光学系を経て、Ｓ偏光としてＰＢＳプリズム１２に入射し、内部で反射されて表示パネル９に入射する。表示パネル９は、例えば反射型液晶表示パネルを使用しており、ここに照明された光を、画素毎にＲＧＢ各色の表示情報に応じて偏光面を回転させたり（ＯＮ）、回転させなかったり（ＯＦＦ）して反射する。
【００８３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、照明光のＦナンバーが小さくならないので投影光学系の負担が軽くて済み、しかも偏光依存性のある色切り替えデバイスを挿入する事が可能な照明光学装置を提供する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の照明光学装置が用いられている表示光学装置の一例を原理的に示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施形態の照明光学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構成図。
【図３】図２で示した表示光学装置の実際の構成を模式的に示す図。
【図４】コレステリック液晶素子の構成を模式的に示す断面図。
【図５】本発明の第２の実施形態の照明光学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構成図。
【図６】図５で示した表示光学装置の実際の構成を模式的に示す図。
【図７】液晶ホログラム素子の構成を模式的に示す断面図。
【図８】本発明の第３の実施形態の照明光学装置が用いられている表示光学装置を原理的に示す構成図。
【図９】図８で示した表示光学装置の実際の構成を模式的に示す図。
【図１０】従来の照明光学装置が用いられている表示光学装置の一例を原理的に示す構成図。
【図１１】従来の照明光学装置が用いられている表示光学装置の他の例を原理的に示す構成図。
【符号の説明】
１    光源
２    リフレクター
３    ＰＢＳプリズムユニット
４    １／２波長板
５    第１レンズアレイ
６    第２レンズアレイ
７    重ね合わせレンズ
８，２２    コンデンサーレンズ
９    表示パネル
１０    投影光学系
１１    コレステリック液晶装置
１２    ＰＢＳプリズム
１３    液晶ホログラム装置
１４    回折格子
１５，１６，１７    制御部
１８，１９    １／４波長板
２０    偏光分離ミラー群
２１    フレネルレンズ
２３    反射型ライトバルブ
３１    ガラス基板
３２    ＩＴＯ（透明電極）
３３    ホログラム
３４    電源
３５    コレステリック液晶
３６    パルス電源
【図１】
0004075284.tif 000002
【図２】
0004075284.tif 000003
【図３】
0004075284.tif 000004
【図４】
0004075284.tif 000005
【図５】
0004075284.tif 000006
【図６】
0004075284.tif 000007
【図７】
0004075284.tif 000008
【図８】
0004075284.tif 000009
【図９】
0004075284.tif 000010
【図１０】
0004075284.tif 000011
【図１１】
0004075284.tif 000012