(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、反射を利用して前記光源からの光束を複数の光束に分割して射出させる光束分割手段とを備えた照明装置であって、
前記光束分割手段の射出側に、前記光源から前記光束分割手段に入射された光束のうちの一部の偏光を透過し、一部の偏光を反射する反射型偏光子が設けられ、前記光束分割手段の入射側に、前記反射型偏光子により反射された偏光を反射する反射ミラーが、前記光束分割手段の入射端面における前記光源からの光束の入射領域以外の領域に対応して設けられ、
前記光束分割手段の入射端面の中心に対して前記入射領域の中心が偏心しており、前記光束分割手段に入射する光束の光軸と前記反射型偏光子の入射端面とが垂直以外の角度をなすことを特徴とする照明装置。
【請求項２】
光源と、反射を利用して前記光源からの光束を複数の光束に分割して射出させる光束分割手段とを備えた照明装置であって、
前記光束分割手段の射出側に、前記光源から前記光束分割手段に入射された光束のうちの一部の偏光を透過し、一部の偏光を反射する反射型偏光子が設けられ、前記光束分割手段の入射側に、前記反射型偏光子により反射された偏光を反射する反射ミラーが、前記光束分割手段の入射端面における前記光源からの光束の入射領域以外の領域に対応して設けられ、
前記光束分割手段の入射端面の中心に対して前記入射領域の中心が偏心しており、前記光源からの光束の光源光軸と、前記光束分割手段の略中心を通り前記光束分割手段の長手方向に延在するシステム光軸と、が平行に配置され、前記光束分割手段の入射端面が前記システム光軸に対して垂直以外の角度をなすことを特徴とする照明装置。
【請求項３】
前記反射型偏光子が、互いに直交する直線偏光のうちの一方を透過し、他方を反射する機能を有することを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記反射型偏光子が構造複屈折型の偏光子であることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
【請求項５】
前記反射型偏光子が、互いに逆回りの円偏光のうちの一方を透過し、他方を反射する機能を有し、前記光束分割手段と前記反射型偏光子との間に１／４波長板が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
【請求項６】
前記反射型偏光子の射出側にさらに１／４波長板が設けられたことを特徴とする請求項５に記載の照明装置。
【請求項７】
前記光束分割手段が、棒状の導光体もしくは内面が反射面とされた管状の導光体から構成されたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記導光体が、入射側から射出側に向けて先細りの形状となっていることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項９】
前記導光体が、入射側から射出側に向けて先拡がりの形状となっていることを特徴とする請求項７に記載の照明装置。
【請求項１０】
前記光束分割手段の入射端面における前記入射領域の形状が円形であり、該円形の入射領域の外側の領域に前記反射ミラーが設けられたことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１１】
前記光束分割手段の入射端面および射出端面の形状がともに矩形状であり、前記射出端面よりも前記入射端面の方がより細長の矩形状であることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項１２】
請求項１ないし１１のいずれか一項に記載の照明装置と、該照明装置から射出される光を変調する光変調手段と、該光変調手段により変調された光を投写する投写手段とを備えたことを特徴とするプロジェクタ。
【請求項１３】
前記光束分割手段が、棒状の導光体もしくは内面が反射面とされた管状の導光体から構成され、前記導光体は、前記光束の光軸に垂直な面内の一方向のみが入射側から射出側に向けて先細りのテーパ形状とされ、
前記光変調手段が液晶ライトバルブからなり、前記液晶ライトバルブの視野角特性を示す等コントラスト曲線が一方向に狭く、他方向に拡がった特性を示すとともに、前記照明装置の光束分割手段から射出される照明光束の照明角分布が前記一方向に長い楕円形状であり、前記照明角分布の楕円形状の長手方向と前記液晶ライトバルブの前記等コントラスト曲線が拡がった方向とを一致させたことを特徴とする請求項１２に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、照明装置およびプロジェクタに関し、特に偏光変換効率に優れた照明装置の構成に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報機器の発達はめざましく、解像度が高く、低消費電力でかつ薄型の表示装置の要求が高まり、研究開発が進められている。中でも液晶表示装置は液晶分子の配列を電気的に制御して、光学的特性を変化させることができ、上記のニーズに対応できる表示装置として期待されている。このような液晶表示装置の一形態として、液晶ライトバルブを用いた光学系からなる映像源から射出される画像を投写レンズを通してスクリーンに拡大投写するプロジェクタが知られている。
【０００３】
プロジェクタは光変調手段として液晶ライトバルブを用いているが、特にＴＮ（Twisted Nematic）型の液晶ライトバルブでは原理的に一方向の偏光のみを利用して表示を行うため、光源から射出される不定偏光光束のうちの約半分は表示に利用されない。そこで、不定偏光光束を一方向の偏光に揃えることにより通常は利用されない光を利用可能とし、光の利用効率を高める目的で偏光変換系を備えたプロジェクタ用の照明装置が、特開平８−３０４７３９号公報、特開平１０−２３２４３０号公報などに開示されている。
【０００４】
また、プロジェクタ用の照明装置において、メタルハライドランプ等の光源から射出される光束は一般に不均一な照度分布を持っているが、被照明領域、具体的には矩形状の液晶ライトバルブの表示面における照度分布を均一化するために、２枚のフライアイレンズ、もしくはロッド状導光体等からなる均一照明系を備えたものが知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
例えば上記の公報にも記載されているように、従来の照明装置においては、偏光変換系として偏光ビームスプリッタ（Polarized Beam Splitter,以下、ＰＢＳと略記する）アレイと有機フィルムからなる位相差板との組み合わせが使用される場合が大多数である。しかしながら、この系では高い偏光変換効率が得られる反面、ＰＢＳアレイの構造が複雑で高価であり、照明装置全体のコストが高くなるという問題があった。さらに、プロジェクタ用の照明装置では高輝度の光源が使用されるので、有機フィルムからなる位相差板では耐光性や耐熱性の面で問題があった。
【０００６】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、簡単な構成で高い偏光変換効率が得られ、さらには耐光性や耐熱性に優れた照明装置を提供することを目的とする。また、上記の照明装置を備えたことにより高輝度で信頼性の高いプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の照明装置は、光源と、反射を利用して光源からの光束を複数の光束に分割して射出させる光束分割手段とを備えた照明装置であって、光束分割手段の射出側に、光源から光束分割手段に入射された光束のうちの一部の偏光を透過し、一部の偏光を反射する反射型偏光子が設けられ、光束分割手段の入射側に、反射型偏光子により反射された偏光を反射する反射ミラーが、光束分割手段の入射端面における光源からの光束の入射領域以外の領域に対応して設けられたことを特徴とする。
【０００８】
上記本発明の照明装置においては、まず光源から射出された光は光束分割手段に入射され、複数の光束に分割されて光束分割手段から射出される。ここで言う「光束分割手段」とは、光源からのひとまとまりの入射光束を複数の光束に分割する機能を持つものであり、これにより生じる複数の光源像からの光束を光束分割手段の後段に配置された他の光学系で重畳することにより、被照明領域における照度分布を均一化する目的で用いられるものである。本発明では、光束分割手段の射出側に反射型偏光子が設けられているので、光束分割手段から反射型偏光子に光が入射されると、反射型偏光子の透過軸に一致する偏光方向の光が透過し、それ以外の光が反射される。反射型偏光子を透過した光は被照明領域の照明に寄与する一方、反射型偏光子で反射された光は光束分割手段の内部を逆方向（光束分割手段の入射端面側）に伝搬される。
【０００９】
光束分割手段には光源から射出された光束を入射させる必要があるため、その入射端面には所定の入射領域（光透過領域）が設けられている。入射領域の形状は光源からの光束の断面形状に略一致しており、例えば円形状である。本発明の照明装置の場合、入射領域以外の領域に対応して反射ミラーが設けられているので、反射型偏光子で反射されて入射端面側に逆向きに戻ってきた偏光のうち、入射領域以外の領域に入射した偏光は反射ミラーにより反射され、再度光束分割手段の射出側へと伝搬される。このように、光束分割手段の射出側に反射型偏光子、入射側に反射ミラーが配置されたことによって、反射型偏光子で反射された偏光は光束分割手段の内部で反射を繰り返すことになるが、その反射の間、偏光方向は常に不変であるわけではなく、変化する。そして、その変化した偏光方向が反射型偏光子の透過軸と合致したとき、それまで反射を繰り返していた光は反射型偏光子を透過することができ、被照明領域へと達して照明に寄与することができる。
【００１０】
本発明の照明装置によれば、このようなメカニズムによって最初に反射型偏光子を透過できなかった偏光方向の光もリサイクルが可能であり、一種類の偏光方向を有する光として照明に寄与させることができるため、従来の照明装置に比べて偏光変換効率を高めることができる。また、従来からある光束分割手段の射出側に反射型偏光子、入射側に反射ミラーを配置するだけで済むので、簡単な構成で偏光変換効率（不定偏光を特定の偏光に変換する効率）の高い照明装置を実現することができる。
【００１１】
前記反射型偏光子の機能として、互いに直交する直線偏光のうちの一方を透過し、他方を反射するものを用いることができる。
その場合、反射型偏光子では例えばＸ偏光光束が透過し、Ｙ偏光光束（Ｘ偏光光束とＹ偏光光束とは互いに偏光方向が直交する）が反射される。反射型偏光子で反射されたＹ偏光光束は入射側の反射ミラーとの間で反射を繰り返し、光束分割手段の内部を伝搬する間に偏光方向が変化し、その一部がＸ偏光光束に変換されて反射型偏光子を透過する。このようにして、偏光のリサイクルが可能であり、一種類の偏光方向を有する光として照明に寄与させることができるため、従来の照明装置に比べて偏光変換効率を高めることができる。
【００１２】
直線偏光を利用する場合、構造複屈折型偏光子を用いることが望ましい。
「構造複屈折型偏光子」とは、屈折率が異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期で交互にストライプ状に配置した格子部を有するものであり、ストライプに平行な偏光成分と垂直な偏光成分とで光が感じる屈折率が異なるために複屈折作用が生じ、偏光子として機能するものである。すなわち、図１２に示すように、入射する光の波長よりも小さいピッチで、ストライプ状に配列された複数の媒質Ａ１０１を具備した構造の構造複屈折体１００において、隣接する媒質Ａ１０１の間隙には、媒質Ａ１０１と異なる屈折率を有する媒質Ｂ１０２が充填されていることが必要である。なお、媒質Ｂ１０２としては、固体、液体、気体を問わない。
【００１３】
このような構造の構造複屈折体１００においては、媒質Ａ１０１の屈折率ｎ1と媒質Ｂ１０２の屈折率ｎ2が異なるため、構造複屈折体１００に入射した光の偏光方向により有効屈折率が異なる。例えば、媒質Ａ１０１の屈折率ｎ1が媒質Ｂ１０２の屈折率ｎ2よりも大きい場合には、各媒質Ａ１０１の延在方向に対して略平行方向に振動する偏光Ａについての有効屈折率が、各媒質Ａ１０１の延在方向に対して略垂直方向に振動する偏光Ｂについての有効屈折率よりも大きくなる。
【００１４】
媒質Ａ、媒質Ｂが誘電体からなる場合、媒質Ａ１０１の幅をａ、媒質Ｂ１０２の幅をｂとすると、構造複屈折体１００に入射する光のうち、偏光Ａについての有効屈折率Ｎａ、偏光Ｂについての有効屈折率Ｎｂはそれぞれ下記の式（１）、（２）により表されることが知られている（例えば、M.Born and E.Wolf : Principles of Optics, 1st ed. (Pergamon Press, New York, 1959) p.705-708）。下記式（１）、（２）から分かるように、媒質Ａ１０１の厚みａと媒質Ｂ１０２の厚みｂの比により、有効屈折率をｎ1〜ｎ2の範囲で変化させることができる。
【００１５】
【数１】
0004325135.tif 000002
【００１６】
以上、構造複屈折体が光の偏光状態によって異なる光学的性質を示すことを述べた。ここで、媒質Ａとして金属や半導体のような光反射体を用いる場合、誘電率を複素数として扱うことで、誘電体に対する有効屈折率を求める場合と同様に扱うことができる。但し、有効屈折率は複素数となる。Effective Medium Theory（例えば、Dominique Lemercier−lalanne:Journal of Modern Optics,1996,vol43,no.10,2063-2085）、より厳密にはRigorous Coupled-Wave Analysis(M.G.Moharam:J.Opt.Soc.Am.A,12(1995)1077 )を用いた数値計算により、媒質Ａとして金属を用いた場合、偏光Ａに対する構造複屈折体の有効屈折率の虚数部が大きな値となり、その結果、入射した偏光Ａは構造複屈折体により反射されることが知られている。一方、偏光Ｂに対する有効屈折率の虚数部は小さい値となり、偏光Ｂは構造複屈折体を透過することが知られている。このように、２種類の媒質で、波長よりも小さい周期構造を形成することにより、構造複屈折体の周期構造が並ぶ方向と平行な方向に振動する偏光を透過させ、周期構造が並ぶ方向と直交する方向に振動する偏光を反射する作用を持たせることができる。
【００１７】
上記の構造複屈折型偏光子は無機材料を用いて形成することができるため、有機フィルムからなる位相差板を用いた従来の偏光変換系に比べてはるかに耐光性や耐熱性に優れており、照明光の強度が高くても安定した偏光変換作用を実現することができる。
【００１８】
以上、直線偏光を透過光と反射光とに分離する反射型偏光子について説明したが、円偏光を分離するものを用いてもよい。すなわち、反射型偏光子として、互いに逆回りの円偏光のうちの一方を透過し、他方を反射する機能を有するものを用いてもよい。ただしその場合、光束分割手段と反射型偏光子との間に１／４波長板を設けることが望ましい。
【００１９】
光源からの光束がそのまま光束分割手段に入射された場合、その光束は不定偏光状態となっている。よって、光束分割手段から射出された不定偏光光束が１／４波長板を透過すると、Ｌ円偏光光束とＲ円偏光光束とに分離される（Ｌ円偏光光束とＲ円偏光光束とは互いに回転方向が逆）。そして、反射型偏光子では、例えばＬ円偏光光束が透過し、Ｒ円偏光光束が反射される。上で説明した直線偏光の場合と同様、反射型偏光子で反射されたＲ円偏光光束は入射側の反射ミラーとの間で反射を繰り返し、１／４波長板を透過したり、光束分割手段の内部を伝搬したりする間に偏光方向が変化し、その一部がＬ円偏光光束となって反射型偏光子を透過する。円偏光の場合も直線偏光の場合と同様のメカニズムによって、偏光のリサイクルが可能であり、一種類の偏光方向を有する光として照明に寄与させることができるため、従来の照明装置に比べて偏光変換効率を高めることができる。
【００２０】
上記円偏光を利用する構成の場合、反射型偏光子の射出側にさらに１／４波長板を設けることが望ましい。
この構成によれば、円偏光光束として反射型偏光子から射出された光が１／４波長板を透過することによって直線偏光に変換されるので、この照明装置を適用するプロジェクタの構成を直線偏光を射出する照明装置の場合と共通にすることができる。
【００２１】
前記光束分割手段の具体的構成としては、棒状の導光体、もしくは内面が反射面とされた管状の導光体、いわゆるロッドレンズを用いることができる。その場合、ロッドレンズの形状としては、射出端面は被照明領域と光学的に共役である（相似形である）必要があるが、入射端面と射出端面とは必ずしも相似形である必要はない。また、入射側から射出側に向けて同一の径を有するものであってもよいが、先細りの形状や先拡がりの形状としてもよい。
先細りの形状や先拡がりの形状とした場合、ロッドレンズへの光の入射角に対して射出角を変化させることができる。それぞれの効果については後述する。
【００２２】
前記光束分割手段の入射端面においては、入射領域の形状を円形とし、円形の入射領域の外側の領域に前記反射ミラーを設けることが望ましい。
通常、光源から射出される光束の強度分布は光軸方向から見て円形となるので、それに合わせて光束分割手段の入射領域の形状も円形とするのが最も損失の少ない効率の良い方法である。ここで、被照明領域が矩形の液晶ライトバルブであれば、光束分割手段の射出端面も矩形となり、さらに入射端面も射出端面と相似形にして矩形とした場合、矩形の入射端面の内部に円形の入射領域が配置されるので、その周辺に反射ミラーを設ける構成とすればよい。
【００２３】
特に光束分割手段の入射端面および射出端面の形状をともに矩形状とした場合、射出端面よりも入射端面の方がより細長の矩形状とすることが望ましい。
例えば射出端面が正方形に近い形状であったとしても、入射端面をより細長の長方形状とすれば、入射領域の面積に対して反射ミラーの設置領域の面積が大きく取れるので、偏光のリサイクル率を向上することができる。
【００２４】
光束分割手段の入射端面内の入射領域の配置については、入射端面の中心に入射領域の中心を合わせる場合の他に、入射端面の中心に対して入射領域の中心を偏心させてもよく、光束分割手段に入射する光束の光軸（光源の光軸）と反射型偏光子の入射端面とが垂直以外の角度をなすようにしてもよい。このような構成は、例えば、光束分割手段の略中心を通るシステム光軸に対して光源の光軸を傾けることで、あるいは、光源の光軸をシステム光軸に対して平行にシフトさせるとともに、光束分割手段の入射端面をシステム光軸に対して垂直以外の角度をなすように傾けて配置するなどすることで実現することができる。特に後者の構成では、光源の光軸とシステム光軸とが平行になるため、光学系を小型化しやすいというメリットがある。
この構成によれば、反射型偏光子からの反射光が、光束分割手段の入射側に設置された反射ミラーで反射される割合が高くなるため、高い偏光変換効率を実現することができる。これについても後で詳述する。
【００２５】
本発明のプロジェクタは、上記本発明の照明装置と、この照明装置から射出される光を変調する光変調手段と、光変調手段により変調された光を投写する投写手段とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、高い偏光変換効率と耐久性を有する照明装置を備えたことにより、高輝度で信頼性の高いプロジェクタを実現することができる。
【００２６】
特に、前記光変調手段が液晶ライトバルブである場合、照明装置の光束分割手段から射出される照明光束の照明角が拡がる方向と液晶ライトバルブの視野角が広い方向とを一致させることが望ましい。
この構成によれば、高いコントラストを得ることができ、表示品位の高いプロジェクタを実現することができる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
[第１の実施の形態]
以下、本発明の第１の実施の形態を、図１〜図３を参照して説明する。
図１は本実施の形態の照明装置の概略構成図である。図１中符号２は光源、３は反射ミラー、４はロッドレンズ（光束分割手段）、５は反射型偏光子、６はリレー系、７は液晶ライトバルブ（被照明領域）、である。
【００２８】
本実施の形態の照明装置１は、図１に示すように、メタルハライドランプ等のランプ８とリフレクタ９とを備えた光源２と、ロッドレンズ４と、３枚のレンズ１０，１１，１２を備えたリレー系６とから概略構成されている。
【００２９】
ロッドレンズ４としては、透明な棒状の導光体（例えばガラス棒）、もしくは内面が反射面とされた管状の導光体（例えば、複数の反射ミラーを内側に向けて管状に配置した万華鏡）などが用いられる。本実施の形態の場合、ロッドレンズ４の形状としては、入射側から射出側に向けて断面が同一寸法の四角柱状の導光体が用いられている。入射端面および射出端面の形状は、図１の下側に示すように、被照明領域、すなわち液晶ライトバルブ７と相似形であり、例えば縦横比が３：４の長方形となっている。本実施の形態では入射端面と射出端面の形状がともに液晶ライトバルブ７と相似形であるが、入射端面に関しては必ずしも相似形である必要はない。ロッドレンズ４は、光源２からの入射光を複数の光束に分割する機能を有しており、これにより生じる複数の光源像からの光束をリレー系６などの光伝達手段によって被照明領域で重畳させることにより、液晶ライトバルブ７における照度分布を均一化している。
【００３０】
ロッドレンズ４の入射端面には、中央に円形の開口部３ａ（光入射領域）を有する反射ミラー３が反射面をロッドレンズ４の内側に向けて設置されている。この反射ミラー３の具体的な設置の形態としては、ロッドレンズ４が管状の導光体であれば、例えば中央に開口部を有するミラーをロッドレンズの端部に嵌め込んでもよいし、ロッドレンズ４が棒状の導光体であれば、例えば中央部に光透過部が形成されるようにパターニングされた環状の誘電体ミラーをロッドレンズの端面に直接形成してもよい。いずれにしても、光源２からの光束が入射される光入射領域を除く領域に反射ミラー３が設けられていさえすればよい。また、光源２からの光入射領域の構成は開口部に限らず、例えば光透過性の部材で塞がれた構成であってもよい。
【００３１】
ロッドレンズ４の射出端面には、反射型偏光子５が設置されている。本実施の形態の場合、この反射型偏光子５として、図３に示すような、不定偏光を互いに直交する２種類の直線偏光に分離する構造複屈折型の反射型偏光子が用いられている。この反射型偏光子５は、図３に示すように、アルミニウムなどの光反射性を有する金属からなる多数のリブ１４が入射光の波長よりも小さいピッチでガラス基板１５上に形成されたものである。すなわち、この反射型偏光子５は、異なる屈折率を有するＡｌリブ１４と空気とが入射光の波長よりも小さいピッチで交互にストライプ状に配置されたことで複屈折作用を生じ、偏光子として機能する。この構成により、Ａｌリブ１４が形成された側の面に不定偏光が入射されると、Ａｌリブ１４の延在方向に平行な方向に振動するＳ偏光が反射され、Ａｌリブ１４の延在方向に垂直な方向（Ａｌリブが配列する方向）に振動するＰ偏光が透過する。
【００３２】
なお、この反射型偏光子５の方向に関しては、偏光分離の効率を重視してＡｌリブ１４が形成された側の面（入射面）がロッドレンズ４の内側を向くように設置することが望ましい。ただし、管状の導光体ではなく内部が詰まった棒状のロッドレンズと組み合わせて使用する場合には、ロッドレンズの射出端面とＡｌリブ１４との間にごく僅かな隙間が存在するような状態で両者を配置することが望ましい。あるいは、Ａｌリブ１４が形成された側の面（入射面）が液晶ライトバルブ７（被照明領域）の側を向くように、反射型偏光子５を設置することもできる。その場合には、偏光分離の効率が若干低下する可能性があるが、ロッドレンズに密着させて設置できるため、設置しやすいとともに、内部が詰まった棒状のロッドレンズと組み合わせて使用する場合には、ロッドレンズの射出端面と反射型偏光子５のＡｌリブ１４が存在しない側の面とを密着させて光学的に一体化できるため、界面で生じやすい光損失を低減できるメリットがある。
【００３３】
また本実施の形態の場合、リレー系６として３つのレンズ１０，１１，１２が用いられ、最もロッドレンズ４寄りのレンズ１０が、反射型偏光子５に密着するように設置されているが、リレー系６に用いられるレンズの数やレンズの位置についてはこれに限定されるものではなく、適宜変更が可能である。
【００３４】
次に、上記構成の照明装置１の作用について図２を参照して説明する。
光源２から射出された光束は、図２に示すように、反射ミラー３の開口部３ａを通してロッドレンズ４の内部に入射され、射出側に配置された反射型偏光子５に向けて伝搬される。この時点では光束は不定偏光であるが、反射型偏光子５に光が入射されると、偏光方向によって偏光分離され、図３に示したように、反射型偏光子５のＡｌリブ１４の延在方向に垂直な方向（透過軸方向）のＰ偏光が透過し、Ａｌリブ１４の延在方向に平行な方向のＳ偏光が反射される。反射型偏光子５を透過したＰ偏光はリレー系６を経て液晶ライトバルブ７の照明に寄与する一方、反射型偏光子５で反射されたＳ偏光はロッドレンズ４の内部を逆方向（入射端面側）に伝搬される。
【００３５】
反射型偏光子５で反射されたＳ偏光は、その後ロッドレンズ４の入射端面に到達するが、開口部３ａ以外の領域に反射ミラー３が配置されているため、この反射ミラー３で反射され、再度ロッドレンズ４の射出側へと伝搬される。このように、ロッドレンズ４の射出側に反射型偏光子５、入射側に反射ミラー３が配置されたことによって、反射型偏光子５を透過しないＳ偏光はロッドレンズ４の入射側と射出側を行き来することになるが、Ｓ偏光は常にこの偏光方向を維持しているわけではなく、ロッドレンズ４の内面で反射するときに偏光方向が回転して一部はＰ偏光に変換される。そして、Ｐ偏光の状態で反射型偏光子５に到達すると反射型偏光子５を透過することができ、液晶ライトバルブ７の照明に寄与することができる。
【００３６】
本実施の形態の照明装置１によれば、このようなメカニズムによって最初に反射型偏光子５を透過できなかった偏光もリサイクルが可能であり、照明に寄与させることができるため、従来の照明装置に比べて偏光としての利用効率を高められ、明るい照明装置を実現することができる。また、従来から均一照明系として用いられているロッドレンズ４の射出側に反射型偏光子５、入射側に反射ミラー３を配置するだけで済むので、簡単な構成で偏光変換効率（不定偏光を特定の偏光に変換する効率）の高い照明装置を実現することができる。
【００３７】
また、上記の構造複屈折型の反射型偏光子５はガラス基板、アルミニウムなどの無機材料を用いて形成することができるため、有機フィルムからなる位相差板を用いた従来の偏光変換系に比べてはるかに耐光性や耐熱性に優れており、照明光の強度が高くても安定した偏光変換作用を実現することができる。
【００３８】
［第２の実施の形態］
以下、本発明の第２の実施の形態を、図４を参照して説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第１の実施の形態と同様であるが、第１の実施の形態が直線偏光を分離する反射型偏光子を用いたのに対して、本実施の形態では円偏光を分離する反射型偏光子を用いた点が異なっている。よって、本実施の形態では図４を用いてロッドレンズの周辺のみを説明し、光源やリレー系についての説明は省略する。
【００３９】
本実施の形態の照明装置において、ロッドレンズ４の入射側の反射ミラー３の構成は第１の実施の形態と同様であるが、射出側の構成が異なっている。すなわち、図４に示すように、ロッドレンズ４の最も射出側に、互いに逆回りの円偏光のうちの一方（例えばＬ偏光）を透過し、他方（Ｒ偏光）を反射する機能を有する円偏光分離型の反射型偏光子１７が設置されている。この種の反射型偏光子１７としては、例えばコレステリック液晶を用いた偏光子を利用することができる。そして、反射型偏光子１７よりも光源２側に第１の１／４波長板１８が設置され、反射型偏光子１７よりもリレー系６側に第２の１／４波長板１９が設置されている。図４では、説明の都合上、第１の１／４波長板１８、反射型偏光子１７、第２の１／４波長板１９を離間して描いているが、これらは特に離間させる必要はなく、密着させてもかまわない。
【００４０】
本実施の形態の照明装置の作用について説明する。
光源２からの不定偏光光束がロッドレンズ４の内部に入射され、伝搬する点は第１の実施の形態と同様である。この不定偏光光束が第１の１／４波長板１８を透過すると、互いに回転方向が逆のＬ円偏光光束とＲ円偏光光束とに分離される。具体的には、例えば、光源光に含まれる不定偏光光束のうち、図４において紙面に垂直な方向に振動する直線偏光がＲ円偏光光束に変換され、紙面に平行な方向に振動する直線偏光がＬ円偏光光束に変換されることによってこれら偏光が分離される。次に、反射型偏光子１７では、例えばＬ円偏光光束が透過し、Ｒ円偏光光束が反射される。後は第１の実施の形態の直線偏光の場合と同様、反射型偏光子１７で反射されたＲ円偏光光束は入射側の反射ミラー３との間で反射を繰り返し、ロッドレンズ４の内部で反射する間に偏光方向（回転方向）が逆回りに変化し、その一部がＬ円偏光光束となって反射型偏光子１７を透過する。
【００４１】
いずれにしても、ロッドレンズ４の射出側の反射型偏光子１７を射出した時点では全てがＬ円偏光光束となっているので、この偏光を第２の１／４波長板１９を透過させることによって、Ｌ円偏光光束が紙面に平行な方向に振動する直線偏光に変換される。なお、第２の１／４波長板１９の光学軸の配置の仕方によっては、紙面に垂直な方向に振動する直線偏光に変換される。また、第２の１／４波長板１９は必ずしもなくてもよいが、反射型偏光子１７の後段に第２の１／４波長板１９を挿入することによって円偏光が直線偏光に変換されるので、液晶ライトバルブ７を含むプロジェクタ側の構成を変えることなく、本実施の形態の照明装置を使用することができる。
【００４２】
このように、本実施の形態の照明装置においても、最初に反射型偏光子１７を透過できなかった偏光のリサイクルが可能であり、一種類の偏光方向を有する光として照明に寄与させることができるため、従来の照明装置に比べて偏光変換効率を高めることができる、という第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。また、円偏光を分離する反射型偏光子１７としてコレステリック液晶による偏光子を用いたが、コレステリック液晶は光吸収性を持たないため、有機フィルムを用いた従来の装置に比べて耐光性や耐熱性を高めることができる。
【００４３】
［第３の実施の形態］
以下、本発明の第３の実施の形態を、図５、図６を参照して説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第１、第２の実施の形態と同様であり、ロッドレンズの構成が異なるのみである。よって、本実施の形態では図５、図６を用いてロッドレンズの構成のみを説明し、その他の構成についての説明は省略する。
【００４４】
上記実施の形態ではロッドレンズの断面形状は入射側から射出側まで一定のものとしたが、本実施の形態では、図５（ａ）のような入射側から射出側に向けて先細りのテーパ形状のロッドレンズ２１、もしくは図５（ｂ）のような入射側から射出側に向けて先拡がりの逆テーパ形状のロッドレンズ２２が用いられる。これらロッドレンズ２１，２２の射出側に反射型偏光子５、入射側に反射ミラー３が設置されるのは第１、第２の実施の形態と同様である。反射型偏光子５としては直線偏光分離型、円偏光分離型のいずれを用いてもよい。
【００４５】
図６（ａ）、（ｂ）は、それぞれ図５（ａ）、（ｂ）のロッドレンズ２１，２２の平面図である。図５（ａ）のような先細りのロッドレンズ２１を用いた場合、図６（ａ）に示すように、ロッドレンズ２１に入射された光が、ロッドレンズ２１の反射面２１ａに対してより深い角度で入射し、反射するため、ロッドレンズ２１への入射角θ1よりも射出角θ2は大きく拡がって射出される。これに対して、図５（ｂ）のような先拡がりのロッドレンズ２２を用いた場合、図６（ｂ）に示すように、ロッドレンズ２２に入射された光が、ロッドレンズ２２の反射面２２ａに対してより浅い角度で入射し、反射するため、ロッドレンズ２２への入射角θ1よりも射出角θ2は小さく絞られて射出される。なお、本実施の形態のロッドレンズ２１，２２は縦方向、横方向ともにテーパ形状、もしくは逆テーパ形状となっているので、平面視した場合に限らず、側面視した場合にも上記の作用を有している。
【００４６】
このようなロッドレンズ２１，２２を本発明に適用した場合、それぞれ次のような効果が得られる。
図５（ａ）に示す先細りのロッドレンズ２１を用いた場合、射出端面に対して入射端面の面積を広く取れるので、光源２からロッドレンズ２１に入射する光束の断面積に対して反射ミラー３を設置する面積が相対的に大きくなり、偏光変換効率を向上させることができる。これに対して、図５（ｂ）に示す先拡がりのロッドレンズ２２を用いた場合、反射ミラー３の設置面積をあまり広く取れないが、上述したように、ロッドレンズ２２から射出される光の射出角θ2を絞ることができるため、コントラスト特性が光の入射角依存性を有する液晶ライトバルブ７を用いてプロジェクタを構成した場合には、そのプロジェクタで表示される画像のコントラストを向上させることができる。その理由は、射出角θ2が小さいと液晶ライトバルブ７に対して小さな角度で入射する光が多くなり、コントラストの低下を防止できるからである。もちろん、ロッドレンズの形状は上記の２種類に限定されず、図５において、例えばｘｚ平面とｙｚ平面とで、各々異なるテーパ形状（含む逆テーパ形状）をなすロッドレンズを用いることもできる。
【００４７】
［第４の実施の形態］
以下、本発明の第４の実施の形態を、図７を参照して説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第１〜第３の実施の形態と同様であり、ロッドレンズ入射側の反射ミラーの構成と光源２からロッドレンズへの光の入射の仕方が異なるのみである。よって、本実施の形態では図７を用いてロッドレンズおよび反射ミラーの構成のみを説明し、その他の構成についての説明は省略する。
【００４８】
本実施の形態の場合、被照明領域、すなわち液晶ライトバルブとして第１〜第３の実施の形態よりも横長のもので縦横比が９：１６のものを用いることを想定している。したがって、それに伴い、ロッドレンズ２５の断面形状も縦横比が９：１６の横長の形状となっている。そして、ロッドレンズ２５の射出側の反射型偏光子５の構成は第１〜第３の実施の形態と同様でよいが、ロッドレンズ２５の入射側の反射ミラー２４の構成は第１〜第３の実施の形態と異なっている。すなわち、第１〜第３の実施の形態では円形の光入射領域３ａの中心がロッドレンズ４の入射端面の中心に一致していたのに対し、本実施の形態では光入射領域２４ａの中心がロッドレンズ２５の入射端面の中心から偏心し、ロッドレンズ２５の断面形状の長手方向（図７の上側の図における右方向）にずれている。
【００４９】
さらに第１〜第３の実施の形態の場合、光源２から射出される光束の光源光軸Ｌがシステム光軸Ｍに一致していたが、本実施の形態では、光源２からの光束の光源光軸Ｌが、光入射領域２４ａの中心が偏心した方向に傾いており、光源２からの光が光入射領域２４ａを透過するとロッドレンズ２５の射出端面の略中心の位置で反射型偏光子５により反射され、再度反射ミラー２４に到達する位置関係となっている。
【００５０】
このように、光入射領域２４ａの中心をロッドレンズ２５の入射端面の中心から偏心させ、光源２から射出される光束の光源光軸Ｌをシステム光軸Ｍから傾けたことによって、ロッドレンズ２５内の光束が所定の角度を持って反射型偏光子５に入射されることになり、この光が反射ミラー２４の面積の広い側に向けて反射される割合が多くなるので、反射ミラー２４で反射される割合が大きくなり、偏光変換効率をより高めることができる。
【００５１】
また、第３の実施の形態のように、テーパ形状のロッドレンズを使用することを考えれば、液晶ライトバルブが正方形に近い形状（例えば縦横比が３：４）であったときにロッドレンズの射出端面をその形状に合わせた上で、入射端面の形状のみを変えて入射端面をより横長にする（例えば縦横比が９：１６）構成としてもよい。これにより、液晶ライトバルブが正方形に近い形状であっても偏光のリサイクル率を高めることができ、偏光変換効率を高めることができる。この場合でも、光入射領域の中心をロッドレンズの入射端面の中心から偏心させ、光源光軸Ｌをシステム光軸Ｍから傾ければ、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
［第５の実施の形態］
以下、本発明の第５の実施の形態を、図８を参照して説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第１〜第３の実施の形態と同様であり、ロッドレンズ入射側の反射ミラーの構成と光源２からロッドレンズへの光の入射の仕方が異なるのみである。よって、本実施の形態では図８を用いてロッドレンズおよび反射ミラーの構成のみを説明し、その他の構成についての説明は省略する。
【００５３】
本実施の形態も第４の実施の形態と同様、光入射領域２９ａの中心がロッドレンズ２８の入射端面の中心から偏心し、図８における上方向にずれている。しかしながら、第４の実施の形態の場合、光源２から射出される光束の光源光軸Ｌをシステム光軸Ｍに対して傾けた構成であったのに対し、本実施の形態の場合、光源光軸Ｌをシステム光軸Ｍに対して平行にシフトさせた構成としている。さらに、ロッドレンズ２８の入射端面がシステム光軸Ｍに対して垂直以外の角度をなすように傾けて配置されている。
【００５４】
本実施の形態の場合、光源光軸Ｌとシステム光軸Ｍとが平行であるが、光源光軸Ｌに対してロッドレンズ２８の入射端面が傾いているため、ロッドレンズ２８に入射する光束が入射時に屈折し、所定の角度を持って反射型偏光子５に入射されることになり、この光が反射ミラー２９の面積の広い側に向けて反射されるので、第４の実施の形態と同様、偏光変換効率をより高めることができる。さらに光源光軸Ｌとシステム光軸Ｍとが平行になるため、光学系を小型化しやすいというメリットもある。
【００５５】
［第６の実施の形態］
以下、本発明の第６の実施の形態を、図９、図１０を参照して説明する。
本実施の形態の照明装置の基本構成は第１〜第５の実施の形態と同様であり、ロッドレンズの構成が異なるのみである。よって、本実施の形態では図９、図１０を用いてロッドレンズの構成、作用のみを説明し、その他の構成についての説明は省略する。
【００５６】
第３の実施の形態のロッドレンズ２１が縦方向、横方向ともに先細りのテーパ形状となっていたのに対し、本実施の形態のロッドレンズ２７は、横方向（Ｘ方向）のみが先細りのテーパ形状となっており、縦方向（Ｙ方向）には細くなっていない。この構成とした場合、第３の実施の形態の項で述べたように、ロッドレンズ２７から射出される光の射出角θ2が横方向に拡がる一方、縦方向には拡がらないことになる。すなわち、このロッドレンズ２７から射出される光の照明角分布は横長（Ｘ方向に長い）の楕円形状を示すことになる。
【００５７】
ここで、被照明領域である液晶ライトバルブの視野角特性に着目すると、液晶ライトバルブの視野角特性は必ずしも対称性を示さず、例えば明視方向が６時あるいは１２時であるＴＮモードの液晶ライトバルブでは、図１０（ｂ）に示すように、等コントラスト曲線が縦方向に狭く、横方向に拡がった特性を示すことが多い。液晶ライトバルブが図１０（ｂ）のような視野角特性を持っている場合、液晶ライトバルブを照明する光の照明角分布として図１０（ａ）のような特性を持つものを用いると、コントラストの高い部分を利用することになり、高いコントラストを得ることができる。
【００５８】
このような観点から、本実施の形態の照明装置をプロジェクタに適用した場合、図９に示したような横方向のみが先細りのテーパ形状となったロッドレンズ２７を用いたことにより、高いコントラストを維持することができ、表示品位の高いプロジェクタを実現することができる。
【００５９】
［プロジェクタ］
図１１は、本発明の照明装置を備えたプロジェクタの一実施の形態を示す概略構成図である。図中、符号５１０は光源、５３０はロッドレンズ、５３１は反射ミラー、５３２は反射型偏光子、５１３，５１４はダイクロイックミラー（色光分離手段）、５１５，５１６，５１７は反射ミラー、５２２，５２３，５２４は液晶ライトバルブ（光変調手段）、５２５はクロスダイクロイックプリズム（色光合成手段）、５２１は導光光学系、５２６は投写レンズ（投写手段）を示している。
【００６０】
照明装置５４０は光源５１０、ロッドレンズ５３０、反射ミラー５３１、反射型偏光子５３２から構成されている。光源５１０はメタルハライド等のランプ５１１とランプの光を反射するリフレクタ５１２とからなる。また、光源光の照度分布を均一化させるための均一照明系として、ロッドレンズ５３０が用いられており、ロッドレンズ５３０の射出端面に反射型偏光子５３２が、入射端面には光源５１０からの光束が入射する円形状の開口部を備えた反射ミラー５３１が設置されている。ロッドレンズ５３０の射出側には集光レンズ５３５が、また、ダイクロイックミラー５１３，５１４の前後にはリレーレンズ５３６，５３７が、さらに、液晶ライトバルブの入射側および導光光学系５２１の入射側には平行化レンズ５１８Ｒ，５１８Ｇと集光レンズ５１８Ｂが各々配置されており、これらのレンズは、先に第１の実施の形態で説明したリレー系６と同様の機能を担っている。
【００６１】
青色光・緑色光反射のダイクロイックミラー５１３は、光源５１０からの光束のうちの赤色光ＬRを透過させるとともに、青色光ＬBと緑色光ＬGとを反射させる。透過した赤色光ＬRは反射ミラー５１７で反射されて赤色光用液晶ライトバルブ５２２に入射する。一方、ダイクロイックミラー５１３で反射した色光のうち、緑色光ＬGは緑色光反射用のダイクロイックミラー５１４によって反射し、緑色光用液晶ライトバルブ５２３に入射する。一方、青色光ＬBは第２のダイクロイックミラー５１４も透過し、集光レンズ５１８Ｂ、２つの反射ミラー５１５，５１６、リレーレンズ５１９および平行化レンズ５２０を経て、青色光用液晶ライトバルブ５２４に入射する。導光光学系５２１は集光レンズ５１８Ｂと平行化レンズ５２０間の光学的距離を補正し、青色光路の長さを他の色光のそれと合わせることで、照明ムラの発生を低減する機能を担っている。
【００６２】
各液晶ライトバルブ５２２，５２３，５２４によって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム５２５に入射する。このプリズムは４つの直角プリズムが貼り合わされ、その内面に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十字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成されてカラー画像を表す光が形成される。合成された光は投写光学系である投写レンズ５２６により投写スクリーン５２７上に投写され、拡大された画像が表示される。
【００６３】
プロジェクタには高輝度の光源が用いられることが多く、従来、耐光性や耐熱性の面で問題があったが、この構成によれば、高い偏光変換効率と耐久性を有する照明装置を備えたことにより、高輝度で信頼性の高いプロジェクタを実現することができる。
【００６４】
なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施の形態では照明装置の構成として、導光光学系５２１を備えたものを例示したが、この導光光学系５２１は照明装置としては必須の構成要素ではなく、なくてもよい。また、ロッドレンズの入射端面および射出端面の形状、反射型偏光子や反射ミラーの構成等に関する具体的に記載についても上記実施の形態に限ることなく、適宜設計変更が可能である。
【００６５】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、反射型偏光子を透過できない偏光のリサイクルが可能であり、照明に寄与させることができるため、従来の照明装置に比べて偏光の利用効率を高められ、明るい照明装置を実現することができる。また、従来から均一照明系として用いられている光束分割手段の射出側に反射型偏光子、入射側に反射ミラーを配置するだけで済むので、簡単な構成で偏光変換効率の高い照明装置を実現することができる。また、特に構造複屈折型の反射型偏光子は無機材料を用いて形成することができるため、有機フィルムからなる位相差板を用いた従来の偏光変換系に比べて耐光性や耐熱性にはるかに優れ、安定した偏光変換作用を実現することができる。そして、このような照明装置を備えたことにより、高輝度で信頼性の高いプロジェクタを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態の照明装置を示す概略構成図である。
【図２】  同、照明装置のロッドレンズ内での偏光変換作用を説明するための図である。
【図３】  同、照明装置に用いる構造複屈折型の反射型偏光子の構成を示す斜視図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態の照明装置のロッドレンズ射出側の構成を示す概略構成図である。
【図５】  （ａ）、（ｂ）ともに本発明の第３の実施形態の照明装置のロッドレンズの構成を示す斜視図である。
【図６】  図５の（ａ）、（ｂ）のロッドレンズの作用を説明するための図である。
【図７】  本発明の第４の実施形態の照明装置のロッドレンズの構成を示す斜視図である。
【図８】  本発明の第５の実施形態の照明装置のロッドレンズの構成を示す斜視図である。
【図９】  本発明の第６の実施形態の照明装置のロッドレンズの構成を示す斜視図である。
【図１０】  （ａ）同、ロッドレンズから射出される光の照明角分布、（ｂ）液晶ライトバルブの視野角特性をそれぞれ示す図である。
【図１１】  本発明のプロジェクタの一例を示す概略構成図である。
【図１２】  構造複屈折型偏光子の原理を説明するための図である。
【符号の説明】
１，５４０  照明装置
２，５１０  光源
３，２４，２９，５３１  反射ミラー
３ａ，２４ａ  開口部（光入射領域）
４，２１，２２，２５，２７，２８，５３０  ロッドレンズ（光束分割手段）
５，１７，５３２  反射型偏光子
７，５２２，５２３，５２４  液晶ライトバルブ（被照明領域、光変調手段）
１８  第１の１／４波長板
１９  第２の１／４波長板
【図１】
0004325135.tif 000003
【図２】
0004325135.tif 000004
【図３】
0004325135.tif 000005
【図４】
0004325135.tif 000006
【図５】
0004325135.tif 000007
【図６】
0004325135.tif 000008
【図７】
0004325135.tif 000009
【図８】
0004325135.tif 000010
【図９】
0004325135.tif 000011
【図１０】
0004325135.tif 000012
【図１１】
0004325135.tif 000013
【図１２】
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