(57)【要約】【課題】従来の照明装置に比べて光の損失を低減することで、高い照明効率を有し明るい照明装置を実現する。【解決手段】本発明は、光源４と該光源４から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系３とで構成される光源部５と、光束の偏光方向を変換する位相変調部２と、偏光方向の異なる光束を透過光と反射光に分離する偏光分離部１とを備えた照明装置であって、前記位相変調部２は、光源部５の反射光学系で反射された全光束の断面積６の略半分の部分６Ａを覆うように配置されており、光源部５から発した光束が位相変調部２と偏光分離部１の両方を通って照明光として出射される光路Ａ１〜Ａ１０と、光源部５から発した光束が位相変調部２を通らずに偏光分離部１のみを通って照明光として出射される光路Ｂ１〜Ｂ３とを有する構成とした。【選択図】図１
2009216754.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される光源部と、
光束の偏光方向を変換する位相変調部と、
偏光方向の異なる光束を透過光と反射光に分離する偏光分離部と、
を備えた照明装置であって、
前記位相変調部は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、
前記光源部から発した光束が前記位相変調部と前記偏光分離部の両方を通って照明光として出射される光路と、前記光源部から発した光束が前記位相変調部を通らずに前記偏光分離部のみを通って照明光として出射される光路とを有することを特徴とする照明装置。
【請求項２】
請求項１記載の照明装置において、
前記位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子からなり、
前記偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子であり、
前記光源部から発した光束の略半分は、前記位相変調素子に達してから前記偏光分離素子に達して透過光と反射光に偏光分離され、他方の略半分の光束は前記偏光分離素子に達して透過光と反射光に偏光分離され、
前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は照明光として出射し、他方の偏光成分の光束は前記光源部に戻して前記反射光学系により再帰反射した後、照明光として利用することを特徴とする照明装置。
【請求項３】
請求項２記載の照明装置において、
前記偏光分離素子は、２つの偏光分離面が互いに９０度の角度になした偏光分離素子対であることを特徴とする照明装置。
【請求項４】
請求項２または３記載の照明装置において、
前記偏光分離素子として、金線格子型偏光分離素子を用いたことを特徴とする照明装置。
【請求項５】
請求項１記載の照明装置において、
光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される２つの光源部を有し、２つの光源部は互いに対向して配置されており、
前記位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子からなり、一方の光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、
前記偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子であり、前記２つの光源部の間に設けられ、該２つの光源部間の全光束の略半分が通過する位置に配置され、
前記一方の光源部から発する光束は、前記位相変調素子を通って前記偏光分離素子に達する光束と、前記位相変調素子を通らずに前記偏光分離素子に達する光束とを有するとともに、
前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は、照明光として出射し、
他方の偏光成分の光束は、前記２つの光源部の反射光学系により再帰反射して照明光として利用することを特徴とする照明装置。
【請求項６】
請求項５記載の照明装置において、
前記２つの光源部の反射光学系は、同種の反射光学系であることを特徴とする照明装置。
【請求項７】
請求項１記載の照明装置において、
前記光源部に対向する位置に配置された反射光学素子を有し、
前記位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子からなり、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、
前記偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子であり、前記光源部と前記反射光学素子の間に設けられ、該光源部からの全光束の略半分が通過する位置に配置され、
前記光源部から発する光束は、前記位相変調素子を通って前記偏光分離素子に達する光束と、前記位相変調素子を通らずに前記偏光分離素子に達する光束とを有するとともに、
前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は、照明光として出射し、
他方の偏光成分の光束は、前記反射光学素子と前記光源部の反射光学系により再帰反射して照明光として利用することを特徴とする照明装置。
【請求項８】
請求項５または６記載の照明装置において、
前記２つの光源部（以下、第１、第２の光源部と言う）に加えて、光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される第３の光源部と、略９０度偏光方向を変換する第２の位相変調素子を有し、
前記第３の光源部は前記第１、第２の光源部間の光路に直交する方向で前記偏光分離素子に対向する位置に設けられ、該第３の光源部から発する光束は前記偏光分離素子に入射されるように配置され、前記第２の位相変調素子は、前記第３の光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように前記偏光分離素子との間に配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項９】
請求項８記載の照明装置において、
前記第３の光源部から発する光束は、前記第２の位相変調素子を通過してから前記偏光分離素子に達する光束と、前記第２の位相変調素子を通過せずに前記偏光分離素子に達する光束とを有しており、前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は照明光として前記第１、第２の光源部からの光束と合せて出射し、他方の偏光成分の光束は第３の光源部に直接または前記第２の位相変調素子を介して戻し、第３の光源部の反射光学系により再帰反射して照明光として利用することを特徴とする照明装置。
【請求項１０】
請求項５〜９のいずれか１項に記載の照明装置において、
前記偏光分離素子は、２つの偏光分離面が互いに９０度の角度になした偏光分離素子対であることを特徴とする照明装置。
【請求項１１】
請求項５〜９のいずれか１項に記載の照明装置において、
前記偏光分離素子として、２つの偏光分離面を互いに９０度の角度になした金線格子型偏光分離素子を用いたことを特徴とする照明装置。
【請求項１２】
請求項１記載の照明装置において、
前記位相変調部は、略４５度偏光方向を変換する位相変調素子と、該位相変調素子の光源部側に配置された第１および第２の平面反射部とを有し、該第１および第２の平面反射部と前記位相変調素子は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、
前記偏光分離部は、互いに９０度の角度になした２つの偏光分離面を有し、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子対であり、
前記偏光分離素子対は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積を覆うようにして、前記第１の平面反射部と第２の平面反射部と位相変調素子を間に介して前記光源部の出射前面に配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１３】
請求項１２記載の照明装置において、
前記光源部の光源から発した光束の略半分の光束は、前記第１の平面反射部で反射されて光源部に戻され、他方の略半分の光束と重ね合わせられて出射され、該光源部から出射された光束は前記偏光分離素子対に達して一方の偏光分離面で透過光と反射光に偏光分離され、偏光分離面を透過した偏光成分の光束は照明光として出射し、偏光分離面で反射された偏光成分の光束は前記偏光分離素子対内の他方の偏光分離面で反射されて前記位相変調素子に達し、該位相変調素子を透過して前記第２の平面反射部で反射されて再度位相変調素子を透過し、偏光方向が略９０度回転されて前記偏光分離素子に戻され、前記偏光分離面を透過して照明光として出射されることを特徴とする照明装置。
【請求項１４】
請求項５または６記載の照明装置において、
前記２つの光源部（以下、第１、第２の光源部と言う）に加えて、光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される第３の光源部と、第２の位相変調部を有し、
前記第２の位相変調部は、略４５度偏光方向を変換する位相変調素子と、該位相変調素子の光源部側に配置された第１および第２の平面反射部とを有し、該第１および第２の平面反射部と前記位相変調素子は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、
前記第３の光源部は前記第１、第２の光源部間の光路に直交する方向で前記偏光分離素子に対向する位置に設けられ、該第３の光源部から発する光束は前記偏光分離素子に入射されるように配置され、
前記偏光分離素子は、互いに９０度の角度になした２つの偏光分離面を有し、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子対であり、
前記偏光分離素子対は、前記第３の光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積を覆うようにして、前記第１の平面反射部と第２の平面反射部と位相変調素子を間に介して前記第３の光源部の出射前面に配置されていることを特徴とする照明装置。
【請求項１５】
請求項１４記載の照明装置において、
前記第３の光源部の光源から発した光束の略半分の光束は、前記第１の平面反射部で反射されて第３の光源部に戻され、他方の略半分の光束と重ね合わせられて出射され、該第３の光源部から出射された光束は前記偏光分離素子対に達して一方の偏光分離面で透過光と反射光に偏光分離され、偏光分離面を透過した偏光成分の光束は照明光として前記第１、第２の光源部からの光束と合せて出射し、前記偏光分離面で反射された偏光成分の光束は前記偏光分離素子対内の他方の偏光分離面で反射されて前記位相変調素子に達し、該位相変調素子を透過して前記第２の平面反射部で反射されて再度位相変調素子を透過し、偏光方向が略９０度回転されて前記偏光分離素子対に戻され、前記偏光分離面を透過して照明光として出射されることを特徴とする照明装置。
【請求項１６】
請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の照明装置において、
前記第１および第２の反射部は、同一部材の両面に形成したことを特徴とする照明装置。
【請求項１７】
請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の照明装置において、
前記偏光分離素子対は、２つの偏光分離面を互いに９０度の角度になした、金線格子型偏光分離素子であることを特徴とする照明装置。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の照明装置と、表示画像を形成する画像形成装置と、該画像形成装置で形成された画像を投射して表示するための光学系とを備えたことを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高出力な照明を必要とする投射型表示装置や露光装置の照明系などに応用される照明装置に関し、特に液晶パネルなどの矩形状の被投射体を照明するのに適した照明装置、及びこの照明装置を用いた液晶プロジェクタ等の投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高出力な照明を必要とする投射型表示装置や露光装置の照明系などに応用される照明装置（光源装置）としては、従来より種々のものが提案されている。
例えば特許文献１（特許第２７２０７３０号公報）には、液晶表示パネルと、光源ランプおよびこの光源ランプからの放射光を液晶表示パネルに向けて反射させるリフレクタとからなる光源とを備えた液晶表示装置において、前記光源と液晶表示パネルとの間に、前記光源からの照射光のうちＰ偏光成分の光を透過させ、Ｓ偏光成分の光は前記光源側に反射させる偏光ビームスプリッタを配置するとともに、この偏光ビームスプリッタと前記光源との間に、透過光を旋光させる旋光体を設けたことを特徴とする液晶表示装置が記載されている。
より具体的に述べると、この従来技術では、図１４（公報から転載した図面）に示すように、液晶表示パネル１と、光源ランプ４およびこの光源ランプ４からの放射光を液晶表示パネル１に向けて反射させるリフレクタ５とからなる光源３を備え、液晶表示パネル１との間に、光源３からの照射光のうちＰ偏光成分の光を透過させ、Ｓ偏光成分の光は光源側に反射させる偏光ビームスプリッタ８（８ａ，８ｂ，８ｃ）を配置するとともに、この偏光ビームスプリッタ８と前記光源３との間に、透過光を旋光させる旋光体９を設けた技術が開示されている。また、特許文献１の明細書中には、旋光体９は１／４波長板（１／４λ板）であることが開示されており、１／４λ板９を往復２回通過することにより、偏光が９０度回転されて、偏光ビームスプリッタ８を通過していく。また、この１／４λ板９は光源３の前面を覆っており、光源ランプ４から発してリフレクタ５で反射され、光源３から出射する光束の全てが通過するようになっており、光源３を出射した光束の全てが１／４λ板９と偏光ビームスプリッタ８の両方を通過するようになっている。
【０００３】
次に、特許文献２（特許第３９８６１３６号公報）には、第１および第２の光源ランプと、これら第１および第２の光源ランプからの出射光束の偏光方向を揃えて偏光光束として出射する偏光変換光学系とを有する偏光光源装置が記載されている。
この偏光光源装置では、図１５（公報から転載した図面）に示すように、光源２ｅから発した光束はランプ反射鏡２ｆ（またはランプ反射鏡２ｆと反射板２ｂ）で反射されて射出開口２ｃから出射し、１／４λ板５を通過した後、偏光分離膜７で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。反射光（Ｓ偏光）はコンデンサーレンズ１５に向かい、照明光となる。また、透過光は、もう一対の偏光分離膜８を透過し、１／４λ板６を通過し、もう一つのランプ反射鏡３ｆと反射板３ｂで反射され、再び、ランプ反射鏡３ｆで反射し、再び１／４λ板６を通過して９０度偏光を回転されて偏光分離膜８で反射し、コンデンサーレンズ１５に向かい、照明光として利用される。
【０００４】
【特許文献１】特許第２７２０７３０号公報
【特許文献２】特許第３９８６１３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の従来技術では、１／４λ板９は光源３の前面を覆っているため、光源ランプ４から発してリフレクタ５で反射され、光源３から出射する光束の全てが１／４λ板９を１回通過してから偏光ビームスプリッタ８に入射するようになっており、偏光ビームスプリッタ８を透過する光束も１／４λ板９と偏光ビームスプリッタ８を通過してから照明光として出射するので、１／４λ板９と偏光ビームスプリッタ８の２つの界面を透過して出射することになり、少なからず光の損失がある。また、偏光ビームスプリッタ８で反射される光は、さらに１／４λ板を２回通過して偏光ビームスプリッタ８に再度入射することになる。すなわち、１／４λ板９を３回通過し、偏光ビームスプリッタ８の界面を３回通過することになり、６つの界面を通過するので、偏光変換された光束は界面ロスにより、光量低下を起している。
また、リフレクター５に入射する光線のうち、紙面に水平、あるいは垂直でない角度からの入射光の偏光は回転してしまうので、１／４λ板９による偏光状態が変わらない光線があり、偏光ビームスプリッタ８を透過して得られる直線偏光を得る効率を落とすこともあった。
【０００６】
特許文献２に記載の従来技術では、第１の光源ランプ２の光源２ｅから発した光束はランプ反射鏡２ｆ（またはランプ反射鏡２ｆと反射板２ｂ）で反射されて射出開口２ｃから出射し、１／４λ板５を通過した後、偏光分離膜７で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。従って、第１の光源ランプ２から出射する光束の全てが１度は１／４λ板５と偏光分離膜７を通過するので、偏光分離膜７で反射されて照明光として出射する光束も少なからず光の損失がある（他方側の第２の光源ランプ３から出射した光束も同様）。
また、偏光分離膜７を透過した光束が、他方の光源ランプ３のリフレクタ３ｆを往復し、リフレクタ前面に配置された１／４λ板６を往復２回通過することで偏光を回転している。従って、第１の光源ランプ２から出射され偏光変換される光束は、１／４λ板５を１回，１／４λ板６を２回、リフレクタ３ｆを２回（反射回数は反射板３ｂでの反射を含むと５回）、偏光分離膜７を１回、偏光分離膜８を２回通過してくるので、偏光変換された光束は界面ロスにより、光量低下を起している（他方側の第２の光源ランプ３から出射した光束も同様）。
また、１／４λ板を２回往復して偏光を９０度回転させているが、１／４λ板の往路と復路の間に、リフレクターを２回通過（反射回数は反射板３ｂでの反射を含むと５回）しているので、光量ロスや、偏光の乱れが多少なりとも存在し、照明効率を低下させる要因となっている。
【０００７】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、従来の照明装置に比べて光の損失を低減することで、高い照明効率を有し明るい照明装置を提供すること、その照明装置を用いて明るい表示画像を得ることができる投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するため、本発明では以下のような解決手段を採っている。
本発明の第１の手段は、光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される光源部と、光束の偏光方向を変換する位相変調部と、偏光方向の異なる光束を透過光と反射光に分離する偏光分離部と、を備えた照明装置であって、前記位相変調部は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、前記光源部から発した光束が前記位相変調部と前記偏光分離部の両方を通って照明光として出射される光路と、前記光源部から発した光束が前記位相変調部を通らずに前記偏光分離部のみを通って照明光として出射される光路とを有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の第２の手段は、第１の手段の照明装置において、前記位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子からなり、前記偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子であり、前記光源部から発した光束の略半分は、前記位相変調素子に達してから前記偏光分離素子に達して透過光と反射光に偏光分離され、他方の略半分の光束は前記偏光分離素子に達して透過光と反射光に偏光分離され、前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は照明光として出射し、他方の偏光成分の光束は前記光源部に戻して前記反射光学系により再帰反射した後、照明光として利用することを特徴とする。
また、本発明の第３の手段は、第２の手段の照明装置において、前記偏光分離素子は、２つの偏光分離面が互いに９０度の角度になした偏光分離素子対であることを特徴とする。
さらに本発明の第４の手段は、第２または第３の手段の照明装置において、前記偏光分離素子として、金線格子型偏光分離素子を用いたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の第５の手段は、第１の手段の照明装置において、光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される２つの光源部を有し、２つの光源部は互いに対向して配置されており、前記位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子からなり、一方の光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、前記偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子であり、前記２つの光源部の間に設けられ、該２つの光源部間の全光束の略半分が通過する位置に配置され、前記一方の光源部から発する光束は、前記位相変調素子を通って前記偏光分離素子に達する光束と、前記位相変調素子を通らずに前記偏光分離素子に達する光束とを有するとともに、前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は、照明光として出射し、他方の偏光成分の光束は、前記２つの光源部の反射光学系により再帰反射して照明光として利用することを特徴とする。
また、本発明の第６の手段は、第５の手段の照明装置において、前記２つの光源部の反射光学系は、同種の反射光学系であることを特徴とする。
【００１１】
本発明の第７の手段は、第１の手段の照明装置において、前記光源部に対向する位置に配置された反射光学素子を有し、前記位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子からなり、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、前記偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子であり、前記光源部と前記反射光学素子の間に設けられ、該光源部からの全光束の略半分が通過する位置に配置され、前記光源部から発する光束は、前記位相変調素子を通って前記偏光分離素子に達する光束と、前記位相変調素子を通らずに前記偏光分離素子に達する光束とを有するとともに、前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は、照明光として出射し、他方の偏光成分の光束は、前記反射光学素子と前記光源部の反射光学系により再帰反射して照明光として利用することを特徴とする。
【００１２】
本発明の第８の手段は、第５または第６の手段の照明装置において、前記２つの光源部（以下、第１、第２の光源部と言う）に加えて、光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される第３の光源部と、略９０度偏光方向を変換する第２の位相変調素子を有し、前記第３の光源部は前記第１、第２の光源部間の光路に直交する方向で前記偏光分離素子に対向する位置に設けられ、該第３の光源部から発する光束は前記偏光分離素子に入射されるように配置され、前記第２の位相変調素子は、前記第３の光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように前記偏光分離素子との間に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の第９の手段は、第８の手段の照明装置において、前記第３の光源部から発する光束は、前記第２の位相変調素子を通過してから前記偏光分離素子に達する光束と、前記第２の位相変調素子を通過せずに前記偏光分離素子に達する光束とを有しており、前記偏光分離素子によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は照明光として前記第１、第２の光源部からの光束と合せて出射し、他方の偏光成分の光束は第３の光源部に直接または前記第２の位相変調素子を介して戻し、第３の光源部の反射光学系により再帰反射して照明光として利用することを特徴とする。
【００１３】
本発明の第１０の手段は、第５〜第９のいずれか１つの手段の照明装置において、前記偏光分離素子は、２つの偏光分離面が互いに９０度の角度になした偏光分離素子対であることを特徴とする。
また、本発明の第１１の手段は、第５〜第９のいずれか１つの手段の照明装置において、前記偏光分離素子として、２つの偏光分離面を互いに９０度の角度になした金線格子型偏光分離素子を用いたことを特徴とする。
【００１４】
本発明の第１２の手段は、第１の手段の照明装置において、前記位相変調部は、略４５度偏光方向を変換する位相変調素子と、該位相変調素子の光源部側に配置された第１および第２の平面反射部とを有し、該第１および第２の平面反射部と前記位相変調素子は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、前記偏光分離部は、互いに９０度の角度になした２つの偏光分離面を有し、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子対であり、前記偏光分離素子対は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積を覆うようにして、前記第１の平面反射部と第２の平面反射部と位相変調素子を間に介して前記光源部の出射前面に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の第１３の手段は、第１２の手段の照明装置において、前記光源部の光源から発した光束の略半分の光束は、前記第１の平面反射部で反射されて光源部に戻され、他方の略半分の光束と重ね合わせられて出射され、該光源部から出射された光束は前記偏光分離素子対に達して一方の偏光分離面で透過光と反射光に偏光分離され、偏光分離面を透過した偏光成分の光束は照明光として出射し、偏光分離面で反射された偏光成分の光束は前記偏光分離素子対内の他方の偏光分離面で反射されて前記位相変調素子に達し、該位相変調素子を透過して前記第２の平面反射部で反射されて再度位相変調素子を透過し、偏光方向が略９０度回転されて前記偏光分離素子に戻され、前記偏光分離面を透過して照明光として出射されることを特徴とする。
【００１５】
本発明の第１４の手段は、第５または第６の手段の照明装置において、前記２つの光源部（以下、第１、第２の光源部と言う）に加えて、光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される第３の光源部と、第２の位相変調部を有し、前記第２の位相変調部は、略４５度偏光方向を変換する位相変調素子と、該位相変調素子の光源部側に配置された第１および第２の平面反射部とを有し、該第１および第２の平面反射部と前記位相変調素子は、前記光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、前記第３の光源部は前記第１、第２の光源部間の光路に直交する方向で前記偏光分離素子に対向する位置に設けられ、該第３の光源部から発する光束は前記偏光分離素子に入射されるように配置され、前記偏光分離素子は、互いに９０度の角度になした２つの偏光分離面を有し、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子対であり、前記偏光分離素子対は、前記第３の光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積を覆うようにして、前記第１の平面反射部と第２の平面反射部と位相変調素子を間に介して前記第３の光源部の出射前面に配置されていることを特徴とする。
また、本発明の第１５の手段は、第１４の手段の照明装置において、前記第３の光源部の光源から発した光束の略半分の光束は、前記第１の平面反射部で反射されて第３の光源部に戻され、他方の略半分の光束と重ね合わせられて出射され、該第３の光源部から出射された光束は前記偏光分離素子対に達して一方の偏光分離面で透過光と反射光に偏光分離され、偏光分離面を透過した偏光成分の光束は照明光として前記第１、第２の光源部からの光束と合せて出射し、前記偏光分離面で反射された偏光成分の光束は前記偏光分離素子対内の他方の偏光分離面で反射されて前記位相変調素子に達し、該位相変調素子を透過して前記第２の平面反射部で反射されて再度位相変調素子を透過し、偏光方向が略９０度回転されて前記偏光分離素子対に戻され、前記偏光分離面を透過して照明光として出射されることを特徴とする。
【００１６】
本発明の第１６の手段は、第１２〜第１５のいずれか１つの手段の照明装置において、前記第１および第２の反射部は、同一部材の両面に形成したことを特徴とする。
また、本発明の第１７の手段は、第１２〜第１５のいずれか１つの手段の照明装置において、前記偏光分離素子対は、２つの偏光分離面を互いに９０度の角度になした、金線格子型偏光分離素子であることを特徴とする。
【００１７】
本発明の第１８の手段は、投射型表示装置であって、第１〜第１７のいずれか１つの手段の照明装置と、表示画像を形成する画像形成装置と、該画像形成装置で形成された画像を投射して表示するための光学系とを備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の第１の手段の照明装置では、位相変調部は、光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、光源部から発した光束が位相変調部と偏光分離部の両方を通って照明光として出射される光路と、光源部から発した光束が位相変調部を通らずに偏光分離部のみを通って照明光として出射される光路とを有することにより、簡易な構成で偏光変換を実現し、従来の照明装置に比べて光の損失を低減することで、高い照明効率を有する明るい照明装置を実現することができる。
【００１９】
本発明の第２〜第４、第７の手段の照明装置では、簡易な構成により偏光変換を実現し、偏光方向の揃った直線偏光を有する照明光が得られる、より低コストな照明装置を得ることができる。また、通過界面、反射面の通過回数を従来技術より少なくすることができ、界面での反射、透過の際の光量ロスを抑え、明るく、高い照明効率を有する照明光を得ることができる。
【００２０】
本発明の第５、第６の手段の照明装置では、２つの光源部を用いて２灯合成と偏光変換を両立した照明光学系を実現し、偏光方向の揃ったより明るい照明光を得ることができる照明装置を提供することができる。
また、本発明の第８〜１１の手段の照明装置では、３つの光源部を用いて３灯合成を行い、より明るい照明光を得ることができる照明装置を提供することができる。
【００２１】
本発明の第１２、第１３の手段の照明装置では、簡易な構成により偏光変換を実現し、偏光方向の揃った直線偏光を有する照明光が得られる、より低コストな照明装置を得ることができる。また、通過界面、反射面の通過回数を従来技術より少なくすることができ、界面での反射、透過の際の光量ロスを抑え、明るく、高い照明効率を有する照明光を得ることができる。
また、本発明の第１４、第１５の手段の照明装置では、３つの光源部を用いて３灯合成を行い、より明るい照明光を得ることができる照明装置を提供することができる。
さらに本発明の第１６の手段の照明装置では、第１２〜第１５のいずれか１つの手段の効果に加え、低コスト化を図ることができる。
【００２２】
本発明の第１８の手段の投射型表示装置では、第１〜第１７のいずれか１つの手段の照明装置を用いているので、照明効率が高く、明るい表示画像を得ることができる投射型表示装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明は、光源と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系とで構成される光源部と、光束の偏光方向を変換する位相変調部と、偏光方向の異なる光束を透過光と反射光に分離する偏光分離部とを備えた照明装置であって、位相変調部は、光源部の反射光学系で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、光源部から発した光束が位相変調部と偏光分離部の両方を通って照明光として出射される光路と、光源部から発した光束が位相変調部を通らずに偏光分離部のみを通って照明光として出射される光路とを有する構成である。以下、本発明を図示の実施例に基いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２４】
本発明に係る照明装置の一例として、図１を用いて本発明の基本的な特徴部分について説明する。
図１の照明装置は、光源４と該光源４から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系（例えばリフレクタ）３とで構成される光源部５と、光束の偏光方向を変換する位相変調部（例えば略９０度偏光方向を変換する位相変調素子（１／２λ板に相当））２と、偏光方向の異なる光束を透過光と反射光に分離する偏光分離部（例えば９０度の角度になした２つの偏光分離面１ａ，１ｂを有する偏光分離素子対）１とを備えた構成であり、図１（ｃ）に示すように、位相変調素子２が、反射光学系（リフレクタ）３から発する全光束６の断面積の約半分（６Ａ）を覆う構成になっている点である。
【００２５】
この位相変調素子２が全光束断面積の約半分になることで、光源部５から発する光束は、図１（ａ）に示すように、偏光分離素子対１に達する前に位相変調素子２に達する光束Ａと、図１（ｂ）に示すように、位相変調素子２に達する前に偏光分離素子対１に達する光束Ｂとに分けられる。
すなわち図１（ａ）において、光源４から出射した光束Ａ１は、反射光学系（リフレクタ）３で反射され、反射光束Ａ２は位相変調素子２に達し、位相変調素子２を通過した光束Ａ３は偏光分離素子対１の偏光分離面１ａにより、透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、透過光（Ｐ偏光）Ａ４は照明光として出射し、反射光（Ｓ偏光）Ａ５は他方の偏光分離面１ｂで反射されて光源側に戻る光束Ａ６となり、反射光学系３で反射され、反射光束Ａ７，Ａ８は再び位相変調素子２に達する。そして再度位相変調素子２に達するＳ偏光光束は、位相変調素子（１／２λ板に相当）２を通過して９０度偏光が回転し、Ｐ偏光となり、このＰ偏光の光束Ａ９は偏光分離素子対１の偏光分離面１ａを透過し、透過光（Ｐ偏光）Ａ１０は照明光として出射する。
【００２６】
また、図１（ｂ）において、光源４から出射した光束Ｂ１は、反射光学系（リフレクタ）３で反射され、反射光束Ｂ２は位相変調素子を通過せずに偏光分離素子対１に達し、偏光分離面１ｂにより、透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、透過光（Ｐ偏光）Ｂ３は照明光として出射し、反射光（Ｓ偏光）Ｂ４は、他方の偏光分離面１ａで反射されて光源側に戻る光束Ｂ５となり、位相変調素子２を透過してＰ偏光に変換された後、このＰ偏光の光束Ｂ６は、反射光学系３で反射され、反射光束Ｂ７，Ｂ８は再び偏光分離素子対１に達し、偏光分離面１ｂを透過して、透過光（Ｐ偏光）Ｂ９は照明光として出射する。
【００２７】
本発明に係る照明装置は、図１に示したような構成、動作を有するので、次のような優れた効果が得られる。
（１）反射光学系（リフレクタに相当）から発する光線の大部分は、位相変調素子の通過回数が０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光となり、照明光として得られる光量が多く得られる。また、位相変調素子の表面反射の損失を考慮すると、１割、あるいはそれ以上の向上が見込める。
（２）しかも、有効な照明光は偏光を揃えられているので、特に液晶を利用して光の出射の制御を行うライトバルブの照明光には効率の高い照明光を得ることができる。
（３）従来技術の構成より、位相変調素子の通過回数が減るために、界面ロスが低減することに加え、位相変調素子の光損傷による波長板の機能低下を抑えることができる。
（４）つまり、光量の損失をできるだけなくしつつ、偏光変換の効率も高くなることと、高い信頼性を得ることができる。
【００２８】
このような本発明の照明装置と、前述の特許文献１に記載の従来技術の照明装置との構成の相違点は、従来技術（図１４）では、１／４波長板（９）の光路面積の大きさが、放物面リフレクタ（５）から発する全光束の断面積と同一である点（偏光ビームスプリッタ（８）の光路面積と同一である点）に対して、本発明では、位相変調素子２が、反射光学系（リフレクタに相当）３から発する全光束の断面積の約半分になっている点が異なる。このため、特許文献１に記載の従来技術では、光源ランプ（４）から発してリフレクタ（５）で反射され、光源（３）から出射する光束の全てが１／４波長板（９）を１回通過してから偏光ビームスプリッタ（８）に入射するようになっており、偏光ビームスプリッタ（８）を透過する光束も１／４λ板９と偏光ビームスプリッタ８を通過してから照明光として出射するので、１／４λ板９と偏光ビームスプリッタ８の２つの界面を透過して出射することになり、少なからず光の損失がある。また、偏光ビームスプリッタ（８）で反射される光は、さらに１／４波長板を２回通過して偏光ビームスプリッタに再度入射することになる。すなわち１／４波長板を３回通過し、偏光ビームスプリッタの界面を３回通過することになり、６つの界面を通過するので、偏光変換された光束は界面ロスにより、光量低下を起している。
【００２９】
これに対して、本発明の図１に示した構成の照明装置では、上記のように、位相変調素子２の通過回数が０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光となり、光量損失が少なく、照明光として得られる光量が多くなる。これらの違いにより、上記のような優れた効果を生じます。
【００３０】
［実施例１−１］
次に図１を参照して本実施例の照明装置の具体的な構成を説明する。
図１（ａ），（ｂ）は照明装置の光軸に沿った断面図であり、（ａ）は光源左側の出射光束、（ｃ）は光源右側の出射光束を図示してある。図１（ｃ）は図１（ａ）の上方から見た場合の光源部に対する位相変調素子の配置位置を示す図であり（説明のため偏光分離素子対は図示を省略している）、符号６は光源部から発する全光束の断面、６Ａは位相変調素子側の半分の光束の断面、６Ｂは位相変調素子が無い側の半分の光束の断面である。
本実施例の照明装置の構成は、光源４と該光源から発した光束（Ａ１、Ｂ１など）を一方向に取り出す反射光学系３とで構成される光源部５と、偏光分離素子対１と、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子２とで構成される照明装置であって、位相変調素子２が、反射光学系３から発する全光束の断面６の略半分６Ａだけ覆うように偏光分離素子対１と反射光学系３の間に配置されている。
【００３１】
本実施例の位相変調素子２は、常光線と異常光線とで屈折率が異なり、位相遅延が生じる副屈折を生じさせる材料が用いられる。一般には位相差板といわれている。
常光線と異常光線の屈折率の差や、光の伝播速度の差により、光の振動方向を回転できる。
位相変調素子２としては、いわゆる１／２波長板（１／２λ板）が好適である。１／２λ板は、雲母や、水晶波長板、高分子フィルムで作成されている。
【００３２】
本実施例で使用される光源４は、特に限定されることなく、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。あるいは、ＬＥＤ光源、ＬＤ光源などの光源も特に限定されることなく使用できる。
光源４から発した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系３においては、例えば、回転放物面鏡や、回転楕円鏡などのリフレクタ（反射光学系）などが使用できる。特に回転放物面鏡などを使用する場合は、その焦点位置に光源４を配置すると、ほぼ平行光となって照明光束を得られるという特性がある。
また、回転楕円鏡を使用する場合は、２つの焦点を有することとなるが、第一の焦点位置に光源を配置すると、第二の焦点位置に集光する特性があり、集光レンズなどを用いて、ほぼ平行光束を得ることができる（図示せず）。
【００３３】
本実施例で使用される偏光分離素子１は、図１に示されるように、複数の偏光分離面１ａ、１ｂで構成される事が望ましい。
偏光分離特性が所望の特性を有する範囲であれば、入射光が４５度とならなくてもよい（互いに９０度出なくてもよい）。２回反射することで、照明装置の反射光学系へと戻るような角度で対峙配置される。
【００３４】
さらに正確に再帰反射させることを目的として、特に互いに９０度の反射面をなすような２つの偏光分離面１ａ，１ｂからなることで、より高い効率で戻り光を得ることができる。以下、２つの偏光分離面で構成される偏光分離素子対１として説明する。
偏光分離素子対１の偏光分離部（偏光分離面）１ａ，１ｂは、いわゆる偏光ビームスプリッタを適用できる。偏光ビームスプリッタの機能としては、電界成分が、入射面に平行な振動成分である（Ｐ偏光）と垂直な振動成分である（Ｓ偏光）成分を分離する機能を有している。具体的には三角柱状のプリズムの斜面に、偏光分離膜となる多層膜を形成し、同様な三角柱状のプリズムを張り合わせてキューブ状になしたいわゆる偏光ビームプリズムなどが用いられる。偏光分離膜は、誘電膜を真空プロセスにより成膜して作成されるのが一般的である。
【００３５】
次に図１に示す照明装置の動作を説明する。
ここでは、図１（ａ）に記載した左側の光束（Ａ１〜Ａ１０の光路で示した光束）と、図１（ｂ）に示す右側の光束（Ｂ１〜Ｂ９の光路で示した光束）を代表して光学的な作用動作について説明する。
図１（ａ）において、光源４から発した左側の光束Ａ１は、反射光学系３で反射され位相変調素子２に向かう（Ａ２）。Ａ２はランダムな偏光を有している。位相変調素子２を通過後のＡ３の光束は、依然ランダムな偏光のままであるが、この光束が偏光分離素子対１の偏光分離面１ａに達し、この偏光分離面１ａにより、透過光（Ｐ偏光）Ａ４と反射光（Ｓ偏光）Ａ５に分離される。透過光（Ｐ偏光）Ａ４は照明光として出射され利用される。反射光（Ｓ偏光）Ａ５はもう一方の偏光分離面１ｂに到達する。この反射光Ａ５は、Ｓ偏光となっているので、大部分は偏光分離面１ｂで反射光束Ａ６となり、再び反射光学系３に到達する。そして反射光学系３で反射された光束Ａ７、Ａ８は再び位相変調素子２を通過する。このとき、Ａ８の光束はＳ偏光であるので、位相変調素子２を通過した光束Ａ９はＰ偏光に回転している。この光束Ａ９は再び、偏光分離面１ａに到達するが、Ｐ偏光となっているので大部分が透過光となり、有効な照明光として利用される。
【００３６】
次に、図１（ｂ）において、光源４から発した右側の光束Ｂ１について説明する。光束Ｂ１は反射光学系３により反射されて位相変調素子を介さずに偏光分離素子１の偏光分離面１ｂに向かう光束Ｂ２となる。Ｂ２の光束は無偏光であるが、偏光分離面１ｂで透過光（Ｐ偏光）Ｂ３と、反射光（Ｓ偏光）Ｂ４となる。反射光Ｂ４は、もう一方の偏光分離面１ａで反射し、位相変調素子２に向かい、それを通過したＢ６の光束は、Ｓ偏光からＰ偏光に回転される。Ｐ偏光に変換された光束Ｂ６は反射光学系３で反射され、Ｂ７，Ｂ８を経て、偏光分離面１ｂをＰ偏光のまま通過し、Ｂ９の光束となって照明光として利用される。
【００３７】
前述の特許文献１に記載の従来技術においては、光源から発する全光束が１／４λ板を透過していたが、本実施例では、１／２λを採用する点で異なることと、光源部５の半分の光束が位相変調素子２を通過して偏光分離素子対１に至り、残りの半分は、位相変調素子を介さないで偏光分離素子対１に進む点で大きく異なる。
特許文献１では、おおくて波長板を３回通過する光線が発生するが、本実施では、０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光に変換された照明光となる。つまり、上記のような構成を採用することにより、位相変調素子の通過回数を極力少なくすることが可能となった。
【００３８】
ここで、本実施例の照明装置の効果の定量化を試みる。
説明を簡単にするため、最も損失が大きい位相変調素子の表面反射による光の損失量を見積もってみる。位相変調素子自体の透過率は、反射防止コートなしでは、概略４％の反射（両面で８％）であるので、９２％の透過率を有していると仮定する。また、比較のため偏光分離面のＰ偏光、Ｓ偏光の分離は５０：５０とする。また、反射光学系での損失は割愛する。
光源４からの光束のうち半分の５０％が光束Ａで、これが１回だけ位相変調素子２を通過する（Ａ２、Ａ３の軌跡）ので、５０％×０．９２が偏光分離面１ａに到達する。ここで、透過光と反射光に２分割され、一方は照明光とし、残り半分（５０％×０．９２）／２は、再帰光として位相変調素子２を２回目通過し、Ａ８〜Ａ１０の軌跡をとるので、（５０％×０．９２）／２×０．９２であり、その合計、
５０％×０．９２／２＋（５０％×０．９２）／２×０．９２＝ＩＡ
が左側のＡの光量比である。
【００３９】
Ｂの光量比ＩＢは、光源４からの光束の半分は、位相変調素子を通過しないので、Ｂ３に相当する光量比は５０％／２となる。
残りの５０％−５０％／２＝５０％／２は、一回だけ位相変調素子２を通過するので、５０％／２×０．９２となる。これがＢ９となって照明光となる。
すなわちＢの光量比は、
５０％／２＋５０％／２×０．９２＝ＩＢ
となる
そして、照明光の全光量は、ＩＡとＩＢを合算し、ＩＡ＋ＩＢ＝９２．１６％となる。
【００４０】
対して、特許文献１に記載の従来技術だと、
１００％×０．９２×１／２＋（１００％×０．９２×１／２）×０．９２×０．９２
＝８４．９３％
となり、本実施例の構成の９２．１６％と比べると、明らかに損失が大きいことがわかる。
偏光分離面となる偏光分離膜の特性としては、一般にはＰ偏光透過特性より、Ｓ偏光反射特性のほうが高く、つまり、波長板を通過するのは、Ｓ偏光が多いため、実際上、さらにこの値は開く。すなわち、本実施例においては、従来技術の１．１倍以上の光量アップ効果が期待される。また、後述する２灯の場合、１．７倍程度の光量アップ効果が期待される。
【００４１】
以上の構成、作用により、以下に掲げた優れた効果を奏することができる。
反射射光学系（リフレクタに相当）３から発する光束の大部分は、位相変調素子２の通過回数が０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光となり、照明光として得られる光量が多く得られる。また、位相変調素子の表面反射の損失を考慮すると、１割、あるいはそれ以上の向上が見込める。
しかも、有効な照明光は偏光を揃えられているので、特に液晶を利用して光の出射の制御を行うライトバルブの照明光には効率の高い照明光を得ることができる。
また、従来構成より、位相変調素子の通過回数が減るために、界面ロスが低減することに加え、位相変調素子の光損傷による波長板の機能低下を抑えることができる。つまり、光量の損失をできるだけなくしつつ、偏光変換の効率も高くなることと、高い信頼性を得ることができる。
【００４２】
なお、図１に示した実施例１の構成では、特に偏光分離素子１の偏光分離面１ａ、１ｂの角度が互いに９０度となるようにしたほうがよい。
つまり、図１の構成で、さらに正確に再帰反射させることを目的として、偏光分離素子対１が、互いに９０度の反射面をなすような２つの偏光分離面１ａ、１ｂからなることで、より高い効率で戻り光を得ることができる。つまり光源部５から発する光束の平行度を保ったまま偏光分離素子１の偏光分離面１ａ、１ｂで反射した光束を光源部５の反射光学系３へと戻すことができる。
このような構成にすることで、光源部５から発する光束の平行度を保ったまま光源部５の反射光学系３へと戻すことが可能となるので、偏光分離素子１が多少回転しても、照明光束の平行度は保たれる。したがって、表示装置などに、本照明装置を適用したときに、効率のより照明光学系を構築できる。
また、図示はしないが、偏光分離面１ａで反射して偏光分離素子対１からの出射面１ｃに位相変調素子８を密着させても良い。このような構成を採用することで、界面での光量ロスをより低減することが可能となる。密着とは、偏光分離素子対１の屈折率と位相変調素子２の屈折率に近い屈折率を有するバッファ層を設けることにより実現できる。少なくとも空気の屈折率１の時よりも界面の光量ロスは低減できる。
【００４３】
［実施例１−２］
第１の実施例の別の構成例としては、実施例１−１で説明した偏光分離素子１を、金線格子型偏光分離素子（ワイヤーグリッドタイプの平板偏光分離素子）とするものである。
図２はその一例を示す構成、動作の説明図であり、偏光分離素子１’は金線格子型偏光分離素子（ワイヤーグリッド（ＷＧ）タイプの平板偏光分離素子）である。
作用動作としては、図２に４パターンあり、光源４から発した左側の光束のうち、（ａ１）の１’（ＷＧ）で透過する光束（Ｐ偏光）と、（ａ２）の反射する光束（Ｓ偏光）、光源４から発した右側の光束のうち、（ｂ１）の１’（ＷＧ）で透過する光束（Ｐ偏光）と、（ｂ２）の反射する光束（Ｓ偏光）について説明する。
【００４４】
図２（ａ１）に示すように、光源４から出射した左側の光束Ｃ１は反射光学系３で反射され、位相変調素子２に向かう光束Ｃ２となる。Ｃ２は無偏光であるので、位相変調素子２を通過した光束Ｃ３は無偏光のままである。Ｃ３は、金線格子型偏光分離素子１’（ＷＧ）によって、Ｐ偏光成分が透過光（Ｃ４）として得られる。
図２（ａ２）に示すように、金線格子型偏光分離素子１’（ＷＧ）で反射したＳ偏光の反射光Ｃ５は、再び位相変調素子２を通過し、Ｐ偏光に変換されて（Ｃ６）、再び反射光学系３で反射され、Ｃ７，Ｃ８を経て、金線格子型偏光分離素子１’（ＷＧ）をＰ偏光（Ｃ９）で透過する。
【００４５】
同様に、図２（ｂ１）に示すように、光源４から発した右側の光束Ｄ１は反射光学系３で反射され、金線格子型偏光分離素子１’（ＷＧ）に向かう光束Ｄ２となる。Ｄ２は無偏光であるので、金線格子型偏光分離素子１’（ＷＧ）でＰ偏光成分が透過光Ｄ３、Ｓ偏光成分が反射光Ｄ４となる。反射光Ｄ４は、再び反射光学系３で反射され、Ｄ５，Ｄ６を経て、位相変調素子２を通過してＰ偏光に変換され（Ｄ７）、金線格子型偏光分離素子１’（ＷＧ）を透過する（Ｄ８）。
【００４６】
このように、偏光変換素子が平坦な構造の金線格子型偏光分離素子であっても、偏光方向を揃えた照明光を得ることが可能となる。
これは、誘電体多層膜で形成する偏光ビームスプリッタでは成しえず、ワイヤーグリットタイプの偏光分離素子でしか成し得ない。つまり、偏光分離面の法線方向に対して光束の入射角が０度であっても、所望の偏光分離特性を有しているので、本発明の作用が発揮される。
また、このような構成を採用することで、偏光分離素子として、非常に単純な構成を採用することができる。
【００４７】
図２に示す構成の照明装置では、反射射光学系（リフレクタに相当）３から発する光束の大部分は、位相変調素子２の通過回数が０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光となり照明光として得られる光量が多く得られる。また、位相変調素子２の表面反射の損失を考慮すると、１割、あるいはそれ以上の向上が見込める。
しかも、有効な照明光は偏光を揃えられているので、特に液晶を利用して光の出射の制御を行うライトバルブの照明光として、効率の高い照明光を得ることができる。
従来構成より、位相変調素子の通過回数が減るために、界面ロスが低減することに加え、位相変調素子の光損傷による波長板の機能低下を抑えることができる。つまり、光量の損失をできるだけなくしつつ、偏光変換の効率も高くなることと、高い信頼性を得ることができる。
【００４８】
［実施例１−３］
次に変形実施例として、図３に示すように、微小な偏光分離素子を複数並べた構成の偏光分離部１”も採用することができる。
これは、実施例１−１の偏光分離素子１と同様に、偏光分離面が互いに９０度の角度をなして配置された偏光分離素子を６個並べた構成の偏光分離部１”とし、うち３個分を覆うように、位相変調素子２が配置されている構成である。この３個分は、光源部の反射光学系３からの全光束の概略半分の光束を通過させる大きさである。このような構成で、実施例１−２と同様な効果が得られる。
【実施例２】
【００４９】
次に図４は、本発明の第２の実施例の照明装置の構成、動作の説明図である。
図４に示す照明装置は、光源（４−１，４−２）と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系（３−１，３−２）とで構成される２つの光源部（５−１，５−２）を有し、２つの光源部（５−１，５−２）は互いに対向して配置されており、位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子２からなり、一方の光源部（５−１）の反射光学系（３−１）で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子（１）であり、２つの光源部（５−１，５−２）の間に設けられ、該２つの光源部間の全光束の略半分が通過する位置に配置され、一方の光源部（５−１または５−２）から発する光束は、位相変調素子２を通って偏光分離素子１に達する光束と、位相変調素子２を通らずに偏光分離素子１に達する光束とを有するとともに、偏光分離素子１によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は、照明光として出射し、他方の偏光成分の光束は、２つの光源部（５−１，５−２）の反射光学系により再帰反射して照明光として利用する構成である。
【００５０】
以下、図４（ａ）（ｂ）を用いて本発明の特徴部分について説明する。
図４の照明装置は、光源４−１，４−２と、それぞれの光源から発した光束を一方向に取り出す対応するそれぞれの反射光学系３−１，３−２とで構成される２つの光源部５−１，５−２が対向して配置され、さらに偏光分離素子１と、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子２（１／２λ板に相当）とにより構成されている。
その中でも、特徴となる箇所は、位相変調素子２が、反射光学系３−１、３−２から出る全光束の断面積の約半分の大きさになっていている点である。
この位相変調素子２の大きさが、全光束断面積の約半分になることで、それぞれの光源部５−１，５−２から発する光束は、偏光分離素子１に達する前に位相変調素子２に達する光束（Ｅ）と、位相変調素子２に達する前に、（対向する光源部の反射光学系を介して）偏光分離素子１に達する光束（Ｆ）とに分けられる。
【００５１】
これにより、図４（ａ）に示すように、一方の光源部５−１の光源４−１から右側に出射された光束Ｅは、反射光学系３−１で反射され、位相変調素子２を通過後、偏光分離素子１の偏光分離面１ａにより、透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、反射光（Ｓ偏光）は、有効照明光となり、透過光（Ｐ偏光）は、対向する光源部５−２の反射光学系３−２で反射され、元の光源部５−１の反射光学系３−１を介して、再び位相変調素子２に達する。そして、再度、位相変調素子２に達するＰ偏光光束は、位相変調素子２を通過して９０度偏光が回転し、Ｓ偏光となり、偏光分離素子１の偏光分離面１ａで反射して有効照明光となる。
【００５２】
同様に、図４（ｂ）に示すように、一方の光源部５−１の光源４−１から左側に出射された光束Ｆは、反射光学系３−１で反射され、位相変調素子を通過せずに、対向する光源部５−２の反射光学系３−２を介して、偏光分離素子１に達する。そして、偏光分離素子１の偏光分離面１ｂにより、透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、反射光（Ｓ偏光）は、有効照明光となる。また、透過光（Ｐ偏光）は、位相変調素子２を透過してＳ偏光に変換される。このＳ偏光の光束は、元の光源部５−１の反射光学系３−１で反射され、対向する光源部５−２の反射光学系３−２を介して、再び偏光分離素子１へと向かい、偏光分離面１ｂで反射されて有効照明光となる。
【００５３】
このような構成及び作用により、次のような優れた効果を奏することができる。
（１）反射光学系（リフレクタに相当）から発する光線の大部分は、位相変調素子の通過回数が０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光となり照明光として得られる光量が多く得られる。また、位相変調素子の表面反射の損失を考慮すると、１割、あるいはそれ以上の向上が見込める。
（２）しかも、有効な照明光は偏光を揃えられているので、特に液晶を利用して光の出射の制御を行うライトバルブの照明光として、効率の高い照明光を得ることができる。
（３）従来構成より、位相変調素子の通過回数が減るために、界面ロスが低減することに加え、位相変調素子の光損傷による波長板の機能低下を抑えることができる。
（４）つまり、光量の損失をできるだけなくしつつ、偏光変換の効率も高くなることと、高い信頼性を得ることができる。
【００５４】
なお、２つの光源部を用いた従来の照明装置としては、前述の特許文献２に記載の従来技術がある。
本実施例の構成の照明装置との相違点は、特許文献２に記載の従来技術（図１５）では、第１の光源ランプ（２）から出射する光束の全てが１度は１／４λ板（５）と偏光分離膜（７）を通過するので、偏光分離膜（７）で反射されて照明光として出射する光束も少なからず光の損失がある（他方側の第２の光源ランプ（３）から出射した光束も同様）。
また、偏光分離膜（７）を透過した光束が、他方の光源ランプ（３）のリフレクタ（３ｆ）を往復し、リフレクタ前面に配置された１／４λ板（６）を往復２回通過することで偏光を回転している。従って、第１の光源ランプ（２）から出射され偏光変換される光束は、１／４λ板（５）を１回，１／４λ板（６）を２回、リフレクタ（３ｆ）を２回（反射回数は反射板（３ｂ）での反射を含むと５回）、偏光分離膜（７）を１回、偏光分離膜（８）を２回通過してくるので、偏光変換された光束は界面ロスにより、光量低下を起している（他方側の第２の光源ランプ（３）から出射した光束も同様）。
また、１／４λ板を２回往復して偏光を９０度回転させているが、１／４λ板の往路と復路の間に、リフレクターを２回通過（反射回数は反射板（３ｂ）での反射を含むと５回）しているので、光量ロスや、偏光の乱れが多少なりとも存在し、照明効率を低下させる要因となっている。
【００５５】
これに対して、図４に示す本実施例の照明装置では、位相変調素子２を１／２λ板で構成しているため、一度の通過で偏光を９０度回転できる。
また、従来技術の構成（図１５）では、反射光学系（リフレクタ（２ｆ）と反射板（２ｂ）など）を介して光源部から出射される光束は、リフレクタ（２ｆ）の開口径の約半分の大きさの開口部（２ｃ）から出射されるので、１／４λ板はこの光束幅と同じ幅となっているが、本実施例では、位相変調素子２は、反射光学系３から発する全光束の断面の約半分の大きさにしている点も異なる。
また、従来技術では、２つの光源ランプ部の開口部にそれぞれ１／４λ板を配置するとともに、光源ランプ部内にリフレクタとは別の反射板（２ｂ、３ｂ）をそれぞれ配置しているため、反射面や透過する界面数が多く、かなりの光量ロスが生じますが、本実施例では、位相変調素子２は１枚のみであり、光源部内には、リフレクタに相当する反射光学系とは別の反射板を用いていない。また、従来技術では、光源部から出射される全光束の断面積がリフレクタの開口径の約半分になっているために、エネルギー密度が上がり、この光束の全てが１／４λ板を通過するので、波長板の損傷を与えやすい構成だが、本実施例では、上述したように、位相変調素子２を反射光学系３から発する全光束の断面積の半分の大きさにしているため、波長板に損傷を与えにくい構成となっている。
【００５６】
［実施例２−１］
次に図４を参照して本実施例の照明装置のさらに具体的な構成を説明する。
図４に示す構成の照明装置は、光源４−１，４−２と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系３−１，３−２とで構成される２つの光源部５−１，５−２を有し、２つの光源部５−１，５−２は互いに対向して配置されており、位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子２からなり、一方の光源部５−１の反射光学系３−１で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子１であり、２つの光源部５−１，５−２の間に設けられ、該２つの光源部間の全光束の略半分が通過する位置に配置され、一方の光源部５−１（または５−２）から発する光束は、位相変調素子２を通って偏光分離素子１に達する光束と、位相変調素子２を通らずに偏光分離素子１に達する光束とを有するとともに、偏光分離素子１によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は、照明光として出射し、他方の偏光成分の光束は、２つの光源部５−１，５−２の反射光学系により再帰反射して照明光として利用する構成である。
【００５７】
本実施例で使用される光源４−１，４−２は、特に限定されることはなく、ハロゲンランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ、超高圧水銀ランプなどが用いられる。あるいは、ＬＥＤ光源、ＬＤ光源などの光源も特に限定されることなく使用できる。
光源部５−１，５−２の光源４−１，４−２から発した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系３−１，３−２としては、例えば、回転放物面鏡や、回転楕円鏡などのリフレクタ（反射光学系）などが使用できる。特に回転放物面鏡などを使用する場合は、その焦点位置に光源４を配置すると、ほぼ平行光となって照明光束を得られる特性がある。
また、反射光学系３−１，３−２に回転楕円鏡を使用する場合、２つの焦点を有することとなるが、第一の焦点位置に光源を配置すると、第二の焦点位置に集光する特性があり、集光レンズなどを用いて、ほぼ平行光束を得ることができる（図示せず）。
さらに、光源４−１，４−２と反射光学系３−１，３−２とからなる光源部５−１，５−２は互いに、出射光が向き合う形に対向して配置されている。そして、互いの反射光学系（例えば３−１）から発する光束が、対向する反射光学系（例えば３−２）へと向かうように配置されている。なお、２つの光源部５−１，５−２は、出射光束の光軸が一致するように配置するのが望ましい。
【００５８】
本実施例で使用される偏光分離素子１は、図４に示されるように、２つの偏光分離面１ａ，１ｂで構成され、この２つの偏光分離面が互いに略９０度の角度をなした偏光分離素子対で構成される事が望ましい。
また、偏光分離特性が所望の特性を有する範囲であれば、入射光が４５度とならなくてもよい（互いに９０度でなくてもよい）。
すなわち、偏光分離面１ａ，１ｂで２回反射することで、照明装置の反射光学系へと戻るような角度で配置されていればよい。
さらに正確に、再帰反射させることを目的として、特に互いに９０度の反射面をなすような２つの偏光分離面１ａ，１ｂからなることで、より高い効率で戻り光を得ることができる。以下、２つの偏光分離面で構成される偏光分離素子１として説明する。
【００５９】
偏光分離素子対１の各偏光分離部（偏光分離面）１ａ，１ｂには、いわゆる偏光ビームスプリッタを適用できる。偏光ビームスプリッタの機能としては、電界成分が、入射面に平行な振動成分である（Ｐ偏光）と垂直な振動成分である（Ｓ偏光）成分を分離する機能を有している。具体的には、三角柱状のプリズムの斜面に多層膜を形成し、同様な三角柱状のプリズムを張り合わせてキューブ状になしたいわゆる偏光ビームプリズムなどが用いられる。偏光分離膜は、誘電体膜を真空プロセスにより成膜して作成されるのが一般的である。
【００６０】
本実施例の位相変調素子２は、常光線と異常光線とで屈折率が異なり、位相遅延が生じる副屈折材料が用いられる。一般には位相差板といわれている。
常光線と異常光線の屈折率の差や、光の伝播速度の差により、光の振動方向を回転できる。
位相変調素子２としては、いわゆる１／２λ板が好適である。１／２λ板は、雲母や、水晶波長板、高分子フィルムで作成されている。
位相変調素子２の位置は、偏光分離素子１の入射面近傍に配置され、図４（ａ）においては、光源部５−１の出射開口５０１１と偏光分離素子対１との間に設けられ、光源部５−１の出射開口５０１１から発する全光束の断面積の略半分２０１１を覆うような配置が望ましい。なお、位相変調素子２の位置は、光源部５−１の出射開口５０１１から発する光束の断面の略半分を覆うように配置されるとよいので、Ｆ２（またはＦ３）の光路中にあってもよい。
【００６１】
次に、図４（ａ）に示す光源部５−１の光源４−１から出る右側の光束（Ｅ１〜Ｅ７、Ｅout1，Ｅout2の光路で示した光束）と、図４（ｂ）に示す光源部５−１の光源４−１から出でる左側の光束（Ｆ１〜Ｆ７、Ｆout1，Ｆout2の光路で示した光束）を代表して光学的な作用動作について説明する。
光源４−１から発した右側の光束Ｅ１は、反射光学系３−１で反射され位相変調素子２に向かう（Ｅ２）。この位相変調素子２に向かう光束Ｅ２は無偏光な光である。位相変調素子２を通過後のＥ３の光束は、依然無偏光のままであるが、この光束が偏光分離素子対１の偏光分離面１ａに達し、この偏光分離面１ａにより、透過光（Ｐ偏光）Ｅ４と反射光（Ｓ偏光）Ｅout１に分離される。反射光（Ｓ偏光）Ｅout1は照明光として利用される。Ｅ４は、もう一方の光源部５−２の反射光学系３−２で反射し、Ｅ５となって出射する。Ｅ５の光束は、偏光分離素子１の背後を通過し、光源部５−１の開口５０１１に達し、反射光学系３−１で反射し、元の光源４−１近傍を通過して、再び開口部５０１１から出射される（Ｅ６）。この光束Ｅ６は、偏光分離素子対１の偏光分離面１ａ，１ｂを通過してきているためにＰ偏光となっているが、位相変調素子２を再度通過することで、Ｓ偏光となる（Ｅ７）。このＳ偏光に変換された光束Ｅ７は、偏光分離面１ａで反射し、照明光Ｅout2となる。このＥout2は、Ｅout1とともにＳ偏光の照明光として利用できる。
【００６２】
次に、光源４−１から発した左側の光束Ｆ１について説明する。
光源４−１から発した左側の光束Ｆ１は反射光学系３−１により反射され、反射された光束Ｆ２は、対向する光源部５−２の反射光学系３−２へと向かう。反射光学系３−２で反射した光束Ｆ３は、位相変調素子を介さずに、偏光分離素子対１に向かい、偏光分離面１ｂに達する。偏光分離面１ｂに達した光束Ｆ３は無偏光であるが、偏光分離面１ｂで透過光（Ｐ偏光）Ｆ４と、反射光Ｆout1（Ｓ偏光）となる。偏光分離面１ｂを透過した透過光（Ｐ偏光）Ｆ４は、もう一方の偏光分離面１ａを透過し、位相変調素子２を通過する（Ｆ５）。位相変調素子２を通過した光束Ｆ５は、Ｐ偏光からＳ偏光に変換され、再び反射光学系３−１で反射され（Ｆ６）、偏光分離素子対１の背後を通過して、対向する光源部５−２の反射光学系３−２で反射される（Ｆ７）。この反射された光束Ｆ７はＳ偏光であるので、偏光分離面１ｂで反射され、照明光Ｆout2となる。このＦout2は、Ｆout1とともにＳ偏光の照明光として利用できる。
【００６３】
次に、光源部５−２の光源４−２から発した光束の場合は図示を省略しているが、光源４−２から右側に発した光束は反射光学系３−２で反射されて偏光分離素子対１に向かい、偏光分離面１ｂに達する。偏光分離面１ｂに達した光束は無偏光であるが、偏光分離面１ｂで透過光（Ｐ偏光）と、反射光（Ｓ偏光）となる。偏光分離面１ｂを透過した透過光（Ｐ偏光）は、もう一方の偏光分離面１ａを透過し、位相変調素子２を通過する。位相変調素子２を通過した光束は、Ｐ偏光からＳ偏光に変換され、反射光学系３−１で反射され、偏光分離素子対１の背後を通過して、光源部５−２の反射光学系３−２で反射される。この反射された光束はＳ偏光であるので、偏光分離面１ｂで反射され、照明光となる。また、光源４−２から左側に発した光束は反射光学系３−２により反射され、対向する光源部５−１の反射光学系３−１へと向かい、反射光学系３−１で反射されて位相変調素子２に向かう。この光束は無偏光な光であり、位相変調素子２を通過後の光束は依然無偏光のままであるが、この光束が偏光分離素子対１の偏光分離面１ａに達し、この偏光分離面１ａにより、透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。反射光（Ｓ偏光）は照明光として利用される。透過光（Ｐ偏光）はもう一方の偏光分離面１ｂを透過し、光源部５−２の反射光学系３−２で反射される。反射された光束は、偏光分離素子１の背後を通過し、光源部５−１の反射光学系３−１で反射されて位相変調素子２に向かう。そして位相変調素子２を再度通過することで、Ｓ偏光となり、このＳ偏光に変換された光束は、偏光分離面１ａで反射し、照明光となる。
【００６４】
なお、変形実施例として、位相変調素子２は、図５に示すように、光源部５−２の側に配置してもよく、この場合には動作は図４と同様である。また、図６に示すように、光源４−１から発して反射光学系３−１を介して出射される光束の光路のうち、偏光分離素子１を配置した光路側とは逆の光路側の位置に位相変調素子２を配置してもよく、この場合にも、図４と同様の照明光が得られる。
【００６５】
前述したように、特許文献２に記載の従来技術においては、２つの光源部のそれぞれに１／４λ板を配置しており、２つの光源部から発する全光束が１／４λ板を通過していたが、本実施例では、１／２λに相当する９０度回転する位相変調素子２を１つのみ用いるので、構成が全く相違している。また、光源部からの全光束のうち、半分の光束が位相変調素子２を通過して偏光分離素子対１に至り、残りの半分は、位相変調素子を介さないで偏光分離素子対１に達する点で大きく異なる。すなわち、特許文献２に記載の従来技術では、全部の光束が１／４λ板を通過してから偏光分離部に達するので、多くて１／４λ板を３回通過する光束が発生するが、本実施例では、０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光に変換された照明光となる。
つまり、上記のような実施例の構成を採用することにより、位相変調素子の通過回数を極力少なくすることが可能となり、照明光の光量損失を抑えることができる。
【００６６】
ここで、効果の定量化を試みる。説明を簡単にするため、最も損失が大きい位相変調素子２の表面反射による光の損失量を見積ってみる。
位相変調素子自体の透過率は、反射防止コートなしでは、概略４％の反射（両面で８％）であるので、つまり９２％の透過率を有していると仮定する。 また、比較のため偏光分離面のＰ偏光、Ｓ偏光の分離は５０：５０とする。また、反射光学系での損失は割愛する。
図４において、光源からの光束のうち半分の５０％が光束Ｅで、これが１回だけ位相変調素子２を（Ｅ２→Ｅ３）通過するので、５０％×０．９２が偏光分離素子対１に到達する。ここで、２分割され、一方は照明光とし、残り半分（５０％×０．９２）／２は、反射光学系３−２、３−１を介して、位相変調素子２を２回目通過する（Ｅ６→Ｅ７）。このときは、（５０％×０．９２）／２×０．９２となり、Ｅout1とＥout2の合計は、
５０％×０．９２／２＋（５０％×０．９２）／２×０．９２＝ＩＥ
となり、これが、右側のＥの光量比である。
【００６７】
Ｆの光量比ＩＦは、位相変調素子２を通過せず、偏光分離面１ｂに達するので、Ｆout1に相当する光量比は５０％／２となる。
残りの５０％−５０％／２＝５０％／２は、一回だけ（Ｆ４→Ｆ５）位相変調素子２を通過するので、５０％／２×０．９２となる。これがＦ５、Ｆ６，Ｆ７となって偏光分離面１ｂで反射し、照明光（Ｆout2）となる。
すなわちＦ側の光量比は、
５０％／２＋５０％／２×０．９２＝ＩＦ
となる。
全光量はＩＥとＩＦを合算し、ＩＥ＋ＩＦ＝９２．１６％となる。
【００６８】
これに対して従来技術だと、
１００％×０．９２×１／２＋（１００％×０．９２×１／２）×０．９２×０．９２
＝８４．９３％
となり、本実施例の構成の９２．１６％と比べると、明らかに損失が大きいことがわかる。偏光分離素子の特性としては、一般にはＰ偏光透過特性よりＳ偏光反射特性が高く、つまり、波長板を通過するのは、Ｓ偏光が多いため、実際上、さらにこの値は開く。すなわち、本実施例においては、従来技術の１．１倍以上の光量アップ効果が期待される。
【００６９】
以上の本実施例の構成、動作、作用により、以下に掲げた優れた効果を奏することができる。
（１）光学系（リフレクタに相当）から発する光線の大部分は、位相変調素子の通過回数が０回あるいは１回、多くても２回の通過だけで、直線偏光となり照明光として得られる光量が多く得られる。また、位相変調素子の表面反射の損失を考慮すると、１割、あるいはそれ以上の向上が見込める。
（２）しかも、有効な照明光は偏光を揃えられているので、特に液晶を利用して光の出射の制御を行うライトバルブの照明光として、効率の高い照明光を得ることができる。
（３）従来構成より、位相変調素子の通過回数が減るために、界面ロスが低減することに加え、位相変調素子の光損傷による波長板の機能低下を抑えることができる。
（４）つまり、光量の損失をできるだけなくしつつ、偏光変換の効率も高くなることと、高い信頼性を得ることができる。
（５）また、２つの光源部を有しているので、より明るい照明装置を実現できる。
【実施例３】
【００７０】
図７は本発明の第３の実施例を示す照明装置の構成、動作の説明図である。。
本実施例では、図７に示すように、光源部５に対向する位置に配置された反射光学素子３−３を有し、位相変調部は、略９０度偏光方向を変換する位相変調素子２からなり、光源部５の反射光学系３で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、偏光分離部は、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子１であり、光源部５と反射光学素子３−３の間に設けられ、該光源部５からの全光束の略半分が通過する位置に配置され、光源部５から発する光束は、位相変調素子２を通って偏光分離素子１に達する光束と、位相変調素子２を通らずに偏光分離素子１に達する光束とを有するとともに、偏光分離素子１によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は、照明光として出射し、他方の偏光成分の光束は、反射光学素子３−３と光源部５の反射光学系３により再帰反射して照明光として利用する構成である。
【００７１】
より具体的に説明すると、光源部５の光源４から発した光は反射光学系３でほぼ平行光になり、光源部５の開口５００１からほぼ平行光となって出射される。この開口５００１の半分を覆うように、位相変調素子２が配置されており、その位相変調素子２の有効開口は２００１のようになっている。
また、光源部５に対向して、反射面３−３ａ、３−３ｂからなる反射光学素子３−３が配置されている。この反射光学素子３−３の反射面３−３ａ、３−３ｂは、互いに９０度の角度をなす関係であることが最も好適である。９０度の関係を保つことで、入射光と同じ方向に光束を反射するようになり、光源部５を構成している反射光学系３に効率よく光束を反射させることができる。
【００７２】
光学的な動作、作用は、図４に示した実施例２の動作や作用と略同様であり、図４の光源部５−２の反射光学系３−２を上記の反射光学素子３−３に置き換え、光源４−２は無い構成とすれば、図７の構成となる。
【００７３】
さらに、別の変形実施例として、図示しないが、図４の構成において一方の光源を無いものとし、単一の光源にしてもよい。すなわち、図４の構成において、光源部５−２を構成している光源４−２を無くして、反射光学系３−２だけを反射光学素子として使った構成としてもよい。
【実施例４】
【００７４】
図８は本発明の第４の実施例を示す照明装置の構成、動作の説明図である。
この照明装置は、実施例２の図４の照明装置と同様の構成の、２つの光源部（以下、第１、第２の光源部と言う）５−１，５−２と、位相変調素子２−１と、偏光分離素子１からなる構成部に加えて、光源４−３と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系３−３とで構成される第３の光源部５−３と、略９０度偏光方向を変換する第２の位相変調素子２−２を有し、第３の光源部５−３は第１、第２の光源部間の光路に直交する方向で偏光分離素子１に対向する位置に設けられ、該第３の光源部５−３から発する光束は偏光分離素子１に入射されるように配置され、第２の位相変調素子２−２は、第３の光源部５−３の反射光学系３−３で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように偏光分離素子１との間に配置されている構成である。
【００７５】
この図８に示す構成の照明装置では、実施例２の図４と同様の構成部分の動作、作用は、前述した通りであるので、ここでは、第３の光源部５−３と、第２の位相変調素子２−１の動作、作用を説明する。
第３の光源部５−３から発する光束は、第２の位相変調素子２−２を通過してから偏光分離素子１に達する光束と、第２の位相変調素子２−２を通過せずに偏光分離素子１に達する光束とを有しており、偏光分離素子１によって偏光分離された光束のうち、一方の偏光成分の光束は照明光として第１、第２の光源部５−１，５−２からの光束と合せて出射し、他方の偏光成分の光束は第３の光源部５−３に直接または第２の位相変調素子２−２を介して戻し、第３の光源部５−３の反射光学系３−３により再帰反射して照明光として利用する。
【００７６】
より具体的に説明すると、図８に示す構成の照明装置は、実施例２の図４と同様の構成の照明装置に、実施例１の図１と同様の構成の照明装置を、偏光分離素子１を共通に用いて組合わせた構成である。従って、第３の光源部５−３に関しては、その照明光が得られる動作としては、実施例１の動作と同じである。
一方、第１の光源部５−１と第２の光源部５−２に関しては、実施例２の図４と構成、動作が同じである。
従って、第１、第２の光源部５−１，５−２から得られる照明光はＳ偏光であり、第３の光源部５−３から得られる照明光はＰ偏光であり、３灯が合成されて照明光となる。なお、光源５−２を省略して２灯対応にすることも可能である。
【００７７】
本実施例では、位相変調素子と偏光分離素子対の側面に光源部を配置することにより、簡単に２灯、あるいは３灯の合成が可能となる。従って、より明るい照明装置を得ることができる。
なお、図８の構成では、Ｐ偏光とＳ偏光が合成された照明光となるので、偏光方向を揃えて出射するには、照明光の出射側にさらに偏光変換素子等を配置した構成となる。
【実施例５】
【００７８】
図９は本発明の第５の実施例を示す照明装置の構成、動作の説明図である。
この照明装置では、位相変調部は、略４５度偏光方向を変換する位相変調素子８と、該位相変調素子８の光源部側に配置された第１および第２の平面反射部Ｍ１，Ｍ２とを有し、第１および第２の平面反射部Ｍ１，Ｍ２と位相変調素子８は、光源部５の反射光学系３で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、偏光分離部は、互いに９０度の角度になした２つの偏光分離面１ａ，１ｂを有し、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子対１であり、偏光分離素子対１は、光源部５の反射光学系３で反射された全光束の断面積を覆うようにして、第１の平面反射部Ｍ１と第２の平面反射部Ｍ２と位相変調素子８を間に介して光源部５の出射前面に配置されている構成である。
【００７９】
図９に示す構成の照明装置では、光源部５の光源４から発した光束の略半分の光束は、第１の平面反射部Ｍ１で反射されて光源部に戻され、他方の略半分の光束と重ね合わせられて出射され、該光源部５から出射された光束は偏光分離素子対１に達して一方の偏光分離面１ｂで透過光と反射光に偏光分離され、偏光分離面を透過した偏光成分の光束は照明光として出射し、偏光分離面で反射された偏光成分の光束は偏光分離素子対内の他方の偏光分離面１ａで反射されて位相変調素子８に達し、該位相変調素子８を透過して第２の平面反射部Ｍ２で反射されて再度位相変調素子８を透過し、偏光方向が略９０度回転されて偏光分離素子対１に戻され、偏光分離面１ａを透過して照明光として出射される。
【００８０】
より詳しく述べると、この照明装置は、図１に示した構成の照明装置の位相変調素子（例えば１／２波長板）１に代えて別の構成の位相変調素子（例えば１／４波長板）８を配置し、この位相変調素子（１／４波長板）８よりも光源部側に第１および第２の平面反射部Ｍ１，Ｍ２を配置したものである。
このため、図９において、光源４から発した上側の光束Ｅは、反射光学系（回転放物面鏡など）３で反射されほぼ平行光となって第１の平面反射部１に達する。そして第１の平面反射部Ｍ１で反射され、同一光路を戻り、反射光学系３で再度反射されて光源部より出射し、偏光分離素子対１に入射する。偏光分離素子対１は、２つの偏光分離素子の偏光分離面１ａ，１ｂが互いに９０度を成す角度に配置された構成であり、光源部５から出射される光束の前面に配置される。
【００８１】
図中の第１の平面反射部Ｍ１で反射された光束Ｅと、第１の平面反射部Ｍ１で反射されないで光源部５から出た光束Ｊは、共に偏光分離素子対１の、偏光分離面１ｂに達し、偏光分離面１ｂで透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に偏光分離され、偏光分離面１ｂを透過した偏光成分の光束（Ｐ偏光）は照明光として出射する。
また、反射光（Ｓ偏光）はもう一方の偏光分離面１ａによって反射され、光源部５と偏光分離素子対１の間に配置した位相変調素子（１／４λ板）８を通過し、第２の平面反射部Ｍ２で折り返されて再び位相変調素子（１／４λ板）８を通過し（位相変調素子（１／４λ板）の往復の通過で、偏光方向が９０度回転される）、Ｐ偏光に変換されて、偏光分離面１ａを透過し、照明光として出射する。
【００８２】
本実施例の照明装置では、光源部５の光束幅を変えることなく、偏光変換が行うことが可能となる。特に、偏光分離素子対１で偏光分離された直後に、位相変調素子（１／４λ板）８を往復通過させることにより、偏光方向を正しく９０度回転することができるようになり、偏光変換が非常に高い効率で行えることができるようになる。
【００８３】
次に、図１０は本実施例の別の構成例を示しており、第１および第２の平面反射部Ｍ１，Ｍ２を、同一部材の両面に形成した構成としたものである。
すなわち、図１０に示す例では、図９に示した第１の平面反射部Ｍ１と第２の平面反射部Ｍ２とを、同一部材の両面に形成したものであり、具体的には、金属平板の両面を鏡面加工した構成でもよいし、ガラス基板の両面に金属反射膜を形成した構成でもよい。
このような構成とすることにより、部品点数が削減でき、コストパフォーマンスが向上する。また、位置合わせの手間が削減され、調整コストが削減できる。
なお、図示はしないが、偏光分離面１ａで反射した光束の偏光分離素子対１からの出射面１Ｄに位相変調素子８を密着させても良い。このような構成を採用することで、界面での光量ロスをより低減することが可能となる。
また、位相変調素子８の出射面８ａと第２の平面反射部Ｍ２を密着させても良い。このような構成を採用することで、先述と同様、位相変調素子８の出射面８ａでの界面での光量ロスを低減することが可能となる。
さらにまた、位相変調素子８の出射面８ａに高反射部材を形成することで、第２の平面反射部Ｍ２の機能を設けてもよい。
前記高反射部材としては、金属反射膜が好適である。具体的にはアルミニウム（Ａｌ）や、銀（Ａｇ）などの高反射部材であり、真空蒸着技術などの既存の技術によって作成できる。
また、このように形成された金属反射膜は、同時に第１の平面反射部Ｍ１の機能を形成可能となる。偏光分離素子対１からの出射面１Ｄに位相変調素子８、高反射部材を一体的に構成することにより、さらに界面での光量ロスを極限まで低減でき、高高率な照明系が実現する。位相変調素子８は、いわゆる位相差板が好適であるが、１／２波長板の機能を有しているものであればいずれでもよく、位相差を有したフィルム状の１／２λ板、雲母、また構造複屈折により１／２λ作用を持たせてもよい。
【００８４】
次に、図１１は本実施例のさらに別の構成例を示しており、図１０の偏光分離素子対１を、２つの偏光分離面１ａ１，１ｂ１を互いに９０度の角度になした、金線格子型偏光分離素子対１１に代えた構成としたものである。
特に、偏光分離素子として、角度依存性が非常に小さい金線格子型偏光分離素子（ワイヤーグリッド型の偏光分離素子）を使うことにより、格段の偏光分離特性を得ることができ、明るい照明装置を得ることができる。
【実施例６】
【００８５】
図１２は本発明の第６の実施例を示す照明装置の構成、動作の説明図である。
この照明装置は、実施例２の図４の照明装置と同様の構成の、２つの光源部（以下、第１、第２の光源部と言う）５−１，５−２と、位相変調素子２と、偏光分離素子１からなる構成部に加えて、光源４−３と該光源から出射した光束を反射して一方向に取り出す反射光学系３−３とで構成される第３の光源部５−３と、第２の位相変調部（８、Ｍ３）を有し、第２の位相変調部は、略４５度偏光方向を変換する位相変調素子８と、該位相変調素子８の光源部側に配置され、第１および第２の平面反射部を両面に設けた反射部材Ｍ３とを有し、該反射部材（第１および第２の平面反射部）Ｍ３と位相変調素子８は、第３の光源部５−３の反射光学系３−３で反射された全光束の断面積の略半分を覆うように配置されており、第３の光源部５−３は、第１、第２の光源部間の光路に直交する方向で偏光分離素子１に対向する位置に設けられ、該第３の光源部５−３から発する光束は偏光分離素子１に入射されるように配置され、偏光分離素子１は、互いに９０度の角度になした２つの偏光分離面１ａ，１ｂを有し、偏光方向が互いに直交する２つの偏光を透過光と反射光に分離する偏光分離素子対であり、該偏光分離素子対１は、第３の光源部５−３の反射光学系３−３で反射された全光束の断面積を覆うようにして、反射部材（第１の平面反射部と第２の平面反射部）Ｍ３と位相変調素子８を間に介して第３の光源部５−３の出射前面に配置されている構成としたものである。
【００８６】
この図１２に示す構成の照明装置は、実施例２の図４の照明装置の構成と、実施例５の図１０の照明装置の構成とを、偏光分離素子対１を共用して組合わせた構成であり、第３の光源部５−３の光源４−３から発した光束の略半分の光束は、反射部材Ｍ３の第１の平面反射部で反射されて第３の光源部に戻され、他方の略半分の光束と重ね合わせられて出射され、該第３の光源部から出射された光束は偏光分離素子対１に達して一方の偏光分離面で透過光と反射光に偏光分離され、偏光分離面を透過した偏光成分の光束は照明光として第１、第２の光源部５−１，５−２からの光束と合せて出射し、偏光分離面で反射された偏光成分の光束は偏光分離素子対内の他方の偏光分離面で反射されて位相変調素子８に達し、該位相変調素子８を透過して反射部材Ｍ３の第２の平面反射部で反射されて再度位相変調素子８を透過し、偏光方向が略９０度回転されて偏光分離素子対１に戻され、偏光分離面を透過して照明光として出射される。
【００８７】
以上のように、本実施例の照明装置は、実施例２の図４の照明装置の構成と、実施例５の図１０の照明装置の構成とを、偏光分離素子部１を共通にして組合わせた構成であり、このような構成を採用することで、３灯（または２灯）の合成光学系を非常に簡易に組むことができる。しかも、光束幅を光源部の開口より大きくすること無く実現することができ、非常に明るい照明装置を実現できるとともに、照明効率の高い照明装置を得ることができる。
【実施例７】
【００８８】
図１３は本発明の第７の実施例を示す投射型表示装置の構成、動作の説明図である。
この投射型表示装置１００は、実施例１〜６のいずれかで説明した構成の照明装置と、表示画像を形成する画像形成装置と、該画像形成装置で形成された画像を投射して表示するための光学系とを備えている。
ここで、図１３は、図１２に示した構成の３灯の光源部５−１，５−２，５−３を有する照明装置を用いた投射型表示装置の構成例であり、この照明装置１０１からの照明光を照明光学系１０７を介して画像形成装置であるライトバルブ１０８に照明し、ライトバルブ上に形成される画像情報を投射光学系１０９により図示しないスクリーン等に投射表示する構成である。
【００８９】
より詳しく述べると、図１３において、図１２に示した構成の照明装置１０１の互いに対向している第１、第２の光源部（５−１，５−２））からはＳ偏光が得られるが、水平配置の第３の光源部５−３からはＰ偏光の照明光が得られている。したがって、３つの光源部からの光束は合成後、照明光学系１０７へと達する。図１３では、照明光学系１０７は、第一フライアイレンズ１０２、第二フライアイレンズ１０３、偏光変換素子１０４、メインコンデンサレンズ１０５、コンデンサレンズ１０６などから構成されており、フライアイレンズ１０２，１０３により照明光束を分割し、偏光変換素子１０４、メインコンデンサレンズ１０５、コンデンサレンズ１０６を介して重畳してライトバルブ１０８上に均一化照明を行なう、いわゆるインテグレータ光学系の実施例を図示している。
【００９０】
ライトバルブ１０８への照明光学系１０７としては、上述したインテグレータ光学系に限ったのものではない。図示はしないが、集光して角柱の内面反射を利用したいわゆるロッドインテグレータ光学系を採用しても良い。もちろん、装置の仕様によってはインテグレータ光学系は不要である。必要に応じて適用すればよい。
【００９１】
ライトバルブ１０８は、透過型液晶パネルを想定して図示しているが、この限りではなく、偏光分離素子などと組み合わせた反射型液晶パネルであってもよい。また、図示したのは単板方式であるが、赤、緑、青に照明光を分離し、それぞれの色に対応した３枚のライトバルブを照明して赤、緑、青の画像を形成し、その後、３つの画像を合成する作像系も適用可能である。
【００９２】
ライトバルブ１０８が液晶パネルの場合は、偏光を揃えた照明光が必要であり、偏光の揃った照明光が得られる１灯、２灯合成の照明装置の場合は必ずしも必要ないが、図８や図１２に示した３灯合成の場合はＰ偏光とＳ偏光が混在しているので、偏光変換素子１０４を設ける。また、画素に応じた微小ミラーが駆動してその反射光を投射光とするデジタル・マイクロミラー・デバイスも、ライトバルブとして好適であるが、この場合は、偏光変換は不要である。
以上のような、ライトバルブ１０８で形成された画像は、投射光学系１０９により、図示しないスクリーン等に拡大投射される。
【００９３】
本発明の構成の照明装置１０１を用いた構成の投射型表示装置においては、従来１灯用に設計された照明光学系１０７や投射光学系１０９に、そのまま明るさをアップした２灯照明や、３灯照明を用いることができ、より明るい投射型表示装置１００を実現することができる。また、この場合には、複数の光源を用いているので、不意な光源切れに対しても、投射画像がブラックアウトすることがなくなる。また、通常は、１灯または２灯を点灯させ、残りの１灯（２灯目または３灯目）は通常は点灯させず、光源切れにだけ対応するような利用の仕方でも構わない。また、光源の種類も、同一の形状であれば良く、出力数を変えて、他段階の明るさを得ることも可能であり、投射型表示装置に展開した場合に、様々な効果（明るさ調整機能、視覚効果機能等）を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の一実施例を示す照明装置の構成、動作の説明図である。
【図２】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成、動作の説明図である。
【図３】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図４】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成、動作の説明図である。
【図５】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図６】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図７】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図８】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図９】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図１０】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図１１】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図１２】本発明の別の実施例を示す照明装置の構成説明図である。
【図１３】本発明の別の実施例を示す投射型表示装置の構成説明図である。
【図１４】特許文献１に記載の照明装置を示す図である。
【図１５】特許文献２に記載の照明装置を示す図である。
【符号の説明】
【００９５】
１：偏光分離素子対（偏光分離部）
１ａ，１ｂ：偏光分離面
１’：金線格子型偏光分離素子
１”：複数の偏光分離素子対からなる偏光分離素子
２：位相変調素子（例えば１／２波長板）
２−１：第１の位相変調素子
２−２：第２の位相変調素子
３（３−１，３−２，３−３）：反射光学系（例えばリフレクタ）
３−３ａ，３−３ｂ：反射光学素子
４（４−１，４−２，４−３）：光源
５（５−１，５−２，５−３）：光源部
６：光源部から発する全光束の断面
６Ａ：位相変調素子側の光束の断面
６Ｂ：位相変調素子が無い側の光束の断面
８：位相変調素子（例えば１／４波長板）
１１：金線格子型偏光分離素子対
１００：投射型表示装置
１０１：照明装置
１０２：第一フライアイレンズ
１０３：第二フライアイレンズ
１０４：偏光変換素子
１０５：メインコンデンサレンズ
１０６：コンデンサレンズ
１０７：インテグレータ光学系
１０８：ライトバルブ
１０９：投射光学系
Ｍ１：第１の平面反射部
Ｍ２：第２の偏面反射部
Ｍ３：第１の平面反射部と第２の偏面反射部を両面に形成した反射部材
【図１】
2009216754.tif 000003
【図２】
2009216754.tif 000004
【図３】
2009216754.tif 000005
【図４】
2009216754.tif 000006
【図５】
2009216754.tif 000007
【図６】
2009216754.tif 000008
【図７】
2009216754.tif 000009
【図８】
2009216754.tif 000010
【図９】
2009216754.tif 000011
【図１０】
2009216754.tif 000012
【図１１】
2009216754.tif 000013
【図１２】
2009216754.tif 000014
【図１３】
2009216754.tif 000015
【図１４】
2009216754.tif 000016
【図１５】
2009216754.tif 000017