JP5067647B2

JP5067647B2 - 照明装置とそれを用いた投射型表示装置

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Publication number: JP5067647B2
Application number: JP2011531702A
Authority: JP
Inventors: 厚志加藤
Original assignee: NEC Display Solutions Ltd
Current assignee: Sharp NEC Display Solutions Ltd
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2009-09-16
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2029-09-16
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Description

本発明は、液晶プロジェクタに代表される投射型表示装置の照明装置に関し、特に、反射型偏光変換素子を備えた表示素子を照明する照明装置に関する。

特許文献１、２には、表示素子であるＤＭＤ（Digital Micromirror Device）を照明するための光源としてＬＥＤ（Light Emitting Diode）を使用したプロジェクタが開示されている。この種のプロジェクタは、白色放電ランプを使ったプロジェクタに比べて、低コスト化を図ることが期待でき、また、小型で低消費電力、かつ、色再現範囲が広いとったパフォーマンスを実現することができる。

また、表示素子として単一のＬＣｏＳ（Liquid Crystal on Silicon）素子を用いたプロジェクタ（非特許文献１）や、表示素子として３枚の液晶パネルを使用したプロジェクタ（非特許文献２、３）もある。

ところで、液晶プロジェクタでは、通常、偏光光を液晶パネルに照射する必要がある。一般に、ＬＥＤからの光は非偏光光であるため、液晶パネルを照明するための光源としてＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤからの光を偏光変換して、光利用効率を高めることが望ましい。

例えば、表示パネルがＴＮ液晶（Twisted Nematic Liquid Crystal）パネルである場合、ＬＥＤからの非偏光光の直交する直線偏光成分のうち、どちらか一方を他の偏光成分と同じになるように変換する。この偏光変換の効率が低いと、光利用効率が低下する。なお、偏光変換がまったく行われない場合は、約半分の光が照明光として利用されないことになる。

非特許文献１に記載されたプロジェクタでは、CPC reflectorと呼ばれる、複合放物面形状を有する導光部材によって、光源であるＬＥＤからの光束を略平行光束に変換する。この導光部材からの平行光束で表示パネルを照明する。

導光部材からの光束の進行方向に、１／４波長板と反射型の偏光板が配置されている。偏光板は、例えばＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。偏光板で反射されたＳ偏光は、１／４波長板を通過する。１／４波長板を通過した光（円偏光）は、ＬＥＤまで戻り、ＬＥＤの表面で反射される。ＬＥＤの表面で反射された光は、導光部材にて平行化された後、１／４波長板を再び通過する。

偏光板で反射されたＳ偏光のうち、ＬＥＤへ戻る過程と、ＬＥＤの表面で反射されて偏光板へ向かう過程とにおいて、１／４波長板を２回通過したものがＰ偏光に変換される。

上記の他、特許文献３に記載の照明装置もある。この照明装置は、光源と、該光源からの光が一方の端面に入射するグラスロッドと、グラスロッドの他方の端面から射出された光束を集光する集光手段と、該集光手段により複数の光源像が形成される位置に設けられるＰＢＳ偏光変換アレイとを有する。

ＰＢＳ偏光変換アレイは、第１および第２のプリズムが一方向に交互に配置されたものである。第１および第２のプリズムのそれぞれは、２つの直角プリズムを貼り合わせた直方体形状のプリズムである。

第１のプリズムは、２つの直角プリズムの貼り合わせた面に、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離膜が形成されており、光がその偏光分離膜に対して略４５度の入射角で入射するように構成されている。

第２のプリズムは、２つの直角プリズムの貼り合わせた面に反射膜が形成されており、第１のプリズムの偏光分離膜で反射されたＳ偏光の光がその反射膜に略４５度の入射角で入射するように構成されている。第２のプリズムの、反射膜で反射された光の進行方向に位置する面が射出面であり、この射出面に、Ｓ偏光をＰ偏光に変換するための１／２波長板が設けられている。第２のプリズムの、射出面と対向する面には、遮光板が形成されている。

第１のプリズムから射出したＰ偏光の光と、第２のプリズムから射出したＰ偏光の光とは同じ方向に進行する。集光手段は、光源像が第１のプリズムの入射面に形成されるように構成されている。

特開２００６−１０６６８３号公報特開２００６−１０６６８２号公報特開２０００−２０６４６４号公報

"Single-Panel LCoS Color Projector with LED Light Source" SID 05 DIGEST pp1698-1701 "A Handheld Mini-Projector Using LED Light Sources" SID 05 DIGEST pp1706-1709 "Compact Three Panel LED Projector Engine for Portable Applications" SID 06 DIGEST pp2011-2014

しかし、非特許文献１に記載されたプロジェクタには、以下のような問題がある。

反射型の偏光板で反射された偏光成分の光は、効率よくＬＥＤの表面まで戻るが、ＬＥＤの表面では、戻った光の一部しか偏光板の方向に反射されない。このように、ＬＥＤの表面における光損失があるため、高い偏光変換効率を達成することはできない。

特許文献３に記載された照明装置においては、ＰＢＳ偏光変換アレイを用いているために、照明装置の小型化が困難である。例えば、最近の表示パネルの小型化により、ＰＢＳ偏光変換アレイの各プリズムのピッチを１ｍｍ程度にすることが要求される場合がある。そのようなピッチで第１および第２のプリズムを形成した場合、１／２波長板を第２のプリズムに貼り付けることは困難である。

今後は、表示パネルのさらなる小型化が予想されるため、ＰＢＳ偏光変換アレイを用いた照明装置における小型化の問題はより顕著になる。

本発明の目的は、上記の問題を解決し、偏光変換効率を高めて光利用効率を高めることができる小型の照明装置およびそれを用いた投射型表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の照明装置は、
光源と、
前記光源からの光が一方の端面に供給され、該一方の端面から入射した光が内部を伝播して他方の端面から射出される導光手段と、
前記導光手段の他方の端面からの射出光束を複数の光束に空間的に分離し、前記導光手段の他方の端面に形成される光学像を表示素子上に結像する照明光学系と、
前記照明光学系と前記表示素子の間に配置され、第１の偏光の光を透過し、前記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の光を前記照明光学系の方向に反射する反射型偏光板と、
前記複数の光束が空間的に分離される位置に配置され、前記反射型偏光板にて反射された光を前記反射型偏光板の方向に反射する反射素子と、
前記反射素子と前記反射型偏光板の間に配置された位相差板と、を有し、
前記反射素子は、前記複数の光束が透過する透過領域と、該透過領域以外の領域に形成された反射膜とを有し、
前記光源の発光中心は、前記導光手段の両端面の重心を通る中心軸上に位置し、
前記照明光学系は、前記透過領域を通過した前記複数の光束の前記第２の偏光の光によって前記反射型偏光板上に形成された複数の光学像を前記反射膜上に結像する。

本発明の投射型表示装置は、
照明装置と、
前記照明装置からの光で照明される表示素子と、
前記表示素子からの画像光を投射する投射光学系と、を有し、
前記照明装置は、
光源と、
前記光源からの光が一方の端面に供給され、該一方の端面から入射した光が内部を伝播して他方の端面から射出される導光手段と、
前記導光手段の他方の端面からの射出光束を複数の光束に空間的に分離し、前記導光手段の他方の端面に形成される光学像を表示素子上に結像する照明光学系と、
前記照明光学系と前記表示素子の間に配置され、第１の偏光の光を透過し、前記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の光を前記照明光学系の方向に反射する反射型偏光板と、
前記複数の光束が空間的に分離される位置に配置され、前記反射型偏光板にて反射された光を前記反射型偏光板の方向に反射する反射素子と、
前記反射素子と前記反射型偏光板の間に配置された位相差板と、を有し、
前記反射素子は、前記複数の光束が透過する透過領域と、該透過領域以外の領域に形成された反射膜とを有し、
前記光源の発光中心は、前記導光手段の両端面の重心を通る中心軸上に位置し、
前記照明光学系は、前記透過領域を通過した前記複数の光束の前記第２の偏光の光によって前記反射型偏光板上に形成された複数の光学像を前記反射膜上に結像する。

本発明の第１の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。図１に示す照明装置の反射素子の構成を示す模式図を示す。図１に示す照明装置における光源からの光束が表示素子に到達するまでの過程を光線追跡した結果を示す模式図である。図１に示す照明装置における、照明レンズによって分離された光束の１つについて、反射型偏光板に到達するまでの過程、反射型偏光板で反射された光が反射素子に到達するまでの過程および反射素子で反射された光が反射型偏光板に到達するまでの過程をそれぞれ光線追跡した結果を示す模式図である。本発明の第２の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。本発明の照明装置を備える投射型表示装置の構成を示す模式図である。図６に示す投射型表示装置の、緑色用の照明装置、液晶パネル、クロスダイクロイックプリズムおよび投射光学系からなる系における、光源から表示パネルへ向かう光のうち、反射型偏光板を透過する直線偏光成分の光の経路を光線追跡した結果を示す模式図である。

１０１光源
１０２導光ロッド
１０３、１０４、１０６、１０７照明レンズ
１０５反射素子
１０８位相差板
１０９反射型偏光板
１１０表示素子

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。

図１に示すように、本実施形態の照明装置は、反射型偏光板１０９を備えた表示素子１１０を照明するものであって、反射型偏光板１０９の他に、光源１０１、導光ロッド１０２、照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７、反射素子１０５および位相差板１０８を有する。

反射型偏光板１０９は、例えばワイヤグリッド型の偏光板であって、入射光のうち、第１の偏光（例えばＰ偏光）の光を透過し、第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光（例えばＳ偏光）の光を、入射方向とは逆の方向（反射素子１０５の方向）に反射するように構成されている。

表示素子１１０は、例えば液晶パネルよりなる。反射型偏光板１０９および表示素子１１０はいずれも、商用のものを使用可能である。表示素子１１０として、例えば対角が１．０インチの透過型の液晶パネルを用いることができる。

反射型偏光板１０９は、表示素子１１０の表示面（パネル面）の近傍に配置されることが望ましい。また、反射型偏光板１０９は、表示素子１１０と一体に形成されてもよい。例えば、表示素子１１０として液晶パネルを用いた場合、反射型偏光板１０９は、液晶パネルの入射側の基板と一体に形成されてもよい。

光源１０１は、例えばＬＥＤに代表される固体光源である。光源１０１からの光は、導光ロッド１０２の一方の端面（入射面）に供給される。光源１０１の発光部の中心（発光中心）は、光ロッド１０２の断面の中心（重心）を通る軸（中心軸）上に位置する。

導光ロッド１０２の入射面の面積は、光源１０１の発光部の面積より大きい。例えば、大きさが４ｍｍ×３ｍｍの発光部を有するＬＥＤを光源１０１として用いた場合、導光ロッド１０３として、例えば断面の大きさが８ｍｍ×６ｍｍで、長さが２０ｍｍである角柱ロッドを用いる。

ガラス製で安価に入手できるＢＫ７を使用して導光ロッド１０２を形成することができる。導光ロッド１０２の材質としては、光学ガラスのほか、光学プラスチックを用いても良い。導光ロッド１０２は、中心部分が空洞とされる中空タイプのものであってもよく、また、そのような空洞部を持たない中実タイプのものであってもよい。

光源１０１からの光をより多く導光ロッド１０２に入射させるために、光源１０１の発光部と導光ロッド１０２との距離はできるだけ近いほうが好ましい。具体的には、導光ロッド１０２と光源１０１の距離は０．７ｍｍである。

導光ロッド１０２の他方の端面（射出面）から射出された光の進行方向に、照明レンズ１０３、１０４、反射素子１０５、照明レンズ１０６、１０７、位相差板１０８、反射型偏光板１０９、表示素子１１０がこの順番で配置されている。

導光ロッド１０２の射出面に形成される光学像が、照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７からなる照明レンズ群によって表示素子１１０の表示面上に結像される。照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７はいずれも、片面または両面に球面形状を有するレンズであるが、非球面レンズを用いても構わない。

照明レンズ１０３、１０４の光軸１１は、導光ロッド１０２の中心軸と一致する。反射素子１０５、位相差板１０８、反射型偏光板１０９および表示素子１１０の中心（重心）は、照明レンズ１０６、１０７の光軸１２上に位置する。照明レンズ１０３、１０４の光軸１１および照明レンズ１０６、１０７の光軸１２と交差する平面に垂直な方向から見た場合に、光軸１１が、光軸１２に対してシフトしている。

導光ロッド１０２、照明レンズ１０３、１０４の各重心を通る軸（光軸１１と同じ）の、照明レンズ１０６、１０７、反射素子１０５、位相差板１０８、反射型偏光板１０９および表示素子１１０の各重心を通る軸（光軸１２と同じ）に対する偏心量（シフト量）は、例えば３ｍｍである。偏心量は３ｍｍに限定されるものではないが、偏心量が大きくなると、反射素子１０５、位相差板１０８、反射型偏光板１０９および表示素子１１０が大型化する。

導光ロッド１０２の射出面から射出した光束は、照明レンズ１０３、１０４によって空間的に複数の光束に分離される。分離光束の数は、光源１０１から導光ロッド１０２内に入射した光がそのロッドの内面において反射された回数に応じて決まる。

反射素子１０５は、反射型偏光板１０９からの光（例えばＳ偏光）を反射型偏光板１０９の方向へ反射するものであって、導光ロッド１０２の射出面からの光束が空間的に分離された位置に配置される。具体的には、反射素子１０５は、照明レンズ１０４、１０６の間に配置される。

図２に、反射素子１０５の模式図を示す。図２を参照すると、反射素子１０５は、例えば厚さが１ｍｍ程度のガラス基板２００上に、複数の帯状の反射膜２０２₁〜２０２₄をアルミ蒸着により形成したものである。反射膜２０２₁〜２０２₄は、照明レンズ１０３、１０４によって分離された光束が透過する透過領域２０１₁〜２０１₄以外の領域に形成されている。反射膜２０２₁〜２０２₄と透過領域２０１₁〜２０１₄とは交互に配置されている。反射膜２０２₁〜２０２₄は、誘電体多層膜であってもよい。反射素子１０５の重心は反射膜２０２₃と反射膜２０２₂の境界線上の中央部分にあり、この重心が光軸１２上に位置する。

反射素子１０５の位置では、導光ロッド１０２の射出面の光学像（虚像）が複数形成される。各光学像は各分離光束に対応するものであり、それぞれの垂直方向における幅は約５ｍｍである。垂直方向において、各光学像の間の領域（光学像が形成されていない領域）の幅も約５ｍｍである。

また、反射素子１０５の位置では、第２の偏光の光によって反射型偏光板１１１上に形成された像（導光ロッド１０２の射出面の光学像に対応する像）の光学像（虚像）が複数形成される。各光学像の垂直方向における幅は約５ｍｍである。垂直方向において、各光学像の間の領域（光学像が形成されていない領域）の幅も約５ｍｍである。

上記の光学像（虚像）に対応して、反射膜２０２₁〜２０２₄の幅は約５ｍｍとされ、反射膜２１〜２４の間隔（ピッチ）は約５ｍｍとされている。

なお、図２では、反射膜の幅および間隔は、均等なものとして描いてあるが、必ずしも均等でなくても良い。また、反射膜の数も４つに限定されるものではない。反射膜の数、幅および間隔は、導光ロッド１０２の射出面から射出された光束が分離される数や、その光束の大きさにより決定される。

位相差板１０８は、１／４波長板であって、照明レンズ１０７と反射型偏光板１０９の間に配置されている。位相差板１０８の配置位置は、照明レンズ１０７と反射型偏光板１０９の間に限定されるものではない。位相差板１０８は、反射素子１０５と反射型偏光板１０９との間であれば、どこに配置されてもよい。

図１に示した構成では、位相差板１０８は、他の部材とは独立して設けられているが、これに限定されない。照明レンズ１０７の表示素子１１０側の面は平面とされており、その平面に、位相差板１０８を貼り合わせてもよい。この構成によれば、ガラス基板を共通利用することができるので、部品点数を削減することができる。

また、位相差板１０８は、反射素子１０５と一体で形成しても良い。例えば、図２に示したガラス基板２００の、反射膜２０２₁〜２０２₄が形成された面とは反対の面に、位相差板１０８を貼り付けてもよい。この構成によっても、部品点数を削減することが可能である。

図１に示した照明装置において、照明レンズ群は４枚の照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７からなるが、これに限定されない。照明レンズ群は、導光ロッド１０２の射出面に形成される光学像を表示素子１１０の表示面上に結像できるのであれば、どのようなレンズ構成としてもよい。より望ましくは、照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７の光学パラメータ（曲率半径や間隔、光軸１１、１２の関係）は、導光ロッド１０２の射出面に形成される光学像を表示素子１１２の表示面上に結像でき、さらに、導光ロッド１０２の射出面からの光束を空間的に分離することができ、かつ、その光束が分離された位置において、反射型偏光板１０９からの反射光を、分離された各光束の間の領域に戻すことができるように設定される。

次に、本実施形態の照明装置の動作について詳細に説明する。

図３は、図１に示した構成において、光源１０１からの光束が表示素子１１０に到達するまでの過程を光線追跡した結果を示す模式図である。

図３を参照すると、光源１０１から非偏光の光は、導光ロッド１０２内に入射する。導光ロッド１０２では、入射した非偏光の光は、ロッド内面で反射をくりかえしつつ伝搬し、射出面に到達する。このロッド内の伝搬過程で輝度の均一化が行われる。仮に、光源１０１の発光に輝度ムラがあった場合、導光ロッド１０２による輝度の均一化により、導光ロッド１０２の射出面においては、均一な照度分布が形成される。

導光ロッド１０２の射出面に形成された照明情報（矩形の光源像）は、照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７からなる照明レンズ群により表示素子１１０の表示面（パネル面）に結像される。

導光ロッド１０２の射出面から射出された非偏光の光束は、照明レンズ１０３、１０４により空間的に複数の光束に分離される。照明レンズ１０３、１０４により分離される光束の数は、導光ロッド１０２内の伝搬過程における反射の回数により決まる。

図３では、導光ロッド１０２から射出した光は、３つの光束に分離される。３つの分離光束のうち真ん中に位置する光束は、光源１０１から導光ロッド１０２内に入射した光のうち、ロッド内面での反射なしに、導光ロッド１０２から射出した光である。

反射素子１０５は、照明レンズ１０３、１０４により分離された光束がそれぞれ図２に示した透過領域２０１₁〜２０１₄のうちの３つの透過領域を通るように配置されている。すなわち、３つの分離光束は、反射膜２０２₁〜２０２₄による遮蔽などの光損失の影響をほとんど受けずに、反射素子１０５を通過する。

反射素子１０５を通過した各分離光束は、照明レンズ１０６、１０７によって重畳され、その後、位相差板１０８を通過して反射型偏光板１０９に到達する。

反射型偏光板１０９では、位相差板１０８を通過した光束（非偏光光）のうち、第１の直線偏光光（例えば、Ｐ偏光光）は透過するが、第２の直線偏光光（例えば、Ｓ偏光光）は位相差板１０８の方向に反射される。

反射型偏光板１０９を透過した第１の直線偏光光は、表示素子１１０の表示面（パネル面）に照射される。照明レンズ１０６、１０７によって重畳された光束のうちの第１の直線偏光光で、表示素子１１０を照明することで、照度分布均一な照明を可能とする。

一方、反射型偏光板１０９で反射された第２の直線偏光光（Ｓ偏光光）は、位相差板１０８を通過し、その後、照明レンズ１０６、１０７を介して反射素子１０５の反射膜２０２₁〜２０２₄のうちの３つの反射膜上に照射される。反射素子１０５では、反射型偏光板１０９からの反射光（Ｓ偏光光）が反射膜によって反射型偏光板１０９の方向へ反射される。

図４に、照明レンズ１０３、１０４によって分離された光束の１つについて、反射型偏光板１０９に到達するまでの過程、反射型偏光板１０９で反射された光が反射素子１０５に到達するまでの過程および反射素子１０５で反射された光が反射型偏光板１０９に到達するまでの過程をそれぞれ光線追跡した結果を示す模式図である。

図４において、分離光束４１は、光源１０１から導光ロッド１０２内に入射した光のうち、ロッド内面での反射なしに、導光ロッド１０２から射出した光束（図３に示した３つの分離光束のうちの真ん中に位置する光束）である。

分離光束４１は、反射素子１０５を透過する。反射素子１０５の、分離光束４１が透過する領域（図２に示した透過領域２０１₂）は、光軸１２から外れている。図４に示す例では、分離光束４１が透過する領域は、図面に向かって、光軸１２よりも上側に位置する。

反射素子１０５を通過した分離光束４１は、照明レンズ１０６、１０７によって集光され、その後、位相差板１０８を通過して反射型偏光板１０９に到達する。分離光束４１は、反射素子１０５を通過した時点では非偏光光であり、位相差板１０８を通過した後も、非偏光光のままである。

位相差板１０８を通過した分離光束４１のうち、第１の直線偏光光は反射型偏光板１０９を透過し、第２の直線偏光光は、反射型偏光板１０９で位相差板１０８の方向に反射される。

反射型偏光板１０９で反射された第２の直線偏光光は、位相差板１０８を通過し、円偏光光として照明レンズ１０７に到達する。位相差板１１０からの光束（円偏光光）は、照明レンズ１０６、１０７により拡大されて、光束４２として反射素子１０５の反射膜（図２の反射膜２０２₃）上に照射される。

反射素子１０５の入射面（または射出面）に垂直な方向（光軸１２の方向）から見た場合、分離光束４１が透過する領域（図２に示した透過領域２０１₂）と、光束４２が照射される領域（図２の反射膜２０２₃）とは、光軸１２を基準にして、点対象な位置関係にある。

反射素子１０５では、光束４２は反射膜２０２₃にて反射型偏光板１０９の方向に反射される。反射膜２０２₃で反射された光束（円偏光光）は、照明レンズ１０６、１０７によって集光され、その後、位相差板１０８を通過して反射型偏光板１０９に到達する。

反射素子１０５からの反射光束（円偏光）は、位相差板１０８にて第１の偏光光（Ｐ偏光光）に変換される。位相差板１０８からの第１の偏光光（Ｐ偏光光）は、反射型偏光板１０９を透過して表示素子１１０に到達する。

図４に示した例では、分離光束４１に関わる光線経路しか示されていないが、他の分離光束も同様に、第１の直線偏光光（Ｐ偏光光）が反射型偏光板１０９を透過し、第２の直線偏光光（Ｓ偏光光）が反射型偏光板１０９で反射されて反射素子１０５に戻る。そして、反射素子１０５で反射された光束が、位相差板１０８を通過して反射型偏光板１０９に到達する。

本実施形態の照明装置によれば、反射型偏光板１０９で反射された光のほとんどは、反射素子１０５の反射膜に到達する。これは、以下の第１乃至第３の条件により実現される。

第１の条件は、照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７からなるレンズ群の両側（入射側および射出側）に位置する導光ロッド１０２の射出面と表示素子１１０の表示面（パネル面）とが共役関係にあり、反射型偏光板１０９が表示素子１１０の表示面の近傍に配置されていることである。第２の条件は、光源１０１の発光中心が導光ロッド１０２の中心軸上に位置する点である。第３の条件は、導光ロッド１０２の中心軸が照明レンズ１０３、１０４の光軸１１と一致し、かつ、照明レンズ１０６、１０７の光軸１２が照明レンズ１０３、１０４の光軸１１に対してシフトしていることである。

このように、反射型偏光板１０９にて反射された光のほとんどを、反射素子１０５にて反射型偏光板１０９の方向に反射して再利用することで、光利用効率を向上する。

また、反射素子１０５は、空間的に分離された光束が透過する透過領域と、該領域以外の領域に形成された、反射型偏光板からの光を反射する反射膜とを有する構造である。反射膜は蒸着処理により形成することができることから、透過領域と反射膜のピッチを１ｍｍ程度とすることは容易である。したがって、ＰＢＳ偏光変換アレイでは実現することが困難であった小型化の問題を解決することができ、照明装置の小型化を図ることができる。

さらに、反射素子１０５の各反射膜は、照明レンズ１０３、１０４によって空間的に分離された光束の隙間に位置するので、分離光束のほとんどが反射素子１０５を通過する。これにより、光利用効率をさらに高めることが可能である。

なお、図４に示した反射素子１０５では、反射膜は帯状のものとされているが、これに限定されない。反射素子１０５では、第２の偏光の光によって反射型偏光板１１１上に形成された像（導光ロッド１０２の射出面の光学像に対応する像）の光学像（虚像）が複数形成されるが、これら光学像（虚像）が形成される領域にのみ、反射膜を形成してもよい。

反射素子１０５の反射膜を帯状のものとする場合、反射素子１０５の面に垂直な方向から見た場合に、反射膜の長手方向が、光軸１２の光軸１３に対する偏心方向（シフト方向）と交差する方向とすることが望ましい。

また、導光ロッド１０２からの光束が通過し、反射型偏光板１０９からの光の少なくとも一部を、反射型偏光板１０９の方向へ反射させることができるのであれば、反射素子１０５は、照明レンズ群のどの位置に設けられてもよい。ただし、反射素子１０５の位置によっては、反射型偏光板１０９からの光の量に対する反射型偏光板１０９へ戻す光の量の割合が減少し、光利用効率向上の効果が半減する。反射素子１０５は、導光ロッド１０２からの光が照明レンズによって空間的に十分に分離され、分離光束の間の領域の幅が分離光束の幅以上になるような位置に配置することが望ましい。これにより、光利用効率向上の効果を最大限に得ることができる。

光源１０１は、ＬＥＤ以外の光源であってもよい。例えば、アーク放電を利用したランプを光源１０１として用いてもよい。この場合は、ランプからの光を導光ロッド１０２の入射面に入射させるための集光レンズを用いる。

４枚の照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７により照明光学系を構成しているが、これに限定されない。照明光学系は、導光ロッド１０２の射出面に形成される光学像を表示素子１１０の表示面上に結像でき、さらに、導光ロッド１０２の射出面からの光束を空間的に分離することができ、かつ、その光束が分離された位置において、反射型偏光板１０９からの反射光を、分離された各光束の間の領域に戻すことができるのであれば、どのような構成にしてもよい。なお、照明光学系は、照明レンズの他に他の光学部材を含んでいてもよい。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態である照明装置の構成を示す模式図である。

図５に示すように、本実施形態の照明装置は、第１の実施形態の構成に平行平板５０１を加えたものである。照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７からなる照明光学系に平行平板５０１を加えた点と、導光ロッド１０２の中心軸と照明光学系の光軸（共軸）との関係が、第１の実施形態の構成と異なり、その他は、第１の実施形態の構成と基本的に同じである。

光源１０１の発光中心は、導光ロッド１０２の中心軸上に位置する。導光ロッド１０２の中心軸は、照明レンズ１０３、１０４の光軸と一致しており、照明レンズ１０３、１０４の光軸と照明レンズ１０６、１０７の光軸は一致している。反射素子１０５、位相差板１０８、反射型偏光板１０９および表示素子１１０の各重心は、照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７の光軸１３上に位置する。

平行平板５０１は、照明レンズ１０４と反射素子１０５の間に、光軸１３に対して斜めに配置されている。平行平板５０１は、ガラスで形成してもよく、また、樹脂で形成しても良い。例えば、厚さ１５ｍｍのガラス製の平行平板５０１を、光軸１３に対する傾き角度を１５度として配置することができる。なお、平行平板５０１の厚さおよび傾きは、そのような値に限定されるものではない。

次に、図５を参照して、本実施形態の照明装置の動作を説明する。図５には、一例として、光源１０１からの光束が表示素子１１０に到達するまでの過程を光線追跡した結果が模式的に示されている。

光源１０１から非偏光の光は、導光ロッド１０２内に入射する。導光ロッド１０２では、入射した非偏光の光は、ロッド内面で反射をくりかえしつつ伝搬し、射出面に到達する。導光ロッド１０２の射出面において、均一な照度分布が形成される。

導光ロッド１０２の射出面から射出された非偏光の光束は、照明レンズ１０３、１０４により空間的に複数の光束に分離される。照明レンズ１０３、１０４により分離される光束の数は、導光ロッド１０２内の伝搬過程における反射の回数により決まる。図５に示した例では、図３に示した例と同様、導光ロッド１０２から射出した光は、３つの光束に分離されている。

照明レンズ１０３、１０４により分離された各分離光束は、平行平板５０１を通過した後、反射素子１０５に入射する。平行平板５０１は、反射素子１０５における各分離光束が入射する領域を、図２に示した帯状の反射膜２０２₁〜２０２₄の並び方向（反射膜の長手方向と交差する方向）にシフトさせるように働く。これにより、各分離光束は、反射膜２０２₁〜２０２₄による遮蔽などの光損失の影響をほとんど受けずに、反射素子１０５の透過領域２０１₁〜２０１₄のいずれかの領域を通過する。反射素子１０５の面に垂直な方向から見た場合、反射膜２０２₁〜２０２₄の長手方向が、平行平板５０１によるシフト方向と交差する方向である。

一方、反射型偏光板１０９で反射された第２の直線偏光光（Ｓ偏光光）は、位相差板１０８を通過し、その後、照明レンズ１０６、１０７を介して反射素子１０５の反射膜２０２₁〜２０２₄のうちの３つの反射膜上に照射される。反射素子１０５では、反射型偏光板１０９からの反射光が反射膜によって反射型偏光板１０９の方向へ反射される。

反射素子１０５の反射膜で反射された光束（円偏光光）は、照明レンズ１０６、１０７によって集光され、その後、位相差板１０８を通過して反射型偏光板１０９に到達する。

第１の条件は、照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７からなる照明光学系の両側（入射側および射出側）に位置する導光ロッド１０２の射出面と表示素子１１０の表示面（パネル面）とが共役関係にあり、反射型偏光板１０９が表示素子１１０の表示面の近傍に配置されていることである。第２の条件は、光源１０１の発光中心が導光ロッド１０２の中心軸上に位置する点である。第３の条件は、導光ロッド１０２の中心軸が照明光学系の光軸１３と一致し、かつ、平行平板５０１が、反射素子１０５の入射面側に配置されていることである。

このように、反射型偏光板１０９にて反射された光のほとんどを、反射素子１０５にて反射型偏光板１０９の方向に反射して再利用することで、第１の実施形態と同様の効果を奏する。

以上説明したように、本発明の一態様によれば、照明装置は、光源と、上記光源からの光が一方の端面に供給され、該一方の端面から入射した光が内部を伝播して他方の端面から射出される導光手段と、上記導光手段の他方の端面からの射出光束を複数の光束に空間的に分離し、上記導光手段の他方の端面に形成される光学像を表示素子上に結像する照明光学系と、この照明光学系と上記表示素子の間に配置され、第１の偏光の光を透過し、上記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の光を上記照明光学系の方向に反射する反射型偏光板と、上記複数の光束が空間的に分離される位置に配置され、上記反射型偏光板にて反射された光を前記反射型偏光板の方向に反射する反射素子と、上記反射素子と上記反射型偏光板の間に配置された位相差板と、を有する。上記反射素子は、上記複数の光束が透過する透過領域と、該透過領域以外の領域に形成された反射膜とを有する。上記光源の発光中心は、上記導光手段の両端面の重心を通る中心軸上に位置する。上記照明光学系は、上記透過領域を通過した上記複数の光束の上記第２の偏光の光によって上記反射型偏光板上に形成された複数の光学像を上記反射膜上に結像する。

上記の照明装置によれば、反射型偏光板にて反射された光のほとんどを、反射素子にて反射型偏光板の方向に反射して再利用することができるので、光利用効率の向上を図ることができる。

また、反射素子は、蒸着処理によりガラス板に反射膜を形成したものであり、このような反射膜のピッチを１ｍｍ程度とすることは容易である。したがって、ＰＢＳ偏光変換アレイでは実現することが困難であった小型化の問題を解決することができ、照明装置の小型化を図ることができる。

上記の照明装置において、上記照明光学系は、上記導光手段と上記反射素子の間に設けられ、上記導光手段の他方の端面からの射出光束を上記複数の光束に分離する第１のレンズ群と、上記反射素子を透過した上記複数の光束を、上記表示素子上に集光する第２のレンズ群と、を有していてもよい。この場合、上記第１および第２のレンズ群の両光軸と交差する平面に垂直な方向から見た場合に、上記第１のレンズ群の光軸が、上記第２のレンズ群の光軸に対してシフトしていてもよい。この構成の一例が、上述した第１の実施形態である。

上記の場合、上記反射膜はストライプ状に形成されており、上記反射素子の面に垂直な方向から見た場合に、上記反射膜の長手方向が、上記第１のレンズ群の光軸の、上記第２のレンズ群の光軸に対するシフト方向と交差する方向であってもよい。

また、上記の照明装置において、上記照明光学系は、上記導光手段と上記反射素子の間に設けられ、上記導光手段の他方の端面からの射出光束を上記複数の光束に分離する第１のレンズ群と、上記反射素子を透過した上記複数の光束を、上記表示素子上に集光する第２のレンズ群と、上記反射素子と上記第１のレンズ群との間に設けられ、上記反射素子上における上記複数の光束の入射する位置をシフトさせる平行平板と、を有していてもよい。この場合、上記第１のレンズ群の光軸は、上記第２のレンズ群の光軸と一致していてもよい。この構成の一例が、上述した第２の実施形態である。

上記の場合、上記反射膜はストライプ状に形成されており、上記反射素子の面に垂直な方向から見た場合に、上記反射膜の長手方向が、上記平行平板によるシフト方向と交差する方向であってもよい。

次に、本発明の照明装置を用いた投射型表示装置の構成について説明する。

図６は、本発明の照明装置を備える投射型表示装置の構成を示す図である。

図６に示す投射型表示装置は、３板型液晶プロジェクタであって、その主要部は、照明装置２００〜２０２、投射光学系２０３、液晶パネル２０４〜２０６およびクロスダイクロイックプリズム２０７からなる。

照明装置２００〜２０２は、第１の実施形態の照明装置と同様の構成を有する。照明装置２００の光源には、青色の波長帯域にピーク波長を有する光源が用いられる。照明装置２０１の光源には、赤色の波長帯域にピーク波長を有する光源が用いられる。照明装置２０２の光源には、緑色の波長帯域にピーク波長を有する光源が用いられる。ここで、青、緑、赤の色は光の三原色に対応する。

液晶パネル２０４は、照明装置２００から出力された所定の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）の色光（青）で照明される。液晶パネル２０５は、照明装置２０１から出力された所定の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）の色光（赤）で照明される。液晶パネル２０６は、照明装置２０２から出力された所定の偏光（Ｐ偏光またはＳ偏光）の色光（緑）で照明される。

クロスダイクロイックプリズム２０７は、照明装置２００〜２０２の各光軸が交差する位置に設けられている。クロスダイクロイックプリズム２０７は、液晶パネル２０４からの画像光（青）が入射する第１の入射面と、液晶パネル２０５からの画像光（赤）が入射する第２の入射面と、液晶パネル２０６からの画像光（緑）が入射する第３の入射面と、これら入射面から入射した画像光（赤、緑、青）を色合成した色合成画像光が射出される射出面とを有する。

投射光学系２０３は、クロスダイクロイックプリズム２０７からの色合成画像光を不図示のスクリーン上に投射する。照明装置２００〜２０２の光学系（図１に示した照明レンズ１０３、１０４、１０６、１０７）の焦点位置に投射光学系２０３の瞳が位置する。すなわち、照明装置２００〜２０２の各光学系と投射光学系２０３はテレセントリック系を構成する。

図７に、照明装置２００、液晶パネル２０４、クロスダイクロイックプリズム２０７および投射光学系１１２からなる系において、光源１０１から表示パネル２０４へ向かう光のうち、反射型偏光板１０９を透過する直線偏光成分の光の経路を光線追跡した結果を示す。図７に示すように、反射型偏光板１０９を透過した直線偏光成分の光は、液晶パネル２０４に照射され、画像投射用の光として利用される。

図７には示されていないが、反射型偏光板１０９で反射された光は、効率よく反射素子１０５の反射膜に戻る。反射型偏光板１０９からの反射光は、反射素子１０５の反射膜により反射型偏光板１０９の方向に反射される。反射素子１０５からの反射光は、反射型偏光板１０９を透過し、液晶パネル１１４に照射され、画像投射用の光として利用される。

このように、反射型偏光板１０９で反射した光を効率よく画像投射用の光として利用することができるので、全体の偏変換効率が向上する。

照明装置２０１、２０２においても、照明装置２００と同様な動作が行われる。

本実施形態の投射型表示装置によれば、各照明装置から高効率な照明光が各液晶パネルに照射されるので、明るい投射画像を得ることができるとともに、色再現性の高い投射画像を得ることができる。

なお、照明装置２００〜２０２として、第２の実施形態の照明装置を用いてもよい。

本発明の照明装置は、単板式の液晶プロジェクタにも適用することができる。この単板式の液晶プロジェクタの主要部は、照明装置と、該照明装置からの光で照明される液晶パネルと、該液晶パネルからの画像光をスクリーンへ投射する投射光学系とからなる。例えば、液晶パネルの各画素を、赤、緑、青のそれぞれの色のカラーフィルタを備える画素で構成することで、フルカラー化が可能である。この場合は、色毎に各画素における表示／非表示の動作を時分割で行う。

以上説明した照明装置および投射型表示装置は本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜に変更することができる。

Claims

光源と、
前記光源からの光が一方の端面に供給され、該一方の端面から入射した光が内部を伝播して他方の端面から射出される導光手段と、
前記導光手段の他方の端面からの射出光束を複数の光束に空間的に分離し、前記導光手段の他方の端面に形成される光学像を表示素子上に結像する照明光学系と、
前記照明光学系と前記表示素子の間に配置され、第１の偏光の光を透過し、前記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の光を前記照明光学系の方向に反射する反射型偏光板と、
前記複数の光束が空間的に分離される位置に配置され、前記反射型偏光板にて反射された光を前記反射型偏光板の方向に反射する反射素子と、
前記反射素子と前記反射型偏光板の間に配置された位相差板と、を有し、
前記反射素子は、前記複数の光束が透過する透過領域と、該透過領域以外の領域に形成された反射膜とを有し、
前記光源の発光中心は、前記導光手段の両端面の重心を通る中心軸上に位置し、
前記照明光学系は、前記透過領域を通過した前記複数の光束の前記第２の偏光の光によって前記反射型偏光板上に形成された複数の光学像を前記反射膜上に結像する、照明装置。
前記照明光学系は、
前記導光手段と前記反射素子の間に設けられ、前記導光手段の他方の端面からの射出光束を前記複数の光束に分離する第１のレンズ群と、
前記反射素子を透過した前記複数の光束を、前記表示素子上に集光する第２のレンズ群と、を有し、
前記第１および第２のレンズ群の両光軸と交差する平面に垂直な方向から見た場合に、前記第１のレンズ群の光軸が、前記第２のレンズ群の光軸に対してシフトしている、請求の範囲第１項に記載の照明装置。
前記反射膜はストライプ状に形成されており、前記反射素子の面に垂直な方向から見た場合に、前記反射膜の長手方向が、前記第１のレンズ群の光軸の、前記第２のレンズ群の光軸に対するシフト方向と交差する方向である、請求の範囲第２項に記載の照明装置。
前記照明光学系は、
前記導光手段と前記反射素子の間に設けられ、前記導光手段の他方の端面からの射出光束を前記複数の光束に分離する第１のレンズ群と、
前記反射素子を透過した前記複数の光束を、前記表示素子上に集光する第２のレンズ群と、
前記反射素子と前記第１のレンズ群との間に設けられ、前記反射素子上における前記複数の光束の入射する位置をシフトさせる平行平板と、を有し、
前記第１のレンズ群の光軸は、前記第２のレンズ群の光軸と一致している、請求の範囲第１項に記載の照明装置。
前記反射膜はストライプ状に形成されており、前記反射素子の面に垂直な方向から見た場合に、前記反射膜の長手方向が、前記平行平板によるシフト方向と交差する方向である、請求の範囲第４項に記載の照明装置。
前記反射膜の幅は、前記透過領域の幅以上である、請求の範囲第３項または第５項に記載の照明装置。
照明装置と、
前記照明装置からの光で照明される表示素子と、
前記表示素子からの画像光を投射する投射光学系と、を有し、
前記照明装置は、
光源と、
前記光源からの光が一方の端面に供給され、該一方の端面から入射した光が内部を伝播して他方の端面から射出される導光手段と、
前記導光手段の他方の端面からの射出光束を複数の光束に空間的に分離し、前記導光手段の他方の端面に形成される光学像を表示素子上に結像する照明光学系と、
前記照明光学系と前記表示素子の間に配置され、第１の偏光の光を透過し、前記第１の偏光とは偏光状態が異なる第２の偏光の光を前記照明光学系の方向に反射する反射型偏光板と、
前記複数の光束が空間的に分離される位置に配置され、前記反射型偏光板にて反射された光を前記反射型偏光板の方向に反射する反射素子と、
前記反射素子と前記反射型偏光板の間に配置された位相差板と、を有し、
前記反射素子は、前記複数の光束が透過する透過領域と、該透過領域以外の領域に形成された反射膜とを有し、
前記光源の発光中心は、前記導光手段の両端面の重心を通る中心軸上に位置し、
前記照明光学系は、前記透過領域を通過した前記複数の光束の前記第２の偏光の光によって前記反射型偏光板上に形成された複数の光学像を前記反射膜上に結像する、投射型表示装置。