JP5268429B2 - 画像表示装置および照明光学系 - Google Patents

Description

本発明は、画像表示素子により変調した光を用いて画像を表示する画像表示装置に関し、特に複数の光源からの光束によって画像表示素子を照明する画像表示装置に関する。

液晶プロジェクタ等の画像表示装置（画像投射装置）では、光源として、高圧水銀ランプやキセノンランプ等の放電ランプが用いられることが多い。ただし、放電ランプでは、ワット数が大きいほどそのアーク長が大きくなり、アーク長が大きくなると、放電ランプからの発光量のうち画像表示素子の照明に用いられる光量が低下する。すなわち、光の利用効率が低下する。このため、単一の放電ランプのみを用いるという条件では、光の利用効率を高めて、より明るい投射画像を得るには限界がある。

そこで、複数の光源を用いて、すなわち多灯式にして、画像表示素子の照明に用いられる光量を増やし、明るい画像を投射できるようにした画像投射装置が特許文献１にて開示されている。この画像投射装置では、２つの光源からの光を２つの偏光変換素子によってそれぞれＰ偏光とＳ偏光に変換し、これらＰ偏光とＳ偏光を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いて合成する。そして、この該合成光を、もう１つの偏光変換素子によってＰ偏光又はＳ偏光に変換して画像表示素子に導く。

偏光変換素子は、インテグレータ系と組み合わせることで高い偏光変換効率を得ることができる。このため、特許文献１にて開示された画像投射装置では、各光源から画像表示素子までの光路中に、２つの偏光変換素子と２つのインテグレータ系を配置している。
特開２００１−２６４６９７号公報

しかしながら、光源から画像表示素子までの光路中に２つのインテグレータ系を配置することで、光の利用効率（照明効率）が大幅に低下する。このため、特許文献１にて開示された画像投射装置において十分に高い照明効率を得ることが難しい。

本発明は、偏光変換素子での良好な偏光変換効率が得られ、照明光学系における高い照明効率を実現できるようにした画像表示装置を提供する。

本発明の一側面としての画像表示装置は、第１の光源及び第２の光源からの光束を、照明光学系を介して画像表示素子に導き、該画像表示素子からの光束を被投射面に投射する。照明光学系は、第１の光源からの光束を第１の断面において複数の光束に分割する第１の光束分割手段と、第１の光源からの光束を、第１の断面に直交する第２の断面において複数の光束に分割する第２の光束分割手段と、第１の光源からの無偏光の光束を第１の偏光方向を有する第１の偏光光束に変換する第１の偏光変換素子と、第２の光源からの光束を第１の断面において複数の光束に分割する第３の光束分割手段と、第２の光源からの光束を、第１及び第２の断面に直交する第３の断面において複数の光束に分割する第４の光束分割手段と、第２の光源からの無偏光の光束を第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する第２の偏光光束に変換する第２の偏光変換素子とを有する。さらに、照明光学系は、第１の光束分割手段、第２の光束分割手段及び第１の偏光変換素子を経た複数の第１の偏光光束と、第３の光束分割手段、第４の光束分割手段及び第２の偏光変換素子を経た複数の第２の偏光光束とを合成する第１の光束合成手段と、該第１の光束合成手段からの複数の合成光束を、第１及び第２の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する複数の偏光光束に変換する第３の偏光変換素子と、第３の偏光変換素子からの複数の偏光光束を画像表示素子上で重畳させる集光手段とを有する。そして、第２の光束分割手段は、第１の偏光変換素子と第１の光束合成手段との間に配置され、第４の光束分割手段は、第２の偏光変換素子と第１の光束合成手段との間に配置されていることを特徴とする。

本発明によれば、各偏光変換素子での良好な偏光変換効率が得られ、照明光学系における高い照明効率が得られる画像表示装置を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

図１及び図２には、本発明の実施例１である画像投射装置（画像表示装置）の光学全系を示す。図１は該光学全系のＸＺ断面（第２の断面）を、図２はＹＺ断面（第１の断面）をそれぞれ示す。ＸＺ断面は、４：３や１６：９等の画像表示素子の長辺方向に平行な断面であり、ＹＺ断面は、該画像表示素子の短辺方向に平行な断面である。

なお、以下の説明において、光及び偏光光はそれぞれ、光束及び偏光光束と同義である。また、Ｘ，Ｙ，Ｚ及びａ，ｂ，ｃはそれぞれ、互いに直交する方向を示す。

１は第１の光源であり、２は第２の光源である。これら第１及び第２の光源１，２は、高圧水銀ランプやキセノンランプ等の放電発光管により構成されている。３は第１の放物面リフレクタであり、４は第２の放物面リフレクタである。

５は第１の光束分割手段としての第１のシリンダーアレイであり、６は第２のシリンダーアレイである。

７は第３の光束分割手段としての第３のシリンダーアレイであり、８は第４のシリンダーアレイである。

９は第１の偏光変換素子であり、１０は第２の偏光変換素子である。

１１は第２の光束分割手段としての第５のシリンダーアレイであり、１２は第４の光束分割手段としての第６のシリンダーアレイである。

１３は第１の光束合成手段としての偏光合成プリズム（偏光ビームスプリッタ）であり、偏光合成面（偏光分離面）１３ａを有する。

１４は第７のシリンダーアレイである。１５は第３の偏光変換素子である。

１６は第１のシリンダーレンズであり、１７は第２のシリンダーレンズである。１８は第３のシリンダーレンズであり、１９は第４のシリンダーレンズである。これら第１から第４のシリンダーレンズ１６〜１９により、集光手段（集光光学系）が構成される。

また、上述した第１のシリンダーアレイ５から第４のシリンダーレンズ１９までの複数の光学素子によって、照明光学系が構成される。

２０は偏光分離プリズム（偏光ビームスプリッタ）であり、偏光分離面２０ａを有する。

２１は画像表示素子としての反射型液晶パネルである。２２は投射レンズ（投射光学系）である。Ｏ_１は第１の光源１から液晶パネル２１までの光軸を示し、Ｏ_２は第２の光源２から偏光合成プリズム１３（液晶パネル２１）までの光軸を示す。また、Ｏ_３は液晶パネル２１（偏光分離プリズム２０）から投射レンズ２２までの光軸を示す。

第１から第４のシリンダーアレイ５〜８はそれぞれ、図２に示すように、ＹＺ断面でパワー（焦点距離の逆数であり、屈折力ということもできる）を有する複数のシリンダーレンズがＸ方向に平行に延びるように、Ｙ方向又はＺ方向に複数並べられた構成を有する。

第５及び第７のシリンダーアレイ１１，１４は、図１に示すようにＸＺ断面でパワーを有するシリンダーレンズがＹ方向に平行に延びるように、Ｘ方向に複数並べられた構成を有する。第６のシリンダーアレイ１２は、ＸＹ断面（第３の断面）でパワーを持つ複数のシリンダーレンズがＺ方向に延びるように互いに平行にＸ方向に並べられた構成を有する。

第１，３，５，６のシリンダーアレイ５，７，１１，１２はいずれも、入射光束を、それぞれを構成する複数のシリンダーレンズがパワーを有する方向においてのみ複数の光束に分割する。

第１の偏光変換素子９の構造を図３に示す。第１の偏光変換素子９は、複数の偏光分離面３１と、複数の反射面３２と、複数の１／２波長板３３と、複数の遮光板３４と、複数の第１透光性部材３５と、複数の第２透光性部材３６とを有する。第１透光性部材３５及び第２透光性部材３６は、偏光分離面３１と反射面３２との間に交互に配置されている。遮光板３４は第１透光性部材３５の入射面に、１／２波長板３３は第２透光性部材３６の射出面にそれぞれ貼り付けられている。

遮光板３４の間から第２透光性部材３６に入射した光Ｒ３１は、偏光分離面３１に入射する。偏光分離面３１に入射した光Ｒ３１のうちｂ方向（図１及び図２のＹ方向）を偏光方向とする偏光光Ｒ３２は、偏光分離面３１及び第１透光性部材３５を透過して第１の偏光変換素子９から射出する。一方、偏光分離面３１に入射した光のうちｃ方向（Ｘ方向）を偏光方向とする偏光光Ｒ３３は、偏光分離面３１で反射し、さらに反射面３２で反射する。そして、１／２波長板３３でその偏光方向が９０度回転されて、ｂ方向を偏光方向とする偏光光Ｒ３３に変換され、第１の偏光変換素子９から射出される。こうして、第１の偏光変換素子９は、無偏光光である入射光を、ｂ方向（第１の偏光方向としてのＹ方向）を偏光方向とする直線偏光光（第１の偏光光束）に変換して射出する。

第２の偏光変換素子１０の構造を図４に示す。第２の偏光変換素子１０は、複数の偏光分離面４１と、複数の反射面４２と、複数の１／２波長板４３と、複数の遮光板４４と、複数の第１透光性部材４５と、複数の第２透光性部材４６とを有する。第１透光性部材４５及び第２の透光性部材４６は、偏光分離面４１と反射面４２との間に交互に配置されている。遮光板４４は第１透光性部材４５の入射面に、１／２波長板４３は第２透光性部材４６の射出面にそれぞれ貼り付けられている。

遮光板４４の間から第２透光性部材４６に入射した光Ｒ４１は、偏光分離面４１に入射する。偏光分離面４１に入射した光Ｒ４１のうちｂ方向（図１及び図２のＺ方向）を偏光方向とする偏光光Ｒ４２は、偏光分離面４１及び第１透光性部材４５を透過する。そして、１／２波長板４３でその偏光方向が９０度回転されて、ｃ方向を偏光方向とする偏光光Ｒ４３に変換されて第２の偏光変換素子１０から射出される。一方、偏光分離面４１に入射した光のうちｃ方向（Ｘ方向）を偏光方向とする偏光光Ｒ４３は、偏光分離面４１で反射し、さらに反射面４２で反射して、第２の偏光変換素子１０から射出される。こうして、第２の偏光変換素子１０は、無偏光光である入射光を、ｃ方向（第２の偏光方向としてのＸ方向）を偏光方向とする直線偏光光（第２の偏光光束）に変換して射出する。

第３の偏光変換素子１５は、その構成は図４に示した第２の偏光変換素子１０と同じであるが、そこからの射出光がＹ方向を偏光方向とする直線偏光光（前述の第１、２の偏光光束の一方と同じ偏光方向を持つ偏光光束）となるように配置されている。

次に、第１の光源１から液晶パネル２１までの光学作用について、図５、図６及び図７を用いて説明する。図５には、第１の光源１から液晶パネル２１までの光学系のＸＺ断面を、図６及び図７にはＹＺ断面を示す。図５及び図６には、光束の進行経路を、図７には光束の偏光状態をそれぞれ示している。

まず、図５に示したＸＺ断面での光学作用を説明する。第１の光源１から発せられた無偏光の光束は、放物面リフレクタ３で反射されて、その大部分が光軸Ｏ_１に対して平行な平行光束Ｒ１に変換される。平行光束Ｒ１は、ＸＺ断面ではパワーを持たない第１のシリンダーアレイ５と第２のシリンダーレンズ６を透過して、さらに第１の偏光変換素子９を通過する（実際にはＹ方向を偏光方向とする偏光光束に変換される）。

そして、平行光束Ｒ１は、第５のシリンダーアレイ１１で複数の光束（偏光光束）Ｒ２に分割され、偏光合成プリズム１３を透過する。偏光合成プリズム１３を透過した複数の光束Ｒ２は、第７シリンダーアレイ１４と第３の偏光変換素子１５の近傍に集光して第１の光源１の複数の二次光源像を形成し、第３の偏光変換素子１５からＹ方向を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ３として射出する。

複数の偏光光束Ｒ３は、それぞれＸＺ断面においてはパワーを持たない第１のシリンダーレンズ１６と第２のシリンダーレンズ１７を透過する。さらに、それぞれＸＺ断面においてパワーを持った第３のシリンダーレンズ１８と第４のシリンダーレンズ１９によって液晶パネル２１上に集光される。これにより、Ｙ方向を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ３は、偏光分離プリズム２０を透過しながらＸＺ断面において液晶パネル２１上（画像表示素子上）で重畳され、液晶パネル２１を均一に照明する。

次に、図６に示したＹＺ断面での作用について説明する。第１の光源１から発せられた無偏光な光束は、放物面リフレクタ３で反射され、その大部分が光軸Ｏ _１ に対して平行な平行光束Ｒ４に変換される。平行光束Ｒ４は、第１のシリンダーアレイ５で複数の光束Ｒ５に分割され、第２シリンダーアレイ６と第１の偏光変換素子９の近傍に集光して第１の光源１の複数の二次光源像を形成する。そして、これらの光束は、第１の偏光変換素子９でＹ方向を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ６に変換される。

複数の偏光光束Ｒ６は、ＹＺ断面においてはパワーを持たない第５のシリンダーアレイ１１を透過し、次に偏光合成プリズム１３の偏光合成面１３ａを透過する。さらに、ＹＺ断面においてはパワーを持たない第７のシリンダーアレイ１４を透過して、第３の偏光変換素子１５をＹ方向を偏光方向としたまま通過する。そして、複数の偏光光束Ｒ６は、それぞれＹＺ断面においてパワーを持つ第１のシリンダーレンズ１６と第２のシリンダーレンズ１７によって液晶パネル２１に向けて集光される。そして、それぞれＹＺ断面においてはパワーを持たない第３のシリンダーレンズ１８と第４のシリンダーレンズ１９を透過し、液晶パネル２１に到達する。Ｙ方向を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ６は、上記第１及び第２のシリンダーレンズ１６，１７の集光作用によって、偏光分離プリズム２０の偏光分離面２０ａを透過しながらＹＺ断面において液晶パネル２１上で重畳され、液晶パネル２１を均一に照明する。

ここで、第１及び第２のシリンダーレンズ１６，１７のＹＺ断面での合成焦点距離は、第３及び第４のシリンダーレンズ１８，１９のＸＺ断面での合成焦点距離よりも長い。すなわち、集光光学系は、ＹＺ断面とＸＺ断面とで異なる焦点距離を有する。

次に、第２の光源２から液晶パネル２１までの光学系の作用について説明する。第２の光源２から液晶パネル２１までの光学系での光束の進行経路に関しては、偏光合成プリズム１３の偏光合成面１３ａをミラーと考えれば、第１の光源１から液晶パネル２１までの光学系を折り返した光学系と基本的に同じである。

ただし、偏光状態に関しては、以下のようになる。第２の光源２からの無偏光の光束（第３のシリンダーアレイ７で分割された複数の光束）Ｒ８は、第２の偏光変換素子１０でＸ方向を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ９に変換される。また、複数の偏光光束Ｒ９は、偏光合成面１３ａで反射されて、第１の光源１から進行してきて偏光合成面１３ａを透過する複数の偏光光束Ｒ６と合成される。さらに、偏光合成面１３ａで反射された複数の偏光光束Ｒ９は、第３の偏光変換素子１５で、第１の光源１からの光束の偏光方向と同じＹ方向を偏光方向とする複数の偏光光束に変換される。

偏光合成面１３ａで反射された複数の光束Ｒ９は、第１の光源１からの光束と同様に集光され、偏光分離プリズム２０（偏光分離面２０ａ）を透過しつつ、液晶パネル２１を均一に照明する。

このようにして、第１の光源１側からの複数の光束と第２の光源２側からの複数の光束とが偏光合成面１３ａで合成され、該複数の合成光束が第１から第４のシリンダーレンズ１６〜１９によって集光されて、両断面において液晶パネル２１を均一に照明する。つまり、第１の光源１からの光束と第２の光源２からの光束の偏光方向を同じとして、両光束によって液晶パネル２１を照明することが可能になり、この結果、小型の照明光学系で高い照明効率を実現できる。

液晶パネル２１で反射され、かつ変調されてＸ方向を偏光方向とする偏光光となった光束は、偏光分離プリズム２０の偏光分離面２０ａで反射され、投射レンズ２２によって不図示のスクリーン等の被投射面に投射される。２つの光源１，２からの光束による大きな光量と照明光学系の高い照明効率との相乗効果によって、明るい画像を表示する（明るい画像を投射する）ことができる。

なお、図１〜図７には、第５のシリンダーアレイ１１を第１の偏光変換素子９と偏光合成プリズム１３との間に配置し、第６のシリンダーアレイ１２を第２の偏光変換素子１０と偏光合成プリズム１３の間に配置した場合について説明した。しかし、第５のシリンダーアレイ１１は、第１の偏光変換素子９の近傍であればどこに配置してもよい。例えば、第５のシリンダーアレイ１１を、第１のシリンダーアレイ５又は第２のシリンダーアレイ６と第１の偏光変換素子９との間に配置してもよい。同様に、第６のシリンダーアレイ１２は、第２の偏光変換素子１０の近傍であればどこに配置してもよい。例えば、第６のシリンダーアレイ１２を、第３のシリンダーアレイ７又は第４のシリンダーアレイ８と第２の偏光変換素子１０との間に配置してもよい。

図１〜図７には、液晶パネル２１が１つのみ設けられた場合について説明したが、３つの液晶パネルに対してＲ，Ｇ，Ｂの３色の光束を導き、該３つの液晶パネルからの光束を合成する色分解合成光学系を有する場合について、図８を用いて説明する。図８には、第１のシリンダーレンズ１６から投射レンズ２２までの光学系のＹＺ断面を示している。

６０はダイクロイック素子、６１は偏光板、６２は波長選択性位相差板、６３は第１の１／４波長板、６４は第２の１／４波長板、６５は第３の１／４波長板である。６６は第１の液晶パネル、６７は第２の液晶パネル、６８は第３の液晶パネルである。６９は第１の偏光分離プリズム、７０は第２の偏光分離プリズム、７１は合成プリズムである。６９ａは第１の偏光分離プリズム６９の偏光分離面、７０ａは第２の偏光分離プリズム７０の偏光分離面、７１ａは合成プリズム７１の合成面である。

第１のシリンダーレンズ１６から第４のシリンダーレンズ１９を通過したＹ方向を偏光方向とする白色の偏光光Ｒ１１は、ダイクロイック素子６０によってＧ帯域光Ｒ１２と、Ｒ帯域光Ｒ１３及びＢ帯域光Ｒ１４とに分離される。

Ｇ帯域光Ｒ１２は、第１の偏光分離プリズム６９の偏光分離面６９ａを透過して、第１の１／４波長板６３を通過し、第１の液晶パネル６６を照明する。第１の液晶パネル６６で反射され、かつ変調されてＸ方向の偏光光となったＧ帯域光Ｒ１２は、第１の１／４波長板６３を通過して第１の偏光分離プリズム６９の偏光分離面６９ａで反射され、合成プリズム７１に導かれる。

Ｒ帯域光Ｒ１３及びＢ帯域光Ｒ１４は、偏光板６１を通過する。そして、Ｒ帯域光Ｒ１３は、波長選択性位相差板６２でＸ方向を偏光方向とする偏光光に変換される。Ｂ帯域光Ｒ１４は、Ｙ方向を偏光方向とする偏光光のまま波長選択性位相差板６２を透過する。

Ｒ帯域光Ｒ１３は、第２の偏光分離プリズム７０の偏光分離面７０ａで反射され、第２の１／４波長板６４を通過して、第２の液晶パネル６７を照明する。第２の液晶パネル６７で反射され、かつ変調されてＹ方向の偏光光となったＲ帯域光Ｒ１３は第１の１／４波長板６４を通過し、第２の偏光分離プリズム７０の偏光分離面７０ａを透過して、合成プリズム７１に導かれる。

Ｂ帯域光Ｒ１４は、第２の偏光分離プリズム７０の偏光分離面７０ａを透過し、第３の１／４波長板６５を通過して、第３の液晶パネル６８を照明する。第３の液晶パネル６８で反射され、かつ変調されてＸ方向を偏光方向とする偏光光となったＢ帯域光Ｒ１４は、第３の１／４波長板６５を通過し、第２の偏光分離プリズム７０の偏光分離面７０ａで反射されて、合成プリズム７１に導かれる。

合成プリズム７１に導かれたＧ帯域光Ｒ１２は、その合成面７１ａで反射して、合成面７１ａを透過するＲ帯域光Ｒ１３及びＢ帯域光Ｒ１４と合成される。合成された光束Ｒ１５は、投射レンズ２２によって被投射面に投射される。

以上説明した本実施例によれば、各偏光変換素子での高い変換効率と、照明光学系における高い照明効率とを得ることができる。

図９には、本発明の実施例２である画像投射装置（画像表示装置）の光学系（光源から画像表示素子までの光学系）のＹＺ断面を示す。

本実施例は、４つの光源を用いた４灯式の画像投射装置である。また、画像表示素子として、可動の複数の微小ミラーで光束を変調するマイクロミラーデバイス（以下、ミラーパネルという）を用いている。本実施例における照明光学系は、第１の光学系９１と第２の光学系９２（それぞれが実施例１の光源から第３の偏光変換素子１５までの構造に相当する）を含む。

第１の光学系９１は、図１及び図２に示した第１及び第２の光源１，２に相当する２つの光源１ａ，２ａと、リフレクタ３，４と、第１から第７のシリンダーアレイ５〜８，１１，１２，１４を含む。また、第１の光学系９１は、第１から第３の偏光変換素子９，１０，１５と、偏光合成プリズム１３とを含む。

第２の光学系９２は、図１及び図２に示した第１及び第２の光源１，２に相当する、上記光源１ａ，２ａとは別の２つの光源１ｂ，２ｂと、リフレクタ３，４と、第１から第７のシリンダーアレイ５〜８，１１，１２，１４とを含む。また、第２の光学系９２は、第１から第３の偏光変換素子９，１０，１５と、偏光合成プリズム１３とを含む。

第１の光学系９１に設けられた第３の偏光変換素子１５からは、Ｘ方向とＹ方向のうち一方であるＹ方向を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ９１が射出される。第２の光学系９２に設けられた第３の偏光変換素子１５からは、他方（Ｘ方向）を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ９２が射出される。

複数の偏光光束Ｒ９１は、第２の光束合成手段としての第２の偏光合成プリズム９３に設けられた偏光合成面９３ａを透過する。複数の偏光光束Ｒ９２は、第２の偏光合成プリズム９３の偏光合成面９３ａで反射される。これにより、複数の偏光光束Ｒ９１と複数の偏光光束Ｒ９２とが合成される。合成された複数の光束（無偏光の光束）は、図１及び図２に示した第１から第４のシリンダーレンズ１６〜１９によってミラーパネル９４上にて重畳され、ミラーパネル９４を均一に照明する。ミラーパネル９４で変調された光束は、不図示の投射レンズを介して被投射面に投射される。

このように構成された小型の照明光学系によって、４つの光源１ａ，１ｂ，２ａ，２ｂからの光束を合成して、高い照明効率でミラーパネル９４を照明することができる。
[参考例１]

図１０及び図１１にはそれぞれ、本発明の参考例１である画像投射装置（画像表示装置）の光学全系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。本参考例は、実施例１と同様の構成を有しており、実施例１の構成要素と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付している。

ただし、本参考例では、実施例１で説明した第２のシリンダーアレイ６と第５のシリンダーアレイ１１を、第１のフライアイレンズ１０１として一体化している。また、実施例１で説明した第４のシリンダーアレイ８と第６のシリンダーアレイ１２を、第２のフライアイレンズ１０２として一体化している。第１のフライアイレンズ１０１は第１の光束分割手段に、第２のフライアイレンズ１０２は第２の光束分割手段にそれぞれ相当する。

このような構成により、照明光学系を構成する光学素子の数を削減しつつ、実施例１の照明光学系と同等の偏光変換効率と照明効率を得ることができる。

図１２及び図１３にはそれぞれ、本発明の実施例３である画像投射装置（画像表示装置）の光学全系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。本実施例は、実施例１と同様の構成を有しており、実施例１の構成要素と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付している。

ただし、本実施例では、集光光学系の構成が実施例１と異なる。実施例１では、第１から第４のシリンダーレンズ１６〜１９で構成される集光光学系の主点（つまりは焦点距離）をＸＺ断面とＹＺ断面とで異ならせている。このような構成は、第１から第４のシリンダーレンズ１６〜１９以外のレンズの組み合わせでも実現することができる。

本実施例では、集光光学系を、ＹＺ断面でのみパワーを有するシリンダーレンズ１２１と、ＸＺ断面とＹＺ断面とで互いに異なるパワーを有するトーリックレンズ１２２と、ＸＺ断面でのみパワーを有するシリンダーレンズ１２３とにより構成している。

このような構成により、集光光学系、つまりは照明光学系を構成する光学素子の数を削減しつつ、実施例１の照明光学系と同等の偏光変換効率と照明効率を得ることができる。

図１４には、本発明の実施例４である画像投射装置（画像表示装置）の光学全系のＹＺ断面を示す。本実施例は、光源部分を除いて実施例１と同様の構成を有しており、実施例１の構成要素と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付している。

本実施例では、第１及び第２の光源のそれぞれを、偏光光を発する複数（２つ）の偏光光源ユニット（レーザ光源）を用いて構成している。

第１の光源は、第１のレーザ光源１４１と、第２のレーザ光源１４２と、光源合成手段としての偏光合成プリズム１４５とにより構成されている。また、第２の光源は、第３のレーザ光源１４３と、第４のレーザ光源１４４と、光源合成手段としての偏光合成プリズム１４６とにより構成されている。なお、本実施例では、リフレクタは設けられていない。

第１のレーザ光源１４１はＹ方向を偏光方向とする偏光光束を発し、第２のレーザ光源１４２はＸ方向を偏光方向とする偏光光束を発する。これらの偏光光束は偏光合成プリズム１４５の偏光合成面１４５ａで合成され、合成された無偏光の光束は第１のシリンダーアレイ５に入射する。この後は、実施例１と同様に進んで、液晶パネル２１に至る。

第３のレーザ光源１４３はＹ方向を偏光方向とする偏光光束を発し、第４のレーザ光源１４２はＸ方向を偏光方向とする偏光光束を発する。これらの偏光光束は偏光合成プリズム１４６の偏光合成面１４６ａで合成され、合成された無偏光の光束は第３のシリンダーアレイ７に入射する。この後は、実施例１と同様に進んで、液晶パネル２１に至る。

このように、光源として偏光光源ユニットを用いれば、２つのランプを用いる場合の照明光学系と同様の照明光学系によって、４つの光源からの光束を合成して液晶パネル２１に導くことができる。

図１５及び図１６にはそれぞれ、本発明の実施例５である画像投射装置（画像表示装置）の光学全系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。また、図１７は、光学系の一部のＸＹ断面を示している。本実施例は、よりコンパクト化が図られた画像投射装置を示す。

本実施例は、実施例１と同様の構成を有しており、実施例１の構成要素と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付している。

ただし、図１７に示すように、第２の光源回りの構成が実施例１と異なる。図１７において、１５１は第２の光源であり、１５２は第２の放物面リフレクタである。１５３は第３のシリンダーアレイであり、１５４はミラーである。

第２の光源１５１からの無偏光の光束は、放物面リフレクタ１５２により反射されて、Ｘ方向に向かって進む。

ミラー１５４は、第３のシリンダーアレイ１５３と第４のシリンダーアレイ８との間に、光軸Ｏ_２及び光軸Ｏ_３に対して４５°の角度をなすように配置されている。ミラー１５４は、第２の光源１５１からの光束を、Ｙ方向に反射させる。ミラー１５４で反射された光束は、第４のシリンダーアレイ８に入射する。この後は、実施例１と同様に進んで、液晶パネル２１に至る。

本実施例では、ミラー１５４と偏光合成プリズム１３の偏光合成面１３ａとがねじれの関係にある。このため、第３のシリンダーアレイ１５３は、第４のシリンダーアレイ８がパワーを持つＹＺ断面に直交するＸＺ断面においてパワーを持ったシリンダーアレイとして形成されている。

このような構成により、ＹＺ断面での第２の光源１５１及び放物面リフレクタ１５２の突出量を小さくすることができ、全体として画像投射装置のコンパクト化が可能になる。

図１８及び図１９にはそれぞれ、本発明の実施例６である画像投射装置（画像表示装置）の光学全系のＸＺ断面及びＹＺ断面を示す。また、図２０には、ＹＺ断面における光束の進行経路を示している。本実施例において実施例１の構成要素と共通する構成要素には、実施例１と同符号を付している。

本実施例では、実施例１で説明した第３の偏光変換素子１５に代えて、第３の偏光変換素子としての位相板アレイ１８２を用いている。また、位相板アレイ１８２への置換に伴い、実施例１で説明した第７のシリンダーアレイ１４が、シリンダーレンズのピッチがより小さい第７のシリンダーアレイ１８１に置き換えられている。第７のシリンダーアレイ１８１のシリンダーレンズのピッチは、第５及び第６のシリンダーアレイ１１，１２の半分である。

また、位相板アレイ１８２は、複数の１／２波長板（位相板）を間隔をあけて配置して構成されている。複数の１／２波長板は、第７のシリンダーアレイ１８１を構成する複数のシリンダーレンズにおける１つおきのレンズに対向するように配置されている。

第１の光源１から液晶パネル２１までのＹＺ断面での光学作用は、実施例１と同じであるので、第１の光源１から液晶パネル２１までのＸＺ断面での光学作用について図２０を用いて説明する。

第１の光源１から発せられた無偏光の光束は、放物面リフレクタ３で反射されて、その大部分が光軸Ｏ_１に対して平行な平行光束Ｒ２０１に変換される。平行光束Ｒ２０１は、それぞれＸＺ断面においてパワーを持たない第１のシリンダーアレイ５と第２のシリンダーレンズ６を透過して、第１の偏光変換素子９によってＹ方向を偏光方向とする偏光光束Ｒ２０２に変換される。

偏光光束Ｒ２０２は、第５のシリンダーアレイ１１で複数の偏光光束Ｒ２０３に分割され、該複数の偏光光束Ｒ２０３は、偏光合成プリズム１３及び第７のシリンダーアレイ１８１を透過して位相板アレイ１８２の１／２波長板上に集光される。複数の偏光光束Ｒ２０３は、１／２波長板で偏光方向が９０°回転され、Ｘ方向を偏光方向とする複数の偏光光束Ｒ２０４に変換される。そして、これら複数の偏光光束Ｒ２０４は、第１から第４のシリンダーレンズ１６〜１９及び偏光分離プリズム２０を介して液晶パネル２１上にて重畳される。なお、本実施例の偏光分離プリズム２０は、Ｘ方向を偏光方向とする偏光光束を透過し、Ｙ方向を偏光方向とする偏光光束を反射する。

次に、第２の光源２から液晶パネル２１までのＸＺ断面での光学作用について、図２１を用いて説明する。図２１には、偏光合成面１３ａでの反射を除いた光学系での光束の進行経路を示している。

第２の光源２から発せられた無偏光の光束は、放物面リフレクタ４で反射され、その大部分がその大部分が光軸Ｏ_２に対して平行な平行光束Ｒ２１１に変換される。平行光束Ｒ２１１は、それぞれＸＺ断面においてパワーを持たない第３のシリンダーアレイ７と第４のシリンダーレンズ８を透過し、第１の偏光変換素子１０でＸ方向を偏光方向とする偏光光束Ｒ２１２に変換される。そして、偏光光束Ｒ２１２は、第６のシリンダーアレイ１２で複数の偏光光束Ｒ２１３に分割され、該複数の偏光光束Ｒ２１３は、偏光合成プリズム１３と第７のシリンダーアレイ１８１を透過し、位相板アレイ１８２のうち１／２波長板の間の領域に集光される。

そして、複数の偏光光束Ｒ２１３は、第１から第４のシリンダーレンズ１６〜１９及び偏光分離プリズム２０を介して液晶パネル２１上にて重畳される。

このように、第３の偏光変換素子を位相板アレイ１８２により構成することで、実施例１（図４参照）にて説明した構造を有する偏光変換素子を用いる場合に比べて、偏光分離膜や反射面での光量ロスがなくなる分、照明効率を改善することができる。

なお、位相板アレイ１８２は、偏光合成プリズム１３と第７のシリンダーアレイ１８１との間に配置してもよい。

以上説明したように、上記各実施例によれば、偏光変換素子での偏光変換効率を良好とし、高い照明効率を得ることができる。また、偏光成分を利用して光束を合成しているため、光学系を小型化することもできる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

本発明の実施例１である画像投射装置の光学系のＸＺ断面図。 実施例１の光学系のＹＺ断面図。 第１の偏光変換素子の構造を示す断面図。 第２の偏光変換素子の構造を示す断面図。 実施例１の光学系のＸＺ断面での光学作用を説明するための図。 実施例１の光学系のＹＺ断面での光学作用を説明するための図。 実施例１の光学系における光束の偏光状態を説明するための図。 実施例１の変形例である画像投射装置に用いられる色分解合成光学系を示す図。 本発明の実施例２である画像投射装置の光学系のＹＺ断面図。 本発明の参考例１である画像投射装置の光学系のＸＺ断面図。 参考例１の光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例３である画像投射装置の光学系のＸＺ断面図。 実施例３の光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例４である画像投射装置の光学系のＹＺ断面図。 本発明の実施例５である画像投射装置の光学系のＸＺ断面図。 実施例５の光学系のＹＺ断面図。 実施例５の光学系の一部のＸＹ断面図。 本発明の実施例６である画像投射装置の光学系のＸＺ断面図。 実施例６の光学系のＹＺ断面図。 実施例６の光学系における第１の光源に関する光学作用を説明するための図。 実施例６の光学系における第２の光源に関する光学作用を説明するための図。

１ 第１の光源
２，１５１ 第２の光源
３，４ 放物面リフレクタ
５ 第１のシリンダーアレイ
６ 第２のシリンダーアレイ
７，１５３ 第３のシリンダーアレイ
８ 第４のシリンダーアレイ
９ 第１の偏光変換素子
１０ 第２の偏光変換素子
１１ 第５のシリンダーアレイ
１２ 第６のシリンダーアレイ
１３ 偏光合成プリズム
１４、１８１ 第７のシリンダーアレイ
１５ 第３の偏光変換素子
１６ 第１のシリンダーレンズ
１７ 第２のシリンダーレンズ
１８ 第３のシリンダーレンズ
１９ 第４のシリンダーレンズ
１２１，１２３ シリンダーレンズ
１２２ トーリックレンズ
２０，６９，７０ 偏光分離プリズム
２１，６６，６７，６８ 液晶パネル
２２ 投射レンズ
６０ ダイクロイック素子
６１ 偏光板
６２ 波長選択性位相差板
６３，６４，６５ １／４波長板
６９，７０ 偏光分離プリズム
７１ 合成プリズム
９１ 第１の光学系
９２ 第２の光学系
９３，１４５，１４６ 偏光合成プリズム
９４ ミラーパネル
１０１，１０２ フライアイレンズ
１４１〜１４４ レーザ光源
１４６ 第３の偏光合成プリズム
１５４ ミラー
１８２ 位相板アレイ

Claims (8)

1. 第１の光源及び第２の光源からの光束を、照明光学系を介して画像表示素子に導くことにより画像を表示する画像表示装置であって、
   前記照明光学系は、
   前記第１の光源からの光束を第１の断面において複数の光束に分割する第１の光束分割手段と、
   前記第１の光源からの光束を、前記第１の断面に直交する第２の断面において複数の光束に分割する第２の光束分割手段と、
   前記第１の光源からの無偏光の光束を第１の偏光方向を有する第１の偏光光束に変換する第１の偏光変換素子と、
   前記第２の光源からの光束を前記第１の断面において複数の光束に分割する第３の光束分割手段と、
   前記第２の光源からの光束を、前記第１及び第２の断面に直交する第３の断面において複数の光束に分割する第４の光束分割手段と、
   前記第２の光源からの無偏光の光束を前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する第２の偏光光束に変換する第２の偏光変換素子と、
   前記第１の光束分割手段、前記第２の光束分割手段、及び前記第１の偏光変換素子を経た複数の前記第１の偏光光束と、前記第３の光束分割手段、前記第４の光束分割手段、及び前記第２の偏光変換素子を経た複数の前記第２の偏光光束とを合成する第１の光束合成手段と、
   該第１の光束合成手段からの複数の合成光束を、前記第１及び第２の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する複数の偏光光束に変換する第３の偏光変換素子と、
   前記第３の偏光変換素子からの前記複数の偏光光束を前記画像表示素子上で重畳させる集光手段を有し、
   前記第２の光束分割手段は、前記第１の偏光変換素子と前記第１の光束合成手段との間に配置され、
   前記第４の光束分割手段は、前記第２の偏光変換素子と前記第１の光束合成手段との間に配置されていることを特徴とする画像表示装置。
2. 前記照明光学系は、
   前記第１及び第２の光源に相当する２つの光源に対して設けられ、前記第１から第４の光束分割手段、前記第１から第３の偏光変換素子及び前記第１の光束合成手段を有し、前記一方の偏光方向を有する複数の偏光光束を射出する第１の光学系と、
   前記第１及び第２の光源に相当する、前記２つの光源とは別の２つの光源に対して設けられ、前記第１から第４の光束分割手段、前記第１から第３の偏光変換素子及び前記第１の光束合成手段を有し、他方の偏光方向を有する光束を射出する第２の光学系と、
   前記第１の光学系からの光束と前記第２の光学系からの光束とを合成して、前記集光手段に導く第２の光束合成手段とを有することを特徴とする請求項１に記載の画像表示装置。
3. 前記集光手段は、前記第１の断面と前記第２の断面とで異なる焦点距離を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の画像表示装置。
4. 前記第１及び第２の光源はそれぞれ、前記第１の偏光方向の光束及び前記第２の偏光方向の光束を発する複数の偏光光源と、該複数の偏光光源からの光束を合成する光源合成手段とを有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の画像表示装置。
5. 前記第３の偏光変換素子は、位相板を間隔をあけて配置した位相板アレイにより構成されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の画像表示装置。
6. 前記第１及び第２の偏光変換素子は、複数の偏光分離面を有し、
   前記第１及び第２の偏光変換素子の偏光分離面は、前記第１の断面に平行な方向に並んでおり、
   前記第３の偏光変換素子は、複数の偏光分離面を有し、
   前記第３の偏光変換素子の偏光分離面は、前記第２の断面に平行な方向に並んでいることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の画像表示装置。
7. 前記画像表示素子からの光束を被投射面に投射する投射光学系を備えることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の画像表示装置。
8. 第１の光源及び第２の光源からの光束を、画像表示素子に導く照明光学系において、
   前記照明光学系は、
   前記第１の光源からの光束を第１の断面において複数の光束に分割する第１の光束分割手段と、
   前記第１の光源からの光束を、前記第１の断面に直交する第２の断面において複数の光束に分割する第２の光束分割手段と、
   前記第１の光源からの無偏光の光束を第１の偏光方向を有する第１の偏光光束に変換する第１の偏光変換素子と、
   前記第２の光源からの光束を前記第１の断面において複数の光束に分割する第３の光束分割手段と、
   前記第２の光源からの光束を、前記第１及び第２の断面に直交する第３の断面において複数の光束に分割する第４の光束分割手段と、
   前記第２の光源からの無偏光の光束を前記第１の偏光方向に直交する第２の偏光方向を有する第２の偏光光束に変換する第２の偏光変換素子と、
   前記第１の光束分割手段、前記第２の光束分割手段、及び前記第１の偏光変換素子を経た複数の前記第１の偏光光束と、前記第３の光束分割手段、前記第４の光束分割手段、及び前記第２の偏光変換素子を経た複数の前記第２の偏光光束とを合成する第１の光束合成手段と、
   該第１の光束合成手段からの複数の合成光束を、前記第１及び第２の偏光方向のうち一方の偏光方向を有する複数の偏光光束に変換する第３の偏光変換素子と、
   前記第３の偏光変換素子からの前記複数の偏光光束を前記画像表示素子上で重畳させる集光手段を有し、
   前記第２の光束分割手段は、前記第１の偏光変換素子と前記第１の光束合成手段との間に配置され、
   前記第４の光束分割手段は、前記第２の偏光変換素子と前記第１の光束合成手段との間に配置されていることを特徴とする照明光学系。