JPH11202129A - 偏光変換素子および投射型液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光束幅の拡大を伴うことなく偏光混合光を単
一偏光方向の偏光光に変換することができ、しかも加工
が容易な偏光変換素子を提供する。 【解決手段】 ＰＳ分離合成素子１４は、４個のレンズ
要素からなるコンデンサレンズアレイ１４１と、複数の
ＰＳ分離プリズム１４２ａおよび複数の反射プリズム１
４２ｂとを含むＰＳ分離プリズムアレイ１４２と、２分
の１波長板からなる位相板１４３と、コンデンサレンズ
アレイ１４１のレンズ要素数の半分のサイズの８個のレ
ンズ要素からなるコリメータレンズアレイ１４４とを備
える。コンデンサレンズアレイ１４１の各レンズ要素に
よって入射光束を集光してからＰＳ分離プリズムアレイ
１４２によって偏光分離合成を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、異なる方向の偏光
成分を含む光束を単一の偏光方向の光束に変換するため
の偏光変換素子、およびそのような偏光変換素子を用い
て構成した投射光学系により液晶パネル上の画像をスク
リーンに拡大投影して画像を表示する投射型液晶表示装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、液晶パネルを光スイッチング素子
として利用し、液晶パネル上の画像を投射光学系によっ
てスクリーン上に拡大投影するようにした液晶プロジェ
クタや液晶プロジェクションＴＶ等の投射型液晶表示装
置が登場している。この種の液晶表示装置には、Ｂ
（青），Ｒ（赤），Ｇ（緑）の３色のカラーフィルタ
（ＣＦ）を備えた液晶パネルを１枚用いて構成した単板
方式と、モノクロ液晶パネルをＢ，Ｒ，Ｇの各光路ごと
に設けて構成した３板方式とがある。このような投射型
液晶表示装置では、通常、液晶パネルの入射側および出
射側にそれぞれ偏光板を配して、入射側の偏光板によっ
て偏光方向を１方向に揃えた直線偏光光束を液晶パネル
に入射し、この入射光に対して画素ドットごとに偏光方
向の変調を行い、この変調された光を出射側の偏光板に
よって検光することで、画素ドットごとに強度変調され
た光学画像を形成し、これを投射光学系によりスクリー
ン上に投影するようになっている。

【０００３】上記の偏光板は、異なる方向の偏光成分を
含む入射光のうちのある１つの偏光方向（偏光軸方向）
成分のみを通過させ、他の偏光方向の光を遮断するもの
であり、その遮断された光は吸収されて損失となる。こ
のため、入射側偏光板においては、そのような吸収によ
る偏光板の発熱の問題が生ずると共に、そのような損失
による光量低下が問題となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】この問題を解決する１
つの方法として、照明光学系における主光線がテレセン
トリック（光軸に平行）となっている領域に偏光分離合
成素子といわれる素子を配置することが提案されてい
る。この偏光分離合成素子は、図１１に示したように、
Ｐ偏光とＳ偏光とが混合したＰＳ混合入射光（Ｐ＋Ｓ）
のうちのＰ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射すること
により、この入射光束を互いに直交する偏光方向をもつ
２つの直線偏光光束に分離するＰＳ分離プリズム１０１
と、ＰＳ分離プリズム１０１によって分離されたＳ偏光
光束を反射してＰＳ分離プリズム１０１を透過したＰ偏
光光束と同一方向に出射する反射プリズム１０２と、反
射プリズム１０２から出射されたＳ偏光光束の偏光方向
を９０度変化させてＰ′偏光光束に変換する位相板１０
３とを備えている。位相板１０３は２分の１波長板で構
成される。ここで、Ｐ偏光とは入射面内で振動する直線
偏光であり、Ｓ偏光とは入射面と直交する面内で振動す
る直線偏光である。なお、この図１１では、光線経路を
示す線との錯綜を避けるため、ＰＳ分離プリズム１０１
および反射プリズム１０２についての断面ハッチングを
省略している。また、この図で位相板１０３によって偏
光方向を変換された偏光光束は、ＰＳ分離プリズム１０
１を透過したＰ偏光光束と同一偏光方向をもつが、両者
の区別のため、便宜上、上記のようにＰ′偏光光束と表
記している。

【０００５】このような構成の偏光分離合成素子を投射
型液晶表示装置の照明光学系に配置した場合には、光源
から放射されて偏光分離合成素子に入射したＰＳ混合光
のほぼすべてが、光量損失をほとんど伴わずに、単一の
方向に偏光した直線偏光（図１１の例ではＰ偏光）光束
に変換される。したがって、この偏光分離合成素子から
出射する直線偏光の偏光方向と液晶パネルの入射側偏光
板（図示せず）の偏光軸の方向とを一致させるようにす
れば、この入射側偏光板では吸収がほとんど生じない。
このため、上記した吸収による発熱および光量低下とい
う問題点を改善することができる。

【０００６】ところが、図１１に示した構成の偏光分離
合成素子においては、入射光束の幅Ｗ１に対して出射光
束全体の幅Ｗ２はほぼ２倍に拡大されており、装置サイ
ズが大きくなってしまうという問題点がある。

【０００７】これに対して、例えば図１２に示したよう
に、液晶パネルにおける面内照度分布を均一化するイン
テグレータとしてのフライアイレンズ部１１５の光出射
側にＰＳ分離合成素子１２０を配置するようにした投射
型液晶表示装置が提案されている。

【０００８】この図に示したフライアイレンズ部１１５
は、微小なレンズ要素を２次元的に多数配列して構成し
た第１のレンズアレイ１２１と、この第１のレンズアレ
イ１２１の各レンズ要素に対応してレンズ要素を２次元
的に配列して構成した第２のレンズアレイ１２２とによ
って構成されている。第１のレンズアレイ１２１の各レ
ンズ要素は、入射光束を複数の小光束に分割して出射
し、それぞれを第２のレンズアレイ１２２の対応するレ
ンズ要素に集光させる。第１のレンズアレイ１２１の各
レンズ要素から出射した各小光束は、第２のレンズアレ
イ１２２の対応するレンズ要素およびコンデンサレンズ
１１６によって、互いに重なり合う方向にそれぞれ出射
させられ、液晶パネル１２３上で互いに重畳されるよう
になっている。なお、図１２では、説明の簡略化のため
に、第１のレンズアレイ１２１および第２のレンズアレ
イ１２２のレンズ要素を図の上下方向に各４個配列する
ように表しているが、実際には、８×１０＝８０個とい
う多数のレンズ要素が配列されるようになっており、そ
れぞれのサイズは微小なものとなる。

【０００９】この照明光学系では、さらに、第２のレン
ズアレイ１２２の直後にＰＳ分離合成素子１２０を配置
するようにしている。このＰＳ分離合成素子１２０は、
図示のように、ＰＳ分離プリズムアレイ１１７と位相板
１１８とから構成されている。ＰＳ分離プリズムアレイ
１１７は、図１１に示したようなＰＳ分離プリズム１０
１と反射プリズム１０２を交互に配列して構成したもの
である。ＰＳ分離プリズム１０１および反射プリズム１
０２の双方を合わせた配列ピッチは、第２のレンズアレ
イ１２２のレンズ要素の配列ピッチの半分となってい
る。より具体的には、各ＰＳ分離プリズム１０１は第２
のレンズアレイ１２２のレンズ要素から出射した光束の
集光点近傍に配置され、反射プリズム１０２は、第２の
レンズアレイ１２２における互いに隣接するレンズ要素
の間に対応する位置に配置されている。なお、この図１
２では、光線経路を示す線との錯綜を避けるため、ＰＳ
分離プリズムアレイ１１７およびコンデンサレンズ１１
６についての断面ハッチングを省略している。

【００１０】このような構成の照明光学系によれば、入
射するＰＳ混合光（Ｐ＋Ｓ）のほぼすべてを単一の偏光
方向の直線偏光（Ｐ＋Ｐ′）に変換できるばかりでな
く、入射光束の幅に対して出射光束の幅を拡大すること
がないので、装置サイズが大きくなることがない。

【００１１】しかしながら、図１２に示した照明光学系
では、ＰＳ分離合成素子１２０におけるＰＳ分離プリズ
ム１０１および反射プリズム１０２の双方を合わせた配
列ピッチを、第２のレンズアレイ１２２の配列ピッチの
半分としているため、これらの各プリズムのサイズが小
さくなり、その加工が困難となる。第２のレンズアレイ
１２２のレンズ要素数は、液晶パネルの面内照度分布の
均一性の向上を図るためにかなりの数（例えば８０個以
上）とする必要があり、このため各レンズ要素のサイズ
が微小化する傾向にあることから、ＰＳ分離合成素子１
２０を構成するＰＳ分離プリズム１０１および反射プリ
ズム１０２の個々のサイズをさらに微小化しなければな
らないからである。

【００１２】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その第１の目的は、光束幅の拡大を伴うことなく
偏光混合光を単一偏光方向の偏光光に変換することがで
き、しかも製作加工が容易な偏光変換素子を提供するこ
とにある。また、本発明の第２の目的は、装置サイズを
大きくすることなく偏光混合光束を単一偏光方向の偏光
光束に変換して光利用効率を向上させることができ、し
かも製作が容易な投射型液晶表示装置を提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明の偏光変換素子
は、入射された平行光束を集束させる集光手段と、集光
手段によって集束された光を互いに直交する方向に偏光
した２つの直線偏光光束に分離すると共に、これらの２
つの直線偏光光束の進行方向をほぼ一致させて出射する
偏光分離手段と、偏光分離手段によって分離された２つ
の直線偏光光束のうちの一方の光束を他方の光束と同じ
偏光方向の直線偏光光束に変換する偏光方向変換手段
と、偏光方向変換手段によって偏光方向が変換された直
線偏光光束と偏光方向変換手段によって偏光方向が変換
されなかった直線偏光光束とをそれぞれ平行光束に変換
する光束平行化手段とを備えている。ここで、集光手段
は、複数のレンズ要素を含むコンデンサレンズアレイで
構成し、光束平行化手段は、コンデンサレンズアレイの
各レンズ要素のほぼ半分の開口サイズを有しコンデンサ
レンズアレイの各レンズ要素の配列ピッチのほぼ半分の
配列ピッチで配列された複数のレンズ要素を含むコリメ
ータレンズアレイで構成するのが好適である。この場合
において、集光手段の各レンズ要素および光束平行化手
段の各レンズ要素はシリンドリカルレンズで構成可能で
ある。また、光束平行化手段を構成するレンズ要素のう
ち、偏光方向変換手段によって偏光方向が変換された直
線偏光光束を平行光束に変換するためのレンズ要素の開
口サイズと、偏光方向変換手段によって偏光方向が変換
されなかった直線偏光光束を平行光束に変換するための
レンズ要素の開口サイズとの間に、それぞれに入射する
光束の幅に応じた差を設けるように構成するのが好適で
ある。

【００１４】本発明の投射型液晶表示装置は、入射され
た平行光束を集束させる集光手段、集光手段によって集
束された光を互いに直交する方向に偏光した２つの直線
偏光光束に分離すると共にこれらの２つの直線偏光光束
の進行方向をほぼ一致させて出射する偏光分離手段、偏
光分離手段によって分離された２つの直線偏光光束のう
ちの一方の光束を他方の光束と同じ偏光方向の直線偏光
光束に変換する偏光方向変換手段、および偏光方向変換
手段によって偏光方向が変換された直線偏光光束と偏光
方向変換手段によって偏光方向が変換されなかった直線
偏光光束とをそれぞれ平行光束に変換する光束平行化手
段を有する偏光変換素子と、偏光変換素子から出射した
平行光束を照明光として利用し、画素ドットごとの選択
的な空間変調を行うことにより光学像を形成する液晶表
示素子とを備えている。

【００１５】本発明の偏光変換素子では、集光手段によ
って集束された光が偏光分離手段によって互いに直交す
る方向に偏光した２つの直線偏光光束に分離され、さら
に、これらの２つの直線偏光光束は同一方向に出射され
る。偏光分離手段によって分離された２つの直線偏光光
束のうちの一方の光束は、偏光方向変換手段によって、
他方の光束と同じ偏光方向の直線偏光光束に変換され
る。そして、偏光方向変換手段によって偏光方向が変換
された直線偏光光束および偏光方向変換手段によって偏
光方向が変換されなかった直線偏光光束は、共に光束平
行化手段によって平行光束に変換される。すなわち、こ
の偏光変換素子では、光束幅が絞られてから偏光分離合
成が行われるので、最終的に出力される光束の幅が入射
光束幅よりも大きくならないようにすることができる。
したがって、平行性を維持しつつ、かつ光束幅の拡大を
伴わずに偏光変換を行うことが可能となる。

【００１６】本発明の投射型液晶表示装置では、偏光変
換素子によって、平行性を維持しつつかつ光束幅の拡大
を伴わずに偏光変換が行われ、これにより得られた直線
偏光光束が液晶表示素子に対する照明光として利用さ
れ、画素ドットごとの選択的な空間変調が行われて光学
像が形成される。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】［第１の実施の形態］図１は本発明の一実
施の形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の概略構成
を表すもので、装置を真上から見下ろした状態を示して
いる。なお、この図では、煩雑さを避けるために、光線
の包絡経路を描いている。この装置は、３板式の投射型
カラー液晶表示装置として構成されたものであり、白色
光を放射する光源１１と、光源１１から放射された白色
光のうち紫外および赤外領域の光を除去するＵＶ／ＩＲ
カットフィルタ１２と、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１２
を通過後発散する光をほぼ平行な光束に変換するコリメ
ータレンズ１３と、本発明の一実施の形態に係る偏光変
換素子としてのＰＳ分離合成素子１４と、第１レンズア
レイ２１および第２レンズアレイ２２からなるフライア
イレンズ部１５と、フライアイレンズ部１５の第２レン
ズアレイ２２を透過した光束を後述する液晶パネル４０
Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂに向けて集光するコンデンサレンズ
１６とを備えている。なお、図１に示した各光学素子に
ついては、紙面内で光軸１０と直交する方向を水平方
向、紙面と垂直な方向を垂直方向と呼び、以下の説明で
もこれらの定義に従うものとする。

【００１９】光源１１は、発光体１１ａと、回転対称な
凹面鏡１１ｂとを含んで構成される。発光体１１ａとし
ては、例えばメタルハライド系のランプが用いられる。
凹面鏡１１ｂとしてはできるだけ集光効率のよい形状の
ものがよく、例えば回転楕円面鏡が用いられる。

【００２０】ＰＳ分離合成素子１４の詳細については後
述する。

【００２１】第１レンズアレイ２１および第２レンズア
レイ２２からなるフライアイレンズ部１５は、光源１１
から出射した白色光を拡散させて後述する液晶パネル４
０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂにおける面内照度分布を均一化す
るためのインテグレータとして機能するものである。こ
のうち、第１レンズアレイ２１は、多数の微小なレンズ
要素を２次元的に配列して（例えば、８×１０＝８０個
程度配列して）構成され、ＰＳ分離合成素子１４からの
ほぼ平行な単一光束を各レンズ要素によって複数の小光
束に分割してそれぞれ集光するようになっている。第１
レンズアレイ２１の各レンズ要素の形状は液晶パネル４
０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂの形状と相似形となっており、両
者は像共役の関係にある。また、第２レンズアレイ２２
は、第１レンズアレイの各レンズ要素に対応して２次元
的に配列された複数のレンズ要素を含んで構成されてい
る。この第２レンズアレイ２２の各レンズ要素は、第１
レンズアレイ２１の対応するレンズ要素から入射された
各小光束を互いに重ね合わせるようにしてそれぞれ出射
するようになっている。そして、第２レンズアレイ２２
の各レンズ要素からそれぞれ出射された小光束は、コン
デンサレンズ１６や図示しないリレーレンズ等によって
液晶パネル４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂのそれぞれに対して
集光され、そこで重畳されるようになっている。ここ
で、フライアイレンズ部１５が本発明における「光強度
分布均一化手段」に対応し、第１レンズアレイ２１が本
発明における「第１のレンズアレイ」に対応し、第２レ
ンズアレイ２２が本発明における「第２のレンズアレ
イ」に対応する。

【００２２】この投射型液晶表示装置はまた、コンデン
サレンズ１６の後方の同一光路上に所定間隔を隔てて順
次設けられると共にコンデンサレンズ１６から出射され
た白色光束から色表示の基本となるＲ（赤），Ｇ（緑）
の各色光をそれぞれ色分離して入射方向と直交する方向
に反射するダイクロイックミラー３６Ｒ，３６Ｇと、ダ
イクロイックミラー３６Ｇの後方に配置され、ダイクロ
イックミラー３６Ｒ，３６ＧによってＲ，Ｇ成分を分離
された残りの色成分であるＢ（青）色光を入射方向と直
交する方向に反射する反射ミラー３７ａと、この反射ミ
ラー３７ａで反射されたＢ色光をさらに入射方向と直交
する方向に反射する反射ミラー３７ｂと、ダイクロイッ
クミラー３６Ｒで分離反射されたＲ色光を入射方向と直
交する方向に反射する反射ミラー３７ｃとを備えてい
る。

【００２３】この投射型液晶表示装置は、さらに、ダイ
クロイックミラー３６Ｒ，３６Ｇで色分解されたＲ，
Ｇ，Ｂの各色光を所定の偏光方向の直線偏光に変換する
入射側偏光板３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂと、これらの入射
側偏光板３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂを通過した各色光の偏
光方向をそれぞれ表示する画像に応じて画素ドットごと
に変調する液晶パネル４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂと、液晶
パネル４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂで変調された各色光のう
ち所定の方向の偏光成分のみをそれぞれ通過させる出射
側偏光板４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂと、出射側偏光板４１
Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂを通過した各色光を色合成して出射
する色合成用ダイクロイックプリズム４２と、色合成用
ダイクロイックプリズム４２から出射した合成光を集光
してスクリーン３１上に投影する投影レンズ４３とを備
えている。ここで、液晶パネル４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ
が本発明における「液晶表示素子」に対応する。

【００２４】次に、図２〜図４を参照して、ＰＳ分離合
成素子１４について説明する。ここで、図２は図１にお
けるＰＳ分離合成素子１４の全体を光軸１０を通り紙面
に垂直な面で切ったときの断面構造を表し、図３は図２
に示したＰＳ分離合成素子１４の断面構造の一部を拡大
して表し、図４はＰＳ分離合成素子１４の斜視外観を表
すものである。なお、図２および図３では、光線経路を
示す線との錯綜を避けるためＰＳ分離プリズムアレイ１
４２についての断面ハッチングを省略している。

【００２５】これらの図に示したように、ＰＳ分離合成
素子１４は、光軸１０と直交する垂直方向に沿って複数
（この図では４個）のレンズ要素を配列して構成したコ
ンデンサレンズアレイ１４１と、コンデンサレンズアレ
イ１４１の後方に配置された、複数のＰＳ分離プリズム
１４２ａおよび複数の反射プリズム１４２ｂからなるＰ
Ｓ分離プリズムアレイ１４２と、反射プリズム１４２ｂ
の出射面側に配置された２分の１波長板からなる位相板
１４３と、ＰＳ分離プリズムアレイ１４２の後方に配置
され、コンデンサレンズアレイ１４１を構成するレンズ
要素の数の２倍の数（この図では８個）のレンズ要素を
配列して構成したコリメータレンズアレイ１４４とを含
んで構成されている。ここで、コンデンサレンズアレイ
１４１が本発明における「集光手段」に対応し、ＰＳ分
離プリズムアレイ１４２が本発明における「偏光分離手
段」に対応し、位相板１４３が本発明における「偏光方
向変換手段」に対応し、コリメータレンズアレイ１４４
が本発明における「光束平行化手段」に対応する。

【００２６】本実施の形態において、コンデンサレンズ
アレイ１４１の各レンズ要素は、入射面がシリンドリカ
ル面（円柱面）で出射面が平面であるようなシリンドリ
カルレンズとして構成されている。これらの各レンズ要
素は、それぞれ、入射した平行光束を線状に集光するよ
うになっている。コンデンサレンズアレイ１４１の全体
は、例えば合成樹脂を用いた射出成形法やガラスプレス
法等により一体に形成される。

【００２７】ＰＳ分離プリズムアレイ１４２は、正方形
断面を有する短冊状のＰＳ分離プリズム１４２ａおよび
反射プリズム１４２ｂをコンデンサレンズアレイ１４１
の各レンズ要素の配列方向と同方向に交互に配列して構
成されている。各ＰＳ分離プリズム１４２ａおよび反射
プリズム１４２ｂは、図３に示したように、コンデンサ
レンズアレイ１４１の各レンズ要素幅の半分の幅に形成
されている。このうち、ＰＳ分離プリズム１４２ａは、
４５度の底角をもつ２つの三角プリズムの斜面同士を接
合して構成されたもので、その接合面は、ＰＳ分離膜が
形成されたＰＳ分離面１４２ｃとなっている。このＰＳ
分離プリズム１４２ａは、その中心がコンデンサレンズ
アレイ１４１のレンズ要素の光軸１４５上に位置するよ
うに配置されており、コンデンサレンズアレイ１４１の
レンズ要素から出射したＰＳ混合光（Ｐ＋Ｓ）が上記Ｐ
Ｓ分離面１４２ｃ上のほぼ中央で線状に焦点を結び、こ
こで、そのまま入射方向と同方向に進むＰ偏光光束と、
入射方向と直交する方向に進むＳ偏光光束とに分離され
るようになっている。また、反射プリズム１４２ｂは、
ＰＳ分離プリズム１４２ａを構成する三角プリズムと同
形状の２つの三角プリズムの斜面同士を接合して構成さ
れたもので、その接合面は、反射膜が形成された反射面
１４２ｄとなっている。この反射プリズム１４２ｂは、
その中心がコンデンサレンズアレイ１４１における互い
に隣接するレンズ要素の間の部分に対応する位置にくる
ように配置されており、ＰＳ分離プリズム１４２ａのＰ
Ｓ分離面１４２ｃで反射されたＳ偏光光束をさらに上記
反射面１４２ｄによって入射方向と直交する方向に反射
する。これにより、反射プリズム１４２ｂから出射する
主光線は、ＰＳ分離プリズム１４２ａから出射する主光
線と共に光軸１４５と平行となる。なお、反射プリズム
１４２ｂの代わりにＰＳ分離プリズム１４２ａと同一構
成のプリズムを用いるようにしてもよい。また、ＰＳ分
離プリズムアレイ１４２は、図示のような正方形断面を
もつ短冊状の接合プリズムを配列して構成するのではな
く、同一の形状およびサイズの斜方体プリズムを配列し
て構成するようにしてもよい。

【００２８】位相板１４３は、各反射プリズム１４２ｂ
の出射面のサイズとほぼ同サイズの板形状を有し、各反
射プリズム１４２ｂの出射面に密着または接近して配置
されている。この位相板１４３は、入射光束における互
いに直交する電場ベクトル成分間に入射光波長の２分の
１の位相差を生じさせることができるもので、例えば白
雲母や複屈折現象を呈する合成樹脂等によって形成され
る。そして、この位相板１４３に入射したＳ偏光光束
は、その偏光方向が９０度変化し、Ｐ偏光光束として出
射されるようになっている。

【００２９】コリメータレンズアレイ１４４の各レンズ
要素１４４ａは、入射面が平面で出射面がシリンドリカ
ル面であるようなシリンドリカルレンズとして構成され
ている。コリメータレンズアレイ１４４の全体は、コン
デンサレンズアレイ１４１と同様に、例えば合成樹脂を
用いた射出成形法やガラスプレス法等により一体に形成
される。本実施の形態では、コリメータレンズアレイ１
４４の各レンズ要素は、コンデンサレンズアレイ１４１
のレンズ要素の半分の配列方向幅を有し、ＰＳ分離プリ
ズムアレイ１４２のＰＳ分離プリズム１４２ａおよび反
射プリズム１４２ｂの各出射面に対向するようにして配
置されている。そして、このコリメータレンズアレイ１
４４は、ＰＳ分離プリズムアレイ１４２の各ＰＳ分離プ
リズム１４２ａおよび反射プリズム１４２ｂから出射し
た光を平行光束に変換して出射するようになっている。

【００３０】次に、このような構成の投射型液晶表示装
置の動作および作用を説明する。

【００３１】まず、図１の光学系を参照して、この投射
型液晶表示装置全体の動作を説明する。図１に示したよ
うに、光源１１から出た白色光は、ＵＶ／ＩＲカットフ
ィルタ１２によって紫外および赤外域の光を除去されて
一旦収束したのち発散してコリメータレンズ１３に入射
する。コリメータレンズ１３は入射してきた光を光軸１
０にほぼ平行な光束に変換して出射する。この平行光束
は、様々な方向の偏光成分を含む偏光混合光であるが、
ＰＳ分離合成素子１４に入射することにより、平行性を
維持しつつほぼ一方向（本実施の形態では、図１の紙面
に垂直な方向）に偏光した直線偏光光束に変換され、出
射される。このＰＳ分離合成素子１４における詳細な作
用は後述する。

【００３２】図５に示したように、ＰＳ分離合成素子１
４から出射した平行光束は、第１レンズアレイ２１に入
射し、ここで各レンズ要素２１ａによって複数の小光束
に分割される。ここで、図５は、ＰＳ分離合成素子１４
から液晶パネル４０に到る光路を表すものである。な
お、この図では、説明の便宜上、図１に示したように実
際にはダイクロイックミラー３６Ｒ，３６Ｇによって屈
曲されている光路を直線光路に直して等価的に描くと共
に、煩雑さを避けるために主たる光線の経路のみを描き
他を省略し、また、入射側偏光板３９Ｒ，３９Ｇ，３９
Ｂについては入射側偏光板３９で代表し、液晶パネル４
０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂについては液晶パネル４０で代表
している。

【００３３】さて、第１レンズアレイ２１の各レンズ要
素２１ａによって分割された各小光束は、第２レンズア
レイ２２における対応するレンズ要素２２ａのほぼ中央
に収束したのち、ここから拡散し、コンデンサレンズ１
６に入射する。コンデンサレンズ１６は第２レンズアレ
イ２１からの入射光束をほぼテレセントリックな光束に
変換する。

【００３４】コンデンサレンズ１６によってほぼテレセ
ントリックとなった光束は、ダイクロイックミラー３６
Ｒ，３６Ｇ（図１）に順次入射する。ダイクロイックミ
ラー１６Ｒは入射光束からＲ色光を分離して入射方向と
直交する方向に反射する。ダイクロイックミラー１６Ｇ
はダイクロイックミラー１６Ｒを通過してきた光束から
Ｇ色光を分離して入射方向と直交する方向に反射する。
ダイクロイックミラー１６Ｇを通過したＢ色光は反射ミ
ラー３７ａによって入射方向と直交する方向に反射され
る。

【００３５】ダイクロイックミラー１６Ｒで反射された
Ｒ色光は反射ミラー３７ｃによって入射方向と直交する
方向に反射されたのち、入射側偏光板３９Ｒを通過し
て、液晶パネル４０Ｒに入射する。ダイクロイックミラ
ー１６Ｇで反射されたＧ色光は、入射側偏光板３９Ｇを
通過して、液晶パネル４０Ｇに入射する。反射ミラー３
７ａで反射されたＢ色光は、さらに、反射ミラー３７ｂ
によって入射方向と直交する方向に反射されたのち、入
射側偏光板３９Ｂを通過して、液晶パネル４０Ｂに入射
する。

【００３６】入射側偏光板３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂは、
それぞれ、入射した各色光について、所定の偏光方向
（紙面と垂直な方向）の直線偏光成分のみを透過させ
る。入射側偏光板３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂを透過し完全
な直線偏光となった各色光は、液晶パネル４０Ｒ，４０
Ｇ，４０Ｂにそれぞれ入射する。液晶パネル４０Ｒ，４
０Ｇ，４０Ｂは、それぞれ、Ｂ，Ｒ，Ｇの各色光の偏光
方向ををカラー画像信号に応じて変調して出射する。

【００３７】液晶パネル４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂからそ
れぞれ出射された各色光は、出射側偏光板４１Ｒ，４１
Ｇ，４１Ｂによってそれぞれ検光され、所定方向の偏光
成分のみがこれを通過する。これにより、画素ドットご
とに強度変調された各色光ごとの空間光学像が形成され
る。この空間光学像を形成する各色光は、さらに、色合
成用ダイクロイックプリズム４２に３方向から入射し、
ここで色合成されて出射され、投影レンズ４３によって
スクリーン３１上に投影される。

【００３８】なお、上記したように第１レンズアレイ２
１の各レンズ要素の形状は液晶パネル４０の形状と相似
形となっており、両者は像共役の関係にある。このた
め、図５に示したように、第１レンズアレイ２１の各レ
ンズ要素を通った各小光束は液晶パネル４０上にそれぞ
れ拡大投影され、ここですべて重畳される。これによ
り、第１レンズアレイ２１に入射する前の段階では光束
断面内強度分布が相当不均一であったとしても、液晶パ
ネル４０上における照度分布は十分均一なものとなる。

【００３９】次に、図２〜図４を参照して、本発明の特
徴の１つであるＰＳ分離合成素子１４の作用を説明す
る。

【００４０】このＰＳ分離合成素子１４におけるコンデ
ンサレンズアレイ１４１の各レンズ要素は、入力された
ＰＳ混合の平行光束をそれぞれ集光し、ＰＳ分離プリズ
ムアレイ１４２における各ＰＳ分離プリズム１４２ａの
ＰＳ分離面１４２ｃ上に合焦させる。各ＰＳ分離プリズ
ム１４２ａのＰＳ分離面１４２ｃは、Ｐ偏光成分をその
まま透過して直進させると共に、Ｓ偏光成分を入射方向
と直交する方向に反射する。

【００４１】各ＰＳ分離プリズム１４２ａのＰＳ分離面
１４２ｃを透過したＰ偏光光束は、コリメータレンズア
レイ１４４の対応するレンズ要素に入射し、これによっ
て平行光束に変換されて出射される。

【００４２】一方、各ＰＳ分離プリズム１４２ａに隣接
する反射プリズム１４２ｂの反射面１４２ｄは、ＰＳ分
離プリズム１４２ａのＰＳ分離面１４２ｃで反射されて
入射してきたＳ偏光光束を入射方向と直交する方向に反
射する。このＳ偏光光束は、位相板１４３を通過するこ
とによりＰ′偏光光束に変換され、さらに、コリメータ
レンズアレイ１４４の対応するレンズ要素に入射し、こ
れによって平行光束に変換されて出射される。

【００４３】このようにして、ＰＳ分離合成素子１４
は、入射されるＰＳ混合光の平行性を保ったままそのほ
ぼすべてをＰ偏光光束に変換して出射することとなる。
この場合、図２に示したように、入射光束の幅Ｗ３に対
して出射光束の幅Ｗ４は拡大しておらず、しかも出射光
束の平行性が保たれている。また、ＰＳ分離合成素子１
４では、各面における反射損失等を除いて、入射光のほ
とんどすべてがＰ偏光に変換されるので、そこでの光量
損失は微小である。

【００４４】なお、ＰＳ分離プリズム１４２ａのＰＳ分
離面１４２ｃにおけるＰＳ分離特性にもよるが、ＰＳ分
離合成素子１４は、完全なＰＳ分離を行うことは一般に
困難であり、出射するＰ偏光光束にはわずかにＳ偏光成
分が含まれるが、このような残留Ｓ偏光成分は、さら
に、後段の入射側偏光板３９Ｒ，３９Ｇ，３９Ｂによっ
て吸収されて除去される。但し、そこで吸収されるＳ偏
光成分の大きさは微小であるので、問題となるような発
熱や光量低下は生じない。

【００４５】このように、本実施の形態に係る投射型液
晶表示装置によれば、照明光学系において平行性が保た
れているコリメータレンズ１３とフライアイレンズ部１
５との間の部分に図２〜図４に示したような構成のＰＳ
分離合成素子１４を配設するようにしたので、入射光束
の平行性を維持しつつ光束幅を拡大せずにＰＳ変換を行
うことができる。したがって、投射型液晶表示装置のサ
イズを大きくすることなく光利用効率を高めることがで
きる。

【００４６】また、ＰＳ分離合成素子１４をフライアイ
レンズ部１５の前側に配置し、光がフライアイレンズ部
１５に入射する前に偏光変換を行うようにしたので、図
１２に示した従来の場合と異なり、ＰＳ分離合成素子１
４の製作が容易となる。これは次のような理由による。
すなわち、従来の図１２の場合において、液晶パネル１
２３上の照度分布の均一性を高めるためには第１のレン
ズアレイ１２１および第２のレンズアレイの分割数をよ
り多くする必要があることから各レンズ要素のサイズを
微小化しなければならず、また、液晶パネルのサイズを
小型化する必要がある場合にもフライアイレンズの各レ
ンズ要素を縮小しなければならない。このため、それに
対応して、ＰＳ分離合成素子１２０の各構成要素の微小
化も必要である。ＰＳ分離合成素子１２０はフライアイ
レンズ部１１５で分割された各小光束ごとにＰＳ分離合
成を行なうものだからである。したがって、特にＰＳ分
離プリズムアレイ１１７の製作が困難である。これに対
して、本実施の形態のＰＳ分離合成素子１４では、フラ
イアイレンズ部１５によって分割される前の単一光束に
対してＰＳ分離合成を行うようにしているので、第１レ
ンズアレイ２１および第２レンズアレイ２２の分割数や
各レンズ要素のサイズを考慮する必要がなく、コンデン
サレンズアレイ１４１の各レンズ要素の分割数（図２で
は４個）を小さくすることができる。このため、コンデ
ンサレンズアレイ１４１の各レンズ要素のサイズを大き
くすることができ、これに対応して、ＰＳ分離プリズム
アレイ１４２のＰＳ分離プリズム１４２ａおよび反射プ
リズム１４２ｂならびにコリメータレンズアレイ１４４
の各レンズ要素のサイズを大きくすることができる。し
たがって、特にＰＳ分離プリズムアレイ１４２の製作が
容易となり、ＰＳ分離合成素子１４全体としての製作も
容易となる。

【００４７】また、図１２において、インテグレータと
してのフライアイレンズ部１１５における光量損失を防
止して光利用効率を向上させることを目的として第２レ
ンズアレイ１２２の各レンズ要素の形状を異形化する方
法も考えられるが、この方法を図１２に示した構成に適
用する場合には、ＰＳ分離プリズムアレイ１１７の各プ
リズム要素の形状を短冊状ではなくサイコロ状のブロッ
クにすると共に各ブロックのサイズを第２レンズアレイ
１２２の各レンズ要素の形状やサイズに合わせて互いに
異ならせる必要があるので、加工が一層困難となる。こ
れに対して、本実施の形態のＰＳ分離合成素子１４で
は、第２レンズアレイ２２のレンズ要素を異形化する場
合であっても、これらのレンズ要素の形状に左右される
ことなく、ＰＳ分離プリズムアレイ１４２を構成する各
ＰＳ分離プリズム１４２ａおよび反射プリズム１４２ｂ
をすべて同形の短冊形状とすればよいので、この点でも
製作がより容易となる。

【００４８】また、本実施の形態に係る投射型液晶表示
装置によれば、ＰＳ分離合成素子１４によって予め光束
のほぼすべてを単一方向に偏光した直線偏光光束に変換
するようにしたので、入射側偏光板３９Ｒ，３９Ｇ，３
９Ｂにおける光量損失を少なくすることができ、発熱の
問題も生じない。

【００４９】なお、本実施の形態のＰＳ分離合成素子１
４においては、コリメータレンズアレイ１４４の各レン
ズ要素の幅をすべて同一としたが、例えば図６に示した
ように、コリメータレンズアレイ１４４′を構成するレ
ンズ要素のうち、ＰＳ分離プリズムアレイ１４２の反射
プリズム１４２ｂに対応するレンズ要素１４４ｂの幅を
大きく、ＰＳ分離プリズム１４２ａに対応するレンズ要
素１４４ｃの幅を小さく形成するようにしてもよい。図
示のように、レンズ要素１４４ｂに到る光路とレンズ要
素１４４ｃに到る光路との間にはＰＳ分離プリズム１４
２ａおよび反射プリズム１４２ｂのサイズに対応した光
路差が存在するので、レンズ要素１４４ｂへの入射光束
の径はレンズ要素１４４ｃへの入射光束の径よりも大き
くなっている。したがって、レンズ要素１４４ｂの幅を
より大きくすることにより、そこでの入射光束のケラレ
を防止することができ、ＰＳ分離合成素子１４全体とし
て光量損失を少なくすることができる。

【００５０】また、本実施の形態では、コンデンサレン
ズアレイ１４１の各レンズ要素およびコリメータレンズ
アレイ１４４の各レンズ要素の形状をシリンドリカルと
したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例え
ば図７に示したように、コンデンサレンズアレイ２４１
の各レンズ要素およびコリメータレンズアレイ２４４の
各レンズ要素を通常の球面レンズとして形成するように
してもよい。但し、この場合も、ＰＳ分離プリズムアレ
イ２４２の各プリズム要素および位相板２４３は上記実
施の形態の場合と同様に短冊状としてよい。なお、この
図では、垂直方向に２列、水平方向に４列のレンズ要素
を配列してコンデンサレンズアレイ２４１を構成すると
共に、垂直方向に４列、水平方向に４列のレンズ要素を
配列してコリメータレンズアレイ２４４を構成している
が、これらの数に限定されるものではない。

【００５１】また、本実施の形態では、フライアイレン
ズ部１５とは別個にＰＳ分離合成素子１４を形成して配
置するものとしたが、例えば図８に示したように、ＰＳ
分離合成素子３４０におけるコリメータレンズアレイと
フライアイレンズ部３１５における第１レンズアレイと
を共用化して、１つのコリメータ兼用第１アレイレンズ
３２１を設けるようにしてもよい。これにより、部品点
数を減らすことができる。なお、この図で、ＰＳ分離プ
リズムアレイ３４２および位相板３４３は、それぞれ、
図７に示したＰＳ分離プリズムアレイ２４２および位相
板２４３と同様の構成である。また、図８の例では、コ
ンデンサレンズアレイ３４１を２つのシリンドリカルレ
ンズで構成したが、図７に示したコンデンサレンズアレ
イ２４１のように、８個（＝２×４）の球面レンズで構
成してもよい。なお、各要素の配列数は、ここに例示し
た数に限定されるものではない。

【００５２】〔第２の実施の形態〕図９は、本発明の他
の実施の形態に係る投射型液晶表示装置の光学系の概略
構成を表すもので、図１と同様に装置を真上から見下ろ
した状態を示している。なお、この図では、煩雑さを避
けるために、光線の包絡経路を描き、また、上記実施の
形態における図１と同一構成要素には同一の符号を付す
ものとする。この装置は、単板ＣＦレスマイクロレンズ
方式の投射型液晶表示装置として構成されたものであ
り、光源１１と、ＵＶ／ＩＲカットフィルタ１２と、コ
リメータレンズ１３と、ＰＳ分離合成素子１４と、フラ
イアイレンズ部１５と、コンデンサレンズ１６とを備え
ている。これらの各素子は上記実施の形態（図１）にお
ける各対応素子と同一構成を有するので、ここでは説明
を省略する。

【００５３】この投射型液晶表示装置はさらに、コンデ
ンサレンズ１６の後方の光路上に順次設けられ、コンデ
ンサレンズ１６から出射された白色光束をＢ，Ｒ，Ｇの
各色光に色分解すると共にこれらの各色光を互いに異な
る角度で反射するダイクロイックミラー６６Ｂ，６６
Ｒ，６６Ｇと、ダイクロイックミラー６６Ｂ，６６Ｒ，
６６Ｇで色分解されたＢ，Ｒ，Ｇの各色光のそれぞれに
ついて所定の偏光方向の偏光のみを透過させる入射側偏
光板６７と、この入射側偏光板６７を通過した各色光の
偏光方向をカラー画像信号に応じて画素ドットごとに変
調する液晶パネル６８と、液晶パネル６８からの出射光
を検光して所定の方向の偏光成分のみを通過させる出射
側偏光板６９と、この出射側偏光板６９からの出射光を
集光してスクリーン７１上に投影して色合成する投影レ
ンズ７０とを備えている。

【００５４】ダイクロイックミラー６６Ｂ，６６Ｒ，６
６Ｇは互いに微小角をなすように配置されており、コン
デンサレンズ１６から出射した光軸１０とほぼ平行な光
束を約９０°の角度で選択的に反射してＢ，Ｒ，Ｇの３
色光に色分解し、それぞれを液晶パネル６８に異なる角
度で入射させる機能を有している。この例では、ダイク
ロイックミラー６６Ｂ，６６Ｒ，６６Ｇは、Ｒ光が液晶
パネル１８に垂直に入射し、Ｂ光およびＧ光がＲ光に対
してそれぞれ〔＋θ〕，〔−θ〕の角度をもって液晶パ
ネル６８に入射するように配置されている。但し、液晶
パネル６８に垂直入射する光がＢ光（またはＧ光）であ
り、垂直方向に対してそれぞれ〔＋θ〕，〔−θ〕の角
度で入射する光がＲ光，Ｇ光（またはＲ光，Ｂ光）であ
るように配置してもよい。

【００５５】液晶パネル６８はＣＦレスマイクロレンズ
方式の液晶パネルであり、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色に対応して
規則的に２次元配置された画素電極（図示せず）と、液
晶層（図示せず）を挟んでＲ，Ｇ，Ｂ用の３個の画素電
極（図示せず）ごとに１つずつ対向配置された集光用の
マイクロレンズ（図示せず）とを含んで構成される。こ
こで、集光用のマイクロレンズは、ダイクロイックミラ
ー６６Ｂ，６６Ｒ，６６Ｇで色分解されたのち互いに異
なる角度で入射してくるＢ，Ｒ，Ｇの３色光をそれぞれ
集光してＢ，Ｒ，Ｇの３色に対応した画素にそれぞれ入
射させるためのものである。液晶パネル６８については
後に詳述する。

【００５６】図１０は図１における液晶パネル６８を水
平方向に切ったときの断面構造を拡大して表すものであ
る。この図に示したように、液晶パネル６８は、画素電
極が多数形成された画素基板８１と、対向電極およびマ
イクロレンズが形成された対向基板８２と、画素基板８
１と対向基板８２とによって挟まれた液晶層８３とを備
えている。

【００５７】画素基板８１は、ガラス基板８１ａと、ガ
ラス基板８１ａの片面側（光入射側）に規則的に（周期
的に）配置されたＢ光，Ｒ光，Ｇ光用の画素電極８１
Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇ等と、これらの各画素電極に対して
画像信号に応じた電圧を印加するためのスイッチング素
子として機能するＴＦＴ（図示せず）等からなるブラッ
クマトリクス部８１ｂとを含んで構成されている。上記
のＴＦＴは例えばポリシリコンからなるゲート電極、ド
レイン電極およびソース電極（いずれも図示せず）を有
している。このうち、ゲート電極は、図の紙面内で左右
に走るアドレス配線（図示せず）に接続され、ソース電
極は図の紙面と垂直な方向に走るＢ，Ｒ，Ｇ用の各デー
タ配線（図示せず）に接続され、ドレイン電極は各画素
電極８１Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇに接続されている。そし
て、アドレス配線とデータ配線とによって選択された画
素電極にＢ，Ｒ，Ｇの画像信号電圧が選択的に印加され
ることによって、その画素電極と対向電極８２ｄとの間
の液晶層８３中の液晶分子配向が変化し、ここを通過す
る光の偏光方向を変化させるようになっている。ブラッ
クマトリクス部８１ｂは、図示しないアルミニウム等の
金属膜で遮光され、光照射によってＴＦＴが誤動作する
ことがないようになっている。

【００５８】一方、対向基板８２は、ガラス基板８２ａ
と、ガラス基板８２ａの一面側（光出射側）に形成され
た集光用のマイクロレンズ８２ｂからなるマイクロレン
ズアレイと、マイクロレンズ８２ｂに密着して配置され
たカバーガラス８２ｃと、カバーガラス８２ｃ上に形成
された対向電極８２ｄとを備えている。対向電極８２ｄ
は、カバーガラス８２ｃの全面あるいは必要な領域（す
なわち、少なくとも画素基板８１の画素電極８１Ｂ，８
１Ｒ，８１Ｇと対向する領域）に形成された透明電極で
あり、一定の電位に固定されている。マイクロレンズ８
２ｂは、例えば基板をレンズ状にエッチングして透明樹
脂を埋め込む方法や選択的イオン拡散法による屈折率分
布型レンズとして形成されるが、その他の任意の方法で
形成されたものであってもよい。また、マイクロレンズ
８２ｂは、通常は図の紙面と垂直方向に軸を有する蒲鉾
型レンズとして形成されるが、そのほか、一般の球面状
またはそれに近い曲面のレンズであってもよい。ここ
で、液晶パネル１６が本発明における「液晶表示素子」
に対応する。

【００５９】図１０に示したように、マイクロレンズ８
２ｂは、画素基板８１の３つの画素電極８１Ｂ，８１
Ｒ，８１Ｇに対して１個ずつ形成配置されており、異な
る３方向から入射したＢ，Ｒ，Ｇの光束をそれぞれ集光
して液晶層８３を経て画素電極８１Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇ
にそれぞれ入射させるようになっている。ここで、例え
ば垂直入射するＲ光に着目すると、マイクロレンズ８２
ｂの焦点が画素電極８１Ｒ上もしくはその近傍に来るよ
うに設定するのが通常であるが、必要に応じてガラス基
板８１ａの内部の深い所に焦点が来るように設定しても
よい。他の光（Ｂ光およびＧ光）についても同様であ
る。

【００６０】次に、このような構成の投射型液晶表示装
置の動作および作用を説明する。

【００６１】図１０の投射型液晶表示装置において、光
源１１からコンデンサレンズ１６までの各素子に係る作
用は上記実施の形態（図１）で説明した作用と同一なの
で、ここでは説明を省略する。本実施の形態の投射型液
晶表示装置では、コンデンサレンズ１６によってほぼテ
レセントリックとなった光束は、ダイクロイックミラー
６６Ｂ，６６Ｒ，６６Ｇ（図１）に順次入射する。ダイ
クロイックミラー６６Ｂ，６６Ｒ，６６Ｇは、入射光束
をＢ，Ｒ，Ｇの３色光に色分解すると共に、各色光を互
いに異なる角度方向に反射する。ダイクロイックミラー
６６Ｂ，６６Ｒ，６６Ｇで色分解され反射された各色光
は入射側偏光板６７（図１）に入射する。この入射側偏
光板６７は、入射した各色光について、所定の偏光方向
の直線偏光成分のみを透過させる。入射側偏光板６７を
透過し完全な直線偏光となった各色光は、液晶パネル６
８の各マイクロレンズ８２ｂ（図１０）に対しそれぞれ
異なる方向から入射する。液晶パネル６８は、Ｂ，Ｒ，
Ｇの各色光の偏光方向をカラー画像信号に応じて変調し
て出射する。

【００６２】ここで、図１０を参照して、マイクロレン
ズ８２ｂのうちの１つのマイクロレンズＭＬに入射する
光の経路について考える。Ｒ光はガラス基板８２ａに垂
直に入射するので、マイクロレンズＭＬの光軸が通る画
素電極８１Ｒの中央またはその近傍に焦点を結ぶ。ま
た、Ｂ光はガラス基板８２ａに入射角θで入射し、屈折
角ψで屈折したのち、これと同じ入射角ψでマイクロレ
ンズＭＬに入射し、画素電極８１Ｒと隣り合っている画
素電極のうちマイクロレンズＭＬの光軸と角ψをなす直
線が中心を通っている方の画素電極８１Ｂの中央または
その近傍に焦点を結ぶ。同様に、Ｇ光はガラス基板８２
ａに入射角〔−θ〕で入射し、屈折角ψで屈折したの
ち、これと同じ入射角ψでマイクロレンズＭＬに入射
し、画素電極８１Ｒと隣り合っている画素電極のうちマ
イクロレンズＭＬの光軸と角〔−ψ〕をなす直線が中心
を通っている画素電極８１Ｇの中央またはその近傍に焦
点を結ぶ。このとき、与えられた画素信号に応じて画素
電極８１Ｂ，８１Ｒ，８１Ｇへの印加電圧が変化し、こ
れに応じて液晶層８３中を通過するＢ，Ｒ，Ｇの各色光
の偏光方向が変調を受ける。なお、図１０に示したよう
に、各色光は完全なる平行光束ではなく、入射発散角α
の範囲内で主光線と角度をなす光を含んでいる。

【００６３】画素基板８１の画素電極８１Ｂ，８１Ｒ，
８１Ｇ上またはその近傍にそれぞれ焦点を結んだＢ，
Ｒ，Ｇの各色光は、再びそれぞれ拡がりながらガラス基
板８１ａから出射し、図１の出射側偏光板６９を選択的
に透過したのち、投影レンズ７０によって投射されてス
クリーン７１上に到達し、色合成される。このようにし
て、スクリーン７１上にカラー画像が投影表示される。

【００６４】ＰＳ分離合成素子１４の作用については、
上記実施の形態で説明した内容と同様であるので、ここ
での説明を省略する。

【００６５】なお、フライアイレンズ部１５の第１レン
ズアレイ２１の各レンズ要素から出射した複数の小光束
は、上記実施の形態で示した図５の場合と同様に、それ
ぞれ、第２レンズアレイ２２の各対応するレンズ要素を
通り、さらに、コンデンサレンズ１６によって、液晶パ
ネル６８の有効領域にほぼ平行に（正確には、図１０に
示した入射発散角αをもって）入射する。これにより、
液晶パネル６８は、第１レンズアレイ２１のすべてのレ
ンズ要素からの光源光によって重畳的に照明されること
となる。これにより、液晶パネル６８上の面内照度分布
が均一化され、スクリーン７１上に拡大投影される画像
の輝度分布も均一なものとなる。

【００６６】以上のように、本実施の形態によれば、単
板ＣＦレスマイクロレンズ方式の投射型液晶表示装置の
照明光学系において平行性が保たれているコリメータレ
ンズ１３とフライアイレンズ部１５との間の部分に図２
に示したような構成のＰＳ分離合成素子１４を配設する
ようにしたので、入射光束の平行性を維持しつつ光束幅
を拡大せずにＰＳ変換を行うことができる。すなわち、
上記実施の形態で示した３板方式の投射方液晶表示装置
の場合と同様に、単板ＣＦレスマイクロレンズ方式の投
射型液晶表示装置においても、ＰＳ分離合成素子を設け
ることによって装置サイズが大きくなるということがな
い。

【００６７】なお、本実施の形態に係る単板ＣＦレスマ
イクロレンズ方式の投射型液晶表示装置においても、図
６に示したように、ＰＳ分離合成素子１４における反射
プリズム１４２ｂに対応するレンズ要素１４４ｂの幅を
大きく形成すると共に、ＰＳ分離プリズム１４２ａに対
応するレンズ要素１４４ｃの幅を小さくするようにして
もよい。また、図７に示したように、ＰＳ分離合成素子
１４のコンデンサレンズアレイ２４１の各レンズ要素お
よびコリメータレンズアレイ２４４の各レンズ要素をシ
リンドリカルレンズでなく球面レンズとして形成するよ
うにしてもよい。さらに、図８に示したように、ＰＳ分
離合成素子３４０におけるコリメータレンズアレイとフ
ライアイレンズ部３１５における第１レンズアレイとを
共用化して、１つのコリメータ兼用第１アレイレンズ３
２１を設けるようにしてもよい。

【００６８】以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発
明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態に限定さ
れず、種々変更可能である。例えば、上記各実施の形態
のＰＳ分離合成素子１４では、位相板１４３を反射プリ
ズム１４２ｂの出射面に配置することにより、ＰＳ分離
合成素子１４から出射する光をすべてＰ偏光光束にする
こととしたが、本発明はこれに限られることはなく、位
相板１４３をＰＳ分離プリズム１４２ａの出射面に配置
することにより、ＰＳ分離合成素子１４から出射する光
をすべてＳ偏光光束にするようにしてもよい。但し、こ
の場合には、図１における入射側偏光板３９Ｒ，３９
Ｇ，３９Ｂ、液晶パネル４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ、およ
び出射側偏光板４１Ｒ，４１Ｇ，４１Ｂの配置方向や、
図９における入射側偏光板６７、液晶パネル６８、およ
び出射側偏光板６９の配置方向を、それぞれ９０度ずつ
回転させる必要がある。

【００６９】また、ＰＳ分離合成素子１４のコンデンサ
レンズアレイ１４１の各レンズ要素、コリメータレンズ
アレイ１４４の各レンズ要素の形状、およびＰＳ分離プ
リズムアレイ１４２の各ＰＳ分離プリズム１４２ａおよ
び反射プリズム１４２ｂの形状、サイズ、配列数および
配列方向等は上記した例には限定されず、適宜変更し、
最適化することが可能である。

【００７０】また、上記の各実施の形態では、集光効率
の点から光源の凹面反射鏡として回転楕円鏡を用いるこ
ととしたが、これに限定されず、例えば回転放物面鏡
（パラボラミラー）を用いるようにしてもよい。なお、
この場合には、コリメータレンズ１３は不要である。

【００７１】

【発明の効果】以上説明したように請求項１ないし請求
項５のいずれかに記載の偏光変換素子によれば、入射光
束の光束幅を絞った状態で、混合偏光光束を単一偏光方
向の直線偏光光束に変換するようにしたので、偏光変換
素子から出力される光束の幅が入射光束の幅を大きく上
回るのを回避することが可能となる。すなわち、光束幅
の拡大をほとんど伴わずに偏光変換を行うことが可能と
なる。このため、この偏光変換素子が適用される光学装
置のサイズが大きくならずに済むという効果がある。ま
た、本発明の偏光変換素子は、光学系における光束平行
性が保たれている部分に使用されるものであって、入射
する平行光束に対して偏光変換を行い平行光束として出
射することができるので、光学系における他の構成要素
に影響を与えることがなく、かつ、他の構成要素から影
響を受けることもない。すなわち、他の構成要素と独立
した設計・製作が可能となる。例えば、本発明の偏光変
換素子を面内照度均一化を行うインテグレータとしての
フライアイレンズと共に使用することを想定すると、フ
ライアイレンズの後方に配置して使用することを前提と
して構成された従来の偏光変換素子と異なり、本発明の
偏光変換素子は、形状やサイズがそのような他の構成要
素（フライアイレンズ）の形状やサイズに依存して制限
を受けることがないので、設計や製作が従来よりも容易
になるという効果がある。さらに、本発明の偏光変換素
子は、そのようなフライアイレンズとの関係が独立して
いることから、フライアイレンズの各レンズ要素の形状
やサイズを互いに異ならせるという方法を採ることも自
由となり、光学系における光利用効率を高める等、光学
系の性能向上が容易となる。

【００７２】特に請求項５記載の偏光変換素子によれ
ば、光束平行化手段を構成するレンズ要素のうち、偏光
方向変換手段によって偏光方向が変換された直線偏光光
束を平行光束に変換するためのレンズ要素の開口サイズ
と、偏光方向変換手段によって偏光方向が変換されなか
った直線偏光光束を平行光束に変換するためのレンズ要
素の開口サイズとの間に、それぞれに入射する光束の幅
に応じた差を設けるように構成したので、光束平行化手
段を構成する各レンズ要素での光束のけられがなくな
り、光量損失を回避することができるという効果があ
る。

【００７３】請求項６または請求項７に記載の投射型液
晶表示装置によれば、入射する平行光束の光束幅を絞っ
てから偏光変換を行って平行に出射するようにした偏光
変換素子を利用するように構成したので、平行性を維持
しつつかつ光束幅の拡大を伴わずに偏光変換を行うこと
ができる。また、これにより得られた単一偏光方向の直
線偏光光束を照明光として利用して液晶表示素子による
光学像を投射するようにしたので、光利用効率を高める
ことができる。したがって、装置サイズを大きくするこ
となく投射画像の輝度を高めることができるという効果
がある。また、例えば、偏光変換素子を上記のようなフ
ライアイレンズと共に使用することを想定すると、装置
全体としての製作が従来よりも容易になるという効果が
ある。

【００７４】特に、請求項７記載の投射型液晶表示装置
によれば、さらに、複数のレンズ要素を２次元的に配列
して構成されると共に入射された光束をレンズ要素によ
り複数の小光束に分割して出射してそれぞれを集光させ
る第１のレンズアレイと、第１のレンズアレイの各レン
ズ要素に対応して２次元的に配列されると共に第１のレ
ンズアレイの対応するレンズ要素を経て入射してきた各
小光束を互いに重なり合う方向にそれぞれ出射させる複
数のレンズ要素を含んで構成された第２のレンズアレイ
とを含んで構成されるインテグレータとしての光強度分
布均一化手段を備える場合には、第１のレンズアレイが
偏光変換素子の光束平行化手段としての機能をも果たす
ように構成することとしたので、光強度分布均一化手段
と偏光変換素子とをまったく別個に設ける場合に比べて
部品点数を低減することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態に係る投射型液晶表示装
置の光学系の概略構成を表す平面図である。

【図２】図１におけるＰＳ分離合成素子の構造を表す断
面図である。

【図３】図２に示したＰＳ分離合成素子の一部の拡大断
面図である。

【図４】図２示したＰＳ分離合成素子の構成を表す外観
斜視図である。

【図５】図１の投射型液晶表示装置の要部光路を等価的
に描いた図である。

【図６】ＰＳ分離合成素子の変形例を表す断面図であ
る。

【図７】ＰＳ分離合成素子の他の変形例を表す断面図で
ある。

【図８】ＰＳ分離合成素子のさらに他の変形例を表す断
面図である。

【図９】本発明の他の実施の形態に係る投射型液晶表示
装置の光学系の概略構成を表す平面図である。

【図１０】図９の投射型液晶表示装置における液晶パネ
ルの要部構造を表す断面図である。

【図１１】従来のＰＳ分離合成素子の構造を表す断面図
である。

【図１２】従来の他のＰＳ分離合成素子の構造を表す断
面図である。

【符号の説明】

１３…コリメータレンズ、１４，２４０、３４０…ＰＳ
分離合成素子、１５、３１５…フライアイレンズ部、１
６…コンデンサレンズ、２１…第１レンズアレイ、２
２，３２２…第２レンズアレイ、３９Ｒ，３９Ｇ，３９
Ｂ，６７…入射側偏光板、４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ，６
８…液晶パネル、１４１，２４１，３４１…コンデンサ
レンズアレイ、１４２，２４２，３４２…ＰＳ分離プリ
ズムアレイ、１４３、２４３，３４３…位相板、１４
４，１４４′，２４４…コリメータレンズアレイ、３２
１…コリメータ兼用第１レンズアレイ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 ＦＩ Ｇ０９Ｆ 9/00 ３６０ Ｇ０９Ｆ 9/00 ３６０Ｄ Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ａ 9/31 9/31 Ｃ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射された平行光束を集束させる集光手
   段と、 前記集光手段によって集束された光を互いに直交する方
   向に偏光した２つの直線偏光光束に分離すると共に、こ
   れらの２つの直線偏光光束の進行方向をほぼ一致させて
   出射する偏光分離手段と、 前記偏光分離手段によって分離された２つの直線偏光光
   束のうちの一方の光束を他方の光束と同じ偏光方向の直
   線偏光光束に変換する偏光方向変換手段と、 前記偏光方向変換手段によって偏光方向が変換された直
   線偏光光束と前記偏光方向変換手段によって偏光方向が
   変換されなかった直線偏光光束とをそれぞれ平行光束に
   変換する光束平行化手段とを備えたことを特徴とする偏
   光変換素子。
2. 【請求項２】 前記偏光分離手段は前記集光手段の焦点
   近傍に配置されていることを特徴とする請求項１記載の
   偏光変換素子。
3. 【請求項３】 前記集光手段は、複数のレンズ要素を含
   むコンデンサレンズアレイで構成され、 前記光束平行化手段は、前記コンデンサレンズアレイの
   各レンズ要素のほぼ半分の開口サイズを有すると共に前
   記コンデンサレンズアレイの各レンズ要素の配列ピッチ
   のほぼ半分の配列ピッチで配列された複数のレンズ要素
   を含むコリメータレンズアレイで構成されていることを
   特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
4. 【請求項４】 前記集光手段の各レンズ要素および前記
   光束平行化手段の各レンズ要素はシリンドリカルレンズ
   からなることを特徴とする請求項３記載の偏光変換素
   子。
5. 【請求項５】 前記光束平行化手段を構成するレンズ要
   素のうち、前記偏光方向変換手段によって偏光方向が変
   換された直線偏光光束を平行光束に変換するためのレン
   ズ要素の開口サイズと、前記偏光方向変換手段によって
   偏光方向が変換されなかった直線偏光光束を平行光束に
   変換するためのレンズ要素の開口サイズとの間に、それ
   ぞれに入射する光束の幅に応じた差を設けたことを特徴
   とする請求項３記載の偏光変換素子。
6. 【請求項６】 入射された平行光束を集束させる集光手
   段と、前記集光手段によって集束された光を互いに直交
   する方向に偏光した２つの直線偏光光束に分離すると共
   にこれらの２つの直線偏光光束の進行方向をほぼ一致さ
   せて出射する偏光分離手段と、前記偏光分離手段によっ
   て分離された２つの直線偏光光束のうちの一方の光束を
   他方の光束と同じ偏光方向の直線偏光光束に変換する偏
   光方向変換手段と、前記偏光方向変換手段によって偏光
   方向が変換された直線偏光光束と前記偏光方向変換手段
   によって偏光方向が変換されなかった直線偏光光束とを
   それぞれ平行光束に変換する光束平行化手段とを有する
   偏光変換素子と、 前記偏光変換素子から出射した平行光束を照明光として
   利用し、画素ドットごとの選択的な空間変調を行うこと
   により光学像を形成する液晶表示素子とを備えたことを
   特徴とする投射型液晶表示装置。
7. 【請求項７】 さらに、複数のレンズ要素を平面的に配
   列して構成されると共に入射された光束を前記レンズ要
   素により複数の小光束に分割して出射してそれぞれを集
   光させる第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレ
   イの各レンズ要素に対応して平面的に配列されると共に
   前記第１のレンズアレイの対応するレンズ要素を経て入
   射してきた各小光束を互いに重なり合う方向にそれぞれ
   出射させる複数のレンズ要素を含んで構成された第２の
   レンズアレイとを含んで構成され、前記液晶表示素子を
   照明する光束の面内強度分布を均一化する光強度分布均
   一化手段を前記偏光変換素子の後方に備え、 前記光強度分布均一化手段の第１のレンズアレイが前記
   偏光変換素子の光束平行化手段としての機能をも備える
   ように構成したことを特徴とする請求項６記載の投射型
   液晶表示装置。