专利名称：偏振光照明装置及投影型显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用将偏振方向调整一致后的偏振光的偏振光照明装置及采用了该偏振光照明装置的投影型显示装置。详细地说，本发明涉及用于一边将从2个光源部射出的光的偏振方向调整一致一边将其合成的结构技术。
背景技术：
在采用了型式如液晶元件的对特定偏振光进行调制的调制元件的液晶显示装置中，只能利用从光源射出的光所具有的两种偏振光分量中的一种偏振光分量。因此，为了获得明亮的投影图象，必须提高光的利用效率。然而，由于在采用唯一光源的投影型显示装置中光利用效率的提高是有限度的，因此，采用多个光源增加光量也是用于获得明亮投影图象的一种手段。
但是，如果仅仅是将多个光源简单地并列布置，则将使光源像的面积增加与光源数相应的倍数，但这也只是使照射被照明区域的光的角度分布得到扩大(照射角增大)，而每一定面积上的光量与采用唯一光源的场合相同。因此，在这种情况下，即使采用多个光源实际上也并不能增加每一定面积上的光量。
另外，即使采用多个光源能够增加光量，但如果从光源射出的光所具有的两种偏振光分量中只能利用一种偏振光分量，其光量的一半就浪费掉了，因而其效率降低了一半。
发明的公开本发明的课题是提供一种虽采用多个光源也不会使照明角增大、且可以利用两种偏振光分量的偏振光照明装置，另外，还提供一种能够投影出极其明亮的投影图象的投影型显示装置。
为解决上述课题，本发明提供一种偏振光照明装置，它备有偏振光分离光学元件，它具有第1偏振光分离膜，用以将从第1方向入射的光分离为二种偏振光，将透过光向第3方向射出，并将反射光向第4方向射出；第2偏振光分离膜，用以将从第2方向入射的光分离为两种偏振光，将反射光向上述第4方向射出，并将透过光向第5方向射出；使光从上述第1方向向上述偏振光分离光学元件入射的第1光源部；使光从上述第2方向向上述偏振光分离光学元件入射的第2光源部；第1聚光反射光学元件，备有用上述偏振光分离光学元件将向上述第3方向射出的光的传输方向大致反转同时形成多个聚光像的多个微小聚光反射元件；第2聚光反射光学元件，备有用上述偏振光分离光学元件使向上述第5方向射出的光的传输方向大致反转同时形成多个聚光像的多个微小聚光反射元件；用上述偏振光分离光学元件使向上述第4方向射出的光的传输方向大致反转的反射光学元件；配置在上述偏振光分离光学元件与上述第1聚光反射光学元件之间的第1偏振状态变换光学元件；配置在上述偏振光分离光学元件与上述第2聚光反射光学元件之间的第2偏振状态变换光学元件；配置在上述偏振光分离光学元件与上述反射光学元件之间的第3偏振状态变换光学元件；将从上述偏振光分离光学元件向第6方向射出的光的偏振方向调整为一致的偏振光变换光学元件；所说的偏振光照明装置的特征在于，被上述第1聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件反射并入射到上述偏振变换光学元件的光束的中心轴，和被上述第2聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件反射并入射到上述偏振变换光学元件的光束的中心轴相互大致平行，而且并不重合。
在本发明的偏振光照明装置中，使从第1光源部射出的随机偏振光从偏振光分离光学元件的第1方向入射，并被第1偏振光分离膜分离为二种偏振光。另一方面，使从第2光源部射出的随机偏振光从偏振光分离光学元件的第2方向入射，并被第2偏振光分离膜分离为二种偏振光。
似这样，已分离的偏振光中的借助第1偏振光分离膜向第3方向射出的透过光通过第1偏振状态变换光学元件，被第1微小聚光反射光学元件反射后，再次通过第1偏振状态变换光学元件，射向偏振光分离光学元件。这时，该光被第1微小聚光反射光学元件分离为多条中间光束，同时由于二次通过第1偏振状态变换光学元件，使该光变换为其偏振光轴有约90°不同的偏振光。因而该光被第1偏振光分离膜反射并向第6方向射出。这样，将向第6方向射出的偏振光作为第1偏振光束。
而借助第2偏振光分离膜向第5方向射出的透过光通过第2偏振状态变换光学元件，被第2聚光反射光学元件反射，再次通过第2偏振状态变换光学元件，射向偏振光分离光学元件。这时，该光被第2微小聚光反射光学元件分离为多条中间光束，同时由于二次通过第2偏振状态变换光学元件，使该光变换成其偏振光轴有约90度不同的偏振光。因而该光被第2偏振光分离膜反射并向第6方向射出。这样可将向第6方向射出的偏振光作为第2偏振光束。
向第6方向射出的第1、第2偏振光束的中心轴相互大致平行且不重合。因此，第1偏振光束形成的聚光像与第2偏振光束形成的聚光像形成在互不相同的位置。用偏振变换光学元件将第1偏振光束的偏振光轴与第2偏振光束的偏振光轴调整成一致。
另一方面，借助第1偏振光分离膜和第2偏振光分离膜向第4方向射出的反射光通过第3偏振状态变换光学元件，被第3反射光学元件反射，再次通过第3偏转状态变换光学元件射向偏振光分离光学元件。这时，该光由于二次通过第3偏振状态变换光学元件而变换成其偏振光轴有90差异的偏振光。因而，从第1光源部射出后被第1偏振光分离膜反射，并经第3偏振状态变换光学元件和第3反射光学元件向偏振光分离光学元件返回的光，被第2偏振光分离膜反射，射向第2光源部。而从第2光源部射出后被第2偏振光分离膜反射，并经第3偏振状态变换光学元件和第3反射光学元件向偏振光分离光学元件返回的光，被第1偏振光分离膜反射，射向第1光源部。即分别入射到与射出时不同的光源部。这里，投影型显示装置的光源部通常备有光源灯和反射镜。因此，入射到光源部的偏振光被光源部的反射镜反射并在该时受到偏振光轴的旋转作用，其一部分变换成能透过第1或第2偏振光分离膜的偏振光。这样，能透过第1或第2偏振光分离膜的偏振光，与向上述第3方向、第5方向射出的偏振光同样，成为第1偏振光束、第2偏振光束并入射到偏振变换光学元件并使偏振光轴调整成一致。也就是说从偏振光分离光学元件射向第1和第2光源部的偏振光最终也变换成一种偏振光。
因此，即使使用二个光源部，照明光相对被照明区的入射角度(照明角)也不会变大，能使照明的面积大体与一个光源部照明的面积相同。由于与使用一个光源部的情况相比使每一定面积的光量成为约2倍，因而能很照亮地明亮照明区域。如果使被聚光反射光学元件分离后的中间光束在一处被照明区域上重叠，则能对被照明区域进行均匀地照明。因而如将本发明的偏振光照明装置用作显示装置的光源，则能获得非常均匀明亮的图象。进而在本发明的偏振光照明装置中，能几乎无损失地将从第1和第2光源部射出的随机偏振光调整并合成为一种偏振光。因此，如果在使用了液晶元件这样的用以调制特定偏振光这种类型的调制元件的显示装置中采用本发明的偏振光照明装置，则能获得非常明亮的图象。而且，被第1聚光反射光学元件的微小聚光反射元件反射并入射到偏振变换光学元件的光束的中心轴与被第2聚光反射光学元件的微小聚光反射元件反射并入射到偏振变换光学元件的光束的中心轴相互大体是平行的，这就意味着被第1和第2聚光反射光学元件的微小聚光反射元件反射的光，以大致相同的角度入射到偏振光分离光学元件。因此，即使在偏振光分离光学元件的偏振光分离特性容易取决于光的入射角的情况下也能进行稳定的偏振光分离，从而能得到不均匀程度小的照明光。
对于配置上述第1和第2聚光反射光学元件的位置没有明确的规定。只要这样配置第1和第2聚光反射光学元件就可以，即来自第1和第2光源部的每一个的射出光中包含的二种偏振光(从第1和第2光源射出后都透过第1和第2偏振光分离膜的偏振光)的二次光源像分别形成在空间分离的位置上。
在本发明中，最好这样配置反射光学元件，使从第1光源部射出并被第1偏振光分离膜反射的偏振光和从第2光源部射出并被第2偏振光分离膜反射的偏振光入射到与射出时不同的第2及第1光源部。特别是在第1光源部的光轴与第2光源部的光轴正交而偏振光分离光学元件为长方体的情况下，最好将反射光学元件配置成与偏振光分离光学元件的对应于“第4方向”的面大致平行。其结果，由于将从第1光源部射出经第1偏振光分离膜和反射光学元件被第2偏振光分离膜反射的偏振光，和从第2光源部射出经第2偏振光分离膜和反射光学件被第1偏振光分离膜反射的偏振光分别高效率地入射到对应的第2及第1光源部，因而使偏振光的利用效率提高，能更明亮地照明被照明区域。
在本发明中，上述微小聚光反射元件的孔阑形状与被照明区的形状为相似形。由于来自光源部的光被聚光反射光学元件分成多条光而最终在被照明区重叠，所以通过采用上述这样的结构，能将来自光源部的光无损耗地导向被照明区。
在本发明中，为了将从上述偏振光分离光学元件射出的光聚光在上述偏振变换光学元件的入射面侧或射出面侧，所以配置有具有多个聚光元件的聚光光学元件。这样，由于通过配置聚光光学元件能一边将由聚光反射光学元件形成的中间光束的各个光束聚光一边有效地导向偏振变换光学元件的规定的位置，因而有提高偏振变换光学元件的偏振变换效率的效果。在构成第1及第2聚光反射光学元件的微小聚光反射元件的数量各不相同的情况下，对由最多的微小聚光反射元件构成的聚光反射光学元件，最好由在此使用的微小聚光反射元件的数量的二倍的聚光元件构成聚光光学元件。但是，如果对聚光光学元件的光学特性想些办法，也能由与构成聚光反射光学元件的微小聚光反射元件相同数量的聚光元件构成聚光光学元件。
在本发明中，能将使从上述偏振变换光学元件射出的光重叠在被照明区域的重叠光学元件配置在上述偏振变换光学元件的射出面侧。通过这样配置重叠光学元件，能有效地将由聚光反射光学元件形成的各个中间光束导向被照明区域具有提高照明效率的效果。
在本发明中，可以在上述偏振变换光学元件的射出面侧配置用于变更从上述偏振变换光学元件射出的光的光路的光路变更光学元件。如果将光路变更光学元件配置成使照明光能够沿着与由尺寸较大的2个光源部的光轴规定的平面平行的方向射出，则可以减小偏振光照明装置在一个方向上的厚度，因而能够实现薄型的偏振光照明装置。因此，在将该偏振光照明装置用作投影型显示装置的光源时，也可以得到小型的投影型显示装置。
在本发明中，上述第1及第2聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件都能用多个曲面反射镜构成。而上述第1及第2聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件也能够由透镜和上述透镜的设置在与上述偏振光分离光学元件相对一侧的面上的反射面构成。这样构成后，能容易地将来自光源部的光分离成多条中间光束。这里，如将曲面反射镜作为偏心镜，或者将透镜作为偏心透镜，能将上述偏振变换光学元件或聚光光学元件小型化，同时即使不使用上述重叠光学元件也能有效地将光导向被照明区域。
本发明的偏振光照明装置，可以应用于具有对从偏振光照明装置射出的光进行调制的光调制元件及将由上述光调制元件调制后的光投影的投影光学系统的投影型显示装置。
另外，本发明的偏振光照明装置，也可以应用于具有将从偏振光照明装置射出的光分离为多个有色光的有色光分离光学元件、对由上述有色光分离光学元件分离后的有色光分别进行调制的多个光调制元件、对由上述多个光调制元件调制后的光进行合成的有色光合成光学元件、及将由上述有色光合成光学元件合成后的光投影的投影光学系统的可以显示彩色图象的投影型显示装置。
此外，本发明的偏振光照明装置，也可以应用于具有对从偏振光照明装置射出的光进行调制的反射型光调制元件、对从上述偏振光照明装置射出的光及由上述反射型光调制元件调制后的光中所含有的多个偏振光分量进行分离的偏振光分离光学元件、及将由上述反射型光调制元件调制后通过上述偏振光分离光学元件射出的光投影的投影光学系统的投影型显示装置。
进一步，本发明的偏振光照明装置能用于投影型显示装置中，所说的投影型显示装置具有用以调制从偏振光照明装置射出的光的多个反射型光调制元件；用以分离从上述偏振光照明装置射出的光及被上述多个反射型光调制元件调制过的光中所包含的多个偏振光分量的偏振分离光学元件；将从上述偏振光照明装置射出的光分离为多条有色光同时使从上述多个反射型光调制元件射出的有色光合成的有色光分离合成光学元件；将被上述反射型光调制元件调制并通过上述有色光分离合成光学元件和上述偏振光分离光学元件射出的光进行投影的投影光学系统。
此外，本发明的偏振光照明装置还能用于这样的投影型显示装置中，所说的投影型显示装置具有将从偏振光照明装置射出的光分离为多条有色光的有色光分离光学元件；分别调制被上述有色光分离光学元件分离后的有色光的多个反射型光调制元件；分离被上述有色光分离光学元件分离后的各有色光及被上述多个反射型光调制元件调制后的各有色光中所包含的多个偏振光分量的多个偏振光分离光学元件；用以合成被上述各反射型光调制元件调制并通过上述各偏振光分离光学元件射出的光的有色光合成光学元件；和用以投影被上述有色光合成光学元件合成的光的投影光学系统。
如按上述方式构成采用了本发明的偏振光照明装置的投影型显示装置，则可以获得明亮且亮度均匀的投影图象。此外，由于本发明的偏振光照明装置射出将偏振方向调整一致后的光束，所以适用于使用液晶元件作为光调制元件的投影型显示装置。
在上述投影型显示装置内，上述第1、第2光源部中的至少一个最好以可拆装的方式构成。如采用这种结构，则当搬运投影型显示装置时，可以将任何一个光源部拆下，因而提高了可搬运性。
另外，在上述投影型显示装置内，最好可以有选择地点亮上述第1、第2光源部中的至少一个。如采用这种结构，则例如当以电池驱动投影型显示装置时，可以有选择地只将其中一个光源部点亮，从而能够延长电池的寿命调整期限。此外，在周围明亮的环境观察投影图象时可以点亮2个光源部、而在周围暗黑的环境观察投影图象时可以有选择地只点亮其中一个光源部，按照这种方式，便可根据环境或观察者的爱好适当地改变投影图象的亮度。
进一步，在上述投影型显示装置中，也可以使从上述第1、第2光源部射出的光的分光特性或亮度特性为彼此不同的特性。如采用这种结构，则可以很容易地将照明光的色调设定为规定的色调。
附图的简单说明图1是本发明实施形态1的偏振光照明装置中构成的光学系统的简略结构图。
图2是用于说明偏振光分离光学元件201的详细结构的图。
图3是表示本发明实施形态1的偏振光照明装置中构成的光学系统的基本结构的简略结构图。
图4是图1中示出的偏振光照明装置的聚光镜板的斜视图。
图5是表示图1中示出的偏振光照明装置中的偏振动作的说明图。
图6是表示图1中示出的偏振光照明装置的透镜板的斜视图。
图7是表示图1中示出的偏振光照明装置的聚光透镜板的2次光源像形成位置的说明图。
图8是本发明实施形态2的偏振光照明装置中构成的光学系统的简略结构图。
图9是表示本发明实施形态3的偏振光照明装置中构成的光学系统的基本结构的简略结构图。
图10是表示本发明实施形态4的偏振光照明装置中构成的光学系统的基本结构的简略结构图。
图11是作为实施形态5的可以在实施形态1～4的偏振光照明装置中使用的聚光镜板的斜视图。
图12是备有图1、图3中示出的偏振光照明光学系统的投影型显示装置例的光学系统的xz平面的简略结构图。
图13是图12中示出投影型显示装置的光学系统的yz平面的简略结构图。
图14是表示偏振光照明装置的光源灯发光光谱的说明图。
图15是备有图1、图3中示出的偏振光照明光学系统的投影型显示装置的另一例的光学系统的xz平面的简略结构图。
用于实施发明的最佳形态以下，参照
本发明的实施形态。
另外，在以下各实施形态的说明及附图中，对相互对应的部分附加同一符号，以避免其说明的重复。此外，将相互正交的3个空间轴作为x轴、y轴、z轴，并将与x轴平行的2个方向分别作为+x方向和-x方向、将与y轴平行的2个方向分别作为+y方向和-y方向、将与z轴平行的2个方向分别作为+z方向和-z方向。进一步，将具有与x轴方向、y轴方向、z轴方向平行的偏振轴的直线偏振光分别称为x偏振光、y偏振光、和z偏振光。
图1是表示本发明的偏振光照明装置第1实施形态的斜视图。在本实施形态中，设置着射出偏振方向随机的光(以下，称作「随机偏振光」)的2个光源部，即第1光源部101和第2光源部102。
如图1所示，本实施形态的偏振光照明装置1，沿着在xy平面内相交成直角的系统光轴L1和L，具有第1光源部101、偏振光分离光学元件201、第1λ/4相位差板351(第1偏振状态变换光学元件)和第3λ/4相位差板353(第2偏振状态变换光学元件)、第1聚光镜板301(第1聚光反射光学元件)和反射镜元件309(反射光学元件)、聚光透镜部401(聚光光学元件、偏振变换光学元件和重叠光学元件)、及折转反射镜501(光路变更光学元件)。从第1光源部101射出的随机偏振光，如后文所述，由偏振光分离光学元件201分离为两种偏振光后，由第1λ/4相位差板351、第1聚光镜板301、第3λ/4相位差板353、反射镜元件309、偏振光分离光学元件201、第2光源部102及聚光透镜部401变换为一种偏振光，并经过折转反射镜501后到达矩形被照明区域601。
另外，在结构上还沿着在yz平面内相交成直角的系统光轴L2和L配置有第2光源部102、上述偏振光分离光学元件201、第2λ/4相位差板352(第2偏振状态变换元件)和上述第3λ/4相位差板353、第2聚光镜板302(第2聚光反射光学元件)和上述反射镜元件309、上述聚光透镜部401及上述折转反射镜501。从第2光源部102射出的随机偏振光，如后文所述，由偏振光分离光学元件201分离为两种偏振光后，由第2λ/4相位差板352、第2聚光镜板302、第3λ/4相位差板353、反射镜元件309、偏振光分离光学元件201、第1光源部101及聚光透镜部401变换成与第1光源部101的情况相同的一种偏振光，并同样经过折转反射镜501后到达矩形被照明区域601。因而矩形的被照明区601大致被一种偏振光照明。此外，由折转反射镜501将其传播方向折转大致90度后的照明光的射出方向，与包含第1和第2光源部101、102的平面基本平行。
第1和第2光源部101、102，大体上分别由光源灯111、112及抛物面反射镜121、122构成，从光源灯111、112射出的随机偏振光，分别由抛物面反射镜121、122沿一个方向反射并形成大致平行的光束后，入射到偏振光分离光学元件201。这里，抛物面反射镜121、122也可以用椭圆面反射镜、球面反射镜等代替。但是在这种情况下最好将用以使从第1和第2光源部101、102射出的光束大致平行化的光学元件配置在偏振光分离光学元件的入射侧。
偏振光分离·合成光学元件201，是近似六面体形状的偏振光束分离器，其结构为在玻璃制的棱镜202内装有由电介质多层膜构成的第1和第2偏振光分离膜211、212。第1偏振光分离膜211，相对于从第1光源部101射出的光倾斜配置，其形成方式为对偏振光分离光学元件201的第1面221构成角度α1=45度。同样，第2偏振光分离膜212，相对于从第2光源部102射出的光倾斜配置，其形成方式为对偏振光分离光学元件201的第2面222构成角度α2=45度。
图2是用于说明该偏振光分离光学元件201的详细结构的图。如图2所示，偏振光分离光学元件201，由2个三角锥棱镜291、295及2个四角锥棱镜292、294构成。
在第1三角锥棱镜291的侧面BDH与第1四角锥棱镜292的侧面BDH之间及第2四角锥棱间294的侧面BFH与第2三角锥棱镜295的侧面BFH之间，分别形成着第1偏振光分离膜211。该第1偏振光分离膜211，例如通过在第1三角锥棱镜291的侧面BDH和第1四角锥棱镜292的侧面BDH中的任何一个上、以及在第2四角锥棱镜294的侧面BFH和第2三角锥棱镜295的侧面BFH中的任何一个上分别蒸镀电介质多层膜形成。这里，形成第1偏振光分离膜211的面，是第1三角锥棱镜291的侧面BDH和第1四角锥棱镜292的侧面BDH中的哪一个都可以，同样，是第2四角锥棱镜294的侧面BFH和第2三角锥棱镜295的侧面BFH中的哪一个都可以。但是，由于在2个棱镜上形成的第1偏振光分离膜211最好是平坦的，所以最好在第1三角锥棱镜291的侧面BDH及第2四角锥棱镜294的侧面BFH上形成、或者在第1四角锥棱镜292的侧面BDH及第2三角锥棱镜295的侧面BFH上形成。
另一方面，在第1三角锥棱镜291的侧面ABH与第2四角锥棱镜294的侧面ABH之间及第1四角锥棱镜292的侧面BGH与第2三角锥棱镜295的侧面BGH之间，分别形成着第2偏振光分离膜212。该第2偏振光分离膜212，通过在第1三角锥棱镜291的侧面ABH和第2四角锥棱镜294的侧面ABH中的任何一个上、以及在第1四角锥棱镜292的侧面BGF和第2三角锥棱镜295的侧面BGH中的任何一个上分别蒸镀电介质多层膜形成。这里，形成第2偏振光分离膜212的面，是第1三角锥棱镜291的侧面ABH和第2四角锥棱镜294的侧面ABH中的哪一个都可以，同样，是第1四角锥棱镜292的侧面BGH和第2三角锥棱镜295的侧面BGH中的哪一个都可以，同样，是第1四角锥棱镜292的侧面BGH和第2三角锥棱镜295的侧面BGH中的哪一个都可以。但是，由于在2个棱镜上形成的第2偏振光分离膜212最好是平坦的，所以最好在第1三角锥棱镜291的侧面ABH及第1四角锥棱镜的侧面BGH上形成、或者在第2四角锥棱镜294的侧面ABH及第2三角锥棱镜295的侧面BGH上形成。
进一步，通过将形成第1三角锥棱镜291和第1四角锥棱镜292的第1偏振光分离膜211的面BDH粘合，形成第1棱镜合成体293。同样，通过将形成第2四角锥棱镜294和第2三角锥棱镜295的偏振光分离膜211的面BFH粘合，形成第2棱镜合成体296。最后，通过将形成2个棱镜合成体293、296的第2偏振光分离膜212的面ABGH粘合，完成偏振光分离光学元件201。当然，由于如上所述的4个棱镜的组装顺序只不过是一例而已，因此并不限定于上述的顺序。
再来根据图1进行说明。在偏振光分离光学元件201的第3面231一侧，与其相对地配置着第1λ/4相位差板351，进一步，在该相位差板的外侧，配置着第1聚光镜板301。并且，在本例中，第1λ/4相位差板351和第1聚光镜板301，配置得与第3面231基本平行。此外，在偏振光分离光学元件201的第4面233一侧，与其相对地配置着第3λ/4相位差板353，进一步，在该相位差板的外侧，配置着反射镜元件309。并且，在本例中，第3λ/4相位差板353和反射镜板309，配置得与第4面233基本平行。另外，在偏振光分离光学元件201的第5面232一侧，与其相对地配置着第2λ/4相位差板352，进一步，在该相位差板的外侧，配置着第2聚光镜板302。并且，在本例中，第2λ/4相位差板352和第2聚光镜板302，配置得与第5面232基本平行。下面将详细说明第1及第2聚光镜板301、302的结构。在图1中，因以清晰易看为优先前提，所以第1～第3λ/4相位差板351、352、353是以与偏振光分离光学元件201分开的形式画出的，但最好与偏振光分离光学元件201贴紧配置。
在偏振光分离光学元件201的第6面234侧上，沿着与系统光轴L大体垂直的方向设置着将在后文中说明的由聚光镜板411(聚光光学元件)λ/2相位差板421(偏振变换光学元件)及重叠透镜431(重叠光学元件)构成的聚光透镜部401。
以下，对按如上所述方式构成的偏振光照明装置1中从第1光源部101射出的随机偏振光被导向聚光透镜部401或者导向第2光源部102的过程进行说明。
图3是表示图1的xy平面的断面图。这里，有必要注意到，图3中未示出的第2偏振光分离膜212在偏振光分离光学元件201中形成，使其横切xy平面。进而由于折转反射镜与上述过程的说明没有直接关系，所以将其省略。因此，从聚光透镜部401至被照明区601的光路以直线表示。此外，在后文中说明的图9、图10亦与此相同。
从第1光源部101射出的随机偏振光，可以看作是y偏振光与z偏振光的混合光。从第1光源部101射出并入射到偏振分离光学元件201的第1面221的混合光由第1偏振光分离膜211分离为y偏振光和z偏振光两种偏振光。也就是说随机偏振光中所包括的y偏振光直接透过第1偏振光分离膜211并射向第3面231，但z偏振光被第1偏振光分离膜211反射，改变向偏振光分离光学元件201的第4面233的传输方向。
被偏振光分离光学元件201分离的二种偏振光通过第1及第3λ/4相位差板351、353，分别被第1聚光镜板301及反射镜元件309反射。
第1聚光镜板301，其外观图如图4所示，按矩阵状配置排列多个与被照明区601存在大致相似关系的，都具有矩形外形的相同的微小聚光镜311，在其表面形成由铝的蒸镀膜或电介质多层膜构成的反射面312。在本实施形态中，微小聚光镜311的反射面312形成为球面状。但是，该反射面312的曲率形状也可以是抛物面状、椭圆面状或者特殊(ト一リック)面状，它们按照来自第1及第2光源部的入射光的特性设定。此外，下述的第2聚光镜板302也是同样的结构。另一方面，反射镜元件309是一般的平板状反射镜，在其表面上形成由铝蒸镀膜或电介质多层膜构成的反射面312。
被第1偏振光分离膜211分离的y偏振光和z偏振光分别通过第1和第3λ/4相位差板351、353，被第1聚光镜板301及反射镜元件309反射，在再次通过λ/4相位差板351、353期间，使偏振光的传输方向大致反转180度，同时偏振方向旋转90度。用图5说明该偏振光的变化状态。在该图中，为了简化说明，将聚光镜板301作为平面状镜板321描述。入射到λ/4相位差板351的y偏振光322由λ/4相位差板变换成右旋的圆偏振光323(但根据λ/4相位差板的设置方法，也可成为左旋圆偏振光)，到达镜板321。在光被镜板321反射的同时，偏振光轴的旋转方向也变化。也就是说，右旋的圆偏振光向左旋的圆偏光(在旋圆偏振光向右旋圆偏振光)变化。借助镜板321使光的传播方向大致反转180度同时成为左旋圆偏光324的偏振光再次通过λ/4相位差板351、353时变换为z偏振光325。经过同样的过程，z偏振光325变换为y偏振光322。
再来根据图3进行说明。到达第3面231的y偏振光，由第1λ/4相位差板351及第1聚光镜板301将偏振光的传播方向大致反转180度，同时被变换为z偏振光，在由第1偏振光分离膜211反射而改变传播方向后，射向第6面234。这时，图中未示出的第2偏振光分离膜212由于相对平面大致垂直地配置，所以z偏振光几乎不受第2偏振光分离膜212的影响。
图第1聚光镜板301由具有聚光作用的微小聚光镜311构成，所以在使偏振光的传播方向大致反转的同时，形成与构成聚光镜板301的微小聚光镜板311相同数量的多个聚光像。由于这些聚光像就是光源像，所以下面称之为2次光源像。在本实施形态中，聚光透镜部401配置在形成该2次光源像的位置附近。即，从第6面射出的z偏振光，在聚光透镜401的规定位置处形成多个2次光源像。
这里，在聚光镜板301的大致中心相对x轴沿-y方面只平行偏移β1的状态下配置第1聚光镜板301。然而，被第1聚光镜板301的微小聚光镜311反射的z偏振光光束在其中心轴沿-x轴方向对系统光轴上相对地进行了偏移的状态下入射到聚光透镜部401的P位置(参照图1)。即，在聚光透镜部401仅沿-x轴方向进行了偏移的位置上形成多个由第1聚光镜板301形成的z偏振光的2次光源像。在本实施形态的情况下，其偏移量与β1的绝对值相等。
另一方面，到达第4面233的z偏振光其偏振光的传播方向被第3λ/4相位差板353及反射镜元件309大致反转180度，同时变换为y偏振光，并向偏振光分离光学元件201返回。这里，由于未图示的第2偏振光分离膜212相对于yz平面大致垂直地配置，所以该y偏振光被第2偏振光分离膜212反射，射向未图示的第2光源部102。分别这样配置反射镜元件309，使其中心大致位于y轴上。
像以上用图3说明的那样，从第1光源部101射出的随机偏振光中，y偏振光变换为z偏振光并入射到聚光透镜部401，另一方向，z偏振光变换为y偏振光并入射到未图示的第2光源部102。
下面根据图1对从第2光源部102射出的随机偏振光导向聚光透镜401或者导向第1光源部101的过程进行说明。从第2光源部102射出的随机偏振光从原理上也与从第1光源部101射出随机偏振光时经过同样的过程，分离为x偏振光和y偏振光，y偏振光变换为x偏振光并入射到聚光透镜部401，x偏振光变换为z偏振光并入射到第1光源部101。也就是说，从第2光源部102射出的随机偏振光中，y偏振光直接通过偏振光分离元件201的第2偏振光分离膜212，射向第5面232，x偏振光被第2偏振光分离膜212反射，向第4面233改变传播方向。这样分离的y偏振光和x偏振光分别通过第2及第3λ/4相位差板352、353后，被第2聚光镜板302及反射镜元件309反射，并再次通过λ/4相位差板352、353。因此，到达第5面232的y偏振光，被第2λ/4相位差板352及第2聚光镜板302将偏振光的传播方向大致反转180度，同时变换为x偏振光，被第2偏振光分离膜212反射而改变传播方向，并射向第6面234。这时，由于第1偏振光分离膜211相对xy平面被大致垂直地配置，所以x偏振光几乎不受第1偏振光分离膜211的影响。
此外，到达第4面233的x偏振光借助第3λ/4相位差板353及反射镜元件309使偏振光的传播方向大致反转180度，同时变换为z偏振光，被第1偏振光分离膜211再次反射而将传播方向大致改变90度，并射向第1光源部101。
这里，第2聚光镜板302也与第1聚光镜板301同样，由具有聚光作用的微小聚光镜311构成，并且在聚光镜板302的大致中心相对z轴沿+x方向只平行偏移β2的状态下来进行配置。因此，被第2聚光镜板302的微小聚光镜311反射的x偏振光的光束，在其中心轴沿+x轴方向对系统光轴L相对偏移的状态下，入射到聚光透镜部401的S位置(参照图1)。亦即，在聚光透镜部401，在仅沿+x轴方向偏移的位置，形成多个由第2聚光镜板302形成的x偏振光的2次光源像。在本实施形态的情况下，该偏移量与B2的绝对值相等。
构成聚光透镜部401的聚光透镜板411，其外观如图6所示，是由矩形的微小透镜412构成的复合透镜体，由与构成第1及第2聚光镜板301、302的微小聚光镜300的数量相同的数量或2倍数量的微小透镜412构成。但是，在构成第1及第2聚光镜板301、302的微小聚光镜311的数量各不相同的情况下，可以根据由最多的微小聚光镜311构成的聚光镜板调整微小聚光镜311的数量。在本实施形态中，使用构成第1聚光镜板301的微小聚光镜311的2倍数量的微小透镜412构成聚光镜板411。如下所述，由于使来自第1及第2光源部101、102的偏振光在空间上聚光在不同的位置，所以与这些偏振光的聚光位置对应地配置排列微小透镜412。在本实施形态中，由于沿x方向仅错开一点互不重叠地形成由来自第1光源部101的光形成的2次光源像和由来自第2光源部102的光形成的2次光源像，所以将沿x轴方向并排的微小透镜412的数量设定成构成第1聚光镜板301(第2聚光镜板302)的微小聚光镜311的数量的2倍。
这里，如图7所示，从被照明区601侧观察聚光镜板411时，沿z轴方向与微小透镜412对应地形成z偏振光构成的2次光源像C1(画有向右上方的斜线的圆形像)，另一方面，沿x轴方向与所设置的一个微小透镜412对应地形成z偏振光构成的2次光源像C1。此外，从被照明区601侧观察聚光镜板411时，沿z轴方向与微小透镜412对应地，另一方面沿x轴方向与所放置的一个微小透镜对应地，形成x偏振光构成的2次光源像C2(画有向左上方的斜线的圆形像)。因此，沿x轴方向互不相同地配置排列着由来自第1光源部101的偏振光形成的2次光源像C1和由来自第2光源部102的偏振光形成的2次光源像C2。其所以成为这样的配置关系，如以上说明的那样，是因为在聚光镜板301的大致中心沿-y方向相对x轴只平行偏移β1的状态下配置第1聚光镜板301，在沿+x轴方向只平行偏移B2的状态下配置第2聚光镜板302。此外，在本实施形态中，将构成聚光透镜部401的微小透镜412的数量设定为构成第1聚光镜板301(及第2聚光镜板302)的微小聚光镜311的2倍，所以β1、β2设定为微小透镜412的x轴方向的尺寸的一半。在将聚光透镜部401的微小透镜412的数量设定为与第1聚光镜板301(及第2聚光镜板302)的微小聚光镜311的数量相同的情况下，β1、β2最好设定为微小透镜412的x轴方向的尺寸的1/4。
因此，从第1光源部101射出，经第1聚光镜板301入射到聚光透镜部401的z偏振光和经第2聚光镜板302入射到聚光透镜部401的x偏振光，在其各自的主光线相互大致平行且不重叠的状态下入射到聚光透镜部401，在空间上形成与各不相同的位置对应的2次光源像。
在形成聚光透镜部401的聚光透镜板411的被照射区601侧的面上与z偏振光的2次光源像C1的形成位置对应地设置着有选择地形成了相位差层422的λ/2相位差板421。因此，z偏振光在通过相位差层422时受到偏振光轴的旋转作用变换为x偏振光。另一方面，由于在x偏振光的光路上不形成相位差层422，所以不受偏振光轴的旋转作用，在x偏振光的状态下通过λ/2相位差板421。因此，从聚光透镜部401射出的光的大部分调整成与x偏振光一致。
这样一来被调整成与x偏振光一致的光，通过配置在λ/2相位差板421的被照射区601侧的面上的重叠透镜431，重叠在被照明区601的一处上。在这种情况下如图1所示(在图3中被省略)，借助配置在重叠透镜431和被照明区601之间的折返反射镜501，使照明光在其传播方向弯曲约90度后，到达被照明区601。也就是说，被第1和第2聚光镜板301、302的微小聚光镜311切割的多个图象面借助聚光透镜板411和重叠透镜413重叠在一个地方，同时在通过λ/2相位差板时。变换为一种偏振光，几乎全部的光都到达被照明区601。由于被照明区60被多个2次光源像照明，所以照明强度的不均匀非常少，几乎是在一种偏振光下被均匀地照明。
因此，从第1光源部101经偏振光分离光学元件201入射到第2光源部201的x偏振光和相反地从第2光源部102经偏振光分离光学元件201入射到第1光源部101的z偏振光一起，被光源部的反射镜121、122反射，再次从各光源部射出，但在被反射镜反射期间，受到偏振光轴的旋转作用，其一部分变换为能透过第1及第2偏振光分离膜的偏振光，并入射到第1聚光镜板301或第2聚光镜板302。所以，入射到第1及第2光源部101、102的偏振光，最终也变成入射到聚光透镜部401的偏振光，并能被有效地利用。
如上所述，如按照本实施形态的偏振光照明装置，将从第1及第2光源部101、102射出的随机偏振光用偏振光分离光学元件201分离为二种偏振光后，将各偏振光导向λ/2相位差板421的规定的区域，将z偏振光变换为x偏振光。由于能几乎无损失地将从第1及第2光源部101、102射出的随机偏振光大体变换成1种偏振光，所以能达到明亮地照明被照明区的效果。此外，即使使用2个光源部101、102，照明光对被照明区的入射角度(照明角)也不变大，由于能合成来自两个光源部101、102的照明光，所以照明光的断面积与使用一个光源部的情况相同，因此每一定面积的光量与使用一个光源部的情况相比较大致成为2倍。进而设置由第1及第2光源部101、102构成的2个光源部，将两者配置在xz平面上。这种情况下，由于配置用以使从聚光透镜部401射出的照明光的传播方向改变的折返反射镜501，所以能使配置着2个光源部的xz平面与照明光的射出方向平行。因此，适合于照明装置的薄型化和低高度化。也就是说，借助配置在聚光透镜部401后级的折返反射镜501，能进一步提高用以使偏振光照明装置小型化的设计的自由度。
而且，虽然在将二种偏振光分别导入λ/2相位差板421的规定区域时有必要提高偏振光分离光学元件201的偏振光分离性能，但在本实施形态中，由于是利用玻璃制棱镜和由无机材料构成的电介质多层膜，所以偏振光分离光学元件201的偏振光分离性能是热稳定的。因此，即使在要求大的光输出的照明装置中，也常常能发挥稳定的偏振光分离性能，所以能实现性能满足要求的偏振光照明装置。
进而在本实施形态中按照是横长的矩形形状的被照明区601的形状，将第1及第2聚光镜板301、302的微小聚光镜311做成横长的矩形形状(与被照明区的形状大致呈相似形)，同时从偏振光分离光学元件201射出的2种偏振光的分离方向(由二种偏振光形成的2次光源像并排的方向)也沿横向(x方向)按被照明区601的形状来设定。这样一来，即使在形成具有横长的矩形形状的被照明区601时，光量也不会损失，能提高照明效率。
更进一步，借助第1及第2聚光镜板301、302入射到聚光透镜部401的偏振光光束的中心轴相互平行，这意味着被第1及第2聚光镜板(聚光反射光学元件)的微小聚光镜(微小聚光反射元件)反射的光以大致相同角度入射到偏振光分离光学元件201。因此，即使在偏振光分离光学元件201的偏振光分离特性容易取决于光的入射角度的情况下也能进行稳定的偏振光分离，能获得不均匀程序小的照明光。
在本实施形态说明的来自第1及第2聚光镜板301、302的x轴、z轴的偏移量β1、β2和它们的偏移方向不限定于本实施例。重要的是可以分别设定第1及第2聚光镜板301、302的偏移量β1、β2和它们的偏移方向，使来自第1光源部101的射出光中所包括的y偏振光的2次光源像和来自第2光源部102的射出光中所含有的y偏振光的2次光源像分别形成在空间上分离的位置上。因此，与本实施形态相反，将第1聚光镜板301的偏移方向设定为+y轴方向，将第2聚光镜板302的偏移方向设定为-x轴方向。但是，在该情况下从聚光透镜部401射出z偏振光。
为了使来自第1光源部101的射出光中所包含的z偏振光、或者来自第2光源部102的射出光中所包含的x偏振光高效率地入射到各自对应的光源部，反射镜元件309由平板状反射镜构成，最好配置成使其大致中心位于偏振光分离光学元件201的大致中心轴上。
在本实施形态中，将λ/2相位差板421配置在聚光透镜板411的被照明区域侧，但也可配置在形成二次光源像的位置附近的其它位置，不进行限定。例如，可以将λ/2相位差板421配置在聚光透镜板411的偏振光分离光学元件侧。
如将构成聚光透镜板411的微小透镜412做成偏心透镜，由于能使各微小透镜412射出的光的方向朝向被照明区601，所以能使聚光透镜板411兼有重叠透镜431的功能。或者如将构成第1及第2聚光镜板301、302的微小聚光镜311做成偏心镜，由于能使微小聚光镜311射出的光的方向朝向被照明区601，所以同样能使第1及第2聚光镜板301、302兼有重叠透镜431的功能。在这些情况下，由于能省略重叠透镜431，所以能使偏振光照明装置低成本化。但是在后者的情况下，由图7所示的z偏振光形成的2次光源像和由x偏振光形成的2次光源像的间隔变成比β1+β2还窄。
在从第1及第2光源部101、102射出的光的平行性高的情况下能省略聚光透镜板411。
虽然构成聚光透镜板411的微小透镜412做成横长的矩形透镜，但对其形状不特别限定。但是，如图7所示，由于在沿横方向按排列成行的状态下形成z偏振光形成的2次光源像C1和x偏振光形成的2次光源像C2，所以最好按各2次光源像的形成位置决定构成聚光透镜板411的微小透镜412的形状。
在结构上可以将特性不同的二种相位差层配置在z偏振光的二次光源像的形成位置和x偏振光的二次光源像的形成位置的各个位置上，调整成与具有某个特定偏振方向的一种偏振光一致，也可以将相位差层422配置在x偏振光的二次光源像C2的形成位置，将照明光作为z偏振光。
虽然在图1所示的偏振光装置1中，使z偏振光形成的二次光源像和x偏振光形成的二次光源像沿x轴大致平行排列那样来配置第1及第2聚光镜板301、302，但也可以如图8所示的照明光装置2那样，使z偏振光形成的二次光源像和x偏振光形成的二次光源像沿z轴平行排列那样来配置第1及第2聚光镜板301、302。在这种情况下，例如可以设定成这样的状态，即，使第1聚光镜板301沿-z方向其大致中心相对x轴只平行偏移r1，使第2聚光镜板302沿-y方向其大致中心相对z轴只平行偏移r2(图8表示该状态)。或者也可以设定成这样状态，即，使第1聚光镜板301沿+z方向其大致中心相对x轴仅平行偏移r1，使第2聚光镜板302沿+y方向其大致中心相对z轴仅平行偏移r2。在本实施形态的情况下，与上述的实施形态1相比，为了改变二次光源像的配置排列方法，有必要与该配置排列方法对应地适当变更聚光透镜部401的聚光透镜板411或λ/2相位差板421的配置排列方法。而且，即使在该情况下，由于作为偏振光照明装置的基本原理与偏振光照装置1相同，所以其详细说明省略。
在图9(示出xy平面的断面图)所示的偏振光照明装置3中，各光学系统的配置，与实施形态1基本相同，但其特征在于如下各点由构成壁面的6个透明板252构成棱镜结构体251，在其内部配置有形成第1偏振光分离膜211的平板状第1偏振光分离板253及形成第2偏振光分离膜(图中未示)的平板状第2偏振光分离板(图中未示出。此外，因第2偏振光分离板由第1偏振光分离板253分隔，所以，准确地说需用2个)，进一步将充填液体254的结构体用作偏振光分离光学元件201。这里，必须使透明板、第1第2偏振光分离板及液体的各自的折射率基本一致。按照这种结构，可以实现偏振光分离·合成光学元件201的低成本化和轻量化。
另外，在偏振光照明装置3中，与实施形态1中所说明过的一样，在结构上，通过使构成聚光透镜部401的聚光透镜板411的微小透镜为偏心系列的透镜，使聚光透镜板411兼有重叠透镜的功能，因此可将重叠透镜省略。按照这种结构，可以实现偏振光照明装置的低成本化和轻量化。
在图10所示的偏振光照明装置4中，各光学系统的配置与实施形态1相同，但其特征在于，使偏振光分离光学元件201为平板状结构体。即，将结构为用2个玻璃基板263挟持偏振光分离膜262的2个(因一个偏振光分离板由另一个偏振光分离板分隔，所以，准确地说应为3个)偏振光分离板261配置成对系统光轴(L1、L2)所成的角度为α=45度，从而可以发挥与采用了六面体形状棱镜的偏振光分离光学元件201基本相同的功能(参照图1)。按照这种结构，可以实现偏振光分离·合成光学元件201的低成本化和轻量化。另外，在本例的偏振光分离·合成光学元件201中，实际上并不存在象第1～第3实施形态的偏振光分离光学元件201那样的第1～第6面。但是，可以想象为具有如图中虚线所示的虚拟的第1～第6面。因此，可以相对于该虚拟的第1～第6面配置与上述第1～第3实施形态一样的第1及第2光源部101、102、第1～第3λ/4相位差板351、352、353、第1及第2聚光镜板301、302、反射镜元件309、聚光透镜部401等。
在如上所述的偏振光照明装置1～4中，也可以使第1及第2聚光镜板301、302的一部分或全部按图11所示的聚光镜板304形成。聚光镜板304由多个微小透镜305和反射镜板306构成。
另外，在该结构中，如果使多个微小透镜305的每一个为偏心透镜，则可以使通过微小透镜305射出的光的方向射向被照明区域601，因此可以使第1及第2聚光镜板301、302兼有重叠透镜431的功能。在这种情况下，由于可以将重叠透镜431省略，所以能降低偏振光照明装置的成本。
在图12、13中示出采用实施形态1～5的偏振光照明装置中的实施形态1的偏振光照明装置1提高其投影图象的亮度的投影型显示装置的一例。在本实施形态的投影型显示装置5中，使用透射型液晶光阀作为光调制元件，同时在偏振光照明装置1的2个光源部内使用光谱不同的两种光源灯，并可以有选择地点亮这两个光源灯。此外，图12是投影型显示装置5的xz平面的断面图，图13是投影型显示装置5的yz平面的断面图。另外，在图12中没有画出聚光透镜部401和作为光路变更光学文件的折转反射镜501等。
在图12、图13中，组装在本实施形态的投影型显示装置5内的偏振光照明装置1，具有沿一个方向射出随机偏振光的第1光源部101及第2光源部102，从这两个光源部射出的随机偏振光，由偏振光分离光学元件201分离成两种偏振光同时已被分离的各偏振光中，Z偏振光被聚光透镜部401的λ/2相位差板421变换成x偏振光，基本上成为一种偏振状态(x偏振状态)从聚光透镜部射出。从聚光透镜部射出的偏振光，通过折返反射镜501将射出方向改变为-z方向，并入射到蓝色、绿色光反射分色镜701。
从该偏振光照明装置1射出的照明光，首先，由蓝色光绿色光反射分色镜701(有色光学分离光学元件)透过红色光，并反射蓝色光和绿色光。红色光由反射镜702反射并经过平行化透镜716后，到达第1液晶光阀703。而在液晶光阀的入射面侧及射出面侧配置着偏振片，但在图12中没有示出。另一方面，蓝色光和绿色光中的绿色光，由绿色光反射分色镜704(有色光分离光学元件)反射并经过平行化透镜716后，到达第2液晶光阀705。配置在第1和第2液晶光阀703、705的入射侧的平行化透镜716，用于抑制对液晶光阀进行照射的光的发散，从而提高照明效率，同时还具有能将从液晶光阀射出的光有效地导向后文所述的投影透镜的功能。此外，在第3液晶光阀711的入射侧，配置着如后文所述的构成导光装置750的射出侧透镜710。射出侧透镜710在该处还担负着平行化透镜716的功能。但是，这些平行化透镜也可以省略。
这里，由于蓝色光的光路长度比其他两种颜色的光长，所以对蓝色光设有由包括入射侧透镜706、中继透镜708及射出侧透镜710的中继透镜系统构成的导光装置750。即，蓝色光，在透过绿色光反射分色镜704后，首先经入射侧透镜706和反射镜707而导向中继透镜708，在由该中断透镜708聚成光束后，由反射镜709导向射出侧透镜710。然后，到达第3液晶光阀711。
第1～第3第3液晶光阀703、705、711，分别对各有色光进行调制并将与各色对应的图象信息包含在各有色光中，然后使经过调制的有色光入射到正交分色棱镜713(有色光合成光学元件)。正交分色棱镜713，在其内部具有按十字状形成红色光反射电介质多层膜和蓝色光反射电介质多层膜的结构，并对各调制后的有色光进行合成。合成后的光，通过投影透镜714(投影光学系统)而在屏幕715上形成图象。
在按这种方式构成的投影型显示装置5中，采用了型式为对一种偏振光进行调制的液晶光阀。因此，当采用现有的照明装置将随机偏振光导向液晶光阀时，随机偏振光中的一半以上(约为60％)的光将被偏振片吸收而转换为热，因此存在着光的利用效率很低、同时存在需要噪音大的大型冷却装置以抑制偏振片的发热的问题，但在本实施形态的投影型显示装置5中，大幅度地解决了这种问题。
即，在本实施形态的投影型显示装置5中，在偏振光照明装置1内，成为仅由λ/2相位差板421对一种偏振光(例如，x偏振光)施加偏振方向的旋转作用，将其偏振方向调整为与另一种偏振光(例如，z偏振光)一致的状态。因此，由于将偏振方向调整一致后的偏振光导向第1～第3第3液晶光夜阀703、705、711，所以光的利用效率提高，从而可以获得明亮的投影图象。此外，由于减低了偏振片的光吸收量，所以能抑制偏振片上的温度上升。因此，可以实现冷却装置的小型化和低噪音化。进一步，由于具有由第1和第2光源部101、102组成的2个光源部且对从任何一个光源部射出的光都可以无损失地将偏振方向调整一致，所以能够获得明亮的投影图象。而且，在偏振光照明装置1中，由于将热稳定的电介质多层膜用作偏振光分离膜，所以偏振光分离·合成光学元件201的偏振光分离性能是热稳定的。因此，即使在要求大的光输出的投影型显示装置5中，也能始终发挥稳定的偏振光分离性能。
另外，虽然采用着2个光源部101、102，但可以对来自2个光源部101、102的照明光进行合成，而不会增大照明光对被照明区域601的入射角度(照明角)，所以照明光的断面积与采用1个光原部时相同，因此，与采用1个光源部的情况相比，能使每一定面积上的光量增加到大约2倍。所以，能够实现更为明亮的投影图象。
进一步，在偏振光照明装置1中，由于将从偏振光分离·合成光学元件201射出的两种偏振光以与被照明区域即液晶光阀的横由较长的显示区域对应的方式沿横向分离，所以不会浪费光量，因而能对具有横向较长的矩形形状的被照明区域进行有效的照明。因此，偏振光照明装置1适用于能够投影出清晰动入的图象的横向较长的液晶光阀配合使用。
除此以外，在本实施形态中，由于将正交分色棱镜713用作有色光合成光学元件，所以能够实现小型化，同时可以缩短液晶光阀703、705、711与投影透镜714之间的光路长度。因此，其特征为即使采用口径较小的投影透镜也能实现明亮的投影图象。此外，各色光的3条光路中仅有一条光路的光路长度不同，但在本实施形态中，对光路长度最长的蓝色光设有由包括入射侧透镜706、中继透镜708及射出侧透镜710的中继透镜系统构成的导光装置750，因此不会发生彩色不均匀等问题。
另外，在本实施形态中，由于在作为偏振光变换光学元件的聚光透镜部401与蓝色光绿色光反射分色镜701之间配置着作为光路变更光学元件的折转反射镜501，所以能够改变从偏振光变换光学元件射出的偏振光的传播方向。按照这种结构，可以将用于配置有色光分离光学元件、有色光合成光学元件、光调制元件及投影光学系统等的平面及包含着具有尺寸较大的2个光源部的偏振光照明装置1的平面配置成平行状态，因此可以实现使一个方向上的厚度变薄的薄型投影型显示装置。
另外，在组装在本实施形态的投影型显示装置5内的偏振光照明装置1中，第1、第2光源部101、102中的任何一个也可以按可拆装的方式构成。如按这种方式构成，则当例如搬运投影型显示装置5时，可以将任何一个光源部拆下，因而提高了可搬运性。
在组装在本例的投影型显示装置5内的偏振光照明装置1的2个光源部101、102中，采用了发光光谱或亮度特性不同的两种光源灯，而这两个光源灯在结构上可以有选择地点亮。通过采用这种结构，可以获得如下的效果。
1)通过将发光光谱不同的两种光源灯组合使用，可以实现理想的照明装置、或适用于投影型显示装置的理想照明装置。对这一点可以列举一例加以说明。例如，所使用的光源灯可以在蓝色光、绿色光、红色光的整个波长范围内提供大的光输出，而且其比例均衡，因而对投影型显示装置来说是理想的，但目前这种理想的光源灯很难买到。图14是表示从光源灯和偏振光照明装置射出的光的光谱的说明图。作为光源灯，一般大多存在着如下的型式，例如，如(A)所示的发光效率较高但红色光强度较低的灯(一般的高压水银灯相当于这种情况)、或如(B)所示的红色光的发光强度较大但总体的发光效率较低的灯(某种金属卤化物灯相当于这种情况)等。在上述光源灯的这种现状下，如果在本例的投影型显示装置5的偏振光照明装置1中采用具有(A)和(B)所示发光光谱的两种光源灯并在同时点亮的状态下使用，则从偏振光照明装置1射出的光可以具有如(C)所示的理想光谱，因而能够很容易地实现获得明亮的高品位投影图象的投影型显示装置。
2)由于可以有选择地点亮发光光谱不同的两种光源灯，因此可以根据观察者的爱好适当地改变投影图象的色调。
3)由于可以有选择地点亮两个光源灯，因此可以根据使用投影型显示装置的周围环境、或根据观察者的爱好适当地改变投影图象的亮度。例如，可以采用这样的方法，即，在周围明亮的环境观察投影图象时点亮2个光源部、而在周围暗黑的环境观察投影图象时有选择地只点亮其中一个光源部，4)按照有选择地切换使用两个光源灯的形态，可以延长光源灯本身的寿命，同时，例如即使当其中一个光源灯因寿命或故障等而不能点亮时，还可以使用另一个光源灯，从而能够继续显示投影图象等，因而使用的方便性提高。进一步，例如当以电池驱动投影型显示装置5时，可以有选择地只将其中一个光源灯点亮，从而能够延长电池的寿命期限。
另外，当然，也可以采用如上所述的偏振光照明装置2～4，代替偏振光照明装置1。
本发明的偏振光照明装置也可以应用于使用反射型液晶光阀作为光调制元件的投影型显示装置。
也就是说，在图15(投影型显示装置的xz平面的断面图)所示的投影型显示装置6中，使用实施形态1所示的偏振光照明装置1的变形例(偏振光照明装置1’)。具体地说，在实施形态1所示的偏振光照明装置1中，λ/2相位差板421的相位差层422配置在与二次光源像C1对应的一侧(参照图7)，还备有折返反射镜501，但在本实施形态的偏振光照明装置1中，相位差层422配置在与二次光源像C2对应的一例(参照图7)，而且不备有折返反射镜501，这些地方与实施例1不同。因此，在结构上，从第1及第2光源部101、102射出的随机偏振光被偏振光分离元件201分离为二种偏振光，同时用聚光透镜部(未图示)的λ/2相位差板(未图示)将已被分离的各偏振光中的x偏振光变换为z偏振光，照明三处的反射型液晶光阀801、802、803。
从这样的偏振光照明装置1射出的光首先在按十字状形成反射蓝色光绿色光的电介质多层膜和反射红色光的电介质多层膜的有色光分离用正交分色棱镜804(有色光分离光学元件)中，被分离为红色光、蓝色光和绿色光。红色光经反射镜805和平行化透镜716，入射到第一偏振光束分离器808。另一方面蓝色光和绿色光被反射镜806反射后，被绿色光反射分色镜807(有色光分离光学元件)分离为绿色光(反射光)和蓝色光(透过光)，各有色光经平行化透镜716，入射到对应的偏振光束分离器809、810。三处的偏振光束分离器808、809、810(偏振光分离化学元件)，是在其内部备有偏振光分离面811，通过使入射的光中的P偏振光透过，s偏振光反射，具有分离P偏振光和S偏振光的偏振光分离功能的光学元件。在图15中，从偏振光装置1射出的光，其大部分成为沿y轴方向有偏振轴的偏振光，与上述s偏振光相对应。另一方面，P偏振光是沿x轴或z轴方向有偏振轴的偏振光。
由于从偏振光照明装置1射出的光其大部分是s偏振光，所以入射到第1～第3偏振光束分离器808、809、810的各有色光的大部分被偏振分离面811反射而使传播方向大致改变90度，并入射到相邻的第1～第3反射型液晶光阀801、802、803。但是，在入射到第1～第3偏振光束分离器808、809、810中的各有色光中有时会混入极小量的偏振方向与s偏振光不同的偏振光(例如P偏振光)。像这样的偏振方向不同的偏振光，将直接通过偏振光分离面811，而且在偏振光束分离器的内部不改变传播方向地射出，因此这种光不是用于照射反射型液晶光阀的光。此外，配置在偏振光束分离器的入射侧的平行化透镜716的功能，与在实施形态6所说明过的投影显示装置5中使用的平行化透镜716相同。因此，也可以代替本实施形态而将平行化透镜配置在偏振光束分离器与反射型液晶光阀之间。另外，也可以将这些平行化透镜省略。
入射到反射型液晶光阀的光(S偏振光)，由各液晶光阀根据来自外部的图象信息进行光调制，具体地说，根据显示信息改变从各反射型液晶光阀射出的光偏振方向，并且使光的传播方向大体上反转，然后从反射型液晶光阀射出。从反射型液晶光阀射出的光，再次入射到偏振光束分离器，但由于此时从各反射型液晶光阀射出的光有一部分已根据显示信息变成P偏振光，所以，借助于偏振光束分离器的偏振光选择功能，仅使P偏振光通过偏振光束分离器(在这一级形成显示图象)并到达有色光合成用正交分色棱镜812。入射到有色光合成用正交分色棱镜812(有色光合成光学元件)的各有色光，被合成为一个光学像，并由投影透镜714(投影光学系统)将其作为彩色图象投影在屏幕715上。
按照这种方式，在采用反射型液晶光阀的投影型显示装置6中，由于采用了型式为对一种偏振光进行调制的反射型液晶光阀，因而当采用现有的照明装置将随机偏振光导向反射型液晶光阀时，随机偏振光中的一半以上(约为60％)也将被偏振片吸收而转换为热，因此存在着在现有的照明装置中光的利用效率很低、同时需要噪音大的大型冷却装置以抑制偏振片的发热的问题，但在本实施形态的投影型显示装置6中，大幅度地解决了这种问题。
即，在本实施形态的投影型显示装置6中，在偏振光照明装置1内，仅由λ/2相位差板对一种偏振光(例如，x偏振光)施加偏振轴的旋转作用，将其偏振方向调整为与另一种偏振光(例如，z偏振光)一致的状态。因此，由于将偏振方向调整一致后的偏振光被导向第1～第3反射型液晶光阀801、802、803，所以光的利用效率提高，从而可以获得明亮的投影图象。此外，由于减低了偏振片的光吸收量，所以能抑制偏振片上的温度上升。因此，可以实现冷却装置的小型化和低噪音化。进一步，由于具有由第1和第2光源部101、102组成的2个光源部且对从任何一个光源部射出的光都可以无损失地将偏振方向调整一致，所以能够获得明亮的投影图象。而且，在偏振光照明装置1中，由于将热稳定的电介质多层膜用作偏振光分离膜，所以偏振光分离光学元件201的偏振光分离性能是热稳定的。因此，即使在要求大的光输出的投影型显示装置6中，也能始终发挥稳定的偏振光分离性能。
另外，虽然采用着2个光源部101、102，但可以对来自2个光源部101、102的照明光进行合成，而不会增大照明光对被照明区域的入射角度(照明角)，所以照明光的断面积与采用1个光源部时相同，因此，与采用1个光源部的情况相比，能使每一定面积上的光量增加到大约2倍。所以，能够实现更为明亮的投影图象。
而且即使在本实施形态的投影型显示装置6中，如上所述，在结构上使第1及第2光源部101、102的任何一个都可拆装，使用发光光谱与亮度特性与第1及第2光源部互不相同的二种光源灯，能有选择地点亮二个光源灯，也能获得上述这样的效果。
进一步，在本实施形态的投影型显示装置6中，如上所述，第1、第2光源部101、102中的任何一个也可以按可拆装的方式构成，在第1和第2光源部101、102内也可以采用发光光谱或亮度特性不同的两种光源灯，而这两个光源灯在结构上可以有选择地点亮，因而，可以获得如前所述的效果。
另外，也可以将偏振片配置在各偏振光束分离器808、809、810的输入侧、各偏振光束分离器808、809、810的射出侧或有色光分离用正交分色棱镜的射出侧的任何位置上，在这种情况下，有能提高显示图象的对比度的可能性。
作为象本实施形态这样的采用了反射型液晶光阀的投影型显示装置，已知由一个偏振光束分离器和一个色分离·合成棱镜的组合构成色分离及色合成光学系统。在这种情况下，由偏振光束分离器将从偏振光照明装置射出的偏振光导向色分离·合成棱镜，并将由该色分离·合成棱镜进行了色分离的光射向反射型液晶光阀。然后，将由反射型液晶光阀调制后的光再次入射到色分离·合成棱镜进行合成，并通过偏振光束分离器进行投影。
另外，当然，也可以采用如上所述的偏振光照明装置2～4，代替偏振光照明装置1。
在采用透射型液晶光阀的投影型显示装置中，对由2个分色镜构成有色光合成光学元件以代替在实施形态6的投影型显示装置5中使用过的正交分色棱镜713的所谓镜光学系统，也可以应用本发明的偏振光照明装置。在镜光学系统的情况下，其特征在于，由于可以使设在3处的液晶光阀与偏振光照明装置之间的光路长度相等，所以即使采用如实施形态1所给出的导光装置750，也能进行亮度不均匀或色彩不均匀都很小的有效照明。
在上述实施形态6中，都能由聚光透镜部401将z偏振光变换为x偏振光，并将x偏振光用作照明光，但相反也可以如在实施形态7中说明的那样将x偏振光变换为z偏振光并将z偏振光用作照明光。在这种情况下，只需将λ/2相位差板421的相位差层422配置在由x偏振光形成的二次光源像的位置即可。此外，也可以通过对z偏振光和x偏振光两者施加偏振轴的旋转作用而将偏振轴调整一致。在这种情况下，只需将相位差层配置在由两种偏振光形成的二次光源像的位置即可。
另外，在上述的例中，作为λ/2相位差板、λ/4相位差板，假定由一般的高分子薄膜构成。但是，也可以用扭曲向列型液晶(TN液晶)构成这些相位差板。当采用TN液晶时，由于相位差板对波长的依赖性小，所以，与使用一般的高分子薄膜的情况相比，能提高λ/2相位差板和λ/4相位差板的偏振光变换性能。
另外，在上述实施形态中，第2偏振光分离膜都是由电介质多层膜构成，但已知FTIR膜也可以用规定的液晶材料构成。因此，第2偏振光分离膜也可以用这种液晶材料的液晶层构成。
此外，上述实施形态中的偏振光照明装置，对备有利用液晶光阀这样的特定偏振光的光阀的投影型显示装置特别有效。但是，即使将本申请的发明应用于DMD(得克萨斯仪器公司注册商标)等备有不利用特定偏振光的光阀的投影型显示器装置中时，也仍能取得与上述实施形态的投影型显示装置相同的效果。
权利要求
1．一种偏振光照明装置，备有偏振光分离光学元件，它有将从第1方向入射的光分离为两种偏振光并将透过光向第3方向射出，将反射光向第4方向射出的第1偏振光分离膜、将从第2方向入射的光分离为两种偏振光，并将反射光向上述第4方向射出，将透过光向第5方向射出的第2偏振光分离膜；第1光源部，用以使光从上述第1方向入射到上述偏振光分离光学元件；第2光源部，用以使光从上述第2方向入射到上述偏振光分离光学元件；第1聚光反射光学元件，具有使由上述偏振光分离光学元件向上述第3方向射出的光的传输方向大致反转并形成多个聚光像的多个微小聚光反射元件；第2聚光反射光学元件，具有使由上述偏振光分离光学元件向上述第5方向射出的光的传输方向大致反转并形成多个聚光像的多个微小聚光反射元件；反射光学元件，用以使由上述偏振光分离元件向上述第4方向射出的光的传输方向大致反转；第1偏振光状态变换光学元件，配置在上述偏振光分离光学元件与上述第1聚光反射光学元件之间；第2偏振光状态变换光学元件，配置在上述偏振光分离光学元件与上述第2聚光反射光学元件之间；第3偏振光状态变换光学元件，配置在上述偏振光分离光学元件与上述反射光学元件之间；偏振光变换光学元件，用以使从上述偏振光分离光学元件向第6方向射出的光的偏振方向一致；此偏振光照明装置的特征在于由上述第1聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件反射后向上述偏振光变换光学元件入射的光束的中心轴，和由上述第2聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件反射后向上述偏振光变换光学元件入射的光束的中心轴相互大致平行，而且并不重叠。
2．如权利要求1所说的偏振光照明装置，其特征在于从上述第1光源部射出后被上述第1偏振光分离膜反射的偏振光和从上述第2光源部射出后被上述第二偏振光分离膜反射后的偏振光入射到与射出时不同的上述第2和上述第1光源部，这样来配置上述反射光学元件。
3．如权利要求1或2所说的偏振光照明装置，其特征在于上述微小聚光反射元件的开口形状是与被照明区的形状相似的形状。
4．如权利要求1～3中任一项所说的偏振光照明装置，其特征在于备有多个聚光元件的聚光光学元件配置在上述偏振光变换光学元件的入射面侧或出射面侧，以使从上述偏振光分离光学元件射出的光聚光。
5．如权利要求1-4中任一项所说的偏振光照明装置，其特征在于，使从上述偏振光变换光学元件射出的光重叠在被照明区域上的重叠光学元件配置在上述偏振光变换光学元件的射出面侧。
6．如权利要求1-5中任一项所述的偏振光照明装置，其特征在于，变更从上述偏振光变换光学元件射出的光的光路的光路变更光学元件配置在上述偏振光变换光学元件的射出面侧。
7．如权利要求1-6中任一项所述的偏振光照明装置，其特征在于，上述第1和第2聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件由曲面反射镜构成。
8．如权利要求1-6中任一项所述的偏振光照明装置，其特征在于，上述第1和第2聚光反射光学元件的上述微小聚光反射元件由透镜和设置在与上述透镜的上述偏振光分离光学元件相对侧的面上的反射面构成。
9．一种投影型显示装置，其特征在于具有权利要求1～8中任一项所述的偏振光照明装置；调制从上述偏振光照明装置射出的光的光调制元件；投影由上述光调制元件调制过的光的投影光学系统。
10．一种投影型显示装置，其特征在于具有权利要求1-8中任一项所述的偏振光照明装置；将从上述偏振光照明装置射出的光分离为多种有色光的有色光分离光学元件；分别调制被上述有色光分离光学元件分离过的有色光的多个光调制元件；合成由上述多个光调制元件调制后的光的有色光合成光学元件；将由上述有色光合成光学元件合成的光进行投影的投影光学系统。
11．一种投影型显示装置，其特征在于具有权利要求1-8中任一项所述的偏振光照明装置；调制从上述偏振光照明装置射出的光的反射型光调制元件；分离从上述偏振光照明装置射出的光，以及由上述反射型光调制元件调制后的光中所含有的多个偏振光分量的偏振光分离光学元件；投影由上述反射型光调制元件调制后通过上述偏振光分离光学元件射出的光的投影光学系统。
12．一种投影型显示装置，其特征在于具有权利要求1-9中任一项所述的偏振光照明装置；调制从上述偏振光照明装置射出的光的多个反射型光调制元件；分离从上述偏振光照明装置射出的光，以及由上述多个反射型光调制元件调制过的光中含有的多个偏振光分量的偏振光分离光学元件；配置在上述偏振光分离光学元件与上述多个反射型光调制元件之间，将从上述偏振光照明装置射出的光分离成多种有色光，并将从上述多个反射型光调制元件射出的有色光合成的有色光分离合成光学元件；投影由上述反射型光调制元件调制后通过上述有色光分离合成光学元件和上述偏振光分离光学元件射出的光的投影光学系统。
13．一种投影型显示装置，其特征在于包括权利要求1-8中任一项所述的偏振光照明装置；将从上述偏振光照明装置射出的光分离为多种有色光的有色光分离光学元件；分别调制由上述有色光分离光学元件分离后的有色光的多个反射型光调制元件；分离由上述有色光分离光学元件分离后的各有色光，以及被上述反射型光调制元件调制过的各有色光中包含的多个偏振光分量的多个偏振光分离光学元件；合成被上述各反射型光调制元件调制后通过上述各偏振光分离光学元件射出的光的有色光合成光学元件；投影由上述有色光合成光学元件合成后的光的投影光学系统。
14．如权利要求10～13中任一项的投影型显示装置，其特征在于上述第1、第2光源部中的至少1个有可拆卸的结构。
15．如权利要求10-13中任一项的投影型显示装置，其特征在于上述第1、第2光源部中的至少1个能有选择地点灯。
全文摘要
在偏振光照明装置中,将从第1及第2光源部射出的随机偏振光,用偏振光分离光学元件201分别按方向分离为二种偏振光,在生成偏振方向相互垂直的三种偏振光后,一部分偏振光返回到光源部并使偏振方向旋转,同时形成向x方向偏移的二次光源像并将偏振方向调整成一致。因此,能提供即使使用多个光源也不增大照明角而且能利用两个偏振光分量的偏振光照明装置,还能提供能投影非常明亮的投影图象的投影型显示装置。
文档编号G02B27/28GK1323408SQ99812050
公开日2001年11月21日 申请日期1999年8月13日 优先权日1999年8月13日
发明者伊藤嘉高 申请人:精工爱普生株式会社