CN108508682B

CN108508682B - 投影仪

Info

Publication number: CN108508682B
Application number: CN201810153737.5A
Authority: CN
Inventors: 宍户洋一
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2018-02-22
Publication date: 2021-01-12
Anticipated expiration: 2038-02-22
Also published as: JP6926526B2; US10620512B2; US20180246398A1; CN108508682A; JP2018141872A

Abstract

本发明提供投影仪，能够获得较高的光利用效率。该投影仪具有：固体光源；衍射元件，其动态地控制来自固体光源的光的衍射；光调制装置，其根据图像信息对从衍射元件射出的衍射光进行调制，生成图像光；以及投影光学系统，其投射图像光。

Description

投影仪

技术领域

本发明涉及投影仪。

背景技术

以往，存在具有将向液晶面板入射的光的偏振方向转换成规定方向的偏振转换光学系统的投影仪(例如，参照以下专利文献1)。

专利文献1：日本特开平8-304739号公报

然而，在上述以往技术中，由于采用在显示黑色时通过液晶面板的光射出侧偏振片对光进行吸收的结构，因此，无法有效地利用光。因此，希望提供能够获得较高的光利用效率的新技术。

发明内容

本发明是鉴于这样的情况而完成的，其目的在于提供能够获得较高的光利用效率的投影仪。

根据本发明的方式，提供一种投影仪，其具有：固体光源；衍射元件，其动态地控制来自所述固体光源的光的衍射；光调制装置，其根据图像信息对从所述衍射元件射出的衍射光进行调制，生成图像光；以及投影光学系统，其投射所述图像光。

根据上述方式的投影仪，通过衍射元件与显示图像对应地动态地对来自固体光源的光进行再分配，由此能够将以往被偏振片吸收的成分作为图像光进行有效利用。因此，能够实现较高的光利用效率。

在上述方式中，优选的是，所述投影仪还具有准直透镜，所述准直透镜配置在所述固体光源与所述衍射元件之间的光路上，使来自所述固体光源的光平行化。

根据该结构，能够使由准直透镜转换成平行光的光入射到衍射元件。由此，能够减少衍射图像的偏移，因此能够对光调制装置的规定的区域照射衍射光。

在上述方式中，优选的是，所述固体光源具有矩形形状的发光区域，所述发光区域的长边方向上的发散角比所述发光区域的短边方向上的发散角小，所述准直透镜包括：第1透镜面，其与所述发光区域的长边方向对应，以及第2透镜面，其与所述发光区域的短边方向对应。

根据该结构，在长边方向和短边方向上，能够使从发散角不同的发光区域射出的光良好地平行。

在上述方式中，优选的是，所述第1透镜面的焦距比所述第2透镜面的焦距长。

并且，优选的是，在所述衍射元件的光入射区域是矩形形状的情况下，所述固体光源和所述衍射元件以使所述发光区域的短边方向和所述光入射区域的短边方向一致的方式配置。

根据该结构，能够将入射到衍射元件的光的视场角抑制在0.03度以下，并且能够使入射光良好地入射到衍射元件。因此，通过抑制衍射图像的偏移，能够利用期望的衍射图案对光调制装置的规定区域进行照明。

在上述方式中，优选的是，所述投影仪具有多个所述固体光源，所述多个固体光源至少沿着所述发光区域的短边方向排列。

根据该结构，能够将入射到衍射元件的光的视场角抑制在0.03度以下，并且能够提高入射到衍射元件的入射光的输出。

在上述方式中，优选的是，所述多个固体光源沿着所述发光区域的短边方向和长边方向排列，所述短边方向上的所述固体光源的排列数比所述长边方向上的所述固体光源的排列数多。

根据该结构，能够抑制入射到衍射元件的光的视场角，并且能够进一步提高入射到衍射元件的入射光的输出。

在上述方式中，优选的是，所述衍射元件由反射型液晶装置构成，在来自所述固定光源的光相对于所述衍射元件的光入射区域倾斜入射的情况下，所述反射型液晶装置的液晶层的厚度被设定成在电源开启时和电源关闭时透过所述液晶层的光的相位差为2π。

根据该结构，对于衍射元件倾斜入射的入射光，也能够在各衍射区域中，在0～2π的范围内调整相位差。由此，在各衍射区域内能够高精度地控制衍射角度。

附图说明

图1是示出第1实施方式的投影仪的概要结构图。

图2是示出照明装置的概要结构的图。

图3是示出衍射元件的衍射区域与光调制装置之间的对应关系的图。

图4是示出投影仪的电路结构的电路框图。

图5是从固体光源射出的光L的辐射角度分布的说明图。

图6是概念地示出光的视场角和光束直径的图。

图7是示出比较例的准直透镜形成的光斑的图。

图8是示出表2所示的条件的准直透镜形成的光斑的图。

图9是示出表3所示的条件的准直透镜形成的光斑的图。

图10是示出表4所示的条件的准直透镜形成的光斑的图。

图11是示出变形例的固体光源的排列的概要结构图。

图12是示出第2实施方式的投影仪的概要结构图。

图13是示出第3实施方式的投影仪的概要结构图。

图14是示出第4实施方式的投影仪的概要结构图。

图15是相对于衍射元件垂直入射的情况下的相位差的说明图。

图16是相对于衍射元件倾斜入射的情况下的相位差的说明图。

标号说明

1、1A、1B、1C：投影仪；2：照明装置；2B：第3照明装置；2G：第2照明装置；2R：第1照明装置；4B、4G、4R：光调制装置；6：投影光学系统；21：固体光源；21a：发光区域；22：准直透镜；22a：第1透镜面；22b：第2透镜面；23：衍射元件；23a：光入射区域；121B：第3固体光源；121G：第2固体光源；121R：第1固体光源；122B：第3准直透镜；122G：第2准直透镜；122R：第1准直透镜；123：衍射元件；123a：光入射区域；L：光；L1：入射光；W1：长边方向；W2：短边方向；f：焦距。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行详细说明。

另外，在以下说明中使用的附图中，为了使特征容易理解，方便起见，有时对作为特征的部分进行放大显示，各结构要素的尺寸比例等未必与实际相同。

(第1实施方式)

图1是示出第1实施方式的投影仪的概要结构图。

如图1所示，投影仪1具有：第1照明装置2R、第2照明装置2G、第3照明装置2B、反射镜3R、3B、光调制装置4R、光调制装置4G、光调制装置4B、光合成光学系统5、以及投影光学系统6。

第1照明装置2R射出红色光LR。第2照明装置2G射出绿色光LG。第3照明装置2B射出蓝色光LB。反射镜3R使红色光LR向光调制装置4R反射。反射镜3B使蓝色光LB向光调制装置4R反射。光调制装置4R、光调制装置4G、光调制装置4B分别根据图像信息对红色光LR、绿色光LG、以及蓝色光LB进行调制，形成各颜色的图像光。

在本实施方式中，光调制装置4R、光调制装置4G、以及光调制装置4B分别由液晶面板构成。光调制装置4R、光调制装置4G、以及光调制装置4B在分别使红色光LR、绿色光LG、以及蓝色光LB各自通过的过程中，根据图像信息对红色光LR、绿色光LG、以及蓝色光LB分别进行调制，形成与各颜色对应的图像光。在光调制装置4R、光调制装置4G、以及光调制装置4B各自的光入射侧和光射出侧分别配置有偏振片(省略图示)。

在光调制装置4R、光调制装置4G、以及光调制装置4B各自的光入射侧分别设置有使向光调制装置4R、光调制装置4G、以及光调制装置4B各自入射的红色光LR、绿色光LG、以及蓝色光LB平行的场透镜10R、场透镜10G、以及场透镜10B。

光合成光学系统5由十字分色棱镜构成。光合成光学系统5对分别来自光调制装置4R、光调制装置4G、以及光调制装置4B的各颜色的图像光进行合成，将合成的图像光向投影光学系统6射出。

投影光学系统6由投影透镜组构成。投影光学系统6将由光合成光学系统5合成的图像光放大投影到屏幕SCR上。由此，在屏幕SCR上显示放大的彩色影像(图像)。

接着，说明第1照明装置2R、第2照明装置2G以及第3照明装置2B的结构。第1照明装置2R、第2照明装置2G以及第3照明装置2B除了照明光的颜色不同以外，基本结构相同。在下文中，将第1照明装置2R、第2照明装置2G、以及第3照明装置2B统称为照明装置2，对该照明装置2的结构进行说明。

图2是示出照明装置2的概要结构的图。

如图2所示，照明装置2具有固体光源21、准直透镜22以及衍射元件23。

在本实施方式中，固体光源21由射出由红色光LR、绿色光LG或蓝色光LB等的激光所构成的光L的激光二极管构成。准直透镜22使光L转换成平行光并入射到衍射元件23。衍射元件23具有入射光L的光入射区域(光入射面)23a，该光入射区域23a的平面形状是矩形。在本实施方式中，衍射元件23的光入射区域23a的短边方向上的尺寸为4.0mm，长边方向上的尺寸为6.4mm。衍射元件23动态地控制来自准直透镜22的光的衍射。

首先，说明衍射元件23的结构，在后文叙述固体光源21和准直透镜22的详细内容。

衍射元件23具有使来自准直透镜22的光L入射的多个区域，按照每个区域根据控制信号使光L的行进方向发生变化。在本实施方式中，衍射元件23由衍射光学元件(Diffractive Optical Elements；DOE)构成，例如由在一对玻璃板之间隔着透明电极板密封了液晶分子的液晶面板构成。在这种情况下，经由规定图案的透明电极施加电压，在上述各区域内形成基于液晶分子的衍射光栅。

在衍射元件23上设定的各像素区域(以下有时也称作衍射区域)的数量与构成光调制装置4R、4G、4B的液晶面板的像素数量相同。另外，衍射元件23的各像素区域不必与构成光调制装置4R、4G、4B的液晶面板的像素数量相同，也可以是不同的。

在衍射元件23的衍射区域没有施加电压的情况下，透过衍射区域的光直接直行并且被照射到光调制装置4R、4G、4B的对应的像素上。另一方面，在衍射区域施加了规定的电压时，透过衍射区域的光利用衍射区域以规定角度进行衍射，并且被照射到期望的像素上。

在本实施方式中，衍射元件23能够通过对施加电压进行调整来控制衍射区域的衍射角度。越是窄波段且高指向性的光，则越高效地发挥衍射元件23的衍射作用。在本实施方式中，由于从固体光源21射出的光L是激光，因此，衍射元件23能够通过控制各衍射区域的施加电压而使衍射后的光入射到光调制装置4R、4G、4B的规定区域。

图3是示出衍射元件23的衍射区域与光调制装置4R、4G、4B之间的对应关系的图。在图3中，在光调制装置4R、4G、4B的图像形成区域上形成图像图案GP。图像图案GP例如由4×4的格状图案构成，包括暗部GP1和亮部GP2。这里，以往，暗部GP1是通过光射出侧的偏振片对光进行吸收而形成的。

如图3所示，衍射元件23通过对多个衍射区域24的施加电压进行控制，从而形成与在光调制装置4R、4G、4B上形成的图像图案GP对应的衍射光图案KP。衍射光图案KP包括暗部KP1和亮部KP2。暗部KP1与图像图案GP的暗部GP1对应，亮部KP2与图像图案GP的亮部GP2对应。

衍射光图案KP的暗部KP1是通过使入射到衍射元件23的光入射区域23a的整个区域的光进行衍射而分配给亮部KP2后生成的。因此，衍射元件23使以往由光调制装置4R、4G、4B中的光射出侧的偏振片吸收的成分(图像图案GP的暗部GP1)的光进行衍射，从而作为图像光(图像图案GP的亮部GP2)有效利用。

图4是示出投影仪1的电路结构的电路框图。如图4所示，投影仪1具有：图像信号生成部7、面板驱动部8、衍射元件驱动部9、以及运算控制部10。图像信号生成部7根据输入影像信号，按照每个颜色生成用于对光调制装置4R、4G、4B分别进行驱动的信号，提供给运算控制部10。运算控制部10将由图像信号生成部7生成的各颜色的驱动信号提供给面板驱动部8。

面板驱动部8根据提供的各颜色的驱动信号，对光调制装置4R、4G、4B进行驱动。运算控制部10根据输入影像信号中的亮度信号取得各像素的明亮度信息，并且计算由衍射元件23形成的衍射光图案(对生成图像光的像素区域进行照明的图案)。

然后，运算控制部10对衍射元件驱动部9进行驱动，以形成计算出的衍射光图案。衍射元件驱动部9以形成对光调制装置4R、4G、4B的规定的像素区域进行照明的衍射光图案的方式，向衍射元件23提供用于控制对各衍射区域的施加电压的控制信号。

根据这样的结构，本实施方式的照明装置2与显示图像对应地动态地再分配照明光，由此能够将以往被偏振片吸收的成分作为图像光进行有效利用。因此，能够使向光调制装置4R、4G、4B中的较暗的像素照射的光变暗，并且使向较亮的像素照射的光变亮，由此，能够显示高对比度的图像。

另外，在使用衍射元件23进行光控制的情况下，会产生衍射图像与针对衍射元件23的光入射角度成比例地偏移的问题。在产生这样的衍射图像的偏移时，无法使衍射光入射到光调制装置4R、4G、4B的规定的像素区域内，因此，在光调制装置4R、4G、4B中无法生成期望的图像，可能导致图像光的劣化。

与此相对，在本实施方式中，通过使用准直透镜22将来自固体光源21的光L转换成平行光。由此，通过对相对于衍射元件23的光入射角度进行抑制，减少衍射图像的偏移。

一般来讲，固体光源21的发光区域是长方形形状的，并且上下方向和左右方向上的辐射角度分布不同。即，辐射角度分布具有各向异性。以下，对固体光源21的辐射角度分布进行说明。

图5是从固体光源21射出的光L的辐射角度分布的说明图。另外，在图5中，为了方便说明，还图示了准直透镜22。

如图5所示，固体光源21具有射出光的发光区域21a(光射出面)。发光区域21a具有从射出的光的主光线La的方向观察时具有长边方向W1和短边方向W2的大致矩形形状的平面形状。

在采用图5的说明中，使用XYZ坐标系进行说明。在图5中，X方向规定了发光区域21a的长边方向W1，Y方向规定了从发光区域21a射出的光的主光线的方向，Z方向规定了发光区域21a的短边方向W2，该短边方向W2分别与X方向以及Y方向正交。

在本实施方式中，发光区域21a的长边方向W1的宽度例如是40μm，发光区域21a的短边方向W2的宽度例如是1μm，但发光区域21a的形状不限于此。

从固体光源21射出的光L由具有与长边方向W1平行的偏振方向的直线偏振光构成。光L在短边方向W2上的扩展比光L在长边方向W1上的扩展大。在本实施方式中，光L在长边方向W1上的扩展角度(发散角度)的最大值(最大发散角度)例如是9度，在短边方向W2上的扩展角度(发散角度)的最大值(最大发散角度)例如是45度。光L的截面形状BS是以短边方向W2为长轴方向的椭圆形状。

即，光L的发散角度的分布具有各向异性。

这里，向衍射元件23入射的光L的视场角和光束直径能够按照以下这样的方式进行计算。图6是示意性地示出光L的视场角和光束直径的图。在图6中，a相当于固体光源21的发光点尺寸(发光区域21a的大小)的一半宽度，θ相当于光L的视场角(单位是度(deg))，W相当于光L的光束直径，θ_L相当于光L的辐射角度(最大辐射角度；单位是度(deg))，f相当于准直透镜22具有的透镜面的焦距。另外，由于发光区域21a具有规定的大小，因此，从发光区域21a射出的光由准直透镜22进行平行化，在衍射元件23的光入射区域23a上不重合在一点。

如图6所示，能够利用式(1)规定视场角θ，并且能够利用式(2)规定光束直径r。

θ＝atan(a/f)…式(1)

r＝f·tanθ_L…式(2)

通过上述式(1)、式(2)，在使准直透镜22的焦距f变长时，虽然抑制了视场角θ，但是光束直径r变粗，结果产品尺寸变得大型。

另外，从本实施方式的固体光源21射出的光L的发散角度的分布具有各向异性。

这里，作为比较例，对使用相对于光轴旋转对称的形状的准直透镜将光L转换成平行光转换的情况进行说明。

在以下的表1中示出了根据上述式(1)和式(2)，对在使用比较例的准直透镜(旋转对称形状的透镜)的情况下的视场角θ和光束直径r进行计算后的结果。表1分别示出在固体光源21的发光区域21a的长边方向W1和短边方向W2上的焦距f、辐射角度θ_L、光束宽度R(光束直径r的2倍)、发光点尺寸a(发光区域21a的大小)、以及视场角θ的计算结果。

【表1】

	短边方向W2	长边方向W1
			焦距：f	4.8mm	4.8mm
光源辐射角度：θL	45deg	9deg
			光束直径：r	4.0mm	0.8mm
发光点尺寸：a	1um	40um
			视场角：θ	0.006deg	0.24deg

如表1所示，在使用旋转对称形状的准直透镜22A的情况下，长边方向W1和短边方向W2上的焦距f都等于4.8mm。在使用这样的旋转对称形状的准直透镜22A时，光束直径r以及视场角θ在长边方向W1和短边方向W2上是不同的。

图7是示出由透过比较例的准直透镜22A的光L在衍射元件23上形成的光斑SP的图。在图7中，固体光源21和衍射元件23是以使发光区域21a的短边方向W2与衍射元件23的光入射区域23a的短边方向一致的方式配置的。

如图7所示，在衍射元件23的光入射区域23a内形成长轴方向上的长度是4.0mm、短轴方向上的长度是0.8mm的大致椭圆状的光斑SP。虽然光斑SP在光入射区域23a的短边方向上的大小是足够的，但是在光入射区域23a的长边方向上的大小较小。因此，无法有效地利用光入射区域23a。

本发明的发明人得到了如下见解：当入射到衍射元件23的光L的视场角θ大于0.03度时，会明显地出现上述的衍射图像的偏移。然而，光L的视场角θ虽然在短边方向W2上十分小(0.006度)，但在长边方向W1上非常大(0.24度)。

这样，在使用旋转对称形状的准直透镜22A时，光利用效率较低，并且难以减少衍射图像的偏移。

与此相对，在本实施方式中，如图5所示，使用了包含具备第1透镜面25a的第1透镜25和具备第2透镜面26a的第2透镜26的准直透镜22。

具备第1透镜面25a的第1透镜25与光L的长边方向W1对应，在与该长边方向W1平行的面内作为圆筒透镜发挥作用，并且是在与XY平面平行的面内使从发光区域21a射出的光L平行的面。即，第1透镜面25a由在长边方向W1上具有母线的圆筒面构成，使在长边方向W1上扩展的光L平行。

具备第2透镜面26a的第2透镜26与光L的短边方向W2对应，在与该短边方向W2平行的面内作为圆筒透镜发挥作用，并且是在与YZ平面平行的面内使从发光区域21a射出的光L平行的面。即，第2透镜面26a由在短边方向W2上具有母线的圆筒面构成，使在短边方向W2上扩展的光L平行。

另外，作为准直透镜22，也可以使用在一面侧具有第1透镜面25a、另一面侧具有第2透镜面26a的单片结构。

接着，对使用本实施方式的准直透镜22使光L转换为平行光的情况进行说明。

以下的表2、表3示出根据上述式(1)和式(2)计算在使用了本实施方式的准直透镜22的情况下的视场角θ和光束直径r而得到的结果。

表2、表3分别示出在固体光源21的发光区域21a的长边方向W1和短边方向W2上的焦距f、辐射角度θ_L、光束宽度R(光束直径r的2倍)、发光点尺寸a(发光区域21a的大小)、以及视场角θ的计算结果。

另外，在表2所示的计算条件下，固体光源21和衍射元件23以使发光区域21a的长边方向W1与衍射元件23的光入射区域23a的短边方向一致的方式配置。另一方面，在表3所示的计算条件下，固体光源21和衍射元件23以使发光区域21a的短边方向W2与衍射元件23的光入射区域23a的短边方向一致的方式配置。即，在表2所示的条件和表3所示的条件下，固体光源21相对于衍射元件23的配置相差90度。

【表2】

	短边方向W2	长边方向W1
			焦距：f	7.7mm	25.5mm
光源辐射角度：θL	45deg	9deg
			光束直径：r	6.4mm	4.0mm
发光点尺寸：a	1um	40um
			视场角：θ	0.004deg	0.04deg

【表3】

	短边方向W2	长边方向W1
			焦距：f	4.8mm	40.5mm
光源辐射角度：θL	45deg	9deg
			光束直径：r	4.0mm	6.4mm
发光点尺寸：a	1um	40um
			视场角：θ	0.006deg	0.03deg

在表2所示的准直透镜22中，与在长边方向W1上扩展的光L对应的第1透镜面25a的焦距(25.5mm)比与在短边方向W2上扩展的光L对应的第2透镜面26a的焦距(7.7mm)长。

图8是示出由透过表2所示的准直透镜22的光L在衍射元件23上形成的光斑SP1的图。

如图8所示，在衍射元件23上形成长轴方向的长度是6.4mm、短轴方向上的长度是4.0mm的大致椭圆状的光斑SP2。与比较例的光斑SP相比，光斑SP2在光入射区域23a的长边方向上足够大。因此，能够利用光入射区域23a的整个区域，从而能够形成期望的衍射图案。

另外，光L的视场角θ在短边方向W2上能够被抑制得较小，为0.004度。然而，光L的视场角θ在长边方向W1上为0.04度，比0.03度稍大，因此，衍射图像的减少效果降低。

另一方面，在表3所示的准直透镜22中，与在长边方向W1上扩展的光L对应的第1透镜面25a的焦距(将图5所示的f₁设为40.5mm)比与在短边方向W2上扩展的光L对应的第2透镜面26a的焦距(将图5所示的f₂设为4.8mm)长。

这里，在从固体光源21射出的光L的发散角较大的情况下，如果不缩短焦距(固体光源21与透镜之间的距离)，则透镜会增大相应的距离。因此，对于与发散角较大的光对应的透镜而言，优选缩短焦距。在本实施方式中，将与发散角较大且视场角较小的发光区域21a的短边方向W2对应的第2透镜26(第2透镜面26a)的焦距f₂变短，因此，即使焦距变得比较短，视场角也很难变大。因此，不必扩大发光区域21a的短边方向W2上的视场角，就能够实现第2透镜26的小型化。

另外，为了在发光区域21a的长边方向W1上将视场角抑制得较小，只要使焦距(固体光源21与透镜之间的距离)变长即可。在本实施方式中，由于发光区域21a的长边方向W1上的发散角较小，因此，即使在使与长边方向W1对应的透镜(具备第1透镜面25a的第1透镜25)的焦距变长的情况下，该第1透镜25也很难变大。因此，不必扩大发光区域21a的长边方向W1上的视场角，就可以实现第1透镜25的小型化。

因此，根据本实施方式，能够使构成准直透镜22的各透镜25、26实现小型化。

图9是示出由透过表3所示的准直透镜22的光L在衍射元件23上形成的光斑SP1的图。

如图9所示，在衍射元件23上形成长轴方向上的长度是6.4mm、短轴方向上的长度是4.0mm的大致椭圆状的光斑SP1。与光斑SP2相同，光斑SP1能够利用光入射区域23a的整个区域，因此能够形成期望的衍射图案。

另外，光L的视场角θ在短边方向W2上和长边方向W1上都能够被抑制得较小，分别为0.006度和0.03度。因此，通过表3可知，如果以使发光区域21a的短边方向W2和衍射元件23的光入射区域23a的短边方向一致的方式配置固体光源21和衍射元件23，则能够减少衍射图像的偏移。

如上所述，在本实施方式的照明装置2中，为了满足表3示出的条件，以使发光区域21a的短边方向W2与衍射元件23的光入射区域23a的短边方向一致的方式配置固体光源21和衍射元件23。

根据本实施方式的照明装置2，能够抑制构成准直透镜22的各透镜25、26的大型化，并且将光L的视场角θ抑制在0.03度以下，使光L良好地入射到光入射区域23a的整个区域。因此，通过抑制衍射图像的偏移，能够利用期望的衍射图案向光调制装置4R、4G、4B的规定区域进行照明。另外，由于减少偏振片的光吸收，因此减少了热导致的负荷，从而能够提高光调制装置4R、4G、4B的可靠性。

根据本实施方式的投影仪1，由于具有上述照明装置2，因此，能够显示光利用效率高、明亮的图案。另外，由于使向光调制装置4R、4G、4B的较暗的像素照射的光变暗，并且使向明亮的像素照射的光变亮，因此能够显示高对比度的图像。

举出了本实施方式的照明装置2具有1个固体光源21的情况的例子，但固体光源21的数量不限于此。即，也可以具有多个固体光源21。

以下的表4示出根据上述式(1)和式(2)计算在使用了多个固体光源21的情况下的视场角θ和光束直径r而得到的结果。另外，在表4所示的计算条件下，固体光源21和衍射元件23以使发光区域21a的短边方向W2与衍射元件23的光入射区域23a的短边方向一致的方式配置。

【表4】

	短边方向W2	长边方向W1
			焦距：f	1mm	40.5mm
光源辐射角度：θL	45deg	9deg
			光束直径：r	0.8mm	6.4mm
发光点尺寸：a	1um	40um
			视场角：θ	0.03deg	0.03deg

如表4所示，为了提高照明装置2的输出，只要使与视场角0.006mm足够小的短边方向W2对应的第2透镜面26a的焦距变短，并且在短边方向W2上排列配置多个固体光源21即可。

例如，只要按照将光L的短边方向W2上的视场角θ控制在不会对衍射图像的偏移造成影响的0.03度以内的方式设定与在短边方向W2上扩展的光L对应的第2透镜面26a的焦距(1mm)即可。在这种情况下，能够在纵向(图2示出的Z方向)上配置5个固体光源21。

图10是示出由透过表4所示的准直透镜22B的光L在衍射元件23上形成的光斑SP3的图。

如图10所示，在衍射元件23上形成5个在长轴方向上的长度是6.4mm、短轴方向上的长度是0.8mm的大致椭圆状的光斑SP3。这样，根据该结构，由于在光入射区域23a上形成5个光斑SP3，因此，能够对该光入射区域23a的整个区域进行有效利用。

另外，在以上说明中，举出了沿着短边方向W2将多个固体光源21排成一列的情况，但也可以是，分别沿着短边方向W2和长边方向W1排列固体光源21。在这种情况下，优选的是，短边方向W2上的固体光源的排列数比长边方向W1上的固体光源21的排列数多。

例如，如图11所示，在配置6个固体光源21的情况下，将发光区域21a的短边方向W2上的排列数设为3个，将发光区域21a的长边方向W1上的排列数设为2个即可。这样，能够抑制光L的视场角，并且能够提高入射到光入射区域23a的光L的输出。

(第2实施方式)

接着，对第2实施方式的投影仪进行说明。对与第1实施方式共同的结构附加相同的标号，省略其详细的说明。

图12是示出第2实施方式的投影仪的概要结构图。

如图12所示，本实施方式的投影仪1A具有：照明装置50、光分离部51、光调制装置4R、光调制装置4G、光调制装置4B、光合成光学系统5、以及投影光学系统6。

照明装置50具有：第1固体光源121R、第2固体光源121G、第3固体光源121B、第1准直透镜122R、第2准直透镜122G、第3准直透镜122B、分色镜52a、52b、反射镜53、以及衍射元件23。

这些固体光源121R、121G、121B、准直透镜122R、122G、122B与第1实施方式的固体光源21以及准直透镜22的基本结构相同。

在本实施方式中，第1固体光源121R由射出红色光LR的激光的激光二极管构成，第2固体光源121G由射出绿色光LG的激光的激光二极管构成，第3固体光源121B由射出蓝色光LB的激光的激光二极管构成。

第1准直透镜122R、第2准直透镜122G以及第3准直透镜122B分别与第1固体光源121R、第2固体光源121G以及第3固体光源121B对应。

分色镜52a具有使来自第1固体光源121R的红色光LR透射、使来自第2固体光源121G的绿色光LG反射的光学特性。分色镜52b具有使红色光LR和绿色光LG透射、使来自第3固体光源121B的蓝色光LB反射的光学特性。反射镜53使红色光LR、绿色光LG以及蓝色光LB反射并入射到衍射元件23。

与第1实施方式相同，衍射元件23将红色光LR、绿色光LG以及蓝色光LB转换成与光调制装置4R、4G、4B的显示图像对应的衍射图案。

光分离部51使由衍射元件23转换成期望的衍射图案的红色光LR、绿色光LG以及蓝色光LB分离，并将它们引导到各光调制装置4R、4G、4B。

光分离部51包括第1分色镜60、第2分色镜61、以及反射镜62a、62b、63a、63b。

第1分色镜60使红色光LR反射并且使绿色光LG和蓝色光LB透射。第2分色镜61被设置成与第1分色镜60交叉，使蓝色光LB反射并且使红色光LR和绿色光LG透射。

被第1分色镜60反射后的红色光LR依次被反射镜63a、63b反射，经由场透镜10R入射到光调制装置4R。被第2分色镜61反射后的蓝色光LB依次被反射镜62a、62b反射，经由场透镜10B入射到光调制装置4B。透过第1分色镜60和第2分色镜61的绿色光LG经由场透镜10G入射到光调制装置4G。

根据本实施方式的照明装置50，能够抑制视场角，并且能够使红色光LR、绿色光LG以及蓝色光LB良好地入射到衍射元件23的光入射区域23a。因此，通过抑制衍射图像的偏移，能够利用期望的衍射图案对光调制装置4R、4G、4B的规定区域进行照明。另外，由于减少了偏振片的光吸收，因此减少热导致的负荷，从而能够提高光调制装置4R、4G、4B的可靠性。

因此，根据本实施方式的投影仪1A，由于具有上述照明装置50，因此，能够显示光利用效率高、明亮的图像。

(第3实施方式)

接着，对第3实施方式的投影仪进行说明。对与第2实施方式共同的结构附加相同的标号，省略其详细的说明。

图13是示出第3实施方式的投影仪的概要结构图。

如图13所示，本实施方式的投影仪1B具有：照明装置50、场透镜11、光调制装置4、以及投影光学系统6。

本实施方式与第2实施方式的不同点在于，只具有1个光调制装置4。在本实施方式中，按照时分的方式驱动第1固体光源121R、第2固体光源121G以及第3固体光源121B。

衍射元件23以形成与入射光(红色光LR、绿色光LG或蓝色光LB)对应的衍射图案的方式，按照时间顺序进行驱动。光调制装置4以对与入射光(红色光LR、绿色光LG或蓝色光LB)对应的图像进行调制的方式进行驱动。

根据本实施方式的投影仪1B，与第2实施方式的结构相比，能够减少光调制装置的数量。因此，装置结构变得简便，从而能够实现成本减少以及装置的小型化。

(第4实施方式)

接着，对第4实施方式的投影仪进行说明。对与上述实施方式共同的结构附加相同的标号，省略其详细的说明。

图14是示出第4实施方式的投影仪的概要结构图。

如图14所示，本实施方式的投影仪1C具有：照明装置70、场透镜11、光调制装置4、以及投影光学系统6。

本实施方式的照明装置70具有：射出红色光LR的第1固体光源121R、射出绿色光LG的第2固体光源121G、射出蓝色光LB的第3固体光源121B、第1准直透镜122R、第2准直透镜122G、第3准直透镜122B、分色镜52a、52b、反射镜53、以及衍射元件123。

反射镜53使红色光LR、绿色光LG以及蓝色光LB反射并入射到衍射元件123。本实施方式的衍射元件123由具有在一对玻璃板之间隔着例如铝等具有光反射性的像素电极而密封了液晶分子的多个像素区域(衍射区域)的液晶面板构成。在这种情况下，通过向规定的像素电极施加电压，在各像素区域内形成基于液晶分子的衍射光栅。

即，本实施方式的衍射元件123与上述实施方式的衍射元件23的不同点在于，衍射元件123由反射型的液晶面板(反射型液晶装置)构成。除了由反射型的液晶面板构成之外，衍射元件123具有与衍射元件23相同的作用。因此，衍射元件123通过对施加电压进行调整，能够控制每个衍射区域的衍射角度。

在本实施方式中，与第3实施方式相同，按照时分的方式驱动第1固体光源121R、第2固体光源121G以及第3固体光源121B。衍射元件123以形成与红色光LR、绿色光LG或蓝色光LB(以下有时也称作入射光L1)对应的衍射图案的方式，按照时间顺序进行驱动。光调制装置4以对与入射光L1对应的图像进行调制的方式进行驱动。

另外，由于本实施方式的衍射元件123是反射型结构，因此，需要使入射光L1相对于光入射区域123a倾斜地入射。

这里，从反射型结构的衍射元件123射出的光(衍射光)产生的相位差S可以进行如下规定：当设构成衍射元件123的液晶面板的液晶层的厚度(单元间隙)为d、设衍射元件123的折射率差为Δn时，S＝Δn·2d。

这里，说明使入射光L1相对于衍射元件123垂直入射的情况。图15是用于说明在相对于衍射元件123垂直入射的情况下的相位差的图。在图15中示出衍射元件123的液晶分子(折射率椭圆体)130的电源开启时和电源关闭时的状态。另外，在图15中，n₀是正常光折射率，n_e是异常光折射率。

如图15所示，垂直入射时的折射率差Δn被规定为(n₀－n_e)。通常，(n₀－n_e)被设定为2π。即，在垂直入射时，折射率差Δn是固定的，因此，入射光L1的相位差的控制变得容易。

与此相对，在本实施方式中，使入射光L1相对于衍射元件123从倾斜方向入射。以下，对使入射光相对于衍射元件123倾斜入射的情况进行说明。

图16是用于说明在倾斜入射至衍射元件123时的相位差的图。在图16中示出衍射元件123的液晶分子(折射率椭圆体)130的电源开启时和电源关闭时的状态。另外，在图16中，n₀(θ)是正常光折射率，n_e(θ)是异常光折射率。在图16中，为了使说明简单，设在衍射元件123与空气之间的界面上不发生光的折射，并且将入射光L1相对于衍射元件123的入射角度设为θ。

如图16所示，倾斜入射时的折射率差Δn被规定为(n₀(θ)－n_e(θ))。这里，n₀(θ)和n_e(θ)被规定为都是入射角度θ的函数。因此，折射率差Δn根据入射角度θ发生变化，因此不会像垂直入射时那样是固定的，从而无法获得期望的相位差。

因此，衍射元件123无法对光调制装置4的规定区域照射衍射光，其结果是，可能导致投影仪1C的投影图像的质量下降。

与此相对，在本实施方式的衍射元件123中，将液晶层的厚度设定成在电源开启时和电源关闭时透过液晶层的光的相位差Δnd为2π。根据该结构，衍射元件123针对倾斜入射的入射光L1也能够在各衍射区域中，在0～2π的范围内调整相位差。由此，在各衍射区域内，能够高精度地控制衍射角度。

因此，根据本实施方式的照明装置70，能够利用期望的衍射图案对光调制装置4的规定区域进行照明。因此，能够减少偏振片的光吸收。根据具有该照明装置70的投影仪1C，能够显示光利用效率高、明亮且质量高的图像。

另外，本发明不限于上述实施方式的内容，在不脱离发明的主旨的范围内能够进行适当变更。

例如，在上述实施方式中，作为衍射元件举出了液晶面板的例子。即，通过按照多个衍射区域的每个衍射区域使折射率差Δn发生变化来生成相位差Δnd，从而对光的衍射进行控制。但本发明的衍射元件不限于液晶面板，只要能够使相位差发生变化即可。例如，也可以是，使用通过使多个衍射区域的每个衍射区域的光路长度发生变化来代替使折射率发生变化从而生成相位差的衍射元件来控制光的衍射。

Claims

1.一种投影仪，其具有：

固体光源；

衍射元件，其动态地控制来自所述固体光源的光的衍射；

光调制装置，其根据图像信息对从所述衍射元件射出的衍射光进行调制，生成图像光；以及

投影光学系统，其投射所述图像光，

所述衍射元件通过对多个衍射区域的施加电压进行控制，从而形成与在所述光调制装置上形成的图像图案对应的衍射光图案，该衍射光图案包括暗部和亮部，

所述衍射光图案的暗部是通过使入射到所述衍射元件的光入射区域的整个区域的光进行衍射而分配给所述衍射光图案的亮部后生成的，

所述固体光源具有矩形形状的发光区域，

在所述衍射元件的光入射区域是矩形形状的情况下，所述固体光源和所述衍射元件以使所述发光区域的短边方向和所述光入射区域的短边方向一致的方式配置。

2.根据权利要求1所述的投影仪，其中，

所述投影仪还具有准直透镜，所述准直透镜配置在所述固体光源与所述衍射元件之间的光路上，使来自所述固体光源的光平行化。

3.根据权利要求2所述的投影仪，其中，

所述发光区域的长边方向上的发散角比所述发光区域的短边方向上的发散角小，

所述准直透镜包括：

第1透镜面，其与所述发光区域的长边方向对应，以及

第2透镜面，其与所述发光区域的短边方向对应。

4.根据权利要求3所述的投影仪，其中，

所述第1透镜面的焦距比所述第2透镜面的焦距长。

5.根据权利要求1所述的投影仪，其中，

所述投影仪具有多个所述固体光源，

所述多个固体光源至少沿着所述发光区域的短边方向排列。

6.根据权利要求5所述的投影仪，其中，

所述多个固体光源沿着所述发光区域的短边方向和长边方向排列，

所述短边方向上的所述固体光源的排列数比所述长边方向上的所述固体光源的排列数多。

7.根据权利要求1～4中的任意一项所述的投影仪，其中，

所述衍射元件由反射型液晶装置构成，

在来自所述固体光源的光相对于所述衍射元件的光入射区域倾斜入射的情况下，所述反射型液晶装置的液晶层的厚度被设定成在电源开启时和电源关闭时透过所述液晶层的光的相位差为2π。