JP2006064813A - 光源装置及びこれを用いたプロジェクタ - Google Patents
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Abstract
【課題】
光の利用効率を上げながらも、当該素子を大きくする必要のない光源装置を提供し、また、これを用いたプロジェクタを提供すること。
【解決手段】
偏光装置をレンズアレイの前段に置くことにより、従来存在した偏光変換素子面に入りきらない光が生じるのを回避する。また、偏光装置3内の反射ミラー4による反射を一回だけとすることで、光量のロスを少なくし、光の利用効率を上げる。また、この際、光の利用効率を上げるために偏光装置3を大型化する必要がないようにする。
【選択図】
図1
光の利用効率を上げながらも、当該素子を大きくする必要のない光源装置を提供し、また、これを用いたプロジェクタを提供すること。
【解決手段】
偏光装置をレンズアレイの前段に置くことにより、従来存在した偏光変換素子面に入りきらない光が生じるのを回避する。また、偏光装置3内の反射ミラー4による反射を一回だけとすることで、光量のロスを少なくし、光の利用効率を上げる。また、この際、光の利用効率を上げるために偏光装置3を大型化する必要がないようにする。
【選択図】
図1
Description
本発明は、偏光装置を有する光源装置及びこれを用いたプロジェクタに関する。
例えば、液晶ライトバルブを組み込んだタイプのプロジェクタ等において、画像を形成するためのもととなる光源光若しくは照明光の偏光方向を揃えることは必須課題である。このために、各種偏光変換素子等が開発されている。かかる偏光変換素子は、光束の均一化等を行う集光レンズアレイの直後に置かれるのが一般的である(特許文献1参照)。また、偏光変換素子を光源の直後に設置することもある(例えば、特許文献2参照)。
特開平9−311297号公報
特開平4−230705号公報
しかしながら、例えば、特許文献1の場合のように、偏光変換素子である偏光分離ユニットアレイが集光レンズアレイの後段に設置されていると、集光レンズアレイによって形成される2次光源像は光軸近傍で大きくなり、一方、光軸から離れると小さくなる。この場合、当該偏光変換素子の複数の入射面のうち光軸近傍では、これに入りきらない光が生じ、光源光の利用効率が下がるという問題がある。これらを解決するためには、偏光変換素子の配置場所を変えることが考えられる。例えば、特許文献2において、偏光変換素子を光源の直後に配置している。しかしこの場合、光源装置全体が大型化してしまう。
そこで、本発明は、光源光の利用効率を上げながらも、偏光変換素子を大きくする必要のない光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、これを用いたプロジェクタを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る光源装置は、光源光を発生する光源と、光源光を反射し、光路方向を一様に揃える反射部材と、反射部材の射出側に配置され、光源光の一部を反射し反射部材側に戻る戻り光を形成する反射領域と光源光の残りを透過する透過領域とを入射側に有し、透過領域を透過した光源光のうち第1成分を透過領域に対応する第1射出領域から射出させ、光源光のうち第1成分を除いた第2成分を反射領域に対応するとともに第1射出領域を補完する第2射出領域から射出させ、さらに第1及び第2射出領域から射出させる光の偏光状態を偏光変換光学系によって揃えて照明光を形成する偏光装置とを備え、反射部材が、偏光装置の反射領域からの戻り光を透過領域に導くことを特徴とする。
上記光源装置では、反射部材によって光路方向が揃えられた光源光の偏光装置への入射側において、光源光の一部を反射する領域と残りを透過する領域とを設ける。これにより、入射光が活用されなくなる領域を有する偏光変換光学系を、反射部材の射出側の開口に対応させて偏光装置内に組み込むことができるので、光源装置の小型化が図れる。また、反射領域によって形成された戻り光を反射部材が透過領域に導くので、戻り光も照明光として利用可能であり、光の利用効率が下がらない。さらに、透過領域を透過した光源光のうち、第1成分が透過領域に対応する第1射出領域から射出され、第2成分が反射領域に対応するとともに第1射出領域を補完する第2射出領域から射出されるので、光源光は、無駄無く照明光形成に用いられるとともに、反射部材の射出側の開口に対応して領域が偏ることなく射出される。
また、本発明の具体的な態様として、反射部材が、凹面反射鏡を含み、反射領域と透過領域とが、凹面反射鏡の光軸を基準とし、偏光装置の入射面を複数に分割することによって分配したものである。この場合、凹面反射鏡の光軸を基準とすることにより、反射領域と透過領域とにそれぞれ入射する光源光を区別するとともに、反射領域からの戻り光を反射部材によって透過領域に確実に導くことが可能となる。
また、本発明の具体的な態様として、反射領域と透過領域とが、前記光軸を挟んでそれぞれ対称に形成されている。この場合、ある反射領域と当該反射領域からの戻り光が導かれる透過領域とが1対1の対応関係を形成する。
また、本発明の具体的な態様として、反射領域には、ミラーが形成されている。この場合、反射領域に入射する光源光は、確実に反射され、戻り光が形成される。
また、本発明の具体的な態様として、偏光装置の入射面が、2分割乃至4分割されている。この場合、光源光の光路は、2乃至4種類のパターンに分かれ、そのいずれもが照明光として形成される。
また、本発明の具体的な態様として、偏光変換光学系が、透過領域後段に設置され、偏光の方向に応じて反射及び透過を選択的に行うことによって第1及び第2成分の分離を行う偏光分離部と、偏光分離部によって分離された第1及び第2成分のうち一方の偏光方向を他方の偏光方向に揃える偏光方向回転素子とを備える。この場合、第1成分の偏光方向と第2成分の偏光方向とが揃うので、全体として偏光方向の揃った照明光が形成される。
また、本発明の具体的な態様として、偏光変換光学系が、上記偏光分離部に隣接し、偏光分離部で分離された第1及び第2成分のうち一方の光路方向を他方の光路方向に平行に変換する光路変換部材をさらに備える。この場合、第1成分の光路方向と第2成分の光路方向とが揃った照明光が形成される。
また、本発明の具体的な態様として、偏光装置が、複数のプリズムを組み合わせることにより形成され、これら複数のプリズムが、ドーブプリズムを含む。この場合、第1成分と第2成分とで光路長を一致させることができ、また、第1成分の光路方向と第2成分の光路方向とが揃った照明光が形成される。
また、本発明の具体的な態様として、反射部材が、パラボラリフレクタであり、光源が、パラボラリフレクタの焦点に位置する点状光源である。この場合、反射部材であるパラボラリフレクタで反射された光源光の光路方向は、パラボラリフレクタの光軸に対して平行化される。
本発明に係る第1のプロジェクタは、上記いずれかの光源装置と、光源装置によって形成される照明光によって照明される被照明対象である光変調装置と、光変調装置を経た像光を投射する投影光学系とを備える。
上記第1のプロジェクタは、上述のような本発明の光源装置を用いていることにより、プロジェクタ全体としても大型化することなく光利用効率の高いものとなり、明るく高画質の画像を投射することが可能となる。また特に、光源装置からの照明光はすでに偏光方向が揃えられているので、液晶ライトバルブ等を組み込んだプロジェクタにとって好適である。
本発明に係る第2のプロジェクタは、上記いずれかの光源装置と、光源装置によって形成される照明光を所定波長ごとに色光分割し、各色光を形成する光分割光学系と、光分割光学系からの前記各色光によってそれぞれ照明される被照明対象であり、各色の像光をそれぞれ形成する各色の光変調装置と、各色の光変調装置からの各色の像光を合成して合成光を形成する光合成光学系と、合成光を投射光として投射する投影光学系とを備える。
上記第2のプロジェクタは、上述のような本発明の光源装置を用いていることにより、プロジェクタ全体としても大型化することなく光利用効率の高いものとなり、明るく高画質のカラー画像を投射することが可能となる。また特に、光源装置からの照明光はすでに偏光方向が揃えられているので、液晶ライトバルブ等を組み込んだプロジェクタにとって好適である。
〔第1実施形態〕
図1は、第1実施形態に係る光源装置を説明するための平面図である。本実施形態における光源装置10は、光源光SLを発生する光源1と、光源光SLを反射して光路方向を一様に揃える反射部材であるパラボラリフレクタ2と、照明光を形成する偏光装置3とを備える。
図1は、第1実施形態に係る光源装置を説明するための平面図である。本実施形態における光源装置10は、光源光SLを発生する光源1と、光源光SLを反射して光路方向を一様に揃える反射部材であるパラボラリフレクタ2と、照明光を形成する偏光装置3とを備える。
光源1は、例えば、高圧水銀ランプ等であるが、以下では近似的に白色光を発生する点状光源であるものとして取り扱う。図1のように、平面で見た場合、パラボラリフレクタ2の断面図は放物線を描き、光源1の発光中心は、当該放物線の焦点Pに位置する。尚、本実施形態において、光源1は、焦点Pより主に側方及び後方に向って放射状に光源光SLを発生するものとする。
パラボラリフレクタ2は、凹面反射鏡の一つであり、放物線を軸回転して得られる放物面上にミラーが形成されている。当該放物面の焦点Pから放射状に発生する光源光SLの光路方向は、パラボラリフレクタ2での反射によって平行化されることで揃えられる。方向の揃った光源光SLは、パラボラリフレクタ2の開口EPより略開口EPの幅を保って射出される。
偏光装置3は、パラボラリフレクタ2に対し、光源光SLの光路上に対向して配置されており、入射する光源光SLの偏光方向を揃えつつ、照明光を形成する。偏光装置3は、光源1に対向する入射面に、反射ミラー4と、変換窓5とを備える。また、偏光装置3は、偏光変換光学系として、偏光分離膜6と、波長板7と、反射膜8と、射出窓9とを備える。
偏光装置3のうち、偏光変換光学系は、3つのプリズムを貼り合わせることにより形成されている。3つのプリズムは、2つの直角三角形プリズムと平行四辺形プリズムとであり、直角三角形プリズムの斜面を平行四辺形の対面にそれぞれ貼り合わせることにより全体として矩形を形成する。この際、当該斜面のそれぞれに誘電体多層膜等からなる偏光分離膜6と反射膜8とが施され、さらに、パラボラリフレクタ2に対向しない側の三角プリズムの面に波長板7が貼付されることることで偏光変換光学系が形成される。また、さらに、パラボラリフレクタ2に対向する側の三角プリズムに反射ミラー4が貼付されることにより偏光装置3が形成される。
反射ミラー4は、偏光装置3に入射する光源光SLの反射領域を形成し、入射した光源光SLをパラボラリフレクタ2側に反射する。これにより戻り光が形成される。変換窓5は、偏光装置3に入射する光源光SLの透過領域を形成し、偏光変換される光源光SLの偏光装置3内への入り口となる。尚、偏光装置3における光源光SLの入射面は、反射領域を画定する反射ミラー4と透過領域を画定する変換窓5とからなり、パラボラリフレクタ2の開口EPからの光源光SLをもれなく入射させるように、偏光装置3全体としての入射幅が開口EPの幅に揃えられている。偏光分離膜6は、変換窓5から入射した光源光SLの偏光を偏光方向ごとに透過又は反射により分離する。特に、本実施形態においては、偏光分離膜6は、P偏光を透過し、S偏光を反射するものとする。波長板7は、偏光分離膜6を透過したP偏光の偏光方向を変換する1/2波長板その他の偏光方向回転素子である。これにより、波長板7は、P偏光をS偏光に変換し、このS偏光は、偏光装置3から射出される。反射膜8は、光路変換部材であり、偏光分離膜6で反射されたS偏光の光路方向を、透過したP偏光の光路方向に揃え、射出窓9は、反射膜8を経たS偏光を偏光装置3から射出する。
上述のように、パラボラリフレクタ2は、放物面であることから、この放物面の中心軸を光軸LAとすると、焦点Pは、光軸LA上に存在することになる。また、偏光装置3の入射面は、光軸LAに対して垂直であり、入射面のうち、光軸LAを中心として図中右半分が反射領域をなす反射ミラー4であり、左半分が透過領域をなす変換窓5である。尚、本実施形態においては、図1における光軸LA上向きを方向αとし、これを前方向とする。方向αは光源装置10から最終的に射出される照明光ELの光路方向を示している。
以下、光源光SLの光路について説明することにより、本実施形態における照明光ELの形成方法を述べる。図中、焦点Pから発生する光源光SLのうち、光路が方向αに対して右前方向のものを光源光SL1とし、右方向のものを光源光SL2とする。焦点Pから発した光源光SL1は、パラボラリフレクタ2によって反射され、その光路方向が、方向αに一致する。光源光SL1の光路は、光軸LAよりも右側に位置するので、偏光装置3において、反射ミラー4に垂直に入射する。このため、光源光SL1は、反射ミラー4によって反射され、戻り光SL1′となるが、垂直入射しているため、戻り光SL1′の光路方向は、方向αの向きと反対になり、同じ光路を反対側に辿ることになる。この戻り光SL1′は、パラボラリフレクタ2により反射され光路方向が方向αに対して左後方向となり、焦点Pを通過して、さらに、パラボラリフレクタ2により反射される。焦点Pを通過していることから、反射後、戻り光SL1′の光路方向は、再び方向αに一致する。ここで、戻り光SL1′の光路は、光軸LAよりも左側に位置するので、偏光装置3において、変換窓5に垂直に入射する。
変換窓5に入射後、戻り光SL1′は、偏光分離膜6に入射する。この偏光分離膜6では、戻り光SL1′の偏光成分のうち、第1成分としてP偏光P1が透過し、第2成分としてS偏光S2が反射される。透過したP偏光P1は、波長板7によって半波長分の位相差が生じ、S偏光S1に変換される。尚、S偏光S1に変換されたP偏光P1は、この間ずっと直進であるため、光路方向は方向αに等しい。また、ここで、波長板7は、透過領域である変換窓5に対応した第1射出領域として、S偏光S1を射出している。一方、偏光分離膜6によって反射されたS偏光S2は、反射膜8によって光路方向が折り曲げられ、射出窓9より射出される。ここで、反射膜8は、偏光分離膜6に対して平行に設計されていることにより、S偏光S2は、反射膜8によって反射された後、光路方向が方向αに一致する。また、ここで、射出窓9は、反射領域である反射ミラー4に対応した第2射出領域として、S偏光S2を射出している。これにより、偏光装置3を透過した後、戻り光SL1′は、全てS偏光となり、光路方向は方向αに等しく、偏光装置3の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
同様に、方向αに対して光路が右方向である光源光SL2も反射ミラー4で戻り光SL2′となった後、変換窓5に入射し、偏光分離膜6によって偏光成分が分離・変換され、全ての偏光成分がS偏光となる。尚、ここで、パラボラリフレクタ2から光源光が右方に射出される際、光軸LAに対して、光源光SL1が周辺側、光源光SL2が中心側から射出されている。これに対し、戻り光として再び射出されるときには、逆に、光軸LAに対して、戻り光SL2′が周辺側、戻り光SL1′が中心側から射出されることとなる。尚、方向αに対して光路が右後方向である光源光は、光源光としてはさらに中心側であるが、戻り光としてはさらに周辺側となる。尚、本実施形態及び以下の実施形態において、焦点Pから方向αに対して前方側へ射出される光源光を周辺側又は周辺光とし、後方側のものを中央側又は中央光と呼んでいる。より厳密には、パラボラリフレクタ2の放物線の形状によっては、焦点Pから前方側に射出されるものであっても比較的中央側であるといった場合も生じうる。しかし、より前方側であればより周辺側へ、より後方側であればより中央側へ光路を取ることについては変わりがないため、本明細書内においては、説明の便宜上このように扱うものとする。
焦点Pから発生する光源光SLのうち、光路が方向αに対して左方向であるものは、パラボラリフレクタ2で反射後、光軸LAよりも左側の位置から射出されるので、偏光装置3への入射に際して、変換窓5に垂直に入射する。従って、反射ミラー4によって戻り光が形成されることなく、光源光SLは、偏光装置3によって偏光変換が行われ、偏光装置3の全射出面から射出される照明光ELが形成される。
以上により、光源光SLは、S偏光に揃った照明光ELとして利用される。この際、反射ミラー4による反射は光量の半分に対して一回行われるだけであるので、これによる光量のロスは少なく、光の利用効率が良い。また、この際、光の利用効率を上げるために偏光装置3を大型化する必要がない。
さらに、光源装置10からの光源光は偏光装置3により偏光方向を揃えられているので、例えば、プロジェクタ等の利用に好適である。
〔第2実施形態〕
図2は、本実施形態に係る光源装置を説明するための平面図である。本実施形態における光源装置20は、光源光SLを発生する光源1と、光源光SLを反射するパラボラリフレクタ2と、照明光を形成する偏光装置23とを備える。尚、光源1と、パラボラリフレクタ2については、第1実施形態と同様であるから説明を割愛する。
図2は、本実施形態に係る光源装置を説明するための平面図である。本実施形態における光源装置20は、光源光SLを発生する光源1と、光源光SLを反射するパラボラリフレクタ2と、照明光を形成する偏光装置23とを備える。尚、光源1と、パラボラリフレクタ2については、第1実施形態と同様であるから説明を割愛する。
偏光装置23は、第1実施形態同様、パラボラリフレクタ2に対し、光源光SLの光路上に対向して配置されており、入射する光源光SLの偏光方向を揃えつつ、照明光を形成する。偏光装置23は、光源1に対向する入射面に、反射ミラー24と、変換窓25とを備えるとともに、偏光変換光学系として、偏光分離膜26と、波長板27とを備える。
反射ミラー24は、偏光装置23に入射する光源光SLの反射領域を形成し、入射した光源光SLをパラボラリフレクタ2側に反射する。これにより戻り光が形成される。変換窓25は、偏光装置23に入射する光源光SLの透過領域を形成し、偏光変換される光源光SLの偏光装置23内への入り口となる。尚、偏光装置23における光源光SLの入射面は、反射ミラー24と変換窓25とからなり、この入射面の幅は、第1実施形態同様、開口EPの幅に略等しいものとする。偏光分離膜26は、変換窓25から入射した光源光SLの偏光を偏光方向ごとに透過又は反射により分離する。特に、本実施形態においては、P偏光を透過し、S偏光を反射するものとする。波長板27は、偏光分離膜26を透過したP偏光をS偏光に変換し、偏光装置23から射出する。
本実施形態における偏光装置23は、2つのプリズムを貼り合わせることにより形成されている。2つのプリズムのうち、一方は、所謂ドーブプリズムと呼ばれる底面が矩形から2箇所を切り出した等脚台形の形状を有する柱状のドーブプリズム21であり、もう一方は、ドーブプリズム21と同一の矩形において切り出しを1箇所のみとすることにより底面を五角形とした柱状の擬ドーブプリズム22である。ドーブプリズム21と擬ドーブプリズム22のそれぞれの最長辺を貼り合わせることによってプリズムが形成されるが、この際、当該貼付箇所には偏光分離膜26が施される。さらに、擬ドーブプリズム22の面のうち、切り出されなかったことにより矩形のまま残っている面に反射ミラー24が貼付され、切り出された面に波長板27が貼付される。以上により、偏光装置23は形成される。また、この際、ドーブプリズム21の切り出された面のうち、反射ミラー24側の端面が変換窓25となる。また、波長板27が貼付された面とドーブプリズム21の切り出された面の他端面とはそれぞれ光源光の射出面28、29となる。
パラボラリフレクタ2の中心軸である光軸LA上に偏光分離膜26を置き、反射ミラー24をパラボラリフレクタ2側に対向させることによって、偏光装置23は、光源光SLの偏光方向の調節及び照明光の射出方向の調節が可能となる。尚、図1同様光軸LA上向きを方向αとし、これを前方向とする。
以下、光源光SLのうち、焦点Pから方向αに対して右方へ射出する光源光SL3の光路について説明することにより、本実施形態における照明光ELの形成方法を述べる。焦点Pより発した光源光SL3は、パラボラリフレクタ2によって反射され、反射ミラー4に垂直に入射し、戻り光SL3′となる。戻り光SL3′の光路方向は、第1実施形態同様、パラボラリフレクタ2での反射により、再び方向αに一致した状態で射出される。ここでの戻り光SL3′の光路は、光軸LAよりも左側に位置するので、偏光装置23において、変換窓25に入射する。この際、変換窓25の入射面が光軸LAに対して斜面となっているため、戻り光SL3′は、屈折して入射する。これにより戻り光SL3′の光路方向が変えられる。その後、戻り光SL3′は、偏光分離膜26に入射する。偏光分離膜26により、偏光成分のうち、第1成分としてP偏光P1が透過し、第2成分としてS偏光S2が反射される。透過したP偏光P1は、波長板27によって半波長分の位相差が生じ、S偏光S1に変換される。ここで、射出面28により再び屈折されることにより当該偏光の射出後の光路方向は方向αに等しくなっている。また、この際、波長板27は、反射領域である反射ミラー24に対応した第2射出領域として、S偏光S1を射出している。一方、偏光分離膜26によって反射されたS偏光S2は、射出面29により再び屈折し、こちらも射出後の光路方向が方向αに等しくなっている。また、この際、射出面29は、透過領域である変換窓25に対応した第1射出領域として、S偏光S2を射出している。これにより、偏光装置23透過した後、戻り光SL3′は全てS偏光となり、光路方向は方向αに等しく、偏光装置23の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
焦点Pから発生する光源光SLのうち、光路が方向αに対して左方向であるものは、パラボラリフレクタ2で反射後、光軸LAよりも左側の位置から射出されるので、偏光装置23への入射に際して、変換窓25に入射する。従って、反射ミラー24によって戻り光が形成されることなく、光源光SLは偏光装置23によって偏光変換が行われる。
以上により、光源1からの光源光SLは、S偏光に揃った照明光ELとして利用される。この際、反射ミラー24による反射は光量の半分に対して一回行われるだけであるので、これによる光量のロスは少なく、光の利用効率が良い。また、光の利用効率を上げるために偏光装置23を大型化する必要がない。
さらに、光源装置20からの光源光は偏光装置3により偏光方向を揃えられているので、例えば、プロジェクタ等の利用に好適である。尚、本実施形態の場合、偏光装置23での偏光の分離によって光路差が生じることがない。また、分離後の偏光の光路方向を調整する反射膜等を必要としない。
尚、本実施形態での偏光装置23において、擬ドーブプリズム22の替わりにドーブプリズムを用いてもよい。この場合、反射ミラー24を自立型のものとし、このような自立型ミラーが光軸LAに対して垂直に固定できるための別の手段を用意する必要がある。
〔第3実施形態〕
上述した第1及び第2実施形態において、光源光の入射領域での分割を、反射領域と透過領域とを半分ずつの2分割としていたが、入射領域については、光軸を基準として反射領域と透過領域とに4分割若しくは3分割することができる。本実施形態では、特に、光軸LAを中心に4分割された領域のうち、外側2領域を反射領域とすることにより、周辺光を反射して中央光として射出する場合について述べる。
上述した第1及び第2実施形態において、光源光の入射領域での分割を、反射領域と透過領域とを半分ずつの2分割としていたが、入射領域については、光軸を基準として反射領域と透過領域とに4分割若しくは3分割することができる。本実施形態では、特に、光軸LAを中心に4分割された領域のうち、外側2領域を反射領域とすることにより、周辺光を反射して中央光として射出する場合について述べる。
図3(a)は、本実施形態に係る光源装置のうち、第1実施形態で用いた偏光ビームスプリッタを4分割用に応用した場合について説明するための平面図である。本実施形態における光源装置30aは、光源光を発生する光源1と、光源光を反射するパラボラリフレクタ2と、偏光装置33とを備える。尚、光源1と、パラボラリフレクタ2については、既述の実施形態と同様のものである。
偏光装置33は、第1及び第2実施形態同様、パラボラリフレクタ2に対し、光源光SLの光路上に対向して配置されており、入射する光源光SLの偏光方向を揃えつつ、照明光を形成する。偏光装置33は、光源1に対向する入射面に、反射ミラー34s、34tと、変換窓35s、35tとを備えるとともに、偏光変換光学系として、偏光分離膜36s、36tと、波長板37s、37tと、反射膜38s、38tと、射出窓39s、39tとを備える。いずれも、第1実施形態おける同名のものと同じ役割を有するので説明を割愛する。
本実施形態における偏光装置33は、第1実施形態における偏光装置3とこれを左右反転させたものとを貼り合わせることによって形成される。この際、反射ミラー34sと反射ミラー34tとが外側になるようにする。このように形成された偏光装置33は、当該貼付箇所を光軸LA上に設置した状態でパラボラリフレクタ2に対して固定される。
以下、光源光SLのうち、周辺光として焦点Pから方向αに対して右前方へ射出する光源光SL4の光路と、左前方へ射出する光源光SL5の光路とについて説明することにより、本実施形態における照明光ELの形成方法を述べる。焦点Pから方向αに対し右前方へ発した光源光SL4は、パラボラリフレクタ2によって反射され光源光SLのうち右方周辺光として射出される。反射ミラー34sに垂直に入射した光源光SL4は、戻り光SL4′として反射される。戻り光SL4′の光路方向は、パラボラリフレクタ2での反射により2度折り曲げられ、再び方向αに一致した状態で射出される。この際の戻り光SL4′は、光源光SLのうち左方中央光として射出され、変換窓35sに垂直に入射する。
変換窓35に入射した戻り光SL4′は、偏光分離膜36sに入射し、戻り光SL4′の偏光成分のうち、P偏光P1が透過し、S偏光S2が反射される。透過したP偏光P1は、波長板37sによって半波長分の位相差が生じ、S偏光S1に変換され、方向αに沿って射出される。この際、波長板37sは、透過領域である変換窓35sに対応した第1射出領域の一部として、S偏光S1を射出している。一方、偏光分離膜36sによって反射されたS偏光S2は、反射膜38sによって光路方向が変換され、射出窓39sより方向αに沿って射出される。この際、射出窓39sは、反射領域である34tに対応した第2射出領域の一部として、S偏光S2を射出している。これにより、偏光装置33を透過した後、戻り光SL4′は、全てS偏光となり、光路方向が方向αに等しく、偏光装置33の片側の射出面から照明光ELとして射出される。
同様に、焦点Pより、方向αに対し左前方へ発した光源光SL5は、パラボラリフレクタ2によって反射され光源光SLのうち左方周辺光として射出され、反射ミラー34tにより戻り光SL5′として反射され、パラボラリフレクタ2を経て、右方中央光として射出され、変換窓35tに垂直に入射する。変換窓35tに入射した戻り光SL5′は、偏光装置33内の偏光分離膜36t、波長板37t及び反射膜38tにより光路方向が方向αに等しいS偏光となる。尚、この際、波長板37tは、透過領域である変換窓35tに対応した第1射出領域の一部として、S偏光S1を射出しており、射出窓39tは、反射領域である34tに対応した第2射出領域の一部として、S偏光S2を射出している。これにより、偏光装置33を透過した後、戻り光SL5′は、全てS偏光となり、光路方向が方向αに等しく、偏光装置33の片側の射出面から照明光ELとして射出される。
また、焦点Pから発生する光源光SLのうち、光路が方向αに対して左後方向又は右後方向であるものは、パラボラリフレクタ2で反射後、左方中央光又は右方中央光として射出されるので、偏光装置33において、変換窓35s又は変換窓35tに入射する。従って、反射ミラー34s、34tによって戻り光が形成されることなく、光源光SLは、偏光装置33によって偏光変換され、偏光装置33の全射出面から射出される。
以上により、光源光SLは、S偏光に揃った照明光ELとして利用される。この際、反射ミラー34s又は反射ミラー34tによる反射は周辺光に対して一回行われるだけであるので、これによる光量のロスは少なく、光の利用効率が良い。また、光の利用効率を上げるために偏光装置33を大型化する必要がない。
また、この場合、偏光装置33は、第1実施形態の偏光装置3よりも薄くすることが可能である。光源及びパラボラリフレクタが第1実施形態と同一の場合、偏光装置の厚さは半分となる。
図3(b)は、本実施形態に係る光源装置のうち、第2実施形態で用いた偏光ビームスプリッタを4分割用に応用した場合について説明するための平面図である。本実施形態における光源装置30bは、光源光を発生する光源1と、光源光を反射する反射部材であるパラボラリフレクタ2と、偏光装置323とを備える。尚、光源1と、パラボラリフレクタ2については、既述の実施形態と同様である。
偏光装置323は、第1及び第2実施形態同様、パラボラリフレクタ2に対し、光源光SLの光路上に対向して配置されており、入射する光源光の偏光方向を揃え、照明光を形成する。偏光装置323は、光源1に対抗する入射面に、反射ミラー324s、324tと、変換窓325s、325tとを備えるとともに、偏光変換光学系として、偏光分離膜326s、326tと、波長板327s、327tとを備える。いずれも、第2実施形態における同名のものと同じ役割を有するので説明を割愛する。
本実施形態における偏光装置323は、第2実施形態における偏光装置23とこれを左右反転させたものとをドーブプリズム21の最短辺(上底側)で貼り合わせ、反射ミラー324s、324tを外側にすることによって形成される。偏光装置33は、当該貼付箇所を光軸LA上に設置した状態でパラボラリフレクタ2に対して固定される。
光源装置30a同様、焦点Pから発生する光源光SLのうち、焦点Pから方向αに対して右前方へ射出する光源光SL4の光路と、左前方へ射出する光源光SL5の光路とについて辿ることが可能であり、それぞれ反射ミラー324s、324tで反射後、戻り光SL4′、SL5′として変換窓325s、325tに屈折して入射する。変換窓325s、325tに入射した戻り光SL4′、SL5′は、偏光分離膜326s、326t及び波長板327s、327tにより第2実施形態と同様にして、戻り光SL4′、SL5′は全てS偏光となり、光路方向は方向αに等しく、偏光装置323の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
また、焦点Pから発生する光源光SLのうち、光路が方向αに対して左後方向又は右後方向であるものは、パラボラリフレクタ2で反射後、左方中央光又は右方中央光として射出されるので、偏光装置323において、変換窓325s又は変換窓325tに入射する。従って、反射ミラー324s、324tによって戻り光が形成されることなく、光源光SLは、偏光装置323によって偏光変換され、偏光装置323の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
以上により、光源光SLは、S偏光に揃った照明光ELとして利用される。この際、反射ミラー324s又は反射ミラー324tによる反射は周辺光に対して一回行われるだけであるので、これによる光量のロスは少なく、光の利用効率が良い。また、光の利用効率を上げるために偏光装置323を大型化する必要がない。
また、この場合、偏光装置323は、第2実施形態の偏光装置23よりも薄くすることが可能である。光源及びパラボラリフレクタが第2実施形態と同一の場合、偏光装置の厚さは半分となる。
〔第4実施形態〕
第3実施形態においては、光源光の入射領域に関し、光軸LAを中心に4分割された領域のうち、外側2領域を反射領域としていたが、本実施形態においては、内側2領域を反射領域とする。この場合、中央光を反射して周辺光として射出することになる。
第3実施形態においては、光源光の入射領域に関し、光軸LAを中心に4分割された領域のうち、外側2領域を反射領域としていたが、本実施形態においては、内側2領域を反射領域とする。この場合、中央光を反射して周辺光として射出することになる。
図4(a)は、本実施形態に係る光源装置のうち、第1実施形態で用いた偏光ビームスプリッタを4分割用に応用した場合について説明するための平面図である。本実施形態における光源装置40aは、光源光を発生する光源1と、光源光を反射するパラボラリフレクタ2と、偏光装置43とを備える。尚、光源1と、パラボラリフレクタ2については、既述の実施形態と同様のものである。
偏光装置43は、第1から第3実施形態同様、パラボラリフレクタ2に対し、光源光SLの光路上に対向して配置されており、入射する光源光SLの偏光方向を揃えつつ、照明光を形成する。偏光装置43は、光源1に対向する入射面に、反射ミラー44s、44tと、変換窓45s、45tとを備えるとともに、偏光変換光学系として、偏光分離膜46s、46tと、波長板47s、47tと、反射膜48s、48tと、射出窓49s、49tとを備える。いずれも、第1実施形態おける同名のものと同じ役割を有するので説明を割愛する。
本実施形態における偏光装置43は、第1実施形態における偏光装置3とこれを左右反転させたものとを貼り合わせることによって形成される。この際、反射ミラー44sと反射ミラー44tとが中央側になるようにする。このように形成された偏光装置43は、当該貼付箇所を光軸LA上に設置した状態でパラボラリフレクタ2に対して固定される。
焦点Pより、方向αに対し右後方へ発した光源光SL6と左後方へ発した光源光SL7とは、パラボラリフレクタ2での反射後、それぞれ反射ミラー44s、44tに垂直に入射し、戻り光SL6′、SL7′として反射される。戻り光SL6′、SL7′は、光源光SLのうち左方周辺光又は右方周辺光として射出され、変換窓45s、45tに垂直に入射する。変換窓45s、45tに入射した戻り光SL6′、SL7′は、偏光分離膜46s、46t及び波長板47s、47tにより第1実施形態と同様にして、全てS偏光となり、光路方向は方向αに等しく、偏光装置43の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
また、焦点Pから発生する光源光SLのうち、光路が方向αに対して左前方向又は右前方向であるものは、戻り光が形成されることなく、変換窓45s又は変換窓45tに入射し、偏光変換され、偏光装置43の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
以上により、光源光SLは、S偏光に揃った照明光ELとして利用される。この際、反射ミラー44s又は反射ミラー44tによる反射は周辺光に対して一回行われるだけであるので、これによる光量のロスは少なく、光の利用効率が良い。また、光の利用効率を上げるために偏光装置43を大型化する必要がない。
また、この場合、偏光装置43は、第1実施形態の偏光装置3よりも薄くすることが可能である。光源及びパラボラリフレクタが同一の場合、偏光装置の厚さは半分となる。
図4(b)は、本実施形態に係る光源装置のうち、第2実施形態で用いた偏光ビームスプリッタを4分割用に応用した場合について説明するための平面図である。本実施形態における光源装置40bは、光源光を発生する光源1と、光源光を反射するパラボラリフレクタ2と、偏光装置423とを備える。尚、光源1と、パラボラリフレクタ2については、既述の実施形態と同様のものである。
偏光装置423は、第1から第3の実施形態同様、パラボラリフレクタ2に対し、光源光SLの光路上に対向して配置されており、入射する光源光SLの偏光方向を揃えつつ、照明光を形成する。偏光装置423は、光源1に対向する入射面に、反射ミラー424s、424tと、変換窓425s、425tとを備えるとともに、偏光変換光学系として、偏光分離膜426s、426tと、波長板427s、427tとを備える。いずれも、第2実施形態おける同名のものと同じ役割を有するので説明を割愛する。
本実施形態における偏光装置423は、第2実施形態における偏光装置23とこれを左右反転させたものとを擬ドーブプリズム22の短辺側で貼り合わせ、反射ミラー424s、424tを中央側にすることによって形成される。このように形成された偏光装置423は、当該貼付箇所を光軸LA上に設置した状態でパラボラリフレクタ2に固定される。
光源装置40a同様、光源光SLのうち、焦点Pから方向αに対して右後方へ射出する光源光SL6の光路と、左後方へ射出する光源光SL7の光路とについて辿ることが可能であり、それぞれ反射ミラー424s、424tで反射後、戻り光SL6′、SL7′として変換窓425s、425tに屈折して入射する。入射後、偏光分離膜426s、426t及び波長板427s、427tにより第2実施形態と同様にして、全てS偏光となり、光路方向は方向αに等しく、偏光装置423の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
また、焦点Pから発生する光源光SLのうち、光路が方向αに対して左前方向又は右前方向であるものは、戻り光が形成されることなく、変換窓425s又は変換窓425tに入射し、偏光変換され、偏光装置423の全射出面に対応する第1及び第2射出領域から照明光ELとして射出される。
以上により、光源光SLは、S偏光に揃った照明光ELとして利用される。この際、反射ミラー424s又は反射ミラー424tによる反射は周辺光に対して一回行われるだけであるので、これによる光量のロスは少なく、光の利用効率が良い。また、光の利用効率を上げるために偏光装置423を大型化する必要がない。
また、この場合、偏光装置423は、第2実施形態の偏光装置23よりも薄くすることが可能である。光源及びパラボラリフレクタが同一の場合、偏光装置の厚さは半分となる。
〔第5実施形態〕
図5は、本実施形態におけるプロジェクタ100の光学的構造を概念的に説明する平面図である。プロジェクタ100は、照明光を形成する光源装置10と、光分割光学系50と、光変調装置70と、投影光学系90とを備える。光源装置10は、第1実施形態において説明した光学系によりS偏光に統一された照明光ELを発生する。光分割光学系50は、照明光を特定波長ごとに色光分割し、各色光を形成する。光変調装置70は、各色光によって照明される被照明対象であるとともに、各色の像光を形成し、さらにこれらを合成して合成光を形成する。投影光学系90は、合成光を投射光として投射する。尚、光源装置10は、第2、第3、第4実施形態で開示した各光源装置に置き換えることも可能である。
図5は、本実施形態におけるプロジェクタ100の光学的構造を概念的に説明する平面図である。プロジェクタ100は、照明光を形成する光源装置10と、光分割光学系50と、光変調装置70と、投影光学系90とを備える。光源装置10は、第1実施形態において説明した光学系によりS偏光に統一された照明光ELを発生する。光分割光学系50は、照明光を特定波長ごとに色光分割し、各色光を形成する。光変調装置70は、各色光によって照明される被照明対象であるとともに、各色の像光を形成し、さらにこれらを合成して合成光を形成する。投影光学系90は、合成光を投射光として投射する。尚、光源装置10は、第2、第3、第4実施形態で開示した各光源装置に置き換えることも可能である。
光分割光学系50は、レンズアレイ51、52と、重畳レンズ53と、ミラー54、55、56、57と、ダイクロイックミラー58、59と、リレーレンズ60、61と、フィールドレンズ62、63、64とを備える。
これらのうち、レンズアレイ51、52と、重畳レンズ53とは、光量を光束断面内で均一化する。ミラー54、55、56、57は、照明光又は照明光より得られる各色の色光を反射する。ダイクロイックミラー58、59は、光をその波長帯によって選択的に透過又は反射することによって照明光ELの色分割を行う。フィールドレンズ62、63、64は、照明光ELの色光分割によって得られる各色光の、後述する液晶パネルへの入射角度を調整する。
光変調装置70は、各色の像光を形成する液晶ライトバルブ80r、80g、80bと、形成された各色の像光を合成して合成光を形成するクロスダイクロイックプリズム81とを備える。液晶ライトバルブ80r、80g、80bは、各色の液晶パネル71r、71g、71bと、偏光子72r、72g、72bと、検光子73r、73g、73bとを備える。
各色の液晶パネル71r、71g、71bは、照明光から画像を形成する。偏光子72r、72g、72bは、光路上液晶パネルの入射側に位置し、各液晶パネル71r、71g、71bへの入射光の偏光方向をより狭い範囲に限定して偏光度を高めるための偏光板である。検光子73r、73g、73bは、各液晶パネル71r、71g、71bを射出した光から特定方向の偏光成分を選択するための偏光板である。
以下、画像形成の手順に従って、プロジェクタ100の機能を説明する。図5において、光源1や偏光装置3を備える光源装置10から所定の偏光光である射出された照明光ELは、まず、レンズアレイ51を透過する。その後、照明光ELは、ミラー54で反射され、さらに、レンズアレイ52及び重畳レンズ53を透過する。ここで、レンズアレイ51、52及び重畳レンズ53は、照明光ELの光量を光束断面内で均一化するはたらきがある。照明光ELに含まれている光は、全てミラー7で反射されることによって方向転換さる。重畳レンズ53を透過した照明光ELは、第1のダイクロイックミラー58によって、照明光ELの一部が、赤色光RLとして分割される。さらに、残りの照明光ELは、第2のダイクロイックミラー59によって緑色光GLと青色光BLとに分割される。より具体的に説明すると、第1のダイクロイックミラー58は、赤色光波長以下の光を透過し、それ以外の光を反射する特性を持つ。これにより、ある波長帯の光は、赤色光RLとしてダイクロイックミラー58を透過する一方、他の光は、ダイクロイックミラー58において反射される。また、第2のダイクロイックミラー59は、緑色光波長以下の光を反射し、それ以外の光を透過する性質を持つ。これにより、照明光ELのうち、ダイクロイックミラー59によって反射された光は、さらに、緑色光GLと青色光BLとに分割される。以上のダイクロイックミラー58、59の機能により、所定の偏光光である照明光ELは、波長帯ごとに赤色光RL、緑色光GL、青色光BLに分割される。
分割された赤色光RL、緑色光GL、青色光BLは、偏光子72r、72g、72bを介して直線偏光度が高められ、照明光として液晶パネル71r、71g、71bに入射する。液晶パネル71r、71g、71bにおいては、照明光の2次的処理が行われ、投影画像に対応する画素単位で偏光面の変調が行われる。このような変調光は、検光子73r、73g、73bを介して直線偏光に変換され、像光としてクロスダイクロイックプリズム81に導かれる。この際、各光路における具体的な処理は、以下の通りである。
赤色光RLは、ミラー55で反射された後、フィールドレンズ62によって入射角度が調整され、偏光子72rを介して液晶パネル71rに導かれ、液晶パネル71rを照射する。液晶パネル71rによって変調光が形成され、形成された変調光に対応する像光は、検光子73rを介してクロスダイクロイックプリズム81に入射し、ここで他の像光と結合される。緑色光GLも同様に、ダイクロイックミラー59で反射された後、フィールドレンズ63によって入射角度が調整され、偏光子72gを介して液晶パネル71gに導かれ、液晶パネル71gを照射する。液晶パネル71gによって変調光が形成され、形成された変調光に対応する像光は、検光子73gを介してクロスダイクロイックプリズム81で他の像光と結合される。青色光BLは、ダイクロイックミラー59を透過し、ミラー56及び57で反射された後、フィールドレンズ64によって入射角度が調整され、偏光子72bを介して液晶パネル71bに導かれ、液晶パネル71bを照射する。液晶パネル71bによって変調光が形成され、形成された変調光に対応する像光は、検光子73bを介してクロスダイクロイックプリズム81で他の像光と結合される。この場合、青色光BLの光路は、他の光の光路より長くなっている。よってビーム形状の補正が必要となり、かかる補正のためにリレーレンズ60、61等が青色光の光路中に設けられている。
クロスダイクロイックプリズム81で合成された各液晶パネル71r、71g、71bからの像光は、投影レンズ90によってスクリーン等に投影され、当該スクリーン上に所望の拡大率のカラー合成画像が表示される。
本実施形態において、光源装置として、光源装置10、20、30a、30b、40a、40bを用いることにより、光の利用効率の高いプロジェクタが実現される。
1…光源、 2…パラボラリフレクタ、 3、23、33、43、323、423…偏光装置、 4…反射ミラー、 5…変換窓、 6…偏光ビームスプリッタ、 7…波長板、 8…反射膜、21…ドーブプリズム、 10、20、30a、30b、40a、40b…光源装置、 LA…光軸、 P…焦点、 SL…光源光、 EL…照明光、 RL…赤色光、 GL…緑色光、 BL…青色光、 100…プロジェクタ、 50…光分割光学系、 70…光変調装置、 90…投影光学系
Claims (11)
- 光源光を発生する光源と、
前記光源光を反射し、光路方向を一様に揃える反射部材と、
前記反射部材の射出側に配置され、前記光源光の一部を反射し前記反射部材側に戻る戻り光を形成する反射領域と前記光源光の残りを透過する透過領域とを入射側に有し、前記透過領域を透過した光源光のうち第1成分を前記透過領域に対応する第1射出領域から射出させ、前記光源光のうち前記第1成分を除いた第2成分を前記反射領域に対応するとともに前記第1射出領域を補完する第2射出領域から射出させ、さらに前記第1及び第2射出領域から射出させる光の偏光状態を偏光変換光学系によって揃えて照明光を形成する偏光装置と、
を備え、
前記反射部材は、前記偏光装置の前記反射領域からの戻り光を前記透過領域に導くことを特徴とする光源装置。 - 前記反射部材は、凹面反射鏡を含み、前記反射領域と前記透過領域とは、前記凹面反射鏡の光軸を基準とし、前記偏光装置の入射面を複数に分割することによって分配したものであることを特徴とする請求項1記載の光源装置。
- 前記反射領域と前記透過領域とは、前記光軸を挟んでそれぞれ対称に形成されていることを特徴とする請求項2記載の光源装置。
- 前記反射領域には、ミラーが形成されていることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項記載の光源装置。
- 前記偏光装置の入射面は、2分割乃至4分割されていることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか一項記載の光源装置。
- 前記偏光変換光学系は、前記透過領域後段に設置され、偏光の方向に応じて反射及び透過を選択的に行うことによって前記第1及び第2成分の分離を行う偏光分離部と、前記偏光分離部によって分離された前記第1及び第2成分のうち一方の偏光方向を他方の偏光方向に揃える偏光方向回転素子とを備えることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項記載の光源装置。
- 前記偏光変換光学系は、前記偏光分離部に隣接し、前記偏光分離部で分離された前記第1及び第2成分のうち一方の光路方向を他方の光路方向に平行に変換する光路変換部材をさらに備えることを特徴とする請求項6記載の光源装置。
- 前記偏光装置は、複数のプリズムを組み合わせることにより形成され、前記複数のプリズムは、ドーブプリズムを含むことを特徴とする請求項1から請求7のいずれか一項記載の光源装置。
- 前記反射部材は、パラボラリフレクタであり、前記光源は、前記パラボラリフレクタの焦点に位置する点状光源であることを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか一項記載の光源装置。
- 請求項1から請求項9のいずれか一項記載の光源装置と、
前記光源装置によって形成される照明光によって照明される被照明対象である光変調装置と、
前記光変調装置を経た像光を投射する投影光学系と、
を備えるプロジェクタ。 - 請求項1から請求項9のいずれか一項記載の光源装置と、
前記光源装置によって形成される照明光を所定波長ごとに色光分割し、各色光を形成する光分割光学系と、
前記光分割光学系からの前記各色光によってそれぞれ照明される被照明対象であり、各色の像光をそれぞれ形成する各色の光変調装置と、
前記各色の光変調装置からの各色の像光を合成して合成光を形成する光合成光学系と、
前記合成光を投射光として投射する投影光学系と、
を備えるプロジェクタ。
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WO2011146267A2 (en) * | 2010-05-19 | 2011-11-24 | 3M Innovative Properties Company | Polarized projection illuminator |
WO2020179232A1 (ja) * | 2019-03-05 | 2020-09-10 | ソニー株式会社 | 光学素子及び投射型表示装置 |
-
2004
- 2004-08-25 JP JP2004244840A patent/JP2006064813A/ja not_active Withdrawn
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