JP2011039435A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】偏光方向の揃った偏光光を均一化させるために、ロッドインテグレーターに入射させる場合において、ロッドインテグレーター内での偏光方向の乱れが少なく、光利用効率の高い照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】偏光方向の揃った光を射出する光源１０と、光源側の入射口２０ａから入射した光を他方側の射出口２０ｂに導光して射出するロッドインテグレーター２０と、を有し、ロッドインテグレーター２０は、自身の中心軸に対して垂直な方向において、内側よりも外側の方が相対的に低い屈折率の材料で覆われていることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関するものである。

大画面映像を表示可能な装置の一つとして、映像情報に応じて光学像を形成する小型の光変調素子を照明装置からの光で照明し、その光学像を投写レンズによりスクリーン等へ拡大表示するプロジェクターが実用化されている。

プロジェクターの照明装置は、輝度ムラを生じさせないため、光変調素子を均一な光強度分布で照明する必要がある。しかし一方で、通常の照明装置では、例えばランプ形状に起因して生じるランプ発光点の影や、ランプの発光点からの相対的な距離の違い、などにより、被照明面内で均一の光強度分布を有さない場合が多い。

そのため多くの場合、照明装置から射出される光は、照度均一化光学系を透過させることで、光強度分布が均一化される。例えば特許文献１では、様々な入射角で入射する光を反射させながら伝播し、射出面において様々な入射角で内部に入射する光を互いに重畳させることで光強度分布を均一化させるロッドインテグレーターが記載されている。

特開２００９−１２２２１８号公報

しかしながら、上記方法においては、光量を均一化させる光が偏光方向の揃った偏光光である場合に問題がある。すなわち、偏光光をロッドインテグレーターに入射させると、ロッドインテグレーター内で全反射を繰り返す際に偏光の振動方向が光軸周りで回転してしまうため、偏光方向が乱れてしまい、元の偏光状態を維持できない。

特に、ロッドインテグレーターから射出した光を用いて液晶パネルを照射する場合、偏光方向の揃った光を用いる必要があるが、ロッドインテグレーター内で偏光方向が乱れてしまうため、射出される光のうち偏光方向がそろった一部の光しか利用ができない。その結果、被照射面内で光量は均一化されるものの全体として光利用効率が低下し、光量の減衰が大きくなってしまう。このため、ある程度の光量を確保して液晶パネルを照射するためには、光利用効率を考慮して光源の発光量を増加させる必要があり、無用に投入電力が増加してしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、偏光方向の揃った偏光光を均一化させるために、ロッドインテグレーターに入射させる場合において、ロッドインテグレーター内での偏光方向の乱れが少なく、光利用効率の高い照明装置を提供することを目的とする。また、このような照明装置を備えたプロジェクターを提供することを合わせて目的とする。

発明者は、検討を重ねた結果、ロッドインテグレーターの内壁における光の反射時に、内壁に対する侵入角が小さいほど偏光方向のずれが大きくなることが分かった。

たとえば、ガラス材料を用いて形成される通常のロッドインテグレーターの場合、ガラスと外部の空気との界面において、屈折率差に起因した全反射を生じ、内部に入射する光を導光する。しかしこの際、全反射時の内壁への入射角が小さいほど、偏光方向がずれてしまう。

そこで発明者は、上記の課題を解決するため、全反射が可能な臨界角を大きくすることで、大きな侵入角で内壁に入射する光のみ反射させて導光し、射出口で重畳させるロッドインテグレーターの構成に思い至った。すなわち、本発明の照明装置は、偏光方向の揃った光を射出する光源と、前記光源側の入射口から入射した前記光を他方側の射出口に導光して射出するロッドインテグレーターと、を有し、前記ロッドインテグレーターは、自身の中心軸に対して垂直な方向において、内側よりも外側の方が相対的に低い屈折率の材料で覆われていることを特徴とする。
この構成によれば、ロッドインテグレーターを形成する屈折率の異なる材料間（屈折率＞１）で生じる偏光方向のずれは、単一材料で形成されたロッドインテグレーターと空気（屈折率≒１）との界面において生じる全反射によって生じる偏光方向のずれよりも小さくなるため、光源から射出される偏光の偏光方向のずれを抑制して偏光状態を保持し、且つ均一化させた光を照射することが可能な照明装置とすることができる。

本発明においては、前記ロッドインテグレーターは、前記中心軸と重なって延在する中心層と、前記中心層に接し前記中心軸周りの全周を覆う外層と、を有し、前記外層は、前記中心層よりも屈折率が低い材料で設けられていることが望ましい。
この構成によれば、中心層と外層との屈折率差は、中心層と空気（屈折率≒１）との屈折率差よりも小さくなるため、中心層と外層との界面における臨界角が広がる。したがって、大きな侵入角で内壁に入射する光のみ選択的に反射させ重畳させて光量を均一化させることができ、偏光状態を保持した光を照射することが可能な照明装置とすることができる。

本発明においては、前記外層は、前記中心軸周りに同心状に積層された複数の層を有し、前記複数の層は、前記中心軸に近い層よりも遠い層の方が相対的に低い屈折率を呈することが望ましい。
この構成によれば、中心層と中心層に接する層（第１外層）との界面において反射せず透過した光は、当該界面において屈折し第１外層に侵入する。この第１外層に侵入した光は、第１外層の外側に接する層（第２外層）との界面において、当該界面における臨界角よりも大きな入射角で入射する場合には全反射し、射出口へ導光される。したがって、外層を複数層とすることで、偏光状態を保持した光を重畳させつつ、光の利用効率をあげることができる。

本発明においては、前記外層を構成する層は、前記光の波長以上の厚みを有することが望ましい。
図１１に示すように、界面Ｓに入射する光Ｌが全反射する際には、界面Ｓと光Ｌの入射面との関係において決まる光Ｌのｐ偏光成分は、界面Ｓにおいて反射するものの、ｓ偏光成分は界面Ｓから長さｄ程度にじみ出るエバネッセント光となった後に反射する。全反射時には、このエバネッセント光によるｓ偏光成分とｐ偏光成分との位相差に起因して、偏光方向のずれが生じる（例えば、「光学の原理Ｉ」東海大学出版会，p.76を参照）。

ここで、長さｄは入射する光Ｌの波長程度であると言われているため、複数の層の各々が波長よりも薄く形成されていると、エバネッセント光が更に外側の層との界面に達し、当該界面において更にエバネッセント光を伴う反射を生じてしまうため、位相のずれ（偏光方向のずれ）が複雑化し拡大するおそれがある。しかし、この構成によれば、光の波長以上の厚みとしているため、良好な反射状態を保持し、偏光のずれを抑制した照明装置とすることができる。

なお、「外層を構成する層」とは、外層が単層構造である場合には、当該外層を指し、外層が複数層である場合には、複数層の各層を指す。

本発明においては、前記ロッドインテグレーターは、前記中心軸に対して垂直な方向において、屈折率が連続的に低下する屈折率分布を有することが望ましい。
この構成によれば、屈折率分布（屈折率差）に起因して光を歪曲させるため、全反射によって生じる位相のずれが無く、理想的に偏光状態を保持して均一化させた光を照射することが可能な照明装置とすることができる。

本発明においては、前記ロッドインテグレーターは、前記中心軸に対して垂直な方向における最外部に、光吸収層を有することが望ましい。
この構成によれば、ロッドインテグレーター内を伝播しない光を吸収するため、開口部以外の箇所から外部に光が漏れることがない。そのため、迷光の発生を防ぐことができる。

また、本発明のプロジェクターは、上述の照明装置と、前記照明装置から射出される光の偏光方向に対応して配置され該光を変調する液晶パネルと、前記液晶パネルによって変調された光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、上述の照明装置を備えることにより、偏光方向を保持した状態で照度が均一化された光を、液晶パネルを照明する照明光として用いることができるため、光の利用効率を高めたプロジェクターとすることができる。

本発明においては、前記ロッドインテグレーターの形成材料の屈折率に基づいて、前記ロッドインテグレーターの射出口からの前記光の拡散角が、前記投写光学系のＦ値に対応する限界利用角度以下となるように設定されていることが望ましい。
ロッドインテグレーターから射出される光の拡散角は、ロッドインテグレーター内部に形成される界面における臨界角や、屈折率分布に起因して歪曲する光の接線とロッドインテグレーターの中心軸との角度に基づいて規定される。また、「限界利用角度」とは、ロッドインテグレーターの後段に配置された投写光学系までを含む光学系が取り込み可能な角度を指す。本構成では、形成材料の屈折率を制御することにより、拡散角が限界利用角度以下となるように制御されるため、光学系の大幅な設計変更を行う必要がなく、光学系を固定したまま、容易に偏光保存と高い光利用効率とを両立するプロジェクターを提供することができる。

本発明の実施形態に係る照明装置およびプロジェクターを示す概略図である。 本実施形態の照明装置が備える偏光変換素子の説明図である。 ロッドインテグレーター内部での光の挙動のシミュレーション結果である。 ロッドインテグレーター内部での光の挙動のシミュレーション結果である。 本実施形態のロッドインテグレーターの断面図である。 ロッドインテグレーターの変形例を示す断面図である。 ロッドインテグレーターの変形例を示す断面図である。 ロッドインテグレーターの変形例を示す断面図である。 プロジェクターの変形例を示す断面図である。 本発明の照明装置およびプロジェクターの変形例を示す概略図である。 屈折率が異なる層間の界面における全反射の様子を説明する説明図である。

以下、図１〜図８を参照しながら、本発明の実施形態に係る照明装置および照明装置を有するプロジェクターについて説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてある。

図１は、本実施形態の照明装置１および照明装置１を有するプロジェクター１００を示す概略図である。

照明装置１は、偏光方向の揃った光を射出する光源１０と、光源１０から射出された光が光源側の入射口２０ａから内部に入射し他方の射出口２０ｂから射出して照度分布を均一化するロッドインテグレーター２０と、を有する。ロッドインテグレーター２０は、中心層２１が中心層２１よりも低屈折率の形成材料で形成された外層２２で覆われた構成となっている。

そして、プロジェクター１００は、照明装置１から射出された光を集光するコンデンサーレンズ３０と、集光された光を変調する液晶パネル４０と、変調された光を投射する投写レンズ（投写光学系）５０と、を有している。
以下、これらの構成について説明する。

まず、光源１０Ａ（１０）は、発光部１１と集光レンズ１２と偏光変換素子１３とを有しており、全体として偏光方向の揃った光を射出する構成となっている。

発光部１１は、例えばＵＨＰランプやＬＥＤのような通常知られた光源を用いることができる。本実施形態では、発光部として１ｍｍ×１ｍｍのＬＥＤを用いる。集光レンズ１２は、射出角の広がりの大きい発光部１１から出た光を、略平行光に成形する機能を有している。

集光レンズ１２で平行光とされた光は、偏光変換素子１３に入射する。偏光変換素子１３は、入射する光をＰ偏光とＳ偏光とに分離し、Ｐ偏光およびＳ偏光のうちいずれか一方の偏光方向を他方の偏光の偏光方向と揃えて出射する機能を有している。

図２は、偏光変換素子１３の説明図である。図に示す様に、偏光変換素子１３は、光Ｌのうち例えばｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる偏光ビームスプリッター膜（以下、ＰＢＳ膜）１３１と、反射膜１３２と、ｓ偏光をｐ偏光に変換するλ／２位相差膜１３３と、を有している。

偏光変換素子１３に入射した光Ｌは、まず、光Ｌの光軸に対して約４５度の傾きをなして設けられたＰＢＳ膜１３１によってｓ偏光とｐ偏光とに分離される。ＰＢＳ膜１３１は、ｐ偏光（図中、符号Ｐ２で示す）を透過させると共に、ｓ偏光をＰＢＳ膜１３１の表面に対して約４５度の方向に反射させる。

反射されたｓ偏光の向かう先には、当該ｓ偏光の光軸に対して約４５度の傾きをなして設けられた反射膜１３２が設けられており、ｓ偏光は、ＰＢＳ膜１３１で分離されたｐ偏光の進行方向と同方向に向きを変え、λ／２位相差膜１３３を透過することにより、ｐ偏光（図中、符号Ｐ１で示す）に揃えた略平行光として射出される。もちろん、ＰＢＳ膜１３１の構成により、上述したｓ偏光とｐ偏光との関係がすべて入れ替わり、光Ｌをｓ偏光に揃えて射出する構成も可能である。

ここで、偏光変換素子１３に入射する光Ｌが、光Ｌの光軸に垂直な方向に光強度（輝度）の分布を有していないとしても、偏光変換素子１３を透過することによって得られる２種のｐ偏光Ｐ１，Ｐ２は、光路上で受ける光学的な作用や光路長が異なるために、光強度に差が生じる。また、通常の発光部１１から射出される光は、光Ｌの光軸に垂直な方向に光強度分布を有している。

そのため、偏光変換素子１３を透過させ偏光状態が揃った光を用い、液晶パネル４０の照射面内を均一な光強度で照射するため、ロッドインテグレーター２０を透過させ、光強度の均一化を行う。

図３から５は、ロッドインテグレーター２０についての説明図である。まず、通常知られているように、ロッドインテグレーターは、一端側の開口部から内部に入射する光を、内壁で様々な角度で反射させながら伝播させ、様々な角度で反射した光を重畳させながら他端側の開口部から射出することにより、光強度の均一化を行っている。

図３，４は、ロッドインテグレーターの内部での光の反射における、内壁に対する光の入射角と、反射によって生じる光の位相変化と、の関係についてのシミュレーション結果を示したグラフである。図４は図３を一部拡大表示したグラフになっている。

図では、横軸をロッドインテグレーターの内壁に対する入射角（単位：度）、縦軸を当該入射角で全反射した場合に生じる偏光方向のずれ（単位：度）を示している。また、複数のプロットは臨界角の違いによる影響を示している。臨界角の違いとは、すなわち全反射を生じる界面を挟んで接する２つの層の屈折率差と相関しており、屈折率差が小さい場合には臨界角が大きく、屈折率差が大きい場合には臨界角が小さくなる。

シミュレーション結果によれば、いずれの臨界角を示す界面であっても、入射角が大きいほど生じる位相差（偏光方向のずれ）が小さいことが分かる。また、同じ入射角の光を全反射したとしても、臨界角が大きい界面（屈折率差の小さい界面）ほど生じる位相差が小さいことが分かる。

すなわち、このシミュレーション結果から、偏光方向のずれを抑制するためには、ロッドインテグレーターの内壁は、全反射の臨界角が大きくなるように設計すると良いことが分かる。

図５は、上述の思想に基づいて、設計されたロッドインテグレーター２０の説明図であり、延在方向に平行な平面での断面図である。ロッドインテグレーター２０Ａ（２０）は、一方向に延在する棒状の全体形状を有しており、延在方向と同方向に設定されるロッドインテグレーター２０の中心軸Ａと重なる中心層２１と、中心層２１に接し中心層２１の中心軸Ａ周りの全周を覆う外層２２と、中心層２１周りの全周を覆う光吸収層２９と、を有している。光吸収層２９は、例えば黒色顔料を分散させた樹脂材料を用いて形成することができる。

ロッドインテグレーター２０Ａの中心軸Ａに垂直な断面形状は、任意に設定することが可能であるが、照明対象である液晶パネル４０の被照射面と相似形となっている方が光の利用効率が良いため好ましい。本実施形態では矩形となっている。

中心層２１は、透光性を有する材料、例えば光学ガラスの角柱により形成されている。本実施形態では、屈折率１．５９の光学ガラスを形成材料とし、断面形状が７．１ｍｍ×５．３ｍｍの矩形、長さが７０ｍｍの角柱状の部材を用いている。ロッドインテグレーター２０Ａに入射する光は、中心層２１の内部を導光し射出される。

外層２２は、透光性を有し、且つ中心層２１よりも低屈折率の形成材料を用いて形成されている。本実施形態では、屈折率１．５２のアクリル樹脂を用いて形成されている。

外層２２の厚さについては、少なくとも導光する光の波長よりも厚く形成すると良い。このようにすることで、界面におけるエバネッセント光のしみ出しが外層２２の内部でのみ生じるため、全反射による位相のずれが複雑化するおそれが無くなる。この理由から、外層２２の厚さは１μｍ程度あれば十分であるが、作りやすさや製造時の厚さバラツキ等を考慮して、適宜厚く設定することができる。本実施形態の外層２２は、厚さ５０μｍに形成されている。

このようなロッドインテグレーター２０Ａに光が入射すると、中心層２１と外層２２との界面Ｓ１における臨界角よりも大きな入射角で入射する光Ｌ１は、界面Ｓ１において全反射する。一方で、臨界角よりも小さな入射角で入射する光Ｌ２は、界面Ｓ１において屈折しながら界面Ｓ１を透過し、光吸収層２９で吸収される。

本実施形態のロッドインテグレーター２０Ａでは、中心層２１の屈折率が１．５９、外層２２の屈折率が１．５２であるため、スネルの法則により界面Ｓ１における臨界角は７３度と算出される。図４より、この臨界角で界面Ｓ１に入射する光が受ける最大位相差は、５．１度である。

対して、中心層２１のみで構成された従来のロッドインテグレーターの構成の場合には、空気（屈折率≒１）との界面における臨界角は３９度と算出され、図３より、生じる最大位相差は５１度となる。

ロッドインテグレーターの内部における反射は、射出されるまでに複数回生じ、各反射においてそれぞれ上述の位相差が生じる。そのため、本発明の構成のロッドインテグレーター２０Ａは、従来の構成と比べ位相差の発生を防ぎ、偏光の乱れを抑制できることが分かる。

また、ロッドインテグレーター２０は、長さが７０ｍｍとなっている。通常、ロッドインテグレーター内に入射する光は、内部で３回以上反射すると略均一な光強度分布になると言われている。しかし、上述のように、偏光方向のずれは反射を繰り返すことにより拡大する。そのため、ロッドインテグレーター内での反射を必要最小限とするため、反射回数が３回となるように長さを設定している。

具体的には、界面Ｓ１における臨界角７３度と、中心層２１の断面のうち長い辺の長さ７．１ｍｍと、を用い、３回の反射を実現する長さとして、ｔａｎ７３°×７．１×３≒７０ｍｍとして算出することができる。

対して、本願のロッドインテグレーターと類似した構成を有する光ファイバーでは、モード遅延と伝送パワーとを両立するために屈折率が制御され、内部に入射する光は、内部で無数に反射しながら伝送される。そのため、偏光保存が不可能となっている。

図１に戻って、照明装置１からは、中心層２１と外層２２との界面における臨界角と、中心層２１の屈折率に基づく拡散角で拡散しながら、重畳された光が射出される。

すなわち、ロッドインテグレーター２０内を伝わる光は、界面における臨界角が７３度であるならば、ロッドインテグレーター２０の中心軸方向から最大１７度の広がりを有して射出口２０ｂに達し、更に、射出口２０ｂから射出される際に界面において屈折することにより、ロッドインテグレーター２０の中心軸方向から最大２８度の広がりを有して射出される。

そして、照明装置１から射出された光は、コンデンサーレンズ３０によって集光される。コンデンサーレンズ３０は、当該光を液晶パネル４０に結像する機能を有する。本実施形態のコンデンサーレンズ３０は、倍率２．０倍のものを用いる。ロッドインテグレーター２０の中心軸方向から最大２８度の拡散角で射出口２０ｂから射出された光は、コンデンサーレンズ３０を介することによって、同中心軸方向に対して最大１４度の角度で集光する。

液晶パネル４０は、入射する偏光を変調し画像を形成する。本実施形態の液晶パネル４０は、照明装置１から射出される直線偏光の偏光方向に対して、自身が備える偏光板の偏光軸を垂直または平行となるように配置されている。このような配置とすることで、光の利用効率を高めることが出来る。また、ロッドインテグレーター２０が有する光吸収層２９において迷光を吸収しているため、液晶パネル４０を意図せず照射する漏れ光が生じず、コントラストを低下させることがない。本実施形態では、１４．２ｍｍ×１０．７ｍｍ（０．７型）の液晶パネルを用いる。

液晶パネル４０で変調された光は、投写レンズ５０で投写され、例えばスクリーン上に拡大画像を表示する。投写レンズ５０は、Ｆ値が２．０のものを用いる。

ここで、ロッドインテグレーター２０から射出される光の拡散角は、投写レンズ５０のＦ値と対応する限界利用角度以下となるように設計されている。「限界利用角度」とは、ロッドインテグレーターの後段に配置された投写光学系までを含む光学系が取り込み可能な角度を指す。すなわち、従来知られたインテグレーターを備えた照明装置を用い、コンデンサーレンズ、投写レンズなどの後段の光学系が規定されているプロジェクターに、本願の照明装置を適応する場合、後段の光学系の設計変更を行い照明装置に適応させるのではなく、ロッドインテグレーター２０の設計を制御し、投写レンズ５０のＦ値と対応させる。

ロッドインテグレーター２０から射出される光の最大拡散角は、内部での臨界角に対応しており、臨界角は中心層２１と外層２２との屈折率比によって制御可能である。したがって、ロッドインテグレーター２０内部の臨界角を、投写レンズ５０のＦ値に対応する限界利用角度以下とすることにより、偏光保存と光の利用効率の高さとを両立することが可能となる。

以上のような構成の照明装置１によれば、光源から射出される偏光の偏光方向のずれを抑制して偏光状態を保持し、且つ均一化させた光を照射することが可能な照明装置とすることができる。

また、以上のような照明装置１を備えるプロジェクター１００によれば、偏光方向を保持した状態で照度が均一化された光を、液晶パネル４０を照明する照明光として用いることができるため、光の利用効率を高めたプロジェクター１００とすることができる。

なお、本実施形態では、中心層２１として角柱状のガラスを用いることとしたが、例えば、入射口側の断面積が大きく、射出口側の断面積が小さくなるように壁面がテーパー状に傾いた角錐状のガラスを用いることとしても良い。

［変形例］
なお、本実施形態においては、中心層２１の周囲を１層の外層２２が覆う構成としたが、これに限らない。図６から８は、ロッドインテグレーター２０の変形例を示す説明図であり、図５に対応する図である。

［変形例１］
図６に示すロッドインテグレーター２０Ｂは、外層２２（以下、第１外層２２）と光吸収層２９との間に、更にもう一層の外層（第２外層）２３を有している。ロッドインテグレーター２０Ｂに入射する光は、中心層２１および第１外層２２の内部を導光し射出される。

本変形例においては、中心層２１は、透光性を有する屈折率１．５９の光学ガラス、第１外層２２は、透光性を有する屈折率１．５５５のアクリル樹脂、第２外層２３は、透光性を有する屈折率１．５２のアクリル樹脂を用いて形成されている。また、第１外層２２は１０μｍ、第２外層２３は５０μｍに形成されている。

第１外層２２の厚さについては、少なくとも導光する光の波長よりも厚く形成すると良い。このようにすることで、中心層２１と第１外層２２との界面Ｓ１において生じるエバネッセント光が、第１外層２２と第２外層２３との界面Ｓ２に達することなく第１外層２２の内部でのみ生じるため、界面Ｓ１における全反射による位相のずれが複雑化するおそれが無くなる。

また、第１外層２２の内部は界面Ｓ２で全反射する光Ｌ２が導光するが、中心層２１と第１外層２２とでは、導光する光の密度差が異なるため、例えば第１外層２２が中心層２１と同等程度に厚くなると、射出した後に重畳する光の均一性がくずれるおそれが生じる。したがって、第１外層２２は極力薄く形成することが好ましい。

このようなロッドインテグレーター２０Ｂに光が入射すると、界面Ｓ１における臨界角よりも大きな入射角で入射する光Ｌ１は、界面Ｓ１において全反射する。一方で、界面Ｓ１の臨界角よりも小さな入射角で入射する光Ｌ２は、界面Ｓ１において屈折しながら界面Ｓ１を透過し、界面Ｓ２に入射する。界面Ｓ２では、臨界角と入射角との関係により、界面Ｓ２で全反射する光Ｌ２と透過する光Ｌ３とが生じ、光Ｌ３は光吸収層２９で吸収される。

本変形例のロッドインテグレーター２０Ｂでは、中心層２１の屈折率が１．５９、第１外層２２の屈折率が１．５５５、第２外層２３の屈折率が１．５２であるため、スネルの法則により界面Ｓ１，Ｓ２における臨界角は共に７８度と算出される。すなわち、内部で７８度以上の入射角を持った光線は界面Ｓ１で全反射し、界面Ｓ１を透過する光は、界面Ｓ１により屈折し入射角が広がった状態で界面Ｓ２に達するため、７３度から７８度の間の入射角を持った光線は界面Ｓ２で全反射する。

ここで、図３，４で示したように、界面を挟んだ２つの層の屈折率比が大きい、すなわち臨界角が小さいと、大きい位相差が発生する。そのため、本変形例のように複数の界面における反射を想定する場合には、徐々に屈折率を変化させる方が好ましい。そして、本変形例のように界面Ｓ２の臨界角が、界面Ｓ１における臨界角と揃うようにすると、界面Ｓ２での反射によって光利用効率を高めつつ、且つ位相差の発生を最も抑制することができるため好ましい。

各々の全反射の角度は、臨界角である７８度以上であるため、図４より、この臨界角で界面Ｓ１，Ｓ２に入射する光が受ける最大位相差は、２．５度となり、上述のロッドインテグレーター２０Ａよりも更に偏光方向のずれを抑制することができることが分かる。

［変形例２］
同様の考え方により、図７に示すロッドインテグレーター２０Ｃのように、第２外層２３と光吸収層２９との間に、更にもう一層の外層（第３外層）２４を有する構成とすることもできる。ロッドインテグレーター２０Ｃに入射する光は、中心層２１、第１外層２２および第２外層２３の内部を導光し射出される。

本変形例においては、透光性を有する材料を用いて各層を形成しており、中心層２１は屈折率１．５９の光学ガラス、第１外層２２は屈折率１．５６７のアクリル樹脂、第２外層２３は屈折率１．５４３のアクリル樹脂、第３外層２４は屈折率１．５２のアクリル樹脂を用いて形成している。また、第１外層２２、第２外層２３は共に１０μｍ、第３外層２４は５０μｍに形成されている。

このようなロッドインテグレーター２０Ｃに光が入射すると、界面Ｓ２を透過する光Ｌ３が、第２外層２３と第３外層２４との間の界面Ｓ３に達し、臨界角と入射角との関係により、界面Ｓ３で全反射する光と透過する光Ｌ４とが生じる。光Ｌ４は光吸収層２９で吸収される。

本変形例のロッドインテグレーター２０Ｃでは、各層の屈折率から界面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３における臨界角が共に８０度と算出される。すなわち、内部で８０度以上の入射角を持った光線は界面Ｓ１で全反射し、７６度から８０度の間の入射角を持った光線は界面Ｓ２で全反射し、７３度から７６度の間の入射角を持った光線は界面Ｓ３で全反射する。

各々の全反射の角度は、臨界角である８０度以上であるため、図４より、この臨界角で界面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３に入射する光が受ける最大位相差は、１．８度となり、上述のロッドインテグレーター２０Ｂよりも更に偏光方向のずれを抑制することができる。

これら変形例１，２で示すように、外層の積層数を増やすほど、偏光方向のずれを好適に抑制することができ、照明装置がこのようなロッドインテグレーターを備える事により、偏光状態を保持した光を重畳させ、光量を均一化した光を射出することができる。

［変形例３］
図８に示すロッドインテグレーター２０Ｄは、中心軸Ａと重なり光を導光する導光層２５と、導光層２５周りの全周を覆う光吸収層２９と、を有している。

導光層２５は、中心軸Ａに対して垂直な方向に、中心軸Ａ側から遠ざかる方向に屈折率が連続的に低下する屈折率分布を有している。導光層２５の中心軸Ａ付近の屈折率は１．５９であり、中心軸Ａから最も遠ざかった（導光層２５の最表面）の屈折率は１．５２である。図では、屈折率分布を備えた領域を着色の濃淡で図示している。屈折率分布を有する領域の厚さは１００μｍ程度である。

このような構成の導光層２５内に入射する光は、屈折率分布（屈折率差）に起因して歪曲しながら導光されるため、界面における全反射によって生じる位相のずれが無い。したがって、導光層２５に入射する光のうち、歪曲することにより光吸収層２９に達しない光Ｌ１，Ｌ２については、理想的に偏光状態を保持して射出されることとなる。光吸収層２９に達した光Ｌ３は、光吸収層２９で吸収されるため、外部に漏れ出ることがない。

したがって、このようなロッドインテグレーター２０Ｄでは理想的に偏光状態を保持した光を重畳させ、均一化させた光を照射することが可能であるため、照明装置がこのようなロッドインテグレーターを備える事により、偏光状態を保持したまま光量を均一化した光を射出する照明装置とすることができる。

［変形例４］
図９には、プロジェクターの変形例を示す。図１においては、液晶パネル４０を１枚備える単板式のプロジェクターを示したがこれに限らず、本発明は、図９に示すような、液晶パネル４０を複数備える構成にも適用することができる。

プロジェクター１００は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の各光を射出する照明装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと、各照明装置に対応して設けられたコンデンサーレンズ３０と、偏光板３５と、液晶パネル４０と、３つの液晶パネル４０において形成された画像を合成するクロスダイクロイックプリズム４５と、合成された画像をスクリーン６０に投写する投写レンズ５０と、を有している。

このような構成のプロジェクター１０１であっても、本発明の照明装置１を光源として用いているため、偏光方向を保持した状態で照度が均一化された光を、液晶パネル４０を照明する照明光として用いることができ、光の利用効率を高めたプロジェクター１０１とすることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明に係る好適な実施の形態例について説明したが、本発明は係る例に限定されないことは言うまでもない。上述した例において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本発明の主旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

例えば、上述の実施形態では、照明装置が有する偏光を射出する光源として、ＬＥＤ光源と集光レンズと偏光変換素子とを組み合わせた構成としていたが、図１０に示すように、レーザー光を射出するレーザー光源を光源１０Ｂとして備えた照明装置２を用いることとしても良い。

また、上述の実施形態では、保持すべき偏光状態が直線偏光であることとしたが、これに限らず、例えば円偏光を射出する光源の偏光状態を保持したまま光強度分布を均一化するための照明装置とすることもできる。

１，２…照明装置、１０，１０Ａ，１０Ｂ…光源、２０，２０Ａ〜２０Ｄ…ロッドインテグレーター、２０ａ…入射口、２０ｂ…射出口、２１…中心層、２２，２３，２４…外層、２９…光吸収層、４０…液晶パネル、５０…投写レンズ（投写光学系）、１００，１０１…プロジェクター、ＯＳ…中心軸、

Claims (8)

1. 偏光方向の揃った光を射出する光源と、
   前記光源側の入射口から入射した前記光を他方側の射出口に導光して射出するロッドインテグレーターと、を有し、
   前記ロッドインテグレーターは、自身の中心軸に対して垂直な方向において、内側よりも外側の方が相対的に低い屈折率の材料で覆われていることを特徴とする照明装置。
2. 前記ロッドインテグレーターは、前記中心軸と重なって延在する中心層と、前記中心層に接し前記中心軸周りの全周を覆う外層と、を有し、
   前記外層は、前記中心層よりも屈折率が低い材料で設けられていることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記外層は、前記中心軸周りに同心状に積層された複数の層を有し、
   前記複数の層は、前記中心軸に近い層よりも遠い層の方が相対的に低い屈折率を呈することを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記外層を構成する層は、前記光の波長以上の厚みを有することを特徴とする請求項２または３に記載の照明装置。
5. 前記ロッドインテグレーターは、前記中心軸に対して垂直な方向において、屈折率が連続的に低下する屈折率分布を有することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
6. 前記ロッドインテグレーターは、前記中心軸に対して垂直な方向における最外部に、光吸収層を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の照明装置と、前記照明装置から射出される光の偏光方向に対応して配置され該光を変調する液晶パネルと、前記液晶パネルによって変調された光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とするプロジェクター。
8. 前記ロッドインテグレーターの形成材料の屈折率に基づいて、前記ロッドインテグレーターの射出口からの前記光の拡散角が、前記投写光学系のＦ値に対応する限界利用角度以下となるように設定されていることを特徴とする請求項７に記載のプロジェクター。

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