JP2011242669A - 投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】偏光分離面での透過率の低下を抑制して光利用効率を向上させ、光源の省電化や高輝度の画像の投影ができる投影装置を提供する。
【解決手段】光源と、所定の偏光方向の光を反射させる偏光分離面が形成された偏光ビームスプリッタと、光源からの光を偏光ビームスプリッタに入射させる照明光学系と、偏光ビームスプリッタで反射された偏光光を画像信号に基づいて変調して反射させる空間光変調素子と、空間光変調素子により変調された反射光を投影する投影光学系と、を有し、投影光学系の光軸と偏光分離面とのなす角をθ_１としたとき、以下の条件式、
３３°≦θ_１≦４３°
を満足する投影装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像を投影する投影装置に関するものである。

従来より、撮影機能を有するデジタルカメラや携帯電話に、画像を投影する小型の投影装置を内蔵したものが知られている。

この小型の投影装置は、ＬＥＤ等で構成された光源と、反射型液晶素子と、光源からの入射光の光軸及び投影光学系の光軸に対し４５°の角度で設けられた偏光分離面を有する偏光ビームスプリッタと、投影光学系とで構成されている。

このような小型の投影装置として、光源を支持する支持部材を面内移動できるよう構成し、光源位置の調整を行う投影装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１０−６６６２５号公報

偏光分離面は、入射角が小さい場合にＰ偏光成分の透過率が低下する問題があり、これは誘電体多層膜で形成された偏光分離面の場合に、より著しい。誘電体多層膜で形成された偏光分離面はＳ偏光成分を反射させ、Ｐ偏光成分を透過させるように形成されるのが一般的であり、上記特許文献１のような反射型液晶素子を用いる投影装置では、反射型液晶素子で反射したＰ偏光成分を透過させ、投影光学系に入射させるよう構成される。

上記特許文献１のような構成の場合、光源の光量の削減すなわち省電化や、画像をより明るく投影するために、Ｆ値の小さい投影光学系を採用したとき、この偏光分離面での透過率の低下は、より問題となる。

図５は、従来の投影装置の構成で、Ｆ値が１．５０の投影光学系を採用した際の、投影光学系に入射する最も外側の光束の偏光分離面への入射角を示す模式図である。

図５に示すように、点Ｓからの反射光は偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射し、４５°の角度で設けられた偏光分離面ＭをＰ偏光成分の光が透過したのち、投影光学系Ｌに入射する。投影光学系ＬのＦ値が１．５０であり、偏光ビームスプリッタが屈折率ｎ_ｄ＝１．５２の硝材で形成されている場合、図示のように、投影光学系Ｌに入射する最も外側の光束の一方は、偏光分離面Ｍへの入射角が略３３°となる。このため、この領域を通過する光束の偏光分離面Ｍでの透過率が低下し、光利用効率の低下が問題となっていた。この問題は、投影光学系のＦ値が小さいほど顕著となる。

本発明は上記問題に鑑み、偏光分離面での透過率の低下を抑制して光利用効率を向上させ、光源の省電化や高輝度で画像が投影できる投影装置を提供することを目的とするものである。

上記の目的は、下記の構成により達成される。

（１）光源と、所定の偏光方向の光を反射させる偏光分離面が形成された偏光ビームスプリッタと、前記光源からの光を前記偏光ビームスプリッタに入射させる照明光学系と、前記偏光ビームスプリッタで反射された偏光光を画像信号に基づいて変調して反射させる空間光変調素子と、前記空間光変調素子により変調された反射光を投影する投影光学系と、を有し、前記投影光学系の光軸と前記偏光分離面とのなす角をθ_１としたとき、以下の条件式、
３３°≦θ_１≦４３°
を満足することを特徴とする投影装置。

（２）前記投影光学系のＦ値が１．５０〜２．０であることを特徴とする前記（１）に記載の投影装置。

（３）前記空間光変調素子の短辺方向が、前記照明光学系の光軸と前記投影光学系の光軸を含む平面に対し垂直に配置されていることを特徴とする前記（１）又は（２）に記載の投影装置。

（４）前記照明光学系はアナモルフィック素子を含み、前記アナモルフィック素子を前記空間光変調素子の短辺方向の光学倍率が長辺方向の光学倍率より小さくなるように配置したことを特徴とする前記（１）から（３）までのいずれかに記載の投影装置。

（５）前記空間光変調素子と前記偏光ビームスプリッタの間にコンデンサレンズを配置したことを特徴とする前記（１）から（４）までのいずれかに記載の投影装置。

（６）前記偏光分離面は誘電体多層膜で形成されたものであることを特徴とする前記（１）から（５）までのいずれかに記載の投影装置。

（７）前記照明光学系の前記偏光ビームスプリッタ内での光軸と前記投影光学系の光軸とのなす角をθ_２としたとき、以下の条件式、
６６°≦θ_２≦８６°
を満足することを特徴とする前記（１）から（６）までのいずれかに記載の投影装置。

本発明によれば、偏光分離面での透過率の低下を抑制して光利用効率を向上させ、光源の省電化や高輝度で画像が投影できる投影装置を提供することが可能となる。

本実施の形態に係る投影装置の構成部材の配置の一例を示す模式図である。 図１に示す配置で偏光ビームスプリッタを通過する最も外側の光線の経路を示す図である。 本実施の形態に係る投影装置の構成部材の配置の他の例を示す模式図である。 図１に示した投影装置の変形例を示す図である。 従来の構成で、Ｆ値が１．５０の投影光学系を採用した際の、投影光学系に入射する最も外側の光束の偏光分離膜への入射角を示す模式図である。

以下、実施の形態により本発明を説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１は、本実施の形態に係る投影装置１の構成部材の配置の一例を示す模式図である。図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）に示すＡ−Ａ線で切断した断面図、図１（ｃ）は要部拡大図である。なお、以下の図においては、光学系及び主要構成部材を保持する保持部材や筐体及び電源等については省略してある。また、以下の図では、空間変調素子として反射型液晶素子を用いたもので説明する。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る投影装置１は、光源１０と、インテグレータロッド１１、アナモルフィック素子１２、アナモルフィック素子１２からの光を偏光ビームスプリッタＰＢＳに効率よく入射させる導光光学系１３で構成された照明光学系１５と、偏光変換素子１６と、偏光ビームスプリッタＰＢＳと、空間光変調素子である反射型液晶素子２０と、投影光学系Ｌ、で構成されている。

なお、本実施の形態では、照明光学系１５をインテグレータロッド１１、アナモルフィック素子１２、導光光学系１３で構成した例で説明するが、これに限るものでなく、光源１０からの光を偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射させ、反射型液晶素子２０を照明できるものであれば、その他の構成であってもよい。

光源１０は、例えばＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３色のＬＥＤが用いられる。各ＬＥＤは基板１７に実装され、発光時に発生する熱は、不図示のヒートシンク等により放熱されるようになっている。

光源１０から出射した光は、インテグレータロッド１１に入射し、各色が均一化される。インテグレータロッド１１を出射した光束は、アナモルフィック素子１２に入射する。図１に示したアナモルフィック素子１２は、シリンドリカルレンズである。

本明細書においては、アナモルフィック素子１２は、光軸に直交し且つ互いに直交する２方向について、倍率の異なる作用を有する光学素子であり、シリンドリカルレンズやトロイダルレンズを含むものである。

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すアナモルフィック素子１２は、インテグレータロッド１１側の面が平面であり、偏光変換素子１６側の面は、反射型液晶素子２０の短辺方向の光学倍率を長辺側のそれより小さく設定されている。これにより、反射型液晶素子２０の画像表示部に、光源１０の発光部からの光束を効率よく集めることができる。

なお、インテグレータロッド１１の入射側の面を光源の発光部形状に合わせた形状（例えば、正方形）に形成し、出射側の面は後述の反射型液晶素子２０の画像表示部のアスペクト比の形状（例えば、３：４或いは９：１６の長方形）に形成すれば、図１に示すようなシリンドリカルレンズは不要である。

アナモルフィック素子１２から出射した光束は、導光光学系１３に入射したのち、偏光変換素子１６に入射する。偏光変換素子１６は、入射した光の光量を低下させずに特定の偏光状態に変換する光学素子である。例えば、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射する偏光分離膜を有し、偏光分離膜で反射したＳ偏光成分を、再度反射させて出射させ、偏光分離膜を透過したＰ偏光成分の偏光方向を１／２波長板により９０度回転させるように構成されたものである。この偏光変換素子１６は、偏光ビームスプリッタＰＢＳ側には、紙面垂直方向の直線偏光として入射するように配置されている。

偏光ビームスプリッタＰＢＳは、Ｓ偏光成分を反射する偏光分離面Ｍが形成されたものである。偏光変換素子１６から出射した光束は、偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射後、偏光分離面Ｍで反射され、反射型液晶素子２０の画像表示面を照明する。本実施の形態では、偏光分離面Ｍは誘電体多層膜で形成されている。

反射型液晶素子２０は、ＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ）とも称されるマイクロディスプレイであり、シリコンチップの表面に直接液晶が載せられているものである。この反射型液晶素子２０は、液晶層に対し駆動制御部から画像信号に応じた電圧が画素毎に印加され、液晶分子の配列を変化させることで入射光の光強度を変調し、所望の画像を表示するものである。また、反射型液晶素子２０の画像表示部の短辺方向が紙面に直交する方向となるように配置されている。これにより、投影装置１を薄型に構成できる。

反射型液晶素子２０で反射され変調された画像は、偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射し、Ｐ偏光成分の光が偏光分離面Ｍを透過して投影光学系Ｌに入射し、投影光学系Ｌにより、不図示の投影面に投影される。なお、投影面の距離に対応して投影光学系Ｌを移動させて焦点調節を行う駆動機構を有していてもよい。

さらに、図１に示す投影装置１は、図１（ａ）、図１（ｃ）に示す、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍとのなす角θ_１は３５°となるように配置されている。すなわち、偏光分離面Ｍに対する投影光学系Ｌの軸上入射角は５５°であり、従来の４５°のものに対し１０°大きくしている。また、照明光学系１５の偏光ビームスプリッタＰＢＳ内での光軸Ｏｓと投影光学系Ｌの光軸Ｏｔとのなす角θ_２は７０°となるように配置されている。

このように、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍとのなす角θ_１を４５°より小さくなるよう配置することで図１（ｃ）に示す、投影光学系Ｌに入射する最も外側の光束の偏光分離面Ｍへの入射角を大きくすることができる。

図１（ｃ）では、投影光学系ＬのＦ値が１．６で、偏光ビームスプリッタＰＢＳを構成する硝材の屈折率ｎ_ｄが１．５２の場合を図示してある。この場合、投影光学系Ｌに入射する最も外側の光束の偏光分離面Ｍへの入射角θａは４３．３°、θｂは６６．７°となり、投影光学系ＬのＦ値を小さくしても偏光分離面Ｍへの入射角を十分に大きくすることができる。すなわち、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍとのなす角を４５°より小さくなるよう配置することで、偏光分離面ＭでのＰ偏光成分の透過率の低下を抑制して光利用効率を向上させ、光源の省電化や高輝度の画像の投影ができる投影装置を得ることができる。

また、本例では、偏光ビームスプリッタＰＢＳの入射面は、照明光学系１５の光軸Ｏｓに対し略垂直となるよう形成しており、反射型液晶素子２０を照明する光束に大きな収差を発生しないようになっている。

本実施形態においては、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍとのなす角θ_１は、以下の条件式、
３３°≦θ_１≦４３°
を満足するように構成される。

以下に、投影光学系ＬのＦ値が２．０の場合と１．５０の場合について、偏光ビームスプリッタＰＢＳを構成する硝材の屈折率ｎ_ｄが１．５２であって、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍのなす角度θ_１が３３°、３８°、４３°のときの、θａの値（偏光分離面Ｍへの入射角最小値）及び、そのときのＰ偏光成分の透過効率を示す。なお、本願でいう透過効率とは、偏光分離面ＭへのＰ偏光成分の全入射光量に対する偏光分離面ＭでのＰ偏光成分の全透過光量の比である。

（ａ）Ｆ値：２．０ の場合
θ_１（°） ３３ ３８ ４３
θａ（°） ４７．５ ４２．５ ３７．５
Ｐ偏光成分の透過効率（％） ９５以上 ９０
（ｂ）Ｆ値：１．５０の場合
θ_１（°） ３３ ３８ ４３
θａ（°） ４４．３ ３９．３ ３４．３
Ｐ偏光成分の透過効率（％） ９０ ８０
このように、θ_１を３３°〜４３°とすることで、投影光学系ＬのＦ値が２．０の場合、９０％以上のＰ偏光成分の透過効率が得られ、Ｆ値をより明るい１．５にしても８０％以上のＰ偏光成分の透過効率が得られる。

図２は、図１に示す配置で偏光ビームスプリッタＰＢＳを通過する最も外側の光線の経路を示す図である。図２（ａ）は平面図、図２（ｂ）は側面図である。

図２（ａ）に示すＬ_１及びＬ_２は、反射型液晶素子２０で反射され投影光学系Ｌに入射する反射型液晶素子２０の長辺方向の最も外側の光線を示し、図２（ｂ）に示すＬ_３及びＬ_４は、反射型液晶素子２０で反射され投影光学系Ｌに入射する反射型液晶素子２０の短辺方向の最も外側の光線を示している。

投影に際しては、偏光ビームスプリッタＰＢＳ内を最も外側の光線Ｌ_１〜Ｌ_４も通過させなくてはらない。この条件で、偏光ビームスプリッタＰＢＳの大きさが決まる。

例えば、反射型液晶素子２０の画像表示部の大きさが３．６ｍｍ×２．７ｍｍ、反射型液晶素子２０と偏光ビームスプリッタＰＢＳの間隔が空気換算で１ｍｍ、偏光ビームスプリッタＰＢＳを構成する硝材の屈折率ｎ_ｄが１．５２、投影光学系のＦ値が１．５０としたとき、図２（ｂ）にＨで示す偏光ビームスプリッタＰＢＳの厚みは、９．１３ｍｍとなる。

偏光ビームスプリッタＰＢＳに必要な厚みは、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍのなす角度θ_１がより小さい場合に、より厚くなる。本実施の形態に係る投影装置は、携帯端末に内蔵可能とすべく、厚み１０ｍｍ以下の小型化を目指しているが、この意味でも、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍのなす角度θ_１の下限は３３°が適切と言える。これよりθ_１が小さいと、Ｐ偏光成分の透過効率は向上するが、投影装置が大型化することとなる。

すなわち、θ_１を３３°〜４３°とすることで、Ｆ値の小さい投影光学系を用いた際にもＰ偏光成分の透過効率を高く維持でき、光利用効率を向上できると共に、光源の省電化や高輝度で画像の投影できる投影装置を小型に構成することができる。

図３は、本実施の形態に係る投影装置１の構成部材の配置の他の例を示す模式図である。図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は要部拡大図である。図３に示す構成部材のうち、図１に示すものと同様のものは、同符号を付与して説明を省略し、異なる部分についてのみ説明する。

図３に示す投影装置１は、屈折率ｎ_ｄが１．７の硝材で偏光ビームスプリッタＰＢＳを形成し、光源１０〜偏光変換素子１６までの光軸Ｏｓ_１と、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔとのなす角度を９０°とし、照明光学系１５の光軸Ｏｓ_１の偏光ビームスプリッタＰＢＳの法線方向とのなす角度を２５°としたものである。

照明光学系１５の偏光ビームスプリッタＰＢＳ内での光軸Ｏｓ_２と投影光学系Ｌの光軸Ｏｔとのなす角θ_２は７９．４°となり、投影光学系Ｌの光軸Ｏｔと偏光分離面Ｍとのなす角θ_１は３９．７°である。

図３に示す投影装置１において、投影光学系ＬのＦ値を１．６とすると、投影光学系Ｌに入射する最も外側の光束の偏光分離面Ｍへの入射角θａは３９．８°、θｂは６０．８°となり、投影光学系ＬのＦ値を小さくしても偏光分離面Ｍへの入射角を十分に大きくすることができる。

図４は、図１に示した投影装置１の変形例を示す図である。図４に示す投影装置１は、光源を２つ用い、反射型液晶素子２０と偏光ビームスプリッタＰＢＳの間にコンデンサレンズＣＬを配置したものである。

図４に示す投影装置１において、光源１０ａはＧ（緑）のＬＥＤを有し、Ｇ（緑）の光束はインテグレータロッド１１ａ、アナモルフィック素子１２ａ、導光光学系１３ａで構成された照明光学系１５ａにより、ダイクロイックプリズム１８に入射する。光源１０ｂはＲ（赤）、Ｂ（青）の２色のＬＥＤを有し、Ｒ（赤）、Ｂ（青）の光束はインテグレータロッド１１ｂ、アナモルフィック素子１２ｂ、導光光学系１３ｂで構成された照明光学系１５ｂにより、ダイクロイックプリズム１８に入射する。Ｇ（緑）の光束、Ｒ（赤）、Ｂ（青）の光束は、ダイクロイックプリズム１８により光路が合成され、偏光変換素子１６に入射する。偏光変換素子１６は、その透過光が偏光ビームスプリッタＰＢＳに、ほぼＳ偏光で入射するように配置されている。偏光変換素子１６から出射した光束は、偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射後、偏光分離面Ｍで反射され、コンデンサレンズＣＬに入射する。コンデンサレンズＣＬに入射した光束は、コンデンサレンズＣＬにより光束の広がりが小さくされたのち反射型液晶素子２０の画像表示面を照明する。

反射型液晶素子２０で反射され変調された画像は、再度コンデンサレンズＣＬを通過し、偏光ビームスプリッタＰＢＳに入射し、Ｐ偏光成分の光が偏光分離面Ｍを透過して投影光学系Ｌに入射し、投影光学系Ｌにより、不図示の投影面に投影される。

反射型液晶素子２０と偏光ビームスプリッタＰＢＳの間にコンデンサレンズＣＬを配置することにより、偏光ビームスプリッタＰＢＳの小型化が図れ、投影装置全体の小型化を図ることができる。

この、図４で説明したコンデンサレンズＣＬは、図１及び図３に示す投影装置１にも適用可能であるのは言うまでもない。

なお、上述の実施の形態では、空間光変調素子として反射型液晶素子（ＬＣＯＳ）を用いたもので説明したが、これに限るものでなく、多数の微小鏡面を平面に配列した表示素子であるデジタルマイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を用いたものにも適用できる。この場合には、図１、図３及び図４に示す反射型液晶素子２０をＤＭＤに置き換え、偏光ビームスプリッタＰＢＳとＤＭＤの間に１／４波長板を配置すればよい。

また、本発明は偏光分離面Ｍが誘電体多層膜で形成されている場合に、特に効果が大きいが、偏光分離面Ｍに１次元格子形状を用いたものにも適用可能である。また、偏光ビームスプリッタをプリズムで構成したもので説明したが、これに限るものでなく、平板に偏光分離面Ｍを形成したものを用いてもよいのはもちろんである。

１ 投影装置
１０ 光源
１１ インテグレータロッド
１２ アナモルフィック素子
１３ 導光光学系
１５ 照明光学系
１６ 偏光変換素子
１７ 基板
１８ ダイクロイックプリズム
２０ 反射型液晶素子
ＣＬ コンデンサレンズ
Ｌ 投影光学系
Ｍ 偏光分離面
Ｏｓ、Ｏｔ 光軸
ＰＢＳ 偏光ビームスプリッタ

Claims (7)

1. 光源と、
   所定の偏光方向の光を反射させる偏光分離面が形成された偏光ビームスプリッタと、
   前記光源からの光を前記偏光ビームスプリッタに入射させる照明光学系と、
   前記偏光ビームスプリッタで反射された偏光光を画像信号に基づいて変調して反射させる空間光変調素子と、
   前記空間光変調素子により変調された反射光を投影する投影光学系と、を有し、
   前記投影光学系の光軸と前記偏光分離面とのなす角をθ_１としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする投影装置。
   ３３°≦θ_１≦４３°
2. 前記投影光学系のＦ値が１．５０〜２．０であることを特徴とする請求項１に記載の投影装置。
3. 前記空間光変調素子の短辺方向が、前記照明光学系の光軸と前記投影光学系の光軸を含む平面に対し垂直に配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の投影装置。
4. 前記照明光学系はアナモルフィック素子を含み、前記アナモルフィック素子を前記空間光変調素子の短辺方向の光学倍率が長辺方向の光学倍率より小さくなるように配置したことを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の投影装置。
5. 前記空間光変調素子と前記偏光ビームスプリッタの間にコンデンサレンズを配置したことを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の投影装置。
6. 前記偏光分離面は誘電体多層膜で形成されたものであることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の投影装置。
7. 前記照明光学系の前記偏光ビームスプリッタ内での光軸と前記投影光学系の光軸とのなす角をθ_２としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１から６までのいずれか一項に記載の投影装置。
   ６６°≦θ_２≦８６°

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