JP2012003042A

JP2012003042A - 光源装置およびプロジェクター

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Publication number: JP2012003042A
Application number: JP2010138001A
Authority: JP
Inventors: Hiroaki Yanai; 宏明矢内
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2010-06-17
Filing date: 2010-06-17
Publication date: 2012-01-05
Anticipated expiration: 2030-06-17
Also published as: US20110310349A1; CN104375279B; CN104360490A; US9134542B2; CN104375279A; CN102289077A; JP5459092B2

Abstract

【課題】偏光回転素子やそれを接着する接着材の劣化を抑えることのできる光源装置を提供すること。
【解決手段】本発明の光源装置１は、偏光成分が第１の偏光方向に揃うコヒーレント光を射出する光源２と、コヒーレント光を散乱させる散乱素子３と、第１の偏光方向と略垂直な第２の偏光方向の偏光成分を、散乱素子を通過した散乱光から分離する偏光分離素子７と、偏光分離素子で分離された第２の偏光方向の偏光成分が通過する光路上に設けられ、第２の偏光方向の偏光成分を第１の偏光方向に変換させる偏光回転素子９と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクター、特にレーザー光を用いた光源装置の技術に関する。

光源装置から射出された光を用いて画像を表示するプロジェクターが広く普及している。例えば、赤色（Ｒ）光用、緑色（Ｇ）光用、青色（Ｂ）光用の各透過型液晶表示パネルと、各透過型液晶表示パネルで変調された光を合成する色合成光学装置を有するプロジェクターがある。このようなプロジェクターでは、光源装置から射出された光の偏光方向がランダムであると、透過型液晶表示パネルでの光の損失が大きくなるため、偏光変換素子を用いて偏光方向を揃える必要がある。

偏光変換素子は、例えば偏光分離素子と偏光回転素子を備える。偏光変換素子は、偏光分離素子によって、入射光を第１の偏光方向の偏光成分と、第１の偏光方向と垂直な第２の偏光方向の偏光成分とに分離する。そして、偏光回転素子によって、第２の偏光方向の偏光成分を第１の偏光方向に変換させて、射出光の偏光方向を第１の偏光方向に揃える。

このような偏光変換素子では、偏光回転素子として、オレフィンやポリカーボネートなどの有機材料が用いられる場合がある。しかしながら、偏光回転素子として有機材料を用いる場合には、光の照射による有機材料の劣化や、偏光回転素子を接着するための接着材の劣化が問題となる。

そこで、例えば特許文献１には、偏光回転素子として水晶などの無機材料を用いる技術が開示されている。

特開２００３−３０２５２３号公報

しかしながら、無機材料を用いた偏光回転素子は、有機材料に比べて高価であることや、偏光変換効率が低いといった問題がある。また、無機材料を用いた偏光回転素子も接着材を用いて接着されるので、接着材の劣化による信頼性の低下という問題が依然として残る。特に、近年では、プロジェクターの光源として、レーザー光源を用いる技術が提案されており、高光密度化された光による偏光回転素子や接着材の劣化が問題となりやすい。

本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、偏光回転素子やそれを接着する接着材の劣化を抑えることのできる光源装置、その光源装置を用いたプロジェクターを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、偏光成分が第１の偏光方向に揃うコヒーレント光を射出する光源と、コヒーレント光を散乱させる散乱素子と、第１の偏光方向と略垂直な第２の偏光方向の偏光成分を、散乱素子を通過した散乱光から分離する偏光分離素子と、偏光分離素子で分離された第２の偏光方向の偏光成分が通過する光路上に設けられ、第２の偏光方向の偏光成分を第１の偏光方向に変換させる偏光回転素子と、を備えることを特徴とする。

散乱素子で散乱された光は、その一部が第２の偏光方向に変換される。散乱素子による散乱では、第１の偏光方向を維持する偏光成分よりも、第２の偏光方向に変更される偏光成分のほうが少なくなるのが一般的である。第２の偏光方向の偏光成分が偏光回転素子に入射するように構成しているので、偏光回転素子に入射する光の光量を低減することができる。このように、偏光回転素子に入射する光の光量を低減することで、偏光回転素子およびそれを接着材の劣化を抑えることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、散乱素子は、蛍光層であることが望ましい。散乱素子を蛍光層とすることで、蛍光を励起させて、その蛍光も利用した光源装置とすることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、偏光回転素子は、有機材料で構成されることが望ましい。上述したように、偏光回転素子に入射する光の光量を低減できるので、偏光回転素子としてオレフィンやポリカーボネートなどの有機材料を用いた場合にも、有機材料の劣化を抑えることができ、光源装置の信頼性の向上に寄与することができる。また、有機材料を用いることで、光源装置のコストの抑制や、偏光変換効率の向上を図ることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、偏光回転素子は、無機材料で構成されることが望ましい。上述したように、偏光回転素子に入射する光の光量を低減できるので、偏光回転素子として、水晶やサファイアなどの無機材料を用いた場合にも、それらを接着させる接着材の劣化を抑えることができる。すなわち、偏光回転素子として無機材料を用いた場合にも、光源装置の信頼性の向上に寄与することができる。

また、本発明に係るプロジェクターは、上記光源装置と、光源装置から射出した光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とする。上記光源装置を用いることで、偏光回転素子の劣化の抑制を図ることができ、プロジェクターの信頼性を向上させて、高品質な画像を得ることが可能となる。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図である。図２は、実施例１の変形例に係る光源装置の概略構成を示す図である。図３は、図２に示す偏光変換素子の正面図である。図４は、図２に示す偏光変換素子の分解図である。図５は、本発明の実施例２に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図である。光源装置１は、レーザー光源２、散乱素子３、偏光変換素子４を備える。レーザー光源２は、コヒーレント光としてのレーザー光を散乱素子３に向けて射出する。コヒーレント光であるレーザー光は、その偏光成分が第１の偏光方向に揃っている。

散乱素子３は、レーザー光源２から照射されたレーザー光を散乱させる。コヒーレント光であるレーザー光を散乱素子３で散乱させることで、コヒーレント性を低下させることができる。これにより、光源装置１から射出される光に起因するスペックルノイズを低減させることができる。散乱素子３としては、屈折率の異なる材料を混合したものが用いられる。例えば、屈折率が１．４〜１．５である接着層に、屈折率が１．６以上である蛍光物質を混合させることで散乱素子３が形成される。蛍光物質を混合した散乱素子３は、レーザー光源２からのレーザー光の照射によって励起されて、蛍光を発生させる。すなわち、散乱素子３を蛍光物質が含まれた蛍光層にすることで、光源装置１はレーザー光源２から射出される光と蛍光とを合成した範囲の色再現が可能になり、表示装置に好適に用いることができる。

偏光成分が第１の偏光方向に揃っていたレーザー光は、散乱素子３で散乱されることで、偏光状態が乱れる。より具体的には、第１の偏光方向である偏光成分の一部が、第１の偏光方向と垂直な第２の偏光方向である偏光成分に変換される。

散乱素子３での散乱によって、第１の偏光方向を維持する偏光成分よりも、第２の偏光方向に変更される偏光成分のほうが少ないのが一般的である。例えば、散乱素子３に入射する前のレーザー光の、第１の偏光方向の偏光成分と第２の偏光方向の偏光成分との比が、１００：０であったものが、散乱素子３で散乱することで、偏光成分の比が８０：２０に変化する。なお、散乱素子３から射出された光は、コリメート光学系５により平行化されて、偏光変換素子４に向かう。

なお、散乱による偏光の維持率を、実験によって確認した。体積比で蛍光体：接着剤＝２：５に混合した厚さ３０μｍの散乱層を、石英ガラスの表面に塗布して散乱素子のサンプルを試作した。蛍光体は屈折率１．８、樹脂接着剤は屈折率１．４である。光源、偏光子、前記サンプル、検光子、検出器の順に配置し、偏光子（偏光板）と検光子（偏光板）の吸収軸を一致させて測定した結果、前記サンプルの偏光維持率は約７４％であった。

偏光変換素子４は、基部６、偏光分離素子７、反射ミラー８、偏光回転素子９を有する。基部６は、一方の対角が４５度、他方の対角が略１３５度とされた断面平行四辺形状のプリズムを、斜面同士を接合して形成された板状体である。

プリズムが接合される界面には、偏光分離素子７が蒸着形成されている。偏光分離素子７は、例えばＰＢＳ（ＰｏｌａｒｉｚｉｎｇＢｅａｍＳｐｌｉｔｔｅｒ）膜である。偏光分離素子７は、入射した光のうち、所定の偏光方向の偏光成分を反射させ、それと垂直な偏光方向の偏光成分を透過させる。

反射ミラー８は、偏光分離素子７で反射された光が入射する面、すなわち偏光分離素子７が蒸着形成された面と対向する面に蒸着形成される。反射ミラー８は、入射したほとんどの光を反射させ、偏光変換素子４の射出面側から射出させる。

偏光回転素子９は、偏光分離素子７を透過した光が射出される位置に設けられ、基部６に対して接着材で接着される。偏光回転素子９は、例えば位相差板としての１／２波長板であり、入射した光の偏光方向を９０度回転させて所定の偏光方向に変換して射出させる。したがって、偏光変換素子４に入射した光は、所定の偏光方向の偏光成分に揃えられて射出される。

ここで、偏光変換素子４は、レーザー光源２から射出されるレーザー光の偏光方向（第１の変更方向）が、所定の方向となるように配置される。これにより、偏光変換素子４は、散乱素子３から射出された光を、第１の偏光方向の偏光成分に揃えて射出させる。

すなわち、散乱素子３から射出されて偏光変換素子４に入射した光のうち、第１の偏光方向の偏光成分（矢印１０に示す成分）は、偏光分離素子７を透過し、第１の偏光方向を維持したまま射出される。

また、散乱素子３から射出されて偏光変換素子４に入射した光のうち、第２の偏光方向の偏光成分（矢印１１に示す成分）は、偏光分離素子７および反射ミラー８で反射され、偏光回転素子９で偏光方向を９０度回転されて、第１の偏光方向に変換されて射出される。

上述したように、散乱素子３から射出された光は、第１の偏光方向を維持する偏光成分よりも、第２の偏光方向に変更される偏光成分のほうが少なくなっている。本実施例１では、第２の偏光方向の偏光成分が偏光回転素子９に入射するように構成しているので、偏光回転素子９に入射する光の光量を低減している。このように、偏光回転素子９に入射する光の光量を低減することで、偏光回転素子９およびそれを基部６に接着させる接着材の劣化を抑えることができる。

また、偏光回転素子９に入射する光の光量を低減できるので、偏光回転素子９としてオレフィンやポリカーボネートなどの有機材料を用いた場合にも、有機材料の劣化を抑えることができ、光源装置１の信頼性の向上に寄与することができる。また、有機材料を用いることで、光源装置１のコストの抑制や、偏光変換効率の向上を図ることができる。

また、偏光回転素子９として、水晶やサファイアなどの無機材料を用いた場合にも、それらを接着させる接着材の劣化を抑えることができる。さらに、無機材料の位相差板は高コストのため少ない層数で構成される場合が多い。そのため、偏光回転の波長範囲の狭帯域化や効率の低下があるので、偏光回転素子９に入射する光の光量を低減し、相対的に他の光路の光の光量を増加させることは、光源装置１の効率向上につながる。すなわち、本実施例１の構成は、偏光回転素子９として無機材料を用いた場合にも、光源装置１の信頼性と効率の向上に寄与することができる。

なお、偏光回転素子９として１／２波長板を用いたが、それに限定されず他の位相差板を用いることも可能であり、例えば１／４波長板を用いてもよい。この場合、１／４波長板をプリズム６と反射ミラー８の間に配置し、第２の偏光方向の偏光成分が、１／４波長板を２度透過するように構成すればよい。

このような構成により、偏光分離素子７で反射された第２の偏光方向の偏光成分は、１／４波長板を透過することで位相が１／４波長遅れて右回り（左回り）円偏光になり、反射ミラー８で反射することで位相が１／２波長遅れて左回り（右回り）円偏光になり、再度逆方向から１／４波長板を透過することで位相が１／４波長進むことで、第２の偏光方向から９０度回転した直線偏光、すなわち第１の偏光方向の偏光成分に変換される。

また、散乱素子３と偏光変換素子４との間に、照明均一化のためのレンズアレイやロッドインテグレーターを設けてもよい。

また、光源装置１は、レーザー光源２に加えて別の光源を備えてもよい。この場合レーザー光源２から射出された光と別の光源から射出された光は共に偏光変換素子４に入射するように構成される。具体的には、レーザー光源２と別の光源とが並べて配置されていたり、偏光変換素子４の前に配置された光合成素子によって両者からの光が合成されたりする。

別の光源としては、蛍光物質を励起した蛍光光源、ＬＥＤ、水銀ランプ、ハロゲンランプを用いることができる。これにより、光源装置１の光量や色再現範囲を向上させることができる。偏光変換素子４は、レーザー光源２が散乱素子３を透過することで発生した第２の偏光方向の偏光成分を第１の偏光方向の偏光成分に変換することで、光源装置１の効率を改善する。さらに、別の光源を備えた構成では、偏光変換素子４は別の光源の偏光方向を第１の偏光方向に揃えることで、光源装置１の効率を大幅に改善する。

散乱素子３は、屈折率の異なる材料を混合したものに限定されない。散乱素子３は入射された光を散乱させるもので、内部の屈折率が不均一な素子や、表面に散乱形状を持つ素子を用いることができる。内部の屈折率が不均一な素子は、２種類以上の材料を混合したり、樹脂フィルムや硝材に応力を加えたりすることで製造できる。表面に散乱形状を持つ素子は、フロスト型拡散板や、表面微細形状素子があり、すりガラス、回折素子、フォトニック結晶素子などを用いることができる。その製造方法としては、表面研磨、ナノインプリント、スパッタリングなどがある。

光源装置１は、散乱素子３を透過する構成に限定されない。散乱は反射によっても起こるので、レーザー光源２のレーザー光が散乱素子３で反射されて偏光変換素子４に入射する構成でもよい。散乱素子３として、表面に散乱形状を持つ素子を用いることができる。

また、散乱素子３として内部の屈折率が不均一な素子の片面に反射ミラーを付加した構成を用いてもよい。散乱素子３を透過した光を、反射ミラーで反射して再度散乱素子３に透過させることができるので、光が散乱素子３の内部を透過する距離が２倍になり、薄い素子でも十分な散乱を得ることができる。

図２は、本実施例１の変形例に係る光源装置の概略構成を示す図である。図３は、図２に示す偏光変換素子３の正面図である。本変形例１では、光源装置１が複数のレーザー光源２をアレイ状に備える。これら複数のレーザー光源２は、それぞれのレーザー光源２から射出されるレーザー光の偏光方向が、第１の偏光方向に揃うように配置される。

また、偏光変換素子４も複数の基部６がアレイ状に並列されるとともに、互いに接着される。そして、基部６の接着面には、交互に偏光分離素子７と反射ミラー８が蒸着形成される。この構成により、偏光変換素子４には、複数の光の入射領域４ａが構成される。また、複数の偏光回転素子９が、偏光分離素子７を透過した光が射出される位置に設けられる。

本変形例では、図示しないインテグレーターレンズにより、散乱素子３から射出された光を分割し、偏光変換素子４の複数の入射領域４ａに入射させる。そして、偏光変換素子４に入射した光は、その偏光方向が第１の偏光方向に揃えられて射出される。

このように、レーザー光源２を複数備えることで、光源装置１から射出される光の光量を増加させることができる。また、偏光変換素子４を、複数の基部６を並列させて構成することで、入射領域４ａを増やすことができ、光束の広がりにも対応できるようになる。また、複数の偏光回転素子９が設けられるので、１つの偏光回転素子９が変換を担当する光の光量を抑えて、偏光回転素子９や接着材の劣化を抑えることができる。これにより、より信頼性の高い光源装置１とすることもできる。

なお、基部６同士の接合面にも接着材が用いられているが、熱膨張率の異なる基部６と偏光回転素子９とを接着するための接着材よりも、その使用量や厚さが小さくて済むため、劣化の影響も比較的少なくて済む。

図４は、偏光変換素子４の分解図である。図４に示すように、並列される基部６のうち、その一面が光の入射領域４ａとなる基部６に偏光分離素子７や反射ミラー８を蒸着させるように構成すれば、偏光分離素子７側の接着材１２には、第２の偏光方向の偏光成分の光だけが照射されるし、反射ミラー８側の接着材１３には、光がほとんど照射されない。そのため、基部６同士を接着させる接着材１２，１３の劣化も抑えることができる。また、第２の偏光方向の偏光成分を低減することで、接着材１２の劣化をさらに抑えることができる。

図５は、本発明の実施例２に係るプロジェクター６０の概略構成図である。本実施例に係るプロジェクター６０は、実施例１に係る光源装置１と同様に構成された光源装置６１を有する。光源装置６１は、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光を含む光を射出する。例えば、レーザー光源２として青色レーザー、散乱素子３として赤色と緑色の帯域を発光する蛍光体を含んだ樹脂層を用いれば、最小の構成で光の３原色を再現できる。

均一化光学系６４は、光源装置６１から入射した光の強度分布を均一化させる光学系であって、例えばロッドインテグレーターを有する。ダイクロイックミラー６５は、均一化光学系６４からの光のうちＢ光を透過させ、Ｒ光及びＧ光を反射する。ダイクロイックミラー６６は、Ｒ光を透過させ、Ｇ光を反射する。ダイクロイックミラー６５、６６は、光源装置６１からの光を色ごとに分離する色分離光学系として機能する。

ダイクロイックミラー６６を透過したＲ光は、反射ミラー６７、６８で反射した後、Ｒ光用の空間光変調装置７０Ｒへ入射する。空間光変調装置７０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する。ダイクロイックミラー６６で反射したＧ光は、Ｇ光用の空間光変調装置７０Ｇへ入射する。空間光変調装置７０Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する。ダイクロイックミラー６５を透過したＢ光は、反射ミラー６９で反射した後、Ｂ光用の空間光変調装置７０Ｂへ入射する。空間光変調装置７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂは、例えば、透過型の液晶表示装置である。

色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム７１は、空間光変調装置７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂでそれぞれ変調された各色光を合成する。投写光学系７２は、クロスダイクロイックプリズム７１で合成された各色光をスクリーン７３へ投写する。プロジェクター６０は、光源装置６１を用いることで偏光回転素子の劣化の抑制を図ることができ、信頼性を向上させて、高品質な画像を得ることが可能となる。

また、均一化光学系６４としてロッドインテグレーターを用いたが、マルチレンズアレイを用いても良い。また、均一化光学系６４を省いた構成や、光源装置６１に均一化光学系６４を内蔵した構成でも良い。

プロジェクターは、３色に対して、３個の透過型の空間光変調装置を用いた図５の構成に限定されない。色は２色以下でも４色以上でもよい。空間光変調装置の数と色数が同数である必要はなく、例えば微小な複数色のカラーフィルターを有する１個の空間光変調装置に、２色以上の光を入射してもよい。また、空間光変調装置としては、透過型も、反射型も用いることができる。構成によっては、色分離光学系や色合成光学系を省くこともできる。

以上のように、本発明に係る光源装置及びプロジェクターは、レーザー光を用いて画像を表示する場合に有用である。

１光源装置、２レーザー光源、３散乱素子、４偏光変換素子、４ａ入射領域、５コリメート光学系、６基部、７偏光分離素子、８反射ミラー、９偏光回転素子、１０，１１矢印、１２，１３接着材、６０プロジェクター、６１光源装置、６４均一化光学系、６５，６６ダイクロイックミラー、６７，６８，６９反射ミラー、７０Ｒ，７０Ｇ，７０Ｂ空間光変調装置、７１クロスダイクロイックプリズム、７２投写光学系、７３スクリーン

Claims

偏光成分が第１の偏光方向に揃うコヒーレント光を射出する光源と、
前記コヒーレント光を散乱させる散乱素子と、
前記第１の偏光方向と略垂直な第２の偏光方向の偏光成分を、前記散乱素子を通過した散乱光から分離する偏光分離素子と、
前記偏光分離素子で分離された前記第２の偏光方向の偏光成分が通過する光路上に設けられ、前記第２の偏光方向の偏光成分を前記第１の偏光方向に変換させる偏光回転素子と、を備えることを特徴とする光源装置。
前記散乱素子は、蛍光層であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記偏光回転素子は、有機材料で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
前記偏光回転素子は、無機材料で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
請求項１〜４のいずれか１つに記載の光源装置と、
前記光源装置から射出した光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とするプロジェクター。