JP2020008779A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】小型の照明装置を提供する。【解決手段】本発明の照明装置は、第１の直線偏光を含む光を射出する光源部と、導光体と、偏光分離層と、反射ミラーと、位相差層と、を備える。導光体は、光の伝播方向に対して傾斜した入射端面と、折り返し端面と、を有する。光源部は光の射出方向が入射端面を向くように配置され、偏光分離層は入射端面上に設けられ、反射ミラーは折り返し端面側に設けられ、位相差層は偏光分離層と反射ミラーとの間に設けられている。導光体内部に入射した第１の直線偏光は、位相差層を透過し、反射ミラーで反射し、位相差層を再度透過することによって第２の直線偏光に変換され、第２の直線偏光は、偏光分離層で反射して伝播方向と交差する方向に向けて射出される。【選択図】図２

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いる照明装置の一例として、光の照度分布を均一化するためのロッドレンズを備えた照明装置が従来から知られている。例えば下記の特許文献１に、レーザー等の固体光源と、テーパー付きロッドレンズと、凸レンズと、ロッドレンズ等のライトパイプと、を有する照明光学系を備えた投射型表示装置が開示されている。

特開２０１７−１３４３３７号公報

ロッドレンズにおいては、光入射端面から入射した光が全反射を繰り返しつつ光射出端面に向けて伝播する際に様々な角度成分を有する光が混合され、被照明領域における光の照度分布が均一化される。ロッドレンズ内部での光の反射回数が多くなる程、光の混合の度合いが高まり、照度分布の均一性が高められる。

したがって、特許文献１の照明光学系において、照度分布の均一性を高めるためには、光の反射回数を多くするために光入射端面から光射出端面までの光の伝播距離、いわゆるロッドレンズの長さをある程度長くする必要がある。ところが、ロッドレンズを長くすると、照明装置が大型化し、ひいてはプロジェクターが大型化する、という問題が生じる。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の照明装置は、非平行光であり、第１の直線偏光を含む光を射出する光源部と、前記光源部から入射した光を伝播させる導光体と、前記第１の直線偏光を透過させ、前記第１の直線偏光とは偏光方向が異なる第２の直線偏光を反射させる偏光分離層と、前記導光体の内部を伝播する光を反射させる反射ミラーと、前記導光体の内部を伝播する光に位相差を付与する位相差層と、を備える。前記導光体は、光の伝播方向に対して傾斜して設けられ、前記光源部からの光が入射する入射端面と、前記入射端面とは反対側に位置する折り返し端面と、前記入射端面および前記折り返し端面に交差する全反射側面と、を有する。前記光源部は、光の射出方向が前記入射端面を向くように配置され、前記偏光分離層は、前記入射端面上に設けられ、前記反射ミラーは、前記折り返し端面側に設けられ、前記位相差層は、前記偏光分離層と前記反射ミラーとの間に設けられている。前記偏光分離層を透過して前記導光体の内部に入射した前記第１の直線偏光は、前記位相差層を透過し、前記反射ミラーで反射し、前記位相差層を再度透過することによって前記第２の直線偏光に変換され、前記第２の直線偏光は、前記偏光分離層で反射して前記導光体から前記伝播方向と交差する方向に向けて射出される。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記導光体は、プリズムと、第１ロッドレンズと、を有し、前記プリズムは、三角柱状の形状を有するとともに、直角三角形状の形状を有する底面と、互いに直交する第１側面および第２側面と、前記第１側面および前記第２側面に対して鋭角に交差する第３側面と、を有し、前記第１ロッドレンズは、四角柱状の形状を有するとともに、前記伝播方向に直交し、前記プリズムの前記第１側面に対向する第１端面と、前記第１端面とは反対側に位置する第２端面と、を有し、前記プリズムの前記第３側面が前記導光体の前記入射端面であり、前記第１ロッドレンズの前記第２端面が前記導光体の前記折り返し端面であり、前記第２の直線偏光は、前記プリズムの前記第２側面から射出される構成であってもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記プリズムの前記第１側面と前記第１ロッドレンズの前記第１端面との間に空気層が設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記導光体は、第２ロッドレンズをさらに有し、前記第２ロッドレンズは、四角柱状の形状を有するとともに、前記プリズムの前記第２側面に対向する第１端面と、前記第１端面とは反対側に位置する第２端面と、を有し、前記プリズムの前記第２側面から射出された前記第２の直線偏光は、前記第２ロッドレンズの前記第１端面から前記第２ロッドレンズに入射し、前記第２ロッドレンズの前記第２端面から射出される構成であってもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記プリズムの前記第２側面と前記第２ロッドレンズの前記第１端面との間に空気層が設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記光源部は、レーザー光源と、前記レーザー光源から射出された光を拡散させる光拡散素子と、を有していてもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記光源部は、所定の発散角を有する光を射出するレーザー光源を有していてもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記レーザー光源は、光の射出方向が前記入射端面と直角以外の角度をなし、かつ、前記伝播方向と平行になるように配置されていてもよい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記位相差層は、前記反射ミラーと前記折り返し端面とに接していてもよい。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。

第１実施形態の照明装置の斜視図である。 照明装置の平面図である。 第１比較例の照明装置の作用を説明するための模式図である。 第１実施形態の照明装置の作用を説明するための模式図である。 第２比較例の照明装置の作用を説明するための模式図である。 第１実施形態の照明装置の作用を説明するための模式図である。 第２実施形態の照明装置の平面図である。 第３実施形態の照明装置の平面図である。 第４実施形態のプロジェクターの平面図である。 プロジェクターの正面図である。 プロジェクターの側面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１および図２を用いて説明する。
図１は、第１実施形態の照明装置６０の斜視図である。図２は、照明装置６０の側面図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

図１および図２に示すように、第１実施形態の照明装置６０は、導光体６１と、偏光分離層６２と、光源部６３と、反射ミラー６４と、位相差層６５と、を備えている。

導光体６１は、プリズム６６と、第１ロッドレンズ６７と、を有する。導光体６１は、光源部６３から入射した光を内部で伝播させる。

プリズム６６は、三角柱状の形状を有し、直角三角形状の形状を有する２つの底面６６ａ，６６ｂと、３つの側面６６ｃ，６６ｄ，６６ｅと、を有する。以下、プリズム６６の３つの側面６６ｃ，６６ｄ，６６ｅのうち、互いに直交する２つの側面をそれぞれ第１側面６６ｃ、第２側面６６ｄと称する。また、第１側面６６ｃおよび第２側面６６ｄに対して４５度の角度で交差する側面を第３側面６６ｅと称する。したがって、プリズム６６は、直角三角形状の形状を有する底面６６ａ，６６ｂと、互いに直交する第１側面６６ｃおよび第２側面６６ｄと、第１側面６６ｃおよび第２側面６６ｄに対して鋭角に交差する第３側面６６ｅと、を有する。プリズム６６は、例えばガラス等の透光性部材で構成されている。

第１ロッドレンズ６７は、四角柱状の形状を有し、２つの端面６７ａ，６７ｂと４つの側面６７ｃとを有する。第１ロッドレンズ６７は、１つの端面６７ａがプリズム６６の第１側面６６ｃに対向するように配置されている。以下、第１ロッドレンズ６７の２つの端面６７ａ，６７ｂのうち、プリズム６６の第１側面６６ｃに対向する端面を第１端面６７ａと称し、第１端面６７ａとは反対側に位置する端面を第２端面６７ｂと称する。また、第１ロッドレンズ６７の形状をなす四角柱の２つの端面同士を結ぶ方向であって、第１ロッドレンズ６７の４つの側面６７ｃに平行な方向を導光体における光の伝播方向ｍと定義する。すなわち、第１ロッドレンズ６７は、光の伝播方向ｍに直交し、プリズム６６の第１側面６６ｃに対向する第１端面６７ａと、第１端面６７ａとは反対側に位置する第２端面６７ｂと、を有する。第１ロッドレンズ６７は、例えばガラス等の透光性部材で構成されている。

プリズム６６と第１ロッドレンズ６７とは、微小な間隔を空けて配置されている。すなわち、プリズム６６の第１側面６６ｃと第１ロッドレンズ６７の第１端面６７ａとの間に、空気層６９が設けられている。空気層６９の厚さは、例えば０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。プリズム６６の屈折率と第１ロッドレンズ６７の屈折率とは、一致していてもよいし、異なっていてもよい。

プリズム６６の第３側面６６ｅは、光源部６３からの光が入射する導光体６１の一つの面であり、以下の説明では、導光体６１の入射端面６１ｅと称する。第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂは、入射端面６１ｅから導光体６１に入射した光が反射ミラー６４で反射された後に再度入射端面６１ｅに向けて射出される面である。換言すると、第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂは、導光体６１の内部を伝播する光の光路が折り返される側の端面であり、以下の説明では、導光体６１の折り返し端面６１ｂと称する。第１ロッドレンズ６７の４つの側面６７ｃは、第１ロッドレンズ６７の内部を光が伝播される間に全反射を生じさせる面であり、以下の説明では、導光体６１の全反射側面６１ｃと称する。

すなわち、導光体６１は、光の伝播方向ｍに対して傾斜するとともに光源部６３からの光が入射する入射端面６１ｅと、入射端面６１ｅとは反対側に位置する折り返し端面６１ｂと、入射端面６１ｅおよび折り返し端面６１ｂに交差する４つの全反射側面６１ｃと、を有する。

偏光分離層６２は、導光体６１の入射端面６１ｅ（プリズム６６の第３側面６６ｅ）上に設けられている。偏光分離層６２は、プリズム６６を構成する透光性部材の表面に設けられた誘電体多層膜で構成されている。偏光分離層６２は、Ｐ偏光Ｌｐ（第１の直線偏光）を透過させ、Ｓ偏光Ｌｓ（第２の直線偏光）を反射させる。

光源部６３は、レーザー光源７１と、光拡散素子７２と、を備えている。レーザー光源７１は、波長範囲が例えば４４０〜４６０ｎｍの青色光を射出する半導体レーザーで構成されている。光源部６３は、１つのレーザー光源７１を有していてもよいし、複数のレーザー光源７１を有していてもよい。レーザー光源７１は、光の射出方向が導光体６１の入射端面６１ｅを向くように配置されている。なお、レーザー光源７１は、波長範囲が例えば５００〜５７０ｎｍの緑色光を射出する半導体レーザーで構成されていてもよいし、波長範囲が例えば６２０〜７５０ｎｍの赤色光を射出する半導体レーザーで構成されていてもよい。

図２に示すように、レーザー光源７１は、台座７３と、半導体発光素子７４と、コリメーターレンズ７５と、パッケージ７６と、を備えている。半導体発光素子７４は、台座７３の上に実装され、パッケージ７６に覆われている。コリメーターレンズ７５は、パッケージ７６の内部に収容され、半導体発光素子７４から射出された光を略平行化する。レーザー光源７１は、コリメーターレンズ７５によって平行化された直線偏光を射出する。具体的には、レーザー光源７１は、偏光分離層６２に対するＰ偏光Ｌｐを射出する。

光拡散素子７２は、導光体６１の入射端面６１ｅ（プリズム６６の第３側面６６ｅ）上に偏光分離層６２を介して設けられている。また、光拡散素子７２は、レーザー光源７１から射出される光の光路上に設けられている。光拡散素子７２は、レーザー光源７１から射出された光を拡散させる。これにより、光拡散素子７２を透過した後の光の発散角は、光拡散素子７２を透過する前の光の発散角に比べて大きくなる。これにより、光拡散素子７２を透過した後の光は、非平行光となる。光拡散素子７２は、例えば表面に凹凸が設けられた拡散板、多数の光散乱粒子が分散された拡散板、マイクロレンズアレイを用いた拡散板等で構成されている。本実施形態において、光拡散素子７２は、偏光分離層６２に接して設けられているが、偏光分離層６２から離れた位置に設けられていてもよい。

このようにして、光源部６３は、非平行光であって、偏光分離層６２に対するＰ偏光Ｌｐ（第１の直線偏光）を含む光を射出する。レーザー光源７１は、光の射出方向が導光体６１の入射端面６１ｅ（プリズム６６の第３側面６６ｅ）と直角以外の角度である４５°をなし、かつ、伝播方向ｍと平行になるように配置されている。したがって、レーザー光源７１から射出された光は、導光体６１の入射端面６１ｅに４５°の入射角で入射する。

反射ミラー６４は、導光体６１の折り返し端面６１ｂ（第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂ）に位相差層６５を介して設けられている。反射ミラー６４は、導光体６１の内部を伝播する光を反射させる。これにより、第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂから射出された光は、反射ミラー６４で反射した後、第２端面６７ｂから第１ロッドレンズ６７に再度入射する。反射ミラー６４は、例えば銀、アルミニウム等の反射率の高い材料で構成されていることが望ましい。

位相差層６５は、偏光分離層６２と反射ミラー６４との間に設けられている。本実施形態では、位相差層６５は、反射ミラー６４と導光体６１の折り返し端面６１ｂ（第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂ）とに接して設けられている。なお、位相差層６５は、反射ミラー６４と導光体６１の折り返し端面６１ｂとに接していなくてもよく、例えば第１ロッドレンズ６７の内部に設けられていてもよい。位相差層６５は、導光体６１の内部を伝播する光に対して光の波長の１／４の位相差を付与する。すなわち、位相差層６５は、導光体６１の内部を伝播する光に対する１／４波長板として機能する。位相差層６５は、例えば複屈折材料から構成されている。

上記構成の照明装置６０において、光源部６３から射出された光は、偏光分離層６２に入射する。偏光分離層６２に入射した光は、偏光分離層６２に対するＰ偏光Ｌｐであるため、偏光分離層６２を透過し、入射端面６１ｅから導光体６１に入射し、導光体６１の内部を折り返し端面６１ｂ側に向かって進行する。導光体６１の折り返し端面６１ｂに到達した光は、位相差層６５を透過した後、反射ミラー６４で反射し、位相差層６５を再度透過して、入射端面６１ｅの偏光分離層６２に向かって進行する。このように、光は、反射ミラー６４での反射前後で位相差層６５を２回通るため、１／２波長の位相差が付与される。その結果、入射端面６１ｅ側に向かって進行する光は、位相差層６５に入射する前のＰ偏光ＬｐからＳ偏光Ｌｓに変換される。

Ｓ偏光Ｌｓに変換された光は、偏光分離層６２で反射して進行方向を変え、プリズム６６の第２側面６６ｄから外部に射出される。また、光拡散素子７２を介して導光体６１に入射された光は、非平行光であるため、全反射を繰り返しつつ導光体６１の内部を伝播する間に様々な角度成分を有する光が混合され、被照明領域における光の照度分布が均一化される。すなわち、偏光分離層６２を透過して導光体６１の内部に入射したＰ偏光Ｌｐは、位相差層６５を透過し、反射ミラー６４で反射し、位相差層６５を再度透過することによってＳ偏光Ｌｓに変換され、Ｓ偏光Ｌｓは、偏光分離層６２で反射して導光体６１から伝播方向ｍと交差する方向に向けて射出される。

以下、導光体６１における光の入射位置Ｐと折り返し端面６１ｂとの間の距離を導光体６１の長さと定義する。
本実施形態の照明装置６０において、導光体６１の入射端面６１ｅ上の入射位置Ｐから入射した光は、偏光分離層６２を透過して折り返し端面６１ｂに向かって進み、折り返し端面６１ｂ側に設けられた反射ミラー６４で反射した後、入射端面６１ｅに向かって進み、第２側面から射出される。すなわち、光は導光体６１の内部を略１往復するため、実質的な光の伝播距離は導光体６１の長さの約２倍となる。したがって、本実施形態の導光体６１での光の反射回数は、本実施形態と同じ長さの従来の導光体（光を一方向にのみ伝播させる導光体）での反射回数の約２倍となる。その結果、本実施形態の導光体６１による照度分布の均一性は、従来の導光体による照度分布の均一性に比べて高くなる。逆に言えば、従来の導光体と同等の照度分布の均一性を得るのに必要な本実施形態の導光体６１の長さは、従来の導光体の長さの約１／２となる。

このように、本実施形態によれば、導光体６１の長さを従来に比べて短くできるため、照明装置６０の小型化を図ることができる。

図３Ａは、第１比較例の照明装置２００の作用を説明するための模式図である。
図３Ａに示すように、第１比較例の照明装置２００においては、プリズム２０１と第１ロッドレンズ２０２との間に空気層が設けられておらず、プリズム２０１と第１ロッドレンズ２０２とは直接接触している。プリズム２０１の屈折率と第１ロッドレンズ２０２の屈折率とは、一致しているものとする。

第１比較例の照明装置２００において、反射ミラー（図示略）で反射してプリズム２０１の第３側面２０１ｅに戻った光（Ｓ偏光Ｌｓ）は、偏光分離層２０３で反射した後、第２側面２０１ｄに到達する。このとき、臨界角よりも大きい入射角で第２側面２０１ｄに入射した光は、第２側面２０１ｄから外部に射出されず、第１側面２０１ｃに向かって進む。

ところが、プリズム２０１と第１ロッドレンズ２０２とが直接接触しているため、第１側面２０１ｃに向かって進んだ光は、符号Ｆ１で示すように、プリズム２０１と第１ロッドレンズ２０２との界面を直進し、第１ロッドレンズ２０２の側面２０２ｃから射出される場合がある。このように、第１比較例の照明装置２００では、意図しない場所から光が射出されることがあり、光が本来射出されるべき面からの取り出し効率が低下する。

図３Ｂは、第１実施形態の照明装置６０の作用を説明するための模式図である。
図３Ｂに示すように、第１実施形態の照明装置６０においては、プリズム６６と第１ロッドレンズ６７との間に空気層６９が設けられている。この場合も、第１比較例と同様、臨界角よりも大きい入射角で第２側面６６ｄに入射した光は、第２側面６６ｄから外部に射出されず、第１側面６６ｃに向かって進む。

ここで、プリズム６６と第１ロッドレンズ６７との間に空気層６９が存在しているため、第１側面６６ｃに対する光の入射角が臨界角よりも大きければ、光は、符号Ｆ２に示すように、第１側面６６ｃから射出されて第１ロッドレンズ６７に入射することがない。光は、第１側面６６ｃで全反射した後、偏光分離層６２で再度反射し、第２側面６６ｄから外部に射出される。これにより、第１実施形態の照明装置６０では、意図しない場所から光が射出されることが少なくなり、第２側面６６ｄからの光の取り出し効率を高めることができる。

図４Ａは、第２比較例の照明装置２２０の作用を説明するための模式図である。
図４Ａに示すように、第２比較例の照明装置２２０において、レーザー光源７１は、プリズム２２１の第３側面２２１ｅに対して光が垂直に入射する向きに配置されている。すなわち、レーザー光源７１からの光は、入射角０°でプリズム２２１の第３側面２２１ｅに入射する。

第２比較例の照明装置２２０において、プリズム２２１に入射した光は、中心軸Ｃｊが第１側面２２１ｃと第２側面２２１ｄとが接する角部に向かう方向に進む。そのため、プリズム２２１に入射した光のうち、第１ロッドレンズ２２２に入射する光の割合が少なく、第１ロッドレンズ２２２の内部を伝播することなく、プリズム２２１の第２側面２２１ｄから射出される光が存在する。その結果、照明装置２２０から射出される光の照度分布が十分に均一化されないという問題がある。

図４Ｂは、第１実施形態の照明装置６０の作用を説明するための模式図である。
図４Ｂに示すように、第１実施形態の照明装置６０においては、レーザー光源７１は、導光体６１の入射端面６１ｅ（プリズム６６の第３側面６６ｅ）に対して光が４５°の入射角θで入射し、光の射出方向が伝播方向ｍと平行になるように配置されている。この配置により、プリズム６６に入射した光は、中心軸Ｃｊが第１ロッドレンズ６７の第１端面６７ａに対して垂直となる方向に進む。その結果、プリズム６６に入射した光の多くを第１ロッドレンズ６７に入射させて内部を伝播させ、照明装置６０から射出される光の照度分布を十分に均一化することができる。

また、第１実施形態では、光源部６３が光拡散素子７２を有しているため、用いる光拡散素子７２の拡散性を調整することによって光の発散角を調整することができる。これにより、導光体６１での光の反射回数を調整することができ、所望の照度分布を得ることができる。

位相差層６５は例えば導光体６１の内部の偏光分離層６２と反射ミラー６４との間に設けられていてもよいが、その場合、位相差層６５および第１ロッドレンズ６７の作製が難しい場合がある。これに対して、本実施形態では、位相差層６５が第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂと反射ミラー６４との間に設けられているため、第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂに位相差層６５と反射ミラー６４とを順次積層すればよく、位相差層６５および第１ロッドレンズ６７を容易に作製することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図５を用いて説明する。
第２実施形態の照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、光源部の構成が第１実施形態と異なる。そのため、照明装置全体の説明は省略し、第１実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
図５は、第２実施形態の照明装置８０の側面図である。
図５において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図５に示すように、第２実施形態の照明装置８０は、導光体６１と、光源部８１と、偏光分離層６２と、反射ミラー６４と、位相差層６５と、を備えている。

光源部８１は、レーザー光源８２を有している。レーザー光源８２は、光の射出方向が導光体６１の入射端面６１ｅ（プリズム６６の第３側面６６ｅ）を向くように配置されている。

レーザー光源８２は、台座７３と、半導体発光素子７４と、パッケージ７６と、を備えている。半導体発光素子７４は、台座７３の上に実装され、パッケージ７６に覆われている。半導体発光素子７４は、所定の発散角を有する光を射出する。第２実施形態のレーザー光源８２は、第１実施形態のレーザー光源７１と異なり、コリメーターレンズを備えていないため、半導体発光素子７４から射出された光は、平行化されることなく、所定の発散角を有する光として射出される。

すなわち、光源部８１は、所定の発散角を有する光を射出するレーザー光源８２を有する。これにより、導光体６１に入射する光は、非平行光となる。したがって、第２実施形態の光源部８１は、第１実施形態の光源部６３と異なり、光拡散素子を備えていない。
照明装置８０のその他の構成要素は、第１実施形態と同様である。

第２実施形態においても、照明装置８０の小型化が図れる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

また、第２実施形態の光源部８１は光拡散素子を備えていないため、光源部８１の構成を簡略化することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図６を用いて説明する。
第３実施形態の照明装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、導光体の構成が第１実施形態と異なる。そのため、照明装置全体の説明は省略し、第１実施形態と異なる構成についてのみ説明する。
図６は、第３実施形態の照明装置９０の側面図である。
図６において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図６に示すように、第４実施形態の照明装置９０は、導光体９１と、光源部６３と、偏光分離層６２と、反射ミラー６４と、位相差層６５と、を備えている。

導光体９１は、プリズム６６と、第１ロッドレンズ６７と、第２ロッドレンズ９２と、を有する。導光体９１は、光源部６３から入射した光を内部で伝播させる。

プリズム６６と第１ロッドレンズ６７の構成および配置は、第１実施形態と同様である。すなわち、プリズム６６と第１ロッドレンズ６７とは、プリズム６６の第１側面６６ｃと第１ロッドレンズ６７の第１端面６７ａとが互いに対向するように配置されている。また、プリズム６６の第１側面６６ｃと第１ロッドレンズ６７の第１端面６７ａとの間に、空気層６９が設けられている。プリズム６６の第３側面６６ｅは、導光体９１の入射端面９１ｅである。第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂは、導光体９１の折り返し端面９１ｂである。

第２ロッドレンズ９２は、四角柱状の形状を有し、２つの端面９２ａ，９２ｂと４つの側面９２ｃとを有する。第２ロッドレンズ９２は、１つの端面９２ａがプリズム６６の第２側面６６ｄに対向するように配置されている。以下、第２ロッドレンズ９２の２つの端面９２ａ，９２ｂのうち、プリズム６６の第２側面６６ｄに対向する端面を第１端面９２ａと称し、第１端面９２ａとは反対側に位置する端面を第２端面９２ｂと称する。すなわち、第２ロッドレンズ９２は、プリズム６６の第２側面６６ｄに対向する第１端面９２ａと、第１端面９２ａとは反対側に位置する第２端面９２ｂと、を有する。第２ロッドレンズ９２は、例えばガラス等の透光性部材で構成されている。

プリズム６６と第２ロッドレンズ９２とは、微小な間隔を空けて配置されている。すなわち、プリズム６６の第２側面６６ｄと第２ロッドレンズ９２の第１端面９２ａとの間に、空気層６９が設けられている。空気層６９の厚さは、０．１ｍｍ〜１．０ｍｍ程度である。第２ロッドレンズ９２の屈折率は、プリズム６６の屈折率および第１ロッドレンズ６７の屈折率と一致していてもよいし、異なっていてもよい。
照明装置９０のその他の構成要素は、第１実施形態と同様である。

照明装置９０において、プリズム６６と第１ロッドレンズ６７とに関する光の振る舞いは、第１実施形態と同様である。すなわち、第３側面６６ｅからプリズム６６に入射した光は、第１ロッドレンズ６７に入射し、反射ミラー６４で反射した後、プリズム６６に再度入射し、第２側面６６ｄから射出される。さらに、本実施形態の照明装置９０の場合、プリズム６６の第２側面６６ｄに対向して第２ロッドレンズ９２が設けられているため、プリズム６６から射出された光は、第１端面９２ａから第２ロッドレンズ９２に入射する。第２ロッドレンズ９２に入射した光は、４つの側面９２ｃで全反射しつつ第２ロッドレンズ９２の内部を伝播した後、第２端面９２ｂから射出される。

第３実施形態においても、照明装置９０の小型化が図れる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

特に第３実施形態の照明装置９０においては、プリズム６６の光射出側に第２ロッドレンズ９２が設けられているため、プリズム６６から射出された光の照度分布は、第２ロッドレンズ９２によってさらに均一化される。そのため、第３実施形態における第１ロッドレンズ６７の長さが第１実施形態における第１ロッドレンズ６７の長さと同じであったとすると、第３実施形態の照明装置９０においては、第１実施形態の照明装置６０に比べて照度分布の均一性を高めることができる。逆に言えば、第３実施形態における照度分布の均一性が第１実施形態における照度分布の均一性と同等でよいのであれば、第３実施形態の照明装置９０においては、第１実施形態の照明装置６０に比べて第１ロッドレンズ６７の長さを短くすることができる。

また、プリズム６６と第１ロッドレンズ６７との間に加えて、プリズム６６と第２ロッドレンズ９２との間にも空気層６９が存在しているため、第２ロッドレンズ９２の意図しない場所から光が射出されることがなく、第２ロッドレンズ９２の第２端面９２ｂからの光の取り出し効率を高めることができる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図７〜図９を用いて説明する。
第４実施形態では、第３実施形態の照明装置を備えたプロジェクターの一例を示す。
図７は、第４実施形態のプロジェクター１００の概略構成を示す平面図である。図８は、プロジェクターの正面図である。図９は、プロジェクターの側面図である。
図７〜図９において、上記実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図７〜図９に示すように、プロジェクター１００は、赤色光用照明装置１０１Ｒと、緑色光用照明装置１０１Ｇと、青色光用照明装置１０１Ｂと、赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒと、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇと、青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂと、フィールドレンズ１０６Ｂ，１０６Ｇ，１０６Ｒと、１／２波長板１０８と、色合成素子１０３と、投射光学装置１０４と、を備えている。

本実施形態において、赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇおよび青色光用照明装置１０１Ｂの各々には、第３実施形態の照明装置９０が用いられている。なお、赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇおよび青色光用照明装置１０１Ｂの各々には、第１実施形態もしくは第２実施形態の照明装置６０，８０が用いられてもよい。したがって、赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇおよび青色光用照明装置１０１Ｂの各々は、特許請求の範囲の「照明装置」に対応する。赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇおよび青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂの各々は、特許請求の範囲の「光変調装置」に対応する。

プロジェクター１００は、概略すると以下のように動作する。
赤色光用照明装置１０１Ｒから射出された赤色レーザー光ＬＲは、フィールドレンズ１０６Ｒを介して赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒに入射して変調される。緑色光用照明装置１０１Ｇから射出された緑色レーザー光ＬＧは、フィールドレンズ１０６Ｇを介して緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇに入射して変調される。青色光用照明装置１０１Ｂから射出された青色レーザー光ＬＢは、フィールドレンズ１０６Ｂを介して青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂに入射して変調される。

赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒにより変調された赤色レーザー光ＬＲ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇにより変調された緑色レーザー光ＬＧ、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂにより変調された青色レーザー光ＬＢは、色合成素子１０３に入射して合成される。色合成素子１０３により合成された光は、画像光として射出され、投射光学装置１０４によりスクリーンＳＣＲに拡大投射される。このようにして、フルカラーの投射画像が表示される。

以下、プロジェクター１００の各構成要素について説明する。
赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇ、および青色光用照明装置１０１Ｂは、射出光の色が異なるだけであって、装置構成は同様である。一例として、赤色光用のレーザー光源は、概ね５８５ｎｍ〜７２０ｎｍの波長域のレーザー光を射出する。緑色光用のレーザー光源は、概ね４９５ｎｍ〜５８５ｎｍの波長域のレーザー光を射出する。青色光用のレーザー光源は、概ね３８０ｎｍ〜４９５ｎｍの波長域のレーザー光を射出する。

赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇ、および青色光用照明装置１０１Ｂの各々は、第２ロッドレンズの第２端面がフィールドレンズ１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂを介して赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇ、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂの各々に対向するように配置されている。

図８および図９に示すように、各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂの導光体９１は、略Ｌ字状の形状を有しており、第２ロッドレンズ９２が水平方向に延在し、第１ロッドレンズ６７が鉛直方向に延在するように配置されている。また、導光体９１は、反射ミラー６４が設けられた第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂ側が上方を向くように配置されている。

フィールドレンズ１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂは、赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇ、および青色光用照明装置１０１Ｂの各々の光射出側に設けられている。フィールドレンズ１０６Ｒ，１０６Ｇ，１０６Ｂは、赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇ、および青色光用照明装置１０１Ｂの各々から射出された光を平行化し、赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇ、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂの各々に入射させる。

赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇ、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂの各々は、図示を省略するが、一対のガラス基板の間に液晶層が挟持された液晶パネルと、液晶パネルの光入射側に配置された光入射側偏光板と、液晶パネルの光射出側に配置された光射出側偏光板と、を備えている。液晶層のモードは、ＴＮモード、ＶＡモード、横電界モード等、特に限定されない。赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇ、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂの各々は、赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇ、および青色光用照明装置１０１Ｂの各々から射出された光を画像情報に応じて変調する。

色合成素子１０３は、クロスダイクロイックプリズム等により構成されている。クロスダイクロイックプリズムは、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造を有する。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、クロスダイクロイックプリズムの内面になる。クロスダイクロイックプリズムの内面では、赤色光が反射して緑色光が透過するダイクロイック面と、青色光が反射して緑色光が透過するダイクロイック面と、が互いに直交している。クロスダイクロイックプリズムに入射した緑色光は、２つのダイクロイック面を透過してそのまま射出される。クロスダイクロイックプリズムに入射した赤色光および青色光は、いずれか一方のダイクロイック面で選択的に反射されて緑色光の射出方向と同じ方向に射出される。このようにして、色合成素子１０３において、３つの色光が重ね合わされて合成され、合成された色光が投射光学装置１０４に向けて射出される。

色合成素子１０３において、赤色光、緑色光および青色光を効率良く合成するためには、色合成素子１０３に入射する時点において、一方のダイクロイック面で反射する赤色光および青色光がＳ偏光とされ、双方のダイクロイック面を透過する緑色光がＰ偏光とされていることが望ましい。ところが、赤色光用照明装置１０１Ｒ、緑色光用照明装置１０１Ｇ、および青色光用照明装置１０１Ｂの各々から射出される光がＳ偏光であるため、赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇ、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂの各々から射出される光は全てＰ偏光である。そのため、３つの色光の光路のうち、赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒと色合成素子１０３との間、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂと色合成素子１０３との間には、１／２波長板１０８がそれぞれ設けられている。これにより、色合成素子１０３に入射する３つの色光のうち、赤色光と青色光とをＳ偏光とすることができる。

投射光学装置１０４は、例えば複数のレンズにより構成されており、赤色光用液晶ライトバルブ１０２Ｒ、緑色光用液晶ライトバルブ１０２Ｇ、および青色光用液晶ライトバルブ１０２Ｂの各々により変調された光を投射する。すなわち、投射光学装置１０４は、色合成素子１０３から射出された画像光を被投射面であるスクリーンＳＣＲ上に投射する。

本実施形態のプロジェクター１００は、上記実施形態の照明装置９０を備えているため、小型である。特に本実施形態の各照明装置１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂにおいて、導光体９１は略Ｌ字状の形状を有しており、第２ロッドレンズ９２が水平方向に延在し、第１ロッドレンズ６７が鉛直方向に延在するように配置されている。これにより、プロジェクター１００を例えば机上に置いた際に占有面積を小さくすることができる。

本実施形態では、導光体９１は、第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂ側が上方を向くように配置されているが、第１ロッドレンズ６７の第２端面６７ｂ側が下方を向くように配置されていてもよい。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態の照明装置においては、プリズムと第１ロッドレンズとが別体である構成、もしくはプリズムと第１ロッドレンズと第２ロッドレンズとが別体である構成が例示されているが、これらの部材は一体化されていてもよい。また、照明装置を構成する各構成要素の形状、大きさ、数、配置、材料等の具体的な構成については、上記実施形態に限定されることなく、適宜変更が可能である。

上記実施形態においては、透過型のプロジェクターに本発明を適用した場合の例について説明したが、本発明は、反射型のプロジェクターにも適用することも可能である。ここで、「透過型」とは、液晶パネル等を含む液晶ライトバルブが光を透過する形態であることを意味する。「反射型」とは、液晶ライトバルブが光を反射する形態であることを意味する。なお、光変調装置は、液晶ライトバルブに限られず、例えばデジタルマイクロミラーデバイスが用いられてもよい。

上記実施形態において、３つの液晶パネルを用いたプロジェクターの例を挙げたが、本発明は、１つの液晶ライトバルブのみを用いたプロジェクター、４つ以上の液晶ライトバルブを用いたプロジェクターにも適用可能である。

上記実施形態では、照明装置から射出された光を液晶ライトバルブに直接入射させる構成のプロジェクターの一例を示したが、例えば照明装置から射出された光を励起光として蛍光体等の波長変換素子に入射させ、波長変換素子から射出された光を液晶ライトバルブに入射させる構成のプロジェクターであってもよい。

上記実施形態では、本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限定されない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

６０，８０，９０…照明装置、６１，９１…導光体、６１ｂ…折り返し端面、６１ｃ…全反射側面、６１ｅ…入射端面、６２…偏光分離層、６３，８１…光源部、６４…反射ミラー、６５…位相差層、６６…プリズム、６６ａ…底面、６６ｃ…第１側面、６６ｄ…第２側面、６６ｅ…第３側面、６７…第１ロッドレンズ、６７ａ…第１端面、６７ｂ…第２端面、６９…空気層、７１，８２…レーザー光源、７２…光拡散素子、９２…第２ロッドレンズ、９２ａ…第１端面、９２ｂ…第２端面、１００…プロジェクター、１０１Ｂ…青色光用照明装置（照明装置）、１０１Ｇ…緑色光用照明装置（照明装置）、１０１Ｒ…赤色光用照明装置（照明装置）、１０２Ｂ…青色光用液晶ライトバルブ（光変調装置）、１０２Ｇ…緑色光用液晶ライトバルブ（光変調装置）、１０２Ｒ…赤色光用液晶ライトバルブ（光変調装置）、１０４…投射光学装置、Ｌｓ…Ｓ偏光（第１の直線偏光）、Ｌｐ…Ｐ偏光（第２の直線偏光）。

Claims (10)

1. 非平行光であり、第１の直線偏光を含む光を射出する光源部と、
   前記光源部から入射した光を伝播させる導光体と、
   前記第１の直線偏光を透過させ、前記第１の直線偏光とは偏光方向が異なる第２の直線偏光を反射させる偏光分離層と、
   前記導光体の内部を伝播する光を反射させる反射ミラーと、
   前記導光体の内部を伝播する光に位相差を付与する位相差層と、
   を備え、
   前記導光体は、光の伝播方向に対して傾斜して設けられ、前記光源部からの光が入射する入射端面と、前記入射端面とは反対側に位置する折り返し端面と、前記入射端面および前記折り返し端面に交差する全反射側面と、を有し、
   前記光源部は、光の射出方向が前記入射端面を向くように配置され、
   前記偏光分離層は、前記入射端面上に設けられ、
   前記反射ミラーは、前記折り返し端面側に設けられ、
   前記位相差層は、前記偏光分離層と前記反射ミラーとの間に設けられ、
   前記偏光分離層を透過して前記導光体の内部に入射した前記第１の直線偏光は、前記位相差層を透過し、前記反射ミラーで反射し、前記位相差層を再度透過することによって前記第２の直線偏光に変換され、前記第２の直線偏光は、前記偏光分離層で反射して前記導光体から前記伝播方向と交差する方向に向けて射出される、照明装置。
2. 前記導光体は、プリズムと、第１ロッドレンズと、を有し、
   前記プリズムは、三角柱状の形状を有するとともに、直角三角形状の形状を有する底面と、互いに直交する第１側面および第２側面と、前記第１側面および前記第２側面に対して鋭角に交差する第３側面と、を有し、
   前記第１ロッドレンズは、四角柱状の形状を有するとともに、前記伝播方向に直交し、前記プリズムの前記第１側面に対向する第１端面と、前記第１端面とは反対側に位置する第２端面と、を有し、
   前記プリズムの前記第３側面が前記導光体の前記入射端面であり、前記第１ロッドレンズの前記第２端面が前記導光体の前記折り返し端面であり、
   前記第２の直線偏光は、前記プリズムの前記第２側面から射出される、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記プリズムの前記第１側面と前記第１ロッドレンズの前記第１端面との間に空気層が設けられている、請求項２に記載の照明装置。
4. 前記導光体は、第２ロッドレンズをさらに有し、
   前記第２ロッドレンズは、四角柱状の形状を有するとともに、前記プリズムの前記第２側面に対向する第１端面と、前記第１端面とは反対側に位置する第２端面と、を有し、
   前記プリズムの前記第２側面から射出された前記第２の直線偏光は、前記第２ロッドレンズの前記第１端面から前記第２ロッドレンズに入射し、前記第２ロッドレンズの前記第２端面から射出される、請求項２または請求項３に記載の照明装置。
5. 前記プリズムの前記第２側面と前記第２ロッドレンズの前記第１端面との間に空気層が設けられている、請求項４に記載の照明装置。
6. 前記光源部は、レーザー光源と、前記レーザー光源から射出された光を拡散させる光拡散素子と、を有する、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記光源部は、所定の発散角を有する光を射出するレーザー光源を有する、請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の照明装置。
8. 前記レーザー光源は、光の射出方向が前記入射端面と直角以外の角度をなし、かつ、前記伝播方向と平行になるように配置されている、請求項６または請求項７に記載の照明装置。
9. 前記位相差層は、前記反射ミラーと前記折り返し端面とに接している、請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の照明装置。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか一項に記載の照明装置と、
    前記照明装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
    前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備えた、プロジェクター。

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