JP3944648B2

JP3944648B2 - 照明装置及びプロジェクタ

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Publication number: JP3944648B2
Application number: JP2003399347A
Authority: JP
Inventors: 秀文坂田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: JP2005157221A

Description

本発明は、照明装置、特に空間光変調装置を照明するための照明装置、並びにこれら空間光変調装置及び照明装置を用いて画像を投写するプロジェクタに関する。

発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、超高圧水銀ランプ等に比較して一般的に長寿命で、かつ光への変換効率が高いという利点を有している。このため、照明装置の光源にＬＥＤを使用する場合が多くなってきている。ここで、単体のＬＥＤは、発光量が超高圧水銀ランプ等に比較して小さい。また、プロジェクタ等の光源は、比較的大きな光量が必要とされる。このため、ＬＥＤをプロジェクタの光源に用いる場合、光量を大きくするための提案がなされている。例えば、発光波長が異なる複数種のＬＥＤを組み込んだ光源装置を利用して、プロジェクタの空間光変調装置の例である液晶型ライトバルブを照明する構成が開示されている（特許文献１参照）。この光源装置では、発光波長が僅かに異なる一対のＬＥＤからの光束をダイクロイックミラーで合波、即ち色合成することによって特定の波長領域の色光の輝度を高めて光量を増やしている。

特開２００１−４２４３１号公報

通常、色合成用のダイクロイックミラーは、透過率特性又は反射率特性が大きく切換わる近傍の波長、即ち遮断周波数がＰ偏光光とＳ偏光光とでは、それぞれ異なっている。このため、双方の偏光に対応する一対の遮断周波数に挟まれた波長領域の両外側に一対のＬＥＤの発光中心波長（以下、「ピーク波長」という。）を設定する必要がある。このようなピーク波長差は、５０ｎｍ程度に達する場合もある。このため、特許文献１に開示された光源装置では、ダイクロイックミラーの光学特性に起因して、一対のＬＥＤから射出される一対の光束のピーク波長を所定値以上に近づけることができない。この結果、一対の光束のピーク波長差が大きくなり、合波後に得られる特定色の色純度が下がってしまうという問題を生ずる。また、ピーク波長が近い一対の光束を、上述のダイクロイックミラーに入射させると、本来すべて透過させたいのに一部が反射してしまい光量損失すること、及び本来すべて反射させたいのに一部が透過してしまい光量損失することが生じてしまう。このため、従来の構成で、高い色純度で高輝度な照明光を得ることは困難である。

また、ＬＥＤを用いる光源からの光量を増加させる構成として、複数のＬＥＤをアレイ化して配置することも考えられる。これにより、ＬＥＤの数量に比例して光量を増加できる。ここで、プロジェクタにおいては、光源と空間光変調装置とを含めた光学系において、有効に扱える光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角の積（エテンデュー、ＧｅｏｍｅｔｒｉｃａｌＥｘｔｅｎｔ）として表すことができる。この面積と立体角の積は、光学系において保存される。従って、光源の空間的な広がりが大きくなると、空間光変調装置に入射する光束が存在する空間的な広がりが大きくなる。しかしながら、空間光変調装置で取り込むことができる角度は限られているため、光源からの光束を有効に用いることが困難となる。複数のＬＥＤをアレイ化して光量を増やす場合、光源の面積（空間的な広がり）も大きくなる。従って、プロジェクタにおいて、単にＬＥＤをアレイ化して光量を増加させようとしても、エテンデューが保存されるため、光源からの全ての光束を有効に用いることが困難となってしまう。この結果、光量を増加させることができないので問題である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、高い色純度で高輝度の照明光を供給できる照明装置と、この照明装置を備える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、第１の発明によれば、第１照明光を供給する第１光源と、第１照明光と異なる波長領域の第２照明光を供給する第２光源と、の少なくとも２つの光源を備える光源部と、それぞれ異なる方向から進行してくる第１照明光と第２照明光とを合成して射出する合波部とを有し、光源部と前記合波部とは、第１照明光の合波部に対する入射角度と第２照明光の合波部に対する入射角度とが略同一であり、かつ４５°未満となるように設けられていることを特徴とする照明装置を提供できる。

合波部として、例えば、ダイクロイックミラーを用いることができる。ダイクロイックミラーには、膜厚、屈折率、積層数が制御された誘電体多層膜が形成されている。そして、上述したように、ダイクロイックミラーの透過率特性又は反射率特性が大きく切換わる領域の遮断周波数である波長（以下、「エッジ波長」という。）がＰ偏光光とＳ偏光光とでは、それぞれ異なっている。一般にダイクロイックミラーは、入射角度が４５°を中心にして所定の角度範囲の光に対して所望の透過率特性又は反射率特性が得られるように設計されている場合が多い。この場合、Ｐ偏光光のエッジ波長と、Ｓ偏光光のエッジ波長とは数１０ｎｍ程度以上異なってしまうこともある。ここで、ダイクロイックミラーの反射率特性又は透過率特性は、光の入射角度に依存する。つまり、ダイクロイックミラーに対する光の入射角度を変化させると、反射率特性や透過率特性も変化する。

本発明では、まず、光源部と合波部とは、第１照明光の合波部に対する入射角度と第２照明光の合波部に対する入射角度とが略同一である。合波部の代表例として一枚のダイクロイックミラーを考える。第１照明光は、ダイクロイックミラーの第１面側から入射する。第２照明光は、ダイクロイックミラーの第１面とは異なる第２面側から入射する。そして、ダイクロイックミラーは、第１面側から入射した第１照明光を反射して所定方向へ導くことができる。また、ダイクロイックミラーは、第２面側から入射した第２照明光を透過して所定方向へ導くことができる。これにより、合波部であるダイクロイックミラーは、第１照明光と第２照明光とを合成して同一の方向へ導くことができる。本発明では、第１照明光と第２照明光とは、それぞれ異なる方向から合波部に入射する。例えば、上記代表例では、第１照明光は第１面側から入射し、第２照明光は第２面側から入射する。そして、それぞれの照明光の入射角度を同一としている。ここで、入射角度とは、入射面の法線と入射光線とのなす角度をいう。このため、ダイクロイックミラーを反射した第１照明光と、透過した第２照明光とは、同一方向に合成されて射出する。これにより、２つの照明光の合成を正確に行うことができる。

さらに、本発明では、第１照明光の合波部に対する入射角度と第２照明光の合波部に対する入射角度とが４５°未満となるように構成されている。光の入射角度が略ゼロ、即ち垂直入射の場合、Ｐ偏光やＳ偏光等の偏光状態は関係なくなってしまう。従って、垂直入射の場合は、入射光の偏光状態の影響を受ける割合いが低減される。このことから理解されるように、光の入射角度を垂直、即ち略ゼロとなる方向へ近づけるに従って、ダイクロイックミラーの透過率特性又は反射率特性の偏光依存性の影響が低減される。この結果、入射角度を４５°未満にすると、ダイクロイックミラーのＰ偏光光のエッジ波長と、Ｓ偏光光のエッジ波長との差を小さくできる。これにより、第１照明光のピーク波長と、第２照明光のピーク波長とを近づけることができる。従って、近接したピーク波長の２つの照明光を上述のように正確に合成することで、高い色純度で高輝度の照明光を供給できる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、光源部は、第１照明光と第２照明光とは異なる波長領域の第３照明光を供給する１つ以上の第３光源をさらに備え、合波部は、第１照明光と第２照明光とを合成して射出する第１合波素子と、第１合波素子から射出された合成光と第３照明光とを合成して射出する第２合波素子との、少なくとも２つの合波素子からなり、第３光源と第２合波素子とは、第３照明光の第２合波素子に対する入射角度と合成光の第２合波素子に対する入射角度とが略同一であり、かつ４５°未満となるように設けられていることが望ましい。本態様は、合波部として、少なくとも２つの第１合波素子と第２合波素子とを備えている。第１合波素子と第２合波素子とは、それぞれ第１ダイクロイックミラーと第２ダイクロイックミラーとを用いることができる。そして、第１合波素子である第１ダイクロイックミラーは、上述のように第１照明光と第２照明光とを合成して高い色純度で高輝度な合成光を射出する。さらに、第２合波素子である第２ダイクロイックミラーは、この合成光と第３色光とを、第１合波素子と同様に合成して高い色純度の高輝度な照明光を得ることができる。本態様では、第１照明光と第２照明光と第３照明光との３つのピーク波長が近接している少なくとも３つの照明光を合成できる。このため、さらに高輝度な照明光を得られる。

また、第１の発明の好ましい態様によれば、合波部は、光の透過作用と反射作用とを用いる光合成素子であり、光合成素子は、所定の振動方向の直線偏光光に対する透過特性又は反射特性が切換わる第１エッジ波長と、所定の振動方向に略直交する振動方向の直線偏光光に対する透過特性又は反射特性が切換わる第２エッジ波長とが異なり、第１エッジ波長と第２エッジ波長との間の波長領域と少なくとも一部の波長領域が重複する第１照明光と第２照明光との少なくとも一方の照明光を、所定の振動方向の直線偏光光又は所定の振動方向に略直交する振動方向の直線偏光光へ変換する偏光変換部をさらに有することが望ましい。光合成素子として、例えばダイクロイックミラーを用いる場合、第１エッジ波長と第２エッジ波長との間の波長領域では、例えばＰ偏光光とＳ偏光光との反射率特性又は透過率特性が異なる。このため、ダイクロイックミラーに入射した非偏光光、即ちランダムな偏光光のうち、第１エッジ波長と第２エッジ波長との間の波長領域と少なくとも一部の波長領域が重複する場合がある。この場合、本来すべての入射光を透過させたいのに一部がダイクロイックミラーで反射してしまい光量損失すること、及び本来すべて入射光を反射させたいのに一部がダイクロイックミラーで透過してしまい光量損失することが生ずる。本態様では、第１エッジ波長と第２エッジ波長との間の波長領域と少なくとも一部の波長領域が重複する第１照明光と第２照明光との少なくとも一方の照明光を、所定の振動方向の直線偏光光又は所定の振動方向に略直交する振動方向の直線偏光光へ変換する偏光変換部をさらに設けている。これにより、全ての照明光の光量損失を低減して高輝度な照明光を得ることができる。

また、第２の発明によれば、上述の照明装置と、照明装置からの照明光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタを提供できる。第２の発明では、上述した照明装置を有している。このため、空間光変調措置を高い色純度の高輝度な照明光で照明できる。これにより、明るく高い色純度の投写像を得ることができる。

以下に、本発明の実施例に係る照明装置、プロジェクタを添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、これらの実施例により本発明が限定されるものでない。

図１は、本発明の実施例１に係る照明装置１００の概略構成を示す。第１光源であるＬＥＤ１０１Ｇａは、非偏光光である第１照明光ＩＧａを供給する。また、第２光源であるＬＥＤ１０１Ｇｂは、第１照明光と異なる波長領域の非偏光光である第２照明光ＩＧｂを供給する。なお、第１光源、第２光源は、ＬＥＤに限られず固体発光素子、例えば、ＥＬ素子やＬＤ素子を用いることもできる。本実施例では、後述するように第１照明光ＩＧａ、第２照明光ＩＧｂともに緑色光（以下、「Ｇ光」という。）の波長領域の光である。このように、照明装置１００は、高い色純度で高輝度なＧ光を供給する装置である。

合波部であるダイクロイックミラー１０３は、それぞれ異なる方向から進行してくる第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとを合成して射出する。ダイクロイックミラー１０３は、第１面１０３ａと、第１面１０３ａとは異なる第２面１０３ｂとを有する。第１面１０３ａには，不図示の誘電体多層膜が形成されている。ＬＥＤ１０１Ｇａからの第１照明光ＩＧａは、コリメータレンズ１０２Ｇａにより略平行光に変換される。略平行光の第１照明光ＩＧａは、ダイクロイックミラー１０３の第１面１０３ａに入射角度θ１で入射する。また、略平行光の第２照明光ＩＧｂは、ダイクロイックミラー１０３の第２面１０３ｂに入射角度θ１で入射する。入射角度θ１は、４５°未満である。本実施例では、入射角度θ１＝２５°である。

このように、第１照明光ＩＧａのダイクロイックミラー１０３に対する入射角度θ１と、第２照明光ＩＧｂのダイクロイックミラー１０３に対する入射角度θ１とが同一である。第１照明光ＩＧａは、ダイクロイックミラーの第１面１０３ａ側から入射する。第２照明光ＩＧｂは、ダイクロイックミラー１０３の第１面１０３ａとは異なる第２面１０３ｂ側から入射する。そして、ダイクロイックミラー１０３は、第１面１０３ａ側から入射した第１照明光ＩＧａを反射して所定方向へ射出する。また、ダイクロイックミラー１０３は、第２面１０３ｂ側から入射した第２照明光ＩＧｂを透過して所定方向へ射出する。これにより、ダイクロイックミラー１０３は、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとを合成して同一の方向へ射出できる。このように、それぞれ異なる方向からダイクロイックミラー１０３に入射する照明光の入射角度θ１を同一としている。ここで、入射角度θ１とは、入射面の法線と入射光線とのなす角度をいう。このため、ダイクロイックミラー１０３の第１面１０３ａを反射した第１照明光ＩＧａと、第２面１０３ｂを透過した第２照明光ＩＧｂとは、同一方向に合成されて射出する。これにより、２つの照明光ＩＧａ、ＩＧｂの合成を正確に行うことができる。

さらに、上述のように、第１照明光ＩＧａのダイクロイックミラー１０３に対する入射角度θ１と第２照明光ＩＧｂのダイクロイックミラー１０３に対する入射角度θ１とが４５°未満、例えば本実施例のように２５°となるように構成されている。次に、本実施例におけるダイクロイックミラー１０３の透過率特性を、従来技術の透過率特性と対比して説明する。

図２−１は、ダイクロイックミラー１０３の透過率特性を示す。図２−１において、横軸は波長λ（ｎｍ）、縦軸は透過率Ｔ（％）をそれぞれ示す。ダイクロイックミラー１０３は、ハイパスフィルタの機能を有する。そして、不図示の誘電体多層膜からなるダイクロイック面は、透過率Ｔが偏波依存性を有している。図２−１において、実線で示すＳ偏光光の透過率特性曲線ＴＳと、破線で示すＰ偏光光の透過率特性曲線ＴＰとは、それぞれ異なる特性である。第１エッジ波長λＥＰ（Ｔ＝１０％）は、透過率特性曲線ＴＰの透過端に相当する。第２エッジ波長λＥＳ（Ｔ＝１０％）は、透過率特性曲線ＴＳの透過端に相当する。本実施例では、第１エッジ波長λＥＰと第２エッジ波長λＥＳとの差は略１０ｎｍである。また、図２−１には、第１及び第２照明光ＩＧａ、ＩＧｂの輝度分布が任意単位（縦軸）で重ねて表示されている。本実施例では、第１エッジ波長λＥＰと第２エッジ波長λＥＳとの差を、後述する従来技術のものよりも小さくできる。このため、第１照明光ＩＧａのピーク波長λＧａと、第２照明光ＩＧｂのピーク波長λＧｂとを近づけることができる。

図２−２は、従来技術のダイクロイックミラーの透過率特性と照明光の輝度分布とを図２−１と同様に示す。従来技術の透過率特性曲線ＴＳ、ＴＰは、本実施例の透過率特性に比較して２５ｎｍほど短波長側へシフトしている。そして、第１エッジ波長λＥＰと第２エッジ波長λＥＳとの差は本実施例よりも大きく、略２０ｎｍ以上である。従来技術の場合、第１照明光ＩＧｘを全て反射させるために、そのピーク波長λＧｘは略５１０ｎｍ以下とする必要がある。また、第２照明光ＩＧｙを全て透過させるために、そのピーク波長λＧｙは略５４０ｎｍ以上とする必要がある。このように、従来技術の構成では、２つの照明光のピーク波長λＧｘ、λＧｙがかけ離れてしまうため、色純度が低下してしまう。

ダイクロイックミラー１０３への光の入射角度θ１が略ゼロ、即ち垂直入射の場合は、透過率特性又は反射率特性と、Ｐ偏光やＳ偏光等の偏光状態とは関係なくなってしまう。従って、垂直入射の場合は、入射光の偏光状態の影響を受ける割合いが低減される。このことからわかるように、光の入射角度を垂直、即ち略ゼロとなる方向へ近づけるに従って、ダイクロイックミラー１０３の透過率特性又は反射率特性の偏光依存性の影響が低減される。この結果、入射角度θ１を４５°未満にすると、ダイクロイックミラー１０３のＰ偏光光の第１エッジ波長λＥＰと、Ｓ偏光光の第２エッジ波長λＥＳとの差を小さくできる。これにより、第１照明光ＩＧａのピーク波長λＧａと、第２照明光λＧｂのピーク波長λＧｂとを近づけることができる。従って、近接したピーク波長の２つの照明光を正確に合成して射出することで、高い色純度で高輝度の照明光を供給できる。

図３は、本発明の実施例２に係る照明装置２００の概略構成を示す。上記実施例１では、第１照明光ＩＧａ、第２照明光ＩＧｂともに非偏光光である。これに対して、本実施例では、第２照明光ＩＧｂを特定の振動方向の直線偏光光にしている点が上記実施例１と異なる。その他の上記実施例１と同一の部分には、同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

ＬＥＤ１０１Ｇｂからの第２照明光ＩＧｂは、非偏光光であり、上述したようにコリメータレンズ１０２Ｇｂで略平行光に変換される。略平行光に変換された第２照明光ＩＧｂは、λ／４波長板２０２を透過して反射型偏光子２０１に入射する。１／４波長板２０２は、後述するように入射光の偏光状態を変換する機能を有する。また、反射型偏光子２０１は、特定の振動方向の偏光成分、例えばＰ偏光成分を抽出できる。反射型偏光子２０１としてはグリッド型偏光子を用いることができる。グリッド型偏光子は、光透過性の基板上にＡｌ等のストライプを数百ｎｍ程度のピッチで周期的に形成して構成されている。そして、グリッド型偏光子は、入射光のうち所定方向の偏光光のみを選択的に透過させるとともに残りを反射させる。このように、グリッド型偏光子は、吸収による光量損失が少ないという利点を有する。反射型偏光子２０１は、非偏光光である第２照明光ＩＧｂのうち、Ｐ偏光成分を透過して射出し、Ｓ偏光成分を反射する。反射型偏光子２０１を反射したＳ偏光成分は、１／４波長板２０２を再度通過することによって、円偏光に変換される。円偏光に変換された第２照明光ＩＧｂは、ＬＥＤ１０１Ｇｂの方向へ戻る。そして、ＬＥＤ１０１Ｇｂのチップ上に形成されている不図示の反射部、例えば金属電極等でさらにコリメータレンズ１０２Ｇｂの方向へ反射される。この反射により円偏光成分の回転方向が逆回りへ反転する。そして、逆回りの円偏光成分は、再度、１／４λ波長板２０２を透過してＰ偏光光に変換される。反射型偏光子２０１は、Ｐ偏光成分を透過して、ダイクロイックミラー１０３の方向へ射出する。これにより、反射型偏光子２０１は、第２照明光ＩＧｂをＰ偏光に変換して射出できる。

図４は、ダイクロイックミラー１０３の透過率特性と照明光の輝度分布とを図２−１と同様に示す。本実施例のダイクロイックミラー１０３の透過率特性は、実施例１における透過率特性と略同一である。本実施例では、ＬＥＤ１０１Ｇｂからの第２照明光ＩＧｂのピーク波長λＧｂが実施例１に比較して短波長側へシフトして設定されている。このため第２照明光ＩＧｂの一部の波長領域と、第１エッジ波長λＥＰと第２エッジ波長λＥＳとの間の波長領域とが重複している。この重複している波長成分を図４において斜線を付して示す。図４のような透過率特性において、第２照明光ＩＧｂが実施例１のように非偏光光の場合、ダイクロイックミラー１０３は斜線を付した成分のうちＳ偏光成分を反射してしまう。本来、ダイクロイックミラー１０３は、第２照明光ＩＧｂを全て透過することが望ましい。このため、第２照明光ＩＧｂは反射による光量損失が生じてしまう。

本実施例では、合波部であるダイクロイックミラー１０３は、光の透過作用と反射作用とを用いる光合成素子である。そして、ダイクロイックミラー１０３は、所定の振動方向の直線偏光光、例えばＰ偏光光に対する透過の第１エッジ波長λＥＰと、所定の振動方向に略直交する振動方向の直線偏光光、例えばＳ偏光光に対する透過第２エッジ波長λＥＳとが異なる。さらに、上述したように、偏光変換部である反射型偏光子２０１は、第１エッジ波長λＥＰと第２エッジ波長λＥＳとの間の波長領域と少なくとも一部の波長領域が重複する第２照明光ＩＧｂを、所定の振動方向であるＰ偏光光へ変換する。これにより、ダイクロイックミラー１０３は、第２照明光ＩＧｂを反射による光量損失することなく透過できる。また、ダイクロイックミラー１０３は、実施例１と同様にＬＥＤ１０１Ｇａからの第１照明光ＩＧａを反射する。そして、２つの照明光ＩＧａ、ＩＧｂのピーク波長λＥＰ、λＥＳを実施例１に比較して、さらに近接させることができる。入射角度θ１に関しては、第１照明光ＩＧａのダイクロイックミラー１０３に対する入射角度θ１と、第２照明光ＩＧｂのダイクロイックミラー１０３に対する入射角度θ１とが同一である。そして、入射角度θ１＝２５°である。これらにより、照明装置２００では、照明光の光量損失を低減して、さらに色純度が高く、高輝度な照明光を得ることができる。

図５は、本発明の実施例３に係る照明装置３００の概略構成を示す。上記実施例１、実施例２では２つのＬＥＤ１０１Ｇａ、１０１Ｇｂを用いている。これに対して、本実施例では、３つのＬＥＤを用いる点が異なる。上記各実施例と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

本実施例では、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとは異なる波長領域の第３照明光ＩＧｃを供給する１つ以上の第３光源であるＬＥＤ１０１Ｇｃをさらに備えている。３つのＬＥＤ１０１Ｇａ、１０１Ｇｂ、１０１Ｇｃで光源部を構成する。そして、合波部は、第１合波素子である第１ダイクロイックミラー１０３と、第２合波素子である第２ダイクロイックミラー１０４とからなる。第１ダイクロイックミラー１０３は、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとを合成して射出する。第１ダイクロイックミラー１０３が照明光を合成する構成は上記実施例１と同一である。つまり、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとの入射角度θ１はそれぞれ同一であり、かつ入射角度θ１は４５°未満である。

さらに、第２ダイクロイックミラー１０４は、第１ダイクロイックミラー１０３から射出された合成光ＩＧａｂと第３照明光ＩＧｃとを合成して射出する。第３光源であるＬＥＤ１０１Ｇｃと第２ダイクロイックミラー１０４とは、第３照明光ＩＧｃの第２ダイクロイックミラー１０４に対する入射角度θ２と、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとの合成光ＩＧａｂの第２ダイクロイックミラー１０４に対する入射角度θ２とが同一である。そして、入射角度θ２は４５°未満となるように設けられている。

図６は、図２−１と同様に、２枚のダイクロイックミラー１０３、１０４と３つの照明光ＩＧａ、ＩＧｂ、ＩＧｃの輝度分布とを重ねて示す。本実施例では、３つ以上の複数のＬＥＤからの照明光を合成するものであり、その概念を説明するために図６の横軸λは任意の波長の値とする。第１ダイクロイックミラー１０３の透過率特性曲線ＴＰ１、ＴＳ１は、上記実施例１と同様のものである。ピーク波長λＧａの第１照明光ＩＧａは、第１ダイクロイックミラー１０３で第２ダイクロイックミラー１０４の方向へ反射される。ピーク波長λＧｂの第２照明光ＩＧｂは、第１ダイクロイックミラー１０３で第２ダイクロイックミラー１０４の方向へ透過される。このように、第１ダイクロイックミラー１０３は、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとの合成光ＩＧａｂを射出する。

第２ダイクロイックミラー１０４のＰ偏光成分の透過率特性曲線ＴＰ２とＳ偏光成分の透過率特性曲線ＴＳ２とは、第１ダイクロイックミラー１０３の透過率特性曲線ＴＰ１、ＴＳ１よりも短波長側にシフトしている。そして、第２ダイクロイックミラー１０４は、透過率特性曲線ＴＳ２のエッジ波長よりも大きい波長側で、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとの合成光ＩＧａｂを透過する。また、第２ダイクロイックミラー１０４は、透過率特性曲線ＴＰ２のエッジ波長よりも小さい波長側で、第３照明光ＩＧｃを反射する。これにより、第２ダイクロイックミラー１０４は、合成光ＩＧａｂを透過し、第３照明光ＩＧｃを反射して合成できる。

ここで、３つの照明光ＩＧａ、ＩＧｂ、ＩＧｃの中心軸（光軸）を略一致させて合成することが望ましい。中心軸を略一致させることで、後述するような空間光変調装置を照明するときに、効率良く照明できる。このために、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとの第１ダイクロイックミラー１０３に対する入射角度θ１は相互に等しくする。同様に、合成光ＩＧａｂと第３照明光ＩＧｃとの第２ダイクロイックミラー１０４に対する入射角度θ２は相互に等しくする。また、入射角度θ１と入射角度θ２とは、ともに４５°未満である。なお、入射角度θ１と入射角度θ２とは、同一でも異なっていても良い。このように、本実施例では、第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂと第３照明光ＩＧｃとのピーク波長λＧａ、λＧｂ、λＧｃがそれぞれ近接している少なくとも３つの照明光を合成できる。このため、さらに高輝度な照明光を得られる。さらに、図６に斜線を付して示す領域は、透過により光量損失してしまう場合がある。この場合、第１照明光ＩＧａ、第３照明光ＩＧｃをともにＳ偏光光とすることで光量損失を低減できる。なお、本実施例では、３つの照明光を合成する構成を用いて説明している。しかしながら、これに限られるものではなく、４つ以上のＬＥＤからの照明光も同様にして合成することができる。

図７は、実施例４に係るプロジェクタ４００の概略構成を示す。プロジェクタ４００は、Ｇ光を供給するために実施例１に係る照明装置１００を用いている。ＬＥＤ１０１Ｒは、赤色光（以下、「Ｒ光」という。）を供給する。ＬＥＤ１０１Ｂは、青色光（以下、「Ｂ光」という。）を供給する。一般に、Ｒ光とＧ光とＢ光とを投写して、全体として白色の投写画像を得るためには、Ｇ光の光束量を全体の光束量に対して６０％から８０％程度にする必要がある。このため、本実施例では、Ｒ光、Ｂ光に比較してＧ光の光量を増やすために、照明装置１００は高輝度なＧ光を供給するように配置している。

まず、Ｒ光について説明する。ＬＥＤ１０１ＲはＲ光を射出する。コリメータレンズ１０２Ｒは、Ｒ光を略平行光に変換して射出する。平行化されたＲ光はインテグレータ光学系４３０Ｒに入射する。インテグレータ光学系４３０Ｒは、入射光を均一化させて空間光変調装置である透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒを重畳的に照明する。インテグレータ光学系４３０Ｒとしては、フライアイレンズ又はロッドレンズ等で構成することができる。

次に、Ｂ光について説明する。ＬＥＤ１０１ＢはＢ光を射出する。コリメータレンズ１０２Ｂは、Ｂ光を略平行光に変換して射出する。平行化されたＢ光は上述したものと同様のインテグレータ光学系４３０Ｂに入射する。インテグレータ光学系４３０Ｂは、入射光を均一化させて空間光変調装置である透過型液晶ライトバルブ４３１Ｂを重畳的に照明する。

次に、Ｇ光について説明する。Ｇ光は、上記実施例１の照明装置１００を用いて供給される。これにより、実施例１で述べたように、高い色純度で高輝度なＧ光を得ることができる。照明装置１００からのＧ光は、インテグレータ光学系４３０Ｇに入射する。インテグレータ光学系４３０Ｇは、入射光を均一化させて空間光変調装置である透過型液晶ライトバルブ４３１Ｇを重畳的に照明する。

各透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂにそれぞれ入射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、これら透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂによって画像信号に応じて空間的に変調される。各透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂを通過した各色の光は、クロスダイクロイックプリズム４３２に入射する。クロスダイクロイックプリズム４３２は、第１クロスダイクロイック膜４３２ａと第２クロスダイクロイック膜４３２ｂとをＸ字型に配列して構成されている。第１クロスダイクロイック膜４３２ａは、Ｇ光を透過し、Ｂ光を反射する。第２クロスダイクロイック膜４３２ｂは、Ｇ光を透過し、Ｒ光を反射する。これにより、クロスダイクロイックプリズム４３２は、Ｒ光、Ｇ光、Ｂ光を合成して射出する。クロスダイクロイックプリズム４３２から射出した合成光の像は、投写レンズ４４０に入射してプロジェクタ４００外部に設けたスクリーン（不図示）に適当な拡大率で投影される。このように、プロジェクタ４００によって、各透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂに形成された各色光の画像を合成した画像が、スクリーン上に動画又は静止画として投写される。なお、図示を省略しているが、各透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂの周辺の適所には、これらの各透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂを偏光光で照明し読み出すため、適当な偏光板が適当な状態で配置されている。

以上説明したプロジェクタ４００によれば、ダイクロイックミラー１０３を用いて第１照明光ＩＧａと第２照明光ＩＧｂとを効率よく合成（合波）できる。このため、合波によって最終的に得られるＧ色照明光の純色度を高くして、かつ輝度向上を図ることができる。この結果、明るく、色再現性の良好な投写像を得られる。

図８は、本発明の実施例５に係るプロジェクタ５００の概略構成を示す。本実施例のプロジェクタ５００は、実施例４のプロジェクタ４００を変形したものであり、透過型液晶ライトバルブの代わりにデジタルマイクロミラーデバイス（以下、「ＤＭＤ」という。テキサスインスツルメント社製）を用いている。上記各実施例と同一の部分には、同一の符号を付し重複する説明は省略する。

ＬＥＤ１０１ＲからのＲ光は、コリメータレンズ１０２Ｒで略平行光に変換されてクロスダイクロイックプリズム４３２に入射する。また、ＬＥＤ１０１ＧからのＧ光は、コリメータレンズ１０２Ｇで略平行光に変換されてクロスダイクロイックプリズム４３２に入射する。

そして、上記実施例１で説明した照明装置１００からのＧ光は、略平行にされた状態でクロスダイクロイックプリズム４３２に入射する。クロスダイクロイックプリズム４３２は、実施例４と同様にＲ光、Ｇ光、Ｂ光を合成して射出する。合成された光は、インテグレータ光学系５０１に入射する。インテグレータ光学系５０１としては、フライアイレンズ又はロッドレンズ等で構成することができる。インテグレータ光学系５０１から射出された各色の合成光は、レンズ５０２及びミラー５０３を経由してＤＭＤ５０４上に重畳的に均一に照射される。この際、レンズ５０２の位置及び焦点距離を適宜調節することにより、ＤＭＤ５０４を均一に照明することができる。

ＤＭＤ５０４は、公知の構造を有し、２次元マトリックス状に配列され画素を構成する多数のマイクロミラーと、これらマイクロミラーの姿勢を個別に調節するアクチュエータと、アクチュエータの動作を制御する制御回路とを基板上に一体的に形成したものである。ＤＭＤ５０４に適当な画像信号を入力することにより、各画素に対応するマイクロミラーからの反射光を投写レンズ５０５の瞳に入射させる状態（ＯＮ状態）、又は入射させない状態（ＯＦＦ状態）に制御できる。そして、投写レンズ５０５によってＤＭＤ５０４に入力された画像信号に対応する画像がスクリーン（不図示）上に投写される。

図９−１〜図９−５は、実施例５のプロジェクタ５００における１フレームの動作を説明する図である。図９−１は、フレーム期間を示す。図９−２は、Ｇ階調表現信号を示す。図９−３は、Ｂ階調表現信号を示す。図９−４は、Ｒ階調表現信号を示す。図９−５は、クロック信号を示す。図９−２のＧ階調表現信号は、Ｇ階調表現期間ＧＫに対応し、この間だけ図８に示すＬＥＤ１０１Ｇａ、１０１Ｇｂが点灯する。また、図９−３のＢ階調表現信号は、Ｂ階調表現期間ＢＫに対応し、この間だけ図８のＬＥＤ１０１Ｂが点灯する。また、図９−４のＲ階調表現信号は、Ｒ階調表現期間ＲＫに対応し、この間だけ図８のＬＥＤ１０１Ｒが点灯する。図９−２に示すＧ階調表現期間ＧＫは、ｎビットの画像強度に対応してｎ個の単位時間（２⁰，２¹，２²，…，２^(n-1)）に分割されている。

例えばＧ光の特定画素の画像信号が最大値であるとき、ｎ個の単位時間の全て、つまりＧ階調表現期間ＧＫのほぼ全期間でＤＭＤ５０４の特定マイクロミラーをＯＮ状態とする。一方、Ｇ光の特定画素の画像信号が最小値であるとき、ｎ個の単位時間の全て、つまりＧ階調表現期間ＧＫのほぼ全期間で対応するマイクロミラーをＯＦＦ状態とする。このような手法により、Ｇ階調表現期間ＧＫ中、各画素におけるＧ色の強度信号に応じてマイクロミラーをＯＮ・ＯＦＦ時間が調節される。同様に、Ｂ階調表現期間ＢＫやＲ階調表現期間ＲＫも、ｎ個の単位時間に分割され、各色の強度信号に応じてマイクロミラーのＯＮ・ＯＦＦ時間が調節される。

以上のプロジェクタ５００によれば、Ｇ色に対応するＬＥＤ１０１Ｇａ、１０１Ｇｂからの両照明光ＩＧａ、ＩＧｂを高い色純度で合波してＤＭＤ５０４に入射させることができる。このため、投写される画像の輝度を高めることができるだけでなく、良好な色再現の投写像を得ることができる。

以上実施例に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施例に限定されるものではない。例えば実施例４のプロジェクタ４００では、空間光変調装置が透過型液晶ライトバルブ４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂで構成されているが、反射型の液晶素子で構成することもできる。また、液晶ライトバルブは、光書き込み型の液晶ライトバルブとすることもできる。

また、上記実施例では、波長が近似する一対のＧを合波してＧ光の高い色純度で輝度を高める場合について説明しているが、他のＲ光、Ｂ光についても、ピーク波長が近接する一対の光源光を合波して１つの照明光とすることができる。

また、上記各実施例においてはダイクロイックミラーがハイパスフィルタの機能を有する構成について説明している。本発明は、これに限られず、ダイクロイックミラーがローパスフィルタの機能を有する構成でも同様に適用することができる。さらに、ダイクロイックミラーにおける反射作用又は透過作用は、所定の方向へ複数の照明光を合成して射出することができれば、いずれの作用を用いても良い。例えば、実施例１において、ダイクロイックミラー１０３が、第１照明光ＩＧａを透過し、第２照明光ＩＧｂを反射して合成する構成でも良い。さらに、全ての照明光についてそれぞれ偏光状態を制御することもできる。照明光として非偏光光を用いずに、偏光光を用いれば光量損失を低減できるため、さらに高輝度な照明光を得ることができる。

以上のように、本発明に係る照明装置は、高い色純度で高輝度な照明光を供給する場合に有用であり、とくに空間光変調装置を照明するのに好適である。

実施例１に係る照明装置の概略構成図。実施例１のダイクロイックミラーの光学特性図。従来技術のダイクロイックミラーの光学特性図。実施例２に係る照明装置の概略構成図。実施例２のダイクロイックミラーの光学特性図。実施例３に係る照明装置の概略構成図。実施例３のダイクロイックミラーの光学特性図。実施例４に係るプロジェクタの概略構成図。実施例５に係るプロジェクタの概略構成図。フレーム期間を示す図。Ｇ階調表現信号を示す図。Ｂ階調表現信号を示す図。Ｒ階調表現信号を示す図。クロック信号を示す図。

符号の説明

１００照明装置、１０１Ｇａ、１０１Ｇｂ、１０１ＧｃＬＥＤ、１０２Ｇａ、１０２Ｇｂ、１０２Ｒ、１０２Ｂコリメータレンズ、１０３ダイクロイックミラー、１０３ａ第１面、１０３ｂ第２面、１０４ダイクロイックミラー、２００照明装置、２０１反射型偏光子、２０２ λ／４波長板、３００照明装置、４００プロジェクタ、４３０Ｒ、４３０Ｂ、４３０Ｇインテグレータ光学系、４３２クロスダイクロイックプリズム、４３１Ｒ、４３１Ｇ、４３１Ｂ透過型液晶ライトバルブ、４３２ａ、４３２ｂダイクロイック膜、４４０投写レンズ、５００プロジェクタ、５０１インテグレータ光学系、５０２レンズ、５０３ミラー、５０５投写レンズ、ＩＧａ、ＩＧｂ照明光、ＩＧａｂ合成光、ＩＧｘ、ＩＧｙ照明光、ＴＰ、ＴＳ、ＴＰ１、ＴＰ２、ＴＳ１、ＴＳ２透過率特性曲線、θ１、θ２入射角度、λＥＰ、λＥＳエッジ波長、λＧａ、λＧｂピーク波長、λＧｘ、λＧｙピーク波長

Claims

第１照明光を供給する第１光源と、前記第１照明光と異なる波長領域の第２照明光を供給する第２光源と、の少なくとも２つの光源を備える光源部と、
それぞれ異なる方向から進行してくる前記第１照明光と前記第２照明光とを合成して射出する合波部とを有し、
前記光源部と前記合波部とは、前記第１照明光の前記合波部に対する入射角度と前記第２照明光の前記合波部に対する入射角度とが略同一であり、かつ４５°未満となるように設けられており、
前記合波部は、前記第１照明光及び前記第２照明光のうちのいずれか一方の照明光を反射するとともに、他方の照明光を透過するダイクロイックミラーであり、
前記ダイクロイックミラーは、所定の振動方向の直線偏光光に対する透過特性又は反射特性が切換わる波長領域の第１エッジ波長と、前記所定の振動方向に略直交する振動方向の直線偏光光に対する透過特性又は反射特性が切換わる波長領域の第２エッジ波長とが異なり、
前記第１照明光と前記第２照明光のうち少なくとも一方の照明光は、前記第１エッジ波長と前記第２エッジ波長との間の波長領域と少なくとも一部の波長領域が重複しており、
前記第１エッジ波長と前記第２エッジ波長との間の波長領域と少なくとも一部の波長領域が重複する前記少なくとも一方の照明光を、前記所定の振動方向の直線偏光光又は前記所定の振動方向に略直交する振動方向の直線偏光光へ変換して前記ダイクロイックミラーへ射出する偏光変換部をさらに有することを特徴とする照明装置。
前記光源部は、前記第１照明光と前記第２照明光とは異なる波長領域の第３照明光を供給する１つ以上の第３光源をさらに備え、
前記合波部は、前記第１照明光と前記第２照明光とを合成して射出する第１ダイクロイックミラーと、前記第１ダイクロイックミラーから射出された合成光と前記第３照明光とを合成して射出する第２ダイクロイックミラーとの、少なくとも２つの合波素子からなり、
前記第３光源と前記第２ダイクロイックミラーとは、前記第３照明光の前記第２ダイクロイックミラーに対する入射角度と前記合成光の前記第２ダイクロイックミラーに対する入射角度とが略同一であり、かつ４５°未満となるように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。
請求項１又は２に記載の照明装置と、
前記照明装置からの照明光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、
変調された光を投写する投写レンズとを有することを特徴とするプロジェクタ。