JP4682626B2 - 照明装置及びプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、照明装置及びプロジェクタに関する。

近年、プロジェクタの光源として、固体発光素子を用いることが提案されている。特に、固体発光素子である発光ダイオード（以下、「ＬＥＤ」という。）は、超小型、超軽量、長寿命であるという特徴を有する。また、ＬＥＤは、照明目的で用いるための開発、改良によって、高輝度化及び高効率化が図られている。このことから、プロジェクタの小型化及び低消費電力化を図るために、プロジェクタの照明装置にＬＥＤを用いることが期待されている。

現在開発されているＬＥＤをプロジェクタに用いる場合、明るい画像を得るためには、複数のＬＥＤを用いる必要がある。複数のＬＥＤを用いる場合、光量分布が良好な投写像を得るために、ＬＥＤから照射された光の利用効率を向上させる照明技術を用いたプロジェクタ（画像投射装置）が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この特許文献１に記載のプロジェクタは、ＬＥＤの配列に対応させて偏光変換素子アレイが設けられ、マイクロレンズアレイにより、偏光変換素子アレイから出射した発散光束を略平行光な光束に変換される構成になっている。
特開２００２−２４４２１１号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載のプロジェクタでは、偏光変換素子アレイを通過した光は、偏光変換素子アレイの後段に配された光学系により、偏光状態を完全な直線偏光に維持できないため、光学系を通過するにつれて直線偏光から楕円偏光に変化してしまい、偏光方向が乱れてしまうおそれがある。
その結果、後段の空間光変調装置で利用できる光の成分が減少し、光利用効率の低下に伴って明るい画像が得られなくなるという問題が生じる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、偏光方向の補正を行い光利用効率の高い照明装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、以下の手段を提供する。
本発明の照明装置は、所定の偏光方向を有する光を射出する光源と、該光源から射出された光の照度分布を略均一にするロッド状導光体を含む導光素子と、前記光源から射出された光が前記導光素子を導光する間に生じる偏光方向のずれを補正する波長板とを備え、前記波長板が、前記光源から射出される光の光軸に垂直な面内で回転可能であることを特徴とする。
本発明の照明装置は、所定の偏光方向を有する光を射出する光源と、該光源から射出された光の照度分布を略均一にするロッド状導光体を含む導光素子と、前記光源から射出された光が前記導光素子を導光する間に生じる偏光方向のずれを補正する波長板とを備えることを特徴とする。

本発明に係る照明装置では、光源から射出された光は、導光素子に入射され導光素子内を導光する。導光素子内を導光した光は、照度分布が略均一となる。このとき、光源から射出された光の偏光方向に補正する波長板が設けられているため、たとえ導光素子内を導光している間に偏光方向のずれが生じたとしても、導光素子の出射端面から照射された光は、特定の方向に振動する偏光光に補正されている。したがって、その後の照明系において、消光比を落とすことなく光利用効率の高い照明光を得ることが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記波長板が、前記導光素子の射出端面に設けられていることが好ましい。
本発明に係る照明装置では、波長板が導光素子の射出端面に設けられているため、導光素子の特性や長さ等に応じて生じる偏光方向のずれを補正する波長板を設けることにより、光源から射出された光の偏光方向を確実に補正することができる。

本発明の照明装置は、前記光源が複数設けられ、前記導光素子が前記複数の光源の各々に対応して複数設けられていることが好ましい。
本発明に係る照明装置では、複数の光源に対応して複数の導光素子を設けることにより、複数の光源から射出された光を効率良く導光素子に導光することができる。これにより、大容量の光を導光素子の射出端面から射出させることが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記複数の導光素子から射出された光が入射されるとともに、入射された光の照度分布を略均一にする照度均一化素子を備えることが好ましい。
本発明に係る照明装置では、照度均一化素子を備えることにより、複数の導光素子から射出された光を一括して導光するとともに、複数の導光素子間の光を全体として均一化することができる。

また、本発明の照明装置は、前記照度均一化素子の射出端面に他の波長板が設けられていることが好ましい。
本発明に係る照明装置では、光源から射出された光が導光素子を導光した後、照度均一化素子内を導光し射出端面より射出される。このとき、均一化素子内を導光する間に偏光方向がずれた場合においても、他の波長板により偏光方向のずれを補正することが可能となる。

また、本発明の照明装置は、前記導光素子が、複数のロッド状導光体からなり、該複数のロッド状導光体間に前記波長板が配され、前記ロッド状導光体及び前記波長板が光軸方向に接続されていることが好ましい。
本発明に係る照明装置では、ロッド状導光体間に波長板が配されているため、ロッド状導光体の長さに応じて適切な波長板を設けることにより、さらに精度良く偏光方向を揃えることができる。

また、本発明の照明装置は、前記波長板が、前記光源から射出される光の光軸に垂直な面内で回転可能であることが好ましい。
本発明に係る照明装置では、波長板に入射された光に応じて波長板を回転させることにより、光が受ける位相差を調整することができ、所望の偏光方向の光を得ることができる。

本発明のプロジェクタは、上記の照明装置と、該照明装置から射出された光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、該空間光変調装置により変調された光を投射する投射レンズとを備えることを特徴とする。
本発明に係るプロジェクタでは、照明装置より射出された光は空間光変調装置に入射される。そして、空間光変調装置により変調された画像が、投射レンズによって投影される。このとき、照明装置より射出される光は、上述したように、特定の方向に振動する偏光光となっているため、空間光変調装置を通過する際、光量を落とすことがないので、高い消光比を維持するとともに、明るさが均一な画像を投射することが可能となる。

以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。

次に、本発明の一実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態のプロジェクタ１は、図１に示すように、光源から射出されたＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の異なる色光を、空間光変調装置２０ｒ、２０ｇ、２０ｂによりそれぞれ空間変調して、ダイクロイックプリズム４０により合成して、カラー画像を表示する三板式のカラープロジェクタである。

図１は、本実施形態に係るプロジェクタ１の概略を示す図である。
プロジェクタ１は、図１に示すように、それぞれＲ、Ｇ、Ｂの異なる色光を射出する照明装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂと、それぞれの照明装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂから射出されたＲ、Ｇ、Ｂの輝度を画像信号に応じて変調する透過型液晶ライトバルブ（空間光変調装置）２０ｒ、２０ｇ、２０ｂと、変調された各色光を合成してカラー画像とするダイクロイックプリズム４０と、ダイクロイックプリズム４０から射出されたカラー画像をスクリーン６０に投射する投射レンズ５０とを備えている。また、図中の符号Ｏは、照明装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂから射出された射出光の光軸を示している。

照明装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂは、図２に示すように、所定の偏光方向を有する光を射出する赤色光源部１１ｒ、緑色光源部１１ｇ、青色光源部１１ｂと、これら光源部１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから照射された光の照度分布を均一化するロッドインテグレータ（導光素子）１２と、ロッドインテグレータ１２の射出端面１６に配されたλ／４板（位相板）１３と、ロッドインテグレータ１２及びλ／４板１３を透過した光の照度分布を略均一にするロッドインテグレータ（照度均一化素子）１４とを備えている。このロッドインテグレータ１４の射出端面１７側に、透過型液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂが配されている。

各光源部１１ｒ，１１ｇ，１１ｂは、図２及び図３に示すように、Ｘ方向に並列に配置された５つの光源２１，２２，２３，２４，２５と、ロッドインテグレータ１２を挟んで光源２１，２２，２３，２４，２５と対向に配置された５つの光源２６，２７，２８，２９，３０とを備えている。さらに、光源２１〜３０の各々に対応して設けられるとともに、光源２１〜３０から射出された光の射出方向に対して略直交する方向、すなわち、Ｘ方向が長手方向となり各光源２１〜３０まで延びたロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊが配置されている。

ロッドインテグレータ１２は、光源２１，２２に対応するとともに、Ｙ方向に積層して設けられたロッドインテグレータ１２ａ，１２ｂと、光源２３，２４に対応するとともに、Ｙ方向に積層して設けられたロッドインテグレータ１２ｃ，１２ｄと、光源２５，３０に対応するとともに、Ｙ方向に積層して設けられたロッドインテグレータ１２ｅ，１２ｊと、同様に光源２６〜２９に対応してＺ方向に並列に設けられたロッドインテグレータ１２ｆ，１２ｇ，１２ｈ，１２ｉとにより構成されている。また、ロッドインテグレータ１２は、ガラスや透明樹脂等の光透過性を有する材料で構成される四角柱形状の構造物である。

さらに、ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊの端面には、光源２１〜３０から射出された光の射出方向に対して略４５度の傾斜部１５が形成されている。この傾斜部１５には、光源２１〜３０から射出された光を反射する反射膜が形成されている。反射膜は、例えば、誘電体多層膜をコーティングすることにより形成されている。

λ／４板１３は、図４に示すように、各ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊに対応して設けられている。すなわち、各ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊを導光する間に生じる偏光方向のずれを補正するようなλ／４板１３がそれぞれ設けられている。
また、λ／４板１３は、各光源部１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから照射された光が各ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊを導光する間に生じる偏光方向のずれを補正するものである。すなわち、λ／４板１３は、光源部１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから射出された所定の偏光方向を有する光が、ロッドインテグレータ１２の内面で反射を繰り返すに伴い偏光方向にずれが生じた場合、偏光方向のずれを補正するものである。したがって、λ／４板１３は、入射した光の位相を補正して直線偏光にするように調整されて貼り付けられている。
なお、本実施形態では、すべてのロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊに対してλ／４板１３を設けたが、直線偏光が大きく乱れる箇所のみλ／４板１３を設ける構成であっても良い。

光源２１〜３０は、構成が同一であるため、光源２１について説明する。光源２１は、図５に示すように、光を射出する発光部であるＬＥＤ３１と、ＬＥＤ３１から射出された光を略平行化するコリメータレンズ３２と、ＬＥＤ３１から射出された光のうち特定の振動方向の偏光光を透過させる偏光板３３と、ＬＥＤ３１から射出された光を集光させてロッドインテグレータ１２ａに入射させる集光レンズ３４とを備えている。偏光板３３は、特定の振動方向の偏光光、例えばｐ偏光光を透過させる。

ダイクロイックプリズム４０は、図１に示すように、４つの直角プリズムが貼り合わされた構造からなり、その内部には、青色光を反射する誘電体多層膜（青色光反射ダイクロイック膜４１）及び赤色光を反射する誘電体多層膜（赤色光反射ダイクロイック膜４２）が断面Ｘ字状に形成されている。そして、透過型液晶ライトバルブ２０ｇからの緑色光を透過し、透過型液晶ライトバルブ２０ｒからの赤色光と透過型液晶ライトバルブ２０ｂからの青色光とを折り曲げてこれらの３色の光を合成し、カラー画像を形成する。

次に、以上の構成からなる本実施形態のプロジェクタ１を用いて、画像をスクリーン６０に投射する方法について説明する。
なお、光源部１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから射出された各色光についての作用は同一であるので、光源部１１ｒから射出された赤色光についての作用を説明し、その他の緑色光、青色光についての作用は説明を省略する。

まず、照明装置１０ｒのＬＥＤ３１に電流が供給されると、図５に示すように、ＬＥＤ３１から赤色光がコリメータレンズ３２に向けて射出される。
コリメータレンズ３２に入射した赤色光は平行化され、偏光板３３に入射されｐ偏光光のみが透過される。偏光板３３を透過した赤色光のｐ偏光は、集光レンズ３４により集光され、各ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊに入射される。各ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊに入射された光は、内面で反射を繰り返し射出端面１６に向かいλ／４板１３に入射する。このとき、各ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊを導光する間に生じる偏光方向のずれを補正する分の位相差を持つように光軸Ｏ回りに調整されたλ／４板１３が設けられているため、λ／４板１３を通過したそれぞれの光は偏光方向が揃えられた光となっている。その後、ロッドインテグレータ１４により、各ロッドインテグレータ１２ａ〜１２ｊから入射した光の照度分布が均一化される。ロッドインテグレータ１４の射出端面１７に射出された光は、透過型液晶ライトバルブ２０ｒに入射され、プロジェクタ１に入力された映像信号に基づいて変調され、ダイクロイックプリズム４０に向けて射出される。

ダイクロイックプリズム４０には、同様に、映像信号に基づいて変調された緑色光のｐ偏光及び青色光のｐ偏光も入射される。これらの色光が、青色光を反射する青色光反射ダイクロイック膜４１と赤色光を反射する赤色光反射ダイクロイック膜４２とによって合成されてカラー画像を表す光が形成され、投射レンズ５０に向けて射出される。投射レンズ５０は、カラー画像を表す光をスクリーン６０に向けて拡大投射して、カラー画像を表示する。

本実施形態に係るプロジェクタ１及び照明装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂによれば、偏光方向のずれを補正する波長板１３を備えることにより、ロッドインテグレータ１４の射出端面１７より射出される光は、偏光方向の揃った光となる。したがって、透過型液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂに、特定の振動方向の偏光光を効率良く供給できるため、透過型液晶ライトバルブ２０ｒ、２０ｇ、２０ｂを用いるプロジェクタ１に好適な照明装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂを得られるという効果を奏する。さらに、照明装置１０ｒ、１０ｇ、１０ｂを用いることにより、照明光の消光比を落とすことなく光利用効率を高めることができ、明るい画像のプロジェクタ１を得られるという効果を奏する。

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、ロッドインテグレータ１２及びロッドインテグレータ１４としては、内面を反射面とする中空構造としても良い。また、発光部としてはＬＥＤの他にＬＤ、有機ＥＬ等を採用しても良い。
また、ロッドインテグレータ１２に代えて、図６に示すように、複数のロッド状導光体７１からなり、複数のロッド状導光体７１間に波長板１３が配され、ロッド状導光体７１及び波長板１３が光軸Ｏ方向に接続されたロッドインテグレータ７０であっても良い。この構成の場合、ロッド状導光体７１間に波長板１３が配されているため、ロッド状導光体７１の長さに対応する偏光状態のずれに応じて適切な波長板１３を設けることにより、ロッドインテグレータ７０の射出端面７０ａから射出される光の偏光方向をさらに精度良く補正することができる。また、ロッド状導光体７１及び波長板１３を一つのユニットとし、着脱可能であっても良い。この構成の場合、ユニットを繋ぎ合わせるだけで、所望の長さになるように調整することが可能となる。

また、あらかじめ調整されたλ／４板１３をロッドインテグレータ１２の射出端面に貼り付けたが、これに代えて、図７に示すように、λ／４板７５が光源２１〜３０から射出される射出光の光軸Ｏに垂直な面内で回転可能であっても良い。この構成の場合、ロッドインテグレータ１２を導光した光の偏光状態に応じてλ／４板７５を回転させることにより、所望の偏光方向の光を得ることができる。
また、ロッドインテグレータ１４の射出端面１７に、他のλ／４板（他の位相板）を設けても良い。この構成の場合、光源部１１ｒ，１１ｇ，１１ｂから射出され光が、ロッドインテグレータ１２を導光した後、ロッドインテグレータ１４内を導光する間に偏光方向がずれた場合においても、他のλ／４板により偏光方向のずれを補正することが可能となる。

また、プロジェクタは、図８に示すように、光源部８１ｒ，８１ｇ，８１ｂが、光を射出する発光部であるＬＥＤ８２と、ＬＥＤ８２から射出された光を略平行化するコリメータレンズ８３と、ＬＥＤ８２から射出された光の波長に対して１／４波長の位相差を発生させるλ／４板８４と、λ／４板８４を透過した光のうち特定の振動方向の偏光光を透過し、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光を反射する反射型偏光素子８５と、ＬＥＤ８２から射出された光を集光させてロッドインテグレータ１２ａに入射させる集光レンズ８６と、ＬＥＤ８２に設けられ、反射型偏光素子８５で反射されＬＥＤ８２の方向へ進行する光をコリメータレンズ８３の方向へ反射させる反射部８７とを備えていても良い。

この構成では、ＬＥＤ８２から射出された光は、コリメータレンズ８３により略平行にされ、反射型偏光素子８５に導かれる。反射型偏光素子８５に入射した光のうち特定の振動方向の偏光光、例えば、ｐ偏光光は透過する。これに対して、特定の振動方向とは異なる他の振動方向の偏光光、例えばｓ偏光光は反射されＬＥＤ８２に向かう。反射型偏光素子８５からＬＥＤ８２に向かった光は、ＬＥＤ８２に設けられた反射部８７で反射され、再び反射型偏光素子８５に向かって進行する。これにより、反射型偏光素子８５を透過した光及び反射部８７により反射した後反射型偏光素子８５を透過した光は、特定の方向に振動する光に揃えられている。すなわち、ＬＥＤ８２と反射型偏光素子８５との間で光のリサイクルを行うことができる。そして、ロッドインテグレータ１２及びロッドインテグレータ１４を順に進行した光は、射出端面１７から射出される。このとき、反射型偏光素子８５を透過した光が、ロッドインテグレータ１２及びロッドインテグレータ１４を進行するに伴い、例えば、楕円偏光に変化した場合においても、波長板１３が設けられているので、直線偏光に補正されることになる。したがって、光利用効率の高い照明光を得ることが可能となる。

本発明の一実施形態に係るプロジェクタを示す概略図である。 図１の照明装置を示す平面図である。 図２の照明装置のＡ−Ａ線矢視における斜視図である。 図１の波長板を示す斜視図である。 図１の光源を示す説明図である。 本発明の一実施形態に係る導光素子の変形例である。 本発明の一実施形態に係る位相板の変形例である。 本発明の一実施形態に係る光源の変形例である。

符号の説明

Ｏ…光軸、１…プロジェクタ、１０ｒ、１０ｇ、１０ｂ…照明装置、１２…ロッドインテグレータ（導光素子）、１３…λ／４板（位相板）、１４…ロッドインテグレータ（照度均一化素子）、１６…ロッドインテグレータの射出端面、１７…ロッドインテグレータの射出端面、２０ｒ、２０ｇ、２０ｂ…透過型液晶ライトバルブ（空間光変調装置）、２１〜３０…光源、５０…投射レンズ、７１…ロッド状導光体、７５……λ／４板（位相板）、

Claims (7)

1. 所定の偏光方向を有する光を射出する光源と、
   該光源から射出された光の照度分布を略均一にするロッド状導光体を含む導光素子と、
   前記光源から射出された光が前記導光素子を導光する間に生じる偏光方向のずれを補正する波長板とを備え、
   前記波長板が、前記光源から射出される光の光軸に垂直な面内で回転可能であることを特徴とする照明装置。
2. 前記波長板が、前記導光素子の射出端面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。
3. 前記光源が複数設けられ、前記導光素子が前記複数の光源の各々に対応して複数設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記複数の導光素子から射出された光が入射されるとともに、入射された光の照度分布を略均一にする照度均一化素子を備えることを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記照度均一化素子の射出端面に他の波長板が設けられていることを特徴とする請求項４に記載の照明装置。
6. 前記導光素子が、複数のロッド状導光体からなり、
   該複数のロッド状導光体間に前記波長板が配され、前記ロッド状導光体及び前記波長板が光軸方向に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の照明装置。
7. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の照明装置と、
   該照明装置から射出された光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、
   該空間光変調装置により変調された光を投射する投射レンズとを備えることを特徴とするプロジェクタ。

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