JP5590038B2 - 光学素子、光源装置、及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光を出射するために導光体及びホログラムを利用した光学素子、光源装置及び投射型表示装置に関する。

発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いる光源装置を有するＬＥＤプロジェクタが提案されている。固体光源であるＬＥＤは、放電ランプに比べて、水銀フリー、点灯動作のクイックスタート／クイックオフが可能、耐久性が高い、などのメリットを有している。従来のこの種のＬＥＤプロジェクタは、光源装置と、光源装置からの光が入射する照明光学系と、照明光学系からの光が入射する液晶表示板を有するライトバルブと、ライトバルブからの光を投射面上に投射するための投射光学系と、を備えて構成されている。

そして、このようなＬＥＤプロジェクタでは、投射映像の輝度を高めるために、光源装置から投射面上までの光路において光損失が可能な限り生じないようにすることが求められている。

光損失が生じる要因としては、主に以下の２つが考えられる。

第一に、液晶表示板やダイクロイックプリズムが偏光依存性を有することに起因する偏光損失が挙げられる。

第二に、光路上に配置された各光学素子に入射せずに外れる光が生じる、すなわち各光学素子におけるケラレによる光損失が挙げられる。これは以下の理由による。光源装置が有する光学素子からの出射光の放射角（立体角）と発光面積との積（エテンデュー（Ｅｔｅｎｄｕｅ））を、表示素子の面積と投射レンズのＦナンバーで決まる取り込み角（立体角）との積の値以下にしなければ、光源装置からの光が投射光として利用できないためである。

上述の光損失に関する課題を解決する１つの対策として、液晶表示素子へ入射する光を生成することを目的に、ホログラムと導光体で構成される光学素子を採用することが提案されている。

ホログラムと導光体を利用する光学素子の一例として、特許文献１には、図１に示すように、光源としてのＬＥＤ１０２からの光が入射する導光体１０３と、この導光体１０３からの光を回折するホログラム１０４と、通過する光が有する互いに直交する偏光成分に所定の位相差を付与する偏光変換層１０５と、この偏光変換層１０５からの特定の方向の偏光成分を有する直線偏光の光のみを出射する偏光分離層１０６と、を備える光学素子１０１が開示されている。

また、ホログラムと導光体を利用する光学素子の他の例として、特許文献２には、図２に示すように、光源としての冷陰極管１１２からの光が入射する導光体１１３と、この導光体１１３からの特定の方向の偏光成分を有する直線偏光の光のみを回折するホログラム１１４と、このホログラム１１４で回折された光が入射する１／４波長板１１５と、この１／４波長板１１５を通過した光を反射する反射板１１６と、を備える光学素子１１１が開示されている。また、この光学素子１１１には、ホログラム１１４で回折された偏光の光が入射する拡散板１１７、偏光板１１８、液晶セル１１９、偏光板１２０が光路に沿ってそれぞれ配置されている。また、この光学素子１１１では、冷陰極管１１２からの光を反射する反射板１２１を備えており、冷陰極管１１２からの光が、反射板１２１によって平行光にされて導光体１１３に入射されている。

特開２００３−２０７６４６（図１） 特開平１１−２８１９７８（図１）

しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成では、特定方向の偏光成分を有する直線偏光の光のうち、臨界角以内の光が出射されてしまうので、光学素子１０１からの出射光の立体角が大きいという問題がある。したがって、この構成では、光学素子１０１から、ある特定方向の偏光成分を有する直線偏光の光に変換された出射光の指向性が低い問題がある。

また、特許文献２に記載の構成では、冷陰極管１１２から平行光にされた光が導光体１１３に入射されているので、ホログラム１１４が、ある特定の入射角で入射した光のみを回折するように設定されている。したがって、この構成において、光源としてＬＥＤを用いた場合、ＬＥＤからの光のうち、特定方向の偏光成分かつ上述の平行光と平行に入射する光だけしか、ホログラム１１４で回折することができない。その結果、ＬＥＤからの光のうち、ホログラム１１４で回折されずに透過する大量の光が導光体１１３から外部に漏れ出てしまうことを招く。すなわち、特許文献２に記載の構成において、光源としてＬＥＤを用いた場合には、ホログラム１１４での光の利用率が小さい問題がある。

本発明の目的は、上記関連する技術の問題を解決し、特定方向の偏光成分を有する直線偏光であり、かつ、高い指向性を有する光を高効率で出射できる光学素子、これを備える光源装置及び投射型表示装置を提供することである。

上述した目的を達成するため、本発明に係る光学素子は、第１の面及びこの第１の面に対向する第２の面を有して光源から光が入射する導光体と、導光体の第１の面の上に積層されて導光体から入射した光のうち、偏光成分が特定の方向の第１の直線偏光の光を透過し、偏光成分が第１の直線偏光と直交方向の第２の直線偏光の光を反射する第１の偏光分離層と、第１の偏光分離層の上に積層されて所定の入射角の範囲内で入射した第１の直線偏光の光を所定の回折角に回折すると共に第２の直線偏光の光に変換する偏光ホログラム層と、偏光ホログラム層の上に積層されて偏光ホログラム層から入射した光のうち、第２の直線偏光の光を透過し、かつ第１の直線偏光の光を反射する第２の偏光分離層と、導光体の第２の面側に設けられた反射層と、導光体の第１の面と反射層との間に設けられ入射する光に通過前後で通過する光が持つ互いに直交する偏光成分に位相差を付与する位相差層と、を備える。

また、本発明に係る光源装置は、本発明の光学素子と、導光体の外周部に配置された光源と、を備える。

また、本発明に係る投射型表示装置は、本発明の光源装置と、光源装置の出射光に画像情報を付与する表示素子と、表示素子の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える。

上述したように本発明によれば、光源から光学素子へ入射する光を、特定方向の直線偏光の光へ変換し、かつ、高い指向性の出射光を高効率に生成することができる。

特許文献１の構成を説明するための斜視図である。 特許文献２の構成を説明するための斜視図である。 第１の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 第１の実施形態における偏光ホログラム層のホログラム形成工程を説明するための模式図である。 第１の実施形態における偏光ホログラム層に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たす場合の回折作用を説明するための模式図である。 第１の実施形態における偏光ホログラム層に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たさない場合を説明するための模式図である。 偏光ホログラム層における、［回折効率／光損失］の値と光の利用率との関係を示す図である。 偏光ホログラム層における、ブラッグ角からのズレ角と回折効率との関係を示す図である。 偏光ホログラム層における、ホログラムの多重度と各ホログラムの回折効率との関係を示す図である。 第２の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 第２の実施形態の光源装置を発光素子側から模式的に示す側面図である。 第３の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 第３の実施形態の光源装置の導光体における光の振る舞いを説明するための模式図である。 第４の実施形態の光源装置を模式的に示す斜視図である。 第４の実施形態の光源装置が備える偏光ホログラム層のホログラム形成工程を説明するための模式図である。 第４の実施形態における偏光ホログラム層に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たす場合の回折作用を説明するための模式図である。 第４の実施形態における偏光ホログラム層に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たさない場合を説明するための模式図である。 第４の実施形態の光源装置が備える第１の偏光分離層及び光伝播方向変換層を模式的に示す斜視図である。 第４の実施形態の光源装置が備える光伝播方向変換層を模式的に示す平面図である。 実施形態のＬＥＤプロジェクタを模式的に示す平面図である。 実施形態のＬＥＤプロジェクタが備える光源装置を模式的に示す平面図である。 他の実施形態のＬＥＤプロジェクタを模式的に示す斜視図である。

以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図３に、第１の実施形態の光源装置の斜視図を示す。なお、光源装置において、実際の個々の層の厚さが非常に薄く、またそれぞれ層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケール、比率で図を描くことが困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、各層を模式的に示している。

図３に示すように、第１の実施形態の光源装置１は、光源としての発光素子１０と、この発光素子１０から出射された光が入射する光学素子１１とを備えている。

光学素子１１は、発光素子１０から出射された光が入射する導光体１２を備えている。導光体１２は、平板状に形成されており、側面に、発光素子１０からの光が入射する光入射部としての光入射面１２ａが形成されている。また、導光体１２は、光学素子１１から出射光が出射される側に、第１の面１２ｂを有しており、この第１の面１２ｂに対向する側に、第２の面１２ｃを有している。

光源装置１の周囲の媒質は、固体、液体、気体のいずれであってもよく、光学素子１１における、発光素子１０からの光の入射側と、光学素子１１からの光の出射側とがそれぞれ異なる媒質であってもよい。

本実施形態では、発光素子１０が、平板状の導光体１２の側面に対向する位置に配置されている。発光素子１０としては、例えば固体光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザダイオード、スーパールミネッセントダイオード、または超高圧水銀灯等が用いられる。発光素子１０は、導光体１２の光入射面１２ａから離されて配置されてもよく、例えばライトパイプのような導光部材によって導光体１２と光学的に接続される構成が採られてもよい。

以下、説明の便宜上、偏光分離層１３の光が透過する偏光軸に平行な方向をＸ方向とし、偏光分離層１３の光が透過する偏光軸に直交する方向をＹ方向とし、発光素子１０からの光のＸ偏光成分、及び偏光変換された偏光方向がＸ方向の直線偏光の光も含めて「Ｘ偏光」と称し、図面中に実線矢印で示す。同様に、発光素子１０からの光のＹ偏光成分、及び偏光変換された偏光成分がＹ方向の直線偏光の光も含めて「Ｙ偏光」と称し、図面中に破線矢印で示す。

光学素子１１は、図３に示すように、導光体１２の第１の面１２ｂの上に積層されて導光体１２から入射したＸ偏光を透過し、かつＹ偏光を反射する第１の偏光分離層１３と、この第１の偏光分離層１３の上に積層されて所定の入射角の範囲内で入射したＸ偏光のみを所定の回折角に回折すると共にＹ偏光に変換する偏光ホログラム層１４と、この偏光ホログラム層１４の上に積層されて偏光ホログラム層１４から入射した光のうち、Ｙ偏光を透過し、かつＸ偏光を反射する第２の偏光分離層１５と、を備えている。

また、光学素子１１は、導光体１２の第２の面１２ｃ側に設けられた反射層１８と、導光体１２の第２の面１２ｃと反射層１８との間に設けられ入射する光の互いに直交する偏光成分に、通過前後で位相差を９０度付与する位相差層１７と、を備えている。

実施形態では、導光体２が平板状に形成されているが、導光体２の形状は直方体に限定されるものではない。

第１の偏光分離層１３及び第２の偏光分離層１５は、例えばフォトニック結晶や偏光子が用いられている。また、第１の偏光分離層１３及び第２の偏光分離層１５は、フォトニック結晶を用いる場合には、光学素子１１からの光の出射側の界面に、偏光分離作用を有する周期構造が形成されている。

第１の偏光分離層１３は、導光体からの光の一方の偏光成分のみ、例えばＸ偏光のみを透過し、Ｙ偏光を反射する。第２の偏光分離層１５は、光が透過する偏光軸が第１の偏光分離層１３の光が透過する偏光軸と直交するように配置され、第１の偏光分離層１３とは逆に、偏光ホログラム層１４からの光の他方の偏光のみ、例えばＹ偏光のみを透過し、Ｘ偏光を反射する。

偏光ホログラム層１４は、干渉縞を構成するホログラム１４ａを有しており、ホログラム１４ａよって、ブラッグの回折条件を満たす入射光のみを回折し、かつ、偏光変換する機能を有している。

図４Ａ〜図４Ｃに、偏光ホログラム層１４のホログラム形成工程及び回折作用を説明するための模式図を示す。図４Ａは、ホログラム形成工程を説明する模式図である。図４Ｂは、偏光ホログラム層１４に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たす場合の回折作用を説明するための模式図である。図４Ｃは、偏光ホログラム層１４に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たさない場合を説明するための模式図である。ここで、偏光ホログラム層１４への光の入射角、及び、偏光ホログラム層１４からの光の出射角は、偏光ホログラム層１４の第１の偏光分離層１３との界面に直交する方向を０度とする。

図４Ａに示すように、例えばアゾベンゼン系のフォトポリマー等のホログラム材料を用いて、例えば厚さ１ｍｍ程度に形成されたホログラム材料に、参照光２０ａ及び信号光２０ｂを所定の干渉角θ１をなすようにそれぞれ照射する。アゾベンゼンは、分子の光学軸に直交する方向の偏光成分と光学軸に平行な方向の偏光成分に対しそれぞれ異なる屈折率をもつ複屈折性を有し、かつ、照射光の偏光方向と直交する方向に分子の長軸方向が配向するので、照射光の偏光分布を、分子の配向分布として記録可能である。ここでは、ホログラム材料に対して、参照光２０ａとしてのＸ偏光を所定の入射角（干渉角）θ１で照射すると共に、信号光２０ｂとしてＹ偏光を０度の入射角でそれぞれ照射することによって、所望のホログラム１４ａを形成する。

このようにホログラム１４ａが形成されることによって、図４Ｂに示すように、偏光ホログラム層１４に入射する光の入射角θ１がブラッグの回折条件を満たす場合、偏光ホログラム層１４の界面に対して入射角θ１で入射したＸ偏光が、波数ベクトルＫを基準にブラッグ角θBraggで回折されると共にＹ偏光に変換される。そして、このＹ偏光は、偏光ホログラム層１４から０度の出射角で出射される。

図４Ｃに示すように、偏光ホログラム層１４に入射する光の入射角がブラッグの回折条件を満たさない場合、偏光ホログラム層１４の界面に対して入射角θ２（入射角θ１よりも角度△θBraggだけ小さい入射角）で入射したＸ偏光が、ホログラム１４ａによって回折されず、かつＹ偏光に変換されずに、偏光ホログラム層１４を透過する。したがって、偏光ホログラム層１４に入射角θ２で入射した光は、偏光ホログラム層１４から出射角θ２で出射される。

また、入射角θ１が特定の角度の光でなく、特定の角度範囲を有する光の場合、それぞれの所定の入射角に対応する複数のホログラム１４ａを偏光ホログラム層１４の中に形成する。

図５は、図３に示した構成において、光学素子１１内を多重反射する光に関して、ホログラム１４ａで回折する際の回折効率ηと、ある回折から次の回折までの光損失αの比率である［回折効率η／光損失α］の値と、光学素子１１へ入射する光と偏光ホログラム層１４から回折される全ての光との比率である光の利用率との関係を示す図である。図５に示すように、［回折効率η／光損失α］の値を「８」程度に設定した場合には、偏光ホログラム層１４の利用率が９０％程度になる。したがって、例えば損失αを０．１２５％とすると光学素子１１の利用率を９０％程度とするためには、回折効率ηを１％に設定すればよい。

図６は、偏光ホログラム層１４における、ブラッグ角θBraggからのズレ角と回折効率との関係を示す図である。計算条件は、波長４６０ｎｍの光を用いて、上述した参照光２０ａと信号光２０ｂとの干渉角θ１を４５[ｄｅｇ]（偏光ホログラム層１４に入射する光の入射角θ１を４５[ｄｅｇ]）、偏光ホログラム層１４全体の厚さを１０００μｍ、屈折率変調を１．２４ｅ−５としている。半値全幅が０．０３[ｄｅｇ]であり、つまりブラッグ角θBraggに対して±０．０１５[ｄｅｇ]ずれた入射角θ１の光を±０．０１５［ｄｅｇ］の角度分布を有する光として回折する角度選択性を有している。

ここで、ホログラム媒体に記録されたホログラムＭを評価する性能指標として、Ｍ／＃（Ｍナンバー）が知られている。厚さ１ｍｍ当たりの媒体のＭ／＃は式１で表される。

式１に示すように、Ｍ／＃は、ホログラムＭにおける回折効率から算出される。ホログラム媒体として例えばフォトポリマーを用いた場合に、Ｍ／＃＝８０〜１００程度が実現可能である。

図７は、偏光ホログラム層１４における、ホログラム１４ａの多重度と各ホログラムの回折効率との関係を示す図である。ホログラム１４ａを、アゾベンゼンからなるＭ／＃＝８０の媒体に多重記録することとして計算している。図７から、入射光に対する回折効率が１％であるホログラム１４ａを８００多重する、つまり同一面上に８００個のホログラム１４ａを重ね合わせて形成することができる。

偏光ホログラム層１４は、上述したように、ホログラム材料に参照光２０ａ及び信号光２０ｂを照射する際、例えば信号光２０ｂと参照光２０ａとの間の干渉角を一定に保ったままで、信号光２０ｂを照射する角度及び参照光２０ａを照射する角度を０．０３［ｄｅｇ］ずつ８００回ずらすことで、複数のホログラム１４ａを多重に形成する。このとき、偏光ホログラム層１４の全てのホログラム１４ａによる角度選択性は、０．０３×８００＝２４［ｄｅｇ］の範囲となる。つまり、偏光ホログラム層１４は、光学素子１１内の２４［ｄｅｇ］の角度範囲の光を、２４［ｄｅｇ］の角度範囲の光として回折させて出射させる。ここで、光学素子１１の屈折率を１．５、光学素子１１外部の空気の屈折率を１とすると、光学素子１１と空気との境界における臨界角は４２［ｄｅｇ］である。したがって、偏光ホログラム層１４の角度選択性が、光学素子１１と空気との境界における臨界角よりも小さいので、光学素子１１は、特開２００３−２０７６４６号公報に記載の構成よりも出射光の指向性を高めることができる。

また、偏光ホログラム層１４は、ホログラム材料に参照光２０ａ及び信号光２０ｂを照射する際、例えば信号光２０ｂの照射する角度を固定し、信号光２０ｂに対して参照光２０ａを照射する角度を８００回ずらすことで、複数のホログラム１４ａを多重に形成してもよい。このように複数のホログラム１４ａを形成することで、異なる入射角の光を、それぞれのホログラム１４ａの角度選択性に応じた角度範囲で回折することが可能となる。このとき、ホログラム１４ａを作製する際の信号光２０ｂと参照光２０ａとの間の干渉角は、０［ｄｅｇ］＜干渉角＜９０［ｄｅｇ］の範囲内である。この範囲内では干渉角が大きいほど角度選択性が狭くなる。このため、例えば、全てのホログラム１４ａの干渉角を４５［ｄｅｇ］よりも大きくすると、干渉角４５［ｄｅｇ］で全ホログラム１４ａを作製した場合と比べて回折角の分布が狭くなるので、全ホログラム１４ａの角度選択性は０．０３［ｄｅｇ］よりも小さくなる。

なお、偏光ホログラム層１４の厚みを薄くすることで、偏光ホログラム層１４が有する角度選択範囲を広げることが可能である。但し、角度選択範囲を広げた場合には、偏光ホログラム層１４の回折効率が低下し、光損失が増えてしまう。このため、偏光ホログラム層１４の特性は、角度選択性と光損失との兼ね合いで適宜設定される。

また、ホログラム１４ａの多重数を増やすことで、偏光ホログラム層１４が有する角度選択範囲を広げることが可能である。但し、角度選択範囲を広げた場合には、偏光ホログラム層１４の回折効率が低下し、光損失が増えてしまう。このため、偏光ホログラム層１４の特性は、角度選択性と光損失との兼ね合いで適宜設定される。

光学素子１１が備える位相差層１７は、導光体１２の第２の面１２ｃに設けられている。位相差層１７は、１／４波長板が用いられており、位相差層１７を通過する光が有する互いに直交する偏光成分に９０度の位相差を付与する。これによって、導光体１２から位相差層１７に入射した光は、位相差層１７を通過して反射層１８で反射された後、位相差層１７を再度通過することで、前記位相差が１８０度付与されて偏光変換される。なお、本実施形態では、位相差層１７が導光体１２の第２の面１２ｃに設けられたが、この構成に限定されるものではなく、導光体１２の内部に設けられてもよい。

光学素子１１が備える反射層１８は、位相差層１７の、導光体１２の第２の面１２ｃの反対側に設けられている。反射層１８としては、例えば銀、アルミニウム等の金属材料からなる金属膜や、誘電体多層膜が用いられる。また、反射層１８は、図示しないが、光散乱作用を有する凹凸構造や、粒子等の散乱体が設けられてもよい。なお、反射層１８に光散乱作用を有する構造を設ける場合、光は散乱時に偏光状態が変化し、導光体１２内を多重反射する過程で偏光変換されるので、導光体１２に位相差層１７を設けなくてもよい。

以上のように構成された第１の実施形態の光源装置１について、発光素子１０から光学素子１１に入射された光が、光学素子１１から出射される作用を説明する。

図３に示すように、発光素子１０から出射された光は、導光体１２の光入射面１２ａから入射し、導光体１２内を多重反射しながら伝播する。このとき、発光素子１０からの入射光の一方の偏光成分であるＸ偏光のみが第１の偏光分離層１３を透過し、入射光の他方の偏光成分であるＹ偏光が、第１の偏光分離層１３で反射される。

第１の偏光分離層１３を透過したＸ偏光は、偏光ホログラム層１４に入射する。偏光ホログラム層１４に入射した光のうち、所定の入射角θ１のＸ偏光は、ホログラム１４ａによって波数ベクトルＫに対してブラッグ角θBraggだけ回折され、かつＹ偏光に変換される。そして、本実施形態における偏光ホログラム層１４は、上述した角度選択範囲を有しているので、偏光ホログラム層１４に所定の入射角の範囲内で入射したＸ偏光を、多重されたホログラム１４ａによってそれぞれのホログラム１４ａの波数ベクトルＫからブラッグ角θBraggだけ回折し、かつＹ偏光に変換する。したがって、偏光ホログラム層１４に所定の入射角の範囲内で入射したＸ偏光は、偏光ホログラム層１４からＹ偏光として所定の出射角の範囲で出射される。

また、偏光ホログラム層１４に所定の入射角の範囲以外の入射角θ２で入射したＸ偏光は、回折及び偏光変換されることなく、偏光ホログラム層１４を透過する。

偏光ホログラム層１４から出射されたＹ偏光は、第２の偏光分離層１５を通過し、光学素子１１から出射光として出射される。つまり、偏光ホログラム層１４が有する角度選択性によって指向性が高められた出射光が光学素子１１から出射される。

また、偏光ホログラム層１４を通過したＸ偏光は、第２の偏光分離層１５で反射される。第２の偏光分離層１５で反射されたＸ偏光は、偏光ホログラム層１４及び第１の偏光分離層１３を通過し、導光体１２内に戻される。

一方、発光素子１０から導光体１２に入射した光のうち、第１の偏光分離層１３で反射されたＹ偏光は、位相差層１７に入射する。導光体１２から位相差層１７に入射したＹ偏光は、位相差層１７を通過し、反射層１８で反射された後、位相差層１７を再度通過することで、透過した光が有する互いに直交する偏光成分に１８０度の位相差が付与される。したがって、導光体１２から位相差層１７に入射したＹ偏光は、反射層１８で反射されて、Ｘ偏光に変換されて導光体１２内に戻される。また同様に、上述したように第２の偏光分離層１５で反射されて導光体１２内に戻されたＸ偏光は、位相差層１７に入射され、反射層１８で反射され、位相差層１７からＹ偏光として導光体１２内に戻される。

なお、上述した実施形態における偏光ホログラム層１４は、複数のホログラム１４ａが多重に、すなわち重ね合わされて形成されたが、必要に応じて、複数のホログラム１４ａが多層に、すなわち積層されて形成されてもよい。

上述したように、第１の実施形態の光源装置１の光学素子１１は、偏光ホログラム層１４が有する角度選択性を利用することで、光学素子１１から出射光の立体角を狭めて指向性を高めることができる。また、第１の実施形態における光学素子１１では、発光素子１０からの、広帯域な角度分布を有する光を、狭帯域な入射角（出射角）分布を有するホログラム１４ａを、その回折効率を下げてホログラムを多重化させた偏光ホログラム層１４を用いることで、発光素子１０からの光の利用率が高められている。したがって、光学素子１１は、発光素子１０から光学素子１１へ入射する光を、偏光方向が特定方向の直線偏光の光へ変換し、かつ、高い指向性の出射光を高効率に生成することができる。

以下、他の実施形態の光源装置を説明する。他の実施形態の光源装置は、第１の実施形態の光源装置と比べて、光学素子の構成のみが異なる。なお、他の実施形態における光学素子において、第１の実施形態と同一の構成部材には、第１の実施形態と同一の符号を付して説明を省略する。

（第２の実施形態）
図８に、第２の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図９は、第２の実施形態の光源装置を発光素子側から示す側面図である。

図８及び図９に示すように、第２の実施形態の光源装置２は、上述した第１の実施形態における光学素子１１の反射層１８が、光学素子１１の他の面を覆うように形成されている点が、第１の実施形態と比べて異なっている。

反射層１８は、発光素子１０から光が入射する光入射部１１ａとしての開口と、光学素子１１の光出射部１１ｂとを除く他の全ての面をそれぞれ覆って形成されている。

第２の実施形態の光源装置によれば、光入射部１１ａ及び光出射部１１ｂを除く光学素子１１の周囲に反射層１８が設けられることによって、発光素子１０から導光体１２内に入射する光の利用率を更に向上することができる。

なお、第２の実施形態では、反射層１８が光学素子１１の側面にわたって形成されたが、反射層１８が導光体１２における光入射部１１ａ及び第１の偏光分離層１３との界面を除く他の周囲の面を覆うように、反射層１８が導光体１２のみに形成されてもよい。

（第３の実施形態）
図１０に、第３の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図１１に、第３の実施形態の光源装置の導光体における光の振る舞いを説明するための模式図である。図１０に示すように、第３の実施形態の光源装置３は、上述した第１の実施形態における光学素子１１の導光体１２の形状が、第１の実施形態と比べて異なっている。

第３の実施形態の光源装置３が備える光学素子２１は、発光素子１０から光が入射する光入射面２２ａが形成された導光体２２を備えている。この導光体２２は、図１０及び図１１に示すように、台形形状に形成されており、第１の偏光分離層１３が積層される第１の面２２ｂと、この第１の面２２ｂに対向する第２の面２２ｃと、光入射面１２ａに対向する第３の面２２ｄとを有している。そして、導光体２２の第２の面２２ｃは、光入射面１２ａ側から第３の面２２ｄ側に向かって、導光体２２の厚みが徐々に薄くなるように傾斜されており、第１の面２２ｂに平行な面に対して傾斜角Φ１で傾斜されている。また、導光体２２の第２の面２２ｃには、位相差層１７及び反射層１８が積層されて形成されている。

以上のように構成された光学素子２１の導光体２２において、第１の偏光分離層１３で反射されたＹ偏光の振る舞いについて、図１１を参照して説明する。

図１１に示すように、発光素子１０から導光体２２内に入射され、第１の偏光分離層１３に入射角θで入射したＹ偏光は、第１の偏光分離層１３で反射角θで反射される。そして、第１の偏光分離層１３で反射されたＹ偏光は、第１の面２２ｂの法線に対して角度θで、第２の面２２ｃに接する位相差層１７に入射することになる。

このとき、位相差層１７に入射したＹ偏光は、第２の面２２ｃが傾斜角Φ１で傾斜されているので、位相差層１７及び反射層１８によってＸ偏光に変換されると共に、第１の面２２ｂの法線に対して角度（θ−２Φ１）で第２の面２２ｃに接する位相差層１７から出射されることになる。

このため、位相差層１７から出射されたＸ偏光は、上述した入射角θよりも小さい入射角（θ−２Φ１）で、第１の偏光分離層１３に入射する。したがって、第１の偏光分離層１３に入射角（θ−２Φ１）で入射したＸ偏光は、第１の偏光分離層１３を透過し、偏光ホログラム層１４に入射角（θ−２Φ１）で入射する。

第３の実施形態の光源装置３によれば、第１の面２２ｂに平行な面に対して傾斜された第２の面２２ｃを有する導光体２２を備えることで、第１の偏光分離層１３で反射されたＹ偏光が、位相差層１７及び反射層１８でＸ偏光に変換された後に、偏光ホログラム層１４に入射する入射角θを、導光体２２の第２の面２２ｃの傾斜角Φ１に応じて小さくすることが可能になる。したがって、光源装置３の光学素子２１によれば、偏光ホログラム層１４が有する角度選択範囲よりも大きな入射角の光を、偏光ホログラム層１４が有する角度選択範囲内の入射角の光に変換することで、偏光ホログラム層１４の利用率を向上し、発光素子１０からの光の利用率を向上することができる。

なお、第３の実施形態では、導光体２２の第２の面２２ｃが、光入射面１２ａ側から第３の面２２ｄ側に向かって、導光体２２の厚みが薄くなる傾斜面にされたが、光入射面１２ａ側から第３の面２２ｄ側に向かって、導光体２２の厚みが徐々に厚くなる傾斜面にされてもよい。さらに、導光体２２の第２の面２２ｃは、発光素子１０の光軸に平行な方向において傾斜する構成に限定されず、発光素子１０の光軸に直交する方向において傾斜されてもよい。

また、第３の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、反射層１８が、光学素子２１の光入射部及び光出射部を除く他の面を覆うように設けられてもよく、発光素子１０からの光の利用率を更に高めることができる。

（第４の実施形態）
図１２に、第４の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図１２に示すように、第４の実施形態の光源装置４は、第１の実施形態における光学素子１１に光伝播方向変換層３２を加えた点が、第１の実施形態と異なっている。ここで、光伝播方向変換層３２への光の入射角及び出射角は、光伝播方向変換層３２の導光体１２との界面に直交する方向に対する傾斜角である。つまり、光伝播方向変換層３２の導光体１２との界面に直交する光の入射角及び出射角を０度とする。

第４の実施形態の光源装置４における光学素子３１は、導光体１２と、第１の偏光分離層１３との間に、導光体１２から入射した光を所定の出射角に変換して第１の偏光分離層１３に出射する光伝播方向変換層３２が設けられている。つまり、光伝播方向変換層３２は、導光体１２から入射する光の偏光成分としてのＸ偏光及びＹ偏光を回折し、所定の出射角、例えば０度の出射角で出射する。

また、第４の実施形態における光学素子３１は、光伝播方向変換層３２を備える構成を採っているので、光伝播方向変換層３２から入射角が０度で入射した光を回折して出射角｛（π／２）−θBragg｝で出射する偏光ホログラム層３４を備えている。

図１３Ａ〜図１３Ｃに、第４の実施形態の光源装置が備える偏光ホログラム層３４のホログラム形成工程及び回折作用を説明するための模式図を示す。図１３Ａは、ホログラム形成工程を説明する模式図である。図１３Ｂは、偏光ホログラム層３４に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たす場合の回折作用を説明するための模式図である。図１３Ｃは、偏光ホログラム層３４に入射する光の入射角が、ブラッグの回折条件を満たさない場合を説明するための模式図である。

図１３Ａに示すように、ホログラム層３４を形成するホログラム材料には、参照光３５ａ及び信号光３５ｂを所定の干渉角θ１をなすようにそれぞれ照射する。ここでは、ホログラム材料に対して、参照光３５ａとしてのＸ偏光を０度の入射角で照射すると共に、信号光３５ｂとしてＹ偏光を入射角（干渉角）θ１でそれぞれ照射することによって、所望のホログラム３４ａを形成する。

このようにホログラム３４ａが形成されることによって、図１３Ｂに示すように、偏光ホログラム層３４に入射する光の入射角がブラッグの回折条件を満たす場合、偏光ホログラム層３４の界面に対して０度の入射角で入射したＸ偏光が、波数ベクトルＫに対してブラッグ角θBraggで回折されると共にＹ偏光に変換される。そして、このＹ偏光は、偏光ホログラム層３４から出射角｛（π／２）−θBragg｝で出射される。

図１３Ｃに示すように、偏光ホログラム層３４に入射する光の入射角がブラッグの回折条件を満たさない場合、偏光ホログラム層３４の界面に対して、入射角△θBraggで入射したＸ偏光が、ホログラム３４ａによって回折されず、かつＹ偏光に変換されずに、偏光ホログラム層３４を透過する。したがって、偏光ホログラム層３４に入射角△θBraggで入射した光は、偏光ホログラム層３４から出射角△θBraggで出射される。

図１４は、第４の実施形態の光源装置が備える第１の偏光分離層及び光伝播方向変換層を模式的に示す斜視図である。図１５は、第４の実施形態の光源装置が備える光伝播方向変換層を模式的に示す平面図である。

第１の偏光分離層１３は、図１４に示すように、偏光ホログラム層３４との界面に、表面格子構造が設けられている。第１の偏光分離層１３は、光伝播方向変換層３２から入射角が０度で入射するＸ偏光を透過し、かつ、光伝播方向変換層３２から入射角が０度で入射するＹ偏光を反射する。

光伝播方向変換層３２は、図１５に示すように、結晶構造が三角格子構造を有する二次元フォトニック結晶が用いられている。光伝播方向変換層３２は、２つの逆格子ベクトルΓ−Ｍ、Γ−Ｘのなす角度が６０度であり、三角格子状に配列された周期構造３２ａを有している。周期構造３２ａは、円柱状の突起または穴によって構成されている。

第４の実施形態における光学素子３１によれば、導光体１２からの光を所定の出射角に変換して出射する光伝幡方向変換層３２を備えることで、偏光ホログラム層３４に入射する光の入射角の範囲が狭められる。このため、導光体１２からの光を、ブラッグの回折条件を満たす光として偏光ホログラム層３４に効率良く導くことが可能になる。したがって、光源装置４の光学素子３１によれば、発光素子１０からの光の利用率を更に向上することができる。

なお、第４の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、反射層１８が、光学素子３１の光入射部及び光出射部を除く他の面を覆うように設けられてもよく、発光素子１０からの光の利用率を更に高めることができる。

また、上述した第１〜第４の実施形態では、偏光ホログラム層が、偏光ホログラム層に入射したＸ偏光を回折し、Ｙ偏光に変換する構成を挙げて説明した。しかし、この構成と逆に、偏光ホログラム層が、入射したＹ偏光を回折し、Ｘ偏光に変換する構成にされてもよいことは勿論である。この構成の場合、第１及び第２の偏光分離層も同様に、上述した第１〜第４の実施形態の第１及び第２の偏光分離層１３，１５が透過する偏光とは直交方向の偏光を透過するように構成される。

また、本実施形態の光源装置は、画像表示装置の光源装置として用いられるのに好適であり、投射型表示装置が備える光源装置や、液晶表示板（ＬＣＤ）の直下型光源装置、いわゆるバックライトとして携帯型電話機、ＰＤＡ（Personal Data Assistant）等の電子機器に用いられてもよい。

最後に、上述した第１から第４の実施形態の光源装置が適用される投射型表示装置としてのＬＥＤプロジェクタの構成例について図面を参照して説明する。図１６は、実施形態のＬＥＤプロジェクタを示す模式図である。

図１６に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタ６は、赤（Ｒ）光用光源装置５１Ｒ、緑（Ｇ）光用光源装置５１Ｇ、及び青（Ｂ）光用光源装置５１Ｂと、これらの光源装置５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂからの出射光がそれぞれ入射する表示素子としての液晶表示板５２Ｒ、５２Ｇ、５２Ｂと、これらの液晶表示板５２Ｒ、５２Ｇ、５２Ｂによってそれぞれ画像情報が付与されて入射されたＲ、Ｇ、Ｂ光を合成するクロスダイクロイックプリズム５３と、このクロスダイクロイックプリズム５３からの出射光をスクリーン等の投射面５５上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系５４と、を備えている。このＬＥＤプロジェクタ６では、同時加法混色方式を採っており、いわゆる３板型液晶プロジェクタと同様に構成されている。

図１６は、実施形態のＬＥＤプロジェクタ６が備えるＲ光用光源装置５１Ｒを示す平面図である。Ｒ光用光源装置５１Ｒの構成を一例として説明するが、Ｇ光用光源装置５１Ｇ及びＢ光用光源装置５１ＢもＲ光用光源装置５１Ｒと同様に構成されている。

図１７に示すように、Ｒ光用光源装置５１Ｒは、発光素子としての複数のＲ光用ＬＥＤ５６Ｒと、これらのＲ光用ＬＥＤ５６Ｒからの光がそれぞれ入射する光学素子５７と、を備えている。光学素子５７が有する導光体５８は、主面が正方形に形成された平板状に形成されており、周囲の４つの側面５８ａ〜５８ｄにそれぞれ対向する位置に、複数のＲ光用ＬＥＤ５６Ｒが配列されている。

この光学素子５７は、上述した実施形態における光学素子１１，２１，３１と同様に構成されている。

また、光学素子５７の導光体５８には、複数のＲ光用ＬＥＤ５６Ｒからの光が、側面５８ａ〜５８ｄからそれぞれ入射されるので、導光体５８への入射方向が異なる光がそれぞれ入射されている。このため、本実施形態における光学素子５７が有する偏光ホログラム層（不図示）は、導光体５８に対する入射方向が異なる光にそれぞれ対応する４種類のホログラムを有している。これらのホログラムは、多重されて形成されているが、多層されて形成されてもよいことは勿論である。

本実施形態のＬＥＤプロジェクタ６によれば、上述した実施形態の光源装置が適用された光源装置５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂを備えることで、投射映像の輝度を向上することができる。

図１８は、他の実施形態のＬＥＤプロジェクタを示す模式図である。図１８に示すように、実施形態のＬＥＤプロジェクタ７は、光源装置６１と、この光源装置６１からの出射光が入射する液晶表示板５２と、この液晶表示板５２からの出射光をスクリーン等の投射面５５上に投射する投射レンズ（不図示）を含む投射光学系５4と、を備えている。

ＬＥＤプロジェクタ７が備える光源装置６１は、光学素子５７の導光体５８の一側面に、Ｒ光用ＬＥＤ５６Ｒ、Ｇ光用発光素子５６Ｇ、及びＢ光用発光素子５６Ｂがそれぞれ配置されている。このＬＥＤプロジェクタ７では、時分割方式を採っており、図示しない制御回路部によって、Ｒ光用ＬＥＤ５６Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５６Ｇ、及びＢ光用ＬＥＤ５６Ｂのいずれか１つのみが発光するように切り換えられる。

また、光学素子５７の導光体５８には、発光波長が異なるＲ光用ＬＥＤ５６Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５６Ｇ、及びＢ光用ＬＥＤ５６Ｂからの光が、導光体５８にそれぞれ入射されている。このため、本実施異形態における光学素子５７が有する偏光ホログラム層（不図示）は、Ｒ光用ＬＥＤ５６Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５６Ｇ、及びＢ光用ＬＥＤ５６Ｂからの発光波長が異なる光にそれぞれ対応する３種類のホログラムを有している。これらのホログラムは、多重されて形成されているが、多層されて形成されてもよいことは勿論である。

また、光学素子５７の導光体５８には、複数のＲ光用ＬＥＤ５６Ｒ、Ｇ光用ＬＥＤ５６Ｇ、Ｂ光用ＬＥＤ５６Ｂからの光を、図１７に示したように導光体５８の周囲の４つの側面５８ａ〜５８ｄから入射させてもよい。この構成の場合、光学素子５７が有する偏光ホログラム層（不図示）は、導光体５８に対する入射方向（４方向）及び波長（３波長）が異なる光にそれぞれ対応する１２種類のホログラムを有している。これらのホログラムは、多重されて形成されてもよいし、多層されて形成されてもよい。

本実施形態のＬＥＤプロジェクタ７によれば、上述した実施形態の光源装置が適用された光源装置６１を備えることで、投射映像の輝度を向上することができる。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。本発明の構成や詳細は、本発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。

この出願は、２００９年１０月５日に出願された日本出願特願２００９−２３１４５４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

Claims (16)

1. 第１の面及び該第１の面に対向する第２の面を有し、光源から光が入射する導光体と、
   前記導光体の前記第１の面の上に積層され、前記導光体から入射した光のうち、偏光成分が特定の方向の第１の直線偏光の光を透過し、偏光成分が該第１の直線偏光と直交方向の第２の直線偏光の光を反射する第１の偏光分離層と、
   前記第１の偏光分離層の上に積層され、所定の入射角の範囲内で入射した前記第１の直線偏光の光を所定の回折角に回折すると共に第２の直線偏光の光に変換する偏光ホログラム層と、
   前記偏光ホログラム層の上に積層され、前記偏光ホログラム層から入射した光のうち、前記第２の直線偏光の光を透過し、かつ前記第１の直線偏光の光を反射する第２の偏光分離層と、
   前記導光体の前記第２の面側に設けられた反射層と、
   前記導光体の前記第１の面と前記反射層との間に設けられ、入射する光の互いに直交する偏光成分に、通過前後で位相差を付与する位相差層と、
   を備える光学素子。
2. 前記偏光ホログラム層は、異なる入射角で入射した前記第１の直線偏光の光をそれぞれ前記所定の回折角に回折する複数のホログラムが多重に形成されている、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記偏光ホログラム層は、異なる入射角で入射した前記第１の直線偏光の光をそれぞれ前記所定の回折角に回折する複数のホログラムが多層に形成されている、請求項１に記載の光学素子。
4. 前記偏光ホログラム層は、発光波長が異なる光にそれぞれ対応する複数種類のホログラムを有する、請求項１に記載の光学素子。
5. 前記偏光ホログラム層は、前記導光体への入射方向が異なる光にそれぞれ対応する複数種類のホログラムを有する、請求項１に記載の光学素子。
6. 前記反射層は、散乱体を含んで構成されている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。
7. 前記導光体と前記第１の偏光分離層との間に設けられ、前記導光体からの光を所定の出射角の光に変換して前記第１の偏光分離層へ出射する光伝播方向変換層を更に備えている、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光学素子。
8. 前記光伝播方向変換層は、周期構造を有している、請求項７に記載の光学素子。
9. 前記光伝播方向変換層は、フォトニック結晶からなる、請求項８に記載の光学素子。
10. 前記第１の偏光分離層及び前記第２の偏光分離層の少なくとも一方は、周期構造を有している、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学素子。
11. 前記第１の偏光分離層及び前記第２の偏光分離層の少なくとも一方は、フォトニック結晶からなる、請求項１０に記載の光学素子。
12. 前記反射層は、前記導光体の、前記光源からの光が入射する光入射部、及び前記第２の偏光分離層の光出射部を除く他の面を覆って設けられている、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の光学素子。
13. 前記導光体の前記第２の面は、前記第１の面に対して傾斜されている、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の光学素子。
14. 請求項１ないし１３のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記導光体の外周部に配置された前記光源と、を備える光源装置。
15. 前記光源は、固体光源である、請求項１４に記載の光源装置。
16. 請求項１４または１５に記載の光源装置と、前記光源装置の出射光に画像情報を付与する表示素子と、前記表示素子の出射光によって投射映像を投射する投射光学系と、を備える投射型表示装置。

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