JP5957937B2 - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関するものである。

液晶プロジェクターは、照明装置から射出される光を、液晶装置で画像情報に応じて変調し、得られた画像を投写レンズによって拡大投写するものである。

近年、このような液晶プロジェクターとして、携帯電話やデジタルカメラ等の携帯機器への搭載を狙った非常に小さいプロジェクター（いわゆる、ピコプロジェクタ）が開発されている。

ここで、小型サイズのプロジェクターでは、電源回路や光学系の構成を簡素化したり、これらの構成要素を小型化したりすることが必要となる。

このような小型化プロジェクターとして、例えば、固体光源装置とコリメーターレンズユニットと偏光変換素子よりなる照明装置と、光変調装置としての液晶パネルと、投写光学系とを有するものが知られている。

このプロジェクターでは、光変調装置として１枚の液晶パネルを用い、さらに、光源と偏光変換素子との間に通常配置されるインテグレーター光学系等の光学部材を省略しているため、サイズの小型化を図ることが可能である。

ところで、液晶プロジェクターでは、偏光変換素子として、コリメーターレンズからの光を、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分に分離し、さらに、たとえばＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換するようにしたものが用いられている（例えば、特許文献１参照）。このような偏光変換素子の一例を、図１２に示す。

図１２に示す偏光変換素子２００は、図示しないコリメーターレンズユニットから入射する光Ｌを、Ｓ偏光成分からなる光に変換するものである。偏光変換素子２００は光学ブロック２００Ａと光学ブロック２００Ｂとで構成されている。光学ブロック２００Ａの構成は光学ブロック２００Ｂの構成と同じであり、光学ブロック２００Ａと光学ブロック２００Ｂはいずれも、偏光分離膜２０３を備える偏光ビームスプリッタ２０１と全反射膜２０４を備える内部全反射プリズム２０２よりなる。また、光学ブロック２００Ａと光学ブロック２００Ｂは照明光軸２００ａｘに対して対称に配置されている。そこで、以下の説明では光学ブロック２００Ａについてのみ説明し、光学ブロック２００Ｂに関する説明は省略する。

偏光変換素子２００が有する複数の面のうち、コリメーターレンズユニットから射出される光Ｌが入射する側の面を偏光変換素子２００の光入射面Ｓ２１と呼ぶ。この光入射面Ｓ２１のうち、偏光ビームスプリッタ２０１の光入射面に対応する領域は、光Ｌが偏光変換素子２００内に導入される導入口Ｂ３を構成する。

また、偏光変換素子２００が有する複数の面のうち、該偏光変換素子２００の光入射面と対向する面を偏光変換素子２００の光射出面Ｓ２２と呼ぶ。偏光変換素子２００の光射出面Ｓ２２のうち、偏光ビームスプリッタ２０１の光射出面に対応する領域を「第１領域Ｂ１」と言う。また、偏光変換素子２００の光射出面Ｓ２２のうち、内部全反射プリズム２０２の光射出面に対応する領域を「第２領域Ｂ２」と言う。第１領域Ｂ１には、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分に変換する位相差板２０６が設けられている。

偏光ビームスプリッタ２０１の内部の斜面には、光入射面Ｓ２１の導光口Ｂ３から入射したＳ偏光成分を照明光軸２００ａｘに対して直交する方向に反射するとともに、導光口Ｂ３から入射したＰ偏光を透過させる偏光分離膜２０３が設けられている。また、内部全反射プリズム２０２の内部の斜面には、偏光分離膜２０３で反射されたＳ偏光成分を照明光軸２００ａｘと平行な方向に反射する全反射膜２０４が設けられている。

このような偏光変換素子２００では、コリメーターレンズユニットから射出される光Ｌが、導光口Ｂ３から偏光変換素子２００の内部に進行し、主として偏光分離膜２０３に入射する。偏光分離膜２０３に入射した光のうち、偏光分離膜２０３に対するＳ偏光成分は、偏光分離膜２０３及び全反射膜２０４で反射され、その光路が偏光ビームスプリッタ２０１から内部全反射プリズム２０２側に平行移動する。そして、このＳ偏光成分は、照明光として第２領域Ｂ２から射出される。一方、偏光分離膜２０３に入射した光のうち、偏光分離膜２０３に対するＰ偏光成分は、偏光分離膜２０３を透過する。偏光分離膜２０３を透過したＰ偏光成分は、位相差板２０６を通過することでＳ偏光成分に変換され、第１領域Ｂ１から照明光として射出される。

特開２０１０−７２１３８号公報

しかしながら、コリメーターレンズユニットから射出される光を偏光変換素子２００に入射させる構成では、次のような問題がある。

すなわち、コリメーターレンズからの光は平行光であるため、コリメーターレンズの内周領域から射出される光は直進して導光口Ｂ３に入射するが、コリメーターレンズの外周領域から射出された光は、導光口Ｂ３より外側に入射し、全反射膜２０４によって偏光変換素子２００の外側に反射されてしまう。このため、光源光の利用効率が低くなり、照明光の強度を上げることが難しいという問題がある。そこで、光入射面Ｓ２１の導光口Ｂ３より外側の領域に反射膜を設け、この領域に入射した光を、固体光源装置側に反射させて光源光として再利用することも提案されているが、その効果は、それ程大きいとは言えない。

また、このような構成では、第１領域Ｂ１から射出される照明光は、偏光分離膜２０３および位相差板２０６を通過しつつ直進的に進行してきた光であるが、第２領域Ｂ２から射出される照明光は、偏光分離膜２０３から全反射膜２０４への反射経路を経た光である。したがって、第２領域Ｂ２から射出される照明光の光路長は、第１領域Ｂ１からの照明光が経た光路長に、この反射経路に対応した光路長が加わったものとなる。このため、照明の法則に従って、第２領域Ｂ２から射出される照明光の強度は、第１領域Ｂ１から射出される照明光の強度よりも小さく、第１領域からの光の照射領域に比べて、第２領域からの光の照射領域が暗くなる照度ムラが生じてしまうという問題がある。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、光源光の利用効率が高く、強度の面内均一性が高い照明光を照明対象に照射することが可能な照明装置を提供することを目的とする。また、このような照明装置を備えた、表示品質に優れたプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の照明装置は、固体光源装置と、前記固体光源装置から入射する光の進行方向を制御するピックアップレンズユニットと、前記ピックアップレンズユニットの光射出面から射出された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、を備え、前記偏光変換素子は、偏光分離膜を含む偏光ビームスプリッタと、全反射膜を含む内部全反射プリズムと、を有しており、前記ピックアップレンズユニットの前記光射出面を構成するレンズは、前記ピックアップレンズユニットの光軸の方向から見た光射出面の形状が前記光軸を中心とした回転対称な形状であり、且つ、前記光軸と平行な平面で切った断面の形状が非球面な形状である非球面レンズであり、前記非球面レンズの光射出面は、前記固体光源装置の中心から射出された光を、前記光軸に対して相対的に近い領域では平行化して射出し、前記光軸に対して相対的に遠い領域では前記光軸側に収束するように射出する機能を有するとともに、前記固体光源装置から射出された光の一部を前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分離膜に入射させることなく前記内部全反射プリズムに入射させることを特徴とする。

本発明の照明装置によれば、非球面レンズの光射出面は、前記固体光源装置の中心から射出された光を、前記光軸に対して相対的に近い領域（内周領域）では平行化して射出し、前記光軸に対して相対的に遠い領域（外周領域）では、前記光軸側に収束するように射出する機能を有する。そのため、非球面レンズの内周領域から射出される光だけでなく外周領域から射出される光も偏光変換素子に効率よく導入され、光源光の利用効率が向上する。これにより、照明光の強度を高めることが可能となる。

また、非球面レンズの外周領域から射出された光の一部は、偏光分離膜を経ずに直接内部全反射プリズム内に導入される。このように直接内部全反射プリズムに入射した光は、偏光ビームスプリッタから射出される照明光の強度には影響せず、内部全反射プリズムから射出される照明光の強度のみを増大させる。これによって、偏光ビームスプリッタから射出される照明光と内部全反射プリズムから射出される照明光の光路長差に起因した強度差が相殺され、照明光の強度の面内均一性を高めることができる。

本発明においては、前記偏光変換素子と、前記偏光変換素子から射出された光が照射される照明対象との間に、前記照明対象の照射領域の外側に向かって進行する光を前記照射領域の内側に反射する反射手段が設けられていることが好ましい。

この構成によれば、偏光変換素子から射出された光のうち照射領域の外側に向かって進行する光が、途中で照射領域の内側に反射され、この反射光によって照射領域の辺縁部を照らすことが可能となる。これにより、照射領域の辺縁部が暗くなる照明ムラが解消される。

前記反射手段は、内面が反射面とされた角筒状をなし、一方の開口部が前記偏光変換素子の光射出面側を向き、他方の開口部が照明対象の照射領域側を向くように配設されていることが好ましい。

このような反射手段は、反射光の媒質が、空気換算光路長が比較的長い空気であるため、照射領域に偏光変換素子の表示影が出ることを抑止することができる。

本発明においては、前記反射手段の前記一方の開口部の開口面積は前記他方の開口部の開口面積よりも大きいことが好ましい。

この構成によれば、照射領域での照明光の強度を、より高くすることができる。

前記反射手段の反射面は、少なくとも一部の領域が散乱特性を有することが好ましい。

この構成によれば、反射膜の表面に入射した光が様々な方向に反射されるため、これらの反射光によって照射領域の辺縁部等をムラなく均一に照らすことが可能となる。

本発明のプロジェクターは、照明装置と、前記照明装置からの照明光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置からの変調光を投写画像として投写する投写光学系と、を備えるプロジェクターであって、前記照明装置は、本発明の照明装置であることを特徴とする。

このため、本発明のプロジェクターによれば、照明装置から、強度および強度の面内均一性が高い照明光が射出されるため、優れた表示品質を得ることができる。

本発明においては、前記光変調装置は、単板の液晶光変調装置であることが好ましい。

この構成によれば、プロジェクターの小型化を図ることが可能となる。

本発明に係るプロジェクターの実施形態１を示す模式図である。 図１に示すプロジェクターが備える照明装置及び液晶光変調装置の正面図である。 図１に示すプロジェクターが備える固体光源装置の断面図である。 図１に示すプロジェクターが備える第２レンズの模式的な断面図である。 図１に示すプロジェクターが備える偏光変換素子の偏光分離膜に光が入射した状態を示す模式的な断面図である。 図１に示すプロジェクターが備える偏光変換素子の内部全反射プリズムに光が直接入射した状態を示す模式的な断面図である。 図５に示す偏光変換素子を光射出面側から見た平面図である。 実施形態の照明装置によって得られる照明像を示す写真である。 第２レンズとして光射出面が球面状のレンズを用いた場合の照明像を示す写真である。 本発明に係るプロジェクターの実施形態２を示す模式図である。 実施形態２のプロジェクターの変形例を示す模式図である。 一般的な偏光変換素子を示す模式的な断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造における縮尺や数等が異なっている。

＜実施形態１＞
本発明の照明装置及びプロジェクターの実施形態１について説明する。

（プロジェクターの構成）
まず、本実施形態の照明装置が適用されるプロジェクター（本実施形態のプロジェクター）の一例について説明する。

図１は、本発明に係るプロジェクターの実施形態を示す模式図、図２は、図１に示すプロジェクターが備える照明装置及び液晶光変調装置の正面図、図３は、図１に示すプロジェクターが備える固体光源装置の断面図、図４は、図１に示すプロジェクターが備える第２レンズの模式的な断面図、図５は、図１に示すプロジェクターが備える偏光変換素子の偏光分離膜に光が入射した状態を示す模式的な断面図、図６は、図１に示すプロジェクターが備える偏光変換素子の内部全反射プリズムに光が直接入射した状態を示す模式的な断面図、図７は、図１に示すプロジェクターが備える偏光変換素子を光射出面側から見た平面図である。

なお、以下の説明では、図５、６中の左右方向を「横方向」、上下方向を「縦方向」と言う。ここで、右方向は、照明光軸４０ａｘに沿って第１光学ブロックに入射したＳ偏光が偏光分離膜４７で反射される方向であり、左方向は、照明光軸４０ａｘに沿って第２光学ブロックに入射したＳ偏光が偏光分離膜４７で反射される方向である。上下方向は、照明光軸４０ａｘと平行な方向である。なお、図５、６では、説明を簡単にするため第１レンズ２１を省略して示している。また、本明細書では、偏光分離膜４７に対する入射面と平行な方向に偏光している光をＰ偏光と呼び、偏光分離膜４７に対する入射面と垂直な方向に偏光している光をＳ偏光と呼ぶ。

実施形態１に係るプロジェクター１０００は、図１に示すように、照明装置１００と、液晶光変調装置５０と、投写光学系７０とを備えている。照明装置１００は、実施形態１の照明装置によって構成されている。

照明装置１００は、固体光源装置１０と、ピックアップレンズユニット２０と、偏光変換素子４０とを有する。

固体光源装置１０は、図３に示すように、基台１２、固体光源１４、蛍光層１６及び封止部材１８を有するランバート発光タイプの発光ダイオードであり、赤色光、緑色光及び青色光を含む白色光（光源光）を射出する。このような固体光源装置１０を用いることにより、照明装置１００及びプロジェクター１０００の小型化を図ることができる。なお、固体光源装置１０は、上記した構成要素の他にもリード線等を有するが、図示及び説明を省略する。

ピックアップレンズユニット２０は、図１に示すように、固体光源装置１０に近い側に位置する第１レンズ２１及び固体光源装置１０から遠い側に位置する第２レンズ２２を備えている。ピックアップレンズユニット２０は、固体光源装置１０から入射する光の進行方向を制御する。第２レンズ２２は、ピックアップレンズユニット２０の光射出面を構成する。なお、図１ではピックアップレンズユニット２０を２つのレンズで構成しているが、レンズの数は１つでもよいし、３つ以上でもよい。

第１レンズ２１は、光入射面が平面状、光射出面が球面状をなす平凸レンズであり、固体光源装置１０からの光の拡がり角を抑える機能を有する。

図４に示すように、ピックアップレンズユニット２０を構成する複数のレンズのうちピックアップレンズユニット２０の光射出面を構成する第２レンズ２２は、光入射面が平面状、光射出面２２Ａが非球面状をなす非球面レンズである。第２レンズ２２の光射出面は、ピックアップレンズユニット２０の照明光軸４０ａｘの方向から見た平面形状は該照明光軸４０ａｘを中心とした回転対称な形状であり、照明光軸４０ａｘと平行な平面で切った断面形状は非球面形状である。第２レンズ２２の光射出面２２Ａは、固体光源装置１０の中心から射出された光を、照明光軸４０ａｘに対して相対的に近い領域（以下、「内周領域２２ａ」と言う）では平行化して射出し、照明光軸４０ａｘに対して相対的に遠い領域（以下、「外周領域２２ｂ」と言う）では、照明光軸４０ａｘ側に収束するように射出する機能を有する。

本実施形態の照明装置１００では、第２レンズ２２が、このような構成とされていることにより、光源光の利用効率が高くなって照明光の強度が向上するとともに、照明光強度の面内均一性が高くなり、照射領域５０Ａでの照度ムラを解消することができる。この作用機構については、後に詳述する。

第２レンズ２２となる非球面レンズとしては、具体的には、光射出面２２Ａのコーニック定数Ｋが−１≦Ｋ＜０のもの、すなわち放物面または横長の楕円面をなすもの等が挙げられる。

第２レンズ２２の内周領域２２ａの有効直径Ｗは、３ｍｍ〜１０ｍｍであるのが好ましい。これにより、前述の効果を確実に得ることができ、ピコプロジェクターとして要求されるサイズに適合する。また、内周領域２２ａの近軸領域における曲率半径は、２ｍｍ〜５ｍｍであるのが好ましい。これにより、光射出面２２Ａの内周領域２２ａから、照明光軸４０ａｘに対して平行に進行する光を確実に射出することができ、ピコプロジェクターとして要求されるサイズに適合する。

偏光変換素子４０は、ピックアップレンズユニット２０から入射する光Ｌを、主としてＳ偏光成分からなる光に変換するものである。

偏光変換素子４０は、図５に示すように、第１光学ブロック４１Ａ及び第２光学ブロック４１Ｂよりなる光学ブロック４１と、位相差板４３とを有している。第１光学ブロック４１Ａの構成は第２光学ブロック４１Ｂの構成と同じであり、第１光学ブロック４１Ａと第２光学ブロック４１Ｂはいずれも、偏光ビームスプリッタ４５と内部全反射プリズム４６よりなる。また、第１光学ブロック４１Ａと第２光学ブロック４１Ｂは照明光軸４０ａｘに対して対称に配置されている。そこで、以下の説明では、主に第１光学ブロック４１Ａについて説明する。

第１光学ブロック４１Ａは、偏光ビームスプリッタ４５と内部全反射プリズム４６とを有している。

偏光ビームスプリッタ４５は、斜面同士を対向させて接合した一対の直角プリズム４５ａおよび直角プリズム４５ａよりなり、接合された斜面同士の間に偏光分離膜４７が設けられている。偏光分離膜４７は、Ｓ偏光成分を照明光軸４０ａｘと略直交する方向に反射し、Ｐ偏光成分を透過させる被膜である。

一方、内部全反射プリズム４６は、斜面同士を対向させて接合した一対の直角プリズム４６ａおよび直角プリズム４６ａよりなり、接合された斜面同士の間に、全反射膜４８が設けられている。全反射膜４８は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分を反射する被膜であり、本実施形態では、偏光分離膜４７で反射されたＳ偏光成分を照明光軸４０ａｘと略平行な方向に反射する。

第１光学ブロック４１Ａは、偏光分離膜４７の面が第２全反射膜４８の面と略平行となるように、偏光ビームスプリッタ４５が内部全反射プリズム４６と接合されて構成されている。また、光学ブロック４１は、第１光学ブロック４１Ａの偏光分離膜４７の面が第２光学ブロック４１Ｂの偏光分離膜４７の面と略９０°の角度をなすように、第１光学ブロック４１Ａが第２光学ブロック４１Ｂに接合されることで構成されている。この光学ブロック４１では、各偏光ビームスプリッタ４５と各内部全反射プリズム４６とが、内部全反射プリズム４６、偏光ビームスプリッタ４５、偏光ビームスプリッタ４５、内部全反射プリズム４６の順で横方向に配列されている。

以上のような光学ブロック４１が有する複数の面のうち、各偏光ビームスプリッタ４５の斜面同士が接する側の面が、ピックアップレンズユニット２０からの光Ｌが入射する光入射面Ｓ４１を構成する。また、光学ブロック４１の光入射面Ｓ４１のうち、偏光ビームスプリッタ４５の光入射面Ｓ４１に対応する領域は、光Ｌが偏光変換素子４０内に導入される導光口Ａ３を構成する。一方、光学ブロック４１が有する複数の面のうち光入射面Ｓ４１と対向する面は、Ｓ偏光成分からなる光を射出させる光射出面Ｓ４２を構成する。

なお、以下の説明では、図７に示すように、光射出面Ｓ４２のうち、偏光ビームスプリッタ４５の光射出面に対応する領域を「第１領域Ａ１」と言う。言い換えれば、第１領域Ａ１は、照明光軸４０ａｘと平行な方向から光射出面Ｓ４２を見たときに、光射出面Ｓ４２のうち偏光分離膜４７と平面視で重なる領域である。また、光射出面Ｓ４２のうち、内部全反射プリズム４６の光射出面に対応する領域を「第２領域Ａ２」と言う。言い換えれば、第２領域Ａ２は、照明光軸４０ａｘと平行な方向から光射出面Ｓ４２を見たときに、光射出面Ｓ４２のうち第２全反射膜４８と平面視で重なる領域である。

偏光分離膜４７は、第１領域Ａ１および導光口Ａ３に対して約４５°の角度をなすように、斜めに対峙している。

また、照明光軸４０ａｘと平行な方向から光射出面Ｓ４２を見たときに、光射出面Ｓ４２のうち偏光ビームスプリッタ４５と平面視で重なる領域には、位相差板４３が設けられている。この位相差板４３は、λ／２板よりなり、偏光分離膜４７を透過したＰ偏光成分を、その偏光方向を９０°回転させてＳ偏光成分に変換する機能を有する。以上が第１光学ブロック４１Ａの基本的な構成であり、第２光学ブロック４１Ｂの基本的な構成も上記と同様である。

この偏光変換素子４０では、ピックアップレンズユニット２０からの光のうち導光口Ａ３に入射した光Ｌは、偏光ビームスプリッタ４５内に進行し、偏光分離膜４７に入射する。偏光分離膜４７に入射した光のうち、Ｓ偏光成分は、偏光分離膜４７で照明光軸４０ａｘと略直交する方向に反射されて第２全反射膜４８に入射する。そして、第２全反射膜４８に入射したＳ偏光成分は、第２全反射膜４８で照明光軸４０ａｘと略平行な方向に反射される。これにより、導光口Ａ３から入射したＳ偏光成分は、その光路が偏光ビームスプリッタ４５から内部全反射プリズム４６側に平行移動し、Ｓ偏光として光射出面の第２領域Ａ２から射出される。また、偏光分離膜４７に入射した光のうち、Ｐ偏光成分は、偏光分離膜４７を透過する。偏光分離膜４７を透過したＰ偏光成分は、位相差板４３に入射してＳ偏光成分に変換され、光射出面の第１領域Ａ１から射出される。したがって、この偏光変換素子４０の導光口Ａ３から偏光分離膜４７に入射した光は、Ｓ偏光成分として第１領域Ａ１と第２領域Ａ２とから射出され、液晶光変調装置５０の照射領域に照射される。

液晶光変調装置５０は、偏光変換素子４０から入射する光を画像情報に応じて変調し、カラー画像を形成するものであり、照明装置１００の照明対象となる。図２に示すように、この液晶光変調装置５０は、正面から見た平面視において偏光変換素子４０よりも一回り小さい寸法とされている。

本実施形態では、この液晶光変調装置５０は、反射型ＣＦ（カラーフィルタ）方式の単板透過パネルとして構成されている。すなわち、液晶光変調装置５０は、一対のガラス基板に、反射型カラーフィルタ、液晶素子等が挟持され、これらガラス基板の外側面に、それぞれ偏光板が接合されて構成されている。このように液晶光変調装置５０を単板式とすることにより、色光毎に液晶光変調装置を用いる３板式に比べてプロジェクター１０００を小型化することが可能となる。

各偏光板は、Ｓ偏光成分またはＰ偏光成分のいずれか一方を透過させるものであり、例えば透過軸が互いに直交する構成（クロスニコル配置）となっている。本実施形態では、入射側の偏光板がＳ透過偏光板、射出側の偏光板がＰ透過偏光板によって構成されている。

反射型カラーフィルタは、画素毎に設けられたＲフィルター、Ｇフィルター、Ｂフィルターよりなる。Ｒフィルター、Ｇフィルターは、Ｂフィルターは、それぞれ、赤色光、緑色光、青色光を透過させ、他の色光を反射する。なお、本実施形態では、カラーフィルタは、Ｂａｙｅｒ配列の色配列構造を有しているが、これに限定されるものではない。

液晶素子は、カラーフィルタとガラス基板の間に電気光学物質である液晶を密閉封入したものであり、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子とし、与えられた画像情報に応じて、入射した直線偏光の偏光方向を変調する。

この液晶光変調装置５０では、偏光変換装置４０からの直線偏光（本実施形態ではＳ偏光成分）が入射側の偏光板を透過する。偏光板を透過した直線偏光はカラーフィルタに入射し、入射したフィルターに応じた色光のみがフィルターを透過する。フィルターを透過した色光は、液晶素子を通過することによって、その偏光方向が画像情報に応じて変調され、偏光方向が変調された色光（本実施形態ではＰ偏光成分の色光）が出射側の偏光板から射出する。したがって、液晶光変調装置５０では、偏光変換素子４０からの直線偏光が照射されることによって、その射出側に画像情報に応じたカラー画像が形成される。

そして、液晶光変調装置５０で形成されたカラー画像は、投写光学系７０によって拡大投写され、スクリーン上で画像を形成する。

（プロジェクターの動作）
次に、プロジェクター１０００の動作について説明する。

まず、各部の動作をＯＮにし、固体光源装置１０から光を射出させる。ここで、固体光源装置１０は、点光源ではないため、図５に示すように、中心から射出された光と、その周囲から射出された光とでは進行方向にずれがある。以下の説明では、固体光源装置１０の中心から射出された光を「中心光Ｌｃ」、中心光Ｌｃよりも左側の領域から射出された光を「第１の光Ｌ１」、中心光よりも右側の領域から射出された光を「第２の光Ｌ２」と言う場合がある。

固体光源装置１０から射出された光Ｌは、第１レンズ２１に入射し、第１レンズ２１を通過することによって、その拡がり角が低減される。

第１レンズ２１からの光は、第２レンズ２２に入射する。図５に示すように、第２レンズ２２は、光射出面２２Ａが前述のような非球面状であるため、第２レンズ２２に入射した光のうち中心光Ｌｃは、光射出面２２Ａの内周領域２２ａからは照明光軸４０ａｘと平行な方向に射出され、外周領域２２ｂからは照明光軸４０ａｘ上で収束するように照明光軸４０ａｘに対して斜めに射出される。内周領域２２ａから射出された中心光Ｌｃは、そのまま直進して偏光変換素子４０の導光口Ａ３に入射する。また、外周領域２２ｂから射出された中心光Ｌｃは、照明光軸４０ａｘに近づくように斜めに進行し、その一部が偏光変換素子４０の導光口Ａ３に入射する。

一方、第１の光Ｌ１は、光射出面２２Ａの左半分では中心光Ｌｃよりも入射角が大きく、光射出面２２Ａの右半分では中心光Ｌｃよりも入射角が小さくなるため、左右の全域において中心光Ｌｃの射出方向よりも時計回りに角度が増した方向に射出される。そして、内周領域２２ａから射出された第１の光Ｌ１の大部分および外周領域２２ｂから射出された第１の光Ｌ１の一部が、偏光変換素子４０の導光口Ａ３に入射する。

また、第２の光Ｌ２は、光射出面２２Ａの右半分では中心光Ｌｃよりも入射角が大きく、光射出面２２Ａの左半分では中心光Ｌｃよりも入射角が小さくなるため、左右の全域において中心光Ｌｃの射出方向よりも反時計回りに角度が増した方向に射出される。そして、内周領域２２ａから射出された第２の光Ｌ２の大部分および外周領域２２ｂから射出された第２の光Ｌ２の一部が、偏光変換素子４０の導光口Ａ３に入射する。

そして、導光口Ａ３に入射した光の大部分は、偏光分離膜４７に入射する。偏光分離膜４７に入射した光のうち、Ｓ偏光成分は、偏光分離膜４７及び全反射膜４８で反射され、照明光として第２領域Ａ２から射出される。一方、偏光分離膜４７に入射した光のうちＰ偏光成分は、偏光分離膜４７を透過する。偏光分離膜４７を透過したＰ偏光成分は、位相差板４３を通過することでＳ偏光成分に変換され、照明光として第１領域Ａ１から射出される。また、導光口Ａ３の外側に入射した光は、全反射膜４８によって偏光変換素子４０の外側に反射される。

ここで、仮に、第２レンズ２２の光射出面の全域が、中心光Ｌｃを光軸と平行な方向に射出させる球面であるとすると、中心光Ｌｃのうち外周領域から射出される光は、導光口Ａ３の外側の領域に直進的に進行するため、全反射膜４８によって偏光変換素子４０の外側に反射され、照明光として利用されない。また、第１の光Ｌ１および第２の光Ｌ２は、左右全域において中心光Ｌｃの射出方向（光軸と平行な方向）に対して斜めに射出されるため、外周領域から射出された光も極僅かではあるが導光口Ａ３に入射する。しかし、そのほとんどは、全反射膜４８によって偏光変換素子４０の外側に反射される。したがって、第２レンズ２２の光射出面の全域を、中心光Ｌｃを光軸と平行な方向に射出させる球面とした場合、外周領域から射出される光のほとんどが、照明光として利用されず、光源光の利用効率が低くなる。

これに対して、本発明では、第２レンズ２２の光射出面２２Ａが、中心光Ｌｃを内周領域２２ａでは平行化して射出し、外周領域２２ｂでは、照明光軸４０ａｘ側に収束するように射出する機能を有するため、外周領域２２ｂから射出された各光Ｌｃ、Ｌ１、Ｌ２が、より光軸側に寄るように進行し、導光口Ａ３に効率よく入射する。したがって、内周領域２２ａから射出される光とともに外周領域２２ｂから射出される光も照明光として効率よく利用することができ、偏光変換素子４０から射出される照明光の強度を増大させることができる。

また、この第２レンズ２２では、図６に示すように、右側の外周領域２２ｂから射出された第１の光Ｌ１の一部、および、左側の外周領域２２ｂから射出された第２の光Ｌ２の一部は、小さい拡がり角で拡散する方向に進行し、偏光分離膜４７に入射せず、そのまま内部全反射プリズム４６に入射する。

このように偏光分離膜４７を経ずに内部全反射プリズム４７に入射した光は、第１領域Ａ１から射出される照明光の強度には影響せず、第２領域Ａ２から射出される照明光の強度のみを増大させる。これにより、第１領域Ａ１から射出される照明光と第２領域Ａ２から射出される照明光の光路長差に起因した強度差が相殺され、照明光の強度の面内均一性を高めることができる。

図８は、実施形態１の照明装置から射出された光の照明像であり、図９は、非球面レンズの代わりにコリメーターレンズを用いる場合の光の照明像である。各図から、実施形態１の照明装置では、非球面レンズを用いていることにより、ムラの少ない良好な照明像が得られることを確認することができる。

そして、偏光変換素子４０から射出された照明光は、液晶光変調装置５０の照射領域５０Ａに照射される。照射領域５０Ａに照射された照明光は、液晶光変調装置５０によって、各種色光に分離されるとともに偏光方向が画像情報に応じて変調され、表示面から射出される。これにより、液晶光変調装置５０の表示面に画像情報に応じたカラー画像が形成される。

そして、液晶光変調装置５０で形成されたカラー画像は、投写光学系７０によって拡大投写され、スクリーン上で画像を形成する。ここで、本実施形態では、照明装置１００から射出される照明光の強度および強度の面内均一性が高いため、高輝度であるとともに輝度にムラのない高品質な画像を表示することが可能となる。

このように、本発明の照明装置１００は、第２レンズ２２の光射出面２２Ａが、照明光軸４０ａｘに対して回転対称形の非球面状をなし、中心光Ｌｃを、内周領域２２ａでは平行化して射出し、外周領域２２ｂでは照明光軸４０ａｘ側に収束して射出する機能を有することにより、光源光の利用効率が高くなって照明光の強度が向上するとともに、照明光強度の面内均一性が高くなり、照射領域５０Ａの照度ムラを解消することができる。

また、このような照明装置１００を備える実施形態１のプロジェクター１０００は、高輝度であるとともに輝度にムラのない高品質な画像を表示することが可能となる。

＜実施形態２＞
次に、本発明の照明装置及びプロジェクターの実施形態２について説明する。
なお、実施形態２においては、前記実施形態１との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

図１０は、実施形態２のプロジェクターが備える偏光変換素子、反射手段および光変調装置を示す模式図、図１１は、実施形態２のプロジェクターが備える反射手段の変形例を示す模式図である。

実施形態２の照明装置およびプロジェクターは、偏光変換素子と照明対象である液晶光変調装置との間に、反射手段が設けられている以外は、前記実施形態１と同様の構成とされている。

図１０に示すように、反射手段８０は、液晶光変調装置５０の照射領域５０Ａの外側に向かって進行する照明光を照射領域５０Ａの内側に反射するものである。図６に示したように偏光分離膜４７を経ずに第２領域Ａ２から小さい拡がり角で照明光軸４０ａｘに対して斜めに射出された光Ｌ１，Ｌ２の一部は、液晶光変調装置５０の照射領域５０Ａの外側に向かって進行する。照射領域５０Ａの外側に到達した光は、照射領域５０Ａの明るさに寄与しないため、特に、照射領域５０Ａの辺縁部が暗くなる照明ムラを生じる原因となる。

これに対して、偏光変換素子４０と液晶光変調装置５０との間に、液晶光変調装置５０の照射領域５０Ａの外側に向かって進行する照明光を照射領域５０Ａの内側に反射する反射手段８０を設けることにより、反射手段８０によって内側に反射させた照明光を有効利用して、照射領域５０Ａの辺縁部を照らすことができる。これにより、前述のような照明ムラが解消され、高品質な画像を表示することが可能となる。

反射手段８０としては、角筒体の内面に金属膜等の反射膜を設けた中空タイプのもの（ライトトンネル）であってもよく、断面矩形状のロッドレンズであってもよい。これらの反射手段は、一端（一方の開口部）が偏光変換素子４０の光射出面Ｓ４２側に向き、他端（他方の開口部）が液晶光変調装置５０の照射領域５０Ａ側に向くように配設される。このうち、反射手段８０としては、中空タイプのものを用いるのが好ましい。空気はロッドレンズを構成するガラス等よりも空気換算光路長が長いため、反射光の媒質が空気である中空タイプの反射手段を用いることにより、照射領域５０Ａに偏光変換素子４０の表示影（偏光分離膜４７の端縁に対応した線状の影など）が出ることを抑止することができる。

中空タイプの反射手段８０において、反射膜は、少なくとも一部の領域に散乱特性が付与されていることが好ましい。これにより、反射膜の表面に入射した光が様々な方向に反射されるため、これらの反射光によって照射領域５０Ａの辺縁部等をムラなく均一に照らすことができる。散乱特性に優れる反射膜としては、アルミニウム被膜、ミロシルバー（アラノッド社製、商品名）等が挙げられる。

図１１に、反射手段の変形例を示す。本変形例では、偏光変換素子４０の光射出面Ｓ４２の横方向の長さが照射領域５０Ａの横方向の長さよりも大きい。反射手段８０は反射面８０Ａを有している。反射面８０Ａは偏光変換素子４０の側面と並ぶように、照明光軸４０ａｘに対して斜めに配置されている。このように配置すれば、反射手段８０の一端面の横方向の長さを偏光変換素子４０の光射出面Ｓ４２の横方向の長さと略等しくし、反射手段８０の他端面の横方向の長さを照射領域５０Ａの横方向の長さと略等しくすることができる。この構成によれば、反射手段８０の一方の開口部（偏光変換素子４０の光射出面Ｓ４２側を向く開口部）の開口面積が他方の開口部（液晶光変調装置５０の照射領域５０Ａ側を向く開口部）の開口面積よりも大きいため、偏光変換素子４０の光射出面Ｓ４２での光密度よりも照射領域５０Ａでの光密度を高くすることができ、表示画像の輝度を上げることができる。

なお、偏光変換素子４０の光射出面Ｓ４２および反射手段８０の一端面において、照射領域５０Ａおよび反射手段８０の他端面よりも大とする寸法は、横方向の寸法に限らず、縦方向の寸法であってもよく、縦方向および横方向の双方の寸法であっても構わない。

第２実施形態においても、前記実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、第２実施形態では、特に、偏光変換素子４０と液晶光変調装置５０との間に、反射手段８０が設けられていることにより、偏光変換素子４０から射出された照明光のうち照射領域の外側に向かって進行する照明光が、途中で内側に反射され、この反射光によって照射領域５０Ａの辺縁部を照らすことができる。これにより、照射領域５０Ａの辺縁部が暗くなる照明ムラが解消され、より高品質な画像を表示することが可能となる。

以上、本発明を各実施形態に基づいて説明したが、本発明は前記の構成に限定されるものではない。その趣旨を逸脱しない範囲において種々の様態において実施することが可能であり、例えば、さらに次のような変形も可能である。

（１）偏光変換素子の光入射面のうち、導光口Ａ３の外側の領域に全反射膜を設けるようにしてもよい。これにより、この領域に入射した光が固体光源装置１０側に反射し、光源光として再利用することが可能となる。

（２）前記各実施形態の照明装置が備える偏光変換素子においては、それぞれ、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とが逆の関係であっても良い。すなわち、前記各実施形態では、Ｐ偏光を第１の偏光状態としているがＳ偏光を第１の偏光状態としてもよい。

（３）本発明は、投写画像を観察する側から投写するフロント投写型プロジェクターに適用する場合にも、投写画像を観察する側とは反対の側から投写するリア投写型プロジェクターに適用する場合にも可能である。

（４）前記各実施形態においては、本発明の照明装置をプロジェクターに適用した例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明の照明装置を他の光学機器（例えば、光ディスク装置、自動車のヘッドランプ、各種照明器具等。）に適用することもできる。

１０…固体光源装置、２０…ピックアップレンズユニット、２２…第２レンズ（非球面レンズ）、２２Ａ…第２レンズの光射出面、２２ａ…内周領域（光軸に対して相対的に近い領域）、２２ｂ…外周領域（光軸に対して相対的に遠い領域）、４０…偏光変換素子、４０ａｘ…照明光軸、５０…液晶光変調装置（照明対象）、５０Ａ…照射領域、７０…投写光学系、８０…反射手段、８０Ａ…反射面、１００…照明装置、１０００…プロジェクター

Claims (7)

1. 固体光源装置と、
   前記固体光源装置から入射する光の進行方向を制御するピックアップレンズユニットと、
   前記ピックアップレンズユニットの光射出面から射出された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、を備え、
   前記偏光変換素子は、偏光分離膜を含む偏光ビームスプリッタと、全反射膜を含む内部全反射プリズムと、を有しており、
   前記ピックアップレンズユニットの前記光射出面を構成するレンズは、前記ピックアップレンズユニットの光軸の方向から見た光射出面の形状が前記光軸を中心とした回転対称な形状であり、且つ、前記光軸と平行な平面で切った断面の形状が非球面な形状である非球面レンズであり、
   前記非球面レンズの光射出面は、前記固体光源装置の中心から射出された光を、前記光軸に対して相対的に近い領域では平行化して射出し、前記光軸に対して相対的に遠い領域では前記光軸側に収束するように射出する機能を有するとともに、前記固体光源装置から射出された光の一部を前記偏光ビームスプリッタの前記偏光分離膜に入射させることなく前記内部全反射プリズムに入射させることを特徴とする照明装置。
2. 前記偏光変換素子と、前記偏光変換素子から射出された光が照射される照明対象との間に、前記照明対象の照射領域の外側に向かって進行する光を前記照射領域の内側に反射する反射手段が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. 前記反射手段は、内面が反射面とされた角筒状をなし、一方の開口部が前記偏光変換素子の光射出面側を向き、他方の開口部が照明対象の照射領域側を向くように配設されていることを特徴とする請求項２に記載の照明装置。
4. 前記反射手段の前記一方の開口部の開口面積は前記他方の開口部の開口面積よりも大きいことを特徴とする請求項３に記載の照明装置。
5. 前記反射手段の反射面は、少なくとも一部の領域が散乱特性を有することを特徴とする請求項２ないし４のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの照明光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置からの変調光を投写画像として投写する投写光学系と、を備えるプロジェクター。
7. 前記光変調装置は、単板の液晶光変調装置であることを特徴とする請求項６に記載のプロジェクター。