JP6728251B2 - 照明装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）等に好適な照明装置に関する。

プロジェクタには、レーザを光源として用いるものがある。例えば、それぞれ赤光、緑光および青光を発する複数のレーザを用いて照明光としての白色光を生成するプロジェクタや、青レーザ光を蛍光体に照射して、その一部を黄色光に変換することで白色光を生成するプロジェクタがある。ただし、強度が高いレーザ光が照射される光学素子の透過率低下や蛍光体の劣化等によって、白色光の明るさの低下や色（ホワイトバランス）の変化が生じる。

特許文献１、特許文献２および特許文献３には、このような明るさや色の変化をフォトセンサを用いて検出し、該変化を補正するプロジェクタが開示されている。特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、光変調素子としてのミラーアレイデバイスからの不要光をフォトセンサで検出し、その検出結果に応じて光源の出力を制御する。特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、ホログラム素子からの１次回折光をフォトセンサで検出し、その検出結果に応じて光源の出力を制御する。特許文献３にて開示されたプロジェクタでは、光源からの光が透過するフライアイレンズからのわずかな乱反射光を３原色フォトセンサで受光し、該フォトセンサからの出力に応じて光源の出力を制御する。

ＷＯ２００７０２３６８１号公報 特願２００５−２３８０８７号公報 特開平１１−０６５５２８号公報

しかしながら、特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、フォトセンサに入射する光は光変調素子で反射された不要光であり、表示画像によって大きく変化する。つまり、この光をフォトセンサで受光しても、光源からの光自体の変化を検出することはできない。

また、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、フォトセンサに受光させるためにホログラム素子を追加している。また、光源からの光のうちホログラム素子により１次回折光に変換される光は光変調素子に到達しないため、表示画像の明るさが低減する。

さらに特許文献３にて開示されたプロジェクタでは、３原色フォトセンサをフライアイレンズからの乱反射光を確実に受光し、かつ光変調素子に到達すべき有効光束をけらないように設置する必要があるが、そのような設置は容易ではない。

本発明は、フォトセンサの設置が容易で、新たな光学素子を追加することなく、光源からの光の明るさと色を検出できるようにした照明装置およびこれを用いた画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての照明装置は、光源と、該光源からの光を特定の偏光方向を有する偏光光に変換して被照明面に向けて出射させる偏光変換素子と、該偏光変換素子における入射面および出射面とは異なる偏光変換素子の検出面から出射した光を受光するフォトセンサを有し、偏光変換素子は、特定方向に配列された複数の第１の偏光分離膜と、特定方向に配列されるとともに、第１の偏光分離膜の間に配列された複数の反射膜と、複数の第１の偏光分離膜のうち特定方向において最も端に配置された第１の偏光分離膜を透過した光が入射する第２の偏光分離膜を有し、検出面は、第２の偏光分離膜の面または該第２の偏光分離膜を透過した光が出射する透過面であることを特徴とする。

なお、上記照明装置を含み、フォトセンサからの出力を用いて光源または被照明面に配置された光変調素子を制御する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、フォトセンサの設置が容易で、フォトセンサに受光させるための新たな光学素子を追加することなく、光源からの光の明るさと色を検出できるようにした照明装置を実現することができる。

本発明の実施例１であるプロジェクタの構成を示す図。 実施例１の他のプロジェクタの構成を示す図。 実施例１のプロジェクタに用いられるＰＢＳアレイの構成を示す図。 実施例１におけるＰＢＳアレイの偏光分離膜の特性を示す図。 実施例１におけるＰＢＳアレイの反射膜の特性を示す図。 実施例１におけるＰＢＳアレイの検出膜の特性を示す図。 本発明の実施例２であるプロジェクタに用いられるＰＢＳアレイの構成を示す図。 実施例２における他のＰＢＳアレイの構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の実施例１である照明装置を含む画像投射装置（以下、プロジェクタという）の構成を示している。光源１から出射した照明光は、照明光学系を介して被照明面に配置された光変調素子６を照明する。照明光学系は、コリメータレンズ２、均一化素子としての第１および第２のフライアイレンズアレイ３、偏光変換素子としてのＰＢＳアレイ４により構成されている。光源１および照明光学系により照明装置が構成される。

光変調素子６に入射した照明光は、プロジェクタに入力された映像信号に応じて該光変調素子６により変調されて変調光（画像情報を有する画像光）となる。光変調素子６は、透過型または反射型液晶パネルにより構成される。光変調素子６から出射した変調光は、投射光学系７を介してスクリーン等の被投射面８に投射される。

光源１は、赤色、緑色および青色のレーザ光（以下、単に赤色光、緑色光および青色光という）をそれぞれ発する３つのレーザダイオード（ＬＤ）により構成されており、これら赤色光、緑色光および青色光を合成することで白色光を生成する。また、光源１として、青色光を蛍光体に照射して、その一部を黄色光（緑色光＋赤色光）に波長変換して青色光と黄色光を混合することにより白色光を生成してもよい。

光源１から発した発散光としての白色光は、コリメータレンズ２によって平行光化され、フライアイレンズアレイ３により複数の光束に分割されて、ＰＢＳアレイ４に入射する。ＰＢＳアレイ４は、光源１からの無偏光光を特定の偏光方向を有する偏光光に変換する。ＰＢＳアレイ４から出射した複数の光束は、コンデンサレンズ５により集光されて光変調素子６上にて互いに重ね合わされる。これにより、光変調素子６の変調面が均一な光強度で照明される。

図３は、ＰＢＳアレイ４の構成を示す。なお、本実施例では、ＰＢＳアレイ４が無偏光光をＰ偏光に変換して射出する場合について説明するが、Ｓ偏光に変換して射出してもよい。

ＰＢＳアレイ４は、それぞれ入射する光束に対して４５度傾いて配置されて図の上下方向（特定方向）に配列された複数の第１の偏光分離膜１２と、該第１の偏光分離素子１２の間にそれぞれ配置された複数の反射膜１３と、複数のλ／２板１４とを有する。

フライアイレンズアレイの各レンズセルで集光された光束（無偏光光）は、ＰＢＳアレイ４内にその入射面１１から入射する。無偏光光のうちＰ偏光のほとんどは第１の偏光分離膜１２を透過し、Ｓ偏光のほとんどは第１の偏光分離膜１２で反射される。すなわち、第１の偏光分離膜１２は、Ｓ偏光に対する反射率がＰ偏光に対する反射率より高い膜特性（偏光分離特性）を有する。

第１の偏光分離膜１２を透過したＰ偏光光はそのままＰＢＳアレイ４からその出射面１５を通って出射してコンデンサレンズ５（さらには被照明面）に向かう。一方、第１の偏光分離膜１２で反射されたＳ偏光は、反射膜１３で反射され、出射面１５上に設けられたλ／２板１４によってその偏光方向が９０度回転されてＰ偏光に変換されてコンデンサレンズ５に向かう。こうしてＰＢＳアレイ４に入射した無偏光光がＰ偏光に変換されて該ＰＢＳアレイ４から出射する。出射面１５は、コンデンサレンズ５を介して被照明面に配置された光変調素子６に入射する有効光束（Ｐ偏光）が出射する面である。

ＰＢＳアレイ４は、上記複数の第１の偏光分離膜１２よりも下端（特定方向での端）に近い位置に、入射する光束に対して４５度傾いた第２の偏光分離膜１０を有する。最も下端側の第１の偏光分離膜１２と第２の偏光分離膜１０との間には、上述した反射膜１３は設けられていない。第２の偏光分離膜１０のＰおよびＳ偏光に対する膜特性（反射率および透過率）は、第１の偏光分離膜１２の膜特性に対して同じでよいが、後述する式（１）を満足するように設定されてもよい。

第２の偏光分離膜１０は、ＰＢＳアレイ４のうち入射面１１および出射面１５とは異なる面として、ＰＢＳアレイ４の下端面（下側の側面）である検出面１６に近接して設けられている。この検出面１６の近傍には、フォトセンサ９が配置されている。フォトセンサ９は、上記最も下端側の第１の偏光分離膜１２で反射して第２の偏光分離膜１０を透過し、さらに透過面かつ拡散面としての検出面１６を透過してここから出射した光（検出光）を受光する。偏光分離膜を透過する光は反射膜を透過する光に比べて多いため、本実施例によれば、フォトセンサ９によりノイズに左右されずに安定的に光量を検出することができる。

検出面１６が拡散面であることで、新たに拡散板を設けなくても、ＰＢＳアレイ４に対するフォトセンサ９の配置誤差の許容量が増え、フォトセンサ９の設置が容易となる。

従来のＰＢＳアレイでは、第２の偏光分離膜１０の位置に反射膜が配置されるが、本実施例では第２の偏光分離膜１０を配置している。なお、第２の偏光分離膜１０を透過してフォトセンサ９により受光される光量は、ＰＢＳアレイ４に入射する光量のうちわずかであるため、プロジェクタにより投射される表示画像の明るさにはほとんど影響しない。そもそもＰＢＳアレイ４に入射する光はガウシアン分布を持っており、フォトセンサ９に入る光はフォトセンサ９に一番近い第１の偏光分離膜１３からの光の一部となるため、ＰＢＳアレイ４に入射する光量のうちわずかとなる。

図２は、図１に示したＰＢＳアレイ４とは異なるＰＢＳアレイ４Ａを示している。このＰＢＳアレイ４Ａでは、外部に露出した（空気と接した）第２の偏光分離膜１０自体が検出面として構成されている。また、図２では、フォトセンサ９は、その受光面が光変調素子６の方向とは異なる方向に向くように配置されている。これにより、光変調素子６からの不要な回折光や表示画像に応じた戻り光がフォトセンサ９に入射することを防止することができる。

図１および図２に示した構成のいずれにおいても、フォトセンサ９は、受光した光を光電変換し、該光の強度や色に応じた検出情報を出力する。この検出情報を用いることで、制御手段としてのコントローラ２０は、光源１および光変調素子６のうち少なくとも一方を制御する。具体的には、光源１からの照明光の色（ホワイトバランス）がプロジェクタの工場出荷時の基準ホワイトバランスから乖離したときに、光源１の出力（発光強度）を変更したり、映像信号の階調に対する光変調素子６のゲインを変更したりする。これにより、照明光の明るさやホワイトバランス、つまりはプロジェクタにより投射される表示画像の明るさやカラーバランスを長い使用時間にわたって安定的に維持することができる。

光源１からの照明光のホワイトバランスが基準ホワイトバランスから乖離する理由の１つとしては、赤色、緑色および青色のレーザ光をそれぞれ発する３種のレーザを使用した光源において、いずれかのレーザ用に設けられた光学素子の劣化がある。レーザから発せられる高い光密度を有するレーザ光は、これが入射する光学素子の表面に汚染（コンタミネーション）を生じさせる。また、塵埃がレーザ光によって熱せられて光学素子の表面に焼結するおそれもある。

さらに、別の理由としては、青色のレーザ光を蛍光体に照射してその一部を黄色光に波長変換することで白色光を生成する場合に、蛍光体に照射されるレーザ光の強度に応じて蛍光体での波長変換効率が変化することがある。蛍光体に照射される青色のレーザ光の光強度が高いほど黄色光への波長変換効率が低下して、より青味が多い照明光が生成される。また、さらに、蛍光体は、無機の蛍光粉末と有機のバインダーにより構成されるが、有機バインダーは高い強度のレーザ光が照射されることで経年的に劣化する。この結果、照明光のホワイトバランスが崩れる。

このような原因によって照明光のホワイトバランスが崩れるため、フォトセンサ９を用いて赤色光、緑色光および青色光のそれぞれの光量の変化を検出する必要がある。

次に、ＰＢＳアレイ４（および４Ａ）における第１の偏光分離膜１２、反射膜１３および第２の偏光分離膜１０の膜特性について説明する。図４には、第１の偏光分離膜１２のＰ偏光とＳ偏光に対する反射率（つまりは偏光分離膜１２で反射するＰ偏光とＳ偏光の光量）を示している。第１の偏光分離膜１２は、Ｓ偏光に対して９０％以上の反射率を有し、Ｐ偏光に対して５％以下の反射率を有する。

図５には、反射膜１３の反射率を示す。反射膜１３は、偏光方向にかかわらず、１００％に近い反射率を有する。

前述したように、従来のＰＢＳアレイでは、第２の偏光分離膜１０の位置に反射膜１３が配置される。この位置に反射膜１３が配置されると、その反射膜１３に対向する第１の偏光分離膜１２で反射した多くのＳ偏光と少しのＰ偏光とが、図４に示す光量比率がほぼ保存されたままフォトセンサ９により受光される。同図に示すように、第１の偏光分離膜１２で反射したＳ偏光とＰ偏光の光量は互いに大きく異なる。つまり、ＰＢＳアレイ４の第１の偏光分離膜１２に入射する赤色光、緑色光および青色光の偏光状態によって、フォトセンサ９で受光されるそれぞれの色光の光量が大きく異なる。

一般に、赤色光、緑色光および青色光を光電変換できるフォトセンサは、その受光量に応じてゲイン調整が可能である。ただし、小サイズで色光ごとにゲイン調整が可能なものはないため、ある色光の光量が他の色光の光量に対して多すぎたり少なすぎたりすると、フォトセンサにおいてサチレーションが生じたりノイズが多くなったりして検出精度が低下する。したがって、赤色光、緑色光および青色光のそれぞれの光量を、特定範囲内に収める必要がある。

このため、本実施例では、フォトセンサ９が受光する光を、第２の偏光分離膜１０を透過した光としている。図６には、第２の偏光分離膜１０のＰ偏光とＳ偏光に対する透過率（つまりは第２の偏光分離膜１０を透過するＰ偏光とＳ偏光の光量）を示している。第２の偏光分離膜１０は、Ｓ偏光に対して５％以下の透過率を有し、Ｐ偏光に対して９０％以上の透過率を有する。

図６と図４および図５との比較から分かるように、本実施例によれば、第２の偏光分離膜１０を透過してフォトセンサ９が受光する赤色光、緑色光および青色光の光量比率（ＲＧＢ比率）を、出射面１５から出射する有効光束のＲＧＢ比率と同じにすることができる。なお、ここにいうＲＧＢ比率が同じとは、完全に同じである必要はなく、同じとみなせる範囲（例えば互いに１０％以内の差の範囲）に含まれていればよい。

特に、青色光を蛍光体に照射してその一部を黄色光に波長変換することで白色光を生成する場合は、黄色光と混合する青色光として、蛍光体に照射されなかった青色光（レーザ光）や蛍光体に照射されたが波長変換されなかった青色光を用いる。この青色光の偏光状態は黄色光の偏光状態と異なるため、ＰＢＳアレイ４の第１の偏光分離膜１２で反射される青色光の光量が黄色光に比べて多かったり少なかったりする。

本実施例では、ＰＢＳアレイ４に入射する青色光はＳ偏光成分を多く含み、黄色光は無偏光光である。このため、青色光は第１の偏光分離膜１２で多くが反射されるが、黄色光のほぼ半分が第１の偏光分離膜１２を透過して出射面１５から出射する。このとき、第２の偏光分離膜１０に入射する青色光の光量が黄色光に比べて多くなるため、第２の偏光分離膜１０は青色光の多くを反射する膜特性を有する必要がある。

すなわち、第１の偏光分離膜１２で反射される青色光と黄色光のうち第１の色光である青色光が該第１の偏光分離膜１２を透過する青色光より少ない場合は、第２の偏光分離膜１０を透過する青色光より該第２の偏光分離膜１０で反射する青色光が少ないことが必要である。

なお、本実施例ではＰＢＳアレイ４に入射する青色光がＳ偏光である場合について説明するが、該青色光がＰ偏光である場合は、第２の偏光分離膜１０は青色光のほとんどを透過する膜特性を有する必要がある。

すなわち、第１の偏光分離膜１２で反射される第１の色光としての青色光が該第１の偏光分離膜１２を透過する青色光より多い場合には、第２の偏光分離膜１０を透過する青色光より該第２の偏光分離膜１０で反射する青色光が多いことが必要である。

ここまで、ＰＢＳアレイ４の理想的な膜特性について説明したが、実際には膜の製造誤差等によって、ＰＢＳアレイ４の出射面１５から出射する有効光束とフォトセンサ９により受光される光束のＲＧＢ比率を同じにすることは困難である。

このため、本実施例では、フォトセンサ９により受光される赤色光、緑色光および青色光の光量が前述したサチレーションやノイズによる検出精度の低下が問題とならない特定範囲内に入るように、第２の偏光分離膜１０の膜特性を設定する。具体的には、第２の偏光分離膜１０の膜特性を、赤色光、緑色光および青色光のいずれに対しても以下の式（１）で示す条件を満足するように設定する。

第１の偏光分離膜１２における第１の偏光光としてのＰ偏光の入射光量に対する反射光量（出射光量）の比率および第２の偏光光としてのＳ偏光の入射光量に対する反射光量の比率をそれぞれＲ１（％）およびＲ２（％）とする。そして、Ｒ１＜Ｒ２であるとき、第２の偏光分離膜１０におけるＰ偏光の入射光量に対する透過光量（出射光量）の比率およびＳ偏光の入射光量に対する透過光量の比率Ｔ１（％）およびＴ２（％）はそれぞれ、
０．８×Ｒ２≦Ｔ１≦１．２×Ｒ２
０．７×Ｒ１≦Ｔ２≦１．２×Ｒ１ （１）
なる条件を満足する。この条件を満足することで、フォトセンサ９によるＲＧＢ比率の検出精度の低下を回避することができる。

本実施例では、光源１としてＬＤを用いる場合について説明したが、ＹＡＧの２倍高調波等を発する固体レーザや、アルゴンレーザ等の気体レーザを用いてもよい。

図７は、本発明の実施例２であるプロジェクタに用いられるＰＢＳアレイ４Ｂの構成を示している。実施例１では、ＰＢＳアレイ４に反射膜１３に代えて第２の偏光分離膜１０を設けた場合について説明した。しかし、本実施例のＰＢＳアレイ４Ｂは、複数の反射膜１３のうち最も検出面１６に近い反射膜（以下、下端反射膜という）１３とともに第２の偏光分離膜１０Ａを設けている。具体的には、下端反射膜１３の一部の領域を、実施例１で説明した膜特性を有する第２の偏光分離膜１０Ａに置き換えている。この構成によれば、下端反射膜１３で反射した光束を光変調素子６に導くことができ、フォトセンサ９での受光量をほとんど変化させることなく、実施例１より多くの有効光束を光変調素子６に入射させることができる。

また、図８に示すＰＢＳアレイ４Ｃを用いてもよい。ＰＢＳアレイ４Ｃでは、図中の上下方向（特定方向）の端部である下端部の一部が切り欠かれて、入射面１１および出射面１５に直交し、かつ特定方向に対して直交する検出面１６Ｃを有する。そして、該検出面１６Ｃに、実施例１で説明した第２の偏光分離膜１０と同じ膜特性を有する第２の偏光分離膜１０Ｃが設けられている。そして、ＰＢＳアレイ４Ｃの下端部における切り欠かれた部分以外の部分には、複数の反射膜１３のうちの１つ（下端反射膜）が設けられている。

さらに検出面１６Ｃに対向する位置には、第２の偏光分離膜１０Ｃから出射した光を反射する反射膜（ミラー）１３Ｃが設けられている。この反射膜１３ＣでＰＢＳアレイ４Ｃの側方（照明光学系の光軸に直交する方向）に反射された光がフォトセンサ９により受光される。フォトセンサ９は、ＰＢＳアレイ４Ｃの出射面１５から出射する有効光束をけらないように、ＰＢＳアレイ４Ｃの側方に配置されている。

上記実施例１および実施例２で説明した構成によれば、フォトセンサ９は、光変調素子６からの不要な回折光や表示画像に応じた戻り光、さらには光源１側からの不要なフレア光の影響を受け難くなる。また、フォトセンサ９で受光する光量の変化を少なくして、より多くの光量の有効光束（照明光）を光変調素子６に入射させることができる。このため、フォトセンサ９の設置が容易で、フォトセンサ９に受光させるための新たな光学素子を追加することなく、光源１からの光の明るさと色を精度良く検出することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１ 光源
４ ＰＢＳアレイ
６ 光変調素子
９ フォトセンサ
１０ 第２の偏光分離膜
１１ （ＰＢＳアレイの）入射面
１２ 第１の偏光分離膜
１３ 反射膜
１４ λ／２板
１５ （ＰＢＳアレイの）出射面
１６ 検出面

Claims (8)

1. 光源と、
   前記光源からの光を特定の偏光方向を有する偏光光に変換して被照明面に向けて出射させる偏光変換素子と、
   前記偏光変換素子における入射面および出射面とは異なる前記偏光変換素子の検出面から出射した光を受光するフォトセンサを有し、
   前記偏光変換素子は、
   特定方向に配列された複数の第１の偏光分離膜と、
   前記特定方向に配列されるとともに、前記第１の偏光分離膜の間に配列された複数の反射膜と、
   前記複数の第１の偏光分離膜のうち前記特定方向において最も端に配置された第１の偏光分離膜を透過した光が入射する第２の偏光分離膜を有し、
   前記検出面は、前記第２の偏光分離膜の面または該第２の偏光分離膜を透過した光が出射する透過面であることを特徴とする照明装置。
2. 前記第２の偏光分離膜は、前記複数の反射膜のうち前記端に最も近い反射膜ととも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. 前記透過面は、拡散面であることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記第２の偏光分離膜は、前記フォトセンサにより受光される光束に含まれる複数の色光の比率が、前記出射面から出射する光束の該比率と同じとなる膜特性を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の照明装置。
5. 前記第２の偏光分離膜は、前記第１の偏光分離膜で反射される複数の色光のうち第１の色光が該第１の偏光分離膜を透過する前記第１の色光より少ない場合に、前記第２の偏光分離膜を透過する前記第１の色光より該第２の偏光分離膜で反射する前記第１の色光が少ない膜特性を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。
6. 前記第２の偏光分離膜は、前記第１の偏光分離膜で反射される複数の色光のうち第１の色光が該第１の偏光分離膜を透過する前記第１の色光より多い場合に、前記第２の偏光分離膜を透過する前記第１の色光より該第２の偏光分離膜で反射する前記第１の色光が多い膜特性を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の照明装置。
7. 前記第１の偏光分離膜における第１の偏光光の入射光量に対する反射光量の比率をＲ１とし、前記第１の偏光光とは偏光方向が異なる第２の偏光光の入射光量に対する反射光量の比率をＲ２とし、Ｒ１＜Ｒ２であるとき、
   前記第２の偏光分離膜における前記第１の偏光光の入射光量に対する透過光量の比率Ｔ１および前記第２の偏光光の入射光量に対する透過光量の比率Ｔ２はそれぞれ、
   ０．８×Ｒ２≦Ｔ１≦１．２×Ｒ２
   ０．７×Ｒ１≦Ｔ２≦１．３×Ｒ１
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の照明装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記被照明面に配置され、前記偏光変換素子からの光を変調して画像光を生成する光変調素子と、
   前記フォトセンサからの出力を用いて前記光源および前記光変調素子のうち少なくとも一方を制御する制御手段を有することを特徴とする画像投射装置。