JP7223276B2 - 照明装置および投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明装置および投射型表示装置に関する。

従来、固体光源を用いた投射型表示装置が知られていた。例えば、特許文献１には、固体光源からの光束を小径化する複数のレンズ、ダイクロイックミラー、および上記光束の偏光成分の比率を制御する第２位相差板を備えた光源装置が開示されている。また、特許文献２には、光源装置が射出した第１の光の光束径を縮小するアフォーカル光学系と、該アフォーカル光学系を構成する複数のレンズの間に配置された偏光調整素子と、を備えた照明装置が開示されている。

特開２０１２－１３７７４４号公報 特開２０１９－２８３６１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光源装置では、光源装置を小型化することが難しいという課題があった。詳しくは、アフォーカル光学系である複数のレンズとダイクロイックミラーとの間に、第２位相差板が配置されている。そのため、アフォーカル光学系とダイクロイックミラーとの距離が大きくなり、光源装置が大型になりやすかった。

また、特許文献２に記載の照明装置では、アフォーカル光学系の第１のレンズと第２のレンズとの間に、偏光調整素子が配置されて、照明装置を小型化しやすくなっている。その一方で、照明装置を高光束化する場合に、照明光に色ムラが発生しやすくなるという課題があった。詳しくは、照明光を高光束化するために複数の光源を配置すると、第１のレンズを経て偏光変調素子に入射する光束の入射角度が大きくなりやすかった。つまり、光源からの光束は、縮径されながら位相差板である偏光変調素子に入射する。光源を複数用いると光束も複数となる。したがって、第１のレンズから第２のレンズに向けて射出される光束は、光源が単一である場合と比べて、急激に縮径されることになる。このとき、光束の入射角度は、位相差板の位置によって大小の差が大きくなる。そのため、位相差板における偏光回転効率が上記位置によってばらつきやすくなる。偏光回転率のばらつきが大きくなると、照明光の色ムラが顕著になって、投射型表示装置が投射する画像などの画質を悪化させる要因となる。すなわち、小型化が容易で、照明光における色ムラの発生を抑えた照明装置が求められていた。

本願の照明装置は、光源ユニットと、偏光分離素子と、拡散素子と、波長変換素子と、を備え、光源ユニットは、第１光源と、第２光源と、アフォーカル光学系と、１／２波長板と、を備え、アフォーカル光学系と、１／２波長板と、偏光分離素子とは、第１軸に沿って配置され、第１光源と、第２光源とは、第１軸と直交する面に沿って並んで配置され、アフォーカル光学系は、第１レンズと、第１レンズの後段に配置された第２レンズと、を備え、１／２波長板は、第１軸上において、第１レンズと第２レンズとの間にあって、第２レンズに近い位置に配置されることを特徴とする。

上記の照明装置において、第１光源および第２光源は、第１の偏光成分を含む第１光を射出する固体光源であることが好ましい。

上記の照明装置において、１／２波長板は、第１光を通過させて、第１の偏光成分と第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分とを含む第２光とし、１／２波長板を、第１光の中心軸と交差する面内において回転させる偏光調整機構を備えることが好ましい。

上記の照明装置において、光源ユニットは、第２光を偏光分離素子に向けて射出し、偏光分離素子は、第２光を、第１の偏光成分である第３光と、第２の偏光成分である第４光とに分離し、拡散素子に向けて、偏光分離素子から第４光が射出され、波長変換素子には、偏光分離素子で分離された第３光が入射することが好ましい。

上記の照明装置において、波長変換素子は、第３光によって励起され、偏光分離素子に向けて蛍光光を射出し、偏光分離素子は、蛍光光を透過することが好ましい。

上記の照明装置において、偏光分離素子と拡散素子との間の光路中に１／４波長板が配置されることが好ましい。

本願の投射型表示装置は、上記の照明装置と、照明装置から射出された光を変調する光変調装置と、光変調装置によって変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とする。

実施形態に係るプロジェクターの外観を示す斜視図。 プロジェクターの内部構成を示す模式図。 照明装置の構成を示す模式図。 第１光源から射出される第１光に対する、１／２波長板の偏光回転率を示す分布図。 第２光源から射出される第１光に対する、１／２波長板の偏光回転率を示す分布図。 第１光源から射出される第１光に対する、１／４波長板の偏光回転率を示す分布図。 第２光源から射出される第１光に対する、１／４波長板の偏光回転率を示す分布図。 １／２波長板の偏光回転率における入射角度依存性を示すグラフ。 １／４波長板の偏光回転率における入射角度依存性を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。以下に説明する実施の形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形例も、本発明に含まれる。なお、以下の各図においては、各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。

１．実施形態
１．１．プロジェクターの構成
本実施形態では、投射型表示装置として、光変調装置である液晶装置を３個備えたプロジェクターを例示する。まず、投射型表示装置としてのプロジェクターの構成について、図１、図２を参照して説明する。図１は、実施形態に係るプロジェクターの外観を示す斜視図である。図２は、プロジェクターの内部構成を示す模式図である。

本実施形態に係るプロジェクター１は、後述する照明装置から射出された光を変調して画像情報に応じた画像を形成し、形成された画像をスクリーンなどの被投射面上に拡大投射する投射型の画像表示装置である。

図１に示すように、プロジェクター１は、外装を構成する外装筐体２を備えている。外装筐体２は、略直方体形状であって、天面部２０１、底面部２２２、正面部２２３、背面部２２４、左側面部２２５および右側面部２２６を有している。

底面部２２２は、プロジェクター１が載置される設置面と接する複数の脚部２２１を有している。正面部２２３は、外装筐体２において画像の投射側に位置する。正面部２２３は、投射光学装置３６の一部を露出させる開口部２３１を有している。投射光学装置３６から開口部２３１を通過して、画像が投射される。正面部２２３には、排気口２３２が設けられている。排気口２３２から、プロジェクター１内部の冷却対象を冷却した冷却気体が、外装筐体２の外部に排出される。右側面部２２６には、導入口２６１が設けられている。導入口２６１から、外装筐体２外部の空気などの気体が、冷却気体として外装筐体２の内部に導入される。

図２に示すように、プロジェクター１は、外装筐体２の内部に、本実施形態に係る照明装置４、均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３、画像形成装置３４、光学筐体３５、および投射光学装置３６を備えている。照明装置４は、照明光を射出する。照明装置４の構成については後述する。なお、図２においては、上述した排気口２３２および導入口２６１などの図示を省略している。また、図示を省略するが、プロジェクター１は、プロジェクター１の動作を制御する制御装置、プロジェクター１の電子部品に電力を供給する電源装置、および照明装置４などを冷却する冷却装置を備えている。

照明装置４から射出された照明光の進行方向には、均一化装置３１が配置されている。均一化装置３１には、照明装置４から射出された照明光が入射する。均一化装置３１は、第１マルチレンズアレイ３１１、第２マルチレンズアレイ３１２、偏光変換素子３１３、および重畳レンズ３１４を備えている。これらの構成は、照明装置４から射出された照明光の進行方向に向かって上記の順番に配置されている。均一化装置３１は、照明装置４から射出された照明光を均一化する。この均一化された照明光は、均一化装置３１から射出され、色分離装置３２およびリレー装置３３を経て画像形成装置３４に入射して、後述する光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂの変調領域を照明する。

均一化装置３１から射出された照明光の進行方向には、色分離装置３２が配置されている。すなわち、均一化装置３１から射出された照明光は、色分離装置３２に入射する。色分離装置３２は、第１色分離素子としてのダイクロイックミラー３２１、第２色分離素子としてのダイクロイックミラー３２２、ミラーとしての反射ミラー３２３、およびフィールドレンズ３４１Ｒ，３４１Ｇを備えている。

色分離装置３２は、均一化装置３１から入射した光を各色光に分離する。色分離装置３２に入射した照明光は、ダイクロイックミラー３２１に到達する。ダイクロイックミラー３２１は、均一化装置３１の重畳レンズ３１４と隣り合って配置されている。

ダイクロイックミラー３２１は、均一化装置３１から射出された照明光に含まれる第１の波長帯域に属する光を反射し、第１の波長帯域以外の光を透過する。第１の波長帯域とは、例えば、赤色光領域の波長帯域であり、第１の波長帯域以外とは、緑色光領域および青色光領域の波長帯域である。赤色光領域の波長帯域とは、特に限定されないが、例えば概ね６１０ｎｍから７５０ｎｍの範囲である。青色光領域の波長帯域とは、特に限定されないが、例えば概ね４３０ｎｍから４９５ｎｍの範囲である。緑色光領域の波長帯域とは、特に限定されないが、例えば概ね４９５ｎｍから５７０ｎｍの範囲である。

すなわち、第１の波長帯域に属する光とは、例えば、赤色光であり、第１の波長帯域以外の光とは、緑色光および青色光である。ここで、赤色光は略赤色の光であり、緑色光は略緑色の光であり、青色光は略青色の光である。なお、第１の波長帯域は、赤色光領域に限定されず、緑色光領域または青色光領域であってもよく、第１の波長帯域に属する光は、それに対応して緑色光または青色光であってもよい。

ダイクロイックミラー３２１で反射された赤色光の進行方向には、反射ミラー３２３が配置されている。反射ミラー３２３は、ダイクロイックミラー３２１で反射された赤色光を、フィールドレンズ３４１Ｒへ向けて反射させる。フィールドレンズ３４１Ｒは、入射した赤色光を集光して、光変調装置３４３Ｒに向けて射出する。

ダイクロイックミラー３２１を透過した緑色光および青色光の進行方向には、ダイクロイックミラー３２２が配置されている。ダイクロイックミラー３２２は、上記緑色光および上記青色光のうち、第２の波長帯域に属する光を反射し、第２の波長帯域以外の波長帯域に属する光を透過する。第２の波長帯域とは、例えば、緑色光領域である。すなわち、第２の波長帯域に属する光とは、例えば、緑色光であり、第２の波長帯域以外の波長帯域に属する光とは、青色光である。なお、第２の波長帯域は、緑色光領域に限定されず、青色光領域であってもよい。すなわち、第２の波長帯域に属する光は青色光であってもよく、第２の波長帯域以外の波長帯域に属する光は緑色光であってもよい。

ダイクロイックミラー３２２で反射された緑色光の進行方向には、フィールドレンズ３４１Ｇが配置されている。フィールドレンズ３４１Ｇは、入射した緑色光を集光して、画像形成装置３４の入射側偏光板３４２Ｇに向けて射出する。

ダイクロイックミラー３２２を透過した青色光の進行方向には、リレー装置３３が配置されている。上記青色光は、リレー装置３３に入射する。リレー装置３３は、入射側レンズ３３１、第１反射ミラー３３２、リレーレンズ３３３、第２反射ミラー３３４、フィールドレンズである射出側レンズ３４１Ｂを備えている。

青色光は、赤色光および緑色光と比べて光路が長くなるため、光束が大きくなりやすい。そのため、リレーレンズ３３３を用いて光束の拡大を抑えている。リレー装置３３に入射した青色光は、入射側レンズ３３１によって収束されながら、第１反射ミラー３３２で反射されてリレーレンズ３３３の近傍にて収束する。リレーレンズ３３３に入射した青色光は、第２反射ミラー３３４および射出側レンズ３４１Ｂに向かって発散する。

第２反射ミラー３３４は、リレーレンズ３３３から射出された青色光を反射させて、射出側レンズ３４１Ｂに入射させる。射出側レンズ３４１Ｂは、入射した青色光を集光して、画像形成装置３４の入射側偏光板３４２Ｂに向けて射出する。

上述したダイクロイックミラー３２１，３２２は、各機能に対応する誘電体多層膜を、透明ガラス板上に形成することによって作製される。

画像形成装置３４は、入射側偏光板３４２Ｒ，３４２Ｇ，３４２Ｂ、光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂ、３個の視野角補償板３４４、３個の射出側偏光板３４５、および色合成装置３４６を備えている。光変調装置３４３Ｒは、赤色光を変調する。光変調装置３４３Ｇは、緑色光を変調する。光変調装置３４３Ｂは、青色光を変調する。色合成装置３４６は、色合成素子であって、光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂで変調された、赤、緑および青の各色の変調光を合成する。

光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂは、照明装置４から射出された照明光を画像情報に応じて変調する。本実施形態では、光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂに透過型の液晶パネルが採用されている。入射側偏光板３４２Ｒ，３４２Ｇ，３４２Ｂ、光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂおよび射出側偏光板３４５によって、液晶ライトバルブが形成されている。なお、光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂは、透過型の液晶パネルに限定されず、反射型の液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などであってもよい。

色合成装置３４６は、光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂによって変調された各変調光を合成して画像を形成し、投射光学装置３６に入射させる。本実施形態では、色合成装置３４６として、クロスダイクロイックプリズムを用いているが、これに限定されない。色合成装置３４６は、例えば、複数のダイクロイックミラーから成る構成であってもよい。

光学筐体３５は、均一化装置３１、色分離装置３２、リレー装置３３、および画像形成装置３４を内部に収容する。なお、プロジェクター１には、均一化装置３１の光軸である照明光軸Ａｘが設定されている。光学筐体３５は、照明光軸Ａｘにおける所定の位置に、上記の均一化装置３１から画像形成装置３４を保持する。また、照明装置４および投射光学装置３６も、照明光軸Ａｘにおける所定位置に配置される。

投射光学装置３６は、画像形成装置３４から入射される画像を、図示しない被投射面上に拡大投射する。すなわち、投射光学装置３６は、光変調装置３４３Ｒ，３４３Ｇ，３４３Ｂによって変調された変調光を投射する。投射光学装置３６は、例えば、筒状の鏡筒内に複数のレンズが収納された組レンズから成る。

１．２．照明装置の構成
次に、本実施形態に係る照明装置４の構成について、図３を参照して説明する。図３は、照明装置の構成を示す模式図である。照明装置４は、照明光ＷＬを上述した均一化装置３１に射出する。

図３に示すように、照明装置４は、光源ユニット２５、偏光分離素子５０を含む光学素子２５Ａ、第１ピックアップ光学系２６、蛍光発光素子である波長変換素子２７、第２ピックアップ光学系２９、および拡散素子３０を備えている。光源ユニット２５と光学素子２５Ａとは、第１軸である光軸Ａｘ１に沿って配置されている。波長変換素子２７と光学素子２５Ａとは、間に第１ピックアップ光学系２６を挟んで、第２軸である光軸Ａｘ２に沿って配置されている。光軸Ａｘ２上において、光学素子２５Ａに対する第１ピックアップ光学系２６の反対側には、図示しない均一化装置３１が配置されている。拡散素子３０と光学素子２５Ａとは、間に第２ピックアップ光学系２９を挟んで、光軸Ａｘ１に沿って配置されている。また、第２ピックアップ光学系２９と光学素子２５Ａとの間には、１／４波長板２８ｂが配置されている。光軸Ａｘ１と光軸Ａｘ２とは、同一面内において互いに直交する。

光源ユニット２５は、光源装置２１、コリメーター光学系２２、アフォーカル光学系２３、偏光調整素子である１／２波長板２８ａ、およびホモジナイザー光学系２４を備えている。アフォーカル光学系２３は、第１レンズ２３ａと、第２レンズ２３ｂと、を備えている。第２レンズ２３ｂは、第１レンズ２３ａの後段、換言すれば第１レンズ２３ａに対して、後述する第１光ＢＬ１の進行方向側に配置されている。光源装置２１、コリメーター光学系２２、第１レンズ２３ａ、１／２波長板２８ａ、第２レンズ２３ｂ、およびホモジナイザー光学系２４は、光源装置２１から偏光分離素子５０に向かって、上記順番にて光軸Ａｘ１に沿って配置されている。

光源装置２１は、第１光源２１ａおよび第２光源２１ｂを有している。第１光源２１ａと第２光源２１ｂとは、光軸Ａｘ１と直交する面２１ｃに沿うと共に、光軸Ａｘ１を間に挟んで配置されている。第１光源２１ａおよび第２光源２１ｂは、第１光ＢＬ１を射出する固体光源である。第１光源２１ａでは、複数の半導体レーザー２１１ａが、面２１ｃに沿ってマトリクス状に配置されている。第２光源２１ｂでは、複数の半導体レーザー２１１ｂが、面２１ｃに沿ってマトリクス状に配置されている。光源装置２１が第１光源２１ａおよび第２光源２１ｂを有しているため、照明装置４から射出される照明光ＷＬは、光源が１個である場合と比べて高光束化される。

第１光ＢＬ１は、直線偏光の青色光であり、第１の偏光成分を含む。第１光ＢＬ１は、例えば、ピーク波長が４５５ｎｍである。第１光ＢＬ１のピーク波長は４５５ｎｍに限定されず、４４０ｎｍや４４６ｎｍであってもよい。また、第１光源２１ａと第２光源２１ｂとから射出される第１光ＢＬ１は、互いに異なるピーク波長を有していてもよい。また、第１光ＢＬ１は、第１の偏光成分に加えて、第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を含んでいてもよい。

詳細は後述するが、第１光ＢＬ１の一部は、偏光分離素子５０によって分離されて、蛍光体層２７ｃの励起光となる。また、第１光ＢＬ１の他の一部は、偏光分離素子５０によって分離されて、拡散素子３０を介して画像表示用の青色光となる。

光源装置２１から射出された第１光ＢＬ１は、コリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、第１光ＢＬ１を平行光束に変換する。コリメーター光学系２２は、アレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから成る。コリメーターレンズ２２ａは、複数の半導体レーザー２１１ａ，２１１ｂの各々と対応して、同数配置されている。

第１光ＢＬ１は、コリメーター光学系２２を通過することによって、平行光束に変換されてアフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、第１光ＢＬ１の光束径を縮小する。

アフォーカル光学系２３において、第１レンズ２３ａと第２レンズ２３ｂとは、光軸方向が一致するように配置されている。第１レンズ２３ａは、第２レンズ２３ｂに対して、コリメーター光学系２２側に、換言すれば第１光ＢＬ１の入射側に位置している。第１レンズ２３ａは凸レンズである。第１レンズ２３ａは、コリメーター光学系２２から射出された平行光束を集光して、第２レンズ２３ｂに向けて射出する。第２レンズ２３ｂは凹レンズである。詳しくは、第２レンズ２３ｂは、第１光ＢＬ１の入射側、換言すれば第１レンズ２３ａ側が凹面であって、該凹面と反対側を向く面が平面である。第２レンズ２３ｂは、第１レンズ２３ａから射出された、後述する第２光ＢＬ２を平行光束とする。なお、第２レンズ２３ｂの凹面および平面が向く方向は、上記に限定されず、上記の構成と逆であってもよい。

ここで、第１レンズ２３ａおよび第２レンズ２３ｂは、上記の構成に限定されない。第１レンズ２３ａおよび第２レンズ２３ｂは、例えば、共に凸レンズであってもよい。この場合には、第１レンズ２３ａと第２レンズ２３ｂとの間で光線が交差する。

アフォーカル光学系２３の第１レンズ２３ａと第２レンズ２３ｂとの間には、１／２波長板２８ａが配置されている。詳しくは、１／２波長板２８ａは、光軸Ａｘ１上において、第１レンズ２３ａと第２レンズ２３ｂとの間にあって、第２レンズ２３ｂに近い位置に配置されている。つまり、１／２波長板２８ａは、光軸Ａｘ１上における、第１レンズ２３ａと第２レンズ２３ｂとの間の中間点よりも第２レンズ２３ｂ側に位置している。

１／２波長板２８ａは、直線偏光の第１光ＢＬ１を通過させて、第１の偏光成分および第２の偏光成分のそれぞれの直線偏光を含む第２光ＢＬ２とする。第１の偏光成分と第２の偏光成分とは直交する。ここで、第１の偏光成分とは偏光分離素子５０に対するｓ偏光成分であり、第２の偏光成分とは偏光分離素子５０に対するｐ偏光成分である。

１／２波長板２８ａには、第１光ＢＬ１の中心軸と交差する面内において、１／２波長板２８ａを回転させる偏光調整機構２８ｃが接続されている。偏光調整機構２８ｃは、１／２波長板２８ａの遅相軸角度を変化させる。１／２波長板２８ａの遅相軸角度を変化させることによって、第２光ＢＬ２における第１の偏光成分と第２の偏光成分との比率が調整される。ここで、本実施形態において、第１光ＢＬ１の中心軸とは光軸Ａｘ１を指す。

第２光ＢＬ２は、アフォーカル光学系２３から射出されて、ホモジナイザー光学系２４に入射する。ホモジナイザー光学系２４は、第２光ＢＬ２の光強度分布を均一な状態、所謂トップハット分布に変換する。ホモジナイザー光学系２４は、光軸Ａｘ１に沿って並んだ、第１マルチレンズアレイ２４ａと第２マルチレンズアレイ２４ｂとを有している。ホモジナイザー光学系２４を経た第２光ＢＬ２は、光源ユニット２５から偏光分離素子５０に向けて射出されて光学素子２５Ａへ入射する。

光学素子２５Ａは、ダイクロイックプリズムにて構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸Ａｘ１に対して４５°の角度を成す傾斜面Ｋを有している。傾斜面Ｋは、光軸Ａｘ２に対しても４５°の角度を成している。光学素子２５Ａは、互いに直交する光軸Ａｘ１および光軸Ａｘ２の交点と、傾斜面Ｋの光学中心とが一致するように配置されている。なお、光学素子２５Ａは、ダイクロイックプリズムのようなプリズム形状のものに限定されず、平行平板状のダイクロイックミラーであってもよい。

傾斜面Ｋには、波長選択性を有する偏光分離素子５０が設けられている。偏光分離素子５０は、第２光ＢＬ２を、第１の偏光成分であるｓ偏光成分と、第２の偏光成分であるｐ偏光成分と、に分離する偏光分離機能を有している。詳しくは、偏光分離素子５０は、第２光ＢＬ２のｓ偏光成分を反射させ、第２光ＢＬ２のｐ偏光成分を透過させる。また、偏光分離素子５０は、青色光である第２光ＢＬ２とは波長帯が異なる蛍光光ＹＬに対して、蛍光光ＹＬの偏光状態に係わらず透過させる色分離機能も有している。すなわち、偏光分離素子５０は、青色光領域の波長の光についてはｓ偏光成分とｐ偏光成分とを分離するのに対して、緑色光領域および赤色光領域の波長の光についてはｓ偏光成分およびｐ偏光成分のそれぞれを通過させる、波長選択性の偏光分離特性を有している。

具体的には、偏光分離素子５０は、直線偏光の第２光ＢＬ２を、偏光分離素子５０に対する、ｓ偏光成分である第３光ＢＭｓｅ３と、ｐ偏光成分である第４光ＢＭｐ４とに分離する。第３光ＢＭｓｅ３は、偏光分離素子５０にて反射されて光軸Ａｘ２に沿って進み、第１ピックアップ光学系２６に入射する。第４光ＢＭｐ４は、偏光分離素子５０を透過して光軸Ａｘ１に沿って、１／４波長板２８ｂに向かって進む。

第１ピックアップ光学系２６は、第３光ＢＭｓｅ３を波長変換素子２７に向けて集光させる。第１ピックアップ光学系２６は、第１ピックアップレンズ２６ａ，２６ｂを有している。第１ピックアップレンズ２６ａ，２６ｂのうち、第１ピックアップレンズ２６ａが光学素子２５Ａに近い側に配置されている。

第３光ＢＭｓｅ３は、第１ピックアップ光学系２６を介して、波長変換素子２７の蛍光体層２７ｃに入射する。蛍光体層２７ｃは、例えば、波長４５５ｎｍの励起光である第３光ＢＭｓｅ３によって励起される蛍光体を含んでいる。該蛍光体は、第３光ＢＭｓｅ３が入射すると、例えば５００ｎｍから７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する黄色光である蛍光光ＹＬを生成する。これによって、波長変換素子２７は、第３光ＢＭｓｅ３によって励起され、偏光分離素子５０に向けて蛍光光ＹＬを射出する。

蛍光光ＹＬは、蛍光体層２７ｃから射出されて、第１ピックアップ光学系２６を経て光学素子２５Ａに入射する。蛍光光ＹＬは、偏光方向が揃っていない非偏光光である。偏光分離素子５０は、蛍光光ＹＬの偏光成分によらず、蛍光光ＹＬを透過する特性を有している。そのため、蛍光光ＹＬは、光軸Ａｘ２に沿って進み、偏光分離素子５０を透過して、図示しない均一化装置３１に入射する。なお、波長変換素子２７には、第３光ＢＭｓｅ３の入射によって生じた熱を冷却するための冷却装置が付設されていてもよい。

偏光分離素子５０と拡散素子３０との間の光路中には、１／４波長板２８ｂと第２ピックアップ光学系２９とが配置されている。第４光ＢＭｐ４は、偏光分離素子５０から拡散素子３０に向けて射出されて、１／４波長板２８ｂに入射する。ｐ偏光成分の第４光ＢＭｐ４は、１／４波長板２８ｂによって円偏光の第５光ＢＭｃ５に変換される。本実施形態においては、第５光ＢＭｃ５は右円偏光である。１／４波長板２８ｂから射出された第５光ＢＭｃ５は、第２ピックアップ光学系２９に入射する。なお、本明細書において、円偏光とは、２つの偏光成分の強度が等しい正円の偏光に加えて、２つの偏光成分の強度が異なる楕円偏光も含むものとする。

第２ピックアップ光学系２９は、第５光ＢＭｃ５を拡散素子３０に向けて集光させる。第２ピックアップ光学系２９は、第２ピックアップレンズ２９ａ，２９ｂを有している。第２ピックアップレンズ２９ａ，２６ｂのうち、第２ピックアップレンズ２９ａが１／４波長板２８ｂに近い側に配置されている。

第５光ＢＭｃ５は、光軸Ａｘ１に沿って進み、第２ピックアップ光学系２９を経て拡散素子３０に到達する。拡散素子３０は、第５光ＢＭｃ５を光学素子２５Ａに向けて拡散反射させる。拡散素子３０は、右円偏光の第５光ＢＭｃ５を、左円偏光の第６光ＢＭｃ６に変換して反射する。

拡散素子３０は、平板状であって、図示を省略するが、基材に反射膜が設けられている。基材は、例えば、ガラスなどの透光性の材料で形成されている。反射膜は、第２ピックアップ光学系２９と対向する面に設けられている。反射膜は、例えば、銀、アルミニウムなどの光反射性の高い金属で形成された金属反射膜である。

第６光ＢＭｃ６は、拡散素子３０から射出されて第２ピックアップ光学系２９を介して、１／４波長板２８ｂに入射する。第６光ＢＭｃ６は、１／４波長板２８ｂによって、ｓ偏光の第７光ＢＭｓｄ７に変換される。第７光ＢＭｓｄ７は、１／４波長板２８ｂから射出されて光軸Ａｘ１に沿って進み、光学素子２５Ａに入射する。第７光ＢＭｓｄ７は、偏光分離素子５０にて反射されて光軸Ａｘ２に沿って進み、図示しない均一化装置３１に入射する。

光学素子２５Ａから均一化装置３１に向けて、青色光である第７光ＢＭｓｄ７と黄色光である蛍光光ＹＬとが、光軸Ａｘ２に沿う同一方向に射出される。すなわち、第７光ＢＭｓｄ７と蛍光光ＹＬとが合成された白色光である照明光ＷＬとなって、照明装置４から射出されて均一化装置３１に入射する。

１．３．１／２波長板の偏光回転率
１／２波長板２８ａの偏光回転率について、１／４波長板の偏光回転率と比較して説明する。図４Ａは、第１光源から射出される第１光に対する、１／２波長板の偏光回転率を示す分布図である。図４Ｂは、第２光源から射出される第１光に対する、１／２波長板の偏光回転率を示す分布図である。図５Ａは、第１光源から射出される第１光に対する、１／４波長板の偏光回転率を示す分布図である。図５Ｂは、第２光源から射出される第１光に対する、１／４波長板の偏光回転率を示す分布図である。図４Ａ、図４Ｂは、本実施形態の１／２波長板２８ａのシミュレーションデータを示すものである。図５Ａ、図５Ｂは、１／２波長板２８ａに代えて、１／４波長板を用いた場合の比較例としてのシミュレーションデータを示すものである。

上述したように、アフォーカル光学系２３において、第１光ＢＬ１は、第１レンズ２３ａから第２レンズ２３ｂへ向けて光束径が縮小される。１／２波長板２８ａは、第１レンズ２３ａと第２レンズ２３ｂとの間に、換言すれば、上記光束径が縮小される途中に配置されている。そのため、１／２波長板２８ａの入射面における第１光ＢＬ１の入射する位置によって、個々の光線の入射角度に差が生じる。図４Ａおよび図４Ｂでは、該入射角度の差に起因する偏光回転率のばらつきを分布図として示している。

ここで、本明細書における偏光回転率とは、入射光の偏光面を回転させ得る程度を百分率で表している。換言すれば、偏光回転率とは、第１光ＢＬ１における、第１の偏光成分であるｓ偏光成分の一部を、第２の偏光成分であるｐ偏光成分に変換する際の変換効率である。偏光回転率のばらつきが大きくなると、照明光ＷＬにおける色ムラが顕著になる。なお、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂで例示するシミュレーションデータは、基準とする偏光回転率を２２％とし、上述した光源ユニット２５の配置に対応するものであり、上記入射角度が８°から２１°の範囲に分布している。

第１光源２１ａでは、複数の半導体レーザー２１１ａが面２１ｃに沿ってマトリクス状に配置されている。第２光源２１ｂでは、複数の半導体レーザー２１１ｂが面２１ｃに沿ってマトリクス状に配置されている。図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂでは、複数の半導体レーザー２１１ａ，２１１ｂから射出される光線に対して、個々の偏光回転率を示すのではなく、偏光回転率の分布として模式的に示している。したがって、実際の偏光回転率は、半導体レーザー２１１ａ，２１１ｂから射出される個々の光線に対応するものである。

なお、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂにおいて、Ｘ軸は第１光源２１ａと第２光源２１ｂとが、光軸Ａｘ１を挟んで隣り合う方向に対応し、Ｙ軸は、面２１ｃに沿う面にあって、Ｘ軸と直交する方向に対応している。また、複数の半導体レーザー２１１ａ，２１１ｂは、Ｘ方向およびＹ方向にマトリクス状に配置されている。

図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂにおけるハッチング種の凡例は、偏光回転率の範囲を示している。具体的には、ハッチング種Ａが０％以上１０％未満、ハッチング種Ｂが１０％以上２０％未満、ハッチング種Ｃが２０％以上３０％未満、ハッチング種Ｄが３０％以上４０％未満、ハッチング種Ｅが４０％以上５０％未満の偏光回転率を各々表している。

図４Ａおよび図４Ｂに示すように、１／２波長板２８ａでは、偏光回転率が３０％未満となり、偏光回転率におけるばらつきの発生が抑えられていることが分かる。これに対して、図５Ａおよび図５Ｂに示すように、１／４波長板を用いると、偏光回転率が１０％から５０％の範囲までばらつきが大きくなることが分かる。これによって、１／２波長板２８ａを用いると、偏光回転率におけるばらつきの発生を抑制できることが示された。特に、本実施形態のプロジェクター１のように、第１光源２１ａおよび第２光源２１ｂの２個の光源を用いると、第１レンズ２３ａから第２レンズ２３ｂへの光束径の縮小率が大きくなり、入射角度の差が大きくなる。このような場合に、１／２波長板であれば、照明光ＷＬにおける色ムラの発生を低減することができる。

１．４．偏光回転率の入射角度依存性
１／２波長板２８ａにおける偏光回転率の入射角度依存性について、１／４波長板と比較して説明する。図６は、１／２波長板の偏光回転率における入射角度依存性を示すグラフである。図７は、１／４波長板の偏光回転率における入射角度依存性を示すグラフである。

図６は、本実施形態の１／２波長板２８ａのシミュレーションデータを示すものである。図７は、比較例である１／４波長板のシミュレーションデータを示すものである。ここで、図６および図７では、横軸を入射光の波長とし、縦軸を偏光回転効率としている。線種の凡例に示した２つの数字は、前方が方位角度であり、後方が波長板への入射角度である。方位角度０°、入射角度０°以外の線種は、全て入射角度１０°の斜め入射を想定したデータである。ここで、図６、図７で例示するシミュレーションデータは、基準とする偏光回転率を２２％としている。

なお、図６において、方位角度０°で入射角度１０°のデータは、方位角度１８０°で入射角度１０°のデータと一致するため、図示を省略している。同様にして、図７において、方位角度０°で入射角度１０°は方位角度１８０°で入射角度１０°と、方位角度４５°で入射角度１０°は方位角度２２５°で入射角度１０°と、方位角度９０°で入射角度１０°は方位角度２７０°で入射角度１０°と、方位角度１３５°で入射角度１０°は方位角度３１５°で入射角度１０°と、それぞれデータが一致している。そのため、入射角度１０°における、方位角度が０°、４５°、９０°、および１３５°のデータは、図示を省略している。

図６に示すように、１／２波長板２８ａでは、方位角度が０°から１８０°までの間で偏光回転率のばらつきの発生が抑えられていることが分かる。偏光回転率は、入射光の波長が４００ｎｍから６４０ｎｍの範囲でばらつきが約１０％の範囲に収まり、入射角度依存性が小さいことが示された。特に、本実施形態で用いる、第１光ＢＬ１のピーク波長である４５５ｎｍの入射光に対しては、入射角度に対する依存性がより小さくなっている。これに対して、図７に示すように、１／４波長板では、方位角度が０°から３１５°までの間で偏光回転率のばらつきが大きくなることが分かる。偏光回転率は、入射光の波長が４００ｎｍから６４０ｎｍの範囲において、ばらつきが概ね１０％から１５％となり、１／２波長板２８ａよりも入射光の角度依存性が大きくなっている。

以上に述べたように、実施形態に係る照明装置４およびプロジェクター１によれば、以下の効果を得ることができる。

照明装置４を容易に小型化することができる。詳しくは、アフォーカル光学系２３の第１レンズ２３ａと第２レンズ２３ｂとの間に、１／２波長板２８ａが配置されている。これに加えて、１／２波長板２８ａは、第１レンズ２３ａよりも第２レンズ２３ｂに近付けて配置されている。そのため、１／２波長板２８ａが第１レンズ２３ａに近い場合と比べて、１／２波長板２８ａには、より縮径された光束が入射する。したがって、１／２波長板２８ａを小さくすることが可能であり、照明装置４をより小型化しやすくなる。

また、位相差板として１／２波長板２８ａを用いることから、照明光における色ムラの発生を抑えることができる。詳しくは、１／２波長板２８ａは、例えば１／４波長板と比べて、偏光回転率における入射角度の依存性が小さい。換言すれば、１／２波長板２８ａでは、光束の入射角が大きくなっても、１／４波長板よりも偏光回転率のばらつきが小さくなる。すなわち、１／２波長板２８ａによって偏光回転率のばらつきが低減され、照明光における色ムラの発生を抑えることができる。以上により、小型化が容易で、照明光における色ムラの発生を抑えた照明装置４を提供することができる。

第１光源２１ａおよび第２光源２１ｂが固体光源であることから、放電型の光源を用いる場合と比べて、照明光を容易に高光束化することができる。

１／２波長板２８ａを用いることから、１／４波長板と比べて、偏光回転率において、入射光の入射する位置および入射角度によるばらつきの発生が抑えられる。また、光源ユニット２５から射出される第２光ＢＬ２において、ｓ偏光成分とｐ偏光成分との比率を調整することが可能となる。これにより、第７光ＢＭｓｄ７と蛍光光ＹＬとの割合を変化させることで、白色光である照明光ＷＬにおけるホワイトバランスを調整することができる。

第２光ＢＬ２のうちの、第３光ＢＭｓｅ３を波長変換素子２７に入射させて活用し、第４光ＢＭｐ４を拡散素子３０にて活用することができる。また、波長変換素子２７から射出された蛍光光を、偏光分離素子５０からさらに射出させることができる。

偏光分離素子５０と拡散素子３０との間の光路中に１／４波長板２８ｂが配置されることから、偏光分離素子５０から拡散素子３０に入射するｐ偏光成分を円偏光の光とし、拡散素子３０から入射する円偏光の光をｓ偏光成分に変換することができる。

従来よりも小型で、投射される画像などの画質が向上した投射型表示装置としてのプロジェクター１を提供することができる。

以下に、実施形態から導き出される内容を記載する。

照明装置は、光源ユニットと、偏光分離素子と、拡散素子と、波長変換素子と、を備え、光源ユニットは、第１光源と、第２光源と、アフォーカル光学系と、１／２波長板と、を備え、アフォーカル光学系と、１／２波長板と、偏光分離素子とは、第１軸に沿って配置され、第１光源と、第２光源とは、第１軸と直交する面に沿って並んで配置され、アフォーカル光学系は、第１レンズと、第１レンズの後段に配置された第２レンズと、を備え、１／２波長板は、第１軸上において、第１レンズと第２レンズとの間にあって、第２レンズに近い位置に配置されることを特徴とする。

この構成によれば、照明装置を容易に小型化することができる。詳しくは、アフォーカル光学系の第１レンズと第２レンズとの間に、１／２波長板が配置されている。これに加えて、１／２波長板は、第１レンズよりも第２レンズに近付けて配置されている。そのため、１／２波長板が第１レンズに近い場合と比べて、１／２波長板には、より縮径された光束が入射する。したがって、１／２波長板を小さくすることが可能であり、照明装置をより小型化しやすくなる。

また、位相差板として１／２波長板を用いることから、照明光における色ムラの発生を抑えることができる。詳しくは、１／２波長板は、例えば１／４波長板と比べて、偏光回転率における入射角度の依存性が小さい。換言すれば、１／２波長板では、光束の入射角が大きくなっても、１／４波長板よりも偏光回転率のばらつきが小さくなる。すなわち、１／２波長板によって偏光回転率のばらつきが低減され、照明光における色ムラの発生を抑えることができる。以上により、小型化が容易で、照明光における色ムラの発生を抑えた照明装置を提供することができる。

上記の照明装置において、第１光源および第２光源は、第１の偏光成分を含む第１光を射出する固体光源であることが好ましい。

この構成によれば、固体光源を用いることに加えて、複数の光源として第１光源および第２光源を備えることから、照明光を容易に高光束化することができる。

上記の照明装置において、１／２波長板は、第１光を通過させて、第１の偏光成分と第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分とを含む第２光とし、１／２波長板を、第１光の中心軸と交差する面内において回転させる偏光調整機構を備えることが好ましい。

この構成によれば、１／４波長板と比べて、偏光回転率において、入射光の入射する位置および入射角度によるばらつきの発生が抑えられる。また、光源ユニットから射出される第２光において、第１の偏光成分と第２の偏光成分との比率を調整することが可能となる。

上記の照明装置において、光源ユニットは、第２光を偏光分離素子に向けて射出し、偏光分離素子は、第２光を、第１の偏光成分である第３光と、第２の偏光成分である第４光とに分離し、拡散素子に向けて、偏光分離素子から第４光が射出され、波長変換素子には、偏光分離素子で分離された第３光が入射することが好ましい。

この構成によれば、第２光のうちの、第３光を波長変換素子に入射させて活用し、第４光を拡散素子にて活用することができる。

上記の照明装置において、波長変換素子は、第３光によって励起され、偏光分離素子に向けて蛍光光を射出し、偏光分離素子は、蛍光光を透過することが好ましい。

この構成によれば、波長変換素子から射出された蛍光光を、偏光分離素子からさらに射出させることができる。

上記の照明装置において、偏光分離素子と拡散素子との間の光路中に１／４波長板が配置されることが好ましい。

この構成によれば、偏光分離素子から拡散素子に入射する第２の偏光成分を円偏光の光とし、拡散素子から入射する円偏光の光を第１の偏光成分に変換することができる。

投射型表示装置は、上記の照明装置と、照明装置から射出された光を変調する光変調装置と、光変調装置によって変調された光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、従来よりも小型で、投射される画像などの画質が向上した投射型表示装置を提供することができる。

１…投射型表示装置としてのプロジェクター、４…照明装置、２１ａ…第１光源、２１ｂ…第２光源、２１ｃ…面、２３…アフォーカル光学系、２３ａ…第１レンズ、２３ｂ…第２レンズ、２５…光源ユニット、２７…波長変換素子、２８ａ…１／２波長板、２８ｂ…１／４波長板、２８ｃ…偏光調整機構、３０…拡散素子、３６…投射光学装置、５０…偏光分離素子、３４３Ｂ，３４３Ｇ，３４３Ｒ…光変調装置、Ａｘ１…第１軸としての光軸、ＢＬ１…第１光、ＢＬ２…第２光、ＢＭｓｅ３…第３光、ＢＭｐ４…第４光、ＹＬ…蛍光光。

Claims (7)

1. 第１光源および第２光源と、
   前記第１光源および前記第２光源から出射された各光が入射する第１レンズ、および、前記第１レンズの後段に配置された第２レンズを含むアフォーカル光学系と、
   前記第１レンズと前記第２レンズとの間に配置された１／２波長板と、
   を備え、
   前記第１レンズ、前記第２レンズ、および前記１／２波長板は、第１軸に沿って配置され、
   前記第１光源および前記第２光源は、前記第１軸と直交する面に沿って配置され、
   前記１／２波長板は、前記第１軸上において前記第１レンズおよび前記第２レンズとの間の中間点よりも前記第２レンズ側に配置されることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置であって、
   前記第１光源および前記第２光源は、第１の偏光成分を含む第１光を射出する固体光源であることを特徴とする照明装置。
3. 請求項２に記載の照明装置であって、
   偏光調整機構を備え、
   前記１／２波長板は、前記第１光を、前記第１の偏光成分と前記第１の偏光成分に直交する第２の偏光成分とを含む第２光に変換し、
   前記偏光調整機構は、前記第１光の中心軸と交差する面内において前記１／２波長板を回転させることを特徴とする照明装置。
4. 請求項３に記載の照明装置であって、
   前記第１軸に沿って配置され、前記第２レンズから出射された前記第２光を、前記第１の偏光成分を含む第３光と、前記第２の偏光成分を含む第４光とに分離する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子から出射された前記第３光が入射する波長変換素子と、
   前記偏光分離素子から出射された前記第４光が入射する拡散素子と、
   を備えることを特徴とする照明装置。
5. 請求項４に記載の照明装置であって、
   前記波長変換素子は、前記第３光によって励起され、前記偏光分離素子に向けて蛍光光を射出し、
   前記偏光分離素子は、前記蛍光光を透過することを特徴とする照明装置。
6. 請求項４または５に記載の照明装置であって、
   前記偏光分離素子と前記拡散素子との間の光路中に配置された１／４波長板を備えることを特徴とする照明装置。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された光を変調する光変調装置と、
   前記光変調装置によって変調された光を投射する投射光学装置と、
   を備えることを特徴とする投射型表示装置。

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