JPWO2011062036A1 - 光学素子、光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents

光学素子、光源装置及び投射型表示装置 Download PDF

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Abstract

本発明は、発光素子（１０）からの光が入射するホログラム層（１３）を備える。ホログラム層（１３）は、発光素子（１０）から入射した光のうち、偏光成分が特定の方向のＸ偏光の光を所定の方向に回折し、第１の位相状態（Ｐ１）のＸ偏光の光として出射する第１のホログラム（１４）と、発光素子（１０）から入射した光のうち、偏光成分がＸ偏光と直交方向のＹ偏光の光を第１の位相状態（Ｐ１）のＸ偏光の光と同一方向に、かつ等しい放射角で回折すると共にＸ偏光の光に変換し、第１の位相状態（Ｐ１）と異なる第２の位相状態（Ｐ２）のＸ偏光の光として出射する第２のホログラム（１５）と、を有する。

Description

本発明は、光を出射するために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、ホログラムを有す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、光源としての蛍光管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層１０４と、を備える光学素子１０１が開示されている。この光学素子１０１では、導光体１０３からの光とホログラム層１０４の干渉縞とがなす角φでホログラム層１０４に入射した光が、ホログラム層１０４から出射角αで導光体１０３に回折される。
また、ホログラム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ＬＥＤ１０６からの光が入射する導光体１０７と、この導光体１０７からの光を回折する拡散性ホログラム層１０８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１０９と、この偏光変換層１０９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１１０と、を備える光学素子１０２が開示されている。
特開平１１−１８４３８７ 特開２００３−２０７６４６
しかしながら、上述した特許文献１に記載の構成では、ホログラム層１０４で回折された光が出射されているのに過ぎない。このため、この構成では、少ない部品点数で指向性の高い出射光は得られるが、特定方向の偏光成分を有する直線偏光が得られない。
また、特許文献２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は得られるが、導光体、拡散性ホログラム層、偏光変換層、偏光分離層を有しており、部品点数が多い。このため、この構成は、作製が煩雑であり、製造コストが高い、光損失が高い、などの問題がある。
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、部品点数を削減できる光学素子、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、光源からの光が入射するホログラム層を備える。ホログラム層は、光源から入射した光のうち、偏光成分が特定の方向の第１の直線偏光の光を所定の方向に回折し、第１の位相状態の第１の直線偏光の光として出射する第１のホログラムと、光源から入射した光のうち、偏光成分が第１の直線偏光と直交方向の第２の直線偏光の光を第１の直線偏光の光と同一方向に、かつ等しい放射角で回折すると共に第１の直線偏光の光に変換し、第１の位相状態と異なる第２の位相状態の第１の直線偏光の光として出射する第２のホログラムと、を有する、光学素子。
また、本発明に係る光源装置は、本発明の光学素子と、光源から光が入射する導光体と、導光体の外周部に配置された少なくとも１つの光源と、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。
本発明によれば、光学素子を構成する部品点数を削減し、かつ、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断面図である。 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ホログラム層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である。 第１の実施形態におけるホログラム層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である。 第１の実施形態におけるホログラム層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である。 第１の実施形態におけるホログラム層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である。 第１の実施形態におけるホログラム層の第１のホログラムと第２のホログラムをそれぞれ記録する際に用いる信号光のパターンの例を示す図である。 第１の実施形態におけるホログラム層の第１のホログラムと第２のホログラムをそれぞれ記録する際に用いる信号光のパターンの例を示す図である。 第１の実施形態におけるホログラム層の第１のホログラムと第２のホログラムをそれぞれ記録する際に用いる信号光のパターンの例を示す図である。 第１の実施形態におけるホログラム層の第１のホログラムと第２のホログラムをそれぞれ記録する際に用いる信号光のパターンの例を示す図である。 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。 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。 ホログラム層における、第１のホログラム及び第２のホログラムの多重度と、各第１のホログラム及び第２の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。 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と、この導光体１２に設けられ導光体１２から入射する光を回折及び偏光変換するホログラム層１３と、を備えている。
光源装置１が備える発光素子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。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。
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。
なお、実施形態では、導光体１２が平板状に形成されているが、導光体１２の形状は直方体に限定されるものではない。また、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。
以下、説明の便宜上、ホログラム層１３の後述する第１のホログラム１４で回折される光の偏光軸に平行な方向をＸ方向とし、このＸ方向に直交し、ホログラム層１３の後述する第２のホログラム１５で偏光変換される光の偏光軸を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、図面中に破線矢印で示す。同様に、発光素子１０からの光のＹ偏光成分を「Ｙ偏光」と称し、図面中に実線矢印で示す。
図３に示すように、ホログラム層１３は、導光体１２の第２の面１２ｃに設けられている。ホログラム層１３は、導光体１２から入射した光のうち、偏光成分が特定の方向の第１の直線偏光としてのＸ偏光を回折し、第１の位相状態Ｐ１のＸ偏光として出射する第１のホログラム１４と、導光体１２から入射した光のうち、第２の直線偏光としてのＹ偏光をＸ偏光と略同一の方向に、かつ等しい放射角で回折すると共にＸ偏光の光に変換し、第１の位相状態Ｐ１と異なる第２の位相状態Ｐ２のＸ偏光の光として出射する第２のホログラム１５と、を有している。すなわち、第１のホログラム１４と第２のホログラム１５は、第１のホログラム１４及び第２のホログラム１５からそれぞれ出射されるＸ偏光の位相状態が互いに異なるように形成されている。
つまり、光学素子１１のホログラム層１３は、第１のホログラム１４が構成する干渉縞によって、ブラッグの回折条件を満たす入射光のみを回折する機能を有している。また、ホログラム層１３は、第２のホログラム１５が構成する干渉縞によって、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。そして、第１のホログラム１４及び第２のホログラム１５は、導光体１２の第１の面１２ｂからＸ偏光の光をそれぞれ０度の出射角で出射する。ここで、第１の面１２ｂの法線からの角度を出射角とする。
図４Ａに、第１のホログラム１４の形成工程を説明する模式図を示す。図４Ｂに、第１のホログラム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を示す。図４Ｃに、第２のホログラム１５の形成工程を説明する模式図を示す。図４Ｄに、第２のホログラム１５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を示す。ここで、第１及び第２のホログラム１４、１５への光の入射角、及び、第１及び第２のホログラム１４、１５からの光の出射角（回折角）は、ホログラム層１３の導光体１２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、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持つ複屈折性を有し、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。このことから、アゾベンゼンには、照射光の位相分布を、材料の屈折率分布として記録可能であり、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。
したがって、第１のホログラム１４を形成する場合、ホログラム材料に対して、信号光２０ｂとしての第１の位相状態Ｐ１のＸ偏光を、ホログラム層１３の界面に対して０度の入射角で照射すると共に、参照光２０ａとしてのＸ偏光を信号光２０ｂに対して所定の干渉角θ１で照射する。これによって、両者の交点付近には、Ｘ偏光に対する位相分布が生じ、位相分布に応じたＸ偏光の振幅の強弱がアゾベンゼンの屈折率分布として、所望の第１のホログラム１４を形成する。
このように第１のホログラム１４が形成されることによって、図４Ｂに示すように、ホログラム層１３の第１のホログラム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、第１のホログラム１４からは、図４Ａに示す信号光２０ｂが再生されるので、ホログラム層１３の導光体１２との界面に対して０度の回折角で第１の位相状態Ｐ１のＸ偏光が回折される。ホログラム層１３からのＸ偏光は、導光体１２を通過して、第１の位相状態Ｐ１のＸ偏光として光学素子１から０度の出射角で出射される。
また、ホログラム層１３の導光体１２との界面に対して、ブラッグの回折条件を満たさない角度で入射したＸ偏光は、第１のホログラム１４によって回折されずに、第１のホログラム層１３を透過し、ホログラム層１３の外部との界面で反射されて導光体１２に戻される。
つぎに、第２のホログラム１５を形成する場合、ホログラム材料に対して、信号光２２ｂとしての第２の位相状態Ｐ２のＸ偏光を、ホログラム層１３の界面に対して０度の入射角で照射すると共に、参照光２２ａとしてのＹ偏光を信号光２２ｂに対して所定の干渉角θ１で照射する。これによって、両者の交点付近には、偏光分布が生じ、アゾベンゼンの配向分布として、所望の第２のホログラム１５を形成する。
このように第２のホログラム１５が形成されることによって、図４Ｄに示すように、ホログラム層１３の第２のホログラム１５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、第２のホログラム１４からは、図４Ｃに示す信号光２２ｂが再生されることから、ホログラム層１３の導光体１２との界面に対して０度の回折角で第２の位相状態Ｐ２のＸ偏光が回折される。ホログラム層１３からのＸ偏光は、導光体１２を通過して、第２の位相状態Ｐ２のＸ偏光として光学素子１から０度の出射角で出射される。
また、ホログラム層１３の導光体１２との界面に対して、ブラッグの回折条件を満たさない角度で入射したＹ偏光は、第２のホログラム１５によって回折されず、かつＸ偏光に変換されずに、ホログラム層１３を透過し、ホログラム層１３の外部との界面で反射されて導光体１２に戻される。
つまり、本実施形態における第１のホログラム１４は、ホログラム材料に光の位相分布が、特定の偏光成分に対する屈折率分布として記録された位相ホログラムである。また、第２のホログラム１５は、ホログラム材料に偏光分布が、分子の配向分布として記録された偏光ホログラムである。
図５Ａ〜図５Ｄに、第１の位相状態Ｐ１及び第２の位相状態Ｐ２の信号光のパターンの例をそれぞれ示す。これらは、信号光の光軸に直交する平面におけるパターンである。ここでは、光軸を中心として４分割された第１の領域Ｓ１、第２の領域Ｓ２、第３の領域Ｓ３、及び第４の領域Ｓ４が信号光の進行方向から見て右回りに配置されている。
第１〜第４の領域Ｓ１〜Ｓ４における各位相状態が、特定の位相状態である「０」と、位相状態「０」から１８０度位相がずれた位相状態である「π」との組み合わせとなっている。このようなパターンを用いることによって、各信号光のパターンは、互いに異なり、かつ互いに相関が低い位相分布（位相コード）にされている。このような位相コードの生成には、一般的にウォルシュ−アダマール変換を用いることができる。
第１及び第２のホログラム１４、１５を形成する場合、例えば図５Ａ〜図５Ｄに示された各パターンのうちの、いずれか２つをそれぞれの信号光のパターンとして用いることで、位相状態が互いに異なる光にそれぞれ回折する第１のホログラム１４と第２のホログラム１５が形成される。なお、信号光のパターンや、信号光のパターンが有する領域の数（分割数）は、第１の位相状態Ｐ１と第２の位相状態Ｐ２の相関が低ければ任意であり、ここで例として挙げているウォルシュ−アダマール変換に則ったものでかつ４分割、というものに制限されないことは勿論である。
以上のように、本実施形態では、第１のホログラム１４で回折されたＸ偏光の第１の位相状態Ｐ１と、第２のホログラム１５で回折及び偏光変換された光の第２の位相状態Ｐ２が異なり、かつ互いに相関が低いことで、第１のホログラム１４で回折されたＸ偏光が、第１のホログラム１４から第２のホログラム１５に入射したときに、第２のホログラム１５で回折されるのを防ぎ、第２のホログラム１５を透過することになり、同様に、第２のホログラム１５で回折されたＸ偏光が、第２のホログラム１５から第１のホログラム１４に入射したときに、第１のホログラム１４で回折されるのを防ぎ、第１のホログラム１４を透過することになる。第１の位相状態Ｐ１と第２の位相状態Ｐ２との相関性を低く設定することは、ホログラム層１３に第１及び第２のホログラム１４、１５が多層に形成された場合であっても同様であり、ホログラム層１３の厚み方向における第１のホログラム１４と第２のホログラム１５の相対位置にかかわらずに必要である。
また、ホログラム層１３への入射角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第１のホログラム１４及び、複数の第２のホログラム１５をホログラム層１３の中に形成する。
以下、説明の便宜上、ホログラム層１３の第１のホログラム１４を挙げて説明するが、第２のホログラム１５についても同様であるため、第２のホログラム１５については簡単に説明する。
図６に、図３に示した構成において、導光体１２内を多重反射する光に関して、第１のホログラム１４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へ入射する光とホログラム層１３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の図を示す。図６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、ホログラム層１３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７に、ホログラム層１３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の図を示す。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１３５[ｄｅｇ]（参照光２０ａの入射角を１３５［ｄｅｇ］、信号光２０ｂの入射角を０［ｄｅｇ］）、ホログラム層１３全体の厚さを１０００μｍ、屈折率変調をｎ１=１．２４×１０−５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。
Figure 2011062036
 式１に示すように、Ｍ／＃は、ホログラムＭにおける回折効率ηＭ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８に、ホログラム層１３における、第１のホログラム１４の多重度と各第１のホログラム１４の回折効率との関係の図を示す。第１のホログラム１４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８に示すように、入射光に対する回折効率が１％である第１のホログラム１４を８００／２多重する、つまり同一面上に４００個の第１のホログラム１４と、４００個の第２のホログラム１５をそれぞれ重ね合わせて形成することができる。
ホログラム層１３は、上述したように、ホログラム材料に参照光２０ａ、２２ａ及び信号光２０ｂ、２２ｂを照射する際、例えば信号光２０ｂ、２２ｂと参照光２０ａ、２２ａとの間の干渉角θ１を一定に保ったままで、信号光２０ｂ、２２ｂを照射する角度及び参照光２０ａ、２２ａを照射する角度を０．０３［ｄｅｇ］ずつ４００回ずらすことで、複数の第１のホログラム１４、及び複数の第２のホログラム１５をそれぞれ多重に形成する。このとき、ホログラム層１３の全ての第１のホログラム１４による角度選択性は、０．０３×４００＝１２［ｄｅｇ］の範囲となる。同様に、ホログラム層１３の全ての第２のホログラム１５による角度選択性も、０．０３×４００＝１２［ｄｅｇ］の範囲となる。
つまり、ホログラム層１３は、導光体１２からの１２［ｄｅｇ］の角度範囲の光を、１２［ｄｅｇ］の角度範囲の光として回折して出射する。ここで、導光体１２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、ホログラム層１３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は特許文献２よりも出射光の指向性を高めることができる。
また、ホログラム層１３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４００回ずらすことで、複数の第１のホログラム１４を多重に形成してもよい。このように複数の第１のホログラム１４を形成することで、異なる入射角の光を、それぞれの第１のホログラム１４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、第１のホログラム１４を作製する際の信号光２０ｂと参照光２０ａとの間の干渉角θ１は、９０［ｄｅｇ］＜θ１＜１８０［ｄｅｇ］の範囲内である。この範囲内では干渉角θ１が小さいほど角度選択性が狭くなる。このため、例えば、全ての第１のホログラム１４の干渉角θ１を１３５［ｄｅｇ］より小さくすると、干渉角１３５［ｄｅｇ］で全ての第１のホログラム１４を作製した場合と比べて回折角の分布が狭くなるので、全ての第１のホログラム１４の角度選択性は０．０３［ｄｅｇ］よりも小さくなる。
なお、ホログラム層１３の厚みを薄くすることで、ホログラム層１３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、ホログラム層１３の回折効率が低下し、光損失が増えてしまう。このため、ホログラム層１３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、第１のホログラム１４の多重数を増やすことで、ホログラム層１３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、ホログラム層１３の回折効率が低下し、光損失が増えてしまう。このため、ホログラム層１３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。
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及び、導光体１２と屈折率がほぼ等しいホログラム層１３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偏光の一部または全てが、ホログラム層１３の第１のホログラム１４へブラッグの回折条件を満たす入射角で入射したときに、第１のホログラム１４によって波数ベクトルＫに対してブラッグ角θBraggだけ回折される。そして、第１のホログラム１４に入射したＸ偏光は、第１のホログラム１４で回折されることで、第１の位相状態Ｐ１のＸ偏光として導光体１２から０度の出射角で出射される。
また、発光素子１０からの入射光の一方の偏光成分であるＹ偏光の一部または全てが、ホログラム層１３の第２のホログラム１５へブラッグの回折条件を満たす入射角で入射したときに、第２のホログラム１５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、偏光変換される。そして、第２のホログラム１５に入射したＹ偏光は、第２のホログラム１５で回折されることで、第１の位相状態Ｐ１のＸ偏光として導光体１２から０度の出射角で出射される。
そして、本実施形態におけるホログラム層１３の第１のホログラム１４は、上述した角度選択範囲を有しているので、ホログラム層１３に所定の入射角の範囲内で入射したＸ偏光を、多重された第１のホログラム１４によってそれぞれの第１のホログラム１４の波数ベクトルＫからブラッグ角θBraggだけ回折する。したがって、ホログラム層１３の第１のホログラム１４に所定の入射角の範囲内で入射したＸ偏光は、ホログラム層１３から第１の位相状態Ｐ１のＸ偏光として所定の出射角の範囲で出射される。
また同様に、本実施形態におけるホログラム層１３の第２のホログラム１５は、第１のホログラム１４と同等の角度選択範囲を有しているので、ホログラム層１３に所定の入射角の範囲内で入射したＹ偏光を、多重された第２のホログラム１５によってそれぞれの第２のホログラム１５の波数ベクトルＫからブラッグ角θBraggだけ回折し、かつＸ偏光に変換する。したがって、ホログラム層１３の第２のホログラム１５に所定の入射角の範囲内で入射したＹ偏光は、ホログラム層１３から第２の位相状態Ｐ２のＸ偏光として所定の出射角の範囲で出射される。
また、ホログラム層１３に所定の入射角の範囲以外の角度で入射したＸ偏光は、第１のホログラム１４で回折されることなく、ホログラム層１３を透過し、ホログラム層１３と外部（空気）との界面で反射され、再度ホログラム層１３を透過して導光体１２内に戻る。また同様に、ホログラム層１３に所定の入射角の範囲以外の角度で入射したＹ偏光は、第２のホログラム１５で回折及び偏光変換されることなく、ホログラム層１３を透過し、ホログラム層１３と外部（空気）との界面で反射され、再度ホログラム層１３を透過して導光体１２内に戻る。
上述のように、ホログラム層１３の第１及び第２のホログラム１４、１５からそれぞれ出射されたＸ偏光は、導光体１２を通過し、光学素子１１から所定の出射角の出射光として出射される。つまり、ホログラム層１３の第１及び第２のホログラム１４、１５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。
なお、上述した第１の実施形態において、ホログラム層１３から回折した光は、導光体１２の、ホログラム層１３の設けられた面に対向する面である第１の面から出射することに限定されず、導光体１２の他の面から出射してもよい。
また、第１の実施形態におけるホログラム層１３は、複数の第１及び第２のホログラム１４、１５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、複数の第１及び第２のホログラム１４、１５が多層に、すなわち積層されて形成されてもよい。
また、第１の実施形態における第１のホログラム１４及び第２のホログラム１５は、例えば異なる波長感度を有する反応開始剤を導入するなどの公知の方法によって、波長が異なる入射光にそれぞれ対応してもよい。
また、第１の実施形態における第１のホログラム１４及び第２のホログラム１５は、例えば作製時に参照光の入射方向を変えるなどの方法によって、入射方向が異なる光にそれぞれ対応してもよい。詳細には、図４Ａ及び図４Ｂに示す例では、第１のホログラム１４及び第２のホログラム１５の作製時に参照光を紙面左側から照射しているが、紙面右側、紙面裏側、及び紙面表側から参照光をそれぞれ照射して作製し、それぞれの方向から入射した光を紙面上方向に回折してもよい。
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、ホログラム層１３の第１及び第２のホログラム１４、１５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）分布を有する第１及び第２のホログラム１４、１５を、その回折効率を下げて第１及び第２のホログラム１４、１５を多重化させたホログラム層１３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。また、第１の実施形態によれば、光学素子１１を構成する部品点数を削減することができる。
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、光学素子の構成の一部のみが異なる。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９に、第２の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図１０に、第２の実施形態の光源装置を発光素子側から見た側面図を示す。
図９及び図１０に示すように、第２の実施形態の光源装置２では、光学素子２１の導光体１２を覆う反射層１８が設けられている点が、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２１ａとしての開口と、光学素子１１の光出射部２１ｂ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２によれば、光入射部２１ａ及び光出射部２１ｂを除く光学素子２１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。
また、第２の実施形態において、反射層１８は、光学素子２１の光入射部２１ａ及び光出射部２１ｂを除く他の面や、ホログラム層１３の下面のうち、一部のみを覆って設けられてもよい。
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。
また、第２の実施形態において、光出射部２１ｂはホログラム層１３の対向する面に限定されず、他の面でも良い。すなわち、ホログラム層１３から回折した光は、導光体１２の、ホログラム層１３が設けられた面に対向する面である第１の面から出射することに限定されず、導光体１２の反射層１８が設けられていない他の面から出射してもよい。
（第３の実施形態）
図１１に、第３の実施形態の光源装置の斜視図を示す。図１２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１１に示すように、第３の実施形態の光源装置３では、光学素子３１の導光体３２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３１は、発光素子１０から光が入射する光入射面３２ａが形成された導光体３２を備えている。この導光体３２は、図１１及び図１２に示すように、台形形状に形成されており、ホログラム層３３からの光が出射される第１の面３２ｂと、この第１の面３２ｂに対向する第２の面３２ｃと、光入射面３２ａに対向する第３の面３２ｄとを有している。そして、導光体３２の第２の面３２ｃは、光入射面３２ａ側から第３の面３２ｄ側に向かって、導光体３２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３２ｂに平行な面に対して傾斜角Φ１で傾斜されている。
以上のように構成された光学素子３１の導光体３２において、ホログラム層３３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について、導光体３２の第１の面３２ｂで反射されたＸ偏光の振る舞いを、図１２を参照して説明する。
図１２に示すように、発光素子１０から導光体３２内に入射され、導光体３２の第１の面３２ｂに入射角θで入射したＸ偏光は、第１の面３２ｂにて反射角θで反射される。そして、第１の面３２ｂで反射されたＸ偏光は、第１の面３２ｂの法線に対して入射角θ−Φ１で、第２の面３２ｃに接するホログラム層３３に入射することになる。ブラッグの回折条件を満たさない入射角θ−Φ１でホログラム層３３に入射したＸ偏光は、ホログラム層３３を通過し、ホログラム層３３と外部（空気）との界面３３ａで反射される。
このとき、ホログラム層３３に入射したＸ偏光は、第２の面３２ｃが傾斜角Φ１で傾斜されているので、ホログラム層３３の外部との界面３３ａにおいて、第１の面３２ｂの法線に対して角度（θ−２Φ１）で反射され、ホログラム層３３から導光体３２内に出射されることになる。
このため、ホログラム層３３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の面３２ｂに入射する。したがって、第１の面３２ｂに入射角（θ−２Φ１）で入射したＸ偏光は、第１の面３２ｂにおいて反射角（θ−２Φ１）で反射され、再びホログラム層３３に入射角（θ−３Φ１）で入射する。
そして、このように導光体３２内で多重反射するうちに、ホログラム層３３の第１のホログラム１４及び第２のホログラム１５に、ブラッグの回折条件を満たす角度で入射され、上述したように導光体３２から０度の出射角でＸ偏光として出射される。
以上、Ｘ偏光がホログラム層３３の第１のホログラム１４に入射する場合について説明したが、Ｙ偏光がホログラム層３３の第２のホログラム１５に入射する場合についても同様であるため、説明を省略する。
第３の実施形態の光源装置３によれば、第１の面３２ｂに平行な面に対して傾斜された第２の面３２ｃを有する導光体３２を備えることによって、発光素子１０からの光が導光体３２内で多重反射することで、ホログラム層３３に入射する入射角を、導光体３２の第２の面３２ｃ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３１によれば、ホログラム層３３の第１及び第２のホログラム１４、１５が有する角度選択範囲よりも大きな入射角の光を、第１及び第２のホログラム１４、１５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、ホログラム層３３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３２の第２の面３２ｃが、光入射面３２ａ側から第３の面３２ｄ側に向かって、導光体３２の厚みが薄くなる傾斜面にされたが、光入射面３２ａ側から第３の面３２ｄ側に向かって、導光体３２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３２の第２の面３２ｃ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３１の光入射部及び光出射部を除く他の面の一部または全て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、第３の実施形態においても、第１の実施形態または第２の実施形態と同様に、光出射部２１ｂはホログラム層１３の対向する面に限定されず、他の面でもよい。すなわち、ホログラム層１３から回折した光は、導光体１２の、ホログラム層１３が設けられた面に対向する面である第１の面１２ｂから出射することに限定されず、導光体１２の他の面から出射してもよい。このようにすることで、導光体１２内を多重反射する光が、第２の面１２ｃによって角度変換され、導光体１２の第１の面１２ｂと外部の層との全反射条件を満足しなくなり、外部へ漏れ出てしまうということを防げる。
また、上述した第１〜第３の実施形態では、ホログラム層１３、３３が、第１のホログラム１４に入射したＸ偏光を回折し、第２のホログラム１５に入射したＹ偏光をＸ偏光に変換する構成を挙げて説明したが、この構成とは逆に、ホログラム層が、第１のホログラムに入射したＹ偏光を回折し、第２のホログラムに入射したＸ偏光をＹ偏光に変換する構成にされてもよいことは勿論である。なお、この構成の場合においても、第１のホログラムで回折されたＹ偏光の位相状態と、第２のホログラムで回折及び変換されたＹ偏光の位相状態は、互いに異なるように、第１及び第２のホログラムが形成される。
また、上述した第１〜第３の実施形態では、ホログラム層が設けられる位置は導光体の第２の面に限定されず、第１の面と第２の面の間（導光体の内部）、あるいは、第１の面に設けられてもよい。
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〜第３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１３に、実施形態のＬＥＤプロジェクタの模式図を示す。
図１３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１４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１４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のいずれか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種類の第１のホログラム、及び４種類の第２のホログラムを有している。これらの第１及び第２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１５に、他の実施形態のＬＥＤプロジェクタの模式図を示す。図１５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が有するホログラム層は、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種類の第１のホログラム及び３種類の第２のホログラムを有している。これらの第１及び第２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、第１及び第２のホログラムは、多重かつ多層されてもよい。ホログラム層は、例えばＲ光用の第１及び第２のホログラムが多重された第１の層と、Ｇ光用の第１及び第２のホログラムが多重された第２の層と、Ｂ光用の第１及び第２のホログラムが多重された第３の層と、を有する多層構造にされてもよい。
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１４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が有するホログラム層は、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種類の第１のホログラム及び１２種類の第２のホログラムを有している。これらの第１及び第２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。また、複数の第１及び第２のホログラムを有するホログラム層は、例えばＲ、Ｇ、Ｂの各波長に対応する第１及び第２のホログラムが多重された層が、各入射方向に対応して積層された４層構造にされてもよい。
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１１月１８日に出願された日本出願特願２００９−２６２８０９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 (18)

  1. 光源からの光が入射するホログラム層を備え、
    前記ホログラム層は、
    前記光源から入射した光のうち、偏光成分が特定の方向の第１の直線偏光の光を所定の方向に回折し、第１の位相状態の前記第１の直線偏光の光として出射する第１のホログラムと、
    前記光源から入射した光のうち、偏光成分が前記第１の直線偏光と直交方向の第２の直線偏光の光を前記第１の位相状態の前記第１の直線偏光の光と同一の方向に、かつ等しい放射角で回折すると共に前記第１の直線偏光の光に変換し、前記第１の位相状態と異なる第２の位相状態の前記第１の直線偏光の光として出射する第２のホログラムと、を有する、光学素子。
  2. 前記光源から光が入射する導光体を更に備え、
    前記導光体は、前記光源から光が入射する光入射面と、該導光体から光を出射する第１の面と、を有し、
    前記ホログラム層は、前記導光体の内部または前記導光体の少なくとも１つの面上に設けられている、請求項１に記載の光学素子。
  3. 前記光源から光が入射する導光体を更に備え、
    前記導光体は、前記光源から光が入射する光入射面と、該導光体から光を出射する第１の面と、該第１の面に対向する第２の面と、を有し、
    前記ホログラム層は、前記導光体の前記第２の面に設けられ、
    前記第１のホログラム及び前記第２のホログラムは、前記第１の面から前記第１の直線偏光の光をそれぞれ出射する、請求項１に記載の光学素子。
  4. 前記ホログラム層は、前記第１のホログラムと前記第２のホログラムが多層に形成されている、請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光学素子。
  5. 前記ホログラム層は、前記第１のホログラムと前記第２のホログラムが多重に形成されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光学素子。
  6. 前記ホログラム層は、入射角が異なる複数の前記第１の直線偏光の入射光をそれぞれ所定の方向に回折する複数の前記第１のホログラムを有している、請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子。
  7. 前記ホログラム層は、入射角が異なる複数の前記第２の直線偏光の入射光をそれぞれ所定の方向に回折すると共に前記第１の直線偏光に変換する複数の前記第２のホログラムを有している、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光学素子。
  8. 前記ホログラム層は、波長が異なる複数の前記第１の直線偏光の入射光にそれぞれ対応する、複数の前記第１のホログラムを有する、請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学素子。
  9. 前記ホログラム層は、波長が異なる複数の前記第２の直線偏光の入射光にそれぞれ対応する複数の前記第２のホログラムを有する、請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光学素子。
  10. 前記ホログラム層は、前記導光体への入射方向が異なる複数の光にそれぞれ対応する、複数の前記第１のホログラムを有する、請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学素子。
  11. 前記ホログラム層は、前記導光体への入射方向が異なる複数の光にそれぞれ対応する複数の前記第２のホログラムを有する、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の光学素子。
  12. 前記導光体の、前記光入射面及び前記第１の面を除く他の面における少なくとも一部に設けられ、前記ホログラム層を通過した光を反射する反射層を更に備えている、請求項２に記載の光学素子。
  13. 前記導光体の、前記光入射面、前記第１の面及び前記第二の面を除く他の面における少なくとも一部、または前記ホログラム層の、前記第２の面と反対の面の少なくとも一部に設けられ、前記ホログラム層を通過した光を反射する反射層を更に備えている、請求項３に記載の光学素子。
  14. 前記反射層は、散乱体を含んで構成されている、請求項１２または１３に記載の光学素子。
  15. 前記光源から光が入射する導光体を更に備え、
    前記導光体は、該導光体から光を出射する第１の面を有し、
    前記導光体の前記第１の面に対向する面は、前記第１の面に対して傾斜されている、請求項２ないし１４のいずれか１項に記載の光学素子。
  16. 請求項１ないし１５のいずれか１項に記載の光学素子と、
    前記光源から光が入射する導光体と、
    前記導光体の外周部に配置された少なくとも１つの前記光源と、を備える光源装置。
  17. 前記光源は、固体光源である、請求項１６に記載の光源装置。
  18. 請求項１６または１７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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