WO2016189871A1 - 光源ユニット及び投影装置 - Google Patents

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WO2016189871A1
WO2016189871A1 PCT/JP2016/002549 JP2016002549W WO2016189871A1 WO 2016189871 A1 WO2016189871 A1 WO 2016189871A1 JP 2016002549 W JP2016002549 W JP 2016002549W WO 2016189871 A1 WO2016189871 A1 WO 2016189871A1
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WO
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light
polarization
light source
incident
polarization direction
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/002549
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English (en)
French (fr)
Inventor
勇輔 松橋
純一 水間
Original Assignee
デクセリアルズ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60K—ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K35/00—Instruments specially adapted for vehicles; Arrangement of instruments in or on vehicles
    • B60K35/20—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor
    • B60K35/21—Output arrangements, i.e. from vehicle to user, associated with vehicle functions or specially adapted therefor using visual output, e.g. blinking lights or matrix displays
    • B60K35/23—Head-up displays [HUD]
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details

Definitions

  • the present invention relates to a light source unit and a projection apparatus.
  • a projector, a head-up display (HUD), and the like are known as projection devices that project illumination light onto a transmissive liquid crystal panel and project and display the transmitted light on a screen or the like.
  • a light source unit of these projectors a light source in which LEDs (Light Emitting Diode) are arranged two-dimensionally, a lens that converts light from the light source into substantially parallel light, and a diffusion plate that diffuses the collected light are provided.
  • LEDs Light Emitting Diode
  • Patent Document 1 discloses an illumination device disposed on the back surface of a liquid crystal panel used for a head-up display.
  • this illumination device in order to obtain high-intensity and uniform illumination light, light from an LED light source arranged in a two-dimensional shape is converted into substantially parallel light by a Fresnel lens and irradiated to a liquid crystal panel through a light diffusion means.
  • Patent Document 2 discloses a head-up display device that irradiates a liquid crystal panel with an optical system having an LED light source, a lens array, a field lens, and a light diffusing member for the purpose of improving the light irradiation efficiency to the eye box. The proposal of the arrangement of the optical system.
  • Patent Document 3 light from a light source is bent in the optical axis direction by a lens array in which lenses having an incident convex lens surface and an outgoing convex lens surface are arranged, and is transmitted through a liquid crystal panel.
  • the liquid crystal panel is efficiently irradiated with light from the light source.
  • These conventional techniques are common in that the light emitted from the LED light source is converted into substantially parallel light, then diffused into uniform light by the diffusion plate, and irradiated onto the liquid crystal panel.
  • the liquid crystal panel has a built-in polarizing plate and transmits only the linearly polarized light component in the transmission axis direction of the polarizing plate. For this reason, about half of the light emitted from the LED cannot pass through the liquid crystal panel, and a part of the light is converted into heat.
  • the brightness of the light projected on the projection surface is reduced to about half or less, and a part of the light that cannot be transmitted through the liquid crystal panel is converted into heat, which causes deterioration of the liquid crystal panel due to temperature rise.
  • the direction of transmitting light of the liquid crystal panel is appropriately referred to as the transmission axis direction of the liquid crystal panel.
  • an object of the present invention is to provide a light source unit that reduces the loss of the amount of light emitted from a light source and transmitted through a liquid crystal panel, and a projection apparatus using the light source unit.
  • Means for solving the problems are as follows. That is, ⁇ 1> A light source unit for irradiating a liquid crystal panel with light, A light source; A collimating optical system for collimating diffused light from the light source; A polarization conversion element that aligns the polarization direction in a predetermined direction without blocking the polarization in any direction of light incident from the incident surface; The predetermined direction is a light source unit in which the liquid crystal panel transmits light.
  • the light emitted from the light source is collimated by the collimating optical system and incident on the polarization conversion element, and the polarization conversion element does not block the polarized light in any direction.
  • the polarization direction of the incident light is aligned with the direction in which the light is transmitted, and the light is emitted from the emission surface.
  • the polarization conversion element according to ⁇ 1> wherein an effective area of an emission surface that emits light is wider than an effective area of an incident surface on which light emitted from the emission surface is incident. It is a light source unit of description.
  • the polarization conversion element emits light incident from an effective area of the incident surface from an effective area of a good wide emission surface.
  • the collimating optical system includes an aspherical convex lens and a Fresnel lens, converts light from the light source into a parallel light beam, and makes the light incident only on an effective area of the incident surface of the polarization conversion element. 2>.
  • the diffused light emitted from the light source is refracted in the direction approaching the optical axis by the aspherical convex lens, and the diffusion angle becomes small. Furthermore, it is converted into a substantially parallel light beam by the Fresnel lens.
  • the Fresnel lens includes a cylindrical Fresnel surface in which a cylindrical axis direction intersects with an incident surface and an output surface.
  • the incident light beam and the incident light exit surface through the cylindrical Fresnel surfaces are refracted in two cylindrical axis directions intersecting each other to become substantially parallel light beams.
  • the light source unit according to ⁇ 1> further including a diffusion plate disposed on an incident side of the polarization conversion element.
  • the diffusion plate diffuses light before entering the polarization conversion element.
  • the polarization conversion element includes: a polarization separation unit that separates incident light into a first polarization and a second polarization whose polarization directions are orthogonal to each other; and a first that converts a polarization direction of at least the first polarization.
  • the polarization directions of the first polarization and the second polarization are matched by the two polarization direction conversion units, and the polarization direction of any of the first polarization and the second polarization separated by the polarization separation unit
  • the outgoing light is emitted at an angle obtained by rotating the polarization direction of the outgoing light by a predetermined angle.
  • the polarization separation unit includes: a beam splitter film that separates incident light into the first polarization and the second polarization; and at least one of the first polarization and the second polarization as the polarization. It is a light source unit as described in ⁇ 6> provided with the reflective surface which reflects toward a direction control part.
  • the beam splitter film separates the incident light into the first polarized light and the second polarized light
  • the reflective surface has at least one of the first polarized light and the second polarized light.
  • the polarization direction control unit emits the polarization direction of the emitted light at an angle obtained by rotating the polarization direction of the emitted light by 45 ° with respect to the polarization direction of either the first polarization or the second polarization incident from the polarization separation unit. It is a light source unit as described in said ⁇ 6> comprised by. In the light source unit according to ⁇ 8>, the light incident on the polarization direction control unit is polarized as linearly polarized light having an angle rotated by 45 ° with respect to any of the first polarized light and the second polarized light. The light is emitted from the control unit.
  • the first polarization direction conversion unit and the second polarization direction conversion unit are configured by half-wave plates, and the polarization direction control unit includes the first polarization direction conversion unit and the second polarization direction conversion unit.
  • the light source unit according to ⁇ 6> wherein the light source unit is a plate-like member combined with a polarization direction converter.
  • the first polarization conversion unit and the second polarization conversion unit transmit the half-wave plates, respectively, thereby polarizing directions of the first polarization and the second polarization. To change.
  • a light source unit that emits light to a liquid crystal panel, A light source; At least one lens for collimating diffused light from the light source; A beam splitter for separating the light transmitted through the at least one lens into a first polarized light and a second polarized light orthogonal to each other; A reflecting surface that reflects at least one of the first polarized light and the second polarized light separated by the beam splitter and aligns the traveling directions of the first polarized light and the second polarized light; Provided for each of the first polarized light and the second polarized light, or one of them; Comprising at least one half-wave plate for converting the polarization direction; The direction of the optical axis of the half-wave plate converts the polarization direction of the first polarized light or the second polarized light incident on the half-wave plate into a direction in which the liquid crystal panel transmits light.
  • the diffused light from the light source is collimated by at least one lens, and the light transmitted through the at least one lens is converted into a first polarized light and a second polarized light whose beam splitters are orthogonal to each other.
  • the reflecting surface reflects at least one of the first polarized light and the second polarized light separated by the beam splitter, aligns the traveling directions of the first polarized light and the second polarized light, and changes the polarization direction.
  • At least one half-wave plate to be converted is provided for each or one of the first polarized light and the second polarized light, and is incident on the half-wave plate.
  • the polarization direction of the second polarized light is converted into a direction in which the liquid crystal panel transmits light.
  • a light source A collimating optical system for collimating diffused light from the light source; A polarization conversion element that aligns the polarization direction in a predetermined direction and blocks the light from the exit surface without blocking the polarization in any direction of the light incident from the entrance surface; And a liquid crystal panel that transmits the polarized light in the predetermined direction to obtain display light.
  • the light emitted from the light source is collimated by the collimating optical system and incident on the polarization conversion element, and the polarization conversion element enters the incident light without blocking the polarization in any direction.
  • the liquid crystal panel transmits the polarized light in the same direction as the polarization direction of the outgoing light of the polarization conversion element to obtain display light for displaying an image.
  • FIG. 1 It is a perspective view which shows the state which expand
  • FIG. 1 is a perspective view showing a state in which the projection apparatus according to the first embodiment of the present invention is developed in the optical axis direction.
  • the projection device 10 includes a light source 12, an aspheric plano-convex lens 13, a Fresnel lens 14, a diffuser plate 15, a polarization conversion element 16, and a liquid crystal panel 17 disposed on a substrate 11 (see FIGS. 2 and 3).
  • the light source 12, the aspherical plano-convex lens 13, the Fresnel lens 14, the diffuser plate 15, and the polarization conversion element 16 constitute a light source unit 10a.
  • the aspheric planoconvex lens 13 and the Fresnel lens 14 constitute a collimating optical system.
  • the polarization direction of the illumination light after passing through each of the aspherical plano-convex lens 13, the polarization conversion element 16, and the liquid crystal panel 17 is indicated by double arrows.
  • the direction in which the liquid crystal panel 17 transmits illumination light is a direction of 45 ° with respect to the x axis.
  • the traveling direction (optical axis direction) of the light emitted from the light source 12 and directed to the liquid crystal panel 17 is defined as the z direction, two directions orthogonal to the z direction and orthogonal to each other.
  • the direction along the horizontal direction of the outer shape of the liquid crystal panel 17 is defined as the x direction
  • the direction along the vertical direction is defined as the y direction.
  • 2 and 3 are cross-sectional views of the projection device viewed from the x direction and the y direction, respectively.
  • the light sources 12 are LED light sources arranged in a line in the x direction, and are preferably white LED light sources.
  • the light emitted from the light source 12 is diffused light. 2 and 3, the optical path of the light passing through the outermost side of the light beam emitted from the light source 12 is indicated by a broken line.
  • the light immediately after being emitted from the light source 12 has a large diffusion angle.
  • Each of the aspherical plano-convex lenses 13 is arranged in the same number as the light sources 12 in the x direction, with the optical axis directed in the z direction and the plane side facing the light emitting surface of the light source 12.
  • the aspheric plano-convex lens 13 refracts the diffusing illumination light emitted from the light source 12 in a direction approaching the optical axis direction. Since the diffusion direction of light from the LED is wide, it is usually not possible to make it parallel light with only one convex lens. For this reason, a Fresnel lens 14 is provided at the subsequent stage of the aspheric plano-convex lens 13.
  • the diameter of the aspheric plano-convex lens 13 in the xy plane is substantially equal to the width of the Fresnel lens 14 in the y direction, as shown in FIG.
  • the Fresnel lens 14 has a rectangular shape having a long side extending in the x direction when viewed from the z direction, and a sawtooth groove having characteristics of a cylindrical lens on both surfaces of a flat transparent member made of resin or the like. Are provided.
  • the directions in which grooves are formed on the same surface of the Fresnel lens 14 are parallel to each other, and the direction is the cylindrical axis direction of the cylindrical lens.
  • 4A and 4B are diagrams showing the structure of the Fresnel lens 14, wherein FIG. 4A is a diagram viewed from the y direction, FIG. 4B is a diagram viewed from the exit surface side along the z direction, and FIG.
  • the figure seen from the incident side along, (d) is the figure seen from the x direction.
  • the exit side surface of the Fresnel lens 14 is provided with a cylindrical Fresnel surface 14a in which grooves are formed in the y direction, and the incident side surface is provided with a cylindrical Fresnel surface 14b in which grooves are formed in the x direction.
  • the luminous flux of the illumination light emitted from the light source 12 and refracted by the aspherical plano-convex lens 13 is refracted in the y direction on the incident side surface of the Fresnel lens 14, and in the x direction on the exit side surface of the Fresnel lens 14. Is refracted.
  • the light transmitted through the Fresnel lens 14 becomes a light beam collimated substantially in parallel.
  • the diffusion plate 15 is a plate-like member that diffuses illumination light and emits it as uniform light.
  • the diffusion plate 15 is formed by adding fine particles having light diffusibility to a transparent resin.
  • the diffusion plate 15 is provided in order to reduce unevenness of illumination light that irradiates the liquid crystal panel 17 at the subsequent stage.
  • the diffuser plate 15 is disposed in the vicinity of an effective area of an incident surface S i described later of the polarization conversion element 16.
  • the substantially parallel light beam emitted from the Fresnel lens 14 is incident on the diffusion plate 15 substantially vertically and is diffused.
  • FIG. 5 is a diagram showing the configuration of the polarization conversion element 16 and the optical path of the illumination light.
  • the polarization conversion element 16 When viewed from the z direction, the polarization conversion element 16 has a rectangular shape with a long side extending in the x direction and a short side extending in the y direction.
  • the size in the xy direction is substantially equal to the outer shape of the liquid crystal panel 17 in the xy direction or slightly larger than the liquid crystal panel.
  • the polarization conversion element 16 is configured to align the polarization direction of the two separated polarized light and rotate it by a predetermined angle with respect to the x direction or the y direction by separating the incident light into two polarized lights whose polarization directions are orthogonal to each other.
  • a polarization direction control unit 21 that emits light at an angle, and is configured as an integrated member.
  • the polarization separation unit 20 is formed of a transparent base material such as glass or resin, and all of them extend long in the x direction.
  • the fifth prism 26 is joined.
  • the first prism 22 is a triangular prism whose yz section has a substantially right-angled isosceles triangle shape.
  • the first prism 22 has its apex forming a substantially right angle of the yz cross section oriented in the direction of the light source 12, and two surfaces sandwiching the substantially right angle are arranged to form about 45 ° with respect to the z direction.
  • a first polarization beam splitter film 27 and a second polarization beam splitter film 28 which are polarization separation films are formed on the two surfaces sandwiching the right angle, respectively.
  • the polarization separation film is, for example, a dielectric multilayer film formed by vapor deposition or the like.
  • the first polarizing beam splitter film 27 and the second polarizing beam splitter film 28 transmit P-polarized light of incident light and reflect S-polarized light.
  • the polarization directions of P-polarized light and S-polarized light are orthogonal to each other.
  • the illumination light L1 the illumination light L2 that has passed through the polarizing beam splitter film 28 is referred to as first polarization, and the reflected illumination light L3 is referred to as second polarization.
  • the second prism 23 and the third prism 24 have a substantially parallelogram shape in the yz section, and each surface has the first polarization beam splitter film 27 and the second polarization beam of the first prism 22.
  • the surface having the splitter film 28 is joined.
  • the fourth prism 25 and the fifth prism 26 are triangular prisms having a substantially right-angled isosceles triangle shape in the yz section, and each of the inclined surfaces facing the substantially right-angle has, for example, a dielectric multilayer film or aluminum.
  • a first reflective film 29 and a second reflective film 30 are formed by depositing the above metal.
  • the first reflective film 29 and the second reflective film 30 form a reflective surface.
  • the fourth prism 25 and the fifth prism 26 have surfaces on which the first reflective film 29 and the second reflective film 30 are formed with respect to the second prism 23 and the third prism 24, respectively.
  • the first beam splitter film 27 and the second beam splitter film 28 are coupled to face each other.
  • the polarization separation unit 20 includes the first beam splitter film 27 and the first reflection film 29 facing each other at an angle of about 45 ° with respect to the z direction and the xy plane, and the second beam. It is configured as a rectangular member on which the splitter film 28 and the second reflective film 30 are formed.
  • the plane of the incident side of the illumination light of the second prism 23 and third prism 24 are effective areas of the incident surface S i, the illumination light incident on the region is emitted from the emission surface S o
  • the Fresnel lens 14 and the diffusion plate 15 described above are arranged to face the effective area of the incidence surface S i.
  • the polarization direction control unit 21 includes a half-wave plate 31 (first polarization direction conversion unit) and two half-wave plates 32 (second polarization direction conversion unit).
  • the half-wave plate 31 and the two half-wave plates 32 are in the in-plane direction (in the y direction), and the two half-wave plates 32 sandwich the half-wave plate 31.
  • the polarization direction control unit 21 is formed as a single plate-like member.
  • the polarization direction control unit 21 is coupled to the exit side surface of the polarization separation unit 20 in the normal direction (z direction). Surface of the exit side of the half wave plate 31 and the 1/2 wave plate 32 is an effective area of the exit surface S o of the illumination light is emitted.
  • the half-wave plate 31 is arranged so that the polarization direction of the P-polarized light is tilted by a predetermined angle by tilting the optical axis.
  • P-polarized illumination light whose electric field vibrates in the y direction in FIG.
  • the optical axis of the half-wave plate 31 is inclined in the xy plane so that the P-polarized light is rotated by 135 °.
  • the half-wave plate 32 is arranged so that the polarization direction of the S-polarized light is inclined by a predetermined angle by inclining the optical axis.
  • S-polarized illumination light whose electric field oscillates in the x direction in FIG. 5 is incident on the half-wave plate 32, and in order to align this illumination light with the transmission axis of the liquid crystal panel 17, S
  • the optical axis of the half-wave plate 32 is inclined with respect to the x direction in the xy plane so that the polarization is rotated by 45 °.
  • the liquid crystal panel 17 is a transmissive liquid crystal panel, for example, an in-vehicle head-up display liquid crystal panel.
  • a transmissive liquid crystal panel for example, an in-vehicle head-up display liquid crystal panel.
  • the transmission axis of the polarized sunglasses is set in the vertical direction in a normal wearing state, and when the transmission axis and the direction of transmitting light through the liquid crystal display panel (transmission axis) are orthogonal, the image of the liquid crystal display panel is polarized sunglasses. The image becomes dark or invisible.
  • the transmission axis of the liquid crystal is often inclined at an angle such as 45 ° or 135 ° with respect to the vertical and horizontal directions of the outer shape of the rectangular panel. Also in the liquid crystal panel 17 of the present embodiment, the transmission axis is inclined 45 ° with respect to the lateral direction (x direction) of the outer shape of the liquid crystal panel.
  • the white light emitted from the light source 12 becomes illumination light of a substantially parallel luminous flux by the aspherical plano-convex lens 13 and the Fresnel lens 14, and is diffused by the diffusion plate 15. and it enters the effective area of the entrance surface S i of the polarization conversion element 16. As shown in FIG.
  • the illumination light L1 when taking illumination light L1 incident on the second prism 23 side of the entrance face S i as an example, the illumination light L1 is incident on the first polarizing beam splitter film 27, the first Are separated into P-polarized illumination light L2 (first polarization) that passes through the first polarization beam splitter film 27 and S-polarization illumination light L3 (second polarization) that is reflected by the first polarization beam splitter film 27.
  • the polarization direction of S-polarized light is the x direction
  • the polarization direction of P-polarized light is the y direction.
  • S polarization and P polarization are used. These directions coincide with either the x direction or the y direction.
  • the illumination light L2 passes through the first prism 22, passes through the half-wave plate 31, and is emitted from the emission surface So as linearly polarized light rotated by 45 ° with respect to the x direction.
  • the illumination light L3 travels through the second prism 23, is reflected in the direction of the liquid crystal panel 17 by the first reflective film 29, passes through the half-wave plate 32, and is a straight line rotated by 45 ° with respect to the x direction. It is emitted from the exit surface So as polarized light.
  • the illumination light L2, L3 emitted from the emitting surface S o of the polarization conversion element 16 the polarization direction is the transmission axis and the direction of the liquid crystal panel 17, 45 ° relative to the x direction (the direction of the S polarized light) It is emitted as linearly polarized light in the rotated direction. That is, only the illumination light L2 is incident on the half-wave plate 31, and only the illumination light L3 is incident on the half-wave plate 32 to make the polarization directions coincide with each other and only 45 ° with respect to the S-polarized light. The light is emitted at the rotated angle.
  • the emitted illumination lights L2 and L3 become uniform linearly polarized light whose polarization direction coincides with the transmission axis direction of the liquid crystal panel 17, efficiently transmits the liquid crystal panel 17, and is displayed on the liquid crystal panel upon transmission.
  • the display light is spatially modulated by the image. By projecting this display light onto a display unit such as a head-up display, images, characters, and the like can be displayed.
  • the polarization direction without interrupting the polarization in a specific direction of the illumination light incident from the incident surface S i aligned in a direction rotated by 45 ° with respect to S-polarized light (a predetermined direction) is emitted from the emission surface S o, thereby the illumination light irradiated to the liquid crystal panel 17 in the direction of the liquid crystal panel 17 transmits light Therefore, it is possible to reduce the loss of the amount of light emitted from the light source 12 and transmitted through the liquid crystal panel 17 and the decrease in luminance caused thereby.
  • the loss of light in the liquid crystal panel 17 is small, a part of the light that cannot be transmitted through the liquid crystal panel 17 is converted into heat, thereby preventing the temperature of the liquid crystal panel 17 from rising and the resulting deterioration of the liquid crystal panel 17. be able to.
  • the light transmitted through the liquid crystal panel 17 requires less light from the light source in order to obtain the same brightness as that of the conventional illumination unit, so that the light source can be driven with low power consumption and the thermal load can be reduced. This makes it possible to extend the life of the component parts. As a result, the projector 10 having high brightness, high efficiency, low power consumption, and long life can be realized.
  • the polarization conversion element 16 the effective area of the exit surface S o for emitting light, than the effective area of the entrance surface S i of the light emitted from the emitting surface S o is incident wide.
  • the width W 2 of the y direction of the effective area of the exit surface shown in FIG. 5, wider than the width W 1 of the y direction of the effective area of the incidence surface is about twice. That is, the polarization conversion element 16 also has a function of expanding the width of the light beam from the light source 12. Thereby, the light source 12, the aspherical plano-convex lens 13, and the Fresnel lens 14 can be made smaller with respect to the size of the liquid crystal panel 17.
  • the aspherical plano-convex lens 13 and the Fresnel lens 14 are combined as a collimating optical system for collimating the light from the light source 12.
  • the diffusion angle of the emitted light is large, so it is difficult to collimate it with only a plano-convex lens.
  • the Fresnel lens 14 by combining the Fresnel lens 14, the light from the light source 12 can be converted into a parallel light beam and efficiently incident on an effective area of the incident surface So of the polarization conversion element 16. Further, by using the Fresnel lens 14, the collimating optical system can be made compact.
  • the Fresnel lens 14 includes cylindrical Fresnel surfaces 14a and 14b whose cylindrical axis directions intersect with each other in the x direction and the y direction on the entrance surface and the exit surface.
  • the structure of the Fresnel lens 14 is simpler and easier to design than forming an annular groove.
  • the diffusion plate 15 is disposed immediately before the liquid crystal panel in the conventional technique. However, when the liquid crystal panel is irradiated with light having the same polarization direction as in the present invention, it is necessary that the diffusion plate also does not change the polarization direction. On the other hand, in the present embodiment, since the diffusion plate 15 is disposed on the incident side of the polarization conversion element 16, the diffusion plate 15 does not need to be able to maintain the polarization direction, and the width of the diffusion plate is substantially halved. It becomes possible.
  • the polarization direction control unit 21 of the polarization conversion element 16 of the present embodiment rotates the polarization direction of the outgoing light by 45 ° with respect to any polarization direction of the illumination light L2 and L3 incident from the polarization separation unit 20. By emitting the light at the angle, the light transmitted through the polarization conversion element 16 can be efficiently transmitted through the liquid crystal panel 17 whose transmission axis is inclined by 45 °.
  • first polarization direction conversion unit and the second polarization direction conversion unit of the polarization direction control unit 21 are configured by the half-wave plates 31 and 32 and are combined with each other, A single small member can be formed by combining with the polarization separation unit 20.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the configuration of the polarization conversion element 33 and the optical path of the illumination light included in the projection apparatus according to the second embodiment of the present invention.
  • the projection apparatus according to the present embodiment is obtained by replacing the polarization conversion element 16 with a polarization conversion element 33 in the projection apparatus 10 according to the first embodiment.
  • the polarization conversion element 33 is common to the polarization conversion element 16 in the polarization separation unit 20, and does not have the half-wave plate 32 of the polarization conversion element 16 of the first embodiment, and is 1 on the first prism 22. Instead of the half-wave plate 31, a half-wave plate 34 that converts P-polarized light into S-polarized light is disposed.
  • the transmission axis direction of the liquid crystal panel 17 is the x direction. Since other configurations are the same as those of the first embodiment, the same components are denoted by the same reference numerals, and description thereof is omitted.
  • the illumination light L1 incident on the incident surface S i is a first polarizing beam splitter film 27, the illumination light L2 and the S-polarized light of P-polarized light
  • the illumination light L3 is separated.
  • the illumination light L2 passes through the first prism 22, passes through the half-wave plate 34, and is converted to S-polarized light.
  • the illumination light L3 travels through the second prism 23, is reflected by the first reflecting film 29 in the direction of the liquid crystal panel 17, and is emitted from the emission surface So on the second prism 23 as S-polarized light. For this reason, the polarization directions of the illumination lights L2 and L3 emitted from the polarization conversion element 33 are aligned with the S polarization.
  • the illumination lights L2 and L3 emitted from the polarization conversion element 16 are both S-polarized light, but the liquid crystal panel 17 transmits light in the polarization direction of these illumination lights. Since it coincides with the direction, there is little light loss in the liquid crystal panel, and effects such as high brightness, high efficiency, low power consumption, and long life can be obtained as in the first embodiment.
  • the transmission axis direction of the liquid crystal panel is limited to the x direction, but the polarization direction control unit 21 can be formed only by the half-wave plate 34.
  • the present invention is not limited to the above embodiment, and many variations or modifications are possible.
  • a half-wave plate is used for the polarization direction conversion unit
  • the polarization direction conversion unit is not limited to a half-wave plate as long as the polarization direction is changed.
  • an optical rotator using an optical rotatory material such as a nematic liquid crystal, a wave plate using a polymer material, a wave plate using an optical crystal having birefringence such as quartz can be used.
  • the P polarized light is the first polarized light and the S polarized light is the second polarized light.
  • the S polarized light is the first polarized light and the P polarized light is the second polarized light. It can also be.
  • the arrangement of the half-wave plate and the rotation angle of the polarization direction can be variously set.
  • illumination light is emitted by arranging half-wave plates on the second and third prisms 23 and 24. It is also possible to have a configuration in which is aligned with P-polarized light.
  • each prism of the polarization conversion member and the directions of the polarization beam splitter film and the reflection film shown in the first embodiment and the second embodiment are examples.
  • the angle formed by the polarization beam splitter film and the reflection film with the incident surface of the polarization conversion member is not limited to 45 °.
  • the illumination unit and the projection device of the present invention can be suitably used as an illumination unit and a projection device that increase the light use efficiency in the transmissive liquid crystal panel.

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Abstract

液晶パネル（１７）に光を照射する本発明の光源ユニットは、光源（１２）と、光源（１２）からの光をコリメートする非球面平凸レンズ（１３）及びフレネルレンズ（１４）と、入射面Ｓｉから入射した光の何れの方向の偏光を遮断することなく偏光方向を特定の方向に揃えて出射面Ｓｏから出射させる偏光変換素子（１６）とを備える。所定の方向は、液晶パネル（１７）が光を透過させる方向である。これにより、光源（１２）から出射して液晶パネルを透過する光の光量の損失を低減する。

Description

光源ユニット及び投影装置 関連出願の相互参照
　本出願は、日本国特許出願２０１５－１０８９８５号（２０１５年５月２８日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。
　本発明は、光源ユニット及び投影装置に関する。
　透過型液晶パネルに照明光を照射して、透過した光をスクリーン等に投影表示する投影装置として、例えば、プロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ（Head-Up Display、ＨＵＤ）等が知られている。これらの投影装置の光源ユニットとしては、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）を二次元配列した光源と、光源からの光を略平行光に変換するレンズと、集光された光を拡散する拡散板とを有するものが提案されている（例えば、特許文献１～３参照）。
　例えば、特許文献１は、ヘッドアップディスプレイに用いられる液晶パネルの背面に配置される照明装置について開示する。この照明装置では、高輝度且つ均一の照明光を得るため、二次元状に配置されたＬＥＤ光源からの光をフレネルレンズで略平行光に変換して、光拡散手段を介して液晶パネルに照射する。また、特許文献２は、アイボックスへの光照射効率を向上する等の目的のため、ＬＥＤ光源とレンズアレイとフィールドレンズと光拡散部材とを有する光学系により液晶パネルを照射するヘッドアップディスプレイ装置について、光学系の配置について提案している。特許文献３では、光源からの光を、入射凸レンズ面及び出射凸レンズ面を有するレンズが配列されたレンズアレイにより光軸方向に屈曲させて液晶パネルを透過させている。
　上記の各従来技術に開示される投影装置の光源ユニットでは、それぞれ、光源の光を効率良く液晶パネルに照射するようにしている。これらの従来技術では、ＬＥＤ光源から出射された光が、略平行光に変換された後、拡散板により均一な光に拡散され、液晶パネルに照射される点において共通している。
特開２００７－８７７９２号公報 特開２０１２－２０３１７６号公報 特開２０１３－１６４５１２号公報
　上記のような従来技術の光源ユニットの構成では、ＬＥＤ光源から射出される光がランダム偏光（無偏光）のため、液晶表示パネルに照射される光も、ランダムな偏光状態となっている。これに対して、液晶パネルは偏光板を内蔵しており、偏光板の透過軸方向の直線偏光成分のみを透過させる。このため、ＬＥＤより出射された光の約半分は液晶パネルを透過することができず、更にその一部は熱に変換される。その結果、投影面に投影される光の輝度は略半分以下に低下し、また、液晶パネルを透過できない光の一部は熱に変換され、温度上昇による液晶パネルの劣化を引き起こす。なお、以下において、液晶パネルの光を透過させる方向を、適宜液晶パネルの透過軸方向と呼ぶ。
　また、従来技術では、輝度を向上させるためにＬＥＤから出射される光の光量を上げると、構成部品への熱負荷の増加により構成部品の劣化が早まり、且つ、消費電力の上昇によりエネルギー効率の低下を引き起こすこととなる。さらに、液晶パネルを照明光で照射するためには、液晶パネルの表示面と同程度以上の大きさを有するレンズや拡散板を必要とする。
　本発明は、従来における前記諸問題を解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、本発明は、光源から出射して液晶パネルを透過する光の光量の損失を低減した光源ユニット及びこれを用いた投影装置を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞　液晶パネルに光を照射する光源ユニットであって、
　光源と、
　前記光源からの拡散光をコリメートするコリメート光学系と、
　入射面から入射した光の何れの方向の偏光を遮断することなく偏光方向を所定の方向に揃えて出射面から出射させる偏光変換素子と
を備え、
　前記所定の方向は、前記液晶パネルが光を透過させる方向であることを特徴とする光源ユニットである。
　該＜１＞に記載の光源ユニットにおいて、光源が射出した光をコリメート光学系がコリメートして偏光変換素子に入射させ、該偏光変換素子が何れの方向の偏光を遮断することなく、液晶パネルの光を透過させる方向に、入射した光の偏光方向を揃えて出射面から出射させる。
＜２＞　偏光変換素子は、光を出射する出射面の有効な領域が、前記出射面から出射される光が入射する入射面の有効な領域よりも広いことを特徴とする前記＜１＞に記載の光源ユニットである。
　該＜２＞に記載の光源ユニットにおいて、偏光変換素子は入射面の有効な領域より入射した光を、よい広い出射面の有効領域から出射させる。
＜３＞　コリメート光学系は、非球面凸レンズとフレネルレンズとを備え、光源からの光を平行光束に変換して偏光変換素子の入射面の有効な領域のみに入射させることを特徴とする前記＜２＞に記載の光源ユニットである。
　該＜３＞に記載の光源ユニットにおいて、光源から射出される拡散光は、非球面凸レンズで光軸に近づく方向に屈折され、拡散角が小さくなる。さらに、フレネルレンズによって、略平行光束に変換される。
＜４＞　フレネルレンズは、入射面及び出射面に互いの円柱軸方向が交差するシリンドリカルフレネル面を備える前記＜３＞に記載の光源ユニットである。
　該＜４＞に記載の光源ユニットにおいて、入射面及び出射面のシリンドリカルフレネル面により、非球面凸レンズを通り入射した光束が、それぞれ交差する２つの円柱軸方向に屈折され、略平行光束となる。
＜５＞　偏光変換素子の入射側に配置された拡散板を備える前記＜１＞に記載の光源ユニットである。
　該＜５＞に記載の光源ユニットにおいて、拡散板が偏光変換素子に入射する前の光を拡散させる。
＜６＞　偏光変換素子は、入射光を偏光方向が互いに直交する第１の偏光と第２の偏光とに分離する偏光分離部と、少なくとも前記第１の偏光の偏光方向を変換する第１の偏光方向変換部、及び、少なくとも前記第２の偏光の偏光方向を変換する第２の偏光方向変換部を有し、前記第１の偏光及び前記第２の偏光の偏光方向を一致させるとともに、前記偏光分離部で分離された前記第１の偏光及び前記第２の偏光の何れかの偏光方向に対して、出射光の偏光方向を所定の角度だけ回転させた角度で出射させる偏光方向制御部とを備えることを特徴とする前記＜１＞に記載の光源ユニットである。
　該＜６＞に記載の光源ユニットにおいて、入射した光を偏光変換部が互いに直交する第１の偏光と第２の偏光とに分離し、偏光方向制御部が第１の偏光方向変換部及び第２の偏光方向変換部により第１の偏光と第２の偏光との偏光方向を一致させ、且つ、偏光分離部で分離された第１の偏光及び第２の偏光の何れかの偏光方向に対して、出射光の偏光方向を所定の角度だけ回転させた角度で出射させる。
＜７＞　前記偏光分離部は、入射光を前記第１の偏光と前記第２の偏光とに分離するビームスプリッタ膜と、前記第１の偏光と前記第２の偏光との少なくとも一方を前記偏光方向制御部に向けて反射する反射面とを備える＜６＞に記載の光源ユニットである。
該＜７＞に記載の光源ユニットにおいて、ビームスプリッタ膜が入射光を第１の偏光と第２の偏光とに分離し、反射面が、第１の偏光と第２の偏光との少なくとも一方を偏光方向制御部に向けて反射することにより、第１の偏光と第２の偏光との進行方向を揃え偏光方向制御部に入射させる。
＜８＞　偏光方向制御部は、偏光分離部から入射した第１の偏光及び第２の偏光の何れかの偏光方向に対して、出射光の偏光方向を４５°回転させた角度で出射させるように構成される前記＜６＞に記載の光源ユニットである。
　該＜８＞に記載の光源ユニットにおいて、偏光方向制御部に入射した光は、第１の偏光及び第２の偏光の何れかの偏光に対して４５°回転された角度の直線偏光として偏光方向制御部から出射される。
＜９＞　第１の偏光方向変換部及び第２の偏光方向変換部は、１／２波長板により構成されており、偏光方向制御部は、前記第１の偏光方向変換部及び前記第２の偏光方向変換部を結合した板状部材であることを特徴とする前記＜６＞に記載の光源ユニットである。
　該＜９＞に記載の光源ユニットにおいて、第１の偏光変換部および第２の偏光変換部は、それぞれ１／２波長板を透過させることにより、第１の偏光及び第２の偏光の偏光方向を変化させる。
＜１０＞　液晶パネルに光を照射する光源ユニットであって、
　光源と、
　前記光源からの拡散光をコリメートする少なくとも一つのレンズと、
　前記少なくとも一つのレンズを透過した光を、互いに直交する第１の偏光と第２の偏光とに分離するビームスプリッタと、
　前記ビームスプリッタで分離された前記第１の偏光と前記第２の偏光との少なくとも一方を反射して、前記第１の偏光と前記第２の偏光との進行方向を揃える反射面と、
　前記第１の偏光及び前記第２の偏光のそれぞれ、または、何れか一方に対して設けられ、
偏光方向を変換する少なくとも一つの１／２波長板と
を備え、
　前記１／２波長板の光学軸の方向は、該１／２波長板に入射する前記第１の偏光または前記第２の偏光の偏光方向を、前記液晶パネルが光を透過させる方向に変換するように設定されることを特徴とする光源ユニットである。
　該＜１０＞に記載の光源ユニットにおいて、光源からの拡散光を少なくとも一つのレンズがコリメートし、少なくとも一つのレンズを透過した光をビームスプリッタが互いに直交する第１の偏光と第２の偏光とに分離し、ビームスプリッタで分離された第１の偏光と第２の偏光との少なくとも一方を反射面が反射して、第１の偏光と第２の偏光との進行方向を揃え、偏光方向を変換する少なくとも一つの１／２波長板が、前記第１の偏光及び前記第２の偏光のそれぞれ、または、何れか一方に対して設けられ、１／２波長板に入射する前記第１の偏光または前記第２の偏光の偏光方向を、液晶パネルが光を透過させる方向に変換する。
＜１１＞　光源と、
　前記光源からの拡散光をコリメートするコリメート光学系と、
　入射面から入射した光の何れの方向の偏光を遮断することなく偏光方向を所定の方向に揃えて出射面から出射させる偏光変換素子と、
　前記所定の方向の偏光を透過させて表示光とする液晶パネルと
を備える投影装置である。
　該＜１１＞に記載の投影装置において、光源が射出した光をコリメート光学系がコリメートして偏光変換素子に入射させ、該偏光変換素子が何れの方向の偏光を遮断することなく、入射した光の偏光方向を揃えて出射面から出射させ、液晶パネルが偏光変換素子の出射光の偏光方向と同じ方向の偏光を透過させて、画像を表示する表示光とする。
　本発明によれば、従来における前記諸問題を解決し、前記目的を達成することができ、光源から出射して液
晶パネルを透過する光の光量の損失を低減した光源ユニット及びこれを用いた投影装置を提供することができる。
第１実施の形態に係る投影装置を光軸方向に展開した状態を示す斜視図である。 図１の投影装置をｘ方向から見た断面図である。 図１の投影装置をｙ方向から見た断面図である。 フレネルレンズの構造を示す図であり、（ａ）は、ｙ方向から見た図（ｂ）はｚ方向に沿って出射面側から見た図、（ｃ）はｚ方向に沿って入射側から見た図、（ｄ）はｘ方向から見た図である。 偏光変換素子の構成及び照明光の光路を示す図である。 第２実施の形態に係る投影装置に含まれる偏光変換素子の構成及び照明光の光路を示す図である。
　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
（第１実施の形態）
　図１は、本発明の第１実施の形態に係る投影装置を光軸方向に展開した状態を示す斜視図である。投影装置１０は、基板１１（図２，３参照）に配置された光源１２、非球面平凸レンズ１３、フレネルレンズ１４、拡散板１５、偏光変換素子１６、液晶パネル１７を含んで構成される。これらのうち、光源１２、非球面平凸レンズ１３、フレネルレンズ１４、拡散板１５及び偏光変換素子１６は、光源ユニット１０ａを構成している。また、非球面平凸レンズ１３とフレネルレンズ１４とは、コリメート光学系を構成する。図１には、非球面平凸レンズ１３、偏光変換素子１６及び液晶パネル１７のそれぞれを透過後の照明光の偏光方向を、両矢印で示している。本実施の形態では、液晶パネル１７が照明光を透過させる方向（液晶パネルの透過軸方向）は、ｘ軸に対し４５°の方向である。
　図１及び以下の図２～図５において、光源１２を出射し液晶パネル１７に向かう光の進行方向（光軸方向）をｚ方向とし、ｚ方向に直交し且つ互いに直交する２方向であって、液晶パネル１７の外形の横方向に沿う方向をｘ方向、縦方向に沿う方向をｙ方向とする。図２及び図３は、それぞれ投影装置をｘ方向及びｙ方向から見た断面図である。以下に図１～図５を参照して、本実施の形態の投影装置１０のより詳細な構成について説明する。
　光源１２は、ｘ方向に複数並んで配列されたＬＥＤ光源であって、好ましくは白色ＬＥＤ光源である。光源１２から射出される光は、拡散光である。図２及び図３において、光源１２から射出された光束の最も外側を通る光の光路を破線で示す。光源１２から射出された直後の光は、大きな拡散角を持っている。
　非球面平凸レンズ１３は、それぞれ、光軸をｚ方向に向けた状態で、平面側を光源１２の発光面に対向して、ｘ方向に光源１２と同数配列されている。非球面平凸レンズ１３は、光源１２から射出された拡散する照明光を光軸方向に近づく方向に屈折させる。ＬＥＤからの光の拡散方向は広いので、通常、１つの凸レンズのみではこれを平行光にすることはできない。このため、非球面平凸レンズ１３の後段には、フレネルレンズ１４が設けられる。非球面平凸レンズ１３のｘｙ面内での直径は、図２に示すように、フレネルレンズ１４のｙ方向の幅に略等しい。
　フレネルレンズ１４は、ｚ方向から見たとき長辺がｘ方向に延びる矩形状の形状を有し、樹脂などからなる平板状の透明部材の両面に、シリンドリカルレンズの特性を有する鋸波型の溝を多数設けたものである。フレネルレンズ１４の同一の面で溝の形成される方向は互いに平行であり、その方向はシリンドリカルレンズの円柱軸方向となる。図４は、フレネルレンズ１４の構造を示す図であり、（ａ）は、ｙ方向から見た図（ｂ）はｚ方向に沿って出射面側から見た図、（ｃ）はｚ方向に沿って入射側から見た図、（ｄ）はｘ方向から見た図である。フレネルレンズ１４の出射側の面には、溝がｙ方向に形成されたシリンドリカルフレネル面１４ａが設けられ、入射側の面には、溝がｘ方向に形成されたシリンドリカルフレネル面１４ｂが設けられている。これによって、光源１２から射出され、非球面平凸レンズ１３で屈折された照明光の光束は、フレネルレンズ１４の入射側の面でｙ方向に屈折され、フレネルレンズ１４の出射側の面でｘ方向に屈折される。その結果、フレネルレンズ１４を透過した光は、略平行にコリメートされた光束となる。
　拡散板１５は、照明光を拡散させ均一な光として射出する板状の部材であり、例えば、光拡散性を有する微粒子を透明樹脂に添加して形成される。拡散板１５は、後段の液晶パネル１７を照射する照明光のムラを緩和するために設けられる。拡散板１５は、偏光変換素子１６の後述する入射面Ｓｉの有効な領域に近接して配置される。フレネルレンズ１４を出射した略平行な光束は、拡散板１５に略垂直に入射して拡散される。
　拡散板１５で拡散された光は、偏光変換素子１６に入射する。図５は、偏光変換素子１６の構成及び照明光の光路を示す図である。偏光変換素子１６は、ｚ方向から見たとき、長辺がｘ方向に延び、短辺がｙ方向に延びる矩形の形状をしている。そのｘｙ方向の大きさは、液晶パネル１７のｘｙ方向の外形と略等しいか又は液晶パネルよりも若干大きい。偏光変換素子１６は、入射光を偏光方向が互いに直交する２つの偏光に分離する偏光分離部２０と、分離した２つの偏光の偏光方向を揃えてｘ方向又はｙ方向に対して所定角度だけ回転させた角度で出射させる偏光方向制御部２１とを備え、これらを一体化した部材として構成される。
　偏光分離部２０は、ガラス、樹脂等の透明な基材により形成され、何れもｘ方向に長く延びる、第１のプリズム２２、第２のプリズム２３、第３のプリズム２４、第４のプリズム２５及び第５のプリズム２６を接合して構成される。
　第１のプリズム２２は、ｙｚ断面が略直角二等辺三角形の形状を有する三角プリズムである。第１のプリズム２２はｙｚ断面の略直角を形成する頂点を光源１２方向に向け、この略直角を挟む２面は、ｚ方向に対して約４５°を成すように配置されている。更に、この直角を挟む２面は、それぞれ表面に偏光分離膜である第１の偏光ビームスプリッタ膜２７及び第２の偏光ビームスプリッタ膜２８が形成されている。偏光分離膜は、例えば、蒸着等により形成された誘電体多層膜である。第１の偏光ビームスプリッタ膜２７及び第２の偏光ビームスプリッタ膜２８は、入射する光のＰ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる。Ｐ偏光とＳ偏光とは偏光方向が互いに直交する。照明光Ｌ１のうち偏光ビームスプリッタ膜２８を透過した照明光Ｌ２を第１の偏光、反射された照明光Ｌ３を第２の偏光と呼ぶ。
　第２のプリズム２３及び第３のプリズム２４は、ｙｚ断面が略平行四辺形の形状を有し、それぞれ、一面が第１のプリズム２２の第１の偏光ビームスプリッタ膜２７、第２の偏光ビームスプリッタ膜２８を有する面と接合されている。
　第４のプリズム２５及び第５のプリズム２６は、ｙｚ断面が略直角二等辺三角形の形状を有する三角プリズムであり、その略直角と対向する斜面には、それぞれ、例えば誘電体多層膜又はアルミなどの金属を蒸着した、第１の反射膜２９及び第２の反射膜３０が形成されている。第１の反射膜２９及び第２の反射膜３０は反射面を形成する。第４のプリズム２５及び第５のプリズム２６は、それぞれ、第２のプリズム２３及び第３のプリズム２４に対して、第１の反射膜２９及び第２の反射膜３０が形成された面を、第１のビームスプリッタ膜２７及び第２のビームスプリッタ膜２８に対向させるように結合されている。
　このようにして、偏光分離部２０は、内部にそれぞれｚ方向及びｘｙ平面に対して、約４５°傾けて向かい合う第１のビームスプリッタ膜２７及び第１の反射膜２９、並びに、第２のビームスプリッタ膜２８及び第２の反射膜３０が形成された矩形の部材として構成される。ここで、第２のプリズム２３及び第３のプリズム２４の照明光の入射側の面は、入射面Ｓｉの有効な領域であり、この領域に入射した照明光が出射面Ｓｏから出射される。上述のフレネルレンズ１４及び拡散板１５は、この入射面Ｓｉの有効な領域に対向するように配置される。
　一方、偏光方向制御部２１は、１／２波長板３１（第１の偏光方向変換部）及び２枚の１／２波長板３２（第２の偏光方向変換部）から構成される。ここで、１／２波長板３１と２枚の１／２波長板３２とは、面内方向に（ｙ方向に）、２枚の１／２波長板３２が１／２波長板３１を挟むように互いに結合され、偏光方向制御部２１は、一枚の板状部材として形成される。更に、偏光方向制御部２１は、偏光分離部２０の出射側の面と法線方向（ｚ方向）に結合されている。１／２波長板３１と１／２波長板３２の出射側の面は、照明光が出射される出射面Ｓｏの有効な領域である。
　１／２波長板３１は、光学軸を傾けることによって、Ｐ偏光の偏光方向を所定の角度だけ傾けるように配置される。具体的には、１／２波長板３１に対して電場が図５のｙ方向に振動するＰ偏光の照明光が入射する。この照明光を液晶パネル１７の光を透過させる方向（透過軸）に合わせるためには、Ｐ偏光を１３５°回転させるように、１／２波長板３１の光学軸をｘｙ面内で傾けて配置する。また、１／２波長板３２は、光学軸を傾けることによって、Ｓ偏光の偏光方向を所定の角度傾けるように配置される。具体的には、１／２波長板３２に対して電場が図５のｘ方向に振動するＳ偏光の照明光が入射し、この照明光を液晶パネル１７の透過軸に合わせるためには、Ｓ偏光を４５°回転させるように、１／２波長板３２の光学軸をｘ方向に対してｘｙ面内で傾けて配置する。
　液晶パネル１７は、透過型の液晶パネルであり、例えば、車載用のヘッドアップディスプレイの液晶パネルである。自動車用、航空機の機内用等の表示装置では、外光の強い環境下で使用された場合に使用者が偏光サングラスをかけていた場合にも、視認性を低下させないことが必要とされている。偏光サングラスの透過軸は、通常の装着状態において鉛直方向に設定されており、この透過軸と液晶表示パネルを光が透過する方向（透過軸）とが直交すると、液晶表示パネルの画像が偏光サングラスに遮られてしまい、画像が暗くなるか見えなくなってしまう。このため、矩形のパネルの外形形状の縦及び横方向に対して、液晶の透過軸が４５°又は１３５°等の角度で傾けられている場合が多い。本実施の形態の液晶パネル１７も、透過軸が液晶パネルの外形の横方向（ｘ方向）に対して４５°傾けられている。
　以上のような構成によって、図１～３に示すように、光源１２から出射した白色光は、非球面平凸レンズ１３及びフレネルレンズ１４によって、略平行光束の照明光となり、拡散板１５により拡散され、偏光変換素子１６の入射面Ｓｉの有効な領域に入射する。図５に示すように、入射面Ｓｉの第２のプリズム２３側に入射した照明光Ｌ１を例にとると、照明光Ｌ１は、第１の偏光ビームスプリッタ膜２７に入射し、この第１の偏光ビームスプリッタ膜２７を透過するＰ偏光の照明光Ｌ２（第１の偏光）と、第１の偏光ビームスプリッタ膜２７で反射されるＳ偏光の照明光Ｌ３（第２の偏光）に分離される。ここで、Ｓ偏光の偏光方向はｘ方向であり、Ｐ偏光の偏光方向はｙ方向である。投影装置１０を小型に構成するには、偏光変換素子１６と液晶パネル１７との矩形の外形の長辺方向（ｘ方向）及び短辺方向（ｙ方向）を一致させるため、Ｓ偏光及びＰ偏光の方向は、それぞれｘ方向及びｙ方向の何れかと一致する。
　照明光Ｌ２は、第１のプリズム２２を透過して１／２波長板３１を通り、ｘ方向に対して４５°回転した直線偏光として出射面Ｓｏから出射される。また照明光Ｌ３は、第２のプリズム２３内を進み、第１の反射膜２９で液晶パネル１７の方向に反射され、１／２波長板３２を通り、ｘ方向に対して４５°回転した直線偏光として出射面Ｓｏから出射される。これにより、偏光変換素子１６の出射面Ｓｏから出射した照明光Ｌ２，Ｌ３は、偏光方向が液晶パネル１７の透過軸と同方向である、ｘ方向（Ｓ偏光の方向）に対して４５°回転した方向の直線偏光として出射される。即ち、１／２波長板３１には、照明光Ｌ２のみが入射し、１／２波長板３２には照明光Ｌ３のみが入射して、偏光方向を一致させるとともにＳ偏光に対して４５°だけ回転させた角度に揃えて出射させる。これによって、出射した照明光Ｌ２，Ｌ３は、液晶パネル１７の透過軸方向と偏光方向が一致する均一な直線偏光となり、液晶パネル１７を効率良く透過し、透過の際に液晶パネルに表示される画像により空間的に変調を受けて表示光となる。この表示光をヘッドアップディスプレイ等の表示部に投影することによって、画像や文字等を表示することができる。
　以上説明したように、本実施の形態の投影装置１０によれば、偏光変換素子１６を用いたことにより、入射面Ｓｉから入射した照明光の特定方向の偏光を遮断することなく偏光方向をＳ偏光に対して４５°だけ回転させた方向（所定の方向）に揃えて出射面Ｓｏから出射させ、これにより液晶パネル１７に照射される照明光を液晶パネル１７が光を透過させる方向にしたので、光源１２から出射して液晶パネル１７を透過する光の光量の損失とそれによる輝度の低下を低減することができる。また、液晶パネル１７での光の損失が少ないので、液晶パネル１７を透過できない光の一部が熱に変換され、液晶パネル１７の温度上昇とそれによる液晶パネル１７の劣化が生じることを防止することができる。また、液晶パネル１７を透過する光について、従来の照明ユニットと同じ輝度を得るために、より少ない光源の光量で済むため、光源を低消費電力で駆動することができ、且つ、熱負荷の低減により構成部品の長寿命化を図ることが可能になる。その結果、高輝度で高効率、低消費電力、長寿命な投影装置１０を実現することができる。
　また、本実施の形態では、偏光変換素子１６が、光を出射する出射面Ｓｏの有効な領域が、出射面Ｓｏから出射される光が入射する入射面Ｓｉの有効な領域よりも広い。具体的には、図５に示す出射面の有効な領域のｙ方向の幅Ｗ２が、入射面の有効な領域のｙ方向の幅Ｗ１よりも広く、約２倍となっている。即ち、偏光変換素子１６は、光源１２からの光束の幅を拡大する機能も有する。これによって、液晶パネル１７の大きさに対して、光源１２、非球面平凸レンズ１３、及び、フレネルレンズ１４をより小型に構成することができる。
　更に、本実施の形態では、光源１２からの光をコリメートするコリメート光学系として、非球面平凸レンズ１３とフレネルレンズ１４とを組み合わせている。光源１２としてＬＥＤを使用する場合、射出される光の拡散角が大きいため、平凸レンズのみでこれをコリメートすることは難しい。本実施の形態では、フレネルレンズ１４を組み合わせることで、光源１２からの光を平行光束とし、偏光変換素子１６の入射面Ｓｏの有効な領域に効率よく入射させることができる。また、フレネルレンズ１４を用いたことで、コリメート光学系を小型に構成できる。
　また、フレネルレンズ１４は、入射面及び出射面に互いの円柱軸方向がｘ方向とｙ方向とで交差するシリンドリカルフレネル面１４ａ，１４ｂを備える。直線の溝を有する２つのシリンドリカルフレネル面１４ａ，１４ｂを用いることにより、円環状の溝を形成するよりも、フレネルレンズ１４の構造が単純且つ設計が容易となる。
　拡散板１５は、従来技術では液晶パネルの直前に配置される。しかし、本発明のように液晶パネルに偏光方向の揃った光を照射する場合は、拡散板も偏光方向を変化させないものである必要が生じる。これに対し本実施の形態では、拡散板１５を偏光変換素子１６の入射側に配置したので、拡散板１５は偏光方向を保持できるものである必要が無く、拡散板の幅も略半分にすることが可能になる。
　また、本実施の形態の偏光変換素子１６の偏光方向制御部２１は、偏光分離部２０から入射した照明光Ｌ２及びＬ３の何れかの偏光方向に対して、出射光の偏光方向を４５°回転させた角度で出射させることにより、偏光変換素子１６を透過する光が、透過軸の方向が４５°傾いた液晶パネル１７を効率よく透過することができる。
　更に、偏光方向制御部２１の第１の偏光方向変換部及び前記第２の偏光方向変換部を、１／２波長板３１，３２により構成されこれらを結合した板状部材としたので、これらを偏光分離部２０と結合して、単一の小型の部材とすることができる。
（第２実施の形態）
　図６は、本発明の第２実施の形態に係る投影装置に含まれる偏光変換素子３３の構成及び照明光の光路を示す図である。本実施の形態に係る投影装置は、第１実施の形態に係る投影装置１０において、偏光変換素子１６を偏光変換素子３３で置き代えたものである。偏光変換素子３３は、偏光分離部２０の部分は偏光変換素子１６と共通し、第１実施の形態の偏光変換素子１６の、１／２波長板３２が無く、第１のプリズム２２上に１／２波長板３１に代えて、Ｐ偏光をＳ偏光に変換する１／２波長板３４が配置されている。また、本実施の形態では、液晶パネル１７の透過軸方向は、ｘ方向とする。その他の構成は、第１実施の形態と同様であるので、同一構成要素には同一参照符号を付して説明を省略する。
　上記のように構成されているので、第１実施の形態と同様に、入射面Ｓｉに入射した照明光Ｌ１は、第１の偏光ビームスプリッタ膜２７で、Ｐ偏光の照明光Ｌ２とＳ偏光の照明光Ｌ３とに分離される。照明光Ｌ２は、第１のプリズム２２を透過して１／２波長板３４を通りＳ偏光に変換される。また、照明光Ｌ３は、第２のプリズム２３内を進み、第１の反射膜２９で液晶パネル１７方向に反射され、第２のプリズム２３上の出射面ＳｏからＳ偏光として出射される。このため、偏光変換素子３３から出射した照明光Ｌ２，Ｌ３の偏光方向は、Ｓ偏光に揃えられる。
　以上のように、本実施の形態では、偏光変換素子１６から出射した照明光Ｌ２，Ｌ３は、何れもＳ偏光となるが、これらの照明光の偏光方向は、液晶パネル１７が光を透過させる方向と一致しているので、液晶パネルでの光の損失が少なく、第１実施の形態と同様に、高輝度で高効率、低消費電力、長寿命等の効果が得られる。本実施の形態の投影装置は、液晶パネルの透過軸方向がｘ方向に限定されるが、偏光方向制御部２１を１／２波長板３４のみで形成できる。
　なお、本発明は、上記実施の形態にのみ限定されるものではなく、幾多の変形又は変更が可能である。たとえば、偏光方向変換部には１／２波長板を用いたが、偏光方向変換部としては偏光方向を変更するものであれば１／２波長板に限られない。例えば、ネマチック液晶等の旋光性有する材料を用いた旋光子、高分子材料を用いた波長板、水晶などの複屈折を有する光学結晶を用いた波長板などを用いることも可能である。
　また、偏光分離部で分離された互いに直交する偏光のうち、Ｐ偏光を第１の偏光、Ｓ偏光を第２の偏光としたが、Ｓ偏光を第１の偏光としＰ偏光を第２の偏光とすることもできる。更に、１／２波長板の配置及び偏光方向の回転角は、種々の設定が可能である。例えば、第２実施の形態の第１のプリズム２２上の１／２波長板に代えて、第２及び第３のプリズム２３，２４上に１／２波長板を配置して、出射する照明光をＰ偏光に揃える構成も可能である。
　更に、第１実施の形態及び第２実施の形態で示した、偏光変換部材の各プリズムの形状、配置、及び、それによる偏光ビームスプリッタ膜及び反射膜の向きは例示である。例えば、偏光ビームスプリッタ膜及び反射膜が、偏光変換部材の入射面と成す角度は、４５°に限られない。
　本発明の照明ユニット及び投影装置は、透過型液晶パネルにおける光の利用効率を高める照明ユニット及び投影装置として、好適に利用可能である。
　１０　　投影装置
　１０ａ　　光源ユニット
　１１　　基板
　１２　　光源（ＬＥＤ）
　１３　　非球面平凸レンズ
　１４　　フレネルレンズ
　１４ａ，１４ｂ　　シリンドリカルフレネル面
　１５　　拡散板
　１６　　偏光変換素子
　１７　　液晶パネル
　２０　　偏光分離部
　２１　　偏光方向制御部
　２２　　第１のプリズム
　２３　　第２のプリズム
　２４　　第３のプリズム
　２５　　第４のプリズム
　２６　　第５のプリズム
　２７　　第１の偏光ビームスプリッタ膜
　２８　　第２の偏光ビームスプリッタ膜
　２９　　第１の反射膜
　３０　　第２の反射膜
　３１　　１／２波長板（第１の偏光方向変換部）
　３２　　１／２波長板（第２の偏光方向変換部）
　３３　　偏光変換素子
　３４　　１／２波長板
　Ｌ１　　照明光
　Ｌ２　　照明光（第１の偏光）
　Ｌ３　　照明光（第２の偏光）
　Ｓｉ　　入射面
　Ｓｏ　　出射面
　Ｗ１　　入射面の有効領域の幅
　Ｗ２　　出射面の有効領域の幅

Claims (11)

  1. 　液晶パネルに光を照射する光源ユニットであって、
    　光源と、
    　前記光源からの拡散光をコリメートするコリメート光学系と、
    　入射面から入射した光の何れの方向の偏光を遮断することなく偏光方向を所定の方向に揃えて出射面から出射させる偏光変換素子と
    を備え、
    　前記所定の方向は、前記液晶パネルが光を透過させる方向であることを特徴とする光源ユニット。
  2. 　前記偏光変換素子は、光を出射する出射面の有効な領域が、前記出射面から出射される光が入射する入射面の有効な領域よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
  3. 　前記コリメート光学系は、非球面凸レンズとフレネルレンズとを備え、前記光源からの光を平行光束に変換して前記偏光変換素子の前記入射面の前記有効な領域のみに入射させることを特徴とする請求項２に記載の光源ユニット。
  4. 　前記フレネルレンズは、入射面及び出射面に互いの円柱軸方向が交差するシリンドリカルフレネル面を備える請求項３に記載の光源ユニット。
  5. 　前記偏光変換素子の入射側に配置された拡散板を備える請求項１に記載の光源ユニット。
  6. 　前記偏光変換素子は、
    　入射光を偏光方向が互いに直交する第１の偏光と第２の偏光とに分離する偏光分離部と、
    　少なくとも前記第１の偏光の偏光方向を変換する第１の偏光方向変換部、及び、少なくとも前記第２の偏光の偏光方向を変換する第２の偏光方向変換部を有し、前記第１の偏光及び前記第２の偏光の偏光方向を一致させるとともに、前記偏光分離部で分離された前記第１の偏光及び前記第２の偏光の何れかの偏光方向に対して、出射光の偏光方向を所定の角度だけ回転させた角度で出射させる偏光方向制御部と
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の光源ユニット。
  7. 　前記偏光分離部は、入射光を前記第１の偏光と前記第２の偏光とに分離するビームスプリッタ膜と、前記第１の偏光と前記第２の偏光との少なくとも一方を前記偏光方向制御部に向けて反射する反射面とを備える請求項６に記載の光源ユニット。
  8. 　前記偏光方向制御部は、前記偏光分離部から入射した前記第１の偏光及び前記第２の偏光の何れかの偏光方向に対して、出射光の偏光方向を４５°回転させた角度で出射させるように構成される請求項６に記載の光源ユニット。
  9. 　前記第１の偏光方向変換部及び前記第２の偏光方向変換部は、１／２波長板により構成されており、前記偏光方向制御部は、前記第１の偏光方向変換部及び前記第２の偏光方向変換部を結合した板状部材であることを特徴とする請求項６に記載の光源ユニット。
  10. 　液晶パネルに光を照射する光源ユニットであって、
    　光源と、
    　前記光源からの拡散光をコリメートする少なくとも一つのレンズと、
    　前記少なくとも一つのレンズを透過した光を、互いに直交する第１の偏光と第２の偏光とに分離するビームスプリッタと、
    　前記ビームスプリッタで分離された前記第１の偏光と前記第２の偏光との少なくとも一方を反射して、前記第１の偏光と前記第２の偏光との進行方向を揃える反射面と、
    　前記第１の偏光及び前記第２の偏光のそれぞれ、または、何れか一方に対して設けられ、
    偏光方向を変換する少なくとも一つの１／２波長板と
    を備え、
    　前記１／２波長板の光学軸の方向は、該１／２波長板に入射する前記第１の偏光または前記第２の偏光の偏光方向を、前記液晶パネルが光を透過させる方向に変換するように設定されることを特徴とする光源ユニット。
  11. 　光源と、
    　前記光源からの拡散光をコリメートするコリメート光学系と、
    　入射面から入射した光の何れの方向の偏光を遮断することなく偏光方向を所定の方向に揃えて出射面から出射させる偏光変換素子と、
    　前記所定の方向の偏光を透過させて表示光とする液晶パネルと
    を備える投影装置。
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