JP2011013590A - 照明光学系及びこの照明光学系を用いたプロジェクタ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被照明部材に照射される照明光の色温度を均一にした照明光学系及びこの照明光学系を用いたプロジェクタ装置を提供する。
【解決手段】プロジェクタ装置１０に用いられる照明光学系１１は、光源１からの光を略平行光に集光して被照明部材（表示素子４）に照射する集光光学系である集光レンズ群２と、この集光レンズ群２と表示素子４との間に配置され、透過する光の色温度を変化させる色温度変換部材３と、を有して構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明光学系及びこの照明光学系を用いたプロジェクタ装置に関する。

液晶デバイス（ＬＣＤ，ＬＣＯＳ）やＤＭＤ等の表示素子をライトバルブとして用い、その表示画像を投影光学系によりスクリーン等に拡大投影するプロジェクタ装置を小型化するために、表示素子に照明光を照射するための光源には、高輝度白色ＬＥＤが用いられる。この高輝度白色ＬＥＤは、一般的に青色ＬＥＤと、この青色ＬＥＤの前面に配置されたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光体層とで実現されていて、蛍光体層は青色ＬＥＤの光の一部を吸収して黄色成分の光を発生する。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−２６８６３９号公報

しかしながら、青色ＬＥＤの前面に蛍光体層を設けると、この青色ＬＥＤから放射する光の方向（発射角度）によって光が透過する蛍光体層内の距離が異なることになり、この白色ＬＥＤから得られる白色光の色温度にムラができてしまい、結果としてプロジェクター画面内で色温度が不均一になってしまうという課題があった。

本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、表示素子に照射される照明光（白色光）の色温度を均一にした照明光学系及びこの照明光学系を用いたプロジェクタ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に、本発明に係る照明光学系は、光源からの光を略平行光に集光して被照明部材に照射する集光光学系と、この集光光学系と被照明部材との間に配置され、透過する光の色温度を変化させる色温度変換部材と、を有する。

このような照明光学系において、色温度変換部材は、略平行光が通過する光路上に配置されていることが好ましい。

また、このような照明光学系は、集光光学系と被照明部材との間に配置され、被照明部材に照射される光の偏光方向を揃える偏光変換素子を有することが好ましい。

このとき、偏光変換素子は、光源側に配置され、光源からの光が入射する入射面と、入射面から入射した光のうち、Ｐ偏光成分の光を透過し、Ｓ偏光成分の光を反射する第１の偏光分離面と、第１の偏光分離面を透過したＰ偏光成分の光を射出する第１の射出面と、第１の偏光分離面で反射したＳ偏光成分の光を、Ｐ偏光成分の光の射出方向と略同一方向に反射する第２の偏光分離面と、第２の偏光分離面で反射したＳ偏光成分の光を射出する第２の射出面と、第１の射出面から射出したＰ偏光成分の光、若しくは、第２の射出面から射出したＳ偏光成分の光のいずれか一方の偏光面を９０°回転させる回転面と、を有することが好ましい。

また、このような偏光変換素子は、入射面、第１の偏光分離面、第２の偏光分離面、第１の射出面及び第２の射出面を有する偏光分離素子と、回転面を有する半波長板と、を有することが好ましい。

また、このような照明光学系は、集光光学系と偏光変換素子との間に絞りを有することが好ましい。

また、このような照明光学系は、偏光分離面を有し、集光光学系と被照明部材との間の光路上に配置されて、光を偏光分離面で透過若しくは反射させて表示素子に照射する偏光ビームスプリッタを有することが好ましい。

ここで、色温度変換部材は、偏光変換素子の入射面に取り付けられていることが好ましい。

あるいは、色温度変換部材は、偏光ビームスプリッタの光源からの光が入射する面、もしくは、表示素子に照射される光が射出される面に取り付けられていることが好ましい。

また、このような照明光学系において、集光光学系は、集光レンズ群であることが好ましい。あるいは、集光光学系は、集光ミラーであることが好ましい。

また、本発明に係るプロジェクタ装置は、光源と、被照明部材である表示素子と、光源の光を表示素子に照射する上述の照明光学系のいずれかと、表示素子で反射した光もしくはこの表示素子を透過した光を集光して表示素子の像を投影する投影レンズ群と、を有する。

このようなプロジェクタ装置において、光源は青色成分の光を放射するＬＥＤ光源であり、色温度変換部材は、この青色成分の光の一部を吸収して黄色成分の光を放射し、残りを透過させる蛍光体であることが好ましい。

また、このようなプロジェクタ装置において、表示素子は液晶素子であることが好ましい。

本発明に係る照明光学系及びこの照明光学系を用いたプロジェクタ装置を以上のように構成すると、表示素子に照射される照明光（白色光）の色温度を均一にすることができる。

第１の実施形態に係る照明光学系を有するプロジェクタ装置の説明図である。 第２の実施形態に係る照明光学系を有するプロジェクタ装置の説明図であって、色温度変換部材を偏光変換素子の入射面に設けた場合を示す。 第２の実施形態に係る照明光学系を有するプロジェクタ装置の説明図であって、色温度変換部材を偏光ビームスプリッタの入射面に設けた場合を示す。

以下、本発明の好ましい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］
まず、図１を用いて第１の実施形態に係る照明光学系を有するプロジェクタ装置の構成について説明する。このプロジェクタ装置１０は、青色成分の光（以下「青色光」と呼ぶ）を放射する単色ＬＥＤで構成され、この青色光を照明光として放射する光源１と、この光源１から放射された青色光を白色光に変換して被照明部材である反射型の表示素子５（例えば、ＬＣＯＳ（シリコン基板の上に液晶を形成した反射型の液晶表示パネル））に照射する照明光学系１１と、この表示素子５で反射した光の像を実像として投影面（スクリーン等）に拡大投影する投影光学系１２と、から構成される。

照明光学系１１は、光源１と表示素子５との間に設けられており、光源１側から順に、集光光学系の一実施形態である集光レンズ群２と、上述のＹＡＧ系の蛍光体（以下、「黄色蛍光体」と呼ぶ）からなる色温度変換部材３と、偏光ビームスプリッタ４と、が光軸上にこの順で並んで配置されている。また、投影光学系１２は、照明光学系１１と偏光ビームスプリッタ４を共用し、表示素子５側から、この偏光ビームスプリッタ４と、投影レンズ群６と、がこの順で光軸上に並んで配置されている。なお、光源１は、青色光を放射する発光部（例えば、ＬＥＤチップ）１ａと、透明な部材で構成されてこの発光部１ａを覆って保護するカバー１ｂとから構成される。また、色温度変換部材３は、偏光ビームスプリッタ４の光源１側の面に、黄色蛍光体を塗布して構成している。偏光ビームスプリッタ４の光源１側の面は、光軸に略直交する面であり、このような光学部材の面に塗布して蛍光体層とすることにより、この色温度変換部材３を簡単に構成することができる。

このような構成のプロジェクタ装置１０において、光源１の発光部１ａから放射された照明光（青色光）は、集光レンズ群２で集光されて略平行光に変換された後、色温度変換部材３に入射する。この色温度変換部材３は、入射した青色光の一部を吸収して黄色成分の光（黄色光）を放射し、残りを透過させることにより白色光に変換するものである。そのため、色温度変換部材３に入射した青色光は白色光に変換されて射出し、さらに、偏光ビームスプリッタ４に入射する。そして、この偏光ビームスプリッタ４に入射した白色光のうち、Ｐ偏光成分の光は偏光分離面４ａを透過してこの偏光ビームスプリッタ４から外部に放射され、Ｓ偏光成分の光は偏光分離面４ａで反射して表示素子５の表示面５ａに照射される。

本実施の形態に係る表示素子５は、シリコン基板とガラス基板との間に液晶を介在させた液晶パネル（ＬＣＯＳ）であり、シリコン基板上にはＴＦＴ等のスイッチング素子や電極が画素の各サブピクセルに対応して設けられている。また、シリコン基板の最表面には光を反射させるアルミ層が形成されている。そして、透明電極が形成されたガラス基板との間に介在する液晶層を電気的に駆動して映像を表示させることができる。不図示の駆動回路から入力される映像信号のレベルに基づいて表示素子５の各画素に設けられた電極への電圧の印加を制御することにより、映像信号のレベルに応じて表示素子５の各電極に電圧が印加されると、液晶層の液晶分子の配列が変化してこの液晶層が位相板の役目を果たすようになる。その結果、電圧印加状態に応じた映像パターンが表示素子５に形成され、空間光変調が行われる。すなわち、表示素子５のガラス基板側から入射したＳ偏光成分の光は、シリコン基板側の反射面（アルミ層）で反射されて再びガラス基板から射出されるが、その間に白画素部に入射したＳ偏光成分の光は偏光方向が９０°回転されてＰ偏光成分の光に変調（偏光変換）される。一方、黒画素部に入射したＳ偏光成分の光は偏光状態が変化せず、Ｓ偏光成分のまま射出される。なお、表示素子５は、カラーフィルタを備えたカラー表示のＬＣＯＳを用いることで、カラー画像の表示が可能になる。

そして、この表示素子５の表示面５ａで反射した光は、再び偏光ビームスプリッタ４に入射する。ここで、表示素子５の黒画素部を透過したＳ偏光成分の光のほとんどは、偏光分離面４ａで反射されて光源１側へと戻る。一方、表示素子５の白画素部で変調されて射出されたＰ偏光成分の光は偏光分離面４ａを透過した後この偏光ビームスプリッタ４から射出され、投影レンズ群６により不図示のスクリーンに投影される。その結果、表示素子５に表示された画像の拡大画像がスクリーン上に投影される。

このように、光源１から放射された青色光を白色光に変換するための色温度変換部材３を、照明光が略平行光になるところ、すなわち、照明光（青色光）が入射する偏光ビームスプリッタ４の光源１側の面に配置することにより、青色光が平行光のままこの色温度変換部材３をその厚さ方向に透過するため、この色温度変換部材３内を透過する青色光の透過距離が均一になり、そのため、この色温度変換部材３から射出される白色光の色温度を均一にすることができる。また、光源１から放射された光を屈折力により集光する集光レンズ群２においては、その光学性能を単色の光（青色光）に基づいて設計をすることができるため、収差（特に色収差等）に対する考慮が少なくなり設計の自由度が向上する。なお、以上の説明においては、偏光ビームスプリッタ４の入射側の面に色温度変換部材３を配置した場合について説明したが、この偏光ビームスプリッタ４の表示素子５側の面に配置する（黄色蛍光体を塗布する）ことも可能である。あるいは、偏光ビームスプリッタ４とは独立した光学素子として色温度変換部材３を構成することも可能である（例えば、透明な平行平板状の光学部材の面に黄色蛍光体を塗布して構成する）。この場合も、この色温度変換部材３は、照明光学系１１内の、集光レンズ群２と表示素子５との間であって、照明光が略平行光の状態にある光路上に配置することにより、この色温度変換部材３から射出される白色光の色温度を均一にすることができる。

なお、表示素子５は、Ｐ偏光成分の光で照明して白画素部で空間光変調されたＳ偏光成分の光を投影レンズ群６で投影するように構成することも可能である。このような構成の場合、偏光ビームスプリッタ４に対して、表示素子５は、照明光が偏光分離面４ａを透過して射出する面側に配置され、また、投影光学系６は、この表示素子５で反射された光が偏光分離面４ａで反射されて射出される面側に配置される。

［第２の実施形態］
次に、図２を用いて第２の実施形態に係る照明光学系を有するプロジェクタ装置の構成について説明する。このプロジェクタ装置１１０も、青色の照明光を放射する光源１０１と、この光源１０１から射出した青色光を白色光に変換して反射型の表示素子１０５に照射する照明光学系１１１と、この表示素子１０５で反射した光の像を実像として投影面（スクリーン等）に拡大投影する投影光学系１１２と、から構成される。

照明光学系１１１は、光源１０１側から順に、集光光学系の一実施形態である集光レンズ群１０２と、絞り１２０と、黄色蛍光体からなる色温度変換部材１０３と、偏光変換素子１２１と、偏光ビームスプリッタ１０４と、が光軸上にこの順で並んで配置されている。また、投影光学系１１２は、照明光学系１１１と偏光ビームスプリッタ１０４を共用し、表示素子１０５側から、この偏光ビームスプリッタ１０４と、投影レンズ群１０６と、がこの順で光軸上に並んで配置されている。上述の第１の実施形態に係る照明光学系１１では、光源１から放射されて色温度変換部材３で白色光に変換された照明光は、偏光ビームスプリッタ４を介して表示素子５に照射されるが、この表示素子５に照射される光は、白色光のうち、偏光ビームスプリッタ４の偏光分離面４ａで反射されるＳ偏光成分の光だけである。そのため、光源１から放射される照明光の利用効率が低くなる。そこで、この第２の実施形態に係る照明光学系１１１では、偏光変換素子１２１を設け、照明光をＳ偏光成分の光に揃えている。

この偏光変換素子１２１は、偏光分離素子１２２と半波長板１２３とから構成されている。偏光分離素子１２２は、絞り１２０の開口と略同一大きさを有し、照明光が垂直に入射する入射面１２２ａと、この入射面１２２ａの略中心部（光軸と交わる点）から、この入射面１２２ａに対して４５度の角度でＶ字状に延びる２枚の第１の偏光分離面１２２ｂと、この第１の偏光分離面１２２ｂの各々と略平行に配置された２枚の第２の偏光分離面１２２ｃと、入射面１２２ａと略同一大きさで、この入射面１２２ａと位置整合されて略平行に配置された第１の射出面１２２ｄと、第１の射出面１２２ｄの上下に略同一面上に並んで配置された２枚の第２の射出面１２２ｅと、を有して構成され、第１の射出面１２２ｄの表示素子１０５側には、この第１の射出面１２２ｄと略同一形状を有する半波長板１２３が取り付けられている。ここで、半波長板１２３は、透過する光の偏光面を９０°回転させる回転面としての機能を有している。また、この照明光学系１１１において、色温度変換部材１０３は、偏光分離素子１２２の入射面１２２ａと略同一大きさを有し、この入射面１２２ａの光源１０１側の面に設けられている（黄色蛍光体が入射面１２２ａに塗布されている）。

このような構成のプロジェクタ装置１１０において、光源１０１から放射された青色光は、集光レンズ群１０２で略平行光に変換され、色温度変換部材１０３に入射し、白色光に変換されて、入射面１２２ａから偏光分離素子１２２に入射する。なお、偏光分離素子１２２の光源１０１側には絞り１２０が設けられているため、入射面１２２ａ上に設けられた色温度変換部材１０３以外には照明光（青色光）は入射しない。そして、この入射面１２２ａから入射した白色光は、上下に分かれて２枚の第１の偏光分離面１２２ｂに入射し、この白色光のうち、Ｐ偏光成分の光のほとんどは第１の偏光分離面１２２ｂを透過し、Ｓ偏光成分の光のほとんどはこの第１の偏光分離面１２２ｂで光軸と略垂直方向に反射される。そして、第１の偏光分離面１２２ｂを透過したＰ偏光成分の光は略平行光のまま第１の射出面１２２ｄから半波長板１２３に入射し、この半波長板１２３により偏光面が９０°回転させられてＳ偏光成分の光として射出される。一方、第１の偏光分離面１２２ｂで反射されたＳ偏光成分の光は、さらに第２の偏光分離面１２２ｃで反射されて光軸と略平行な光となり、第２の射出面１２２ｅから射出される。すなわち、この偏光変換素子１２１に入射した白色光は、そのほとんどがＳ偏光成分の光で構成される白色の平行光として射出される。そのため、偏光ビームスプリッタ１０４に入射した白色光は、そのほとんどが偏光分離面１０４ａで反射されて表示素子１０５の表示面１０５ａに照射される。そして、表示素子１０５の表示面１０５ａで空間光変調がされた光のうち、白画素部を透過したしたＰ偏光成分の光は、偏光分離面１０４ａを透過した後この偏光ビームスプリッタ１０４から射出され、投影レンズ群１０６により不図示のスクリーンに投影される。

このように、プロジェクタ装置１１０を構成する照明光学系１１１に偏光変換素子１２１を設け、光源１０１から射出した照明光をＳ偏光成分とＰ偏光成分の光に分離させて、Ｓ偏光成分の光はそのまま射出させ、Ｐ偏光成分の光はＳ偏光成分の光に変換することにより、偏光ビームスプリッタ１０４の偏光分離面１０４ａを透過して表示素子１０５に照射されない光を少なくして、照明光の利用効率を高めることができる。これにより、輝度の小さい光源１０１を用いても明るい画像を投影することができ、光源１０１で消費される電力を少なくすることができる。また、光源１０１から放射される光の利用効率を高めることにより、このプロジェクタ装置１１０の発熱を抑えることができ、このプロジェクタ装置１１０の小型化が可能となる。

また、第１の実施形態と同様に、光源１０１から放射された青色光を白色光に変換するための色温度変換部材１０３を、照明光が略平行光になるところ、すなわち、偏光変換素子１２１の入射面１２２ａの光源１０１側に配置することにより、この色温度変換部材１０３から射出される白色光の色温度を均一にすることができる。また、光源１０１から放射された光を屈折力により集光する集光レンズ群１０２においては、その光学性能を単色の光（青色光）に基づいて設計をすることができるため、収差（特に色収差等）に対する考慮が少なくなり設計の自由度が向上する

さらに、第１の実施形態と同様に、色温度変換部材１０３を配置する位置は、偏光変換素子１２１の入射面１２２ａに限定されることはない。例えば、図３に示すプロジェクタ装置１１０′に用いられている照明光学系１１１′のように、色温度変換部材１０３′を偏光ビームスプリッタ１０４の照明光（青色光）が入射する面に配置することも可能である。上述のように、偏光変換素子１２１から射出されるＳ偏光成分の光は略平行光であるため、この色温度変換部材１０３′を透過して射出される白色光の色温度を均一にすることができる。この場合、偏光変換素子１２１を透過する照明光は青色光であるため、第１及び第２の偏光分離面１２２ｂ，１２２ｃの光学性能を単色の光（青色光）に基づいて設計をすることができ、設計の自由度が向上する。ここで、図３に示すプロジェクタ装置１１０′において、図２に示すプロジェクタ装置１１０と同一の機能を有する構成部材については同一の符号を付し詳細な説明を省略する。

ところで、上述の第１の実施形態でも説明したとおり、表示素子１０５は、Ｐ偏光成分の光で照明して白画素部で空間光変調されたＳ偏光成分の光を投影レンズ群１０６で投影するように構成することも可能であり、このような構成における偏光ビームスプリッタ１０４、表示素子１０５及び投影レンズ群１０６の配置は第１の実施形態での説明と同様である。また、この場合、偏光変換素子１２１を構成する半波長板１２３は、偏光分離素子１２２の第２の射出面１２２ｅに取り付けられ、この第２の射出面１２２ｅから射出するＳ偏光成分の光をＰ偏光成分の光に変換するように構成される。

なお、以上の第１及び第２の実施形態に係る照明光学系１１，１１１，１１１′において、光源１，１０１から放射された青色光を略平行光に変換する集光光学系として集光レンズ群２，１０２を用いた場合について説明したが、放物面形状の反射面を有する集光ミラーを用いることも可能である。この場合、放物面の焦点上に光源１，１０１を配置することにより、略平行光を得ることができる。また、以上の説明においては、表示素子５，１０５として反射型の液晶素子であるＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）を例に説明したが、本発明がこの表示素子に限定されることはなく、反射型の表示素子としてはＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いることもできるし、透過型の液晶素子であるＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ）に適用することも可能である。

１，１０１ 光源 ２，１０２ 集光レンズ群（集光光学系）
３，１０３，１０３′ 色温度変換部材 ４，１０４ 偏光ビームスプリッタ
５，１０５ 表示素子（被照明部材） ６，１０６ 投影レンズ群
１０，１１０，１１０′ プロジェクタ装置 １２０ 絞り
１２１ 偏光変換素子 １２２ 偏光分離素子
１２２ａ 入射面 １２２ｂ 第１の偏光分離面 １２２ｃ 第２の偏光分離面
１２２ｄ 第１の射出面 １２２ｅ 第２の射出面 １２３ 半波長板

Claims (14)

1. 光源からの光を略平行光に集光して被照明部材に照射する集光光学系と、
   前記集光光学系と前記被照明部材との間に配置され、透過する光の色温度を変化させる色温度変換部材と、を有する照明光学系。
2. 前記色温度変換部材は、前記略平行光が通過する光路上に配置されている請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記集光光学系と前記被照明部材との間に配置され、前記被照明部材に照射される前記光の偏光方向を揃える偏光変換素子を有する請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記偏光変換素子は、
   前記光源側に配置され、前記光源からの光が入射する入射面と、
   前記入射面から入射した前記光のうち、Ｐ偏光成分の光を透過し、Ｓ偏光成分の光を反射する第１の偏光分離面と、
   前記第１の偏光分離面を透過した前記Ｐ偏光成分の光を射出する第１の射出面と、
   前記第１の偏光分離面で反射した前記Ｓ偏光成分の光を、前記Ｐ偏光成分の光の射出方向と略同一方向に反射する第２の偏光分離面と、
   前記第２の偏光分離面で反射した前記Ｓ偏光成分の光を射出する第２の射出面と、
   前記第１の射出面から射出した前記Ｐ偏光成分の光、若しくは、前記第２の射出面から射出した前記Ｓ偏光成分の光のいずれか一方の偏光面を９０°回転させる回転面と、を有する請求項３に記載の照明光学系。
5. 前記偏光変換素子は、
   前記入射面、前記第１の偏光分離面、前記第２の偏光分離面、前記第１の射出面及び前記第２の射出面を有する偏光分離素子と、
   前記回転面を有する半波長板と、を有する請求項４に記載の照明光学系。
6. 前記集光光学系と前記偏光変換素子との間に絞りを有する請求項３〜５いずれか一項に記載の照明光学系。
7. 偏光分離面を有し、前記集光光学系と前記被照明部材との間の光路上に配置されて、前記光を前記偏光分離面で透過若しくは反射させて前記表示素子に照射する偏光ビームスプリッタを有する請求項１〜６いずれか一項に記載の照明光学系。
8. 前記色温度変換部材は、前記偏光変換素子の入射面に取り付けられている請求項４〜７いずれか一項に記載の照明光学系。
9. 前記色温度変換部材は、前記偏光ビームスプリッタの前記光源からの前記光が入射する面、もしくは、前記表示素子に照射される前記光が射出される面に取り付けられている請求項７に記載の照明光学系。
10. 前記集光光学系は、集光レンズ群である請求項１〜９いずれか一項に記載の照明光学系。
11. 前記集光光学系は、集光ミラーである請求項１〜９いずれか一項に記載の照明光学系。
12. 光源と、
    被照明部材である表示素子と、
    前記光源の光を前記表示素子に照射する請求項１〜１１いずれか一項に記載の照明光学系と、
    前記表示素子で反射した前記光もしくは前記表示素子を透過した前記光を集光して前記表示素子の像を投影する投影レンズ群と、を有するプロジェクタ装置。
13. 前記光源は青色成分の光を放射するＬＥＤ光源であり、
    前記色温度変換部材は、前記青色成分の光の一部を吸収して黄色成分の光を放射し、残りを透過させる蛍光体である請求項１２に記載のプロジェクタ装置。
14. 前記表示素子は液晶素子である請求項１２または１３に記載のプロジェクタ装置。

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