JP5515200B2 - 照明光学系及びプロジェクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、照明光学系及びプロジェクタ装置に関する。

近年、発光ダイオード（ＬＥＤと略称されている。）の輝度が向上し、各種の照明光源として注目され、プロジェクタ装置の光源としての検討もなされてきている。ＬＥＤをプロジェクタ装置の光源とすることのメリットとしては、光源としての寿命の長さ、カラーバランスの取り易さ等が挙げられる。しかしながら、大型スクリーン用のプロジェクタ装置の光源としてＬＥＤを見たとき、光量の不足が大きな問題であり、光利用効率の高い照明光学系が必要である。プロジェクタ装置のライトバルブとして液晶パネルを用いる場合には効率のよい偏光変換を含む照明光学系が特に重要である。

照明光学系における個々の部分では様々な検討がなされ、数多くの技術提案がなされているが、偏光変換を含めたトータルな照明光学系としてみたとき十分な検討が為されているとはいえない。

照明光学系として組み合わせた例としては、例えば、特許文献１には、にフォトニック結晶を備えたＬＥＤと偏光変換素子を組み合わせた例（特許文献１の図１１）が開示されている。

特許文献２には、フライアイレンズと偏光変換素子とロッドインテグレータを組み合わせた照明光学系（特許文献２の図７、図８）が開示されている。従来のランプ光源を用いた液晶プロジェクタ装置においては、フライアイレンズを用いた照明光学系は一般的である。図１６にフライアイレンズ系の構成例を示す。この照明光学系においては、ランプなどの光源からの光ビームは放物面鏡で反射されて光軸にほぼ平行なビームとなってフライアイレンズに到達するため、図１６（ａ）のように、光ビームは第１フライアイレンズにより第２フライアイレンズ上に結像され、光量損失なくフライアイレンズを透過できることになる。

特許文献３には、テーパロッドの出射端に、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する構成のワイヤグリッド反射型偏向分離素子を配置して、Ｓ偏光成分をテーパロッド内に戻してやり、繰り返し反射するうちにＰ偏光に変わった光ビームを透過光として取り出し全ての光成分を利用するという照明光学系が開示されている。
特開２００６―３９２７７号公報 特開２００５-３０９１４４号公報 特開２００５―２３４４０号公報

上述のように、液晶パネルのようなライトバルブを含む照明光学系の光利用効率の向上技術が開示されているが、ＬＥＤのような比較的弱い光源からの光を大型スクリーン用のプロジェクタ装置に利用するには十分とはいえなかった。例えば、特許文献１に開示のＬＥＤとフォトニック結晶の組み合わせだけでは、光ビームは十分に収斂されているとは言えず、光利用効率は十分には上がりきらない。その様子を図１５に示すと、フォトニック結晶を備えたＬＥＤの発光分布は図１５の破線のようであり、ランバート分布（実線）と比べると放射角が３０°までは光量が集中しており、０°に近い領域では１．５倍程度に改善されている。しかしながら、全体的には光ビームは９０°まで広がっており、液晶パネルの場合の有効取込み角１０°〜１５°程度を考えたとき、全発光光量に対する有効光の割合は３０％程度にしかならない。

特許文献２に開示された照明光学系をＬＥＤ光源に適用しようとすると図１６（ｂ），（ｃ）のような構成になるが、二つの点で不具合が発生する。一つは図１６（ｂ）に示したようにＬＥＤからの発光のうち、有効に取り込めるビームが少ないことである。もう一つの不具合は、ＬＥＤが面光源であることによるもので、図１６（ｃ）に示したように、面光源の端部からのビームは、偏光変換素子のアパーチャによって遮断されてしまうことである。このような理由により、ＬＥＤとフライアイレンズとの組み合わせでは光利用効率を挙げることには限界がある。

特許文献３に開示された照明光学系は、理論上は高効率でＰ偏光が得られることになるが、テーパロッドの光透過効率や反射効率を勘案すると効率が上がらない。同様の構成でλ／４板を組み込んで効率を高めたものが３Ｍ社からで試作発表されている。これはアイソレータ系になっているため、効率はいいはずであるが、ＬＥＤ方向に戻った光を再度テーパロッドの出射面側に反射させねばならず、そこの効率が高くとれないため、全体として、偏光分離素子を入れない場合に対して、入れた場合の効率アップは１．２倍程度にとどまっている。

本発明においては、このような現状を踏まえて、ライトバルブを備えたプロジェクタ装置においてＬＥＤのような比較的光量の少ない光源であっても十分に明るい投射光を得られる光利用効率の高い照明光学系の提供、及びこの照明光学系を備えたプロジェクタ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明者等は、テーパロッドと一対の偏光分離面と反射面を有する偏光変換素子を組み合わせることにより、光利用効率の高い照明光学系が構成されることを見いだした。テーパロッドは光源の発光面に密着して配置できるため光の取り込み効率がよい。また、テーパロッドは傾斜する反射面での多重反射を利用して光ビームを光軸に平行なビームに近づけることにより、レンズによるコリメートよりも角度変換効率がよい。偏光変換素子はテーパロッド出射端に密着配置されることにより、ここでも光の損失は発生しないようにすることができる。偏光変換素子は光軸対称な２対の偏光分離面と反射面にすると、より光量バランスに優れたものとなる。また、偏光変換素子の偏光分離面と反射面の間に微小な空隙を設け、偏光分離面を通らずに抜けて行こうとする光ビームを偏光分離面に引き戻すことができる。偏光変換素子の出射面形状をライトバルブ面と相似形にしておけばリレーレンズにより効率よくライトバルブを照明できる。さらに、ＬＥＤ光源をフォトニック結晶つきのものにしておけば、フォトニック結晶の作用とテーパロッドの作用が相乗的に重なって、より光利用効率のよい照明系が構成される。このようなプロジェクタ装置における照明光学系の光利用効率の向上方法を見いだし、以下の発明を完成した。

本発明は、光源と、光源から入射した光を光ビームとして出射するテーパロッドと、テーパロッドから出射した光ビームを入射して偏光分離する偏光変換素子と、偏光変換素子により偏光分離された光ビームを入射して変調するライトバルブとを備え、前記偏光変換素子は、平行面をなす偏光分離面と反射面とを有し、偏光分離された透過光又は反射光のいずれか一方の出射面に位相変調素子を備え、透過光の出射面と反射光の出射面とで形成される出射面の形状をライトバルブの光入射面の形状と相似形とすることを特徴とするプロジェクタ装置の照明光学系である。

光源から出射した光を偏光ビームとしてライトバルブの入射面に照射するために、テーパロッドと上述の偏光変換素子を組み合わせることにより、偏光変換効率を含めて極めて光利用効率の高い液晶プロジェクタ用の照明光学系が形成される。また、偏光変換素子が平行面をなす偏光分離面と反射面とを有することにより、偏光変換素子に光ビームを照射するテーパロッドが一つで済み、簡易な構成の照明光学系とすることができる。さらに、偏光変換素子の後段にすぐにライトバルブとして透過型液晶パネルを配置した簡易な構成の照明光学系が構成できる。

本発明は、さらに、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズを備えた構成を有する。

本発明は、さらに、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するロッドインテグレータを備えた構成を有する。

偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズやロッドインテグレータを備えることにより、光ビームを効率よくライトバルブの入射面に投影することができる。また、偏光変換素子の後段にロッドインテグレータを配することで、光量のバランスが改善され、偏光変換素子に空隙などがあり光ビームが不均一になってもこれを均一化出来る。

本発明は、さらに、前記偏光変換素子は、光軸対称な２対以上の偏光分離面と反射面とを有する構成を備える。

テーパロッドと光軸対称な２対以上の偏光変換素子を組み合わせることにより、偏光変換効率を含めて極めて光利用効率が高く、かつ照明対称性のよい液晶プロジェクタ用の照明光学系が形成される。

本発明は、さらに、前記テーパロッドの光ビーム出射面と偏光変換素子の入射面とは、密着している構成を備える。

本発明は、さらに、前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射し偏光分離面に到達せずに透過する光ビームを遮る位置に間隙を設けた構成を備える。
本発明は、さらに、前記テーパロッドは、アレイ構造である構成を備える。
本発明は、さらに、前記テーパロッドは、光軸対象の前記偏光変換素子に対して両側部から光束を入射する構成を備える。
好ましい本発明は、前記光源と前記テーパロッドの入射面は、それぞれセットになってアレイ構造を形成していることを特徴とする前記プロジェクタ装置の照明光学系である。
また、参考の発明は、光源と、光源から入射した光を光ビームとして出射するテーパロッドと、テーパロッドから出射した光ビームを入射して偏光分離する偏光変換素子と、偏光変換素子により偏光分離された光ビームを入射して変調するライトバルブとを備え、前記偏光変換素子は、平行面をなす偏光分離面と反射面とを有し、偏光分離された透過光又は反射光のいずれか一方の出射面に位相変調素子を備え、透過光の出射面と反射光の出射面とで形成される出射面の形状をライトバルブの光入射面の形状と略相似形であり、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズを備え、前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するロッドインテグレータを備え、前記偏光変換素子は、光軸対称な２対以上の偏光分離面と反射面とを有し、前記テーパロッドの光ビーム出射面と偏光変換素子の入射面とは、略密着し、前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射し偏光分離面に到達せずに透過する光ビームを遮る位置に間隙を設け、前記レンズは、焦点距離の比が前記偏光変換素子の出射端サイズと前記ライトバルブのサイズの比より若干大きい１対のレンズであることを特徴とするプロジェクタ装置の照明光学系である。

好ましい本発明は、前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射する光ビームの入射面における端部と偏光分離面の偏光変換素子出射面側における端部とを結ぶ面に間隙を設けたことを特徴とする前記照明光学系である。

偏光変換素子に上述のような間隙を設けることにより、偏光分離面に到達せずに透過しようとする光ビームを反射して偏光分離面に照射するので、より光利用効率の高い照明光学系が構成される。

好ましい本発明は、前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする前記照明光学系である。

好ましい本発明は、前記光源は、フォトニック結晶を備えていることを特徴とする前記照明光学系である。

光源にフォトニクス結晶を備えることにより、特にＬＥＤ光源を用いた照明光学系における光利用効率を向上させることができる。

好ましい本発明は、前記ライトバルブは、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネルであることを特徴とする前記照明光学系である。

本発明は、前記照明光学系を複数備え、それぞれの照明光学系における偏光変換素子から出射された光ビームを合成するダイクロイックプリズムと、ダイクロイックプリズムから出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置である。

本発明の照明光学系を搭載することにより、光利用効率が向上し、ＬＥＤなどの固体光源を用いても大画面のプロジェクタ装置が実現可能となる。

好ましい本発明は、前記偏光変換素子とライトバルブの間にダイクロイックプリズムを配置し、それぞれの照明光学系に対しひとつのライトバルブを共用することを特徴とする前記プロジェクタ装置である。

複数の照明光学系を備えたプロジェクタ装置であっても、ライトバルブ等を共用することで、プロジェクタ装置の構成を簡易化できる。

好ましい本発明は、前記光源を複数とし、光源とテーパロッドとの間にダイクロイックプリズムを配したことを特徴とする前記照明光学系である。

好ましい本発明は、前記光源は３つの異なった色の光源であり、ダイクロイックプリズムはクロスダイクロイックプリズムであることを特徴とする前記照明光学系である。

３つの異なった色の光源からの光をテーパロッドの前で色合成することで、構成が簡易化されたカラー照明光学系が得られる。

本発明は、前記照明光学系と、照明光学系から出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置である。

本発明によれば、ライトバルブを備えたプロジェクタ装置においてＬＥＤのような比較的光量の少ない光源であっても十分に明るい投射光を得られる光利用効率の高い照明光学系、及びこの照明光学系を備えたプロジェクタ装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を必要に応じて図面を参照にして説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明の好ましい形態における例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。

（実施形態１）
本発明における実施形態１の照明光学系を図１に示す。実施形態１の照明光学系においては、光源２（ＬＥＤ）、テーパロッド３、偏光変換素子４、レンズ６，７、ライトバルブ８（反射型又は透過型液晶パネル）で構成されている。ＬＥＤは、図２に示すように、微小発光面をアレイ状に並べたもの（図２ａ，ｃ）、あるいは１面を大面積化したもの（図２ｂ，ｄ）が用いられている。テーパロッド３はその入射端がＬＥＤに密着し、入射端形状をＬＥＤサイズと同形状で略同サイズとし、その出射端は液晶パネル８の入射面を上下に２等分した形状とほぼ相似な形状（本願において相似な形状とは合同な形状を含む。）とし、入射端から出射端に向かってテーパ上に広がる形状となっている。偏光変換素子４は直方体のプリズムのような形状で、その出射面の形状は液晶パネル８の入射面とほぼ相似形状（縦横比がパネルの縦横比（いわゆるアスペクト比）と同じ）で、そのサイズは縦方向がテーパロッド出射端の２倍、横方向がテーパロッドの出射端と同サイズとなっている。そして、この実施形態における偏光変換素子４の入射端は、テーパロッド３の出射端と密着している。

偏光変換素子４には、２つの互いに平行な光ビームの主軸の入射方向に対し４５°の傾斜をもつ傾斜面を備え、その第１の傾斜面は偏光分離面４ａ、第２の傾斜面は反射面４ｂとなっている。そして、偏光分離面４ａは、光ビームの主軸の入射方向の反対方向から見たときにテーパロッド出射端を覆い隠す用に配置されている。このようにすることにより、テーパロッド３から入射する主軸と平行な光ビームはすべて偏光分離面４ａに到達する。一方、反射面４ｂは、光ビームの主軸の入射方向の反対方向から見たときにテーパロッド出射端が見えない部分のみに配置されている。図２における偏光変換素子４は、図の奥行き方向へは同じ形状をしているので、図面上で説明すると、偏光変換素子４の上部１/２の部分に、テーパロッド出射端上端から４５°の角度で偏光変換素子４の出射端側に偏光分離面４ａが配置されている。反射面４ｂは、テーパロッド出射端下端から４５°の角度で偏光変換素子４の出射端側に配置されている。このようにすることで、偏光変換素子４の出射面の上半分から、偏光分離面４ａの透過光を出射し、下半分から、偏光分離面４ａの反射光を出射する。

位相変調素子５は、偏光変換素子４の出射面の上部半分に貼られている。位相変調素子５は、λ／２板であり、偏光分離面４ａを透過した光ビームを位相変調する。なお、位相変調素子５は、透過光光路か反射光光路のいずれかを位相変調し、互いに同じ波面を持つ偏光とするものであるが、どちらの偏光に揃えるかはパネルの特性と光路の構成によって決まる。

レンズは基本的には１対のレンズで構成され、その焦点距離比が偏光変換素子の出射端サイズとパネルサイズの比と同一（あるいはそれより若干大きな比）となっている。パネルは特にサイズが規制されるものではないが、現実的には０．７インチ程度のサイズが想定される。

ＬＥＤから出射した光ビームは一般的にはランバート分布に近い広がりをもっているが、テーパロッド３が密着配置されているため、ほとんどロスなくテーパロッド内に採りこまれる。テーパロッド内に取り込まれた光ビームは、一部はそのまま出射端から出て行くが、その他のビームは側壁で反射され、角度の大きい光ビームは側壁で多重反射される。これらの各反射の段階で光ビームは次第に光軸に平行な角度に近づいていくため、テーパロッド出射端では全光ビームが光軸に平行に近くなっている。

テーパロッド出射端からの光ビームは、偏光変換素子４に入り、偏光分離面４ａ（第１の傾斜面）でＰ偏光（透過光）とＳ偏光（反射光）に分離される。Ｐ偏光ビームは偏光分離面４ａを透過してそのまま偏光変換素子４の出射面から出射され、Ｓ偏光ビームは偏光分離面４ａで反射された後、反射面４ｂ（第２の傾斜面）で再度反射されて、Ｐ偏光ビームと同じ方向に向かって出射される。偏光変換素子４の出射面の上半分には位相変調素子５（λ／２板）が張られており。Ｐ偏光は、他の偏光方向（この場合、Ｓ偏光）に揃えられる。この偏光変換素子４の出射面でのビームを見てみると、テーパロッド３で角度が光軸に近づけられ、偏光変換素子４で偏光方向が揃えられるとともに、テーパロッド３及び偏光変換素子４を通過する間にインテグレート作用が施され、偏光変換素子出射面での強度分布はほとんど均一（フラット）なものになっている。

レンズ６，７はいわゆるリレーレンズになっており、このフラットな光量分布を持つ偏光変換素子出射面の形状をそのまま液晶パネル８の入射面上に投影する。投影サイズはレンズの焦点距離比できまる。実際の照明サイズはパネルの上下左右に余裕を見る必要があるためパネルサイズよりも若干大きめになるように設定される。レンズ６，７は、プロジェクタスクリーン上での照度の均一性や照明効率を考慮すると、両側でテレセントリックであることが望ましい。また液晶パネル８の光軸方向の位置は照明光学系全体の位置とレンズの設計により光利用効率と照度ムラとのバランスの最も良い位置に配置される。

なお、「密着」と呼んでいるのは、光学的にみて光利用効率にほとんど変化をもたらさない範囲に接近している状態を表現している。また、「同サイズ」とあるのは、「密着」と同様、光学的にロスがほとんど発生しない程度の大きさの同等性を表現している。

ＬＥＤは図２（ａ）〜（ｄ）に示すように微小チップをアレイ状に配したものでも、１面を大サイズ化したものでもかまわない。また発光面形状も正方形に限ったものではなく、長方形その他の形状でもかまわない。光源２の形状は後段のテーパロッド３等の形状から、光量、光利用効率を考慮して適宜決定される。

（実施形態２）
実施形態２の照明光学系は、図３（Ａ）に示すように、レンズ６，７の投影倍率は等倍も、縮小も、拡大もあり得る。用いるＬＥＤサイズ、その発光光量、液晶パネル８の入射面のサイズ等により適宜に選択される。さらに、レンズの枚数は基本的には２枚が好ましいが、図３（Ｂ）に示すように、１枚でも構成可能である。但し、この場合は、周辺光量落ち等が発生し易いので注意が必要である。また３枚以上のレンズ構成としてもよい。

（実施形態３）
実施形態３の照明光学系は、全体構成としては実施形態１の照明光学系と同じであるが、偏光変換素子４ａの構造が異なっている。すなわち、図４に示すように、この偏光変換素子４ａは、その光ビーム入射面の中央部にテーパロッド３が密着しており、テーパロッド３からの光ビームの光軸を中心に上下両側に偏光分離面４ａが光軸に４５°の角度で形成されている。そして、その両側に反射面４ｂが配置されている。すなわち、この偏光変換素子４ａは、光軸に対称な２対の平行面で偏光変換素子４ａと反射面４ｂを構成している。さらに、位相変調素子５は、偏光変換素子４ａの出射端側の中央部、テーパロッド３の出射面を臨む位置に配置されている。

偏光変換素子の偏光分離面４ａは、理想的にはＰ偏光１００％透過、Ｓ偏光１００％反射となればよいが、実際の偏光変換素子材料ではなかなかそのようにはならず、特にＰ偏光の透過率は落ちやすい。すると偏光変換素子出射面での光量分布にＰ偏光透過光出射側とＳ偏光反射光出射側で差が生じ、液晶パネル８の照度の上下のアンバランスの要因となる。この実施形態のように、偏光変換素子４ａの偏光分離面４ａと反射面４ｂの対を光軸対称に配することにより、照度分布は上下対称に保たれる。また系全体も光軸対称になり構成しやすい。この実施形態では、偏光分離面４ａと反射面４ｂの対を上下対称に配置したが、これを左右対象に配置しても、上下左右対称な４対とすることも出来る。

（実施形態４、５）
実施形態４の照明光学系は、全体構成としては実施形態１の照明光学系と同じであるが、偏光変換素子４の構造が異なっている。実施形態４の照明光学系は、図５に示すように、偏光変換素子４の中央部に亀裂状の微小な幅の間隙１０が設けてある。この間隙１０は、テーパロッド３の出射面との密着部の下端部と偏光分離面４ａの下端部とを結ぶ面として光ビームの光軸と平行に形成されている。間隙１０がない場合、図５に示す破線で表したように、有効な光路から外れてしまう光ビームが存在して光利用効率を低下させるが、図５に示すように間隙１０があれば、このような光ビームは、入射角が大きいので間隙１０で全反射して有効光路内に戻り、有効な光ビームとして利用され、光利用効率を向上させることが出来る。しかし、偏光分離面４ａで反射された反射光（Ｓ偏光）は、間隙面に対しほぼ垂直に入射し、入射角が小さいので容易に間隙１０を透過する。そして、実施形態１と同じように反射面４ｂで反射して偏光変換素子４から出射していく。

実施形態５の照明光学系は、実施形態３の照明光学系の偏光変換素子４ａに上述と同様な間隙を設けた照明光学系である。この場合は、図６に示すように、間隙１０は、テーパロッド３の出射面との密着部の下端部と偏光分離面４ａの下端部とを結ぶ面、及びテーパロッド３の出射面との密着部の上端部と偏光分離面４ａの上端部とを結ぶ面の２カ所に光ビームの光軸と平行に形成されている。形状は異なっていても間隙１０の作用効果は、上述の実施形態４の照明光学系と同じである。

この微小な間隙１０はスジとなって液晶パネル８上（ひいてはプロジェクタのスクリーン上に投影される恐れがあるが、リレーレンズ６，７の性能（投影解像度）がそれほど高くなく、かつ間隙１０の幅を偏光変換素子４のサイズに比べて十分に小くすれば、問題にならない。また、次に述べる方法等によっても回避される。

（実施形態６）
実施形態６の照明光学系は、図７に示すように、偏光変換素子４の直後に、ロッドインテグレータ９を配置している。偏光変換素子４の後に、ロッドインテグレータ９を配置することにより、Ｐ偏光透過率とＳ偏光反射率に差があると、偏光変換素子４の出射位置により光量のアンバランスが生じたり、中央と周辺で照度に差が出たりする。また、実施形態４，５の照明光学系のように偏光変換素子４に間隙がある場合には、投射像に筋が発生する可能性がある。ロッドインテグレータ９を偏光変換素子４の後段に配置することにより、光ビームを混合し、均一化出来るので、ロッドインテグレータ９から出射した光ビームはこれらの不具合を解消している。

（実施形態７）
実施形態７の照明光学系は、図８に示すように、光源２としてＬＥＤ表面にフォトニック結晶１１を配置したものである。フォトニック結晶１１そのものが光軸平行成分を増す機能を持つが、プロジェクタ光源用としてみたとき、必ずしも十分な光軸平行化効果を持つものではない。そこで、これをテーパロッドと組み合わせることで、より光利用効率の高い照明光学系が得られる。

図１５には、ＬＥＤをレンズ系で角度変換した場合とテーパロッドで角度変換した場合の放射角特性を、何も無い場合と比較して示している。また各場合について、ＬＥＤ発光がランバート分布の場合とフォトニック結晶つきの場合が示してある。（レンズ系とテーパロッドは同一サイズのＬＥＤを２倍に拡大しつつ角度変換した場合を比較している。レンズ系は球レンズの場合であるが、他のレンズ系でも同様である。レンズ系の後には直方体のロッドインテグレータをおいて出射面のサイズをテーパロッドとそろえてある。）実線（―）、点線（--）が何も無い場合、丸（○）がレンズ系での角度変換、四角（□）がテーパロッドでの角度変換の結果で、各場合において実線及び太線マークプロットがランバート分布の場合、破線及び細線マークプロットがフォトニック結晶付きの場合を示している。
レンズ系よりもテーパロッドのほうが、０°近辺への光量分布が多く、角度変換特性がよい。また、ランバート分布よりもフォトニック結晶つきのほうが角度変換特性がよい。特に、テーパロッドとフォトニック結晶と組み合わせた場合が、最も角度変換特性改善効果が高い。

（実施形態８，９）
実施形態８の照明光学系は、図９に示すように、ライトバルブ８として透過型液晶パネルを用いて、透過型液晶パネル直接偏光変換素子４の出射端に配置した場合の構成である。この場合、ライトバルブ８の入射面に光ビームを投射するレンズは無くても構成できる。偏光変換素子４の出射面におけるサイズを透過型液晶パネル８のサイズ（＋周辺余裕）にほぼ合わせた大きさにして直接パネルを照明している。現実には、周辺に余裕を持たせるために少し大きめの方が実用的である。

実施形態９の照明光学系は、図１０に示すように、実施形態８の照明光学系の偏光変換素子４と透過型液晶パネル８の間にロッドインテグレータ９を配して、ロッドインテグレータ９から出射光で透過型液晶パネル８を照明している。いずれの実施形態でも偏光変換素子４は前述の光軸対称タイプでも、間隙を設けたタイプでも前述と同様の構成とすることが可能である。

（実施形態１０）
実施形態１０は、これまで説明した照明光学系を用いた反射型液晶（いわゆるＬＣＯＳ）タイプのフルカラーのプロジェクタ装置である。実施形態１０のプロジェクタ装置は、図１１に示すように、それぞれＲ（Ｒｅｄ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）のＬＥＤを備えた３系統の照明光学系を組み合わせ、各色の照明光学系の液晶パネルからの投射光をクロスダイクロイックプリズムで合成して投射レンズでスクリーンに投影する。なお、コントラストを高めるためにパネルの前後に偏光板が挿入されている。

（実施形態１１）
実施形態１１は、実施形態１０のプロジェクタ装置の変形で、図１２に示すように、反射型液晶（いわゆるＬＣＯＳ）パネルを１枚にしたプロジェクタ装置の構成例である。照明光学系をＲ（Ｒｅｄ）、Ｇ（Ｇｒｅｅｎ）、Ｂ（Ｂｌｕｅ）の３系統備えるが、第１のリレーレンズと第２のリレーレズにクロスダイクロイックプリズムを配置し、第１のリレーレンズと第２のリレーレズの間で３色合成し、第２レンズ以降は共通の光路になっている。

（実施形態１２）
実施形態１２のプロジェクタ装置は、図１３に示すように、ダイクロイックミラー１２ａ，１２ｂを用いたプロジェクタ装置の例である。３色の合成には、上述のようにクロスダイクロイックプリズムを用いてもよいが、第１レンズと第２レンズの間は十分に距離が取れるので、図１３に示すように２枚のダイクロイックミラー１２ａ，１２ｂで構成することも可能で、このほうがコストが安く配置の自由度もある。

（実施形態１３）
実施形態１３は、図１４に示すように、ひとつの照明光学系で３色を合成したフルカラーの照明光学系である。実施形態１３の照明光学系は、光源２とテーパロッド３との間にクロスダイクロイックプリズム１４を備え、このダイクロイックプリズム１４の３面には、Ｒ、Ｇ、ＢのＬＥＤを配置して、各光ビームをダイクロイックプリズム１４で合成してフルカラー光ビームとし、これをテーパロッド３入射させテーパロッド以降の照明光学系をこれまで説明した照明光学系と同様としている。この実施形態では、光路が共通であるので、色ごとの異なる設計はできないが、構成は著しく簡易になる。なお、この照明光学系に、出射光をスクリーンに投射するための投射レンズを配置すればプロジェクタ装置とすることが出来る。

（実施形態１４）
これまで、各照明光学系の構成においてテーパロッド３は各光路に一つとして説明してきたが、必ずしも一つである必要は無い。図１７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示したように、ＬＥＤ２とテーパロッド３のセットをアレイ化することもできる。アレイ化すればテーパロッドの形状は複雑になるが、全長を短くすることができる。また、光軸対称の偏光変換素子４に対して、両側部から光ビームを入射することも可能である。光量バランスが上手くとれない場合等にこれによって改善される可能性がある。また、ひとつ一つのＬＥＤ２が離れているため発熱を分散して高温になることを避けやすい効果もある。

照明光学系（ａ）の概念図 ＬＥＤの発光面の例 照明光学系（ｂ）の概念図 照明光学系（ｃ）の概念図 照明光学系（ｄ）の概念図 照明光学系（ｅ）の概念図 照明光学系（ｆ）の概念図 照明光学系（ｇ）の概念図 照明光学系（ｈ）の概念図 照明光学系（ｉ）の概念図 プロジェクタ装置（１）の概念図 プロジェクタ装置（２）の概念図 プロジェクタ装置（３）の概念図 照明光学系（ｊ）の概念図 照明光学系の放射角特性グラフ 照明光学系（ｋ）の概念図 照明光学系（ｌ）の概念図

符号の説明

１，１ａ〜１ｋ：照明光学系 １Ｒ：レッド（Ｒ）照明光学系
１Ｇ：グリーン（Ｇ）照明光学系 １Ｂ：ブルー（Ｂ）照明光学系
２：光源 ２Ｒ：ＬＥＤ光源（Ｒ）
２Ｇ：ＬＥＤ光源（Ｇ） ２Ｂ：ＬＥＤ光源（Ｂ）
３：テーパロッド ３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ：アレイ状のテーパロッド
４：偏光変換素子 ４ａ：偏光分離面
４ｂ：反射面 ５：位相変調素子
６：レンズ ７：レンズ
８：ライトバルブ ９：ロッドインテグレータ
１０：間隙 １１：フォトニック結晶
１２ａ，１２ｂ：ダイクロイックミラー １３：レンズ
１４：ダイクロイックプリズム １５，１５ａ，１５ｂ：フライアイレンズ
１６：フライアイレンズ １７：アパーチャ

Claims (11)

1. 光源と、光源から入射した光を光ビームとして出射するテーパロッドと、テーパロッドから出射した光ビームを入射して偏光分離する偏光変換素子と、偏光変換素子により偏光分離された光ビームを入射して変調するライトバルブとを備え、
   前記偏光変換素子は、平行面をなす偏光分離面と反射面とを有し、偏光分離された透過光又は反射光のいずれか一方の出射面に位相変調素子を備え、透過光の出射面と反射光の出射面とで形成される出射面の形状をライトバルブの光入射面の形状と相似形であり、
   前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するレンズを備え、
   前記偏光変換素子とライトバルブとの間に、偏光変換素子の出射面の形状をライトバルブの光ビーム入射面に投影するロッドインテグレータを備え、
   前記偏光変換素子は、光軸対称な２対以上の偏光分離面と反射面とを有し、
   前記テーパロッドの光ビーム出射面と偏光変換素子の入射面とは、密着し、
   前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射し偏光分離面に到達せずに透過する光ビームを遮る位置に間隙を設け、
   前記テーパロッドは、アレイ構造であり、
   前記テーパロッドは、光軸対象の前記偏光変換素子に対して両側部から光束を入射することを特徴とするプロジェクタ装置の照明光学系。
2. 前記光源と前記テーパロッドの入射面は、それぞれセットになってアレイ構造を形成していることを特徴とする請求項１に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。
3. 前記偏光変換素子は、テーパロッドから入射する光ビームの入射面における端部と偏光分離面の偏光変換素子出射面側における端部とを結ぶ面に間隙を設けたことを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。
4. 前記光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。
5. 前記光源は、フォトニック結晶を備えていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。
6. 前記ライトバルブは、透過型液晶パネル又は反射型液晶パネルであることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の照明光学系を複数備え、それぞれの照明光学系における偏光変換素子から出射された光ビームを合成するダイクロイックプリズムと、ダイクロイックプリズムから出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。
8. 前記偏光変換素子とライトバルブの間にダイクロイックプリズムを配置し、それぞれの照明光学系に対しひとつのライトバルブを共用することを特徴とする請求項７に記載のプロジェクタ装置。
9. 前記光源を複数とし、光源とテーパロッドとの間にダイクロイックプリズムを配したことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。
10. 前記光源は３つの異なった色の光源であり、ダイクロイックプリズムはクロスダイクロイックプリズムであることを特徴とする請求項９に記載のプロジェクタ装置の照明光学系。
11. 請求項９又は１０に記載の照明光学系と、照明光学系から出射された光ビームをスクリーン上に投射する投射レンズとを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。

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