プロジェクタ装置
【課題】装置の大型化およびコストアップを抑えつつ、光源光の利用効率の向上を図ることができるプロジェクタ装置。
【解決手段】プロジェクタ装置は、光源１と、記光源の光を集光する照明光学系２と、照明光学系で集光された光が入射し、入射した光を互いに直交する２つの偏光光に分離して出射する偏光分離素子３と、２つの偏光光の一方が入射し、入射した偏光光を表示画像に応じて変調して偏光分離素子３へと出射する反射型表示素子４と、反射型表示素子４で変調された偏光光を偏光分離素子３で検光して得られる投影画像を投影する投影光学系７と、２つの偏光光の内の他方を反射して、偏光分離素子３を介して光源１へと戻す第1反射手段５とを備える。
【解決手段】プロジェクタ装置は、光源１と、記光源の光を集光する照明光学系２と、照明光学系で集光された光が入射し、入射した光を互いに直交する２つの偏光光に分離して出射する偏光分離素子３と、２つの偏光光の一方が入射し、入射した偏光光を表示画像に応じて変調して偏光分離素子３へと出射する反射型表示素子４と、反射型表示素子４で変調された偏光光を偏光分離素子３で検光して得られる投影画像を投影する投影光学系７と、２つの偏光光の内の他方を反射して、偏光分離素子３を介して光源１へと戻す第1反射手段５とを備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のプロジェクタ装置では、光源光を偏光分離素子で互いに直交する２つの偏光光に分離し、一方の偏光光のみを投影に利用していた（例えば、特許文献１)。この場合、光源光の半分しか投影に利用されていないので、光源光の利用効率の向上を図った照明装置が提案されている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００７−７２２４１号公報
【特許文献２】特開２００６−２４３４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した各装置をプロジェクタ装置に用いた場合、追加する部品点数が多いため、装置全体が大型化するとともにコストアップが問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の発明によるプロジェクタ装置は、光源と、光源の光を集光する照明光学系と、照明光学系で集光された光が入射し、入射した光を互いに直交する２つの偏光光に分離して出射する偏光分離素子と、２つの偏光光の一方が入射し、入射した偏光光を表示画像に応じて変調して偏光分離素子へと出射する反射型表示素子と、反射型表示素子で変調された偏光光を偏光分離素子で検光して得られる投影画像を投影する投影光学系と、２つの偏光光の内の他方を反射して、偏光分離素子を介して光源へと戻す第1反射手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、装置の大型化およびコストアップを抑えつつ、光源光の利用効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
−第1の実施の形態−
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるプロジェクタ装置の一実施の形態を示す図である。プロジェクタ装置は、高輝度白色ＬＥＤ１、集光レンズ２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３、液晶表示素子４と、反射ミラー５、吸収型の偏光子６Ｐおよび投影レンズ７を備えており、これらはケースに収納されて一体となっている。液晶表示素子４には、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）等の反射型液晶パネルが用いられ、モノクロタイプまたはカラータイプのいずれを用いても構わないが、以下ではカラータイプの液晶表示素子が用いられるとして説明する。液晶表示素子４は、図示しない制御回路等からの駆動信号に応じて液晶表示素子４の所定の画像表示領域４ａに投射像を形成する。すなわち、画像表示領域４ａは、投射像を形成するために利用される有効領域である。
【０００７】
なお、ここで用いられている白色ＬＥＤ１は蛍光体型ＬＥＤであって、その内部に青色ＬＥＤと、その青色ＬＥＤの前面に配されたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光体層とを有している。青色ＬＥＤから青色成分の光が出射されると、青色成分の光の一部が蛍光体に吸収され、蛍光体から黄色成分の光が発生する。この黄色成分の光と残りの青色成分の光とを混色することで白色光が実現されている。
【０００８】
白色ＬＥＤ１から発散するように出射された照明光は、集光レンズ２を介してＰＢＳ３へと入射する。集光レンズ２は、白色ＬＥＤ１から発散するように出射された光線が光軸と平行光となるように集光するレンズである。ＰＢＳ３に入射した照明光は、ＰＢＳ３の偏光分離部３ａによりＰ偏光成分とＳ偏光光とに分離される。Ｐ偏光光は偏光分離部３ａを透過して、ＰＢＳ３の図示上側の面から液晶表示素子４へと出射される。一方、Ｓ偏光光は偏光分離部３ａにより反射され、ＰＢＳ３の左側の面から反射ミラー５へと出射される。
【０００９】
ＰＢＳ３から液晶表示素子４に入射したＰ偏光光は、液晶表示素子４の液晶層を進行し、液晶表示素子４の反射面で反射された後に、液晶層を逆方向に進行して液晶表示素子４から偏光ビームスプリッタ３へと出射される。液晶表示素子４には画像信号が入力され、画像信号のレベルに応じて各画素に電圧が印加される。その際、電圧の印加状態に応じて液晶層の液晶分子の配列が変化し、液晶層が位相板の役目を果たすようになる。その結果、液晶表示素子４からＰＢＳ３へと出射される光には、Ｐ偏光光からＳ偏光光へと変調された変調光とＰ偏光のままの非変調光とが含まれている。
【００１０】
ＰＢＳ３から液晶表示素子４に入射したＰ偏光光は、液晶表示素子４の液晶層を進行し、液晶表示素子４の反射面で反射された後に、液晶層を逆方向に進行して液晶表示素子４から偏光ビームスプリッタ３へと出射される。液晶表示素子４には画像信号が入力され、画像信号のレベルに応じて各画素に電圧が印加される。その際、電圧の印加状態に応じて液晶層の液晶分子の配列が変化し、液晶層が位相板の役目を果たすようになる。その結果、液晶表示素子４からＰＢＳ３へと出射される光には、Ｐ偏光光からＳ偏光光へと変調された変調光とＰ偏光のままの非変調光とが含まれている。
【００１１】
このように、液晶表示素子４に入射したＰ偏光光は、表示されている画像に応じて変調作用を受ける。液晶表示素子４から出射された光（Ｐ偏光光とＳ偏光光とが含まれている）はＰＢＳ３に再び入射し、偏光分離部３ａによって偏光分離される。この偏光分離は検光とも呼ばれ、入射した光に含まれるＳ偏光光（変調光）は偏光分離部３ａで反射され、吸収型偏光子６Ｐを通過した後に、投影レンズ７によって不図示のスクリーン上に投影される。
【００１２】
一方、偏光分離部３ａを透過したＰ偏光光は、光路を逆行して白色ＬＥＤ１へと入射する。このＰ偏光光は、白色ＬＥＤ１内で反射されて再びＰＢＳ３に入射したり、白色ＬＥＤ１の蛍光体の再励起に使われたりする。このＰ偏光光や再励起で発生した光は、再び液晶表示素子４を照明する照明光として利用されることになる。
【００１３】
ＰＢＳ３と投影レンズ７との間に配置された吸収型偏光子６Ｐは、入射した光に含まれるＰ偏光光を吸収する偏光子である。実際のＰＢＳではＰ偏光光とＳ偏光光とが完全に分離されず、反射光にはＰ偏光光が若干含まれている。このＰ偏光光は投影画像のコントラスト低下を招くので、偏光子６Ｐを挿入して投影光束に含まれているＰ偏光光を吸収するようにしている。なお、ここでは偏光子６ＰをＰＢＳ３と投影レンズ７との間に配置したが、ＰＢＳ３と反射ミラー５との間に配置しても良いし、両方に配置してもかまわない。
【００１４】
一方、集光レンズ２から照明光としてＰＢＳ３へ入射し、偏光分離部３ａにより反射されて反射ミラー５に入射したＳ偏光光は、反射ミラー５で反射されて光路を逆行し、白色ＬＥＤ１に入射する。このＳ偏光光は、上述したＰ偏光光の場合と同じように、白色ＬＥＤ１内で反射されて再びＰＢＳ３へ入射したり、白色ＬＥＤ１の蛍光体の再励起に使われたりする。再励起で発生した光は、照明光として利用されることになる。また、ＰＢＳ３へ再入射したＳ偏光光は、偏光分離部３ａおよび反射ミラー５で反射されて、白色ＬＥＤ１に再び入射する。このようなＬＥＤ１と反射ミラー５との間で反射を繰り返す内に、Ｓ偏光光が回転し、そのＰ偏光成分が偏光分離部３ａを透過して液晶表示素子４へと入射する。
【００１５】
このように、投影に用いることなく捨てていたＳ偏光光を、反射ミラー５により白色ＬＥＤ１へ戻して、反射による偏光回転効果および戻り光による再励起効果を利用するようにした。それにより、不要光の一部を液晶表示素子４の照明光として利用することが可能となり、光源で発生した光の利用効率を上げ投影像の明るさ向上を図ることができる。また、従来の光源をそのまま利用して、反射ミラー５を追加しただけなので、プロジェクタ装置が大型化するのを抑えつつ、光源光の利用効率の向上を図ることができる。
【００１６】
従来は、偏光分離部３ａで左方向に反射されたＳ偏光光は利用されることがなかったので、白色ＬＥＤ１で発生した光の約５０％が利用されずに捨てられていたことになるが、図１のように一つの反射ミラー５を配置することで、投影像の明るさ向上を図ることができる。図２は、明るさ向上を確認するために行った実験を示す図である。実験では、反射ミラー５として平面ミラーを使用し、ＰＢＳ３を挟んで白色ＬＥＤ１と対向するように、すなわち図１の液晶表示装置４が配置されている側に分光輝度計１００を配置して、偏光分離部３ａの透過光を計測した。
【００１７】
図３は、透過光の分光計測結果を示す図である。図３の縦軸は分光放射照度を、横軸は波長をそれぞれ表しており、ラインＬ１１は反射ミラー５が無い場合の計測結果を示し、ラインＬ１２は反射ミラー５を用いた場合の計測結果を示す。上述したように白色ＬＥＤ１は蛍光体型ＬＥＤであるため、いずれの場合も、青色ＬＥＤで発生する青色成分のピーク（波長４５０ｎｍ付近の波長域の狭いピーク）と、ＹＡＧ系蛍光体から発生する黄色成分のピーク（波長５５０ｎｍ付近の波長域の広いピーク）とが観測される。
【００１８】
図３のラインＬ１１，Ｌ１２を比較すると、反射ミラー５を配置した場合のほうが黄色成分のピークの高さが大きく、蛍光体からの光が増加していることが分かる。この光量増加は、反射ミラー５で反射されて白色ＬＥＤに戻ったＳ偏光光によって、蛍光体が再励起された効果によるものと考えることができる。その結果、照度が約１９％向上することが、実験の結果わかった。
【００１９】
また、蛍光体型白色ＬＥＤの場合には、青色ＬＥＤの光で蛍光体を励起して黄色成分の蛍光を発生させ、擬似的に白色光を生成している。そのため、図３からもわかるように青色成分のピークが高く、青みがかった白色となっている。しかし、反射ミラー５を用いると黄色成分の光量が増加するため、白色光の光量アップに加えて、より自然な白色に近づくように色調の改善を図ることができる。
【００２０】
なお、この実験では、白色ＬＥＤ１の光軸上正面に分光輝度計１００を配置しているため、ＬＥＤチップ面で反射による偏光回転効果は検出し難く、図３では再励起効果が顕著に現れている。この場合、光軸から離れた光を計測することで、偏光回転効果を確認することが可能である。
【００２１】
−第２の実施の形態−
本発明の第２の実施の形態によるプロジェクタ装置について説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、図１に示すプロジェクタ装置が備える白色ＬＥＤ１にも反射部を設けた点が第１の実施の形態と異なる。
【００２２】
図４（ａ）は、白色ＬＥＤ１を拡大して示す断面図である。白色ＬＥＤ１は、ベース部材１２、発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤチップ）１３、およびカバー１４等を含んで構成されている。ベース部材１２上に設けられたＬＥＤチップ１３は、青色発光体（ＬＥＤ）である光源を黄色発光蛍光体で覆った白色ＬＥＤである。すなわち、青色発光体から発せられた青色光は、黄色発光蛍光体を通過して青色成分の光として射出するとともに、黄色発光蛍光体を励起する。励起された蛍光体は黄色成分の光（蛍光）を発光する。その結果、ＬＥＤチップ１３から白色光が射出される。
【００２３】
カバー１４は、プラスチックなどの透明部材により半球面体で中空のドーム型形状に形成され、ＬＥＤチップ１３を覆うようにベース部材１２上に設けられている。カバー１４は、その半球面体の中心とＬＥＤチップ１３の中心とがほぼ一致するように配置される。また、カバー１４とベース部材１２との間に生じる空間Ｓには、カバー１２とほぼ同一の屈折率を有する透明なジェル状の物質が充填されている。
【００２４】
カバー１４の外周面には、頂部近傍の所定領域を除く領域に反射膜が設けられている。すなわち、カバー１４には、ＬＥＤチップ１３から射出された光を透過させる透過部１４ａと、射出された光を反射させるための反射部１３ｂとが形成されている。透過部１４ａはカバー１４の頂部に設けられ、ＬＥＤチップ１３から射出された白色光を透過して、集光レンズ２へ導く。図４（ｂ）に示すように、この透過部１４ａの領域は、液晶表示素子４の画像表示領域４ａの形状に基づいて形成される。すなわち、画像表示領域４ａとカバー１４を透過した光による照射範囲とが略一致するように、透過部１４ａの領域が開口部として設定されている。
【００２５】
反射部１４ｂは、ＬＥＤチップ１３から側面方向に射出された光、すなわち、そのままでは集光レンズ２には入射せず、照明光として利用されない光を光源に戻して再利用するために設けられる。この反射部１４ｂは、たとえばアルミなどをカバー１４の表面に蒸着したものである。反射部１４ｂは半球面状のカバー１４の外周面に設けられ、カバー１４の中心とＬＥＤチップ１３の中心とがほぼ一致している。したがって、ＬＥＤチップ１３から射出され反射部１４ｂで反射された光は、半球のほぼ中心に位置するＬＥＤチップ１３に入射する。上述したように、透過部１４ａの領域は集光レンズ２の開口数、および集光レンズ２とＬＥＤチップ１３との距離に基づいて決定されているので、集光レンズ２に入射しない光はすべて反射部１４ｂで反射されてＬＥＤチップ１３に戻される。
【００２６】
反射部１４ｂで反射されてＬＥＤチップ１３に到達した光のうち青色成分の反射光は、ＬＥＤチップ１３を構成する黄色発光蛍光体を励起する。上述したように、ＬＥＤチップ１３の青色発光体から放射された青色成分の光も黄色発光蛍光体を励起し、それに加えて青色成分の反射光が入射するので黄色発光蛍光体の発光光量が増加する。また、反射部１４ｂの反射光のうち青色成分の反射光であって、上記の励起に使われなかった成分は、ＬＥＤチップ１３内部にも入射し、内部で反射や屈折を繰り返して再びＬＥＤチップ１３の外部に向かって射出する。また、反射部１４ｂで反射されてＬＥＤチップ１３に到達した光のうち黄色成分の光は、ＬＥＤチップ１３の内部で反射や屈折を繰り返し、再びＬＥＤチップ１３の外部に向かって射出する。
【００２７】
上述のようにして再びＬＥＤチップ１３から発した光の一部は透過部１４ａを透過し、その他の光は反射部１４ｂで反射されて再びＬＥＤチップ１３へ戻る。そして、ＬＥＤチップ１３へ戻った光は再度上述したようにＬＥＤチップ１３から射出される。したがって、ＬＥＤチップ１３の側面方向へ射出された光は、透過部１４ａを透過する光として利用することができるようになる。このため、反射部１４ｂで反射された光が再利用されて、透過部１４ａを透過する光量が増加し、集光レンズ２の白色ＬＥＤ１が射出した光の集光効率が上昇した状態と等価になる。
【００２８】
以上で説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態により得られた作用効果に加えて、以下の作用効果が得られる。
（１）白色ＬＥＤ１を構成するカバー１４に反射部１４ｂを設け、ＬＥＤチップ１３から射出される光のうち集光レンズ２に入射しない光をＬＥＤチップ１３に戻して再利用するようにした。すなわち、反射部１４ｂで反射された光はＬＥＤチップ１３に入射して励起や反射を繰り返して、集光レンズ２へ向けて射出されるようにした。したがって、図５に示す従来技術の白色ＬＥＤ１１のように、ＬＥＤチップ１１ａの側面方向に射出された有効利用できない光ＬＡを利用することができるので、白色ＬＥＤ１から射出した光の集光効率を高くし、出射光量を増加することができる。
【００２９】
（２）白色ＬＥＤ１のカバー１４の外周面に、画像表示領域４ａに対応する形状を有する透過部１４ａと、射出された光を反射させるための反射部１４ｂとを設けた。そして、反射部１４ｂは、ＬＥＤチップ１２から射出した光のうち、画像表示領域４ａに入射しない光をＬＥＤチップ１２へ戻し、画像表示領域４ａへ向かう光として射出させるようにした。したがって、画像表示領域４ａに導かれない光は全量が反射部１４ｂで反射されて再利用可能となり、光の利用効率を高くして白色ＬＥＤ１から集光レンズ２に入射する光の光量を増加させることができる。
【００３０】
以上で説明した第１および第２の実施の形態によるプロジェクタ装置は以下のように変形できる。
−変形例１−
偏光分離部３ａで反射されるＰ偏光光に代えて、Ｓ偏光光を投影に用いることもできる。この場合、プロジェクタ装置は図６に示すような構成となる。偏光分離部３ａで反射されたＳ偏光光は、液晶表示素子４に入射する。液晶表示素子４で変調されてＰ偏光光となった投影光は、偏光分離部３ａおよびＳ偏光光を吸収する偏光子６Ｓを透過して、投影レンズ７によりスクリーン上に投影される。このように、図６の場合には、照明光の内のＰ偏光光が従来利用されていなかった偏光成分であり、図１におけるＳ偏光光の場合におけるのと同様の作用効果を奏する。
【００３１】
−変形例２−
反射ミラー５を独立して設けるものに限られない。たとえば、図７に示すように、白色ＬＥＤ１、集光レンズ２、ＰＢＳ３、液晶表示素子４と、偏光子６Ｐおよび投影レンズ７をケース８内に収めて一体とし、ケース８の内面に蒸着膜を形成することにより反射ミラー５とすることができる。反射ミラー５とＰＢＳ３との距離は後述する変形例３に記載の寸法ｄに設定される。このように、変形例２では、ケース８の内面に形成された蒸着膜を反射ミラー５としているため、部品点数の削減により装置の小型・軽量化が図れる。
【００３２】
−変形例３−
図８は、第３の変形例を説明する図である。上述したように集光レンズ２は白色ＬＥＤ１からの光を平行光とする光学系であるが、実際には理想的な平行光とならず、平行光から外れた光束も含まれることになる。これは、光源が理想的な点光源でないことや、プロジェクタ装置の小型化を図るために平行光とするのが難しいことなどに起因している。そのため、光線Ｌ１のように集光レンズ２から斜め方向に出射され、ＰＢＳ３に入射する光束も発生する。
【００３３】
光線Ｌ１は、集光レンズ２からＰＢＳ３へ入射したが、偏光分離面３ａに入射することなく反射ミラー側に出射される光を示したものであって、ＰＢＳ３の端の部分を通って反射ミラー側に出射される光線を示したものである。このとき、ＰＢＳ３と反射ミラー５との距離ｄが次式（１）を満たしていれば、反射された光線Ｌ１が再びＰＢＳ３に入射して投影像に悪影響を与えるようなことがない。角度θは、光線Ｌ１のＰＢＳ３の出射面に対する角度であり、ａはＰＢＳ３の一辺の長さである。
ｄ＞（ａ／２）・tanθ …（１）
【００３４】
図８に示した反射ミラー５の位置は、ｄ＝（ａ／２）・tanθの場合を示したものであり、反射ミラー５で反射された光線Ｌ１は、ＰＢＳ３の上側の端の部分に入射している。光線Ｌ２は、距離ｄが（ａ／２）・tanθよりも小さい場合を示しており、再びＰＢＳ３内に入射してゴースト等の原因となる。一方、光線Ｌ３は距離ｄが（ａ／２）・tanθよりも大きい場合を示しており、反射ミラー５で反射された光は、ＰＢＳ３に再入射しない。
【００３５】
なお、距離ｄを式（１）のように設定した場合でも、光線Ｌ３に示すようにＰＢＳ３と反射ミラー５の隙間から外部に漏れ出て散乱光としての影響が出てくる。そこで、図８に示すような遮光部材１０を設けることで、このような散乱光を防止することができる。
【００３６】
−変形例４−
図９は、本実施の形態の第４の変形例を示す図である。集光レンズ２から出射される光が完全な平行光であれば、偏光分離部３ａで反射されたＳ偏光光は反射ミラー５に垂直に入射し、反射光は光路を逆行して白色ＬＥＤ１へと戻る。しかしながら、図８において説明したように、集光レンズ２から出射される実際の光は平行光からずれている。そのため、図９（ａ）に示すように、光軸から離れた光束は偏光分離部３ａに対して４５度からずれた角度で入射し、偏光分離部３ａで反射されて反射ミラー５に入射するＳ偏光光も、光軸から遠ざかるほど斜めに入射することになる。その結果、反射光は光路を逆行するような方向には反射されず、その一部は白色ＬＥＤ１に戻らないことになる。
【００３７】
そこで、変形例４では、平行光でないＳ偏光光が反射ミラー５の反射面に対して垂直に入射するように、反射ミラー５の反射面を光学パワーを有するような面形状とした。反射ミラー５の面形状は、集光レンズ２の光学特性に応じて設定される。すなわち、図９（ａ）に示すように、集光レンズ２から出射される光束が、進行するにつれて拡がるような形状である場合には、反射ミラー５の反射面形状を凹面形状とする。一方、図９（ｂ）に示すように、集光レンズ２から出射される光束が、進行するにつれて窄まるような形状である場合には、反射ミラー５の反射面形状を凸面形状とする。
【００３８】
このように、変形例４では、ＰＢＳ３から出射されたＳ偏光光が反射ミラー５に垂直に入射するように、反射ミラー５にパワーを持たせるようにしたので、反射ミラー５で反射されたＳ偏光光は、全て光路を逆行して光源である白色ＬＥＤ１に戻ることになる。その結果、従来は捨てていたＳ偏光光の利用効率を、さらに向上させることができる。
【００３９】
なお、ここでは、反射されたＳ偏光光が光路を逆行するように反射ミラー５の光学特性（パワー）を設定したが、面光源の場合には、より光源中心側に集光するような反射特性を持たせるようにしても良い。光源中心に入射させることで、再出射される光は光源中心から出射されるような傾向となりやすい。その結果、再出射された集光レンズ２を通過した光は、より平行光に近い光へとされる。特に、再励起により蛍光体から発生する光に対しては、光を光源中心に集めることによる効果は大きい。また、変形例３で説明した構成は、上述したようなパワーを有する反射ミラー５に対しても同様に適用することができる。
【００４０】
−変形例５−
図１０は、本実施の形態の第５の変形例を示す図である。上述した実施の形態では、光源として白色ＬＥＤ１を用いていたが、変形例５では、図１０（ａ）に示すように、Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光を発生する独立した３つのＬＥＤ１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを、光源として用いる構成とした。
【００４１】
図１０（ａ）は反射ミラー５に平面ミラーを用いる場合を示し、図１０（ｂ）は反射ミラー５に凹面鏡を用いる場合を示した。いずれの場合も、各ＬＥＤ１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射されるＲ光，Ｇ光，Ｂ光は、それぞれ集光レンズ２を介してクロスダイクロイックプリズム２０に三方向から入射する。クロスダイクロイックプリズム２０に入射したＲ光，Ｇ光およびＢ光は、それぞれ図示上方へと出射され、ＰＢＳ３に入射する。
【００４２】
各Ｒ光，Ｇ光およびＢ光は、ＰＢＳ３によりＳ偏光光とＰ偏光光とに分離され、各Ｐ偏光光は液晶表示素子４へと入射し、各Ｓ偏光光は反射ミラー５に入射する。Ｒ光，Ｇ光およびＢ光の各Ｓ偏光光は反射ミラー５で反射されて光路を逆行し、クロスダイクロイックプリズム２０に入射する。クロスダイクロイックプリズム２０は、入射したＲ光のＳ偏光光はＬＥＤＩＲ方向へと出射し、Ｇ光のＳ偏光光はＬＥＤＩＧ方向へと出射し、Ｂ光のＳ偏光光はＬＥＤＩＢ方向へと出射する。そのため、上述した実施の形態と同様に、光源光の利用効率の向上を図ることができ、投影像の明るさ向上を図ることができる。
【００４３】
図１０（ｂ）に示す構成の場合、３つの集光レンズ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの光学特性が同一であれば反射ミラー５のパワーを全ての集光レンズ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに対応させることができるが、各集光レンズ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの光学特性が異なっている場合には、光量を増加させたい色光の集光レンズの光学特性に合わせて反射ミラー５のパワーを設定する。例えば、比感度の一番高いＧ光にパワーを合わせることで、投影像の明るさ向上をより図ることができる。また、投影像の色バランスを調整する目的であれば、ＬＥＤの発光効率が悪く光量の最も小さな色光の集光レンズに、パワーを合わせるようにすれば良い。
【００４４】
−変形例６−
図１１は、本実施の形態の第６の変形例を示す図である。上述した図１０（ｂ）に示すプロジェクタ装置では、３つの独立したＬＥＤ１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを用い、反射ミラー５のパワーをいずれの色光に合わせるかによって、投影像の明るさ向上がより改善されるようにしたり、投影像の色バランスの調整を行ったりした。変形例６のプロジェクタ装置では、図１のように白色ＬＥＤ１を用いた場合にも同様な効果が得られるような構成とした。
【００４５】
図１１（ａ）に示す例では、反射ミラー５とＰＢＳ３との間にカラーフィルタ３０を挿入することで、図１０（ｂ）の場合と同様な効果が得られるようにした。例えば、カラーフィルタ３０としてＧ光を透過するカラーフィルタを用いれば、Ｇ光のＳ偏光光のみが白色ＬＥＤ１に戻るので、液晶表示素子４に入射するＧ光が増加し、投影像の明るさが向上する。一方、色バランスを調整する場合には、カラーフィルタ３０として、光量の小さな色光を透過するカラーフィルタを用いれば良い。
【００４６】
図１１（ｂ）に示す例では、図１１（ａ）の反射ミラー５とカラーフィルタ３０との代わりに、特定波長域の光のみを反射するダイクロイックミラー４０を用いることで、同様の効果が得られるような構成とした。
【００４７】
図１１（ｃ）に示す例では、図１１（ｂ）の構成に対して、λ／４波長板５０を集光レンズ２とＰＢＳ３との間に配置するようにした。λ／４波長板５０の周波数λは、ダイクロイックミラー４０で反射される色光の波長に合わせるように設定されている。例えば、ダイクロイックミラー４０がＧ光を反射するように設計されている場合には、ダイクロイックミラー４０で反射されたＧ光のＳ偏光光は、偏光分離部３で反射された後に、λ／４波長板５０により楕円偏光とされる。そのＧ光の楕円偏光が白色ＬＥＤ１で反射されて再びλ／４波長板５０を通過すると、Ｓ偏光光に対して９０度回転したＰ偏光光とされる。
【００４８】
その結果、このＧ光のＰ偏光光は、ＰＢＳ３の偏光分離部３ａを透過して液晶表示素子４に入射することになる。λ／４波長板５０を用いない場合、Ｓ偏光光の反射による偏光回転効果を利用して光量増加を図るようにしているため、戻ってきたＳ偏光光の一部だけが液晶表示素子４の照明光として利用される。しかし、λ／４波長板５０を用いると、戻ってきたＳ偏光光はλ／４波長板５０によりＰ偏光光へと偏光回転されることになり、反射による偏光回転だけの場合に比べて光源光の利用効率がより一層向上する。なお、液晶表示素子４の画像を読み出す偏光光としてＳ偏光光を用いる構成の場合も、同様の効果を奏する。
【００４９】
なお、図１１（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合にも、反射ミラー５またはダイクロイックミラー４０にパワーを持たせることで、図９に示す装置の場合と同様の効果を奏することができる。また、図１１（ａ），（ｂ）の構成においても、散乱光の悪影響を抑制するために、反射ミラー５またはダイクロイックミラー４０とＰＢＳ３との間隔を、上述した距離ｄよりも大きく設定するのが好ましい。さらに、図８に示すような遮蔽部材１０を設けるようにしても良い。
【００５０】
−変形例７−
白色ＬＥＤ１の反射部１４ｂは、青色成分を反射するダイクロックミラーで構成してもよい。ＬＥＤチップ１３から射出されダイクロックミラーで反射されてＬＥＤチック１３へ入射する光を青色成分のみの光とすることができる。その結果、反射光に黄色成分の光が含まれている場合に比べて、再び射出される白色光のうち黄色成分の光が多くなることが抑制される。
【００５１】
−変形例８−
上述した実施の形態では、互いに直交する２つの偏光光に分離する光学素子としてブロック状のＰＢＳ３を用いたが、ワイヤグリッド偏光子や複屈折性反射型偏光子のような平板型の光学素子を用いても良い。図１２はワイヤグリッド偏光子６０を用いた構成を示しており、図１２（ａ）は平面型の反射ミラー５を用いた場合であり、図１２（ｂ）はパワーを有する反射ミラー５を用いた場合である。
【００５２】
以上で説明した実施の形態と変形例の一つ、もしくは複数の変形例を組み合わせることが可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明によるプロジェクタ装置の一実施の形態を示す図
【図２】光量向上確認のための実験を説明する図
【図３】分光輝度計の計測結果を示す図
【図４】白色ＬＥＤ付近の構成を説明する断面図
【図５】従来技術による光源付近の構成を説明する図
【図６】第１の変形例を示す図
【図７】第２の変形例を示す図
【図８】第３の変形例を示す図
【図９】第４の変形例を示す図
【図１０】第５の変形例を示す図
【図１１】第６の変形例を示す図
【図１２】第８の変形例を示す図
【符号の説明】
【００５４】
１・・・白色ＬＥＤ １Ｒ、１Ｇ、１Ｂ・・・ＬＥＤ ２・・・集光レンズ
３・・・偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ） ３ａ・・・偏光分離部 ４・・・液晶表示素子
５・・・反射ミラー ６Ｐ、６Ｓ・・・偏光子 ７・・・投影レンズ ８・・・ケース
１０・・・遮光部材 １４・・・カバー １４ａ・・・透過部 １４ｂ・・・反射部
２０・・・クロスダイクロイックプリズム ３０・・・カラーフィルタ
４０・・・ダイクロックミラー ５０・・・λ／４波長板 ６０・・・ワイヤグリッド偏光子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のプロジェクタ装置では、光源光を偏光分離素子で互いに直交する２つの偏光光に分離し、一方の偏光光のみを投影に利用していた（例えば、特許文献１)。この場合、光源光の半分しか投影に利用されていないので、光源光の利用効率の向上を図った照明装置が提案されている（例えば、特許文献２）。
【特許文献１】特開２００７−７２２４１号公報
【特許文献２】特開２００６−２４３４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上述した各装置をプロジェクタ装置に用いた場合、追加する部品点数が多いため、装置全体が大型化するとともにコストアップが問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１に記載の発明によるプロジェクタ装置は、光源と、光源の光を集光する照明光学系と、照明光学系で集光された光が入射し、入射した光を互いに直交する２つの偏光光に分離して出射する偏光分離素子と、２つの偏光光の一方が入射し、入射した偏光光を表示画像に応じて変調して偏光分離素子へと出射する反射型表示素子と、反射型表示素子で変調された偏光光を偏光分離素子で検光して得られる投影画像を投影する投影光学系と、２つの偏光光の内の他方を反射して、偏光分離素子を介して光源へと戻す第1反射手段とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００５】
本発明によれば、装置の大型化およびコストアップを抑えつつ、光源光の利用効率の向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
−第1の実施の形態−
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明によるプロジェクタ装置の一実施の形態を示す図である。プロジェクタ装置は、高輝度白色ＬＥＤ１、集光レンズ２、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３、液晶表示素子４と、反射ミラー５、吸収型の偏光子６Ｐおよび投影レンズ７を備えており、これらはケースに収納されて一体となっている。液晶表示素子４には、ＬＣＯＳ（Liquid Crystal on Silicon）等の反射型液晶パネルが用いられ、モノクロタイプまたはカラータイプのいずれを用いても構わないが、以下ではカラータイプの液晶表示素子が用いられるとして説明する。液晶表示素子４は、図示しない制御回路等からの駆動信号に応じて液晶表示素子４の所定の画像表示領域４ａに投射像を形成する。すなわち、画像表示領域４ａは、投射像を形成するために利用される有効領域である。
【０００７】
なお、ここで用いられている白色ＬＥＤ１は蛍光体型ＬＥＤであって、その内部に青色ＬＥＤと、その青色ＬＥＤの前面に配されたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系の蛍光体層とを有している。青色ＬＥＤから青色成分の光が出射されると、青色成分の光の一部が蛍光体に吸収され、蛍光体から黄色成分の光が発生する。この黄色成分の光と残りの青色成分の光とを混色することで白色光が実現されている。
【０００８】
白色ＬＥＤ１から発散するように出射された照明光は、集光レンズ２を介してＰＢＳ３へと入射する。集光レンズ２は、白色ＬＥＤ１から発散するように出射された光線が光軸と平行光となるように集光するレンズである。ＰＢＳ３に入射した照明光は、ＰＢＳ３の偏光分離部３ａによりＰ偏光成分とＳ偏光光とに分離される。Ｐ偏光光は偏光分離部３ａを透過して、ＰＢＳ３の図示上側の面から液晶表示素子４へと出射される。一方、Ｓ偏光光は偏光分離部３ａにより反射され、ＰＢＳ３の左側の面から反射ミラー５へと出射される。
【０００９】
ＰＢＳ３から液晶表示素子４に入射したＰ偏光光は、液晶表示素子４の液晶層を進行し、液晶表示素子４の反射面で反射された後に、液晶層を逆方向に進行して液晶表示素子４から偏光ビームスプリッタ３へと出射される。液晶表示素子４には画像信号が入力され、画像信号のレベルに応じて各画素に電圧が印加される。その際、電圧の印加状態に応じて液晶層の液晶分子の配列が変化し、液晶層が位相板の役目を果たすようになる。その結果、液晶表示素子４からＰＢＳ３へと出射される光には、Ｐ偏光光からＳ偏光光へと変調された変調光とＰ偏光のままの非変調光とが含まれている。
【００１０】
ＰＢＳ３から液晶表示素子４に入射したＰ偏光光は、液晶表示素子４の液晶層を進行し、液晶表示素子４の反射面で反射された後に、液晶層を逆方向に進行して液晶表示素子４から偏光ビームスプリッタ３へと出射される。液晶表示素子４には画像信号が入力され、画像信号のレベルに応じて各画素に電圧が印加される。その際、電圧の印加状態に応じて液晶層の液晶分子の配列が変化し、液晶層が位相板の役目を果たすようになる。その結果、液晶表示素子４からＰＢＳ３へと出射される光には、Ｐ偏光光からＳ偏光光へと変調された変調光とＰ偏光のままの非変調光とが含まれている。
【００１１】
このように、液晶表示素子４に入射したＰ偏光光は、表示されている画像に応じて変調作用を受ける。液晶表示素子４から出射された光（Ｐ偏光光とＳ偏光光とが含まれている）はＰＢＳ３に再び入射し、偏光分離部３ａによって偏光分離される。この偏光分離は検光とも呼ばれ、入射した光に含まれるＳ偏光光（変調光）は偏光分離部３ａで反射され、吸収型偏光子６Ｐを通過した後に、投影レンズ７によって不図示のスクリーン上に投影される。
【００１２】
一方、偏光分離部３ａを透過したＰ偏光光は、光路を逆行して白色ＬＥＤ１へと入射する。このＰ偏光光は、白色ＬＥＤ１内で反射されて再びＰＢＳ３に入射したり、白色ＬＥＤ１の蛍光体の再励起に使われたりする。このＰ偏光光や再励起で発生した光は、再び液晶表示素子４を照明する照明光として利用されることになる。
【００１３】
ＰＢＳ３と投影レンズ７との間に配置された吸収型偏光子６Ｐは、入射した光に含まれるＰ偏光光を吸収する偏光子である。実際のＰＢＳではＰ偏光光とＳ偏光光とが完全に分離されず、反射光にはＰ偏光光が若干含まれている。このＰ偏光光は投影画像のコントラスト低下を招くので、偏光子６Ｐを挿入して投影光束に含まれているＰ偏光光を吸収するようにしている。なお、ここでは偏光子６ＰをＰＢＳ３と投影レンズ７との間に配置したが、ＰＢＳ３と反射ミラー５との間に配置しても良いし、両方に配置してもかまわない。
【００１４】
一方、集光レンズ２から照明光としてＰＢＳ３へ入射し、偏光分離部３ａにより反射されて反射ミラー５に入射したＳ偏光光は、反射ミラー５で反射されて光路を逆行し、白色ＬＥＤ１に入射する。このＳ偏光光は、上述したＰ偏光光の場合と同じように、白色ＬＥＤ１内で反射されて再びＰＢＳ３へ入射したり、白色ＬＥＤ１の蛍光体の再励起に使われたりする。再励起で発生した光は、照明光として利用されることになる。また、ＰＢＳ３へ再入射したＳ偏光光は、偏光分離部３ａおよび反射ミラー５で反射されて、白色ＬＥＤ１に再び入射する。このようなＬＥＤ１と反射ミラー５との間で反射を繰り返す内に、Ｓ偏光光が回転し、そのＰ偏光成分が偏光分離部３ａを透過して液晶表示素子４へと入射する。
【００１５】
このように、投影に用いることなく捨てていたＳ偏光光を、反射ミラー５により白色ＬＥＤ１へ戻して、反射による偏光回転効果および戻り光による再励起効果を利用するようにした。それにより、不要光の一部を液晶表示素子４の照明光として利用することが可能となり、光源で発生した光の利用効率を上げ投影像の明るさ向上を図ることができる。また、従来の光源をそのまま利用して、反射ミラー５を追加しただけなので、プロジェクタ装置が大型化するのを抑えつつ、光源光の利用効率の向上を図ることができる。
【００１６】
従来は、偏光分離部３ａで左方向に反射されたＳ偏光光は利用されることがなかったので、白色ＬＥＤ１で発生した光の約５０％が利用されずに捨てられていたことになるが、図１のように一つの反射ミラー５を配置することで、投影像の明るさ向上を図ることができる。図２は、明るさ向上を確認するために行った実験を示す図である。実験では、反射ミラー５として平面ミラーを使用し、ＰＢＳ３を挟んで白色ＬＥＤ１と対向するように、すなわち図１の液晶表示装置４が配置されている側に分光輝度計１００を配置して、偏光分離部３ａの透過光を計測した。
【００１７】
図３は、透過光の分光計測結果を示す図である。図３の縦軸は分光放射照度を、横軸は波長をそれぞれ表しており、ラインＬ１１は反射ミラー５が無い場合の計測結果を示し、ラインＬ１２は反射ミラー５を用いた場合の計測結果を示す。上述したように白色ＬＥＤ１は蛍光体型ＬＥＤであるため、いずれの場合も、青色ＬＥＤで発生する青色成分のピーク（波長４５０ｎｍ付近の波長域の狭いピーク）と、ＹＡＧ系蛍光体から発生する黄色成分のピーク（波長５５０ｎｍ付近の波長域の広いピーク）とが観測される。
【００１８】
図３のラインＬ１１，Ｌ１２を比較すると、反射ミラー５を配置した場合のほうが黄色成分のピークの高さが大きく、蛍光体からの光が増加していることが分かる。この光量増加は、反射ミラー５で反射されて白色ＬＥＤに戻ったＳ偏光光によって、蛍光体が再励起された効果によるものと考えることができる。その結果、照度が約１９％向上することが、実験の結果わかった。
【００１９】
また、蛍光体型白色ＬＥＤの場合には、青色ＬＥＤの光で蛍光体を励起して黄色成分の蛍光を発生させ、擬似的に白色光を生成している。そのため、図３からもわかるように青色成分のピークが高く、青みがかった白色となっている。しかし、反射ミラー５を用いると黄色成分の光量が増加するため、白色光の光量アップに加えて、より自然な白色に近づくように色調の改善を図ることができる。
【００２０】
なお、この実験では、白色ＬＥＤ１の光軸上正面に分光輝度計１００を配置しているため、ＬＥＤチップ面で反射による偏光回転効果は検出し難く、図３では再励起効果が顕著に現れている。この場合、光軸から離れた光を計測することで、偏光回転効果を確認することが可能である。
【００２１】
−第２の実施の形態−
本発明の第２の実施の形態によるプロジェクタ装置について説明する。以下の説明では、第１の実施の形態と同じ構成要素には同じ符号を付して相違点を主に説明する。特に説明しない点については、第１の実施の形態と同じである。本実施の形態では、図１に示すプロジェクタ装置が備える白色ＬＥＤ１にも反射部を設けた点が第１の実施の形態と異なる。
【００２２】
図４（ａ）は、白色ＬＥＤ１を拡大して示す断面図である。白色ＬＥＤ１は、ベース部材１２、発光ダイオード素子（以下、ＬＥＤチップ）１３、およびカバー１４等を含んで構成されている。ベース部材１２上に設けられたＬＥＤチップ１３は、青色発光体（ＬＥＤ）である光源を黄色発光蛍光体で覆った白色ＬＥＤである。すなわち、青色発光体から発せられた青色光は、黄色発光蛍光体を通過して青色成分の光として射出するとともに、黄色発光蛍光体を励起する。励起された蛍光体は黄色成分の光（蛍光）を発光する。その結果、ＬＥＤチップ１３から白色光が射出される。
【００２３】
カバー１４は、プラスチックなどの透明部材により半球面体で中空のドーム型形状に形成され、ＬＥＤチップ１３を覆うようにベース部材１２上に設けられている。カバー１４は、その半球面体の中心とＬＥＤチップ１３の中心とがほぼ一致するように配置される。また、カバー１４とベース部材１２との間に生じる空間Ｓには、カバー１２とほぼ同一の屈折率を有する透明なジェル状の物質が充填されている。
【００２４】
カバー１４の外周面には、頂部近傍の所定領域を除く領域に反射膜が設けられている。すなわち、カバー１４には、ＬＥＤチップ１３から射出された光を透過させる透過部１４ａと、射出された光を反射させるための反射部１３ｂとが形成されている。透過部１４ａはカバー１４の頂部に設けられ、ＬＥＤチップ１３から射出された白色光を透過して、集光レンズ２へ導く。図４（ｂ）に示すように、この透過部１４ａの領域は、液晶表示素子４の画像表示領域４ａの形状に基づいて形成される。すなわち、画像表示領域４ａとカバー１４を透過した光による照射範囲とが略一致するように、透過部１４ａの領域が開口部として設定されている。
【００２５】
反射部１４ｂは、ＬＥＤチップ１３から側面方向に射出された光、すなわち、そのままでは集光レンズ２には入射せず、照明光として利用されない光を光源に戻して再利用するために設けられる。この反射部１４ｂは、たとえばアルミなどをカバー１４の表面に蒸着したものである。反射部１４ｂは半球面状のカバー１４の外周面に設けられ、カバー１４の中心とＬＥＤチップ１３の中心とがほぼ一致している。したがって、ＬＥＤチップ１３から射出され反射部１４ｂで反射された光は、半球のほぼ中心に位置するＬＥＤチップ１３に入射する。上述したように、透過部１４ａの領域は集光レンズ２の開口数、および集光レンズ２とＬＥＤチップ１３との距離に基づいて決定されているので、集光レンズ２に入射しない光はすべて反射部１４ｂで反射されてＬＥＤチップ１３に戻される。
【００２６】
反射部１４ｂで反射されてＬＥＤチップ１３に到達した光のうち青色成分の反射光は、ＬＥＤチップ１３を構成する黄色発光蛍光体を励起する。上述したように、ＬＥＤチップ１３の青色発光体から放射された青色成分の光も黄色発光蛍光体を励起し、それに加えて青色成分の反射光が入射するので黄色発光蛍光体の発光光量が増加する。また、反射部１４ｂの反射光のうち青色成分の反射光であって、上記の励起に使われなかった成分は、ＬＥＤチップ１３内部にも入射し、内部で反射や屈折を繰り返して再びＬＥＤチップ１３の外部に向かって射出する。また、反射部１４ｂで反射されてＬＥＤチップ１３に到達した光のうち黄色成分の光は、ＬＥＤチップ１３の内部で反射や屈折を繰り返し、再びＬＥＤチップ１３の外部に向かって射出する。
【００２７】
上述のようにして再びＬＥＤチップ１３から発した光の一部は透過部１４ａを透過し、その他の光は反射部１４ｂで反射されて再びＬＥＤチップ１３へ戻る。そして、ＬＥＤチップ１３へ戻った光は再度上述したようにＬＥＤチップ１３から射出される。したがって、ＬＥＤチップ１３の側面方向へ射出された光は、透過部１４ａを透過する光として利用することができるようになる。このため、反射部１４ｂで反射された光が再利用されて、透過部１４ａを透過する光量が増加し、集光レンズ２の白色ＬＥＤ１が射出した光の集光効率が上昇した状態と等価になる。
【００２８】
以上で説明した第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態により得られた作用効果に加えて、以下の作用効果が得られる。
（１）白色ＬＥＤ１を構成するカバー１４に反射部１４ｂを設け、ＬＥＤチップ１３から射出される光のうち集光レンズ２に入射しない光をＬＥＤチップ１３に戻して再利用するようにした。すなわち、反射部１４ｂで反射された光はＬＥＤチップ１３に入射して励起や反射を繰り返して、集光レンズ２へ向けて射出されるようにした。したがって、図５に示す従来技術の白色ＬＥＤ１１のように、ＬＥＤチップ１１ａの側面方向に射出された有効利用できない光ＬＡを利用することができるので、白色ＬＥＤ１から射出した光の集光効率を高くし、出射光量を増加することができる。
【００２９】
（２）白色ＬＥＤ１のカバー１４の外周面に、画像表示領域４ａに対応する形状を有する透過部１４ａと、射出された光を反射させるための反射部１４ｂとを設けた。そして、反射部１４ｂは、ＬＥＤチップ１２から射出した光のうち、画像表示領域４ａに入射しない光をＬＥＤチップ１２へ戻し、画像表示領域４ａへ向かう光として射出させるようにした。したがって、画像表示領域４ａに導かれない光は全量が反射部１４ｂで反射されて再利用可能となり、光の利用効率を高くして白色ＬＥＤ１から集光レンズ２に入射する光の光量を増加させることができる。
【００３０】
以上で説明した第１および第２の実施の形態によるプロジェクタ装置は以下のように変形できる。
−変形例１−
偏光分離部３ａで反射されるＰ偏光光に代えて、Ｓ偏光光を投影に用いることもできる。この場合、プロジェクタ装置は図６に示すような構成となる。偏光分離部３ａで反射されたＳ偏光光は、液晶表示素子４に入射する。液晶表示素子４で変調されてＰ偏光光となった投影光は、偏光分離部３ａおよびＳ偏光光を吸収する偏光子６Ｓを透過して、投影レンズ７によりスクリーン上に投影される。このように、図６の場合には、照明光の内のＰ偏光光が従来利用されていなかった偏光成分であり、図１におけるＳ偏光光の場合におけるのと同様の作用効果を奏する。
【００３１】
−変形例２−
反射ミラー５を独立して設けるものに限られない。たとえば、図７に示すように、白色ＬＥＤ１、集光レンズ２、ＰＢＳ３、液晶表示素子４と、偏光子６Ｐおよび投影レンズ７をケース８内に収めて一体とし、ケース８の内面に蒸着膜を形成することにより反射ミラー５とすることができる。反射ミラー５とＰＢＳ３との距離は後述する変形例３に記載の寸法ｄに設定される。このように、変形例２では、ケース８の内面に形成された蒸着膜を反射ミラー５としているため、部品点数の削減により装置の小型・軽量化が図れる。
【００３２】
−変形例３−
図８は、第３の変形例を説明する図である。上述したように集光レンズ２は白色ＬＥＤ１からの光を平行光とする光学系であるが、実際には理想的な平行光とならず、平行光から外れた光束も含まれることになる。これは、光源が理想的な点光源でないことや、プロジェクタ装置の小型化を図るために平行光とするのが難しいことなどに起因している。そのため、光線Ｌ１のように集光レンズ２から斜め方向に出射され、ＰＢＳ３に入射する光束も発生する。
【００３３】
光線Ｌ１は、集光レンズ２からＰＢＳ３へ入射したが、偏光分離面３ａに入射することなく反射ミラー側に出射される光を示したものであって、ＰＢＳ３の端の部分を通って反射ミラー側に出射される光線を示したものである。このとき、ＰＢＳ３と反射ミラー５との距離ｄが次式（１）を満たしていれば、反射された光線Ｌ１が再びＰＢＳ３に入射して投影像に悪影響を与えるようなことがない。角度θは、光線Ｌ１のＰＢＳ３の出射面に対する角度であり、ａはＰＢＳ３の一辺の長さである。
ｄ＞（ａ／２）・tanθ …（１）
【００３４】
図８に示した反射ミラー５の位置は、ｄ＝（ａ／２）・tanθの場合を示したものであり、反射ミラー５で反射された光線Ｌ１は、ＰＢＳ３の上側の端の部分に入射している。光線Ｌ２は、距離ｄが（ａ／２）・tanθよりも小さい場合を示しており、再びＰＢＳ３内に入射してゴースト等の原因となる。一方、光線Ｌ３は距離ｄが（ａ／２）・tanθよりも大きい場合を示しており、反射ミラー５で反射された光は、ＰＢＳ３に再入射しない。
【００３５】
なお、距離ｄを式（１）のように設定した場合でも、光線Ｌ３に示すようにＰＢＳ３と反射ミラー５の隙間から外部に漏れ出て散乱光としての影響が出てくる。そこで、図８に示すような遮光部材１０を設けることで、このような散乱光を防止することができる。
【００３６】
−変形例４−
図９は、本実施の形態の第４の変形例を示す図である。集光レンズ２から出射される光が完全な平行光であれば、偏光分離部３ａで反射されたＳ偏光光は反射ミラー５に垂直に入射し、反射光は光路を逆行して白色ＬＥＤ１へと戻る。しかしながら、図８において説明したように、集光レンズ２から出射される実際の光は平行光からずれている。そのため、図９（ａ）に示すように、光軸から離れた光束は偏光分離部３ａに対して４５度からずれた角度で入射し、偏光分離部３ａで反射されて反射ミラー５に入射するＳ偏光光も、光軸から遠ざかるほど斜めに入射することになる。その結果、反射光は光路を逆行するような方向には反射されず、その一部は白色ＬＥＤ１に戻らないことになる。
【００３７】
そこで、変形例４では、平行光でないＳ偏光光が反射ミラー５の反射面に対して垂直に入射するように、反射ミラー５の反射面を光学パワーを有するような面形状とした。反射ミラー５の面形状は、集光レンズ２の光学特性に応じて設定される。すなわち、図９（ａ）に示すように、集光レンズ２から出射される光束が、進行するにつれて拡がるような形状である場合には、反射ミラー５の反射面形状を凹面形状とする。一方、図９（ｂ）に示すように、集光レンズ２から出射される光束が、進行するにつれて窄まるような形状である場合には、反射ミラー５の反射面形状を凸面形状とする。
【００３８】
このように、変形例４では、ＰＢＳ３から出射されたＳ偏光光が反射ミラー５に垂直に入射するように、反射ミラー５にパワーを持たせるようにしたので、反射ミラー５で反射されたＳ偏光光は、全て光路を逆行して光源である白色ＬＥＤ１に戻ることになる。その結果、従来は捨てていたＳ偏光光の利用効率を、さらに向上させることができる。
【００３９】
なお、ここでは、反射されたＳ偏光光が光路を逆行するように反射ミラー５の光学特性（パワー）を設定したが、面光源の場合には、より光源中心側に集光するような反射特性を持たせるようにしても良い。光源中心に入射させることで、再出射される光は光源中心から出射されるような傾向となりやすい。その結果、再出射された集光レンズ２を通過した光は、より平行光に近い光へとされる。特に、再励起により蛍光体から発生する光に対しては、光を光源中心に集めることによる効果は大きい。また、変形例３で説明した構成は、上述したようなパワーを有する反射ミラー５に対しても同様に適用することができる。
【００４０】
−変形例５−
図１０は、本実施の形態の第５の変形例を示す図である。上述した実施の形態では、光源として白色ＬＥＤ１を用いていたが、変形例５では、図１０（ａ）に示すように、Ｒ光，Ｇ光，Ｂ光を発生する独立した３つのＬＥＤ１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを、光源として用いる構成とした。
【００４１】
図１０（ａ）は反射ミラー５に平面ミラーを用いる場合を示し、図１０（ｂ）は反射ミラー５に凹面鏡を用いる場合を示した。いずれの場合も、各ＬＥＤ１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射されるＲ光，Ｇ光，Ｂ光は、それぞれ集光レンズ２を介してクロスダイクロイックプリズム２０に三方向から入射する。クロスダイクロイックプリズム２０に入射したＲ光，Ｇ光およびＢ光は、それぞれ図示上方へと出射され、ＰＢＳ３に入射する。
【００４２】
各Ｒ光，Ｇ光およびＢ光は、ＰＢＳ３によりＳ偏光光とＰ偏光光とに分離され、各Ｐ偏光光は液晶表示素子４へと入射し、各Ｓ偏光光は反射ミラー５に入射する。Ｒ光，Ｇ光およびＢ光の各Ｓ偏光光は反射ミラー５で反射されて光路を逆行し、クロスダイクロイックプリズム２０に入射する。クロスダイクロイックプリズム２０は、入射したＲ光のＳ偏光光はＬＥＤＩＲ方向へと出射し、Ｇ光のＳ偏光光はＬＥＤＩＧ方向へと出射し、Ｂ光のＳ偏光光はＬＥＤＩＢ方向へと出射する。そのため、上述した実施の形態と同様に、光源光の利用効率の向上を図ることができ、投影像の明るさ向上を図ることができる。
【００４３】
図１０（ｂ）に示す構成の場合、３つの集光レンズ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの光学特性が同一であれば反射ミラー５のパワーを全ての集光レンズ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂに対応させることができるが、各集光レンズ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂの光学特性が異なっている場合には、光量を増加させたい色光の集光レンズの光学特性に合わせて反射ミラー５のパワーを設定する。例えば、比感度の一番高いＧ光にパワーを合わせることで、投影像の明るさ向上をより図ることができる。また、投影像の色バランスを調整する目的であれば、ＬＥＤの発光効率が悪く光量の最も小さな色光の集光レンズに、パワーを合わせるようにすれば良い。
【００４４】
−変形例６−
図１１は、本実施の形態の第６の変形例を示す図である。上述した図１０（ｂ）に示すプロジェクタ装置では、３つの独立したＬＥＤ１Ｒ，１Ｇ，１Ｂを用い、反射ミラー５のパワーをいずれの色光に合わせるかによって、投影像の明るさ向上がより改善されるようにしたり、投影像の色バランスの調整を行ったりした。変形例６のプロジェクタ装置では、図１のように白色ＬＥＤ１を用いた場合にも同様な効果が得られるような構成とした。
【００４５】
図１１（ａ）に示す例では、反射ミラー５とＰＢＳ３との間にカラーフィルタ３０を挿入することで、図１０（ｂ）の場合と同様な効果が得られるようにした。例えば、カラーフィルタ３０としてＧ光を透過するカラーフィルタを用いれば、Ｇ光のＳ偏光光のみが白色ＬＥＤ１に戻るので、液晶表示素子４に入射するＧ光が増加し、投影像の明るさが向上する。一方、色バランスを調整する場合には、カラーフィルタ３０として、光量の小さな色光を透過するカラーフィルタを用いれば良い。
【００４６】
図１１（ｂ）に示す例では、図１１（ａ）の反射ミラー５とカラーフィルタ３０との代わりに、特定波長域の光のみを反射するダイクロイックミラー４０を用いることで、同様の効果が得られるような構成とした。
【００４７】
図１１（ｃ）に示す例では、図１１（ｂ）の構成に対して、λ／４波長板５０を集光レンズ２とＰＢＳ３との間に配置するようにした。λ／４波長板５０の周波数λは、ダイクロイックミラー４０で反射される色光の波長に合わせるように設定されている。例えば、ダイクロイックミラー４０がＧ光を反射するように設計されている場合には、ダイクロイックミラー４０で反射されたＧ光のＳ偏光光は、偏光分離部３で反射された後に、λ／４波長板５０により楕円偏光とされる。そのＧ光の楕円偏光が白色ＬＥＤ１で反射されて再びλ／４波長板５０を通過すると、Ｓ偏光光に対して９０度回転したＰ偏光光とされる。
【００４８】
その結果、このＧ光のＰ偏光光は、ＰＢＳ３の偏光分離部３ａを透過して液晶表示素子４に入射することになる。λ／４波長板５０を用いない場合、Ｓ偏光光の反射による偏光回転効果を利用して光量増加を図るようにしているため、戻ってきたＳ偏光光の一部だけが液晶表示素子４の照明光として利用される。しかし、λ／４波長板５０を用いると、戻ってきたＳ偏光光はλ／４波長板５０によりＰ偏光光へと偏光回転されることになり、反射による偏光回転だけの場合に比べて光源光の利用効率がより一層向上する。なお、液晶表示素子４の画像を読み出す偏光光としてＳ偏光光を用いる構成の場合も、同様の効果を奏する。
【００４９】
なお、図１１（ａ）〜（ｃ）のいずれの場合にも、反射ミラー５またはダイクロイックミラー４０にパワーを持たせることで、図９に示す装置の場合と同様の効果を奏することができる。また、図１１（ａ），（ｂ）の構成においても、散乱光の悪影響を抑制するために、反射ミラー５またはダイクロイックミラー４０とＰＢＳ３との間隔を、上述した距離ｄよりも大きく設定するのが好ましい。さらに、図８に示すような遮蔽部材１０を設けるようにしても良い。
【００５０】
−変形例７−
白色ＬＥＤ１の反射部１４ｂは、青色成分を反射するダイクロックミラーで構成してもよい。ＬＥＤチップ１３から射出されダイクロックミラーで反射されてＬＥＤチック１３へ入射する光を青色成分のみの光とすることができる。その結果、反射光に黄色成分の光が含まれている場合に比べて、再び射出される白色光のうち黄色成分の光が多くなることが抑制される。
【００５１】
−変形例８−
上述した実施の形態では、互いに直交する２つの偏光光に分離する光学素子としてブロック状のＰＢＳ３を用いたが、ワイヤグリッド偏光子や複屈折性反射型偏光子のような平板型の光学素子を用いても良い。図１２はワイヤグリッド偏光子６０を用いた構成を示しており、図１２（ａ）は平面型の反射ミラー５を用いた場合であり、図１２（ｂ）はパワーを有する反射ミラー５を用いた場合である。
【００５２】
以上で説明した実施の形態と変形例の一つ、もしくは複数の変形例を組み合わせることが可能であり、変形例同士を組み合わせることも可能である。また、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明によるプロジェクタ装置の一実施の形態を示す図
【図２】光量向上確認のための実験を説明する図
【図３】分光輝度計の計測結果を示す図
【図４】白色ＬＥＤ付近の構成を説明する断面図
【図５】従来技術による光源付近の構成を説明する図
【図６】第１の変形例を示す図
【図７】第２の変形例を示す図
【図８】第３の変形例を示す図
【図９】第４の変形例を示す図
【図１０】第５の変形例を示す図
【図１１】第６の変形例を示す図
【図１２】第８の変形例を示す図
【符号の説明】
【００５４】
１・・・白色ＬＥＤ １Ｒ、１Ｇ、１Ｂ・・・ＬＥＤ ２・・・集光レンズ
３・・・偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ） ３ａ・・・偏光分離部 ４・・・液晶表示素子
５・・・反射ミラー ６Ｐ、６Ｓ・・・偏光子 ７・・・投影レンズ ８・・・ケース
１０・・・遮光部材 １４・・・カバー １４ａ・・・透過部 １４ｂ・・・反射部
２０・・・クロスダイクロイックプリズム ３０・・・カラーフィルタ
４０・・・ダイクロックミラー ５０・・・λ／４波長板 ６０・・・ワイヤグリッド偏光子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源の光を集光する照明光学系と、
前記照明光学系で集光された光が入射し、入射した光を互いに直交する２つの偏光光に分離して出射する偏光分離素子と、
前記２つの偏光光の一方が入射し、入射した偏光光を表示画像に応じて変調して前記偏光分離素子へと出射する反射型表示素子と、
前記反射型表示素子で変調された偏光光を前記偏光分離素子で検光して得られる投影画像を投影する投影光学系と、
前記２つの偏光光の内の他方を反射して、前記偏光分離素子を介して前記光源へと戻す第1反射手段とを備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプロジェクタ装置において、
前記第1反射手段は、反射された偏光光が反射前の光路を逆行するような反射特性を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプロジェクタ装置において、
前記第１反射手段は、反射された偏光光が前記光源の中心に戻るような反射特性を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項４】
請求項1乃至３のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第1反射手段と前記偏光分離素子との間隔を、前記光源から前記偏光分離素子に入射して前記偏光分離素子で偏光分離されることなく前記第1反射手段に入射した光が、前記反射型表示素子に到達するときの入射臨界間隔よりも大きく設定したことを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプロジェクタ装置において、
前記偏光分離素子で偏光分離されることなく前記第1反射手段に入射して反射された光が、前記第1反射手段と前記偏光分離素子との間の領域から外部へ進行するのを阻止する遮蔽部材を設けたことを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第1反射手段は、特定波長の光を反射することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のプロジェクタ装置において、
前記特定波長域内の波長に関するλ／４波長板を、前記照明光学系と前記偏光分離素子との間に配設したことを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
偏光方向が前記第１反射手段に入射する偏光光と同一の偏光光を透過するとともに、前記入射する偏光光と直交する偏光光を吸収する偏光子を、前記偏光分離素子と前記投影光学系との間、および前記偏光分離素子と前記第１反射手段との間の少なくとも一方に配置したことを特徴するプロジェクタ装置。
【請求項９】
請求項1乃至８のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記光源が、蛍光体型白色ＬＥＤであることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１０】
請求項1乃至９のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記光源から射出された光のうち前記照明光学系に入射しない光を反射して、前記光源へ戻す第２反射手段をさらに備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、所定の曲面形状を備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、反射された光が前記光源の中心へと戻るような反射特性を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、前記反射型表示素子の有効領域に対応する形状に形成された開口部を備え、
前記有効領域に入射しない光を反射して前記光源へ戻し、前記光源へ戻された光を前記有効領域へ入射させることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、特定波長域の光を反射することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１】
光源と、
前記光源の光を集光する照明光学系と、
前記照明光学系で集光された光が入射し、入射した光を互いに直交する２つの偏光光に分離して出射する偏光分離素子と、
前記２つの偏光光の一方が入射し、入射した偏光光を表示画像に応じて変調して前記偏光分離素子へと出射する反射型表示素子と、
前記反射型表示素子で変調された偏光光を前記偏光分離素子で検光して得られる投影画像を投影する投影光学系と、
前記２つの偏光光の内の他方を反射して、前記偏光分離素子を介して前記光源へと戻す第1反射手段とを備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプロジェクタ装置において、
前記第1反射手段は、反射された偏光光が反射前の光路を逆行するような反射特性を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項３】
請求項１に記載のプロジェクタ装置において、
前記第１反射手段は、反射された偏光光が前記光源の中心に戻るような反射特性を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項４】
請求項1乃至３のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第1反射手段と前記偏光分離素子との間隔を、前記光源から前記偏光分離素子に入射して前記偏光分離素子で偏光分離されることなく前記第1反射手段に入射した光が、前記反射型表示素子に到達するときの入射臨界間隔よりも大きく設定したことを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項５】
請求項４に記載のプロジェクタ装置において、
前記偏光分離素子で偏光分離されることなく前記第1反射手段に入射して反射された光が、前記第1反射手段と前記偏光分離素子との間の領域から外部へ進行するのを阻止する遮蔽部材を設けたことを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第1反射手段は、特定波長の光を反射することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項７】
請求項６に記載のプロジェクタ装置において、
前記特定波長域内の波長に関するλ／４波長板を、前記照明光学系と前記偏光分離素子との間に配設したことを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
偏光方向が前記第１反射手段に入射する偏光光と同一の偏光光を透過するとともに、前記入射する偏光光と直交する偏光光を吸収する偏光子を、前記偏光分離素子と前記投影光学系との間、および前記偏光分離素子と前記第１反射手段との間の少なくとも一方に配置したことを特徴するプロジェクタ装置。
【請求項９】
請求項1乃至８のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記光源が、蛍光体型白色ＬＥＤであることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１０】
請求項1乃至９のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記光源から射出された光のうち前記照明光学系に入射しない光を反射して、前記光源へ戻す第２反射手段をさらに備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、所定の曲面形状を備えることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１２】
請求項１１に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、反射された光が前記光源の中心へと戻るような反射特性を有することを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１３】
請求項１０乃至１２のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、前記反射型表示素子の有効領域に対応する形状に形成された開口部を備え、
前記有効領域に入射しない光を反射して前記光源へ戻し、前記光源へ戻された光を前記有効領域へ入射させることを特徴とするプロジェクタ装置。
【請求項１４】
請求項１０乃至１３のいずれか一項に記載のプロジェクタ装置において、
前記第２反射手段は、特定波長域の光を反射することを特徴とするプロジェクタ装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１９９０４６（Ｐ２００９−１９９０４６Ａ）
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５９１４７（Ｐ２００８−１５９１４７）
【出願日】平成２０年６月１８日（２００８．６．１８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月３日（２００９．９．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月１８日（２００８．６．１８）
【出願人】（０００００４１１２）株式会社ニコン (12,601)
【Ｆターム（参考）】
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