(57)【要約】【課題】光の利用効率を高めること。【解決手段】光源と、前記光源からの光が入射する偏光分離素子を有すると共に、前記偏光分離素子で反射された光が入射する第一反射素子、前記偏光分離素子を透過した光が射出される第一射出領域、及び、前記第一反射素子で反射された光を射出可能な第二射出領域、を有する偏光変換素子と、前記第一反射素子を経由せずに前記第二射出領域から射出される光を反射する第二反射素子とを備え、前記第二反射素子によって反射された光が前記光源に入射するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源からの光が入射する偏光分離素子を有すると共に、前記偏光分離素子で反射された光が入射する第一反射素子、前記偏光分離素子を透過した光が射出される第一射出領域、及び、前記第一反射素子で反射された光を射出可能な第二射出領域、を有する偏光変換素子と、
前記第一反射素子を経由せずに前記第二射出領域から射出される光を反射する第二反射素子と
を備え、
前記第二反射素子によって反射された光が前記光源に入射するように構成されていることを特徴とする照明装置。
【請求項２】
前記光源と、前記偏光変換素子との間に配置された集光レンズ
を更に備える請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記偏光分離素子を透過した光と前記第一反射素子で反射された光とが入射する光均一化素子を更に備える
請求項１又は請求項２に記載の照明装置。
【請求項４】
前記光源は、前記第二反射素子からの光を反射可能である
請求項１から請求項３のうちいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記第二反射素子における反射は、再帰性反射である
請求項１から請求項４のうちいずれか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
照明装置と、
前記照明装置から射出された光を変調する光変調素子と、
前記光変調素子から射出される光を投写する投写光学系と、を備え、
前記照明装置は請求項１乃至５のいずれか一項に記載の照明装置であることを特徴とするプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明装置及びプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクターは、照明装置から射出される光を、光変調素子で画像情報に応じて変調し、得られた画像を投写レンズによって拡大投写するものである。近年、このような液晶プロジェクターとして、携帯電話やデジタルカメラ等の携帯機器への搭載を狙った非常に小さいプロジェクター（いわゆる、ピコプロジェクター）が開発されている。
【０００３】
このようなプロジェクターの照明装置としては、例えば光源から射出された光が入射される偏光変換素子を有する構成が知られている。当該照明装置においては、偏光変換素子から射出された光が例えば光均一化素子などを介して射出される構成となっている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−３１１０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記構成において、偏光変換素子から射出される光のうち所期の射出方向とは異なる方向に拡散し照明光として利用できない成分があるため、光の利用効率を高める点で課題となっている。
【０００６】
以上のような事情に鑑み、本発明は、光の利用効率を高めることが可能な照明装置を提供することを目的とする。また、このような照明装置を備えた、表示品質に優れたプロジェクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る照明装置は、光源と、前記光源からの光が入射する偏光分離素子を有すると共に、前記偏光分離素子で反射された光が入射する第一反射素子、前記偏光分離素子を透過した光が射出される第一射出領域、及び、前記第一反射素子で反射された光を射出可能な第二射出領域、を有する偏光変換素子と、前記第一反射素子を経由せずに前記第二射出領域から射出される光を反射する第二反射素子とを備え、前記第二反射素子によって反射された光が前記光源に入射するように構成されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明によれば、第一反射素子を経由せずに第二射出領域から射出される光が第二反射素子によって反射され、第二反射素子によって反射された光が光源に入射するため、当該光を照明光として再利用することができる。これにより、光の利用効率を高めることが可能となる。
【０００９】
上記の照明装置は、前記光源と、前記偏光変換素子との間に配置された集光レンズを更に備える。
【００１０】
本発明によれば、第二反射素子によって反射された光が、集光レンズによって屈折されることで光源に入射しやすくなる。これにより、光の利用効率を高めることが可能となる。
【００１１】
上記の照明装置は、前記偏光分離素子を透過した光と前記第一反射素子で反射された光とが入射する光均一化素子を更に備える。  
本発明によれば、偏光分離素子を透過した光と第一反射素子で反射された光とが光均一化素子に入射するため、光の利用効率を高めつつ、照度ムラを抑制することができる。
【００１２】
上記の照明装置において、前記光源は、前記第二反射素子からの光を反射可能である。
本発明によれば、第二反射素子から射出された光が光源で反射されるため、当該反射光を再利用することができる。これにより、光の利用効率を高めることができる。
【００１３】
上記の照明装置において、前記第二反射素子における反射は、再帰性反射である。  
本発明によれば、第二反射素子における反射が再帰性反射であるため、第二反射素子で反射された光は、当該光源から第二反射素子に到達した光路をそのまま逆方向に進行することとなる。これにより、光を確実に光源に戻すことができるため、光の再利用効率が高められる。
【００１４】
本発明に係るプロジェクターは、照明装置と、前記照明装置から射出された光を変調する光変調素子と、前記光変調素子から射出される光を投写する投写光学系と、を備え、前記照明装置は上記照明装置であることを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、光の利用効率の高い照明系（光源、偏光変換素子、第二反射素子）が用いられているため、表示品質に優れたプロジェクターを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】照明装置及びプロジェクターの構成を模式的に示す側面図。
【図２】照明装置の一部の構成を模式的に示す側面図。
【図３】照明装置の一部の構成を示す断面図。
【図４】照明装置に設けられた反射素子の構成を示す図。
【図５】反射素子の他の構成を示す図。
【図６】反射素子の他の構成を示す図。
【図７】照明装置及びプロジェクターの他の構成を模式的に示す側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。かかる実施の形態は、本発明の一態様を示すものであり、この発明を限定するものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造における縮尺や数等が異なっている。
【００１８】
図１は、本発明に係るプロジェクター１００の構成を模式的に側面図である。  
図１に示すように、プロジェクター１００は、照明装置１０１と、リレーレンズ７０と、光変調素子８０と、投写レンズ９０とを備えている。プロジェクター１００は、照明装置１０１から光を射出し、リレーレンズ７０を介して光変調素子８０に到達した光を光変調素子８０によって変調し、変調された光を投写レンズ９０によって投写する構成となっている。光変調素子８０としては、例えば液晶素子などが用いられる。
【００１９】
照明装置１０１は、光源１０と、コリメートレンズ２０と、集光レンズ３０と、偏光ビームスプリッター（偏光変換素子）４０と、ロッドレンズ（光均一化素子）５０と、反射素子（第二反射素子）６０とを有している。これらの各構成は、例えば一方向に沿って配置されている。
【００２０】
光源１０は、赤色光、緑色光及び青色光を含む光（白色光）Ｌ１を射出する。光源１０としては、例えば発光ダイオードが用いられている。光源１０は、光を射出する光射出面１０ａを有している。光射出面１０ａは、射出光の主光線Ｌ０の方向に対して垂直に形成されている。光射出面１０ａは、拡散光としての光を射出する。なお、光源１０として、超高圧水銀ランプ、メタルハライドランプ、キセノンランプ、水銀キセノンランプ、ハロゲンランプ等の白色ランプが用いられてもよい。
【００２１】
コリメートレンズ２０は、光源１０から射出された光を平行化する。集光レンズ３０は、コリメートレンズ２０によって平行化された光を集光する。
【００２２】
偏光ビームスプリッター４０は、集光レンズ３０から射出された光を、例えばＳ偏光からなる光に変換して射出する。偏光ビームスプリッター４０は、偏光分離素子４１と、１／２波長板４２と、全反射膜（第一反射素子）４３とを有している。偏光分離素子４１は、入射した光のうちＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する。偏光分離素子４１としては、例えば反射型の偏光板などが用いられる。偏光分離素子４１は、光源１０から射出される光の主光線Ｌ０に対して４５°傾いて配置されている。
【００２３】
偏光分離素子４１を透過したＰ偏光は１／２波長板４２に入射する。１／２波長板４２は、入射したＰ偏光をＳ偏光に変換する。
【００２４】
全反射膜４３は、入射した光を全反射する。全反射膜４３は、主光線Ｌ０に対して４５°傾いて配置されている。全反射膜４３の傾斜方向は、偏光分離素子４１の傾斜方向と平行である。
【００２５】
偏光ビームスプリッター４０には、光入射面４０ａ、第一射出領域４０ｂ及び第二射出領域４０ｃが設けられている。光入射面４０ａは、光源１０からの光の主光線Ｌ０に対して垂直に設けられている。
【００２６】
第一射出領域４０ｂは、偏光分離素子４１および１／２波長板４２を透過したＳ偏光の光Ｌ２を射出する。第二射出領域４０ｃは、偏光分離素子４１によって反射されたＳ偏光のＬ３を射出する。この光Ｌ３には、全反射膜４３によって反射された成分と、全反射膜４３を経由しない成分とが含まれている。第二射出領域４０ｃは、光Ｌ３のうち全反射膜４３を経由する成分及び全反射膜４３を経由しない成分のいずれも射出可能である。
【００２７】
ロッドレンズ５０は、例えばガラスなどの光透過製の高い材料を用いて形成されている。ロッドレンズ５０は、例えば四角柱状（直方体など）の形状に形成されている。ロッドレンズ５０は、光入射面５１と、光射出面５２と、側面５３とを有している。光入射面５１は、偏光ビームスプリッター４０の１／２波長板４２及び第二射出領域４０ｃに接合されている。光入射面５１には、偏光分離素子４１を透過し、１／２波長板４２によってＳ偏光に変換された光Ｌ２と、光Ｌ３とが入射する。第二射出領域４０Ｃと光入射面５１の間は１／２波長板４２の厚さと同じ厚さのスペースができることになるが、そのスペースは、ロッドレンズ５０と同屈折率のガラス板４４もしくはロッドレンズ５０と同屈折率の接着剤で充填されている。
【００２８】
ロッドレンズ５０は、中実に形成されている。したがって、ロッドレンズ５０の内部に入射した光のうち臨界角以上の入射角でロッドレンズ５０の側面５３に入射する光は、側面５３において全反射するようになっている。
【００２９】
反射素子６０は、ロッドレンズ５０の側面５３のうち光入射面５１側の端部に対向する位置に配置されている。図１に示す構成では、反射素子６０は、ロッドレンズ５０の側面５３のうち底面５３ａに対向する位置に配置されている。当該底面５３ａは、ロッドレンズ５０が備える複数の側面５３のうち、偏光分離素子４１によって反射された後、全反射膜４３を経由しないでロッドレンズ５０に入射する光の進行方向上に配置される面である。
【００３０】
反射素子６０は、偏光分離素子４１によって反射された光Ｌ３のうち全反射膜４３を経由しない成分の少なくとも一部を反射する。より具体的には、ロッドレンズ５０に入射された光Ｌ３のうち、底面５３ａを透過した成分を反射する。以下、光Ｌ３が底面５３ａを透過する現象について説明する。
【００３１】
図２は、偏光ビームスプリッター４０及びロッドレンズ５０の構成を示す側面図である。  
図２に示すように、光源１０から射出された光のうち主光線Ｌ０と平行な成分は、偏光ビームスプリッター４０に対して垂直に入射し、偏光分離素子４１に対して４５°の入射角で入射する。当該光のうちＳ偏光成分は、偏光分離素子４１によって４５°の反射角で反射され、全反射膜４３に４５°の入射角で入射する。このＳ偏光は、全反射膜４３によって４５°の反射角で反射され、ロッドレンズ５０の光入射面５１に対して垂直に入射する。
【００３２】
また、偏光ビームスプリッター４０に入射する光には、集光レンズ３０によって集光され、主光線Ｌ０に対して傾いた状態で偏光分離素子４１に入射する光Ｌ１が含まれる。この光Ｌ１は、偏光分離素子４１に対して４５°以外の入射角で入射する。
【００３３】
光Ｌ１のうちＰ偏光成分である光Ｌ２は偏光分離素子４１を透過し、1／２波長板４２によってＳ偏光に変換される。そして、Ｓ偏光に変換された光Ｌ２は第一射出領域４０ｂを経由してロッドレンズ５０の光入射面５１に入射する。また、Ｓ偏光成分である光Ｌ３の一部は全反射膜４３で反射されてロッドレンズ５０の光入射面５１に入射する。この光成分は、その後、底面５３ａに対して臨界角θｉ以上の入射角で入射し、全反射を繰り返して光射出面５２から射出される。なお、臨界角θｉは、ロッドレンズ５０の材質（屈折率ｎ）に依存する。具体的には、θｉ＝ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）によって決まる。
【００３４】
一方、上記のように集光レンズ３０によって集光されることにより、光Ｌ１には、偏光分離素子４１に対して４５°よりも大きい入射角で入射する成分が含まれることになる。このため、偏光分離素子４１によって反射された光Ｌ３には、全反射膜４３を経由せずに第二射出領域４０ｃから射出される成分が存在することになる。
【００３５】
全反射膜４３を経由しない光成分は、第二射出領域４０ｃを経由して光入射面５１に入射し、さらにロッドレンズ５０の底面５３ａに入射角θｒで入射する。このため、光Ｌ１には、臨界角θｉよりも小さい入射角でロッドレンズ５０の底面５３ａに入射する成分が含まれやすい。臨界角θｉよりも小さい入射角で入射した成分は、底面５３ａで全反射せずに底面５３ａからロッドレンズ５０の外部に射出される。このようにしてロッドレンズ５０の外部に射出された光成分は、漏れ光となってしまう。
【００３６】
本実施形態では、当該底面５３ａのうち光が射出される部分に対向するように反射素子６０が設けられている。具体的には、当該底面５３ａのうち、少なくとも、全反射膜４３を経由しない光成分が射出される領域に対向するように反射素子６０が設けられている。このため、光Ｌ３のうちロッドレンズ５０の外部に射出された成分は、反射素子６０によって反射され、ロッドレンズ５０の内部に戻される。ロッドレンズ５０の内部に戻された光は、照明光として利用可能となる。
【００３７】
図３は、図２におけるＡ−Ａ断面に沿った構成を示す図である。  
図３に示すように、反射素子６０が設けられる位置としては、本実施形態ではロッドレンズ５０の底面５３ａに対向する位置であるが、これに限られる事は無い。例えば、ロッドレンズ５０のうち底面５３ａ及び当該底面５３ａとは異なる他の側面５３（５３ｂ〜５３ｄ）の少なくとも１つに設けられる構成であればよい。これにより、偏光ビームスプリッター４０からロッドレンズ５０へ入射する光の一部がロッドレンズ５０から外部へ漏れ出した場合であっても、適宜漏れ光がロッドレンズ５０の内部に戻されることになる。
【００３８】
また、本実施形態では、反射素子６０において、例えば再帰性反射が行われる。  
図４は、反射素子６０の構成を模式的に示す図である。  
図４に示すように、反射素子６０は、光反射膜６１及びガラスビーズ６２を有している。光反射膜６１としては、例えばアルミニウムなどの光反射率の高い金属材料を用いて形成されている。光反射膜６１の表面６１ａに鏡面加工を施してもよい。ガラスビーズ６２は、例えば球状に形成されており、光反射膜６１の表面６１ａに複数配置されている。光反射膜６１は、ガラスビーズ６２が設けられる側がロッドレンズ５０の底面５３ａ（又は側面５３）に向けられている。
【００３９】
この構成において、光Ｌ３のうちロッドレンズ５０から漏れた成分は、ガラスビーズ６２の内部に入射する際に屈折し、球面上の一点で焦点を結ぶ。この光成分は、ガラスビーズ６２の裏側（光反射膜６１側）へ透過し、光反射膜６１の表面６１ａによって反射される。反射された光成分は、ガラスビーズ６２からロッドレンズ５０側へ向けて射出される。光成分は、ガラスビーズ６２から射出される際に再度屈折し、当該ガラスビーズ６２に対する入射光と平行かつ逆方向に進行する。
【００４０】
以上のように構成されたプロジェクター１００においては、例えば図１に示すように、反射素子６０に入射した光成分は、反射光Ｌ４となって光源１０から反射素子６０まで進んできた光路を逆方向に戻される。当該反射光Ｌ４は、ロッドレンズ５０の底面５３ａからロッドレンズ５０の内部に入射し、光入射面５１から偏光ビームスプリッター４０に入射する。偏光ビームスプリッター４０に入射した反射光Ｌ４は、偏光分離素子４１によって反射される。
【００４１】
その後、反射光Ｌ４は、集光レンズ３０、コリメートレンズ２０を経由して光源１０に到達する。光源１０に到達した反射光Ｌ４は、光射出面１０ａに入射し、光射出面１０ａにおいて散乱・反射される。この散乱・反射光Ｌ５は、光射出面１０ａから射出された光として再度コリメートレンズ２０、集光レンズ３０を経由して進行し、偏光ビームスプリッター４０の偏光分離素子４１に入射する。散乱・反射光Ｌ５のうちＰ偏向成分は偏向分離素子４１を透過する。散乱・反射光Ｌ５のうちＳ偏向成分は偏光分離素子４１で反射され、偏光分離素子４１で反射された光の一部は全反射膜４３で全反射される。また、偏光分離素子４１で反射された光のうち全反射膜４３を経由せずに再度ロッドレンズ５０の底面５３ａからロッドレンズ５０の外部に射出された光成分は、反射素子６０によって更にロッドレンズ５０の内部に戻されることになる。
【００４２】
以上のように、本実施形態によれば、全反射膜４３を経由せずに第二射出領域４０ｃから射出される光成分が反射素子６０によって反射され、反射素子６０によって反射された光は光源１０に入射するため、当該光成分を照明光として再利用することができる。これにより、光の利用効率を高めることが可能となる。
【００４３】
本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることができる。  
上記実施形態においては、反射素子６０として、光反射膜６１及びガラスビーズ６２を有する構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。
【００４４】
例えば、図５に示すように、反射素子として、三面体キューブ１６０が用いられた構成であってもよい。三面体キューブ１６０は、第一面１６１、第二面１６２及び第三面１６３を有するプリズムである。この構成によれば、三面体キューブ１６０に入射した光は、第一面１６１、第二面１６２及び第三面１６３によって反射され、入射光に平行かつ逆方向に進行するため、光源１０まで光が戻ることになる。
【００４５】
また、例えば図６に示すように、反射素子として、反射型回折格子２６０が用いられた構成であってもよい。反射型回折格子２６０は、複数の光反射面２６１が格子状に形成されている。当該光反射面２６１は、入射角の方向に１次の回折光が戻るためのリトロー条件を満たしている。この場合、光反射面２６１による反射光は、入射光に平行かつ逆方向に進行するため、光源１０まで光が戻ることになる。なお、この場合、波長λ、回折格子溝の数Ｎ、ブレーズ角θＢの間には、
λ＝２／Ｎ×ｓｉｎθＢ
の関係がある。
【００４６】
また、上記実施形態においては、光均一化素子としてロッドレンズ５０が設けられた構成を例に挙げて説明したが、これに限られることは無い。例えば、図７に示すように、光均一化素子として、レンズインテグレーター２５０が設けられた照明装置２０１及びこれを備えるプロジェクター２００であってもよい。この場合、全反射膜４３を経由しない光成分がレンズインテグレーター２５０から漏れ出てくる領域に反射素子６０を設けるとよい。これによれば、レンズインテグレーター２５０から漏れた光を反射素子６０によって光源１０に戻して再利用することができる。
【符号の説明】
【００４７】
１０…光源  １０ａ…光射出面  ２０…コリメートレンズ  ３０…集光レンズ  ４０…偏光ビームスプリッター  ４０ａ…光入射面  ４０ｂ…第一射出領域  ４０ｃ…第二射出領域  ４１…偏光分離素子  ４２…波長板  ４３…全反射膜  ５０…ロッドレンズ  ５１…光入射面  ５２…光射出面  ５３…側面  ５３ａ…底面  ６０…反射素子  ６１…光反射膜  ６１ａ…表面  ６２…ガラスビーズ  ７０…リレーレンズ  ８０…光変調素子  ９０…投写レンズ  １００、２００…プロジェクター  １０１、２０１…照明装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2014191305.tif 000009