(57)【要約】【課題】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する。【解決手段】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。【選択図】図１
2016224186.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項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請求項１に記載の光源ユニット。
【請求項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請求項２に記載の光源ユニット。
【請求項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請求項３に記載の光源ユニット。
【請求項５】
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から４の何れか一項に記載の光源ユニット。
【請求項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請求項１から５の何れか一項に記載の光源ユニット。
【請求項７】
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請求項６に記載の光源ユニット。
【請求項８】
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請求項６又は７に記載の光源ユニット。
【請求項９】
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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源ユニット及び投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【０００４】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−８７７９２号公報
【特許文献２】特開２０１２−２０３１７６号公報
【特許文献３】特開２０１３−１６４５１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
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。
【００１０】
＜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。
【００１１】
＜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。
【００１２】
＜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。
【００１３】
＜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＞から＜４＞の何れか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。
【００１４】
＜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＞から＜５＞の何れか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。
【００１５】
＜７＞  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＜７＞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。
【００１６】
＜８＞  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＞又は＜７＞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、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。
【００１７】
＜９＞  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＜９＞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。
【発明の効果】
【００１８】
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。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】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２】図１の投影装置をｘ方向から見た断面図である。
【図３】図１の投影装置をｙ方向から見た断面図である。
【図４】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。
【図５】偏光変換素子の構成及び照明光の光路を示す図である。
【図６】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。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
（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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
（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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
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。
【符号の説明】
【００５２】
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
【図１】
2016224186.tif 000003
【図２】
2016224186.tif 000004
【図３】
2016224186.tif 000005
【図４】
2016224186.tif 000006
【図５】
2016224186.tif 000007
【図６】
2016224186.tif 000008