(57)【要約】【課題】簡単な構成で偏光リサイクリングを効率良く実現できる液晶プロジェクターの光源装置を提供すること。【解決手段】ＬＥＤ光源２０による偏光リサイクリング照明光学系１を備えた液晶プロジェクターの光源装置である。照明光学系１は、その照明光学系１の光軸５に垂直な反射平面で形成された鏡面４１を有する。ＬＥＤ光源２０の発光部３は、鏡面４１上の、照明光学系１の光軸５から偏芯した位置に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１／４波長板と反射型偏光子を備えた偏光リサイクリング照明光学系を用いたＬＥＤ光源による液晶プロジェクターの光源装置であって、
前記照明光学系は、その照明光学系の光軸に垂直な反射平面で形成された鏡面を有し、
前記ＬＥＤ光源の発光部は、前記鏡面上の、前記照明光学系の光軸から偏芯した位置に配置されていることを特徴とする液晶プロジェクターの光源装置。
【請求項２】
前記発光部を複数備え、各発光部は前記照明光学系の光軸に対して非軸対称に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液晶プロジェクターの光源装置。
【請求項３】
前記照明光学系は、前記ＬＥＤ光源の発光部が入口側に配置される光強度分布均一化素子と、その光強度分布均一化素子の出口側に配置される凸レンズとを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の液晶プロジェクターの光源装置。
【請求項４】
前記凸レンズの焦点距離が、その凸レンズと前記ＬＥＤ光源の発光部との間の距離とほぼ同等に設定されていることを特徴とする請求項１から請求項３の何れかに記載の液晶プロジェクターの光源装置。
【請求項５】
前記照明光学系は、前記光強度分布均一化素子の入口側端面に、照明系光軸５に垂直な平面反射板が配置され、その平面反射板には、前記発光部を前記光強度分布均一化素子内へ露出させるための開口が設けられ、その開口は照明系光軸上には位置しないようにその照明系光軸から偏芯した位置に設けられていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の液晶プロジェクターの光源装置。
【請求項６】
前記照明光学系は、反射面を前記ＬＥＤ光源の発光部側に向けた微小コーナキューブの２次元アレイから成るレトロリフレクターを備え、そのレトロリフレクターには、前記ＬＥＤ光源からの放射光のうち、前記照明系光軸に対する所定の放射角以下の放射光を前記偏光子側へ向かわせる開口部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の液晶プロジェクターの光源装置。
【請求項７】
前記発光部の発光面が光り散乱面であることを特徴とする請求項６に記載の液晶プロジェクターの光源装置。
【請求項８】
前記ＬＥＤ光源の発光部及び前記反射平面の周りが、前記照明系光軸に垂直な光拡散面であることを特徴とする請求項６又は７に記載の液晶プロジェクターの光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクターの光源装置に関し、中でも照明光源として偏光を用いる液晶プロジェクターの光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の液晶映像表示装置を用いたプロジェクターの問題点は光の利用効率が低いという点である。これは、通常の光源からの放射がランダムな偏光を示すのに対し、液晶パネルは直線偏光をスイッチングする光学素子であることに起因する。すなわち、そのままでは液晶パネルは光源からの照明光のうち半分しか制御できない。そのため以前は照明光の半分は捨てられていた。
【０００３】
しかし、これではあまりにも効率が悪いので、ＰＢＳプリズム・アレイを用いた偏光変換素子が用いられるようになった。これは、ランダム偏光の入射光を偏光ビームスプリッターで直交する２つの偏光成分に空間的に分け、利用できない方向の偏光のみ１／２波長板を通して利用可能な方向の偏光に変換する技術である。
【０００４】
しかし、この偏光変換素子は、通常、フライアイレンズ対と共に用いる必要があるため、照明光学系が大型化・高コスト化するという欠点があった。そこで登場したのが偏光リサイクリング技術である。使えない偏光成分を吸収するのではなく、反射して光源側に戻し、その際、一部または大部分をスイッチング可能な偏光成分に変換して、再び利用しようとするものである。
【０００５】
この技術は、元々ノートＰＣなどの携帯型電子機器の液晶パネルのバックライト用に開発されたものである。ランダム偏光の照明光のうち液晶パネルがスイッチングできる偏光成分を透過し、それと直交する偏光成分は反射するフィルム偏光子を使う。
【０００６】
フィルム偏光子から反射された光は背面の反射フィルムで再び液晶パネル側へ反射されるが、その際、偏光はランダム化され、フィルム偏光子に再到着した時には光の半分は透過できる。ここで再度反射された光はまたランダム偏光として戻って来ることになる。この現象の繰り返しにより液晶パネルを照明する光の利用効率が向上する（非特許文献１）。
【非特許文献１】H.Tanase, et.al.,IBM Journal of Reseach and DeveLopment,Vol.42, No.3/4(1998)
【非特許文献２】A.Conner,et.al., Proc. of IDW/AD 05,Vol.2, PP.1907-1910(2005)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した偏光リサイクリング技術を液晶プロジェクター用光学エンジンに応用した際の問題点は、反射型偏光子によって光源側に反射された照明光の大部分がＬＥＤ光源自身に戻り、そこで吸収あるいは散乱を受けてしまうことであった。吸収された光が照明に寄与しないことは指摘するまでもないが、散乱された光も進行方向と偏光方向の記憶が消されてしまうため、ほとんどがライトトンネル出口から広角で射出され、その後は液晶パネルの照明に寄与できないことになる。また、運良く再び偏光子に到着した一部の散乱光も該偏光子を透過できるのはその内の半分のみとなる。
【０００８】
上記のような理由から、特に表面散乱タイプのＬＥＤを用いた場合は、偏光リサイクリングの効果は数％程度に限られていた。例外的に、広い反射ミラーの中心にドット状の発光部を配したＬＥＤを多数マトリックス状に配置した光源を用いた場合のみ２０％から３０％の照明光量アップが報告されている（非特許文献２）。しかし、この値も、シングルパスの透過率を９０％と仮定した理論的限界値である７０％と比較するとまだ改善の余地が大きいと言える。
【０００９】
よって、本発明の課題は、簡単な構成で偏光リサイクリングを効率良く実現できる液晶プロジェクターの光源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、少なくとも１／４波長板と反射型偏光子を備えた偏光リサイクリング照明光学系を用いたＬＥＤ光源による液晶プロジェクターの光源装置であって、前記照明光学系は、その照明光学系の光軸に垂直な反射平面で形成された鏡面を有し、前記ＬＥＤ光源の発光部は、前記鏡面上の、前記照明光学系の光軸から偏芯した位置に配置されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液晶プロジェクターの光源装置において、前記発光部を複数備え、各発光部は前記照明光学系の光軸に対して非軸対象に配置されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、請求項１または２に記載の液晶プロジェクターの光源装置において、前記照明光学系は、前記ＬＥＤ光源の発光部が入口側に配置される光強度分布均一化素子と、その光強度分布均一化素子の出口側に配置される凸レンズとを備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項１から請求項３の何れかに記載の液晶プロジェクターの光源装置において、前記凸レンズの焦点距離が、その凸レンズと前記ＬＥＤ光源の発光部との間の距離とほぼ同等に設定されていることを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項１から請求項４の何れかに記載の液晶プロジェクターの光源装置において、前記照明光学系は、前記光強度分布均一化素子の入口側端面に、照明系光軸に垂直な平面反射板が配置され、その平面反射板には、前記発光部を前記光強度分布均一化素子内へ露出させるための開口が設けられ、その開口は照明系光軸上には位置しないようにその照明系光軸から偏芯した位置に設けられていることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１に記載の液晶プロジェクターの光源装置において、前記照明光学系は、反射面を前記ＬＥＤ光源の発光部側に向けた微小コーナキューブの２次元アレイから成るレトロリフレクターを備え、そのレトロリフレクターには、前記ＬＥＤ光源からの放射光のうち、前記照明系光軸に対する所定の放射角以下の放射光を前記偏光子側へ向かわせる開口部が設けられていることを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項１又は請求項６に記載の液晶プロジェクターの光源装置において、前記発光部の発光面が光り散乱面であることを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項６又は７に記載の液晶プロジェクターの光源装置において、前記ＬＥＤ光源の発光部及び前記反射平面の周りが、前記照明系光軸に垂直な光拡散面であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、照明光学系の光軸に垂直な反射平面で形成した鏡面上における、照明光学系の光軸から偏芯した位置にＬＥＤ光源の発光部を配置し、焦点距離としてＬＥＤまでの距離と略等しい凸レンズを用いたので、簡単な構成で偏光リサイクリングを効率良く実現できる液晶プロジェクターの光源装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は液晶プロジェクターの光学エンジンの本発明による偏光リサイクリング照明光学系１を示している。この照明光学系１は、図１に示すように、テーパ型ライトトンネル（光強度分布均一化素子）９を備えている。ライトトンネル９の入り口側にはＬＥＤ光源２０が、出口側にはコリメート用の凸レンズ１０、偏光変換のための１／４波長板６、ワイヤーグリッド偏光子（反射型偏光子）７、および液晶パネル８がこの順序で並んでいる。
【００２０】
ＬＥＤ光源２０は、照明光学系１の照明系光軸５に垂直な平面反射板４から、発光部３のみを反射型偏光子７方向に向けて露出させた形態としている。さらに、このＬＥＤ光源２０は照明系光軸５上には位置せず、図２に示すように、偏芯した位置に配置して、照明系光軸５に対して軸対象な位置にはＬＥＤ光源２０の発光部３は存在しないようにしてあり、そこには照明系光軸５に垂直な反射平面（鏡面）４１が存在する構成である。この際、ＬＥＤ光源２０の発光部３の偏芯量としては、照明系光軸５から発光部３全体が偏芯した位置、即ち、照明系光軸５上に発光部３が存在しない程度の偏芯量である。
【００２１】
図示例においては、ライトトンネル９の入口側端面に、照明系光軸５に垂直な平面反射板４が配置され、その平面反射板４には、発光部３をライトトンネル９内へ露出させるための開口４ａが設けられている。開口４ａは照明系光軸５上には位置しないようにその照明系光軸５から偏芯した位置に設けられている。開口４ａは図２に示すようにライトトンネル９の入口側から見て矩形状に（本例のＬＥＤ発光部が矩形のため）形成され、そこから、矩形状ＬＥＤ基板２の中央部に設けられた発光部３が露出する構成となっている。
【００２２】
なお、この光学エンジンの照明光学系１はここでは光の三原色のうちの一つである例えばＲ（赤）の照明光学系についてのみ例示しているが、残りの三原色Ｇ（緑）、Ｂ（青）の照明光学系についてもそれぞれ同様に構成される。
【００２３】
次に、上述のような構成の照明光学系１において、ＬＥＤ光源２０から放射されたランダム偏光の光がどのように偏光変換されて液晶パネル８を照明するかを説明する。まず、最初に反射型偏光子７に到達した照明光のうち、液晶パネル８で制御可能な偏光成分１１（以下、Ｐ偏光と呼ぶ）はそのまま透過して行き、逆に、当該成分とは直交する偏光成分１２（以下、Ｓ偏光と呼ぶ）は正反射されて光源側へ戻される（図１参照）。
【００２４】
その際、Ｓ偏光は１／４波長板６を透過するので、当該波長板６を出たところでは円偏光となっている。逆進する当該円偏光は凸レンズ１０を介してライトトンネル９の出口側から中に入り入口側に向かって進み、自身を放射したＬＥＤ光源２０を配置してある平面反射板４に到達する。この時、凸レンズ１０の焦点距離は、その凸レンズ１０とＬＥＤ光源２０の発光部３との距離にほぼ等しく設定してあるので、当該円偏光光線は自身を放射したＬＥＤ光源２０の発光部３ではなく、反射型偏光子７のミラーと凸レンズ１０に対して光学的に共役な位置に戻る。
【００２５】
即ち、円偏光の戻り光は、平面反射板４における、ＬＥＤ光源２０の発光部３とは照明系光軸５に対して軸対称な位置に集光し正反射され、再びライトトンネル９の出口に向かって進む。そして三度目となる、凸レンズ１０の透過後に１／４波長板６に入射する。当該１／４波長板６を透過したリサイクリング光は円偏光からＰ偏光に変換されるので、次の偏光子７を高効率で透過して液晶パネル８に到達することができる。
【００２６】
この実施形態１によれば、コリメート用凸レンズ１０をライトトンネル９の出口に配置したことによって、反射型偏光子７からの反射光（Ｓ偏光）を１／４波長板６で円偏光に変換した後、効率良くライトトンネル９内へ戻すことができ、このため、リサイクリング効果を高めることができる。
【００２７】
ライトトンネル９の入口付近に設置したＬＥＤ発光部３の位置に、該発光部３のみ穴の開いた平面反射板４を照明系光軸５に垂直に配したことによって、ライトトンネル１０の入口まで到達した戻り光は正反射され、指向性と偏光特性を維持したままライトトンネル１０の出口側へ戻ることができ、このため、リサイクリング効果を高めることができる。
【００２８】
また、コリメート用凸レンズ１０と反射型偏光子７の組み合わせ反射光学系においては、該凸レンズ１０の焦点距離を発光部３までの距離と略等しく選んであるので、発光部３付近が重複した光学的共役面となり、該発光部３を照明系光軸５に対して非軸対称に配置することによって、反射型偏光子７からの戻り光は発光部３自体には戻らず、該発光部３と共益な位置にある反射板の一部の鏡面４１に戻る。このため戻り円偏光は、該発光部３での散乱や吸収を受けることはなく該平面反射板４で高効率に反射され、偏光特性や指向特性が乱されることなくライトトンネル１０の出口側へ戻ることができ、このため、リサイクリング効果を高めることができる。
【００２９】
（実施形態２）
ＬＥＤ（発光部）３の個数として複数個を使用する際には、図３に示すように、照明系光軸５に対し非軸対称となるようにその複数の発光部３（３ａ〜３ｄ）を平面反射板４上（鏡面４１上）に配置すれば良い。この実施形態２では、発光部３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄの４個配置とされているが、これらは何れも照明系光軸５に対して軸対称の配置とはなっていない。
【００３０】
これにより、図３において、発光部３ａの下には発光部３ｄの軸対称位置に鏡面４１ａが存在し、発光部３ｂの上には発光部３ｃの軸対称位置に鏡面４１ｂが存在し、発光部３ｃの上には発光部３ｂの軸対称位置に鏡面４１ｃが存在し、発光部３ｄの下には発光部３ａの軸対称位置に鏡面４１ｄが存在する。したがって、この実施形態２においても、先の実施形態１とほぼ同様の効果を奏する。
【００３１】
なお、この実施形態２では、光強度分布均一化素子９としてテーパ型ライトトンネルを採用しているが、平行型のライトトンネルでも上述した偏光リサイクリング効果は同じである。さらに、この実施形態２では透過型の液晶パネルの照明系で説明しているが、反射型の液晶パネル（ＬＣＯＳ）でも同様に効果的であることは言うまでもない。
【００３２】
このように、従来は一部のみリサイクリングされて大部分が照明光として使われなかった偏光成分を、本発明の偏光リサイクリング技術ではより効率よく有効な偏光方向の照明光に変換できるという特徴がある。
【００３３】
（実施形態３）
次に、図４及び図５を用いて本発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態の特徴は、レトロリフレクターを用いて、従来はほとんど捨てられていた、ＬＥＤ光源２０から発せられる広角放射光も照明光として有効に利用しようとするものである。
【００３４】
即ち、この第３の実施形態に係る照明光学系は、反射面をＬＥＤ光源２０の発光部３側に向けた微小コーナキューブの２次元アレイから成るレトロリフレクター１３を備え、そのレトロリフレクター１３には、ＬＥＤ光源２０からの放射光のうち、照明系光軸５に対する所定の放射角以下（ここでは半角で略３０度以下）の放射光を反射型偏光子７側へ向かわせる開口部１３ａが設けられている。この意味で、第３の実施形態で用いるレトロリフレクター１３は、第１の実施形態におけるテーパ型ライトトンネル（光強度分布均一化素子）と同等な効果がある。以下、具体的に説明する。
【００３５】
図４は液晶プロジェクターの光学エンジンの照明光学系を示している。この実施形態においては、ＬＥＤ光源２０の発光部３は高輝度ＬＥＤ１個であり、その発光面は図５に示すように長方形である。この高輝度ＬＥＤからなる発光部３は図２と同様に照明系の光軸中心（照明系光軸）５からずらして設置してあり、図５に示すように同等サイズの反射平面（鏡面）４１と一対になっている。
【００３６】
また、このＬＥＤ光源２０の発光部３は、図４及び図５に示すように、開口部１３ａを有する中空な四角錐台状のテーパコーン（レトロリフレクター）１３で囲まれている。即ち、このテーパコーン１３は、この実施形態では微小なコーナーキューブアレイから成るレトロリフレクター（再帰ミラー）板１３ｂの４枚から構成されている。これにより、照明系光軸５に対して半角で略３０度以上の広角放射光はこの４枚のレトロリフレクター板１３ｂから構成されるテーパコーン１３によってＬＥＤ光源２０の発光部３に戻されるように設計されている。
【００３７】
一方、半角で略３０度以下の狭角放射光は、４枚のレトロリフレクター板１３ｂから構成されるテーパコーン１３の囲いの開口部１３ａから抜け出て前方のフレネルレンズ（正フレネル非球面レンズ）１４および反射型偏光子７に向けて進行するように設計されている。
【００３８】
ここで、発光部３とその横の反射平面４１は、フレネルレンズ１４（第１の実施形態の凸レンズ１０に対応）と反射型偏光子７の組み合わせに対して光学的に共役な関係となっていることは第１の実施形態および第２の実施形態と全く同じである。したがって、フレネルレンズ１４の焦点距離と有効半径との比は、約ｔａｎ３０°＝１／√３≒０．５７である。
【００３９】
また、矩形状のＬＥＤ基板２の表面は、図５に示すように光散乱面２ａに形成されている。この光散乱面２ａはテーパコーン１３の、開口部１３ａとは反対の基端側開口を閉じることができる大きさの矩形状に形成されている。したがって、発光部３及び反射平面４１の周りに、照明系光軸５に垂直な光拡散面２ａが形成されている。
【００４０】
なお、図４において、符号６は１／４波長板、１５は集光レンズ、１６は拡散板、１７は偏光子、１８は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）、１９は反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）、３０は投射レンズをそれぞれ示している。
【００４１】
次に、上記のＬＥＤ光源２０からの放射光を、放射角について２つのグループに分けてその作用を説明する。まず、第１グループとして、放射角略３０度以内の放射光を考える。この放射光は４枚のレトロリフレクター板１３ｂの囲みを開口部１３ａよりすり抜けて前方のフレネルレンズ１４に到達できるので、そのフレネルレンズ１４でコリメートされた後、１／４波長板６を通過し、反射型偏光子７でＰ偏光成分（液晶パネルが制御可能な偏光成分）のみが前方に透過して行く。
【００４２】
一方、Ｓ偏光成分（液晶パネルが制御不可能な偏光成分）はそのほとんどが反射型偏光子７で反射されてＬＥＤ光源側に戻り、発光部３と共役な位置にある反射板４１に集光する。この際、反射平面４１に到達する光は１／４波長板６で円偏光に変換されている。反射平面４１に集光したこの円偏光の光はその反射平面４１で反射されて再度反射型偏光子７側へ進み、１／４波長板６を通過後はＰ偏光となっているので、反射型偏光子７を透過することができる。このようにして、放射角略３０度以内の放射光グループは効率良く映像表示パネルであるＬＣＯＳ１９の照明に用いることができる。
【００４３】
次に、放射角略３０度以上の放射光グループ（第２グループ）について考える。この放射光グループの光は、レトロリフレクター１３により出発したＬＥＤ光源２０の発光部３に戻されるが、当該発光部３の発光面は入射光に対しては光散乱面（拡散面）として作用するので、戻り光の一部は拡散後に放射角３０度以内のグループ（第１グループ）に入ることができる。
【００４４】
さらに、この放射角３０度以内のグループに入ることができなかった拡散光も、その後もレトロリフレクター１３で繰り返し発光部３に戻されるので、その度に第２グループの光の一部は第１グループとなり、有効な照明光に変換されて映像パネル１９へ向けて出射することができる。
【００４５】
したがって、従来の光学系では当初から捨てていた発光部３からの広角放射光もその一部を有効な照明光に変換できるので、ＬＥＤからなる発光部３の発光利用効率が向上し、最終的にはプロジェクターの電気効率が向上する。
【００４６】
なお、上述の実施の形態では、ＬＥＤからの広角放射光をＬＥＤに戻すのに、４枚のレトロリフレクター板１３ｂから構成される中空な四角錐台状のテーパコーン１３を用いているが、簡易的にはリング形状の球凹面ミラーでも良い。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の実施形態１に係る照明光学系の構成図。
【図２】本発明の実施形態１に係る照明光学系のＬＥＤ光源の配置図。
【図３】本発明の実施形態２に係る照明光学系の複数のＬＥＤ光源の配置図。
【図４】本発明の実施形態３に係る照明光学系の構成図。
【図５】本発明の実施形態３に係る照明光学系の要部の分解斜視図。
【符号の説明】
【００４８】
１  照明光学系
２  ＬＥＤ基板
２ａ  光拡散面
３  発光部
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ  発光部
４  平面反射板
４ａ  開口
４１  鏡面（反射平面）
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４１ｄ  鏡面（正反射面）
５照明系光軸  
６  １／４波長板
７  反射型偏光子（ワイヤーグリッド偏光子）
８  液晶パネル
９  ライトトンネル（光強度分布均一化素子）
１０  凸レンズ
１１  液晶パネルが制御可能な偏光成分（Ｐ偏光）
１２  液晶パネルが制御不可能な偏光成分（Ｓ偏光）
１３  レトロリフレクター（再帰ミラー）
１３ａ  開口部
１３ｂ  レトロリフレクター板
１４  フレネルレンズ（正フレネル非球面レンズ）
１５  集光レンズ
１６  拡散板
１７  反射型偏光子
１８  偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）
１９  反射型液晶パネル（ＬＣＯＳ）
２０  ＬＥＤ光源
３０  投射レンズ
【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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