特開2016-224186(P2016-224186A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2016-224186(P2016-224186A)
(43)【公開日】2016年12月28日
(54)【発明の名称】光源ユニット及び投影装置
(51)【国際特許分類】
   G03B 21/14 20060101AFI20161205BHJP
   G03B 21/00 20060101ALI20161205BHJP
   G02F 1/13357 20060101ALI20161205BHJP
   G02F 1/13 20060101ALI20161205BHJP
   B60K 35/00 20060101ALI20161205BHJP
【FI】
   G03B21/14 A
   G03B21/00 E
   G02F1/13357
   G02F1/13 505
   B60K35/00 A
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】OL
【全頁数】13
(21)【出願番号】特願2015-108985(P2015-108985)
(22)【出願日】2015年5月28日
(71)【出願人】
【識別番号】000108410
【氏名又は名称】デクセリアルズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100147485
【弁理士】
【氏名又は名称】杉村 憲司
(74)【代理人】
【識別番号】100136858
【弁理士】
【氏名又は名称】池田 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100147692
【弁理士】
【氏名又は名称】下地 健一
(72)【発明者】
【氏名】松橋 勇輔
(72)【発明者】
【氏名】水間 純一
【テーマコード(参考)】
2H088
2H191
2K203
3D344
【Fターム(参考)】
2H088EA23
2H088EA44
2H088HA15
2H088HA20
2H088HA21
2H088HA24
2H088HA27
2H088HA28
2H191FA42Z
2H191FA52Z
2H191FA56Z
2H191FA57Z
2H191FA85Z
2H191LA04
2H191LA33
2H191MA03
2H191PA42
2K203FA23
2K203FA32
2K203FA44
2K203FA52
2K203GA24
2K203GA25
2K203HA36
2K203HA63
2K203HA73
2K203HA92
2K203MA04
2K203MA12
2K203MA31
3D344AA22
3D344AA27
3D344AB01
3D344AC25
3D344AD13
(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S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S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
【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S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S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S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S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S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Sの有効な領域に入射する。図5に示すように、入射面S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S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Sから出射される。これにより、偏光変換素子16の出射面S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S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S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Sの有効な領域が、出射面Sから出射される光が入射する入射面S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Wが、入射面の有効な領域のy方向の幅W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S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S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S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)
入射面
出射面
入射面の有効領域の幅
出射面の有効領域の幅
図1
図2
図3
図4
図5
図6