特開 2024-86235 光学装置、光源装置、及び投影装置

(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】P2024086235

(43)【公開日】2024-06-27

(54)【発明の名称】光学装置、光源装置、及び投影装置

(51)【国際特許分類】

   G03B 21/14 20060101AFI20240620BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20240620BHJP

   H04N 5/74 20060101ALI20240620BHJP

   H04N 9/31 20060101ALI20240620BHJP

【ＦＩ】

G03B21/14 A

G03B21/00 F

H04N5/74 A

H04N9/31 500

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022201259

(22)【出願日】2022-12-16

(71)【出願人】

【識別番号】000001443

【氏名又は名称】カシオ計算機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002022

【氏名又は名称】弁理士法人コスモ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】岩永 正国

【テーマコード（参考）】

2K203

5C058

5C060

【Ｆターム（参考）】

2K203FA04

2K203FA25

2K203FA32

2K203GA23

2K203GA32

2K203GA33

2K203GA35

2K203HA25

2K203HA43

2K203MA05

2K203MA32

5C058BA06

5C058EA51

5C060EA00

5C060HC17

5C060JA00

5C060JA29

5C060JB06

(57)【要約】

【課題】装置を小型としつつ光量ムラを低減する光学装置、光源装置及び投影装置を提供する。
【解決手段】光学装置としてのホイール装置１５０は、偏光変換領域１５１ａを備えるホイール部材１５１を有し、偏光変換領域１５１ａは、光の入射側に設けられ、円周方向に複数配置される１／４波長板を備える第１偏光変換層１５１ａ１と、第１偏光変換層１５１ａ１の出射側に設けられ、円周方向に複数配置される１／４波長板を備える第２偏光変換層１５１ａ２と、を有し、第２偏光変換層１５１ａ２の複数の１／４拡散板１５８の各光学軸１５８ｂ２は、第１偏光変換層１５１ａ１の複数の１／４波長板１５８の各光学軸１５８ｂ１に対してズレて配置される。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

偏光変換領域を備えるホイール部材を有し、
前記偏光変換領域は、光の入射側に設けられ、前記ホイール部材の円周方向に配置される複数の１／４波長板を備える第１偏光変換層と、前記第１偏光変換層の出射側に設けられ、前記円周方向に配置される複数の１／４波長板を備える第２偏光変換層と、を有し、
前記第２偏光変換層の複数の１／４波長板の各光学軸は、前記第１偏光変換層の複数の１／４波長板の各光学軸に対してズレて配置される、光学装置。

【請求項2】

前記第１偏光変換層と、前記第２偏光変換層とは前記光の入射方向に重なって配置されている、
請求項１に記載の光学装置。

【請求項3】

前記第１偏光変換層及び前記第２偏光変換層は、それぞれ、径方向に切断した対向する２つの斜面を備える同じ開き角度の前記１／４波長板を有し、
前記第２偏光変換層の各１／４波長板は、少なくとも一部が光の入射方向に重なる前記第１偏光変換層の各１／４波長板に対して円周方向に前記開き角度の半角分ズレて配置される、
請求項２に記載の光学装置。

【請求項4】

前記ホイール部材は、透過領域を有する、請求項１に記載の光学装置。

【請求項5】

請求項１に記載の光学装置を有し、
前記ホイール部材に向けて励起光を出射可能に設けられる第１光源と、
前記励起光が照射されることにより蛍光光を出射する第２光源と、
を有し、
前記ホイール部材と前記第２光源との間の光路上には、光学面が交差して配置される第１光学面と第２光学面を備える分光光学素子が設けられ、
前記第１光学面は、前記ホイール部材から出射される光の一方の偏光方向の光を合成光路に向けて反射し、他方の偏光方向の光を前記第２光源に向けて透過し、
前記第２光学面は、前記ホイール部材から出射される光を透過し、前記第２光源からの光を前記合成光路に向けて反射する、
光源装置。

【請求項6】

出射光が前記分光光学素子に入射するよう配置される第３光源を有し、
前記第１光学面及び前記第２光学面は、前記第３光源からの出射光を前記合成光路に向けて透過する、請求項５に記載の光源装置。

【請求項7】

請求項５または６に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光源光が照射され、画像光を形成する表示素子と、
前記表示素子から出射された前記画像光をスクリーンに投影する投影光学系と、
前記表示素子と前記光源装置を制御する投影装置制御部と、
を有する投影装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光学装置、光源装置、及び投影装置に関する。

【背景技術】

【0002】

今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ画面、メモリカード等に記憶されている画像データ等をスクリーンに投影する投影装置が利用されている。この投影装置は、光源から出射された光をＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）と呼ばれるマイクロミラー表示素子や液晶板に集光させ、スクリーン上にカラー画像を表示させている。

【0003】

例えば、特許文献１には、直線状の光学軸を有する複数の１／４波長板を含む偏光変換層を備える反射領域と、緑色蛍光発光領域と、赤色蛍光発光領域とが並設された蛍光ホイールを有する光学装置と、ｓ偏光で青色波長帯域光を出射する青色レーザダイオードと、ｓ偏光の光を蛍光ホイールに向けて反射して、緑色波長帯域光、赤色波長帯域光及びｐ偏光の青色波長帯域光を透過するダイクロイックミラーと、が設けられた光源装置を有する投影装置が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６８０７０３６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の光学装置における反射領域では、偏光方向に対して各１／４波長板の光学軸が４５度であれば、入射したｓ偏光の青色波長帯域光は、１／４波長板を２回透過することでｐ偏光の直線偏光として出射される。しかしながら、光学装置の蛍光ホイールは回転するため、偏光方向に対する光学軸の角度は、４５度以外の角度となり、楕円偏光となる。この楕円偏光の楕円方向は、蛍光ホイールの回転に伴って変化する。すると、ダイクロイックミラーに入射する青色波長帯域光は、ｐ偏光の直線偏光に近い状態の楕円偏光とｐ偏光の直線偏光からやや離れた状態の楕円偏光とが周期的に変化することとなる。すると、ダイクロイックミラーを透過する青色波長帯域光は、周期的な光量ムラが生じ、ＤＭＤにおいては階調に乱れが生じてしまう。青色波長帯域光の光量ムラを解消するため、青色レーザダイオードの出力強度を周期的に増減させることも上記文献に開示されているが、そうすると、高強度な出力に対応した電源や冷却装置等の機器が必要となり、装置の大型化を招く場合がある。

【0006】

本発明は、以上の点に鑑み、装置を小型としつつ光量ムラを低減する光学装置、光源装置及び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】

【0007】

本発明の光学装置は、偏光変換領域を備えるホイール部材を有し、前記偏光変換領域は、光の入射側に設けられ、前記ホイール部材の円周方向に配置される複数の１／４波長板を備える第１偏光変換層と、前記第１偏光変換層の出射側に設けられ、前記円周方向に配置される複数の１／４波長板を備える第２偏光変換層と、を有し、前記第２偏光変換層の複数の１／４波長板の各光学軸は、前記第１偏光変換層の複数の１／４波長板の各光学軸に対してズレて配置される。

【0008】

本発明の光源装置は、上述の光学装置を有し、前記ホイール部材に向けて励起光を出射可能に設けられる第１光源と、前記励起光が照射されることにより蛍光光を出射する第２光源と、を有し、前記ホイール部材と前記第２光源との間の光路上には、光学面が交差して配置される第１光学面と第２光学面を備える分光光学素子が設けられ、前記第１光学面は、前記ホイール部材から出射される光の一方の偏光方向の光を合成光路に向けて反射し、他方の偏光方向の光を前記第２光源に向けて透過し、前記第２光学面は、前記ホイール部材から出射される光を透過し、前記第２光源からの光を前記合成光路に向けて反射する。

【0009】

本発明の投影装置は、上述の光源装置と、前記光源装置からの光源光が照射され、画像光を形成する表示素子と、前記表示素子から出射された前記画像光をスクリーンに投影する投影光学系と、前記表示素子と前記光源装置を制御する投影装置制御部と、を有する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、装置を小型としつつ光量ムラを低減する光学装置、光源装置及び投影装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る投影装置の機能回路ブロックを示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係る投影装置の内部構造を示す平面模式図である。

【図3】本発明の実施形態に係るホイール装置のホイール部材を正面側から見た模式図である。

【図4】本発明の実施形態に係るホイール装置のホイール部材の偏光変換領域の斜視図である。

【図5】本発明の実施形態に係る光源装置の励起光照射装置、固定蛍光装置、赤色光源装置からの光が分光光学素子に入射され、光源光学系の合成光路に出射される様子を示す模式図である。

【図6】本発明の実施形態に係るホイール装置のホイール部材の照射スポットに光が照射する状態であって、偏光変換領域を部分的に示す斜視図である。

【図7】本発明の実施形態に係るホイール装置のホイール部材の照射スポットに光が照射する状態が図６から変化した状態であって、偏光変換領域を部分的に示す斜視図である。

【図8】本発明の実施形態に係るホイール装置のホイール部材の照射スポットに光が照射する状態が図７から変化した状態であって、偏光変換領域を部分的に示す斜視図である。

【図9】本発明の実施形態に係るホイール装置のホイール部材の回転により変化する、第１偏光変換層の１／４波長板の光学軸とホイール部材の照射位置（照射スポットＱ）における入射する光の偏光方向とがなす角と、第１光学面により反射された後の光の明るさの関係を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図を参照して本発明の実施形態について説明する。図１は、投影装置１０の機能回路ブロック図である。投影装置制御部は、画像変換部２３と制御部３８とを含むＣＰＵ、入出力インターフェース２２を含むフロントエンドユニット、表示エンコーダ２４と表示駆動部２６等から構成される。入出力コネクタ部２１から入力された各種規格の画像信号は、入出力インターフェース２２、システムバスＳＢを介して画像変換部２３で表示に適した所定のフォーマットの画像信号に統一するように変換された後、表示エンコーダ２４に出力される。

【0013】

また、表示エンコーダ２４は、入力された画像信号をビデオＲＡＭ２５に展開記憶した上でこのビデオＲＡＭ２５の記憶内容からビデオ信号を生成して表示駆動部２６に出力する。

【0014】

表示駆動部２６は、表示エンコーダ２４から出力された画像信号に対応して適宜のフレームレートで空間的光変調素子（ＳＯＭ）である表示素子５１を駆動する。本実施形態では、表示素子５１は、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）である。投影装置１０は、光源装置６０から出射された光線束を、導光光学系１４０（図２参照）を介して表示素子５１に照射することにより、表示素子５１の反射光で画像光を形成し、投影光学系２２０（図２参照）を介して図示しないスクリーン等の被投影体に画像を投影表示する。なお、この投影光学系２２０の可動レンズ群２３５は、レンズモータ４５によりズーム調整やフォーカス調整のための駆動を行うことができる。

【0015】

また、画像圧縮／伸長部３１は、画像信号の輝度信号及び色差信号をＡＤＣＴ及びハフマン符号化等の処理によりデータ圧縮して着脱自在な記録媒体であるメモリカード３２に順次書き込む記録処理を行う。さらに、画像圧縮／伸長部３１は、再生モード時にメモリカード３２に記録された画像データを読み出し、一連の動画を構成する個々の画像データを１フレーム単位で伸長し、画像変換部２３を介して表示エンコーダ２４に出力する。よって、画像圧縮／伸長部３１は、メモリカード３２に記憶された画像データに基づいて動画等の出力を行うことができる。

【0016】

制御部３８は、投影装置１０内の各回路の動作制御を司るものであって、ＣＰＵや各種セッティング等の動作プログラムを固定的に記憶したＲＯＭ及びワークメモリとして使用されるＲＡＭ等により構成される。

【0017】

キー／インジケータ部３７は、筐体に設けられるメインキー及びインジケータ等により構成される。キー／インジケータ部３７の操作信号は、制御部３８に直接送出される。また、リモートコントローラからのキー操作信号は、Ｉｒ受信部３５で受信され、Ｉｒ処理部３６でコード信号に復調されて制御部３８に出力される。

【0018】

制御部３８はシステムバスＳＢを介して音声処理部４７と接続されている。音声処理部４７は、ＰＣＭ音源等の音源回路を備えており、投影モード及び再生モード時には音声データをアナログ化し、スピーカ４８を駆動して拡声放音させる。

【0019】

制御部３８は、光源制御回路４１を制御している。光源制御回路４１は、画像生成時に要求される所定波長帯域の光が光源装置６０から出射されるように、光源装置６０における励起光照射装置７０、赤色光源装置９０、固定蛍光装置１００、及びホイール装置１５０（図２参照）の動作を個別に制御する。

【0020】

さらに、制御部３８は、冷却ファン駆動制御回路４３に光源装置６０等に設けた複数の温度センサによる温度検出を行わせ、この温度検出の結果から冷却ファン６２（図２参照）の回転速度を制御させている。また、制御部３８は、冷却ファン駆動制御回路４３にタイマー等により投影装置１０本体の電源オフ後も冷却ファン６２の回転を持続させる、あるいは、温度センサによる温度検出の結果によっては投影装置１０本体の電源をオフにする等の制御も行う。

【0021】

次に、投影装置１０の内部構造について説明する。図２は、投影装置１０の内部構造を示す平面模式図である。ここで、投影装置１０の筐体は、略箱状に形成されて、図示しない上面パネル及び下面パネルと、正面パネル１２、背面パネル１３、右側パネル１４及び左側パネル１５を備えている。また、投影装置１０は、正面側に投影口１２ａを有する。なお、以下の説明においては、投影装置１０における左右とは投影口１２ａからの投影方向に対しての左右方向を示し、前後とは投影装置１０のスクリーン側方向及び光線束の進行方向に対しての前後方向を示す。

【0022】

投影装置１０は、その内部空間の略右後部分に光源装置６０を備える。光源装置６０と左側パネル１５の間には、光源光学系１８０や投影光学系２２０が配置されている。光源装置６０は、正面パネル１２の近傍に配置されるヒートシンク６１と、ヒートシンク６１の上方に配置される冷却ファン６２とを有する。

【0023】

光源装置６０は、青色波長帯域光を出射する励起光照射装置７０と、緑色波長帯域光を出射する緑色光源装置８０と、赤色波長帯域光を出射する赤色光源装置９０と、を備える。緑色光源装置８０は、励起光照射装置７０と固定蛍光装置１００により構成される。また、光源装置６０には、青色波長帯域光、赤色波長帯域光、緑色波長帯域光を導光する導光光学系１４０が配置されている。導光光学系１４０は、各装置（励起光照射装置７０、緑色光源装置８０、赤色光源装置９０）から出射される各色波長帯域光を光源光学系１８０の合成光路へ導光する。

【0024】

励起光照射装置７０は、ヒートシンク６１の後側に設けられる。励起光照射装置７０は、ヒートシンク６１と接続するプレート７３を有し、ホルダ７２は、プレート７３に設けられている。ホルダ７２は、第１光源とされる青色レーザダイオード７１を保持する。青色レーザダイオード７１が保持されるホルダ７２の取付面７２ａは、右側から左側に亘って下るように傾斜して設けられる。青色レーザダイオード７１は、傾斜する取付面７２ａ上に配置されている。

【0025】

なお、以下の説明では、半導体発光素子である青色レーザダイオード７１が青色波長帯域光を出射する方向をｙ軸における＋ｙ方向とし、投影装置１０の上方向をｚ軸における＋ｚ方向とし、右側パネル１４から左側パネル１５に向かう方向における、ｙ軸及びｚ軸に垂直な方向をｘ軸における＋ｘ方向とする。

【0026】

青色レーザダイオード７１の出射側の光軸上には、拡散板１４１が設けられている。青色レーザダイオード７１からの出射光は、拡散板１４１の拡散面により拡散され、拡散板１４１を透過する。

【0027】

拡散板１４１の出射側には、光学装置であるホイール装置１５０が設けられている。ホイール装置１５０には、ホイール部材１５１と、ホイールモータ１５２が設けられている。ホイール部材１５１は、ホイールモータ１５２の回転軸１５２ａ（図３参照）に固定されている。従って、ホイール部材１５１は、ホイールモータ１５２により回転可能に設けられている。ホイール部材１５１の入射側と拡散板１４１との間には、集光レンズ１５３が設けられている。ホイール部材１５１を挟んだ集光レンズ１５３の反対側であるホイール部材１５１の出射側には、集光レンズ群１５４が設けられている。

【0028】

図３に示すように、ホイール部材１５１は、偏光変換領域１５１ａと、透過領域１５１ｂが円周方向に並設して設けられている。透過領域１５１ｂは、ガラス板等により形成されて、全波長帯域の光を透過可能に形成されている。

【0029】

偏光変換領域１５１ａは、図４に示すように、第１偏光変換層１５１ａ１と、第２偏光変換層１５１ａ２の２層からなる。第１偏光変換層１５１ａ１及び第２偏光変換層１５１ａ２は、それぞれ複数の１／４波長板１５８を備えている。１／４波長板１５８は、円環を径方向で複数に切断した環状扇形とされている。従って、１／４波長板１５８は、径方向に切断した対向する２つの面としての斜面１５８ａを備える。

【0030】

斜面１５８ａを詳述すると、例えば、図４において、第１偏光変換層１５１ａ１における一の１／４波長板１５８における縁部の面Ｋ１１，Ｋ１２は、一対の対向する２つの斜面１５８ａである。第２偏光変換層１５１ａ２における一の１／４波長板１５８における縁部の面Ｋ２１，Ｋ２２は、一対の対向する２つの斜面１５８ａである。第１偏光変換層１５１ａ１及び第２偏光変換層１５１ａ２の各１／４波長板１５８は、縁部の面（例えばＫ１１，Ｋ１２，Ｋ２１，Ｋ２２）同士が接合して配置されている。なお、１／４波長板１５８は、環状扇形の他、対向する斜面１５８ａを備える台形（具体的には、底面が台形の立体）とすることもできる。

【0031】

図３に戻り、偏光変換領域１５１ａは、円環状のホイール部材１５１の一部である約９０度（例えば、８８度）の角度範囲で設けられている。第１偏光変換層１５１ａ１は、ホイール部材１５１の入射側（集光レンズ１５３側）に設けられ、第２偏光変換層１５１ａ２は、第１偏光変換層１５１ａ１の出射側（集光レンズ群１５４側）に設けられている。第１偏光変換層１５１ａ１と第２偏光変換層１５１ａ２は、重ねて配置されている。

【0032】

第１偏光変換層１５１ａ１には、複数である４枚の１／４波長板１５８が円周方向に配置されている。第２偏光変換層１５１ａ２も同様に複数の１／４波長板１５８が円周方向に配置されているが、その両端には、他の１／４波長板１５８の半分の大きさの１／４波長板１５８－１，１５８－２が配置されている。

【0033】

１／４波長板１５８－１，１５８－２における開き角度θ２（斜面１５８ａ間の角度。具体的には、対向する２つの斜面１５８ａを交わるまで延伸させたときの上記２つの斜面１５８ａが成す角度。例えば、１１度。）は、他の複数の１／４波長板１５８の開き角度θ１（斜面１５８ａ間の角度。具体的には、対向する２つの斜面１５８ａを交わるまで延伸させたときの上記２つの斜面１５８ａが成す角度。例えば、２２度。）に対して半角とされている。換言すれば、他の複数の１／４波長板１５８の開き角度は、開き角度θ１で同じである。そして、両端の１／４波長板１５８－１，１５８－２の間には、３枚の１／４波長板１５８が配置されている。第１偏光変換層１５１ａ１及び第２偏光変換層１５１ａ２は、第１偏光変換層１５１ａ１及び第２偏光変換層１５１ａ２の両端の斜面１５８ａが一致するように配置されている。

【0034】

第１偏光変換層１５１ａ１の４枚の環状扇形をした１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１は、開き角度θ１の中心線ＣＬに対して４５度傾いた方向とされている。第２偏光変換層１５１ａ２も同様に１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２は、開き角度θ１の中心線ＣＬに対して４５度傾いた方向とされている。また、その両端には、第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８の半分の大きさの１／４波長板１５８－１，１５８－２が配置され、その光学軸１５８ｂ２－１，１５８ｂ２－２は、隣接する１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２とは反対側の端部に対して４５度傾いた方向とされている。なお、図では１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂを１本の一点鎖線で示しているが、実際には複数本の光学軸１５８ｂが設けられている。

【0035】

このようにして、第２偏光変換層１５１ａ２は、第１偏光変換層１５１ａ１に対して円周方向に開き角度θ１の半角分（すなわち、開き角度θ２だけ）ズレて配置されている。換言すれば、第２偏光変換層１５１ａ２の複数の１／４波長板１５８のそれぞれは、少なくとも一部が重なる第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８に対して、ホイール部材１５１の円周方向に開き角度θ２だけズレて配置されている。ここで、図３に示すように、１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂは、直線状とされている。従って、第１偏光変換層１５１ａ１の各１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、第２偏光変換層１５１ａ２の各１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２は、（励起光照射装置７０から出射される青色帯域光の入射方向から見たときに）ズレて配置される。より具体的には、第１偏光変換層１５１ａ１の各１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、第１偏光変換層１５１ａ１の各１／４波長板１５８と少なくとも一部が青色帯域光の入射方向に重なる第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２は、（励起光照射装置７０から出射される青色帯域光の入射方向から見たときに）ズレて配置される。

【0036】

図２に戻り、集光レンズ群１５４の出射側には、分光光学素子１４３が設けられている。分光光学素子１４３の背面パネル１３側には、緑色光源装置８０の固定蛍光装置１００が設けられている。固定蛍光装置１００と分光光学素子１４３の間には、集光レンズ１４４，１４５が設けられている。第２光源としての固定蛍光装置１００は、ミラー加工された表面に緑色蛍光体層が設けられ、励起光照射装置７０からの励起光が照射されることにより、緑色蛍光体層の緑色蛍光体から全方位に緑色波長帯域の蛍光が出射される。固定蛍光装置１００からの緑色波長帯域の蛍光は、集光レンズ１４４，１４５により集光されて、分光光学素子１４３に入射される。

【0037】

固定蛍光装置１００の背面側には、伝熱プレート１０１が設けられている。伝熱プレート１０１は、ヒートパイプ１０２を介して、ヒートシンク６１と接続されている。

【0038】

また、分光光学素子１４３の右側パネル１４側には、赤色光源装置９０が設けられている。赤色光源装置９０は、第３光源とされる赤色発光ダイオード９１と、赤色発光ダイオード９１からの出射光を集光する集光レンズ９２とを有する。赤色発光ダイオード９１は、光軸をｘ軸と平行とする赤色波長帯域光を出射する半導体発光素子である。赤色発光ダイオード９１が配置される基台９３は、赤色発光ダイオード９１の出射方向と反対側で伝熱ブロック９４と接続している。伝熱ブロック９４は、伝熱プレート９４ａ、ヒートパイプ９５を介してヒートシンク６１と接続されている。

【0039】

分光光学素子１４３は、ホイール装置１５０のホイール部材１５１と固定蛍光装置１００との間の光路上（ｙ軸に平行であって、青色レーザダイオード７１の光軸と一致する光路）に設けられる。そして、分光光学素子１４３は、光学面が交差して配置される第１光学面１４３ａと第２光学面１４３ｂを備えている。分光光学素子１４３は、入射する各色波長帯域光を、ｘ軸に平行であって赤色発光ダイオード９１の光軸と一致する光路である、光源光学系１８０の光軸、すなわち合成光路に向けて出射する。

【0040】

分光光学素子１４３について、図５を用いて説明する。なお、図５は、見易くするため、各色波長帯域光の光軸はずらして記載している。また、ホイール装置１５０、赤色光源装置９０、固定蛍光装置１００、光源光学系１８０は、模式的に示している。

【0041】

分光光学素子１４３は、三角柱形状の４つのプリズム１４３－１，１４３－２，１４３－３，１４３－４が接合されてキューブ状の形状（直方体形状）とされている。各プリズム１４３－１，１４３－２，１４３－３，１４３－４は、Ｚ軸方向に垂直な断面が直角二等辺三角形となる三角柱である。４つのプリズム１４３－１，１４３－２，１４３－３，１４３－４は、上記の直角二等辺三角形における直角の角部をなす辺同士が接触するように、三角柱形状の面が透明な樹脂等により接合されている。よって、４つのプリズム１４３－１，１４３－２，１４３－３，１４３－４は、Ｚ軸方向に平行、かつ互いに直交する２つの界面である第１光学面１４３ａ、第２光学面１４３ｂを形成するように接合されている。なお、分光光学素子１４３は、４つのプリズム１４３－１，１４３－２，１４３－３，１４３－４により光学面が交差して配置されるように形成したが、クロスミラーを用いて光学面が交差して配置されるように設けても良い。

【0042】

分光光学素子１４３は、ｚ軸方向に垂直な断面が正方形であり、当該正方形の各辺が、ｘ軸方向又はｙ軸方向に平行となる向きに設けられている。分光光学素子１４３は、ホイール装置１５０と対向する位置にプリズム１４３－１が配置され、赤色光源装置９０に対向する位置にプリズム１４３－２が配置され、固定蛍光装置１００と対向する位置にプリズム１４３－３が配置され、光源光学系１８０に対向する位置にプリズム１４３－４が配置される。

【0043】

分光光学素子１４３の第１光学面１４３ａは、プリズム１４３－１，１４３－４とプリズム１４３－２，１４３－３が対向して接合する面に形成される。第１光学面１４３ａは、偏光ビームスプリッタとして機能する面とされ、直線偏光の光のうち一方の偏光方向の光（本実施形態においては、第１光学面１４３ａに対してｓ偏光となる偏光方向の励起光照射装置７０からの光）を光源光学系１８０の合成光路に向けて反射し、他方の偏光方向の光（本実施形態においては、第１光学面１４３ａに対してｐ偏光となる偏光方向の励起光照射装置７０からの光）を第２光源（固定蛍光装置１００）に向けて透過する。

【0044】

分光光学素子１４３の第２光学面１４３ｂは、プリズム１４３－１，１４３－２とプリズム１４３－３，１４３－４が対向して接合する面に形成される。第２光学面１４３ｂは、ダイクロイックミラー面とされ、ホイール部材１５１から出射される光である青色波長帯域光及び赤色光源装置９０（赤色発光ダイオード９１）からの赤色波長帯域光を透過し、第２光源（固定蛍光装置１００）からの緑色波長帯域光を反射する。

【0045】

励起光照射装置７０の青色レーザダイオード７１から出射される青色波長帯域光は、拡散板１４１、集光レンズ１５３（図２参照）を介して、ホイール装置１５０のホイール部材１５１における入射側の照射スポットＱ（図３参照）に照射される。ここで、青色レーザダイオード７１からは、図５に光ＬＢｐで示すｐ偏光の青色波長帯域光が出射されている。本実施形態では、照射スポットＱは、水平方向と平行なｐ偏光の青色波長帯域光が照射されるよう設定されている。

【0046】

照射スポットＱにホイール部材１５１の透過領域１５１ｂが位置しているときには、図５に示すように、ｐ偏光の光ＬＢｐで示す励起光照射装置７０（青色レーザダイオード７１）からの出射光はホイール部材１５１の透過領域１５１ｂに入射して、ホイール部材１５１の透過領域１５１ｂからそのままｐ偏光の光ＬＢｐが出射する。

【0047】

ホイール部材１５１の透過領域１５１ｂから出射されたｐ偏光の光ＬＢｐは、分光光学素子１４３に入射する。分光光学素子１４３に入射した光ＬＢｐは、第１光学面１４３ａ及び第２光学面１４３ｂを透過する。第２光学面１４３ｂを透過した光ＬＢｐは、励起光として固定蛍光装置１００の蛍光体層に照射される。固定蛍光装置１００からは、励起光により励起された緑色波長帯域の蛍光光である光ＬＧが出射する。

【0048】

拡散する蛍光光である光ＬＧは、集光レンズ１４４，１４５（図２参照）により集光された後、分光光学素子１４３に入射する。分光光学素子１４３に入射した光ＬＧは、第１光学面１４３ａを透過するが、第２光学面１４３ｂにより、光源光学系１８０の合成光路に向けて、光ＬＧの光軸を９０度変換して反射される。

【0049】

赤色光源装置９０の赤色発光ダイオード９１から出射される赤色波長帯域光の光ＬＲは、分光光学素子１４３に入射して第１光学面１４３ａ及び第２光学面１４３ｂを透過して分光光学素子１４３から出射する。分光光学素子１４３から出射した光ＬＲは、光源光学系１８０の合成光路に導光される。

【0050】

一方で、照射スポットＱにホイール部材１５１の偏光変換領域１５１ａが位置しているときには、偏光変換領域１５１ａに入射する励起光照射装置７０（青色レーザダイオード７１）からのｐ偏光の光ＬＢｐは、ｓ偏光の光ＬＢｓに偏光方向が変換されて偏光変換領域１５１ａから出射される。偏光変換領域１５１ａから出射した光ＬＢｓは、分光光学素子１４３に入射する。分光光学素子１４３に入射した光ＬＢｓは、第２光学面１４３ｂを透過するが、第１光学面１４３ａにより光源光学系１８０の合成光路に向けて９０度光軸を変換して反射される。

【0051】

ホイール装置１５０のホイール部材１５１は、図３に示すＤ方向、すなわち、ホイール部材１５１の出射側から見て反時計回りに回転する。ここで、青色レーザダイオード７１から出射する直線偏光の光ＬＢｐは、偏光方向が１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂに対して４５度の角度で入射すると円偏光として出射される。偏光方向の光学軸１５８ｂに対する角度が４５度以外のときは、楕円偏光となる。この楕円偏光の偏光方向（楕円の長軸の方向）は、１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂの方向となる。

【0052】

図６は、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が３４度の場合を示し、第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が４５度の場合を示している。照射スポットＱに照射されることにより第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８に入射した光ＬＢｐは、第１偏光変換層１５１ａ１により、楕円偏光に変換され出射される。第１偏光変換層１５１ａ１から出射した楕円偏光は、第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８に入射する。第２偏光変換層１５１ａ２に入射した楕円偏光は、ｓ偏光成分が多い楕円偏光の光ＬＢｓとなり出射する。

【0053】

図７は、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が４５度の場合を示し、第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が５６度から３４度に移行する場合を示している。照射スポットＱに照射される光ＬＢｑは、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８に入射する。図７の場合には、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が４５度であるので、第１偏光変換層１５１ａ１から出射される光は円偏光となる。円偏光として第２偏光変換層１５１ａ２に入射した光は、第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２が５６度または３４度となるから、ｓ偏光の偏光方向からズレた直線偏光の光ＬＢｓとして出射される。

【0054】

図８は、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が５６度の場合を示し、第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が４５度の場合を示している。照射スポットＱに照射されることにより第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８に入射した光ＬＢｐは、第１偏光変換層１５１ａ１により、楕円偏光に変換され出射される。第１偏光変換層１５１ａ１から出射した楕円偏光は、第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８に入射する。第２偏光変換層１５１ａ２に入射した楕円偏光は、ｓ偏光成分が多い楕円偏光の光ＬＢｓとなり出射する。

【0055】

図７で示すように、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が４５度の場合には、第２偏光変換層１５１ａ２からｓ偏光の偏光方向からズレた直線偏光が出射されるが、それ以外（例えば図６，８の場合）には、第２偏光変換層１５１ａ２からｓ偏光成分が多い楕円偏光が出射される。そして、第１偏光変換層１５１ａ１と第２偏光変換層１５１ａ２は、開き角度θ１の半角（θ２）分ズレて配置されるので、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と、ｐ偏光である光ＬＢｐの偏光方向のなす角が４５度（図７）の前後で、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ１と第２偏光変換層１５１ａ２の１／４波長板１５８の光学軸１５８ｂ２がズレて配置されるズレ量（例えば、光学軸１５８ｂ１と光学軸１５８ｂ２がなす角）を一定とすることができる。従って、第２偏光変換層１５１ａ２から出射される楕円偏光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の割合は略一定とすることができる。

【0056】

そうすると、図９に示す実線のように、本発明では分光光学素子１４３の第１光学面１４３ａにより反射された後の光の明るさは、周期的に変化することはなく、略一定とすることができる。そして、光学軸１５８ｂ１，１５８ｂ２のズレ量が、開き角度θ１の半角分とされているので、第２偏光変換層１５１ａ２から出射される楕円偏光についてｐ偏光成分よりもｓ偏光成分を多くすることができ、よって明るい青色波長帯域光を光源として得ることができる。

【0057】

なお、第１偏光変換層１５１ａ１と第２偏光変換層１５１ａ２は、光学軸１５８ｂ１，１５８ｂ２のズレ量が開き角度θ１の半角分以外であっても、光学軸１５８ｂ１，１５８ｂ２がズレて配置されていれば、このズレ量に応じて、第２偏光変換層１５１ａ２から出射される光についてｐ偏光成分とｓ偏光成分の周期的な変化を低減できるので、分光光学素子１４３の第１光学面１４３ａにより反射された後の光の明るさの周期的な変化を低減することができる。

【0058】

仮に、偏光変換領域１５１ａを、円周方向に分割した複数の１／２波長板の１層のみで構成した場合には、ｐ偏光の偏光方向と１／２波長板の光学軸とのなす角が周期的に変化するので、第１光学面１４３ａにより反射された後の光ＬＢｓの明るさ（光量）は、図９の破線で示すように波状に変化する。例えば、ｐ偏光の偏光方向と１／２波長板の光学軸とのなす角が３４度及び５６度のときには明るさが最小となり、４５度の時には明るさが最大となる。

【0059】

そして、上述の複数の１／２波長板を用いた場合には、各１／２波長板の繋ぎ目（すなわち、本実施形態の斜面１５８ａ同士が接合する部分に相当する部分）から直接光が透過することとなり、分光光学素子１４３で透過してしまい、固定蛍光装置１００の蛍光体層を照射してしまい、緑色波長帯域光の混色の原因となってしまう。しかしながら、本実施形態の偏光変換領域１５１ａであれば、第１偏光変換層１５１ａ１の１／４波長板１５８の繋ぎ目から直接光が入射して透過しても、第２偏光変換層１５１ａ２により少なくとも楕円偏光に変換されるので、すべての光が分光光学素子１４３で透過してしまうことはなく、よって緑色波長帯域光の混色を低減することができる。

【0060】

図２に戻り、分光光学素子１４３の左側である出射側には、光源光学系１８０が設けられる。光源光学系１８０は、集光レンズ１８１、マイクロレンズアレイ１８２、集光レンズ１８３，１８４、照射ミラー１８５、コンデンサレンズ１９５を含む。なお、コンデンサレンズ１９５は、コンデンサレンズ１９５の背面パネル１３側に配置される表示素子５１から出射された画像光を投影光学系２２０に向けて出射するので、投影光学系２２０の一部でもある。

【0061】

集光レンズ１８１は、分光光学素子１４３からの出射光が入射される。集光レンズ１８１により集光された光は、マイクロレンズアレイ１８２、集光レンズ１８３，１８４を介して、照射ミラー１８５により反射される。照射ミラー１８５により反射された光は、コンデンサレンズ１９５を介して、ＤＭＤとしての表示素子５１に所定の角度で照射される。表示素子５１は、背面パネル１３側に設けられた伝熱プレート５３及びヒートパイプ５４を介してヒートシンク６１と接続され、冷却される。

【0062】

光源光学系１８０により表示素子５１の画像形成面に照射された光源光は、表示素子５１の画像形成面で反射され、投影光として投影光学系２２０を介してスクリーン等の被投影対象に投影される。ここで、投影光学系２２０は、コンデンサレンズ１９５と、可動レンズ群２３５及び固定レンズ群２２５を内蔵する鏡筒２２１と、を含む。可動レンズ群２３５を備える鏡筒２２１は、可変焦点型レンズとされ、ズーム調節やフォーカス調節が可能に形成される。

【0063】

このように投影装置１０を構成することで、光学装置であるホイール装置１５０のホイール部材１５１を回転させながら励起光照射装置７０から光を出射すると、青色、緑色及び赤色の各波長帯域光が分光光学素子１４３を介して光源光学系１８０の合成光路に入射し、表示素子５１に入射される。そのため、投影装置１０の表示素子５１であるＤＭＤがデータに応じて各色の光を時分割表示することにより、スクリーンにカラー画像を投影することができる。

【0064】

以上、本発明の実施形態によると、光学装置としてのホイール装置１５０は、偏光変換領域１５１ａを備えるホイール部材１５１を有し、偏光変換領域１５１ａは、光の入射側に設けられ、ホイール部材１５１の円周方向に配置される複数の１／４波長板を備える第１偏光変換層１５１ａ１と、第１偏光変換層１５１ａ１の出射側に設けられ、円周方向に配置される複数の１／４波長板を備える第２偏光変換層１５１ａ２と、を有し、第２偏光変換層１５１ａ２の複数の１／４波長板１５８の各光学軸１５８ｂ２は、第１偏光変換層１５１ａ１の複数の１／４波長板１５８の各光学軸１５８ｂ１に対してズレて配置される。

【0065】

これにより、ｐ偏光とｓ偏光の変換を、ホイール部材１５１（ホイール装置１５０）の偏光変換領域１５１ａにより行うことができるので、装置を小型とすることができると共に、ホイール部材１５１から出射される光におけるｐ偏光成分とｓ偏光成分の周期的な変化に起因する周期的な光量ムラを低減することができる。

【0066】

また、第１偏光変換層１５１ａ１と第２偏光変換層１５１ａ２とは光の入射方向に重なって配置されている。これにより、ホイール部材１５１の厚みを薄くすることができるので、より一層装置を小型とすることができる。

【0067】

また、第１偏光変換層１５１ａ１及び第２偏光変換層１５１ａ２は、それぞれ、径方向に切断した対向する２つの斜面１５８ａを備える同じ開き角度θ１の１／４波長板１５８を有し、第２偏光変換層１５１ａ２の各１／４波長板１５８は、少なくとも一部が光の入射方向に重なる第１偏光変換層１５１ａ１の各１／４波長板１５８に対して円周方向に前記開き角度θ１の半角分ズレて配置される。

【0068】

これにより、ホイール部材１５１から出射される光の明るさを略一定とすることができるので、周期的な光量ムラをより低減することができる。

【0069】

また、ホイール部材１５１は、透過領域１５１ｂを有する。これにより、励起光照射装置７０からの出射光を透過させて固定蛍光装置１００に照射する構成に利用できるホイール装置１５０とすることができる。

【0070】

また、光源装置６０は、ホイール装置１５０と、ホイール部材１５１に向けて励起光を出射可能に設けられる第１光源である青色レーザダイオード７１と、励起光が照射されることにより蛍光光を出射する第２光源としての固定蛍光装置１００とを有し、ホイール部材１５１と第２光源である固定蛍光装置１００との間の光路上には、交差して配置される第１光学面１４３ａと第２光学面１４３ｂを備える分光光学素子１４３が設けられ、第１光学面１４３ａは、ホイール部材１５１から出射される光の一方の偏光方向（ｓ偏光）の光である光ＬＢｓを光源光学系１８０の合成光路に向けて反射し、他方の偏光方向の光（ｐ偏光）である光ＬＢｐを第２光源である固定蛍光装置１００に向けて透過し、第２光学面１４３ｂは、ホイール部材１５１から出射される青色波長帯域光の光ＬＢｐ、光ＬＢｓを透過し、第２光源である固定蛍光装置１００からの光ＬＧを光源光学系１８０の合成光路に向けて反射する。

【0071】

これにより、小型の光学装置であるホイール装置１５０と分光光学素子１４３により、青色レーザダイオード７１からの光を青色波長帯域の光源光としつつ、緑色波長帯域の蛍光光を発光する蛍光体を励起するための励起光とすることができ、小型で光量ムラが低減された光源装置を提供することができる。

【0072】

また、出射光が分光光学素子１４３に入射するよう配置される第３光源としての赤色発光ダイオード９１を有し、第１光学面１４３ａ及び第２光学面１４３ｂは、第３光源からの出射光である赤色波長帯域光を合成光路に向けて透過する。これにより、３色光源を備えた光源装置６０を提供することができる。

【0073】

また、投影装置１０は、光源装置６０と、光源装置６０からの光源光が照射され、画像光を形成する表示素子５１と、表示素子５１から出射された画像光をスクリーンに投影する投影光学系２２０と、表示素子５１と光源装置６０を制御する投影装置制御部と、を有する。これにより、安定した明るい光源光により画面全体（特に画面の広い範囲の白色部や青色部）のチラツキを減少させて、光量ムラによる諧調乱れを低減した投影装置１０を提供することができる。

【0074】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0075】

１０ 投影装置 １２ 正面パネル
１２ａ 投影口 １３ 背面パネル
１４ 右側パネル １５ 左側パネル
２１ 入出力コネクタ部 ２２ 入出力インターフェース
２３ 画像変換部 ２４ 表示エンコーダ
２５ ビデオＲＡＭ ２６ 表示駆動部
３１ 画像圧縮／伸長部 ３２ メモリカード
３５ Ｉｒ受信部 ３６ Ｉｒ処理部
３７ キー／インジケータ部 ３８ 制御部
４１ 光源制御回路 ４３ 冷却ファン駆動制御回路
４５ レンズモータ ４７ 音声処理部
４８ スピーカ ５１ 表示素子
５３ 伝熱プレート ５４ ヒートパイプ
６０ 光源装置 ６１ ヒートシンク
６２ 冷却ファン ７０ 励起光照射装置
７１ 青色レーザダイオード ７２ ホルダ
７２ａ 取付面 ７３ プレート
８０ 緑色光源装置 ９０ 赤色光源装置
９１ 赤色発光ダイオード ９２ 集光レンズ
９３ 基台 ９４ 伝熱ブロック
９４ａ 伝熱プレート ９５ ヒートパイプ
１００ 固定蛍光装置 １０１ 伝熱プレート
１０２ ヒートパイプ １４０ 導光光学系
１４１ 拡散板 １４３ 分光光学素子
１４３－１ プリズム １４３－２ プリズム
１４３－３ プリズム １４３－４ プリズム
１４３ａ 第１光学面 １４３ｂ 第２光学面
１４４ 集光レンズ １４５ 集光レンズ
１５０ ホイール装置 １５１ ホイール部材
１５１ａ 偏光変換領域 １５１ａ１ 第１偏光変換層
１５１ａ２ 第２偏光変換層 １５１ｂ 透過領域
１５２ ホイールモータ １５２ａ 回転軸
１５３ 集光レンズ １５４ 集光レンズ群
１５８ １／４波長板 １５８－１ １／４波長板
１５８－２ １／４波長板
１５８ａ 斜面 １５８ｂ 光学軸
１５８ｂ１ 光学軸 １５８ｂ２ 光学軸
１５８ｂ２－１ 光学軸 １５８ｂ２－２ 光学軸
１８０ 光源光学系 １８１ 集光レンズ
１８２ マイクロレンズアレイ １８３ 集光レンズ
１８４ 集光レンズ １８５ 照射ミラー
１９５ コンデンサレンズ ２２０ 投影光学系
２２１ 鏡筒 ２２５ 固定レンズ群
２３５ 可動レンズ群

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】