JP2018141872A

JP2018141872A - プロジェクター

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Publication number: JP2018141872A
Application number: JP2017035978A
Authority: JP
Inventors: 洋一宍戸; Yoichi Shishido
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2017-02-28
Filing date: 2017-02-28
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-02-28
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Abstract

【課題】高い光利用効率が得られる、プロジェクターを提供する。【解決手段】固体光源と、固体光源からの光の回折を動的に制御する回折素子と、回折素子から射出された回折光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変調装置と、画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクターに関する。【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクターに関するものである。

従来、プロジェクターにおいて、液晶パネルに入射する光の偏光方向を所定方向に変換
する偏光変換光学系を備えたものがある（例えば、下記特許文献１参照）。

特開平８−３０４７３９号公報

しかしながら、上記従来技術においては、黒色表示の際、液晶パネルの光射出側偏光板
で光を吸収する構造を採用するため、光を有効に活用できていなかった。そこで、高い光
利用効率を得ることが可能な新たな技術の提供が望まれていた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、高い光利用効率が得られる、
プロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の態様に従えば、固体光源と、前記固体光源からの光の回折を動的に制御する回
折素子と、前記回折素子から射出された回折光を画像情報に応じて変調して画像光を生成
する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクターが提供
される。

第１態様に係るプロジェクターによれば、回折素子により表示画像に合わせて固体光源
からの光を動的に再分配することで、従来、偏光板で吸収されていた成分を画像光として
有効利用することができる。よって、高い光利用効率を実現できる。

上記態様において、前記光源と前記回折素子との光路上に配置され、前記固体光源から
の光を平行化するコリメートレンズをさらに備えるのが好ましい。

この構成によれば、コリメートレンズによって平行光に変換した光を回折素子に入射さ
せることができる。これにより、回折像のシフトが低減されるので、光変調装置の所定の
領域に回折光を照明することができる。

上記態様において、前記固体光源は矩形状の発光領域を有し、前記発光領域の長辺方向
における発散角が前記発光領域の短辺方向における発散角よりも小さく、前記コリメート
レンズは、前記発光領域の長辺方向に対応する第１のレンズ面と前記発光領域の短辺方向
に対応する第２のレンズ面とを含むのが好ましい。

この構成によれば、長辺方向及び短辺方向において発散角が異なる発光領域から射出さ
れた光を良好に平行化することができる。

上記態様において、前記第１のレンズ面の焦点距離は、前記第２のレンズ面の焦点距離
よりも長いのが好ましい。
さらに、前記回折素子の光入射領域が矩形状の場合において、前記固体光源及び前記回
折素子は、前記発光領域の短辺方向と前記光入射領域の短辺方向とを一致させるように配
置されるのが望ましい。

この構成によれば、回折素子に入射する光の画角を０．０３度以下に抑えつつ、回折素
子上に入射光を良好に入射させることができる。よって、回折像のシフトを抑えることで
、所望の回折パターンによって光変調装置の所定の領域を照明することができる。

上記態様において、前記固体光源を複数備えており、前記複数の固体光源は、少なくと
も前記発光領域の短辺方向に沿って配列されているのが好ましい。

この構成によれば、回折素子に入射する光の画角を０．０３度以下に抑えつつ、回折素
子に入射する入射光の出力を向上できる。

上記態様において、前記複数の固体光源は、前記発光領域の短辺方向及び長辺方向に沿
って配列されており、前記短辺方向における前記固体光源の配列数は、前記長辺方向にお
ける前記固体光源の配列数よりも多いのが好ましい。

この構成によれば、回折素子に入射する光の画角を抑えつつ、回折素子に入射する入射
光の出力をより向上できる。

上記態様において、前記回折素子は反射型液晶装置で構成され、前記固体光源からの光
は前記回折素子の光入射領域に対して斜め入射する場合において、前記反射型液晶装置の
液晶層の厚さは、電源ＯＮ時及び電源ＯＦＦ時に前記液晶層を透過する光の位相差が２π
となるように、設定されているのが好ましい。

この構成によれば、回折素子が斜め入射する入射光についても、各回折領域において位
相差を０〜２πの範囲で調整することができる。これにより、各回折領域において回折角
度を精度良く制御することができる。

第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図。照明装置の概略構成を示す図。回折素子の回折領域と光変調装置との対応関係を示す図。プロジェクターの回路構成を示す回路ブロック図。固体光源から射出された光Ｌの放射角度分布の説明図。光の画角及びビーム径を概念的に示す図。比較例のコリメートレンズが形成するスポットを示した図。表２に示す条件のコリメートレンズが形成するスポットを示した図。表３に示す条件のコリメートレンズが形成するスポットを示した図。表４に示す条件のコリメートレンズが形成するスポットを示した図。変形例に係る固体光源の配列を示す概略構成図。第２実施形態のプロジェクターを示す概略構成図。第３実施形態のプロジェクターを示す概略構成図。第４実施形態のプロジェクターを示す概略構成図。回折素子に対して垂直入射する場合の位相差の説明図。回折素子に対して斜め入射する場合の位相差の説明図。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる
部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであると
は限らない。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
図１に示すように、プロジェクター１は、第１照明装置２Ｒと、第２照明装置２Ｇと、
第３照明装置２Ｂと、ミラー３Ｒ，３Ｂと、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装
置４Ｂと、光合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。

第１照明装置２Ｒは赤色光ＬＲを射出する。第２照明装置２Ｇは緑色光ＬＧを射出する
。第３照明装置２Ｂは青色光ＬＢを射出する。ミラー３Ｒは赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒ
に向けて反射する。ミラー３Ｂは青色光ＬＢを光変調装置４Ｒに向けて反射する。光変調
装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂはそれぞれ、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色
光ＬＢを画像情報に応じて変調し、各色の画像光を形成する。

本実施形態において、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々
は、液晶パネルから構成されている。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装
置４Ｂの各々は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を通過させる間に、
赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を画像情報に応じて変調し、各色に対
応した画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各
々の光入射側および光射出側には、偏光板（図示略）がそれぞれ配置されている。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々の光入射側には、光変
調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々に入射する赤色光ＬＲ、緑色
光ＬＧ、および青色光ＬＢの各々を平行化するフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレン
ズ１０Ｇ，およびフィールドレンズ１０Ｂが設けられている。

光合成光学系５は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。光合成光学系
５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々からの各色の画像
光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向かって射出する。

投射光学系６は、投射レンズ群から構成されている。投射光学系６は、光合成光学系５
により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって拡大投射する。これにより、スク
リーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

続いて、第１照明装置２Ｒ、第２照明装置２Ｇ及び第３照明装置２Ｂの構成について説
明する。第１照明装置２Ｒ、第２照明装置２Ｇ及び第３照明装置２Ｂは照明光の色が異な
る以外の基本的な構成は同一である。以下では、第１照明装置２Ｒ、第２照明装置２Ｇ及
び第３照明装置２Ｂを総称して照明装置２と呼び、該照明装置２の構成について説明する
。

図２は照明装置２の概略構成を示す図である。
図２に示すように、照明装置２は、固体光源２１と、コリメートレンズ２２と、回折素
子２３とを備えている。

本実施形態において、固体光源２１は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ或いは青色光ＬＢ等の
レーザー光からなる光Ｌを射出するレーザーダイオードから構成される。コリメートレン
ズ２２は、光Ｌを平行光に変換して回折素子２３に入射させる。回折素子２３は、光Ｌが
入射する光入射領域（光入射面）２３ａを有しており、該光入射領域２３ａの平面形状が
矩形である。本実施形態において、回折素子２３の光入射領域２３ａは、短辺方向のサイ
ズが４．０ｍｍであり、長辺方向のサイズが６．４ｍｍである。回折素子２３は、コリメ
ートレンズ２２からの光の回折を動的に制御する。

まず、回折素子２３の構成について説明し、固体光源２１及びコリメートレンズ２２の
詳細については後述する。

回折素子２３はコリメートレンズ２２からの光Ｌを入射させる複数の領域を有し、領域
毎に光Ｌの進行方向を制御信号に応じて変化させる。本実施形態において、回折素子２３
は、回折光学素子（Diffractive Optical Elements；ＤＯＥ）から構成され、例えば、一
対のガラス板の間に透明電極板を介して液晶分子を封入した液晶パネルから構成される。
この場合、所定パターンの透明電極を介して電圧を印加することにより、上記各領域に、
液晶分子による回折格子が形成される。

回折素子２３に設定された各画素領域（以下、回折領域と称す場合もある）の数は、光
変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを構成する液晶パネルの画素数と同じである。なお、回折素子
２３の各画素領域は光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを構成する液晶パネルの画素数と同じで
ある必要は無く、異なっていても良い。

回折素子２３は、回折領域に電圧を印加していない場合、回折領域を透過した光はその
まま直進して光変調装置４Ｒの対応する画素に照射される。一方、回折領域に所定の電圧
が印加されると、回折領域を透過した光は回折領域によって所定角度だけ回折され、所望
の画素に照射される。

本実施形態において、回折素子２３は、印可電圧を調整することによって回折領域によ
る回折角度を制御可能となっている。回折素子２３による回折作用は、狭波長帯かつ高指
向性の光ほど効率よく発現される。本実施形態において、固体光源２１から射出される光
Ｌはレーザー光であるため、回折素子２３は各回折領域の印可電圧を制御することで光変
調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの所定の領域に回折した光を入射することが可能となっている。

図３は回折素子２３の回折領域と光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂとの対応関係を示す図で
ある。図３では、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域に画像パターンＧＰを形成
するものとする。画像パターンＧＰは、例えば、４×４のチェッカーパターンから構成さ
れ、暗部ＧＰ１と明部ＧＰ２とを含む。ここで、暗部ＧＰ１は、従来、光射出側の偏光板
によって光を吸収することで形成されていた。

図３に示すように、回折素子２３は複数の回折領域２４の印加電圧を制御することで、
光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂに形成される画像パターンＧＰに対応した回折光パターンＫ
Ｐを形成する。回折光パターンＫＰは暗部ＫＰ１と明部ＫＰ２とを含む。暗部ＫＰ１は、
画像パターンＧＰの暗部ＧＰ１に対応し、明部ＫＰ２は画像パターンＧＰの明部ＧＰ２に
対応する。

回折光パターンＫＰの暗部ＫＰ１は、回折素子２３の光入射領域２３ａの全域に入射し
た光を回折することで明部ＫＰ２に分配した結果、生成されたものである。そのため、回
折素子２３は、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂにおいて光射出側の偏光板で、従来吸収され
ていた成分（画像パターンＧＰの暗部ＧＰ１）の光を回折することで画像光（画像パター
ンＧＰの明部ＧＰ２）として有効利用している。

図４は、プロジェクター１の回路構成を示す回路ブロック図である。図４に示すように
、プロジェクター１は、画像信号生成部７と、パネル駆動部８と、回折素子駆動部９と、
演算制御部１０とを備える。画像信号生成部７は、入力映像信号をもとに光変調装置４Ｒ
，４Ｇ，４Ｂをそれぞれ駆動するための信号を色毎に生成し、演算制御部１０に供給する
。演算制御部１０は、画像信号生成部７により生成された各色の駆動信号をパネル駆動部
８に供給する。

パネル駆動部８は、供給された各色の駆動信号に応じて、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ
を駆動する。演算制御部１０は、入力映像信号のうち輝度信号から各画素の明るさ情報を
取得し、回折素子２３により形成する回折光パターン（画像光を生成する画素領域を照明
するパターン）を算出する。

そして、演算制御部１０は、算出した回折光パターンを形成するように回折素子駆動部
９を駆動する。回折素子駆動部９は、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの所定の画素領域を照
明する回折光パターンを形成するように各回折領域に対する印加電圧を制御する制御信号
を回折素子２３に供給する。

このような構成に基づき、本実施形態の照明装置２は、表示画像に合わせて照明光を動
的に再分配することで、従来、偏光板で吸収されていた成分を画像光として有効利用する
ことが可能となっている。よって、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂにおける暗い画素に照射
する光を暗くするとともに、明るい画素に照射する光を明るくするので、高コントラスト
の画像を表示することができる。

ところで、回折素子２３を用いて光制御を行う場合、回折素子２３への光入射角度に比
例して回折像がシフトするといった問題が起こる。このような回折像のシフトが生じると
、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの所定の画素領域に回折光を入射させることができず、光
変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂにおいて所望の画像を生成できず、画像光の劣化を招くおそれ
がある。

これに対し、本実施形態では、コリメートレンズ２２を用いることで固体光源２１から
の光Ｌを平行光に変換するようにしている。これにより、回折素子２３に対する光入射角
度を抑えることで回折像のシフトを低減している。

一般的に、固体光源２１の発光領域は長方形形状であり、放射角度分布が上下、左右方
向で異なっている。すなわち、放射角度分布に異方性を持っている。以下、固体光源２１
の放射角度分布について説明する。

図５は固体光源２１から射出された光Ｌの放射角度分布の説明図である。なお、図５で
は、説明の都合上、コリメートレンズ２２も図示している。
図５に示すように、固体光源２１は、光を射出する発光領域２１ａ（光射出面）を有し
ている。発光領域２１ａは、射出される光の主光線Ｌａの方向から視て長辺方向Ｗ１と短
辺方向Ｗ２とを有した略矩形状の平面形状を有している。

図５を用いた説明において、ＸＹＺ座標系を用いて説明する。図５において、Ｘ方向は
発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１を規定し、Ｙ方向は発光領域２１ａから射出される光の主
光線の方向を規定し、Ｚ方向はＸ方向及びＹ方向にそれぞれ直交する方向であって発光領
域２１ａの短辺方向Ｗ２を規定する。

本実施形態において、発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１の幅は例えば４０μｍであり、発
光領域２１ａの短辺方向Ｗ２の幅は例えば、１μｍであるが、発光領域２１ａの形状はこ
れに限定されない。

固体光源２１から射出される光Ｌは、長辺方向Ｗ１と平行な偏光方向を有する直線偏光
からなる。光Ｌの短辺方向Ｗ２への拡がりは、光Ｌの長辺方向Ｗ１への拡がりよりも大き
い。本実施形態において、光Ｌの長辺方向Ｗ１への拡がり角度（発散角度）の最大値（最
大発散角度）は例えば９度であり、短辺方向Ｗ２への拡がり角度（発散角度）の最大値（
最大発散角度）は例えば４５度である。光Ｌの断面形状ＢＳは、短辺方向Ｗ２を長軸方向
とした楕円形状となっている。
すなわち、光Ｌは発散角度の分布に異方性を有したものとなっている。

ここで、回折素子２３に入射する光Ｌの画角及びビーム径は、以下のようにして計算す
ることができる。図６は光Ｌの画角及びビーム径を概念的に示す図である。図６において
、ａは固体光源２１の発光点サイズ（発光領域２１ａの大きさ）の半幅に相当し、θは光
Ｌの画角（単位は度（ｄｅｇ））に相当し、Ｗは光Ｌのビーム径に相当し、θ_Ｌは光Ｌの
放射角度（最大放射角度；単位は度（ｄｅｇ））に相当し、ｆはコリメートレンズ２２が
有するレンズ面の焦点距離に相当する。なお、発光領域２１ａは所定の大きさを持つため
、発光領域２１ａから射出された光はコリメートレンズ２２により平行化され、回折素子
２３の光入射領域２３ａ上にて一点で重ならない。

図６に示すように、画角θを式（１）で規定することができ、ビーム径ｒを式（２）で
規定することができる。

θ＝ａｔａｎ（ａ／ｆ） …式（１）
ｒ＝ｆ・ｔａｎθ_Ｌ …式（２）

上記式（１）、（２）より、コリメートレンズ２２の焦点距離ｆを長くすると、画角θ
を抑えられるものの、ビーム径ｒが太くなってしまい、結果的に製品サイズが大型化して
しまう。

また、本実施形態の固体光源２１から射出される光Ｌは発散角度の分布に異方性を有し
ている。

ここで、比較例として、光軸に対して回転対称な形状のコリメートレンズを用いて光Ｌ
を平行光に変換する場合について説明する。

下記の表１は、比較例のコリメートレンズ（回転対称形状のレンズ）を用いた場合の画
角θ及びビーム径ｒを上記式（１）、（２）から計算した結果を示すものである。表１は
、固体光源２１の発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１及び短辺方向Ｗ２における、焦点距離ｆ
、放射角度θ_Ｌ、ビーム幅Ｒ（ビーム径ｒの２倍）、発光点サイズａ（発光領域２１ａの
大きさ）、画角θそれぞれの計算結果を示した表である。

表１に示すように、回転対称形状のコリメートレンズ２２Ａを用いる場合、長辺方向Ｗ
１及び短辺方向Ｗ２の焦点距離ｆはいずれも４．８ｍｍと等しくなる。このような回転対
称形状のコリメートレンズ２２Ａを用いると、ビーム径ｒ及び画角θが長辺方向Ｗ１及び
短辺方向Ｗ２で異なる。

図７は比較例に係るコリメートレンズ２２Ａを透過した光Ｌにより回折素子２３上に形
成されるスポットＳＰを示した図である。図７において、固体光源２１及び回折素子２３
は、発光領域２１ａの短辺方向Ｗ２と回折素子２３の光入射領域２３ａの短辺方向とを一
致させるように配置されているものとする。

図７に示すように、回折素子２３の光入射領域２３ａには、長軸方向の長さが４．０ｍ
ｍ、短軸方向の長さが０．８ｍｍの略楕円状のスポットＳＰが形成される。スポットＳＰ
は、光入射領域２３ａの短辺方向の大きさは十分であるものの、光入射領域２３ａの長辺
方向の大きさは小さい。そのため、光入射領域２３ａを有効的に利用できていなかった。

本発明者は、回折素子２３に入射する光Ｌの画角θが０．０３度よりも大きくなると、
上述した回折像のシフトが顕著に生じるとの知見を得た。しかしながら、光Ｌの画角θは
、短辺方向Ｗ２において十分小さい（０．００６度）ものの、長辺方向Ｗ１において非常
に大きくなる（０．２４度）。

このように回転対称形状のコリメートレンズ２２Ａを用いると、光利用効率が低く、且
つ、回折像のシフトを低減することが難しかった。

これに対し、本実施形態では、図５に示したように、第１のレンズ面２５ａを有する第
１のレンズ２５と、第２のレンズ面２６ａを有する第２のレンズ２６とを有するコリメー
トレンズ２２を用いた。

第１のレンズ面２５ａを有する第１のレンズ２５は、光Ｌの長辺方向Ｗ１に対応し、該
長辺方向Ｗ１と平行な面内においてシリンドリカルレンズとして機能し、発光領域２１ａ
から射出された光ＬをＸＹ平面と平行な面内にて平行化する面である。すなわち、第１の
レンズ面２５ａは、長辺方向Ｗ１に母線を持つシリンドリカル面から構成され、長辺方向
Ｗ１に拡がる光Ｌを平行化する。

第２のレンズ面２６ａを有する第２のレンズ２６は、光Ｌの短辺方向Ｗ２に対応し、該
短辺方向Ｗ２と平行な面内においてシリンドリカルレンズとして機能し、発光領域２１ａ
から射出された光ＬをＹＺ平面と平行な面内にて平行化する面である。すなわち、第２の
レンズ面２６ａは、短辺方向Ｗ２に母線を持つシリンドリカル面から構成され、短辺方向
Ｗ２に拡がる光Ｌを平行化する。
なお、コリメートレンズ２２としては、一方面側に第１のレンズ面２５ａを有し、他方
面側に第２のレンズ面２６ａを有した１枚構成のものを用いても良い。

続いて、本実施形態のコリメートレンズ２２を用いて光Ｌを平行光に変換する場合につ
いて説明する。

下記の表２、表３は、本実施形態のコリメートレンズ２２を用いた場合の画角θ及びビ
ーム径ｒを上記式（１）、（２）から計算した結果を示すものである。

表２、３は、固体光源２１の発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１及び短辺方向Ｗ２における
、焦点距離ｆ、放射角度θ_Ｌ、ビーム幅Ｒ（ビーム径ｒの２倍）、発光点サイズａ（発光
領域２１ａの大きさ）、画角θそれぞれの計算結果を示したものである。

なお、表２に示す計算条件では、発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１と回折素子２３の光入
射領域２３ａの短辺方向とを一致させるように固体光源２１及び回折素子２３が配置され
る。一方、表３に示す計算条件では、発光領域２１ａの短辺方向Ｗ２と回折素子２３の光
入射領域２３ａの短辺方向とを一致させるように固体光源２１及び回折素子２３が配置さ
れる。すなわち、表２に示す条件と表３に示す条件とでは、回折素子２３に対する固体光
源２１の配置が９０度異なっている。

表２に示すコリメートレンズ２２では、長辺方向Ｗ１に拡がる光Ｌに対応する第１のレ
ンズ面２５ａの焦点距離（２５．５ｍｍ）を、短辺方向Ｗ２に拡がる光Ｌに対応する第２
のレンズ面２６ａの焦点距離（７．７ｍｍ）よりも長くしている。

図８は表２に示すコリメートレンズ２２を透過した光Ｌにより回折素子２３上に形成さ
れるスポットＳＰ１を示した図である。
図８に示すように、回折素子２３上には、長軸方向の長さが６．４ｍｍ、短軸方向の長
さが４．０ｍｍの略楕円状のスポットＳＰ１が形成される。スポットＳＰ１は、比較例の
スポットＳＰに比べて光入射領域２３ａの長辺方向に十分大きくなっている。そのため、
光入射領域２３ａの全域を利用できるので、所望の回折パターンを形成できる。

また、光Ｌの画角θは短辺方向Ｗ２において０．００６度と小さく抑えることができる
。しかしながら、光Ｌの画角θは長辺方向Ｗ１において０．０４度と０．０３度よりも僅
かに大きくなってしまい、回折像の低減効果が低くなる。

一方、表３に示すコリメートレンズ２２では、長辺方向Ｗ１に拡がる光Ｌに対応する第
１のレンズ面２５ａの焦点距離（図５に示すｆ_１を４０．５ｍｍ）を、短辺方向Ｗ２に拡
がる光Ｌに対応する第２のレンズ面２６ａの焦点距離（図５に示すｆ_２を４．８ｍｍ）よ
りも長くしている。

ここで、固体光源２１から射出される光Ｌの発散角が大きい場合、焦点距離（固体光源
２１とレンズとの距離）を短くしないとその分だけレンズが大きくなってしまう。そのた
め、発散角が大きい光に対応するレンズは焦点距離を短くした方が良い。本実施形態では
、発散角が大きく画角の小さい発光領域２１ａの短辺方向Ｗ２に対応する第２のレンズ２
６（第２のレンズ面２６ａ）の焦点距離ｆ_２を短くするため、比較的焦点距離を短くして
も画角が大きくなり難い。よって、発光領域２１ａの短辺方向Ｗ２における画角を拡げる
ことなく、第２のレンズ２６の小型化を図ることができる。

また、発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１において画角を小さく抑えるためには焦点距離（
固体光源２１とレンズの距離）を長くすれば良い。本実施形態において、発光領域２１ａ
の長辺方向Ｗ１の発散角は小さいため、長辺方向Ｗ１に対応するレンズ（第１のレンズ面
２５ａを有する第１のレンズ２５）の焦点距離を長くした場合でも、該第１のレンズ２５
は大きくなり難い。よって、発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１における画角を拡げることな
く、第１のレンズ２５の小型化を図ることができる。
したがって、本実施形態によれば、コリメートレンズ２２を構成する各レンズ１２２，
１２３を小型化することができる。

図９は表３に示すコリメートレンズ２２を透過した光Ｌにより回折素子２３上に形成さ
れるスポットＳＰ２を示した図である。
図９に示すように、回折素子２３上には、長軸方向の長さが６．４ｍｍ、短軸方向の長
さが４．０ｍｍの略楕円状のスポットＳＰ２が形成される。スポットＳＰ２は、スポット
ＳＰ１と同様に、光入射領域２３ａの全域を利用できるので、所望の回折パターンを形成
できる。

また、光Ｌの画角θは、短辺方向Ｗ２において０．００６度、長辺方向Ｗ１において０
．０３度といずれも小さく抑え得ることができる。よって、表３から分かるように、発光
領域２１ａの短辺方向Ｗ２と回折素子２３の光入射領域２３ａの短辺方向とを一致させる
ように固体光源２１及び回折素子２３を配置すれば、回折像のシフトを低減できる。

以上のように、本実施形態の照明装置２では、表３に示した条件を満たすように、発光
領域２１ａの短辺方向Ｗ２と回折素子２３の光入射領域２３ａの短辺方向とを一致させる
ように固体光源２１及び回折素子２３を配置している。

本実施形態の照明装置２によれば、コリメートレンズ２２を構成する各レンズ１２２，
１２３の大型化を抑制するとともに、光Ｌの画角θを０．０３度以下に抑えて、光入射領
域２３ａの全域に光Ｌを良好に入射させることができる。よって、回折像のシフトを抑え
ることで、所望の回折パターンによって光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの所定の領域を照明
することができる。また、偏光板による光吸収が低減されるため、熱による負荷が低減さ
れて光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの信頼性を向上できる。

本実施形態のプロジェクター１によれば、上記照明装置２を備えるので、光利用効率が
高く明るい画像を表示することができる。また、光変調装置４における暗い画素に照射す
る光を暗くするとともに、明るい画素に照射する光を明るくするので、高コントラストの
画像を表示することができる。

なお、本実施形態の照明装置２は、固体光源２１を１つ備える場合を例に挙げたが、固
体光源２１の数はこれに限定されない。すなわち、固体光源２１を複数備えていても良い
。

下記の表４は、複数の固体光源２１を用いた場合の画角θ及びビーム径ｒを上記式（１
）、（２）から計算した結果を示すものである。なお、表４に示す計算条件では、発光領
域２１ａの短辺方向Ｗ２と回折素子２３の光入射領域２３ａの短辺方向とを一致させるよ
うに固体光源２１及び回折素子２３が配置されている。

表４に示すように、照明装置２の出力を向上させるには、画角０．００６ｍｍと十分に
小さい短辺方向Ｗ２に対応する第２のレンズ面２６ａの焦点距離を短くし、短辺方向Ｗ２
に複数の固体光源２１を並べて配置すればよい。

例えば、光Ｌの短辺方向Ｗ２における画角θを回折像のシフトへの影響を及ぼさない０
．０３度以内に収めるように短辺方向Ｗ２に拡がる光Ｌに対応する第２のレンズ面２６ａ
の焦点距離（１ｍｍ）を設定すればよい。この場合、５つの固体光源２１を縦方向（図２
に示したＺ方向）に配置することができる。

図１０は表４に示すコリメートレンズ２２Ｂを透過した光Ｌにより回折素子２３上に形
成されるスポットＳＰ３を示した図である。
図１０に示すように、回折素子２３上には、長軸方向の長さが６．４ｍｍ、短軸方向の
長さが０．８ｍｍの略楕円状のスポットＳＰ３が５つ形成される。このように本構成によ
れば、光入射領域２３ａ上に５つのスポットＳＰ３を形成するので、該光入射領域２３ａ
の全域を有効利用することができる。

また、上記説明では複数の固体光源２１を短辺方向Ｗ２に沿って一列に配列する場合を
例に挙げたが、短辺方向Ｗ２及び長辺方向Ｗ１のそれぞれに沿って固体光源２１を配列す
るようにしても良い。この場合において、短辺方向Ｗ２における固体光源の配列数は、長
辺方向Ｗ１における固体光源２１の配列数よりも多くするのが望ましい。

例えば、図１１に示すように、固体光源２１を６つ配置する場合において、発光領域２
１ａの短辺方向Ｗ２の配列数を３つとし、発光領域２１ａの長辺方向Ｗ１の配列数を２つ
とすればよい。このようにすれば、光Ｌの画角を抑えつつ、光入射領域２３ａに入射する
光Ｌの出力を向上できる。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態のプロジェクターについて説明する。第１実施形態と共通の構成
については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。

図１２は、第２実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
図１２に示すように、本実施形態のプロジェクター１Ａは、照明装置５０と、光分離部
５１と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、光合成光学系５と、投射
光学系６と、を備えている。

照明装置５０は、第１固体光源１２１Ｒと、第２固体光源１２１Ｇと、第３固体光源１
２１Ｂと、第１コリメートレンズ１２２Ｒと、第２コリメートレンズ１２２Ｇと、第３コ
リメートレンズ１２２Ｂと、ダイクロイックミラー５２ａ，５２ｂと、ミラー５３と、回
折素子２３とを備えている。

これら固体光源１２１Ｒ，１２１Ｇ，１２１Ｂ、コリメートレンズ１２２Ｒ，１２２Ｇ
，１２２Ｂは、第１実施形態の固体光源２１及びコリメートレンズ２２と基本構成が同一
である。

本実施形態において、第１固体光源１２１Ｒは赤色光ＬＲのレーザー光を射出するレー
ザーダイオードから構成され、第２固体光源１２１Ｇは緑色光ＬＧのレーザー光を射出す
るレーザーダイオードから構成され、第３固体光源１２１Ｂは青色光ＬＢのレーザー光を
射出するレーザーダイオードから構成される。

第１コリメートレンズ１２２Ｒ、第２コリメートレンズ１２２Ｇ及び第３コリメートレ
ンズ１２２Ｂは、それぞれ第１固体光源１２１Ｒ、第２固体光源１２１Ｇ及び第３固体光
源１２１Ｂに対応する。

ダイクロイックミラー５２ａは、第１固体光源１２１Ｒからの赤色光ＬＲを透過させ、
第２固体光源１２１Ｇからの緑色光ＬＧを反射させる光学特性を有する。ダイクロイック
ミラー５２ｂは、赤色光ＬＲ及び緑色光ＬＧを透過させ、第３固体光源１２１Ｂからの青
色光ＬＢを反射させる光学特性を有する。ミラー５３は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青
色光ＬＢを反射して回折素子２３に入射させる。

回折素子２３は、第１実施形態と同様、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢを光変
調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの表示画像に対応した回折パターンに変換する。

光分離部５１は、回折素子２３により所望の回折パターンに変換された赤色光ＬＲ、緑
色光ＬＧ及び青色光ＬＢを分離して、各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂに導く。
光分離部５１は、第１ダイクロイックミラー６０と、第２ダイクロイックミラー６１と
、ミラー６２ａ、６２ｂ、６３ａ、６３ｂとを含む。

第１ダイクロイックミラー６０は、赤色光ＬＲを反射するとともに緑色光ＬＧ及び青色
光ＬＢを透過させる。第２ダイクロイックミラー６１は、第１ダイクロイックミラー６０
と交差するように設けられ、青色光ＬＢを反射するとともに赤色光ＬＲ及び緑色光ＬＧを
透過させる。

第１ダイクロイックミラー６０で反射された赤色光ＬＲはミラー６３ａ，６３ｂで順に
反射され、フィールドレンズ１０Ｒを介して光変調装置４Ｒに入射する。第２ダイクロイ
ックミラー６１で反射された青色光ＬＢはミラー６２ａ，６２ｂで順に反射され、フィー
ルドレンズ１０Ｂを介して光変調装置４Ｂに入射する。第１ダイクロイックミラー６０及
び第２ダイクロイックミラー６１を透過した緑色光ＬＧはフィールドレンズ１０Ｇを介し
て光変調装置４Ｇに入射する。

本実施形態の照明装置５０によれば、画角を抑えつつ、回折素子２３の光入射領域２３
ａに赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢを良好に入射させることができる。よって、
回折像のシフトを抑えることで、所望の回折パターンによって光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４
Ｂの所定の領域を照明することができる。また、偏光板による光吸収が低減されるため、
熱による負荷が低減されて光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの信頼性を向上できる。
したがって、本実施形態のプロジェクター１Ａによれば、上記照明装置５０を備えため
、光利用効率が高く明るい画像を表示することができる。

（第３実施形態）
続いて、第２実施形態のプロジェクターについて説明する。第２実施形態と共通の構成
については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。

図１３は、第３実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
図１３に示すように、本実施形態のプロジェクター１Ｂは、照明装置５０と、フィール
ドレンズ１１と、光変調装置４と、投射光学系６と、を備えている。

本実施形態と第２実施形態との違いは、光変調装置４を１つのみ備える点である。本実
施形態では、第１固体光源１２１Ｒ、第２固体光源１２１Ｇ及び第３固体光源１２１Ｂを
時分割で駆動させる。

回折素子２３は、入射光（赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ又は青色光ＬＢ）に応じた回折パタ
ーンを形成するように時間順次で駆動する。光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂは、入射光（赤
色光ＬＲ、緑色光ＬＧ又は青色光ＬＢ）に対応する画像を変調するように駆動する。

本実施形態のプロジェクター１Ｂによれば、第２実施形態の構成に比べ、光変調装置の
数を減らすことができる。よって、装置構成が簡便となるので、コスト低減及び装置の小
型化を図ることができる。

（第４実施形態）
続いて、第４実施形態のプロジェクターについて説明する。上記実施形態と共通の構成
については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。

図１４は、第４実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
図１４に示すように、本実施形態のプロジェクター１Ｃは、照明装置７０と、フィール
ドレンズ１１と、光変調装置４と、投射光学系６と、を備えている。

本実施形態の照明装置７０は、赤色光ＬＲを射出する第１固体光源１２１Ｒと、緑色光
ＬＧを射出する第２固体光源１２１Ｇと、青色光ＬＢを射出する第３固体光源１２１Ｂと
、第１コリメートレンズ１２２Ｒと、第２コリメートレンズ１２２Ｇと、第３コリメート
レンズ１２２Ｂと、ダイクロイックミラー５２ａ，５２ｂと、ミラー５３と、回折素子１
２３とを備えている。

ミラー５３は、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢを反射して回折素子１２３に入
射させる。本実施形態の回折素子１２３は、一対のガラス板の間に、例えばアルミ等の光
反射性を有する画素電極を介して液晶分子を封入した複数の画素領域（回折領域）を有し
た液晶パネルから構成される。この場合、所定の画素電極に電圧を印加することによって
各画素領域に液晶分子による回折格子を形成する。

すなわち、本実施形態の回折素子１２３は、反射型の液晶パネル（反射型液晶装置）か
ら構成される点で上記実施形態の回折素子２３と異なっている。回折素子１２３は、反射
型の液晶パネルから構成される以外、回折素子２３と同様の作用を有する。そのため、回
折素子１２３は印可電圧を調整することによって回折領域毎の回折角度を制御可能となっ
ている。

本実施形態では、第２実施形態と同様、第１固体光源１２１Ｒ、第２固体光源１２１Ｇ
及び第３固体光源１２１Ｂを時分割で駆動させる。回折素子１２３は、赤色光ＬＲ、緑色
光ＬＧ又は青色光ＬＢ（以下、入射光Ｌ１と称す場合もある）に応じた回折パターンを形
成するように時間順次で駆動する。光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂは、入射光Ｌ１に対応す
る画像を変調するように駆動する。

ところで、本実施形態の回折素子１２３は反射型構造であるため、光入射領域１２３ａ
に対して入射光Ｌ１を斜め入射させる必要がある。

ここで、反射型構造の回折素子１２３から射出される光（回折光）に生じる位相差Ｓは
、回折素子１２３を構成する液晶パネルの液晶層の厚さ（セルギャップ）をｄ、回折素子
１２３による屈折率差をΔｎとすると、Ｓ＝Δｎ・２ｄで規定できる。

ここで、回折素子１２３に対して入射光Ｌ１を垂直入射させる場合について説明する。
図１５は回折素子１２３に対して垂直入射する場合の位相差を説明するための図である。
図１５では、回折素子１２３の液晶分子（屈折率楕円体）１３０の電源ＯＮ時と電源ＯＦ
Ｆ時との状態を示す。なお、図１５において、ｎ_０は常光屈折率、ｎ_ｅは異常光屈折率で
ある。

図１５に示すように、垂直入射時の屈折率差Δｎは、（ｎ_０−ｎ_ｅ）で規定される。通
常、（ｎ_０−ｎ_ｅ）が２πとなるように設定されている。すなわち、垂直入射時において
は、屈折率差Δｎが一定となるため、入射光Ｌ１の位相差の制御が容易となる。

これに対し、本実施形態では、回折素子１２３に対して入射光Ｌ１を斜め方向から入射
させている。以下、回折素子１２３に対して入射光を斜め入射させる場合について説明す
る。

図１６は回折素子１２３に斜め入射する際の位相差を説明するための図である。図１６
では、回折素子１２３の液晶分子（屈折率楕円体）１３０の電源ＯＮ時と電源ＯＦＦ時と
の状態を示す。なお、図１６において、ｎ_０（θ）は常光屈折率、ｎ_ｅ（θ）は異常光屈
折率である。図１６では説明を簡単にするため、回折素子１２３と空気との界面で光の屈
折が生じていないものとし、入射光Ｌ１における回折素子１２３に対する入射角度をθと
する。

図１５に示すように、斜め入射時の屈折率差Δｎは、（ｎ_０（θ）−ｎ_ｅ（θ））で規
定される。ここで、ｎ_０（θ）及びｎ_ｅ（θ）は、いずれも入射角度θの関数で規定され
る。そのため、屈折率差Δｎは入射角度θに応じて変化するため、垂直入射時のように一
定とならず、所望の位相差を得ることができない。
よって、回折素子１２３は、光変調装置４の所定領域に回折光を照明できず、結果的に
プロジェクター１Ｃの投射画像の品質低下を招くおそれがある。

これに対し、本実施形態の回折素子１２３では、電源ＯＮ時及び電源ＯＦＦ時に液晶層
を透過する光の位相差Δｎｄが２πとなるように、液晶層の厚さを設定している。この構
成によれば、回折素子１２３は、斜め入射する入射光Ｌ１についても、各回折領域におい
て位相差を０〜２πの範囲で調整することができる。これにより、各回折領域において回
折角度を精度良く制御することができる。

したがって、本実施形態の照明装置７０によれば、所望の回折パターンによって光変調
装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの所定の領域を照明することができる。よって、偏光板による光吸
収を低減できる。この照明装置７０を備えたプロジェクター１Ｃによれば、光利用効率が
高く明るく質の高い画像を表示することができる。

なお、本発明は上記実施形態の内容に限定されることはなく、発明の主旨を逸脱しない
範囲において適宜変更可能である。

例えば、上記実施形態では、回折素子として液晶パネルを例に挙げた。すなわち、複数
の回折領域ごとに屈折率差Δｎを変化させることによって位相差Δｎｄを生成し、光の回
折を制御していた。本発明の回折素子は位相差を変化させることが出来ればよく、液晶パ
ネルのみに限定されない。例えば、屈折率に代えて複数の回折領域ごとの光路長を変化さ
せることで位相差を生成する回折素子を用いて光の回折を制御しても良い。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ…プロジェクター、２…照明装置、２Ｂ…第３照明装置、２Ｇ…
第２照明装置、２Ｒ…第１照明装置、４Ｂ、４Ｇ、４Ｒ…光変調装置、６…投射光学系、
２１…固体光源、２１ａ…発光領域、２２…コリメートレンズ、２２ａ…第１のレンズ面
、２２ｂ…第２のレンズ面、２３…回折素子、２３ａ…光入射領域、１２１Ｂ…第３固体
光源、１２１Ｇ…第２固体光源、１２１Ｒ…第１固体光源、１２２Ｂ…第３コリメートレ
ンズ、１２２Ｇ…第２コリメートレンズ、１２２Ｒ…第１コリメートレンズ、１２３…回
折素子、１２３ａ…光入射領域、Ｌ…光、Ｌ１…入射光、Ｗ１…長辺方向、Ｗ２…短辺方
向、ｆ…焦点距離。

Claims

固体光源と、
前記固体光源からの光の回折を動的に制御する回折素子と、
前記回折素子から射出された回折光を画像情報に応じて変調して画像光を生成する光変
調装置と、
前記画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクター。
前記光源と前記回折素子との光路上に配置され、前記固体光源からの光を平行化するコ
リメートレンズをさらに備える
請求項１に記載のプロジェクター。
前記固体光源は矩形状の発光領域を有し、前記発光領域の長辺方向における発散角が前
記発光領域の短辺方向における発散角よりも小さく、
前記コリメートレンズは、前記発光領域の長辺方向に対応する第１のレンズ面と前記発
光領域の短辺方向に対応する第２のレンズ面とを含む
請求項２に記載のプロジェクター。
前記第１のレンズ面の焦点距離は、前記第２のレンズ面の焦点距離よりも長い
請求項３に記載のプロジェクター。
前記回折素子の光入射領域が矩形状の場合において、
前記固体光源及び前記回折素子は、前記発光領域の短辺方向と前記光入射領域の短辺方
向とを一致させるように配置される
請求項３又は４に記載のプロジェクター。
前記固体光源を複数備えており、
前記複数の固体光源は、少なくとも前記発光領域の短辺方向に沿って配列されている
請求項５に記載のプロジェクター。
前記複数の固体光源は、前記発光領域の短辺方向及び長辺方向に沿って配列されており
、
前記短辺方向における前記固体光源の配列数は、前記長辺方向における前記固体光源の
配列数よりも多い
請求項６に記載のプロジェクター。
前記回折素子は反射型液晶装置で構成され、
前記固体光源からの光は前記回折素子の光入射領域に対して斜め入射する場合において
、前記反射型液晶装置の液晶層の厚さは、電源ＯＮ時及び電源ＯＦＦ時に前記液晶層を透
過する光の位相差が２πとなるように、設定されている
請求項１乃至７のいずれか一項に記載のプロジェクター。