JP4725456B2 - 固体光源およびプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、固体光源およびこの固体光源を備えたプロジェクタに関する。

従来、光源と、当該光源から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成する光変調装置と、形成された光学像を拡大投射する投射光学装置とを備えたプロジェクタが知られている。このようなプロジェクタの光源としては、高圧水銀ランプ等の放電光源が用いられてきたが、近年、環境問題の要請等から光電変換効率が高く、消費電力の少ないＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の固体光源を用いたプロジェクタが提案されてきた。

ここで、光変調装置として液晶パネルを採用した場合、当該液晶パネルでは、一方向に振動する偏光光しか利用できないため、当該液晶パネルに入射する光の振動方向が一方向に揃っていないと光利用効率の低下が生じ、形成される光学像の輝度が低下するという問題が生じる。このような問題に対し、一方向に振動する偏光光を射出する半導体発光素子（固体光源）が知られている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１に記載の半導体発光素子は、素子基板上に、反射電極、ＬＥＤチップ発光部、サファイア基板、および反射型偏光板が順次配置されている。ここで、反射型偏光板は、Ｐ波（Ｐ偏光光）を透過し、Ｓ波（Ｓ偏光光）を反射するように構成されており、ＬＥＤチップ発光部から射出された光束のうち、Ｐ偏光光は、反射型偏光板を透過して外部に射出される。一方、Ｓ偏光光は、当該反射型偏光板で反射され、サファイア基板を透過した後、反射電極で反射され、再びサファイア基板を透過して反射型偏光板に到達する。ここで、当該Ｓ偏光光は、サファイア基板を透過する過程でＰ偏光光に変換されるので、変換されたＰ偏光光は反射型偏光板を透過し、外部に射出される。このような半導体発光素子から射出された光束で液晶パネルを照射することにより、当該液晶パネルでの利用効率を増加して、形成画像の輝度を高めることができる。

特開２００５−２８４０５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体発光素子では、発光部からは放射状に光が射出されるため、反射型偏光板を透過する偏光光束の中心軸に直交する方向にも光が射出される。これにより、発光部の当該直交方向の端面から、反射型偏光板で反射されるはずの偏光光が射出されてしまい、半導体発光素子から射出された光における反射型偏光板を透過する偏光光の割合が低下してしまうという問題がある。このため、このような半導体発光素子をプロジェクタに用いた場合、半導体発光素子から、液晶パネルでの画像形成に利用できない偏光光が当該液晶パネルに入射してしまうので、光の利用効率が低下してしまうという問題がある。

本発明の目的は、射出光に含まれる所定方向の偏光光の割合を増加させることができる固体光源、およびこの固体光源を備えたプロジェクタを提供することにある。

本発明の固体光源は、素子基板上の発光部から光束を射出する固体光源であって、前記発光部は、所定電圧の印加により光を射出する発光層と、前記素子基板上に設けられ、前記発光層に前記所定電圧を印加し、かつ、入射光を反射する反射電極層と、前記発光層を挟んで前記反射電極層とは反対側に配置され、一方向に振動する偏光光を透過し、かつ、他方向に振動する偏光光を反射する反射型偏光層と、前記発光層と前記反射電極層との間に配置され、透過する光の振動方向を回転させる位相差層と、を備え、前記反射型偏光層を透過する光束の中心軸に沿った第１方向に対して略直交する第２方向の前記発光部の面のうち少なくとも一部を覆い、かつ、入射光束を反射する反射部が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、反射型偏光層を透過する光束の中心軸に沿った第１方向に対して略直交する第２方向の発光部の面の少なくとも一部は、反射部により覆われている。
これによれば、発光層から第２方向に射出された反射型偏光層を透過できない他方向に振動する偏光光を、反射部で発光部の内側に反射することができる。反射部で反射された光は、反射型偏光層と反射電極層との間で反射を繰り返すことにより、振動方向が回転し、反射型偏光層を透過できる一方向に振動する偏光光に変換され、反射型偏光層から発光部外部に射出される。従って、固体光源から射出された光における反射型偏光層を透過する偏光光の割合を増加させることができる。

ここで、固体光源として、例えば、素子基板上に設けられた反射電極層、および反射電極層上に積層された発光層の周囲（第２方向）を取り囲むように、当該素子基板上に、固体光源の射出側へ向かうに従い広がりを持ったテーパ形状、かつ、環状の反射部を設け、この環状の反射部上に、発光層上方を覆うように反射型偏光層を設けた構成が考えられる。つまり、このような固体光源では、素子基板上の発光層は、側方（第２方向）を反射部に囲まれ、上方を反射型偏光層に囲まれていることになる。

このような構成の固体光源でも、発光層から第２方向に射出された他方向の偏光光を、反射部で発光部の内側に反射し、一方向に振動する偏光光に変換して反射型偏光層から発光部外部に射出することができる。しかし、この場合、反射部上に反射型偏光層を設けたため、発光層と、反射部および反射型偏光層との間に隙間ができてしまい、固体光源が大きくなってしまう。
これに対し、本発明の固体光源によれば、発光部は、反射型偏光層や発光層が積層されて構成されているうえ、発光部の第２方向の端面が反射部で覆われているので、前述のような固体光源と比べて、発光部内や、発光層と反射部との間に隙間がなく、その分固体光源を小型化できる。

本発明では、前記発光層と前記反射電極層との間には、透過する光の振動方向を回転させる位相差層が設けられている。
これによれば、発光層と反射電極層との間には、位相差層が設けられているので、位相差層を通過する際に振動方向が変換され、発光層から射出された光が発光部の外部に射出されるまでにかかる反射回数を少なくすることができる。従って、反射による光線強度の低下を抑えることができる。
また、位相差層は、発光層と反射電極層との間に設けられているので、発光層から、反射型偏光層に向かって射出される一方向の偏光光を、位相差層を透過させることなく直接反射型偏光層に至らせ発光部の外部に射出することができる。従って、位相差層を透過することによる光線強度の低下を抑えることができる。

本発明では、前記反射部は前記発光部の内側に向かって傾斜し、前記反射部の光反射面と、前記反射電極層の光反射面とのなす角は、４５度より大きく、かつ、９０度より小さいことが好ましい。
ここで、反射部の光反射面と、反射電極層の光反射面とのなす角が４５度の場合、発光層から第２方向に射出された光は、反射部で反射され、反射電極層に垂直に入射する。そして、当該反射電極層で垂直に反射され、来た光路を逆にたどって進み、反射部における前述の反射部での入射位置と対向する位置に入射し、前述の循環を繰り返す。このため、発光層から第２方向に射出された光は、反射を繰り返すことにより光線強度が低下していき、やがて消失してしまう。
また、反射部の光反射面と、反射電極層の光反射面とのなす角が４５度より小さい場合も、発光層から第２方向に射出された光は、反射電極層と、反射部との間で反射を繰り返しながら発光部の下端角部に向かって進行していくので、反射型偏光層に到達できないうえ、反射を繰り返すことにより消失してしまう。

これに対し、本発明の固体光源では、反射部の光反射面と、反射電極層の光反射面とのなす角は、４５度より大きく、かつ、９０度より小さいので、発光層から第２方向に射出された光は、反射部で良好な角度で反射し、反射電極層で反射した後に反射型偏光層に到達できる。そして、反射型偏光層に到達した光は、反射型偏光層と反射電極層との間で反射を繰り返すことにより、一方向に振動する偏光光に変換され、反射型偏光層から発光部外部に射出される。従って、発光層から第２方向に射出された光を反射型偏光層から発光部外部に射出でき、発光層から第２方向に射出された光が消失することによる固体光源から射出される光の光線強度の低下を防止できる。

本発明では、前記反射部は前記発光部の外側に向かって傾斜し、前記反射部の光反射面と、前記反射電極層の光反射面とのなす角は、９０度より大きく、かつ、１３５度より小さいことが好ましい。
ここで、反射部の光反射面と、反射電極層の光反射面とのなす角が１３５度の場合、発光層から第２方向に射出された光は、反射部で反射された後に、反射型偏光層の外側に対して垂直に入射する。そして、反射型偏光層に入射した光のうち、一方向の偏光光は、そのまま当該反射型偏光層の外側から発光部の外部に射出される。
また、反射部の光反射面と、反射電極層の光反射面とのなす角が１３５度より大きい場合、発光層から第２方向に射出された光は、反射部で発光部の上端角部に向かって反射され、反射型偏光層の外側に入射する。そして、反射型偏光層に入射した光のうち、一方向の偏光光は、そのまま当該反射型偏光層の外側から、固体光源から射出される光束の中心軸に対して広がる方向に向かって、発光部の外部に射出される。
従って、反射部の光反射面と、反射電極層の光反射面とのなす角が１３５度以上の場合、発光層から第２方向に射出された光は、反射型偏光層から、固体光源から射出される光束の中心軸に対して外側に射出されてしまう。そのため、固体光源から射出される光は拡散してしまう。

これに対し、本実施形態では、反射部の光反射面と、反射電極層の光反射面とのなす角は、９０度より大きく、かつ、１３５度より小さいので、発光層から第２方向に射出される光を、反射部において、反射型偏光層の中心近傍に向かって良好な角度で反射できる。そして、反射型偏光層に入射した光のうち、一方向の偏光は、そのまま当該反射型偏光層から、発光部の外部に射出される。従って、発光層から第２方向に射出される光を、反射型偏光層の中心近傍から射出することができ、固体光源から射出される光束が拡散してしまうことを防止できる。

本発明では、前記反射部は、前記第２方向の前記発光部の全ての面を覆うことが好ましい。
本発明によれば、反射部は、第２方向の発光部の全ての面を覆っているので、発光層から射出される光を外部に漏らすことなく、一方向に振動する偏光光に揃えて反射型偏光層から発光部の外部に射出することができる。従って、固体光源から射出された光における反射型偏光層を透過する偏光光の割合をより増加できる。

また、本発明のプロジェクタは、前述の固体光源と、前記固体光源から射出された光束を画像情報に応じて変調する光変調装置と、変調された光束を投射する投射光学装置とを備えていることを特徴とする。このような光変調装置として、一対の偏光板と、これら偏向板間に設けられて入射光束を変調して射出する液晶パネルとを有する液晶ライトバルブを例示することができる。
本発明によれば、前述の固体光源と同様の効果を奏することができる。また、プロジェクタにおいて、光変調装置として液晶ライトバルブが用いられた場合には、一方向に振動する偏光光しか利用できない。これに対し、本発明のプロジェクタによれば、光源として、固体光源から射出された光における反射型偏光層を透過する（一方向に振動する）偏光光の割合を増加できる前述の固体光源が用いられているので、固体光源から射出される光のうち、一方向に振動する偏光光の割合が高い。これにより、光変調装置における画像形成において、固体光源からの光の利用効率を増加させることができ、形成画像の輝度を高めることができる。

本発明では、前記固体光源から射出された光の光路上には、入射光の進行方向を変化させる反射部材が配置され、前記反射部材に入射する偏光光は、Ｓ偏光光であることが好ましい。
ここで、プロジェクタでは、光源から射出される光の光路上に、入射した光を全反射する全反射部材や、特定の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過する半反射部材などの光の進行方向を変化させる反射部材が配置されることがある。このような場合、反射部材での反射により、光源から射出される光の光線強度が低下してしまうという問題があった。
これに対し、本発明によれば、反射部材に反射率の良好なＳ偏光の光が入射するので、反射部材での反射率を良好にすることができ、光変調装置における画像形成において、固体光源からの光の利用効率をより増加させることができる。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態のプロジェクタ１を図面に基づいて説明する。
（１）プロジェクタ１の構成
図１は、本実施形態に係るプロジェクタ１の構成を示す模式図である。
本実施形態のプロジェクタ１は、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調して光学像を形成し、当該光学像を投射レンズ３により拡大投射するものである。このプロジェクタ１は、図１に示すように、画像情報に応じた光学像を形成する光学ユニット４と、形成された光学像を拡大投射する投射レンズ３と、これらを内部に収納する外装筺体２とを備えて構成されている。
なお、図１において、図示は省略するが、外装筺体２内において、投射レンズ３および光学ユニット４以外の空間には、プロジェクタ１内部を冷却する冷却ファン等で構成される冷却ユニット、プロジェクタ１内部の各構成部材に電力を供給する電源ユニット、およびプロジェクタ１全体を制御する制御ユニット等が配置されるものとする。

（２）外装筺体２および投射レンズ３の構成
外装筺体２は、合成樹脂から構成され、図１に示すように、投射レンズ３および光学ユニット４等を内部に収納配置する全体略直方体状に形成されている。この外装筺体２は、詳しい図示は省略するが、プロジェクタ１の天面、前面、背面、および左右両側面をそれぞれ構成するアッパーケースと、プロジェクタ１の底面、前面および背面をそれぞれ構成するロアーケースとで構成され、これらアッパーケースおよびロアーケースは互いにねじ等で固定されている。なお、外装筺体２は、合成樹脂等に限らず、そのほかの材料にて形成してもよく、たとえば、金属等により構成してもよい。
投射レンズ３は、光学ユニット４にて形成された光学像（カラー画像）を、図示しないスクリーン上に拡大投射する投射光学装置である。この投射レンズ３は、筒状の鏡筒内に複数のレンズが収納された組レンズとして構成されている。

（３）光学ユニット４の構成
光学ユニット４は、制御ユニットによる制御の下、光源から射出された光束を画像情報に応じて変調して、投射画像を形成するものである。この光学ユニット４は、図１に示すように、インテグレータ照明光学系５（５Ｒ，５Ｇ，５Ｂ）と、液晶ライトバルブ６１（６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂ）およびクロスダイクロイックプリズム６２（以下、「プリズム」と略す場合がある）を一体化した光学装置６とに機能的に大別される。

インテグレータ照明光学系５は、後述する光学装置６を構成する液晶ライトバルブ６１の画像形成領域を均一に照明する照明光学系である。図１に示すように、これらインテグレータ照明光学系５（赤色光を射出する照明光学系を５Ｒ，緑色光を射出する照明光学系を５Ｇ，青色光を射出する照明光学系を５Ｂとする）は、それぞれ、光源装置５１（５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ）、ロッドインテグレータ５２、および重畳レンズ５３を備えて構成されている。

光源装置５１（赤色光を射出する光源装置を５１Ｒ，緑色光を射出する光源装置を５１Ｇ，青色光を射出する光源装置を５１Ｂとする）は、それぞれ複数の固体光源７Ａ（赤色成分を射出する固体光源を７ＡＲ、緑色成分を射出する固体光源を７ＡＧ、青色成分を射出する固体光源を７ＡＢとする）を備えている。固体光源７Ａの詳しい構成については後に詳述するが、固体光源７Ａは、共通の素子基板７１１上に設けられた発光部７１、および発光部７１に対応して設けられた反射部７２を備えて構成されている。発光部７１は、ＬＥＤ素子から構成される発光層７１２を備えており、各ＬＥＤ素子に応じた色光を射出する。このような光源装置５１から射出された光束はＰ偏光となっており、光路後段のロッドインテグレータ５２に照射される。

ロッドインテグレータ５２は、ガラス等の透光性材料から断面矩形状に構成され、光源装置５１から射出された光束を内部で反射を繰り返させることにより、光束の面内照度を均一化して射出端面より射出する。ロッドインテグレータ５２から射出された光束は、重畳レンズ５３により、液晶ライトバルブ６１の画像形成領域に重畳される。

光学装置６は、入射された光束を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成する。この光学装置６は、インテグレータ照明光学系５からの各色光が入射される光変調装置としての３つの液晶ライトバルブ６１（赤色光用のライトバルブを６１Ｒ，緑色光用の液晶ライトバルブを６１Ｇ，青色光用のライトバルブを６１Ｂとする）と、色合成光学装置としてのクロスダイクロイックプリズム６２とを備えている。

各液晶ライトバルブ６１は、図示を略すが、照明光軸方向から順に、入射側偏光板、液晶パネルおよび射出側偏光板を含んで構成される。この液晶パネルは、例えば、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として用いたものであり、対向配置される一対の透明基板内に電気光学物質としての液晶が密封封入されている。そして、これら液晶パネルは、光束入射側に設けられた入射側偏光板を介して入射する光束を画像情報に応じて変調し、光束射出側に設けられた射出側偏光板を介して射出する。

ここで、入射側偏光板は、一定方向に振動する偏光光（本実施形態ではＰ偏光光）のみを透過させ、その他の光束（本実施形態ではＳ偏光光）を吸収するものであり、サファイアガラス等の基板に偏光膜が貼付されたものである。
また、射出側偏光板も、入射側偏光板と略同様に構成され、液晶パネルから射出された
光束のうち、所定方向の偏光光のみ透過させ、その他の光束を吸収する。ただし、透過させる偏光光の振動方向は、本実施形態では、入射側偏光板を透過する偏光光の振動方向に対して直交するように設定されており、射出側偏光板は、Ｓ偏光光のみを透過させ、Ｐ偏光光を吸収する。

クロスダイクロイックプリズム６２は、各液晶ライトバルブ６１の射出側偏光板から射出され各色光毎に変調された色画像を、合成してカラー画像を形成するものであり、液晶ライトバルブ６１と一体化されている。このクロスダイクロイックプリズム６２には、赤色光を反射する反射部材である誘電体多層膜６２１Ｒと、青色光を反射する反射部材である誘電体多層膜６２１Ｂとが、４つの直角プリズムの界面に沿って略Ｘ字状に設けられている。これらの誘電体多層膜６２１（６２１Ｒ、６２１Ｂ）によって赤色光および青色光は曲折され、緑色光の進行方向と揃えられることにより、３つの色光が合成される。

以下、各固体光源７Ａの構成について説明する。
（４）固体光源７Ａの構成
図２は、固体光源７Ａを示す断面図である。
固体光源７Ａは、図２に示すように、所定の色光を射出する発光部７１と、発光部７１を覆う反射部７２とを備えている。
発光部７１は、所定電圧の印加により光を射出する発光層７１２と、共通の素子基板７１１上に設けられ発光層７１２に所定電圧を印加する反射電極層７１３と、発光層７１２と反射電極層７１３との間に設けられた１／４波長位相差層７１４と、発光層７１２を挟んで１／４波長位相差層７１４とは反対側に配置された反射型偏光層７１５とを含んで構成されている。すなわち、素子基板７１１上には、当該素子基板７１１側から順に、反射電極層７１３、１／４波長位相差層７１４、発光層７１２、および反射型偏光層７１５が積層されている。

発光層７１２は、前述したように、所定の色光を発光するＬＥＤ素子から構成されている。
１／４波長位相差層７１４は、水晶等から構成され、透過した光の振動方向を回転させる。
反射型偏光層７１５は、光学的に透明なガラス部材からなる基板の上に、アルミニウムなどの金属からなるワイヤが格子状に設けられて構成されている。このようなワイヤグリッドタイプの反射型偏光層７１５は、振動方向がワイヤに略垂直である一方向に振動する偏光光（本実施形態ではＰ偏光光）を透過し、振動方向がワイヤに略平行である他方向に振動する偏光光（本実施形態ではＳ偏光光）を反射する。

なお、本実施形態以降において、図２に示すように、この反射型偏光層７１５を透過する偏光光束の中心軸（主光線）に沿った方向（第１方向）をＺ軸方向とし、このＺ軸方向に対して直交する方向（第２方向）をＸ軸方向（図２中の＋Ｘ軸方向、および−Ｘ軸方向）とする。
ここで、発光部７１は、素子基板７１１上に四角錐台状に形成されている。すなわち、発光部７１のＸ軸方向の各端面７１０は、内側に向かって傾斜し、素子基板７１１となす傾斜角が４５度より大きく、９０度より小さい範囲になるように設定されている。なお、本実施形態では、当該傾斜角は５０度に限定されているが、当該範囲内であれば適宜設定してよい。

発光部７１の端面７１０上には、入射した光を反射する膜状の反射部７２が真空蒸着により設けられている。従って、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角は、発光部７１の傾斜角に応じた角度、つまり５０度となり、４５度より大きく、９０度より小さい範囲に設定されている。なお、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角も、当該範囲内であれば適宜設定してよい。このように発光部７１は、前記端面７１０の全ての面が反射部７２に覆われており、反射型偏光層７１５の光束射出面７１５１のみが外部に露出している。

以上のような構成の固体光源７Ａにおいて、発光層７１２に電圧が印加されると、発光層７１２からは光が放射状に射出される。この発光層７１２から反射型偏光層７１５に向かって射出され、１／４波長位相差層７１４を透過することなく反射型偏光層７１５に到達した光のうち、図２に示すように、Ｐ偏光光Ｌ１はそのまま反射型偏光層７１５を透過し、発光部７１の外部に射出される。

また、発光層７１２からＸ軸方向に射出された光は、当該反射部７２で反射され、１／４波長位相差層７１４を透過した後、反射電極層７１３で反射され、再び１／４波長位相差層７１４を透過してから、反射型偏光層７１５に到達する。このようにして反射型偏光層７１５に到達した光のうち、１／４波長位相差層７１４を２回透過してＳ偏光光から変換されたＰ偏光光Ｌ２も、そのまま反射型偏光層７１５を透過し、発光部７１の外部に射出される。

一方、１／４波長位相差層７１４を透過する際にＰ偏光光に変換されなかったＳ偏光光や、発光層７１２から反射型偏光層７１５に向かって射出されたＳ偏光光など、反射型偏光層７１５に入射するＳ偏光光Ｌ３は、当該反射型偏光層７１５で反射される。次いで、反射型偏光層７１５で反射された光Ｌ３は、１／４波長位相差層７１４を２回透過した後、再び反射型偏光層７１５に到達する。この過程で、１／４波長位相差層７１４によりＰ偏光光に変換された光は、反射型偏光層７１５を透過し発光部７１の外部に射出される。

このようにして、発光部７１から射出された光は、発光部７１の端面７１０から発光部７１外部に漏れることなく、反射型偏光層７１５、反射電極層７１３、および反射部７２の間で反射を繰り返し、１／４波長位相差層７１４を透過するごとに振動方向が回転されて反射型偏光層７１５に入射するため、Ｐ偏光に変換された光から、次々と発光部７１の外部に射出される。
なお、偏光光の振動方向は、反射型偏光層７１５、反射電極層７１３、および反射部７２での反射時にも、１／４波長位相差層７１４の透過時と比べて僅かではあるが回転される。このため、１／４波長位相差層７１４を設けない場合でも、発光層７１２から射出された光は、反射型偏光層７１５、反射電極層７１３、および反射部７２の間で反射を繰り返すことにより、Ｐ偏光光に変換されて反射型偏光層７１５から発光部７１の外部に射出される。しかしながら、位相差層を設ける構成とすることで、光の振動方向を効果的に変換することができる。

このような光源装置５１から射出されたＰ偏光光は、図１に示すように、液晶ライトバルブ６１を透過し、Ｓ偏光光に変換され、各色光に応じた色画像を形成する光束としてプリズム６２に入射する。そして、当該プリズム６２において、誘電体多層膜６２１により反射した赤色光および青色光と、当該誘電体多層膜６２１を透過した緑色光とが合成され、投射レンズ３から図示しないスクリーン上に拡大投射される。

以上のようなプロジェクタ１によれば、以下のような効果を奏することができる。
光源装置５１に設けられた固体光源７Ａにおいて、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０が反射部７２で覆われているので、発光層７１２から射出された光は、発光部７１の端面７１０から発光部７１外部に漏れることなく、反射型偏光層７１５、反射電極層７１３、および反射部７２の間で反射を繰り返す。そして、１／４波長位相差層７１４を透過するごとに振動方向が回転されて反射型偏光層７１５に入射し、Ｐ偏光に変換された光から、次々と発光部７１の外部に射出される。
従って、発光層７１２から射出された光をＰ偏光光に揃えて反射型偏光層７１５から発光部７１外部に射出することができ、固体光源７Ａから射出された光におけるＰ偏光光の割合を増加させることができる。

また、発光部７１が素子基板７１１上に四角錐台状に形成されているので、発光部７１が逆四角錐台状に形成されている構成の固体光源と比較した場合、固体光源７Ａをコンパクトなものにすることができる。

発光部７１内に、１／４波長位相差層７１４を設けたので、１／４波長位相差層７１４を２回透過させることで、透過する光の進行方向を変換することができる。これにより、Ｓ偏光光をＰ偏光光に変換できる。
ここで、１／４波長位相差層７１４を設けない場合、発光層７１２から射出された光は、反射を繰り返すことでＰ偏光光に変換されて、発光部７１外部に射出される。この際、反射回数が多いと光線強度が低下してしまう。これに対し、本実施形態の固体光源７Ａでは、１／４波長位相差層７１４を発光部７１内に設けたことにより、１／４波長位相差層７１４を例えば２回透過させることで、Ｐ偏光光に変換することができ、当該Ｐ偏光光を発光部７１外部に射出することができる。
従って、発光層７１２から射出される光が発光部７１外部に射出されるまでにかかる反射回数を、１／４波長位相差層７１４を設けない場合に比べて少なくすることができ、反射による光線強度の低下を抑えることができる。

また、この１／４波長位相差層７１４を、発光層７１２と反射電極層７１３との間に設けたので、発光層７１２から反射型偏光層７１５に向かって射出されるＰ偏光光を、１／４波長位相差層７１４を透過させることなく直接反射型偏光層７１５に至らせ発光部７１外部に射出することができる。従って、１／４波長位相差層７１４を透過することによる光線強度の低下を抑えることができる。

さらに、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角を５０度にしたので、発光層７１２から略Ｘ軸方向に射出された光を、当該反射部７２で、良好な角度で反射電極層７１３に向かって反射し、反射型偏光層７１５へ導くことができる。そして、反射型偏光層７１５で反射された光は、当該反射型偏光層７１５、反射電極層７１３、および反射部７２の間で反射を繰り返すことにより、Ｐ偏光光に変換されるので、当該光を反射型偏光層７１５から発光部７１外部に射出することができる。なお、このような効果は、４５度より大きく、９０度より小さければ同様に奏することができる。

本実施形態のプロジェクタ１では、光源としてＰ偏光光を射出する固体光源７Ａを備えた光源装置５１を用いたので、光源装置５１から射出された光束の略全てを利用することができ、液晶ライトバルブ６１における光の利用効率を向上させることができる。
また、光源装置５１から射出されたＰ偏光の赤色光、および青色光は、液晶ライトバルブ６１を透過し、Ｓ偏光光に変換された後に、プリズム６２中の誘電体多層膜６２１に入射する。ここで、光の振動方向がその入射面と垂直であるＳ偏光光は、振動方向が入射面に平行なＰ偏光光に比べて、反射率が良好である。従って、本実施形態では、プリズム６２中の誘電体多層膜６２１に入射する赤色光および青色光は、Ｓ偏光光であるので、誘電体多層膜６２１での反射率を増加させることができ、光の利用効率をより向上させることができる。

光源装置５１は、ＬＥＤ素子から構成される発光層７１２を有する固体光源７Ａを備えて構成されているので、従来の高圧水銀ランプ等の放電光源を用いた場合に必要とされたランプの寿命や破損による交換等のメンテナンス作業を不要とすることができる。
また、ＬＥＤ素子から構成される発光層７１２を有する固体光源７Ａは、光電変換の効率が良いので、高い光量を備えるとともに、消費電力を抑えることができる。従って、放電光源を用いた場合に比べ、固体光源７Ａのみならずプロジェクタ１の消費電力を削減することができる。
さらに、固体光源７Ａの光電変換効率が良いことにより、光源装置５１の発光に伴う発熱を抑えることができる。従って、光源装置５１を冷却する冷却構造を簡素化することができ、ひいては、プロジェクタ１の内部構造を簡素化することができる。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る固体光源７Ｂについて説明する。
本実施形態の固体光源７Ｂは、前述の固体光源７Ａと同様の構成を備えるが、前述の固体光源７Ａでは、１／４波長位相差層７１４は、発光層７１２と反射電極層７１３との間に配置されていたのに対し、本実施形態の固体光源７Ｂでは、発光層７１２と反射型偏光層７１５との間に配置されている点で相違する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一または略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図３は、本実施形態に係る固体光源７Ｂを示す断面図である。
固体光源７Ｂは、図３に示すように、素子基板７１１上に、反射電極層７１３と、発光層７１２と、反射型偏光層７１５とを備えて構成される発光部７１と、発光部７１のＸ軸方向の面を覆う反射部７２とを備えて構成されている。また、発光部７１における発光層７１２と反射型偏光層７１５との間には、１／４波長位相差層７１４が配置されている。

このような固体光源７Ｂにおける発光部７１のＸ軸方向の端面７１０は、前述の固体光源７Ａと同様に、反射部７２で覆われているので、発光層７１２から射出された光をＰ偏光光に揃えて反射型偏光層７１５から発光部７１外部に射出することができ、固体光源７Ａから射出された光におけるＰ偏光光の割合を増加させることができる。
また、発光層７１２と反射型偏光層７１５との間に１／４波長位相差層７１４が設けられているので、発光層７１２から射出された光を発光部７１の外部に射出するまでにかかる反射回数を少なくすることができ、固体光源７Ｂから射出される光の強度低下を抑制できる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係る固体光源７Ｃについて説明する。
本実施形態の固体光源７Ｃは、前述の固体光源７Ａと同様の構成を備えるが、１／４波長位相差層７１４が発光部７１と反射部７２との間に配置されている点で相違する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一または略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図４は、本実施形態に係る固体光源７Ｃを示す断面図である。
固体光源７Ｃは、図４に示すように、素子基板７１１上に、反射電極層７１３と、発光層７１２と、反射型偏光層７１５とを備えて構成される発光部７１と、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０を覆う反射部７２とを備えて構成されている。また、発光部７１と反射部７２との間には、１／４波長位相差層７１４が配置されており、本実施形態では、この１／４波長位相差層７１４のＸ軸方向外側の面が、反射部７２に覆われる発光部７１の端面７１０となっている。

１／４波長位相差層７１４に入射する光は、１／４波長位相差層７１４を透過した後に、反射部７２で反射され、再び１／４波長位相差層７１４を透過することにより、一部がＰ偏光光に変換され、反射電極層７１３で反射した後に、反射型偏光層７１５から発光部７１外部に射出される。このように、固体光源７Ｃでも、発光層７１２から射出された光が発光部７１外部に射出されるまでに反射される回数を少なくすることができ、固体光源７Ｃから射出される光の強度低下を抑制できる。
また、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０が反射部７２で覆われているので、固体光源７Ａと同様に、発光層７１２から射出された光をＰ偏光光に揃えて反射型偏光層７１５から発光部７１外部に射出することができ、固体光源７Ｃから射出された光におけるＰ偏光光の割合を増加させることができる。

〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係る固体光源７Ｄについて説明する。
本実施形態の固体光源７Ｄは、固体光源７Ａと同様の構成を備える。ここで、固体光源７Ａでは、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０が発光部７１の内側に傾斜し、この端面７１０上に反射部７２が設けられていた。これに対し、本実施形態の固体光源７Ｄでは、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０が発光部７１の外側に傾斜し、この端面７１０上に反射部７２が設けられている点が相違する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一または略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図５は、本実施形態に係る固体光源７Ｄを示す断面図である。
固体光源７Ｄは、図５に示すように、素子基板７１１上に、反射電極層７１３と、発光層７１２と、１／４波長位相差層７１４と、反射型偏光層７１５とを備えて構成される発光部７１と、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０を覆う反射部７２とを備えて構成されている。
このうち、発光部７１は、素子基板７１１上に逆四角錐台状に形成されている。すなわち、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０は、外側に向かって傾斜し、素子基板７１１となす傾斜角が１３０度となっている。この発光部７１の端面７１０上に反射部７２が設けられているので、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角も１３０度となり、９０度より大きく、１３５度より小さい範囲に設定されている。

ここで、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角が１３５度の場合、発光層７１２からＸ軸方向に射出された光Ｌ１は、反射部７２で反射された後に、１／４波長位相差層７１４を透過し、反射型偏光層７１５に対して垂直に入射する。反射型偏光層７１５に入射した光のうち、Ｓ偏光の光は、当該反射型偏光層７１５で垂直に反射され、入射光路を逆にたどって進み、反射部７２における前述の反射部７２での入射位置と対向する位置に入射する。入射した光は、当該反射部７２で反射され、反射型偏光層７１５に対して垂直に入射する。このようにして、１／４波長位相差層７１４を透過することによりＰ偏光光に変換された光は、順次、反射型偏光層７１５の外側から発光部７１の外部に射出される。

また、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角が１３５度より大きい場合、発光層７１２から反射部７２に向かって射出された光Ｌ２は、反射部７２で反射された後に、反射型偏光層７１５と反射部７２との間で反射を繰り返しながら、発光部７１の上端角部に向かっていき、１／４波長位相差層７１４を透過することによりＰ偏光光に変換された光から順次、固体光源７Ｄから射出される光束の中心軸に対して広がる方向に向かって、反射型偏光層７１５の外側から発光部７１の外部に射出される。

このように、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角が１３５度以上の場合、発光層７１２からＸ軸方向に射出された光は、反射型偏光層７１５から、固体光源７Ｄから射出される光束の中心軸に対して外側に射出されてしまう。このため、固体光源７Ｄから射出された光は拡散してしまう。
また、発光部７１からＸ軸方向に射出された光は、反射電極層７１３に到達することがないため、発光部７１からＸ軸方向に射出された光の振動方向を効果的に変換するためには、１／４波長位相差層７１４を、発光層７１２と、反射型偏光層７１５との間に配置しなければならない。

これに対し、反射部７２の光反射面７２１と、反射電極層７１３の光反射面７１３１とのなす角が１３０度に限定されているので、発光層７１２からＸ軸方向に射出される光Ｌ３を、反射部７２において、反射型偏光層７１５の中心近傍に向かって良好な角度で反射できる。そして、反射型偏光層７１５に到達した光のうち、Ｐ偏光光はそのまま発光部７１の外部に射出される。また、反射型偏光層７１５に到達した光のうち、Ｓ偏光光は、反射電極層７１３に向かって反射し、反射電極層７１３、反射型偏光層７１５、および反射部７２の間で反射を繰り返し、Ｐ偏光に変換された光から、順次発光部７１の外部に射出される。
従って、発光層７１２からＸ軸方向に射出される光Ｌ３を、反射型偏光層７１５の中心近傍から射出することができ、固体光源７Ｄから射出される光束が拡散することを防止できる。
また、発光層７１２からＸ軸方向に射出される光Ｌ３のうち、反射型偏光層７１５到達時に発光部７１外部に射出されなかったＳ偏光光は、当該反射型偏光層７１５で反射され、反射電極層７１３に到達し、反射電極層７１３、反射型偏光層７１５、および反射部７２の間で反射を繰り返す。従って、１／４波長位相差層７１４を、例えば、発光層７１２と、反射電極層７１３との間に配置しても、光の振動方向を効果的に変換することができ、１／４波長位相差層７１４の配置位置が限定されない。

また、本実施形態でも、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０が反射部７２で覆われているので、固体光源７Ａと同様に、発光層７１２から射出された光をＰ偏光光に揃えて反射型偏光層７１５から発光部７１外部に射出することができ、固体光源７Ｄから射出された光におけるＰ偏光光の割合を増加させることができる。

〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態に係るプロジェクタ１Ａについて説明する。
本実施形態のプロジェクタ１Ａは、前述のプロジェクタ１と同様の構成を備えるが、プロジェクタ１では、インテグレータ照明光学系５にロッドインテグレータ５２が用いられていたのに対し、プロジェクタ１Ａでは、当該ロッドインテグレータ５２に代えて、第１レンズアレイ５４、および第２レンズアレイ５５が用いられている点で相違する。また、以下の説明では、既に説明した部分と同一または略同一である部分については、同一の符号を付して説明を省略する。

図６は、本実施形態に係るプロジェクタ１Ａの構成を示す模式図である。
プロジェクタ１Ａは、図６に示すように、画像情報に応じた光学像を形成する光学ユニット４と、形成された光学像を拡大投射する投射レンズ３と、これらを内部に収納する外装筺体２とを備えて構成されている。光学ユニット４は、図６に示すように、インテグレータ照明光学系５Ａ（５ＡＲ，５ＡＧ，５ＡＢ）と、液晶ライトバルブ６１（６１Ｒ，６１Ｇ，６１Ｂ）およびクロスダイクロイックプリズム６２を一体化した光学装置６とを備えて構成されている。

インテグレータ照明光学系５Ａは、液晶ライトバルブ６１の画像形成領域を均一に照明する照明光学系であり、図６に示すように、それぞれ、光源装置５１（５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ）、第１レンズアレイ５４、第２レンズアレイ５５、および重畳レンズ５３を備えて構成されている。
光源装置５１から射出された光束は第１レンズアレイ５４に入射する。第１レンズアレイ５４は、照明光軸方向から見てほぼ矩形状の輪郭を有する小レンズがマトリクス状に配置された構成を具備しており、光源装置５１から射出された光束を複数の部分光束に分割し、第２レンズアレイ５５の配置された照明光軸方向に射出する。

第２レンズアレイ５５は、第１レンズアレイ５４と同様に、照明光軸方向から見てほぼ矩形状の輪郭を有する小レンズがマトリクス状に配置された構成を具備しており、第１レンズアレイ５４により分割された複数の部分光束を集光し、重畳レンズ５３の配置された照明光軸方向に射出する。このようにして光源装置５１から第１レンズアレイ５４、第２レンズアレイ５５を経た複数の部分光束は、重畳レンズ５３によって集光されて液晶ライトバルブ６１の画像形成領域上に重畳される。このように、本実施形態のプロジェクタ１Ａも、光源装置５１から射出された光束の照明光軸直交面内における照度を均一にすることができる。また、光源装置５１は、固体光源７Ａを備えているので、プロジェクタ１と同様の効果を奏することができる。

〔実施形態の変形〕
以上、本発明について好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の改良並びに設計の変更が可能である。
すなわち、前記各実施形態では、光の振動方向を変換させる位相差層として１／４波長位相差層７１４が設けられていたが、１／２波長位相差層、あるいは１／８波長位相差層が設けられていてもよく、どのような位相差層を用いるかは、適宜選択できる。また、光の振動方向は、反射時にも僅かではあるが回転するため、位相差層は設けられていない構成としても光の振動方向の変換を行うことができる。

前記各実施形態では、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０の全ての面が反射部７２に覆われていたが、本発明はこれに限らない。すなわち、発光部７１のＸ軸方向の端面７１０の少なくとも一部が反射部７２により覆われていればよい。また、反射部７２は、膜状のものでなくともよく、高反射性部材、例えばアルミニウムや銀などの金属部材によって構成され、発光部７１に上から嵌め込まれることで、発光部７１の端面７１０を覆うように構成されていてもよい。

前記各実施形態では、発光部７１は、素子基板７１１上に四角錐台状、または逆四角錐台状に形成されていたが、三角錐台状や円錐台状などの錐台状、または逆錐台状に形成されていてもよい。
前記各実施形態では、固体光源７Ａ〜７Ｄは、赤、青、緑の色光を射出する発光層７１２を備えて構成されていたが、白色光を射出する発光層を備えて構成されていてもよい。また、発光層７１２は、ＬＥＤ素子から構成されていなくともよく、有機ＥＬ（Electroluminescence）素子や半導体レーザ等の他の固体発光素子から構成されていてもよい。

前記各実施形態では、クロスダイクロイックプリズム６２の誘電体多層膜６２１に入射する各偏光光は、それぞれＳ偏光光であったが、Ｐ偏光光となっていてもよく、Ｓ偏光光であることに限定されない。
前記各実施形態では、３つの液晶ライトバルブ６１を用いたプロジェクタ１，１Ａの例のみを挙げたが、２つ以下、および４つ以上の液晶ライトバルブを用いたプロジェクタにも、本発明の固体光源７Ａ〜７Ｄは適用可能である。また、前記各実施形態では、光源装置５１は、複数の固体光源７Ａ〜７Ｄを備えていたが、すくなくとも一つを備えていればよい。固体光源７Ａ〜７Ｄを複数設ける場合には、各波長の強度に応じて、それぞれ色光毎に設けられる固体光源７Ａ〜７Ｄの数を設定してもよい。

前記各実施形態では、液晶ライトバルブ６１に、光入射面と光射出面とが異なる透過型の液晶パネルを用いていたが、光入射面と光射出面とが同一となる反射型の液晶ライトバルブを用いてもよい。
前記各実施形態では、本発明の固体光源７Ａ〜７Ｄを、液晶タイプのプロジェクタ１，１Ａの光源に用いたが、マイクロミラーを用いたデバイスなど液晶以外の光変調装置を用いたプロジェクタにも用いることができる。
さらに、前記各実施形態では、スクリーンを観察する方向から投射を行なうフロントタイプのプロジェクタ１，１Ａの例のみを挙げたが、本発明は、スクリーンを観察する方向とは反対側から投射を行なうリアタイプのプロジェクタにも適用可能である。
また、本発明の固体光源７Ａ〜７Ｄは、プロジェクタに用いられることに限定されず、液晶ディスプレイのバックライト等にも用いることができる。

本発明の固体光源は、射出光に含まれる所定方向の偏光光の割合を増加させることができるため、ホームシアタやプレゼンテーションで利用されるプロジェクタの光源として利用できる。

本発明の第１実施形態に係るプロジェクタの構成を示す模式図。 前記実施形態の固体光源を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る固体光源を示す断面図。 本発明の第３実施形態に係る固体光源を示す断面図。 本発明の第４実施形態に係る固体光源を示す断面図。 本発明の第５実施形態に係るプロジェクタの構成を示す模式図。

符号の説明

１，１Ａ…プロジェクタ、３…投射レンズ（投射光学装置）、７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ…固体光源、６１…液晶ライトバルブ（光変調装置）、７１…発光部、７２…反射部、６２１…反射部材（誘電体多層膜）、７１０…端面（第２方向の発光部の面）、７１１…素子基板、７１２…発光層、７１３…反射電極層、７１４…位相差層（１／４波長位相差層）、７１５…反射型偏光層、７２１…反射部の光反射面、７１３１…反射電極層の光反射面。

Claims (6)

1. 素子基板上の発光部から光束を射出する固体光源であって、
   前記発光部は、
   所定電圧の印加により光を射出する発光層と、
   前記素子基板上に設けられ、前記発光層に前記所定電圧を印加し、かつ、入射光を反射する反射電極層と、
   前記発光層を挟んで前記反射電極層とは反対側に配置され、一方向に振動する偏光光を透過し、かつ、他方向に振動する偏光光を反射する反射型偏光層と、
   前記発光層と前記反射電極層との間に配置され、透過する光の振動方向を回転させる位相差層と、を備え、
   前記反射型偏光層を透過する光束の中心軸に沿った第１方向に対して略直交する第２方向の前記発光部の面のうち少なくとも一部を覆い、かつ、入射光束を反射する反射部が設けられていることを特徴とする固体光源。
2. 請求項１に記載の固体光源において、
   前記反射部は前記発光部の内側に向かって傾斜し、
   前記反射部の光反射面と、前記反射電極層の光反射面とのなす角は、４５度より大きく、かつ、９０度より小さいことを特徴とする固体光源。
3. 請求項１に記載の固体光源において、
   前記反射部は前記発光部の外側に向かって傾斜し、
   前記反射部の光反射面と、前記反射電極層の光反射面とのなす角は、９０度より大きく、かつ、１３５度より小さいことを特徴とする固体光源。
4. 請求項１から請求項３のいずれかに記載の固体光源において、
   前記反射部は、前記第２方向の前記発光部の全ての面を覆うことを特徴とする固体光源。
5. 請求項１から請求項４のいずれかに記載の固体光源と、前記固体光源から射出された光束を画像情報に応じて変調する光変調装置と、変調された光束を投射する投射光学装置とを備えていることを特徴とするプロジェクタ。
6. 請求項５に記載のプロジェクタにおいて、
   前記固体光源から射出された光の光路上には、入射光の進行方向を変化させる反射部材が配置され、
   前記反射部材に入射する偏光光は、Ｓ偏光光であることを特徴とするプロジェクタ。

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