CN110531573A - 光源装置以及投射型影像显示装置 - Google Patents

Abstract

本公开提供一种光源装置以及投射型影像显示装置，所述光源装置能够将来自三个以上的光源单元的光束合成，从而实现高亮度化以及小型化。光源装置具备：第一以及第二光源单元，以射出S偏振光的方式排列有多个光源元件，在射出方向上对置配置；第三光源单元，以射出P偏振光的方式排列多个光源元件而成，配置为向与第一以及第二光源单元的光射出方向正交的方向射出P偏振光；偏振分束器(PBS)，使第一光源单元的S偏振光朝向与第三光源单元的射出光的相同方向反射，使第二光源单元的S偏振光朝向第三光源单元反射，透过P偏振光；以及偏振转换元件，配置在PBS和第三光源单元之间，由设置有透过第三光源单元的P偏振光的开口的透明基板构成。

Description

光源装置以及投射型影像显示装置

技术领域

本公开涉及将多个光源阵列(光源单元)的光束合成并射出的光源装置以及使用该光源装置的投射型影像显示装置。

背景技术

对于投影仪而言，期望小型化，为了小型化，可以考虑通过缩小光源间隔来缩小光束直径从而使后级的光学系统小型化、合成来自多个光源的光以节省空间。但是，若缩小光源间隔，则散热器的冷却性能降低，光源的散热不充分，光源有可能破损。此外，在使用反射镜等反射件的光合成手法中，相对于一张反射件只能合成来自两个方向的光，因此光合成部会大型化。

专利文献1公开了用于投射型影像显示装置(投影仪)的照明装置(光源装置)。专利文献1所公开的照明装置具备：第一光源阵列，在与给定平面平行的第一方向上以给定间隔配置且向与给定平面平行的相同方向分别射出光；第二光源阵列，在与给定平面平行的第二方向上以给定间隔配置且向与来自第一光源阵列的光交叉的相同方向分别射出光；以及光合成构件，交替地配置有使来自第一光源阵列的光通过的通过区域和反射来自第二光源阵列的光的反射区域。光合成构件被配置为使得：来自第一光源阵列的光入射到通过区域，来自第二光源阵列的光入射到反射区域，并且通过了通过区域的来自第一光源阵列的光和由反射区域反射的来自第二光源阵列的光朝向相同方向。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2010-102049号公报

发明内容

发明要解决的课题

本公开提供一种光源装置以及投射型影像显示装置，能够适当地合成来自多个光源单元的光束，从而实现高亮度化以及小型化。

用于解决课题的手段

本公开中的光源装置具备：第一光源单元，向第一方向射出第一直线偏振光；第二光源单元，与第一光源单元对置配置，使第一直线偏振光向与第一方向相反的第二方向射出；第一偏振分束器，配置在第一光源单元和第二光源单元之间，反射第一直线偏振光，透过与第一直线偏振光处于正交关系的第二直线偏振光；以及偏振转换元件，由在一个面具有1/4波长涂层且在另一面具有反射涂层的透明基板构成。从第一光源单元射出的第一直线偏振光，由第一偏振分束器向与第一方向以及第二方向正交的第三方向反射。从第二光源单元射出的第一直线偏振光，由第一偏振分束器向与第三方向相反的第四方向反射，由偏振转换元件转换为第二直线偏振光并向第三方向反射。

发明效果

本公开中的光源装置以及投射型显示装置能够合成多个光源单元的光束，从而实现高亮度化以及小型化。

附图说明

图1是表示实施方式1所涉及的投影仪的结构的图。

图2是表示实施方式1所涉及的照明光学系统内荧光体轮装置的图。

图3是表示实施方式1所涉及的光源装置的结构的图。

图4是表示实施方式1所涉及的光源单元的结构的图。

图5是表示实施方式1所涉及的偏振转换元件的结构的图。

图6是表示实施方式1所涉及的偏振分束器上的光线透过区域的图。

图7是表示实施方式2所涉及的光源装置的结构的图。

图8是表示实施方式2所涉及的相位差板的结构的图。

图9是表示实施方式2所涉及的偏振分束器上的光线透过区域的图。

图10是表示实施方式3所涉及的光源装置的结构的图。

图11是表示实施方式3所涉及的偏振分束器的结构的图。

图12是表示实施方式3所涉及的偏振分束器上的光线透过区域的图。

符号说明

1：投影仪，

11、12、13：光源装置，

20：照明光学系统，

30：影像生成部，

40：投射光学系统，

100、100A、100B、100C、100D：光源单元，

101：光源元件，

102：准直透镜，

103：光源元件部，

110：偏振分束器，

110A：第一偏振分束器，

110B：第二偏振分束器，

111A：开口区域，

112A：非开口区域，

113A：面，

120：偏振转换元件，

121：开口区域，

122：非开口区域，

123、124：面，

130：相位差板，

131：开口区域，

132：非开口区域，

133：面，

140、150：准直透镜，

160：偏振转换元件，

200：聚光透镜，

201：漫射板，

202：准直透镜，

203：分色镜，

204、205、207、209、211、214、215、216：透镜，

206、208、210：反射镜，

212：聚光透镜，

213：棒状积分器，

230：荧光体轮装置，

231：马达，

232：旋转基材，

233R：红色荧光体部，

233G：绿色荧光体部，

233B：开口部，

301：第一棱镜，

302：第二棱镜，

303：棱镜。

具体实施方式

以下，适当参照附图，详细地说明实施方式。但是，有时省略必要以上的详细说明。例如，存在省略对已经公知的事项的详细说明、实质上相同的结构的重复说明的情况。这是为了避免以下的说明不必要地变得冗长，使本领域技术人员容易理解。

另外，为了本领域技术人员充分理解本公开，发明者提供附图以及以下的说明，并非意图通过这些来限定权利要求所记载的主题。

(实施方式1)

以下，使用图1～图6，对实施方式1进行说明。以下，作为本公开所涉及的投射型影像显示装置的具体的实施方式，对投影仪进行说明。

[1-1.结构]

[1-1-1.投影仪的结构]

图1是表示实施方式1所涉及的投影仪的结构的图。投影仪1具备光源装置11、照明光学系统20、影像生成部30以及投射光学系统40。此外，在图1中示出XYZ正交坐标系，在图2以后的附图中也适当地表示相同的XYZ正交坐标系。

投影仪1通过照明光学系统20将从光源装置11射出的光引导至影像生成部30，使用影像生成部30中的数字微镜器件(Digital Micromirror Device)(以下，称为“DMD”)并根据来自控制部的影像信号进行调制，由此生成影像光。投影仪1将生成的影像光通过投射光学系统40投射到屏幕等。以下，对各部结构进行详细地说明。

光源装置11由多个半导体激光器构成，生成激光被二维状排列的光束。光源装置11的详细内容后述。

照明光学系统20将来自光源装置11的光束引导至影像生成部30。来自光源装置11的光被聚光透镜200聚光，在透过漫射板201后，通过准直透镜202进行平行光化。该平行光被分色镜203向-X方向反射，聚光于荧光体轮装置230。

漫射板201为平板玻璃，在单面或双面形成有微细的凹凸形状。此外，分色镜203反射蓝色光，具有使除此以外的波长区域的光透过的特性。

如图2的(a)的主视图、图2的(b)的侧视图所示，荧光体轮装置230由马达231和以马达231的旋转轴为中心被旋转驱动的圆盘状的板体所构成的旋转基材232构成。旋转基材232的一个面被镜面加工，在该一个面上，如图2的(a)的主视图所示，在从荧光体轮的旋转轴中心A隔开距离R的圆周上，在该圆周的内外以给定的宽度W形成有红色荧光体部233R、绿色荧光体部233G和开口部233B。

当来自光源装置11的激光聚光于荧光体轮装置230的红色荧光体部233R时，红色荧光体部233R的荧光体被激励，发出红色光。此外，当来自光源装置11的激光聚光于荧光体轮装置230的绿色荧光体部233G时，绿色荧光体部233G的荧光体被激励，发光绿色光。而且，聚光于荧光体轮装置230的开口部233B的来自光源装置11的激光透过荧光体轮装置230。

返回图1，由荧光体轮装置230得到的红色光以及绿色光从荧光体轮装置230向+X方向射出。由红色荧光体部233R和绿色荧光体部233G向-X方向射出的荧光在旋转基材232的上述一个面反射并向+X方向射出。这些红色光、绿色光被透镜204平行化，透过分色镜203，由聚光透镜212聚光后入射到棒状积分器213。

另一方面，通过了开口部233B的蓝色半导体激光器的蓝色光在透镜205、反射镜206、透镜207、反射镜208、透镜209、反射镜210、透镜211的路径上前进，被分色镜203反射，由聚光透镜212聚光后入射到棒状积分器213。透镜207、209、211作为中继透镜发挥功能。

棒状积分器213是由玻璃等透明构件构成的实心的棒状物。棒状积分器213通过使入射的光在内部多次反射，生成使光强度分布均匀化的光。另外，棒状积分器213也可以是内壁由镜面构成的中空的棒状物。

从棒状积分器213射出的光通过透镜214、透镜215、透镜216，入射到由第一棱镜301和第二棱镜302这一对棱镜构成的TIR(内部全反射)棱镜303，在作为光调制元件的DMD300中，根据影像信号对入射光进行调制，作为影像光P射出。透镜214、215、216是将来自棒状积分器213的射出光在影像生成部30中的DMD300上大致成像的中继透镜。

来自DMD300的射出光入射到投射光学系统40，投射光学系统40将来自影像生成部30的影像光投射到例如屏幕等上。投射光学系统40包括用于调整聚焦、变焦等的透镜。

[1-1-2.光源装置的结构]

以下，使用图3～5，对光源装置11的结构进行详细地说明。图3是表示实施方式1所涉及的光源装置的结构的图。另外，在图3中，用箭头示出光路。此外，在图3中，相对于X方向以及Z方向形成45度的角度的方向被表示为W方向。光源装置11具备第一光源单元100A、第二光源单元100B、第三光源单元100C、偏振分束器110以及偏振转换元件120。

在图4中示出第一光源单元100A～第三光源单元100C的结构。由于第一光源单元100A～第三光源单元100C具有相同的结构，因此在图4中表示为光源单元100。图4的(a)是光源单元的主视图，图4的(b)是图4的(a)的切断线4b所示的切断位置处的剖视图。在光源单元的光射出面内具有以给定的间距排列成阵列状的多个光源元件101。在本实施方式中光源元件101配置成4×4的矩阵状。光源元件例如使用半导体激光器。从各个光源元件101射出的光通过准直透镜102成为大致平行光，从光源单元100射出。将配置有光源元件101以及准直透镜102的部分称为光源元件部103。图3的箭头以来自第一光源单元100A～第三光源单元100C各自的多个光源元件中的一个光源元件的射出光为代表来表示。

第一光源单元100A和第二光源单元100B夹着偏振分束器(PBS)110而对置配置，使各光源元件的射出光的光轴一致，并且分别朝向-X方向(相当于第一方向)、+X方向(相当于第二方向)而配置。第三光源单元100C朝向-Z方向(相当于第三方向)配置，在偏振分束器110与第三光源单元100C之间配置偏振转换元件120。这样，第三光源单元100C被配置为：向与从第一光源单元100A以及第二光源单元100B的光射出方向正交的方向射出光。

光源元件101被配置为：使得从第一光源单元100A以及第二光源单元100B射出相对于偏振分束器110进行反射的作为第一直线偏振光的S偏振光的光。此外，光源元件101被配置为：使得从第三光源单元100C射出透过偏振分束器110的与第一直线偏振光处于正交关系的作为第二直线偏振光的P偏振光的光。

从各个光源单元射出的光的偏振方向配置为第一光源单元100A、第二光源单元100B与Y方向平行，第三光源单元100C与X方向平行。

在图5中示出偏振转换元件120的详细内容。偏振转换元件120如图5的(a)的俯视图所示，被划分为形成于透明的玻璃基板的开口区域121(施加了网格的区域)和非开口区域122，非开口区域122如图5的(b)的侧视图所示，对一个面123实施了1/4波长涂层，另一个面124作为镜面而实施了反射涂层。1/4波长涂层具有使处于相互垂直的关系的两个偏振分量的相位错开的作用，慢轴配置为与从Y方向旋转了45度的θa方向平行。此外，图5的(a)所示的θb方向表示快轴的方向。另外，偏振转换元件120被配置为：实施了1/4波长涂层的面123与偏振分束器110对置，实施了反射涂层的面124与第三光源单元100C对置。

[1-2.光源装置的动作]

以下，将相对于偏振分束器110进行反射的偏振方向设为S方向，将透过偏振分束器110的偏振方向设为P方向，将沿着这些方向振动的直线偏振光分别称为S偏振光、P偏振光。

由于从第一光源单元100A射出的光束LA具有S偏振光，因此被偏振分束器110向-Z方向反射。从第三光源单元100C射出的光束LC通过偏振转换元件120的开口区域121，由于具有P偏振光，因此透过偏振分束器110，向-Z方向行进。由于从第二光源单元100B射出的光束LB具有S偏振光，因此被偏振分束器110向+Z方向(相当于第四方向)反射，入射到偏振转换元件120的非开口区域122。入射到非开口区域122的光束LB在透过面123时，成为圆偏振光，在面124反射后，再次透过面123时，成为P偏振光。之后，光束LB透过偏振分束器110，向-Z方向行进。

图6中示出在偏振分束器110上的光束LA、LB、LC的透过区域。光束LA、LB在相同的透过区域(在图6中用黑色圆表示的区域)反射或者透过该区域，光束LC透过光束LA、LB的透过区域之间(在图6中用白色圆表示的区域)。

[1-3.效果等]

如上所述，在本实施方式中，从光源装置11射出的全光束由于光束LA、LB重叠且光束LC进入光束LA、LB的间隙，因此光束直径小。因此，照明光学系统20变小，能够使投影仪1小型化。此外，由于光源单元合成了来自三个方向的光束，因此与以往的合成来自两个方向的结构相比，能够使光源单元小型化。

(实施方式2)

以下，使用图7～图9说明实施方式2。在实施方式2中，对与实施方式1相同的结构部分标注相同的符号，并省略其重复说明。

在图7中示出实施方式2所涉及的光源装置12的结构。在光源装置12中，第一光源单元100A和第二光源单元100B夹着偏振分束器110而朝向X方向相对地配置，但与实施方式1的光源装置11的不同点在于，在Y方向上错开光源元件间的半个间距的量来配置。此外，相位差板130配置在光源装置12的射出口附近。

在图8中示出相位差板130的结构。图8的(a)是主视图，图8的(b)是侧视图。相位差板130具有设置于透明的玻璃基板的开口区域131(施加了网格的区域)和非开口区域132，对非开口区域132的面133实施了1/2波长涂层，慢轴配置为与从Y方向旋转了45度的θa方向平行。另外，面133配置为与第三光源单元100C侧对置。

再次返回图7，对动作进行说明。来自第一光源单元100A的S偏振光的光束LA被偏振分束器110向-Z方向反射，入射到相位差板130的非开口区域132。此时，光束LA的偏振方向从S偏振光转换为P偏振光，向-Z方向前进。来自第三光源单元100C的P偏振光的光束LC通过偏振转换元件120的开口区域121，透过偏振分束器110，通过相位差板130的开口区域131，向-Z方向前进。来自第二光源单元100B的S偏振光的光束LB被偏振分束器110向+Z方向反射，由偏振转换元件120转换成P偏振光并向-Z方向反射。然后，透过偏振分束器110，通过相位差板130的开口区域131，向-Z方向行进。在图9中示出偏振分束器110上的各光束的透过区域。在本实施方式中，光束LA(施加了横条纹的圆)、LB(施加了纵条纹的圆)、LC(白圆)在偏振分束器110上，分别通过不同的区域。

如上所述，实施方式2的光源装置12在与实施方式1的光源装置11同样能够实现小型化的优点的同时，还能够使光束LA、LB、LC的偏振方向一致。此外，能够采用光源装置12作为投影仪1的光源装置。

(实施方式3)

以下，使用图10～图12对实施方式3进行说明。在图10中示出实施方式3所涉及的光源装置13的结构。光源装置13由第一光源单元100A、第二光源单元100B、第三光源单元100C、第四光源单元100D、第一偏振分束器110A、第二偏振分束器110B、准直透镜140、150以及偏振转换元件160构成。

第一光源单元100A～第四光源单元100D各自的结构与图4所示的光源单元100相同。第一光源单元100A和第二光源单元100B夹着配置在它们之间的第一偏振分束器110A而对置配置，使得来自各光源元件的射出光的X方向的光轴对准，第三光源单元100C和第四光源单元100D夹着配置在它们之间的第二偏振分束器110B而对置配置，使得来自各光源元件的射出光的X方向的光轴对准。

另外，第一光源单元100A～第四光源单元100D被配置为相对于各个偏振分束器而射出光具有S偏振光。

在图11中示出第一偏振分束器110A的结构。图11的(a)是主视图，图11的(b)是侧视图。第一偏振分束器110A由开口区域111A(相当于光透过用的第一开口部)和非开口区域112A构成，对非开口区域112A的一个面113A实施了反射S偏振光且使P偏振光透过的分束涂层。另外，虽然未图示，但第二偏振分束器110B也由开口区域(相当于光透过用的第二开口部)和非开口区域构成，对非开口区域的一个面实施了反射S偏振光且使P偏振光透过的分束涂层。在沿Z方向投影来观察时，第二偏振分束器110B的开口区域以及非开口区域分别不与第一偏振分束器110A的开口区域以及非开口区域重叠地在W方向上错开来配置。第一偏振分束器110A和第二偏振分束器110B配置为实施了分束涂层的一个面侧成为准直透镜140侧。

偏振转换元件160由在与准直透镜150对置的一侧的面具有1/4波长涂层且对其相反侧的面实施了反射涂层的透明基板构成。

再次返回图10，对动作进行说明。从第一光源单元100A射出的S偏振光的光束LA在第一偏振分束器110A的非开口区域112A向-Z方向反射。从第三光源单元100C射出的S偏振光的光束LC在第二偏振分束器110B的非开口区域被反射，通过第一偏振分束器110A的开口区域111A，向-Z方向行进。

从第四光源单元100D射出的S偏振光的光束LD在第二偏振分束器110B的非开口区域向+Z方向反射，通过准直透镜140、150缩小光束直径，入射到偏振转换元件160，由偏振转换元件160转换成P偏振光。转换为P偏振光的光束LD再次入射到准直透镜140、150，扩大光束直径。然后，透过第二偏振分束器110B的非开口区域，通过第一偏振分束器110A的开口区域111A，向-Z方向行进。

从第二光源单元100B射出的S偏振光的光束LB在第一偏振分束器110A的非开口区域112A向+Z方向反射，通过第二偏振分束器110B的开口区域，入射到准直透镜140。然后，与光束LD同样地转换为P偏振光后，通过第二偏振分束器110B的开口区域，透过第一偏振分束器110A的非开口区域112A，向-Z方向行进。

图12表示在第一偏振分束器110A上的光束LA～LD的透过区域。光束LA、LB在非开口区域112A反射或者透过，LC、LD通过开口区域111A。

以上，在实施方式3的光源装置13中，由于偏振转换元件160与实施方式1、2的光源装置相比更小型化，因此能够降低成本。此外，能够采用光源装置13作为投影仪1的光源装置。

(其他实施方式)

如上所述，作为在本申请中公开的技术的例示，说明了实施方式1～3。然而，本公开中的技术并不局限于此，也能够适用于适当地进行了变更、置换、附加、省略等的实施方式。此外，也可以组合上述实施方式1～3中说明的各结构要素而成为新的实施方式。因此，以下，例示其他实施方式。

(1)在实施方式1中，说明了具备三个光源单元100A～100C、偏振分束器110、偏振转换元件120的光源装置11。本公开并不局限于此，能够适用于具备n个光源单元和n-1个光合成板的方式。另外，n为3以上的整数。

(2)此外，实施方式1～3中的偏振转换元件也可以采用将相位差膜贴合于玻璃板的结构。

(3)实施方式1～3中的光源单元采用排列了4行4列共计16个光源的矩阵结构，但光源的数量以及排列并不局限于此。

(4)在实施方式1、2中，说明了具备三个光源单元100A～100C的光源装置。本公开并不局限于此，也可以由两个光源单元100A、100B构成光源装置。即，在光源装置11、12中能够省略光源单元100C，在这种情况下，也能够省略偏振转换元件120的开口区域121。

(5)在实施方式3中，说明了具备四个光源单元100A～100D和两个偏振分束器110A、110B的光源装置13。本公开并不局限于此，还能够再使用具有相同结构的四个光源单元和两个偏振分束器，从而合计由八个光源单元和四个偏振分束器构成光源装置。即，将新追加的四个光源单元和两个偏振分束器配置在实施方式3的光源装置13的-Z方向侧。在这种情况下，将追加的四个光源单元的各光源元件的光轴配置成相对于四个光源单元100A～100D在Y方向上错开半个间距。此外，可以在追加的两个偏振分束器设置用于使来自四个光源单元100A～100D的光束通过的开口，在两个偏振分束器110A、110B中设置用于使来自追加的光源单元的光束通过的开口。

如上所述，作为本公开的技术的例示，对实施方式进行了说明。为此，提供了附图以及详细的说明。

因此，在附图以及详细的说明所记载的结构要素中，不仅包括为了解决课题所必须的结构要素，而且还包括为了例示上述技术而对于解决课题而言不是必须的结构要素。因此，不应当因为在附图、详细的说明中记载了这些不是必须的结构要素而立即认定这些不是必须的结构要素是必须的。

此外，上述的实施方式是用于例示本公开中的技术的方式，因此能够在权利要求或者其等同的范围内进行各种变更、置换、附加、省略等。

产业上的可利用性

本公开能够适用于将来自多个光源的光合成而利用的光源装置以及使用该光源装置的投射型影像显示装置。

Claims (5)

1.一种光源装置，具备：

第一光源单元，向第一方向射出第一直线偏振光；

第二光源单元，与所述第一光源单元对置配置，向与所述第一方向相反的第二方向射出所述第一直线偏振光；

第一偏振分束器，配置在所述第一光源单元和所述第二光源单元之间，反射所述第一直线偏振光，透过与所述第一直线偏振光处于正交关系的第二直线偏振光；以及

偏振转换元件，由在一个面具有1/4波长涂层且在另一个面具有反射涂层的透明基板构成，

从所述第一光源单元射出的所述第一直线偏振光，由所述第一偏振分束器向与所述第一方向以及所述第二方向正交的第三方向反射，

从所述第二光源单元射出的所述第一直线偏振光，由所述第一偏振分束器向与所述第三方向相反的第四方向反射，由所述偏振转换元件转换为所述第二直线偏振光并向所述第三方向反射。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其中，

所述光源装置还具备：第三光源单元，向所述第三方向射出所述第二直线偏振光，

所述第一偏振分束器具有使来自所述第三光源单元的所述第二直线偏振光通过的开口。

3.根据权利要求1或2所述的光源装置，其中，

所述光源装置还具备：相位差板，配置在所述光源装置的射出口，具有使所述第二直线偏振光通过的开口，由在一个面具有1/2波长涂层的透明基板构成。

4.根据权利要求1所述的光源装置，其中，

所述光源装置还具备：

第三光源单元，向所述第一方向射出所述第一直线偏振光；

第四光源单元，与所述第三光源单元对置配置，向所述第二方向射出所述第一直线偏振光；以及

第二偏振分束器，配置在所述第三光源单元和所述第四光源单元之间，具有光透过用的第二开口部，反射所述第一直线偏振光，透过所述第二直线偏振光，

所述第一偏振分束器具有光透过用的第一开口部，

从所述第二光源单元射出的所述第一直线偏振光，由所述第一偏振分束器向所述第四方向反射，并通过所述第二偏振分束器的所述第二开口部，由所述偏振转换元件转换为所述第二直线偏振光并向所述第三方向反射，

从所述第三光源单元射出的所述第一直线偏振光，由所述第二偏振分束器向所述第三方向反射，并通过所述第一偏振分束器的所述第一开口部，

从所述第四光源单元射出的所述第一直线偏振光，由所述第二偏振分束器向所述第四方向反射，由所述偏振转换元件转换为所述第二直线偏振光并向所述第三方向反射。

5.一种投射型影像显示装置，具备权利要求1～4的任一项所述的光源装置。