JP2012133337A - 光源装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】多数の固体光源からの光を効率よく集光、合成し、明るく小型の光源装置を提供する。
【解決手段】複数の固体光源３、４を備えて対向配置された第１、第２固体光源ユニット１、２、固体光源からの出射光束を反射する反射ユニット１３、反射光束を集光する第１集光部１４、１５、及び集光光束で励起される蛍光発光板１９を備えた光源装置。第１、第２固体光源ユニットの固体光源は、ｘ、ｙ、ｚ軸からなる直交座標系のｙｚ平面内で、光軸をｘ軸方向に向けて二次元配列され、第１固体光源ユニットの固体光源の各列と、第２固体光源ユニットの固体光源の各列は、ｙ軸方向において交互に配列される。反射ユニットは、各固体光源ユニットからの出射光束をｚ軸方向に反射して、ｘｙ平面内において二次元アレイ状に反射光束群を整列させ、反射光束群のｘ軸方向における密度を、固体光源のｚ軸方向における配置の密度よりも高密度とするように配置される。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、多数の固体光源からの光を合成して蛍光体を励起するように構成された光源装置及び、その光源装置の照明光によりライトバルブ上の画像を照明して拡大投写する投写型表示装置に関する。

液晶やミラー偏向型のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）からなるライトバルブを用いた投写型表示装置の光源として、放電ランプが広く利用されている。しかし、放電ランプは寿命が短く信頼性が低い、という問題点を抱えている。この問題を解決するため、近年、投写型表示装置の光源として、半導体レーザーや発光ダイオード等の固体光源を用いることが検討されている。

図１０に、固体光源とＤＭＤを用いた投写型表示装置の従来例として、特許文献１に開示された構成を示す。発光ダイオード１０１からの紫外光は、円盤状のカラーホィール１０２に入射する。カラーホィール１０２には、紫外光を透過し可視光を反射する反射膜が形成されている。反射膜の出射側には、円盤を周方向に３つの領域に分割した各領域にそれぞれ、赤、緑、青の蛍光体層が形成されており、入射した紫外光により、赤、緑、青の色光が発光される。発光した光はリレーレンズ１０３、反射ミラー１０４、プリズム１０５を透過および反射して、ＤＭＤ１０６に入射する。入射した光は、映像信号に応じてＤＭＤ１０６により変調され、変調された光は投写レンズ１０７により拡大投写される。

一般に、放電ランプと比較して、発光ダイオードや半導体レーザーなどの固体光源は発光光束が少ない。このため、図１０に示す構成により高輝度を得ることは困難である。そこで、複数の固体光源からの光を合成して、高輝度の光束を得ることが検討されている。

図１１に、複数の固体光源からの光束を高密度に合成するための、特許文献２に開示された光源装置の例を示す。複数の半導体レーザー１１０と放熱板１１１を備えたレーザーバー１１２と、冷却ユニット１１３で固体光源ユニットが構成される。固体光源ユニットから出射する各光束１１４は、それぞれ対応するレンズ１１５で集光され、反射体１１６のステップ状反射面１１７により反射される。レーザーバー１１２からの光束幅Ｂに対して、反射体１１６からの出射光束の幅Ａは小さくなり、高密度で合成された光束を得ることができ、小型の固体光源装置が構成できる。

特開２００４−３４１１０５号公報 米国特許第６２４０１１６号明細書

複数の固体光源を合成する光源装置の場合、冷却性を考慮することにより、複数の固体光源は一定の間隔で離散的に配置される。そのため、固体光源の個数を増やすほど出射光束の外形が大型化し、結果として光源装置が大型化してしまう。

特許文献２に記載されている、図１１に示したようなステップ状の反射面１１７を用いた構成は、比較的数が少ない複数の固体光源（半導体レーザー１１０）からなる固体光源ユニットを小型化することには有効である。すなわち、固体光源からの光束の発散角度は、狭い方向で略±１０度であり、この角度の光を取り込み平行光へ変換するよう集光レンズ１１５の焦点距離を決めればよい。

しかしながら、一定の出射光束外形内で固体光源の個数を増やし集光する場合、半導体レーザー１１０の配置間隔が狭くなる。そのため、集光レンズ１１５の焦点距離を一定とすると、集光する角度が小さく、半導体レーザー１１０からの光を効率よく集光できない状態が発生する。また、集光レンズ１１５の焦点距離を短くして、単一の固体光源からの出射光束の幅を狭くすると、集光レンズ１１５と固体光源の発光点の配置ずれの影響が大きくなり、光路長が長い伝達過程での光損失が増大する。

したがって、本発明は、多数の固体光源からの光を効率よく集光、合成し、明るく小型の光源装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、そのような光源装置を用いて構成された、高輝度な投写型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の光源装置は、複数の固体光源及び集光レンズをそれぞれ備え、互いに対向させて配置された第１及び第２固体光源ユニットと、前記第１及び第２固体光源ユニットからの出射光束群を一方向に向けて反射する反射ユニットと、前記反射ユニットからの反射光束群を集光する第１集光部と、前記第１集光部で集光された光により励起され蛍光発光する蛍光発光板とを備え、前記第１及び第２固体光源ユニットの前記複数の固体光源は、ｘ、ｙ、ｚ軸からなる直交座標系におけるｙｚ平面内で、その光軸をｘ軸方向に向けて二次元配列され、前記第１固体光源ユニットの前記ｚ軸方向に並んだ前記固体光源の各列と、前記第２固体光源ユニットの前記ｚ軸方向に並んだ前記固体光源の各列は、ｙ軸方向において交互に配列されており、前記反射ユニットは、前記第１及び第２固体光源ユニットからの前記出射光束を前記ｚ軸方向に各々反射して、ｘｙ平面内において二次元アレイ状に前記反射光束群を整列させ、かつ前記反射光束群の前記ｘ軸方向における密度を、前記固体光源のｚ軸方向における配置の密度よりも高密度とするように配置されていることを特徴とする。

また、本発明の第１の投写型表示装置は、白色光を出射する白色光光源装置と、前記白色光光源装置からの光を集光して照明光を形成する照明部と、前記照明光を青、緑及び赤の各色光に色分離する色分離部と、色分離された各色光を空間変調して画像光を各々形成する３つの液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブから出射した青、緑及び赤の色光の画像光を合成する色合成部と、前記色合成部で合成された画像を拡大投写する投写レンズとを備え、前記白色光光源装置が上記構成の光源装置を用いて構成されていることを特徴とする。

本発明の第２の投写型表示装置は、緑、赤、青の色光を時系列で出射する色光光源装置と、前記色光光源装置からの光を集光して照明光を形成する照明部と、前記照明光を空間変調して画像光を形成するミラー偏向型ライトバルブと、前記ミラー偏向型ライトバルブで形成された画像光を拡大投写する投写レンズとを備え、前記色光光源装置が上記構成の光源装置を用いて構成されていることを特徴とする。

上記構成の光源装置によれば、対向する一対の固体光源ユニットにおける、ｚ軸方向に並んだ固体光源の各列がｙ軸方向において交互に配列され、それらの固体光源からの出射光束が反射ユニットによりｘ軸方向において高密度化されることにより、多数の固体光源からの光を効率よく集光、合成して、明るく小型の光源装置を構成できる。

上記構成の投写型表示装置によれば、本発明の光源装置を用いることにより、長寿命で、明るい投写型表示装置を構成できる。

本発明の実施の形態１における光源装置の構成を示す正面図 同光源装置の固体光源ユニット部分を示し、（ａ）はその左側面図、（ｂ）は右側面図 同光源装置の反射ユニットにおける反射ミラーの構成を示す図 同光源装置における合成光束の様相を示した図 同光源装置のダイクロイックミラーの分光特性を示すグラフ 同光源装置の分光特性を示すグラフ 本発明の実施の形態２における光源装置の構成を示す正面図 本発明の実施の形態３における投写型表示装置の構成を示す正面図 本発明の実施の形態４における投写型表示装置の構成を示す正面図 同投写型表示装置の光源装置における蛍光発光板の構成を示す正面図 同蛍光発光板の構成を示す側面図 従来例の投写型表示装置の構成を示す正面図 従来例の光源装置の構成を示す正面図

本発明の光源装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、前記第１及び第２固体光源ユニットはそれぞれ、前記ｚ軸方向において複数に分割され、複数の前記固体光源及び前記集光レンズをそれぞれ備えた固体光源サブユニットの集合体として構成することができる。

また、前記第１固体光源ユニットの前記ｙ軸方向に並んだ前記固体光源の各行が、前記第２固体光源ユニットの前記ｙ軸方向に並んだ前記固体光源の各行に対して、前記ｚ軸方向において交互に配列され、それにより、前記第１及び第２固体光源ユニットの複数の前記固体光源は前記ｙｚ平面において千鳥配列を形成している構成とすることができる。

前記固体光源は、青色半導体レーザーとすることができる。また、前記固体光源を出射する光は、直線偏光の光であることが好ましい。

また、前記反射ユニットは、前記複数の固体光源からの光がそれぞれ４５度で入射するよう配置された反射ミラーにより構成することができる。

また、前記反射ユニットを構成する反射ミラーのうち、前記第１固体光源ユニットからの光束を反射する反射ミラーは、前記第２固体光源ユニットからの光束を反射する反射ミラーで反射した光を透過する部分反射ミラーである構成とすることができる。

前記蛍光発光板は、回転制御可能な円形であることが好ましい。

また、前記蛍光発光板は、光の入射側に配置された蛍光体層と、前記蛍光体層に対して光の入射方向の反対側に配置された反射膜とを有することが好ましい。

また、前記蛍光発光板の蛍光体層は、Ｃｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体により形成することができる。

また、前記反射ユニットと前記第１集光部との間に拡散板が配置されることが好ましい。

また、前記第１集光部からの光を第１偏光成分と第２偏光成分に偏光分離し、かつ青の色光と緑および赤の色光を合成するダイクロイックミラーと、前記第２偏光成分の偏光方位を変換する位相差板と、前記位相差板を透過した光を、前記位相差板に再度入射するように反射する反射板とを備え、前記蛍光発光板には前記第１偏光成分が入射し、発光した蛍光は前記ダイクロイックミラーに向けて反射され、前記蛍光発光板からの緑及び赤の色光と前記反射板からの青の色光とが前記ダイクロイックミラーで合成されて白色光を出射する構成とすることができる。前記位相差板は、１／４波長板とすることができる。

また、前記第１集光部からの光を反射し、かつ青の色光と緑および赤の色光とを分離または合成するダイクロイックミラーと、発光ダイオードと、前記発光ダイオードから放射する光を集光する第２集光部とを備え、前記蛍光発光板は前記ダイクロイックミラーにより反射された前記第１集光部からの光により励起され、発光した蛍光は前記ダイクロイックミラーに向けて反射され、前記蛍光発光板からの色光と前記第２集光部によって集光された前記発光ダイオードからの色光とが前記ダイクロイックミラーで合成されて白色光を出射する構成とすることができる。

本発明の上記構成の第１の投写型表示装置において、前記液晶ライトバルブは、透過型の液晶パネルを用いて構成することができる。

本発明の上記構成の第２の投写型表示装置において、前記色光光源装置は、前記第１集光部からの光を反射し、かつ青の色光と緑および赤の色光とを分離または合成するダイクロイックミラーと、青の色光を発光する発光ダイオードと、前記発光ダイオードから放射する光を集光する第２集光部とを備え、前記蛍光発光板は前記ダイクロイックミラーにより反射された前記第１集光部からの光により励起され、発光した蛍光は前記ダイクロイックミラーに向けて反射されるように構成され、前記蛍光発光板からの色光と前記第２集光部によって集光された前記発光ダイオードからの色光とが前記ダイクロイックミラーで合成されて出射し、前記蛍光発光板は、回転方向に分割されて、緑成分の色光を蛍光発光する緑色蛍光体領域と、赤成分の色光を蛍光発光する赤色蛍光体領域と、透過領域とで形成され、前記発光ダイオードは、前記第１集光部からの光が前記透過領域を通過している期間のみ発光させられ、同時に前記複数の固体光源は発光を停止させられる構成とすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１Ａは、本発明の実施の形態１における光源装置の構成を示す正面図である。この光源装置は、対向して配置された一対の第１及び第２固体光源ユニット１、２に含まれる多数の半導体レーザーからの光束群を効率よく集光、合成し、しかも小型に構成されていることを特徴とする。

第１及び第２固体光源ユニット１、２はそれぞれ、青色の半導体レーザー３、４、放熱板５、６、及び集光レンズ７、８を備えている。放熱板５、６には、それぞれヒートシンク９、１０が取り付けられている。第１及び第２固体光源ユニット１、２の間に、全面反射ミラー１１及び部分反射ミラー１２からなる反射ユニット１３が設けられて、半導体レーザー３、４からの光束群を一方向に反射する。

反射ユニット１３からの反射方向に、レンズ１４、１５からなる第１集光部、及び拡散板１６が配置されている。拡散板１６の出射側に、偏光分離用のダイクロイックミラー１７が配置され、偏光分離された一方の光（第１偏光成分）の出射方向に、コンデンサレンズ１８、及び蛍光発光板１９が配置され、他方の光（第２偏光成分）の出射方向に、位相差板２０、及び反射板２１が配置されている。蛍光発光板１９は、円形のガラス基板２２上に反射膜２３及び蛍光体層２４を設けて構成され、モーター２５により回転制御可能である。

図中にｘ、ｚで示す方向は、ｘ、ｙ、ｚ軸からなる直交座標系におけるｘ、ｚ軸の方向である。図中には、第１及び第２固体光源ユニット１、２から出射する各光束２６、２７の様相、及び、この光源装置の光軸２８が示されている。

図１Ｂの（ａ）は、ヒートシンク９を通して見た第１固体光源ユニット１の左側面図、（ｂ）は、ヒートシンク１０を通して見た第２固体光源ユニット２の右側面図である。これらの図には、第１及び第２固体光源ユニット１、２における半導体レーザー３、４の群の配置様相が破線で示されている。

第１及び第２固体光源ユニット１、２では、それぞれ、放熱板５、６上に１８個（６×３）の半導体レーザー３、４が一定の間隔で２次元状に配置され、それに対応させて集光レンズ７、８が配置されている。青色の半導体レーザー３、４は、４４０ｎｍから４５５ｎｍの波長で直線偏光を発光する。各半導体レーザー３、４は、ｙｚ平面内で、その光軸をｘ軸方向に向けて配置されている。ヒートシンク９、１０はそれぞれ第１及び第２固体光源ユニット１、２を冷却するためのものである。

第１固体光源ユニット１におけるｚ軸方向に並んだ半導体レーザー３の各列は、第２固体光源ユニット２におけるｚ軸方向に並んだ半導体レーザー４の各列に対して、ｙ軸方向において交互の位置関係（交互配列）となるように配列されている。すなわち、複数の半導体レーザー３（または４）の各列の中間の位置に、半導体レーザー４（または３）の各列が対向配置されている。

さらに、ｚ軸方向においても、ｙ軸方向に並んだ半導体レーザー３の各行と半導体レーザー４の各行は交互配列を形成し、それにより、半導体レーザー３、４はｙｚ平面において千鳥配列を形成している。千鳥配列とすることにより、ｙ軸方向における配置の余裕度を増大させることができる。

複数の半導体レーザー３、４を出射した光は、対応する集光レンズ７、８によりそれぞれ集光され、平行な光束２６、２７に変換される。半導体レーザー３からの光束２６は、４５度入射の全面反射ミラー１１で反射され、部分反射ミラー１２を透過し、レンズ１４に入射する。半導体レーザー４からの光束２７は、４５度入射の部分反射ミラー１２で反射し、レンズ１４に入射する。

このように、反射ユニット１３は、第１及び第２固体光源ユニット１、２からの出射光束をｚ軸方向に各々反射して、ｘｙ平面内において二次元アレイ状に反射光束群を整列させる。また反射ユニット１３は、以下に説明するように、反射光束群のｘ軸方向における密度を、半導体レーザー３、４のｚ軸方向における配置の密度よりも高密度とするように配置されている。

ｘｚ軸面内において、各々の半導体レーザー４の光軸と対応する部分反射ミラー１２の反射面の交点の各々を結ぶ線と、光軸２８とのなす角度をθとする。また第２固体光源ユニット２の出射光束幅をＤ、反射ユニット１３を出射する反射光束幅をＷとする。θ、Ｄ、Ｗの関係は、式（１）で表される。

ｔａｎθ＝Ｗ／Ｄ ・・・ （式１）
従って、角度θが４５度未満であれば、出射光束幅Ｄに対して反射光束幅Ｗを小さくすることができる。図１の構成では、角度θが２１．５度となるように複数の部分反射ミラー１２が配置され、光束幅Ｄに対して光束幅Ｗが３８％に小型化されている。複数の全面反射ミラー１１も、同様に配置されている。なお、このような効果を得るためには、半導体レーザー３、４の千鳥配列は、必ずしも必要ではない。半導体レーザー３の各列と半導体レーザー４の各列がｙ軸方向において交互に配列され、ｚ軸方向においては同一行に並んでいても、十分な効果が得られる。

図２に、全面反射ミラー１１及び部分反射ミラー１２の構成図を示す。全面反射ミラー１１は、（ａ）に示すように、ガラス基板上にアルミニウム反射膜２９を全面に形成した矩形状のミラーである。部分反射ミラー１２は、（ｂ）に示すように、ガラス基板上のｙ軸方向に、アルミニウム反射膜３０と、反射防止膜を形成した透過面３１を、交互に配列した部分透過の矩形状のミラーである。アルミニウム反射膜は４４５ｎｍ付近で反射率がピ−クとなる特性としている。部分反射ミラー１２は、アルミニウム反射膜３０の領域のみを有して、透過面３１は空間である構成とすることもできる。但し、部分的に透過する領域をもつミラーとすることで、３枚で構成されるミラーを１枚に一体化することができるため、ミラーの保持機構が容易となる利点がある。

図３に、反射ユニット１３から出射する合成光束の様相を示す。合成光束は反射ユニット１３の出射面での様相である。斜線の領域が第１固体光源ユニット１の光束群２６であり、他の領域が第２固体光源ユニット２の光束群２７である。破線は、光束群の最大外形円を示したものである。ｄは、ｘ軸方向における合成光束の幅である。図に示されるように、複数の固体光源ユニット１、２からの光束群が円形領域の中に高密度に合成されることがわかる。従って、一つの固体光源ユニットの場合と同様な集光レンズ７、８の焦点距離や光束幅で、第１及び第２固体光源ユニット１、２の光束群を効率よく小型に合成できる。

以上のように、一対の第１及び第２固体光源ユニット１、２、及び反射ユニット１３により、複数の半導体レーザー３、４からの出射光束群を効率よく集光、合成することができる。なお、第１及び第２固体光源ユニット１、２をそれぞれ、ｚ軸方向において複数に分割して、複数の固体光源サブユニットの集合体として構成することもできる。固体光源サブユニットは、複数の半導体レーザー３、４及び集光レンズ７、８をそれぞれ備えた構成とする。それにより、第１及び第２固体光源ユニット１、２をそれぞれ一体に構成した場合と比べて、半導体レーザー３、４からの発熱の問題を回避することが容易になる。

図１のレンズ１４に入射した光束群は、凸面のレンズ１４と凹面のレンズ１５からなる第１集光部により、さらに小径化される。第１集光部のレンズ１５からの出射光は拡散板１６に入射する。拡散板１６はガラス製であり、表面の微細な凹凸形状で光を拡散する。拡散板１６からの光はダイクロイックミラー１７に入射する。図中には、ダイクロイックミラー１７へ入射する光の偏向方向が示される。

第１及び第２固体光源ユニット１、２の半導体レーザー３、４は、出射光のうち、約２０％がＰ偏光、約８０％がＳ偏光としてダイクロイックミラー１７に入射するように配置されている。図４に、ダイクロイックミラー１７の分光特性を示す。ダイクロイックミラー１７は、波長４４５ｎｍ付近の半導体レーザー光のＳ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過し、かつ緑および赤の色光を透過する。

図１のダイクロイックミラー１７で反射したＳ偏光の光束は、コンデンサレンズ１８により集光され、光強度がピーク強度に対して１３．５％となる直径が、１ｍｍ〜３ｍｍのスポット光を形成するように重畳され、蛍光発光板１９に入射する。拡散板１６はそのスポット光の径が所望の径となるよう光を拡散させる。蛍光発光板１９の反射膜２３は、可視光を反射する誘電体薄膜である。蛍光体層２４は、青成分の光により励起され緑、赤成分を含んだ黄色を発光するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体により形成されている。この蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織は、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂である。蛍光体層２４は円環状に形成されている。

スポット光で励起された蛍光体層２４は、緑、赤成分の光を発光する。蛍光発光板１９を回転させることにより、励起光による蛍光体の温度上昇を抑制し、蛍光変換効率を安定に維持することができる。蛍光体層２４から発光した緑、赤成分の色光は、蛍光発光板１９を出射し、または、反射膜２３で反射して、蛍光発光板１９を出射する。蛍光発光板１９から出射した緑および赤の色光は、再びコンデンサレンズ１８で集光され、略平行光に変換後、ダイクロイックミラー１７を透過する。

一方、ダイクロイックミラー１７を透過したＰ偏光の青色光は、位相差板２０に入射する。位相差板２０は、半導体レーザー３、４の発光主波長近傍で１／４波長板となるように、延伸フィルムや水晶などで構成される。位相差板２０で円偏光に変換された光は反射板２１で位相が反転した後、位相差板２０に再度入射してＳ偏光に変換される。反射板２１は、ガラス基板上にアルミニウム反射膜や誘電体膜を形成したものである。Ｓ偏光に変換された青色光はダイクロイックミラー１７で反射する。なお、このように位相差板２０を透過した光が直接反射板２１で反射される構成に代えて、コンデンサレンズを用いて集光した後に、反射板２１で反射させる構成としてもよい。

このようにして、蛍光発光板１９からの緑および赤成分の蛍光光と、半導体レーザー３、４の青色光がダイクロイックミラー１７で合成され、白色光が出射される。出射する白色光の分光特性を図５に示す。蛍光発光の緑、赤成分を含む黄色光と半導体レーザーの青色光により、良好なホワイトバランスの発光特性を得ることができることが判る。

以上のように、本実施の形態の光源装置は、対向配置された複数の半導体レーザーが交互配列となるように配置された一対の固体光源ユニットと、複数の半導体レーザーからの光束群を反射した後に高密度化させるように構成された反射ユニットを備えることにより、小型でありながら、多数の半導体レーザーからの光束群を効率よく集光、合成できる。また、固体光源ユニットからの青色光を１枚のダイクロイックミラーで偏光分離し、分離された一方の光で励起発光する黄色光と、分離された他方の光を合成して白色光を得るため、高効率で良好な白バランスの白色光を出射する、小型で高輝度な光源装置を構成できる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における光源装置の構成を示す正面図である。この光源装置は、実施の形態１と同様の構成を有する２つの第１及び第２固体光源ユニット４０、４１を備え、概ね実施の形態１と同様の構成を有する。従って、同一の要素については同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを省略する。本実施の形態の構成が実施の形態１と相違するのは、白色光を得るための合成対象の青色光として、半導体レーザー４２、４３からの出射光ではなく、発光ダイオードの青色光を用いる点である。

図６の構成において、第１及び第２固体光源ユニット４０、４１からダイクロイックミラー４４へ入射する光の偏光は、１つの偏光方向となっている。すなわち、第１及び第２固体光源ユニット４０、４１の半導体レーザー４２、４３は、出射光のうち、略１００％がＳ偏光としてダイクロイックミラー４４に入射するように配置されている。また、図１Ａのダイクロイックミラー１７とは異なる分光特性の青反射のダイクロイックミラー４４が用いられる。更に、図１Ａにおける位相差板２０及び反射板２１に代えて、コンデンサレンズ４５（第２集光部）、発光ダイオード４６、及びヒートシンク４７からなる固体光源ユニットが設けられている。

第１及び第２固体光源ユニット４０、４１は、それぞれ、放熱板５、６上に１８個（６×３）の半導体レーザー４２、４３が一定の間隔で２次元状に配置され、対応させて集光レンズ７、８が配置されたものである。青色の半導体レーザー４２、４３は、４４０ｎｍから４５５ｎｍの波長で直線偏光を発光する。各半導体レーザー４２、４３は、実施の形態１と同様、千鳥配列となるように、ｙｚ軸面内に配置されている。

複数の半導体レーザー４２、４３を出射した光は、対応する集光レンズ７、８によりそれぞれ集光され、平行な光束２６、２７に変換される。光束２６は４５度入射の全面反射ミラー１１で反射され、部分反射ミラー１２を透過し、レンズ１４に入射する。光束２７は４５度入射の部分反射ミラー１２で反射され、レンズ１４に入射する。部分反射ミラー１２の角度θは２１．５度となるよう複数の部分反射ミラー１２が配置され、光束幅Ｄに対して光束幅Ｗが３８％に小型化されている。複数の全面反射ミラー１１についても同様に配置されている。このようにして、複数の第１及び第２固体光源ユニット４０、４１からの光束群を高密度で合成することができる。

レンズ１４、１５により、光束はさらに小径化され、拡散板１６で拡散した後に、ダイクロイックミラー４４に入射する。ダイクロイックミラー４４で反射した光はコンデンサレンズ１８により集光され、径が１〜３ｍｍのスポット光を形成するように重畳され、蛍光発光板１９に入射する。

スポット光で励起された蛍光体層２４は緑、赤成分の光を発光する。蛍光発光板１９を回転させることにより、励起光による蛍光体の温度上昇を抑制し、蛍光変換効率を安定に維持することができる。蛍光体層２４に入射した光は、緑、赤成分の色光を蛍光発光し、蛍光発光板１９を出射する。蛍光発光板１９から発光する緑および赤の色光は、再びコンデンサレンズ１８で集光され、略平行光に変換後、ダイクロイックミラー４４を透過する。

一方、発光ダイオード４６が発光する青の色光はコンデンサレンズ４５で集光され、略平行光に変換された後、ダイクロイックミラー４４で反射される。発光ダイオード４６はヒートシンク４７により冷却され、発光特性が安定維持される。

このように、蛍光発光板１９からの緑および赤成分の蛍光光と、発光ダイオード４６の青色光がダイクロイックミラー４４で合成され、白色光が出射される。半導体レーザー光ではなく、発光ダイオード４６の光を用いることにより、レーザー光固有のスペックルの発生がない光を得ることができる。なお、図６の構成では、１つの発光ダイオード４６が用いられているが、複数の発光ダイオードを用いて構成してもよい。

以上のように、本実施の形態の光源装置は、対向配置された複数の半導体レーザーが交互配列となるように配置された一対または複数対の固体光源ユニットと、複数の半導体レーザーからの光束群を反射した後に高密度化させるように構成された反射ユニットとを備えることにより、小型でありながら、多数の半導体レーザーからの光束群を効率よく集光、合成できる。また、固体光源ユニットからの青色光の励起により蛍光発光した黄色光と、発光ダイオードからの青色光を合成して白色光を得るため、スペックルの発生がない高品位で、良好な白バランスの白色光を出射する、小型で高輝度な光源装置を構成できる。

（実施の形態３）
図７は、本発明の実施の形態３における投写型表示装置を示す。この投写型表示装置は、実施の形態１における光源装置を用いて構成されている。従って、光源装置の要素については、実施の形態１と同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを省略する。

本実施の形態では、ライトバルブとして、ＴＮモードもしくはＶＡモードであって、画素領域に薄膜トランジスタが形成されたアクティブマトリクス方式の透過型の液晶パネルが用いられる。

ダイクロイックミラー１７からの出射光を集光して照明光を形成する照明部が、第１、第２レンズアレイ板５０、５１、偏光変換光学素子５２、及び重畳用レンズ５３により構成されている。重畳用レンズ５３を通過した照明光を色分離して各色光用の液晶ライトバルブに入射させるための色分離部が、青反射のダイクロイックミラー５４、緑反射のダイクロイックミラー５５、反射ミラー５６、５７、５８、及びリレーレンズ５９、６０により構成されている。

色分離された各色光を空間変調して画像光を形成する液晶ライトバルブ部が、フィールドレンズ６１、６２、６３、入射側偏光板６４、６５、６６、液晶パネル６７、６８、６９、及び出射側偏光板７０、７１、７２により構成されている。各色光の画像光を合成し拡大投写する投写光学系が、赤反射のダイクロイックミラーと青反射のダイクロイックミラーから構成される色合成プリズム７３、及び投写レンズ７４により構成されている。

上記構成において、光源装置からの白色光は、複数のレンズ素子から構成された第１レンズアレイ板５０に入射する。第１レンズアレイ板５０に入射した光束は多数の光束に分割される。第１レンズアレイ板５０のレンズ素子は、液晶パネル６７、６８、６９と相似形の開口形状である。分割された多数の光束は、複数のレンズから構成された第２レンズアレイ板５１に収束する。第２レンズアレイ板５１のレンズ素子は、第１レンズアレイ板５０と液晶パネル６７、６８、６９とが略共役関係となるようにその焦点距離が決められている。第２レンズアレイ板５１から出射した光は偏光変換光学素子５２に入射する。偏光変換光学素子５２は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成され、光源装置からの自然光を一つの偏光方向の光に変換する。偏光変換光学素子５２からの光は重畳用レンズ５３に入射する。重畳用レンズ５３は、第２レンズアレイ板５１の各レンズ素子からの出射した光を重畳して、液晶パネル６７、６８、６９を照明するための機能を有する。

重畳用レンズ５３からの光は、青反射のダイクロイックミラー５４、緑反射のダイクロイックミラー５５により、青、緑、赤の色光に分離される。緑の色光は、フィールドレンズ６１、入射側偏光板６４を透過して、液晶パネル６７に入射する。青の色光は、反射ミラー５６で反射した後、フィールドレンズ６２、入射側偏光板６５を透過して液晶パネル６８に入射する。赤の色光は、リレーレンズ５９、６０や反射ミラー５７、５８を透過屈折および反射し、フィールドレンズ６３、入射側偏光板６６を透過して、液晶パネル６９に入射する。

３枚の液晶パネル６７、６８、６９は、映像信号に応じた画素への印加電圧の制御により、入射光の偏光状態を変化させる。入射側偏光板６４、６５、６６および出射側偏光板７０、７１、７２は、対応する液晶パネル６７、６８、６９の両側に、透過軸を直交させて配置されている。そのため、液晶パネル６７、６８、６９の偏光状態に応じて光が空間変調されて、緑、青、赤の画像光が形成される。出射側偏光板７０、７１、７２を透過した各色光は、色合成プリズム７３に入射する。赤色光は赤反射のダイクロイックミラーにより、青色光は青反射のダイクロイックミラーによって反射され、緑の色光と合成されて、投写レンズ７４に入射する。投写レンズ７４に入射した光は、スクリーン（図示せず）上に拡大投写される。

上述のとおり、光源装置は複数の固体光源で構成され、高輝度で良好なホワイトバランスの白色光を出射するため、長寿命で、高輝度な投写型表示装置を実現できる。また、ライトバルブには、時分割方式ではなく偏光を利用する３枚の液晶パネルを用いているため、カラーブレイキングがなく色再現が良好で、明るく高精細な投写画像を得ることができる。

以上のように、本実施の形態の投写型表示装置は、一対または複数対の固体光源ユニット及び反射ユニットにより、半導体レーザーからの光束群を効率よく集光し偏光分離し、分離された一方の光で蛍光体を励起し発光させた黄色光と、分離された他方の半導体レーザー青色光とを、合成して白色光を得る小型の光源装置を用いる。それにより、小型で、高輝度な投写型表示装置を構成できる。なお、光源装置としては、実施の形態１の光源装置に限らず、実施の形態２の光源装置を用いても、同様の効果を得ることができる。

また、液晶ライトバルブとしては、透過型の液晶パネルに限らず、反射型の液晶パネルを用いて構成してもよい。反射型の液晶パネルを用いることにより、小型で高精細な投写型表示装置が構成できる。また、ライトバルブとして、３つのミラー偏向型ライトバルブを用いてもよい。

（実施の形態４）
図８は、本発明の実施の形態４における投写型表示装置を示す。この投写型表示装置では、実施の形態２における光源装置が一部変更して用いられる。従って、実施の形態２と同一の要素には同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを省略する。

本実施の形態では、ライトバルブとして、時分割方式の１つのＤＭＤを用いる。また、光源装置は、蛍光発光板７５に形成された蛍光体層７６の構成が異なる以外は、実施の形態２の光源装置と同様な構成である。蛍光発光板７５の蛍光体層７６では、回転方向に平面領域が３分割され、それぞれ、緑、赤成分を発光する蛍光体領域、及び透過領域が形成されている。

光源装置におけるダイクロイックミラー４４からの出射光により照明光を形成するための照明部が、コンデンサレンズ７７、７８、ロッド７９、リレーレンズ８０、反射ミラー８１、フィールドレンズ８２、及び全反射プリズム８３により構成される。照明光はＤＭＤ８４により空間変調されて画像光を形成し、投写レンズ８５により拡大投写される。

図９Ａ、９Ｂに、蛍光発光板の構成を示す。図９Ａは正面図、図９Ｂは側面図である。蛍光発光板７５の蛍光体層７６では、回転方向に３分割した領域にそれぞれ、緑、赤成分を発光する蛍光体領域８６、８７及び透過領域８８が形成されている。蛍光体領域８６の蛍光体には、青成分の光により励起され緑成分を含んだ成分の蛍光を発光するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体が用いられ、発光ピークが５４０ｎｍ付近で相対的に赤成分が少ない蛍光体が選択されている。蛍光体領域８７の蛍光体には、青成分の光により励起され、赤成分を含んだ成分の蛍光を発光する窒化物蛍光体が用いられている。窒化物蛍光体としては、Ｃａ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕを用いることができる。この蛍光体は波長６１０ｎｍ近傍に発光ピークがあり、半値幅１００ｎｍ程度で広帯域に発光する。また、温度上昇による変換効率低下もＹＡＧ系黄色蛍光体よりも小さい。

励起された蛍光体層７６（蛍光体領域８６、８７）が発光した緑、赤成分の光は、蛍光発光板７５より出射する。一方、透過領域８８では、青成分の励起光が入射した場合は反射膜２３で反射され蛍光発光板７５を出射するが、透過領域８８の期間は、半導体レーザー４２、４３の発振をオフとする。

発光ダイオード４６は、蛍光発光板７５の透過領域８８の期間に青色光を発光するように制御される。このように、蛍光発光板７５の回転角度に対応する色光と、発光ダイオード４６の色光の発光期間が異なることにより、光源装置は、時系列的に緑、赤、青の色光を出射する。

光源装置からの光は、コンデンサレンズ７７、７８により、ロッド７９の入射面に集光される。ロッド７９は入射面と出射面が矩形の柱状ガラスである。ロッド７９に入射した光は、全反射を含む多重反射により、ロッド７９の出射面まで伝播する。入射面では不均一な光束が出射面では均一な光束となる。ロッド７９からの出射光は、リレーレンズ８０、反射ミラー８１、フィールドレンズ８２、全反射プリズム８３でそれぞれ屈折、反射された後、ＤＭＤ８４に入射する。

リレーレンズ８０、フィールドレンズ８２のそれぞれの面間隔と焦点距離は、ロッド７９の出射面とＤＭＤ８４の面が共役な関係となるように決められている。フィールドレンズ８２は、照明光を効率よく投写レンズ８５に集光させる。全反射プリズム８３は照明光を全反射し、ＤＭＤ８４からの投写光を透過するように機能する。ロッド７９からの出射光は、ＤＭＤ８４上で表示領域と相似な矩形照明となり、ＤＭＤ８４面を高効率で均一に照明する。

ＤＭＤ８４に入射する光は、映像信号に応じて、画像形成に必要な光束のみが偏向され、全反射プリズム８３を透過後、投写レンズ８５に入射し、拡大投写される。ライトバルブが、１つのＤＭＤにより構成されているため、小型軽量な投写型表示装置を構成できる。

以上のように、本実施の形態の投写型表示装置は、一対または複数対の固体光源ユニット及び反射ユニットにより半導体レーザーからの光束群を効率よく集光し蛍光体を励起して発光させた緑、及び赤色光と、発光ダイオードからの青色光とを合成して、時系列的に緑、赤、青の色光を出射する光源装置と、一つのミラー偏向型のライトバルブを用いる。それにより、小型で、高輝度な投写型表示装置を構成できる。

本発明の光源装置は、固体光源からの励起光により蛍光体層から発光される蛍光を用いて、高効率で良好な白バランス光を高輝度で出射することができ、投写型表示装置などの光源装置として有用である。

１、４０ 第１固体光源ユニット
２、４１ 第２固体光源ユニット
３、４、４２、４３ 半導体レーザー
５、６ 放熱板
７、８ 集光レンズ
９、１０、４７ ヒートシンク
１１ 全面反射ミラー
１２ 部分反射ミラー
１３ 反射ユニット
１４、１５ レンズ
１６ 拡散板
１７、４４ ダイクロイックミラー
１８、４５、７７、７８ コンデンサレンズ
１９、７５ 蛍光発光板
２０ 位相差板
２１ 反射板
２２ ガラス基板
２３ 反射膜
２４、７６ 蛍光体層
２５ モーター
２６、２７ 光束
２８ 光軸
２９、３０ アルミニウム反射膜
３１ 透過面
４６ 発光ダイオード
５０ 第１レンズアレイ板
５１ 第２レンズアレイ板
５２ 偏光変換光学素子
５３ 重畳用レンズ
５４ 青反射のダイクロイックミラー
５５ 緑反射のダイクロイックミラー
５６、５７、５８、８１ 反射ミラー
５９、６０、８０ リレーレンズ
６１、６２、６３、８２ フィールドレンズ
６４、６５、６６ 入射側偏光板
６７、６８、６９ 液晶パネル
７０、７１、７２ 出射側偏光板
７３ 色合成プリズム
７４、８５ 投写レンズ
７９ ロッド
８３ 全反射プリズム
８４ ＤＭＤ
８６、８７ 蛍光体領域
８８ 透過領域

Claims (18)

1. 複数の固体光源及び集光レンズをそれぞれ備え、互いに対向させて配置された第１及び第２固体光源ユニットと、
   前記第１及び第２固体光源ユニットからの出射光束群を一方向に向けて反射する反射ユニットと、
   前記反射ユニットからの反射光束群を集光する第１集光部と、
   前記第１集光部で集光された光により励起され蛍光発光する蛍光発光板とを備え、
   前記第１及び第２固体光源ユニットの前記複数の固体光源は、ｘ、ｙ、ｚ軸からなる直交座標系におけるｙｚ平面内で、その光軸をｘ軸方向に向けて二次元配列され、
   前記第１固体光源ユニットの前記ｚ軸方向に並んだ前記固体光源の各列と、前記第２固体光源ユニットの前記ｚ軸方向に並んだ前記固体光源の各列は、ｙ軸方向において交互に配列されており、
   前記反射ユニットは、前記第１及び第２固体光源ユニットからの前記出射光束を前記ｚ軸方向に各々反射して、ｘｙ平面内において二次元アレイ状に前記反射光束群を整列させ、かつ、前記反射光束群の前記ｘ軸方向における密度を、前記固体光源のｚ軸方向における配置の密度よりも高密度とするように配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記第１及び第２固体光源ユニットはそれぞれ、前記ｚ軸方向において複数に分割され、複数の前記固体光源及び前記集光レンズをそれぞれ備えた固体光源サブユニットの集合体として構成されている請求項１記載の光源装置。
3. 前記第１固体光源ユニットの前記ｙ軸方向に並んだ前記固体光源の各行が、前記第２固体光源ユニットの前記ｙ軸方向に並んだ前記固体光源の各行に対して、前記ｚ軸方向において交互に配列され、それにより、前記第１及び第２固体光源ユニットの複数の前記固体光源は前記ｙｚ平面において千鳥配列を形成している請求項１記載の光源装置。
4. 前記固体光源は、青色半導体レーザーである請求項１記載の光源装置。
5. 前記固体光源を出射する光は、直線偏光の光である請求項１記載の光源装置。
6. 前記反射ユニットは、前記複数の固体光源からの光がそれぞれ４５度で入射するよう配置された反射ミラーにより構成されている請求項１記載の光源装置。
7. 前記反射ユニットを構成する反射ミラーのうち、前記第１固体光源ユニットからの光束を反射する反射ミラーは、前記第２固体光源ユニットからの光束を反射する反射ミラーで反射した光を透過する部分反射ミラーである請求項６記載の光源装置。
8. 前記蛍光発光板は、回転制御可能な円形である請求項１記載の光源装置。
9. 前記蛍光発光板は、光の入射側に配置された蛍光体層と、前記蛍光体層に対して光の入射方向の反対側に配置された反射膜とを有する請求項１に記載の光源装置。
10. 前記蛍光発光板の蛍光体層は、Ｃｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体により形成された請求項１記載の光源装置。
11. 前記反射ユニットと前記第１集光部との間に拡散板が配置された請求項１記載の光源装置。
12. 前記第１集光部からの光を第１偏光成分と第２偏光成分に偏光分離し、かつ青の色光と緑および赤の色光を合成するダイクロイックミラーと、
    前記第２偏光成分の偏光方位を変換する位相差板と、
    前記位相差板を透過した光を、前記位相差板に再度入射するように反射する反射板とを備え、
    前記蛍光発光板には前記第１偏光成分が入射し、発光した蛍光は前記ダイクロイックミラーに向けて反射され、
    前記蛍光発光板からの緑及び赤の色光と前記反射板からの青の色光とが前記ダイクロイックミラーで合成されて白色光を出射する請求項９記載の光源装置。
13. 前記位相差板が１／４波長板である請求項１２記載の光源装置。
14. 前記第１集光部からの光を反射し、かつ青の色光と緑および赤の色光とを分離または合成するダイクロイックミラーと、
    発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードから放射する光を集光する第２集光部とを備え、
    前記蛍光発光板は前記ダイクロイックミラーにより反射された前記第１集光部からの光により励起され、発光した蛍光は前記ダイクロイックミラーに向けて反射され、
    前記蛍光発光板からの色光と前記第２集光部によって集光された前記発光ダイオードからの色光とが前記ダイクロイックミラーで合成されて白色光を出射する請求項９記載の光源装置。
15. 白色光を出射する白色光光源装置と、
    前記白色光光源装置からの光を集光して照明光を形成する照明部と、
    前記照明光を青、緑及び赤の各色光に色分離する色分離部と、
    色分離された各色光を空間変調して画像光を各々形成する３つの液晶ライトバルブと、
    前記液晶ライトバルブから出射した青、緑及び赤の色光の画像光を合成する色合成部と、
    前記色合成部で合成された画像を拡大投写する投写レンズとを備え、
    前記白色光光源装置が請求項１記載の光源装置を用いて構成されていることを特徴とする投写型表示装置。
16. 前記液晶ライトバルブは、透過型の液晶パネルを用いて構成された請求項１５記載の投写型表示装置。
17. 緑、赤、青の色光を時系列で出射する色光光源装置と、
    前記色光光源装置からの光を集光して照明光を形成する照明部と、
    前記照明光を空間変調して画像光を形成するミラー偏向型ライトバルブと、
    前記ミラー偏向型ライトバルブで形成された画像光を拡大投写する投写レンズとを備え、
    前記色光光源装置が請求項１記載の光源装置を用いて構成されていることを特徴とする投写型表示装置。
18. 前記色光光源装置は、
    前記第１集光部からの光を反射し、かつ青の色光と緑および赤の色光とを分離または合成するダイクロイックミラーと、
    青の色光を発光する発光ダイオードと、
    前記発光ダイオードから放射する光を集光する第２集光部とを備え、
    前記蛍光発光板は前記ダイクロイックミラーにより反射された前記第１集光部からの光により励起され、発光した蛍光は前記ダイクロイックミラーに向けて反射されるように構成され、
    前記蛍光発光板からの色光と前記第２集光部によって集光された前記発光ダイオードからの色光とが前記ダイクロイックミラーで合成されて出射し、
    前記蛍光発光板は、回転方向に分割されて、緑成分の色光を蛍光発光する緑色蛍光体領域と、赤成分の色光を蛍光発光する赤色蛍光体領域と、透過領域とで形成され、
    前記発光ダイオードは、前記第１集光部からの光が前記透過領域を通過している期間のみ発光させられ、同時に前記複数の固体光源は発光を停止させられる請求項１７記載の投写型表示装置。

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