JP2018060042A - 光源装置およびプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】使用しているＤＭＤ表示パネルの画素数を上回る高精細表示を実現するのに好適な光源装置、およびプロジェクタを提供する。【解決手段】光源装置は、励起光を発生する光源１０１と、励起光により第１の蛍光を発生して励起光とともに出射する第１の蛍光体と、蛍光体以外の部分に形成された非蛍光体部と、を備えた第１の蛍光ホイール１１０と、非蛍光体部に入射した励起光により第２の蛍光を発生して励起光とともに出射する第２の蛍光体を備えた第２の蛍光ホイール１１１と、第１の蛍光体より出射された励起光と第１の蛍光を第１の偏光状態に変換して出射する第１の偏光変換素子１２４と、第２の蛍光体より出射された励起光と第２の蛍光を第２の偏光状態に変換して出射する第２の偏光変換素子１２５と、第１の偏光変換素子および第２の偏光変換素子の出射光を合成して出射する偏光ビームスプリッタ１２６と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクタに関する。

大画面を得る表示装置として、液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）などのマイクロディスプレイを表示パネルに用い、該表示パネルによる画像をレンズなどで拡大投射するプロジェクタが知られている。フルカラー表示を可能とするプロジェクタ装置の構成としては、使用する表示パネルの数により単板型と３板型とが知られている。

表示パネルであるマイクロディスプレイデバイスの応答特性に優れるＤＭＤを用いて単板型のプロジェクタを構成することが可能である。典型的には、白色を発光する光源からの光をカラーホイールの色フィルタに入射させ、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色を時分割に形成する。

カラーホイールは、Ｒ、Ｇ、Ｂの色フィルタを備えた回転可能な円盤により構成されている。このカラーホイールが所定の周期で回転操作され、光源からの光が、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれかの色フィルタを透過することでＲ、Ｇ、Ｂの単色光を時分割的に得ることができる。

表示パネルとして用いられるＤＭＤは、光源からの光がＲの色フィルタを通過しているときには、表示画像のＲに相当する光変調を行い、光源からの光がＧの色フィルタを通過しているときには、表示画像のＧに相当する光変調を行い、光源からの光がＢの色フィルタを通過しているときには、表示画像のＢに相当する光変調を行う。このような仕組みでフルカラー画像を得ている。単板型は３板型に比べてプロジェクタ装置全体の構成が単純で、何より、表示パネルも単一で済むことから、小型で低コストのプロジェクタに向く。

ところで、プロジェクタの主要な表示性能の１つである解像度は、使用するマイクロディスプレイの画素数で決まることは言うまでもない。総務省の報告によれば、２０２０年の東京オリンピック・パラリンピック開催に向けて、４Ｋとさらに高精細な８Ｋ放送サービスの放送スケジュールを２年前倒しする報告案を公表している。２０１６年の４Ｋ放送サービス提供時に８Ｋの試験放送も開始し、２０１８年には４Ｋと８Ｋの本放送を開始するという計画がある。このような放送の高精細化の流れの中で、プロジェクタに要求される解像度もより高精細となって行くことが容易に推測される。

高精細化の要求に対して、液晶パネルの場合には、配線の確保、開口率という観点から画素サイズの小型化による高精細化という手法は取りにくい。従って、パネルサイズの大型化による高精細化という選択にならざるを得ない。高精細化である画素数の増加は製造コストの増加につながるばかりでなく、パネルの大型化による周囲の光学系の大型化にもつながる。

一方で、ＤＭＤの場合にはマイクロミラーを微細化しても開口率の確保は比較的簡単なので、マクロミラーの微細化による高精細化のＤＭＤデバイス開発という方法ができる。しかしながら、プロジェクタ装置全体で考えたときに、ＤＭＤミラーの微細化が必ずしもコストパフォーマンスには良い方向には向かわない。ＤＭＤミラーの微細化で、従来と同じ装置サイズで高解像度の性能が得られるものの、プロジェクタを構成する光学部品には従来以上の高精度の加工や仕様が要求されることになる。特に画質を左右する投射レンズには、格段に厳しい分解能などが必要になる。これらは、プロジェクタを構成する光学部品のコスト高になるという問題点がある。さらに高精度な組み立ても必要になることから製造コストの上昇にもつながる。

現状入手可能な解像度のＤＭＤ表示デバイスを用いて、表示解像度を２倍に増加させる構成例として、４台のプロジェクタをタイリング配置してそれぞれのプロジェクタにより表示画像を４分割した画像を表示させ投射画面上に繋ぎ合わせるという構成が考えられる。確実に表示解像度の増加が見込まれるが、４台のプロジェクタ装置が必要になることからシステム全体の大型化、それに伴うコストの上昇、さらに各表示画像間のつなぎ目を目立たなくする設置調整や画像処理技術などの課題がある。

表示解像度を２倍に増加させる別の方法としてピクセルシフト技術を使ったものが知られている。ピクセルシフト技術では、例えば、２台のプロジェクタを用意し、同一の表示画像に対して２つの画像を用意し、これらを互いに画素をずらして重ねて表示する方法が考えられる。しかしこの方法でもプロジェクタが２台必要なことによるシステム全体の大型化、それに伴うコストの上昇、位置合わせに高精度な調整が必要なこと等の課題がある。

さらにまた別の方法として、画像フィールドを時間的に分割した複数のサブフィールド毎に表示パネルと投射レンズなどの間に光軸をずらす光路変更手段を備え、光路変更手段によりサブフィールド毎の光軸ずれに応じて投射画面位置がずれた画像パターンを表示させることで表示パネルの見かけの画素数を倍増するものであって、特許文献１（特開２００４−７０３６５号公報）に開示されている技術では、光路変更手段としては光学要素が光軸に対して傾斜され、その傾斜状態が変化することで光軸がずれ、投射画面の位置が変動する仕組みである。その傾斜に応じてサブフィールド駆動を同期制御することでみかけの解像度増加を達成する。

また、特許文献２（特開２００８−１３９７００号公報）には、表示パネルと投射レンズとの間に複屈折素子を設けることが開示されている。複屈折素子は入射するＰ偏光とＳ偏光とで光軸をずらす効果があることが知られている。Ｐ偏光を発光する光源とＳ偏光を発光する光源を備え、それらの光を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）で合成し、表示パネルに照射している。このときに光源の点灯制御を間欠的にすることで表示パネルにはＰ偏光とＳ偏光とが時分割的に供給される。表示パネルの駆動はサブフィールド駆動とし、光源からのＰ偏光とＳ偏光との照射を同期制御することで画素ずらしが行われ、見かけの上での高解像度化が達成される。

特開２００４−７０３６５号公報 特開２００８−１３９７００号公報

特許文献１に開示される技術では、機械的な駆動を必要とする画素シフトデバイスが必要になる。この画素シフトデバイスを備えるための十分な物理的な空間を投射レンズと表示パネルの間に設けることが必要になり、小型化に対して不利である。また、シフトデバイスは機械的な駆動が要求されることからプロジェクタ構成部品のコストアップが懸念される。

一方、特許文献２に開示される技術では画素シフトデバイスが不動であるため、これを配置する空間の問題や部品コストの問題は大幅に軽減されるが、Ｐ偏光とＳ偏光を発生するための２つの光源が必要になるので、光源コストの増加が課題である。さらに、２つの光源を備えているものの点灯しているのはどちらか一方で、同時に点灯している訳でない。そのため光源の利用率としては不十分であり、光源のパワーに見合った輝度が得られないという課題もある。

本発明の目的とするところは、装置の構成が小型、低コストになる単板型のＤＬＰプロジェクタにおいて、使用しているＤＭＤ表示パネルの画素数を上回る高精細表示を実現するのに好適な光源装置、これによるプロジェクタを提供することにある。

本発明による光源装置は、励起光を発生する光源と、
前記励起光により第１の蛍光を発生して前記励起光および前記第１の蛍光を出射する第１の蛍光体と、前記蛍光体以外の部分に形成された非蛍光体部と、を備えた第１の蛍光ホイールと、
前記非蛍光体部に入射した前記励起光により第２の蛍光を発生して前記励起光および前記第２の蛍光を出射する第２の蛍光体を備えた第２の蛍光ホイールと、
前記第１の蛍光体より出射された前記励起光と第１の蛍光を第１の偏光状態に変換して出射する第１の偏光変換素子と、
前記第２の蛍光体より出射された前記励起光と第２の蛍光を第２の偏光状態に変換して出射する第２の偏光変換素子と、
前記第１の偏光変換素子および前記第２の偏光変換素子の出射光を合成して出射する偏光ビームスプリッタと、を備える。

本発明によるプロジェクタは、上記の光源装置と、
前記光源装置の出射光を入射し、複数の色光を時系列に出射するカラーホイールと、
前記複数の色光を変調して各色の画像光を作成するＤＭＤと、
前記ＤＭＤによる各色の画像光を拡大投写する投写レンズと、
前記ＤＭＤと投写レンズの間に設けられた複屈折素子と、を有する。

上記の構成を備える本発明では、使用しているＤＭＤ表示パネルの画素数を上回る高精細表示を実現するのに好適な光源装置、これによるプロジェクタを提供できる。

本発明によるプロジェクタの光源装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は蛍光ホイールの構成を示す図である。 本発明によるプロジェクタの光源装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明によるプロジェクタの光源装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明によるプロジェクタの構成を示すブロック図である。 複屈折素子による光路シフトを説明する図である。 （ａ），（ｂ）はライトトンネルの構成を示す図である。 ダイクロイックミラーの透過／反射特性を示す図である。 （ａ），（ｂ）は蛍光ホイールの構成を示す図である。 ダイクロイックミラーの構成を示す図である。 に拡大投射されるＰ偏光とＳ偏光とによる画像は互いに水平方向と垂直方向に１／２画素ずれた画像を示す図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

第１の実施形態
図１は本発明によるプロジェクタの光源装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、レーザー光源１０１と、レンズ１０２，１０３と、偏光ビームスプリッタ１０４と、位相差板１０５と、レンズ１０６，１０７，１０８，１０９と、第１の蛍光ホイール１１０と、第２の蛍光ホイール１１１と、レンズ１１２，１１３，１１４,１１５，１１６，１１７と、反射ミラー１１８，１１９と、フライアイレンズ１２０，１２１，１２２，１２３と、偏光変換素子１２４，１２５と、偏光ビームスプリッタ１２６を備える。

レーザー光源１０１はＢ色の波長域を発光する半導体レーザーを使用した。波長の範囲としては、４３０ｎｍ〜４７０ｎｍ程度のものが利用できる。レーザー光源１０１は、１個を用いても良いし、図示するように複数用いることも可能である。

レンズ１０２、１０３はレーザー光の光束径を調整するために用いた。凸レンズのレンズ１０２と凹レンズのレンズ１０３の組み合わせとしたがこれに限定されるものではなく、適宜変更可能である。

偏光ビームスプリッタ１０４はＰ偏光のＢ色帯域の光を透過しＳ偏光のＢ色光を反射する特性のものを使用している。ガラスキューブ製のほか、板状のワイヤグリッド偏光子などが利用できる。

位相差板１０５には１／４波長板を用いた。レンズ１０６，１０７，１０８，１０９はレーザー光を集光するように、その曲率や大きさなどを定めた。構成枚数や材質などは設計に応じて変形可能である。

第１の蛍光ホイール１１０と第２の蛍光ホイール１１１の構造は基本的に同じである。どちらの蛍光ホイールも透明な円形基板が回転可能なモーターに組み合わされている。具体的な第１の蛍光ホイール１１０の構成を図２（ａ）に示す。図示されるように第１の蛍光ホイール１１０は、基板２０１と、モーター部２０５と、蛍光体２０２、と反射部２０３からなる。

基板２０１としては透明基板を用いることが出来る。蛍光体２０２は励起光であるＢ色レーザーを照射したときにＹ色を発光する特性を使用している。また、円形の基板２０１に関して、蛍光体が形成されている箇所の裏面には、Ｂ色を透過しＹ色を反射する特性のコーティングが施されている。このような特性のコーティングは周知の技術で作製可能である。反射部２０３はアルミ蒸着などによって得られるミラー面である。この反射部２０３は少なくともＢ色帯域の光を反射する特性を有する。蛍光体２０２が形成されている面と同一面上に反射部２０３を形成することもできるし、反射部２０３を蛍光体２０２が形成されている面の裏面に形成することもできる。なお、図２（ａ）に示される例では蛍光体２０２が形成されている面積と反射部２０３が形成されている面積の割合が１：１となっているが、面積比はこれに限定されず、任意に変更可能である。

第２の蛍光ホイール１１１の構成としては、第１の蛍光ホイールと同じ仕様のものを利用できるが、そうでないものを用いることも可能である。例えば、図２（ｂ）に示すように基板２０１と、モーター部２０５と、蛍光体２０２、と透過部２０４とを備えるものとしてもよい。基板２０１としては透明基板を用いることが出来る。蛍光体２０２は励起光としてＢ色を照射したときにＹ色を発光する特性を使用している。また、蛍光体２０２が形成されている箇所の基板裏面には、Ｂ色を透過し、Ｙ色を反射する特性のコーティングが施されている。このような特性のコーティングは周知の技術で作製可能である。透過部２０４は特別なコートを必要としていないが、反射防止のコートをしておくことは好ましい。なお、図２（ａ）に示される例では蛍光体２０２が形成されている面積と透過部２０４が形成されている面積の割合が１：１となっているが、面積比はこれに限定されず、任意に変更可能である。

第２の蛍光ホイール１１１としては、図２（ｂ）に示した構成の他、さらに図２（ｃ）に示す構成とすることもできる。図２（ｃ）に示す例では、基板２０１と、モーター部２０５と、蛍光体２０２を備えている。蛍光体２０２は円形ドーナツ形状に形成した。基板２０１としては透明基板を用いることが出来る。基板の裏面には蛍光を反射し、Ｂ色光を透過する特性のコーティングが施されている。また、蛍光体２０２には励起光としてＢ色を照射したときにＹ色を発光する特性のものを使用している。この他、第１の蛍光ホイール１１０、第２の蛍光ホイール１１１ともに同一のものを使用することもできる。その場合には図２（ａ）に示した構成のものを用いることが好ましい。

レンズ１１２，１１４，１１６は蛍光ホイール１１０からの光を平行化するためのレンズ系である。図１に示した３枚構成が最適という訳ではなく、設計変更可能である。レンズ１１３，１１５，１１７は蛍光ホイール１１１からの光を平行化するためのレンズ系である。このレンズ系についても図１に示した３枚構成が最適という訳ではなく設計変更可能である。

反射ミラー１１８，１１９は光の進行方向を曲げるもので、プロジェクタでごく一般的に使われる反射ミラーが利用可能である。フライアイレンズ１２０，１２２は偏光変換素子１２４と組み合わされて使用されている。これらはいずれも液晶プロジェクタで頻繁に使われる周知技術であり、偏光統一と輝度均一化が実施される。

フライアイレンズ１２１，１２３は偏光変換素子１２５と組み合わされて使用されている。偏光変換素子１２５はアレイ状のＰＢＳと１／２波長板とを組み合わせた光学部品である。ＰＢＳアレイに近接配置する１／２波長板の配置如何により、射出する光束の偏光方向に関し、Ｐ偏光またはＳ偏光のどちらにも偏光統一可能なように構成できる。偏光変換素子１２４と偏光変換素子１２５とでは偏光統一される直線偏光が異なっている。これは先に説明したように１／２波長板の配置場所に応じて異なった偏光が得られるからである。なお、フライアイレンズ１２１，１２３、偏光変換素子１２５は商用の液晶パネルを表示デバイスに用いたプロジェクタにおいてごく一般に使われている技術であり、これ以上の説明はしない。偏光ビームスプリッタ１２６はＰ偏光とＳ偏光を合成して同一の進行経路にするために使用している。周知技術で作製可能である。

レーザー光源１０１は、３個の半導体レーザーが離散的に配置され、複数の略平行のＢ色のレーザー光を発している。各レーザー光は、レンズ１０２，１０３により光束径が縮小されてレンズ１０６，１０８に対して略平行光として入射する。この入射光はレンズ１０６，１０８により第１の蛍光ホイール１１０の基板表面近傍に集光する。

レンズ１０３とレンズ１０６との間には偏光ビームスプリッタ１０４と位相差板１０５とが配置されている。レーザー光源１０１からの光は一般に直線偏光であって、偏光ビームスプリッタ１０４を透過する（例えばＰ偏光）光が発するようにレーザー光源１０１は配置されている。位相差板１０５は１／４波長板で、この位相差板１０５によりレーザー光源１０１の出射光の偏光状態は円偏光となって蛍光体ホイール１１０上の蛍光体２０２に集光している。

第１の蛍光ホイール１１０には、例えば図２（ａ）に示すようにＹ色の蛍光を発生する蛍光体２０２と反射部２０３とが形成されている。したがって蛍光体２０２が形成されている箇所に励起光が当たっているときには、第１の蛍光ホイール１１０からはＹ色の蛍光と、一部の励起光であるＢ色とが混合した光が発生している。この光はＹ＋Ｂの白色光である。なお、Ｙ色蛍光は非偏光である。Ｙ＋Ｂの光はレンズ１１２，１１４，１１６を通り、そして反射ミラー１１８で進行方向を９０度曲げられ、フライアイレンズ１２０，１２２と偏光変換素子１２４に達する。偏光変換素子１２４でＰ偏光に偏光統一されて偏光ビームスプリッタ１２６を透過する。

一方、第１の蛍光ホイール１１０で反射部２０３に入射した励起光は反射する。その後の進行経路としては逆戻りの経路である。レンズ１０８，１０６で略平行光となり、１／４波長板１０５で円偏光から直線偏光に変換される。この偏光はＳ偏光であるため、偏光ビームスプリッタ１０４で反射されて第２の蛍光ホイール１１１に向かい、レンズ１０７，１０９により第２の蛍光ホイール１１１の基板表面近傍に集光される。

このとき、第１の蛍光ホイール１１０が図２（ａ）に示したように反射部２０３が部分的に形成されたものであり、反射光も間欠的に発生することから、第１の蛍光ホイール１１０にて発生した反射光が第２の蛍光ホイール１１１の蛍光体２０２が形成されている箇所、例えば、図２（ｂ）に示したＹ色の蛍光体２０２に入射するように第１の蛍光ホイール１１０および第２の蛍光ホイール１１１の回転を制御することが好ましい。もし、第２の蛍光ホイール１１１として、図２（ｃ）に示したようなドーナツ円形状の蛍光体２０２を用いるのであれば、第２の蛍光ホイール１１１の回転位置の制御に関しては特別な制限は発生しない。

この第２の蛍光ホイール１１１からは、Ｙ色と、一部の励起光であるＢ色とが同時に発生する。この光はＹ＋Ｂの白色光である。なお、Ｙ色蛍光は非偏光である。Ｙ＋Ｂの光はレンズ１１３，１１５，１１７を通り、そして反射ミラー１１９で進行方向を９０度曲げられ、フライアイレンズ１２１，１２３と偏光変換素子１２５に達する。偏光変換素子１２５でＳ偏光に偏光統一されて偏光ビームスプリッタ１２６で第１の蛍光ホイール１１０にて発生したＰ偏光の光と経路合流する。

第１の蛍光ホイール１１０に着目すると、第１の蛍光ホイール１１０に形成されている蛍光体２０２が半ドーナツ形状で、残りの半ドーナツ部分が反射部２０３であるから、ホイール１周に対して、励起光が蛍光体を照射する時間と反射する時間は均等である。また、第１の蛍光ホイール１１０で反射された励起光は第２の蛍光ホイール１１１の蛍光体２０２を照射しているので、本実施形態の光源装置からは、第１の蛍光ホイール１１０からのＹ＋Ｂの光と第２の蛍光ホイール１１１からのＹ＋Ｂの光が時間的に重なることがなく発生している。しかもこの光は個別の光学系統において異なる直線偏光に偏光統一されて、再度進行経路が合成されているので、Ｐ偏光とＳ偏光とを繰り返し発光する光源装置となっている。さらに、励起のＢ色レーザー光は常時発光する全体として単一の光源部であれば良く、小型化や点灯駆動回路の設計にかかる負担が小さくコスト的な優位性がある。

上記のような直交する直線偏光を繰り返し発生する光源装置を用い、図５に示すような空間画素ずらしによる見かけの解像度の増加をするプロジェクタについて説明する。

図５に示すプロジェクタは、図１および図２を用いて説明した構成を備える光源装置５１と、レンズ５０１と、ライトトンネル５０２と、カラーホイール５０２と、レンズ５０４，５０５と、ＴＩＲプリズム５０６と、ＤＭＤ表示パネル５０７と、複屈折素子５０８と、投射レンズ５０９とを備える。

先に説明したように、光源装置５１はＰ偏光とＳ偏光を時分割的に繰り返し発生する。

レンズ５０１は光源装置５１からの光を集光するためのレンズであって、必ずしも１枚が最適という訳ではなく複数レンズで構成しても構わない。ライトトンネル５０３は光源装置５１からの光の照度分布を均一にするための光学部品である。ライトトンネル５０３としては、中空で４面が反射面を持つものの他、中実ガラス製の６面光学研磨のロッドインテグレータなども利用できる。どちらを用いても同様の効果がある。

カラーホイール５０２はライトトンネル５０３の入射端付近に設けられる。光源装置５１からの白色光がカラーホイール５０２により、Ｒ、Ｇ、Ｂの光に時間選択されて照明光となる。カラーホイール５０２は単板型のＤＬＰプロジェクタでは周知技術である。照明レンズ５０４，５０５は、ライトトンネル５０３の射出端の光学情報を表示パネルであるＤＭＤパネル５０７面上に結像するためのレンズであり、それぞれを複数枚構成のレンズ系としてもよい。ＴＩＲプリズム５０６はＤＭＤパネルを用いたプロジェクタで利用されている周知のものである。ＤＭＤ表示パネル５０７は米テキサスインスツルメント社製の、微小ミラーを画素数分備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により形成された空間光変調器である。このＤＭＤ表示パネル５０７による光変調により画像光が作られる。複屈折素子５０８は平板状の一軸性結晶を利用した。このような結晶としては水晶や方解石などが知られている。

上記の複屈折素子５０８においては、図６に示すように、結晶の光軸が板面の法線方向に対してある角度θだけ傾いているときに、光軸を含む面に電界ベクトルの方向が平行な偏光を板面に対して垂直入射させると、結晶の厚さ、光軸の角度、結晶の常光、異常光屈折率に応じた光路シフトが起きる。この光路シフト量Δｄは結晶の厚さｔ、光軸の角度θ、常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅを用いると以下の式で表すことが出来る。

投射レンズ５０９はＤＭＤ上に表示される画像を不図示のスクリーンなどに拡大投射するためのレンズである。

本実施形態のプロジェクタにおいて、光源装置５１からはＰ偏光とＳ偏光とが時分割的に繰り返し射出されている。この射出光はＹ色とＢ色とが混合した白色光であり、集光レンズ５０１でライトトンネル５０３の入射端付近に集光するようにレンズ５０１の焦点距離は定めている。ライトトンネル５０３の手前にはカラーホイール５０２が設けられ、このカラーホイール５０２が回転することにより、入射した白色光が、Ｒ、Ｇ、Ｂ、そして場合によってはさらにＷに時分割される。例えばＲ（Ｐ偏光）⇒Ｇ（Ｐ偏光）⇒Ｂ（Ｐ偏光）⇒Ｗ（Ｐ偏光）⇒Ｒ（Ｓ偏光）⇒Ｇ（Ｓ偏光）⇒Ｂ（Ｓ偏光）⇒Ｗ（Ｓ偏光）・・・という具合である。

なぜなら、光源部５１から、白色Ｐ偏光と白色Ｓ偏光とが時分割に射出しているからである。このようにして時分割的にＲＧＢ（Ｗ）の色光のＰ偏光とＳ偏光がライトトンネル５０３から射出され、表示パネルであるＤＭＤ表示パネル５０７を照明する。

照明レンズ５０４、５０５は、ライトトンネル５０３の射出端面とＤＭＤ表示パネル５０７とが光学的に共役になるように緒元が定められている。また、ＤＭＤ表示パネル５０７の画素に相当するミラー表面に照明光が向かうようにライトトンネル５０３の射出光の進路を折り曲げるＴＩＲプリズム５０６が用いられている。

ＤＭＤ表示パネル５０７には、照明光としてＰ偏光とＳ偏光とが交互に、しかも、所定の色光で照射されており、照射光に対応した光変調が実施され、投射レンズ５０９により拡大投射される。そのときに投射レンズ５０９の手前に設けられた複屈折素子５０８を通過している。

複屈折素子５０８は、例えば、常光線であるＳ偏光と異常光線であるＰ偏光とに分ける結晶軸を持っており、Ｓ偏光をそのまま透過させ、Ｐ偏光は屈折させて射出する。複屈折素子５０８の厚みや光学軸は、ＤＭＤ表示パネル５０７の画素に関して、Ｐ偏光とＳ偏光とが水平方向および垂直方向にそれぞれ１／２画素分の間隔ずれるように設定されている。

従って、図１１の模式図のように拡大投射されるＰ偏光とＳ偏光とによる画像は互いに水平方向と垂直方向に１／２画素ずれた画像が得ることができる。

画像信号源としては、オリジナルの高解像度の画像信号から生成する画素ずらし表示用の２種の画像信号、Ｓ偏光用とＰ偏光用を準備し、これらを奇数フレームと偶数フレームとに充てることで、所定のフレーム毎に交互に画像が表示され、結果的にオリジナルの高解像度が得られるということになる。例えばオリジナルの画像の画素数が水平４，０００画素、垂直２，０００画素であるならば、水平２，０００画素×垂直１，０００画素のＤＭＤ表示デバイスとすることができる。

また、ＤＭＤの１画素を例えば５．４μｍｘ５．４μｍとするならば、図１１に示したように水平および垂直方向に１／２画素分シフトさせようとすると、対角方向には（√２／２）画素となることから、複屈折素子による光軸のシフト量Δｄは３．８μｍとなる。光学軸を４５度とする。もし複屈折素子が水晶ならλ＝５８９ｎｍに対する異常光線の屈折率ｎｅ＝１．５５３４で、常光線の屈折率ｎｏ＝１．５４４３であることが分かっている。従って（数式１）を用いて複屈折素子の厚さｔは約０．６５ｍｍと計算される。

上記のように本実施形態によれば、時分割で偏光方向が直交する直線偏光を発する光源からの光をＤＭＤ表示パネル５０７に照射する。そこで光変調された光は複屈折素子を通過させ、さらに投射レンズ５０９で拡大投射して大画面を得る。このとき、投射画面上では時分割で投射画面位置のシフトが繰り返し起きている。反復シフトの量としては垂直、水平方向として半画素の大きさとなっている。このシフト前後で画像信号を高解像度画像から生成した所定の２画像とし、各々交互に対応させることで、もともとＤＭＤ表示パネル５０７が有している解像度以上の高解像度表示が可能になるという効果がある。

第２の実施形態
次に、発明による光源装置の第２の実施形態について説明する。本実施形態と第１の実施形態との相違点は、蛍光ホイールとして反射型の蛍光ホイールを用いている点である。反射型の蛍光ホイールを利用することでレンズ部品の削減が可能になり低コスト化が期待できる。

図３は本発明によるプロジェクタの光源装置の第２の実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態の光源装置は、レーザー光源３０１と、レンズ３０２，３０３と、ダイクロイックミラー３０４と、位相差板３０５と、レンズ３０６，３０７と、第１の蛍光ホイール３０８と、レンズ３１０、３１１と、位相差板３１２、３１４と、ダイクロイックミラー３１３と、レンズ３１５，３１６と、蛍光ホイール３１７と、レンズ３０９，３１８と、反射ミラー３１９と、フライアイレンズ３２０，３２２，３２１，３２３と、偏光変換素子３２４，３２５と、偏光ビームスプリッタ３２６と、を備える。

レーザー光源３０１として、３個の半導体レーザーが離散的に配置され、複数の略平行のＢ色レーザー光を発している。レーザー光源３０１からの光はレンズ３０２，３０３により光束径が縮小されてレンズ３０６，３０７に略平行光として入射し、第１の蛍光ホイール３０８の基板表面近傍に集光する。

レンズ３０３とレンズ３０６との間にはダイクロイックミラー３０４と位相差板３０５とが配置されている。半導体レーザー３０１の光は一般に直線偏光である。もし、このレーザー光からの光がＰ偏光とするなら、ダイクロイックミラー３０４の構成としては、例えば、図１０に示すように、Ｂ色帯域の光に対してＰ偏光を通過させ、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッタ１００１と、Ｂ色帯域の光を透過し、Ｙ色帯域の光を反射する特性のダイクロイックミラー１００２を２枚構成にしたものを利用できる。偏光ビームスプリッタ１００１としては、米Ｍｏｘｔｅｋ社のＰｒｏＦｌｕｘ ＰＢＳと呼ばれる製品などを用いればよい。ダイクロイックミラー１００２は周知技術である。

また、ダイクロイックミラー３１３としては、透過／反射特性が図８に示すようにＢ色帯域の励起光に対してＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射し、さらに例えば５００ｎｍ以上の可視光を透過するような特性のものを使用するのが好ましい。このような特性のダイクロイックミラーを設計、製作することは周知技術である。励起光は１／４波長板である位相差板３０５を通り、円偏光とされ、蛍光ホイール３０８上の蛍光体９０１に集光する。

第１の蛍光ホイール３０８の構成例を図９（ａ）に示す。また第２の蛍光ホイール３１７の構成例を図９（ｂ）に示す。透明もしくは金属の基板９０１上に、蛍光体９０２が形成されている。蛍光体９０２としてはＹ色を発光するものが好ましい。基板９０１の中央にはモーター９０４が取り付けられており、該モーター９０４により基板９０１は回転可能である。

第１の蛍光ホイール３０８には図９（ａ）に示すように蛍光体が形成されていない透過部９０３があり、透過部９０３は透明か、あるいは、基板９０１を切り欠いてある。基板９０１は蛍光体９０２の形成面の反対側の面には励起光およびＹ色蛍光を反射するミラーが形成されていることが好ましい。

第２の蛍光ホイール３１７としては、図９（ｂ）に示すようにドーナツ状に蛍光体９０２が形成されているものを使用した。基板９０１は金属製で可視光に対して反射面加工されたものを使用することができ、この反射面上に蛍光体９０２を形成することが好ましい。

励起光が第１の蛍光ホイール３０８の蛍光体が形成されている箇所に当たっているときには、ミラーの反射により、第１の蛍光ホイール３０８からはＹ色と、一部の励起光であるＢ色とが混合した光が励起光の入射方向に出射される。この光はＹ＋Ｂの白色光である。なお、Ｙ色蛍光は非偏光である。Ｙ＋Ｂの光はレンズ３０７，３０６を通りダイクロイックミラー３０４に達する。ダイクロイックミラー３０４は２枚構成となっており、図１０に示したダイクロイックミラー１００２でＹ色帯域の光を反射する。Ｂ色光はＳ偏光であって図１０に示した偏光ビームスプリッタ１００１で反射され、Ｙ色光と同様の経路に合流する。この光はレンズ１０９を通った後に反射ミラー３１９で進行方向が曲げられ、フライアイレンズ３２１，３２３と偏光変換素子３２５に達し、偏光変換素子３２５でＳ偏光に偏光統一されて偏光ビームスプリッタ３２６に入射する。

一方、第１の蛍光ホイール３０８の透過部９０３に入射した励起光は直進する。レンズ３１０，３１１で略平行光束となり、位相差板である１／４波長板３１２を通過することでＳ偏光に変わり、ダイクロイックミラー３１３で反射され、１／４波長板３１４で円偏光となり、レンズ３１５，３１６で第２の蛍光ホイール３１７に集光する。第２の蛍光ホイール３１７で発生した蛍光と励起光の一部のＢ光とが再びレンズ３１６，３１５、位相差板３１４、ダイクロイックミラー３１３を透過し、レンズ３１８を通過した後に、フライアイレンズ３２０，３２２と偏光変換素子３２４に達する。

上記の工程で励起光であるＳ偏光のＢ色光はダイクロイックミラー３１３を透過可能なＰ偏光となり、その後、偏光変換素子３２４で蛍光もすべてＰ偏光に偏光統一されて偏光ビームスプリッタ３２６に達する。このようにして偏光ビームスプリッタ３２６で進行経路が合成され、Ｐ偏光とＳ偏光とを繰り返し発生する光源を得ることが出来る。

本実施形態においては、第２の蛍光ホイール３１７を反射型としているので、励起光の入射および蛍光の取出しに関し、光学系としては共通のレンズ３１５や３１６を利用できるので部品点数の削減や光学構成の簡素化が促進される。

上記の光源装置は第１の実施形態と同様に、図５に示したプロジェクタの光源として動作する。

第３の実施形態
次に、発明による光源装置の第３の実施形態について説明する。図４は本発明によるプロジェクタの光源装置の第３の実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、レーザー光源４０１と、レンズ４０２，４０３と、偏光ビームスプリッタ４０４と、位相差板４０５と、レンズ４０６，４０７，４０８，４０９と、第１の蛍光ホイール４１０と、第２の蛍光ホイール４１１と、レンズ４１２，４１３，４１４,４１５，４１６，４１７と、反射ミラー４１８，４１９と、偏光ビームスプリッタ４２６を備える。これらの構成および動作は図１に示した、レーザー光源１０１と、レンズ１０２，１０３と、偏光ビームスプリッタ１０４と、位相差板１０５と、レンズ１０６，１０７，１０８，１０９と、第１の蛍光ホイール１１０と、第２の蛍光ホイール１１１と、レンズ１１２，１１３，１１４,１１５，１１６，１１７と、反射ミラー１１８，１１９と、偏光ビームスプリッタ１２６と同様であるため、説明は省略する。

図１に示した第１の実施形態では、照明光の輝度分布の均一化に、フライアイレンズ１２０，１２１，１２２，１２３と、ＰＢＳアレイからなる偏光変換素子１２４，１２５と、を用いていたのに対し、本実施形態では、照明均一化のためのライトトンネルと偏光変換機能を合わせ持たせたライトトンネル４２２，４２３を用いた。

図７は、ライトトンネル４２２，４２３の構成を説明するための図である。ライトトンネル４２２，４２３は、図７（ａ）の側面図に示すように、ライトトンネル本体７０１と、入射側に設けられた穴あきミラー７０２、および、位相差板７０３と、出射側に設けられた反射型偏光板７０４とを備える。

穴あきミラー７０２は、図７（ｂ）の正面図および側面図に示すように、ガラス基板７０６により構成される。ガラス基板７０６の中央に設けられた円形部７０５にはミラーが形成されてなく、円形部７０５以外の箇所に反射面７０７が形成されている。

位相差板７０３は１／４波長板である。反射型偏光板７０４の編光軸はライトトンネル４２２用とライトトンネル４２３用とで直交したものを利用する。具体的にはライトトンネル４２２からはＰ偏光が出射され、ライトトンネル４２３からはＳ偏光が射出されるように反射型偏光板７０４を設ける。ライトトンネル４２２から出射されたＰ偏光が、ライトトンネル４２３から出射されたＳ偏光は、それぞれレンズ４２４，５を通って偏光ビームスプリッタ４２６に入射する。このような構成にすることでインテグレータ光学系と偏光変換素子を小型にすることが可能になる。

上記の光源装置は第１の実施形態および第２の実施形態と同様に、図５に示したプロジェクタの光源として動作する。

以上説明した各実施形態における光源は単板型のＤＬＰプロジェクタに用いるのが効果的であるがこれに限定されるものではない。例えば３板型のＤＬＰプロジェクタの光源として用いた場合にも投写レンズの前に複屈折素子を配置することにより以上説明した効果が得られる。

本発明のポイントとしては、レーザー励起の蛍光を利用した光源装置であって、光源部から直交する直線偏光（複屈折素子に対しては常光と異常光）が時分割で発光している。

プロジェクタにおける具体的な使用について言うと、例えば、光源装置の構成としては少なくとも２系統の蛍光ホイール光学系統を有し、ＤＭＤの映像サブフィールドの時間毎に励起光が照射する蛍光ホイール光学系が切り替わるように光源装置光学系を構成してもよい。

本発明では、各蛍光ホイール光学系統に個別の偏光変換素子を備えており、各々異なる直線偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）に偏光統一されている。さらにそれらを合成する偏光ビームスプリッタを備えられている。こうすることで、光源装置からはＰ偏光とＳ偏光の光が交互に発生する。

特に励起の光源（例えばＢ色レーザー）の駆動としては連続点灯（ＣＷ駆動）とすることで、光源駆動回路をシンプルとし、かつ、常時点灯ということで光源の光利用効率の無駄を少なくすることができる。さらにまた、蛍光ホイール系統が２つであるにも関わらず単一の励起光源部で済むので励起光部の小型、低コスト化にも向く。

見かけ上の解像度の増加を実施すべく、投射部である投射レンズと表示パネルの間に固定（非可動）の複屈折素子を備えた。複屈折素子は挿入のみで機械的な動作は一切ない。

表示パネルで光変調されたＰ偏光とＳ偏光の照明光が時分割的に複屈折素子を通過したあと投射レンズで拡大投射され大画面映像を得る。

上記構成により、複屈折素子の緒元を適切に選定することで投射される画像の表示位置を照明光の偏光成分（Ｐ偏光およびＳ偏光）に応じて任意の方向かつ任意の移動量でシフトすることが可能になる。

光源で形成される時分割で偏光方向が異なった直線偏光が複屈折素子を通過し投射画面位置の反復シフト（繰り返している）を与えることになる。このシフト前後の表示画像に関し、ＤＭＤの駆動信号と表示画像とを同期制御してやれば、いわゆる空間画素ずらしによる見かけの解像度の増加が達成される。それは、安価高画質、高信頼で省エネの単板型のＤＬＰプロジェクタを提供するものである。

上述したように、ＤＭＤ表示パネルの駆動に関しては、映像フレームの奇数フレームと偶数フレームを各々の蛍光ホイール光学系統に対応させ、励起光源となるＢ色レーザーは常時発光が望ましい。この励起光が第１の蛍光ホイールを照射し、プロジェクタの映像表示における奇数フレームの時間にわたって蛍光および励起光の一部が混ざった白色光を発光する。偶数フレームの期間に対しては、この第１の蛍光ホイールからは蛍光を発光しない。この時間は励起光が第２の蛍光ホイールを照射し第２の蛍光ホイールから蛍光および励起光の一部が混ざった白色光を発光する。そうなるように第１の蛍光ホイールには蛍光体が形成されている箇所と、そうでいない箇所（例えば反射面）が設けてあるからである。励起光の駆動は常時点灯のもとでフレーム毎に第１の蛍光ホイールと第２の蛍光ホイールとからの光が交互に発光している。

第１の蛍光ホイールおよび第２の蛍光ホイールからの光は各々の光学系統の中で偏光変換素子を備えている。各々の蛍光ホイール光学系統は異なる直線偏光（Ｐ偏光とＳ偏光）に偏光統一される。このあと、各偏光は偏光ビームスプリッタで合成され光源部からは時分割的にＰ偏光とＳ偏光の白色光が発生している。

光源は時分割でＰ偏光（水平偏波）とＳ偏光（垂直偏波）が発光している。これらの光束は表示パネルであるＤＭＤに対してＰ偏光とＳ偏光とを交互に照射しており、この照射光がＤＭＤで光変調されて複屈折素子を通過した上で投射レンズによりスクリーンなどに拡大表示して画像を得ている。この複屈折素子には交互にＰ偏光とＳ偏光とが通過する。Ｐ偏光が通過したときと、Ｓ偏光が通過したときで、複屈折素子においては、その緒元に応じた光軸のシフトが実施される。この動作はＰ偏光とＳ偏光との切り替えに対応し反復して実行されていることになる。なぜなら、複屈折素子による光軸シフトの作用を受けているからである。従って、Ｐ偏光が不屈折素子を通過している時間に拡大表示されている画像とＳ偏光が不屈折素子を通過している時間に拡大表示されている画像とは、スクリーン上での表示位置が複屈折素子の緒元に基づいて光軸シフトした分だけずれている。このずれを表示パネルであるＤＭＤ画素サイズに対応する所定の量にしてやり、さらに各々の偏光が照射している時間とＤＭＤの駆動とを同期制御してやれば、表示パネルの持つ画素数を上回る解像度の表示（空間画素ずらし）が可能になる。

繰り返しになるが、光源装置からのＰ偏光とＳ偏光とが繰り返し射出し、ＤＭＤパネルを照明後に複屈折素子により片方の光の光軸をシフトさせ、投射画像を高速で更新しながら、その更新の度に投射画像の位置を所定の距離の間で交互にずらすことで、視聴者の残像効果によって表示パネルの画素数を増やすことなく投射画像の解像度を向上させるのである。

以上説明したように、本発明の光源装置は励起光が二基の蛍光ホイールに時間的に重なることがなく集光され、蛍光ホイールで白色光源が形成されて、各々の白色光は別系統で直交する直線偏光に偏光変換されたあと、最終的に偏光ビームスプリッタで一つになって、Ｐ偏光、Ｓ偏光と、が繰り返し発光する光源であって、複数のレーザー光源を備えるとしても全体として１つの励起光源部が連続点灯しているだけの点灯駆動回路がシンプルかつ励起光源の利用効率に優れた光源装置であって、この光源装置を用いたプロジェクタは時分割で偏光方向が直交する直線偏光を発する光源からの光をＤＭＤ表示パネルに照射する。そこで光変調された光は複屈折素子を通過させ、さらに投射レンズで拡大投射して大画面を得る。このとき、投射画面上では時分割で投射画面位置のシフトが繰り返し起きている。反復シフトの量としては垂直、水平方向として半画素の大きさとなっている。このシフト前後で画像信号を高解像度画像から生成した所定の２画像とし、各々交互に対応させることで、もともとＤＭＤ表示パネルが有している解像度以上の高解像度表示が可能になるという効果がある。

さらにまた、時分割の２種類の偏光が形成され、単一のＤＭＤ表示パネルで光変調され、常光および異常光が固定の複屈折素子の通過過程で光軸のシフトおよびそれに起因する画面のシフトが起こっているので、もしも複屈折素子の挿入および非挿入を切り替え可能にすれば、高解像度表示と低解像度（もともとの表示パネル固有の画素数表示）とを用途に応じて変更することが可能になる。そうすることで多様な映像入力に対応できるという効果がある。

１０１、３０１、４０１ 光源部
１０２、１０３、１０６、１０８、１０７、１０９、１１２、１１３、１１４、１１５、１１６、１１７、３０２、３０３、３０６、３０７、３１０、３１１、３１５、３０６、３０９、３１８、４０２、４０３、４０６、４０７、４０８、４０９、４１２、４１４、４１３、４１５、４１６、４１８、４１７、４１９、４２４、４２５、５０１、５０４、５０５ レンズ
１０４偏光ビームスプリッタ
１０５、３０６、３１４、４０５ 位相差板
１１０、３０８、４１０ 第１の蛍光ホイール
１１１、３１７、４１１ 第２の蛍光ホイール
１１８、１１９ 反射ミラー
１２０、１２１、１２２、１２３、３２０、３２１、３２２、３２３ フライアイレンズ
１２４、１２５、３２４、３２５、４２２、４２３ 偏光変換素子
１２６、３２６、４２６ 偏光ビームスプリッタ
２０１ 透明基板
２０２、９０２ Ｙ色蛍光体
２０３、３１９、４２０、４２１ 反射ミラー
２０４ 透過部
２０５、９０４ モーター
３１５ ダイクロイックミラー
５１ 光源装置
５０９ 投射レンズ
５０３ ライトトンネル
５０２ カラーホイール
５０６ ＴＩＲプリズム
５０７ ＤＭＤ
５０８ 複屈折素子
１００１ 偏光ビームスプリッタ
１００２ ダイクロイックミラー

Claims (5)

1. 励起光を発生する光源と、
   前記励起光により第１の蛍光を発生して前記励起光および前記第１の蛍光を出射する第１の蛍光体と、前記蛍光体以外の部分に形成された非蛍光体部と、を備えた第１の蛍光ホイールと、
   前記非蛍光体部に入射した前記励起光により第２の蛍光を発生して前記励起光および前記第２の蛍光を出射する第２の蛍光体を備えた第２の蛍光ホイールと、
   前記第１の蛍光体より出射された前記励起光と第１の蛍光を第１の偏光状態に変換して出射する第１の偏光変換素子と、
   前記第２の蛍光体より出射された前記励起光と第２の蛍光を第２の偏光状態に変換して出射する第２の偏光変換素子と、
   前記第１の偏光変換素子および前記第２の偏光変換素子の出射光を合成して出射する偏光ビームスプリッタと、を備える光源装置。
2. 請求項１記載の光源装置において、
   前記非蛍光体部が入射した励起光を反射する、光源装置。
3. 請求項１記載の光源装置において、
   前記非蛍光体部が入射した励起光を透過する、光源装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光源装置と、
   前記光源装置の出射光を入射し、複数の色光を時系列に出射するカラーホイールと、
   前記複数の色光を変調して各色の画像光を作成するＤＭＤと、
   前記ＤＭＤによる各色の画像光を拡大投写する投写レンズと、
   前記ＤＭＤと投写レンズの間に設けられた複屈折素子と、を有するプロジェクタ。
5. 請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光源装置と、
   前記光源装置の出射光を入射し、複数の色光を時系列に出射するカラーホイールと、
   前記複数の色光を変調して各色の画像光を作成するＤＭＤと、
   前記ＤＭＤによる各色の画像光を拡大投写する投写レンズと、
   前記ＤＭＤと投写レンズの間に挿抜可能に設けられた複屈折素子と、を有するプロジェクタ。

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