JP2018194819A - 光源装置および投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光源を用いた場合でも、投写映像における輝度ムラやスペックルノイズの抑制を可能とする光源装置、およびそれを備えた投写型映像表示装置を提供する。【解決手段】本開示の光源装置は、固体光源ユニットと、ダイクロイックミラーと、蛍光板と、第１の位相差板と、多重反射ミラーと、を備える。固体光源ユニットは、互いに直交関係にある２つの直線偏光光を所定の割合で出射する。ダイクロイックミラーは、２つの直線偏光光を分離し、かつ、青色光と黄色光とを合成する。蛍光板は、２つの直線偏光光から分離された第１の直線偏光光で励起され、ダイクロイックミラーに対して黄色光を出射する。第１の位相差板は、２つの直線偏光光から分離された第２の直線偏光光を円偏光光に変換する。多重反射ミラーは、第１の位相差板で変換された円偏光光をダイクロイックミラーに対して青色光として反射する。【選択図】図５

Description

本開示は、レーザ光源を使用した光源装置、およびそれを使用した投写型映像表示装置に関する。

特許文献１では、レーザ素子から出射された光を拡散板等の拡散層が配置された円形基板状の回転ホイールに照射することで、投写映像における輝度ムラやスペックルノイズを低減できるプロジェクタが開示されている。

また特許文献２では、レーザ素子から出射された光を、反射率が互いに異なる平行な多重反射素子をレーザ素子に対し傾斜して配置することにより、スペックルノイズを低減できるプロジェクタが開示されている。

特開２０１３−６１５２５号公報 特開２０１６−１８０８１８号公報

本開示は、レーザ光源を用いた場合に発生する、投写映像における輝度ムラやスペックルノイズを抑制する光源装置および投写型映像表示装置を提供することを目的とする。

本開示における光源装置および投写型映像表示装置は、固体光源ユニットと、ダイクロイックミラーと、蛍光板と、第１の位相差板と、多重反射ミラーと、を備える。固体光源ユニットは、互いに直交関係にある２つの直線偏光光を所定の割合で出射する。ダイクロイックミラーは、固体光源ユニットからの２つの直線偏光光を分離し、かつ、青色光と黄色光とを合成する。蛍光板は、ダイクロイックミラーで２つの直線偏光光から分離された第１の直線偏光光で励起され、ダイクロイックミラーに対して黄色光を出射する。第１の位相差板は、ダイクロイックミラーで２つの直線偏光光から分離された第２の直線偏光光を円偏光光に変換する。多重反射ミラーは、第１の位相差板で変換された円偏光光をダイクロイックミラーに対して青色光として反射する。

本開示における光源装置は、簡易な構成でレーザ光源を用いた場合でも、投写映像における輝度ムラやスペックルノイズの抑制に有効である。

実施の形態における光源装置の構成を示す図 実施の形態における光源装置で使用される蛍光体ホイールの図 実施の形態における光源装置で使用されるダイクロイックミラーの波長ごとの透過率を示す図 実施の形態における光源装置を搭載した投写型映像表示装置の構成を示す図 実施の形態における多重反射ミラーでの光線を示す図 実施の形態における多重反射ミラーの作用を示す図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

（実施の形態）
以下、図１〜図６を用いて、実施の形態を説明する。

［１−１．構成の説明］
［１−１−１．全体の構成］
図１は、蛍光体ホイール装置１５を使用した光源装置１０の光学系の構成を説明するための図である。以下の説明の便宜上、図１では図中に示すＸＹＺ直交座標系をとるものする。

まず、光源装置１０について説明する。励起光源であるレーザ光源１０１は、４４７ｎｍから４６２ｎｍの波長幅で青色光を発光し、直線偏光光を出射する青色半導体レーザであり、高輝度の照明装置を実現するために、複数の半導体レーザにより構成されている。図１では例示的に５個の青色半導体レーザが並置されて記載されているが、レーザ光源１０１は複数の青色半導体レーザがマトリックス状に平面上に配置されて構成される。図１では例示的に青色半導体レーザは、その出射光の偏光方向がＹ軸方向である、Ｓ偏光になるように配置されている。レーザ光源１０１を構成するそれぞれの半導体レーザから出射された励起光であるレーザ光は、それぞれ対応するコリメートレンズ１０２によってコリメートされる。コリメートレンズ１０２を出射した光は、略平行光になっている。この平行光はレンズ１０３によって、その全体光束が集光され、レンズ１０４によって再び略平行光化され、拡散板１０５を通過し、Ｘ軸に対し、所定の角度の回転配置している４分の１波長板１０６に照射される。

このように４分の１波長板１０６は、Ｘ軸である光軸に対する角度配置を調整することにより、入射される光を楕円偏光の光として出射する。換言すれば、４分の１波長板１０６は、入射される光を所定の割合（例えば、Ｓ偏光成分の強度が８０％、Ｐ偏光成分の強度が２０％）になるように偏光状態を変換して出射する。

ここで、レーザ光源１０１、コリメートレンズ１０２、レンズ１０３、レンズ１０４、拡散板１０５、４分の１波長板１０６は、固体光源ユニットの一例を構成する。また、レーザ光源１０１は、半導体レーザ光源の一例であり、４分の１波長板１０６は、レーザ光源１０１からの光の偏光状態を変換して互いに直交関係にある２つの直線偏光光を所定の割合で出射する第２の位相差板の一例である。

拡散板１０５は平板ガラスであり、片面には微細な凹凸が施された拡散面が形成されている。

４分の１波長板１０６を透過した光は、光軸に対して略４５度の角度に配置された、ダイクロイックミラー１０７に入射する。

図３に、ダイクロイックミラー１０７の分光透過率を示す。このダイクロイックミラー１０７は、透過率が５０％となる波長がＳ偏光光で４６５ｎｍ、Ｐ偏光光で４４２ｎｍの特性となっており、４４７ｎｍから４６２ｎｍの青色光は、この特性に従ってダイクロイックミラー１０７を透過、または反射することにより、偏光状態に応じて分離される。具体的には青色光のＳ偏光成分はダイクロイックミラーで反射し、Ｐ偏光成分はダイクロイックミラーを透過する。また、ダイクロイックミラー１０７は、緑、赤成分を含む黄色光を９６％以上透過する特性である。このように、ダイクロイックミラー１０７は、固体光源ユニットからの光を偏光状態に応じて分離し、かつ、後述するように青色光と緑および赤成分を含む黄色光を合成する。

図１に戻り、ダイクロイックミラー１０７に−Ｘ方向へ入射したレーザ光のうち、一方の直線偏光光であるＳ偏光成分はダイクロイックミラー１０７で反射して−Ｚ方向へ出射し、他方の直線偏光光であるＰ偏光成分はダイクロイックミラー１０７を透過して−Ｘ方向へ出射する。−Ｚ方向へ出射したレーザ光はレンズ１０８、レンズ１０９によって集光され、蛍光体ホイール装置１５に形成された蛍光体を励起する。

蛍光体ホイール装置１５は、図２の側面図（ａ）に示すように、モータ２０１と、モータ２０１の回転軸を中心に回転駆動される円盤状の板体からなる回転基材２０２と、回転基材２０２上に形成された黄色蛍光体部２０３で構成される。

黄色蛍光体部２０３は、回転基材２０２上に、図２の正面図（ｂ）に示すように、蛍光体ホイールの回転軸中心Ａから距離Ｒ１隔てられた円周上において、この円周の内外に所定の幅Ｗをもって形成されている。回転基材２０２の黄色蛍光体部２０３が形成されている面は反射面の加工が施されている。

レーザ光源１０１からのレーザ光が蛍光体ホイール装置１５の黄色蛍光体部２０３に集光すると、黄色蛍光体部２０３は励起され、緑および赤成分を含む黄色光を発光する。

ここで、蛍光体ホイール装置１５は、ダイクロイックミラー１０７で偏光分離した一方の直線偏光光で励起され、黄色光（緑および赤成分の光）を出射する蛍光板の一例、レンズ１０８、１０９は第１の集光素子の一例である。

図１に戻り、蛍光体ホイール装置１５で得られる黄色光は、蛍光体ホイール装置１５から＋Ｚ方向に出射される。黄色蛍光体部２０３で−Ｚ方向に出射された蛍光光は回転基材２０２の反射面で反射して＋Ｚ方向に出射される。これら黄色光は、無偏光の光であり、レンズ１０９、１０８によって平行化された後、ダイクロイックミラー１０７を透過する。

一方、ダイクロイックミラー１０７を通過した青色半導体レーザの青色光のＰ偏光光は、レンズ１１０で集光され、４分の１波長板１１１を透過し、円偏光となり、レンズ１１０の焦点近傍に配置している多重反射ミラー１１２に入射する。多重反射ミラー１１２に入射した青色光は、多重反射ミラー１１２で反射し、再度４分の１波長板１１１を透過し、Ｓ偏光となり、レンズ１１０で集光されて略平行光になり、ダイクロイックミラー１０７で反射される。ここで、レンズ１１０は、第２の集光素子の一例であり、４分の１波長板１１１は、第１の位相差板の一例である。

このようにして、蛍光体ホイール装置１５からの黄色光（緑および赤成分の光）と、多重反射ミラー１１２からの青色光とが、ダイクロイックミラー１０７で合成され、白色光として出射される。

図４に、光源装置１０から出射された白色光を利用した、投写型映像表示装置３００を示す。光源装置１０から出射される白色光は、複数のレンズ素子から構成される第１のレンズアレイ板３０１に入射する。第１のレンズアレイ板３０１に入射した光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズから構成される第２のレンズアレイ板３０２に収束する。第１のレンズアレイ板３０１のレンズ素子は液晶パネル３１１、３１２、３１３と相似形の開口形状である。第２のレンズアレイ板３０２のレンズ素子は第１のレンズアレイ板３０１と液晶パネル３１１、３１２、３１３とが略共役関係となるようにその焦点距離を決めている。第２のレンズアレイ板３０２から出射した光は偏光変換素子３０３に入射する。

偏光変換素子３０３は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成され、光源からの自然光を一つの偏光方向（Ｓ偏光）の光に変換する。蛍光光である黄色光は自然光であるため、自然光をひとつの偏光方向に偏光変換されるが、青色光はＳ偏光の光で入射するため、偏光は変換されない。偏光変換素子３０３からの光は重畳用レンズ３０４に入射する。重畳用レンズ３０４は第２のレンズアレイ板３０２の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル３１１、３１２、３１３上に重畳照明するためのレンズである。第１のレンズアレイ板３０１、第２のレンズアレイ板３０２と、偏光変換素子３０３と、重畳用レンズ３０４は、光源装置１０からの光を集光し被照明領域に照明する照明光学系を構成する。

重畳用レンズ３０４からの光は、色分離手段である青反射のダイクロイックミラー３０５、緑反射のダイクロイックミラー３０６により、青色光、緑色光、赤色光に分離される。緑色光はフィールドレンズ３０７、入射側偏光板３０８を透過して、液晶パネル３１１に入射する。青色光は反射ミラー３１８で反射した後、フィールドレンズ３１９、入射側偏光板３１０を透過して液晶パネル３１３に入射する。赤色光はリレーレンズ３２０、３２２や反射ミラー３２１、３２３を透過屈折および反射して、フィールドレンズ３２４、入射側偏光板３０９を透過して、液晶パネル３１２に入射する。

３枚の液晶パネル３１１、３１２、３１３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する光の偏光状態を変化させ、それぞれの液晶パネル３１１、３１２、３１３の両側に透過軸を直交するように配置したそれぞれの入射側偏光板３０８，３０９、３１０および出射側偏光板３１４、３１５、３１６を組み合わせて光を変調し、緑、赤、青の画像を形成する。出射側偏光板３１４、３１５、３１６を透過した各色光は色合成プリズム３１７により、赤色光と青色光がそれぞれ赤反射のダイクロイックミラー、青反射のダイクロイックミラーによって反射され、緑色光と合成され、液晶パネルで形成された画像である映像光として投写レンズ３２５に入射する。投写レンズ３２５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。

［１−１−２．要部の構成］
光源装置１０における多重反射ミラー１１２の作用について、図５および図６を用いて説明する。図５に示すように、ダイクロイックミラー１０７を透過したＰ偏光の青色光は、レンズ１１０によって集光され、４分の１波長板１１１を透過することにより円偏光となって、多重反射ミラー１１２に入射する。多重反射ミラー１１２に入射した円偏光の青色光は、多重反射ミラー１１２によって反射されて複数の光束に分割され、再度４分の１波長板１１１を透過することによりＳ偏光となり、レンズ１１０によって略平行光となり、ダイクロイックミラー１０７で反射される。多重反射ミラー１１２は、レンズ１１０の焦点（即ち、第２の集光素子の集光点）近傍に配置される反射板である。

図６に多重反射ミラー１１２の構成を示す。多重反射ミラー１１２は、青色光の入射側である第１の面に部分反射膜１１２ａが形成されており、第１の面に対向する第２の面には全反射膜１１２ｂが形成されている。部分反射膜１１２ａは、反射率３０％で透過率７０％の誘電体多層膜である。全反射膜１１２ｂは９８〜１００％の範囲の反射率の誘電体多層膜である。

多重反射ミラー１１２への入射光は、部分反射膜１１２ａにより、３０％反射されるとともに、７０％を透過する。次に、透過した７０％の光は、裏面の全反射膜１１２ｂにより、反射される。再び、部分反射膜１１２ａに到達したとき、７０％のさらに３０％は反射するとともに、７０％のさらに７０％の４９％は透過する。同様に、反射と透過を繰り返し、順次、１４．７％、４．４％・・・の光となって多重反射ミラー１１２から出射する。図６に示すように、多重反射ミラー１１２を出射した光は、上記の光強度の比率で、光束が分割され、レンズ１１０により略平行光となりダイクロイックミラー１０７で反射される。

本実施の形態で使用される多重反射ミラー１１２は、その部分反射膜の反射率が３０％となっているが、これに限定されない。多重反射ミラー１１２の部分反射膜１１２ａの反射率を、２０％〜５０％の間の反射率から選択することにより、光束の分割が好適に行える。

［１−１−３．効果等］
以上のように、本実施の形態において、複数の青色光の光束を多重反射ミラー１１２によって細分化した光束に分割することができる。またレンズ１１０の焦点近傍に多重反射ミラー１１２を配置することにより、光学系を小型化することが可能となる。多重反射ミラー１１２によって分割された光束は、第１のレンズアレイ板３０１に、均一に照射される。これらによって、投写映像における輝度ムラやスペックルノイズを低減し、なおかつ光源装置の小型化が可能となる。

（他の実施の形態）
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

上記実施の形態では、レーザ光源１０１からの青色光が、４分の１波長板１０６によって、Ｓ偏光成分の強度が８０％、Ｐ偏光成分の強度が２０％の偏光状態に変換される例を説明したが、本開示はこれに限定されない。Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との強度の割合は、光源装置１０から出射される白色光の良好な波長分布を得るために、適宜設定することができる。

上記実施の形態では、第１の集光素子が２つのレンズ１０８、１０９で構成される場合を説明したが、第１の集光素子は１つ又は３つ以上のレンズによって構成されることができる。また、上記実施の形態では、第２の集光素子の一例としてレンズ１１０を用いた場合を説明したが、第２の集光素子は複数のレンズによって構成されることができる。

上記実施の形態では、ダイクロイックミラー１０７と第１の位相差板である４分の１波長板１１１との間に第２の集光素子であるレンズ１１０が配置される例を示したが、レンズ１１０がダイクロイックミラー１０７とレンズ１１０との間に４分の１波長板１１１が配置されてもよい。

また、上記実施の形態の光源装置１０は、ダイクロイックミラー１０７と多重反射ミラー１１２との間に拡散板を備えることができる。例えば、拡散板は、ダイクロイックミラー１０７と第２の集光素子であるレンズ１１０との間、又はレンズ１１０と第１の位相差板である４分の１波長板１１１との間に配置される。拡散板を備えることにより、多重反射ミラー１１２で反射される青色光の均一化がさらに向上する。

本開示は、光源装置またはプロジェクタなどの投写型映像表示装置に適用可能である。

１０ 光源装置
１５ 蛍光体ホイール装置
１０１ レーザ光源
１０２ コリメートレンズ
１０３，１０４，１０８，１０９，１１０ レンズ
１０５ 拡散板
１０６ ４分の１波長板
１０７ ダイクロイックミラー
１１１ ４分の１波長板
１１２ 多重反射ミラー
１１２ａ 部分反射膜
１１２ｂ 全反射膜
２０１ モータ
２０２ 回転基材
２０３ 黄色蛍光体部
３００ 投写型映像表示装置
３０１ 第１のレンズアレイ板
３０２ 第２のレンズアレイ板
３０３ 偏光変換素子
３０４ 重畳用レンズ
３０５，３０６ ダイクロイックミラー
３０７，３１９，３２４ フィールドレンズ
３０８，３０９，３１０ 入射側偏光板
３１１，３１２，３１３ 液晶パネル
３１４，３１５，３１６ 出射側偏光板
３１７ 色合成プリズム
３１８，３２１，３２３ 反射ミラー
３２０，３２２ リレーレンズ
３２５ 投写レンズ

Claims (9)

1. 互いに直交関係にある２つの直線偏光光を所定の割合で出射する固体光源ユニットと、
   前記固体光源ユニットからの前記２つの直線偏光光を分離し、かつ、青色光と黄色光とを合成するダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーで前記２つの直線偏光光から分離された第１の直線偏光光で励起され、前記ダイクロイックミラーに対して前記黄色光を出射する蛍光板と、
   前記ダイクロイックミラーで前記２つの直線偏光光から分離された第２の直線偏光光を円偏光光に変換する第１の位相差板と、
   前記第１の位相差板で変換された円偏光光を前記ダイクロイックミラーに対して前記青色光として反射する多重反射ミラーと、を備える、光源装置。
2. 前記固体光源ユニットは、青色光を出射する半導体レーザ光源と、前記半導体レーザ光源からの前記青色光の偏光状態を変換して互いに直交関係にある前記２つの直線偏光光を所定の割合で出射する第２の位相差板と、を含む、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記ダイクロイックミラーからの前記第１の直線偏光光および前記蛍光板から出射された前記黄色光を集光する第１の集光素子をさらに備える、請求項１に記載の光源装置。
4. 前記ダイクロイックミラーからの前記第２の直線偏光光および前記多重反射ミラーで反射された前記青色光を集光する第２の集光素子をさらに備える、請求項１に記載の光源装置。
5. 前記多重反射ミラーの光入射側である所定の面の反射率が２０〜５０％である、請求項１に記載の光源装置。
6. 前記多重反射ミラーは、前記第２の集光素子の集光点近傍に配置される、請求項４に記載の光源装置。
7. 前記第１の位相差板は、前記多重反射ミラーと前記第２の集光素子との間に配置される、請求項４に記載の光源装置。
8. 前記ダイクロイックミラーと前記第１の位相差板との間に配置される拡散板をさらに備える、請求項１に記載の光源装置。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の光源装置を備えた、投写型映像表示装置。

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