JP5456688B2

JP5456688B2 - 投影システムに用いる光源装置並びに投影表示装置

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Publication number: JP5456688B2
Application number: JP2010535190A
Authority: JP
Inventors: ビイ，ヨン; チェン，フア; ワン，ビン; チェン，グァン; ワン，ヤンウェイ; フェン，メイヤン; ジャ，チョンダ
Original assignee: Phoebus Vision Opto Electronics Technology Ltd; Academy of Opto Electronics of CAS
Current assignee: Phoebus Vision Opto Electronics Technology Ltd; Academy of Opto Electronics of CAS
Priority date: 2007-11-30
Filing date: 2007-11-30
Publication date: 2014-04-02
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: EP2216679A4; US20100309439A1; KR101179639B1; CA2705863A1; JP2011505019A; KR20100102630A; EP2216679A1; WO2009070918A1; EP2216679B1

Description

この発明は光源装置及び投影表示装置、特に投影システムに用いるための光源装置と投影表示装置に関する。

従来の投影システムの照明に利用される超高圧水銀灯、金属ハロゲン化物ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の発光スペクトルは皆発光物質及びその状態に制限されて、連続又は帯スペクトルの特徴を表す。超高圧水銀灯の発光スペクトルを示す図7を例にして、図に示した赤色光の周波帯は比較的広く、ピーク値が低いことから、赤緑青の三原色の強度分布は理想的ではなく、ホワイトバランスを上手く調整出来ないため、投影システムの照明の要求を満たさない。従来の技術では赤色光の光束と輝度を高めるために一般的に広スペクトル帯が選択されるが、その方法で色飽和度の低下をもたらすこともある。また、従来の技術ではビデオ信号処理においても同じくコントラストと色飽和度は低下するが、赤色光の輝度は高まる。したがって、これらの技術によって画像の色彩が和らぐ一方、画像の全体的な品質は下がった。

ここ数年、発光ダイオードの技術成熟に従って、発光ダイオードを投影システムの光源とする試みもあった。発光ダイオードでの投影表示は従来の表示技術と比べて、色帯域がもっと広くて、その上発光ダイオードの光線の幅は割に狭くて、高い色飽和度をもつから、自然に忠実で艶やかな色を表示できる。また、発光ダイオードは長持ちで、水銀を使用しない環境に優しい光源である。発光ダイオード投影表示は既に表示分野の重要なトレンドとなってきた。
但し、発光ダイオードはエテンデュー（etendue）が大きいのに輝度が低いという特性があるので、発光ダイオード照明技術としては投影システムに有効利用される光のエネルギーが少なくて、光の総体出力が低いという欠点は存在している。
発光ダイオードの光束と輝度は大きく改善したが、特に高い輝度が要求されるプロジェクターに応用可能な程度ではない。プロジェクターへの応用の条件を満たすためには、輝度を高めなければならない。現在の技術では発光ダイオードの配列と組合せによって光束と輝度の向上に取り組んでいる。しかし、発光ダイオードはランベルト光源であるから、組合せた発光ダイオード光源のエテンデューが投影システムのエテンデューを超えるなら、超えた部分の光は有効的に投影システムに組み入れられないことがある。

発光ダイオードのエテンデューは
その中で、nは発光媒体の屈折率となり、αは光源の放射半角となり、Sは光源の発光面積となる。発光ダイオードの放射半角は90度にし、発光媒体を空気にして、しかも空気の屈折率を1にして近似計算をすれば、1mm²にあたる発光ダイオードのエテンデューは約3.14mm²srである。
0.79インチの撮像素子とF2.4の投影レンズを使う投影システムのエテンデューは約
だが、ダイオードアレイから出力された約7mm²の光だけが投影システムに組み入れ、十分に利用される光束は合わせて数百ルーメンしかない。前記7mm²の面積以外の光は投影システムに組み入れられる可能性がない。よって、発光ダイオードの面積を拡大することによって光束を増やすというやり方は通用しない。
また、市場にある従来の超高圧水銀灯は6mm²の面積に数千ルーメンの光束を生むことができて、輝度も発光ダイオードより10数倍高い。しかし、超高圧水銀灯は重金属水銀を使用しているため、環境によくない光源である。

現在市場にある発光ダイオード光源の中で、0.79インチの撮像素子、F2.4の投影レンズを使用する投影システムに利用される発光面積が7mm²である発光ダイオードは、投影システムのエンデューによる制限のため、投影システムに組み入れられる赤色光の最大出力が約1.6W、緑色光の最大出力が約0.7W、青色光の最大出力が約1.8Wであり、投影システムに組み入れられる赤緑青の最大出力の比は1：0.44：1.13である。色温度が6500Kである白のためには発光ダイオードの赤緑青の出力比が約1：0.87：1.73である必要がある。したがって、発光ダイオードの赤色光或いは青色光が最大出力を満たす場合でも、緑色光の出力が不十分であり、緑色光が最も不十分になる。緑色光の不十分な出力のため全体出力が低くなる。これは発光ダイオードの投影表示輝度が弱くなる主な原因の一つである。現段階の解決法としては緑色光の白光の中での時間的デューティ・サイクルによって輝度を高める。しかし、この方法では赤色光と青色光の出力を十分に活かせない。もう一つの方法としては赤色光と青色光の出力の低減によってホワイトバランスを得る。しかし、これも緑色光出力の制限で混合された白光の出力が低くなることを招いた。
従来の技術におけるすべての投影表示用光源において、赤緑青の出力比率とホワイトの要求する比率にギャップがあるから、色飽和度と輝度とコントラストの不足をもたらすと同時に、色飽和度改善と輝度改善とコントラスト改善及びコスト管理の総合的効果を得られない。

本発明の目的はレーザー光源を補助光源として投影画像の輝度とコントラストと色飽和度を高めるための投影システムに用いる光源装置を提供することにある。
本発明のもう一つの目的は投影表示装置を提供することである。
ある態様において、本発明は、補助光源とレーザー光源を含む投影表示のための光源装置を提供し、上記レーザー光源によるレーザー光と上記補助光源による光は同じ方法によって混合出力される。
上記光源装置の中では、混合出力の方式は同軸混合出力が優先的に適用される。
上記レーザー光源に光束調整システムを含むこともできる。
さらに、上記光束調整システムは光ファイバーと上記レーザーを上記光ファイバーに組み入れるカップリング・レンズ、ならびに、ビーム拡大器とフォーカスレンズを含む。
上記光源装置の補助光源は、LEDランプ、超高圧水銀灯、金属ハロゲン化物ランプ、キセノンランプとハロゲンランプ等の各種投影用光源を含む。
上記補助光源がLED或いはLEDアレイである場合、上記光源装置はさらにLED或いはLEDアレイの出力光の発散角を圧縮するための、Ｖ字型四角錐等の光束整形装置を含む。

上記光源装置に述べた補助対象光源はLED光源である。上記LED光源は複数のLEDからなり、LEDの間に一つ以上のレーザー孔を開けて、上記レーザー孔を通して上記レーザー光源を発射して、上記LED光源からの光と混合してから同じ方向に沿って直接に出力する。
更に、上記複数のレーザー孔は対称的に上記LED光源に設置する。
上記光源装置はさらに、上記補助対象光源の出力光又は上記レーザー光源の出力光を反射するための反射板を含む。上記反射板は上記光源の一つの光源の出力光を反射するための反射部と上記光源の他の光源の出力光を直接透過させるための透過部とを含む。
更に、上記反射部は平面、または、必要に応じて放物面の形、双曲面の形及び球面の形等の違う形状に設計してもよい。
上記光源装置の中で、上記反射板の反射部の表面に反射される光束の反射効率を改善するための高度反射膜でめっきされる。

更に、上記出力光が反射される光源は上記補助対象光源であり、上記反射板の透過部は上記レーザー光源からのレーザーを直接に通すためのレーザー孔である。
更に、上記出力光が反射される光源は上記レーザー光源であり、上記反射板には透明材料が使われる。
更に、上記反射板の透過部の表面には光束の透過効率を向上させるための透過強化膜がめっきされる。
更に、上記反射板は反射プリズムにより実現できる。上記反射プリズムはプリズム2枚からなり、各プリズムは一つの接着面を含み、上記2枚のプリズムの接着面は中心部分を除いて光学接着剤を使って完全に貼り合わせられるから、二つの接着面の中心部分に空気の隙間が形成され、これが上記反射部として利用される。
更に、上記空気の隙間の大きさとしてはレーザー・ビームの焦点スポットが通過出来ることを前提として、出来るだけ小さくして、隙間の切断面は円形か長方形等にする。
更に、上記光学接着剤と上記プリズム材料の相対屈折率は0.98-1.02である。

更に、上記プリズムは直角プリズムである。上記直角プリズムは三角プリズムを優先的に使用する。上記接着面は上記直角プリズムの底面である。
更に、上記プリズムの表面に薄膜めっきを施し、反射プリズムのレーザー入射面にレーザー波長に対応する透過強化膜を被膜する。但し、補助対象光源に対する反射プリズムの入射面と発射面の両方には、補助対象光源の出力光波長に対応する透過強化膜処理を施す。
一方、本発明は、上記光源装置を投影表示の光源として使用する投影装置を提供する。
本発明は、レーザー発生装置のレーザーを投影システムの電球またはLED発光光源に取り入れることによって、レーザーをその他の光源と混合して投影システムの照明光源として利用する考えを提案している。

上記技術を採用すれば、金属ハロゲン化物ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ等の電球の赤色光の照明不足の欠陥を補い、赤色光の輝度を高め、赤緑青の三原色の強度分布を調整し、色飽和度とコントラスト等の性能を向上することができ、投影表示分野に対して高い実用的な価値を期待できる。
上記技術を採用すれば、輝度の高い・エテンデューの比較的小さいレーザーにより、輝度の低い・エテンデューの比較的大きい発光ダイオード光源が補足され、それにより、発光ダイオードの光能率が高まるだけではなく、光源の輝度と光エネルギーの利用率も向上する。その上、発光ダイオードの緑色光の照明不足並びに赤色光と青色光の不十分な利用又は無駄などの問題を解決する。さらに、本発明による光源装置は広色帯域対応、長寿命、水銀無で環境に優しいなどの特徴もあり、投影表示分野に対して高い実用的な価値を期待できる。

本発明の実施例は以下の図面により詳しく説明される。
図１は、レーザーとLEDが直接混合され出力される光源装置の図を示す。図２は、レーザーとLEDが直接混合出力される光源装置の図である。図３は、レーザーとLEDが直接混合出力される光源装置の図である。図４は、レーザーとLEDが直接混合出力される光源装置の図である。図５は、一般的な反射板によりレーザーで電球を補足する光源装置の図である。図６は、一般的な反射板によりレーザーで発光ダイオードを補足する光源装置の図である。図７は、超高圧水銀灯の発光スペクトルの図である。図８は、反射板の構造を説明する上面図である。図９は、反射板によりレーザーで電球を補足する投影表示に使用する光源装置の図である。図１０は、レーザーと超高圧水銀灯の光との混合によって発生したスペクトログラムである。図１１は、レーザーと発光ダイオード灯の光とを混合する光源装置の図である。図１２は、別種の反射板構造の図である。図１３は、反射板によりレーザーで電球を補足する投影表示に使用する光源装置説明図である。図１４は、レーザーと発光ダイオード灯の光とを混合する光源装置の図である。図１５は、新型反射プリズムの上面図と立体図である。図１６は、新型反射プリズムの上面図と立体図である。図１７は、別種の反射プリズムの図である。図１８は、反射プリズムによりレーザーで電球を補足する光源装置の図である。図１９は、反射プリズムによりレーザーで発光ダイオードを補足する光源装置の図である。図２０は、三原色LEDランプを個々にRGBレーザーと組み合わせて投影表示光源にする図である。図２１は、三原色LEDランプを個々にRGBレーザーとを組み合わせて投影表示光源にする図である。図２２は、DLPを1枚使用する投影機の光回路図である。図２３は、DLPを3枚使用する投影機の光回路図である。図２４は、三原色LEDランプとRGBレーザーとを組み合わせて投影表示光源にするシングルDLP投影機の光回路図である。図２５は、三原色LEDランプと単色レーザーとを組み合わせて投影表示光源にするシングルDLP投影機の光回路図である。図２６は、三原色LEDランプと単色レーザーとを組み合わせて投影表示光源にする3枚LCD投影機の光回路図である。図２７は、三原色LEDランプとレーザーとを組み合わせて投影表示光源にする3枚LCOS投影機の光回路図である。図２８は、LCDを3枚使用する投影機の光回路図である。図２９は、LCOSを3枚使用する投影機の光回路図である。

レーザーのスポットと発散角はともにとても小さいから、レーザーのエテンデューも非常に小さい。光ファイバーからのレーザーのエテンデューは下記の算式によって決まる。
この中で、rは光ファイバー束の半径で、sinθは光ファイバーのＮＡ（numerical aperture ）である。光ファイバー束は一本又は多本の光ファイバーからなる。
例えば、光ファイバー束の半径が0.35mm、ＮＡ（numerical aperture ）が0.22である光ファイバー束から出力されるレーザーのエテンデューは僅か5.22×10^-2mm²srであり、発光ダイオードより二つレベル以上小さい。このようなエテンデューに基づく光束は数千又は数万ルーメンに達する。そのため、レーザーのためには、とても小さなエテンデューだけで非常に高い光束出力が得られる。

発光ダイオードとレーザーとの混合光源において、発光ダイオードのエテンデューをE_led，、レーザーのエテンデューをE_laserとすると、混合光源の総合エテンデューE_totalは発光ダイオードのエテンデューとレーザーのエテンデューとの加算とする。もし、
ならば、当該混合光源の光出力は全て有効に投影システムに組み入れられる。E_laserはE_ledよりとても小さく、考慮に入れなくていい程度なので、当該混合光源のエテンデューは殆ど発光ダイオードに割り当てられる。目的としては出来るだけ安価な発光ダイオードの光エネルギーを生かして、混合光源のエテンデューの極小さい部分をレーザーに割り当てて、とても小さいエテンデューでも随分高い輝度を得られるというレーザーの特性を利用して、混合光源の総合輝度を高めることである。

次に図面と具体的な実施例により本発明についてより詳しく説明する。
図1は、レーザーとLEDとを直接に混合して出力を行う光源装置を示す。光源装置は、一つのレーザー光源106及び二つのLED 104と114を含む。個々のLEDの出力光回路にＶ字型四角錐を一つ設けてLEDの出力した光束の発散角を圧縮するための光束整形装置とする。上記レーザー光源106からのレーザーはまずカップリングレンズユニット107を通して光ファイバー108に組み入れられる。光ファイバー108からのレーザーはフォーカス・レンズユニット109を通してからＶ字型四角錐からのLED光と同じ方向に沿って出力される。これで、レーザーとLED光との混合を実現する。上記レーザー発生装置として使用可能なものは固体レーザー発生装置、ガスレーザー発生装置、光ファイバーレーザー発生装置、半導体レーザー発生装置等である。

一般的に、光源装置が出力する光の開口角が投影システムの開口角と同じであれば好ましい。前者が後者より大きい場合、光エネルギーの無駄となる。とても小さい場合、開口角のサイズを十分に生かせない。そこで、この実施例にはLEDランベルト面の光束発散角を圧縮するために光束整形装置105と115を使っているので、圧縮後の発散角が投影システムの開口角より小さいか同じかである。V字型四角錐の他に、発散角圧縮機能を備える光学部品を使用してもいい。フォーカス・レンズユニットに含まれるビーム拡大器の役割は、よりよく発散するようにレーザービームを拡大することによって、混合効果を得られる。もちろん、実用に応じてビーム拡大器を増やしたり減らしたりすればよい。カップリングレンズユニット107を通してレーザーを光ファイバー108に組み入れることはこの技術分野の常識であり、この分野の技術者が実際の必要に応じてレーザーを光ファイバーにカップリングするか選択すればよい。図1のような、２つのLEDは、LEDアレイと考えてもよいし、LEDアレイの一部と考えてもよい。そして、レーザー発生装置106はレーザー発生装置アレイの中の一つとしてもよい。レーザーとLEDアレイ光の混合のために、隣接するLEDの間にレーザー孔112を設ける。上記レーザー発生装置またはレーザー発生装置アレイからのレーザーはそれぞれに対応するレーザー孔を通して上記LED光と混合される。LEDアレイの発光面積が後続の投影システムのエテンデューに限られるから、光束を増やすには、LEDアレイのLEDの配列密度を増加しなければならない。そのために、レーザー孔の寸法は大きくてはいけない。フォーカス・レンズユニット109でレーザー・ビームをより小さいスポットの直径に合わせて収縮してからレーザー孔に入射することによって、LEDアレイのLEDの配列密度を高めて、光束密度を向上する。図1に示すように、Ｖ字型四角錐を光束整形装置として使用するため、その切断面はLEDより大きく、レーザーを順調に発射するようにＶ字型四角錐の間には隙間111を設けてある。フォーカス・レンズユニット109でレーザー・ビームを二つのV字型四角錐の出力側の間に設ける隙間111に集光する必要がある。これでLEDアレイの配列密度を最大にする。

図2はレーザーとLEDとが直接混合される光源装置の説明図である。光源装置は一つのレーザー光源206及び二つのLED204と214を含む。個々のLEDの出力光回路にそれぞれＶ字型四角錐205と215を設けてLEDの出力した光束の発散角を圧縮するための光束整形装置とする。上記レーザー光源206からのレーザーはまずカップリングレンズユニット209を通ってからＶ字型四角錐205と215からのLED光と混合されて同じ方向に沿って発射される。図2では、図1にあるようなカップリングレンズユニットや光ファイバーは使われないが、混合出力の効果がある。同じように、フォーカス・レンズユニットはビーム拡大器を含む。また、実用に応じて、レーザー発生装置と光回路によって違う様々な光束調整システムを選択すればよい。

図3はレーザーとLED光を直接に混合する光源装置の図である。同じ形である2つのレーザー光源と3つのLEDを含む。個々のLEDの出力光回路に一つのＶ字型四角錐を設けてLEDの出力した光束の発散角を圧縮するための光束整形装置とする。上記レーザー光源306と316からのレーザーはまずそれぞれのカップリングレンズユニット307と317を通してそれぞれの光ファイバー308と318に組み入れられる。光ファイバー308と318からのレーザーはフォーカス・レンズユニット309と319より焦点を合わせてからレーザー孔302と312を通してＶ字型四角錐305と315と325からのLED304と314と324の光と同じ方向に沿って出力することによって、混合を実現する。レーザー孔302と312を対称的に設置する目的は、混合した光のシミンク゛効果（shimming effect）をよりうまく出させることである。

図4はレーザーとLED光を直接に混合するもう一つの光源装置説明図である。四つのLEDからなるLEDアレイと2つのレーザー発生装置からなるレーザー発生装置アレイを含む。レーザーとLED光の混合方法は図1と同じである。レーザー発生装置406のレーザーは第1のLED404と第2のLED414の間にあるレーザー孔408を通して、レーザー発生装置416のレーザーは第3のLED424と第4のLED434の間にあるレーザー孔418を通して、LEDアレイの出力光と直接に混合する。レーザーは対称的にLEDアレイの出力光と混合されることによって均等な混合光を得られる。

それ以外に、第2のLED414と第3のLED424の間に一つのレーザー発生装置を入れる方案もある。また、第1のLED404と第2のLED414の間、第2のLED414と第3のLED424の間、第3のLED424と第4のLED434の間のレーザー孔に3つのレーザー発生装置を入れる方案もある。この実施例では主にレーザー孔の対称的な設置方案を採用しているが、この分野の技術者には周知のように、実用によっては非対称的にレーザー孔を設置してもよい。但し、レーザー孔が対称か否かにも関わらず、特許請求の範囲に属する。

図5と図6は普通の反射板でレーザーと補助対象光源出力光との混合を実現する光源装置の2つの実施例を示す。
図5は普通の反射板を利用してレーザーで電球の光を補足する光源装置である。当該光源装置は主にレーザー発生装置502と、フォーカス・レンズ503と、反射板504及び補助対象光源である電球501からなる。レーザー発生装置502が発射する赤色光レーザー・ビームはフォーカス・レンズ503を通して、反射板504の表面又は付近に集中される。反射板504の表面に入射した赤色レーザーの波長に対して高度な反射を行う高度反射膜をめっきしてある。レーザー・ビームが反射板の表面で反射板504に反射されてから、発射する方向が電球からの光束の方向と同じになることによって、レーザー光源と電球の出力光束との混合を実現する。フォーカス・レンズ503に対して、他のフォーカス・レンズユニット又は他のフォーカシング機能のある光学部品を使ってもよい。フォーカス・レンズユニットにビーム拡大器を入れてもよい。レーザービームを拡大することで、一定の発散角で発散するレーザーと電球との混合効果がよりよくなる。しかも、反射されたレーザー・ビームが電球の光束と同じ光軸を持てば混合効果がもっとも良い。上記レーザー発生装置502は、固体レーザー発生装置、半導体レーザー発生装置、光ファイバーレーザー発生装置、またはガスレーザー発生装置等でもいい。上記レーザー発生装置502に使用する赤色光レーザー発生装置は、好ましくは波長が630nmから670nmである。また、この場合の電球は超高圧水銀灯、金属ハロゲン化物ランプ、ハロゲンランプ及びキセノンランプに代えてもよい。これはこの分野の技術者にとって周知の技術である。反射板の電球出力光束に対する影響を低減し、入射したレーザーを全部反射するために、フォーカス・レンズ503によりレーザーのフォーカスを出来るだけ反射板504の表面又は付近に当てなければならない。この場合、反射板504の寸法（体積）をより小さく作成して、体積による電球出力光への干渉を避ける。

図6は普通の反射板によりレーザーで発光ダイオードを補足する光源装置である。光源装置は、主に発光ダイオード光源601と、光束整形装置602と、反射板603と、レーザー発生装置607と、カップリングレンズユニット606と、光ファイバー605及びフォーカス・レンズユニット604を含む。発光ダイオード光源601からの光は光束整形装置602により整形されてから，ランベルト面の光束発散角が圧縮されるが、圧縮後の発散角は後続の投影システムの開口角によって決められる。レーザー光源607からのレーザーはカップリングレンズユニット606を通して光ファイバー605に入る。光ファイバー605の発射光はフォーカス・レンズユニット604により集中される。発散角は同様に投影システムの開口角以内に制御されなければならない。光回路を調整して、フォーカス・レンズユニット604により集中されたレーザー・ビームの焦点を反射板603の表面或はその付近に当てるようにして、反射板603に反射させ、レーザー・ビーム光軸の方向を上記光束整形装置602からのLED光束の光軸と一致させ、二つの光源の混合出力を実現する。この分野の技術者には周知のように、LED光源は白光LED光源でもいいし、その他の単色LED光源でもいい。それは，実用上の必要性によって決める。また、発光ダイオード光源の出力光束の発散角を圧縮する為の光束整形装置はＶ字型四角錐或いはその他の光学部品に代えてもいい。
しかし、図5或いは図6に示すような反射板を使う時には、欠点がある。つまり、反射板は補助対象光源からの光束の一部を妨げることがあるから、反射板に妨げられる光束を出来るだけ減少する為に、反射板を出来る限り小さく作製しなければならない。事実、反射板の反射面のサイズがレーザー・ビームの切断面に相当すれば十分であり、実用においてレーザー・ビームの焦点スポットサイズの直径はmmのレベルである。これほど小さい反射板はコストが高いだけでなく、体積が非常に小さくて実際に光回路に容易に固定出来ないし、さらにその固着装置が光回路を干渉してしまう。その固着装置が必ず光回路に置かれるから、反射板により補足される光束よりもっと多くの光束を遮断してしまう。

図8は反射板の構造を示す上面図である。当該反射板は上記補助対象光源の出力光を反射する反射部801と上記レーザー光源からのレーザーを直接に通過させる通光孔802とを含む。反射板の反射部801に補助対象光源の出力光束の反射効率を向上するための高度反射膜がめっきされる。必要に応じて、当該反射板は円盤形、長方形、平板な形、線形等の平面形にすればよい。また、必要によって異なる形、例えば放物面の形、双曲面の形又は球面の形等に設計してもよい。上記通光孔802は反射板の中央又は必要に応じてその他の位置に設けられる。

図9と図11は、図8に示した構造からなる反射板を使用してレーザーと補助対象光源との混合出力を行う光源装置の2つの態様を示した図である。
図9に示されるものはレーザーにより電球光の補足を行う投影表示に使われる光源装置であり、レーザー光源902と、フォーカスレンズ903と、電球901と反射板904を含む。その中で、レーザー光源902は赤色光レーザー発生装置であり、反射板904は円形平板構造であり、反射板904の真ん中は直径が3mmである通光孔905であり、反射板904のその他の部分は反射部であり、反射部には可視光のための広帯域の高度反射膜をめっきする。赤色光レーザー発生装置902が発射するレーザー・ビームはフォーカス・レンズ903を通して直に反射板904の通光孔905から出力される。上記電球901からの光束なら、反射板904の反射部に反射されてから上記直に通光孔905を通したレーザー・ビームと同じ方向に沿って出力することによって、混合を実現する。しかも、混合した光の中にある二つの光は光軸が重なりあう。それによって、赤色光の補いを実現する。フォーカス・レンズ903の代わりにフォーカス・レンズユニット或いはその他のフォーカシング機能のある光学部品も使える。フォーカス・レンズユニットの中にビーム拡大器を追加出来る。拡大器によってレーザーの発散の程度を向上することによって混合効果をよりよくする。また、電球の光束を反射させてからレーザー・ビームとの光軸と一致させることにより混合効果を最高に実現できる。上記レーザー発生装置902は固体レーザー発生装置、半導体レーザー発生装置、光ファイバーレーザー発生装置、ガスレーザー発生装置またはそれ以外でもいい。上記レーザー発生装置902に使用する赤色光レーザー発生装置は、波長が630nmから670nmであることが望ましい。そして、この場合の電球は高圧水銀灯、金属ハロゲン化物ランプ、ハロゲンランプ、キセノンランプのいずれかでよい。反射板の通光孔905による電球901からの出力光束への影響を減少し、入射した全てのレーザーを通過させるために、フォーカス・レンズ903はレーザーの焦点を出来るだけ反射板904の通光孔905の表面或いは付近に当てなければならない。これにより反射板904の通光孔の面積をより小さくでき、通光孔の電球出力光の反射への影響を減少でき、電球反射の光線を増加できる。混合後のスペクトルグラムを図10に示す。図10と図7の比較によって、RGB三原色の分布では赤色光の強度が高くて、白色光によく適合していることが分かる。
当該光源装置に関して、上記反射板904の通光孔905は反射板の真ん中またはその他の適当な位置に設置してもよい。反射板の厚みはとても小さくすることができて、円盤形、長方形、平板な形、線形等の各平面形にすればよい。また、必要によって異なる形、例えば放物面の形、双曲面の形又は球面の形等に設計してもよい。

図11は補助対象光源の発光ダイオード光源とレーザー光源を混合して投影表示を行う光源装置を示す。その中で、反射板1103の構造は図8と同じで、発光ダイオード光源1101は白光発光ダイオードであり、発射する光は光束整形装置1102を通して、ランベルト面の光束発散角が圧縮されて、圧縮後の発散角は投影システムの開口角に対して、±12^oとする。光束整形装置1102の発射光は反射板1103の反射部に反射されてから出力される。さらに、反射板1103の反射部には可視光のための広帯域の高度反射膜をめっきしている。レーザー光源1107は緑色光レーザー発生装置であり、発射されるレーザーはカップリングレンズユニット1106を通して光ファイバー1105に入る。光ファイバー1105の発射光はフォーカス・レンズユニット1104によって集中され、その発散角は投影システムの開口角以内に制御される。光回路を調整してレーザー・ビームの焦点を反射板1103の通光孔に当てる。レーザー・ビームは直に通光孔を通して、集中光束から発散光束に変換される。白光発光ダイオードの光線が反射板に反射され、直接通過する緑色のレーザーと混合されて同じ方向に沿って出力される。これによって混合を実現して混合照明光源となり、発光ダイオードの緑色光を補足する。また、反射後の発光ダイオードの光束がレーザー・ビームと同軸になれば混合効果がもっともよい。当然、上記光源装置においては、フォーカス・レンズユニット1104を通したレーザー・ビームの焦点スポットの面積を、通光孔のサイズより小さく又は同じにすべきであり、またフォーカス・レンズユニット1104の焦点を通光孔の付近にしてもいいが、同時にレーザー・ビームの通光孔におけるスポット面積を通光孔の切断面積より小さく又は同じにすべきである。それは、レーザー・ビームのスポット面積が通光孔の切断面積より大きければ、レーザー光のエネルギーの無駄を起こす。また、レーザー・ビームのスポット面積が通光孔の切断面積より小さい場合、通光孔横の切断面積を減少して、発光ダイオード光線の反射を出来るだけ増加する方がいい。そうでなければ、発光ダイオードの最大出力が利用出来なくなる可能性がある。そして、発光ダイオード光源の出力光束の発散角を圧縮するための光束整形装置はＶ字型四角錐或いはその他の光学部品に変えてもよい。この分野の技術者には周知のように、LED光源は白光LED光源、またはその他の単色LED光源でもいい。また、LED光源としてはLEDアレイでもいい。それは実際の要求に応じて決められる。

図12はもう一つの反射板の側面図である。当該反射板は上記レーザー光源からのレーザーを反射するための反射部1201と上記補助対象光源からの光束を直接通過させる透過部を含む。反射板については、反射部1201の他に、上表面1202と下表面1203には、補助対象光源からの光束の透過効率を増進するための透過強化膜をめっきしている。反射板の反射部1201の表面にレーザー反射効率を増進するための高度反射膜をめっきしている。当該反射板は平板形透明材料で作製する。上記透明材料はガラス、石英、シリコン、または透明なプラスチック等でいい。上記反射部は反射板の真ん中、反射板の一端又は必要に応じてその他の位置にある。上記反射部は平面であるとも、必要によって異なる形、例えば放物面の形、双曲面の形又は球面の形等に設計してもよい。

図13と図14は、図12に示す反射板を使用する2種類の光源装置である。図13はレーザーで電球を補足する投影表示に使用する光源装置である。レーザー光源1308と、フォーカス・レンズ1305、電球1306と反射板1307を含む。その中で、レーザー光源1308は赤色光レーザー発生装置であり、反射板1307はガラス製の平板状構造であり、反射板の中心部分1304は反射部となり、赤色光の波長を高度に反射できる高度反射膜をめっきしている。反射板1307のその他の部分は透過部である。赤色光レーザー発生装置1308が発射するレーザー・ビームはフォーカス・レンズ1305を通して反射板1307の反射部1304に入射して、反射されてから出力される。上記電球1306が発射する光束は直接に透過し、上記反射板1307を通してから、上記反射部1304によって反射されたレーザー・ビームと混合され、しかも混合された2種類の光の軸が重なり合う。これによって、赤色光の補足を実現する。フォーカス・レンズ1305については、フォーカス・レンズユニット或いはその他のフォーカシング機能のある光学部品を利用できる。フォーカス・レンズユニットにビーム拡大器を追加し、レーザーの発散程度を改善することによって混合効果を更によくできるし、レーザー・ビームが反射後の電球の光束と同じ光軸になれば混合効果を最もよくできる。上記レーザー発生装置1308は固体レーザー発生装置、半導体レーザー発生装置、光ファイバーレーザー発生装置、またはガスレーザー発生装置等でもいい。上記レーザー発生装置1308に採用する赤色光レーザー発生装置は、630nmから670nmまでの波長を選択すればよい。また、この場合の電球は他に超高圧水銀灯、金属ハロゲン化物ランプ、ハロゲンランプまたはキセノンランプの何れにしてもよい。反射板の反射部による電球1306の出力光束への影響を低減するため、および同時に入射したレーザーを全て反射するために、フォーカス・レンズ1305によるレーザーの焦点を出来るだけ反射板1307の反射部1304の表面或いは付近にあてなければならない。このように、反射板1307の反射部の作製面積をより小さくして、反射部の電球出力光への干渉を減少する事が出来る。
当該光源装置において、上記反射板1307の反射部は反射板の真ん中においてもいいし、へり又はその他の適当な位置にも設置できる。反射部の表面形状は図10に示す平面でもいいし、または必要によって異なる形、例えば放物面の形、双曲面の形又は球面の形等に設計してもよい。反射板1307の材料は透明材料でいいが、上記透明材料はガラス、石英、シリコンまたは透明プラスチック等を含む。上記反射板1307の厚みはとても小さく出来、その形状も線状、円盤等様々な形でいい。この分野の一般の技術者には周知だが、反射部の面積が入射したレーザー・ビームの切断面の直径より大きければ、レーザー・ビームの反射を保証できる。この条件において、補助対象光源からの光の一部は上記反射板によって透過し、他の一部は反射板を通らずに直接に上記レーザー・ビームと混合される。

図14は補助対象光源の発光ダイオード光源とレーザー光源とを混合して投影表示を行う光源装置である。その中で、発光ダイオード光源1401は白光発光ダイオードで、発射する光は光束整形装置1402を通って、ランベルト面の光束発散角が圧縮され、圧縮後の発散角は例えば投影システムの開口角±12⁰にする。光束整形装置1402の発射光は反射板1403を直接透過する。反射板1403の表面の反射部以外の部分は、可視光のための広帯域の透過強化膜を被覆している。レーザー光源1407は緑色光レーザー発生装置で、発射されるレーザーはカップリングレンズユニット1406を通って光ファイバー1405に入る。光ファイバー1405からの発射光はフォーカス・レンズユニット1404によって集中され、その発散角は投影システムの開口角以内に制御される。反射板1403のレーザー入射面にレーザー波長を高度に反射する高度反射膜がめっきされ反射板的な反射部分となる。光回路を調整して、レーザー・ビームの焦点を反射板1403の反射部に当てて、レーザーが反射部で反射を行って、集中光束から発散光束に変わる。白光発光ダイオードの光線が反射板を透過後、反射した緑色レーザーと混合されて混合照明光源となり、発光ダイオードの緑色光の補足を実現する。もちろん、上記光源装置では、レーザー・ビームの焦点スポット面積を反射部のサイズより小さく又は同じにすべきである。レーザー・ビームの焦点を反射部の表面の付近に当ててもよいが、レーザー・ビームの反射部にあてるスポットの面積は反射部の面積より小さい又は同じである。レーザー・ビームのスポット面積が反射部より大きければ光エネルギーの無駄となるが、レーザー・ビームのスポット面積が反射部より小さすぎる場合、反射部のサイズを小さくして、発光ダイオードの光線を出来る限り妨げないようにする。さもなければ発光ダイオードの最大出力を利用できなくなる。また、発光ダイオード光源の光束出力の発散角を圧縮する為の光束整形装置は代わりにＶ字型四角錐或いはその他の光学部品でも実現できる。この分野の技術者には周知だが、LED光源は白光LED光源でも、その他の単色LED光源でもよく、実際の要求によって決められる。

図15と図16はもう一つの新しい構造である反射プリズムを示した図である。当該反射プリズムは2枚の直角三角プリズム1507と1508からなり、直角三角プリズム1507と1508の斜面は中心部分を除いて全て光学接着剤1506でくっついている。光学接着剤1506が厚みを持つので、接着面の中心部分で空気の隙間1505を成す。隙間1505のサイズとして入射するレーザー・ビーム或いは集中後のレーザー・ビームを全て反射できる程度が好ましい。切断面の形状は円形か長方形等適当な形状であればよい。円形である隙間なら、貼り付ける工程が面倒であり、長方形の隙間が比較的に容易で、両側から空気を通すが、円形の隙間は接着面積が長方形より大きくて、補助対象光源により多くの光線を通すことができる。したがって、状況によって隙間の形状を選択する方がいい。応用に当たって、プリズムの表面は通過する光束に合わせて異なる薄膜をめっきする。例えば反射プリズムのレーザー入射面に対しては、レーザー波長を高度に透過させる透過強化膜をめっきすべきであるが、一方、反射プリズムの補助対象光源の入射面と反射面に対しては、両面とも補助対象光源を高度に透過させる透過強化膜をめっきしなければならない。隙間1505の切断面がレーザー・ビームの入射スポットより大きい事を条件にして、出来るだけ反射プリズムの厚みdを減少すべきである。これは補助対象光源の出力光への干渉を減少するためである。また、このような反射プリズムは構造から言えば体積が大きいので固定しやすいし、固定装置も光回路の中に置かなくて済むので光回路への干渉がなくなる。

図17はもう一つの反射プリズムの構造を示す。当該反射プリズムは図15と図16に示す反射プリズム構造の変形である。図15と図16にあるような2枚の直角三角プリズムの代わりに直角台形プリズムを利用する。上記直角台形プリズムの斜面と直角面の角度は45°で、その他の構造は図15と図16の反射プリズムと同じである。もちろん、このような変形だけではなく、その他の変形がいろいろあるが、例えば図6のbとcの長さが変更可能で、aの形状は補助対象光源の光線透過に影響を与えないことを前提にしてその他の任意の形状に変えられる。原則的に、プリズムの主な作用に影響しなければ、どのような反射プリズムの形状も、この特許の請求内容に含まれることと見なす。

図18は上記図15と図16に示す新型構造からなる反射プリズムを使用して、レーザーにより電球を補足する光源装置を示す図である。光源装置は、レーザー光源1808、フォーカス・レンズ1805、超高圧水銀灯1806と反射プリズム1807を含む。その中で、レーザー光源1808は635nmの赤色光固体レーザー発生装置で、反射プリズムの二つの直角プリズムは屈折率が1.51であるK9ガラスで作る。間にある光学接着剤は屈折率が1.51である紫外線硬化接着剤である。赤色光固体レーザー発生装置が発射するレーザー・ビームはフォーカス・レンズ1805を通ってから、直角プリズムの直角面から垂直に入射する。この直角面に波長が635nmであるレーザーを透過する透過強化膜（透過率は99％以上）をめっきしている。フォーカス・レンズ1805により集中されたレーザー焦点スポットは隙間1804に位置して隙間1804で全体反射を行ってから、当該直角プリズムのもう一つの直角面から垂直に出力される。上記超高圧水銀灯1806が発射する光束はもう一つの直角プリズムの直角面から入射し、直接に透過する。それから上記反射プリズム1807を通って上記レーザー・ビームの光軸に重なり合って、赤色光の補足を実現する。反射プリズム1807の超高圧水銀灯の入射と発射に関わる二つの直角面には共に、可視光のための広帯域の透過強化膜をめっきしている。
当該光源装置にあたって、上記反射プリズムの厚みdはとても小さくできる。この分野の一般の技術者として理解すべきことは、厚みdがレーザー・ビームの隙間に当たる入射するスポットの直径より大きければ、レーザー・ビームの全体反射は確保できる。この条件で、厚みdは非常に薄くできる。これによって、補助対象光源からの光が一部だけ上記反射プリズムを透過し発射されるが、他の部分は反射プリズムを通らず、直接上記レーザー・ビームと混合される。

図19は補助対象光源の発光ダイオード光源とレーザー光源が混合されて投影表示を行う光源装置である。当該光源装置の構造は図14に似ているが、反射板としては図15と図16に示す構造の反射プリズムを使用する。その中で、発光ダイオード光源1901は白光発光ダイオードである。発射する光は光束整形装置1902を通ってから、ランベルト面の光束発散角が圧縮される。圧縮後の発散角は投影システムの開口角±12⁰にする。光束整形装置1902の発射光は直接反射プリズム1903を通って透過するが、LED光束の入射と発射に関わる反射プリズム1903の表面には、可視光に対して広帯域の透過強化膜をめっきしている。レーザー光源1907は532nmの緑色光固体レーザー発生装置である。発射されるレーザーはカップリングレンズユニット1906を通って光ファイバー1905に入る。光ファイバー1905からの光はフォーカス・レンズユニット1904によって集束され、発散角は投影システムの開口角以内に制御される。反射プリズム1903のレーザー入射面には、波長が532nmであるレーザーに対応する透過強化膜（透過率が99%以上）をめっきしている。光回路を調整して、レーザー・ビームの焦点を反射プリズム1903の空気の隙間に当てて、レーザーが空気の隙間で反射されて、集中光束から発散光束に変えられる。白光発光ダイオードの光線は反射プリズムを透過してから、反射後の緑色レーザーと混合されて混合照明光源となり、発光ダイオードの緑色光の補足を実現する。もちろん、上記光源装置では、レーザー・ビームの焦点スポット面積を空気の隙間のサイズより小さく又は同じにすべきであるる。レーザー・ビームの焦点を空気の隙間の表面の付近に当ててもよいが、レーザー・ビームのスポットの面積が空気の隙間より大きければ、光エネルギーの無駄となる。同様に、レーザー・ビームのスポットの面積が空気の隙間より小さすぎるなら、空気隙間のサイズを小さくして、出来るだけ発光ダイオードの光線への干渉を低減しなければならない。そうでなければ、発光ダイオードの最大出力を利用出来なくなる可能性がある。

図20と図21は三原色LEDランプをそれぞれRGBレーザーと混合した2種類の投影表示光源にする説明図である。
その中で、図20の投影表示光源は赤、緑、青のLEDランプと、赤、緑、青のレーザー発生装置と、2つのダイクロイックミラー（dichroscope）と、3つの図15と図16に示す構造を備える反射プリズムを含む。その中で、赤色LEDランプ2001が発射する赤色光は赤色光レーザー発生装置2007が発射する赤色レーザーと混合され、緑色LEDランプ2002が発射する緑色光は緑色光レーザー発生装置2008が発射する緑色レーザーと混合され、青色LEDランプ2003が発射する青色光は青色光レーザー発生装置2009が発射する青色レーザーと混合され、上記同じ色のLEDランプ光とレーザーとの混合方式にはそれぞれ図19に示す方式を採用する。混合後の赤色光と混合後の緑色光は1番目のダイクロイックミラー2019により混合され、赤と緑の混合光は2番目のダイクロイックミラー2020により混合後の青色光と混合され、投影表示に必要となる白光が得られる。また、赤色光LEDと青色光LEDの位置は互いに交換可能で、それに応じて赤色光レーザー発生装置と青色光レーザー発生装置の位置も交換しなければならない。同時に1番目のダイクロイックミラーと2番目のダイクロイックミラーの対応する薄膜を交換しなければならない。それはこの分野の技術者にとって周知である。

図21に示す投影表示用光源は、図20に使用する2つのダイクロイックミラーに代えてカラーコンビネーションプリズム（X-cube）2122を利用し、その他の構造は図20とほぼ同じで、同じ色の光束の混合方式は図19と同じで、このようにして同様に投影表示に必要な白光が得られる。また、図20と同じく、赤色光と青色光の光回路は互いに位置交換が可能であるが、緑色光はX-cubeカラーコンビネーションプリズム2122の中心で反射されないように直接透過されるべきである。それはこの分野の技術として知られている。
図20と図21の合成された白光は、シングルDLP（digital light processing）、シングルLCOS（liquid crystal on silicon）またはシングルLCD（liquid crystal display）の投影光源として使用される。しかも、LEDランプとレーザー発生装置により全ての光源を提供するから、電子的シーケンス制御を使用できるため、従来の技術に使用する色相環は必要なくなる。また、必要に応じて、1色或は数色の光を選択し添加してよい。
上記図20と図21に使用する反射板の構造は図15と図16に示する反射プリズムの構造である。もちろん、同じ色の光束の混合方式は図1-4、図6、図11、図14および図19等に示す方式を適用し、上記図20と図21に紹介された方法と構造で光の組合せを行う。

図22から図29までは上記本発明の各種光源装置を使用する幾つかの投影機の光回路構成である。
図22はシングルDLP投影機の光回路の実施例を示す。シングルDLP投影機は、補助対象光源としての超高圧水銀灯2209、レーザー光源2208、ビーム拡大器2217、フォーカス・レンズ2218、反射板2207、光棒（light wand ）2210、フォーカス・レンズユニット2211、色相環2212、中継レンズユニット2213、デジタルミラーデバイス（Digital Micro-mirror DeviceーDMD）2214、投影レンズユニット2215及びスクリーン2216を含む。その中で、反射板2207の構造は図8に示すものと同じである。超高圧水銀灯2209が発射する白色光束は反射板2207の反射部に入射し反射される。レーザー発生装置2208は635nmの赤色レーザーを出力する為の固体レーザー発生装置である。赤色レーザーはビーム拡大器2217により光束拡大を行ってからフォーカス・レンズ2218に入射する。それから反射板2207の通光孔に入射するが、その焦点は反射板2207の通光孔に当てられる。レーザー・ビームは直接反射板2207の通光孔を透過して、反射された超高圧水銀灯2209からの光束と同じ方向に沿って同軸で出力され、混合され、投影表示の光源になる。ビーム拡大器2217はレーザーのフォーカス・レンズ2218透過後の発散度を向上して、混合効果を高める。但し、レーザー発生装置のスポット自身が混合のための条件を満たせる場合、ビーム拡大器を使う必要はなくなる。反射板2207の反射部には、可視光のための広帯域の高度反射膜をめっきする。光棒（light wand ）2210は光回路の中で混合後の光束に対してシミンク゛処理を行う。それから上記フォーカス・レンズユニット2211より集束を行って、色相環2212に入れて、緑色光、青色光と赤色光の三色の光を色相環に設置された順番によって出力する。次に、中継レンズユニット2213により反転されてデジタルミラーデバイス2214に照射される。DMD2214により処理された光束は投影レンズユニット2215を通ってから、最後にスクリーン2216に照射されイメージになる。本実施例に当たって、レーザー光源2208が発射する赤色レーザーは投影表示の赤色光輝度を高めて、赤緑青の三原色の分布強度を調整して、画像の色飽和度とコントラストを高める。

図23は3枚のDLP投影機の光回路の実施例である。3体DLP投影機は、補助対象光源としてのキセノンランプ2309、レーザー光源2308、カップリングレンズ2318、光ファイバー2319、フォーカス・レンズ2311、反射板2307、光棒（light wand ）2310、フォーカス・レンズユニット2312、平面反射板2320、内部全反射プリズム（Total Interface ReflectionーTIRプリズム）2321、色分解再結合プリズム（color splitting/recombining prism）2322、赤・緑・青のDMD2323・2324・2325及び投影レンズユニット2315を含む。その中で、レーザーとキセノンランプは図12に示す構造の反射板を使用して混合される。但し、反射板2307の厚みと幅は僅か2mmである。幅が小さいから、キセノンランプ2309が発射する光は一部しか反射板に到達しない。レーザー発生装置光源2308は635nmの赤色レーザーを発射する半導体レーザー発生装置である。レーザーはカップリングレンズ2318を通ってから光ファイバー2319に入る。光ファイバー2319から発射されるレーザー・ビームはフォーカス・レンズ2311を通って入射し反射板2307の反射部に集束されて、反射されてから発射される。反射板2307の幅が非常に狭いので、補助対象光源としてのキセノンランプ2309が発射する光の一部は上記反射板2307に入射し透過してから上記レーザー・ビームと混合されるが、他の部分は直接に上記レーザー・ビームと混合される。反射板2307の反射部には波長が635nmであるレーザーに対する高度反射膜をめっきしている。反射板2307の透過部分には可視光のための広帯域な透過強化膜をめっきする。混合後の光束は光棒（light wand ）2310によりシミンク゛されてから、フォーカス・レンズユニット2312で集束され、平面反射板2320により反射されて、内部全反射TIRプリズム（Total Interface ReflectionーTIRプリズム）2321に入射する。TIRプリズム2321の役割は、入射光と発射光とを分離して、互いに妨げないようにして、入射する光を全部反射させ、発射する光を透過させる。TIRプリズム2321は入射する混合光を色分解再結合プリズム2322に反射させ、色分解再結合プリズム2322は混合光を順番に青、緑、赤の3色に分けて、青、緑、赤のDMD2325、2324と2323に照射させる。それから、3つの光束はまず赤緑が混合され、次に青色光が赤緑混合光と混合され、最後に発射光としてTIRプリズム2321を通して出力され、投影レンズユニット2315に入射しイメージになる。その中で、TIRプリズム2321と色分解再結合プリズム2322はこの分野の技術者によく知られる光学部品であり、その構造は特許米国特許US6863401B2の1ページと2ページを参照されたい。
この分野の一般の技術者には周知だが、投影表示光源はキセノンランプの他にLEDランプ（LEDアレイを含む）、超高圧水銀灯、金属ハロゲン化物ランプ、またはハロゲンランプ等が利用される。

図24は三原色LEDランプとRGBレーザーが集束された、投影表示光源としてのシングルDLP投影機の光回路図である。LEDとレーザーとの集束が投影光源となる部分は図21に示す光回路の構造と同じである。混合後の光束はフォーカス・レンズユニット2423により集束され、光棒（light wand ）2424によりシミンク゛され、中継レンズユニット2425により反転されてからTIRプリズム2427に入射し、DMD2426により処理されてから反射されて、TIRプリズム2427を通って投射レンズユニット2428に入射し、最後にスクリーン2429でイメージになる。本光回路の中では、電子的シーケンス制御方法を採用するので、従来のシングルDLP光回路に使う色相環は取り除くことができ、レーザーとの混合・補足を行うことにより、投影システムの赤緑青3色の輝度は以前より大幅に改善された。さらに、白光の配合比に応じて、赤緑青レーザー発生装置には出力の異なるレーザー発生装置を選択すればよいが、特に緑色光が不足している場合、出力の大きい緑色光レーザー発生装置を選択する方がよい。

図25は三原色LEDランプと単色レーザーとの集束を使用して投影表示光源にするシングルDLP投影機の光回路図である。LEDとレーザーとの集束を投影光源にする部分は図20と基本的に同じであるが、この場合は、緑色光レーザー発生装置でLEDランプの緑色光を補足して、赤青に対しては補足をしない。そして、緑色光レーザー発生装置による補足は図8に示す構造の反射板を使用する。混合後の白光はまずフォーカス・レンズユニット2523を通って、光棒（light wand ）2524に集束されシミンク゛が行なわれる。それから中継レンズユニット2525により反転されてTIRプリズム2527の中に入射する。DMD2526により処理されてから反射される。次に、TIRプリズム2527を通して投射レンズユニット2528に発射される。最後にスクリーン2529にイメージ化される。本光回路にも電子的シーケンス制御方法を採用する。上記投影表示光源では、色温度が6500K以下で、0.79インチの撮像素子とF2.4の投影レンズを備える投影システムを使用し、上記LEDランプは皆LEDアレイを採用して、発光面積は7mm²である。緑色光レーザー発生装置により補足される前は、赤緑青LEDアレイの光出力はそれぞれ赤色光0.8W、緑色光0.7W、青色光1.4Wである。緑色光が既に最大に達したから、赤色光と青色光の光出力を抑えることになる。上記投影表示光源を採用し、光出力が0.65Wである532nmの緑色光レーザー発生装置からのレーザーを追加したら、赤緑青の光出力はそれぞれ赤色光約1.2W、緑色光約1.1W、青色光約1.8Wまで高められた。緑色光レーザー発生装置を追加した光源装置が出力する白光の輝度は以前より約50％アップできた。この方法により緑色光の輝度及び緑色光の色飽和度を大いに高められて、白光の全体輝度も高められた。

図26は三原色LEDと単色レーザーとの集束を投影表示光源にする3枚のLCD投影機の光回路の実施例である。その中で、緑色光LEDアレイ2601は図1に示す方式によって緑色光レーザー発生装置2604と光束混合が行われるが、赤色光LEDアレイ2611と青色光LEDアレイ2621はレーザーによる補足をせず、赤色光LEDアレイ2611と青色光LEDアレイ2621の2つのLEDは並列してそれぞれ一つの光束整形装置2612と2622を共有する。緑色光の混合光は順番に、コリメーターレンズ2631、反射式偏光板2632、λ/2板2630、フォーカス・レンズ2633、光棒（light wand ）2634、中継レンズユニット2635、緑色光LCD液晶光バルブ2608を通って、カラーコンビネーションプリズム2638に入る。それに対して、赤色光と青色光LEDアレイ2611と2621はそれぞれに対応するコリメーターレンズ2613と2623、反射式偏光板2614と2624、λ/2板2610と2620、フォーカス・レンズ2615と2625、光棒（light wand ）2616と2626、中継レンズユニット2617と2627及びLCD液晶光バルブ2618と2628を通ってカラーコンビネーションプリズム2638に入る。カラーコンビネーションプリズム2638によりRGB三原色光を改めて集合して、投影レンズユニット2639にてスクリーン2640にイメージ化する。その中で、光束の利用効率を高めるために、LEDランプの出力光束の発散角を圧縮するための光束整形装置はＶ字型四角錐に代えてもいい。そうして、反射式偏光板を利用してP光を通らせて、通ったP光がλ/2板によりS光に変更することも望まれる。一方、反射式偏光板を通らないS光は反射されてＶ字型四角錐に戻って、Ｖ字型四角錐とLED表面にて複数回反射され自然光に偏光されることで、S光の一部が再利用される。

図27は三原色LEDランプとレーザーとの集束を投影表示光源にする3枚のLCOS投影機の光回路の実施例である。図中で、青色光LEDアレイ2701と緑色光LEDアレイ2702は図1に示す方式によって個々に青色光レーザー発生装置2704と緑色光レーザー発生装置2705と光束混合を行うが、赤色光LEDアレイ2703はレーザーによる補足をしない。青色光の混合光は順番にコリメーターレンズ2711、反射式偏光板2712、フォーカス・レンズ2713、光棒（light wand ）2714、中継レンズユニット2715、PBS2742と青色光LCOS2741を通ってX-cubeカラーコンビネーションプリズム2740に入る。緑色光の混合光は順番にコリメーターレンズ2721、反射式偏光板2722、フォーカス・レンズ2723、光棒（light wand ）2724、中継レンズユニット2725、平面反射板2726、PBS2752と緑色光LCOS2751を通ってX-cubeカラーコンビネーションプリズム2740に入る。一方、赤色光はレーザー発生装置による補足をせずに直接に順番にコリメーターレンズ2731、反射式偏光板2732、フォーカス・レンズ2733、光棒（light wand ）2734、中継レンズユニット2735、PBS2762と赤色光LCOS2761を通ってX-cubeカラーコンビネーションプリズム2740に入る。カラーコンビネーションプリズム2740によりRGB三原色光に改めて集合してされ、投影レンズユニット2750を通してスクリーンに投射され、画像の投影表示を実現する。その中で、光束の利用効率を高めるために、LEDランプの出力光束の発散角を圧縮するための光束整形装置はＶ字型四角錐に変えてもいい。そうすれば、反射式偏光板を利用してP光を通らせて、通らないS光は反射されてＶ字型四角錐に戻って、Ｖ字型四角錐とLED表面にて複数回反射され自然光に偏光されることで、S光の一部が再利用される。PBSの役割は入射光のＰ偏光を反射後、入射光がLCOS表面で変調されＳ偏光に変更される。それからＳ偏光はPBSを透過してからX-cubeカラーコンビネーションプリズムに入る。

図28は3枚の液晶光バルブを使用する投影機の光回路実施例である。その中で、補助対象光源が出力する光とレーザーとの混合はやはり図15と図16に示す反射プリズムにより実現する。反射プリズムには屈折率が1.51であるK9ガラスを使用する。光学接着剤は紫外線硬化接着剤を使用するが、その屈折率は1.51である。レーザー光源2808は635nmの赤色光レーザーを発射する固体レーザー発生装置である。レーザーは1番目のフォーカス・レンズユニット2811により反射プリズム2807の隙間に集中して、全反射された後発射される。補助対象光源としての光源灯には超高圧水銀灯2809を採用する。集中光束が調整され出力される超高圧水銀灯2809の焦点面Fは調節され、レーザー・ビームの焦点も焦点面Fにあてるようにし、レーザー・ビームの焦点と超高圧水銀灯2809の出力光の焦点の距離は出来るだけ接近すべきであるが、超高圧水銀灯2809の出力光の焦点は反射プリズム2807の隙間には合わせられない。二つの光束が反射プリズム2807を通って同じ方向に沿って出力され、混合を実現する。その中で、1番目のフォーカス・レンズユニットにビーム拡大器を追加してもよい。反射プリズム2807のレーザー入射面に波長が635nmであるレーザーに対応する透過強化膜をめっきする。超高圧水銀灯2809の出力光に対応する反射プリズム2807の入射面と発射面には自然光に対して広帯域の透過強化膜をめっきする。混合光束は2番目のフォーカス・レンズユニット2817を通って平行光或は準平行光になり、それから1番目の複眼レンズ2826によりシミンク゛を行ってから、順番に1番目の平面反射板2827、2番目の複眼レンズ2836、偏極化分光鏡PBSアレイ2834と3番目のフォーカス・レンズユニット2851を通る。その中で、1番目の平面反射板2827の役割は光線を反射することで、上記2番目の複眼レンズ2836はシミンク゛の機能を果たすことで、上記PBSアレイ2834は自然混合光を偏光に変えることである。3番目のフォーカス・レンズユニット2851から発射される混合偏光は1番目のダイクロイックミラー2828により青色光と赤緑混合光に分光される。上記青色光は順番に2番目の平面反射板2840、1番目のフィールドレンズ2841、1番目の液晶光バルブ2831を通ってからカラーコンビネーションプリズム2830にはいる。上記赤緑混合光は2番目のダイクロイックミラー2838により更に緑色光と赤色光に分光される。上記緑色光は2番目のフィールドレンズ2842と2番目の液晶板2832を通ってからカラーコンビネーションプリズム2830に入る。上記赤色光は順番に1番目の中継レンズユニット2829、3番目の平面反射板2850、2番目の中継レンズユニット2839、4番目の平面反射板2820、3番目のフィールドレンズ2843及び3番目の液晶板2833を通ってカラーコンビネーションプリズム2830に入る。これによって、RGBの3つの光束は上記カラーコンビネーションプリズム2830の中で改めて集束し投影レンズユニット2815よりスクリーンに投射されて画像の表示を実現する。その中で、青色光と緑色光とのストロークが同じであるが、赤色光のストロークが割りに長くて、中継レンズユニットは赤色光を青緑光と同じストロークに変えることに役割を果たす。

図29は3枚のLCOS（Liquid Crystal on Silicon）を使用する投影機の光回路実施例である。3体LCOS投影機は、補助対象光源としての超高圧水銀灯2909、635nmの赤色光を発射するレーザー光源2908、1番目のフォーカス・レンズユニット2911、図12に示す構造の反射板2907、2番目のフォーカス・レンズユニット2917、1番目と2番目の複眼レンズ2926と2936、1番目の平面反射板2927、PBSアレイ2934、3番目のフォーカス・レンズユニット2921、1番目と2番目のダイクロイックミラー2940と2960、1番目と2番目の中継レンズユニット2929と2939、3枚のLCOS2941、2951と2961、3つのPBS2942、2952と2962、カラーコンビネーションプリズム2930及び投影レンズユニット2915を含む。その中で、本実施例に使う投影表示光源の前半部の混合方式に関する光回路構成は図28に類似し、それからの光回路は従来の3枚のLCOS方案を採用して、つまり後半部の光回路の中で、PBSアレイ2934は自然光をＰ偏光に変えて、3番目のフォーカス・レンズユニット2921を通ってから1番目のダイクロイックミラー2940に入射する。1番目のダイクロイックミラー2940が入射するＰ偏光を赤色光と青緑混合光に変える。上記赤色光は順番によって1番目の中継レンズユニット2929、2番目の平面反射板2950、2番目の中継レンズユニット2939、1番目のフィールドレンズ2963を通ってから1番目のPBS2962に入射する。1番目のPBS2962が入射するＰ偏光赤色光を反射後、赤色光は赤色光LCOS2961表面にて変調よりＳ偏光に変換される。Ｓ偏光の赤色光は1番目のPBS2962を透過してからカラーコンビネーションプリズム2930に入る。上記青緑混合光は2番目のダイクロイックミラー2960を通ってから青色光と緑色光に分けられる。上記Ｐ偏光の青色光は先ず2番目のフィールドレンズ2943を通って、それから2番目のPBS2942に反射されて、青色光LCOS2941表面にて変調変換よりＳ偏光に変えられ、2番目のPBS2942を透過してからカラーコンビネーションプリズム2930に入る。青色光とほぼ同じように、上記Ｐ偏光の緑色光は先ず3番目のフィールドレンズ2953を通って、それから3番目のPBS2952に反射されて、緑色光LCOS2951表面にて変調変換よりＳ偏光に変えられ、3番目のPBS2952を透過してからカラーコンビネーションプリズム2930に入る。カラーコンビネーションプリズム2930によりRGBの三原色光を改めて集束し、投影レンズユニット2915によりスクリーンに投射して、画像の投影表示を実現する。その中で、、青色光と緑色光とのストロークが同じであるが、赤色光のストロークが割りに長くて、中継レンズユニットは赤色光を青緑光と同じストロークに変えることに役割を果たす。

上記図22-29はいくつかの投影機の構造を代表的に挙げて示すものだが、後の投影機光回路が不変に維持されることを条件として、この分野の技術者は、本発明の各種光源装置を使用する時に必要に応じて投影機の光源部分に対して交換や改良が出来るべきである。
上記各光源装置と投影機について、画像表示を実現するために、赤緑青の三つの光回路が同じストローク又は光回路を同じストロークにする効果を保障する条件は求められるが、それはこの分野の技術者にとって周知のことである。
もちろん、実用に応じて、本発明の光源装置としてその他の波長とその他の色のレーザーと電球及びLEDからの光と混合することも出来る。最後に、上記図面に並ぶ実施例は本発明の光源装置の構造と技術方案を説明するためのものであるが、これによって制限されることはない。実施例を参照しながら本発明について詳しく説明したけれども、この分野の一般の技術者として理解すべきと思うが、本発明の技術方案に関る改正又は同等交換などの行為は本発明技術方案の意図と範囲から逸脱せず、本発明の請求項の範囲内に包括される。

Claims

投影表示に用いられる光源装置であって、補助対象光源とレーザー光源を含み、レーザー光源が発射するレーザーと補助対象光源からの光が同軸上に混合され同じ方向に出力され、補助対象光源は複数のLEDから成るLED光源であって、LEDの光束発散角を圧縮するための光束整形装置を有しており、該複数のLEDの間には1つ以上のレーザー孔が設けられ、レーザー光源からのレーザーは、レーザー孔を介して発射され、LED光源からの光と同じ方向に直接混合出力される、前記光源装置。
レーザー孔がLEDに対して対称的にLED光源において設置される、請求項１に記載の光源装置。
請求項１に記載の光源装置を光源として使用する、投影装置。