JP6459024B2 - 光源装置および画像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置および画像表示装置に関するものである。

プロジェクタやヘッドアップディスプレイ等の画像表示装置において、レーザー光源（以下、「ＬＤ光源」という。）やＬＥＤ光源等のいわゆる固体光源を用いる技術が知られている。

固体光源は、画像表示装置においてフルカラー表示を行うために３原色の光束を発光する必要がある。３原色を発光する手法としては、３色の光源を用いる方法や、２色の光源を備えた上でそのうちの１色の光源の光束を波長変換する方法等がある。

固体光源を用いた画像表示装置は、従来の水銀ランプを用いた画像表示装置に比べて以下の３点のメリットがある。１点目は、固体光源は長寿命であるため、メンテナンスフリーなプロジェクタを実現できる。２点目は、水銀を使用しないため、環境規制への対応の点で有利である。３点目は、光量の立ち上がり特性が良好であるため、画像表示装置の起動時に所望の明るさを短時間で得ることができる。

しかしながら、ＬＤ光源は、水銀ランプに比べて低出力である。したがって、ＬＤ光源は、水銀ランプと同等の出力を得るために複数の光源を合成して用いる必要がある。また、ＬＤ光源の光束は、発散している。したがって、ＬＤ光源は、カップリングレンズにより所望の光束状態に変換する必要がある。このとき、ＬＤ光源の光束の発散角は、異方性を有するため、カップリングレンズによる変換の際に発散角を考慮する必要がある。

さらに、ＬＤ光源は、画像表示装置が備えるＤＭＤ(Digital Micromirror Device)での反射時にスペックルや光量ムラを生じる特性がある。ここで、ＤＭＤとは、多数の微小鏡面を平面に並列した光変調素子である。したがって、ＬＤ光源を用いた画像表示装置は、拡散板等の光束拡散手段を用いて反射時のスペックルを抑制する必要がある。

スペックルを抑制する方法として、光源からＤＭＤへの光束の拡散度合いを大きくする方法がある。しかしながら、光利用効率とスペックルの抑制とは、トレードオフ関係にある。すなわち、光利用効率は、光束の拡散度合いを大きくすると低下する。また、光利用効率を上昇させるために光束の拡散度合いを小さくすると、スペックルが生じる。

また、スペックルは、画像表示装置が表示する画面の明るさが明るいほど目立つ。このため、光束拡散手段は、明るい画面に対してスペックルが見えないように最適な拡散度合いを設定すると暗い画面では過剰に拡散してしまう。すなわち、明るい画面に最適な拡散度合いに設定した画像表示装置は、暗い画面における光利用効率が低下してしまう。

一方、暗い画面における光利用効率が最適となるように光利用効率を設定した画像表示装置は、明るい画面においてスペックルが生じてしまう。

そこで、反射時のスペックルを抑制した高い光利用効率の光束を得る光源装置が必要とされている。

これまでにも、複数の青色ＬＤを備え、蛍光体ホイールにより緑色光を発光させるとともに光路分割し、さらに赤色ＬＥＤ光を用いることでフルカラー画像を投影する投影装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、円環状に配列された複数のレーザー光源を備え、反射部と透過部とを有する回転ホイールを用いて時分割的に光路分割し、蛍光体ホイールにより緑色光を発光させる照明光形成装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、液晶パネルへの１画面分の画像信号に応じた書き込み時間よりも短い発光時間で液晶パネルを照射して画像を投影する光源を有する画像記録装置が提案されている（例えば、特許文献３参照）。

さらにまた、画像投影装置の空間光変調素子を照明用レンズのほぼ焦点位置に配置した画像表示装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

しかしながら、特許文献１に記載の投影装置、特許文献２に記載の照射光形成装置、特許文献３に記載の画像記録装置、および特許文献４に記載の画像表示装置は、スペックルを抑制すると光利用効率が低くなるという課題については考慮されていなかった。

また、拡散度を任意に変更可能な拡散部材を備え、拡散部材の拡散度が投射される画像の明るさに同期可能に構成されてなる透過型スクリーンが提案されている（例えば、特許文献５参照）。

しかしながら、特許文献５に記載の透過型スクリーンは、外光反射を抑制し未投影時の外観の悪さを改善することを目的としている。したがって、本願発明とは、発明の目的が異なる。

本発明は、反射時のスペックルを抑制した高い光利用効率の光束を得る光源装置を提供することを目的とする。

本発明にかかる光源装置は、
第１の波長の光束を出射する光源部と、
光源部からの光束を分割する光束分割素子と、
光束分割素子で分割された光束のうち、第１の光束を拡散して照明光学系に導光する光束拡散手段と、
を備える光源装置であって、
光束分割素子で分割された光束のうち、第１の光束とは異なる第２の光束を、第１の波長とは異なる第２の波長の光束に変換する波長変換部材を有する照明光学系へ、光束拡散手段を介さずに、導光し、
照明光学系からの出射光束の明るさに基づいて、光束拡散手段による光束の拡散度合いを調整する拡散調整部を備え、
拡散度合いは、出射光束の明るさが最も明るい状態において最も大きくなるように調整され、
拡散調整部は、出射光束の明るさが最も暗いとき以外のときに拡散度合いを最も小さくすることを特徴とする。

本発明によれば、反射時のスペックルを抑制した高い光利用効率の光束を得ることができる。

本発明にかかる光源装置の実施の形態を示す光学配置図である。 （ａ）上記光源装置が備える光源部の複数の光源の様子を示す側面図である。（ｂ）上記複数の光源からの光束と上記光源装置が備える回転ホイールの配置関係を示す光学配置図である。（ｃ）上記複数の光源の別の配置の様子を示す側面図である。 （ａ）上記光源装置が備える拡散板を示す正面図である。（ｂ）上記拡散板の拡大正面図である。 （ａ）上記光源装置を備える画像表示装置により照射される被投射面が明るいときの上記拡散板に対する入射光束および出射光束の様子を示す光学配置図である。（ｂ）上記被投射面が暗いときの上記拡散板に対する入射光束および出射光束の様子を示す光学配置図である。 上記被投射面の明るさと拡散度合いの関係を示すグラフである。 （ａ）上記被投射面の明るさと、上記光源装置が備える光束拡散手段による拡散度合いとの関係を示すグラフである。（ｂ）上記光源装置が有する光源のＬＤ出力と、上記拡散度合いとの関係を示すグラフである。 本発明にかかる光源装置の別の実施の形態において、光源装置が備える高分子分散型液晶を有する透過拡散板の様子を示す光学配置図である。 本発明にかかる光源装置のさらに別の実施の形態を示す光学配置図である。

以下、本発明にかかる光源装置について、図面を参照しながら説明する。

●光源装置（１）●
まず、本発明にかかる光源装置の一実施の形態について説明する。

図１に示すように、光源装置１は、制御部２、光源部３、リレーレンズ３２、回転ホイール４、拡散板５、拡散調整部６およびミラー７がこの順に配置されることによって構成されている。ここで、拡散板５は、光束拡散手段の例である。

光源装置１、照明光学系２０および投射光学系１４は、画像表示装置３０を構成する。照明光学系２０は、第１ダイクロイックミラー８、蛍光体９、第２ダイクロイックミラー１０、カラーホイール１１およびロッドインテグレータ１２を備える。

制御部２は、光源部３の光量を制御する。

光源部３は、ＤＭＤ１３を照明して、ＤＭＤ１３の表示素子の拡大像を図示しないスクリーン等の被投射面に投影するための光源である。ここで、光源部３は、特定の波長の光束１００を出射する。光源部３は、例えばレーザーダイオードを用いた固体光源である。光源部３の放射角は、異方性を有する。

図２（ａ）に示すように、光源部３は、２次元の格子状に配列された複数の光源３−ｋを備えている。図２（ｂ）に示すように、光源部３は、複数の光源３−ｋおよび複数のカップリングレンズ３１−ｋを備えている。カップリングレンズ３１−ｋのそれぞれは、光源３−ｋに対応して光源部３−ｋからの出射光束の光路上に配置されている。

光源３−ｋのそれぞれは、例えばＬＤ光源である。ＬＤ光源を用いることで、従来の水銀ランプを用いた画像表示装置に比べて長寿命で、環境規制への対応の点で有利である。また、ＬＤ光源は、光量の立ち上がり特性が良好であるため、画像表示装置の起動時に所望の明るさを短時間で得ることができる。

なお、ＬＤ光源は、放射角に異方性がある。各光源３−ｋは、放射角の方向が一致するように配置されている。

図２（ｃ）に示すように、光源３−ｋは、放射角を一致させて円環状に配列されていてもよい。この場合にも、各光源３−ｋの放射角の方向を一致させる。

光源３−ｋから出射した光束は、対応するカップリングレンズ３１−ｋにより所望の収束状態にカップリングされる。

リレーレンズ３２は、光源部３からの光束を回転ホイール４上に結像するレンズである。カップリングレンズ３１−ｋを出射した光束は、リレーレンズ３２に入射する。光源３−ｋから出射した光束は、リレーレンズ３２により回転ホイール４上に結像する。また、各光源３−ｋからの光束は、１点の集束点４１に集束する。

回転ホイール４は、光源部３から入射する光束を反射光束と透過光束に分割する素子である。回転ホイール４は、光束が入射するタイミングに同期して回転することにより反射と透過を切り替えることができる。

ここで、回転ホイール４は、回転ホイール４への入射光束の入射角が４５度となるように配置されている。すなわち、回転ホイール４の反射光路と入射光路のなす角度は、４５度となる。また、反射光路と透過光路のなす角度も４５度となる。このように、入射光束の入射角を４５度とすることにより、回転ホイール４の図示しない保持部の加工が容易となる。したがって、保持部の加工精度を向上することができる。

光源部３から回転ホイール４に入射する光束のうち回転ホイール４で反射される光束は、第１ダイクロイックミラー８を透過して蛍光体９に入射する。蛍光体９に入射した光束は、光束１００とは異なる波長の光束１０１に波長変換されて第１ダイクロイックミラー８に向かって反射され、第２ダイクロイックミラー１０に入射する。

光源部３から回転ホイール４に入射する光束のうち回転ホイール４を透過する光束は、拡散板５に入射する。拡散板５に入射する光束は、波長変換されることなくミラー７に入射する。ミラー７に入射された光束は、照明光学系２０に導光される。ミラー７で反射された光束は、上記波長変換された光束１０１と第２ダイクロイックミラー１０で合成される。第２ダイクロイックミラー１０を出射した光束は、カラーホイール１１に入射する。

図３（ａ）に示すように、拡散板５は、拡散異方性を有する透過拡散板である。拡散異方性を有するとは、入射角によって拡散角特性が異なることを示す。すなわち、円形の入射光束５０１は、拡散されて楕円形状の出射光束５０２となって出射する。拡散板５は、拡散板５の拡散度合いを調節可能な拡散調整部６と接続されている。

図３（ｂ）に示すように、拡散板５は、透明の板に楕円形状の複数の突起５０を設けた透光性を有する板である。楕円形状の突起５０は、例えば型により作製される。また、拡散板５は、透明の板に円形の突起を設けた後に透明の板を延伸することにより作製してもよい。

拡散調整部６は、照明光学系２０から出射する光束の明るさに応じて、拡散板５の光束に対する角度を変化させることにより拡散度合いを調整する。拡散調整部６は、拡散板５の光束が入射する面に垂直な線を中心に回転させることにより拡散度合いの調整を行う。照明光学系２０から出射する光束の明るさは、投射光学系１４を経て照射される被投射面の明るさである。被投射面の明るさは、光源部３からの光束と同一の色の明るさとする。

図１に示すカラーホイール１１は、ガラスの円板に赤、緑および青の領域が扇状に設けられた光学フィルタである。

なお、カラーホイール１１は、赤、緑、青に加えて白（透明）又は黄の領域が扇状に設けられた光学フィルタであってもよい。白（透明）又は黄の領域を設けることにより、導光される光束の明るさが向上する。カラーホイール１１を透過した光束は、ロッドインテグレータ１２に入射する。

ロッドインテグレータ１２は、光源部３の有する光量分布を均一化するための素子である。ロッドインテグレータ１２は、ライトパイプとも呼ばれる。ロッドインテグレータ１２は、短冊状の４枚のミラー板をミラー面を互いに内向きにして四角柱状に配置して構成されている。

ロッドインテグレータ１２に入射した光束は、ロッドインテグレータ１２内のミラー面で反射を繰り返して、光量分布が一様な光束となってロッドインテグレータ１２を出射する。ロッドインテグレータ１２を出射した光束は、ＤＭＤ１３に照射される。

ＤＭＤ１３は、多数の微小ミラーからなる素子である。ＤＭＤ１３は、それぞれの微小ミラーの角度を調整することにより、オン状態とオフ状態を切り替え可能である。ここで、オン状態とは、微小ミラーの反射光が後続の投射光学系１４に投射される状態である。オフ状態とは、微小ミラーの反射光が後続の投射光学系１４に投射されることなく逸れる状態である。

微小ミラーの角度は、＋１２度から−１２度の範囲を調整可能である。オン状態とは微小ミラーの角度が−１２度のときであり、オフ状態とは微小ミラーの角度が＋１２度のときである。ＤＭＤ１３の各微小ミラーの角度を制御することで、スクリーン上にデジタル画像を形成することができる。

投射光学系１４は、ＤＭＤ１３からの光束を図示しない被投射面に照射する光学系である。

●拡散板５、入射光束５０１および出射光束５０２の様子
図４（ａ）は、被投射面の明るさが明るいときの拡散板５と入射光束５０１および出射光束５０２の様子を示す。拡散板５は、透過面５０３および拡散面５０４を備える。入射光束５０１は、透過面５０３に入射する。透過面５０３に入射した光束は、拡散面５０４から出射する。

拡散板５は、透過面５０３および拡散面５０４に対して垂直な回転軸５０５を中心に回転可能に配置されている。出射光束５０２は、入射光束に対して拡散度合いが大きい。

図４（ｂ）は、被投射面の明るさが暗いときの拡散板５と入射光束５１１および出射光束５１２の様子を示す。拡散板５は、回転軸５０５を中心に図４（ａ）の場合とは異なる位置まで回転している。出射光束５１２は、図４（ａ）に比べて拡散度合いが小さい。

光源部３が備える複数の光源３−ｋの偏光方向は一致するように配置されているため、拡散板５の拡散角特性の異方性と組み合わせることで拡散度合いを変化させることができる。

図５に示すように、拡散調整部６は、被投射面が最も明るいときは拡散度合いを最も大きくする。また、被投射面が暗いときは拡散度合いを小さくする。すなわち、拡散調整部６は、拡散度合いを被投射面の明るさに応じてリアルタイムに調整することができる。

図６（ａ）に示すように、被投射面の明るさが最も暗いとき以外のときに前記拡散度合いを最も小さくするように調整してもよい。

図６（ｂ）に示すように、ＬＤ光源である光源３−ｋは、安定して発振するために最低限必要な電流が定められている。被投射面の明るさが最も暗いときに拡散度合いを大きくして明るさを意図的に落とすことで、表示可能な明るさの範囲を拡大することができる。すなわち、ダイナミックレンジを拡大することができる。

以上説明した実施の形態によれば、拡散調整部６が照明光学系２０から出射する光束の明るさに基づいて拡散板５の拡散度合いを調整することにより、反射時のスペックルを抑制した高い光利用効率の光束を得ることができる。

●光源装置（２）●
次に、本発明にかかる光源装置の別の実施の形態について、先に説明した実施の形態と異なる部分を中心に説明する。ここで、本実施の形態は、光束拡散手段として高分子分散型液晶を有する透過拡散板を用いる点において、これまでに説明した実施の形態と異なる。

高分子分散型液晶（以下、「ＰＤＬＣ」ともいう。）は、液晶層中に特殊な高分子によるネットワーク構造体を形成した結晶である。ＰＤＬＣは、高分子によるネットワーク、すなわちポリマーネットワークの作用により液晶分子の配列が不規則な状態を誘起しＰＤＬＣへの入射光束を散乱させることができる。

ＰＤＬＣは、電圧を加えると液晶分子が電界方向に配列して透明となる性質を有する。すなわち、拡散調整部６は、ＰＤＬＣに加える電圧を変化させることで拡散度合いを制御することができる。

図７（ａ）は、被投射面の明るさが明るいときの入射光束５４１および出射光束５４２の様子を示す。拡散調整部６は、画面の明るさが明るいときにＰＤＬＣへの電圧をオフにする。すると、ＰＤＬＣへの入射光束５４１は、拡散して出射光束５４２となってＰＤＬＣを透過する。

図７（ｂ）は、被投射面の明るさが暗い場合の様子を示す。拡散調整部６は、画面の明るさが暗いときにＰＤＬＣへの電圧をオンにする。すると、ＰＤＬＣを透過する光束の拡散度合いは小さくなる。

以上説明した実施の形態によれば、拡散調整部６は、被投射面が明るいときは、ＰＤＬＣへの電圧をオフにする。被投射面が明るいときは光源の消費電力が高いため、ＰＤＬＣを用いることでピーク電圧を下げることができる。すなわち、光束拡散手段としてＰＤＬＣを有する透過拡散板を用いることで、光源装置のエネルギー効率を向上させることができる。

●光源装置（３）●
次に、本発明にかかる光源装置の別の実施の形態について、先に説明した実施の形態と異なる部分を中心に説明する。ここで、本実施の形態は、光束拡散手段として拡散角特性に異方性を有する反射拡散板を用いている点において、これまでに説明した実施の形態と異なる。

図８（ａ）に示すように、反射拡散板５５は、透過拡散面５５３および反射面５５４を有してなる。入射光束５５１は、透過拡散面５５３に入射して反射面５５４で反射し、透過拡散面５５３を再度透過して反射拡散板５５から出射する。すなわち、反射拡散板５５への入射光束５５１は、透過拡散面５５３を２度透過して出射する。

反射拡散板５５は、透過拡散面５５３に垂直な軸５５５を中心に回転可能である。反射拡散板５５は、軸５５５を中心に回転することにより拡散度合いを調整することができる。

図８（ｂ）は、図８（ａ）よりも被投射面の明るさが暗いときの様子を示す。入射光束５６１は、透過拡散面５５３を２度透過して反射光束５６２として反射拡散板５５を出射する。反射拡散板５５は、図８（ａ）の状態に比べて軸５５５を中心に回転している。反射拡散板５５の回転は、拡散調整部６により行われる。反射光束５６２の拡散度合いは、図８（ａ）よりも小さい。

ＬＤ光源を用いる画像表示装置は、安全の観点からＬＤ光源からの光束が拡散手段を経ずに直接装置の外に出ることがないようにする必要がある。以上説明した実施の形態によれば、光束拡散手段として反射拡散板を用いることにより、拡散板が破損した場合に光束がロッドインテグレータに到達しないようにすることができる。

すなわち、拡散板が破損した場合に光束が直接装置の外に出るのを防止することができる。

なお、以上説明した実施の形態は、投射型の画像表示装置が備える光源装置であった。しかし、本発明にかかる光源装置は、これ以外の、パーソナルコンピュータ、テレビジョン、ＤＶＤプレーヤなどの映像再生装置からの映像信号を表示するためのホームプロジェクタ、シアター向けプロジェクタ、ヘッドアップディスプレイなどにも適用可能である。

１ 光源装置
３ 光源部
５ 拡散板
６ 拡散調整部

特許４７１１０２１号公報 特開２０１４−０４１３３１号公報 特開平７−１９１４１１号公報 特開２００３−３５８８４号公報 特開２００６−１４５９７３号公報

Claims (9)

1. 第１の波長の光束を出射する光源部と、
   前記光源部からの光束を分割する光束分割素子と、
   前記光束分割素子で分割された光束のうち、第１の光束を拡散して照明光学系に導光する光束拡散手段と、
   を備える光源装置であって、
   前記光束分割素子で分割された光束のうち、前記第１の光束とは異なる第２の光束を、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光束に変換する波長変換部材を有する照明光学系へ、前記光束拡散手段を介さずに、導光し、
   前記照明光学系からの出射光束の明るさに基づいて、前記光束拡散手段による光束の拡散度合いを調整する拡散調整部を備え、
   前記拡散度合いは、前記出射光束の明るさが最も明るい状態において最も大きくなるように調整され、
   前記拡散調整部は、前記出射光束の明るさが最も暗いとき以外のときに前記拡散度合いを最も小さくする、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記拡散調整部は、前記出射光束が明るいときに前記拡散度合いを大きくし、前記出射光束が暗いときに前記拡散度合いを小さくする請求項１記載の光源装置。
3. 前記光束拡散手段は、拡散異方性のある拡散板を備え、
   前記拡散調整部は、前記拡散板の前記光源部からの光束に対する角度を変化させることにより前記拡散度合いを調整する請求項１又は２記載の光源装置。
4. 前記光源部は、放射角に異方性がある請求項３記載の光源装置。
5. 前記光源部は複数の光源を備え、前記複数の光源から出射される光束の偏光方向は一致している請求項４記載の光源装置。
6. 前記複数の光源のそれぞれは、レーザー光源である請求項５記載の光源装置。
7. 前記光束拡散手段は、高分子分散型液晶を備えている請求項１又は２記載の光源装置。
8. 光源装置と、
   前記光源装置からの光束が導光される照明光学系と、
   を備える画像表示装置であって、
   前記光源装置は、請求項１乃至７のいずれかに記載の光源装置であることを特徴とする画像表示装置。
9. 光源装置と、
   前記光源装置からの光束が導光される照明光学系と、
   画像表示素子と、
   を備える画像表示装置であって、
   前記光源装置は、
   第１の波長の光束を出射する光源部と、
   前記光源部からの光束を分割する光束分割素子と、
   前記光束分割素子で分割された光束のうち、第１の光束を拡散して前記照明光学系に導光する光束拡散手段と、を有し、
   光束分割素子で分割された光束のうち、前記第１の光束とは異なる第２の光束を、前記照明光学系へ、前記光束拡散手段を介さずに導光し、
   前記照明光学系は、前記第２の光束を、前記第１の波長とは異なる第２の波長の光束に変換する波長変換部材を有し、該第２の波長の光束を、前記光束拡散手段を含むいずれの光束拡散手段も介さずに前記画像表示素子へ照射し、
   前記照明光学系からの出射光束の明るさに基づいて、前記光束拡散手段による光束の拡散度合いを調整する拡散調整部を備え、
   前記拡散度合いは、前記出射光束の明るさが最も明るい状態において最も大きくなるように調整され、
   前記拡散調整部は、前記出射光束の明るさが最も暗いとき以外のときに前記拡散度合いを最も小さくする、
   画像表示装置。

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