JP7108901B2

JP7108901B2 - 照明装置及び投写型表示装置

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Publication number: JP7108901B2
Application number: JP2018032211A
Authority: JP
Inventors: 裕基杉山
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-02-26
Filing date: 2018-02-26
Publication date: 2022-07-29
Anticipated expiration: 2038-02-26
Also published as: JP2019148658A

Description

本開示は、投写型表示装置の光変調素子などに光を照射するための照明装置に関する。本開示はまた、そのような照明装置を備えた投写型表示装置に関する。

大画面に映像を表示するために、映像信号に応じて光を空間的に変調する光変調素子に光を照射することにより映像の光学像を形成し、この光学像を投写レンズにより拡大してスクリーンに投写する投写型表示装置が知られている。光変調素子として、例えばディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）が用いられる。ＤＭＤは、電気的にオン又はオフすることにより傾きが変化する多数のマイクロミラーを有し、各マイクロミラーの傾きを変化させることにより、光源によって発生された光（照明光）を空間的に変調して映像の光学像（映像光）を形成する。

従来、投写型表示装置のための光源として、高輝度の高圧水銀ランプが使用されてきた。高圧水銀ランプには、瞬時に点灯できないこと、光源の寿命が短いのでメンテナンスが煩雑になること、などの課題がある。一方、近年の固体発光素子（例えば、半導体レーザ、発光ダイオードなど）に関連した技術の進展に伴い、投写型表示装置のための光源として固体発光素子を用いることが提案されている。従来技術の投写型表示装置は、例えば、レーザ光源と、レーザ光源から出力された光により励起して発光する蛍光体とを備えた照明装置を備える。

例えば、特許文献１の光源装置は、励起光源を兼ねる青色レーザ光源（半導体レーザ）と、蛍光体を塗布した蛍光体ホイールとを備え、励起光の一部を蛍光と共に出射することで白色光を出射する。

特開２０１３－１１４９８０号公報

投写型表示装置の仕様により、照明装置には高い輝度で光を発生することが求められることがある。このため、複数の光源素子を使用し、又は、複数の光源素子からなるアレイをそれぞれ含む複数の光源装置を使用し、各光源素子又は各光源装置によって発生された光を合成することが考えられる。ここで、従来技術よりも高い効率で光を合成することができる新規な照明装置が求められる。

本開示の目的は、複数の光源素子又は複数の光源装置によって発生された光を従来技術よりも高い効率で合成して高輝度の光を出力する照明装置を提供することにある。

本開示の一態様によれば、照明装置は、第１の光源装置、第２の光源装置、及び偏光合成素子とを備える。第１の光源装置は、第１の波長を有し、第１の偏光面内で直線偏光した第１の励起光を発生する。第２の光源装置は、第１の波長とは異なる第２の波長を有し、第１の偏光面に直交する第２の偏光面内で直線偏光した第２の励起光を発生する。偏光合成素子は、互いに対向する第１及び第２の表面を有し、第１の表面から入射する第１の励起光と、第２の表面から入射する第２の励起光とを互いに合成し、第１の偏光面内で直線偏光した成分及び第２の偏光面内で直線偏光した成分の両方を含む偏光合成光を出力する。

本開示によれば、複数の光源素子又は複数の光源装置によって発生された光を従来技術よりも高い効率で合成して高輝度の光を出力する照明装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る投写型表示装置１００の構成を示す図である。図１のカラーホイール２０の正面図である。図１のカラーホイール２０の側面図である。図１の照明装置１０１の偏光合成素子１１０及び蛍光体２２の特性を示すグラフである。図１の照明装置１０１の偏光面及び波長に対する効率の変化を示す表である。第２の実施形態に係る照明装置の一部の構成を示す図である。図６の光源装置３００の構成を示す図である。図６の空間合成素子３００Ｃの構成を示す図である。第２の実施形態に係る照明装置の偏光合成素子１１０Ａ及び蛍光体の特性を示すグラフである。

以下、適宜図面を参照しながら、実施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、添付図面及び以下の説明は、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。

また、以下、本開示の実施形態に係る照明装置及び投写型表示装置の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［第１の実施形態］
以下、図１～図５を参照して、第１の実施形態に係る投写型表示装置について説明する。

［１－１．構成］
図１は、第１の実施形態に係る投写型表示装置１００の構成を示す図である。

［１－１－１．投写型表示装置１００の概要］
投写型表示装置１００は、照明装置１０１、光伝送装置１０２、変調装置１０３、及び投写器１０４を備える。照明装置１０１は、後段の変調装置１０３の光変調素子に照射するための、赤成分光Ｒ、緑色成分光Ｇ、及び青成分光Ｂを含む照明光を発生する。光伝送装置１０２は、照明装置１０１によって発生された照明光を変調装置１０３に伝送する。変調装置１０３は、光伝送装置１０２によって伝送された照明光を受け、照明光を空間的に変調して映像光を形成する。投写器１０４は、変調装置１０３によって形成された映像光を、投写型表示装置１００の外部のスクリーン（図示せず）に投写する。

以下、まず、照明装置１０１、光伝送装置１０２、変調装置１０３、及び投写器１０４の構成及び動作の概要について説明する。その後、本開示の実施形態に係る照明装置１０１の特徴について説明する。

［１－１－２．照明装置１０１］
照明装置１０１は、第１の光源装置１０Ａ、第２の光源装置１０Ｂ、第１の光源部１０Ｃ、蛍光体ホイール２０、偏光合成素子１１０、レンズ１２１～１２６、ミラー１３１、ダイクロイックミラー１３２、及び拡散板１４１，１４２を備える。

偏光合成素子１１０は、ある波長においてＳ偏光の入射光を反射し、かつ、Ｐ偏光の入射光を透過する。この波長を偏光合成素子１１０の「基準波長」とする。本明細書において、基準波長は、例えば４５５ｎｍである。

第１の光源装置１０Ａ、第２の光源装置１０Ｂ、及び第１の光源部１０Ｃは、例えば、レーザダイオード（ＬＤ：ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）、発光ダイオード（ＬＥＤ：ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）などの複数の固体光源素子からなるアレイを含む。本実施形態では、固体光源素子として半導体レーザダイオード、特に青色光を出射する半導体レーザダイオードを使用する。ここで、半導体レーザダイオードは光源素子の一例である。

第１の光源装置１０Ａは、第１の波長を有し、第１の偏光面（図１のｙｚ面）内で直線偏光した第１の励起光Ａ１を発生する。第２の光源装置１０Ｂは、第１の波長とは異なる第２の波長を有し、第１の偏光面に直交する第２の偏光面（図１のｘｚ面）内で直線偏光した第２の励起光Ａ２を発生する。第１の波長は基準波長４５５ｎｍよりも短く、第２の波長は基準波長４５５ｎｍよりも長い。第１の光源装置１０Ａから出射される光は、例えば、波長４３８～４５２ｎｍの青色光であり、第２の光源装置１０Ｂから出射される光は、例えば、波長４５８～４７２ｎｍの青色光である。第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂの青色光は、蛍光体ホイール２０の蛍光体を励起するための励起光として使用される。第１の光源装置１０Ａは、第１の励起光Ａ１が偏光合成素子１１０の第１の表面１１０ａに対してＳ偏光として入射するように配置される。第２の光源装置１０Ｂは、第２の励起光Ａ２が偏光合成素子１１０の第２の表面１１０ｂに対してＰ偏光として入射するように配置される。

第１の光源部１０Ｃは、前記第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂとは別に設けられ、４５５ｎｍ近傍の波長の青色光を発生する。第１の光源部１０Ｃの青色光は、蛍光体を励起するのではなく、そのまま後段に送られる。

偏光合成素子１１０は、偏光分離膜を有し、基準波長４５５ｎｍ以下の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、基準波長４５５ｎｍ以上の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する。偏光合成素子１１０は、互いに対向する第１の表面１１０ａ及び第２の表面１１０ｂを有し、第１の表面１１０ａには第１の励起光Ａ１が入射し、第２の表面１１０ｂには第２の励起光Ａ２が入射する。従って、偏光合成素子１１０は、第１の励起光Ａ１を反射し、第２の励起光Ａ２を透過する。これにより、偏光合成素子１１０は、第１の励起光Ａ１と第２の励起光Ａ２とを互いに合成し、第１の偏光面内で直線偏光した成分及び第２の偏光面内で直線偏光した成分の両方を含む偏光合成光Ａ３を出力する。

レンズ１２１は、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂから出射されて偏光合成素子１１０によって合成された偏光合成光Ａ３を集光するコンデンサレンズである。レンズ１２１によって集光された光は、ミラー１３１によって反射される。レンズ１２２は、レンズ１２１により集光されてミラー１３１によって反射された光を平行光化する凹レンズである。拡散板１４１は、レンズ１２２からほぼ平行光として入射する光を拡散する。拡散板１４１によって拡散された光は、ダイクロイックミラー１３２を透過してレンズ１２３及び１２４に入射する。ダイクロイックミラー１３２は、青色光を透過し、黄色光を反射する特性を有する。ダイクロイックミラー１３２は、合成光学素子の一例である。レンズ１２３及び１２４は、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂからの青色光（励起光）を蛍光体ホイール２０の蛍光体に集光し、かつ蛍光体から出射される黄色光を平行光化するコンデンサレンズである。

図２は、図１のカラーホイール２０の正面図である。図３は、図１のカラーホイール２０の側面図である。

蛍光体ホイール２０は、励起光の光軸に平行な回転軸２０Ｘを中心として回転するように構成される。蛍光体ホイール２０は、励起光の入射方向とは反対の方向に蛍光光を発する反射型蛍光体ホイールの一例である。詳しくは、図２及び図３に示すように、蛍光体ホイール２０は、基板２１と、基板２１上に基板の回転方向に円環状に塗布して形成された蛍光体２２と、蛍光体２２が形成された基板２１を回転させるためのモータ２３とを備える。基板２１の表面には反射膜が形成されている。

蛍光体２２は、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂからの青色光が入射したとき、黄色光を発生する。蛍光体２２は発光体の一例である。蛍光体２２は、緑色～黄色を主たる波長域として有する蛍光光を発生する。蛍光体２２は、青色の励起光を効率的に吸収して蛍光光を効率的に発生し、かつ、温度消光に対する耐性が高いことが好ましい。蛍光体２２は、例えば、セリウム付活ガーネット構造蛍光体であるＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋である。

再び図１を参照すると、蛍光体ホイール２０の蛍光体から出射された黄色光は、前述のようにレンズ１２３及び１２４によって平行光化され、次いで、ダイクロイックミラー１３２によって反射されて照明装置１０１から出力される。

レンズ１２５は、光源装置１０Ｃから出射された光を集光するコンデンサレンズである。拡散板１４２は、レンズ１２５による光束の集光点の近傍に配置され、光束を拡散させる。レンズ１２６は、拡散板１４２（すなわち、レンズ１２５による光の集光点）の後段に配置され、集光された光を再び平行光化するコンデンサレンズである。レンズ１２６によって平行光化された光、すなわち光源装置１０Ｃからの青色光は、ダイクロイックミラー１３２を透過して、蛍光体ホイール２０からの黄色光とともに照明装置１０１から出力される。

拡散板１４１及び１４２は、例えば、ガラス基板の表面に微細な凹凸を形成することにより構成を有する。ここで、微細な凹凸はガラス面の片面に形成されてもよく、両面に形成されてもよい。また、拡散板１４１及び１４２は、マイクロレンズアレイのように、ガラス基板の表面に微細なレンズ形状が形成された素子であってもよい。

照明装置１０１から出力される照明光は、上述のように、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂからの青色光と、蛍光体ホイール２０からの黄色光とを含む。第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂからの青色光を、以下、青成分光Ｂという。また、蛍光体ホイール２０からの黄色光は、赤成分光Ｒ及び緑成分光Ｇを含む。

［１－１－３．光伝送装置１０２］
光伝送装置１０２は、ロッドインテグレータ３０、ミラー１３３，１７０、及びレンズ１２７，１２８，１５１～１５３を備える。

レンズ１２７及び１２８は、照明装置１０１から出力された照明光をロッドインテグレータ３０へ導くリレーレンズである。レンズ１２７及び１２８の間にミラー１７０が設けられ、光路を折り曲げる。

ロッドインテグレータ３０は、ガラスなどの透明部材によって構成される中実のロッドである。ロッドインテグレータ３０は、照明装置１０１から出射された光の強度分布を均一化する。なお、ロッドインテグレータ３０は、内壁がミラー面として構成された中空のロッドであってもよい。

レンズ１５１、１５２、及び１５３は、ロッドインテグレータ３０から出射された照明光を変調装置１０３の各光変調素子にほぼ結像するリレーレンズである。レンズ１５２及び１５３の間にミラー１３３が設けられ、光路を折り曲げる。

なお、レンズ１２３，１２４，１２６，１２７，１２８の形状は、蛍光体ホイール２０の蛍光光の発光点とロッドインテグレータ３０の入射面とがほぼ共役になるように、かつ、拡散板１４２とロッドインテグレータ３０の入射面とがほぼ共役になるように調整される。

［１－１－４．変調装置１０３］
変調装置１０３は、プリズム２１０，２２０，２３０，２４０，２５０、及びＤＭＤ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂを備える。プリズム２１０，２２０，２３０，２４０，２５０は、光伝送装置１０２から入射した照明光から赤成分光Ｒ、緑成分光Ｇ、及び青成分光Ｂを互いに分離し、ＤＭＤ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂにそれぞれ入射させる。

ＤＭＤ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂは、照明装置１０１によって発生されて光伝送装置１０２を介して伝送された照明光を受けて、照明光を空間的に変調して映像光を形成する光変調素子である。ＤＭＤ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂのそれぞれは、２次元的に配列された複数の画素を含む画素領域を有し、各画素は１つのマイクロミラーを有する。ＤＭＤ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂは、各マイクロミラーの傾きを変化させることにより、入射した照明光を投写器１０４の方向に反射するか否かを切り換える。ＤＭＤ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂには、投写型表示装置１００の外部の映像ソース装置から赤映像信号、緑映像信号、及び青映像信号がそれぞれ入力される。ＤＭＤ４０Ｒは、赤映像信号に基づいて赤成分光Ｒを変調する。ＤＭＤ４０Ｇは、緑映像信号に基づいて緑成分光Ｇを変調する。ＤＭＤ４０Ｂは、青映像信号に基づいて青成分光Ｂを変調する。

プリズム２１０，２２０，２３０，２４０，２５０はそれぞれ、透光性部材によって構成される。プリズム２１０は面２１１及び面２１２を有する。プリズム２２０は面２２１及び面２２２を有する。プリズム２３０は面２３１及び面２３２を有する。プリズム２４０は面２４１を有する。プリズム２５０は面２５１を有する。プリズム２１０の面２１２とプリズム２２０の面２２１との間にエアギャップが設けられる。プリズム２２０の面２２２とプリズム２３０の面２３１との間にエアギャップが設けられる。プリズム２１０の面２１１とプリズム２５０の面２５１との間にエアギャップが設けられる。

光伝送装置１０２から入射した照明光は、まず、プリズム２１０に入射する。プリズム２１０に入射した光は面２１１まで進み、全反射角よりも大きい入射角で面２１１に入射するので、この光は面２１１で反射される。面２１１で反射された光は面２１２まで進み、全反射角よりも小さい入射角で面２１２に入射するので、この光は面２１２を透過してプリズム２２０に入射する。

プリズム２２０の面２２２は、赤成分光Ｒ及び緑成分光Ｇを透過して、青成分光Ｂを反射するダイクロイックミラー面である。従って、プリズム２１０からプリズム２２０に入射した光のうち、赤成分光Ｒ及び緑成分光Ｇは面２２２を透過してプリズム２３０に入射し、青成分光Ｂは面２２２で反射される（面２２２における１回目の反射）。

プリズム２２０において、面２２２で１回目に反射された青成分光Ｂは面２２１まで進み、全反射角よりも大きい入射角で面２２１に入射するので、この青成分光Ｂは面２２１で反射される（面２２１における１回目の反射）。面２２１で１回目に反射された青成分光Ｂは、プリズム２２０からＤＭＤ４０Ｂに入射し、ＤＭＤ４０Ｂによって空間的に変調されるとともに反射され、再びプリズム２２０に入射する。ＤＭＤ４０Ｂからプリズム２２０に入射した青成分光Ｂは面２２１まで進み、全反射角よりも大きい入射角で面２２１に入射するので、この青成分光Ｂは面２２１で反射される（面２２１における２回目の反射）。面２２１で２回目に反射された青成分光Ｂは面２２２まで進み、面２２２で反射される（面２２２における２回目の反射）。面２２２で２回目に反射された青成分光Ｂは面２２１まで進み、全反射角よりも小さい入射角で面２２１に入射するので、この青成分光Ｂは面２２１を透過してプリズム２１０に入射する。

プリズム２３０の面２３２は、緑成分光Ｇを透過して、赤成分光Ｒを反射するダイクロイックミラー面である。従って、プリズム２２０からプリズム２３０に入射した光のうち、緑成分光Ｇは面２３２を透過し、赤成分光Ｒは面２３２で反射される（面２３２における１回目の反射）。

プリズム２３０において、面２３２で１回目に反射された赤成分光Ｒは面２３１まで進み、全反射角よりも大きい入射角で面２３１に入射するので、この赤成分光Ｒは面２３１で反射される（面２３１における１回目の反射）。面２３１で１回目に反射された赤成分光Ｒは、プリズム２３０からＤＭＤ４０Ｒに入射し、ＤＭＤ４０Ｒによって空間的に変調されるとともに反射され、再びプリズム２３０に入射する。ＤＭＤ４０Ｒからプリズム２３０に入射した赤成分光Ｒは面２３１まで進み、全反射角よりも大きい入射角で面２３１に入射するので、この赤成分光Ｒは面２３１で反射される（面２３１における２回目の反射）。面２３１で２回目に反射された赤成分光Ｒは面２３２まで進み、面２３２で反射される（面２３２における２回目の反射）。面２３２で２回目に反射された赤成分光Ｒは面２３１まで進み、全反射角よりも小さい入射角で面２３１に入射するので、この赤成分光Ｒは面２３１を透過してプリズム２２０に入射する。

プリズム２４０の面２４１は、緑成分光Ｇを透過する。プリズム２３０から面２４１を透過してプリズム２４０に入射した緑成分光Ｇは、プリズム２４０からＤＭＤ４０Ｇに入射し、ＤＭＤ４０Ｇによって空間的に変調されるとともに反射され、再びプリズム２４０に入射する。ＤＭＤ４０Ｇからプリズム２４０に入射した緑成分光Ｇは面２４１まで進み、面２４１及び面２３２を透過してプリズム２４０からプリズム２３０に入射する。

言い換えると、変調装置１０３において、赤成分光Ｒ、緑成分光Ｇ、及び青成分光Ｂは以下のように進む。

青成分光Ｂは、（１）面２１１で反射され、（２）面２２２で反射され、（３）面２２１で反射され、（４）ＤＭＤ４０Ｂで反射され、（５）面２２１で反射され、（６）面２２２で反射され、（７）面２２１、面２１２、面２１１、及び面２５１を透過する。これによって、青成分光Ｂは、ＤＭＤ４０Ｂで変調され、投写器１０４に導かれる。

赤成分光Ｒは、（１）面２１１で反射され、（２）面２１２、面２２１、面２２２、及び面２３１を透過した後、面２３２で反射され、（３）面２３１で反射され、（４）ＤＭＤ４０Ｒで反射され、（５）面２３１で反射され、（６）面２３２で反射され、（７）面２３１、面２２２、面２２１、面２１２、面２１１、及び面２５１を透過する。これによって、赤成分光Ｒは、ＤＭＤ４０Ｒで変調され、投写器１０４に導かれる。

緑成分光Ｇは、（１）面２１１で反射され、（２）面２１２、面２２１、面２２２、面２３１、面２３２、面２４１を透過した後、ＤＭＤ４０Ｇで反射され、（３）面２４１、面２３２、面２３１、面２２２、面２２１、面２１２、面２１１、及び面２５１を透過する。これによって、緑成分光Ｇは、ＤＭＤ４０Ｇで変調され、投写器１０４に導かれる。

［１－１－５．投写器１０４］
投写器１０４は、ＤＭＤ４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂによって変調された映像光を、投写型表示装置１００の外部のスクリーンに投写する。投写器１０４は、１つ又は複数の投写レンズを含む。

［１－２．動作］
次に、図４及び図５を参照して、照明装置１０１の特徴について詳細に説明する。

図４は、図１の照明装置１０１の偏光合成素子１１０及び蛍光体２２の特性を示すグラフである。

まず、図４を参照して、偏光合成素子１１０の分光特性について説明する。図４では、分光特性として、波長に対するＳ偏光の反射率及びＰ偏光の透過率を示している。偏光合成素子１１０の分光特性によれば、４５５ｎｍの光源素子を使用することで、Ｓ偏光の反射率とＰ偏光の透過率とをともに高くすることができる。しかしながら、光源素子によって発生される光の波長はいくらかのバラツキを有する。例えば、光源素子が±７ｎｍのバラツキを有すると仮定すると、Ｐ偏光の透過率は波長４４８ｎｍ（＝４５５ｎｍ－７ｎｍ）において３０％になり、Ｓ偏光の反射率は波長４６２ｎｍ（＝４５５ｎｍ＋７ｎｍ）において５６％になる。透過率及び反射率の低下により、照明装置の効率が低下する。

しかしながら、図４の例によれば、偏光合成素子１１０は、波長４３８～４５２ｎｍのＳ偏光の光を約９８％以上反射する。また、偏光合成素子１１０は、波長４５８～４７２ｎｍのＰ偏光の光を９８％以上透過する。そこで、第１の実施形態に係る照明装置１０１では、Ｓ偏光の光、すなわち第１の光源装置１０Ａによって発生される光の波長を基準波長４５５ｎｍよりも短い波長、例えば４３８～４５２ｎｍの範囲内にシフトする。同様に、第１の実施形態に係る照明装置１０１では、Ｐ偏光の光、すなわち第２の光源装置１０Ｂによって発生される光の波長を基準波長４５５ｎｍよりも長い波長、例えば４５８～４７２ｎｍの範囲内にシフトする。これにより、偏光合成素子１１０は、第１の光源装置１０Ａによって発生される光を効率よく反射し、かつ、第２の光源装置１０Ｂによって発生される光を効率よく透過させることができる。従って、照明装置１０１の効率を低下しにくくすることができる。

図４は、励起光の波長に対する蛍光体２２の変換効率の関係をさらに示す。図４の例では、蛍光体２２の変換効率は、励起光の波長が４５５ｎｍのときに最大になり、波長が４５５ｎｍからずれるほど低下する。蛍光体２２は、４５５ｎｍの励起光を入射したとき、最も効率よく励起光を蛍光光（黄色光）に変換する。従って、好ましくは、偏光合成素子１１０がＳ偏光の入射光を反射しかつＰ偏光の入射光を透過する波長と、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂによって発生される光の波長とを、蛍光体２２の変換効率が最大になる波長の近傍に設定する。

図５は、図１の照明装置１０１の偏光面及び波長に対する効率の変化を示す表である。図５の例では、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂによって発生される光の波長は、±７ｎｍの公差をそれぞれ有する。効率は、Ｓ偏光の反射率又はＰ偏光の透過率と、蛍光体２２の変換効率との積から計算され、基準波長４５５ｎｍのときの値を基準（１００％）とする。図５の例によれば、４５０ｎｍの光を発生する第１の光源装置１０Ａと、４６０ｎｍの光を発生する第２の光源装置１０Ｂとを使用すると最も高い効率を得ることができる。

第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂの各光源素子のパワーは、すべて同一であってもよく、異なるものが混在していてもよい。例えば、レーザ光源の波長が短いほどそのパワーが強い場合、レーザ光源のパワーを考慮して、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂによって発生される光の波長を基準波長４５５ｎｍから均等にずらすのではなく、より短い波長の光を発生するレーザ光源を採用してもよい。

［１－３．効果等］
本開示の態様に係る照明装置１０１によれば、第１の光源装置１０Ａ、第２の光源装置１０Ｂ、及び偏光合成素子１１０を備える。第１の光源装置１０Ａは、第１の波長を有し、第１の偏光面内で直線偏光した第１の励起光Ａ１を発生する。第２の光源装置１０Ｂは、第１の波長とは異なる第２の波長を有し、第１の偏光面に直交する第２の偏光面内で直線偏光した第２の励起光Ａ２を発生する。偏光合成素子１１０は、互いに対向する第１の表面１１０ａ及び第２の表面１１０ｂを有し、第１の表面１１０ａから入射する第１の励起光Ａ１と、第２の表面１１０ｂから入射する第２の励起光Ａ２とを互いに合成し、第１の偏光面内で直線偏光した成分及び第２の偏光面内で直線偏光した成分の両方を含む偏光合成光を出力する。

これにより、照明装置１０１は、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂによって発生された光を従来技術よりも高い効率で合成して高輝度の光を出力することができる。

本開示の態様に係る照明装置１０１によれば、第１の波長は基準波長よりも短く、第２の波長は基準波長よりも長い。第１の光源装置１０Ａは、第１の励起光Ａ１が偏光合成素子１１０の第１の表面１１０ａに対してＳ偏光として入射するように配置される。第２の光源装置１０Ｂは、第２の励起光Ａ２が偏光合成素子１１０の第２の表面１１０ｂに対してＰ偏光として入射するように配置される。偏光合成素子１１０は、基準波長以下の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、基準波長以上の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する。

基準波長は、例えば、４５５ｎｍに設定される。偏光合成素子１１０は、基準波長４５５ｎｍ以下の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、基準波長４５５ｎｍ以上の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する。第１の波長は基準波長４５５ｎｍよりも短く設定され（４３８～４５２ｎｍ）、第２の波長は基準波長４５５ｎｍよりも長く設定される（４５８～４７２ｎｍ）。このような特性を有する第１の光源装置１０Ａ、第２の光源装置１０Ｂ、及び偏光合成素子１１０を用いることで、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂによって発生された光を従来技術よりも高い効率で合成して高輝度の光を出力することができる。

本開示の態様に係る照明装置１０１によれば、偏光合成光を投写型表示装置１００の光変調素子に照射するように構成される。

これにより、第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂによって発生された光を従来技術よりも高い効率で合成して高輝度の光を投写する投写型表示装置１００を提供することができる。

本開示の態様に係る照明装置１０１によれば、偏光合成光によって励起される蛍光体２２をさらに備える。

これにより、蛍光体２２を用いた照明装置１０１を提供することができる。

本開示の態様に係る照明装置１０１によれば、偏光合成素子１１０と蛍光体２２との間において、ガラス基板上に形成されたマイクロレンズアレイを有する拡散板１４１をさらに備える。

これにより、拡散板１４１を用いた照明装置１０１を提供することができる。

本開示の態様に係る投写型表示装置１００によれば、上述の照明装置１０１と、照明装置１０１によって発生された光を伝送する光伝送装置１０２と、光伝送装置１０２によって伝送された光を受けて空間的に変調する変調装置１０３と、変調装置１０３によって変調された光を投写する投写器１０４とを備える。

［第２の実施形態］
以下、図６～図９を参照して、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態に対する相違点について主として説明し、その他は第１の実施形態と同様であるので、同一構成要素については同一符号を付して再度の説明は省略する。

［２－１．構成］
図６は、第２の実施形態に係る照明装置の一部の構成を示す図である。第２の実施形態に係る照明装置は、図１の照明装置１０１の第１の光源装置１０Ａ、第２の光源装置１０Ｂ、及び偏光合成素子１１０に代えて、図６の第１の光源装置３００、第２の光源装置４００、及び偏光合成素子１１０Ａを備える。第１の光源装置３００は、光源装置３００Ａ，３００Ｂ及び空間合成素子３００Ｃを備える。第２の光源装置４００は、光源装置４００Ａ，４００Ｂ及び空間合成素子４００Ｃを備える。図６のコンデンサレンズ１２１より後段は、図１と同様に構成される。

第１の光源装置３００は、第１の波長を有し、第１の偏光面（図１のｘｚ面）内で直線偏光した第１の励起光Ａ１１を発生する。第２の光源装置４００は、第１の波長とは異なる第２の波長を有し、第１の偏光面に直交する第２の偏光面（図１のｘｙ面）内で直線偏光した第２の励起光Ａ１２を発生する。第１の波長は基準波長４５５ｎｍよりも短く、第２の波長は基準波長４５５ｎｍよりも長い。第１の光源装置３００から出射される光は、例えば、波長４３８～４５２ｎｍの青色光であり、第２の光源装置４００から出射される光は、例えば、波長４５８～４７２ｎｍの青色光である。第１の光源装置３００は、第１の励起光Ａ１１が偏光合成素子１１０Ａの第１の表面１１０Ａａに対してＰ偏光として入射するように配置される。第２の光源装置４００は、第２の励起光Ａ１２が偏光合成素子１１０Ａの第２の表面１１０Ａｂに対してＳ偏光として入射するように配置される。

第２の実施形態では、第１の光源装置３００は２つの光源装置３００Ａ，３００Ｂを備え、光源装置３００Ａ，３００Ｂによってそれぞれ発生された励起光Ａ２１，Ａ２２は、空間合成素子３００Ｃによって互いに合成される。このため、光源装置３００Ａ，３００Ｂによってそれぞれ発生された励起光Ａ２１，Ａ２２は、互いに同じ波長、すなわち、第１の励起光Ａ１１の波長を有する。また、励起光Ａ２１，Ａ２２の偏光面は、空間合成素子３００Ｃによって互いに合成されたときにｘｚ面内で直線偏光するように、すなわち、第１の励起光Ａ１１の偏光面を有するように設定される。

本明細書では、光源装置３００Ａ，３００Ｂを「第１の光源部」及び「第２の光源部」ともいう。また、光源装置３００Ａ，３００Ｂによってそれぞれ発生された励起光Ａ２１，Ａ２２を、「第３の励起光」及び「第４の励起光」ともいう。

同様に、第２の実施形態では、第２の光源装置４００は２つの光源装置４００Ａ，４００Ｂを備え、光源装置４００Ａ，４００Ｂによってそれぞれ発生された励起光Ａ２３，Ａ２４は、空間合成素子４００Ｃによって互いに合成される。このため、光源装置４００Ａ，４００Ｂによってそれぞれ発生された励起光Ａ２３，Ａ２４は、互いに同じ波長、すなわち、第２の励起光Ａ１２の波長を有する。また、励起光Ａ２３，Ａ２４の偏光面は、空間合成素子４００Ｃによって互いに合成されたときにｙｚ面内で直線偏光するように、すなわち、第２の励起光Ａ１２の偏光面を有するように設定される。

本明細書では、光源装置４００Ａ，４００Ｂを「第１の光源部」及び「第２の光源部」ともいう。また、光源装置４００Ａ，４００Ｂによってそれぞれ発生された励起光Ａ２３，Ａ２４を、「第３の励起光」及び「第４の励起光」ともいう。

偏光合成素子１１０Ａは、偏光分離膜を有し、基準波長４５５ｎｍ以上の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、基準波長４５５ｎｍ以下の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する。偏光合成素子１１０Ａは、互いに対向する第１の表面１１０Ａａ及び第２の表面１１０Ａｂを有し、第１の表面１１０Ａａには第１の励起光Ａ１１が入射し、第２の表面１１０Ａｂには第２の励起光Ａ１２が入射する。従って、偏光合成素子１１０Ａは、第１の励起光Ａ１１を透過し、第２の励起光Ａ１２を反射する。これにより、偏光合成素子１１０Ａは、第１の励起光Ａ１１と第２の励起光Ａ１２とを互いに合成し、第１の偏光面内で直線偏光した成分及び第２の偏光面内で直線偏光した成分の両方を含む偏光合成光Ａ１３を出力する。

第２の実施形態では、偏光合成素子１１０Ａが反射するＳ偏光の波長範囲及び透過するＰ偏光の波長範囲が、第１の実施形態に係る偏光合成素子１１０のものとは異なる。

次に、図７を参照して、第１の光源装置３００の詳細構成について説明する。

図７は、図６の光源装置３００の構成を示す図である。光源装置３００Ａ，３００Ｂのそれぞれは、複数のレーザダイオード３０１、光源ブロック３０２、及びヒートシンク３０３を備える。各レーザダイオード３０１は、青色光を出射する。光源ブロック３０２は基板であり、光源ブロック３０２上に、周期的に配置された複数のレーザダイオード３０１からなるアレイが設けられる。ヒートシンク３０３は、例えば熱伝導性グリス等を介して、光源ブロック３０２の裏面に固定されている。レーザダイオード３０１は、出射した光を平行光化するコリメートレンズと一体的に形成され、ほぼ平行の光を出射する。

図８は、図６の空間合成素子３００Ｃの構成を示す図である。空間合成素子３００Ｃは、図８に示すように、基板１１１上に交互に配置された複数の反射領域１１２（ハッチングの領域）及び複数の透過領域１１３（ドット模様の領域）を有する。基板１１１は、例えばガラス基板である。反射領域１１２には、光源装置３００Ｂから出射された光を反射する反射膜が形成されている。透過領域１１３には、光源装置３００Ａ及び３００Ｂから出射された光が透過する反射防止膜が形成されている。基板１１１の裏面側にも同様に反射防止膜を形成してもよい。

次に、図７を参照して、空間合成素子３００Ｃによる合成作用について説明する。

空間合成素子３００Ｃは、互いに対向する第３の表面３００Ｃａ及び第４の表面３００Ｃｂを有する。空間合成素子３００Ｃの第３の表面３００Ｃａ及び第４の表面３００Ｃｂは、偏光合成素子１１０の第１の表面１１０Ａａ及び第２の表面１１０Ａｂに対して平行に設けられる。空間合成素子３００Ｃは、第３の表面３００Ｃａから入射する第３の励起光Ａ２１を反射領域で反射し、第４の表面３００Ｃｂから入射する第４の励起光Ａ２２を透過領域を介して透過させて第３の表面３００Ｃａから出力し、これにより、第３の励起光Ａ２１及び第４の励起光Ａ２２を互いに合成して第１の励起光Ａ１１を出力する。

図７に示すように、光源装置３００Ａはｘ方向（第１の方向）に青色光を出射し、光源装置３００Ｂはｚ方向（第２の方向）に青色光を出射する。このように、光源装置３００Ｂ及び光源装置３００Ａは、それぞれの出射方向、すなわち、第１の方向と第２の方向が９０°で交差するように配置される。空間合成素子３００Ｃは、これらの青色光の光束が交差する領域において、光源装置３００Ａ及び光源装置３００Ｂからの青色光の出射方向に対してそれぞれ傾斜して配置される。光源装置３００Ａから出射された励起光Ａ２１は、空間合成素子３００Ｃの透過領域１１３を透過する。光源装置３００Ｂから出射された励起光Ａ２２は、空間合成素子３００Ｃの反射領域１１２で反射される。励起光Ａ２１及びＡ２２を空間合成素子３００Ｃにより合成した励起光Ａ１１では、各励起光Ａ２１及びＡ２２の光束が交互に配置されている。これは、空間合成素子３００Ｃが、光源装置３００Ａ及び３００Ｂから出射される複数の光束の位置に対応して、複数の反射領域及び複数の透過領域を交互に形成することにより実現される。

第２の光源装置４００は、発生する光の波長と偏光面の方向とが異なることを除いて、第１の光源装置３００と同一の構成を有する。ただし、空間合成素子４００Ｃの両面（第３の表面及び第４の表面）は、偏光合成素子１１０の第１の表面１１０Ａａ及び第２の表面１１０Ａｂに対して垂直に設けられる。

［２－２．動作］
図９は、第２の実施形態に係る照明装置の偏光合成素子１１０Ａ及び蛍光体の特性を示すグラフである。図９を参照して、偏光合成素子１１０Ａの分光特性について説明する。図９では、分光特性として、波長に対するＳ偏光の反射率及びＰ偏光の透過率を示している。図９によれば、第２の実施形態に係る偏光合成素子１１０Ａは、透過及び反射する偏光面及び波長の組み合わせが第１の実施形態の場合から変わっている。しかしながら、上述の特性を有する第１の光源装置３００、第２の光源装置４００、及び偏光合成素子１１０Ａを用いることで、第１の実施形態と同様に、第１の光源装置３００及び第２の光源装置４００によって発生された光を従来技術よりも高い効率で合成して高輝度の光を出力することができる。

［２－３．効果等］
本開示の態様に係る照明装置によれば、第１の波長は基準波長よりも短く、第２の波長は基準波長よりも長い。第１の光源装置１０Ａは、第１の励起光Ａ１１が偏光合成素子１１０Ａの第１の表面１１０Ａａに対してＰ偏光として入射するように配置される。第２の光源装置１０Ｂは、第２の励起光Ａ１２が偏光合成素子１１０Ａの第２の表面１１０Ａｂに対してＳ偏光として入射するように配置される。偏光合成素子１１０Ａは、基準波長以上の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、基準波長以下の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する。

基準波長は、例えば、４５５ｎｍに設定される。偏光合成素子１１０Ａは、基準波長４５５ｎｍ以上の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、基準波長４５５ｎｍ以下の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する。第１の波長は基準波長４５５ｎｍよりも短く設定され（４３８～４５２ｎｍ）、第２の波長は基準波長４５５ｎｍよりも長く設定される（４５８～４７２ｎｍ）。このような特性を有する第１の光源装置３００、第２の光源装置４００、及び偏光合成素子１１０Ａを用いることで、第１の光源装置３００及び第２の光源装置４００によって発生された光を従来技術よりも高い効率で合成して高輝度の光を出力することができる。

本開示の態様に係る照明装置によれば、第１の光源装置３００及び第２の光源装置４００のうちの少なくとも一方は、第３の励起光Ａ２１を発生する第１の光源部３００Ａ，４００Ａと、第４の励起光Ａ２２を発生する第２の光源部３００Ｂ，４００Ｂとを含む。照明装置は、互いに対向する第３の表面３００Ｃａ及び第４の表面３００Ｃｂを有し、かつ、反射領域及び透過領域を有する空間合成素子３００Ｃをさらに備える。空間合成素子３００Ｃは、第３の表面３００Ｃａから入射する第３の励起光Ａ２１を反射領域で反射し、第４の表面３００Ｃｂから入射する第４の励起光Ａ２２を透過領域を介して透過させて第３の表面３００Ｃａから出力し、これにより、第３の励起光Ａ２１及び第４の励起光Ａ２２を互いに合成して第１の励起光Ａ１１又は第２の励起光Ａ１２を出力する。

これにより、第１の実施形態の場合よりも多数の光源装置３００Ａ，３００Ｂ，４００Ａ，４００Ｂによって発生された光を合成してより高輝度の光を出力することができる。

本開示の態様に係る照明装置によれば、第１及び第２の光源部のそれぞれは、周期的に配置された複数の光源装置を含む。空間合成素子３００Ｃ，４００Ｃは、交互に配置された複数の反射領域及び複数の透過領域を有する。

本開示の態様に係る照明装置によれば、第３の励起光Ａ２１及び第４の励起光Ａ２２は互いに同じ波長を有する。

これにより、第２の実施形態に係る第１の光源装置３００及び第２の光源装置４００は、第１の実施形態に係る第１の光源装置１０Ａ及び第２の光源装置１０Ｂと同様に動作可能である。

本開示の態様に係る照明装置によれば、空間合成素子３００Ｃの第３の表面３００Ｃａ及び第４の表面３００Ｃｂは、偏光合成素子１１０の第１の表面１１０Ａａ及び第２の表面１１０Ａｂに対して平行又は垂直に設けられる。

（他の実施形態）
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、第１及び第２の実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施形態にも適用可能である。また、第１及び第２の実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施形態とすることも可能である。

そこで、以下、他の実施形態を例示する。

基準波長以下の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、基準波長以上の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する偏光合成素子を用いること（第１の実施形態）と、第１及び第２の光源部によって発生された光を空間合成素子により合成すること（第２の実施形態）とを組み合わせてもよい。

上述の実施形態では、本開示に係る照明装置の一例として投写型表示装置を挙げて説明したが、これに限定されるものではなく、本開示の照明装置を、例えばヘッドランプなどの照明機器に適用してもよい。

以上のように、本開示に係る技術の例示として実施形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、投写型表示装置の光変調素子などに高輝度の光を照射するための照明装置と、そのような照明装置を備えた投写型表示装置とに適用可能である。

１０Ａ…第１の光源装置、
１０Ｂ…第２の光源装置、
１０Ｃ…第１の光源部、
２０…蛍光体ホイール、
２１…基板、
２２…蛍光体、
２３…モータ、
３０…ロッドインテグレータ、
４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ…ＤＭＤ、
１００…投写型表示装置、
１０１…照明装置、
１０２…光伝送装置、
１０３…変調装置、
１０４…投写器、
１１０，１１０Ａ…偏光合成素子、
１１１…基板、
１１２…反射領域、
１１３…透過領域、
１２１～１２８…レンズ、
１３１，１３３…ミラー、
１３２…ダイクロイックミラー、
１４１，１４２…拡散板、
１５１～１５３…レンズ、
１７０…ミラー、
２１０，２２０，２３０，２４０，２５０…プリズム、
３００…第１の光源装置、
３００Ａ，３００Ｂ…第２の光源部、
３００Ｃ…空間合成素子、
３０１…レーザダイオード、
３０２…光源ブロック、
３０３…ヒートシンク、
４００…第２の光源装置、
４００Ａ，４００Ｂ…第２の光源部、
４００Ｃ…空間合成素子。

Claims

基準波長よりも短い第１の波長を有する第１の励起光を発生する第１の光源装置と、
前記第１の波長とは異なり、前記基準波長よりも長い第２の波長を有する第２の励起光を発生する第２の光源装置と、
前記基準波長を含む光を発生する第３の光源装置と、
前記第１の励起光と、前記第２の励起光とを互いに合成し、偏光合成光を出力する偏光合成素子と、
前記偏光合成光が入射する位置に配置され、前記偏光合成光を受けて蛍光を発する蛍光体と、
前記蛍光と前記第３の光源装置からの光とを合成するダイクロイックミラーと、を備える、
照明装置。
前記第１の光源装置は、第１の偏光面内で直線偏光した前記第１の励起光を発生し、
前記第２の光源装置は、前記第１の偏光面に直交する第２の偏光面内で直線偏光した前記第２の励起光を発生し、
前記偏光合成素子は、互いに対向する第１及び第２の表面を有する偏光合成素子であって、前記第１の表面から入射する前記第１の励起光と、前記第２の表面から入射する前記第２の励起光とを互いに合成し、前記第１の偏光面内で直線偏光した成分及び前記第２の偏光面内で直線偏光した成分の両方を含む偏光合成光を出力する、
請求項１に記載の照明装置。
前記第１の光源装置は、前記第１の励起光が前記偏光合成素子の第１の表面に対してＳ偏光として入射するように配置され、
前記第２の光源装置は、前記第２の励起光が前記偏光合成素子の第２の表面に対してＰ偏光として入射するように配置され、
前記偏光合成素子は、前記基準波長以下の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、前記基準波長以上の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する、
請求項２に記載の照明装置。
前記第１の光源装置は、前記第１の励起光が前記偏光合成素子の第１の表面に対してＰ偏光として入射するように配置され、
前記第２の光源装置は、前記第２の励起光が前記偏光合成素子の第２の表面に対してＳ偏光として入射するように配置され、
前記偏光合成素子は、前記基準波長以上の波長を有するＳ偏光の入射光を実質的に反射し、前記基準波長以下の波長を有するＰ偏光の入射光を実質的に透過する、
請求項２に記載の照明装置。
前記第１及び第２の光源装置のうちの少なくとも一方は、第３の励起光を発生する第１の光源部と、第４の励起光を発生する第２の光源部とを含み、
前記照明装置は、互いに対向する第３及び第４の表面を有し、かつ、反射領域及び透過領域を有する空間合成素子をさらに備え、
前記空間合成素子は、前記第３の表面から入射する前記第３の励起光を前記反射領域で反射し、前記第４の表面から入射する前記第４の励起光を前記透過領域を介して透過させて前記第３の表面から出力し、これにより、前記第３及び第４の励起光を互いに合成して前記第１又は第２の励起光を出力する、
請求項２～４のうちのいずれか１つに記載の照明装置。
前記第１及び第２の光源部のそれぞれは、周期的に配置された複数の光源素子を含み、
前記空間合成素子は、交互に配置された複数の反射領域及び複数の透過領域を有する、
請求項５に記載の照明装置。
前記第３及び第４の励起光は互いに同じ波長を有する、
請求項５又は６に記載の照明装置。
前記空間合成素子の第３及び第４の表面は、前記偏光合成素子の第１及び第２の表面に対して平行又は垂直に設けられる、
請求項５～７のうちのいずれか１つに記載の照明装置。
前記偏光合成光を投写型表示装置の光変調素子に照射するように構成された、
請求項１～８のうちのいずれか１つに記載の照明装置。
前記偏光合成素子と前記蛍光体との間において、ガラス基板上に形成されたマイクロレンズアレイを有する拡散板をさらに備えた、
請求項９に記載の照明装置。
請求項８～１０のうちのいずれか１つに記載の照明装置と、
前記照明装置によって発生された光を伝送する光伝送装置と、
前記光伝送装置によって伝送された光を受けて空間的に変調する変調装置と、
前記変調装置によって変調された光を投写する投写器とを備える、
投写型表示装置。