JP7203317B2 - 光源装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、例えば、投写型映像表示装置の光源として使用される光源装置、並びに、そのような光源装置を備えた投写型映像表示装置に関する。

従来、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）及び液晶パネルなどのような光変調素子を備えた投写型映像表示装置のための光源として、発光ダイオード及び半導体レーザ素子などの長寿命の固体発光素子を備えたさまざまな光源装置が開示されている。

特許文献１は、長寿命で水銀を要しない固体光源を用いて実現された、高輝度かつ低ノイズの光源装置を開示している。

特許第５９７９４１６号公報 国際公開第２０１７／０６１１７０号パンフレット 特開２０１２－２４２４４９号公報

投写型映像表示装置によって投写された映像において物体の色をより忠実に再現するために、より広色域の出力光を発生可能である光源装置が求められる。

本開示は、従来技術に比較して小型化でき、広色域の出力光を発生できる光源装置を提供する。

本開示の一態様によれば、光源装置は、
青色光を発生する第１の光源素子と、
赤色光を発生する第２の光源素子と、
前記青色光の偏光成分を制御する第１の位相差板と、
前記第１の光源素子から前記第１の位相差板を介して入射した前記青色光と、前記第２の光源素子から入射した前記赤色光とを合成する第１の光合成器と、
前記青色光によって励起されて黄色光を発生する蛍光板と、
前記第１の光合成器の出射光に含まれる前記青色光を前記青色光の第１及び第２の偏光成分に分離し、前記青色光の第１の偏光成分で前記蛍光板を励起することによって発生した前記黄色光と、前記青色光の第２の偏光成分と、前記第１の光合成器の出射光に含まれる前記赤色光とを合成する第２の光合成器と、
入射光の偏光成分を制御する第２の位相差板と、
反射板とを備え、
前記第２の光合成器、前記第２の位相差板、及び前記反射板は、前記青色光の第２の偏光成分と、前記第１の光合成器から前記第２の光合成器に入射した前記赤色光とが、前記第２の光合成器から前記第２の位相差板を介して前記反射板に入射した後反射され、前記第２の位相差板を介して前記第２の光合成器に再び入射し、前記黄色光と合成されるように構成される。

本開示の一態様によれば、光源装置は、従来技術に比較して小型化でき、広色域の出力光を発生できる。

第１の実施形態に係る光源装置１００の構成を示す概略図である。 図１の第１の位相差板２８の構成を示す図である。 図１の第２のダイクロイックミラー３１の分光特性を示すグラフである。 図１の光源装置１００の出力光のスペクトル特性を示すグラフである。 第２の実施形態に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。 第３の実施形態に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。

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。

［第１の実施形態］
［１－１．構成］
図１は、第１の実施形態に係る光源装置１００の構成を示す概略図である。光源装置１００は、青色光源ユニット２２、放熱板２３、赤色光源ユニット２６、放熱板２７、第１の位相差板２８、第１のダイクロイックミラー２９、第１の拡散板３０、第２のダイクロイックミラー３１、コンデンサレンズ３２，３３，３８、蛍光体ホイール装置３７、第２の拡散板３９、第２の位相差板４０、及び反射板４１を備える。

また、図１は、青色光源ユニット２２及び赤色光源ユニット２６から第１のダイクロイックミラー２９への入射光の偏光成分（Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分）と、第２のダイクロイックミラー３１に対する入射光及び出射光の偏光成分（Ｐ偏光成分又はＳ偏光成分）とを示す。

青色光源ユニット２２は、青色光源素子２０及びレンズアレイ２１を備える。青色光源素子２０は、基板上に配列された複数の、例えば２０個（４個×５個）の青色半導体レーザ素子からなるアレイを備える。各青色半導体レーザ素子は、例えば、４５５ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する直線偏光された青色光を発生する。レンズアレイ２１は、青色光源素子２０の対応する青色半導体レーザ素子の上に位置するように配列された複数のコリメートレンズを備え、各コリメートレンズは、対応する青色半導体レーザ素子によって発生された光を平行光に変換する。

放熱板２３は、青色光源素子２０に熱伝導可能に接触し、青色光源素子２０を冷却する。

赤色光源ユニット２６は、赤色光源素子２４及びレンズアレイ２５を備える。赤色光源素子２４は、基板上に配列された複数の、例えば２０個（４個×５個）の赤色半導体レーザ素子からなるアレイを備える。各赤色半導体レーザ素子は、例えば、６４０ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する直線偏光された赤色光を発生する。レンズアレイ２５は、赤色光源素子２４の対応する赤色半導体レーザ素子の上に位置するように配列された複数のコリメートレンズを備え、各コリメートレンズは、対応する赤色半導体レーザ素子によって発生された光を平行光に変換する。

放熱板２７は、赤色光源素子２４に熱伝導可能に接触し、赤色光源素子２４を冷却する。

青色光源ユニット２２によって発生された青色光は、第１の位相差板２８を介して第２のダイクロイックミラー３１の一方の面に入射する。赤色光源ユニット２６によって発生された赤色光は、第２のダイクロイックミラー３１の他方の面に入射する。青色光源ユニット２２は、青色光源ユニット２２から第１の位相差板２８を介して第２のダイクロイックミラー３１に入射する青色光が、第２のダイクロイックミラー３１の入射面に対してＳ偏光成分を有するように配置される。赤色光源ユニット２６は、赤色光源ユニット２６から第２のダイクロイックミラー３１に入射する赤色光が、第２のダイクロイックミラー３１の入射面に対してＰ偏光成分を有するように配置される。

第１の位相差板２８は、入射光の偏光状態を変化させることで偏波成分を制御する。第１の位相差板２８は、例えば、青色光源素子２０の各青色半導体レーザ素子の発光中心波長（例えば４５５ｎｍ）の近傍において、互いに直交する偏光成分の間に１／４波長の位相差を生じる１／４波長板である。第１の位相差板２８は、その光学軸の角度を調整することにより、後段の第２のダイクロイックミラー３１の入射面を基準とするＳ偏光成分とＰ偏光成分との比率を調整（すなわち制御）することができる。

図２は、図１の第１の位相差板２８の構成を示す図である。第１の位相差板２８は、青色光源素子２０から第１のダイクロイックミラー２９に向かって延在する光軸（すなわち、図１のＺ軸に平行な軸）の周りに回転可能に支持される。第１の位相差板２８の光学軸は、例えば、図１のＸ軸を基準として７０．４度の角度を有するように配置される。このとき、第１の位相差板２８は、Ｓ偏光成分の入射光（すなわち、ＹＺ面に平行な電気ベクトルの振動方向を有する入射光）を、約８０％のＳ偏光成分と約２０％のＰ偏光成分とを含む光に変換する。第１の位相差板２８を回転することにより、光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との比率を調整することができる。第１の位相差板２８は、手動で回転されてもよく、モータなどを備える回転機構により回転されてもよい。第１の位相差板２８は、予め決められた角度範囲にわたって、例えば約±５度にわたって回転されてもよい。

第１の位相差板２８は、例えば、複屈折を生じるように形成された凹凸パターンを有する基板を備える。第１の位相差板２８は、ガラス基板上に形成された、光の波長よりも小さい微細周期構造を有し、微細周期構造で生じる複屈折を利用して位相差を生じる。微細周期構造を有する第１の位相差板２８は、例えばナノインプリント法を用いて無機材料で構成され、水晶などの無機光学結晶と同様に耐久性及び信頼性に優れる。

第１の位相差板２８は、例えば特許文献２に開示されているように構成されてもよい。特許文献２は、入射光に位相差を発生させる光学位相差部材を開示している。光学位相差部材は、一方向に延在するとともに延在方向に垂直な面における断面が略台形状である複数の凸部から構成された凹凸パターンを有する透明基体と、透明基体の凸部の上面及び側面に形成された第１層と、凸部の上面の第１層上に形成された第２層とを備える。隣り合う凸部の対向する側面に形成された第１層の間に空気層が存在し、第１層の屈折率は、凸部の屈折率及び第２層の屈折率のいずれよりも高い。

第１のダイクロイックミラー２９は、青色光源素子２０から第１の位相差板２８を介して入射した青色光と、赤色光源素子２４から入射した赤色光とを合成する。第１のダイクロイックミラー２９は、４５５ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する青色光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分を９６％以上の高い透過率で透過し、６４０ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する赤色光のＰ偏光成分を９７％以上の高い反射率で反射する特性を有する。従って、第１のダイクロイックミラー２９は、青色光源素子２０から第１の位相差板２８を介して入射した青色光を透過し、赤色光源素子２４から入射した赤色光を反射し、これにより、青色光及び赤色光を合成する。青色光及び赤色光を含む第１のダイクロイックミラー２９の出射光は第１の拡散板３０に入射する。

なお、第１のダイクロイックミラー２９は光合成器の一例である。

第１の拡散板３０は、ガラス製であり、その表面に微細な凹凸形状もしくはマイクロレンズ形状を有し、これにより入射光を拡散する。第１の拡散板３０は、その出射光が入射光の偏光特性を保持するように、十分に小さな拡散角度（すなわち、拡散された光の最大強度を基準として半分の強度を有する光の角度幅を示す半値角度幅）、例えば略４度の拡散角度を有する。第１の拡散板３０の出射光は第２のダイクロイックミラー３１に入射する。

第２のダイクロイックミラー３１は、第１の拡散板３０から入射する青色光のＳ偏光成分を反射し、この青色光のＰ偏光成分を透過する。これにより、第２のダイクロイックミラー３１は、第１のダイクロイックミラー２９の出射光に含まれる青色光をそのＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離する。また、第２のダイクロイックミラー３１は、第１のダイクロイックミラー２９の出射光に含まれる赤色光のＰ偏光成分を透過する。

図３は、図１の第２のダイクロイックミラー３１の分光特性を示すグラフである。図３の分光特性は、波長に対する透過率を示す。第２のダイクロイックミラー３１は、４５５ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する青色光のＰ偏光成分と、６４０ｎｍ±１０ｎｍの波長を有する赤色光のＰ偏光成分とを透過し、これらの青色光及び赤色光のＳ偏光成分を高い反射率で反射させる特性を有する。さらに、第２のダイクロイックミラー３１は、４８０～６１０ｎｍの波長を有する緑色光及び赤色光のＰ偏光成分及びＳ偏光成分をそれぞれ９６％以上の高い透過率で透過する特性を有する。

第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射し、第２のダイクロイックミラー３１で反射されたＳ偏光成分の青色光は、コンデンサレンズ３２及び３３により集光され、蛍光体ホイール装置３７に入射する。光強度の最大値に対して１３．５％の光強度を有する領域の直径をスポット径と定義するとき、蛍光体ホイール装置３７への入射光は、１．５ｍｍ～２．５ｍｍのスポット径を有する領域に入射する。第１の拡散板３０は、蛍光体ホイール装置３７への入射光のスポット径が所望値になるように、光を拡散させる。

蛍光体ホイール装置３７は、円形基板３４、蛍光体層３５、及びモータ３６を備える。円形基板３４は、例えばアルミニウムからなる。円形基板３４の上には、可視光を反射する金属膜もしくは誘電体膜である反射膜が形成される。さらに、反射膜の上には、蛍光体層３５が円環状に形成される。蛍光体層３５には、例えば、青色光により励起され、緑色光及び赤色光の各色成分光を含む黄色光を発生するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体が形成される。この蛍光体の結晶母体の代表的な化学組成は、例えば、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２である。蛍光体層３５は、第２のダイクロイックミラー３１から入射した青色光によって励起されることにより、緑色光及び赤色光の各色成分光を含む黄色光を発生する。モータ３６は、円形基板３４を回転させる。円形基板３４が回転することにより、第２のダイクロイックミラー３１からの青色光が蛍光体層３５に入射する位置が移動し、これにより、青色光によって励起されることによる蛍光体層３５の温度上昇を抑制し、蛍光変換効率を安定に維持することができる。蛍光体層３５によって発生した光の一部は－Ｘ方向に進み、他の一部は＋Ｘ方向に進んで反射層によって－Ｘ方向に反射される。

蛍光体ホイール装置３７から出射した黄色光（すなわち緑色光及び赤色光からなる）は、自然光となり、再びコンデンサレンズ３３及び３２で集光されて略平行光に変換された後、第２のダイクロイックミラー３１を透過する。

一方、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射し、第２のダイクロイックミラー３１を透過した青色光及び赤色光のＰ偏光成分は、コンデンサレンズ３８に入射して集光される。コンデンサレンズ３８の焦点距離は、反射板４１の近傍に集光スポットを形成するように設定される。コンデンサレンズ３８からの出射光は第２の拡散板３９に入射する。

第２の拡散板３９は、ガラス製であり、その表面に微細な凹凸形状もしくはマイクロレンズ形状を有し、これにより入射光を拡散する。第２の拡散板３９は、入射光を拡散させて、光強度分布を均一化するとともに、レーザ光のスペックルノイズを解消する。第２の拡散板３９は、その出射光が入射光の偏光特性を保持するように、十分に小さな拡散角度、例えば略４度の拡散角度を有する。第２の拡散板３９の出射光は第２の位相差板４０に入射する。

第２の位相差板４０は、入射光の偏光状態を変化させることで偏光成分を制御する。第２の位相差板４０は、例えば、青色光及び赤色光を含む帯域にわたって、互いに直交する偏光成分の間に１／４波長の位相差を生じる１／４波長板である。第２の位相差板４０の光学軸は、例えば、Ｐ偏光成分の方向を基準として４５度の角度を有するように配置され、このとき、Ｐ偏光成分の入射光を円偏光の出射光に変換する。第２の位相差板４０の出射光は反射板４１に入射する。

第２の位相差板４０は、例えば、基板と、複屈折を生じるように基板の面に対して斜方蒸着された誘電体材料にてなる薄膜とを備える。斜方蒸着された薄膜を備える第２の位相差板４０は、無機材料で構成され、水晶などの無機光学結晶と同様に耐久性及び信頼性に優れる。また、斜方蒸着された薄膜を備える第２の位相差板４０は、比較的に容易に厚膜を形成することができ、広帯域な１／４波長板を構成することができる。

第２の位相差板４０は、例えば特許文献３に開示されているように構成されてもよい。特許文献３は、透明基板と、誘電体材料が１８０°異なる２方向から交互に斜方蒸着され、各層の厚さが使用波長以下である斜方蒸着膜と、透明基板と斜方蒸着膜との間に高屈折率膜と低屈折率膜とが交互に積層され、屈折率が透明基板の屈折率よりも高く、斜方蒸着膜の屈折率よりも小さい界面反射防止膜とを備える位相差素子を開示している。

反射板４１には、アルミニウム又は誘電体多層膜などの反射膜が形成される。第２の位相差板４０から反射板４１に入射した光が反射板４１によって反射されることにより、その位相が反転され、従って、円偏光の入射光が、逆回りの円偏光の反射光になる。反射板４１の反射光は、再び第２の位相差板４０に入射し、第２の位相差板４０によって円偏光からＳ偏光成分に変換される。次いで、第２の位相差板４０の出射光は再び第２の拡散板３９で拡散され、第２の拡散板３９の出射光はコンデンサレンズ３８によって平行光に変換され、コンデンサレンズ３８の出射光は第２のダイクロイックミラー３１に入射する。コンデンサレンズ３８から第２のダイクロイックミラー３１への入射光（すなわち、青色光及び赤色光）は、Ｓ偏光成分を有するので、第２のダイクロイックミラー３１によって反射される。

第２のダイクロイックミラー３１、第２の位相差板４０、及び反射板４１は、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射した青色光のＰ偏光成分と、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射した赤色光とが、第２のダイクロイックミラー３１から第２の位相差板４０を介して反射板４１に入射し、反射板４１によって反射され、第２の位相差板４０を介して第２のダイクロイックミラー３１に再び入射し、黄色光と合成されるように配置される。

蛍光体ホイール装置３７から第２のダイクロイックミラー３１に入射して透過した黄色光と、反射板４１から第２のダイクロイックミラー３１に入射して反射された青色光及び赤色光とは合成されて白色光になる。言い換えると、第２のダイクロイックミラー３１は、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射した青色光のＳ偏光成分で蛍光体ホイール装置３７を励起することによって発生した黄色光と、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射した青色光のＰ偏光成分と、第１のダイクロイックミラー２９の出射光に含まれる赤色光とを合成する。光源装置１００は、合成された白色光を出力する。

なお、第２のダイクロイックミラー３１は光合成器の一例である。

［１－２．動作］
図４は、図１の光源装置１００の出力光のスペクトル特性を示すグラフである。図４の破線において各色成分光を分離することで、高い色純度を有する青、緑、及び赤の３原色光を得ることができる。光源装置１００の出力光はこのようなスペクトル特性を有するので、光源装置１００の出力光を、後述する投写型映像表示装置の光学系において青色光、緑色光、及び赤色光の３原色光に分離しても、高い色純度の単色光を得ることができる。

また、青色光源素子２０の各青色半導体レーザ素子によって発生された青色光と、赤色光源素子２４の各赤色半導体レーザ素子によって発生された赤色光とを用いることにより、広色域のスペクトル特性を有する出射光を得ることができる。

また、第１の位相差板２８を回転することにより、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射する青色光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との比率を調整することができる。これにより、第２のダイクロイックミラー３１から蛍光体ホイール装置３７に進む青色光と、第２のダイクロイックミラー３１から反射板４１に進む青色光との比率を調整し、光源装置１００から出力される白色光に含まれる青色光と黄色光（すなわち緑色光及び赤色光からなる）との比率を調整することができる。従って、第１の位相差板２８を回転することにより、光源装置１００の出力光のホワイトバランスを調整することができる。

また、光源装置１００は、第１のダイクロイックミラー２９を用いて青色光及び赤色光を合成し、次いで、第２のダイクロイックミラー３１を用いて、青色光の各偏光成分を互いに分離し、かつ、第２のダイクロイックミラー３１を用いて、蛍光体ホイール装置３７によって発生された黄色光と、青色光及び赤色光とを合成する。第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射した青色光のＰ偏光成分と、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射した赤色光とは、コンデンサレンズ３８によって集光及び平行化され、第２の拡散板３９によって拡散される。これにより、共通の光学素子を用いて、青色光のＰ偏光成分と赤色光とを、スペックルノイズ及び輝度むらを低減しつつ、効率よく均一にすることができる。

このように、第１の実施形態によれば、光源装置１００により、青、緑、及び赤の３原色の色純度が高く、広色域であり、従来技術に比較して小型化できる。

［１－３．変形例］
第１の位相差板２８は、基板と、複屈折を生じるように基板の面に対して斜方蒸着された誘電体材料にてなる薄膜とを備えてもよい。また、光源装置１００は、水晶からなる第１の位相差板２８を備えてもよい。

また、青色光源ユニット２２は、青色光源ユニット２２から第１の位相差板２８を介して第２のダイクロイックミラー３１に入射する青色光が、第２のダイクロイックミラー３１の入射面に対してＰ偏光成分を有するように配置されてもよい。この場合、第１の位相差板２８は、青色光源素子２０の各青色半導体レーザ素子の発光中心波長の近傍において、互いに直交する偏光成分の間に１／２波長の位相差を生じる１／２波長板である。この場合も同様に、第１の位相差板２８を回転することにより、第１の拡散板３０から第２のダイクロイックミラー３１に入射する青色光のＰ偏光成分とＳ偏光成分との比率を調整することができる。

第２の位相差板４０は、複屈折を生じるように形成された凹凸パターンを有する基板を備えてもよい。また、光源装置１００は、水晶からなる第２の位相差板４０を備えてもよい。

また、光源装置１００は、複数の青色光源ユニット２２を備えてもよく、複数の赤色光源ユニット２６を備えてもよい。また、光源装置１００は、他の色成分光を発生する１つ又は複数の光源ユニットを備えてもよい。

［１－４．効果等］
第１の実施形態によれば、光源装置１００は、青色光源素子２０、赤色光源素子２４、円形基板３４の蛍光体層３５、第１のダイクロイックミラー２９、及び第２のダイクロイックミラー３１を備える。青色光源素子２０は青色光を発生する。赤色光源素子２４は赤色光を発生する。蛍光体ホイール装置３７は、青色光によって励起されて黄色光を発生する。第１の位相差板２８は、入射光の偏光成分を制御する。第１のダイクロイックミラー２９は、青色光源素子２０から第１の位相差板２８を介して入射した青色光は、赤色光源素子２４から入射した赤色光とを合成する。第２のダイクロイックミラー３１は、第１のダイクロイックミラー２９の出射光に含まれる青色光を当該青色光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分に分離し、青色光のＳ偏光の偏光成分で蛍光板を励起することによって発生した黄色光は、青色光のＰ偏光成分は、第１のダイクロイックミラー２９の出射光に含まれる赤色光とを合成する。第１の位相差板２８は、青色光源素子２０から入射した青色光のＳ偏光成分及びＰ偏光成分の比率を制御する。

すなわち、光強度が比較的強い青色光源素子２０から得られる青色光を、赤色光と合成する前に第１の位相差板２８で偏光成分の比率を変えて、後段の第２のダイクロイックミラー３１で偏光分離して青色光の一部（Ｓ偏光成分）を蛍光体層３５の励起用に使用し、残余の青色光（Ｐ偏光成分）を照明光として使用するように構成したことを特徴としている。

これにより、光源装置１００は、従来技術に比較して小型化でき、広色域の出力光を発生できる。

第１の実施形態によれば、光源装置１００は、第１の位相差板２８は、青色光源素子２０から第１のダイクロイックミラー２９に向かって延在する光軸の周りに回転可能に支持されてもよい。

これにより、第１の位相差板２８を回転することにより、光源装置１００の出力光のホワイトバランスを容易に調整することができる。

第１の実施形態によれば、光源装置１００は、第１の位相差板２８は１／４波長板又は１／２波長板であってもよい。第１の実施形態によれば、光源装置１００は、第１の位相差板２８は、複屈折を生じるように形成された凹凸パターンを有する基板を備えてもよい。第１の実施形態によれば、光源装置１００は、第１の位相差板２８は、基板と、複屈折を生じるように基板の面に対して斜方蒸着された誘電体材料にてなる薄膜とを備えてもよい。

これにより、入射光の互いに直交する偏光成分の間に位相差を生じることができる。

第１の実施形態によれば、光源装置１００は、光源装置１００は、入射光の偏光状態を変化させる第２の位相差板４０と、反射板４１とをさらに備えてもよい。この場合、第２のダイクロイックミラー３１、第２の位相差板４０、及び反射板４１は、青色光のＰ偏光成分と、第１のダイクロイックミラー２９から第２のダイクロイックミラー３１に入射した赤色光とが、第２のダイクロイックミラー３１から第２の位相差板４０を介して反射板４１に入射し、反射板４１によって反射された後、第２の位相差板４０を介して第２のダイクロイックミラー３１に再び入射し、黄色光と合成されるように配置される。

これにより、互いに異なる複数の色成分光を合成することができる。

第１の実施形態によれば、光源装置１００は、第２の位相差板４０は、青色光及び赤色光を含む帯域にわたって動作する１／４波長板であってもよい。第１の実施形態によれば、光源装置１００は、第２の位相差板４０は、複屈折を生じるように形成された凹凸パターンを有する基板を備えてもよい。第１の実施形態によれば、光源装置１００は、第２の位相差板４０は、基板と、複屈折を生じるように基板の面に対して斜方蒸着された誘電体材料にてなる薄膜とを備えてもよい。

これにより、入射光の互いに直交する偏光成分の間に位相差を生じることができる。

第１の実施形態によれば、光源装置１００は、青色光源素子２０及び赤色光源素子２４は半導体レーザ素子であってもよい。

これにより、広色域のスペクトル特性を有する出射光を得ることができる。

第１の実施形態によれば、光源装置１００は、青色光源素子２０及び赤色光源素子２４の出射光は直線偏光されてもよい。

これにより、互いに異なる複数の色成分光を第１及び第２のダイクロイックミラー２９，３１によって分離及び合成することができる。

第１の実施形態によれば、光源装置１００は、蛍光板は、回転駆動される円形基板３４と、円形基板３４の上に形成された蛍光体層３５とを備えてもよい。

これにより、青色光によって励起されることによる蛍光体の温度上昇を抑制し、蛍光変換効率を安定に維持することができる。

第１の実施形態によれば、蛍光体層は、青色光によって励起されて緑色光及び赤色光を含む黄色の蛍光を発生するＣｅ付活ＹＡＧ系蛍光体を含んでもよい。

これにより、青色光によって励起されることにより、緑色光及び赤色光の各色成分光を含む黄色光を発生することができる。

［第２の実施形態］
第１の実施形態に係る光源装置は、例えば、投写型映像表示装置に適用可能である。第２の実施形態では、光変調素子として、ＴＮモードもしくはＶＡモードで動作し、画素領域に薄膜トランジスタを形成したアクティブマトリクス方式の透過型の液晶パネルを用いる場合について説明する。

［２－１．構成］
図５は、第２の実施形態に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。図５の投写型映像表示装置は、光源装置１００、第１のレンズアレイ板２００、第２のレンズアレイ板２０１、偏光変換素子２０２、重畳用レンズ２０３、青反射のダイクロイックミラー２０４、緑反射のダイクロイックミラー２０５、反射ミラー２０６，２０７，２０８、リレーレンズ２０９，２１０、フィールドレンズ２１１，２１２，２１３、入射側偏光板２１４，２１５，２１６、液晶パネル２１７，２１８，２１９、出射側偏光板２２０，２２１，２２２、色合成プリズム２２３、及び投写光学系２２４を備える。

図５の光源装置１００は、第１の実施形態に係る光源装置１００である。

光源装置１００からの白色光は、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２００に入射する。第１のレンズアレイ板２００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、複数のレンズ素子から構成される第２のレンズアレイ板２０１に収束する。第１のレンズアレイ板２００のレンズ素子は、液晶パネル２１７～２１９と相似形の開口形状を有する。第２のレンズアレイ板２０１の各レンズ素子の焦点距離は、第１のレンズアレイ板２００と液晶パネル２１７～２１９とが略共役関係となるように決定される。第２のレンズアレイ板２０１の出射光は偏光変換素子２０２に入射する。

偏光変換素子２０２は、偏光分離プリズムと１／２波長板とにより構成され、光源からの自然光を一つの偏光方向の光に変換する。蛍光光は自然光であるので、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Ｐ偏光の光で入射するので、Ｓ偏光に変換される。偏光変換素子２０２の出射光は重畳用レンズ２０３に入射する。

重畳用レンズ２０３は、第２のレンズアレイ板２０１の各レンズ素子の出射光を液晶パネル２１７～２１９の上に重畳照明するためのレンズである。

第１及び第２のレンズアレイ板２００、２０１と、偏光変換素子２０２と、重畳用レンズ２０３を照明光学系としている。

重畳用レンズ２０３の出射光は、色分離手段である青反射のダイクロイックミラー２０４及び緑反射のダイクロイックミラー２０５により、青色光、緑色光、及び赤色光に分離される。緑色光は、フィールドレンズ２１１及び入射側偏光板２１４を透過して、液晶パネル２１７に入射する。青色光は、反射ミラー２０６で反射した後、フィールドレンズ２１２及び入射側偏光板２１５を透過して液晶パネル２１８に入射する。赤色光は、リレーレンズ２０９，２１０及び反射ミラー２０７，２０８を透過屈折及び反射し、さらに、フィールドレンズ２１３及び入射側偏光板２１６を透過して、液晶パネル２１９に入射する。

液晶パネル２１７～２１９の両側には、入射側偏光板２１４～２１６及び出射側偏光板２２０～２２２が、それらの透過軸を直交するようにそれぞれ配置される。液晶パネル２１７～２１９は、その各画素へ印加する電圧を映像信号に従って制御することにより、入射光の偏光状態を変化させて空間的に変調し、緑色光、青色光、赤色光の映像光を形成する。

色合成プリズム２２３は、赤反射のダイクロイックミラーと、青反射のダイクロイックミラーとを備える。出射側偏光板２２０～２２２を透過した各色の映像光のうち、緑色光は色合成プリズム２２３を透過し、赤色光は色合成プリズム２２３の赤反射のダイクロイックミラーによって反射され、青色光は色合成プリズム２２３の青反射のダイクロイックミラーによって反射され、これにより、透過した緑色光は、反射された赤色光及び青色光と合成され、投写光学系２２４に入射する。投写光学系２２４に入射した光は、スクリーン（図示せず）上に拡大して投写される。

光源装置１００は、青色光源ユニット２２及び赤色光源ユニット２６を用いて小型に構成され、高い色純度及び良好なホワイトバランスを有する白色光を出力する。このため、小型かつ広色域な投写型映像表示装置を実現することができる。また、光変調素子として、時分割方式ではなく偏光を利用する３枚の液晶パネル２１７～２１９を用いているので、カラーブレイキングがなく色再現が良好であり、明るく高精細な投写映像を得ることができる。また、全反射プリズムが不要であり、色合成プリズムが４５度入射の小型プリズムになるので、光変調素子として３つのＤＭＤ素子を用いる場合よりも、小型の投写型映像表示装置を構成することができる。

前述のように、光源装置１００は、青反射のダイクロイックミラー２０４を用いて青色光及び赤色光を合成し、次いで、緑反射のダイクロイックミラー２０５を用いて、青色光をその各偏光成分に分離し、かつ、緑反射のダイクロイックミラー２０５を用いて、蛍光体ホイール装置３７によって発生された黄色光と、青色光及び赤色光とを合成する。従って、光源装置１００を備えた小型の投写型映像表示装置を提供することができる。

このように、第２の実施形態によれば、光源装置１００を備えた小型の投写型映像表示装置により、青、緑、及び赤の３原色の色純度が高く、広色域であり、良好なホワイトバランスのスペクトル特性を有する出射光を得ることができる。

第２の実施形態では、光変調素子として、透過型の液晶パネルを用いる場合について説明したが、反射型の液晶パネルを用いてもよい。反射型の液晶パネルを用いることにより、より小型で高精細な投写型映像表示装置を構成することができる。

［２－２．効果等］
第２の実施形態によれば、投写型映像表示装置は、第１の実施形態に係る光源装置１００と、映像信号に従って入射光を空間的に変調する光変調素子と、光源装置１００の出射光を光変調素子に照射する照明光学系と、光変調素子の出射光を投写する投写光学系とを備える。光変調素子はディジタルマイクロミラーデバイス（以下、ＤＭＤという。）３１０，３１１，３１２である。

これにより、第１の実施形態に係る光源装置１００を用いて、従来技術に比較して小型化して広色域の出力光を発生でき、第２の実施形態に係る投写型映像表示装置を従来技術に比較して小型化できる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態では、光変調素子として、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いる場合について説明する。

［３－１．構成］
図６は、第３の実施形態に係る投写型映像表示装置の構成を示す概略図である。図６の投写型映像表示装置は、光源装置１００、集光レンズ３００、ロッドインテグレータ３０１、リレーレンズ３０２、反射ミラー３０３、フィールドレンズ３０４、全反射プリズム３０５、空気層３０６、カラープリズム３０７、青反射のダイクロイックミラー３０８、赤反射のダイクロイックミラー３０９、ＤＭＤ３１０，３１１，３１２、及び投写光学系３１３を備える。

図６の光源装置１００は、第１の実施形態に係る光源装置１００である。

光源装置１００から出射した白色光は、集光レンズ３００に入射し、ロッドインテグレータ３０１へ集光される。ロッドインテグレータ３０１への入射光は、ロッドインテグレータの内部で複数回反射することにより、光強度分布が均一化されて出射される。ロッドインテグレータ３０１からの出射光は、リレーレンズ３０２により集光され、反射ミラー３０３で反射された後、フィールドレンズ３０４を透過し、全反射プリズム３０５に入射する。

全反射プリズム３０５は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には薄い空気層３０６を形成している。空気層３０６は臨界角以上の角度で入射する光を全反射する。フィールドレンズ３０４の出射光は、全反射プリズム３０５の全反射面で反射されて、カラープリズム３０７に入射する。

カラープリズム３０７は３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には、青反射のダイクロイックミラー３０８と、赤反射のダイクロイックミラー３０９とが形成されている。カラープリズム３０７の青反射のダイクロイックミラー３０８と赤反射のダイクロイックミラー３０９とにより、入射光は青色光、赤色光、及び緑色光に分離され、それぞれＤＭＤ３１０～３１２に入射する。

ＤＭＤ３１０～３１２は、映像信号に従ってマイクロミラーを偏向させ、入射光を、投写光学系３１３に向かう反射光と、投写光学系３１３の有効外へ進む反射光とに分離する。ＤＭＤ３１０～３１２により反射された光は、再びカラープリズム３０７を透過する。

カラープリズム３０７を透過する過程で、分離された青色光、赤色光、及び緑色光は合成され、全反射プリズム３０５に入射する。全反射プリズム３０５に入射した光は空気層３０６に臨海角以下で入射するので、全反射プリズム３０５を透過して、投写光学系３１３に入射する。このようにして、ＤＭＤ３１０～３１２により形成された映像光がスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。

光源装置１００は、青色光源ユニット２２及び赤色光源ユニット２６を用いて小型に構成され、高い色純度及び良好なホワイトバランスを有する白色光を出力する。このため、小型かつ広色域な投写型映像表示装置を実現することができる。また、光変調素子として、また、光変調素子としてＤＭＤ３１０～３１２を用いているので、液晶パネルを用いた光変調素子と比べて、高い耐光性及び耐熱性を有する投写型映像表示装置を構成することができる。さらに、３つのＤＭＤ３１０～３１２を用いているので、色再現が良好であり、明るく高精細な投写映像を得ることができる。

前述のように、光源装置１００は、青反射のダイクロイックミラー３０８を用いて青色光及び赤色光を合成し、次いで、赤反射のダイクロイックミラー３０９を用いて、青色光をその各偏光成分に分離し、かつ、赤反射のダイクロイックミラー３０９を用いて、蛍光体ホイール装置３７によって発生された黄色光と、青色光及び赤色光とを合成する。従って、光源装置１００を備えた小型の投写型映像表示装置を提供することができる。

このように、第３の実施形態によれば、光源装置１００を備えた小型の投写型映像表示装置により、青、緑、及び赤の３原色の色純度が高く、広色域であり、良好なホワイトバランスのスペクトル特性を有する出射光を得ることができる。

第３の実施形態では、光変調素子として３つのＤＭＤ３１０～３１２を用いる場合について説明したが、１つのＤＭＤを用いて構成してもよい。１つのＤＭＤを用いことにより、より小型の投写型映像表示装置を構成することができる。

［３－２．効果等］
第３の実施形態によれば、投写型映像表示装置は、第１の実施形態に係る光源装置１００と、映像信号に従って入射光を空間的に変調する光変調素子と、光源装置１００の出射光を光変調素子に照射する照明光学系と、光変調素子の出射光を投写する投写光学系とを備える。光変調素子はディジタルマイクロミラーデバイス３１０，３１１，３１２である。

これにより、第１の実施形態に係る光源装置１００を用いて、従来技術に比較して小型化して広色域の出力光を発生でき、第３の実施形態に係る投写型映像表示装置を従来技術に比較して小型化できる。

［他の実施形態］
以上のように、本開示の技術の例示として、いくつかの実施形態を説明した。しかしながら、本開示の技術は、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形態にも適用できる。また、上記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。

本開示に係る光源装置は、光変調素子を用いた投写型映像表示装置に適用可能である。

２０ 青色光源素子
２１，２５ レンズアレイ
２２ 青色光源ユニット
２３，２７ 放熱板
２４ 赤色光源素子
２６ 赤色光源ユニット
２８ 第１の位相差板
２９ 第１のダイクロイックミラー
３０ 第１の拡散板
３１ 第２のダイクロイックミラー
３２，３３，３８ コンデンサレンズ
３４ 円形基板
３５ 蛍光体層
３６ モータ
３７ 蛍光体ホイール装置
３９ 第２の拡散板
４０ 第２の位相差板
４１ 反射板
１００ 光源装置
２００ 第１のレンズアレイ板
２０１ 第２のレンズアレイ板
２０２ 偏光変換素子
２０３ 重畳用レンズ
２０４ 青反射のダイクロイックミラー
２０５ 緑反射のダイクロイックミラー
２０６，２０７，２０８ 反射ミラー
２０９，２１０ リレーレンズ
２１１，２１２，２１３ フィールドレンズ
２１４，２１５，２１６ 入射側偏光板
２１７，２１８，２１９ 液晶パネル
２２０，２２１，２２２ 出射側偏光板
２２３ 色合成プリズム
２２４ 投写光学系
３００ 集光レンズ
３０１ ロッドインテグレータ
３０２ リレーレンズ
３０３ 反射ミラー
３０４ フィールドレンズ
３０５ 全反射プリズム
３０６ 空気層
３０７ カラープリズム
３０８ 青反射のダイクロイックミラー
３０９ 赤反射のダイクロイックミラー
３１０，３１１，３１２ ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）
３１３ 投写光学系

Claims (16)

1. 青色光を発生する第１の光源素子と、
   赤色光を発生する第２の光源素子と、
   前記青色光の偏光成分を制御する第１の位相差板と、
   前記第１の光源素子から前記第１の位相差板を介して入射した前記青色光と、前記第２の光源素子から入射した前記赤色光とを合成する第１の光合成器と、
   前記青色光によって励起されて黄色光を発生する蛍光板と、
   前記第１の光合成器の出射光に含まれる前記青色光を前記青色光の第１及び第２の偏光成分に分離し、前記青色光の第１の偏光成分で前記蛍光板を励起することによって発生した前記黄色光と、前記青色光の第２の偏光成分と、前記第１の光合成器の出射光に含まれる前記赤色光とを合成する第２の光合成器と、
   入射光の偏光成分を制御する第２の位相差板と、
   反射板と、
   前記第１の光合成器と、前記第２の光合成器との間に配置される拡散板と、を備え、
   前記第２の光合成器、前記第２の位相差板、前記反射板及び前記拡散板は、前記青色光の第２の偏光成分と、前記第１の光合成器から前記拡散板を介して前記第２の光合成器に入射した前記赤色光とが、前記第２の光合成器から前記第２の位相差板を介して前記反射板に入射した後反射され、前記第２の位相差板を介して前記第２の光合成器に再び入射し、前記黄色光と合成されるように構成された、
   光源装置。
2. 前記第１の位相差板は、前記第１の光源素子から前記第１の光合成器に向かって延在する光軸の周りに回転可能に支持された、
   請求項１記載の光源装置。
3. 前記第１の位相差板は１／４波長板又は１／２波長板である、
   請求項１又は２記載の光源装置。
4. 前記第１の位相差板は、複屈折を生じるように形成された凹凸パターンを有する基板を備えた、
   請求項１～３のうちの１つに記載の光源装置。
5. 前記第１の位相差板は、基板と、複屈折を生じるように前記基板の面に対して斜方蒸着された誘電体材料にてなる薄膜とを備えた、
   請求項１～３のうちの１つに記載の光源装置。
6. 前記第１及び第２の光合成器のそれぞれはダイクロイックミラーである、
   請求項１～５のうちの１つに記載の光源装置。
7. 前記第２の位相差板は、青色光及び赤色光を含む帯域にわたって動作する１／４波長板 である、
   請求項６記載の光源装置。
8. 前記第２の位相差板は、複屈折を生じるように形成された凹凸パターンを有する基板を備えた、
   請求項６又は７記載の光源装置。
9. 前記第２の位相差板は、基板と、複屈折を生じるように前記基板の面に対して斜方蒸着された誘電体材料にてなる薄膜とを備えた、 請求項６又は７記載の光源装置。
10. 前記第１及び第２の光源素子は半導体レーザ素子である、
    請求項１～９のうちの１つに記載の光源装置。
11. 前記第１及び第２の光源素子の出射光は直線偏光された、
    請求項１～１０のうちの１つに記載の光源装置。
12. 前記蛍光板は、 回転駆動される円形基板と、前記円形基板の上に形成された蛍光体層とを備えた、
    請求項１～１１のうちの１つに記載の光源装置。
13. 前記蛍光体層は、青色光によって励起されて緑色光及び赤色光を含む黄色の蛍光を発生 するＣｅ付活ＹＡＧ系蛍光体を含む、
    請求項１２記載の光源装置。
14. 請求項１～１３のうちの１つに記載の光源装置と、
    映像信号に従って入射光を空間的に変調する光変調素子と、
    前記光源装置の出射光を前記光変調素子に照射する照明光学系と、
    前記光変調素子の出射光を投写する投写光学系とを備えた、
    投写型映像表示装置。
15. 前記光変調素子は液晶パネルである、
    請求項１４記載の投写型映像表示装置。
16. 前記光変調素子はディジタルマイクロミラーデバイスである、
    請求項１４記載の投写型映像表示装置。

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