JPWO2014020728A1 - 照明光学系及び投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

本発明の一目的は、安全性を考慮しつつ高輝度な単色光を出射可能な照明光学系を提供することにある。照明光学系は、可視光の波長領域に属する第１のピーク波長を有する単色のコヒーレント光を出射する第１の光源と、コヒーレント光と同一の色を示す波長領域に属する第２のピーク波長を有する単色のインコヒーレント光を出射する第２の光源と、コヒーレント光とインコヒーレント光のうちの一方を主に反射し、他方を主に透過するダイクロイックミラーであって、コヒーレント光の光路とインコヒーレント光の光路を合成するダイクロイックミラーと、を備えている。

Description

本発明は、コヒーレント光源とインコヒーレント光源とを含む照明光学系及び当該照明光学系を含む投射型表示装置に関する。

現在、プロジェクタのような投射型表示装置に用いられる光源として、主に水銀ランプが用いられている。しかしながら、環境汚染を防止するため、水銀フリーの製品の開発が望まれている。このような背景の元、水銀を含まない発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）を用いたプロジェクタが注目されている（特開２０１２−８５４９号公報参照）。ＬＥＤやＬＤは、単色光を出射する光源として知られている。特に、レーザ光は、指向性、単色性、可干渉性が高いため、高輝度で色再現性の良いプロジェクタの実現を可能にする。

ここで、「単色光」とは、単一の波長のみを有する光に限定されず、人が単一の色と認識する程度の波長分布を有する光を含むものとする。すなわち、本明細書において、「単色光」とは、ピーク波長を中心に、ある程度の波長分布を有する光を含むものとする。

レーザ光はコヒーレント光であるため、レーザの出力が低くても、レーザ光を直視すると人体に障害を与えることがある。そのため、人体への安全に配慮する必要がある。しかし、安全性と明るさはトレードオフの関係にある。すなわち、安全性を考慮してレーザ光源の出力を下げると、明るさは低下する。逆に、明るさを増大させると、レーザ光源の出力が高くなり、安全性に欠ける。

したがって、安全性を考慮しつつ高輝度な単色光を出射可能な照明光学系を提供することが望まれる。

特開２０１２−８５４９号公報

一実施形態における照明光学系は、可視光の波長領域に属する第１のピーク波長を有する単色のコヒーレント光を出射する第１の光源と、コヒーレント光と同一の色を示す波長領域に属する第２のピーク波長を有する単色のインコヒーレント光を出射する第２の光源と、コヒーレント光とインコヒーレント光のうちの一方を主に反射し、他方を主に透過するダイクロイックミラーであって、コヒーレント光の光路とインコヒーレント光の光路を合成するダイクロイックミラーと、を備えている。

本発明の投射型表示装置は、上記の照明光学系を含んでいる。

上記構成の照明光学系では、コヒーレント光とインコヒーレント光とを合成することによって、コヒーレント光の出力を抑制しつつも、高輝度な単色光を実現することができる。その結果、安全性を考慮しつつ高輝度な単色光を出射可能な照明光学系を提供することが可能となる。

本発明の上記及び他の目的、特徴、利点は、本発明を例示した添付の図面を参照する以下の説明から明らかとなろう。

本発明の一実施形態における照明光学系の概略構成を示す図である。 図１に示すダイクロイックミラーの特性の一例を示すグラフである。 ダイクロイックミラーの特性と各光源から出射した光の強度との関係の一例を示すグラフである。 ダイクロイックミラーの特性と各光源から出射した光の強度との関係の別の例を示すグラフである。 図１に示す照明光学系を含む投写型表示装置の構成を示模式図である。 投射レンズの瞳径と視角との関係を示す模式図である。

次に、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態おける照明光学系の概略構成を示している。照明光学系１０は、第１の光源１１と、第２の光源１２と、ダイクロイックミラー１３と、を備えている。第１の光源１１は偏光したコヒーレント光源である。第２の光源１２は無偏光のインコヒーレント光源である。第１の光源１１は、例えばレーザダイオードのようなレーザ光源であって良い。第２の光源１２は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）であって良い。

第１の光源１１は、可視光の波長領域に属する第１のピーク波長λ１を有する単色のコヒーレント光を射出する。このコヒーレント光は偏光している光である。第２の光源１２は、上記コヒーレント光と同一の色を示す波長領域に属する第２のピーク波長λ２を有する単色のインコヒーレント光を射出する。このインコヒーレント光は偏光していない光、すなわち、無偏光光である。第１の光源１１と第２の光源１２とは、同一色の波長領域に属する光を射出する。

第１の光源１１及び第２の光源１２は、例えば、赤色波長領域の光と青色波長領域の光と緑色波長領域の光のうちのいずれかを射出する。ここで、青色波長領域は４４０ｎｍ〜５００ｎｍの範囲であり、緑色波長領域は５００〜５８０ｎｍであり、赤色波長領域は５８０ｎｍ〜７５０ｎｍである。

第１の光源１１及び第２の光源１２は、例えば、赤色光、青色光または緑色光のような単色光を射出する。ここで、「単色光」とは、単一の波長のみを有する光に限定されず、人に単一の色と認識される程度の波長分布を有する光を含むものとする。すなわち、本明細書において、「単色光」とは、ピーク波長を中心に波長分布を有する光を含む。

ダイクロイックミラー１３は、第１の光源１１から出射したコヒーレント光と、第２の光源１２から出射したインコヒーレント光とを合成する。図１に示す例では、第１の光源１１から出射したコヒーレント光はダイクロイックミラー１３で反射する。第２の光源１２から出射したインコヒーレント光はダイクロイックミラー１３を透過する。ダイクロイックミラー１３で反射したコヒーレント光と、ダイクロイックミラー１３を透過したインコヒーレント光とは、合成されて同一の方向に進む。

図１に示す例では、ダイクロイックミラー１３は、第１の光源１１から出射したコヒーレント光を主に反射し、第２の光源１２から出射したインコヒーレント光を主に透過する。ここで、コヒーレント光のダイクロイックミラー１３への入射角も、インコヒーレント光のダイクロイックミラー１３への入射角も共に４５度である。

レーザ光のようなコヒーレント光は、レーザの出力が低くても、人体に障害を与えることがある。上記の照明光学系１０は、コヒーレント光とインコヒーレント光とを合成することによって、コヒーレント光の光源１１の出力が小さくても、高輝度な単色光を出射可能となる。そのため、高輝度な単色光を維持したまま、人体への安全に配慮し、光源１１の出力を下げることが可能となる。

図２は、ダイクロイックミラー１３の反射／透過特性を示している。図２に示す特性を有するダイクロイックミラーは、波長λ３より長い波長を有するＳ偏光の光を主に反射し、波長λ３より短い波長を有するＳ偏光の光を主に透過する。また、このダイクロイックミラーは、波長λ４より長い波長を有する無偏光の光を主に反射し、波長λ４より短い波長を有する無偏光の光を主に透過する。さらに、このダイクロイックミラーは、波長λ５より長い波長を有するＰ偏光の光を主に反射し、波長λ５より短い波長を有するＰ偏光の光を主に透過する。ここで、λ３〜λ５は、透過率が５０％になる分離波長であり、λ３＜λ４＜λ５の関係がある。換言すると、波長λ３が一番短い波長で、波長λ５が一番長い波長である。本実施例においては、Ｓ偏光の光又はＰ偏光の光はコヒーレント光に相当し、無偏光の光はインコヒーレント光に相当する。

図３は、ダイクロイックミラーの特性と各光源から出射した光の強度との関係の一例を示すグラフである。第１の光源（ＬＤ）１１から出射したコヒーレント光の波長λ１は、第２の光源（ＬＥＤ）１２から出射したインコヒーレント光の波長λ２よりも長い。第１の光源（ＬＤ）１１から出射したコヒーレント光の偏光方向は、ダイクロイックミラー１３の反射面に対してＳ偏光とされていて良い。また、ダイクロイックミラー１３は、Ｓ偏光（コヒーレント光）に対する分離波長λ３が、無偏光（インコヒーレント光）に対する分離波長λ４よりも短いという特性を有する。この場合、図３に示すように、「λ１＞λ３かつλ２＜λ４」という関係を満たすことが好ましい。ここで、「λ３＜λ４」という関係があるので、「λ３＝λ４」という関係を満たす場合と比較して、λ１とλ２との差を小さくすることができる。つまり、第２の光源（ＬＥＤ）１２から出射するインコヒーレント光のピーク波長λ２を、第１の光源（ＬＤ）１１から出射するコヒーレント光のピーク波長λ１に近づけることが可能である。

図４は、ダイクロイックミラーの特性と各光源から出射した光の強度との関係の別の例を示すグラフである。第１の光源（ＬＤ）１１から出射したコヒーレント光の波長λ１は、第２の光源（ＬＥＤ）１２から出射したインコヒーレント光の波長λ２よりも短い。図４に示す特性を有するダイクロイックミラーは、波長λ６より長い波長を有するＳ偏光の光を主に透過し、波長λ６より短い波長を有するＳ偏光の光を主に反射する。また、このダイクロイックミラーは、波長λ７より長い波長を有する無偏光の光を主に透過し、波長λ７より短い波長を有する無偏光の光を主に反射する。さらに、このダイクロイックミラーは、波長λ８より長い波長を有するＰ偏光の光を主に透過し、波長λ８より短い波長を有するＰ偏光の光を主に反射する。ここで、λ６〜λ８は、透過率が５０％になる分離波長であり、λ６＞λ７＞λ８の関係がある。換言すると、波長λ６が一番長い波長で、波長λ８が一番短い波長である。

第１の光源（ＬＤ）１１から出射したコヒーレント光はＳ偏光である。この場合、ダイクロイックミラー１３は、Ｓ偏光（コヒーレント光）に対する分離波長λ６が、無偏光（インコヒーレント光）に対する分離波長λ７よりも長いという特性を有する。この場合、図４に示すように、「λ１＜λ６かつλ２＞λ７」という関係を満たすことが好ましい。ここで、「λ６＞λ７」という関係があるので、「λ６＝λ７」という関係を満たす場合と比較して、λ１とλ２との差を小さくすることができる。

以上、Ｓ偏光のコヒーレント光をダイクロイックミラー１３で反射し、無偏光のインコヒーレント光をダイクロイックミラー１３で透過させ、２つの光を合成する場合について説明した。この場合、コヒーレント光とインコヒーレント光のピーク波長を互いに近づけることができるので、色純度の劣化が防止できる。

ところで、第１の光源（ＬＤ）１１を９０度回転するとＰ偏光のコヒーレント光を得ることができる。そして、このＰ偏光のコヒーレント光（波長λ１Ｐ）と無偏光のインコヒーレント光（波長λ２）を合成することもできる。この場合は、無偏光のインコヒーレント光をダイクロイックミラーで反射し、Ｐ偏光のコヒーレント光をダイクロイックミラーで透過するようにするのが好ましい。具体的には、図２と図３に示す特性のダイクロイックミラーを用い、「λ１Ｐ＜λ５、λ２＞λ４、λ１Ｐ＞λ２」の関係を満たせばよい。図４に示す特性のダイクロイックミラーを用いる場合には、「λ１Ｐ＞λ８、λ２＜λ７、λ１Ｐ＜λ２」の関係を満たせばよい。このようにすることでも、コヒーレント光とインコヒーレント光のピーク波長を互いに近づけることができる。

次に、上記の照明光学系を備えた投射型表示装置について説明する。図５は、一実施形態における投射型表示装置としてのプロジェクタの構成を示している。

投射型表示装置は、第１の照明光学系１０ａと第２の照明光学系１０ｂと第３の照明光学系２１，２３を備えている。第１の照明光学系１０ａと第２の照明光学系１０ｂは、図１に示す照明光学系と同様の構成を有する。

第１の照明光学系１０ａは、第１の光源１１ａと、第２の光源１２ａと、第１のダイクロイックミラー１３ａと、を有する。第１の光源１１ａは、赤色領域内の波長を有する単色のコヒーレント光を射出するレーザ光源である。第２の光源１２ａは、赤色領域内の波長を有する単色のインコヒーレント光を射出する。

第１のダイクロイックミラー１３ａは、第１の光源１１ａから出射したコヒーレント光と、第２の光源１２ａから出射したインコヒーレント光とを合成する。具体的には、第１のダイクロイックミラー１３ａは、図３に示す特性を有していて良い。この場合、第１の光源１１ａから出射したコヒーレント光はＳ偏光である。

第２の照明光学系１０ｂは、第３の光源１１ｂと、第４の光源１２ｂと、第２のダイクロイックミラー１３ｂと、を有する。第３の光源１１ｂは、青色領域内の波長を有するコヒーレント光を射出するレーザ光源である。第２の光源１２ｂは、青色領域内の波長を有するインコヒーレント光を射出する。第２のダイクロイックミラー１３ｂは、第３の光源１１ｂから出射したコヒーレント光と、第４の光源１２ｂから出射したインコヒーレント光とを合成する。この場合、第２の光源１１ｂから出射したコヒーレント光はＳ偏光である。

第３の照明光学系は緑色の光を射出する。第３の照明光学系は、青色のレーザ光を出射するレーザダイオード２１と、光の照射により緑色の蛍光を発する緑色蛍光体２３と、を備えている。ここで、レーザダイオード２１は、緑色蛍光体２３を励起させる波長の光を出射できればよいので、緑色よりも波長が短い光（例えば、青色や紫外線）であればよい。

レーザダイオード２１から出射した青色レーザ光は、ダイクロイックミラー２２を透過し、緑色蛍光体２３に照射される。これにより緑色蛍光体２３は、励起し、緑色に対応する波長を有する緑色光を放出する。

投射型表示装置は、赤色光の光路と青色光の光路と緑色光の光路とを合成する合成光学系２２，２４を有する。合成光学系は、ダイクロイックミラー２２，２４から構成されている。ダイクロイックミラー２２は、赤色波長領域及び青色波長領域の光を透過し、緑色波長領域の光を反射する特性を有する。ダイクロイックミラー２４は、赤色波長領域及び緑色波長領域の光を透過し、青色波長領域の光を反射する特性を有する。なお、合成光学系は、図５に示す具体的な構成に限定されず、３色の光を合成できる構成であれば良い。

第１の照明光学系１０ａから出射された赤色の合成光は、ダイクロイックミラー２２及びダイクロイックミラー２４を透過する。

第３の照明光学系の蛍光体２３から放出された緑色光は、ダイクロイックミラー２２で反射する。これにより、緑色光は、第１の照明光学系１０ａから出射された赤色光と合成される。

緑色光と赤色光との合成光は、ダイクロイックミラー２４を透過する。第２の照明光学系１０ｂから出射された青色の合成光は、ダイクロイックミラー２４で反射する。これにより、赤色光と緑色光と青色光とが合成される。

３色の光が合成された合成光は、レンズ群３１を透過し、ＴＩＲプリズム３２に入射する。ＴＩＲプリズム３２に入射した合成光は、ＴＩＲプリズム３２の全反射面で反射し、反射型画像素子３３に入射する。反射型画像素子３３としては、デジタルミラーデバイス（ＤＭＤ）を用いることができる。

ＤＭＤは、マトリックス状に配列された多数の微小ミラーを備えた半導体型投写デバイスである。各微小ミラーが、投射される画像の画素に対応する。各微小ミラーはその鏡面をねじれ軸周りに所定の角度、例えば±１２度または±１０度、傾斜することができるように構成されている。

各微小ミラーの下部に設けられた電極を駆動することにより、各微小ミラーを、ＯＮ状態（＋１２度傾斜）とＯＦＦ状態（−１２度）とに切り替えることができる。ＯＮ状態の微小ミラーに入射した光は、投写レンズ３４の方向に反射され、スクリーンに拡大投影される。ＯＦＦ状態の微小ミラーに入射した光は、投写レンズ３４とは異なる方向に反射され、スクリーンに投影されない。各微小ミラーにおいてＯＮ状態とＯＦＦ状態の切り替えを高速で行い、ＯＮ状態とＯＦＦ状態の時間的な比率を変化させる。これにより、各画素の階調を表現することができる。

スクリーンにカラー画像を投影するためには、各色の光を時間的に分離してＤＭＤに入射させる。つまり、各色のパルスが時間的に重ならないように、第１〜第３の照明光学系から射出される光のパルスを制御する。一例として、赤色の光を投影する場合は、赤色の光が当る瞬間だけ微小ミラーをＯＮ状態にする。

ＯＮ状態の微小ミラーで反射した光は、ＴＩＲプリズム３２を透過し、投写レンズ３４を通ってスクリーンへ結像する。これにより、スクリーン上にカラー画像が表示される。

第１の照明光学系１０ａ、第２の照明光学系及１０ｂ第３の照明光学系２１，２３は、例えば２４０Ｈｚの周波数で、各色の光パルスを発する。互いに異なる色の光パルスは同時には射出されない。つまり、赤色のパルス、緑色のパルス、青色のパルスは、時間的に分離して、順番に点灯される。一例として、青色光の点灯シーケンスは１５％，赤色の点灯シーケンス２５％とすることができる。

以下、上記の投射型表示装置において、レーザの安全性について説明する。レーザの安全性については、国際電気標準会議が制定する国際規格ＩＥＣ６０８２５−１で規定されている。この規格では、レーザは波長や強度等に応じてクラス分けされる。そのクラス毎に、許容される最大の放出レベルである「被ばく放出限界」が定められている。被ばく放射限界を求める計算式は、レーザ光の波長や被ばく時間に応じて詳細に定められている。上記のクラス分けは、以下の３つの要求事項に基づいて行われる。３つの要求事項の中で最も制限の強い被ばく放出限界の値が用いられる。
・要求事項１
パルス列内のどの単一パルスからの露光も、単一パルスに対する被ばく放射限界を超えてはならない。
・要求事項２
放出持続時間Ｔ内のパルス列の平均パワーの被ばく放射限界は、放出持続時間Ｔの時間幅を有する単一パルスの被ばく放射限界に対応するパワーを超えてはならない。
・要求事項３
パルス当たりのエネルギーは、補正係数Ｃ５を乗じた単一パルスに対する被ばく放射限界を超えてはならない。ただし、パルスの持続時間が０．２５秒未満の場合だけ、補正係数Ｃ５を乗じる。

ここでは、人間の瞬きの時間、つまりレーザ光を見てから回避行動をとるまでの時間（約０．２５ｓｅｃ）に対して網膜が損傷しないという安全性が確保されるクラスに対して検討する。上記の各要求事項における被ばく放射限界を求める計算式は、光線の波長や被ばく放射時間によって、細かく分類されている。レーザ光の波長が４００〜７００ｎｍでは、それぞれの要求事項の被ばく放射限界Ａ１〜Ａ３は以下のように表される。
・要求事項１：Ａ１＝７×１０^−４×ｔ^０．７５×Ｃ６［Ｊ］
（波長λ＝４００〜７００ｎｍ，ｔ＜０．２５［ｓｅｃ］）
・要求事項２：Ａ２＝Ｃ６×１０^−３［Ｗ］
（波長λ＝４００〜７００ｎｍ，ｔ≧０．２５［ｓｅｃ］）
・要求事項３：Ａ３＝（要求事項１の計算結果）×Ｃ５
ここで、Ｃ５，Ｃ６は補正係数であり、ｔは放出持続時間（被ばくする時間）を表す。

本実施例において、被ばく放射限界を求めるため、まず、青色レーザ光源または赤色レーザ光源から出射される青色光または赤色光の各パルスのパルス幅（時間幅）ｔｐ_ｂｌｕｅ，ｔｐ_ｒｅｄを算出する。一般的に各光源からの単一パルスのパルス幅ｔｐは、「ｔｐ＝（１／周波数）×点灯シーケンス」と表される。

ここで、本実施例では、周波数＝２４０［Ｈｚ］で各光源を順番に点灯し、青色光の点灯シーケンスは１５％，赤色の点灯シーケンス２５％であるとする。したがって、青色光及び赤色光の各パルスのパルス幅ｔｐ_ｂｌｕｅ，ｔｐ_ｒｅｄは以下のように求められる。

ｔｐ_ｂｌｕｅ＝（１／２４０［Ｈｚ］）×０．１５＝０．６２５×１０^−３［ｓ］ （１）
ｔｐ_ｒｅｄ＝（１／２４０［Ｈｚ］）×０．２５＝１．０４×１０^−３［ｓ］ （２）
これらの値ｔｐ_ｂｌｕｅ，ｔｐ_ｒｅｄが、要求事項１における放出持続時間に相当する。

次に、補正係数Ｃ６を求める。補正係数Ｃ６は、下記の式：
Ｃ６＝α／α_ｍｉｎ （３）
により求めることができる。

ここで、「α」は視角、つまり、投影される物体の両端から目までの二直線が作る角度である。α_ｍｉｎは、一般的に考えられ得る最小の視角を表している。最も小さく絞られたときにおいて、眼球網膜上の像の大きさは２５〜３０［μｍ］であり、眼球の焦点距離は約１７［ｍｍ］である。これらの数値を用いて最小の視角を計算すると、α_ｍｉｎ≒１．５となる。

図７に示すように、瞳からＬ＝１００［ｍｍ］離れた位置での視角αを求める。図７より、
ｃｏｓ（α／２）＝Ｌ／ｂ （４）
という関係式が導かれる。

ここで、「ｂ」は図中の長さ「ａ」を用いて、下記式：
ｂ＝（（ａ／２）^２＋Ｌ^２）^１／２ （５）
で表される。

また、長さ「ａ」は、投写レンズの瞳径「ｄ」を用いて下記式：
ａ＝ｄ／２^１／２ （６）
で表される。

したがって、上記（４）〜（６）式より、視覚αは、投写レンズの瞳径ｄとＬを用いて、下記数式：
α＝２×ｃｏｓ^−１（Ｌ／（ｄ^２／８＋Ｌ^２）^１／２） （７）
で表される。

本実施例の投写レンズの瞳径ｄは、青色光に対してｄ_ｂｌｕｅ＝２．３［ｍｍ］であり、赤色光に対してｄ_ｒｅｄ＝２．２［ｍｍ］である。なお、このレンズの瞳径は、実測値であるため、レーザ光の色（波長）によって若干の差がある。各光に対するレンズの瞳径と、長さＬ（＝１００［ｍｍ］）とを上記数式に代入すると、各光に対する視覚α_ｂｌｕｅ，α_ｒｅｄが以下のように得られる。
α_ｂｌｕｅ≒２３．８［ｍｒａｄ］ （８）
α_ｒｅｄ≒２２．０［ｍｒａｄ］ （９）
これらの視覚の値と、上記のα_ｍｉｎ＝１．５の値を上記数式に代入することで、それぞれの色のレーザ光に対する補正係数Ｃ６_ｂｌｕｅ，Ｃ６_ｒｅｄが、
Ｃ６_ｂｌｕｅ＝１５．９ （１０）
Ｃ６_ｒｅｄ＝１４．７ （１１）
のように求められる。

次に、補正係数Ｃ５を求める。補正係数Ｃ５は下記数式で与えられる。

Ｃ５＝Ｎ^{−０．２５}
ここで、Ｎは、放出持続時間内に放出されるパルス数である。本実施例では、人間の瞬きの時間（０．２５［ｓｅｃ］）に対して網膜が損傷しない安全が確保される範囲を考慮するため、発生する可能性のある全ての放出持続時間は０．２５［ｓｅｃ］である。したがって、放出持続時間内の各色のレーザ光のパルス数Ｎは、
Ｎ＝０．２５［ｓｅｃ］×２４０［Ｈｚ］＝６０ （１２）
となる。

したがって、補正係数Ｃ５は、
Ｃ５＝６０^{−０．２５} （１３）
によって表される。

補正係数Ｃ６の値と上記数式（１）のｔｐ_ｂｌｕｅの値を用いると、青色レーザ光に対する要求事項１の被ばく放射限界Ａ１_ｂｌｕｅは以下のように表される。
Ａ１_ｂｌｕｅ＝７×１０^−４×ｔｐ_ｂｌｕｅ ^０．７５×Ｃ６_ｂｌｕｅ［Ｊ］＝４３．９０×１０^−６［Ｊ］
ここで、被ばく時間ｔｐ_ｂｌｕｅ＝０．６２５×１０^−３［ｓｅｃ］で割って、被ばく放射限界Ａ１_ｂｌｕｅを単位換算すると、７０．２３［ｍＷ］となる。

次に、補正係数Ｃ６の値を用いると、青色レーザ光に対する要求事項２の被ばく放射限界Ａ２_ｂｌｕｅは以下のように表される。
Ａ２＝Ｃ６×１０^−３［Ｗ］＝１５．９×１０^−３［Ｗ］
上記のＡ２の値は、時間基準（Ｔ＝０．２５［ｓｅｃ］）での放出パワーを指している。そこで、Ｔ＝０．２５［ｓｅｃ］を掛けて、被ばく放射限界Ａ１_ｂｌｕｅを単位換算すると、３．９７５［Ｊ］となる。さらに、この値を、一パルス当りのエネルギーを求めるためにパルス数Ｎで割り、一パルスの被ばく時間ｔｐで割って単位換算すると、１０５．８［ｍＷ］となる。

次に、要求事項３の被ばく放射限界Ａ３_ｂｌｕｅをＡ１_ｂｌｕｅと同様に単位換算すると、２５．２３［ｍＷ］になる。したがって、最も制限の厳しい要求事項は、要求事項３となる。

赤色レーザ光に対しても、各要求事項１〜３について、上記と同様に単位換算すると、要求事項１について５７．２２［ｍＷ］、要求事項２について５８．９［ｍＷ］、要求事項３について２０．６［ｍＷ］という値が得られる。したがって、赤色レーザ光についても、最も制限の厳しい要求事項は、要求事項３となる。

上記の計算によれば、各色レーザ光の被曝放射限界は２５．２３［ｍＷ］となり、赤色レーザ光の被曝放射限界は２５．２３［ｍＷ］となる。この値は、投写レンズ３４から出射した直後で、人間の瞬きの時間０．２５［ｓｅｃ］内に網膜が損傷しないことが確保される範囲の放出限界の値である。ここで求めた被ばく放射限界は、人間の瞳径φ７［ｍｍ］の開口に入射可能な値である。これを、投写レンズ３４の出射直後で、光透過可能な面積における被ばく放射限界の値に換算する。本実施例において、投写レンズ３４の光透過面積は、２７４．３［ｍｍ^２］であった。したがって、投写レンズ出射直後での被ばく放射限界は、上記の値に、「投写レンズ光透過面積/φ７開口面積」を乗じた値として得られる。すなわち、青色レーザ光について、投写レンズ出射直後での被ばく放射限界は、１７９．７５［ｍＷ］であり、赤色レーザ光について、投写レンズ出射直後での被ばく放射限界は、１４４．６３［ｍＷ］である。

上記の投射型表示装置では、スクリーンに白色を表す場合においても、第１〜第３の照明光学系を同時に点灯することはない。したがって、投射型表示装置の被ばく放射限界は、各々の色に対応する照明光学系の被ばく放射限界と同じになる。

実際に用いられた第１の光源（ＬＤ）１１ａから出射された赤色レーザ光のピーク波長での視感度は、１０９．２［ｌｍ／Ｗ］である。また、第３の光源（ＬＤ）１１ｂから出射された青色レーザ光のピーク波長での視感度は、３２．８［ｌｍ／Ｗ］である。これらの値を用いると、投写レンズ３４出射直後における青色光の明るさ限界は５．９０［ｌｍ］であり、投写レンズ３４出射直後における赤色光の明るさ限界は１５．８［ｌｍ］である。

上記の被曝放射限界の計算は、インコヒーレント光源を考慮せず、コヒーレント光源のみ存在する場合について計算した。次に、照明光学系が、レーザ光源とＬＥＤ光源とを含む場合について、被ばく放射限界での明るさを算出する。青色ＬＥＤ（第４の光源１２ｂ）として、点灯時間の１５％で駆動したときに２０［ｌｍ］の光を放射するものを使用する。投射型表示装置の光利用効率が３０％であるため、青ＬＥＤからの光は、投写レンズ３４から出射するときに６［ｌｍ］となる。レーザ光源（第３の光源）１１ｂからの光、つまり５．９０［ｌｍ］の光と、青色ＬＥＤの光とを合成すると、１１．９［ｌｍ］の合成光となる。したがって、放射限界での明るさは約２倍になる。１１．９［ｌｍ］の光をレーザ光源１１ｂのみから出射する場合、光をレーザ光源１１ｂの視感度３２．８［ｌｍ／Ｗ］を考慮すると、レーザ光源１１ｂのパワーは３６２［ｍＷ］となる。これは、瞬きの時間０．２５［ｓｅｃ］に対して網膜が損傷しない安全が確保される範囲を大きく越えており、直接ビームを観察すると潜在的に危険なものとなってしまう。

赤色についても同様の条件で計算をする。赤色ＬＥＤ（第２の光源１２ａ）として、点灯時間の２５％で駆動したときに２０［ｌｍ］の光を放射するものを使用する。光利用効率が２５％であるため、赤ＬＥＤからの光は、投写レンズ３４から出射したときには５［ｌｍ］となっている。レーザ光源（第１の光源）１１ａからの光、つまり１５．８［ｌｍ］の光と、赤色ＬＥＤの光とを合成すると、２０．８［ｌｍ］の合成光となる。したがって、放射限界での明るさは約１．３倍になる。２０．８［ｌｍ］の光をレーザ光源１１ａのみで出射しようとした場合、赤色レーザ光源（ＬＤ）１１ａの視感度１０９．２［ｌｍ／Ｗ］を用いて算出すると、赤色レーザ光源１１ａのパワーは１９０［ｍＷ］となる。これは、瞬きの時間０．２５［ｓｅｃ］に対して網膜が損傷しない安全が確保される範囲を大きく越えており、直接のビーム観察は潜在的に危険となる。

このように、コヒーレント光源（レーザ光源）とインコヒーレント光源とを組合せることにより、安全性に考慮しながら、明るさを向上することが可能になる。

図５に示す例では、赤色波長領域の赤色光を出射する第１の照明光学系１０ａと、青色波長領域の青色光を出射する第２の照明光学系１０ｂとが、図１に示す構成を有している。しかしながら、本発明は、赤色波長領域の赤色光を出射する第１の照明光学系と、青色波長領域の青色光を出射する第２の照明光学系と、緑色波長領域の緑色光を出射する第３の照明光学系とのうちの少なくとも１つが、図１に示す構成を有していれば良い。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。

１０，１０ａ，１０ｂ 照明光学系
１１，１１ａ 第１の光源
１２，１２ａ 第２の光源
１１ｂ 第３の光源
１２ｂ 第４の光源
１３，１３ａ，１３ｂ ダイクロイックミラー
２１ レーザダイオード
２２，２４ ダイクロイックミラー
２３ 蛍光体
３１ レンズ群
３２ ＴＩＲプリズム
３３ 反射型画像素子
３４ 投写レンズ

Claims (9)

1. 可視光の波長領域に属する第１のピーク波長を有する単色のコヒーレント光を出射する第１の光源と、
   前記コヒーレント光と同一の色を示す波長領域に属する第２のピーク波長を有する単色のインコヒーレント光を出射する第２の光源と、
   前記コヒーレント光と前記インコヒーレント光のうちの一方を主に反射し、他方を主に透過するダイクロイックミラーであって、前記コヒーレント光の光路と前記インコヒーレント光の光路を合成するダイクロイックミラーと、を備えた照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系であって、
   前記ダイクロイックミラーは、コヒーレント光に対する透過率が５０％になる第１の分離波長が、インコヒーレント光に対する透過率が５０％になる第２の分離波長よりも小さいという特性を有し、
   前記第１のピーク波長が前記第１の分離波長よりも大きく、
   前記第２のピーク波長が前記第２の分離波長よりも小さい、照明光学系。
3. 請求項１に記載の照明光学系であって、
   前記ダイクロイックミラーは、コヒーレント光に対する透過率が５０％になる第１の分離波長が、インコヒーレント光に対する透過率が５０％になる第２の分離波長よりも大きいという特性を有し、
   前記第１のピーク波長が前記第１の分離波長よりも小さく、
   前記第２のピーク波長が前記第２の分離波長よりも大きい、照明光学系。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
   前記ダイクロイックミラーは前記コヒーレント光を主に反射し、前記コヒーレント光は前記ダイクロイックミラーに対してＳ偏光である、照明光学系。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の照明光学系であって、
   前記コヒーレント光源はレーザ光源である、照明光学系。
6. 赤色波長領域の赤色光を出射する第１の照明光学系と、
   青色波長領域の青色光を出射する第２の照明光学系と、
   緑色波長領域の緑色光を出射する第３の照明光学系と、を備え、
   前記第１の照明光学系、前記第２の照明光学系及び前記第３の照明光学系のうちの少なくとも１つは、
   可視光の波長領域に属する第１のピーク波長を有する単色のコヒーレント光を出射する第１の光源と、
   前記コヒーレント光と同一の色を示す波長領域に属する第２のピーク波長を有する単色のインコヒーレント光を出射する第２の光源と、
   前記コヒーレント光と前記インコヒーレント光のうちの一方を主に反射し、他方を主に透過するダイクロイックミラーであって、前記コヒーレント光の光路と前記インコヒーレント光の光路を合成するダイクロイックミラーと、を備えている、照明光学系。
7. 請求項６に記載の照明光学系であって、
   前記第１の照明光学系、前記第２の照明光学系及び前記第３の照明光学系は、前記赤色光のパルスと前記青色光のパルスと前記緑色光のパルスとが時間的に重ならないように、それぞれ前記赤色光、前記青色光及び前記緑色光を出射する、照明光学系。
8. 請求項６又は７に記載の照明光学系であって、
   前記赤色光の光路と前記青色光の光路と前記緑色光の光路とを合成する合成光学系をさらに有する、照明光学系。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の照明光学系を備えた投射型表示装置。
   

Images