WO2012077192A1 - 照明光学系、およびそれを備えた投写型表示装置 - Google Patents

照明光学系、およびそれを備えた投写型表示装置 Download PDF

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裕之 斉藤
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Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to an illumination optical system and a projection display device including the illumination optical system.
  • a projector using an LED as a light source has an advantage of long life and high reliability due to the life and reliability of the LED.
  • the LED projector has a problem that it is difficult to realize a high-luminance image display due to the etendue limitation as described below.
  • the product of the light emitting area and the emission angle of the light source is the product of the area of the display element and the capture angle determined by the F number of the illumination optical system.
  • the amount of light is less than that of other light sources, so even if the amount of light can be increased by increasing the light emitting area, this leads to an increase in etendue. Therefore, as a result, the light use efficiency is lowered, and it becomes impossible to realize a high-luminance image display.
  • an illumination optical system of the present invention includes a first light source that emits first color light and second color light, and a second light source that emits third color light.
  • the first light source separates the semiconductor laser element that emits linearly polarized laser light and the laser light emitted from the semiconductor laser element spatially and temporally, thereby generating the first excitation light and the second excitation light.
  • Excitation light generating means for generating the first fluorescent light, a first phosphor that is excited by the first excitation light and emits the first color light, and a second phosphor that is excited by the second excitation light and emits the second color light. And a phosphor.
  • the excitation light generating means converts the incident laser light into one of two lights whose polarization directions are orthogonal to each other, and two lights converted by the liquid crystal element according to the difference in the polarization directions.
  • An optical space separation means for spatially separating the first excitation light and the second excitation light.
  • a projection display apparatus comprising: the illumination optical system described above; a light modulation element that modulates light emitted from the illumination optical system in accordance with an image signal; and light modulated by the light modulation element.
  • a projection optical system for projecting comprising: the illumination optical system described above; a light modulation element that modulates light emitted from the illumination optical system in accordance with an image signal; and light modulated by the light modulation element.
  • an illumination optical system capable of improving the brightness without increasing the etendue and increasing the size of the apparatus, and a projection display apparatus including the illumination optical system.
  • FIG. 2 is a wavelength-transmittance characteristic diagram of a dichroic prism in the liquid crystal projector of FIG. It is the schematic which shows the structure of the DMD projector provided with the illumination optical system of the 2nd Embodiment of this invention. It is a schematic front view which shows the structure of DMD in the DMD projector of FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the state in which the micromirror in DMD of FIG. 4 inclined.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an optical system of a liquid crystal projector in the present embodiment.
  • the liquid crystal projector 1 has an illumination optical system 2 including a first light source that emits first color light and second color light, and a second light source that emits third color light.
  • a first color light and the second color light are red light and green light, respectively, and the third color light is blue light will be described as an example.
  • the present invention is not limited to this.
  • the first color light may be green light and the second color light may be red light, or the third color light may be red light or green light. It may be.
  • the present invention has a great feature in the configuration of the first light source that emits two colored lights.
  • any light source can be used as the second light source. Therefore, the combination of the two color lights in the first light source can be selected in consideration of the configuration of the second light source.
  • the first light source 10 includes a laser light source unit (laser light source unit) 11 that emits linearly polarized laser light, a red phosphor (first phosphor) 12 that emits red light (first color light) R, and A green phosphor (second phosphor) 13 that emits green light (second color light) G. That is, in this embodiment, red light R and green light G are emitted by exciting the red phosphor 12 and the green phosphor 13 with laser light, respectively. Further, the first light source 10 generates the first excitation light E1 and the second excitation light E2 by separating the laser light emitted from the laser light source unit 11 spatially and temporally. Means 18 are included.
  • the first excitation light E1 is used to excite the red phosphor
  • the second excitation light E2 is used to excite the green phosphor.
  • a common laser light source laser light source unit
  • the two phosphors 12 and 13 arranged independently without using separate laser light sources. 11
  • the laser light source unit 11 has a plurality of blue laser diodes 11a as semiconductor laser elements that emit laser light. That is, in this embodiment, blue laser light is used as excitation light for exciting the red phosphor 12 and the green phosphor 13.
  • the laser light source unit 11 includes a collimating lens 11b for making the laser light emitted from the blue laser diode 11a parallel light, a mechanism component 11c for holding the blue laser diode 11a and the collimating lens 11b, and a blue laser diode. And a cooling unit (not shown) for cooling 11a.
  • each blue laser diode 11a is arranged in the laser light source unit 11 so that the polarization direction of the laser light is parallel to the paper surface of FIG.
  • the excitation light generation means 18 includes a liquid crystal element 14 that temporally separates the laser light from the laser light source unit 11, a dichroic prism 15 that spatially separates the two lights temporally separated by the liquid crystal element 14, have.
  • the liquid crystal element 14 has a function of converting the polarization direction of the incident laser light in accordance with the applied voltage. That is, the liquid crystal element 14 can change the polarization direction of the laser light transmitted through the liquid crystal element 14 between a state where no voltage is applied (OFF state) and a state where a voltage is applied (ON state). it can. Specifically, in the OFF state, the laser beam can be transmitted as it is, and in the ON state, the polarization direction of the laser beam can be rotated by 90 ° and transmitted. The OFF state and the ON state can be switched in a time division manner, whereby the liquid crystal element 14 can emit two lights whose polarization directions are orthogonal to each other in a time division manner.
  • a dichroic prism 15 is disposed on the emission side of the liquid crystal element 14.
  • the dichroic prism 15 generates two light beams (linearly polarized light beams) whose polarization directions are orthogonal to each other and emitted from the liquid crystal element 14 in accordance with the difference in the polarization direction. It is configured to be separated spatially. That is, the dichroic prism 15 has a polarization separation function that transmits linearly polarized light that becomes P-polarized light and reflects linearly polarized light that becomes S-polarized light with respect to the dichroic prism 15.
  • the dichroic prism 15 can transmit the laser light that has passed through the liquid crystal element 14 as it is and emit it as the first excitation light E1.
  • the liquid crystal element 14 is in the ON state, the laser light whose polarization direction has been converted by the liquid crystal element 14 can be reflected and emitted as the second excitation light E2.
  • the dichroic prism 15 is configured to reflect the red light R emitted from the red phosphor 12 and transmit the green light G emitted from the green phosphor 13. Therefore, the dichroic prism 15 of this embodiment has not only a polarization separation function but also a function of combining the red light R and the green light G. Thereby, further downsizing of the apparatus can be realized.
  • the liquid crystal element 14 is preferably configured to change the time ratio per unit time between the ON state and the OFF state. Thereby, the light quantity ratio between the red light R and the green light G per unit time is adjusted by changing the generation ratio of the first excitation light E1 and the second excitation light E2 from the dichroic prism 15. It becomes possible. Furthermore, it is also preferable that the laser output of the laser light source unit 11 is adjustable in synchronization with this time ratio. With such a configuration, it is possible to adjust the time ratio between the ON state and the OFF state of the liquid crystal element 14 according to the image signal to be displayed, or to adjust the laser output in synchronization with this time ratio. Become. As a result, it is possible to improve contrast and reduce power consumption.
  • the P-polarized light transmitted through the dichroic prism 15 is defined as the first excitation light E1
  • the S-polarized light reflected from the dichroic prism 15 is defined as the second excitation light E2. Needless to say, it may be.
  • the dichroic prism 15 transmits P-polarized light and reflects S-polarized light will be briefly described.
  • FIG. 2 is a wavelength-transmittance characteristic diagram of the dichroic prism 15.
  • FIG. 2 shows transmittance characteristic curves of the dichroic prism 15 for P-polarized light and S-polarized light, respectively.
  • the transmittance characteristic curve of the dichroic prism 15 with respect to P-polarized light tends to spread toward the short wavelength side and the long wavelength side with respect to S polarized light. Therefore, even when P-polarized light and S-polarized light having the same wavelength are incident on the dichroic prism 15, one can be transmitted and the other can be reflected. Therefore, by selecting the wavelength of the laser light emitted from the laser light source unit 11 to be, for example, ⁇ EX , the dichroic prism 15 can transmit the P-polarized light and reflect the S-polarized light.
  • condenser lens groups 16 and 17 are arranged on the front side of the red phosphor 12 and the green phosphor 13, respectively.
  • the red light R and the green light G are emitted from the first light source 10 through the same optical path, but need to be incident on liquid crystal units 40r, 40g, and 40b described later through different optical paths.
  • the illumination optical system 2 includes a first dichroic mirror 37 that reflects the red light R and transmits the green light G on the optical path of the color light RG emitted from the first light source 10.
  • the PS converter 35 is set so that the light emitted from the PS converter 35 is S-polarized with respect to the first dichroic mirror 37.
  • the liquid crystal projector 1 has a blue LED 20 as a second light source.
  • Some optical elements are arranged on the optical path of the blue light B emitted from the blue LED 20 in the same manner as the first light source 10 side.
  • two condensing lenses 21 and 23 that condense the blue light B radiated from the blue LED 20 are disposed via the reflection mirror 22.
  • the lens arrays 24 and 25, the PS converter (polarization conversion element) 26, and the condenser lens 27 are also arranged in the same manner.
  • the liquid crystal projector 1 of the present embodiment includes liquid crystal units (light modulation elements) 40r, 40g, and 40b that modulate the color lights R, G, and B emitted from the illumination optical system 2 in accordance with image signals.
  • Each of the liquid crystal units 40r, 40g, and 40b includes liquid crystal panels 41r, 41g, and 41b that modulate the color lights R, G, and B, and incident-side polarizing plates 42r, 42g, and 42b provided on the incident side of the liquid crystal panels 41r, 41g, and 41b. 42b and emission side polarizing plates 43r, 43g, 43b provided on the emission side.
  • reflection mirrors 44r, 44g, 44b for changing the optical paths of the color lights R, G, B, and the liquid crystal units 40r, 40g, 40b.
  • Condensing lenses 45r, 45g, and 45b for adjusting the incident angle to are arranged.
  • the PS converter 26 described above is set so that S-polarized light enters the reflection mirrors 44r, 44g, and 44b.
  • the liquid crystal projector 1 includes a cross dichroic prism (light combining optical system) 51 that combines and emits the respective color lights R, G, and B modulated by the liquid crystal units 40r, 40g, and 40b, and the combined light on a screen or the like.
  • Laser light emitted from the laser light source unit 11 enters the liquid crystal element 14.
  • the linearly polarized laser light is emitted after being temporally separated into light that passes through the liquid crystal element 14 as it is and light that rotates through the polarization direction and passes through the liquid crystal element 14.
  • the two linearly polarized lights transmitted through the liquid crystal element 14 enter the dichroic prism 15 respectively.
  • the linearly polarized light that is P-polarized light with respect to the dichroic prism 15 passes through the dichroic prism 15 and is emitted as the first excitation light E1. Thereafter, the first excitation light E ⁇ b> 1 is collected by the condenser lens group 16 and enters the red phosphor 12 arranged on the optical axis of the laser light source unit 11. The red phosphor 12 is excited by the first excitation light E1 and emits randomly polarized red light R. The red light R emitted from the red phosphor 12 is converged by the condenser lens group 16 and enters the dichroic prism 15.
  • the linearly polarized light that is S-polarized light with respect to the dichroic prism 15 is reflected by the dichroic prism 15 and is emitted as the second excitation light E2.
  • the second excitation light E ⁇ b> 2 is collected by the condenser lens group 17 and enters the green phosphor 13.
  • the green phosphor 13 is excited by the second excitation light E2 and emits randomly polarized green light G.
  • the green light G emitted from the green phosphor 13 is converged by the condenser lens group 17 and enters the dichroic prism 15.
  • the red light R is reflected by the dichroic prism 15 and the green light G is transmitted through the dichroic prism 15 so that the red light R and the green light G are combined by the dichroic prism 15.
  • the combined color light RG is reflected by the reflection mirror 31, and then the illumination distribution is made uniform by the lens arrays 33 and 34, and the PS converter 35 aligns the first dichroic mirror 37 with S-polarized light. In this way, the color light RG having a uniform illumination distribution and a uniform polarization direction is collected by the condenser lens 36 and is incident on the first dichroic mirror 37.
  • Color light RG incident on the first dichroic mirror 37 is separated two red light R and the green light G min, the reflection mirror 44r, 44 g and the condenser lens 45r, via the 45 g, respectively the liquid crystal unit 40r, to 40g Sent.
  • the blue light B emitted from the blue LED 20 enters the lens arrays 24 and 25 via the condenser lenses 21 and 23 and the reflection mirror 22.
  • the blue light B whose illumination distribution is made uniform by the lens arrays 24 and 25 is made S-polarized by the PS converter 26 with respect to the reflection mirror 44b, and then enters the condenser lens 27.
  • the blue light B collected by the condenser lens 27 is sent to the liquid crystal unit 40b via the reflection mirror 44b and the condenser lens 45b.
  • Each color light R, G, B is modulated in accordance with the image signal by the liquid crystal units 40r, 40g, 40b, respectively.
  • the modulated color lights R, G, and B are emitted to the cross dichroic prism 51 and synthesized by the cross dichroic prism 51.
  • the combined light enters the projection lens 52, is projected onto the screen or the like by the projection lens 52, and is displayed as an image.
  • a combination of a semiconductor laser element and a phosphor is used as a light source for red light and green light.
  • an LED is used as the second light source that emits the third color light.
  • the present invention is not limited to this, and a light source other than the LED may be used. Can be used.
  • the second light source may emit blue light by exciting the phosphor with laser light.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the optical system of the DMD projector in the present embodiment.
  • This embodiment is a modified example in which the configuration of the display element (light modulation element) is changed with respect to the first embodiment, and a DMD is used instead of the liquid crystal unit of the first embodiment. Accordingly, in the present embodiment, the arrangement configuration of the optical system is changed with respect to the first embodiment, but the configuration of each light source 10, 20 itself is the same as that of the first embodiment.
  • the same members as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals in each drawing, and description thereof is omitted.
  • a second dichroic mirror 38 that transmits red light R and green light G and reflects blue light B is added to the first embodiment.
  • the second dichroic mirror 38 is disposed between the first light source 10 and the reflection mirror 31.
  • the blue LED 20 is arranged so that the blue light B is incident on the second dichroic mirror 38 via the condenser lens group 29. Thereby, the second dichroic mirror 38 can emit the combined light RGB composed of the three color lights R, G, and B.
  • no optical elements other than the condensing lens attached to the first dichroic mirror 37 and the second light source (blue LED) 20 in the first embodiment are provided. Further, since it is not necessary to convert the emitted light into light having a specific polarization component, the polarization conversion element (PS converter 35) provided in the first embodiment is not provided.
  • the illumination optical system 4 needs not only to emit the red light R, the green light G, and the blue light B as the combined light RGB in the same optical path, but also to emit in a time division manner. Therefore, in the present embodiment, ON / OFF of the laser light source unit 11 and the blue LED 20 is switched in a time division manner according to the time ratio between the OFF state and the ON state of the liquid crystal element 14.
  • the DMD projector 3 includes a DMD 61 that is a display element, and a total reflection (TIR) prism 62 disposed on the front side of the DMD 61, that is, between the DMD 61 and the projection lens 52. . Further, between the illumination optical system 4 and the TIR prism 62, a reflection mirror 63 for changing the optical path of the combined light RGB and a condenser lens 64 are arranged.
  • TIR total reflection
  • FIG. 4A is a schematic front view showing the configuration of the DMD 61
  • FIG. 4B is a schematic front view showing the vicinity of a region surrounded by a dotted line in FIG. 4A in an enlarged manner.
  • the DMD 61 is composed of a large number of micromirrors (pixels) 61a arranged in a matrix, and is arranged in the DMD projector 3 so that light enters from the direction of the arrow in FIG.
  • Each micromirror 61a is configured to tilt ⁇ 12 ° with an axis 61a orthogonal to the incident light as a rotation axis.
  • the rotation axis 61a of the micromirror 61a is a diagonal direction of the square micromirrors 61 and is inclined by 45 ° with respect to the arrangement direction of the micromirrors 61a.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 4 (b).
  • FIGS. 5 (a) and 5 (b) are micromirrors when tilted by + 12 ° and ⁇ 12 °, respectively. 61a is shown. 5A and 5B also schematically show the arrangement of the projection lens 52 with respect to each micromirror 61a.
  • the micro mirror 61a is turned on when tilted by + 12 °. That is, as shown in FIG. 5A, in the ON state, light incident on the micromirror 61 (see the arrow L1 in the figure) is reflected in a direction (see the arrow L2 in the figure) so that it can enter the projection lens 52. Is done. On the other hand, when tilted by -12 °, the micro mirror 61a is turned off. That is, as shown in FIG. 5B, the light incident on the micromirror 61a (see the arrow L1 in the figure) is reflected in a direction that cannot enter the projection lens 52 (see the arrow L3 in the figure).
  • the DMD 61 projects a color image through the projection lens 52 by switching the micromirrors 61a between the ON state and the OFF state in synchronization with the color lights R, G, and B incident in a time division manner. be able to.
  • the red light R and the green light G are emitted from the first light source 10 along the same optical path as in the first embodiment, and enter the second dichroic mirror 38.
  • the blue light B emitted from the blue LED 20 is also incident on the second dichroic mirror 38 via the condenser lens group 29.
  • the red light R and the green light G are transmitted through the second dichroic mirror 38, and the blue light B is reflected from the second dichroic mirror 38, so that the three color lights R, G, and B are converted into the second dichroic mirror 38.
  • Is synthesized by The combined color light RGB is reflected by the reflection mirror 31, and the irradiation distribution is made uniform by the lens arrays 33 and 34, condensed by the condenser lens 36, and emitted from the illumination optical system 4.
  • the color light RGB emitted from the illumination optical system 4 enters the TIR prism 62 via the reflection mirror 63 and the condenser lens 64.
  • the color light RGB incident on the TIR prism 62 is reflected by the air gap surface in the TIR prism 62, enters the DMD 61, and is modulated by the DMD 61 in accordance with the image signal.
  • the modulated light passes through the TIR prism 62, enters the projection lens 52, is projected onto the screen or the like by the projection lens 52, and is displayed as an image.

Abstract

　エテンデューの増加や装置の大型化をもたらすことなく、明るさを向上させることができる照明光学系を提供する。　第１および第２の色光Ｒ，Ｇを射出する第１の光源１０と、第３の色光Ｂを射出する第２の光源２０と、を有し、第１の光源１０が、直線偏光のレーザ光を射出する半導体レーザ素子１１ａと、半導体レーザ素子１１ａからのレーザ光を空間的および時間的に分離して、第１および第２の励起光Ｅ１，Ｅ２を生成する励起光生成手段１８と、第１の励起光Ｅ１により第１の色光Ｒを発する第１の蛍光体１２と、第２の励起光Ｅ２により第２の色光Ｇを発する第２の蛍光体１３と、を有し、励起光生成手段１８が、入射するレーザ光を偏光方向が互いに直交する２つの光のいずれかに変換する液晶素子１４と、その２つの光を、偏光方向の違いに応じて、第１および第２の励起光Ｅ１，Ｅ２に空間的に分離する光空間分離手段１５と、を有している。

Description

照明光学系、およびそれを備えた投写型表示装置
　本発明は、照明光学系、およびそれを備えた投写型表示装置に関する。
　近年、液晶パネルやデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を表示素子として使用する投写型表示装置（プロジェクタ）において、発光ダイオード（ＬＥＤ）を光源として用いる技術が注目されている（例えば、特許文献１参照）。
　ＬＥＤを光源とするプロジェクタ（ＬＥＤプロジェクタ）には、ＬＥＤの寿命と信頼性とに起因して、長寿命で高信頼性を有しているという利点がある。
特開２００３－１８６１１０号公報
　一方、ＬＥＤプロジェクタには、以下に示すように、エテンデューの制限から、高輝度な画像表示を実現するのが困難であるという問題がある。
　表示素子へ光を投写する照明光学系においては、光源の発光面積と放射角とで決まるエテンデューという制限を考慮する必要がある。つまり、光源からの光を投写光として有効に利用するためには、光源の発光面積と放射角との積の値を、表示素子の面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にする必要がある。しかしながら、ＬＥＤの場合、他の光源と比べて光量が少ないため、発光面積を大きくすることで光量を上げることができたとしても、そのことがエテンデューの増加につながってしまう。したがって、結果的に光の利用効率が低下して、高輝度な画像表示を実現することができなくなる。
　このように、プロジェクタの光源としては発光面積を大きくせずに光量を上げることが望まれているが、これをＬＥＤだけで実現するのは困難である。
　これに対して、光量の増加という観点からは、各色光に対してＬＥＤ以外の他の光源を用いることも考えられる。しかしながら、そのことで部品数が増加し、プロジェクタ全体が大型化することは好ましくない。
　そこで本発明は、エテンデューの増加や装置の大型化をもたらすことなく、明るさを向上させることができる照明光学系を提供することを目的とする。また、本発明は、その照明光学系を備えた投写型表示装置を提供することも目的とする。
　上述した目的を達成するために、本発明の照明光学系は、第１の色光と第２の色光とを射出する第１の光源と、第３の色光を射出する第２の光源と、を有している。第１の光源は、直線偏光のレーザ光を射出する半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子から射出されたレーザ光を空間的および時間的に分離して、第１の励起光と第２の励起光とを生成する励起光生成手段と、第１の励起光によって励起され、第１の色光を発する第１の蛍光体と、第２の励起光によって励起され、第２の色光を発する第２の蛍光体と、を有している。励起光生成手段は、入射するレーザ光を偏光方向が互いに直交する２つの光のいずれかに変換する液晶素子と、液晶素子によって変換された２つの光を、その偏光方向の違いに応じて、第１の励起光と第２の励起光とに空間的に分離する光空間分離手段と、を有している。
　また、本発明の投写型表示装置は、上記に記載の照明光学系と、画像信号に応じて照明光学系から射出される光を変調する光変調素子と、光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えている。
　以上、本発明によれば、エテンデューの増加や装置の大型化をもたらすことなく、明るさを向上させることができる照明光学系と、それを備えた投写型表示装置とを提供することができる。
本発明の第１の実施形態の照明光学系を備えた液晶プロジェクタの構成を示す概略図である。 図１の液晶プロジェクタにおけるダイクロイックプリズムの波長－透過率特性図である。 本発明の第２の実施形態の照明光学系を備えたＤＭＤプロジェクタの構成を示す概略図である。 図３のＤＭＤプロジェクタにおけるＤＭＤの構成を示す概略正面図である。 図４のＤＭＤにおける微小ミラーが傾斜した状態を示す概略断面図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
　（第１の実施形態）
　まず、本発明の第１の実施形態として、液晶パネルを表示素子として使用する投写型表示装置（液晶プロジェクタ）の照明光学系について説明する。
　図１は、本実施形態における液晶プロジェクタの光学系の構成を示す概略図である。
　液晶プロジェクタ１は、第１の色光と第２の色光とを射出する第１の光源と、第３の色光を射出する第２の光源と、を備えた照明光学系２を有している。以下では、第１の色光および第２の色光が、それぞれ赤色光および緑色光であり、第３の色光が青色光である場合を例に挙げて説明する。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば、第１の色光が緑色光で、第２の色光が赤色光であってもよく、あるいは、第３の色光が赤色光または緑色光であってもよい。本発明は、以下に示すように、２つの色光を射出する第１の光源の構成に大きな特徴があるが、第２の光源としては、任意の光源が使用可能である。そのため、第１の光源における２つの色光の組み合わせは、第２の光源の構成も考慮して選択することができる。
　第１の光源１０は、直線偏光のレーザ光を射出するレーザ光源ユニット（レーザ光源部）１１と、赤色光（第１の色光）Ｒを発する赤色蛍光体（第１の蛍光体）１２と、緑色光（第２の色光）Ｇを発する緑色蛍光体（第２の蛍光体）１３と、を有している。すなわち、本実施形態では、赤色蛍光体１２と緑色蛍光体１３とをそれぞれレーザ光で励起することによって、赤色光Ｒと緑色光Ｇとを射出するようになっている。さらに、第１の光源１０は、レーザ光源ユニット１１から射出されたレーザ光を空間的および時間的に分離して、第１の励起光Ｅ１と第２の励起光Ｅ２とを生成する励起光生成手段１８を有している。第１の励起光Ｅ１は、赤色蛍光体を励起するために用いられ、第２の励起光Ｅ２は、緑色蛍光体を励起するために用いられる。この励起光生成手段１８の機能により、本実施形態では、独立して配置された２つの蛍光体１２，１３に対して、それぞれ別のレーザ光源を用いることなく、共通のレーザ光源（レーザ光源ユニット１１）を用いることが可能となる。これにより、部品数の増加と、それに伴う装置の大型化を抑制することが可能となる。
　レーザ光源ユニット１１は、レーザ光を射出する半導体レーザ素子として、複数の青色レーザダイオード１１ａを有している。すなわち、本実施形態では、赤色蛍光体１２および緑色蛍光体１３を励起するための励起光として、青色レーザ光が用いられる。また、レーザ光源ユニット１１は、青色レーザダイオード１１ａから射出されたレーザ光を平行光にするためのコリメートレンズ１１ｂと、青色レーザダイオード１１ａとコリメートレンズ１１ｂとを保持する機構部品１１ｃと、青色レーザダイオード１１ａを冷却する冷却ユニット（図示せず）と、を有している。なお、本実施形態では、各青色レーザダイオード１１ａは、レーザ光の偏光方向が図１の紙面に対して平行となるように、レーザ光源ユニット１１内に配置されている。
　励起光生成手段１８は、レーザ光源ユニット１１からのレーザ光を時間的に分離する液晶素子１４と、液晶素子１４によって時間的に分離された２つの光を空間的に分離するダイクロイックプリズム１５と、を有している。
　液晶素子１４は、印加させる電圧に応じて、入射するレーザ光の偏光方向を変換する機能を有している。すなわち、液晶素子１４は、電圧が印加されていない状態（ＯＦＦ状態）と電圧が印加された状態（ＯＮ状態）との間で、液晶素子１４を透過するレーザ光の偏光方向を変化させることができる。具体的には、ＯＦＦ状態では、レーザ光をそのまま透過させ、ＯＮ状態では、レーザ光の偏光方向を９０°回転させて透過させることができる。このＯＦＦ状態とＯＮ状態とは時分割で切り替えることができ、これにより、液晶素子１４は、偏光方向が互いに直交する２つの光を時分割で射出することが可能となる。
　液晶素子１４の出射側には、ダイクロイックプリズム１５が配置されている。このダイクロイックプリズム１５は、液晶素子１４から射出された偏光方向が互いに直交する２つの光（直線偏光）を、その偏光方向の違いに応じて、第１の励起光Ｅ１と第２の励起光Ｅ２とに空間的に分離するように構成されている。すなわち、ダイクロイックプリズム１５は、ダイクロイックプリズム１５に対してＰ偏光となる直線偏光を透過させ、Ｓ偏光となる直線偏光を反射させる偏光分離機能を有している。これにより、ダイクロイックプリズム１５は、液晶素子１４がＯＦＦ状態のときには、液晶素子１４をそのまま透過したレーザ光を透過させて、第１の励起光Ｅ１として射出することが可能となる。一方、液晶素子１４がＯＮ状態のときには、液晶素子１４によって偏光方向が変換されたレーザ光を反射させて、第２の励起光Ｅ２として射出することが可能となる。
　また、ダイクロイックプリズム１５は、赤色蛍光体１２が発した赤色光Ｒを反射させるとともに、緑色蛍光体１３が発した緑色光Ｇを透過させるように構成されている。したがって、本実施形態のダイクロイックプリズム１５は、偏光分離機能だけでなく、赤色光Ｒと緑色光Ｇとを合成する機能も有している。これにより、装置のさらなる小型化を実現することができる。
　液晶素子１４は、ＯＮ状態とＯＦＦ状態との単位時間当たりの時間比率を変化できるように構成されていることが好ましい。これにより、ダイクロイックプリズム１５からの第１の励起光Ｅ１と第２の励起光Ｅ２との生成比率を変化させることで、単位時間当たりでの赤色光Ｒと緑色光Ｇとの光量比率を調整することが可能となる。さらに、この時間比率に同期して、レーザ光源ユニット１１のレーザ出力が調整可能に構成されていることも好ましい。このような構成によって、表示する画像信号に応じて、液晶素子１４のＯＮ状態とＯＦＦ状態との時間比率を調整したり、この時間比率に同期してレーザ出力を調整したりすることが可能となる。これにより、コントラストの向上や消費電力の削減が可能となる。
　なお、本明細書では、ダイクロイックプリズム１５を透過したＰ偏光を第１の励起光Ｅ１として定義し、ダイクロイックプリズム１５を反射したＳ偏光を第２の励起光Ｅ２として定義しているが、その逆であってもよいことは言うまでもない。
　ここで、図２を参照して、ダイクロイックプリズム１５が、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させる原理について簡単に説明する。
　図２は、ダイクロイックプリズム１５の波長－透過率特性図である。図２には、それぞれＰ偏光およびＳ偏光に対するダイクロイックプリズム１５の透過率特性曲線が示されている。
　図２からわかるように、Ｐ偏光に対するダイクロイックプリズム１５の透過率特性曲線は、Ｓ偏光の場合に対して、短波長側および長波長側にそれぞれ広がる傾向を示している。そのため、同じ波長のＰ偏光およびＳ偏光をダイクロイックプリズム１５に入射した場合でも、一方を透過させ、他方を反射させることが可能となる。したがって、レーザ光源ユニット１１から射出されるレーザ光の波長を例えばλＥＸに選択することで、ダイクロイックプリズム１５は、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させることが可能となる。
　なお、赤色蛍光体１２および緑色蛍光体１３の前面側には、図１に示すように、それぞれ集光レンズ群１６，１７が配置されている。
　本実施形態では、赤色光Ｒおよび緑色光Ｇは、第１の光源１０から同一の光路で射出されるが、後述する液晶ユニット４０ｒ，４０ｇ，４０ｂに対しては、互いに異なる光路で入射させる必要がある。そのために、照明光学系２には、第１の光源１０から射出される色光ＲＧの光路上に、赤色光Ｒを反射させ、緑色光Ｇ透過させる第１のダイクロイックミラー３７が配置されている。この第１のダイクロイックミラー３７と第１の光源１０との間には、反射ミラー１５と集光レンズ３６とを介して、入射した光の照射分布を均一化するレンズアレイ３３，３４と、光の偏光方向を所定の方向に揃えるＰＳコンバータ（偏光変換素子）３５と、が設けられている。なお、本実施形態では、ＰＳコンバータ３５は、ＰＳコンバータ３５から射出される光が第１のダイクロイックミラー３７に対してＳ偏光となるように設定されている。
　上述のように、赤色光Ｒおよび緑色光Ｇの生成には、レーザ光と蛍光体とが用いられている。これに対して、青色光Ｂの生成には、半導体発光素子であるＬＥＤが用いられている。すなわち、液晶プロジェクタ１は、第２の光源として、青色ＬＥＤ２０を有している。
　青色ＬＥＤ２０から射出される青色光Ｂの光路上には、第１の光源１０側と同様に、いくつかの光学素子が配置されている。青色ＬＥＤ２０の出射側には、青色ＬＥＤ２０から放射される青色光Ｂを集光する２つの集光レンズ２１，２３が、反射ミラー２２を介して配置されている。また、レンズアレイ２４，２５、ＰＳコンバータ（偏光変換素子）２６、および集光レンズ２７も同様に配置されている。
　また、本実施形態の液晶プロジェクタ１は、照明光学系２から射出された各色光Ｒ，Ｇ，Ｂを画像信号に応じて変調する液晶ユニット（光変調素子）４０ｒ，４０ｇ，４０ｂを有している。各液晶ユニット４０ｒ，４０ｇ，４０ｂは、色光Ｒ，Ｇ，Ｂを変調する液晶パネル４１ｒ，４１ｇ，４１ｂと、液晶パネル４１ｒ，４１ｇ，４１ｂの入射側に設けられた入射側偏光板４２ｒ，４２ｇ，４２ｂと、出射側に設けられた出射側偏光板４３ｒ，４３ｇ，４３ｂと、を有している。
　照明光学系１０と各液晶ユニット４０ｒ，４０ｇ，４０ｂとの間には、各色光Ｒ，Ｇ，Ｂの光路を変更するための反射ミラー４４ｒ，４４ｇ，４４ｂと、各液晶ユニット４０ｒ，４０ｇ，４０ｂへの入射角度を調整する集光レンズ４５ｒ，４５ｇ，４５ｂと、が配置されている。なお、反射ミラー４４ｒ，４４ｇ，４４ｂに対してＳ偏光が入射するように、前述のＰＳコンバータ２６は設定されている。
　さらに、液晶プロジェクタ１は、液晶ユニット４０ｒ，４０ｇ，４０ｂによって変調された各色光Ｒ，Ｇ，Ｂを合成して射出するクロスダイクロイックプリズム（光合成光学系）５１と、合成された光をスクリーンなどに投写して表示する投写レンズ（投写光学系）５２と、を有している。
　次に、再び図１を参照して、本実施形態の液晶プロジェクタ１で画像が投写される動作について説明する。
　レーザ光源ユニット１１から射出されたレーザ光は、液晶素子１４に入射する。直線偏光のレーザ光は、液晶素子１４をそのまま透過する光と、偏光方向が回転して液晶素子１４を透過する光とに時間的に分離されて射出される。液晶素子１４を透過した２つの直線偏光は、それぞれダイクロイックプリズム１５に入射する。
　ダイクロイックプリズム１５に対してＰ偏光である直線偏光は、ダイクロイックプリズム１５を透過し、第１の励起光Ｅ１として射出される。その後、第１の励起光Ｅ１は、集光レンズ群１６によって集光されて、レーザ光源ユニット１１の光軸上に配置された赤色蛍光体１２に入射する。赤色蛍光体１２は、第１の励起光Ｅ１によって励起され、ランダム偏光の赤色光Ｒを発する。赤色蛍光体１２から放射された赤色光Ｒは、集光レンズ群１６で集束し、ダイクロイックプリズム１５に入射する。
　一方、ダイクロイックプリズム１５に対してＳ偏光である直線偏光は、ダイクロイックプリズム１５を反射し、第２の励起光Ｅ２として射出される。その後、第２の励起光Ｅ２は、集光レンズ群１７によって集光されて、緑色蛍光体１３に入射する。緑色蛍光体１３は、第２の励起光Ｅ２によって励起され、ランダム偏光の緑色光Ｇを発する。緑色蛍光体１３から放射された緑色光Ｇは、集光レンズ群１７で集束し、ダイクロイックプリズム１５に入射する。
　赤色光Ｒがダイクロイックプリズム１５を反射し、緑色光Ｇがダイクロイックプリズム１５を透過することで、赤色光Ｒと緑色光Ｇとは、ダイクロイックプリズム１５によって合成される。合成された色光ＲＧは、反射ミラー３１を反射した後、レンズアレイ３３，３４で照射分布が均一化され、ＰＳコンバータ３５で第１のダイクロイックミラー３７に対してＳ偏光に揃えられる。こうして、照射分布が均一化され偏光方向が揃えられた色光ＲＧは、集光レンズ３６で集光されて、第１のダイクロイックミラー３７に入射する。
　第１のダイクロイックミラー３７に入射した色光ＲＧは、赤色光Ｒと緑色光Ｇとに分離され、反射ミラー４４ｒ，４４ｇと集光レンズ４５ｒ，４５ｇとを介して、それぞれ液晶ユニット４０ｒ，４０ｇへと送られる。
　これに対して、青色ＬＥＤ２０から射出された青色光Ｂは、集光レンズ２１，２３と反射ミラー２２とを介して、レンズアレイ２４，２５へと入射する。レンズアレイ２４，２５で照射分布が均一化された青色光Ｂは、ＰＳコンバータ２６で反射ミラー４４ｂに対してＳ偏光に揃えられた後、集光レンズ２７に入射する。集光レンズ２７で集光された青色光Ｂは、反射ミラー４４ｂと集光レンズ４５ｂとを介して、液晶ユニット４０ｂへと送られる。
　各色光Ｒ，Ｇ，Ｂは、それぞれ液晶ユニット４０ｒ，４０ｇ，４０ｂで画像信号に応じて変調される。変調された各色光Ｒ，Ｇ，Ｂは、クロスダイクロイックプリズム５１へと射出され、クロスダイクロイックプリズム５１によって合成される。合成された光は、投写レンズ５２へと入射し、投写レンズ５２によってスクリーンなどに投写されて、画像として表示される。
　このように、本実施形態の照明光学系では、赤色光および緑色光の光源として、半導体レーザ素子と蛍光体との組み合わせが用いられている。これにより、それぞれの光源としてＬＥＤを用いた場合とは異なり、発光面積を大きくすることなく、光量を増加させることが可能となる。そのため、エテンデューの増加を抑えて、光の利用効率を向上させることができ、照明光学系の明るさを向上させることが可能となる。このとき本実施形態では、液晶素子とダイクロイックプリズムとから構成され、レーザ光を空間的および時間的に分離することができる励起光生成手段を用いることで、独立して配置された２つの蛍光体に対して共通のレーザ光源を使用することが可能となる。これにより、部品数の増加や、それに伴う装置の大型化をもたらすことなく、上述した明るさの向上を実現することも可能となる。
　なお、本実施形態では、第３の色光を射出する第２の光源として、ＬＥＤを用いているが、先に述べたように、これに限定されることはなく、ＬＥＤ以外の他の光源を用いることができる。例えば、第２の光源が、第１の光源と同様に、蛍光体をレーザ光で励起することによって青色光を射出するようになっていてもよい。
　（第２の実施形態）
　次に、本発明の第２の実施形態として、デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）を表示素子として使用する投写型表示装置（ＤＭＤプロジェクタ）の照明光学系について説明する。
　図４は、本実施形態におけるＤＭＤプロジェクタの光学系の構成を示す概略図である。
　本実施形態は、第１の実施形態に対して、表示素子（光変調素子）の構成を変更した変更例であり、第１の実施形態の液晶ユニットの代わりに、ＤＭＤが用いられている。それに伴い、本実施形態では、光学系の配置構成が第１の実施形態に対して変更されているが、各光源１０，２０自体の構成は第１の実施形態と同様である。なお、以下では、第１の実施形態と同じ部材については各図面に同じ符号を付し、説明は省略する。
　本実施形態の照明光学系４では、第１の実施形態に対して、赤色光Ｒおよび緑色光Ｇを透過させ、青色光Ｂを反射させる第２のダイクロイックミラー３８が追加されている。第２のダイクロイックミラー３８は、第１の光源１０と反射ミラー３１との間に配置されている。青色ＬＥＤ２０は、この第２のダイクロイックミラー３８に集光レンズ群２９を介して青色光Ｂを入射するように配置されている。これにより、第２のダイクロイックミラー３８は、３つの色光Ｒ，Ｇ，Ｂからなる合成光ＲＧＢを射出することができる。なお、本実施形態では、第１の実施形態における、第１のダイクロイックミラー３７や、第２の光源（青色ＬＥＤ）２０に付属した、集光レンズ以外の他の光学素子は設けられていない。また、射出光を特定の偏光成分の光に変換する必要がないため、第１の実施形態で設けられていた偏光変換素子（ＰＳコンバータ３５）も設けられていない。
　本実施形態のＤＭＤプロジェクタ３では、後述するように、いわゆる単板方式を用いてカラー画像を投影している。そのため、照明光学系４は、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂを、合成光ＲＧＢとして同一光路で射出するだけでなく、時分割して射出する必要がある。そのために、本実施形態では、液晶素子１４のＯＦＦ状態とＯＮ状態の時間比率に応じて、レーザ光源ユニット１１や青色ＬＥＤ２０のＯＮ／ＯＦＦが時分割で切り替えられるように構成されている。カラー画像の各色成分に対するこれらの時分割動作パターンを、一例として、表１に示しておく。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　さらに、本実施形態のＤＭＤプロジェクタ３は、表示素子であるＤＭＤ６１と、ＤＭＤ６１の前面側、すなわちＤＭＤ６１と投写レンズ５２との間に配置された全反射（ＴＩＲ）プリズム６２と、を有している。また、照明光学系４とＴＩＲプリズム６２との間には、合成光ＲＧＢの光路を変更するための反射ミラー６３と、集光レンズ６４と、が配置されている。
　ここで、本実施形態のＤＭＤプロジェクタ３に用いたＤＭＤ６１の構成について説明する。
　図４（ａ）は、ＤＭＤ６１の構成を示す概略正面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）において点線で囲まれた領域付近を拡大して示す概略正面図である。
　ＤＭＤ６１は、マトリクス状に配列された多数の微小ミラー（画素）６１ａから構成され、図４（ａ）の矢印の方向から光が入射するように、ＤＭＤプロジェクタ３内に配置されている。各微小ミラー６１ａは、入射光と直交する軸６１ａを回転軸として±１２°傾斜するように構成されている。微小ミラー６１ａの回転軸６１ａは、正方形状の各微小ミラー６１の対角線方向であり、微小ミラー６１ａの配列方向に対して４５°傾いている。
　図５は、図４（ｂ）のＡ－Ａ’線に沿った概略断面図であり、図５（ａ）および図５（ｂ）は、それぞれ＋１２°および－１２°傾斜したときの微小ミラー６１ａを示している。なお、図５（ａ）および図５（ｂ）には、各微小ミラー６１ａに対する投写レンズ５２の配置も模式的に示されている。
　微小ミラー６１ａは、＋１２°傾斜したときにＯＮ状態となる。すなわち、図５（ａ）に示すように、ＯＮ状態では、微小ミラー６１に入射した光（図中矢印Ｌ１参照）は、投写レンズ５２に入射できるような方向（図中矢印Ｌ２参照）に反射される。一方、－１２°傾斜したときには、微小ミラー６１ａはＯＦＦ状態となる。すなわち、図５（ｂ）に示すように、微小ミラー６１ａに入射した光（図中矢印Ｌ１参照）は、投写レンズ５２に入射できない方向（図中矢印Ｌ３参照）に反射される。
　このようにして、ＤＭＤ６１は、時分割で入射する各色光Ｒ，Ｇ，Ｂに同期して、各微小ミラー６１ａのＯＮ状態とＯＦＦ状態とを切り替えることで、投写レンズ５２を通じてカラー画像を投影することができる。
　最後に、再び図３を参照して、本実施形態のＤＭＤプロジェクタ３で画像が投写される動作について説明する。
　赤色光Ｒおよび緑色光Ｇは、第１の実施形態と同様に、第１の光源１０から同一の光路で射出され、第２のダイクロイックミラー３８に入射する。第２のダイクロイックミラー３８には、青色ＬＥＤ２０から射出された青色光Ｂも、集光レンズ群２９を介して同様に入射する。
　赤色光Ｒおよび緑色光Ｇが第２のダイクロイックミラー３８を透過し、青色光Ｂが第２のダイクロイックミラー３８を反射することで、３つの色光Ｒ，Ｇ，Ｂは、第２のダイクロイックミラー３８によって合成される。合成された色光ＲＧＢは、反射ミラー３１で反射した後、レンズアレイ３３，３４で照射分布が均一化され、集光レンズ３６で集光されて、照明光学系４から射出される。
　照明光学系４から射出された色光ＲＧＢは、反射ミラー６３と集光レンズ６４とを介して、ＴＩＲプリズム６２に入射する。ＴＩＲプリズム６２に入射した色光ＲＧＢは、ＴＩＲプリズム６２内のエアギャップ面で反射して、ＤＭＤ６１に入射し、ＤＭＤ６１で画像信号に応じて変調される。変調された光は、ＴＩＲプリズム６２を透過して、投写レンズ５２へと入射し、投写レンズ５２によってスクリーンなどに投写されて、画像として表示される。
　１　液晶プロジェクタ
　２，４　照明光学系
　３　ＤＭＤプロジェクタ
　１０　第１の光源
　１１　レーザ光源ユニット
　１１ａ　青色レーザダイオード
　１１ｂ　コリメートレンズ
　１１ｃ　機構部品
　１２　赤色蛍光体
　１３　緑色蛍光体
　１４　液晶素子
　１５　ダイクロイックプリズム
　１６，１７，２９　集光レンズ群
　１８　励起光生成手段
　２０　青色ＬＥＤ
　２１，２３，２７，３６，４５ｒ，４５ｇ，４５ｂ，６４　集光レンズ
　２２，３１，４４ｒ，４４ｇ，４４ｂ，６３　反射ミラー
　２４，２５，３３，３４　レンズアレイ
　２６，３５　ＰＳコンバータ
　３７　第１のダイクロイックミラー
　３８　第２のダイクロイックミラー
　４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ　液晶ユニット
　４１ｒ，４１ｇ，４１ｂ　液晶パネル
　４２ｒ，４２ｇ，４２ｂ　入射側偏光板
　４０ｒ，４０ｇ，４０ｂ　出射側偏光板
　５１　クロスダイクロイックプリズム
　５２　投写レンズ
　６１　ＤＭＤ
　６２　ＴＩＲプリズム

Claims (8)

  1. 　第１の色光と第２の色光とを射出する第１の光源と、第３の色光を射出する第２の光源と、を有する照明光学系であって、
    　前記第１の光源が、
    　直線偏光のレーザ光を射出する半導体レーザ素子と、
    　前記半導体レーザ素子から射出された前記レーザ光を空間的および時間的に分離して、第１の励起光と第２の励起光とを生成する励起光生成手段と、
    　前記第１の励起光によって励起され、前記第１の色光を発する第１の蛍光体と、
    　前記第２の励起光によって励起され、前記第２の色光を発する第２の蛍光体と、
    　を有し、
    　前記励起光生成手段が、
    　入射する前記レーザ光を偏光方向が互いに直交する２つの光のいずれかに変換する液晶素子と、
    　前記液晶素子によって変換された前記２つの光を、その偏光方向の違いに応じて、前記第１の励起光と前記第２の励起光とに空間的に分離する光空間分離手段と、を有する、
    　照明光学系。
  2. 　請求項１に記載の照明光学系であって、前記液晶素子が、印加される電圧に応じて、前記レーザ光の偏光方向を変換するようになっている、請求項１に記載の照明光学系。
  3. 　請求項２に記載の照明光学系であって、前記液晶素子が、電圧が印加されていない状態では、前記レーザ光をそのまま透過させ、電圧が印加された状態では、前記レーザ光の偏光方向を９０°回転させて透過させるようになっている、請求項２に記載の照明光学系。
  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、前記光空間分離手段が、前記第１の蛍光体が発した前記第１の色光と、前記第２の蛍光体が発した前記第２の色光とを合成する機能を有する、請求項１から３のいずれか１項に記載の照明光学系。
  5. 　請求項４に記載の照明光学系であって、前記光空間分離手段が、偏光方向が互いに直交する前記２つの光の一方を透過させ、他方を反射させる偏光分離機能を備えたダイクロイックプリズムから構成され、該ダイクロイックプリズムが、前記第１および第２の色光の一方を透過させ、他方を反射させるようになっている、請求項４に記載の照明光学系。
  6. 　前記第２の光源が半導体発光素子を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の照明光学系。
  7. 　請求項１から６のいずれか１項に記載の照明光学系であって、前記第１の色光が、赤色光および緑色光の一方であり、前記第２の色光が、赤色光および緑色光の他方であり、前記第３の色光が青色光である、請求項１から６のいずれか１項に記載の照明光学系。
  8. 　請求項１から７のいずれか１項に記載の照明光学系と、画像信号に応じて前記照明光学系から射出される光を変調する光変調素子と、該光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えた投写型表示装置。
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