WO2013038488A1 - 照明光学系および投写型表示装置 - Google Patents

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WO2013038488A1
WO2013038488A1 PCT/JP2011/070793 JP2011070793W WO2013038488A1 WO 2013038488 A1 WO2013038488 A1 WO 2013038488A1 JP 2011070793 W JP2011070793 W JP 2011070793W WO 2013038488 A1 WO2013038488 A1 WO 2013038488A1
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light
optical system
phosphor layer
polarization
conversion unit
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PCT/JP2011/070793
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Inventor
裕之 斉藤
Original Assignee
Ｎｅｃディスプレイソリューションズ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
    • G03B—APPARATUS OR ARRANGEMENTS FOR TAKING PHOTOGRAPHS OR FOR PROJECTING OR VIEWING THEM; APPARATUS OR ARRANGEMENTS EMPLOYING ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ACCESSORIES THEREFOR
    • G03B21/00—Projectors or projection-type viewers; Accessories therefor
    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2006—Lamp housings characterised by the light source
    • G03B21/2033—LED or laser light sources
    • G03B21/204—LED or laser light sources using secondary light emission, e.g. luminescence or fluorescence
    • G—PHYSICS
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    • G03B21/14—Details
    • G03B21/20—Lamp housings
    • G03B21/2073—Polarisers in the lamp house

Definitions

  • the present invention relates to an illumination optical system and a projection display device including the illumination optical system.
  • An illumination optical system an image forming element that modulates light (illumination light) emitted from the illumination optical system based on an image signal, and a projection optical system that projects light (image light) modulated by the image forming element
  • the illumination optical system includes a light source and a plurality of optical elements for guiding light emitted from the light source to the image forming element.
  • a liquid crystal panel, DMD (Micro Mirror Device), or the like is used for the image forming element.
  • a projection display device using a liquid crystal panel as an image forming element is generally called a “liquid crystal projector”, and a projection display device using a DMD is generally called a “DMD projector”.
  • Patent Document 1 describes a projection display device including an illumination optical system that uses an LED as a light source.
  • LEDs emit less light than discharge lamps. For this reason, in order to obtain a bright image, it is important to increase the light emission amount of the LED and improve the utilization efficiency of the light emitted from the LED. In order to increase the light emission amount of the LED, it is necessary to enlarge the light emission area of the LED. On the other hand, in order to improve the light utilization efficiency, it is necessary to reduce the etendue of the LED. Specifically, it is necessary to make the etendue of the LED equal to or less than the product of the area of the light incident surface of the image forming element and the light capture angle.
  • the etendue of the LED is determined by the product of the light emitting area of the LED and the solid angle (radiation angle) of the light emitted from the LED. Therefore, if the light emission area of the LED is increased in order to increase the light emission amount, the etendue increases and the light use efficiency decreases.
  • the illumination optical system according to the present invention is an illumination optical system used in a projection display device.
  • One of the illumination optical systems according to the present invention includes a solid-state light source, and a light conversion unit that converts the first light emitted from the solid-state light source into second light having a peak wavelength different from that of the first light.
  • a polarization conversion element that aligns the polarization direction of the second light, and an optical system that guides the second light emitted from the light conversion unit to the polarization conversion element.
  • the light conversion unit is formed on a first surface on which a wavelength selection film that transmits the first light and reflects the second light is formed, and on a part of the surface of the wavelength selection film.
  • a phosphor layer that is excited by the first light and emits the second light.
  • the polarization conversion element has a polarization separation surface and a reflection surface alternately arranged at a first pitch, and a polarization direction of light reflected by the reflection surface matches a polarization direction of light transmitted through the polarization separation surface. And a phase difference plate.
  • the optical system includes a high light intensity region corresponding to a region where the phosphor layer is formed on the first surface of the light conversion unit, and the first surface of the light conversion unit, A secondary light source image having a light intensity distribution in which a low light intensity region corresponding to a region where a phosphor layer is not formed alternately exists at a second pitch equal to or less than the first pitch, On the incident surface.
  • Another illumination optical system includes a solid-state light source, a second light having a peak wavelength different from that of the first light, and the first light emitted from the solid-state light source, A light conversion unit that converts the light into a third light having a different peak wavelength from the second light, a first polarization conversion element that aligns the polarization direction of the second light, and the third light A second polarization conversion element that aligns the polarization direction, a first optical system that guides the second light emitted from the light conversion unit to the first polarization conversion element, and a light emitted from the light conversion unit And a second optical system for guiding the third light to the second polarization conversion element.
  • the light conversion unit is a phosphor layer formed on a first surface and a part of the first surface, and is a first phosphor that is excited by the first light and emits the second light.
  • the first and second polarization conversion elements are polarized light separation surfaces and reflection surfaces alternately arranged at a first pitch, and light transmitted through the polarization separation surface with a polarization direction of light reflected by the reflection surfaces. And a retardation plate that matches the polarization direction.
  • the first optical system includes a high light intensity region corresponding to a region where the first phosphor layer is formed on the first surface of the light conversion unit, and the first light conversion unit. And a low light intensity region corresponding to the region where the second phosphor layer is formed on the surface of the surface having a light intensity distribution alternately present at a second pitch equal to or less than the first pitch.
  • a next light source image is formed on the incident surface of the first polarization conversion element.
  • the second optical system includes a high light intensity region corresponding to a region where the second phosphor layer is formed on the first surface of the light conversion unit, and the first light conversion unit.
  • a secondary light source image having a light intensity distribution in which low light intensity regions corresponding to regions on which the first phosphor layer is formed alternately exist at the second pitch, It is formed on the incident surface of the second polarization conversion element.
  • an illumination optical system having high brightness and a small etendue and a projection display device provided with the illumination optical system are realized.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a first embodiment of the illumination optical system of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged plan view showing the light conversion unit.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing a first surface of the light conversion unit.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the light intensity distribution of the secondary light source image.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing a polarization conversion element.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing an example of a projection display device provided with the illumination optical system of the present invention.
  • 7A and 7B are schematic plan views showing the light emitting surface of the LED
  • FIG. 7C is a schematic plan view showing the first surface of the light conversion unit.
  • FIG. 8 is an enlarged plan view showing the light conversion unit.
  • FIG. 1 is a schematic plan view showing a first embodiment of the illumination optical system of the present invention.
  • FIG. 2 is an enlarged plan view showing the light conversion unit.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing
  • FIG. 9 is a schematic plan view showing a second opening of the light tunnel.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing another example of a projection display device provided with the illumination optical system of the present invention.
  • FIG. 11 is a schematic plan view showing a first surface of the light conversion unit.
  • FIG. 12 is a schematic plan view showing a first surface of the light conversion unit.
  • FIG. 1 is a plan view showing a configuration of an illumination optical system according to the present embodiment.
  • the illustrated illumination optical system includes a solid-state light source 10, five lenses (lenses 11, 12, 13, 14, 15), a dichroic mirror 16, a light tunnel 17, and a polarization conversion element 18.
  • the light tunnel 17 is a hollow prism with a reflection surface formed inside, and rectangular openings are formed at both ends.
  • first opening the opening through which the light emitted from the solid light source 10 enters
  • second opening the opening opposite to the first opening.
  • the solid light source 10 and the light tunnel 17 face each other.
  • the lenses 11, 12 and 13, the dichroic mirror 16 and the lens 14 are arranged in this order between the solid light source 10 and the light tunnel 17 facing each other.
  • the lens 15 is disposed between the dichroic mirror 16 and the polarization conversion element 18.
  • a light conversion unit 20 is provided in the second opening of the light tunnel 17.
  • FIG. 2 shows the light conversion unit 20 in an enlarged manner.
  • the light conversion unit 20 includes a glass block 21 having a substantially trapezoidal cross-sectional shape.
  • the glass block 21 is attached to the second opening of the light tunnel 17 such that one surface (bottom surface 22) closes the second opening of the light tunnel 17.
  • a wavelength selection film 23 is formed on the entire bottom surface 22 of the glass block 21 that covers the second opening of the light tunnel 17.
  • the wavelength selection film 23 has wavelength selectivity that transmits light (peak wavelength ⁇ 1) emitted from the solid light source 10 and reflects light having a longer wavelength (peak wavelength ⁇ 2) than light emitted from the solid light source 10. .
  • a reflective film 24 is formed on a surface other than the bottom surface of the glass block 21.
  • a phosphor layer 25 is partially formed on the wavelength selection film 23 formed on the glass block bottom surface 22. Specifically, the phosphor layer 25 is laminated only on one half of the surface of the wavelength selection film.
  • the phosphor layer 25 is formed by applying a medium in which the phosphor is dispersed to a predetermined region on the surface of the wavelength selection film.
  • a medium for example, a silicon-based binder, glass, translucent ceramics, or the like can be used.
  • the first light (excitation light) emitted from the solid light source 10 passes through the lenses 11 to 13, the dichroic mirror 16, and the lens 14 and enters the light tunnel 17 from the first opening of the light tunnel 17.
  • the excitation light incident on the light tunnel 17 reaches the light conversion unit 20 while being repeatedly reflected in the light tunnel 17.
  • a part of the excitation light reaching the light conversion unit 20 is incident on the front surface of the phosphor layer 25 to excite the phosphor.
  • Another part of the excitation light that reaches the light conversion unit 20 passes through the wavelength selection film 23 and enters the glass block 21.
  • the excitation light incident on the glass block 21 is reflected by the reflection film 24 and incident on the back surface of the phosphor layer 25 to excite the phosphor.
  • the second light fluorescence
  • the excitation light incident on the glass block 21 is reflected by the reflection film 24 and incident on the back surface of the phosphor layer 25 to excite the phosphor.
  • the second light fluorescence
  • light is emitted from the phosphor excited by the excitation light.
  • light is emitted from the region where the phosphor layer 25 is formed, but no light is emitted from the region where the phosphor layer 25 is not formed. That is, adjacent light emitting portions and non-light emitting portions exist on the glass block bottom surface 22 (on the wavelength selection film 23).
  • the light emitted from the phosphor layer 25 enters the light tunnel 17 from the second opening of the light tunnel 17.
  • the light incident on the light tunnel 17 reaches the first opening while being repeatedly reflected in the light tunnel 17.
  • the light emitted from the first opening of the light tunnel 17 is reflected by the dichroic mirror 16 and enters the lens 15.
  • the lens 14 and the lens 15 are designed to form a secondary light source image on the incident surface of the polarization conversion element 18. Specifically, it is designed so that an image of the light conversion unit 20 (glass block bottom surface 22) is formed on the incident surface of the polarization conversion element 18. Further, the light incident on the polarization conversion element 18 through the lenses 14 and 15 is reflected a plurality of times in the light tunnel 17. Therefore, a plurality of secondary light source images are formed in an array on the incident surface of the polarization conversion element 18. Further, in each secondary light source image, the light intensity of the portion corresponding to the light emitting portion (region where the phosphor layer 25 is formed) is increased, and the non-light emitting portion (region where the phosphor layer 25 is not formed).
  • a secondary light source image having a light intensity distribution as shown in FIG. 4 is formed on the incident surface of the polarization conversion element 18. Specifically, a secondary light source image having a light intensity distribution in which high light intensity regions 31 and low light intensity regions 32 are alternately arranged in stripes is formed.
  • the light tunnel 17 only needs to have at least a pair of opposing reflecting surfaces.
  • the diameter of the light tunnel 17 in the present embodiment gradually increases from the second opening toward the first opening, the diameter of the light tunnel may be constant.
  • the polarization conversion element 18 emits light having a uniform polarization direction by rotating the polarization plane of the incident light. Specifically, either the P-polarized component or the S-polarized component contained in the incident light is transmitted, and the other polarization plane is rotated by 90 °.
  • the polarization conversion element 18 includes a polarization beam splitter 40 and a phase difference plate (1/2 wavelength plate) 41.
  • polarization separation films 42 and reflection films 43 are alternately arranged at a predetermined pitch.
  • the phase difference plate 41 is disposed on the exit surface of the polarization beam splitter 40 and on the optical path of the light reflected by the reflection film 43.
  • the phase difference plate 41 may be disposed on the light exit surface of the polarization beam splitter 40 and on the optical path of the light transmitted through the polarization separation film 42.
  • the polarization conversion element 18 is set so that the arrangement pitch of the polarization separation film 42 and the reflection film 43 is not less than the arrangement pitch of the high light intensity region 31 and the low light intensity region 32 shown in FIG. Furthermore, the polarization conversion element 18 is designed and arranged so that light belonging to the high light intensity region 31 shown in FIG. 4 enters the corresponding polarization separation film 42. Therefore, the light belonging to each high light intensity region 31 enters the corresponding polarization separation film 42 and is separated according to the polarization component. Specifically, the P-polarized component contained in the light incident on the polarization separation film 42 is transmitted through the polarization separation film 42, and the S-polarized component is reflected toward the reflection film 43.
  • the S-polarized component incident on the reflective film 43 is reflected by the reflective film 43 and enters the phase difference plate 41.
  • the S-polarized component incident on the phase difference plate 41 is converted into a P-polarized component by rotating the plane of polarization by 90 ° by the phase difference plate 41.
  • the etendue of the illumination optical system according to the present embodiment depends on the area of the light emitting part of the light conversion part 20 (area of the phosphor layer 25). That is, the etendue of the illumination optical system according to the present embodiment depends on the area of the phosphor layer 25 and does not depend on the area of the light emitting surface of the solid light source 10. Therefore, even if the light emitting surface of the solid light source 10 is enlarged to increase the light emission amount of the solid light source 10, the etendue of the illumination optical system does not increase. On the other hand, when the light emission amount of the solid light source 10 increases, the amount of light emitted from the phosphor layer 25 increases. In general, an illumination optical system that achieves high-luminance illumination light with a small etendue is realized.
  • the solid layer 25 it is necessary to stop the light emitted from the light source 10.
  • the light emitted from the solid light source 10 is reduced, a part of the light is lost. Therefore, in this embodiment, as shown in FIG. 2, a part of the light emitted from the solid light source 10 is incident on the front surface of the phosphor layer 25 and the other part is incident on the rear surface of the phosphor layer 25. ing. With this configuration, the light emitted from the solid light source 10 can be used without waste.
  • FIG. 6 shows an example of a projection display device to which the present invention is applied.
  • the projection display apparatus according to the present embodiment includes a first blue LED 110, lenses 111, 112, 113, 114, and 115, a dichroic mirror 116, a light tunnel 117G, and a polarization conversion element 118.
  • the blue LED 110 corresponds to the solid light source 10 shown in FIG. 1
  • the lenses 111 to 115 correspond to the lenses 11 to 15 shown in FIG. 1
  • the dichroic mirror 116 is the dichroic mirror shown in FIG. 16
  • the light tunnel 117G corresponds to the light tunnel 17 shown in FIG. 1
  • the polarization conversion element 118 corresponds to the polarization conversion element 18 shown in FIG.
  • the blue LED 110 faces the first opening of the light tunnel 117G.
  • the lenses 111, 112, 113, the dichroic mirror 116, and the lens 114 are arranged in this order between the blue LED 110 and the first opening of the light tunnel 117G.
  • a light conversion unit 120 corresponding to the light conversion unit 20 illustrated in FIG. 1 is provided in the second opening of the light tunnel 117G.
  • the dichroic mirror 116 has wavelength selectivity that transmits blue light and reflects green light.
  • the projection display apparatus further includes a second blue LED 201 and a red LED 202.
  • the blue LED 201 is provided at one end of the light tunnel 117B
  • the red LED 202 is provided at one end of the light tunnel 117R.
  • the light tunnels 117B and 117R have the same shape, size and function as the light tunnel 117G.
  • FIG. 7A is a plan view showing a light emitting surface of the first blue LED 110
  • FIG. 7B is a plan view showing light emitting surfaces of the second blue LED 201 and the red LED 202.
  • the light emitting surface of the first blue LED 110 has an area twice that of the light emitting surfaces of the second blue LED 201 and the red LED 202.
  • the area of the light emitting surface of the first blue LED 110 is 12.0 mm 2 (width 4.0 mm ⁇ height 3.0 mm)
  • the area of the light emitting surface of the second blue LED 201 and the red LED 202 is 6.0.
  • mm 2 widthth 2.0 mm x height 3.0 mm. Therefore, the light emission amount of the first blue LED 110 is twice the light emission amount of the second blue LED 201 and the red LED 202.
  • FIG.7 (c) is a top view which shows the bottom face 122 of the glass block 121 which comprises the light conversion part 120 shown in FIG.
  • the glass block bottom surface 122 has the same shape and size as the light emitting surface of the first blue LED 110. That is, the area of the glass block bottom surface 122 is 12.0 mm 2 (width 4.0 mm ⁇ height 3.0 mm).
  • a wavelength selection film 123 is formed on the entire surface of the glass block bottom surface 122, and a phosphor layer 125 is laminated on the left half of the surface of the wavelength selection film.
  • the area of the wavelength selection film 123 is 12.0 mm 2 (width 4.0 mm ⁇ height 3.0 mm), and the area of the phosphor layer 125 is 6.0 mm 2 (width 2.0 mm ⁇ height 3.0 mm).
  • the shape and dimensions of the phosphor layer 125 are the same as those of the light emitting surfaces of the second blue LED 201 and the red LED 202.
  • the phosphor layer 125 in this embodiment includes a phosphor that is excited by the blue light emitted from the first blue LED 110 and emits green light.
  • the wavelength selection film 123 has wavelength selectivity that transmits blue light emitted from the first blue LED 110 and reflects green light emitted from the phosphor layer 125.
  • the first light (blue light / excitation light) emitted from the first blue LED 110 passes through the lenses 111, 112, 113, the dichroic mirror 116, and the lens 114 and enters the light tunnel 117G.
  • the excitation light incident on the light tunnel 117G passes through the light tunnel 117G and reaches the light conversion unit 120.
  • part of the excitation light that reaches the light conversion unit 120 enters the front surface of the phosphor layer 125.
  • Another part of the excitation light that has reached the light conversion unit 120 passes through the wavelength selection film 123 and enters the glass block 121.
  • the excitation light incident on the glass block 121 is reflected by the reflective film 124 formed on the side surface of the glass block 121 and is incident on the back surface of the phosphor layer 125. Then, the phosphor contained in the phosphor layer 125 is excited by the excitation light incident from the front surface or the back surface of the phosphor layer 125, and second light (green light / fluorescence) is emitted from the phosphor layer 125. .
  • the green light emitted from the phosphor layer 125 enters the light tunnel 117G from the second opening of the light tunnel 117G.
  • the green light incident on the light tunnel 117G reaches the first opening while being repeatedly reflected in the light tunnel 117G.
  • the green light emitted from the first opening of the light tunnel 117G passes through the lens 114 and enters the dichroic mirror 116.
  • the green light incident on the dichroic mirror 116 is reflected by the dichroic mirror 116, passes through the dichroic mirror 301, and enters the lens 115.
  • the second blue LED 201 occupies the left half of the second opening of the light tunnel 117B. In other words, the left half of the second opening of the light tunnel 117 ⁇ / b> B is covered with the light emitting surface of the blue LED 201.
  • the red LED 202 occupies the right half of the second opening of the light tunnel 117R. In other words, the right half of the second opening of the light tunnel 117R is covered with the light emitting surface of the red LED 202.
  • the light (blue light) emitted from the second blue LED 201 enters the light tunnel 117B from the second opening of the light tunnel 117B.
  • the blue light incident on the light tunnel 117B reaches the first opening of the light tunnel 117B while being repeatedly reflected in the light tunnel 117B.
  • the blue light emitted from the first opening of the light tunnel 117B passes through the lens 302 and the dichroic mirrors 116 and 301 and enters the lens 115.
  • the light (red light) emitted from the red LED 202 enters the light tunnel 117R from the second opening of the light tunnel 117R.
  • the red light incident on the light tunnel 117R reaches the first opening of the light tunnel 117R while being repeatedly reflected in the light tunnel 117R.
  • the red light emitted from the first opening of the light tunnel 117R passes through the lenses 303 and 304, is reflected by the dichroic mirror 301, and enters the lens 115.
  • the secondary light source image is formed on the incident surface of the polarization conversion element 118 by the light incident on the lens 115 as described above. Specifically, an image of the light conversion unit 120 (glass block bottom surface 122), an image of the light emitting surface of the blue LED 201, and an image of the light emitting surface of the red LED 202 are formed on the incident surface of the polarization conversion element 118. Further, the light incident on the polarization conversion element 118 is reflected a plurality of times in the light tunnels 117R, 117G, and 117B. Therefore, the images are formed in an array on the incident surface of the polarization conversion element 118 and superimposed.
  • the image of the glass block bottom surface 122 the light intensity of the portion corresponding to the light emitting portion (region where the phosphor layer 125 is formed) on the glass block bottom surface 122 is strong, and the non-light emitting portion (phosphor layer is The light intensity of the portion corresponding to the (non-formed region) is weak.
  • the image of the glass block bottom surface 122 has a light intensity distribution in which the high light intensity regions 31 and the low light intensity regions 32 are alternately arranged in stripes (see FIG. 4).
  • the image of the light emitting surface of the blue LED 201 and the image of the light emitting surface of the red LED 202 are superimposed on the high intensity region 31. As described above, white light having an excellent light amount balance can be obtained.
  • the luminous efficiency of green LEDs is lower than that of blue LEDs and red LEDs. For this reason, when the green LED having the light emitting surface of the same area as the light emitting surface of the blue LED 201 or the red LED 202 is used instead of the phosphor layer 125, the amount of green light is insufficient.
  • the area of the phosphor layer 125 is the same as the area of the light emitting surface of the blue LED 201 and the red LED 202, but the area of the light emitting surface of the blue LED 110 that is the excitation light source of the phosphor layer 125 is It is twice the area of the layer 125.
  • the area of the light emitting surface of the blue LED 110 is twice the area of the light emitting surface of the blue LED 201 and the red LED 202. Therefore, since a sufficient amount of green light is emitted from the phosphor layer 125, white light having an excellent light amount balance can be obtained.
  • the etendue of the illumination optical system depends on the area of the phosphor layer 125, the areas of the light emitting surfaces of the second blue LED 201 and the red LED 202, and the area of the light emitting surface of the first blue LED 110 is Do not depend. Therefore, even if the area of the light emitting surface of the first blue LED 110 is increased, the etendue of the illumination optical system does not increase.
  • the white light obtained as described above is aligned in the polarization direction by the polarization conversion element 118.
  • White light whose polarization direction is aligned enters the dichroic mirror 401.
  • the blue light contained in the white light incident on the dichroic mirror 401 is reflected by the dichroic mirror 401, and the other color lights are transmitted through the dichroic mirror 401.
  • Blue light reflected by the dichroic mirror 401 is incident on the liquid crystal panel 406 via the lens 402, the mirror 403, the lens 404, and the incident-side polarizing plate 405.
  • the colored light transmitted through the dichroic mirror 401 passes through the lens 501 and enters the dichroic mirror 502.
  • the green light included in the color light incident on the dichroic mirror 502 is reflected by the dichroic mirror 502, and the other color light (red light) passes through the dichroic mirror 502.
  • the green light reflected by the dichroic mirror 502 enters the liquid crystal panel 505 via the lens 503 and the incident side polarizing plate 504.
  • the red light transmitted through the dichroic mirror 502 is incident on the liquid crystal panel 607 via the lens 601, the mirror 602, the lens 603, the mirror 604, the lens 605, and the incident-side polarizing plate 606.
  • the light incident on each of the liquid crystal panels 406, 505, and 607 is modulated based on the image signal, and then enters the cross dichroic prism 701 through the output-side polarizing plate and is combined.
  • the light synthesized by the cross dichroic prism 701 is projected by a projection lens 702 onto a screen (not shown).
  • FIG. 10 shows another example of a projection display device to which the present invention is applied.
  • the projection display apparatus according to this embodiment includes a blue laser 810, lenses 811, 814, and 815, a dichroic mirror 816, a light tunnel 817, and a polarization conversion element 818.
  • the blue laser LED 810 corresponds to the solid-state light source 10 shown in FIG. 1
  • the lenses 811, 814, and 815 correspond to the lenses 11, 14, and 15 shown in FIG. 1, respectively
  • the dichroic mirror 816 is shown in FIG.
  • the light tunnel 817 corresponds to the light tunnel 17 shown in FIG. 1
  • the polarization conversion element 818 corresponds to the polarization conversion element 18 shown in FIG.
  • the blue laser 810 is opposed to the first opening of the light tunnel 817.
  • the lens 811, the lens 814, and the dichroic mirror 816 are disposed in this order between the blue laser 810 and the first opening of the light tunnel 817.
  • a light conversion unit 820 corresponding to the light conversion unit 20 illustrated in FIG. 1 is provided in the second opening of the light tunnel 817.
  • the dichroic mirror 816 has wavelength selectivity that transmits blue light and reflects green light and red light.
  • the projection display device further includes a blue LED 901.
  • the blue LED 901 is provided at one end of the light tunnel 902.
  • the light tunnel 902 has the same shape, size, and function as the light tunnel 817.
  • the first light (blue light / excitation light) emitted from the blue laser 810 passes through the lens 811, the dichroic mirror 816 and the lens 814 and enters the light tunnel 817.
  • the excitation light incident on the light tunnel 817 passes through the light tunnel 817 and reaches the light conversion unit 820.
  • FIG. 11 is a plan view showing the bottom surface 822 of the glass block 821 constituting the light conversion unit 820.
  • the area of the glass block bottom surface 822 is 12.0 mm 2 (width 4.0 mm ⁇ height 3.0 mm).
  • a wavelength selection film 823 (FIG. 12) is formed on the entire surface of the glass block bottom surface 822, the first phosphor layer 825G is formed on the left half of the surface of the wavelength selection film, and the second fluorescence is formed on the right half.
  • a body layer 825R is formed. That is, the areas of the phosphor layer 825G and the phosphor layer 825R are 6.0 mm 2 (width 2.0 mm ⁇ height 3.0 mm).
  • the light emitting surface of the blue LED 901 has the same shape and dimensions as the phosphor layer 825G and the phosphor layer 825R.
  • the second phosphor layer 825R includes a phosphor that is excited by the first light (excitation light) emitted from the blue laser 810 and emits the third light (red light / fluorescence). Yes.
  • the wavelength selection film 823 has a wavelength selectivity that transmits light emitted from the blue laser 810 and reflects light emitted from the phosphor layers 825G and 825R.
  • a part of the excitation light reaching the light conversion unit 120 is incident on the front surface of the phosphor layer 825G, and the other part of the excitation light is incident on the front surface of the phosphor layer 825R.
  • the excitation light that has not been absorbed by the phosphor layers 825G and 825R passes through the wavelength selection film 823 and enters the glass block 821.
  • the excitation light that has entered the glass block 821 is reflected by the reflective film 824 formed on the side surface of the glass block 821, and enters the back surface of the phosphor layer 825G or the phosphor layer 825R.
  • the phosphor contained in the phosphor layer 825G is excited by the excitation light incident from the front surface or the back surface of the phosphor layer 825G, and second light (green light / fluorescence) is emitted from the phosphor layer 825G. Is done. Further, the phosphor contained in the phosphor layer 825R is excited by the excitation light incident from the front surface or the back surface of the phosphor layer 825R, and third light (red light / fluorescence) is emitted from the phosphor layer 825R. Is done.
  • the green light emitted from the phosphor layer 825G and the red light emitted from the phosphor layer 825R are incident on the light tunnel 817 from the second opening of the light tunnel 817.
  • Green light and red light incident on the light tunnel 817 reach the first opening while being repeatedly reflected in the light tunnel 817.
  • Green light and red light emitted from the first opening of the light tunnel 817 pass through the lens 814 and enter the dichroic mirror 816.
  • Green light and red light incident on the dichroic mirror 816 are reflected by the dichroic mirror 816 and enter the dichroic mirror 903.
  • the green light incident on the dichroic mirror 903 passes through the dichroic mirror 903 and enters the lens 815.
  • the red light incident on the dichroic mirror 903 is reflected by the dichroic mirror 903 and enters the lens 904.
  • the light (blue light) emitted from the blue LED 901 enters the light tunnel 902 from the second opening of the light tunnel 902.
  • the blue light incident on the light tunnel 902 reaches the first opening of the light tunnel 902 while being repeatedly reflected in the light tunnel 902.
  • Blue light emitted from the first opening of the light tunnel 902 passes through the lens 905 and the dichroic mirrors 816 and 903 and enters the lens 815. Note that the light emitting surface of the blue LED 901 covers the left half of the second opening of the light tunnel 902.
  • the lens 815 and the lens 814 are designed to form a secondary light source image on the incident surface of the polarization conversion element 818.
  • the lens 815 and the lens 905 are also designed so as to form a secondary light source image on the incident surface of the polarization conversion element 818.
  • the lens 815 and the lens 814 are designed to form an image of the phosphor layer 825G on the incident surface of the polarization conversion element 818.
  • the lens 815 and the lens 905 are designed to form an image of the light emitting surface of the blue LED 901 on the incident surface of the polarization conversion element 818.
  • the lens 904 and the lens 814 are designed to form a secondary light source image on the incident surface of the polarization conversion element 906. Specifically, the lens 904 and the lens 814 are designed to form an image of the phosphor layer 825R on the incident surface of the polarization conversion element 906.
  • the image of the phosphor layer 825G formed on the incident surface of the polarization conversion element 818 and the image of the light emitting surface of the blue LED 901 have a light intensity distribution similar to the light intensity distribution shown in FIG.
  • the image of the phosphor layer 825R formed on the incident surface of the polarization conversion element 906 also has a light intensity distribution similar to the light intensity distribution shown in FIG.
  • the polarization direction of the light incident on the polarization conversion element 818 is aligned by the polarization conversion element 818. Further, the polarization direction of the light incident on the polarization conversion element 906 is aligned by the polarization conversion element 906. Thereafter, the light emitted from the polarization conversion element 8181 is separated into green light and blue light, and the green light is incident on the liquid crystal panel 910 and the blue light is incident on the liquid crystal panel 911. Further, the red light emitted from the polarization conversion element 906 enters the liquid crystal panel 912. Since the configuration around each liquid crystal panel is substantially the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

Abstract

本発明の照明光学系は、固体光源（１０）と、固体光源から発せられた第一の光を波長の異なる第二の光に変換する光変換部（２０）と、第二の光の偏光方向を揃える偏光変換素子（１８）と、第二の光を偏光変換素子へ導く光学系とを有する。光変換部は、蛍光体層が部分的に形成された第一の面を有する。光学系は、光変換部の第一の面上の、蛍光体層が形成されている領域に対応する高光強度領域と、蛍光体層が形成されていない領域に対応する低光強度領域とが所定ピッチで交互に存在する光強度分布を有する二次光源像を、偏光変換素子の入射面上に形成する。

Description

照明光学系および投写型表示装置
　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。
　照明光学系と、照明光学系から発せられた光（照明光）を画像信号に基づいて変調する画像形成素子と、画像形成素子によって変調された光（画像光）を投写する投写光学系とを備えた投写型表示装置が知られている。照明光学系は、光源と光源から出射された光を画像形成素子に導くための複数の光学素子とを有する。また、画像形成素子には、液晶パネルやＤＭＤ（Micro　Mirror　Device）などが用いられる。画像形成素子に液晶パネルを用いた投写型表示装置は、一般的に“液晶プロジェクタ”と呼ばれ、ＤＭＤを用いた投写型表示装置は、一般的に“ＤＭＤプロジェクタ”と呼ばれる。
　近年、上記照明光学系の光源としてＬＥＤ（Light　Emitting　Device）が注目されている。特許文献１には、ＬＥＤを光源とする照明光学系を備えた投写型表示装置が記載されている。
特開２００３－１８６１１０号
　しかし、ＬＥＤは放電ランプに比べて発光量が少ない。このため、明るい画像を得るためには、ＬＥＤの発光量を増やすとともに、ＬＥＤから出射される光の利用効率を向上させることが重要である。ＬＥＤの発光量を増やすためには、ＬＥＤの発光面積を拡大する必要がある。一方、光利用効率を向上させるためには、ＬＥＤのエテンデューを小さくする必要がある。具体的には、ＬＥＤのエテンデューを画像形成素子の光入射面の面積と光の取り込み角との積の値以下にすることが必要である。
　しかし、ＬＥＤのエテンデューは、ＬＥＤの発光面積とＬＥＤから出射される光の立体角（放射角）との積によって決定される。したがって、発光量を増やすためにＬＥＤの発光面積を拡大すると、エテンデューが大きくなり、光利用効率が低下してしまう。
　本発明に係る照明光学系は、投写型表示装置に用いられる照明光学系である。本発明に係る照明光学系の一つは、固体光源と、前記固体光源から発せられた第一の光を該第一の光と異なるピーク波長を有する第二の光に変換する光変換部と、前記第二の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、前記光変換部から発せられた前記第二の光を前記偏光変換素子へ導く光学系とを有する。前記光変換部は、前記第一の光を透過させ、かつ、前記第二の光を反射する波長選択膜が形成された第一の面と、前記波長選択膜の表面の一部に形成された蛍光体層であって、前記第一の光によって励起されて前記第二の光を放出する蛍光体層とを有する。前記偏光変換素子は、第一のピッチで交互に配置された偏光分離面および反射面と、前記反射面によって反射された光の偏光方向と前記偏光分離面を透過した光の偏光方向とを一致させる位相差板とを有する。前記光学系は、前記光変換部の前記第一の面上の、前記蛍光体層が形成されている領域に対応する高光強度領域と、前記光変換部の前記第一の面上の、前記蛍光体層が形成されていない領域に対応する低光強度領域とが、前記第一のピッチ以下の第二のピッチで交互に存在する光強度分布を有する二次光源像を、前記偏光変換素子の入射面上に形成する。
　本発明に係る照明光学系の他の一つは、固体光源と、前記固体光源から発せられた第一の光を該第一の光と異なるピーク波長を有する第二の光と、前記第一の光および第二の光と異なるピーク波長を有する第三の光とに変換する光変換部と、前記第二の光の偏光方向を揃える第一の偏光変換素子と、前記第三の光の偏光方向を揃える第二の偏光変換素子と、前記光変換部から発せられた前記第二の光を前記第一の偏光変換素子へ導く第一の光学系と、前記光変換部から発せられた前記第三の光を前記第二の偏光変換素子へ導く第二の光学系とを有する。前記光変換部は、第一の面と、前記第一の面の一部に形成された蛍光体層であって、前記第一の光によって励起されて前記第二の光を放出する第一の蛍光体層と、前記第一の面の他の一部に形成された蛍光体層であって、前記第一の光によって励起されて前記第三の光を放出する第二の蛍光体層とを有する。前記第一および第二の偏光変換素子は、第一のピッチで交互に配置された偏光分離面および反射面と、前記反射面によって反射された光の偏光方向を前記偏光分離面を透過した光の偏光方向に合わせる位相差板とを有する。前記第一の光学系は、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第一の蛍光体層が形成されている領域に対応する高光強度領域と、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第二の蛍光体層が形成されている領域に対応する低光強度領域とが、前記第一のピッチ以下の第二のピッチで交互に存在する光強度分布を有する二次光源像を、前記第一の偏光変換素子の入射面上に形成する。前記第二の光学系は、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第二の蛍光体層が形成されている領域に対応する高光強度領域と、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第一の蛍光体層が形成されている領域に対応する低光強度領域とが、前記第二のピッチで交互に存在する光強度分布を有する二次光源像を、前記第二の偏光変換素子の入射面上に形成する。
　本発明によれば、高輝度でエテンデューの小さい照明光学系と、該照明光学系を備えた投写型表示装置とが実現される。
図１は、本発明の照明光学系の第一の実施形態を示す模式的平面図である。 図２は、光変換部を示す拡大平面図である。 図３は、光変換部の第一の面を示す模式的平面図である。 図４は、二次光源像の光強度分布を示す模式図である。 図５は、偏光変換素子を示す模式的断面図である。 図６は、本発明の照明光学系を備えた投写型表示装置の一例を示す模式的平面図である。 図７（ａ）（ｂ）はＬＥＤの発光面を示す模式的平面図であり、図７（ｃ）は光変換部の第一の面を示す模式的平面図である。 図８は、光変換部を示す拡大平面図である。 図９は、ライトトンネルの第二の開口部を示す模式的平面図である。 図１０は、本発明の照明光学系を備えた投写型表示装置の他の一例を示す模式的平面図である。 図１１は、光変換部の第一の面を示す模式的平面図である。 図１２は、光変換部の第一の面を示す模式的平面図である。
　次に、本発明の実施形態の一つについて説明する。図１は、本実施形態に係る照明光学系の構成を示す平面図である。図示されている照明光学系は、固体光源１０と、５枚のレンズ（レンズ１１、１２、１３、１４、１５）と、ダイクロイックミラー１６と、ライトトンネル１７と、偏光変換素子１８とを有する。
　ライトトンネル１７は、内側に反射面が形成された中空の角柱であり、両端部に矩形の開口部がそれぞれ形成されている。以下の説明では、ライトトンネル１７の２つの開口部のうち、固体光源１０から出射された光が入射する開口部を“第一の開口部”と呼び、第一の開口部と反対側の開口部を“第二の開口部”と呼んで区別する。もっとも、かかる区別は説明の便宜上の区別に過ぎない。
　図１に示されているように、固体光源１０とライトトンネル１７は対向している。レンズ１１、１２、１３、ダイクロイックミラー１６およびレンズ１４は、対向する固体光源１０とライトトンネル１７の間にこの順で配置されている。さらに、レンズ１５は、ダイクロイックミラー１６と偏光変換素子１８との間に配置されている。
　図１に示すように、ライトトンネル１７の第二の開口部には、光変換部２０が設けられている。図２に、光変換部２０を拡大して示す。図２に示すように、光変換部２０は、略台形の断面形状を有するガラスブロック２１を有する。ガラスブロック２１は、その一面（底面２２）がライトトンネル１７の第二の開口部を塞ぐようにして、ライトトンネル１７の第二の開口部に取り付けられている。ライトトンネル１７の第二の開口部を塞いでいるガラスブロック２１の底面２２には、その全面に波長選択膜２３が形成されている。波長選択膜２３は、固体光源１０から出射される光（ピーク波長λ1）を透過させ、固体光源１０から出射される光よりも長波長の光（ピーク波長λ2）を反射する波長選択性を有する。また、ガラスブロック２１の底面以外の面には反射膜２４が形成されている。
　さらに、図３に示すように、ガラスブロック底面２２に形成されている波長選択膜２３の上には蛍光体層２５が部分的に形成されている。具体的には、波長選択膜表面の片側半分にだけ蛍光体層２５が積層されている。蛍光体層２５は、蛍光体が分散された媒体を波長選択膜表面の所定領域に塗布することによって形成されている。媒体には、例えば、シリコン系バインダー、ガラス、透光性セラミックスなどを用いることができる。
　再び図１を参照する。固体光源１０から出射された第一の光（励起光）は、レンズ１１～１３、ダイクロイックミラー１６およびレンズ１４を通過してライトトンネル１７の第一の開口部から該ライトトンネル１７に入射する。ライトトンネル１７に入射した励起光は、ライトトンネル１７内で反射を繰り返しながら光変換部２０に到達する。図２に示すように、光変換部２０に到達した励起光の一部は、蛍光体層２５の前面に入射して蛍光体を励起する。光変換部２０に到達した励起光の他の一部は、波長選択膜２３を透過してガラスブロック２１に入射する。ガラスブロック２１に入射した励起光は、反射膜２４によって反射されて蛍光体層２５の背面に入射し、蛍光体を励起する。いずれにしても、励起光によって励起された蛍光体から第二の光（蛍光）が放出される。換言すれば、発光体層２５が形成されている領域からは光が放出されるが、蛍光体層２５が形成されていない領域からは光は放出されない。すなわち、ガラスブロック底面２２の上（波長選択膜２３の上）には、隣接する発光部と非発光部が存在している。
　再び図１を参照する。蛍光体層２５から放出された光は、ライトトンネル１７の第二の開口部から該ライトトンネル１７に入射する。ライトトンネル１７に入射した光は、ライトトンネル１７内で反射を繰り返しながら第一の開口部に到達する。ライトトンネル１７の第一の開口部から出射した光は、ダイクロイックミラー１６によって反射されてレンズ１５に入射する。
　ここで、レンズ１４とレンズ１５は、偏光変換素子１８の入射面上に二次光源像を形成するように設計されている。具体的には、偏光変換素子１８の入射面上に光変換部２０（ガラスブロック底面２２）の像を結像させるように設計されている。また、レンズ１４、１５を介して偏光変換素子１８に入射する光は、ライトトンネル１７内で複数回反射されている。このため、偏光変換素子１８の入射面上には、複数の二次光源像がアレイ状に形成される。さらに、各二次光源像において、上記発光部（蛍光体層２５が形成されている領域）に対応する部分の光強度は強くなり、上記非発光部（蛍光体層２５が形成されていない領域）に対応する部分の光強度は弱くなる。結果、偏光変換素子１８の入射面上には、図４に示すような光強度分布を持った二次光源像が形成される。具体的には、高光強度領域３１と低光強度領域３２とがストライプ状に交互に並んだ光強度分布を有する二次光源像が形成される。なお、図４に示すような光強度分布を有する二次光源像を得るためには、ライトトンネル１７が少なくとも一対の対向する反射面を備えていればよい。また、本実施形態におけるライトトンネル１７は、第二の開口部から第一の開口部に向けて径が次第に拡大しているが、ライトトンネルの径は一定であってもよい。
　偏光変換素子１８は、入射した光の偏光面を回転させて偏光方向が揃った光を出射する。具体的には、入射した光に含まれるＰ偏光成分またはＳ偏光成分のいずれか一方を透過させ、いずれか他方の偏光面を９０°回転させる。図５に示すように、偏光変換素子１８は、偏光ビームスプリッタ４０と位相差板（１/2波長板）４１から構成されている。偏光ビームスプリッタ４０内には、偏光分離膜４２と反射膜４３が所定ピッチで交互に配置されている。位相差板４１は、偏光ビームスプリッタ４０の出射面上であって、反射膜４３によって反射される光の光路上に配置されている。位相差板４１は、偏光ビームスプリッタ４０の出射面上であって、偏光分離膜４２を透過した光の光路上に配置してもよい。
　ここで、偏光変換素子１８は、偏光分離膜４２と反射膜４３の配列ピッチが、図４に示す高光強度領域３１と低光強度領域３２の配列ピッチ以上となるように設定されている。さらに、偏光変換素子１８は、図４に示す高光強度領域３１に属する光が対応する偏光分離膜４２に入射するように設計され、配置されている。よって、各高光強度領域３１に属する光は、対応する偏光分離膜４２に入射し、偏光成分に応じて分離される。具体的には、偏光分離膜４２に入射した光に含まれるＰ偏光成分は偏光分離膜４２を透過し、Ｓ偏光成分は反射膜４３に向けて反射される。反射膜４３に入射したＳ偏光成分は、該反射膜４３によって反射され、位相差板４１に入射する。位相差板４１に入射したＳ偏光成分は、該位相差板４１によって偏光面が９０°回転させられ、Ｐ偏光成分に変換される。
　これまでの説明から、本実施形態に係る照明光学系のエテンデューは、光変換部２０の発光部の面積（蛍光体層２５の面積）に依存することが理解できるはずである。すなわち、本実施形態に係る照明光学系のエテンデューは、蛍光体層２５の面積に依存し、固体光源１０の発光面の面積には依存しない。したがって、固体光源１０の発光面を拡大して該固体光源１０の発光量を増加させても、照明光学系のエテンデューが大きくなることはない。一方、固体光源１０の発光量が増加すれば、蛍光体層２５から放出される光の量が増加する。総じて、エテンデューが小さく、かつ、高輝度の照明光が得られる照明光学系が実現される。
　なお、固体光源１０の発光面の面積よりも蛍光体層２５の面積の方が小さい場合に、固体光源１０から出射された光の全てを蛍光体層２５の一面に入射させるためには、固体光源１０から出射された光を絞る必要がある。しかし、固体光源１０から出射された光を絞ると、一部の光が損失する。そこで、本実施形態では、図２に示すように、固体光源１０から出射された光の一部を蛍光体層２５の前面に入射させ、他の一部を蛍光体層２５の背面に入射させている。かかる構成により、固体光源１０から出射された光を無駄なく利用することができる。
　図６に、本発明が適用された投写型表示装置の一例を示す。本実施例に係る投写型表示装置は、第一の青色ＬＥＤ１１０と、レンズ１１１、１１２、１１３、１１４、１１５と、ダイクロイックミラー１１６と、ライトトンネル１１７Ｇと、偏光変換素子１１８とを有する。
　青色ＬＥＤ１１０は図１に示されている固体光源１０に対応し、レンズ１１１～１１５は図１に示されているレンズ１１～１５に対応し、ダイクロイックミラー１１６は図１に示されているダイクロイックミラー１６に対応し、ライトトンネル１１７Ｇは図１に示されているライトトンネル１７に対応し、偏光変換素子１１８は図１に示されている偏光変換素子１８に対応する。
　青色ＬＥＤ１１０は、ライトトンネル１１７Ｇの第一の開口部と対向している。レンズ１１１、１１２、１１３、ダイクロイックミラー１１６およびレンズ１１４は、青色ＬＥＤ１１０とライトトンネル１１７Ｇの第一の開口部の間に、この順で配置されている。また、ライトトンネル１１７Ｇの第二の開口部には、図１に示されている光変換部２０に対応する光変換部１２０が設けられている。ダイクロイックミラー１１６は、青色光を透過させ、緑色光を反射する波長選択性を有する。
　本実施例に係る投写型表示装置は、第二の青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２をさらに有する。青色ＬＥＤ２０１は、ライトトンネル１１７Ｂの一端に設けられており、赤色ＬＥＤ２０２は、ライトトンネル１１７Ｒの一端に設けられている。ライトトンネル１１７Ｂ、１１７Ｒは、ライトトンネル１１７Ｇと同一の形状、寸法および機能を有する。
　図７（ａ）は、第一の青色ＬＥＤ１１０の発光面を示す平面図であり、図７（ｂ）は、第二の青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光面を示す平面図である。図７（ａ）（ｂ）に示すように、第一の青色ＬＥＤ１１０の発光面は、第二の青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光面の２倍の面積を有する。具体的には、第一の青色ＬＥＤ１１０の発光面の面積は12.0mm2（幅4.0mm×高さ3.0mm）であるのに対し、第二の青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光面の面積は6.0mm2（幅2.0mm×高さ3.0mm）である。よって、第一の青色ＬＥＤ１１０の発光量は、第二の青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光量の２倍である。
　図７（ｃ）は、図６に示す光変換部１２０を構成しているガラスブロック１２１の底面１２２を示す平面図である。ガラスブロック底面１２２は、第一の青色ＬＥＤ１１０の発光面と同一の形状および寸法を有する。すなわち、ガラスブロック底面１２２の面積は、12.0mm2（幅4.0mm×高さ3.0mm）である。ガラスブロック底面１２２には、その全面に波長選択膜１２３が形成されており、波長選択膜表面の左半分に蛍光体層１２５が積層されている。すなわち、波長選択膜１２３の面積は12.0mm2（幅4.0mm×高さ3.0mm）であり、蛍光体層１２５の面積は6.0mm2（幅2.0mm×高さ3.0mm）である。換言すれば、蛍光体層１２５の形状および寸法は、第二の青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光面のそれらと同一である。本実施例における蛍光体層１２５には、第一の青色ＬＥＤ１１０から出射された青色光に励起されて緑色光を放出する蛍光体が含まれている。また、波長選択膜１２３は、第一の青色ＬＥＤ１１０から出射された青色光を透過させ、蛍光体層１２５から放出された緑色光を反射する波長選択性を有する。
　再び図６を参照する。第一の青色ＬＥＤ１１０から出射された第一の光（青色光／励起光）は、レンズ１１１、１１２、１１３、ダイクロイックミラー１１６およびレンズ１１４を通過してライトトンネル１１７Ｇに入射する。ライトトンネル１１７Ｇに入射した励起光は、該ライトトンネル１１７Ｇ内を通過して光変換部１２０に到達する。図８に示すように、光変換部１２０に到達した励起光の一部は、蛍光体層１２５の前面に入射する。光変換部１２０に到達した励起光の他の一部は、波長選択膜１２３を透過してガラスブロック１２１に入射する。ガラスブロック１２１に入射した励起光は、ガラスブロック１２１の側面に形成されている反射膜１２４によって反射され、蛍光体層１２５の背面に入射する。すると、蛍光体層１２５の前面または背面から入射した励起光によって蛍光体層１２５に含まれている蛍光体が励起され、蛍光体層１２５から第二の光（緑色光／蛍光）が放出される。蛍光体層１２５から放出された緑色光は、ライトトンネル１１７Ｇの第二の開口部から該ライトトンネル１１７Ｇに入射する。
　再び図６を参照する。ライトトンネル１１７Ｇに入射した緑色光は、該ライトトンネル１１７Ｇ内で反射を繰り返しながら第一の開口部に到達する。ライトトンネル１１７Ｇの第一の開口部から出射した緑色光は、レンズ１１４を透過してダイクロイックミラー１１６に入射する。ダイクロイックミラー１１６に入射した緑色光は、該ダイクロイックミラー１１６によって反射され、ダイクロイックミラー３０１を透過してレンズ１１５に入射する。
　図９（ａ）に示すように、第二の青色ＬＥＤ２０１は、ライトトンネル１１７Ｂの第二の開口部の左半分を占めている。換言すれば、ライトトンネル１１７Ｂの第二の開口部の左半部が青色ＬＥＤ２０１の発光面によって覆われている。一方、図９（ｂ）に示すように、赤色ＬＥＤ２０２は、ライトトンネル１１７Ｒの第二の開口部の右半分を占めている。換言すれば、ライトトンネル１１７Ｒの第二の開口部の右半部が赤色ＬＥＤ２０２の発光面によって覆われている。
　図６に戻る。第二の青色ＬＥＤ２０１から出射された光（青色光）は、ライトトンネル１１７Ｂの第二の開口部から該ライトトンネル１１７Ｂに入射する。ライトトンネル１１７Ｂに入射した青色光は、該ライトトンネル１１７Ｂ内で反射を繰り返しながら該ライトトンネル１１７Ｂの第一の開口部に到達する。ライトトンネル１１７Ｂの第一の開口部から出射した青色光は、レンズ３０２、ダイクロイックミラー１１６、３０１を透過してレンズ１１５に入射する。
　赤色ＬＥＤ２０２からから出射された光（赤色光）は、ライトトンネル１１７Ｒの第二の開口部から該ライトトンネル１１７Ｒに入射する。ライトトンネル１１７Ｒに入射した赤色光は、該ライトトンネル１１７Ｒ内で反射を繰り返しながら該ライトトンネル１１７Ｒの第一の開口部に到達する。ライトトンネル１１７Ｒの第一の開口部から出射した赤色光は、レンズ３０３、３０４を透過した後に、ダイクロイックミラー３０１によって反射されてレンズ１１５に入射する。
　上記のようにしてレンズ１１５に入射した光によって、偏光変換素子１１８の入射面上に二次光源像が形成される。具体的には、偏光変換素子１１８の入射面上に、光変換部１２０（ガラスブロック底面１２２）の像、青色ＬＥＤ２０１の発光面の像および赤色ＬＥＤ２０２の発光面の像が結像される。また、偏光変換素子１１８に入射する光は、ライトトンネル１１７Ｒ、１１７Ｇ、１１７Ｂ内でそれぞれ複数回反射されている。このため、偏光変換素子１１８の入射面上に、上記各像がアレイ状に形成され、かつ、重畳される。
　ここで、ガラスブロック底面１２２の像は、ガラスブロック底面１２２の上の発光部（蛍光体層１２５が形成されている領域）に対応する部分の光強度が強く、非発光部（蛍光体層が形成されていない領域）に対応する部分の光強度が弱い。換言すれば、ガラスブロック底面１２２の像は、高光強度領域３１と低光強度領域３２とがストライプ状に交互に並んだ光強度分布を有する（図４参照）。
　さらに、青色ＬＥＤ２０１の発光面の像および赤色ＬＥＤ２０２の発光面の像は、高強度領域３１に重畳される。以上により、優れた光量バランスを有する白色光が得られる。
　一般的に、緑色ＬＥＤの発光効率は、青色ＬＥＤや赤色ＬＥＤに比べて低い。このため、蛍光体層１２５の代わりに、青色ＬＥＤ２０１や赤色ＬＥＤ２０２の発光面と同一面積の発光面を有する緑色ＬＥＤを用いた場合、緑色光の光量が不足する。一方、本実施例では、蛍光体層１２５の面積は青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光面の面積と同一であるが、蛍光体層１２５の励起光源である青色ＬＥＤ１１０の発光面の面積は、蛍光体層１２５の面積の２倍である。換言すれば、青色ＬＥＤ１１０の発光面の面積は、青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光面の面積の２倍である。よって、十分な量の緑色光が蛍光体層１２５から放出されるので、優れた光量バランスを有する白色光が得られる。
　さらに、本実施例に係る照明光学系のエテンデューは、蛍光体層１２５の面積、第二の青色ＬＥＤ２０１および赤色ＬＥＤ２０２の発光面の面積に依存し、第一の青色ＬＥＤ１１０の発光面の面積には依存しない。よって、第一の青色ＬＥＤ１１０の発光面の面積を拡大しても照明光学系のエテンデューが大きくなることはない。
　再び図６を参照する。上記のようにして得られた白色光は、偏光変換素子１１８によって偏光方向が揃えられる。偏光方向が揃えられた白色光は、ダイクロイックミラー４０１に入射する。ダイクロイックミラー４０１に入射した白色光に含まれている青色光は、該ダイクロイックミラー４０１によって反射され、その他の色光は該ダイクロイックミラー４０１を透過する。
　ダイクロイックミラー４０１によって反射された青色光は、レンズ４０２、ミラー４０３、レンズ４０４および入射側偏光板４０５を経由して液晶パネル４０６に入射する。
　ダイクロイックミラー４０１を透過した色光は、レンズ５０１を透過してダイクロイックミラー５０２に入射する。ダイクロイックミラー５０２に入射した色光に含まれている緑色光は、該ダイクロイックミラー５０２によって反射され、その他の色光（赤色光）は該ダイクロイックミラー５０２を透過する。
　ダイクロイックミラー５０２によって反射された緑色光は、レンズ５０３および入射側偏光板５０４を経由して液晶パネル５０５に入射する。ダイクロイックミラー５０２を透過した赤色光は、レンズ６０１、ミラー６０２、レンズ６０３、ミラー６０４、レンズ６０５および入射側偏光板６０６を経由して液晶パネル６０７に入射する。
　各液晶パネル４０６、５０５、６０７に入射した光は、画像信号に基づいて変調された後に、出射側偏光板を介してクロスダイクロイックプリズム７０１に入射し、合成される。クロスダイクロイックプリズム７０１によって合成された光は、投写レンズ７０２によって不図示のスクリーンに向けて投写される。
　図１０に、本発明が適用された投写型表示装置の他例を示す。本実施例に係る投写型表示装置は、青色レーザー８１０と、レンズ８１１、８１４、８１５と、ダイクロイックミラー８１６と、ライトトンネル８１７と、偏光変換素子８１８とを有する。
　青色レーザーＬＥＤ８１０は図１に示されている固体光源１０に対応し、レンズ８１１、８１４、８１５は図１に示されているレンズ１１、１４、１５にそれぞれ対応し、ダイクロイックミラー８１６は図１に示されているダイクロイックミラー１６に対応し、ライトトンネル８１７は図１に示されているライトトンネル１７に対応し、偏光変換素子８１８は図１に示されている偏光変換素子１８に対応する。
　青色レーザー８１０は、ライトトンネル８１７の第一の開口部と対向している。レンズ８１１、レンズ８１４およびダイクロイックミラー８１６は、青色レーザー８１０とライトトンネル８１７の第一の開口部の間に、この順で配置されている。また、ライトトンネル８１７の第二の開口部には、図１に示されている光変換部２０に対応する光変換部８２０が設けられている。ダイクロイックミラー８１６は、青色光を透過させ、緑色光および赤色光を反射する波長選択性を有する。
　本実施例に係る投写型表示装置は、青色ＬＥＤ９０１をさらに有する。青色ＬＥＤ９０１は、ライトトンネル９０２の一端に設けられている。ライトトンネル９０２は、ライトトンネル８１７と同一の形状、寸法および機能を有する。
　青色レーザー８１０から出射された第一の光（青色光／励起光）は、レンズ８１１、ダイクロイックミラー８１６およびレンズ８１４を通過してライトトンネル８１７に入射する。ライトトンネル８１７に入射した励起光は、該ライトトンネル８１７内を通過して光変換部８２０に到達する。
　図１１は、光変換部８２０を構成するガラスブロック８２１の底面８２２を示す平面図である。ガラスブロック底面８２２の面積は、12.0mm2（幅4.0mm×高さ3.0mm）である。ガラスブロック底面８２２には、その全面に波長選択膜８２３（図１２）が形成されており、波長選択膜表面の左半分に第一の蛍光体層８２５Ｇが形成され、右半分に第二の蛍光体層８２５Ｒが形成されている。すなわち、蛍光体層８２５Ｇおよび蛍光体層８２５Ｒの面積は6.0mm2（幅2.0mm×高さ3.0mm）である。なお、図示は省略するが、青色ＬＥＤ９０１の発光面は、蛍光体層８２５Ｇおよび蛍光体層８２５Ｒと同一の形状および寸法を有する。
　本実施例における第一の蛍光体層８２５Ｇには、青色レーザー８１０から出射された第一の光（青色光／励起光）に励起されて第二の光（緑色光／蛍光）を放出する蛍光体が含まれている。一方、第二の蛍光体層８２５Ｒには、青色レーザー８１０から出射された第一の光（励起光）に励起されて第三の光（赤色光／蛍光）を放出する蛍光体が含まれている。また、波長選択膜８２３は、青色レーザー８１０から出射された光を透過させ、蛍光体層８２５Ｇ、８２５Ｒから放出された光を反射する波長選択性を有する。
　図１２に示すように、光変換部１２０に到達した励起光の一部は、蛍光体層８２５Ｇの前面に入射し、励起光の他の一部は蛍光体層８２５Ｒの前面に入射する。また、蛍光体層８２５Ｇ、８２５Ｒに吸収されなかった励起光は、波長選択膜８２３を透過してガラスブロック８２１に入射する。ガラスブロック８２１に入射した励起光は、ガラスブロック８２１の側面に形成されている反射膜８２４によって反射され、蛍光体層８２５Ｇまたは蛍光体層８２５Ｒの背面に入射する。すると、蛍光体層８２５Ｇの前面または背面から入射した励起光によって該蛍光体層８２５Ｇに含まれている蛍光体が励起され、該蛍光体層８２５Ｇから第二の光（緑色光／蛍光）が放出される。また、蛍光体層８２５Ｒの前面または背面から入射した励起光によって該蛍光体層８２５Ｒに含まれている蛍光体が励起され、該蛍光体層８２５Ｒから第三の光（赤色光／蛍光）が放出される。
　蛍光体層８２５Ｇから放出された緑色光および蛍光体層８２５Ｒから放出された赤色光は、ライトトンネル８１７の第二の開口部から該ライトトンネル８１７に入射する。
　再び図１０を参照する。ライトトンネル８１７に入射した緑色光および赤色光は、該ライトトンネル８１７内で反射を繰り返しながら第一の開口部に到達する。ライトトンネル８１７の第一の開口部から出射した緑色光および赤色光は、レンズ８１４を透過してダイクロイックミラー８１６に入射する。ダイクロイックミラー８１６に入射した緑色光および赤色光は、該ダイクロイックミラー８１６によって反射され、ダイクロイックミラー９０３に入射する。ダイクロイックミラー９０３に入射した緑色光は、該ダイクロイックミラー９０３を透過してレンズ８１５に入射する。一方、ダイクロイックミラー９０３に入射した赤色光は、該ダイクロイックミラー９０３によって反射されてレンズ９０４に入射する。
　青色ＬＥＤ９０１から出射された光（青色光）は、ライトトンネル９０２の第二の開口部から該ライトトンネル９０２に入射する。ライトトンネル９０２に入射した青色光は、該ライトトンネル９０２内で反射を繰り返しながら該ライトトンネル９０２の第一の開口部に到達する。ライトトンネル９０２の第一の開口部から出射した青色光は、レンズ９０５、ダイクロイックミラー８１６、９０３を透過してレンズ８１５に入射する。なお、青色ＬＥＤ９０１の発光面は、ライトトンネル９０２の第二の開口部の左半分を覆っている。
　レンズ８１５とレンズ８１４は、偏光変換素子８１８の入射面上に二次光源像を形成するように設計されている。また、レンズ８１５とレンズ９０５も、偏光変換素子８１８の入射面上に二次光源像を形成するように設計されている。具体的には、レンズ８１５とレンズ８１４は、偏光変換素子８１８の入射面上に、蛍光体層８２５Ｇの像を結像させるように設計されている。レンズ８１５とレンズ９０５は、偏光変換素子８１８の入射面上に、青色ＬＥＤ９０１の発光面の像を結像させるように設計されている。
　さらに、レンズ９０４とレンズ８１４は、偏光変換素子９０６の入射面上に二次光源像を形成するように設計されている。具体的には、レンズ９０４とレンズ８１４は、偏光変換素子９０６の入射面上に、蛍光体層８２５Ｒの像を結像させるように設計されている。
　ここで、偏光変換素子８１８の入射面上に形成される蛍光体層８２５Ｇの像および青色ＬＥＤ９０１の発光面の像は、図４に示す光強度分布と同様の光強度分布を有する。また、偏光変換素子９０６の入射面上に形成される蛍光体層８２５Ｒの像も図４に示す光強度分布と同様の光強度分布を有する。
　偏光変換素子８１８に入射した光は、該偏光変換素子８１８によって偏光方向が揃えられる。また、偏光変換素子９０６に入射した光は、偏光変換素子９０６によって偏光方向が揃えられる。その後、偏光変換素子８１８１から出射された光は、緑色光と青色光に分離され、緑色光は液晶パネル９１０に入射し、青色光は液晶パネル９１１に入射する。また、偏光変換素子９０６から出射された赤色光は、液晶パネル９１２に入射する。なお、各液晶パネルの周囲の構成は実施例１と実質的に同一であるので、説明は省略する。

Claims (10)

  1. 　投写型表示装置のための照明光学系であって、
    　固体光源と、
    　前記固体光源から発せられた第一の光を該第一の光と異なるピーク波長を有する第二の光に変換する光変換部と、
    　前記第二の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
    　前記光変換部から発せられた前記第二の光を前記偏光変換素子へ導く光学系と、を有し、
    　前記光変換部は、
    　前記第一の光を透過させ、かつ、前記第二の光を反射する波長選択膜が形成された第一の面と、
    　前記波長選択膜の表面の一部に形成された蛍光体層であって、前記第一の光によって励起されて前記第二の光を放出する蛍光体層と、を有し、
    　前記偏光変換素子は、
    　第一のピッチで交互に配置された偏光分離面および反射面と、
    　前記反射面によって反射された光の偏光方向と前記偏光分離面を透過した光の偏光方向とを一致させる位相差板と、を有し、
    　前記光学系は、前記光変換部の前記第一の面上の、前記蛍光体層が形成されている領域に対応する高光強度領域と、前記光変換部の前記第一の面上の、前記蛍光体層が形成されていない領域に対応する低光強度領域とが、前記第一のピッチ以下の第二のピッチで交互に存在する光強度分布を有する二次光源像を、前記偏光変換素子の入射面上に形成する、照明光学系。
  2. 　前記蛍光体層の面積が前記固体光源の発光面の面積よりも小さい、請求項１に記載の照明光学系。
  3. 　前記光変換部の第二の面に形成された反射膜を有し、
    　前記第一の光の一部は、前記蛍光体層にその前面から入射し、
    　前記第一の光の他の一部は、前記波長選択膜を透過した後に前記反射膜によって反射されて、前記蛍光体層にその背面から入射する、請求項１または請求項２に記載の照明光学系。
  4. 　前記光学系には、
    　前記固体光源の発光面と対向する第一の開口部と、該第一の開口部と反対側に位置する第二の開口部とを備えたライトトンネルと、
    　前記固体光源の前記発光面と前記ライトトンネルの前記第一の開口部との間に配置されたダイクロイックミラーであって、前記第一の光を透過させ、かつ、前記第二の光を反射するダイクロイックミラーと、
    　前記ダイクロイックミラーと前記ライトトンネルの前記第一の開口部との間に配置された第一のレンズと、
    　前記ダイクロイックミラーと前記偏光変換素子の前記入射面との間に配置された第二のレンズと、が少なくとも含まれ、
    　前記光変換部は、該光変換部の前記第一の面が前記ライトトンネルの前記第二の開口部を塞ぐようにして、該第二の開口部に設けられており、
    　前記第一のレンズおよび第二のレンズは、前記ライトトンネルを通過した前記第二の光を前記偏光変換素子の前記入射面上に集光させて前記二次光源像を形成する、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の照明光学系。
  5. 　投写型表示装置のための照明光学系であって、
    　固体光源と、
    　前記固体光源から発せられた第一の光を該第一の光と異なるピーク波長を有する第二の光と、前記第一の光および第二の光と異なるピーク波長を有する第三の光とに変換する光変換部と、
    　前記第二の光の偏光方向を揃える第一の偏光変換素子と、
    　前記第三の光の偏光方向を揃える第二の偏光変換素子と、
    　前記光変換部から発せられた前記第二の光を前記第一の偏光変換素子へ導く第一の光学系と、
    　前記光変換部から発せられた前記第三の光を前記第二の偏光変換素子へ導く第二の光学系と、を有し、
    　前記光変換部は、
    　第一の面と、
    　前記第一の面の一部に形成された蛍光体層であって、前記第一の光によって励起されて前記第二の光を放出する第一の蛍光体層と、
    　前記第一の面の他の一部に形成された蛍光体層であって、前記第一の光によって励起されて前記第三の光を放出する第二の蛍光体層と、を有し、
    　前記第一および第二の偏光変換素子は、
    　第一のピッチで交互に配置された偏光分離面および反射面と、
    　前記反射面によって反射された光の偏光方向を前記偏光分離面を透過した光の偏光方向に合わせる位相差板と、を有し、
    　前記第一の光学系は、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第一の蛍光体層が形成されている領域に対応する高光強度領域と、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第二の蛍光体層が形成されている領域に対応する低光強度領域とが、前記第一のピッチ以下の第二のピッチで交互に存在する光強度分布を有する二次光源像を、前記第一の偏光変換素子の入射面上に形成し、
    　前記第二の光学系は、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第二の蛍光体層が形成されている領域に対応する高光強度領域と、前記光変換部の前記第一の面上の、前記第一の蛍光体層が形成されている領域に対応する低光強度領域とが、前記第二のピッチで交互に存在する光強度分布を有する二次光源像を、前記第二の偏光変換素子の入射面上に形成する、照明光学系。
  6. 　前記第一の蛍光体層および第二の蛍光体層の面積が前記固体光源の発光面の面積よりも小さい、請求項５に記載の照明光学系。
  7. 　前記光変換部の第二の面に形成された反射膜を有し、
    　前記第一の蛍光体層を透過した前記第一の光の一部は、前記反射膜によって反射されて、前記第一の蛍光体層にその背面から入射し、
    　前記第二の蛍光体層を透過した前記第一の光の一部は、前記反射膜によって反射されて、前記第二の蛍光体層にその背面から入射する、請求項５または請求項６に記載の照明光学系。
  8. 　前記光学系には、
    　前記固体光源の発光面と対向する第一の開口部と、該第一の開口部と反対側に位置する第二の開口部とを備えたライトトンネルと、
    　前記固体光源の前記発光面と前記ライトトンネルの前記第一の開口部との間に配置されたダイクロイックミラーであって、前記第一の光を透過させ、かつ、前記第二の光および第三の光を反射する第一のダイクロイックミラーと、
    　前記第一のダイクロイックミラーと前記ライトトンネルの前記第一の開口部との間に配置された第一のレンズと、
    　前記第一のダイクロイックミラーと前記第一の偏光変換素子の前記入射面との間に配置された第二のレンズと、
    　前記第一のダイクロイックミラーと前記第二のレンズとの間に配置されたダイクロイックミラーであって、前記第二の光を透過させ、かつ、前記第三の光を反射する第二のダイクロイックミラーと、
    　前記第二のダイクロイックミラーと前記第二の偏光変換素子との間に配置された第三のレンズと、が少なくとも含まれ、
    　前記光変換部は、該光変換部の前記第一の面が前記ライトトンネルの前記第二の開口部を塞ぐようにして、該第二の開口部に設けられており、
    　前記第一のレンズおよび第二のレンズは、前記ライトトンネルを通過した前記第二の光を前記第一の偏光変換素子の前記入射面上に集光させて前記二次光源像を形成し、
    　前記第一のレンズおよび第三のレンズは、前記ライトトンネルを通過した前記第三の光を前記第二の偏光変換素子の前記入射面上に集光させて前記二次光源像を形成する、請求項５乃至請求項７のいずれか一項に記載の照明光学系。
  9. 　前記固体光源がＬＥＤまたは半導体レーザーである、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の照明光学系。
  10. 　請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の照明光学系を有する、投写型表示装置。
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