WO2020012751A1 - 光源装置、および投写型表示装置 - Google Patents

光源装置、および投写型表示装置 Download PDF

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田中　孝明
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • H04N9/3197—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using light modulating optical valves

Definitions

  • the present disclosure relates to a projection display apparatus that irradiates an image formed on a small light valve with illumination light and enlarges and projects the image on a screen by a projection lens.
  • Patent Literature 1 discloses a small light source device using a phase difference plate by utilizing the polarization characteristics of light emitted from a solid light source.
  • Patent Document 2 discloses a small and highly efficient light source device using a low-cost phase difference plate having excellent durability.
  • the present disclosure provides a small and highly efficient light source device and a long-life, bright and small projection display device.
  • the first light source device of the present disclosure includes a solid-state light source, a dichroic mirror, a first light-collecting element, a fluorescent plate, a second light-collecting element, a phase difference plate, and a reflection plate.
  • the dichroic mirror separates light from the solid-state light source into one light and the other light, and separates the blue light in which the polarization of the other light is converted and the green and red components in which the wavelength of one light is converted. Combine with the included light.
  • the first light-collecting element collects one of the lights separated by the dichroic mirror.
  • the fluorescent plate converts the wavelength of one of the lights collected by the first light collecting element.
  • the second condensing element condenses the other light separated by the dichroic mirror.
  • the phase difference plate converts the polarization of the other light focused by the second focusing element.
  • the reflection plate reflects the other light whose polarization has been converted by the phase difference plate.
  • the second light-collecting element is constituted by
  • the second light source device of the present disclosure includes a solid-state light source, a dichroic mirror, a first light condensing element, a fluorescent plate, a second light condensing element, a phase difference plate, and a reflection plate.
  • the dichroic mirror separates light from the solid-state light source into one light and the other light, and separates the blue light in which the polarization of the other light is converted and the green and red components in which the wavelength of one light is converted. Combine with the included light.
  • the first light-collecting element collects one of the lights separated by the dichroic mirror.
  • the fluorescent plate converts the wavelength of one of the lights collected by the first light collecting element.
  • the second condensing element condenses the other light separated by the dichroic mirror.
  • the phase difference plate converts the polarization of the other light focused by the second focusing element.
  • the reflection plate reflects the other light whose polarization has been converted by the phase difference plate.
  • the first light condensing element is
  • a compact and highly efficient light source device can be configured by configuring a light-collecting element that collects light from a solid-state light source on a reflecting plate or a fluorescent plate with a lens array. Therefore, a long-life, bright, small-sized projection display device can be realized.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a light source device according to the first embodiment.
  • the light source device 40 includes a semiconductor laser 20, which is a solid light source, a heat sink 21, a condenser lens 22, a heat sink 23, a lens 25, a lens 26, a first diffusion plate 27, a first retardation plate 28, a dichroic mirror 29, Condenser lenses 30 and 31, a fluorescent plate 35, a lens array 36 as a second light condensing element, a second diffusion plate 37, a second retardation plate as a quarter wave plate, constituting the first light condensing element 38, and a reflection plate 39.
  • the fluorescent plate 35 includes an aluminum substrate 33 on which a reflective film (not shown) and a phosphor layer 32 are formed, and a motor 34.
  • FIG. 1 shows the appearance of each light beam 24 emitted from the semiconductor laser 20 which is a solid-state light source, and the polarization directions of light incident on the dichroic mirror 29 and light emitted from the dichroic mirror 29.
  • the heat sink 23 is for cooling the semiconductor laser 20.
  • the semiconductor laser 20 emits blue light with a wavelength width of 447 nm to 462 nm and emits linearly polarized light.
  • Each semiconductor laser is arranged so that the polarization direction of the blue light emitted from the semiconductor laser 20 is S-polarized with respect to the incident surface of the dichroic mirror 29.
  • the light emitted from the plurality of semiconductor lasers 20 is condensed by the corresponding condenser lens 22 and converted into a parallel light flux 24.
  • the light beam group 24 is further reduced in diameter by a convex lens 25 and a concave lens 26 and is incident on a first diffusion plate 27.
  • the first diffusion plate 27 is made of glass and diffuses light in the form of fine irregularities or microlenses on the surface.
  • the diffusion angle which is a half-value angle width that is 50% of the maximum intensity of the diffused light, is as small as about 3 degrees, and maintains the polarization characteristics.
  • the light emitted from the first diffusion plate 27 enters the first retardation plate 28.
  • the first retardation plate 28 is a ⁇ wavelength plate having a ⁇ wavelength retardation near the emission center wavelength of the semiconductor laser 20. When the P polarization direction in FIG. 1 is 0 degrees, the optical axis of the first retardation plate 28 is arranged at 71.5 degrees.
  • the first retardation plate 28 converts incident S-polarized light into light having a ratio of about 82% of the S-polarized component and about 18% of the P-polarized component, depending on the arrangement angle of the optical axis.
  • the rotation of the first retardation plate 28 can be adjusted, and by rotating the first retardation plate 28, the ratio between the S-polarized light component and the P-polarized light component can be adjusted.
  • the first retardation plate 28 is a fine-structure retardation plate utilizing birefringence generated in a fine periodic structure smaller than the wavelength of light (see WO2017 / 061170).
  • the fine periodic structure phase difference plate is made of an inorganic material, and has excellent durability and reliability like inorganic optical crystals such as quartz.
  • the dichroic mirror 29 has the property of transmitting the P-polarized light of the semiconductor laser light having a wavelength of 447 to 462 nm at a high transmittance and reflecting the S-polarized light at a high reflectance of 96% or more. It has the property of transmitting S-polarized light with a high transmittance of 96% or more.
  • the S-polarized blue light reflected by the dichroic mirror 29 is condensed by the condenser lenses 30 and 31. If the diameter at which the light intensity becomes 13.5% of the peak intensity is defined as the spot diameter, the spot diameter is 1.5 mm. The light is superimposed on a spot light of about 2.5 mm and enters the fluorescent screen 35.
  • the first diffusion plate 27 diffuses the light so that the diameter of the spot light becomes a desired diameter.
  • the fluorescent plate 35 is an aluminum substrate 33 on which a reflection film and a phosphor layer 32 are formed, and a circular substrate provided with a motor 34 at the center and capable of controlling the rotation.
  • the reflection film of the fluorescent plate 35 is a metal film or a dielectric film that reflects visible light, and is formed on an aluminum substrate.
  • a phosphor layer 32 is formed on the reflection film.
  • the phosphor layer 32 forms a Ce-activated YAG-based yellow phosphor that is excited by blue light and emits yellow light containing green and red components.
  • a typical chemical structure of the crystal base of this phosphor is Y 3 Al 5 O 12 .
  • the phosphor layer 32 is formed in an annular shape.
  • the phosphor layer 32 excited by the spot light emits yellow light containing green and red components.
  • the aluminum substrate 33 of the fluorescent plate 35 is made of aluminum and is rotated to suppress a rise in the temperature of the phosphor layer 32 due to the excitation light and to stably maintain the fluorescence conversion efficiency.
  • the light incident on the phosphor layer 32 is converted into a wavelength, converted into yellow light fluorescence containing green and red components, and emitted from the phosphor plate 35.
  • Light emitted to the reflection film side is reflected by the reflection film and exits the fluorescent screen 35.
  • the yellow light including the green and red components emitted from the fluorescent plate 35 becomes natural light, is collected again by the condenser lenses 30 and 31, is converted into substantially parallel light, and then passes through the dichroic mirror 29.
  • the P-polarized blue light transmitted through the dichroic mirror 29 is incident on the lens array 36 as the second light-collecting element and is collected.
  • the lens array 36 is composed of 16 lens cells arranged in 4 ⁇ 4.
  • the focal length of each lens cell constituting the lens array 36 is set so that the converging angle is 40 degrees or less, and a converging spot is formed near the reflector 39.
  • the focal length of the lens can be shortened in accordance with the number of lens arrays as compared with a conventional condenser lens, and the optical path length is shortened.
  • An optical system can be configured.
  • the lens array 36 uses one lens array, a plurality of lens arrays may be used. By configuring the lens array 36 with a plurality of lens arrays, spherical aberration of each lens cell is corrected, and light can be collected with higher efficiency.
  • the lens array 36 can be manufactured at low cost by a molding method.
  • the light condensed by the lens array 36 enters the second diffusion plate 37.
  • the second diffuser plate 37 diffuses the incident light, makes the light intensity distribution uniform, and eliminates the speckle of the laser light.
  • the second diffusing plate 37 is formed by forming a diffusing surface in the form of fine irregularities or microlenses on the glass surface of a thin plate.
  • the second diffusion plate 37 has a diffusion angle of about 4 degrees for one transmission light to the diffusion surface, and maintains polarization characteristics.
  • the light transmitted through the second diffusion plate 37 is incident on a second retardation plate 38, which is a quarter-wave plate.
  • the second retardation plate 38 is a retardation plate having a phase difference of 1 / wavelength near the emission center wavelength of the semiconductor laser 20.
  • the second retardation plate 38 is arranged at an optical axis of 45 degrees when the P polarization direction in FIG. 1 is set to 0 degrees.
  • the second retardation plate 38 converts incident linearly polarized light into circularly polarized light.
  • the second retardation plate 38 is a fine structure retardation plate made of an inorganic material, and the change in the phase difference with respect to the incident angle is much smaller than that of an inorganic optical crystal such as quartz.
  • the light transmitted through the second retardation plate 38 and converted into circularly polarized light is inverted in phase by a reflecting plate 39 on which a reflecting film such as aluminum or a dielectric multilayer film is formed, and is divergent light with reverse circularly polarized light.
  • the light passes through the second retardation plate 38 and is converted into S-polarized light. Furthermore, since no member that disturbs the polarization is disposed between the second retardation plate 38 and the reflection plate 39, the P-polarized light can be converted to the S-polarized light with high efficiency.
  • the S-polarized light converted by the second retardation plate 38 is again diffused by the second diffusion plate 37, converted into parallel light by the lens array 36, and reflected by the dichroic mirror 29.
  • the fluorescent light (yellow light including green and red components) from the fluorescent plate 35 and the blue light that has been efficiently polarized and converted are combined by the dichroic mirror 29, and white light is emitted.
  • the yellow light including the green and red components of the fluorescent light emission and the blue light of the semiconductor laser 20 can provide good white balance light emission characteristics. With this emission spectrum characteristic, monochromatic light having desired chromaticity coordinates can be obtained even if the light is separated into three primary colors of blue, green and red by the optical system of the projection display device.
  • a quarter-wave plate as the first and second retardation plates has been described using a fine-structure retardation plate, a thin-film retardation plate utilizing birefringence by oblique deposition of a dielectric material (Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 242449).
  • the thin film phase difference plate is made of an inorganic material, and has excellent durability and reliability like inorganic optical crystals such as quartz.
  • the thin-film wave plate is formed by lamination with a film thickness sufficiently smaller than the wavelength of light, the entire oblique deposition layer becomes a retardation plate having one optical axis. For this reason, the change of the phase difference with respect to the incident angle is much smaller than that of a phase difference plate made of an inorganic optical crystal such as quartz.
  • the light source device separates the blue light from the plurality of semiconductor lasers into two using the dichroic mirror, and emits the green light and the excitation light with one of the separated blue lights (first light).
  • the white light can be obtained by efficiently combining the yellow light containing the red component and the other separated blue light (second light). Since the other blue light is condensed using the lens array, a compact and highly efficient light source device can be configured.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a light source device according to the second embodiment.
  • the semiconductor laser 20, the heat sink 21, the condenser lens 22, the heat sink 23, the lenses 25 and 26, the first diffusion plate 27, the first retardation plate 28, and the dichroic mirror 29 are the same as those of the light source device 40 of the first embodiment, and are denoted by the same reference numerals.
  • the light source device 50 according to the second embodiment includes a lens array 41 serving as a first light condensing element, a phosphor plate 44 including a phosphor layer 42 and an aluminum substrate 43 on which a reflection film (not shown) is formed, and a heat sink 45.
  • FIG. 2 shows the appearance of each light beam 24 emitted from the semiconductor laser 20 which is a solid-state light source, and the polarization direction of light incident on the dichroic mirror 29 and light emitted from the dichroic mirror 29.
  • Light emitted from the plurality of semiconductor lasers 20 is condensed by the corresponding condenser lens 22 and converted into a parallel light flux 24.
  • the light beam group 24 is further reduced in diameter by a convex lens 25 and a concave lens 26 and is incident on a first diffusion plate 27.
  • the first diffusion plate 27 diffuses the incident light at a diffusion angle of about 3 degrees.
  • the light emitted from the first diffusion plate 27 enters the first retardation plate 28.
  • the first retardation plate 28 is a ⁇ wavelength plate whose phase difference becomes 1 / wavelength in the vicinity of the emission center wavelength of the semiconductor laser 20, and converts the S-polarized light incident on the first retardation plate 28 into The light is converted into light having a ratio of about 82% of the S-polarized light component and about 18% of the P-polarized light component.
  • the first retardation plate 28 is a finely structured retardation plate. Light from the first retardation plate 28, which is a quarter-wave plate, enters a dichroic mirror 29.
  • the dichroic mirror 29 has the property of transmitting the P-polarized light of the semiconductor laser light having a wavelength of 447 to 462 nm at a high transmittance and reflecting the S-polarized light at a high reflectance of 96% or more. It has the property of transmitting S-polarized light with a high transmittance of 96% or more.
  • the lens array 36 is composed of 16 lens cells arranged in 4 ⁇ 4.
  • the focal length of each lens cell constituting the lens array 41 is set so that the converging angle is 50 degrees or more, and a large number of minute converging spots are formed on the phosphor layer 42.
  • the focal length of the lens can be shortened in accordance with the number of lens arrays as compared with the plurality of condenser lenses 30 and 31 shown in FIG.
  • the optical path length is shortened, and a compact optical system can be configured.
  • the lens array 41 uses one lens array, a plurality of lens arrays may be used. By configuring the lens array 41 with a plurality of lens arrays, spherical aberration of each lens cell is corrected, and light can be collected with higher efficiency.
  • the fluorescent plate 44 is a non-rotating fixed substrate including an aluminum substrate 43 on which a reflective film and a phosphor layer 42 are formed.
  • the reflection film of the fluorescent plate 44 is a metal film or a dielectric film that reflects visible light, and is formed on an aluminum substrate. Further, a phosphor layer 42 is formed on the reflection film.
  • the phosphor layer 42 forms a Ce-activated YAG-based yellow phosphor that is excited by blue light and emits yellow light containing green and red components.
  • a typical chemical structure of the crystal base of this phosphor is Y 3 Al 5 O 12 .
  • the phosphor layer 42 is formed over the entire area of the aluminum substrate 43. The phosphor layer 42 excited by the minute spot light emits yellow light containing green and red components.
  • the spot light is discretely incident on the fluorescent plate 44, the light density of the incident light can be reduced.
  • the aluminum substrate 43 is made of aluminum or has a structure in which the heat sink 45 is joined to the aluminum substrate 43, the temperature rise of the phosphor layer 42 due to the excitation light can be suppressed, and the fluorescence conversion efficiency can be stably maintained.
  • the fluorescent plate is non-rotating, a light source device with lower noise than the fluorescent plate whose rotation can be controlled can be configured.
  • the wavelength of the light incident on the phosphor layer 42 is converted into yellow light fluorescence containing green and red components, and the light exits the phosphor plate 44.
  • Light emitted to the reflection film side is reflected by the reflection film and exits the fluorescent screen 44.
  • the yellow light containing the green and red components emitted from the fluorescent plate 44 becomes natural light, is condensed again by the lens array 41, is converted into substantially parallel light, and transmits through the dichroic mirror 29.
  • FIG. 3A shows the configuration of the fluorescent plate according to the second embodiment.
  • FIG. 3A shows a configuration of a phosphor plate 44 in which a phosphor layer 42 is formed over the entire area of an aluminum substrate 43.
  • (A1) of FIG. 3A is a plan view
  • (a2) of FIG. 3A is a side view.
  • FIG. 3B shows a configuration of a fluorescent plate according to a modification of the second embodiment.
  • FIG. 3B shows a configuration of a fluorescent plate 54 in which a phosphor layer 52 is formed on an aluminum substrate 53 in a discrete area where excitation light is incident.
  • 3B is a plan view
  • FIG. 3B is a side view.
  • the fluorescent plate 54 has a smaller phosphor layer area than the fluorescent plate 44, and thus can be configured at a lower cost. Therefore, the fluorescent plate 54 may be used as the fluorescent plate.
  • the condenser lens 46 As the second condenser element and is collected.
  • the focal length of the condenser lens 46 is set so that the converging angle is 40 degrees or less, and a converging spot is formed near the reflecting plate 49.
  • the light condensed by the condenser lens 46 enters the second diffusion plate 47.
  • the second diffusing plate 47 diffuses the incident light, makes the light intensity distribution uniform, and eliminates the speckle of the laser light.
  • the second diffusing plate 47 is formed by forming a diffusing surface in the form of fine irregularities or microlenses on the glass surface of a thin plate.
  • the second diffusion plate 47 has a diffusion angle of about 4 degrees for one transmission light to the diffusion surface, and maintains polarization characteristics.
  • the light transmitted through the second diffusion plate 47 is incident on a second retardation plate 48, which is a quarter-wave plate.
  • the second retardation plate 48 is a retardation plate having a phase difference of 1/4 wavelength near the emission center wavelength of the semiconductor laser 20.
  • the second retardation plate 48 has an optical axis arranged at 45 degrees when the P polarization direction in FIG. 2 is set to 0 degrees.
  • the second retardation plate 48 converts incident linearly polarized light into circularly polarized light.
  • the second retardation plate 48 is a fine structure retardation plate made of an inorganic material, and the change of the phase difference with respect to the incident angle is much smaller than that of an inorganic optical crystal such as quartz.
  • the light transmitted through the second retardation plate 48 and converted into circularly polarized light is inverted in phase by a reflecting plate 49 on which a reflecting film such as aluminum or a dielectric multilayer film is formed, and is divergent light with counter-circularly polarized light. Then, the light passes through the second retardation plate 48 and is converted into S-polarized light.
  • the S-polarized light converted by the second retardation plate 48 is again diffused by the second diffusion plate 47, converted into parallel light by the condenser lens 46, and reflected by the dichroic mirror 29.
  • the fluorescent light (yellow light including the green and red components) from the fluorescent plate 44 and the blue light efficiently polarized and converted are combined by the dichroic mirror 29, and white light is emitted.
  • the yellow light containing the green and red components of the fluorescent light emission and the blue light of the semiconductor laser 20 make it possible to obtain good white balance light emission characteristics. With this emission spectrum characteristic, monochromatic light having desired chromaticity coordinates can be obtained even if the light is separated into three primary colors of blue, green and red by the optical system of the projection display device.
  • the light source device separates the blue light from the plurality of semiconductor lasers into two using the dichroic mirror, and emits the green light and the green light that are excited and emitted by one of the separated blue lights (first light).
  • the white light can be obtained by efficiently combining the yellow light containing the red component and the other separated blue light (second light). Since one of the separated blue lights is condensed by using a lens array, a compact and highly efficient light source device can be configured.
  • FIG. 4 is a configuration diagram of a light source device according to the third embodiment.
  • the lens array 36, the second diffusion plate 37, the second retardation plate 38, which is a ⁇ wavelength plate, and the reflection plate 39 are the same as those of the light source device 40 of the first embodiment, and are denoted by the same reference numerals. I have.
  • the lens array 41, the phosphor plate 44 including the aluminum substrate 43 on which the phosphor layer 42 and the reflection layer are formed, and the heat sink 45 are the same as those of the light source device 50 of the second embodiment. is there.
  • the light source device 51 employs the lens array 41 as the first light-collecting element and the lens array 36 as the second light-collecting element, and the first light-collecting element and the second light-collecting element. Both elements use a lens array.
  • FIG. 4 shows the appearance of each light beam 24 emitted from the semiconductor laser 20, which is a solid-state light source, and the polarization directions of light incident on the dichroic mirror 29 and light emitted from the dichroic mirror 29.
  • Light emitted from the plurality of semiconductor lasers 20 is condensed by the corresponding condenser lens 22 and converted into a parallel light flux 24.
  • the light beam group 24 is further reduced in diameter by a convex lens 25 and a concave lens 26 and is incident on a first diffusion plate 27.
  • the first diffusion plate 27 diffuses the incident light at a diffusion angle of about 3 degrees.
  • the light emitted from the first diffusion plate 27 enters the first retardation plate 28.
  • the first retardation plate 28 is a ⁇ wavelength plate whose phase difference becomes 1 / wavelength in the vicinity of the emission center wavelength of the semiconductor laser 20, and converts the S-polarized light incident on the first retardation plate 28 into The light is converted into light having a ratio of about 82% of the S-polarized light component and about 18% of the P-polarized light component.
  • the first retardation plate 28 is a finely structured retardation plate. Light from the first retardation plate 28, which is a quarter-wave plate, enters a dichroic mirror 29.
  • the dichroic mirror 29 has the property of transmitting the P-polarized light of the semiconductor laser light having a wavelength of 447 to 462 nm at a high transmittance and reflecting the S-polarized light at a high reflectance of 96% or more. It has the property of transmitting S-polarized light with a high transmittance of 96% or more.
  • the lens array 36 is composed of 16 lens cells arranged in 4 ⁇ 4.
  • the focal length of each lens cell constituting the lens array 41 is set so that the converging angle is 50 degrees or more, and a large number of minute converging spots are formed on the phosphor layer 42.
  • the focal length of the lens can be shortened in accordance with the number of lens arrays as compared with the plurality of condenser lenses 30 and 31 shown in FIG. A small optical system can be configured.
  • a fluorescent plate 54 can be used instead of the fluorescent plate 44.
  • the P-polarized blue light transmitted through the dichroic mirror 29 is incident on the lens array 36 as the second light-collecting element and is collected.
  • the lens array 36 is composed of lens cells arranged in 4 ⁇ 4.
  • the focal length of each lens cell constituting the lens array 36 is set so that the converging angle is 40 degrees or less, and a converging spot is formed near the reflector 39.
  • the focal length of the lens can be shortened in accordance with the number of lens arrays in comparison with a conventional condenser lens, so that the optical path length is shortened and the size is reduced.
  • An optical system can be configured.
  • the lens array 36 uses one lens array, a plurality of lens arrays may be used. The spherical aberration of each lens cell is corrected by the plurality of lens arrays, and light can be collected with higher efficiency.
  • the light condensed by the lens array 36 enters the second diffusion plate 37.
  • the second diffusing plate 37 diffuses the incident light, makes the light intensity distribution uniform, and eliminates the speckle of the laser light.
  • the second diffusing plate is formed by forming a diffusing surface in the form of fine irregularities or microlenses on the glass surface of a thin plate.
  • the second diffusion plate 37 has a diffusion angle of about 4 degrees for one transmission light to the diffusion surface, and maintains polarization characteristics.
  • the light transmitted through the second diffusion plate 37 is incident on a second retardation plate 38, which is a quarter-wave plate.
  • the second retardation plate 38 is a retardation plate having a phase difference of 1 / wavelength near the emission center wavelength of the semiconductor laser 20.
  • the second phase difference plate 38 is arranged at an optical axis of 45 degrees when the P polarization direction in the figure is 0 degree.
  • the second retardation plate 38 converts incident linearly polarized light into circularly polarized light.
  • the second retardation plate 38 is a fine structure retardation plate made of an inorganic material.
  • the light transmitted through the second retardation plate 38 and converted into circularly polarized light is inverted in phase by a reflecting plate 39 on which a reflecting film such as aluminum or a dielectric multilayer film is formed, and is divergent light with reverse circularly polarized light. Then, the light passes through the second retardation plate 38 and is converted into S-polarized light.
  • the S-polarized light converted by the second retardation plate 38 is again diffused by the second diffusion plate 37, converted into parallel light by the lens array 36, and reflected by the dichroic mirror 29.
  • the light source device separates the blue light from the plurality of semiconductor lasers into two using the dichroic mirror, and excites the green light and the green light that are excited and emitted by one of the separated blue lights (first light).
  • the white light can be obtained by efficiently combining the yellow light containing the red component and the other separated blue light (second light).
  • One of the separated blue lights and the other of the separated blue lights are respectively condensed by using a lens array, so that a small and highly efficient light source device can be configured.
  • FIG. 5 shows a projection display device 11 as a first projection display device according to the fourth embodiment.
  • the projection display device 11 uses an active matrix transmission type liquid crystal panel in a TN (Twisted Nematic) mode or a VA (Vertical Alignment) mode in which a thin film transistor is formed in a pixel region as an image forming element.
  • TN Transmission Nematic
  • VA Very Alignment
  • the light source device 40 of the projection display device 11 is the light source device of the first embodiment.
  • the projection display device 11 includes a light source device 40, a first lens array plate 200, a second lens array plate 201, a polarization conversion element 202, a superimposing lens 203, a dichroic mirror 204 for blue reflection, and a dichroic mirror 205 for green reflection.
  • a color synthesizing prism 223 and a projection lens 224 each including a red reflecting dichroic mirror and a blue reflecting dichroic mirror.
  • the white light from the light source device 40 enters the first lens array plate 200 composed of a plurality of lens elements.
  • the light beam incident on the first lens array plate 200 is split into many light beams. A large number of split light beams converge on a second lens array plate 201 including a plurality of lenses.
  • the lens elements of the first lens array plate 200 have an opening shape similar to that of the liquid crystal panels 217, 218, and 219.
  • the focal length of the lens elements of the second lens array plate 201 is determined so that the first lens array plate 200 and the liquid crystal panels 217, 218, and 219 have a substantially conjugate relationship.
  • Light emitted from the second lens array plate 201 enters the polarization conversion element 202.
  • the polarization conversion element 202 is composed of a polarization separation prism and a half-wave plate, and converts natural light from a light source into light in one polarization direction. Since the fluorescent light is natural light, the natural light is polarization-converted in one polarization direction, but the blue light is converted into S-polarized light because it enters as P-polarized light.
  • Light from the polarization conversion element 202 enters the superimposing lens 203.
  • the superimposing lens 203 is a lens for superimposing illumination of light emitted from each lens element of the second lens array plate 201 onto the liquid crystal panels 217, 218, and 219. As described above, the first lens array plate 200, the second lens array plate 201, the polarization conversion element 202, and the superimposing lens 203 constitute an illumination optical system, and illuminate a region to be illuminated at a subsequent stage.
  • Light from the superimposing lens 203 is separated into blue, green, and red color lights by a blue-reflecting dichroic mirror 204 and a green-reflecting dichroic mirror 205, which are color separating means.
  • the green color light passes through the field lens 211 and the incident side polarizing plate 214 and enters the liquid crystal panel 217.
  • the red color light is transmitted and refracted and reflected by the relay lenses 209 and 210 and the reflection mirrors 207 and 208, passes through the field lens 213 and the incident side polarizing plate 216, and enters the liquid crystal panel 219.
  • the three liquid crystal panels 217, 218, and 219 change the polarization state of the incident light by controlling the voltage applied to the pixels according to the video signal, and the transmission axes are orthogonal to both sides of each of the liquid crystal panels 217, 218, and 219.
  • the light is modulated by combining the respective incident-side polarizers 214, 215, and 216 and the output-side polarizers 220, 221, and 222 to form green, blue, and red images.
  • the red and blue color lights of the respective color lights transmitted through the emission side polarizing plates 220, 221 and 222 are respectively reflected by a red reflection dichroic mirror and a blue reflection dichroic mirror by the color combining prism 223, and are combined with the green color light. Incident on the projection lens 224.
  • the light incident on the projection lens 224 is enlarged and projected on a screen (not shown).
  • the light source device is formed of a solid-state light source in a small size and emits white light with high efficiency and good white balance, so that a long-life, high-brightness projection display device can be realized.
  • three liquid crystal panels using polarization instead of the time-division method are used for the image forming element, a bright and high-definition projected image can be obtained without color breaking, with good color reproduction.
  • a total reflection prism is not required, and a prism for color synthesis is a small prism of 45 degrees incidence. Can be configured.
  • the light source device 40 used in the first projection display device separates the blue light from the plurality of semiconductor lasers into two using the dichroic mirror, and separates the blue light 1), the yellow light containing the green and red components excited and emitted by the other light and the other blue light (the second light) can be efficiently synthesized to obtain white light, and the separated blue light can be obtained. Since light is collected using a lens array, it is small and highly efficient. Therefore, a small and highly efficient projection display device can be configured.
  • the light source device 40 shown in FIG. 1 is used as the light source device, the light source devices 50 and 51 shown in FIGS. 2 and 4 may be used. In this case, a smaller light source device and a projection display device can be configured.
  • a transmissive liquid crystal panel is used as the image forming element
  • a reflective liquid crystal panel may be used.
  • a smaller and higher definition projection display device can be configured.
  • FIG. 6 shows a projection display device 12 as a second projection display device according to the fifth embodiment.
  • the projection display device 12 uses three DMDs as image forming elements.
  • the light source device 40 of the projection display device 12 is the light source device of the first embodiment.
  • the white light emitted from the light source device 40 enters the condenser lens 100 and is focused on the rod 101.
  • the light incident on the rod 101 is reflected a plurality of times inside the rod, so that the light intensity distribution is made uniform and emitted.
  • Light emitted from the rod 101 is collected by the relay lens 102, reflected by the reflection mirror 103, transmitted through the field lens 104, and enters the total reflection prism 105.
  • the condenser lens 100, the rod 101, the relay lens 102, and the reflection mirror 103 constitute an illumination optical system, and illuminate a region to be illuminated at a subsequent stage.
  • the total reflection prism 105 is composed of two prisms, and a thin air layer 106 is formed on the adjacent surfaces of the prisms.
  • the air layer 106 totally reflects light incident at an angle equal to or greater than the critical angle.
  • Light from the field lens 104 is reflected by the total reflection surface of the total reflection prism 105 and enters the color prism 107.
  • the color prism 107 is composed of three prisms, and a dichroic mirror 108 for reflecting blue and a dichroic mirror 109 for reflecting red are formed on the adjacent surfaces of each prism.
  • the light that has entered the color prism 107 is separated into blue, red, and green light by a dichroic mirror 108 that reflects blue and a dichroic mirror 109 that reflects red, and enters the DMDs 110, 111, and 112, respectively.
  • the DMDs 110, 111, and 112 deflect the micromirror according to the video signal, and reflect the light into the projection lens 113 and the light traveling outside the effective area of the projection lens 113.
  • the light reflected by the DMDs 110, 111, and 112 passes through the color prism 107 again.
  • the separated blue, red, and green light components are combined and incident on the total reflection prism 105. Since the light that has entered the total reflection prism 105 enters the air layer 106 at a critical angle or less, the light is transmitted and enters the projection lens 113.
  • the light source device is composed of a plurality of solid-state light sources and emits white light with high efficiency and good white balance, so that a long-life, high-brightness projection display device can be realized.
  • the DMD is used as the image forming element, a projection display device having higher light resistance and heat resistance can be configured as compared with an image forming element using liquid crystal.
  • three DMDs are used, a good color reproduction can be obtained, and a bright and high-definition projected image can be obtained.
  • the light source device 40 used in the second projection display device separates the blue light from the plurality of semiconductor lasers into two using the dichroic mirror, and separates the blue light (the 1), the yellow light containing the green and red components excited and emitted by the first light and the separated blue light (second light) can be efficiently combined to obtain white light. Since blue light is collected using a lens array, it is small and highly efficient. Therefore, a small and highly efficient projection display device can be configured.
  • the light source device 40 shown in FIG. 1 is used as the light source device, the light source devices 50 and 51 shown in FIGS. 2 and 4 may be used. In this case, a smaller light source device and a projection display device can be configured.
  • the present disclosure relates to a projection display device using an image forming element.

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Abstract

本開示の光源装置は、固体光源（２０）と、ダイクロイックミラー（２９）と、第１の集光素子（３０、３１）と、蛍光板（３５）と、第２の集光素子（３６）と、位相差板（３８）と、反射板（３９）と、を備える。ダイクロイックミラー（２９）は、固体光源（２０）からの光を一方の光と他方の光とに分離し、かつ、他方の光の偏光が変換された青色光と一方の光の波長が変換された緑および赤成分を含む光とを合成する。第１の集光素子（３０、３１）は、ダイクロイックミラー（２９）で分離された一方の光を、蛍光板（３５）上に集光する。第２の集光素子（３６）は、ダイクロイックミラー（２９）で分離された他方の光を、位相差板（３８）を介して反射板（３９）上に集光する。第１の集光素子（３０、３１）および第２の集光素子（３６）の少なくとも一方は、レンズアレイで構成される。

Description

光源装置、および投写型表示装置
　本開示は、小型のライトバルブ上に形成される画像を照明光で照射し、投写レンズによりスクリーン上に拡大投写する投写型表示装置に関する。
　ミラー偏向型のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶パネルのライトバルブを用いた投写型表示装置の光源として、長寿命である半導体レーザーや発光ダイオードの固体光源を用いた光源装置が多数開示されている。その中で、特許文献１には、固体光源から出射する光の偏光特性を利用して、位相差板を用いた小型な光源装置が開示されている。また、特許文献２には、耐久性に優れて低コストの位相差板を用いた小型で高効率な光源装置が開示されている。
特許第５８７４０５８号公報 特開２０１８－１３７６４号公報
　本開示は、小型で高効率な光源装置、および、長寿命で明るく、小型な投写型表示装置を提供する。
　本開示の第１の光源装置は、固体光源と、ダイクロイックミラーと、第１の集光素子と、蛍光板と、第２の集光素子と、位相差板と、反射板と、を備える。ダイクロイックミラーは、固体光源からの光を一方の光と他方の光とに分離し、かつ、他方の光の偏光が変換された青色光と一方の光の波長が変換された緑および赤成分を含む光とを合成する。第１の集光素子は、ダイクロイックミラーで分離された一方の光を集光する。蛍光板は、第１の集光素子により集光された一方の光の波長を変換する。第２の集光素子は、ダイクロイックミラーで分離された他方の光を集光する。位相差板は、第２の集光素子により集光された他方の光の偏光を変換する。反射板は、位相差板により偏光が変換された他方の光を反射する。第２の集光素子は、レンズアレイで構成される。
　また、本開示の第２の光源装置は、固体光源と、ダイクロイックミラーと、第１の集光素子と、蛍光板と、第２の集光素子と、位相差板と、反射板と、を備える。ダイクロイックミラーは、固体光源からの光を一方の光と他方の光とに分離し、かつ、他方の光の偏光が変換された青色光と一方の光の波長が変換された緑および赤成分を含む光とを合成する。第１の集光素子は、ダイクロイックミラーで分離された一方の光を集光する。蛍光板は、第１の集光素子により集光された一方の光の波長を変換する。第２の集光素子は、ダイクロイックミラーで分離された他方の光を集光する。位相差板は、第２の集光素子により集光された他方の光の偏光を変換する。反射板は、位相差板により偏光が変換された他方の光を反射する。第１の集光素子は、レンズアレイで構成される。
　本開示によれば、固体光源からの光を反射板や蛍光板に集光する集光素子を、レンズアレイで構成することにより、小型で高効率な光源装置が構成できる。このため、長寿命で明るく、小型な投写型表示装置が実現できる。
本開示の実施の形態１における光源装置の構成図 本開示の実施の形態２における光源装置の構成図 本開示の実施の形態２における蛍光板の構成図 本開示の実施の形態２の変形例における蛍光板の構成図 本開示の実施の形態３における光源装置の構成図 本開示の実施の形態４における投写型表示装置の構成図 本開示の実施の形態５における投写型表示装置の構成図
　以下、本開示を実施するための形態について、図面を参照しながら説明する。
　（実施の形態１）
　図１は実施の形態１を示す光源装置の構成図である。
　光源装置４０は、固体光源である半導体レーザー２０、放熱板２１、集光レンズ２２、ヒートシンク２３、レンズ２５、レンズ２６、第１の拡散板２７、第１の位相差板２８、ダイクロイックミラー２９、第１の集光素子を構成するコンデンサレンズ３０、３１、蛍光板３５、第２の集光素子であるレンズアレイ３６、第２の拡散板３７、１／４波長板である第２の位相差板３８、反射板３９を備える。蛍光板３５は、反射膜（図示せず）と蛍光体層３２を形成したアルミニウム基板３３およびモーター３４から構成される。図１中には、固体光源である半導体レーザー２０から出射する各光束２４の様相と、ダイクロイックミラー２９へ入射する光およびダイクロイックミラー２９から出射する光の偏光方向を示している。
　放熱板２１上には、２４個（６×４）を正方配置した半導体レーザー２０と集光レンズ２２を一定の間隔で２次元上に配置している。ヒートシンク２３は半導体レーザー２０を冷却するためのものである。半導体レーザー２０は、４４７ｎｍから４６２ｎｍの波長幅で青色光を発光し、直線偏光を出射する。半導体レーザー２０から出射する青色光の偏光方向はダイクロイックミラー２９の入射面に対してＳ偏光となるように、各半導体レーザーを配置している。複数の半導体レーザー２０を出射した光は対応する集光レンズ２２により、それぞれ集光され平行な光束２４に変換される。光束２４群は凸面のレンズ２５と凹面のレンズ２６により、さらに小径化され、第１の拡散板２７に入射する。
　第１の拡散板２７はガラス製で表面の微細な凹凸もしくはマイクロレンズ形状で光を拡散する。拡散光の最大強度の５０％となる半値角度幅である拡散角度は略３度と小さく、偏光特性を保持する。第１の拡散板２７を出射した光は、第１の位相差板２８に入射する。第１の位相差板２８は半導体レーザー２０の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる１／４波長板である。図１中のＰ偏光方向を０度とした場合に、第１の位相差板２８の光学軸を７１．５度で配置している。第１の位相差板２８は、光学軸の配置角度により、入射するＳ偏光の光を、Ｓ偏光成分が約８２％、Ｐ偏光成分が約１８％の比率の光に変換する。第１の位相差板２８は回転調整が可能であり、第１の位相差板２８を回転させることによりＳ偏光成分とＰ偏光成分の比率を調整することができる。第１の位相差板２８は、光の波長よりも小さい微細周期構造で生じる複屈折を利用した微細構造位相差板である（国際公開第２０１７/０６１１７０号参照）。微細周期構造位相差板は無機材料で構成され、水晶などの無機光学結晶と同様に耐久性、信頼性に優れる。
　１／４波長板である第１の位相差板２８からの光はダイクロイックミラー２９に入射する。ダイクロイックミラー２９は、波長４４７～４６２ｎｍの半導体レーザー光のＰ偏光を高い透過率で透過させ、Ｓ偏光を９６％以上の高い反射率で反射させる特性を有し、緑および赤色光のＰ偏光、Ｓ偏光をそれぞれ９６％以上の高い透過率で透過させる特性を有する。
　ダイクロイックミラー２９で反射したＳ偏光の青色光はコンデンサレンズ３０、３１により集光され、光強度がピーク強度に対して１３．５％となる直径をスポット径と定義すると、スポット径が１．５ｍｍ～２．５ｍｍのスポット光に重畳され、蛍光板３５に入射する。第１の拡散板２７はそのスポット光の径が所望の径となるよう光を拡散させている。蛍光板３５は、反射膜と蛍光体層３２を形成したアルミニウム基板３３と、中央部にモーター３４を備えた回転制御可能な円形基板である。蛍光板３５の反射膜は可視光を反射する金属膜もしくは誘電体膜であり、アルミニウム基板上に形成される。さらに反射膜上には蛍光体層３２が形成される。蛍光体層３２には青色光により励起され、緑および赤成分を含む黄色光を発光するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成している。この蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織はＹ３Ａｌ５Ｏ１２である。蛍光体層３２は円環状に形成している。スポット光で励起された蛍光体層３２は緑および赤成分を含む黄色光を発光する。蛍光板３５のアルミニウム基板３３は、アルミニウム製であり、かつ回転させられることにより、励起光による蛍光体層３２の温度上昇を抑制し、蛍光変換効率を安定に維持することができる。蛍光体層３２に入射した光は、波長が変換されて緑および赤成分を含む黄色光の蛍光となり、蛍光板３５を出射する。また、反射膜側に発光する光は反射膜で反射し、蛍光板３５を出射する。蛍光板３５から出射した緑および赤成分を含む黄色光は、自然光となり、再びコンデンサレンズ３０、３１で集光され、略平行光に変換された後、ダイクロイックミラー２９を透過する。
　一方、ダイクロイックミラー２９を透過するＰ偏光の青色光は、第２の集光素子であるレンズアレイ３６に入射して、集光する。レンズアレイ３６は４×４で配置した１６個のレンズセルから構成されている。レンズアレイ３６を構成する各レンズセルの焦点距離は集光角度が４０度以下となるようにし、反射板３９の近傍に集光スポットを形成する。第２の集光素子をレンズアレイとすることにより、従来のコンデンサレンズと比較して、レンズの焦点距離をレンズアレイのアレイ数に応じて短くすることができ、光路長が短くなり、小型な光学系が構成できる。レンズアレイ３６は、１枚のレンズアレイを用いているが、複数のレンズアレイを用いてもよい。レンズアレイ３６を複数枚のレンズアレイで構成することにより、各レンズセルの球面収差が補正され、より高い効率で集光できる。レンズアレイ３６は成型工法により、安価に製造できる。
　レンズアレイ３６で集光された光は第２の拡散板３７に入射する。第２の拡散板３７は入射する光を拡散させて、光強度分布を均一化するとともに、レーザー光のスペックルを解消する。第２の拡散板３７は薄板のガラス表面に微細な凹凸形状もしくはマイクロレンズ形状で拡散面を形成したものである。第２の拡散板３７は拡散面への１回の透過光で略４度の拡散角度を有し、偏光特性を維持するものである。第２の拡散板３７を透過した光は１／４波長板である第２の位相差板３８に入射する。第２の位相差板３８は半導体レーザー２０の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる位相差板である。第２の位相差板３８は、図１中のＰ偏光方向を０度した場合に、光学軸を４５度で配置している。第２の位相差板３８は入射する直線偏光を円偏光に変換する。第２の位相差板３８は無機材料の微細構造位相差板であり、入射角に対する位相差の変化が水晶などの無機光学結晶の位相差板よりも、非常に小さい。第２の位相差板３８を透過して円偏光に変換された光は、アルミニウムや誘電体多層膜などの反射膜を形成した反射板３９で位相が反転され、逆回りの円偏光で発散光となり、第２の位相差板３８を透過してＳ偏光に変換される。さらに、第２の位相差板３８と反射板３９との間には、偏光を乱す部材を配置しないため、高効率でＰ偏光からＳ偏光に変換できる。
　第２の位相差板３８で変換されたＳ偏光の光は、再び、第２の拡散板３７で拡散された後、レンズアレイ３６で平行光に変換され、ダイクロイックミラー２９で反射する。
　このようにして、蛍光板３５からの蛍光光（緑および赤成分を含む黄色光）と、効率よく偏光変換された青色光とが、ダイクロイックミラー２９で合成され、白色光が出射される。蛍光発光の緑および赤成分を含む黄色光と半導体レーザー２０の青色光とにより、良好なホワイトバランスの発光特性を得ることができる。この発光スペクトル特性は、投写型表示装置の光学系で青、緑、赤の３原色光に分離しても、所望の色度座標の単色光を得ることができる。
　第１および第２の位相差板としての１／４波長板には微細構造位相差板を用いて説明したが、誘電体材料の斜め蒸着による複屈折を利用した薄膜位相差板（特開２０１２－２４２４４９号公報参照）を用いてもよい。薄膜位相差板は無機材料で構成され、水晶などの無機光学結晶と同様に耐久性、信頼性に優れる。また、薄膜波長板は光の波長よりも十分に薄い膜厚で積層形成されているため、斜め蒸着層全体でひとつの光学軸をもつ位相差板となる。このため、入射角に対する位相差の変化が水晶などの無機光学結晶の位相差板よりも、非常に小さい。
　以上のように、実施の形態１の光源装置は、複数の半導体レーザーからの青色光をダイクロイックミラーにより２つに分離し、分離した一方の青色光（第１の光）で励起発光する緑および赤成分を含む黄色光と、分離した他方の青色光（第２の光）とを効率よく合成して白色光を得ることができる。他方の青色光はレンズアレイを用いて集光するため、小型で高効率な光源装置が構成できる。
　（実施の形態２）
　図２は実施の形態２を示す光源装置の構成図である。
　実施の形態２の光源装置５０において、半導体レーザー２０、放熱板２１、集光レンズ２２、ヒートシンク２３、レンズ２５、２６、第１の拡散板２７、第１の位相差板２８、ダイクロイックミラー２９は、実施の形態１の光源装置４０と同様であり、同一符号を付している。本実施の形態２の光源装置５０は、第１の集光素子であるレンズアレイ４１、蛍光体層４２と反射膜（図示せず）を形成したアルミニウム基板４３より構成される蛍光板４４、ヒートシンク４５、第２の集光素子であるコンデンサレンズ４６、第２の拡散板４７、第２の位相差板４８、反射板４９を備える。図２中には固体光源である半導体レーザー２０から出射する各光束２４の様相と、ダイクロイックミラー２９へ入射する光およびダイクロイックミラー２９から出射する光の偏光方向を示している。
　複数の半導体レーザー２０を出射した光は対応する集光レンズ２２により、それぞれ集光され平行な光束２４に変換される。光束２４群は凸面のレンズ２５と凹面のレンズ２６により、さらに小径化され、第１の拡散板２７に入射する。第１の拡散板２７は拡散角度が略３度で入射する光を拡散する。第１の拡散板２７を出射した光は、第１の位相差板２８に入射する。第１の位相差板２８は半導体レーザー２０の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる１／４波長板であり、第１の位相差板２８に入射するＳ偏光の光を、Ｓ偏光成分が約８２％、Ｐ偏光成分が約１８％の比率の光に変換する。第１の位相差板２８は微細構造性位相差板である。１／４波長板である第１の位相差板２８からの光はダイクロイックミラー２９に入射する。ダイクロイックミラー２９は、波長４４７～４６２ｎｍの半導体レーザー光のＰ偏光を高い透過率で透過させ、Ｓ偏光を９６％以上の高い反射率で反射させる特性を有し、緑および赤色光のＰ偏光、Ｓ偏光をそれぞれ９６％以上の高い透過率で透過させる特性を有する。
　ダイクロイックミラー２９で反射した約８２％のＳ偏光の青色光はレンズアレイ４１により集光され、蛍光板４４に入射する。レンズアレイ３６は４×４で配置した１６個のレンズセルから構成されている。レンズアレイ４１を構成する各レンズセルの焦点距離は集光角度が５０度以上となるようにして、蛍光体層４２に微小な多数の集光スポットを形成する。第１の集光素子をレンズアレイとすることにより、図１に示した複数枚のコンデンサレンズ３０、３１に対比して、レンズの焦点距離をレンズアレイのアレイ数に応じて短くすることができ、光路長が短くなり、小型な光学系が構成できる。レンズアレイ４１は、１枚のレンズアレイを用いているが、複数のレンズアレイを用いてもよい。レンズアレイ４１を複数枚のレンズアレイで構成することにより、各レンズセルの球面収差が補正され、より高い効率で集光できる。
　蛍光板４４は反射膜と蛍光体層４２を形成したアルミニウム基板４３を備えた非回転の固定基板である。蛍光板４４の反射膜は可視光を反射する金属膜もしくは誘電体膜であり、アルミニウム基板上に形成される。さらに反射膜上には蛍光体層４２が形成される。蛍光体層４２には青色光により励起され、緑および赤成分を含む黄色光を発光するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成している。この蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織はＹ３Ａｌ５Ｏ１２である。蛍光体層４２はアルミニウム基板４３の全域に形成している。微小なスポット光で励起された蛍光体層４２は緑および赤成分を含む黄色光を発光する。蛍光板４４には、離散的にスポット光が入射するため、入射する光の光密度を小さくすることができる。アルミニウム基板４３がアルミニウム製であることやアルミニウム基板４３にヒートシンク４５を接合した構成であるため、励起光による蛍光体層４２の温度上昇を抑制し、蛍光変換効率を安定に維持することができる。蛍光板が非回転であるため、回転制御可能な蛍光板よりも、低騒音な光源装置が構成できる。
　蛍光体層４２に入射した光は、波長が変換されて緑および赤成分成分を含む黄色光の蛍光となり、蛍光板４４を出射する。また、反射膜側に発光する光は反射膜で反射し、蛍光板４４を出射する。蛍光板４４から出射した緑および赤成分を含む黄色光は、自然光となり、再びレンズアレイ４１で集光され、略平行光に変換された後、ダイクロイックミラー２９を透過する。
　図３Ａに、実施の形態２に係る蛍光板の構成を示す。図３Ａは蛍光体層４２をアルミニウム基板４３の全域に形成した蛍光板４４の構成を示す。図３Ａの（ａ１）は平面図、図３Ａの（ａ２）は側面図である。
　また、図３Ｂに、実施の形態２の変形例に係る蛍光板の構成を示す。図３Ｂは蛍光体層５２をアルミニウム基板５３上に、励起光が入射する領域である離散的な領域に形成した蛍光板５４の構成を示す。図３Ｂの（ｂ１）は平面図、図３Ｂの（ｂ２）は側面図である。蛍光板５４は、蛍光板４４に対比して、蛍光体層領域が狭いため、より安価に構成できる。したがって、蛍光板として、蛍光板５４を用いてもよい。
　一方、ダイクロイックミラー２９を透過する約１８％のＰ偏光の青色光は、第２の集光素子であるコンデンサレンズ４６に入射して、集光する。コンデンサレンズ４６の焦点距離は集光角度が４０度以下となるようにし、反射板４９の近傍に集光スポットを形成する。コンデンサレンズ４６で集光された光は第２の拡散板４７に入射する。第２の拡散板４７は入射する光を拡散させて、光強度分布を均一化するとともに、レーザー光のスペックルを解消する。第２の拡散板４７は薄板のガラス表面に微細な凹凸形状もしくはマイクロレンズ形状で拡散面を形成したものである。第２の拡散板４７は拡散面への１回の透過光で略４度の拡散角度を有し、偏光特性を維持するものである。
　第２の拡散板４７を透過した光は１／４波長板である第２の位相差板４８に入射する。第２の位相差板４８は半導体レーザー２０の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる位相差板である。第２の位相差板４８は、図２中のＰ偏光方向を０度した場合に、光学軸を４５度で配置している。第２の位相差板４８は入射する直線偏光を円偏光に変換する。第２の位相差板４８は無機材料の微細構造位相差板であり、入射角に対する位相差の変化が水晶などの無機光学結晶の位相差板よりも、非常に小さい。
　第２の位相差板４８を透過して円偏光に変換された光は、アルミニウムや誘電体多層膜などの反射膜を形成した反射板４９で位相が反転され、逆回りの円偏光で発散光となり、第２の位相差板４８を透過してＳ偏光に変換される。第２の位相差板４８で変換されたＳ偏光の光は、再び、第２の拡散板４７で拡散された後、コンデンサレンズ４６で平行光に変換され、ダイクロイックミラー２９で反射する。
　このようにして、蛍光板４４からの蛍光光（緑および赤成分を含む黄色光）と、効率よく偏光変換された青色光とが、ダイクロイックミラー２９で合成され、白色光が出射される。蛍光発光の緑および赤成分を含む黄色光と半導体レーザー２０の青色光により、良好なホワイトバランスの発光特性を得ることができる。この発光スペクトル特性は、投写型表示装置の光学系で青、緑、赤の３原色光に分離しても、所望の色度座標の単色光を得ることができる。
　以上のように、実施の形態２の光源装置は、複数の半導体レーザーからの青色光をダイクロイックミラーにより２つに分離し、分離した一方の青色光（第１の光）で励起発光する緑および赤成分を含む黄色光と、分離した他方の青色光（第２の光）を効率よく合成して白色光を得ることができる。分離した一方の青色光はレンズアレイを用いて集光するため、小型で高効率な光源装置が構成できる。
　（実施の形態３）
　図４は実施の形態３を示す光源装置の構成図である。
　実施の形態３の光源装置５１において、半導体レーザー２０、放熱板２１、集光レンズ２２、ヒートシンク２３、レンズ２５、２６、第１の拡散板２７、第１の位相差板２８、ダイクロイックミラー２９、レンズアレイ３６、第２の拡散板３７、１／４波長板である第２の位相差板３８、反射板３９は、実施の形態１の光源装置４０と同様であり、同一符号を付している。また、実施の形態３の光源装置５１において、レンズアレイ４１、蛍光体層４２と反射層を形成したアルミニウム基板４３を備えた蛍光板４４、ヒートシンク４５は、実施の形態２の光源装置５０と同様である。即ち、実施の形態３の光源装置５１は、第１の集光素子としてレンズアレイ４１を、第２の集光素子としてレンズアレイ３６を採用し、第１の集光素子および第２の集光素子ともにレンズアレイを用いている。図４中には固体光源である半導体レーザー２０から出射する各光束２４の様相と、ダイクロイックミラー２９へ入射する光およびダイクロイックミラー２９から出射する光の偏光方向を示している。
　複数の半導体レーザー２０を出射した光は対応する集光レンズ２２により、それぞれ集光され平行な光束２４に変換される。光束２４群は凸面のレンズ２５と凹面のレンズ２６により、さらに小径化され、第１の拡散板２７に入射する。第１の拡散板２７は拡散角度が略３度で入射する光を拡散する。第１の拡散板２７を出射した光は、第１の位相差板２８に入射する。第１の位相差板２８は半導体レーザー２０の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる１／４波長板であり、第１の位相差板２８に入射するＳ偏光の光を、Ｓ偏光成分が約８２％、Ｐ偏光成分が約１８％の比率の光に変換する。第１の位相差板２８は微細構造性位相差板である。１／４波長板である第１の位相差板２８からの光はダイクロイックミラー２９に入射する。ダイクロイックミラー２９は、波長４４７～４６２ｎｍの半導体レーザー光のＰ偏光を高い透過率で透過させ、Ｓ偏光を９６％以上の高い反射率で反射させる特性を有し、緑および赤色光のＰ偏光、Ｓ偏光をそれぞれ９６％以上の高い透過率で透過させる特性を有する。
　ダイクロイックミラー２９で反射した約８２％のＳ偏光の青色光はレンズアレイ４１により集光され、蛍光板４４に入射する。レンズアレイ３６は４×４で配置した１６個のレンズセルから構成されている。レンズアレイ４１を構成する各レンズセルの焦点距離は集光角度が５０度以上となるようにして、蛍光体層４２に微小な多数の集光スポットを形成する。第１の集光素子をレンズアレイとすることにより、図１に示した複数枚のコンデンサレンズ３０、３１に対比して、レンズの焦点距離をレンズアレイのアレイ数に応じて短くすることができ、小型な光学系が構成できる。また、光源装置５１において、実施の形態２の光源装置５０と同様に、蛍光板４４に代えて蛍光板５４を用いることもできる。
　一方、ダイクロイックミラー２９を透過するＰ偏光の青色光は、第２の集光素子であるレンズアレイ３６に入射して、集光する。レンズアレイ３６は４×４で配置したレンズセルから構成されている。レンズアレイ３６を構成する各レンズセルの焦点距離は集光角度が４０度以下となるようにし、反射板３９の近傍に集光スポットを形成する。第２の集光素子をレンズアレイとすることにより、従来のコンデンサレンズに対比して、レンズの焦点距離をレンズアレイのアレイ数に応じて短くすることができ、光路長が短くなり、小型な光学系が構成できる。レンズアレイ３６は、１枚のレンズアレイを用いているが、複数のレンズアレイを用いてもよい。複数枚のレンズアレイにより、各レンズセルの球面収差が補正され、より高い効率で集光できる。レンズアレイ３６で集光された光は第２の拡散板３７に入射する。
　第２の拡散板３７は入射する光を拡散させて、光強度分布を均一化するとともに、レーザー光のスペックルを解消する。第２の拡散板は薄板のガラス表面に微細な凹凸形状もしくはマイクロレンズ形状で拡散面を形成したものである。第２の拡散板３７は拡散面への１回の透過光で略４度の拡散角度を有し、偏光特性を維持するものである。第２の拡散板３７を透過した光は１／４波長板である第２の位相差板３８に入射する。第２の位相差板３８は半導体レーザー２０の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる位相差板である。第２の位相差板３８は、図中のＰ偏光方向を０度とした場合に、光学軸を４５度で配置している。第２の位相差板３８は入射する直線偏光を円偏光に変換する。第２の位相差板３８は無機材料の微細構造位相差板である。
　第２の位相差板３８を透過して円偏光に変換された光は、アルミニウムや誘電体多層膜などの反射膜を形成した反射板３９で位相が反転され、逆回りの円偏光で発散光となり、第２の位相差板３８を透過してＳ偏光に変換される。第２の位相差板３８で変換されたＳ偏光の光は、再び、第２の拡散板３７で拡散された後、レンズアレイ３６で平行光に変換され、ダイクロイックミラー２９で反射する。
　以上のように、実施の形態３の光源装置は、複数の半導体レーザーからの青色光をダイクロイックミラーにより２つに分離し、分離した一方の青色光（第１の光）で励起発光する緑および赤成分を含む黄色光と、分離した他方の青色光（第２の光）を効率よく合成して白色光を得ることができる。分離した一方の青色光と、分離した他方の青色光は、それぞれレンズアレイを用いて集光するため、小型で高効率な光源装置が構成できる。
　（実施の形態４）
　図５は、実施の形態４を示す第１の投写型表示装置としての投写型表示装置１１である。投写型表示装置１１は、画像形成素子として、ＴＮ（Twisted Nematic）モードもしくはＶＡ（Vertical Alignment）モードであって、画素領域に薄膜トランジスタを形成したアクティブマトリクス方式の透過型の液晶パネルを用いている。
　投写型表示装置１１の光源装置４０は、実施の形態１の光源装置である。
　投写型表示装置１１は、光源装置４０、第１のレンズアレイ板２００、第２のレンズアレイ板２０１、偏光変換素子２０２、重畳用レンズ２０３、青反射のダイクロイックミラー２０４、緑反射のダイクロイックミラー２０５、反射ミラー２０６、２０７、２０８、リレーレンズ２０９、２１０、フィールドレンズ２１１、２１２、２１３、入射側偏光板２１４、２１５、２１６、液晶パネル２１７、２１８、２１９、出射側偏光板２２０、２２１、２２２、赤反射のダイクロイックミラーと青反射のダイクロイックミラーから構成される色合成プリズム２２３、投写レンズ２２４を備える。
　光源装置４０からの白色光は、複数のレンズ素子から構成される第１のレンズアレイ板２００に入射する。第１のレンズアレイ板２００に入射した光束は多数の光束に分割される。分割された多数の光束は、複数のレンズから構成される第２のレンズアレイ板２０１に収束する。第１のレンズアレイ板２００のレンズ素子は液晶パネル２１７、２１８、２１９と相似形の開口形状である。第２のレンズアレイ板２０１のレンズ素子は第１のレンズアレイ板２００と液晶パネル２１７、２１８、２１９とが略共役関係となるようにその焦点距離を決めている。第２のレンズアレイ板２０１から出射した光は偏光変換素子２０２に入射する。偏光変換素子２０２は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成され、光源からの自然光を一つの偏光方向の光に変換する。蛍光光は自然光であるため、自然光はひとつの偏光方向に偏光変換されるが、青色光はＰ偏光で入射するため、Ｓ偏光に変換される。偏光変換素子２０２からの光は重畳用レンズ２０３に入射する。重畳用レンズ２０３は第２のレンズアレイ板２０１の各レンズ素子から出射した光を液晶パネル２１７、２１８、２１９上に重畳照明するためのレンズである。このように、第１のレンズアレイ板２００、第２のレンズアレイ板２０１、偏光変換素子２０２および重畳用レンズ２０３は照明光学系を構成し、後段の被照明領域を照明する。
　重畳用レンズ２０３からの光は、色分離手段である青反射のダイクロイックミラー２０４、緑反射のダイクロイックミラー２０５により、青、緑、赤の色光に分離される。緑の色光はフィールドレンズ２１１、入射側偏光板２１４を透過して、液晶パネル２１７に入射する。青の色光は反射ミラー２０６で反射した後、フィールドレンズ２１２、入射側偏光板２１５を透過して液晶パネル２１８に入射する。赤の色光はリレーレンズ２０９、２１０や反射ミラー２０７、２０８を透過屈折および反射して、フィールドレンズ２１３、入射側偏光板２１６を透過して、液晶パネル２１９に入射する。３枚の液晶パネル２１７、２１８、２１９は映像信号に応じた画素への印加電圧の制御により入射する光の偏光状態を変化させ、それぞれの液晶パネル２１７、２１８、２１９の両側に透過軸を直交するように配置したそれぞれの入射側偏光板２１４、２１５、２１６および出射側偏光板２２０、２２１、２２２を組み合わせて光を変調し、緑、青、赤の画像を形成する。出射側偏光板２２０、２２１、２２２を透過した各色光は、色合成プリズム２２３により、赤、青の色光がそれぞれ赤反射のダイクロイックミラー、青反射のダイクロイックミラーによって反射し、緑の色光と合成されて、投写レンズ２２４に入射する。
　投写レンズ２２４に入射した光は、スクリーン（図示せず）上に拡大投写される。光源装置は、固体光源で小型に構成され、高効率で良好なホワイトバランスの白色光を出射するため、長寿命で、高輝度な投写型表示装置を実現できる。また、画像形成素子には、時分割方式ではなく偏光を利用する３枚の液晶パネルを用いているため、カラーブレイキングがなく色再現が良好で、明るく高精細な投写画像を得ることができる。また、３つのＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）素子を用いた場合よりも、全反射プリズムが不要で、色合成用のプリズムが４５度入射の小型プリズムになるため、投写型表示装置が小型に構成できる。
　以上のように、実施の形態４の第１の投写型表示装置に用いる光源装置４０は、複数の半導体レーザーからの青色光をダイクロイックミラーにより２つに分離し、分離した一方の青色光（第１の光）で励起発光する緑および赤成分を含む黄色光と、他方の青色光（第２の光）とを効率よく合成して白色光を得ることができ、さらに、分離した他方の青色光はレンズアレイを用いて集光するため、小型で高効率である。このため、小型で高効率な投写型表示装置が構成できる。光源装置として図１に示す光源装置４０を用いているが、図２、図４に示す光源装置５０、５１を用いてよい。この場合、より小型な光源装置および投写型表示装置が構成できる。
　画像形成素子として、透過型の液晶パネルを用いたが、反射型の液晶パネルを用いて構成してもよい。反射型の液晶パネルを用いることにより、より小型で高精細な投写型表示装置が構成できる。
　（実施の形態５）
　図６は、実施の形態５を示す第２の投写型表示装置としての投写型表示装置１２である。投写型表示装置１２は、画像形成素子として、３つのＤＭＤを用いている。投写型表示装置１２の光源装置４０は、実施の形態１の光源装置である。
　光源装置４０から出射した白色光は、集光レンズ１００に入射し、ロッド１０１へ集光する。ロッド１０１への入射光はロッド内部で複数回反射することにより、光強度分布が均一化され出射する。ロッド１０１からの出射光はリレーレンズ１０２により集光され、反射ミラー１０３で反射した後、フィールドレンズ１０４を透過し、全反射プリズム１０５に入射する。このように、集光レンズ１００、ロッド１０１、リレーレンズ１０２および反射ミラー１０３は照明光学系を構成し、後段の被照明領域を照明する。
　全反射プリズム１０５は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には薄い空気層１０６を形成している。空気層１０６は臨界角以上の角度で入射する光を全反射する。フィールドレンズ１０４からの光は全反射プリズム１０５の全反射面で反射されて、カラープリズム１０７に入射する。
　カラープリズム１０７は３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には青反射のダイクロイックミラー１０８と赤反射のダイクロイックミラー１０９が形成されている。カラープリズム１０７に入射した光は、青反射のダイクロイックミラー１０８と赤反射のダイクロイックミラー１０９により、青、赤、緑の色光に分離され、それぞれＤＭＤ１１０、１１１、１１２に入射する。ＤＭＤ１１０、１１１、１１２は映像信号に応じてマイクロミラーを偏向させ、投写レンズ１１３に入射する光と、投写レンズ１１３の有効外へ進む光とに反射させる。ＤＭＤ１１０、１１１、１１２により反射された光は、再度、カラープリズム１０７を透過する。カラープリズム１０７を透過する過程で、分離された青、赤、緑の各色光は合成され、全反射プリズム１０５に入射する。全反射プリズム１０５に入射した光は空気層１０６に臨界角以下で入射するため、透過して、投写レンズ１１３に入射する。
　このようにして、ＤＭＤ１１０、１１１、１１２により形成された画像光がスクリーン（図示せず）上に拡大投写される。光源装置は、複数の固体光源で構成され、高効率で良好なホワイトバランスの白色光を出射するため、長寿命で、高輝度な投写型表示装置を実現できる。また、画像形成素子にＤＭＤを用いているため、液晶を用いた画像形成素子と比べて、耐光性、耐熱性が高い投写型表示装置が構成できる。さらに、３つＤＭＤを用いているため、色再現が良好で、明るく高精細な投写画像を得ることができる。
　以上のように、実施の形態５の第２の投写型表示装置に用いる光源装置４０は、複数の半導体レーザーからの青色光をダイクロイックミラーにより２つに分離し、分離した一方の青色光（第１の光）で励起発光する緑および赤成分を含む黄色光と、分離した他方の青色光（第２の光）を効率よく合成して白色光を得ることができ、さらに、分離した他方の青色光はレンズアレイを用いて集光するため、小型で高効率である。このため、小型で高効率な投写型表示装置が構成できる。光源装置として図１に示す光源装置４０を用いているが、図２、図４に示す光源装置５０、５１を用いてもよい。この場合、より小型な光源装置および投写型表示装置が構成できる。
　本開示は、画像形成素子を用いた投写型表示装置に関するものである。
１１、１２　投写型表示装置
２０　半導体レーザー
２１　放熱板
２２　集光レンズ
２３、４５　ヒートシンク
２４　光束
２５、２６　レンズ
２７　第１の拡散板
２８　第１の位相差板
２９　ダイクロイックミラー
３０、３１、４６　コンデンサレンズ
３２、４２、５２　蛍光体層
３３、４３、５３　アルミニウム基板
３４　モーター
３５、４４、５４　蛍光板
３６、４１　レンズアレイ
３７、４７　第２の拡散板
３８、４８　第２の位相差板
３９、４９　反射板
４０、５０、５１　光源装置
１００　集光レンズ
１０１　ロッド
１０２、２０９、２１０　リレーレンズ
１０３、２０６、２０７、２０８　反射ミラー
１０４、２１１、２１２、２１３　フィールドレンズ
１０５　全反射プリズム
１０６　空気層
１０７　カラープリズム
１０８、２０４　青反射のダイクロイックミラー
１０９　赤反射のダイクロイックミラー
１１０、１１１、１１２　ＤＭＤ
１１３、２２４　投写レンズ
２００　第１のレンズアレイ板
２０１　第２のレンズアレイ板
２０２　偏光変換素子
２０３　重畳用レンズ
２０５　緑反射のダイクロイックミラー
２１４、２１５、２１６　入射側偏光板
２１７、２１８、２１９　液晶パネル
２２０、２２１、２２２　出射側偏光板
２２３　色合成プリズム

Claims (16)

  1. 　固体光源と、
    　前記固体光源からの光を一方の光と他方の光とに分離し、かつ、前記他方の光の偏光が変換された青色光と前記一方の光の波長が変換された緑および赤成分を含む光とを合成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で分離された前記一方の光を集光する第１の集光素子と、
    　前記第１の集光素子により集光された前記一方の光の波長を変換する蛍光板と、
    　前記ダイクロイックミラーで分離された前記他方の光を集光する第２の集光素子と、
    　前記第２の集光素子により集光された前記他方の光の偏光を変換する位相差板と、
    　前記位相差板により偏光が変換された前記他方の光を反射する反射板と、を備え、
    　前記第２の集光素子はレンズアレイで構成されている、光源装置。
  2. 　固体光源と、
    　前記固体光源からの光を一方の光と他方の光とに分離し、かつ、前記他方の光の偏光が変換された青色光と前記一方の光の波長が変換された緑および赤成分を含む光とを合成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で分離された前記一方の光を集光する第１の集光素子と、
    　前記第１の集光素子により集光された前記一方の光の波長を変換する蛍光板と、
    　前記ダイクロイックミラーで分離された前記他方の光を集光する第２の集光素子と、
    　前記第２の集光素子により集光された前記他方の光の偏光を変換する位相差板と、
    　前記位相差板により偏光が変換された前記他方の光を反射する反射板と、を備え、
    　前記第１の集光素子はレンズアレイで構成されている、光源装置。
  3. 　前記第２の集光素子はレンズアレイで構成されている、請求項２記載の光源装置。
  4. 　前記レンズアレイは複数枚のレンズアレイで構成された、請求項１または２記載の光源装置。
  5. 　前記蛍光板は回転制御可能な円形基板であって、Ｃｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成した蛍光体層を備えた、請求項１記載の光源装置。
  6. 　前記蛍光板は非回転の固定基板であって、Ｃｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成した蛍光体層を備えた、請求項２記載の光源装置。
  7. 　前記蛍光板は非回転の固定基板であって、前記固定基板の全域に蛍光体層を形成した、請求項２記載の光源装置。
  8. 　前記蛍光板は非回転の固定基板であって、前記固定基板の離散的な部分領域に蛍光体層を形成した、請求項２記載の光源装置。
  9. 　前記固体光源は青色半導体レーザーである、請求項１または２記載の光源装置。
  10. 　前記固体光源を出射する光が直線偏光の光である、請求項１または２記載の光源装置。
  11. 　前記位相差板は１／４波長板である、請求項１または２記載の光源装置。
  12. 　前記位相差板は斜め蒸着による複屈折を用いた薄膜位相差板である、請求項１または２記載の光源装置。
  13. 　前記位相差板は微細構造による複屈折を用いた微細構造性位相差板である、請求項１または２記載の光源装置。
  14. 　請求項１または２記載の光源装置と、
    　前記光源からの光を集光し被照明領域に照明する照明光学系と、
    　前記照明光学系からの光を受光し、映像信号に応じて画像を形成する画像形成素子と、
    　前記画像形成素子で形成された画像を拡大投写する投写レンズと、
    を備える、投写型表示装置。
  15. 　前記画像形成素子が液晶パネルである、請求項１４記載の投写型表示装置。
  16. 　前記画像形成素子がミラー偏向型のデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）である、請求項１４記載の投写型表示装置。
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