(57)【要約】【課題】本開示は、青、緑、赤色光を含む光源からの光と、色純度の高い赤色光を発光する固体光源の光を効率よく合成し、広色域で高輝度な光を照明する照明光学装置を提供する。【解決手段】本開示にかかる照明光学装置および照明光学装置を備えた投写型表示装置は、第１の光源（第１の光源３９）と、第２の光源（半導体レーザー６０）と、第１の照明手段（第１の照明光学系４２）と、第２の照明手段（第２の照明手段６５）と、を備え、第２の照明手段（第２の照明手段６５）は、第１の照明手段（第１の照明光学系４２）の光路上において、第１の光源の光源像が形成される面の近傍に設けられる。【選択図】図１
2014174242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光源と、
第２の光源と、
前記第１の光源からの出射光を画像形成手段へ照明する第１の照明手段と、
前記第２の光源からの出射光を前記画像形成手段へ照明する第２の照明手段と、を備え、
前記第２の照明手段は、前記第１の照明手段の光路上において、前記第１の光源の光源像が形成される面の近傍に設けられる照明光学装置。
【請求項２】
前記第１の光源および前記第２の光源は、前記第１の照明手段からの出射光の光路に対して垂直な面において、前記第１の光源部の光源像が形成される面積と、前記第２の光源部の光源像が形成される面積とが実質的に重ならない位置に設けられる請求項１に記載の照明光学装置。
【請求項３】
前記第１の光源は、
複数の青色半導体レーザーを有する第１の固体光源と、
前記第１の固体光源により励起されて蛍光発光する光源と、を備えた請求項１記載の照明光学装置。
【請求項４】
前記第２の光源は、
複数の赤色半導体レーザーを有する第２の固体光源である請求項１記載の照明光学装置。
【請求項５】
前記第１の光源は、放電ランプである請求項１記載の照明光学装置。
【請求項６】
光源と、
前記光源からの光を集光し被照明領域に照明する照明手段と、
映像信号に応じて画像を形成する画像形成手段と、
前記画像形成手段で形成された画像を拡大投写する投写レンズとを備え、
前記照明手段は、請求項１記載の照明光学装置である投写型表示装置。
【請求項７】
前記画像形成手段は、ミラー偏向型のデジタル・マイクロ・ミラー（ＤＭＤ）である請求項６記載の投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、小型の画像形成手段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。
【背景技術】
【０００２】
液晶やＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）の画像形成手段を用いた投写型表示装置の光源として、放電ランプが広く利用されている。放電ランプは寿命が短く信頼性が低いことや、赤色成分が少なく色純度が低い、などの問題点を抱えている。この課題を解決するため、近年、光源として、半導体レーザーや発光ダイオードの固体光源を用いた投写型表示装置が開示されている。
【０００３】
図６は、従来の投写型表示装置の構成図である。図６は、従来の固体光源とＤＭＤを用いた投写型表示装置である。発光ダイオード１からの紫外光は、カラーホィール２に入射する。カラーホィール２には、紫外線を透過し可視光を反射する反射膜が形成されている。反射膜の出射側の円盤は、３つの領域に分割され、それぞれ赤、緑、青の蛍光体層が形成されている。カラーホィール２に入射した紫外線により、赤、緑、青の色光が発光される。発光した光は、リレーレンズ３、反射ミラー４、プリズム５を透過および反射して、ＤＭＤ６に入射する。映像信号に応じて、ＤＭＤ６で変調された光は投写レンズ７により拡大投写される。（特許文献１参照）。
【０００４】
また、特許文献２の光源装置には、複数のセグメント領域を有し、セグメント領域の一部には、励起光を受けて発光する蛍光体層が形成された反射領域と、蛍光体層が形成されない透過領域をもつ蛍光体ホイールを用い、蛍光光と、励起光光源の光と、励起光と異なる波長の光を発する光源の光とを、同一光路上に集光させる集光光学系により、投写型表示装置の輝度の向上を図る光源装置が開示されている。
【０００５】
一般に、半導体レーザーや発光ダイオードなどの固体光源は放電ランプと比較して、発光光束が少ない。このため、固体光源を用いた光源装置の高輝度化を図る手法として、多数の固体光源を用いて蛍光体を励起、蛍光発光させて光束の増大を図る手法が有望である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３４１１０５号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７０３６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、赤色を蛍光発光する赤色蛍光体は、緑色蛍光体や黄色蛍光体に比べて蛍光変換効率が低く、色純度が低い、という問題がある。また、高輝度化のため、赤色を発光する固体光源のみを多数用いて光源を構成すると大型化し、高コストになるという問題がある。
【０００８】
したがって、広色域化と高輝度化の実現には、色純度の高い赤色を発光する固体光源と、青、緑、赤色光を発光する光源とを、効率よく合成する照明光学装置と、その照明光学装置を用いた投写型表示装置を構成することが課題であった。
【０００９】
本開示は、小型化を図りつつ、複数の固体光源を用いた明るい投写型表示装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示にかかる照明光学装置および照明光学装置を備えた投写型表示装置は、第１の光源と、第２の光源と、第１の照明手段と、第２の照明手段と、を備え、第２の照明手段は、第１の照明手段の光路上において、第１の光源の光源像が形成される面の近傍に設けられる。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、第１の光源と、色純度の高い赤色光を出射する固体光源からの光を照明する第２の照明手段を、第１の照明手段の光路中に備えて空間的に合成することにより、赤色光の色純度を向上し、広色域化した小型、高輝度な照明光学装置が構成できる。その照明装置を用いることにより、広い色再現範囲を実現する高輝度な投写型表示装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１における照明光学装置の構成図
【図２】実施の形態１における光源像の様相を示す図
【図３】実施の形態１における白色光の分光特性を示す図
【図４】実施の形態２における照明光学装置の構成図
【図５】実施の形態３における投写型表示装置の構成図
【図６】従来の投写型表示装置の構成図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は実施の形態１における照明光学装置の構成図である。照明光学装置３１０は、第１の光源３９と、第１の照明光学系４２と、第２の照明光学系６５と、画像形成素子４４とを有している。
【００１５】
第１の光源３９は、第１の固体光源ユニット２３と、各種光学系と、ダイクロイックミラー２９と、蛍光基板３５と、１／４波長板３６と、反射板３７と、コンデンサレンズ３８とを有している。
【００１６】
第１の固体光源ユニット２３は、第１の固体光源である青光発光の半導体レーザー２０と、放熱板２１と、集光レンズ２２とを備えている。各種光学系は、レンズ２６、レンズ２７などのレンズである。レンズ２６およびレンズ２７は、半導体レーザー２０から出射した光の光路上に設けられる。拡散板２８は、光を拡散させる。ダイクロイックミラー２９は、拡散板２８を透過した光を所定の波長で分離する。蛍光基板３５は、反射膜３１および蛍光体層３２を形成したアルミニウム基板３３と、モーター３４とから構成される。図中に示す光束２５は、第１の固体光源ユニット２３から出射する各光束の様相を示している。
【００１７】
第１の照明光学系４２は、ロッド４０と、リレーレンズ４１とを有している。
【００１８】
第２の照明光学系６５は、第２の光源である赤色を発光する半導体レーザー６０と、集光レンズ６１と、第１のレンズ６２と、反射ミラー６３と、第２のレンズ６４と、を有してる。フィールドレンズ４３と、画像形成素子４４は、第２の照明光学系６５の光の光路上に設けられる。
【００１９】
第１の固体光源ユニット２３は、半導体レーザー２０と、放熱板２１と、集光レンズ２２とを有している。半導体レーザー２０は、青光発光の半導体レーザーである。放熱板２１上には、半導体レーザー２０と集光レンズ２２とが配置されている。半導体レーザー２０と集光レンズ２２とは、放熱板２１上に、一定の間隔で、光軸に対称になるようにｘｙ軸面内で２次元状に２４個（６×４）正方配置されている。放熱板２１は、ヒートシンク２４に接続されている。ヒートシンク２４は、第１の固体光源ユニット２３を冷却する。
【００２０】
半導体レーザー２０は、４４０ｎｍから４５５ｎｍの波長で青の色光を発光し、直線偏光を出射する。半導体レーザー２０から出射する偏光は、半導体レーザーの数量の約８０％がダイクロイックミラー２９の入射面に対してＰ偏光、約２０％がＳ偏光である。
【００２１】
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２５に変換される。光束２５群は、凸面のレンズ２６と凹面のレンズ２７とにより、さらに小径化され、拡散板２８に入射する。拡散板２８は、ガラス製の拡散板である。拡散板２８は、表面の微細な凹凸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度と小さい。このため、拡散板２８は、偏光特性を保持する。拡散板２８を出射した光は、ダイクロイックミラー２９に入射する。図中には、ダイクロイックミラー２９へ入射する光のＰ偏光、Ｓ偏光の方向を示している。
【００２２】
ダイクロイックミラー２９は、波長４４５ｎｍ付近の半導体レーザー光のＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射し、さらに緑および赤の色光含む黄色光を透過する。ダイクロイックミラー２９で反射したＳ偏光の光束は、コンデンサレンズ３０により集光される。Ｓ偏光の光束は、直径が１ｍｍ〜２ｍｍのスポット光に重畳され、蛍光基板３５に入射する。直径が１ｍｍ〜２ｍｍのスポット光は、光強度がピーク強度に対して１３．５％となっている。拡散板２８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る。蛍光基板３５は、
アルミニウム基板３３とモーター３４とを有している。アルミニウム基板３３の表面には、反射膜３１および蛍光体層３２が形成されている。モーター３４は、アルミニウム基板３３の中央部に備えられている。蛍光基板３５は、回転制御可能な円形基板である。反射膜３１は、可視光を反射する金属膜である。蛍光体層３２には、青色光により励起され、緑、赤成分を含んだ黄色光を発光するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体が形成されている。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、円環状に形成されている。スポット光で励起された蛍光体層３２は、緑、赤成分の光含む黄色光を発光する。蛍光基板３５は、アルミニウム基板である。蛍光基板３５を回転させることにより、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、黄色光を蛍光発光し、蛍光基板３５を出射する。また、反射膜３１側に発光する光は、反射膜３１で反射されて、蛍光基板３５を出射する。蛍光基板３５から出射した黄色光は、再びコンデンサレンズ３０で集光され、略平行光に変換後、ダイクロイックミラー２９を透過する。
【００２３】
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、１／４波長板３６に入射する。１／４波長板３６は、半導体レーザー２０の発光波長近傍で位相差が１／４波長となる位相差板である。１／４波長板３６は、水晶や延伸フィルムなどで構成される。入射するＰ偏光の光は、１／４波長板３６で円偏光に変換される。１／４波長板３６を透過した光は、円偏光の光となり反射板３７で反射される。反射された光は、円偏光の位相が反転し、再び、１／４波長板３６へ入射する。１／４波長板３６に再度入射した光は、円偏光からＳ偏光に変換され、青色光はダイクロイックミラー２９で反射する。このようにして、蛍光基板３５からの黄色光と、青色光とがダイクロイックミラー２９で合成され、白色光を出射する。合成された白色光は、コンデンサレンズ３８で集光される。半導体レーザー２０からコンデンサレンズ３８までの構成を第１の光源３９としている。
【００２４】
第１の照明光学系４２は、ロッド４０と、リレーレンズ４１とにより構成される。第１の光源からの光は、ロッド４０に入射する。ロッド４０への入射光は、ロッド内部で複数回反射する。これにより、光強度分布が、均一化される。ロッド４０を出射した光は、リレーレンズ４１により、フィールドレンズ４３を透過後、画像形成素子４４に照明される。
【００２５】
第１の照明光学系の光路中で、第１の光源の光源像が形成される面近傍には、第２の光源と、第２の照明光学系を配置している。
【００２６】
図２は、実施の形態１における光源像の様相を示す図である。図２中に示すように、第１の照明光学系の光源像形成面４５上に、第１の光源の光源像４６および第２の光源の光源像４７が示されている。第１の光源の光源像４６は、第１の照明光学系の光源像形成面４５上に、離散的に形成されている。つまり、第１の光源の光源像４６は、第１の照明光学系の光源像形成面４５上に、それぞれが、所定の間隔を有するように配置されている。第２の光源の光源像は、第１の照明光学系の光源像形成面４５上の、第１の光源の光源像４６と、第１の光源の光源像４６との空隙部分に形成される。第２の照明光学系は、このような像を形成するように配置される。このように配置することで、第１の光源からの光束と、第２の光源からの光束とを損失なく、空間的に合成することができる。
【００２７】
第２の光源は、波長６３８ｎｍ近傍で色純度の高い赤色を発光する半導体レーザー６０である。赤色の半導体レーザー６０は、８個（２×４）を配置されている。複数の半導体レーザー６０を出射した光は、それぞれの半導体レーザー６０に対応する複数の集光レンズ６１により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。複数の集光レンズ６１からの光は、それぞれ対応する複数の第１のレンズ６２に入射する。複数の第１のレンズ６２からの光は、複数の反射ミラー６３により、反射される。反射された光は、それぞれ対応する複数の第２のレンズ６４に収束する。第１のレンズ６２は、画像形成素子と相似形の開口形状である。第２のレンズ６４は、第１のレンズ６２と、画像形成素子４４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。複数の第２のレンズ６４を出射した光は、それぞれ対応する第１のレンズからの光を、画像形成素子４４上に重畳、照明する。複数の第２のレンズからの光が、画像形成素子上で重畳するように、第１および第２のレンズを偏芯させている。第２のレンズの開口形状は、第１の光源像の光束を遮光しない形状になるように形成される。
【００２８】
小型な半導体レーザーと、その半導体レーザーと同サイズの第１およびレンズを用いるため、リレーレンズ４１から画像形成素子４４に向う光軸方向の狭い空間で、第２の照明光学系６５を配置構成できる。このように、第１の照明光学系の光路中で、第１の光源像が形成される面近傍に、第２の照明光学系を構成するため、第１の光源からの光と、第２の光源からの光を空間的に損失なく合成できる。
【００２９】
図３は、実施の形態１における白色光の分光特性を示す図である。図３は、第１と第２の光源からの光を合成した白色光の分光特性を示している。波長４４８ｎｍ付近の青色光と、４８０ｎｍ〜７００ｎｍ黄色光が、第１の光源からの光であり、第２の波長６３８ｎｍ付近の赤色光が、第２の光源からの光である。黄色光の分光特性において５８０ｎｍ〜５９０ｎｍの光をカットしつつ、緑色成分と赤色成分を波長分離すれば、色純度の高い青、緑、赤の色光を得ることができる。
【００３０】
以上のように、本実施の形態における照明光学装置は、色純度の高い赤色成分が不足している第１の光源からの光を照明する照明光学系の光路中で、光源像が形成される面近傍に、色純度の高い第２の光源からの赤色光を照明する照明光学系を配置構成する。このため、第１および第２の光源からの光を効率よく空間的に合成でき、広色域で高輝度な照明光学装置が構成できる。
（実施の形態２）
図４は、実施の形態２における照明光学装置である。実施の形態２の照明光学装置３２０は、実施の形態１で説明した第１の光源３９の代わりに、第１の光源１０２を備えている。照明光学装置３２０は、第１の光源１０２と、第１の照明光学系４２と、第２の照明光学系６５と、画像形成素子４４とを有している。
【００３１】
第１の光源１０２は、超高圧水銀ランプである放電ランプ１００と、反射鏡１０１とを、有している。
【００３２】
放電ランプ１００から出射した光は、反射鏡１０１で集光される。第１の光源１０２からの光は、ロッド４０に入射する。ロッド４０への入射光は、ロッド内部で複数回反射する。これにより、光強度分布が、均一化される。
【００３３】
ロッド４０からの出射光は、リレーレンズ４１により集光され、フィールドレンズ４３を透過する。透過した光は、画像形成素子４４へ照明される。
【００３４】
第１の照明光学系の光路中で、第１の光源系の光源像が形成される面近傍には、第２の光源と、第２の照明光学系とを配置している。
【００３５】
第２の光源は、波長６３８ｎｍ近傍で色純度の高い赤色を発光する半導体レーザー６０である。複数の半導体レーザー６０を出射した光は、対応する集光レンズ６１により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。集光レンズ６１からの光は、第１のレンズに入射する。第１のレンズからの光は、反射ミラー６３で反射されて、第２のレンズ６４に収束する。複数の第２のレンズ６４は、それぞれ対応する第１のレンズ６２からの光を画像形成素子４４に重畳、照明する。
【００３６】
小型な半導体レーザーと、その半導体レーザーと同サイズの第１およびレンズを用いるため、リレーレンズ４１から画像形成素子４４に向う光軸方向の狭い空間で、第２の照明光学系６５が配置構成できる。このように、第１の照明光学系の光路中で、第１の光源像が形成される面近傍に、第２の照明光学系を構成するため、第１の光源からの光と、第２の光源からの光を空間的に損失なく合成できる。
【００３７】
以上のように、本実施の形態の照明光学装置は、色純度の高い赤色成分が不足している第１の放電ランプ光源からの光を照明する照明光学系の光路中で、光源像が形成される面近傍に、色純度の高い第２の光源からの赤色光を照明する照明光学系を配置構成する。このため、第１および第２の光源からの光を効率よく空間的に合成でき、広色域で小型、高輝度な照明光学装置が構成できる。
【００３８】
（実施の形態３）
図５は、実施の形態３における投写型表示装置の構成図である。実施の形態３のプロジェクタ４００は、実施の形態１で説明した照明光学装置３１０を備えた投写型表示装置である。画像形成手段として、３つのＤＭＤを用いている。
【００３９】
実施の形態１で説明したように、第１の光源からの青色光と黄色光は、第１の照明光学系４２で均一化される。第１の照明光学系４２で均一化された光は、反射ミラー１１０で反射した後、フィールドレンズ１１１に入射する。一方、第２の光源である半導体レーザー６０からの色純度の高い赤色光は、第１の照明光学系４２の光路中で、第１の光源３９からの光を遮光しないように光源像が形成される面の近傍に配置された第２の照明光学系６５を出射した後、反射ミラーで反射し、フィールドレンズ１１１に入射する。
【００４０】
フィールドレンズ１１１を出射した光は、全反射プリズムに入射する。全反射プリズムは、プリズム１１２と、プリズム１２３との２つのプリズムから構成される。プリズム１１２と、プリズム１２３との近接面には、薄い空気層１１３が形成されている。空気層１１３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１１１からの光は、プリズム１１２の全反射面で反射されて、プリズム１１４に入射する。カラープリズムは、プリズム１１４と、プリズム１２１と、プリズム１２２との３つのプリズムから構成される。プリズム１２２とプリズム１２１との近接面には、青色の光を反射する、青反射のダイクロイックミラー１１５が設けられている。また、プリズム１２１とプリズム１１４との近接面には、赤色の光を反射する赤反射のダイクロイックミラー１１６が設けられている。青反射のダイクロイックミラー１１５と、赤反射のダイクロイックミラー１１６とにより、青、赤、緑の色光に分離され、それぞれＤＭＤ１１７、１１８、１１９に入射する。
【００４１】
ＤＭＤ１１７、１１８、１１９は、映像信号に応じてマイクロミラーを偏向させ、投写レンズに入射する光と、投写レンズの有効外へ進む光とに反射させる。ＤＭＤ１１７、１１８、１１９により反射された光は、再度プリズム１１４を透過する。プリズム１１４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る。プリズム１１４での色分離、色合成の過程で、第１の光源３９の黄色光成分の５７５〜６００ｎｍ付近のオレンジ光がカットされる。このため、色純度の高い、緑色光と赤色光とが、プリズム１１４から出射され、プリズム１１２に入射する。プリズム１１２に入射した光は、空気層１１３に臨界角以下で入射する。このため、全反射プリズムに入射した光は、プリズム１１２を透過して、投写レンズ１２０に入射する。このようにして、ＤＭＤ１１７、１１８、１１９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。
【００４２】
第１の光源は、複数の固体光源で構成され、高輝度な青色光と黄色光を出射する。第２の光源は、複数の固体光源で構成され、色純度の高い赤色光を出射する。本実施の形態の投写型表示装置は、第１の光源および第２の光源からの光を効率よく空間的に合成する照明光学装置を用いる。このため、長寿命で、広色域で高輝度な投写型表示装置を実現できる。また、画像形成手段にＤＭＤを用いるため、液晶を用いた画像形成手段と比べて、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。
【００４３】
以上のように、本実施の形態の投写型表示装置は、第１の光源からの光と、色純度の高い赤色光を出射する第２の光源からの光を効率よく合成し、ＤＭＤへ照明する照明光学装置を用いているため、小型でかつ、広色域で高輝度な投写型表示装置が構成できる。
【００４４】
第１の光源として、図１に示す固体光源を用いたが、図２に示す放電ランプを用いて構成してもよい。また、画像形成素子として、３つのＤＭＤを用いて投写型表示装置を構成しているが、１つのＤＭＤを用いて投写型表示装置を構成してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本開示は、画像形成手段を用いた投写型表示装置に関するものである。
【符号の説明】
【００４６】
２０、６０  半導体レーザー
２１  放熱板
２２、６１  集光レンズ
２３  第１の固体光源ユニット
２４  ヒートシンク
２５  光束
２６、２７  レンズ
２８  拡散板
２９  ダイクロイックミラー
３０、３８  コンデンサレンズ
３１  反射膜
３２  蛍光体層
３３  アルミニウム基板
３４  モーター
３５  蛍光基板
３６  １／４波長板
３７  反射板
３９、１０２  第１の光源
４０  ロッド
３、４１  リレーレンズ
４２  第１の照明光学系
４３、１１１  フィールドレンズ
４４  画像形成素子
４５  第１の照明光学系の光源像形成面
４６  第１の光源の光源像
４７  第２の光源の光源像
６２  第１のレンズ
４、６３、１１０  反射ミラー
６４  第２のレンズ
６５  第２の照明光学系
１００  放電ランプ
１０１  反射鏡
５、１１２、１１４、１２１、１２２、１２３  プリズム
１１３  空気層
１１５  青反射のダイクロイックミラー
１１６  赤反射のダイクロイックミラー
６、１１７、１１８、１１９  ＤＭＤ
７、１２０  投写レンズ
３１０、３２０  照明光学装置
４００  プロジェクタ
【図１】
2014174242.tif 000003
【図２】
2014174242.tif 000004
【図３】
2014174242.tif 000005
【図４】
2014174242.tif 000006
【図５】
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【図６】
2014174242.tif 000008