(57)【要約】【課題】紫外および可視光域の光を出射する光源ユニットと蛍光体から構成される照明光学系を用いた投射型表示装置において、照明効率の高い照明光学系および投射型表示装置を提供すること。【解決手段】紫外および可視光域の光を出射する光源部と、画像表示素子、光源部からの出射光を前記画像表示素子に照明する照明光学系を有し、 前記光源部と前記照明光学系の間に紫外および青の一部の波長帯域を反射し、前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を透過する領域と紫外および青の一部の波長帯域を透過し、前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を反射する領域を有するダイクロイックミラーと、凹面ミラー、蛍光体、レンズとが配置され、前記紫外および青の一部の波長帯域を透過し、前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を反射する領域は光源部の光軸を含む領域であることを特徴とする。 【選択図】図１
2018013662.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
紫外および可視光域の光を出射する光源部と、
画像表示素子、光源部からの出射光を前記画像表示素子に照明する照明光学系を有し、 
前記光源部と前記照明光学系の間に 
紫外および青の一部の波長帯域を反射し、
前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を透過する領域と 
紫外および青の一部の波長帯域を透過し、
前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を反射する領域を有する
ダイクロイックミラーと、凹面鏡、蛍光体とが配置され、
前記紫外および青の一部の波長帯域を透過し、
前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を反射する領域は、光源部の光軸を含む領域であることを特徴とする照明装置。 
【請求項２】
前記紫外および青の一部の波長帯域の反射は、少なくとも４２０ｎｍ以下の波長帯域の光を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
【請求項３】
前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の反射は、少なくとも６００ｎｍ以上の波長帯域の光を含んでいることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の照明装置。 
【請求項４】
前記蛍光体近傍にミラーが配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項５】
前記光源部と凹面鏡は、該ダイクロイックミラーを挟んで前記蛍光体、ミラー、レンズと反対の位置に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項６】
前記レンズの焦点距離と、該ダイクロミラーを介したレンズと蛍光体の距離が同一であることを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項７】
前記光源部は光源と焦点距離ｆの放物リフレクタからなり、該ダイクロイックミラーの青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を反射する領域の大きさＡは０＜Ａ＜２ｆであることを特徴とする請求項１乃至請求項６の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項８】
前記光源部は光源と焦点距離ｆ１、ｆ２（０＜ｆ１＜ｆ２）の楕円リフレクタからなり、
前記複数の光源ユニット相互の光軸偏芯量Ａは    
0  ＜  Ａ  ＜  2  ｘ  ｆ1  ｘ  ｆ2／（ｆ1  +  ｆ2）で
あることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の照明装置。
【請求項９】
請求項１乃至８の何れか一項に記載の照明装置と、前記画像変調素子に導かれた光を表示部に投影する投射光学系を備えた投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、紫外および可視光域の光を出射する光源部と蛍光体から構成される照明光学系に関するものである。また本発明は、この形式の照明光学系を用いた投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
紫外および可視光域の光を出射する光源部と蛍光体から構成される照明光学系用いた投射型表示装置として、特許文献１の図１、図２等に開示された構成のものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１９５２３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に開示されている構成では、光束幅を２倍にして紫外光を利用しているので、照明効率が低下してしまうという問題があった。 
【０００５】
本発明は、上記問題点を解決し、紫外および可視光域の光を出射する光源部と蛍光体から構成される照明光学系を用いた投射型表示装置において、照明効率の高い照明光学系および投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明に係る照明装置は、
紫外および可視光域の光を出射する光源部と、
画像表示素子、光源部からの出射光を前記画像表示素子に照明する照明光学系を有し、 
前記光源部と前記照明光学系の間に 
紫外および青の一部の波長帯域を反射し、前記青の一部の波長帯域より
長波長の可視光領域の光を透過する領域と 
紫外および青の一部の波長帯域を透過し、
前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を反射する領域を 
有するダイクロイックミラーと、凹面ミラー、蛍光体、レンズとが配置され、 
前記紫外および青の一部の波長帯域を透過し、
前記青の一部の波長帯域より長波長の可視光領域の光を反射する領域は 
光源部の光軸を含む領域であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、紫外および可視光域の光を出射する光源部と蛍光体から構成される照明光学系を用いた投射型表示装置において、照明効率の高い照明光学系および投射型表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施例
【図２】リフレクタ３からの射出光の照度分布
【図３】本発明の波長選択ミラー４のＡ部とＢ部を示す図
【図４】本発明の波長選択ミラー４の分光特性を示す図
【図５】本発明の蛍光体６の変換特性を示す図
【図６】蛍光体のその他の変換特性を示す図
【図７】本発明の波長選択ミラー４のＢ部の大きさを示す図
【図８】放物リフレクタを用いた際の光源ユニットの構成および照度分布
【図９】本発明の第２実施例
【図１０】出側偏光板４９の特性図
【図１１】合成プリズム５０の特性図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明は、紫外および可視光域の光を出射する光源部と蛍光体から構成される照明光学系を用いた投射型表示装置において、照明効率の高い照明光学系および投射型表示装置を実現している。
【００１０】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
［実施例
図１に、第１実施例の投射型表示装置の構成を図示している。ここでは、画像表示素子として反射型液晶表示素子を用いているが、反射型液晶表示素子に限ったものではない。
【００１２】
これらの図には、説明を容易にするため投射型表示装置の基本的な構成部品のみしか描いていないが、熱線カットフィルタや、偏光板等を有する構成としても構わない。発光管２内部の光源（発光部）１ から射出した光束は放物面リフレクタ３によって略平行光となって射出される。リフレクタ３から射出される平行光束は、図２のような照度分布を示し、波長選択ミラー４に入射する。光源１からリフレクタ３で光源部を構成している。
【００１３】
波長選択ミラー４はＡ部、Ｂ部に分かれており、その部分を図３に示す。図１記載のＺ方向から見た図である。またＡ部、Ｂ部の分光特性を図４に示す。
波長選択ミラー４を透過した光は第１フライアイレンズ９に向かう。波長選択ミラー４で反射した光は、凹面ミラー５で反射し、波長選択ミラー４を透過した後、蛍光体６、ミラー７に向かう。蛍光体６は図５のように示す光に変換され、蛍光体６およびミラー７で反射する。反射光は波長選択ミラー４で反射し、正レンズ８を介して、第１フライアイレンズ９に向かう。光源１から正レンズ８までで光源ユニット１００が構成されている。また１６は光源部の光軸であり、波長選択ミラー４のＢ部はこの光軸１６を含んでいる。
【００１４】
光源ユニット１００内の波長選択ミラー４から正レンズ８までについて詳細に述べる。
波長選択ミラー４のＡ部、Ｂ部は前述のように図３のように分かれているが、図Ｂは図２に示すように、リフレクタ３から出射される光の内、中心部の光量の少ないところである。リフレクタ３からの出射光の光量の大部分はＡ部に入射し、可視光の大部分は透過する。Ａ部で反射した紫外および青光の短波長側は凹面ミラー５側に反射する。その反射光は凹面ミラー５によって波長選択ミラー４側に再度向かう。凹面ミラー５は、反射した光を波長選択ミラー４のＢ部および蛍光体６、ミラー７で集光するような形状、位置設定がされている。
【００１５】
そのため凹面ミラー５で反射した紫外および青の短波長側の光は波長選択ミラー４のＢ部を透過し、蛍光体６に向かう。蛍光体６は図５のように入射光を変換する。その光は全方位に渡って発せられるため、波長選択ミラー４と反対側に発せられる光もある。そのため、そのような光をミラー７を配置し、波長選択ミラー４側に向かわせると光の利用効率も上がる。蛍光体６およびミラー７からの光は、波長選択ミラー４のＢ部に向かうが、図５のように変換されているため、反射する。その反射光は正レンズ８を介し、第１フライアイレンズ９に向かう。第１フライアイレンズ９に向かう光を略平行光になるように正レンズ８の形状、位置が設定されている。
【００１６】
紫外および青の短波長側の光は、表示素子および光学素子の劣化を速めてしまうため、投影光には使用しない光である。その光を波長選択ミラー４のような構成および分光特性にすることで、リフレクタ３からの出射光の光量の少ない箇所に集め蛍光体に照射することで、可視光として再生し、光量の大幅アップをすることが実現できる。最終的な白の色バランス等にもよるが、１０％以上の光量増は見込める。蛍光体６の変換特性は図５に示したが、これに限られたものではなく、図６のように材質によって様々な変換があり、ニーズに合わせた選択が可能である。また、図４に示す分光特性はカット波長が４３０ｎｍに設定してあるがこれに限られるものではなく、蛍光体の材料、変換効率にあわせて選択が可能である。
【００１７】
波長選択ミラーＢ部の寸法を図７のようにＡとした場合、その大きさは、本実施例のように放物リフレクタを用い、リフレクタの焦点距離がｆの場合、
０＜√Ａ＜２ｆ
であることが望ましい。
【００１８】
光源から射出される光はランプ光軸に対し９０度近傍が最も強い。そのため図８のようにランプから射出される光の照度分布はランプ光軸から半径２ｆ近傍が最も明るい分布となる。√Ａ＞２ｆの場合、この光量の最も高い部分の可視光をそのまま透過させ、第１フライアイレンズ９に取り込むことができなくなってしまい、本発明の効果が小さくなってしまう。
【００１９】
形状は図７のような矩形でなく円形でも良い。その場合は直径をＡと定義し、前述の範囲にあることが望ましい。長方形のような縦横の長さが違い場合は長い方をＡと定義する。
【００２０】
リフレクタは本実施例のように放物リフレクタに限られることなく、楕円リフレクタでも構わない。
【００２１】
リフレクタが楕円で、焦点距離ｆ１、ｆ２（０＜ｆ１＜ｆ２）の場合、同様の考えで
0  ＜  √Ａ  ＜  ２  ｘ  ｆ１  ｘ  ｆ２／（ｆ１  +  ｆ２）
であることが望ましい。
【００２２】
光源ユニット１００を出射した光は、第１フライアイレンズ（小さな球面レンズが２次元的に配列されたレンズアレイ）９によって分割及び集光される。各々の分割光束は第２フライアイレンズ１０近傍に集光され、光源の像（２次光源像）を作る。第１フライアイレンズ９および第２フライアイレンズ１０が光束を分割する手段である。
【００２３】
これらのフライアイレンズ９、１０を構成する小レンズは、被照明面である反射型液晶表示素子と相似の形状をした矩形レンズ形状をしている。第１フライアイレンズ９の各小レンズは後述する反射型液晶表示素子１４の位置と光学的に略共役になっている。
第２フライアイレンズ１０を射出した分割光束は、無偏光光を直線偏光光に変換する偏光変換素子１１によって、Ｐ偏光光に変換される。Ｐ偏光光に変換された分割光束はコンデンサーレンズ１２によって重畳され、偏光ビームスプリッター１３を透過し、反射型液晶パネル１４を重畳的に照明する。
【００２４】
第１フライアイレンズ９、第２フライアイレンズ１０、偏光変換素子１１、コンデンサーレンズ１２で照明光学系２００が構成される。白表示時の場合は反射型液晶表示素子１４に入射したＰ偏光光は画像変調されＳ偏光光が反射し、偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面で反射し、投射レンズ１５に至り、スクリーンなどの被投射面に拡大投影される。黒表示時の場合は反射型液晶表示素子１４に入射したＰ偏光光は画像変調されずＰ偏光光のまま反射し、偏光ビームスプリッター１３の偏光分離面を透過し光源側に戻され、投射光から除去される。
【００２５】
図９は上述の第１実施例の光源ユニット１００、照明光学系２００を用いて、３枚の反射型液晶表示素子で構成した投射型表示装置を示した第２実施例である。
図９において、光源ユニット１００、照明光学系２００は第１実施例と同じであるため、詳細は省略する。光源ユニット１００から射出した光束は、照明光学系２００を介し、Ｐ偏光光がダイクロイックミラー４１に入射する。図９のダイクロイックミラー４１は青（Ｂ）と赤（Ｒ）の色光を反射し、緑（Ｇ）の色光を透過するダイクロイックミラーである。４２はＰ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する第１の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面を有する。
【００２６】
４３Ｒ，４３Ｇ，４３Ｂはそれぞれ入射した光を反射するとともに画像変調する赤用の反射型液晶表示素子、緑用の反射型液晶表示素子、青用の反射型液晶表示素子である。４４Ｒ，４４Ｇ，４４Ｂはそれぞれ、赤用の１／４波長板、緑用の１／４波長板、青用の１／４波長板である。４５はＳ偏光を透過するＧ用の出射側偏光板Ｇである。
【００２７】
４６は入射側偏光板であり、Ｐ偏光光を透過する。４７はＲの光の偏光方向を９０度変換し、Ｂの光の偏光方向は変換しない色選択性位相差板Ａである。４８はＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する第２の偏光ビームスプリッターであり、偏光分離面を有する。４９はＢ用の出側偏光板であり、図１０のような特性をもっている。Ｂの色光はＳ偏光のみを透過し、赤の色光は偏光方向に関係なく透過する。合成プリズム５０は図１１のような特性も持っており、Ｂ、Ｇの色光ではダイクロイックミラー、Ｒの色光ではＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光ビームスプリッターの特性をもつプリズムである。
【００２８】
以上のダイクロイックミラー４１から合成プリズム５０により、色分解合成光学系３００が構成される。５１は投射レンズであり、上記光束合成光学系、照明光学系，色分解合成光学系および投射レンズにより画像表示光学系が構成される。
【００２９】
次に、照明光学系２００を通過した後の光学的な作用を説明する。
まず、Ｇの光路について説明する。
ダイクロイックミラー４１を透過したＰ偏光光のＧの色光は第１の偏光ビームスプリッター４２に入射して偏光分離面で透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子４３Ｇへと至る。Ｇ用の反射型液晶表示素子４３Ｇにおいては、Ｇの光が画像変調されて反射される。画像変調されたＧの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第１の偏光ビームスプリッター４２の偏光分離面を透過し、光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＧの反射光のうちＳ偏光成分は、第１の偏光ビームスプリッター４２の偏光分離面で反射、Ｓ偏光を透過する出側偏光板Ｇ４５を透過し、投射光として合成プリズム５０に向かう。
【００３０】
その後、合成プリズム５０で反射して投射レンズ５１へと至る。このとき、すべての偏光成分をＰ偏光に変換した状態（黒を表示した状態）において、第１の偏光ビームスプリッター４２とＧ用の反射型液晶表示素子４３Ｇとの間に設けられた１／４波長板４４Ｇの遅相軸を所定の方向に調整することにより、第１の偏光ビームスプリッター４２とＧ用の反射型液晶表示素子４３Ｇで発生する偏光状態の乱れの影響を小さく抑えることができる。
【００３１】
一方、ダイクロイックミラー４１を反射したＰ偏光光のＲとＢの色光は、Ｐ偏光光を透過する入射側偏光板４６に入射する。そしてＲとＢの光は、入射側偏光板４６から出射した後、色選択性位相差板Ａ４７に入射する。色選択性位相差板Ａ４７は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＰ偏光として第２の偏光ビームスプリッター４８に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター４８に入射したＲの色光は、第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面で反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子４３Ｒへと至る。また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター４８に入射したＢの色光は、第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶表示素子４３Ｂへと至る。
【００３２】
Ｒ用の反射型液晶表示素子４３Ｒに入射したＲの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＲの反射光のうちＳ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面で反射されて光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＲの反射光のうちＰ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面を透過して投射光として出側偏光板４９に向かう。
【００３３】
また、Ｂ用の反射型液晶表示素子４３Ｂに入射したＢの色光は画像変調されて反射される。画像変調されたＢの反射光のうちＰ偏光成分は、再び第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面を透過して光源側に戻され、投射光から除去される。一方、画像変調されたＢの反射光のうちＳ偏光成分は第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面で反射して投射光として出側偏光板４９に向かう。
【００３４】
このとき、第２の偏光ビームスプリッター４８とＲ用，Ｂ用の反射型液晶表示素子４３Ｒ，４３Ｂの間に設けられた１／４波長板４４Ｒ，４４Ｂの遅相軸を調整することにより、Ｇの場合と同じようにＲ，Ｂそれぞれの黒の表示の調整を行うことができる。こうして１つの光束に合成され、第２の偏光ビームスプリッター４８から出射したＲとＢの色光は、Ｒの色光はＰ偏光、Ｂの色光はＳ偏光で出側偏光板４９、合成プリズム５０に入射する。
【００３５】
そして、ＲとＢの投射光は合成プリズム５０を透過し、Ｇの色光と合成されて投射レンズ５１に至る。そして、合成されたＲ，Ｇ，Ｂの投射光は、投射レンズ５１によってスクリーンなどの被投射面に拡大投影される。
【００３６】
以上説明した光路は反射型液晶表示素子が白表示の場合である為、以下に反射型液晶表示素子が黒表示の場合での光路を説明する。
【００３７】
まず、Ｇの光路について説明する。
ダイクロイックミラー４１を透過したＧの色光のＰ偏光光は第１の偏光ビームスプリッター４２に入射して偏光分離面で透過し、Ｇ用の反射型液晶表示素子４３Ｇへと至る。しかし、反射型液晶表示素子４３Ｇが黒表示の為、Ｇの色光は画像変調されないまま反射される。従って、反射型液晶表示素子４３Ｇで反射された後もＧの色光はＰ偏光光のままである為、再び第１の偏光ビームスプリッター４２の偏光分離面で透過し、光源側に戻され、投射光から除去される。
【００３８】
次に、ＲとＢの光路について説明する。ダイクロイックミラー４１を反射したＲとＢの色光は、Ｐ偏光光を透過する入射側偏光板４６に入射する。そしてＲとＢの色光は、入射側偏光板４６から出射した後、色選択性位相差板Ａ４７に入射する。色選択性位相差板Ａ４７は、Ｒの色光のみ偏光方向を９０度回転する作用を持っており、これによりＲの色光はＳ偏光として、Ｂの色光はＰ偏光として第２の偏光ビームスプリッター４８に入射する。Ｓ偏光として第２の偏光ビームスプリッター４８に入射したＲの色光は、第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面で反射され、Ｒ用の反射型液晶表示素子４３Ｒへと至る。
【００３９】
また、Ｐ偏光として第２の偏光ビームスプリッター４８に入射したＢの色光は、第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面を透過してＢ用の反射型液晶表示素子４３Ｂへと至る。ここでＲ用の反射型液晶表示素子４３Ｒは黒表示の為、Ｒ用の反射型液晶表示素子４３Ｒに入射したＲの色光は画像変調されないまま反射される。従って、Ｒ用の反射型液晶表示素子４３Ｒで反射された後もＲの色光はＳ偏光光のままである為、再び第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面で反射し、色選択性位相差板Ａ４７により、Ｐ偏光に変換され、入射側偏光板４６を通過して光源側に戻され、投射光から除去される為、黒表示となる。
【００４０】
一方、Ｂ用の反射型液晶表示素子４３Ｂに入射したＢの色光はＢ用の反射型液晶表示素子４３Ｂが黒表示の為、画像変調されないまま反射される。従って、Ｂ用の反射型液晶表示素子４３Ｂで反射された後もＢの色光はＰ偏光光のままである為、再び第２の偏光ビームスプリッター４８の偏光分離面を透過し、色選択性位相差板Ａ４７、入射側偏光板４６を透過して光源側に戻されて投射光から除去される。
【００４１】
以上が、３枚の反射型液晶表示素子を使用した投射型画像表示装置での光学構成である。
【００４２】
この第２実施例においては、反射型液晶表示素子が３枚ある実施例を示したが、この数は３枚に限らず、２枚でも４枚でも構わない。
【符号の説明】
【００４３】
１  光源、２  発光管、３  リフレクタ、４  波長選択ミラー、５  凹面ミラー、
６  蛍光体、７  ミラー、８  正レンズ、９  第１フライアイレンズ、
１０  第２フライアイレンズ、１１  偏光変換素子、１２  コンデンサーレンズ、
１３  偏光ビームスプリッター、１４  反射型液晶表示素子、１５  投射レンズ、
１６  光源部の光軸、４１  ダイクロイックミラー、
４２  第１の偏光ビームスプリッター、４３Ｇ，４３Ｂ，４３Ｒ  反射型液晶表示素子、
４４Ｇ，４４Ｂ，４４Ｒ  １／４波長板、４５  出射側偏光板Ｇ、４６  入射側偏光板、
４７  色選択性位相板Ａ、４８  第２の偏光ビームスプリッター、４９  出側偏光板、
５０  合成プリズム、５１  投射レンズ、１００  光源ユニット、２００  照明光学系、
３００  色分解合成光学系
【図１】
2018013662.tif 000003
【図２】
2018013662.tif 000004
【図３】
2018013662.tif 000005
【図４】
2018013662.tif 000006
【図５】
2018013662.tif 000007
【図６】
2018013662.tif 000008
【図７】
2018013662.tif 000009
【図８】
2018013662.tif 000010
【図９】
2018013662.tif 000011
【図１０】
2018013662.tif 000012
【図１１】
2018013662.tif 000013