(57)【要約】【課題】発光面積が小さく、かつ出射光の平行度を高くしたとしても、光の利用効率を十分高くした光偏向素子、光源装置及び表示装置を提供する。【解決手段】一方の側が第１の波長の光を発する光源に面するように配置され、第１の波長の光を透過するとともに、第２の波長の光を反射するダイクロイックミラー１３と、ダイクロイックミラー１３の他方の側に配置され、第２の波長の光の所定の入射角範囲内の光線を透過し、所定の入射角範囲外の光線を反射する角度選択性ミラー１６と、ダイクロイックミラー１３と角度選択性ミラー１６の間に配置され、第１の波長の光が照射されることにより、第２の波長の光を発する波長変換素子（蛍光体層１４）とを有する構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の側が第１の波長の光を発する光源に面するように配置され、前記第１の波長の光を透過するとともに、第２の波長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の他方の側に配置され、前記第２の波長の光の所定の入射角範囲内の光線を透過し、所定の入射角範囲外の光線を反射する角度選択性ミラーと、
前記ダイクロイックミラーと前記角度選択性ミラーの間に配置され、前記第１の波長の光が照射されることにより、前記第２の波長の光を発する波長変換素子と、
を有することを特徴とする光偏向素子。
【請求項２】
前記ダイクロイックミラーと前記角度選択性ミラーの間に配置され、光の進行方向を変化させる角度変換層をさらに有する、ことを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
前記波長変換素子は、光を散乱する散乱体を含む、ことを特徴とする請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記波長変換素子は、前記波長変換素子と前記角度選択性ミラーの間に、前記第１の波長の光を反射し、前記第２の波長の光を透過するダイクロイックミラーをさらに有する、ことを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の光偏向素子。
【請求項５】
第１の波長の光を発する光源と、
所定の入射角範囲内の光線を透過し、所定の入射角範囲外の光線を反射する角度選択性ミラーと、を備え、
前記光源からの前記第１の波長の光を用いて生じさせた、第２の波長の光の前記所定の入射角範囲内の光線のみを出射する光源装置において、
請求項１から４のいずれか一項に記載の光偏向素子を、
前記光源、前記ダイクロイックミラー、前記波長変換素子、前記角度選択性ミラーの順となるように配置したことを特徴とする光源装置。
【請求項６】
請求項５に記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された光の強度を表示すべき画像に応じて変調することにより、当該画像を表示する空間光変調装置と、
を有することを特徴とする表示装置。
【請求項７】
請求項１から４の何れか一項に記載の光偏向素子と、
前記光偏向素子から出射された光の強度を表示すべき画像に応じて変調することにより、当該画像を表示する空間光変調装置と、
を有することを特徴とする表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集光された光線を出力する光偏向素子、光源装置及び表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタや液晶ディスプレイの照明用光源として、発光ダイオード（ＬＥＤ）を用いた光源装置が利用されている。
【０００３】
プロジェクタに利用される光源装置は、投影照度の向上と光の利用効率向上のため、ＬＥＤからの出射光をレンズで集光し表示素子の表示エリアを照明している。プロジェクタの投影照度をさらに向上するためには、ＬＥＤを複数並べて配置し光源光束を増やす方法が考えられる。しかし、ＬＥＤは一般的にランバート分布の配光特性を有し、発光面全体から光を出射する面光源であり、このような面光源をレンズや反射鏡で集光するには集光限界が存在する。集光できる照明エリアは、ＬＥＤ出射光の拡がり角度とＬＥＤ発光面面積の積の関係から制限され、複数並べたＬＥＤからの発光全てを集光して表示素子の表示エリアへ到達させることは困難となり、光の利用効率は低下する。
【０００４】
また、近年、小型の光源であるＬＥＤの特徴を活かし、超小型プロジェクタ用の光源装置にもＬＥＤが利用されている。超小型プロジェクタの表示素子は小さく、ＬＥＤからの発光全てを小さな表示エリアへ到達させることは、集光限界のため困難となっている。
ＬＥＤのような面光源から所望のエリアを効率良く照明するためには、集光限界に制限されないように、出射光の平行度が高く発光面面積が小さいＬＥＤが必要となっている。
【０００５】
また、液晶ディスプレイに利用される光源装置としては、導光板を用いたバックライトが利用されている。このようなバックライトでは、導光板の一方の面に反射シートが設けられ、導光板の他方の面には、導光板に近い方から順に、拡散シート、プリズムシートが設けられる。このバックライトでは、導光板の側面から入射した照明光は、拡散シートが設けられた側の面から導光板を出射する。照明光は導光板からは水平に近い斜め方向に出射し、拡散シートで拡散され、プリズムシート特性に適した入射角の照明光はプリズムシートにより直上方向に偏向されバックライト出射面から出射する。拡散シートで拡散された照明光のうちプリズムシート特性に適さない入射角の照明光の一部は、プリズムシート内で全反射し下方向に戻される。下方向に戻された照明光は、拡散シート及び導光板を透過した後、反射シートにより反射される。その後、反射された照明光は、再度導光板、拡散シートを経由してプリズムシートに再入射する。ここで照明光は拡散シートにより拡散されているので、戻された照明光の進行方向は変化している。そのため、プリズムシートに再入射した照明光の一部は、プリズムシート特性に適した入射角となりプリズムシートにより直上方向に偏向され、バックライト出射面から出射する。その他の照明光の一部は、プリズムシート内で全反射し再度下方向に戻される。
【０００６】
このように、照明光は、プリズムシートと反射シートの間で繰り返し反射されることにより、特定の入射方向の照明光がプリズムシートから直上方向に出射する。しかし、このバックライトでは、プリズムシートと反射シートの間に、導光板と拡散シートが設けられているため、照明光がプリズムシートと反射シートの間を通る際の照明光の損失が大きくなる。
【０００７】
また、プリズムシート特性に適さない入射角の照明光の一部は、プリズムシート内で全反射しない角度の光線となっており、プリズムシートを透過する。これらの光線は、バックライト出射面から直上ではない方向へ偏向され出射する。つまり、液晶ディスプレイの
高輝度化のためには、直上方向への出射が多いことが望ましいが、プリズムシートによる集光方法は、所望の方向以外への出射光が多く配光分布が拡がるため、高輝度化が難しい。
このようなバックライトの出射光の平行度は、ＬＥＤをレンズで集光したときの出射光の平行度より低く、光の利用効率は上記のプロジェクタにおける光源装置の利用効率より低い。
【０００８】
そこで、出射光の平行度が高い光偏向素子、およびそれを備えた、発光面積が小さい光源装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。
【０００９】
特許文献１に開示された光源装置は、基板上に設けた光源と、その光源から出射された光の偏向方向を制御する光偏向素子とを備える。光源は、基板に、反射材料層に相当する銀層、ｐ型半導体層、光発生領域、ｎ型半導体層を備える。銀層は、光発生領域によって生成される光の少なくとも５０％の光であって、銀層に衝突する光を反射する。光偏向素子は、複数の開口から成るパターン層からなり、パターンに従って空間的に変化する誘電関数を有し、出射面法線近傍の光の取り出し効率を高めて、光偏向素子から出射される光が、ランバート分布よりも平行度が高くなる様に、光出射を制御する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特表２００６−５２３９５７号公報（図１−２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら、特許文献１に開示された光偏向素子および光源装置は、上述した光発生領域からの出射光のうち、有効利用されていない光が多いという問題を有している。
【００１２】
この従来の光偏向素子は、光源と組合わせても、比較的小さな発光面積でもって、光発生領域から出射面法線近傍方向へ出射される光が、複数の開口から成るパターン層を透過して出射するよう制御できる構成ではあるが、光発生領域から広角に出射される光は、光偏向素子であるパターン層で反射し、素子出射面から出射できずに光発生領域方向に戻される。この光発生領域方向に戻された光の一部は、屈折率が高い光発生領域内に閉じ込められて迷光となる光や、ｎ型またはｐ型半導体層の内部で吸収される光となり、光源装置からは出射しない。
【００１３】
また、パターン層の開口から出射できない角度の光（パターン層で反射した光）の一部は、裏面の銀層に導かれる。そして、銀層に到達した光は反射されて再度出射面に向かうが、光発生領域やｎ型またはｐ型半導体層に吸収される光や、素子の表面に形成される電力供給用の電極で遮られる光により減衰する。ここで、銀層で反射した光の一部は再度パターン層に向かい、パターン層の開口から出射できる光線角度に変われば出射できるが、光源装置内部に光線角度を大きく変える要素がないため、光源装置から出射できる光は少ない。
【００１４】
この様に、特許文献１の光偏向素子および光源装置は、光偏向素子から出射できない光が、光源内部で往復する間に減衰してしまったり、効率良く目的の方向に光線角度を変えることができないという理由から、光発生領域で発した光を有効利用することができないという問題を有していた。
【００１５】
そこで、本発明は、出射光の平行度が高くしたとしても、光の利用効率を十分高くした光偏向素子、そしてこの光偏向素子と光源とを組合わせて、発光面積を小さくした光源装
置、およびこの光偏向素子や光源装置を組み込んだ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】
【００１６】
本発明の一の側面によれば、光偏向素子が提供される。係る光偏向素子は、一方の側が第１の波長を持つ光を発する光源に面するように配置され、第１の波長の光を透過するとともに、第２の波長の光を反射するダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーの他方の側に配置され、第２の波長の光の所定の入射角範囲内の光線を透過し、所定の入射角範囲外の光線を反射する角度選択性ミラーと、ダイクロイックミラーと角度選択性ミラーの間に配置され、第１の波長の光が照射されることにより、第２の波長の光を発する波長変換素子とを有する。
【００１７】
光偏向素子は、ダイクロイックミラーと角度選択性ミラーの間に配置された光の進行方向を変化させる角度変換層をさらに有することが好ましい。
【００１８】
あるいは、上記の光偏向素子において、波長変換素子は、光を散乱する散乱体を含むことが好ましい。
【００１９】
さらに上記の各光偏向素子において、波長変換素子と角度選択性ミラーの間に、第１の波長の光を反射し、第２の波長の光を透過するダイクロイックミラーをさらに有することが好ましい。
【００２０】
本発明の一つの側面によれば、光源装置が提供される。係る光源装置は、第１の波長の光を発する光源と、所定の入射角範囲内の光線を透過し、所定の入射角範囲外の光線を反射する角度選択性ミラーとを備え、光源からの第１の波長の光を用いて生じさせた第２の波長の光の所定の入射角範囲内の光線のみを出射する。この光源装置では、上記の何れかの光偏向素子を、光源、ダイクロイックミラー、波長変換素子、角度選択性ミラーの順となるように配置される。
【００２１】
本発明のさらに他の側面によれば、表示装置が提供される。係る表示装置は、上記の何れかの光源装置と、光源装置から出射された光の強度を表示すべき画像に応じて変調する空間光変調装置とを有する。
【００２２】
本発明のさらに他の側面によれば、表示装置が提供される。係る表示装置は、上記の何れかの光偏向素子と、光偏向素子から出射された光の強度を表示すべき画像に応じて変調する空間光変調装置とを有する。
【発明の効果】
【００２３】
本発明に係る光偏向素子は、出射光の平行度を高くしたとしても、光の利用効率を十分高くすることができる。また、この光偏向素子を光源と組合わせれば、発光面積が小さくした光源装置および表示装置を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光偏向素子および光源装置の概略構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光偏向素子および光源装置の動作を説明する図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光偏向素子および光源装置の概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係る光偏向素子および光源装置の動作を説明する図である。
【図５】励起光を反射し蛍光を透過させる第２のダイクロイックミラーを有する光偏向素子および光源装置の一例の概略構成図である。
【図６】各実施形態による光偏向素子および光源装置の何れかを利用した、液晶プロジェクタの概略構成図である。
【図７】各実施形態による光偏向素子の何れかを利用した、液晶ディスプレイ用バックライトの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図を参照しつつ、一つの実施形態による、光偏向素子およびそれを備えた光源装置について説明する。
図１は、第１の実施形態による光偏向素子および光源装置の概略構成図である。図１に示すように、この光源装置１は、基板１０上に形成された光源１１と、光源１１上に配置された光偏向素子１２とを有する。
【００２６】
光源１１は、ランバート分布など広がりを持った配光特性で光線を出射し、かつ所定の波長の励起光を発する光源である。所定の波長は、光偏向素子１２に含まれる蛍光体に蛍光発光させることができる波長、例えば、近紫外〜青色に相当する波長とすることができる。例えば、光源１１は、波長405nmの光を発する発光ダイオード（Light Emitting Diode、LED）とすることができる。なお、この光源１１は、上述したLEDに限られず、例えば、蛍光管、冷陰極管、高圧水銀ランプあるいは有機エレクトロルミネッセンス（Organic Electro-Luminescence、有機EL）素子であっても構わないし、必ずしも光偏向素子１２に一体にして形成しなくとも良い。
【００２７】
光偏向素子１２は、光源１１が発した励起光により蛍光を発し、その蛍光を集光して出力する。そのために、光偏向素子１２は、光源１１側から順に、ダイクロイックミラー１３と、波長変換素子の一例である蛍光体層１４と、光の進行方向を変化させる角度変換層の一例であるマイクロレンズアレイ１５と、角度選択性ミラー１６とが積層された構造を有する。なお、光偏向素子１２が有する各層は、互いに密着するように配置されてもよく、あるいは、互いに間隔を空けて配置されてもよい。また、蛍光体層１４とマイクロレンズアレイ１５の配置は、入れ替えられてもよい。
【００２８】
この光偏向素子１２において、ダイクロイックミラー１３の光源１１と対向する面が光の入射面１２ａであり、角度選択性ミラー１６の外側の面、すなわち入射面１２ａと反対側の面が光の出射面１２ｂである。
【００２９】
ダイクロイックミラー１３は、光源１１が発する励起光に相当する波長の光を透過する一方、蛍光体層１４により生じる蛍光に相当する波長の光を反射する。そのために、ダイクロイックミラー１３は、例えば、ガラス層と、ガラス層の表面に形成された誘電体多層膜により形成される。あるいは、ダイクロイックミラー１３は、光源１１が発する励起光の波長よりも、小さい周期で誘電率が変化するフォトニック結晶により形成されてもよい。例えば、ダイクロイックミラー１３は、ガラスのような透明な部材の表面に、直径100nm〜200nm程度の複数の突起が所定の周期で形成された構造を有する。
【００３０】
蛍光体層１４は、波長変換素子として機能し、光源１１から照射された励起光によって所定の波長を持つ蛍光を発する。そのために、蛍光体層１４は、例えば、ガラス基板上に蛍光体が塗布された構造を有する。あるいは、蛍光体層１４は、ガラス基板内に蛍光体がドープされた構造を有してもよい。さらにまた、蛍光体層１４は、蛍光体を含む薄膜であってもよい。また、この波長変換素子として、上記の蛍光体層１４の代わりに、ナノスケールで入力される光の波長を変換する量子ドットなどを用いてもよい。
【００３１】
蛍光体は、光源１１が発する励起光の波長及び光源装置１が、出力しようとする光の波長に応じて適切なものが選択される。
例えば、光源１１が波長405nmの光を発し、かつ光源装置１が赤色に相当する波長を持つ光を出力しようとする場合、赤色蛍光体として、CaAlSiN3:Eu2+を使用することができる。また、光源１１が波長405nmの光を発し、かつ光源装置１が緑色に相当する波長を持つ光を出力しようとする場合、緑色蛍光体として、例えば、(Ba,Sr)2SiO4:Eu2+を使用することができる。さらに、光源１１が波長405nmの光を発し、かつ光源装置１が青色に相当する波長を持つ光を出力しようとする場合、青色蛍光体として、例えば、Sr10(PO4)6Cl2:Eu2+を使用することができる。
また、光源１１が波長455nmの光を発し、かつ光源装置１が黄色に相当する波長を持つ光を出力しようとする場合、黄色蛍光体として、例えば、(Y,Gd)3Al5O12:Ce3+を使用することができる。
【００３２】
マイクロレンズアレイ１５は、角度変換層として機能し、入射した光の進行方向を変化させる。そのために、マイクロレンズアレイ１５は、例えば、透明樹脂基板表面に微小なレンズをマトリクス状に複数並べた構造を有する。あるいは、蛍光体層１４を形成するガラス基板表面をレンズ面にしてもよい。さらにまた、角度変換層の形状はレンズ形状に限らず、拡散面、任意の曲面、連続した微小なプリズムであってもよい。
【００３３】
角度選択性ミラー１６は、蛍光体が発する発光波長において、所定の入射角範囲内の光線を透過し、該所定の入射角範囲外の光線を反射する。そのために、角度選択性ミラー１６は、例えば、ガラス層と、ガラス層の表面に形成された誘電体多層膜により形成される。あるいは、角度選択性ミラー１６は、所定の入射角範囲外の光線に透過モードが立たないよう、フォトニックバンドギャップを制御したフォトニック結晶などの選択性反射素子により形成されてもよい。このように形成された角度選択性ミラー１６は、例えば、入射面法線に対して１０度の範囲内の入射光線は透過し、一方、入射面法線に対して１０度の範囲外の入射光線は反射する。
【００３４】
以下、図２を参照しつつ、光源装置１および光偏向素子の動作および機能について説明する。
光源１１が発した励起光Leは、光偏向素子１２の入射面１２ａからダイクロイックミラー１３へ入射する。そして励起光Leは、ダイクロイックミラー１３を透過して蛍光体層１４へ達する。蛍光体層１４は、励起光Leが照射されると、励起光Leの波長よりも長い波長を有する蛍光を発する。そして蛍光体層１４で発した蛍光Lf1の一部は、マイクロレンズアレイ１５で集光され、角度選択性ミラー１６へ入射する。
【００３５】
角度選択性ミラー１６は、入射面法線に対して１０度の範囲内の入射光線は透過し、一方、入射面法線に対して１０度の範囲外の入射光線は反射する、選択性反射特性を有する。そのため角度選択性ミラー１６は、蛍光Lf1のうち入射角１０度以内の光線Lf2を透過させ出射面１２ｂから出射させる。マイクロレンズアレイ１５は、拡散光である蛍光Lf1を集光し、角度選択性ミラー１６を透過する光線Lf2を増やしている。しかし、蛍光Lf1全てを光線Lf2に変換することは困難であり、角度選択性ミラー１６は入射角１０度より大きい光線Lf3を反射する。
【００３６】
この様にして、角度選択性ミラー１６で反射された蛍光Lf3は、マイクロレンズアレイ１５のレンズ面を透過することにより、光の進行方向を変化させダイクロイックミラー１３へ向かう。
【００３７】
蛍光の波長は、励起光Leの波長よりも長いため、蛍光Lf3はダイクロイックミラー１３
で反射される。そしてダイクロイックミラー１３で反射された蛍光Lf3は、再度蛍光体層１４とマイクロレンズアレイ１５を透過し集光された後、角度選択性ミラー１６に入射する。角度選択性ミラー１６に再入射する蛍光Lf3は、最初の蛍光Lf1と同様に、入射角１０度以内の光線は透過し出射面１２ｂから出射し、入射角１０度より大きい光線は再度反射する。
【００３８】
また、蛍光体層１４で発した蛍光の残りの一部は、角度選択性ミラー１６へ向かわず、ダイクロイックミラー１３へ向かう。蛍光のこの一部も、ダイクロイックミラー１３で反射された後、蛍光体層１４とマイクロレンズアレイ１５を透過して角度選択性ミラー１６へ向かう。そのため、蛍光の残りの一部も、蛍光体層１４から角度選択性ミラー１６へ直接向かった蛍光の一部Lf1と同様に、入射角１０度以内の光線は透過し、出射面１２ｂから出射する。
【００３９】
なお、上記説明では、蛍光体層１４と角度選択性ミラー１６との間に、角度変換層に相当するマイクロレンズアレイ１５を配した構成例を示したが、このマイクロレンズアレイ１５がなく、しかも出射光の平行度を高くしたとしても、光の利用効率を十分高くした光偏向素子となる。その場合の作用について、下記に説明する。
【００４０】
上記構成におけるマイクロレンズアレイ１５は、上述したように、拡散光である蛍光Lf1を集光させて、角度選択性ミラー１６を透過する光線Lf2を増やすためのものであるので、光偏向素子１２においては蛍光体層１４で蛍光が発した直後に多くの光が角度選択性ミラー１６を透過する。ここで、マイクロレンズアレイ１５を光偏向素子内に配置しない場合、角度選択性ミラー１６を反射する光を増やすことができるが、反射光はダイクロイックミラー１３と角度選択性ミラー１６の間にある蛍光体層１４に閉じ込められ反射を繰り返すこととなる。蛍光体層１４は、例えばガラス基板内に蛍光体がドープされた構成としているので、反射光は蛍光体を透過または反射することによって光線角度を徐々に変化させ、所定の光線角度になった後に角度選択性ミラー１６を透過する。この様にして、蛍光体層１４が角度変換層としても機能するが、蛍光体など波長変換素子の発光分布特性や透過及び反射特性に合わせて、上記説明のように、マイクロレンズアレイ１５を配置する構成や、後述するように蛍光体層に散乱体を加えた構成を、必要に応じて適宜選択できる。
【００４１】
以上説明してきたように、第１の実施形態による光偏向素子１２は、光源１１からの励起光Ｌｅにより、蛍光体層１４で生じた蛍光Ｌｆ１を出力する。そしてこの光偏向素子１２において出射光は、出射面法線に対して１０度の範囲内の光線だけが出射するよう制御されているため、ランバート分布の光源を集光して平行度が高い出射光を出力することができる。
【００４２】
また、この光偏向素子１２を備えた光源装置１は、上述した機能を得ることで、出射面１２ｂの面積を、励起光Ｌｅを発する光源１１と同じ大きさにすることができ、発光面積が小さな装置の実現を可能とする。
【００４３】
そして、上記光偏向素子１２によれば、蛍光体層１４で発した蛍光Ｌｆ１が、角度選択性ミラー１６とダイクロイックミラー１３の間の薄い空間に閉じ込められる形態となるが、この素子内に配置される部材は、蛍光体層１４とマイクロレンズアレイ１５だけであり、従来の光源装置のように、屈折率が高く迷光や吸収の原因となる素材や電極のような、光を遮る部材が存在しない。これにより、光偏向素子１２内で反射を繰り返すことでの光減衰を極力抑えることができ、蛍光の損失が抑制され、光の利用効率を極力高い光偏向素子１２及びそれを備えた光源装置１とすることができる。
【００４４】
次に、第２の実施形態による光源装置について説明する。
図３は、第２の実施形態による光偏向素子と光源装置の概略構成図である。図３に示すように、この光源装置２は、基板１０上に形成された光源１１と、光源１１上に配置された光偏向素子２２とを有する。光偏向素子２２は、光源１１側から順に、ダイクロイックミラー１３と、蛍光散乱体層２４と、角度選択性ミラー１６とが積層された構造を有する。なお、図３において、光源装置２が有する各構成要素には、図１に示した光源装置１の対応する構成要素と同じ参照番号を付した。
【００４５】
この第２の実施形態による光偏向素子２２は、第１の実施形態による光偏向素子１２と比較して、光偏向素子２２がマイクロレンズアレイを有さない点と、蛍光体層に散乱体が加えられた蛍光散乱体層２４を有している点で相違する。そのため、以下の説明では、第１の実施形態による光偏向素子１２と異なる点について説明する。
【００４６】
波長変換素子である蛍光散乱体層２４は、蛍光体の他に散乱体を含む。この散乱体として、例えば、蛍光散乱体層２４のガラス基板の屈折率と異なる屈折率を持つガラス等の微粒子を用いることができる。そして蛍光散乱体層２４は、入射した光を散乱することにより、光の進行方向を変化させ角度変換層としても機能する。なお、蛍光散乱体層２４の代わりに、量子ドットが形成された層と、散乱体を含むガラスなどの透明部材とが積層された素子を、波長変換素子として用いてもよいし、蛍光散乱体層２４に散乱体が混入されていない形態としても構わない。
【００４７】
次に、図４を参照しつつ、光偏向素子２２と光源装置２の動作および機能について説明する。
光源１１が発した励起光Leは、光源１１に対向する光偏向素子２２の入射面２２ａからダイクロイックミラー１３へ入射する。そして励起光Leは、ダイクロイックミラー１３を透過して蛍光散乱体層２４へ達する。蛍光散乱体層２４は、励起光Leが照射されると、励起光Leの波長よりも長い波長を有する蛍光を発する。そして蛍光散乱体層２４で発した蛍光の一部Lf1は、角度選択性ミラー１６へ入射する。
【００４８】
角度選択性ミラー１６は、第１の実施形態と同様に、入射面法線に対して１０度の範囲内の入射光線は透過し、一方、入射面法線に対して１０度の範囲外の入射光線は反射する選択性反射特性を有する。そのため、蛍光Lf1のうち入射角１０度以内の光線Lf2を透過させ出射面２２ｂから出射する。一方、角度選択性ミラー１６は入射角１０度より大きい光線Lf3を反射する。
【００４９】
角度選択性ミラー１６で反射された蛍光Lf3は、蛍光散乱体層２４により散乱することにより、光の進行方向を変化させダイクロイックミラー１３へ向かう。そしてダイクロイックミラー１３で反射された蛍光Lf3は、再度蛍光散乱体層２４により散乱された後、角度選択性ミラー１６に入射する。角度選択性ミラー１６に再入射する蛍光Lf3は、最初の蛍光Lf1と同様に、入射角１０度以内の光線は透過し出射面２２ｂから出射し、入射角１０度より大きい光線は再度反射する。
【００５０】
また、蛍光散乱体層２４で発した蛍光Ｌｆ１の残りの一部は、角度選択性ミラー１６へ向かわず、ダイクロイックミラー１３へ向かう。蛍光Ｌｆ１のこの一部も、ダイクロイックミラー１３で反射された後、蛍光散乱体層２４を透過し角度選択性ミラー１６へ向かう。そのため、蛍光Ｌｆ１の残りの一部も、蛍光散乱体層２４から角度選択性ミラー１６へ直接向かった蛍光Ｌｆ１の一部Lf1と同様に、入射角１０度以内の光線は透過し出射面２２ｂから出射する。
【００５１】
このように、蛍光Ｌｆ３は、ダイクロイックミラー１３と角度選択性ミラー１６で反射され、その間に配置された蛍光散乱体層２４のみを繰り返し透過する。そして蛍光Ｌｆ３
は、角度選択性ミラー１６へ入射する度に、入射角１０度以内の光線が角度選択性ミラー１６を透過する。そのため、蛍光散乱体層２４で発した蛍光Ｌｆ１、Ｌｆ３は、出射角１０度以内の集光された光線となって、光偏向素子２２から出射される。
【００５２】
以上説明してきたように、第２の実施形態による光偏向素子２２では、角度選択性ミラー１６とダイクロイックミラー１３の間に蛍光散乱体層２４のみが配置される。そのため、蛍光散乱体層２４で発した蛍光Ｌｆ３は、角度選択性ミラー１６から出射されるまで、角度選択性ミラー１６とダイクロイックミラー１３の間、すなわち蛍光散乱体層２４のみを透過する。この様にして、光偏向素子２２内での蛍光の損失が抑制されるので、この素子の光の利用効率を向上させた光源装置２を提供することができる。
【００５３】
また、本実施形態の光源装置２は、先の第１の実施形態に比べ、マイクロレンズアレイ１５（図１）が無い分、装置の厚みが薄くなり、しかも安価に製造できる。
【００５４】
さらに、この光偏向素子２２を備えた光源装置２は、上述した機能を得ることで、出射面積を、励起光Ｌｅを発する光源１１と同じ大きさとし、発光面積が小さな装置構成の実現を可能とする。
【００５５】
次に、第３の実施形態における光偏向素子および光学装置について説明する。
第３の実施形態の光学装置では、第１または第２の実施形態における光学装置１、２における、角度選択性ミラー１６の光出射側または光入射側のどちらかに、光源１１から発した励起光Ｌｅを反射し、蛍光体層１４（図２）または蛍光散乱体層２４（図４）で発した蛍光Ｌｆ１を透過させる「第２のダイクロイックミラー」、または光源１１から発した励起光Ｌｅを吸収する「波長フィルター」を配置した構成とした。なお、下記の説明では、「第２のダイクロイックミラー」を配した例を示して説明するが、これに替えて、上記「波長フィルター」を配しても構わない。
【００５６】
図５は、光源から発した励起光を反射し、蛍光体が発した蛍光を透過させる第２のダイクロイックミラーを有する光偏向素子および光源装置の一例の概略構成図である。
図５に示す光源装置３は、基板１０上に形成された光源１１と、光源１１上に配置された光偏向素子３２とを有する。光偏向素子３２は、光源１１側から順に、第１のダイクロイックミラー１３と、蛍光散乱体層２４と、第２のダイクロイックミラー３７と、角度選択性ミラー１６とが積層された構造を有する。なお、図５において、光源装置３が有する各構成要素には、図３に示した光源装置の対応する構成要素と同じ参照番号を付した。
【００５７】
本実施形態による光偏向素子３２は、光源１１が発した励起光により蛍光を発し、その蛍光を集光して出力する。また光偏向素子３２は、第２の実施形態による光源装置２が有する光偏向素子２２と比較して、第２のダイクロイックミラー３７を有する点で異なる。そのため、以下の説明では、第２の実施形態による光偏向素子２２との相違点について説明する。
【００５８】
本実施形態における光偏向素子３２では、第２のダイクロイックミラー３７が、光源１１が発する励起光に相当する波長の光を反射する一方、蛍光散乱体層２４により生じる蛍光に相当する波長の光を透過する。そのために、第２のダイクロイックミラー３７は、第１のダイクロイックミラー１３と同様に、例えば、ガラス層と、ガラス層の表面に形成された誘電体多層膜やフォトニック結晶により形成される。
【００５９】
蛍光散乱体層２４は、この層に含まれる蛍光体の量を多くすれば、光源１１が発した励起光は、蛍光に波長変換され角度選択性ミラー１６に到達する励起光が無視できる程少なくなる。しかし、このような蛍光体の量は、光源装置の光の利用効率を低下させる場合が
あるので注意を要する。それは、蛍光散乱体層２４に含まれる蛍光体の量が多すぎると、蛍光体が発した蛍光が他の蛍光体に当たり易くなり、蛍光散乱体層２４の透過率が低下するからである。そして、第２のダイクロイックミラー３７は、光源装置３の発光効率が高まるように、蛍光散乱体層２４に含まれる蛍光体の濃度を最適にしたとき、蛍光散乱体層２４を透過し、角度選択性ミラー１６に到達する励起光を反射する。
【００６０】
この様にして、第１のダイクロイックミラー１３、蛍光散乱体層２４、第２のダイクロイックミラー３７、角度選択性ミラー１６で構成された光偏向素子３２は、短波長の励起光が他の素子にダメージを与えることを防止するとともに、蛍光散乱体層２４の透過率の低下を抑制し光の利用効率を高めることができる。
【００６１】
これにより、この光偏向素子３２は、光源１１から発する短波長の光（例えば、近紫外光）が、角度選択性ミラー１６を透過して、出射面１２ｂ側に、所定の間隔を置いて配した、図示しない他の光学部材への到達を抑制し、この他の光学部材の短波長の光によるダメージを極力抑えることを可能とする。
【００６２】
なお、上記の各第１から第３の実施形態において、蛍光体層または蛍光散乱体層は、ガラスなどの基板と、その基板上に柱状結晶として形成された蛍光体を有してもよい。この場合、この柱状結晶の長手方向が、ダイクロイックミラーの反射面に対して略直交するように、柱状結晶が形成される。このように蛍光体が形成されることにより、蛍光の一部が柱状結晶内を全反射しながら伝播する。そのため、ダイクロイックミラーの反射面に対して略垂直に入射する蛍光の成分が増えるので、ダイクロイックミラーによる損失を低減できる。
【００６３】
次に、第４の実施形態における表示装置について説明する。
図６は、第４の実施形態による、上記の各実施形態による光源装置の何れかを利用した、表示装置の一例を示す図であり、本図では、液晶プロジェクタの概略構成を示した。この実施形態の表示装置は、上記の各実施形態による光源装置の何れかと、空間光変調装置である液晶パネルとを含むように構成される。
【００６４】
図６に示す液晶プロジェクタ４は、光源装置４１ｇ、４１ｂ、４１ｒと、ダイクロイックミラー４２ｂ、４２ｒと、液晶パネル４３と、駆動回路４４と、コントローラ４５と、同期回路４６と、投影光学系４７とを有する。
【００６５】
光源装置４１ｇ、４１ｂ、４１ｒは、それぞれ、上記の実施形態の何れかによる光源装置である。このうち、光源装置４１ｇは、ダイクロイックミラー４２ｂ及び４２ｒを挟んで液晶パネル４３の後方に配置される。そして光源装置４１ｇは、緑色に相当する波長を持つ集光された出射光を出力する。そのために、光源装置４１ｇが有する光偏向素子４１１ｇの蛍光体層または蛍光散乱体層には、緑色に相当する波長を持つ光を発する蛍光体が含まれる。
【００６６】
また光源装置４１ｂは、光源装置４１ｂから出力された光がダイクロイックミラー４２ｂにて反射され、液晶パネル４３に達するように配置される。そして光源装置４１ｂは、青色に相当する波長を持つ集光された出射光を出力する。そのために、光源装置４１ｂが有する光偏向素子４１１ｂの蛍光体層または蛍光散乱体層には、青色に相当する波長を持つ光を発する蛍光体が含まれる。
【００６７】
さらに、光源装置４１ｒは、光源装置４１ｒから出力された光がダイクロイックミラー４２ｒにて反射され、液晶パネル４３に達するように配置される。そして光源装置４１ｒは、赤色に相当する波長を持つ集光された出射光を出力する。そのために、光源装置４１
ｒが有する光偏向素子４１１ｒの蛍光体層１４（図１）または蛍光散乱体層２４（図３）には、赤色に相当する波長を持つ光を発する蛍光体が含まれる。
【００６８】
ダイクロイックミラー４２ｂは、青色に相当する波長以下の波長を持つ光を反射し、青色に相当する波長よりも長い波長を持つ光を透過する。またダイクロイックミラー４２ｒは、赤色に相当する波長以上の波長を持つ光を反射し、赤色に相当する波長よりも短い波長を持つ光を透過する。そのため、光源装置４１ｇから出力された光は、ダイクロイックミラー４２ｂ及び４２ｒを透過して液晶パネル４３に達する。一方、光源装置４１ｂから出力された光は、ダイクロイックミラー４２ｂにより反射され、液晶パネル４３に達する。また光源装置４１ｒから出力された光は、ダイクロイックミラー４２ｒにより反射され、液晶パネル４３に達する。
【００６９】
なお、ダイクロイックミラー４２ｂと４２ｒは重なるように図示されているが、ダイクロイックミラー４２ｂと４２ｒは、互いに重ならないように配置されてもよい。また、ダイクロイックミラー４２ｂと４２ｒの代わりに、それら二つのダイクロイックミラー４２ｒ、４２ｂと同様の機能を有するダイクロイックプリズムが使用されてもよい。
【００７０】
コントローラ４５は、インターフェース回路（図示せず）を介して液晶プロジェクタ４と接続された外部機器から入力された画像信号に基づいて、駆動回路４４及び各光源装置４１ｂ、４１ｇ、４１ｒを制御する。本実施形態では、コントローラ４５は、色順次駆動方式により液晶パネル４３及び各光源装置４１ｂ、４１ｇ、４１ｒを制御する。そこで、コントローラ４５は、入力された画像信号から、赤色画像、青色画像及び緑色画像に相当する単色画像信号を生成する。そしてコントローラ４５は、各単色画像信号を駆動回路４４へ出力する。
【００７１】
また、コントローラ４５は、同期回路４６から供給された同期信号に基づいて、各光源装置の発光タイミングを調節する。そしてコントローラ４５は、液晶パネル４３上に青色画像が表示されるタイミングで光源装置４１ｂを点灯させる。同様に、コントローラ４５は、液晶パネル４３上に緑色画像が表示されるタイミングで光源装置４１ｇを点灯させ、また液晶パネル４３上に赤色画像が表示されるタイミングで光源装置４１ｒを点灯させる。
【００７２】
駆動回路４４は、コントローラ４５から入力される、表示すべき画像に応じた画像信号に基づいて、液晶パネル４３を駆動する駆動信号を生成する。駆動回路４４は、同期回路４６から供給される同期信号に基づいて、赤色画像、緑色画像、青色画像のそれぞれに対応する駆動信号を出力するタイミングを、光源装置４１ｒ、４１ｇ、４１ｂが点灯するタイミングと同期させる。
【００７３】
同期回路４６は、各光源装置が赤色光、青色光及び緑色光を出力するタイミングと液晶パネル４３に赤色画像、青色画像及び緑色画像を表示させるタイミングとを同期させるための同期信号を生成し、生成した同期信号をコントローラ４５及び駆動回路４４にそれぞれ出力する。
【００７４】
液晶パネル４３は、２次元アレイ状の空間光変調装置として機能する。そして液晶パネル４３は、駆動回路４４から供給される駆動信号に応じて、各光源装置から照射された照明光に対する透過率を画素単位で変更して、液晶パネル４３を透過する各光源装置からの光の強度を変調することにより画像を表示する。
【００７５】
投影光学系４７は、液晶パネル４３上に表示された画像を、液晶プロジェクタ４から所定距離はなれた位置に設置されたスクリーン上へ投影する。
【００７６】
次に、第４の実施形態における他の表示装置の構成例について説明する。
上記の各実施形態による光源装置４１ｒ、４１ｇ、４１ｂに含まれる光偏向素子は、液晶ディスプレイ用のバックライトにおいて、直上方向の光量を増加させる輝度上昇シートとして利用できる。
【００７７】
図７は、本発明の各実施形態による光偏向素子の何れかを利用した、表示装置の他の例を示す図であり、本図では、液晶ディスプレイの概略構成を示した。この実施形態の表示装置は、上記の各実施形態による光偏向素子の何れかと、空間光変調装置である液晶パネルとを含むように構成される。
【００７８】
図７に示す液晶ディスプレイ５は、液晶ディスプレイ用バックライト５０と、液晶パネル５４と、コントローラ５５とを有する。そして液晶ディスプレイ用バックライト５０は、光源５１と、導光板５２と、上記の実施形態の何れかによる光偏向素子により構成された輝度上昇シート５３とを有する。
【００７９】
光源５１は、例えば、蛍光管、冷陰極管あるいはLEDを有し、輝度上昇シート５３が有する蛍光体層あるいは蛍光散乱体層に含まれる蛍光体に、蛍光発光させることが可能な波長を持つ励起光を発する。
【００８０】
光源５１は、導光板５２の側面に近接して配置される。そのため、光源５１から発した励起光は、導光板５２内を伝播し、導光板５２の表面５２ａから輝度上昇シート５３へ向けて出射する。なお、導光板５２の下面側に反射シート、導光板５２と輝度上昇シート５３との間に拡散シート、輝度上昇シート５３と液晶パネル５４との間に反射型偏光素子が、それぞれ配置されてもよい。
【００８１】
導光板５２から出射した励起光は、輝度上昇シート５３の入射面５３ａへ入射し、それにより、輝度上昇シート５３内で蛍光が発する。なお、輝度上昇シート５３が白色光を生じるように、例えば、光源５１の励起光を近紫外線とし、輝度上昇シート５３が有する波長変換素子に、赤色蛍光体、緑色蛍光体及び青色蛍光体の３種類の蛍光体が含まれることが好ましい。
【００８２】
輝度上昇シート５３内で生じた蛍光は、集光され輝度上昇シート５３の出射面５３ｂから出射する。そして、この集光された出射光は、液晶ディスプレイ用バックライト５０の出射面５３ｂ近傍に配置された液晶パネル５４に入射する。
【００８３】
液晶パネル５４は、２次元アレイ状の空間光変調装置として機能する。そして液晶パネル５４は、コントローラ５５から供給される駆動信号に応じて、輝度上昇シート５３からの照射光に対する透過率を画素単位で変更して、液晶パネル５４を透過する輝度上昇シート５３からの光の強度を変調することにより画像を表示する。
【００８４】
コントローラ５５は、インターフェース回路（図示せず）を介して、液晶ディスプレイ５と接続された外部機器から入力された画像信号に基づいて、液晶パネル５４を制御する。そこで、コントローラ５５は、入力された画像信号に応じた駆動信号を生成し、その駆動信号を液晶パネル５４へ出力する。
【００８５】
輝度上昇シート５３は、導光板５２から水平に近い斜め方向に出射される励起光を白色光へ変換するとともに、液晶ディスプレイ用バックライト５０の出射面直上方向へ偏向し、かつ集光して平行度が高い出射光を出射する。
【００８６】
なお、偏光制御のため輝度上昇シート５３と液晶パネル５４との間に反射型偏光素子を配置すれば、反射型偏光素子からの戻り光は、導光板５２に戻ることなく輝度上昇シート５３内で反射して液晶パネル５４に再入射させることができる。本構成によれば、偏光制御の戻り光は、短い経路で損失が少ない部材のみ透過して液晶パネル５４に再入射できる構成となるため、より光の利用効率を高くすることを可能とする。
【００８７】
このように、本実施形態によれば、輝度上昇シートの出射面近傍に液晶パネルが配置されることにより、光の利用効率が高く高輝度な表示装置が実現できる。
【００８８】
以上のように、当業者は、本発明の範囲内で、実施される形態に合わせて様々な変更を行うことができる。
【符号の説明】
【００８９】
１、２、３    光源装置
４    液晶プロジェクタ
５    液晶ディスプレイ
１０    基板
１１    光源
１２、２２、３２    光偏向素子
１３    （第１の）ダイクロイックミラー
１４    蛍光体層
１５    マイクロレンズアレイ
１６    角度選択性ミラー
２４    蛍光散乱体層
３７    第２のダイクロイックミラー
４１ｂ、４１ｇ、４１ｒ    光源装置
４２ｂ、４２ｒ    ダイクロイックミラー
４３    液晶パネル
４４    駆動回路
４５    コントローラ
４６    同期回路
４７    投影光学系
５０    バックライト
５１    光源
５２    導光板
５３    輝度上昇シート
５４    液晶パネル
５５    コントローラ
【図１】
2011118187.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2011118187.tif 000008
【図７】
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