(57)【要約】【課題】蛍光体から出射した光を効率良く光変調素子に導くことができる照明装置、投射型映像表示装置、照明方法、および投射型映像表示方法を提供する。【解決手段】照明装置１００は、励起光を出射する励起光源部１０１と、励起光の光線束を複数の部分光線束に分割する励起光用フライアイレンズ対１０８と、励起光の複数の部分光線束を、矩形の集光スポットに集光する集光光学系１１０と、集光光学系１１０で集光された励起光によって照明光を発する蛍光体１１１と、照明光の光線束を複数の部分光線束に分割する照明光用フライアイレンズ対１１７と、により、偏光変換されていない照明光を生成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を出射する励起光源部と、
前記励起光の光線束を複数の部分光線束に分割する励起光用フライアイレンズ対と、
前記励起光の複数の部分光線束を、矩形の集光スポットに集光する集光光学系と、
前記集光光学系で集光された前記励起光によって照明光を発する蛍光体と、
前記照明光の光線束を複数の部分光線束に分割する照明光用フライアイレンズ対と、により、偏光変換されていない前記照明光を生成する
照明装置。
【請求項２】
前記励起光用フライアイレンズ対のアスペクト比と、前記照明光用フライアイレンズ対のアスペクト比と、が略同一である
請求項１記載の照明装置。
【請求項３】
前記集光レンズの焦点から、前記集光レンズを介して、前記励起光用フライアイレンズ対と、前記照明光用フライアイレンズ対と、を見たとき、前記励起光用フライアイレンズの長辺方向と、前記照明光用フライアイレンズの長辺方向と、が同じである
請求項１または２記載の照明装置。
【請求項４】
前記蛍光体は、回転可能なホイールの円周方向が複数の蛍光体によって塗り分けられている蛍光体ホイールであり、
前記蛍光体ホイールの中心と、前記蛍光体ホイール上の前記集光スポットの中心を結ぶ線が、前記集光スポットの長辺方向と平行である
請求項１乃至３いずれか１項記載の照明装置。
【請求項５】
請求項１乃至４いずれか１項記載の照明装置と、
前記照明装置が生成した偏光変換されていない前記照明光を変調する光変調素子と、を含む
投射型映像表示装置。
【請求項６】
励起光源部が、励起光を出射するステップと、
励起光用フライアイレンズ対が、前記励起光の光線束を複数の部分光線束に分割するステップと、
集光光学系が、前記励起光の複数の部分光線束を、矩形の集光スポットに集光するステップと、
蛍光体が、前記集光光学系で集光された前記励起光によって照明光を発するステップと、
照明光用フライアイレンズ対が、前記照明光の光線束を複数の部分光線束に分割するステップと、により、偏光変換されていない前記照明光を生成する
照明方法。
【請求項７】
前記励起光用フライアイレンズ対のアスペクト比と、前記照明光用フライアイレンズ対のアスペクト比と、が略同一である
請求項６記載の照明方法。
【請求項８】
前記集光レンズの焦点から、前記集光レンズを介して、前記励起光用フライアイレンズ対と、前記照明光用フライアイレンズ対と、を見たとき、前記励起光用フライアイレンズの長辺方向と、前記照明光用フライアイレンズの長辺方向と、が同じである
請求項６または７記載の照明方法。
【請求項９】
前記蛍光体は、回転可能なホイールの円周方向が複数の蛍光体によって塗り分けられている蛍光体ホイールであり、
前記蛍光体ホイールの中心と、前記蛍光体ホイール上の前記集光スポットの中心を結ぶ線が、前記集光スポットの長辺方向と平行である
請求項６乃至９いずれか１項記載の照明方法。
【請求項１０】
請求項６乃至９いずれか１項記載の照明方法と、
光変調素子が、前記照明方法により生成した偏光変換されていない前記照明光を変調するステップと、を含む
投射型映像表示方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は照明装置、投射型映像表示装置、照明方法、および投射型映像表示方法に関し、例えば蛍光体から出射した光を効率良く光変調素子に導く技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、蛍光体に対しレーザー光等を励起光として照射することで、蛍光体が発生する光を照明光として出力する照明装置、及び、この照明光を光変調して映像光を生成し、この映像光を投射する投射型映像表示装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、励起光の光路に異方性拡散板を設けることにより、蛍光体上に楕円形の集光面を形成し、この集光面の形状を、後段においてフライアイレンズと併せて配置される偏光ビームスプリッタ（すなわち偏光変換素子）の入射面形状と相似形とした構成が開示されている。これにより、照明光の利用効率を向上させることができる。なお、フライアイレンズとは、照明光の輝度分布を均一化する素子である。また、偏光変換素子とは、照明光を、光変調素子としての透過型液晶パネルを透過可能な偏光光に変換するための素子である。
【０００４】
また、特許文献１は、光変調素子として、液晶に替えてＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いる場合には、フライアイレンズ及び偏光変換素子を除去し、代わりにロッドインテグレータを採用する構成を開示している。これはＤＭＤが反射する光は偏光光である必要がなく、偏光変換素子を要しないためである。
【０００５】
特許文献２には、励起光の光路にフライアイレンズを備えた構成が開示されている。これにより、蛍光体に対して励起光を均一強度で照射できるため、局所的な光飽和を抑制でき、蛍光体の発光強度低下を抑制できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１３−１２０２５０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１１４９８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来、偏光変換素子を必要としない光変調素子、例えばＤＭＤ等を採用しようとする場合、光変調素子の前段には、特許文献１記載の構成のロッドインテグレータや、何枚かのミラーで光を多重反射させることにより光の角度的な分布の混ぜ合わせを行うミラートンネルを備えることが一般的であった。
【０００８】
しかしながら、ロッドインテグレータやミラートンネルは、一定の実装スペースを要するため、装置の小型化の障壁となっていた。
【０００９】
また、照明光の輝度分布の均一化機能を有しつつ、ロッドインテグレータやミラートンネルを利用する場合よりもさらに良い光学効率を実現し得る素子の採用が望まれる。
【００１０】
本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、蛍光体から出射した光を効率良く光変調素子に導くことができる照明装置、投射型映像表示装置、照明方法、および投射型映像表示方法を提供することを目的とする。
【００１１】
その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述及び添付図面から明らかになるであろう。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る照明装置は、励起光を出射する励起光源部と、前記励起光の光線束を複数の部分光線束に分割する励起光用フライアイレンズ対と、前記励起光の複数の部分光線束を、矩形の集光スポットに集光する集光光学系と、前記集光光学系で集光された前記励起光によって照明光を発する蛍光体と、前記照明光の光線束を複数の部分光線束に分割する照明光用フライアイレンズ対と、により、偏光変換されていない前記照明光を生成するものである。
【００１３】
本発明に係る投射型映像表示装置は、前記照明装置と、前記照明装置が生成した偏光変換されていない前記照明光を変調する光変調素子と、を含む。
【００１４】
本発明に係る照明方法は、励起光源部が、励起光を出射するステップと、励起光用フライアイレンズ対が、前記励起光の光線束を複数の部分光線束に分割するステップと、集光光学系が、前記励起光の複数の部分光線束を、矩形の集光スポットに集光するステップと、蛍光体が、前記集光光学系で集光された前記励起光によって照明光を発するステップと、照明光用フライアイレンズ対が、前記照明光の光線束を複数の部分光線束に分割するステップと、により、偏光変換されていない前記照明光を生成するものである。
【００１５】
本発明に係る投射型映像表示方法は、前記照明方法と、光変調素子が、前記照明方法により生成した偏光変換されていない前記照明光を変調するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、蛍光体から出射した光を効率良く光変調素子に導くことができる照明装置、投射型映像表示装置、照明方法、および投射型映像表示方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態にかかる投射型映像表示装置１００の構成を示す図である。
【図２】本発明の実施の形態にかかる蛍光体ホイール１１１の例を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態にかかるレーザー用フライアイレンズ１０８およびフライアイレンズ１１７の例を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態にかかる励起光集光スポットの例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明を適用した具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。まず、図１を用いて、本発明の実施の形態にかかる投射型映像表示装置１００の構成について説明する。
【００１９】
投射型映像表示装置１０００は、照明光を出力する照明装置１００と、照明光を光変調して映像光を生成する光変調素子２００と、を有する。
【００２０】
照明装置１００は、励起光を蛍光体に導くための光学系、励起光を受けて照明光を発生する蛍光体、照明光及び蛍光体ホイール１１１の透過領域を透過した励起光を光変調素子２００に導くための光学系を含む。
【００２１】
励起光を蛍光体に導くための光学系は、励起光源としての複数の半導体レーザーアレイからなる半導体レーザー１０１、半導体レーザー１０１の出射光を平行光化するコリメータレンズアレイ１０２、すべての平行光を同じ方向に導くように設けられたミラーアレイ１０３、アフォーカル光学系をなすアフォーカルレンズ１０４、ミラー１０５、アフォーカルレンズ１０６、励起光を一定程度拡散させる拡散板１０７、励起光のインテグレータとしての機能を有するレーザー用フライアイレンズ１０８、励起光のみ反射しその他の光を透過させるダイクロイックミラー１０９、励起光を集光する集光レンズ１１０を含む。
【００２２】
蛍光体としての蛍光体ホイール１１１は、赤色の蛍光体、緑色の蛍光体、及び励起光を透過させる青色透過領域を有する（図２）。
【００２３】
照明光及び蛍光体ホイール１１１を透過した励起光を光変調素子２００に導くための光学系は、蛍光体ホイールを透過した励起光を青色光として照明系に導くための青色光用コリメータレンズ１１２、ミラー１１３、青色光用コリメータレンズアレイ１１４、ミラー１１５および１１６、照明光のインテグレータとしての機能を有するフライアイレンズ１１７、フライアイレンズ１１７からの光を光変調素子まで導くコンデンサーレンズ１１８、ミラー１１９、コンデンサーレンズ１２０、内部全反射（ＴＩＲ：Ｔｏｔａｌ  Ｉｎｔｅｒｎａｌ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）プリズム１２１を含む。
【００２４】
本実施の形態における光変調素子２００は、事前の偏光変換を要しない光変調素子であって、例えばＤＭＤである。ＤＭＤ２００の後段には、映像光を投射面に投射するための投射レンズが設けられても良い。
【００２５】
ここで、本実施の形態においては、図３に示すように、レーザー用フライアイレンズ１０８、フライアイレンズ１１７のすべてのフライアイレンズセルのアスペクト比（長辺と短辺の比）は略同程度である。具体的には、フライアイレンズ１１７のセルサイズが６．８ｍｍ  ｘ  ３．８ｍｍ、レーザー用フライアイレンズ１０８のセルサイズが２．５ｍｍ  ｘ  １．４ｍｍなどである。
【００２６】
さらに、本実施の形態では、図３に示すように、フライアイレンズ１１７のセルの長辺と、光路に平行な平面であるＸＺ平面と、の成す角θと、レーザー用フライアイレンズ１０８のセルの長辺と、ＸＺ平面と、の成す角θと、が同じである。具体的には、フライアイレンズ１１７およびレーザー用フライアイレンズ１０８のセルの長辺とＸＺ平面との成す角θは、いずれも３６度に設定されている。
【００２７】
また、本実施の形態では、図４に示すように、蛍光体ホイール１１１の中心と、蛍光体ホイール１１１上の励起光集光スポット（すなわち励起光が照射される矩形範囲）の中心と、を結ぶ線が、励起光集光スポットの長辺方向と平行である。
【００２８】
また、励起光集光スポットの形状と、レーザー用フライアイレンズ１０８のセルの形状と、は相似である。さらに、励起光集光スポットの長辺と、ＸＺ平面と、の成す角θと、レーザー用フライアイレンズ１０８のセルの長辺と、ＸＺ平面と、の成す角θと、は同じである。
【００２９】
また、励起光集光スポットの形状と、フライアイレンズ１１７のセルの形状と、は相似である。さらに、励起光集光スポットの長辺と、ＸＺ平面と、の成す角θと、フライアイレンズ１１７のセルの長辺と、ＸＺ平面と、の成す角θと、は同じである。
【００３０】
すなわち、集光レンズ１１０の焦点である励起光集光スポットから、集光レンズ１１０を介して、レーザー用フライアイレンズ１０８およびフライアイレンズ１１７を見たとき、レーザー用フライアイレンズ１０８およびフライアイレンズ１１７は同じとなる。
【００３１】
つづいて、実施の形態１にかかる投射型映像表示装置１０００の動作について説明する。
【００３２】
まず、半導体レーザー１０１がレーザー光を出射する。このレーザー光は、後段の蛍光体ホイール１１１に照明光を発生させるための励起光となる。
【００３３】
つぎに、コリメータレンズアレイ１０２が、出射されたレーザー光を、平行光に変換する。
【００３４】
本実施の形態では、半導体レーザー１０１は、異なる向きに配置された２つの半導体レーザーアレイで構成されている。そこで、ミラーアレイ１０３が、一方の半導体レーザーアレイからの出射光のみを、他方の半導体レーザーアレイからの出射光と同一方向に反射する。これにより、すべての半導体レーザーアレイから出射されたレーザー光が、同一方向に導かれる。
【００３５】
アフォーカルレンズ１０４は、アフォーカル光学系をなすレンズであり、平行光化されたレーザー光を入射して、光束直径の異なる平行光を出射する。アフォーカルレンズ１０４からの出射光は、ミラー１０５、アフォーカルレンズ１０６を経て、拡散板１０７に至る。拡散板１０７は、入射したレーザー光を１度程度拡散させ、レーザー用フライアイレンズ１０８に入射させる。
【００３６】
レーザー用フライアイレンズ１０８は、図３に示すように、マトリクス状に配置された複数の矩形のレンズ（フライアイセル）からなる。これらの１つ１つのフライアイレンズは、入射したレーザー光を空間的に分割する。換言すれば、励起光の光線束を複数の部分光線束に分割する。これを後段の集光レンズ１１０で混合することにより、光強度に偏りのない励起光を生成することができる。
【００３７】
ダイクロイックミラー１０９は、励起光のみを反射し、その他の光、すなわち照明光は透過させるミラーである。レーザー用フライアイレンズ１０８から出射した励起光は、このダイクロイックミラー１０９により、蛍光体ホイール１１１に向けて反射される。
【００３８】
集光レンズ１１０は、励起光の部分光線束を集光し、蛍光体ホイール１１１上の励起光集光スポットに集束させる。
【００３９】
蛍光体ホイール１１１は、図２に示すように、円周方向に分割された複数の領域に、赤色の蛍光体が塗布された赤色蛍光体領域１１１１、緑色の蛍光体が塗布された緑色蛍光体領域１１１２、および励起光を透過させる青色透過領域１１１３を有する。また、蛍光体ホイール１１１上には、図４に示すように、励起光が照射される励起光集光スポットが存在する。蛍光体ホイール１１１は、ホイール中心を軸として回転しており、励起光が照射されたタイミングに応じて、赤色蛍光体領域１１１１、緑色蛍光体領域１１１２、青色透過領域１１３のいずれかが励起光集光スポットに重畳する。赤色蛍光体領域１１１１または緑色蛍光体領域１１１２と励起光集光スポットとが重畳すると、赤色または緑色の蛍光が励起される。一方、青色透過領域１１３と励起光集光スポットとが重畳すると、励起光は蛍光体ホイール１１１を透過する。これらの赤色、緑色の蛍光、および青色のレーザー光は、後段のＤＭＤ２００に映像光を生成させるための照明光となる。
【００４０】
ここで、励起光集光スポットは、図４に示すように、蛍光体ホイール１１１の中心と、蛍光体ホイール１１１上の励起光集光スポット（すなわち励起光が照射される矩形範囲）の中心と、を結ぶ線が、励起光集光スポットの長辺方向と平行に設定されている。すなわち、蛍光体ホイール１１１上の放射線方向に長く、円周方向に短い矩形領域を励起光集光スポットとして利用する。これにより、色切り替え時のスポークタイムを短縮して表示画像の品質低下を防止することができる。すなわち、蛍光体ホイール１１１が回転途中で異なる色の蛍光体もしくは蛍光体と透過領域をまたぐ際、混色して色純度が落ちてしまうことを避けるため、励起光源を消灯するなどの対処をすることが一般的であるが、その消灯期間（スポークタイム）を短くすることが可能である。
【００４１】
また、励起光集光スポットの形状は、レーザー用フライアイレンズ１０８のセルの形状と相似であり、かつＸＺ平面との角θが同じである。これにより、蛍光体ホイール１１１上の蛍光体の塗布面積を最小限に抑制することができる。
【００４２】
励起された赤色または緑色の蛍光は、集光レンズ１１０に前回とは逆向きに入射し、ダイクロイックミラー１０９に至る。ダイクロイックミラー１０９は、蛍光を透過させてフライアイレンズ１１７に入射させる。
【００４３】
一方、蛍光体ホイール１１１を透過した青色の励起光は、青色光用コリメータレンズ１１２、ミラー１１３、青色光用コリメータレンズアレイ１１４、ミラー１１５および１１６を経て、ダイクロイックミラー１０９に導かれる。ダイクロイックミラー１０９は、励起光を反射してフライアイレンズ１１７に入射させる。
【００４４】
フライアイレンズ１１７は、レーザー用フライアイレンズ１０８と同様に、マトリクス状に配置された複数の矩形のレンズ（フライアイセル）からなる。フライアイレンズ１１７に入射した赤、緑または青の照明光は、これらの１つ１つのフライアイレンズによって空間的に分割する。換言すれば、照明光を複数の部分光線束に分割する。これを後段のコンデンサーレンズ１１８および１２０で混合することにより、光強度に偏りのない照明光を生成できる。
【００４５】
ここで、フライアイレンズ１１７のセルの形状は、蛍光体ホイール１１１上の励起光集光スポットの形状と相似であり、かつＸＺ平面との角θが同じである。これにより、励起光集光スポットにおいて励起された蛍光は、フライアイレンズ１１７に取りこぼしなく入射する。よって、光学効率を向上させることができる。
【００４６】
ところで、従来、ＤＭＤ２００の前段において照明光を均一化する用途には、ライトトンネルやロッドインテグレータ等を採用することが一般的であった。ライトトンネルとは、筒状の筺体内に配置された複数のミラーで光を多重反射させることにより、光の角度的な分布の混ぜ合わせを行う素子である。ロッドインテグレータとは、ガラス等の角棒体からなり、ライトトンネル同様、光の角度的な分布の混ぜ合わせを行う素子である。
【００４７】
しかしながら、発明者は、ライトトンネルやロッドインテグレータに代えて、フライアイレンズ１１７を採用することにより、全体として光学効率が向上することを発見した。
【００４８】
また、ライトトンネルやロッドインテグレータを利用する場合、ライトトンネルやロッドインテグレータの入射口は小さいため、入射光の前段に集光レンズ等を配置することが必要となる。一方、フライアイレンズ１１７の場合は集光レンズ等が必要ない。そのため、ライトトンネルやロッドインテグレータに代えて、フライアイレンズ１１７を採用すれば、実装スペースや製造コストを抑制することが可能となる。
【００４９】
フライアイレンズ１１７から出射された照明光は、コンデンサーレンズ１１８および１２０で重畳され、ＴＩＲプリズム１２１を経て、ＤＭＤ２００に均一照明される。
【００５０】
本実施の形態によれば、共役の関係にあるレーザー用フライアイレンズ１０８、蛍光体ホイール１１１、およびフライアイレンズ１１７が相似形であるため、効率よくＤＭＤ２００まで光を導くことが可能となる。また、スポークタイムや蛍光体塗布面積を抑制することができる。
【００５１】
なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
【符号の説明】
【００５２】
１００  照明装置
１０１  半導体レーザー
１０２  コリメータレンズアレイ
１０３  ミラーアレイ
１０４  アフォーカルレンズ
１０５  ミラー
１０６  アフォーカルレンズ
１０７  拡散版
１０８  レーザー用フライアイレンズ
１０９  ダイクロイックミラー
１１０  集光レンズ
１１１  蛍光体ホイール
１１２  青色光用コリメータレンズ
１１３  ミラー
１１４  青色光用コリメータレンズアレイ
１１５  ミラー
１１６  ミラー
１１７  フライアイレンズ
１１８  コンデンサーレンズ
１１９  ミラー
１２０  コンデンサーレンズ
１２１  ＴＩＲプリズム
２００  光変調素子（ＤＭＤ）
１０００  投射型映像表示装置
【図１】
2015108758.tif 000003
【図２】
2015108758.tif 000004
【図４】
2015108758.tif 000005
【図３】
2015108758.tif 000006