(57)【要約】【課題】光源の長寿命化と高輝度化を図るため、固体光源で励起、蛍光する光源を用いた投写型表示装置が開示されている。液晶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、偏光を出射する高効率の光源装置を構成することが課題であった。【解決手段】複数のレーザー１１と、レンズアレイ１２と、集光レンズ１３と、蛍光領域と透過領域をもつ蛍光面１７と反射膜面１５を備えた蛍光基板１４と、蛍光基板近傍に配置した反射型の偏光素子１９と、を備えた光源装置。【選択図】図１
2012008303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のレーザーと、
前記複数のレーザーからの光をそれぞれ集光するレンズアレイと、
前記レンズアレイからの光を集光する集光手段と、
前記集光手段により集光した光を受けて蛍光する蛍光基板を備え、
前記蛍光基板は、青成分の光を透過し緑成分と赤成分の光を反射する反射膜面と、前記反射膜面を透過した光が入射して緑及び赤成分を蛍光する蛍光体層を形成した蛍光領域と前記反射膜面を透過した光が透過する透過領域とを形成した蛍光面と、を備えた蛍光基板であって、
前記蛍光基板の近傍に配置され、前記蛍光基板からの光が入射し、一方の偏光を透過し、前記一方の偏光と直交する偏光を反射する反射型の偏光素子と、
を備えたことを特徴とする光源装置。
【請求項２】
蛍光基板は回転制御可能な円形基板である請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
蛍光面の蛍光体層はＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成した請求項１記載の光源装置。
【請求項４】
蛍光面の透過領域は拡散面である請求項１記載の光源装置。
【請求項５】
蛍光基板は円環状の蛍光領域と円環状の透過領域をそれぞれ径方向に交互に形成された請求項１記載の光源装置。
【請求項６】
レーザーは青色半導体レーザーである請求項１記載の光源装置。
【請求項７】
偏光素子は、偏光透過軸が蛍光基板への入射する光の偏光と一致するように配置した請求項１記載の光源装置。
【請求項８】
偏光素子はガラス上に形成されたワイヤーグリッド型の偏光素子である請求項１記載の光源装置。
【請求項９】
偏光素子はフィルム上に形成されたワイヤーグリッド型偏光子である請求項１記載の光源装置。
【請求項１０】
偏光素子は径方向に偏光透過軸を形成した軸対称の偏光素子であって、空気層を挟んで前記蛍光基板に貼合された請求項１記載の光源装置。
【請求項１１】
光源手段と、
前記光源手段からの光を集光し被照明領域に照明する照明手段と、
前記照明手段からの白色光を分離する色分離手段と、
映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶ライトバルブと、
前記液晶ライトバルブから出射した光束を受け、青、緑、赤の色光を合成する色合成手段と、
前記液晶ライトバルブで形成された画像を拡大投写する投写レンズと、
を備え、
前記光源手段が請求項１記載の光源装置であることを特徴とする投写型表示装置。
【請求項１２】
液晶ライトバルブは透過型の液晶パネルである請求項９記載の投写型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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する光源装置及びそれを用いて照射された画像を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】
液晶やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などのライトバルブ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、という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。図７に従来の固体光源とＤＭＤを用いた投写型表示装置を示す。
【０００３】
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、反射膜の出射側には円盤を３つの領域に分割した領域に、それぞれ赤、緑、青の蛍光体層を形成している。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、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）６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】
一方、ライトバルブとして、液晶を用いた投写型表示装置が広く実用化されている。一般的に投写型表示装置の光利用効率を高めるため、複数の偏光ビームスプリッタと波長板を組み合わせた偏光変換光学素子を配置して、光学系を構成している（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−３４１１０５号公報
【特許文献２】特開平９−３１１２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図７に示すようなカラーホィール上で回転方向に３分割した領域に形成した蛍光体層の構成では、ライトバルブとして、時分割方式のＤＭＤを用いた投写型表示装置には適しているが、カラーブレイキングがなく色再現が良好な、偏光を利用した液晶ライトバルブでは、液晶の応答速度が低いため、回転方向に領域分割して赤、緑、青の蛍光体層を形成したカラーホィールの利用が困難である。また、液晶ライトバルブを用いた投写型表示装置では光利用効率を向上させるため、自然光を偏光した光に変換する光学系が必要である。したがって、固体光源と液晶ライトバルブを用いた場合であっても、光利用効率の高い投写型表示装置を構成することが課題であった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光源装置は、投写型表示装置に用いられる光源であって、複数のレーザーと、前記複数のレーザーからの光をそれぞれ集光するレンズアレイと、前記レンズアレイからの光を集光する集光手段と、前記集光手段により集光した光を受けて蛍光する蛍光基板を備え、前記蛍光基板は青成分の光を透過し、緑成分と赤成分の光を反射する反射膜面と、前記反射膜面を透過した光が入射して緑及び赤成分を蛍光する蛍光体層を形成した蛍光領域と前記反射膜面を透過した光が透過する透過領域とを形成した蛍光面とを備えた蛍光基板であって、前記蛍光基板の近傍に配置され、前記蛍光基板からの光が入射し、一方の偏光を透過し、前記一方の偏光と直交する偏光を反射する反射型の偏光素子と、を備えたことを特徴とする。上記構成の光源装置は、固体光源により蛍光発光させて偏光光を出射するため、光源の寿命が長い、高効率な光源装置が構成できる。
【０００８】
また、本発明の投写型表示装置は、光源手段と、前記光源手段からの光を集光し被照明領域に照明する照明手段と、照明手段からの白色光を分離する色分離手段と、映像信号に応じて画像を形成する３つの液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブから出射した光束を受け、青、緑、赤の色光を合成する色合成手段と、前記液晶ライトバルブで形成された画像を拡大投写する投写レンズを備え、前記光源手段が本発明の光源装置であることを特徴とする。本発明の光源装置を用いるため、長寿命で、光利用効率が高い投写型表示装置が構成できる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、固体光源と、蛍光基板と、蛍光体層近傍に反射型の偏光素子を備えた光源装置により、長寿命で光利用効率の高い投写型表示装置を構成できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施の形態における光源装置の構成図
【図２】蛍光基板の蛍光面の構成図
【図３】蛍光基板上の蛍光体層の構成図
【図４】軸対称偏光素子の構成図
【図５】光源装置の出射光の分光特性を示すグラフ
【図６】本発明の実施の形態における投写型表示装置の構成図
【図７】従来の投写型表示装置の概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下本発明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。
【００１２】
（実施の形態１）
図１は本発明の実施の形態を示す光源装置の構成図である。
【００１３】
１１は青色の半導体レーザー、１２はレンズアレイ、１３は集光手段である集光レンズ、１４は透明基板１６上に反射膜面１５と蛍光面１７とを形成した蛍光基板、１８はモーター、１９は反射型の偏光素子である。図中にはレーザーからの光と、光源装置の出射光の偏光方向と、出射光の配光の様相を示している。
【００１４】
青色の半導体レーザー１１は、４４０ｎｍから４５５ｎｍの波長の光を発光するレーザーである。複数の半導体レーザー１１を出射した光はレンズアレイ１２の各レンズにより、集光され略平行光に変換される。レンズアレイ１２からの平行光は集光レンズ１３により、光強度がピーク強度に対して１３．５％となる直径が略１〜３ｍｍのスポット光に重畳され、蛍光基板１４に入射する。蛍光基板１４は中央部にモーター１８を備えた回転制御可能な円形基板である。蛍光基板１４の反射膜面１５は４４０ｎｍから４５５ｎｍの青成分の光を透過し、緑、赤の色光は反射する誘電体薄膜である。蛍光面１７は蛍光体層を形成した蛍光領域と透過領域があり、蛍光領域に入射した光は、緑、赤成分の色光を蛍光発光し、蛍光基板１４を出射する。また、蛍光発光して集光レンズ１３側に発光する緑、赤成分の色光は反射膜面１５で反射して、蛍光基板１４を出射する。透過領域に入射した光は青の色光のまま透過し蛍光基板１４を出射する。蛍光基板１４を出射した光は蛍光基板１４の近傍に配置した反射型の偏光素子１９に入射する。反射型の偏光素子１９は入射した光の一方の偏光方向を反射し、その一方の偏光と直交する偏光方向を透過させるワイヤーグリッド型の偏光素子である。ワイヤーグリッドはガラス基板上にアルミニウムを高さ１３０〜１６０ｎｍ、幅６０〜７０ｎｍ、ピッチ１２０〜１５０ｎｍで形成したものである。アルミニウムのグリッドと平行な偏光は反射し、垂直な偏光は透過する。アルミニウム形成面は、蛍光基板１４側に形成している。ガラス上にアルミニウムを形成しているため、耐熱性、耐光性が高く、高エネルギーの光を照射することができる。反射型の偏光素子１９の大きさは、蛍光基板１４へ入射するスポット光の照射領域程度の小型なサイズである。反射型の偏光素子１９で反射した緑、赤成分の光は、蛍光領域と反射膜面１５で拡散反射され自然光となり、再び、偏光素子１９を透過する。反射型の偏光素子１９を出射する光は偏光変換され、直線偏光の青、緑、赤の色光となる。
【００１５】
図２に、蛍光基板の蛍光面の構成を示す。蛍光面側より蛍光基板１４を観察したものである。２２は照射されるレーザー光のスポット光の領域を示している。蛍光面１７は円環状の蛍光領域２１と円環状の透過領域２０を径方向に交互に形成したものである。透過領域２０は透明基板面であり、その円環幅は、蛍光領域２１の円環幅の略１／２程度である。蛍光面１７へ入射するスポット光２２は蛍光領域２１と透過領域２０とを照射するよう配置している。図２ではスポット光２２の入射領域に対して、蛍光領域２１と透過領域２０の円環は各１本である。蛍光領域２１と透過領域２０の円環幅を狭く形成して、各２本以上の複数とすることで、スポット光２２と蛍光および透過領域の位置ずれによる蛍光色光と透過青色光の強度変化を小さくすることもできる。
【００１６】
蛍光領域２１の蛍光体層は４４０ｎｍ〜４５５ｎｍ青成分の光により励起され緑、赤成分を含んだ黄色を発光する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。スポット光で励起された蛍光領域２１は緑、赤成分の光を発光し、透過領域２０は青色光を出射する。蛍光基板１４は回転させることにより、励起光による蛍光体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。蛍光体はＹＡＧ系黄色発光体と同様な発光特性をもつ酸化物蛍光体であるオルソシリケート系蛍光体や、温度上昇に対する蛍光発光効率の低下が少ない酸窒化物のＣａ−αサイアロン系蛍光体を用いてもよい。透過領域２０は表面を微細な凹凸形状とした拡散面である。拡散面とすることにより、レーザー光固有のスペックルを緩和することができる。
【００１７】
図３に、蛍光基板と反射型の偏光素子を透過する光の様相を示している。図中には、蛍光面からの蛍光発光の拡散光２３の様相と互いに直交する偏光２４、２５を示している。蛍光基板１４へ入射するレーザー光は反射膜面１５と透明基板１６を透過し、蛍光面１７へ入射する。蛍光面１７の蛍光領域で蛍光発光した光は自然光の拡散光となって出射する。反射型の偏光素子１９へ入射する光は、一方の偏光２４を反射し、もう一方の偏光２５を透過する。反射した偏光２４は蛍光面１７の蛍光領域と反射膜面１５により拡散反射し、自然光となる。拡散反射した自然光は、再度、反射型の偏光素子で一方の偏光２４が反射し、もう一方の偏光２５は透過する。このようにして、多重の偏光反射と拡散反射により、蛍光発光する自然光が、偏光した光に偏光変換されて反射型の偏光素子を出射することになる。偏光素子１９を出射する偏光した光は、偏光素子の偏光透過率を８８％、偏光反射率を９８％、蛍光基板の拡散反射率を９２％とすると、偏光素子１９を配置しない場合と比べて約１．６倍向上する。偏光素子１９の偏光透過軸は、入射するレーザー光の偏光方向と同じ方向になるよう配置している。蛍光面１７の透過領域を透過する光は、反射型の偏光素子１９での偏光方向のずれによる損失がなく透過する。
【００１８】
図４は反射型の軸対称偏光素子の構成を示す。反射型の偏光素子として、軸対称の偏光素子２６を用いて構成してもよい。軸対称の偏光素子２６は円形基板上に、径方向に偏光透過軸をもつ円環状の偏光素子２７を形成したものである。円環の位置と幅は、入射するスポット光の入射位置であり、スポット径よりも大きい幅で形成している。軸対称の偏光素子２６は蛍光基板と同サイズの円形基板であり、蛍光基板と空気層を介在して貼合している。蛍光基板の回転とともに、軸対称の偏光素子２６も回転し、偏光素子２６が径方向に偏光透過軸をもつため、スポット光が入射する領域では、一定の偏光方向となる。偏光素子が回転するため、偏光素子を固定した場合よりも、さらに、耐熱性が向上する。したがって、蛍光基板へ、より高エネルギーのレーザー光を照射でき、高出力の光源が構成できる。
【００１９】
図５は光源装置からの出射光の分光特性を示す。４４０〜４５５ｎｍの青成分はレーザーの発光、４５５ｎｍ以上の青成分と、緑と赤の成分は蛍光発光の分光特性である。青成分と緑、赤成分の比率は、円環状の蛍光面の蛍光領域と透過領域の幅の比率と、それらの面の透過率により制御可能であり、所望の白色色度を得ることができるように、それぞれの領域幅を決めている。
【００２０】
反射型の偏光素子は、フィルム上に形成したアルミニウムのワイヤーグリッドであってもよい。フィルム上に形成したワイヤーグリッドは、ガラス基板上に形成したワイヤーグリッドよりも耐熱性は低下するが、低コストで構成できる。
【００２１】
以上のように、複数のレーザーと、蛍光領域と透過領域を形成した円環状の蛍光面と反射膜面とを備えた蛍光基板と、蛍光基板近傍に配置した反射型の偏光素子により、長寿命で、偏光した光を出射する光利用効率の高い光源装置が構成できる。この光源装置と、液晶ライトバルブを用いて投写型表示装置を構成することにより、長寿命であり、従来の偏光変換光学素子が不要で、高効率な投写型表示装置を構成することができる。
【００２２】
（実施の形態２）
図６は本発明の実施の形態を示す投写型表示装置である。
【００２３】
液晶ライトバルブとして、ＴＮモードもしくはＶＡ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。
【００２４】
光源装置２８は、青色の半導体レーザー１１、レンズアレイ１２、集光レンズ１３、透明基板１６上に反射膜面１５と蛍光面１７とを形成した蛍光基板１４、モーター１８、反射型の偏光素子１９で構成されている。以上は上述の光源装置である。３０は集光レンズ、３１、３２はそれぞれ第一、第二のレンズアレイ板、３３は重畳用レンズ、３４は青反射のダイクロイックミラー、３５は緑反射のダイクロイックミラー、３６、３７、３８は反射ミラー、３９、４０はリレーレンズ、４１、４２、４３はフィールドレンズ、４４、４５、４６は入射側偏光板、４７、４８、４９は液晶パネル、５０、５１、５２は出射側偏光板、５３は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、５４は投写レンズである。
【００２５】
光源装置２８から出射する偏光した光は、集光レンズ３０より集光され、略平行光に変換される。略平行光に変換された光は、複数のレンズ素子から構成される第一のレンズアレイ板３１に入射する。第一のレンズアレイ板３１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二のレンズアレイ板３２に収束する。第一のレンズアレイ板３１のレンズ素子は液晶パネルと相似形の開口形状である。第二のレンズアレイ板３２のレンズ素子は第一のレンズアレイ板３１と液晶パネル４７、４８、４９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。第二のレンズアレイ板３２から出射した光は重畳用レンズ３３に入射する。重畳用レンズ３３は第二のレンズアレイ板３２の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル４７、４８、４９上に重畳照明するためのレンズである。集光レンズ３０、第一および第二のレンズアレイ板３１、３２と、重畳用レンズ３３が照明手段である。重畳用レンズ３３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３４、緑反射のダイクロイックミラー３５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４１、入射側偏光板４４を透過して、液晶パネル４７に入射する。青の色光は反射ミラー３６で反射した後、フィールドレンズ４２、入射側偏光板４５を透過して液晶パネル４８に入射する。赤の色光はリレーレンズ３９、４０や反射ミラー３７、３８を透過屈折および反射して、フィールドレンズ４３、入射側偏光板４６を透過して、液晶パネル４９に入射する。
【００２６】
３枚の液晶パネル４７、４８、４９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４７、４８、４９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４４、４５、４６および出射側偏光板５０、５１、５２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５０、５１、５２を透過した各色光は色合成プリズム５３により、赤、青の各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、投写レンズ５４に入射する。投写レンズ５４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２８から出射する光が偏光した光であるため、従来の偏光変換光学素子が不要となり、投写型表示装置の光利用効率が高くなる。また、ライトバルブには、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。
【００２７】
以上のように、固体光源と、蛍光領域と透過領域を形成した蛍光面と反射膜面とを備えた蛍光基板と、蛍光基板近傍に配置した反射型の偏光素子で構成された光源装置を用いて投写型表示装置を構成することにより、長寿命であって、従来の偏光変換光学素子が不要で、高効率な投写型表示装置を構成することができる。
【００２８】
液晶ライトバルブとして、透過型の液晶パネルを用いて説明したが、偏光を利用する反射型の液晶パネル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】
【００２９】
本発明は、光源装置及びそれを用いた投写型表示装置の製造及び販売などの産業に利用できる。
【符号の説明】
【００３０】
１１  半導体レーザー
１２  レンズアレイ
１３  集光レンズ
１４  蛍光基板
１５  反射膜面
１６  透明基板
１７  蛍光面
１８  モーター
１９  反射型の偏光素子
２０  透過領域
２１  蛍光領域
２２  スポット光
２３  配光様相
２４、２５  偏光方向
２６  軸対称の偏光素子
２７  円環状の偏光素子
２８  光源装置
３０  集光レンズ
３１  第一のレンズアレイ板
３２  第二のレンズアレイ板
３３  重畳用レンズ
３４  青反射のダイクロイックミラー
３５  緑反射のダイクロイックミラー
３６、３７、３８  反射ミラー
３９、４０  リレーレンズ
４１、４２、４３  フィールドレンズ
４４、４５、４６  入射側偏光板
４７、４８、４９  液晶パネル
５０、５１、５２  出射側偏光板
５３  色合成プリズム
５４  投写レンズ
【図１】
2012008303.tif 000003
【図２】
2012008303.tif 000004
【図３】
2012008303.tif 000005
【図４】
2012008303.tif 000006
【図５】
2012008303.tif 000007
【図６】
2012008303.tif 000008
【図７】
2012008303.tif 000009