JP2020197621A - 光源装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】赤、緑、青色の固体光源からのスペックルノイズを解消しつつ、小型で広色域な光源装置を提供する。【解決手段】光源装置は、青色レーザー光源の青色レーザー光の偏光を制御する第１の位相差板と、緑及び赤色レーザー光源からの緑、及び赤色レーザー光と第１位相差板で偏光が制御された青色レーザー光を合成するダイクロイックミラーで合成された青、緑、赤色レーザー光を偏光分離、合成する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタで分離された青色レーザー光からの光で励起され、緑、赤成分を含む色光を蛍光反射する蛍光板と、偏光ビームスプリッタで分離された青、緑、赤色レーザー光の偏光を円偏光に変換する第２の位相差板からの青、緑、赤色レーザー光を拡散反射する回転拡散板と、ダイクロイックミラーと偏光ビームスプリッタとの間に配置され、青、緑、赤色レーザー光を透過し、蛍光光の一部の波長領域を反射する色フィルタを備えている。【選択図】図１

Description

本開示は、画像形成素子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。

ミラー偏向型のデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）や液晶パネルの画像形成素子を用いた投写型表示装置の光源として、長寿命である半導体レーザーや発光ダイオードの固体光源を用いた光源装置が多数開示されている。その中で、青、緑、赤色の固体光源を用いた広色域で高効率な光源装置が開示されている（特許文献１参照）。

特開平６−２０８０８９号公報

本開示は、青、緑、赤色レーザー光と、蛍光光を偏光ビームスプリッタと色フィルタで、効率よく合成し、スペックルノイズを解消しつつ、広色域で小型の光源装置を提供する。

本開示の光源装置は、青、緑、赤色レーザー光源と、青色レーザー光源の青色レーザー光の偏光を制御する第１の位相差板と、緑及び赤色レーザー光源からの緑、及び赤色レーザー光と、第１位相差板で偏光が制御された青色レーザー光を合成するダイクロイックミラーと、ダイクロイックミラーで合成された青、緑、赤色レーザー光を偏光分離、合成する偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタで分離された青色レーザー光からの光で励起され、緑、赤成分を含む色光を蛍光反射する蛍光板と、偏光ビームスプリッタで分離された青、緑、赤色レーザー光の偏光を円偏光に変換する第２の位相差板と、第２の位相差板からの青、緑、赤色レーザー光を拡散反射する回転拡散板と、ダイクロイックミラーと偏光ビームスプリッタとの間に配置され、青、緑、赤色レーザー光を透過し、蛍光光の一部の波長領域を反射する色フィルタを備えている。

本開示によれば、青、緑、赤色レーザー光と、蛍光光を偏光ビームスプリッタと色フィルタで、効率よく合成するため、スペックルノイズを解消しつつ、広色域で小型の光源装置が構成できる。このため、スペックルノイズを解消した広色域で、小型な投写型表示装置が実現できる。

本開示の実施の形態１における光源装置の構成図 実施の形態１における色フィルタの分光特性を示す図 実施の形態１におけるワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタの分光特性を示す図 蛍光光の発光スペクトル特性を示す図 本開示の実施の形態２における光源装置の構成図 実施の形態２におけるプリズム型偏光ビームスプリッタの分光特性を示す図 本開示の実施の形態３における投写型表示装置の構成図 本開示の実施の形態４における投写型表示装置の構成図

以下本開示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。

（実施の形態１）
図１は本開示の実施の形態１にかかる光源装置４９の構成図である。

光源装置４９は、複数の緑色半導体レーザー素子を配置した緑色半導体レーザー基板２０とコリメートレンズアレイ２１からなる緑色レーザー光源２２と、複数の赤色半導体レーザー素子を配置した赤色半導体レーザー基板２４とコリメートレンズアレイ２５からなる赤色レーザー光源２６と、複数の青色半導体レーザー素子を配置した青色半導体レーザー基板２８とコリメートレンズアレイ２９からなる青色レーザー光源３０を備え、緑色レーザー光源２２、赤色レーザー光源２６、青色レーザー光源３０には、それぞれ放熱板２３、２７、３１が取り付けられる。また、光源装置４９は、１／４波長板である第１の位相差板３２、赤反射のダイクロイックミラー３３、青反射のダイクロイックミラー３４、拡散板３５、色フィルタ３６、平板のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７、コンデンサレンズ３８、３９を備える。このように色フィルタ３６は、青反射のダイクロイックミラー３４とワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７との間に配置される。さらに、光源装置４９は、反射膜と蛍光体層４０を形成したアルミニウム基板４１とモーター４２から構成される蛍光板４３、１／４波長板である第２の位相差板４４、コンデンサレンズ４５、円形拡散板４６とモーター４７から構成される回転拡散板４８を備える。

図中には、レーザー光源から出射する光と、赤反射のダイクロイックミラー３３、青反射のダイクロイックミラー３４やワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７へ入射および出射する光の偏光方向を示している。すなわち、図１において、蛇の目の記号はＳ偏光を、両矢印の記号はＰ偏光を、また、これら偏光を示す記号とともに記載された上下左右向矢印は偏光の進行方向を示している。

緑色レーザー光源２２は、２４個（６×４）の緑色半導体レーザー素子を一定の間隔で２次元状に配置した緑色半導体レーザー基板２０とコリメートレンズアレイ２１で構成される。緑色半導体レーザー基板２０は、５２５±８ｎｍ波長幅で緑の色光を発光し、直線偏光を出射する。緑色半導体レーザー基板２０を出射した光は、対応するコリメートレンズアレイ２１により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。放熱板２３は緑色半導体レーザー基板２０を冷却するものである。

赤色レーザー光源２６は、２４個（６×４）の赤色半導体レーザー素子を一定の間隔で２次元状に配置した赤色半導体レーザー基板２４とコリメートレンズアレイ２５で構成される。赤色半導体レーザー基板２４は、６４０±８ｎｍの波長幅で赤の色光を発光し、直線偏光を出射する。赤色半導体レーザー基板２４を出射した光は対応するコリメートレンズアレイ２５により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。放熱板２７は赤色半導体レーザー基板２４を冷却するためのものである。

青色レーザー光源３０は、２４個（６×４）の青色半導体レーザー素子を一定の間隔で２次元状に配置した青色半導体レーザー基板２８とコリメートレンズアレイ２９で構成される。青色半導体レーザー基板２８は、４５５±８ｎｍの波長幅で青の色光を発光し、直線偏光を出射する。青色半導体レーザー基板２８を出射した光は対応するコリメートレンズアレイ２９により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。放熱板３１は青色半導体レーザー基板２８を冷却するためのものである。

緑色レーザー光源２２、赤色レーザー光源２６からのレーザー光はそれぞれＰ偏光で、赤反射のダイクロイックミラー３３に入射する。赤反射のダイクロイックミラー３３は、入射角が４５度となる配置で緑色レーザー光と青色レーザー光を９５％以上で透過し、赤色レーザー光を９７％以上で反射する特性である。透過率が５０％となる半値波長はＰ偏光で５８３ｎｍとしている。緑色レーザー光と赤色レーザー光は赤反射のダイクロイックミラー３３で合成された後、青反射のダイクロイックミラー３４に入射する。青反射のダイクロイックミラー３４は、入射角が４５度となる配置で、赤色レーザー光と緑色レーザー光を９５％以上で透過し、青色レーザー光を９７％以上で反射する特性である。透過率が５０％となる半値波長はＰ偏光で４４７ｎｍ、Ｓ偏光で４７０ｎｍとしている。

青色レーザー光源３０からのレーザー光はＳ偏光で、第１の位相差板３２に入射する。第１の位相差板３２は青色レーザー光源の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる１／４波長板である。図中のＰ偏光方向を０度とした場合に、第１の位相差板３２の光学軸を６６．４度で配置している。光学軸の配置角度により、第１の位相差板３２に入射するＳ偏光を、Ｓ偏光成分が約７３％、Ｐ偏光成分が約２７％の比率の光に変換する。第１の位相差板３２は回転調整が可能であり、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の比率を調整する。換言すれば、第１の位相差板３２は、入射する光の偏光を制御することになる。第１の位相差板３２は、光の波長よりも小さい微細周期構造で生じる複屈折を利用した微細構造位相差板である。微細周期構造位相差板は無機材料で構成され、水晶などの無機光学結晶と同様に耐久性、信頼性に優れ、比較的安価である。第１の位相差板３２を出射したＳ偏光とＰ偏光の青色レーザー光は青反射のダイクロイックミラー３４に入射する。

赤反射のダイクロイックミラー３３と青反射のダイクロイックミラー３４で合成された青、緑、赤色の各レーザー光は拡散板３５に入射する。拡散板３５はガラス基板上に形成された微細なマイクロレンズをアレイ状に形成して拡散面を構成したものであり、入射する光を拡散する。拡散面をマイクロレンズ形状とすることにより、フッ酸などの溶液を用いて、ガラス表面を微細な凹凸形状に加工する化学処理の拡散板よりも、最大拡がり角度を低減できるため拡散損失を低減できる。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度と小さく、偏光特性を保持する。拡散板３５からの光は色フィルタ３６入射する。

図２に、色フィルタ３６の分光透過率特性を示す。色フィルタは青、緑、赤色レーザー光を透過し、半値波長が５５０ｎｍ、６１５ｎｍで、波長５５５ｎｍ~６０９ｎｍの黄色
光を９８％以上で反射する特性である。図２の特性は、ガラス基板上に、ＴｉＯ２などの高屈折率材料と、ＳｉＯ２などの低屈折率材料を交互に５５層の光学薄膜を形成して設計した事例である。

色フィルタ３６を透過した青、緑、赤色レーザー光は、これら各レーザー光を偏光分離、合成するワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７に入射する。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７は平板のガラス基板上にアルミニウムのワイヤーグリッド層を形成したものであり、入射角が４５度となる配置である。

図３に、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタの分光特性を示す。Ｐ偏光の透過率と反射率、Ｓ偏光の透過率と反射率を示している。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７は、波長４４０ｎｍ~６８０ｎｍで、Ｐ偏光の光を８７％以上の透過率で透過し、Ｓ
偏光の光を８７％以上の反射率で反射する特性である。また、Ｐ偏光の反射率は４％以下で、Ｓ偏光の透過率は１％以下の特性である。

従って、Ｐ偏光の緑色と赤色レーザー光はワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を透過する。青色レーザー光のＰ偏光成分は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３
７を透過し、Ｓ偏光成分は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７で反射する。このように、偏光ビームスプリッタでの透過、または反射により、偏光が分離・合成されることとなる。

ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７でＳ偏光の青色レーザー光が反射し、Ｐ偏光の青、緑、赤色レーザー光はワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を透過することにより、Ｓ偏光の青色レーザー光とＰ偏光の青、緑、赤色レーザー光が分離された後、Ｐ偏光の青、緑、赤色レーザー光が第２の位相差板４４に入射する。

第２の位相差板４４は、４４０ｎｍ~６８０ｎｍで位相差が約１／４波長となる広帯域
の１／４波長板であり、誘電体材料の斜め蒸着による複屈折を利用した薄膜位相差板である。図中のＰ偏光方向を０度とした場合に、第２の位相差板４４の光学軸を４５度で配置している。薄膜位相差板は、微細構造の位相差板よりも、広帯域化が容易である。薄膜位相差板は無機材料で形成され、耐久性に優れている。

このようにして第２の位相差板４４により、Ｐ偏光の青、緑、赤色レーザー光は円偏光の光に変換される。円偏光の光はコンデンサレンズ４５に入射して、集光する。コンデンサレンズ４５の焦点距離は集光角度が４０度以下となるようにし、回転拡散板４８の近傍に集光スポットを形成する。

回転拡散板４８はガラス基板の一方の面に拡散層を形成し、もう一方の面に反射層を形成し、入射する光を拡散反射する円形拡散板４６と、中央部にモーター４７を備えたものであり、回転制御が可能である。回転拡散板は１０，８００ｒｐｍ程度まで高速に回転可能な拡散板である。円形拡散板４６の拡散層には化学処理の拡散板を用い、拡散角は略１５度で、偏光特性を維持する。化学処理の拡散板はマイクロレンズアレイの拡散板よりも、大型サイズの拡散板が比較的安価に製作できる。円形拡散板４６の反射層は誘電体多層膜で形成し、青、緑、赤のレーザー光を高い反射率で反射する。拡散面を回転することにより、レーザー光に起因するスクリーン上でのランダムな干渉パターンが時間的、空間的に高速変動して、スペックルノイズを解消することができる。また、レーザー光源の微小な発光サイズと発光数に起因する微小な輝度むらも低減することができる。

回転拡散板４８で反射した光は、位相が反転され、逆回りの円偏光で発散光となり、再び、コンデンサレンズ４５で集光され、平行光に変換された後、第２の位相差板４４を透過し、Ｓ偏光に変換される。第２の位相差板４４で変換されたＳ偏光は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７で反射する。

一方、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７で反射したＳ偏光の青色レーザー光はコンデンサレンズ３８、３９により集光され、光強度がピーク強度に対して１３．５％となる直径をスポット径と定義すると、スポット径が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍのスポット光に重畳され、蛍光板４３に入射する。拡散板３５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ている。蛍光板４３は反射膜と蛍光体層４０を形成したアルミニウム基板４１と中央部にモーター４２を備えた回転制御可能な円形基板である。蛍光板４３の反射膜は可視光を反射する金属膜もしくは誘電体膜であり、アルミニウム基板上に形成される。さらに反射膜上には蛍光体層４０が形成される。蛍光体層４０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。蛍光体層４０は円環状に形成している。スポット光で励起された蛍光体層４０は緑、赤成分の光含む黄色光を発光する。蛍光板４３はアルミニウム基板であり、かつ回転させることにより、励起光による蛍光体層４０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４０に入射した光は、緑、赤成分の色光を蛍光発光し、蛍光板４３を出射す
る。また、反射膜側に発光する光は反射膜で反射し、蛍光板４３を出射する。蛍光板４３から出射した緑および赤の色光は、ランダム偏光の光となり、再びコンデンサレンズ３８、３９で集光され、略平行光に変換された後、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７に入射する。

図４に、蛍光スペクトル特性を示す。波長に対する蛍光の相対光強度を示している。蛍光は５４４ｎｍにピークをもつ黄色光である。

ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７に入射した蛍光光は、Ｐ偏光成分は透過し、Ｓ偏光成分は反射する。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を透過するＰ偏光の光は、光源装置を出射する有効な光となる。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を反射する蛍光光のスペクトルにおいて、その一部の波長帯域である波長５５５ｎｍ~
６０９ｎｍの光は色フィルタ３６で、９８％以上の反射率で反射される。反射したＳ偏光は、再度、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７で反射し、コンデンサレンズ３８、３９で集光された後、蛍光板４３へ入射する。蛍光板４３へ入射したＳ偏光の蛍光光は、蛍光体層と反射層で散乱されるため、ランダム偏光となり、蛍光板４３を出射する。蛍光板４３を出射した蛍光光は、コンデンサレンズ３８、３９で集光された後、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７に入射し、Ｐ偏光成分は透過し、Ｓ偏光成分は反射する。このように、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７で反射したＳ偏光成分の一部の蛍光光を、色フィルタ３６で反射させ、蛍光板４３でランダム偏光に変換することにより、損失する光を、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を透過する有効な蛍光光を得ることができる。色フィルタ３６と蛍光板４３間の繰り返し反射により、Ｓ偏光の一部の蛍光光を有効なＰ偏光の光に変換する。このため、色フィルタ３６を配置しない場合と比較して、光源装置を出射する光束は約１．３倍となる。Ｓ偏光の蛍光光のスペクトル損失のため、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を透過する蛍光光の効率は約６７％である。

青、緑、赤色レーザー光と蛍光光は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７と色フィルタ３６により、レーザー光は９０％、蛍光光は６７％の効率で、同一の光軸上で合成できる。光源装置４９を出射する青、緑、赤のレーザー光の光束と蛍光光の光束が同等となるように構成している。色域は色規格ＤＣＩをおおよそ包含する。各レーザー光源の駆動電流による光出力の制御と、第１の位相差板の光学軸の傾きの調整による励起光強度の制御により、レーザー光と蛍光光の強度比率とホワイトバランスを制御できる。このため、レーザー光と蛍光光比率が同等な場合の色域ＤＣＩから、蛍光光をほぼ未発光化した場合の色域ＲＥＣ２０２０へ調整可能となる。

ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を出射する青、緑、赤色レーザー光は、スペックルノイズがない蛍光光と合成するため、スペックルノイズが解消された、広色域の光となる。

緑色レーザー光源と赤色レーザー光源、青色レーザー光源は、それぞれ２４個、２４個、２４個の半導体レーザー素子を配置した構成を示したが、高輝度化のため、それぞれ、より多数の半導体レーザー素子を用いて構成してもよい。

以上のように、本開示の光源装置は、青、緑、赤のレーザー光源光とスペックルノイズがない蛍光光とを、偏光ビームスプリッタと蛍光光を一部反射する色フィルタにより、効率よく、同一光軸上で合成する。このため、スペックルノイズや微小な輝度むらを解消しつつ、広色域で、小型な光源装置が構成できる。
（実施の形態２）
図５は本開示の実施の形態２にかかる光源装置８９の構成図であり、偏光ビームスプリ
ッタと色フィルタの機能をもつプリズム型の偏光ビームスプリッタを用いた光源装置である。

光源装置８９は複数の緑色半導体レーザー素子を配置した緑色半導体レーザー基板６０とコリメートレンズアレイ６１からなる緑色レーザー光源６２と、複数の赤色半導体レーザー素子を配置した赤色半導体レーザー基板６４とコリメートレンズアレイ６５からなる赤色レーザー光源６６と、複数の青色半導体レーザー素子を配置した青色半導体レーザー基板６８とコリメートレンズアレイ６９からなる青色レーザー光源７０を備え、緑色レーザー光源６２、赤色レーザー光源６６、青色レーザー光源７０には、それぞれ放熱板６３、６７、７１が取り付けられる。また、光源装置８９は、１／４波長板である第１の位相差板７２、赤反射のダイクロイックミラー７３、青反射のダイクロイックミラー７４、拡散板７５、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７、コンデンサレンズ７８、７９を備える。さらに、光源装置８９は、反射膜と蛍光体層８０を形成したアルミニウム基板８１とモーター８２から構成される蛍光板８３、１／４波長板である第２の位相差板８４、コンデンサレンズ８５、円形拡散板８６とモーター８７から構成される回転拡散板８８を備える。

本開示の実施の形態１と異なるのは、平板のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタと色フィルタを用いずに、誘電体多層膜を形成したプリズム型偏光ビームスプリッタを用いて構成している点である。

図中には、レーザー光源から出射する光と、赤反射のダイクロイックミラー７３、青反射のダイクロイックミラー７４やプリズム型偏光ビームスプリッタ７７へ入射および出射する光の偏光方向を図１と同様の記号を用いて示している。

緑色レーザー光源６２は、２４個（６×４）の緑色半導体レーザー素子を一定の間隔で２次元状に配置した緑色半導体レーザー基板６０とコリメートレンズアレイ６１で構成される。緑色半導体レーザー基板６０は、５２５±８ｎｍ波長幅で緑の色光を発光し、直線偏光を出射する。緑色半導体レーザー基板６０を出射した光は、対応するコリメートレンズアレイ２１により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。放熱板６３は緑色レーザー光源を冷却するものである。

赤色レーザー光源６６は、２４個（６×４）の赤色半導体レーザー素子を一定の間隔で２次元状に配置した赤色半導体レーザー基板６４とコリメートレンズアレイ６５で構成される。赤色半導体レーザー基板６４は、６４０±８ｎｍの波長幅で赤の色光を発光し、直線偏光を出射する。赤色半導体レーザー基板６４を出射した光は対応するコリメートレンズアレイ６５により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。放熱板６７は赤色半導体レーザー光源基板６４を冷却するためのものである。

青色レーザー光源７０は、２４個（６×４）の青色半導体レーザー素子を一定の間隔で２次元状に配置した青色半導体レーザー基板６８とコリメートレンズアレイ６９で構成される。青色半導体レーザー基板６８は、４５５±８ｎｍの波長幅で青の色光を発光し、直線偏光を出射する。青色半導体レーザー基板６８を出射した光は対応するコリメートレンズアレイ６９により、それぞれ集光され平行な光束に変換される。放熱板７１は青色半導体レーザー基板６８を冷却するためのものである。

緑色レーザー光源６２、赤色レーザー光源６６からのレーザー光はＰ偏光で、第１のダイクロイックミラーである赤反射のダイクロイックミラー７３に入射する。赤反射のダイクロイックミラー７３は、入射角が４５度となる配置で緑色レーザー光と青色レーザー光を９５％以上で透過し、赤色レーザー光を９７％以上で反射する特性である。透過率が５
０％となる半値波長はＰ偏光で５８３ｎｍとしている。緑色レーザー光と赤色レーザー光は赤反射のダイクロイックミラー３３で合成された後、青反射のダイクロイックミラー７４に入射する。青反射のダイクロイックミラー７４は、入射角が４５度となる配置で、赤色レーザー光と緑色レーザー光を９５％以上で透過し、青色レーザー光を９７％以上で反射する特性である。透過率が５０％となる半値波長はＰ偏光で４４７ｎｍ、Ｓ偏光で４７０ｎｍとしている。

青色レーザー光源７０からのレーザー光はＳ偏光で、第１の位相差板７２に入射する。第１の位相差板７２は青色レーザー光源の発光中心波長近傍で位相差が１／４波長となる１／４波長板である。図中のＰ偏光方向を０度とした場合に、第１の位相差板７２の光学軸を６６．４度で配置している。光学軸の配置角度により、第１の位相差板７２に入射するＳ偏光を、Ｓ偏光成分が約７３％、Ｐ偏光成分が約２７％の比率の光に変換する。第１の位相差板７２は回転調整が可能であり、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分の比率を調整する。第１の位相差板３２は、光の波長よりも小さい微細周期構造で生じる複屈折を利用した微細構造位相差板である。第１の位相差板７２を出射したＳ偏光とＰ偏光の青色レーザー光は青反射のダイクロイックミラー７４に入射する。

青反射のダイクロイックミラー７４で合成された青、緑、赤色の各レーザー光は拡散板７５に入射する。拡散板３５はガラス基板上に形成された微細なマイクロレンズをアレイ状に形成して拡散面を構成したものである。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度と小さく、偏光特性を保持する。

拡散板７５からの青、緑、赤色レーザー光は、これら各レーザー光を偏光分離、合成するプリズム型偏光ビームスプリッタ７７入射する。プリズム型偏光ビームスプリッタ７７は、接着剤を用いずに、２つの直角プリズムを光学的に接合したプリズムである。一方のプリズムの接合面には誘電体多層膜を形成している。接着剤を用いないプリズムの光学的な接合は、接着剤を用いたプリズム型偏光ビームスプリッタや平板のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタよりも高コストとなる。しかしながら、接着剤を用いたプリズム型偏光ビームスプリッタよりも耐光性や耐熱性に優れるため、長期信頼性が確保できる。

図６に、偏光ビームスプリッタの分光透過率特性を示す。Ｐ偏光とＳ偏光と平均光での分光透過率特性を示している。プリズム型偏光ビームスプリッタ７７は、Ｐ偏光の光は、波長４００ｎｍ~７００ｎｍで９８％以上の透過率で透過する。Ｓ偏光の光は、波長４２
７ｎｍ~５４２ｎｍと６２４ｎｍ~７００ｎｍで透過率が２％以下で、波長５５４ｎｍ~６
１２ｎｍで９６％以上の透過率を示す特性である。また、Ｓ偏光の透過率が５０％となる半値波長は、５５０ｎｍと６１５ｎｍの特性である。図６の分光特性はプリズムの接合面にＴｉＯ２などの高屈折率材料と、ＳｉＯ２などの低屈折率材料を交互に５９層の光学薄膜を形成して設計した事例である。

プリズム型偏光ビームスプリッタはワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタと比べて、各レーザー光の波長帯域でのＰ偏光の透過率およびＳ偏光の反射率は約１０％高い特性となる。

Ｐ偏光の緑色と赤色レーザー光はプリズム型偏光ビームスプリッタ７７を透過する。青色レーザー光のＰ偏光成分は、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７を透過し、Ｓ偏光成分は、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７で反射する。このように、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７での透過、または反射により、偏光が分離・合成されることとなる。

プリズム型偏光ビームスプリッタ７７でＳ偏光の青色レーザーが反射し、Ｐ偏光の青、緑、赤色レーザー光はプリズム型偏光ビームスプリッタ７７を透過することにより、Ｓ偏
光の青色レーザー光とＰ偏光の青、緑、赤色レーザー光が分離された後、Ｐ偏光の青、緑、赤色レーザー光が第２の位相差板８４に入射する。

第２の位相差板８４は、４４０ｎｍ~６８０ｎｍで位相差が約１／４波長となる広帯域
の１／４波長板であり、複屈折を利用した薄膜位相差板で構成している。図中のＰ偏光方向を０度とした場合に、第２の位相差板８４の光学軸を４５度で配置している。第２の位相差板８４により、Ｐ偏光の光は円偏光の光に変換される。円偏光の光はコンデンサレンズ８５に入射して、集光する。コンデンサレンズ８５の焦点距離は集光角度が４０度以下となるようにし、回転拡散板８８の近傍に集光スポットを形成する。

回転拡散板８８はガラス基板の一方の面に拡散層を形成し、もう一方の面に反射層を形成し、入射する光を拡散反射する円形拡散板８６と、中央部にモーター８７を備えたものであり、回転制御が可能である。回転拡散板は１０，８００ｒｐｍ程度まで高速に回転可能な拡散板である。円形拡散板８６の拡散層は化学処理の拡散板を用い、拡散角は略１５度で、偏光特性を維持する。円形拡散板８６の反射層は誘電体多層膜で形成し、青、緑、赤のレーザー光を高い反射率で反射する。拡散面を回転することにより、レーザー光に起因するスクリーン上でのランダムな干渉パターンが時間的、空間的に高速変動して、スペックルノイズを解消することができる。また、レーザー光源の微小な発光サイズと発光数に起因する微小な輝度むらも低減することができる。

回転拡散板８８で反射した光は、位相が反転され、逆回りの円偏光で発散光となり、再び、コンデンサレンズ８５で集光され、平行光に変換された後、第２の位相差板８４を透過し、Ｓ偏光に変換される。第２の位相差板８４で変換されたＳ偏光は、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７で反射する。

一方、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７で反射したＳ偏光の青色レーザー光はコンデンサレンズ７８、７９により集光され、光強度がピーク強度に対して１３．５％となる直径をスポット径と定義すると、スポット径が１．５ｍｍ〜２．５ｍｍのスポット光に重畳され、蛍光板８３に入射する。拡散板７５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ている。蛍光板８３は反射膜と蛍光体層８０を形成したアルミニウム基板８１と中央部にモーター８２を備えた回転制御可能な円形基板である。蛍光板８３の反射膜は可視光を反射する金属膜もしくは誘電体膜であり、アルミニウム基板上に形成される。さらに反射膜上には蛍光体層８０が形成される。蛍光体層８０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。蛍光体層８０は円環状に形成している。スポット光で励起された蛍光体層８０は緑、赤成分の光含む黄色光を発光する。蛍光板８３はアルミニウム基板であり、かつ回転させることにより、励起光による蛍光体層８０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８０に入射した光は、緑、赤成分の色光を蛍光発光し、蛍光板８３を出射する。また、反射膜側に発光する光は反射膜で反射し、蛍光板８３を出射する。蛍光板８３から出射した緑および赤の色光は、ランダム偏光の光となり、再びコンデンサレンズ７８、７９で集光され、略平行光に変換された後、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７に入射する。

プリズム型偏光ビームスプリッタ７７に入射した蛍光光は、Ｐ偏光成分は透過し、光源装置を出射する有効な光となる。Ｓ偏光の蛍光光は、青、緑、赤のレーザー光の波長帯域では反射するが、蛍光光の一部の波長帯域である波長５５４ｎｍ~６１２ｎｍでは９６％
以上で透過し、光源装置８９を出射する有効な光となる。

プリズム型偏光ビームスプリッタ７７は、図３に示すワイヤーグリッド偏光ビームスプ
リッタの分光特性に比べて、Ｐ偏光の透過率やＳ偏光の反射率が高い効率となる。このため、図１に示す光源装置に比べて、光源装置を出射する光束は約１．２倍となる。Ｓ偏光の蛍光光のスペクトル損失のため、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ３７を透過する蛍光光の効率は約７８％である。

青、緑、赤色レーザー光と蛍光光は、プリズム型偏光ビームスプリッタ７７により、レーザー光は９６％、蛍光光は７８％の高い効率で、同一の光軸上で合成できる。光源装置８９を出射するレーザー光の光束と蛍光光の光束が略同等となるように構成している。色域は色規格ＤＣＩをおおよそ包含する。各レーザー光源の駆動電流による光出力の制御と、第１の位相差板の光学軸の傾きの調整による励起光強度の制御により、レーザー光と蛍光光の強度比率とホワイトバンスを制御できる。このため、レーザー光と蛍光光比率が同等な場合の色域ＤＣＩから、蛍光光をほぼ未発光化した場合の色域ＲＥＣ２０２０へ調整可能となる。

プリズム型偏光ビームスプリッタ７７を出射する青、緑、赤色レーザー光は、スペックルノイズがない蛍光光と合成するため、スペックルノイズが解消された、広色域の光となる。

緑色レーザー光源と赤色レーザー光源、青色レーザー光源は、それぞれ２４個、２４個、２４個の半導体レーザー素子を配置した構成を示したが、高輝度化のため、それぞれ、より多数の半導体レーザー素子を用いて構成してもよい。

以上のように、本開示の光源装置は、青、緑、赤のレーザー光源光とスペックルノイズがない蛍光光とを、プリズム型の偏光ビームスプリッタにより、効率よく、同一光軸上で合成する。このため、スペックルノイズや微小な輝度むらを解消しつつ、広色域で、小型な光源装置が構成できる。
（実施の形態３）
図７は、本開示の実施の形態３にかかる第１の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。光源装置は本開示の実施の形態１で示す光源装置４９である。第１の投写型表示装置は、コンデンサレンズ１００、ロッド１０１、リレーレンズ１０２、反射ミラー１０３、フィールドレンズ１０４、全反射プリズム１０５、空気層１０６、青反射のダイクロイックミラー１０８、赤反射のダイクロイックミラー１０９を形成した３つのプリズムから構成されるカラープリズム１０７、ＤＭＤ１１０、１１１、１１２、投写レンズ１１３を備える。ここで、ＤＭＤ１１０、１１１、１１２は画素形成素子の一例である。

光源装置４９から出射するレーザー光と蛍光光の合成光は、コンデンサレンズ１００でロッド１０１へ集光する。ロッド１０１への入射光はロッド内部で複数回反射することにより、光強度分布が均一化され出射する。ロッド１０１からの出射光はリレーレンズ１０２により集光され、反射ミラー１０３で反射した後、フィールドレンズ１０４を透過し、全反射プリズム１０５に入射する。全反射プリズム１０５は２つのプリズムから構成され、互いのプリズムの近接面には薄い空気層１０６を形成している。空気層１０６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１０４からの光は全反射プリズム１０５の全反射面で反射されて、カラープリズム１０７に入射する。カラープリズム１０７は３つのプリズムからなり、それぞれのプリズムの近接面には青反射のダイクロイックミラー１０８と赤反射のダイクロイックミラー１０９が形成されている。カラープリズム１０７の青反射のダイクロイックミラー１０８と赤反射のダイクロイックミラー１０９により、青、赤、緑の色光に分離され、それぞれＤＭＤ１１０、１１１、１１２に入射する。ＤＭＤ１１０、１１１、１１２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１１３に入射する光と、投写レンズ１１３の有効外へ進む光とに反射させる。DMD
１１０、１１１、１１２においてマイクロミラーが配置された光を反射する領域は被照明領域の一例であり、コンデンサレンズ１００、ロッド１０１、リレーレンズ１０２、反射ミラー１０３、フィールドレンズ１０４は光源装置からの光を集光し被照明領域に照明する照明光学系の一例である。ＤＭＤ１１０、１１１、１１２により反射された光は、再度カラープリズム１０７を透過する。カラープリズム１０７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、全反射プリズム１０５に入射する。全反射プリズム１０５に入射した光は空気層１０６に臨界角以下で入射するため、透過して、投写レンズ１１３に入射する。このようにして、ＤＭＤ１１０、１１１、１１２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。

青、緑、赤の各レーザー光源からの光束と蛍光板からの光束は、略同等の光束となるように構成している。色域は色規格ＤＣＩをおおよそ包含する。各レーザー光源の駆動電流による光出力の制御と、第１の位相差板の光学軸の傾きの調整による励起光強度の制御により、レーザー光と蛍光光の強度比率とホワイトバンスを制御できる。このため、レーザー光と蛍光光比率が同等な場合の色域ＤＣＩから、蛍光光をほぼ未発光化した場合の色域ＲＥＣ２０２０へ調整可能となる。

光源装置には、本開示の実施形態２の光源装置を用いてもよい。実施の形態２の光源装置を用いた場合には、高価になるが、スペックルノイズと輝度むらを解消しつつ、実施の形態１の光源装置を用いるよりも高い効率で投写型表示装置を構成することができる。

画像形成手段にＤＭＤを用いているため、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つの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。

以上のように、本開示の第１の投写型表示装置は、青、緑、赤色レーザー光と、スペックルノイズがない蛍光光とを、同一光軸上で合成する偏光ビームスプリッタと、蛍光光を一部反射する色フィルタを備えた光源装置を用いる。このため、スペックルノイズと輝度むらを解消しつつ、広色域で、小型な投写型表示装置が構成できる。
（実施の形態４）
図８は、本開示の実施の形態４にかかる第２の投写型表示装置である。画像形成手段として、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。光源装置は本開示の実施の形態１で示す光源装置４９である。第２の投写型表示装置は、第１、第２のレンズアレイ板２００、２０１、偏光変換素子２０２、重畳用レンズ２０３、青反射のダイクロイックミラー２０４、緑反射のダイクロイックミラー２０５、反射ミラー２０６、２０７、２０８、リレーレンズ２０９、２１０、フィールドレンズ２１１、２１２、２１３、入射側偏光板２１４、２１５、２１６、液晶パネル２１７、２１８、２１９、出射光側偏光板２２０、２２１、２２２、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２２３、投写レンズ２２４を備える。ここで、液晶パネルの画素領域は被照明領域の一例であり、第１、第２のレンズアレイ板２００、２０１、偏光変換素子２０２、重畳用レンズ２０３は光源装置からの光を集光し被照明領域に照明する照明光学系の一例である。

光源装置４９から出射するレーザー光と蛍光光の合成光は、複数のレンズ素子から構成される第１のレンズアレイ板２００に入射する。第１のレンズアレイ板２００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２のレンズアレイ板２０１に収束する。第１のレンズアレイ板２００のレンズ素子は、液晶パネル２１７，２１８、２１９と相似形の開口形状である。第２のレンズアレイ板２０１のレンズ素子は第１のレンズアレイ板２００と液晶パネル２１７、２１８、２１９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２のレンズアレイ板２０１からの分割された光は、偏光変換素子２０２に入射する。偏光変換素子２０２は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成される。偏光変換素子２０２は、入射するＰ偏光およびランダム偏光の光をＳ偏光に変換し、入射するＳ偏光の光はＳ偏光で出射させる。偏光変換素子２０２を出射した光は重畳用レンズ２０３に入射する。重畳用レンズ２０３は第２のレンズアレイ板２０１の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル２１７、２１８、２１９上に重畳照明するためのレンズである。第１および第２のレンズアレイ板２００、２０１と、重畳用レンズ２０３を照明光学系としている。重畳用レンズ２０３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２０４、緑反射のダイクロイックミラー２０５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２１１、入射側偏光板２１４を透過して、液晶パネル２１７に入射する。青の色光は反射ミラー２０６で反射した後、フィールドレンズ２１２、入射側偏光板２１５を透過して液晶パネル２１８に入射する。赤の色光はリレーレンズ２０９、２１０や反射ミラー２０７、２０８を透過屈折および反射して、フィールドレンズ２１３、入射側偏光板２１６を透過して、液晶パネル２１９に入射する。３枚の液晶パネル２１７、２１８、２１９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２１７、２１８、２１９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２１４、２１５、２１６および出射側偏光板２２０、２２１、２２２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２２０、２２１、２２２を透過した各色光は色合成プリズム２２３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２２４に入射する。投写レンズ２２４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。

青、緑、赤色の各レーザー光源からの光束と蛍光板からの光束は、略同等の光束となるように構成している。色域は色規格ＤＣＩをおおよそ包含する。各レーザー光源の駆動電流による光出力の制御と、第１の位相差板の光学軸の傾きの調整による励起光強度の制御により、レーザー光と蛍光光の強度比率とホワイトバランスを制御できる。このため、レーザー光と蛍光光比率が同等な場合の色域ＤＣＩから、蛍光光をほぼ未発光化した場合の色域ＲＥＣ２０２０へ調整可能となる。

光源装置には、本開示の実施形態２の光源装置を用いてもよい。実施の形態２の光源を用いた場合には、高価になるが、ペックルノイズと輝度むらを解消しつつ、実施の形態１の光源装置を用いるよりも高い効率で投写型表示装置を構成することができる。

画像形成手段には、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。また、３つのＤＭＤ素子を用いた場合よりも、全反射プリズムが不要で、色合成用のプリズムが４５度入射の小型プリズムになるため、投写型表示装置が小型に構成できる。

以上のように、本開示の第２の投写型表示装置は、青、緑、赤色レーザー光源と、スペックルノイズがない蛍光光とを、同一光軸上で合成するプリズム型偏光ビームスプリッタを備えた光源装置を用いる。このため、スペックルノイズと輝度むらを解消しつつ、小型で、広色域な投写型表示装置が構成できる。

画像形成手段として、透過型の液晶パネルを用いたが、反射型の液晶パネルを用いて構成してもよい。反射型の液晶パネルを用いることにより、より小型で高精細な投写型表示装置が構成できる。

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。

２０、６０ 緑色半導体レーザー基板
２１、２５、２９、６１、６５、６９ コリメートレンズアレイ
２２、６２ 緑色レーザー光源
２３、２７、３１、６３、６７、７１ 放熱板
２４、６４ 赤色半導体レーザー基板
２６、６６ 赤色レーザー光源
２８、６８ 青色半導体レーザー基板
３０、７０ 青色レーザー光源
３２、７２ 第１の位相差板
３３、７３、１０９ 赤反射のダイクロイックミラー
３４、７４、１０８、２０４ 青反射のダイクロイックミラー
３５，７５ 拡散板
３６ 色フィルタ
３７ ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタ
３８、３９、４５、７８、７９、８５、１００ コンデンサレンズ
４０、８０ 蛍光体層
４１、８１ アルミニウム基板
４２、４７、８２、８７ モーター
４３、８３ 蛍光板
４４、８４ 第２の位相差板
４６、８６ 円形拡散板
４８、８８ 回転拡散板
４９ 光源装置
７７ プリズム型偏光ビームスプリッタ
８９ 光源装置
１０１ ロッド
１０２、２０９、２１０ リレーレンズ
１０３、２０６、２０７、２０８ 反射ミラー
１０４、２１１、２１２、２１３ フィールドレンズ
１０５ 全反射プリズム
１０６ 空気層
１０７ カラープリズム
１１０、１１１、１１２ ＤＭＤ
１１３、２２４ 投写レンズ
２００ 第１のレンズアレイ板
２０１ 第２のレンズアレイ板
２０２ 偏光変換素子
２０３ 重畳用レンズ
２０５ 緑反射のダイクロイックミラー
２１４、２１５、２１６ 入射側偏光板
２１７、２１８、２１９ 液晶パネル
２２０、２２１、２２２ 出射側偏光板
２２３ 色合成プリズム

Claims (13)

1. 青、緑、赤色レーザー光源と、
   前記青色レーザー光源の青色レーザー光の偏光を制御する第１の位相差板と、
   前記緑及び赤色レーザー光源からの緑及び赤色レーザー光と、前記第１位相差板で偏光が制御された青色レーザー光を合成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で合成された青、緑、赤色レーザー光を偏光分離、合成する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタで分離された青色レーザー光で励起され、緑、赤成分を含む色光を蛍光反射する蛍光板と、
   前記偏光ビームスプリッタで分離された青、緑、赤色レーザー光の偏光を円偏光に変換する第２の位相差板と、
   前記第２の位相差板からの青、緑、赤色レーザー光を拡散反射する回転拡散板とを備えた光源装置であって、
   前記ダイクロイックミラーと偏光ビームスプリッタとの間に配置され、前記青、緑、赤色レーザー光を透過し、前記蛍光の一部の波長帯域を反射する色フィルタを備えた光源装置。
2. 前記偏光ビームスプリッタは、平板のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタである請求項１に記載の光源装置。
3. 青、緑、赤色レーザー光源と、
   前記青色レーザー光源の青色レーザー光の偏光を制御する第１の位相差板と、
   前記緑及び赤色レーザー光源からの緑及び赤色レーザー光と、前記第１位相差板で偏光が制御された青色レーザー光を合成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で合成された青、緑、赤色レーザー光を偏光分離、合成する偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタで分離された青色レーザー光からの光で励起され、緑、赤成分を含む色光を蛍光反射する蛍光板と、
   前記偏光ビームスプリッタで分離された青、緑、赤色レーザー光の偏光を円偏光に変換する第２の位相差板と、
   前記第２の位相差板からの青、緑、赤色レーザー光を拡散反射する回転拡散板とを備えた光源装置であって、
   前記偏光ビームスプリッタは、青、緑、赤色のＰ偏光のレーザー光を透過、Ｓ偏光のレーザー光を反射し、かつ、前記蛍光の一部の波長帯域を透過する特性のプリズム型偏光ビームスプリッタである光源装置。
4. 前記プリズム型偏光ビームスプリッタは、接着剤を用いずに光学的に接合したプリズム型偏光ビームスプリッタである請求項３に記載の光源装置。
5. 前記回転拡散板は、ガラス基板の一方の面に微細な凹凸形状を円周状に形成し、もう一方の面に反射層を形成した円形拡散板とモーターを備えた回転拡散板である請求項１、又は３に記載の光源装置。
6. 前記蛍光板は回転制御可能な円形基板であって、Ｃｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成した蛍光体層を備えた請求項１、又は３に記載の光源装置。
7. 前記第１の位相差板は、１／４波長板である請求項１、又は３に記載の光源装置。
8. 前記第１の位相差板は、直交する２つの偏光成分比率を調整するように回転調整が可能
   な請求項１、又は３に記載の光源装置。
9. 前記第２の位相差板は、広帯域の１／４波長板である請求項１、又は３に記載の光源装置。
10. 前記青、緑、赤色レーザー光源は半導体レーザーである請求項１、又は３に記載の光源装置。
11. 光源装置と、前記光源装置からの光を集光し被照明領域に照明する照明光学系と、映像信号に応じて画像を形成する画像形成素子と、前記画像形成素子で形成された画像を拡大投写する投写レンズを備え、前記光源装置が請求項１、又は３に記載の光源装置である投写型表示装置。
12. 前記画像形成素子がミラー偏向型のデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）である請求項１１に記載の投写型表示装置。
13. 前記画像形成素子が液晶パネルである請求項１１に記載の投写型表示装置。

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