JP2012234161A - 光源装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】赤色、緑色、青色のレーザー光源を用いた高輝度の固体光源装置が提案されているが、特に赤色光と緑色光のスペックルノイズの影響により、画像表示装置に適用した場合、高画質の映像を得ることが困難であった。
【解決手段】光源装置は、励起光源と、前記励起光源から出射された励起光によって励起される緑色を主たる蛍光波長域とする蛍光体と、赤色の波長域で発振する赤色レーザー光源と、前記蛍光体から発される蛍光と前記赤色レーザー光源から出射される赤色レーザー光とを合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された光を２つの光束に分離する色分離手段と、を備えるものである。この光源装置において、前記色分離手段のカットオフ波長は、前記蛍光体波長域の波長であると共に、前記赤色の波長域よりも短波長である。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーと蛍光体を用いた光源装置に関するものであり、特に画像表示装置において使用する赤色、緑色、青色などの可視光を出射する光源装置およびそれを用いた画像表示装置に関するものである。

今日、様々な映像等をスクリーンに拡大投影する画像表示装置としてのプロジェクタが広く普及している。光源から出射された光をデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、あるいは、液晶表示素子といった空間光変調素子に集光させ、映像信号によって変調された空間光変調素子からの出射光をスクリーン上にカラー映像として表示させるものである。

プロジェクタにおいて明るくて大画面の映像を得るために、高輝度の高圧水銀ランプが光源として使用されてきたが、高圧水銀ランプを光源とした場合、有害物質である水銀を含有するという環境面での問題に加えて、光源の寿命が短くメンテナンスが煩雑になる、といった問題があった。

これらの問題点を解決するために、高圧水銀ランプの代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーなどの固体光源を用いた光源装置、およびそれらの光源装置を用いた新しい画像表示装置が提案されている。

レーザーは、高圧水銀ランプに比べて寿命が長く、また、コヒーレント光であるため、指向性が高く、光利用効率も高い。さらに、その単色性により広い色再現範囲を確保できる。そのため、赤色レーザー、緑色レーザー、青色レーザーの３色のレーザーを使用することにより、非常に明るい光源装置となるため、これを高輝度かつフルカラーの画像表示装置に適用することが可能である。

しかしながら、レーザー光はその干渉性の高さゆえに、スペックルノイズが生じて画質が劣化するという問題点がある。特に、人間の目の視感度が高い緑色〜黄色の波長域のレーザー光では、スペックルノイズによる画質の低下が大きな課題である。

これに対して、ＬＥＤ光源は寿命が長く、上述のようなスペックルノイズも問題とならないが、光源の発光面積が大きく光密度が低いために、高輝度の画像表示装置を得にくいのが現状である。

特開２０１１−０１３３１３号公報 特開２０１１−０１３３２０号公報

一方、ＬＥＤやレーザー以外の光源として、ＬＥＤやレーザーを励起光として蛍光体からの発光を用いる光源装置が挙げられ、その光源装置を備えた画像表示装置も提案されている。

蛍光体による光源装置は、高密度に集光可能なレーザーを励起光として用いることで、発光面積の小さい高輝度光源を得ることができる。また、励起光としてレーザーを用いたとしても、波長変換して得られる蛍光そのものはインコヒーレントな光であるため、スペックルノイズが生じないという利点を有する。

従来の光源装置では、円板状の反射基材を用いたホイール上に蛍光体の層を配置し、その蛍光体層に励起光を照射して可視波長域の蛍光を取り出す構成としている。

特許文献１、特許文献２に示された投射型画像表示装置のための光源装置では、高輝度の出力光が必要になるため、蛍光体を用いる場合は、蛍光寿命すなわち残光時間が短く、温度消光が小さい蛍光体を用いることが好ましい。フルカラーの映像を提供するためには、赤色光、緑色光、青色光を光源装置から出力する必要があるが、緑色光を得るための緑色蛍光体に比べて、赤色光を得るための赤色蛍光体は、蛍光寿命や温度消光の面において課題があり、高輝度かつ高効率の赤色出力光を得ることが難しい。そのため、特許文献１に示した光源装置では、高出力の赤色光を得にくいという問題点があった。

また、特許文献２に示した光源装置では、赤色光を得るための光源として赤色ＬＥＤを使用しているが、先述のようにＬＥＤは光密度が低いために、本構成においても高出力の赤色光を得ることが難しいという問題点があった。

固体光源を用いた構成による光源装置で、画像表示装置に適した高輝度の出力光を得るためには、緑色〜赤色の光をスペックルノイズのない出力光により得ることが好適であるが、このように、従来の方法では、高輝度化と低ノイズの両立において問題があった。

本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、蛍光体を用いた光源装置において、簡便な方法によって高輝度かつ低ノイズの出力光を得ることができる光源装置、および、その光源装置を用いた画像表示装置を提供するものである。

このような課題を解決するために、本発明の一の態様にかかる光源装置は、励起光源と、前記励起光源から出射された励起光によって励起される緑色を主たる蛍光波長域とする蛍光体と、赤色の波長域で発振する赤色レーザー光源と、前記蛍光体から発される蛍光と前記赤色レーザー光源から出射される赤色レーザー光とを合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された光を２つの光束に分離する色分離手段と、を備えるものである。この光源装置において、前記色分離手段のカットオフ波長は、前記蛍光体波長域の波長であると共に、前記赤色の波長域よりも短波長であることを要旨とする。

上記態様に光源装置において、前記光合成手段は、カットオフ波長を有しており、前記光合成手段のカットオフ波長は、前記色分離手段のカットオフ波長よりも長波長であり、前記赤色の波長域よりも短波長であるとよい。

ここで、緑色を主たる蛍光波長域とする蛍光体からの発光と、赤色レーザー光を用いて、光源装置における赤色出力光と緑色出力光を構成する。蛍光体から発される蛍光と、赤色レーザー光源から出射される赤色レーザー光は、光合成手段によって合成された後、色分離手段へと入射される。そして、色分離手段によって、蛍光の短波長成分と長波長成分とが分離され、赤色レーザー光は蛍光の長波長成分と同一の光路を進むように構成される。

光源装置の出力光として、赤色光と緑色光を得る構成としているため、蛍光成分のうち色分離手段によって長波長側の成分が一部分離され、緑色出力光は、蛍光体から発せられる蛍光のうち短波長側の成分によって構成されている。したがって、蛍光そのものの本来の色度に比べて、赤みのない、純度の高い緑色光となる。

一方、赤色出力光は、赤色レーザー光と、蛍光体から発される蛍光のうち長波長側の成分との合成光によって構成されている。主たる赤色光源として、赤色レーザー光源を使用することで、赤色蛍光体や赤色ＬＥＤを用いる構成に比べて、高輝度の赤色出力光を提供することが可能となる。さらに、赤色レーザー光のみで赤色出力光を構成すると、スペックルノイズが問題となる場合があるが、本発明では、赤色出力光の中にインコヒーレントな蛍光成分が含まれるように構成しているため、スペックルノイズを低減することが可能である。

上述のような特性を有する赤色出力光と緑色出力光は、光合成手段のカットオフ波長を色分離手段のカットオフ波長よりも長波長にすることにより実現できる。本発明におけるカットオフ波長とは、光合成手段および色分離手段において、透過率と反射率が等しくなる波長のことを表わす。

カットオフ波長は、入射光の偏光方向によって変化する場合がある。光合成手段のカットオフ波長が色分離手段のカットオフ波長よりも長波長であるとは、色分離手段のＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対するカットオフ波長のうち長波長である方のカットオフ波長に比べて、光合成手段のＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対するカットオフ波長のうち短波長である方のカットオフ波長が長いことを表わす。

一方、光合成手段のカットオフ波長が赤色レーザー光の主波長よりも短波長であるとは、光合成手段のＰ偏光成分およびＳ偏光成分に対するカットオフ波長のうち短波長である方のカットオフ波長に比べて、赤色レーザー光の主波長の方が長いことを表わす。

上記態様の光源装置において、前記光合成手段は、前記励起光に対して高透過、前記蛍光の主波長成分に対して高反射、前記赤色レーザー光に対して高透過であるとよい。また、前記光合成手段は、前記励起光に対して高反射、前記蛍光の主波長成分に対して高透過、前記赤色レーザー光に対して高反射としてもよい。

このような構成にすることで、励起光と蛍光の分離と、蛍光と赤色レーザー光の合成を、単一の光学素子で効率的に実現することができる。また、前記光合成手段および前記色分離手段は、ダイクロイックミラーにより構成されているとよい。光合成手段および色分離手段にダイクロイックミラーを用いることで、蛍光と赤色レーザー光との合成、分離を簡便に実現することが可能となる。

上記態様の光源装置において、前記励起光源と前記光合成手段との間に配置され、前記励起光に対する２分の１波長板を有する構成としてもよい。２分の１波長板の角度を調整することにより、励起光源に青色レーザー光源を使用し、かつ、その青色レーザー光を光源装置からの出力光としても利用する場合に、青色出力光、緑色出力光、赤色出力光の強度比を簡便に制御することが可能となる。

また、前記赤色レーザー光源と前記光合成手段との間に配置され、前記励起光を反射して前記赤色レーザー光を透過する励起光反射ミラーと、前記励起光反射ミラーと前記光合成手段との間に配置され、前記励起光に対する４分の１波長板と、を有する構成にしてもよい。上記の構成により、励起光源からの励起光を光源装置からの出力光としても利用する場合に、簡便に励起光を光源装置から取り出すことが可能となる。

そのほか、上記態様の光源装置において、前記励起光源として、発振波長が４３０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下の青色半導体レーザー光源を用いることは好適な構成である。励起光源として青色レーザー光源を使用することにより、前記蛍光体を効率的に励起することが可能となる。さらに、青色光を光源装置からの出力光として得る場合に、レーザー光をそのまま出力光として使用することが可能となり、特に画像表示装置用の光源装置として好適となる。

また、前記蛍光体から発される蛍光の主波長は、５３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下であるとよい。蛍光体の蛍光の主波長として５３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下を選ぶことにより、適切な色度の緑色出力光および赤色出力光を得ることが可能となり、特に画像表示装置用の光源装置として好適となる。５３０ｎｍよりも主波長が短いと、赤色出力光に分配される蛍光の長波長成分が不十分となり、逆に、５７０ｎｍよりも主波長が長いと、緑色出力光が黄色みを帯びた不適切な色度となる。

また、前記赤色レーザー光源の発振波長は、６３０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下であるとよい。赤色レーザー光の発振波長として６３０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下を選ぶことにより、適切な輝度および色度を有する赤色出力光を得ることが可能となる。発振波長が６３０ｎｍより短いと、蛍光の長波長成分の光との波長帯の重複が大きくなるため、色合成手段で合成したときの光利用効率が低下する。逆に、６６０ｎｍよりも発振波長が長いと、レーザー発振波長における人間の目の視感度が低くなるため、効率的な光源装置を構成することが難しくなる。

本発明の他の態様にかかる光源装置は、励起光源と、前記励起光源から出射された励起光によって励起される黄色を主たる蛍光波長域とする蛍光体と、赤色の波長域で発振する赤色レーザー光源と、前記蛍光体から発される蛍光と前記赤色レーザー光源から出射される赤色レーザー光とを合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された光を２つの光束に分離する色分離手段と、を備えるものである。ここで、前記色分離手段のカットオフ波長は、前記蛍光体波長域の波長であると共に、前記赤色の波長域よりも短波長であることを要旨とする。

上記態様の光源装置において、前記光合成手段に入射する前記蛍光と前記赤色レーザー光とは、偏光方向が異なっており、前記光合成手段は、偏光方向の異なる光を合成する偏光合成手段であるとよい。

また、前記偏光合成手段は、偏光合成プリズムにより構成されており、前記色分離手段は、色合成分離プリズムにより構成されていてもよい。

本発明の態様にかかる画像表示装置は、上記態様の光源装置と、空間光変調素子と、前記光源装置からの光を前記空間光変調素子へと導光する照明光学系と、を備えることを要旨とする。前記空間光変調素子から射出された画像をスクリーンに投射する投射光学系をさらに備えていてもよい。また、前記空間光変調素子としては、液晶表示素子やデジタル・マイクロミラー・デバイスで構成することが可能である。

この発明によれば、長寿命で水銀を要しない固体光源を用いて、高輝度かつ低ノイズの光源装置を実現できる。またこれを利用した高画質の画像表示装置を提供できる。

第１の実施の形態による画像表示装置の構成図 第１の実施の形態による画像表示装置で使用した色合成手段の４５度入射における透過スペクトル図 第１の実施の形態による画像表示装置で使用した蛍光体の蛍光スペクトル図 第１の実施の形態による画像表示装置で使用した色分離手段の４５度入射における透過スペクトル図 赤色投射光のエネルギースペクトル図 第２の実施の形態による画像表示装置の構成図 第２の実施の形態による画像表示装置で使用した色合成手段の４５度入射における透過スペクトル図 ＲＧＢの各光源のスペクトル波形と各カットオフ周波数との関係を示すスペクトル図 第３の実施の形態による画像表示装置の構成図

以下、本発明にかかる光源装置、画像表示装置の実施の形態を、図を用いて説明する。

（実施の形態１）
第１の実施の形態による光源装置、および、この光源装置を用いた画像表示装置の構成図を図１に示す。

本実施の形態に示す画像表示装置１０の構成は、以下の通りである。

円形状の平行平面ガラスである基板１００は、その片側の表面に可視光全域を高効率で反射するダイクロイックコートが施されており、さらにその上に、緑色の波長域を主波長として蛍光を発する蛍光体１０１が薄膜上に塗布されている。基板１００は回転手段１０２に取り付けられており、回転制御可能となっている。図１中に示したようにｘｙｚ座標軸をとると、基板１００はｚ軸に平行な回転軸を中心にして回転する。その回転数は特に限定されるものではないが、蛍光体は温度が高くなると波長変換効率が低下する特性があるため、蛍光体に励起光が照射された時の蛍光体の温度上昇を抑制するために、１０００ｒｐｍ以上であることが好ましい。

また、本実施の形態では基板１００はガラス基板としたが、放熱性を重視して、ガラスではなく、アルミニウム、銅、および、それらを主成分とした金属基材の表面を鏡面とし、その上に蛍光体を塗布してもよい。

励起光源１０３は、波長約４４５ｎｍで発振する青色レーザーダイオードであり、高輝度の光源装置を実現するために、複数個のレーザーダイオードにより構成されている。本実施の形態では、５×５個のマトリクス上に合計２５個のレーザーダイオードが配置されているが、その数は特に限定されるものではなく、取り出したい蛍光の強度に応じて適宜設定される。また、全てのレーザーダイオードは、図１中に示したＰ偏光の向きに偏光方向が揃うように配置されているが、全てをＳ偏光に揃える配置にしてもよい。

励起光源の波長について、４４５ｎｍ付近の青色レーザー光に限定されるものではないが、励起光そのものを青色の出力光として使用する場合は、その演色性と蛍光体の励起効率を考慮すると、励起光の好ましい波長として、４３０〜４７０ｎｍが挙げられる。

励起光源１０３から発せられた励起光は、コリメートレンズアレイ１０７によってコリメートされる。コリメートレンズアレイ１０７の各レンズセルに対して、１つのレーザーダイオードが配置されている。コリメートされたレーザー光は、２分の１波長板１０９と、拡散板１１０を通過した後、色合成光学系（光合成光学系）であるダイクロイックミラー１１３に略４５度の入射角で入射される。色すなわち波長域が互いに同一ではない光を合成することを色合成あるいは波長合成と呼ぶ。

ダイクロイックミラー１１３は、励起光源１０３の波長帯においてはＰ偏光では高透過、Ｓ偏光では高反射となり、蛍光体１０１からの緑色蛍光の主たる波長帯においてはＰ偏光Ｓ偏光にかかわらず高透過、赤色光の波長帯においては少なくともＳ偏光では高反射となるような特性を有するダイクロイックミラーである。

ダイクロイックミラー１１３の４５度入射における透過スペクトルを図２に示す。２つのプロットはそれぞれ、実線がＳ偏光の透過率、破線がＰ偏光の透過率を示す。透過率が５０％になるカットオフ波長は、Ｓ偏光が４６０ｎｍと６１８ｎｍ、Ｐ偏光が４４０ｎｍと６４２ｎｍである。

２分の１波長板１０９の角度を調整することによって、ダイクロイックミラー１１３に入射する励起光のＰ偏光成分とＳ偏光成分の比が調整される。すなわち、ダイクロイックミラー１１３を透過する励起光の成分と反射する励起光の成分の比を制御することが可能であり、所望の分配比となるように調整されている。

拡散板１１０は、蛍光体１０１に照射される励起光のスポット径を調整するため、さらに、励起光源から出射される青色光を光源装置からの出力光としてそのまま使用する際にスペックルノイズを低減するために挿入されている。本実施例では拡散板１１０は固定して配置されているが、スペックルノイズを一層低減させるために、拡散板１１０を振動させて使用してもよい。

ダイクロイックミラー１１３で反射されたＳ偏光成分の励起光は、コリメートレンズ１０５、１０６によって蛍光体１０１上に集光される。複数のレーザーダイオードから発せられる全てのビームが、蛍光体１０１上で、所望の範囲内に存在するように、コリメートレンズアレイと集光レンズの光学特性が調整されている。本実施の形態では、φ２ｍｍ程度の励起光スポット径になるように調整した。ここでは、集光レンズは１群２枚のレンズにより構成されているが、１枚のレンズによって構成されても、あるいは３枚以上のレンズによって構成されてもかまわない。

蛍光体１０１は基板１００の回転軸に対して環状に塗布されており、基板１００が回転しても、常に蛍光体上に励起光が照射されるようになっている。蛍光体１０１から発される蛍光は、コリメートレンズ１０５、１０６によってコリメートされ、ダイクロイックミラー１１３へと入射される。蛍光体１０１による蛍光スペクトルを図３に示す。緑色光を主成分として、黄色〜赤色光までを含む広帯域のスペクトル形状となっている。主波長は５５８ｎｍであり、波長幅（半値全幅）は約１００ｎｍである。図２に示すように、ダイクロイックミラー１１３は緑色光を透過するため、蛍光の多くの成分はダイクロイックミラーを通過する。

緑色蛍光体の種類は特に限定されるものではないが、青色の励起光を効率的に吸収して蛍光を効率的に発光するとともに、温度消光に対する耐性が高い蛍光体が望ましい。また、蛍光の主波長については、適切な色度の緑色出力光および赤色出力光を得る観点から、５３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下であることが好ましい。

緑色蛍光体として、本実施の形態では、Ｙ₃Ａ_l5Ｏ₁₂：Ｃｅ³⁺を使用したが、波長４４５ｎｍの青色レーザー光で励起して、緑色の蛍光を得ることができるその他の蛍光体として、(Ｂａ，Ｓｒ)₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ²⁺、ＳｒＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺、Ｂａ₃Ｓｉ₆Ｏ₁₂Ｎ₂：Ｅｕ²⁺、Ｓｒ₂Ａ_l3Ｓｉ₁₃Ｎ₂₃：Ｅｕ²⁺、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ²⁺なども挙げられる。ただし、上記の蛍光体は該波長域の光を得るための蛍光体の一例であり、本発明に適用できる蛍光体がこれに限定されないのは言うまでもない。

赤色レーザー光源１０４は、波長約６４０ｎｍで発振する赤色レーザーダイオードであり、高輝度の光源装置を実現するために、複数個のレーザーダイオードにより構成されている。本実施の形態では、５×３個のマトリクス上に合計１５個のレーザーダイオードが配置されているが、その数は特に限定されるものではなく、取り出したい出力光の強度に応じて適宜設定される。また、全てのレーザーダイオードは、図１中に示したＳ偏光の向きに偏光方向が揃うように配置されている。

赤色レーザー光源の波長について、６４０ｎｍ付近に限定されるものではないが、人間の目の視感度特性と赤色光の合成効率の観点から、６３０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下であることが好ましい。

赤色レーザー光源１０４から発せられた赤色レーザー光は、コリメートレンズアレイ１０８によってコリメートされた後、ダイクロイックミラー１１１と４分の１波長板１１２を通過した後で、ダイクロイックミラー１１３へと略４５度の入射角で入射される。

ダイクロイックミラー１１１は、赤色レーザー光に対する出射面側に、青色光を反射して赤色光を透過するダイクロイックコートが施されており、反対の入射面側には、赤色光に対する拡散機能が施されている。これは、赤色レーザー光のスペックルノイズを低減するためである。本実施例ではダイクロイックミラー１１１は固定して配置しているが、スペックルノイズを一層低減させるために、振動させて使用してもよい。

４分の１波長板１１２は、励起光に対して４分の１波長板として機能する。すなわち、ダイクロイックミラー１１３を通過して４分の１波長板１１２に入射したＰ偏光成分の青色励起光は、略円偏光へと偏光特性が変換され、ダイクロイックミラー１１１で反射された後、今度は４分の１波長板１１２で略Ｓ偏光へと変換されるため、ダイクロイックミラー１１３に再入射した青色励起光は、反射されて第１のインテグレータレンズアレイ１１４へと入射される。

ダイクロイックミラー１１３へと入射された赤色レーザー光は、同様に、ダイクロイックミラー１１３で反射されて、第１のインテグレータレンズアレイ１１４へと入射される。

空間的に合成された上述の各色光は、第１のインテグレータレンズアレイ１１４、第２のインテグレータレンズアレイ１１５、偏光変換素子１１６、集光レンズ１１７を通過した後、波長域毎に空間的に分離される。

色分離光学系であるダイクロイックミラー１１８は、赤色波長域の光を反射し、緑色〜青色波長域の光を透過する特性を有する。図４にダイクロイックミラー１１８の４５度入射における透過スペクトルを示す。色合成あるいは波長合成された光を、色すなわち波長域が互いに同一ではない光に分離することを、色分離あるいは波長分離と呼ぶ。

２つのプロットはそれぞれ、実線がＳ偏光の透過率、破線がＰ偏光の透過率を示す。透過率が５０％になるカットオフ波長は、Ｓ偏光が５７３ｎｍ、Ｐ偏光が５９１ｎｍである。

図８に、ＲＧＢの各光源のスペクトル波形と、色合成光学系を構成するダイクロイックミラー１１３の緑色〜赤色波長域における４５度入射のＳ偏光に対するカットオフ波長λｃ１、ダイクロイックミラー１１３の青色〜緑色波長域における４５度入射のＳ偏光に対するカットオフ波長λｃ２、および、ダイクロイックミラー１１８の４５度入射のＰ偏光に対するカットオフ波長λｃ３との関係の一例を示す。ここではλｃ１＝６１８ｎｍ、λｃ２＝４６０ｎｍ、λｃ３＝５９１ｎｍである。カットオフ波長λｃ１以下の波長の赤色レーザー光はダイクロイックミラー１１３によって反射され、蛍光およびＳ偏光としてダイクロイックミラー１１３によって反射された青色レーザー光と合波（色合成または波長合成）される。一方、合波された光のうち、カットオフ波長λｃ３以上の波長の光が色分離光学系を構成するダイクロイックミラー１１８によって反射される。ダイクロイックミラー１１８によって反射された赤色光には、赤色レーザー光と、蛍光体から発される蛍光のうち長波長側の成分が含まれている。主たる赤色光源として、赤色レーザー光源を使用することで、赤色蛍光体や赤色ＬＥＤを用いる構成に比べて、高輝度の赤色出力光を提供することが可能となり、さらに、赤色出力光の中にインコヒーレントな蛍光成分が含まれるように構成しているため、スペックルノイズが低減されている。

ダイクロイックミラー１１８で反射された赤色光は、リレーレンズ１１９、反射ミラー１２０、フィールドレンズ１２７、入射側偏光板１３０を経て、赤色用液晶表示素子１３３へと入射される。

ダイクロイックミラー１１８、リレーレンズ１２１を通過した光のうち、緑色光成分は、ダイクロイックミラー１２２によって反射される。そして、フィールドレンズ１２８、入射側偏光板１３１を経て、緑色用液晶表示素子１３４へと入射される。

ダイクロイックミラー１２２を通過した青色レーザー光は、リレーレンズ１２３、１２５、反射ミラー１２４、１２６、フィールドレンズ１２９、入射側偏光板１３２を経て、青色用液晶表示素子１３５へと入射される。

すなわち、赤色用、緑色用、青色用の液晶表示素子への入射光はそれぞれ、赤色レーザー光と蛍光の長波長成分の合成光、蛍光の短波長成分、青色レーザー光によって構成されている。

各液晶表示素子によって入力映像信号に応じて変調された信号光は、出射側偏光板１３６、１３７、１３８を通過した後、クロスダイクロイックプリズム１３９へと入射される。クロスダイクロイックプリズム１３９によって赤色、緑色、青色の３色の変調信号光は空間的に合成され、投射レンズ１４０によってスクリーン（図示せず）へと拡大投影される。

本実施の形態の構成においては、赤色投射光、緑色投射光、青色投射光のそれぞれの色度は、ｘｙ色度座標系を用いて、赤色については（ｘ，ｙ）＝（０．６５８，０．３４２）、緑色については（ｘ，ｙ）＝（０．２６６，０．６４６）、青色については（ｘ，ｙ）＝（０．１６１，０．０１４）である。上記の赤色光色度は、ｓＲＧＢ色規格の赤色色度（ｘ，ｙ）＝（０．６４，０．３３）を包含可能な適切な色度である。

また、赤色投射光のエネルギースペクトルを図５に示す。本実施の形態では、赤色投射光について、その光エネルギーの６６％がレーザー光成分により、残りの３４％が蛍光成分により構成されている。しかしながら、人間の目の視感度特性を考慮した明るさの面では、赤色投射光の明るさの４０％がレーザー光成分により、残りの６０％が蛍光成分により構成されている。すなわち、赤色レーザー光のみで赤色投射光を構成する場合に比べて、スペックルノイズを大きく低減することが可能となる。

このような構成を採用することにより、簡便な方法でありながら、高輝度かつスペックルノイズの少ない高画質の光源装置と、それを用いた画像表示装置を提供することができる。また、本実施形態の構成は、３板式（３チップ）のプロジェクタに特に適している。

（実施の形態２）
第２の実施の形態による光源装置、および、この光源装置を用いた画像表示装置の構成図を図６に示す。本実施の形態の一部の構成要素は第１の実施の形態のそれと重複しており、当該部分については説明を省略する。

本実施の形態に示す画像表示装置２０の構成は、以下の通りである。

本実施の形態で適用した基板２００、蛍光体２０１、回転手段２０２は、第１の実施の形態のそれと同一であり、ｘ軸に平行な回転軸に対して環状に蛍光体が塗布されている。

励起光源２０３、コリメートレンズアレイ２０７、赤色レーザー光源２０４、コリメートレンズアレイ２０８も、第１の実施の形態のそれと同一である。ただし、コリメートされた青色レーザー光は全てＰ偏光となるように調整されており、拡散板２０９を通過した後、ダイクロイックミラー２１１に入射される。同様に、コリメートされた赤色レーザー光も全てＰ偏光となるように調整されており、拡散板２１０を通過した後でダイクロイックミラー２１１に入射される。

色合成光学系（光合成光学系）であるダイクロイックミラー２１１は、励起光においては高透過、蛍光体２０１からの緑色蛍光の主たる波長域においては高反射、赤色レーザー光においては高透過となるような特性を有するダイクロイックミラーである。

ダイクロイックミラー２１１の４５度入射における透過スペクトルを図７に示す。２つのプロットはそれぞれ、実線がＳ偏光の透過率、破線がＰ偏光の透過率を示す。透過率が５０％になるカットオフ波長は、Ｓ偏光が４４４ｎｍと６４２ｎｍ、Ｐ偏光が４６３ｎｍと６１９ｎｍである。

本実施の形態におけるダイクロイックミラー２１１は、第１の実施の形態におけるダイクロイックミラー１１３と比較すると、各色域における反射と透過の特性がちょうど逆になっているが、素子の配置における制約などの観点から、より適切な形態を選ぶことができる。

ダイクロイックミラー２１１で透過したＰ偏光成分の励起光は、コリメートレンズ２０６、２０５によって蛍光体２０１上に集光される。励起光源２０３から発せられる全てのビームが、蛍光体２０１上で、所望の範囲内に存在するように、コリメートレンズアレイと集光レンズの光学特性が調整されている。

そして、空間的に合成された上述の各色光は、第１のインテグレータレンズアレイ２１２、第２のインテグレータレンズアレイ２１３、偏光変換素子２１４、集光レンズ２１５を通過する。

ダイクロイックミラー２１１によって合成された赤色レーザー光と蛍光体２０１から発せられる蛍光は、色分離光学系であるダイクロイックミラー２１６によって空間的に分離される。ダイクロイックミラー２１６の特性は、第１の実施の形態のそれと同一である。

ダイクロイックミラー２１６によって反射された赤色光は、赤色レーザー光と、蛍光体から発される蛍光のうち長波長側の成分によって構成されている。一方、ダイクロイックミラー２１６への入射光には青色レーザー光は含まれていないため、ダイクロイックミラー２１６の透過光は、緑色光として蛍光の短波長成分のみで構成されている。リレーレンズ２１９を通過した後、反射ミラー２２０を経てフィールドレンズ２３０へと入射される。

本実施の形態においては、光源装置から青色出力光を得るための青色光源として、青色ＬＥＤ２２１を使用した。コリメートレンズ２２２、２２３によって略平行光束となった後、第１のインテグレータレンズアレイ２２４、第２のインテグレータレンズアレイ２２５、偏光変換素子２２６、集光レンズ２２７、反射ミラー２２８を経て、フィールドレンズ２３１へと入射される。

フィールドレンズ２２９、２３０、２３１から投射レンズ２４２までの構成は、第１の実施の形態と同一である。

即ち、ダイクロイックミラー２１６で反射された赤色光は、リレーレンズ２１７、反射ミラー２１８、フィールドレンズ２２９、入射側偏光板２３２を経て、赤色用液晶表示素子２３５へと入射される。

ダイクロイックミラー２１６、リレーレンズ２１９を通過した緑色光は、反射ミラー２２０によって反射される。そして、フィールドレンズ２３０、入射側偏光板２３３を経て、緑色用液晶表示素子２３６へと入射される。

フィールドレンズ２３１へ入射した青色光は、入射側偏光板２３４を経て、青色用液晶表示素子２３７へと入射される。

各液晶表示素子によって入力映像信号に応じて変調された信号光は、出射側偏光板２３８、２３９、２４０を通過した後、クロスダイクロイックプリズム２４１へと入射される。クロスダイクロイックプリズム２４１によって赤色、緑色、青色の３色の変調信号光は空間的に合成され、投射レンズ２４２によってスクリーン（図示せず）へと拡大投影される。

このような構成を採用することにより、第１の実施の形態と同様に、赤色光のスペックルノイズを低減させながら、かつ、適切な赤色光の色度を達成することが可能である。また、本実施形態の構成は、３板式（３チップ）のプロジェクタに特に適している。

（実施の形態３）
第３の実施の形態による光源装置、および、この光源装置を用いた画像表示装置の構成図を図９に示す。本実施の形態の一部の構成要素は第１の実施の形態のそれと重複しており、当該部分については説明を省略する。

本実施の形態に示す画像表示装置３０の構成は、以下の通りである。

本実施の形態で適用した基板３００、蛍光体３０１、回転手段３０２は、第１の実施の形態のそれと同一であり、ｚ軸に平行な回転軸に対して環状に黄色蛍光体が塗布されている。黄色蛍光体として、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体材料を用いることができる。

励起光源３０３およびコリメートレンズアレイ３０７も、第１の実施の形態のそれと同一である。コリメートされた青色レーザー光は全てＳ偏光となるように調整されており、拡散板３１０を通過した後、ダイクロイックミラー３１２に入射される。

ダイクロイックミラー３１２は、Ｓ偏光の励起光においては高反射、蛍光体３０１からの緑色蛍光の主たる波長域においては高透過である。ダイクロイックミラー３１２の４５度入射における透過スペクトルは図２と同様である。

励起光源３０３の各青色レーザーダイオードの偏光方向はダイクロイックミラー３１２の入射面に対してＳ偏光となるように、揃えられている。なお、各青色レーザーダイオードの偏光方向を任意とし、励起光源３０３とダイクロイックミラー３１２との間に励起光に対する２分の１波長板を配置してＰ偏光成分をＳ偏光成分に変換するようにしてＳ偏光を得てもよい。励起光源３０３から出射され、ダイクロイックミラー３１２で反射されたＳ偏光の励起光は、４分の１波長板３０９に入射する。入射した励起光の一部は４分の１波長板３０９の出射端面を透過してコリメートレンズ３０６、３０５によって蛍光体３０１上に集光される。励起光の残りの一部は上記出射端面で反射して入射端面側へ戻り、Ｐ偏光となる。

蛍光体３０１から発せられた黄色蛍光と、Ｐ偏光となった励起光とは、共にダイクロイックミラー３１２を透過して赤色不足の略白色光に合成される。当該略白色光は、第１のインテグレータレンズアレイ３１３、第２のインテグレータレンズアレイ３１４、Ｐ偏光成分をＳ偏光成分へ変換する偏光変換素子３１５、集光レンズ３１６を通過した後、偏光合成プリズム３２０に入射する。

各赤色レーザー光源３０４の偏光方向は偏光合成プリズム３２０の入射面に対してＰ偏光となるように、揃えられている。赤色レーザー光源３０４から出射された赤色レーザー光は、コリメートレンズアレイ３０８によってコリメートされた後、拡散板３１１、第１のインテグレータレンズアレイ３１７、第２のインテグレータレンズアレイ３１８、集光レンズ３１９を通過して偏光合成プリズム３２０に入射する。

偏光合成光学系（光合成光学系）を構成する偏光合成プリズム３２０によって、Ｓ偏光の略白色光とＰ偏光の赤色レーザー光とが合波（偏光合成）される。偏光合成プリズム３２０を通過した光は、赤色不足が解消された良好な色度を有する白色光となる。偏光方向が互いに異なる光を合成することを偏光合成と呼ぶ。

偏光合成プリズム３２０を通過した光は、リレーレンズ３２１、反射ミラー３２２、フィールドレンズ３２３、全反射プリズム３２４、色合成分離プリズム３２５を経て、３つのＤＭＤ３２６・３２７・３２８へ入射する。本実施形態では、光源からの光を偏光合成により合波しているため直線偏光の方向が揃っておらず、実施の形態１および２で説明したようなＬＣＤ方式用のＲＧＢ光よりも、ＤＭＤ方式用のＲＧＢ光を生成するほうが都合が良い。従って、本実施形態のプロジェクタは空間光変調素子として３板式（３チップ）ＤＭＤを用いるものである。

色合成分離プリズム３２５によって赤色用、緑色用、青色用の３つのＤＭＤ３２６・３２７・３２８に赤色光、緑色光、青色光が振り分けられる。このとき、緑色〜赤色波長域のカットオフ波長を、赤色レーザー光の発振波長よりも短く設定することにより、赤色用のＤＭＤ３２６に赤色レーザー光および蛍光体３０１からの長波長側の光を含めることができる。

各ＤＭＤからＲＧＢの画像信号に応じた画像光が投射光学系に出射され、全反射プリズム３２４、投射レンズ３２９を経てスクリーンへ投射される。

本実施形態によれば、主たる赤色光源として、赤色レーザー光源を使用することで、赤色蛍光体や赤色ＬＥＤを用いる構成に比べて、高輝度の赤色出力光を提供することが可能となり、さらに、赤色出力光の中にインコヒーレントな蛍光成分が含まれるように構成しているため、スペックルノイズが低減される。

以上、各実施形態を説明した。

本願発明は、光源装置および画像表示装置の生産及び使用に利用できる。

１０、２０、３０ 画像表示装置
１００、２００、３００ 基板
１０１、２０１、３０１ 蛍光体
１０２、２０２、３０２ 回転手段
１０３、２０３、３０３ 励起光源
１０４、２０４、３０４ 赤色レーザー光源
１０５、１０６、２０５、２０６、２２２、２２３、３０５．３０６ コリメートレンズ
１０７、１０８、２０７、２０８、３０７、３０８ コリメートレンズアレイ
１０９ ２分の１波長板
１１０、２０９、２１０、３１０、３１１ 拡散板
１１１、１１３、１１８、１２２、２１１、２１６、３１２ ダイクロイックミラー
１１２、３０９ ４分の１波長板
１１４、２１２、２２４、３１３、３１７ 第１のインテグレータレンズアレイ
１１５、２１３、２２５、３１４、３１８ 第２のインテグレータレンズアレイ
１１６、２１４、２２６、３１５ 偏光変換素子
１１７、２１５、２２７、３１６、３１９ 集光レンズ
１１９、１２１、１２３、１２５、２１７、２１９、３２１ リレーレンズ
１２０、１２４、１２６、２１８、２２０、２２８、３２２ 反射ミラー
１２７、１２８、１２９、２２９、２３０、２３１、３２３ フィールドレンズ
１３０、１３１、１３２、２３２、２３３、２３４ 入射側偏光板
１３３、２３５ 赤色用液晶表示素子
１３４、２３６ 緑色用液晶表示素子
１３５、２３７ 青色用液晶表示素子
３２４ 全反射プリズム
３２０ 偏光合成プリズム
３２５ 色合成分離プリズム
３２６、３２７、３２８ ＤＭＤ
１３６、１３７、１３８、２３８、２３９、２４０ 出射側偏光板
１３９、２４１ クロスダイクロイックプリズム
１４０、２４２、３２９ 投射レンズ
２２１ 青色ＬＥＤ

Claims (11)

1. 励起光源と、
   前記励起光源から出射された励起光によって励起される緑色を主たる蛍光波長域とする蛍光体と、
   赤色の波長域で発振する赤色レーザー光源と、
   前記蛍光体から発される蛍光と前記赤色レーザー光源から出射される赤色レーザー光とを合成する光合成手段と、
   前記光合成手段によって合成された光を２つの光束に分離する色分離手段と、
   を備え、
   前記色分離手段のカットオフ波長は、前記蛍光体波長域の波長であると共に、前記赤色の波長域よりも短波長であることを特徴とする光源装置。
2. 前記光合成手段は、カットオフ波長を有しており、
   前記光合成手段のカットオフ波長は、前記色分離手段のカットオフ波長よりも長波長であり、前記赤色の波長域よりも短波長であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光合成手段は、前記励起光に対して高透過、前記蛍光の主波長成分に対して高反射、前記赤色レーザー光に対して高透過であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記光合成手段は、前記励起光に対して高反射、前記蛍光の主波長成分に対して高透過、前記赤色レーザー光に対して高反射であることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
5. 前記励起光源と前記光合成手段との間に配置され、前記励起光に対する２分の１波長板を有することを特徴とする請求項２から４までのいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記赤色レーザー光源と前記光合成手段との間に配置され、前記励起光を反射して前記赤色レーザー光を透過する励起光反射ミラーと、
   前記励起光反射ミラーと前記光合成手段との間に配置され、前記励起光に対する４分の１波長板と、を有することを特徴とする請求項２から５までのいずれか１項に記載の光源装置。
7. 請求項１から６までのいずれか１項に記載の光源装置と、空間光変調素子と、前記光源装置からの光を前記空間光変調素子へと導光する照明光学系と、を備えることを特徴とする画像表示装置。
8. 励起光源と、
   前記励起光源から出射された励起光によって励起される黄色を主たる蛍光波長域とする蛍光体と、
   赤色の波長域で発振する赤色レーザー光源と、
   前記蛍光体から発される蛍光と前記赤色レーザー光源から出射される赤色レーザー光とを合成する光合成手段と、
   前記光合成手段によって合成された光を２つの光束に分離する色分離手段と、
   を備え、
   前記色分離手段のカットオフ波長は、前記蛍光体波長域の波長であると共に、前記赤色の波長域よりも短波長であることを特徴とする光源装置。
9. 前記光合成手段に入射する前記蛍光と前記赤色レーザー光とは、偏光方向が異なっており、
   前記光合成手段は、偏光方向の異なる光を合成する偏光合成手段であることを特徴とする請求項８に記載の光源装置。
10. 前記偏光合成手段は、偏光合成プリズムにより構成されており、
    前記色分離手段は、色合成分離プリズムにより構成されていることを特徴とする請求項９に記載の光源装置。
11. 請求項８に記載の光源装置と、空間光変調素子と、前記光源装置からの光を前記空間光変調素子へと導光する照明光学系と、を備えることを特徴とする画像表示装置。

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