JP5567844B2 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、液晶表示素子等の映像表示素子を使用して投写面に映像を投影する投写型映像表示装置と、複数の光源を使用し、１つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源に関するものであり、光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供する技術に関する。

例えば、反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子の表示画面を投写面であるスクリーンやボード等に拡大表示する投写型映像表示装置においては、投写面で十分な大きさと明るさを有する拡大像が得られるように照明光学系の工夫がなされてきた。

特に映像表示素子を複数個用いる方式においてはカラー映像の白バランスの劣化や色むらを抑える種々の照明光学系の提案がなされている。例えば特開平１０−１７１０４５号公報（特許文献１）に開示された投写型映像表示装置の照明光学系に使用する光源としては入力電力当たりの発光効率が高い（７０ｌｍ／Ｗ）超高圧水銀ランプが主流となっている。

また、第１アレイレンズや第２アレイレンズでの光線通過率を向上させるために電極間距離の短縮が大きな開発課題となっている。また超高圧水銀ランプは紫外線を大量に発生させるため照明光学系を構成する液晶ライドバルブや偏光板など有機物に大きなストレスを与えるため寿命を損なうなどのほかに自身も電極の磨耗や発光管の白濁による失透によって明るさ低下が短い時間で発生するなど抱える問題が大きい。

このため新たな光源として、赤、緑、青の発光ダイオードや有機ＥＬ等の固体発光素子を用いた投写型映像表示装置の開発が行われ多くの提案がなされている。例えば特開２００４−３４１１０５号公報（特許文献２）では固体光源から出射する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置が提案されている。

更にこの特許文献２の課題を解決するために例えば特開２００９−２７７５１６号公報（特許文献３）に示すように固体光源から出射する励起光を可視光としても高効率で発光する光源装置が提案されている。

更に、発光原理が異なる方式の光源を組み合わせて投写型映像表示装置の光源とする提案例えば特開２００９−２５９５８３号公報（特許文献４）もなされている。

特開平１０−１７１０４５号公報 特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報 特開２００９−２５９５８３号公報

特許文献２に開示された技術では固体光源から射出する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置について開示されている。この技術は、エネルギーの高い紫外光を励起光とする励起光源を用いているため紫外光が照射される光学部品は損傷を受けやすく、光学部品の長期性能確保が困難となる。このため、特許文献３では紫外光よりエネルギーの低い可視光を励起光として蛍光体に照射することが提案されている。

一方、特許文献４に開示されたように投写型映像表示装置の新光源として発光方式の異なる複数種の光源を組み合わせる方式の提案もなされている。この提案では、所定波長の光を出射する発光ダイオードまたは固体発光素子である第一の光源と励起光を出射する発光ダイオードまたは固体発光素子である第二の光源と第二の光源からの励起光を励起エネルギーとして第一の光源と同じ波長域の光を発光する第三の光源から構成されている。

以上述べた特許文献２から特許文献４において開示された従来技術は、光源の大きさに関する記載が無いが、実際には、励起光源を複数配列する場合に、光源装置が大型化するという問題が生じる。また、複数配列した場合、蛍光体に励起光を集光するレンズが大型化するため、レンズの球面収差が増大し、所望の照射形状で蛍光体に照射できないという問題も発生する。

以下、超高圧水銀ランプを使用しない新しい光源として、励起光源で蛍光体を励起した光を光源とした際に、照明光学装置が有する課題について、図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。また、以降の説明を容易とするために、直交座標系を導入する。照明光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸に直交する面内で映像表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をＹ軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をＸ軸とする。すなわち、第１アレイレンズ、第２アレイレンズを構成するレンズセルは、Ｘ軸，Ｙ軸方向の両方向に配列されているものとする。

図３(a）は、偏光変換インテグレータを用いた投射型液晶表示装置における、光源から液晶表示素子までの照明光学系の光路上の各光学素子を簡易的に図示したものであり、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での照明光学系の要部構成部である。

図３(a）において、照明光源装置３００は、Ｙ軸方向に８個配列された青色励起光源１と各々の発散光を平行化する平行化レンズ２からなる。青色励起光源１から発光した光は、各々の平行化レンズ２により略平行となり、集光レンズ１４により、透明基材１９に集光される。透明基材１９の入射側は反射防止膜が蒸着されており、出射側は２つセグメントから構成されており、青色を励起光として、黄色を発光する黄色蛍光体のセグメントと、青色を拡散する拡散層のセグメントからなる。

図３(ｂ）においてＸ軸方向から見たＹＺ断面図、Ｚ軸方向から見たＸＹ断面図を示す。黄色蛍光体のセグメントには、青色光を透過、黄色光(緑色及び赤色)を反射するダイクロイックコート１９１が蒸着されており、その上に、黄色の蛍光体１９２が塗布されている。青色励起光が、黄色蛍光体１９２と反応するため、黄色光が全方位に発光するが、透明基材１９の入射側への黄色発散光はダイクロイックコート１９１で反射されるため、全ての黄色光が、平行化レンズ２０の方向に発散する。

また、青色を拡散する拡散層１９３のセグメントでは、青色光が拡散し、平行化レンズ２０の方向に発散する。透明基材１９の回転速度が十分に速ければ、人間の目には青色と黄色が合成された、白色光が透明基材１９より、発光していると見える。つまり、透明基材１９に照射された青色励起光の照射エリアが、白色光光源として白色を発光している考えることができる。透明基材１９から発散した黄色光および青色光は、平行化レンズ２０で平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。

偏光変換インテグレータは、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズ４とからなる均一照明を行うオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に変更、揃える偏光変換素子５とを含んでいる。

第１アレイレンズ３は、入射した光をマトリクス状に配設された複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２アレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ３は透明基材１９上の照射像と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが互いに物体と像の関係（共役関係）となる。第１アレイレンズ３の各レンズセルを通過した光は、対向する第２アレイレンズ４のセルに入射する必要がある。

第１アレイレンズ３と同様に、マトリクス状に配設された複数のレンズセルを持つ第２アレイレンズ４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を液晶表示素子１８に投影する。

この時、偏光変換素子５で第２アレイレンズ４からの光は所定の偏光方向に変更、揃えられ、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ６、およびコンデンサレンズ１３を介して、液晶表示素子１８上に重ね合わせられる。

なお、第２アレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１アレイレンズ３と映像表示素子１８とが、互いに物体と像の関係（共役関係）になるので、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と集光レンズ６によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

ここで、透明基材１９に照射される青色励起光の照射形状について考える。透明基材１９に照射する青色励起光の照射エリアが、照明光学系に入射する光源像となるため、照明光学系で捕獲できる、青色励起光の照射エリアは一律決まっている。そこで、集光レンズ１４の収差の影響が少なくなるように、透明基材１９に青色励起光を集光する必要がある。そのためには、集光レンズ１４と透明基材１９の距離を離し、透明基材１９に入射する斜め光を低減する必要がある。

一方、集光レンズ１４は８個配列された青色励起光源１から射出され平行化レンズ２で平行光となった青色光の全てを捕捉する必要があるため、青色励起光源１を配列した分の大きさが必要であるため、集光レンズ１４と透明基材１９の距離をかなり長くする必要が生じる。従って、光源装置全体のサイズが大きくなるという課題が生じる。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、複数の光源を使用し、１つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、従来よりも光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明の投射型映像表示装置は、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、複数の矩形開口形状のレンズ素子をマトリックス状に配列した第１アレイレンズ及び第２アレイレンズを有し、前記照明光源装置は、偏光度が５０％より大きい１つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する１つ以上の偏光子を有し、前記光源の少なくとも１組以上が偏光度の高い偏光方向が直交するように配置されており、前記偏光子により光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が１つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。

また、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光学系は、複数の矩形開口形状のレンズ素子をマトリックス状に配列した第１アレイレンズ及び第２アレイレンズを有し、前記照明光源装置は、偏光度が５０％より大きい１つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する１つ以上の偏光子と、１つ以上の偏光変換素子を有し、前記光源の少なくとも１組以上が偏光度の高い方向が直交するように配置されており、前記偏光子により、光束が合成され、合成された光束の偏光方向が、前記偏光変換素子により変更、揃えられた照明光源装置において、前記照明光源装置を２組有し、前記偏光変換素子で変更、揃えられる偏光方向が直交しており、前記２組の照明光源装置の後段に設けられた前記偏光子により、光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が１つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。

また、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光源装置からの光束を集光する集光手段を設け、前記集光手段により光束を四面の反射面を有するライトトンネルの入射側開口部に集光し、前記ライトトンネルに入射させ、前記ライトトンネル出射側開口部から出射した光束をレンズ素子により、映像信号に対応して入射光の強度を変調する光変調手段に投写する構成とし、前記照明光源装置は、偏光度が５０％より大きい１つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する１つ以上の偏光子を有し、前記光源の少なくとも１組以上が偏光度の高い偏光方向が直交するように配置されており、前記偏光子により光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が１つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。

また、照明光源装置と、映像表示素子と、前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子から形成される照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を有する投射型映像表示装置において、前記照明光源装置からの光束を集光する集光手段を設け、前記集光手段により光束を四面の反射面を有するライトトンネルの入射側開口部に集光し、前記ライトトンネルに入射させ、前記ライトトンネル出射側開口部から出射した光束をレンズ素子により、映像信号に対応して入射光の強度を変調する光変調手段に投写する構成とし、前記照明光源装置は、偏光度が５０％より大きい１つ以上の光源と、一方の偏光光を透過し、一方の偏光光を反射する１つ以上の偏光子と、１つ以上の偏光変換素子を有し、前記光源の少なくとも１組以上が偏光度の高い方向が直交するように配置されており、前記偏光子により、光束が合成され、合成された光束の偏光方向が、前記偏光変換素子により変更、揃えられた照明光源装置において、前記照明光源装置を２組有し、前記偏光変換素子で変更、揃えられる偏光方向が直交しており、前記２組の照明光源装置の後段に設けられた前記偏光子により、光束が合成され、光束を集光する集光手段により光束が１つの領域に集光された後、後段に配置された照明光学系に向かって照射する構成とする。

本発明によれば、複数の光源を使用し、１つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、従来よりも光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供することができる。

本発明による一実施形態に係わる投射型液晶表示装置の概略構成図。 本発明による一実施形態に係わる照明光源装置の概略構成図。 従来技術における投射型液晶表示装置の要部構成図。 本実施形態による第一の実施例である投射型液晶表示装置の概略構成図。 本実施形態による第一の実施例での透明基材上の光源のスポット図。

以下、本発明の最良の実施形態について、図を参照して説明する。なお、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。ここでも、説明を容易とするために、課題の項と同様に、照明光軸をＺ軸とする直交座標を導入する。すなわち、Ｚ軸に直交する面内で、映像表示素子の矩形照射有効領域の長辺に平行な方向の軸をＹ軸とし、矩形有効表示領域の短辺に平行な方向の軸をＸ軸とする。

図１は、本発明による一実施形態に係わる照明光源装置と照明光源装置を用いた投射型液晶表示装置の光学系の概略構成図である。図１（ａ）は、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での投射型液晶表示装置の要部構成図であり、図１（ｂ）は、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での、照明光学装置の要部構成図である。

図１（ａ）において、照明光源装置２００（詳細は後述する）から発光した光は、平行化レンズ２０により略平行となり、偏光変換インテグレータに入射する。偏光変換インテグレータは、第１アレイレンズ３と第２アレイレンズからなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、偏光方向を所定偏光方向に変更、揃える偏光変換素子５とで構成される。

第１アレイレンズ３は、照明光軸方向から見て液晶表示素子とほぼ相似な矩形形状を有する複数のレンズセルがマトリクス（２次元）状に配設されたもので、光源から入射した光を複数のレンズセルで複数の光に分割して、効率よく第２アレイレンズ４と偏光変換素子５を通過するように導く。即ち、第１アレイレンズ３は照明光源装置２００の透明基材１９０上の形成された発光面と第２アレイレンズ４の各レンズセルとが光学的に共役な関係になるように設計されている。

第１アレイレンズ３と同様に、照明光軸方向から見て矩形形状の複数のレンズセルがマトリクス状に配設された構成を有する第２アレイレンズ４は、構成するレンズセルそれぞれが対応する第１アレイレンズ３のレンズセルの形状を液晶表示素子１８に投影（写像）する。

この時、偏光変換素子５で第２アレイレンズ４からの光は所定の偏光方向に変更、揃えられ、そして、第１アレイレンズ３の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ６、およびコンデンサレンズ１３，１４，第１リレーレンズ１５，第２リレーレンズ１６，第３リレーレンズ１７により各液晶表示素子１８上に重ね合わせられる。

なお、第２アレイレンズ４とこれに近接して配設される集光レンズ６とは、第１アレイレンズ３の各レンズセルと液晶表示素子１８とが、光学的に共役な関係になるように設計されているので、第１アレイレンズ３で複数に分割された光束は、第２アレイレンズ４と集光レンズ６によって、液晶表示素子１８上に重畳して投影され、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布の照明が可能となる。

以上述べたように、第１アレイレンズ３，第２アレイレンズ４，偏光変換素子５とで構成された偏光変換インテグレータは、光源からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向に変更、揃えながら、液晶表示素子を均一照明することができる。

その過程で、ダイクロイックミラー１１により、例えばＢ光(青色帯域の光)は反射され、Ｇ光(緑色帯域の光)およびＲ光(赤色帯域の光)は透過されて２色の光に分離され、更に、Ｇ光とＲ光はダイクロイックミラー１２によりＧ光とＲ光に分離される。例えば、Ｇ光はダイクロイックミラー１２で反射され、Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過して３色の光に分離される。この光の分離の仕方は種々考えられ、ダイクロイックミラー１１でＲ光を反射させ、Ｇ光及びＢ光を透過させてもよいし、Ｇ光を反射させ、Ｒ光及びＢ光を透過させてもよい。

ダイクロイックミラー１１を反射したＢ光は、反射ミラー１０を反射し、コンデンサレンズ１３Ｂを通してＢ光用の液晶表示素子１８Ｂを透過して光合成プリズム２１に入射する。

一方、ダイクロイックミラー１１を透過したＧ光及びＲ光の内、Ｇ光はダイクロイックミラー１２を反射して、コンデンサレンズ１３Ｇを通してＧ光用液晶表示素子１８Ｇに入射し、この液晶表示素子１８Ｇを透過して光合成プリズム２１に入射する。また、Ｒ光はダイクロイックミラー１２を透過し、第１リレーレンズ１５で集光され、更に反射ミラー８で反射され、第２リレーレンズ１６で更に集光され、反射ミラー９で反射された後、第３リレーレンズ１７で更に集光されてＲ光用の液晶表示素子１８Ｒに入射する。液晶表示素子１８Ｒを透過したＲ光は光合成プリズム２１に入射する。

各液晶表示素子を透過したＢ光、Ｇ光、Ｒ光は、光合成プリズム２１によってカラー映像として合成された後、例えばズームレンズであるような投射レンズ２２を通過し、スクリーン７に到達する。液晶表示素子１８上に光強度変調で形成された光学像は、投射レンズ２２によりスクリーン上に拡大投影され表示装置として機能するものである。

なお、第１の光路（Ｂ光）と第２の光路（Ｇ光）にはリレーレンズは使用されていないが、第３の光路（Ｒ光）にはＢ光、Ｇ光と光路長を等しくするためのリレーレンズ１５、１６が使用されている。

以下、本実施形態により、小型な照明光源装置を提供できる理由を、図１(b)を用いて説明する。図１(ｂ）において、照明光源装置２００は、光源ユニット３００Ｐ、光源ユニット３００Ｓ、偏光子２３、集光レンズ１４０、透明基材１９０からなる。光源ユニット３００ＰはＹ軸方向に４つ配列された光源１Ｐと光源１Ｐを発光した光を平行にする、平行化レンズ２からなり、光源ユニット３００ＳはＺ軸方向に４つ配列された光源１Ｓと光源１Ｓを発光した光を平行にする、平行化レンズ２からなる。

光源１は特定の方向の偏光度が高くなっている。ここで、Ｘ軸方向の偏光をＳ偏光、Ｘ軸方向と照明光軸と直交する方向の偏光をＰ偏光とし、光源１ＳはＳ偏光の割合が５０％より大きく、光源１ＰはＰ偏光の割合が５０％より大きいとする。偏光度の高い光源としては、レーザーが有名であるが、ＬＥＤ等の無偏光光源の出射直後に、一方の直線偏光光のみを透過する偏光子を配置し、一方の直線偏光光のみを取り出す構成の光源でもよい。レーザー光源であれば、Ｓ偏光光を得るために、直線偏光方向がＸ軸と平行になるように配置し、Ｐ偏光を得るためには、前記Ｓ偏光用のレーザーとは９０度直交した状態で配置すればよい。

また、無偏光光源を偏光子で片方の偏光のみを取り出す構成では、偏光子の配置方向を９０度直交させればよい。光源ユニット３００Ｐから射出した光は、Ｐ偏光光の割合が５０％より大きい、平行光であり、光源ユニット３００Ｓから射出した光は、Ｓ偏光光の割合が５０％より大きい、平行光となり、偏光子２３に入射する。偏光子２３は、Ｐ偏光を透過、Ｓ偏光を反射する素子であり、三角柱を２面貼り合わせたプリズム形状でもよい。

従って、光源ユニット３００Ｐから射出した光の内、Ｐ偏光光が偏光素子２３を透過し、光源ユニット３００Ｓから射出した光の内、Ｓ偏光光が偏光素子２３を反射し、集光レンズ１４０に入射する。光源１の偏光度が５０％より大きいため、例えば、単純に４つの光源１Pを集光レンズ１４０に入射した場合よりも、大きな光束を得ることができる。集光レンズ１４０に入射した光は、透明基材１９０に集光し、１つの照射領域を形成する。

ここで、透明基材１９０は、光源１を青色励起光源とすれば、前述の透明基材１９と同様、青色拡散光と黄色蛍光体の２つのセグメントを有する構成とできる。また、光源１が青色、緑色、赤色を含む光源、例えば、8つの光源１の内、２つが赤色光源、４つが緑色光源、２つが青色光源であれば、透明基材１９０は、入射した光線を拡散する拡散層のみを有する構成とできる。透明基材１９０を通過した光は、透明基材１９０上の光源１の照射領域が１つの白色光源の発光像として、後段の照明光学系に導かれる。

上記のとおり照明光源装置用部材を配置することにより、集光レンズ１４０は４個配列された光源１から射出され、平行化レンズ２で平行光となった光のみを捕捉すればよいため、つまり、光束幅が従来の２分の１になっているため、集光レンズ１４０を小さくできる。従って、透明基材１９０での投影像の収差を増大させることなく、集光レンズ１４０と透明基材１９０の距離も短くすることができる。

次に、更に光束幅を低減し、小型化を実現する手法について、図２を用いて説明する。図２は、本発明による一実施形態に係わる照明光源装置の光学系の概略構成図である。図２（ａ）は、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での、照明光学装置の要部構成図であり、図２の（ｂ）、（ｃ）は、照明光学装置を構成する装置の１部である。

図２（ａ）において、照明光源装置２０１は、光源ユニット３０１Ｐ、光源ユニット３０１S、光源ユニット３０２Ｐ、光源ユニット３０２S、偏光子２３、偏光プリズム２４、集光レンズ１４１、透明基材１９０からなる。照明光源装置２０１は光源ユニット３０１からなる光源部と光源ユニット３０２からなる光源部より構成されており、図２（ｂ）、図２（ｃ）に示される。

図２（ｂ）は、光源ユニット３０１を含む装置である。光源ユニット３０１Ｐは、Ｙ軸方向に２つ配列された光源１Ｐと、光源１Ｐから発光した光を平行にする平行化レンズ２からなり、光源ユニット３０１Ｓは、Ｚ軸方向に２つ配列された光源１Ｓと、光源１Ｓから発光した光を平行にする、平行化レンズ２からなる。

光源ユニット３０１Ｐの射出光は、Ｐ偏光光の割合が５０％より大きい平行光であり、光源ユニット３０１Ｓの射出光は、Ｓ偏光光の割合が５０％より大きい平行光となり、偏光プリズム２４に入射する。偏光プリズム２４はＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射する素子であり、出射側に、短冊状にλ／２板２４１が配置されている。

光源ユニット３０１Ｐの射出光のうち、P偏光光は偏光プリズム２４を透過し、出射面に到達する。このとき、光源ユニット３０１Ｐの射出光が、λ／２板２４１が配置されていない領域を通過するように、光源ユニット３０１Ｐを配置するため、光源ユニット３０１Ｐの射出光は、P偏光のまま、偏光プリズム２４を通過する。

また、光源ユニット３０１Sの射出光のうち、S偏光光は偏光プリズム２４の反射面で反射し、出射面に到達する。このとき、光源ユニット３０１Sの射出光が、λ／２板２４１が配置された領域を通過するように、光源ユニット３０１Sを配置するため、光源ユニット３０１Sの射出光は、λ／２板２４１により、S偏光からP偏光に変換され、偏光プリズム２４を通過する。つまり、光源ユニット３０１Pの射出光、光源ユニット３０１Sの射出光ともに、P偏光の光束として、偏光プリズム２４から射出する。

次に、もう１つの光源ユニットについて説明する。図２（ｃ）は、光源ユニット３０２を含む装置である。光源ユニット３０２Sは、Ｙ軸方向に２つ配列された光源１Sと、光源１Sから発光した光を平行にする平行化レンズ２からなり、光源ユニット３０２Pは、Ｚ軸方向に２つ配列された光源１Pと、光源１Pから発光した光を平行にする、平行化レンズ２からなる。

光源ユニット３０２Ｐの射出光は、Ｐ偏光光の割合が５０％より大きい平行光であり、光源ユニット３０２Ｓの射出光は、Ｓ偏光光の割合が５０％より大きい平行光となり、偏光プリズム２４に入射する。偏光プリズム２４はＰ偏光を透過、Ｓ偏光を反射する素子であり、出射側に、短冊状にλ／２板２４１が配置されている。光源ユニット３０２Sの射出光のうち、S偏光光は偏光プリズム２４の反射面で反射し、出射面に到達する。

このとき、光源ユニット３０２Sの射出光が、λ／２板２４１が配置されていない領域を通過するように、光源ユニット３０２Sを配置するため、光源ユニット３０２Sの射出光は、S偏光のまま、偏光プリズム２４を通過する。

また、光源ユニット３０２Pの射出光のうち、P偏光光は偏光プリズム２４を通過し、出射面に到達する。このとき、光源ユニット３０２Pの射出光が、λ／２板２４１が配置された領域を通過するように、光源ユニット３０２Pを配置するため、光源ユニット３０２Pの射出光は、λ／２板２４１により、P偏光からS偏光に変換され、偏光プリズム２４を通過する。

つまり、光源ユニット３０２Sの射出光、光源ユニット３０２Pの射出光ともに、S偏光の光束として、偏光プリズム２４から射出する。偏光プリズム２４はλ／２板を含む１つの構成としたが、偏光を合成する偏光子と、偏光を回転するλ／２板部が別体であってもよい。

図２（ａ）において、偏光子２３は、Ｐ偏光を透過、Ｓ偏光を反射する素子である。従って、光源ユニット３０１の射出光は、前述したとおり、Ｐ偏光光として偏光素子２３に入射するため、偏光素子２３を透過し、集光レンズ１４１に入射する。また、光源ユニット３０２の射出光は、前述したとおり、S偏光光として偏光素子２３に入射するため、偏光素子２３で反射し、集光レンズ１４１に入射する。集光レンズ１４１に入射した光は、透明基材１９０に集光し、１つの照射領域を形成する。

以上のように、照明光源装置用部材を配置することにより、集光レンズ１４１は２個配列された光源１から射出され、平行化レンズ２で平行光となった光のみを捕捉すればよいため、つまり、光束幅が従来の４分の１になっているため、集光レンズ１４１を小さくできる。従って集光レンズ１４１と透明基材１９０の距離も短くすることができる。

以上、光源１を８個配列した場合について説明したが、８個以外でもよい。また、平行化レンズ２は、光源の配置方向、光源色、等により、各々最適なサイズ、曲率半径、硝材に変更してもよい。

以上のように、本発明によれば、複数の光源を使用し、１つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、光源装置の大型化を招くことなく、高効率な投写型映像表示装置を提供することができる。

上記では、複数の光源を使用し、１つの光束に集光した後、後段の照明光学系に照射する光源装置を使用した際に、従来よりも光源装置の大型化を招くことなく高効率な投写型映像表示装置を提供することができる手法について、光線図を用いて概念的に説明した。

次に、本実施形態において、透明基材への照射領域に求められる精度を決定する一実施例について、図４を用いて述べる。図４（ａ）は、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での投射型液晶表示装置の要部構成図であり、図４（ｂ）は、Ｘ軸方向から見た照明光軸を含むＹＺ断面での照明光源装置の要部拡大図であり、図４（ｃ）は、Ｙ軸方向から見た照明光軸を含むＸＺ断面での、照明光学装置からライトトンネルまでの要部構成図である。

照明光源装置としては、照明光源装置２０１を使用し、後段の照明光学系に関しては、微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子（ＤＭＤ素子）を用いた照明光学系とする。

図４（ｃ）において、照明光源装置のＸ軸方向の配置を示す。ここでの照明光源装置２０１はＸ軸方向にも光源１と平行化レンズ２が２個ずつ配置されており、計１６個の光源１と平行化レンズ２を有するとする。

図４（ａ）において、照明光源装置２０１から発光した光は、集光レンズ２５により集光し、ライトトンネル２６の入射側開口部に入射する。集光レンズ２５は透明基材１９上に形成された、光源１の照射領域３３から発散した光が、ライトトンネル２６の入射側で集光するため、ライトトンネル２６の入射面に、透明基材１９上に形成された、光源１の照射領域３３が拡大投影される。

ライトトンネル２６は内部の四面に反射面を有し、前記ライトトンネル２６の出射側開口部に到達するまでに、入射光線が複数回反射することで、ライトトンネル２６の出射側には、実用上問題のないレベルの均一性の高い照度分布が得られる。ライトトンネル２６から出射した光束は、反射ミラー２８を介して、レンズ素子２７により、映像信号に対応して入射光の強度を変調するＤＭＤ素子２９上に拡大投影される。

ＤＭＤ素子２９に入射した光束は、映像信号に応じて、投写レンズ３０に入射し、スクリーン３１に到達する。ライトトンネル２６の直前には、白色光を色分離するカラーホイール３２が配置されているが、照明光源装置２０１で色の時分割が可能な場合は、カラーホイール３２は不要である。

図４（ｂ）において、具体的に、照射領域３３に求められる精度について、説明する。光源１は青色レーザーであるとし、透明基材１９の蛍光体を励起するとする。光源１の外形がφ６ｍｍ、発光サイズがφ０．０２ｍm、光線射出半角が２０度であるとする。

偏光プリズム２４の外形は光源１の約２個分のサイズであるため、１２mm幅となる。偏光プリズム２４の出射面の幅１２ｍｍを光源１の４個分の光束が通過するため、光源１からの射出した光束は、３ｍｍ以下にする必要がある。光源１の光線射出半角は２０度なので、平行化レンズ２の焦点距離は約４ｍｍとなる。

ここで、光源１の発光面像が、透明基材１９上に形成される照射領域３３として、拡大投影されるが、拡大率はおよそ、集光レンズ１４１の焦点距離と平行化レンズ２の焦点距離の比となる。照射領域３３が後段の照明光学系の光源サイズとなるが、従来の超高圧水銀ランプのアーク像は1mm程度なので、照射領域３３の大きさも１ｍｍ以下とする必要ある。光源１の発光サイズはφ０．０２ｍmなので、拡大率は約５０倍以下にする必要あり、余裕を見て、拡大率5倍とする。

このとき、集光レンズ１４１の焦点距離は２０ｍｍとなり、光源１の発光面拡大像としては、φ０．１ｍm程度となる。

図５において、上記条件で光源１から射出した光線の透明基材１９上に形成される照射領域３３でのスポット図を確認する。集光レンズ１４１として、安価な球面レンズを使用している。このとき、スポットサイズはφ０．３ｍm程度であり、拡大像φ０．１ｍmを含めても、１ｍｍ以下に抑えられており、後段の照明光学系にとって、高効率な照明光源といえる。

１…光源、２…平行化レンズ、３…第１アレイレンズ、４…第２アレイレンズ、５…偏光変換素子、６…集光レンズ、７…スクリーン、８…反射ミラー、９…反射ミラー、１０…反射ミラー、１１…ダイクロイックミラー、１２…ダイクロイックミラー、１３…コンデンサレンズ、１４…集光レンズ、１５…第１リレーレンズ、１６…第２リレーレンズ、１７…第３リレーレンズ、１８…液晶表示素子、１９…透明基材、２０…平行化レンズ、２１…光合成プリズム、２２…投射レンズ、２３…偏光子、２４…偏光プリズム、２５…集光レンズ、２６…ライトトンネル、２７…レンズ素子、２８…反射ミラー、２９…ＤＭＤ素子、３０…投射レンズ、３１…スクリーン、３２…カラーホイール、３３…照射領域、１４０…集光レンズ、１４１…集光レンズ、１９０…透明基材、１９１…黄色蛍光体、１９２…ダイクロイックコート、１９３…拡散層、２００…照明光源装置、２０１…照明光源装置、２４１…λ／２板、３００…光源ユニット、３０１…光源ユニット、３０２…光源ユニット

Claims (4)

1. 照明光源装置と、
   映像表示素子と、
   前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子を有する照明光学系と、
   前記映像表示素子で表示された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を備え、
   前記照明光学系は、矩形開口形状のレンズ素子をマトリックス状に複数配列した第１アレイレンズ及び第２アレイレンズを有し、
   前記照明光源装置は、
   偏光度が５０％より大きい第１の励起光を出射する第１のユニット、及び、前記第１の励起光と垂直な方向の偏光度が５０％より大きい第２の励起光を出射する第２のユニットを備える第１の光源と、
   偏光度が５０％より大きい第３の励起光を出射する第３のユニット、及び、前記第３の励起光と垂直な方向の偏光度が５０％より大きい第４の励起光を出射する第４のユニットを備える第２の光源と、
   前記第１の励起光を透過し、前記第４の励起光を反射すると共に当該反射した第４の励起光の偏光方向を前記第１の励起光の偏光方向に揃える第１の偏光子と、
   前記第２の励起光を反射し、前記第３の励起光を透過すると共に当該透過した第３の励起光の偏光方向を前記第２の励起光の偏光方向に揃える第２の偏光子と、
   前記第１の偏光子からの第５の励起光を透過し、前記第２の偏光子からの第６の励起光を反射することにより前記第５及び第６の励起光を合成する第３の偏光子と、
   前記第３の偏光子に合成された励起光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズに集光された励起光に励起されて蛍光光を発生する蛍光体と、を備え、
   前記第１及び第２の光源は、それぞれ、前記第１の光源の光軸と前記第２の光源の光軸が直交するように配置されている、投写型映像表示装置。
2. 照明光源装置と、
   映像表示素子と、
   前記照明光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子を有する照明光学系と、
   前記映像表示素子で表示された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を備え、
   前記照明光学系は、
   前記照明光源装置からの光束を集光する集光手段と、
   前記集光手段からの光を受けるライトトンネルと、を備え、
   前記ライトトンネルは、四面の反射面を有し、
   前記集光手段は、前記照明光源装置からの光束を前記ライトトンネルの入射側開口部に集光し、
   前記映像表示素子は、前記ライトトンネルの出射側開口部から出射した光束をレンズ素子により、映像信号に対応して入射光の強度を変調し、
   前記照明光源装置は、
   偏光度が５０％より大きい第１の励起光を出射する第１のユニット、及び、前記第１の励起光と垂直な方向の偏光度が５０％より大きい第２の励起光を出射する第２のユニットを備える第１の光源と、
   偏光度が５０％より大きい第３の励起光を出射する第３のユニット、及び、前記第３の励起光と垂直な方向の偏光度が５０％より大きい第４の励起光を出射する第４のユニットを備える第２の光源と、
   前記第１の励起光を透過し、前記第４の励起光を反射すると共に当該反射した第４の励起光の偏光方向を前記第１の励起光の偏光方向に揃える第１の偏光子と、
   前記第２の励起光を反射し、前記第３の励起光を透過すると共に当該透過した第３の励起光の偏光方向を前記第２の励起光の偏光方向に揃える第２の偏光子と、
   前記第１の偏光子からの第５の励起光を透過し、前記第２の偏光子からの第６の励起光を反射することにより前記第５及び第６の励起光を合成する第３の偏光子と、
   前記第３の偏光子に合成された励起光を集光する集光レンズと、
   前記集光レンズに集光された励起光に励起されて蛍光光を発生する蛍光体と、を備え、
   前記第１及び第２の光源は、それぞれ、前記第１の光源の光軸と前記第２の光源の光軸が直交するように配置されている、投写型映像表示装置。
3. 前記光源はレーザーである、請求項１または２に記載の投写型映像表示装置。
4. 前記蛍光体にて発生した蛍光光及び前記蛍光体に励起されなかった励起光は、混色して略白色光となり、前記照明光学系に入射する、請求項１乃至３何れか一に記載の投写型映像表示装置。

Images