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JP5906416B2 - 照明装置および投写型表示装置 - Google Patents

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Description

本発明は、小型の画像形成デバイス上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。
液晶やミラー偏向型のデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）の画像形成手段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。この問題点を解決するため、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６に、従来の固体光源とＤＭＤを用いた投写型表示装置を示す。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、青の蛍光体層が形成されている。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、ＤＭＤ６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）。
特開２００４−３４１１０５号公報
一般に、半導体レーザーや発光ダイオードなどの固体光源は放電ランプと比較して、発光光束が少ない。このため、固体光源を用いた投写型表示装置の高輝度化を図る手法として、多数のレーザー光源を用いて蛍光体を励起、蛍光させる蛍光光源を用いて光束の増大を図る手法が有望である。この蛍光光源の発光スペクトルは、蛍光体に依存するが相対的に青成分が少ない。このため、青色成分として青色の半導体レーザーや青色の発光ダイオードと、蛍光光源を組み合わせて、光利用効率の高い投写型表示装置を構成することが有益である。一方、青色にレーザー光を用いる場合には、投写レンズから出射する光を、安全上、インコヒーレント化する必要がある。また、青色に発光ダイオードを用いる場合、必要な光出力を得るには、その発光面積が放電ランプや蛍光光源と比べて大きく、大幅な光利用効率の向上が必要である。したがって、ここでは、以下に説明する限定されない例示的な態様によって、レーザー励起の蛍光光源と、レーザーや発光ダイオードとの組み合わせなどで構成される複数の光源からの光を効率よく照明する照明装置と、その照明装置を用いた投写型表示装置を提供する。
本発明の照明装置は、第１の光源と、前記第１の光源よりも発光面積が大きい第２の光源と、前記第１の光源からの光を第１の光束となるように集光する第１の集光手段と、前記第２の光源からの光を第２の光束となるように集光する第２の集光手段と、前記第１の光束および前記第２の光束を照明光にする照明光学手段であって、前記第２の光束に対するＦナンバーが前記第１の光束に対するＦナンバーよりも小さい照明光学手段と、を備えたことを特徴とする。
本発明の投写型表示装置は、映像信号に応じて画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段の照明光源としての本発明の照明装置と、前記画像形成手段から出射した光束を受け、前記画像形成手段で形成された画像を拡大投写する投写レンズと、を備えていることを特徴とする。
本発明によれば、発光面積が大きいほうの第２の光源から得られた第２の光束に対するＦナンバーが、第１の光源から得られた第１の光束に対するＦナンバーよりも小さい照明光学手段を備えることにより、高効率の照明装置が構成できる。また、当該照明光学手段によって画像形成手段を照明する構成とすることにより、長寿命で明るい投写型表示装置が実現できる。
本発明の実施の形態１における照明装置と投写型表示装置の構成図 図１の装置が備える蛍光光源の発光スペクトル特性を示すグラフ 図１の装置が備える発光ダイオードの発光スペクトル特性を示すグラフ 図１の装置が備える液晶パネルの構成を示し、（ａ）は第１のマイクロレンズが形成された液晶パネルの構成を示す断面図、（ｂ）は第２のマイクロレンズが形成された液晶パネルの構成を示す断面図 本発明の実施の形態２における照明装置と投写型表示装置の構成図 従来の投写型表示装置の概略構成図
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。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態を示す照明装置と、その照明装置を画像形成手段の照明光源として用いた投写型表示装置の構成図である。画像形成手段として、例えば、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備えたライトバルブを用いる。
２０は半導体レーザー、２１は集光レンズ、２２は放熱板、２３はヒートシンク、２５、２６はレンズ、２７は拡散板、２８は青反射のダイクロイックミラー、３０は第１の集光手段であるコンデンサレンズ、３５は蛍光基板であり、本発明の第１の光源である蛍光光源となる。２４は半導体レーザーからの光束、２９は蛍光基板から蛍光発光する光束を示している。３７は第２の光源である青色を発光する発光ダイオード、３８はヒートシンク、３６は第２の集光手段であるコンデンサレンズ、３９は発光ダイオードの光束である。光束（第１の光束）２９および光束（第２の光束）３９は、例えばそれぞれ平行光束である。平行光束は略平行光束の意味を包含する表現である。第１および第２の光束は平行光束に限らない。１００、１０１はそれぞれ第１、第２のレンズアレイ板、１０２は偏光変換光学素子、１０３は重畳用レンズ、１０４は青反射のダイクロイックミラー、１０５は緑反射のダイクロイックミラー、１０６、１０７、１０８は反射ミラー、１０９、１１０はリレーレンズ、１１１、１１２、１１３はフィールドレンズ、１２０、１２１、１２２は入射側偏光板、１２３、１２４、１２５は液晶パネル、１２６、１２７、１２８は出射側偏光板、１２９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、１３０は投写レンズである。１１４は緑、赤成分の照明光の光線様相、１１５は青色成分の照明光の光線様相、１１６は赤色成分の照明光の光線様相、図中のθＧ、θＢ、θＲは液晶パネルへの照明光入射角である。ここでは、第１のレンズアレイ板１００からフィールドレンズ１１１、１１２、１１３を透過して液晶パネル１２３を備えるライトバルブ、液晶パネル１２４を含むライトバルブ、および、液晶パネル１２５を含むライトバルブを照明する光学系を照明光学手段としている。また、第１および第２の光源と、第１および第２の集光手段と、照明光学手段とを備えた構成を照明装置としている。入射側偏光板１２０、液晶パネル１２３、および、出射側偏光板１２６により、また、入射側偏光板１２１、液晶パネル１２４、および、出射側偏光板１２７により、また、入射側偏光板１２２、液晶パネル１２５、および、出射側偏光板１２８により、それぞれ１つの液晶ライトバルブ（画像形成手段）が構成されている。当該液晶ライトバルブのそれぞれは、一般にライトバルブであってよい。
半導体レーザー２０は放熱板２２上に一定の間隔で２次元状に２４個（４×６）に正方配列で多数配置している。ヒートシンク２３は半導体レーザー２０を冷却するためのものである。半導体レーザー２０は、４４０ｎｍから４５５ｎｍの波長で青の色光を発光する。複数の半導体レーザー２０から出射した光は対応する集光レンズ２１により、それぞれ集光され平行な光束２４に変換される。光束２４群は凸面のレンズ２５と凹面のレンズ２６により、さらに小径化され、拡散板２７に入射する。拡散板２７はガラス製で表面の微細な凹凸形状で光を拡散する。拡散板２７からの光はダイクロイックミラー２８で反射する。ダイクロイックミラー２８は波長４４５ｎｍ付近の半導体レーザー２０からの光と青色発光ダイオード３７からの光を反射し、かつ緑および赤の色光を透過する特性である。ダイクロイックミラー２８で反射した励起光束がコンデンサレンズ３０により集光されることにより、各半導体レーザー２０から出射した光は、光強度がピーク強度に対して１３．５％となる直径が１〜２ｍｍのスポット光に重畳された状態で、蛍光基板３５に入射する。拡散板２７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る。蛍光基板３５は、例えば、ガラス基板（第１の基板）３１と、ガラス基板３１の一方の面上に配置された反射膜３２と、反射膜３２上に配置された蛍光体層３３とを備えるとともに、中央部にモーター３４を備えた回転制御可能な円形基板である。蛍光基板３５の反射膜３２は可視光を反射する誘電体薄膜である。蛍光体層３３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ＹＡＧ系黄色蛍光体を、円環状に形成している。この蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織はＹ3Ａｌ5Ｏ12である。半導体レーザー２０からの光で励起された蛍光体層３３は緑、赤成分の光を含む黄色光を蛍光発光する。
図２に、蛍光光源からの発光スペクトルを示す。蛍光体材料の適切な選択により、波長が５９０〜６００ｎｍ付近で分離すると、緑成分と赤成分が良好な色と強度比率になる。スペクトルの光利用効率は９５％である。配光特性は完全拡散面に近い特性である。
蛍光基板３５の発光面積をスポット光の面積とすると、０．７８〜３．１４ｍｍ2とな
る。蛍光基板３５は、上記の円形基板である場合に、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。蛍光体層３３に入射した光は、緑、赤成分の色光に蛍光変換されて、蛍光基板３５から出射する。また、反射膜３２側に発光する光は反射膜３２で反射して、蛍光基板３５から出射する。蛍光基板３５から出射した緑および赤の色光は、再びコンデンサレンズ３０で集光され、光束２９に変換された後、ダイクロイックミラー２８を透過する。
一方、第２の光源である発光ダイオード３７は大光出力化するため、発光面積が５ｍｍ2以上の発光ダイオードを用いている。当該発光面積は、発光ダイオード３７のチップ表面の光取り出し領域の面積であり、蛍光基板３５の蛍光光源の発光面積に対して、６．４〜１．６倍以上となる。
図３に、発光ダイオードの発光スペクトルを示す。ピーク波長は４６０ｎｍ付近で強度が５０％となる波長幅は略２２ｎｍである。配光特性は配光角度が４０度で５０％、８０度で１０％となる特性で完全拡散面よりもやや指向性が高い。
発光ダイオード３７はヒートシンク３８により冷却される。発光ダイオード３７からの光はコンデンサレンズ３６により光束３９に変換された後、ダイクロイックミラー２８を反射する。例えば、発光ダイオード３７からの光束３９の口径が、蛍光基板３５からの光束２９の口径に対して、略１．３倍程度の大口径の光束となるように、それぞれのコンデンサレンズ３０、３６を構成する。このようにして、異なる口径の蛍光基板３５からの黄色光束と、発光ダイオード３７からの青色光束が合成されて、白色光となる。
異なる径の光束２９、３９で合成された白色光は、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１００に入射する。第１のレンズアレイ板１００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１０１に収束する。第１のレンズアレイ板１００のレンズ素子は液晶パネル１２３、１２４、１２５と相似形の開口形状である。第２のレンズアレイ板１０１のレンズ素子は第１のレンズアレイ板１００と液晶パネル１２３、１２４、１２５とが略共役関係となるようにその焦点距離が決められている。第２のレンズアレイ板１０１から出射した光は偏光変換光学素子１０２に入射する。偏光変換光学素子１０２は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成され、光源からの自然光を一つの偏光方向の光に変換する。偏光変換光学素子１０２からの光は重畳用レンズ１０３に入射する。重畳用レンズ１０３は第２のレンズアレイ板１０１の各レンズ素子からの出射した光を液晶パネル１２３、１２４、１２５上に重畳照明するためのレンズである。重畳用レンズ１０３からの光は、青反射のダイクロイックミラー１０４、緑反射のダイクロイックミラー１０５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１１１、入射側偏光板１２０を透過して、液晶パネル１２３に入射する。青の色光は反射ミラー１０６で反射した後、フィールドレンズ１１２、入射側偏光板１２１を透過して液晶パネル１２４に入射する。赤の色光はリレーレンズ１０９、１１０や反射ミラー１０７、１０８を透過屈折および反射して、フィールドレンズ１１３、入射側偏光板１２２を透過して、液晶パネル１２５に入射する。
ここでは、例えば、前述のように発光ダイオード３７からの光束３９を、蛍光基板３５からの光束２９よりも大口径とし、照明入射角をθＢ＞θＧ＝θＲとし、発光ダイオード３７からの光束３９を照明光にする光学系（第２の照明光学系）のＦナンバーを、蛍光基板３５からの光束２９を照明光にする光学系（第１の照明光学系）のＦナンバーよりも小さく設定する。第１の照明光学系と第２の照明光学系とは、例えば、第１のレンズアレイ板１００、第２のレンズアレイ板１０１、偏光変換光学素子１０２、重畳用レンズ１０３、および、ダイクロイックミラー１０４を共通の光学素子として備えている。すなわち、当該共通の光学素子は、第１の照明光学系および第２の照明光学系の、光束２９および光速３９の入射側に配置されている。第１の照明光学系は、当該共通の光学素子以外に、さらに、ダイクロイックミラー１０５、リレーレンズ１０９、反射ミラー１０７、リレーレンズ１１０、反射ミラー１０８、フィールドレンズ１１３、および、フィールドレンズ１１１を備えている。第２の照明光学系は、当該共通の光学素子以外に、さらに、反射ミラー１０６およびフィールドレンズ１１２を備えている。発光ダイオード３７からの光束３９を照明光にする光学系について、蛍光光源からの光束２９を照明光にする光学系と同じＦナンバーの照明光学系を用いたのでは光利用効率が低下する。蛍光光源よりも発光面積が大きい発光ダイオードからの光束３９に対する第２の照明光学系のＦナンバーを第１の照明光学系のＦナンバーよりも小さくしているため、高い光利用効率で照明を行うことができる。なお、光軸に垂直な断面が三角形および矩形を含む多角形などの円以外の形状を有する光束については、光束の径を、対角線の長さ等の当該断面上の最大の長さ、ＦＷＨＭ（半値全幅）、１／ｅ2幅、Ｄ４σ幅（セカンドモーメント径）、ナイフエッジ幅、Ｄ８６幅等で表すことができる。光軸に垂直な断面が円の場合にも、同じように光束の径を定義することができる。
３つの液晶パネル１２３、１２４、１２５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１２３、１２４、１２５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１２０、１２１、１２２および出射側偏光板１２６、１２７、１２８を組み合わせて光を変調し、緑、青、赤の画像を形成する。透過型の液晶パネルは画素開口率を高くするため、入射光が画素開口を透過するように画素毎に形成されたレンズからなるマイクロレンズアレイを用いてもよい。例えば、液晶パネル１２３、１２５はマイクロレンズアレイが形成された液晶パネルであり、液晶パネル１２４はマイクロレンズアレイが形成されていない液晶パネルである。出射側偏光板１２６、１２７、１２８を透過した各色光は色合成プリズム１２９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１３０に入射する。投写レンズ１３０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。
マイクロレンズアレイが形成された液晶パネルの実効的な開口率を高くするには、例えば、画素開口を出射する光が拡散しても、投写レンズで取り込めるように、投写レンズのＦナンバーに対して、照明光の光学系のＦナンバーを大きくする。このために、発光面積が小さく、Ｆナンバーが大きい方の照明光学系に対応する光源である蛍光光源からの照明光が入射する液晶パネル１２３、１２５には、マイクロレンズアレイが形成された液晶パネルを用いることができる。また、発光面積が大きく、Ｆナンバーが小さい方の照明光学系に対応する光源である発光ダイオード３７からの光が入射する液晶パネル１２４にはマイクロレンズアレイが形成されていない液晶パネルを用いることができる。このように、発光面積が大きい方の光源である発光ダイオード３７の青色光の光学系については、照明光の光学系のＦナンバーを緑色および赤色の照明光の光学系のＦナンバーよりも小さくし、かつ、マイクロレンズが形成されていない液晶パネルと組み合わせて、光利用効率を最大化することができる。発光面積が小さい方の光源である蛍光光源の緑、赤色の光学系については、照明光の光学系のＦナンバーを青色の照明光の光学系よりも大きくして、かつ、マイクロレンズアレイが形成された液晶パネルと組み合わせて、光利用効率を最大化することができる。図１の構成では、例えば、投写レンズのＦナンバーを１．７として、蛍光基板からの照明光に対応した第１の照明光学系のＦナンバーを２．２、発光ダイオード光源からの照明光に対応した第２の照明光学系のＦナンバーを１．７として、光利用効率を高効率化している。
また、液晶パネル１２３、１２５に第１のマイクロレンズアレイが形成された液晶パネルを用い、液晶パネル１２４に第１のマイクロレンズアレイよりも焦点距離が長い第２のマイクロレンズアレイが形成された液晶パネルを用いてもよい。図４（ａ）に、第１のマイクロレンズアレイが形成された第１の液晶パネル４２０Ａの概略断面構成例を示す。カバーガラス４０１ａとカバーガラス４０１ｂとの間に第１のマイクロレンズアレイ４０２が配置されている。カバーガラス４０１ｂとカバーガラス４０１ｃとの間に、液晶層４０３と画素開口部４０４ａを有するブラックマトリクス４０４とが配置されている。第１の液晶パネル４２０Ａへの入射光４００ａは、第１のレンズアレイ板１００によって分割されて第１の照明光学系を経た多数の光束から構成されている。第１のマイクロレンズアレイ４０２のそれぞれのマイクロレンズに入射した光束は当該マイクロレンズにより集光されながら液晶層４０３及び画素開口部４０４ａを通過して出射光４００ｂとなる。また、図４（ｂ）に、第２のマイクロレンズアレイが形成された第２の液晶パネル４２０Ｂの概略断面構成例を示す。図４（ａ）の第１の液晶パネル４２０Ａとは、第１のマイクロレンズアレイ４０２に代えて第２のマイクロレンズアレイ４１２が配置されている点が異なっている。第２の液晶パネル４２０Ｂへの入射光４００ｃは、第１のレンズアレイ板１００によって分割されて第２の照明光学系を経た多数の光束から構成されている。第２のマイクロレンズアレイ４１２のそれぞれのマイクロレンズに入射した光束は当該マイクロレンズにより集光されながら液晶層４０３及び画素開口部４０４ａを通過して出射光４００ｄとなる。第２のマイクロレンズアレイ４１２の焦点距離は第１のマイクロレンズアレイ４０２の焦点距離よりも長いので、第２の液晶パネル４２０Ｂの出射光４００ｄの拡がり角度は第１の液晶パネル４２０Ａの出射光４００ｂの拡がり角度よりも小さい。
第１および第２の光源が、それぞれインコヒーレント光源、例えばそれぞれ蛍光光源、発光ダイオードであると、投写レンズからの投写光はインコヒーレント光となり、高出力のレーザー光に関する安全問題のない投写型表示装置が構成できる。
以上のように、照明装置を、発光面積が異なる第１および第２の光源からの光を、それぞれ異なる口径の光束に集光し、それぞれを照明光にするとともにそれぞれに対して互いにＦナンバーが異なる照明光学手段で画像形成手段等の照明対象物を照明する構成とすることにより、高効率な照明装置が実現できる。当該照明装置は、第１の光源と、第１の光源よりも発光面積が大きい第２の光源と、第１の光源からの光を第１の光束となるように集光する第１の集光手段と、第２の光源からの光を第２の光束となるように集光する第２の集光手段と、第１の光束および第２の光束を照明光にする照明光学手段であって、第２の光束に対するＦナンバーが第１の光束に対するＦナンバーよりも小さい照明光学手段とを備えていてもよい。
また、本発明の投射型表示装置は、映像信号に応じて画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段の照明光源としての前述したいずれかの照明装置と、画像形成手段から出射した光束を受け、画像形成手段で形成された画像を拡大投写する投写レンズとを備えていてよい。
当該投写型表示装置を、固体光源を用いた高効率な本発明の照明装置を用いて構成し、また、照明光学手段の互いに異なるＦナンバーに対して、マイクロレンズアレイを形成した液晶パネルとマイクロレンズアレイを形成しない液晶パネルを組み合わせて構成することにより、液晶パネルの実効的な画素開口率を最大化してもよい。このようにすると、長寿命で安全性が高く、高輝度な投写型表示装置が実現できる。また、３つのライトバルブをそれぞれ画像形成手段として用いるため、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。例えば、３つのライトバルブのうち、第１の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルを画素開口率を向上させるマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルとし、第２の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルをマイクロレンズアレイを備えていない液晶パネルとする。また例えば、３つのライトバルブのうち、第１の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルを画素開口率を向上させる第１のマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルとし、第２の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルを第１のマイクロレンズアレイよりも焦点距離が長い第２のマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルとする。
画像形成手段として、透過型の液晶パネルを備えたライトバルブを用いる例を挙げたが、異なる発光面積の複数の光源からの光束に対して、それぞれ異なるＦナンバーの光学系により照明光とする照明装置を用いることにより、画像形成手段に依存せずに、効率よく画像形成手段を照明できる。したがって、画像形成手段として反射型の液晶パネルを備えたライトバルブを用いてもよい。反射型の液晶パネルを用いることにより、高精細で高コントラストな投写画像を得る投写型表示装置が構成できる。また、画像形成手段として、ミラー偏向型のＤＭＤ等のミラー偏向型ライトバルブを用いてもよい。ミラー偏向型ライトバルブを用いることにより、小型で高信頼性の投写型表示装置を構成できる。また、第１および第２の光源のそれぞれに、蛍光光源、レーザー光源、発光ダイオードなどの任意の光源が使用可能である。
（実施の形態２）
図５は本発明の実施の形態を示す照明装置と、その照明装置を画像形成手段の照明光源として用いた投写型表示装置の構成図である。本発明の実施の形態１の構成と異なるのは、照明光学手段が、異なる発光面積の第１および第２の光源に対して、それぞれ異なるＦナンバーの第１および第２の照明光学系を、互いに共通の光学素子を含まないように備えている点である。
５０は半導体レーザー、５１は集光レンズ、５２は放熱板、５３はヒートシンク、５５、５６はレンズ、５７は拡散板、５８は青反射のダイクロイックミラー、６０は第１の集光手段であるコンデンサレンズ、６５は反射膜６２と蛍光体層６３を形成したガラス基板６１とモーター６４とを備える蛍光基板であり、本発明の第１の光源である蛍光光源である。５４は半導体レーザーからの光束、５９は蛍光基板６５から蛍光発光する光束を示している。２００、２０１はそれぞれ第１、第２のレンズアレイ板、２０２は偏光変換光学素子、２０３は重畳用レンズ、２０４は赤反射のダイクロイックミラー、２０５、２０６は反射ミラー、２０７、２０８はフィールドレンズであり、これらの構成要素を本発明の第１の照明光学系としている。２０９、２１０は緑、赤成分の照明光の光線様相、θＧ、θＲは液晶パネルへの照明光入射角である。
６６は第２の光源である青色成分を発光する発光ダイオード、６７はヒートシンク、６８は第２の集光手段であるコンデンサレンズ、６９は発光ダイオードからの光束を示している。光束（第１の光束）５９および光束（第２の光束）６９は、例えばそれぞれ平行光束である。平行光束は略平行光束の意味を包含する表現である。第１および第２の光束は平行光束に限らない。３００、３０１はそれぞれ第１、第２のレンズアレイ板、３０２は偏光変換光学素子、３０３は重畳用レンズ、３０４は反射ミラー、３０５はフィールドレンズであり、これらの構成要素を本発明の第２の照明光学系としている。３０６は青成分の照明光の光線様相、θＢは液晶パネル３０９への照明光入射角である。第１および第２の光源と、第１および第２の集光手段と、第１および第２の照明光学系を含む照明光学手段とを備えた構成を照明装置としている。２１３、２１４、３０８は入射側偏光板、２１５、２１６、３０９は液晶パネル、２１７、２１８、３１０は出射側偏光板、２１９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、２２０は投写レンズである。入射側偏光板２１３、液晶パネル２１５、および、出射側偏光板２１７により、また、入射側偏光板２１４、液晶パネル２１６、および、出射側偏光板２１８により、また、入射側偏光板３０８、液晶パネル３０９、および、出射側偏光板３１０により、それぞれ１つの液晶ライトバルブ（画像形成手段）が構成されている。当該液晶ライトバルブのそれぞれは、一般にライトバルブであってよい。
半導体レーザー５０は放熱板５２上に一定の間隔で２次元状に２４個（４×６）に正方配列で多数配置している。ヒートシンク５３は半導体レーザー５０を冷却するためのものである。半導体レーザー５０は、４４０ｎｍから４５５ｎｍの波長で青の色光を発光する。複数の半導体レーザー５０を出射した光は対応する集光レンズ５１により、それぞれ集光され平行な光束５４に変換される。光束５４群は凸面のレンズ５５と凹面のレンズ５６により、さらに小径化され、拡散板５７に入射する。拡散板５７はガラス製で表面の微細な凹凸形状で光を拡散する。拡散板５７からの光はダイクロイックミラー５８で反射する。ダイクロイックミラーは波長４４５ｎｍ付近の半導体レーザー光を反射し、かつ緑および赤の色光を透過する特性である。ダイクロイックミラー５８で反射した励起光束がコンデンサレンズ６０により集光されることにより、各半導体レーザー５０から出射した光は、１〜２ｍｍのスポット光に重畳された状態で、蛍光基板６５に入射する。蛍光基板６５は、例えば、ガラス基板（第１の基板）６１と、ガラス基板６１の一方の面上に配置された反射膜６２と、反射膜６２上に配置された蛍光体層６３とを備えるとともに、中央部にモーター６４を備えた回転制御可能な円形基板である。蛍光基板６５の反射膜６２は可視光を反射する誘電体薄膜である。蛍光体層６３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ＹＡＧ系黄色蛍光体を形成している。半導体レーザー５０からの光で励起された蛍光体層６３は緑、赤成分の光を含む黄色光を発光する。蛍光基板６５の発光面積は０．７８〜３．１４ｍｍ2である。蛍光基板６５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。蛍光基板６５から出射した緑および赤の色光は、再びコンデンサレンズ６０で集光され、光束５９に変換された後、ダイクロイックミラー５８を透過する。
蛍光基板６５からの光は、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、第２のレンズアレイ板２０１に収束する。第２のレンズアレイ板２０１は分割された多数の光束を液晶パネル２１５、２１６上に照明させる。第２のレンズアレイ板２０１を出射した光は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成された偏光変換光学素子２０２によって、入射する自然光を偏光光に変換した後、重畳用レンズ２０３により、液晶パネル２１５、２１６上に重畳される。重畳用レンズ２０３からの光は、赤反射のダイクロイックミラー２０４により、緑、赤の色光に分離される。緑の色光は反射ミラー２０５で反射した後、フィールドレンズ２０７、入射側偏光板２１３を透過して、液晶パネル２１５に入射する。赤の色光は反射ミラー２０６で反射した後、フィールドレンズ２０８、入射側偏光板２１４を透過して液晶パネル２１６に入射する。
一方、第２の光源である発光ダイオード６６は大光出力化するため、発光面積が５ｍｍ2以上の発光ダイオードを用いている。当該発光面積は、発光ダイオード６６のチップ表面の光取り出し領域の面積であり、蛍光基板６５の蛍光光源の発光面積に対して、６．４〜１．６倍以上と大きい。発光ダイオード６６はヒートシンク６７により冷却される。発光ダイオード６６からの光はコンデンサレンズ６８により、光束６９に変換される。発光ダイオードからの光束６９は、第１のレンズアレイ板３００に入射する。第１のレンズアレイ板３００に入射した光束は多数の光束に分割され、第２のレンズアレイ板３０１に収束する。第２のレンズアレイ板３０１は分割された多数の光束を液晶パネル３０９上に照明させる。第２のレンズアレイ板３０１を出射した光は、偏光分離プリズムと１／２波長板により構成された偏光変換光学素子３０２によって、入射する自然光を偏光光に変換した後、重畳用レンズ３０３により、液晶パネル３０９上に重畳される。重畳用レンズ３０３からの光は、反射ミラー３０４で反射した後、フィールドレンズ３０５、入射側偏光板３０８を透過して、液晶パネル３０９に入射する。
例えば、照明光入射角をθＢ＞θＧ＝θＲとし、発光面積が大きい方の光源である発光ダイオード６６からの光束６９に対する第２の照明光学系のＦナンバーを、発光面積が小さい方の光源である蛍光基板６５からの光束５９に対する第１の照明光学系のＦナンバーよりも小さくして、光利用効率を高くする。光束５９と光束６９との径の大小関係は問わない。第１および第２の光源からの光を、それぞれ第１および第２の集光手段で集光し、それぞれ異なるＦナンバーの第１および第２の照明光学系で液晶パネルを照明することにより、互いに発光面積が異なる光源であっても、それぞれの光源からの光を効率よく照明する照明装置が構成できる。
図５のように赤色光の光学系および緑色光の光学系が青色光の光学系から独立して設けられていると、赤色光の光学系では、例えば合成白色光から赤色光、緑色光、および青色光を分離する構成の光学系の赤色光路上に設けられるリレーレンズ、反射ミラーといった光学素子が不要であるので、光利用効率を高くすることができる。また、青色光の光学系では、色分離用のダイクロイックミラーが不要で、発光ダイオードの発光形状に対応したレンズアレイの設計が可能となるため、光利用効率を高くすることができる。このように、本実施形態によれば、高い光利用効率の照明装置が構成できる。
３つの液晶パネル２１５、２１６、３０９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２１５、２１６、３０９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２１３、２１４、３０８および出射側偏光板２１７、２１８、３１０を組み合わせて光を変調し、緑、青、赤の画像を形成する。
例えば、Ｆナンバーが大きい方の照明光学系に対応する光源である蛍光光源からの照明光が入射する液晶パネル２１５、２１６に、マイクロレンズアレイが形成された液晶パネルを用いて、実効的な画素開口率を高くする。また、例えば、Ｆナンバーが小さい方の照明光学系に対応する発光ダイオード６６からの照明光が入射する液晶パネル３０９にはマイクロレンズアレイが形成されていない液晶パネルを用いる。Ｆナンバーが小さい方の照明光学系の照明光については、たとえ液晶パネルの画素開口率が高くならなくても、発光部である第２の光源からの光の取り込み面積を大きくできるため、それぞれの光源からの光利用効率を最大化することができる。図５の構成では、例えば、投写レンズのＦナンバーを１．７として、蛍光光源からの照明光に対応した第１の照明光学系のＦナンバーを２．２とし、発光ダイオードからの照明光に対応した第２の照明光学系のＦナンバーを１．７として、光利用効率を高効率化している。
また、液晶パネル２１５、２１６に第１のマイクロレンズアレイが形成された液晶パネルを用い、液晶パネル３０９に第１のマイクロレンズアレイよりも焦点距離が長い第２のマイクロレンズアレイが形成された液晶パネルを用いてもよい。第１のマイクロレンズアレイが形成された液晶パネル、及び、第２のマイクロレンズアレイが形成された液晶パネルの構成はそれぞれ、図４（ａ）の第１の液晶パネル４２０Ａ、図４（ｂ）の第２の液晶パネル４２０Ｂと同様である。ここでは、第１のレンズアレイ板２００によって分割されて第１の照明光学系を経た多数の光束から構成される入射光４００ａが、第１のマイクロレンズアレイ４０２に入射する。また、第２のレンズアレイ板３００によって分割されて第２の照明光学系を経た多数の光束から構成される入射光４００ｃが、第２のマイクロレンズアレイ４１２に入射する。第２のマイクロレンズアレイ４１２の焦点距離は第１のマイクロレンズアレイ４０２の焦点距離よりも長いので、第２の液晶パネル４２０Ｂの出射光４００ｄの拡がり角度は第１の液晶パネル４２０Ａの出射光４００ｂの拡がり角度よりも小さい。
第１および第２の光源が、それぞれインコヒーレント光源、例えばそれぞれ蛍光光源、発光ダイオードであると、投写レンズからの投写光はインコヒーレント光となり、高出力のレーザー光に関する安全問題のない投写型表示装置が構成できる。
以上のように、照明装置を、発光面積が異なる第１および第２の光源からの光を、それぞれ第１および第２の集光手段で集光し、それぞれ異なるＦナンバーの照明光で照明する第１および第２の照明光学系を用いて画像形成手段等の照明対象物を照明する構成とすることにより、高効率な照明装置が構成できる。当該照明装置は、第１の光源と、第１の光源よりも発光面積が大きい第２の光源と、第１の光源からの光を第１の光束となるように集光する第１の集光手段と、第２の光源からの光を第２の光束となるように集光する第２の集光手段と、第１の光束を照明光にする第１の照明光学系および第２の光束を照明光にする第２の照明光学系を含む照明光学手段であって、第２の照明光学系のＦナンバーが第１の照明光学系のＦナンバーよりも小さい照明光学手段とを備えていてもよい。
また、本発明の投射型表示装置は、映像信号に応じて画像を形成する画像形成手段と、前記画像形成手段の照明光源としての前述したいずれかの照明装置と、画像形成手段から出射した光束を受け、画像形成手段で形成された画像を拡大投写する投写レンズとを備えていてよい。
当該投写型表示装置を、固体光源を用いた高効率な本発明の照明装置を用いて構成し、また、照明光学手段のそれぞれのＦナンバーに対して、マイクロレンズアレイを形成した液晶パネルあるいはマイクロレンズアレイを形成しない液晶パネルを組み合わせて構成することにより、液晶パネルの実効的な画素開口率を最大化してもよい。このようにすると、長寿命で安全性が高く、高輝度な投写型表示装置が実現できる。また、３つのライトバルブをそれぞれ画像形成手段として用いるため、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。例えば、３つのライトバルブのうち、第１の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルを画素開口率を向上させるマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルとし、第２の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルをマイクロレンズアレイを備えていない液晶パネルとする。また例えば、３つのライトバルブのうち、第１の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルを画素開口率を向上させる第１のマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルとし、第２の光源からの光が照明されるライトバルブの液晶パネルを第１のマイクロレンズアレイよりも焦点距離が長い第２のマイクロレンズアレイを備えた液晶パネルとする。
画像形成手段として、透過型の液晶パネルを備えたライトバルブを用いる例を挙げたが、異なる発光面積の複数の光源からの光束に対して、それぞれ異なるＦナンバーの光学系により照明光とする照明装置を用いることにより、画像形成手段に依存せずに、効率よく画像形成手段を照明できる。したがって、画像形成手段として反射型の液晶パネルを備えたライトバルブ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、高精細で高コントラストな投写画像を得る投写型表示装置が構成できる。また、画像形成手段として、ミラー偏向型のＤＭＤ等のミラー偏向型ライトバルブを用いてもよい。ミラー偏向型ライトバルブを用いることにより、小型で高信頼性の投写型表示装置を構成できる。また、第１および第２の光源のそれぞれに、蛍光光源、レーザー光源、発光ダイオードなどの任意の光源が使用可能である。
本発明は、画像形成手段を用いた投写型表示装置の生産等に利用することができる。
２０、５０ 半導体レーザー
２１、５１ 集光レンズ
２２、５２ 放熱板
２３、３８、５３、６７ ヒートシンク
２４、２９、３９、５４、６９ 光束
２５、２６、５５、５６ レンズ
２７、５７ 拡散板
２８、５８ ダイクロイックミラー
３０、３６、６０、６８ コンデンサレンズ
３１、６１ ガラス基板
３２、６２ 反射膜
３３、６３ 蛍光体層
３４、６４ モーター
３５、６５ 蛍光基板
３７、６６ 発光ダイオード
１００、２００、３００ 第１のレンズアレイ板
１０１、２０１、３０１ 第２のレンズアレイ板
１０２、２０２、３０２ 偏光変換光学素子
１０３、２０３、３０３ 重畳用レンズ
１０４ 青反射のダイクロイックミラー
１０５ 緑反射のダイクロイックミラー
１０６、１０７、１０８、２０５、２０６、３０４ 反射ミラー
１０９、１１０ リレーレンズ
１１１、１１２、１１３、２０７、２０８、３０５ フィールドレンズ
１１４、１１６、２０９、２１０、３０６ 照明光の光線様相
１２０、１２１、１２２、２１３、２１４、３０８ 入射側偏光板
１２３、１２４、１２５、２１５、２１６、３０９ 液晶パネル
１２６、１２７、１２８、２１７、２１８、３１０ 出射側偏光板
１２９、２１９ 色合成プリズム
１３０、２２０ 投写レンズ
２０４ 赤反射のダイクロイックミラー
４００ａ、４００ｃ 入射光
４００ｂ、４００ｄ 出射光
４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ カバーガラス
４０３ 液晶層
４０４ ブラックマトリクス
４０４ａ 画素開口部
４０２ 第１のマイクロレンズアレイ
４１２ 第２のマイクロレンズアレイ
４２０Ａ 第１の液晶パネル
４２０Ｂ 第２の液晶パネル

Claims (11)

  1. 第１の光源と、前記第１の光源よりも発光面積が大きい第２の光源と、
    前記第１の光源からの光を第１の光束となるように集光する第１の集光手段と、前記第２の光源からの光を第２の光束となるように集光する第２の集光手段と、
    前記第１の光束および前記第２の光束を照明光にする照明光学手段であって、前記第２の光束に対するＦナンバーが前記第１の光束に対するＦナンバーよりも小さい照明光学手段と、を備え、
    前記第１の光源は、半導体レーザー光源からの光で励起され、蛍光発光する蛍光光源であることを特徴とする照明装置。
  2. 前記照明光学手段は、前記第１の光束に対する第１の照明光学系と、前記第２の光束に対する第２の照明光学系とを、互いに共通の光学素子を前記第１の光束および前記第２の光束の入射側に含むように備えており、
    前記第２の光束の径は前記第１の光束の径よりも大きく、
    前記第２の照明光学系のＦナンバーは、前記第１の照明光学系のＦナンバーよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
  3. 前記照明光学手段は、前記第１の光束に対する第１の照明光学系と、前記第２の光束に対する第２の照明光学系とを、互いに共通の光学素子を含まないように備えており、
    前記第２の照明光学系のＦナンバーは、前記第１の照明光学系のＦナンバーよりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
  4. 前記第２の光源は、発光ダイオードである請求項１から３までのいずれか１項に記載の照明装置。
  5. 前記蛍光光源は、回転制御可能な円形基板であって、第１の基板と、前記第１の基板の一方の面上に配置された反射膜と、前記反射膜上に配置された蛍光体層とを備えている請求項１に記載の照明装置。
  6. 前記蛍光光源の蛍光体層としてＹＡＧ系黄色蛍光体を備えている請求項１、２、３、または５に記載の照明装置。
  7. 映像信号に応じて画像を形成する画像形成手段と、
    前記画像形成手段の照明光源としての、請求項１から６までのいずれか１項に記載の照明装置と、
    前記画像形成手段から出射した光束を受け、前記画像形成手段で形成された画像を拡大投写する投写レンズと、を備えていることを特徴とする投写型表示装置。
  8. 前記画像形成手段はライトバルブである請求項７に記載の投写型表示装置。
  9. 透過型の液晶パネルを含む前記ライトバルブを３つ備え、
    ３つの前記ライトバルブのうち、
    前記第１の光源からの光が照明される前記ライトバルブの前記液晶パネルは画素開口率を向上させるマイクロレンズアレイを備えており、
    前記第２の光源からの光が照明される前記ライトバルブの前記液晶パネルはマイクロレンズアレイを備えていない請求項８に記載の投写型表示装置。
  10. 透過型の液晶パネルを含む前記ライトバルブを３つ備え、
    ３つの前記ライトバルブのうち、
    前記第１の光源からの光が照明される前記ライトバルブの前記液晶パネルは画素開口率を向上させる第１のマイクロレンズアレイを備えており、
    前記第２の光源からの光が照明される前記ライトバルブの前記液晶パネルは前記第１のマイクロレンズアレイよりも焦点距離が長い第２のマイクロレンズアレイを備えている請求項８に記載の投写型表示装置。
  11. 前記画像形成手段はミラー偏向型のデジタルマイクロミラーデバイスである請求項７に記載の投写型表示装置。
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