JP7203322B2 - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、投写型映像表示装置の光変調素子などのための照明光を発生する照明装置に関し、また、そのような照明装置を備えた投写型映像表示装置に関する。

映画及び会議プレゼンテーションなどにおいて映像を大画面に投写するために、投写型映像表示装置が広く用いられている。投写型映像表示装置は、主にほぼ平面状の白色の投写面の上に、周辺まで焦点が合った歪みのない映像を投写することができる。

従来、投写型映像表示装置の光源として、キセノンランプ及び超高圧水銀ランプなど、大光量の白色のランプ光源が使用されてきた。しかしながら、ランプ光源は、数千時間ごとに寿命による交換が必須であり、かつ、最悪の場合、使用中に寿命となったときに表示が全くできなくなるなど、長期使用時のメンテナンス性に課題がある。

最近では、ランプ光源に代わり、より長寿命の発光ダイオード及びレーザダイオードなどの固体光源素子を用いた照明装置及び投写型映像表示装置が開発されている。固体光源素子は、交換の頻度が低減又は不要になることで、そのメンテナンス性が著しく向上した。それに加えて、固体光源素子の狭い分光分布特性のため、広い色域を有する投写型映像表示装置を実現できるようになった。特にレーザダイオードを光源として用いる場合、光源からの光の広がりが少ないので、光利用効率を向上させることが可能となる。特に明るさが必要な場合、青色のレーザダイオードと蛍光体とを備え、青色光を蛍光体に照射することにより他の色成分光を発生する投写型映像表示装置が提供されている。

特開２０１８－０５４６６７号公報

本開示の目的は、既存の照明装置及び投写型映像表示装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、ある色成分光の分光特性を選択的に改善することができる照明装置及び投写型映像表示装置を提供することにある。

本開示の一態様に係る照明装置によれば、第１の色成分光を発生する光源と、ある瞬間において、第１の色成分光を部分的に透過し、第１の色成分光を部分的に反射し、かつ、第１の色成分光とは異なる第２の色成分光を透過する分離素子と、分離素子を透過した第１の色成分光により励起されて第２の色成分光を発生する発光体と、光源から分離素子に入射して分離素子によって反射された第１の色成分光と、発光体から分離素子に入射して分離素子を透過した第２の色成分光とを互いに合成する光学系とを備える。分離素子は、第１の色成分光について可変な透過率及び反射率を有するように構成される。

本開示の一態様に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、既存の照明装置及び投写型映像表示装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、ある色成分光の分光特性を選択的に改善することができる。

第１の実施形態に係る投写型映像表示装置１の例示的な構成を示す概略図である。 図１のダイクロイックミラー１０６の例示的な透過特性を示すグラフである。 図１の蛍光体ホイール装置２１０の例示的な構成を示す正面図である。 図１の蛍光体ホイール装置２１０の例示的な構成を示す側面図である。 図１のダイクロイックミラー２２０の例示的な構成を示す概略図である。 図１のダイクロイックミラー２２０の例示的な透過特性を示すグラフである。 図１のフィルタホイール装置２４０の例示的な構成を示す正面図である。 図１のフィルタホイール装置２４０の例示的な構成を示す側面図である。 図７のダイクロイック膜２４２ｄの分光特性を示す図である。 図１の投写型映像表示装置１のＣＩＥ１９３１色空間のｘｙ色度図である。 図１の投写型映像表示装置１において青色光の分光特性を改善する場合における青色光の経路を示す概略図である。 図１の投写型映像表示装置１において青色光の分光特性を改善しない場合における青色光の経路を示す概略図である。 第１の実施形態の比較例に係る投写型映像表示装置１Ａの例示的な構成を示す概略図である。 第１の実施形態の第１の変形例に係るダイクロイックミラー２２０Ｂの例示的な構成を示す概略図である。 第１の実施形態の第２の変形例に係る投写型映像表示装置１Ｃの例示的な構成を示す概略図である。 図１５の蛍光体ホイール装置２５０の例示的な構成を示す正面図である。 図１５の蛍光体ホイール装置２５０の例示的な構成を示す側面図である。 第２の実施形態に係る投写型映像表示装置１Ｄの例示的な構成を示す概略図である。 図１８の偏光ビームスプリッタ２３５の例示的な透過特性を示すグラフである。 図１８の投写型映像表示装置１Ｄにおいて青色光の分光特性を改善する場合における青色光の経路を示す概略図である。 図１８の投写型映像表示装置１Ｄにおいて青色光の分光特性を改善しない場合における青色光の経路を示す概略図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。

なお、添付図面及び以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

［本開示の課題について］
装置の簡略化及びコスト削減のために、各色成分光（例えば、赤色光、緑色光、及び青色光）を単一の光変調素子に時分割で照射し、映像の各フレームの互いに異なる色成分を高速に切り換えて表示することで、フルカラーの映像を知覚させる投写型映像表示装置が提供されている。このような投写型映像表示装置では、例えば青色の固体光源素子と蛍光体とを光源として用いた場合、一般的に、光変調素子に照射される青色光としては、固体光源素子によって発生された青色光がそのまま使用される。しかしながら、固体光源素子の発光効率が最大化されるときに固体光源素子により発生される青色光の分光特性は、投写型映像表示装置により投写すべき好ましい青色光の分光特性と必ずしも同一ではない。また、蛍光体の発光効率を最大化するように蛍光体を励起する青色光の分光特性もまた、投写型映像表示装置により投写すべき好ましい青色光の分光特性と必ずしも同一ではない。従って、固体光源素子及び蛍光体の発光効率を考慮すると、照明装置及び投写型映像表示装置の青色光の分光特性が、投写型映像表示装置により投写すべき好ましい青色光の分光特性からずれてしまうという課題がある。

青色光の分光特性を改善するために、例えば特許文献１の発明が提案されている。特許文献１の発明は、青色光の一部を反射し、残余の青色光及びその他の色光を透過する波長選択反射板と、波長選択反射板を透過した青色光によって励起されて緑色光を発生する蛍光板と、蛍光板によって発生された緑色光を集光して波長選択反射板に向けて出射する集光素子とを備える。波長選択反射板は、例えば蛍光体ホイールの一部に設けられる。特許文献１の発明は、波長選択反射板によって反射された青色光と、蛍光板によって発生されて波長選択反射板を透過した緑色光とを合成することにより、青色光の分光特性を改善する。

特許文献１の発明は、波長選択反射板が一体化された蛍光体ホイールと、反射板と、集光素子とを設けるために、既存の投写型映像表示装置の構成に対して大幅な変更を必要とする。従って、既存の照明装置及び投写型映像表示装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、ある色成分光の分光特性を改善できることが求められる。

また、特許文献１の発明では、青色光には常に緑色光が合成されている。蛍光板の発光効率は１００％よりも小さいので、蛍光板を励起するために青色光の一部を使用すると、青色光に緑色光を合成しない場合に比較して、青色光の輝度が常に低下してしまう。特許文献１の発明では、緑色光が合成されていない青色光を発生するためには、再び、その構成の大幅な変更を必要とする。従って、簡単な構成で、ある色成分光の分光特性を改善するか否かを選択できることが求められる。

以下の実施形態では、既存の照明装置及び投写型映像表示装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、ある色成分光の分光特性を選択的に改善することができる照明装置及び投写型映像表示装置を提供する。

［１．第１の実施形態］
以下、図１～図１７を参照して、第１の実施形態に係る投写型映像表示装置について説明する。

以下では、本開示の具体的な実施形態として、光変調素子として、ディジタルマイクロミラーデバイス（以下、「ＤＭＤ」と称する）を備えた投写型映像表示装置について説明する。

［１－１．構成］
図１は、第１の実施形態に係る投写型映像表示装置１の例示的な構成を示す概略図である。投写型映像表示装置１は、複数のレーザダイオード（ＬＤ）１０１、複数のコリメートレンズ１０２、コンデンサレンズ１０３、凹レンズ１０４、拡散板１０５、ダイクロイックミラー１０６、コンデンサレンズ１０７，１０８、蛍光体ホイール装置２１０、コンデンサレンズ１１１、ダイクロイックミラー２２０、駆動装置２３０、コンデンサレンズ２３１，２３２、蛍光体２３３、凹レンズ１１２、反射ミラー１１３、拡散板１１４、凸レンズ１１５、反射ミラー１１６、及びコンデンサレンズ１１７を備える。本明細書では、投写型映像表示装置１のこれらの構成要素を、「照明装置」ともいう。投写型映像表示装置１は、フィルタホイール装置２４０、ロッドインテグレータ１２１、リレーレンズ１２２，１２３，１２４、内部全反射プリズム（ＴＩＲプリズム）１２５、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）１２６、及び投写光学系３００をさらに備える。前述の照明装置は、ディジタルマイクロミラーデバイス１２６に照射するための照明光を発生する。ディジタルマイクロミラーデバイス１２６は、照明装置から入射した照明光を空間的に変調することにより、スクリーン４００に投写するための映像光を発生する。

図１の投射型映像表示装置１は、レーザダイオード１０１によって発生された青色光の分光特性を改善するため、ダイクロイックミラー２２０、駆動装置２３０、コンデンサレンズ２３１，２３２、及び蛍光体２３３を備える。蛍光体２３３は、青色光によって励起されて緑色光を発生する。ダイクロイックミラー１０６、コンデンサレンズ１０７，１０８、蛍光体ホイール装置２１０、コンデンサレンズ１１１、ダイクロイックミラー２２０、コンデンサレンズ２３１，２３２、凹レンズ１１２、反射ミラー１１３、拡散板１１４、凸レンズ１１５、及び反射ミラー１１６を含む光学系は、レーザダイオード１０１によって発生された青色光と、蛍光体２３３より発生された緑色光とを、ダイクロイックミラー１０６において互いに合成するように構成されている。

各ＬＤ１０１は、４４７ｎｍから４６２ｎｍの波長幅において、直線偏光された青色光を発生する。各ＬＤ１０１は、出射光がダイクロイックミラー１０６の入射面に対してＰ偏光となるように配置される。各コリメートレンズ１０２は、対応する１つのＬＤ１０１からの出射された光を平行光化する。コンデンサレンズ１０３及び凹レンズ１０４は、平行光を収束してより細い平行光を生成するアフォーカル系を構成する。具体的には、コンデンサレンズ１０３は、複数のコリメートレンズ１０２からの平行光を集光し、凹レンズ１０４は、コンデンサレンズ１０３からの光を平行化する。拡散板１０５は、凹レンズ１０４からの光を拡散する。拡散板１０５を通過した光は、ダイクロイックミラー１０６に入射する。

本明細書において、各ＬＤ１０１を「光源」ともいう。

図２は、図１のダイクロイックミラー１０６の例示的な透過特性を示すグラフである。ダイクロイックミラー１０６は、波長４６５ｎｍを有するＳ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射し、また、波長４７２ｎｍを有するＰ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射する。ダイクロイックミラー１０６は、緑色光及び赤色光については、偏光にかかわらず、その９５％以上を反射する。拡散板１０５からダイクロイックミラー１０６にはＰ偏光の青色光が入射するので、青色光はダイクロイックミラー１０６と透過してコンデンサレンズ１０７に進む。

拡散板１０５からダイクロイックミラー１０６に入射して透過した青色光は、コンデンサレンズ１０７，１０８に入射して、次いで、蛍光体ホイール装置２１０の表面に集光される。コンデンサレンズ１０８の焦点距離は集光角度が４０度以下となるように設定され、蛍光体ホイール装置２１０の近傍に集光スポットが形成される。

図３は、図１の蛍光体ホイール装置２１０の例示的な構成を示す正面図である。図４は、図１の蛍光体ホイール装置２１０の例示的な構成を示す側面図である。図３は、コンデンサレンズ１０８から蛍光体ホイール装置２１０に光が入射する面を示す。蛍光体ホイール装置２１０は、中心軸２１０Ｘ、アルミニウム基板２１１、蛍光体層２１２、駆動モータ２１３、及び開口２１４を備える。

アルミニウム基板２１１は、その中央部に駆動モータ２１３を備え、中心軸２１０Ｘの周りに回転可能な円形基板である。アルミニウム基板２１１の表面には、反射膜（図示せず）が形成され、反射膜の表面にさらに蛍光体層２１２が形成されている。反射膜は、可視光を反射する金属層もしくは誘電体膜である。アルミニウム基板２１１の一部には開口２１４が設けられている。蛍光体層２１２には、青色光により励起され、緑色光及び赤色光の波長成分を含む黄色光を発生するＣｅ付活ＹＡＧ系黄色蛍光体が形成されている。この黄色蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２である。蛍光体層２１２はほぼ円環状に形成されているが、円環の一部分には、青色光を透過させるための開口２１４が設けられ、蛍光体層２１２は形成されていない。

本明細書では、蛍光体ホイール装置２１０を「第１の蛍光体ホイール装置」ともいう。

蛍光体層２１２は、コンデンサレンズ１０８からのスポット光で励起されることにより、緑色光及び赤色光を含む黄色光を発生する。蛍光体ホイール装置２１０は、アルミニウム基板２１１を中心軸２１０Ｘの周りに回転させることにより、青色光で励起されることによる蛍光体層２１２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２１２によって発生された緑色光及び赤色光の一部は、コンデンサレンズ１０８に向かって出射する。蛍光体層２１２により発生されて反射膜の側に進んだ緑色光及び赤色光は反射膜で反射され、コンデンサレンズ１０８に向かって出射する。また、蛍光体層２１２によって発生された緑色光及び赤色光は、ランダムな偏光状態を有する自然光として出射される。蛍光体層２１２から出射した緑色光及び赤色光は、再びコンデンサレンズ１０８，１０７で集光されてほぼ平行光に変換されたのち、ダイクロイックミラー１０６で反射され、コンデンサレンズ１１７に進む。

一方、コンデンサレンズ１０８から蛍光体ホイール装置２１０の開口２１４に入射した青色光は、開口２１４をそのまま通過し、コンデンサレンズ１１１によってほぼ平行かつ広い光束の光線に変換された後、ダイクロイックミラー２２０に進む。

図５は、図１のダイクロイックミラー２２０の例示的な構成を示す概略図である。ダイクロイックミラー２２０は、ガラスなどの平坦な透明基板に形成されたダイクロイックコート層２２１及びＡＲ（anti-reflection）コート層２２２を備える。ダイクロイックコート層２２１は、青色光を反射し、かつ、緑色光を透過する。ＡＲコート層２２２は、青色光及び緑色光を透過する。ＡＲコート層２２２の領域は、ダイクロイックコート層２２１の領域の内部に設けられ、コンデンサレンズ１１１（すなわち光源）からダイクロイックミラー２２０に入射する青色光のスポットサイズよりも小さなサイズを有する。これにより、ダイクロイックミラー２２０は、ある瞬間において、青色光を部分的に透過し、青色光を部分的に反射し、かつ、蛍光体２３３によって発生された緑色光（後述）を透過する。

図６は、図１のダイクロイックミラー２２０の例示的な透過特性を示すグラフである。ダイクロイックミラー２２０は、波長４７２ｎｍを有するＳ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射し、また、波長４６５ｎｍを有するＰ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射する。ダイクロイックミラー２２０は、緑色光及び赤色光については、偏光にかかわらず、その９５％以上を透過する。図１の例では、コンデンサレンズ１１１からダイクロイックミラー２２０に入射する青色光は、拡散板１０５からダイクロイックミラー２２０に入射する青色光と同様に、Ｐ偏光を有する。

図５では、ＡＲコート層２２２の形状を円形に示すが、多角形又は他の形状などであってもよい。

本明細書では、ダイクロイックミラー２２０を「分離素子」ともいう。また、本明細書では、ダイクロイックコート層２２１を「第１の領域」ともいい、ＡＲコート層２２２を「第２の領域」ともいう。

駆動装置２３０は、コンデンサレンズ１１１からダイクロイックミラー２００に入射する青色光がすべてダイクロイックコート層２２１に入射するか、それとも、部分的にＡＲコート層２２２に入射するかを切り換えるように、ダイクロイックミラー２００移動させる。前者の場合は、コンデンサレンズ１１１からダイクロイックミラー２００に入射する青色光のすべては、ダイクロイックコート層２２１によって反射される。一方、後者の場合は、コンデンサレンズ１１１からダイクロイックミラー２００に入射する青色光の一部は、ＡＲコート層２２２を透過し、残りはダイクロイックコート層２２１によって反射される。これにより、ダイクロイックミラー２２０は、青色光について可変な透過率及び反射率を有するように構成される。

コンデンサレンズ１１１からダイクロイックミラー２２０に入射した青色光の大部分は、ダイクロイックコート層２２１によって反射され、凹レンズ１１２、反射ミラー１１３、拡散板１１４、及び凸レンズ１１５を介して、ほぼ平行な光線に変換される。凸レンズ１１５によってほぼ平行な光線に変換された青色光は、反射ミラー１１６にて反射されてダイクロイックミラー１０６へ入射する。ダイクロイックミラー１０６に入射した青色光は、ダイクロイックミラー１０６を透過してコンデンサレンズ１１７に進む。

一方、コンデンサレンズ１１１からダイクロイックミラー２２０に入射した青色光の一部は、ＡＲコート層２２２を透過し、コンデンサレンズ２３１，２３２を介して蛍光体２３３の表面に集光する。コンデンサレンズ２３２の焦点距離は集光角度が４０度以下となるように設定され、蛍光体２３３の近傍に集光スポットが形成される。

蛍光体２３３は、板状基板と、板状基板の表面に形成された反射膜と、反射膜の表面に形成された蛍光体層とを備える。反射膜は、可視光を反射する金属層もしくは誘電体膜である。蛍光体２３３には、青色光により励起され、緑色光を発生するＣｅ付活ＬＡＧ系緑色蛍光体が形成されている。緑色蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織は、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２である。

蛍光体２３３は、コンデンサレンズ２３２からのスポット光で励起されることにより、緑色光を発生する。蛍光体２３３の裏面には放熱板（図示せず）が配置され、青色光で励起されることによる蛍光体２３３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２３３によって発生された緑色光の一部は、コンデンサレンズ２３２に向かって出射する。蛍光体２３３により発生されて反射膜の側に進んだ緑色光は反射膜で反射され、コンデンサレンズ２３２に向かって出射する。また、蛍光体２３３によって発生された緑色光は、ランダムな偏光状態を有する自然光として出射される。蛍光体２３３から出射した緑色光は、再びコンデンサレンズ２３２，２３１で集光されてほぼ平行光に変換されたのち、ダイクロイックミラー２２０を透過し、コンデンサレンズ１１１に進む。

コンデンサレンズ１１１を透過した緑色光は、コンデンサレンズ１１１で集光され、蛍光体ホイール装置２１０の開口２１４を通過する。次いで、緑色光は、コンデンサレンズ１０８，１０７でほぼ平行光に変換された後、ダイクロイックミラー１０６で反射されてコンデンサレンズ１１７に進む。

本明細書では、蛍光体２３３を「発光体」ともいう。また、本明細書では、ＬＤ１０１によって発生される青色光を「第１の色成分光」ともいい、蛍光体２３３によって発生される緑色光を「第２の色成分光」ともいう。

光源からダイクロイックミラー２２０に入射して反射された青色光と、蛍光体２３３からダイクロイックミラー２２０に入射して透過した緑色光とは、ダイクロイックミラー１０６において互いに合成される。このように、青色光に緑色光を合成することにより（「合成後の青色光」という）、投写型映像表示装置１により投写すべき好ましい青色光の分光特性を実現することができる。

このように、蛍光体層２１２によって発生された緑色光及び赤色光を含む黄色光と、蛍光体２３３によって発生された緑色光を含む合成後の青色光とが得られ、これらの色成分光は、ダイクロイックミラー１０６からコンデンサレンズ１１７に進む。これらの色成分光を時分割多重により合成すると、白色光として視認される。ダイクロイックミラー１０６からコンデンサレンズ１１７に入射した光は、フィルタホイール装置２４０に集光される。

図７は、図１のフィルタホイール装置２４０の例示的な構成を示す正面図である。図８は、図１のフィルタホイール装置２４０の例示的な構成を示す側面図である。図７は、コンデンサレンズ１１７からフィルタホイール装置２４０に光が入射する面を示す。フィルタホイール装置２４０は、中心軸２４０Ｘ、透明基板２４１、ダイクロイック膜２４２、及び駆動モータ２４３を備える。

透明基板２４１は、その中央部に駆動モータ２４３を備え、中心軸２４０Ｘの周りに回転制御可能な円形基板である。透明基板２４１は、例えば可視域全域にわたり高い透過率を有するガラス板で構成される。透明基板２４１の表面には、所望の波長帯域のみを透過するようにダイクロイック膜２４２が形成されている。ダイクロイック膜２４２は、例えば図７に示すように、４つの扇形領域であるダイクロイック膜２４２ａ～２４２ｄを含む。例えば、ダイクロイック膜２４２ａは黄色光（緑色光＋赤色光）のみを透過し、ダイクロイック膜２４２ｂは、赤色光のみを透過し、ダイクロイック膜２４２ｃは、緑色光のみを透過し、ダイクロイック膜２４２ｄは、青色光と真緑色光を透過する。

蛍光体ホイール装置２１０及びフィルタホイール装置２４０は、互いに同期しながら回転するように制御される。例えば、図３の蛍光体層２１２の位置と、図６のダイクロイック膜２４２ａ～２４２ｃの位置とが時間的に同期するように制御される。これにより、図３の蛍光体層２１２から出射した緑色光及び赤色光を含む黄色光は、図４のダイクロイック膜２４２ａ～２４２ｃを透過する際に、黄色光、赤色光、及び緑色光にそれぞれ分離される。一方、蛍光体２３３によって発生されて図３の開口２１４を通過した緑色光を含む合成後の青色光は、図４のダイクロイック膜２４２ｄを透過する際に、緑色光の長波長側の色成分がカットされ、緑色光に代えて真緑色光を含む合成後の青色光になる。ダイクロイック膜２４２ａ～２４２ｄをそれぞれ透過した各色成分光は、図１のロッドインテグレータ１２１に進む。

図９は、図７のダイクロイック膜２４２ｄの分光特性を示す図である。図９は、蛍光体２３３によって発生された緑色光がダイクロイック膜２４２ｄを通過する際の分光特性を示す。蛍光体２３３によって発生された緑色光は、ダイクロイック膜２４２ｄを透過することにより、長波長側の色成分がカットされ、真緑色光の分光特性を有するように変換される。ダイクロイック膜２４２ｄのカットオフ波長は、例えば５５２ｎｍである。この場合、ダイクロイック膜２４２ｄを透過した後の緑色光は、例えばＣＩＥ１９３１色空間のｘｙ色度の座標：ｘ＝０．１５８、ｙ＝０．６８６を有する。

図１０は、図１の投写型映像表示装置１のＣＩＥ１９３１色空間のｘｙ色度図である。図１０において、Ｒｅｃ．７０９の色空間と、ＬＤ１０１の青色光の色度座標とを示す。ＬＤ１０１の青色光は、例えば主波長４５６ｎｍを有し、ｘｙ色度の座標：ｘ＝０．１５０、ｙ＝０．０２６を有する。ダイクロイック膜２４２ｄを透過した真緑色光を含む合成後の青色光は、青色光及び真緑色光の強度比に応じて、色空間において破線のように移動する。青色光及び真緑色光の強度比は、ダイクロイックミラー２２０におけるＡＲコート層２２２の大きさにより調整可能である。青色光及び真緑色光の強度比を調整することで、投写型映像表示装置１により投写する青色光の分光特性を、Ｒｅｃ．７０９の青色光の座標：ｘ＝０．１５０、ｙ＝０．０６０と一致させることが可能である。

このように、コンデンサレンズ１１７からフィルタホイール装置２４０に入射した黄色光及び合成後の青色光は、フィルタホイール装置２４０によって赤色光、緑色光、青色光、及び黄色光に分離され、ロッドインテグレータ１２１に進む。これらの赤色光、緑色光、青色光は良好な３原色を示し、これらの色成分光は時分割多重により色合成すると、良好なホワイトバランスの発光特性を得ることができる。さらに、これらの色成分光は、ＤＭＤ１２６の各画素のオン時間及びオフ時間を調整することにより、所望の色度座標の色に変換することができる。

ロッドインテグレータ１２１は、ガラスなどの透明部材によって構成される中実のロッドである。ロッドインテグレータ１２１は、入射する光を内部で複数回反射させることにより、均一な強度分布を有する光を生成する。なお、ロッドインテグレータ１２１は、ミラー面によって構成される内壁を有する中空のロッドであってもよい。

リレーレンズ１２２，１２３，１２４は、ロッドインテグレータ１２１の出射光をＤＭＤ１２６にほぼ結像する。ロッドインテグレータ１２１の出射光は、リレーレンズ１２２，１２３，１２４を透過し、内部全反射プリズム（ＴＩＲプリズム）１２５に入射する。ＴＩＲプリズム１２５は２つのプリズム１２５ｂ，１２５ａから構成され、プリズム１２５ｂ，１２５ａが互いに近接する面には薄い空気層（図示せず）が形成されている。空気層は、臨界角以上の角度でプリズム１２５ａから出射する光を全反射する。リレーレンズ１２４からＴＩＲプリズム１２５ａに入射した光は、この空気層で全反射され、ＤＭＤ１２６にほぼ結像する。

ＤＭＤ１２６は、映像信号等の各種の制御信号に基づき、ＤＭＤ１２６に入射した光を空間的に変調し、画素ごとに異なる光強度を有する映像光を、色成分光のそれぞれについて時分割で生成する。具体的には、ＤＭＤ１２６は、複数の可動式の微小ミラーを有する。各微小ミラーは、基本的に１画素に相当する。ＤＭＤ１２６は、制御信号からの変調信号に基づいて各微小ミラーの角度を変更することにより、反射光を投写光学系３００に向けるか否かを切り換える。ＤＭＤ１２６のある微小ミラーがオンであるとき、当該微小ミラーで反射された光は、ＴＩＲプリズム１２５ａ，１２５ｂの双方を透過して投写光学系３００に入射したのちに、スクリーン４００の投写面に投写される。

時分割でそれぞれ生成された赤色の映像光、緑色の映像光、及び青色の映像光、黄色の映像光は、スクリーン４００の投写面に到達し、フルカラー映像として知覚される。この際、時分割の周期（フレームレート）が遅いと、人間の眼に色のちらつきが知覚されることがある。従って、例えば、６０フレーム／秒（６０ｆｐｓ）などの高いフレームレートの映像データを使用し、例えば赤色光～黄色光までの１周期を映像データのフレームレートの３倍速（１８０ｆｐｓ）で駆動することで、色のちらつきを抑制することができる。

［１－２．動作］
図５に示すように、ダイクロイックミラー２２０は移動可能に構成されている。これにより、コンデンサレンズ１１１からダイクロイックミラー２２０に入射する光を、ダイクロイックコート層２２１及びＡＲコート層２２２の両方で受けるか（図５のＯＮ状態）、ダイクロイックコート層２２１のみで受けるか（図５のＯＦＦ状態）を切り換えることが可能である。

図１１は、図１の投写型映像表示装置１において青色光の分光特性を改善する場合における青色光の経路を示す概略図である。図１２は、図１の投写型映像表示装置１において青色光の分光特性を改善しない場合における青色光の経路を示す概略図である。図１１は図５のＯＮ状態の場合における光の経路を示し、図１２は図５のＯＦＦ状態の場合における光の経路を示す。

図１１の場合、これまで示したように、ダイクロイックミラー２２０を透過した青色光が蛍光体２３３を励起し、ダイクロイックミラー１０６で青色光と緑色光が合成され、合成後の青色光がフィルタホイール装置２４０に進む。蛍光体２３３の変換効率は１００％よりも小さいので、フィルタホイール装置２４０に到達する合成後の青色光の強度は、ＬＤ１０１からダイクロイックミラー２２０に到達した青色光の強度よりも低下してしまう。このような合成後の青色光を緑色光、赤色光、及び黄色光と合成し、ホワイトバランスを調整すると、青色光の分光特性は改善しているが、投写光全体の輝度は低下してしまう。使用環境によっては、青色光の分光特性を低下させてでも投写光全体の輝度を高めることが求められる場合もある。そのため、図１２に示すように、蛍光体２３３に到達する青色光を遮断することで（図５のＯＦＦ状態）、フィルタホイール装置２４０に到達する青色光の強度が増大し、投写光全体の輝度を高めることができる。

このように、実施形態に係る投写型映像表示装置１によれば、ダイクロイックミラー２２０を移動させるという簡単な構成及び動作により、青色光の分光特性を改善するか否か（又は、投写光全体の輝度の低下を許容するか否か）を選択的に切り換えることができる。

図１３は、第１の実施形態の比較例に係る投写型映像表示装置１Ａの例示的な構成を示す概略図である。投写型映像表示装置１Ａは、図１のダイクロイックミラー２２０、駆動装置２３０、コンデンサレンズ２３１，２３２、及び蛍光体２３３に代えて、ミラー２２０Ａを備える。第１の実施形態によれば、投写型映像表示装置１Ａのような既存の装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、青色光の分光特性を改善することができる。

［１－３．変形例］
図１４は、第１の実施形態の第１の変形例に係るダイクロイックミラー２２０Ｂの例示的な構成を示す概略図である。図１の投写型映像表示装置１は、図５のダイクロイックミラー２２０に代えて、図１４のダイクロイックミラー２２０Ｂを備えてもよい。ダイクロイックミラー２２０Ｂは、互いに異なるサイズを有する複数のＡＲコート層２２２，２２３を有し、青色光が複数のＡＲコート層２２２，２２３のうちのいずれに入射するかを切り換えるように移動可能に構成される。これにより、青色光及び緑色光を互いに合成するとき、各色成分光の強度比を変更することができる。

ダイクロイックミラーは、互いに異なるサイズを有する３つ以上のＡＲコート層を有してもよい。

図１５は、第１の実施形態の第２の変形例に係る投写型映像表示装置１Ｃの例示的な構成を示す概略図である。投写型映像表示装置１Ｃは、図１の蛍光体２３３に代えて、蛍光体ホイール装置２５０を備える。図１の投写型映像表示装置１では、蛍光体２３３は固定され、その裏面の放熱板（図示せず）により放熱していた。一方、図１５の投写型映像表示装置１Ｃでは、より放熱効果を高めるために、回転する蛍光体ホイール装置２５０を使用する。

図１６は、図１５の蛍光体ホイール装置２５０の例示的な構成を示す正面図である。図１７は、図１５の蛍光体ホイール装置２５０の例示的な構成を示す側面図である。図１６は、コンデンサレンズ２３２から蛍光体ホイール装置２５０に光が入射する面を示す。蛍光体ホイール装置２５０は、中心軸２５０Ｘ、アルミニウム基板２５１、蛍光体層２５２、及び駆動モータ２５３を備える。

アルミニウム基板２５１は、その中央部に駆動モータ２５３を備え、中心軸２５０Ｘの周りに回転制御可能な円形基板である。アルミニウム基板２５１の表面には、反射膜（図示せず）が形成され、反射膜の表面にさらに蛍光体層２５２が形成されている。反射膜は、可視光を反射する金属層もしくは誘電体膜である。蛍光体層２５２には、青色光により励起され、緑色光を発生するＣｅ付活ＬＡＧ系黄色蛍光体が形成されている。この黄色蛍光体の結晶母体の代表的な化学組織は、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２である。蛍光体層２５２は円環状に形成している。

本明細書では、蛍光体ホイール装置２５０を「第２の蛍光体ホイール装置」ともいう。

蛍光体ホイール装置２５０は、蛍光体ホイール装置２１０及びフィルタホイール装置２４０と同期する必要はなく、ダイクロイックミラー２２０から蛍光体ホイール装置２５０に青色光が入射するとき（図５のＯＮ状態）、独立して駆動される。蛍光体ホイール装置２５０は、ダイクロイックミラー２２０から蛍光体ホイール装置２５０に青色光が入射しないとき（図５のＯＦＦ状態）、停止されてもよい。蛍光体ホイール装置２５０は、アルミニウム基板２５１を中心軸２５０Ｘの周りに回転させることにより、青色光で励起されることによる蛍光体層２５２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。

また、蛍光体２３３又は蛍光体ホイール装置２５０によって発生された緑色光の長波長側の成分を、フィルタホイール装置２４０のダイクロイック膜２４２ｄでカットすることに代えて、ダイクロイックミラー２２０のダイクロイックコート層２２１でカットしてもよい。この場合、ダイクロイックコート層２２１は、波長４７２ｎｍを有するＳ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射し、また、波長４６５ｎｍを有するＰ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射する。さらに、ダイクロイックコート層２２１は、カットオフ波長５５２ｎｍで橙色光及び赤色光をカットするよう構成される。蛍光体２３３又は蛍光体ホイール装置２５０によって発生された緑色光は、ダイクロイックコート層２２１を透過する際、その長波長側の色成分がカットされ、真緑色光の分光特性に変換される。ダイクロイックコート層２２１を透過した後の緑色光は、例えばＣＩＥ１９３１色空間のｘｙ色度の座標：ｘ＝０．１５８、ｙ＝０．６８６を有する。また、この場合、フィルタホイール装置２４０のダイクロイック膜２４２ｄには、可視光を透過させるＡＲコート膜のウインドウが形成されている。青色光と真緑色光の合成された色成分光は、その分光特性を変化することなく、ダイクロイック膜２４２ｄを透過する。このように構成することで、フィルタホイール装置２４０のコストを削減することが可能となる。

［１－４．効果等］
第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、ＬＤ１０１と、分離素子と、蛍光体２３３と、光学系とを備える。ＬＤ１０１は、第１の色成分光を発生する。分離素子は、ある瞬間において、第１の色成分光を部分的に透過し、第１の色成分光を部分的に反射し、かつ、第１の色成分光とは異なる第２の色成分光を透過する。蛍光体２３３は、分離素子を透過した第１の色成分光により励起されて第２の色成分光を発生する。光学系は、ＬＤ１０１から分離素子に入射して分離素子によって反射された第１の色成分光と、蛍光体２３３から分離素子に入射して分離素子を透過した第２の色成分光とを互いに合成する。分離素子は、第１の色成分光について可変な透過率及び反射率を有するように構成される。

これにより、既存の装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、青色光の分光特性を選択的に改善することができる。

第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、光源によって発生される第１の色成分光は直線偏光されてもよい。分離素子は、第１の色成分光を反射しかつ第２の色成分光を透過するダイクロイックコート層２２１の領域と、第１及び第２の色成分光を透過するＡＲコート層２２２の領域とを有するダイクロイックミラー２２０を含み、ＡＲコート層２２２の領域は、ダイクロイックコート層２２１の領域の内部に設けられ、光源からダイクロイックミラー２２０に入射する第１の色成分光のスポットサイズよりも小さなサイズを有してもよい。ダイクロイックミラー２２０は、第１の色成分光がＡＲコート層２２２の領域に入射するか否かを切り換えるように移動可能に構成されてもよい。

これにより、ダイクロイックミラー２２０を移動させるという簡単な構成及び動作により、既存の装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、青色光の分光特性を選択的に改善することができる。

また、ダイクロイックミラー２２０に照射される光は、蛍光体ホイール装置２１０の開口２１４を通過し、さらに、コンデンサレンズ１１１によりほぼ平行かつ広い光束を有する光線に変換されている。従って、蛍光体ホイール装置の回転ムラ及び／又は面ブレが発生しても、投写型映像表示装置１から出力される光の輝度は安定し、安定した色合成が可能な投写型映像表示装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、ダイクロイックミラー２２０は、互いに異なるサイズを有する複数のＡＲコート層２２２，２２３の領域を有し、第１の色成分光が複数のＡＲコート層２２２，２２３の領域のうちのいずれに入射するかを切り換えるように移動可能に構成されてもよい。

これにより、青色光及び緑色光を互いに合成するとき、各色成分光の強度比を変更することができる。

第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、第１の色成分光は青色光であってもよく、第２の色成分光は緑域を含む色成分光であってもよい。

これにより、青色光の分光特性を改善することができる。

第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、分離素子は、第２の色成分光の緑域の波長よりも長波長の色成分光を反射してもよい。

これにより、フィルタリングの機能を分離素子に一体化することにより、後段のフィルタホイール装置などにおいて、そのコストを低減することができる。

第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、光源は固体光源素子であってもよい。

これにより、高輝度の投写型映像表示装置１を提供することができる。

第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、所定の角度範囲にわたる開口２１４を有する蛍光体ホイール装置２１０をさらに備えてもよい。開口を介して光源から分離素子に第１の色成分光が入射する。光学系は、分離素子によって反射された第１の色成分光と、分離素子を透過して開口を通過した第２の色成分光とを互いに合成する。

これにより、蛍光体ホイール装置２１０により、第１の色成分光から他の色成分光を発生することができる。

第１の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、蛍光体は蛍光体ホイール装置２５０に配置されてもよい。

これにより、青色光で励起されること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。

［２．第２の実施形態］
第１の実施形態では、青色光を部分的に透過及び部分的に反射するために、ダイクロイックミラーを用いた。第２の実施形態では、青色光を部分的に透過及び部分的に反射するために、ダイクロイックミラーに代えて、１／２波長板及び偏光ビームスプリッタを用いる場合について説明する。

［２－１．構成］
図１８は、第２の実施形態に係る投写型映像表示装置１Ｄの例示的な構成を示す概略図である。投写型映像表示装置１Ｄは、図１のダイクロイックミラー２２０及び駆動装置２３０に代えて、１／２波長板２３４、偏光ビームスプリッタ２３５、及び駆動装置２３０Ｄを備える。

１／２波長板２３４は、コンデンサレンズ１１１から到来する青色光の偏光面を所定角度にわたって回転させる。図１８の例では、コンデンサレンズ１１１から１／２波長板２３４に入射する青色光は、拡散板１０５からダイクロイックミラー２２０に入射する青色光と同様に、Ｐ偏光を有する。

偏光ビームスプリッタ２３５は、青色光の偏光に応じて青色光を部分的に透過及び部分的に反射する。

駆動装置２３０Ｄは、１／２波長板２３４を光軸の周りに回転させる。１／２波長板２３４を回転させることにより、１／２波長板２３４から偏光ビームスプリッタ２３５に入射する青色光の偏光面が変化する。これにより、１／２波長板２３４及び偏光ビームスプリッタ２３５は、青色光について可変な透過率及び反射率を有するように構成される。

本明細書では、１／２波長板２３４及び偏光ビームスプリッタ２３５を「分離素子」ともいう。

図１９は、図１８の偏光ビームスプリッタ２３５の例示的な透過特性を示すグラフである。偏光ビームスプリッタ２３５は、波長４６５ｎｍを有するＳ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射し、また、波長４４２ｎｍを有するＰ偏光の青色光が入射するとき、その半分ずつを透過及び反射する。偏光ビームスプリッタ２３５は、緑色光及び赤色光については、偏光にかかわらず、その９６％以上を透過する。

［２－２．動作］
図２０は、図１８の投写型映像表示装置１Ｄにおいて青色光の分光特性を改善する場合における青色光の経路を示す概略図である。図２１は、図１８の投写型映像表示装置１Ｄにおいて青色光の分光特性を改善しない場合における青色光の経路を示す概略図である。具体的には、１／２波長板２３４から偏光ビームスプリッタ２３５に入射する青色光のすべてをＳ偏光させることで、図２１に示すように、青色光はすべて偏光ビームスプリッタ２３５により反射される。一方、１／２波長板２３４を回転させ、Ｓ偏光された青色光にＰ偏光された青色光を混ぜることで、図２０に示すように、青色光の一部が偏光ビームスプリッタ２３５を透過し、コンデンサレンズ２３１，２３２を介して蛍光体２３３に入射する。蛍光体２３３によって発生された緑色光は、第１の実施形態の場合と同様にダイクロイックミラー１０６まで到達し、青色光の分光特性を改善することができる。このように、１／２波長板２３４の角度を変化させることで、１／２波長板２３４を透過する青色光の偏光特性（Ｓ偏光及びＰ偏光の混合比率）が変化する。これにより、偏光ビームスプリッタ２３５の反射率及び透過比が変化する。

１／２波長板２３４の回転角度に応じて、ＣＩＥ１９３１色空間のｘｙ色度の座標は、図１０の破線に沿って任意に変化させることができる。

［２－３．効果等］
第２の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置によれば、光源によって発生される第１の色成分光は直線偏光される。分離素子は、第１の色成分光の偏光面を所定角度にわたって回転させる１／２波長板２３４と、第１の色成分光の偏光に応じて第１の色成分光を部分的に透過及び部分的に反射する偏光ビームスプリッタ２３５とを含む。１／２波長板２３４は回転可能に設けられる。

これにより、１／２波長板２３４を回転させるという簡単な構成及び動作により、既存の装置の構成に対して大幅な変更を必要とすることなく、簡単な構成で、青色光の分光特性を選択的に改善することができる。

［他の実施形態］
以上のように、本開示における技術の例示として、実施形態を説明した。そのために、添付図面及び詳細な説明を提供した。

したがって、添付図面及び詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。

本明細書では、青色光の分光特性を改善する場合について説明したが、他の色成分光（赤色光、緑色光など）の分光特性も同様に改善可能である。

本明細書では、光源としてレーザダイオードを用いる場合について説明したが、光源として例えば発光ダイオードを用いてもよい、これにより、照明装置及び投写型映像表示装置の輝度を低減する場合、そのコストを低減することが可能となる。

図５及び図１４では、ダイクロイックミラー２２０，２２０Ｂが直線状に移動する場合について説明したが、ダイクロイックミラーは何らかの回転軸の周りに回転移動してもよい。

ダイクロイックミラー２２０，２２０Ｂ及び１／２波長板２３４は、駆動装置に代えて、手動で移動又は回転されてもよい。

また、上述の実施形態は、本開示における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲又はその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。

本開示は、照明装置及び投写型映像表示装置において、既存の装置の構成を大幅に変更することなく、ある色成分光の分光特性を改善することができる。

１，１Ａ，１Ｃ，１Ｄ…投写型映像表示装置、
１０１…レーザダイオード（ＬＤ）、
１０２…コリメートレンズ、
１０３…コンデンサレンズ、
１０４…凹レンズ、
１０５，１１４…拡散板、
１０６…ダイクロイックミラー、
１０７，１０８，１１１…コンデンサレンズ、
１１２…凹レンズ、
１１３，１１６…反射ミラー、
１１５…凸レンズ、
１１７…コンデンサレンズ、
１２１…ロッドインテグレータ、
１２２，１２３，１２４…リレーレンズ、
１２５…内部全反射プリズム（ＴＩＲプリズム）、
１２５ａ，１２５ｂ…プリズム、
１２６…ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、
２１０…蛍光体ホイール装置、
２１０Ｘ…中心軸、
２１１…アルミニウム基板、
２１２…蛍光体層、
２１３…駆動モータ、
２１４…開口、
２２０，２２０Ｂ…ダイクロイックミラー、
２２０Ａ…ミラー、
２２１…ダイクロイックコート層、
２２２…ＡＲコート層、
２３０，２３０Ｄ…駆動装置、
２３１，２３２…コンデンサレンズ、
２３３…蛍光体層、
２３４…１／２波長板、
２３５…偏光ビームスプリッタ、
２４０…フィルタホイール装置、
２４０Ｘ…中心軸、
２４１…透明基板、
２４２，２４２ａ，２４２ｂ，２４２ｃ，２４２ｄ…ダイクロイック膜、
２４３…駆動モータ、
２５０…蛍光体ホイール装置、
２５０Ｘ…中心軸、
２５１…アルミニウム基板、
２５２…蛍光体層、
２５３…駆動モータ、
３００…投写光学系、
４００…スクリーン。

Claims (8)

1. 第１の色成分光を発生する光源と、
   ある瞬間において、前記第１の色成分光を部分的に透過し、前記第１の色成分光を部分的に反射し、かつ、前記第１の色成分光とは異なる第２の色成分光を透過する分離素子と、
   前記分離素子を透過した前記第１の色成分光により励起されて前記第２の色成分光を発生する発光体と、
   前記光源から前記分離素子に入射して前記分離素子によって反射された第１の色成分光と、前記発光体から前記分離素子に入射して前記分離素子を透過した前記第２の色成分光とを互いに合成する光学系とを備え、
   前記分離素子は、前記第１の色成分光について可変な透過率及び反射率を有するように構成され、
   前記光源によって発生される前記第１の色成分光は直線偏光され、
   前記分離素子は、前記第１の色成分光を反射しかつ前記第２の色成分光を透過する第１の領域と、前記第１及び第２の色成分光を透過する第２の領域とを有するダイクロイックミラーを含み、前記第２の領域は、前記第１の領域の内部に設けられ、前記光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記第１の色成分光のスポットサイズよりも小さなサイズを有し、
   前記ダイクロイックミラーは、前記第１の色成分光が前記第２の領域に入射するか否かを切り換えるように移動可能に構成された、
   照明装置。
2. 前記ダイクロイックミラーは、互いに異なるサイズを有する複数の第２の領域を有し、前記第１の色成分光が前記複数の第２の領域のうちのいずれに入射するかを切り換えるように移動可能に構成された、
   請求項１記載の照明装置。
3. 前記第１の色成分光は青色光であり、前記第２の色成分光は緑域を含む色成分光である、
   請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記分離素子は、前記第２の色成分光の緑域の波長よりも長波長の色成分光を反射する、
   請求項３記載の照明装置。
5. 前記光源は固体光源素子である、
   請求項１～４のうちの１つに記載の照明装置。
6. 前記照明装置は、所定の角度範囲にわたる開口を有する第１の蛍光体ホイール装置をさらに備え、
   前記開口を介して前記光源から前記分離素子に前記第１の色成分光が入射し、
   前記光学系は、前記分離素子によって反射された第１の色成分光と、前記分離素子を透過して前記開口を通過した前記第２の色成分光とを互いに合成する、
   請求項１～５のうちの１つに記載の照明装置。
7. 前記発光体は第２の蛍光体ホイール装置に配置された、
   請求項１～６のうちの１つに記載に照明装置。
8. 請求項１～７のうちの１つに記載の照明装置を備えた、
   投写型映像表示装置。

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