JP5872639B2 - Illumination light source device - Google Patents

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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。   The present invention relates to a projection-type image display device that projects an image on a projection surface using an image display element such as a liquid crystal display element, and a plurality of light sources, condenses them into one light beam, and then illuminates in the subsequent stage. The present invention relates to a light source for irradiating a system, and relates to a technique for providing a high-efficiency projection display apparatus without causing an increase in size of the light source device.

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。   For example, in a projection-type image display apparatus that enlarges and displays a display screen of an image display element having a structure in which a plurality of reflective or transmissive liquid crystal panels or micromirrors are arranged on a screen or board as a projection surface, The illumination optical system has been devised so that an enlarged image having sufficient size and brightness can be obtained.

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。   In particular, in a system using a plurality of video display elements, various illumination optical systems have been proposed that suppress the deterioration of white balance and color unevenness of a color video. For example, as a light source used in the illumination optical system of a projection display apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-171045 (Patent Document 1), an ultra-high pressure mercury lamp having high luminous efficiency per input power (70 lm / W) is used. It has become mainstream.

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。   In addition, in order to improve the light beam passing rate in the first array lens and the second array lens, shortening the distance between the electrodes is a major development subject. In addition, ultra-high pressure mercury lamps generate a large amount of ultraviolet rays, so they impose significant stress on organic substances such as the liquid crystal bulbs and polarizing plates that make up the illumination optical system. There is a big problem that brightness decrease occurs in a short time due to devitrification due to.

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。   Therefore, as a new light source, a projection display apparatus using solid light emitting elements such as red, green and blue light emitting diodes and organic EL has been developed and many proposals have been made. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-341105 (Patent Document 2) proposes a light source device including a phosphor layer that converts ultraviolet light emitted from a solid light source into visible light, a transparent substrate, and a solid light source.

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。   Furthermore, in order to solve the problem of Patent Document 2, a light source device that emits light with high efficiency even when excitation light emitted from a solid light source is visible light is proposed as shown in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-277516 (Patent Document 3). Has been.

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。   Further, a proposal has been made for combining a light source of a different light emission principle to be a light source of a projection display apparatus, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2009-259583 (Patent Document 4).

特開平１０−１７１０４５号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-171045 特開２００４−３４１１０５号公報JP 2004-341105 A 特開２００９−２７７５１６号公報JP 2009-277516 A 特開２００９−２５９５８３号公報JP 2009-259583 A

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。   The technique disclosed in Patent Document 2 discloses a light source device including a phosphor layer that converts ultraviolet light emitted from a solid light source into visible light, a transparent base material, and a solid light source. Since this technology uses an excitation light source that uses high-energy ultraviolet light as excitation light, optical components irradiated with ultraviolet light are easily damaged, making it difficult to ensure long-term performance of the optical components. For this reason, Patent Document 3 proposes to irradiate phosphors with visible light having lower energy than ultraviolet light as excitation light.

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。   On the other hand, as disclosed in Patent Document 4, a method of combining a plurality of types of light sources having different light emission methods has been proposed as a new light source of a projection display apparatus. In this proposal, excitation light from a first light source that is a light emitting diode or solid light emitting element that emits light of a predetermined wavelength, a second light source that is light emitting diode or solid light emitting element that emits excitation light, and a second light source. And a third light source that emits light in the same wavelength region as the first light source.

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。   Although the prior art disclosed in Patent Document 2 to Patent Document 4 described above does not have a description regarding the size of the light source, in reality, when a plurality of excitation light sources are arranged, there is a problem that the light source device is enlarged. Arise. In addition, when a plurality of lenses are arranged, a lens for condensing excitation light on the phosphor is increased in size, so that spherical aberration of the lens increases, and there is a problem that the phosphor cannot be irradiated with a desired irradiation shape.

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。   Hereinafter, as a new light source that does not use an ultra-high pressure mercury lamp, a problem that the illumination optical device has when using light excited by a phosphor as an excitation light source will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the description is abbreviate | omitted about what was once demonstrated. In order to facilitate the following description, an orthogonal coordinate system is introduced. The direction of the illumination optical axis is the Z axis, the axis parallel to the long side of the rectangular irradiation effective area of the image display element in the plane orthogonal to the Z axis is the Y axis, and the direction parallel to the short side of the rectangular effective display area This axis is taken as the X axis. That is, the lens cells constituting the first array lens and the second array lens are arranged in both the X-axis and Y-axis directions.

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。   FIG. 3 (a) schematically shows each optical element on the optical path of the illumination optical system from the light source to the liquid crystal display element in the projection type liquid crystal display device using the polarization conversion integrator. It is the principal part structure part of the illumination optical system in the YZ cross section containing the illumination optical axis seen from.

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。   In FIG. 3A, the illumination light source device 300 includes eight blue excitation light sources 1 arranged in the Y-axis direction and a collimating lens 2 that collimates each divergent light. The light emitted from the blue excitation light source 1 becomes substantially parallel by each of the parallelizing lenses 2 and is condensed on the transparent base material 19 by the condenser lens 14. The incident side of the transparent base material 19 is deposited with an antireflection film, and the emission side is composed of two segments. The blue phosphor is used as excitation light, and the yellow phosphor segment emitting yellow light is diffused. It consists of segments of the diffusion layer.

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。   FIG. 3B shows a YZ sectional view seen from the X-axis direction and an XY sectional view seen from the Z-axis direction. A dichroic coat 191 that transmits blue light and reflects yellow light (green and red) is deposited on the yellow phosphor segment, and a yellow phosphor 192 is applied thereon. Since the blue excitation light reacts with the yellow phosphor 192, the yellow light is emitted in all directions, but the yellow diverging light to the incident side of the transparent substrate 19 is reflected by the dichroic coat 191. Diverges in the direction of the collimating lens 20.

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。   In the segment of the diffusion layer 193 that diffuses blue, blue light diffuses and diverges in the direction of the collimating lens 20. If the rotation speed of the transparent base material 19 is sufficiently high, it appears to the human eye that white light, which is a combination of blue and yellow, is emitted from the transparent base material 19. That is, it can be considered that the irradiation area of the blue excitation light irradiated to the transparent substrate 19 emits white light as a white light source. Yellow light and blue light diverging from the transparent base material 19 become parallel by the collimating lens 20 and enter the polarization conversion integrator.

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。   The polarization conversion integrator includes an optical integrator that includes the first array lens 3 and the second array lens 4 that performs uniform illumination, and a polarization conversion element 5 that changes and aligns the polarization direction to a predetermined polarization direction.

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。   The first array lens 3 divides incident light into a plurality of lights by a plurality of lens cells arranged in a matrix and efficiently guides the light to pass through the second array lens 4 and the polarization conversion element 5. That is, in the first array lens 3, the irradiation image on the transparent substrate 19 and each lens cell of the second array lens 4 have an object-image relationship (conjugate relationship). The light that has passed through each lens cell of the first array lens 3 needs to be incident on the cell of the second array lens 4 facing the first array lens 3.

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。   Similar to the first array lens 3, the second array lens 4 having a plurality of lens cells arranged in a matrix form a liquid crystal display of the shape of the lens cell of the first array lens 3 corresponding to each of the constituting lens cells. Project onto the element 18.

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。   At this time, the light from the second array lens 4 is changed and aligned in a predetermined polarization direction by the polarization conversion element 5, and the projected images of the lens cells of the first array lens 3 are respectively the condenser lens 6 and It is superimposed on the liquid crystal display element 18 via the condenser lens 13.

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。   The second array lens 4 and the condensing lens 6 disposed adjacent to the second array lens 4 are such that the first array lens 3 and the image display element 18 have an object-image relationship (conjugate relationship) with each other. The light beam divided into a plurality by the first array lens 3 is projected onto the liquid crystal display element 18 by the second array lens 4 and the condensing lens 6, and has a high level of uniformity with no practical problem. Illumination with illuminance distribution is possible.

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。   Here, the irradiation shape of the blue excitation light irradiated to the transparent substrate 19 will be considered. Since the irradiation area of the blue excitation light that irradiates the transparent substrate 19 becomes a light source image incident on the illumination optical system, the irradiation area of the blue excitation light that can be captured by the illumination optical system is uniform. Therefore, it is necessary to collect the blue excitation light on the transparent substrate 19 so that the influence of the aberration of the condenser lens 14 is reduced. For this purpose, it is necessary to increase the distance between the condenser lens 14 and the transparent base material 19 and reduce the oblique light incident on the transparent base material 19.

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。   On the other hand, since the condensing lens 14 needs to capture all of the blue light emitted from the eight blue excitation light sources 1 and converted into parallel light by the collimating lens 2, the amount of the blue excitation light sources 1 arranged. Since the size is necessary, the distance between the condenser lens 14 and the transparent base material 19 needs to be considerably long. Therefore, the subject that the size of the whole light source device becomes large arises.

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。   The present invention has been made in view of the above problems, and its purpose is to use a light source device that uses a plurality of light sources, condenses them into one light beam, and then irradiates a subsequent illumination optical system. An object of the present invention is to provide a high-efficiency projection-type image display device without causing an increase in the size of the light source device as compared with the prior art.

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。   In order to solve the above problems, a projection-type image display device of the present invention is formed of an illumination light source device, an image display element, and a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device. The projection optical display device includes an illumination optical system and a projection lens that magnifies and projects an optical image formed by the video display element. The illumination optical system includes a plurality of rectangular aperture lens elements. The illumination light source device includes one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, one polarized light, and one polarized light. The first and second array lenses are arranged in a matrix. And at least one pair of the light sources is arranged so that the polarization directions with high polarization degree are orthogonal to each other, and the light beams are synthesized by the polarizers to collect the light beams. Condensing hand After the light beam is focused on one area by, a configuration for irradiating toward the illumination optical system disposed in the later stage.

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。   An illumination optical system formed by an illumination light source device, an image display element, a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device, and an optical image formed by the image display element The projection optical display device includes a projection lens that magnifies and projects a projection lens, and the illumination optical system includes a first array lens and a second array lens in which a plurality of rectangular aperture lens elements are arranged in a matrix. The illumination light source device includes one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, one or more polarizers that transmit one polarized light and reflect one polarized light, and one or more polarized lights. A conversion element, wherein at least one set of the light sources is arranged so that directions of high degree of polarization are orthogonal to each other, a light beam is combined by the polarizer, and a polarization direction of the combined light beam is the polarization For conversion element In the illumination light source devices that have been changed and aligned, two sets of the illumination light source devices are provided, and the polarization directions that are changed and aligned by the polarization conversion elements are orthogonal to each other, and are provided downstream of the two sets of illumination light source devices. Further, the light beams are combined by the polarizer, and the light beams are collected in one region by the light collecting means for collecting the light beams, and then irradiated to the illumination optical system disposed in the subsequent stage.

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。   An illumination optical system formed by an illumination light source device, an image display element, a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device, and an optical image formed by the image display element A projection lens that projects a magnified image of the light source, and includes a light condensing unit that condenses the light flux from the illumination light source device, and the light having a four-surface reflecting surface by the light condensing unit. Light modulating means for condensing the incident light into the light tunnel, making it incident on the light tunnel, and modulating the intensity of the incident light corresponding to the video signal by the lens element by the light beam emitted from the light tunnel exit side opening The illumination light source device has one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, and one or more polarizers that transmit one polarized light and reflect one polarized light. ,Previous At least one set of light sources is arranged so that the polarization directions with a high degree of polarization are orthogonal to each other, the light beams are combined by the polarizer, and the light beams are collected in one region by the light collecting means for collecting the light beams. Then, it is set as the structure irradiated toward the illumination optical system arrange | positioned in the back | latter stage.

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。   An illumination optical system formed by an illumination light source device, an image display element, a plurality of optical elements that irradiate the image display element with light from the illumination light source device, and an optical image formed by the image display element A projection lens that projects a magnified image of the light source, and includes a light condensing unit that condenses the light flux from the illumination light source device, and the light having a four-surface reflecting surface by the light condensing unit. Light modulating means for condensing the incident light into the light tunnel, making it incident on the light tunnel, and modulating the intensity of the incident light corresponding to the video signal by the lens element by the light beam emitted from the light tunnel exit side opening The illumination light source device includes one or more light sources having a degree of polarization greater than 50%, one or more polarizers that transmit one polarized light and reflect one polarized light, and 1 After And at least one set of the light sources is arranged so that directions with high degree of polarization are orthogonal to each other, a light beam is combined by the polarizer, and a polarization direction of the combined light beam is In the illumination light source device modified and aligned by the polarization conversion element, the illumination light source device includes two sets of the illumination light source devices, and the polarization directions changed and aligned by the polarization conversion element are orthogonal to each other. A configuration in which the light beam is synthesized by the polarizer provided in the subsequent stage, and the light beam is condensed in one region by the condensing unit that collects the light beam, and then irradiated to the illumination optical system disposed in the subsequent stage And

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。   According to the present invention, when a light source device that uses a plurality of light sources, condenses into one light beam, and irradiates the illumination optical system at the subsequent stage is used, the size of the light source device is not increased compared to the conventional case. A highly efficient projection display apparatus can be provided.

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。1 is a schematic configuration diagram of a projection type liquid crystal display device according to an embodiment of the present invention. 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。The schematic block diagram of the illumination light source device concerning one Embodiment by this invention. 従来技術における投射型液晶表示装置の要部構成図。The principal part block diagram of the projection type liquid crystal display device in a prior art. 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。1 is a schematic configuration diagram of a projection type liquid crystal display device that is a first example according to the present embodiment; FIG. 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。The spot diagram of the light source on the transparent base material in the 1st Example by this embodiment.

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。   Hereinafter, the best embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, in each figure, the same code | symbol is attached | subjected to the same part and the description is abbreviate | omitted about what was once demonstrated. Also here, in order to facilitate the explanation, orthogonal coordinates with the illumination optical axis as the Z axis are introduced as in the problem section. That is, in the plane orthogonal to the Z axis, the axis in the direction parallel to the long side of the rectangular irradiation effective area of the image display element is the Y axis, and the axis in the direction parallel to the short side of the rectangular effective display area is the X axis. To do.

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。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an optical system of an illumination light source device and a projection type liquid crystal display device using the illumination light source device according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a main part configuration diagram of a projection type liquid crystal display device in a YZ section including an illumination optical axis viewed from the X-axis direction, and FIG. 1B is an illumination light viewed from the X-axis direction. It is a principal part block diagram of the illumination optical apparatus in the YZ cross section containing an axis | shaft.

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。   In FIG. 1A, light emitted from an illumination light source device 200 (details will be described later) is made substantially parallel by the collimating lens 20 and enters the polarization conversion integrator. The polarization conversion integrator includes an optical integrator that performs uniform illumination including a first array lens 3 and a second array lens, and a polarization conversion element 5 that changes and aligns the polarization direction to a predetermined polarization direction.

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。   The first array lens 3 is formed by arranging a plurality of lens cells having a rectangular shape substantially similar to a liquid crystal display element when viewed from the illumination optical axis direction in a matrix (two-dimensional) shape. The light is divided into a plurality of light by a plurality of lens cells and guided so as to pass through the second array lens 4 and the polarization conversion element 5 efficiently. That is, the first array lens 3 is designed so that the light emitting surface formed on the transparent base material 190 of the illumination light source device 200 and each lens cell of the second array lens 4 have an optically conjugate relationship. .

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。   Similar to the first array lens 3, the second array lens 4 having a configuration in which a plurality of rectangular lens cells as viewed from the illumination optical axis direction is arranged in a matrix form corresponds to each of the constituent lens cells. The shape of the lens cell of one array lens 3 is projected (mapped) onto the liquid crystal display element 18.

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。   At this time, the light from the second array lens 4 is changed and aligned in a predetermined polarization direction by the polarization conversion element 5, and the projected images of the lens cells of the first array lens 3 are respectively the condenser lens 6 and The condenser lenses 13 and 14, the first relay lens 15, the second relay lens 16, and the third relay lens 17 are superimposed on each liquid crystal display element 18.

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。   It should be noted that the second array lens 4 and the condensing lens 6 disposed in the vicinity thereof have an optically conjugate relationship between the lens cells of the first array lens 3 and the liquid crystal display element 18. Therefore, the light beam divided into a plurality by the first array lens 3 is projected onto the liquid crystal display element 18 by the second array lens 4 and the condensing lens 6, and there is no practical problem. Illumination with an illuminance distribution with high level uniformity is possible.

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。   As described above, the polarization conversion integrator including the first array lens 3, the second array lens 4, and the polarization conversion element 5 changes and aligns light with a random polarization direction from the light source into a predetermined polarization direction. The liquid crystal display element can be illuminated uniformly.

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。   In the process, for example, B light (blue band light) is reflected by the dichroic mirror 11, and G light (green band light) and R light (red band light) are transmitted and separated into two colors of light. Further, the G light and the R light are separated into the G light and the R light by the dichroic mirror 12. For example, the G light is reflected by the dichroic mirror 12 and the R light is transmitted through the dichroic mirror 12 and separated into three colors of light. There are various ways of separating the light, and the dichroic mirror 11 may reflect the R light and transmit the G light and B light, or may reflect the G light and transmit the R light and B light. Good.

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。   The B light reflected by the dichroic mirror 11 is reflected by the reflecting mirror 10, passes through the liquid crystal display element 18 B for B light through the condenser lens 13 B, and enters the light combining prism 21.

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。   On the other hand, of the G light and R light transmitted through the dichroic mirror 11, the G light is reflected by the dichroic mirror 12, enters the G light liquid crystal display element 18G through the condenser lens 13G, and passes through the liquid crystal display element 18G. Is incident on the light combining prism 21. The R light passes through the dichroic mirror 12, is collected by the first relay lens 15, is further reflected by the reflection mirror 8, is further collected by the second relay lens 16, and is reflected by the reflection mirror 9. The light is further condensed by the third relay lens 17 and enters the liquid crystal display element 18R for R light. The R light transmitted through the liquid crystal display element 18R enters the light combining prism 21.

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。   The B light, G light, and R light transmitted through each liquid crystal display element are combined as a color image by the light combining prism 21, and then pass through the projection lens 22 such as a zoom lens and reach the screen 7. The optical image formed by the light intensity modulation on the liquid crystal display element 18 is enlarged and projected on the screen by the projection lens 22 and functions as a display device.

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。   Note that a relay lens is not used for the first optical path (B light) and the second optical path (G light), but the optical path lengths of the B light and G light are the same for the third optical path (R light). Relay lenses 15 and 16 are used.

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。   Hereinafter, the reason why a small illumination light source device can be provided according to the present embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 1B, the illumination light source device 200 includes a light source unit 300P, a light source unit 300S, a polarizer 23, a condenser lens 140, and a transparent substrate 190. The light source unit 300P includes four light sources 1P arranged in the Y-axis direction and a collimating lens 2 that collimates the light emitted from the light source 1P. The light source unit 300S includes four light sources 1S arranged in the Z-axis direction. It comprises a collimating lens 2 that collimates the light emitted from the light source 1S.

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。   The light source 1 has a high degree of polarization in a specific direction. Here, the polarization in the X-axis direction is S-polarization, the polarization in the direction orthogonal to the X-axis direction and the illumination optical axis is P-polarization, the light source 1S has a ratio of S-polarization greater than 50%, and the light source 1P has a ratio of P-polarization. Is greater than 50%. Lasers are well known as a light source with a high degree of polarization, but immediately after emission of a non-polarized light source such as an LED, a polarizer that transmits only one linearly polarized light is arranged and only one linearly polarized light is extracted. The light source may be used. In the case of a laser light source, in order to obtain S-polarized light, it is arranged so that the linearly polarized light direction is parallel to the X axis, and in order to obtain P-polarized light, it is 90 degrees orthogonal to the laser for S-polarized light. Should be arranged.

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。   In the configuration in which the non-polarized light source uses a polarizer to extract only one polarized light, the arrangement direction of the polarizers may be 90 degrees orthogonal. The light emitted from the light source unit 300P is parallel light in which the proportion of P-polarized light is greater than 50%, and the light emitted from the light source unit 300S becomes parallel light in which the proportion of S-polarized light is greater than 50%. The light enters the child 23. The polarizer 23 is an element that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light, and may have a prism shape in which two triangular prisms are bonded.

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。   Accordingly, among the light emitted from the light source unit 300P, the P-polarized light is transmitted through the polarizing element 23, and among the light emitted from the light source unit 300S, the S-polarized light is reflected by the polarizing element 23 and enters the condenser lens 140. To do. Since the degree of polarization of the light source 1 is greater than 50%, for example, a larger luminous flux can be obtained than when the four light sources 1P are simply incident on the condenser lens 140. The light incident on the condensing lens 140 is condensed on the transparent substrate 190 to form one irradiation region.

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。   Here, if the light source 1 is a blue excitation light source, the transparent base material 190 can be configured to have two segments of blue diffused light and a yellow phosphor similarly to the transparent base material 19 described above. Further, if the light source 1 is a light source including blue, green, and red, for example, two of the eight light sources 1 are a red light source, four are a green light source, and two are a blue light source, the transparent base material 190 receives incident light rays. It can be set as the structure which has only the diffusion layer which diffuses. The light that has passed through the transparent substrate 190 is guided to the subsequent illumination optical system as a light emission image of one white light source in the irradiation region of the light source 1 on the transparent substrate 190.

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。   By arranging the illumination light source device member as described above, it is only necessary to capture only the light that is emitted from the four light sources 1 arranged in parallel and is converted into parallel light by the parallelizing lens 2. Since the luminous flux width is ½ that of the prior art, the condenser lens 140 can be made small. Therefore, the distance between the condensing lens 140 and the transparent substrate 190 can be shortened without increasing the aberration of the projected image on the transparent substrate 190.

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。   Next, a method for further reducing the beam width and realizing miniaturization will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a schematic configuration diagram of an optical system of an illumination light source apparatus according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a main part configuration diagram of the illumination optical device in the YZ section including the illumination optical axis viewed from the X-axis direction, and FIGS. 2B and 2C show the illumination optical device. It is a part of the apparatus which comprises.

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。   2A, the illumination light source device 201 includes a light source unit 301P, a light source unit 301S, a light source unit 302P, a light source unit 302S, a polarizer 23, a polarizing prism 24, a condensing lens 141, and a transparent substrate 190. The illumination light source device 201 includes a light source unit composed of a light source unit 301 and a light source unit composed of a light source unit 302, and is shown in FIGS. 2 (b) and 2 (c).

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。   FIG. 2B is an apparatus including the light source unit 301. The light source unit 301P includes two light sources 1P arranged in the Y-axis direction and a parallelizing lens 2 that collimates the light emitted from the light source 1P. The light source unit 301S includes two light sources arranged in the Z-axis direction. 1S and the collimating lens 2 which makes the light emitted from the light source 1S parallel.

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。   The light emitted from the light source unit 301P is parallel light in which the proportion of P-polarized light is greater than 50%, and the light emitted from the light source unit 301S becomes parallel light in which the proportion of S-polarized light is greater than 50% and enters the polarizing prism 24. To do. The polarizing prism 24 is an element that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light, and a λ / 2 plate 241 is disposed in a strip shape on the output side.

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。   Of the light emitted from the light source unit 301P, P-polarized light passes through the polarizing prism 24 and reaches the light exit surface. At this time, since the light source unit 301P is disposed so that the light emitted from the light source unit 301P passes through the region where the λ / 2 plate 241 is not disposed, the light emitted from the light source unit 301P remains P-polarized and polarized. Passes through the prism 24.

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。   Of the light emitted from the light source unit 301S, S-polarized light is reflected by the reflecting surface of the polarizing prism 24 and reaches the light exiting surface. At this time, since the light source unit 301S is arranged so that the light emitted from the light source unit 301S passes through the region where the λ / 2 plate 241 is arranged, the light emitted from the light source unit 301S is transmitted by the λ / 2 plate 241. The light is converted from S-polarized light to P-polarized light and passes through the polarizing prism 24. That is, both the light emitted from the light source unit 301P and the light emitted from the light source unit 301S are emitted from the polarizing prism 24 as P-polarized light beams.

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。   Next, another light source unit will be described. FIG. 2C shows an apparatus including the light source unit 302. The light source unit 302S includes two light sources 1S arranged in the Y-axis direction and a parallelizing lens 2 that collimates the light emitted from the light source 1S. The light source unit 302P includes two light sources arranged in the Z-axis direction. 1P and a collimating lens 2 that collimates the light emitted from the light source 1P.

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。   The light emitted from the light source unit 302P is parallel light in which the proportion of P-polarized light is greater than 50%, and the light emitted from the light source unit 302S is parallel light in which the proportion of S-polarized light is greater than 50% and enters the polarizing prism 24. To do. The polarizing prism 24 is an element that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light, and a λ / 2 plate 241 is disposed in a strip shape on the output side. Of the emitted light from the light source unit 302S, S-polarized light is reflected by the reflecting surface of the polarizing prism 24 and reaches the emitting surface.

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。   At this time, since the light source unit 302S is disposed so that the light emitted from the light source unit 302S passes through the region where the λ / 2 plate 241 is not disposed, the light emitted from the light source unit 302S remains polarized as S-polarized light. Passes through the prism 24.

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。   Of the light emitted from the light source unit 302P, P-polarized light passes through the polarizing prism 24 and reaches the light exit surface. At this time, since the light source unit 302P is arranged so that the light emitted from the light source unit 302P passes through the region where the λ / 2 plate 241 is arranged, the light emitted from the light source unit 302P is transmitted by the λ / 2 plate 241. The light is converted from P-polarized light to S-polarized light and passes through the polarizing prism 24.

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。   That is, both the light emitted from the light source unit 302S and the light emitted from the light source unit 302P are emitted from the polarizing prism 24 as S-polarized light beams. Although the polarizing prism 24 has one configuration including a λ / 2 plate, the polarizer that synthesizes the polarized light and the λ / 2 plate portion that rotates the polarized light may be separate.

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。   In FIG. 2A, a polarizer 23 is an element that transmits P-polarized light and reflects S-polarized light. Therefore, since the light emitted from the light source unit 301 enters the polarizing element 23 as P-polarized light as described above, it passes through the polarizing element 23 and enters the condenser lens 141. Further, as described above, the light emitted from the light source unit 302 is incident on the polarization element 23 as S-polarized light, and is reflected by the polarization element 23 and then enters the condenser lens 141. The light incident on the condenser lens 141 is condensed on the transparent substrate 190 to form one irradiation region.

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。   As described above, by arranging the illumination light source device member, the condensing lens 141 only needs to capture the light emitted from the two light sources 1 and converted into parallel light by the collimating lens 2. That is, since the light flux width is ¼ of the conventional one, the condenser lens 141 can be made small. Therefore, the distance between the condensing lens 141 and the transparent substrate 190 can also be shortened.

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。   Although the case where eight light sources 1 are arranged has been described above, the number may be other than eight. The collimating lens 2 may be changed to an optimal size, radius of curvature, and glass material, depending on the light source arrangement direction, the light source color, and the like.

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。   As described above, according to the present invention, when a light source device that uses a plurality of light sources and focuses a single light beam and then irradiates a subsequent illumination optical system is used, the size of the light source device is increased. Therefore, a highly efficient projection display apparatus can be provided.

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。   In the above, when a light source device that uses a plurality of light sources, condenses into one light beam, and irradiates a subsequent illumination optical system is used, the light source device is more efficient than the conventional one without causing an increase in size. A technique capable of providing a projection display apparatus has been conceptually described with reference to light diagrams.

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。   Next, an example of determining the accuracy required for the irradiation region on the transparent substrate in the present embodiment will be described with reference to FIG. 4A is a main part configuration diagram of a projection type liquid crystal display device in a YZ section including an illumination optical axis viewed from the X-axis direction, and FIG. 4B is an illumination light viewed from the X-axis direction. FIG. 4C is an enlarged view of a main part of the illumination light source device in the YZ section including the axis, and FIG. 4C is a view from the illumination optical device to the light tunnel in the XZ section including the illumination optical axis viewed from the Y axis direction. FIG.

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。   The illumination light source device 201 is used as the illumination light source device, and the subsequent illumination optical system is an illumination optical system using an image display element (DMD element) having a structure in which a plurality of micromirrors are arranged.

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。   FIG. 4C shows the arrangement of the illumination light source device in the X-axis direction. Here, it is assumed that the illumination light source device 201 includes two light sources 1 and two parallelizing lenses 2 in the X-axis direction, and has a total of 16 light sources 1 and parallelizing lenses 2.

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。   In FIG. 4A, the light emitted from the illumination light source device 201 is collected by the condenser lens 25 and enters the incident side opening of the light tunnel 26. The condensing lens 25 is formed on the transparent base 19, and the light emitted from the irradiation region 33 of the light source 1 is collected on the incident side of the light tunnel 26. The irradiation area 33 of the light source 1 formed on 19 is enlarged and projected.

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。   The light tunnel 26 has reflecting surfaces on the four inner surfaces, and incident light is reflected a plurality of times before reaching the exit side opening of the light tunnel 26, so that the light tunnel 26 is practically on the exit side of the light tunnel 26. A highly uniform illuminance distribution with no problem level can be obtained. The light beam emitted from the light tunnel 26 is enlarged and projected by the lens element 27 via the reflection mirror 28 onto the DMD element 29 that modulates the intensity of incident light in accordance with the video signal.

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。   The light beam incident on the DMD element 29 is incident on the projection lens 30 and reaches the screen 31 according to the video signal. A color wheel 32 for color separation of white light is disposed immediately before the light tunnel 26. However, when the illumination light source device 201 can perform color time division, the color wheel 32 is unnecessary.

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。   In FIG. 4B, the accuracy required for the irradiation region 33 will be specifically described. It is assumed that the light source 1 is a blue laser and the phosphor of the transparent substrate 19 is excited. It is assumed that the external shape of the light source 1 is φ6 mm, the light emission size is φ0.02 mm, and the light emission half angle is 20 degrees.

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。   Since the outer shape of the polarizing prism 24 is about the size of the two light sources 1, it has a width of 12 mm. Since four luminous fluxes of the light source 1 pass through the width 12 mm of the exit surface of the polarizing prism 24, the luminous flux emitted from the light source 1 needs to be 3 mm or less. Since the light emission half angle of the light source 1 is 20 degrees, the focal length of the collimating lens 2 is about 4 mm.

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。   Here, the light emitting surface image of the light source 1 is enlarged and projected as an irradiation region 33 formed on the transparent substrate 19, but the enlargement ratio is approximately the focal length of the condenser lens 141 and the focal point of the parallelizing lens 2. It becomes the ratio of distance. Although the irradiation area 33 becomes the light source size of the illumination optical system in the subsequent stage, since the arc image of the conventional ultrahigh pressure mercury lamp is about 1 mm, the size of the irradiation area 33 needs to be 1 mm or less. Since the light emission size of the light source 1 is φ0.02 mm, the enlargement ratio needs to be about 50 times or less.

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。   At this time, the focal length of the condensing lens 141 is 20 mm, and the enlarged light emitting surface image of the light source 1 is about φ0.1 mm.

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。   In FIG. 5, the spot figure in the irradiation area | region 33 formed on the transparent base material 19 of the light ray which inject | emitted from the light source 1 on the said conditions is confirmed. An inexpensive spherical lens is used as the condenser lens 141. At this time, the spot size is about φ0.3 mm, and even if the enlarged image φ0.1 mm is included, it is suppressed to 1 mm or less, which can be said to be a highly efficient illumination light source for the subsequent illumination optical system.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Light source, 2 ... Parallelizing lens, 3 ... 1st array lens, 4 ... 2nd array lens, 5 ... Polarization conversion element, 6 ... Condensing lens, 7 ... Screen, 8 ... Reflection mirror, 9 ... Reflection mirror, DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Reflection mirror, 11 ... Dichroic mirror, 12 ... Dichroic mirror, 13 ... Condenser lens, 14 ... Condensing lens, 15 ... 1st relay lens, 16 ... 2nd relay lens, 17 ... 3rd relay lens, 18 ... Liquid crystal Display element 19 ... Transparent substrate, 20 ... Parallelizing lens, 21 ... Photosynthesis prism, 22 ... Projection lens, 23 ... Polarizer, 24 ... Polarizing prism, 25 ... Condensing lens, 26 ... Light tunnel, 27 ... Lens element 28 ... reflective mirror, 29 ... DMD element, 30 ... projection lens, 31 ... screen, 32 ... color wheel, 33 ... irradiation area, 140 ... condensing lens, 141 Condensing lens, 190 ... transparent substrate, 191 ... yellow phosphor, 192 ... dichroic coat, 193 ... diffusion layer, 200 ... illumination light source device, 201 ... illumination light source device, 241 ... λ / 2 plate, 300 ... light source unit, 301 ... light source unit, 302 ... light source unit

Claims (3)

照明光源装置であって、
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、照明光源装置。 An illumination light source device,
A first unit that emits first excitation light having a degree of polarization greater than 50%, and a second unit that emits second excitation light having a degree of polarization greater than 50% in a direction perpendicular to the first excitation light. A first light source comprising:
A third unit that emits third excitation light having a degree of polarization greater than 50%, and a fourth unit that emits fourth excitation light having a degree of polarization greater than 50% in a direction perpendicular to the third excitation light. A second light source comprising the unit of
A first polarizer that transmits the first excitation light, reflects the fourth excitation light, and aligns the polarization direction of the reflected fourth excitation light with the polarization direction of the first excitation light;
A second polarizer that reflects the second excitation light, transmits the third excitation light, and aligns the polarization direction of the transmitted third excitation light with the polarization direction of the second excitation light;
The third excitation light is synthesized by transmitting the fifth excitation light from the first polarizer and reflecting the sixth excitation light from the second polarizer, thereby synthesizing the fifth and sixth excitation lights. With a polarizer
A condenser lens for condensing the excitation light synthesized in the third polarizer;
A phosphor that is excited by the excitation light collected by the condenser lens to generate fluorescent light, and
The illumination light source device, wherein the first and second light sources are arranged so that an optical axis of the first light source and an optical axis of the second light source are orthogonal to each other. 請求項１記載の照明光源装置において、
前記光源はレーザーである、照明光源装置。 The illumination light source device according to claim 1,
The illumination light source device, wherein the light source is a laser. 請求項１または２に記載の照明光源装置において、
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る、照明光源装置。 The illumination light source device according to claim 1 or 2,
The illumination light source device, wherein the fluorescent light generated by the phosphor and the excitation light not excited by the phosphor are mixed to become substantially white light.
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