光源装置以及投影型显示装置的制作方法

本公开涉及通过照明光来照射形成在小型的光阀上的图像，通过投影透镜来在屏幕上进行放大投影的投影型显示装置。

背景技术：

作为使用了反射镜偏转型的数字微镜器件(dmd)、液晶面板的光阀的投影型显示装置的光源，公开了多个使用了长寿命的半导体激光器、发光二极管的固体光源的光源装置。其中，公开了一种使用了蓝色固体光源和红色固体光源的宽色域且高效率的光源装置(参照专利文献1)。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：jp特开2012-234161号公报

技术实现要素：

本公开通过利用同一光学系统对来自蓝色固体光源以及红色固体光源的光进行聚光、合成的结构，提供一种小型且颜色纯度高的宽色域的光源装置以及投影型显示装置。

本公开的光源装置具备：蓝色固体光源、红色固体光源、第1相位差板、分光镜、荧光板、第2相位差板和反射板。第1相位差板使来自蓝色固体光源的光产生相位差。分光镜从同一方向入射来自蓝色固体光源以及红色固体光源的光，对来自蓝色固体光源的光进行偏振光分离。荧光板通过被分光镜分离出的一方来自蓝色固体光源的光而进行激励并射出荧光。第2相位差板将被分光镜分离出的另一方来自蓝色固体光源的光以及来自红色固体光源的光的偏振光转换为圆偏振光。反射板对透射第2相位差板的光进行反射。

本公开的投影型显示装置具备：上述本公开的光源装置；照明光学系统，对来自光源装置的光进行聚光并照明到被照明区域；图像形成元件，根据影像信号来形成图像；和投影透镜，对由图像形成元件形成的图像进行放大投影。

通过本公开，通过利用同一光学系统来对来自蓝色固体光源以及红色固体光源的光进行聚光、合成的结构，能够构成小型且颜色纯度高的宽色域的光源装置。因此，能够实现小型、高色域且长寿命的投影型显示装置。

附图说明

图1是实施方式1中的光源装置的结构图。

图2是实施方式1中的第1相位差板的结构图。

图3是表示分光镜的分光特性的图。

图4是从光源装置射出的光的频谱特性图。

图5是实施方式2中的投影型显示装置的结构图。

图6是实施方式3中的投影型显示装置的结构图。

-符号说明-

16蓝色半导体激光器

17、21准直透镜

18、22散热板

19蓝色固体光源单元

20红色半导体激光器

23红色固体光源单元

24散热片

25光束

26、27透镜

28第1扩散板

29第1相位差板

30分光镜

31、32、38聚光透镜

33荧光体层

34铝基板

35电机

36荧光板

371/4波长板

39第2扩散板

40反射板

41光源装置

42玻璃基板

43相位差层形成区域

44相位差层非形成区域

51、52投影型显示装置

100聚光透镜

101棒部

102、209、210中继透镜

103、206、207、208反射镜

104、211、212、213场透镜

105全反射棱镜

106空气层

107彩色棱镜

108、204蓝反射的分光镜

109红反射的分光镜

110、111、112dmd

113、224投影透镜

200第1透镜阵列板

201第2透镜阵列板

202偏振光转换元件

203重叠用透镜

205绿反射的分光镜

214、215、216入射侧偏振片

217、218、219液晶面板

220、221、222射出侧偏振片

223颜色合成棱镜

具体实施方式

参照附图来对以下具体实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是实施方式1所涉及的光源装置的结构图。光源装置41具备：蓝色固体光源单元19，其由作为蓝色固体光源的蓝色半导体激光器16、准直透镜17和散热板18构成；和红色固体光源单元23，其由作为红色固体光源的红色半导体激光器20、准直透镜21和散热板22构成。蓝色固体光源单元19和红色固体光源单元23的散热板18、22与散热片24接合。在来自蓝色固体光源单元19和红色固体光源单元23的射出光的行进方向，按照透镜26、透镜27、第1扩散板28、第1相位差板29以及分光镜30的顺序依次被配置。

聚光透镜31、32为了对由分光镜30反射的光进行聚光并使荧光体激励，对荧光板36的荧光体层33进行照射，并且对通过其激励而发出的荧光进行聚光。荧光板36由形成有反射膜和荧光体层33的铝基板34以及电机35构成。在透射分光镜30的光的行进方向，按照作为相位差板的1/4波长板37、聚光透镜38、第2扩散板39、反射板40的顺序依次被配置。图1中，表示从固体光源射出的各光束25的样子(通过单项箭头来表示光的行进方向)、和入射到分光镜30以及从分光镜30射出的光的偏振方向。

蓝色固体光源单元19构成为将把8个(2×4)正方配置的蓝色半导体激光器16和准直透镜17在散热板18上以一定间隔二维状地配置，2组蓝色固体光源单元19被配置于红色固体光源单元23的两侧。红色固体光源单元23构成为将把8个(2×4)正方配置的红色半导体激光器20和准直透镜21在散热板22上以一定间隔二维状地配置，被2个蓝色固体光源单元19夹着并在中央部被配置1组。散热片24用于对蓝色半导体激光器16和红色半导体激光器20进行冷却。

蓝色半导体激光器16以447nm至462nm的波长宽度发出蓝色光并射出线偏振光。配置各蓝色半导体激光器以使得从蓝色半导体激光器16射出的偏振光相对于分光镜30的入射面为s偏振光。此外，红色半导体激光器20以633nm至649nm的波长宽度发出红色光并射出线偏振光。配置各红色半导体激光器以使得从红色半导体激光器20射出的偏振光相对于分光镜30的入射面为p偏振光。

多个射出蓝色半导体激光器16的光通过对应的准直透镜17，分别被聚光并转换为平行的光束25。光束25群通过凸面的透镜26和凹面的透镜27，进一步被小径化并入射到第1扩散板28。

多个射出红色半导体激光器20的光通过对应的准直透镜21，分别被聚光并转换为平行的光束25。光束25群通过凸面的透镜26和凹面的透镜27，进一步被小径化并入射到第1扩散板28。

第1扩散板28通过形成在玻璃基板上的微小的透镜形状而形成扩散面，对入射的光进行扩散。扩散光的最大强度的50％的半值角度宽度即扩散角度大致为较小的4度，保持偏振光特性。射出第1扩散板28的光入射到第1相位差板29。

图2中表示第1相位差板29的结构。图2中表示入射到第1相位差板29上的蓝色激光和红色激光的样子。图2的(a)是在z轴方向观察的侧面图，图2的(b)是在-y方向观察图2的(a)的俯视图。第1相位差板29是在玻璃基板42上形成微小构造，通过双折射来产生相位差的微小构造性相位差板。关于微小构造性相位差板，例如在国际公开第2017/061170号中有所记载。在第1相位差板29，在玻璃基板42上形成相位差层形成区域43和相位差层非形成区域44。在蓝色激光入射的区域形成相位差层形成区域43，该相位差层形成区域43是1/4波长板。1/4波长板是在蓝色半导体激光器16的发光中心波长附近相位差为1/4波长的相位差板。

配置为图2的(c)所示的相位差层形成区域的光学轴角度θ约为63.5度。通过将光学轴角度θ设为63.5度，能够将入射的s偏振光(90度方向)的蓝色光控制为p偏振光分量约20％、s偏振光分量约80％的比率。此外，通过在第1相位差板29设置约±5度的旋转机构，能够调整光的p偏振光分量与s偏振光分量的比率。由于第1相位差板29的微小构造形状通过无机材料利用纳米印刷工法而被制作，因此能够比较容易在基板上制作相位差层形成区域和相位差层非形成区域44。由于是无机材料，因此与水晶等的光学晶体同样地，耐久性、可靠性优良。另一方面，由于来自红色固体光源单元23的p偏振光的光入射到第1相位差板29的相位差层非形成区域44，因此不被偏振光分离地直接透射p偏振光。

作为上述说明的第1相位差板29，在玻璃基板的一部分形成相位差层形成区域，但也可以使用多片在玻璃基板的整面形成有相位差层形成区域的相位差板，配置于蓝色激光入射的位置。

射出第1相位差板29的p偏振光、s偏振光的蓝色激光和p偏振光的红色激光入射到分光镜30。这样，来自蓝色固体光源单元19和红色固体光源单元23的光从同一方向入射到分光镜30。

图3中表示分光镜30的分光特性。分光特性表示相对于波长的透射率。分光镜30针对波长447～462nm的蓝色激光和波长633nm至649nm的红色激光，具有透射p偏振光并以高反射率使s偏振光反射的分光特性。进一步地，是将475～615nm的包含绿色以及红色的光的p偏振光、s偏振光分别以96％以上的高透射率进行透射的特性。由分光镜30反射的约80％的s偏振光的蓝色激光被聚光透镜31、32聚光，若将光强度相对于峰值强度为13.5％的直径定义为光斑直径，则与光斑直径为1.5mm～2.5mm的光斑重叠，入射到荧光板36。第1扩散板28使光扩散，以使得该光斑的直径为期望的直径。

荧光板36是具备形成有反射膜和荧光体层33的铝基板34、和在中央部具备电机35的可旋转控制的圆形基板。荧光板36的反射膜是反射可见光的金属膜或电介质膜，形成在铝基板34上。进一步在反射膜上形成荧光体层33。在荧光体层33，形成被蓝色激光激励并发出包含绿色分量、红色分量的黄色光的ce激活yag系黄色荧光体。该荧光体的晶体基质的代表性化学组织为y3al5o12。荧光体层33形成为圆环状。被光斑激励的荧光体层33发出包含绿色分量、红色分量的黄色光。荧光板36通过使用铝基板并且使其旋转，从而能够抑制基于激励光的荧光体层33的温度上升，稳定地维持荧光转换效率。

入射到荧光体层33的光对绿色分量、红色分量的色光进行荧光发光，射出荧光板36。此外，在反射膜侧发出的光由反射膜反射，射出荧光板36。从荧光板36射出的绿色光以及红色光为自然光，再次被聚光透镜31、32聚光，转换为大致平行光后，透射分光镜30。

另一方面，透射分光镜30的p偏振光的蓝色激光和红色激光入射到作为第2相位差板的1/4波长板37。1/4波长板37是在蓝色激光和红色激光的波段产生1/4波长的相位差的宽频带的相位差板。1/4波长板37在将图1中的p偏振方向设为0度的情况下，以45度的光学轴角度而被配置。蓝色激光和红色激光通过1/4波长板37，从p偏振光被转换为圆偏振光的光。1/4波长板37使用对基于电介质材料的倾斜蒸镀的双折射进行利用的薄膜相位差板。薄膜相位差板例如在jp特开2012-242449号公报中有所记载。该薄膜相位差板通过倾斜蒸镀膜来形成相位差板，因此比较容易形成厚膜，因此能够构成宽频带的1/4波长板。此外，薄膜相位差板由无机材料构成，与水晶等的无机光学晶体同样地，耐久性、可靠性优良。

透射并射出1/4波长板37的圆偏振光的光入射到聚光透镜38，在反射板40的附近形成聚光光斑。被聚光透镜38聚光的光入射到第2扩散板39。第2扩散板39使入射的光扩散，使光强度分布均匀化，并且消除激光的散斑。第2扩散板39通过形成在玻璃基板上的微小的透镜形状来形成扩散面。第2扩散板39的扩散角度大致为较小的4度，保持偏振光特性。来自第2扩散板39的光被形成有铝、电介质多层膜等的反射膜的反射板40反射并且相位被反转，成为逆旋的圆偏振光，再次透射第2扩散板39，被聚光透镜38聚光并转换为平行光之后，透射1/4波长板37并被转换为s偏振光。通过1/4波长板37而被转换为s偏振光的蓝色激光和红色激光由分光镜30反射。

这样，来自荧光板36的荧光、被高效地偏振光转换的蓝色激光和红色激光被分光镜30合成，射出白色光。

图4中表示从光源装置41射出的光的频谱特性。通过如图4中的虚线所示那样对区域进行颜色分离，能够得到高颜色纯度的蓝、绿、红的3原色光。

通过包含绿色分量、红色分量的荧光、蓝色激光和红色激光，能够得到蓝、绿、红的3原色的颜色纯度高、宽高色域、白平衡良好的发光特性。该发光频谱特性即使在投影型显示装置的光学系统中分离为蓝、绿、红的3原色光，也能够得到高颜色纯度的单色光。

针对第1相位差板，使用微小构造性相位差板来进行了说明，但也可以使用薄膜相位差板、水晶。此外，使用1/4波长板来说明了第1相位差板，但在蓝色激光射出p偏振光的配置的情况下，需要从p偏振光分离转换为p偏振光分量约20％、s偏振光分量约80％，在该情况下，能够使用1/2波长板来进行对应。

针对第2相位差板，使用薄膜相位差板来进行了说明，但也可以使用微小构造性相位差板、水晶。

说明了针对光源装置41使用2个蓝色固体光源单元19和1个红色固体光源单元23的情况，但若在第1相位差板上配置为蓝色激光与红色激光分离，则也可以分别进一步使用多个固体光源单元而构成。

如以上那样，本公开的光源装置具备在来自蓝色固体光源的光中产生相位差的相位差板，是通过同一光学系统来对来自蓝色固体光源以及红色固体光源的光进行聚光、合成的结构，因此小型，并且能够得到蓝、绿、红的3原色的颜色纯度高、宽色域的白色光。

(实施方式2)

图5是实施方式2所涉及的第1投影型显示装置51的结构图。作为图像形成单元，使用tn(twistednematic，扭曲向列)模式或va(verticalalignment，垂直排列)模式、在像素区域形成有薄膜晶体管的有源矩阵方式的透射式的液晶面板。

光源装置41由蓝色半导体激光器16、红色半导体激光器20、蓝色固体光源单元19、红色固体光源单元23、散热片24、透镜26、27、第1扩散板28、第1相位差板29、分光镜30、聚光透镜31、32、荧光板36、第2相位差板即1/4波长板37、聚光透镜38、第2扩散板39和反射板40构成。以上与实施方式1的光源装置41相同。

从光源装置41射出的光经由光学系统而被入射到投影透镜224，所述光学系统包含：第1透镜阵列板200、第2透镜阵列板201、偏振光转换元件202、重叠用透镜203、蓝反射的分光镜204、绿反射的分光镜205、反射镜206、207、208、中继透镜209、210、场透镜211、212、213、入射侧偏振片214、215、216、液晶面板217、218、219、射出侧偏振片220、221、222、由红反射的分光镜和蓝反射的分光镜构成的颜色合成棱镜223。

来自光源装置41的白色光入射到由多个透镜元件构成的第1透镜阵列板200。入射到第1透镜阵列板200的光束被分割为多个光束。被分割的多个光束收敛于由多个透镜构成的第2透镜阵列板201。第1透镜阵列板200的透镜元件是与液晶面板217、218、219相似形状的开口形状。第2透镜阵列板201的透镜元件决定其焦距以使得第1透镜阵列板200与液晶面板217、218、219大致为共轭关系。从第2透镜阵列板201射出的光入射到偏振光转换元件202。

偏振光转换元件202由偏振光分离棱镜和1/2波长板构成，将来自光源的自然光转换为一个偏振方向的光。荧光是自然光，因此被偏振转换为一个偏振方向，但由于蓝色光以p偏振光的光入射，因此被转换为s偏振光。来自偏振光转换元件202的光入射到重叠用透镜203。重叠用透镜203是用于将从第2透镜阵列板201的各透镜元件射出的光重叠照明到液晶面板217、218、219上的透镜。将第1透镜阵列板200以及第2透镜阵列板201、偏振光转换元件202和重叠用透镜203作为照明光学系统。

来自重叠用透镜203的光通过作为颜色分离单元的蓝反射的分光镜204、绿反射的分光镜205，被分离为蓝色光、绿色光、红色光。绿色光透射场透镜211、入射侧偏振片214，入射到液晶面板217。蓝色光由反射镜206反射后，透射场透镜212、入射侧偏振片215并入射到液晶面板218。红色光透射折射以及反射中继透镜209、210、反射镜207、208，透射场透镜213、入射侧偏振片216，并入射到液晶面板219。

3片液晶面板217、218、219根据对与影像信号相应的像素的施加电压的控制来使入射的光的偏振光状态变化，将配置为透射轴与各个液晶面板217、218、219的两侧正交的各个入射侧偏振片214、215、216以及射出侧偏振片220、221、222组合来调制光，形成绿、蓝、红的图像。透射射出侧偏振片220、221、222的各色光通过颜色合成棱镜223，红色光、蓝色光分别通过红反射的分光镜、蓝反射的分光镜来反射，与绿色光合成，入射到投影透镜224。入射到投影透镜224的光在屏幕(未图示)上被放大投影。

光源装置使用蓝色固体光源和红色固体光源而小型地构成，射出颜色纯度高、良好的白平衡的白色光，因此能够实现小型、宽色域的投影型显示装置。此外，由于对图像形成单元使用不是利用时分方式而是利用偏振光的3片液晶面板，因此能够得到不存在颜色致断、颜色再现良好、明亮并且高精细的投影图像。此外，相比于使用3个dmd元件的情况，不需要全反射棱镜，颜色合成用的棱镜成为45度入射的小型棱镜，因此投影型显示装置能够小型地构成。

如以上那样，本公开的第1投影型显示装置51使用如下光源装置，该光源装置具备：蓝色固体光源、红色固体光源、将来自蓝色固体光源的光控制为一定比率的偏振光分量的第1相位差板、和进行偏振光分离的分光镜，蓝色固体光源和红色固体光源的光通过同一光学系统来聚光、合成。因此，能够构成小型且宽色域的投影型显示装置。

作为图像形成单元，使用透射式的液晶面板，但也可以使用反射型的液晶面板来构成。通过使用反射型的液晶面板，能够构成更加小型且高精细的投影型显示装置。

(实施方式3)

图6是实施方式3所涉及的第2投影型显示装置52的结构图。作为图像形成单元，使用3个dmd(digitalmicromirrordevice，数字微镜器件)。

光源装置41由以下构件构成：蓝色半导体激光器16、红色半导体激光器20、蓝色固体光源单元19、红色固体光源单元23、散热片24、透镜26、27、第1扩散板28、第1相位差板29、分光镜30、聚光透镜31、32、荧光板36、第2相位差板即1/4波长板、聚光透镜38、第2扩散板39、反射板40。以上是实施方式1的光源装置41。

从光源装置41射出的白色光入射到聚光透镜100，向棒部101聚光。朝向棒部101的入射光在棒部内部反射多次，从而光强度分布被均匀化并射出。来自棒部101的射出光被中继透镜102聚光，由反射镜103反射后，透射场透镜104，入射到全反射棱镜105。全反射棱镜105由2个棱镜构成，在相互的棱镜的接近面形成薄空气层106。空气层106对以临界角以上的角度入射的光进行全反射。来自场透镜104的光被全反射棱镜105的全反射面反射，入射到彩色棱镜107。

彩色棱镜107由3个棱镜构成，在各个棱镜的接近面形成蓝反射的分光镜108和红反射的分光镜109。通过彩色棱镜107的蓝反射的分光镜108和红反射的分光镜109，被分离为蓝、红、绿的色光，分别入射到dmd110、111、112。dmd110、111、112根据影像信号来使微镜偏转，使其反射入射到投影透镜113的光、进入到投影透镜113的无效部的光。被dmd110、111、112反射的光再次透射彩色棱镜107。在透射彩色棱镜107的过程中，被分离的蓝、红、绿的各色光被合成，入射到全反射棱镜105。

入射到全反射棱镜105的光以临界角以下入射到空气层106，因此透射并入射到投影透镜113。这样，由dmd110、111、112形成的图像光被放大投影到屏幕(未图示)上。

光源装置使用蓝色固体光源和红色固体光源而小型地构成，射出颜色纯度高且良好的白平衡的白色光，因此能够实现小型且宽色域的投影型显示装置。此外，由于对图像形成单元使用dmd，因此与使用了液晶的图像形成单元相比，能够构成耐光性、耐热性较高的投影型显示装置。进一步地，由于使用3个dmd，因此能够得到颜色再现良好、明亮且高精细的投影图像。

如以上那样，本公开的第2投影型显示装置52使用如下的光源装置，该光源装置具备蓝色固体光源、红色固体光源、将来自蓝色固体光源的光控制为一定比率的偏振光分量的第1相位差板、和进行偏振光分离的分光镜，蓝色固体光源和红色固体光源的光通过同一光学系统来聚光、合成。因此，能够构成小型且宽色域的投影型显示装置。

产业上的可利用性

本公开涉及使用了液晶面板、dmd等的图像形成单元的投影型显示装置。