JP2004334082A - 半導体レーザ素子を光源に用いた照明光学系およびそれを利用したプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】半導体レーザ素子を光源に用いた照明光学系およびこれを利用したプロジェクタを提供する。
【解決手段】本発明に係る照明光学系は、第１の波長（Ｒ）を発光する第１の半導体レーザ光源（６２）と、第２の波長（Ｇ）を発光する第２の半導体レーザ光源（６４）と、第３の波長（Ｂ）を発光する第３の半導体レーザ光源（６６）と、第１、第２、第３の半導体レーザを所定のタイミングで駆動する駆動回路（３４）と、第１、第２、第３の半導体レーザ光源からの光を入射し、第１の方向へ出射するダイクロイックフィルター６８とを有する。
【選択図】 図３

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタに関し、特に、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いたＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＤＬＰはテキサスインスツルメンツ社の登録商標）方式のプロジェクタにおける照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＬＰ方式のプロジェクタは、複数の半導体ミラー素子をアレイ状に配列させたＤＭＤに光を照射し、その反射光をレンズ等で拡大投影して画像表示を行うものである。図６に示すように、放電ランプ１００からの白色光が回転楕円面鏡１０２によって反射され、その反射光がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターを配列した円盤状のカラーホイール１０４に入射される。カラーホイール１０４は一定速度で回転され、入射された光は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長帯を有する光に順次変換される。Ｒ、Ｇ、Ｂ光は、インテグレータまたはライトトンネル１０６において均一な光強度の光線束となって出射され、この光線束は、コンデンサレンズ１０８、平面ミラー１１０および球面ミラー１１２、コンデンサレンズ１１４を介してＤＭＤ１１６に入射される。ＤＭＤ１１６は、画像データに基づき、ＲＧＢ光（カラーホイールの回転）に同期して時分割駆動され、それらの反射光が投影レンズ１１８を介してスクリーンに照射され、カラー映像が表示される。
【０００３】
光源として用いられる放電ランプ１００は、明るい投射映像を形成するために、光出力が大きいものが用いられるが、その使用時間が長くなると、電極が消耗し、アークフリッカやアークジャンプによりチラツキが生じたり、あるいは放電ランプのガラス管が電極等から発生した金属粉によって黒色化し光の明るさが低下してしまう。さらに、ランプの発熱により、プロジェクタ内の温度が非常に高くなるため、それを冷却するために比較的大きな冷却能力を有するファンを取り付けなければならない。
【０００４】
こうした観点から、プロジェクタの光源として、放電ランプに代わるものが求められている。その一つに、近年著しい開発が遂げられている半導体レーザダイオード（ＬＥＤ）がある。半導体レーザダイオードは、発振する波長に応じた光を出力するが、現在では既に、短波長の青色から長波長の赤色までの光を発光することができる半導体レーザダイオードが実用化されている。
【０００５】
例えば特許文献１は、車両用灯具に関するものであるが、複数のＬＥＤを光源に利用している。具体的には、複数のＬＥＤの前方にフレネルレンズ、拡散レンズ、集光レンズを設けることで、光源全体を広い発光面積でほぼ均一に光って見えるようにするものである。また、特許文献２は、画像読取装置に関し、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの各ＬＥＤをマトリクス状に配置して光源を構成している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３２１１号
【特許文献２】
特開２００２−２３７９２７号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１および２は、ＬＥＤを光源として用いるものではあるが、これらは、カラー映像を投射するプロジェクタ用の光源としては十分な検討をされていない。プロジェクタ用の光源にＬＥＤを用いる場合、チラツキの少ない、均一な照度の光学照明系明を要求されるが、上記特許文献１および特許文献２に示される構成では、このような要求を満足させることは困難であり、プロジェクタの光源に適用することはできない。
【０００８】
そこで本発明は、従来の課題を解決し、半導体レーザ素子を光源に用いた照明光学系およびそれを利用したプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る照明光学系は、第１の波長を発光する第１の半導体レーザと光源、第２の波長を発光する第２の半導体レーザ光源と、第３の波長を発光する第３の半導体レーザ光源と、第１、第２、第３の半導体レーザ光源を所定のタイミングで駆動する駆動回路と、第１、第２、第３の半導体レーザ光源からの光を入射し、第１の方向へ出射する光学部材とを有する。このような半導体レーザを光源に用いた照明光学系を構成することにより、従来の放電ランプを光源に用いた照明光学系と比べて、光利用効率を向上させ、光源の発熱温度を低下することができる。
【００１０】
好ましくは、光学部材は、ダイクロイックフィルターを含む。さらに光学部材はさらに、ダイクロイックフィルターの前方にコンデンサレンズを含むものでもよい。さらに光学部材はコンデンサレンズの前方にライトトンネルまたはインテグレータを含むものでもよい。
【００１１】
第１、第２、第３の波長は、例えば、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）光である。第１、第２、第３の半導体レーザ光源は、好ましくはそれぞれリフレクタを含み、第１、第２、第３の半導体レーザ光源の発光部が、リフレクタの焦点位置近傍に位置され、そこから略平行光線が出射される。
【００１２】
さらに照明光学系は、第１、第２、第３の半導体レーザ光源を冷却するための冷却装置を含む。また好ましくはヒートシンクを含む。これにより、半導体レーザが一定温度以上になるを抑制し、発光動作を安定化させ、均一な照明を得ることができる。
【００１３】
第１、第２、第３の半導体レーザ光源は、それぞれ異なるタイミングで発光される。この場合、第１、第２の、第３の半導体レーザ光源は、それぞれ同じ期間だけ発光するようにしてもよいし、あるいは所望のレーザ光源の発光期間を他の素子よりも長くしてもよい。
【００１４】
本発明に係るプロジェクタは、上記したような照明光学系と、照明光学系からの光を変調する光変調手段と、光変調手段によって変調された光を投射する投射手段とを有する。光源に半導体レーザを利用した照明光学系を用いることで、光の利用効率が向上され、装置全体を小型化することが可能となる。
【００１５】
好ましくは、光変調手段は、ＤＭＤを含む。本発明による照明光学系を利用することで、従来のカラーホイールを用いる必要がなくなり、装置の小型化を図ることができる。また、光変調手段は、液晶装置を利用したものでもよく、液晶プロジェクタにも適用することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るＤＬＰ方式プロジェクタの主要な構成を示すブロック図である。プロジェクタ１は、画像信号Ｖを入力し、これをＤＭＤと同じ画素数のＲＧＢデジタル画像データに変換する前処理部１０と、前処理部１０からのデジタル画像データに基づきＤＭＤ５０の駆動および光源駆動回路３０の駆動を制御する制御部２０と、クロック信号ＣＬＫを生成するクロック発生回路４０と、複数の半導体ミラー素子をアレイ状に配置させそれらの半導体ミラー素子の角度を可変させるＤＭＤ５０と、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の半導体レーザダイオード素子（ＬＥＤ）を有するＬＥＤ光源６０と、ＬＥＤ光源６０からの光をＤＭＤ５０へ照射させる照明光学系７０と、ＤＭＤ５０によって反射された光をスクリーン上へ投射する投射光学系８０とを含む。
【００１７】
図２に光源駆動回路の内部構成を示す。光源駆動回路３０は、各色のＬＥＤを駆動させるタイミング信号を形成するタイミング回路３２と、タイミング回路３２からのタイミング信号によってＬＥＤを駆動する駆動回路３４と、ＬＥＤを好ましい状態で発光させるための電力を供給する電極供給回路３６とを有する。
【００１８】
図３に、光源駆動回路３０およびＬＥＤ光源６０の詳細を示す。ＬＥＤ光源６０は、赤色（Ｒ）を発光するＬＥＤを少なくとも一つ含む赤色光源６２と、緑色（Ｇ）を発光するＬＥＤを少なくとも一つ含む緑色赤色光源６４と、青色（Ｂ）を発光するＬＥＤを少なくとも一つ含む青色赤色光源６６とを含む。赤色光源６２は、赤色ＬＥＤ６２ａと、赤色ＬＥＤをその焦点位置に配し、ＬＥＤからの光を略平行光線として反射させるリフレクタ６２ｂと、リフレクタ６２ｂに熱結合されたヒートシンク６２ｃとを有している。同様に、緑色光源６４は、緑色ＬＥＤ６４ａと、リフレクタ６４ｂと、ヒートシンク６４ｃとを有し、青色光源６６は、青色ＬＥＤ６６ａと、リフレクタ６６ｂと、ヒートシンク６６ｃとを有している。
ている。
【００１９】
駆動回路３４は、ＭＯＳトランジスタ３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂを含む。ＭＯＳトランジスタ３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂの各ドレイン電極は、駆動電力供給回路３６の電力供給源に接続されている。ＭＯＳトランジスタ３４Ｒのソース電極は、赤色光源６２の駆動端子に接続され、ゲート電極はタイミング回路３２のタイミングパルス信号φＲに接続される。ＭＯＳトランジスタ３４Ｇのソース電極が緑色光源６４の駆動端子に接続され、ゲート電極がタイミングパルス信号φＧに接続される。ＭＯＳトランジスタ３４Ｂのソース電極が青色光源６６の駆動端子に接続され、ゲート電極がタイミングパルス信号φＢに接続される。
【００２０】
タイミング回路３２は、制御部２０からのイネーブル信号ＥＢと、クロック発生回路４０からのクロック信号ＣＬＫを入力する。図４にタイミング回路の動作を示す。タイミング回路３２は、イネーブル信号ＥＢを受け取ると、クロック信号ＣＬＫに同期したタイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧを生成する。タイミングパルス信号φＲのパルスは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して立ち上がり、次のクロック信号の立ち上がりのときに立ち下がる。つまり、クロック信号ＣＬＫの１周期に等しいパルス幅を有する。タイミングパルス信号φＧは、φＲの立下りに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。タイミングパルス信号φＢは、タイミングパルス信号φＧの立ち下がりに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。このように、各タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢのパルスは、それぞれ重複することなく異なるタイミングで交互に生成される。これにより各光源６２、６４、６６のＬＥＤが、タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢと同期したタイミングで点灯される。さらに、タイミング回路３２は、タイミングパルス信号と同期した同期信号Ｓを制御部２０へ出力する。
【００２１】
タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢは、上記以外に、例えばクロック信号ＣＬＫを１／ｎに分周する分周回路を用いたり、あるいは、図４（ｂ）に示すように、タイミングパルス信号φＲを遅延素子３１へ入力させ、遅延素子３８からパルス幅に等しい時間を遅延させたタイミングパルス信号φＧを生成し、タイミングパルス信号φＧを遅延素子３９へ入力させそこからタイミングパルス信号φＢを生成することもできる。さらに、上記例では、各タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢのパルス幅をすべて等しくしたが、これに限らず、パルス幅を変えて、各光源６２、６４、６６が点灯する時間を変えてもよい。例えば、カラー映像の演色性が不足している場合には、タイミングパルス信号φＲのパルス幅を長くし、赤色光源６２の点灯時間を他の光源よりも長くするようにしてもよい。
【００２２】
各光源６２、６４、６６の中央に、ダイクロイックプリズムまたはダイクロイックフィルター６８が配置される。ダイクロイックフィルター６８は、例えば一対のプリズムの接合面に反射層を介在させて構成され、入射される光を波長に応じて分離する。ここでは、赤色光源６２から入射されたレーザ光が、ダイクロイックフィルター６８の接合面で反時計方向に９０度反射されて進み、緑色光源６４から入射されたレーザ光が、ダイクロイックフィルター６８の接合面を直進し、青色光源６６から入射されたレーザ光が、ダイクロイックフィルター６８の接合面で時計方向に９０度反射されて進み、各光源からの光は、すべてＸ方向に向けて出射される。
【００２３】
図５に本発明によるプロジェクタの光学系を示す。従来の説明で用いた図６と同一の構成については同一参照番号を付してある。同図において、ダイクロイックフィルター６８の前方には、平凸タイプのコンデンサレンズ１２０が配される。コンデンサレンズ１２０は、ダイクロイックフィルター６８から順次出射されるＲ、Ｇ、Ｂ光を集光し、これをその前方に位置されたライトトンネルまたはインテグレータ１０６の入射口に与える。インテグレータ１０６は、４：３あるいは１６：９の所望のアスペクト比を有し、アスペクト比に応じた均一な強度の光線束を出射する。その光線束は、コンデンサレンズ１０８、平面ミラー１１０および球面ミラー１１２、コンデンサレンズ１１４を介してＤＭＤ１１６を照明し、そこでミラー素子によって反射された光が投射レンズ１１８により拡大されてスクリーン上にカラー映像が表示される。
【００２４】
本実施の形態では、赤色光源６２、緑色光源６４、青色光源６６が、タイミング回路３２によって、図４（ａ）に示すような異なるタイミングで発光されるため、従来技術で必要とされていたカラーホイールを不要となる。従来のカラーホイールは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルターを含み、そこに白色光を透過させることで、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を得ていたため、実質的に１／３の光が利用されずに捨てられていた。このため、光源の光利用効率が悪く、その結果として、明るい投射映像をえるためには、光出力の大きな光源を必要としていた。これに対して、ＬＥＤを光源に用い、赤、緑、青の光源６２、６４、６６を交互に駆動させるため、カラーホイールは不要であり、かつ、光源の光利用効率が格別向上される。
【００２５】
さらに好ましくは、各光源６２、６４、６６に近接して冷却ファン１３０、１３２、１３４が設けられる。各光源のＬＥＤ素子は、温度依存性があり、温度が上昇すると発光光量が減少するため、冷却ファン１３０、１３２、１３４により各光源が一定温度を越えないようにする。
【００２６】
以上本発明の好ましい実施形態の一例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、ＤＬＰ方式のプロジェクタを例示したが、これ以外にも、光変調素子に液晶装置を使用した液晶タイプのプロジェクタにも適用することができる。さらに、各光源のリフレクタは、回転楕円面鏡や放物面鏡を用いることができる。駆動回路３４は、バイポーラトランジスタを用いたものや、その他の回路構成であってもよい。ダイクロイックフィルターの前方に、配される光学レンズは設計に応じて適宜所望のものを用いることができる。
【００２７】
【発明の効果】
本発明によれば、第１、第２、第３の波長を発光する第１、第２、第３の半導体レーザ光源と、第１、第２、第３の半導体レーザ光源を所定のタイミングで駆動する駆動回路と、第１、第２、第３の半導体レーザ光源からの光を入射し、第１の方向へ出射する光学部材とを有する照明光学系を構成することで、光利用効率の高い、均一な照明を得ることができる。また、この照明光学系をプロジェクタに適用することで、装置を小型化し、光源の発熱温度を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。
【図２】光源駆動回路の構成を示す図である。
【図３】駆動回路およびＬＥＤ光源の構成を示す図である。
【図４】タイミング回路の動作を示す波形図である。
【図５】本実施の形態に係るＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系を示す図である。
【図６】従来のＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系を示す図である。
【符号の説明】
１０ 前処理部 ２０ 制御部
３０ 光源駆動回路 ３２ タイミング回路
３４ 駆動回路 ３６ 電力供給回路
４０ クロック発生回路 ５０ ＤＭＤ
６０ ＬＥＤ光源 ６２ 赤色光源
６２ａ、６４ａ、６６ａ 赤色ＬＥＤ
６２ｂ、６４ｂ、６６ｂ リフレクタ
６２ｃ、６４ｃ、６６ｃ ヒートシンク
６４ 緑色光源 ６６ 青色光源
６８ ダイクロイックフィルター ７０ 照明光学系
８０ 投射光学系 １２０ コンデンサレンズ
１３０ 冷却ファン

Claims (12)

1. 第１の波長を発光する第１の半導体レーザ光源と、
   第２の波長を発光する第２の半導体レーザ光源と、
   第３の波長を発光する第３の半導体レーザ光源と、
   第１、第２、第３の半導体レーザ光源を所定のタイミングで駆動する駆動回路と、
   第１、第２、第３の半導体レーザ光源からの光を入射し、第１の方向へ出射する光学部材とを有する、照明光学系。
2. 前記光学部材は、ダイクロイックフィルターを含む、請求項１に記載の照明光学系。
3. 前記光学部材はさらに、ダイクロイックフィルターの前方にコンデンサレンズを含む、請求項２に記載の照明光学系。
4. 前記光学部材はさらに、コンデンサレンズの前方にライトトンネルまたはインテグレータを含む、請求項３に記載の照明光学系。
5. 第１、第２、第３の波長は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光である、請求項１ないし４いずれかに記載の照明光学系。
6. 第１、第２、第３の半導体レーザ光源は、それぞれリフレクタを含み、第１、第２、第３の半導体レーザの発光部が、リフレクタの焦点位置近傍に位置される、請求項１ないし５いずれかに記載の照明光学系。
7. 照明光学系はさらに、第１、第２、第３の半導体レーザ光源を冷却するための冷却装置を含む、請求項１ないし６いずれかに記載の照明光学系。
8. 前記第１、第２、第３の半導体レーザ光源はヒートシンクを含む、請求項１ないし７いずれかに記載の照明光学系。
9. 前記駆動回路は、第１、第２、第３の半導体レーザ光源をそれぞれ異なるタイミングで駆動する、請求項１ないし８いずれかに記載の照明光学系。
10. 請求項１ないし９いずれかに記載の照明光学系と、
    前記照明光学系からの光を変調する光変調手段と、
    前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を有するプロジェクタ。
11. 前記光変調手段は、ＤＭＤを含む、請求項１０に記載のプロジェクタ。
12. 前記光変調手段は、液晶装置を含む、請求項１０に記載のプロジェクタ。

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