JP2004334083A - 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】赤色（Ｒ）の波長を発光する半導体レーザを含む赤色光源６２と、緑色（Ｇ）の波長を発光する半導体レーザを含む緑色光源６４と、青色（Ｂ）の波長を発光する半導体レーザを含む青色光源６６と、赤色光源６２、緑色光源６４、青色光源６６を所定のタイミングで駆動する駆動回路３４と、赤色光源６２、緑色光源６４、青色光源６６にそれぞれ光結合された光ファイバ１３０、１３２、１３４とを有する照明光学系。
【選択図】 図５

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】
光源に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好ましい。しかし、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、放電ランプの発熱により、プロジェクタ内度が非常に高温となるため、それを冷却するために比較的大きな冷却能力を有する冷却ファンが必要となる。
【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、図７に示すように、面発光レーザ等の面型単色光源アレイ２００と、平板マイクロレンズ等のレンズアレイ２１０と、レンズアレイ２１０からの光を集光するレンズ２２０と、光ファイバ２３０とから構成される光接続素子を開示している。レンズアレイ２１０の各レンズ部２１１の焦点位置に単色光源アレイ２００の発光部２０１を位置させ、各発光部２０１からの光がレンズ部２１０において平行光線とされ、その光線束がレンズ２２０により集光され、光ファイバ２３０の端部に入射される。こうして、各発光部２０１からの光が合成されて光ファイバ２３０を伝送される。
【０００６】
【特許文献１】
特開２８４８２７９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は、単色の半導体レーザをアレイ光源とするものであるため、これを、カラー映像を投射するプロジェクタ用の光源に適用できるものではない。プロジェクタ用の光源には、チラツキの少ない、均一な照度が要求されるが、未だそのような要求を満足するような半導体レーザを光源に用いた照明光学系は実用化されていない。
【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、第２の波長を発光する第２の半導体レーザと、第３の波長を発光する第３の半導体レーザと、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と、第１、第２、第３の半導体レーザにそれぞれ光結合された光ファイバとを有する。これにより、光源の光利用効率を向上させることが可能となるとともに、限られたスペース内に照明光学系を配することができる。
【００１０】
好ましくは、第１、第２、第３の半導体レーザと光ファイバとの間に集光レンズが配される。さらに、第１、第２、第３の半導体レーザはそれぞれ離間して配することも可能である。さらに、光ファイバの出射側に、ライトトンネルまたはインテグレータを含むようにしてもよい。ライトトンネルまたはインテグレータによって所望のアスペクト比の光線束を形成するようにしてもよい。
【００１１】
第１、第２、第３の波長は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の光である。さらに、第１、第２、第３の半導体レーザは、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ようにしてもよい。この場合、リフレクタを光ファイバに直接結合するものであってもよい。
【００１２】
照明光学系はさらに、第１、第２、第３の半導体レーザを冷却するための冷却装置を含むことが好ましい。半導体レーザは、温度の上昇に伴い出力が低下するため、一定温度を超えないように半導体レーザを冷却することで、照明を一定にすることができる。また、冷却装置と併せて、あるいは単独で、第１、第２、第３の半導体レーザがヒートシンクを含むものであってもよい。
【００１３】
駆動回路は、第１、第２、第３の半導体レーザをそれぞれ異なるタイミングで交互に駆動する。これにより、波長の異なる光を順次照明することが可能となり、特に、この光をＤＭＤに照射することで、カラー映像の表示が可能となる。第１、第２、第３の半導体レーザは、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の発光期間を他のレーザよりも長くしてもよい。
【００１４】
プロジェクタは、好ましくは、上記した照明光学系と、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。照明光学系を小型化することで、プロジェクタも小型化することが可能となる。光変調手段は、ＤＭＤや、これ以外にも、液晶装置を利用した液晶プロジェクタにも適用可能である。さらにプロジェクションテレビの照明光学系にも利用可能である。
【００１５】
【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の照明領域と同じ画素数の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を有するレーザ光源６０と、レーザ光源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。
【００１６】
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、各色の半導体レーザ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半導体レーザを駆動する駆動回路３４と、半導体レーザを好ましい状態で発光させるための電力を供給する電力供給回路３６とを有する。
【００１７】
図３に、光源駆動回路３０およびレーザ光源６０の詳細を示す。レーザ光源６０は、赤色（Ｒ）を発光する半導体レーザ素子を少なくとも一つ含む赤色光源６２と、緑色（Ｇ）を発光する半導体レーザ素子を少なくとも一つ含む緑色光源６４と、青色（Ｂ）を発光する半導体レーザ素子を少なくとも一つ含む青色光源６６とを含む。各光源６２、６４、６６は、図３（ｂ）に示すように、リフレクタ６８の焦点位置近傍に、発光点を有するレーザ素子６７を配するものであってもよい。この場合、レーザ素子６７からの光をリフレクタ６８によってコリメートするものであっても良い。さらに、各光源６２、６４、６６に放熱フィン６９を取り付け、レーザ６７からの発熱を外部に放熱させるようにすることもできる。
【００１８】
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。
【００１９】
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。ＭＯＳトランジスタ３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂは、タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢのパルス幅期間を導通され、これにより各光源６２、６４、６６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。制御部２０は、同期信号Ｓに基づき、赤色光源６２、緑色光源６４、青色光源６６の駆動同期したタイミングで、デジタル画像データをＤＭＤ５０に供給する。
【００２０】
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。
【００２１】
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、各光源６２、６４、６６の出射位置に、コンデンサレンズ１２０、１２２、１２４が配されている。各コンデンサレンズ１２０、１２２、１２４は、各光源６２、６４、６６からの光を集光し、これを光ファイバ１３０、１３２、１３４の入射端に入射させている。光ファイバ１３０、１３２、１３４は、自在な方向に湾曲可能であり、それらの出力端は、コンデンサレンズ１４０に対向されている。
【００２２】
光ファイバ１３０、１３２、１３４から出射された光は、コンデンサレンズ１４０によりライトトンネル１０６に入射される。ライトトンネル１０６は、好ましくは４：３または１６：９のアスペクト比を有し、そのアスペクト比に応じた光線束を出射する。上述したように、各光源６２、６４、６６は異なるタイミングで交互に駆動されるため、ライトトンネル１０６からは順次、Ｒ、Ｇ、Ｂの光が出射され、この光は、コンデンサレンズ系１０８、平面ミラー１１０、球面ミラー１１２、コンデンサレンズ１１４を介してＤＭＤ１１６を照明する。ＤＭＤ１１６のミラー素子によって反射された光は、投射レンズ１１８により拡大され、スクリーン上にカラー映像が表示される。
【００２３】
本実施の形態によれば、各光源６２、６４、６６のレーザ素子からの光は、光ファイバを利用して照明されるため、限られたスペースを効率的に利用することができる。図５では、赤色光源６２が、他の光源６４、６６と異なる位置にある例を示しているが、光ファイバ１３０、１３２、１３４の長さ、方向等を適宜選択することにより、所望に位置に各光源を配することが可能となる。
【００２４】
さらに図５では、各光源６２、６４、６６と光ファイバ１３０、１３２、１３４との間にコンデンサレンズ１２０、１２２、１２４を介在させることとしたが、これに限らず、図３（ｂ）に示すようなリフレクタ６９を有する光源を用いることで、各光源６２、６４、６６と光ファイバ１３０、１３２、１３４とを直接結合するものであっても良い。
【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１５０を設けるようにしてもよい。各光源のレーザ素子は、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１５０（１つを例示している）によりレーザ素子が一定温度を越えないようにする。冷却ファン１５０と、図３（ｂ）に示す放熱フィン（ヒートシンク）６９を組み合わせることでより効果的な冷却または放熱を行うことが可能である。
【００２６】
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駆動されるため、従来技術で必要とされていたカラーホイール１０４（図６を参照）が不要となる。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、半導体レーザを光源に用い、赤、緑、青の光源６２、６４、６６を交互に駆動させることで、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。
【００２７】
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、プロジェクションテレビ等にも適用することができる。さらに、各光源６２、６４、６６のリフレクタ６８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、ＭＯＳトランジスタの代わりにバイポーラトランジスタを用いたものや、その他マイクロコンピュータにより駆動制御を行うものであってもよい。
【００２８】
【発明の効果】
本発明に係る照明光学系は、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と、第１、第２、第３の半導体レーザにそれぞれ光結合された光ファイバとにより構成されるため、光利用効率を向上させ、小型化することが可能となる。また、このような照明光学系を画像形成装置等のプロジェクタに適用することで、プロジェクタを小型化することができる。
【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。
【図７】従来の半導体レーザに光ファイバを利用したとき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 レーザ光源 ６２ 赤色光源
６４ 緑色光源 ６６ 青色光源
６７ レーザ素子 ６８ リフレクタ
６９ ヒートシンク
１２０、１２２、１２４ コンデンサレンズ
１３０、１３２、１３４ 光ファイバ
１４０ コンデンサレンズ
１５０ 冷却ファン

Claims (12)

1. 第１の波長を発光する第１の半導体レーザと、
   第２の波長を発光する第２の半導体レーザと、
   第３の波長を発光する第３の半導体レーザと、
   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と、
   第１、第２、第３の半導体レーザにそれぞれ光結合された光ファイバと、
   を有する、照明光学系。
2. 第１、第２、第３の半導体レーザと光ファイバとの間に集光レンズが配される、請求項１に記載の照明光学系。
3. 第１、第２、第３の半導体レーザが離間して配される、請求項１または２に記載の照明光学系。
4. 前記光ファイバの出射側に、ライトトンネルまたはインテグレータを含む、請求項１ないし３いずれか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の半導体レーザをそれぞれ異なるタイミングで交互に駆動する、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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