JP2007322851A

JP2007322851A - 投射表示装置

Info

Publication number: JP2007322851A
Application number: JP2006154277A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Mizoo; 嘉章溝尾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】投射装置に光源に広く用いられている水銀ランプは、赤色、緑色、青色を混色して白色を得ている。この中で赤色のエネルギー値が一番低いので、高い輝度を得るためには赤色のエネルギー量で決まる。そのため、青色、緑色のエネルギーは時分割処理を行って無駄な光として除去されている。従って、高輝度の投射映像を得るためには、高出力のランプが必要となり、ランプの寿命が短い。本発明は、高出力ランプを必要とせず、光源から放出された紫外線を効率良く赤色平行光に変換し、光源及び周辺機器の寿命向上をはかる投射装置を提供する。
【解決手段】光源からの光を平行光にするリフレクターに、４００〜６００ｎｍと６５０ｎｍ〜８００ｎｍを反射するバンドパスフィルターと紫外線を吸収し赤色蛍光を発する光波長変換素子と、赤色光を反射するコールドミラーを形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源と時分割又は空間分割する光変調素子とスクリーンを持つ投射表示装置に係り、特に大画面で高輝度な映像の表示を行うプロジェクター装置に好適に利用できるものである。

従来の投射表示装置を図１０に示す。図１０において、１０１は点光源あるいは概略点光源であり、１０２は光源からの光を反射し平行光に変換するためのリフレクター、１０３は液晶やデジタル・マイクロ・ミラーからなる映像信号を１０２から出射された光を映像に変換するための光変調素子、１０４は１０３からの映像をスクリーン１０５に投射するための投射光学系である。この投射表示装置の光源１０１は、水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等が用いられる。

光源１０１に用いられる水銀ランプは、水銀の２５４ｎｍ、２９６ｎｍ、３０２ｎｍ、３１２ｎｍ、３６５ｎｍ、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍのスペクトルを用い、これらとランプ内部に封入した希土類の遷移光から白色光を作り出している。一般に画像表示に用いられる光は４００−８００ｎｍである。ところが、光源１０１からは画像表示に不用な４００ｎｍ以下の波長の光（紫外線）も放射されるため、投射表示装置内の有機物を経時劣化させ、また機器内部の温度を上昇させる。

このため、リフレクター１０２は、図１１に示すような反射特性を持つコールドミラーとして作られており、４００ｎｍより短波長の紫外線を反射させずに通過させ、光路外に導き熱に変換している。普通、水銀ランプでは、４００ｎｍ以下の紫外線のエネルギーは全放射エネルギーの４０〜５０％である。従って、従来例では、約半分の光エネルギーがコ−ルドミラー１０２の背面から熱エネルギーとして無駄に放出されていた。

ＲＧＢ方式を例にとると、光変調素子１０３は、リフレクター１０２からの白色光を点線で示す青色（中心波長４５０ｎｍ）、１点鎖線で示す緑色（中心波長５４０ｎｍ）、実線で示す赤色（中心波長６００ｎｍ）の３色に分け、液晶やデジタル・マイクロ・ミラーによって画像情報を空間変調及び時間変調させる。そして凸突レンズと凹レンズが組み合わされた投射光学系１０４で、光束が拡大され、スクリーン１０５に画像が投影される。

上記のプロジェクター装置で投射されたスクリーン上の映像輝度は明るいことが求められるため、その光源の色温度は、８０００Ｋ以上が要求される。また、赤色、緑色及び青色の輝度は各々異なるため、一般に、光源からの光を時分割処理して不用な光や紫外線は除き、所望のＲＧＢの輝度が出せる光源が必要になる。このため、ランプの出力を大きくする必要が生じランプコストの高額化や、無駄な光エネルギーが増加するため、ランプや装置内部の部品寿命を低下する課題があった。

この課題を解決するため、図１０に示すような、紫外線や赤外線を白色可視光に変える波長変換素子１０６を光路中に設ける構成を示した技術がある。（例えば、特許文献１参照）この波長変換素子はガラスに希土類を混入したものから成っている。
特開２００１−２６４８８０号公報

しかしながら、前記従来の構成では、２点鎖線で示す入射した紫外線が波長変換素子１０６で可視光に変換される過程で全周方向に放射されるため、平行光として光変調素子１０３に入射される成分は極わずかであり、利用できる光量が少ない。さらに光路上に波長変換素子１０６を配置するため、波長変換素子１０６を透過する光は散乱により実効輝度が低下し、可視光エネルギーの増加が得られない。

さらに水銀ランプでは、上記赤、緑、青の三原色のうち赤色のエネルギーが最も小さく、混色した白色で高い輝度を得るためには赤色のエネルギー量できまるので、他の青色、緑色のエネルギーは時分割処理を行って除去する必要がある。このため高輝度の投射映像を得るためには、高出力のランプが必要となり、ランプの寿命が短く、およそ１０００時間程度でランプ交換を行わねばならない。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高出力ランプを必要とせず、光源から放出された紫外線を効率良く赤色平行光に変換し、光源及び周辺機器の寿命向上をはかることを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の投射表示装置は、画像投射用の光源と、前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、前記構造体の前記光源側の表面に紫外光と赤色光のみ透過するバンドパスフィルターが形成され、前記構造体の他方の面に前記紫外線領域の光を前記赤色波長領域に変換する光波長変換膜が形成され、前記光波長変更膜の表面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有することを特徴とする。

さらに本発明の投射表示装置は、画像投射用の光源と、前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、前記構造体の前記光源側の表面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有し、前記コールドミラーの表面に４００ｎｍ以下の紫外線領域の光を赤色波長領域に変換する光波長変換膜を有し、前記光波長変換膜の表面に紫外光と赤色光のみ透過するバンドパスフィルターが形成されたことを特徴とする。

さらに本発明の投射表示装置は、画像投射用の光源と、前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、前記構造体の前記光源側の表面に４００ｎｍ以下の紫外線領域の光を前記赤色波長領域に変換する光波長変換膜が形成され、前記構造体の他方の面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有することを特徴とする。

さらに本発明の投射表示装置は、画像投射用の光源と、前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、前記構造体は４００ｎｍ以下の紫外線領域の光を前記赤色波長領域に変換する光波長変換機能を持ち、前記構造体の前記光源と反対の面の表面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有することを特徴とする。

本発明の投射表示装置によれば、光源から放射された光エネルギーのうち、これまで使用されていなかった紫外線光成分を赤色平行光に変換して表示に利用するため、エネルギーの利用効率を向上させることができ、これにより投写型表示装置にて表示される表示画像の輝度を向上させること同時に、装置温度を低下させ光源の長寿命化が可能となる。

以下に、本発明の投射表示装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施例における投射表示装置の構成図を示す。本発明の投射表示装置は光源１、砲弾型ガラス基材１０の内側にバンドパスフィルター１１及び砲弾型ガラス基材１０の外側に光波長変換層１２とコールドミラー１３から構成されるリフレクター２、デジタル・マイクロ・ミラーからなる光変調素子３、投射光学系４、スクリーン５からなる。

光源１は高い輝度を要求されるため、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の高エネルギーの紫外線光を長波長の光に変換するランプが用いられる。また光源アーク長は、リフレクター２で平行光を得るため、できるだけ短い点光源に近いことが望ましく、光源アーク長としては１．５ｍｍより小さいことが望ましい。さらにより平行光にするためレンズアレイからなるインテグレータレンズやロッドインテグレータ等を光路中に設けても良い。光源としてよく利用される高圧紫外線ランプの発光スペクトルを図２に示す。画像表示に使われるのは４００〜８００ｎｍの可視光領域であるが、４００ｎｍより低波長側に３１２ｎｍ、３６５ｎｍの紫外線の大きなピークが存在している。

リフレクター２は、砲弾型ガラス基材１０の光源側にバンドパスフィルター１１、ガラス基材１０の外側に紫外線を赤色に変換する波長変換膜１２と、その波長変換膜１２の表面に変換されなかった不用な紫外線を透過するためのコールドミラー１３からなる。本発明のリフレクター２は、この様な構成をしているので、光源からの光を平行光に戻すのみでなく紫外線エネルギーを効率よく赤色に変換する事が出来る。

砲弾型ガラス基材１０は、厚み０．５−５ｍｍの半球又は放物２次曲線形状を持つ透明ガラスから成る。ガラス基材の組成は特別なものでは無く、普通にリフレクターを作成できる材料で有れば良い。バンドパスフィルター１１の反射率特性を図３に示す。すなわち、本発明のバンドパスフィルター１１は、４００ｎｍ以下の紫外光と６００−６５０ｎｍの赤色光を透過し、４００−６００ｎｍの光と６５０−８００ｎｍの光を反射する。この反射特性を実現するには、４００−６００ｎｍの反射膜層と６５０−８００ｎｍの反射膜層から成る光学多層膜を砲弾型ガラス基材１０の光源側に形成すれば良い。本発明で実施した光学多層膜は、ガラス基材１０の表面に屈折率２．３１の１０〜１００ｎｍ厚の酸化ニオブ膜と屈折率１．４８の１０〜１００ｎｍ厚の酸化シリコン膜を交互に２０から６０層積層し、各々の界面の反射特性を合成することにより得られる。積層する層が２０層未満では、リップルが生じ立ち上がり特性が劣化するため、所望の光学特性が得られず、積層する層が６１層を越えると膜応力が増大して基板のソリが生じ、図３の様な反射率特性が得られない。なお、酸化ニオブの代わりに酸化チタンを用いても実現できるが、酸化チタンは青色領域に吸収を持つため酸化ニオブの方がより好ましい。このような反射膜は、従来のＡｌミラーや銀ミラーでは、バンドパスフィルター特性が得られないため、作製できない。また、バンドパスフィルター１１を、砲弾型ガラス基材１０の内側に設けることで光波長変換膜１２の粗さの影響を受けることなく平滑な表面を得て高い反射率を得る事ができる。

光波長変換膜１２は、Ｓｉ酸化窒化物ＳｉＮ_4-xＯ_xに少なくともユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mの少なくとも一種を０．５〜１０％望ましくは１−５％の混合比率の膜１２でスパッタ法、蒸着法又は塗布法で、砲弾型ガラス基材１０の外側に形成する。混合比率が、０．５％未満では十分な光量が得られず、１０％以上では光散乱が生じて所望の特性が得られない。

Ｓ_i酸化窒化物は、Ｓ_i酸化物ＳｉＯ₂またはＳ_i窒化物Ｓ_iＮ_xでも良いが、アルミナＡｌ₂Ｏ₃、炭酸カルシウムＣ_aＣＯ₃を混入したα−Ｓ_iＡｌＯＮ、すなわち
α（Ｃ_a1-3/2xＲＥ_x）_m/2Ｓｉ_12-m-nＯ_nＮ_16-n が最も望ましい。
ここでＲＥはユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mの少なくとも一方を用いる。
ｍは０．５以上３以下、ｍ＝２ｎ、ｘは０．０１以上０．０５以下が、変換効率が良く、材料形成の上で望ましい。ｍが０．５未満あるいは３を越えると、光変換効率が下がるため良好な光波長変換素子が出来ない。また、ｍ＝２ｎの関係が満たされなければ、良好な結晶成長が出来ない。さらに、ｘが０．０１未満あるいは０．０５を越えると、潮解性がが生じ実用的なＳ_ｉ酸化窒化物が出来ない。Ｃ_aサイトの一部をＥ_u又はサマリウムＳ_mに置き換えることで、紫外線エネルギーを高い変換効率で６００〜６５０ｎｍの赤色光に変換する特性が得られる。

α−Ｓ_iＡｌＯＮはＳ_i3Ｎ₄、ＡｌＮ、Ｃ_aＣＯ₃、ユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mの酸化物または炭酸化物の粉体を混合して高温窒素雰囲気中で焼成するか、Ｓ_i，Ａｌ、Ｃ_aＣＯ₃、Ｅ_uまたはＳ_mを酸素窒素雰囲気中でスパッタあるいは蒸着して得られる。このような構成を持つ光波長変換膜１２により、３００〜４００ｎｍの光はＳ_i酸化窒化物に吸収され、６００〜６５０ｎｍの蛍光を発光する。この蛍光は、コールドミラー１３により反射され、バンドパスフィルター１１を通過して再びフレクター内部に入り平行光となり、光変調装置３に入射する。

この紫外光を赤色光に変換する変換効率は、塗布法で作成したＳ_iＡｌＯＮ膜で約１０％となり、従来１０％程度であった赤色のエネルギーを１８％まで増加することができる。

コールドミラー１３の光学特性を図４示す。図４に示すように少なくとも６００〜６５０ｎｍの光を反射し、４００ｎｍ以下の紫外線、８００ｎｍ以上の赤外線は透過する特性を持つ。このような光学特性を持つコールドミラーを作成するには、１０〜１００ｎｍ厚の酸化ニオブ膜と１０〜１００ｎｍｎ厚の酸化シリコン膜とを交互に約２０層積層すれば良い。このような光学特性を持つ反射膜は、誘電体多層膜ミラー、Ａｌミラーあるいは銀ミラーでも作製できるが、Ａｌミラーや銀ミラーは赤外線も反射するため、誘電体多層膜ミラーで作製することが望ましい。

このように構成された砲弾型リフレクター２から出射される光の分光特性を図５の上図に黒実線で示す。また、バンドパスフィルター１１及び波長変換膜１２を待たないコールドミラー１３のみからなる従来の分光特性を、図５の下図で点線で示す。図５より明らかなように、本発明により、従来１０％程度であった赤色のエネルギーが１８％に増加する効果がある。また、この増加により赤色の鮮明度を上げることが出来る。

光変調装置３は例えばカラーホイル６とデジタル・マイクロ・ミラー７からなり、カラーホイル６を用いて点線で示す４００〜５００ｎｍの青色、一点鎖線で示す５００〜５９０ｎｍの緑色、実線で示す５９０〜８００ｎｍの赤色に時分割され、画像を光上に変調するデジタル・マイクロ・ミラー７で必要な画素数に空間変調され、必要な画素の必要な光量のみ投射光学系４へ入射され、投射光学系４で拡大されスクリーン５に投影される。

本発明のこ砲弾型リフレクターを用いることにより、従来のランプを用いても輝度を１８０％向上することができる。また紫外線の戻り光が減ることや、無駄に捨てられる光が減少するため、機器の温度上昇を低減でき、これらの結果により、ランプ寿命を従来比２倍に延ばすことが出来る。なお、本実施例１の光学変調装置３をデジタル・マイクロ・ミラー装置方式の例で述べたが、ダイクロミラーで４２０〜５００ｎｍの青色、５１０〜５７０ｎｍの緑色、５９５〜８００ｎｍの赤色に空間分割し液晶フィルタで画像変調する液晶方式にも適用できる。

図６は、本発明の実施例２の投射表示装置の構成図を示す。図６において、実施例１の構成と異なる所は、リフレクター６４を構成するガラス基材６０の光源側の表面に、コールドミラー６３、光波長変換層６２、バンドパスフィルター１１を順次設けた点である。

コールドミラー６３、波長変換層６２、及びバンドパスフィルター６１の光特性は、実施例１と同様で、同様の材料を利用する。

本実施例の目的は、製造コストの低減である。砲弾型ガラス基材６０の内側に順次、コールドミラー６３、波長変換膜６２、バンドパスフィルター６１の成膜を行え、リフレクターの外側に成膜する必要が無いので成膜が容易に行える。従って、安価なリフレクター６４の製造が容易に出来る。

図７は、本発明の実施例３の投射表示装置の構成図を示す。図７において、実施例１の構成と異なる所は、リフレクター７４がバンドパスフィルターを持たず、光波長変換素子７２を砲弾型ガラス基材１０の光源側の表面に、コールドミラー７３を砲弾型ガラス基材７０の外側の表面に形成したことである。

コールドミラー７３の反射率特性は、図８に示す様に４００〜８００ｎｍの帯域の光を反射し、４００ｎｍ以下の紫外線、８００ｎｍ以上の赤外線を透過させる光学多層膜からなる。光波長変換素子７２は、実施例１と同様の材料を用いる。

この構成にすることにより、バンドパスフィルターを用いることなくリフレクター７４を構成でき、より安価な投射表示装置を作成することが可能になる。

図９は、本発明の実施例４の投射表示装置の構成図を示す。図９において、実施例１の構成と異なる所は、リフレクター９４の砲弾型ガラス基材９０が、ユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mを１〜５％混入したガラス基材からなり、リフレクター９４の外側表面にコールドミラー９３を設けた点にある。コールドミラー８３は、実施例３と同様に図８に示す反射特性を持つ光学多層膜からなる。

光源から放射された光のうち４００〜８００ｎｍの光はコールドミラーで反射され、３００〜５００ｎｍの紫外線及び青色光の一部は、砲弾型基材９０で６００〜６５０ｎｍの赤色光に変換されコールドミラー９３で反射される。この構成にすることにより、リフレクター９４の外側表面にコールドミラーを設けるだけで、赤色の輝度が向上する。

本発明にかかる光波長変換素子を用いた投射表示装置は、光源から発生した紫外線を赤色光の平行光にする機能を有し、投射表示装置の輝度向上、ランプの寿命向上有用である。

本発明の実施例１における投射表示装置の構成図本発明の実施例１における超高圧水銀ランプ１の分光分布特性を示す図本発明の実施例１におけるバンドパスフィルターの反射率特性を示す図本発明の実施例１におけるコールドミラーの反射率特性を示す図本発明の実施例１と従来例における光エネルギーの分光分布特性の比較図本発明の実施例２における投射表示装置の構成図本発明の実施例３における投射表示装置の構成図本発明の実施例３におけるコールドミラーの反射率特性を示す図本発明の実施例４における投射表示装置の構成図従来例における投射表示装置の構成図従来例におけるリフレクター１０２の反射率特性を示す図

符号の説明

１、１０１光源
２、６４、７４、９４、１０２砲弾型のリフレクタミラー２
３、１０３光変調素子
４、１０４投射光学系
５、１０５スクリーン
６カラーホイル
７デジタル・マイクロ・ミラー素子
１０、６０、７０ガラス基板
１１、６１バンドパスフィルター
１２、６２、７２光波長変換素子
１３、６３、７３、９３コールドミラー
１６赤色光
１７緑色光
１８青色光
１９紫外線
９０光波長変換機能を持つガラス基板
１０６波長変換素子

Claims

画像投射用の光源と、
前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、
前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、
前記構造体の前記光源側の表面に紫外光と赤色光のみ透過するバンドパスフィルターが形成され、
前記構造体の他方の面に前記紫外線領域の光を前記赤色波長領域に変換する光波長変換膜が形成され、
前記光波長変更膜の表面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有する投射表示装置。
画像投射用の光源と、
前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、
前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、
前記構造体の前記光源側の表面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有し、
前記コールドミラーの表面に４００ｎｍ以下の紫外線領域の光を赤色波長領域に変換する光波長変換膜を有し、
前記光波長変換膜の表面に紫外光と赤色光のみ透過するバンドパスフィルターが形成された投射表示装置。
画像投射用の光源と、
前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、
前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、
前記構造体の前記光源側の表面に４００ｎｍ以下の紫外線領域の光を前記赤色波長領域に変換する光波長変換膜が形成され、
前記構造体の他方の面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有する投射表示装置。
画像投射用の光源と、
前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、
前記リフレクターは、前記光源を覆うような形状を持つガラス基材からなる構造体と、
前記構造体は４００ｎｍ以下の紫外線領域の光を前記赤色波長領域に変換する光波長変換機能を持ち、
前記構造体の前記光源と反対の面の表面に赤色波長領域の光を反射するコールドミラーを有する投射表示装置。
前記光源が水銀ランプである請求項１から４に記載の投射表示装置。
前記波長変換膜が、Ｓ_i酸化窒化物に中にユーロピウムＥｕまたはサマリウムＳ_mの少なくとも一種を１〜５％含むことを特徴とする請求項１から３に記載の投射表示装置。
前記波長変換膜は、
α（Ｃａ_1-3/2xＲＥ_x）_m/2Ｓｉ_12-m-nＯ_nＮ_16-n である請求項６に記載の投射表示装置。
ここで、ＲＥはユーロピウムＥ_uまたはサマリウムＳ_mであり、
０．０１＜ｘ＜０．０５
０．５＜ｍ＜３
である。
前記バンドパスフィルターは、４００ｎｍ以下の紫外光と６００から６５０ｎｍの赤色光を透過し、４００〜６００ｎｍと６５０〜８００ｎｍの波長の光を反射する光学特性を持つ請求項１および２に記載の投射表示装置。
前記構造体は、ユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mを１〜５％混入したガラス基材からなる請求項４に記載の投射表示装置。