JP2011186132A - プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】プロジェクタにおいて、青色光源からの青色光のカラーホイールからの反射を防止し、光の有効利用をする。
【解決手段】カラーホイール本体２４に蛍光体層２３の両側に、低屈折率層２１、高屈折率層２２の誘電体薄膜を単位として、繰り返して積層される周期的誘電体層Ａ、Ｂ（総数Ｘ）、Ｃ（総数Ｙ）を設ける。周期的誘電体層Ａに入射する青色光は、多重干渉効果が強められて蛍光体層２３に光が集中し、蛍光体層２３から発光した緑色光は、周期的誘電体層Ｂにより多重干渉効果が少なくなり、周期的誘電体層Ｃにより反射され、逆の道筋で出射される。本発明によれば、従来よりも青色光が有効に利用される。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像を投射表示するプロジェクタ（投射型画像表示装置）に関し、特に屈折率の異なる２つの誘電体薄膜を単位として、繰り返し周期的に形成した誘電体多層膜が設けられたカラーホイールを備えるプロジェクタに関するものである。

ホームシアター、プレゼンテーション等で使用される、表示画像を投写光学系により拡大投影し、大画面の表示画像を得るプロジェクタが商品化されている。このようなプロジェクタには、光源から出射された光を照明光として、デジタルマイクロミラーデバイス、液晶表示素子等の空間光変調器を使用する電気光学装置を介してスクリーンに画像を表示するものがある。上記プロジェクタには、光源として、高圧水銀ランプやキセノンランプを用いたものもあるが、それらは水銀の含有や、発熱量の問題から好ましくない。そのため近年では、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザを使用したプロジェクタが考案されている。

例えば、ＬＥＤとレーザを使用するものとして、米国で開催された家電製品のトレードショーであるInternational CES（Consumer Electronics Show）（２０１０年）で展示発表されたカシオ計算機株式会社のプロジェクタがある。ここでは、赤色光源としてＬＥＤ，青色光源として青色レーザ、緑色光源として青色レーザの位相と波長を変換したものを利用している（以下、この種のプロジェクタを「ハイブリッド型」という。）。

上記ハイブリッド型プロジェクタの色合成の方式について、その模式図を図８に示す。図８において、プロジェクタ１００は、青色光源１、赤色光源２、カラーホイール５、ダイクロイックミラー３，８、レンズ４，９、ミラー６，７、空間光変調器としてのデジタルマイクロミラーデバイス１０、投影光学系１１、スクリーン１２を備えている。青色光源１から出射される青色光（Ｂ）は、青色光を透過するダイクロイックミラー３、レンズ４を通過し、カラーホイール５に照射される。カラーホイール５は本体が金属製円盤であって、その円周方向の一部に緑色光（Ｇ）を発する蛍光体（以下、「緑蛍光体」という）が形成されている。青色光は、緑蛍光体が設けられていない部分（カラーホイール本体の円周方向の切り欠き部分）を通過し、ダイクロイックミラー８を透過し、レンズ９により集光されてデジタルマイクロミラーデバイス１０に達する。

カラーホイール５から反射された一部の青色光は、青色光源１側に戻る。そして、青色光が上記緑蛍光体に照射されると緑色光が発光され、この緑色光は、レンズ４を通って緑色光を反射するダイクロイックミラー３により反射され、さらにミラー６，７と、ダイクロイックミラー８で反射され、レンズ９により集光されてデジタルマイクロミラーデバイス１０に達する。

また、赤色光源２からの赤色光（Ｒ）は、ダイクロイックミラー３を通過し、ミラー６，７に反射されてダイクロイックミラー８に反射され、レンズ９により集光されてデジタルマイクロミラーデバイス１０に達する。
デジタルマイクロミラーデバイス１０に入射する青色光（Ｂ）、緑色光（Ｇ）、赤色光（Ｒ）の３原色は、入射光の切り替えを同期させて、それぞれの色の画像として時系列的に処理され、投影光学系１１を介して、スクリーン１２に画像が投写される。

このようなプロジェクタに使用される時分割型のフィルタ素子は、蛍光体層が干渉フィルタ層として形成されるものがあり、それは蒸着やスパッタリングにより作られる（例えば、特許文献１、２参照）。

特開平１０−４８５４２号公報（段落０００９） 特開２００２−３４１１３３号公報

ところで、上記ハイブリッド型のようなプロジェクタでは、青色光は金属製のカラーホイールの切り欠き部を透過するとともに、青色光がカラーホイールに形成された緑色蛍光体に入射し、緑色光を出射する。しかし、カラーホイール本体から青色光源側への青色光の反射もあり、青色光が有効に利用されていない。

本発明は、上記のような問題に鑑みなされたものであって、従来のプロジェクタにおいて、より青色光を有効利用するために、カラーホイールに形成される蛍光体とともに形成される光干渉フィルタ層を備えたプロジェクタを提供するものである。

上記課題を達成するために、請求項１に記載のプロジェクタは、光源と、カラーホイールと、集光レンズと、空間光変調器と、投写光学系とを少なくとも備えるプロジェクタであって、前記カラーホイールは、カラーホイール本体に蛍光体層と光干渉フィルタ層とが形成されており、前記光干渉フィルタ層は、互いに屈折率の異なる二つの誘電体層を単位とする誘電体層が繰り返えされる周期的誘電体層からなり、前記周期的誘電体層は、前記蛍光体層の両側に形成される周期的誘電体層と、前記カラーホイール本体側に形成される周期的誘電体層とからなることを特徴とする。

また、請求項２の発明は、請求項１に記載のプロジェクタにおいて、前記蛍光体層の両側に形成される誘電体層の繰り返し数は、同数であり、該数は、前記カラーホイール本体側に形成される誘電体層の繰り返し数とは、異なることを特徴とする。

また、請求項３に記載のプロジェクタは、請求項１又は２に記載のプロジェクタにおいて、前記カラーホイール本体は、ガラス、サファイヤ、水晶、銀又はアルミニウムのいずれか一つから構成されることを特徴とする。

また、請求項４の発明は、請求項１から３のいずれかに記載のプロジェクタにおいて、前記蛍光体層の両側の周期的誘電体層は、蛍光体層に光を集中させ、発光を促進するものであり、カラーホイール本体側に形成される周期的誘電体層は、前記発光を反射するものであることを特徴とする。

また、請求項５の発明は、請求項１から４のいずれかに記載のプロジェクタにおいて、前記繰り返しの単位となる屈折率の異なる二つの誘電体層は、ＳｉＯ_２からなる低屈折率層と、Ｎｂ_２Ｏ_５又はＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率層であることを特徴とする。

さらに、請求項６の発明は、請求項１から５のいずれかに記載のプロジェクタにおいて、前記蛍光体層の光学波長は、0.15〜0.5λであることを特徴とする。

本願請求項１乃至６に係る発明によれば、多層膜光干渉フィルタとしての周期的誘電体層を蛍光体層を挟むようにして形成したことにより、入射光が蛍光体層を中心として多重反射されることになり、蛍光体層での発光効率の高いカラーホイールを得ることができる。

本発明のカラーホイールに形成される、蛍光体層と光干渉フィルタ層を示す模式図である。 図１における周期的誘電体層の積層数Ｙを一定とし、Ｘを変化させたときの、入射光に対する反射率と透過率の関係を示す図である。 図１における周期的誘電体層の積層数Ｙを一定とし、Ｘを変化させたときの、青色光の反射率と透過率の関係を示す図である。図（Ｂ）は図（Ａ）の（Ｐ）に対応する拡大図である。 図１とは異なる実施形態で、周期的誘電体層の積層数Ｙを一定とし、Ｘを変化させたときの、青色光に対する反射率と透過率の関係を示す図である。図（Ｂ）は図（Ａ）の（Ｐ）に対応する拡大図である。 図１における実施形態で、周期的誘電体層の積層数Ｘを一定とし、Ｙを変化させたときの、青色光の反射率を示す図である。図（Ｂ）は図（Ａ）の（Ｑ）に対応する拡大図である。 図１とは異なる実施形態で、周期的誘電体層の積層数Ｘを一定とし、Ｙを変化させたときの、青色光の反射率を示す図である。図（Ｂ）は図（Ａ）の（Ｑ）に対応する拡大図である。 図（Ａ）、（Ｂ）は、図１の実施形態において、設計光学波長を、波長域の拡大を説明する図であり、図（Ｃ）は、透過光がないことを示す図である。 従来のハイブリッド型のプロジェクタの模式図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。
図１は、カラーホイール本体２４に形成される蛍光体層と誘電体層を示している。カラーホイール本体２４（ここでは、ガラス基板からなる）には、光干渉フィルタ層としての周期的誘電体層Ａを介して蛍光体層２３が形成される。蛍光体層２３の、青色光（例えば、レーザダイオードから得られる波長λが４６０nmの青色光）が入射する側には、ＳｉＯ_２からなる低屈折率層２１と、Ｎｂ_２Ｏ_５又はＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率層２２とを単位とする多層膜がＸ層（Ｘ＝１，２、・・・、ｎ）繰り返えされる周期的誘電体層Ａが形成される。このとき、蛍光体層２３は、λ／２の整数倍の厚さとされる。蛍光体層２３の反対側には、上記低屈折率層２１と高屈折率層２２とを同じく単位とする多層膜が、周期的誘電体層Ｂとして、Ｘ層が形成される。
カラーホイール本体２４側には、上記低屈折率層２１と高屈折率層２２とを同じく単位とする多層膜が、周期的誘電体層Ｃとして、Ｙ層（Ｙ＝１，２、・・・、ｎ）が形成される。
上記誘電体薄膜は、
n・d=(1/4 + m/2)・λ
（ここで、n：屈折率、d：膜厚、λ：波長、m=0,1,2,・・・）
の関係で形成される。
上記の関係にあれば、図１におけるような繰り返し多層膜では、高い反射層を両面にもつ薄膜の干渉特性により、ファブリー・ペロー干渉計と同様な効果が得られることがわかっている。
なお、カラーホイール本体２４の材料としては、透明物質として、ガラス、サファイヤ、水晶、金属物質として銀（Ag）、アルミニウム（Al）の中から選択される物質が使用される。上記のような透明物質を使用する理由は、赤、青、緑の光が例えば、ガラスまで達した場合、光の吸収ができるだけ無いようにするためである。また、金属物質を使用する理由は、完全に光を反射させるためである。ガラスなどの透明物質に、上記金属薄膜を形成しても同様な作用効果がある。さらに金属物質、サファイア等は、放熱性が高いので、カラーホイールの熱を逃す効果もある。

図１において、周期的誘電体層Ａに入射した青色光は、多重干渉を起こし、蛍光体層２３に光が集中し、吸収されて、蛍光体層２３から緑色光が発光する。発光した緑色光は、周期的誘電体層Ｂ（青色光の波長に合わせて形成される）により多重干渉効果が少なくなり、周期的誘電体層Ｃ（青色光の波長に合わせて形成される）により干渉効果を起こさずに反射される。反射された緑色光は、入射光とは逆の道筋をたどって、出射される。青色光の波長に合わせて形成される周期的誘電体層Ａ，Ｂ，Ｃによって、緑色光が効率よく出射される。

図２は、周期的誘電体層の積層数Ｘ，Ｙを変化させたときの関係を図示するものである。図２（Ａ）、（Ｂ）では、積層数Ｘが３，４，５に対し、積層数Ｙを９としたときの、入射光の反射率と透過率の関係が示されている。
積層数Ｘ，Ｙの関係を上記のように設定すれば、蛍光体層２３に入射する青色光は、積層された何層もの周期的誘電体層Ａにより干渉効果が強められて蛍光体層２３に集中し、吸収されて緑色光が出射されるが、緑色光は周期的誘電体層Ｂにより干渉効果が少なくなり、周期的誘電体層Ｃにより反射され、入射光とは逆の道筋をたどって、出射される。

上記の関係を波長で示せば、図３（Ａ）で示すように、カラーホイール本体２４がガラスからなる場合に、積層数Ｙを９に固定し、Ｘを３，４，５に変化させたときの、青色光の反射率と透過率の関係が示されている。図３（Ｂ）、（Ｃ）で示すように青色光の波長域の反射と透過がなくなっている。

図４（Ａ）で示すように、カラーホイール本体２４が銀又はアルミニウムからなる場合に、積層数Ｙを９に固定し、Ｘを３，４，５に変化させたときにも図３と同様に、図４（Ｂ）、（Ｃ）で示すように青色光の波長域の反射と透過がなくなっている。

次に、周期的誘電体層Ｃについて説明する。周期的誘電体層の積層数Ｘを固定し、Ｙを変化させたときの反射率をみると、図５及び図６に示すようになる。
図５（Ａ）、（Ｂ）において、カラーホイール本体２４がガラスの場合、積層数Ｙを０〜９とした場合、青色光（λ＝４６０nm）の反射率は、積層数をＹ＝１以上とすれば、０に近い値となる。
図６（Ａ）、（Ｂ）において、カラーホイール本体２４が銀又はアルミニウムの場合、積層数Ｙを０〜９とした場合、青色光（λ＝４６０nm）の反射率は、積層数をＹ＝１以上とすれば、０に近い値となる。

図７は、出射される青色光の波長域を拡大することを示すものである。
カラーホイール本体２４がガラスの場合で説明する。通常、蛍光体層２３の厚さは入射光の波長λ／２、誘電体層の厚さはλ／４、青色光の中心波長は４６０nmとされる。この場合、Ｘ＝５、Ｙ＝９の場合、蛍光体層０．５λである。
ここで、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、設定される波長を青色光の波長よりも長く設計すると（例えば、500nm）、帯域波長は広くなる。しかし、青色光の波長での干渉効果が少なくなるため、本実施形態では、蛍光体の厚みを0.397λにして、中心波長が４６０nmになるようにする。その場合、青色光の干渉効果が少ないため、周期的誘電体層の積総数を６とすると、反射率が０に近くなる。また、図７（Ｃ）に示すように透過光も現れていないことから、光が有効に利用されていることになる。
したがって、蛍光体層で発光した緑色光などを波長帯域を長くすることで全て反射し、使用できるため、励起の波長の青色光および蛍光体層で発光される光を全て効率的に利用できる。
長波長側の帯域を増やすことは、図７では、530nmが570nmに広がるため、緑色の発光が全て反射し、発光した光が全て有効に使用できる。

２１：低屈折率層、２２：高屈折率層、２３：蛍光体層、２４：カラーホイール本体

Claims (6)

1. 光源と、カラーホイールと、集光レンズと、空間光変調器と、投写光学系とを少なくとも備えるプロジェクタであって、
   前記カラーホイールは、カラーホイール本体に蛍光体層と光干渉フィルタ層とが形成されており、
   前記光干渉フィルタ層は、互いに屈折率の異なる二つの誘電体層を単位とする誘電体層が繰り返えされる周期的誘電体層からなり、
   前記周期的誘電体層は、前記蛍光体層の両側に形成される周期的誘電体層と、前記カラーホイール本体側に形成される周期的誘電体層とからなることを特徴とするプロジェクタ。
2. 前記蛍光体層の両側に形成される誘電体層の繰り返し数は、同数であり、該数は、前記カラーホイール本体側に形成される誘電体層の繰り返し数とは、異なることを特徴とする請求項２に記載のプロジェクタ。
3. 前記カラーホイール本体は、ガラス、サファイヤ、水晶、銀又はアルミニウムのいずれか一つから構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載のプロジェクタ。
4. 前記蛍光体層の両側の周期的誘電体層は、蛍光体層に光を集中させ、発光を促進するものであり、カラーホイール本体側に形成される周期的誘電体層は、前記発光を反射するものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のプロジェクタ。
5. 前記繰り返しの単位となる屈折率の異なる二つの誘電体層は、ＳｉＯ_２からなる低屈折率層と、Ｎｂ_２Ｏ_５又はＴａ_２Ｏ_５からなる高屈折率層であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のプロジェクタ。
6. 前記蛍光体層の光学波長は、0.15〜0.5λであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のプロジェクタ。

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