JP2012063708A - 照明装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率が低下することなく、照明装置を構成する。
【解決手段】第１の光軸に平行に入射した光を焦点に導くと共に前記焦点から入射した光を前記第１の光軸に平行な方向へ導く第１のパラボラリフレクタと、前記第１のパラボラリフレクタに第１の基準光を照射する光源と、前記第１の基準光を透過する透過体と前記第１の基準光を励起光として第２の基準光を発光して前記第１のパラボラリフレクタへ導く発光体とを有する波長変換素子と、入射した光を前記第１の光軸と交わる第２の光軸に平行な方向へ導く第２のパラボラリフレクタと、前記第１の光軸と前記第２の光軸とが交わる位置に設けられ、前記第１のパラボラリフレクタによって反射された前記第２の基準光の光路と前記第２のパラボラリフレクタによって反射された前記第１の基準光の光路とを略一致させる光学部材と、を備えることを特徴とする照明装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源からの光を導く照明装置とその照明装置を用いた投写型映像表示装置に関する。

従来、以下のような照明装置は既に知られている。光源からの光（紫外光）を第１のコリメータにより平行光化してから２色性キューブにより９０°光路変換する。光路変換された光は、第２のコリメータにより再び集光されて赤緑青色光を生成する蛍光体へ光を導く。赤緑青色光は、再び第２のコリメータにより平行光化してから２色性キューブを透過することにより赤緑青色光を生成する照明装置は知られている。（特許文献１ 特に図１１A）

特開２００５−３４７２６３号公報

しかしながら、特許文献１で示されている照明装置では、光源に紫外光を用いているために紫外光を蛍光体の励起光として使用することとなる。蛍光体の励起光に紫外光を使用して赤緑青色光を生成すると、それぞれの光の変換効率だけ投写する映像に使える光量が低下して、照明装置全体として光利用効率が低下することとなる。

この課題を解決するためには、蛍光体の励起光を例えば青色光にすることが考えられる。特許文献１の照明装置において励起光を青色光とした場合、照明装置から赤緑青色光を生成するために蛍光体で赤色光と緑色光を生成し、青色光を蛍光体で反射することになる。しかしながら、２色性キューブにおいて青色光（特定の波長光）の反射及び透過を両立させることはできない。従って、特許文献１の照明装置では青色光を励起光とすることには適していない。

また、蛍光体の前面にλ/４位相差板を挿入することによってＢ光を励起光として用いることは可能であるが、λ/４位相差板の偏光変換時における光損失が発生し、照明装置全体として光利用効率が低下することとなる。

そこで本願発明は上記課題を解決するために、光利用効率が低下することなく、照明装置を構成することを課題とする。

上述した課題を解決するため、第１の光軸に平行に入射した光を焦点に導くと共に前記焦点から入射した光を前記第１の光軸に平行な方向へ導く第１のパラボラリフレクタと、前記第１の光軸に平行な光を出射すると共に前記第１のパラボラリフレクタに第１の基準光を照射する光源と、前記焦点の近傍に設けられ、前記第１の基準光を透過する透過体と前記第１の基準光を励起光として第２の基準光を発光して前記第１のパラボラリフレクタへ導く発光体とを有する波長変換素子と、前記透過体を透過した前記第１の基準光が入射する位置に設けられ、前記焦点と同じ位置に焦点を有し、前記焦点から入射した光を前記第１の光軸と交わる第２の光軸に平行な方向へ導く第２のパラボラリフレクタと、前記第１の光軸と前記第２の光軸とが交わる位置に設けられ、前記第１のパラボラリフレクタによって反射された前記第２の基準光の光路と前記第２のパラボラリフレクタによって反射された前記第１の基準光の光路とを略一致させる光学部材と、を備えることを特徴とする。

好ましくは、前記波長変換素子は、回転させることにより前記透過体及び発光体を時分割駆動させることを特徴としてもよい。

好ましくは、前記波長変換素子の外周近傍に前記透過体及び発光体を配し、前記波長変換素子の内周は光を透過させることを特徴としてもよい。

好ましくは、前記第１のパラボラリフレクタと前記波長変換素子との間に設けられており、前記第１のパラボラリフレクタ側は反射鏡で構成される全反射鏡を備え、前記全反射鏡は、前記透過体及び前記発光体へ入射する前記第１のパラボラリフレクタから反射された光の中で前記第１のパラボラリフレクタの焦点近傍以外を遮ることを特徴としてもよい。

好ましくは、上記いずれかの構成を備え、前記照明装置からの光を映像入力信号に基づいて映像変調させる光変調部と、前記光変調部からの光を投写面上に拡大投写させる投写部と、を備えることを特徴とした投写型映像表示装置としてもよい。

この発明によれば、光利用効率が低下することなく、照明装置を構成することができる。

第１実施形態に係る投写型映像表示装置の光学構成を示す図である。 第１実施形態に係る波長変換素子を詳細に示した図である。 第１実施形態に係る青色レーザ素子の配置及び照明光学部を示す図である。 第１実施形態に係る照明光学部における青色光生成の光路を示す図である。 第１実施形態に係る照明光学部における緑色光生成の光路を示す図である。 第１実施形態に係る照明光学部における赤色光生成の光路を示す図である。 第２実施形態に係るパラボラリフレクタと波長変換素子を示す図である。 第２実施形態に係る照明装置を示す図である。

以下において、本発明の実施形態に係る照明装置及び投写型映像表示装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。

ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

［第１実施形態］
（投写型映像表示装置の光学構成）
以下において、第１実施形態に係る投写型映像表示装置１０１の光学構成について、図１を参照しながら説明する。

図１は、第１実施形態に係る投写型映像表示装置１０１の光学構成を示す図である。投写型映像表示装置１０１は、照明光学部１０２、光変調部１０３、投写部１０４を有す。ここで図１の方向を示すために、図１に正対したときの右方向をＸ軸方向、上方向をＹ軸方向、手前方向をＺ軸方向として定義する。図１以下の図面においても図１で定義した方向に即して説明する。

照明光学部１０２は、光源１０５、第１パラボラリフレクタ１０６、波長変換部１０７、第２パラボラリフレクタ１０８、ダイクロイックミラー１０９を有する。

光源１０５は、図３に示すように青色レーザ素子１３１を複数集合させてバンドルすることにより構成されており、第１パラボラリフレクタの光軸Ｐに対して平行に光を発する。バンドルされた青色レーザ素子１３１は、第１パラボラリフレクタ１０６の片側にのみ入射されるように配置される。具体的には、後述する波長変換素子１１０が第１パラボラリフレクタ１０６を覆っている場所以外に青色光が入射するように青色レーザ素子１３１は配置される。青色レーザ素子１３１は、第１パラボラリフレクタ１０６のＹ−Ｚ平面への外形投影線１３２に対して波長変換素子１１０が第１パラボラリフレクタ１０６を覆っていない場所に台形形状に配列する。青色光は、青色レーザ素子１３１により出射する際に略平行光として出射するため、第１パラボラリフレクタ１０６の片側にのみ入射する。

第１パラボラリフレクタ１０６は、内壁がパラボラ形状の反射鏡で構成されており、光源１０５より入射した青色光を第１パラボラリフレクタ１０６の焦点位置ｆで集光させる。

波長変換部１０７は、駆動モータ１１１、駆動軸１１２、波長変換素子１１０で構成され、駆動モータ１１１の駆動力が駆動軸１１２を回転させることにより波長変換素子１１０は回転する。

図２は、第１実施形態に係る波長変換素子１１０を詳細に示した図である。波長変換素子１１０は、円盤状のホイールであり、緑色蛍光体１２１、赤色蛍光体１２２、第１透過体１２３、第２透過体１２４を有す。

緑色蛍光体１２１は、青色光を励起光として受光すると緑色光を発光し、前方へ拡散する。緑色蛍光体１２１は、波長変換素子１１０の外周から内側に向けて特定の幅（以下、光集光幅Ｗと記載する）をもって形成されており、光集光幅Ｗの占める領域の１／２の領域を占める。

赤色蛍光体１２２は、青色光を励起光として受光すると赤色光を発光し、前方へ拡散する。赤色蛍光体１２２は、光集光幅Ｗの占める領域の１／４の領域を占める。

第１透過体１２３及び第２透過体１２４は、入射した光を略全部透過させることができる透明部材であり、光学部材用ガラスなどが使用される。第１透過体１２３は、光集光幅Ｗの占める領域の１／４の領域を占める。第２透過体１２４は、光集光幅Ｗが占める領域以外である円盤状のホイールの内側を占める。円盤状のホイールの中心部は駆動軸１１２が固定され、駆動モータ１１１の駆動力を円盤状のホイールに伝達されることにより円盤状のホイールが回転する。

また、光集光幅Ｗの中心は、第１パラボラリフレクタ１０６の焦点位置ｆと一致させる。従って、光源１０５からの光が第１パラボラリフレクタ１０６から反射されると光集光幅Ｗの中心に集光する。

再び図１を参照して、第２パラボラリフレクタ１０８は、凹面部が反射鏡で構成されており、第１パラボラリフレクタ１０６の焦点ｆと共通の焦点を有している。焦点ｆを通過した光は、第２パラボラリフレクタ１０８で反射されると共に平行光化される。第２パラボラリフレクタ１０８で平行光化された光は、光軸Ｑ上を直進し、ダイクロイックミラー１０９へ入射する。

波長変換素子１１０で発光し、前方へ拡散した光は、再び第１パラボラリフレクタ１０６で反射されると共に平行光化され、ダイクロイックミラー１０９へ入射する。

ダイクロイックミラー１０９は、青色光を透過し、緑色光及び青色光を反射するような膜特性を有している。赤緑青色光を生成する光路に関しての詳細は後述するが、Ｙ軸方向からダイクロイックミラー１０９に入射する青色光は、Ｙ軸方向へ透過し、Ｘ軸方向からダイクロイックミラー１０９入射する緑色光及び赤色光は、Ｙ軸方向へ９０°反射する。

次に光変調部１０３を説明する。光変調部１０３は、集光レンズ１１３、ロッドインテグレータ１１４、リレーレンズ１１５、凹面反射鏡１１６、反射型マイクロミラー１１７を有する。

集光レンズ１１３は、ダイクロイックミラー１０９からの赤緑青色光を集光させてロッドインテグレータ１１４へ赤緑青色光を導く。

ロッドインテグレータ１１４は、集光レンズ１１３から導かれた赤緑青色光の輝度分布の偏りをなくし、反射型マイクロミラー１１７に入光する光を均一な光にする。

リレーレンズ１１５は、ロッドインテグレータ１１４からの赤緑青色光を凹面反射鏡１１６へ導く。

凹面反射鏡１１６は、リレーレンズ１１５からの赤緑青色光を反射型マイクロミラー１１７の素子全面に導くように反射する。

反射型マイクロミラー１１７は、図示しない入力部に入力される外部再生装置からの映像入力信号に基づいて赤緑青色光それぞれに対して映像変調した後、光軸Ｒ上を直進して投写部１０４へ映像光を導く。

次に投写部１０４を説明する。投写部１０４は、複数のレンズ（不図示）を有する。
投写部１０４の複数のレンズには、フォーカスレンズ及びズームレンズを含む。フォーカスレンズは、投写する映像光の光軸に対して平行に動作することにより投写する映像光の焦点位置を調整することができる。ズームレンズは、投写する映像光の光軸に対して平行に動作することにより投写する映像の大きさを拡大縮小することができる。反射型マイクロミラー１１７から導かれた映像光は、投写部１０４により、フォーカス調整、ズーム調整が行われて投写部１０４の前方に拡大投写される。

（照明光学部における青色光生成の光路）
以下において、第１実施形態に係る照明光学部１０２における青色光生成の光路について、図４を参照しながら説明する。

光源１０５より出射された青色光が第１パラボラリフレクタ１０６の片側に入射される。第１パラボラリフレクタ１０６により焦点ｆへ全ての反射光が導かれる。波長変換素子１１０は、駆動モータ１１１により等速で回転させられており、緑色蛍光体１２１、赤色蛍光体１２２、及び第1透過体１２３が時分割で焦点ｆを通るように駆動する。第1透過体１２３が焦点ｆを通るとき、第１パラボラリフレクタ１０６から反射された青色光は、波長変換素子１１０を透過して、第２パラボラリフレクタ１０８へ入射する。第２パラボラリフレクタ１０８により反射された青色光は、Ｙ軸の正の方向へ平行光化されて出射する。

（照明光学部における緑色光生成の光路）
以下において、第１実施形態に係る照明光学部１０２における緑色光生成の光路について、図５を参照しながら説明する。

光源１０５より出射された青色光が第１パラボラリフレクタ１０６の片側に入射される。第１パラボラリフレクタ１０６により焦点ｆへ全ての反射光が導かれる。波長変換素子１１０は、駆動モータ１１１により等速で回転させられており、緑色蛍光体１２１、赤色蛍光体１２２、及び第1透過体１２３が時分割で焦点ｆを通るように駆動する。緑色蛍光体１２１が焦点ｆを通るとき、第１パラボラリフレクタ１０６から反射された青色光は、緑色蛍光体１２１の励起光となる。緑色蛍光体１２１は、緑色光（図５では点線の矢印で記載する）を生成して第１パラボラリフレクタ１０６の全面に導く。緑色光は、焦点ｆからの光であるため、第１パラボラリフレクタ１０６によって平行光化されて反射する。第１パラボラリフレクタ１０６から反射した緑色光の一部は再び波長変換素子１１０へと導かれる光もあるが波長変換素子１１０の内側は透明部材である第２透過体１２４で構成されるため、緑色光は、波長変換素子１１０を透過する。従って、第１パラボラリフレクタ１０６から反射した緑色光は、ダイクロイックミラー１０９に導かれ、Ｙ軸の正の方向へ反射する。

（照明光学部における赤色光生成の光路）
以下において、第１実施形態に係る照明光学部１０２における赤色光生成の光路について、図６を参照しながら説明する。

光源１０５より出射された青色光が第１パラボラリフレクタ１０６の片側に入射される。第１パラボラリフレクタ１０６により焦点ｆへ全ての反射光が導かれる。波長変換素子１１０は、駆動モータ１１１により等速で回転させられており、緑色蛍光体１２１、赤色蛍光体１２２、及び第1透過体１２３が時分割で焦点ｆを通るように駆動する。赤色蛍光体１２２が焦点ｆを通るとき、第１パラボラリフレクタ１０６から反射された青色光は、赤色蛍光体１２１の励起光となる。赤色蛍光体１２１は、赤色光（図６では点線の矢印で記載する）を生成して第１パラボラリフレクタ１０６の全面導く。赤色光は、焦点ｆからの反射であるため、第１パラボラリフレクタ１０６によって平行光化されて反射する。第１パラボラリフレクタ１０６から反射した赤色光の一部は再び波長変換素子１１０へと導かれる光もあるが波長変換素子１１０の内側は透明部材である第２透過体１２４で構成されるため、赤色光は、波長変換素子１１０を透過する。従って、第１パラボラリフレクタ１０６から反射した赤色光は、ダイクロイックミラー１０９に導かれ、Ｙ軸の正の方向へ反射する。

（作用及び効果）
上記構成のように、青色光を励起光として使用しているために、青色光を、蛍光体を使用して生成する必要がなく、例えば赤色光、緑色光、青色光それぞれを紫外光等で励起する照明装置と比較すると青色光の変換効率分だけ光利用効率を向上させることができる。

上記構成のように、照明装置から出射する赤色光、緑色光、青色光は、同一位置、同一方向へ出射することができるため、照明装置よりも下流側で赤色光、緑色光、青色光を合成するような光学素子を必要としないため、小型軽量でコストを抑えて装置を作ることができる。

上記構成のように、光源としてレーザ光源を使用しているため、光源光の広がり角を非常に小さくできる。Etendueの考え方によれば、反射型マイクロミラー１１７に集光できる明るさは、光源の発光面積と発散角度によって決定されるため、本構成であれば、Etendue＝０に限りなく近づけることができる。従って、Etendueが大きな照明装置の構成よりも光利用効率を向上させることができる。

上記構成のように、波長変換素子１１０を駆動モータ１１１によって回転させる構成としている。蛍光体は、一般的に励起光が照射されると発熱を伴うため、継続的に励起光を照射し続けると蛍光体に熱が蓄積され熱破壊することとなる。しかしながら、波長変換素子１１０が回転して時分割駆動しているため、継続的に励起光を蛍光体に照射されるのを防止することができる。従って、長寿命な照明装置を作ることができる。

上記構成のように、波長変換素子１１０の内側は透過体である第２透過体で構成される。緑色蛍光体１２１、赤色蛍光体１２２から導かれた緑色光、赤色光が第１パラボラリフレクタ１０６から再び反射されたときに、波長変換素子１１０自体で遮ることを減少し、光利用効率を向上させることができる。

［第２実施形態］
以下において、第２実施形態に係る照明装置の構成ついて、図面を参照しながら説明する。なお、第２実施形態において、第１実施形態と重複するところは、説明を省略する。
図７は、第２実施形態に係る第１パラボラリフレクタ１０６と波長変換素子１１０を示す図である。図７(a)は第２実施形態に係る第１パラボラリフレクタ１０６の構成のみを示す図である。図７(b)は第２実施形態に係る第１パラボラリフレクタ１０６に波長変換素子１１０を加えた構成を示す図である。

第２実施形態は、第１実施形態の第１パラボラリフレクタ１０６に再反射鏡１７１の構成を加えている。

図７(a)を参照して、再反射鏡１７１は、第１パラボラリフレクタ１０６側の面が反射面である１対の反射鏡である。それぞれの反射鏡の一端側は、第１パラボラリフレクタ１０６の外形端に固定されている。それぞれの反射鏡の他端側は、第１パラボラリフレクタ１０６の焦点ｆの近傍まで伸びており、焦点ｆは覆わずに空間Ａを有している。

図７(b)を参照して、波長変換素子１１０の緑色蛍光体１２１、赤色蛍光体１２２、第１透過体１２３は、再反射鏡１７１に沿って形成される。

図８は、第２実施形態に係る照明装置を示す図である。光源１０５から出射された青色光が第１パラボラリフレクタ１０６により焦点ｆへ集光されると、空間Ａにより再反射鏡１７１とは干渉せずに緑色蛍光体１２１、赤色蛍光体１２２、第１透過体１２３へ導かれる。その際、緑色蛍光体１２１又は赤色蛍光体１２２により緑色光又は赤色光が発光されれば再び空間Ａを通り、第１パラボラリフレクタ１０６に導かれる。第１パラボラリフレクタ１０６から反射される緑色光又は赤色光の一部は、再反射鏡１７１に導かれる（光路Ｌ）。再反射鏡１７１は、緑色光又は赤色光を反射して第１パラボラリフレクタ１０６へ戻す。第１パラボラリフレクタ１０６により反射された緑色光又は赤色光は、再び緑色蛍光体１２１又は赤色蛍光体１２２に導かれる。緑色光又は赤色光は、緑色蛍光体１２１又は赤色蛍光体１２２の励起光としては働かないため、緑色光は緑色光、赤色光は赤色光のまま反射される。緑色光又は赤色光は、第１パラボラリフレクタ１０６により反射され、ダイクロイックミラー１０９に導かれ、ダイクロイックミラー１０９によりＹ軸の正の方向へ導かれる。

（作用及び効果）
このような構成にすることにより、第１実施形態のときに波長変換素子１１０により遮られた光も有効活用することができ、第１実施形態のときよりも光利用効率を向上させることができる。

尚、本実施例は、反射型マイクロミラー１１７を用いた構成を示したが、これに限定されるものではなく他の光変調素子を備える照明装置及び投写型映像表示装置においても本発明を適用でき、反射型液晶を使用した方式で適用してもよいものとする。

第１の光軸（光軸Ｐ）・・・Ｐ、焦点・・・ｆ、第１のパラボラリフレクタ・・・１０６、光源・・・１０５、透過体（第１透過体）・・・１２３、発光体（緑色蛍光体、赤色蛍光体）・・・１２１、１２２、波長変換素子・・・１１０、第２の光軸（光軸Ｑ）・・・Ｑ、第２のパラボラリフレクタ・・・１０８、光学部材（ダイクロイックミラー）・・・１０９、照明装置・・・１０２、全反射鏡（再反射鏡）・・・１７１、光変調部（光変調素子）・・・１１７、投写部・・・１０４、投写型映像表示装置・・・１０１

Claims (5)

1. 第１の光軸に平行に入射した光を焦点に導くと共に前記焦点から入射した光を前記第１の光軸に平行な方向へ導く第１のパラボラリフレクタと、
   前記第１の光軸に平行な光を出射すると共に前記第１のパラボラリフレクタに第１の基準光を照射する光源と、
   前記焦点の近傍に設けられ、前記第１の基準光を透過する透過体と前記第１の基準光を励起光として第２の基準光を発光して前記第１のパラボラリフレクタへ導く発光体とを有する波長変換素子と、
   前記透過体を透過した前記第１の基準光が入射する位置に設けられ、前記焦点と同じ位置に焦点を有し、前記焦点から入射した光を前記第１の光軸と交わる第２の光軸に平行な方向へ導く第２のパラボラリフレクタと、
   前記第１の光軸と前記第２の光軸とが交わる位置に設けられ、前記第１のパラボラリフレクタによって反射された前記第２の基準光の光路と前記第２のパラボラリフレクタによって反射された前記第１の基準光の光路とを略一致させる光学部材と、
   を備えることを特徴とする照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置において、前記波長変換素子は、回転させることにより前記透過体及び発光体を時分割駆動させることを特徴とする照明装置。
3. 請求項２に記載の照明装置において、前記波長変換素子の外周近傍に前記透過体及び発光体を配し、前記波長変換素子の内周は光を透過させることを特徴とする照明装置。
4. 請求項１に記載の照明装置において、前記第１のパラボラリフレクタと前記波長変換素子との間に設けられており、前記第１のパラボラリフレクタ側は反射鏡で構成される全反射鏡を備え、
   前記全反射鏡は、前記透過体及び前記発光体へ入射する前記第１のパラボラリフレクタから反射された光の中で前記第１のパラボラリフレクタの焦点近傍以外を遮ることを特徴とする照明装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の照明装置と、
   前記照明装置からの光を映像入力信号に基づいて映像変調させる光変調部と、
   前記光変調部からの光を投写面上に拡大投写させる投写部と、
   を備えることを特徴とする投写型映像表示装置。
   

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