JP2012094439A - 照明装置および投影型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レンズの大型化を回避し、従来よりも低コストおよび小サイズ化が実現できる照明装置および映像表示装置を提供する。
【解決手段】励起光１０６−１〜１０６−３を発する励起光源１０２と、前記励起光を反射するダイクロイックミラー１０４と、前記励起光により蛍光１０７−１，１０７−２を発する蛍光体１０１と、前記ダイクロイックミラーにより反射された前記励起光を前記蛍光体に集光し、かつ、前記蛍光体が発する前記蛍光を略平行光にする光学系１０３と、略平行光となった前記蛍光が入射するフライアイレンズ１０５とを有する照明装置１００と、表示装置と、前記照明装置の前記フライアイレンズから出射する光を前記表示装置に導くリレーレンズと、前記リレーレンズにより前記表示装置に導かれ、前記表示装置から出射する光を投影する投影部とを有する投影型映像表示装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、照明装置および投影型映像表示装置に関する。

映像表示装置、特に投影型映像表示装置の分野において、省電力化や環境保護などの観点から従来の放電ランプではない光源を有する照明装置が提案されている。例えば、蛍光体を光源とした照明装置が特許文献１、２などに開示されている。

特許文献１においては、蛍光体の蛍光をライトトンネルへ導く導光レンズと反対側から蛍光体へ励起光が照射する励起光源が配置されている照明装置が開示されている。また、特許文献２においては、蛍光体の蛍光をライトトンネルへ導く導光レンズと同じ側から蛍光体へ、励起光が斜め方向から照射する励起光源が配置されている照明装置が開示されている。また、特許文献３においては、励起光の光路と蛍光の光路とに共通な光学部品を備える光学装置が開示されている。

特開２０１０−０８６８１５号公報 特開２０１０−０８５７４０号公報 特開２００８−２９３８３８号公報

しかしながら、特許文献１および特許文献２が開示する構成では、励起光集光レンズが必要とされる。また、特許文献２が開示する構成では、励起光を斜めから照射するために、蛍光体と導光レンズとの間に励起光を通すためのスペースが必要となるため、レンズの大型化を招き、また、コリメータレンズでのＥｔｅｎｄｕｅが増加し光学効率が低下する。

特許文献３は、光源装置の構成のみを開示しており、具体的な照明装置についての開示がない。特に、ダイクロイックミラーを透過した励起光の一部を光源光として用いる構成のみの開示に過ぎない。

そこで、以下では、レンズの大型化を回避し、低コストおよび小サイズ化を図るための具体的な照明装置および映像表示装置の開示を行なう。

本発明の一実施形態として、励起光を発する励起光源と、前記励起光を反射するダイクロイックミラーと、前記励起光により蛍光を発する蛍光体と、前記ダイクロイックミラーにより反射された前記励起光を前記蛍光体に集光し、かつ、前記蛍光体が発する前記蛍光を略平行光にする光学系と、略平行光となった前記蛍光が入射するフライアイレンズと、を有する照明装置の開示を行なう。

また、本発明の一実施形態として、励起光を発する励起光源と、前記励起光を反射するダイクロイックミラーと、前記励起光により蛍光を発する蛍光体と、前記ダイクロイックミラーにより反射された前記励起光を前記蛍光体に集光し、かつ、前記蛍光体が発する前記蛍光を略平行光にする光学系と、略平行光となった前記蛍光が入射するフライアイレンズとを有する照明装置と、表示装置と、前記照明装置の前記フライアイレンズから出射する光を前記表示装置に導くリレーレンズと、前記リレーレンズにより前記表示装置に導かれ、前記表示装置から出射する光を投影する投影部とを有する投影型映像表示装置の開示を行なう。

本発明によれば、レンズの大型化を回避し、従来よりも低コストおよび小サイズ化が実現できる照明装置および映像表示装置が提供される。

本発明の実施形態１に係る照明装置の構成図である。 本発明の実施形態１に係る照明装置を用いて構成された映像表示装置の構成図である。 本発明の実施形態１に係る照明装置の別の構成図である。 本発明の実施形態１に係る照明装置の別の構成図である。 本発明の実施形態１に係る照明装置の別の構成図である。 本発明の実施形態２に係る照明装置の構成図である。 本発明の実施形態３に係る照明装置の構成図である。 本発明の実施形態４に係る照明装置の構成図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、複数の実施形態として説明する。なお、本発明は、これらの実施形態に限定されることはなく、種々の変形を施して実施することが可能である。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る照明装置の構成図である。照明装置１００は、蛍光体１０１と、励起光源１０２と、ダイクロイックミラー１０４と、コリメータレンズ１０３と、フライアイレンズ１０５とを有する。

蛍光体１０１は、励起光が照射されることにより蛍光１０７−１〜２を発する物質である。そのような物質としては種々の材料のものを用いることができる。例えば、緑色の蛍光を得るために、サイアロンを用いることができる。サイアロンは、温度特性が高く、外部量子効率も高いので、緑色の蛍光を得るための蛍光体１０１として好適である。

励起光源１０２は、蛍光体１０１に対する励起光１０６−１〜３を発する光源である。励起光の一例として、レーザ光を用いることができる。また、発光ダイオード素子が発する光なども用いることが可能である。

蛍光体１０１として上述したサイアロンを用いる場合には、励起光として４５０ｎｍのレーザ光を用いることができる。そこで、励起光源１０２として、４５０ｎｍのレーザ光を発する５００ｍＷ程度のＧａＮ系青色半導体を用いることができる。サイアロンの外部量子効率は６７％であることから、サイアロンが発する蛍光量を例えば３７００ｌｍとするには、４５０ｎｍのレーザ光を発する５００ｍＷ程度のＧａＮ系青色半導体を２０個用いればよい。

なお、３７００ｌｍの算出根拠は次の通りである。本願出願時において、発光ダイオード素子を光源として用いる投影型映像表示装置が使用されているが、到達光量は１０００ｌｍ程度である。投影型映像表示装置の光学系による光の損失を考えると、緑色の光源光量は２４５０ｌｍとなる。しかし、実際には、この１．５倍から２倍程度の到達光量が望まれている。したがって、緑色の光源光量としては、３７００ｌｍ以上が望ましいことになる。

なお、緑色以外の他の色の蛍光を得るために、種々の適宜な材料を用いることができる。特に緑色の蛍光について説明した理由は、本願出願時において、発光ダイオード素子を用いて、より高出力の緑色光を生成するには、技術的な困難性があるためである。そのため、緑色光を生成する照明装置として、本実施形態の照明装置を好適に用いることが可能となる。

ダイクロイックミラー１０４は、励起光源１０２が発する励起光１０６−１〜３を反射し、蛍光体１０１へ導く。このとき、励起光が照射された蛍光体１０１が発する蛍光の全てまたは一部がダイクロイックミラー１０４を透過するようにすると、励起光の光路と蛍光の光路とを一部重複させることができ、照明装置１００の小型化が実現できる。

また、励起光源１０２が発する励起光１０６−１〜３を、その進行方向を略９０度曲げて反射するようにダイクロイックミラー１０４を配置してもよい。この場合、ダイクロイックミラー１０４によって反射されて蛍光体１０１へ導かれた励起光により発生する蛍光１０７−１〜２の光路の方向を、反射後の励起光の光路の方向と略１８０度の角をなすようにできる。これにより、励起光の光路と蛍光の光路とを重複量を大きくすることにより、さらに照明装置１００の小型化が実現できる。

後述するように、コリメータレンズ１０３が励起光を蛍光体１０１に集光するので、ダイクロイックミラー１０４により反射された励起光は、略平行光であることが好ましい。このため、例えばダイクロイックミラー１０４は平面形状であり、励起光源１０２は、平行光として励起光を発してもよい。また、励起光源１０２が発する励起光が略平行光でなくても、ダイクロイックミラー１０４の形状を曲面とすることにより、ダイクロイックミラー１０４により反射された励起光を略平行光としてもよい。

コリメータレンズ１０３は、蛍光体１０１が発する蛍光を略平行光とする光学系である。このため、蛍光体１０１は、コリメータレンズ１０３の焦点位置に配置されている。また、励起光源１０２が発し、ダイクロイックミラー１０４により反射された励起光を蛍光体１０１に集光する光学系でもある。このため、励起光源１０２により発せられコリメータレンズ１０３に入射する励起光は、略平行光となっていることが好ましい。

また、蛍光体１０１の発する蛍光を多くコリメータレンズ１０３へ導くために、蛍光体１０１のコリメータレンズ１０３と対する側とは反対側に反射面が備えられていることが好ましい。

フライアイレンズ１０５は、ダイクロイックミラー１０４を透過した蛍光を空間的に複数の分割光に分割し、フライアイレンズ１０５を構成するレンズ群により、それらの分割光をそれぞれ重畳することで、一様な光を生成するレンズである。ここに「一様」とは、フライアイレンズ１０５の光軸に対して垂直な方向に蛍光の強度が略同じとなることである。

照明装置１００の作用は次のようになる。励起光源１０２が発した励起光１０６−１〜３は、ダイクロイックミラー１０４により反射され、コリメータレンズ１０３に導かれる。コリメータレンズ１０３により蛍光体１０１に集光された励起光により、蛍光１０７−１〜２が発せられる。この蛍光１０７−１〜２は、コリメータレンズ１０３により略平行光とされ、フライアイレンズ１０５に導かれる。フライアイレンズ１０５を蛍光が透過することにより、一様な光を得ることができる。

蛍光１０７−１〜２の全部または一部はダイクロイックミラー１０４を透過してもよい。ダイクロイックミラー１０４が、励起光を反射し蛍光を透過させる仕様であっても、完全に蛍光を透過させることは困難である。このため、蛍光１０７−１〜２の一部がダイクロイックミラー１０４を透過する場合には、蛍光の波長分布や空間分布に極端な不均一性が生じる場合がある。しかしその場合であっても、フライアイレンズ１０５により、一様とすることができる。

図２は、本実施形態に係る照明装置を用いて構成された映像表示装置の構成図である。映像表示装置２００は、３つの本実施形態に係る照明装置１００−１、１００−２、１００−３を用いる。なお、図２においては、液晶表示素子へ入射する光の偏光方向を揃えるために、照明装置１００−１、１００−２、１００−３それぞれのフライアイレンズ１０５を透過した光は、偏光変換素子アレイ２１２、２１３、２１４を透過する。

照明装置１００−１、１００−２、１００−３それぞれは、赤色、緑色、青色に対応する光を生成するために、蛍光体１０１が適宜選択される。例えば、照明装置１００−１は、赤色に対応する光を生成し、照明装置１００−２は、緑色に対応する光を生成し、照明装置１００−３は、青色に対応する光を生成する。

照明装置１００−１が生成した光は、リレーレンズ２０７−１、２０７−２を透過し、液晶表示素子２０３を透過する。また、照明装置１００−２が生成した光は、鏡２０１により進行方向が９０度曲げられ、リレーレンズ２０８−１、２０８−２を透過し、液晶表示素子２０４を透過する。また、照明装置１００−３が生成した光は、鏡２０２により進行方向が略９０度曲げられ、リレーレンズ２０９−１，２０９−２を透過し、液晶表示素子２０５を透過する。

液晶表示素子２０３、２０４、２０５を透過した光は、ダイクロイックプリズム２０６に入射し、スクリーン２１１に向けられた光となり、投影部の有するレンズ２１０により投影される。

なお、図２おいて、鏡２０１、２０２が用いられているが、これは、映像表示装置２００の大きさを好適なものにするために用いられる。必要であれば、鏡２０１、２０２を用いない構成としてもよいし、照明装置１００−１が生成した光を鏡により進行方向を略９０度曲げるようにしてもよい。

また、液晶表示素子のかわりに、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて、照明装置が生成した光を制御して投影部に導いてもよい。

図３は、本実施形態に係る照明装置の別構成を示す。図１と図３との違いは、図３において、コリメータレンズ１０３の代わりに反射鏡３０１が光学系として用いられていることである。反射鏡３０１の焦点位置に蛍光体１０１が配置されている。これにより、ダイクロイックミラー１０４により反射された励起光１０６−１〜３は、反射鏡３０１により蛍光体１０１に集光される。また、蛍光体１０１により発生される蛍光１０７−１〜２は、反射鏡３０１により、略平行光となる。

なお、この場合、蛍光体１０１の発する蛍光の多くを反射鏡３０１へ導くために、蛍光体１０１の反射鏡３０１の開口側に反射面が備えられていることが好ましい。

図４は、本実施形態に係る照明装置の別構成を示す。上述したように、ダイクロイックミラーは、蛍光体１０１により発せられ、コリメータレンズ１０３により略平行となった蛍光の一部が透過するようになっていてもよい。すなわち、図４（ａ）および（ｂ）に示されるように励起光源１０２は、縦方向あるいは横方向などのように一方向に延びた形状となっている。そして、ダイクロイックミラー１０４は、励起光源１０２が一方向に延びている形状に応じて、その一方向に延びている形状となっている。

例えば、図４（ａ）が照明装置４００の上面図であり、図４（ｂ）が照明装置４００の側面図であるとする。このとき、励起光源１０２は、上下方向に延びた矩形の形状となっており、それに合わせて、励起光も矩形の範囲内に照射される。このため、ダイクロイックミラー４０１は、励起光源１０２の形状に合わせて、上下方向に延びた矩形の形状となっている。このため、ダイクロイックミラー４０１の左右を通過する蛍光は、ダイクロイックミラー１０４を透過する必要がない。これにより、ダイクロイックミラー１０４による蛍光量の減少を小さくすることができ、光学系効率を上げることができる。また、この場合であっても、フライアイレンズ１０５により、一様な光を得ることができる。

図５は、本実施形態に係る照明装置の別構成を示す。図１においては、ダイクロイックミラー１０４は１個あり、一方向から励起光が入射しているが、本願発明はこれに限定されない。例えば、図５に示すように、複数のダイクロイックミラー５０１、５０２があり、それぞれに対応して、励起光源５０３、５０４が配置され、複数の方向から励起光５０６、５０７が入射するようになっている。これにより、例えば、励起光源の発熱を分散させることなどが可能となる。

以上のように、本実施形態においては、フライアイレンズを透過する光は、略平行光であるため、ダイクロイックミラーを設けても、ビーム径が広がることはなく、光学部品のサイズが大きくなることを回避することが可能となる。また、励起光を集光する手段と蛍光を略平行にする手段とを同一の手段とすることができ、低コスト化および小サイズ化が可能となる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２として、励起光源として、レーザ発光素子を用いる構成を説明する。

図６は、本発明の実施形態２に係る照明装置の構成図である。照明装置６００は、実施形態１と同じく、蛍光体１０１と、励起光源１０２と、コリメータレンズ１０３と、ダイクロイックミラー１０４と、フライアイレンズ１０５とを有する。ただし、本実施形態では、励起光源１０２は、複数のレーザ発光素子６０１−１〜３を有している。レーザ発光素子６０１−１〜３は、それぞれの光軸が略平行となるように配置されている。これにより、略平行光となるレーザ光が、ダイクロイックミラー１０４に略４５度の角をもって入射することができる。特に励起光源１０２は、レーザアレイとなっていてもよい。

なお、図３に示すように、コリメータレンズ１０３の代わりに反射鏡３０１が用いられてもよい。また、図４、図５に示すように、蛍光体１０１の発する蛍光の一部がダイクロイックミラー４０１を通過するようになっていたり、複数のダイクロイックミラーが用いられていたりしてもよい。また、照明装置６００を用いて映像表示装置を構成することもできる。

それぞれのレーザ発光素子から発せられるレーザ光はコヒーレント性が高く、略平行光である。半導体レーザのように拡がり角を有するレーザ発光素子の場合は、発光部近傍にコリメータレンズを備えることで、略平行光とすることができる。また、複数のレーザ発光素子から発せられるレーザ光同士も略平行であり、効率よく蛍光体へ集光することができる。

（実施形態３）
本発明の実施形態３として、励起光を光ファイバーで導く構成を説明する。

図７は、本発明の実施形態３に係る照明装置の構成図である。照明装置７００は、実施形態１、２と同じく、蛍光体１０１と、励起光源１０２と、コリメータレンズ１０３と、ダイクロイックミラー１０４と、フライアイレンズ１０５とを有する。ただし、本実施形態では、励起光源１０２は、励起用レーザ発振器７０２と、励起用レーザ発振器７０２により発振されたレーザを導く光ファイバー７０３と、光ファイバー７０３から出射するレーザ光を略平行光とする第２のコリメータレンズ７０１を有する構成となっている。

なお、図３に示すように、コリメータレンズ１０３の代わりに反射鏡３０１が用いられてもよい。また、図４、図５に示すように、蛍光体１０１の発する蛍光の一部がダイクロイックミラー４０１を通過するようになっていたり、複数のダイクロイックミラーが用いられていたりしてもよい。また、照明装置７００を用いて映像表示装置を構成することもできる。

本実施形態によれば、光ファイバー７０３によって励起用レーザ発振器７０２の位置を自在に変更することが可能となる。このため、例えば、省スペース化を図ることができる。

（実施形態４）
本発明の実施形態４として、励起光源として発光ダイオード素子を用いる構成を説明する。

図８は、本発明の実施形態４に係る照明装置の構成図である。照明装置８００は、実施形態１、２、３と同じく、蛍光体１０１と、励起光源１０２と、コリメータレンズ１０３と、ダイクロイックミラー１０４と、フライアイレンズ１０５とを有する。ただし、本実施形態では、励起光源１０２は、発光ダイオード素子８０１と、第２のコリメータレンズ７０１を有する構成となっている。発光ダイオード素子８０１から出射した光は、第２のコリメータレンズ７０１により、略平行光となって、ダイクロイックミラー１０４に入射する。

なお、図３に示すように、コリメータレンズ１０３の代わりに反射鏡３０１が用いられてもよい。また、図４、図５に示すように、蛍光体１０１の発する蛍光の一部がダイクロイックミラー４０１を通過するようになっていたり、複数のダイクロイックミラーが用いられていたりしてもよい。また、照明装置８００を用いて映像表示装置を構成することもできる。

本実施形態によれば、安全上の問題などからレーザ光が使用できない場合に、発光ダイオード素子を使用して安全に使用することができる。また、発光ダイオード素子と蛍光体とが分離しているので、一般的な励起用発光ダイオード素子と蛍光体が一体となった場合と比較して、発光ダイオード素子の発熱による蛍光体の劣化を防ぐこともできる。

（その他の実施形態）
なお、以上説明した実施形態において、励起光は、紫外光であってもよい。また、液晶表示素子の代わりにＤＭＤや反射型液晶素子が用いられてもよい。また、蛍光体は冷却しやすいように、ホイールのような回転板上に配置されていてもよい。この場合、蛍光発光色を異ならせて、各色の映像信号と同期させて蛍光発光させてもよい。

１００ 照明装置
１０１ 蛍光体
１０２ 励起光源
１０３ コリメータレンズ
１０４ ダイクロイックミラー
１０５ フライアイレンズ
１０６−１、１０６−２、１０６−３ 励起光
１０７−１、１０７−２ 蛍光

Claims (9)

1. 励起光を発する励起光源と、
   前記励起光を反射するダイクロイックミラーと、
   前記励起光により蛍光を発する蛍光体と、
   前記ダイクロイックミラーにより反射された前記励起光を前記蛍光体に集光し、かつ、前記蛍光体が発する前記蛍光を略平行光にする光学系と、
   略平行光となった前記蛍光が入射するフライアイレンズと、
   を有する照明装置。
2. 略平行光となった前記蛍光の全部または一部が前記ダイクロイックミラーを透過することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光学系は、コリメータレンズを含み、
   前記コリメータレンズの焦点位置に前記蛍光体が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
4. 前記光学系は、焦点位置に光を集光する反射鏡を含み、
   前記焦点位置に前記蛍光体が配置されていることを特徴とする請求項１または２に記載の照明装置。
5. 前記励起光源は、前記励起光を発し、
   前記ダイクロイックミラーは前記励起光源の発する前記励起光の進行方向を略９０度曲げ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照明装置。
6. 前記励起光源は、光軸が略平行な複数のレーザ発光素子を有する請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
7. 前記励起光源は、レーザ発振器と、前記レーザ発振器により発振されたレーザ光を導く光ファイバーと、前記光ファイバーから出射するレーザ光を略平行とする第２のコリメータレンズとを有する請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
8. 前記励起光源は、発光ダイオード素子と、前記発光ダイオード素子の発せられた光を略平行とする第２のコリメータレンズとを有する請求項１から５のいずれかに記載の照明装置。
9. 請求項１から８のいずれかに記載の照明装置と、
   表示装置と、
   前記照明装置の前記フライアイレンズから出射する光を前記表示装置に導くリレーレンズと、
   前記リレーレンズにより前記表示装置に導かれ、前記表示装置から出射する光を投影する投影部と
   を有する投影型映像表示装置。

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