JP2015060763A

JP2015060763A - 発光装置

Info

Publication number: JP2015060763A
Application number: JP2013194620A
Authority: JP
Inventors: 敦子田村; Atsuko Tamura; 岩井　信之; Nobuyuki Iwai; 信之岩井
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 2013-09-19
Filing date: 2013-09-19
Publication date: 2015-03-30
Anticipated expiration: 2033-09-19
Also published as: JP6221551B2

Abstract

【課題】ＸＹ色度図上の全ての色を得ることを可能とした発光装置を提供する。【解決手段】光源１１から、スリット１２a、ミラー１３a、回折格子１４、ミラー１３b、スリット１２bを介して第１波長の単色光を取り出し、光ファイバ１５、レンズ１６により混色部３０に照射する。さらに、光源２１から、スリット２２a、ミラー２３a、回折格子２４、ミラー２３b、スリット２２bを介して第２波長の単色光を取り出し、光ファイバ２５、レンズ２６により混色部３０に照射し、第１及び第２波長の単色光を加算混合する。駆動手段１８、２８により回折格子１４、２４を回動させて第１波長及び第２波長を設定し、可変電源１７、２７により光源１１、２１に供給する電力を制御して光量を制御することで、混色部３０においてＸＹ色度図上の全ての色を得る。【選択図】図３

Description

本発明は、発光色の異なる複数の光源を用いた発光装置に関する。

照明装置やディスプレイ、プロジェクタ等に用いられる発光装置では、発光色の異なる複数の光源を組み合わせることで、所望の色の光を得るようにしている（例えば特許文献１）。光の色はＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の混合比によって決まる。

光の色は、例えば図１に示すＸＹ色度図を用いて表すことができる。ＸＹ色度図は、ＸＹ座標空間で色を表したもので、Ｘ軸がＲ（赤）の比率を、Ｙ軸がＧ（緑）の比率をそれぞれ示している。Ｂ（青）の比率は、ＲとＧの比率の和を１から差し引いた値となる。ＸＹ色度図上の釣り鐘形状の領域が全ての色を表しており、該領域の境界線（輪郭線）のうち、曲線部分（スペクトル軌跡）は波長380nm〜780nm（紫色〜赤色）の単色光を表し、境界線よりも内側の部分は、単色光の組み合わせである複色光を表わしている（例えば非特許文献１、２）。

図１のＸＹ色度図上に示す２つの点(R)と(B)（以下、ＸＹ色度図上の点を「色度点」という）が、それぞれ赤色の光源が発する光の色、青色の光源が発する光の色に対応している場合、これら２つの光源を組み合わせて得られる光の色範囲（色域）は、色度点(R)と色度点(B)を結んだ直線となる。各光源の光量の比率（混合比率）を調整することで、その直線上の任意の色の光（混色光）が得られる。

さらに色度点(G)で示される光を発する緑色の光源を加えることで、図２のように、(R)(G)(B)の３つの色度点を結んだ範囲を色域とすることができる。

特開2009-49000号公報

株式会社裳華房,"色度図 (Color Diagram)",[online],平成24年12月17日,インターネット<URL:http://www.shokabo.co.jp/sp_opt/spectrum/color3/color-d.htm> ボスインターナショナル株式会社,"液晶用語集",[online],平成24年12月17日,インターネット<URL:http://www.boss-int.com/Develop/sheet/lcdchk02.html>

一般的に光源として用いられるランプやＬＥＤ等が発する光は、単色光ではなく、発光スペクトルに一定の広がりを持った複色光である。このような複色光に対応した色度点は、スペクトル軌跡の内側に位置する。それらの色度点に基づく色域は境界線で囲まれた領域よりも狭くなるため、ランプやＬＥＤ等を光源として用いた発光装置では、ＸＹ色度図上において得ることのできない色が存在する。

また、スペクトル軌跡付近に色度点が位置するような、発光スペクトル幅の狭い光源を複数用いたとしても、これらの色度点を結んだ領域と、釣り鐘形状の領域を一致させるためには、発色光が異なる多数の光源が必要となり、現実的ではない。

本発明が解決しようとする課題は、従来の発光装置では得ることができなかった、ＸＹ色度図上の境界線付近の色を含む全ての色を得ることを可能とした発光装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明の発光装置は、
第１波長及び該第１波長とは異なる波長である第２波長を設定する波長設定手段と、
光源が発する複色光から前記第１波長の単色光を取り出す第１単色光取り出し手段と、
光源が発する複色光から前記第２波長の単色光を取り出す第２単色光取り出し手段と、
前記第１波長の単色光及び前記第２波長の単色光を混合する混色手段と、
前記混色手段が混合する前記第１波長の単色光及び第２波長の単色光の混合比率を調整する混合比率調整手段と、
を有することを特徴とする。
光源は、第１単色光取り出し手段及び第２単色光取り出し手段で共通でもよく、異なる光源でもよい。

上記構成の発光装置では、波長設定手段により設定した第１波長及び第２波長の単色光を、第１単色光取り出し手段及び第２単色光取り出し手段が光源の発する複色光よりそれぞれ取り出し、それらを混色手段により混合する。その際、混合比率調整手段により各単色光の混合比率を調整する。
単色光の色度点はＸＹ色度図のスペクトル軌跡上に存在し、波長設定手段で波長を変えると、色度点はスペクトル軌跡上の任意の位置に移動するため、境界線で囲まれた領域にある全ての箇所を、色度点を結んだ領域に含めることができる。

前記第１単色光取り出し手段及び第２単色光取り出し手段は、モノクロメータとすることができ、前記混色手段としては、光ファイバとレンズを組み合わせた構成とすることができる。
また、前記混合比率調整手段は、光源への供給電力を調整して光量を増減させる可変電源としてもよいし、第１及び第２単色光を個別に減衰させる減衰器としてもよい。

光源には様々なものが存在し、380〜780nmの波長範囲において、比較的短波長側にある波長範囲内の波長成分を主に有する複色光を発する光源もあれば、比較的長波長側にある波長範囲内の波長成分を主に有する複色光を発する光源もある。また、モノクロメータのような単色光取り出し手段や、光ファイバとレンズの組み合わせ等による混色手段は、対象とする波長範囲に応じて個別に設計することが、発光装置の性能向上の観点から望ましい。

そこで、本発明の発光装置においては、380〜780nmの波長範囲を所定波長で区切り、
前記光源を、少なくとも380nm以上で該所定波長未満の波長範囲内の全ての波長成分を有する第１複色光を発する第１光源と、少なくとも該所定波長以上で780nm以下の波長範囲の全ての波長成分を有する第２複色光を発する第２光源とで構成し、
前記波長設定手段は、該所定波長未満の第１波長及び該所定波長以上の第２波長を設定し、
前記第１単色光取り出し手段は前記第１複色光から前記第１波長の単色光を取り出し、前記第２単色光取り出し手段は前記第２複色光から前記第２波長の単色光を取り出すようにするとよい。

こうすることで、発光装置のうち第１波長に関する部分及び第２波長に関する部分を、それぞれの波長範囲に適した構成とすることができる。
また、所定波長を520nmとすれば、この所定波長の単色光に対応した色度点はスペクトル軌跡のほぼ頂点となるため、所望の色を得る際に、所定波長よりも短い波長の単色光と、所定波長よりも長い波長の単色光のそれぞれの波長及び光量の組み合わせの選択肢が増える。

上記発光装置では、第１波長と第２波長をいずれも波長設定手段で設定するようにしているが、一方の波長は固定値としても良い。

すなわち、本願発明の別の態様の発光装置は、380nm又は780nmである第１波長の単色光を発する単色光源と、
380〜780nmの波長範囲のうち前記第１波長以外の波長を少なくとも含む波長範囲内の全ての波長成分を有する複色光を発する第２光源と、
前記第１波長とは異なる波長である第２波長を設定する波長設定手段と、
前記複色光から前記波長設定手段が設定した第２波長の単色光を取り出す単色光取り出し手段と、
前記第１波長の単色光及び前記第２波長の単色光を混合する混色手段と、
前記混色手段が混色する前記第１波長の単色光及び第２波長の単色光の混合比率を調整する混合比率調整手段と、
を有することを特徴とする。

この場合でも、ＸＹ色度図上の境界線で囲まれた領域にある全ての箇所を、色度点を結んだ領域に含めることができる。また、このような構成としたことで、第１波長の単色光の波長を設定する必要がなく、第２波長の単色光についてのみ波長設定手段により波長を設定すれば良いので、発光装置の構成が簡素となり、製造コストも下がる。

本発明の発光装置によれば、ＸＹ色度図上の境界線で囲まれた領域にある全ての色を得ることができるため、従来の発光装置よりも色域が広がり、表示性能が向上する。また、これまでは再現することが難しかった単色光に近い色も再現できるようになったことで、発光装置の用途も増える。

２つの光源を組み合わせた場合に再現可能な色をＸＹ色度図を用いて説明した図。３つの光源を組み合わせた場合に再現可能な色をＸＹ色度図を用いて説明した図。本発明の発光装置の概略構成を示す図。本発明の発光装置を用いて種々の色を得る動作の第１の例を説明した図。本発明の発光装置を用いて種々の色を得る動作の第２の例を説明した図。本発明の発光装置を用いて種々の色を得る動作の第３の例を説明した図。本発明の発光装置を別の態様の概略構成図を示す図。本発明の発光装置を用いたディスプレイの一例を示す図。

以下、本発明の発光装置の一実施例について添付図面を参照して説明する。図３は、本発明の発光装置の概略構成図を示す。

本実施例の発光装置は、主として、第１波長単色光取り出し部１０、第２波長単色光取り出し部２０、及び混色部３０で構成される。第１波長単色光取り出し部１０は光源１１から第１波長の単色光（第１単色光）を取り出して混色部３０に照射し、第２波長単色光取り出し部２０は光源２１から第２波長の単色光（第２単色光）を取り出して混色部３０に照射する。

第１波長単色光取り出し部１０は、光源１１、スリット１２a、ミラー１３a、波長分散素子１４、ミラー１３b、スリット１２b、光ファイバ１５、レンズ１６、光量調整部１７及び駆動部１８などを有する。波長分散素子の例としては、回折格子やプリズム等が挙げられる。また、ミラー１３a、１３b、及び後述するミラー２３a、２３bは使用する波長分散素子の種類や当該素子の配置によっては省略することができる。

光源１１には、例えばハロゲンランプ、Xeランプ、LED等の白色光源を用いることができる。光源１１は可変電源１７に接続されており、該可変電源１７は光源１１に供給する電力を制御することで、光源１１の光量を調整する。

光源１１が発した光は、スリット１２aを通過し、ミラー１３aで反射された後、回折格子１４に入射する。回折格子１４は、特定の第１波長の光のみ（第１単色光）をミラー１３bに向けて反射する（分光）。該光はさらにミラー１３bで反射した後、スリット１２bを通過する。

回折格子１４は回動することでミラー１３bに向けて反射する第１単色光の波長を変えることができる。回折格子１４には駆動手段１８が接続されており、該駆動手段１８により回折格子１４を回動をさせる。駆動手段１８は例えばステッピングモーターである。
すなわち、スリット１２aからスリット１２bの間の各素子がモノクロメータを構成することで、光源１１から第１単色光を取り出す。

このようにして光源１１から取り出した第１単色光を、光ファイバ１５の一端より内部に導入する。第１単色光は、光ファイバ１５内で全反射を繰り返しながら進み、光ファイバ１５の他端よりレンズ１６に向けて出射される。

レンズ１６は、例えば凸型のレンズであり、その集光作用により第１単色光を集光し、後述の混色部３０に向けて照射する。

第２波長単色光取り出し部２０も、第１波長単色光取り出し部１０と同様の構成であり、光源２１、スリット２２a、ミラー２３a、回折格子２４、ミラー２３b、スリット２２b、光ファイバ２５、レンズ２６、可変電源２７及び駆動部２８を有する。光源２１にも、光源１１と同様にハロゲンランプ等を用いることができる。

光源２１は可変電源２７に接続されており、可変電源２７は光源２１に供給する電力を制御することで、光源２１の光量を調整する。回折格子２４には駆動手段２８が接続されており、該駆動手段２８により回折格子２４を回動をさせる。

可変電源１７、２７及び駆動手段１８、２８はそれぞれＰＣ制御部４０と通信可能となっている。ＰＣ制御部４０により、可変電源１７、２７を制御することで、第１単色光と第２単色光の光量を個別に（すなわち混合比率を）調整できる。また、ＰＣ制御部４０により、駆動手段１８、２８を制御することで、第１単色光の波長と第２単色光の波長を個別に調整できる。
このようなＰＣ制御部４０の機能は、発光装置のファームウェアで実現することもできる。

取り出された第２単色光は、光ファイバ２５、レンズ２６を介し、第１単色光と同様に混色部３０に照射する。レンズ２６も、レンズ１６と同様に例えば凸型のレンズとするとよい。なお、光ファイバ２５及びレンズ２６はなくてもよい。また、第1単色光取り出し部１０についても、光ファイバ１５及びレンズ１６はなくても良い。

混色部３０には、例えば、プロジェクタスクリーン用のシートが配設されている。これにより、混色部３０に照射された第１単色光及び第２単色光を混色し、混色光を得る。すなわち、光ファイバ１５、２５、レンズ１６、２６及び混色部３０は、第１単色光と第２単色光を混色する混色手段となる。

次に、図４を用いて、本実施例の発光装置により種々の色を得る動作について説明する。本実施例では、第１単色光を380〜520nmの波長範囲に、第２単色光を520〜780nmの波長範囲に設定できるようになっている。また、図４中、Ａ、Ｂはそれぞれ第１単色光及び第２単色光の色度点を示す。

例えば、使用者がＰＣ制御部４０上で、第１単色光の波長を380nm、第２単色光の波長を780nmに設定すると、ＰＣ制御部４０が駆動手段１８及び駆動手段２８に制御信号を送る。駆動手段１８は送られた制御信号に基づいて回折格子１４を回動させて第１単色光の波長を380nmに設定し、駆動手段２８は送られた制御信号に基づいて回折格子２８を回動させて第２単色光の波長を780nmに設定する。これにより、第１単色光と第２単色光を混合して得られる色は、Ａ(380nm)とB(780nm)を結んだ直線上のいずれかの色となる。

さらに、使用者がＰＣ制御部４０上で、第１単色光及び第２単色光の光量（或いはそれらの比率）を設定すると、ＰＣ制御部４０は可変電源１７及び可変電源１８に制御信号を送る。可変電源１７は送られた制御信号に基づいて光源１１に供給する電力を制御し、可変電源２７は送られた制御信号に基づいて光源２１に供給する電力を制御する。このようにして第１単色光と第２単色光の混合比率を変え、Ａ(380nm)とB(780nm)を結んだ直線上の任意の色を得る。第１単色光の混合比率を大きくすれば、直線上のＡに近い位置にある色が得られ、第２単色光の混合比率を大きくすれば、直線上のＢに近い位置にある色が得られる。

また、使用者がＰＣ制御部４０上で、第１単色光の波長を(380+Δλ1)nm、第２単色光の波長を(780-Δλ2)nmに設定する（或いはΔλ1及びΔλ2の値を設定する）と、色度点Ａ、Ｂはそれぞれ、(380+Δλ1)nmと(780-Δλ2)nmの位置に移動する。この場合も、上記同様に第１単色光及び第２単色の光量を変えることで、両色度点を結んだ直線上の任意の色が得られる。このようにして第１単色光及び第２単色光の波長及び光量を変えて行くことで、ＸＹ色度図上の所望の色を得る。
なお、波長が520nmの単色光の色度点は、スペクトル軌跡のほぼ頂点になるため、本実施例のように、520nmを境に第１単色光と第２単色光の波長を分けた構成とすることで、所望の色を得る際に、波長の第１単色光及び第２単色光の様々な組み合わせが可能となる。

上述のΔλ1とΔλ2は、同じ値（Δλ）とすることもできる。すなわち、使用者がＰＣ制御部４０上でΔλの値を設定するだけで、ＰＣ制御部４０は、第１単色光の波長を(380+Δλ)nmに、第２単色光の波長を(780-λ)nmとして、駆動手段１８及び駆動手段２８に制御信号を送る。こうすることで、使用者の操作負担を軽減できる。この場合、図５に示すように、色度点Ａ、Ｂはそれぞれ、(380+Δλ)nmと(780-Δλ)nmに位置し、両色度点を結んだ直線上の任意の色が得られる。第１単色光及び第２単色光の波長範囲としては、例えば、第１単色光を380nm〜580nmの波長範囲に、第２単色光を580〜780nmの波長範囲に設定できるようにするとよい。580nmは、380nmと780nmの中間の値である。

一方、第１単色光の波長を380nmに固定するようにしてもよい。使用者はＰＣ制御部４０上で第１単色光の波長を設定する必要がなく、操作負担が軽減される。さらに、駆動手段１８も不要となり、発光装置の構成が簡素化され、製造コストを下げることができる。この場合は、図６に示すように、色度点Ｂのみがスペクトル軌跡上を移動する。第２単色光の波長は、380〜780nmの波長範囲に設定できるようにする。なお、第１単色光の波長を780nmに固定しても同様の効果が得られる。

以上のとおり、本発明の発光装置はＸＹ色度図上の全ての色を得ることができるため、従来の発光装置よりも色域が広がり、表示性能が向上する。特に、これまでは再現することが難しかった単色光に近い色を活用することで、発光装置の用途が増える。

上記実施例では、第１波長単色光取り出し部１０と第２波長単色光取り出し部２０とで、異なる光源としたが、図７に示すように、光源を共通とすることもできる。この場合は、光源を挟んで両側に第１波長単色光取り出し部と第２波長単色光取り出し部を配置し、これら取り出し部のスリット１２a及びスリット２２aを同軸上に配置する。また、スリット１２bと光ファイバ７０、及びスリット２２bと光ファイバ７１の間にそれぞれ可変アテネータ１９及び２９を挿入し、各可変アテネータの減衰量をＰＣ制御部４０制御できるようにするとよい。これにより、第１単色光と第２単色光の光量を個別に減衰させ、両単色光の混合比率を調整することが可能となる。光量調節のためにNDフィルタなどを用いてもよい。
このような構成とすることで、発光装置を小型化し、製造コストを下げることができる。

なお、モノクロメータにより光源から単色光を取り出す構成に代えて、単色光を発するレーザを用いた構成とすることもできる。この場合でも、レーザの発振周波数の設定及び供給電力の制御が可能な構成とすれば、本願発光装置と同様の効果が得られる。

上述の発光装置は、一点（混色部）において所望の色を得るものであるが、この発光装置を複数台用いれば、多点（各混色部）においてそれぞれ所望の色を得ることができるディスプレイ等の表示装置になる。

図８は、本発明の発光装置を用いたディスプレイの一例を示す図面である。このディスプレイ５０はＭ行Ｎ列からなる複数の画素６０(1,1)〜６０(M,N)を有している。ディスプレイの背面には本発明の発光装置が各画素毎に対応して配設されており、各画素が各発光装置の混色部に相当する。

このディスプレイ５０は、画素毎に異なる色を表示することができ、その色はＸＹ色度図上の全ての色から選択可能なため、従来のディスプレイよりも色域が広く、表示性能に優れる。

１０…第１波長単色光取り出し部
１１、２１…光源
１２a、１２b、２２a、２２b…スリット
１３a、１３b、２３a、２３b…ミラー
１４、２４…回折格子
１５、２５、７０、７１…光ファイバ
１６、２６…レンズ
１７、２７…可変電源
１８、２８…駆動手段
１９、２９…可変アテネータ
２０…第２波長単色光取り出し部
３０…混色部
４０…ＰＣ制御部
５０…ディスプレイ
６０(1,1)、６０(M,1)、６０(M,N)…画素

Claims

第１波長及び該第１波長とは異なる波長である第２波長を設定する波長設定手段と、
光源が発する複色光から前記第１波長の単色光を取り出す第１単色光取り出し手段と、
光源が発する複色光から前記第２波長の単色光を取り出す第２単色光取り出し手段と、
前記第１波長の単色光及び前記第２波長の単色光を混合する混色手段と、
前記混色手段が混合する前記第１波長の単色光及び第２波長の単色光の混合比率を調整する混合比率調整手段と、
を有することを特徴とする発光装置。
前記第１単色等取り出し手段及び前記第２単色光取り出し手段は、モノクロメータであることを特徴とする請求項１に記載の表示装置。
前記混色手段は、光ファイバとレンズを組み合わせて成ることを特徴とする請求項１又は２に記載の表示装置。
380〜780nmの波長範囲を所定波長で区切り、
前記光源は、少なくとも380nm以上で該所定波長未満の波長範囲内の全ての波長成分を有する第１複色光を発する第１光源と、少なくとも該所定波長以上で780nm以下の波長範囲の全ての波長成分を有する第２複色光を発する第２光源から成り、
前記波長設定手段は、該所定波長未満の第１波長及び該所定波長以上の第２波長を設定し、
前記第１単色光取り出し手段は前記第１複色光から前記第１波長の単色光を取り出し、前記第２単色光取り出し手段は前記第２複色光から前記第２波長の単色光を取り出すことを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発光装置
前記所定波長は、580nmであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の発光装置。
380nm又は780nmである第１波長の単色光を発する単色光源と、
380〜780nmの波長範囲のうち少なくとも第１波長範囲以外の範囲の多波長光を発する第２光源と、
前記多波長光から第２波長の単色光を取り出す単色光取り出し手段と、
前記第２波長を設定するための波長設定手段と、
前記第１波長の単色光及び第２波長の単色光の光量を調整する光量調整手段と、
前記第１波長の単色光と前記第２波長の単色光を混合する混色手段と、
を有することを特徴とする発光装置。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の発光装置を複数備えたことを特徴とする表示装置。