JP2016061851A - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光を効率良く発生させることができる照明装置およびプロジェクターを提供する。【解決手段】励起光を発する光源と、励起光を透過させる基板と、光源と基板との間に設けられ、非球面レンズを含む集光光学系と、基板における集光光学系とは反対側の面に設けられた蛍光体層と、を備え、集光光学系は、基板による収差を緩和させた状態で励起光を蛍光体層に照射する照明装置に関する。【選択図】図４

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関するものである。

近年、プロジェクターにおいて、蛍光体を利用した光源装置が用いられている（例えば、特許文献１参照）。この光源装置は、蛍光体層に裏面側から励起光を照射する透過型蛍光ホイールを採用し、光源と蛍光ホイールとの間に励起光を集光するための集光レンズを配置している。

特開２０１２−３９２３号公報

しかしながら、上記従来技術においては、蛍光ホイールに生じる収差の影響によって励起光が蛍光体層に最適な状態で照射されず、蛍光を効率良く発生させることができないといった問題があった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、蛍光を効率良く発生させることができる照明装置およびプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、励起光を射出する光源と、前記励起光を透過させる基板と、
前記光源と前記基板との間に設けられ、非球面レンズを含む集光光学系と、前記基板における前記集光光学系とは反対側の面に設けられた蛍光体層と、を備え、前記集光光学系は、前記基板による収差を緩和させた状態で前記励起光を前記蛍光体層に照射する照明装置が提供される。

第１態様に係る照明装置によれば、基板による収差を緩和した状態で励起光を蛍光体層に照射することができる。よって、蛍光体層上における励起光の照度分布の均一性が向上するので、蛍光を効率良く発生させることができる。

上記第１態様において、前記光源と前記集光光学系との間に設けられたホモジナイザー光学系をさらに備える構成としてもよい。
ホモジナイザー光学系は、励起光の光強度分布を均一な状態（いわゆるトップハット分布）に変換することが可能である。しかしながら、ホモジナイザー光学系を用いた場合において、基板による収差が生じると蛍光体層に対して励起光がピンボケした状態となってしまい、ホモジナイザー光学系を設けたことによる効果が十分に得ることができない。
これに対し、本発明を採用すれば、集光光学系により基板の収差が緩和されるので、励起光のピントを蛍光体層に合わせることができる。よって、均一性が高い強度分布の蛍光を得ることができる。

上記第１態様において、前記光源と集光光学系との間に設けられたアフォーカル光学系をさらに備える構成としてもよい。
この構成によれば、アフォーカル光学系により集光光学系に入射する励起光の光束径を小さくすることができる。よって、集光光学系を小型化することができるので、該集光光学系を備えた照明装置自体の小型化および軽量化を実現することができる。

本発明の第２態様に従えば、照明光を射出する照明装置と、前記照明光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、前記照明装置が、上記第１態様に係る照明装置であるプロジェクターが提供される。

第２態様に係るプロジェクターによれば、上記第１態様に係る照明装置を備えるので、本プロジェクターは品質に優れた画像表示を行うことができる。

プロジェクターの光学系を示す上面図である。 （ａ）は回転蛍光板の正面図、（ｂ）はＡ１−Ａ１断面図である。 円板による収差を説明するための図である。 集光光学系による効果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（プロジェクター）
本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。本実施形態のプロジェクターは、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した３つの液晶光変調装置を用いている。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを用いている。

図１は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す上面図である。
プロジェクター１は、図１に示すように、照明装置１００、色分離導光光学系２００、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００及び投写光学系６００を備える。

照明装置１００は、光源１０、アフォーカル光学系１１、ホモジナイザー光学系１２、集光光学系２０、回転蛍光板３０、モーター５０、コリメート光学系６０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０及び重畳レンズ１５０を備える。

光源１０は、励起光としてレーザー光からなる青色光（発光強度のピーク：約４４５ｎｍ）Ｂを射出する複数の半導体レーザー１０Ａから構成される。複数の半導体レーザー１０Ａは、照明光軸１００ａｘと直交する一平面内において、アレイ状に配置されている。
なお、光源１０としては、４４５ｎｍ以外の波長（例えば、４６０ｎｍ）の青色光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。

アフォーカル光学系１１は、例えば、凸レンズ１１ａおよび凹レンズ１１ｂを備える。アフォーカル光学系１１は、光源１０から射出された青色光の光束（複数のレーザー光からなる光束）の光束径を小さくする。このようにアフォーカル光学系１１が励起光の光束径を小さくするため、小型の集光光学系２０を用いることができる。よって、集光光学系２０を備えた照明装置１００は、小型化および軽量化が図られたものとすることができる。
なお、アフォーカル光学系１１と光源１０との間にコリメーター光学系を配置し、アフォーカル光学系１１に入射する励起光を平行光束に変換するようにしても良い。

ホモジナイザー光学系１２は、例えば、第１マルチレンズアレイ１２ａおよび第２マルチレンズアレイ１２ｂを備える。ホモジナイザー光学系１２は、励起光の光強度分布を均一な状態（いわゆるトップハット分布）に変換する。
具体的に、ホモジナイザー光学系１２は、第１マルチレンズアレイ１２ａの複数の小レンズ各々から射出された複数の小光束を、集光光学系２０と協同して、蛍光体層４２（後述）上で互いに重畳させる。これにより、蛍光体層４２上に照射される青色光Ｂの光強度分布を均一な状態（いわゆるトップハット分布）とする。

図２は、実施形態に係る回転蛍光板を説明するために示す図である。図２（ａ）は回転蛍光板の正面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）のＡ１−Ａ１断面図である。
回転蛍光板３０は、図１及び図２に示すように、モーター５０により回転可能な円板（基板）４０上に、蛍光体層４２が円板４０の周方向に沿って設けられてなる。回転蛍光板３０は、青色光が入射する側とは反対の側に向けて赤色光及び緑色光を射出する。

円板４０は、青色光を透過する材料からなる。円板４０の材料としては、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。

本実施形態において、光源１０からの青色光Ｂは円板４０側から蛍光体層４２に入射し、入射した青色光Ｂの一部は蛍光体層４２を透過する。蛍光体層４２と円板４０との間には、青色光Ｂを透過し、蛍光Ｙを反射するダイクロイック膜４４が設けられている。蛍光体層４２は、波長が約４４５ｎｍの青色光Ｂによって励起される。蛍光体層４２は、光源１０からの青色光Ｂの一部を赤色光及び緑色光を含む黄色の蛍光Ｙに変換し、かつ、青色光Ｂの残りの一部を変換せずに通過させる。本実施形態において、光源１０からの青色光Ｂのうち蛍光体層４２を透過した成分は、回転蛍光板３０からの黄色の蛍光Ｙと合成されることで白色光Ｗとなる。
なお、蛍光体層４２は、例えば、ＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを含有する層からなる。

ところで、回転蛍光板３０は、円板４０における集光光学系２０とは反対側の面に、蛍光体層４２が配置されている。そのため、集光光学系２０からの青色光（励起光）は、円板４０を透過してダイクロイック膜４４および蛍光体層４２に入射する。

集光光学系２０は、第１レンズ２２及び第２レンズ２４を備える。集光光学系２０は、ホモジナイザー光学系１２から回転蛍光板３０までの光路中に配置され、青色光（励起光）を略集光した状態で蛍光体層４２に入射させる。本実施形態において、第１レンズ２２及び第２レンズ２４は、それぞれ凸レンズからなる。

青色光Ｂが円板４０を透過した際に、該円板４０による収差が生じる。
図３は円板４０による収差を説明するための図である。なお、図３ではダイクロイック膜４４の図示を省略している。
集光光学系２０ｐは第１レンズ２２ｐおよび第２レンズ２４ｐを備える。集光光学系２０ｐは、円板４０による収差を考慮しないで、蛍光体層４２に焦点を合わせてある。そのため、図３に示すように、円板４０による収差のために集光光学系２０ｐによる青色光Ｂの集光位置が蛍光体層４２よりも手前にずれてしまい、青色光Ｂはピンボケした状態で蛍光体層４２に入射してしまう。

ホモジナイザー光学系１２を用いて蛍光体層４２上における青色光Ｂの照度分布を均一な状態にしたい場合、円板４０による収差の影響で、ホモジナイザー光学系１２による照度分布を均一化する効果を十分に得ることができない。
そのため、蛍光体層４２上の青色光の照度分布の均一性が低くなり、蛍光体層４２から射出される蛍光の強度分布の均一性も低くなってしまうおそれがある。

これに対して本実施形態では、非球面レンズを備える集光光学系２０によって、円板４０による収差を緩和する。集光光学系２０は、例えば、第１レンズ２２および第２レンズ２４の少なくとも一方が非球面レンズから構成される。本実施形態では、第１レンズ２２として光入射面２２ａが非球面で形成された非球面レンズを用いている。

図４は本実施形態の集光光学系２０による効果を示す図である。なお、図４ではダイクロイック膜４４の図示を省略している。
集光光学系２０は図４に示すように、円板４０による収差を緩和させた状態で青色光を蛍光体層４２の光入射面に照射する。

これによれば、蛍光体層４２上における青色光Ｂの照度分布が均一化されて、強度分布の均一性が高い蛍光を効率良く発生させることができる。

円板４０による収差を補正するように集光光学系２０を設計すれば、青色光を蛍光体層４２の光入射面にピントが合った状態で照射することができる。これによれば、蛍光の強度分布の均一性をさらに高めることができる。

図１に戻って、コリメート光学系６０は、第１コリメートレンズ６２と、第２コリメートレンズ６４とを備え、回転蛍光板３０からの光を略平行化する。第１コリメートレンズ６２及び第２コリメートレンズ６４は、凸レンズからなる。

第１レンズアレイ１２０は、コリメート光学系６０からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。複数の第１小レンズ１２２は、照明光軸１００ａｘと直交する面内にマトリクス状に配列されている。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第２小レンズ１３２は照明光軸１００ａｘに直交する面内にマトリクス状に配列されている。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光束を、直線偏光に変換する。偏光変換素子１４０は、回転蛍光板３０からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに、他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸１００ａｘに平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板とを有している。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させる。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、回転蛍光板３０からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，２２０、反射ミラー２３０，２４０，２５０及びリレーレンズ２６０，２７０を備える。色分離導光光学系２００は、照明装置１００からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれが対応する液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂに導光する。
色分離導光光学系２００と、液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂが配置されている。

ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分及び青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。
ダイクロイックミラー２２０は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。
反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射する反射ミラーである。
反射ミラー２４０，２５０は青色光成分を反射する反射ミラーである。

ダイクロイックミラー２１０を通過した赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２１０で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー２２０でさらに反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。

液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、各集光レンズ３００Ｒ，３００Ｇ，３００Ｂと各液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、各液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置される。

クロスダイクロイックプリズム５００は、各液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。

このクロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投写光学系６００によって拡大投写され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。

以上述べたように、本実施形態のプロジェクター１によれば、強度分布の均一性が高い蛍光Ｙを効率良く生成できる上記照明装置１００を備えるので、該プロジェクター１は品質に優れた画像を表示することができる。

なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、上記実施形態では、集光光学系２０を２つのレンズ（第１レンズ２２および第２レンズ２４）から構成する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されることはない。例えば、集光光学系２０が１つの非球面レンズから構成されていても良い。このようにすれば、集光光学系２０を小型化することができるので、該集光光学系２０を含む照明装置１００および該照明装置１００を備えたプロジェクター１をさらに小型化することが可能となる。

また、上記実施形態では、第１レンズ２２が非球面レンズで構成される場合を例に挙げたが、第２レンズ２４が非球面レンズで構成されていても良いし、第１レンズ２２および第２レンズ２４がそれぞれ非球面レンズから構成されていても良い。

また、上記実施形態では、３つの液晶光変調装置４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの液晶光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。

また、上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

１…プロジェクター、１０…光源、１１…アフォーカル光学系、１２…ホモジナイザー光学系、２０…集光光学系、４０…円板（基板）、４２…蛍光体層、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…液晶光変調装置（光変調装置）、６００…投写光学系。

Claims (4)

1. 励起光を射出する光源と、
   前記励起光を透過させる基板と、
   前記光源と前記基板との間に設けられ、非球面レンズを含む集光光学系と、
   前記基板における前記集光光学系とは反対側の面に設けられた蛍光体層と、を備え、
   前記集光光学系は、前記基板による収差を緩和させた状態で前記励起光を前記蛍光体層に照射する
   照明装置。
2. 前記光源と前記集光光学系との間に設けられたホモジナイザー光学系をさらに備える
   請求項１に記載の照明装置。
3. 前記光源と集光光学系との間に設けられたアフォーカル光学系をさらに備える
   請求項１又は２に記載の照明装置。
4. 照明光を射出する照明装置と、
   前記照明光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学系と、を備え、
   前記照明装置が、請求項１〜３のいずれか一項に記載の照明装置であるプロジェクター。

Images