JP2017161627A - プロジェクター及びその照明光学系の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から出力された光エネルギーの利用効率の低下を抑制しつつ、投写映像の色の再現性を向上させることができるプロジェクター及びその照明光学系の制御方法を提供する。【解決手段】光源から出力された原色光が照射される、該原色光を励起光にして蛍光を発する蛍光体領域及び該原色光を反射または透過させる原色領域とを有する蛍光体形成面を備え、蛍光体領域と原色領域との比が外周側と中心側とで異なる蛍光体ホイールと、蛍光体ホイールを蛍光体形成面と垂直な回転軸を中心に回転させる回転機構と、蛍光ホイールを、原色光の光軸と垂直であり、回転軸と直交する方向へ移動させる移動機構と、原色光の強度と蛍光の強度の比が基準値と一致するように蛍光体ホイールを移動させる制御部とを有する。【選択図】図２

Description

本発明はカラー映像を投写するプロジェクター及びその照明光学系の制御方法に関する。

カラー映像を投写するプロジェクターでは、高速に回転するカラーホイールを用いて光源から出力された白色光を赤、緑、青の三原色の色光に順次分離し、分離された各色光を映像信号にしたがって順次光変調することでカラー映像を形成するフィールドシーケンシャル方式の構成が知られている。フィールドシーケンシャル方式は「単板方式」とも呼ばれる。光変調に用いる映像形成素子には、液晶パネルやＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device：登録商標）等が利用される。

上述したカラーホイールを用いるプロジェクターでは、従来、高輝度な放電ランプ等を光源として用いる構成が主流であった。しかしながら、近年は光源の長寿命化や低消費電力化等を実現するため、レーザダイオードやＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の半導体素子を光源に用いたプロジェクターが開発されている。

光源としてＬＥＤやレーザダイオードを用いる場合、該ＬＥＤやレーザダイオードは、通常、単一波長光しか出力できない。そのため、光源から出力された所定の色光（原色光）を励起光として蛍光体に照射し、該光源から直接得られない色光をそれぞれ蛍光体で発光させる構成がある。例えば、青色のレーザ光を発光する青色レーザダイオードを光源に用いる場合、蛍光体で赤色光や緑色光を発光させる。

なお、蛍光体は、発光する色光によって（蛍光体の種類によって）発光効率が異なるため、蛍光体の種類を減らすことで蛍光体の発光効率の差異による影響を低減した構成もある。例えば、青色のレーザ光を励起光に用いて赤色光及び緑色光を生成する場合、赤色光と緑色光とを個別の蛍光体で発光させるのはなく、赤色と緑色の成分を含む黄色光を発光する蛍光体を用いる。その場合、カラーホイールを用いて黄色光から赤色光及び緑色光を色分離すればよい。以下では、光源で発光された光（以下、「原色光」と称す場合がある）から赤、緑、青の三原色の各色光を生成し、生成した各色光を映像形成素子まで導く光学系を「照明光学系」と称す。

光源として青色レーザダイオードを用いるプロジェクターは特許文献１や特許文献２にも記載されている。
特許文献１には、外周に沿って赤色光及び緑色光（または黄色光）を発光する蛍光体及び青色のレーザ光を反射する反射領域が順次配置され、該蛍光体及び反射領域の内側に赤色光のみを透過させる透過領域、緑色光のみを透過させる透過領域及び青色光のみを透過させる透過領域が順次配置された、蛍光体ホイールとカラーホイールの両方の機能を備えた光学ホイールを備えたプロジェクターが記載されている。
特許文献２には、光源と蛍光体ホイールとの間にダイクロイックミラーを配置し、該ダイクロイックミラーの偏光分離特性を利用して蛍光体ホイールに対する入射光と出射光とを分離する構成が記載されている。特許文献２に記載された発明では、ダイクロイックミラーを用いて光源から出力された青色光の光軸と、蛍光体ホイールで反射する青色光、並びに蛍光体で発光する赤色光及び緑色光の光軸とを一致させることで、装置の小型化を実現できることが記載されている。

特開２０１５−０１１３０２号公報 特開２０１２−１２３１７９号公報

上述した青色レーザダイオードを光源に用いるプロジェクターでは、黄色光を発光する蛍光体（黄色蛍光体）の特性ばらつきにより黄色光の発光強度にばらつきが生じる。そのため、赤色と緑色の成分を含む黄色光と、光源から出力された青色光とを色合成した白色光にも色のばらつきが生じてしまう。特に、投写映像が最も明るくなるようにプロジェクターを動作させる最大出力モードでは、黄色蛍光体の特性ばらつきによる白色光の色の変化が投写映像に顕著に表れてしまう。

そのような白色光の色のばらつきは、例えばプロジェクターを色の再現性を重視する色重視モードで動作させることでも低減できる。しかしながら、色重視モードは、映像形成素子による光変調時に、強度が低い色光（青色光、または赤色光及び緑色光）に合わせて他の色光の強度を下げるように動作するため、光源から出力された光エネルギーの利用効率が低下してしまう。カラー映像の形成に利用されない光エネルギーは映像形成素子における発熱の要因となるため、光エネルギーの利用効率が低下することは好ましくない。
上述した特許文献１や２に記載された技術は、白色光の色のばらつきを調整して投写映像の色の再現性を向上させるためのものではない。

本発明は上述した背景技術が有する課題を解決するためになされたものであり、光源から出力された光エネルギーの利用効率の低下を抑制しつつ、投写映像の色の再現性を向上させることができるプロジェクター及びその照明光学系の制御方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明のプロジェクターは、光源から出力された原色光が照射される、該原色光を励起光として蛍光を発する蛍光体領域及び該原色光を反射または透過させる原色領域とを有する蛍光体形成面を備え、円周方向における前記蛍光体領域と前記原色領域との比が外周側と中心側とで異なる蛍光体ホイールと、
前記蛍光体ホイールを前記蛍光体形成面と垂直な回転軸を中心として回転させる回転機構と、
前記蛍光ホイールを、前記原色光の光路上で光軸と垂直であり、前記回転軸と直交する方向へ移動させる移動機構と、
前記原色光の強度と前記蛍光の強度との比が、予め設定された基準値と一致するように、前記駆動部により前記蛍光体ホイールを移動させる制御部と、
を有する。

一方、本発明の照明光学系の制御方法は、蛍光体ホイールが備える蛍光体形成面に、光源から出力された原色光が照射される、該原色光を励起光として蛍光を発する蛍光体領域及び該原色光を反射または透過させる原色領域とを、外周側と中心側とで円周方向における比が異なるように形成し、
回転機構により前記蛍光体ホイールを前記蛍光体形成面と垂直な回転軸を中心として回転させ、
制御部が、
前記原色光の強度と前記蛍光の強度との比が、予め設定された基準値と一致するように、移動機構により、前記蛍光体ホイールを、前記原色光の光路上で光軸と垂直であり、前記回転軸と直交する方向へ移動させる方法である。

本発明によれば、光源から出力された光エネルギーの利用効率の低下を抑制しつつ、投写映像の色の再現性を向上させることができる。

本発明のプロジェクターが備える照明光学系の一構成例を示す模式図である。 図１に示した蛍光体ホイールの一例を示す平面図である。 図２に示した蛍光体ホイールが備える黄色蛍光体領域及び反射領域の比率を示す模式図である。 図１に示した蛍光体ホイールの他の例を示す平面図である。 図４に示した蛍光体ホイールが備える黄色蛍光体領域及び反射領域の比率を示す模式図である。 図１に示した蛍光体ホイールの移動量を制御する制御系の一構成例を示すブロック図である。

次に本発明について図面を用いて説明する。
図１は、本発明のプロジェクターが備える照明光学系の一構成例を示す模式図である。なお、本発明は、図１に示す照明光学系の構成に限定されるものではなく、蛍光体ホイールを備えるフィールドシーケンシャル方式（単板方式）のプロジェクターであれば、どのような構成の照明光学系にも適用可能である。

図１に示す照明光学系は、光源１１、ダイクロイックミラー１２、１／４波長板１３、レンズ１４ａ〜ｃ、蛍光体ホイール１５、反射ミラー１６、カラーセンサー１７、カラーホイール１８及びライトトンネル１９を備える。
光源１１には、青色の波長域にピーク波長を有する青色光を出力する、半導体素子である青色レーザダイオードが用いられる。青色レーザダイオードからは、例えばＳ偏光のレーザ光（青色光）が出力される。

ダイクロイックミラー１２は、Ｓ偏光で入射する青色のレーザ光を透過させ、Ｐ偏光で入射する青色のレーザ光を反射する特性を有する。また、ダイクロイックミラー１２は、青色光よりも波長が長い赤色成分及び緑色成分を含む黄色蛍光（非偏光）を反射する特性を有する。そのような特性を有するダイクロイックミラー１２は、誘電体多層膜によって実現できる。
ダイクロイックミラー１２は、光源１１から出力されたレーザ光（青色光）を透過させて蛍光体ホイール１５へ導く。ダイクロイックミラー１２と蛍光体ホイール１５との間の光路上には、１／４波長板１３及びレンズ１４ａが配置されている。

蛍光体ホイール１５は、光源１１から出力された原色光（ここでは青色光）を励起光として発光する蛍光体が設けられた蛍光体領域と、光源１１から出力された原色光（ここでは青色光）を反射または透過させる領域とを有する蛍光体形成面を備えている。図１は、蛍光体ホイール１５が光源１１から出力された原色光（ここでは青色光）を反射させる領域を備える場合の照明光学系の一例を示している。
蛍光体ホイール１５には、該蛍光体ホイール１５を回転させるためのモータを含む回転機構と、該蛍光体ホイール１５を、光源１１から出力された原色光の光路上で光軸と垂直であり、蛍光体ホイール１５の回転軸と直交する方向へ移動させるための移動機構とを含む駆動部１５ａが固定されている。回転機構は、蛍光体ホイール１５を、上記蛍光体形成面と垂直な回転軸を中心として回転させる。回転機構及び移動機構は、駆動部１５ａ内にそれぞれ備える必要はなく、回転機構または移動機構単体で備えていてもよい。移動機構は、蛍光体ホイール１５を、光源１１から出力された原色光の光路上で光軸と垂直であり、蛍光体ホイール１５の回転軸と直交する方向へ移動させることができれば、どのような構成を用いてもよい。図２に蛍光体ホイール１５の一例を示す。

図２に示す蛍光体ホイール１５は、黄色光を発光する蛍光体が設けられた黄色蛍光体領域３１と、光源１１から出力されたレーザ光（青色光）を反射する反射膜（鏡）が設けられた反射領域３２とを備えている。黄色蛍光体領域３１及び反射領域３２は、蛍光体ホイール１５の円周に沿って並ぶように配置されている。円周方向における、黄色蛍光体領域３１及び反射領域３２の面積の割合（円周方向における分割比）は、蛍光体ホイール１５の出力光に含まれる黄色光、赤色光、緑色光及び青色光の強度のバランスに応じて適宜設定される。なお、本願において「円周方向」と称す場合、円板状の蛍光体ホイール１５（あるいはカラーホイール１８）の円周に沿った方向を指すものとする。

１／４波長板１３は、一方の面から入射された直線偏光（ここではＳ偏光）を円偏光に変換し、他方の面から入射された円偏光を、上記一方の面から入射される直線偏光とは異なる偏光面（９０°異なる）の直線偏光（Ｐ偏光）に変換する。そのため、ダイクロイックミラー１２からの青色光（Ｓ偏光）は、１／４波長板１３を通過することで円偏光となる。１／４波長板１３と蛍光体ホイール１５との間に配置されたレンズ１４ａは、１／４波長板１３を通過した青色光（円偏光）を蛍光体ホイール１５に集光する。このとき、蛍光体ホイール１５を回転させることで、レンズ１４ａを通過した青色光（円偏光）が黄色蛍光体領域３１及び反射領域３２に順次照射される。黄色蛍光体領域３１では青色光（円偏光）で励起された蛍光体が黄色蛍光（非偏光）を発光する。反射領域３２はレンズ１４ａを通過した青色光（円偏光）を該レンズ１４ａ方向へ反射する。

黄色蛍光体領域３１からの黄色蛍光と反射領域３２からの青色光（円偏光）とは、レンズ１４ａ及び１／４波長板１３を順次通過してダイクロイックミラー１２に入射される。ここで、反射領域３２からの青色光（円偏光）は、１／４波長板１３を再び通過することで、光源１１の偏光（Ｓ偏光）から１／２波長位相が異なる直線偏光（Ｐ偏光）に変換されてダイクロイックミラー１２に入射される。黄色蛍光体領域３２からの黄色蛍光は、振動方向がランダムな光（非偏光）であるため、１／４波長板１３を透過しても光の特性が変化しない。

ダイクロイックミラー１２は、１／４波長板１３を通過した黄色蛍光（非偏光）及び青色光（Ｐ偏光）を反射し、反射ミラー１６へ入射させる。反射ミラー１６は、入射された黄色蛍光（非偏光）及び青色光（Ｐ偏光）を反射してカラーホイール１８に照射する。このとき、反射ミラー１６は、入射光の一部を透過させてカラーセンサー１７へ出力する。反射ミラー１６には、例えば反射率が９８％程度のミラーを用いればよい。ダイクロイックミラー１２と反射ミラー１６との間にはレンズ１４ｂが配置され、反射ミラー１６とカラーホイール１８との間にはレンズ１４ｃが配置されている。レンズ１４ｂは、ダイクロイックミラー１２で反射された光を反射ミラー１６に集光する。レンズ１４ｃは、反射ミラー１６で反射された光をカラーホイール１８に集光する。

カラーホイール１８は、例えば黄色光を透過させる黄色透過フィルター、赤色光を透過させる赤色透過フィルター、緑色光を透過させる緑色透過フィルター及び青色光を透過させつつ拡散させる拡散領域を備える。黄色透過フィルター、赤色透過フィルター、緑色透過フィルター及び拡散領域は、カラーホイール１１の円周に沿って並ぶように配置されている。黄色透過フィルターは無くてもよい。カラーホイール１８には、該カラーホイール１８を回転させるためのモータを含む回転機構を備えた駆動部１８ａが固定されている。

黄色透過フィルター、赤色透過フィルター及び緑色透過フィルターの領域は、図２に示した蛍光体ホイール１５の黄色蛍光体領域３１に対応し、拡散板領域は蛍光体ホイール１５の反射領域３２に対応する。黄色透過フィルター、赤色透過フィルター、緑色透過フィルター及び拡散領域の円周方向における面積の割合（円周方向の分割比）は、図２に示した蛍光体ホイール１５のそれぞれに対応する領域の割合と略同じである。

蛍光体ホイール１５及びカラーホイール１８は、互いに同期して回転するように駆動部１５ａ及び１８ａによって制御される。上述したように、黄色蛍光体領域３１が発する黄色蛍光には、赤色成分及び緑色成分、並びにそれらを混色した黄色成分の光を含む。そのため、黄色成分の光が黄色透過フィルターを透過し、赤色成分の光が赤色透過フィルターを透過し、緑色成分の光が緑色透過フィルターを透過する。反射領域３２からの青色光は、拡散領域により拡散されつつ透過・出力される。カラーホイール１８から出力された黄色光、赤色光、緑色光、青色光はライトトンネル１９に入射される。ライトトンネル１９は、入射光の輝度分布を均一にして不図示の映像形成素子に出力する。映像形成素子は、映像信号にしたがって各色光を順次光変調することでカラー映像を形成し、形成されたカラー映像は不図示の投写光学系によりスクリーン等へ投写される。

なお、本実施形態では、蛍光体ホイール１５が黄色蛍光体領域３１と反射領域３２とを備えた構成例を示しているが、蛍光体ホイール１５は、反射領域３２に代えて光源１１から出力された青色光を透過させる透過領域を備えていてもよい。その場合、図１に示す照明光学系は、例えば１／４波長板、並びに複数の反射ミラー及びレンズ等を用いて、蛍光体ホイール１５を透過した青色光を図１の反射ミラー１６まで導く光路を備えていればよい。以下では、蛍光体ホイール１５が反射領域を備える構成例で説明するが、本発明は、蛍光体ホイール１５が、反射領域に代えて透過領域を備える構成にも適用することが可能である。本願では、蛍光体ホイール１５の光源１１から出力された原色光（ここでは青色光）を反射する反射領域、並びに光源１１から出力された原色光（ここでは青色光）を透過させる透過領域を総称して「原色領域」と称す。

このような構成において、本実施形態では、円板状の蛍光体ホイール１５において、該蛍光体ホイール１５の外周側と中心側とで、反射領域３２を形成する角度（中心角）が異なる蛍光体ホイール１５を用いる。すなわち、円板状の蛍光体ホイール１５において、外周側と中心側とで、黄色蛍光体領域３１を形成する角度（優角）が異なるようにする。

例えば、図２に示すように、蛍光体ホイール１５の外周側において反射領域３２を形成する中心角をαとし、蛍光体ホイール１５の中心側において反射領域３２を形成する中心角をβとしたとき、α＜βとなるように反射領域３２を形成する。このような蛍光体ホイール１５は、図３に示すように外周側と中心側とで、円周方向における黄色蛍光体領域３１と反射領域３２の比を変えることができる。

なお、図２の「外周側」で示す円と「中心側」で示す円の間の領域は、反射領域３２及び黄色蛍光体領域３１に対して、青色光のスポット３３がはみ出すことなく照射可能な、該青色光のスポット中心を位置させることができる範囲を示している。したがって、図２に示す反射領域３２は、上記α及びβを用いて定義する構成に限定されるものでない。
図２に示す反射領域３２は、該反射領域３２の最外周における中心角よりも反射領域３２の最内周における中心角が大きくなるように形成すればよい。

また、本実施形態では、蛍光体ホイール１５に対して照射される青色のレーザ光のスポット３３の位置が、蛍光体ホイール１５の半径方向で変わるように蛍光体ホイール１５を駆動部１５ａにより移動させる。すなわち、駆動部１５ａ用いて、蛍光体ホイール１５を青色のレーザ光（原色光）の光路上で光軸と垂直な方向に移動させる。
初期状態において、蛍光体ホイール１５は、青色のレーザ光のスポット３３が、黄色蛍光体領域３１及び青色反射領域３２の半径方向における中央に位置するように設定される。そして、黄色蛍光の強度が弱く、青色光の強度が相対的に強い場合、黄色蛍光体領域３１を形成する角度が大きくなるように、すなわちスポット３３の位置が外周側へ移動するように蛍光体ホイール１５を移動させる。
一方、黄色蛍光の強度が強く、青色光の強度が相対的に弱い場合、色蛍光体領域３１を形成する角度が小さくなるように、すなわちスポット３３の位置が中心側へ移動するように蛍光体ホイール１５を移動させる。

このようにして反射領域３２から反射する青色光の強度と黄色蛍光体領域３１で発光する黄色蛍光の強度の比を調整することで、白色光の色のばらつきを補正する。

なお、蛍光体ホイール１５は、図２に示した構成に限定されるものではない。例えば、図４で示すように、蛍光体ホイール１５の外周側において反射領域４２を形成する中心角をα’とし、蛍光体ホイール１５の中心側において反射領域４２を形成する中心角をβ’としたとき、α’＞β’となるように反射領域４２を形成してもよい。すなわち、図４に示す反射領域４２は、該反射領域４２の最外周における中心角よりも該反射領域４２の最内周における中心角が小さくなるように形成してもよい。このような蛍光体ホイール１５でも、図５に示すように円板状の蛍光体ホイール１５において、外周側と中心側とで、円周方向における黄色蛍光体領域４１と反射領域４２の比を変えることができる。
この場合、黄色蛍光の強度が弱く、青色光の強度が相対的に強いときは、スポット３３の位置が中心側へ移動するように蛍光体ホイール１５を移動させ、黄色蛍光の強度が強く、青色光の強度が相対的に弱いときは、スポット３３の位置が外周側へ移動するように蛍光体ホイール１５を移動させればよい。

蛍光体ホイール１５の移動量は、カラーセンサー１７で受光した各色光の強度に基づいて、図６に示す制御系を用いて制御すればよい。図６は、図１に示した蛍光体ホイールの移動量を制御する制御系の一構成例を示すブロック図である。

図６で示す制御系は、カラーセンサー１７、制御部５２及び駆動部１５ａを備えた構成である。カラーセンサー１７は、反射ミラー１６を透過した青色光及び黄色光を受光すると、それぞれの色光の強度を示す色データを出力する。
制御部５２は、予め所望の色の白色光が得られるように設定された、青色光の強度と黄色光の強度の比を示す値である基準データ（基準値）を備え、カラーセンサー１７から出力された青色光の強度と黄色光の強度との比が該基準値と一致するように、駆動部１５ａを用いて蛍光体ホイール１５を移動させる。
制御部５２は、プログラムにしたがって処理を実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）、該ＣＰＵで処理する情報を一時的に保持するメモリ、上記プログラムや基準データ（基準値）等が格納された記憶装置を備えた周知の情報処理装置（コンピュータ）で実現できる。

本発明によれば、蛍光体ホイール１５に、外周側と中心側とで円周方向における比が異なる黄色蛍光体領域３１と反射領域３２とを形成し、青色光の強度と黄色蛍光の強度の比が、予め設定された基準データ（基準値）と一致するように、駆動部１５ａを用いて蛍光体ホイール１５を原色光（青色光）の光路上で光軸と垂直な方向へ移動させる。そのため、黄色蛍光体の発光強度のばらつきによる、白色光の色のばらつきを補正できる。また、白色光の色のばらつきが補正されることで、投写映像の色の再現性を向上させることができる。

さらに、本発明では、蛍光体ホイール１５を移動させることで白色光の色のばらつきを補正するため、映像形成素子による光変調時に、強度の低い色光に合わせて他の色光の強度を下げる必要が無い。したがって、光源１１から出力された光エネルギーの利用効率の低下も抑制できる。

１１ 光源
１２ ダイクロイックミラー
１３ １／４波長板
１４ａ〜ｃ レンズ
１５ 蛍光体ホイール
１５ａ、１８ａ 駆動部
１６ 反射ミラー
１７ カラーセンサー
１８ カラーホイール
１９ ライトトンネル
３１、４１ 黄色蛍光体領域
３２、４２ 反射領域
５２ 制御部

Claims (5)

1. 光源から出力された原色光が照射される、該原色光を励起光として蛍光を発する蛍光体領域及び該原色光を反射または透過させる原色領域とを有する蛍光体形成面を備え、円周方向における前記蛍光体領域と前記原色領域との比が外周側と中心側とで異なる蛍光体ホイールと、
   前記蛍光体ホイールを前記蛍光体形成面と垂直な回転軸を中心として回転させる回転機構と、
   前記蛍光ホイールを、前記原色光の光路上で光軸と垂直であり、前記回転軸と直交する方向へ移動させる移動機構と、
   前記原色光の強度と前記蛍光の強度との比が、予め設定された基準値と一致するように、前記駆動部により前記蛍光体ホイールを移動させる制御部と、
   を有するプロジェクター。
2. 請求項１に記載のプロジェクターにおいて、
   前記原色領域が、該原色領域の最外周における中心角よりも該原色領域の最内周における中心角が大きくなるように形成されたプロジェクター。
3. 請求項１に記載のプロジェクターにおいて、
   前記原色領域が、該原色領域の最外周における中心角よりも該原色領域の最内周における中心角が小さくなるように形成されたプロジェクター。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載のプロジェクターにおいて、
   前記原色光は青色光であり、
   前記蛍光体領域は黄色光を発光するプロジェクター。
5. 蛍光体ホイールが備える蛍光体形成面に、光源から出力された原色光が照射される、該原色光を励起光として蛍光を発する蛍光体領域及び該原色光を反射または透過させる原色領域とを、外周側と中心側とで円周方向における比が異なるように形成し、
   回転機構により前記蛍光体ホイールを前記蛍光体形成面と垂直な回転軸を中心として回転させ、
   制御部が、
   前記原色光の強度と前記蛍光の強度との比が、予め設定された基準値と一致するように、移動機構により、前記蛍光体ホイールを、前記原色光の光路上で光軸と垂直であり、前記回転軸と直交する方向へ移動させる照明光学系の制御方法。

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