JP2018031815A - プロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】偏光変換素子の劣化を低減することで透過光が低下することを防止することができるプロジェクタを提供する。【解決手段】本発明は、青色の第１の光Ｂ１を出力するための複数の第１の発光素子１ａを有する第１の光源１ａと、青色の第２の光Ｂ２を出力するための複数の第２の発光素子２ａを有する第２の光源２ａと、第１の光源及び第２の光源から出力された光を反射するダイクロイックミラー１ｇと、ダイクロイックミラーで反射または透過された光の偏光方向を揃える偏光変換素子３ｅと、を有し、ダイクロイックミラーは、裏面Ｇ２側には青色の波長の光を反射しその他の波長の光を透過するダイクロイックコート層Ｄが形成されており、表面Ｇ１側から入射されたＰ偏光の第２の励起光を裏面側のダイクロイックコート層で反射して偏光変換素子に入射させる、プロジェクタ１０である。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザを光源とするプロジェクタに関し、特に光学系を長寿命化することができるプロジェクタに関する。

液晶プロジェクタやＤＭＤ（Digital Micromirror Device）プロジェクタのようなスクリーンに画像を投写するプロジェクタの光源としてレーザ（Laser）を用いる技術が注目されている。レーザ光源は寿命が長く信頼性が高い。レーザを光源とするプロジェクタは長寿命かつ高信頼となるため、レーザはランプに代わる次世代の光源として期待されている。

液晶素子を用いたプロジェクタの場合、偏光特性を利用することにより所望の色を得ている。そのため、光源の偏光方向は、液晶素子に入射する前に揃えられる。白色光源を得る場合、青のＬＤ（Laser Diode）と、黄の蛍光体（青ＬＤにて励起）を混色して白色を生成する。ここで、青のＬＤは直線的な偏光方向を有し、偏光方向が揃っている直線偏光となる。それに対して、黄の蛍光はランダムな偏光方向を有する。従って黄の蛍光は、既存のランプ光源と同様に偏光変換素子によって偏光方向を揃える必要がある。

偏光変換素子を用いた偏光方向の変換は、入射面に垂直なＳ偏光が光の特性上反射しやすい性質を利用し、Ｓ偏光は反射させて通過させる。そして、入射面に平行なＰ偏光は、透過後に位相差をλ／２（１８０°）与える１／２波長板にてＳ偏光へ変換され、Ｓ偏光に揃った状態にさせる。特許文献１は、偏光方向を変換するための偏光変換素子が記載されている。

この偏光変換素子は、偏光分離層１１ａを有する偏光ビームスプリッタ１１と、反射層１２ａを有する反射プリズム１２とを交互に貼り合わせて偏光ビームスプリッタアレイを形成し、偏光ビームスプリッタ１１と反射プリズム１２とが、シリコーン系接着剤からなる接着剤層１５を介して貼り付けられている（図１０参照）。

また、特許文献２には、偏光変換素子を用いたプロジェクタが記載されている。このプロジェクタは、複数の固体発光素子から射出された複数の青色光を回転拡散板で拡散してダイクロイックミラーで反射し、偏光変換素子で偏光方向が一方向に揃えられた直線偏光に変換している。

特開２０１５−２８６２４号公報 特開２０１３−５４１６７号公報

特許文献１にかかる偏光変換素子では、光源からの光が上記の偏光変換素子を透過する際、Ｓ偏光を反射する際、接着剤層１５を入射および反射時の２回通る。そのため、この偏光変換素子ではＳ偏光が入射および反射される接着剤層１５は、Ｐ偏光の光線が通る箇所より早く劣化が進行するため、透過光が低下するという課題がある。

そして、特許文献２にかかるプロジェクタの構成では、偏光変換素子に入力される光によって上記の偏光変換素子の接着剤層の劣化の問題が生じる。
本発明は、偏光変換素子の劣化を低減することで透過光が低下することを防止することができるプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係るプロジェクタは、青色の第１の光を出力するための複数の第１の発光素子を有する第１の光源と、
青色の第２の光を出力するための複数の第２の発光素子を有する第２の光源と、
前記第１の光源及び前記第２の光源から出力された光を反射するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーで反射または透過された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、を有し、
前記ダイクロイックミラーは、裏面側には青色の波長の光を反射しその他の波長の光を透過するダイクロイックコート層が形成されており、表面側から入射されたＰ偏光の前記第２の光を前記裏面側の前記ダイクロイックコート層で反射して前記偏光変換素子に入射させる。
本発明の別の態様に係るプロジェクタは、青色の第１の光を出力するための複数の第１の発光素子を有する第１の光源と、
青色の第２の光を出力するための複数の第２の発光素子を有する第２の光源と、
前記第１の光源及び前記第２の光源から出力された光を反射するダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーで反射または透過された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
前記ダイクロイックミラーと前記偏光変換素子との間に配置された１／２波長板と、を有し、
前記ダイクロイックミラーは、裏面側には青色の波長の光を反射しその他の波長の光を透過するダイクロイックコート層が形成されており、表面側から入射されたＳ偏光の前記第２の光を前記裏面側の前記ダイクロイックコート層で反射し、
前記ダイクロイックコート層で反射した第２の光が前記１／２波長板を介して、前記偏光変換素子に入射する。

本発明にかかるプロジェクタによると、偏光変換素子の劣化を低減することで透過光が低下することを防止することができる。

本発明の実施形態に係るプロジェクタの構成を示す図である。 光源から出力されたレーザ光が拡散板により拡散される状態を示す図である。 ダイクロイックミラーにおける反射角と光の波長と反射率との関係を示すグラフである。 ダイクロイックミラーにおける黄色光の透過特性を示すグラフである。 ダイクロイックミラーにおける表面反射と裏面反射の特性を示すグラフである。 ダイクロイックミラーにおけるP偏光の青色の光線が裏面反射する状態を説明する図である。 黄色の蛍光を生成するカラーホイールの構成を示す図である。 ダイクロイックミラーにおけるS偏光の青色の光線の反射と黄色の蛍光が透過する状態を説明する図である。 プロジェクタの変形例を示す図である。 関連する偏光変換素子の構成を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明にかかるプロジェクタの実施形態について説明する。

図１に示されるように、プロジェクタ１０は、第１の光学系１と、第２の光学系２と、共通光路３とを有する。第１の光学系１は、第１の光源（光源１ａ）からの第１の光（レーザ光Ｂ１）を共通光路３に導く。第２の光源（光源２ａ）からの第２の光（レーザ光Ｂ２）を共通光路３に導く。第１の光学系１と第２の光学系２とはそれぞれの光路が対向するよう配置され、第１の光学系１と第２の光学系２との間にはそれぞれの光源からの光を反射するダイクロイックミラー１ｇがそれぞれの光路に対して斜めに配置されている。共通光路３は、それぞれの光源から出力された光を液晶素子等（不図示）に導くための光路となる。

第１の光学系１は、レーザ光Ｂ１を出力する複数の光源（発光素子）１ａがアレイ状に配置される。光源１ａは例えば、ＬＤであり、直線偏光のレーザ光Ｂ１を発生する。後述するように、複数の光源１ａは、黄色蛍光体Ｙを励起する励起光（レーザ光Ｂ１）を発生する励起光源となる。複数の光源１ａの前には、光源用の複数のコリメータレンズ１ｂがそれぞれ配置される。光源１ａから出力されたレーザ光Ｂ１は、励起光光路（第１の光路）Ｌ１に沿ってコリメータレンズ１ｂにより平行光にされる。複数のコリメータレンズ１ｂの前には、集光用のレンズ１ｃ，１ｄが配置される。レンズ１ｃ，１ｄの前には、平行光を生成するレンズ１ｅが配置される。

コリメータレンズ１ｂから出力されたレーザ光Ｂ１はレンズ１ｃ，１ｄによって集光された後、レンズ１ｅにて平行光にされる。レンズ１ｅの前には光を拡散する拡散板１ｆが配置されている。レンズ１ｅにて平行にされたレーザ光Ｂ１は、拡散板１ｆで拡散される。

拡散板１ｆに入射されるのは複数の点状の光（図２（ａ）参照）である。これらの複数の光は、拡散板１ｆの表面で拡散される。拡散された光は幅を持った集光形状となり（図２（ｂ）参照）、強度分布が均一となる。これにより、後述する蛍光体ホイール１ｊに集光する際に、集光部分の温度上昇が抑えられる。同様の効果は、ホモジナイザーやライトトンネルなどを用いても得られる。拡散板１ｆで拡散された光は、第１の光路Ｌ１に対して−４５°の角度をなすように配置されたダイクロイックミラー１ｇの裏面Ｇ２によって直角に反射される。

ダイクロイックミラー１ｇは、表面Ｇ１側には、ＡＲ（Anti-Reflection：反射防止）コート層Ｒがされ、裏面Ｇ２側には、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過するダイクロイックコート層Ｄが形成されている（図６参照）。

ここで、ダイクロイックミラー１ｇは、青色の波長域（４５０〜４６０ｎｍ）である青色光が入射したときは反射し、黄色の波長域である蛍光が入射した時は透過する特性を持っている（図３及び図４参照）。反射されたレーザ光Ｂ１は、コリメータレンズ１ｈ，１ｉを通過して集光され、黄色光を生成するための蛍光体ホイール１ｊに入射される。蛍光体ホイール１ｊは、円板状のホイールであり、黄色の蛍光を生成するための円環状の黄色蛍光体Ｙが形成されている（図７参照）。

蛍光体ホイール１ｊはモータＭにより回転する。モータＭの回転によって、蛍光体ホイール１ｊの表面に形成された黄色蛍光体Ｙの領域に光が照射される。これにより、蛍光体ホイール１ｊに入射された光は、黄色の光を生成する。蛍光体ホイール１ｊで生成された黄色光は、ランバート拡散光と呼ばれるランダム偏光の蛍光Ｂ３となってコリメータレンズ１ｈ，１ｉに入射される。本実施形態ではコリメータレンズ１ｈ，１ｉは２枚で構成しているが蛍光Ｂ３が平行光になるレンズ構成であれば何枚構成でもよい。

入射された黄色の蛍光Ｂ３は、コリメータレンズ１ｈ，１ｉにより蛍光光路（第３の光路）Ｌ３に沿うように平行の蛍光Ｂ３にされる。その後、平行の蛍光Ｂ３は、ダイクロイックミラー１ｇの裏面Ｇ２側に入射する。上述したように、黄色光の透過特性（図４参照）により、黄色の平行光である蛍光Ｂ３はダイクロイックミラー１ｇの裏面Ｇ２側で反射せず、第３の光路Ｌ３に沿ってダイクロイックミラー１ｇを透過する。ダイクロイックミラー１ｇの表面Ｇ１を超えて、第３の光路Ｌ３に沿った前方には、集光用のコンデンサーレンズ３ａ，３ｂが配置されている。

蛍光Ｂ３は、コンデンサーレンズ３ａ，３ｂにより集光される。その後、蛍光Ｂ３は、照度を均一化するインテグレータ３ｃ，３ｄにて均一の照明とされ、偏光変換素子３ｅに入射する。このようにして、第１の光学系１で生成された光が偏光変換素子３ｅに入射される。蛍光Ｂ３は、偏光変換素子３ｅで偏光方向が揃えられる。次に第２の光学系２で生成された光について説明する。

第２の光学系２は、レーザ光（第２の光）Ｂ２を出力する複数の光源（発光素子）２ａを有する。光源２ａは、ＬＤであり、直線偏光のレーザ光Ｂ２を発生する。複数の光源２ａは、アレイ状に配置されている。複数の光源２ａは、青色用の光源として使用される。複数の光源２ａから出力されたレーザ光Ｂ２は、青色光路（第２の光路）Ｌ２に沿って拡散板２ｃで拡散される。拡散されたレーザ光Ｂ２は、レンズ２ｄ，２ｅで平行光にされる。そして、平行光となったレーザ光Ｂ２は、ダイクロイックミラー１ｇに入射する。

光源１ａで発生したレーザ光Ｂ１と、光源２ａで発生したレーザ光Ｂ２は、異なる偏光状態となっている。例えば、レーザ光Ｂ１とレーザ光Ｂ２は、偏光方向（振動方向）が互いに直交する直線偏光である。ダイクロイックミラー１ｇに入射するレーザ光Ｂ１はＳ偏光となっている。一方、ダイクロイックミラー１ｇに入射するレーザ光Ｂ２はＰ偏光となっている。また、以下の説明において、特に言及がない場合、Ｓ偏光、及びＰ偏光は、ダイクロイックミラー１ｇに対して入射する光の偏光状態を示す。

図５には、ダイクロイックミラー１ｇにおける表面Ｇ１側及び裏面Ｇ２側での光線入射角度に対する反射率が示されている。ここで、光線が表面Ｇ１側から入射してＡＲコート層Ｒで反射した場合の角度分布を表面反射と呼び、ＡＲコート層Ｒを透過してダイクロイックミラー１ｇ内部を進行し、裏面Ｇ２側のダイクロイックコート層Ｄで反射した場合を裏面反射と呼ぶ。

図６に示されるように、平行にされたレーザ光Ｂ２は、ダイクロイックミラー１ｇの表面Ｇ１側から入射される。平行にされたレーザ光Ｂ２は、表面Ｇ１で屈折してダイクロイックミラー１ｇ内に入射される。そして、レーザ光Ｂ２は、ダイクロイックミラー１ｇの裏面Ｇ２側に形成されたダイクロイックコート層Ｄで裏面反射される。次に、ダイクロイックミラー１ｇにおける光の反射状態について詳述する。

第２の光学系２からダイクロイックミラー１ｇに入射される青色のレーザ光Ｂ２はＰ偏光である。通常、偏光の特性上、Ｐ偏光はＳ偏光に比べると反射しにくい（図３参照）。そして、Ｐ偏光の青色の光（波長域４５０〜４６０ｎｍ）は、４５度に配置されたダイクロイックミラー１ｇでは反射率がＳ偏光と比べると低くなる（図３：Ｒｐ４５ｄｅｇのグラフ参照）。

Ｐ偏光の青色の光線がＳ偏光と同等の反射率を得るためには、ダイクロイックミラー１ｇへの入射角度を深くする必要がある。そこで、硝材Ｓの裏面Ｇ２側にダイクロイックコート層Ｄが形成され、かつ、表面Ｇ１側にＡＲコート層Ｒが形成されたダイクロイックミラー１ｇの表面Ｇ１側から、第２の光学系２によってＰ偏光の青色の光線を入射させる（図６参照）。

この場合、Ｐ偏光の青色のレーザ光Ｂ２は、ダイクロイックミラー１ｇに入射すると入射面がＡＲコート層Ｒのため表面Ｇ１では透過する。透過したＰ偏光の青色のレーザ光Ｂ２は、硝材Ｓの屈折率の影響により表面Ｇ１で屈折してダイクロイックミラー１ｇ内に入射される。その後、Ｐ偏光の青色のレーザ光Ｂ２は、ダイクロイックミラー１ｇの裏面Ｇ２側に形成されたダイクロイックコート層Ｄに入射角３０°で入射し、反射角３０°で裏面反射される。従って、この硝材Ｓでの屈折の影響によりダイクロイックミラー１ｇの配置角度を変えることなく入射角度を深くすることが可能となる。次に第１の光学系１からダイクロイックミラー１ｇに入射される光線について説明する。

図８に示されるように、第１の光学系１からダイクロイックミラー１ｇに入射されるＳ偏光の青色のレーザ光Ｂ１は、ダイクロイックミラー１ｇの裏面Ｇ２側に入射すると、ダイクロイックコート層Ｄで表面反射する。ここで、青色のレーザ光Ｂ１は、Ｓ偏光であるため、ダイクロイックコート層Ｄで全反射する（図３：Ｒｓ４５ｄｅｇのグラフ参照）。

全反射した青色のレーザ光Ｂ１は、蛍光体ホイール１ｊで黄色の蛍光Ｂ３となって出力される（図１参照）。蛍光Ｂ３は、黄色の波長域を有するため、ダイクロイックミラー１ｇの裏面Ｇ２側に入射するとダイクロイックコート層Ｄを透過し（図４参照）、ダイクロイックミラー１ｇを透過して出力される。

上述したようにプロジェクタ１０によると、第１の光学系１からＳ偏光の青色の光線をダイクロイックミラー１ｇに裏面Ｇ２側から入射させることで全反射させることができる。そして、プロジェクタ１０は、全反射したＳ偏光の青色の光線を黄色の蛍光Ｂ３として出力し、黄色の蛍光Ｂ３をダイクロイックミラー１ｇに裏面Ｇ２側から入射させることでダイクロイックミラー１ｇを透過させることができる。

また、プロジェクタ１０によると、第２の光学系２からＰ偏光の青色の光線をダイクロイックミラー１ｇに裏面反射させることにより、４５度で表面反射させた時と比べ、高い反射率を得ることができる。そして、プロジェクタ１０によると、Ｐ偏光の青色の光線が反射後に蛍光と同じ光路を通りＰ偏光の状態で偏光変換素子３ｅへ入射させることでＳ偏光成分を低減することができ、偏光変換素子３ｅ内の接着剤層の劣化を抑えることができる。即ち、プロジェクタ１０によると、透過光が低下することを防止することができる。

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、図９に示されるように、プロジェクタ１０において、複数の光源２ａからの第２のレーザ光Ｂ２が、ダイクロイックミラー１ｇにＳ偏光で入射する。そして、共通光路３においてインテグレータ３ｃとコンデンサーレンズ３ｂとの間に１／２波長板Ｐが挿入されている。ダイクロイックミラー１ｇからの第２のレーザ光Ｂ２は、１／２波長板Ｐを介して、偏光変換素子３ｅに入射する。１／２波長板Ｐは、遅相軸を振動する光と、進相軸を振動する光との間に１８０°の位相差を与える。１／２波長板Ｐに入射したＳ偏光は、Ｐ偏光に変換される。したがって、偏光変換素子３ｅには、Ｐ偏光のレーザ光Ｂ２が入射する。第２の光学系２から出力されるレーザ光Ｂ２をＰ偏光へ変換することにより、上記実施形態と同等の効果を得てもよい。

１ 第１の光学系
１ａ 第１の励起光源
１ｂ コリメータレンズ
１ｃ，１ｄ レンズ
１ｅ レンズ
１ｆ 拡散板
１ｇ ダイクロイックミラー
１ｈ，１ｉ コリメータレンズ
１ｊ 蛍光体ホイール
２ 第２の光学系
２ａ 第２の励起光源
２ｃ 拡散板
２ｄ，２ｅ レンズ
３ 共通光路
３ａ，３ｂ コンデンサーレンズ
３ｃ，３ｄ インテグレータ
３ｅ 偏光変換素子
１０ プロジェクタ
Ｂ１ レーザ光
Ｂ２ レーザ光
Ｂ３ 蛍光
Ｄ ダイクロイックコート層
Ｇ１ 表面
Ｇ２ 裏面
Ｌ１ 第１の光路
Ｌ２ 第２の光路
Ｌ３ 第３の光路
Ｍ モータ
Ｒ ＡＲコート層
Ｓ 硝材
Ｐ １／２波長板
Ｙ 黄色蛍光体

Claims (6)

1. 青色の第１の光を出力するための複数の第１の発光素子を有する第１の光源と、
   青色の第２の光を出力するための複数の第２の発光素子を有する第２の光源と、
   前記第１の光源及び前記第２の光源から出力された光を反射するダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーで反射または透過された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、を有し、
   前記ダイクロイックミラーは、裏面側には青色の波長の光を反射しその他の波長の光を透過するダイクロイックコート層が形成されており、表面側から入射されたＰ偏光の前記第２の光を前記裏面側の前記ダイクロイックコート層で反射して前記偏光変換素子に入射させる、プロジェクタ。
2. 黄色の蛍光を生成する蛍光体ホイールを更に有し、
   前記蛍光体ホイールは、入射した前記第１の光から黄色の前記蛍光を生成する、
   請求項１に記載のプロジェクタ。
3. 前記第１の光源からの前記第１の光は、前記ダイクロイックミラーの前記裏面側から前記ダイクロイックミラーに入射し、
   前記ダイクロイックコート層で反射した前記第１の光は、前記蛍光体ホイールに入射し、
   前記蛍光体ホイールで生成された前記蛍光は、前記ダイクロイックミラーの裏面側から前記ダイクロイックミラーに入射して、前記ダイクロイックミラーを透過し、
   前記ダイクロイックミラーを透過した前記蛍光が前記偏光変換素子に入射する、
   請求項２に記載のプロジェクタ。
4. 青色の第１の光を出力するための複数の第１の発光素子を有する第１の光源と、
   青色の第２の光を出力するための複数の第２の発光素子を有する第２の光源と、
   前記第１の光源及び前記第２の光源から出力された光を反射するダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーで反射または透過された光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、
   前記ダイクロイックミラーと前記偏光変換素子との間に配置された１／２波長板と、を有し、
   前記ダイクロイックミラーは、裏面側には青色の波長の光を反射しその他の波長の光を透過するダイクロイックコート層が形成されており、表面側から入射されたＳ偏光の前記第２の光を前記裏面側の前記ダイクロイックコート層で反射し、
   前記ダイクロイックコート層で反射した第２の光が前記１／２波長板を介して、前記偏光変換素子に入射する、
   プロジェクタ。
5. 黄色の蛍光を生成する蛍光体ホイールを更に有し、
   前記蛍光体ホイールは、入射した前記第１の光から黄色の前記蛍光を生成する、
   請求項４に記載のプロジェクタ。
6. 前記第１の光源からの前記第１の光は、前記ダイクロイックミラーの前記裏面側から前記ダイクロイックミラーに入射し、
   前記ダイクロイックコート層で反射した前記第１の光は、前記蛍光体ホイールに入射し、
   前記蛍光体ホイールで生成された前記蛍光は、前記ダイクロイックミラーの裏面側から前記ダイクロイックミラーに入射して、前記ダイクロイックミラーを透過し、
   前記ダイクロイックミラーを透過した前記蛍光が前記偏光変換素子に入射する、
   請求項５に記載のプロジェクタ。