JP2018097282A - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源自体の変化を検出したり光源からの光を用いて生成された光を検出したりすることが可能な光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置１は、被照明面に向けて照明光を出射する。該光源装置は、光源１１と、光源を含む空間を外部から隔離する隔離部材１６と、受光素子１５と、受光素子からの出力に応じて光源を制御する制御手段１７とを有する。隔離部材は、光源からの光および光源からの光を用いて生成された光のいずれかのうち第１の光を透過して第２の光を反射する光学部１３を有する。第１および第２の光のうち一方の光を照明光として出射させ、他方の光を受光素子により受光させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）等に好適な光源装置に関する。

プロジェクタの光源として、従来の高圧水銀ランプに比べて寿命が長いレーザが用いられるようになってきている。特許文献１および特許文献２には、光源（ランプやＬＥＤ）の明るさや色を長期にわたって安定的に維持するプロジェクタが開示されている。特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、光源（ランプ）からの光が透過するフライアイレンズからのわずかな乱反射光の一部を３原色センサで受光し、該センサからの出力に応じて光源を制御して明るさや色バランスを維持する。また、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、光変調素子としてのミラーアレイデバイスからの不要光を光センサで検出し、その検出結果に応じて光源（ＬＥＤ）を制御する。

国際公開ＷＯ２００７／０２３６８１号公報 特開平１１−０６５５２８号公報

しかしながら、光源としてのレーザから発せられる高い光密度を有するレーザ光は、これが入射する光学部品の表面に汚染（コンタミネーション）を生じさせる。また、埃等がレーザ光によって熱せられて光学部品の表面に焼結するおそれもある。これらにより、光源の寿命が長くても、プロジェクタとしての明るさ低下を招く。この問題を解消するためには、レーザ自体の明るさを直接監視することが望ましい。

特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、光センサに入射する光は光源から発せられた後に多数の光学部品を経た光であり、この光を光センサで受光しても光源自体の変化（劣化）を検出することはできない。

また、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、フライアイレンズからのわずかな乱反射光を３原色センサに安定的に受光させることは困難である。これは１つの単色センサを見たとき、フライアイレンズが複数面あるため、入射する複数の光束は複数の角度を持った反射面を介している。フライアイレンズの反射防止膜は波長特性および入射角度依存性を持っており、各３原色センサの検出光比率は実際の光源の３原色比率と異なる。つまり、３原色センサからの出力に応じて光源を良好に制御することは実際には困難である。

本発明は、光源自体の変化を検出したり光源からの光を用いて生成された光を検出したりすることが可能であり、検出結果に応じて光源を良好に制御することができるようにした光源装置および画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての光源装置は、被照明面に向けて照明光を出射する。該光源装置は、光源と、該光源を含む空間を外部から隔離する隔離部材と、受光素子と、該受光素子からの出力に応じて光源を制御する制御手段とを有する。隔離部材は、光源からの光および該光源からの光を用いて生成された光のいずれかのうち第１の光を透過して第２の光を反射する光学部を有する。第１および第２の光のうち一方の光が照明光として出射し、他方の光が受光素子により受光されることを特徴とする。

なお、上記光源装置と、被照明面に配置され、光源ユニットからの照明光を変調する光変調素子と、該光変調素子からの光を投射する投射光学系とを有する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、受光素子により光源自体の変化を検出したり光源からの光を用いて生成された光を検出したりすることができ、該受光素子からの出力（検出情報）を用いて光源を良好に制御することができる。

本発明の実施例１である光源装置を含む画像投射装置の構成を示す図。 本発明の実施例２である光源装置を含む画像投射装置の構成を示す図。 実施例２の変形例である光源装置を含む画像投射装置の構成を示す図。 実施例２の他の変形例である光源装置を含む画像投射装置の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である光源装置としての光源ユニット１を含む画像投射装置（以下、プロジェクタという）の構成を示している。光源ユニット１から出射した照明光は、被照明面に配置された光変調素子２を照明する。照明光は、該光変調素子２によって変調されて画像情報を含む変調光となる。光変調素子２は、例えば、透過型または反射型液晶パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）により構成される。変調光は、投射光学系３によってスクリーン等の被投射面に投射される。なお、図１を含む各図には不図示であるが、プロジェクタは投射光学系３を保持可能な筺体も備えている。投射光学系３はこの筺体から外れないように筺体に固定されていてもよく、また投射光学系３が筺体に対して着脱可能な構成であってもよい。

光源ユニット１は、レーザダイオードである光源１１と、光源１１からの光を集光（平行光化）するコリメータレンズ１２と、光源１１およびコリメータレンズ１２を含む空間Ｓを囲んで該空間Ｓを外部から隔離（密閉）する光源隔離部材１６とを有する。光源１１は、赤、緑および青色のレーザ光を発する３つのレーザダイオードにより構成されており、これら赤、緑および青色のレーザ光を合成して白色光を生成する。

隔離部材１６における互いに異なる部分には、光学部としての隔離窓部１３と光透過部としての検出光窓部１４とが設けられている。隔離部材１６によって空間Ｓ内を埃等が除去されたクリーン度の高い空間に維持することで、レーザ光による埃等の焼き付きを生じさせない。また、隔離部材１６によって空間Ｓ内に外部から特定の有機物質が侵入しないようにすることで、レーザ光が照射された光学部品の表面を曇らせる等の汚染を生じさせない。

光源（以下、ＬＤという）１１から発した発散光としてのレーザ光はコリメータレンズ１２によって平行光化され、隔離窓部１３に到達する。隔離窓部１３の表面には、ＬＤ１１からの入射光であるレーザ光のうち大部分（第１の光）を透過して若干量のレーザ光（第１の光より光量が少ない第２の光）を反射する特性を有するコーティングが施されている。すなわち、隔離窓部１３は、透過反射窓部として機能する。この結果、ほとんどのレーザ光は隔離窓部１３を透過して照明光として光変調素子２を照明し、該光変調素子２により変調されて被投射面に投射される。隔離窓部１３は、透光性を有する透光部材であれば、ガラスにより形成されてもよいしプラスチックにより形成されてもよい。

本実施例では、隔離窓部１３は平板形状を有する透光部材により構成されている。そして、隔離窓部１３は、該隔離窓部１３から光変調素子２に向かう方向（以下、照明方向という）、言い換えればコリメータレンズ１２の光軸が延びる方向（平行光としてのレーザ光の主光線が進む方向）に対して傾いて配置されている。このため、隔離窓部１３の上記コーティングで反射した上記第２の光であるレーザ光（以下、検出光という）は検出光窓部１４に向かう。検出光窓部１４も透光性を有する透光部材であれば、ガラスにより形成されてもよいしプラスチックにより形成されてもよい。

検出光窓部１４を透過した検出光は、隔離部材１６の外部に配置された受光素子としてのフォトセンサ１５に入射する。なお、フォトセンサ１５は、隔離部材１６の内部、つまりは空間Ｓ内に配置されてもよい。

フォトセンサ１５は検出光を光電変換し、該検出光の強度やカラーバランスに応じた検出情報を出力する。制御部（制御手段）１７は、フォトセンサ１５からの検出情報を解析した結果に応じてＬＤ１１の出力（発光強度）を制御する。これにより、光変調素子２を照明する照明光の明るさや色、つまりはプロジェクタから投射される画像の明るさや色を長期間にわたって安定的に維持することができる。

本実施例においては、光源としてレーザダイオード（ＬＤ）を挙げて説明した。しかし、高い光密度を有するレーザ、例えばＹＡＧの２倍高調波等の固体レーザやアルゴンレーザ等の気体レーザであってもよい。このことは、次に説明する実施例２でも同様である。

図２には、本発明の実施例２である光源装置としての光源ユニット１０１を含む画像投射装置としてのプロジェクタの構成を示している。光源ユニット１０１から出射した光は、蛍光体２０の一部に励起光として照射される。

蛍光体２０は、円形の金属基板上に蛍光物質が塗布されて構成され、モータ２１によって回転駆動される。蛍光体２０上の蛍光物質は、青色光としての励起光が照射されることで（すなわち励起光を用いて）、該励起光の一部を黄色または橙色の蛍光に変換する。蛍光体２０において蛍光に変換されなかった非変換光としての青色光と蛍光としての黄色光とが互いに合成されることで白色光が生成される。

蛍光体２０からの白色光は、再び光源ユニット１０１に戻り、該光源ユニット１０１から出射して光変調素子２を照明する。照明光は光変調素子２により変調されて画像情報を含む変調光となる。本実施例では、非変換光と蛍光とが蛍光体２０により反射されて光源ユニット１０１に戻る場合を示すが、非変換光と蛍光とが蛍光体を透過してミラーによって光源ユニット１０１に戻されるよう構成してもよい。

光変調素子２は、例えば、透過型または反射型液晶パネルやＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）により構成される。変調光は、投射光学系３によってスクリーン等の被投射面に投射される。

光源ユニット１０１は、青色レーザダイオードである光源１１１と、該光源１１１からの青色光であるレーザ光を集光（平行光化）するコリメータレンズ１１２と、平行光化された光を反射するダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８と、λ／４板２３を有する。さらに、光源ユニット１０１は、光源１１１、コリメータレンズ１１２、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８およびλ／４板２３を含む空間Ｓ１を囲んで該空間Ｓ１を外部から隔離（密閉）する光源隔離部材１１６を有する。

光源隔離部材（以下、単に隔離部材という）１１６における互いに異なる部分には、隔離窓部１１３、検出光窓部１１４および集光レンズ部１１９が設けられている。実施例１と同様に、隔離部材１１６によって空間Ｓ１内を埃等が除去されたクリーン度の高い空間に維持することで、レーザ光による埃等の焼き付きを生じさせない。また、隔離部材１１６によって空間Ｓ１内に外部から特定の有機汚染物質が侵入しないようにすることで、レーザ光が照射された光学部品の表面を曇らせる等の汚染を生じさせない。

光源（以下、ＬＤという）１１１から発した発散光としてのレーザ光はコリメータレンズ１１２によって平行光化され、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８に入射する。ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８はＳ偏光である青色光を反射する特性を有する。Ｓ偏光および青色光であるレーザ光はダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８により反射されて、λ／４板２３を通して集光レンズ部１１９に向かう。集光レンズ部１１９は、平行光であるレーザ光を蛍光体２０に向けて集光する。前述したように蛍光体２０からは白色光が発生し、該白色光である発散光は集光レンズ部１１９により平行光化されて光源ユニット１０１（空間Ｓ１）内に入射する。

空間Ｓ１内に平行光として入射した青色光は、λ／４板２３を通過することによりＰ偏光に偏光変換され、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８を透過して隔離窓部１１３に到達する。同様に無偏光光である黄色光もダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８を透過して隔離窓部１１３に到達する。

このように偏光を用いて青色光を隔離窓部１１３に到達させる方法を挙げて説明したが、図３のようにダイクロイックハーフミラー２４を用いた方法でもよい。この方法では青のみ透過５０％、反射５０％となって効率が落ちるが、λ／４板２３が不要となり、構造が容易でコストダウンが図られる。

また、図４に示すようにダイクロイックミラー２５を用いた方法でもよい。この方法では光源からの光束径を小さく絞ることでダイクロイックミラー２５のサイズを極力小さくする。ダイクロイックミラー２５で反射された青色光は、蛍光体２０で拡散されダイクロイックミラー２５に戻る。このとき一部の青色光は光源側に反射されるが、大部分は隔離窓部１１３に到達するため、効率低下が少ない。

実施例１と同様に、隔離窓部１１３の表面には、入射光である白色光のうち大部分（第１の光）を透過して若干量の白色光（第１の光より光量が少ない第２の光）を反射する特性を有するコーティングが施されている。すなわち、隔離窓部１１３は、透過反射窓部として機能する。この結果、ほとんどの白色光は隔離窓部１１３を透過して照明光として光変調素子２を照明し、該光変調素子２により変調されて被投射面に投射される。隔離窓部１１３は、透光性を有する透光部材であれば、ガラスにより形成されてもよいしプラスチックにより形成されてもよい。

本実施例でも、隔離窓部１１３は平板形状を有する透光部材により構成されている。そして、隔離窓部１１３は、該隔離窓部１１３から光変調素子２に向かう照明方向、言い換えれば集光レンズ部１１９の光軸が延びる方向（平行光としての白色光の主光線が進む方向）に対して傾いて配置されている。このため、隔離窓部１１３の上記コーティングで反射した上記第２の光である白色光（以下、検出光という）は検出光窓部１１４に向かう。検出光窓部１１４も透光性を有する透光部材であれば、ガラスにより形成されてもよいしプラスチックにより形成されてもよい。

検出光窓部１１４を透過した検出光は、隔離部材１１６の外部に配置された受光素子としてのフォトセンサ１５に入射する。なお、フォトセンサ１５は、隔離部材１１６の内部、つまりは空間Ｓ１内に配置されてもよい。

ここで、フォトセンサ１５は、ＬＤ１１１からの光のうちダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８を透過した漏れ光が入射せず、隔離窓部１１３で反射した検出光が入射する位置に配置されている。これは以下の理由による。本実施例は、フォトセンサ１５により蛍光体２０からの白色光を検出することでＬＤ１１１の出力（発光強度）や冷却機構部２２の出力または蛍光体２０の回転数を制御する。しかし、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１１８の青色光に対する反射率は１００％ではないため、これを透過した青色光としての漏れ光がフォトセンサ１５に入射すると、蛍光体２０からの白色光（検出光）のみの変化を検出することができない。

実施例１と同様に、フォトセンサ１５は検出光を光電変換し、該検出光の強度やカラーバランスに応じた検出情報を出力する。制御部（制御手段）１７は、フォトセンサ１５からの検出情報を解析した結果に応じてＬＤ１１１の出力（発光強度）や冷却機構部２２の出力または蛍光体２０の回転数を制御する。これにより、光変調素子２を照明する照明光の明るさや色、つまりはプロジェクタから投射される画像の明るさや色を長期間にわたって安定的に維持することができる。

なお、検出光窓部１１４を、例えば図中に一鎖線１１４’で示すように厚みがフォトセンサ１５側に向かって薄くなる楔形状に形成することで、検出光窓部１１４を透過する検出光と漏れ光とを互いに離すパワー（光学作用）を持たせてもよい。これにより、フォトセンサ１５に漏れ光が入射することをより効果的に防ぐことができる。

上記各実施例では、平板形状の隔離窓部（１３，１１３）を照明方向に対して傾けて配置した場合について説明したが、隔離窓部は必ずしも平板形状である必要はなく、また必ずしも照明方向に対して傾いて配置される必要もない。すなわち、隔離窓部は、入射光のうち一部である第１の光を透過して照明光として射出させ、残りの光である第２の光をフォトセンサ１５に向けて反射する機能を有すればよい。

また、上記各実施例では、隔離窓部（１３，１１３）を透過した第１の光を照明光として用い、隔離窓部で反射した第２の光を検出光として用いる場合について説明したが、第２の光を照明光として用い、第１の光を検出光として用いてもよい。すなわち、第１および第２の光のうち一方の光を照明光として用い、他方の光を検出光として用いればよい。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

１，１０１ 光源ユニット
２ 光変調素子
３ 投射光学系
１１，１０１ レーザダイオード
１３，１１３ 隔離窓部
１５ フォトセンサ
１６，１１６ 隔離部材
１７ 制御部
２２ 冷却機構部
２３ λ／４板
２４ ダイクロイックハーフミラー
２５ ダイクロイックミラー

Claims (8)

1. 被照明面に向けて照明光を出射する光源装置であって、
   光源と、
   該光源を含む空間を外部から隔離する隔離部材と、
   受光素子と、
   該受光素子からの出力に応じて前記光源を制御する制御手段とを有し、
   前記隔離部材は、前記光源からの光および該光源からの光を用いて生成された光のいずれかのうち第１の光を透過して第２の光を反射する光学部を有し、
   前記第１および第２の光のうち一方の光が前記照明光として出射し、他方の光が前記受光素子により受光されることを特徴とする光源装置。
2. 前記光学部は、前記隔離部材が有する開口部に設けられた窓部であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１の光が前記照明光として出射し、前記第１の光よりも光量が少ない前記第２の光が前記受光素子により受光されることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記光学部は、該光学部から前記被照明面または前記受光素子に向かう方向に対して傾いていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記光学部は、平板形状の透光部材を用いて形成されていることを特徴する請求項４に記載の光源装置。
6. 前記光源からの光を用いて蛍光光を生成する蛍光体を有し、
   前記蛍光のうち前記一方の光が前記照明光として出射し、前記他方の光が前記受光素子により受光されることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記隔離部材は、前記光学部で反射した前記第２の光としての前記蛍光光を前記受光素子に向けて透過させる光透過部を有し、
   前記光透過部は、それぞれ該光透過部を透過する前記蛍光と前記光源からの光とを互いに離す光学作用を有することを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記被照明面に配置され、前記光源ユニットからの前記照明光を変調する光変調素子と、
   該光変調素子からの光を投射する投射光学系を保持可能な筺体とを有することを特徴とする画像投射装置。