JP2020071397A - 発光装置、および発光装置を有する投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 大幅なコストアップや筐体体積の増加を伴わずに、蛍光体の寿命をより長くする表示装置を提供する。【解決手段】 光源と、該光源からの光を受光して蛍光を発する蛍光体が配置されたホイールと、該光源からの光を反射させて前記ホイールの受光位置に導くための反射面を有する第一の反射部材と、前記ホイールを回転駆動するホイールモータと、を有する発光装置であって、前記光源からの光が前記反射面に入射する入射角度が変更されるように前記第一の反射部材を回動させる回動手段を有しており、前記入射角度が変更されると、前記受光位置の周回軌道が外周方向または内周方向に変更されることを特徴とする発光装置とした。【選択図】 図１

Description

本発明は、発光装置、および投射型表示装置に関するものである。

従来、光源にランプを用いてスクリーンに光を投射する投射型表示装置（プロジェクタ）が広く知られている。特に、近年になって固体光源（レーザ、ＬＥＤ等）を光源として用いたプロジェクタが次々と発表されている。固体光源は、ランプに比べて、長寿命／高応答性のため、プロジェクタの光源として台頭してきている。固体光源をプロジェクタの光源として使用するにあたり、その課題の一つは、高出力の固体光源が光の３原色（Ｒ／Ｇ／Ｂ）の３色揃っていないことである。そのため、白を表現するためには、１色の固体光源を光源として使用し、前記固体光源の光を蛍光体などの波長変換材料に照射し、蛍光体から発する光と固体光源の原色光を合成して白を作る必要がある。しかし、レーザ光は非常にコヒーレンスの高い光であるために、蛍光体に照射し続けると焼損する可能性がある。そこで、円盤形状のホイールに蛍光体を塗布し、ホイールを回転させることによりエネルギーの１点集中を回避する方法がとられている。光の１点集中を回避できたとしても、レーザの蛍光体に対する影響がなくなるわけではなく、累積する照射に対して蛍光体の寿命が早まり、次第に波長の変換効率が低下してしまう。

例えば、特許文献１では、蛍光体が塗布されたホイールを、周方向に回転させると同時に、蛍光体ホイール自体を回転軸方向に並行移動させる機構を有し、レーザの照射位置をより分散させる技術が開示されている。また、特許文献２では、蛍光体前段の集光レンズを並行移動する機構（例えば振動する機構）を有し、集光レンズを揺動させることにより、レーザ光の集光スポット位置を変化させる技術が開示されている。

特開２０１０−１６４８４６号公報 特開２０１１−１８０２１０号公報

しかしながら、上述の特許文献に開示された従来技術では、蛍光体を回転させる機構以外に比較的複雑な機構が必要であり、装置全体の構造が大きくなりやすい。そして、ホイールやレンズを移動させるためのスペースの確保も必要となり、コストアップや筐体体積の増加が避けられない。

そこで、本発明の目的は、大幅なコストアップや筐体体積の増加を伴わずに、蛍光体の寿命をより長くすることを可能にした表示装置を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る発光装置は、光源と、該光源からの光を受光して蛍光を発する蛍光体が配置されたホイールと、該光源からの光を反射させて前記ホイールの受光位置に導くための反射面を有する第一の反射部材と、前記発光ホイールを回転駆動するホイールモータと、を有する発光装置であって、前記第一の反射部材を回動させ、前記光源からの光の前記反射面への入射角度を変更する入射角度変更手段を有しており、前記入射角度を変更することで、前記受光位置の周回軌道が外周方向または内周方向に変更されることを特徴とする。

本発明によれば大幅なコストアップや筐体体積の増加を伴わずに、蛍光体の寿命をより長くすることを可能にした発光装置、および該発光装置を用いた投射型表示装置を提供することができる。

本発明の構成を示す図 モータとダイクロイックミラーの接続構成を示す図 ホイールと蛍光体とモータの構成を示す図 モータのＰＷＭ駆動波形を示す図 電源と固体光源の構成を示す図 実施形態１のフローチャート ホイールの回転数を算出するための構成を示す図 ダイクロイックミラーの角度と蛍光体への光入射位置を示す図 ホイールの回転による受光位置の周回軌道を模式的に示す図 実施形態２の構成を示す図 実施形態３の構成を示す図

以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる表示装置のブロック図である。

（実施形態１）
以下、図１を参照して、第１の実施形態の表示装置について説明する。

本実施形態は、以下の構成からなる。固体光源１であるレーザ光源ユニット、凹凸レンズ２、第一の反射部材である反射面を有し且つ回動可能なダイクロイックミラー３、ダイクロイックミラーの回動手段であるモータ４、を有する。そして、集光レンズ５、反射材からなるホイール６、蛍光体７、ホイールモータ８、制御部９、電源部１０を有する。

以下、上記各構成について説明する。

固体光源１は、青色のレーザ光源を用いることができる。平行な直進光を用いるために、さらに光の射出方向にコリメータレンズを備え、レーザ光源とともにユニット化したものを固体光源１として用いると良い。固体光源１のＡｎｏｄｅ−Ｃａｔｈｏｄｅ間に、Ｖｆ（Ｆｏｒｗａｒｄ Ｖｏｌｔａｇｅ）電圧を印加することにより、励起発光する。励起された光はコリメータレンズにより集光され、直線性の高い光となる。

本実施形態では青色のレーザ光源としているが、最終的に蛍光体から発する光と合成したときに白が表現できればその限りではない。またコリメータレンズもレーザと別々の構成でも良い。

また、レーザ光源ユニットは、表示装置の明るさの仕様によってユニット数を適宜増減すれば良い。本実施形態では２つ記載しているが、その構成や駆動方法はすべて同じである。

凹凸レンズ２は、複数の固体光源１から射出された入射角度の異なる光を、それぞれ同一方向の並行光へと進路を変える。並行光化された光束は反射面を有するダイクロイックミラー３へと所定の角度で入射する。

ダイクロイックミラー３に入射された光束は、ダイクロイックミラー３の反射面によって反射され、ホイールの受光位置に導く集光レンズ５の方向へと向かう。

第一の反射部材としてのダイクロイックミラー３は、光源１からの青色光を反射するとともに、緑色光および赤色光を含む蛍光光を透過させる導光面であるダイクロイック面を有している。

ここで、ダイクロイックミラー３により反射される光の方向は、ダイクロイックミラー３の反射面の角度により変えることができる。

そして、ダイクロイックミラー３には回動手段としてのモータ４が取り付けられている。

すなわち、光源からの光が反射面に入射する入射角度が変更されるように第一の反射部材を回動させる回動手段を有することで、その入射角度が変更されると、受光位置が変更される。そして、入射角度が変更されると、受光位置の周回軌道が外周方向または内周方向に変更される点が本実施形態の特徴である。

本実施形態の具体的な構成を図２に示す。図２の上側が図１と同じ方向からみたものであり、これはダイクロイックミラー３の下部にモータ４が接続されている構成を真上から見た図である。また、図２の下側の図がダイクロイックミラー３とモータ４の構成を真横から見た図である。モータ４はその回転軸をダイクロイックミラー３の（ａ）点に下部から接続されている。この（ａ）点を中心にダイクロイックミラー３は回動可能となる。

集光レンズ５は、ダイクロイックミラー３により反射された青を集光する。

ホイール６の形状は、薄い板状の円盤形状とし、集光レンズ５で集光された光を蛍光体が配置された局所的な受光位置で受光する。

ホイール６は、受光位置に照射された光および蛍光体による蛍光を反射する第二の反射部材を有する反射材を有することが好ましい。その場合、その表面が反射率の高い鏡面で構成されていると良い。

ホイール６の表面に配置される蛍光体７は、青を印加することにより、青を黄色に変換する組成となっている。青色光が蛍光体を通過し黄色光に変換され、黄色光はホイール６の表面により反射される。また、このとき、黄色光以外に、蛍光体７により変換されなかった青色光も存在し、黄色光と同様にホイール６の表面により反射される。このようにしてホイール６により反射された光を集光すると青＋黄で白となる。

また、蛍光体７上に集光された光は、コヒーレント光のためエネルギーが非常に高い。そのため、蛍光体７上の１点に連続して照射し続けると焼損してしまう可能性がある。そこで、蛍光体７を塗布した反射板６を回転させる構成がよく知られている。ホイール６を回転駆動させるために、円形をしたホイール６の中心にホイールモータ８の回転軸が接続されている。その構成を図３に示す。図３の左にホイール６を正面から見た図、右に真横から見た図を示している。光が照射される側の反射面に蛍光体が塗布され、反対面側にモータが接続されている。光が照射される位置は一定であるが、ホイール６が回転することにより、蛍光体に照射される位置が常に移動するため、蛍光体が焼損する可能性が低減される。

制御部９は、モータ４、ホイールモータ８、電源部１０の制御を行う。マイコンやＦＰＧＡなど、自由に制御可能なプログラミング形式のものが好ましいが、その限りではない。本明細書ではマイコンを想定する。また、モータ４およびホイールモータ８はＤＣモータやステッピングモータなど、さまざまな種類のモータの内、どんな種類のモータでもよく、アプリケーションにより適宜変更すればよい。

一例として、ＰＷＭによるＤＣモータの駆動を挙げて具体的に説明する。

図４にＤＣモータに印加するＰＷＭ波形を示す。縦軸は電圧値、横軸は時間を示す。図４（ａ）は、ＤＵＴＹ１０％のときの駆動波形、図４（ｂ）は、ＤＵＴＹ９０％のときの駆動波形である。ＤＵＴＹが１００％に近いほどモータは高速で回転する。モータを駆動することによりダイクロイックミラー３やホイール６を回転させる。

また、制御部９は電源部１０の制御も行う。電源部１０は固体光源１の電源である。固体光源、特にレーザでは定電流駆動をすることが主流である。一例として降圧駆動タイプの固体光源駆動について説明する。図５に固体光源１、制御部９、電源部１０の模式図を示す。固体光源１はダイオード、制御部９、破線部が電源部１０である。電源部１０は、ＤＣ電源部１０１、スイッチ１０２、検出抵抗１０３を介し固体光源１のＡｎｏｄｅに接続されている。制御部９は、スイッチ１０２のＯＮ／ＯＦＦを担う。制御部９によりスイッチ１０２がＯＮしている場合、ＤＣ電源部１０１から電圧と電流が検出抵抗１０３に印加される。このとき、検出抵抗１０３は低抵抗であり（例えば０．１Ω程度）、検出抵抗１０３の両端の電圧Ｖを監視することにより電流量を一定にしている。一定に保たれた電流が固体光源１に供給される。このとき、ＤＣ電源部１０１は固体光源１のＶｆ以上の電圧が必要である。また、スイッチ１０２がＯＦＦのときは、電流の経路が遮断されるため固体光源１は発光しない。スイッチ１０２を高速にＯＮ／ＯＦＦすることによりＰＷＭも可能である。固体光源１は直列に接続しても良いし、個々に制御回路を設けても良い。

以下、図６のフローチャートを参照して本発明の一連の動作を説明する。

Ｓ６０１にて表示装置の起動指令がされる。電源の投入方法は、一般的な電気機器と同じであり、本体上の電源ボタン（不図示）押下やリモコンによる電源ボタン（不図示）押下である。Ｓ６０１で起動指令が入ると、投射状態になるように機器内の各部の動作が開始される。固体光源、特にレーザを用いた装置の場合は、ホイール６の回転開始が最優先される（Ｓ６０２）。これは前述の通り、レーザはコヒーレント光のため、ホイール６が停止している状態で照射すると焼損の可能性があるため、エネルギーが１点集中しないように回転させることが重要である。回転を開始したとしても、極端に低い回転数ではレーザ光のエネルギー分散が十分と言えないことが多い。

そこで、マイコンやハードなどの手法により、ホイール６がある任意の回転数に達したか否かを判断する（Ｓ６０３）。閾値となる回転数は、ホイール６の径の大きさや、レーザ光の出力の強度などにより異なるため、各アプリケーションにより十分検討したのち決定することが望ましい。回転数の算出方法の一例を図７に示す。

図７中の（Ａ）は、図３に示したホイール６と蛍光体７である。ホイール６の一部に穴７００が空けられている。（Ｂ）はホイール６を真横から見た図である。穴７００の真正面にホイール６方向に向けてＬＥＤ７０１が設けられている。また、ＬＥＤ７０１の正面方向で、ホイール６の逆側にフォトセンサ７０２も設けられている。ＬＥＤ７０１は常に発光し、穴７００が真正面に来たときは、光がフォトセンサ７０２に届き電圧が発生する。ホイール６は回転しているので、穴７００の位置も同様に回転している。１周に１回ＬＥＤ７００の真正面に位置する。ホイール６が回転しているときのフォトセンサ７０２出力の電圧波形を（Ｃ）（Ｄ）に示す。横軸が時間、縦軸が電圧である。（Ｃ）は、ホイール６が低速で回転している場合、（Ｄ）は高速で回転している場合の波形を示している。低速回転の場合は、ＬＥＤ７０１の前に穴７００が来るまでの間隔が長く、かつ前に位置している時間が長い。（Ｃ）と比較した場合、（Ｄ）はそれぞれのパルスどうしの間隔と、パルス自体のＨｉ期間も短くなっている。回転数を算出する際は、Ｌｏ→Ｈｉに遷移するエッジのみをカウントすることにより回転数が得られる。マイコンなどのカウンタに入力すれば良い。基準に定めた回転数を満たすまでは、Ｎｏが選択されＳ６０３を繰り返す。一定の回転数に達した場合は、ＹＥＳが選択されＳ６０４へ移行する。Ｓ６０４では、図５中のスイッチ１０２をマイコンがＯＮする。スイッチ１０２がＯＮされると電源１０１と固体光源１が接続され固体光源１の発光が始まる。次に、固体光源１の発光に伴い点灯時間を計測するためのタイマーのカウントを開始する。この測定時間は、固体光源１が発光している時間の累積であり、前回の電源ＯＮ状態から引き継ぐ。Ｓ６０６では、Ｓ６０５で測定した時間が任意の閾値時間に達したか否かを判断する。閾値時間に達していない場合は、Ｎｏが選択されＳ６０６が繰り返される。閾値時間に達した場合は、ＹＥＳが選択され、次のステップに移行する。タイマーのカウントはマイコンが行う。時間の累積は、不図示のメモリに記憶させておく。閾値時間の設定は数秒から数百時間まで自由である。数秒に設定した場合は、連続的または間欠的にモータ４が単位時間あたり一定量で回転して位置移動が行われる。Ｓ６０７では、マイコンからモータ４の駆動指令を行う。モータ４の駆動も、ホイールモータ８と同様にＰＷＭ駆動を行う。

しかし、モータ４ではダイクロイックミラー３の比較的小さな角度変更（例えば、変更入射角度が４５°を中心として±５°程度）のみであり、ホイール６のように高速で複数回回転させるようなことはない。そのため、モータの回転角度や端検出を行うと良く、ホイールモータ８と同様にフォトセンサを用いて、電圧パルスを検出する変更角度を端として、モータ４のさらなる駆動を停止（禁止）する仕組みを入れておくと良い。

また、図８にダイクロイックミラー３を５°回転させる前後の簡易図を示す。（Ａ）は点線の水平軸に対して、４５°の角度（すなわち入射角度が４５°）でダイクロイックミラー３が配置されている。（Ｂ）は点線の水平軸に対して、５０°の角度（すなわち入射角度が４０°）でダイクロイックミラー３が配置されている。（Ａ）（Ｂ）ともに矢印が光軸を表している。（Ａ）では、ダイクロイックミラー３に入射された光が直角（９０°）に反射されて蛍光体７に入射する。（Ｂ）では、ダイクロイックミラー３に入射された光が９５°で反射されている。このとき（Ａ）と（Ｂ）では、蛍光体７に入射するレーザ光の受光位置が異なる。これにより、ホイール６が回転した際の受光位置の周回軌道は、ダイクロイックミラー３への入射角によって、異なる周回軌道を描くことになる。この様子を模式的に示した図を、図９に示す。入射角度が４５°（Ａ）の受光位置の中心が描く周回軌道が蛍光体の中央の周回軌道１１を描くとすると、入射角度が４０°（Ｂ）では受光位置の中心軌道が外周方向へ移動した周回軌道１３を通るようになる。同様に、入射角度を５０°にすれば、蛍光体７の中央の周回軌道１１よりも内周方向に移動した周回軌道１２を通るようになる。このように、ダイクロイックミラーへの光の入射角度が変更されると、受光位置の周回軌道が外周方向または内周方向に変更されるようにすることで、簡便な構成で蛍光体上の受光位置の周回軌道を容易に変更できるようになる。

蛍光体７上の受光位置が異なることにより、蛍光体７の劣化速度が分散され、使用可能な時間を延ばすことができる。Ｓ６０８では、電源本体の電源ＯＦＦが入力されるか否かを判断している。Ｓ６０８でＮＯの場合は、タイマーのカウントが継続され閾値時間の経過を監視する。変更が必要な時間（変更間隔）が経過した場合（ＹＥＳの場合）は、Ｓ６０９へ移行し、タイマーのカウントを停止する。そして電源ＯＦＦ状態へと移行する。

上記の動作により、蛍光体の寿命が長い発光装置が実現可能である。

この発光装置を光源として用いることで、大幅なコストアップや筐体体積の増加を伴わずに、蛍光体の寿命をより長くすることを可能にした投射型表示装置を提供することができる。

（実施形態２）
以下、図１０を参照して、本発明の第２の実施形態による、表示装置について説明する。

図１０の構成は、実施形態１の図１の構成に記憶部（メモリ）１４を追加したものである。メモリ１４には、製品出荷時の色情報、固体光源出力等の情報が保存されている。色情報とは、Ｒ／Ｇ／Ｂの色成分の強度分布情報である。不図示の外部色センサ等により、測定したものを保存したものである。

また、モータ４の駆動により蛍光体７に入射する光の位置が変更される。実際には、蛍光体７に入射される位置が変わると、蛍光体の塗りムラによる色の変換特性が微々たるものであるが、その特性が変わってしまう。そこで、出荷時の色特性により近い特性を求める場合には、モータ４の角度を微調整しながら、外部の色センサにより好ましい位置を求めることが可能である。この動作により、蛍光体７の寿命を長くしつつも色変化を最小限に抑えた装置を提供することが可能である。

すなわち、記憶部は出荷時の固体光源出力と色情報の相関情報を記憶し、ユーザによる校正指示があった場合に、駆動部によるホイールの角度変更を行い、出荷時の色情報に合わせる調整を行う。

（実施形態３）
以下、図１１を参照して、本発明の第３の実施形態による、表示装置について説明する。

図１１の構成は、実施形態１の図１の構成に温度センサ１５を追加したものである。温度センサ１５は蛍光体７の温度を検知または測定する。検知した温度はマイコンが監視する。検知結果が予め設けられた設定温度を上回った場合は、モータ４を駆動して蛍光体７に入射される光の位置を移動させる。この動作により、蛍光体７の寿命を長くしつつも色変化を最小限に抑えた装置を提供することが可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

蛍光体を用いた色変換を行う表示装置において適用可能である。

１ 固体光源
２ 凹凸レンズ
３ ダイクロイックミラー
４ モータ
５ 集光レンズ
６ ホイール
７ 蛍光体
８ ホイールモータ
９ 制御部
１０ 電源部
１１ 中央を通る受光位置の周回軌道
１２ 外周方向に移動した受光位置の周回軌道
１３ 内周方向に移動した受光位置の周回軌道
１４ 記憶部（メモリ）
１５ 温度センサ

Claims (10)

1. 光源と、
   該光源からの光を受光して蛍光を発する蛍光体が配置されたホイールと、
   該光源からの光を反射させて前記ホイールの受光位置に導くための反射面を有する第一の反射部材と、
   前記ホイールを回転駆動するホイールモータと、
   を有する発光装置であって、
   前記光源からの光が前記反射面に入射する入射角度が変更されるように前記第一の反射部材を回動させる回動手段を有しており、
   前記入射角度が変更されると、前記受光位置の周回軌道が外周方向または内周方向に変更されることを特徴とする発光装置。
2. 前記光源が、固体光源である請求項１に記載の発光装置。
3. 前記第一の反射部材が、ダイクロイックミラーである請求項１または２に記載の発光装置。
4. 前記ホイールが前記受光位置に照射された光および前記蛍光体による蛍光を反射する第二の反射部材を有する請求項１から３のいずれか一項に記載の発光装置。
5. 前記ホイールモータ、および前記回動手段の駆動を制御する制御手段を有する請求項１から４のいずれか一項に記載の発光装置。
6. 前記ホイールの時間あたりの回転数を算出する手段を有しており、
   算出された時間あたりの回転数に応じて前記回動手段の変更間隔を決定する請求項１から５のいずれか一項に記載の発光装置。
7. 前記第一の反射部材の回動が間欠的、または連続的に行われる請求項１から６のいずれか一項に記載の発光装置。
8. 前記受光位置の温度を検知する温度センサを有し、該温度センサでの検知結果に基づいて前記ホイールの角度変更が行われる、請求項１から７のいずれか一項に記載の投射型表示装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の発光装置で発光した光をスクリーンに投射して表示することを特徴とする投射型表示装置。
10. 出荷時の光源出力と色情報との相関情報を記憶する記憶部を更に有し、ユーザによる指示があった場合に、前記回動手段によって前記第一の反射部材の回動を行い、出荷時の色情報に合わせる校正を行う、請求項１から９のいずれか一項に記載の投射型表示装置。

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