JP2020201436A - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】補助光源を設けて色再現性の向上を可能としつつ、波長変換素子からの変換光のスペクトルも有効利用する。【解決手段】光源装置１００は、第１の色光２０を発する第１光源１と、第１の色光とは波長が異なる第２の色光２１を発する第２の光源２と、第１の色光を該第１の色光とは波長が異なる第３の色光に変換して出射させるとともに、第２の色光を該第２の色光のまま出射させる波長変換素子１２と、第１の光源からの第１の色光と第２の光源からの第２の色光を波長変換素子に導く導光面１０を含み、波長変換素子からの第２および第３の色光の合成光が出射する光学系１０，１１とを有する。【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。

プロジェクタには、レーザダイオードから発せられた光を励起光として蛍光体に照射し、該蛍光体での波長変換により生成された蛍光光を含む照明光を光変調素子に導いてこれを変調させることで画像を投射するものがある。

一方、プロジェクタでは、ｓＲＧＢやＤＣＩといった色規格に基づく色再現が求められる。ただし、蛍光体の材料として適切な発光スペクトルを持つ材料がいまだ実用化されていない。このため、特許文献１および特許文献２には、蛍光光だけでは不足する波長域の光量を補うために補助光源を蛍光体とは別に備えたプロジェクタが開示されている。

特許第５９７９４１６号公報 特許第５９２８３８３号公報

しかしながら、特許文献１および２に開示されたプロジェクタでは、蛍光体から発せられた蛍光光のスペクトルと追加した補助光源からの光のスペクトルとが重畳している波長域においては、どちらか一方の光しか利用することができず、光の利用効率が低い。

本発明は、補助光源を設けて色再現性の向上を可能としつつ、波長変換素子からの変換光のスペクトルも有効利用することが可能な光源装置およびこれを用いた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、第１の色光を発する第１光源と、第１の色光とは波長が異なる第２の色光を発する第２の光源と、第１の色光を該第１の色光とは波長が異なる第３の色光に変換して出射させるとともに、第２の色光を該第２の色光のまま出射させる波長変換素子と、第１の光源からの第１の色光と第２の光源からの第２の色光を波長変換素子に導く導光面を含み、波長変換素子からの第２および第３の色光の合成光が出射する光学系とを有することを特徴とする。なお、上記光源装置を備えた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、補助光源としての第２の光源を設けて色再現性の向上を可能としつつ、波長変換素子からの変換光である第３の色光のスペクトルも有効利用することができる高効率な光源装置および画像投射装置を実現することができる。

本発明の実施例１である光源装置の構成を示す図。 実施例１の光源装置の変形例を示す図。 実施例１における導光面上の光束分布を示す図。 実施例１における導光面の分光特性を示す図。 実施例１における導光面の分光特性を示す図 実施例１の光源装置から出射される光のスペクトルを示す図。 本発明の実施例２である光源装置の構成を示す図。 実施例２において蛍光体から発せられる光の強度分布を示す図。 本発明の実施例３である光源装置の構成を示す図。 実施例３における導光面上の光束分布を示す図。 本発明の実施例４である光源装置の構成を示す図。 本発明の実施例５である光源装置の構成を示す図。 実施例５における導光面上の光束分布を示す図。 実施例５における導光面の分光特性を示す図。 本発明の実施例６を説明する図。 各実施例の光源装置を備えたプロジェクタの構成を示す図。

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は、本発明の実施例１である光源装置１００の構成を示す。１は励起光源として青色光（第１の色光）を発する第１の光源であり、２は補助光源として青色光とは波長が異なる赤色光（第２の色光）を発する第２の光源である。第１の光源１から発せられた青色光と第２の光源２から発せられた赤色光は、光源装置（後述する集光レンズ１１）の光軸ＡＸ上に配置された導光面１０に入射する。本実施例では、導光面１０としてダイクロイックミラーを用いている。

導光面１０としてのダイクロイックミラーは、ガラス等の基板の全面にダイクロイックコートを塗布したものであってもよいし、図２に示すように集光レンズ１１からの光の光束径より大きい基板３０の一部にダイクロイックコートを塗布したものであってもよい。このことは後述する他の実施例における導光面についても同じである。

図３に光軸ＡＸが延びる光軸方向（集光レンズ１１側）から見て示すように、導光面１０上において、第１光源１からの青色光２０と第２の光源２からの赤色光２１はそれぞれ互いに異なる領域に入射する。導光面１０は単一面として構成され、この単一面内に青色光２０が入射する第１の領域２０ａと赤色光２１が入射する第２の領域２１ａとが互いに畳重することなく設定されている。導光面１０は、その全面において、図４に示すように波長が約４４０ｎｍから４７０ｎｍの青色光と波長が約６３０ｎｍから６５０ｎｍの赤色光とを反射し、それら以外の波長の光を透過する特性を有する。導光面１０は、青色光２０および赤色光２１を反射して波長変換素子としての蛍光体１２に導く。

なお、導光面１０は、青色光が入射する第１の領域が図５（ａ）に示すように青色光を反射して他の波長の光を透過し、赤色光が入射する第２の領域が図５（ｂ）に示すように赤色光を反射して他の波長の光を透過する特性を有していてもよい。また、導光面１０は、青色光と赤色光をともに透過して他の波長の光を反射する特性を有していてもよい。

導光面１０で反射された青色光２０と赤色光２１は、集光レンズ１１を介して蛍光体１２に向けて集光される。集光光学系としての集光レンズ１１は、正のパワーを有する１又は複数のレンズにより構成され、導光面１０からの光を蛍光体１２に向けて集光するとともに、後述するように蛍光体１２から発せられた光を集光して平行光化する作用を有する。導光面１０と集光レンズ１１により光学系が構成される。

蛍光体１２に入射した青色光２０の一部（励起光）は蛍光体１２によって青色光２０よりも長波長の黄色光（第３の色光）としての蛍光光（変換光）に変換され、該蛍光光は蛍光体１２から集光レンズ１１に向かって出射する。また青色光２０のうち波長変換されなかった残りの非変換光は、青色光のまま集光レンズ１１に向かって出射する。本実施例の蛍光体１２は反射型の蛍光体であり、励起光を波長変換して蛍光光を発する成分と、蛍光光および非変換光を励起光の入射方向とは異なる向きに拡散させる成分と、これらの成分を保持する成分と、反射膜が設けられた基板とから構成される。

一方、蛍光体１２に入射した赤色光（補助光）も波長変換されず、赤色光のまま集光レンズ１１に向かって出射する。これにより、図６に示すように、励起光である青色光と蛍光光としての黄色光と補助光としての赤色光が合成された白色光が蛍光体１２から集光レンズ１１に向かう。そして拡散光としての白色光は、前述したように集光レンズ１１によって平行光化されて光源装置１００から出射する。

この際、合成光の一部の青色光と赤色光は、導光面１０によって第１および第２の光源１，２側に反射される。しかし、導光面１０のサイズは集光レンズ１１からの合成光の光束径に対して小さく、合成光の白色にほとんど影響を与えないサイズに設定される。具体的には、光軸方向（波長変換素子側）から見たときの導光面１０の面積をＡとし、集光レンズ１１からの合成光の光束面積をＢとするとき、少なくとも、
Ａ／Ｂ＜１．０
なる条件を満足すればよい。

また導光面１０で反射して第１の光源１と第２の光源２側に反射される光はロスとなるので、ロスをできるだけ少なくするには、
Ａ／Ｂ≦０．５
なる条件を満足することが好ましい。

さらに複数の色光が合成される合成光の色むらを低減するために、
Ａ／Ｂ≦０．２
なる条件を満足することが望ましい。

図１６は、本実施例の光源装置１００を備えた画像投射装置としてのプロジェクタの構成を示す。光源装置１００から出射した白色光１００ａは、照明光学系２００により照明光２００ａに変換されて光変調素子３００に入射する。照明光学系２００は、光源装置１００からの無偏光光としての白色光１００ａを直線偏光に変換したり、光変調素子３００上に均一な明るさの照射領域を形成する光に変換したり、ＲＧＢの３色の光に分離したりして照明光２００ａを生成する。

光変調素子３００は、透過型または反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス等により構成される。駆動回路６００は、外部から入力された画像信号に応じて光変調素子３００を駆動する。これにより、光変調素子３００は、照明光２００ａを入力画像信号に応じて変調して画像光３００ａを生成する。画像光３００ａは、投射光学系４００を介してスクリーン等の被投射面５００に投射される。投射光学系４００は、色分離されていた画像光３００ａを合成したり、画像光３００ａを拡大したりする。これにより、カラー画像としての投射画像が表示される。

なお、図１６のプロジェクタにおいて、本実施例の光源装置１００に代えて、後述する他の実施例の光源装置を用いてもよい。

図７は、本発明の実施例２である光源装置１００Ａの構成を示している。本実施例の光源装置１００Ａは、導光面１０Ａの配置が実施例１と異なり、それ以外は実施例１の光源装置１００と同じであるため、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

実施例１で説明したように集光レンズ１１からの合成光のうち一部は導光面１０で反射してロスとなる。蛍光体１２から発せられる光の強度が光軸ＡＸに直交する面内で均一である場合には、導光面１０がどの位置に配置されてもロスは一定である。しかし、蛍光体１２から発せられる光の強度が図８に示すように光軸ＡＸ（角度０degree）で最も強く、光軸ＡＸから離れるほど弱くなる場合に、導光面１０を光軸ＡＸ上に配置するとロスが大きくなる。

このため、本実施例では、導光面１０Ａを光軸ＡＸに対して偏心させる、言い換えれば導光面Ａを光軸ＡＸから離れた位置に配置することでロスを低減させている。なお、図７では紙面の面内方向での偏心を示しているが、光軸ＡＸに対し、紙面の奥行き方向（不図示）での偏心であってもよい。

図９は、本発明の実施例３である光源装置１００Ｂの構成を示している。本実施例の光源装置１００Ｂは、導光面１０Ｂの構成以外は実施例１の光源装置１００と同じであるため、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

本実施例の導光面１０Ｂも、実施例１と同様に光軸ＡＸ上に配置されている。ただし、実施例１では導光面１０が単一面である。これに対して、本実施例の導光面１０Ｂは、図１０にも光軸方向から見て示すように、第１の光源１からの青色光２０が入射して該青色光２０を蛍光体１２に導く第１の領域２０ａが形成される第１の導光面１０ａと、第２の光源２からの赤色光２１が入射して該赤色光２１を蛍光体１２に導く第２の領域２１ａが形成される第２の導光面１０ｂとに分かれている。第１の導光面１０ａと第２の導光面１０ｂはそれぞれ、図５（ａ）と図５（ｂ）に示した特性を有する。

図１１は、本発明の実施例４である光源装置１００Ｃの構成を示している。本実施例の光源装置１００Ｃは、導光面１０Ｃの構成以外は実施例３の光源装置１００Ｂと同じであるため、実施例１と共通する構成要素には実施例１と同符号を付して説明に代える。

本実施例の導光面１０Ｃも、実施例２と同様に、第１の光源１からの青色光２０が入射して該青色光２０を蛍光体１２に導く第１の領域２０ａが形成される第１の導光面１０ａと、第２の光源２からの赤色光２１が入射して該赤色光２１を蛍光体１２に導く第２の領域２１ａが形成される第２の導光面１０ｂとに分かれている。ただし、本実施例では、第１の導光面１０ａと第２の導光面１０ｂがいずれも光軸ＡＸに対して偏心した位置、すなわち光軸ＡＸから離れた位置に配置されている。さらに、第１の導光面１０ａと第２の導光面１０ｂは互いに離れた位置に配置されている。

このように第１および第２の導光面１０ａ，１０ｂを分離して互いに離し、かつそれぞれを光軸ＡＸに対して偏心した位置に配置することで、各導光面の面積を小さくして、各導光面での光のロスをより低減することができる。なお、図１１では紙面の面内方向での偏心を示しているが、光軸ＡＸに対し、紙面の奥行き方向（不図示）での偏心であってもよい。

図１２は、本発明の実施例５である光源装置１００Ｄを示している。本実施例の光源装置１００Ｄは、第３の光源３を有する点と導光面１０Ｄの構成以外は実施例４の光源装置１００Ｃと同じであるため、実施例４と共通する構成要素には実施例４と同符号を付して説明に代える。

本実施例の光源装置１００Ｄは、補助光源として、赤色光２１を発する第２の光源２に加えて、緑色光２２を発する第３の光源３を有する。また導光面１０Ｄは、実施例４と同様に互いに離れ、かつそれぞれ光軸ＡＸに対して偏心した第１の導光面１０ａと第２の導光面１０ｂとを有する。図１２では第１の導光面１０ａが光軸ＡＸ上に配置されているように記載されているが、図１３に光軸方向から見て示すように光軸ＡＸから偏心した位置に配置されている。

さらに導光面１０Ｄは、第３の光源３からの緑色光２２が入射して該緑色光２２を蛍光体１２に導く第３の領域２２ａが形成される第３の導光面１０ｃを含む。第３の導光面１０ｃは、第１および第２の導光面１０ａ，１０ｂから離れた位置に配置されており、また光軸ＡＸに対して偏心した位置に配置されている。

図１４（ａ）と図１４（ｂ）に示すように、第１の導光面１０ａと第２の導光面１０ｂはそれぞれ図５（ａ）と図５（ｂ）に示した特性と同じ特性を有する。一方、図１４（ｃ）に示すように、第３の導光面１０ｃは、波長約５２０ｎｍから約５４０ｎｍまでの緑色光を反射して他の色光を透過する特性を有する。

蛍光体１２に入射した補助光としての緑色光２２は、赤色光と同様に波長変換されずに緑色光のまま集光レンズ１１に向けて出射する。そして該緑色光は、同じく蛍光体１２から出射した青色光（非変換光）、黄色光（蛍光光）および赤色光（補助光）と合成されて白色光を形成して光源装置１００Ｄから出射する。

なお、本実施例における緑色光２２は赤色光２１とともに第２の色光として扱うこともでき、緑色光２２に対して設けられた第３の光源３および第３の導光面１０ｃ（第３の領域２２ａ）もそれぞれ第２の光源および第２の導光面（第２の領域）として扱うこともできる。あるいは、緑色光２２を第４の色光として扱ってもよい。

図１５（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例６の光源装置における導光面１０を光軸方向から見て示している。導光面１０は実施例１と同様に単一面であり、この単一面内に青色光２０が入射する第１の領域２０ａと赤色光２１が入射する第２の領域２０ａとが設定される。ただし、実施例１では第１および第２の領域２０ａ，２１ａが互いに畳重しないように設定されていたが、本実施例では図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、第１および第２の領域２０ａ，２１ａがそれらの少なくとも一部同士が互いに畳重するように設定されている。

具体的には、図１５（ａ）では、第２の領域２１ａ内に第１の領域２０ａが包含されている。すなわち、第１の領域２０ａの全部が第２の領域２１ａの一部と畳重している。これとは逆に第１の領域２０ａ内に第２の領域２１ａが包含されてもよい。

図１５（ｂ）では、第１の領域２０ａの一部と第２の領域２１ａの一部とが互いに畳重している。図１５（ｃ）では、第１の領域２０ａの全部と第２の領域２１ａの全部とが互いに畳重している。これらは例にすぎず、第１の領域２０ａと第２の領域２１ａをどのように設定してもよい。

以上説明した各実施例によれば、補助光源としての第２の光源２（および３）を設けて色再現性の向上を可能としつつ、蛍光体１２からの変換光である蛍光光のスペクトルも有効利用することができる高効率な光源装置およびプロジェクタを実現することができる。

上記各実施例では、波長変換素子として蛍光体を用いた場合について説明したが、入射した光を波長が異なる光に変換するものであれば、蛍光体以外の波長変換素子を用いてもよい。また上記各実施例では、励起光としての青色光の一部のみ蛍光光に変換される場合について説明したが、青色光の全部が蛍光光に変換されてもよい。

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 第１の光源
２ 第２の光源
１０ 導光面
１１ 集光レンズ
１２ 蛍光体
２０ 青色光
２１ 赤色光

Claims (9)

1. 第１の色光を発する第１光源と、
   前記第１の色光とは波長が異なる第２の色光を発する第２の光源と、
   前記第１の色光を該第１の色光とは波長が異なる第３の色光に変換して出射させるとともに、前記第２の色光を該第２の色光のまま出射させる波長変換素子と、
   前記１の光源からの前記第１の色光と前記第２の光源からの前記第２の色光を前記波長変換素子に導く導光面を含み、前記波長変換素子からの前記第２および第３の色光の合成光が出射する光学系とを有することを特徴とする光源装置。
2. 前記波長変換素子は、前記第１の色光の一部を前記第３の色光に変換して出射させるとともに、前記第１の色光のうち残りを該第１の色光のまま出射させ、
   前記光学系から前記第１、第２および第３の色光の合成光が出射することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記導光面は、前記第１の光源からの前記第１の色光が入射する第１の領域と前記第２の光源からの前記第２の色光が入射する第２の領域とを単一面内に有す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. 前記第１の領域と前記第２の領域とが互いに畳重しない領域であることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記第１の領域と前記第２の領域とがそれらの少なくとも一部同士が互いに畳重する領域であることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
6. 前記導光面は、前記第１の光源からの前記第１の色光が入射する第１の導光面と、該第１の導光面とは別の面であって前記第２の光源からの前記第２の色光が入射する第２の導光面とを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
7. 前記光学系は、前記導光面から前記波長変換素子に向かう前記第１および第２の色光を前記波長変換素子に向けて集光するとともに、前記波長変換素子からの前記合成光を平行化する集光光学系を含み、
   前記導光面は、前記集光光学系の光軸に対して偏心するように配置されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記波長変換素子側から見たときの前記導光面の面積をＡとし、前記合成光の光束面積をＢとするとき、
   Ａ／Ｂ＜１．０
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 請求項１から８のいずれか一項に記載の光源装置と、
   入力された画像信号に応じて前記光源装置から出射した光を変調して画像光を生成する光変調素子とを有し、
   前記画像光を被投射面に投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。