JP2021012284A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

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Abstract

【課題】透過型の波長変換層を備え、ホワイトバランスを調整可能な光源装置を提供する。【解決手段】本発明の光源装置は、第1波長帯の第1の光を射出する発光部と、第1の光の一部を第2波長帯の第2の光に変換し、第2の光および第1の光の他の一部を第2面から射出する波長変換層と、波長変換層の第2面に対向して設けられ、第1波長帯および第1偏光方向を有する第3の光を反射させ、第1波長帯および第2偏光方向を有する第4の光を透過させ、第2波長帯および第1偏光方向を有する第5の光を反射させ、第2波長帯および第2偏光方向を有する第6の光を透過させる偏光分離素子と、を備える。波長変換層に入射する第1の光のうち第1偏光方向を有する光の光量と、第2偏光方向を有する光の光量と、を制御することにより、第4の光の光量を制御する。【選択図】図2

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。
プロジェクターに用いる光源装置として、光源から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。下記の特許文献1に、固体光源ユニットと、ダイクロイックミラーと、蛍光発光板と、第1位相差板と、反射板と、第2位相差板と、を備えた光源装置が開示されている。この光源装置においては、第2位相差板を用いて、ダイクロイックミラーに入射する光に含まれるP偏光とS偏光との比率を調整する。これにより、蛍光発光板に入射する光の量と反射板に入射する光の量とを調整し、ホワイトバランスを調整している。
下記の特許文献2に、青色光を射出する発光素子と、青色光を黄色光に変換する透過型の波長変換素子と、黄色光を伝播させる導光体と、導光体の射出面に配置された反射型偏光素子と、を備えた光源装置が開示されている。この光源装置において、導光体から射出される光のうち、一方の偏光方向の光は反射型偏光素子で反射し、波長変換素子に再入射し、波長変換素子の反射膜で反射する。このとき、一部の光は、偏光方向が回転することにより反射型偏光素子を透過する光に変換され、照明光として再利用される。
特開2012−137744号公報 特開2011−138627号公報
特許文献2のような透過型の波長変換素子を備えた光源装置においても、特許文献1のように、ホワイトバランスの調整が可能な構成が求められている。
上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の光源装置は、第1波長帯を有する第1の光を射出する発光部と、前記第1の光が入射される第1面と、前記第1面とは異なる第2面と、を有し、前記第1の光の一部を前記第1波長帯とは異なる第2波長帯を有する第2の光に変換し、前記第2の光および前記第1の光の他の一部を前記第2面から射出する波長変換層と、前記波長変換層の前記第2面に対向して設けられ、前記第1波長帯および第1偏光方向を有し、前記第2面から射出される第3の光を反射させ、前記第1波長帯および前記第1偏光方向とは異なる第2偏光方向を有し、前記第2面から射出される第4の光を透過させ、前記第2波長帯および前記第1偏光方向を有し、前記第2面から射出される第5の光を反射させ、前記第2波長帯および前記第2偏光方向を有し、前記第2面から射出される第6の光を透過させる偏光分離素子と、を備え、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御することにより、前記第4の光の光量を制御する。
本発明の一つの態様の光源装置は、前記偏光分離素子を透過する前記第4の光および前記第6の光を検出する検出部と、前記検出部の検出結果を所定値と比較することにより、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御する制御部と、を備えていてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、前記発光部と前記波長変換層との間に設けられ、前記発光素子から射出される前記第1の光が入射する位相差素子を備え、前記制御部は、前記位相差素子を回転させることにより、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御してもよい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記発光部は、前記第1偏光方向および前記第2偏光方向と交差する回転軸の周りに回転可能とされ、前記制御部は、前記発光部を回転させることにより、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御してもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、前記波長変換層の前記第1面に設けられ、前記第1の光を透過させ、前記第2の光を反射させる光学素子を備えていてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記偏光分離素子によって反射した前記第3の光は、前記波長変換層の前記第2面から前記波長変換層に入射し、前記第2の光に変換されてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置において、前記偏光分離素子によって反射した前記第5の光は、前記波長変換層の前記第2面から前記波長変換層に入射し、前記第2面から前記波長変換層に入射した前記第5の光の一部は、前記第6の光に変換されてもよい。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。
第1実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第1実施形態の照明装置の概略構成図である。 位相差板と回転調整機構とを示す斜視図である。 位相差板および制御部を示す模式図である。 重畳レンズに対する光量モニター用ミラーの配置を示す図である。 ホワイトバランスの調整の考え方を示すフローチャートである。 位相差板通過前の光の偏光状態を示す図である。 位相差板通過後の光の偏光状態を示す図である。 波長変換素子に入射する光の偏光比と反射型偏光素子から射出される光のホワイトバランスとの関係の第1例を示す図である。 波長変換素子に入射する光の偏光比と反射型偏光素子から射出される光のホワイトバランスとの関係の第2例を示す図である。 波長変換素子に入射する光の偏光比と反射型偏光素子から射出される光のホワイトバランスとの関係の第3例を示す図である。 第2実施形態の照明装置の概略構成図である。 発光部と回転調整機構を示す斜視図である。 発光部の正面図である。 発光部の基準姿勢の一例を示す正面図である。
[第1実施形態]
以下、本発明の第1実施形態について、図1〜図10を用いて説明する。
以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図1は、本実施形態に係るプロジェクター1の概略構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態のプロジェクター1は、スクリーンSCR上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター1は、照明装置2と、色分離光学系3と、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bと、合成光学系5と、投射光学装置6と、を備えている。照明装置2の構成については、後で説明する。
色分離光学系3は、第1ダイクロイックミラー7aと、第2ダイクロイックミラー7bと、反射ミラー8aと、反射ミラー8bと、反射ミラー8cと、リレーレンズ9aと、リレーレンズ9bと、を備えている。色分離光学系3は、照明装置2から射出された白色光LWを赤色光LRと緑色光LGと青色光LBとに分離し、赤色光LRを光変調装置4Rに導き、緑色光LGを光変調装置4Gに導き、青色光LBを光変調装置4Bに導く。
フィールドレンズ10Rは、色分離光学系3と光変調装置4Rとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置4Rに向けて射出する。フィールドレンズ10Gは、色分離光学系3と光変調装置4Gとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置4Gに向けて射出する。フィールドレンズ10Bは、色分離光学系3と光変調装置4Bとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置4Bに向けて射出する。
第1ダイクロイックミラー7aは、赤色光成分を透過させ、緑色光成分および青色光成分を反射させる。第2ダイクロイックミラー7bは、緑色光成分を反射させ、青色光成分を透過させる。反射ミラー8aは、赤色光成分を反射させる。反射ミラー8bおよび反射ミラー8cは、青色光成分を反射させる。
第1ダイクロイックミラー7aを透過した赤色光LRは、反射ミラー8aで反射し、フィールドレンズ10Rを透過して赤色光用の光変調装置4Rの画像形成領域に入射する。第1ダイクロイックミラー7aで反射した緑色光LGは、第2ダイクロイックミラー7bでさらに反射し、フィールドレンズ10Gを透過して緑色光用の光変調装置4Gの画像形成領域に入射する。第2ダイクロイックミラー7bを透過した青色光LBは、リレーレンズ9a、入射側の反射ミラー8b、リレーレンズ9b、射出側の反射ミラー8c、およびフィールドレンズ10Bを経て青色光用の光変調装置4Bの画像形成領域に入射する。
光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を形成する。光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bのそれぞれは、液晶ライトバルブから構成されている。図示を省略したが、光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。
合成光学系5は、光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bから射出された各画像光を合成してフルカラーの画像光を形成する。合成光学系5は、4つの直角プリズムを貼り合わせた、平面視で略正方形状をなすクロスダイクロイックプリズムで構成されている。直角プリズム同士を貼り合わせた略X字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。
合成光学系5から射出された画像光は、投射光学装置6によって拡大投射され、スクリーンSCR上で画像を形成する。すなわち、投射光学装置6は、光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bにより変調された光を投射する。投射光学装置6は、複数の投射レンズで構成されている。
本実施形態の照明装置2の一例について説明する。
図2は、照明装置2の概略構成を示す図である。
図2に示すように、照明装置2は、光源装置11と、均一化照明光学系12と、を備えている。
光源装置11は、発光部14と、位相差板21(位相差素子)と、集光レンズ22と、波長変換素子23と、コリメーターレンズ24と、反射型偏光素子25(偏光分離素子)と、光量モニター用ミラー26と、センサーユニット27(検出部)と、制御部28と、回転機構29と、を備えている。
発光部14は、光源ユニット15と、コリメーター光学系16と、を有する。発光部14は、レーザー光からなる第1波長帯を有する第1の光L1を射出する。
光源ユニット15は、第1の光L1を射出する複数の半導体レーザー17を有している。第1の光L1の第1波長帯は、例えば440〜450nmであり、発光強度のピーク波長は、例えば445nmである。すなわち、第1の光L1は、青色光である。複数の半導体レーザー17は、照明光軸AX1と直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。本実施形態では、例えば9個の半導体レーザー17が3行3列にアレイ状に配置されているが、半導体レーザー17の数および配置は特に限定されない。半導体レーザー17は、445nm以外のピーク波長、例えば455nmまたは460nmのピーク波長を有する第1の光L1を射出してもよい。
コリメーター光学系16は、複数のコリメーターレンズ18から構成されている。コリメーターレンズ18は、各半導体レーザー17に対応して設けられ、照明光軸AX1と直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。コリメーターレンズ18は、対応する半導体レーザー17から射出された第1の光L1を平行光に変換する。なお、照明光軸AX1は、アレイ状に配置された複数の半導体レーザー17のうち、中心の半導体レーザー17から射出される第1の光の中心軸と定義する。
発光部14の各半導体レーザー17から射出される第1の光L1は、特定の偏光方向を有する直線偏光である。本実施形態では、第1の光L1は、例えばS偏光であるが、P偏光であってもよい。なお、光源装置11において、位相差板21、波長変換素子23、および反射型偏光素子25の光が入射する面は、照明光軸AX1に垂直、かつ互いに平行に配置されている。したがって、S偏光は、位相差板21、波長変換素子23、および反射型偏光素子25のいずれに対してもS偏光であり、P偏光は、位相差板21、波長変換素子23、および反射型偏光素子25のいずれに対してもP偏光である。そのため、以下の説明では、これらの直線偏光を単にS偏光またはP偏光と称し、どの光学素子に対してS偏光またはP偏光であるかの記載は省略する。
位相差板21は、コリメーター光学系16と集光レンズ22との間の光路上に設けられている。位相差板21は、照明光軸AX1に垂直な面、すなわち第1の光L1が入射する面内で回転可能に設けられている。位相差板21は、第1の光L1のピーク波長である445nmに対する1/2波長板で構成されている。位相差板21の光学軸は、位相差板21に入射する第1の光L1の偏光軸と交差する。なお、位相差板21の光学軸は、位相差板21の進相軸もしくは遅相軸のいずれであってもよい。
上述したように、第1の光L1は、発光部14から射出された時点ではS偏光成分のみを含んでいる。ただし、第1の光L1の偏光軸が位相差板21の光学軸と交差しているため、第1の光L1が位相差板21を透過することにより、S偏光成分の一部がP偏光成分に変換される。その結果、位相差板21を透過した第1の光L1は、S偏光成分とP偏光成分とが所定の割合で混在した光となる。
位相差板21に、位相差板21を回転させるための回転機構29が接続されている。位相差板21の回転機構29の構成については後述する。
集光レンズ22は、位相差板21から射出された第1の光L1を集光させ、波長変換素子23に入射させる。集光レンズ22は、凸レンズから構成されている。
波長変換素子23は、基材31と、波長変換層32と、ダイクロイックミラー33(光学素子)と、を備えている。基材31、ダイクロイックミラー33、および波長変換層32は、第1の光L1が入射する波長変換素子23の第1面23aから第2面23bに向けてこの順に積層されている。
基材31は、透光性材料から構成されている。また、基材31を構成する透光性材料は、高い熱伝導率を有することが望ましい。
波長変換層32は、第1の光が入射する第1面32aと、第1面32aとは異なる第2面32bと、を有している。波長変換層32は、第1波長帯を有する第1の光L1の一部を第1波長帯とは異なる第2波長帯を有する第2の光L2に変換する。このように、第1の光L1の一部が第2の光L2に変換され、第1の光L1の他の一部は第2の光L2に変換されないため、波長変換層32からは、第1の光L1の他の一部L11と第2の光L2とを含む白色光LWが射出される。すなわち、波長変換層32の第2面32bからは、第1の光L1の他の一部L11と第2の光L2とを含む白色光LWが射出される。よって、波長変換層32は、第1面32aから第1の光が入射し、第2面32bから第1の光L1の他の一部L11と第2の光L2とを含む白色光LWが射出される透過型の波長変換層である。同様に、波長変換素子23は、第1面23aから第1の光が入射し、第2面23bから第1の光L1の他の一部L11と第2の光L2とを含む白色光LWが射出される透過型の波長変換素子である。
波長変換層32は、セラミック蛍光体を含んでいてもよいし、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。第2波長帯は、例えば490〜750nmである。すなわち、第2の光L2は、緑色光成分および赤色光成分を含む黄色光である。
波長変換層32は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG)系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてセリウム(Ce)を含有するYAG:Ceを例にとると、波長変換層32として、Y、Al、CeO等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法やソルゲル法等の湿式法により得られるY−Al−Oアモルファス粒子、噴霧乾燥法や火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるYAG粒子等を用いることができる。
波長変換層32に入射した第1の光L1のうち、第2の光L2に変換されない第1の光L1の他の一部L11は、偏光方向が保存された状態で波長変換層32から射出される。したがって、波長変換層32に入射する第1の光L1にP偏光とS偏光とが含まれていたとすると、波長変換層32に入射する第1の光L1に含まれるP偏光の光量とS偏光の光量との比は、波長変換層32から射出される第1の光L1に含まれるP偏光の光量とS偏光の光量との比と等しい。その一方、波長変換層32において第1の光L1が波長変換された第2の光L2は、P偏光成分とS偏光成分とを含む光である。以下の説明では、P偏光の光量とS偏光の光量との比を偏光比と称する。
ダイクロイックミラー33は、波長変換層32の第1面32aに設けられている。すなわち、ダイクロイックミラー33は、基材31と波長変換層32との間に設けられている。ダイクロイックミラー33は、第1の光L1を透過させ、第2の光L2を反射させる。ダイクロイックミラー33は、誘電体多層膜から構成されている。誘電体多層膜は、例えばSiOとTiOとが交互に複数積層された膜で構成される。すなわち、誘電体多層膜は、屈折率が互いに異なる2種の誘電体膜が交互に複数積層された構成を有する。誘電体多層膜を構成する各誘電体膜の層数や膜厚は、特に限定されない。
コリメーターレンズ24は、波長変換素子23から射出される白色光LWを略平行化する。コリメーターレンズ24は、凸レンズから構成されている。
反射型偏光素子25は、コリメーターレンズ24と均一化照明光学系12との間の光路上に設けられている。すなわち、反射型偏光素子25は、コリメーターレンズ24を間に挟んで波長変換層32の第2面32bに対向して設けられている。反射型偏光素子25は、第2面32bから射出される青色のS偏光(第1波長帯および第1偏光方向を有する第3の光)を反射させ、第2面32bから射出される青色のP偏光(第1波長帯および第2偏光方向を有する第4の光)を透過させ、第2面32bから射出される黄色のS偏光(第2波長帯および第1偏光方向を有する第5の光)を反射させ、第2面32bから射出される黄色のP偏光(第2波長帯および第2偏光方向を有する第6の光)を透過させる。
反射型偏光素子25は、例えばアルミニウム等からなる複数の金属細線が微細なピッチで基材の一面に設けられたワイヤーグリッド型偏光素子で構成されている。ワイヤーグリッド型偏光素子を用いた場合、反射型偏光素子25の耐熱性を高めることができる。ただし、反射型偏光素子25として、有機材料を用いた反射型偏光素子が用いられてもよい。
均一化照明光学系12は、第1レンズアレイ35と、第2レンズアレイ36と、重畳レンズ37と、を有している。
第1レンズアレイ35は、反射型偏光素子25から射出された白色光LWを複数の部分光束に分割するための複数の第1レンズ351を有している。複数の第1レンズ351は、照明光軸AX1と直交する面内にマトリクス状に配列されている。
第2レンズアレイ36は、第1レンズアレイ35の複数の第1レンズ351に対応する複数の第2レンズ361を有している。第2レンズアレイ36は、重畳レンズ37とともに、第1レンズアレイ35の各第1レンズ351の像を光変調装置4R,4G,4Bの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第2レンズ361は、照明光軸AX1に直交する面内にマトリクス状に配列されている。
重畳レンズ37は、第2レンズアレイ36から射出される各部分光束を集光して光変調装置4R,4G,4Bの画像形成領域近傍で互いに重畳させる。これにより、第1レンズアレイ35、第2レンズアレイ36および重畳レンズ37は、白色光LWの面内光強度分布を均一化する。
第2レンズアレイ36と重畳レンズ37との間の光路上に、光量モニター用ミラー26が設けられている。光量モニター用ミラー26は、照明光軸AX1に対して45°の角度をなすように配置されている。光量モニター用ミラー26は、入射した光の一部を透過し、残りを反射する。光量モニター用ミラー26を透過した光は重畳レンズ37に入射し、光量モニター用ミラー26で反射した光はセンサーユニット27に入射する。センサーユニット27の詳細な構成については後述する。
図5は、重畳レンズ37に対する光量モニター用ミラー26の配置を示す正面図である。
図5に示すように、光量モニター用ミラー26は、重畳レンズ37の光入射領域Rを避けて配置された保持部材41によって保持されている。重畳レンズ37の光入射領域Rとは、第2レンズアレイ36から射出された複数の部分光束の各々が入射する領域である。光量モニター用ミラー26は、白色光LWの2次光源像Zが形成される位置に配置される。
本実施形態の場合、光量モニター用ミラー26は、第2レンズアレイ36と重畳レンズ37との間の光路上の2次光源像Zの形成位置に配置されている。そのため、光路中に光量モニター用ミラー26を配置して光の一部を取り出したとしても、被照明領域である赤色光用の光変調装置4R、緑色光用の光変調装置4G、および青色光用の光変調装置4B上において照度ムラが生じることはない。したがって、2次光源像1個分の照度低下を許容できるならば、光量モニター用ミラー26は、必ずしも一部の光を透過し、残りを反射するミラーでなくてもよく、全ての光を反射するミラーであってもよい。
以下、位相差板21の回転機構29について説明する。
図3は、位相差板21と回転機構29を示す斜視図である。
図3に示すように、位相差板21は、円形の板体21aと、板体21aから外側に突出する棒状部21bが設けられている。位相差板21は、保持部材43によって回転可能に保持されている。位相差板21の棒状部21bは、保持部材43の外側に突出している。位相差板21は、棒状部21bが保持部材43の端面43cに沿った方向、すなわち矢印Aで示す方向に移動することによって回転する。
図4は、位相差板21および制御部28を示す模式図である。
図4に示すように、位相差板21の棒状部21bと保持部材43の壁部43aとの間の空間にバネ44が挿入されている。また、モーター45の回転軸45aの先端に、ネジ部材46が固定されている。モーター45の回転によりネジ部材46が回転すると、ネジ部材46が図4の矢印A1の向きに棒状部21bを押し、位相差板21は反時計回りに回転する。ネジ部材46が棒状部21bを押す力が解除されると、バネ44の作用により位相差板21は時計回りに回転し、中立位置に戻る。位相差板21の回転に伴い、位相差板21の光学軸21axが回転する。
センサーユニット27は、青色光の強度を検出する青色光用センサー47と、黄色光の強度を検出する黄色光用センサー48と、青色光と黄色光とを分離するダイクロイックミラー49と、を備えている。光量モニター用ミラー26から取り出された白色光LWは、センサーユニット27に入射し、ダイクロイックミラー49により青色光LB1と黄色光LY1とに分離される。青色光LB1は、青色光用センサー47により強度が検出される。黄色光LY1は、黄色光用センサー48により強度が検出される。このように、センサーユニット27は、反射型偏光素子25を透過する青色のP偏光および黄色のP偏光を検出する。
センサーユニット27からの青色光LB1の強度検出結果と黄色光LY1の強度検出結果は、制御部28に出力される。制御部28は、青色光LB1の強度と黄色光LY1の強度との比が基準値に近付くように、位相差板21を回転させ、位相差板21の光学軸21cの方向を変化させる。青色光LB1の強度と黄色光LY1の強度との比の基準値は、センサーユニット27により測定された、プロジェクター1の使用開始時点の初期の青色光LB1の強度と黄色光LY1の強度とに基づいて決定された値であってもよい。または、青色光LB1の強度と黄色光LY1の強度との比の基準値として、プロジェクター1の設計値が用いられてもよい。
制御部28は、位相差板21を回転させることにより、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、S偏光の光量とP偏光の光量とを制御する。さらに、制御部28は、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、S偏光の光量とP偏光の光量とを制御することにより、反射型偏光素子25から射出される青色のP偏光の光量を制御する。
ここで、プロジェクター使用時の経時変化により半導体レーザー17から射出される光の出力が低下した場合を想定する。この場合に生じるホワイトバランスのずれに対する本実施形態の対応策の考え方を、図6のフローチャートに基づいて説明する。
半導体レーザー17の出力が低下すると(図6のS1)、それに伴って波長変換層32の蛍光体を励起させる第1の光L1の光量が低下する。第1の光L1の光量が低下することは、第1の光L1の光密度(単位面積あたりの光量)が低下することと等価である(図6のS2)。
蛍光体は、一般的に、励起光の光密度が低下すると、励起光を蛍光光に変換する際の変換効率が上昇する、という特性を有している。そのため、第1の光L1の光量が低下したとしても、変換効率の上昇による第2の光L2の増加分が第1の光L1の光量低下による第2の光L2の減少分を上回ったとき、波長変換層32から射出される第2の光L2の光量は増加する(図6のS3)。ここでは、第2の光L2の光量が増加する場合を例にとって説明するが、第2の光L2の光量は減少する場合もある。しかし、いずれの場合も、プロジェクター1の使用開始直後の状態に対してホワイトバランスが崩れる。
ここで、半導体レーザー17の出力の低下に伴って、第1の光L1の光量、第2の光L2の光量はともに低下している。しかしながら、蛍光体の変換効率が上昇しているため、第1の光L1の光量に対する第2の光L2の光量の比は相対的に増加する(図6のS4)。その結果、青色の第1の光L1と黄色の第2の光L2との比率が変化して、経時変化前に対して白色光LWのホワイトバランスが崩れる(図6のS5)。具体的には、青色の第1の光L1の光量に対する黄色の第2の光L2の光量が相対的に増加するため、第1の光L1と第2の光L2とが合成された白色光LWは、黄色味を帯びる。
ここで、センサーユニット27は、光量モニター用ミラー26から取り出された光に含まれる青色光LB1の光量および黄色光LY1の光量を測定する(図6のS6)。制御部に、プロジェクター1の使用開始時点の初期の強度値に基づいて決定された、青色光強度と黄色光強度との比の基準値が予め記憶されている。制御部28は、センサーユニット27が測定した現在の青色光と黄色光との光量比と記憶済みの基準光量比とを比較する。その結果、測定した光量比と基準光量比との差が許容範囲を超えている場合、現在の光量比が基準光量比に近付くように、位相差板21を回転させる(図6のS7)。
位相差板21を所定の角度だけ回転させることにより、位相差板21から射出されるS偏光の光量とP偏光の光量との比を調整できる。この例で言えば、ホワイトバランスのずれによって白色光が黄色味を帯びているため、反射型偏光素子25から射出される青色光の光量を相対的に増やせばよい。反射型偏光素子25から射出される青色光の光量を増やすためには、反射型偏光素子25がP偏光を透過させるため、第1の光L1に含まれるP偏光の光量を相対的に増やし、S偏光の光量を相対的に減らせばよい。これにより、ホワイトバランスがずれたときと比べて、反射型偏光素子25を透過する青色光の光量が相対的に増加するため、白色光の黄色味が薄れ、ホワイトバランスを修正することができる(図6のS8)。
位相差板21を所定の角度だけ回転させることにより、位相差板21から射出されるS偏光の光量とP偏光の光量との割合を調整できることを図7Aおよび図7Bを用いて説明する。
図7Aは、位相差板21を通過する前の光の偏光状態を示す図である。図7Bは、位相差板21を通過した後の光の偏光状態を示す図である。
本実施形態の場合、位相差板21を通過する前の第1の光L1はS偏光(直線偏光)である。図7Aに示すように、位相差板21は、S偏光の偏光方向P1と位相差板21の光学軸21axとが角度θをなして交差するように設定されている。
第1の光L1は、位相差板21を通過した後、図7Bに示すように、偏光方向P1が時計回りに角度2θだけ回転し、偏光方向P2となる。このとき、S偏光成分BLsとP偏光成分BLpとが生じ、S偏光成分BLsの光量とP偏光成分BLpの光量との比はcos(2θ):sin(2θ)となる。例えばθ=2°の場合、S偏光成分BLsの光量とP偏光成分BLpの光量との比は14.3:1となる。したがって、図7Aおよび図7Bの配置においては、回転角θを大きくすることによって、S偏光の光量に対するP偏光の光量を相対的に増やすことができる。
以下、本実施形態の光源装置11におけるホワイトバランスの調整方法を具体的な数値例を挙げて説明する。
図8は、ホワイトバランス調整の第1例を示す図である。図9は、ホワイトバランス調整の第2例を示す図である。図10は、ホワイトバランス調整の第3例を示す図である。
以下の数値例において、波長変換層32は、第1の光L1の20%を透過し、第1の光L1の80%が波長変換されて第2の光L2に変わると仮定する。また、波長変換層32において、波長変換前の第1の光L1の光量と波長変換後の第2の光L2の光量とは等しいと仮定する。また、波長変換層32で生成される第2の光L2に含まれるP偏光の光量とS偏光の光量とは互いに等しいと仮定する。また、波長変換層32および反射型偏光素子25による光の吸収はないものと仮定する。
第1例は、波長変換層32に入射する第1の光L1の偏光比が、P偏光:100%、S偏光:0%の場合である。
図8に示すように、全てがP偏光L1pからなる第1の光L1が波長変換層32に入射した場合、波長変換層32を透過する光の偏光方向は保存されるため、波長変換層32に入射した第1の光L1のうちの20%の光量の青色のP偏光LBpが波長変換層32を透過する。青色のP偏光LBpは、反射型偏光素子25を透過する第4の光L4となる。
一方、波長変換層32に入射した第1の光L1のうち、80%の光量の黄色の第2の光L2が波長変換層32から射出される。反射型偏光素子25は、S偏光を反射させ、P偏光を透過させる特性を有するため、黄色の第2の光L2のうち、50%の光量のS偏光L5s(第5の光)は反射型偏光素子25で反射し、50%の光量のP偏光L6p(第6の光)は反射型偏光素子25を透過する。すなわち、波長変換層32に入射した第1の光L1に対して、40%の光量の黄色のP偏光L6pが反射型偏光素子から射出される。
反射型偏光素子25で反射したS偏光L5sは、その後、波長変換層32に再入射し、ダイクロイックミラー33での反射、および波長変換層32内での散乱を繰り返すことによって、S偏光成分の一部がP偏光成分に変換され、S偏光成分とP偏光成分とを含む光となって波長変換層32から射出される。そのうち、P偏光成分は、反射型偏光素子25を透過する。一方、波長変換層32から射出されたS偏光は、反射型偏光素子で反射され、上記の作用を繰り返す。
第2例は、波長変換層32に入射する第1の光L1の偏光比が、P偏光:50%、S偏光:50%の場合である。
図9に示すように、ともに50%の光量を有するP偏光L1pとS偏光L1sとを含む第1の光L1が波長変換層32に入射した場合、波長変換層32を透過する光の偏光方向は保存されるため、波長変換層32に入射した第1の光L1のうち、10%の光量の青色のP偏光L12pと10%の光量の青色のS偏光L12sとが波長変換層32を透過する。10%の光量の青色のP偏光L12pは、反射型偏光素子25を透過する第4の光L4となる。また、10%の光量の青色のS偏光L12sは、反射型偏光素子25で反射する第3の光L3となる。
また、波長変換層32において生成された第2の光L2の作用は、第1例における第2の光L2の作用と同じである。
第2例の場合、波長変換層32を透過した青色のS偏光L12sは、反射型偏光素子25で反射した後、波長変換層32に再入射する。再入射した青色のS偏光L12sの一部は、黄色の第2の光L2に変換される。このように、青色のS偏光L12sは、反射型偏光素子25で反射することによって、波長変換に再度寄与することができる。
第3例は、波長変換層32に入射する第1の光の偏光比が、P偏光:10%、S偏光:90%の場合である。
図10に示すように、10%の光量を有するP偏光L1pと90%の光量を有するS偏光L1sとを含む第1の光L1が波長変換層32に入射した場合、波長変換層32を透過する光の偏光方向は保存されるため、波長変換層32に入射した第1の光L1のうち、2%の光量の青色のP偏光L13pと18%の光量の青色のS偏光L13sとが波長変換層32を透過する。2%の光量の青色のP偏光L13pは、反射型偏光素子25を透過する第4の光L4となる。18%の光量の青色のS偏光L13sは、反射型偏光素子25で反射する第3の光L3となる。
また、波長変換層32において生成された第2の光L2の作用は、第1例における第2の光L2の作用と同じである。
また、第3例の場合も第2例と同様、波長変換層32を透過した青色のS偏光L13sは、反射型偏光素子25で反射した後、波長変換層32に再入射し、波長変換に寄与することができる。
なお、図8〜図10においては、反射型偏光素子25で一旦反射した後、偏光方向が変換され、反射型偏光素子25に2回以上入射した後に反射型偏光素子25を透過する黄色光については、図示を省略している。
以上、図8〜図10に示したように、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、S偏光の割合が多くなる程、反射型偏光素子25を透過するP偏光の青色光LBp,L12p,L13p(第4の光L4)の光量が減少し、反射型偏光素子25で反射するS偏光の青色光L12s,L13s(第3の光L3)の光量が増加する。これに伴って、波長変換層32において再度波長変換される黄色光の光量も増加する。
すなわち、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、S偏光L1sの割合が多くなる程、白色光に占める青色光の光量が減少し、白色光に占める黄色光の光量が増加するため、黄色味がかった白色光が得られる。逆に、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、P偏光L1pの割合が多くなる程、白色光に占める青色光の光量が増加し、黄色光の光量が減少するため、青色味がかった白色光が得られる。このようにして、本実施形態の光源装置11によれば、白色光のホワイトバランスを調整することができる。
透過型の波長変換素子または透過型の波長変換層を備えた従来の光源装置においては、波長変換素子の厚さを変えることによって、青色光の光量と黄色光の光量との比を調整することが提案されている。しかしながら、この場合、波長変換素子の厚さを制御することが難しく、厚さのばらつきが避けられないため、青色光の光量と黄色光の光量との比を所望の値に調整することが困難であった。また、波長変換素子を一旦作製すると、青色光の光量と黄色光の光量との比が所定の値に固定されるため、ホワイトバランスの経時的な変化に対応できなかった。光源装置をプロジェクターに適用する場合には、例えばいずれかの光変調装置の光量を低下させることでホワイトバランスを調整することも考えられる。しかしながら、その場合には、投射画像が暗くなる、という問題があった。
これらの問題に対し、本実施形態の光源装置11は、透過型の波長変換層32を有する透過型の波長変換素子23を備え、位相差板21を適宜回転させることによって反射型偏光素子25から射出される白色光LWのホワイトバランスを調整することができるため、波長変換層32の厚さを精密に制御する必要がなく、ホワイトバランスの経時的な変化に対応することができる。
また、本実施形態のプロジェクター1によれば、上記の光源装置11が用いられているため、ホワイトバランスの調整に光変調装置4R,4G,4Bの光量を低下させる必要がなく、投射画像が暗くなるおそれを少なくすることができる。
また、本実施形態の光源装置11においては、波長変換層32と反射型偏光素子25との間にコリメーターレンズ24が設けられているため、反射型偏光素子25に入射する光がより平行化され、反射型偏光素子25に入射する光の入射角分布が狭まる。これにより、反射型偏光素子の偏光分離特性の低下が抑えられるため、光利用効率の低下を抑えることができる。
なお、波長変換層32に入射する第1の光L1の偏光比を調整する手段として、本実施形態の位相差板21を回転させる手段に代えて、以下の第1変形例または第2変形例を採用してもよい。
(第1変形例)
光が透過した際の位相差がそれぞれ異なる複数種の位相差板を予め用意しておき、複数種の位相差板の中から所望の光量比が得られる1枚の位相差板を選択し、選択した位相差板を光源装置11に用いる。ホワイトバランスの経時的な変化に対応する場合には、現状の位相差板を異なる位相差を有する位相差板と適宜交換すればよい。
この構成では、位相差板を回転させる上記実施形態のように、青色光と黄色光との光量比を連続的に変化させることはできず、得られる光量比の値は離散的になる。ただし、位相差板の回転機構は不要であるため、光源装置11の構成を簡略化できる。
(第2変形例)
光が透過した際の位相差が互いに等しい複数枚の位相差板を予め用意しておき、所望の光量比が得られるように、複数枚の位相差板を重ねて光源装置に用いる。ホワイトバランスの経時的な変化に対応する場合には、位相差板を重ねる枚数を適宜変更すればよい。
第2変形例の構成も第1変形例の構成と同様、得られる光量比の値は離散的になる。ただし、位相差板の回転機構は不要であるため、光源装置11の構成を簡略化できる。
なお、位相差板を重ねる枚数を変更することに代えて、厚さがそれぞれ異なる複数枚の位相差板を予め用意しておき、その中から所望の光量比が得られる厚さを有する位相差板を選択するようにしてもよい。
[第2実施形態]
以下、本発明の第2実施形態について、図11〜図14を用いて説明する。
第2実施形態のプロジェクターの構成は第1実施形態と同様であり、光源装置の構成が第1実施形態と異なる。そのため、プロジェクターの説明は省略する。
図11は、第2実施形態の照明装置の概略構成図である。
図11において、第1実施形態で用いた図2と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。
図11に示すように、照明装置52は、光源装置53と、均一化照明光学系12と、を備えている。
光源装置53は、発光部55と、集光レンズ22と、波長変換素子23と、コリメーターレンズ24と、反射型偏光素子25と、光量モニター用ミラー26と、センサーユニット27(検出部)と、制御部28と、回転機構56と、を備えている。発光部55は、第1偏光方向および第2偏光方向と交差する回転軸、すなわちS偏光の偏光方向およびP偏光の偏光方向と交差する回転軸の周りに回転可能とされている。
本実施形態の場合、制御部28は、発光部55を回転させることにより、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、S偏光の光量とP偏光の光量とを制御する。さらに、制御部28は、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、S偏光の光量とP偏光の光量とを制御することにより、反射型偏光素子25から射出される青色のP偏光の光量を制御する。よって、本実施形態においては、発光部55と集光レンズ22との間に、位相差板21が設けられていない。
図12は、発光部55および回転機構56を示す斜視図である。
図12に示すように、発光部55は、複数の半導体レーザー58を備えた光源ユニット59と、光源ユニット59を回転させる回転機構56と、を備えている。回転機構56は、枠部60と、棒状部61と、を備えている。枠部60は、光源ユニット59を回転可能に保持する。棒状部61は、光源ユニット59の一端から延び、枠部60の外側に突出している。光源ユニット59は、棒状部61が枠部60の端面60cに沿った方向、すなわち矢印Aで示す方向に移動することによって回転する。
棒状部61を矢印Aの方向に移動させることによって、光源ユニット59を回転させる部分の具体的な構成は、第1実施形態の図4に示す位相差板21を回転させる部分の構成と略同様である。
図13は、X方向から見た光源ユニット59の正面図である。
図13に示すように、光源ユニット59は、複数の半導体レーザー58と、複数の半導体レーザー58を保持する保持部材63と、を備えている。半導体レーザー58は、第1の波長帯を有する第1の光L1をX方向に射出する。本実施形態では、光源ユニット59は、7個の半導体レーザー58を備えている。したがって、光源ユニット59の全体として、7本の第1の光L1を含む光が射出される。
半導体レーザー58は、CANパッケージタイプの半導体レーザーで構成されている。半導体レーザー58は、半導体レーザーチップ64と、半導体レーザーチップ64を収容する筐体65と、を備えている。筐体65は、台座66と、台座66の一面側を覆う缶体67と、から構成されている。図13の例では、一つの半導体レーザーチップ64がそれぞれ各筐体65の内部に収容されているが、複数の半導体レーザーチップ64がそれぞれ各筐体65の内部に収容されていてもよい。
保持部材63は、光源ユニット59からの第1の光L1の射出方向(X方向)から見た形状が円形の板材で構成されている。板材には、複数の半導体レーザー58の個数に対応し、缶体67の寸法に対応した7個の孔が設けられている。板材の材料は特に限定されないが、例えば熱伝導率が高い金属が望ましい。複数の半導体レーザー58の各々は、保持部材63の孔に缶体67が挿通された状態で台座66の一面が保持部材63の一面に当接することによって保持部材63に支持されている。保持部材63は、複数の半導体レーザー58を回転対称の位置に保持する。
複数の半導体レーザー58のうち、1個の半導体レーザー58aは、光源ユニット59の中心部に位置するように保持部材63に配置されている。他の6個の半導体レーザー58bは、中心の1個の半導体レーザー58aを取り囲むように、保持部材63において中心の半導体レーザー58aの周縁部に回転対称に配置されている。
周辺の6個の半導体レーザー58bは、中心の1個の半導体レーザー58aを中心として6個の半導体レーザー58bに外接する仮想円に沿うように保持部材63に配置されている。本実施形態では、仮想円は保持部材63の輪郭をなす円と略一致する。以上の配置により、光源ユニット59において、複数の半導体レーザーチップ64の発光中心同士を結んだ複数の直線k1〜k3,m1〜m3,n1〜n3が互いになす角度は互いに等しく、全て60°である。また、複数の半導体レーザー58において、隣り合う半導体レーザー58同士の筐体65は、台座66の部分で互いに当接している。
7個の半導体レーザー58は、半導体レーザーチップ64の向きが同じ方向を向くように配置されている。光源ユニット59において、半導体レーザー58は、半導体レーザーチップ64の長辺がZ軸と平行になるように配置されている。この配置によれば、符号LSの矢印で示すように、第1の光L1として、偏光方向がZ軸と平行な直線偏光が射出される。本実施形態の場合、偏光方向がZ軸と平行な直線偏光は、S偏光である。
半導体レーザーチップ64は、光を射出する発光領域64aを有している。発光領域64aは、射出された第1の光L1の中心軸の方向に沿って見たとき、長方形状の平面形状を有している。
図14は、照明装置2から白色光LWが射出される際の基準姿勢とした光源ユニット59の正面図である。
上述したように、半導体レーザーチップ64の発光領域64aの長辺がZ軸と平行になるように光源ユニット59が配置された場合(光源ユニット59の回転が中立状態である場合、図13参照)、全ての半導体レーザー58から波長変換層32に対して、S偏光の第1の光L1が射出される。これに対して、プロジェクター1を使用する際、すなわち照明装置2から白色の照明光LWが射出される際には、図14に示すように、半導体レーザー58は、半導体レーザーチップ64の発光領域64aの長辺がZ軸に対して所定の角度θをなすように配置される。
すなわち、光源ユニット59は、図13に示した姿勢から所定の角度θだけ回転される。光源ユニット59の角度θを0°から徐々に大きくしていくと、S偏光に対するP偏光の割合が徐々に増え、光源ユニット59の角度θが90°になると、光源ユニット59から射出される第1の光L1の全てがP偏光に変化する。このように、光源ユニット59を回転させることによって、波長変換層32に入射する第1の光L1のうち、P偏光の光量とS偏光の光量とを制御することができる。
光源装置53のその他の構成は、第1実施形態の光源装置11の構成と略同様である。
本実施形態においても、透過型の波長変換層32を有する透過型の波長変換素子23を備え、ホワイトバランスの調整が可能な光源装置53を実現できる、ホワイトバランスの経時的な変化に対応できる。すなわち、本実施形態も第1実施形態と同様の効果が得られる。
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記第1、第2実施形態に共通の変形例として、波長変換素子と反射型偏光素子との間にコリメーターレンズが設けられていなくてもよい。または、波長変換素子と反射型偏光素子との間に、コリメーターレンズに代えて、テーパーロッドレンズが設けられていてもよい。
また、上記実施形態では、ホワイトバランスのずれを検出する手段として、反射型偏光素子を透過した青色光の光量と黄色光の光量とを検出するセンサーを用いたが、このセンサーに代えて、例えばプロジェクターから投射される画像を撮像し、画像の色を検出する手段が用いられてもよい。
また、上記実施形態では、回転可能とされていない固定型の波長変換素子の例を挙げたが、本発明は、モーターによって回転可能とされた波長変換素子にも適用が可能である。
その他、波長変換素子、光源装置、およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。上記実施形態では、本発明による光源装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を、光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。
上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
1…プロジェクター、4R,4G,4B…光変調装置、6…投射光学装置、11,53…光源装置、14,55…発光部、25…反射型偏光素子(偏光分離素子)、27…センサーユニット(検出部)、28…制御部、32…波長変換層、32a…第1面、32b…第2面、33…ダイクロイックミラー(光学素子)、L1…第1の光、L2…第2の光、L3…第3の光、L4…第4の光、L5s…第5の光、L6p…第6の光。

Claims (8)

  1. 第1波長帯を有する第1の光を射出する発光部と、
    前記第1の光が入射される第1面と、前記第1面とは異なる第2面と、を有し、前記第1の光の一部を前記第1波長帯とは異なる第2波長帯を有する第2の光に変換し、前記第2の光および前記第1の光の他の一部を前記第2面から射出する波長変換層と、
    前記波長変換層の前記第2面に対向して設けられ、前記第1波長帯および第1偏光方向を有し、前記第2面から射出される第3の光を反射させ、前記第1波長帯および前記第1偏光方向とは異なる第2偏光方向を有し、前記第2面から射出される第4の光を透過させ、前記第2波長帯および前記第1偏光方向を有し、前記第2面から射出される第5の光を反射させ、前記第2波長帯および前記第2偏光方向を有し、前記第2面から射出される第6の光を透過させる偏光分離素子と、
    を備え、
    前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち、前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち、前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御することにより、前記第4の光の光量を制御する、光源装置。
  2. 前記偏光分離素子を透過する前記第4の光および前記第6の光を検出する検出部と、
    前記検出部の検出結果を所定値と比較することにより、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御する制御部と、を備える、請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記発光部と前記波長変換層との間に設けられ、前記発光素子から射出される前記第1の光が入射する位相差素子を備え、
    前記制御部は、前記位相差素子を回転させることにより、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御する、請求項2に記載の光源装置。
  4. 前記発光部は、前記第1偏光方向および前記第2偏光方向と交差する回転軸の周りに回転可能とされ、
    前記制御部は、前記発光部を回転させることにより、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第1偏光方向を有する光の光量と、前記波長変換層に入射する前記第1の光のうち前記第2偏光方向を有する光の光量と、を制御する、請求項2に記載の光源装置。
  5. 前記波長変換層の前記第1面に対向して設けられ、前記第1の光を透過させ、前記第2の光を反射させる光学素子を備える、請求項1から請求項4までのいずれか一項に記載の光源装置。
  6. 前記偏光分離素子によって反射した前記第3の光は、前記波長変換層の前記第2面から前記波長変換層に入射し、前記第2の光に変換される、請求項1から請求項5までのいずれか一項に記載の光源装置。
  7. 前記偏光分離素子によって反射した前記第5の光は、前記波長変換層の前記第2面から前記波長変換層に入射し、前記第2面から前記波長変換層に入射した前記第5の光の一部は、前記第6の光に変換される、請求項1から請求項6までのいずれか一項に記載の光源装置。
  8. 請求項1から請求項7までのいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
    前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、
    を備える、プロジェクター。
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