JP2021036267A - Light source device and projection type display device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置およびこれを用いたプロジェクタに関し、特に半導体レーザなどの固体光源を光源として用いた光源装置に関する。 The present invention relates to a light source device and a projector using the same, and more particularly to a light source device using a solid-state light source such as a semiconductor laser as a light source.
プロジェクタの光源として、従来の短寿命である高圧水銀ランプに代わり、メンテナンスフリーであるレーザが用いられるようになってきている。しかしながら、レーザの発光効率は現状低く高輝度プロジェクタを実現するには複数の光源を合成させる必要がある。 As a light source for a projector, a maintenance-free laser has come to be used instead of the conventional short-life high-pressure mercury lamp. However, the luminous efficiency of the laser is currently low, and it is necessary to combine a plurality of light sources in order to realize a high-luminance projector.
特許文献１には、光源（レーザおよびレーザ励起蛍光体）を複数合成させた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、複数の光源（レーザ励起蛍光体）からの光束をそれぞれプリズムミラーで折り曲げ、ロッドインテグレータで合成させることで高輝度のプロジェクタを実現させている。 Patent Document 1 discloses a projector in which a plurality of light sources (laser and laser-excited phosphor) are synthesized. In the projector disclosed in Patent Document 1, a high-luminance projector is realized by bending light fluxes from a plurality of light sources (laser-excited phosphors) with a prism mirror and synthesizing them with a rod integrator.
また、特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、３原色の光源（レーザ）がそれぞれ独立しており、２色の光束を合成する素子と、その合成された光束と残りの１色の光束を合成する素子により高演色牲を有したプロジェクタを実現させている。 Further, in the projector disclosed in Patent Document 2, the light sources (lasers) of the three primary colors are independent of each other, and the element that synthesizes the luminous fluxes of the two colors, the combined luminous flux, and the luminous flux of the remaining one color are combined. A projector with high color rendering properties is realized by the elements to be synthesized.
しかしながら、複数の光源から発する光束を合成し白色を形成するには、合成素子が多数必要、または合成素子に蒸着する膜の層数が多くなる傾向があり低コスト化が困難である。 However, in order to synthesize the light flux emitted from a plurality of light sources to form white, a large number of synthetic elements are required, or the number of layers of the film deposited on the synthetic element tends to increase, which makes it difficult to reduce the cost.
上記の特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、１つの光源装置に光合成素子としてレーザ光を反射かつレーザ励起蛍光体の光を透過させるダイクロイックミラーが搭載されている。さらに高輝度化のために光源装置を２つ並べて、台形プリズムミラーもしくは三角プリズムミラーで合成させている。したがって１つの光源装置に前述のダイクロイックミラー、プリズムミラーが必要であり合成素子数が増えてしまう。また前述のプリズムミラーにはマルチ反射膜が必要となり膜の層数が増えてしまう。 In the projector disclosed in Patent Document 1, one light source device is equipped with a dichroic mirror as a photosynthetic element that reflects laser light and transmits the light of a laser-excited phosphor. In order to further increase the brightness, two light source devices are arranged side by side and combined with a trapezoidal prism mirror or a triangular prism mirror. Therefore, the above-mentioned dichroic mirror and prism mirror are required for one light source device, and the number of synthetic elements increases. Further, the above-mentioned prism mirror requires a multi-reflective film, which increases the number of film layers.
上記の特許文献２にて開示されたプロジェクタでは、赤光源から入力した光束を全反射させた後ダイクロイック膜で反射し、かつ緑、青緑光源から入力して前述のダイクロイック膜を透過する波長の異なる光束と略同一光軸上で出力するよう構成した合成プリズムが搭載されている。さらに青光源から入力した光束を全反射させた後ダイクロイック膜で反射し、かつ前述で合成した光束と略同一光軸上で出力するよう構成した合成プリズムが搭載さている。したがって各波長を合成する際に所望の透過波長特性、反射波長特性を兼ねるダイクロイック膜が必要となり蒸着膜の層数が多くなる傾向にある。 In the projector disclosed in Patent Document 2, the light flux input from the red light source is totally reflected and then reflected by the dichroic film, and the wavelength is input from the green and blue-green light sources and transmitted through the dichroic film. It is equipped with a composite prism that is configured to output different light sources and output on substantially the same optical axis. Further, it is equipped with a synthetic prism configured to totally reflect the light flux input from the blue light source, then reflect it by the dichroic film, and output it on substantially the same optical axis as the light flux synthesized above. Therefore, when synthesizing each wavelength, a dichroic film having desired transmission wavelength characteristics and reflection wavelength characteristics is required, and the number of layers of the vapor deposition film tends to increase.
本発明は、上述したような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、複数の光源を合成するに当たり合成素子数を少なくし、かつ蒸着膜層数を少なくすることで低コスト化が実現可能な投写型映像表示装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the problems of the prior art as described above, and the cost can be reduced by reducing the number of synthetic elements and the number of thin-film deposition film layers when synthesizing a plurality of light sources. An object of the present invention is to provide a feasible projection type image display device.
上記の目的を達成するために、本発明に係る投写型映像表示装置は、
出射光の色が互いに異なる３つの光源と、
前記各出射光を合成する光合成手段と、
前記光合成手段によって合成された合成光を投写する投写手段と、
を備える投写型映像表示装置において、
前記光源は前記第１の光源を含む第１の光源部と、前記第２の光源および第３の光源を含む第２の光源部に分けられ、
それぞれ第１の光源色のみを効率良く投射手段に導く反射膜、第２の光源色および第３の光源色を効率良く投写手段に導く反射膜を備えた光合成手段を持つことを特徴とする。
In order to achieve the above object, the projection type image display device according to the present invention is
Three light sources with different colors of emitted light,
Photosynthetic means for synthesizing each emitted light and
A projection means for projecting synthetic light synthesized by the photosynthetic means, and
In a projection type image display device equipped with
The light source is divided into a first light source unit including the first light source and a second light source unit including the second light source and the third light source.
Each of them is characterized by having a photosynthetic means provided with a reflective film that efficiently guides only the first light source color to the projection means, and a reflective film that efficiently guides the second light source color and the third light source color to the projection means.
かかる構成において、本発明の実施例に基づき、さらに詳細に説明する。 Such a configuration will be described in more detail based on the examples of the present invention.
本発明に係る投写型映像表示装置によれば、複数の光源のうち１つの波長の光源のみを別ユニットとすることで、複数の光源から発する光束を合成する合成素子を低コストで製作可能となる。かつ、この合成素子を用いることで高輝度、高演色牲を持ったプロジェクタを実現することが可能である。 According to the projection type image display device according to the present invention, by using only one light source of a plurality of light sources as a separate unit, it is possible to manufacture a synthetic element that synthesizes luminous fluxes emitted from a plurality of light sources at low cost. Become. Moreover, by using this synthetic element, it is possible to realize a projector having high brightness and high color rendering properties.
以下、本発明の実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、本実施例の光源装置（投写型映像表示装置）の実施形態の構成を示す模式図である。 FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an embodiment of a light source device (projection type image display device) of this embodiment.
本発明の光源装置はさらに２つの光源装置ユニットからなっており、それぞれの射出光を合成した光を合成射出光として射出する。以下、光源から合成射出光までを順を追って説明する。 The light source device of the present invention is further composed of two light source device units, and emits light obtained by synthesizing each emission light as synthetic emission light. Hereinafter, the process from the light source to the synthetic emission light will be described step by step.
まず第１の光源装置ユニットから説明する。 First, the first light source device unit will be described.
第１の光源装置ユニットは、複数のレーザダイオード１を有している。レーザダイオード１は単波長であればどの波長帯域のレーザでも構わないが、本実施例では６３８ｎｍの赤色レーザダイオードを用いている。レーザダイオード１はそれぞれに射出光を平行光化するコリメータレンズを有しており、各々の射出光は略平行光となって紙面上方向に射出される。 The first light source device unit has a plurality of laser diodes 1. The laser diode 1 may be a laser in any wavelength band as long as it has a single wavelength, but in this embodiment, a red laser diode having a wavelength of 638 nm is used. Each laser diode 1 has a collimator lens that makes the emitted light parallel, and each emitted light becomes substantially parallel light and is emitted in the direction on the paper surface.
レーザダイオード１から射出された略平行光はミラー群２により集光されつつ反射される。プリズムミラー３は紙面両側から集光したレーザ光束群を凹レンズ４の焦点位置に集光する。凹レンズ４は集光光を略平行光化してミラー５に導く。ミラー５により反射された光は集光レンズ群６により拡散材ホイール７上に集光される。拡散材ホイール７は例えば硫酸バリウムなどの白色粉体を金属基板上に塗布したもので、入射したレーザ光束を拡散反射させる。また拡散材ホイール７はモータ（図示せず）により回転されており、レーザを光源とした際にスクリーン投影像に生じる特有の輝度むら（スペックル）を時間的に平均化し、低減させる機能も兼ねている。拡散材ホイール７反射後の光は集光レンズにより平行光化されて第１の光源ユニットを射出する。 The substantially parallel light emitted from the laser diode 1 is reflected while being focused by the mirror group 2. The prism mirror 3 collects the laser light flux group collected from both sides of the paper surface at the focal position of the concave lens 4. The concave lens 4 converts the focused light into substantially parallel light and guides it to the mirror 5. The light reflected by the mirror 5 is condensed on the diffuser wheel 7 by the condenser lens group 6. The diffuser wheel 7 is formed by applying a white powder such as barium sulfate on a metal substrate, and diffuses and reflects the incident laser light flux. In addition, the diffuser wheel 7 is rotated by a motor (not shown), and also has a function of temporally averaging and reducing the peculiar brightness unevenness (speckle) that occurs in the screen projection image when a laser is used as a light source. ing. The light after reflection by the diffuser wheel 7 is collimated by the condenser lens and emits the first light source unit.
次に第２の光源装置ユニットについて説明する。 Next, the second light source device unit will be described.
第２の光源ユニットはレンズやミラーの配置など、基本的な光学構成は第１の光源装置ユニットと同じであり、第１の光源ユニットと対面するように配置されている。第１の光源ユニットと異なる点は、光源のレーザダイオードの波長が第１の光源ユニットの波長以外である。本実施例において第２の光源ユニットの光源は緑レーザダイオード８と青レーザダイオード９の２種のレーザダイオードで構成されている。 The second light source unit has the same basic optical configuration as the first light source device unit, such as the arrangement of lenses and mirrors, and is arranged so as to face the first light source unit. The difference from the first light source unit is that the wavelength of the laser diode of the light source is other than the wavelength of the first light source unit. In this embodiment, the light source of the second light source unit is composed of two types of laser diodes, a green laser diode 8 and a blue laser diode 9.
第１の光源ユニットおよび第２の光源ユニットを射出した光束は正レンズ１０によって集光され、２灯合成プリズムミラー１１上に光源像を形成する。２灯合成プリズムミラー１１は第１の光源ユニットと第１の光源ユニットの射出光を同一方向に導く。２灯合成プリズムミラー１１により反射合成された光束は正レンズ１２によって略平行光化され、照明光学系に導かれる。 The light flux emitted from the first light source unit and the second light source unit is collected by the positive lens 10 and forms a light source image on the two-lamp composite prism mirror 11. The two-lamp composite prism mirror 11 guides the emitted light of the first light source unit and the first light source unit in the same direction. The luminous flux reflected and synthesized by the two-lamp composite prism mirror 11 is converted into substantially parallel light by the positive lens 12 and guided to the illumination optical system.
従来（特許文献１を含む）から、光源ユニットを合成させる合成素子、ここでは２灯合成プリズムミラー１１の表面には図２に示すようなマルチ反射膜が蒸着されている。この特性は１３層の膜で構成されているが、他の色に比べ緑帯域の反射率が若干低下している。この低下を無くすためにはさらに多くの膜を重ねる必要がある。 Conventionally (including Patent Document 1), a multi-reflection film as shown in FIG. 2 is vapor-deposited on the surface of a synthetic element for synthesizing a light source unit, in which a two-lamp synthetic prism mirror 11. This characteristic is composed of 13 layers of film, but the reflectance of the green band is slightly lower than that of other colors. In order to eliminate this decrease, it is necessary to stack more films.
本実施例では２灯合成プリズムミラー１１の第１の光源ユニット側には図３の特性を持った誘電体多層膜、第２の光源ユニット側には図４の特性を持った誘電体多層膜が蒸着されている。図３、４の特性はともにそれぞれ７層の膜で構成されており、高い反射率を実現している。 In this embodiment, the first light source unit side of the two-lamp composite prism mirror 11 is a dielectric multilayer film having the characteristics shown in FIG. 3, and the second light source unit side is a dielectric multilayer film having the characteristics shown in FIG. Is vapor-deposited. The characteristics of FIGS. 3 and 4 are each composed of 7 layers of films, and realize high reflectance.
図５は正レンズ１２射出後の合成光束の波長スペクトルである。 FIG. 5 is a wavelength spectrum of the combined luminous flux after the positive lens 12 is ejected.
赤レーザダイオード１から射出される光は６３８ｎｍ近傍に中心波長がある。緑レーザダイオード８は５２０ｎｍ近傍に中心波長がある。５２０ｎｍの波長を用いた時、画像光の緑としては最良であるとは言えない。とくに赤色と合成して黄色を表示するときに、白んだ色味の黄色しか出せず、画像としての表現力が大幅に低下する。実際には５３５〜５４０ｎｍ近傍の波長が好ましいが、現状効率や寿命という点において十分な性能が出せていない。ただしレーザ供給メーカの開発は進んでおり、数年後には５３５〜５４０ｎｍ近傍の緑レーザダイオードも使用可能の見込みである。青レーザダイオード９は４６５ｎｍに中心波長がある。青のレーザダイオードは発光波長が短いほど光変換効率が高くなるが、紫がかった青となってしまう。このため、画像としてより好ましい青を表示するために青レーザダイオード９は長波長の４６５ｎｍ青レーザを用いている。 The light emitted from the red laser diode 1 has a center wavelength near 638 nm. The green laser diode 8 has a center wavelength in the vicinity of 520 nm. When a wavelength of 520 nm is used, it is not the best green for image light. In particular, when yellow is displayed in combination with red, only a whitish yellow color is produced, and the expressiveness of the image is greatly reduced. Actually, a wavelength in the vicinity of 535 to 540 nm is preferable, but sufficient performance has not been obtained in terms of efficiency and life at present. However, the development of laser supply manufacturers is progressing, and it is expected that green laser diodes in the vicinity of 535 to 540 nm can be used in a few years. The blue laser diode 9 has a center wavelength of 465 nm. The shorter the emission wavelength of the blue laser diode, the higher the light conversion efficiency, but the blue laser diode becomes purplish blue. Therefore, in order to display more preferable blue as an image, the blue laser diode 9 uses a long wavelength 465 nm blue laser.
このスペクトルを持った光束は後段の照明光学系において３原色に分離され、各色の映像素子により画像形成されてスクリーン上にカラー画像を投影する。 The luminous flux having this spectrum is separated into three primary colors in the illumination optical system in the subsequent stage, an image is formed by the image sensor of each color, and a color image is projected on the screen.
さて、このようにして第１の光源装置ユニットに単色のレーザダイオードを配置し、第２の光源装置ユニットにそれ以外の波長のレーザダイオードを配置した構成において、２つの光源装置ユニットを合成させる２灯合成プリズムミラー１１を使用し、かつ２灯合成プリズムミラー１１の膜特性を入射光の波長に応じた特性に合わせることで、合成素子の数を減らし、かつ膜層数を減らすことができ低コスト化が可能となる。かつ、この合成素子を用いることで高輝度、高演色牲を持ったプロジェクタを実現することが可能である。 By the way, in the configuration in which the monochromatic laser diode is arranged in the first light source device unit and the laser diodes of other wavelengths are arranged in the second light source device unit, the two light source device units are combined. By using the lamp composite prism mirror 11 and matching the film characteristics of the two lamp composite prism mirror 11 to the characteristics according to the wavelength of the incident light, the number of composite elements can be reduced and the number of film layers can be reduced. Cost reduction is possible. Moreover, by using this synthetic element, it is possible to realize a projector having high brightness and high color rendering properties.
本実施形態においては、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、本発明はこれに限定されるものではない。すなわちＬＥＤやレーザ、例えばＹＡＧの２倍高調波等の固体レーザ、アルゴンレーザ等の気体レーザであっても良い。 In the present embodiment, a laser diode (LD) has been described as a light source. However, the present invention is not limited to this. That is, it may be an LED or a laser, for example, a solid-state laser such as a second harmonic of YAG, or a gas laser such as an argon laser.
図６は本実施例の光源装置の実施形態の構成を示す模式図である。 FIG. 6 is a schematic view showing the configuration of an embodiment of the light source device of this embodiment.
本実施例の光源装置ユニットの構成は第１実施例と同じであるが、複数の光源装置ユニットの合成方法が異なる。 The configuration of the light source device unit of this embodiment is the same as that of the first embodiment, but the method of synthesizing the plurality of light source device units is different.
第１の光源装置ユニットには赤レーザダイオード１のみが配置され、第２の光源装置ユニットにはそれ以外の波長帯域のレーザダイオードが配置されている。それぞれ光源装置ユニットを射出した光束は赤反射ダイクロイックミラー１３でそれぞれ反射、透過することで合成され、照明光学系に導かれる。このときそれぞれの光源色の波長をλ１＞λ２＞λ３とすると、λ２−λ３＜λ１−λ２となる。 Only the red laser diode 1 is arranged in the first light source device unit, and the laser diode in the other wavelength band is arranged in the second light source device unit. The light flux emitted from each of the light source device units is combined by being reflected and transmitted by the red reflection dichroic mirror 13, and is guided to the illumination optical system. At this time, if the wavelength of each light source color is λ1> λ2> λ3, then λ2-λ3 <λ1-λ2.
特許文献２では、青を反射、緑と赤を透過するダイクロイック膜を蒸着した合成プリズムが搭載されている。図５の各光源の波長スペクトルを見るとわかるが、青と緑の中心波長の間隔は狭く、蒸着の際の膜厚制御がずれるとカット波長がシフトし所望の性能を得られなくなる虞がある。したがって本発明ではカット波長を緑と赤の間に持つダイクロイックミラーを使用する。 In Patent Document 2, a synthetic prism on which a dichroic film that reflects blue and transmits green and red is vapor-deposited is mounted. As can be seen from the wavelength spectrum of each light source in FIG. 5, the interval between the center wavelengths of blue and green is narrow, and if the film thickness control during vapor deposition is deviated, the cut wavelength may shift and the desired performance may not be obtained. .. Therefore, the present invention uses a dichroic mirror having a cut wavelength between green and red.
図７は赤反射ダイクロイックミラー１３の膜特性である。１２層の膜で構成されている。 FIG. 7 shows the film characteristics of the red reflection dichroic mirror 13. It is composed of 12 layers of film.
図８は裏面に蒸着される反射防止膜の特性である。７層の膜で構成されている。 FIG. 8 shows the characteristics of the antireflection film deposited on the back surface. It is composed of 7 layers of film.
さて、光源装置ユニットを合成させるダイクロイックミラーのカット波長を緑と赤の間に持って来ることで、膜厚の制御が比較的容易となり歩留まりが減少し、低コスト化が可能となる。 By bringing the cut wavelength of the dichroic mirror that synthesizes the light source device unit between green and red, the film thickness can be controlled relatively easily, the yield can be reduced, and the cost can be reduced.
図９は本発明の請求項２の光源装置の別の実施形態の構成を示す模式図である。 FIG. 9 is a schematic view showing the configuration of another embodiment of the light source device according to claim 2 of the present invention.
本構成は前述の構成の類似例であり、第１の光源装置ユニットの赤レーザダイオード１からの光は赤透過ダイクロイックミラー１４を透過し、第２の光源装置ユニットの緑レーザダイオード８、青レーザダイオード９からの光は赤透過ダイクロイックミラー１４で反射することで合成される。 This configuration is a similar example of the above configuration, and the light from the red laser diode 1 of the first light source device unit passes through the red transmission dichroic mirror 14, and the green laser diode 8 and the blue laser of the second light source device unit are transmitted. The light from the diode 9 is synthesized by being reflected by the red transmission dichroic mirror 14.
図１０は赤透過ダイクロイックミラー１４の膜特性である。８層の膜で構成されている。 FIG. 10 shows the film characteristics of the red transmission dichroic mirror 14. It is composed of eight layers of film.
本構成では、前述の赤反射ダイクロイックミラー１３よりも膜層数が少なく、膜特性も若干良く、より膜厚の制御が容易となり歩留まりが減少し、より低コスト化が可能となるため、こちらの方がより望ましい。 In this configuration, the number of film layers is smaller than that of the red reflection dichroic mirror 13 described above, the film characteristics are slightly better, the film thickness can be controlled more easily, the yield can be reduced, and the cost can be further reduced. Is more desirable.
本実施形態においては、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、本発明はこれに限定されるものではない。すなわちＬＥＤやレーザ、例えばＹＡＧの２倍高調波等の固体レーザ、アルゴンレーザ等の気体レーザであっても良い。 In the present embodiment, a laser diode (LD) has been described as a light source. However, the present invention is not limited to this. That is, it may be an LED or a laser, for example, a solid-state laser such as a second harmonic of YAG, or a gas laser such as an argon laser.
１ 赤レーザダイオード、２ ミラー群、３ プリズムミラー、
４ 凹レンズ、５ ミラー、６ 集光レンズ、７ 拡散材ホイール、
８ 緑レーザダイオード、９ 青レーザダイオード、１０ 正レンズ、
１１ ２灯合成プリズムミラー、１２ 正レンズ、
１３ 赤反射ダイクロイックミラー、１４ 赤透過ダイクロイックミラー
1 red laser diode, 2 mirrors, 3 prism mirrors,
4 concave lens, 5 mirror, 6 condenser lens, 7 diffuser wheel,
8 green laser diode, 9 blue laser diode, 10 positive lens,
11 2-lamp synthetic prism mirror, 12 positive lens,
13 Red reflective dichroic mirror, 14 Red transmissive dichroic mirror
Claims (2)
前記各出射光を合成する光合成手段と、
前記光合成手段によって合成された合成光を投写する投写手段と、
を備える投写型映像表示装置において、
前記光源は前記第１の光源を含む第１の光源部と、前記第２の光源および第３の光源を含む第２の光源部に分けられ、
それぞれ第１の光源色のみを効率良く投射手段に導く反射膜、第２の光源色および第３の光源色を効率良く投写手段に導く反射膜を備えた光合成手段を持つことを特徴とする投写型映像表示装置。 Three light sources with different colors of emitted light,
Photosynthetic means for synthesizing each emitted light and
A projection means for projecting synthetic light synthesized by the photosynthetic means, and
In a projection type image display device equipped with
The light source is divided into a first light source unit including the first light source and a second light source unit including the second light source and the third light source.
Projection characterized by having a photosynthetic means each provided with a reflective film that efficiently guides only the first light source color to the projection means, and a reflective film that efficiently guides the second light source color and the third light source color to the projection means. Type video display device.
前記第２の光源色を発する光源および第３の光源色を発する光源を含む第２の光源部に分けれ、
それぞれの光源色の波長をλ１＞λ２＞λ３とすると、λ２−λ３＜λ１−λ２となり、
それぞれ第１の光源色のみを効率良く投射手段に導く透過もしくは反射膜、
第２の光源色および第３の光源色を効率良く投写手段に導く透過もしくは反射膜を備えた光合成手段を持つことを特徴とする請求項１に記載の投射型映像表示装置。 The light source includes a first light source unit including a light source that emits the first light source color, and
It is divided into a second light source unit including a light source that emits the second light source color and a light source that emits the third light source color.
If the wavelength of each light source color is λ1>λ2> λ3, then λ2-λ3 <λ1-λ2, and so on.
A transmissive or reflective film that efficiently guides only the first light source color to the projection means, respectively.
The projection type image display device according to claim 1, further comprising a photosynthetic means provided with a transmitting or reflecting film that efficiently guides a second light source color and a third light source color to a projection means.
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