JP2021089303A - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源装置において、光源への戻り光を抑制し耐久性を高める。【解決手段】光源装置は、光源と、該光源からの光が照射される光学素子と、光源と光学素子との間に配置され、光源からの光に対して作用する微細構造面１０３２を有する微細構造素子１０３とを含む。微細構造素子１０３を、微細構造面１０３２が光源側を向くように配置する。【選択図】図２

Description

本発明は、画像投射装置（以下、プロジェクタという）に好適な光源装置に関する。

プロジェクタには、その光源として半導体レーザ素子を用いるものがある。特許文献１〜３には、レーザ光がコヒーレント光であることを利用して、光源からの光路上に回折光学素子等の微細構造素子を配置したプロジェクタが開示されている。

特開２０１１−０５９２６５号公報 特開２０１４−１７８５９９号公報 特開２０１５−０８１９５３号公報

微細構造素子は、その微細構造面の反対側の入射面が光源側を向いていると、光源からのレーザ光が入射面で反射して光源に戻ることで、光源が劣化するおそれがある。しかしながら、特許文献１〜３には微細構造面の向きについては記載がない。

本発明は、微細構造面の向きを適切に設定することで、より耐久性が高い光源装置およびこれを用いたプロジェクタを提供する。

本発明の一側面としての光源装置は、光源と、該光源からの光が照射される光学素子と、光源と光学素子との間に配置され、光源からの光に対して作用する微細構造面を有する微細構造素子とを含む。微細構造素子は、微細構造面が光源側を向くように配置されていることを特徴とする。なお、上記光源装置を用いた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、微細構造素子における微細構造面の向きを適切に設定したことで、より耐久性が高い光源装置を実現することができる。

本発明の実施例１である光源装置を備えたプロジェクタの構成を示す図。 実施例１の光源装置に用いられる微細構造素子の概略図。 微細構造素子の微細構造面の概略図。 実施例１における微細構造素子上での光強度分布を示す図。 実施例１における蛍光体上での光強度分布を示す図。 微細構造素子から光源への戻り光を示す概略図。 本発明の実施例２である光源装置の構成を示す図。 本発明の実施例３である光源装置の構成を示す図。

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を備えたプロジェクタ（画像投射装置）の構成を示している。光源装置１００は、複数のレーザ光源１０１、複数のコリメータレンズ（コリメート素子）Ａ１０２、複数の微細構造素子１０３、波長変換素子（光学素子）としての複数の蛍光体１０４および複数のコリメータレンズＢ１０５により構成されている。なお、複数の微細構造素子１０３に代えて、１つの微細構造素子を設け、該１つの微細構造素子における複数の領域に複数のレーザ光源１０１からの光が入射するように構成してもよい。同様に、複数の蛍光体１０４に代えて、１つの蛍光体を設け、該１つの蛍光体における複数の領域に複数のレーザ光源１０１からの光が入射するように構成してもよい。

複数のレーザ光源１０１はそれぞれ、青色のレーザ光（以下、単に光または青色光という）を発する。レーザ光源１０１から発せられた拡散光は、コリメータレンズＡ１０２により一点鎖線で示す光軸が延びる方向（以下、光軸方向という）に進む平行光に変換されて微細構造素子１０３に入射する。微細構造素子１０３は、図２に示すように、基板１０３１における一方の面が微細構造面１０３２で、他方（反対側）の面が平面１０３３として形成された素子である。

図３は、微細構造面１０３２の８位相分の構成を概略的に示している。微細構造面１０３２には、光軸方向に交差（図では光軸方向に直交）する端面１０３２ａおよび光軸方向に延びる（図では光軸方向に平行な）側面１０３２ｂをそれぞれ複数含む微細構造（複数の凸部と凹部）が形成されている。微細構造面１０３２には、高さ1,000nm内に８つの端面１０３２ａ（125nmずつの段差）が設けられている。そして本実施例では、微細構造素子１０３は、図２に示すように微細構造面１０３２がレーザ光源１０１側（光源側）を向き、その反対側の出射面としての平面１０３３が蛍光体１０４側（光学素子側）を向くように配置されている。

なお、レーザ光源１０１と微細構造素子１０３との間に反射面が含まれていてもよい。この場合、反射面での反射を含む屈曲光路を直線光路に展開したときに拡微細構造面がレーザ光源１０１側を向いていればよく、言い換えれば微細構造素子１０３において微細構造面１０３２が入射側にあればよい。同様に微細構造素子１０３と蛍光体１０４との間に後述する実施例２のように反射面があったとしても、そこでの反射を含む屈曲光路を直線光路に展開したときに平面１０３３が蛍光体１０４側を向いていればよく、言い換えれば微細構造素子１０３において平面１０３３が出射側にあればよい。

微細構造面１０３２に入射した光は、該微細構造面１０３２で回折されて平面１０３３から出射し、蛍光体１０４に照射されて（入射して）蛍光体１０４上に所定の光強度分布を形成する。すなわち、微細構造面１０３２は、入射する光に作用してその光の強度分布、言い換えれば光軸に直交する断面形状の縦横比を変換する。例えば、図４は、微細構造素子１０３に入射する光の平面１０３３上での光強度分布（断面形状）を示す。図５は、微細構造面１０３２の光学作用である回折作用によって蛍光体１０４上に形成された光強度分布を示す。

蛍光体１０４は、入射した青色光の一部を黄色光に波長変換し、残りを波長変換せずに出射させる。黄色光と波長変換されなかった青色光とが合成されることで白色光が生成される。蛍光体１０４から拡散光としての出射した白色光は、コリメータレンズＢ１０５で再び平行光に変換されて光源装置１００から出射し、後段の照明光学系に入射する。

照明光学系は、２つのフライアイレンズにより構成される光分割光学系２００とコンデンサレンズ３００により構成されている。光分割光学系２００は、入射した光を複数の光に分割する。該複数の光はコンデンサレンズ３００によって光変調素子４００上にて互いに重ね合わせられるように集光される。これにより、光変調素子４００の変調面が均一な光強度で照明される。

光変調素子４００は、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、入射した光（照明光）をプロジェクタに外部から入力された映像信号に応じて変調する。光変調素子４００から出射した変調光（画像光）は、投射光学系５００によりスクリーン（被投射面）６００に拡大投射される。これによりスクリーン６００上に投射画像が表示される。

次に、微細構造素子１０３を微細構造面１０３２がレーザ光源１０１側を向くように配置した理由を、図６を用いて説明する。図６の上段には微細構造素子１０３の平面１０３３がレーザ光源１０１側を向いている場合を、下段には微細構造素子１０３の微細構造面１０３２がレーザ光源１０１側を向いている場合をそれぞれ示している。

上段に示すようにコリメータレンズＡ１０２からの平行光が微細構造素子１０３の平面１０３３に入射すると、該平行光の一部が平面１０３３で反射して直接、レーザ光源１０１の発光部に戻る。この結果、レーザ光源１０１が劣化し、レーザ光源１０１の光量低下や不点灯を引き起こすおそれがある。

一方、下段に示すようにコリメータレンズＡ１０２からの平行光が平面１０３３を介さずに微細構造面１０３２に入射すると、該平行光の一部は微細構造面１０３２で反射するが、その反射光は収束または発散する。この結果、レーザ光源１０１の発光部に直接戻る光を低減することができる。このため、戻り光によるレーザ光源１０１の劣化を抑制し、耐久性を向上させることが可能となる。

このように本実施例によれば、微細構造素子１０３における微細構造面１０３２の向きを適切に設定したことで、より耐久性が高い光源装置１００、さらにはプロジェクタを実現することができる。

図７は、本発明の実施例２である光源装置１１０、照明光学系および光変調素子４００を示している。光源装置１１０は、複数のレーザ光源１１１（１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂ）、複数のコリメータレンズＡ１１２（１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ）、複数の微細構造素子１１３（１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂ）、複数の拡散板（光学素子としての拡散素子）１１４および複数のコリメータレンズＢ１１５により構成されている。符号に付されたＲ，ＧおよびＢはそれぞれ、赤色光、緑色光および青色光用の構成要素であることを示している。

なお、複数の微細構造素子１１３Ｒ，１１３Ｇ，１１３Ｂのそれぞれに代えて、微細構造素子を１つずつ設け、該１つずつの微細構造素子における複数の領域に複数のレーザ光源１１１Ｒ，１１１Ｇ，１１１Ｂからの光が入射するように構成してもよい。同様に、複数の拡散板１１４に代えて、１つの拡散板を設け、該１つの拡散板における複数の領域に後述する白色光が入射するように構成してもよい。

複数のレーザ光源１１１Ｒは赤色（Ｒ）光を発し、複数のレーザ光源１１１Ｇは緑色（Ｇ）光を発する。複数のレーザ光源１１１Ｂは青色（Ｂ）光を発する。各レーザ光源１１１からの拡散光は、コリメータレンズＡ１１２により一点鎖線で示す光軸が延びる方向（光軸方向）に進む平行光に変換されて微細構造素子１１３に入射する。微細構造素子１１３は、実施例１と同様に構成されたものであり、その微細構造面がレーザ光源１１１側を向き、平面が出射面として拡散板１１４側（光学素子側）を向くように配置されている。

微細構造素子１１３の微細構造面に入射した光（図４に示すような光強度分布を有する光）は、該微細構造面で回折されて平面から出射し、ダイクロイックミラーＡ１１６，Ｂ１１７を介して拡散板１１４に照射されて（入射して）、拡散板１１４上に図５に示したような所定の光強度分布を形成する。言い換えれば、実施例１と同様に、微細構造面はその光学作用としての回折作用によって、入射した光の光軸に直交する断面形状の縦横比を変換する。

ダイクロイックミラーＡ１１６はＧ光とＢ光を透過してＲ光を反射し、ダイクロイックミラーＢ１１７はＢ光を反射してＧ光とＲ光を透過させる。微細構造素子１１３Ｒから出射してダイクロイックミラーＡ１１６により反射されたＲ光、微細構造素子１１３Ｇから出射してダイクロイックミラーＡ１１６，Ｂ１１７を透過したＧ光および微細構造素子１１３Ｂから出射してダイクロイックミラーＢ１１７により反射されたＢ光は、互いに合成されて白色光を形成する。拡散板１１４に入射いて拡散光となった白色光は、コリメータレンズＢ１１５で再び光軸方向に進む平行光に変換されて光源装置１１０から出射し、後段の照明光学系に入射する。

照明光学系は、実施例１と同様に２つのフライアイレンズにより構成される光分割光学系２００とコンデンサレンズ３００により構成され、入射した光を複数の光に分割してこれらを光変調素子４００上で重ね合わせるように集光する。

本実施例でも、微細構造素子１１３を微細構造面が入射面側（レーザ光源１１１側）に向くように配置したことで、より耐久性が高い光源装置１１０、さらにはプロジェクタを実現することができる。

図８は、実施例１で説明した光源装置１００を備えたプロジェクタのうち光源装置１００、照明光学系および光変調素子４００を示している。本実施例のプロジェクタは、照明光学系が光分割光学系２００を有さない点で実施例１と異なる。本実施例では、実施例１と同様に、蛍光体１０４上に図５に示すような光強度分布が形成され、その光強度分布をコリメータレンズＢ１０５とコンデンサレンズ３００によって光変調素子４００上に投影する。

このように光分割光学系２００を有さないプロジェクタにも、微細構造素子１０３の微細構造面をレーザ光源１０１側に向けた実施例１の光源装置１００を用いることができる。

なお、上記各実施例ではプロジェクタに用いられる光源装置について説明したが、各実施例の光源装置をプロジェクタ以外の装置に用いてもよい。

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。

１０１，１１１ レーザ光源
１０３，１１３ 微細構造素子
１０４ 蛍光体
１１４ 拡散板

Claims (9)

1. 光源と、
   該光源からの光が照射される光学素子と、
   前記光源と前記光学素子との間に配置され、前記光源からの光に対して作用する微細構造面を有する微細構造素子とを含み、
   前記微細構造素子は、前記微細構造面が前記光源側を向くように配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記光源と前記微細構造素子との間に、前記光源からの拡散光を平行光に変換するコリメート素子を有することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記微細構造面は、入射した光を回折させる作用を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. 前記微細構造面は、入射した光の断面形状を変換する作用を有す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. 前記微細構造素子における前記微細構造面とは異なる出射面が平面であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記光学素子は、入射した光を該入射した光の波長と異なる波長の光に変換する波長変換素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記光学素子は、入射した光を拡散させる拡散素子であることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記光源を複数有し、
   該複数の光源に対して、少なくとも１つの微細構造素子が設けられてい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、
   該光源装置から出射した光を変調する光変調素子とを有し、
   前記光変調素子からの光を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。

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