JP2022112217A - Light source device and image projection device - Google Patents
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Description
本発明は、光源装置および画像投射装置に関する。 The present invention relates to a light source device and an image projection device.
従来、光源から発生する光束を画像表示素子に照射し、入力映像信号に応じて画像表示素子で光束を変調した後、この光束を投射光学系で投射する画像投射装置(プロジェクタ)が知られている。特許文献1には、レーザダイオード(LD)からの光により波長変換素子(蛍光体)を励起することで発生する蛍光光を照明光として用いる画像投射装置が開示されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an image projection apparatus (projector) in which an image display element is irradiated with a light flux generated from a light source, the light flux is modulated by the image display element according to an input video signal, and the light flux is projected by a projection optical system. there is Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2002-200003 discloses an image projection apparatus that uses fluorescent light generated by exciting a wavelength conversion element (phosphor) with light from a laser diode (LD) as illumination light.
特許文献1に開示された画像投射装置は、LDの数や出力を増加させることで、投射画像の明るさを増加させることができる。しかし、波長変換素子に入射する励起光の光量が多くなると、波長変換素子の輝度飽和の影響により、励起光から蛍光光への変換効率が低下する。また、波長変換素子で変換されなかった励起光がLDに戻ってLDの温度を上昇させ、LDの発光効率を低下させる。 The image projection apparatus disclosed in Patent Document 1 can increase the brightness of the projected image by increasing the number and output of the LDs. However, when the amount of excitation light incident on the wavelength conversion element increases, the conversion efficiency from excitation light to fluorescent light decreases due to the effect of luminance saturation of the wavelength conversion element. In addition, the excitation light that has not been converted by the wavelength conversion element returns to the LD, raises the temperature of the LD, and reduces the luminous efficiency of the LD.
そこで本発明は、明るい光を生成することが可能な光源装置および画像投射装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a light source device and an image projection device capable of generating bright light.
本発明の一側面としての光源装置は、第1の色光を発する光源部と、前記第1の色光を第2の色光に変換する波長変換素子と、前記第2の色光を透過する第1の部分領域および前記第2の色光を反射する第2の部分領域を有する再帰光学素子とを有し、前記波長変換素子における前記第1の色光の最大光密度は、30(W/mm2)よりも大きい。 A light source device as one aspect of the present invention includes a light source unit that emits a first color light, a wavelength conversion element that converts the first color light into a second color light, and a first light source that transmits the second color light. a retrooptical element having a partial area and a second partial area that reflects the second color light, wherein the maximum optical density of the first color light in the wavelength conversion element is greater than 30 (W/mm 2 ) is also big.
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。 Other objects and features of the invention are illustrated in the following examples.
本発明によれば、明るい光を生成することが可能な光源装置および画像投射装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a light source device and an image projection device capable of generating bright light.
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、図1を参照して、本発明の実施例1における画像投射装置(プロジェクタ)200について説明する。図1は、画像投射装置200の構成図である。画像投射装置200は、光源装置100、照明光学系150、色分離合成系160、画像表示素子24、および投射レンズ(投射光学系)25を有する。
First, an image projection apparatus (projector) 200 according to Embodiment 1 of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram of an
光源装置100において、LDユニット(光源部)10は、複数のLD(レーザーダイオード)1および複数のコリメータレンズ2を有し、青光(第1の色光)を発する。LDユニット10からの青光は、正のパワーを有する第1のレンズ3と負のパワーを有する第2のレンズ4とで圧縮される。第1のレンズ3および第2のレンズ4は、アフォーカル光学系を構成する。圧縮された青光はレンズアレイ5で複数の光束に分割され、ダイクロイックミラー6および再帰光学素子(再帰ミラー)7を透過して、第1のコリメータレンズ(集光手段)8で蛍光体ホイール(波長変換素子)9に集光される。第1のコリメータレンズ8は、青光を蛍光体ホイール9の所定の領域に集光する。ダイクロイックミラー6は、青光を透過して緑光および赤光を反射する特性を有する。本実施例において、再帰光学素子7は、照明光学系150と蛍光体ホイール9との間の光路中に配置されている。
In the
次に、図2を参照して、再帰光学素子7の構成について説明する。図2は、再帰光学素子7の構成図である。再帰光学素子7は、領域(第1の部分領域)7Aおよび領域(第2の部分領域)7Bを有する。領域7Aは、第1の方向(x方向)において長さL1、第1の方向と直交する第2の方向(y方向)において長さL2を有する。領域7Aは、可視光(青光と緑光と赤光)を透過する特性を有する領域(少なくとも第2の色光を透過する領域)である。領域7Bは、可視光または蛍光光(緑光と赤光)を反射する特性を有する領域(少なくとも第2の色光を反射する領域)である。なお再帰光学素子7は、基板をケミカルエッチングして領域7Aを空洞にしてもよい。
Next, the configuration of the
次に、図3を参照して、蛍光体ホイール9の構成について説明する。図3は、蛍光体ホイール9の構成図である。蛍光体ホイール9は、熱伝導率の高い基板9A、および、光を透過させる透明な基板9Bを有し、第1の色光(青光)を第2の色光(緑光および赤光、すなわち蛍光光)に変換する。基板9Aには、蛍光体9Cが円周状に塗布されており、蛍光体9Cと基板9Aとの間に反射膜が蒸着されている。また、蛍光体ホイール9の中心はモータの駆動軸に固定されており、蛍光体ホイール9は回転軸を中心に回転する。基板9Aは、アルミまたは銅などの金属基板やサファイアなどの結晶基板を使用することができる。基板9Bは、ガラス、透明セラミックス、樹脂、またはサファイアなどの結晶基板などを使用することができる。蛍光体9Cは、量子ドットや量子ロッドなど、励起光を吸収して蛍光する材料であってもよい。
Next, the configuration of the
蛍光体ホイール9は回転しているため、ある時間の割合で基板9Aと基板9Bに青光が入射する。基板9Aに入射した青光の大部分は、蛍光光(緑光+赤光)に変換される。蛍光体9Cからの蛍光光は、第1のコリメータレンズ(平行化手段)8で平行化され、再帰光学素子7に入射する。領域7Bに入射した蛍光光は反射され、蛍光体ホイール9の蛍光体9Cに再帰される。蛍光体9Cに再帰された蛍光光の一部は蛍光体で再吸収されるが、大部分の光は散乱反射される。
Since the
次に、図4(a)、(b)を参照して、再帰光学素子7の入射前および射出後の蛍光光の光束について説明する。図4(a)は再帰光学素子7への入射前の蛍光光の光束の模式図であり、図4(b)は再帰光学素子7から射出後の蛍光光の光束の模式図である。図4(a)、(b)に示されるように、再帰光学素子7への入射前の光束(入射直前の光束)の面積Sは、再帰光学素子7から射出後の光束(射出直後の光束)の面積S’へ小さくなる。このため、再帰光学素子7を配置することにより、照明効率を低下させることなく、光束の面積を小さくすることができる。領域7Aを通過した蛍光光はダイクロイックミラー6で反射され、照明光学系150に導かれる。
Next, with reference to FIGS. 4(a) and 4(b), the luminous flux of the fluorescent light before entering and after exiting the
照明光学系150は、第1のフライアイレンズ19、第2のフライアイレンズ20、およびコンデンサーレンズ21を有し、照明光を画像表示素子24に照明する。画像表示素子24は、画素に対応する微小ミラーを有する素子(デジタルマイクロミラーデバイス:DMD)であり、微小ミラーで照明光の反射方向を変えることで照明光を変調する。ただし本実施例は、これに限定されるものではなく、画像表示素子24として反射型液晶パネルまたは透過型液晶パネルを用いてもよい。
The illumination
色分離合成系160は、TIRプリズム22およびダイクロイックプリズム(色分離手段)23を有する。TIRプリズム22は、第1プリズム22Aと第2プリズム22Bとから構成され、界面に数十μmのエアーギャップを設けて接着されている。ダイクロイックプリズム23は、緑光を透過し、青光および赤光を反射する特性を有する。照明光学系150から色分離合成系160に入射した光は、TIRプリズム22で全反射され、ダイクロイックプリズム23で緑光と赤光とに分離される。緑光は第1の画像表示素子24Aを照明し、赤光は第2の画像表示素子24Bを照明する。第1の画像表示素子24Aで変調された光は、ダイクロイックプリズム23およびTIRプリズム22を透過して、投射レンズ25に導かれる。投射レンズ25に導かれた光は、不図示のスクリーン(被投射面)に拡大投射される。第2の画像表示素子24Bで変調された赤光は、ダイクロイックプリズム23で反射され、緑光と同じ原理で不図示のスクリーンに拡大投射される。
The color separation/
蛍光体ホイール9の基板9Bに入射した青光は、基板9Bを透過して、第1のリレーレンズ11および第2のリレーレンズ14を介して、拡散板15に集光される。光路を折り曲げるため、第1のミラー12および第2のミラー13が配置されている。拡散板15で拡散した青光は、光路を折り曲げの第3のミラー16で反射され、第2のコリメータレンズ17で平行化され、ダイクロイックミラー6に導かれる。ダイクロイックミラー6に導かれた青光は、ダイクロイックミラー6を透過して、照明光学系150を介して、色分離合成系160に入射する。色分離合成系160に入射した青光は、ダイクロイックプリズム23で反射され、第2の画像表示素子24Bを照明する。第2の画像表示素子24Bで変調された青光は、赤光と同じ原理で不図示のスクリーンに導かれる。
The blue light incident on the
蛍光体ホイール9の基板9Bは、入射した青光を透過させるために設けられているため、基板9Bを設けなくてもよい。また、拡散板15を基板9Bに配置した構成にしてもよい。蛍光体ホイール9からの未変換の青光は第1のコリメータレンズ8で平行化されるため、再帰光学素子7をレンズアレイ5とダイクロイックミラー6との間に配置する構成にしてもよい。
Since the
次に、本実施例において再帰光学素子7が満たすことが好ましい条件について説明する。照明光学系150のエテンデュは、以下の式(1)で表すことができる。
Next, conditions that the retro-
E=π×A/(2×F)2 ・・・(1)
式(1)において、A(mm2)は画像表示素子24の有効領域の面積、Fは投射レンズ25のF値である。蛍光体9Cから一様の角度で蛍光光が放出されるため、照明光学系150のエテンデュが決まれば、取り込める励起光の面積B(mm2)を算出することができる。全ての光束を取り込む場合、コリメータレンズのF値は0.5にする必要がある。従って、照明光学系150のエテンデュEと面積Bとの関係は、E>π×B/(2×0.5)=π×B、すなわち、B<E/πとなる。
E=π×A/(2×F) 2 (1)
In equation (1), A (mm 2 ) is the area of the effective region of the image display element 24 and F is the F value of the
しかしながら、光学系の収差で蛍光体9C上の励起光の像がボケたり、蛍光体9Cの内部での蛍光光の散乱で像が広がるため、現実的な励起光の面積Bは、以下の式(2)のように表される。
However, the image of the excitation light on the
B=E/4 ・・・(2)
従って、最適な設計をした場合の蛍光体9Cにおける励起光の光密度をD(W/mm2)としたとき、光密度Dは、以下の式(3)のように表すことができる。
B=E/4 (2)
Therefore, when the optical density of the excitation light in the
D=4P/E ・・・(3)
式(3)において、Pは蛍光体9Cを励起する励起光のエネルギー(W)である。蛍光体9Cでの励起光の光密度が低い場合、蛍光体9Cでの輝度飽和による効率低下は少ないため、再帰光学素子7で再帰する必要はない。一方、励起光の光密度が高くなると、輝度飽和による効率低下が顕著になるため、以下の条件式(4)、(5)を満足することが好ましい。
D=4P/E (3)
In formula (3), P is the energy (W) of the excitation light that excites the
30≦D≦180 ・・・(4)
0.2-0.001×D≦R≦0.8 ・・・(5)
R=(S-S’)/S
ここで、S(mm2)は再帰光学素子7に入射する直前の光束の面積、S’(mm2)は再帰光学素子7から射出した直後の光束の面積である。Rは再帰率である。図9は、再帰光学素子7による照明効率の改善量を示す図であり、蛍光光の再帰率R(縦軸)と光密度D(横軸)と改善量との関係を示す。光密度Dが高いほど、再帰による改善効果が高いことが分かる。
30≦D≦180 (4)
0.2-0.001×D≦R≦0.8 (5)
R = (SS')/S
Here, S (mm 2 ) is the area of the luminous flux immediately before entering the
条件式(4)の下限を超えると、輝度飽和による効率低下が少ないため、本実施例の効果を得ることができない。一方、条件式(4)の上限を超えると、光密度Dが高すぎるため、蛍光光を再帰した影響で更に温度が上昇し、蛍光体9Cの耐久性に問題が発生する可能性がある。
If the lower limit of the conditional expression (4) is exceeded, the effect of the present embodiment cannot be obtained because the reduction in efficiency due to luminance saturation is small. On the other hand, if the upper limit of conditional expression (4) is exceeded, the optical density D is too high, and the temperature may further rise due to the effect of the retroreflected fluorescent light, which may cause a problem with the durability of the
条件式(5)の下限を超えると、再帰による効率改善の効果を得ることができない。一方、条件式(5)の上限を超えると、蛍光体9Cへの再帰光量が増えすぎ、蛍光体9Cの耐久性に問題が発生する可能性がある。
If the lower limit of conditional expression (5) is exceeded, the effect of improving efficiency by recursion cannot be obtained. On the other hand, if the upper limit of the conditional expression (5) is exceeded, the amount of retroreflected light to the
本実施例において、以上の各条件式を実質的に満足するには、蛍光体ホイール9における励起光の最大光密度が30(W/mm2)よりも大きくなるように設定する必要がある。
In this embodiment, in order to substantially satisfy each of the above conditional expressions, it is necessary to set the maximum optical density of the excitation light on the
より好ましくは、条件式(4)、(5)の数値範囲はそれぞれ、以下の条件式(4a)、(5a)を満足するように設定される。 More preferably, the numerical ranges of conditional expressions (4) and (5) are set so as to satisfy the following conditional expressions (4a) and (5a), respectively.
25R+35≦D≦150 ・・・(4a)
0.25-0.001×D≦R≦0.6 ・・・(5a)
また本実施例において、再帰光学素子7の領域7Aの第1の方向の長さL1と第1の方向と直交する第2の方向の長さL2は、以下の条件式(6)を満足することが好ましい。
25R+35≦D≦150 (4a)
0.25−0.001×D≦R≦0.6 (5a)
In this embodiment, the length L1 of the
1.1×L2≦L1 ・・・(6)
本実施例において、図2に示されるように、第1の方向はx方向、第2の方向はy方向である。TIRプリズム、ダイクロイックミラー、および偏光ビームスプリッタなどは角度特性を有するため、光の色分離断面の光線の角度分布を小さくすることで、高い効率で使うことができる。本実施例では、ダイクロイックプリズム23の色分離断面の法線と光軸が作る面と第2の方向(y方向)とが平行である。このように、領域7Aのy方向をより再帰させることで、TIRプリズム22とダイクロイックプリズム23を高い効率で使うことができる。
1.1×L2≦L1 (6)
In this embodiment, the first direction is the x-direction and the second direction is the y-direction, as shown in FIG. Since TIR prisms, dichroic mirrors, polarizing beam splitters, etc. have angular characteristics, they can be used with high efficiency by reducing the angular distribution of light rays in the color separation cross section of light. In this embodiment, the plane formed by the normal to the color separation section of the
より好ましくは、条件式(6)の数値範囲は、以下の条件式(6a)を満足するように設定される。 More preferably, the numerical range of conditional expression (6) is set so as to satisfy the following conditional expression (6a).
1.2×L2≦L1 ・・・(6a)
ここで、蛍光体9Cの蛍光光の像が第1のコリメータレンズ8で平行化され、再帰光学素子7で再帰され、蛍光体9Cに再結像する光学系を考える。この場合、第1のコリメータレンズ8の瞳位置に近傍に再帰光学素子7を配置することで、テレセントリック光学系にすることができるため、再帰効率を改善することが可能である。第1のコリメータレンズ8の主点から再帰光学素子7までの空気換算距離をda、第1のコリメータレンズ8の焦点距離をfcとするとき、以下の条件式(7)を満足することが好ましい。
1.2×L2≦L1 (6a)
Here, consider an optical system in which the image of the fluorescent light of the
0.5≦da/fc≦1.5 ・・・(7)
より好ましくは、条件式(7)の数値範囲は、以下の条件式(7a)を満足するように設定される。
0.5≦da/fc≦1.5 (7)
More preferably, the numerical range of conditional expression (7) is set so as to satisfy the following conditional expression (7a).
0.75≦da/fc≦1.25 ・・・(7a) 0.75≦da/fc≦1.25 (7a)
次に、図5を参照して、本発明の実施例2における画像投射装置について説明する。図5は、本実施例の画像投射装置の光学系の構成図である。 Next, with reference to FIG. 5, an image projection apparatus according to Embodiment 2 of the present invention will be described. FIG. 5 is a configuration diagram of the optical system of the image projection apparatus of this embodiment.
LDユニット(光源部)50は、複数のLD(レーザーダイオード)51および複数のコリメータレンズ52を有する。LDユニット50からの青光は、集光レンズ53で蛍光体ホイール(波長変換素子)54に集光される。蛍光体ホイール54の基本構成は、実施例1(図3)と同じであるが、基板を青光が透過する必要があるため、サファイアなどの熱伝導率が高く、可視光の透過率の高い基板が用いられる。
The LD unit (light source section) 50 has a plurality of LDs (laser diodes) 51 and a plurality of
蛍光体ホイール54からの蛍光光および青光は、コリメータレンズ55で平行化され、再帰光学素子56に入射する。再帰光学素子56の基本構成は実施例1(図2)と同じである。実施例1と同様に、再帰光学素子56に入射した一部の蛍光光は、蛍光体ホイール54の蛍光体に再帰される。再帰光学素子56を通過した光は、照明光学系に導かれ、色分離合成系および投射レンズを介して投影される。
Fluorescent light and blue light from
次に、図6を参照して、本発明の実施例3における画像投射装置について説明する。図6は、本実施例の画像投射装置の光学系の構成図である。
Next, with reference to FIG. 6, an image projection apparatus according to
複数のLDユニット(光源部)61からの青光は、複数の集光レンズ62により、蛍光体基板(波長変換素子)63に集光される。従って、蛍光体基板63に複数の青光の光源像が形成される。複数の光源像から蛍光した蛍光光は、複数のコリメータレンズ64で平行化され、再帰光学素子65に入射する。再帰光学素子65の基本構成は、実施例1(図2)と同じである。再帰光学素子65に入射した一部の蛍光光は、蛍光体基板63に再帰される。
Blue light from a plurality of LD units (light source section) 61 is condensed onto a phosphor substrate (wavelength conversion element) 63 by a plurality of condensing
図7(a)は再帰光学素子65に入射する直前(入射前)の蛍光の光束の模式図、図7(b)は再帰光学素子65から射出した直後(射出後)の蛍光の光束の模式図である。再帰光学素子65を配置することにより、照明効率をあまり低下させることなく光束の面積をSからS’に小さくすることができる。再帰光学素子65を通過した光は、照明光学系に導かれ、色分離合成系および投射レンズを介して投影される。
FIG. 7A is a schematic diagram of the fluorescent light flux just before (before incidence) entering the
本実施例では、平行化された複数の蛍光光の光束の周辺部を再帰する構成を説明したが、図8の再帰光学素子65の構成図に示されるように、領域(第1の部分領域)65Aとして、互いに分離された複数の領域を有する構成であってもよい。すなわち再帰光学素子65は、複数の領域(第1の部分領域)65Aと、領域(第2の部分領域)65Bとを有していてもよい。
In this embodiment, the configuration for retroreflecting the peripheral portion of a plurality of collimated fluorescent light beams has been described. ) 65A may be a configuration having multiple regions separated from each other. That is, the
各実施例によれば、明るい光を生成することが可能な光源装置および画像投射装置を提供することができる。 According to each embodiment, it is possible to provide a light source device and an image projection device capable of generating bright light.
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes are possible within the scope of the gist.
7 再帰光学素子
9 蛍光体ホイール(波長変換素子)
10 LDユニット(光源部)
100 光源装置
7
10 LD unit (light source)
100 light source device
Claims (9)
前記第1の色光を第2の色光に変換する波長変換素子と、
前記第2の色光を透過する第1の部分領域および前記第2の色光を反射する第2の部分領域を有する再帰光学素子とを有し、
前記波長変換素子における前記第1の色光の最大光密度は、30(W/mm2)よりも大きいことを特徴とする光源装置。 a light source unit that emits a first color light;
a wavelength conversion element that converts the first color light into a second color light;
a retro-optical element having a first partial area that transmits the second colored light and a second partial area that reflects the second colored light;
A light source device, wherein the maximum light density of the first color light in the wavelength conversion element is greater than 30 (W/mm 2 ).
1.1×L2≦L1
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1に記載の光源装置。 When the length of the first partial region of the retrooptic element in the first direction is L1 and the length in the second direction perpendicular to the first direction is L2,
1.1×L2≦L1
2. The light source device according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
画像表示素子と、
前記画像表示素子を照明する照明光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。 A light source device according to claim 1 or 2;
an image display element;
and an illumination optical system for illuminating the image display device.
30≦D≦180
0.2-0.001×D≦R≦0.8
R=(S-S’)/S
D=4P/E
E=π×A/(2×F)2
なる条件式を満足することを特徴とする請求項5に記載の画像投射装置。 P is the energy (W) of the excitation light that excites the wavelength conversion element, A is the area (mm 2 ) of the effective region of the image display element, F is the F value of the projection lens, and F is the luminous flux immediately before the retro-optical element. When the area is S and the area of the luminous flux immediately after the retrooptical element is S',
30≤D≤180
0.2-0.001×D≦R≦0.8
R = (SS')/S
D = 4P/E
E=π×A/(2×F) 2
6. The image projection apparatus according to claim 5, wherein the following conditional expression is satisfied.
1.1×L2≦L1
なる条件式を満足し、
前記色分離手段の色分離断面の法線と光軸が作る面と前記第2の方向とが平行であることを特徴とする請求項8に記載の画像投射装置。
When the length of the first partial region of the retrooptic element in the first direction is L1 and the length in the second direction perpendicular to the first direction is L2,
1.1×L2≦L1
satisfies the following conditional expression,
9. The image projection apparatus according to claim 8, wherein a plane formed by a normal line of a color separation section of said color separation means and an optical axis is parallel to said second direction.
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