JP4943442B2 - 発光スクリーンに基づくレーザ投影システム - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの第１レーザ光源と、投影スクリーンと、上記レーザ光源のレーザビームを投影して上記投影スクリーン上に画像を形成する空間光変調器とを有し、上記投影スクリーンが、上記レーザビームにより励起されると青色光を発する発光層を有するようなレーザ投影システムに関する。

投影は、光学エタンデュー（optical etandue）の点で非常に要求の大きい応用例である。可能な限り点状の光源を提供するために、最近ではＵＨＰランプ又はキセノンランプ等の短アークランプが使用されている。通常の投影システムにおいては、光源の光は光学光変調器を介して投影スクリーン上に投影され、その際に所望の画像を形成すべく輝度が変調される。

焦点合わせ性（focusability）の点で、レーザは劇的な利点を提供するもので、大幅に小さな表示サイズを可能にし、従って極めて大きな費用低減可能性を保持している。レーザの他の幾つかの利点も、レーザを投影用の高度に望ましい光源にさせている。

適切なレーザ光源、特に可視波長範囲内の適切な波長のダイオードレーザの欠如が、今までのところ、レーザ型投影システムに対する主な障害である。赤色レーザダイオードは６３０ｎｍから赤外領域までの波長範囲に対して広く利用可能であるが、効率的な青色ダイオードは今までのところ紫外及び紫色波長範囲でしか利用可能でなく、これは人の目にとっては適していない。ＲＧＢ表示器（Ｒ：赤、Ｇ：緑、Ｂ：青）に必要とされる４５０〜４６５の青色波長に関しては、十分な出力パワー及び効率を持つレーザダイオードは見つけることができない。したがって、利用可能な現代のレーザ投影システムは嵩張り且つ高価な、かなり複雑なレーザ源に依存している。このような理由により、レーザ投影システム又はレーザ表示器は、ハイエンドな応用例にのみ使用され、消費者向け市場への道は未だ見つかっていない。

特許出願公開第２００３−２８７８０２号は、添付請求項１の前置部によるレーザ投影システムを開示している。この投影システムには３つのレーザ光源が設けられ、これら光源のビームが空間光変調器により投影されて投影スクリーン上に画像を形成する。上記レーザ光源のうちの２つは、ＲＧＢ投影に必要とされる３つのカラーのうちの２つの光を放出する。残りのカラーは、励起光源と呼ばれる第3のレーザ光源のレーザビームにより励起される投影スクリーン上の発光層により放出される。この文献に開示された実施例の１つにおいて、上記励起光源は紫外光を放出する半導体レーザであり、上記発光層は該紫外光を青色光に変換する。この発光層の基本材料として、Ｓｒ_１０(ＰＯ_４)_６Ｃｌ_２：Ｅｕが提案されている。しかしながら、この材料は発光スクリーン装置に使用するには理想的ではない。このような装置においては、励起光源は好ましくは４０５ｎｍのレーザダイオードである。何故なら、これらのダイオードは容易に入手可能であるからである。４０５ｎｍの波長において、上記文献の発光材料は小さな吸収度しか有さず、結果として変換効率が劣る。

本発明の目的は、発光スクリーンに基づくレーザ投影システムであって、少なくとも４０５ｎｍの波長領域におけるレーザ光を青色光に効率的に変換することができるようなレーザ投影システムを提供することにある。

上記目的は、請求項１のレーザ投影システムにより達成される。当該システムの有利な実施例は、従属請求項の主題であり、本発明を実施するための下記の記載及び例において更に説明する。

提案されたレーザ投影システムは、少なくとも１つの第１レーザ光源と、投影スクリーンと、該投影スクリーン上に画像を形成するために上記第１レーザ光源のレーザビームを投影する空間光変調器とを有する。上記空間光変調器は、例えば他の投影システムから既知の、如何なる光変調器とすることもできる。上記投影スクリーンは、上記レーザビームにより励起されると青色光を放出するような発光層を有する。該発光層は、発光材料として、ＢａＭｇＡｌ_１１Ｏ_１７：Ｅｕ又はＭＳｉ_６−ａＡｌ_ａＮ_８−ａＯ_ｘ＋ａ：Ｅｕ^２＋（但し、Ｍ＝Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ；０≦ｘ≦１；０≦ａ≦１）のうちの少なくとも一方を含む。

上記材料を含む発光層によれば、４０５ｎｍの領域で発光する第１レーザ光源のレーザ光は、４５０〜４６０ｎｍの範囲の蛍光又は燐光光に効率的に変換される。本投影システムの発明者は、この材料が、驚くことに特許出願公開第２００３−２８７８０２号の既知の材料よりも４０５ｎｍの励起波長に対して大幅に良好な変換効率を有することを見出した。従って、本投影システムは投影スクリーン上で青色光を生成するために市販の４０５ｎｍレーザダイオードを使用することを可能にする。該発光層の投影スクリーンへの塗布（application）は、例えばコーティング技術等の当業者により既知の幾つかの方法で実施することができる。好ましくは、提案された該投影システムは少なくとも３つの異なるレーザ光源、即ち異なる波長で発光する上記第１レーザ光源、第２レーザ光源及び第３レーザ光源を有する。第２及び第３レーザ光源の波長を適切に選択すれば、ＲＧＢレーザ投影システムを実現することができる。

斯様なＲＧＢ投影システムにおいて投影スクリーン上で青色画像に重ね合わされねばならない赤色画像のために、例えばＧａＡｓ材料系に基づく赤色レーザダイオードを使用することができる。投影スクリーン上で青色及び赤色画像に重ね合わされねばならない緑色画像のためには、例えば周波数逓倍（frequency doubled）Ｎｄ：ＹＡＧレーザ又はアップ変換レーザを使用することができる。

緑色及び赤色光を、青色光と同様の態様で（即ち、ダウン変換により）投影スクリーン上の発光層により発生することも可能である。この目的のために、当該発光層は、第２又は第３レーザ光源の光を赤色又は緑色光に変換する他の材料を含まなければならない。好ましくは、このような実施例における第２又は第３レーザ光源は紫外又は紫色光を放出する。この光は、当然、前記第１レーザ光源の光とは異なる波長を有さねばならない。更に、２つの発光材料、即ち青色光を発生するための材料及び赤色又は緑色光を発生するための材料は、これら材料が対応するレーザ光源の光によってのみ励起されるように異なる吸収帯を有さねばならない。一方の材料は、好ましくは第２又は第３レーザ光源の波長領域における吸収を伴うこと無しに、第１レーザ光源からの放射を吸収しなければならない。他方の材料は、好ましくは第１レーザ光源の波長領域における吸収を伴うこと無しに、第２又は第３レーザ光源からの放射を吸収しなければならない。

赤色又は緑色光を生成するための紫外又は紫色光からのダウン変換の代わりに、緑色又は赤色光へのアップ変換を可能にするような材料を発光層に使用することもできる。例えば９７０ｎｍの波長で発光するレーザダイオードを使用すると、発光層におけるＥｒ^３＋ドーピングされた物質は、非常に効率的に２つの赤外光子を吸収すると共に５５０ｎｍの１つの緑色光子を放出することができる。この種の幾つかの非常に効率的な蛍光体、例えばEr,Yb:NaYF₄; Er,Yb:YF₃; Er,Yb:BaYF₅;又はEr³⁺ドーピングされたZBLANガラス(53 ZrF₄, 20 BaF₂, 4 LaF₃, 3 AlF₃, 20 NaF)が入手可能である。

好ましくは、アップ変換及び／又はダウン変換のために、本投影システムにおいては３６０ｎｍと４４０ｎｍとの間の及び／又は７８０ｎｍと１２００ｎｍとの間の波長範囲で発光するレーザダイオードがレーザ源として使用される。特に、第１レーザ光源は、好ましくは、４０５ｎｍの波長領域で発光するＧａＮレーザダイオードとする。それにも拘わらず、例えば３８５ｎｍ等の紫外又は紫色領域で発光する他のレーザダイオードも使用することができる。赤色光及び緑色光（アップ変換により緑色光）を発生するためには、ＧａＡｓ材料系に基づくと共に６３０ｎｍから赤外領域までの波長範囲で発光するレーザダイオードが好ましい。他の例として、ダウン変換発光材料との関連で緑色光を発生するために、好ましくは、前記紫外又は紫色レーザダイオードが使用される。

本説明及び請求項において、"有する"なる文言は他の構成要素又はステップを排除するものではなく、同様に、単数形は複数を排除するものではない。また、請求項における如何なる符号も、これら請求項の範囲を限定するものと見なしてはならない。

下記の例示的実施例は、本発明の範囲を制限することなしに、添付図面を参照して本レーザ投影システムの一例を示すものである。

添付された図１は、本発明の一例によるレーザ投影システムの概略構成を示している。このレーザ投影システムは、３つのレーザダイオード、即ち４０５ｎｍの波長で発光する第１のＧａＮレーザダイオード１と、６３０ｎｍの波長で発光する第２のＧａＡｓレーザダイオード２と、９７０ｎｍの波長で発光する第３のＧａＡｓレーザダイオード３とを備えるレーザ源ユニットを有している。上記３つのレーザダイオードのレーザビームは、輝度（intensity）変調器４を通過し、適切なビーム合成器５において１つの結合されたレーザ光ビームに合成される。このレーザ光ビームは、例えば２軸偏向スキャナ等の空間光変調器６を介して投影スクリーン７上に投影される。上記輝度変調器４及び空間光変調器６は投影スクリーン７上に所望の画像を生成すべく従来既知のようにビデオ制御ユニット８により制御される。

本例において、投影スクリーン７は図１の拡大詳細図に見られるように発光層９により被覆されている。該発光層９は全投影スクリーンを覆っている。この発光層９は主成分としてＳｒＳｉ_６Ｎ_８Ｏ:Ｅｕ^２＋及びＥｒ,Ｙｂ:ＮａＹＦ_４の混合物を含み、これらは適切なマトリクス材料内に埋封することができる。

この発光層９によれば、前記第１レーザダイオード１からのレーザ光は投影スクリーン上で４５０〜４６０ｎｍの青色光に変換される（ダウン変換）。一方、前記第３レーザダイオード３から放出されたレーザ光は、５５０ｎｍの波長の緑色光に変換される（アップ変換）。従って、上記３つのレーザダイオードにより当該投影スクリーン上で生成されるカラーは、６３０ｎｍ（Ｒ）、５５０ｎｍ（Ｇ）及び４５０〜４６０ｎｍ（Ｂ）の波長を有する。これは、見る者に対して現実そっくりのカラーの画像を提供するようなＲＧＢ投影を可能にする。

このような投影システムは、ランプ型投影機の優れた代替物となる。光源としてのレーザダイオードの使用可能性の結果、低コストで実現することが可能な非常に小型の構成となる。提案された当該材料の青色変換に対する高変換効率及び該材料の赤色（及び更に緑色）波長に対する高反射度故に、非常に明るい画像を投影することができる。

提案されたレーザ投影システムの一例の概略構成を示す。

符号の説明

１ 第１レーザダイオード
２ 第２レーザダイオード
３ 第３レーザダイオード
４ 輝度変調器
５ ビーム合成器
６ 空間光変調器
７ 投影スクリーン
８ ビデオ制御ユニット
９ 発光層

Claims (12)

1. 少なくとも１つの第１レーザ光源と、投影スクリーンと、該投影スクリーン上に画像を形成するために前記第１レーザ光源のレーザビームを投影する空間光変調器とを有し、前記投影スクリーンが前記レーザビームにより励起されると青色光を放出するような発光層を有するレーザ投影システムであって、
   前記発光層が、発光材料として、ＭＳｉ_６−ａＡｌ_ａＮ_８−ａＯ_ｘ＋ａ：Ｅｕ^２＋（但し、Ｍ＝Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ；０≦ｘ≦１；０≦ａ≦１）を含むことを特徴とするレーザ投影システム。
2. 前記第１レーザ光源が紫色又は紫外波長領域で発光するレーザダイオードであることを特徴とするような請求項１に記載のレーザ投影システム。
3. 少なくとも１つの第２レーザ光源及び少なくとも１つの第３レーザ光源を更に有し、前記第１、第２及び第３レーザ光源が異なる波長で発光することを特徴とするような請求項２に記載のレーザ投影システム。
4. 前記第２レーザ光源が赤色波長領域で発光することを特徴とするような請求項３に記載のレーザ投影システム。
5. 前記第３レーザ光源が緑色波長領域で発光することを特徴とするような請求項４に記載のレーザ投影システム。
6. 前記発光層が赤外波長領域の光の緑色光へのアップ変換に適した他の発光材料を含み、特にはレーザダイオードである前記第３レーザ光源が該赤外波長領域で発光することを特徴とするような請求項４に記載のレーザ投影システム。
7. 前記発光層が紫色又は紫外波長領域の光の緑色光へのダウン変換に適した他の発光材料を含み、特にはレーザダイオードである前記第３レーザ光源が該紫色又は紫外波長領域で発光することを特徴とするような請求項４に記載のレーザ投影システム。
8. 前記第３レーザ光源が緑色波長領域で発光することを特徴とするような請求項３に記載のレーザ投影システム。
9. 前記発光層が赤外波長領域の光の赤色光へのアップ変換に適した他の発光材料を含み、特にはレーザダイオードである前記第２レーザ光源が該赤外波長領域で発光することを特徴とするような請求項８に記載のレーザ投影システム。
10. 前記第２レーザ光源がレーザダイオードであることを特徴とするような請求項４に記載のレーザ投影システム。
11. レーザ光源のレーザビームを投影することにより画像を形成するための投影スクリーンであって、当該投影スクリーンが前記レーザビームにより励起されると青色光を放出するような発光層を有し、
    前記発光層が、発光材料として、ＭＳｉ _６−ａ Ａｌ _ａ Ｎ _８−ａ Ｏ _ｘ＋ａ ：Ｅｕ ^２＋ （但し、Ｍ＝Ｓｒ，Ｂａ，Ｃａ；０≦ｘ≦１；０≦ａ≦１）を含むことを特徴とする投影スクリーン。
12. 前記発光層が、更に、
    赤外波長領域の光の緑色光へのアップ変換に適した発光材料、及び／又は、
    紫色又は紫外波長領域の光の緑色光へのダウン変換に適した発光材料、
    を含むことを特徴とするような請求項１１に記載の投影スクリーン。

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