JP5429079B2 - 光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

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本発明は、光源装置およびそれを用いた投射型表示装置に関する。
液晶プロジェクタ等の投射表示装置において、従来、光源として超高圧水銀ランプやキセノンランプ等の放電ランプが用いられてきた。近年、近年発光ダイオードや半導体レーザを光源等として用いることが検討されている。
特許文献1には、回転制御可能な円形状の透明基材に複数の扇形形状のセグメント領域を有し、透明基材のセグメント領域の少なくとも二つには、半導体レーザから射出される励起光を受けて所定の波長帯域光を発光する異なる蛍光体の層が配置され、可視光領域の励起光を蛍光体に照射する励起光源を備える光源装置が記載されている。
特開2009−277516号公報
ところで、特許文献1に記載の光源装置は、蛍光体の層が形成された円板状の透明基材を回転させつつ、励起光を蛍光体の層に照射することにより、赤、緑、青三原色光を順番に射出させるものである。そのため、表示デバイスの3原色用信号を時間順次で切り替え、対応して3原色光を順番に照射するフィールドシーケンシャルカラー方式の投射表示装置には適しているが、3板式の投射型表示装置にはそのままでは適用できないものであった。
本発明はこのような問題点に鑑みなされたものであり、光源として蛍光体を用いた3板式の投射型表示装置に搭載可能な光源装置、およびそれを用いた投射型表示装置を提供することを目的とする。
本発明は、上述した従来の技術の課題を解決するため、半導体レーザ(1)と、所定の角度毎に赤用蛍光体領域と緑用蛍光体領域と青用蛍光体領域とを形成し、前記半導体レーザ(1)から射出する励起光を受けて赤色光、緑色光、青色光を蛍光として射出する円板状の反射型カラーホイール(4)と、前記反射型カラーホイール(4)を円板状の中心を軸として所定の回転数で回転させる回転機構(10)と、入射する前記半導体レーザ(1)からの励起光と、入射する前記反射型カラーホイール(4)からの蛍光とのいずれか一方を反射し他方を透過するダイクロイックミラー(2)と、前記反射型カラーホイール(4)からの蛍光の光束の大きさを変換する正の光学部材(6)と負の光学部材(5)を少なくとも1つ有するアフォーカル光学系と、を備え、前記所定の角度をS(度)としたと き、前記所定の回転数は500S(rpm)以上であることを特徴とする光源装置を提供する。

上記の構成において、前記反射型カラーホイール(4)の励起光が入射する面と反対側の面には放熱部(4b、4c)が形成されていてもよい。
また、前記放熱部(4c)が回転する際の冷却風を半導体レーザに隣接する放熱部(9)に導く導風部を備えるようにしてもよい。
また、前記光源装置と、前記光源装置から発する光を変調するデバイス(111r、111g、111b)と、前記デバイスで変調された光を投射する投射レンズ(113)と、を備えることを特徴とする投射表示装置を提供する。
本発明によれば、光源として蛍光体を用いて3板式の投射型表示装置に搭載可能な光源装置とすることができる。また、光源として蛍光体を用いた光源装置を用いて3板式の投射型表示装置を構成することができる。
本発明の第1の実施形態の光源装置を示す構成図である。 図1に示す反射型カラーホイール4の光入射面の構造を示す平面図である。 反射型カラーホイール4の一例を示す断面図である。 反射型カラーホイール4の他の例を示す断面図である。 本発明の第1の実施形態の光源装置において、反射型カラーホイール4の冷却構造を示す構成図である。 図5に示すフィン4bを示す斜視図である。 本発明の第1の実施形態の光源装置において、反射型カラーホイール4を含む部分の冷却構造を示す構成図である。 図6に示すフィン4cを示す斜視図である。 図6に示すフィン4cを示す斜視図である。 第1の実施形態に係る光源装置を用いた投射型表示装置を示す図である。
以下に、本発明に係る光源装置及び投射表示装置の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、全図において、共通な機能を有する部品には同一符号を付して、一度説明したものに関しては、説明の繰り返しを省略する。
<第1の実施形態>
図1は本発明の第1の実施形態の光源装置を示す構成図である。半導体レーザ1は紫外光、近紫外光、青紫光のいずれかの光を発光する。図1では、CANタイプの半導体レーザを3個使用した例を示すが、1個又は3以外の複数個の半導体レーザを使用しても良い。半導体レーザ1から射出したレーザ光はレンズ1aにより略平行光とされ、ダイクロイックミラー2に向かう。ダイクロイックミラー2は、半導体レーザ1の射出光である紫外光、近紫外光、青紫光のいずれかを反射し、それらより長波長である青色光、緑色光、赤色光を透過する特性を有する。
レンズ1aにより略平行光とされたレーザ光はダイクロイックミラー2で反射されて90度向きを変えられ、第一の凸レンズ3により収束光となって所定の位置に集光する。レーザ光が集光する位置には、反射型カラーホイール4が配置されている。反射型カラーホイール4は円板状の形状である。反射型カラーホイール4の中心部分は回転機構としてのモータ10と接続されており、反射型カラーホイール4は回転可能な状態で配置されている。ここで青紫色とは波長405nm付近の光、可視光とは波長410nm以上700nm以下の光である。
図2は、反射型カラーホイール4の光入射面の構造を示す平面図である。反射型カラーホイール4の中心部分はモータと接続される部分である。反射型カラーホイール4の周辺部分には、蛍光体層8(8RL、8GL、8BL)が所定の角度単位でセグメントに分けて順次設けられている。図2では、反射型カラーホイール4のセグメント角度は2度に設定されている。蛍光体層8RLは、紫外光、近紫外光、青紫光によって励起されて赤色光を発する蛍光体を含む層である。蛍光体層8GLは、紫外光、近紫外光、青紫光によって励起されて緑色光を発する蛍光体を含む層である。蛍光体層8BLは、紫外光、近紫外光、青紫光によって励起されて青色光を発する蛍光体を含む層である。
図3は反射型カラーホイール4の一例を示す断面図である。反射型カラーホイール4の基材7は、ガラスまたは金属からなる。図3は、基材7が金属の場合を示している。基材7としては少なくとも片面に鏡面処理が施されたもの、または鏡面状態であるものが用いられる。図3において、7aは鏡面状態であることを示す。図2における蛍光体層8RL、蛍光体層8GL、蛍光体層8BLは、図3において、蛍光体8Rまたは8Gまたは8Bとバインダ8bを混合して、所定厚みに塗布されたものである。ここで、蛍光体は沈殿法やプリント法にて塗布される。
図4は反射型カラーホイール4の他の例を示す断面図である。本例では基材7がガラスである。基材7の片面には、レーザ光である紫外光または近紫外光または青紫光を透過し可視光を反射するダイクロイックミラー等の反射膜7mが設けられている。反射膜7mの上に、蛍光体8Rまたは蛍光体8Gまたは蛍光体8Bを混入して成型された成形品8aが接着されている。以下の実施の形態において、基材7を金属にするかガラスにするか、蛍光体層を塗布する方法で設けるか、成形品を接着する方法で設けるかは、任意に組み合わせることができる。
図1に戻り、蛍光体層8(8RL、8GL、8BL)の蛍光体は励起光であるレーザ光を受けて蛍光を発する。蛍光体を射出した拡散光は第一の凸レンズ3で略平行光とされ、ダイクロイックミラー2を透過した後、負の光学部材として機能する凹レンズ5と正の光学部材として機能する第二の凸レンズ6によって、所望の直径の平行光とされる。ここで凹レンズ5と第二の凸レンズ6はアフォーカル系を構成する。
反射型カラーホイール4は、第二の凸レンズ6から時間順次に射出する3原色光が白色光と見なせるような回転数で回転する。一般的に、いわゆるカラーブレイクの見えない周波数は1000Hz以上であるとされている。
いま、セグメント角度をS(度)、反射型カラーホイール4の回転数をR(rpm)、1秒間のRGB光の点灯サイクルをXとして、
X=(R÷60)×(360÷(3×S))=(2×R)÷Sであるから、
カラーブレイクの見えない回転数は、
R=(S×X)÷2
となる。X=1000Hzと置くと、
R=500×S
となる。
S=2度ではR=1000(rpm)、S=8度ではR=4000(rpm)となる。
すなわち、S=2度では、反射型カラーホイール4の回転数は1000(rpm)以上、S=8度では、反射型カラーホイール4の回転数は4000(rpm)以上であれば良い。また、反射型カラーホイール4の回転は表示素子の映像表示の期間と同期する必要はなく、又反射型カラーホイール4の回転数に回転むらがあっても問題はない。なお、図1において、半導体レーザの光がダイクロイックミラー2を透過して蛍光体組立体4に入射し、蛍光体を射出した光がダイクロイックミラーを反射するように構成してもよい。
図5は、本発明の第1の実施形態の光源装置において、反射型カラーホイール4の冷却構造を示す構成図である。反射型カラーホイール4のレーザ光入射側と反対面には放熱部として機能するフィン4bが反射型カラーホイール4と一体で形成されている。反射型カラーホイール4はモータ10によって回転可能な状態となっている。図6は図5に示すフィン4bを示す斜視図である。反射型カラーホイール4には一体でフィン4bが構成されていて、これらはモータ10によって回転する。図6に示すフィン4bは同心円状の形状なので反射型カラーホイール4自身は冷却されるが、遠心力による空気の拡散は少ない。
図7は本発明の第1の実施形態の光源装置において、反射型カラーホイール4を含む部分の冷却構造を示す構成図である。反射型カラーホイール4の裏面に放熱部として機能するフィン4cを設ける。図8と図9は図7に示すフィン4cを示す斜視図である。これらのフィン4cは遠心力により空気を拡散する。反射型カラーホイール4は中心に配置したモータ10によって回転する。反射型ホイール4は外周を導風部として機能するダクト15で被われている。ダクト15のレーザ光入射部分には入射窓15aが設けられている。また、モータ10付近には空気の取り入れ窓15bが設けられており、半導体レーザ1に隣接し放熱部として機能するヒートシンク9付近には吐き出し窓15cが設けられている。モータ10の回転により、冷却風16が窓15bから流入し反射型カラーホイール4を冷却しつつ、フィン4cで拡散されてダクト15の外周部を経て半導体レーザ1のヒートシンク9を冷却して吐き出し窓15cから流出する。
反射型カラーホイール4の回転数は高い方が冷却には望ましいが、回転数が高すぎるとフィン4bの風切音による騒音が大きくなるために、1800rpm以下とすることが望ましい。
図5に示すように、紫外光、近紫外光、青紫光の励起光を発生する半導体レーザ1と、ダイクロイックミラー2と、半導体レーザ1から発せられた励起光を集光するレンズ1aと、励起光によって発光する蛍光体を含む層を有する反射型のカラーホイール4と、反射型カラーホイール4を回転するためのモータ10を備えた光源装置であって、反射型カラーホイール4にフィン4bを形成することで、反射型カラーホイール4の冷却効率を上げることができる。また、図7に示すように、フィン4cを付加したカラーホイールを回転して得られる風を、半導体レーザ1その他部品の冷却に利用することができる。そして、図5、7に示すように、反射型カラーホイール4を反射で使用するため、多くのフィン4bまたは4cを効果的に配置できる。なお、図5、図7において、半導体レーザの光がダイクロイックミラー2を透過して蛍光体組立体4に入射し、蛍光体を射出した光がダイクロイックミラーを反射するように構成してもよい。
図10は、第1の実施形態に係る光源装置を用いた投射型表示装置を示す図である。光源装置から射出した照明光(白色光)は、第1のインテグレータ101及び第2のインテグレータ102により光の輝度分布を均一化され、偏光変換素子103により、偏光方向を一方向に揃えられる。本実施形態では、偏光変換素子103を射出した光の偏光方向はP偏光である。偏光変換素子103を射出したP偏光は、コンデンサレンズ104を透過して、B/RG分離クロスダイクロイックミラー105で青色光(P偏光)と赤緑色光(P偏光)に分離される。青色光(P偏光)はミラー106で光路を曲げられ Bフィールドレンズ109bを通過する。
Bフィールドレンズ109bを通過したP偏光は、ワイヤーグリッド型偏光ビームスプリッタ(以下、「WG−PBS」という。)110bを透過し、B用デバイス111bで変調された光の内S偏光成分がB用 WG−PBS110bで反射され合成ダイクロイックプリズム112に向かう。B/RG分離クロスダイクロイックミラー105で分離された赤緑色光は、ミラー107で光路を曲げられ、RGダイクロイックミラー108で赤色光と緑色光に分離され、青色光の場合と同様、フィールドレンズ109r、109g、 WG−PBS110r、110gと通過し、デバイス111r、111gで変調された光の内S偏光成分が WG−PBS110r、110gで反射され後合成ダイクロイックプリズム112に向かう。合成ダイクロイックプリズム112で3色が合成され投射レンズ113でスクリーンに投影される。上記実施例の投射型表示装置は反射型液晶素子を用いているが、透過型液晶素子を用いてもよい。
1 半導体レーザ、2 ダイクロイックミラー、3 第一の凸レンズ、
4 反射型カラーホイール、
4b、4c フィン(放熱部)、
5 凹レンズ(負の光学部材)、6 第二の凸レンズ(正の光学部材)、
7 基材、
8 蛍光体層、
8R 赤用蛍光体、8G 緑用蛍光体、8B 青用蛍光体、
8RL 赤用蛍光体層、8GL 緑用蛍光体層、8BL 青用蛍光体層、
9 ヒートシンク、10 モータ(回転機構)、
15 ダクト(導風部)、15a 入射窓、15b 空気の取り入れ窓、
15c 吐き出し窓、
16 冷却風、
101 第1のインテグレータ、102 第2のインテグレータ、
103 偏光変換素子、104 コンデンサレンズ、
105 B/RG分離クロスダイクロイックミラー、106 ミラー、
107 ミラー、108 RGダイクロイックミラー、
109r、109g 109b フィールドレンズ、
110r、110g、110b WG−PBS、
111r、111g、111b デバイス
112 合成ダイクロイックプリズム、113 投射レンズ

Claims (4)

  1. 半導体レーザと、
    所定の角度毎に赤用蛍光体領域と緑用蛍光体領域と青用蛍光体領域とを形成し、前記半導体レーザから射出する励起光を受けて赤色光、緑色光、青色光を蛍光として射出する円板状の反射型カラーホイールと、
    前記反射型カラーホイールを円板状の中心を軸として所定の回転数で回転させる回転機構と、
    入射する前記半導体レーザからの励起光と、入射する前記反射型カラーホイールからの蛍光とのいずれか一方を反射し他方を透過するダイクロイックミラーと、
    前記反射型カラーホイールからの蛍光の光束の大きさを変換する正の光学部材と負の光学部材を少なくとも1つずつ有するアフォーカル光学系と、
    を備え
    前記所定の角度をS(度)としたとき、前記所定の回転数は500S(rpm)以上であ
    ことを特徴とする光源装置。
  2. 前記反射型カラーホイールの励起光が入射する面と反対側の面には放熱部が形成されていることを特徴とする請求項1記載の光源装置。
  3. 前記放熱部が回転する際の冷却風を半導体レーザに隣接する放熱部に導く導風部を備えることを特徴とする請求項2記載の光源装置。
  4. 請求項1〜3のいずれか1項記載の光源装置と、
    前記光源装置から発する光を変調するデバイスと、
    前記デバイスで変調された光を投射する投射レンズと、
    を備えることを特徴とする投射表示装置。
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