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

Description

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 る
   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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