JP5592953B2 - Projection-type image display device - Google Patents
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Description
本発明は、液晶パネル等の映像表示素子を使用して投写面に映像を投影する投写型映像表示装置と、水銀を使用しない発光ダイオード、レーザー、蛍光体等を光源とする照明光学系に関するものである。 The present invention relates to a projection display apparatus that projects an image on a projection surface using an image display element such as a liquid crystal panel, and an illumination optical system that uses light emitting diodes, lasers, phosphors, and the like that do not use mercury as light sources. It is.
反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子の表示画面を投写面であるスクリーンやボード等に拡大表示する投写型映像表示装置においては、従来から、投写面で十分な大きさと明るさを有する拡大像が得られるように照明光学系の工夫がなされてきた。 Projection-type image display devices that display a display screen of an image display element having a structure in which a plurality of reflective or transmissive liquid crystal panels and micromirrors are arranged on a screen or board as a projection surface have been conventionally used. The illumination optical system has been devised so that an enlarged image having sufficient size and brightness can be obtained.
特に映像表示素子を複数個用いる方式においてはカラー映像の白バランスの劣化や色むらを抑える種々の照明光学系の提案がなされている。例えば特開平10−171045号公報(特許文献1)に開示された投写型映像表示装置の照明光学系に使用する光源としては入力電力当たりの発光効率が高い(70lm/W)超高圧水銀ランプが主流となっている。また、第1アレイレンズや第2アレイレンズでの光線通過率を向上させるために電極間距離の短縮が大きな開発課題となっている。 In particular, in a system using a plurality of video display elements, various illumination optical systems have been proposed that suppress the deterioration of white balance and color unevenness of a color video. For example, as a light source used in the illumination optical system of the projection display apparatus disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-171045 (Patent Document 1), an ultrahigh pressure mercury lamp having a high luminous efficiency per input power (70 lm / W) is used. It has become mainstream. In addition, in order to improve the light beam passing rate in the first array lens and the second array lens, shortening the distance between the electrodes is a major development subject.
また超高圧水銀ランプは紫外線を大量に発生させるため照明光学系を構成する液晶ライドバルブや偏光板など有機物に大きなストレスを与えるため、寿命を損なうなどのほかに自身も電極の磨耗や発光管の白濁による失透によって明るさの低下が短い時間で発生するなどの抱える問題が想定される。 In addition, ultra-high pressure mercury lamps generate a large amount of ultraviolet rays, so they put a lot of stress on organic matter such as liquid crystal light bulbs and polarizing plates that make up the illumination optical system. Problems such as a decrease in brightness occurring in a short time due to devitrification due to white turbidity are assumed.
このため新たな光源として、赤、緑、青の発光ダイオードや有機EL等の固体発光素子を用いた投写型映像表示装置の開発が行われ、多くの提案がなされている。例えば特開2004−341105号公報(特許文献2)では固体光源から出射する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置が提案されている。 For this reason, development of a projection display apparatus using a solid light-emitting element such as a red, green, or blue light-emitting diode or an organic EL as a new light source has been performed, and many proposals have been made. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-341105 (Patent Document 2) proposes a light source device including a phosphor layer that converts ultraviolet light emitted from a solid light source into visible light, a transparent substrate, and a solid light source.
更に、この特許文献2の課題を解決するために、例えば特開2009−277516号公報(特許文献3)に示すように固体光源から出射する励起光を可視光としても高効率で発光する光源装置が提案されている。
Further, in order to solve the problem of
特許文献2に開示された技術では固体光源から射出する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置について開示されている。この技術は、エネルギーの高い紫外光を励起光とする励起光源を用いているため、紫外光が照射される光学部品は損傷を受けやすく、光学部品の長期性能確保が困難となる傾向にある。
The technique disclosed in
このため、特許文献3では紫外光よりエネルギーの低い可視光を励起光として蛍光体に照射し、かつ、蛍光体を回転制御可能な円形上の基材に接着することで、励起光が蛍光体の1箇所に照射されるのを防ぎ、蛍光体の寿命を改善することが提案されている。
For this reason, in
以下、蛍光体を回転制御可能な円形上の基材に接着し、励起光により蛍光を励起する光源装置が有する課題について、図を参照して説明する。 Hereinafter, a problem of a light source device that adheres a phosphor to a circular base material capable of rotation control and excites fluorescence by excitation light will be described with reference to the drawings.
図4(a)は、従来技術における光源装置の要部構成図であり、図4(b)は前記光源装置の円盤部の拡大図である。図4(a)において、励起光源群5から射出した励起光は、コリメータレンズ群6により略平行光となり、ダイクロイックミラー7に入射する。ダイクロイックミラー7は励起光の波長域を透過し、蛍光光の波長域を反射する特性である。
FIG. 4A is a main part configuration diagram of a light source device in the prior art, and FIG. 4B is an enlarged view of a disk part of the light source device. In FIG. 4A, the excitation light emitted from the excitation
そこで、励起光は、ダイクロイックミラー7を通過し、集光レンズ8を通過後、蛍光体が塗布された回転制御可能な円盤1に入射する。集光レンズ8は入射した平行光が円盤1上に焦点を結ぶように、曲率が設定されており、円盤1の1箇所に照射領域40として、集光する。円盤1は回転軸2を中心軸とする、回転制御可能な円形上の基材である。励起光により励起された円盤1上の蛍光体は、蛍光光を射出する。蛍光光は集光レンズ8を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー7で反射して、後段の照明光学系に入射する。
Therefore, the excitation light passes through the
図4(b)は、円盤1上の特定の領域の蛍光体が、単位時間当たりに照射される励起光の照射強度分布である。励起光源としては、発光領域が小さい、レーザー光源が望ましい。レーザーの発光分布は、中心を最大とするガウシアン分布を持つため、円盤1上の蛍光体に照射される励起光照射強度50も、中心を最大とするガウシアン分布となる。
FIG. 4B shows an irradiation intensity distribution of excitation light that is emitted per unit time to a specific region of the phosphor on the
そこで、蛍光体の1箇所に励起光が集光されるのを防ぐために、円盤1を、回転軸2を中心に回転させ、励起光が蛍光体を通過する領域を大きくしている。斜線の実照射領域3は円盤1上の蛍光体が、照射領域40を通過する領域である。蛍光体の1箇所に励起光が集光される場合と比較すると、円周1周が照射領域となるため、蛍光体の寿命が改善される。
Therefore, in order to prevent the excitation light from being collected at one place of the phosphor, the
しかし、円盤の1箇所の円周上に、強度ピークを持った励起光が常に照射されることに変わりなく、蛍光体の寿命改善としては不十分である。そこで、回転中心から遠い位置に励起光を照射すれば、実照射領域3を大きくすることが可能であるが、円盤の形状が大きくなり、装置が大型化する問題が発生する。
However, excitation light having an intensity peak is always irradiated on one circumference of the disk, which is insufficient for improving the life of the phosphor. Therefore, if the excitation light is irradiated to a position far from the rotation center, the
図5(a)は励起光照射領域40を、円盤の回転方向と垂直な方向に長く、円盤の回転方向に平行な方向に短くなるように照射した例である。この場合、照射面積は図4(b)の場合と一定のまま、実照射領域3を大きくすることが可能となる。
FIG. 5A shows an example in which the excitation
しかし、照射領域40の長手方向のみを考えれば、発光サイズが大きくなったこととなる。図5(b)は、励起光領域40の長手方向を含む領域から射出された蛍光光の光線図である。集光レンズ8を通過した蛍光光の平行度が低下しており、後段の照明光学系の効率が低下する。
However, if only the longitudinal direction of the
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、明るさ効率の低下や装置の大型化を招くことなく、蛍光体の寿命を改善した投写型映像表示装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and its object is to use a phosphor that emits phosphor with excitation light without causing a decrease in brightness efficiency and an increase in the size of the apparatus. It is an object of the present invention to provide a projection type image display apparatus having an improved lifetime.
上記課題を解決するために、本願発明の励起光を発光する固体発光部と、前記励起光により異なる波長帯域の光を放射する蛍光発光部と、前記蛍光発光部で放射される光束を変調する映像表示素子と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大投写する投写レンズを有する投射型映像表示装置は、前記蛍光発光部は、励起光の照射面に蛍光体が塗布され、回転可能な円盤形状を成し、前記蛍光発光部の回転する励起光の照射面に対向して、前記照射面の励起光照射領域が重ならないように、前記円盤の回転中心に対して、複数の所定の偏角と動径で定まる位置に配置され、前記固体発光部からの励起光を集光して前記蛍光発光部の照射面の複数の領域に励起光を照射するとともに、前記固体発光部で励起して放射される蛍光光束を集光する複数の第1の集光レンズから成る集光手段と、前記集光手段と前記蛍光発光部との間の光路に配置され、前記蛍光発光部からの励起光を透過して、前記集光手段からの蛍光光を反射する第1のダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーで反射した前記集光手段から複数の蛍光光束を多重化し照度分布を均一化して前記映像表示素子に出射する第1の光学インテグレータと、を備えるようにした。 In order to solve the above-described problems, the solid-state light emitting unit that emits the excitation light according to the present invention, the fluorescent light emitting unit that emits light in a different wavelength band by the excitation light, and the light beam emitted from the fluorescent light emitting unit are modulated. In the projection type image display apparatus having an image display element and a projection lens for enlarging and projecting an optical image formed by the image display element, the fluorescent light emitting unit is rotatable by applying a phosphor on the irradiation surface of the excitation light. And a plurality of predetermined rotations with respect to the center of rotation of the disk so that the excitation light irradiation area of the irradiation surface does not overlap with the rotation surface of the excitation light rotating on the fluorescent light emitting unit. The excitation light from the solid-state light emitting unit is collected and irradiated to a plurality of areas on the irradiation surface of the fluorescent light-emitting unit, and the solid-state light emitting unit Collects the fluorescent light beam emitted by excitation A plurality of first condensing lenses, and arranged in an optical path between the condensing means and the fluorescent light emitting part, and transmits the excitation light from the fluorescent light emitting part, and the condensing means A first dichroic mirror that reflects fluorescent light from the light source, and a first optical integrator that multiplexes a plurality of fluorescent light fluxes from the light collecting means reflected by the dichroic mirror to make the illuminance distribution uniform and emits the light to the image display element And so on.
また、本願発明の投射型映像表示装置は、さらに、前記固体発光部からの励起光を略平行光にする複数の第1のコリメータレンズと、前記第1のコリメータレンズからの複数の略平行光な励起光を集光する複数の第2の集光レンズと、前記第2の集光レンズからの複数の励起光を多重化し照度分布を均一化して出射する複数の第2の光学インテグレータと、前記第2の光学インテグレータから出射光を略平行光して、前記第1の集光レンズに出射する複数の第2のコリメータレンズと、を備えるようにした。 Further, the projection type image display device of the present invention further includes a plurality of first collimator lenses that make the excitation light from the solid-state light emitting portion substantially parallel light, and a plurality of substantially parallel lights from the first collimator lens. A plurality of second condensing lenses that condense various excitation light, a plurality of second optical integrators that multiplex and emit a plurality of excitation lights from the second condensing lens and uniformize the illuminance distribution, and And a plurality of second collimator lenses that emit substantially parallel light from the second optical integrator and emit the light to the first condenser lens.
本発明によれば、励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、明るさ効率の低下や装置の大型化を招くことなく、蛍光体の寿命を改善した投写型映像表示装置を提供することができる。 According to the present invention, when a light source that emits a phosphor with excitation light is used, a projection-type image display device that improves the lifetime of the phosphor without reducing brightness efficiency and increasing the size of the device is provided. can do.
以下、発明を実施するための形態について、図を参照して説明する。各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the same parts are denoted by the same reference numerals, and the description of the parts once described is omitted.
まず、図6により、本発明の光源装置を含む、投射型映像表示装置の光学系の概略構成を説明する。
複数の励起光源群5から射出した青色励起光は、コリメートレンズ群6により略平行光となり、ダイクロイックミラー7に入射する。ここで、ダイクロイックミラー7は青色光を透過し、緑色光を反射する特性を有するものとする。First, a schematic configuration of an optical system of a projection display apparatus including the light source device of the present invention will be described with reference to FIG.
Blue excitation light emitted from the plurality of excitation
励起光源群5から射出した青色励起光は、ダイクロイックミラー7を通過し、集光レンズ群4で集光されて、緑色蛍光体が接着された回転制御可能な円盤1に照射される。この円盤1の構成については、詳細を後述する。
The blue excitation light emitted from the excitation
緑色蛍光体では青色励起光で緑色光が励起され、励起された緑色光が、青色励起光の入射方向と逆方向に放射される。円盤1から放射された緑色光は、集光レンズ群4を通過して略平行光となり、ダイクロイックミラー7で反射して、集光レンズ9に照射される。
In the green phosphor, green light is excited by blue excitation light, and the excited green light is emitted in a direction opposite to the incident direction of the blue excitation light. The green light emitted from the
ダイクロイックミラー10は緑色光を透過し、赤色光と青色光を反射する特性を有するミラーであり、集光レンズ9からの緑色光を多重反射素子17に照射するとともに、後述する集光レンズ16からの赤色光と青色光を反射して、多重反射素子17に照射する。
The
ここで、集光レンズ9は、多重反射素子17の入射開口部に集光するような曲率に設定されており、多重反射素子17の入射開口面には、詳細を後述する円盤1の照射領域41の形状と相似な形状の光束が入射される。
Here, the condensing lens 9 is set to have a curvature so as to collect light at the incident aperture of the multiple reflection element 17, and the irradiation area of the
つぎに、ダイクロイックミラー10に入射する赤色光と青色光について説明する。
光源11は、LEDや半導体レーザー等の赤色光源である。光源11を射出した赤色光は、コリメートレンズ12で略平行光となり、ダイクロイックミラー15に入射する。ここで、ダイクロイックミラー15は、赤色光を透過し、青色光を反射する特性を有するようにする。従って、光源11からの赤色光はダイクロイックミラー15を通過して、集光レンズ16に照射される。Next, red light and blue light incident on the
The light source 11 is a red light source such as an LED or a semiconductor laser. The red light emitted from the light source 11 becomes substantially parallel light by the collimating lens 12 and enters the dichroic mirror 15. Here, the dichroic mirror 15 has a characteristic of transmitting red light and reflecting blue light. Therefore, the red light from the light source 11 passes through the dichroic mirror 15 and is applied to the
一方、光源13は、LEDや半導体レーザー等の青色光源である、光源13を射出した青色光は、コリメートレンズ14で略平行光となり、ダイクロイックミラー15に入射する。そして、光源13からの青色光は、ダイクロイックミラー15を反射して、集光レンズ16に照射される。
On the other hand, the light source 13 is a blue light source such as an LED or a semiconductor laser. The blue light emitted from the light source 13 becomes substantially parallel light by the collimator lens 14 and enters the dichroic mirror 15. Then, the blue light from the light source 13 is reflected by the dichroic mirror 15 and applied to the
集光レンズ16は、集光レンズ9と同様に、多重反射素子17の入射開口部に集光するような曲率に設定され、多重反射素子17の入射開口面には、光源11と光源13の発光形状と相似な形状な光束が形成される。また、ダイクロイックミラー15の特性を変更して、光源11と光源13の配置位置が変わっても構わない。
Similar to the condenser lens 9, the
以上のようにして、集光レンズ16に入射した赤色光と青色光は、ダイクロイックミラー10で反射して、多重反射素子17に集光され、
る。As described above, the red light and the blue light incident on the
The
多重反射素子17により、インテグレータ光学系が構成されており、多重反射素子17に入射した赤色光と緑色光と青色光は、多重反射素子17で複数回反射して、多重反射素子17の出射開口面では、均一照度分布を有する光となる。このとき、多重反射素子17の出射開口面の形状は、映像表示素子であるDMD素子20と略相似な形状とする。 The multiple reflection element 17 constitutes an integrator optical system. The red light, the green light, and the blue light incident on the multiple reflection element 17 are reflected by the multiple reflection element 17 a plurality of times, and the exit aperture of the multiple reflection element 17 is obtained. On the surface, the light has a uniform illuminance distribution. At this time, the shape of the exit aperture surface of the multiple reflection element 17 is substantially similar to that of the DMD element 20 which is a video display element.
多重反射素子17の出射開口面から射出した赤色光と緑色光と青色光は、集光レンズ18を通過し、反射ミラー19で反射後、映像表示素子であるDMD素子20上に均一な照度分布で照射される。このとき、集光レンズ18は、多重反射素子17の出射開口面に形成された像を、DMD素子20上に拡大して結像する曲率に設定されている。DMD素子20により生成された赤色光と緑色光と青色光の映像は、投写レンズ21に入射し、図示していないスクリーン上に拡大投影される。
The red light, green light, and blue light emitted from the exit aperture surface of the multiple reflection element 17 pass through the condenser lens 18, are reflected by the
上述の励起光源群5と光源11と光源12は、応答速度の速い固体発光素子であり、時分割制御が可能である。励起光源群5と光源11と光源12は、DMD素子20と同期してフレームごとに発光し、各色光は、DMD素子20により、各色光毎に変調される。これにより、面順次に投影像を形成し、スクリーンに上に投影することにより、カラー像を得ている。
The excitation
つぎに、緑色蛍光体が接着された回転制御可能な円盤1の構成について、詳細に説明する。図1(a)は、第1の実施例による光源装置の光学系の要部構成図であり、図1(b)は前記光源装置の円盤部1の拡大図である。
Next, the configuration of the rotation-
図1(a)において、励起光源群5から射出した励起光は、コリメータレンズ群6により略平行光となり、ダイクロイックミラー7に入射する。ダイクロイックミラー7は励起光の波長域を透過し、蛍光光の波長域を反射する特性である。そこで、励起光は、ダイクロイックミラー7を通過し、集光レンズ群4を通過後、蛍光体が塗布された回転制御可能な円盤1に照射領域41として入射する。本実施例では、集光レンズ群4を8つの集光レンズで構成されるものとし、それぞれの集光レンズは、複数の励起光源とコリメータレンズから出射される励起光を集光するものとする。図1(a)では、このうち2つの集光レンズについて図示している。
In FIG. 1A, the excitation light emitted from the excitation
励起光により励起されて円盤上から出射された蛍光光は、集光レンズ群4を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー7で反射して、後段の照明光学系に入射する。前述のように、後段の照明光学系には、多重反射素子17が設けられており、集光レンズ群4からの8つの蛍光光を多重化して照度分布を均一化する。
Fluorescent light excited by the excitation light and emitted from the disk becomes substantially parallel light after passing through the
図1(b)は、ひとつの集光レンズにより照射されている照射領域41の照射形状、面積、位置、及び、円盤上の特定の領域の蛍光体が単位時間当たりに照射される励起光の強度分布を表した図である。
FIG. 1B shows the irradiation shape, area and position of the
照射領域41の照射形状に関しては、略点光源とみなせるように、アスペクト比は1:1程度である。但し、映像表示素子の形状に応じて、アスペクト比4:3程度の矩形または楕円形状としても、後段の照明光学系での効率低下は問題ないレベルである。
Regarding the irradiation shape of the
照射領域41の照射面積に関しては、1箇所に照射した場合の照射領域40の面積と比較し、照射面積が各々、約8分の1の面積とする。これにより、後段で再度1点に合成した際に、照射領域40と同等の発光面積、発散角を再現でき、効率低下は発生しない。
As for the irradiation area of the
照射領域41の回転方向の照射位置に関しては、集光レンズ群4が極力干渉しないように、ほぼ均等に8分割した角度に照射する。これにより、蛍光体から発散する蛍光光を集光レンズ群でロス無く捕獲できる。
With respect to the irradiation position in the rotation direction of the
以上の照射形状、照射面積、照射位置により、図4に示したように、1箇所の照射領域40に照射した場合と同等の明るさ効率を確保できる。
With the above irradiation shape, irradiation area, and irradiation position, as shown in FIG. 4, it is possible to ensure the same brightness efficiency as when irradiation is performed on one
次に、照射領域41の動径方向の照射位置に関して説明する。照射領域41の動径方向の照射位置は、各々、円盤1の回転軸2からの距離が異なり、かつ、1つの励起光照射領域を通過する蛍光体が、隣り合う励起光照射領域を通過しないように照射する。つまり、それぞれの照射位置は、円盤1の動径(半径位置)と回転方向の偏角が異なり、集光レンズに入射する励起光が重ならないように設定される。
Next, the irradiation position in the radial direction of the
図1(d)は、集光レンズ群4の8つの照射位置を円盤1の最外周から反回転方向に内周に向かって順次設置した場合のようすを示している。内周側では、照射位置が近接するために、集光レンズ径の拘束条件となる。
FIG. 1 (d) shows a state in which eight irradiation positions of the
図1(b)に、図1(d)の配置をおこなった場合の蛍光光の照射強度分布を示す。図4に示した1箇所に集光した際の照射強度分布50と比較し、8箇所に分散して集光した際の照射強度分布51は、ピーク強度が下がり、蛍光体の寿命が改善される。照射強度分布51において、回転軸2に近い照射領域の強度が最も高いのは、回転半径が小さいため、1周の円周サイズに占める、照射サイズの割合が高くなるためである。
FIG. 1 (b) shows an irradiation intensity distribution of fluorescent light when the arrangement of FIG. 1 (d) is performed. Compared with the
逆に、照射強度分布51における最も回転軸に近い位置のピーク強度を照射強度分布50のピーク強度より小さくすれば、蛍光体の寿命が低下することなく、全体の励起光強度を高めることができる。
Conversely, if the peak intensity at the position closest to the rotation axis in the irradiation intensity distribution 51 is made smaller than the peak intensity of the
図1(d)で示されるように、円盤1の外周部では集光レンズ間の距離が離れているため、図1(b)に示されるように、外周部の配置される集光レンズ径を大きくして、励起光光量を増すことができる。
As shown in FIG. 1 (d), since the distance between the condensing lenses is large at the outer peripheral portion of the
また、図1(e)に示すように、同一径の集光レンズが重ならないように、円盤1の動径(半径位置)と回転方向の偏角が異なるように照明位置を、集光レンズ径が最大になるように適宜決定することもできる。
Further, as shown in FIG. 1 (e), the illumination position is set so that the moving diameter (radial position) of the
また、次に、1つの励起光照射領域を通過する蛍光体が、隣り合う励起光照射領域の一部を通過する場合に、蛍光体寿命を改善する方法を説明する。図1(c)は、隣り合う2つの照射領域の強度分布を示した図である。点線で、各々の照射領域の強度分布を表しており、実線で、2つの照射領域の総和を表している。1つの励起光照射領域を通過する蛍光体が、隣り合う励起光照射領域を通過しないように照射した場合と、同等の蛍光体寿命を得るためには、2つの領域の照射強度の総和が、1つの照射領域のピーク強度以下となるようにすれば良いことは自明である。 Next, a method for improving the lifetime of the phosphor when the phosphor passing through one excitation light irradiation region passes through a part of the adjacent excitation light irradiation region will be described. FIG. 1C is a diagram showing the intensity distribution of two adjacent irradiation regions. The dotted line represents the intensity distribution of each irradiation region, and the solid line represents the sum of the two irradiation regions. In order to obtain the same phosphor lifetime as when the phosphor passing through one excitation light irradiation region is irradiated so as not to pass through the adjacent excitation light irradiation region, the sum of the irradiation intensities of the two regions is: It is obvious that the intensity should be less than or equal to the peak intensity of one irradiation region.
次に、本発明の光源装置の光学系の他の実施形態を、図2を参照して説明する。本実施形態は、励起光の強度分布を改善するものである。図2(a)は、第2の実施形態による光源装置の光学系の要部構成図であり、図2(b)は多重反射素子の入出射開口部での励起光強度分布であり、図2(c)は、第2の発明による光源装置の円盤部の拡大図である。 Next, another embodiment of the optical system of the light source device of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the intensity distribution of excitation light is improved. FIG. 2A is a main part configuration diagram of the optical system of the light source device according to the second embodiment, and FIG. 2B is an excitation light intensity distribution at the entrance / exit aperture of the multiple reflection element. 2 (c) is an enlarged view of a disk portion of the light source device according to the second invention.
図2(a)において、励起光源群5から射出した励起光は、コリメータレンズ群6により略平行光となり、集光レンズ群30で集光され、多重反射素子群31に入射すする。多重反射素子とは、その内面で光を複数回反射させることで、出射側開口部に均一な強度分布を持った光線を得る素子である。ロッドレンズと呼ばれる硝子の棒や、ライトパイプと呼ばれる、内部に反射面をもつ、空洞状の筒が一般的である。
In FIG. 2A, the excitation light emitted from the excitation
多重反射素子群31の内部で複数回反射した励起光は、コリメートレンズ群32を通過後、ダイクロイックミラー7に入射する。ダイクロイックミラー7は励起光の波長域を透過し、蛍光光の波長域を反射する特性である。そこで、励起光は、ダイクロイックミラー7を通過し、集光レンズ群4を通過後、8つの領域に分かれて、蛍光体が接着された回転制御可能な円盤1に照射領域42として入射する。図2(a)では、2領域のみを抽出して表している。
The excitation light reflected a plurality of times inside the multiple
このとき、多重反射素子群31の出射開口面に形成された均一な強度分布像が、コリメートレンズ群32、及び、集光レンズ群4により、円盤1上に投影されるため、照射領域42も均一な強度分布を有する。励起光により励起された円盤上の蛍光光は、集光レンズ群4を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー7で反射して、後段の照明光学系に入射する。
At this time, since the uniform intensity distribution image formed on the exit aperture surface of the multiple
図2(b)において、点線は多重反射素子の入射側開口部での励起光強度分布であり、実線は多重反射素子の出射側開口部での励起光強度分布である。入射開口部では、レーザーの発光分布であるガウシアン分布となっているが、複数回の反射を繰り返すことで、出射開口部では、均一な強度分布となる。その結果、ピーク強度が大幅に低下する。 In FIG. 2B, the dotted line is the excitation light intensity distribution at the incident side opening of the multiple reflection element, and the solid line is the excitation light intensity distribution at the emission side opening of the multiple reflection element. The incident aperture has a Gaussian distribution, which is the laser emission distribution, but by repeating the reflection a plurality of times, the output aperture has a uniform intensity distribution. As a result, the peak intensity is greatly reduced.
図2(c)は、照射領域42の照射形状、面積、位置、及び、円盤上の特定の領域の蛍光体が単位時間当たりに照射される励起光の強度分布を表した図である。照射形状、照射面積、照射位置に関しては、第1の実施形態で先述した内容と同一とする。蛍光光の照射強度分布52は、各々、均一な強度分布を有するため、第1の実施形態による照射強度分布51と比較し、更に、ピーク強度が低下する。この結果、蛍光体の寿命を更に改善することができる。
FIG. 2C is a diagram showing the irradiation shape, area, and position of the
照射強度分布52において、回転軸2に近い照射領域の強度が最も高いのは、回転半径が小さいため、1周の円周サイズに占める、照射サイズの割合が高くなるためである。
In the
次に、本発明の光源装置の光学系の他の実施形態を、図3を参照して説明する。本実施形態は、円盤1に照射する複数の励起光の強度を変えるものである。第2の実施形態において、回転軸2に最も近い照射領域において、強度がピークとなっている。そこで、円盤1の照射強度分布が均一とすることで、更なる、蛍光体寿命の改善が期待できる。
Next, another embodiment of the optical system of the light source device of the present invention will be described with reference to FIG. In the present embodiment, the intensity of a plurality of excitation lights irradiated on the
まず、円盤1の照射強度分布が均一となるような、入射強度分布を求める。円盤1の回転軸2からrの位置に照射される励起光の入射強度分布をE(r)とした場合、蛍光体に照射される照射強度分布が回転半径rによらず一定となる条件は(数1)で表すことができる。
E(r) ÷ 2πr=const ・・・(数1)
(数1)より、(数2)が求まる。
E(r) ∝ r ・・・(数2)
つまり、励起光の入射強度が、回転半径rと比例するような構成とすれば、蛍光体に照射される照射強度分布は、回転半径rによらず一定となる。First, an incident intensity distribution is obtained so that the irradiation intensity distribution of the
E (r) ÷ 2πr = const (Equation 1)
From (Equation 1), (Equation 2) is obtained.
E (r) ∝ r (Equation 2)
That is, if the incident light intensity is proportional to the rotation radius r, the irradiation intensity distribution applied to the phosphor is constant regardless of the rotation radius r.
図3(a)は、上記を実現するための第3の実施形態による光源装置の光学系の要部構成図であり、図3(b)は、第3の発明による光源装置の円盤部の拡大図である。 FIG. 3 (a) is a configuration diagram of the main part of the optical system of the light source device according to the third embodiment for realizing the above, and FIG. 3 (b) is a diagram of the disk portion of the light source device according to the third invention. It is an enlarged view.
図3(a)において、励起光源群5から射出した励起光は、コリメータレンズ群6により略平行光となり、集光レンズ群30で集光され、多重反射素子群31に入射する。その際、励起光源群5のレーザー数は、円盤1の回転軸2から離れた位置において数が多く、円盤1の回転軸2から近い位置において、数が少ない構成とする。これにより、円盤1に入射する励起光の入射照度は、回転軸2から離れた位置において大きく、回転軸2に近い位置において小さくなる。
In FIG. 3A, the excitation light emitted from the excitation
後段の光学構成は、図2(a)と同一であり、省略する。図3(b)は、照射領域43の照射形状、面積、位置、及び、円盤上の特定の領域の蛍光体が単位時間当たりに照射される励起光の強度分布を表した図である。照射形状、照射面積、照射位置に関しては、図1(d)で先述した内容と同一とする。前述したとおり、照射領域43の照射強度分布53は、均一となり、第2の実施形態による照射強度分布52と比較し、更に、ピーク強度が低下する。この結果、蛍光体の寿命を更に改善することができる。
The optical configuration at the latter stage is the same as that in FIG. FIG. 3B is a diagram showing the irradiation shape, area, and position of the
さらに、図1(e)に示した集光レンズの位置にすることにより、円盤1に照射される励起光の光量を増加させることができる。
Furthermore, by setting the position of the condensing lens shown in FIG. 1 (e), the amount of excitation light irradiated on the
円盤1への励起光入射強度の分布を変える別の方法として、円盤1の回転軸2から離れた位置において、励起光源群の投入電力が多く、円盤1の回転軸2から近い位置において、励起光源群の投入電力を少なくする方法なども考えられる。
As another method for changing the distribution of the intensity of excitation light incident on the
以上のように、本発明によれば、励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、明るさ効率の低下や装置の大型化を招くことなく、蛍光体の寿命を改善した投写型映像表示装置を提供することができる。 As described above, according to the present invention, when a light source that causes a phosphor to emit light using excitation light is used, the projection type has improved the lifetime of the phosphor without causing a decrease in brightness efficiency and an increase in the size of the apparatus. A video display device can be provided.
また、本実施の形態においては、8分割の例を示したが、8分割に限定されるものではないことは、言うまでもない。 In the present embodiment, an example of eight divisions has been shown, but it is needless to say that the present invention is not limited to eight divisions.
ここでは、映像表示素子として、DMD素子を用いた投写型映像表示装置に関して説明したが、液晶型映像表示素子を用いた投写型映像表示装置にも適用できることは、言うまでもない。 Here, the projection display apparatus using a DMD element as the image display element has been described, but it goes without saying that the present invention can also be applied to a projection display apparatus using a liquid crystal display element.
また、図6には時分割方式の単板DLP方式のプロジェクター光学系の構成を説明したが、この構成に限定されるものではない。 FIG. 6 illustrates the configuration of a time-division single-plate DLP projector optical system, but is not limited to this configuration.
1…回転制御可能な円盤、2…回転軸、3…励起光照射領域を通過する蛍光体、4…励起光集光レンズ群、5…励起光源群、6…励起光コリメータレンズ群、7…ダイクロイックミラー、8…励起光集光レンズ、9…集光レンズ、10…ダイクロイックミラー、11…光源、12…コリメートレンズ、13…光源、14…コリメートレンズ、15…ダイクロイックミラー、16…集光レンズ、17…多重反射素子、18…集光レンズ、19…反射ミラー、20…DMD素子、21…投射レンズ、30…集光レンズ群、31…多重反射素子群、32…コリメートレンズ群、40、41、42、43…励起光照射領域、50、51、52、53…照射強度分布
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記蛍光発光部は、励起光の照射面に蛍光体が塗布され、回転可能な円盤形状を成し、
前記蛍光発光部の回転する励起光の照射面に対向して、前記照射面の励起光照射領域が重ならないように、前記円盤の回転中心に対して、複数の所定の偏角と動径で定まる位置に配置され、前記固体発光部からの励起光を集光して前記蛍光発光部の照射面の複数の領域に励起光を照射するとともに、前記蛍光発光部で励起して放射される蛍光光束を集光する複数の第1の集光レンズから成る集光手段と、
前記集光手段と前記固体発光部との間の光路に配置され、前記固体発光部からの励起光を透過して、前記集光手段からの蛍光光を反射する第1のダイクロイックミラーと、
前記ダイクロイックミラーで反射した前記集光手段から複数の蛍光光束を多重化し照度分布を均一化して前記映像表示素子に出射する第1の光学インテグレータと、を備えたことを特徴とする投射型映像表示装置。Formed by a solid state light emitting unit that emits excitation light, a fluorescent light emitting unit that emits light of different wavelength bands by the excitation light, a video display element that modulates a light beam emitted from the fluorescent light emitting unit, and the video display element In a projection-type image display apparatus having a projection lens for enlarging and projecting a measured optical image,
The fluorescent light emitting portion is formed by applying a phosphor on the irradiation surface of the excitation light and forming a rotatable disk shape,
A plurality of predetermined declinations and radiuses with respect to the center of rotation of the disk so that the excitation light irradiation area of the irradiation surface does not overlap the rotation surface of the excitation light rotating on the fluorescent light emitting unit. Fluorescence that is arranged at a fixed position, collects excitation light from the solid-state light emitting unit, irradiates a plurality of areas on the irradiation surface of the fluorescent light emitting unit, and excites and radiates by the fluorescent light emitting unit Condensing means comprising a plurality of first condensing lenses for condensing the luminous flux;
A first dichroic mirror that is disposed in an optical path between the condensing unit and the solid-state light-emitting unit, transmits excitation light from the solid-state light-emitting unit, and reflects fluorescent light from the condensing unit;
A projection-type image display comprising: a first optical integrator that multiplexes a plurality of fluorescent light fluxes from the light collecting means reflected by the dichroic mirror to make the illuminance distribution uniform and emits the light to the image display element. apparatus.
前記集光手段の第1の集光レンズは異なるレンズ径を有することを特徴とする投射型映像表示装置。In the projection type video display device according to claim 1,
The projection-type image display apparatus, wherein the first condenser lens of the condenser means has a different lens diameter.
前記固体発光部からの励起光を略平行光にする第1のコリメータレンズが前記固体発光部ごとに設けられ、
前記複数の第1の集光レンズのそれぞれに、複数の略平行光な励起光を入射することを特徴とする投射型映像表示装置。In the projection type video display device according to claim 1,
A first collimator lens that makes the excitation light from the solid-state light-emitting portion substantially parallel light is provided for each solid-state light-emitting portion;
A projection-type image display apparatus, wherein a plurality of substantially parallel excitation lights are incident on each of the plurality of first condenser lenses.
前記固体発光部からの励起光を略平行光にする複数の第1のコリメータレンズと、
前記第1のコリメータレンズからの複数の略平行光な励起光を集光する複数の第2の集光レンズと、
前記第2の集光レンズからの複数の励起光を多重化し照度分布を均一化して出射する複数の第2の光学インテグレータと、
前記第2の光学インテグレータから出射光を略平行光して、前記第1の集光レンズに出射する複数の第2のコリメータレンズと、を備えたことを特徴とする投射型映像表示装置。In the projection type video display device according to claim 1,
A plurality of first collimator lenses that make the excitation light from the solid-state light emitting section substantially parallel light;
A plurality of second condensing lenses for condensing a plurality of substantially parallel excitation lights from the first collimator lens;
A plurality of second optical integrators that multiplex and emit a plurality of excitation lights from the second condenser lens and uniformize an illuminance distribution;
A projection-type image display device comprising: a plurality of second collimator lenses that emit substantially parallel light from the second optical integrator and emit the light to the first condenser lens.
前記集光手段の第1の集光レンズは同じレンズ径を有し、
前記第2の集光レンズは、異なる複数の略平行光な励起光を集光することを特徴とする投射型映像表示装置。In the projection type video display device according to claim 4,
The first condenser lens of the condenser means has the same lens diameter;
The projection image display device, wherein the second condenser lens condenses a plurality of different substantially parallel excitation lights.
前記集光手段の第1の集光レンズは同じレンズ径を有し、
前記複数の第2の光学インテグレータは、異なる光束数の励起光を多重化し照度分布を均一化して出射することを特徴とする投射型映像表示装置。In the projection type video display device according to claim 4,
The first condenser lens of the condenser means has the same lens diameter;
The plurality of second optical integrators multiplex excitation light beams having different numbers of light beams and emit the light with uniform illuminance distribution.
前記蛍光発光部が放射する波長帯域と異なる波長帯域の可視光を発光する可視光光源と、
前記第1の光学インテグレータの入射側に設けられ、前記可視光光源の出射光束を反射し、前記第1のダイクロイックミラーからの出射光を透過して、前記可視光光源の出射光束と前記集光手段からの蛍光光を前記第1の光学インテグレータに入射する第2のダイクロイックミラーと、を備えたことを特徴とする投射型映像表示装置。In the projection type video display device according to claim 1,
A visible light source that emits visible light in a wavelength band different from the wavelength band emitted by the fluorescent light emitting unit;
Provided on the incident side of the first optical integrator, reflects the emitted light beam of the visible light source, transmits the emitted light from the first dichroic mirror, and emits the condensed light beam and the condensed light of the visible light source. And a second dichroic mirror for injecting the fluorescent light from the means into the first optical integrator.
前記蛍光発光部の放射光は緑色光であり、
前記可視光光源は、赤色光と青色光を発光し、
前記第1の光学インテグレータに緑色光と赤色光と青色光とが時分割に入射されることを特徴とする投射型映像表示装置。In the projection type video display device according to claim 7,
The emitted light of the fluorescent light emitting part is green light,
The visible light source emits red light and blue light,
A projection-type image display apparatus, wherein green light, red light, and blue light are incident on the first optical integrator in a time-sharing manner.
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