JP5709225B2 - 照明光学系とこれを用いたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、複数の色の画像光を形成するための複数の色の照明光を発生する照明光学系と、該照明光学系による各画像光を投射するプロジェクタに関する。

液晶プロジェクタやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタのようなスクリーンに画像を投射するプロジェクタの光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いる技術が注目されている（特許文献１参照）。

ＬＥＤの長寿命性および高信頼性に起因して、ＬＥＤを光源とするプロジェクタには長寿命で高信頼という利点がある。

しかしながら、その一方でＬＥＤの光はプロジェクタ用としては輝度が低いので、ＬＥＤを光源としたプロジェクタの場合、十分な輝度の映像を得ることは容易ではない。光源からの光を表示パネルがどれだけ投射光として利用できるかはエテンデューにより制限される。つまり、光源の発光面積と放射角との積の値を、表示パネルの入射面の面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にしなければ、光源からの光を効率良く投射光として利用できない。

ＬＥＤによる光源では発光面積を大きくすれば光量を上げることはできるが、発光面積が大きくなれば光源のエテンデューが大きくなってしまう。エテンデューの制限からプロジェクタの光源としては発光面積を大きくせず光量を上げることが望まれるが、ＬＥＤによる光源で発光面積を大きくせずに光量を上げるのは困難である。

特開２００３−１８６１１０号公報

ＬＥＤのみによる光源ではエテンデューが大きくなってしまう。本発明は、エテンデューが小さく、より長寿命かつ高輝度の照明光学系を実現するものである。

本発明による照明光学系は、励起光を発生するレーザ光源と、前記励起光により蛍光を発生する蛍光体と、一端に入射された前記励起光を他端より前記蛍光体へ向けて出射し、前記蛍光体にて発生した蛍光を前記一端より出射するライトトンネルと、前記レーザ光源と前記ライトトンネルとの光路中に設けられ、前記励起光を反射し、前記蛍光を通過させる光学素子と、を備える。

また、本発明によるプロジェクタは、上記の照明光学系を備える。

本発明によれば、エネルギー密度の高いレーザを励起光とした蛍光を用いているので、エテンデューが小さく、より長寿命かつ高輝度の照明光学系を実現できる。

本発明による照明光学系の一実施形態の構成を示すブロック図である。 光学素子１０２の断面図である。 光学素子１０２の正面図である。 蛍光ホイール１０４をレーザ光源１０１が発生したレーザ光の入射面側から見たときの平面図である。 青蛍光領域２０１、緑蛍光領域２０２および赤蛍光領域２０３の構成を示す断面図である。 本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 蛍光体４０３の構造を示す断面図である。 本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。 図４に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有する構成には同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。

図１は本発明による照明光学系の一実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態の照明光学系は、図１に示したように、レーザ光源１０１、光学素子１０２、ライトトンネル１０３、蛍光ホイール１０４、および、反射プリズム１０５から構成されている。

レーザ光源１０１は波長λ１の励起光として用いられるレーザ光を発生する。レーザ光源１０１が発生したレーザ光は、光学素子１０２で反射しライトトンネル１０３を通って蛍光ホイール１０４に入射する。

光学素子１０２は、レーザ光源１０１とライトトンネル１０３の光路中に設けられている。

光学素子１０２は、ライトトンネル１０３を介して蛍光ホイールに向けてレーザ光を反射し、蛍光ホイール１０４で発生した蛍光は透過させる素子である。本実施形態では、光学素子１０２は、レーザ光を反射する反射部を有し、蛍光を反射部以外から通過するものである。

図２Ａは光学素子１０２の断面図であり、図２Ｂは光学素子１０２の正面図である。

図２Ａおよび図２Ｂに示したように、光学素子１０２は、蛍光を通過させる透過領域である透過部７０１と、レーザ光を反射させる反射領域である反射部７０３とを有する。

反射部７０３は、例えば、平板ガラスなどの透明な基板７０２上にアルミやクロムなどが蒸着されることで形成される。透過部７０１は、例えば、基板７０２に非蒸着部を設けることで形成される。要するに、反射部７０３は、レーザ光（励起光）を反射するように形成されていればよい。

基板７０２の形状としては、図２Ａおよび図２Ｂで示したような円形に限らず、矩形やその他の形状でもよい。また、反射部７０３の形状も、円形に限らない。

また、図１で示したように、光学素子１０２はレーザの進行方向に対して傾斜して配置されていることが好ましい。

一般に、半導体レーザから射出する光の断面形状は円形ではなく楕円となることが多い。従って、例えば、反射部７０３が円形の場合、図１のレーザ光源１０１から反射部７０３を見ると、その形状は楕円形となるので、レーザ光の断面の長軸方向と、反射部７０３の長軸方向とを一致させておけば、レーザ光は反射部７０３で効率よく反射できる。

蛍光ホイール１０４は、レーザ光源１０１が発生したレーザ光により、それぞれ異なる波長の光を発生する複数の蛍光発生領域を備えている。

図３Ａは、蛍光ホイール１０４をレーザ光源１０１が発生したレーザ光の入射面側から見たとき、つまり、図１において蛍光ホイール１０４を左側から見たときの平面図である。

蛍光ホイール１０４は、円形であり、その中心角により規定される３つの領域、青蛍光領域２０１、緑蛍光領域２０２および赤蛍光領域２０３を備えている。青蛍光領域２０１、緑蛍光領域２０２および赤蛍光領域２０３は、レーザ光源１０１が発生したレーザ光が入射されたときに、そのレーザ光の波長λ１よりも長い波長λ２、λ３、λ４（λ２＜λ３＜λ４）の青色蛍光、緑色蛍光および赤色蛍光をそれぞれ発生する。

図３Ｂは、青蛍光領域２０１、緑蛍光領域２０２および赤蛍光領域２０３の構成を示す断面図である。

図３Ｂに示す青蛍光領域２０１では、基板２０４上に、波長λ２〜λ４の光を反射する反射層２０５と、青蛍光体層２０６とが積層されている。青蛍光体層２０６は波長λ１の励起用のレーザ光が入射されると波長λ２の青色蛍光を発生する。

図３Ｂに示す緑蛍光領域２０２では、反射層２０５の上に緑蛍光体層２０７が積層されている。緑蛍光体層２０７は波長λ１の励起用のレーザ光が入射されると波長λ３の緑色蛍光を発生する。

図３Ｂに示す赤蛍光領域２０３では、反射層２０５の上に赤蛍光体層２０８が積層されている。赤蛍光体層２０８は波長λ１の励起用のレーザ光が入射されると波長λ４の赤色蛍光を発生する。

上記構成を備える蛍光ホイール１０４は、中心を軸として回転し、ライトトンネル１０３より照射されるレーザ光の位置が各蛍光領域上を移動するものであり、レーザ光源１０１が発生したレーザ光の入射位置は外周部近傍とされている。このため、レーザ光源１０１が発生したレーザ光が入射されている状態では、青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光が順次発生し、反射層２０５で反射されてライトトンネル１０３に再入射する。

上記構成を備える蛍光ホイール１０４は、中心を軸として回転し、ライトトンネル１０３より照射されるレーザ光の位置が各蛍光領域上を移動するものであり、レーザ光源１０１が発生したレーザ光の入射位置は外周部近傍とされている。このため、レーザ光源１０１が発生したレーザ光が入射されている状態では、青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光が順次発生し、反射層２０５で反射されてライトトンネル１０３に再入射する。

本実施形態では、４波長（λ１〜λ４）の光が用いられるが、その波長の大小関係は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４となる。光学素子１０２は、波長λ２、λ３およびλ４の光の大部分を反射し、波長λ１の光は開口部１０６を通過する。ライトトンネル１０３は入出射面となる両端面の大きさが異なるテーパ形状のもので、ライトトンネル１０３はテーパ形状を備えることにより、各蛍光体で発生した拡散された蛍光の角度分布を変えて均一化することができる。ここでライトトンネルには、中空の内側面がミラーで構成されたものと、中実の透明多角柱で構成され全反射を利用するものとが含まれる。後者はロッドレンズとも呼ばれる。

本実施形態において、光学素子１０２の反射部７０３で反射し、ライトトンネル１０３の一端に入射され、ライトトンネル１０３を通って他端から蛍光ホイール１０４に向かって出射される。蛍光ホイール１０４で順次発生する青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光はライトトンネル１０３に再入射し、ライトトンネル１０３の一端から出射され、光学素子１０２の透過部７０１でその大部分が通過する。その後、反射プリズム１０５で反射されて照明光として出射される。

ここで、各蛍光の大部分が透過部７０１で通過する理由は、レーザ光は光の拡がりが非常に小さなビーム状の光であり、光学素子１０２の反射部７０３もそのビームの断面積に応じた小さな面積であるので、波長λ２、λ３およびλ４の光は、その大部分が反射部７０３で遮蔽されることがないからである。

上記のように、本実施形態の照明光学系では、均一化された赤色蛍光、緑色蛍光、青色蛍光が順番に現れ、照明光として用いられる。

図４は本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。

図１に示した実施形態では、３つの蛍光領域を備える蛍光ホイールを用いることで、一つの励起光源から３色の蛍光を発生させるものであったのに対し、本実施形態は、各色の蛍光体のそれぞれに個別の励起光源を設けたものである。

本実施形態の照明光学系は、レーザ光源３０１、３０５、３０９、光学素子３０２、３０６、３１０、ライトトンネル３０３、３０７、３１１、青蛍光体３０４、緑蛍光体３０８、赤蛍光体３１２、クロスダイクロイックプリズム３１３から構成されている。

レーザ光源３０１、３０５、３０９は波長λ１の励起光として用いられるレーザ光を発生する。青蛍光体３０４、緑蛍光体３０８、赤蛍光体３１２は、レーザ光源３０１が発生したレーザ光が入射されたときに、波長λ１よりも長い波長λ２、λ３、λ４（λ２＜λ３＜λ４）の青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光をそれぞれ発生する。

青蛍光体３０４、緑蛍光体３０８、赤蛍光体３１２の構造は、図３Ｂに示した青蛍光領域２０１、緑蛍光領域２０２、赤蛍光領域２０３の構造と同様であり、基板上に形成された反射層の上に、青蛍光体、緑蛍光体、赤蛍光体が形成されている。

光学素子３０２は波長λ１の光を反射させ、波長λ２の光の大部分を通過する。光学素子３０６は波長λ１の光を反射させ、波長λ３の光の大部分を通過する。光学素子３１０は波長λ１の光を反射させ、波長λ３の光の大部分を通過する。

ライトトンネル３０３、３０７、３１１は、図１に示したライトトンネル１０３と同様に、両端面の大きさが異なるテーパ形状のもので、各蛍光体で発生した拡散された蛍光の角度分布を変えて均一化することができる。ここでライトトンネルには、中空の内側面がミラーで構成されたものと、中実の透明多角柱で構成され全反射を利用するものとが含まれる。

レーザ光源３０１が発生したレーザ光は、光学素子３０２で反射、ライトトンネル３０３を通って青蛍光体３０４に入射する。青蛍光体３０４で発生した青蛍光は、ライトトンネル３０３を通り、その大部分の光が光学素子３０２を通過してクロスダイクロイックプリズム３１３に入射する。

レーザ光源３０５が発生したレーザ光は、光学素子３０６で反射し、ライトトンネル３０７を通って緑蛍光体３０８に入射する。緑蛍光体３０８で発生した緑蛍光は、ライトトンネル３０７を通り、その大部分の光が光学素子３０６を通過して、クロスダイクロイックプリズム３１３に入射する。

レーザ光源３０９が発生したレーザ光は、光学素子３１０で反射し、ライトトンネル３１１を通って赤蛍光体３１２に入射する。赤蛍光体３１２で発生した赤蛍光は、ライトトンネル３１１を通り、その大部分の光が光学素子３１０を通過してクロスダイクロイックプリズム３１３に入射する。

クロスダイクロイックプリズム３１３は、波長λ３の光は通過させ、波長λ２およびλ４の光は反射させる。このため、各蛍光体により発生した各蛍光は同じ方向に出射される。

上記のように構成される本実施形態では、蛍光を発生するユニットが各色に対して設けられているので、複数の蛍光を同時に発生させることができる。また、レーザ光源３０１、３０５、３０９を順番に駆動することにより、図１に示した照明光学系と同様に、各蛍光を順次出力させることもできる。

図５Ａは本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、図３に示した実施形態において、各色に対して設けられるユニットのうち、レーザ光源による励起光が開口つき反射ミラーにより通過してライトトンネルに入射するユニットの変形例であり、光出力を高めるものである。

本実施形態の照明光学系は、図５Ａに示したように、レーザ光源４０１、４０２、蛍光体４０３、ライトトンネル４０４、および、光学素子４０５から構成されている。レーザ光源４０１、４０２は、同じ波長のレーザ光を励起光として発生する。なお、レーザ光源４０１は、蛍光体４０３の反ライトトンネル４０４側から励起光を蛍光体４０３に向けて照射する第２のレーザ光源である。

図５Ｂは蛍光体４０３の構造を示す断面図である。図示されるように、蛍光体４０３では、基板４０９上に、反射層４０７と蛍光体層４０８が積層されている。蛍光体層４０８はレーザ光源４０１、４０２のレーザ光により該レーザ光よりも波長の長い蛍光を発生する。反射層４０７はレーザ光源４０１、４０２が発生するレーザ光は通過させ、蛍光体層４０８が発生する蛍光は反射する。なお、反射層４０７は、誘電体多層膜などで形成され、レーザ光を通過し、蛍光を反射させる特性の薄膜で形成されている。

光学素子４０５は、レーザ光源４０１が発生するレーザ光を反射し、蛍光体層４０８が発生する蛍光の大部分の光を通過させる。

レーザ光源４０１が発生したレーザ光は、反射層４０７を通過して蛍光体層４０８に入射する。レーザ光源４０２が発生したレーザ光は、光学素子４０５を反射して蛍光体層４０８に入射する。蛍光体層４０８では、入射したレーザ光源４０１、４０２からのレーザ光により蛍光が発生する。蛍光体層４０８で発生した蛍光は、ライトトンネル４０４および光学素子４０５の透過部を通って外部へ出力され、照明光として利用される。

本実施形態の蛍光体４０３を、図１に示した蛍光ホイールとして各色を準じ出力する照明光学系を構成してもよい。また、本実施形態のユニットをそれぞれ異なる蛍光を発生する３つのユニットとして図３に示した照明光学系を構成してもよい。

図６は本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、図１で説明した照明光学系の変形例であって、複数のレーザ光源を使用し、より光出力を高めるものである。

本実施形態の照明光学系は、図６に示したように、複数のレーザ光源１０１と、ライトトンネル１０３、蛍光ホイール１０４、反射プリズム１０５、および、光学素子８０１から構成される。

レーザ光源１０１と、ライトトンネル１０３、蛍光ホイール１０４、反射プリズム１０５の構成および動作は図１に示したものと同様であるため、図１と同じ符号を付して説明は省略する。

光学素子８０１は、斜面が互いに微小な間隙である空気間隔を介して対向するように配置された２つの三角プリズム８０２および８０３が一体化されて形成される。また、三角プリズム８０２は、各レーザ光が斜面で全反射するように配置される。

複数のレーザ光源１０１のそれぞれが発生した各レーザ光は、光学素子８０１の三角プリズム８０２の斜面で全反射され、ライトトンネル１０３の入射面に導かれる。その後、レーザ光は、蛍光ホイール１０４に入射し、そこで発生した蛍光光はライトトンネル１０３を通って出射され、光学素子８０１を構成する２つの三角プリズム８０２および８０３を通過して、反射プリズム１０５で反射し、照明光として出射される。

ここで、三角プリズム８０２および８０３は、斜面同士が微小な空気間隔を介して対向しているので、ライトトンネル１０３から出射された、拡がり角度が抑制された蛍光が光学素子８０１を通過する際の光損失を低くすることが可能である。また、複数のレーザ光源１０１を用いることが可能になるので、レーザ光源の数に応じて大光量の蛍光を利用することができ、非常に明るいプロジェクタを実現することができる。

図７は、図１に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。

図７に示すプロジェクタは、ユーザインタフェース部５０１、制御部５０２、記憶部５０３、映像信号処理部５０４、同期信号処理部５０５、ＬＤ駆動部５０６、蛍光ホイール駆動部５０８、表示素子駆動部５０９、回転状態検出部５１０、表示素子５１１、図１に示したレーザ光源１０１および蛍光ホイール１０４から構成されている。

ユーザインタフェース部５０１は、ユーザからの指示入力を受け付けて制御部５０２に出力し、また、現在のプロジェクタの動作状態をインジケータや表示パネルなどの表示装置（不図示）に表示させる。

制御部５０２は、記憶部５０３に格納されているプログラムに応じてプロジェクタを構成する各部を制御する。

記憶部５０３は、制御部５０２の制御プログラムを格納し、また、映像用データを一時記憶する。

映像信号処理部５０４は外部より入力された映像信号を、プロジェクタ内で用いられる映像信号に変換する。本実施形態の映像信号は、上述したように各色の照明光が順次照明光学系より出力される構成であるため、各色に応じた映像信号が順次生成される。

同期信号処理部５０５は、外部より入力された映像信号に同期する同期信号を、プロジェクタ内で用いられる映像信号に変換する。具体的には、各色の映像信号の出力タイミングを示す同期信号を生成して出力する。

ＬＤ駆動部５０６は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に応じてレーザ光源１０１の点灯状態を制御する。

回転状態検出部５１０は蛍光ホイール１０４の回転状態を検出して蛍光ホイール駆動部５０８へ出力する。

蛍光ホイール駆動部５０８は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に示される映像信号の色と、回転状態検出部５１０が検出した蛍光ホイール１０４の回転状態が示す照明光学系が出力する色とが一致するように蛍光ホイール１０４の回転状態を制御する。

表示素子駆動部５０９は映像信号処理部が出力する映像信号に応じて、表示素子５１１を駆動する。ここで、表示素子５１１としては、複数のマイクロミラーがマトリックス状に配置され、各マイクロミラーの反射状態により画像を形成する反射型画像形成素子や、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子などの、各色の画像を順次表示させる表示素子が用いられる。

上記のように構成されるプロジェクタでは、照明光学系から順次出力される各色の照明光により各色に対応した画像を表示する表示素子５１１が照明され、表示素子５１１の反射画像もしくは透過画像が投影光学系（不図示）を介して順次投射される。

図８は、図４に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。

図８に示すプロジェクタは、ユーザインタフェース部５０１、制御部５０２、記憶部５０３、映像信号処理部５０４、同期信号処理部５０５、ＬＤ駆動部５０６'、表示素子駆動部５０９'、表示素子５１１、図４に示したレーザ光源３０１、３０５、３０９から構成されている。

ユーザインタフェース部５０１、制御部５０２、記憶部５０３、映像信号処理部５０４、同期信号処理部５０５の構成および動作は図７に示したものと同様であるため、図７と同じ符号を付して説明は省略する。

ＬＤ駆動部５０６'は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に応じてレーザ光源３０１、３０５、３０９の点灯状態を制御する。

表示素子駆動部５０９'は映像信号処理部が出力する映像信号に応じて、表示素子５１１'を駆動する。ここで、表示素子としては、図７に示した表示素子５１１と同様に、各色の画像を順次表示させる表示素子複数のマイクロミラーがマトリックス状に配置され、各マイクロミラーの反射状態により画像を形成する反射型画像形成素子や、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子が用いられるため、ＬＤ駆動部５０６'は表示素子５１１'が表示する画像色に応じてレーザ光源３０１、３０５、２０３を点灯させる。

なお、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子の場合には、カラー画像を表示するものがある。表示素子５１１'としてカラー表示を行う表示素子が使用される場合には、ＬＤ駆動部５０６'は、レーザ光源３０１、３０５、３０９を同時に点灯させる。

上記のように構成されるプロジェクタでは、照明光学系から順次出力される各色の照明光により各色に対応した画像を表示する表示素子５１１'が照明され、表示素子５１１'の反射画像もしくは透過画像が投影光学系（不図示）を介して順次投射される。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。

１０１ レーザ光源
１０２ 光学素子
１０３ ライトトンネル
１０４ 蛍光ホイール
１０５ 反射プリズム

Claims (6)

1. 励起光を発生するレーザ光源と、
   前記励起光により蛍光を発生する蛍光体と、
   一端に入射された前記励起光を他端より前記蛍光体へ向けて出射し、前記蛍光体にて発生した蛍光を前記一端より出射するライトトンネルと、
   前記レーザ光源と前記ライトトンネルとの光路中に設けられ、前記励起光を反射し、前記蛍光を通過させる光学素子と、を備え、
   前記光学素子は、斜辺が空気層を介して互いに対向するように配置された２つの三角プリズムを有する、照明光学系。
2. 請求項１に記載の照明光学系において、
   前記レーザ光源は複数ある、照明光学系。
3. 請求項１または請求項２に記載の照明光学系において、
   前記蛍光体は、それぞれ異なる波長の蛍光を発生する複数の蛍光領域を備え、回転により前記ライトトンネルより照射される位置が各蛍光領域上を移動する蛍光ホイールであることを特徴とする照明光学系。
4. 請求項１または請求項２に記載の照明光学系のユニットを複数備え、
   各ユニットの蛍光体はそれぞれ異なる波長の蛍光を発生し、
   各ユニットの出射光を入射して同じ方向に向けて出射するクロスダイクロイックプリズムを有することを特徴とする照明光学系。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の照明光学系において、
   前記蛍光体に対するライトトンネルの反対側から励起光を前記蛍光体に向けて照射する第２のレーザ光源を具備し、
   前記蛍光体は、前記第２のレーザ光源側に設けられ、前記励起光を通過させ前記蛍光を反射する反射層と、ライトトンネル側に設けられた蛍光体層とを有することを特徴とする照明光学系。
   
6. 請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の照明光学系を備えたプロジェクタ。

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