JP5762198B2 - 光学装置及びプロジェクタ装置 - Google Patents

Description

本発明は、励起光源からの励起光を複数の波長帯域光に時分割変調して出力する光源装置及び該光源装置を備えてなるプロジェクタ装置の技術分野に関する。

従来、カラー表示を行うプロジェクタでは青、緑、赤の３色を表示するために、白色光源からの光源光をダイクロイックプリズムなど分光素子によって各色に分光し、これら３色に対応する３つの空間光変調器において表示画素毎に光量を調整することにより、カラー表示を行っていた。しかしながら、この種のカラープロジェクタでは、分光素子や、各色に対応する空間光変調器を複数用意する必要があったため、その構成が複雑になり、装置サイズが大型化してしまうという問題があった。

このような問題を解決するために、近年、白色光源からの光源光をカラーホイールにて時分割変調して、青、緑、赤の３色光を作る方式が考案されている。例えば特許文献１及び２には円盤状のカラーホイールが用いられており、円盤状の表面を複数の扇状セグメントに分割し、その各々に互いに異なる波長帯域を有する蛍光体を形成している。そして、カラーホイールをモータで回転駆動させることにより、光源光が照射される蛍光体を変更し、時分割で３色光を作り出すことができるとされている。

特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報

しかしながら、上記特許文献１及び２では、カラーホイール上に形成された各蛍光体は、その種類によって発光強度が異なる場合が一般的であるため、最も発光強度の低い色（暗い色）のレベルに合わせて他の色の蛍光体における発光量を少なくしてレベル合わせをする必要がある。そのため、光の利用効率がよくなく、光損失が多いという問題点がある。

また、投影する映像によっては各色のバランスを変える必要がある。上記特許文献のような回転駆動されるカラーホイールは、その回転速度や回転向きを変更することによって、各蛍光体に光源光が照射する期間を調整することによってバランスをとる必要がある。しかしながら、円盤状のカラーホイールを回転制御する場合、波長を選択する順番や各波長の光を発光している時間をコントロールするためには、回転速度や回転方向を変える必要があり、画像信号との同期を考慮すると、実現は非常に困難である。特に、カラーホイールは回転駆動に伴う慣性力を有しているため、回転速度や回転向きをきめ細かく制御することは技術的に困難である。

本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、励起光源からの励起光を複数の波長帯域光に時分割変調して出力することにより、明るく鮮明な画像表示が可能となる光源装置及び該光源装置を備えてなるプロジェクタ装置を提供することを目的とする。

本発明に係る光源装置は上記課題を解決するために、励起光源からの励起光を複数の波長帯域光に時分割変調して出力する光源装置であって、前記励起光の受光面が略三角形状の２辺が互いに対向するような複数の領域に分割され、該複数の領域の各々に前記複数の波長帯域光に対応する蛍光体がそれぞれ形成された波長変換素子と、前記波長変換素子において前記励起光が照射される蛍光体を異ならせるように、前記励起光源の照射方向及び前記波長変換素子の位置の少なくとも一方を変更する駆動手段とを備え、前記駆動手段は、前記励起光の前記蛍光体の各々への照射時間の比を可変に制御することを特徴とする。

本発明によれば、駆動手段によって励起光源の照射方向及び波長変換素子の位置の少なくとも一方を変更することで、各色に対応する蛍光体の各々に励起光が照射する期間を変更することができる。これにより、各色光の出射期間及び切り替え順番を任意に制御することができるので、画像表示用の光源として利用した場合に、画像信号に同期させて光損失が少なく、光の利用効率に優れた光源装置を実現することができる。

好ましくは、前記駆動手段は、前記略三角形状の対向しない辺に対して外側から当接し、且つ、前記対向しない辺の垂直方向に沿って伸縮可能な圧電素子であるとよい。また前記駆動手段は、前記励起光源に対して、前記励起光の光出射方向とは略垂直方向の両側から当接するように配置された圧電素子であってもよい。圧電素子は印加電圧値によって伸縮することにより、非常に高いレスポンスで駆動対象物を駆動できる。そのため、上述の駆動手段として圧電素子を採用することにより、波長変換素子の位置や励起光源の照射方向を迅速且つ精度よく変更することが可能となる。また従来のカラーホイールでは回転駆動させるために電動モータが用いられていたが、圧電素子はサイズが小さいため、光源装置の小型化も図ることができる。

また、前記励起光源は発光ダイオード若しくは半導体レーザーを含んでなるとよい。波長変換素子が有する蛍光体を励起するためには、励起光としてピーク波長が紫外域から青の領域にある光が好ましく、発光ダイオードや半導体レーザーが励起光源として適している。

本発明に係るプロジェクタ装置は、上述の光源装置（上記各種態様を含む）と、空間光変調器と、投影光学系とを備えたことを特徴とする。本光源装置は、画像信号に同期させた場合の光損失が少なく、光の利用効率に優れているため、プロジェクタ装置に適用することにより、明るく鮮明で高画質な画像表示を可能とすることができる。

本発明に係る光源装置を備えてなるプロジェクタ装置の基本構成を示す概略図である。 プロジェクタ装置の構成を機能的に示すブロック図である。 プロジェクタ装置の他の構成例を示す概略図である。 波長変換素子を光源光の照射方向から見た場合の構成を示す平面図である。 図４（ａ）に示す蛍光体が圧電素子により駆動される様子を模式的に示す平面図である。 プロジェクタ装置の表示画像の一例である。 従来のカラーホイールを用いた光源装置からの３色光の出射タイミングを示すタイミングチャートである。 本発明に係る光源装置の３色光の出射タイミングを示すタイミングチャートである。 プロジェクタ装置の変形例における基本構成を示す概略図である。

図１は本発明に係る光源装置１を備えてなるプロジェクタ装置１００の基本構成を示す概略図である。プロジェクタ装置１００は、時分割で赤色、緑色、青色の３色に対応する波長光を光源光として出射する光源装置１と、反射により光路変更するための反射ミラー２と、表示画像に同期して画素毎に光量を変更して変調を行う空間光変調器３と、図不示のスクリーンに映像を結像させるための投射レンズ４とを備えてなる。

光源装置１は、光源光を発光する発光部１ａと、発光された光源光の波長を時分割変調する波長変換素子１ｂとを含んでなる。波長変換素子１ｂには発光部１ａにて発光された光源光が照射され、該照射された光源光の波長を赤色、緑色、青色の３色に対応する波長に変換するための蛍光体が設けられている。発光部１ａは、波長変換素子１ｂにおいて蛍光体を励起するために、ピーク波長が紫外域から青の領域にある光を発光する必要があるため、狭帯域な波長スペクトルを持つ発光ダイオードや半導体レーザーから構成されている。

図２は図１に示すプロジェクタ装置１００の構成を機能的に示すブロック図である。制御部５はプロジェクタ装置１００を構成する上記各部位の制御を統括するコントロールユニットである。制御部５はプロジェクタ装置１００が投影すべき映像に関する画像信号を取得すると、当該画像信号に同期するように光源装置１や空間光変調器３に対して制御信号を送信する。これにより、画像信号に同期するように、光源装置１ではカラー表示するための３色光（赤色光、緑色光、青色光）が時分割で出射され、空間光変調器３にて画素毎に光量が制御されることによって、画像信号に対応する表示光が形成される。

図３は本発明に係るプロジェクタ装置１００の他の構成例を示す概略図である。図３に示すように、空間光変調器３を透過型の素子で形成することにより、投射レンズ５の光軸上に、光源装置１を構成する発光部１ａ及び波長変換素子１ｂ、並びに空間光変調器３を直線的に配列するように構成してもよい。この場合、プロジェクタ装置１００の内部レイアウトをより簡略化でき、装置のダウンサイジングを進めることができるメリットがある。尚、図３では図１と共通する箇所には共通の符号を付すこととし、詳細な説明は省略するものとする。

次に図４を参照して、光源装置１が備える波長変換素子１ｂの構成について具体的に説明する。図４は波長変換素子１ｂを光源光の照射方向から見た場合の構成を示す平面図である。波長変換素子１ｂは、発光部１ａからの照射光の受光面が光軸に直交するように配置されており、該受光面上には照射された光源光を赤色、緑色、青色のそれぞれに対応する波長光に変換するための蛍光体６が形成されている。

まず図４（ａ）では蛍光体６として、赤色蛍光体６Ｒ、緑色蛍光体６Ｇ、青色蛍光体６Ｂが設けられている。これらの蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂは、それぞれに対応するように設けられた駆動手段たる圧電素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂによって駆動されることで、光源光が照射される位置が可変に構成されている。図４（ａ）では圧電素子７が駆動されていない初期状態における光源光の照射位置を点線で囲んで示してある。圧電素子７は各蛍光体層６に対応するように設けられており、圧電素子７Ｒ、７Ｇ、７Ｂに所定電圧を印加すると、蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂはそれぞれ図４（ａ）に示す矢印方向に沿って移動し、光源光が照射される蛍光体６を変更できるようになっている。

図４（ａ）に示す例では、蛍光体６はそれぞれ略三角形状を有しており、各蛍光体層の２辺が互いに対向するように設けられている。そして、対向しない辺に対して外側から当接するように圧電素子７が配置されている。圧電素子７には制御部５から所定電圧の制御信号が印加され、圧電素子７が図４（ａ）に示す矢印方向に伸縮することにより、蛍光体６が並進運動するように構成されている。

図５は図４（ａ）に示す蛍光体６が圧電素子７により駆動される様子を模式的に示す平面図である。

制御部５から圧電素子７Ｒに電圧が印加されると、図５（ａ）に示すように、圧電素子７Ｒが伸びることにより蛍光体６Ｒが外側から押圧される。すると、互いに接着固定されている蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂは一体的に図５（ａ）に示す矢印方向に移動され、光源光が３色の蛍光体６のうち赤色蛍光体６Ｒにのみ照射される。このとき、発光部１ａからの光源光は蛍光体６Ｒによって赤色に対応する波長に変調されるので、光源装置１からは赤色光が出射される。

制御部５から圧電素子７Ｇに電圧が印加されると、図５（ｂ）に示すように、圧電素子７Ｇが伸びることにより蛍光体６Ｇが外側から押圧される。すると、互いに接着固定されている蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂは一体的に図５（ｂ）に示す矢印方向に移動され、光源光が３色の蛍光体６のうち緑色蛍光体６Ｇにのみ照射される。このとき、発光部１ａからの光源光は蛍光体６Ｇによって緑色に対応する波長に変調されるので、光源装置１からは緑色光が出射される。

制御部５から圧電素子７Ｂに電圧が印加されると、図５（ｃ）に示すように、圧電素子７Ｂが伸びることにより蛍光体６Ｂが外側から押圧される。すると、互いに接着固定されている蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂは一体的に図５（ｃ）に示す矢印方向に移動され、光源光が３色の蛍光体６のうち青色蛍光体６Ｂにのみ照射される。このとき、発光部１ａからの光源光は蛍光体６Ｂによって青色に対応する波長に変調されるので、光源装置１からは青色光が出射される。

このように波長変換素子１ｂでは、圧電素子７によって各色に対応する蛍光体６を並進運動させることによって、光源光が照射される位置を変化させ、時分割で光源装置１からの出射光の波長を切り換えることができる。特に本実施例では、蛍光体６の駆動手段として圧電素子７を用いることによって、優れたレスポンス性を得ることができる。圧電素子７は印加電圧値を制御することによって、非常に高いレスポンスで駆動対象物を駆動できる。そのため、駆動手段として圧電素子を採用することにより、波長変換素子１ｂの位置を迅速且つ精度よく変更することが可能となる。また、圧電素子７を利用することにより、従来のカラーホイールように駆動用にサイズの大きい電動モータ等を用いる必要がなくなるので、装置全体のダウンサイジングも図ることができる。

また従来のカラーホイールを用いた光源装置では、カラーホイールの回転制御をする際に回転周期がずれないように回転をモニタし、フィードバック制御する必要があった。一方、本発明のような圧電素子７を用いた並進方向では、運動制御自体が映像信号と同期して行なわれるため、運動のモニタリングが必要なくなる。加えて、映像に合わせて、常に適切な波長を選択することで光量損失を防ぎ、明るい表示像を得ることが可能となる。

波長変換素子１ｂの構成は、図４（ａ）及び図５で示したものの他に、例えば図４（ｂ）〜（ｄ）に示すような態様をとることも可能である。図４（ｂ）は、図４（ａ）から青色蛍光体６Ｂを省略した態様である。この場合、発光部１ａとして青色光源を用いる必要があるが、その分、必要な蛍光体の数を減らすことができる分だけ、コストやサイズ面でメリットがある。

また、図４（ｃ）に示すように、各色に対応する蛍光体６を略正方形状に形成し、これらを１次元的（直線的）に配列して構成してもよい。この場合、圧電素子７は配列された蛍光体６の短手側の外周面に対して外側から当接させることにより、蛍光体６が長手方向に沿って移動可能に構成するとよい。このように構成することで、３色の蛍光体６に対して２つの圧電素子７で済むため、より簡易な構造で光源装置１を実現することができる。

また、図４（ｄ）に示すように、図４（ｃ）と同様に蛍光体６を略正方形状に形成しつつ、これらを２次元的に配列してもよい。このように構成することで、初期状態において他の２つの蛍光体に挟まれる蛍光体６Ｒに光源光を照射しておくことにより、圧電素子７で駆動した場合に、迅速に他の２つの蛍光体６Ｇ、６Ｂに光源光を照射できる点で、図４（ｃ）に比べて更に有利である。

続いて図６乃至８を参照して、プロジェクタ装置１００による具体的な表示画像を例に本発明と従来技術との相違点について説明する。図６はプロジェクタ装置１００の表示画像の一例である。図７は従来のカラーホイールを用いた光源装置からの３色光の出射タイミングを示すタイミングチャートである。図８は本発明に係る光源装置の３色光の出射タイミングを示すタイミングチャートである。

図６に示す表示画像では、中心部が赤色、周辺部が黄色に表示されている。この表示画像は制御部５にＲＧＢ３色についてそれぞれ８ビットの値を持つ画像信号が与えられることによって、光源装置１や空間光変調器３が同期制御されて表示されている。

図７に示すように、従来のカラーホイールを用いた光源装置では、カラーホイールの回転に伴って受光面に形成された３色の蛍光体に順次（周期的に）光源光が照射され、３色光が順次出射する。そのため、青色の波長を選択している間（光源光が青色蛍光体に照射されている間）、空間光変調器３は画面全域においてＯＦＦに設定され、その間は光が投射されない。このとき光源装置からの出射光は空間光変調器３において遮断され、光損失として無駄になってしまう。

このようにカラーホイールを用いた光源装置では、青色光を必要としない画像を表示する場合においても、青色蛍光体に光源光を照射する期間が必然的に生じてしまう。これは、カラーホイールでは回転駆動によって各色の切り替えを行っているため、映像と同期させて回転速度や回転方向をきめ細かく変更することは、回転駆動に伴う慣性力もあることから、技術的に困難だからである。

一方、図８に示すように、本発明に係るプロジェクタ装置１００では、光源装置１において圧電素子７によって蛍光体６を駆動することにより、赤色蛍光体６Ｒと緑色蛍光体６Ｇに限って光源光を照射することができる。このように、圧電素子６による並進駆動によって不要な青色蛍光体６Ｂに光源光を照射することなく、容易に他の蛍光体６Ｒ及び６Ｇに限って光源光を照射することができる。図７と図８を比べて明らかなように、図７では青色蛍光体が選択されている期間において光源光が無駄になっていたが、図８では青色蛍光体６Ｂが選択される期間を省き、赤色蛍光体６Ｒと緑色蛍光体６Ｇとを効率的に選択できる。そのため、無駄になる光源光がなく、光を効率よく使用できるので明るく鮮明な映像を投影することができる。

（変形例）
図９はプロジェクタ装置の変形例における基本構成を示す概略図である。図９では上記実施例と共通する箇所には共通の符号を付することにより、重複する説明は適宜省略することとする。

上述の実施例では波長変換素子１ｂの位置を圧電素子７によって並進移動させることにより、光源光が照射する蛍光体６を選択するように構成したが、光源装置１の内部において発光部１ａの向きを変更することで、発光部１ａから射出される光源光が照射される蛍光体６を選択するように、光源装置１の内部に圧電素子７を設けてもよい。

この例では、光源装置１の内部に、発光部１ａの両側部側（光出射方向とは略垂直方向の両側）から当接するように圧電素子７が配置されている。圧電素子７は、図９では図示を省略している制御部５から電圧制御信号印加されることによって伸縮することによって、発光部１ａは固定された支点Ａを中心に発光部１ａからの光出射方向を可変に構成されている。波長変換素子１ｂ上には３色に対応する蛍光体６Ｒ、６Ｇ、６Ｂがそれぞれ設けられており、発光部１ａの向きを変更することによって、いずれかの蛍光体６に光源光が照射されて波長変換が行われるようになっている。つまり、本変形例では、発光部１ａの向きを変更することによって光源光が照射される蛍光体６の種類を選択することで、上記実施例と実質的に同様に、時分割で３色光を出射することができる。

尚、発光部１ａの向きが変化するに伴って、波長変換素子１ｂを透過する透過光の向きも変化するので、該透過光が常に空間光変調器３の所定位置に照射されるように複数の反射ミラー２の位置及び角度をそれぞれ調整して配置するとよい。図９では、発光部１ａからの光源光が照射する蛍光体６の色に合わせて配置された反射ミラー２の位置をそれぞれ符号２Ｒ、２Ｇ、２Ｂで示してある。

以上説明したように、本発明によれば、圧電素子７によって発光部１ａ及び波長変換素子１ｂの少なくとも一方の位置を変更することで、各色に対応する蛍光体６の各々に励起光が照射する期間を変更することができる。これにより、各色光の出射期間及び切り替え順番を任意に制御することができるので、画像表示用の光源として利用した場合に、画像信号に同期させて光損失が少なく、光の利用効率に優れた光源装置１を実現することができる。このような光源装置１は、画像信号に同期させた場合の光損失が少なく、光の利用効率に優れているため、プロジェクタ装置１００に適用することにより、明るく鮮明で高画質な画像表示を可能とすることができる。

本発明は、励起光源からの励起光を複数の波長帯域光に時分割変調して出力する光源装置及び該光源装置を備えてなるプロジェクタ装置に利用可能である。

１ 光源装置
１ａ 発光部
１ｂ 波長変換素子
２ 反射ミラー
３ 空間光変調器
４ 投射レンズ
５ 制御部
６ 蛍光体
６Ｒ 赤色蛍光体
６Ｇ 緑色蛍光体
６Ｂ 青色蛍光体
７ 圧電素子

Claims (5)

1. 励起光源からの励起光を複数の波長帯域光に時分割変調して出力する光源装置であって、
   前記励起光の受光面が略三角形状の２辺が互いに対向するような複数の領域に分割され、該複数の領域の各々に前記複数の波長帯域光に対応する蛍光体がそれぞれ形成された波長変換素子と、
   前記波長変換素子において前記励起光が照射される蛍光体を異ならせるように、前記励起光源の照射方向及び前記波長変換素子の位置の少なくとも一方を変更する駆動手段と
   を備え、
   前記駆動手段は、前記励起光の前記蛍光体の各々への照射時間の比を可変に制御することを特徴とする光源装置。
2. 前記駆動手段は、前記略三角形状の対向しない辺に対して外側から当接し、且つ、前記対向しない辺の垂直方向に沿って伸縮可能な圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記駆動手段は、前記励起光源に対して、前記励起光の光出射方向とは略垂直方向の両側から当接するように配置された圧電素子であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. 前記励起光源は発光ダイオード若しくは半導体レーザーを含んでなることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の光源装置と、空間光変調器と、投影光学系とを備えたことを特徴とするプロジェクタ装置。

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