JP5786012B2 - 投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、投写型映像表示装置に関する。

当該技術分野において、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（特許文献１参照）。特許文献１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、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いでいる。

特開２００９−２７７５１６号公報

特許文献１によれば、円盤の円周上に、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。尚、回転中心から遠い位置に励起光を照射すれば、実照射領域を大きくすることは可能であるが、円盤の形状が大きくなり、装置が大型化する、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、装置の大型化を招くことなく、蛍光体光源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。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

係る投写型映像表示装置は、励起光を発光する励起光源群と、励起光の入射により蛍光光を発光する蛍光体が塗布された円形状の基材と、蛍光光の強度を検出する第１の光強度検出器と、励起光の強度を検出する第２の光強度検出器と、第１の光強度検出器の検出値と前記第２の光強度検出器の検出値との関係に基づいて、基材を移動させるか否かを判断する制御装置と、制御装置の指示に応じて基材の回転中心を移動させる移動装置と、を備え、制御装置は、第２の光強度検出器による励起光の強度の低下に対する第１の光強度検出器による蛍光光の強度の低下の割合が所定値を超えた場合、基材を移動するように移動装置に指示を出すことを特徴とする。

本発明によれば、装置の大型化を招くことなく、蛍光体光源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。

本実施例の照明光学系の一部を示す図。 投写型映像表示装置の光学系の概略構成図。 従来技術の照明光学系の一部を示す図。

以下、本実施例について、図を参照しながら説明する。尚、各図において、同一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。

ここで、右手直角座標系を導入しておく。図中で紙面内左から右、即ち、それぞれの図中の光軸１００の光の進行方向をＺ軸として、Ｚ軸に直交する面内で紙面に平行な軸をＸ軸とし、紙面裏から表に向かう軸をＹ軸とする（但し、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、図３（Ｂ）については紙面表から裏に向かう軸がＸ軸となる）。Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ方向」、Ｚ軸に平行な方向を「Ｚ方向」、偏光方向がＸ方向の偏光光を「Ｘ偏光光」、偏光方向がＹ方向の偏光光を「Ｙ偏光光」と呼ぶ。

まず、本実施例と従来技術の差異を分かりやすくするため、従来技術（特許文献１）について説明する。図３は、従来技術の照明光学系の一部を示す図である。

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。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を持つ。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４を通過後、蛍光体３が塗布された円盤１に入射する。集光レンズ４の曲率は、入射した平行光が円盤１の１箇所に集光するように設定されている。

円盤１は、回転素子２を中心軸とする回転制御可能な円形状の基材である。励起光により励起された円盤１上の蛍光体３は、集光レンズ４の方向に蛍光光を射出する。蛍光光は集光レンズ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、投写レンズ側に入射する。

図３(Ｂ)において、励起光は円盤１上の照射領域３１に集光する。蛍光体３の１箇所に励起光が常に集光されるのを防ぐため、円盤１は回転素子２を中心に回転する。蛍光体３の１箇所に励起光が常に集光される場合（円盤１の回転なし）と比較すると、円周１周が照射領域となり、蛍光体の寿命が改善される。

次に、本実施例について説明する。図１は、本実施例の照明光学系の一部を示す図である。尚、本実施例では、照明光学系とは、図２において、投写レンズ２２及びスクリーン１２０を除く部分を指すものとする。

図１（Ａ）において、励起光源群５から射出した励起光が蛍光光の入射を受け蛍光体３が蛍光光を発光し、その後、蛍光光が投写レンズ側に入射する点については図３の説明と同様である。

円盤１は、回転素子２を中心軸とする回転制御可能な円形状の基材であり、連結部４０を介して、円盤１をＺ方向に移動できる移動装置４２と接続されている。連結部４０には穴が開いており、位置決めピン４１を穴に通している。そこで、制御装置６０は、移動装置４２を作動させることにより、Ｚ方向に円盤１を移動することができる。

円盤１の後面には、励起光源群５から射出した励起光の強度を検出する第１の光強度検出器５０を配置する。又、円盤１の後面で励起光強度を検出するため、円盤１の基材は透過基材とし、蛍光体が接着されていない領域（無蛍光体領域３０）を設ける。更に、ダイクロイックミラー７の投写レンズ側に、蛍光光の強度を検出する第２の光強度検出器５１を配置する。

第１の光強度検出器５０及び第２の光強度検出器５１は、各々、光強度のモニタ結果を制御装置６０に送信する。制御装置６０は、受信したモニタ結果に基づいて、円盤１を移動させるか否かを判断する。

投写型映像表示装置の実使用に伴い、励起光源、蛍光体とも徐々に劣化し、投写型映像表示装置としての明るさも低下する。励起光源が劣化した場合は、励起光出力が低下するため、励起により発光された蛍光光の出力も励起光強度の低下と比例して低下し、投写型映像表示装置の明るさが低下する。又、蛍光体のみが劣化した場合も、蛍光光の出力が低下し、投写型映像表示装置の明るさが低下する。

蛍光体の劣化が大きい場合は、励起光強度の低下と比較し、蛍光光強度の低下が大きく検出される。そこで、制御装置６０は、励起光強度の低下に対する蛍光光強度の低下の割合が所定値を超えた場合、円盤１を移動させる、と判断する。

次に、制御装置６０は、円盤１をＺ方向にレーザ照射サイズ程度（例えば、１〜２mm）移動させる。例えば、蛍光体３の塗布幅１０mm、レーザ照射サイズ２mmの場合、励起光照射可能位置は５箇所（移動回数は４回）となる。即ち、Ｚ方向に移動させない場合（特許文献１）と比べると、寿命が約５倍となる。

記憶装置６１は、蛍光体３の塗布幅、レーザ照射サイズ、現在集光位置となっている円周上の位置等を記憶しており、制御装置６０はこれらの情報に基づいて、移動装置４２に円盤１を移動するよう指示を出す。次に移動させるべき位置がなくなったと判断した場合は、ユーザインタフェースを介して円盤１を交換するようユーザに通知するようにしてもよい。

尚、制御装置６０は、投写型映像表示装置を作動中（レーザを照射中）、常に円盤を回転させる。ここで用いる励起光は高ワット（２０〜３０Ｗ）のため、回転させないで一点に熱を集中させてしまうと一瞬で蛍光体を基材に接着するシリコン接着剤が焼けてしまうためである。常に回転させるため、１回転に１回は、無蛍光体領域３０が集光位置を通過する。よって、第１の光強度検出器５０は確実に励起光強度を検出できる。

図１（Ｂ）は、蛍光体３が円盤１に接着している状態を示している。円盤１の面上には、蛍光体３が接着されている領域（斜線で表示）、及び、蛍光体３内の照射領域３１があり、更に、蛍光体３が接着されていない無蛍光体領域３０が設けられている。円盤１が回転し、照射領域３１を無蛍光体領域３０が通過すると、第１の光強度検出器５０が励起光強度を検出する。無蛍光体領域３０は、光束量低下を防ぐために、照射領域３１と同程度の幅であることが望ましい。

図１（Ｃ）は、円盤の位置をＺ方向に移動した場合の一例を示している。蛍光体３が接着されている領域における半径方向の幅は、照射領域３１を半径方向に複数収容できる大きさとなっている。円盤の位置を照射領域３１と同程度のサイズだけ移動することにより、劣化した蛍光体領域とは別の領域の蛍光体に励起光を照射することができるため、蛍光光の出力が上昇し、明るさを回復することができる。即ち、光源としての寿命を改善できる。

尚、第１の光強度検出器５０の位置を円盤１の後面、第２の光強度検出器５１の位置をダイクロイックミラーの後面としたが、励起光強度を検出できる位置であれば、この位置に限定されるものではない。又、円盤を移動させる方向も、蛍光体３の劣化した領域を回避できるように移動できる方向であれば、Ｚ方向に限定されるものではない。

上記実施例では、蛍光体を塗布する対象を円盤として説明したが、円盤に限定されるものではなく、例えば、多角形の形状の基材であってもよい。

次に、投写型映像表示装置の照明光学系について説明する。図２は、投写型映像表示装置の光学系の概略構成図である。各色光の光路に配置されている要素を区別する際には符号の後に色光を表すＲ，Ｇ，Ｂを添えて示し、区別する必要がない場合には、色光の添え字を省略する。

まず、赤色光及び緑色光が液晶型映像表示素子（以下、液晶パネル）１７Ｒ、１７Ｇに均一な照度で照射される原理を説明する。

励起光源としては、青色レーザを使用する。レーザは発光源の発光領域が小さいため、光の集光やコリメートが容易なためである。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は青色光を透過し、緑色光及び赤色光を反射する特性を持つ。従って、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４で集光し、円盤１に集光する。黄色蛍光体３で発生した緑色光と赤色光との成分を含んだ黄色光は、円盤１から射出後、集光レンズ４を通過して平行となり、ダイクロイックミラー７で反射して、偏光変換インテグレータ７０に入射する。

偏光変換インテグレータ７０は、第１のレンズ群８と第２のレンズ群９からなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、光の偏光方向を所定偏光方向に揃えて直線偏光光に変換する偏光ビームスプリッタアレイとλ／２板を組み合わせた偏光変換素子１０とを含む。第２のレンズ群９からの光は偏光変換素子１０により、所定の偏光方向、例えばＹ方向の直線偏光光に略揃えられる。そして、第１のレンズ群８の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ１１、コリメートレンズ１５Ｒ、１５Ｇにより各液晶パネル１７Ｒ、１７Ｇ上に重ね合わせられる。

その際、集光レンズ１１を通過した黄色光は、ダイクロイックミラー１２により、赤色光と緑色光に分離される。ダイクロイックミラー１２は緑色光を通過、赤色光を反射する特性を有しているので、ダイクロイックミラー１２に入射した黄色光の内、緑色光はダイクロイックミラー１２を通過し、反射ミラー１３で反射し、コリメートレンズ１５Ｇで略平行となり、入射偏光板１６ＧでＸ偏光光を更に取り除いた後、液晶パネル１７Ｇに入射する。一方、赤色光は、ダイクロイックミラー１２で反射し、反射ミラー１４で反射し、コリメートレンズ１５Ｒで略平行となり、入射偏光板１６ＲでＸ偏光光を更に取り除いた後、液晶パネル１７Ｒに入射する。

このようにして、励起光源群５からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向（ここではＹ偏光光）に揃えながら、液晶パネルを均一照明することができる。

次に、青色光が液晶パネル１７Ｂに均一な照度で照射される原理を説明する。

青色光源としては、ＬＥＤを使用する。レーザと違い目への危険性が少ない、視感度が低いため明るさへの寄与が少ない、長寿命である、等の理由からである。

励起光源としては集光やコリメートが容易な青色レーザを使用し、投写用の光源としてはＬＥＤを使用することにより、光の明るさを保ちつつ、目への危険性をも少なくできる、という効果を奏する。

ＬＥＤ１９から発光した青色光は、直後に配置された多重反射素子２０に入射する。青色光は多重反射素子２０で複数回反射し、多重反射素子２０の出射開口面では、均一照度分布を有する光となる。多重反射素子２０の出射開口面の形状は、液晶パネル１７Ｂと略相似な形状である。多重反射素子２０を射出した青色光はコリメートレンズ１５Ｂで略平行となり、入射偏光板１６Ｂに入射する。ＬＥＤから射出する光は偏光方向がランダムな光であるため、入射偏光板１６Ｂにより、Ｘ偏光光が取り除かれ、Ｙ偏光光のみが通過し、液晶パネル１７Ｂに入射する。

続いて、Ｙ方向を透過軸とする入射偏光板１６（１６Ｒ、１６Ｇ、１６Ｂ）により偏光度が高められた各色光は、光強度変調部を構成する各液晶パネル１７（１７Ｒ、１７Ｇ、１７Ｂ）により、図示しないカラー映像信号に応じて変調（光強度変調）し、青色光と赤色光のＸ偏光、及び緑色光のＺ偏光の光学像を形成する。

当該光学像は、出射偏光板１８（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）に入射する。出射偏光板１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂは、Ｘ方向を透過軸とする偏光板であり、出射偏光板１８Ｇは、Ｚ方向を透過軸とする偏光板である。これにより、不要な偏光光成分（ここでは、Ｙ偏光光）が除去され、コントラストが高められる。

当該光学像は、色合成手段である色合成プリズム２１に入射する。この時、緑色光の光学像は、Ｚ偏光（色合成プリズム２１のダイクロイック膜面に対してＰ偏光）のままで入射する。一方、青色光路及び赤色光路では、出射偏光板１８Ｂ、１８Ｒと色合成プリズム２１との間に図示しない１／２λ波長板を設けていることから、Ｘ偏光の青色光及び赤色光の光学像は、Ｙ偏光（色合成プリズム２１の色合成を行うダイクロイック膜面に対してＳ偏光）の光学像に変換された後、色合成プリズム２１に入射する。これは、ダイクロイック膜の分光特性を考慮したもので、緑色光をＰ偏光光、赤色光と青色光をＳ偏光光とする所謂ＳＰＳ合成とすることで、効率良く色合成するためである。

続いて、色合成プリズム２１は、青色光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）と、赤色光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状（クロス状）に形成されたものである。色合成プリズム２１の３つの入射面の内、対向する入射面に入射した青色光と赤色光（ダイクロイック膜面に対してＳ偏光光）は、クロスした青色光用のダイクロイック膜及び赤色光用のダイクロイック膜でそれぞれ反射される。又、中央の入射面に入射した緑色光（ダイクロイック膜面に対してＰ偏光光）は直進する。これらの各色光の光学像は色合成され、カラー映像光（合成光）が出射面から出射する。

そして、色合成プリズム２１から出射した合成光は、例えば、ズームレンズであるような投写レンズ２２によって、透過型又は投写型のスクリーン１２０上に投影され、もって、拡大投写した映像を表示することとなる。

ここでは、映像表示素子として、液晶型映像表示素子（液晶パネル）を例として説明したが、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）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。

１…円盤、２…回転素子、３…蛍光体、４…集光レンズ、５…励起光源群、６…コリメートレンズ群、７…ダイクロイックミラー、３０…無蛍光体領域、３１…照射領域、３２…蛍光体領域、４０…連結部、４１…位置決めピン、４２…移動装置、５０…第１の光強度検出器、５１…第２の光強度検出器、６０…制御装置、６１…記憶装置。

Claims (5)

1. 励起光を発光する励起光源群と、
   前記励起光の入射により蛍光光を発光する蛍光体が塗布された円形状の基材と、
   前記蛍光光の強度を検出する第１の光強度検出器と、
   前記励起光の強度を検出する第２の光強度検出器と、
   前記第１の光強度検出器の検出値と前記第２の光強度検出器の検出値との関係に基づいて、前記基材を移動させるか否かを判断する制御装置と、
   前記制御装置の指示に応じて前記基材の回転中心を移動させる移動装置と、を備えた投写型映像表示装置において、
   前記制御装置は、前記第２の光強度検出器による前記励起光の強度の低下に対する前記第１の光強度検出器による前記蛍光光の強度の低下の割合が所定値を超えた場合、前記基材を移動するように前記移動装置に指示を出すことを特徴とする投写型映像表示装置。
2. 請求項１記載の投写型映像表示装置において、
   前記移動装置は、前記励起光が前記基材に入射する入射光軸方向と直交する方向に当該基材を移動させることを特徴とする投写型映像表示装置。
3. 請求項１又は２記載の投写型映像表示装置において、
   前記基材における前記励起光を受光する側の面は、当該励起光を透過させるための無蛍光体領域を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。
4. 請求項３項記載の投写型映像表示装置において、
   前記基材における前記蛍光体が塗布される領域は、前記円形状における前記励起光が実際に集光する照射領域を含むと共に、当該円形状における半径方向の幅が当該照射領域を当該半径方向に複数収容できる大きさであることを特徴とする投写型映像表示装置。
5. 請求項１〜４の何れか１項記載の投写型映像表示装置において、
   前記励起光源群は青色レーザであり、更にＬＥＤのスクリーンへの投写用光源を備えたことを特徴とする投写型映像表示装置。

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