JP6251868B2 - Illumination optical system and electronic apparatus using the same - Google Patents
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Description
本発明は、青色帯域の波長の光を発する光源を用いた照明光学系に関し、特にプロジェクタや光学機器等の電子装置等の光源に用いられる照明光学系に関する。 The present invention relates to an illumination optical system using a light source that emits light of a wavelength in a blue band, and more particularly to an illumination optical system used for a light source of an electronic device such as a projector or an optical apparatus.
プロジェクタの光源ユニットに、青色レーザ発光器を光源に利用したのが知られている(特許文献1)。この光源ユニットは、青色レーザ発光器と、蛍光体ホイールと、複数の反射ミラーやダイクロイックミラーとを備えて構成される。蛍光体ホイールは、モータによって回転される円板形状を有し、蛍光体ホイールには、青色帯域の光を透過する透過部、および青色帯域の光を赤色帯域および緑色帯域の光を発する蛍光体層がそれぞれ形成されている。 It is known that a blue laser emitter is used as a light source for a light source unit of a projector (Patent Document 1). The light source unit includes a blue laser emitter, a phosphor wheel, and a plurality of reflecting mirrors and dichroic mirrors. The phosphor wheel has a disk shape rotated by a motor, and the phosphor wheel has a transmission part that transmits blue band light, and a phosphor that emits blue band light in red band and green band. Each layer is formed.
上記特許文献1に示されるような光源ユニットは、青色帯域、緑色帯域および赤色帯域の混色防止が不十分であり、また演色性も不十分であった。 The light source unit as disclosed in Patent Document 1 has insufficient prevention of color mixture in the blue band, green band, and red band, and has insufficient color rendering.
そこで、本発明は、出力される光の混色を防止し、かつ演色性を改善した照明光学系およびこれを用いた電子装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an illumination optical system that prevents color mixing of output light and has improved color rendering, and an electronic apparatus using the illumination optical system.
本発明の照明光学系は、第1の波長帯域の光を発する光源と、第1の半径の円周方向に、少なくとも第1の波長帯域の光を反射する反射領域および第1の波長帯域の光に基づき第2の波長帯域の光を発する蛍光体領域を含み、さらに第2の半径方向の円周方向に、少なくとも第1の波長帯域の光を透過する第1の透過領域および第2の波長帯域の光を透過する第2の透過領域を含む回転部材と、前記光源から発せられる第1の波長帯域の主光線の光軸からシフトされた光軸を有し、前記光源から発せられる第1の波長帯域の光を前記回転部材の第1の半径の領域に集光する第1の光学手段と、前記回転部材の前記反射領域で反射された第1の波長帯域の光および前記蛍光体領域で発せられた第2の波長帯域の光を、前記回転部材の第2の半径方向の領域に集光する第2の光学手段とを有し、前記反射領域で反射された第1の波長帯域の光が前記第1の透過領域を透過され、前記蛍光体領域で発せられた第2の波長帯域の光が前記第2の透過領域を透過されるように、前記反射領域、前記蛍光体領域、前記第1および第2の透過領域が配置されている。 An illumination optical system according to the present invention includes a light source that emits light of a first wavelength band, a reflection region that reflects light of at least the first wavelength band in a circumferential direction of the first radius, and a first wavelength band. A phosphor region that emits light of a second wavelength band based on the light, and further includes a first transmission region that transmits at least the light of the first wavelength band in the circumferential direction of the second radial direction; A rotating member that includes a second transmission region that transmits light in the wavelength band; and an optical axis that is shifted from the optical axis of the principal ray in the first wavelength band that is emitted from the light source. 1st optical means which condenses the light of 1 wavelength band to the area | region of the 1st radius of the said rotation member, the light of the 1st wavelength band reflected by the said reflection area of the said rotation member, and the said fluorescent substance A second wavelength band of light emitted from the second wavelength band of the rotating member; A second optical means for condensing light in the direction area, and the light of the first wavelength band reflected by the reflection area is transmitted through the first transmission area and emitted from the phosphor area. The reflection region, the phosphor region, and the first and second transmission regions are arranged so that light in the second wavelength band is transmitted through the second transmission region.
好ましい態様では、前記光源と第1の光学手段との間に第1のミラー手段を含み、第1のミラー手段は、前記光源から発せられた第1の波長帯域の光を第1の光学手段の光軸の片側に概ね入射させる。好ましい態様では、照明光学系はさらに、第1の光学手段と第2の光学手段との間に、第2および第3のミラー手段を含み、第2および第3のミラー手段は、第1の光学手段から出射された第1および第2の波長帯域の光を第2の光学手段に入射させる。好ましい態様では、照明光学系はさらに、前記第2のミラー手段を透過した第1の波長帯域の光を前記第3のミラー手段へ向けて反射する第4のミラー手段を含み、前記第2のミラー手段は、第1の波長帯域の光を透過し第2の波長帯域の光を反射するダイクロイックミラーである。好ましい態様では、前記第1の光学手段による第1の走査領域と、第2の光学手段による第2の走査領域との角度差は180度よりも小さい。好ましい態様では、前記第1の透過領域は、第1の波長帯域の光を拡散する拡散部を含む。好ましい態様では、第1の波長帯域は、青色帯域であり、第2の波長帯域は、赤色帯域、緑色帯域、または黄色帯域のいずれかである。好ましい態様では、前記第2の波長帯域の光が黄色帯域の光であり、前記第2の透過領域は、蛍光発色された黄色帯域の光から赤色帯域の光と緑色帯域の光を選別する赤色透過領域と緑色透過領域とをそれぞれ含む。好ましい態様では、前記回転部材の裏面であって前記蛍光体領域と対応する領域に環状の放熱部材が設けられる。好ましい態様では、前記第1の光学手段は、少なくとも1つのレンズを含み、前記第2の光学手段は、少なくとも1つのレンズを含む。好ましい態様では、前記回転部材は、第1の基材と、第2の基材とを含み、第1の基材は、金属から構成され、前記反射領域および前記蛍光体領域が前記第1の基材に形成され、前記第1および第2の透過領域が前記第2の基材に形成される。 In a preferred embodiment, the light source includes first mirror means between the light source and the first optical means, and the first mirror means emits light of the first wavelength band emitted from the light source to the first optical means. Is substantially incident on one side of the optical axis. In a preferred aspect, the illumination optical system further includes second and third mirror means between the first optical means and the second optical means, and the second and third mirror means are the first and second mirror means. Light in the first and second wavelength bands emitted from the optical means is incident on the second optical means. In a preferred aspect, the illumination optical system further includes fourth mirror means for reflecting the light of the first wavelength band transmitted through the second mirror means toward the third mirror means, and the second mirror means The mirror means is a dichroic mirror that transmits light in the first wavelength band and reflects light in the second wavelength band. In a preferred aspect, the angle difference between the first scanning area by the first optical means and the second scanning area by the second optical means is smaller than 180 degrees. In a preferred aspect, the first transmission region includes a diffusion portion that diffuses light in the first wavelength band. In a preferred embodiment, the first wavelength band is a blue band, and the second wavelength band is either a red band, a green band, or a yellow band. In a preferred embodiment, the light in the second wavelength band is light in the yellow band, and the second transmission region is a red color that sorts light in the red band and light in the green band from the yellow band light that is fluorescently colored. Each of the transmission region and the green transmission region is included. In a preferred embodiment, an annular heat dissipating member is provided in a region corresponding to the phosphor region on the back surface of the rotating member. In a preferred embodiment, the first optical means includes at least one lens, and the second optical means includes at least one lens. In a preferred aspect, the rotating member includes a first base material and a second base material, the first base material is made of a metal, and the reflection region and the phosphor region are the first base material. The first and second transmission regions are formed on the second substrate.
本発明によれば、回転部材から出力される第1の波長帯域の光と第2の波長帯域の光の混色を防止し、また演色性を改善することができる。 According to the present invention, color mixing of light in the first wavelength band and light in the second wavelength band output from the rotating member can be prevented, and color rendering can be improved.
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。本発明の好ましい態様では、照明光学系には、波長が短い青色光を発する半導体発光素子として、青色レーザ素子または青色発光ダイオードをアレイ化したアレイ光源が利用される。さらに好ましい態様では、照明光学系は、DLPまたはDMDのような光変調デバイスにより光を反射するプロジェクタに利用される。但し、本発明の照明光学系は、家電製品、内視鏡、車両の点灯装置など種々の電子装置や電子機器へ適用することができる。なお、図面のスケールは、発明の特徴を分かり易くするために強調しており、必ずしも実際のデバイスのスケールと同一ではないことに留意すべきである。 Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In a preferred aspect of the present invention, the illumination optical system uses a blue laser element or an array light source in which blue light emitting diodes are arrayed as a semiconductor light emitting element that emits blue light having a short wavelength. In a further preferred aspect, the illumination optical system is used in a projector that reflects light by a light modulation device such as DLP or DMD. However, the illumination optical system of the present invention can be applied to various electronic devices and electronic devices such as home appliances, endoscopes, and vehicle lighting devices. It should be noted that the scale of the drawings is emphasized for easy understanding of the features of the invention and is not necessarily the same as the scale of an actual device.
図1は、本発明の第1の実施例に係る照明光学系の基本原理を説明する図である。なお、以下の説明で、赤色帯域の光、緑色帯域の光、青色帯域の光、黄色帯域の光を、便宜上、R、G、B、Yと略すことがある。 FIG. 1 is a diagram for explaining the basic principle of an illumination optical system according to the first embodiment of the present invention. In the following description, red band light, green band light, blue band light, and yellow band light may be abbreviated as R, G, B, and Y for convenience.
本実施例の照明光学系10は、励起光としての青色帯域のレーザ光を出射するアレイ光源(図示省略)からのレーザ光を反射する第1のダイクロイックミラーM1と、第1のレンズL1と、円板状の蛍光体ホイール20と、蛍光体ホイール20を回転させる回転駆動部30と、蛍光体ホイール20から発せられた光を反射する第2のミラーM2と、第2のミラーM2で反射された光を反射する第3のミラーM3と、第3のミラーM3で反射された光を蛍光体ホイール20へ向けて集光する第2のレンズL2と、蛍光体ホイール20の裏面側に配置されたライトトンネルLTとを含んで構成される。ライトトンネルLTを出射した光は、図示しないリレー光学系等を介してDMD等の空間変調デバイスや光ファイバ等へと導かれる。
The illumination
図2は、アレイ光源の一構成例を示す概略断面図である。アレイ光源40は、青色帯域のレーザ光を出射する半導体レーザ素子(または青色発光ダイオード)をアレイ状に複数含んで構成される。青色レーザ素子は、例えば、445nmの波長の光を出力する。複数の半導体レーザ素子は、一次元または二次元に配列され、複数の半導体レーザ素子を同時に駆動することで、各半導体レーザ素子から一斉にレーザ光が出射される。図2に示すように、複数の半導体レーザ素子を搭載する基板は、熱伝導性の高い金属材料、例えばアルミニウムのような材料によって構成された支持部材42によって支持される。また、支持部材42の表面には、各半導体レーザ素子から出射されたレーザ光をそれぞれコリメートするレンズ44が取り付けられる。さらに支持部材42と対向する側には、反射ミラー46が配置され、反射ミラー46は、各半導体レーザ素子から出射された青色帯域の光を一定方向に反射し、レーザ光線束Lbを生成する。なお、図2の構成は一例であり、アレイ光源40は他の構成であってもよい。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing one configuration example of the array light source. The
第1のミラーM1は、青色帯域の光を反射し、それ以外の帯域の光を透過するダイクロイックミラーである。第1のミラーM1は、第1のレンズL1と第2のミラーM2との間に配置され、図2に示すようなアレイ光源40からの青色帯域の光Lbを入射しこれを第1のレンズL1に向けて反射する。図の例では、第1のミラーM1は、45度に傾斜して示されるが、必ずしも45度に傾斜されなくてもよい。
The first mirror M1 is a dichroic mirror that reflects light in the blue band and transmits light in the other bands. The first mirror M1 is disposed between the first lens L1 and the second mirror M2, and receives blue band light Lb from the array
第1のレンズL1は、アレイ光源40からのレーザ光線束Lbを蛍光体ホイール20の第1の走査領域F1に集光させる。第1のレンズL1は、アレイ光源40からのレーザ光線束Lbを集光することができる光学系であれば良く、第1のレンズL1を構成するレンズの数は、1つであってもよいし複数であってもよい。図には、平凸レンズが示されているが、第1のレンズL1は、球面レンズ、非球面レンズのいずれであってもよい。第2のレンズL2は、第3のミラーM3で反射された光を蛍光体ホイール20の第2の走査領域F2に集光させる。第2のレンズL2は、入射した光を第2の走査領域F2に集光することができる光学系であれば良く、第2のレンズL2を構成するレンズの数は、1つであってもよいし複数であってもよい。図には、平凸レンズが示されているが、第2のレンズL2は、球面レンズ、非球面レンズのいずれであってもよい。
The first lens L1 condenses the laser beam bundle Lb from the array
ここで留意すべき点は、青色帯域のレーザ光線束Lbの光軸が第1のレンズL1の光軸C1からオフセット(離間)されたシフト光学系を形成することである。図1の例では、第1のミラーM1の中心または光線束Lbの光軸C0が第1のレンズL1の光軸L1と一致せず、そこからオフセットまたはシフトされている。このため、第1のミラーM1によって反射された青色帯域の光線束Lbの全部または大部分は、第1のレンズL1の光軸C1の片側半分に入射される(図の例では、第1のレンズL1の左側に入射される)。好ましい態様では、第1のミラーM1によって反射された青色帯域の光線束Lbは、第1のレンズL1の光軸C1に重複しないが、青色帯域の光線束Lbのごく一部が光軸C1に重複してもよい。 It should be noted here that a shift optical system in which the optical axis of the laser beam Lb in the blue band is offset (separated) from the optical axis C1 of the first lens L1 is formed. In the example of FIG. 1, the center of the first mirror M1 or the optical axis C0 of the light beam Lb does not coincide with the optical axis L1 of the first lens L1, and is offset or shifted therefrom. For this reason, all or most of the light flux Lb in the blue band reflected by the first mirror M1 is incident on one half of the optical axis C1 of the first lens L1 (in the example shown in FIG. It is incident on the left side of the lens L1). In the preferred embodiment, the light flux Lb in the blue band reflected by the first mirror M1 does not overlap the optical axis C1 of the first lens L1, but only a part of the light flux Lb in the blue band is on the optical axis C1. It may overlap.
蛍光体ホイール20は、モータ等を含む回転駆動部30によって回転される円板状の回転体であって、第1の半径(r1)の円周方向に、青色帯域の光を反射する反射領域と、青色帯域のレーザ光によって励起された蛍光色を発光する蛍光体領域とを含んでいる。また、蛍光体ホイール20は、第2の半径(r2<r1)の円周方向に、青色帯域の光および蛍光体領域によって発せられた蛍光色をそれぞれ選択的にフィルタリングする透過フィルタ領域とを含んでいる。透過フィルタ領域は、第1の半径の円周方向を走査したときに発せられた光の波長の中から特定の波長を選択的に透過させ、演色性の向上を図り、かつ他の波長が混色することを防止する。
The
図3に、本実施例の蛍光体ホイールの具体的な構成を示す。図3(A)は、蛍光体ホイールの平面図、図3(B)は、そのX−X線断面図である。蛍光体ホイール20は、第1の半径r1の円周方向に、青色帯域の光を反射する青色反射領域22B、青色帯域の光によって励起されて赤色帯域の蛍光色を発する赤色蛍光体領域22R、青色帯域の光によって励起されて緑色帯域の蛍光色を発する緑色蛍光体領域22G、青色帯域の光によって励起されて黄色帯域の蛍光色を発する黄色蛍光体領域22Yとを含んで構成される。また、第1の半径r1よりも内側の第2の半径r2の円周方向に、青色帯域の波長を選択的に透過する青色透過フィルタ24B、赤色帯域の波長を選択的に透過する赤色透過フィルタ24R、緑色帯域の波長を選択的に透過する緑色透過フィルタ24G、黄色帯域の波長を選択的に透過する黄色透過フィルタ24Yとを含んで構成される。
FIG. 3 shows a specific configuration of the phosphor wheel of this example. 3A is a plan view of the phosphor wheel, and FIG. 3B is a sectional view taken along the line XX. The
図3に示す例では、青色反射領域22B、赤色蛍光体領域22R、緑色蛍光体領域22Gおよび黄色蛍光体領域22Yの内角は、それぞれ90度であり、また、青色透過フィルタ24B、赤色透過フィルタ24R、緑色透過フィルタ24Gおよび黄色透過フィルタ24Yの内角もそれぞれ90度である。そして、青色反射領域22Bの対向する側、すなわち青色反射領域22Bを180度回転させた位置に青色透過フィルタ24Bが位置し、同様に、赤色蛍光体領域22Rの対向する側に赤色透過フィルタ24Rが位置し、緑色蛍光体領域22Gの対向する側に緑色透過フィルタ24Gが位置し、黄色蛍光体領域22Yの対向する側に黄色透過フィルタ24Yが位置する関係にある。
In the example shown in FIG. 3, the interior angles of the
蛍光体ホイール20は、図3(B)に示すように、ガラス、樹脂または金属から構成された基材26を含み、第1の半径r1の円周方向には、反射層27が形成され、その上に蛍光体層28が形成される。好ましい態様では、反射層27は、青色帯域以外の波長の光を反射するダイクロイックコートにより形成される。蛍光体層28が青色帯域のレーザ光線束Lbによって照射されたとき、蛍光発色されたR、G、Yの光は、全方位に広がるため、反射層27を下層に形成することで、蛍光体ホイール20の表面側から効率良くR、G、Yの光が取り出される。また、青色帯域のレーザ光線束Lbの変換効率は100%ではなく、つまり、青色帯域のレーザ光線束Lbの一部は、蛍光発色に利用されないので、反射層27によって青色帯域の光を吸収させることで、波長変換に利用されなかった青色帯域の光がR、G、Yの蛍光色に混色されるのを抑制する。
As shown in FIG. 3B, the
また、青色反射領域22Bについて、基材26がガラスや樹脂から構成される場合には、基材26の上に青色帯域の光を反射する反射層27が形成される。基材26が金属から構成される場合には、金属表面を鏡面状態とすることで、必ずしも反射層27を要しない。なお、図3(B)に示される反射層27、蛍光体層28は、その厚さが誇張して示されていることに留意すべきである。
In the case of the blue reflective region 22 </ b> B, when the
蛍光体層28は、公知の材料を用いて構成される。赤色帯域の蛍光を発色する蛍光体材料として、例えば、CaAlSiN3:Eu2+、Sr2Si5N8:Eu2+、SrAlSi4N7:Eu2+など知られている。また、緑色帯域や黄色帯域の蛍光を発する蛍光体材料として、例えば、YAG(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)系、TAG(テルビウム・アルミニウム・ガーネット)系、サイアロン系、BOS(バリウム・オルソシリケート)系、窒化化合物系が知られている。蛍光体層28は、例えば、蛍光体材料と樹脂材料やセラミック材料に混ぜ合わせたものを塗布したり、蛍光体材料を混ぜ合わせたシート状のものを貼り付けるようにしてもよい。
The
また、図3(B)に示すように、蛍光体層28よりも内側の第2の半径r2の領域には、青色透過フィルタ24B、赤色透過フィルタ24R、緑色透過フィルタ24Gおよび黄色透過フィルタ24Yを形成するための透過フィルタ領域29が形成される。好ましい態様では、基材26がガラスから構成される場合、ガラス表面にB、R、G、Yの波長帯域を選択するためのダイクロイックコートが施される。あるいは、ガラス自身がB、R、G、Yの波長を選択する光学フィルタであってもよい。青色透過フィルタ24Bは、例えば、約500nm以下の波長帯域を高透過し、それより大きい波長帯域を高反射する。赤色透過フィルタ24Rは、例えば、約580nm以上の波長帯域を高透過し、それより小さい波長帯域を高反射する。緑色透過フィルタ24Gは、例えば、約480nmと約600nmの間の波長帯域を高透過し、それ以外の波長を高反射する。黄色透過フィルタ24Yは、例えば、約480nm以上の波長帯域を高透過し、それより小さい波長を高反射する。また、黄色透過フィルタ24Yは、赤色透過フィルタ24Rまたは緑色透過フィルタ24Gに置換されてもよい。
Further, as shown in FIG. 3B, a
さらに好ましい態様として、青色透過フィルタ24Bは、青色帯域のレーザ光のスペックルを抑制するため、拡散板または拡散層29aを含む。例えば、青色透過フィルタ24Bの表面に凹凸を形成することで青色帯域の光を拡散させるようにしてもよい。
As a more preferable embodiment, the
さらに好ましい態様として、蛍光体ホイール20は、図3(C)に示すように、裏面に放熱部材25が形成されるようにしてもよい。放熱部材25は、熱伝導率が高い材料、例えばアルミ、鉄、銅などの金属から構成され、熱導電性の優れた接着剤等によって蛍光体ホイール20に貼り付けることができる。放熱部材25は、好ましくは、蛍光体層28の位置に対応するように環状に形成されるが、これ以外の形状であってもよい。蛍光体層28は、励起光として青色帯域のレーザ光線束Lbが照射されると発熱し、温度が増加すると発光変換光量が低下する。放熱部材25を形成することで、蛍光体層28の温度上昇が抑制され、発光変換光量の低下を防止することができる。
As a more preferable aspect, the
第1のレンズL1は、青色帯域のレーザ光Lbを、蛍光体ホイール20の第1の半径r1の近傍の走査位置F1に集光し、これにより、蛍光体ホイール20の第1の半径r1の領域が円周方向が光学的に走査される。また、後述するように、第2のレンズL2は、蛍光体ホイール20の第2の半径r2の近傍の走査位置F2に集光し、これにより、蛍光体ホイール20の第2の半径r2の領域が円周方向に光学的に走査される。
The first lens L1 condenses the laser light Lb in the blue band at the scanning position F1 in the vicinity of the first radius r1 of the
なお、上記の例では、蛍光体ホイール20には、赤色帯域、緑色帯域および緑色帯域の光を発光させるための蛍光体層28が形成されたが、蛍光体ホイール20からR、G、Bの光を得たい場合には、蛍光体層は、赤色蛍光体領域と緑色蛍光体領域を含むものであってもよいし、勿論、これ以外の蛍光発色の組合せとなる蛍光体領域が形成されるようにしてもよい。さらに、上記の例では、青色反射領域22B、赤色蛍光体領域22R、緑色蛍光体領域22G、および黄色帯域蛍光体領域22Yの内角が90度の例を示したが、これは一例であり、要求される輝度やその他の設計事項に応じて適宜変更することが可能である。この場合、例えば、青色反射領域22の内角が60度であれば、それに対応して青色透過フィルタ24Bの内角も60度にされ、同様に、赤色蛍光体領域22Rの内角が120度であれば、それに対応して赤色透過フィルタ22Rの内角も120度にされる。
In the above example, the
図4(A)は、蛍光体ホイール20の青色反射領域22Bが青色帯域のレーザ光によって照射された状態を示している。第1のミラーM1によって反射された青色帯域の光線束Lbは、第1のレンズL1の片側半分に入射され、蛍光体ホイール20の走査領域F1を走査する。光線束Lbが青色反射領域22Bを走査する間、光線束Lbは、青色反射領域22Bで正規反射される。すなわち、青色反射領域22Bに対する光線束Lbの入射角θ1と反射角θ2は略等しい。従って、青色反射領域22Bで正規反射された光線束Lb’は、第1のレンズL1の光軸C1の反対側から出射され、ほぼ平行光に集光される。
FIG. 4A shows a state in which the
図4(B)は、蛍光体ホイール20の赤色蛍光体領域22R、緑色蛍光体領域22Gおよび黄色蛍光体領域22Yを走査したときの状態を示している。青色帯域の光線束Lbが赤色蛍光体領域22Rを照射したとき、光線束Lbによって励起された赤色帯域の光が蛍光する。蛍光発色された赤色帯域の光は、蛍光体ホイール20の表面からランバーシアン状(均一拡散)に放射される。ランバーシアン状に発せられた赤色帯域の光Lrは、第1のレンズL1によってほぼ平行な光線束に集光される。緑色蛍光体領域22Gおよび黄色蛍光体領域22Yが青色帯域のレーザ光によって照射されたときも同様に、蛍光発色された緑色帯域の光Lgおよび黄色帯域の光Lyがランバーシアン状に発せられる。
FIG. 4B shows a state when the
再び図1を参照する。第2のミラーM2は、R、G、B、Yの波長帯域の光を反射するように、例えば全反射ミラーで構成され、光軸C1に対しほぼ45度に傾斜される。第3のミラーM3もまた、R、G、B、Yの波長帯域の光を反射するように、例えば全反射ミラーで構成され、光軸C1に対しほぼ135度に傾斜される。こうして、蛍光体ホイール20から発せられた青色帯域の光線束Lbは、第1のレンズL1の光軸C1の反対側から出射されて第2のミラーM2へ向かい、第2および第3のミラーM2、M3によって直角に反射され、再び、第2のレンズL2の光軸C2の片側に入射され、蛍光体ホイール20の第2の走査領域F2上に集光される。また、蛍光体ホイール20から発せられたR、G、Yの光は、第1のダイクロイックミラーM1を透過し、第2および第3のミラーM2、M3によって直角に反射され、第2のレンズL2によって蛍光体ホイール20の第2の走査領域F2上に集光される。
Refer to FIG. 1 again. The second mirror M2 is configured by, for example, a total reflection mirror so as to reflect light in the R, G, B, and Y wavelength bands, and is inclined at approximately 45 degrees with respect to the optical axis C1. The third mirror M3 is also composed of, for example, a total reflection mirror so as to reflect light in the R, G, B, and Y wavelength bands, and is inclined at approximately 135 degrees with respect to the optical axis C1. Thus, the light flux Lb in the blue band emitted from the
第1の走査領域F1は、図3(A)に示すように、第1の半径r1の円周方向の領域であり、第2の走査領域F2は、第2の半径r2の円周方向の領域である。また、走査領域F2と走査領域F1とは、中心Oに関し180度の角度差がある。従って、青色反射領域22Bを走査中に出力されたBの光は、青色透過フィルタ24Bに入射され、赤色蛍光体領域22Rを走査中に出力されたRの光は、赤色透過フィルタ24Rに入射され、緑色蛍光領域22Gを走査中に出力されたGの光は、緑色透過フィルタ24Gに入射され、黄色蛍光領域22Yを走査中に出力されたYの光は、黄色透過フィルタ24Yに入射される。蛍光体領域を走査したときに生成されるR、G、Yの光には、蛍光発色に利用されなかった励起光である青色帯域の光が含まれることがあるが、このような青色帯域の光は、透過フィルタ領域24R、24G、24Yを透過しないので、R、G、Yの光に、Bの光が混色することが防止される。
As shown in FIG. 3A, the first scanning region F1 is a region in the circumferential direction with the first radius r1, and the second scanning region F2 is in the circumferential direction with the second radius r2. It is an area. Further, the scanning region F2 and the scanning region F1 have an angular difference of 180 degrees with respect to the center O. Accordingly, the B light output during the scanning of the
蛍光体ホール20の第2の走査領域F2に近接して配置されたライトトンネルLT(または光インテグレータ)は、蛍光体ホイール20から連続的に出力されるB、R、G、Yの光を入射し、これをデジタルミラーデバイス(DMD)等の光変調デバイスへ供給する。DMDは、デジタル画像データに従い、R、G、B、Yの光を変調し、投射画像を生成する。
A light tunnel LT (or an optical integrator) arranged close to the second scanning region F2 of the
次に、本実施例の蛍光体ホイールの他の構成例について説明する。図5は、蛍光体ホイールの他の構成例である。この蛍光体ホイール20Aは、図3に示す蛍光体ホイール20から、黄色蛍光体領域22Y、黄色透過フィルタ領域24Yを除いたものであり、その他の構成は同様のである。すなわち、第1の半径の円周方向に、青色反射領域22B、赤色蛍光体領域22R、緑色蛍光体領域22Gが形成され、第2の半径の円周方向に、青色透過フィルタ領域24B、赤色透過フィルタ領域24R、緑色透過フィルタ領域24Gが形成される。そして、蛍光体ホイール20Aの裏面側からは、R、G、Bの光が出力される。
Next, another configuration example of the phosphor wheel of this embodiment will be described. FIG. 5 shows another configuration example of the phosphor wheel. The
図6は、本実施例の他の蛍光体ホイールの構成を示す平面図である。図3に示す蛍光体ホイール20では、第1の半径の円周方向に形成された領域と第2の半径の円周方向に形成された対応する領域とが、中心Oに関して180度の関係になるように配置されたが、図6に示す蛍光体ホイール20Bでは、第1の半径方向の円周方向に形成される領域と第2の半径の円周方向に形成される領域とが、180度よりも小さい一定の角度差をもって配置される。つまり、図1に示す照明光学系10では、第1の走査領域F1と第2の走査領域F2とが蛍光体ホイール20の中心Oを通る両端になるように第1および第2のレンズL1、L2が設置されたが、本例の蛍光体ホイール20Bを用いる場合には、第1の走査領域F1と第2の走査領域F2とがそのような両端になる必要がなくなるため、第1および第2のレンズL1、L2を近接して配置させることが可能となる。図6に示すように、第1の走査領域F1が、青色反射領域22Bと赤色蛍光体領域22Rの境界から角度αにあるとき、第2の走査領域F2が、青色透過フィルタ領域24Bと赤色透過フィルタ領域24Rの境界から角度βにあり、α=βの角度関係が満足されるように、第1の半径の円周方向の各領域と第2の半径の円周方向の各領域が配置されればよい。このような照明光学系は、図1の照明光学系に比べて、省スペース化を図ることができる。
FIG. 6 is a plan view showing a configuration of another phosphor wheel of the present embodiment. In the
図7に示す蛍光体ホイール20Cは、第1の半径の円周方向の構成を、図3に示す蛍光体ホイール20と同一にするが、第2の半径方向の円周方向の構成を異にしている。すなわち、第2の半径の円周方向には、青色透過フィルタ領域24Bと、青色反射領域24BRとが形成される。青色反射領域24BRは、R、G、Yの透過フィルタ領域24R、24G、24Yを置換するものである。青色反射領域24BRは、例えば、第2の半径の円周方向に青色以外を透過するダイクロイックコートをすることにより形成される。赤色蛍光体領域22R、緑色蛍光体領域22Gおよび黄色蛍光体領域22Yの走査期間中に、青色反射領域24BRは、R、G、Yに含まれる未変換の青色の光を反射し、青色以外の光を透過する。これにより、R、G、Yに青色帯域の光が混色することが防止される。
The phosphor wheel 20C shown in FIG. 7 has the same configuration in the circumferential direction of the first radius as the
図8は、本実施例の他の蛍光体ホイールの構成例を示す図である。本例では、蛍光体ホイール20Dと、第1および第2のレンズL1、L2とは、相対的に水平方向Hに移動することが可能である。移動手段は、公知の技術を用いて構成される。図8(A)に示すように、蛍光体ホイール20Dが第1の位置にあるとき、第1のレンズL1は、第1の走査領域F1Aを走査し、第2のレンズL2は、第2の走査領域F2Aを走査する。また、図8(B)に示すように、蛍光体ホイール20Dが第2の位置に移動されたとき、第1のレンズL1は、第1の走査領域F1Bを走査し、第2のレンズL2は、第2の走査領域F2Bを走査する。図8(C)に示す蛍光体ホイール20Dは、図6に示す蛍光体ホイール20Bと図7に示す蛍光体ホイール20Cとを合成したものであり、蛍光体ホール20Dが第1の位置にあるとき、図7に示す蛍光体ホイール20Cの構成が選択され(F1AとF2Aが走査される)、第2の位置にあるとき、図6に示す蛍光体ホイール20Bの構成が選択される(F1BとF2Bが走査される)。これにより、単一の蛍光体ホール20Dから2つの光出力モードのいずれかを選択することが可能になる。
FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration example of another phosphor wheel according to the present embodiment. In this example, the
次に、本実施例の他の蛍光体ホイールの構成例を図9に示す。同図に示す蛍光体ホイール20Eは、回転駆動部30の同軸上に結合された2つの基材26A、26Bとを有する。第1の基材26Aは、熱伝導率が良好な材料、例えば金属から構成され、第1の基材26A上に反射層27を介して蛍光体層28および青色反射領域が形成される。第2の基材26Bは、ガラスまたは樹脂等の透明な材料から構成され、透明な基材の表面に、光学フィルタがコーティングされ、青色透過フィルタ領域24B、赤色透過フィルタ領域24R、緑色透過フィルタ領域24Gおよび黄色透過フィルタ領域24Yが形成される。本例の場合、第1の基材26Aが第1の走査領域F1に対応し、第2の基材26Bが第2の走査領域F2に対応し、第1のレンズL1による青色帯域のレーザ光線束Lbの集光が第1の基材26Aに対して行われ、第2のレンズL2による集光が第2の基材26Bに対して行われる。
Next, a configuration example of another phosphor wheel of the present embodiment is shown in FIG. The
蛍光体の特性として、光の照射エネルギー密度および温度上昇の増加に伴い、発光変換効量が増加する線形領域(変換効率が一定)、発光変換量が飽和する飽和領域(変換効率が低下)、発光変換量が劣化する劣化領域をもつことが知られている。このため、蛍光体に一定以上のエネルギーの青色光が照射されると、発光変換量が飽和ないし劣化し、蛍光体が熱損傷または熱劣化してしまう。図9に示すような蛍光体ホイール20Eを用いることで、第1の基材26Aの放熱特性が向上され、蛍光体の熱損傷等を防止し、発光変換量の劣化を防止することができる。
As the characteristics of the phosphor, a linear region where the light emission conversion efficiency increases as the light irradiation energy density and temperature increase (conversion efficiency is constant), a saturation region where the light emission conversion amount is saturated (conversion efficiency decreases), It is known to have a degradation region in which the amount of luminescence conversion degrades. For this reason, when the phosphor is irradiated with blue light having a certain energy or more, the light emission conversion amount is saturated or deteriorated, and the phosphor is thermally damaged or deteriorated. By using the
本実施例の他の蛍光体ホイールの構成例を図10に示す。同図に示す蛍光体ホール20Fは、第1の半径の円周方向に、青色反射領域22Bと、黄色蛍光体領域22Yとを含む。好ましくは、黄色蛍光体領域22Yの面積が青色反射領域22Bよりも大きく、すなわち、黄色蛍光体領域22Yの走査期間が長くなるように設定される。本例では、赤色および緑色の蛍光体を使用せず、黄色の蛍光体を用いる。これは、黄色を発色する蛍光体の方が、赤色および緑色を発色する蛍光体よりも、変換効率が高く、発光光量を大きくすることができるためである。
FIG. 10 shows a configuration example of another phosphor wheel of this example. The
蛍光体ホイール20Fの第2の半径の円周方向には、青色反射領域22Bに対応して青色透過フィルタ領域24Bが形成され、かつ、黄色蛍光体領域22Yに対応して赤色透過フィルタ領域24Rおよび緑色透過フィルタ領域24Gが形成される。黄色蛍光体領域22Yで発色された光は、赤色帯域および緑色帯域の波長を包含するため、赤色透過フィルタ領域24Rは、その中から赤色帯域の光を選択的に透過させ、緑色透過フィルタ領域24Gは、緑色帯域の光を選択的に透過させる。なお、赤色透過フィルタ領域24Rと緑色透過フィルタ領域24Gの大きさの割合は適宜設定することができるが、赤色透過フィルタ領域24Rの割合を相対的に大きくすることで、赤色帯域の光の出力を増加させ、赤色の演色性のある画像を生成することが可能になる。
In the circumferential direction of the second radius of the
次に、本発明の第2の実施例による照明光学系を図11に示す。第2の実施例の照明光学系10Aは、図1の照明光学系10と反対方向から青色帯域のレーザ光線束Lbが第1のミラーM1に入射されるものである。それ以外の構成は、図1のときと同様である。
Next, FIG. 11 shows an illumination optical system according to the second embodiment of the present invention. In the illumination optical system 10A of the second embodiment, the laser beam Lb in the blue band is incident on the first mirror M1 from the opposite direction to the illumination
次に、本発明の第3の実施例による照明光学系を図12に示す。第3の実施例の照明光学系10Bは、第1のレンズL1の光軸C1と平行な方向から青色帯域のレーザ光線束Lbが第2のミラーM2を介して入射される。この場合、第2のミラーM2は、青色帯域の光を透過し、それ以外の光を反射するダイクロイックミラーから構成される。青色帯域の光線束Lbの光軸C0または中心は、第1のレンズL1の光軸C1からオフセットされたシフト光学系を構成しており、青色帯域の光線束Lbは、第1のレンズL1の片側から入射され、反対側から出射される。さらに第3の実施例では、第1のミラーM1は不要になるが、第3のミラーM3の後方に隣接して第4のミラーM4が配置される。第4のミラーM4は、第2のダイクロイックミラーM2と透過してきた青色帯域の光線束Lbを、第3のミラーM3に向けて反射させる。 Next, an illumination optical system according to a third embodiment of the present invention is shown in FIG. In the illumination optical system 10B of the third example, the laser beam Lb in the blue band is incident via the second mirror M2 from the direction parallel to the optical axis C1 of the first lens L1. In this case, the second mirror M2 is composed of a dichroic mirror that transmits light in the blue band and reflects other light. The optical axis C0 or the center of the light flux Lb in the blue band constitutes a shift optical system that is offset from the optical axis C1 of the first lens L1, and the light flux Lb in the blue band is the same as that of the first lens L1. The light enters from one side and exits from the opposite side. Further, in the third embodiment, the first mirror M1 is not necessary, but the fourth mirror M4 is disposed adjacent to the rear of the third mirror M3. The fourth mirror M4 reflects the light flux Lb in the blue band transmitted through the second dichroic mirror M2 toward the third mirror M3.
次に、本発明の第4の実施例による照明光学系を図13に示す。第4の実施例の照明光学系10Cは、図示しないアレイ光源からの青色帯域のレーザ光線束Lbを集光する第3のレンズと、第3のレンズL3から出射された光線束Lbを反射する第1のダイクロイックミラーM1を含む。第1のミラーM1によって反射された光線束Lbの光軸C0は、図1のときと同様に、第1のレンズL1の光軸からオフセットされたシフト光学系を構成している。蛍光体ホイール20から発せられた青色帯域の光線束Lbは、第2のダイクロイックミラーM2を透過し、第4のミラーM4によって第3のミラーM3へ向けて反射される。本例の照明光学系10Cでは、第4のミラーM4の位置を調整することで、青色帯域のレーザ光線束Lbを、第2のレンズL2の光軸近傍に集光させ、青色帯域の光線束Lbの均一性を改善することができる。上記以外の構成は、図1のときと同様である。
Next, FIG. 13 shows an illumination optical system according to the fourth embodiment of the present invention. The illumination optical system 10C of the fourth embodiment reflects a third lens that collects a laser beam bundle Lb in a blue band from an array light source (not shown) and a light bundle Lb emitted from the third lens L3. A first dichroic mirror M1 is included. The optical axis C0 of the light beam Lb reflected by the first mirror M1 constitutes a shift optical system that is offset from the optical axis of the first lens L1, as in FIG. The light flux Lb in the blue band emitted from the
次に、本発明の第5の実施例による照明光学系を図14に示す。第5の実施例の照明光学系10Dは、図1の照明光学系で用いた蛍光体ホイールを2つに分割し、第1および第2の蛍光体ホイール20−1、20−2とが直交するように配置され、第1および第2の蛍光体ホイール20−1、20−2は、それぞれ同期して回転される。第1の蛍光体ホイール20−1は、第1の半径の円周方向の第1の走査領域となる、青色反射領域22B、赤色蛍光体領域22R、緑色蛍光体領域22Gおよび黄色蛍光体領域22Yを含んで構成される。また、第2のミラーM2で直角に反射された光は、第2のレンズL2によって第2の蛍光体ホイール20−2の第2の走査領域F2に集光される。第2の走査領域F2には、青色透過フィルタ領域24B、赤色透過フィルタ領域24R、緑色透過フィルタ領域24Gおよび黄色透過フィルタ領域24Yが形成される。本例では、第2の蛍光体ホイール20−2が追加になるが、第3のミラーM3が不要になる。
Next, FIG. 14 shows an illumination optical system according to the fifth embodiment of the present invention. The illumination optical system 10D of the fifth embodiment divides the phosphor wheel used in the illumination optical system of FIG. 1 into two, and the first and second phosphor wheels 20-1 and 20-2 are orthogonal to each other. The first and second phosphor wheels 20-1 and 20-2 are rotated in synchronization with each other. The first phosphor wheel 20-1 has a
次に、本発明の第6の実施例による照明光学系を図15に示す。第6の実施例の照明光学系10Eは、第5の実施例を変形するものである。同図に示すように、第1および第2の蛍光体ホイール20−1、20−2が平行となるように配置され、かつ第1および第2の蛍光体ホイール20−1、20−2が同期して回転される。本例の照明光学系10Eでは、第1のレンズL1の光軸C1と第2のレンズL2の光軸L2が平行であり、第1のレンズL1からの光は、第2のレンズl2によって第2の蛍光体ホイール20−2の第2の走査領域F2へ集光される。図14に示す第5の実施例の照明光学系10Dと比較して、第2のミラーM2が不要となるため、照明光学系10Eの省スペース化を図ることができる。なお、第1および第2の蛍光体ホイール20−1、20−2は、両者の回転軸が連結される構成であってもよい。 Next, FIG. 15 shows an illumination optical system according to the sixth embodiment of the present invention. The illumination optical system 10E of the sixth example is a modification of the fifth example. As shown in the figure, the first and second phosphor wheels 20-1 and 20-2 are arranged in parallel, and the first and second phosphor wheels 20-1 and 20-2 are arranged in parallel. It is rotated synchronously. In the illumination optical system 10E of this example, the optical axis C1 of the first lens L1 and the optical axis L2 of the second lens L2 are parallel, and the light from the first lens L1 is transmitted by the second lens l2. The light is condensed on the second scanning region F2 of the second phosphor wheel 20-2. Compared with the illumination optical system 10D of the fifth embodiment shown in FIG. 14, the second mirror M2 is not required, so that the space of the illumination optical system 10E can be saved. The first and second phosphor wheels 20-1 and 20-2 may be configured such that both rotation axes are connected.
上記実施例では、蛍光体ホイール20の青色透過領域24Bの表面に拡散層29aを形成する例を示したが、青色帯域のレーザ光線束Lbの光路上にスペックルを抑制するための拡散部材を配置するようにしてもよい。さらに、蛍光体ホイールに形成される蛍光体領域の大きさ、蛍光発色される色などは、目的等に応じて適宜変更することができる。
In the above embodiment, the
本発明に係る照明光学系は、種々の電子装置の光源に適用することができる。例えば、プロジェクタ、リアプロジェクタ、内視鏡、照明機器などの光源に用いることができる。 The illumination optical system according to the present invention can be applied to light sources of various electronic devices. For example, it can be used for a light source such as a projector, a rear projector, an endoscope, and an illumination device.
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 The preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, but the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications can be made within the scope of the present invention described in the claims. Deformation / change is possible.
10、10A、10B、10C、10D、10E:照明光学系
20、20A、20B、20C、20D、20E、20F:蛍光体ホイール
22B:青色反射領域
22R:赤色蛍光体領域
22G:緑色蛍光体領域
22Y:黄色蛍光体領域
24B:青色透過フィルタ領域
24R:赤色透過フィルタ領域
24G:緑色透過フィルタ領域
24Y:黄色透過フィルタ領域
26、26A、26B:基材
27:反射層
28:蛍光体層
29:透過フィルタ領域
29A:拡散面
30:回転駆動部
40:アレイ光源
L1:第1のレンズ
L2:第2のレンズ
M1:第1のミラー
M2:第2のミラー
M3:第3のミラー
M4:第4のミラー
LT:ライトトンネル
F1:第1の走査領域
F2:第2の走査領域
10, 10A, 10B, 10C, 10D, 10E: illumination
Claims (5)
前記光源から発せられた第1の波長帯域の光を入射し、第1の波長帯域の光を反射する反射領域と、第1の波長帯域により励起された第2の波長帯域の光を生成する蛍光体領域とを含む第1の生成手段と、
第1の生成手段により生成された第1の波長帯域の光と第2の波長帯域の光を入射し、第1の波長帯域の光を透過する第1の透過領域、第2の波長帯域の光を透過する第2の透過領域を含む第2の生成手段とを有し、
第1の生成手段は、第1の波長帯域の主光線の光軸からシフトされた光軸を有し、第1の生成手段はレンズを含み、第1の波長帯域の光がレンズの片側半分のみから入射され、前記反射領域で反射された第1の波長帯域の光がレンズの反対側の半分のみから出射され、
第1の生成手段と第2の生成手段の回転部材とは同一の回転部材であり、第1の生成手段は、第1の半径の円周方向に、少なくとも前記反射領域および前記蛍光体領域を形成し、第2の生成手段は、第2の半径の円周方向に、少なくとも前記第1の透過領域および前記第2の透過領域を形成する、照明光学系。 A light source that emits light in a first wavelength band;
The light of the first wavelength band emitted from the light source is incident, and the reflection region for reflecting the light of the first wavelength band and the light of the second wavelength band excited by the first wavelength band are generated. First generation means including a phosphor region;
A first transmission region for transmitting light in the first wavelength band and light in the first wavelength band and light in the second wavelength band generated by the first generation means; Second generation means including a second transmission region that transmits light,
First generating means may have a light axis that is shifted from the optical axis of the principal ray of the first wavelength band, the first generation means comprises a lens, one half of the light of the first wavelength band lens The light of the first wavelength band that is incident only from and reflected by the reflection region is emitted only from the opposite half of the lens,
The rotating members of the first generating unit and the second generating unit are the same rotating member, and the first generating unit includes at least the reflection region and the phosphor region in the circumferential direction of the first radius. An illumination optical system in which the second generation means forms at least the first transmission region and the second transmission region in the circumferential direction of the second radius .
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