JP6515514B2 - 光源装置、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

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Description

本発明は、光源装置、照明装置およびプロジェクターに関するものである。
近年、プロジェクターに用いる照明装置として、高輝度、高出力の光が得られる半導体レーザー等の固体光源を用いたものが注目されている。このような照明装置として、固体光源と、固体光源からのレーザー光を平行化するためのコリメートレンズとをパッケージ化したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2012−128999号公報
ところで、固体光源およびコリメートレンズをパッケージ化する場合、アライメントに多少のばらつきが生じることは避けられない。特に、上記特許文献1の照明装置のようにパッケージ化に用いられるコリメートレンズは、その焦点距離が短く設定されている。そのため、アライメント精度の影響を大きく受けてしまい、レーザー光の射出方向が設計上の方向から大きくずれるおそれがある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであって、固体光源あるいはコリメートレンズのアライメントに狂いが生じている場合でもレーザー光の射出方向のずれが小さい光源装置を提供することを目的とする。また、前記光源装置を備えた照明装置および前記照明装置を備えたプロジェクターを提供することを目的とする。
本発明の第1態様に従えば、固体光源と、前記固体光源から射出された光ビームが入射するコリメーターレンズと、前記コリメーターレンズからの前記光ビームの光束幅を拡張するとともに、第1レンズアレイユニットと第2レンズアレイユニットとを含む光束幅拡張素子と、を備え、前記光ビームにおける前記光束幅拡張素子への入射角度は、前記光ビームにおける前記光束幅拡張素子からの射出角度より大きい光源装置が提供される。
第1態様に係る光源装置によれば、光束幅拡張素子により光ビームの光束幅を拡張することでコリメーターレンズの合成焦点距離を大きくすることができる。これにより、コリメーターレンズあるいは固体光源の実装誤差(アライメント誤差)に起因して生じる光ビームの射出方向のずれが緩和される。
上記第1態様において、前記光束幅拡張素子は、アフォーカル光学系から構成されてもよい。
この構成によれば、上述のように光ビームの射出方向のずれを良好に抑えることができる。
上記第1態様において、前記光束幅拡張素子は、第1レンズアレイユニットと第2レンズアレイユニットとを含む構成としてもよい。
この構成によれば、複数の固体光源からの光ビームについて射出方向のずれを抑えることができる。
上記第1態様において、前記第1レンズアレイユニットは、複数の凹レンズから構成され、前記第2レンズアレイユニットは、複数の凸レンズから構成される構成としてもよい。
この構成によれば、ガリレオ式のアフォーカル光学系が構成されるので、上述のように光ビームの射出方向のずれを抑えることができる。
上記第1態様において、前記第1レンズアレイユニットは、複数の凸レンズから構成され、前記第2レンズアレイユニットは、複数の凸レンズから構成される構成としてもよい。
この構成によれば、ケプラー式のアフォーカル光学系が構成されるので、上述のように光ビームの射出方向のずれを抑えることができる。
上記第1態様において、前記第1レンズアレイユニットおよび前記第2レンズアレイユニットは、アナモフィックレンズから構成される構成としてもよい。
この構成によれば、例えば、固体光源から射出された光ビームの形状を所定形状に補正することができる。
本発明の第2態様に従えば、上記第1態様に係る光源装置と、前記光源装置から射出された光が入射する重畳光学系と、を備える照明装置が提供される。
第2態様に係る照明装置によれば、射出方向のずれが抑えられた光ビームを所定位置に効率良く重畳させるので、明るい照明光を生成することができる。
本発明の第3態様に従えば、上記第2態様に係る照明装置と、前記照明装置からの照明光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。
第3態様に係るプロジェクターによれば、上記第2態様に係る照明装置を備えるので、本プロジェクターは明るく画像品質に優れた表示を行うことができる。
第一実施形態のプロジェクターの光学系を示す上面図である。 第一実施形態のアフォーカル光学系の特徴を示す図である。 第二実施形態の光源装置の概略構成を示す図である。 (a)、(b)は青色光の光束のスポット形状を示した図である。 (a)、(b)は第1マルチレンズアレイに青色光Bが入射した状態を示す図である。
以下、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。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
(第一実施形態)
本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。本実施形態のプロジェクターは、スクリーン(被投射面)SCR上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクターは、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した3つの液晶光変調装置を用いている。プロジェクターは、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザーを用いている。
図1は、本実施形態に係るプロジェクターの光学系を示す上面図である。
プロジェクター1は、図1に示すように、照明装置100、色分離導光光学系200、液晶光変調装置400R,400G,400B、クロスダイクロイックプリズム500及び投写光学系600を備える。
照明装置100は、光源装置10A、アフォーカル光学系23、重畳光学系25、回転蛍光板30、モーター50、コリメート光学系60、第1レンズアレイ120、第2レンズアレイ130、偏光変換素子140及び重畳レンズ150を備える。
光源装置10Aは、複数の光源10と、アフォーカル光学ユニット(光束幅拡張素子)11とを備える。複数の光源10は、照明光軸100axと直交する一平面内において、アレイ状に配置されている。各光源10は、固体光源15およびコリメーターレンズ16をそれぞれ有している。
本実施形態において、光源10は、不図示の台座部を有し、該台座部に固体光源15およびコリメーターレンズ16が一体に保持されることでパッケージ化された構造となっている。
固体光源15は、励起光として青色光Bからなる光ビーム(発光強度のピーク:約445nm)を射出する半導体レーザーから構成される。コリメーターレンズ16は、固体光源15から射出された青色光Bを平行光に変換するためのものである。本実施形態では、光源10をパッケージ構造とするため、コリメーターレンズ16として小型で焦点距離が短いものが用いられている。
光源10は、光ビームが所定方向に射出されるようにコリメーターレンズ16および固体光源15がアライメントされた状態でパッケージ化されている。なお、固体光源15としては、445nm以外の波長(例えば、460nm)の青色光を射出する半導体レーザーを用いることもできる。
アフォーカル光学ユニット11は、第1レンズアレイユニット11Aおよび第2レンズアレイユニット11Bを含む。第1レンズアレイユニット11Aは、複数の凹レンズ11aから構成される。第2レンズアレイユニット11Bは、複数の凸レンズ11bから構成される。第1レンズアレイユニット11Aおよび第2レンズアレイユニット11Bは、1個の凹レンズ11aおよび1個の凸レンズ11bが対をなすことでガリレオ式のアフォーカル光学系を構成している。凹レンズ11aおよび凸レンズ11bが構成する各アフォーカル光学系17は、各光源10に対応するように設置されている。
各アフォーカル光学系17は、対応する固体光源15から射出された青色光Bの光束の光束幅を拡張する。なお、アフォーカル光学ユニット11の構造としては上述のガリレオ式に限定されることはなく、例えば、2つの凸レンズから構成されたケプラー式の光学系であってもよい。
アフォーカル光学系23は、例えば、凸レンズ23aおよび凹レンズ23bを備えたガリレオ式の光学系である。アフォーカル光学系23は、光源装置10Aから射出された青色光Bの光束(複数の光ビームからなる光束)の光束幅を縮小する。このようにアフォーカル光学系23が励起光(青色光B)の光束幅を縮小するので、小型の重畳光学系25を用いることができる。なお、アフォーカル光学系23の構造についても上述のガリレオ式に限定されることはなく、ケプラー式の光学系であってもよい。
重畳光学系25は、ホモジナイザー光学系12と集光光学系20とを含む。
ホモジナイザー光学系12は、例えば、第1マルチレンズアレイ12aおよび第2マルチレンズアレイ12bを含む。集光光学系20は、第1レンズ22及び第2レンズ24を備える。集光光学系20は、ホモジナイザー光学系12から回転蛍光板30までの光路中に配置され、青色光(励起光)を略集光した状態で蛍光体層42に入射させる。本実施形態において、第1レンズ22及び第2レンズ24は、それぞれ凸レンズからなる。
ホモジナイザー光学系12は、第1マルチレンズアレイ12aの複数の小レンズから射出された複数の小光束を、集光光学系20と協同して、蛍光体層42(後述)上で互いに重畳させる。これにより、蛍光体層42上に照射される青色光Bの光強度分布を均一な状態(いわゆるトップハット分布)とする。
回転蛍光板30は、モーター50により回転可能な円板40上に、蛍光体層42が円板40の周方向に沿って設けられている。
円板40は、青色光Bを透過する材料からなる。円板40の材料としては、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等を用いることができる。
本実施形態において、光源10からの青色光Bは円板40側から蛍光体層42に入射し、入射した青色光Bの一部は蛍光体層42を透過する。蛍光体層42と円板40との間には、青色光Bを透過し、青色光Bにより蛍光体層42で生成された蛍光Yを反射するダイクロイック膜44が設けられている。
蛍光体層42は、波長が約445nmの青色光Bによって励起される。蛍光体層42は、例えば、YAG系蛍光体である(Y,Gd)(Al,Ga)12:Ceを含有する層からなる。
蛍光体層42は、光源10からの青色光Bの一部を赤色光及び緑色光を含む黄色の蛍光Yに変換し、かつ、青色光Bの残りの一部を変換せずに通過させる。本実施形態において、光源10からの青色光Bのうち蛍光体層42を透過した青色成分は蛍光体層42からの黄色の蛍光Yと合成され、白色光Wが生成される。
ところで、本実施形態のように、固体光源15およびコリメーターレンズ16をパッケージ化する場合、固体光源15またはコリメーターレンズ16のアライメントに多少のずれが生じることは避けられない。つまり、光源10はゼロではない実装誤差を持っている。
本実施形態のコリメーターレンズ16はパッケージ構造の光源10に搭載される都合上、上述のように焦点距離が短く、アライメント精度の影響を受けやすい。そのため、本実施形態の光源10は、例えば、実装誤差が小さい場合であっても、青色光Bが設計上の光射出方向(照明光軸100axと平行な方向)から大きくずれた方向に射出されてしまう。このように、青色光Bの射出方向が大きくずれると、青色光Bが蛍光体層42上に効率良く照射されなくなるので、照明光としての白色光Wを良好に生成できなくなってしまう。
ここで、光源10の実装誤差をΔ、青色光Bの設計上の光射出方向からのずれ(照明光軸100axと平行な方向に対する角度)をθ、コリメーターレンズ16の焦点距離をfとする。この場合において、実装誤差は、Δ=f・tanθの式(1)で規定される。
上記式(1)に示されるように、光源10の実装誤差Δが一定であれば、コリメーターレンズ16の焦点距離fが大きいほど青色光Bのずれθは小さい。
本実施形態の光源10はコリメーターレンズ16および固体光源15がパッケージ化された構造を採用するため、コリメーターレンズ16の焦点距離を長くすることは難しい。
そこで、本実施形態の光源装置10Aでは、光源10の後段に配置したアフォーカル光学系17(アフォーカル光学ユニット11)により、コリメーターレンズ16の焦点距離を大きくするように変換している。
本実施形態において、アフォーカル光学系17は、光源10からの青色光Bの光束幅を拡張する。青色光Bの光束幅を拡張することは、コリメーターレンズ16の合成焦点距離を長くすることと等価である。よって、上記式(1)からわかるように、青色光Bの光射出方向のずれθを相対的に小さくすることができる。
図2はアフォーカル光学系17の特徴を示す図である。図2においては、光源10からの青色光Bが凹レンズ11aに入射する時の入射角度をθ、入射時の光束幅(入射光束幅)をDとする。凸レンズ11bから射出する時の射出角度をθ、射出時の光束幅(入射光束幅)をDとする。
各アフォーカル光学系17は、一般のアフォーカル光学系と同様、該光学系17に光ビーム(青色光B)が入射する際および該光学系17から光ビーム(青色光B)が射出される際のいずれにおいても、光ビーム(青色光B)の入射角度と光ビーム(青色光B)の光束幅との積が一定となる特徴を有する。
アフォーカル光学系17は青色光Bの光束幅を拡張させる、すなわち、D>Dである。この場合、図2に示されるように、青色光Bの射出角度θは入射角度θよりも小さくなっている(θ>θ)。
すなわち、本実施形態の光源装置10Aによれば、仮に、光源10において実装誤差が生じていた場合であっても、光源10に対応して個別に設けられたアフォーカル光学系17により、実装誤差に起因して生じる青色光Bの射出方向の角度ずれを小さくすることができる。
このように光源装置10Aは、青色光Bの射出方向の角度ずれを小さくした状態でアフォーカル光学系23に入射させることができる。よって、アフォーカル光学系23を介して縮小された青色光Bは重畳光学系25(ホモジナイザー光学系12)の所定位置に良好に入射するようになる。したがって、ホモジナイザー光学系12は集光光学系20と協同して、蛍光体層42上における所定の領域を良好に照射することができる。よって、照明装置100は、蛍光Yを効率良く生成することができる。
図1に戻って、コリメート光学系60は、第1コリメートレンズ62と、第2コリメートレンズ64とを備え、回転蛍光板30からの光を略平行化する。第1コリメートレンズ62及び第2コリメートレンズ64は、凸レンズからなる。
第1レンズアレイ120は、コリメート光学系60からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第1小レンズ122を有する。複数の第1小レンズ122は、照明光軸100axと直交する面内にマトリクス状に配列されている。
第2レンズアレイ130は、第1レンズアレイ120の複数の第1小レンズ122に対応する複数の第2小レンズ132を有する。第2レンズアレイ130は、重畳レンズ150とともに、第1レンズアレイ120の各第1小レンズ122の像を液晶光変調装置400R,400G,400Bの画像形成領域近傍に結像させる。複数の第2小レンズ132は照明光軸100axに直交する面内にマトリクス状に配列されている。
偏光変換素子140は、第1レンズアレイ120により分割された各部分光束を、直線偏光に変換する。
重畳レンズ150は、偏光変換素子140からの各部分光束を集光して液晶光変調装置400R,400G,400Bの画像形成領域近傍に重畳させる。第1レンズアレイ120、第2レンズアレイ130及び重畳レンズ150は、回転蛍光板30からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。
色分離導光光学系200は、ダイクロイックミラー210,220、反射ミラー230,240,250及びリレーレンズ260,270を備える。色分離導光光学系200は、照明装置100からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光をそれぞれが対応する液晶光変調装置400R,400G,400Bに導光する。
色分離導光光学系200と、液晶光変調装置400R,400G,400Bとの間には、集光レンズ300R,300G,300Bが配置されている。
ダイクロイックミラー210は、赤色光成分を通過させ、緑色光成分及び青色光成分を反射するダイクロイックミラーである。
ダイクロイックミラー220は、緑色光成分を反射して、青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。
反射ミラー230は、赤色光成分を反射する反射ミラーである。
反射ミラー240,250は青色光成分を反射する反射ミラーである。
液晶光変調装置400R,400G,400Bは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、各集光レンズ300R,300G,300Bと各液晶光変調装置400R,400G,400Bとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、各液晶光変調装置400R,400G,400Bとクロスダイクロイックプリズム500との間には、それぞれ射出側偏光板が配置される。
クロスダイクロイックプリズム500は、各液晶光変調装置400R,400G,400Bから射出された各画像光を合成してカラー画像を形成する。
このクロスダイクロイックプリズム500は、4つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略X字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。
クロスダイクロイックプリズム500から射出されたカラー画像は、投写光学系600によって拡大投写され、スクリーンSCR上で画像を形成する。
以上述べたように、本実施形態のプロジェクター1によれば、光源10の実装誤差に起因して生じる青色光Bの射出方向のずれを小さくすることで蛍光Yを効率良く生成する上記照明装置100を備えるので、該プロジェクター1は品質に優れた画像を表示することができる。
(第二実施形態)
続いて、本発明の第二実施形態について説明する。
本実施形態と第一実施形態との違いは、光源から射出される青色光のスポット形状と、該スポット形状に対応したアフォーカル光学ユニットの構造とであり、それ以外の構成は共通である。そのため、以下の説明では、図1に示したプロジェクター1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
図3は本実施形態の光源装置110Aの概略構成を示す図である。
図3に示すように、本実施形態の光源装置110Aは、複数の光源110と、アフォーカル光学ユニット(光束幅拡張素子)111とを備える。複数の光源110は、照明光軸100axと直交する一平面内において、アレイ状に配置されている。各光源110は、固体光源115およびコリメーターレンズ116をそれぞれ有している。
本実施形態においても、光源110は、不図示の台座部を有し、該台座部に固体光源115およびコリメーターレンズ116が一体に保持されることでパッケージ化された構造となっている。
固体光源115は、励起光として青色光Bからなる光ビーム(発光強度のピーク:約445nm)を射出する半導体レーザーから構成される。コリメーターレンズ116は、固体光源115から射出された青色光Bを平行光に変換する。
図4は青色光Bの光束のスポット形状を示した図である。具体的に、図4(a)はコリメーターレンズ116により平行光に変換された青色光Bの光束のスポット形状を示す図であり、図4(b)はアフォーカル光学ユニットを経由した後の青色光Bの光束のスポット形状を示す図である。
本実施形態において、コリメーターレンズ116により平行光に変換された青色光Bは、図4(a)に示すように、Y方向に長軸を有し、X方向に短軸を有した略楕円状となっている。なお、図示していないが、Z方向は照明光軸100axと平行である。
図5はホモジナイザー光学系12の第1マルチレンズアレイ12aに青色光Bが入射した状態を示す図である。具体的に、図5(a)は比較として楕円状の青色光Bが入射した状態を示すものであり、図5(b)は略円形状の青色光Bが入射した状態を示す図である。
重畳光学系25が青色光Bを蛍光体層42上で良好に重畳させるには、ホモジナイザー光学系12(第1マルチレンズアレイ12a)の各小レンズ上に形成される青色光Bのスポットをなるべく大きくすることが必要である。
図5(a)に示すように、略楕円状の青色光Bがホモジナイザー光学系12に入射した場合、青色光Bは、第1マルチレンズアレイ12aの小レンズ12a1、小レンズ12a2、小レンズ12a3、および小レンズ12a4のうち、小レンズ12a2および小レンズ12a4のみに入射する。この場合、小レンズ12a2および小レンズ12a4に入射した青色光Bのみが蛍光体層42に重畳されるため、良好な光重畳性が得られていなかった。
そこで、青色光Bのスポット形状に合わせて、第1マルチレンズアレイ12aとしてより小型の小レンズから構成されたものを採用することも考えられるが、このように小型の小レンズは非常にコストが嵩むことから現実的ではなかった。
これに対し、本実施形態のアフォーカル光学ユニット111は、第1レンズアレイユニット111Aおよび第2レンズアレイユニット111Bがそれぞれアナモフィックレンズで構成されている。例えば、第1レンズアレイユニット111Aは、複数のアナモフィックレンズ111aから構成され、第2レンズアレイユニット111Bは、複数のアナモフィックレンズ111bから構成される。
第1レンズアレイユニット111Aおよび第2レンズアレイユニット111Bは、1個のアナモフィックレンズ111aおよび1個の111bが対をなすことでアナモフィックアフォーカル光学系を構成している。アナモフィックレンズ111aおよび111bが構成する各アナモフィックアフォーカル光学系117は、各光源110に対応するように設置されている。
本実施形態ではこのようなアナモフィックアフォーカル光学系117を備えているため、各光源110から射出された青色光Bは、アナモフィックレンズ111aおよび111bによって所定面内においてのみレンズ効果を受ける。これにより、青色光Bは、光束の光束幅が拡張するとともにスポット形状が図4(b)に示すようにX方向に拡張されることで略円形状に変換される。
本実施形態によれば、アナモフィックアフォーカル光学系117は、スポット形状を略円状に変換した青色光Bをホモジナイザー光学系12に入射させることができる。例えば、図5(b)に示すように、略円形状の青色光Bがホモジナイザー光学系12に入射すると、青色光Bは、第1マルチレンズアレイ12a小レンズ12a1、小レンズ12a2、小レンズ12a3、および小レンズ12a4の全てに入射する。この場合、全ての小レンズ12a1乃至12a4に入射した青色光Bが蛍光体層42に重畳される。
よって、蛍光体層42上に照射される青色光Bの光強度分布の均一性を高めることで、蛍光Yを効率良く生成することができる。
また、本実施形態においても、仮に、光源110において実装誤差が生じていた場合であっても、光源110に対応して個別に設けられたアナモフィックアフォーカル光学系117により、実装誤差に起因して生じる青色光Bの射出方向のずれを小さくすることができる。
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、3つの液晶光変調装置400R,400G,400Bを備えるプロジェクター1を例示したが、1つの液晶光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。また、光変調装置として、デジタルミラーデバイスを用いてもよい。
また、上記実施形態では本発明による照明装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による照明装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。
1…プロジェクター、10A,110A…光源装置、11…アフォーカル光学ユニット(光束幅拡張素子)、11A,111A…第1レンズアレイユニット、11B,111B…第2レンズアレイユニット、16,116…コリメーターレンズ、17,117…アフォーカル光学系、25…重畳光学系、400R,400G,400B…液晶光変調装置(光変調装置)、600…投写光学系。

Claims (7)

  1. 固体光源と、
    前記固体光源から射出された光ビームが入射するコリメーターレンズと、
    前記コリメーターレンズからの前記光ビームの光束幅を拡張するとともに、第1レンズアレイユニットと第2レンズアレイユニットとを含む光束幅拡張素子と、を備え、
    前記光ビームにおける前記光束幅拡張素子への入射角度は、前記光ビームにおける前記光束幅拡張素子からの射出角度より大きい
    光源装置。
  2. 前記光束幅拡張素子は、アフォーカル光学系から構成される
    請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記第1レンズアレイユニットは、複数の凹レンズから構成され、
    前記第2レンズアレイユニットは、複数の凸レンズから構成される
    請求項1又は2に記載の光源装置。
  4. 前記第1レンズアレイユニットは、複数の凸レンズから構成され、
    前記第2レンズアレイユニットは、複数の凸レンズから構成される
    請求項1又は2に記載の光源装置。
  5. 前記第1レンズアレイユニットおよび前記第2レンズアレイユニットは、アナモフィックレンズから構成される
    請求項1又は2に記載の光源装置。
  6. 請求項1〜のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置から射出された光が入射する重畳光学系と、を備える
    照明装置。
  7. 請求項に記載の照明装置と、
    前記照明装置からの照明光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
    前記画像光を投射する投射光学系と、を備える
    プロジェクター。
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