JP6641860B2 - 波長変換装置、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

波長変換装置、照明装置およびプロジェクター Download PDF

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Description

本発明は、波長変換装置、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、プロジェクター用の照明装置として、蛍光体が用いられている。
下記特許文献1の照明装置では、蛍光体(波長変換素子)を支持する基材の裏面に冷却フィンが設けられている。基材と冷却フィンは一体に形成されている。
特開2012−13897号公報
しかしながら、上記従来技術では反射型の波長変換装置に関するものであり、透過型の波長変換装置について想定していなかった。そのため、透過型の波長変換装置において蛍光体を冷却できる新たな技術の提供が望まれていた。
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、透過型において波長変換素子を冷却できる、波長変換装置、照明装置および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、回転装置と、前記回転装置により回転する基材と、前記基材の第1の面に設けられた波長変換素子と、前記第1の面と対向する第2の面に設けられた、前記基材とは別体のヒートシンクと、を備え、前記ヒートシンクは、複数のフィンを含み、前記基材は、透光性部材で形成されている波長変換装置が提供される。
第1態様に係る波長変換装置によれば、ヒートシンクによって波長変換素子を冷却することができる。よって、波長変換素子を冷却することで該波長変換素子の温度を低減できる透過型の波長変換装置が提供される。
上記第1態様において、前記複数のフィンは、前記波長変換素子よりも前記回転装置の回転中心側に設けられているのが好ましい。
この構成によれば、波長変換素子のサイズを大きくすることができる。これにより、波長変換素子に光が集中的に入射されるのを防止できる。よって、波長変換素子の温度を抑制することができる。
上記第1態様において、前記波長変換素子は、前記複数のフィンよりも前記回転装置の回転中心側に設けられているのが好ましい。
この構成によれば、複数のフィンを大きくできるので、ヒートシンクの冷却性能を向上させることができる。
上記第1態様において、前記複数のフィンは、前記回転装置側の側部及び前記基材の外周側の側部の少なくとも一方に傾斜形状を有するのが好ましい。この場合において、前記傾斜形状は、前記基材から離れるに従って、前記回転装置の回転中心側に近づくように傾斜する、又は前記回転装置の回転中心から離れるように傾斜するのがより望ましい。
この構成によれば、傾斜形状によって波長変換素子への入射光とフィンとが干渉しなくなる。よって、波長変換素子に光を良好に入射させることができる。
本発明の第2態様に従えば、上記第1態様に係る波長変換装置と、を備え、前記光源から射出された第1の波長帯の光を前記第2の面へ入射させ、前記波長変換素子により変換された第2の波長帯の光を前記第1の面から射出する照明装置が提供される。
第2態様に係る照明装置は、波長変換素子の温度を抑制した透過型の波長変換装置を備えるので、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は、上記第2態様に係る照明装置を備えるので、明るく画像品質に優れた表示を行うことができる。
第1実施形態に係るプロジェクターの光学系の構成を示す図。 (a)、(b)は回転蛍光板を説明するために示す図。 (a)、(b)はヒートシンクの概略構成を示す図。 蛍光体層に入射する励起光を示した概念図。 変形例に係る回転蛍光板の構造を示す分解斜視図。 変形例に係る回転蛍光板の構造を示す断面図。 第2実施形態に係る回転蛍光板の斜視図。
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1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。
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、赤色光、緑色光、青色光の各色光に対応した液晶光変調装置400R,400G,400B、クロスダイクロイックプリズム500及び投射光学系600を備える。
照明装置100は、光源10、コリメート集光光学系20、回転蛍光板(波長変換装置)30、モーター(回転装置)50、ピックアップ光学系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。これらコリメート集光光学系20、ピックアップ光学系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は、各々の光軸が、光源10の光軸と略一致するように配置されている。
光源10は、励起光Eとしてレーザー光からなる第1の波長帯の青色光(発光強度のピーク:約445nm)を射出する半導体レーザー(発光素子)からなる。光源10は、1つの半導体レーザーからなるものであってもよいし、多数の半導体レーザーからなるものであってもよい。
なお、光源10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。
本実施形態において、光源10は、光軸が照明光軸100axと平行になるように配置されている。
コリメート集光光学系20は、第1レンズ22と、第2レンズ24とを備え、光源10からの光を略平行化する。第1レンズ22及び第2レンズ24は、凸レンズからなる。
コリメート集光光学系20は、光源10から射出された励起光Eを略集光した状態で蛍光体層42に入射させる機能を有する。
ピックアップ光学系60は、第1レンズ62及び第2レンズ64を備える。第1レンズ62及び第2レンズ64は、凸レンズからなる。
ピックアップ光学系60は、蛍光体層42から射出された蛍光Yと蛍光体層42を透過した青色光Bとを含む照明光Wをピックアップして平行化して平行光とする機能を有する。
図2は、実施形態に係る回転蛍光板30を説明するために示す図である。図2(a)は回転蛍光板30の正面図であり、図2(b)は図2(a)のA1−A1断面図である。
回転蛍光板30は、図1及び図2に示すように、モーター50と、円板(基材)40と、ダイクロイックミラー41と、蛍光体層(波長変換素子)42と、ヒートシンク51と、を備える。回転蛍光板30は、青色光(励起光)Eが入射する側と反対側に向けて赤色光及び緑色光を含む黄色光(蛍光Y)を射出する。
円板40は、モーター50により回転可能である。円板40は、励起光Eを透過する透光性部材からなる。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。
蛍光体層42は、円板40の上面(第1の面)40aの周方向に沿って設けられている。ヒートシンク51は、円板40の下面(第2の面)40bに設けられている。
モーター50は、回転軸50aと、ハブ55とを含む。ハブ55の一端側は、回転軸50aに取り付けられ、該回転軸50aとともに回転可能である。ハブ55の他端側は、円板40およびヒートシンク51各々に設けられた取付孔に嵌合されている。本実施形態において、ハブ55は、円板40およびヒートシンク51を固定する固定部材として機能している。このようにハブ55を固定部材として用いることで、回転蛍光板30の組み立て作業を容易なものとしている。また、円板40およびヒートシンク51がハブ55を介して確実に固定されるので、回転軸50aの回転に伴う面ブレの発生を抑制することができる。
本実施形態において、ダイクロイックミラー41および蛍光体層42は、リング形状を持つ。
蛍光体層42は、光源10からの励起光Eによって励起されて第2の波長帯の蛍光Yを射出する。蛍光体層42の励起光Eが入射する面は、蛍光Yが射出される射出面でもある。蛍光Yは、赤色光及び緑色光を含む黄色の光である。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。
ダイクロイックミラー41は、蛍光体層42と円板40との間に設けられており、励起光Eの一部の光を透過させ、蛍光Yを反射させるものである。ダイクロイックミラー41は、誘電体多層膜からなる。ダイクロイックミラー41を透過した励起光Eは蛍光体層42へと入射する。
励起光Eの一部は蛍光体層42を透過する。以下、蛍光体層42を透過した励起光Eの一部の光を青色光Bと称す。蛍光体層42を透過した青色光Bと、蛍光体層42から射出された蛍光Yとは合成されることで白色の照明光Wを生成する。
本実施形態において、蛍光体層42にはレーザー光からなる励起光Eが入射するため、該蛍光体層42において熱が発生する。本実施形態では、円板40を回転させることで、蛍光体層42における励起光Eの入射位置を順次変化させている。これにより、蛍光体層42の同じ部分に励起光Eが集中的に照射されて劣化するといった不具合の発生を防止している。
また、本実施形態では、ヒートシンク51が円板40と別体で構成されている。円板40は、励起光Eを透過する透光性部材からなるが、透光性部材は金属と比較して熱伝導性が低いため、蛍光体層42の放熱手段が必要となる。本実施形態では、円板40を介して該円板40と別体のヒートシンク51に蛍光体層42の熱を伝達することで、蛍光体層42を効率良く放熱させている。
また、本実施形態では、ヒートシンク51と円板40との間に熱伝導性接着部材43を配置している(図2(b)参照)。熱伝導性接着部材43は、例えば、熱伝導性フィラーを含有した樹脂から構成される。熱伝導性接着部材43は、円板40とヒートシンク51とを固着し、円板40とヒートシンク51との間の熱抵抗の増大を抑えるものである。これにより、熱伝導性接着部材43は、円板40上に設けられた蛍光体層42の熱をヒートシンク51側に効率良く伝達可能である。また、熱伝導性接着部材43は、物性値(ヤング率、線膨張係数等)が異なる円板40とヒートシンク51とを固着するため、円板40とヒートシンク51との中間となる物性値を有することが好ましい。
本実施形態において、ヒートシンク51は蛍光体層42よりもモーター50の回転軸50a(回転中心)側に設けられている。つまり、ヒートシンク51は、蛍光体層42よりも円板40の径方向内側に配置されている。
この構成によれば、円板40の外周部に配置されることによって蛍光体層42の外径寸法(表面積)をできるだけ大きくすることができる。よって、励起光Eが蛍光体層42に集中的に照射されて劣化するといった不具合の発生を抑制できる。また、蛍光体層42の温度が上昇し難くなるので、蛍光体層42自体の寿命を延ばすことができる。
図3はヒートシンク51の概略構成を示す図であり、図3(a)はヒートシンク51の構造を示す斜視図であり、図3(b)はヒートシンク51の構成を示す平面図である。
ヒートシンク51は、例えば、アルミや銅といった放熱性に優れた金属材料から構成されている。ヒートシンク51は、図2(b)および図3(a)、(b)に示すように、複数のフィン52と、平板53とを含んでいる。
複数のフィン52は、平板53と一体に形成されている。複数のフィン52は、図3(a)、(b)に示すように、ハブ55の周囲を囲むように配置されている。複数のフィン52は、図3(b)に示すように、平面視した状態で、円板40の径方向外側から内側に向かって渦状となるように湾曲した突状部材から構成されている。このような突状部材からなるフィン52は、円板40の回転時に生じる空気抵抗を低減することが可能である。
ところで、ヒートシンク51による冷却性能を向上させるにはフィン52の外径サイズを大きくすることが重要である。本実施形態において、励起光Eは円板40の下面40b側から入射するため、フィン52のサイズが大きすぎた場合、該フィン52によって励起光Eが遮られてしまうおそれがある。
これに対し、本実施形態では、複数のフィン52の円板40の外周側の側部52aを傾斜形状としている。側部52aの傾斜形状は、円板40の下面40bから離れるに従って、モーター50の回転軸50aに近づくように傾斜している(図4参照)。
図4は円板40の下面40b側から蛍光体層42に入射する励起光Eを示した概念図である。
図4に示すように、励起光Eはコリメート集光光学系20により集光されるため、該励起光Eの光束幅は円板40に向かうにつれて小さくなる。複数のフィン52の側部52aは上述の傾斜形状となっているため、励起光Eはフィン52に遮られることなく、円板40の下面40bから蛍光体層42に入射することができる。よって、蛍光Yを効率良く生成することで明るい照明光Wを生成できる。
図1に戻って、第1レンズアレイ120は、ピックアップ光学系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、直線偏光光に変換する。偏光変換素子140は、偏光分離層と、反射層と、位相差板とを有している。偏光分離層は、回転蛍光板30からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに他方の直線偏光成分を反射層に向けて反射させる。反射層は、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸100axに平行な方向に反射する。位相差板は、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する。
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で互いに重畳させる。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からの白色の照明光Wを赤色光R、緑色光G及び青色光Bに分離し、赤色光R、緑色光G及び青色光B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、フィールドレンズ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。
ダイクロイックミラー210を通過した赤色光は、反射ミラー230で反射され、フィールドレンズ300Rを通過して赤色光用の液晶光変調装置400Rの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー210で反射された緑色光は、ダイクロイックミラー220でさらに反射され、フィールドレンズ300Gを通過して緑色光用の液晶光変調装置400Gの画像形成領域に入射する。
ダイクロイックミラー220を通過した青色光は、リレーレンズ260、入射側の反射ミラー240、リレーレンズ270、射出側の反射ミラー250、フィールドレンズ300Bを経て青色光用の液晶光変調装置400Bの画像形成領域に入射する。
液晶光変調装置400R,400G,400B各々は、入射された色光を画像情報に応じて変調して各色光に対応する画像を形成するものである。なお、図示を省略したが、各フィールドレンズ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光学素子である。
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、投射光学系600によって拡大投射され、スクリーンSCR上で画像を形成する。
以上述べたように、本実施形態によれば、ヒートシンク51によって蛍光体層42を冷却することができる。よって、蛍光体層42を冷却することで該蛍光体層42の温度を低減できる回転蛍光板30を提供できる。
また、回転蛍光板30を備えた照明装置100は、信頼性が高く、かつ明るい照明光Wを生成できる。また、この照明装置100を備えたプロジェクター1は、品質に優れた画像を表示することができる。
なお、上記実施形態では、円板40とヒートシンク51との間に熱伝導性接着部材43を配置する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、ヒートシンク51の平板53および円板40の接触面の平面度が高い場合、平板53と円板40の下面40bとを面接触させるようにしてもよい。
図5は平板53と円板40とを面接触させた場合の分解斜視図であり、図6は平板53と円板40とを面接触させた場合の断面構成図である。
図5、6に示すように、ヒートシンク51は、例えば、ネジ部材(固定部材)56により円板40に固定されている。このようにすれば、平板53および円板40が広い面積で接触した状態で強固に固定されるので、円板40からヒートシンク51(平板53)へと熱が効率良く伝達し高い放熱性を得ることができる。また、ヒートシンク51がネジ部材56により円板40に強固に固定されるので、回転軸50aの回転に伴う面ブレの発生を抑制することができる。また、円板40とヒートシンク51とを固着しないので、円板40とヒートシンク51との物性値の差異による反り、変形等を抑制することができる。また、図5、6では、ネジ部材56をヒートシンク51側から挿通しているが、円板40側から挿通してもよい。
(第2実施形態)
続いて、本発明の第2実施形態について説明する。本実施形態と上記実施形態との違いは、ヒートシンクの構造であり、それ以外の構造は共通である。以下では、上記実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その詳細な説明については省略する。
図7は本実施形態の回転蛍光板30Aの斜視図である。
図7に示すように、本実施形態の回転蛍光板30Aにおいて、蛍光体層42はヒートシンク151(複数のフィン52)よりもモーター50の回転軸50a(回転中心)側に設けられている。
つまり、ヒートシンク151は、蛍光体層42よりも円板40の径方向外側に配置されている。この構成によれば、円板40の外周部に配置されることによって上記実施形態の構成に比べて、フィン52の表面積を大きくできる。よって、ヒートシンク151の冷却性能を向上させることができる。
なお、ヒートシンク151の外径寸法は、円板40の外径寸法よりも大きくしても良い。この場合、複数のフィン52の外径寸法と平板53の外径寸法とは同じにしても良いし、フィン52の外径寸法を平板53の外径寸法より大きくしても良い。
回転蛍光板30Aにおいて、円板40の径方向内側におけるフィン52のサイズが大きすぎると、該フィン52によって励起光Eが遮られてしまうおそれがある。
これに対し、本実施形態の回転蛍光板30Aでは、複数のフィン52の円板40のモーター50の回転軸50a側の側部52bを傾斜形状としている。側部52bの傾斜形状は、円板40の下面40bから離れるに従って、モーター50の回転軸50aから離れるように傾斜している。
このように複数のフィン52の側部52bを上述の傾斜形状とすることで、励起光Eがフィン52に遮られることを防止できる。よって、円板40の下面40b側から蛍光体層42に励起光Eが効率良く入射することで明るい照明光Wを生成することができる。
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、上記第1実施形態及び第2実施形態の構成を組み合わせても良い。すなわち、円板40に対し、2つのヒートシンク51、151を配置するようにしても良い。
また、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。
B…青色光(第1の波長帯の光)、Y…蛍光(第2の波長帯の光)、1…プロジェクター、10…光源、30,30A…回転蛍光板(波長変換装置)、40…円板(基材)、40a…上面(第1の面)、40b…下面(第2の面)、42…蛍光体層(波長変換層)、50…モーター(回転装置)、51…ヒートシンク、52…フィン、52a…側部(基材の外周側の側部)、52b…側部(回転装置側の側部)、53…平板、55…ハブ、100…照明装置、400R,400G,400B…液晶光変調装置(光変調装置)、600…投射光学系。

Claims (6)

  1. 回転装置と、
    透光性部材で形成され、前記回転装置により回転軸を中心に回転する基材と、
    前記基材の第1の面に設けられた波長変換素子と、
    前記第1の面と対向する第2の面に設けられ、前記基材とは別体のヒートシンクと、
    を備え、
    前記ヒートシンクは、複数のフィンを含み、
    前記複数のフィンは、前記回転軸に垂直な方向に配置される第1側部および第2側部を有し、
    前記第1側部は、前記基材の外周側に配置され、
    前記第2側部は、前記回転軸側に配置され、
    前記第1側部は、前記第2の面から前記回転軸に沿って離れるに従って前記回転軸に近付くように、前記回転軸に対して傾斜しており、
    前記複数のフィンは、前記波長変換素子よりも前記回転軸側に設けられていることを特徴とする波長変換装置。
  2. 請求項1に記載の波長変換装置であって、
    前記第2側部は、前記回転軸に平行な方向に沿って延出している波長変換装置。
  3. 回転装置と、
    透光性部材で形成され、前記回転装置により回転軸を中心に回転する基材と、
    前記基材の第1の面に設けられた波長変換素子と、
    前記第1の面と対向する第2の面に設けられ、前記基材とは別体のヒートシンクと、
    を備え、
    前記ヒートシンクは、複数のフィンを含み、
    前記複数のフィンは、前記回転軸に垂直な方向に配置される第1側部および第2側部を有し、
    前記第1側部は、前記基材の外周側に配置され、
    前記第2側部は、前記回転軸側に配置され、
    前記第2側部は、前記第2の面から前記回転軸に沿って離れるに従って前記回転軸から離れるように、前記回転軸に対して傾斜しており、
    前記複数のフィンは、前記波長変換素子よりも前記基材の外周側に設けられていることを特徴とする波長変換装置。
  4. 請求項に記載の波長変換装置であって、
    前記第1側部は、前記回転軸に平行な方向に沿って延出している波長変換装置。
  5. 光源と、
    請求項1からのいずれか一項に記載の波長変換装置と、
    を備え、
    前記光源から射出された第1の波長帯の光を前記第2の面へ入射させ、前記波長変換素子により変換された第2の波長帯の光を前記第1の面から射出する照明装置。
  6. 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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