JP7095466B2 - 光学ユニットおよび画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学ユニットおよび画像投射装置に関する。

特許文献１には、青色光の光源、カラーホイールを用いた光学系の構成が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された手法では、反射する領域および蛍光体の領域を有するカラーホイールが回転することにより、時分割された光を出射し、それらを交互に交代し時分割で合成することで白色光を作っている。しかし、特許文献１に開示された手法では、装置の小型化に困難が伴う。また、時分割の影響で、画像が安定しないという課題がある。

よって、本発明は、白色光を生成する光学ユニットおよび画像投射装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明に係る光学ユニットは、第一の波長帯の光を出射する光源と、前記第一の波長帯の光に対して異なる方向に光を分離する偏光分離素子と、前記偏光分離素子により分離された前記第一の波長帯の光を透過して円偏光とする、１／４波長板である位相差板と、前記位相差板を透過した前記円偏光の一部を反射するとともに他部を透過する光学素子と、前記光学素子を透過した前記円偏光の他部を第二の波長帯の光に変換して前記光学素子に出射する蛍光体と、を備え、前記光学素子により反射された前記円偏光の一部と前記蛍光体によって変換された前記第二の波長帯の光とから白色光を生成し、前記光学素子は透過率特性の異なる複数の領域を有し、前記複数の領域のどちらが光路上に配置されるかを切り替える透過率変更部を有することを特徴とする。

本発明によれば、白色光を生成する光学ユニットおよび画像投射装置を提供することができる。

第１実施形態に係る光学ユニットの一例の構成図。 第１実施形態に係る波長選択型偏光ビームスプリッタの特性と、光源のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例。 第１実施形態に係るダイクロイックミラーの特性と、光源のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例。 第１実施形態に係る光学ユニットから出射される光のスペクトルの一例。 第１の変形例に係る波長選択型偏光ビームスプリッタの特性と、光源のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例。 第２実施形態に係る光学ユニットの一例の構成図。 第２実施形態に係る波長選択型偏光ビームスプリッタの特性と、光源のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例。 第２の変形例に係る波長選択型偏光ビームスプリッタの特性と、光源のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例。 第３実施形態に係る光学ユニットの一例の構成図。 第３実施形態に係るダイクロイックミラーの一例。

本発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

≪第１実施形態≫
第１実施形態に係る光学ユニット１０の一例について、図１を用いて説明する。図１は、第１実施形態に係る光学ユニット１０の一例の構成図である。

光学ユニット１０は、例えば、プロジェクタ（画像投射装置）の照明装置に用いられる。プロジェクタの一例は、白色光を出射する光学ユニット１０と、白色光を赤色光、緑色光、青色光に分離する色分離部（図示せず）と、分離された各色ごとに投射画像を生成する３つの光変調素子（図示せず）と、光変調素子で生成された投射画像をスクリーン（図示せず）に投射する投射レンズ（図示せず）と、を備えている。なお、プロジェクタの構成はこれに限定されるものではない。

光学ユニット１０は、光源１と、波長選択型偏光ビームスプリッタ（偏光分離素子）２と、１／４波長板（位相差板）３と、ダイクロイックミラー（光学素子）４と、蛍光体５と、備えている。光源１から波長選択型偏光ビームスプリッタ２までの光路と、波長選択型偏光ビームスプリッタ２から蛍光体５までの光路とは、直交するようにレイアウトされている。また、波長選択型偏光ビームスプリッタ（偏光分離素子）２と蛍光体５との間の光路上に、１／４波長板３およびダイクロイックミラー４が配置されている。

光源１は、ＬＥＤ（light emitting diode）やＬＤ（laser diode）などの固体光源を用いて構成され、第一の波長帯の光を出射する。なお、以下の説明において、光源１は青色光のＬＤであるものとして説明する。光源１から出射される光は、第一の偏光方向を持つ直線偏光となっている。なお、以下の説明において、波長選択型偏光ビームスプリッタ２に対してＰ偏光となるものとする。光源１から出射したＰ偏光の青色光６１は、波長選択型偏光ビームスプリッタ２に入射する。

波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、第一の波長帯の光に対して一方の直線偏光と他方の直線偏光とに分離する。波長選択型偏光ビームスプリッタ２の特性について、図２を用いて説明する。図２は、第１実施形態に係る波長選択型偏光ビームスプリッタ２の特性と、光源１のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例である。なお、図２において、横軸は波長を示し、左側の第１縦軸は波長選択型偏光ビームスプリッタ２の透過率を示し、右側の第２縦軸は光源１のスペクトルの光強度を示す２軸グラフである。また、第１縦軸に対応して、Ｓ偏光の透過率を破線で示し、Ｐ偏光の透過率を点線で示している。第２縦軸に対応して、光源１のスペクトルの光強度を実線で示している。

図２に示すように、光源１の青色光は４５０ｎｍ付近に鋭いピークのある光のスペクトルを有している。波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、約５００ｎｍ以下のＰ偏光の光を反射し、それより長い波長のＰ偏光の光はほぼ１００％透過する特性を有している。また、波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、Ｓ偏光の光を波長に依らずほぼ１００％透過する特性を有している。換言すれば、波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、第一の波長帯の光において、第一の偏光方向の光を反射し、第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向の光を透過する特性を有している。また、波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、第一の波長帯よりも波長の長い第二の波長帯の光（後述する黄色光）において、光を透過する特性を有している。これにより、図１に示すように、光源１から波長選択型偏光ビームスプリッタ２に入射したＰ偏光の青色光６１は、波長選択型偏光ビームスプリッタ２で反射して、１／４波長板３に入射する。

１／４波長板３は、偏光方向を１／４回転させる。１／４波長板３を透過した円偏光の青色光６２は、ダイクロイックミラー４に入射する。

ダイクロイックミラー４の特性について、図３を用いて説明する。図３は、第１実施形態に係るダイクロイックミラー４の特性と、光源１のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例である。なお、図３において、横軸は波長を示し、左側の第１縦軸はダイクロイックミラー４の透過率を示し、右側の第２縦軸は光源１のスペクトルの光強度を示す２軸グラフである。また、第１縦軸に対応して、ダイクロイックミラー４の透過率を破線で示し、第２縦軸に対応して、光源１のスペクトルの光強度を実線で示している。

図３に示すように、ダイクロイックミラー４は、波長が５００ｎｍ以下の光を８０％透過させ、２０％反射させる特性を有している。また、波長が５００ｎｍ以上の光は、全て透過（１００％透過）させる特性を有している。

これにより、図１に示すように、ダイクロイックミラー４に入射した青色光６２のうち、一部の青色光６３がダイクロイックミラー４で反射して、再び１／４波長板３を透過し、波長選択型偏光ビームスプリッタ２に入射する。

ダイクロイックミラー４に入射した青色光６２のうち、残りの他部の青色光６４がダイクロイックミラー４を透過して、蛍光体５に入射する。

蛍光体５は、入射した第一の波長帯の光を第一の波長帯の光とは波長が異なる第二の波長帯の光へと変換する。ここでは、蛍光体５は、黄色蛍光体を有しており、青色光を黄色の蛍光に変換する。また、蛍光体５の光が入射する面とは反対側に、反射面が形成され、光を反射する。また、反射面の外側には、放熱部材（図示せず）が設けられている。蛍光体５から出射された黄色光７１は、再びダイクロイックミラー４に入射する。蛍光体５で波長が変換された黄色光は５５０ｎｍ付近に鋭いピークのある光のスペクトルを有している。このため、図３に示すように、黄色光７１はダイクロイックミラー４を透過する。ダイクロイックミラー４を透過した黄色光７１は再び１／４波長板３を透過し、波長選択型偏光ビームスプリッタ２に入射する。

円偏光の青色光６３および黄色光７１は、再び１／４波長板３を透過することにより、Ｓ偏光の青色光６５および黄色光７２となる。１／４波長板３を透過したＳ偏光の青色光６５および黄色光７２は、波長選択型偏光ビームスプリッタ２に入射する。図２に示すように、波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、Ｓ偏光の光を波長に依らずほぼ１００％透過する特性を有している。このため、Ｓ偏光の青色光６５および黄色光７２は、波長選択型偏光ビームスプリッタ２を透過する。

図４は、第１実施形態に係る光学ユニット１０から出射される光のスペクトルの一例である。なお、図４において、横軸は波長を示し、縦軸はスペクトルの光強度を示している。実線で示す青色光６５のスペクトルは、中心波長が約４５０ｎｍの光となっている。破線で示す黄色光７２のスペクトルは、中心波長が約５５０ｎｍの光となっている。この２つの光が混じることで白色光となる。

以上、第１実施形態に係る光学ユニット１０によれば、青色光６５と黄色光７２が混色した白色光８を出射することができる。また、光学ユニット１０から出射される白色光８は、時分割されておらず、連続した光とすることができる。

ここで、従来の固体光源を用いて白色光を生成する方法として、透過型の黄色蛍光体を用い、一部の青色光は蛍光体を透過させ、他部の青色光は蛍光体で黄色光に変換されてから蛍光体を出射し、それらが混じり白色光にする方法がある。しかし、この方法では、蛍光体を冷却する放熱部材が取り付けられず、蛍光体の温度が上昇する場合がある。そのときは温度上昇前の蛍光変換効率と比較して蛍光変換効率が低下する。

また、従来の固体光源を用いて白色光を生成する方法として、反射型の黄色蛍光体を動かし、青色光をそのまま出射する時と、蛍光体に照射し全て黄色光に変換してから出射させ、時間によって青と黄を分け、それが交互に切り替わることで目の錯覚を利用し白色光を作る方法がある。しかし、この手法では、青色光と黄色光が時分割された白色光となる。また、光学系のサイズが大きくなってしまう。

また、ＲＧＢ３色の固体光源を用い、白色光を作る方法がある。しかし、この手法では、光学系のサイズが大きくなってしまう。

これに対し、第１実施形態に係る光学ユニット１０によれば、蛍光体５の温度上昇を抑制して蛍光変換効率を高くすることができる。これにより、光学ユニット１０の白色光８の発光効率を高くすることができる。また、光学ユニット１０によれば、蛍光体を動かす機構や、複数の光源を用いる構成と比較して、装置を小型化することができる。

なお、１／４波長板３は、可視光に対し９０%以上の透過率を有することが好ましい。これにより、光学ユニット１０から出射される白色光８の光量を増やすことができる。

また、ダイクロイックミラー４は、第一の波長帯の光（青色光）を５０％以上透過する特性を有することが好ましい。これにより、青色光よりも視感度特性の高い黄色光の光量を増やすことができ、明るい。

また、１／４波長板３およびダイクロイックミラー４は、別部品として構成されているものとして図示しているが、１つの光学部品として構成されていてもよい。これにより、光学ユニット１０の部品点数を低減して、組立性を向上させることができる。

第１実施形態係る光学ユニット１０について、光源１からＰ偏光の青色光６１を出射し、波長選択型偏光ビームスプリッタ２は図２に示すように青色光の波長域においてＰ偏光の光を反射しＳ偏光の光を透過する特性を有する構成であるものとして説明したが、このような構成に限られるものではない。

図５は、第１の変形例に係る波長選択型偏光ビームスプリッタ２の特性と、光源１のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例である。

第１の変形例に係る光学ユニット１０において、光源１からＳ偏光の青色光を出射する。また、図５に示すように、第１の変形例に係る波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、約５００ｎｍ以下のＳ偏光の光を反射し、それより長い波長のＳ偏光の光は透過する特性を有している。また、波長選択型偏光ビームスプリッタ２は、Ｐ偏光の光を波長に依らず透過する特性を有している。その他の構成は、第１実施形態に係る光学ユニット１０と同様であり、重複する説明を省略する。

第１の変形例に係る光学ユニット１０によれば、第１実施形態に係る光学ユニット１０と同様に、青色光と黄色光が混色した白色光を出射することができる。また、出射される白色光は、時分割されておらず、連続した光とすることができる。

≪第２実施形態≫
第２実施形態に係る光学ユニット１０Ａの一例について、図６および図７を用いて説明する。図６は、第２実施形態に係る光学ユニット１０Ａの一例の構成図である。図７は、第２実施形態に係る波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａの特性と、光源１のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例である。

光学ユニット１０Ａは、光源１と、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａと、１／４波長板３と、ダイクロイックミラー４と、蛍光体５と、備えている。図６に示す第２実施形態に係る光学ユニット１０Ａは、図１に示す第１実施形態に係る光学ユニット１０と比較して、レイアウトが異なっている。即ち、光源１から波長選択型偏光ビームスプリッタＡまでの光路と、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａから蛍光体５までの光路とは、同軸にレイアウトされている。また、図７に示すように、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａの特性が異なっている。その他の構成は、第１実施形態に係る光学ユニット１０と同様であり、重複する説明を省略する。

図７に示すように、第２実施形態に係る波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａは、例えば、約５００ｎｍ以下のＰ偏光の光を透過し、それより長い波長のＰ偏光の光は反射する特性を有している。また、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａは、Ｓ偏光の光を波長に依らず反射する特性を有している。換言すれば、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａは、第一の波長帯の光において、第一の偏光方向の光を透過し、第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向の光を反射する特性を有している。また、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａは、第一の波長帯よりも波長の長い第二の波長帯の光において、光を反射する特性を有している。

光源１から波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａに入射したＰ偏光の青色光６１は、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａを透過して、１／４波長板３に入射する。１／４波長板３を透過した円偏光の青色光６２は、ダイクロイックミラー４に入射する。ダイクロイックミラー４に入射した青色光６２のうち一部の青色光６３がダイクロイックミラー４で反射して、再び１／４波長板３に入射する。ダイクロイックミラー４に入射した青色光６２のうち他部の青色光６４がダイクロイックミラー４を透過して、蛍光体５に入射し、黄色の蛍光に波長が変換される。蛍光体５から出射された黄色光７１は、ダイクロイックミラー４を透過し、再び１／４波長板３に入射する。円偏光の青色光６３および黄色光７１は、再び１／４波長板３を透過することにより、Ｓ偏光の青色光６５および黄色光７２となる。１／４波長板３を透過したＳ偏光の青色光６５および黄色光７２は、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａに入射する。波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａは、Ｓ偏光の光を波長に依らず反射する特性を有している。このため、Ｓ偏光の青色光６５および黄色光７２は、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａで反射する。この２つの光が混じることで白色光８となる。

以上、第２実施形態に係る光学ユニット１０Ａによれば、青色光６５と黄色光７２が混色した白色光８を出射することができる。また、光学ユニット１０Ａから出射される白色光８は、時分割されておらず、連続した光とすることができる。また、光学ユニット１０Ａの白色光８の発光効率を高くすることができる。また、光学ユニット１０Ａを小型化することができる。

第２実施形態係る光学ユニット１０Ａについて、光源１からＰ偏光の青色光６１を出射し、波長選択型偏光ビームスプリッタ２ＡはＰ偏光の光を透過し、Ｓ偏光の光を反射する特性を有する構成であるものとして説明したが、このような構成に限られるものではない。

図８は、第２の変形例に係る波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａの特性と、光源１のスペクトルとの関係を説明するグラフの一例である。

第２の変形例に係る光学ユニット１０Ａにおいて、光源１からＳ偏光の青色光を出射する。また、図８に示すように、第２の変形例に係る波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａは、約５００ｎｍ以下のＳ偏光の光を透過し、それより長い波長のＳ偏光の光は反射する特性を有している。また、波長選択型偏光ビームスプリッタ２Ａは、Ｐ偏光の光を波長に依らず反射する特性を有している。その他の構成は、第２実施形態に係る光学ユニット１０Ａと同様であり、重複する説明を省略する。

第２の変形例に係る光学ユニット１０Ａによれば、第２実施形態に係る光学ユニット１０Ａと同様に、青色光と黄色光が混色した白色光を出射することができる。また、出射される白色光は、時分割されておらず、連続した光とすることができる。

≪第３実施形態≫
第３実施形態に係る光学ユニット１０Ｂの一例について、図９および図１０を用いて説明する。図９は、第３実施形態に係る光学ユニット１０Ｂの一例の構成図である。図１０は、第３実施形態に係るダイクロイックミラー４Ｂの一例を示す図である。

光学ユニット１０Ｂは、光源１と、波長選択型偏光ビームスプリッタ２と、１／４波長板３と、ダイクロイックミラー４Ｂと、蛍光体５と、ダイクロイックミラー切替部（透過率変更部）９Ｂと、を備えている。その他の構成は、第１実施形態に係る光学ユニット１０と同様であり、重複する説明を省略する。

図１０に示すように、ダイクロイックミラー４Ｂは、特性の異なる２つの領域４１，４２を有している。ダイクロイックミラー４Ｂの第１領域４１は、例えば、波長が５００ｎｍ以下の光を８０％透過させ、２０％反射させる特性を有している。また、波長が５００ｎｍ以上の光は、全て透過（１００％透過）させる特性を有している。ダイクロイックミラー４Ｂの第２領域４２は、例えば、波長が５００ｎｍ以下の光を７０％透過させ、２０％反射させる特性を有している。また、波長が５００ｎｍ以上の光は、全て透過（１００％透過）させる特性を有している。

図９に戻り、ダイクロイックミラー切替部９Ｂは、ダイクロイックミラー４Ｂを移動させる移動装置として構成される。なお、移動後の一例を二点鎖線で示す。ダイクロイックミラー切替部９Ｂは、ダイクロイックミラー４Ｂを移動させることにより、図１０に示す２つの領域４１，４２のうち、どちらが光路上に配置されるかを切り替える。

以上、第３実施形態に係る光学ユニット１０Ｂによれば、第１実施形態に係る光学ユニット１０と同様に、青色光６５と黄色光７２が混色した白色光８を出射することができる。また、光学ユニット１０Ｂから出射される白色光８は、時分割されておらず、連続した光とすることができる。

また、ダイクロイックミラー切替部９Ｂはダイクロイックミラー４Ｂを移動させて、光路上に配置される領域４１，４２を切り替えることにより、ダイクロイックミラー４Ｂを透過する青色光６４の割合を変更する透過率変更部として機能させることができる。これにより、青色光６５と黄色光７２の光量のバランスが変わり、白色光８の色味を変更することが可能となる。

なお、図９では、第１実施形態に係る光学ユニット１０のレイアウトにおいて、ダイクロイックミラーの特性を変更する構成を適用するものとして説明したが、これに限られるものではない。、第２実施形態に係る光学ユニット１０Ａのレイアウトにおいて、ダイクロイックミラーの特性を変更する構成を適用してもよい。

また、第３実施形態において、ダイクロイックミラー４Ｂを移動させることにより光が照射される領域を切り替えて、特性を変更するものとして説明したが、これに限られるものではない。ダイクロイックミラーが特性の異なる扇形の領域を有する円板として構成され、ダイクロイックミラー切替部がダイクロイックミラーを回転させることにより光が照射される領域を切り替えて、特性を変更する構成であってもよい。

以上、光学ユニット１０～１０Ｂの実施形態等について説明したが、本発明は上記実施形態等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、改良が可能である。

１ 光源
２，２Ａ 波長選択型偏光ビームスプリッタ（偏光分離素子）
３ １／４波長板（位相差板）
４，４Ｂ ダイクロイックミラー（光学素子）
４１，４２ 領域
５ 蛍光体
６１～６５ 青色光
７１～７２ 黄色光
８ 白色光
９Ｂ ダイクロイックミラー切替部（透過率変更部）
１０，１０Ａ，１０Ｂ 光学ユニット

特開２０１２－７８４８８号公報

Claims (7)

1. 第一の波長帯の光を出射する光源と、
   前記第一の波長帯の光に対して異なる方向に光を分離する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子により分離された前記第一の波長帯の光を透過して円偏光とする、１／４波長板である位相差板と、
   前記位相差板を透過した前記円偏光の一部を反射するとともに他部を透過する光学素子と、
   前記光学素子を透過した前記円偏光の他部を第二の波長帯の光に変換して前記光学素子に出射する蛍光体と、を備え、
   前記光学素子により反射された前記円偏光の一部と前記蛍光体によって変換された前記第二の波長帯の光とから白色光を生成し、
   前記光学素子は透過率特性の異なる複数の領域を有し、
   前記複数の領域のどちらが光路上に配置されるかを切り替える透過率変更部を有する
   ことを特徴とする光学ユニット。
2. 前記光源から前記偏光分離素子までの光路と、前記偏光分離素子から前記蛍光体までの光路とは、直交に配置され、
   前記偏光分離素子は、
   前記第一の波長帯の光において、第一の偏光方向の光を反射し、前記第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向の光を透過し、
   前記第二の波長帯の光において、前記第二の偏光方向の光を透過する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
3. 前記光源から前記偏光分離素子までの光路と、前記偏光分離素子から前記蛍光体までの光路とは、同軸に配置され、
   前記偏光分離素子は、
   前記第一の波長帯の光において、第一の偏光方向の光を透過し、前記第一の偏光方向と直交する第二の偏光方向の光を反射し、
   前記第二の波長帯の光において、前記第二の偏光方向の光を反射する
   ことを特徴とする請求項１に記載の光学ユニット。
4. 前記位相差板は、可視光に対し９０％以上の透過率を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の光学ユニット。
5. 前記光学素子は、前記第一の波長帯の光を５０％以上透過する特性を有する
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の光学ユニット。
6. 前記位相差板と前記光学素子は、１つの光学部品として構成される
   ことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の光学ユニット。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の光学ユニットを備えることを特徴とする画像投射装置。

Images