JP5424367B2 - 照明光学系とこれを用いたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、複数の色の画像光を形成するための複数の色の照明光を発生する照明光学系と、該照明光学系による各画像光を投射するプロジェクタに関する。

液晶プロジェクタやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタのようなスクリーンに画像を投射するプロジェクタの光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ）を用いる技術が注目されている（特許文献１参照）。

ＬＥＤは寿命が長くまた信頼性が高いことに起因して、ＬＥＤを光源とするプロジェクタには長寿命で高信頼という利点がある。

しかしながら、その一方でＬＥＤの光はプロジェクタ用としては輝度が低いので、ＬＥＤを光源としてプロジェクタに十分な輝度の映像を得るのは容易ではない。光源からの光を表示パネルがどれだけ投射光として利用できるかはエテンデューにより制限される。つまり、光源の発光面積と放射角との積の値を、表示パネルの入射面の面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にしなければ、光源からの光を効率良く投射光として利用できない。

ＬＥＤによる光源では発光面積を大きくすれば光量を上げることはできるが、発光面積が大きくなれば光源のエテンデューが大きくなってしまう。エテンデューの制限からプロジェクタの光源としては発光面積を大きくせず光量を上げることが望まれるが、ＬＥＤによる光源で発光面積を大きくせずに光量を上げるのは困難である。

特開２００３−１８６１１０号公報

ＬＥＤのみによる光源ではエテンデューが大きくなってしまう。本発明は、エテンデューが小さく、より長寿命かつ高輝度の照明光学系を実現するものである。

本発明の照明光学系は、第１の波長の励起光を発生するレーザ光源と、
前記励起光により第２の波長の蛍光を発生する青蛍光発生領域と、前記励起光により第３の波長の蛍光を発生する緑蛍光発生領域とを備える蛍光ホイールと、
第４の波長の光を発生するＬＥＤ光源と、
前記第２の波長の蛍光および前記第３の波長の蛍光を反射し、前記第４の波長の光を通過させることにより、これらの各光を同じ方向に出射するダイクロイックミラーと、
を備えている。また、本発明によるプロジェクタは上記の照明光学系を備えている。

本発明によれば、エネルギー密度の高いレーザを励起光として蛍光体に集光し、その集光された場所から発せられる蛍光を用いているので、エテンデューが小さく、より長寿命かつ高輝度の照明光学系を実現できる。

本発明による照明光学系の一実施形態の構成を示すブロック図である。 蛍光ホイール１０５をレーザ光源１０１側から見たときの（図１左側から右側）の平面図である。 図２中の、青蛍光体領域１０５₁の構成を示す断面図である。 図２中の、緑蛍光体領域１０５₂，１０５₄の構成を示す断面図である。 本発明による照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明による照明光学系の第２の実施形態の要部構成を示す平面図、（ｄ）〜（ｆ）は本発明の照明光学系の第３の実施形態の要部構成を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態の発光時間を示すタイミングチャートである。 本発明の第３の実施形態の発光時間を示すタイミングチャートである。 本発明による照明光学系の第４の実施形態の要部構成を示すブロック図である。

次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は本発明による照明光学系の一実施形態の構成を示すブロック図である。

本実施形態は、レーザ光源１０１、ＬＥＤ光源１０２、ダイクロイックミラー１０３，１０４、蛍光ホイール１０５、ライトトンネル１０６、レンズ群１０７〜１０９、反射ミラー１１０₁，１１０₂から構成されている。

図２は、蛍光ホイール１０５を図１左側から右側に向けて見たときの平面図である。

レーザ光源１０１は波長λ１の励起用のレーザ光を発生する。蛍光ホイール１０５は、励起用のレーザ光が入射されたときに、波長λ１よりも長い波長λ２、λ３（λ２＜λ３）の青色蛍光、緑色蛍光をそれぞれ発生する青蛍光体領域１０５₁、緑蛍光体領域１０５₂，１０５₄、光を透過する透明領域１０５₃を備えている。

まず、本実施形態における各光学要素の特性について説明する。

ＬＥＤ光源１０２は波長λ３よりも長い波長λ４の赤色の光を発生する。このように、本実施形態では、４波長の光、λ１〜λ４、が用いられるが、その関係は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４となる。反射面が平行に配置されたダイクロイックミラー１０３，１０４のうち、ダイクロイックミラー１０３はλ３の光のみを反射し、λ１、λ２およびλ４の光は通過させ、ダイクロイックミラー１０４はλ２の光のみを反射し、λ１、λ３およびλ４の光は通過させる。なお、ダイクロイックミラー１０４は、λ１、λ２の光を反射し、λ３およびλ４の光は通過させるものとしてもよい。

図３および図４は、青蛍光体領域１０５₁、および、緑蛍光体領域１０５₂，１０５₄の構成を示す断面図である。

図３に示すように、青蛍光体領域１０５₁は、波長λ１〜λ４に対して透明な基板３０３上に、反射層３０４および青蛍光体層３０５が積層されている。青蛍光体層３０５は波長λ１の励起用のレーザ光が入射されると波長λ２の青色蛍光を発生する。反射層３０４は、波長λ１の励起用のレーザ光は透過し、青蛍光体層３０５にて発生した波長λ２の青色蛍光は反射する。このため、図３に示すように、基板３０３側から波長λ１の励起用のレーザ光３０１を入射させると、青蛍光体層３０５側から波長λ２の青色蛍光３０２が出射する。

図４に示すように、緑蛍光体領域１０５₂，１０５₄は、波長λ１〜λ４に対して透明な基板３０３上に、反射層４０２および緑蛍光体層４０３が積層されている。緑蛍光体層４０３は波長λ１の励起用の３０１が入射されると波長λ３の緑色蛍光を発生する。反射層４０２は、緑蛍光体層４０３にて発生した波長λ３の緑色蛍光は反射する。このため、図４に示すように、緑蛍光体層４０３側から波長λ１の励起用のレーザ光３０１を入射させると、緑蛍光体層３０５で波長λ３の緑色蛍光４０３が発生し、反射層４０２で反射されて、緑蛍光体層３０５側から出射する。

次に、本実施形態における光学系の配置について説明する。

蛍光ホイール１０５が無いと仮定した場合、レーザ光源１の出射光はダイクロイックミラー１０３、レンズ群１０９を通って反射ミラー１１０₁，１１０₂により折り返され、レンズ群１０８を通ってダイクロイックミラー１０３に入射するように各部材は配置されている。レンズ群１０７とレンズ群１０８の光軸、および蛍光ホイール１０５の回転軸は平行とされ、蛍光ホイール１０５の回転中心は、レンズ群１０７とレンズ群１０８の光軸の中間とされている。

レーザ光源１０１は、出射光軸がＬＥＤ光源１０２の出射光軸と直交するもので、その出射光はダイクロイックミラー１０３、レンズ群１０９を通って蛍光ホイール１０５に入射する。上述したように、蛍光ホイール１０５には３種類の領域が備えられており、蛍光ホイール１０５入射後の動作は入射した領域に応じて異なるものとなる。

図２に示したように、円形の蛍光ホイール１０５は、４分割されており、青蛍光体領域１０５₁と透明領域１０５₃、緑蛍光体領域１０５₂と緑蛍光体領域１０５₄は、点対称となるように配置されている。

レーザ光源１０１の出射光は、ダイクロイックミラー１０３、レンズ群１０７を通って、蛍光ホイール１０５に入射する。その入射点（以下、１次集光点と呼ぶ）は上述した３種類の領域のうちのいずれかとなる。１次集光点が、透明領域１０５₃の場合には、入射光は該透明領域１０５₃を透過し、反射ミラー１１０₁，１１０₂により折り返され、蛍光ホイール１０５の１次集光点と点対称な位置となる青蛍光体領域１０５₁上の２次集光点に入射する。

以下に、１次集光点が、緑蛍光体領域１０５₂および緑蛍光体領域１０５₄の場合、透明領域１０５₃の場合、青蛍光体領域１０５₁の場合、の入射後の動作についてそれぞれ説明する。

１次集光点が緑蛍光体領域１０５₂および緑蛍光体領域１０５₄の場合には、図４に示した状態となる。緑蛍光体層４０３で発生した波長λ３の緑色蛍光は拡散光であり、レンズ群１０７により略平行光となる。その後、緑色蛍光はダイクロイックミラー１０３によりライトトンネル１０６に向けて反射される。この後、ダイクロイックミラー１０４を通過し、レンズ群１０９により集光されてライトトンネル１０６に入射する。

１次集光点が透明領域１０５₃の場合には、レーザ光源１０１の出射光は蛍光ホイール１０５の裏面（図１の図面左側から右側に向けて）から青蛍光体領域１０５₁上の２次集光点に入射し、図３に示した状態となる。青蛍光体層３０５で発生した波長λ２の青色蛍光は拡散光であり、レンズ群１０８により略平行光となる。その後、青色蛍光はダイクロイックミラー１０４によりライトトンネル１０６に向けて反射され、レンズ群１０９により集光されてライトトンネル１０６に入射する。

１次集光点が青蛍光体領域１０５₁の場合には、青蛍光体層３０５で発生した波長λ２の青色蛍光がレンズ群１０７により略平行光となり、ダイクロイックミラー１０３を通ってレーザ光源１０１に戻ることとなる。このように、１次集光点が青蛍光体領域１０５₁の場合に発生した青色蛍光は照明光として利用されることはない。本実施形態では、１次集光点が青蛍光体領域１０５₁となる場合には、レーザ光源１０１は消灯するものとし、ＬＥＤ光源１０２が点灯され、ＬＥＤ光源１０２の波長λ４の赤色の出射光は、ダイクロイックミラー１０３，１０４、レンズ群１０９を通ってライトトンネル１０６に入射する。

上記のように、本実施形態の照明光学系では、１次集光点が緑蛍光体領域１０５₂および緑蛍光体領域１０５₄の場合には、緑色蛍光がライトトンネル１０６に入射し、１次集光点が透明領域１０５₃の場合には、青色蛍光がライトトンネル１０６に入射し、１次集光点が青蛍光体領域１０５₁の場合には、ＬＥＤ光源１０２の赤色光がライトトンネル１０６に入射する。これらの各入射光はライトトンネル１０６内で照度分布が均一化され、ライトトンネル１０６の出射側には均一化された赤色光、緑色光、青色光、緑色光が順番に現れ、照明光として用いられる。尚、一方の緑色蛍光体の代わりに黄色蛍光体やマゼンダ色蛍光体を用い、黄色やマゼンダ色を照明光として使用してもよい。

図５は、本実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。

図５に示すプロジェクタは、ユーザインタフェース部５０１、制御部５０２、記憶部５０３、映像信号処理部５０４、同期信号処理部５０５、ＬＤ駆動部５０６、ＬＥＤ駆動部５０７、蛍光ホイール駆動部５０８、表示素子駆動部５０９、回転状態検出部５１０、表示素子５１１、図１に示したレーザ光源１０１、ＬＥＤ光源１０２、および蛍光ホイール１０５から構成されている。

ユーザインタフェース部５０１は、ユーザからの指示入力を受け付けて制御部５０２に出力し、また、現在のプロジェクタの動作状態をインジケータや表示パネルなどの表示装置（不図示）に表示させる。

制御部５０２は、記憶部５０３に格納されているプログラムに応じてプロジェクタを構成する各部を制御する。

記憶部５０３は、制御部５０３の制御プログラムを格納し、また、映像用データを一時記憶する。

映像信号処理部５０４は外部より入力された映像信号を、プロジェクタ内で用いられる映像信号に変換する。本実施形態の映像信号は、上述したように各色の照明光が順次照明光学系より出力される構成であるため、各色に応じた映像信号が順次生成される。

同期信号処理部５０５は、外部より入力された映像信号に同期する同期信号を、プロジェクタ内で用いられる映像信号に変換する。具体的には、各色の映像信号の出力タイミングを示す同期信号を生成して出力する。

ＬＤ駆動部５０６は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に応じてレーザ光源１０１の点灯状態を制御し、ＬＥＤ駆動部５０７は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に応じてＬＥＤ光源１０２の点灯状態を制御する。

回転状態検出部５１０は蛍光ホイール１０５の回転状態を検出して蛍光ホイール駆動部５０８へ出力する。

蛍光ホイール駆動部５０８は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に示される映像信号の色と、回転状態検出部５１０が検出した蛍光ホイール１０５の回転状態が示す照明光学系が出力する色とが一致するように蛍光ホイール１０５の回転状態を制御する
表示素子駆動部５０９は映像信号処理部が出力する映像信号に応じて、表示素子５１１を駆動する。ここで、表示素子としては、複数のマイクロミラーがマトリックス状に配置され、各マイクロミラーの反射状態により画像を形成する反射型画像形成素子や、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子が用いられる。

上記のように構成されるプロジェクタでは、照明光学系から順次出力される各色の照明光により各色に対応した画像を表示する表示素子５１１が照明され、表示素子５１１の反射画像もしくは透過画像が投影光学系（不図示）を介して順次投射される。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。

図６（ａ）〜（ｃ）は本発明による照明光学系の第２の実施形態の要部構成を示す平面図、図６（ｄ）〜（ｆ）は本発明の照明光学系の第３の実施形態の要部構成を示す平面図である。

図２に示した蛍光ホイール１０５は、等しく４分割され、青蛍光体領域１０５₁と透明領域１０５₃、緑蛍光体領域１０５₂と緑蛍光体領域１０５₄は、点対称となるように配置されていたのに対し、図５（ａ）〜（ｃ）に示す蛍光ホイール１０５’は、青蛍光体領域１０５₁’および透明領域１０５₃’の面積と、緑蛍光体領域１０５₂’および緑蛍光体領域１０５₄’の面積が異なるものとされている。この他の構成は図１に示した実施例と同じであるため、説明は省略する。

緑蛍光体領域１０５₂’および緑蛍光体領域１０５₄’の面積は青蛍光体領域１０５₁’および透明領域１０５₃’の面積の２倍とされている。図２に示した蛍光ホイール１０５は各領域が等分されていたため、蛍光ホイール１０５が１回転すると、赤色光、緑色光、青色光、緑色光が同じ周期で現れていたのに対し、本実施形態では緑色光が現れるそれぞれの時間は、赤色光、青色光が現れる時間の２倍となる。

図７は、本発明の第２の実施形態の発光時間を示すタイミングチャートである。

図６（ａ）に示すように、１次集光点６０１が青蛍光体領域１０５₁’上となる場合には、レーザ光源１０１は消灯状態とされ、ＬＥＤ光源１０２が点灯されて赤ＬＥＤ光が現れる（点灯時間を周期Ｔとする）。

図６（ｂ）に示すように、１次集光点６０１が緑蛍光体領域１０５₄’上となる場合には、緑蛍光が現れる（周期２Ｔ）。

図６（ｃ）に示すように、１次集光点６０１が透明領域１０５₃’上となる場合には、２次集光点６０２で発生した青蛍光が現れる（周期Ｔ）。

その後、１次集光点６０１が緑蛍光体領域１０５₂’上となる場合には、緑蛍光が現れる（周期２Ｔ）。

図６（ｄ）〜（ｆ）に示す実施形態は、蛍光ホイールが１回転するときの各色光の発生割合を図６（ａ）〜（ｃ）に示した実施形態と同じであるが、緑蛍光が連続して現れるように構成したものである。

本実施形態においては、蛍光ホイール６０３の回転軸を図１に示した蛍光ホイール１０５、図６（ａ）〜（ｃ）に示した蛍光ホイール１０５’と異なる位置とし、その大きさも変更されている。この他の構成は図１に示した実施例と同じであるため、説明は省略する。

蛍光ホイール６０３には、等しい面積の青蛍光体領域６０４₁および透明領域６０４₃とこれらの４倍の面積の緑蛍光領域６０４₂が円弧状に形成されている。上述したように、蛍光ホイール６０３の回転中心軸がレンズ群１０７とレンズ群１０８の光軸の中間ではないため、本実施形態において、１次集光点６０５と２次集光点６０６の関係は蛍光ホイール６０３について点対称とならない。本実施形態においては、１次集光点６０５と２次集光点６０６は、図６（ｄ）〜（ｆ）に示されるように、青蛍光体領域６０４₁または透明領域６０４₃の間隔と一致する、所定の間隔を保った位置関係となっている。

図８は、本発明の第２の実施形態の発光時間を示すタイミングチャートである。

図６（ｆ）に示すように、１次集光点６０５が青蛍光体領域６０４₁’上となる場合には、レーザ光源１０１は消灯状態とされ、ＬＥＤ光源１０２が点灯されて赤ＬＥＤ光が現れる（点灯時間を周期Ｔとする）。

図６（ｄ）に示すように、１次集光点６０５が緑蛍光体領域６０４₂’上となる場合には、緑蛍光が現れる（周期４Ｔ）。

図６（ｅ）に示すように、１次集光点６０５が透明領域１０５₃’上となる場合には、２次集光点６０６で発生した青蛍光が現れる（周期Ｔ）。

図９は、本発明による照明光学系の第４の実施形態の要部構成を示すブロック図である。

本実施形態は、レーザ光源９０１、ＬＥＤ光源９０２、ダイクロイックミラー９０３、レンズ群９０４，９０６、蛍光ホイール９０５から構成されている。

レーザ光源９０１は、波長λ１の例起用のレーザ光を発生する。

ＬＥＤ光源９０２は波長λ３よりも長い波長λ４の赤色の光を発生する。

ダイクロイックミラー９０３は波長λ４の光を通過させ、波長λ１〜λ３の光は反射する。

蛍光ホイール９０５は、図１に示した蛍光ホイール１０５と同様に、励起用のレーザ光が入射されたときに、波長λ１よりも長い波長λ２、λ３（λ２＜λ３）の青色蛍光、緑色蛍光をそれぞれ発生する青蛍光体領域、緑蛍光体領域と、透明領域とを備えている。

レーザ光源９０１からレーザ光が蛍光ホイール９０５に出射されると、レーザ光の入射位置が青蛍光体領域の場合には青蛍光が発生する。青蛍光は、レンズ群９０６によりコリメートされ、ダイクロイックミラー９０３により反射され、レンズ群９０４を介して照明光として出射する。

レーザ光の入射位置が緑蛍光体領域の場合には緑蛍光が発生する。緑蛍光は、レンズ群９０６によりコリメートされ、ダイクロイックミラー９０３により反射され、レンズ群９０４を介して照明光として出射する。

レーザ光の入射位置が透明領域の場合には、蛍光が発生することなく、レーザ光のまま蛍光ホイール９０５を通過し、ダイクロイックミラー９０３により反射されて出射することとなる。このように、レーザ光の入射位置が透明領域の場合には照明光が発生しないこととなる。本実施形態では、１次集光点が透明領域となる場合には、レーザ光源９０１は消灯するものとし、ＬＥＤ光源９０２が点灯され、ＬＥＤ光源９０２の波長λ４の赤色の出射光は、ダイクロイックミラー９０３、レンズ群９０４を通って照明光として出射する。

上記のように、第２乃至第３の実施形態のいずれも、照明光として用いられる赤色光、緑色光、青色光、緑色光が順番に現れるものとなっており、図５に示した構成により表示素子５１１を駆動することで高輝度かつ長寿命なプロジェクタを実現できる。

１０１ レーザ光源
１０２ ＬＥＤ光源
１０３，１０４ ダイクロイックミラー
１０５ 蛍光ホイール
１０６ ライトトンネル
１０７〜１０９ レンズ群
１１０₁、１１０₂ 反射ミラー

Claims (5)

1. 第１の波長の励起光を発生するレーザ光源と、
   前記励起光により第２の波長の蛍光を発生する青蛍光発生領域と、前記励起光により第３の波長の蛍光を発生する緑蛍光発生領域とを備える蛍光ホイールと、
   第４の波長の光を発生するＬＥＤ光源と、
   前記第２の波長の蛍光および前記第３の波長の蛍光を反射し、前記第４の波長の光を通過させることにより、これらの各光を同じ方向に出射するダイクロイックミラーと、
   を備えることを特徴とする照明光学系。
2. 請求項１記載の照明光学系において、
   前記蛍光ホイールには、前記励起光を通過させ、前記第２の波長の蛍光および前記第３の波長の蛍光を反射する反射層が形成され、
   前記青蛍光発生領域には、前記反射層上に、前記励起光により第２の波長の蛍光を発生する青蛍光体が形成され、
   前記緑蛍光発生領域には、前記反射層上に、前記前記励起光により第３の波長の蛍光を発生する緑蛍光体が形成されていることを特徴とする照明光学系。
3. 請求項２記載の照明光学系において、
   前記レーザ光源は、前記蛍光ホイールの１回転周期内で、前記青蛍光発生領域および前記緑蛍光発生領域に前記反射層側から前記励起光を前記蛍光ホイールに照射し、
   前記ＬＥＤ光源は、前記蛍光ホイールの１回転周期内で、前記蛍光ホイールに対する前記レーザ光源による励起光の照射が行われないときに前記第４の波長の光を発生することを特徴とする照明光学系。
4. 請求項２記載の照明光学系において、
   前記蛍光ホイールは、すべての波長の光を通過させる透明領域を備え、
   前記透明領域を通過した光を再度前記蛍光ホイールに入射させる再帰機構を具備し、
   前記ダイクロイックミラーは、
   前記緑蛍光発生領域に前記緑蛍光体側から前記励起光が入射したときに発生した前記第３の波長の蛍光を反射する第１のダイクロイックミラーと、
   前記透明領域を通過し、前記再帰機構により前記青蛍光発生領域に前記反射層側から前記励起光が入射したときに発生した前記第２の波長の蛍光を反射する第２のダイクロイックミラーと、を備えることを特徴とする照明光学系。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の照明光学系を備えたプロジェクタ。

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