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JP2022075311A - 光源装置、およびこれを備える画像投写装置 - Google Patents

光源装置、およびこれを備える画像投写装置 Download PDF

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JP2022075311A JP2020186026A JP2020186026A JP2022075311A JP 2022075311 A JP2022075311 A JP 2022075311A JP 2020186026 A JP2020186026 A JP 2020186026A JP 2020186026 A JP2020186026 A JP 2020186026A JP 2022075311 A JP2022075311 A JP 2022075311A
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Abstract

【課題】高い集光効率を実現しつつ小型化可能な光源装置、およびこれを備える画像投写装置を提供すること。【解決手段】光源装置200は、第1の光を発生する光源1と、第1の入射角度で入射する光を反射させ、前記第1の入射角度よりも小さい第2の入射角度で入射する光を透過させる光学素子3と、第1反射手段4と、第2反射手段7と、前記第1の光が入射され、前記第1の光と波長が異なる第2の光を射出する波長変換手段6とを有し、前記光源からの第1の光は、前記光学素子3で反射し、前記第1反射手段4で反射し、前記光学素子3を透過した後、前記第2反射手段7に入射し、前記第2反射手段7は、前記光源1からの前記第1の光を前記波長変換手段6に反射することを特徴とする。【選択図】図1

Description

本発明は、光源装置、およびこれを備える画像投写装置に関する。
近年、レーザー光を励起光として蛍光体に入射し、蛍光体から発生した蛍光光を照明光として用いる光源装置が開発されている。特許文献1、2には、冷却部材が設置された蛍光体に、冷却部材が設置された側と反対側からレーザー光を入射し、発生した蛍光光を照明光として用いる光源装置が開示されている。
特開2019-160624号公報 特許第6507828号公報
特許文献1の光源装置では、レーザー光は集光レンズと蛍光体との間の隙間から入射するため、集光レンズと蛍光体との間の間隔をある程度広げる必要がある。この場合、蛍光体から発生する蛍光光のうち、高角度成分を取り込むことができないので集光レンズにおける集光効率が低下する。また、集光レンズと蛍光体との間の隙間からレーザー光が大きな入射角度で入射するため、集光スポットが歪み、蛍光光の発光効率や、後段の光学系での光利用効率が低下してしまう。
特許文献2の光源装置では、集光光学系と蛍光体の間隔を近づけて集光効率を確保しつつ、集光光学系に形成された貫通穴からレーザー光を照射することで、集光効率を向上させている。しかしながら、特許文献2の光源装置では、集光光学系で集光された蛍光光が貫通穴によって散乱されてしまうので最終的に集光光学系から取り出される光量を上げることができない。
本発明は、高い集光効率を実現しつつ小型化可能な光源装置、およびこれを備える画像投写装置を提供することを目的とする。
本発明の光源装置は、第1の光を発生する光源と、第1の入射角度で入射する光を反射させ、前記第1の入射角度よりも小さい第2の入射角度で入射する光を透過させる光学素子と、第1反射手段と、第2反射手段と、前記第1の光が入射され、前記第1の光と波長が異なる第2の光を射出する波長変換手段とを有し、前記光源からの第1の光は、前記光学素子で反射し、前記第1反射手段で反射し、前記光学素子を透過した後、前記第2反射手段に入射し、前記第2反射手段は、前記光源からの前記第1の光を前記波長変換手段に反射することを特徴とする。
本発明によれば、高い集光効率を実現しつつ小型化可能な光源装置、およびこれを備える画像投写装置を提供することが可能である。
本発明における実施例1の画像投写装置の構成図である。 本発明における実施例1の第2のコリメータレンズの構成図である。 本発明における実施例2の光源装置の構成図である。 本発明における実施例3の光源装置の構成図である。 本発明における実施例4の光源装置の構成図である。 本発明における実施例5の光源装置の構成図である。 本発明における実施例6の光源装置の構成図である。
以下、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
図1は、実施例1の画像投写装置の構成図である。画像投写装置は、光源装置200、照明光学系210、および投影レンズ220を有する。
光源装置200は、LDユニット1、マイクロフライアイレンズ2、ダイクロイックミラー3、凹面ミラー4、第1のコリメータレンズ5(第1レンズ)、蛍光体ユニット6、第2のコリメータレンズ7(第2レンズ)により光学系が構成される。
LDユニット1(光源)は、複数のLD(レーザーダイオード)、および複数のコリメータレンズを有し、青色光(第1の光)を射出する。LDユニット1は第1の光を発生する光源である。LDユニット1から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ2を介して、ダイクロイックミラー3で反射され、凹面ミラー4で反射され、ダイクロイックミラー3を透過し、第2のコリメータレンズ7で反射される。第2のコリメータレンズ7で反射された光は、第1のコリメータレンズ5を介して、蛍光体ユニット6に集光される。蛍光体ユニット6には、マイクロフライアイレンズ2、凹面ミラー4、および第1のコリメータレンズ5の光学作用で所定の矩形像が形成される。なお、LDユニット1は、レーザー光源ではなく、LEDや水銀ランプ等を有していてもよい。
蛍光体ユニット6(波長変換手段)は、基板に蛍光体層が塗布された素子である。基板と蛍光体層との間には、蛍光光を反射させる反射膜が蒸着されている。すなわち、蛍光体ユニット6は、LDユニット1から射出された青色光のうち少なくとも一部を青色光とは波長域が異なる蛍光光(第2の光)に変換する波長変換素子である。基板として、アルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属板金を使用してもよいし、サファイア基板等の熱伝導率の高い透明基板を使用してもよい。また、蛍光体ユニット6は、固定方式に限定されるものではなく、回転させるモーターを配置した構成であってもよい。波長変換手段は蛍光体に限らず、量子ロッドを用いてもよい。
ダイクロイックミラー3(光学素子)は、第1の入射角度で青色光を反射し、第2の入射角度で青色光を透過する特性の光学素子である。本実施例では、第1の入射角度の範囲は40度から50度であり、第2の入射角度の範囲は0度から25度である。ここで、入射角度はダイクロイックミラー3のダイクロ膜が蒸着された面の法線に対する光線の角度を表している。第2のコリメータレンズ7は、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜(第2反射手段)が蒸着されている領域を有する。
蛍光体ユニット6から射出された蛍光光は、第1のコリメータレンズ5、および第2のコリメータレンズ7により平行化され、照明光学系210に入射する。照明光学系210に入射した蛍光光は、第1のフライアイレンズ11と第2のフライアイレンズ12とで構成されるインテグレータ系、およびコンデンサーレンズ14を介して画像表示素子である液晶パネル16に照明される。インテグレータ系を透過した蛍光光は、PS変換素子13でP偏光に偏光変換され、PBS(偏光ビームスプリッタ)15を透過して液晶パネル16を照明する。液晶パネル16でP偏光からS偏光に偏光変換された光(画像光)は、PBS15で反射され、投影レンズ220を介して、不図示のスクリーンに投影される。
蛍光体ユニット6から蛍光光を取り出す構成について説明したが、LDユニット1から射出された青色光の一部を蛍光体ユニット6で拡散反射させることで、青色光および蛍光光を含む白色光を取り出すことが可能である。この場合、第2のコリメータレンズ7に形成された反射手段(第2反射手段)は、少なくとも第1領域7Aと第2領域7Bから構成される。反射手段は、蛍光体ユニット6と光学系の最も射出側のレンズ(本実施形態では第2のコリメータレンズ7)の射出側の面との間に配置される。図2に第2のコリメータレンズ7に形成された反射手段の蛍光体側の面の構成を示す。第1領域7Aは、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている領域である。第2領域7Bは、少なくとも青色光および蛍光光を含む可視光を透過する特性を有する反射防止膜が蒸着されている領域である。蛍光体ユニット6で拡散反射した青色光は、第2領域7Bを透過して照明光学系210に入射する。
LDユニット1は紫外光を発光する光源であってもよく、蛍光体ユニット6は紫外光で白色光を発光する蛍光体としてもよい。その場合、第2のコリメータレンズ7の蛍光体側の面は、紫外光を反射して白色光を透過するダイクロ膜が蒸着される。
また、マイクロフライアイレンズ2は、CGH(Computer Generated Hologram)または拡散板であってもよい。
なお、本実施例の画像投写装置では、反射型液晶パネルを使用しているが、透過型液晶パネルやマイクロミラーデバイスを使用してもよい。
以下、画像投写装置の更に望ましい構成について説明する。ここで、ダイクロイックミラー3は入射角度に応じて光を反射や透過に分離するため、角度分離面と呼ぶことにする。
光源からの第1の光(主光線)が角度分離面に入射する第1の入射角度をθ1(°)とし、第1反射手段(実施例1は凹面ミラー4)からの第1の光(主光線)が角度分離面に入射する第2の入射角度をθ2(°)とし、第1の光の主波長をλ(nm)とする。入射角度θで波長λの反射率をR(θ,λ)とすると、下記の条件式(1)、(2)を満足することが望ましい。
0.9≦R(θ1,λ)≦1.0 (1)、
0≦R(θ2,λ)≦0.1 (2)
なお、条件式(1)、(2)の数値範囲を以下の条件式(3)、(4)の数値範囲とすることが望ましい。
0.95≦R(θ1,λ)≦1.0 (3)
0≦R(θ2,λ)≦0.05 (4)
また、角度分離面に入射する入射角度θは、下記の条件式(5)を満足することが望ましい。
θ2+10<θ1<70 (5)
更に望ましくは、条件式(5)の数値範囲を以下の条件式(6)、(7)の数値範囲とすることが望ましい。
35<θ1<55 (6)
θ2+20<θ1 (7)
蛍光体ユニット6で青色光を拡散反射させて青色光を取り出す場合において、第1領域7Aの面積をA、第2領域7Bの面積をBとすると、以下の条件式(8)を満足することが望ましい。
0.04<A/(A+B)<0.5 (8)
条件式(8)の上限値を上回ると、蛍光体ユニット6で拡散反射した青色光が第2のコリメータレンズ7で反射され、青色光のロスが大きくなり、白色光を作るために必要な青色光を確保できなくなる。
なお、条件式(8)の数値範囲を以下の条件式(9)の数値範囲とすることが望ましい。
0.06<A/(A+B)<0.3 (9)
凹面ミラー4と第1のコリメータレンズ5で構成される集光光学系(第1光学系)の焦点距離をf1とする。また、第1のコリメータレンズ5と第2のコリメータレンズ7で構成される平行化光学系(第2光学系)の焦点距離をf2とすると、下記の条件式(10)を満足することが望ましい。
1.1<f1/f2<2.0 (10)
青色光は、蛍光光の周辺から入射させるため、平行化光学系と集光光学系の絞り径が近い値になるため、集光光学系の焦点距離f1と平行化光学系の焦点距離f2がほぼ同じなら開口数が大きな値になる。一般的な平行化光学系の開口数は0.9以上である。従って、平行化光学系の焦点距離f2に対して集光光学系の焦点距離f1を短くすることで、開口数を小さくすることができ、収差を低減することできる。
なお、条件式(10)の数値範囲を以下の条件式(11)の数値範囲とすることが望ましい。
1.3<f1/f2<1.6 (11)
青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が第2のコリメータレンズ7に蒸着されている実施例を説明したが、ダイクロ膜と第2のコリメータレンズ7とが別部材で構成されていてもよい。平板にダイクロ膜を蒸着したダイクロイックミラーを第1のコリメータレンズ5と第2のコリメータレンズ7の間に配置してもよい。
このように本実施例の画像投写装置の光源装置は、入射角度に応じて透過と反射を制御する光学素子を備えることによって、小型化することができる。
図3は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置300の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。光源装置300では、実施例1の凹面ミラー4と第1のコリメータレンズ5が一体化された光学素子24が配置されている。
光学素子24は、凹面領域24A(第1の反射手段)と凸面領域24Bから構成され、凹面領域24Aは青色光を反射する特性を有する誘電膜または金属膜が蒸着され、凸面領域24Bは青色光および蛍光光を透過する特性を有する誘電膜が蒸着されている。
LDユニット21(光源)から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ22を介して、ダイクロイックミラー23で反射され、凹面領域24Aで反射され、ダイクロイックミラー23を透過し、第2のコリメータレンズ26で反射される。第2のコリメータレンズ26で反射された光は、凸面領域24Bを介して、蛍光体ユニット25に集光される。
蛍光体ユニット25(波長変換手段)から射出された蛍光光は、凸面領域24B、および第2のコリメータレンズ26により平行化され、不図示の照明光学系210に入射する。
本実施例のダイクロイックミラー23は、実施例1のダイクロイックミラー3で説明した特徴と同様の特徴を備えている。また、本実施例の第2のコリメータレンズ26は、実施例1の第2のコリメータレンズ7と同様に、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている。
図4は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置400の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。光源装置400では、実施例1の凹面ミラー4(第1反射手段)とダイクロイックミラー3(光学素子)が一体化されたプリズム33が配置されている。
プリズム33は、ダイクロ膜が蒸着された角度分離面33Aと凹面領域33Bから構成され、凹面領域33Bは青色光を反射する特性を有する誘電膜または金属膜が蒸着されている。また、プリズム33の角度分離面33Aは、第1の入射角度で青色光を反射し、第2の入射角度で青色光を透過する特性のダイクロ膜が蒸着されている。
LDユニット31(光源)から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ32を介して、プリズム33の角度分離面33Aで反射され、凹面領域33Bで反射され、角度分離面33Aを透過し、第2のコリメータレンズ36で反射される。第2のコリメータレンズ36で反射された光は、第1のコリメータレンズ34を介して、蛍光体ユニット35に集光される。
蛍光体ユニット35(波長変換手段)から射出された蛍光光は、第1のコリメータレンズ34および第2のコリメータレンズ36により平行化され、不図示の照明光学系210に入射する。
本実施例の角度分離面33Aは、実施例1のダイクロイックミラー3で説明した特徴と同様の特徴を備えている。また、本実施例の第2のコリメータレンズ36は、実施例1の第2のコリメータレンズ7と同様に、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている。
図5は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置500の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。光源装置500では、ダイクロイックミラー43を透過した光(第1の光)を反射する反射ミラー45が配置されている。
LDユニット41(光源)から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ42を介して、ダイクロイックミラー43で反射され、凹面ミラー44で反射され、ダイクロイックミラー43を透過する。ダイクロイックミラー43を透過した光は、反射ミラー45および第2のコリメータレンズ48で反射される。第2のコリメータレンズ48で反射された光は、第1のコリメータレンズ46を介して、蛍光体ユニット47に集光される。
蛍光体ユニット47(波長変換手段)から射出された蛍光光は、第1のコリメータレンズ46および第2のコリメータレンズ48により平行化され、不図示の照明光学系210に入射する。
なお、凹面ミラー44と第2のコリメータレンズ48を一体化しても良く、反射ミラー45と第1のコリメータレンズ46を一体化してもよい。
本実施例のダイクロイックミラー43は、実施例1のダイクロイックミラー3で説明した特徴と同様の特徴を備えている。また、本実施例の第2のコリメータレンズ48は、実施例1の第2のコリメータレンズ7と同様に、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている。
図6は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置600の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。光源装置600では、LDユニット51から射出された青色光を集光する凸レンズ53が配置されている。
LDユニット51(光源)から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ52を介して、凸レンズ53を介して、ダイクロイックミラー54で反射され、反射ミラー55で反射され、ダイクロイックミラー54を透過する。ダイクロイックミラー54を透過した光は、第2のコリメータレンズ58で反射される。第2のコリメータレンズ58で反射された光は、第1のコリメータレンズ56を介して、蛍光体ユニット57に集光される。
蛍光体ユニット57(波長変換手段)から射出された蛍光光は、第1のコリメータレンズ56および第2のコリメータレンズ58により平行化され、不図示の照明光学系210に入射する。
本実施例のダイクロイックミラー43は、実施例1のダイクロイックミラー3で説明した特徴と同様の特徴を備えている。また、本実施例の第2のコリメータレンズ58は、実施例1の第2のコリメータレンズ7と同様に、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている。
図7は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置700の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。光源装置700では、実施例2の光源装置に補助LDユニット67(補助光源)が配置された構成である。補助LDユニット67は、複数の赤色LD(レーザーダイオード)、および複数のコリメータレンズを有し、赤色光(第3の光)を射出する。補助LDユニット67の赤色LDは、赤色LEDであってもよい。赤外投影したい場合、補助LDユニット67は、赤外LDや赤外LEDを配置してもよい。
補助LDユニット67から射出された赤色光は、ダイクロイックミラー68で反射され、凹面領域64Aで反射され、ダイクロイックミラー68を透過し、第2のコリメータレンズ66で反射される。第2のコリメータレンズ66で反射された光は、凸面領域64Bを介して、蛍光体ユニット65に集光される。蛍光体ユニット65で拡散された赤色光は、凸面領域64B、および第2のコリメータレンズ66により平行化され、不図示の照明光学系210に入射する。
LDユニット61(光源)から出射された青色光は、マイクロフライアイレンズ62を介して、ダイクロイックミラー63で反射され、凹面領域64Aで反射され、ダイクロイックミラー63を透過し、第2のコリメータレンズ66で反射される。第2のコリメータレンズ66で反射された光は、凸面領域64Bを介して、蛍光体ユニット65に集光される。
蛍光体ユニット65(波長変換手段)から射出された蛍光光は、凸面領域64B、および第2のコリメータレンズ66により平行化され、不図示の照明光学系210に入射する。
補助LDユニット67に、青色LDを採用して、実施例2と同じ原理で蛍光体ユニット65に集光させ、蛍光体ユニット65から蛍光光を取り出してもよい。
本実施例のダイクロイックミラー63は、実施例1のダイクロイックミラー3で説明した特徴と同様の特徴を備えている。また、本実施例の第2のコリメータレンズ66は、実施例1の第2のコリメータレンズ7と同様に、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
200 光源装置
1 LDユニット(光源)
2 マイクロフライアイレンズ
3 ダイクロイックミラー(光学素子)
4 凹面ミラー
5 第1のコリメータレンズ
6 蛍光体ユニット(波長変換手段)
7 第2のコリメータレンズ

Claims (15)

  1. 第1の光を発生する光源と、
    第1の入射角度で入射する光を反射させ、前記第1の入射角度よりも小さい第2の入射角度で入射する光を透過させる光学素子と、
    第1反射手段と、
    第2反射手段と、
    前記第1の光が入射され、前記第1の光と波長が異なる第2の光を射出する波長変換手段とを有し、
    前記光源からの第1の光は、前記光学素子で反射し、前記第1反射手段で反射し、前記光学素子を透過した後、前記第2反射手段に入射し、
    前記第2反射手段は、前記光源からの前記第1の光を前記波長変換手段に反射することを特徴とする光源装置。
  2. 前記第2反射手段で反射した前記第1の光を前記波長変換手段に集光する第1レンズを有することを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
  3. 前記波長変換手段から射出した前記第2の光が透過する第2レンズを有することを特徴とする請求項2に記載の光源装置。
  4. 前記第2反射手段は、前記波長変換手段と前記第2レンズとの間に配置されることを特徴とする請求項3に記載の光源装置。
  5. 前記第2反射手段は、前記第1レンズと前記第2レンズの間に配置され、
    前記第1の光は、前記第2反射手段で反射され、前記第1レンズを透過して前記波長変換手段に入射し、
    前記第2の光は、前記第1レンズを透過し、前記第2反射手段を透過し、前記第2レンズを透過することを特徴とする請求項4に記載の光源装置。
  6. 前記第1反射手段と前記第1レンズは、前記光源からの前記第1の光を前記波長変換手段に集光する第1光学系を構成することを特徴とする請求項5に記載の光源装置。
  7. 前記第1レンズと前記第2レンズは、前記波長変換手段から前記第2の光を平行化する第2光学系を構成することを特徴とする請求項6に記載の光源装置。
  8. 前記第1光学系の焦点距離をf1、前記第2光学系の焦点距離をf2とするとき、
    1.1<f1/f2<2.0
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項7に記載の光源装置。
  9. 前記第1反射手段は凹面ミラーからなることを特徴とする請求項1乃至8の何れか一項に記載の光源装置。
  10. 前記第2反射手段は、前記第1の光を反射させ、前記第2の光を透過させることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の光源装置。
  11. 前記第2反射手段は、前記第1の光を反射する特性を有する第1領域、および前記第1の光と前記第2の光とを透過させる特性を有する第2領域を備えることを特徴とする請求項1乃至10の何れか一項に記載の光源装置。
  12. 前記第2反射手段の前記第1領域の面積をA、前記第2領域をBとするとき、
    0.04<A/(A+B)<0.5
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項11に記載の光源装置。
  13. 前記第1の光が前記光学素子に入射する前記第1の入射角度をθ1(°)とし、前記第1反射手段で反射された前記第1の光が前記光学素子に入射する前記第2の入射角度をθ2(°)し、第1の光の波長をλ(nm)とし、入射角度θで波長λの前記光学素子の反射率をR(θ,λ)とすると、
    0.9≦R(θ1,λ)≦1.0
    0≦R(θ2,λ)≦0.1
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至12の何れか一項に記載の光源装置。
  14. 前記第1の光が前記光学素子に入射する前記第1の入射角度をθ1(°)とし、前記第1反射手段で反射された前記第1の光が前記光学素子に入射する前記第2の入射角度をθ2(°)とすると、
    θ2+10<θ1<70
    なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至13の何れか一項に記載の光源装置。
  15. 請求項1乃至14の何れか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を画像表示素子に導く照明光学系とを有することを特徴とする画像投写装置。
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