JP2022112217A - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】明るい光を生成することが可能な光源装置を提供する。【解決手段】光源装置（１００）は、第１の色光を発する光源部（１０）と、第１の色光を第２の色光に変換する波長変換素子（９）と、第２の色光を透過する第１の部分領域および第２の色光を反射する第２の部分領域を有する再帰光学素子（７）とを有し、波長変換素子における第１の色光の最大光密度は、３０（Ｗ／ｍｍ２）よりも大きい。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置および画像投射装置に関する。

従来、光源から発生する光束を画像表示素子に照射し、入力映像信号に応じて画像表示素子で光束を変調した後、この光束を投射光学系で投射する画像投射装置（プロジェクタ）が知られている。特許文献１には、レーザダイオード（ＬＤ）からの光により波長変換素子（蛍光体）を励起することで発生する蛍光光を照明光として用いる画像投射装置が開示されている。

特開２０１４－２０９１８４号公報

特許文献１に開示された画像投射装置は、ＬＤの数や出力を増加させることで、投射画像の明るさを増加させることができる。しかし、波長変換素子に入射する励起光の光量が多くなると、波長変換素子の輝度飽和の影響により、励起光から蛍光光への変換効率が低下する。また、波長変換素子で変換されなかった励起光がＬＤに戻ってＬＤの温度を上昇させ、ＬＤの発光効率を低下させる。

そこで本発明は、明るい光を生成することが可能な光源装置および画像投射装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての光源装置は、第１の色光を発する光源部と、前記第１の色光を第２の色光に変換する波長変換素子と、前記第２の色光を透過する第１の部分領域および前記第２の色光を反射する第２の部分領域を有する再帰光学素子とを有し、前記波長変換素子における前記第１の色光の最大光密度は、３０（Ｗ／ｍｍ^２）よりも大きい。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、明るい光を生成することが可能な光源装置および画像投射装置を提供することができる。

実施例１における画像投射装置の構成図である。 実施例１における再帰光学素子の構成図である。 実施例１における蛍光体ホイールの構成図である。 実施例１における再帰光学素子の入射前および射出後の蛍光光の光束の模式図である。 実施例２における画像投射装置の構成図である。 実施例３における画像投射装置の構成図である。 実施例３における再帰光学素子の入射前および射出後の蛍光光の光束の模式図である。 実施例３における再帰光学素子の構成図である。 各実施例における再帰光学素子による照明効率の改善量を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における画像投射装置（プロジェクタ）２００について説明する。図１は、画像投射装置２００の構成図である。画像投射装置２００は、光源装置１００、照明光学系１５０、色分離合成系１６０、画像表示素子２４、および投射レンズ（投射光学系）２５を有する。

光源装置１００において、ＬＤユニット（光源部）１０は、複数のＬＤ（レーザーダイオード）１および複数のコリメータレンズ２を有し、青光（第１の色光）を発する。ＬＤユニット１０からの青光は、正のパワーを有する第１のレンズ３と負のパワーを有する第２のレンズ４とで圧縮される。第１のレンズ３および第２のレンズ４は、アフォーカル光学系を構成する。圧縮された青光はレンズアレイ５で複数の光束に分割され、ダイクロイックミラー６および再帰光学素子（再帰ミラー）７を透過して、第１のコリメータレンズ（集光手段）８で蛍光体ホイール（波長変換素子）９に集光される。第１のコリメータレンズ８は、青光を蛍光体ホイール９の所定の領域に集光する。ダイクロイックミラー６は、青光を透過して緑光および赤光を反射する特性を有する。本実施例において、再帰光学素子７は、照明光学系１５０と蛍光体ホイール９との間の光路中に配置されている。

次に、図２を参照して、再帰光学素子７の構成について説明する。図２は、再帰光学素子７の構成図である。再帰光学素子７は、領域（第１の部分領域）７Ａおよび領域（第２の部分領域）７Ｂを有する。領域７Ａは、第１の方向（ｘ方向）において長さＬ１、第１の方向と直交する第２の方向（ｙ方向）において長さＬ２を有する。領域７Ａは、可視光（青光と緑光と赤光）を透過する特性を有する領域（少なくとも第２の色光を透過する領域）である。領域７Ｂは、可視光または蛍光光（緑光と赤光）を反射する特性を有する領域（少なくとも第２の色光を反射する領域）である。なお再帰光学素子７は、基板をケミカルエッチングして領域７Ａを空洞にしてもよい。

次に、図３を参照して、蛍光体ホイール９の構成について説明する。図３は、蛍光体ホイール９の構成図である。蛍光体ホイール９は、熱伝導率の高い基板９Ａ、および、光を透過させる透明な基板９Ｂを有し、第１の色光（青光）を第２の色光（緑光および赤光、すなわち蛍光光）に変換する。基板９Ａには、蛍光体９Ｃが円周状に塗布されており、蛍光体９Ｃと基板９Ａとの間に反射膜が蒸着されている。また、蛍光体ホイール９の中心はモータの駆動軸に固定されており、蛍光体ホイール９は回転軸を中心に回転する。基板９Ａは、アルミまたは銅などの金属基板やサファイアなどの結晶基板を使用することができる。基板９Ｂは、ガラス、透明セラミックス、樹脂、またはサファイアなどの結晶基板などを使用することができる。蛍光体９Ｃは、量子ドットや量子ロッドなど、励起光を吸収して蛍光する材料であってもよい。

蛍光体ホイール９は回転しているため、ある時間の割合で基板９Ａと基板９Ｂに青光が入射する。基板９Ａに入射した青光の大部分は、蛍光光（緑光＋赤光）に変換される。蛍光体９Ｃからの蛍光光は、第１のコリメータレンズ（平行化手段）８で平行化され、再帰光学素子７に入射する。領域７Ｂに入射した蛍光光は反射され、蛍光体ホイール９の蛍光体９Ｃに再帰される。蛍光体９Ｃに再帰された蛍光光の一部は蛍光体で再吸収されるが、大部分の光は散乱反射される。

次に、図４（ａ）、（ｂ）を参照して、再帰光学素子７の入射前および射出後の蛍光光の光束について説明する。図４（ａ）は再帰光学素子７への入射前の蛍光光の光束の模式図であり、図４（ｂ）は再帰光学素子７から射出後の蛍光光の光束の模式図である。図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、再帰光学素子７への入射前の光束（入射直前の光束）の面積Ｓは、再帰光学素子７から射出後の光束（射出直後の光束）の面積Ｓ’へ小さくなる。このため、再帰光学素子７を配置することにより、照明効率を低下させることなく、光束の面積を小さくすることができる。領域７Ａを通過した蛍光光はダイクロイックミラー６で反射され、照明光学系１５０に導かれる。

照明光学系１５０は、第１のフライアイレンズ１９、第２のフライアイレンズ２０、およびコンデンサーレンズ２１を有し、照明光を画像表示素子２４に照明する。画像表示素子２４は、画素に対応する微小ミラーを有する素子（デジタルマイクロミラーデバイス：ＤＭＤ）であり、微小ミラーで照明光の反射方向を変えることで照明光を変調する。ただし本実施例は、これに限定されるものではなく、画像表示素子２４として反射型液晶パネルまたは透過型液晶パネルを用いてもよい。

色分離合成系１６０は、ＴＩＲプリズム２２およびダイクロイックプリズム（色分離手段）２３を有する。ＴＩＲプリズム２２は、第１プリズム２２Ａと第２プリズム２２Ｂとから構成され、界面に数十μｍのエアーギャップを設けて接着されている。ダイクロイックプリズム２３は、緑光を透過し、青光および赤光を反射する特性を有する。照明光学系１５０から色分離合成系１６０に入射した光は、ＴＩＲプリズム２２で全反射され、ダイクロイックプリズム２３で緑光と赤光とに分離される。緑光は第１の画像表示素子２４Ａを照明し、赤光は第２の画像表示素子２４Ｂを照明する。第１の画像表示素子２４Ａで変調された光は、ダイクロイックプリズム２３およびＴＩＲプリズム２２を透過して、投射レンズ２５に導かれる。投射レンズ２５に導かれた光は、不図示のスクリーン（被投射面）に拡大投射される。第２の画像表示素子２４Ｂで変調された赤光は、ダイクロイックプリズム２３で反射され、緑光と同じ原理で不図示のスクリーンに拡大投射される。

蛍光体ホイール９の基板９Ｂに入射した青光は、基板９Ｂを透過して、第１のリレーレンズ１１および第２のリレーレンズ１４を介して、拡散板１５に集光される。光路を折り曲げるため、第１のミラー１２および第２のミラー１３が配置されている。拡散板１５で拡散した青光は、光路を折り曲げの第３のミラー１６で反射され、第２のコリメータレンズ１７で平行化され、ダイクロイックミラー６に導かれる。ダイクロイックミラー６に導かれた青光は、ダイクロイックミラー６を透過して、照明光学系１５０を介して、色分離合成系１６０に入射する。色分離合成系１６０に入射した青光は、ダイクロイックプリズム２３で反射され、第２の画像表示素子２４Ｂを照明する。第２の画像表示素子２４Ｂで変調された青光は、赤光と同じ原理で不図示のスクリーンに導かれる。

蛍光体ホイール９の基板９Ｂは、入射した青光を透過させるために設けられているため、基板９Ｂを設けなくてもよい。また、拡散板１５を基板９Ｂに配置した構成にしてもよい。蛍光体ホイール９からの未変換の青光は第１のコリメータレンズ８で平行化されるため、再帰光学素子７をレンズアレイ５とダイクロイックミラー６との間に配置する構成にしてもよい。

次に、本実施例において再帰光学素子７が満たすことが好ましい条件について説明する。照明光学系１５０のエテンデュは、以下の式（１）で表すことができる。

Ｅ＝π×Ａ／（２×Ｆ）^２ ・・・（１）
式（１）において、Ａ（ｍｍ^２）は画像表示素子２４の有効領域の面積、Ｆは投射レンズ２５のＦ値である。蛍光体９Ｃから一様の角度で蛍光光が放出されるため、照明光学系１５０のエテンデュが決まれば、取り込める励起光の面積Ｂ（ｍｍ^２）を算出することができる。全ての光束を取り込む場合、コリメータレンズのＦ値は０．５にする必要がある。従って、照明光学系１５０のエテンデュＥと面積Ｂとの関係は、Ｅ＞π×Ｂ／（２×０．５）＝π×Ｂ、すなわち、Ｂ＜Ｅ／πとなる。

しかしながら、光学系の収差で蛍光体９Ｃ上の励起光の像がボケたり、蛍光体９Ｃの内部での蛍光光の散乱で像が広がるため、現実的な励起光の面積Ｂは、以下の式（２）のように表される。

Ｂ＝Ｅ／４ ・・・（２）
従って、最適な設計をした場合の蛍光体９Ｃにおける励起光の光密度をＤ（Ｗ／ｍｍ^２）としたとき、光密度Ｄは、以下の式（３）のように表すことができる。

Ｄ＝４Ｐ／Ｅ ・・・（３）
式（３）において、Ｐは蛍光体９Ｃを励起する励起光のエネルギー（Ｗ）である。蛍光体９Ｃでの励起光の光密度が低い場合、蛍光体９Ｃでの輝度飽和による効率低下は少ないため、再帰光学素子７で再帰する必要はない。一方、励起光の光密度が高くなると、輝度飽和による効率低下が顕著になるため、以下の条件式（４）、（５）を満足することが好ましい。

３０≦Ｄ≦１８０ ・・・（４）
０．２－０．００１×Ｄ≦Ｒ≦０．８ ・・・（５）
Ｒ＝（Ｓ－Ｓ’）／Ｓ
ここで、Ｓ（ｍｍ^２）は再帰光学素子７に入射する直前の光束の面積、Ｓ’（ｍｍ^２）は再帰光学素子７から射出した直後の光束の面積である。Ｒは再帰率である。図９は、再帰光学素子７による照明効率の改善量を示す図であり、蛍光光の再帰率Ｒ（縦軸）と光密度Ｄ（横軸）と改善量との関係を示す。光密度Ｄが高いほど、再帰による改善効果が高いことが分かる。

条件式（４）の下限を超えると、輝度飽和による効率低下が少ないため、本実施例の効果を得ることができない。一方、条件式（４）の上限を超えると、光密度Ｄが高すぎるため、蛍光光を再帰した影響で更に温度が上昇し、蛍光体９Ｃの耐久性に問題が発生する可能性がある。

条件式（５）の下限を超えると、再帰による効率改善の効果を得ることができない。一方、条件式（５）の上限を超えると、蛍光体９Ｃへの再帰光量が増えすぎ、蛍光体９Ｃの耐久性に問題が発生する可能性がある。

本実施例において、以上の各条件式を実質的に満足するには、蛍光体ホイール９における励起光の最大光密度が３０（Ｗ／ｍｍ^２）よりも大きくなるように設定する必要がある。

より好ましくは、条件式（４）、（５）の数値範囲はそれぞれ、以下の条件式（４ａ）、（５ａ）を満足するように設定される。

２５Ｒ＋３５≦Ｄ≦１５０ ・・・（４ａ）
０．２５－０．００１×Ｄ≦Ｒ≦０．６ ・・・（５ａ）
また本実施例において、再帰光学素子７の領域７Ａの第１の方向の長さＬ１と第１の方向と直交する第２の方向の長さＬ２は、以下の条件式（６）を満足することが好ましい。

１．１×Ｌ２≦Ｌ１ ・・・（６）
本実施例において、図２に示されるように、第１の方向はｘ方向、第２の方向はｙ方向である。ＴＩＲプリズム、ダイクロイックミラー、および偏光ビームスプリッタなどは角度特性を有するため、光の色分離断面の光線の角度分布を小さくすることで、高い効率で使うことができる。本実施例では、ダイクロイックプリズム２３の色分離断面の法線と光軸が作る面と第２の方向（ｙ方向）とが平行である。このように、領域７Ａのｙ方向をより再帰させることで、ＴＩＲプリズム２２とダイクロイックプリズム２３を高い効率で使うことができる。

より好ましくは、条件式（６）の数値範囲は、以下の条件式（６ａ）を満足するように設定される。

１．２×Ｌ２≦Ｌ１ ・・・（６ａ）
ここで、蛍光体９Ｃの蛍光光の像が第１のコリメータレンズ８で平行化され、再帰光学素子７で再帰され、蛍光体９Ｃに再結像する光学系を考える。この場合、第１のコリメータレンズ８の瞳位置に近傍に再帰光学素子７を配置することで、テレセントリック光学系にすることができるため、再帰効率を改善することが可能である。第１のコリメータレンズ８の主点から再帰光学素子７までの空気換算距離をｄａ、第１のコリメータレンズ８の焦点距離をｆｃとするとき、以下の条件式（７）を満足することが好ましい。

０．５≦ｄａ／ｆｃ≦１．５ ・・・（７）
より好ましくは、条件式（７）の数値範囲は、以下の条件式（７ａ）を満足するように設定される。

０．７５≦ｄａ／ｆｃ≦１．２５ ・・・（７ａ）

次に、図５を参照して、本発明の実施例２における画像投射装置について説明する。図５は、本実施例の画像投射装置の光学系の構成図である。

ＬＤユニット（光源部）５０は、複数のＬＤ（レーザーダイオード）５１および複数のコリメータレンズ５２を有する。ＬＤユニット５０からの青光は、集光レンズ５３で蛍光体ホイール（波長変換素子）５４に集光される。蛍光体ホイール５４の基本構成は、実施例１（図３）と同じであるが、基板を青光が透過する必要があるため、サファイアなどの熱伝導率が高く、可視光の透過率の高い基板が用いられる。

蛍光体ホイール５４からの蛍光光および青光は、コリメータレンズ５５で平行化され、再帰光学素子５６に入射する。再帰光学素子５６の基本構成は実施例１（図２）と同じである。実施例１と同様に、再帰光学素子５６に入射した一部の蛍光光は、蛍光体ホイール５４の蛍光体に再帰される。再帰光学素子５６を通過した光は、照明光学系に導かれ、色分離合成系および投射レンズを介して投影される。

次に、図６を参照して、本発明の実施例３における画像投射装置について説明する。図６は、本実施例の画像投射装置の光学系の構成図である。

複数のＬＤユニット（光源部）６１からの青光は、複数の集光レンズ６２により、蛍光体基板（波長変換素子）６３に集光される。従って、蛍光体基板６３に複数の青光の光源像が形成される。複数の光源像から蛍光した蛍光光は、複数のコリメータレンズ６４で平行化され、再帰光学素子６５に入射する。再帰光学素子６５の基本構成は、実施例１（図２）と同じである。再帰光学素子６５に入射した一部の蛍光光は、蛍光体基板６３に再帰される。

図７（ａ）は再帰光学素子６５に入射する直前（入射前）の蛍光の光束の模式図、図７（ｂ）は再帰光学素子６５から射出した直後（射出後）の蛍光の光束の模式図である。再帰光学素子６５を配置することにより、照明効率をあまり低下させることなく光束の面積をＳからＳ’に小さくすることができる。再帰光学素子６５を通過した光は、照明光学系に導かれ、色分離合成系および投射レンズを介して投影される。

本実施例では、平行化された複数の蛍光光の光束の周辺部を再帰する構成を説明したが、図８の再帰光学素子６５の構成図に示されるように、領域（第１の部分領域）６５Ａとして、互いに分離された複数の領域を有する構成であってもよい。すなわち再帰光学素子６５は、複数の領域（第１の部分領域）６５Ａと、領域（第２の部分領域）６５Ｂとを有していてもよい。

各実施例によれば、明るい光を生成することが可能な光源装置および画像投射装置を提供することができる。

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変形及び変更が可能である。

７ 再帰光学素子
９ 蛍光体ホイール（波長変換素子）
１０ ＬＤユニット（光源部）
１００ 光源装置

Claims (9)

1. 第１の色光を発する光源部と、
   前記第１の色光を第２の色光に変換する波長変換素子と、
   前記第２の色光を透過する第１の部分領域および前記第２の色光を反射する第２の部分領域を有する再帰光学素子とを有し、
   前記波長変換素子における前記第１の色光の最大光密度は、３０（Ｗ／ｍｍ^２）よりも大きいことを特徴とする光源装置。
2. 前記再帰光学素子の前記第１の部分領域における第１の方向の長さをＬ１、前記第１の方向と直交する第２の方向の長さをＬ２とするとき、
   １．１×Ｌ２≦Ｌ１
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記再帰光学素子の第１の部分領域は、互いに分離された複数の領域を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記第１の色光を前記波長変換素子に集光し、前記第２の色光を平行化するコリメータレンズを更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 請求項１または２に記載の光源装置と、
   画像表示素子と、
   前記画像表示素子を照明する照明光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
6. 前記波長変換素子を励起する励起光のエネルギー（Ｗ）をＰ、前記画像表示素子の有効領域の面積（ｍｍ^２）をＡ、投射レンズのＦ値をＦ、前記再帰光学素子の直前の光束の面積をＳ、前記再帰光学素子の直後の光束の面積をＳ’とするとき、
   ３０≦Ｄ≦１８０
   ０．２－０．００１×Ｄ≦Ｒ≦０．８
   Ｒ＝（Ｓ－Ｓ’）／Ｓ
   Ｄ＝４Ｐ／Ｅ
   Ｅ＝π×Ａ／（２×Ｆ）^２
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項５に記載の画像投射装置。
7. 前記再帰光学素子は、前記照明光学系と前記波長変換素子との間の光路中に配置されていることを特徴とする請求項５または６に記載の画像投射装置。
8. 前記照明光学系に入射した前記第２の色光を分離する色分離手段を更に有することを特徴とする請求項５乃至７のいずれか一項に記載の画像投射装置。
9. 前記再帰光学素子の前記第１の部分領域における第１の方向の長さをＬ１、前記第１の方向と直交する第２の方向の長さをＬ２とするとき、
   １．１×Ｌ２≦Ｌ１
   なる条件式を満足し、
   前記色分離手段の色分離断面の法線と光軸が作る面と前記第２の方向とが平行であることを特徴とする請求項８に記載の画像投射装置。
   

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