JP6467916B2 - 光源装置及び光源装置を備えたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及びその光源装置を備えたプロジェクタに関する。

近年、時分割で複数の波長の光を取り出し、取り出された複数の波長の光を順次変調することで画像を形成して投影する時分割式のプロジェクタが普及している。このような時分割式のプロジェクタに用いる光源装置として、例えば、白色光を出力する光源と、複数のカラーフィルタが貼られた回転ホイールとを備えて、光源から出射された白色光を、一定速度で回転する回転ホイールに入射させて、時分割で複数の波長の光（例えば、青、緑、赤色光）を取り出すものが知られている。また、カラーフィルタの代わりに蛍光体層を有する回転ホイール（蛍光体ホイール）を用いて、これに半導体レーザ等の光源から出射された単波長の光を入射させることで、時分割で複数の波長の光を取り出す光源装置も提案されている。

従来の光源装置において、半導体レーザ等の光源と、光源から出射された光が入射する蛍光体ホイールとの間には、光源から出射された光を集光して蛍光体ホイールに入射させるための集光レンズが配置されるのが一般的である。

集光レンズの表面に例えば塵埃等の異物が付着した場合、プロジェクタによって投影される画像の精度が低下するとともに、画像の明るさが不均一になってしまう問題がある。そのため、プロジェクタに用いられる光源装置の集光レンズの表面には、塵埃の異物が付着していないことが望ましい。

集光レンズの表面に塵埃が付着する原因の一つとして、静電気が考えられている。すなわち、集光レンズの表面に静電気が蓄積し、その静電気によって正または負の電荷を持った塵埃がレンズの表面に引き寄せられるため、集光レンズの表面に塵埃が付着する。

従来、レンズに蓄積した静電気を除去するための技術として、特許文献１、２に記載された技術が知られている。
特許文献１には、帯電防止コーティングを有する眼鏡用レンズ等の光学レンズが開示されている。帯電防止コーティングは、ＴｉＯ_２から形成された第１層、及び、Ａｌ_２Ｏ_３から形成された第２層を備えており、第１層及び第２層が互いに隣接して設けられることが開示されている。
特許文献２には、静電気防止コーティングを有する眼鏡用レンズ等の光学レンズが開示されている。静電気防止コーティングは、ＩＴＯ薄膜等の導電性透明膜によって形成されることが開示されている。

特開２０１２−７８８２９号公報 米国特許出願公開第２００３／０１７９３４３号明細書

本開示は、光学部材の表面に塵埃が付着することを防止することのできる光源装置、及び、その光源装置を備えたプロジェクタを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の１つの実施態様に係る光源装置では、複数の光源と、前記複数の光源から発せられた光を集光する光学部材と、前記光学部材によって集光された光の少なくとも一部の波長を変換する蛍光体ホイールと、を含む光源装置であって、前記光学部材の表面は、導電膜が形成された第１領域を有し、前記第１領域と異なる第２領域に前記複数の光源から発せられた光が当たることを特徴とする。

本発明の実施形態によれば、光学部材の表面に塵埃が付着することを防止することのできる光源装置、及び、その光源装置を備えたプロジェクタを提供することができる。

本発明に係る光源装置の実施形態を示す模式図である。 本発明の実施形態の光源装置が備える光源の構成を示す模式図である。 本発明の実施形態の光源装置が備える蛍光体ホイールの構成を示す模式図である。 集光レンズの側面図である。 集光レンズの正面図であり、複数の光源が配置された側から集光レンズを見た図である。 本発明に係るプロジェクタの１つの実施形態を示す模式図である。

以下、本発明の実施形態の光源装置及びその光源装置を備えたプロジェクタについて、図１〜図６を参照しつつ詳細に説明する。
図１、図２に示すように、本実施形態の光源装置１は、複数の光源１０と、複数の光源１０から発せられた光をそれぞれ平行光に変換するコリメートレンズ２０と、複数の光源１０から発せられた光を集光する集光レンズ２１と、集光レンズ２１によって集光された光の少なくとも一部の波長を変換する蛍光体ホイール３０と、蛍光体ホイール３０を回転させるための駆動源であるモータ４０と、蛍光体ホイール３０によってその少なくとも一部の波長が変換された光を受けてその光を平行光に変換する受光レンズ５０と、を含んでいる。なお、集光レンズ２１が、本発明の実施形態の「光学部材」に対応している。

図１、図２に示すように、複数の光源１０は、複数の半導体レーザ１１が、平板形状のプレート１２において出射光の進行方向がプレートの出射面に対して垂直となり、かつ互いの出射光が平行となるように保持されている。詳細には、８つの半導体レーザ１１が１つのプレート１２に保持されており、この８つの半導体レーザ１１と１つのプレートとが、２つ重ねて配置されている。つまり、複数の光源１０は、合計１６個の半導体レーザ１１によって構成されている。半導体レーザ１１は、青色半導体レーザとすることができる。青色半導体レーザ１１の出射光は、例えば３７０〜５００ナノメートルの波長帯域のうち、特定の波長をピークとする光、好ましくは４２０〜５００ナノメートルの波長帯域のうち、特定の波長をピークとする光である。

プレート１２の出射面と反対側の面は、ヒートパイプ（パイプ状のヒートシンク）１３に接続され、さらにヒートパイプ１３は、ヒートパイプ１３を冷却するための複数のフィン１４に接続されている。さらに複数のフィン１４に吸い込み型のファン１５が備えられており、冷却媒体（例えば空気）が複数のフィン１４の間の空間に吸い込まれ、ヒートパイプ１３を強制対流冷却で冷却することができる。つまり、ヒートパイプ１３、複数のフィン１４、及び吸い込み型のファン１５を有する冷却装置により、半導体レーザ１１が駆動する際の発熱を効率よく冷却することができる。

図１に示すように、集光レンズ２１は、複数の光源１０から発せられた光を集光する。集光レンズ２１によって集光された光は、蛍光体ホイール３０に所定のスポット径となるように照射される。蛍光体ホイール３０は、光を透過させる透明な円板状の部材で構成されており、回転軸を中心に回転する。また、蛍光体ホイール３０の中心は、モータ４０の駆動軸４０ａに固定されている。ここで、蛍光体ホイール３０の材料は、光の透過率が高い材料であればよく、例えば、ガラス、透明セラミックス、樹脂、サファイアや窒化ガリウムなどの結晶基板などを使用することができる。

図３は、蛍光体ホイール３０の外観を示す正面図である。図３（ａ）は、複数の光源１０からの光が蛍光体ホイール３０へ入射する面（図１内の矢印Ａで示す方向から見た面。以下、「入射面」または「表面」ともいう。）を示している。図３（ｂ）は、蛍光体ホイール３０から蛍光が出射する面（入射面の反対側の面。以下、「出射面」または「裏面」ともいう。）を示している。また、図３（ａ）における破線の円で示すスポットＳＰは、集光レンズ２１によって集光された光が照射される領域を示している。図３（ｂ）における破線の円で示す蛍光領域ＦＬは、集光レンズ２１からの光によって後述する蛍光体層が発光する領域を示している。

図３に示すように、蛍光体ホイール３０の入射面には、外周縁から幅Ｗ１を有する輪状の透過領域（図３（ａ）参照）が設けられている。この透過領域は、円周方向に三等分されており、同一円周上に３つの透過領域ＴＲ１，ＴＲ２，ＴＲ３が設けられている。なお、図３（ａ）では、透過領域ＴＲ１〜ＴＲ３の各々の角度範囲が約１２０°である例を示しているが、透過領域の各々の角度範囲はこれに限定されない。例えば、透過領域が円周方向に四等分されることによって、４つの透過領域の各々の角度範囲が約９０°に設定されてもよい。

図３（ａ）に示すように、透過領域ＴＲ１およびＴＲ２の入射面側には、それぞれ幅Ｗ１を有する円弧状の誘電体膜３１が形成されている。この誘電体膜３１によって、複数の光源１０から出射された光のうち、青色半導体レーザ１１から出射される光を透過させ、それ以外の波長帯域の光を反射させることができる。この誘電体膜３１としては、例えば、ダイクロイックフィルタを用いることができる。これに対して、透過領域ＴＲ３の入射面側には、誘電体膜３１が形成されていない。このため、透過領域ＴＲ３は、特定の波長帯域の光を減衰させることはなく、全波長帯域の光を透過させる。また、透過領域ＴＲ３は、青色半導体レーザ１１から出射される光を透過させるのみであれば、透過領域ＴＲ３に誘電体膜３１を形成してもよい。これにより、蛍光体ホイール３０の入射面全面に誘電体膜３１を形成することになり、誘電体膜形成工程を簡素化できる。

次に、図３（ｂ）に示すように、透過領域ＴＲ１の出射面側には、透過領域の幅Ｗ１よりも狭い幅Ｗ２を有する円弧状の蛍光体層３２Ｒが形成されている。蛍光体層３２Ｒは、光源１０の青色半導体レーザ１１から出射された光によって励起され、青色半導体レーザ１１から出射された光の波長帯域とは異なる波長帯域の蛍光を発生する。言い換えると、蛍光体層３２Ｒは、青色半導体レーザ１１から出射された光の波長を変換することができる。蛍光体層３２Ｒは、例えば５５０〜７８０ナノメートルの波長帯域の蛍光（赤色光）を発生する。蛍光体層３２Ｒの具体的な材料の一例としては、ＹＡＧ、（Ｓｒ，Ｃａ）ＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、ＳｒＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ、Ｋ_２ＳｉＦ_６：Ｍｎを挙げることができる。

また、透過領域ＴＲ２の出射面側には、幅Ｗ２を有する円弧状の蛍光体層３２Ｇが形成されている。蛍光体層３２Ｇは、蛍光体層３２Ｒと同様、青色半導体レーザ１１から出射された光の波長帯域とは異なる波長帯域の蛍光を発生する。言い換えると、蛍光体層３２Ｇは、青色半導体レーザ１１から出射された光の波長を変換することができる。蛍光体層３２Ｇは、青色半導体レーザ１１から出射された光によって、例えば５００〜６５０ナノメートルの波長帯域の蛍光（緑色光）を発生する。蛍光体層３２Ｇの具体的な材料の一例としては、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２等の酸化物系蛍光体を挙げることができる。

透過領域ＴＲ３の出射面側には蛍光体層が形成されていない。このため、透過領域ＴＲ３は、全波長帯域の光を透過させることができる。ただし、透過領域ＴＲ３に散乱面を形成し、蛍光体ホイール３０の回転によって光源１０から出射された青色光を動的に拡散させることでスペックルノイズを低減させてもよい。

図１に示すように、モータ４０は、ブラシレス直流モータであり、蛍光体ホイール３０の表面に対して駆動軸４０ａが直交するように固定されている。モータ４０は、再生する動画のフレームレート（１秒当たりのフレーム数。単位は［ｆｐｓ］）に基づく回転速度で、図３の矢印Ｂに示す方向に蛍光体ホイール３０を回転させる。例えば、６０［ｆｐｓ］の動画を再生する場合、蛍光体ホイール３０の回転速度を毎秒６０回転の整数倍に設定することが好ましい。

受光レンズ５０は、蛍光体層３２Ｒおよび３２Ｇから出射された光を集光する光学部材である。すなわち、受光レンズ５０は、複数の光源１０から出射された光によって蛍光体層３２Ｒおよび３２Ｇで発生した蛍光を集光して、光源装置１の出射光として出射する。

上述した構成の光源装置１において、複数の青色半導体レーザ１１から発せられた光は、集光レンズ２１によって集光される。集光レンズ２１によって集光された光は、蛍光体ホイール３０に照射される。蛍光体ホイール３０は、モータ４０によって図３の矢印Ｂの方向に回転している。集光レンズ２１によって集光された光は、蛍光体ホイール３０の入射面のスポットＳＰに当たる。スポットＳＰが透過領域ＴＲ１上に位置しているときは、集光レンズ２１によって集光された光は蛍光体層３２Ｒに入射し、赤色光が受光レンズ５０へ出射される。また、スポットＳＰが透過領域ＴＲ２上に位置しているときは、集光レンズ２１によって集光された光は蛍光体層３２Ｇに入射し、緑色光が受光レンズ５０へ出射される。さらに、スポットＳＰが透過領域ＴＲ３上に位置しているときは、蛍光体層が形成されていないため、入射した青色光が受光レンズ５０へ出射される。

このようにして、光源装置１は、蛍光体ホイール３０の回転に応じて、赤色、緑色、青色の光を順番に繰り返し出射する。

図４は、集光レンズ２１の側面図である。図５は、集光レンズ２１の正面図であり、複数の光源１０が配置された側から集光レンズ２１を見た図である。
図４、図５に示すように、集光レンズ２１は、所定の厚みを有する略円形のガラス製またはプラスチック製のレンズであり、その周縁部を金属製のホルダ６０によって保持されている。ホルダ６０は、光源装置１の筐体７０の上面に固定されている。

図４に示すように、複数の光源１０から出射された光は、コリメートレンズ２０によって平行光に変換された後、集光レンズ２１の表面（入射面２１ａ）に入射する。集光レンズ２１の入射面２１ａに入射した光は、集光レンズ２１の入射面２１ａ及びその反対側の面である出射面２１ｂにおいて屈折した後、集光レンズ２１の焦点ＦＰに向かう。そして、集光レンズ２１の焦点ＦＰが、上述の蛍光体ホイール３０の入射面にあるスポットＳＰと一致するように集光レンズ２１の位置が調整されている。これにより、集光レンズ２１は、複数の光源１０から発せられる光を集光して、蛍光体ホイール３０のスポットＳＰに入射させることができる。

図４、図５に示すように、集光レンズ２１の入射面２１ａ及び出射面２１ｂには、電気を通すことのできる膜である導電膜６２が形成されている。導電膜６２の周縁部は、集光レンズ２１を保持する金属製のホルダ６０と接触している。これにより、導電膜６２は、金属製のホルダ６０に電気的に接続されている。

導電膜６２は、例えば金属膜で形成することができる。導電膜６２が金属膜によって形成される場合、金属膜の材料としては、例えば、銅やアルミニウムを用いることができる。金属膜は、例えば、スパッタリング法あるいは蒸着法を用いて集光レンズ２１の表面に形成することができる。なお、導電膜６２は、電気を通すことができる膜であればよく、金属膜以外にも、例えばＩＴＯ膜等の透明導電膜や、導電性樹脂からなる膜によって形成することもできる。

以下では、集光レンズ２１の入射面２１ａ及び出射面２１ｂのうち、導電膜６２が形成されている領域のことを「第１の領域６２ａ」と呼び、第１の領域６２ａ以外の領域のことを「第２の領域６２ｂ」と呼ぶ。

図５に示すように、導電膜６２が形成されていない第２の領域６２ｂは、それぞれが円形である合計１６個の領域によって形成されている。導電膜６２が形成されている第１の領域６２ａは、合計１６個の円形領域である第２の領域６２ｂの間及びその周囲に形成されている。
なお、導電膜６２が形成されていない第２の領域６２ｂの形状は、円形に制限されず、例えば、半導体レーザのビーム形状と同等な楕円であってもよい。

上述したように、複数の光源１０は、１６個の青色半導体レーザ１１によって構成されている。１６個の青色半導体レーザ１１から発せられた光は、集光レンズ２１の入射面２１ａ及び出射面２１ｂのうち、合計１６個の円形領域である第２の領域６２ｂのみに当たるようになっている。言い換えると、第２の領域６２ｂは、集光レンズ２１の入射面２１ａ及び出射面２１ｂのうち、複数の光源１０（合計１６個のレーザ光源１１）から発せられる光が当たる領域のみに形成されている。

第２の領域６２ｂがこのように構成されることによって、集光レンズ２１の入射面２１ａ及び出射面２１ｂに導電膜６２が形成される場合であっても、その導電膜６２によって複数の光源１０から発せられる光が遮られることがないため、光源装置１から出射される光の量が低下することを防止することができる。

また、集光レンズ２１の入射面２１ａ及び出射面２１ｂのうち、複数の光源１０から発せられた光が当たらない領域である第１の領域には、導電膜６２が形成されている。この導電膜６２によって、集光レンズ２１の内部または表面に蓄積した静電気を効率的に逃がすことができるようになっている。すなわち、集光レンズ２１の内部または表面に蓄積した静電気を、電気を通すことのできる導電膜６２及び金属製のホルダ６０を介して外部に逃がすことができるようになっている。

なお、光源装置１の筐体７０が鉄やアルミニウム等の金属で形成される場合には、金属製のホルダ６０が筐体７０の上面に固定されているため、集光レンズ２１の内部または表面に蓄積した静電気を、筐体７０を介して光源装置１の外部に逃がすことができる。この場合、筐体７０は、アースに接続されていることが好ましい。

本実施形態に係る光源装置１によれば、集光レンズ２１内部または表面に蓄積した静電気を外部に効率的に逃がすことができる。したがって、塵埃が静電気によって引き寄せられることを防止できるため、集光レンズ２１の表面に塵埃が付着することを効果的に防止することができる。

上記実施形態では、複数の光源１０から発せられる光が集光レンズ２１によって集光される例について説明したが、本発明はこのような態様に限定されない。例えば、複数の光源１０から発せられる光を集光するための光学部材は、ミラー（例えば凹面ミラー）であってもよい。

複数の光源１０から発せられる光をミラーで集光する場合には、ミラーの表面に導電膜６２を形成する。この場合、上述の集光レンズ２１と同様に、ミラーの表面の第１領域に導電膜６２が形成され、第１の領域と異なる第２領域には、導電膜６２が形成されない。図５のように、導電膜が形成される第１領域に囲まれて１６個の導電膜が形成されない第２領域を備える点で、ミラーの表面も集光レンズ２１の表面と同様の図を用いて説明できる。そして、複数の光源１０から発せられた光は、第２領域のみに当たるように導電膜６２が形成される。これにより、ミラーの内部または表面に蓄積した静電気を逃がすことができるため、ミラーの表面に塵埃が付着することを防止することができる。

（光源装置１の応用例）
次に図６を参照して、図１に示した光源装置１を、いわゆる１チップ方式のＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）プロジェクタにおける光源装置として用いた場合の概略構成について説明する。なお、図６において、図１に示した各部と同じものについては同一の符号を付し、その詳しい説明を省略する。

図６に示すプロジェクタ１００において、光源装置１から出射された光は、光変調手段であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）素子１１０で反射され、投射手段であるレンズ１２０によって集光されて、スクリーンＳに投影される。ＤＭＤ素子１１０は、スクリーンＳに投影される画像の各画素に相当する微細なミラーをマトリックス状に配列したものであり、各ミラーの角度を変化させてスクリーンＳへ出射する光を、マイクロ秒単位でオン／オフすることができる。ここで、ミラーの角度を、光源装置１から出射された光がレンズ１２０へ反射するようにした場合がオンの状態であり、レンズ１２０へ反射しないようにした場合がオフの状態である。

また、ＤＭＤ素子１１０の各ミラーをオンにしている時間とオフにしている時間の比率によって、レンズ１２０へ入射する光の階調を変化させることにより、投影する画像の画像データに基づいた階調表示が可能になる。これにより、光源装置１から順次出射される赤色光、緑色光、及び青色光の各々に対して、個々のミラーで階調制御を行うことにより、スクリーンＳにカラー画像（動画も含む）を投影することができる。レンズ１２０は、主に投射レンズから構成され、ＤＭＤ素子１１０によって形成された画像を、所定の大きさに拡大してスクリーンＳに投射する。

なお、本実施形態では、光変調手段としてＤＭＤ素子を用いているが、これに限られるものではなく、用途に応じて、その他任意の光変調素子を用いることができる。また、本発明の実施形態に係る光源装置およびこの光源装置を用いたプロジェクタは、上述した実施形態に限られるものではなく、その他の様々な実施形態が本発明の範囲に含まれる。

１ 光源装置
１０，１０’，１０” 光源
１１ 青色半導体レーザ
１２ プレート
１３ ヒートパイプ
１４ フィン
１５ ファン
２０ コリメートレンズ
２１ 集光レンズ（光学部材）
３０ 蛍光体ホイール
３１ 誘電体膜
３２Ｒ，３２Ｇ 蛍光体層
４０ モータ
４０ａ 駆動軸
５０ 受光レンズ
６０ ホルダ
６２ 導電膜
６２ａ 第１の領域
６２ｂ 第２の領域
７０ 筐体
１００ プロジェクタ
１１０ ＤＭＤ素子（光変調手段）
１２０ レンズ（投射手段）

Claims (7)

1. 複数の光源と、
   前記複数の光源から発せられた光を一つの点に集光する光学部材と、
   前記光学部材によって集光された光の少なくとも一部の波長を変換する蛍光体ホイールと、を含む光源装置であって、
   前記光学部材の入射面と出射面は、導電膜が形成された第１領域を有し、前記第１領域と異なる第２領域に前記複数の光源から発せられた光が当たり、
   前記第２の領域は、前記複数の光源のビーム形状に対応した形状を備えて、複数あることを特徴とする、光源装置。
2. 前記光学部材は、レンズである、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光学部材は、ミラーである、請求項１に記載の光源装置。
4. 前記導電膜は、金属膜である、請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記導電膜は、前記光学部材を保持する金属製のホルダに電気的に接続されている、請求項１から４のうちいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記複数の光源のビーム形状は、楕円形状であり、
   前記第２の領域の形状は、楕円形状である、請求項１から５のうちいずれか１項に記載の光源装置。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光源装置と、
   画像データに基づいて、前記光源装置から出射された複数の波長帯域の光を順次変調して画像を形成する光変調手段と、
   前記画像を拡大して投射する投射手段と、
   を備えたプロジェクタ。