JP2004334081A

JP2004334081A - Illumination optical system using semiconductor laser device as light source and projector utilizing the same

Info

Publication number: JP2004334081A
Application number: JP2003132879A
Authority: JP
Inventors: Shuri Sekiguchi; 修利関口
Original assignee: Plus Vision Corp
Current assignee: Plus Vision Corp
Priority date: 2003-05-12
Filing date: 2003-05-12
Publication date: 2004-11-25

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an illumination optical system using semiconductor laser devices as a light source and a projector utilizing the same. <P>SOLUTION: The illumination optical system includes: a laser array base plate 68 where LEDs (light emitting diodes) 62 emitting light having the wavelength of red (R), LEDs 64 emitting light having the wavelength of green (G), and LEDs 66 emitting light having the wavelength of blue (B) are arranged in a two-dimensional array; a fly-eye lens 120 arranged in front of the base plate 68; and a condenser lens 122 arranged in front of the lens 120. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタに関し、特に、ＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）を用いたＤＬＰ（ＤｉｇｉｔａｌＬｉｇｈｔＰｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＤＬＰはテキサスインスツルメンツ社の登録商標）方式のプロジェクタにおける照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＬＰ方式のプロジェクタは、複数の半導体ミラー素子をアレイ状に配列させたＤＭＤに光を照射し、その反射光をレンズ等で拡大投影して画像表示を行うものである。図８に示すように、放電ランプ１００からの白色光が回転楕円面鏡１０２によって反射され、その反射光がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターを配列した円盤状のカラーホイール１０４に入射される。カラーホイール１０４は一定速度で回転され、入射された光は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長帯を有する光に順次変換される。Ｒ、Ｇ、Ｂ光は、インテグレータまたはライトトンネル１０６において均一な光強度の光線束となって出射され、この光線束は、コンデンサレンズ１０８、平面ミラー１１０および球面ミラー１１２、コンデンサレンズ１１４を介してＤＭＤ１１６に入射される。ＤＭＤ１１６は、画像データに基づき、ＲＧＢ光（カラーホイールの回転）に同期して時分割駆動され、それらの反射光が投影レンズ１１８を介してスクリーンに照射され、カラー映像が表示される。
【０００３】
光源として用いられる放電ランプ１００は、明るい投射映像を形成するために、光出力が大きいものが用いられるが、その使用時間が長くなると、電極が消耗し、アークフリッカやアークジャンプによりチラツキが生じたり、あるいは放電ランプのガラス管が電極等から発生した金属粉によって黒色化し光の明るさが低下してしまう。さらに、ランプの発熱により、プロジェクタ内の温度が非常に高くなるため、それを冷却するために比較的大きな冷却能力を有するファンを取り付けなければならない。
【０００４】
こうした観点から、プロジェクタの光源として、放電ランプに代わるものが求められている。その一つに、近年著しい開発が遂げられている半導体レーザダイオード（ＬＥＤ）がある。半導体レーザダイオードは、発振する波長に応じた光を出力するが、現在では既に、短波長の青色から長波長の赤色までの光を発光することができる半導体レーザダイオードが実用化されている。
【０００５】
例えば特許文献１は、車両用灯具に関するものであるが、複数のＬＥＤを光源に利用している。具体的には、複数のＬＥＤの前方にフレネルレンズ、拡散レンズ、集光レンズを設けることで、光源全体を広い発光面積でほぼ均一に光って見えるようにするものである。また、特許文献２は、画像読取装置に関し、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの各ＬＥＤをマトリクス状に配置して光源を構成している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３２１１号
【特許文献２】
特開２００２−２３７９２７号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１および２は、ＬＥＤを光源として用いるものではあるが、これらは、カラー映像を投射するプロジェクタ用の光源としては十分な検討をされていない。プロジェクタ用の光源にＬＥＤを用いる場合、チラツキの少ない、均一な照度の光学照明系明を要求されるが、上記特許文献１および特許文献２に示される構成では、このような要求を満足させることは困難であり、プロジェクタの光源に適用することはできない。
【０００８】
そこで本発明は、従来の課題を解決し、半導体レーザ素子を光源に用いた照明光学系およびそれを利用したプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る照明光学系は、少なくとも第１の波長を発光する第１の半導体レーザ素子、第２の波長を発光する第２の半導体レーザ素子、第３の波長を発光する第３の半導体レーザ素子が複数２次元アレイ状に配列された半導体レーザアレイ基板と、前記半導体レーザアレイ基板の前方に配置されたフライアイレンズと、前記フライアイレンズの前方に配置されたコンデンサレンズとを有する。これにより、ムラの少ない、均一な照明光を得ることができる。さらに、従来の放電ランプと比べて光利用効率を向上させ、かつ光源の発熱温度を低下させることが可能となる。
【００１０】
好ましくは、第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長を発光する。半導体レーザ素子は、アレイ化が容易な面発光型半導体レーザを用いることができる。さらに、第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、フライアイレンズの焦点位置に配されるようにし、複数の半導体レーザ素子による発光を均一な照射面とする。
【００１１】
アレイの各行は、第１、第２、第３の半導体レーザ素子を含み、隣接する行間において、第１、第２、第３の半導体レーザ素子の位置がずらされている。さらに照明光学系は、コンデンサレンズの前方にロッド状のインテグレータまたはライトトンネルを有するものであってもよい。
【００１２】
好ましくは第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、それぞれ異なるタイミングで発光される。この場合、第１、第２の、第３の半導体レーザ素子は、それぞれ同じ期間だけ発光するようにしてもよいし、あるいは所望のレーザ素子の発光期間を他の素子よりも長くしてもよい。
【００１３】
好ましくはフライアイレンズと半導体レーザアレイ基板とがその間隔を保持した状態で相対的に移動される。これによりムラの少ないより均一な照明を行うことができる。好ましくは、半導体レーザアレイ基板を固定し、フライアイレンズを一定の周期で一定の距離を往復動させる。駆動機構は、機械的手段を用いてもよいし、あるいは圧電素子による歪みを利用してもよい。
【００１４】
本発明に係るプロジェクタは、上述した照明光学系と、照明光学系からの光を変調する光変調手段と、光変調手段によって変調された光を投射する投射手段とを有する。照明光学系の光源にＬＥＤを用いることで、光の利用効率が向上され、かる装置全体をより小型化することが可能となる。
【００１５】
好ましくは光変調手段は、例えばＤＭＤを含む。本発明による照明光学系を利用することで、従来のカラーホイールを用いる必要がなくなり、装置の小型化および光の利用効率の改善が図られる。また、光変調手段は、ＤＭＤ以外の液晶デバイスを含むものであってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るＤＬＰ方式プロジェクタの主要な構成を示すブロック図である。プロジェクタ１は、画像信号Ｖを入力し、これをＤＭＤと同じ画素数のＲＧＢデジタル画像データに変換する前処理部１０と、前処理部１０からのデジタル画像データに基づきＤＭＤ５０の駆動および光源駆動回路３０の駆動を制御する制御部２０と、クロック信号ＣＬＫを生成するクロック発生回路４０と、複数の半導体ミラー素子をアレイ状に配置させそれらの半導体ミラー素子の角度を可変させるＤＭＤ５０と、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の半導体レーザダイオード素子（ＬＥＤ）をマトリックスアレイ状に配置したＬＥＤ光源６０と、ＬＥＤ光源６０からの光をＤＭＤ５０へ照射させる照明光学系７０と、ＤＭＤ５０によって反射された光をスクリーン上へ投射する投射光学系８０とを含む。
【００１７】
図２に光源駆動回路の内部構成を示す。光源駆動回路３０は、各色のＬＥＤを駆動させるタイミング信号を形成するタイミング回路３２と、タイミング回路３２からのタイミング信号によってＬＥＤを駆動する駆動回路３４と、ＬＥＤを好ましい状態で発光させるための電力を供給する電極供給回路３６とを有する。
【００１８】
図３に、ＬＥＤ光源６０の詳細を示す。ＬＥＤ光源６０は、レーザアレイ基板６８上に、赤色（Ｒ）ＬＥＤ６２、緑色（Ｇ）ＬＥＤ６４、青色（Ｂ）ＬＥＤ６６を２次元アレイ状に配列している。アレイの各行（Ｘ_１、Ｘ_２、Ｘ_３・・・Ｘ_ｎ−２、Ｘ_ｎ−１、Ｘ_ｎ）は、赤色ＬＥＤ６２、緑色ＬＥＤ６４、青色ＬＥＤ６６を複数含み、これらを一列に配列している。各行のＬＥＤ６２、６４、６６は、その列方向において、一つ置きに配列パターンがずれている。つまり、奇数行（Ｘ_１、Ｘ_３・・・Ｘ_ｎ−１）と偶数行（Ｘ_２・・・Ｘ_ｎ−２、Ｘ_ｎ）とで、ＬＥＤ６２、６４、６６の位置がずれ、例えば、Ｘ_ｎ−１のＬＥＤ６２に着目したとき、それと隣接する行Ｘ_ｎ−２、Ｘ_ｎのＬＥＤ６２は、そこから１．５ピッチ（各ＬＥＤの配列ピッチを１ピッチとしたとき）分だけ行方向にずれており、Ｘ_ｎ−１のＬＥＤ６２はその周囲を緑色ＬＥＤ６４と青色ＬＥＤ６６によって囲まれている。別な言い方をすれば、アレイは、図７（ａ）に示すようなＬＥＤ６２、６４、６６を一組とする配列パターンを複数組有している。
【００１９】
各ＬＥＤ６２、６４、６６は、２次元アレイ化が容易な面発光型半導体レーザを用いることができる。各ＬＥＤのｎ側電極は、レーザアレイ基板６８のＧＮＤ配線（図中省略）に共通に接続される。各赤色ＬＥＤ６２のｐ側電極は、アレイ基板６８の接続端子６８Ｒに接続され、各緑色ＬＥＤ６４のｐ側電極は、接続端子６８Ｇに接続され、各青色ＬＥＤ６６のｐ側電極は、接続端子６８Ｂに接続される。
【００２０】
駆動回路３４は、ＭＯＳトランジスタ３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂを含む。ＭＯＳトランジスタ３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂの各ドレイン電極は、駆動電力供給回路３６の電力供給源に接続されている。ＭＯＳトランジスタ３４Ｒのソース電極は、回路基板６８の接続端子６８Ｒに接続され、ゲート電極はタイミング回路３２のタイミングパルス信号φＲに接続される。ＭＯＳトランジスタ３４Ｇのソース電極が接続端子６８Ｇに接続され、ゲート電極がタイミングパルス信号φＧに接続される。ＭＯＳトランジスタ３４Ｂのソース電極が接続端子６８Ｂに接続され、ゲート電極がタイミングパルス信号φＢに接続される。
【００２１】
タイミング回路３２は、制御部２０からのイネーブル信号ＥＢと、クロック発生回路４０からのクロック信号ＣＬＫを入力する。図４にタイミング回路の動作を示す。タイミング回路３２は、イネーブル信号ＥＢを受け取ると、クロック信号ＣＬＫに同期したタイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧを生成する。タイミングパルス信号φＲのパルスは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して立ち上がり、次のクロック信号の立ち上がりのときに立ち下がる。つまり、クロック信号ＣＬＫの１周期に等しいパルス幅を有する。タイミングパルス信号φＧは、φＲの立下りに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。タイミングパルス信号φＢは、タイミングパルス信号φＧの立ち下がりに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。このように、各タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢのパルスは、それぞれ重複することなく異なるタイミングで交互に生成される。これにより各ＬＥＤ６２、６４、６６は、タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢと同期したタイミングで点灯される。さらに、タイミング回路３２は、タイミングパルス信号と同期した同期信号Ｓを制御部２０へ出力する。
【００２２】
タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢは、上記以外に、例えばクロック信号ＣＬＫを１／ｎに分周する分周回路を用いたり、あるいは、図４（ｂ）に示すように、タイミングパルス信号φＲを遅延素子３１へ入力させ、遅延素子３８からパルス幅に等しい時間を遅延させたタイミングパルス信号φＧを生成し、タイミングパルス信号φＧを遅延素子３９へ入力させそこからタイミングパルス信号φＢを生成することもできる。さらに、上記例では、各タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢのパルス幅をすべて等しくしたが、これに限らず、パルス幅を変えて、各ＬＥＤ６２、６４、６６が点灯する時間を変えてもよい。例えば、カラー映像の演色性が不足している場合には、タイミングパルス信号φＲのパルス幅を長くし、赤色ＬＥＤ６２の点灯時間を他のＬＥＤよりも長くするようにしてもよい。
【００２３】
制御部２０は、デジタル画像データを、ＤＭＤ５０を駆動するためのフォーマットに変換する。変換されたフォーマットデータは、タイミング回路３２からの同期信号Ｓに同期して、すなわち、赤色ＬＥＤ６２、緑色ＬＥＤ６４、青色ＬＥＤ６６の駆動に同期して、ＤＭＤ５０に出力される。ＤＭＤ５０は、フォーマットデータに基づき、各半導体ミラー素子の傾斜角を可変させる。
【００２４】
図５に、プロジェクタの光学系を示す。従来の図６と同一構成のものについては同一参照番号を付してある。図５において、ＬＥＤ光源６０の前方に、フライアイレンズ１２０、その前方にコンデンサレンズ１２２が配置される。フライアイレンズ１２０の各焦点位置にＬＥＤ６２、６４、６６がそれぞれ配置される。ＬＥＤ６２、６４、または６６から発せられた赤色、緑色、または青色の光は、フライアイレンズ１２０によって集光され、そこを透過した光は平行光線になる。コンデンサレンズ１２２は好ましくは平凸レンズであり、入射された平行光線はそこを透過することでインテグレータまたはライトトンネル１０６に入射される。このようなフライアイレンズ１２０を用いたリレーレンズ系により、ＬＥＤ光源６０からの焦光点に光量ムラあるいは輝度ムラの少ない照明を行うことができる。なお、フライアイレンズ１２０とコンデンサレンズ１２２との間に、さらに別のフライアイレンズを挿入するようにしてもよい。
【００２５】
ＬＥＤ光源６０から順次発せられたＲ、Ｇ、Ｂ光は、フライアイレンズ１２０、コンデンサレンズ１２２を介して、インテグレータ１０６に入射される。インテグレータ１０６は、４：３あるいは１６：９のアスペクト比を有し、この比に応じた均一な光線束が出射される。この光線束は、コンデンサレンズ系１０８、平面ミラー１１０、球面ミラー１１２、コンデンサレンズ１１４を通り、ＤＭＤ５０を照明し、そこで反射された光が投射レンズ１１８を介してスクリーン上に投射され、カラー映像が表示される。
【００２６】
本実施の形態では、赤色ＬＥＤ６２、緑色ＬＥＤ６４、青色ＬＥＤ６６が、タイミング回路３２によって、図４（ａ）に示すような異なるタイミングで発光されるため、従来技術で必要とされていたカラーホイールを不要となる。従来のカラーホイールは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルターを含み、そこに白色光を透過させることで、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を得ていたため、実質的に１／３の光が利用されずに捨てられていた。このため、光源の光利用効率が悪く、その結果として、明るい投射映像をえるためには、光出力の大きな光源を必要としていた。これに対して、ＬＥＤ光源を用い、赤、緑、青のＬＥＤを交互に駆動させるため、カラーホイールは不要であり、かつ、光源の光利用効率が格別向上される。
【００２７】
また、図５に示すように、ＬＥＤ光源６０に近接して冷却ファン１３０を設けても良い。ＬＥＤの動作特性は温度依存性があり、温度が上昇すると発光光量が減少するため、冷却ファン１３０によりＬＥＤ光源６０が一定の温度を超えないようにする。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６に第２の実施の形態に係る照明光学系の構成を示す。本実施の形態では、より均一でムラの少ない照明を得るために、ＬＥＤ光源６０とフライアイレンズ１２２とをその間隔を保持させた状態で相対的に移動させる。ここでは、ＬＥＤ光源６０を固定し、フライアイレンズ１２２を水平方向Ｈに一定周期および一定の距離で振動させる。フライアイレンズ１２２の移動は、圧電素子の歪みを利用して駆動軸を往復動させたり、カム機構を利用して駆動軸を往復動させることができる。フライアイレンズ１２２の水平方向の移動は、好ましくは、図６に示すように（フライアイレンズの平面図）、フライアイレンズ１２２の対角線方向（Ｈ１またはＨ２）であり、その移動距離は、おおむね、各ＬＥＤが配列されるピッチに等しい。これにより、ＬＥＤ光源６０の赤、緑または青の光が一定位置から規則的にずれるため、ムラの少ないより均一な照射面をもつ照明光を得ることができる。
【００２９】
次に本発明の第３の実施の形態を図７に示す。図７（ａ）は、第１の実施の形態における一組のＬＥＤ６２、６４、６６の配列パターンを示し、図７（ｂ）は、第３の実施の形態における一組のＬＥＤ６２、６４、６６の配列パターンを示す。第３の実施の形態に係る配列パターンは、４つのＬＥＤを一組とし、一対の赤色ＬＥＤ６２が対角線上に配置され、それと直交する対角線上に緑色ＬＥＤ６４と青色ＬＥＤ６６が配置される。このような配列パターンを複数組アレイ状に配列させることで、赤色の光量を他の色の光量よりも多くすることができ、カラー映像の演色性を高めることができる。勿論、これ以外の配列パターンにより赤色ＬＥＤの光量を増加させるようにすることも可能である、あるいは、他のＬＥＤの数を増やしてその光の光量を増加させるようにしてもよい。
【００３０】
以上本発明の好ましい実施形態の一例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態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・変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、ＤＬＰ方式のプロジェクタを例示したが、これ以外にも、光変調素子に液晶装置を使用した液晶タイプのプロジェクタにも適用することができる。さらに、アレイの各行に配列されるＬＥＤの順序（６２、６４、６６）は、これ以外であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも第１の波長を発光する第１の半導体レーザ素子、第２の波長を発光する第２の半導体レーザ素子、第３の波長を発光する第３の半導体レーザ素子が複数２次元アレイ状に配列された半導体レーザアレイ基板と、フライアイレンズと、フライアイレンズの前方に配置されたコンデンサレンズとにより照明光学系を構成することで、ムラの少ない、より均一な照明光を得ることができる。さらに、照明光学系をプロジェクタに適用することで、従来の放電ランプと比べて光利用効率を向上させ、かつ光源の発熱温度を低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。
【図２】光源駆動回路の構成を示すブロック図である。
【図３】駆動回路およびＬＥＤ光源の構成を示す図である。
【図４】タイミング回路の動作を示す波形図である。
【図５】本実施の形態に係るＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図７】図７（ａ）は第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の配列パターン、図７（ｂ）は第３の実施の形態におけるＬＥＤ素子の配列パターンを示す図である。
【図８】従来のＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系を示す図である。
【符号の説明】
１０前処理部２０制御部
３０光源駆動回路３２タイミング回路
３４駆動回路３６電力供給回路
４０クロック発生回路５０ＤＭＤ
６０ＬＥＤ光源６２赤色（Ｒ）ＬＥＤ
６４緑色（Ｇ）ＬＥＤ６６青色（Ｂ）ＬＥＤ
６８レーザアレイ基板７０照明光学系
８０投射光学系１２０フライアイレンズ
１２２コンデンサレンズ１３０冷却ファン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a projector, and more particularly, to an illumination optical system in a projector of a Digital Light Processing (DLP) using a Digital Mirror Device (DMD): a DLP is a registered trademark of Texas Instruments.
[0002]
[Prior art]
The DLP type projector irradiates light to a DMD in which a plurality of semiconductor mirror elements are arranged in an array, and enlarges and projects the reflected light with a lens or the like to display an image. As shown in FIG. 8, white light from the discharge lamp 100 is reflected by a spheroidal mirror 102, and the reflected light is incident on a disk-shaped color wheel 104 in which R, G, and B color filters are arranged. The color wheel 104 is rotated at a constant speed, and the incident light is sequentially converted into light having red (R), green (G), and blue (B) wavelength bands. The R, G, and B lights are emitted as a light beam having a uniform light intensity in the integrator or light tunnel 106, and the light beam passes through a condenser lens 108, a plane mirror 110, a spherical mirror 112, and a condenser lens 114. The light enters the DMD 116. The DMD 116 is time-divisionally driven in synchronization with the RGB light (rotation of the color wheel) based on the image data, and the reflected light is irradiated on the screen via the projection lens 118 to display a color image.
[0003]
As the discharge lamp 100 used as a light source, a lamp having a large light output is used in order to form a bright projected image. Alternatively, the glass tube of the discharge lamp is blackened by metal powder generated from the electrodes or the like, and the brightness of light is reduced. In addition, the heat generated by the lamp causes the temperature inside the projector to be very high, so that a fan having a relatively large cooling capacity must be installed in order to cool it.
[0004]
From such a viewpoint, what replaces a discharge lamp is demanded as a light source of a projector. One of them is a semiconductor laser diode (LED), which has been significantly developed in recent years. Semiconductor laser diodes output light according to the wavelength of oscillation, but semiconductor laser diodes capable of emitting light from short-wavelength blue to long-wavelength red have already been put to practical use.
[0005]
For example, Patent Document 1 relates to a vehicular lamp, but uses a plurality of LEDs as a light source. Specifically, by providing a Fresnel lens, a diffusion lens, and a condenser lens in front of a plurality of LEDs, the entire light source can be seen to shine almost uniformly over a wide light emitting area. Patent Document 2 relates to an image reading apparatus, in which R, G, B, and IR LEDs are arranged in a matrix to constitute a light source.
[0006]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-93211 [Patent Document 2]
JP-A-2002-237927
[Problems to be solved by the invention]
However, Patent Documents 1 and 2 described above use LEDs as a light source, but they have not been sufficiently studied as a light source for a projector that projects a color image. When an LED is used as a light source for a projector, an optical illumination system with less flicker and uniform illuminance is required. However, the configurations disclosed in Patent Documents 1 and 2 satisfy such requirements. Is difficult and cannot be applied to the light source of the projector.
[0008]
Therefore, an object of the present invention is to solve the conventional problems and to provide an illumination optical system using a semiconductor laser element as a light source and a projector using the same.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
An illumination optical system according to the present invention includes a first semiconductor laser device emitting at least a first wavelength, a second semiconductor laser device emitting a second wavelength, and a third semiconductor laser emitting a third wavelength. The semiconductor laser array substrate has a plurality of elements arranged in a two-dimensional array, a fly-eye lens disposed in front of the semiconductor laser array substrate, and a condenser lens disposed in front of the fly-eye lens. Thereby, uniform illumination light with less unevenness can be obtained. Furthermore, it is possible to improve the light use efficiency and reduce the heat generation temperature of the light source as compared with the conventional discharge lamp.
[0010]
Preferably, the first, second, and third semiconductor laser elements emit red (R), green (G), and blue (B) wavelengths. As the semiconductor laser element, a surface emitting semiconductor laser that can be easily arrayed can be used. Furthermore, the first, second, and third semiconductor laser elements are arranged at the focal position of the fly-eye lens, and the light emitted by the plurality of semiconductor laser elements is made a uniform irradiation surface.
[0011]
Each row of the array includes first, second, and third semiconductor laser elements, and the positions of the first, second, and third semiconductor laser elements are shifted between adjacent rows. Further, the illumination optical system may have a rod-shaped integrator or light tunnel in front of the condenser lens.
[0012]
Preferably, the first, second, and third semiconductor laser elements emit light at different timings. In this case, the first, second, and third semiconductor laser elements may emit light only during the same period, or the emission period of a desired laser element may be longer than other elements. .
[0013]
Preferably, the fly-eye lens and the semiconductor laser array substrate are relatively moved while maintaining the distance therebetween. Thereby, more uniform illumination with less unevenness can be performed. Preferably, the semiconductor laser array substrate is fixed, and the fly-eye lens is reciprocated a predetermined distance at a predetermined cycle. The driving mechanism may use mechanical means, or may use distortion caused by a piezoelectric element.
[0014]
A projector according to the present invention includes the illumination optical system described above, a light modulation unit that modulates light from the illumination optical system, and a projection unit that projects light modulated by the light modulation unit. By using the LED as the light source of the illumination optical system, the light use efficiency is improved, and the entire device can be further miniaturized.
[0015]
Preferably, the light modulation means includes, for example, a DMD. By using the illumination optical system according to the present invention, it is not necessary to use a conventional color wheel, so that the size of the apparatus can be reduced and the light use efficiency can be improved. Further, the light modulating means may include a liquid crystal device other than the DMD.
[0016]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a block diagram illustrating a main configuration of a DLP projector according to an embodiment of the present invention. The projector 1 receives an image signal V, converts the signal into RGB digital image data having the same number of pixels as the DMD, a driving circuit for driving the DMD 50 and a light source driving circuit based on the digital image data from the preprocessing section 10. A control unit 20 for controlling the driving of the clock 30, a clock generation circuit 40 for generating a clock signal CLK, a DMD 50 for arranging a plurality of semiconductor mirror elements in an array and varying the angles of the semiconductor mirror elements, and a red (R ), Green (G), and blue (B) semiconductor laser diode elements (LEDs) arranged in a matrix array, an LED light source 60, an illumination optical system 70 for irradiating light from the LED light source 60 to the DMD 50, and the DMD 50. A projection optical system 80 for projecting the reflected light onto a screen.
[0017]
FIG. 2 shows the internal configuration of the light source drive circuit. The light source driving circuit 30 includes a timing circuit 32 for forming a timing signal for driving the LED of each color, a driving circuit 34 for driving the LED based on the timing signal from the timing circuit 32, and power for causing the LED to emit light in a preferable state. And an electrode supply circuit 36 for supplying.
[0018]
FIG. 3 shows details of the LED light source 60. The LED light source 60 has a red (R) LED 62, a green (G) LED 64, and a blue (B) LED 66 arranged on a laser array substrate 68 in a two-dimensional array. Each row of the array _{_{_{(X 1, X 2, X}}} 3 ··· X n-2, X n-1, X n) is a red LED 62, green LEDs 64, includes a plurality of blue LED 66, are arranged them in a row . The arrangement patterns of the LEDs 62, 64, and 66 in each row are shifted every other in the column direction. In other words, out with the odd-numbered rows _{_{_{(X 1, X 3 ··· X}}} n-1) and even rows _{_{(X 2 ··· X n-2}} , X n), shift position of LED62,64,66, for example, When attention is paid to the LED 62 of X _n−1, the LED 62 of the row X _n−2 and X _n adjacent thereto is arranged in the row direction by 1.5 pitches (when the arrangement pitch of each LED is 1 pitch). The LED 62 of _Xn-1 is shifted, and its periphery is surrounded by a green LED 64 and a blue LED 66. Stated another way, the array has a plurality of sets of array patterns each including the LEDs 62, 64, and 66 as shown in FIG. 7A.
[0019]
As each of the LEDs 62, 64, and 66, a surface emitting semiconductor laser that can be easily formed into a two-dimensional array can be used. The n-side electrode of each LED is commonly connected to a GND wiring (omitted in the drawing) of the laser array substrate 68. The p-side electrode of each red LED 62 is connected to the connection terminal 68R of the array substrate 68, the p-side electrode of each green LED 64 is connected to the connection terminal 68G, and the p-side electrode of each blue LED 66 is connected to the connection terminal 68B. Is done.
[0020]
Drive circuit 34 includes MOS transistors 34R, 34G, 34B. Each drain electrode of the MOS transistors 34R, 34G, 34B is connected to a power supply source of the drive power supply circuit 36. The source electrode of MOS transistor 34R is connected to connection terminal 68R of circuit board 68, and the gate electrode is connected to timing pulse signal φR of timing circuit 32. The source electrode of MOS transistor 34G is connected to connection terminal 68G, and the gate electrode is connected to timing pulse signal φG. The source electrode of MOS transistor 34B is connected to connection terminal 68B, and the gate electrode is connected to timing pulse signal φB.
[0021]
The timing circuit 32 receives the enable signal EB from the control unit 20 and the clock signal CLK from the clock generation circuit 40. FIG. 4 shows the operation of the timing circuit. When receiving the enable signal EB, the timing circuit 32 generates timing pulse signals φR, φB, and φG synchronized with the clock signal CLK. The pulse of the timing pulse signal φR rises in synchronization with the rise of the clock signal CLK and falls at the next rise of the clock signal. That is, it has a pulse width equal to one cycle of the clock signal CLK. The timing pulse signal φG generates a pulse width equal to the pulse width of φR in synchronization with the fall of φR. The timing pulse signal φB generates a pulse width equal to the pulse width of φR in synchronization with the fall of the timing pulse signal φG. As described above, the pulses of the timing pulse signals φR, φG, and φB are generated alternately at different timings without overlapping. Accordingly, the LEDs 62, 64, and 66 are turned on at timings synchronized with the timing pulse signals φR, φG, and φB. Further, the timing circuit 32 outputs a synchronization signal S synchronized with the timing pulse signal to the control unit 20.
[0022]
For the timing pulse signals φR, φG, and φB, other than the above, for example, a frequency dividing circuit that divides the clock signal CLK by 1 / n is used, or as shown in FIG. It is also possible to generate a timing pulse signal φG delayed by a time equal to the pulse width from the delay element 38 and to input the timing pulse signal φG to the delay element 39 to generate the timing pulse signal φB therefrom. it can. Further, in the above example, the pulse widths of the timing pulse signals φR, φG, and φB are all equal. However, the present invention is not limited to this, and the pulse lighting time may be changed to change the lighting time of each of the LEDs 62, 64, and 66. . For example, when the color rendering properties of a color image are insufficient, the pulse width of the timing pulse signal φR may be made longer, and the lighting time of the red LED 62 may be made longer than the other LEDs.
[0023]
The control unit 20 converts the digital image data into a format for driving the DMD 50. The converted format data is output to the DMD 50 in synchronization with the synchronization signal S from the timing circuit 32, that is, in synchronization with driving of the red LED 62, the green LED 64, and the blue LED 66. The DMD 50 varies the tilt angle of each semiconductor mirror element based on the format data.
[0024]
FIG. 5 shows an optical system of the projector. Components having the same configuration as in FIG. 6 are given the same reference numerals. In FIG. 5, a fly-eye lens 120 is disposed in front of the LED light source 60, and a condenser lens 122 is disposed in front of the fly-eye lens 120. LEDs 62, 64, and 66 are arranged at respective focal positions of the fly-eye lens 120. The red, green, or blue light emitted from the LED 62, 64, or 66 is collected by the fly-eye lens 120, and the light transmitted therethrough becomes a parallel light beam. The condenser lens 122 is preferably a plano-convex lens, and the incident parallel light beam passes through it and enters the integrator or the light tunnel 106. With a relay lens system using such a fly-eye lens 120, illumination with less light amount unevenness or luminance unevenness can be performed on the focal point from the LED light source 60. Note that another fly-eye lens may be inserted between the fly-eye lens 120 and the condenser lens 122.
[0025]
The R, G, and B lights sequentially emitted from the LED light source 60 are incident on the integrator 106 via the fly-eye lens 120 and the condenser lens 122. The integrator 106 has an aspect ratio of 4: 3 or 16: 9, and emits a uniform light beam according to this ratio. The light beam passes through a condenser lens system 108, a plane mirror 110, a spherical mirror 112, and a condenser lens 114, illuminates the DMD 50, and the light reflected therefrom is projected on a screen via a projection lens 118, and a color image is formed. Is displayed.
[0026]
In the present embodiment, the red LED 62, the green LED 64, and the blue LED 66 are emitted at different timings as shown in FIG. 4A by the timing circuit 32, so that the color wheel required in the related art is unnecessary. It becomes. The conventional color wheel includes R (red), G (green), and B (blue) color filters, and obtains R, G, and B light by transmitting white light therethrough. 1/3 of the light was discarded without being used. For this reason, the light use efficiency of the light source is poor, and as a result, a light source with a large light output is required to obtain a bright projected image. On the other hand, since the LED light source is used to drive the red, green, and blue LEDs alternately, a color wheel is unnecessary, and the light use efficiency of the light source is particularly improved.
[0027]
Further, as shown in FIG. 5, a cooling fan 130 may be provided near the LED light source 60. Since the operating characteristics of the LED have a temperature dependence, and the amount of emitted light decreases as the temperature rises, the cooling fan 130 prevents the LED light source 60 from exceeding a certain temperature.
[0028]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a configuration of an illumination optical system according to the second embodiment. In the present embodiment, in order to obtain more uniform and less uneven illumination, the LED light source 60 and the fly-eye lens 122 are relatively moved while maintaining the distance therebetween. Here, the LED light source 60 is fixed, and the fly-eye lens 122 is vibrated in the horizontal direction H at a constant period and a constant distance. The movement of the fly-eye lens 122 can reciprocate the drive shaft using distortion of the piezoelectric element, or reciprocate the drive shaft using a cam mechanism. The horizontal movement of the fly-eye lens 122 is preferably in the diagonal direction (H1 or H2) of the fly-eye lens 122 as shown in FIG. 6 (a plan view of the fly-eye lens), and the movement distance is substantially the same. , Equal to the pitch at which each LED is arranged. Accordingly, the red, green, or blue light of the LED light source 60 is regularly shifted from a certain position, so that illumination light having less unevenness and a more uniform irradiation surface can be obtained.
[0029]
Next, a third embodiment of the present invention is shown in FIG. FIG. 7A shows an arrangement pattern of a set of LEDs 62, 64, 66 according to the first embodiment, and FIG. 7B shows a set of LEDs 62, 64, 66 according to the third embodiment. The following shows the sequence pattern of. The arrangement pattern according to the third embodiment includes four LEDs as one set, a pair of red LEDs 62 is arranged on a diagonal line, and a green LED 64 and a blue LED 66 are arranged on a diagonal line orthogonal thereto. By arranging a plurality of such arrangement patterns in an array, the amount of red light can be made larger than the amount of other colors, and the color rendering of a color image can be improved. Of course, it is also possible to increase the light amount of the red LED by an arrangement pattern other than this, or to increase the light amount of the light by increasing the number of other LEDs.
[0030]
Although an example of a preferred embodiment of the present invention has been described in detail, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications may be made within the scope of the present invention described in the appended claims. Deformation and modification are possible. For example, in the above embodiment, the DLP type projector has been exemplified. However, the invention can be applied to a liquid crystal type projector using a liquid crystal device as a light modulation element. Further, the order (62, 64, 66) of the LEDs arranged in each row of the array may be other.
[0031]
【The invention's effect】
According to the present invention, at least a first semiconductor laser device emitting at least a first wavelength, a second semiconductor laser device emitting at a second wavelength, and a plurality of third semiconductor laser devices emitting at a third wavelength are provided. By forming an illumination optical system with a semiconductor laser array substrate arranged in a two-dimensional array, a fly-eye lens, and a condenser lens disposed in front of the fly-eye lens, more uniform illumination light with less unevenness Can be obtained. Further, by applying the illumination optical system to the projector, it becomes possible to improve the light use efficiency and reduce the heat generation temperature of the light source as compared with the conventional discharge lamp.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of a projector according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration of a light source driving circuit.
FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a driving circuit and an LED light source.
FIG. 4 is a waveform chart showing an operation of the timing circuit.
FIG. 5 is a diagram showing an optical system of a DLP type projector according to the present embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating an optical system of a projector according to a second embodiment of the invention.
FIG. 7A is a diagram illustrating an arrangement pattern of LED elements according to the first embodiment, and FIG. 7B is a diagram illustrating an arrangement pattern of LED elements according to the third embodiment.
FIG. 8 is a diagram illustrating an optical system of a conventional DLP type projector.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pre-processing part 20 Control part 30 Light source drive circuit 32 Timing circuit 34 Drive circuit 36 Power supply circuit 40 Clock generation circuit 50 DMD
60 LED light source 62 Red (R) LED
64 Green (G) LED 66 Blue (B) LED
68 Laser array substrate 70 Illumination optical system 80 Projection optical system 120 Fly-eye lens 122 Condenser lens 130 Cooling fan

Claims

少なくとも第１の波長を発光する第１の半導体レーザ素子、第２の波長を発光する第２の半導体レーザ素子、第３の波長を発光する第３の半導体レーザ素子が複数２次元アレイ状に配列された半導体レーザアレイ基板と、
前記半導体レーザアレイ基板の前方に配置されたフライアイレンズと、
前記フライアイレンズの前方に配置されたコンデンサレンズと、を含む照明光学系。A plurality of first semiconductor laser elements emitting at least a first wavelength, a second semiconductor laser element emitting a second wavelength, and a third semiconductor laser element emitting a third wavelength are arranged in a two-dimensional array. Semiconductor laser array substrate,
A fly-eye lens disposed in front of the semiconductor laser array substrate,
And a condenser lens disposed in front of the fly-eye lens.

前記第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長を発光する、請求項１に記載の照明光学系。The illumination optical system according to claim 1, wherein the first, second, and third semiconductor laser elements emit red (R), green (G), and blue (B) wavelengths.

第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、前記フライアイレンズの焦点位置に配される、請求項１または２に記載の照明光学系。3. The illumination optical system according to claim 1, wherein the first, second, and third semiconductor laser elements are arranged at a focal position of the fly-eye lens. 4.

アレイの各行は、少なくとも第１、第２、第３の半導体レーザ素子を含み、隣接する行間において、第１、第２、第３の半導体レーザ素子の位置がずれている、請求項１ないし３いずれかに記載の照明光学系。4. The array according to claim 1, wherein each row of the array includes at least first, second, and third semiconductor laser elements, and the positions of the first, second, and third semiconductor laser elements are shifted between adjacent rows. The illumination optical system according to any one of the above.

前記照明光学系は、前記コンデンサレンズの前方にロッド状のインテグレータを有する、請求項１ないし４いずれかに記載の照明光学系。The illumination optical system according to claim 1, wherein the illumination optical system has a rod-shaped integrator in front of the condenser lens.

前記照明光学系は、前記コンデンサレンズの前方にロッド状のライトトンネルを有する、請求項１ないし４いずれかに記載の照明光学系。The illumination optical system according to any one of claims 1 to 4, wherein the illumination optical system has a rod-shaped light tunnel in front of the condenser lens.

第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、それぞれ異なるタイミングで発光される、請求項１ないし６いずれかに記載の照明光学系。7. The illumination optical system according to claim 1, wherein the first, second, and third semiconductor laser elements emit light at different timings.

前記照明光学系は、前記半導体レーザアレイ基板を冷却する冷却装置を含む、請求項１ないし７いずれかに記載の照明光学系。The illumination optical system according to claim 1, wherein the illumination optical system includes a cooling device that cools the semiconductor laser array substrate.

前記フライアイレンズと前記半導体レーザアレイ基板とがその間隔を保持した状態で相対的に移動される、請求項１ないし８いずれかに記載の照明光学系。The illumination optical system according to any one of claims 1 to 8, wherein the fly-eye lens and the semiconductor laser array substrate are relatively moved while maintaining the distance therebetween.

第１の半導体レーザ素子の発光量が、第２、第３の半導体レーザ素子の発光量よりも実質的に大きくなるように、第１、第２、第３の半導体レーザ素子が配列されている、請求項１ないし９いずれかに記載の照明光学系。The first, second, and third semiconductor laser elements are arranged such that the light emission amount of the first semiconductor laser element is substantially larger than the light emission amounts of the second and third semiconductor laser elements. An illumination optical system according to any one of claims 1 to 9.

請求項１ないし１０いずれかに記載の照明光学系と、
前記照明光学系からの光を変調する光変調手段と、
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を有するプロジェクタ。An illumination optical system according to any one of claims 1 to 10,
Light modulation means for modulating light from the illumination optical system,
A projector configured to project light modulated by the light modulator.

前記光変調手段は、ＤＭＤを含む、請求項１１に記載のプロジェクタ。The projector according to claim 11, wherein the light modulation unit includes a DMD.

前記光変調手段は、液晶デバイスを含む、請求項１１に記載のプロジェクタ。The projector according to claim 11, wherein the light modulation unit includes a liquid crystal device.