JP2007322852A

JP2007322852A - Projection display device

Info

Publication number: JP2007322852A
Application number: JP2006154278A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Mizoo; 嘉章溝尾
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a projection device which does not require a high-output lamp, efficiently converts ultraviolet light radiated from a light source into red parallel beams, thereby achieving improvement in the lives of the light source and peripheral equipment. <P>SOLUTION: The projection display device is provided with: a first dichroic mirror 3 arranged to be inclined to the parallel beams, obtained by making light from the light source 1 the parallel beams by the reflector 2, at the angle of 45 degrees clockwise; a second dichroic mirror 6 combined with the first dichroic mirror at the angle of 90 degrees and arranged to be inclined to the parallel beams from the reflector at the angle of 45 degrees counterclockwise; and a light wavelength conversion element 5 provided on the optical axis of reflected light reflected by the first dichroic mirror. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、光源と時分割又は空間分割する光変調素子とスクリーンを持つ投射表示装置に係り、特に大画面で高輝度な映像の表示を行うプロジェクター装置に好適に利用できるものである。 The present invention relates to a projection display device having a light source, a time-division or space-division light modulation element, and a screen, and can be suitably used particularly for a projector device that displays a high-luminance video on a large screen.

従来の投射表示装置を図１０に示す。図１０において、１０１は点光源あるいは概略点光源であり、１０２は光源からの光を反射し平行光に変換するためのリフレクター、１０３は液晶やデジタル・マイクロ・ミラーからなる映像信号を１０２から出射された光を映像に変換するための光変調素子、１０４は１０３からの映像をスクリーン１０５に投射するための投射光学系である。この投射表示装置の光源１０１は、水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等が用いられる。 A conventional projection display device is shown in FIG. In FIG. 10, 101 is a point light source or an approximate point light source, 102 is a reflector for reflecting the light from the light source and converting it into parallel light, and 103 emits a video signal from the liquid crystal or digital micro mirror from 102. An optical modulation element 104 for converting the emitted light into an image, and a projection optical system 104 for projecting the image from 103 onto the screen 105. As the light source 101 of the projection display device, a mercury lamp, an ultrahigh pressure mercury lamp, a xenon lamp, a metal halide lamp, or the like is used.

光源１０１に用いられる水銀ランプは、水銀の２５４ｎｍ、２９６ｎｍ、３０２ｎｍ、３１２ｎｍ、３６５ｎｍ、４０５ｎｍ、４３６ｎｍ、５４６ｎｍのスペクトルを用い、これらとランプ内部に封入した希土類の遷移光から白色光を作り出している。一般に画像表示に用いられる光は４００−８００ｎｍである。ところが、光源１０１からは画像表示に不用な４００ｎｍ以下の波長の光（紫外線）も放射されるため、投射表示装置内の有機物を経時劣化させ、また機器内部の温度を上昇させる。 The mercury lamp used in the light source 101 uses the spectrum of mercury at 254 nm, 296 nm, 302 nm, 312 nm, 365 nm, 405 nm, 436 nm, and 546 nm, and produces white light from these and the rare earth transition light sealed inside the lamp. Generally, the light used for image display is 400-800 nm. However, since light (ultraviolet light) having a wavelength of 400 nm or less which is unnecessary for image display is also emitted from the light source 101, the organic matter in the projection display device is deteriorated with time and the temperature inside the apparatus is raised.

このため、リフレクター１０２は、図１１に示すような反射特性を持つコールドミラーとして作られており、４００ｎｍより短波長の紫外線を反射させずに通過させ、光路外に導き熱に変換している。普通、水銀ランプでは、４００ｎｍ以下の紫外線のエネルギーは全放射エネルギーの４０ー５０％である。従って、従来例では、約半分の光エネルギーがコ−ルドミラー１０２の背面から熱エネルギーとして無駄に放出されていた。 For this reason, the reflector 102 is made as a cold mirror having reflection characteristics as shown in FIG. 11, and allows ultraviolet rays having a wavelength shorter than 400 nm to pass through without reflection, and guides it outside the optical path and converts it into heat. Normally, in a mercury lamp, the energy of ultraviolet rays of 400 nm or less is 40-50% of the total radiation energy. Therefore, in the conventional example, about half of the light energy is wasted as heat energy from the back surface of the cold mirror 102.

ＲＧＢ方式を例にとると、光変調素子１０３は、リフレクター１０２からの白色光を点線で示す青色（中心波長４５０ｎｍ）、１点鎖線で示す緑色（中心波長５４０ｎｍ）、実線で示す赤色（中心波長６００ｎｍ）の３色に分け、液晶やデジタル・マイクロ・ミラーによって画像情報を空間変調及び時間変調させる。そして凸突レンズと凹レンズが組み合わされた投射光学系１０４で、光束が拡大され、スクリーン１０５に画像が投影される。 Taking the RGB system as an example, the light modulation element 103 is configured such that the white light from the reflector 102 is blue (center wavelength 450 nm) indicated by a dotted line, green (center wavelength 540 nm) indicated by a one-dot chain line, and red (center wavelength) indicated by a solid line. The image information is spatially modulated and temporally modulated by a liquid crystal or a digital micro mirror. Then, the light beam is magnified by the projection optical system 104 in which the convex lens and the concave lens are combined, and an image is projected onto the screen 105.

上記のプロジェクター装置で投射されたスクリーン上の映像輝度は明るいことが求められるため、その光源の色温度は、８０００Ｋ以上が要求される。また、赤色、緑色及び青色の輝度は各々異なるため、一般に、光源からの光を時分割処理して不用な光や紫外線は除き、所望のＲＧＢの輝度が出せる光源が必要になる。このため、ランプの出力を大きくする必要が生じランプコストの高額化や、無駄な光エネルギーが増加するため、ランプや装置内部の部品寿命を低下する課題があった。 Since the image brightness on the screen projected by the projector device is required to be bright, the color temperature of the light source is required to be 8000K or higher. In addition, since the red, green, and blue luminances are different from each other, generally, a light source capable of producing desired RGB luminance is required except for unnecessary light and ultraviolet rays by time-sharing processing of light from the light source. For this reason, it is necessary to increase the output of the lamp, which increases the cost of the lamp and increases the useless light energy.

この課題を解決するため、図１０に示すような、紫外線や赤外線を白色可視光に変える波長変換素子１０６を光路中に設ける構成を示した技術がある。（例えば、特許文献１参照）この波長変換素子はガラスに希土類を混入したものから成っている。
特開２００１−２６４８８０号公報 In order to solve this problem, there is a technique showing a configuration in which a wavelength conversion element 106 for changing ultraviolet rays or infrared rays into white visible light is provided in an optical path as shown in FIG. (For example, refer to Patent Document 1) This wavelength conversion element is made of glass in which rare earth is mixed.
JP 2001-264880 A

しかしながら、前記従来の構成では、２点鎖線で示す入射した紫外線が波長変換素子１０６で可視光に変換される過程で全周方向に放射されるため、平行光として光変調素子１０３に入射される成分は極わずかであり、利用できる光量が少ない。さらに光路上に波長変換素子１０６を配置するため、波長変換素子１０６を透過する光は散乱により実効輝度が低下し、可視光エネルギーの増加が得られない。 However, in the conventional configuration, the incident ultraviolet light indicated by the two-dot chain line is radiated in the entire circumferential direction in the process of being converted into visible light by the wavelength conversion element 106, and thus enters the light modulation element 103 as parallel light. There are very few ingredients and the amount of light available is small. Further, since the wavelength conversion element 106 is disposed on the optical path, the effective luminance of the light transmitted through the wavelength conversion element 106 is reduced due to scattering, and an increase in visible light energy cannot be obtained.

さらに水銀ランプでは、上記赤、緑、青の三原色のうち赤色のエネルギーが最も小さく、混色した白色で高い輝度を得るためには赤色のエネルギー量できまるので、他の青色、緑色のエネルギーは時分割処理を行って除去する必要がある。このため高輝度の投射映像を得るためには、高出力のランプが必要となり、ランプの寿命が短く、およそ１０００時間程度でランプ交換を行わねばならない。 Furthermore, the mercury lamp has the smallest red energy among the three primary colors of red, green, and blue, and the amount of red energy can be obtained in order to obtain high brightness with a mixed white color. It is necessary to remove by performing division processing. For this reason, in order to obtain a high-intensity projection image, a high-power lamp is required, the life of the lamp is short, and the lamp must be replaced in about 1000 hours.

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、高出力ランプを必要とせず、光源から放出された紫外線を効率良く赤色平行光に変換し、光源及び周辺機器の寿命向上をはかることを目的とする。 The present invention solves the above-described conventional problems, and does not require a high-power lamp, and efficiently converts ultraviolet rays emitted from a light source into red parallel light, thereby improving the lifetime of the light source and peripheral devices. And

前記従来の課題を解決するために、本発明の投射表示装置は、画像投射用の光源と、前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、前記リフレクターからの平行光に対し時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第１のダイクロミラーと、前記第１のダイクロミラーと９０度の角度で組み合わされ、かつ前記リフレクターからの平行光に対し反時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第２のダイクロミラーと、前記第１のダイクロミラーにより反射された反射光の光軸上に設けられた光波長変換素子と、を備えたことを特徴としたものである。
さらに本発明の投射表示装置は、画像投射用の光源と、前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、前記リフレクターからの平行光に対し時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第１のダイクロミラーと、前記第１のダイクロミラーと９０度の角度で組み合わされ、かつ前記リフレクターからの平行光に対し反時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第２のダイクロミラーと、前記第１のダイクロミラーにより反射された反射光の光軸上に設けられた光波長変換素子と、前記光波長変換素子を略焦点位置に配置した焦点を持つ全反射ミラーと、を備えたことを特徴としたものである。 In order to solve the conventional problems, a projection display device of the present invention includes a light source for image projection, a reflector for converting the light beam emitted from the light source into parallel light by disposing the light source therein. The first dichroic mirror disposed at an angle of 45 degrees clockwise with respect to the parallel light from the reflector, and the first dichroic mirror combined with the first dichroic mirror at an angle of 90 degrees, and from the reflector A second dichroic mirror disposed at an angle of 45 degrees counterclockwise with respect to the parallel light, and an optical wavelength conversion element provided on the optical axis of the reflected light reflected by the first dichroic mirror It is characterized by having.
Furthermore, the projection display device of the present invention includes a light source for image projection, a reflector for arranging the light source inside to convert a light beam emitted from the light source into parallel light, and parallel light from the reflector. The first dichroic mirror disposed at an angle of 45 degrees clockwise and the first dichroic mirror is combined with the first dichroic mirror at an angle of 90 degrees, and 45 in the counterclockwise direction with respect to the parallel light from the reflector. A second dichroic mirror arranged at an angle of degrees, an optical wavelength conversion element provided on the optical axis of the reflected light reflected by the first dichroic mirror, and the optical wavelength conversion element And a total reflection mirror having a focal point disposed at the focal position.

本発明の投射表示装置によれば、光源から放射された光エネルギーのうち、これまで使用されていなかった紫外線光成分を赤色平行光に変換して表示に利用するため、エネルギーの利用効率を向上させることができ、これにより投写型表示装置にて表示される表示画像の輝度を向上させること同時に、装置温度を低下させ光源の長寿命化が可能となる。 According to the projection display device of the present invention, among the light energy radiated from the light source, the ultraviolet light component that has not been used so far is converted into red parallel light and used for display, so the energy use efficiency is improved. As a result, the brightness of the display image displayed on the projection display device can be improved, and at the same time, the device temperature can be lowered and the life of the light source can be extended.

以下に、本発明の投射表示装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the projection display device of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図１は、本発明の第１の実施例における投射表示装置の構成図を示す。本発明の投射表示装置は光源１と砲弾型の反射ミラーからなるリフレクター２、光路中に紫外線及び６００〜６５０ｎｍの光を反射する第１のダイクロミラー３、砲弾型あるいは半球状の全反射ミラー４、波長変換素子５、６００〜６５０ｎｍの光を反射する第２のダイクロミラー６、液晶からなる光変調素子１３、投射光学系１４、スクリーン１５からなる。 FIG. 1 shows a configuration diagram of a projection display apparatus in a first embodiment of the present invention. The projection display device of the present invention includes a light source 1 and a reflector 2 comprising a bullet-type reflection mirror, a first dichroic mirror 3 that reflects ultraviolet light and light of 600 to 650 nm in the optical path, a bullet-type or hemispherical total reflection mirror 4. , A wavelength conversion element 5, a second dichroic mirror 6 that reflects light of 600 to 650 nm, a light modulation element 13 made of liquid crystal, a projection optical system 14, and a screen 15.

光源１は高い輝度を要求されるため、高圧水銀ランプ、キセノンランプ、メタルハライドランプ等の高エネルギーの紫外線光を長波長の光に変換するランプが用いられる。また光源アーク長は、リフレクター２で平行光を得るため、できるだけ短い点光源に近いことが望ましく、光源アーク長としては１．５ｍｍより小さいことが望ましい。さらにより平行光にするためレンズアレイからなるインテグレータレンズやロッドインテグレータ等を光路中に設けても良い。 Since the light source 1 is required to have high luminance, a lamp that converts high-energy ultraviolet light into long-wavelength light such as a high-pressure mercury lamp, a xenon lamp, or a metal halide lamp is used. Further, the light source arc length is preferably as close as possible to a point light source in order to obtain parallel light by the reflector 2, and the light source arc length is preferably smaller than 1.5 mm. Further, an integrator lens or a rod integrator made of a lens array may be provided in the optical path to make the light more parallel.

図２に上記光源１の例として高圧紫外線ランプからの発光スペクトルを示す。４００〜８００ｎｍの画像表示に使われる可視光より低波長側に３１２ｎｍ、３６５ｎｍの紫外線のエネルギーが多くあることがわかる。 FIG. 2 shows an emission spectrum from a high-pressure ultraviolet lamp as an example of the light source 1. It can be seen that there is much energy of ultraviolet rays of 312 nm and 365 nm on the lower wavelength side than the visible light used for image display of 400 to 800 nm.

光源１から発せられた光は、リフレクター２によって平行光に変換され、光変調素子１３に入射する。リフレクター２の表面には、約３００〜８００ｎｍの光を９０％以上反射する反射膜を設ける。このリフレクター２の反射率特性を図３に示す。また、８００ｎｍ以上の光は光路中で熱に変わるためリフレクター２の背後から透過させることが望ましい。このような反射膜は誘電体多層膜やＡｌミラーや銀ミラーで作製できるが、Ａｌミラーや銀ミラーは赤外線も反射するため、誘電体多層膜ミラーで作製することが望ましい。この誘電体多層膜は、砲弾形状のガラス上に屈折率２．３１の１０〜１００ｎｍ厚の酸化ニオブ膜と屈折率１．９８の１０〜１００ｎｍ厚の酸化シリコン膜を交互に２０から６０層積層し、各々の界面の反射特性を合成することにより得られる。積層する層が２０層未満では、リップルが生じて波長立ち上がり特性が劣化し、積層する層が６１層を越えると膜応力が増大して基板のソリが生じるので、図３の反射率特性が得られない。なお、酸化ニオブの代わりに酸化チタンを用いても実現できるが、酸化チタンは青色領域に吸収を持つため酸化ニオブの方がより好ましい。 The light emitted from the light source 1 is converted into parallel light by the reflector 2 and enters the light modulation element 13. A reflective film that reflects 90% or more of light of about 300 to 800 nm is provided on the surface of the reflector 2. The reflectance characteristic of the reflector 2 is shown in FIG. Further, since light of 800 nm or more is changed into heat in the optical path, it is desirable to transmit it from behind the reflector 2. Such a reflective film can be made of a dielectric multilayer film, an Al mirror, or a silver mirror. However, since an Al mirror or a silver mirror also reflects infrared rays, it is desirable to make it with a dielectric multilayer film mirror. This dielectric multilayer film is formed by alternately stacking 20 to 60 layers of a niobium oxide film having a refractive index of 2.31 and a silicon oxide film having a refractive index of 1.98 and a thickness of 10 to 100 nm on a shell-shaped glass. And obtained by synthesizing the reflection characteristics of each interface. If the number of layers to be stacked is less than 20, ripples are generated and the wavelength rise characteristic is deteriorated. If the number of layers to be stacked exceeds 61 layers, the film stress is increased and the substrate is warped. I can't. Although this can be realized by using titanium oxide instead of niobium oxide, niobium oxide is more preferable because titanium oxide has absorption in a blue region.

第１のダイクロミラー３と第２のダイクロミラー６とは互いに９０度の角度で組み合わされており、リフレクター２から放射される平行光の光束内部に配置されている。第１のダイクロミラー３と第２のダイクロミラー６の傾きは、リフレクター２からの平行光に対して、各々時計方向に４５度、反時計方向に４５度の角度を持つように配置されている。 The first dichroic mirror 3 and the second dichroic mirror 6 are combined with each other at an angle of 90 degrees, and are arranged inside the luminous flux of parallel light emitted from the reflector 2. The inclinations of the first dichroic mirror 3 and the second dichroic mirror 6 are arranged to have an angle of 45 degrees clockwise and 45 degrees counterclockwise with respect to the parallel light from the reflector 2. .

第１のダイクロミラー３は、図４に示す反射率特性を持ち、図１の２点鎖線１９で示す４００ｎｍ以下の紫外線を反射し、４００−８００ｎｍの光は透過する光学多層膜からなる。この光学多層膜は、板ガラス上に屈折率２．３１で１０〜１００ｎｍ厚の酸化ニオブ膜と屈折率１．４８で１０〜１００ｎｍ厚の酸化シリコン膜を交互に２０から６０層積層し、各々の界面の反射特性を合成することにより得られる。（※臨界委条件を書く。）積層する層が２０層未満では、リップルが生じて波長立ち上がり特性が劣化し、所望の光学特性が得られず、積層する層が６１層を越えると膜応力が増大して基板にソリを生じるので、いずれも図４の反射率特性が得られない。なお、第１のダイクロミラー３の裏面に、反射防止膜を設けてもよい。光源からリフレクター２を通して反射されてきた平行光のうち、３００〜４００ｎｍの紫外線はダイクロミラー３で折り曲げられ、全反射ミラー４へ導かれる。 The first dichroic mirror 3 is formed of an optical multilayer film having the reflectance characteristics shown in FIG. 4, reflecting ultraviolet rays of 400 nm or less as indicated by a two-dot chain line 19 in FIG. 1 and transmitting light of 400 to 800 nm. This optical multilayer film is formed by alternately stacking 20 to 60 layers of a niobium oxide film having a refractive index of 2.31 and a thickness of 10 to 100 nm and a silicon oxide film having a refractive index of 1.48 and a thickness of 10 to 100 nm on a plate glass. It is obtained by synthesizing the reflection characteristics of the interface. (* Write critical conditions.) If the number of layers to be stacked is less than 20, the ripple will occur and the wavelength rise characteristics will be deteriorated, and the desired optical characteristics will not be obtained. Since it increases and warps the substrate, none of the reflectance characteristics shown in FIG. 4 can be obtained. An antireflection film may be provided on the back surface of the first dichroic mirror 3. Of the parallel light reflected from the light source through the reflector 2, 300 to 400 nm ultraviolet light is bent by the dichroic mirror 3 and guided to the total reflection mirror 4.

全反射ミラー４の形状は、砲弾型あるいは半球状をしており、ダイクロミラー３から来た概略平行の２点鎖線１９で示す３００〜４００ｎｍの紫外線を光波長変換素子５に集める。光波長変換素子５は、３００〜４００ｎｍの紫外線を６００〜６５０ｎｍの赤色光に変換するために用いられる。この光波長変換素子５は、図５に示すように砲弾型あるいは半球状の全反射ミラー４の焦点に配置されているため、光波長変換素子５から発光した６００〜６５０ｎｍの光を平行光として第２のダイクロミラー６に入射する。全反射ミラー４は、３００〜４００ｎｍの紫外線と６００〜６５０ｎｍの赤色光を反射すればよいので安価なＡｌミラーや銀ミラーで実現出来る。 The shape of the total reflection mirror 4 is bullet-shaped or hemispherical, and collects ultraviolet rays of 300 to 400 nm indicated by a substantially parallel two-dot chain line 19 coming from the dichroic mirror 3 in the light wavelength conversion element 5. The light wavelength conversion element 5 is used to convert 300 to 400 nm ultraviolet light into 600 to 650 nm red light. Since this optical wavelength conversion element 5 is arranged at the focal point of a bullet-shaped or hemispherical total reflection mirror 4 as shown in FIG. 5, the light of 600 to 650 nm emitted from the optical wavelength conversion element 5 is converted into parallel light. The light enters the second dichroic mirror 6. The total reflection mirror 4 can be realized by an inexpensive Al mirror or silver mirror, as long as it reflects ultraviolet light of 300 to 400 nm and red light of 600 to 650 nm.

図５に波長変換素子５の外観を示す。波長変換素子５は、ガラス又はセラミックス基板５１の表面に６５０〜８００ｎｍの光を反射する鏡５２を形成し、その鏡５２の表面にＳ_i窒化酸化物Ｓ_iＮ_4-xＯ_xに少なくともユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mの少なくとも一種を、０．５〜１０％望ましくは１−５％混ぜた膜５３をスパッタ法、蒸着法又は塗布法で形成して作成する。混合比率が、０．５％未満では、十分な赤色光量が得られなくなり、１０％以上では、光散乱が生じて所望の特性が得られない。なお、鏡５２は安価なＡｌミラーまたは銀ミラーが使用できる。 FIG. 5 shows the appearance of the wavelength conversion element 5. At least europium wavelength conversion element 5 forms a mirror 52 which reflects light 650~800nm the surface of the glass or ceramic substrate 51, the surface of the mirror 52 to the S _i oxynitride S _i N _{_4-x} O x at least one E _u or samarium S _m, 0.5 to 10% preferably sputtering 1-5% mixed film 53 is prepared by forming a vapor deposition method or a coating method. If the mixing ratio is less than 0.5%, a sufficient amount of red light cannot be obtained, and if it is 10% or more, light scattering occurs and desired characteristics cannot be obtained. The mirror 52 can be an inexpensive Al mirror or silver mirror.

Ｓ_i酸化窒化物は、Ｓ_i酸化物Ｓ_iＯ₂またはＳ_i窒化物Ｓ_iＮ_xでも良いが、アルミナＡｌ₂Ｏ₃、炭酸カルシウムＣ_aＣＯ₃を混入したα−Ｓ_iＡｌＯＮすなわち
α（Ｃ_a1-3/2xＲＥ_x）_m/2Ｓｉ_12-m-nＯ_nＮ_16-n が最も望ましい。
ここでＲＥはユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mの少なくとも一方である。また、ｍは０．５以上３以下、ｍ＝２ｎ、ｘは０．０１以上０．０５以下が、変換効率が良く、材料形成の上で望ましい。（※臨界条件を書く。）ｍが０．５未満あるいは３を越えると、光変換効率が下がるため、良好な光波長変換素子が出来ない。また、ｍ＝２ｎの関係が満たされなければ、ストイキオメトリーがずれるため求める結晶が出来ない。さらに、ｘが０．０１未満あるいは０．０５を越えると、潮解性のため、実用的なＳ_ｉ窒化物が出来ない。Ｃ_aサイトの一部をＥ_u又はサマリウムＳ_mに置き換えることで、紫外線エネルギーを高い変換効率で６００〜６５０ｎｍの赤色光に変換する特性を持つ。α−Ｓ_iＡｌＯＮはＳ_i3Ｎ₄、ＡｌＮ、ＣａＣＯ₃、ユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mの酸化物または炭酸化物の粉体を混合して高温窒素雰囲気中で焼成するか、Ｓ_i，Ａｌ、Ｃ_aＣＯ₃、Ｅ_uまたはＳ_mを酸素窒素雰囲気中でスパッタあるいは蒸着して得られる。 S _i oxides nitrides, S _i oxides S _i O ₂ or may be S _i nitride S _i N _x but, alumina Al ₂ O _3, calcium carbonate C _a CO ₃ was mixed with alpha-S _i AlON i.e. alpha _{_{(C a1-3 / 2x RE x)}} m / 2 Si 12-mn O n n 16-n is most desirable.
Where RE is at least one of europium E _u or samarium S _m. Further, m is 0.5 or more and 3 or less, m = 2n, and x is 0.01 or more and 0.05 or less, which is preferable in terms of material conversion because of good conversion efficiency. (* Write critical conditions.) If m is less than 0.5 or more than 3, the light conversion efficiency decreases, so a good light wavelength conversion element cannot be made. Further, if the relationship of m = 2n is not satisfied, the desired crystal cannot be obtained because the stoichiometry is shifted. Further, when x exceeds 0.01 less than or 0.05, for deliquescence, can not practical _{S i} nitrides. By replacing a portion of the C _a site E _u or samarium S _m, having the ability of converting the UV energy at high conversion efficiency red light 600 to 650 nm. alpha-S _i AlON is _{_{S i3 N 4, AlN, CaCO}} 3, a mixture of oxides or powders of carbonates europium E _u or samarium S _m or firing in a high temperature nitrogen atmosphere, S _i, Al, C _a CO ₃ , _Eu or S _m is obtained by sputtering or vapor deposition in an oxygen-nitrogen atmosphere.

以上の様に形成された膜５３に３００〜４００ｎｍの紫外線が照射されると、３００〜４００ｎｍの紫外線はＳ_i酸化窒化物に吸収され、ドーピングされたユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mによって６００〜６５０ｎｍの赤色蛍光として光波長変換素子５の全周方向に発光する。全周発光され光のうち砲弾型あるいは半球状の全反射ミラー４側に放射された赤色光は全反射ミラー４で平行光にされ、ミラー４と反対側に放射された赤色光はガラス基板の鏡５２で反射され、さらに全反射ミラー４で平行光として反射され、それぞれ第２のダイクロミラー６に入射する。 When ultraviolet 300~400nm is irradiated to the membrane 53 formed as described above, ultraviolet 300~400nm is absorbed in S _i oxynitride, 600 to 650 nm by doped europium E _u or samarium S _m The red light is emitted in the entire circumferential direction of the light wavelength conversion element 5. The red light emitted all around and emitted to the bullet-shaped or hemispherical total reflection mirror 4 side is made parallel light by the total reflection mirror 4, and the red light emitted to the opposite side of the mirror 4 is emitted from the glass substrate. The light is reflected by the mirror 52, further reflected as parallel light by the total reflection mirror 4, and is incident on the second dichroic mirror 6.

基板５１上に鏡５２を設けた例を述べたが、ユーロピウムＥ_u又はサマリウムＳ_mを１〜５％含むバルクのＳ_i酸化窒化物を作製し、砲弾型あるいは半球状の全反射ミラー４の焦点位置に配置しても良い。また、本発明の実施に鏡５２は必ずしも必要では無い。基板５１を６００〜６５０ｎｍの光を透過するガラス又はセラミック材料で構成すると、鏡５２を設けなくても良い。さらに、基板５１上に３００〜４００ｎｍの紫外線を反射し６００〜６５０ｎｍの光を透過する光学多層膜を形成する構造にしても良い。この構成の場合は、放射光の半分が直接第２のダイクロミラー６に入射する。 It described an example in which the mirror 52 on the substrate 51, but a europium E _u or samarium S _m to prepare a S _i oxynitride of bulk containing 1-5%, shell-type or hemispherical total reflection mirror 4 You may arrange | position to a focus position. Further, the mirror 52 is not always necessary for the implementation of the present invention. If the substrate 51 is made of glass or a ceramic material that transmits light of 600 to 650 nm, the mirror 52 may not be provided. Further, an optical multilayer film that reflects ultraviolet light of 300 to 400 nm and transmits light of 600 to 650 nm may be formed on the substrate 51. In the case of this configuration, half of the emitted light is directly incident on the second dichroic mirror 6.

第２のダイクロミラー６は、図６に示す６００〜６５０ｎｍの光のみ反射する特性を持ち、赤色平行光のみ光路に戻す。この光学多層膜からなるダイクロミラー６は、板ガラス上に例えば屈折率２．３１の１０〜１００ｎｍ厚の酸化ニオブ膜と屈折率１．４８の１０〜１００ｎｍ厚の酸化シリコン膜を交互の約２０から１００層積層することによりその界面の反射特性を用いて得られる。積層する層が２０層未満では、リップルが生じて波長立ち上がり特性が劣化し、積層する層が１０１層を越えると膜応力が増大して基板のソリが生じ、所望の反射率特性が得られない。光源１から来た６００〜６５０ｎｍ赤色光はここで折り曲げられるが、紫外線エネルギーを利用して得られる光波長変換素子５から発せられる赤色光のエネルギーの方が大きいため全赤色エネルギーは増大する。 The second dichroic mirror 6 has a characteristic of reflecting only light of 600 to 650 nm shown in FIG. 6, and returns only red parallel light to the optical path. The dichroic mirror 6 made of this optical multilayer film has, for example, an about 20-thick niobium oxide film having a refractive index of 2.31 and a silicon oxide film having a refractive index of 1.48 of about 10 to 100 nm alternately formed on the plate glass. By laminating 100 layers, the reflection characteristics of the interface can be used. If the number of layers to be stacked is less than 20, ripples are generated and the wavelength rise characteristic is deteriorated. If the number of layers to be stacked exceeds 101 layers, the film stress increases to cause warping of the substrate, and the desired reflectance characteristics cannot be obtained. . The 600 to 650 nm red light coming from the light source 1 is bent here, but the total red energy increases because the energy of the red light emitted from the light wavelength conversion element 5 obtained using the ultraviolet energy is larger.

本発明の効果を示すために、図７に光変調装置１３に入る前の光束の分光分布特性を示す。本発明での分光分布特性を図７下図に黒実線で示し、従来例の光学系の分光特性は、図７の上図に点線で示す。図7で明らかなように、本発明を実施することで、５８０〜６１０ｎｍ、６３０〜６４０ｎｍのエネルギーはやや低下するが、６１０〜６３０ｎｍで大幅にエネルギーが増加し、従来１０％程度であった赤色のエネルギーが１４％に増加している。このため、従来は達成が難しかった赤色の鮮明度が向上する効果が生じる。 In order to show the effect of the present invention, FIG. 7 shows the spectral distribution characteristics of the light flux before entering the light modulator 13. The spectral distribution characteristics in the present invention are indicated by black solid lines in the lower diagram of FIG. 7, and the spectral characteristics of the optical system of the conventional example are indicated by dotted lines in the upper diagram of FIG. As is apparent from FIG. 7, the energy of 580 to 610 nm and 630 to 640 nm is slightly reduced by implementing the present invention, but the energy is greatly increased at 610 to 630 nm, which is about 10% in the past. Has increased to 14%. For this reason, the effect of improving the sharpness of red, which has been difficult to achieve conventionally.

第２のダイクロミラー６で折り曲げられた光は、光変調装置１３へ投射される。光変調装置１３が液晶方式の場合を図１に示す。図８に示す特性を持つダイクロミラー７により、実線で示す５９０〜８００ｎｍｎｍの赤色は分離され、フィールドミラー８でさらに折り曲げられ赤色の画像マトリクスを持つ液晶を通りプリズムを通して投射光学系１４へ入射される。図８に示す特性を持つダイクロミラー９において一点鎖線で示す５００〜５９０ｎｍの緑色は分離、折り曲げられ緑色の画像マトリクスを持つ液晶を通りプリズムを通して投射光学系１４へ入射される。残った点線で示す４００〜５００ｎｍの青色はフィールドミラー１０、１１でさらに折り曲げられ青色の画像マトリクスを持つ液晶を通りプリズムを通して投射光学系１４へ入射される。フィールドミラー１０を図８の特性を持つダイクロミラーで形成しても良い。それぞれの光路の途中にトリミングフィルタで色成型しても良い、赤外線フィルタ、紫外線反射フィルタを設けて光変調素子１３の温度上昇を防いでも良い。 The light bent by the second dichroic mirror 6 is projected to the light modulation device 13. FIG. 1 shows a case where the light modulation device 13 is a liquid crystal type. The dichroic mirror 7 having the characteristics shown in FIG. 8 separates the red color of 590 to 800 nm shown by the solid line, is further bent by the field mirror 8, passes through the liquid crystal having the red image matrix, and enters the projection optical system 14 through the prism. . In the dichroic mirror 9 having the characteristics shown in FIG. 8, the green color of 500 to 590 nm indicated by the alternate long and short dash line is separated and bent, passes through a liquid crystal having a green image matrix, and enters the projection optical system 14 through the prism. The remaining blue of 400 to 500 nm indicated by the dotted line is further bent by the field mirrors 10 and 11, passes through the liquid crystal having a blue image matrix, and enters the projection optical system 14 through the prism. The field mirror 10 may be formed of a dichroic mirror having the characteristics shown in FIG. Color trimming with a trimming filter may be performed in the middle of each optical path, and an infrared filter or ultraviolet reflection filter may be provided to prevent the temperature of the light modulation element 13 from rising.

以上のように、本発明により、同じランプを用いても輝度を１４０％向上することができる。さらに紫外線の戻り光が減ることや、無駄に捨てられる光が減少することで、機器内部の温度上昇を低減でき、さらにランプ寿命を１．８倍に延ばすことが出来る。 As described above, according to the present invention, the luminance can be improved by 140% even when the same lamp is used. Furthermore, since the return light of ultraviolet rays is reduced and the light that is wasted is reduced, the temperature rise inside the device can be reduced, and the lamp life can be extended by 1.8 times.

本実施例１では、光学変調装置１３を液晶装置方式を例に取り説明したが、カラーホイルとデジタル・マイクロ・ミラーを用いて画像変調するミラーデバイス方式に適用できることは言うまでもない。 In the first embodiment, the optical modulation device 13 is described by taking a liquid crystal device method as an example, but it is needless to say that the optical modulation device 13 can be applied to a mirror device method that modulates an image using a color foil and a digital micro mirror.

図９は、本発明の第２の実施例における投射表示装置の構成図を示す。実施例１との相違は、実施例１の構成要素であった砲弾型あるいは半球状の全反射ミラー４、光波長変換素子５を平板の全反射ミラー９２、光波長変換素子９３に交換した以外は実施例１と同じ構成である。 FIG. 9 shows a block diagram of a projection display apparatus in the second embodiment of the present invention. The difference from the first embodiment is that the bullet-shaped or hemispherical total reflection mirror 4 and the light wavelength conversion element 5 which are the constituent elements of the first embodiment are replaced with a flat total reflection mirror 92 and a light wavelength conversion element 93. The configuration is the same as that of the first embodiment.

図４の特性を持つダイクロミラー３から来た概略平行の２点鎖線１９で示す３００〜４００ｎｍの紫外線は、基板９１上に６５０〜８００ｎｍの光を反射する鏡９２を形成した上に形成された光波長変換素子９３で赤色に変換される。この光波長変換素子９３の材料や作成方法は、実施例１と同様である。なお、必要に応じてインテグレータレンズ９４を設けても良い。基板９１の背面に６５０〜８００ｎｍの光を反射する鏡、前面に光波長変換素子を設けても良い。この構成では、光波長変換素子を高温で作製する事による基板の変形や光波長変換素子の表面の粗さの影響が緩和される。またバルクの光波長変換素子の背面に６５０〜８００ｎｍの光を反射する鏡を設ける構造でも良い。この構成では光波長変換素子を高温で作製する事による基板の変形による歩留まりの低下を低減でき、安価に機器を構成できる。 The ultraviolet rays of 300 to 400 nm shown by the substantially parallel two-dot chain line 19 coming from the dichroic mirror 3 having the characteristics shown in FIG. 4 are formed on the substrate 91 after forming the mirror 92 that reflects light of 650 to 800 nm. It is converted into red by the light wavelength conversion element 93. The material and manufacturing method of the light wavelength conversion element 93 are the same as those in the first embodiment. An integrator lens 94 may be provided as necessary. You may provide the mirror which reflects 650-800 nm light in the back surface of the board | substrate 91, and a light wavelength conversion element in the front surface. In this configuration, the influence of the deformation of the substrate and the roughness of the surface of the light wavelength conversion element due to the production of the light wavelength conversion element at a high temperature is alleviated. Moreover, the structure which provides the mirror which reflects the light of 650-800 nm in the back surface of a bulk light wavelength conversion element may be sufficient. With this configuration, it is possible to reduce a decrease in yield due to deformation of the substrate due to the production of the optical wavelength conversion element at a high temperature, and it is possible to configure the device at a low cost.

実施例２の構成にすることにより、大面積で光波長変換でき、光量が増加すると同時に、光波長変換素子の発熱が抑制され、光変換効率の低下が抑制される。またα−Ｓ_iＡｌＯＮは焼成に高温を要すため平面上に構成することにより製造効率が良く、安価に構成できる。 By adopting the configuration of the second embodiment, the light wavelength can be converted in a large area, and the amount of light is increased. At the same time, the heat generation of the light wavelength conversion element is suppressed, and the decrease in light conversion efficiency is suppressed. Further, α-S _i AlON requires a high temperature for firing, and therefore it can be constructed at a low cost by forming it on a flat surface so that the production efficiency is good.

本発明を用いることにより同じ輝度の紫外線ランプを用いても、６００〜６５０ｎｍの赤色のエネルギーを増加させることができ、より明るい画面を得ることができる。また同輝度を得るためには、より低出力の超高圧水銀ランプを使用できるので、ランプ寿命を延ばす効果が得られる。 By using the present invention, even when an ultraviolet lamp having the same luminance is used, the red energy of 600 to 650 nm can be increased, and a brighter screen can be obtained. In order to obtain the same brightness, a super-high pressure mercury lamp with a lower output can be used, so that the effect of extending the lamp life can be obtained.

本発明にかかる光波長変換素子を用いた投射表示装置は、光源から発生した紫外線を赤色光の平行光にする機能を有し、投射表示装置の輝度向上、ランプの寿命向上有用である。 The projection display device using the light wavelength conversion element according to the present invention has a function of converting ultraviolet rays generated from a light source into parallel light of red light, and is useful for improving the luminance of the projection display device and improving the lamp life.

本発明の実施例１における投射表示装置の構成図Configuration diagram of a projection display device in Embodiment 1 of the present invention 本発明の実施例１における超高圧水銀ランプ１の分光分布特性を示す図The figure which shows the spectral distribution characteristic of the ultrahigh pressure mercury lamp 1 in Example 1 of this invention 本発明の実施例１におけるリフレクター２の反射率特性を示す図The figure which shows the reflectance characteristic of the reflector 2 in Example 1 of this invention 本発明の実施例１における第１のダイクロミラー３の反射率特性を示す図The figure which shows the reflectance characteristic of the 1st dichroic mirror 3 in Example 1 of this invention. 本発明の実施例１におけるリフレクター４と光波長変換素子５の構成図Configuration diagram of reflector 4 and optical wavelength conversion element 5 in Example 1 of the present invention 本発明の実施例１における第２のダイクロミラー６の反射率特性を示す図The figure which shows the reflectance characteristic of the 2nd dichroic mirror 6 in Example 1 of this invention. 本発明の実施例１と従来例における光エネルギーの分光分布特性の比較図Comparison diagram of spectral distribution characteristics of light energy in Example 1 of the present invention and conventional example 本発明の実施例１における光変調素子１３の波長特性を示す図The figure which shows the wavelength characteristic of the light modulation element 13 in Example 1 of this invention. 本発明の実施例２における投射表示装置の構成図Configuration diagram of a projection display device in Embodiment 2 of the present invention 従来例における投射表示装置の構成図Configuration diagram of a projection display device in a conventional example 従来例におけるリフレクター１０２の反射率特性を示す図The figure which shows the reflectance characteristic of the reflector 102 in a prior art example

符号の説明Explanation of symbols

１、１０１光源
２、１０２砲弾型のリフレクター
３第１のダイクロミラー
４砲弾型あるいは半球状の全反射ミラー
５光波長変換素子
６第２のダイクロミラー
７赤ダイクロミラー
８フィールドミラー
９緑ダイクロミラー
１０青ダイクロミラー
１１フィールドミラー
１３、１０３光変調素子
１４、１０４投射光学系
１５、１０５スクリーン
１６赤色光
１７緑色光
１８青色光
１９紫外線
５１、９３波長変換膜
５２、９２鏡
５３、９１基板
１０６波長変換素子 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,101 Light source 2,102 Cannonball type reflector 3 First dichroic mirror 4 Cannonball type or hemispherical total reflection mirror 5 Light wavelength conversion element 6 Second dichroic mirror 7 Red dichroic mirror 8 Field mirror 9 Green dichroic mirror 10 Blue dichroic mirror 11 Field mirror 13, 103 Light modulation element 14, 104 Projection optical system 15, 105 Screen 16 Red light 17 Green light 18 Blue light 19 Ultraviolet light 51, 93 Wavelength conversion film 52, 92 Mirror 53, 91 Substrate 106 Wavelength conversion element

Claims

画像投射用の光源と、
前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、
前記リフレクターからの平行光に対し時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第１のダイクロミラーと、
前記第１のダイクロミラーと９０度の角度で組み合わされ、かつ前記リフレクターからの平行光に対し反時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第２のダイクロミラーと、
前記第１のダイクロミラーにより反射された反射光の光軸上に設けられた光波長変換素子と、を備えた投射表示装置。 A light source for image projection;
A reflector for converting the light beam emitted from the light source into parallel light by disposing the light source therein;
A first dichroic mirror disposed at an angle of 45 degrees clockwise with respect to the parallel light from the reflector;
A second dichroic mirror that is combined with the first dichroic mirror at an angle of 90 degrees and is inclined at an angle of 45 degrees counterclockwise with respect to the parallel light from the reflector;
And a light wavelength conversion element provided on the optical axis of the reflected light reflected by the first dichroic mirror.

画像投射用の光源と、
前記光源を内部に配置して前記光源から放射された光束を平行光に変換するためのリフレクターと、
前記リフレクターからの平行光に対し時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第１のダイクロミラーと、
前記第１のダイクロミラーと９０度の角度で組み合わされ、かつ前記リフレクターからの平行光に対し反時計方向に４５度の角度で傾斜して配置された第２のダイクロミラーと、
前記第１のダイクロミラーにより反射された反射光の光軸上に設けられた光波長変換素子と、
前記光波長変換素子を略焦点位置に配置した焦点を持つ全反射ミラーと、を備えた投射表示装置。 A light source for image projection;
A reflector for converting the light beam emitted from the light source into parallel light by disposing the light source therein;
A first dichroic mirror disposed at an angle of 45 degrees clockwise with respect to the parallel light from the reflector;
A second dichroic mirror that is combined with the first dichroic mirror at an angle of 90 degrees and is inclined at an angle of 45 degrees counterclockwise with respect to the parallel light from the reflector;
An optical wavelength conversion element provided on the optical axis of the reflected light reflected by the first dichroic mirror;
A projection display device comprising: a total reflection mirror having a focal point in which the light wavelength conversion element is disposed at a substantially focal position.

前記光源が水銀ランプである請求項１及び２に記載の投射表示装置。 The projection display device according to claim 1, wherein the light source is a mercury lamp.

前記第１のダイクロミラーは、４００ｎｍ以下の波長の光を反射する光学特性を持ち、前記第２のダイクロミラーは、６００〜６５０ｎｍの波長の赤色光を反射する光学特性を持つ請求項１及び２に記載の投射表示装置。 The first dichroic mirror has an optical characteristic of reflecting light having a wavelength of 400 nm or less, and the second dichroic mirror has an optical characteristic of reflecting red light having a wavelength of 600 to 650 nm. The projection display device described in 1.

前記リフレクターは、３００〜８００ｎｍの波長の光を反射し、８００ｎｍ以上の波長の光を透過する光学特性を持つ請求項１及び２に記載の投射表示装置。 The projection display device according to claim 1, wherein the reflector has an optical characteristic of reflecting light having a wavelength of 300 to 800 nm and transmitting light having a wavelength of 800 nm or more.

前記光波長変換素子は、ガラスまたはセラミック基材上にＡｌまたは銀を用いた鏡層を形成し、その鏡層の表面にＳ_i酸化窒化物に中にユーロピウムＥ_uまたはサマリウムＳ_mの少なくとも一種を含有させ、紫外線を６００〜６５０ｎｍの赤色光に変換する機能を持つ光波長変換膜を形成してなる請求項１及び２に記載の投射表示装置。 The optical wavelength converting element, at least one europium E _u or samarium S _m in the glass or mirror layer is formed using Al or silver on a ceramic substrate, S _i oxynitride on the surface of the mirror layer The projection display device according to claim 1, wherein a light wavelength conversion film having a function of converting ultraviolet light into 600 to 650 nm red light is formed.

前記光波長変換膜は、Ｓ_i酸化窒化物に中にユーロピウムＥ_uまたはサマリウムＳ_mの少なくとも一種を１〜５％含むことを特徴とする請求項６記載の投射表示装置。 The optical wavelength conversion film, a projection display device according to claim 6, wherein at least include one 1-5% europium E _u or samarium S _m in the S _i oxynitride.

前記波長変換膜の組成が、
α（Ｃａ_1-3/2xＲＥ_x）_m/2Ｓｉ_12-m-nＯ_nＮ_16-n である請求項７記載の投射表示装置。
ここでＲＥはユーロピウムＥ_uまたはサマリウムＳ_mであり、かつ
０．０１＜ｘ＜０．０５
０．５＜ｍ＜３
である。 The composition of the wavelength conversion film is
_{_{α (Ca 1-3 / 2x RE x}} ) m / 2 Si 12-mn O n N projection display apparatus according to claim 7 wherein the _16-n.
Where RE is europium E _u or samarium S _m, and 0.01 <x <0.05
0.5 <m <3
It is.

前記全反射ミラーは、４００ｎｍ以下の紫外線及び６００〜６５０ｎｍの波長の赤色光を反射する反射率特性を持つ請求項２記載の投射表示装置。 The projection display device according to claim 2, wherein the total reflection mirror has a reflectance characteristic that reflects ultraviolet light having a wavelength of 400 nm or less and red light having a wavelength of 600 to 650 nm.