JP2011191466A - 照明装置および投写型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光ダイオードや半導体レーザーなどの発光素子を利用した光源を備えた投写型表示装置において、照射スポットの集中に伴う温度上昇および発光出力の低下を抑制し、併せてスポークタイムを短縮し、表示画像の品質低下を防止する。これにより、消費電力が小さく、高輝度かつ高品質の投射型画像表示装置を実現する。
【解決手段】本発明の照明装置２は、光源３、４および５と、光源３、４および５により励起されて発光する蛍光体層Ｒ、Ｇと、光源および蛍光体層から発する光の光学経路を定める光学系とを備え、蛍光体層Ｒ、Ｇを回転制御可能で平行平面円形の透明基材１０ａ上に形成するとともに、透明基材１０ａの光源側の表面において、透明基材１０ａの中心と外周部とを結ぶ放射線方向に光源から発する光の照射スポットＳを配置することを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、投写型画像表示装置に関し、特に光源として発光素子を備えた照明装置における光源光の照射技術に関するものである。

近年、パーソナルコンピュータ、ビデオ装置およびデジタルカメラ等の普及に伴い、動画および静止画像を表示するための一つの方法として、投写型画像表示装置（以下、プロジェクタとも記す）を使用する事例が多くなっている。

プロジェクタの表示方法としては、光源から出力された光を所定の場所に集光させ、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）や液晶素子などの光変調素子を用いてスクリーン上にカラー画像を表示する方法が一般的である。

プロジェクタでは、大きな画面に高輝度の画像を表示するためには、高輝度の光源が必要であり、従来、光源として高輝度の放電ランプが主流であったが、近年、装置における消費電力の低減、光源の長寿命化、および小型化を実現する観点から、発光ダイオードまたは半導体レーザーを使用し、輝度を高めるために蛍光体層を備えるカラーホイールに対して光源を複数配置する事例が開示されている（例えば、特許文献１、２参照）。これらの事例では、複数の光源の光軸が交わる点の近傍にカラーホイールの入射面を設定し、光源からカラーホイールに入射する光を集中させている。この方法は、その後の光学系における光の損失を低減する効果を発揮することができる。

特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報

しかしながら、上記の従来技術は、カラーホイールに対する光源から発する光の照射スポットが一点に集中するため、光密度が高くなり、照射スポットの温度が上昇して蛍光体の発光効率が低下する。照射スポットの温度上昇を抑制するためには照射スポットの直径を大きくする必要があり、直径を大きくした場合には、セットの大型化、コストアップを意味する。また一方で小型のままで高速回転で冷却条件を改善しようとした場合は、スポークタイム（カラーホイールにおける色切り替えに要する時間）の比率が高くなって、表示画像の品質低下の原因となる。

本発明は特に後者の課題を解決するものであり、発光素子を使用した高輝度の投写型画像表示装置において、照射スポットの集中に伴う温度上昇および蛍光体の発光効率低下に伴う光出力の低下を抑制し、併せてスポークタイムを短縮し、表示画像の品質低下を防止する。これにより、消費電力が小さく、高輝度かつ高品質の照明装置および投射型画像表示装置を実現することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明の照明装置は、光源と、光源により励起されて発光する蛍光体層と、光源および蛍光体層から発する光の光学経路を定める光学手段とを備え、蛍光体層を回転制御可能で平行平面円形の透明基材上に形成するとともに、透明基材の光源側の表面において、透明基材の中心と外周部とを結ぶ放射線方向に光源から発する光の照射スポットを配置することを特徴とする。

このような構成により、照射スポットを透明基材の光源側の表面において、透明基材の中心と外周部とを結ぶ放射線方向に配置することが可能となり、透明基材の回転時に照射スポットの位置に係わりなく照射のタイミングを揃えることができる。したがって、光源から発する光を透明基材に対し放射線方向の広範な領域に照射した場合であっても、透明基材の回転時に照射のタイミングを揃えることができる。これにより、照射スポットを分散し蛍光体層の温度上昇および発光出力の低下を抑制するとともに、スポークタイムを短縮して表示画像の品質低下を防止し、消費電力が小さく高輝度かつ高品質の照明装置を実現することができる。

また、本発明の照明装置は、照射スポットは、透明基材の放射線方向の長さがこれと直交する方向の長さより長い。このような構成により、透明基材の放射線方向に長く、円周方向に短い照射領域を使用することができ、照射スポットを放射線方向に分散して蛍光体層の温度上昇および発光出力の低下を抑制するとともに、スポークタイムを効果的に短縮して表示画像の品質低下を防止ることができる。

また、本発明の照明装置は、照射スポットを放射線方向に複数配列する。このような構成により、同一色に対して複数の光源を使用し、複数の照射スポットを放射線方向に配列することにより、照射領域を分散し、照射スポットの温度上昇および発光出力の低下を抑制するとともに、スポークタイムを効果的に短縮して表示画像の品質低下を防止ることができる。

また、本発明の照明装置は、光学手段はロッドインテグレータを備え、照射スポットが配置された放射線方向がロッドインテグレータの入射開口部の対角方向と一致する。このような構成により、配列された照射スポットの長手方向の長さをロッドインテグレータの入射開口部の対角線の長さと整合させ、照射スポットから発する光を効率的にロッドインテグレータの入射開口部に入射させることができる。これにより、照射スポットを配列した場合に光源の利用効率の高い光学経路を構成することができる。

また、本発明の照明装置は、光学手段はフライアイインテグレータを備え、照射スポットが配置された放射線方向が、フライアイインテグレータの光源側レンズアレイにおける各レンズ開口部の対角方向と一致する。このような構成により、配列された照射スポットの長手方向の長さをフライアイインテグレータの発光部出射側アレイにおける各レンズ開口部の対角線の長さと整合させ、照射スポットから発する光を効率的にフライアイインテグレータの開口部に入射させることができる。これにより、フライアイインテグレータを使用する場合に、光源の利用効率の高い光学経路を構成することができる。

また、本発明の投写型表示装置は、少なくとも上記に記載の照明装置と、照明装置から発する光の光学経路を定める光学手段と、光学経路上に配置された光変調手段と、光変調手段によって変調された画像を拡大投写する投写手段とを備える。このような構成により、照射スポットを分散し蛍光体層の温度上昇および発光出力の低下を抑制するとともに、スポークタイムを短縮して表示画像の品質低下を防止し、消費電力が小さく高輝度かつ高品質の照明装置を実現することができる。

本発明によれば、発光素子を使用した投写型画像表示装置において、照射スポットを分散し蛍光体層の温度上昇および発光出力の低下を抑制するとともに、スポークタイムを短縮して表示画像の品質低下を防止することが可能であり、エネルギー使用効率が高く、表示品質に優れた照明装置および投写型表示装置を実現することができる。

本発明の実施の形態１の投写型画像表示装置における光学装置の主要構成図である。 同光学装置における照明装置の構成を示す正面図および側面図である。 同照明装置の構成を示す正面図および側面図である。 同照明装置の構成の応用例を示す正面図および側面図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１における投写型画像表示装置（以下、本装置と略記する）は、光学装置１を備え、光学装置１は、照明装置２と、照明装置２から発する光の光学経路を定める光学手段としての光伝送部２０、光伝送部２０の光学経路上に配置された投写レンズ２６を備えている。本装置は、投写レンズ２６を介してカラー画像をスクリーン（図示せず）上に投写することができる。

以下、光学装置１の主要な構成について、図１を用いて説明する。図１ は、光学装置１の主要構成図である。図１に示すように、光学装置１は照明装置２、光伝送部２０および投写レンズ２６を備えており、照明装置２は、３個の青色レーザー３、４および５を備えている。また、光伝送部２０は、ロッドインテグレータ２１、リレーレンズ２２、折り返しミラー２４、曲面ミラー２５を備えている。さらに、光変調手段としての画像表示素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）２３および投写レンズ２６を備える。

本装置は、光源として３個の青色レーザーを使用し、２種類の蛍光体を励起させて３色の発光（蛍光）を行う。２種類の蛍光体は励起型の発光素子であり、青色レーザーを照射すると励起されて、一方は赤色光、他方は緑色光を発する（以下、赤色光を発する蛍光体を赤蛍光体、緑色光を発する蛍光体を緑蛍光体と略記する）。また、青色レーザーを３個使用することにより照射スポットを３箇所とし、これを合成して必要な輝度を確保する。

照明装置２において、青色レーザー光源（以下、光源と略記する）３、４、５から発せられた光は、コンデンサレンズ（図示せず）によって極めて細い平行光となり、青透過ダイクロイックミラー６およびコンデンサレンズ１１を透過した後、カラーホイール１０に至る。カラーホイール１０は赤蛍光体および緑蛍光体が塗布された領域と透明な領域を備えている。この構成により、光源３、４および５から発する光を蛍光体領域および透明領域に照射することにより、赤色光、緑色光および青色光を出射することができる。なお、コンデンサレンズ１１は、カラーホイール１０に塗布された蛍光体面を焦点位置とするレンズであり、コンデンサレンズ１１を通過した光は略平行光となってカラーホイール１０に入射する。カラーホイール１０については、後述する。

カラーホイール１０から発した３色の光は、カラーホイール１０により反射される光を含め、コンデンサレンズ１２、青透過ダイクロイックミラー６、全反射ミラー７および８、並びに青反射ダイクロイックミラー９により構成される光学経路を経由して集光レンズ１３に入射し、集光レンズ１３によりロッドインテグレータ２１の入射面２１ａに集光される。

光伝送部２０では、集光レンズ１３から出射した光をロッドインテグレータ２１の入射面２１ａで受光する。ロッドインテグレータ２１はガラスの四角柱であり、入射光は四角柱の内面で全反射を送り返して出射面２１ｂから出射される。ロッドインテグレータ２１の出射面２１ｂからの赤、緑、青の３色の出射光は、リレーレンズ２２、折り返しミラー２４、曲面ミラー２５を経由して照明装置２から発した光をＤＭＤ２３に伝送する。

ＤＭＤ２３は、微小ミラーが２次元的に配置され、各ミラーは入力信号に応じて傾きを変化させることができる。白表示する画素に配置されたミラーは入射角が小さくなる方向に傾斜し、ミラーに入射した光は投写レンズ２６を経由してスクリーン（図示せず）に至る。一方、ＤＭＤ２３の黒表示する画素に配置されたミラーは入射角が大きくなる方向に傾斜し、ミラーに入射した光は投写レンズ２６の外部に導かれてスクリーン上で黒表示となる。このとき、ロッドインテグレータ２１の出射面２１ｂの形状がＤＭＤ２３上に転写され、効率よく均一に集光することができる。また、ＤＭＤ２３を駆動回路（図示せず）により、例えば、赤、緑、青の映像信号にあわせてミラーを高速駆動し、光源および蛍光体層から３色の発光を行うことにより、投写レンズ２６からスクリーン上にカラー画像を表示することができる。

次に、本装置のカラーホイール１０における照射スポットの配列に係わる特徴について、図２〜図４に示す事例を用いて詳細に説明する。図２および図３は、照明装置２の一部の構成を詳細に示す正面図および側面図である。また、図４は、カラーホイール１０における照射スポットの配列に係わる応用例を示す説明図である。

図２（ａ）は、本装置における照明装置２およびロッドインテグレータ２１を示す正面図、図２（ｂ）は、カラーホイール１０の側面図、図２（ｃ）および図２（ｄ）は、カラーホイール１０の詳細な構成を示す正面図および側面図をそれぞれ示す。

カラーホイール１０は、図２（ｃ）に示すように、透明基材１０ａ、蛍光体層１０ｂおよび取付け部１０ｃを備え、取付け部１０ｃがモーターの回転軸等の駆動制御手段（図示せず）に固定され、所定の位置に回転制御可能に配設されている。透明基材１０ａは平行平面円形ガラスであり、円形ガラスの両面が平行な平面になっており、青透過ダイクロイックミラーコート（図示せず）が施されている。また、図２（ｂ）に示すように、透明基材１０ａ上には、蛍光体層１０ｂとして赤蛍光体Ｒおよび緑蛍光体Ｇが塗布されている。赤蛍光体Ｒおよび緑蛍光体Ｇの塗布領域は透明基材上の一部であるほか、蛍光体が塗布されない領域は光拡散機能を有する光透過部Ｔであり、赤蛍光体領域Ｒ、緑蛍光体領域Ｇおよび光透過領域Ｔは円板上で分割されている。

カラーホイール１０における光源光の照射スポットについては、図２（ｃ）および図２（ｄ）に示すように、カラーホイール１０に対して光源３、４、５から発した光３_L、４_L、５_Lが照射される光源側の表面（以下、照射面と略記する）Ｆにおいて、光３_L、４_L、５_Lの照射スポット３_s、４_s、５_s（以下、総称して照射スポットＳと略記する）は、透明基材１０ａの中心Ｃと円周部Ｅとを結ぶＲ方向（以下、放射線Ｒ方向と略記する）に配置する。図２（ｄ）では、照射スポットＳは、略楕円形状の照射スポット３_s、４_s、５_sが放射線Ｒ₁方向に隣接して一列に配列されており、照射スポットＳの形状は、放射線Ｒ１方向の長さＭがこれと直交する方向（円周方向）の長さＮより大きい。この配列では、照射面Ｆの中心に最も近い照射スポット３_sの両側面と接する放射線により形成される扇形領域角（以下、切り替え角と略記する）θにより、スポークタイム（色切替に要する時間）が決定される。本装置では、照射スポット３_s、４_s、５_sを略楕円形状として一列に放射線Ｒ₁方向に長く配設することにより、必要な照射領域を確保するとともに、切り替え角θを小さくし、スポークタイムを小さくする。

次に、照射スポットＳとロッドインテグレータ２１との関係について、図３に示す事例を用いて説明する。図３（ａ）は、本装置における照明装置２およびロッドインテグレータ２１を示す正面図、図３（ｂ）は、カラーホイール１０の側面図、図３（ｃ）および図３（ｆ）は、ロッドインテグレータ２１の側面図、図３（ｄ）および図３（ｅ）は、カラーホイール１０とロッドインテグレータ２１との関係を示す正面図および側面図である。

図３に示す事例は、図２に示す事例から光源３、４、５からロッドインテグレータ２１に至る光学経路を省略した構成であり、カラーホイール１０の照射面Ｆと、照射スポットＳと、ロッドインテグレータ２１との位置関係を単純化して示し、重複する説明を省略する。図３（ｂ）および図３（ｃ）は、カラーホイール１０およびロッドインテグレータ２１を個別に示し、図３（ｅ）は、照射面Ｆ、照射スポットＳおよびロッドインテグレータ２１との相互の位置関係を示す。

本装置は、図３（ｅ）および図３（ｆ）に示すように、カラーホイール１０の照射面Ｆを正面として、照射スポットＳの放射線方向Ｒ₂とロッドインテグレータ２１の入射開口部である入射面２１ａの対角線方向Ｒ₃が一致しており、照射スポットＳ（３_s、４_s、５_s）は、ロッドインテグレータ２１の入射面２１ａの投影像に内接して対角線上に配置されている。したがって、照射スポットＳの長手方向の長さＭ（図２）をロッドインテグレータ２１の入射面２１ａの対角線の長さと整合させ、照射スポットＳをロッドインテグレータ２１の入射面２１ａの対角線上で内接させる位置に配置することにより、照射スポットＳから発する光を効率的にロッドインテグレータの入射面２１ａに入射させ、光源の利用効率の高い光学経路を構成することができる。

なお、上記カラーホイール１０における赤蛍光体領域Ｒ、緑蛍光体領域Ｇおよび光透過領域Ｔの分割は略等分となっているが、ホワイトバランスに合わせてこれを変更することや、あるいは３原色の混色を発光する領域を形成するなどの応用も可能である。

図４は、ロッドインテグレータ２１に代えてフライアイインテグレータ３１を使用する場合の本発明の適用事例を示す。図４（ａ）は、フライアイインテグレータ３１および集光レンズ３３の外観を示す正面図であり、図４（ｂ）は、フライアイインテグレータ３１の光源側の入射面Ｇｂに形成される像の一部を拡大して示す側面図である。なお、光学システムとしては集光レンズ１３を除き、略平行な光を入射面Ｇａに導くよう構成されている。

図４（ａ）に示すように、フライアイインテグレータ３１はレンズ３２を２次元的に配列したフライアイインテグレータ３１ａおよび３１ｂにより構成され、多数のレンズ３２はフライアイインテグレータ３１ａおよび３１ｂ上で１対１に対応しており、例えば、フライアイインテグレータ３１ａのレンズ３２ａはフライアイインテグレータ３１ｂの対応するレンズ３２ｂ上に焦点位置を有する。したがって、フライアイインテグレータ３１ａに入射する光の光源像をフライアイインテグレータ３１ｂの各レンズ上に形成することができ、フライアイインテグレータ３１ａの各レンズの開口形状像を集光レンズ３３で同軸上に重畳することにより、均一な照明を行う。

この場合、カラーホイール１０の照射面Ｆに照射スポットＳが配置された放射線方向Ｒ₃と、フライアイインテグレータ３１ａの光源側の入射面Ｇａにおける各レンズの開口部（入射面）の対角方向Ｒ₄が一致しており、照射スポットＳ（３_s、４_s、５_s）は、フライアイインテグレータ３１ｂの入射面Ｇｂにおける投影像に内接して対角線上に配置されている。このような構成により、照射スポットＳから発する光を効率的にフライアイインテグレータ３１のレンズアレイ３２に入射させ、光源の利用効率の高い光学経路を構成することができる。

また、フライアイインテグレータを用いる構成では、色合成光学系に於いて、反射ミラー、ダイクロイックミラーの反射回数差により３色の光のスポットの配置が、反転する場合はフライアイインテグレータＧｂの矩形開口部においてスポット像が対称形であれば同様の効果を得ることが可能である。

以上の通り、本装置によれば、赤、青、緑の３色の発光に対して、カラーホイール１０の照射面において、照射スポットを放射線方向に配列することにより、照射スポットを分散して蛍光体層の温度上昇および発光出力の低下を抑制するとともに、スポークタイムを短縮して表示画像の品質低下を防止することが可能であり、消費電力が小さく、小型で高品質のプロジェクタを実現することができる。

なお、本装置では光源として、青色レーザー、赤蛍光体および緑蛍光体を使用しているが、発光ダイオードや有機ＥＬ，半導体レーザーなどを使用することにより、各種の組み合わせにより３色の光源を構成することができることは言うまでもない。

また、本装置では光源および照射スポット数を３としたが、これに限らない。光源および照射スポットの数は、設計要件等を考慮して最適な数を決定する。

また、本装置では、カラーホイール１０において、赤蛍光体領域Ｒ、緑蛍光体領域Ｇおよび光透過領域Ｔを円板上で均等に分割しているが、これに限らない。光源の選択および色合成に係わる設計要件等を考慮し、最適な分割数および領域の比率を決定する。

また、本装置では照射スポットの形状を略楕円とし、互いに隣接して一列に配列しているが、照射スポットの形状および配列の間隔は、これに限らない。円形または角形などの形状の照射スポットを互いに重複または離間して配列する方法も可能であることは言うまでもない。

また、本装置では画像表示素子としてＤＭＤを使用しているが、ＤＭＤに代えて液晶表示素子等を使用することができる。

本発明の照明装置および投写型画像表示装置は、照射スポットを分散し蛍光体層の温度上昇および発光出力の低下を抑制するとともに、スポークタイムを短縮して表示画像の品質低下を防止することが可能であり、消費電力が小さく、小型で高品質のプロジェクタを実現することができる。したがって、低消費電力、小型軽量および高品質が求められる照明装置および投写型画像表示装置として適用可能である。

１ 光学装置
２ 照明装置
３，４，５ 光源（青色レーザー）
６ 青透過ダイクロイックミラー
７，８ 全反射ミラー
９ 青反射ダイクロイックミラー
１０ カラーホイール
１０ａ 透明基材
１０ｂ 蛍光体層
１０ｃ 取付け部
１１，１２ コンデンサレンズ
１３，３３ 集光レンズ
２０ 光伝送部
２１ ロッドインテグレータ
２１ａ 入射面
２１ｂ 出射面
２２ リレーレンズ
２３ ＤＭＤ
２４ 折り返しミラー
２５ 曲面ミラー
２６ 投写レンズ
３１，３１ａ，３１ｂ フライアイインテグレータ
３２，３２ａ，３２ｂ レンズ（レンズアレイ）

Claims (6)

1. 光源と、前記光源により励起されて発光する蛍光体層と、前記光源および前記蛍光体層から発する光の光学経路を定める光学手段とを備え、前記蛍光体層を回転制御可能で平行平面円形の透明基材上に形成するとともに、前記透明基材の光源側の表面において、前記透明基材の中心と外周部とを結ぶ放射線方向に前記光源から発する光の照射スポットを配置することを特徴とする照明装置。
2. 前記照射スポットは、前記透明基材の前記放射線方向の長さがこれと直交する方向の長さより長いことを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
3. 前記照射スポットを前記放射線方向に複数配列することを特徴とする請求項１に記載の照明装置。
4. 前記光学手段はロッドインテグレータを備え、前記照射スポットが配置された放射線方向が前記ロッドインテグレータの入射開口部の対角方向と一致することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記光学手段はフライアイインテグレータを備え、前記照射スポットが配置された放射線方向が、前記フライアイインテグレータの光源側レンズアレイにおける各レンズ開口部の対角方向と一致することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の照明装置。
6. 少なくとも請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の照明装置と、前記照明装置から発する光の光学経路を定める光学手段と、前記光学経路上に配置された光変調手段と、前記光変調手段によって変調された画像を拡大投写する投写手段とを備える投写型画像表示装置。

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