JP2013047736A - 光源装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体層から発せられた光を使用し、光学システムの小型化および低コスト化を実現可能とする光源装置および投写型表示装置を得ること。
【解決手段】光源と、光源から入射する光１０１を励起光として色光を発生させる蛍光体層１１０と、蛍光体層１１０で発生した色光を射出させる界面に設けられ、光学特性に応じて光を透過および反射させる光学多層膜１３０と、を有し、光学多層膜１３０は、蛍光体層１１０にて散乱した色光のうち、光源から蛍光体層１１０へ入射する光１０１の主光線に対し第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、第１の角度より大きい第２の角度の方向へ進行する成分を反射する光学特性を持つ。
【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置および投写型表示装置に関する。

従来、投写型表示装置は、高圧水銀ランプ等のランプを光源とするものが知られている。投写型表示装置については、ランプから発せられる光を効率良く光学系に取り込むための技術が開発されている。例えば、ランプから射出した光は反射鏡によって集められ、その先に配されている光学部品へと導かれる。ランプは、その特性上発熱量が大きく、温度を制御することが比較的困難とされている。また、ランプの寿命は、一般的に、２０００時間から３０００時間とされ、投写型表示装置でのランプの使用についてはメンテナンス性が課題となっている。

このような事情から、近年、半導体光源であるＬＥＤ（light emitting diode）やＬＤ（laser diode）を使用する投写型表示装置が開発されている。半導体光源は、一般的なランプに比べて寿命が約１０倍程度と非常に長く、また消費電力が少ないことから、プロジェクタやテレビへの応用が有望視されている。

特開２００４−３４１１０５号公報 特開２０１０−２５６４５７号公報

ＬＤは、高い指向性と直進性を特徴とする。ＬＤからの光は拡がりが少ないため、ＬＤを使用する光学系は、光学部品を小型化しても効率良く光を使用できる。光学部品の小型化は、リレーレンズ等を含む照明光学系から投写レンズ等を含む投写光学系までの光学システムについての小型化に有利であり、製造コストを抑えることも可能となる。

ＬＤを使用する投写型表示装置は、画像の表示に必要な明るさを得るために、光源に複数のＬＤを配することとなる。また、光源は、カラー表示のために、色光ごとのＬＤが組み合わせられる。光源から投写光学系までの光学システムとしては、多くの要素からなる複雑な系を構成することとなるため、安価なシステムを構築することが困難となる。

このような課題に関して、例えば、特許文献１および２には、ＬＤが射出する光を励起光として蛍光体から光を発生させる技術が提案されている。この場合、複数の互いに異なる色光のＬＤが不要となり、安価なシステムを構築することが可能となる。

一般に、蛍光体から発せられる光は、ＬＤのような高い指向性や直進性を有さず、広い角度範囲に散乱することとなる。このため、蛍光体を使用する従来の構成では、効率良く光を利用可能とすることが困難となる。有効に光を取り込むために、光学部品は、外径および口径を大きくすることになる。このことは、光学システムの大型化を招き、安価なシステムの構築の妨げとなり得る。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、蛍光体層から発せられた光を使用し、光学システムの小型化および低コスト化を実現可能とする光源装置および投写型表示装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、光源と、前記光源から入射する光を励起光として色光を発生させる蛍光体層と、前記蛍光体層で発生した前記色光を射出させる界面に設けられ、光学特性に応じて光を透過および反射させる光学多層膜と、を有し、前記光学多層膜は、前記蛍光体層にて散乱した前記色光のうち、前記光源から前記蛍光体層へ入射する光の主光線に対し第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、前記第１の角度より大きい第２の角度の方向へ進行する成分を反射する前記光学特性を持つことを特徴とする。

本発明によれば、光源装置は、蛍光体層で発生させた光のうち小さい角度範囲の成分を光学多層膜にて透過させることで、光学部品を小型化しても効率良く光を使用可能とする。光学部品の小型化により、光学システム全体の小型化や製造コストの低減が可能となる。蛍光体層で発生させた光のうち大きい角度範囲の成分は、光学多層膜にて反射した後、蛍光体層での再度の散乱により、有効に利用することができる。これにより、光源装置および投写型表示装置は、蛍光体層から発せられた光を使用し、光学システムの小型化および低コスト化を実現することができる。

図１は、本発明の実施の形態にかかる投写型表示装置の概略構成を示す図である。 図２は、回転体の断面概略構成を示す図である。 図３は、光学多層膜への入射角と透過率との関係を説明する図である。 図４は、蛍光体層で発生する色光と光学多層膜の透過特性とを説明する図である。 図５は、カラーホイールのうち、光源からの光が入射する側の平面図である。 図６は、カラーホイールのうち、光源からの光が入射する側とは反対側の平面図である。 図７は、変形例にかかる回転体の断面概略構成を示す図である。

以下に、本発明にかかる光源装置および投写型表示装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、本発明の実施の形態にかかる投写型表示装置の概略構成を示す図である。光源１００は、ＬＤである。カラーホイール３００は、光源１００から入射する光１０１により複数の色光を生成する。カラーホイール３００は、回転軸３１および回転体３２を有する。回転体３２は、回転軸３１の駆動により、回転軸３１を中心として回転する。光源１００およびカラーホイール３００は、光源装置を構成する。

ライトパイプ４０は、カラーホイール３００から入射する光の強度分布を均一化する。ライトパイプ４０は、内面において光を複数回反射させることにより、光強度が均一な矩形の面光源を出射側端面に形成する。リレーレンズ５０は、ライトパイプ４０において形成した面光源により、表示素子６０を均一に照明する。光源１００、カラーホイール３００、ライトパイプ４０およびリレーレンズ５０は、照明光学系を構成する。

表示素子６０は、映像信号に応じて、リレーレンズ５０からの照明光を変調して、表示画像を形成する。表示素子６０は、例えば、入射する光の反射方向を制御することにより、表示画像を形成する。投写光学系７０は、表示素子６０で形成した表示画像を拡大して、スクリーン８０へ投写する。なお、投写型表示装置の構成は、適宜変形可能であるものとする。

図２は、回転体の断面概略構成を示す図である。回転体３２は、蛍光体層１１０、基材１２０および光学多層膜１３０を有する。蛍光体層１１０は、光源１００から入射する光１０１を励起光として色光を発生させる。蛍光体層１１０は、基材１２０のうち光１０１が入射する側の面に塗布されている。基材１２０は、ガラス等からなる透明な板部材である。

光学多層膜１３０は、基材１２０のうち蛍光体層１１０が塗布された側とは反対側の面に形成されている。光学多層膜１３０は、誘電体の薄膜を積層させた構成をなしている。光学多層膜１３０は、光学特性に応じて光を透過および反射させる。光学多層膜１３０は、回転体３２のうち、蛍光体層１１０で発生した色光を射出させる界面に設けられている。

蛍光体層１１０で発生した色光は、蛍光体層１１０の内部で散乱し、広い角度範囲において進行する。蛍光体層１１０から基材１２０へ入射した色光は、基材１２０を透過して光学多層膜１３０へ入射する。

ここで、蛍光体層１１０で散乱した色光のうち、０°、θ１°、θ２°およびθ３°の各方向へ進行する成分に着目して、光学多層膜１３０の光学特性について説明する。０°、θ１°、θ２°およびθ３°は、いずれも、光源１００から蛍光体層１１０へ入射する光１０１の主光線に対する角度とする。０°の方向へ進行する成分は、光１０１の主光線と同じ方向へ進行する。なお、θ１°、θ２°およびθ３°は、０°＜θ１°＜θ２°＜θ３°＜９０°を満たす角度とする。

図３は、光学多層膜への入射角と透過率との関係を説明する図である。光学多層膜１３０は、所定の波長より低い波長の光を透過させるローパスフィルタの特性を有している。光学多層膜１３０の透過特性は、一般に、光の入射角によって変化する。光学多層膜１３０へ垂直に入射する０°の場合からθ１°、θ２°、θ３°と入射角が大きくなるにつれて、光学多層膜１３０の透過特性は短波長側へシフトする。

図４は、蛍光体層で発生する色光と光学多層膜の透過特性とを説明する図である。蛍光体層１１０で発生する色光のスペクトル２５０は、θ２°の入射角において光学多層膜１３０を透過し得る上限の波長と、θ３°の入射角において光学多層膜１３０を透過し得る上限の波長との間に位置する。

光学多層膜１３０は、蛍光体層１１０にて散乱した色光のうち、０°、θ１°、θ２°（第１の角度）の方向へ進行する成分を透過させ、θ３°（第２の角度）の方向へ進行する成分を反射する。光学多層膜１３０は、蛍光体層１１０から入射した色光のうち透過可能とする成分の最大角度が、θ２°およびθ３°の間に設定されている。第１の角度は、かかる最大角度より小さい角度とする。第２の角度は、かかる最大角度より大きい角度とする。

蛍光体層１１０にて散乱した色光のうち光学多層膜１３０を透過した成分は、回転体３２から射出する。蛍光体層１１０にて散乱した色光のうち光学多層膜１３０で反射した成分は、基材１２０を透過し、蛍光体層１１０へ入射する。光学多層膜１３０での反射を経て蛍光体層１１０へ入射した色光は、蛍光体層１１０で発生した色光とともに再度散乱する。

カラーホイール３００は、蛍光体層１１０で散乱した色光のうち小さい角度範囲の成分を光学多層膜１３０にて透過させることで、進行方向が揃えられた色光を射出可能とする。カラーホイール３００からの色光の進行方向が揃えられることで、カラーホイール３００は、ライトパイプ４０へ効率良く色光を入射させることができる。

投写型表示装置は、カラーホイール３００において各色光が散乱する角度範囲を狭めることで、光学部品を小型化しても効率良く光を使用可能とする。投写型表示装置は、光学部品の小型化により、光学システム全体の小型化や製造コストの低減が可能となる。カラーホイール３００は、蛍光体層１１０で散乱した色光のうち大きい角度範囲の成分を、光学多層膜１３０にて反射した後、蛍光体層１１０で再度散乱させる。カラーホイール３００は、光学多層膜１３０から戻される光を蛍光体層１１０で再度散乱させることで、有効に利用することができる。これにより、光源装置および投写型表示装置は、蛍光体層１１０から発せられた光を使用し、光学システムの小型化および低コスト化を実現することができる。

図５は、カラーホイールのうち、光源からの光が入射する側の平面図である。図６は、カラーホイールのうち、光源からの光が入射する側とは反対側の平面図である。蛍光体層１１０は、赤色（Ｒ）光用蛍光体層１１０Ｒ、緑色（Ｇ）光用蛍光体層１１０Ｇおよび青色（Ｂ）光用蛍光体層１１０Ｂを有する。

Ｒ光用蛍光体層１１０Ｒは、光源１００から入射する光１０１を励起光として第１の色光であるＲ光を発生させる第１の蛍光体層である。Ｇ光用蛍光体層１１０Ｇは、光源１００から入射する光１０１を励起光として第２の色光であるＧ光を発生させる第２の蛍光体層である。Ｂ光用蛍光体層１１０Ｂは、光源１００から入射する光１０１を励起光として第３の色光であるＢ光を発生させる第３の蛍光体層である。Ｒ光用蛍光体層１１０Ｒ、Ｇ光用蛍光体層１１０ＧおよびＢ光用蛍光体層１１０Ｂは、円をなす帯状領域を３分割するように形成されている。

光学多層膜１３０は、Ｒ光用光学多層膜１３０Ｒ、Ｇ光用光学多層膜１３０ＧおよびＢ光用光学多層膜１３０Ｂを有する。Ｒ光用光学多層膜１３０Ｒは、Ｒ光用蛍光体層１１０Ｒに対応して設けられている。Ｒ光用蛍光体層１１０ＲおよびＲ光用光学多層膜１３０Ｒは、回転体３２の回転方向について位置を一致させて配置されている。Ｒ光用光学多層膜１３０Ｒは、Ｒ光のうち第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、第２の角度の方向へ進行する成分を反射する光学特性を持つ第１の光学多層膜である。

Ｇ光用光学多層膜１３０Ｇは、Ｇ光用蛍光体層１１０Ｇに対応して設けられている。Ｇ光用蛍光体層１１０ＧおよびＧ光用光学多層膜１３０Ｇは、回転体３２の回転方向について位置を一致させて配置されている。Ｇ光用光学多層膜１３０Ｇは、Ｇ光のうち第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、第２の角度の方向へ進行する成分を反射する光学特性を持つ第２の光学多層膜である。

Ｂ光用光学多層膜１３０Ｂは、Ｂ光用蛍光体層１１０Ｂに対応して設けられている。Ｂ光用蛍光体層１１０ＢおよびＢ光用光学多層膜１３０Ｂは、回転体３２の回転方向について位置を一致させて配置されている。Ｂ光用光学多層膜１３０Ｂは、Ｂ光のうち第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、第２の角度の方向へ進行する成分を反射する光学特性を持つ第３の光学多層膜である。

カラーホイール３００は、光源１００からの光１０１が入射している状態において回転体３２を回転させることで、Ｒ光用蛍光体層１１０Ｒ、Ｇ光用蛍光体層１１０ＧおよびＢ光用蛍光体層１１０Ｂへ順次光１０１が入射する。カラーホイール３００は、Ｒ光用蛍光体層１１０Ｒへ光１０１が入射しているとき、Ｒ光用光学多層膜１３０ＲからＲ光を射出する。

カラーホイール３００は、Ｇ光用蛍光体層１１０Ｇへ光１０１が入射しているとき、Ｇ光用光学多層膜１３０ＧからＧ光を射出する。カラーホイール３００は、Ｂ光用蛍光体層１１０Ｂへ光１０１が入射しているとき、Ｂ光用光学多層膜１３０ＢからＢ光を射出する。このようにして、カラーホイール３００は、Ｒ光、Ｇ光およびＢ光を順次射出する。照明光学系は、表示素子６０へ時分割的にＲ光、Ｇ光およびＢ光を入射させる。

カラーホイール３００は、Ｒ、ＧおよびＢの３つの色光を生成するものに限られない。カラーホイール３００は、Ｒ、ＧおよびＢ以外の色光を生成するものであっても良い。また、カラーホイール３００は、少なくとも２色の色光を生成するものであれば良い。

カラーホイール３００は、例えば、黄色、マゼンタおよびシアン等の色光を生成するものであっても良い。カラーホイール３００は、これらの色光に応じて形成された蛍光体層１１０および光学多層膜１３０を適用することで、所望の色光を生成する構成とし得る。

照明光学系は、ある色光、例えばＢ光を射出する光源１００を適用し、当該色光についてはカラーホイール３００を単に通過させることとしても良い。この場合、カラーホイール３００は、蛍光体層１１０および光学多層膜１３０が無い領域を回転体３２に設けることで、光源１００からのＢ光を通過させる。光源１００に青色ＬＤを使用する場合、高いエネルギーにより効率良く蛍光体層１１０を励起させて、蛍光体層１１０で発生した色光を取り出すことができる。

図７は、変形例にかかる回転体の断面概略構成を示す図である。変形例にかかる回転体３３は、蛍光体層１１０に関して、光源１００からの光１０１が入射する側と同じ側に光学多層膜１３０が設けられている。光学多層膜１３０は、基材１２０のうち光１０１が入射する側の面に形成されている。光学多層膜１３０は、回転体３３のうち、蛍光体層１１０で発生した色光を射出させる界面に設けられている。

蛍光体層１１０は、基材１２０のうち光学多層膜１３０が形成された側とは反対側の面に塗布されている。反射膜１４０は、蛍光体層１１０のうち基材１２０に接合された側とは反対側に設けられている。反射膜１４０は、蛍光体層１１０からの色光を反射する。

光源１００からの光１０１は、光学多層膜１３０および基材１２０を透過して、蛍光体層１１０へ入射する。光学多層膜１３０には、光１０１が入射する側へ蛍光体層１１０から反射および散乱した色光が入射する。光学多層膜１３０は、蛍光体層１１０にて散乱した色光のうち、０°、θ１°、θ２°（第１の角度）の方向へ進行する成分を透過させ、θ３°（第２の角度）の方向へ進行する成分を反射する。

反射膜１４０は、光１０１が入射する側とは反対側へ蛍光体層１１０を透過した色光を反射する。反射膜１４０での反射を経て蛍光体層１１０へ入射した色光は、蛍光体層１１０で発生した色光とともに再度散乱する。かかる回転体３３を適用する場合も、カラーホイール３００は、蛍光体層１１０で散乱した色光のうち小さい角度範囲の成分を光学多層膜１３０にて透過させ、進行方向が揃えられた色光を射出可能とする。

カラーホイール３００は、反射膜１４０で反射した色光を再度散乱させることで、光１０１が入射する側とは反対側へ蛍光体層１１０を透過する光を有効に利用することができる。なお、反射膜１４０は、適宜省略しても良い。

３１ 回転軸
３２、３３ 回転体
４０ ライトパイプ
５０ リレーレンズ
６０ 表示素子
７０ 投写光学系
８０ スクリーン
１００ 光源
１０１ 光
１１０ 蛍光体層
１１０Ｒ Ｒ光用蛍光体層
１１０Ｇ Ｇ光用蛍光体層
１１０Ｂ Ｂ光用蛍光体層
１２０ 基材
１３０ 光学多層膜
１３０Ｒ Ｒ光用光学多層膜
１３０Ｇ Ｇ光用光学多層膜
１３０Ｂ Ｂ光用光学多層膜
１４０ 反射膜
２５０ スペクトル
３００ カラーホイール

Claims (5)

1. 光源と、
   前記光源から入射する光を励起光として色光を発生させる蛍光体層と、
   前記蛍光体層で発生した前記色光を射出させる界面に設けられ、光学特性に応じて光を透過および反射させる光学多層膜と、を有し、
   前記光学多層膜は、前記蛍光体層にて散乱した前記色光のうち、前記光源から前記蛍光体層へ入射する光の主光線に対し第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、前記第１の角度より大きい第２の角度の方向へ進行する成分を反射する前記光学特性を持つことを特徴とする光源装置。
2. 前記光学多層膜は、前記蛍光体層に関して、前記光源からの光が入射する側とは反対側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光学多層膜は、前記蛍光体層に関して、前記光源からの光が入射する側と同じ側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
4. 前記光源から入射する光により複数の前記色光を生成するためのカラーホイールを有し、
   前記カラーホイールは、前記光源から入射する光を励起光として第１の色光を発生させる前記蛍光体層である第１の蛍光体層と、前記光源から入射する光を励起光として第２の色光を発生させる前記蛍光体層である第２の蛍光体層と、を少なくとも有し、
   前記第１の蛍光体層に対応する前記光学多層膜である第１の光学多層膜は、前記第１の色光のうち前記第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、前記第２の角度の方向へ進行する成分を反射し、
   前記第２の蛍光体層に対応する前記光学多層膜である第２の光学多層膜は、前記第１の色光のうち前記第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、前記第２の角度の方向へ進行する成分を反射することを特徴とする請求項１から３のいずれか一つに記載の光源装置。
5. 照明光学系と、
   前記照明光学系からの照明光を変調して表示画像を形成する表示素子と、
   前記表示素子で形成した前記表示画像を投写する投写光学系と、を有し、
   前記照明光学系は、
   光源と、
   前記光源から入射する光を励起光として色光を発生させる蛍光体層と、
   前記蛍光体層で発生した前記色光を射出させる界面に設けられ、光学特性に応じて光を透過および反射させる光学多層膜と、を有し、
   前記光学多層膜は、前記蛍光体層にて散乱した前記色光のうち、前記光源から前記蛍光体層へ入射する光の主光線に対し第１の角度の方向へ進行する成分を透過させ、前記第１の角度より大きい第２の角度の方向へ進行する成分を反射する前記光学特性を持つことを特徴とする投写型表示装置。

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