JP2016128871A - 光源装置および投写型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で安定した出力制御が可能な光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置１は、固体光源１１を有し、固体光源１１から出射される光を外部に出射する光出力部１０と、光出力部１０から出射される光の一部が入射する入射端を有する第１の光ファイバ２１と、第１の光ファイバ２１の出射端に光学的に結合され、第１の光ファイバ２１に入射した一部の光を検出する光検出素子２２と、光検出素子２２の検出結果に基づいて、固体光源１１の出力を制御する制御部３０と、を有している。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置および投写型表示装置に関する。

近年、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を表示素子として使用する投写型表示装置（プロジェクタ）において、半導体レーザや発光ダイオード（ＬＥＤ）などの固体光源を用いた光源装置が用いられている。
固体光源は、使用環境や経年変化などによって光量が変化するため、固体光源を用いた光源装置では、輝度の安定や白色度の安定を目的として、光センサを用いたフィードバック制御が行われている。すなわち、光センサを用いて、固体光源（光源装置）から出射される光量を測定し、その測定結果に基づいて、出射光量が所定値となるように光源装置の出力が制御されている。
このようなフィードバック制御では、多くの場合、光源装置からの光量を測定するために、光源装置から出射される光のうち、プロジェクタの画像表示用としては利用されない不要な光（いわゆる不要光）を光センサによって検出する方法が用いられている。例えば、特許文献１には、表示素子の入射側に配置されたダイクロイックミラーを反射または透過した不要光を検出する方法が記載されている。また、特許文献２には、ＤＭＤのマイクロミラーがＯＦＦ状態のときに反射した不要光を検出する方法が記載されている。

特開２０１４−１６７６１０号公報 特開２００７−３１６６６０号公報

上述の検出方法では、光センサをプロジェクタ内の不要光を受光可能な位置に配置する必要があるため、光センサの配置の自由度が低くなり、部品構成が複雑になってしまう。また、特許文献２に記載の検出方法では、出力制御のための処理が複雑になり、また光検出感度の点で安定した出力制御を行うことが困難である。
そこで、本発明は、簡単な構成で安定した出力制御が可能な光源装置を提供することを目的とする。また、本発明は、その光源装置を用いた投写型表示装置を提供することも目的とする。

上述した目的を達成するために、本発明の光源装置は、固体光源を有し、固体光源から出射される光を外部に出射する光出力部と、光出力部から出射される光の一部が入射する入射端を有する第１の光ファイバと、第１の光ファイバの出射端に光学的に結合され、第１の光ファイバに入射した一部の光を検出する光検出素子と、光検出素子の検出結果に基づいて、固体光源の出力を制御する制御部と、を有している。
また、本発明の投写型表示装置は、上記に記載の光源装置と、画像信号に応じて光源装置から出射された光を変調する表示素子と、表示素子から出射された光を投写する投写光学部と、を有している。

以上、本発明によれば、簡単な構成で安定した出力制御が可能な光源装置と、それを備えた投写型表示装置を提供することができる。

本発明の一実施形態による光源装置の概略構成図である。 本実施形態の光ファイババンドルを光の出射方向から見た概略正面図である。 本実施形態による光源装置を備えた投写型表示装置の一構成例を示す概略図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施形態による光源装置の概略構成図である。以下では、本実施形態の光源装置について、固体光源として半導体レーザを用いた場合を例に挙げて説明するが、これに限定されるものではなく、発光ダイオード（ＬＥＤ）などの他の固体光源を用いることもできる。

本実施形態の光源装置１は、光出力部１０と、光検出部２０と、制御部３０とを有している。
光出力部１０は、複数の半導体レーザを有する半導体レーザ部１１と、半導体レーザ部１１を駆動する駆動回路１２と、光照射用の複数の光ファイバ１３と、半導体レーザ部１１を冷却する冷却部１４とを有している。
複数の光照射用光ファイバ（第２の光ファイバ）１３は、半導体レーザ部１１の複数の半導体レーザにそれぞれ光学的に結合されている。したがって、複数の光照射用光ファイバ１３は、各半導体レーザからのレーザ光が一方の端部（入射端）から入射し、内部を伝搬して他方の端部（出射端）から外部に出射するようになっている。複数の光照射用光ファイバ１３は、少なくとも出射端の側で、互いに束ねられて光ファイババンドル１５を構成している。冷却部１４は、ヒートシンクやファンなどの放熱手段を有し、半導体レーザ部１１の熱を放出して半導体レーザ部１１の温度を一定に保つ機能を有している。

光検出部２０は、光検出用の光ファイバ２１と、この光ファイバ２１に光学的に結合された光センサ２２とを有している。
光検出用光ファイバ（第１の光ファイバ）２１は、光照射用光ファイバ１３の出射端から外部に出射される光のうち、外部に配置された光学部品（例えばレンズやミラーなど）で反射または散乱される光を受光して、光センサ２２に伝送する機能を有している。したがって、光検出用光ファイバ２１は、光センサ２２に光学的に結合されていない端部（入射端）が、複数の光照射用光ファイバ１３の出射端から出射されるレーザ光の一部が入射する位置に配置されている。より具体的には、光検出用光ファイバ２１は、光ファイババンドル１５において、複数の光照射用光ファイバ１３と共に束ねられており、光検出用光ファイバ２１の入射端が、複数の光照射用光ファイバ１３の出射端に隣接して配置されている。光センサ（光検出素子）２２は、光検出用光ファイバ２１に入射した光を検出する機能、具体的には、光検出用光ファイバ２１を介して受光した光を電気信号に変換して制御部３０に出力する機能を有している。また、光センサ２２は、光出力部１０の冷却部１４に熱的に接続されている。

制御部３０は、光センサ２２の検出結果に基づいて、駆動回路１２を制御する制御信号を出力して、半導体レーザ部１１の出力を調整するようになっている。具体的には、制御部３０は、光センサ２２の出力から半導体レーザ部１１のレーザ光の光量を算出し、その算出値が所定値となるように、半導体レーザ部１１の出力を制御するようになっている。

ここで、図２を参照して、光ファイババンドルにおける、複数の光照射用光ファイバおよび光検出用光ファイバの配置構成について説明する。図２は、本実施形態の光ファイババンドルを光の出射方向から見た概略正面図である。
図２に示すように、複数の光照射用光ファイバ１３は、光の出射方向（光軸方向）から見て、光検出用光ファイバ２１の周囲を取り囲むように配置されている。具体的には、複数の光照射用光ファイバ１３は、光検出用光ファイバ２１を中心として放射状に配置されている。より具体的には、複数の光照射用光ファイバ１３は、光検出用光ファイバ２１を中心として回転対称に配置されている。このように、光検出用光ファイバ２１が光ファイババンドル１５の中心付近に配置されていることで、周縁付近に配置されている場合に比べて、半導体レーザからのレーザ光の光量の変化を精度良く検出することができ、その結果、光検出の精度を向上させることができる。

ここで、再び図１を参照して、本実施形態の光源装置の動作について説明する。
制御部３０から出力された制御信号に基づいて、駆動回路１２が半導体レーザ部１１を駆動し、半導体レーザ部１１からレーザ光が出射される。半導体レーザ部１１から出射されたレーザ光は、光照射用光ファイバ１３の入射端に入射して内部を伝搬し、出射端から出射される。このとき、光照射用光ファイバ１３からの出射されるレーザ光の一部は、光源装置１の出射側に配置された光学部品（例えばレンズやミラーなど）で反射または散乱され、その反射または散乱された光は、光検出用光ファイバ２１の入射端に入射する。光検出用光ファイバ２１に入射した光は、光検出用光ファイバ２１の内部を伝搬し、光センサ２２で受光される。光センサ２２は、受光した光の光量に応じた電気信号を出力して制御部３０に送信する。光センサ２２からの電気信号を受信した制御部３０は、その電気信号に基づいて、半導体レーザ部１１からのレーザ光の光量を算出する。そして、制御部３０は、その算出値に基づいて、半導体レーザ部１１に所望の光量のレーザ光を出射させるための制御信号を生成して、駆動回路１２に出力する。制御部３０から出力された制御信号によって駆動回路１２が制御され、半導体レーザ部１１の出力が調整されて、半導体レーザ部１１から所定の光量のレーザ光が出射される。

以上のように、本実施形態では、光源装置から出射される光の一部を光センサで受光するために、光センサに光学的に結合された光ファイバが用いられている。このため、光センサの配置の自由度を高くすることができ、例えば、本実施形態の光源装置をプロジェクタの光源装置に適用した場合に、光センサを光源装置の出射側のプロジェクタの内部に配置する必要もなくなる。その結果、本実施形態では、プロジェクタの小型化を実現することができる。また、出力制御のための複雑な処理も必要ないため、安定した出力制御を実現することもできる。
ところで、光センサは、温度により特性が変化するため、安定した光検出を行うためには、光センサの温度管理を行ったり、センサ出力の温度補正を行ったりする必要があるが、このことが、部品数の増加や制御処理の複雑さにつながる場合もある。しかしながら、本実施形態では、上述したように、光センサの配置の自由度が高くなることで、光センサを光出力部（半導体レーザ部）の冷却部に熱的に接続するように配置することも可能になる。すなわち、半導体レーザ部を冷却する冷却部を、光センサの温度を調節するための手段として兼用することができる。したがって、光センサのための温度調節手段を別個に設ける必要がなく、光センサの安定した温度管理が可能になるため、さらなる小型化とコストダウンも実現することができる。
なお、上述した実施形態では、光源装置の各光ファイバは、円形の断面を有しているが、これに限定されるものではなく、楕円形や矩形など、他の幾何形状の断面を有していてもよい。

次に、本実施形態の光源装置を備えた投写型表示装置（プロジェクタ）について説明する。図３は、本実施形態の光源装置を備えたプロジェクタの一構成例を示す概略図である。

プロジェクタ４０は、本実施形態の光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂと、ダイクロイックプリズム３，４と、画像形成部５と、投写光学部６とを有している。
光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂは、それぞれ赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂを出射するように構成されている。すなわち、光源装置１Ｒは、複数の赤色半導体レーザを有し、赤色光Ｒを出射するように構成され、光源装置１Ｇは、複数の緑色半導体レーザを有し、緑色光Ｇを出射するように構成され、光源装置１Ｂは、複数の青色半導体レーザを有し、青色光Ｂを出射するように構成されている。
ダイクロイックプリズム３，４は、光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂからそれぞれ出射された３つの色光（赤色光、緑色光、青色光）を合成して白色光として出力する機能を有している。すなわち、ダイクロイックプリズム３は、青色光Ｂと緑色光Ｇとを合成して青緑色光Ｃとして出力する機能を有し、ダイクロイックプリズム４は、青緑色光Ｃと赤色光Ｒとを合成して白色光として出力する機能を有している。具体的には、ダイクロイックプリズム３は、青色光Ｂを透過させ、緑色光Ｇを反射させるように構成され、ダイクロイックプリズム４は、青緑色光Ｃを透過させ、赤色光Ｒを反射させるように構成されている。なお、ダイクロイックプリズム３，４から出射される光は、必ずしも合成された白色光である必要はなく、例えば、時分割制御によって、赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、および青色光Ｂが時分割で出射されるようになっていてもよい。

画像形成部５は、表示素子や、ダイクロイックプリズム４から出射された光を表示素子に照射する照明光学部などを備えている。表示素子は、例えば、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）やデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）から構成され、入射した光を画像信号に応じて変調する機能を有している。照明光学部は、ダイクロイックプリズム４から出射される光（白色光）を、赤色光、緑色光、および青色光に再度分離するようになっていてもよく、その場合、分離された赤色光、緑色光、および青色光にそれぞれ対応した表示素子が設けられている。一方で、上述したように、ダイクロイックプリズム４が、赤色光、緑色光、および青色光を時分割で出射するようになっている場合には、入射する光を再度分離する必要はなく、例えば１つの表示素子を用いて各色光を変調することができる。
投写光学部６は、投写レンズを備え、画像形成部５から出射された光をスクリーンなどに投写し、画像として表示する機能を有している。なお、画像形成部５によって白色光が赤色光、緑色光、および青色光に分離される場合には、画像形成部５の表示素子によって各色光が変調された後で、投写光学部６が、それらを合成するようになっていてもよい。

光源装置１Ｒとダイクロイックプリズム４との間には、光源装置１Ｒの光照射用光ファイバから出射されるレーザ光（赤色光Ｒ）をコリメートするコリメートレンズ２Ｒが配置されている。同様に、光源装置１Ｇ，１Ｂとダイクロイックプリズム４との間には、それぞれコリメートレンズ２Ｇ，２Ｂが配置されている。なお、各光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂがコリメートされたレーザ光を出力するように構成されている場合には、このようなコリメートレンズは設けられていなくてもよい。

以下、本実施形態のプロジェクタ１による画像投写動作について簡単に説明する。
光源装置１Ｂから出射された青色光Ｂは、コリメートレンズ２Ｂによってコリメートされてダイクロイックプリズム３に入射し、これを通過する。一方で、光源装置１Ｇから出射された緑色光Ｇは、コリメートレンズ２Ｇによってコリメートされてダイクロイックプリズム３に入射し、これで反射される。こうして、青色光Ｂと緑色光Ｇとは、ダイクロイックプリズム３で合成されて、青緑色光Ｃとなってダイクロイックプリズム４に入射する。
また、光源装置１Ｒから出射された赤色光Ｒは、コリメートレンズ２Ｒによってコリメートされてダイクロイックプリズム４に入射し、これで反射される。一方で、ダイクロイックプリズム４に入射した青緑色光Ｃは、ダイクロイックプリズム４を透過する。こうして、青緑色光Ｃと赤色光Ｒとは、ダイクロイックプリズム４で合成されて、白色光となって画像形成部５に入射する。
このとき、所望の輝度や色度を有する白色光を得るために、各光源装置１Ｒ，１Ｇ，１Ｂから出射される赤色光Ｒ、緑色光Ｇ、青色光Ｂの光量は、上述したように、光センサが受光する光（例えば、コリメートレンズ２Ｒ，２Ｇ，２Ｂやダイクロイックプリズム３，４による反射光または散乱光）の光量に基づいて、それぞれ所定の光量に調整される。
画像形成部５に入射した白色光は、画像形成部５の表示素子で画像信号に応じて変調される。変調された光は、投写光学部６に入射し、投写光学部６の投写レンズによってスクリーンなどに投写されて、画像として表示される。

上述した本実施形態では、プロジェクタが、それぞれ赤色光、緑色光、および青色光を出射する３つの光源装置を有するように構成されているが、３つの色光を出射する１つの光源装置を有するように構成されていてもよい。すなわち、プロジェクタが、それぞれ赤色光、緑色光、および青色光を出射する３つの光出力部と、３つの光検出部と、１つの制御部とを有する１つの光源装置を有するように構成されていてもよい。

本実施形態の光源装置は、上述したように、プロジェクタの光源装置として使用できるだけでなく、例えば、画像表示装置（ディスプレイ）の光源装置としても使用することができる。

１，１Ｒ，１Ｇ，１Ｂ 光源装置
２Ｒ，２Ｇ，２Ｂ コリメートレンズ
３，４ ダイクロイックプリズム
５ 画像形成部
６ 投写光学部
１０ 光出力部
１１ 半導体レーザ部
１２ 駆動回路
１３ 光照射用光ファイバ（第２の光ファイバ）
１４ 冷却部
１５ 光ファイババンドル
２０ 光検出部
２１ 光検出用光ファイバ（第１の光ファイバ）
２２ 光センサ（光検出素子）
３０ 制御部
４０ プロジェクタ

Claims (8)

1. 固体光源を有し、該固体光源から出射される光を外部に出射する光出力部と、
   前記光出力部から出射される光の一部が入射する入射端を有する第１の光ファイバと、
   前記第１の光ファイバの出射端に光学的に結合され、該第１の光ファイバに入射した前記一部の光を検出する光検出素子と、
   前記光検出素子の検出結果に基づいて、前記固体光源の出力を制御する制御部と、
   を有する光源装置。
2. 前記光出力部が、前記固体光源に光学的に結合され、該固体光源から出射される光を外部に出射する第２の光ファイバを有し、前記第１の光ファイバの前記入射端が、前記第２の光ファイバの出射端に隣接して配置されている、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光出力部が、複数の前記固体光源と、それぞれが前記複数の固体光源に光学的に結合された複数の前記第２の光ファイバと、を有する、請求項２に記載の光源装置。
4. 前記複数の第２の光ファイバが、光の出射方向から見て、前記第１の光ファイバの周囲を取り囲むように配置されている、請求項３に記載の光源装置。
5. 前記複数の第２の光ファイバは、光の出射方向から見て、前記第１の光ファイバを中心として放射状に配置されている、請求項４に記載の光源装置。
6. 前記複数の第２の光ファイバは、光の出射方向から見て、前記第１の光ファイバを中心として回転対称に配置されている、請求項５に記載の光源装置。
7. 前記光出力部が、前記固体光源を冷却する冷却部を有し、前記光検出素子が、前記冷却部に熱的に接続されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の光源装置。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の光源装置と、画像信号に応じて前記光源装置から出射された光を変調する表示素子と、該表示素子から出射された光を投写する投写光学部と、を有する投写型表示装置。

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