JP2021128273A - 光源装置、およびこれを備える画像投写装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】高い集光効率を実現しつつ小型化可能な光源装置、およびこれを備える画像投写装置を提供すること。【解決手段】光源装置200は、第1の光を発生する光源1と、第1の光と特性が異なる第2の光を射出する特性変換手段4と、第2の光を平行化する光学系7とを有し、光学系7は、第1の光を特性変換手段4に反射する反射手段6を備える。【選択図】図1
Description
本発明は、光源装置、およびこれを備える画像投写装置に関する。
近年、レーザー光を励起光として蛍光体に入射し、蛍光体から発生した蛍光光を照明光として用いる光源装置が開発されている。特許文献1,2には、冷却部材が設置された蛍光体に、冷却部材が設置された側と反対側からレーザー光を入射し、発生した蛍光光を照明光として用いる光源装置が開示されている。
特許文献1の光源装置では、レーザー光は集光レンズと蛍光体との間の隙間から入射するため、集光レンズと蛍光体との間の間隔をある程度広げる必要がある。この場合、蛍光体から発生する蛍光光のうち、高角度成分を取り込むことができないので集光レンズにおける集光効率が低下する。また、集光レンズと蛍光体との間の隙間からレーザー光が大きな入射角度で入射するため、集光スポットが歪み、蛍光光の発光効率や、後段の光学系での光利用効率が低下してしまう。
特許文献2の光源装置では、集光光学系と蛍光体の間隔を近づけて集光効率を確保しつつ、集光光学系に形成された貫通穴からレーザー光を照射することで、集光効率を向上させている。しかしながら、特許文献2の光源装置では、集光光学系で集光された蛍光光が貫通穴によって散乱されてしまうので最終的に集光光学系から取り出される光量を上げることができない。
本発明は、高い集光効率を実現しつつ小型化可能な光源装置、およびこれを備える画像投写装置を提供することを目的とする。
本発明の一側面としての光源装置は、第1の光を発生する光源と、第1の光と特性が異なる第2の光を射出する特性変換手段と、第2の光を平行化する光学系とを有し、光学系は、第1の光を特性変換手段に反射する反射手段を備えることを特徴とする。
本発明によれば、高い集光効率を実現しつつ小型化可能な光源装置、およびこれを備える画像投写装置を提供することが可能である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
図1は、実施例1の画像投写装置の構成図である。画像投写装置は、光源装置200、照明光学系210、および投影レンズ220を有する。
光源装置200は、LDユニット1、マイクロフライアイレンズ2、集光レンズ3、蛍光体ユニット(特性変換手段)4、第1のコリメータレンズ5、波長分離手段(反射手段)6、および第2のコリメータレンズ7を有する。本実施例では、第1のコリメータレンズ5、波長分離手段6、および第2のコリメータレンズ7により光学系が構成される。
LDユニット1は、複数のLD(レーザーダイオード)、および複数のコリメータレンズを有し、青色光(第1の光)を射出する。LDユニット1から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ2、集光レンズ3、波長分離手段6、および第1のコリメータレンズ5を介して蛍光体ユニット4に集光される。蛍光体ユニット4には、マイクロフライアイレンズ2、集光レンズ3、および第1のコリメータレンズ5の光学作用で所定の矩形像が形成される。なお、LDユニット1は、レーザー光源ではなく、LEDや水銀ランプ等を有していてもよい。
蛍光体ユニット4は、基板に蛍光体層が塗布された素子である。基板と蛍光体層との間には、蛍光光の反射膜が蒸着されている。すなわち、蛍光体ユニット4は、LDユニット1から射出された青色光のうち少なくとも一部を青色光とは波長域が異なる蛍光光(第2の光)に変換する波長変換素子である。基板として、アルミニウムや銅等の熱伝導率の高い金属板金を使用してもよいし、サファイア基板等の熱伝導率の高い透明基板を使用してもよい。また、蛍光体ユニット4は、固定方式に限定されるものではなく、回転させるモーターを配置した構成であってもよい。
波長分離手段6は、蛍光体ユニット4と光学系の最も射出側のレンズ(本実施形態では第2のコリメータレンズ7)の射出側の面との間に配置される。図2は、波長分離手段6の構成図である。波長分離手段6は、第1領域6A、および第2領域6Bを有する。第1領域6Aは、青色光を反射して、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている領域である。第2領域6Bは、少なくとも青色光および蛍光光を含む可視光を透過する特性を有する反射防止膜が蒸着されている領域である。第1領域6Aが十分小さい場合、ダイクロ膜の代わりにミラー膜を蒸着してもよい。LDユニット1から射出された青色光は、第1領域6Aを照明する。
なお、波長分離手段6は、第2のコリメータレンズ7と一体化されていてもよい。例えば、第2のコリメータレンズ7のいずれかの面に波長分離手段6と同等の機能を有する膜を蒸着すればよい。
蛍光体ユニット4から射出された蛍光光は、第1のコリメータレンズ5、および第2のコリメータレンズ7により平行化され、照明光学系210に入射する。照明光学系210に入射した蛍光光は、第1のフライアイレンズ8と第2のフライアイレンズ9とで構成されるインテグレータ系、およびコンデンサーレンズ11を介して画像表示素子である液晶パネル13に照明される。インテグレータ系を透過した蛍光光は、PS変換素子10でP偏光に偏光変換され、PBS(偏光ビームスプリッタ)12を透過して液晶パネル13を照明する。液晶パネル13でP偏光からS偏光に偏光変換された光は、PBS12で反射され、投影レンズ220を介して、不図示のスクリーンに投影される。
蛍光体ユニット4から蛍光光を取り出す構成について説明したが、LDユニット1から射出された青色光の一部を蛍光体ユニット4で拡散反射させることで、青色光および蛍光光を含む白色光を取り出すことが可能である。蛍光体ユニット4で拡散反射した青色光は、波長分離手段6の第2領域6Bを透過して照明光学系210に入射する。
LDユニット1は紫外光を発光する光源であってもよいし、蛍光体ユニット4は紫外光で白色光を発光する蛍光体であってもよい。その場合、第1領域6Aには、紫外光を反射して白色光を透過するダイクロ膜が蒸着される。
本実施例では、集光レンズ3、および第1のコリメータレンズによりLDユニット1から射出された青色光を蛍光体ユニット4に集光する集光手段が構成されるが、集光レンズ3および第1のコリメータレンズ5は一体成型したレンズであってもよい。すなわち、集光手段は、1枚の光学素子から構成されていてもよい。
また、マイクロフライアイレンズ2、および集光レンズ3は、CGH(Computer Generated Hologram)であってもよい。
なお、本実施例の画像投写装置では、反射型液晶パネルを使用しているが、透過型液晶パネルやマイクロミラーデバイスを使用してもよい。
また、本実施例の画像投写装置では、光源装置200から白色光を取り出すが、蛍光光のみを取り出す場合、波長分離手段6の第2領域6Bに第1領域6Aと同じダイクロ膜を蒸着すればよい。
以下、画像投写装置の更に望ましい構成について説明する。
蛍光体ユニット4で青色光を拡散反射させて青色光を取り出す場合において、第1領域6Aの面積をA、第2領域6Bの面積をBとすると、以下の条件式(1)を満足することが望ましい。
A/(A+B)<0.5 (1)
条件式(1)の上限値を上回ると、蛍光体ユニット4で拡散反射した青色光が波長分離手段6で反射され、青色光のロスが大きくなり、白色光を作るために必要な青色光を確保できなくなる。
条件式(1)の上限値を上回ると、蛍光体ユニット4で拡散反射した青色光が波長分離手段6で反射され、青色光のロスが大きくなり、白色光を作るために必要な青色光を確保できなくなる。
なお、条件式(1)の数値範囲を以下の条件式(1a)の数値範囲とすることが望ましい。
A/(A+B)<0.3 (1a)
また、集光レンズ3の光軸O1は、第1のコリメータレンズ5および第2のコリメータレンズ7の光軸O2と略一致していることが望ましい。光軸O1が光軸O2に対して傾いている場合、蛍光体ユニット4の法線に対して光軸O1が傾くため、蛍光体ユニット4に形成される矩形像が湾曲し、照明効率が低下する。所定の矩形像に対して像が大きくなった場合、照明光学系で蹴られ、照明効率が低下する。また、所定の矩形像に対して像が小さくなった場合、蛍光体ユニット4での光密度が増加し、変換効率が低下する。
また、集光レンズ3の光軸O1は、第1のコリメータレンズ5および第2のコリメータレンズ7の光軸O2と略一致していることが望ましい。光軸O1が光軸O2に対して傾いている場合、蛍光体ユニット4の法線に対して光軸O1が傾くため、蛍光体ユニット4に形成される矩形像が湾曲し、照明効率が低下する。所定の矩形像に対して像が大きくなった場合、照明光学系で蹴られ、照明効率が低下する。また、所定の矩形像に対して像が小さくなった場合、蛍光体ユニット4での光密度が増加し、変換効率が低下する。
また、小型な光学系で蛍光体からの蛍光光を高い効率で取り込むためには、第1のコリメータレンズ5と第2のコリメータレンズ7で構成されるレンズ系のNA(numerical aperture)を大きくする必要がある。第1のコリメータレンズ5と蛍光体ユニット4の空気換算長が3.0mm以下であることが望ましい。更に望ましくは2.0mm以下である。レンズ系のNAは0.8以上であることが望ましく、更に望ましくは0.9以上である。
図3は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置300の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。光源装置300では、LDユニット、マイクロフライアイレンズ、および集光レンズはそれぞれ、y方向に沿って2つずつ配置されている。また、本実施例では、第1のコリメータレンズ35、波長分離手段36、および第2のコリメータレンズ37により光学系が構成される。
LDユニット31A(31B)は、複数のLD(レーザーダイオード)、および複数のコリメータレンズを有し、青色光を射出する。LDユニット31A(31B)から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ32A(32B)、集光レンズ33(33B)、波長分離手段36A(36B)、および第1のコリメータレンズ35A(35B)を介して蛍光体ユニット34に集光される。波長分離手段36A(36B)は、青色光を反射し、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着された素子である。蛍光体ユニット34A(34B)には、マイクロフライアイレンズ32A(32B)、集光レンズ33A(33B)、および第1のコリメータレンズ35A(35B)の光学作用で所定の矩形像が形成される。LDユニット31A,31Bから射出された青色光によるそれぞれの矩形像は、蛍光体ユニット34で略一致、又は並ぶように形成される。蛍光体ユニット34から射出された蛍光光は、第1のコリメータレンズ35、および第2のコリメータレンズ37により平行化され、不図示の照明光学系に入射する。
本実施例では、1組のコリメータレンズに対して、2個のLDユニットを配置した構成について説明したが、2個以上のLDユニットを配置してもよいし、1個のLDユニットから射出された青色光を分割して使ってもよい。また、実施例1のように波長分離手段36に第1および第2領域を設けることで、光源装置から白色光を取り出す構成にしてもよい。
図4は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置400の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。本実施例では、LDユニット41、マイクロフライアイレンズ42、集光レンズ43、第1のコリメータレンズ45、および第2のコリメータレンズ47はそれぞれ、x方向に沿って2つ、y方向に沿って2つの合計4つ配置されている。また、本実施例では、第1のコリメータレンズ45、波長分離手段46、および第2のコリメータレンズ47により光学系が構成される。
LDユニット41から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ42、集光レンズ43、波長分離手段46、および第1のコリメータレンズ45を介して蛍光体ユニット44に集光される。蛍光体ユニット44には、マイクロフライアイレンズ42、集光レンズ43、および第1のコリメータレンズ45の光学作用で4つの所定の矩形像が形成される。
図5は、波長分離手段46の構成図である。波長分離手段46は、4つの第1領域46A、および4つの第2領域46Bを有する。第1領域46Aは、青色光を反射して、蛍光光を透過する特性を有するダイクロ膜が蒸着されている領域である。第2領域46Bは、少なくとも青色光および蛍光光を含む可視光を透過する特性を有する反射防止膜が蒸着されている領域である。第1領域46Aが十分小さい場合、ダイクロ膜の代わりにミラー膜を蒸着してもよい。LDユニット41から射出された青色光は、第1領域46Aを照明する。
蛍光体ユニット44から射出された蛍光光は、4組の第1のコリメータレンズ45、および第2のコリメータレンズ47により平行化され、不図示の照明光学系に入射する。集光レンズ43、第1のコリメータレンズ45、および第2のコリメータレンズ47は一体化して1個の光学素子としてもよい。また、LDユニットとコリメータレンズの数は同一である必要はなく、実施例2のように2つのLDユニットから射出された光が1組のコリメータレンズに入射する構成であってもよい。
図6は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置600の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。本実施例では、第1のレンズユニット63、および第2のレンズユニット65により光学系が構成される。
本実施例の光源装置は、実施例3の光源装置よりも低コストかつ小型化した構成を有する。LDユニット61から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ62、および第1のレンズユニット63を介して、第2のレンズユニット65に入射する。第2のレンズユニット65は、実施例2で説明した波長分離手段36が一体化された素子であり、蛍光体ユニット64の側の面に第1領域および第2領域を有する。LDユニット61から射出された青色光は、第1領域で反射され、第1のレンズユニット63を介して蛍光体ユニット64に集光される。蛍光体ユニット64には、複数の矩形像が形成される。蛍光体ユニット64から射出された蛍光光は、第1のレンズユニット63、および第2のレンズユニット65により平行化され、不図示の照明光学系に入射する。
図7は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置700の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。本実施例では、コリメータレンズ75により光学系が構成される。
LDユニット71から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ72、および集光レンズ73を介して、コリメータレンズ75に入射する。コリメータレンズ75は、実施例1で説明した波長分離手段6が一体化された素子であり、蛍光体ユニット74の側の面に第1領域および第2領域を有する。LDユニット71から射出された青色光は、第1領域で反射され、蛍光体ユニット74に集光される。蛍光体ユニット74には、マイクロフライアイレンズ72、および集光レンズ73の光学作用で所定の矩形像が形成される。蛍光体ユニット74から射出された蛍光光は、コリメータレンズ75で平行化され、不図示の照明光学系に入射する。
図8は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置800の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。本実施例では、波長分離手段85、およびコリメータレンズ86により光学系が構成される。
LDユニット81から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ82、集光レンズ83、および波長分離手段85を介して、蛍光体ユニット84に集光される。蛍光体ユニット84には、マイクロフライアイレンズ82、および集光レンズ83の光学作用で所定の矩形像が形成される。波長分離手段85は、それぞれが実施例1と同様な特性を有する第1領域および第2領域を備える。蛍光体ユニット84から射出された蛍光光は、コリメータレンズ86で平行化され、不図示の照明光学系に入射する。
図9は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置900の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。本実施例では、第1のコリメータレンズ95、波長分離手段96、および第2のコリメータレンズ97により光学系が構成される。
第1のLDユニット91から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ92、第1の集光レンズ93、波長分離手段96、および第1のコリメータレンズ95を介して、蛍光体ユニット94に照明光学系の側から集光される。蛍光体ユニット94には、マイクロフライアイレンズ92、第1の集光レンズ93、および第1のコリメータレンズ95の光学作用で所定の矩形像が形成される。
第2のLDユニット98から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ92、および第2の集光レンズ99を介して、蛍光体ユニット94に第2のLDユニット98の側から集光される。蛍光体ユニット94には、マイクロフライアイレンズ92、および第2の集光レンズ99の光学作用で所定の矩形像が形成される。
蛍光体ユニット94は、水晶やサファイア等の熱伝導率が高く透過率の高い透明基板に蛍光体層が塗布された素子である。蛍光体層を両面から励起するため、蛍光体ユニット94の表面の光密度を下げることが可能になり、蛍光体の発光効率が向上する。
図10は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置1000の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。本実施例では、光分離手段104、およびコリメータレンズ105により光学系が構成される。
LDユニット101から射出された光は、集光レンズ102、および光分離手段104を介して拡散板ユニット103に集光され、拡散板ユニット103で拡散される。拡散板ユニット103は、LDユニット101から射出された光(第1の光)を拡散し、LDユニット101から射出された光と特性が異なる光(第2の光)を射出する拡散板を有する。
図11は、光分離手段104の構成図である。光分離手段104は、第1領域104A、および第2領域104Bを有する。第1領域104Aは、LDユニット101から射出された光を反射する特性を有する反射膜が蒸着されている領域である。第2領域6Bは、LDユニット101から射出された光を透過する特性を有する反射防止膜が蒸着されている領域である。
拡散板ユニット103で拡散された光は、コリメータレンズ105で平行化され、不図示の照明光学系に入射する。
なお、LDユニット101は、単色のレーザー光源に限られず、2色や3色のレーザー光を合成したレーザー光源ユニットであってもよい。
図12は、本実施例の画像投写装置が有する光源装置1200の構成図である。本実施例の画像投写装置は、実施例1で説明した照明光学系210、および投影レンズ220と同様の構成の照明光学系、および投影レンズを有する。本実施例では、第1のコリメータレンズ124、および第2のコリメータレンズ125により光学系が構成される。
LDユニット121から射出された青色光は、マイクロフライアイレンズ122、および第1のコリメータレンズ124を介して、第2のコリメータレンズ125に入射する。第2のコリメータレンズ125は、実施例2で説明した波長分離手段36が一体化された素子であり、蛍光体ユニット123の側の面に第1領域および第2領域を有する。LDユニット121から射出された青色光は、第1領域で反射され、第1のコリメータレンズ124を介して蛍光体ユニット123に集光される。蛍光体ユニット123には、複数の矩形像が形成される。蛍光体ユニット123から射出された蛍光光は、第1のコリメータレンズ124、および第2のコリメータレンズ125により平行化され、不図示の照明光学系に入射する。
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。
1 LDユニット(光源)
2 マイクロフライアイレンズ
4 蛍光体(特性変換手段)
5 第1のコリメータレンズ(光学系)
6 波長分離手段(光学系)
7 第2のコリメータレンズ(光学系)
200 光源装置
2 マイクロフライアイレンズ
4 蛍光体(特性変換手段)
5 第1のコリメータレンズ(光学系)
6 波長分離手段(光学系)
7 第2のコリメータレンズ(光学系)
200 光源装置
Claims (14)
- 第1の光を発生する光源と、
前記第1の光と特性が異なる第2の光を射出する特性変換手段と、
前記第2の光を平行化する光学系とを有し、
前記光学系は、前記第1の光を前記特性変換手段に反射する反射手段を備えることを特徴とする光源装置。 - 前記反射手段は、前記特性変換手段と前記光学系の最も射出側のレンズの射出側の面との間に配置されることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。
- 前記反射手段は、前記第2の光を透過させることを特徴とする請求項1又は2に記載の光源装置。
- 前記特性変換手段は、前記第1の光のうち少なくとも一部を前記第1の光とは波長域が異なる前記第2の光に変換する波長変換素子であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の光源装置。
- 前記第1の光を前記特性変換手段に集光する集光手段を更に有することを特徴とする請求項1乃至4の何れか一項に記載の光源装置。
- 前記集光手段は、1枚の光学素子を有することを特徴とする請求項5に記載の光源装置。
- 前記光学系は、1枚のコリメータレンズを有することを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の光源装置。
- 前記光学系は、第1のコリメータレンズ、および第2のコリメータレンズを有することを特徴とする請求項1乃至7の何れか一項に記載の光源装置。
- 前記第1の光を前記特性変換手段に集光する集光手段を更に有し、
前記集光手段は、1枚の光学素子、および前記第1のコリメータレンズを有することを特徴とする請求項8に記載の光源装置。 - 前記反射手段は、前記第1の光を反射する特性を有する第1領域、および前記第1の光と前記第2の光とを透過させる特性を有する第2領域を備えることを特徴とする請求項1乃至9の何れか一項に記載の光源装置。
- 前記第1領域は、前記第2の光を透過させる特性を有することを特徴とする請求項10に記載の光源装置。
- 前記第1領域の面積をA、前記第2領域の面積をBとするとき、
A/(A+B)<0.5
なる条件式を満足することを特徴とする請求項10又は11に記載の光源装置。 - 前記特性変換手段は、前記第1の光を拡散し、前記第2の光を射出する拡散板であることを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の光源装置。
- 請求項1乃至13の何れか一項に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を画像表示素子に導く照明光学系とを有することを特徴とする画像投写装置。
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