JP4293241B2

JP4293241B2 - 光源装置及びプロジェクタ

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Publication number: JP4293241B2
Application number: JP2007006677A
Authority: JP
Inventors: 明江川
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2007-01-16
Filing date: 2007-01-16
Publication date: 2009-07-08
Anticipated expiration: 2027-01-16
Also published as: US8070299B2; JP2008175858A; US20080170207A1

Description

本発明は、光源装置及びプロジェクタ、特に、プロジェクタに用いられる光源装置の技術に関する。

近年、プロジェクタの光源装置において、レーザ光を供給するレーザ光源を用いる技術が提案されている。プロジェクタの光源装置として従来用いられているＵＨＰランプと比較すると、レーザ光源を用いる光源装置は、高い色再現性、瞬時点灯が可能、長寿命である等の利点がある。レーザ光源を用いる光源装置としては、レーザ光源からの基本波レーザ光を直接供給するものの他、基本波レーザ光の波長を変換して供給するものが知られている。基本波レーザ光の波長を変換する波長変換素子として、例えば第二高調波発生（Second−Harmonic Generation；ＳＨＧ）素子が知られている。波長変換素子を用いることで、容易に入手可能な汎用のレーザ光源を用いて、所望の波長のレーザ光を供給することが可能となる。また、十分な光量のレーザ光を供給可能な構成とすることもできる。ＳＨＧ素子を用いる光源装置において、レーザ光を共振させる共振器構造内にＳＨＧ素子を配置する構成が知られている（例えば、特許文献１参照）。共振器構造において基本波レーザ光を共振させるうち所望の波長に変換されたレーザ光を取り出すことにより、高い波長変換効率でレーザ光を供給することが可能となる。

特開平５−２３５４４１号公報

共振器構造には、基本波レーザ光を反射させる波長選択性を持たせたミラーが用いられる。波長選択性を持たせたミラーであっても基本波レーザ光の全てを反射可能とすることは困難であって、一部の基本波レーザ光はミラーを透過してしまう。上記特許文献１に提案される構成によると、共振器構造から出射した基本波レーザ光はそのまま光源装置の外部へ漏れ出すこととなる。高い出力のレーザ光は、人体、特に眼に不快感を与える不具合をもたらす場合がある。レーザ光を扱う装置は、レーザ光による不具合の発生を確実に回避可能な構成である必要がある。

プロジェクタの光源装置の場合、ＳＨＧ素子により基本波レーザ光である赤外光を可視光へ変換する構成が一般的である。赤外光の場合は可視光の場合よりも忌避反応による退避が難しいことから、特に高出力の赤外光が漏れ出すことは確実に防ぐ必要がある。赤外光の漏れを防止するには、赤外光を吸収する赤外光カットガラスを用いることが考えられる。しかし、赤外光カットガラスを用いる構成では、赤外光カットガラスの破損があった場合に赤外光は容易に外部へ漏れ出してしまうことになる。このように、従来の技術によると、高い波長変換効率を実現可能な構成において不具合の発生の確実な回避が困難であるという問題を生じる。本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、高い波長変換効率を実現可能な構成において不具合の発生の確実な回避が可能な光源装置、及びその光源装置を用いるプロジェクタを提供す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、本発明によれば、第１波長の光を供給する光源部と、第１波長の光を、第１波長とは異なる第２波長の光へ変換する波長変換素子と、第１波長の光及び第２波長の光を分離させる波長分離部と、を有し、波長分離部は、波長変換素子からの第２波長の光を出射方向へ進行させ、かつ波長変換素子からの第１波長の光を出射方向以外の方向へ進行させることを特徴とする光源装置を提供することができる。

波長分離部から出射方向へ進行させた光のみを光源装置の外部へ出射させる構成とすることで、波長分離部から出射方向以外の方向へ進行させた第１波長の光が直接光源装置の外部へ出射する事態を確実に回避することが可能となる。また、例えば赤外光カットガラスを用いる構成において赤外光カットガラスの破損があった場合であっても、第１波長の光の直接外部への出射を防ぐことができる。これにより、高い波長変換効率を実現可能な構成において不具合の発生の確実な回避が可能な光源装置を得られる。

また、本発明の好ましい態様としては、波長分離部は、第１波長の光を透過させることにより出射方向以外の方向へ進行させ、かつ第２波長の光を反射させることにより出射方向へ進行させることが望ましい。波長分離部における反射により第２波長の光の進行方向を出射方向へ変換させる構成とすることで、たとえ波長分離部の破損があったとしても第１波長の光の直接外部への出射を防ぐことができる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部、波長変換素子及び波長分離部を収納する筐体を有し、筐体は、波長分離部から出射方向以外の方向へ進行した光が入射する位置において第１波長の光を吸収することが望ましい。波長分離部からの第１波長の光を吸収可能とすることで、筐体内での第１波長の光の散乱を防ぐことができる。これにより、散乱により出射部の方向へ進行した第１波長の光を低減させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、波長分離部から出射方向へ進行した光を筐体の外部へ出射させる出射部と、出射部の周囲に設けられ、波長分離部から出射方向へ進行した光以外の光を遮光する遮光部と、を有することが望ましい。遮光部を設けることで、出射方向以外の方向へ進行した後散乱により出射部の方向へ進行した第１波長の光を遮ることが可能となる。これにより、筐体内で散乱した後出射部から出射する第１波長の光をさらに低減させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、筐体は、波長分離部から出射方向以外の方向へ進行した光が入射する位置に設けられた凹部を備えることが望ましい。凹部を設けることで、第１波長の光の散乱を低減させることが可能となる。これにより、出射部から出射する第１波長の光をさらに低減させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、光源部は、第１波長の光である赤外光を供給し、波長分離部から出射方向へ進行した光が入射する位置に設けられ、赤外光の透過を低減させる赤外光低減部材を有することが望ましい。これにより、出射部から出射する赤外光を低減させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、波長変換素子が設けられた光路にて第１波長の光を共振させる共振器構造を有し、波長分離部は、共振器構造より出射側に設けられることが望ましい。共振器構造により、所望の波長の光を効率良く出射させることができる。また、共振器構造より出射側に波長分離部を設けることで、共振器構造から出射した第１波長の光の直接外部への出射を防ぐことができる。

さらに、本発明によれば、上記の光源装置と、光源装置からの光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とするプロジェクタを提供することができる。上記の光源装置を用いることにより、高い波長変換効率を実現可能な構成において不具合の発生の確実な回避が可能となる。これにより、明るい画像を表示可能な構成において不具合の発生の確実な回避が可能なプロジェクタを得られる。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置１０の概略構成を示す。光源装置１０は、半導体レーザ励起固体（Diode Pumped Solid State；ＤＰＳＳ）レーザ発振器である。励起用レーザ１１は、例えば、８０８ｎｍの波長を持つレーザ光を供給する半導体レーザである。励起用レーザ１１の出射側には、第１共振ミラー１２が設けられている。励起用レーザ１１からのレーザ光は、第１共振ミラー１２を透過した後、レーザ結晶１３へ入射する。レーザ結晶１３は、励起されることによりレーザ発振し、第１波長のレーザ光を供給する。レーザ結晶１３としては、例えばＮｄ：ＹＶＯ₄結晶やＮｄ：ＹＡＧ（Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂）結晶を用いることができる。励起用レーザ１１及びレーザ結晶１３は、第１波長のレーザ光であって赤外光を供給する光源部である。第１波長は、例えば１０６４ｎｍである。

ＳＨＧ素子１４は、レーザ結晶１３からの第１波長のレーザ光を、第１波長とは異なる第２波長のレーザ光へ変換させる波長変換素子である。第２波長は、第１波長の半分の波長であって、例えば５３２ｎｍである。ＳＨＧ素子１４としては、例えば、非線形光学結晶を用いることができる。ＳＨＧ素子１４及びダイクロイックミラー１６の間には、第２共振ミラー１５が設けられている。第２共振ミラー１５は、第１波長のレーザ光を選択的に反射させ、第１波長以外の波長（第２波長を含む）の光を透過させる機能を有する。第２共振ミラー１５を透過したレーザ光は、ダイクロイックミラー１６の方向へ進行する。第２共振ミラー１５で反射されたレーザ光は、ＳＨＧ素子１４の方向へ進行する。

第１共振ミラー１２は、第２共振ミラー１５と同様に、第１波長のレーザ光を選択的に反射させ、第１波長以外の波長の光を透過させる。第１共振ミラー１２及び第２共振ミラー１５は、ＳＨＧ素子１４が設けられた光路にて第１波長の光を共振させる共振器構造を構成する。第１共振ミラー１２及び第２共振ミラー１５の間にて第２波長に変換されたレーザ光は、第２共振ミラー１５を通過しダイクロイックミラー１６の方向へ進行する。共振器構造により、所望の波長のレーザ光を効率良く出射させることができる。

ダイクロイックミラー１６は、第１波長の光を透過させ、かつ第２波長の光を反射させることで、第１波長の光及び第２波長の光を分離させる波長分離部である。ダイクロイックミラー１６は、ガラス等の透明部材からなる直角プリズムの斜面２１に波長選択膜、例えば誘電体多層膜を形成することにより構成されている。ダイクロイックミラー１６は、入射光線に対して斜面２１を略４５度傾けて配置されている。ダイクロイックミラー１６は、第１共振ミラー１２及び第２共振ミラー１５により構成される共振器構造より出射側に設けられている。

ダイクロイックミラー１６へ入射した第２波長のレーザ光は、斜面２１における反射により光路が略９０度折り曲げられる。ダイクロイックミラー１６において光路が折り曲げられた第２波長のレーザ光は、出射方向へ進行する。ダイクロイックミラー１６へ入射した第１波長の光は、斜面２１及び直角プリズムを透過することで、そのまま直進する。このように、ダイクロイックミラー１６は、第１波長のレーザ光を透過させることにより出射方向以外の方向へ進行させ、かつ第２波長のレーザ光を反射させることにより出射方向へ進行させる。なお、ダイクロイックミラー１６は、直角プリズムを用いる構成の他、ガラス等からなる平行平板を用いる構成であっても良い。

開口部２２は、筐体１８のうちダイクロイックミラー１６で反射した第２波長のレーザ光が入射する位置に設けられている。開口部２２は、ダイクロイックミラー１６から出射方向へ進行したレーザ光を筐体１８の外部へ出射させる出射部である。ＩＲカットガラス１７は、開口部２２を完全に塞ぐように設けられている。ＩＲカットガラス１７へ入射した第２波長のレーザ光は、ＩＲカットガラス１７を透過し、筐体１８の外部へ出射する。

ＩＲカットガラス１７は、ＳｉＯ₂を含有するガラス部材を用いて構成された基板であって、ガラス平板にＩＲカット膜をコーティングして構成されている。ＩＲカットガラス１７は、赤外線を吸収することで赤外線の透過を低減させる赤外線低減部材である。開口部２２にＩＲカットガラス１７を設けることで、赤外光である第１波長のレーザ光の出射を低減させることができる。ＩＲカットガラス１７は、ＩＲカット膜を設ける構成とする他、ガラス組成に赤外線を吸収する素材を添加することとしても良い。

筐体１８は、励起用レーザ１１からダイクロイックミラー１６までの光路中に設けられた各部を収納し、内部を密閉する。励起用レーザ１１からダイクロイックミラー１６までの各部は、筐体１８内において互いにアライメントして配置されている。例えばレーザ結晶１３及びＳＨＧ素子１４は、共通の固定部１９上に設けることで、他の構成とのアライメントがなされる。レーザ結晶１３及びＳＨＧ素子１４以外の構成についても固定部１９を使用することにより他の構成とのアライメントを行うこととしても良い。

ダイクロイックミラー１６から出射方向以外の方向へ進行した第１波長のレーザ光は、筐体１８へ入射する。筐体１８は、ダイクロイックミラー１６から出射方向以外の方向へ進行したレーザ光が入射する位置において第１波長のレーザ光を吸収する。ダイクロイックミラー１６から出射方向以外の方向へ進行したレーザ光を筐体１８で吸収させる構成とすることで、筐体１８内での第１波長のレーザ光の散乱を防ぐことができる。レーザ光の散乱を防ぐことで、開口部２２の方向へ進行した第１波長のレーザ光を低減させることができる。なお、筐体１８における第１波長のレーザ光の吸収が不十分であったとしても、ＩＲカットガラス１７により、筐体１８で反射した第１波長のレーザ光の出射を低減させることができる。

ダイクロイックミラー１６における反射により第２波長のレーザ光の進行方向を出射方向へ変換させる構成とすることで、たとえダイクロイックミラー１６やＩＲカットガラス１７の破損があったとしても第１波長のレーザ光の直接外部への出射を防ぐことができる。これにより、高い波長変換効率を実現可能な構成において不具合の発生を確実に回避することができるという効果を奏する。本発明の光源装置は、ＤＰＳＳレーザ発振器である場合に限られない。光源部である半導体レーザからのレーザ光を波長変換素子へ入射させる光源装置であっても良い。この場合、光源部としては半導体レーザを用いる他、固体レーザ、液体レーザ、ガスレーザ等を用いても良い。

図２は、本実施例の変形例１に係る光源装置３０の概略構成を示す。本変形例の光源装置３０は、遮光部３１を有することを特徴とする。遮光部３１は、筐体１８の内部であって、開口部２２の周囲に設けられている。ダイクロイックミラー１６から出射方向へ進行した第２波長のレーザ光は、遮光部３１において遮られることなく、ＩＲカットガラス１７を経て外部へ出射する。ダイクロイックミラー１６から出射方向以外の方向へ進行した後筐体１８で反射した第１波長のレーザ光は、筐体１８内で散乱することとなる。筐体１８内で散乱したレーザ光のうち開口部２２の方向へ進行した成分は、遮光部３１によって遮られる。

このように遮光部３１は、ダイクロイックミラー１６から出射方向へ進行したレーザ光以外のレーザ光を遮光する。筐体１８における第１波長のレーザ光の吸収が不十分であったとしても、遮光部３１を設けることにより、第１波長のレーザ光の出射を低減させることができる。これにより、筐体１８内で散乱した後出射部から出射する第１波長のレーザ光をさらに低減させることができる。

図３は、本実施例の変形例２に係る光源装置４０の概略構成を示す。本変形例の光源装置４０は、筐体１８に設けられた凹部４１を有することを特徴とする。凹部４１は、筐体１８のうち、ダイクロイックミラー１６を透過した第１波長のレーザ光が入射する位置に設けられている。凹部４１は、円の一部、例えば半円をなすような断面形状で構成されている。凹部４１を形成することにより、凹部４１へ入射した第１波長のレーザ光の反射をさらに低減させることができる。第１波長のレーザ光の散乱を低減させることで、出射部から出射する第１波長のレーザ光をさらに低減させることができる。凹部４１の形状は、ダイクロイックミラー１６からの第１波長のレーザ光の散乱を低減可能であれば良く、図示するものに限られない。

図４は、本発明の実施例２に係るプロジェクタ７０の概略構成を示す。プロジェクタ７０は、スクリーン８８に光を供給し、スクリーン８８で反射する光を観察することで画像を鑑賞するフロント投写型のプロジェクタである。上記実施例１と重複する説明は省略する。プロジェクタ７０は、赤色（Ｒ）光用光源装置８０Ｒ、緑色（Ｇ）光用光源装置８０Ｇ、青色（Ｂ）光用光源装置８０Ｂを有する。各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂは、いずれも上記実施例１の光源装置と同様の構成を有する。プロジェクタ７０は、各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂからの光を用いて画像を表示する。

Ｒ光用光源装置８０Ｒは、Ｒ光を供給する光源装置である。拡散素子８１は、照明領域の整形、拡大、及びレーザ光の光量分布の均一化を行う。拡散素子８１としては、例えば回折光学素子である計算機合成ホログラム（Computer Generated Hologram；ＣＧＨ）を用いることができる。フィールドレンズ８２は、拡散素子８１からのレーザ光を平行化させ、Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒへ入射させる。Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒは、画像信号に応じてＲ光を変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｒ光用空間光変調装置８３Ｒで変調されたＲ光は、色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム８４へ入射する。

Ｇ光用光源装置８０Ｇは、Ｇ光を供給する光源装置である。拡散素子８１及びフィールドレンズ８２を経たレーザ光は、Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇへ入射する。Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇは、画像信号に応じてＧ光を変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｇ光用空間光変調装置８３Ｇで変調されたＧ光は、Ｒ光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム８４へ入射する。

Ｂ光用光源装置８０Ｂは、Ｂ光を供給する光源装置である。拡散素子８１及びフィールドレンズ８２を経たレーザ光は、Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂへ入射する。Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂは、画像信号に応じてＢ光を変調する空間光変調装置であって、透過型液晶表示装置である。Ｂ光用空間光変調装置８３Ｂで変調されたＢ光は、Ｒ光、Ｇ光とは異なる側からクロスダイクロイックプリズム８４へ入射する。透過型液晶表示装置としては、例えば高温ポリシリコンＴＦＴ液晶パネル（High Temperature Polysilicon；ＨＴＰＳ）を用いることができる。

クロスダイクロイックプリズム８４は、互いに略直交させて配置された２つのダイクロイック膜８５、８６を有する。第１ダイクロイック膜８５は、Ｒ光を反射し、Ｇ光及びＢ光を透過させる。第２ダイクロイック膜８６は、Ｂ光を反射し、Ｒ光及びＧ光を透過させる。クロスダイクロイックプリズム８４は、それぞれ異なる方向から入射したＲ光、Ｇ光及びＢ光を合成し、投写レンズ８７の方向へ出射させる。投写レンズ８７は、クロスダイクロイックプリズム８４で合成された光をスクリーン８８の方向へ投写する。

上記実施例１と同様の構成を有する各色光用光源装置８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂを用いることにより、高い波長変換効率を実現可能な構成において不具合の発生の確実な回避が可能となる。これにより、明るい画像を表示可能な構成において不具合の発生を確実に回避できるという効果を奏する。プロジェクタ７０は、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる場合に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置（Liquid Crystal On Silicon；ＬＣＯＳ）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＧＬＶ（Grating Light Valve）等を用いても良い。

プロジェクタ７０は、色光ごとに空間光変調装置を備える構成に限られない。プロジェクタ７０は、一の空間光変調装置により２つ又は３つ以上の色光を変調する構成としても良い。プロジェクタは、スクリーンの一方の面に光を供給し、スクリーンの他方の面から出射される光を観察することで画像を鑑賞する、いわゆるリアプロジェクタであっても良い。さらに、本発明の光源装置は、プロジェクタに適用する場合に限られない。例えば、レーザ光を用いて露光を行う露光装置や、レーザ光により照明された像をモニタするモニタ装置等に適用することとしても良い。さらに、本発明の光源装置は、光源部としてレーザ光源を用いる場合に限られない。光源装置は、光源部としてＬＥＤ等の固体光源や超高圧水銀ランプ等のランプを用いる構成としても良い。

以上のように、本発明に係る光源装置は、プロジェクタに用いる場合に適している。

本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図。実施例１の変形例１に係る光源装置の概略構成を示す図。実施例１の変形例２に係る光源装置の概略構成を示す図。本発明の実施例２に係るプロジェクタの概略構成を示す図。

符号の説明

１０光源装置、１１励起用レーザ、１２第１共振ミラー、１３レーザ結晶、１４ＳＨＧ素子、１５第２共振ミラー、１６ダイクロイックミラー、１７ＩＲカットガラス、１８筐体、１９固定部、２１斜面、２２開口部、３０光源装置、３１遮光部、４０光源装置、４１凹部、７０プロジェクタ、８０ＲＲ光用光源装置、８０ＧＧ光用光源装置、８０ＢＢ光用光源装置、８１拡散素子、８２フィールドレンズ、８３ＲＲ光用空間光変調装置、８３ＧＧ光用空間光変調装置、８３ＢＢ光用空間光変調装置、８４クロスダイクロイックプリズム、８５第１ダイクロイック膜、８６第２ダイクロイック膜、８７投写レンズ、８８スクリーン

Claims

赤外光である第１波長の光を供給する光源部と、
前記第１波長の光を、前記第１波長とは異なる第２波長の光へ変換する波長変換素子と、
前記第１波長の光及び前記第２波長の光を分離させる波長分離部と、を有し、
前記波長分離部は、前記波長変換素子からの前記第２波長の光を出射方向へ進行させ、かつ前記波長変換素子からの前記第１波長の光を前記出射方向以外の方向へ進行させ、
前記波長分離部から前記出射方向へ進行した光が入射する位置に設けられ、前記赤外光の透過を低減させる赤外光低減部材を有することを特徴とする光源装置。
前記波長分離部は、前記第１波長の光を透過させることにより前記出射方向以外の方向へ進行させ、かつ前記第２波長の光を反射させることにより前記出射方向へ進行させることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記光源部、前記波長変換素子及び前記波長分離部を収納する筐体を有し、
前記筐体は、前記波長分離部から前記出射方向以外の方向へ進行した光が入射する位置において前記第１波長の光を吸収することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記波長分離部から前記出射方向へ進行した光を前記筐体の外部へ出射させる出射部と、
前記出射部の周囲に設けられ、前記波長分離部から前記出射方向へ進行した光以外の光を遮光する遮光部と、を有することを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
前記筐体は、前記波長分離部から前記出射方向以外の方向へ進行した光が入射する位置に設けられた凹部を備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
前記波長変換素子が設けられた光路にて前記第１波長の光を共振させる共振器構造を有し、
前記波長分離部は、前記共振器構造より出射側に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
請求項１〜６のいず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信号に応じて変調する空間光変調装置と、を有することを特徴とするプロジェクタ。