JP6950476B2 - Light source device and projector using it - Google Patents
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Description
本発明は、光源装置、及びこれを用いたプロジェクタに関する。 The present invention relates to a light source device and a projector using the same.
今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ画像、メモリカード等に記憶されている画像をスクリーンに投影するプロジェクタが多用されている。プロジェクタは、光源から射出された光をDMD(Digital Micro-mirror Device:マイクロミラー素子)、液晶素子などの画像表示素子に集光させ、スクリーン上に画像を投射するものである。従来のプロジェクタは、高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であったが、近年、励起光を出力する固体発光素子と、励起光を吸収して所定の波長帯域光に変換する蛍光体を組み合わせた光源装置が用いられるようになっている。 Today, projectors that project images stored on the screens of personal computers, video images, memory cards, etc. are often used. A projector focuses light emitted from a light source on an image display element such as a DMD (Digital Micro-mirror Device) or a liquid crystal element, and projects an image on a screen. Conventional projectors mainly use a high-intensity discharge lamp as a light source, but in recent years, a solid-state light emitting element that outputs excitation light and a phosphor that absorbs excitation light and converts it into predetermined wavelength band light. A light source device that combines the above has come to be used.
励起光を出力する固体発光素子として、発光ダイオード(LED)、レーザーダイオード(LD)、有機EL(Electro Luminescence)等が用いられている。励起光と、2種類の蛍光体層が形成された回転基板(蛍光体ホイール)を用いて、3色の光(励起光と2つの蛍光)を生成し、3つの色光を合成することで白色光が得られる(特許文献1参照)。 As a solid-state light emitting element that outputs excitation light, a light emitting diode (LED), a laser diode (LD), an organic EL (Electro Luminescence), or the like is used. Using the excitation light and a rotating substrate (fluorescent wheel) on which two types of phosphor layers are formed, three colors of light (excitation light and two fluorescence) are generated, and the three color lights are combined to create white light. Light is obtained (see Patent Document 1).
今までの光源装置では、高出力の白色光を得るために多数の励起光源を使用し、励起光源からの各射出光を集光して蛍光体の1カ所に照射している。励起密度の高い光を蛍光体の1カ所に照射すると、照射箇所の温度が急激に高くなり、蛍光体の温度消光特性によって蛍光変換効率(発光効率)が低下する。温度消光とは、温度上昇により励起光によって電子が励起状態になる確率が下がる現象である。集光した光を3つに分岐して、各分岐光を蛍光体上の対応する領域に照射する場合でも、分岐された各光の励起密度は依然として高く、加熱により蛍光体の発光効率が低下する。 In the conventional light source device, a large number of excitation light sources are used in order to obtain high-power white light, and each emission light from the excitation light source is collected and irradiated to one place of the phosphor. When light having a high excitation density is irradiated to one place of the phosphor, the temperature of the irradiated place rises sharply, and the fluorescence conversion efficiency (luminous efficiency) decreases due to the temperature quenching characteristic of the phosphor. Temperature quenching is a phenomenon in which the probability that an electron will be excited by excitation light decreases as the temperature rises. Even when the focused light is branched into three and each branched light is applied to the corresponding region on the phosphor, the excitation density of each branched light is still high, and the luminous efficiency of the phosphor is reduced by heating. do.
本発明は、光源装置において、温度消光の影響を低減して高効率の蛍光変換を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to reduce the influence of temperature quenching in a light source device to realize highly efficient fluorescence conversion.
上記課題を解決するために、一つの態様では、光源装置は、
励起光を出力する複数の光源と、
蛍光体が配置された第1領域と蛍光体が配置されていない第2領域とを有する蛍光体担持部と、
を有し、
前記複数の光源から出力される励起光は、前記蛍光体担持部の異なる位置を照射し、
前記異なる位置からの出射光を合成した合成光が出力され、
前記複数の光源は、前記蛍光体担持部に形成される照射スポットが、前記第1領域と前記第2領域に所定の面積割合でまたがるように前記蛍光体担持部を照射し、
前記所定の面積割合が異なる複数の前記照射スポットが形成する。
In order to solve the above problem, in one embodiment, the light source device is
With multiple light sources that output excitation light,
A phosphor-supporting portion having a first region in which a phosphor is arranged and a second region in which a phosphor is not arranged,
Have,
The excitation light output from the plurality of light sources irradiates different positions of the phosphor-supporting portion, and the excitation light is emitted.
The combined light that combines the emitted light from the different positions is output .
The plurality of light sources irradiate the phosphor-supporting portion so that the irradiation spot formed on the phosphor-supporting portion straddles the first region and the second region at a predetermined area ratio.
A plurality of the irradiation spots having different predetermined area ratios are formed .
上記の構成により、光源装置で温度消光の影響を低減して、高効率の蛍光変換を実現することができる。 With the above configuration, it is possible to reduce the influence of temperature quenching in the light source device and realize highly efficient fluorescence conversion.
実施形態では、高出力の白色光を実現しつつ、温度消光の影響を低減して発光効率を高めるため、複数の光源から出力された励起光の各々を、蛍光体担持部のそれぞれ異なる箇所に分散させて照射する。各照射箇所からの出射光を集光して白色光を出力する。 In the embodiment, in order to reduce the influence of temperature quenching and increase the luminous efficiency while realizing high-power white light, each of the excitation lights output from a plurality of light sources is placed at different locations on the phosphor-supporting portion. Disperse and irradiate. White light is output by condensing the emitted light from each irradiation point.
蛍光体担持部の各照射箇所での励起強度は高くないので、温度消光が抑制される。蛍光体担持部の各箇所で白色の出射光を生成してもよい。この場合は、それぞれの白色光を集光して高出力の白色光が得られる。この構成では、個々の光源素子のばらつきと、各照射位置での蛍光のばらつきを吸収して、安定した色調の白色光を出力することができる。
<第1実施形態>
図1は、第1実施形態の光源装置10Aの概略図である。光源装置10Aは、複数の光源11と、蛍光体担持部2Aと、集光レンズ80を有する。蛍光体担持部2Aは、蛍光体45として、緑色蛍光体層45Gと、赤色蛍光体層45Rを担持している。
Since the excitation intensity at each irradiation site of the phosphor-supported portion is not high, temperature quenching is suppressed. White emitted light may be generated at each location of the phosphor-supported portion. In this case, each white light is condensed to obtain high-power white light. In this configuration, it is possible to absorb the variation of individual light source elements and the variation of fluorescence at each irradiation position, and output white light having a stable color tone.
<First Embodiment>
FIG. 1 is a schematic view of the
複数の光源11から出力された光は、蛍光体担持部2Aのそれぞれ異なる箇所を照射する。各光源11と蛍光体担持部2Aの間に、光源11から出力される励起光を所望のスポット径に成形する光学系20を配置してもよい。
The light output from the plurality of
蛍光体担持部2Aは、後述するように、蛍光体45が設けられた領域と、透過領域とを有する。各光源11から出力される励起光の強度はそれほど大きくなく、蛍光体担持部2Aの照射位置での励起密度も高くない。蛍光体45での昇温が抑制され、光源装置10Aの発光効率を高く維持することができる。
The phosphor-supporting
蛍光体担持部2Aの異なる箇所から出射される複数の光は、集光レンズ80で集光される。集光レンズ80で集光された光99が、光源装置10Aの出力光である。この出力光は、蛍光体担持部2Aの複数の箇所を透過した光の合成光である。
A plurality of lights emitted from different locations of the phosphor-supporting
光源装置10Aの出力光は、色切り換え部9のカラーホイール90の所定の位置に集光される。カラーホイール90は、赤(R)、緑(G)、青(B)のカラー領域を有し、光源装置10Aの出力光を各色の光に切り替えて、出力する。
The output light of the
色切り換え部9は、カラーホイール90の他に、カラーホイール90を駆動軸92のまわりに駆動するステッピングモータ91を有する。光源装置10Aから出力された光が、カラーホイール90のいずれのカラー領域に入射するかによって、特定の色光がカラーホイール90から時分割で取出される。カラーホイール90を透過した光は、ロッドインテグレータ93に入射する。ロッドインテグレータ93は、カラーホイール90を透過した光の光量及び/または照度を均一に調整する光学部品である。このような光学部品として、ロッドインテグレータ93に替えて、あるいはロッドインテグレータ93と組み合わせてライトトンネル等を用いてもよい。
In addition to the
光源装置10Aについて、より詳細に説明する。複数の光源11は所望の配置パターンで並べられている。配置パターンは、円環状、多角形または楕円の環状、矩形配置の組み合わせなどである。複数の光源11からの出力光が干渉しない程度にアレイ状に配置されていればよいので、所望の配列パターンを採用することができる。この例では、複数の光源11が環状に配列されたアレイを用いる。
The
各光源11は、発光ダイオード、レーザーダイオード、有機EL等、所定の波長の励起光を出力する発光素子である。LD等の固体発光素子を用いることで、放電ランプに比べて、色再現性、発光効率、光利用効率等が良好であり、瞬時に点灯し、かつ寿命が長い。点光源(或いは平行ビーム)であるため、照明系が設計しやすく、色合成が簡易になる。
Each
各光源11から射出した光は、各光源に対応して設けられた光学系20によって、所望のスポット径に整形され、蛍光体担持部2Aの所定の領域に導かれる。光学系20は、たとえば、集光レンズ206、207を含むレンズ群で形成されてもよい。
The light emitted from each
蛍光体担持部2Aは、蛍光体ホイール21と、蛍光体ホイール21の入射面に形成されたダイクロイック層3、及び、蛍光体ホイール21の出射面に形成された蛍光体45の層を有する。図1の例では、蛍光体ホイール21に赤色蛍光体層45Rと緑色蛍光体層45Gが設けられている。
The
ダイクロイック層3は、光源11からの射出光(励起光)のみを透過し、その他の波長成分を反射する。この例では、励起光は青色の光である。赤色蛍光体層45Rは、励起光で照射されると赤色の蛍光を発する。緑色蛍光体層45Gは、励起光で照射されると緑色の蛍光を発する。励起光の波長を別の波長に変換するという点で、波長変換層と呼んでもよい。
The
ダイクロイック層3と、蛍光体ホイール21を透過した各光線は、蛍光体ホイール21の出射面から出射し、対応するピックアップレンズ50で平行光にされ、集光レンズ80により、カラーホイール90上の1点に集光される。集光レンズ80から出射された光99は、蛍光体ホイール21の複数の箇所を透過した光の合成光である。
Each light ray transmitted through the
図2は、蛍光体ホイール21の概略図、図3は、図2のサークルで囲んだ領域Aの拡大図である。蛍光体ホイール21は、透過型基板201に、同心円で形成された環状の赤色蛍光体層45Rと、緑色蛍光体層45Gを有する。赤色蛍光体層45Rと、緑色蛍光体層45Gの間は、透過領域202である。
FIG. 2 is a schematic view of the
透過型基板201は、ガラス、プラスチック等の透過性の高い材料で形成されている。透過型基板201は、回転軸48に接続されており、ステッピングモータ49によって回転される。回転軸48は、透過型基板201の中心を通り、基板の法線と平行に設けられており、蛍光体ホイール21を基板の面内方向に回転可能に支持している。
The
蛍光体ホイール21の回転は必須ではない。図2に示すように、各光源11から出力された励起光PL(B)は、蛍光体ホイール21の上に分散された複数のスポットを形成する。蛍光体ホイール21での熱集中が防止され、各スポット位置での昇温が抑制されているので、ステッピングモータ49をオフにして用いることも可能である。
The rotation of the
蛍光体ホイール21を所定の回転レートで回転する場合は、励起光PL(B)のスポット位置を、照射単位時間ごとにずらすことができる。また、蛍光体ホイール21が回転することによって、蛍光体ホイール21自体がヒートスプレッダとして機能する。この場合は、熱分散と冷却効果をさらに高めることができる。
When the
図3は、蛍光体ホイール21に形成される励起光PL(B)のスポット203の一例である。透過基板201の環状の蛍光領域に導かれた励起光PL(B)は、赤色蛍光体層45Rと、緑色蛍光体層45Gと、透過領域202にまたがるスポット203を形成する。スポット203の形状と径は、光学系20により制御されている。
FIG. 3 is an example of the
図3の例では、励起光PL(B)のスポット203は、スポット面積の約2割で赤色蛍光体層45Rを照射し、約7割で緑色蛍光体層45Gを照射している。スポット面積の約1割は、透過領域202を照射している。
In the example of FIG. 3, the
この面積割合で蛍光体ホイール21を通過した赤色光、青色光、及び緑色光は、ピックアップレンズ50(図1参照)で平行光99aにされる。ピックアップレンズ50から出力される平行光99aは、この例では3色の光が所定の割合で混合された白色光である。図1を参照して説明したように、複数の白色光が集光レンズ80によってひとつの白色光に集光される。これにより、複数の光源11のばらつき、各スポットで生成される白色光のばらつき等を吸収して、安定した白色光源が実現される。
The red light, blue light, and green light that have passed through the
蛍光体ホイール21に形成されるスポット203は、図3の例に限定されない。最終的に集光レンズ80から出力される光が白色光になればよいので、複数のピックアップレンズ50からそれぞれ異なる色の光が出力され、集光レンズ80による光混合の結果、白色光が生成されてもよい。
The
図4は、蛍光体ホイール21に形成されるスポットの別の例を示す図である。例(A)では、緑色蛍光体層45Gと透過領域202にまたがる第1スポット203−1と、赤色蛍光体層45Rと透過領域202にまたがる第2スポット203−2が形成される。第1スポット203−1からシアン色の光が出力され、第2スポット203−2からマゼンダ色の光が出力され、集光レンズ80で集光されて白色光が生成される。
FIG. 4 is a diagram showing another example of the spot formed on the
図4の例(B)では、緑色蛍光体層45Gの内部に形成される第1スポット203−1と、赤色蛍光体層45Rと透過領域202にまたがる第2スポット203−2が形成されている。第1スポットから緑(G)の波長の光が出力され、第2スポットから赤(R)と青(B)の波長の光が出力され、集光レンズ80で集光されて白色光となる。例(A)と例(B)で、スポット全体が占める面積割合を緑領域、赤領域、透明領域で7:2:1としてもよい。
In the example (B) of FIG. 4, the first spot 203-1 formed inside the
図4の例(A)、(B)以外にも、複数のスポット203を透過した光を集光して白色光を得ることができれば、蛍光体ホイール21上にどのようなスポットを形成してもよい。この構成により、複数の光源11から出力された各励起光PL(B)で蛍光体ホイール21上の異なる箇所を照射して、蛍光体45の温度上昇を抑制し、高い発光効率で白色光を得ることができる。
In addition to the examples (A) and (B) of FIG. 4, if white light can be obtained by condensing the light transmitted through the plurality of
光源装置10Aでは、従来構成で用いられていた分割ミラーや合成ミラー等が省略され、構成が簡素化され小型化される。また、各光源11のばらつきが吸収され、安定した品質の白色光を生成することができる。複数の光源11を環状に配置し、光源群の中心と蛍光ホイール21の中心を同軸上に配置する場合は、光源装置10Aを大型化せずに蛍光体ホイール21をできるだけ大きくすることができる。蛍光体ホイールの放熱領域を増やすことで、冷却効率が向上する。第1実施形態の光源装置10Aは、小型化と高い蛍光変換効率を両立できる点で優れている。
In the
図5は、光源装置10Aとともに用いられるカラーホイール90の一例を示す。カラーホイール90は、円形の基板901で形成され、ステッピングモータ91により回転軸92のまわりに駆動されて光色を切り替える。基板901の回転方向に沿って、分割された領域902R、902B、及び902Gが配置されている。
FIG. 5 shows an example of a
領域902Rは、赤色成分の光だけを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する。領域902Bは青色成分の光だけを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する。領域902Bは緑色成分の光だけを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する。領域902R、902B、及び902Gが円周方向に配置され、基板901の回転により、赤色、青色、緑色の光が順次放射される。
The
カラーホイール90から放射された光は、ロッドインテグレータ93等の光学部品(図1参照)で光量が均一化された後に、リレーレンズ等を介して液晶、DMDなどの画像形成素子アレイに照射される。画像形成素子アレイで形成された画像は、投射レンズにより外部スクリーンに投射される。光源装置10Aを用いたプロジェクタの詳細な構成については、後述する。
<第2実施形態>
図6は、第2実施形態の光源装置10Bの概略図である。光源装置10Bは、蛍光体担持部2Bの構成を除いて、第1実施形態と同じである。同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する記載を省略する。
The light emitted from the
<Second Embodiment>
FIG. 6 is a schematic view of the
第2実施形態の蛍光体担持部2Bは、蛍光体ホイール21上に黄色蛍光体層45Yを有する。黄色蛍光体層45Yは、励起光の照射により黄色の蛍光を発する蛍光材料で形成されている。光源11として青色光源を用いる場合、青色波長の励起光PL(B)の入射を受けて、黄色波長の光を発する材料が用いられる。
The
複数の光源11から出力された光は、光学系20でスポット整形され、黄色蛍光体層45Yを有する蛍光体ホイール21の対応する箇所に入射する。蛍光体ホイール21の各照射位置で生成された光はピックアップレンズ50で平行光99aにされ、集光レンズ80により、カラーホイール90の所定の位置に集光される。
The light output from the plurality of
図7は、蛍光体担持部2Bの構成を示す図である。図8は、図7のサークルで囲まれた領域Aの拡大図である。蛍光体ホイール21を形成する透過型基板201の出射面に、黄色蛍光体層45Yが設けられている。黄色蛍光体層45Yが設けられていない領域は、励起光PL(B)をそのまま透過させる透過領域202である。
FIG. 7 is a diagram showing the configuration of the phosphor-supporting
蛍光体ホイール21の上で、黄色蛍光体層45Yと透過領域202にまたがるスポット203が複数形成される。スポット203の数と形成位置は、光源11の数と配置に対応する。図8に示すように、スポット203は、スポット面積の約9割で黄色蛍光体層45Yを照射し、約1割で透過領域202を照射するように形成されている。
A plurality of
黄色蛍光体層45を透過した光は黄色の光である。透過領域202を透過した光は青色光である。加法混色により各スポット203で生成される光は白色光となる。蛍光体ホイール21を透過した光はピックアップレンズ50で平行光99aにされ、集光レンズ80により複数の平行光99aが一点に集光される。
The light transmitted through the
図7及び図8の構成を用いる場合、各ピックアップレンズ50から出力される平行光99aは白色光であり、集光レンズ80からの出射光99は、平行光99aを合成した白色光である。励起密度が高くない複数の励起光線で蛍光体ホイール21の複数の箇所を照射して所望の蛍光を生成し、その後集光して白色光を生成するので、蛍光体の昇温、温度消光を抑制することができる。また、光源11のばらつき、各スポット203で生成される蛍光のばらつきを吸収して、安定した白色光を生成することができる。
When the configurations of FIGS. 7 and 8 are used, the
集光レンズ80から取り出される光が白色光になればよいので、各スポット203で生成される光は、必ずしもすべてが白色光でなくてもよい。蛍光体ホイール21の全体として、スポット203が占めるトータルの面積のうち、黄色蛍光体層45Yが約9割、透過領域202が約1割となればよい。したがって、黄色蛍光体層45Yの内部に形成される第1スポットと、黄色蛍光体層45Yと透過領域202にまたがる第2スポットを混在させてもよい。また、2つの黄色蛍光体層45Yを間に透過領域202を挟んで二重に配置してもよい。
Since the light extracted from the
図6に戻って、集光レンズ80を通過した光99は、カラーホイール90の所定の位置に入射する。カラーホイール90はステッピングモータ91により回転軸92の周りに回転する。カラーホイール90は、第1実施形態と同様に、円周方向に分割された赤色の領域902R、青色の領域902B、及び緑色の領域902Gを有し(図5参照)、時分割で赤色光、青色光、緑色光を順次放射する。カラーホイール90を透過した光は、ロッドインテグレータで光量が均一化された後に、画像形成パネルに導かれる。後述するように、画像形成パネルに形成された画像は、投射レンズによって外部スクリーンに投射される。
Returning to FIG. 6, the light 99 that has passed through the
第2実施形態の構成によっても、光源装置の小型化と蛍光変換効率の向上を両立することができる。
<第3実施形態>
図9は、第3実施形態の光源装置10Cの概略図である。光源装置10Cは、蛍光体担持部2Cの構成を除いて、第1実施形態と同じである。同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する記載を省略する。
The configuration of the second embodiment also makes it possible to achieve both miniaturization of the light source device and improvement of fluorescence conversion efficiency.
<Third Embodiment>
FIG. 9 is a schematic view of the
第3実施形態の蛍光体担持部2Cは、蛍光体ホイール21の基板として、反射型基板204を用いる。第1実施形態と第2実施形態では、透過型基板201を用いて、光源11から出力される励起光を、蛍光体45の形成面と反対側から入射していた。第3実施形態では、光源11から出力される励起光を、蛍光体45の形成面と同じ側から入射する。
The phosphor-supporting portion 2C of the third embodiment uses a
複数の光源11は、たとえば円環状に配置されている。各光源11に、ダイクロイックミラー5と、集光レンズ206及び207が設けられている。円環状の光源アレイの中心と、蛍光体ホイール21の中心を同軸に配置することで、光源装置10Cを大型化させないで、蛍光体ホイール21の反射面に複数の照射スポットを分散させることができる。
The plurality of
各光源11から出力された光は、集光レンズ206、ダイクロイックミラー5、及び集光レンズ207によって、所望のスポット径に整形され、蛍光体ホイール21の所定の位置に導かれる。集光レンズ206は、光源11からの出力光を平行光に整形する。ダイクロイックミラー5は、光源11から出力される励起光だけを反射し、その他の波長成分の光を透過する。励起光は、たとえば青色波長の光である。ダイクロイックミラー5で反射された励起光は、集光レンズ207で、反射型基板204の赤色蛍光体層45Rと緑色蛍光体層45Gが形成された領域に結像する。
The light output from each
反射型基板204の光入射面は、アルミニウム合金、銀等の高反射率の金属材料で形成されている。あるいは、屈折率の異なる誘電体薄膜を積層した多層反射膜が形成されていてもよい。
The light incident surface of the
蛍光体ホイール21は、反射型基板204の中心を通り法線と平行に設けられた回転軸48に接続されており、ステッピングモータ49により回転可能である。
The
図10は、蛍光体担持部2Cの構成を示す図、図11は、図10のサークルで囲まれた領域Aの拡大図である。蛍光体ホイール21を形成する反射型基板204の反射面に、赤色蛍光体層45Rと、緑色蛍光体層45Gが環状に設けられている。蛍光体45が形成されていない領域は、反射領域205である。
FIG. 10 is a diagram showing the configuration of the phosphor-supporting portion 2C, and FIG. 11 is an enlarged view of the region A surrounded by the circle of FIG. A
複数の光源11から出力された励起光は、蛍光体ホイール21に複数のスポット203を形成する。各スポット203は、赤色蛍光体層45R、緑色蛍光体層45G、及び反射領域205にまたがって形成されている。スポット203の形状とサイズは、集光レンズ206及び207によって調整されている。この例では、スポット面積の約2割が赤色蛍光体層45Rを照射し、約7割が緑色蛍光体層45Gを照射し、約1割が反射領域205を照射している。この場合、反射型基板204の各スポット位置で反射された光は、白色光になる。
The excitation light output from the plurality of
各スポット203は、単一の光源11からの出力光で形成されるので、その励起密度は高くない。緑色蛍光体層45Gと赤色蛍光体層45Rでの昇温に起因する温度消光を防止することができる。
Since each
反射型基板204の反射面に形成されるスポット203は、かならずしも赤色蛍光体層45R、緑色蛍光体層45G、及び反射領域205の3つの領域にまたがっていなくてもよい。第1実施形態で説明したように、集光レンズ80で集光された光99が白色光になるのであれば、蛍光体ホイール21上のスポット203の位置と大きさは、適宜設計可能である。
The
図9に戻って、蛍光体ホイール21の反射型基板204で波長変換された反射光は、集光レンズ80で1点に集光される。集光レンズ80から出射される光99は、各スポット203で生成された光が合成された白色光である。複数のスポットで生成された白色光を合成してひとつの白色光を出力することで、各光源11のばらつきや、スポットごとに生成される白色光のばらつきを吸収して、安定した白色光源が実現する。
Returning to FIG. 9, the wavelength-converted reflected light on the
白色光は、色切り換え部9のカラーホイール90に導光され、実施例1および2と同様に、時分割で赤色、青色、緑色の光が順次放射される。各色の放射光は、ロッドインテグレータ93等の光学部品で光量が均一化された後に、リレーレンズで画像形成パネルに照射され、投射レンズによって外部スクリーンに投射される。
The white light is guided to the
第3実施形態の構成でも、光源装置の小型化と蛍光変換効率の向上が両立する。
<光源アセンブリ>
図12〜図17は、光源装置10のアセンブリを説明する図である。光源装置10は、第1実施形態〜第3実施形態のいずれの構成であってもよい。図12は、光源装置10の分解斜視図、図13は、組み立て後の光源装置10の外観図である。
Even in the configuration of the third embodiment, the miniaturization of the light source device and the improvement of the fluorescence conversion efficiency are compatible.
<Light source assembly>
12 to 17 are views for explaining the assembly of the
光源装置10は、光源ハウジング15とレンズハウジング14の中に配置される。光源ハウジング15は、複数の光源11が配列された光源アレイ7と、蛍光体ホイール21を含む蛍光体担持部2を収容する。レンズハウジング14は、集光レンズ80と集光凹レンズ81を収容する。
The
レンズハウジング14の光出射方向の前面側に、カラーホイール90を用いた色切り換え部9が配置されている。カラーホイール90の出力側の所定の位置に、ロッドインテグレータ93が配置される。ロッドインテグレータ93の光軸と、集光レンズ80及び集光凹レンズ81の光軸はそろっている。
A
光源ハウジング15の背面にヒートパイプ等を配置して、光源アレイ7に配置された各光源11からの発熱を逃がす放熱部材として機能させてもよい。また、図13のように光源ハウジング15とレンズハウジング14を組み合わせた状態で、アセンブリの両サイドにヒートシンクを配置してもよい。ヒートパイプ、ヒートシンク等と組み合わせて送風ファンを用いてもよい。
A heat pipe or the like may be arranged on the back surface of the
図14は、光源装置10で用いられる光源アレイ7と蛍光体ホイール21の概略図、図15は、光源アレイ7に用いられる光源集合体110の概略図である。光源アレイ7は、複数の光源集合体110を組み合わせて形成されている。図14では4つの矩形の光源集合体110を環状に組み合わせているが、この例に限定されない。3つまたは5以上の矩形の光源集合体110を組み合わせて多角形の光源アレイを形成してもよいし、円弧状の光源集合体110を組み合わせて、円環またはレーストラック型の光源アレイを形成してもよい。2つのL字型の光源集合体を組み合わせてもよい。
FIG. 14 is a schematic view of the
光源アレイ7の中心軸と同軸上に、ステッピングモータ49の回転軸48が配置され、回転軸48に蛍光体ホイール21が接続されている。この配置構成は、実施形態1及び実施形態2のように透過型基板201で蛍光体ホイール21が形成されているときの配置構成である。
A rotating
蛍光体ホイール21の出射面に、環状の蛍光体45が形成されている。蛍光体45は、第1実施形態のように、透過領域202を挟んで緑色蛍光体層45Gと赤色蛍光体層45Rが配置されたものであってもよい。あるいは、第2実施形態のように、黄色蛍光体層45Yを二重に配置したものであってもよい。
An
図15は、光源アレイ7に用いられる光源集合体110の一例を示す。長方形の基板にLD等の光源11が2次元的(2×4列)に配列されている。各光源11に対向して集光レンズ111が設けられている。各光源11から出力された光は対応する集光レンズ111によって所望のスポット径に整形され、蛍光ホイール21の蛍光体45が設けられた領域に導かれる。
FIG. 15 shows an example of the
図16は、蛍光ホイール21上に形成されるスポット203の例を示す図である。この例では、蛍光体ホイール21に黄色蛍光体層45Yが二重に配置されている。また、光源アレイ7として、4つの長方形の光源集合体110を環状に組み合わせたものを用いている。
FIG. 16 is a diagram showing an example of a
光源アレイ7に配置されている光源11に対応して、蛍光ホイール21に複数の励起光のスポット203が分散して形成されている。図14の光源アレイ7を用いた場合、スポットは2×4の配列の組み合わせで形成される。その結果、ひとつの黄色蛍光体層45Yと透過領域202にまたがって形成されるスポット、2つの黄色蛍光体層45Yと透過領域202にまたがって形成されるスポット、ほぼ黄色蛍光体層45Yの領域内に形成されるスポット等が混在する。
A plurality of excitation
スポットの総面積でみると、スポット面積の約9割が黄色蛍光体層45Yを照射し、約1割が透過領域202を照射している。換言すると、複数の光源11からの総出射光量の約1割が、蛍光体ホイール21の透過領域202を透過する。蛍光体ホイール21の各スポット203で生成された光を集光レンズ80で合成すると、白色光になる。
Looking at the total area of the spots, about 90% of the spot area irradiates the
図17は、光源装置10の光軸に沿った方向の垂直断面図である。複数の光源11から出力された励起光は、蛍光体ホイール21の異なる箇所に入射する。蛍光体ホイールをそのまま透過した光と、蛍光体ホイール21の蛍光体45と反応して生成された蛍光は、集光レンズ80、及び集光凹レンズ81によって1点に集光され、白色光としてカラーホイール90に導光される。
FIG. 17 is a vertical cross-sectional view of the
図5を参照して述べたように、カラーホイール90は、青色成分の光のみを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する領域902Bと、緑色成分の光のみを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する領域902Gと、赤色成分の光のみを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する領域902Rが、回転方向に分割配置されている。
As described with reference to FIG. 5, the
カラーホイール90から時分割で赤色、青色、緑色の光が順次放射され、ロッドインテグレータ93で各色の光量が均一化される。
<プロジェクタの構成>
図18は、光源装置10を用いたプロジェクタ1の構成例を示す。プロジェクタ1は、パーソナルコンピュータ等の画像情報出力装置8に接続されている。
Red, blue, and green lights are sequentially emitted from the
<Projector configuration>
FIG. 18 shows a configuration example of the
プロジェクタ1は、光源装置10、光源駆動装置135、色切り換え部9、ロッドインテグレータ93を含む照明光学系170、画像形成パネル160、投射光学系180、制御装置190、及び画像入力インターフェース191を有する。
The
制御装置190は、画像入力インターフェース191を介して画像情報出力装置8から入力される画像情報に基づいて、画像形成パネル160、光源駆動装置135、及び色切り換え部9を制御する。制御装置190は、CPU(Central Processing Unit)とメモリを有し、プロジェクタ1の全体の動作を制御してもよい。
The
光源駆動装置135は、光源装置10の各光源11を駆動する。光源装置10で、複数の光源11から出力される励起光は、蛍光体ホイール21の複数の箇所を照射する。複数のスポットから出射する蛍光は集光レンズ80で集光され、白色光として光源装置10から出力される。蛍光体ホイール21の蛍光体に励起密度の低い光が分散されて入射するので、蛍光体の温度消光が抑制され、蛍光変換効率が高く維持される。集光レンズ80により集光された白色光は、色切り換え部9のカラーホイール90に入射する。
The light
カラーホイール90を回転するステッピングモータ91の動作は、制御装置190によって制御されている。カラーホイール90の回転により、領域902R、902B、及び902Gから、時分割で赤色光、青色光、及び緑色光が順次取り出される。
The operation of the stepping
カラーホイール90を透過した光はロッドインテグレータ93に入射し、色ごとに光量が均一化される。ロッドインテグレータ93の入射側に集光レンズが配置されていてもよい。ロッドインテグレータ93から出射した光は、照明光学系170のリレーレンズ171、172、173、及びミラー174、175を介して、画像形成パネル160を照射する。
The light transmitted through the
画像形成パネル160は、DMD、液晶等の微細な画像形成素子が2次元状に配置されており、各素子が画素を形成する。制御装置190は、画像情報に基づいて、画像形成パネル160を画素単位でオン・オフ制御し、赤色成分の画像、緑色成分の画像、及び青色成分の画像を時分割で形成する。
In the
画像形成パネル160での各色の画像形成タイミングと、カラーホイール90での各色光の切り替えタイミングは、制御装置190の制御の下で同期している。画像形成パネル160に赤色成分の画像が形成されているときは、赤色画像は、照明光学系170を介して赤色光で照射される。赤色画像で反射された赤色光は、投射光学系180により、外部のスクリーンへ拡大投射される。
The image formation timing of each color on the
画像形成パネル160に緑色成分の画像が形成されているときは、緑色画像は、照明光学系170を介して緑色光で照射される。緑色画像で反射された緑色光は、投射光学系180により、外部のスクリーンへ拡大投射される。
When an image of a green component is formed on the
画像形成パネル160に青色成分の画像が形成されているときは、青色画像は、照明光学系170を介して青色光で照射される。青色画像で反射された青色光は、投射光学系180により、外部のスクリーンへ拡大投射される。
When an image of a blue component is formed on the
上述した各白の動作が非常に短い時間で繰り返し行われ、スクリーン上にフルカラー画像が形成され、表示される。 The above-mentioned white operations are repeated in a very short time, and a full-color image is formed and displayed on the screen.
光源装置10、色切り替え部9、画像形成パネル160、及び照明光学系170で画像表示装置が形成されてもよい。
An image display device may be formed by the
プロジェクタ1は、光源装置10自体が小型、かつ温度消光が抑制されて蛍光変換効率が高い。また、カラーホイール90の回転と画像形成パネル160の画像形成タイミングが同期しており、白色光から各色の光を分岐するための光学系が不要である。したがってプロジェクタ1を小型かつ高輝度にすることができる。
In the
以上、特定の実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した例に限定されない。たとえば、光源11から出力される励起光は青色光に限定されず、赤色光または緑色光の励起光を用いてもよい。この場合は、蛍光体ホイール21に形成される蛍光体の材料を変更して、所望の色の波長に変換すればよい。
Although the above description has been made based on specific examples, the present invention is not limited to the above-mentioned examples. For example, the excitation light output from the
光源アレイ7を形成する光源集合体110は、2×4のマトリクス配置に限定されず、1×2、1×4、2×3、3×4などのマトリクス配置であってもよい。
The light source aggregate 110 forming the
各色の光の光量を均一にする光学部品として、ロッドインテグレータ93に替えて、ライトトンネル、または2枚一組にしたフライアイレンズを用いてもよい。画像形成パネル160として、反射型パネルに替えて透過型パネルを用いてもよい。いずれの場合も、複数の光源の各々から出力される比較的励起密度の低い光で、蛍光体上の異なる位置を照射するので、蛍光体の温度消光を抑制し、蛍光変換効率を高く維持することができる。
As an optical component that equalizes the amount of light of each color, a light tunnel or a pair of fly-eye lenses may be used instead of the
また、複数の照射スポットの各々で蛍光を生成した後に集光することで、光源のばらつき、生成された蛍光のばらつき等を吸収して、安定した白色光を生成することができる。 Further, by generating fluorescence at each of the plurality of irradiation spots and then condensing the light, it is possible to absorb variations in the light source, variations in the generated fluorescence, and the like, and generate stable white light.
蛍光体ホイールの形状に合わせて、複数の光源を環状に配置した光源アレイを用いることで、光源の近接配置が可能になる。また、蛍光体上に形成されるスポットの照射面積の割合を所望の割合に設計することができる。 By using a light source array in which a plurality of light sources are arranged in a ring shape according to the shape of the phosphor wheel, the light sources can be arranged close to each other. In addition, the ratio of the irradiation area of the spot formed on the phosphor can be designed to a desired ratio.
1 プロジェクタ
2、2A〜2C 蛍光体担持部
3 ダイクロイック層
5 ダイクロイックミラー
7 光源アレイ
8 画像情報出力装置
9 色切り換え部
10、10A〜10C 光源装置
11 光源
21 蛍光体ホイール
45 蛍光体
45R 赤色蛍光体層
45G 緑色蛍光体層
45Y 黄色蛍光体層
80 集光レンズ
81 集光凹レンズ
90 カラーホイール
93 ロッドインテグレータ
99 白色光
110 光源集合体
135 光源駆動装置
160 画像形成パネル
170 照明光学系
171、172、173 リレーレンズ
180 投射光学系
190 制御装置
191 画像入力インターフェース
201 透過型基板
202 透過領域(第2領域)
203 スポット
204 反射型基板
205 反射領域(第2領域)
PL 励起光
1
203
PL excitation light
Claims (11)
蛍光体が配置された第1領域と蛍光体が配置されていない第2領域とを有する蛍光体担持部と、
を有し、
前記複数の光源から出力される励起光は、前記蛍光体担持部の異なる位置を照射し、
前記異なる位置からの出射光を合成した合成光が出力され、
前記複数の光源は、前記蛍光体担持部に形成される照射スポットが、前記第1領域と前記第2領域に所定の面積割合でまたがるように前記蛍光体担持部を照射し、
前記所定の面積割合が異なる複数の前記照射スポットを形成する、
ことを特徴とする光源装置。 With multiple light sources that output excitation light,
A phosphor-supporting portion having a first region in which a phosphor is arranged and a second region in which a phosphor is not arranged,
Have,
The excitation light output from the plurality of light sources irradiates different positions of the phosphor-supporting portion, and the excitation light is emitted.
The combined light that combines the emitted light from the different positions is output .
The plurality of light sources irradiate the phosphor-supporting portion so that the irradiation spot formed on the phosphor-supporting portion straddles the first region and the second region at a predetermined area ratio.
Forming a plurality of the irradiation spots having different predetermined area ratios .
A light source device characterized by that.
を有し、前記光源アレイの中心軸と前記蛍光体担持部の中心軸とがそろっていることを特徴とする請求項1に記載の光源装置。 A light source array in which the plurality of light sources are arranged,
The light source device according to claim 1, wherein the central axis of the light source array and the central axis of the phosphor-supporting portion are aligned with each other.
前記光源アレイは、複数の前記光源集合体を環状に配置したものであることを特徴とする請求項3に記載の光源装置。 The first region is a cyclic phosphor layer.
The light source device according to claim 3, wherein the light source array is formed by arranging a plurality of the light source aggregates in a ring shape.
をさらに有し、
前記集光レンズは前記出射光を集光して白色光を出射することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の光源装置。 A condenser lens arranged on the exit side of the phosphor-supporting portion,
Have more
The light source device according to any one of claims 1 to 4, wherein the condensing lens collects the emitted light and emits white light.
前記第1領域は、赤色蛍光体層と緑色蛍光体層を有し、
前記複数の光源は、前記照射スポットが、前記赤色蛍光体層と前記緑色蛍光体層の少なくとも一方と、前記第2領域にまたがるように前記蛍光体担持部を照射することを特徴とする請求項5に記載の光源装置。 The plurality of light sources output blue excitation light, and the plurality of light sources output blue excitation light.
The first region has a red phosphor layer and a green phosphor layer, and has a red phosphor layer and a green phosphor layer.
The plurality of light sources are characterized in that the irradiation spot irradiates the phosphor-supporting portion so as to straddle at least one of the red phosphor layer and the green phosphor layer and the second region. 5. The light source device according to 5.
前記第1領域は、黄色蛍光体層を有し、
前記複数の光源は、前記照射スポットが、所定の面積割合で前記黄色蛍光体層と前記第2領域にまたがるように前記蛍光体担持部を照射することを特徴とする請求項5に記載の光源装置。 The plurality of light sources output blue excitation light, and the plurality of light sources output blue excitation light.
The first region has a yellow phosphor layer and
Wherein the plurality of light sources, a light source of claim 5, wherein the irradiation spot, and then irradiating the phosphor carrier part as a predetermined area ratio across the second region and the yellow phosphor layer Device.
前記光源装置の出力光に含まれる各色の光を所定のタイミングで切り替えて出力する色切り替え部と、
前記タイミングと同期して、各色の画像を形成する画像形成部と、
前記各色の光で対応する色の画像を照射する照明光学系と、
各色の照射画像を外部に投射する投射光学系と、
を有することを特徴とするプロジェクタ。 The light source device according to any one of claims 1 to 8.
A color switching unit that switches and outputs light of each color included in the output light of the light source device at a predetermined timing, and
An image forming unit that forms an image of each color in synchronization with the timing,
An illumination optical system that irradiates an image of the corresponding color with the light of each color, and
A projection optical system that projects irradiation images of each color to the outside,
A projector characterized by having.
前記カラーホイールの回転速度は、各色の光の切り替えタイミングと画像形成タイミングが同期するように制御されていることを特徴とする請求項9に記載のプロジェクタ。 The color switching unit has a color wheel having different color regions that are divided and arranged along the rotation direction.
The projector according to claim 9 , wherein the rotation speed of the color wheel is controlled so that the switching timing of the light of each color and the image formation timing are synchronized.
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