WO2012042563A1 - 投射型映像表示装置 - Google Patents

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WO2012042563A1 PCT/JP2010/005839 JP2010005839W WO2012042563A1 WO 2012042563 A1 WO2012042563 A1 WO 2012042563A1 JP 2010005839 W JP2010005839 W JP 2010005839W WO 2012042563 A1 WO2012042563 A1 WO 2012042563A1
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excitation light
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excitation
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展之 木村
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日立コンシューマエレクトロニクス株式会社
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    • G—PHYSICS
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    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems

Definitions

  • the present invention relates to a projection type image display apparatus for projecting an image on a projection surface using an image display element such as a liquid crystal panel, and an illumination optical system using a light emitting diode, a laser, a phosphor or the like not using mercury. It is.
  • a projection type image display apparatus in which a display screen of an image display element having a structure in which a plurality of reflective or transmissive liquid crystal panels and micro mirrors are arranged is enlarged and displayed on a screen or a board as a projection surface
  • the illumination optical system has been devised so as to obtain an enlarged image having sufficient size and brightness.
  • the extra-high pressure mercury lamp generates a large amount of ultraviolet light, which causes great stress on organic substances such as liquid crystal light bulbs and polarizing plates that make up the illumination optical system. Problems may be expected such as a decrease in brightness occurring in a short time due to devitrification due to clouding.
  • Patent Document 2 proposes a light source device comprising a phosphor layer for converting ultraviolet light emitted from a solid light source into visible light, a transparent base, and a solid light source.
  • Patent Document 3 a light source device which emits excitation light emitted from a solid light source with high efficiency even if it is visible light. Has been proposed.
  • Patent Document 2 discloses a light source device including a phosphor layer for converting ultraviolet light emitted from a solid light source into visible light, a transparent substrate, and a solid light source. Since this technology uses an excitation light source that uses ultraviolet light with high energy as excitation light, optical components irradiated with ultraviolet light tend to be damaged, making it difficult to ensure long-term performance of the optical components.
  • excitation light is fluorescent substance by irradiating the fluorescent substance with visible light whose energy is lower than ultraviolet light as excitation light and attaching the fluorescent substance to a circular base whose rotation can be controlled. It has been proposed to improve the life of the phosphor by preventing it from being irradiated to one of the
  • FIG. 4 (a) is a configuration view of the main part of a light source device in the prior art
  • FIG. 4 (b) is an enlarged view of a disk portion of the light source device.
  • the excitation light emitted from the excitation light source group 5 becomes substantially parallel light by the collimator lens group 6 and is incident on the dichroic mirror 7.
  • the dichroic mirror 7 is a characteristic that transmits the wavelength range of the excitation light and reflects the wavelength range of the fluorescent light.
  • the excitation light passes through the dichroic mirror 7, passes through the condenser lens 8, and then enters the rotation-controllable disc 1 coated with the fluorescent material.
  • the condensing lens 8 has a curvature set so that the incident parallel light is focused on the disc 1 and condenses it as an irradiation area 40 at one place of the disc 1.
  • the disk 1 is a rotationally controllable circular base having a rotation axis 2 as a central axis.
  • the phosphor on the disk 1 excited by the excitation light emits fluorescence light.
  • the fluorescent light becomes substantially parallel light, is reflected by the dichroic mirror 7, and is incident on the illumination optical system in the subsequent stage.
  • FIG. 4B shows the irradiation intensity distribution of the excitation light with which the phosphor in the specific region on the disk 1 is irradiated per unit time.
  • an excitation light source a laser light source having a small light emitting area is desirable. Since the light emission distribution of the laser has a Gaussian distribution that maximizes the center, the excitation light irradiation intensity 50 irradiated to the phosphor on the disk 1 also becomes a Gaussian distribution that maximizes the center.
  • the disk 1 is rotated about the rotation axis 2 to enlarge the region where the excitation light passes through the phosphor.
  • the hatched actual irradiation area 3 is an area where the phosphor on the disc 1 passes through the irradiation area 40.
  • the excitation light having an intensity peak is always irradiated on the circumference of one point of the disc, which is not sufficient to improve the life of the phosphor. Therefore, if the excitation light is irradiated to a position far from the rotation center, the actual irradiation area 3 can be enlarged, but the shape of the disk becomes large, which causes a problem that the apparatus becomes larger.
  • FIG. 5A shows an example in which the excitation light irradiation region 40 is irradiated so as to be long in a direction perpendicular to the rotation direction of the disc and to be short in a direction parallel to the rotation direction of the disc. In this case, it is possible to enlarge the actual irradiation area 3 while keeping the irradiation area constant as in the case of FIG. 4B.
  • FIG. 5B is a ray diagram of fluorescent light emitted from a region including the longitudinal direction of the excitation light region 40.
  • the degree of parallelism of the fluorescent light passing through the condenser lens 8 is reduced, and the efficiency of the illumination optical system in the subsequent stage is reduced.
  • the present invention has been made in view of the above problems, and its object is to provide a phosphor without causing a decrease in brightness efficiency and an increase in the size of a device when using a light source that causes the phosphor to emit light by excitation light. It is an object of the present invention to provide a projection type image display apparatus with an improved life span of
  • a solid-state light emitting unit for emitting excitation light according to the present invention, a fluorescence emitting unit for emitting light of different wavelength bands by the excitation light, and a light flux emitted by the fluorescence emitting unit are modulated.
  • the fluorescent light emitting portion is coated with a fluorescent material on the irradiation surface of excitation light and can be rotated.
  • a plurality of predetermined shapes with respect to the rotation center of the disk such that the excitation light irradiation area of the irradiation surface does not overlap the irradiation surface of the excitation light which is rotating, forming a circular disk shape.
  • the excitation light from the solid-state light emitting unit is collected by focusing the excitation light from the solid-state light emitting unit, and the excitation light is irradiated to a plurality of areas on the irradiation surface of the fluorescent light-emitting unit.
  • a condensing means comprising a plurality of first condensing lenses, and an optical path between the condensing means and the fluorescent light emitting part, which transmits excitation light from the fluorescent light emitting part, and the condensing means First dichroic mirror that reflects fluorescent light from the light source, and a first optical integrator that multiplexes a plurality of fluorescent light beams from the light collecting means reflected by the dichroic mirror to equalize the illuminance distribution and emits the light to the image display element And to provide.
  • a plurality of first collimator lenses for converting the excitation light from the solid light emitting unit into substantially parallel light, and a plurality of substantially parallel lights from the first collimator lens
  • a plurality of second condenser lenses for condensing the excitation light, and a plurality of second optical integrators for multiplexing the plurality of excitation lights from the second condenser lens and uniformizing the illuminance distribution for emission.
  • a plurality of second collimator lenses that collimate the light emitted from the second optical integrator and emit the light to the first condenser lens are provided.
  • a projection type image display apparatus in which the life of the phosphor is improved without causing a decrease in brightness efficiency or an increase in size of the device when using a light source for emitting the phosphor by excitation light. can do.
  • the blue excitation light emitted from the plurality of excitation light source groups 5 becomes substantially parallel light by the collimator lens group 6 and is incident on the dichroic mirror 7.
  • the dichroic mirror 7 transmits blue light and reflects green light.
  • the blue excitation light emitted from the excitation light source group 5 passes through the dichroic mirror 7, is condensed by the condenser lens group 4, and is irradiated to the rotationally controllable disc 1 to which the green phosphor is adhered.
  • the configuration of the disk 1 will be described in detail later.
  • green light is excited by blue excitation light, and the excited green light is emitted in the opposite direction to the incident direction of the blue excitation light.
  • the green light emitted from the disk 1 passes through the condenser lens group 4 to become substantially parallel light, is reflected by the dichroic mirror 7, and is irradiated to the condenser lens 9.
  • the dichroic mirror 10 is a mirror that has characteristics to transmit green light and reflect red light and blue light, and irradiates the green light from the condensing lens 9 to the multi-reflecting element 17 and from the condensing lens 16 described later The red light and the blue light are reflected to illuminate the multiple reflection element 17.
  • the condensing lens 9 is set to have a curvature so as to condense light at the entrance opening of the multiple reflection element 17, and the entrance opening surface of the multiple reflection element 17 is an irradiation area of the disk 1 whose details will be described later.
  • a light flux having a shape similar to the shape of 41 is incident.
  • the light source 11 is a red light source such as an LED or a semiconductor laser.
  • the red light emitted from the light source 11 becomes substantially parallel light by the collimator lens 12 and is incident on the dichroic mirror 15.
  • the dichroic mirror 15 transmits red light and reflects blue light. Therefore, the red light from the light source 11 passes through the dichroic mirror 15 and is irradiated to the condenser lens 16.
  • the light source 13 is a blue light source such as an LED or a semiconductor laser, and the blue light emitted from the light source 13 becomes substantially parallel light by the collimator lens 14 and enters the dichroic mirror 15. Then, the blue light from the light source 13 is reflected by the dichroic mirror 15 and irradiated to the condensing lens 16.
  • the condensing lens 16 is set to have a curvature so as to condense light at the entrance opening of the multiple reflection element 17 as in the case of the condenser lens 9.
  • a light flux having a shape similar to the light emission shape is formed.
  • the characteristics of the dichroic mirror 15 may be changed to change the arrangement positions of the light source 11 and the light source 13.
  • the red light and the blue light incident on the condenser lens 16 are reflected by the dichroic mirror 10 and condensed on the multiple reflection element 17, Ru.
  • An integrator optical system is configured by the multiple reflection element 17, and red light, green light and blue light incident on the multiple reflection element 17 are reflected by the multiple reflection element 17 a plurality of times, and the exit aperture of the multiple reflection element 17 On the surface, it becomes light having uniform illuminance distribution.
  • the shape of the exit aperture of the multi-reflecting element 17 is substantially similar to that of the DMD 20 which is an image display element.
  • the red light, the green light and the blue light emitted from the emission aperture surface of the multiple reflection element 17 pass through the condenser lens 18 and are reflected by the reflection mirror 19 and then uniform illuminance distribution on the DMD element 20 which is an image display element. It is irradiated with.
  • the condensing lens 18 is set to have a curvature such that the image formed on the exit aperture of the multiple reflection element 17 is enlarged and imaged on the DMD 20. Images of red light, green light and blue light generated by the DMD element 20 are incident on the projection lens 21 and are enlarged and projected on a screen (not shown).
  • the excitation light source group 5, the light source 11, and the light source 12 described above are solid-state light emitting elements with high response speed, and can be time-division controlled.
  • the excitation light source group 5, the light source 11, and the light source 12 emit light for each frame in synchronization with the DMD element 20, and each color light is modulated by the DMD element 20 for each color light.
  • a projected image is formed surface-sequentially and projected on a screen to obtain a color image.
  • FIG. 1 (a) is a diagram showing the principal part of the optical system of the light source device according to the first embodiment
  • FIG. 1 (b) is an enlarged view of the disc portion 1 of the light source device.
  • the excitation light emitted from the excitation light source group 5 becomes substantially parallel light by the collimator lens group 6 and is incident on the dichroic mirror 7.
  • the dichroic mirror 7 is a characteristic that transmits the wavelength range of the excitation light and reflects the wavelength range of the fluorescent light. Therefore, the excitation light passes through the dichroic mirror 7, passes through the condenser lens group 4, and then enters the rotation-controllable disc 1 coated with the fluorescent substance as an irradiation area 41.
  • the condenser lens group 4 is constituted by eight condenser lenses, and each condenser lens condenses the excitation light emitted from the plurality of excitation light sources and the collimator lens. . In FIG. 1A, two of these focusing lenses are illustrated.
  • the fluorescent light excited by the excitation light and emitted from the disk becomes substantially parallel light after passing through the condenser lens group 4, is reflected by the dichroic mirror 7, and is incident on the illumination optical system in the subsequent stage.
  • the multiple reflection element 17 is provided in the illumination optical system of the latter stage, and the eight fluorescent lights from the condenser lens group 4 are multiplexed to make the illuminance distribution uniform.
  • FIG. 1 (b) shows the irradiation shape, area, position of the irradiation area 41 irradiated by one condensing lens, and excitation light of which the phosphor in a specific area on the disc is irradiated per unit time. It is a figure showing intensity distribution.
  • the aspect ratio is about 1: 1 so that it can be regarded as a substantially point light source.
  • the efficiency reduction in the illumination optical system in the subsequent stage is at a level at which there is no problem.
  • the irradiation area of the irradiation area 41 is about 1/8 of the area of the irradiation area 40 in the case where the irradiation area is irradiated to one place.
  • the irradiation position in the rotational direction of the irradiation area 41 the irradiation is performed at an angle equally divided into eight so that the condensing lens unit 4 does not interfere as much as possible.
  • the fluorescent light emitted from the fluorescent material can be captured by the condensing lens group without loss.
  • the irradiation positions in the radial direction of the irradiation area 41 are respectively different in distance from the rotation axis 2 of the disk 1 and phosphors passing through one excitation light irradiation area do not pass through adjacent excitation light irradiation areas Irradiate as.
  • the irradiation positions are set so that the radial angle (radial position) of the disk 1 and the declination of the rotational direction are different, and the excitation light incident on the condensing lens does not overlap.
  • FIG. 1D shows a case where eight irradiation positions of the condensing lens group 4 are sequentially installed from the outermost periphery of the disk 1 in the opposite rotational direction toward the inner periphery. At the inner peripheral side, the irradiation position is close, and hence the condensing lens diameter is constrained.
  • positioning of FIG.1 (d) in FIG.1 (b) is shown.
  • the irradiation intensity distribution 51 at the time of dispersing and condensing at 8 places has a lower peak intensity and the life of the phosphor is improved.
  • Ru The irradiation intensity distribution 51 has the highest intensity in the irradiation area close to the rotation axis 2 because the ratio of the irradiation size to the circumferential size of one turn is high because the rotation radius is small.
  • the overall excitation light intensity can be increased without a decrease in the life of the phosphor. .
  • the diameter of the condenser lenses arranged at the outer peripheral part Can be increased to increase the amount of excitation light.
  • the illumination position is set so that the radius of curvature (radial position) of the disk 1 and the declination of the rotational direction are different so that the condensing lenses of the same diameter do not overlap. It can also be determined appropriately to maximize the diameter.
  • FIG. 1C is a view showing the intensity distribution of two adjacent irradiation areas.
  • the dotted line represents the intensity distribution of each irradiation area, and the solid line represents the sum of the two irradiation areas.
  • the sum of the irradiation intensities of the two areas is It is obvious that it may be made to be equal to or less than the peak intensity of one irradiation area.
  • FIG. 2 (a) is a diagram showing the main part of the optical system of the light source device according to the second embodiment
  • FIG. 2 (b) is the excitation light intensity distribution at the entrance / exit opening of the multiple reflection element
  • 2 (c) is an enlarged view of a disc portion of the light source device according to the second invention.
  • the excitation light emitted from the excitation light source group 5 becomes substantially parallel light by the collimator lens group 6, is condensed by the condenser lens group 30, and is incident on the multiple reflection element group 31.
  • the multi-reflecting element is an element that obtains light having a uniform intensity distribution at the exit side opening by reflecting light multiple times on its inner surface.
  • a glass rod called a rod lens or a hollow cylinder called a light pipe, which has a reflective surface inside, is used.
  • the excitation light reflected a plurality of times inside the multiple reflection element group 31 is incident on the dichroic mirror 7 after passing through the collimator lens group 32.
  • the dichroic mirror 7 is a characteristic that transmits the wavelength range of the excitation light and reflects the wavelength range of the fluorescent light. Therefore, the excitation light passes through the dichroic mirror 7 and, after passing through the condenser lens group 4, is divided into eight regions, and enters as a radiation controllable region 1 to which a phosphor is attached as a radiation controllable region 1. In FIG. 2A, only two regions are extracted and shown.
  • the irradiation area 42 is also It has a uniform intensity distribution.
  • the fluorescent light on the disk excited by the excitation light becomes substantially parallel light after passing through the condenser lens group 4, is reflected by the dichroic mirror 7, and is incident on the illumination optical system in the subsequent stage.
  • the dotted line indicates the excitation light intensity distribution at the entrance side opening of the multiple reflection element
  • the solid line indicates the excitation light intensity distribution at the exit side opening of the multiple reflection element.
  • FIG. 2C is a diagram showing the irradiation shape, area, and position of the irradiation area 42, and the intensity distribution of excitation light emitted per unit time by the fluorescent substance in a specific area on the disc.
  • the irradiation shape, the irradiation area, and the irradiation position are the same as the contents described above in the first embodiment.
  • Each of the irradiation intensity distributions 52 of the fluorescent light has a uniform intensity distribution, so the peak intensity is further reduced as compared with the irradiation intensity distribution 51 according to the first embodiment. As a result, the lifetime of the phosphor can be further improved.
  • the irradiation intensity distribution 52 has the highest intensity in the irradiation area close to the rotation axis 2 because the ratio of the irradiation size to the circumferential size of one turn is high because the rotation radius is small.
  • the intensities of a plurality of excitation lights to be irradiated to the disk 1 are changed.
  • the intensity is peaked in the irradiation area closest to the rotation axis 2. Therefore, by making the irradiation intensity distribution of the disk 1 uniform, further improvement of the phosphor life can be expected.
  • Equation 2 That is, if the incident intensity of the excitation light is in proportion to the radius gyration r, the distribution of radiation intensity irradiated to the phosphor becomes constant regardless of the radius gyration r.
  • FIG. 3 (a) is a main part configuration diagram of an optical system of a light source device according to a third embodiment for realizing the above
  • FIG. 3 (b) is a disk portion of the light source device according to the third invention. It is an enlarged view.
  • the excitation light emitted from the excitation light source group 5 becomes substantially parallel light by the collimator lens group 6, is condensed by the condenser lens group 30, and is incident on the multiple reflection element group 31.
  • the number of lasers of the excitation light source group 5 is large at a position away from the rotation axis 2 of the disk 1 and small at a position near the rotation axis 2 of the disk 1.
  • the incident illumination intensity of the excitation light entering the disc 1 is large at a position away from the rotation axis 2 and is small at a position near the rotation axis 2.
  • FIG. 3B is a view showing the irradiation shape, area, and position of the irradiation area 43, and the intensity distribution of excitation light with which the fluorescent substance in a specific area on the disc is irradiated per unit time.
  • the irradiation shape, the irradiation area, and the irradiation position are the same as the contents described above with reference to FIG.
  • the irradiation intensity distribution 53 of the irradiation area 43 is uniform, and the peak intensity is further reduced as compared with the irradiation intensity distribution 52 according to the second embodiment. As a result, the lifetime of the phosphor can be further improved.
  • the excitation power of the excitation light source group is high at a position away from the rotation axis 2 of the disk 1, and excitation is performed at a position near the rotation axis 2 of the disk 1. It is also conceivable to reduce the input power of the light source group.
  • an image display apparatus when using a light source that causes the phosphor to emit light by excitation light, a projection type in which the life of the phosphor is improved without causing a decrease in brightness efficiency or an increase in the size of the device.
  • An image display apparatus can be provided.
  • the projection type video display apparatus using a DMD element as the video display element has been described, it is needless to say that the invention can be applied to a projection type video display apparatus using a liquid crystal type video display element.
  • SYMBOLS 1 rotation-controllable disk, 2 ... rotation axis, 3 ... fluorescent substance which passes an excitation light irradiation area
  • region 4 excitation light condensing lens group, 5 ... excitation light source group, 6 ... excitation light collimator lens group, 7 ...
  • Dichroic mirror, 8 excitation light focusing lens
  • 9 focusing lens
  • 10 dichroic mirror
  • 11 light source
  • 12 collimating lens
  • 13 light source
  • 14 collimating lens
  • 15 dichroic mirror
  • 16 focusing lens
  • 17 multiple reflection element
  • 18 condensing lens
  • 19 reflection mirror
  • 20 DMD element
  • 21 projection lens
  • 30 condensing lens group
  • 31 multiple reflection element group
  • 32 collimating lens group
  • 40, 41, 42, 43 excitation light irradiation area, 50, 51, 52, 53 ... irradiation intensity distribution

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Abstract

　励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、明るさ効率の低下や装置の大型化を招くことなく、蛍光体の寿命を改善した投写型映像表示装置を提供する。　光源装置と、映像表示素子と、前記光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子を有する照明光学系と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投射レンズと、を備えた投射型映像表示装置において、前記光源装置は、励起光を発光する固体発光部と、少なくとも一部に蛍光体が塗布された回転制御可能な円盤状の基材と、前記固体発光部からの励起光を円盤状の基材上の、複数の領域に集光するための集光手段とを有し、１つの励起光照射領域を通過する蛍光体が、隣り合う励起光照射領域を通過しない構成とする。

Description

投射型映像表示装置
　本発明は、液晶パネル等の映像表示素子を使用して投写面に映像を投影する投写型映像表示装置と、水銀を使用しない発光ダイオード、レーザー、蛍光体等を光源とする照明光学系に関するものである。
　反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子の表示画面を投写面であるスクリーンやボード等に拡大表示する投写型映像表示装置においては、従来から、投写面で十分な大きさと明るさを有する拡大像が得られるように照明光学系の工夫がなされてきた。
　特に映像表示素子を複数個用いる方式においてはカラー映像の白バランスの劣化や色むらを抑える種々の照明光学系の提案がなされている。例えば特開平１０－１７１０４５号公報(特許文献１)に開示された投写型映像表示装置の照明光学系に使用する光源としては入力電力当たりの発光効率が高い(７０ｌｍ／Ｗ)超高圧水銀ランプが主流となっている。また、第１アレイレンズや第２アレイレンズでの光線通過率を向上させるために電極間距離の短縮が大きな開発課題となっている。
　また超高圧水銀ランプは紫外線を大量に発生させるため照明光学系を構成する液晶ライドバルブや偏光板など有機物に大きなストレスを与えるため、寿命を損なうなどのほかに自身も電極の磨耗や発光管の白濁による失透によって明るさの低下が短い時間で発生するなどの抱える問題が想定される。
　このため新たな光源として、赤、緑、青の発光ダイオードや有機ＥＬ等の固体発光素子を用いた投写型映像表示装置の開発が行われ、多くの提案がなされている。例えば特開２００４－３４１１０５号公報(特許文献２)では固体光源から出射する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置が提案されている。
　更に、この特許文献２の課題を解決するために、例えば特開２００９－２７７５１６号公報(特許文献３)に示すように固体光源から出射する励起光を可視光としても高効率で発光する光源装置が提案されている。
特開平１０－１７１０４５号公報 特開２００４－３４１１０５号公報 特開２００９－２７７５１６号公報
　特許文献２に開示された技術では固体光源から射出する紫外光を可視光に変換する蛍光体層と透明基材と固体光源から成る光源装置について開示されている。この技術は、エネルギーの高い紫外光を励起光とする励起光源を用いているため、紫外光が照射される光学部品は損傷を受けやすく、光学部品の長期性能確保が困難となる傾向にある。
　このため、特許文献３では紫外光よりエネルギーの低い可視光を励起光として蛍光体に照射し、かつ、蛍光体を回転制御可能な円形上の基材に接着することで、励起光が蛍光体の１箇所に照射されるのを防ぎ、蛍光体の寿命を改善することが提案されている。
　以下、蛍光体を回転制御可能な円形上の基材に接着し、励起光により蛍光を励起する光源装置が有する課題について、図を参照して説明する。
　図４(ａ)は、従来技術における光源装置の要部構成図であり、図４(ｂ)は前記光源装置の円盤部の拡大図である。図４(a)において、励起光源群５から射出した励起光は、コリメータレンズ群６により略平行光となり、ダイクロイックミラー７に入射する。ダイクロイックミラー７は励起光の波長域を透過し、蛍光光の波長域を反射する特性である。
　そこで、励起光は、ダイクロイックミラー７を通過し、集光レンズ８を通過後、蛍光体が塗布された回転制御可能な円盤１に入射する。集光レンズ８は入射した平行光が円盤１上に焦点を結ぶように、曲率が設定されており、円盤１の１箇所に照射領域４０として、集光する。円盤１は回転軸２を中心軸とする、回転制御可能な円形上の基材である。励起光により励起された円盤１上の蛍光体は、蛍光光を射出する。蛍光光は集光レンズ８を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー７で反射して、後段の照明光学系に入射する。
　図４(ｂ)は、円盤１上の特定の領域の蛍光体が、単位時間当たりに照射される励起光の照射強度分布である。励起光源としては、発光領域が小さい、レーザー光源が望ましい。レーザーの発光分布は、中心を最大とするガウシアン分布を持つため、円盤１上の蛍光体に照射される励起光照射強度５０も、中心を最大とするガウシアン分布となる。
　そこで、蛍光体の１箇所に励起光が集光されるのを防ぐために、円盤１を、回転軸２を中心に回転させ、励起光が蛍光体を通過する領域を大きくしている。斜線の実照射領域３は円盤１上の蛍光体が、照射領域４０を通過する領域である。蛍光体の１箇所に励起光が集光される場合と比較すると、円周１周が照射領域となるため、蛍光体の寿命が改善される。
　しかし、円盤の１箇所の円周上に、強度ピークを持った励起光が常に照射されることに変わりなく、蛍光体の寿命改善としては不十分である。そこで、回転中心から遠い位置に励起光を照射すれば、実照射領域３を大きくすることが可能であるが、円盤の形状が大きくなり、装置が大型化する問題が発生する。
　図５(a)は励起光照射領域４０を、円盤の回転方向と垂直な方向に長く、円盤の回転方向に平行な方向に短くなるように照射した例である。この場合、照射面積は図４(ｂ)の場合と一定のまま、実照射領域３を大きくすることが可能となる。
　しかし、照射領域４０の長手方向のみを考えれば、発光サイズが大きくなったこととなる。図５(ｂ)は、励起光領域４０の長手方向を含む領域から射出された蛍光光の光線図である。集光レンズ８を通過した蛍光光の平行度が低下しており、後段の照明光学系の効率が低下する。
　本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、その目的は、励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、明るさ効率の低下や装置の大型化を招くことなく、蛍光体の寿命を改善した投写型映像表示装置を提供することにある。
　上記課題を解決するために、本願発明の励起光を発光する固体発光部と、前記励起光により異なる波長帯域の光を放射する蛍光発光部と、前記蛍光発光部で放射される光束を変調する映像表示素子と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大投写する投写レンズを有する投射型映像表示装置は、前記蛍光発光部は、励起光の照射面に蛍光体が塗布され、回転可能な円盤形状を成し、前記蛍光発光部の回転する励起光の照射面に対向して、前記照射面の励起光照射領域が重ならないように、前記円盤の回転中心に対して、複数の所定の偏角と動径で定まる位置に配置され、前記固体発光部からの励起光を集光して前記蛍光発光部の照射面の複数の領域に励起光を照射するとともに、前記固体発光部で励起して放射される蛍光光束を集光する複数の第１の集光レンズから成る集光手段と、前記集光手段と前記蛍光発光部との間の光路に配置され、前記蛍光発光部からの励起光を透過して、前記集光手段からの蛍光光を反射する第1のダイクロイックミラーと、前記ダイクロイックミラーで反射した前記集光手段から複数の蛍光光束を多重化し照度分布を均一化して前記映像表示素子に出射する第1の光学インテグレータと、を備えるようにした。
　また、本願発明の投射型映像表示装置は、さらに、前記固体発光部からの励起光を略平行光にする複数の第1のコリメータレンズと、前記第1のコリメータレンズからの複数の略平行光な励起光を集光する複数の第2の集光レンズと、前記第2の集光レンズからの複数の励起光を多重化し照度分布を均一化して出射する複数の第2の光学インテグレータと、前記第2の光学インテグレータから出射光を略平行光して、前記第１の集光レンズに出射する複数の第2のコリメータレンズと、を備えるようにした。
　本発明によれば、励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、明るさ効率の低下や装置の大型化を招くことなく、蛍光体の寿命を改善した投写型映像表示装置を提供することができる。
第１の実施形態における光源装置の要部構成図である。 第１の実施形態における光源装置の円盤部の拡大図である。 第１の実施形態における隣り合う２つの照射領域の強度分布を示した図である。 第１の実施形態における光源装置の円盤部の他の拡大図である。 第１の実施形態における光源装置の円盤部の他の拡大図である。 第２の実施形態における光源装置の要部構成図である。 第２の実施形態における隣り合う２つの照射領域の強度分布を示した図である。 第２の実施形態における光源装置の円盤部の拡大図である。 第３の実施形態における光源装置の要部構成図である。 第３の実施形態における光源装置の円盤部の拡大図である。 従来技術における光源装置の要部構成図である。 従来技術における光源装置の円盤部の拡大図である。 他の従来技術における光源装置の要部構成図である。 他の従来技術における光源装置の円盤部の拡大図である。 実施形態に係わる光源装置と投射型映像表示装置の光学系の概略構成図である。
　以下、発明を実施するための形態について、図を参照して説明する。各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。
　まず、図６により、本発明の光源装置を含む、投射型映像表示装置の光学系の概略構成を説明する。
  複数の励起光源群５から射出した青色励起光は、コリメートレンズ群６により略平行光となり、ダイクロイックミラー７に入射する。ここで、ダイクロイックミラー７は青色光を透過し、緑色光を反射する特性を有するものとする。
　励起光源群５から射出した青色励起光は、ダイクロイックミラー７を通過し、集光レンズ群４で集光されて、緑色蛍光体が接着された回転制御可能な円盤１に照射される。この円盤１の構成については、詳細を後述する。
　緑色蛍光体では青色励起光で緑色光が励起され、励起された緑色光が、青色励起光の入射方向と逆方向に放射される。円盤１から放射された緑色光は、集光レンズ群４を通過して略平行光となり、ダイクロイックミラー７で反射して、集光レンズ９に照射される。
　ダイクロイックミラー１０は緑色光を透過し、赤色光と青色光を反射する特性を有するミラーであり、集光レンズ９からの緑色光を多重反射素子１７に照射するとともに、後述する集光レンズ１６からの赤色光と青色光を反射して、多重反射素子１７に照射する。
　ここで、集光レンズ９は、多重反射素子１７の入射開口部に集光するような曲率に設定されており、多重反射素子１７の入射開口面には、詳細を後述する円盤１の照射領域４１の形状と相似な形状の光束が入射される。
　つぎに、ダイクロイックミラー１０に入射する赤色光と青色光について説明する。
  光源１１は、LEDや半導体レーザー等の赤色光源である。光源１１を射出した赤色光は、コリメートレンズ１２で略平行光となり、ダイクロイックミラー１５に入射する。ここで、ダイクロイックミラー１５は、赤色光を透過し、青色光を反射する特性を有するようにする。従って、光源１１からの赤色光はダイクロイックミラー１５を通過して、集光レンズ１６に照射される。
　一方、光源１３は、LEDや半導体レーザー等の青色光源である、光源１３を射出した青色光は、コリメートレンズ１４で略平行光となり、ダイクロイックミラー１５に入射する。そして、光源１３からの青色光は、ダイクロイックミラー１５を反射して、集光レンズ１６に照射される。
　集光レンズ１６は、集光レンズ９と同様に、多重反射素子１７の入射開口部に集光するような曲率に設定され、多重反射素子１７の入射開口面には、光源１１と光源１３の発光形状と相似な形状な光束が形成される。また、ダイクロイックミラー１５の特性を変更して、光源１１と光源１３の配置位置が変わっても構わない。
　以上のようにして、集光レンズ１６に入射した赤色光と青色光は、ダイクロイックミラー１０で反射して、多重反射素子１７に集光され、
る。
　多重反射素子１７により、インテグレータ光学系が構成されており、多重反射素子１７に入射した赤色光と緑色光と青色光は、多重反射素子１７で複数回反射して、多重反射素子１７の出射開口面では、均一照度分布を有する光となる。このとき、多重反射素子１７の出射開口面の形状は、映像表示素子であるＤＭＤ素子２０と略相似な形状とする。
　多重反射素子１７の出射開口面から射出した赤色光と緑色光と青色光は、集光レンズ１８を通過し、反射ミラー１９で反射後、映像表示素子であるＤＭＤ素子２０上に均一な照度分布で照射される。このとき、集光レンズ１８は、多重反射素子１７の出射開口面に形成された像を、ＤＭＤ素子２０上に拡大して結像する曲率に設定されている。ＤＭＤ素子２０により生成された赤色光と緑色光と青色光の映像は、投写レンズ２１に入射し、図示していないスクリーン上に拡大投影される。
　上述の励起光源群５と光源１１と光源１２は、応答速度の速い固体発光素子であり、時分割制御が可能である。励起光源群５と光源１１と光源１２は、ＤＭＤ素子２０と同期してフレームごとに発光し、各色光は、ＤＭＤ素子２０により、各色光毎に変調される。これにより、面順次に投影像を形成し、スクリーンに上に投影することにより、カラー像を得ている。
　つぎに、緑色蛍光体が接着された回転制御可能な円盤１の構成について、詳細に説明する。図１(a)は、第１の実施例による光源装置の光学系の要部構成図であり、図１(ｂ)は前記光源装置の円盤部１の拡大図である。
　図１(a)において、励起光源群５から射出した励起光は、コリメータレンズ群６により略平行光となり、ダイクロイックミラー７に入射する。ダイクロイックミラー７は励起光の波長域を透過し、蛍光光の波長域を反射する特性である。そこで、励起光は、ダイクロイックミラー７を通過し、集光レンズ群４を通過後、蛍光体が塗布された回転制御可能な円盤１に照射領域４１として入射する。本実施例では、集光レンズ群４を８つの集光レンズで構成されるものとし、それぞれの集光レンズは、複数の励起光源とコリメータレンズから出射される励起光を集光するものとする。図１(a)では、このうち２つの集光レンズについて図示している。
　励起光により励起されて円盤上から出射された蛍光光は、集光レンズ群４を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー７で反射して、後段の照明光学系に入射する。前述のように、後段の照明光学系には、多重反射素子１７が設けられており、集光レンズ群４からの８つの蛍光光を多重化して照度分布を均一化する。
　図１(ｂ)は、ひとつの集光レンズにより照射されている照射領域４１の照射形状、面積、位置、及び、円盤上の特定の領域の蛍光体が単位時間当たりに照射される励起光の強度分布を表した図である。
　照射領域４１の照射形状に関しては、略点光源とみなせるように、アスペクト比は１：１程度である。但し、映像表示素子の形状に応じて、アスペクト比４：３程度の矩形または楕円形状としても、後段の照明光学系での効率低下は問題ないレベルである。
　照射領域４１の照射面積に関しては、１箇所に照射した場合の照射領域４０の面積と比較し、照射面積が各々、約８分の１の面積とする。これにより、後段で再度１点に合成した際に、照射領域４０と同等の発光面積、発散角を再現でき、効率低下は発生しない。
　照射領域４１の回転方向の照射位置に関しては、集光レンズ群４が極力干渉しないように、ほぼ均等に８分割した角度に照射する。これにより、蛍光体から発散する蛍光光を集光レンズ群でロス無く捕獲できる。
　以上の照射形状、照射面積、照射位置により、図４に示したように、１箇所の照射領域４０に照射した場合と同等の明るさ効率を確保できる。
　次に、照射領域４１の動径方向の照射位置に関して説明する。照射領域４１の動径方向の照射位置は、各々、円盤１の回転軸２からの距離が異なり、かつ、１つの励起光照射領域を通過する蛍光体が、隣り合う励起光照射領域を通過しないように照射する。つまり、それぞれの照射位置は、円盤１の動径（半径位置）と回転方向の偏角が異なり、集光レンズに入射する励起光が重ならないように設定される。
　図１(d)は、集光レンズ群４の８つの照射位置を円盤１の最外周から反回転方向に内周に向かって順次設置した場合のようすを示している。内周側では、照射位置が近接するために、集光レンズ径の拘束条件となる。
　図１(b)に、図１(d)の配置をおこなった場合の蛍光光の照射強度分布を示す。図４に示した１箇所に集光した際の照射強度分布５０と比較し、８箇所に分散して集光した際の照射強度分布５１は、ピーク強度が下がり、蛍光体の寿命が改善される。照射強度分布５１において、回転軸２に近い照射領域の強度が最も高いのは、回転半径が小さいため、１周の円周サイズに占める、照射サイズの割合が高くなるためである。
　逆に、照射強度分布５１における最も回転軸に近い位置のピーク強度を照射強度分布５０のピーク強度より小さくすれば、蛍光体の寿命が低下することなく、全体の励起光強度を高めることができる。
　図１(d)で示されるように、円盤１の外周部では集光レンズ間の距離が離れているため、図１(b)に示されるように、外周部の配置される集光レンズ径を大きくして、励起光光量を増すことができる。
　また、図１(e)に示すように、同一径の集光レンズが重ならないように、円盤１の動径（半径位置）と回転方向の偏角が異なるように照明位置を、集光レンズ径が最大になるように適宜決定することもできる。
　また、次に、１つの励起光照射領域を通過する蛍光体が、隣り合う励起光照射領域の一部を通過する場合に、蛍光体寿命を改善する方法を説明する。図１(ｃ)は、隣り合う２つの照射領域の強度分布を示した図である。点線で、各々の照射領域の強度分布を表しており、実線で、２つの照射領域の総和を表している。１つの励起光照射領域を通過する蛍光体が、隣り合う励起光照射領域を通過しないように照射した場合と、同等の蛍光体寿命を得るためには、２つの領域の照射強度の総和が、１つの照射領域のピーク強度以下となるようにすれば良いことは自明である。
　次に、本発明の光源装置の光学系の他の実施形態を、図２を参照して説明する。本実施形態は、励起光の強度分布を改善するものである。図２(a)は、第２の実施形態による光源装置の光学系の要部構成図であり、図２(ｂ)は多重反射素子の入出射開口部での励起光強度分布であり、図２(ｃ)は、第２の発明による光源装置の円盤部の拡大図である。
　図２(a)において、励起光源群５から射出した励起光は、コリメータレンズ群６により略平行光となり、集光レンズ群３０で集光され、多重反射素子群３１に入射すする。多重反射素子とは、その内面で光を複数回反射させることで、出射側開口部に均一な強度分布を持った光線を得る素子である。ロッドレンズと呼ばれる硝子の棒や、ライトパイプと呼ばれる、内部に反射面をもつ、空洞状の筒が一般的である。
　多重反射素子群３１の内部で複数回反射した励起光は、コリメートレンズ群３２を通過後、ダイクロイックミラー７に入射する。ダイクロイックミラー７は励起光の波長域を透過し、蛍光光の波長域を反射する特性である。そこで、励起光は、ダイクロイックミラー７を通過し、集光レンズ群４を通過後、８つの領域に分かれて、蛍光体が接着された回転制御可能な円盤１に照射領域４２として入射する。図２(a)では、２領域のみを抽出して表している。
　このとき、多重反射素子群３１の出射開口面に形成された均一な強度分布像が、コリメートレンズ群３２、及び、集光レンズ群４により、円盤１上に投影されるため、照射領域４２も均一な強度分布を有する。励起光により励起された円盤上の蛍光光は、集光レンズ群４を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー７で反射して、後段の照明光学系に入射する。
　図２(ｂ)において、点線は多重反射素子の入射側開口部での励起光強度分布であり、実線は多重反射素子の出射側開口部での励起光強度分布である。入射開口部では、レーザーの発光分布であるガウシアン分布となっているが、複数回の反射を繰り返すことで、出射開口部では、均一な強度分布となる。その結果、ピーク強度が大幅に低下する。
　図２(ｃ)は、照射領域４２の照射形状、面積、位置、及び、円盤上の特定の領域の蛍光体が単位時間当たりに照射される励起光の強度分布を表した図である。照射形状、照射面積、照射位置に関しては、第１の実施形態で先述した内容と同一とする。蛍光光の照射強度分布５２は、各々、均一な強度分布を有するため、第１の実施形態による照射強度分布５１と比較し、更に、ピーク強度が低下する。この結果、蛍光体の寿命を更に改善することができる。
　照射強度分布５２において、回転軸２に近い照射領域の強度が最も高いのは、回転半径が小さいため、１周の円周サイズに占める、照射サイズの割合が高くなるためである。
　次に、本発明の光源装置の光学系の他の実施形態を、図３を参照して説明する。本実施形態は、円盤１に照射する複数の励起光の強度を変えるものである。第２の実施形態において、回転軸２に最も近い照射領域において、強度がピークとなっている。そこで、円盤１の照射強度分布が均一とすることで、更なる、蛍光体寿命の改善が期待できる。
　まず、円盤１の照射強度分布が均一となるような、入射強度分布を求める。円盤１の回転軸２からrの位置に照射される励起光の入射強度分布をＥ(r)とした場合、蛍光体に照射される照射強度分布が回転半径ｒによらず一定となる条件は（数１）で表すことができる。
Ｅ(r) ÷ ２πｒ＝const ・・・(数１)
　（数１）より、（数２）が求まる。
  Ｅ(r) ∝ ｒ ・・・(数２)
  つまり、励起光の入射強度が、回転半径ｒと比例するような構成とすれば、蛍光体に照射される照射強度分布は、回転半径ｒによらず一定となる。
　図３(a)は、上記を実現するための第３の実施形態による光源装置の光学系の要部構成図であり、図３(ｂ)は、第３の発明による光源装置の円盤部の拡大図である。
　図３(a)において、励起光源群５から射出した励起光は、コリメータレンズ群６により略平行光となり、集光レンズ群３０で集光され、多重反射素子群３１に入射する。その際、励起光源群５のレーザー数は、円盤１の回転軸２から離れた位置において数が多く、円盤１の回転軸２から近い位置において、数が少ない構成とする。これにより、円盤１に入射する励起光の入射照度は、回転軸２から離れた位置において大きく、回転軸２に近い位置において小さくなる。
　後段の光学構成は、図２(a)と同一であり、省略する。図３(ｂ)は、照射領域４３の照射形状、面積、位置、及び、円盤上の特定の領域の蛍光体が単位時間当たりに照射される励起光の強度分布を表した図である。照射形状、照射面積、照射位置に関しては、図１(d)で先述した内容と同一とする。前述したとおり、照射領域４３の照射強度分布５３は、均一となり、第２の実施形態による照射強度分布５２と比較し、更に、ピーク強度が低下する。この結果、蛍光体の寿命を更に改善することができる。
　さらに、図１(e)に示した集光レンズの位置にすることにより、円盤１に照射される励起光の光量を増加させることができる。
　円盤１への励起光入射強度の分布を変える別の方法として、円盤１の回転軸２から離れた位置において、励起光源群の投入電力が多く、円盤１の回転軸２から近い位置において、励起光源群の投入電力を少なくする方法なども考えられる。
　以上のように、本発明によれば、励起光により蛍光体を発光させる光源を使用した際に、明るさ効率の低下や装置の大型化を招くことなく、蛍光体の寿命を改善した投写型映像表示装置を提供することができる。
　また、本実施の形態においては、８分割の例を示したが、８分割に限定されるものではないことは、言うまでもない。
　ここでは、映像表示素子として、ＤＭＤ素子を用いた投写型映像表示装置に関して説明したが、液晶型映像表示素子を用いた投写型映像表示装置にも適用できることは、言うまでもない。
　また、図６には時分割方式の単板DLP方式のプロジェクター光学系の構成を説明したが、この構成に限定されるものではない。
　１…回転制御可能な円盤、２…回転軸、３…励起光照射領域を通過する蛍光体、４…励起光集光レンズ群、５…励起光源群、６…励起光コリメータレンズ群、７…ダイクロイックミラー、８…励起光集光レンズ、９…集光レンズ、１０…ダイクロイックミラー、１１…光源、１２…コリメートレンズ、１３…光源、１４…コリメートレンズ、１５…ダイクロイックミラー、１６…集光レンズ、１７…多重反射素子、１８…集光レンズ、１９…反射ミラー、２０…ＤＭＤ素子、２１…投射レンズ、３０…集光レンズ群、３１…多重反射素子群、３２…コリメートレンズ群、４０、４１、４２、４３…励起光照射領域、５０、５１、５２、５３…照射強度分布

Claims (8)

  1. 　励起光を発光する固体発光部と、前記励起光により異なる波長帯域の光を放射する蛍光発光部と、前記蛍光発光部で放射される光束を変調する映像表示素子と、前記映像表示素子で形成された光学像を拡大投写する投写レンズを有する投射型映像表示装置において、
      前記蛍光発光部は、励起光の照射面に蛍光体が塗布され、回転可能な円盤形状を成し、
      前記蛍光発光部の回転する励起光の照射面に対向して、前記照射面の励起光照射領域が重ならないように、前記円盤の回転中心に対して、複数の所定の偏角と動径で定まる位置に配置され、前記固体発光部からの励起光を集光して前記蛍光発光部の照射面の複数の領域に励起光を照射するとともに、前記固体発光部で励起して放射される蛍光光束を集光する複数の第１の集光レンズから成る集光手段と、
      前記集光手段と前記蛍光発光部との間の光路に配置され、前記蛍光発光部からの励起光を透過して、前記集光手段からの蛍光光を反射する第1のダイクロイックミラーと、
      前記ダイクロイックミラーで反射した前記集光手段から複数の蛍光光束を多重化し照度分布を均一化して前記映像表示素子に出射する第1の光学インテグレータと、を備えたことを特徴とする投射型映像表示装置。
  2. 　請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
      前記集光手段の第1の集光レンズは異なるレンズ径を有することを特徴とする投射型映像表示装置。
  3. 　請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
      前記固体発光部からの励起光を略平行光にする第1のコリメータレンズが前記固体発光部ごとに設けられ、
      前記複数の第1の集光レンズのそれぞれに、複数の略平行光な励起光を入射することを特徴とする投射型映像表示装置。
  4. 　請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
      前記固体発光部からの励起光を略平行光にする複数の第1のコリメータレンズと、
      前記第1のコリメータレンズからの複数の略平行光な励起光を集光する複数の第2の集光レンズと、
      前記第2の集光レンズからの複数の励起光を多重化し照度分布を均一化して出射する複数の第2の光学インテグレータと、
    前記第2の光学インテグレータから出射光を略平行光して、前記第１の集光レンズに出射する複数の第2のコリメータレンズと、を備えたことを特徴とする投射型映像表示装置。
  5. 　請求項４に記載の投射型映像表示装置において、
      前記集光手段の第1の集光レンズは同じレンズ径を有し、
      前記第2の集光レンズは、異なる複数の略平行光な励起光を集光することを特徴とする投射型映像表示装置。
  6. 　請求項４に記載の投射型映像表示装置において、
      前記集光手段の第1の集光レンズは同じレンズ径を有し、
      前記複数の第2の光学インテグレータは、異なる光束数の励起光を多重化し照度分布を均一化して出射することを特徴とする投射型映像表示装置。
  7. 　請求項１に記載の投射型映像表示装置において、
      前記蛍光発光部が放射する波長帯域と異なる波長帯域の可視光を発光する可視光光源と、
      前記第1の光学インテグレータの入射側に設けられ、前記可視光光源の出射光束を反射し、前記第1のダイクロイックミラーからの出射光を透過して、前記可視光光源の出射光束と前記集光手段からの蛍光光を前記第1の光学インテグレータに入射する第2のダイクロイックミラーと、を備えたことを特徴とする投射型映像表示装置。
  8. 　請求項７に記載の投射型映像表示装置において、
      前記蛍光発光部の放射光は緑色光であり、
      前記可視光光源は、赤色光と青色光を発光し、
      前記第1の光学インテグレータに緑色光と赤色光と青色光とが時分割に入射されることを特徴とする投射型映像表示装置。
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