(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光を発生するレーザ光源と、
前記励起光により蛍光を発生する蛍光体と、
一端に入射された前記励起光を他端より前記蛍光体へ向けて出射し、前記蛍光体にて発生した蛍光を前記一端より出射し、入出射面となる両端面の大きさが異なるテーパ形状を有したライトトンネルと、
前記レーザ光源と前記ライトトンネルの間に設けられ、前記蛍光と前記励起光のいずれか一方を通過させ、他方を反射させるダイクロイックミラーと、
を備え、
前記ライトトンネルは、前記蛍光の角度分布を変えて均一にすることを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の照明光学系において、
前記蛍光体は、それぞれ異なる波長の蛍光を発生する複数の蛍光領域を備え、回転により前記ライトトンネルより照射される位置が各蛍光領域上を移動する蛍光ホイールであることを特徴とする照明光学系。
【請求項３】
請求項１に記載の照明光学系のユニットを複数備え、
各ユニットの蛍光体はそれぞれ異なる波長の蛍光を発生し、
各ユニットの出射光を入射して同じ方向に向けて出射するクロスダイクロイックプリズムを有することを特徴とする照明光学系。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の照明光学系において、
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光を反射させ、
前記蛍光体の反ライトトンネル側から励起光を前記蛍光体に向けて照射する第２のレーザ光源を具備し、
前記蛍光体は前記第２のレーザ光源側に設けられ、前記励起光を通過させ、前記蛍光を反射する反射層と、ライトトンネル側に設けられた蛍光体層とを有することを特徴とする照明光学系。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の照明光学系を備えたプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の色の画像光を形成するための複数の色の照明光を発生する照明光学系と、該照明光学系による各画像光を投射するプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクタやＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）プロジェクタのようなスクリーンに画像を投射するプロジェクタの光源としてＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）を用いる技術が注目されている（特許文献１参照）。【０００３】
ＬＥＤは寿命が長くまた信頼性が高いことに起因して、ＬＥＤを光源とするプロジェクタには長寿命で高信頼という利点がある。【０００４】
しかしながら、その一方でＬＥＤの光はプロジェク用としては輝度が低いので、ＬＥＤを光源としてプロジェクタに十分な輝度の映像を得るのは容易ではない。光源からの光を表示パネルがどれだけ投射光として利用できるかはエテンデューにより制限される。つまり、光源の発光面積と放射角との積の値を、表示パネルの入射面の面積と照明光学系のＦナンバーで決まる取り込み角との積の値以下にしなければ、光源からの光を効率良く投射光として利用できない。【０００５】
ＬＥＤによる光源では発光面積を大きくすれば光量を上げることはできるが、発光面積が大きくなれば光源のエテンデューが大きくなってしまう。エテンデューの制限からプロジェクタの光源としては発光面積を大きくせず光量を上げることが望まれるが、ＬＥＤによる光源で発光面積を大きくせずに光量を上げるのは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−１８６１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ＬＥＤのみによる光源ではエテンデューが大きくなってしまう。本発明は、エテンデューが小さく、より長寿命かつ高輝度の照明光学系を実現するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の照明光学系は、
励起光を発生するレーザ光源と、
前記励起光により蛍光を発生する蛍光体と、
一端に入射された前記励起光を他端より前記蛍光体へ向けて出射し、前記蛍光体にて発生した蛍光を前記一端より出射し、入出射面となる両端面の大きさが異なるテーパ形状を有したライトトンネルと、
前記レーザ光源と前記ライトトンネルの間に設けられ、前記蛍光と前記励起光のいずれか一方を通過させ、他方を反射させるダイクロイックミラーと、
を備え、
前記ライトトンネルは、前記蛍光の角度分布を変えて均一にする。
また、本発明によるプロジェクタは上記の照明光学系を備えている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、エネルギー密度の高いレーザを励起光として蛍光体に集光し、その集光された場所から発せられる蛍光を用いているので、エテンデューが小さく、より長寿命かつ高輝度の照明光学系を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明による照明光学系の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【図２】図２（ａ）は、蛍光ホイール１０４をレーザ光源１０１が発生したレーザ光の入射面（図１左側から右側）から見たときの平面図、図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、青蛍光領域４０１、緑蛍光領域４０２、赤蛍光領域４０３の構成を示す断面図である。
【図３】本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【図４】図４（ａ）は本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図、図４（ｂ）は蛍光体３０３の構造を示す断面図である。
【図５】図１に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。
【図６】図３に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１２】
図１は本発明による照明光学系の一実施形態の構成を示すブロック図である。
【００１３】
本実施形態は、レーザ光源１０１、ダイクロイックミラー１０２、ライトトンネル１０３、蛍光ホイール１０４、および、反射プリズム１０５から構成されている。
【００１４】
レーザ光源１０１は波長λ１の励起光として用いられるレーザ光を発生する。レーザ光源１０１が発生したレーザ光は、ダイクロイックミラー１０２およびライトトンネル１０３を通って蛍光ホイール１０４に入射する。蛍光ホイール１０４は、レーザ光源１０１が発生したレーザ光により、それぞれ異なる波長の光を発生する複数の蛍光発生領域を備えている。
【００１５】
図２（ａ）は、蛍光ホイール１０４をレーザ光源１０１が発生したレーザ光の入射面（図１左側から右側）から見たときの平面図である。
【００１６】
円形の蛍光ホイール１０４は、中心からの角度によりその領域が規定される青蛍光領域４０１、緑蛍光領域４０２、赤蛍光領域４０３を備えている。青蛍光領域４０１、緑蛍光領域４０２、赤蛍光領域４０３は、レーザ光源１０１が発生したレーザ光が入射されたときに、波長λ１よりも長い波長λ２、λ３、λ４（λ２＜λ３＜λ４）の青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光をそれぞれ発生する。
【００１７】
図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）は、青蛍光領域４０１、緑蛍光領域４０２、赤蛍光領域４０３の構成を示す断面図である。
【００１８】
図２（ｂ）に示す青蛍光領域４０１では、基板４０４上に、波長λ２〜λ４の光を反射する反射層４０５、青蛍光体層４０６が積層されている。青蛍光体層４０６は波長λ１の励起用のレーザ光が入射されると波長λ２の青色蛍光を発生する。
【００１９】
図２（ｃ）に示す緑蛍光領域４０２では、反射層４０５の上に緑蛍光体層４０７が積層されている。緑蛍光体層４０７は波長λ１の励起用のレーザ光が入射されると波長λ３の緑色蛍光を発生する。
【００２０】
図２（ｄ）に示す緑蛍光領域４０３では、反射層４０５の上に赤蛍光体層４０８が積層されている。赤蛍光体層４０８は波長λ１の励起用のレーザ光が入射されると波長λ４の赤色蛍光を発生する。
【００２１】
上記構成を備える蛍光ホイールは、中心を軸として回転するもので、レーザ光源１０１が発生したレーザ光の入射位置は外周部近傍とされている。このため、レーザ光源１０１が発生したレーザ光が入射された状態では青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光が順次発生し、反射層４０５で反射されてライトトンネル１０３に再入射する。
【００２２】
本実施形態では、４波長の光、λ１〜λ４、が用いられるが、その関係は、λ１＜λ２＜λ３＜λ４となる。ダイクロイックミラー１０２はλ２、λ３の、λ４の光を反射し、λ１の光は通過させる。ライトトンネル１０３は入出射面となる両端面の大きさが異なるテーパ形状のもので、ライトトンネル１０３はテーパ形状を備えることにより、各蛍光体で発生した拡散された蛍光の角度分布を変えて均一化することができる。ここでライトトンネルには、中空の内側面がミラーで構成されたものと、中実の透明多角柱で構成され全反射を利用するものとが含まれる。後者はロッドレンズとも呼ばれる。
【００２３】
本実施形態において、レーザ光源１０１が発生したレーザ光は、ダイクロイックミラー１０２を通過し、ライトトンネル１０３を通って蛍光ホイール１０４に入射する。蛍光ホイール１０４で順次発生する青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光はライトトンネル１０３に再入射し、ダイクロイックミラー１０２および反射プリズム１０５で反射されて照明光として出射される。
【００２４】
上記のように、本実施形態の照明光学系では、均一化された赤色蛍光、緑色蛍光、青色蛍光が順番に現れ、照明光として用いられる。
【００２５】
図３は本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００２６】
図１に示した実施形態では、３つの蛍光領域を備える蛍光ホイールを用いることにより一つの励起光源により３色の蛍光を発生させるものであったのに対し、本実施形態は、各色の蛍光体のそれぞれに個別の励起光源を設けたものである。
【００２７】
本実施形態は、レーザ光源２０１，２０５，２０９、ダイクロイックミラー２０２，２０６，２１０、ライトトンネル２０３，２０７，２１１、青蛍光体２０４、緑蛍光体２０８、赤蛍光体２１２、クロスダイクロイックプリズム２１２から構成されている。
【００２８】
レーザ光源２０１，２０５，２０９は波長λ１の励起光として用いられるレーザ光を発生する。青蛍光体２０４、緑蛍光体２０８、赤蛍光体２１２は、レーザ光源２０１が発生したレーザ光が入射されたときに、波長λ１よりも長い波長λ２、λ３、λ４（λ２＜λ３＜λ４）の青色蛍光、緑色蛍光、赤色蛍光をそれぞれ発生する。
【００２９】
青蛍光体２０４、緑蛍光体２０８、赤蛍光体２１２の構造は、図２（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示した青蛍光領域４０１、緑蛍光領域４０２、赤蛍光領域４０３の構造と同様であり、基板上に形成された反射層の上に、青蛍光体、緑蛍光体、赤蛍光体が形成されている。
【００３０】
ダイクロイックミラー２０２は波長λ１の光を通過させ、λ２の光を反射する。ダイクロイックミラー２０６は波長λ１の光を反射し、λ３の光を通過させる。ダイクロイックミラー２１０は波長λ１の光を反射し、λ４の光を通過させる。
【００３１】
ライトトンネル２０３，２０７，２１１は、図１に示したライトトンネル１０３はと同様に、両端面の大きさが異なるテーパ形状のもので、各蛍光体で発生した拡散された蛍光の角度分布を変えて均一化することができる。ライトトンネルには、中空の内側面がミラーで構成されたものと、中実の透明多角柱で構成され全反射を利用するものとが含まれる。
【００３２】
レーザ光源２０１が発生したレーザ光は、ダイクロイックミラー２０２およびライトトンネル２０３を通って青蛍光体２０４に入射する。青蛍光体２０４で発生した青蛍光は、ライトトンネル２０３を通り、ダイクロイックミラー２０２で反射してクロスダイクロイックプリズム２１３に入射する。
【００３３】
レーザ光源２０５が発生したレーザ光は、ダイクロイックミラー２０６で反射し、ライトトンネル２０７を通って緑蛍光体２０８に入射する。緑蛍光体２０８で発生した緑蛍光は、ライトトンネル２０７、ダイクロイックミラー２０２を通ってクロスダイクロイックプリズム２１３に入射する。
【００３４】
レーザ光源２０９が発生したレーザ光は、ダイクロイックミラー２１０で反射し、ライトトンネル２１１を通って赤蛍光体２２１に入射する。赤蛍光体２１２で発生した赤蛍光は、ライトトンネル２１１、ダイクロイックミラー２１０を通ってクロスダイクロイックプリズム２１３に入射する。
【００３５】
クロスダイクロイックプリズム２１３は、波長λ２の光は通過させ、波長λ３およびλ４の光は反射させる。このため、各蛍光体により発生した各蛍光は同じ方向に出射される。
【００３６】
上記のように構成される本実施形態では、蛍光を発生するユニットが各色に対して設けられているので、複数の蛍光を同時に発生させることができる。また、レーザ光源２０１，２０５，２０９を順番に駆動することにより、図１に示した照明光学系と同様に、各蛍光を順次出力させることもできる。
【００３７】
本実施形態は、蛍光を発生するユニットを各色に対して設けたものである。ユニットには、青色用の、レーザ光源２０１のレーザ光がダイクロイックミラー２０２を通過してライトトンネル２０３に入射するものと、緑色用や赤色用の、レーザ光源２０５，２０９のレーザ光がダイクロイックミラー２０６，２１０で反射されてライトトンネル２０７，２１１に入射するものの２種類があるが、これらは混在してもよく、また、いずれか一方のみとしても当然よい。異なる光学系で同様の蛍光を得ることができるため、設計の自由度を向上することができる。
【００３８】
図４（ａ）は本発明による照明光学系の他の実施形態の構成を示すブロック図である。
【００３９】
本実施形態は、図３に示した実施形態において、各色に対して設けられるユニットのうち、レーザ光源による励起光がダイクロイックミラーにより反射してライトトンネルに入射するユニットの変形例であり、光出力を高めるものである。
【００４０】
本実施形態は、レーザ光源３０１，３０２、蛍光体３０３、ライトトンネル３０４、および、ダイクロイックミラー３０５から構成されている。レーザ光源３０１，３０２は、同じ波長のレーザ光を励起光として発生する。
【００４１】
図４（ｂ）は蛍光体３０３の構造を示す断面図である。図示されるように、基板３０６上に、反射層３０７と蛍光体層３０８が積層されている。蛍光体層３０８はレーザ光源３０１，３０２のレーザ光により該レーザ光よりも波長の長い蛍光を発生する。反射層３０７はレーザ光源３０１，３０２が発生するレーザ光は通過させ、蛍光体層３０８が発生する蛍光は反射する。
【００４２】
ダイクロイックミラー３０５は、レーザ光源３０１，３０２が発生するレーザ光は反射し、蛍光体層３０８が発生する蛍光は通過させる。
【００４３】
レーザ光源３０１が発生したレーザ光は、反射層３０７を通過して蛍光体層３０８に入射し、レーザ光源３０２が発生したレーザ光は、ダイクロイックミラー３０５により反射して蛍光体層３０８に入射する。蛍光体層３０８では、入射したレーザ光源３０１，３０２からのレーザ光により蛍光が発生する。蛍光体層３０８で発生した蛍光は、ライトトンネル３０４およびダイクロイックミラー３０５を通って外部へ出力され、照明光として利用される。レーザ光源３０１，３０２のレーザ光のうち、蛍光の発生に寄与しなかったレーザ光も存在するが、ダイクロイックミラー３０５により反射されるため、外部へ出射することはない。
【００４４】
本実施形態の蛍光体３０３を、図１に示した蛍光ホイールとして各色を準じ出力する照明光学系を構成してもよい。また、本実施形態のユニットをそれぞれ異なる蛍光を発生する３つのユニットとして図３に示した照明光学系を構成してもよい。
【００４５】
図５は、図１に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。
【００４６】
図５に示すプロジェクタは、ユーザインタフェース部５０１、制御部５０２、記憶部５０３、映像信号処理部５０４、同期信号処理部５０５、ＬＤ駆動部５０６、蛍光ホイール駆動部５０８、表示素子駆動部５０９、回転状態検出部５１０、表示素子５１１、図１に示したレーザ光源１０１および蛍光ホイール１０５から構成されている。
【００４７】
ユーザインタフェース部５０１は、ユーザからの指示入力を受け付けて制御部５０２に出力し、また、現在のプロジェクタの動作状態をインジケータや表示パネルなどの表示装置（不図示）に表示させる。
【００４８】
制御部５０２は、記憶部５０３に格納されているプログラムに応じてプロジェクタを構成する各部を制御する。
【００４９】
記憶部５０３は、制御部５０３の制御プログラムを格納し、また、映像用データを一時記憶する。
【００５０】
映像信号処理部５０４は外部より入力された映像信号を、プロジェクタ内で用いられる映像信号に変換する。本実施形態の映像信号は、上述したように各色の照明光が順次照明光学系より出力される構成であるため、各色に応じた映像信号が順次生成される。
【００５１】
同期信号処理部５０５は、外部より入力された映像信号に同期する同期信号を、プロジェクタ内で用いられる映像信号に変換する。具体的には、各色の映像信号の出力タイミングを示す同期信号を生成して出力する。
【００５２】
ＬＤ駆動部５０６は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に応じてレーザ光源１０１の点灯状態を制御する。
【００５３】
回転状態検出部５１０は蛍光ホイール１０５の回転状態を検出して蛍光ホイール駆動部５０８へ出力する。
【００５４】
蛍光ホイール駆動部５０８は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に示される映像信号の色と、回転状態検出部５１０が検出した蛍光ホイール１０５の回転状態が示す照明光学系が出力する色とが一致するように蛍光ホイール１０５の回転状態を制御する
表示素子駆動部５０９は映像信号処理部が出力する映像信号に応じて、表示素子５１１を駆動する。ここで、表示素子５１１としては、複数のマイクロミラーがマトリックス状に配置され、各マイクロミラーの反射状態により画像を形成する反射型画像形成素子や、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子などの、各色の画像を順次表示させる表示素子が用いられる。
【００５５】
上記のように構成されるプロジェクタでは、照明光学系から順次出力される各色の照明光により各色に対応した画像を表示する表示素子５１１が照明され、表示素子５１１の反射画像もしくは透過画像が投影光学系（不図示）を介して順次投射される。
【００５６】
図６は、図３に示した実施形態の照明光学系を用いたプロジェクタの回路構成を示すブロック図である。
【００５７】
図６に示すプロジェクタは、ユーザインタフェース部５０１、制御部５０２、記憶部５０３、映像信号処理部５０４、同期信号処理部５０５、ＬＤ駆動部５０６'、表示素子駆動部５０９'、表示素子５１１、図１に示したレーザ光源２０１，２０５，２０９から構成されている。
【００５８】
ユーザインタフェース部５０１、制御部５０２、記憶部５０３、映像信号処理部５０４、同期信号処理部５０５の構成および動作は図５に示したものと同様であるため、図５と同じ符号を付して説明は省略する。
【００５９】
ＬＤ駆動部５０６'は、同期信号処理部５０５が出力した同期信号に応じてレーザ光源２０１，２０５，２０９の点灯状態を制御する。
【００６０】
表示素子駆動部５０９'は映像信号処理部が出力する映像信号に応じて、表示素子５１１'を駆動する。ここで、表示素子としては、図５に示した表示素子５１１と同様に、各色の画像を順次表示させる表示素子複数のマイクロミラーがマトリックス状に配置され、各マイクロミラーの反射状態により画像を形成する反射型画像形成素子や、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子が用いられるため、ＬＤ駆動部５０６'は表示素子５１１'が表示する画像職に応じてレーザ光源２０１，２０５，２０９を点灯させる。
【００６１】
なお、透過型液晶表示素子、反射型液晶表示素子の場合には、カラー画像を表示するものがある。表示素子５１１'としてカラー表示を行う表示素子が使用される場合には、ＬＤ駆動部５０６'は、レーザ光源２０１，２０５，２０９を同時に点灯させる。
【００６２】
上記のように構成されるプロジェクタでは、照明光学系から順次出力される各色の照明光により各色に対応した画像を表示する表示素子５１１'が照明され、表示素子５１１'の反射画像もしくは透過画像が投影光学系（不図示）を介して順次投射される。
【符号の説明】
【００６３】
１０１    レーザ光源
１０２    ダイクロイックミラー
１０３    ライトトンネル
１０４    蛍光ホイール
１０５    反射プリズム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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