(57)【要約】【課題】半導体レーザ素子を光源に用いた照明光学系およびこれを利用したプロジェクタを提供する。【解決手段】本発明に係る照明光学系は、赤色（Ｒ）の波長を発光するＬＥＤ６２、緑色（Ｇ）の波長を発光するＬＥＤ光源の構成６４、青色（Ｂ）の波長を発光するＬＥＤ６６を２次元アレイ状に配列したレーザアレイ基板６８と、レーザアレイ基板６８の前方に配置されたフライアイレンズ１２０と、フライアイレンズ１２０の前方に配置されたコンデンサレンズ１２２とを含む。【選択図】    図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも第１の波長を発光する第１の半導体レーザ素子、第２の波長を発光する第２の半導体レーザ素子、第３の波長を発光する第３の半導体レーザ素子が複数２次元アレイ状に配列された半導体レーザアレイ基板と、
前記半導体レーザアレイ基板の前方に配置されたフライアイレンズと、
前記フライアイレンズの前方に配置されたコンデンサレンズと、を含む照明光学系。
【請求項２】
前記第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長を発光する、請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、前記フライアイレンズの焦点位置に配される、請求項１または２に記載の照明光学系。
【請求項４】
アレイの各行は、少なくとも第１、第２、第３の半導体レーザ素子を含み、隣接する行間において、第１、第２、第３の半導体レーザ素子の位置がずれている、請求項１ないし３いずれかに記載の照明光学系。
【請求項５】
前記照明光学系は、前記コンデンサレンズの前方にロッド状のインテグレータを有する、請求項１ないし４いずれかに記載の照明光学系。
【請求項６】
前記照明光学系は、前記コンデンサレンズの前方にロッド状のライトトンネルを有する、請求項１ないし４いずれかに記載の照明光学系。
【請求項７】
第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、それぞれ異なるタイミングで発光される、請求項１ないし６いずれかに記載の照明光学系。
【請求項８】
前記照明光学系は、前記半導体レーザアレイ基板を冷却する冷却装置を含む、請求項１ないし７いずれかに記載の照明光学系。
【請求項９】
前記フライアイレンズと前記半導体レーザアレイ基板とがその間隔を保持した状態で相対的に移動される、請求項１ないし８いずれかに記載の照明光学系。
【請求項１０】
第１の半導体レーザ素子の発光量が、第２、第３の半導体レーザ素子の発光量よりも実質的に大きくなるように、第１、第２、第３の半導体レーザ素子が配列されている、請求項１ないし９いずれかに記載の照明光学系。
【請求項１１】
請求項１ないし１０いずれかに記載の照明光学系と、
前記照明光学系からの光を変調する光変調手段と、
前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段と、を有するプロジェクタ。
【請求項１２】
前記光変調手段は、ＤＭＤを含む、請求項１１に記載のプロジェクタ。
【請求項１３】
前記光変調手段は、液晶デバイスを含む、請求項１１に記載のプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プロジェクタに関し、特に、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｒｒｏｒ  Ｄｅｖｉｃｅ）を用いたＤＬＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｌｉｇｈｔ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＤＬＰはテキサスインスツルメンツ社の登録商標）方式のプロジェクタにおける照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＬＰ方式のプロジェクタは、複数の半導体ミラー素子をアレイ状に配列させたＤＭＤに光を照射し、その反射光をレンズ等で拡大投影して画像表示を行うものである。図８に示すように、放電ランプ１００からの白色光が回転楕円面鏡１０２によって反射され、その反射光がＲ、Ｇ、Ｂのカラーフィルターを配列した円盤状のカラーホイール１０４に入射される。カラーホイール１０４は一定速度で回転され、入射された光は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長帯を有する光に順次変換される。Ｒ、Ｇ、Ｂ光は、インテグレータまたはライトトンネル１０６において均一な光強度の光線束となって出射され、この光線束は、コンデンサレンズ１０８、平面ミラー１１０および球面ミラー１１２、コンデンサレンズ１１４を介してＤＭＤ１１６に入射される。ＤＭＤ１１６は、画像データに基づき、ＲＧＢ光（カラーホイールの回転）に同期して時分割駆動され、それらの反射光が投影レンズ１１８を介してスクリーンに照射され、カラー映像が表示される。
【０００３】
光源として用いられる放電ランプ１００は、明るい投射映像を形成するために、光出力が大きいものが用いられるが、その使用時間が長くなると、電極が消耗し、アークフリッカやアークジャンプによりチラツキが生じたり、あるいは放電ランプのガラス管が電極等から発生した金属粉によって黒色化し光の明るさが低下してしまう。さらに、ランプの発熱により、プロジェクタ内の温度が非常に高くなるため、それを冷却するために比較的大きな冷却能力を有するファンを取り付けなければならない。
【０００４】
こうした観点から、プロジェクタの光源として、放電ランプに代わるものが求められている。その一つに、近年著しい開発が遂げられている半導体レーザダイオード（ＬＥＤ）がある。半導体レーザダイオードは、発振する波長に応じた光を出力するが、現在では既に、短波長の青色から長波長の赤色までの光を発光することができる半導体レーザダイオードが実用化されている。
【０００５】
例えば特許文献１は、車両用灯具に関するものであるが、複数のＬＥＤを光源に利用している。具体的には、複数のＬＥＤの前方にフレネルレンズ、拡散レンズ、集光レンズを設けることで、光源全体を広い発光面積でほぼ均一に光って見えるようにするものである。また、特許文献２は、画像読取装置に関し、Ｒ、Ｇ、Ｂ、ＩＲの各ＬＥＤをマトリクス状に配置して光源を構成している。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−９３２１１号
【特許文献２】
特開２００２−２３７９２７号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記特許文献１および２は、ＬＥＤを光源として用いるものではあるが、これらは、カラー映像を投射するプロジェクタ用の光源としては十分な検討をされていない。プロジェクタ用の光源にＬＥＤを用いる場合、チラツキの少ない、均一な照度の光学照明系明を要求されるが、上記特許文献１および特許文献２に示される構成では、このような要求を満足させることは困難であり、プロジェクタの光源に適用することはできない。
【０００８】
そこで本発明は、従来の課題を解決し、半導体レーザ素子を光源に用いた照明光学系およびそれを利用したプロジェクタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る照明光学系は、少なくとも第１の波長を発光する第１の半導体レーザ素子、第２の波長を発光する第２の半導体レーザ素子、第３の波長を発光する第３の半導体レーザ素子が複数２次元アレイ状に配列された半導体レーザアレイ基板と、前記半導体レーザアレイ基板の前方に配置されたフライアイレンズと、前記フライアイレンズの前方に配置されたコンデンサレンズとを有する。これにより、ムラの少ない、均一な照明光を得ることができる。さらに、従来の放電ランプと比べて光利用効率を向上させ、かつ光源の発熱温度を低下させることが可能となる。
【００１０】
好ましくは、第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の波長を発光する。半導体レーザ素子は、アレイ化が容易な面発光型半導体レーザを用いることができる。さらに、第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、フライアイレンズの焦点位置に配されるようにし、複数の半導体レーザ素子による発光を均一な照射面とする。
【００１１】
アレイの各行は、第１、第２、第３の半導体レーザ素子を含み、隣接する行間において、第１、第２、第３の半導体レーザ素子の位置がずらされている。さらに照明光学系は、コンデンサレンズの前方にロッド状のインテグレータまたはライトトンネルを有するものであってもよい。
【００１２】
好ましくは第１、第２、第３の半導体レーザ素子は、それぞれ異なるタイミングで発光される。この場合、第１、第２の、第３の半導体レーザ素子は、それぞれ同じ期間だけ発光するようにしてもよいし、あるいは所望のレーザ素子の発光期間を他の素子よりも長くしてもよい。
【００１３】
好ましくはフライアイレンズと半導体レーザアレイ基板とがその間隔を保持した状態で相対的に移動される。これによりムラの少ないより均一な照明を行うことができる。好ましくは、半導体レーザアレイ基板を固定し、フライアイレンズを一定の周期で一定の距離を往復動させる。駆動機構は、機械的手段を用いてもよいし、あるいは圧電素子による歪みを利用してもよい。
【００１４】
本発明に係るプロジェクタは、上述した照明光学系と、照明光学系からの光を変調する光変調手段と、光変調手段によって変調された光を投射する投射手段とを有する。照明光学系の光源にＬＥＤを用いることで、光の利用効率が向上され、かる装置全体をより小型化することが可能となる。
【００１５】
好ましくは光変調手段は、例えばＤＭＤを含む。本発明による照明光学系を利用することで、従来のカラーホイールを用いる必要がなくなり、装置の小型化および光の利用効率の改善が図られる。また、光変調手段は、ＤＭＤ以外の液晶デバイスを含むものであってもよい。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態に係るＤＬＰ方式プロジェクタの主要な構成を示すブロック図である。プロジェクタ１は、画像信号Ｖを入力し、これをＤＭＤと同じ画素数のＲＧＢデジタル画像データに変換する前処理部１０と、前処理部１０からのデジタル画像データに基づきＤＭＤ５０の駆動および光源駆動回路３０の駆動を制御する制御部２０と、クロック信号ＣＬＫを生成するクロック発生回路４０と、複数の半導体ミラー素子をアレイ状に配置させそれらの半導体ミラー素子の角度を可変させるＤＭＤ５０と、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の半導体レーザダイオード素子（ＬＥＤ）をマトリックスアレイ状に配置したＬＥＤ光源６０と、ＬＥＤ光源６０からの光をＤＭＤ５０へ照射させる照明光学系７０と、ＤＭＤ５０によって反射された光をスクリーン上へ投射する投射光学系８０とを含む。
【００１７】
図２に光源駆動回路の内部構成を示す。光源駆動回路３０は、各色のＬＥＤを駆動させるタイミング信号を形成するタイミング回路３２と、タイミング回路３２からのタイミング信号によってＬＥＤを駆動する駆動回路３４と、ＬＥＤを好ましい状態で発光させるための電力を供給する電極供給回路３６とを有する。
【００１８】
図３に、ＬＥＤ光源６０の詳細を示す。ＬＥＤ光源６０は、レーザアレイ基板６８上に、赤色（Ｒ）ＬＥＤ６２、緑色（Ｇ）ＬＥＤ６４、青色（Ｂ）ＬＥＤ６６を２次元アレイ状に配列している。アレイの各行（Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３・・・Ｘｎ−２、Ｘｎ−１、Ｘｎ）は、赤色ＬＥＤ６２、緑色ＬＥＤ６４、青色ＬＥＤ６６を複数含み、これらを一列に配列している。各行のＬＥＤ６２、６４、６６は、その列方向において、一つ置きに配列パターンがずれている。つまり、奇数行（Ｘ１、Ｘ３・・・Ｘｎ−１）と偶数行（Ｘ２・・・Ｘｎ−２、Ｘｎ）とで、ＬＥＤ６２、６４、６６の位置がずれ、例えば、Ｘｎ−１のＬＥＤ６２に着目したとき、それと隣接する行Ｘｎ−２、ＸｎのＬＥＤ６２は、そこから１．５ピッチ（各ＬＥＤの配列ピッチを１ピッチとしたとき）分だけ行方向にずれており、Ｘｎ−１のＬＥＤ６２はその周囲を緑色ＬＥＤ６４と青色ＬＥＤ６６によって囲まれている。別な言い方をすれば、アレイは、図７（ａ）に示すようなＬＥＤ６２、６４、６６を一組とする配列パターンを複数組有している。
【００１９】
各ＬＥＤ６２、６４、６６は、２次元アレイ化が容易な面発光型半導体レーザを用いることができる。各ＬＥＤのｎ側電極は、レーザアレイ基板６８のＧＮＤ配線（図中省略）に共通に接続される。各赤色ＬＥＤ６２のｐ側電極は、アレイ基板６８の接続端子６８Ｒに接続され、各緑色ＬＥＤ６４のｐ側電極は、接続端子６８Ｇに接続され、各青色ＬＥＤ６６のｐ側電極は、接続端子６８Ｂに接続される。
【００２０】
駆動回路３４は、ＭＯＳトランジスタ３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂを含む。ＭＯＳトランジスタ３４Ｒ、３４Ｇ、３４Ｂの各ドレイン電極は、駆動電力供給回路３６の電力供給源に接続されている。ＭＯＳトランジスタ３４Ｒのソース電極は、回路基板６８の接続端子６８Ｒに接続され、ゲート電極はタイミング回路３２のタイミングパルス信号φＲに接続される。ＭＯＳトランジスタ３４Ｇのソース電極が接続端子６８Ｇに接続され、ゲート電極がタイミングパルス信号φＧに接続される。ＭＯＳトランジスタ３４Ｂのソース電極が接続端子６８Ｂに接続され、ゲート電極がタイミングパルス信号φＢに接続される。
【００２１】
タイミング回路３２は、制御部２０からのイネーブル信号ＥＢと、クロック発生回路４０からのクロック信号ＣＬＫを入力する。図４にタイミング回路の動作を示す。タイミング回路３２は、イネーブル信号ＥＢを受け取ると、クロック信号ＣＬＫに同期したタイミングパルス信号φＲ、φＢ、φＧを生成する。タイミングパルス信号φＲのパルスは、クロック信号ＣＬＫの立ち上がりに同期して立ち上がり、次のクロック信号の立ち上がりのときに立ち下がる。つまり、クロック信号ＣＬＫの１周期に等しいパルス幅を有する。タイミングパルス信号φＧは、φＲの立下りに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。タイミングパルス信号φＢは、タイミングパルス信号φＧの立ち下がりに同期しφＲのパルス幅と等しいパルス幅を生成する。このように、各タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢのパルスは、それぞれ重複することなく異なるタイミングで交互に生成される。これにより各ＬＥＤ６２、６４、６６は、タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢと同期したタイミングで点灯される。さらに、タイミング回路３２は、タイミングパルス信号と同期した同期信号Ｓを制御部２０へ出力する。
【００２２】
タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢは、上記以外に、例えばクロック信号ＣＬＫを１／ｎに分周する分周回路を用いたり、あるいは、図４（ｂ）に示すように、タイミングパルス信号φＲを遅延素子３１へ入力させ、遅延素子３８からパルス幅に等しい時間を遅延させたタイミングパルス信号φＧを生成し、タイミングパルス信号φＧを遅延素子３９へ入力させそこからタイミングパルス信号φＢを生成することもできる。さらに、上記例では、各タイミングパルス信号φＲ、φＧ、φＢのパルス幅をすべて等しくしたが、これに限らず、パルス幅を変えて、各ＬＥＤ６２、６４、６６が点灯する時間を変えてもよい。例えば、カラー映像の演色性が不足している場合には、タイミングパルス信号φＲのパルス幅を長くし、赤色ＬＥＤ６２の点灯時間を他のＬＥＤよりも長くするようにしてもよい。
【００２３】
制御部２０は、デジタル画像データを、ＤＭＤ５０を駆動するためのフォーマットに変換する。変換されたフォーマットデータは、タイミング回路３２からの同期信号Ｓに同期して、すなわち、赤色ＬＥＤ６２、緑色ＬＥＤ６４、青色ＬＥＤ６６の駆動に同期して、ＤＭＤ５０に出力される。ＤＭＤ５０は、フォーマットデータに基づき、各半導体ミラー素子の傾斜角を可変させる。
【００２４】
図５に、プロジェクタの光学系を示す。従来の図６と同一構成のものについては同一参照番号を付してある。図５において、ＬＥＤ光源６０の前方に、フライアイレンズ１２０、その前方にコンデンサレンズ１２２が配置される。フライアイレンズ１２０の各焦点位置にＬＥＤ６２、６４、６６がそれぞれ配置される。ＬＥＤ６２、６４、または６６から発せられた赤色、緑色、または青色の光は、フライアイレンズ１２０によって集光され、そこを透過した光は平行光線になる。コンデンサレンズ１２２は好ましくは平凸レンズであり、入射された平行光線はそこを透過することでインテグレータまたはライトトンネル１０６に入射される。このようなフライアイレンズ１２０を用いたリレーレンズ系により、ＬＥＤ光源６０からの焦光点に光量ムラあるいは輝度ムラの少ない照明を行うことができる。なお、フライアイレンズ１２０とコンデンサレンズ１２２との間に、さらに別のフライアイレンズを挿入するようにしてもよい。
【００２５】
ＬＥＤ光源６０から順次発せられたＲ、Ｇ、Ｂ光は、フライアイレンズ１２０、コンデンサレンズ１２２を介して、インテグレータ１０６に入射される。インテグレータ１０６は、４：３あるいは１６：９のアスペクト比を有し、この比に応じた均一な光線束が出射される。この光線束は、コンデンサレンズ系１０８、平面ミラー１１０、球面ミラー１１２、コンデンサレンズ１１４を通り、ＤＭＤ５０を照明し、そこで反射された光が投射レンズ１１８を介してスクリーン上に投射され、カラー映像が表示される。
【００２６】
本実施の形態では、赤色ＬＥＤ６２、緑色ＬＥＤ６４、青色ＬＥＤ６６が、タイミング回路３２によって、図４（ａ）に示すような異なるタイミングで発光されるため、従来技術で必要とされていたカラーホイールを不要となる。従来のカラーホイールは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のカラーフィルターを含み、そこに白色光を透過させることで、Ｒ、Ｇ、Ｂの光を得ていたため、実質的に１／３の光が利用されずに捨てられていた。このため、光源の光利用効率が悪く、その結果として、明るい投射映像をえるためには、光出力の大きな光源を必要としていた。これに対して、ＬＥＤ光源を用い、赤、緑、青のＬＥＤを交互に駆動させるため、カラーホイールは不要であり、かつ、光源の光利用効率が格別向上される。
【００２７】
また、図５に示すように、ＬＥＤ光源６０に近接して冷却ファン１３０を設けても良い。ＬＥＤの動作特性は温度依存性があり、温度が上昇すると発光光量が減少するため、冷却ファン１３０によりＬＥＤ光源６０が一定の温度を超えないようにする。
【００２８】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６に第２の実施の形態に係る照明光学系の構成を示す。本実施の形態では、より均一でムラの少ない照明を得るために、ＬＥＤ光源６０とフライアイレンズ１２２とをその間隔を保持させた状態で相対的に移動させる。ここでは、ＬＥＤ光源６０を固定し、フライアイレンズ１２２を水平方向Ｈに一定周期および一定の距離で振動させる。フライアイレンズ１２２の移動は、圧電素子の歪みを利用して駆動軸を往復動させたり、カム機構を利用して駆動軸を往復動させることができる。フライアイレンズ１２２の水平方向の移動は、好ましくは、図６に示すように（フライアイレンズの平面図）、フライアイレンズ１２２の対角線方向（Ｈ１またはＨ２）であり、その移動距離は、おおむね、各ＬＥＤが配列されるピッチに等しい。これにより、ＬＥＤ光源６０の赤、緑または青の光が一定位置から規則的にずれるため、ムラの少ないより均一な照射面をもつ照明光を得ることができる。
【００２９】
次に本発明の第３の実施の形態を図７に示す。図７（ａ）は、第１の実施の形態における一組のＬＥＤ６２、６４、６６の配列パターンを示し、図７（ｂ）は、第３の実施の形態における一組のＬＥＤ６２、６４、６６の配列パターンを示す。第３の実施の形態に係る配列パターンは、４つのＬＥＤを一組とし、一対の赤色ＬＥＤ６２が対角線上に配置され、それと直交する対角線上に緑色ＬＥＤ６４と青色ＬＥＤ６６が配置される。このような配列パターンを複数組アレイ状に配列させることで、赤色の光量を他の色の光量よりも多くすることができ、カラー映像の演色性を高めることができる。勿論、これ以外の配列パターンにより赤色ＬＥＤの光量を増加させるようにすることも可能である、あるいは、他のＬＥＤの数を増やしてその光の光量を増加させるようにしてもよい。
【００３０】
以上本発明の好ましい実施形態の一例について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。例えば、上記実施の形態では、ＤＬＰ方式のプロジェクタを例示したが、これ以外にも、光変調素子に液晶装置を使用した液晶タイプのプロジェクタにも適用することができる。さらに、アレイの各行に配列されるＬＥＤの順序（６２、６４、６６）は、これ以外であってもよい。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも第１の波長を発光する第１の半導体レーザ素子、第２の波長を発光する第２の半導体レーザ素子、第３の波長を発光する第３の半導体レーザ素子が複数２次元アレイ状に配列された半導体レーザアレイ基板と、フライアイレンズと、フライアイレンズの前方に配置されたコンデンサレンズとにより照明光学系を構成することで、ムラの少ない、より均一な照明光を得ることができる。さらに、照明光学系をプロジェクタに適用することで、従来の放電ランプと比べて光利用効率を向上させ、かつ光源の発熱温度を低下させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るプロジェクタの構成を示すブロック図である。
【図２】光源駆動回路の構成を示すブロック図である。
【図３】駆動回路およびＬＥＤ光源の構成を示す図である。
【図４】タイミング回路の動作を示す波形図である。
【図５】本実施の形態に係るＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るプロジェクタの光学系を示す図である。
【図７】図７（ａ）は第１の実施の形態に係るＬＥＤ素子の配列パターン、図７（ｂ）は第３の実施の形態におけるＬＥＤ素子の配列パターンを示す図である。
【図８】従来のＤＬＰ方式のプロジェクタの光学系を示す図である。
【符号の説明】
１０    前処理部                  ２０    制御部
３０    光源駆動回路              ３２    タイミング回路
３４    駆動回路                  ３６    電力供給回路
４０    クロック発生回路          ５０    ＤＭＤ
６０    ＬＥＤ光源                ６２    赤色（Ｒ）ＬＥＤ
６４    緑色（Ｇ）ＬＥＤ          ６６    青色（Ｂ）ＬＥＤ
６８    レーザアレイ基板          ７０    照明光学系
８０    投射光学系              １２０    フライアイレンズ
１２２  コンデンサレンズ        １３０    冷却ファン
【図１】
2004334081.tif 000003
【図２】
2004334081.tif 000004
【図３】
2004334081.tif 000005
【図４】
2004334081.tif 000006
【図５】
2004334081.tif 000007
【図６】
2004334081.tif 000008
【図７】
2004334081.tif 000009
【図８】
2004334081.tif 000010