JP2011053323A - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】 輝度を向上させることのできる光源装置と、この光源装置を備えたプロジェクタを提供する。
【解決手段】 本発明のプロジェクタは、光源装置や表示素子、プロジェクタ制御手段等を備え、光源装置は、回転制御可能な基材に励起光を受けて緑色帯域光を発する蛍光体層が形成された蛍光発光領域及び光を拡散透過させる拡散透過領域を有する蛍光ホイールと、青色波長帯域の励起光を蛍光体に照射する励起光源と、赤色帯域光を発する発光素子と、蛍光ホイールからの光及び発光素子からの光を同一光路上に集光させる集光光学系と、励起光源及び発光素子の発光を制御する光源制御手段と、備え、緑色蛍光体が高密度励起光を受けたときにも蛍光飽和が少ない特性を有することを特徴とする。
【選択図】 図７

Description

本発明は、光源装置と、この光源装置を備えたプロジェクタに関する。

今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ画像、更にメモリカード等に記憶されている画像データによる画像等をスクリーンに投影する画像投影装置としてのデータプロジェクタが多用されている。このプロジェクタは、光源から射出された光をＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）と呼ばれるマイクロミラー表示素子、又は、液晶板に集光させ、スクリーン上にカラー画像を表示させる。

このようなプロジェクタにおいて、従来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、光源として発光ダイオードやレーザーダイオード、あるいは、有機ＥＬ、蛍光発光等を用いる開発や提案が多々なされている。例えば、特許第３４１５４０３号（特許文献１）では、赤色、緑色、青色帯域のレーザー光を生成する３種類の光源を有するプロジェクタについての提案がなされている。また、特開２００４−３４１１０５号公報（特許文献２）では、紫外光を射出する光源と、この光源からの光を受けて可視光を射出する蛍光体の層が形成された蛍光ホイールと、を有する光源装置についての提案がなされている。

特許第３４１５４０３号 特開２００４−３４１１０５号公報

特許文献１の提案は、各色光の光源を備えているため、夫々に駆動回路が必要であり小型化が難しく、製造コストが高くなってしまうといった問題点があった。また、高輝度化のためには光源の発光面積の大型化が必要となり、光源側光学系のエテンデューと投影側光学系のエテンデューの差が大きくなることから、光源光の利用効率が低下してしまう。

これに対して、特許文献２の提案は、光源からの光を集光して蛍光体に照射し、蛍光体を励起発光させるため、光源側光学系のエテンデューを投影側光学系のエテンデューより小さくすることで光の利用効率を向上させることができる。しかしながら、一般的な蛍光体材料は、励起光を受けて励起状態となってから、蛍光を放出して元の状態に戻るまでの時間（蛍光寿命）が比較的長いため、高密度励起光を照射したときに蛍光飽和が生じるといった問題点が指摘されている。つまり、蛍光寿命が長い蛍光体に励起光を照射した場合、この蛍光体は励起状態から基底状態に戻って更に励起されるまでの時間が長いため、照射される励起光の多くが蛍光体の励起に用いられずに無駄となってしまうことになる。したがって、プロジェクタ等に適した高密度励起においても蛍光飽和が少ない、即ち、直ちに基底状態に戻って励起されることのできる蛍光寿命の短い蛍光体材料の採用による光の利用効率の向上が要望されている。

また、特許文献２の提案は、ホイール面に形成された蛍光体層に励起光としての紫外光を照射して赤色、緑色、青色波長帯域の蛍光光を発光させることができるが、赤色蛍光体の発光効率が他の蛍光体の発光効率に比べて低いため、赤色の輝度が不足してしまうといった問題点もあった。

本発明は、このような従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、蛍光体を励起させる光源と、高密度励起においても蛍光飽和の少ない蛍光体を有する発光板と、を備えることで、光の利用効率を高めて画面の輝度を向上させることのできる光源装置と、この光源装置を備えたプロジェクタを提供することを目的としている。

本発明の光源装置は、基材に励起光を受けて所定の波長帯域光を発する蛍光体の層を有する発光板と、励起光を前記蛍光体に照射する励起光源と、を備え、前記蛍光体は、蛍光寿命が５２０ｎｓｅｃ以下であることを特徴とする。

そして、前記発光板の基材には、夫々が励起光を受けて異なる波長帯域光を射出する複数のセグメントが形成され、前記複数のセグメントの少なくとも一つは、励起光を受けて所定の波長帯域光を発する蛍光体層を有する蛍光発光領域とされる。

さらに、前記励起光源は、青色波長帯域光を発するレーザー発光器であり、前記蛍光体は、励起光を受けて少なくとも緑色の波長帯域光を発する蛍光体であることを特徴とする。

また、前記緑色帯域光を発する蛍光体は、ガーネット構造蛍光体であり、５２０〜５４０ｎｍの範囲に発光ピークを有することを特徴とする。

そして、前記緑色帯域光を発する蛍光体は、摂氏２５度の環境における蛍光強度に対して摂氏１００度の環境における蛍光強度が８５％以上であることを特徴とする。

また、前記発光板における複数のセグメントの少なくとも一つは、前記励起光源からの光を拡散透過させる拡散透過領域とされることもある。

そして、前記発光板は、励起光を受けて緑色の波長帯域光を発する緑色蛍光体の層を有する蛍光発光領域、励起光を受けて赤色の波長帯域光を発する赤色蛍光体の層を有する蛍光発光領域、励起光を拡散透過させる拡散透過領域、とされた三つのセグメントを有することもある。

このとき、前記赤色帯域光を発する蛍光体は、６２０〜６５０ｎｍの範囲に発光ピークを有することが好適である。

また、光源装置は、前記発光板が、励起光を受けて緑色の波長帯域光を発する緑色蛍光体の層を有する蛍光発光領域、励起光を拡散透過させる拡散透過領域、とされた二つのセグメントを有し、赤色の波長帯域光を発する発光素子と、前記発光板から射出される光及び前記発光素子から射出される光を、同一光路上に集光させる集光光学系と、を備えることもある。

さらに、前記発光板は、回転制御可能な基材からなる蛍光ホイールであることを特徴とする。

そして、本発明のプロジェクタは、上記の何れかの光源装置と、表示素子と、前記光源装置からの光を前記表示素子に導光する光源側光学系と、前記表示素子から射出された画像をスクリーンに投影する投影側光学系と、前記光源装置や表示素子を制御するプロジェクタ制御手段と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、蛍光体を励起させる光源と、高密度励起においても蛍光飽和の少ない蛍光体を有する発光板と、を備えることで、光の利用効率を高めて画面の輝度を向上させることのできる光源装置と、この光源装置を備えたプロジェクタを提供することができる。

本発明の実施例に係る光源装置を備えたプロジェクタを示す外観斜視図である。 本発明の実施例に係る光源装置を備えたプロジェクタの機能回路ブロックを示す図である。 本発明の実施例に係る光源装置を備えたプロジェクタの内部構造を示す平面模式図である。 本発明の実施例に係る光源装置の平面模式図である。 本発明の実施例に係る蛍光ホイールの正面模式図である。 本発明の実施例に係る励起光源及び発光素子の点灯範囲を示す蛍光ホイールの正面模式図である。 本発明の実施例に係る蛍光体及び比較例に係る蛍光体の実験結果を示す表である。 本発明の変形例に係る蛍光ホイールの正面模式図である。 本発明の変形例に係る蛍光体及び比較例に係る蛍光体の実験結果を示す表である。

以下、本発明を実施するための形態について述べる。プロジェクタ10は、光源装置63と、表示素子51と、冷却ファンと、光源装置63からの光を表示素子51に導光する光源側光学系62と、表示素子51から射出された画像をスクリーンに投影する投影側光学系90と、光源装置63や表示素子51を制御するプロジェクタ制御手段と、光源装置63の励起光源72及び発光素子74の発光を個別に制御する光源制御手段である光源制御回路41と、を備えている。

そして、この光源装置63は、蛍光ホイール71と、励起光源72及び発光素子74と、集光光学系と、を備える。この蛍光ホイール71は、光を反射させる反射面を有する金属基材と光を透過させる透明基材とから構成された回転制御可能な円板状の発光板である。また、蛍光ホイール71は、互いに隣接する半円形状のセグメントを二つ有している。このセグメントは、一方が金属基材に励起光を受けて緑色の波長帯域光を発する緑色蛍光体の層4が形成される蛍光発光領域2とされ、他方が透明基材に光学処理が施されて励起光を拡散して透過させる拡散透過領域1とされる。

励起光源72は、青色波長帯域の励起光を発するレーザー発光器である。そして、この励起光源72は、蛍光ホイール71の蛍光発光領域2における緑色蛍光体層4及び拡散透過領域1に光を照射することができるように配置されている。発光素子74は、赤色の波長帯域光を発する発光ダイオードである。

集光光学系は、励起光源72と蛍光ホイール71との間に配置されて励起光を透過させ且つ蛍光体からの蛍光光を反射させるダイクロイックミラーを有する。また、集光光学系は、蛍光ホイール71の拡散透過領域1を透過した励起光と上記ダイクロイックミラーで反射された蛍光光と発光素子74から射出された光とを同一光路上に集光させ且つ同一方向に向けて射出可能とする複数の反射ミラーやダイクロイックミラーと、レンズ群と、を有する。

そして、蛍光発光領域2の緑色蛍光体層4には、高密度励起光を受けたときにも蛍光飽和が少ない特性を有する蛍光体が混合される。具体的には、蛍光体は、残光が１／ｅ（ｅ：ネイピア数）に減少する蛍光寿命が５２０ｎｓｅｃ以下であることが好ましく、６０ｎｓｅｃ以下であることがより好適である。

蛍光寿命が６０ｎｓｅｃ以下となる緑色帯域光を発する蛍光体として、５２０〜５４０ｎｍの範囲に発光ピークを有するガーネット構造蛍光体を採用することが好適である。さらに、この蛍光体は、摂氏２５度の環境における蛍光強度に対して摂氏１００度の環境における蛍光強度が８５％以上である特性を有することが好適であり、また、この温度特性が９０％以上であることがより好適である。

以下、本発明の実施例を図に基づいて詳説する。図１は、プロジェクタ10の外観斜視図である。なお、本実施例において、左右とは投影方向に対しての左右方向を示し、前後とは光線束の進行方向に対しての前後方向を示す。

そして、プロジェクタ10は、図１に示すように、略直方体形状であって、本体ケースの前方の側板とされる正面パネル12の側方に投影口を覆うレンズカバー19を有するとともに、この正面パネル12には複数の排気孔17を設けている。さらに、図示しないがリモートコントローラからの制御信号を受信するＩｒ受信部を備えている。

また、本体ケースである上面パネル11にはキー／インジケータ部37が設けられ、このキー／インジケータ部37には、電源スイッチキーや電源のオン又はオフを報知するパワーインジケータ、投影のオン、オフを切りかえる投影スイッチキー、光源装置や表示素子又は制御回路等が過熱したときに報知をする過熱インジケータ等のキーやインジケータが配置されている。

さらに、本体ケースの背面には、背面パネルにＵＳＢ端子や画像信号入力用のＤ−ＳＵＢ端子、Ｓ端子、ＲＣＡ端子等を設ける入出力コネクタ部及び電源アダプタプラグ等の各種端子20が設けられている。なお、図示しない本体ケースの側板である右側パネル14、及び、図１に示した側板である左側パネル15の下部近傍には、各々複数の吸気孔18が形成されている。

次に、プロジェクタ10のプロジェクタ制御手段について図２のブロック図を用いて述べる。プロジェクタ制御手段は、制御部38、入出力インターフェース22、画像変換部23、表示エンコーダ24、表示駆動部26等から構成され、入出力コネクタ部21から入力された各種規格の画像信号は、入出力インターフェース22、システムバス（ＳＢ）を介して画像変換部23で表示に適した所定のフォーマットの画像信号に統一するように変換された後、表示エンコーダ24に出力される。

また、表示エンコーダ24は、入力された画像信号をビデオＲＡＭ25に展開記憶させた上でこのビデオＲＡＭ25の記憶内容からビデオ信号を生成して表示駆動部26に出力する。

表示駆動部26は、表示素子制御手段として機能するものであり、表示エンコーダ24から出力された画像信号に対応して適宜フレームレートで空間的光変調素子（ＳＯＭ）である表示素子51を駆動するものであり、光源装置63から射出された光線束を光源側光学系を介して表示素子51に照射することにより、表示素子51の反射光で光像を形成し、後述する投影側光学系90を介して図示しないスクリーンに画像を投影表示する。なお、この投影側光学系90の可動レンズ群97は、レンズモータ45によりズーム調整やフォーカス調整のための駆動が行われる。

また、画像圧縮伸長部31は、画像信号の輝度信号及び色差信号をＡＤＣＴ及びハフマン符号化等の処理によりデータ圧縮して着脱自在な記録媒体とされるメモリカード32に順次書き込む記録処理を行う。さらに、画像圧縮伸長部31は、再生モード時にメモリカード32に記録された画像データを読み出し、一連の動画を構成する個々の画像データを１フレーム単位で伸長し、この画像データを画像変換部23を介して表示エンコーダ24に出力し、メモリカード32に記憶された画像データに基づいて動画等の表示を可能とする処理を行なう。

制御部38は、プロジェクタ10内の各回路の動作制御を司るものであって、ＣＰＵや各種セッティング等の動作プログラムを固定的に記憶したＲＯＭ及びワークメモリとして使用されるＲＡＭ等により構成されている。

本体ケースの上面パネル11に設けられるメインキー及びインジケータ等により構成されるキー／インジケータ部37の操作信号は、直接に制御部38に送出され、リモートコントローラからのキー操作信号は、Ｉｒ受信部35で受信され、Ｉｒ処理部36で復調されたコード信号が制御部38に出力される。

なお、制御部38にはシステムバス（ＳＢ）を介して音声処理部47が接続されている。この音声処理部47は、ＰＣＭ音源等の音源回路を備えており、投影モード及び再生モード時には音声データをアナログ化し、スピーカ48を駆動して拡声放音させる。

また、制御部38は、光源制御手段としての光源制御回路41を制御しており、この光源制御回路41は、画像生成時に要求される所定波長帯域光が光源装置63から射出されるように、光源装置63の励起光源及び発光素子の発光を個別に制御する。

さらに、制御部38は、冷却ファン駆動制御回路43に光源装置63等に設けた複数の温度センサによる温度検出を行わせ、この温度検出の結果から冷却ファンの回転速度を制御させている。また、制御部38は、冷却ファン駆動制御回路43にタイマー等によりプロジェクタ本体の電源ＯＦＦ後も冷却ファンの回転を持続させる、あるいは、温度センサによる温度検出の結果によってはプロジェクタ本体の電源をＯＦＦにする等の制御も行う。

次に、このプロジェクタ10の内部構造について述べる。図３は、プロジェクタ10の内部構造を示す平面模式図である。プロジェクタ10は、図３に示すように、右側パネル14の近傍に電源回路ブロック101等を取付けた電源制御回路基板102が配置され、略中央にはシロッコファンタイプのブロア110が配置され、このブロア110の近傍に制御回路基板103が配置され、正面パネル12の近傍には光源装置63が配置され、左側パネル15の近傍には光学系ユニット70が配置されている。

また、プロジェクタ10は、筐体内を区画用隔壁120により背面パネル13側の吸気側空間室121と正面パネル12側の排気側空間室122とに気密に区画されており、ブロア110は、吸込み口111が吸気側空間室121に位置し排気側空間室122と吸気側空間室121の境界に吐出口113が位置するように配置されている。

光学系ユニット70は、光源装置63の近傍に位置する照明側ブロック78と、背面パネル13側に位置する画像生成ブロック79と、照明側ブロック78と左側パネル15との間に位置する投影側ブロック80との３つのブロックから構成された略コの字形状である。

この照明側ブロック78は、光源装置63から射出された光を画像生成ブロック79が備える表示素子51に導光する光源側光学系62の一部を備えている。この照明側ブロック78が有する光源側光学系62としては、光源装置63から射出された光線束を均一な強度分布の光束とする導光装置75や、導光装置75を透過した光を集光する集光レンズ等がある。

画像生成ブロック79は、光源側光学系62として、導光装置75から射出された光線束の光軸方向を変更する光軸変更ミラー76と、この光軸変更ミラー76により反射した光を表示素子51に集光させる複数枚の集光レンズと、これらの集光レンズを透過した光線束を表示素子51に所定の角度で照射する照射ミラー84と、を有している。さらに、画像生成ブロック79は、表示素子51とするＤＭＤを備え、この表示素子51の背面パネル13側には表示素子51を冷却するための表示素子冷却装置53が配置されて、表示素子51が高温となることを防止している。

投影側ブロック80は、表示素子51で反射されて画像を形成する光をスクリーンに放出する投影側光学系90のレンズ群を有している。この投影側光学系90としては、固定鏡筒に内蔵する固定レンズ群93と可動鏡筒に内蔵する可動レンズ群97とを備えてズーム機能を備えた可変焦点型レンズとされ、レンズモータにより可動レンズ群97を移動させることによりズーム調整やフォーカス調整を可能としている。

次に、本実施例のプロジェクタ10における光源装置63について述べる。図４は、光源装置63の平面模式図である。光源装置63は、図４に示すように、導光装置75の中心軸と光軸が平行となるように配置された複数の励起光源72と、励起光源72の前方に配置された複数のコリメータレンズ149と、コリメータレンズ149を透過した光線束の光軸方向を９０度変換する反射ミラー群150と、を備える。

また、光源装置63は、反射ミラー群150で反射した励起光の光軸と回転軸が平行となるように励起光の光軸上に配置された蛍光ホイール71と、蛍光ホイール71を回転駆動するホイールモータ73と、励起光源72から励起光を射出する際の光軸方向と発光素子74からの射出光の光軸とが平行となるように配置された発光素子74としての赤色光源と、蛍光ホイール71から射出される光線束の光軸及び赤色光源から射出された光線束の光軸を一致させて、蛍光ホイール71からの射出光及び発光素子74からの射出光を同一光路上の所定の一面に集光する集光光学系と、を有している。

励起光源72及び発光素子74について述べる。この励起光源72は、青色波長帯域光を発する複数の青色レーザー発光器が平面状に配列されている。この励起光源72は、発光波長ピークが４４５ｎｍで総出力が１０Ｗとされる。そして、励起光源72は、青色波長帯域のレーザー光を励起光として蛍光ホイール71の蛍光発光領域に射出するとともに、光源装置63における青色波長帯域光として蛍光ホイール71の拡散透過領域に射出する。また、励起光源72の前方において、コリメータレンズ149が配置されているため、各青色レーザー発光器からの射出光は、指向性が増した平行光として前方に射出される。さらに、励起光源72の光軸上に、複数の短冊状の反射ミラーが階段状に配列されてなる反射ミラー群150が配設されているため、励起光源72からの射出光の光軸は９０度変換される。

そして、励起光源72は、後述の緑色蛍光体よりも波長の短い可視光である青色帯域光を蛍光体層に照射する。したがって、蛍光体に青色帯域の励起光を吸収させて、効率よく蛍光体を発光させることができる。

発光素子74は、蛍光ホイール71から射出される光と異なる赤色波長帯域の光を発する。このように、発光効率が比較的低い赤色蛍光体の層を設けずに、赤色光源を個別に設けることで、発光効率の比較的高い緑色蛍光体層から射出される緑色光の光量及び蛍光ホイール71を透過する青色拡散光の光量に適合した光量の赤色光を得て、画面の輝度及び色再現性の向上を図ることができる。

次に、蛍光ホイール71について図５を参照して説明する。蛍光ホイール71は、図示するように、半円形状の二つのセグメントを有する円形状の発光板であって、ホイールモータ73によって回転を制御される。この蛍光ホイール71は、励起光源72からの射出光を拡散して透過させる拡散透過領域1としてのセグメントと、蛍光発光領域2としてのセグメントと、が並設されてなる。この拡散透過領域1は、ガラス等の透光性の高い透明基材によって形成されており、表面にサンドブラスト加工等によって微細凹凸が施されている。そして、拡散透過領域1に照射された励起光源72からの射出光は、指向性の高いレーザー光から指向性の低い拡散光に変換されて透過する。

蛍光発光領域2は、鏡面加工した金属基材としての銅板によって形成される。そして、この銅板にチタン、クロムコートがなされ、更に銀が真空蒸着されることによって反射面が形成され、この反射面上に励起光を受けて緑色の波長帯域光を発する緑色蛍光体の層4が敷設されている。この緑色蛍光体層4は、耐熱性が高く且つ透光性の高いシリコン樹脂等のバインダと、このバインダに均一に混合された蛍光体と、から形成されている。この蛍光体材料の詳細については、後述する。

そして、蛍光ホイール71は、上記したように緑色蛍光体層4が敷設された蛍光発光領域2の表面を鏡面加工等により反射面として形成される。蛍光ホイール71の表面に反射面を形成することにより、緑色蛍光体層4は励起光を受けて全方向に蛍光光を射出するが、緑色蛍光体層4から励起光源72側に射出された光線束のみならず、蛍光ホイール71の表面側に射出された蛍光光も蛍光ホイール71の表面で反射されて励起光源72側に射出されることとなるため、蛍光光の利用効率を高くすることができる。

また、緑色蛍光体層4の蛍光体に吸収されずに反射面に照射された青色光源光も、反射面により反射されて、再び緑色蛍光体層4側に射出されて蛍光体を励起させることができるため、青色光源光の利用効率を向上させて、一層明るく発光させることができる。

このように、二つのセグメントが蛍光発光領域2及び拡散透過領域1とされるため、回転する蛍光ホイール71に順次に青色光源光を照射することで、励起光源72から射出された光源光が励起光として蛍光ホイール71の蛍光発光領域2の蛍光体層に照射されたときは、蛍光ホイール71から緑色波長帯域の蛍光光が射出され、励起光源72から射出された光源光が蛍光ホイール71の拡散透過領域1に照射されたときは、青色光源光が拡散透過することになる。

つまり、本実施例の蛍光ホイール71は、セグメントを二つ有し、夫々が拡散透過領域1及び蛍光発光領域2として形成されることで、励起光源72からの励起光を受けて、青色及び緑色帯域の光を射出する発光板として機能する。

次に、ダイクロイックミラーや反射ミラー、レンズ等を備える集光光学系について図４を参照して説明する。集光光学系は、蛍光ホイール71から射出される青色光源光及び緑色蛍光光並びに発光素子74から射出される赤色光源光を反射又は透過させることで、各色光の光軸を変換させることにより一致させて、各色光を同一光路上に集光させる光学系である。

集光光学系は、複数のミラーによるミラー群151、複数の凸レンズによる凸レンズ群153、凸レンズを組み合わせて集光レンズとした複数の当該集光レンズによる集光レンズ群155、導光装置入射レンズ154から構成される。ミラー群151は、反射ミラー群150で反射した励起光の光軸と発光素子74の光軸とが直交する位置に配置された第一ミラー151aと、蛍光ホイール71の裏面側であって導光装置75の中心軸の延長線と反射ミラー群150で反射した励起光の光軸の延長線とが交差する位置に配置された第二ミラー151bと、発光素子74の光軸上に配置された第三ミラー151cと、第三ミラー151cで反射した赤色波長帯域光の光軸と導光装置75の中心軸の延長線とが交差する位置に配置された第四ミラー151dと、を備える。

第一ミラー151aは、励起光源72及び発光素子74からの射出光を透過し、蛍光ホイール71で発光した蛍光光を反射するダイクロイックミラーとされている。また、第二ミラー151bは、反射ミラーとされ、蛍光ホイール71を拡散透過した励起光源72からの射出光の光軸を導光装置75の中心軸と一致させる。第三ミラー151cは、反射ミラーとされ、発光素子74からの射出光、及び、蛍光ホイール71で発光した蛍光光を第四ミラー151dへ反射させる。第四ミラー151dは、第二ミラー151bによって反射された光線束を透過し、第三ミラー151cによって反射された光線束を反射するダイクロイックミラーとされている。

また、集光光学系としての凸レンズ群153は、励起光源72と第一ミラー151aとの間に配置された第一凸レンズ153aと、第二ミラー151bと第四ミラー151dとの間に配置された第二凸レンズ153bと、第一ミラー151aと第三ミラー151cとの間に配置された第三凸レンズ153cと、第三ミラー151cと第四ミラー151dとの間に配置された第四凸レンズ153dと、を備える。

さらに、集光光学系としての集光レンズ群155は、発光素子74の近傍、及び、蛍光ホイール71の表裏両面近傍であって励起光源72からの射出光の光軸上に配置されており、発光素子74や蛍光ホイール71からの射出光を集光する。また、集光光学系としての導光装置入射レンズ154は、導光装置75の近傍に配置されており、光源装置63からの射出光を導光装置75の入射面に集光する。

そして、このような光源装置63において、励起光源72から射出され反射ミラー群150で反射された青色レーザー光は、第一凸レンズ153aによって集光された後、第一ミラー151aを透過し、集光レンズ群155によって蛍光ホイール71の蛍光発光領域2や拡散透過領域1に照射される。また、励起光源72から射出され蛍光発光領域2に照射された光線束は、励起光として蛍光体を励起し、蛍光体は所定波長帯域の光を発する。さらに、励起光源72から射出され蛍光ホイール71の拡散透過領域1に照射された光線束は、拡散してコヒーレント光からインコヒーレント光に性質を変換され、インコヒーレント光の青色波長帯域光として蛍光ホイール71の裏面側から射出される。

また、発光素子74から射出された赤色波長帯域光は、集光レンズ群155によって集光されて第一ミラー151aを透過し、蛍光ホイール71から励起光源72側へ射出された蛍光光は、集光レンズ群155によって集光されて第一ミラー151aに照射される。そして、第一ミラー151aを透過した赤色波長帯域光、及び、第一ミラー151aで反射した蛍光光は、第三凸レンズ153cや第四凸レンズ153dによって集光されるとともに、第三ミラー151c及び第四ミラー151dで反射し、導光装置入射レンズ154によって導光装置75の入射面に集光されて導光装置75内に入射する。

さらに、蛍光ホイール71を拡散透過した青色波長帯域光は、集光レンズ群155によって集光されて第二ミラー151bに照射され、第二ミラー151bで反射し、第二凸レンズ153bで集光され、第四ミラー151dを透過した後、導光装置入射レンズ154によって導光装置75の入射面に集光されて導光装置75内に入射する。

このように集光光学系を構成することで、後述するように、蛍光ホイール71を回転させるとともに励起光源72及び発光素子74から異なるタイミングで光を射出すると、赤色、緑色及び青色並びに白色の波長帯域光が集光光学系を介して導光装置75に順次入射され、プロジェクタ10の表示素子51であるＤＭＤがデータに応じて各色の光を時分割表示することにより、スクリーンにカラー画像を生成することができる。

次に光源制御手段による励起光源72及び発光素子74の制御について述べる。光源制御手段は、励起光源72及び発光素子74の点滅動作を個別に時分割制御する。そして、この光源制御手段は、二つのセグメントの境界の一方において照射領域が二つのセグメントに跨るように励起光源72から光を照射させるときに発光素子74を点灯させる制御を行う。これにより、蛍光ホイール71から発せられる青色及び緑色帯域光と発光素子74から発せられる赤色帯域光とが合成された白色帯域光を光源装置63から射出することができる。

また、この光源制御手段は、二つのセグメントの境界の他方において照射領域が二つのセグメントに跨るように励起光源72からの光が照射されて蛍光ホイール71から二色（青色及び緑色）の波長帯域の合成光が射出されることを防止するように励起光源72を消灯させるときに発光素子74を点灯させる制御を行う。これにより、光源装置63から赤色帯域光のみを射出することができる。

具体的には、図６に示すように、セグメントの境界の一方を含む例えば１／４の範囲の一方において、励起光源72及び発光素子74をともに点灯させる制御を光源制御手段が実行すれば、励起光源72の照射領域7が蛍光発光領域2と拡散透過領域1の境界に跨るように位置したときに生成される緑色及び青色光と、発光素子74からの赤色光とが合成されて、光源装置63からは白色光が射出される。また、他方において、励起光源72を消灯して発光素子74のみを点灯させることにより、光源装置63からは赤色光のみが射出される。そして、セグメントの境界を含まないその他の１／４の範囲においては、励起光源72のみを点灯させる制御を光源制御手段が実行することで、緑色光及び青色光が光源装置63から射出される。つまり、光源装置63からは緑色、赤色、青色、白色帯域光が順次に射出されることになる。

そして、上記のような４種類の波長帯域光を順次射出する光源装置63を搭載したプロジェクタ10において、例えば、１フレームにおける各色が１６階調（４ｂｉｔ）で表現される場合、フレームレートが３０フレーム／秒であるため、１階調当たり約５２０ｎｓｅｃの照射時間が必要とされる。したがって、蛍光体の蛍光寿命がこの必要照射時間より長い場合には、各階調において必要な発光量を確保することができずに、十分な色再現性を得ることができない。なお、蛍光寿命とは、励起直後の蛍光強度から１／ｅ（ｅ：ネイピア数）に減衰する時間である。

つまり、蛍光体の残光の蛍光強度が約１／ｅまで減少する蛍光寿命は、５２０ｎｓｅｃよりも短いことが好適であり、蛍光寿命が短ければ短い程、高い発光強度を得ることができるため好適である。

また、蛍光体材料は、熱依存性が高く、温度が上昇すると発光効率が低減するという特性がある。蛍光ホイール71は、高い発光強度を得るためにプロジェクタ10における冷却ファンなどにより冷却されることとなるが、このとき蛍光体の温度は摂氏２５度〜１００度程度の範囲で管理されることが多い。つまり、蛍光体材料は、摂氏１００度程度の環境下でも発光強度を高いまま維持できる温度特性の良好なものがプロジェクタ10に用いる発光源として有効である。以下、蛍光寿命が短く且つ温度特性の良好な蛍光体の組成、製法等について述べる。

緑色蛍光体層4の蛍光体として、本実施例においては、セリウム賦活ガーネット構造蛍光体のＹ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋を採用する。比較例としては、（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋を採用する。

本実施例の光源装置63に用いる蛍光体は、原料となる酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を、Ｙ：Ａｌ：Ｇａ：Ｃｅ＝２．９８：２．５：２．５：０．０２のモル比率で配合したものである。

そして、この蛍光体を得る製法としては、先ず、結晶成長を促進するフラックスとしてフッ化バリウムを蛍光体原料に対して５０モル％で配合し、ポリエチレン容器に原料とエタノールを入れ、２００ｒｐｍの回転速度で５時間、回転混合する。そして、混合した原料は、ろ過、乾燥を行い、アルミナ容器に入れ、４％水素還元雰囲気において摂氏１５００度で４時間、焼成を行う。さらに、フラックスやその他の不純物を除去するために２基底の硝酸溶液で１時間攪拌後、純水で洗浄を行い乾燥する。以上のような製法により、生成された蛍光体は、シリコン樹脂に８０重量％で混合されて、蛍光発光領域2に膜厚約２００μｍで塗布され、その後、摂氏１５０度の環境下で４時間置くことにより硬化して緑色蛍光体層4とされる。

このようにして形成された緑色蛍光体層4は、図７に示すように、青色帯域光を吸収してピーク波長５２０ｎｍの緑色帯域光を発することになる。このように、５２０〜５４０ｎｍの範囲に発光ピークを有する蛍光体を蛍光ホイール71に備えることで、プロジェクタ10に用いる原色としての緑色帯域光を得ることができる。また、この蛍光体は、内部量子効率が８９．６％、蛍光寿命が５４．０ｎｓｅｃという測定結果を得た。さらに、摂氏２５度の環境における蛍光強度に対して摂氏１００度の環境における蛍光強度が８８．２％という結果も得た。

これに対して、比較例とされる（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋については、原料の炭酸バリウム（ＢａＣＯ_３）、炭酸ストロンチウム（ＳｒＣＯ_３）、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、酸化ユーロピウム（Ｅｕ_２Ｏ_３）を、Ｂａ：Ｓｒ：Ｓｉ：Ｅｕ＝０．９９：０．９９：４：０．０２のモル比で混合した。さらに、結晶成長を促進するフラックスとして塩化アンモニウムを蛍光体原料に対して１０モル％で配合し、ポリエチレン容器に原料を入れ、２００ｒｐｍの回転速度で５時間、乾式回転混合した。そして、混合した原料はアルミナ容器に入れ、空気中で仮焼成を行い、さらに４％水素還元雰囲気において摂氏１５００度で４時間、焼成を行った。焼成した原料は、粉砕と分級を行い、アルコールと純水で洗浄を行った後に乾燥した。

このようにして形成された緑色蛍光体層4は、図７に示したように、青色帯域光を吸収してピーク波長５２５ｎｍの緑色帯域光を発することになる。また、この蛍光体は、内部量子効率が８６．６％、蛍光寿命が７４６．０ｎｓｅｃという測定結果を得た。さらに、摂氏２５度の環境における蛍光強度に対して摂氏１００度の環境における蛍光強度が９４．２％という結果も得た。

ここで、内部量子効率の測定方法としては、先ずキセノン光源の発光を分光器で４５０ｎｍの単色化をして、φ６０ｍｍの積分球底部に設置した蛍光体、標準反射板に照射する。次に、反射光と蛍光は光ファイバーで分光器に取り込み蛍光強度を測定する。そして、内部量子効率は、分光器に取り込んだスペクトルから蛍光体が吸収したフォトン数と蛍光体から放出されたフォトン数との比を算出し、蛍光体が放出したフォトン数を蛍光体が吸収したフォトン数で除することにより得られる。

さらに、蛍光寿命測定方法は、レーザー光パルスを蛍光体サンプルに照射して、蛍光を分光器に入射し分光する。分光された光をストリークカメラにより時間分解、波長分解測定する。波長範囲を設定し蛍光減衰を一次の指数関数でフィッティングして蛍光寿命を決定する。

そして、蛍光体の温度特性測定方法は、キセノン光源の発光を分光器で４５０ｎｍの単色化をして、温度制御ができる銀ブロック上に配置した蛍光体に照射する。蛍光部分の波長範囲を光ファイバーで分光器に取り込み蛍光強度を測定する。

そして、上記のごとく生成された本実施例における蛍光体（Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）は、比較例の蛍光体（（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋）に比べて内部量子効率の差異が小さく、温度特性が比較例に対して低いが、蛍光寿命が約１／１４と短いため、比較例に対して約１．５倍の発光強度を得ることができた。即ち、セリウム賦活ガーネット構造蛍光体（Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）では、温度特性が８５％程度であっても十分な発光強度を持続することができる。

つまり、上記のごとく生成されたセリウム賦活ガーネット構造蛍光体（Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）を用いれば、蛍光体が高密度励起光を受けたときにも蛍光飽和が少ないため、励起光源72からの光の利用効率を高めて、プロジェクタ10に搭載する光源装置63から射出される光として十分な光量を得ることができる。これにより、輝度及び色再現性の高い画面をスクリーンに表示させることのできる光源装置63と、この光源装置63を備えたプロジェクタ10を提供することができる。

また、発光効率の比較的低い種類の蛍光体として例えば赤色蛍光体を蛍光ホイール71に形成することなく当該低発光効率の蛍光体に対応する赤色の波長帯域光を射出する単色光源である発光素子74と、を備えることで、画面の輝度及び色再現性を向上させることのできる光源装置63と、この光源装置63を備えたプロジェクタ10を提供することができる。

そして、光源装置63に採用する光源の種類や蛍光ホイール71の構成については、上記した態様に限定されることはない。例えば、励起光源72をレーザー発光器に代えて発光ダイオードを用いることもでき、また、発光素子74を発光ダイオードに代えてレーザー発光器を採用することとしてもよい。なお、前述の実施例のように励起光源72にレーザー発光器を採用することで、高出力な高密度励起光を射出して効率よく蛍光飽和の少ない蛍光体を励起させることができ、発光素子74に発光ダイオードを採用することで、輝度の高い赤色光源としつつ製品コストを抑えることができる。

また、蛍光ホイール71は、蛍光発光領域2と拡散透過領域1とに二分される構成とする場合に限定されることなく、図８に示すように、本発明の変形例として、青色帯域の励起光を拡散して透過させる拡散透過領域1、励起光を受けて緑色の波長帯域光を発する緑色蛍光体層4を有する蛍光発光領域2、励起光を受けて赤色の波長帯域光を発する赤色蛍光体層5を有する蛍光発光領域2、とされた三つのセグメントを有する蛍光ホイール71として構成してもよい。これにより、赤色光源としての発光素子74を省略した光源装置63をプロジェクタ10に組み込むことができる。なお、この場合、緑色及び赤色光を反射し且つ青色光を透過させるダイクロイックミラー等を集光光学系に備えることで、蛍光ホイール71から射出される赤色蛍光光の光路が緑色蛍光光と同一とされて、赤色光も導光装置75に入射させることができる。

この赤色蛍光体の製造方法は、先ず原料の窒化ストロンチウム（Ｓｒ_３Ｎ_２）、窒化カルシウム（Ｃａ_３Ｎ_２）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化ユーロピウム（Ｅｕ_２Ｏ_３）を、窒素雰囲気内でＳｒ：Ｃａ：Ａｌ：Ｓｉ：Ｅｕ＝０．７５：０．２５：１．０：１．０：０．０１５のモル比で配合し、遊星ボールミルにて混合する。そして、混合した原料を窒化ホウ素容器に入れ、９気圧窒素雰囲気において摂氏１９００度で４時間焼成することによりユーロピウム賦活窒化物蛍光体としての赤色蛍光体が得られる。

そして、この赤色蛍光体が、シリコン樹脂に３０重量％で混合されて、蛍光発光領域2上に膜厚約２００μｍで塗布されることで、赤色蛍光体層5が形成される。このようにして形成された赤色蛍光体層5は、青色帯域光を吸収してピーク波長６３０ｎｍの赤色帯域光を発する。このように、６２０〜６５０ｎｍの範囲に発光ピークを有する蛍光体を蛍光ホイール71に備えることで、プロジェクタ10に用いる原色としての赤色帯域光を得ることができる。

また、緑色蛍光体としても、上記したものに限定されることなく、例えば、原料となる酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）、酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を、Ｙ：Ａｌ：Ｇａ：Ｃｅ＝２．９８：３：２：０．０２のモル比率で配合したものを採用してもよい。

この場合、変形例に係る緑色蛍光体（Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）の蛍光ピーク波長、内部量子効率、蛍光寿命、温度特性は、夫々、図９に示すように、５２５ｎｍ、９２．６％、５６．６ｎｓｅｃ、９５．７％となり、蛍光寿命が上記した実施例（図７）に比べて僅かに長いが、極めて高い量子効率及び温度特性を得て、発光強度が比較例（（Ｓｒ，Ｂａ）_２ＳｉＯ_４：Ｅｕ^２＋）に対して約１．７倍という高い発光強度が確認された。したがって、この変形例に係る緑色蛍光体（Ｙ_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ^３＋）は、プロジェクタ10に搭載する光源装置63に採用されるべき、より最適な蛍光体といえる。つまり、蛍光寿命が５２０ｎｓｅｃ以下であって、より好適には６０ｎｓｅｃ以下であり、温度特性が８５％以上であって、より好適には９０％以上である蛍光体を採用することで、高い発光強度を得て、輝度及び色再現性に優れた光源装置63と、この光源装置63を備えるプロジェクタ10を提供することができる。

また、本発明は、以上の実施例に限定されるものでなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で自由に変更、改良が可能である。例えば、蛍光ホイール71の拡散透過領域1にサンドブラスト加工等により拡散層を設けることなく透過領域とすることもできる。この場合、透過領域は、通常のガラス板又は周囲に枠を形成した透孔としての空間により形成し、拡散効果を付与する光学部品を蛍光ホイール71直近の励起光源72側や、蛍光ホイール71の出射側などのレーザー光の光路上に固定配置することもある。また、この光源装置63は、励起光源72及び発光素子74をともに発光ダイオードとする場合には、拡散層を透過領域や光路上に設けない構成とすることもある。

そして、光源制御手段は、プロジェクタ10に設けずに、光源装置63に個別に設けることとしてもよい。また、各光学部品のレイアウトも、上記した構成（図４参照）に限ることなく様々なレイアウトを採用することができる。例えば、蛍光発光領域2における蛍光体層を配置させる基材を、光を透過させる透明基材で形成した場合、集光光学系は、励起光源72の光軸と発光素子74の光軸とが交差する位置に、蛍光ホイール71からの光を透過させ発光素子74からの光を反射させる、又は、蛍光ホイール71からの光を反射させ発光素子74からの光を透過させるダイクロイックミラーが配置された構成とされる。このような、蛍光ホイール71及び集光光学系を採用した場合であっても、上記と同様の効果を奏する。

このように、光源装置63は、様々な光学レイアウトを採用することができるため、上述のごとく画面の輝度を向上させるだけでなく、このような光源装置63を実装するプロジェクタ10などの機器に対する配置自由度を高めることができる。

また、上述の例では、光軸方向の変換や、透過及び反射を波長に応じて選択するためにダイクロイックミラーを用いることとしたが、これに限らず、例えばダイクロイックプリズムなどの他の代替手段をもって上述のダイクロイックミラーを置換することとしてもよい。

さらに、基材に形成されるセグメントは、等分となるように形成する場合に限定することなく、不等分であって４つ以上の領域が形成される場合もあれば、１つの場合もある。

そして、光源制御手段による励起光源72及び発光素子74の点灯時間も上記した例に限ることなく、各色の射出時間を変えるように励起光源72と発光素子74の点灯時間を自由に変えて、幅広い明るさモードを実行することができる。また、所定の波長帯域光を射出するときだけ、光源出力を抑えるように光源制御手段が励起光源72あるいは発光素子74を制御する構成として、色合いを調整することもできる。

さらに、蛍光ホイール71を円板形状ではなく、矩形状の発光板として形成して固定配置する場合もある。この場合、励起光源72と発光板との間に、励起光源72からの光の照射方向を変化させる調整装置を配設する、あるいは、励起光源72の位置及び／又は照射方向を変化させるように駆動する光源駆動装置を設けて、励起光源72からの光の照射スポットを各セグメントに順次位置させるようにすることで、各色光を、集光光学系を介して導光装置75に入射させることができる。そして、調整装置としては、例えば、ＫＴＮ結晶、音響光学素子、ＭＥＭＳミラー等を用いた光偏光器を採用することができる。

1 拡散透過領域 2 蛍光発光領域
4 緑色蛍光体層 5 赤色蛍光体層
7 照射領域 10 プロジェクタ
11 上面パネル 12 正面パネル
13 背面パネル 14 右側パネル
15 左側パネル 17 排気孔
18 吸気孔 19 レンズカバー
20 各種端子 21 入出力コネクタ部
22 入出力インターフェース 23 画像変換部
24 表示エンコーダ 25 ビデオＲＡＭ
26 表示駆動部 31 画像圧縮伸長部
32 メモリカード 35 Ｉｒ受信部
36 Ｉｒ処理部 37 キー／インジケータ部
38 制御部 41 光源制御回路
43 冷却ファン駆動制御回路 45 レンズモータ
47 音声処理部 48 スピーカ
51 表示素子 53 表示素子冷却装置
62 光源側光学系 63 光源装置
70 光学系ユニット 71 蛍光ホイール
72 励起光源 73 ホイールモータ
74 発光素子 75 導光装置
76 光軸変更ミラー 78 照明側ブロック
79 画像生成ブロック 80 投影側ブロック
84 照射ミラー 90 投影側光学系
93 固定レンズ群 97 可動レンズ群
101 電源回路ブロック 102 電源制御回路基板
103 制御回路基板 110 ブロア
111 吸込み口 113 吐出口
120 区画用隔壁 121 吸気側空間室
122 排気側空間室 149 コリメータレンズ
150 反射ミラー群 151 ミラー群
151a 第一ミラー 151b 第二ミラー
151c 第三ミラー 151d 第四ミラー
153 凸レンズ群 153a 第一凸レンズ
153b 第二凸レンズ 153c 第三凸レンズ
153d 第四凸レンズ 154 導光装置入射レンズ
155 集光レンズ群

Claims (11)

1. 基材に励起光を受けて所定の波長帯域光を発する蛍光体の層を有する発光板と、
   励起光を前記蛍光体に照射する励起光源と、を備え、
   前記蛍光体は、蛍光寿命が５２０ｎｓｅｃ以下であることを特徴とする光源装置。
2. 前記発光板の基材には、夫々が励起光を受けて異なる波長帯域光を射出する複数のセグメントが形成され、
   前記複数のセグメントの少なくとも一つは、励起光を受けて所定の波長帯域光を発する蛍光体層を有する蛍光発光領域とされることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記励起光源は、青色波長帯域光を発するレーザー発光器であり、
   前記蛍光体は、励起光を受けて少なくとも緑色の波長帯域光を発する蛍光体であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
4. 前記緑色帯域光を発する蛍光体は、ガーネット構造蛍光体であり、５２０〜５４０ｎｍの範囲に発光ピークを有することを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記緑色帯域光を発する蛍光体は、摂氏２５度の環境における蛍光強度に対して摂氏１００度の環境における蛍光強度が８５％以上であることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の光源装置。
6. 前記発光板における複数のセグメントの少なくとも一つは、前記励起光源からの光を拡散透過させる拡散透過領域とされることを特徴とする請求項３乃至請求項５の何れかに記載の光源装置。
7. 前記発光板は、励起光を受けて緑色の波長帯域光を発する緑色蛍光体の層を有する蛍光発光領域、励起光を受けて赤色の波長帯域光を発する赤色蛍光体の層を有する蛍光発光領域、励起光を拡散透過させる拡散透過領域、とされた三つのセグメントを有することを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れかに記載の光源装置。
8. 前記赤色帯域光を発する蛍光体は、６２０〜６５０ｎｍの範囲に発光ピークを有することを特徴とする請求項７に記載の光源装置。
9. 前記発光板は、励起光を受けて緑色の波長帯域光を発する緑色蛍光体の層を有する蛍光発光領域、励起光を拡散透過させる拡散透過領域、とされた二つのセグメントを有し、
   赤色の波長帯域光を発する発光素子と、
   前記発光板から射出される光及び前記発光素子から射出される光を、同一光路上に集光させる集光光学系と、を備えることを特徴とする請求項３乃至請求項６の何れかに光源装置。
10. 前記発光板は、回転制御可能な基材からなる蛍光ホイールであることを特徴とする請求項１乃至請求項９の何れかに記載の光源装置。
11. 光源装置と、表示素子と、前記光源装置からの光を前記表示素子に導光する光源側光学系と、前記表示素子から射出された画像をスクリーンに投影する投影側光学系と、前記光源装置や表示素子を制御するプロジェクタ制御手段と、を備え、
    前記光源装置が、請求項１乃至請求項１０の何れかに記載の光源装置であることを特徴とするプロジェクタ。

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