JP2013210439A - 光源装置及びプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【解決手段】所定の波長帯域光を放射するレーザー光源と、レーザー光源からの放射光を励起光として、所定の波長域の蛍光発光光を放射する蛍光体層２０１を、少なくとも１つ以上備える。蛍光体層２０１は無機バインダ蛍光体であり、所望の波長に対して、反射作用を持つ面である反射層２０２が蛍光体上に直接形成されている。反射層２０２は、励起光源が配備される側とは反対側に向けられ、蛍光体層２０１からの蛍光体の発光光を励起光源側に反射する。
【選択図】図２

Description

本発明は、蛍光体デバイスを備えた光源装置及び当該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、さらに、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、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デジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）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ものである。

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、光源装置の発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）、あるいは、有機ＥＬ等の半導体発光素子を用いる開発や提案が多々なされている。

例えば、特許文献１では、所定の波長帯域光を射出する励起光源と、該励起光源からの射出光を励起光として所定の波長帯域の蛍光発光光を射出する蛍光体層を少なくとも１つ以上備えた発光板を備え、前記蛍光体層は、蛍光体と、該蛍光体が均一に分散されたバインダと、から形成され、前記発光板には前記蛍光体層として少なくとも緑色蛍光体層が形成されることを特徴とする光源装置が提案されている。

また、特許文献２では、蛍光体層の着色と温度消光を抑制することを目的に、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備えた光源装置が示されている。そして、この光源装置では、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面（放熱基板が反射面を備える）による反射を用いて蛍光を取り出すことを特徴とするものである。

特開２０１１−０５３３２０号公報 特開２０１１−１２９３５４号公報

ところで、プロジェクタでは、高輝度、高強度の光を射出可能な光源装置が求められる。そこで、光の利用効率を高める為に、蛍光体上への光学薄膜などを構成する技術が知られている。しかしながら、特許文献１に記載される構成では、蛍光体層は、蛍光体と、該蛍光体が均一に分散されたバインダと、から形成されているため、上記光学薄膜の処理を行うことが困難である。

また、特許文献２に記載される構成では、蛍光体層と励起光を放射する固体光源が空間的に離れて配置されているため、励起光を放射する該固体光源からの発熱の影響を軽減することは可能であるが、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すため、蛍光体層と反射面の界面での光ロスが生じ、高効率化を行うことが困難である。また、反射面と蛍光体層との界面で熱抵抗が生じるため、励起光源からの出力を上昇させた場合、蛍光体の温度消光によって、輝度が低下する現象が発生する。また、無機バインダ蛍光体内部で発生した熱応力により、無機バインダ蛍光体が破損する問題が発生する（特許文献２の〔００３６〕）。

そこで、本発明は、光の利用効率が高く、かつ、破損が起こり難い高輝度、高強度の光源装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の光源装置は、所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、前記励起光を受けて蛍光を発光する、無機バインダによって結着された蛍光体層と、前記無機バインダ蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、を備えたものである。

また、無機バインダ蛍光体層に回転機構を備えることができる。

また、薄膜は、励起光源側に向けられ、励起光を透過し、蛍光を反射するようにしても良い。

また、薄膜は、励起光源と反対側に向けられ、蛍光を反射するようにしても良い。

また、蛍光体層及び薄膜を冷却する冷却手段を備えても良い。

また、冷却手段が、ファンであっても良い。

また、冷却手段が放熱体であり、前記放熱体に蛍光体層及び薄膜を固定する固定手段を備えるようにしても良い。

また、蛍光体層の厚みは１ｍｍ〜３ｍｍとしている。

また、蛍光体層の表面に、反射防止膜を備えている。

また、蛍光体層の表面に、誘電体多層膜を備えている。

また、所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、前記励起光を受けて蛍光を発光する円錐台形の無機バインダ蛍光体層と、前記無機バインダ蛍光体層に該無機バインダ蛍光体層とで円柱形となるよう形成された酸化チタンと無機バインダとからなるリフレクターと、前記リフレクター側の少なくとも前記無機バインダ蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、を備えた光源装置である。

さらに、本発明におけるプロジェクタは、上記いずれか構成からなる光源装置を備えている。

本発明によれば、蛍光体と反射面との界面での光ロスを改善することができ、高輝度かつ、破損が生じにくい光源装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１に係る光源装置の概略構成図 本発明の実施の形態１における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施の形態２における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施の形態３における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施の形態４における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施の形態５における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施の形態６における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施の形態７における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施の形態８における蛍光体デバイスの構成図 本発明の実施形態で使用される蛍光体の厚みと発光効率との関係を示す図

以下、本発明にかかる実施の形態を、図面を用いて説明する。
（実施の形態１）
本発明の光源装置の実施の形態１を図１及び図２を用いて説明する。図１は、光源装置の概略構成図である。光源装置１００の出力光は蛍光により構成されており、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。

レーザー光源１０１は、波長約４４５ｎｍで発振する青色半導体レーザーであり、高輝度の光源装置を実現するために、複数の半導体レーザーにより構成されている。本実施の形態では、５×５のマトリクス上に合計２５個の半導体レーザーが配置されている。

なお、その数は特に限定されるものではなく、半導体レーザーの光強度や光源装置から取り出したい出力光の強度などに応じて適宜設定される。

レーザー光の波長についても、４４５ｎｍ付近の青色に限定されるものではなく、例えば、４０５ｎｍ付近で発振する紫色半導体レーザーや、４００ｎｍ以下の紫外半導体レーザーなどを適用することも可能である。

レーザー光源１０１から出射されたレーザー光は、コリメートレンズアレイ１０２によってコリメートされる。コリメートレンズアレイ１０２の各レンズセルに対して、１つのレーザーダイオードが配置されている。すなわち、コリメートレンズアレイ１０２は２５個のレンズセルにより構成されている。本実施の形態では、コリメートレンズとしてレンズアレイを使用したが、それぞれのレーザーダイオードに対して独立したコリメートレンズを使用してもよい。

コリメートレンズアレイ１０２によってコリメートされたレーザー光は、コンデンサレンズ１０３によって集光され、ダイクロイックミラー１０４を透過し、更にコンデンサレンズ１０５によって集光される。コンデンサレンズ１０５によって集光されたレーザー光は、蛍光体デバイス１０８によって、蛍光光に変換される。

変換された蛍光光は、ダイクロイックミラー１０４によって反射され、さらに、コンデンサレンズ１０６によって集光され、ロッドインテグレーター１０７に入射する。

光源装置の構成は上記構成に限定されず、所定波長帯域光を放射する励起光源と、該励起光源からの放射光を励起光として所定波長域の蛍光発光光を放射する蛍光対層を少なくとも１つ以上備え、前記蛍光体層はガラスフリットなどからなる無機バインダによって結着された蛍光体であり、蛍光体の熱を放熱させる為の放熱構造を備えたものであれば良い。

次に、本実施形態における蛍光体デバイスの構成を図２に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。蛍光体デバイスは、蛍光体層２０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層２０２と、放熱体２０３によって構成されている。

また、蛍光体層２０１は、図２（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザー光源１０１からの励起光により励起され、レーザー光の波長よりも、長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類以上の蛍光体を含んでいる。また、蛍光体層２０１は無機バインダによって結着された蛍光体であることを特徴とする。無機バインダ蛍光体層は、蛍光体デバイスの作成過程において、蛍光体粉末とガラスフリットなどの無機バインダを所定の濃度で混合し、焼成した蛍光体の塊である。使用するガラスフリットは、焼成時の劣化の観点から、低融点ガラスであることが好ましく、更にその組成として、リン酸塩系ガラスや、ホウ酸塩系ガラスであることが好ましい。また、蛍光体との混合濃度は、蛍光体濃度が、５０ｗｔ％未満では、所望の特性が得られず、９０ｗｔ％より大きい場合、蛍光体の結着性が悪化する為、蛍光体の重量比率が５０ｗｔ％〜９０ｗｔ％であることが好ましい。

更に無機バインダ蛍光体には、反射作用を持つ面２０２が形成されている。反射作用を持つ面は、無機バインダ蛍光体の表面に、蒸着やＣＶＤなどの薄膜形成プロセスによって、直接的に形成されている。また、薄膜形成プロセスは上記の手法に問わない。

また、蛍光体層の厚みは０．１ｍｍ〜３ｍｍである。図１０に蛍光体層の厚みを変化させて、発光効率を測定した場合の結果を示す。横軸に蛍光体層の厚み、縦軸に、最も高い発光効率が得られた際の効率を１００％とした場合の発光効率を記載する。蛍光体の発光効率は、図面１に示す光源ユニットを用いて、（蛍光体層からの発光強度）／（蛍光体層に照射される励起強度）を測定した。図１０に示すとおり、蛍光体層の厚みが０．１ｍｍ以下の場合、最も高い発光効率が得られた０．５ｍｍの板厚での発光効率に比べて、＜９０％の発光効率であった。また、厚みが５ｍｍの場合でも同様に、発光効率は＜９０％であった。以上の結果から厚みは０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲が最適であることを確認した。蛍光体層の厚みが、この厚みであることで、蛍光体での内部吸収ロスを軽減することが可能となり、蛍光体デバイスの高効率化が可能となり、更に蛍光体自体の発熱も軽減することが可能となり、高出力化することが可能となる。

放熱体２０３は、アルミや銅など高い熱伝導率を有する材料で形成されていることが好ましい。放熱体は図２の構成に問わず、更にフィンなどが形成されているヒートシンクなどでも構わない。また、表面にアルマイト加工や放射塗料が塗布されており、放射率を高めた構成であることが好ましい。

上記のように所定の波長帯域の励起光を受けて蛍光を発光する無機バインダによって結着された無機バインダ蛍光体層上に、所望の波長の光を反射する薄膜を形成するようにしたので、蛍光体と反射面との界面での光ロスを改善することができ、高輝度かつ、破損が生じにくい光源装置を得ることができる。

また、蛍光体層及び薄膜を冷却する冷却手段として、放熱体やヒートシンクを用いることにより無機バインダ蛍光体内部での温度分布を均一化することにより、蛍光体の温度消光と熱応力を改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難くなる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２における蛍光体デバイスの構成を図３に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。図３（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザー光を可視光に変換する蛍光体層３０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層３０２と、蛍光体を回転させる機構である３０３によって構成される。

反射層３０２は、誘電体材料やアルミ材料が、無機バインダ蛍光体の表面に、蒸着やＣＶＤなどの薄膜形成プロセスによって、直接的に形成されている。

これら蛍光体層３０１、反射層３０２は実施形態２で記載したものと同様のものが使用できる。

蛍光体層３０１及び反射層３０２にはモーターなどによる回転機構３０３が設けられており、蛍光体層３０１を含む構造体が、Ｚ軸方向を中心に回転機構によって回転されることにより冷却される。このように回転機構３０３を他の取り付け部材を使用することなく、蛍光体層３０１とそれに施された反射層３０２に設けることができるのは、無機バインダ蛍光体層自体の強度が大きいためである。

本構成によれば、従来構成のようなバインダを放熱基板に塗布する必要が無く、蛍光体自体が回転構造によって回転し放熱されるため、より効率的に放熱される。
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３における蛍光体デバイスの構成を図４に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。図４（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザー光を可視光に変換する蛍光体層４０１と、レーザー光を透過し、蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層４０２と、蛍光体を回転させる機構である４０３によって構成される。蛍光体層４０１は実施形態１で使用される無機バインダ蛍光体層を使用できる。回転機構４０３は実施の形態２の回転機構を使用できる。

反射層４０２は、励起光源側に設けられる。従って、反射層４０２は、図４（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザーからの励起光を透過し、蛍光体の蛍光光を反射する。レーザーから照射された励起光は、反射層を透過し、蛍光体へと照射される。蛍光体によって変換された蛍光光は、反射層によって、励起光源が配置される側とは反対の方向（−Ｚ方向）へと放射される。

上記の構成により、透過型のプロジェクタシステムにも適応することが出来る。
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４における蛍光体デバイスの構成例を図５に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。図５（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザー光を可視光に変換する蛍光体層５０１と、蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層５０２と、蛍光体からの発熱を放熱するための放熱体５０３と、蛍光体層を板バネ等で機械的に固定する蛍光体層固定機構５０４よって構成される。蛍光体層４０１は実施形態１で使用される無機バインダ蛍光体層を使用できる。無機バインダ蛍光体層は強固なため、機械的に接触固定しても何ら問題がなく、これにより蛍光体層を放熱体５０３の中央部に好適に固定できる。

ここで、反射層５０２は、誘電体材料やアルミ材料が、無機バインダ蛍光体の表面に、蒸着やＣＶＤなどの薄膜形成プロセスによって、直接的に形成されている。

放熱体と蛍光体層の間には、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、金属（金属のろう付け）などの高熱伝導材料が使用されており、界面の空気などによる熱抵抗を軽減することができる。
（実施の形態５）
本発明の実施の形態５における蛍光体デバイスの構成例を図６に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。図６（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザー光を可視光に変換する蛍光体層６０１と、蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層６０２と、蛍光体を回転させる回転機構６０３と、蛍光体を冷却するファン６０４と、ファン６０４からの風を蛍光体へと伝える送風路６０５によって構成される。蛍光体層６０１、反射層６０２は実施形態１で使用される無機バインダ蛍光体層を使用でき、回転機構６０３は実施の形態２の回転機構を使用できる。

蛍光体層６０１は回転機構６０３により放熱されることに加え、ファン６０４によって発生した風が送風路６０５を介して蛍光体に伝わるため、より効果的に蛍光体の温度を低減するとともに熱応力を改善することが可能となる。第５の実施の形態では、回転機構を有しているが、蛍光体層を直接放熱体に取り付けた場合でも同様の効果が得られる。
（実施の形態６）
本発明の実施の形態６における蛍光体デバイスの構成例を図７に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する、蛍光体層７０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層７０２と、蛍光体を回転させる機構である７０３と、蛍光体層表面の反射防止膜７０４によって構成される。蛍光体層６０１、反射層６０２は実施形態１で使用される無機バインダ蛍光体層が使用でき、回転機構６０３は実施の形態２の回転機構が使用できる。

ここで、反射防止膜７０４は蒸着やスパッタなどによって、蛍光体層である７０１上に直接形成されていることが好ましい。無機バインダ蛍光体は、屈折率が１．５〜１．９程度であるため、レーザー光の光路である空気層との屈折率差が大きく、蛍光体層表面での反射ロスが大きい。蛍光体層表面に反射防止膜７０４を設けることで、蛍光体層表面での反射ロスが軽減され、高効率化が可能となる。従来のような樹脂バインダを用いた構成では、蛍光体層に直接反射層を形成することが困難であったが、上記構成によって、蛍光体層に直接反射防止膜を形成することが可能となり、高効率化が可能となる。本実施の形態では、回転機構を有しているが、蛍光体層を直接放熱体に取り付けた場合でも同様の効果が得られる。
（実施の形態７）
本発明の実施の形態７における蛍光体デバイスの構成例を図８に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。図８（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザー光を可視光に変換する蛍光体層８０１、８０２と、蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層８０３と、蛍光体を回転させる回転機構８０４と、誘電体多層膜８０５、８０６によって構成される。ここで、誘電体多層膜８０５、８０６は蒸着やスパッタなどによって、蛍光体層である８０１、８０２上に直接形成されていることが好ましい。

蛍光体層８０１、８０２は、以下の特徴点を除けば実施の形態１で使用される無機バインダ蛍光体層を使用できる。

すなわち、蛍光体層８０１、８０２は、レーザー光を異なる波長の蛍光光に変換することを特徴とする。例えば、蛍光体層８０１は、レーザー光を緑色蛍光に変換することを特徴とし、蛍光体層８０２は、レーザー光を赤色蛍光に変換する。

その場合、蛍光体層８０１上に構成された、誘電体多層膜８０５は、レーザー光である青色光および、蛍光体層の蛍光光である緑色光を透過し、赤色光を反射する。更に、蛍光体層８０２上に形成された、誘電体多層膜８０６は、レーザー光である青色光および、蛍光体層の蛍光光である赤色光を透過し、緑色光を反射する。

上記の構成により、各蛍光体層からの蛍光光の色純度を高めることが可能となり、更に、従来構成で必要であった誘電体多層膜のハーフミラーを別途も設ける必要がない。当該構成では、蛍光体層８０１、８０２表面に誘電体多層膜８０５、８０６を直接形成することが可能となるため、従来構成で設けられていた、蛍光体デバイスと誘電体多層膜のハーフミラーの間の空間を設ける必要がなく、光ロスを軽減することが可能となり、高効率化が可能となる。更に、光源装置の小型化も可能となる。当該実施例では、回転機構を有する構成をあげているが、蛍光体層を直接放熱体に取り付けされる場合でも同様の効果が得られる。また、蛍光体の１部に空洞部を設け、レーザー光を直接透過させる構成にすることも可能である。
（実施の形態８）
本発明の実施の形態８における蛍光体デバイスの構成例を図９に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。図９（ａ）の−Ｚ方向に照射されるレーザー光を可視光に変換する蛍光体層９０１と、蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層９０２と、蛍光体からの発熱を放熱するための放熱体９０３と、蛍光体層表面の周囲にスクリーン印刷などにより形成されたリフレクター９０４によって構成される。リフレクター９０４は、酸化チタンと無機バインダの複合体で構成されている。本実施の形態では、無機バインダ蛍光体層が円錐台形で、その無機バインダ蛍光体層とで円柱形となるようリフレクターが形成されている。

当該無機バインダは、放熱性の観点からガラスフリットであることがより好ましい。蛍光体層の周辺に酸化チタンと無機バインダの複合体からなるリフレクターを備えることで、蛍光体からの発光光を効率的に前方へ放射することが可能となる。反射材として用いる酸化物には、酸化チタン以外に酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニアなどを用いても構わない。無機バインダは、テルライト系、ホウ酸塩系、リン酸塩系、ケイ酸塩系の低融点ガラス粉末やガラスフリットであることが好ましい。当該実施の形態では、放熱体に直接蛍光体層が取り付けされているが、回転機構を有する場合でも同様の効果が得られる。本実施の形態では、より効果的に光ロスを改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を得ることができる。

本発明に係る光源装置は、例えば投写型表示装置の光源として使用できる。

１００ 光源装置
１０１ レーザー光源
１０２ コリメートレンズアレイ
１０３ コンデンサレンズ
１０４ ダイクロイックミラー
１０５ コンデンサレンズ
１０６ コンデンサレンズ
１０７ ロッドインテグレーター
１０８ 蛍光体デバイス
２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１ 蛍光体層
２０２, ３０２，４０２，５０２，６０２，７０２，８０３, ９０２ 反射層
２０３, ５０３, ９０３ 放熱体
３０３, ４０３，６０３ ７０３ ８０４ 回転機構
５０４ 蛍光体層固定機構
６０４ ファン
６０５ 送風路
７０４ 反射防止膜
８０２ 蛍光体層
８０５, ８０６ 誘電体多層膜
９０４, リフレクター

Claims (12)

1. 所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、
   前記励起光を受けて蛍光を発光する無機バインダ蛍光体層と、
   前記無機バインダ蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、
   を備えた光源装置。
2. 無機バインダ蛍光体層に回転機構を備えた請求項１記載の光源装置。
3. 薄膜は、励起光源側に向けられ、励起光を透過し、蛍光を反射することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 薄膜は、励起光源と反対側に向けられ、蛍光を反射することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
5. 蛍光体層及び薄膜を冷却する冷却手段を備えた請求項１、３又は４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 冷却手段がファンであることを特徴とする請求項５記載の光源装置。
7. 冷却手段が放熱体であり、前記放熱体に蛍光体層及び薄膜を固定する固定手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の光源装置。
8. 蛍光体層の厚みが０．１ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 蛍光体層の表面に反射防止膜を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置。
10. 蛍光体層の表面に誘電体多層膜を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置。
11. 所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、
    前記励起光を受けて蛍光を発光する円錐台形の無機バインダ蛍光体層と、
    前記無機バインダ蛍光体層に該無機バインダ蛍光体層とで円柱形となるよう形成された酸化チタンと無機バインダとからなるリフレクターと、
    前記リフレクター側の少なくとも前記無機バインダ蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、
    を備えた光源装置。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の光源装置を備えたプロジェクタ。

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