JP2014007337A

JP2014007337A - 光源装置

Info

Publication number: JP2014007337A
Application number: JP2012143047A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Sasamuro; 岳笹室
Original assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Current assignee: Nichia Chemical Industries Ltd
Priority date: 2012-06-26
Filing date: 2012-06-26
Publication date: 2014-01-16

Abstract

【課題】モータを使用せずに、発光色を切り替え可能な光源装置を提供する。
【解決手段】本発明の光源装置(100)は、第１可視光を出射する半導体レーザ(10)と、前記第１可視光の偏光を制御する第１偏光制御素子(20)と、前記第１偏光制御素子から出射される前記第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する第１光分岐素子(30)と、前記第１光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の一方を前記第１可視光とは異なる波長の第２可視光に変換して出射する第１波長変換部材(40)と、前記第１偏光制御素子を駆動させ、前記第１光分岐素子に入射される前記第１可視光の偏光を変える駆動装置(50)と、を備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置に関し、特に半導体レーザを備える光源装置に関するものである。

近年、例えばプロジェクタ用の光源として、半導体レーザなどの固体光源と、蛍光体層を分割配置した円盤状回転体（蛍光回転体：例えば特許文献１参照）と、を備えた光源装置が利用されている。

特開２０１１−１１３７７９号公報

しかしながら、このような従来の光源装置においては、蛍光回転体を回転させるためにモータを必要とするので、騒音などの問題があった。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、モータを使用せずに、発光色を切り替え可能な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、本発明に係る光源装置は、第１可視光を出射する半導体レーザと、前記第１可視光の偏光を制御する第１偏光制御素子と、前記第１偏光制御素子から出射される前記第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する第１光分岐素子と、前記第１光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の一方を前記第１可視光とは異なる波長の第２可視光に変換して出射する第１波長変換部材と、前記第１偏光制御素子を駆動させ、前記第１光分岐素子に入射される前記第１可視光の偏光を変える駆動装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る光源装置は、以下のように構成することができる。

前記第１偏光制御素子は、液晶素子であってもよい。

前記光源装置は、前記第１光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の他方と、前記第２可視光と、を合成可能な光合成素子を備えていてもよい。

前記光源装置は、前記第１光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の他方の偏光を制御する第２偏光制御素子と、前記第２偏光制御素子から出射される前記第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する第２光分岐素子と、前記第２光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の一方を前記第１可視光及び前記第２可視光とは異なる波長の第３可視光に変換して出射する第２波長変換部材と、前記第２偏光制御素子を駆動させ、前記第２光分岐素子に入射される前記第１可視光の偏光を変える駆動装置と、を備えていてもよい。

本発明によれば、偏光制御素子と光分岐素子により、電気光学的又は磁気光学的に光路を切り替えることで、光源装置の発光色を変えることができ、モータに起因する問題を改善することができる。

本発明の一実施の形態に係る光源装置の構成を示す概略平面図である。本発明の一実施の形態に係る光源装置の構成を示す概略平面図である。

以下、発明の実施の形態について適宜図面を参照して説明する。但し、以下に説明する光源装置は、本発明の技術思想を具体化するためのものであって、特定的な記載がない限り、本発明を以下のものに限定しない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため、誇張していることがある。また、光が光源から発せられ光路上を進行していく方を「前方」とする。

なお以下、可視光は、波長が３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の光とする。また、青色光は波長が４２０ｎｍ以上４７０ｎｍ以下、緑色光は波長が５００ｎｍ以上５６０ｎｍ以下、赤色光は波長が６１０ｎｍ以上７５０ｎｍ以下、の光とする。

＜実施の形態１＞
図１は、実施の形態１に係る光源装置１００の構成を示す概略平面図である。図１に示すように、光源装置１００は、半導体レーザ１０と、偏光制御素子２０と、光分岐素子３０と、波長変換部材４０と、駆動装置５０と、を備えている。また、光源装置１００は、さらに光合成素子６０を備えている。これら、半導体レーザ１０、偏光制御素子２０、光分岐素子３０、波長変換部材４０、光合成素子６０は、一連の光路を形成するように、ベース部材（不図示）上に、順次配置されている。なお、光路上において、光は適宜レンズ等より集光又は平行光化され得る。

（半導体レーザ）
半導体レーザ１０は、第１可視光を出射する。第１可視光は、光分岐素子３０による高精度の光分岐を実現するために、直線偏光であることが好ましい。また、第１可視光は、光の三原色の１つであり、蛍光物質を励起しやすい、青色光であることが好ましい。半導体レーザ１０は、レーザ素子がステム等のパッケージ基体に実装されたものを利用することができる。レーザ素子は、蛍光物質を励起しやすい、短波長の可視光を出射可能な窒化物半導体（主として、一般式Ｉｎ_ｘＡｌ_ｙＧａ_{1−ｘ−ｙ}Ｎ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表される）を用いたものが好ましい。このほか、レーザ素子は、ガリウム砒素系半導体、ガリウム燐系半導体、セレン化亜鉛系半導体などのいずれかを用いたものであってもよい。半導体レーザ１０の数は、必要な光量に応じて変えればよく、１つであってもよいし、複数であってもよい。

（偏光制御素子）
偏光制御素子２０は、第１可視光の偏光を制御する。より詳細には、偏光制御素子２０は、光学媒質の複屈折性又は旋光性を利用して、通過する光の直交する電場成分に位相差を生じさせる素子、若しくは偏光面を回転させる素子である。偏光制御素子２０は、外部から印加される電場又は磁場によって、光学媒質の複屈折性又は旋光性が変化し、通過する光の偏光を制御することができる。また、偏光制御素子２０は、反射式でも透過式でもよく、第１可視光の出射方向と光路の関係を考慮して、適切なほうを選択すればよい。特に、偏光制御素子２０は、小型で、応答性に優れる、液晶素子であることが好ましい。液晶材料としては、ネマチック液晶、スメクチック液晶、カイラルネマチック液晶、コレステリック液晶（リオトロピック液晶、サーモトロピック液晶）、強誘電性液晶、又は反強誘電性液晶などが挙げられる。このほか、偏光制御素子２０は、ファラデー効果、又はポッケルス効果、又はカー効果を示す各種の素子を利用することができる。

（光分岐素子）
光分岐素子３０は、第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する。光分岐素子３０は、平板状、ウエッジ板状、直方体状、立方体状などの偏光ビームスプリッタを利用することができ、偏光膜方式のほか、ワイヤーグリッド方式のものでもよい。平面視におけるＳ偏光成分とＰ偏光成分の分岐角度（分岐されたＳ，Ｐ偏光成分の光軸のなす角度）は、通常９０度であるが、鋭角にすることで光路長を短縮して光源装置の小型化を図ることもできる。

（波長変換部材）
波長変換部材４０は、光分岐素子３０により分岐されるＳ偏光成分とＰ偏光成分の一方を、第１可視光とは異なる波長の第２可視光に変換して出射する。波長変換部材４０は、樹脂やガラスなどの透光性部材に蛍光物質を配合したもののほか、蛍光物質の結晶や焼結体、若しくは非線形光学結晶などを利用することができる。波長変換部材４０は、回転やスライドが可能な可動式より、小型で簡素な構成である固定式が好ましい。また、波長変換部材４０は、反射式でも透過式でもよく、第２可視光の出射方向と光路の関係を考慮して、適切なほうを選択すればよい。さらに、波長変換部材４０は、ヒートシンク（好ましくはフィン付き）などの放熱部材を具備してもよい。また、波長変換部材４０の前方に、波長選択性を有する光学フィルタを設けて、第１可視光成分を遮光するようにしてもよい。

なお、蛍光物質は、例えば、ユウロピウム、セリウム等のランタノイド系元素で主に賦活される窒化物系蛍光体や酸窒化物系蛍光体を用いることができる。より具体的には、（ａ）ユウロピウムで賦活されたα又はβサイアロン型蛍光体、各種アルカリ土類金属窒化シリケート、各種アルカリ土類金属窒化アルミニウムケイ素（例：ＣａＳｉＡｌＮ_３：Ｅｕ、ＳｒＡｌＳｉ_４Ｎ_７：Ｅｕなど）、（ｂ）ユウロピウム等のランタノイド系の元素、マンガン等の遷移金属系の元素により主に賦活されるアルカリ土類金属ハロゲンアパタイト、アルカリ土類金属のハロシリケート、アルカリ土類金属シリケート、アルカリ土類金属ホウ酸ハロゲン、アルカリ土類金属アルミン酸塩、アルカリ土類金属硫化物、アルカリ土類金属チオガレート、アルカリ土類金属窒化ケイ素、ゲルマン酸塩、（ｃ）セリウム等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩、希土類ケイ酸塩、アルカリ土類金属希土類ケイ酸塩、（ｄ）ユウロピウム等のランタノイド系元素で主に賦活される有機及び有機錯体など、のいずれか１つ以上を用いることができる。なかでも、セリウム等のランタノイド系元素で主に賦活される希土類アルミン酸塩蛍光体が好ましい。ＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体は、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ_０．８Ｇｄ_０．２）_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｙ_３（Ａｌ_０．８Ｇａ_０．２）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２などの組成式で表される。また、Ｙの一部又は全部をテルビウム、ルテチウム等で置換したＴｂ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅなどもある。

（駆動装置）
駆動装置５０は、偏光制御素子２０を駆動させ、光分岐素子３０に入射される第１可視光の偏光を変える。駆動装置５０は、例えば液晶ドライバなど、偏光制御素子２０への電場又は磁場の印加を制御する回路を少なくとも含み、その回路に電力を供給する電源をさらに含んでもよい。なお、回路は、必要な機能に応じて適宜設計されるものとする。

（光合成素子）
光合成素子６０は、光分岐素子３０により分岐されたＳ偏光成分とＰ偏光成分の他方（波長変換部材４０側に分岐された成分とは違うほうの成分）と、第２可視光と、を合成可能である。光合成素子６０は、複数の光路を別々に進行する光を、単一の光路を進行する光に合成して出射するものである。また、光合成素子６０は、多重反射などの重ね合わせの原理により、色合成及び光強度分布を均一化する機能を有するものが好ましい。具体的には、光合成素子６０は、各種のホモジナイザ、ロッドインテグレータ、ライトパイプ、フライアイレンズなどを用いることができる。なお、光合成素子６０は、光源装置の用途に応じて省略することもできる。その場合、光分岐素子３０により分岐されたＳ偏光成分とＰ偏光成分の他方と、第２可視光と、は、互いに空間的に離れた出力光として取り出される。

（光源装置の駆動）
光分岐素子３０により分岐される第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の割合は、光分岐素子３０に入射する第１可視光の偏光によって決まる。したがって、偏光制御素子２０を駆動装置５０により駆動させ、光分岐素子３０に入射する第１可視光の偏光を制御することで、光源装置の出力光の色度を制御することができる。

例えば、光分岐素子３０に入射する第１可視光の偏光が、斜め直線偏光、楕円偏光、円偏光、ランダム偏光のいずれかである場合、第１可視光は、光分岐素子３０から、２つの光路に分かれて出射される。この場合、第１可視光と第２可視光は同時に存在するので、光合成素子６０から出射される光は、色合成されて観測される。そして、偏光制御素子２０を駆動装置５０により駆動させ、光分岐素子３０に入射する第１可視光の偏光を制御することで、光分岐素子３０から分岐されて出射される２つの第１可視光の光量の比を変化させ、光合成素子６０から出射される光の色度を制御することができる。

また、光分岐素子３０に入射する第１可視光の偏光が、Ｓ偏光又はＰ偏光である、若しくはそれに近似されるような場合、第１可視光は、光分岐素子３０から、分岐されるべき２つの光路のうちの一方に限って出射される。したがって、偏光制御素子２０を駆動装置５０により駆動させ、光分岐素子３０に入射する第１可視光の偏光をＳ偏光とＰ偏光の間で切り替えることで、光分岐素子３０通過後の光路を切り替えることができる。これにより、光源装置の出力光の色度を切り替えることができる。第１可視光、第２可視光の一方を光源装置の出力光とすることも可能である。また、このとき、偏光の切り替え周波数は、光源装置の用途により適宜変更することができるが、人間の目が感知可能な上限周波数を超える場合、光合成素子６０から出射される光は、色合成されて観測される。例えば、観測光のチラツキを抑えるために、偏光の切り替え周波数は、１００Ｈｚ以上３００Ｈｚ以下であることが好ましく、１２０Ｈｚ以上２４０Ｈｚ以下であることがより好ましい。

＜実施の形態２＞
図２は、実施の形態２に係る光源装置２００の構成を示す概略平面図である。図２に示すように、光源装置２００における光源装置１００との大きな相違点は、偏光制御素子、光分岐素子、波長変換部材を、更にもう１組備えていることである。なお以下、光源装置２００の各構成要素については、実施の形態１で説明したものと同様のものを用いることができるので、説明は適宜省略する。

光源装置２００において、半導体レーザ１０から出射された第１可視光は、第１偏光制御素子２１に入射する。第１偏光制御素子２１は、第１可視光の偏光を制御する。第１偏光制御素子２１により偏光を制御された第１可視光は、第１光分岐素子３１に入射する。第１光分岐素子３１は、第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する。第１光分岐素子３１により分岐される第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の一方は、前方に設置された第１波長変換部材４１に入射する。第１波長変換部材４１は、その第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の一方を、第１可視光とは異なる波長の第２可視光に変換して出射する。

第１光分岐素子３１により分岐されるＳ偏光成分とＰ偏光成分の他方（第１波長変換部材４１側に分岐された成分とは違うほうの成分）は、第２偏光制御素子２２に入射する。第２偏光制御素子２２は、そのＳ偏光成分とＰ偏光成分の他方の偏光を制御する。第２偏光制御素子２２により偏光を制御された第１可視光は、第２光分岐素子３２に入射する。第２光分岐素子３２は、第２偏光制御素子２２から出射される第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する。第２光分岐素子３２により分岐される第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の一方は、前方に設置された第２波長変換部材４２に入射する。第２波長変換部材４２は、そのＳ偏光成分とＰ偏光成分の一方を第１可視光及び第２可視光とは異なる波長の第３可視光に変換して出射する。

駆動装置５０は、第２偏光制御素子２２を駆動させ、第２光分岐素子３２に入射される第１可視光の偏光を変える。第１偏光制御素子２１と第２偏光制御素子２２は、別々の駆動装置により駆動してもよいが、図示するように、単一の駆動装置５０により駆動することもできる。また、出力光の色度の速やかな切り替えを実現するために、第１偏光制御素子２１と第２偏光制御素子２２は、同期して制御されることが好ましい。なお、光源装置２００もまた、上述の実施の形態１と同様に駆動することができる。

このように、光源装置２００では、第２光分岐素子３２により分岐される第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分の他方（第２波長変換部材４２側に分岐された成分とは違うほうの成分）と、第２可視光と、第３可視光と、を出力光として取り出すことができる。また、光合成素子６０を備える場合には、光合成素子６０により、これら３つの光を色合成して、光源装置の出力光とすることができる。例えば、第１可視光を青色光、第２可視光を緑色光、第３可視光を赤色光とすることで、演色性の高い発光が可能な光源装置とすることができる。

以上のように、本発明では、電気光学的又は磁気光学的に制御が可能な光の偏光を利用して、光路を時間的に切り替え、波長変換部材への光入射を制御することで、光源装置の出力光の色度を変えることができる。したがって、モータのような機械的制御に比べ、静かで、故障し難く、小型化が可能な光源装置を得ることができる。

以下、本発明に係る実施例について詳述する。なお、本発明は以下に示す実施例のみに限定されないことは言うまでもない。

＜実施例１＞
実施例１の光源装置は、図１に示す例のプロジェクタ用の光源であって、以下のように構成されている。

半導体レーザは、複数個、縦横に配列されており、その偏光方向が互いにほぼ一致する向きで且つ偏光制御素子に対してＳ偏光となるように設置されている。この半導体レーザは、各々、窒化物半導体のレーザ素子を有し、中心波長４５０ｎｍの青色光（第１可視光）を出射するものである。半導体レーザから出射された第１可視光は、拡散光であるが、前方に設けられたコリメータレンズにより略平行光にされて、偏光制御素子に入射する。

偏光制御素子は、ネマチック液晶を有する反射式液晶素子である。この偏光制御素子は、第１可視光に対して入射角が４５度となるように設置されている。

光分岐素子は、Ｐ偏光成分を透過しＳ偏光成分を反射する平板状の偏光ビームスプリッタである。この光分岐素子は、偏光制御素子により反射される第１可視光に対して入射角が４５度となるように配置されている。したがって、第１可視光のＰ偏光成分は入射光軸に沿って光分岐素子を通って直進し、第１可視光のＳ偏光成分は光分岐素子により入射光軸に垂直な方向に反射され、前方に設けられた波長変換部材に入射する。

波長変換部材は、固定反射式であって、第１可視光に励起され中心波長５３０ｎｍの緑色光（第２可視光）を出射する、例えばＹＡＧの蛍光体を含有するアルミ板と、その裏面に設けられた銀の反射膜と、を有する蛍光体板である。この波長変換部材は、光分岐素子に分岐される第１可視光のＳ偏光成分に対して入射角が４５度となるように配置されている。したがって、第２可視光は、第１可視光のＳ偏光成分の波長変換部材への入射光軸に垂直な方向（つまり光分岐素子に分岐される第１可視光のＰ偏光成分の光軸と平行な方向）に出射される。

その後、第１可視光のＰ偏光成分と第２可視光は、光合成素子に入射する。光合成素子は、ガラス製の中実なロッドインテグレータ、又は中空の内面に反射機能を有するライトパイプである。これにより、第１可視光のＰ偏光成分と、第２可視光と、の色合成及び光強度の均一化を行い、光源装置の出力光として取り出す。

駆動装置は、液晶ドライバであって、偏光制御素子への駆動電圧の印加によって、液晶分子の配向を変え、第１可視光の偏光を変化させることができる。例えば、駆動装置から偏光制御素子へ３．２Ｖの駆動電圧が印加されている場合、Ｓ偏光の第１可視光は、Ｐ偏光となって、偏光制御素子に反射される。一方、例えば、駆動装置から偏光制御素子へ１．０Ｖの駆動電圧が印加されている場合、Ｓ偏光の第１可視光は、Ｓ偏光のまま、偏光制御素子に反射される。そして、駆動装置は、その駆動電圧を、例えば周波数１００Ｈｚ、デューティ比５０％の矩形波状に変化させて偏光制御素子に印加する。このように偏光制御素子を駆動させることで、チラツキのない、青色光と緑色光の合成光を得ることができる。

以上のように、本実施例の光源装置は、小型で且つ比較的簡素な構成のプロジェクタ用光源とすることができる。

本発明に係る光源装置は、プロジェクタ、ディスプレイ、プリンタ等の光源、並びに種々の照明の光源などに好適に利用することができる。

１０，１１…半導体レーザ
２０，２１，２２…偏光制御素子（２１…第１偏光制御素子，２２…第２偏光制御素子）
３０，３１，３２…光分岐素子（３１…第１光分岐素子，３２…第２光分岐素子）
４０，４１，４２…波長変換部材（４１…第１波長変換部材，４２…第２波長変換部材）
５０，５１…駆動装置
６０，６１…光合成素子
１００，２００…光源装置

Claims

第１可視光を出射する半導体レーザと、
前記第１可視光の偏光を制御する第１偏光制御素子と、
前記第１偏光制御素子から出射される前記第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する第１光分岐素子と、
前記第１光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の一方を前記第１可視光とは異なる波長の第２可視光に変換して出射する第１波長変換部材と、
前記第１偏光制御素子を駆動させ、前記第１光分岐素子に入射される前記第１可視光の偏光を変える駆動装置と、を備える光源装置。
前記第１偏光制御素子は、液晶素子である請求項１に記載の光源装置。
前記光源装置は、前記第１光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の他方と、前記第２可視光と、を合成可能な光合成素子を備える請求項１又は２に記載の光源装置。
前記光源装置は、
前記第１光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の他方の偏光を制御する第２偏光制御素子と、
前記第２偏光制御素子から出射される前記第１可視光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分岐する第２光分岐素子と、
前記第２光分岐素子により分岐される前記Ｓ偏光成分と前記Ｐ偏光成分の一方を前記第１可視光及び前記第２可視光とは異なる波長の第３可視光に変換して出射する第２波長変換部材と、
前記第２偏光制御素子を駆動させ、前記第２光分岐素子に入射される前記第１可視光の偏光を変える駆動装置と、を備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。