JP2014032350A - ビームホモジナイザー及びそれを用いた光学エンジン - Google Patents

Abstract

【課題】一つの単色光源からの光で白色照明を得ることが可能なビームホモジナイザー、及びこのビームホモジナイザーを用いることにより、部品点数を低減した小型かつ低コストの光学エンジンを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るビームホモジナイザーは、光入射口と、光出射口と、光入射口から入射された光を導波する内面と、入射された光を異なる色に変換する第１色変換部と、入射された光を第１色変換部とは異なる色に変換する第２色変換部と、入射された光を色変換せずに反射させる反射部又は入射された光を第１色変換部及び第２色変換部とは異なる色に変換する第３色変換部と、を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光を合成し、均一な光強度分布とするビームホモジナイザーに関し、より詳細には、プロジェクタ等の光学エンジンにおいて均一な白色照明を実現するビームホモジナイザーに関する。

従来のプロジェクタでは、超高圧水銀ランプやキセノンランプなど放電タイプの光源が使用されているが、消費電力、および環境負荷の優位性により発光ダイオード（ＬＥＤ）、さらにレーザダイオード（ＬＤ）を光源とする構成が提案されている。

例えば、ＬＥＤを光源とする場合、赤色、緑色、青色の三原色のＬＥＤを備え、それぞれの発光を色合成し、フライアイレンズ或いはロッドインテグレータを用いて均一な白色照明を実現している（例えば、特許文献１）。また、ＬＤを光源とする場合、上記ＬＥＤと同様に三原色のＬＤを使用する構成のほかに、蛍光体やＬＥＤと組み合わせたハイブリッドタイプのものが提案されている（例えば、特許文献２〜４）。

これらの構成は、赤色光、緑色光、青色光が、３箇所もしくは２箇所の異なる位置から発せられているものであり、白色照明をつくるためには、これら三原色の色合成をする必要がある。例えば、図８に三原色の光源を使用したプロジェクタの概略図を示す。赤色光源２７、緑色光源２８、青色光源２９からの光を、それぞれレンズ３０、レンズ３１、レンズ３２により平行光にし、合成プリズム３５を通して光軸を合わせつつ色合成し、ロッドインテグレータ３６を通して強度分布を均一にする。このように得られた均一白色照明を光変調素子３７に通し、投射レンズ３８で投射することにより画像がスクリーンに映し出される。

また、図９は二原色の光源と蛍光体を組み合わせたプロジェクタの概略図であり、蛍光体ホイール４１には、青色光を吸収し緑色光を放出する蛍光体が部分的に塗布されている。青色光源３９からの光をレンズ４２により蛍光体ホイール４１に集光照射し、蛍光体から放出された緑色光、励起光源でもある青色光源３９からの光、赤色光源４０からの光をプリズム４７で色合成する。

特開２０１１−２５１８号公報 特開２０１２−８８４５１号公報 特許第４７１１１５４号公報 特開２０１２−６３４８８号公報

以上のように、色合成にはレンズ、プリズム、ダイクロイックフィルタ、ミラー等の組み合わせにより実現できる。しかしながら、光学部品が多く必要であるため、装置の小型化や低コスト化が困難である。さらに、像の明るさを保障するためには、それら光学部品の光軸を正確に合わせる必要があり、高精度で調整しなければならない問題がある。

前記課題を解決するために、本発明に係るビームホモジナイザーは、光入射口と、光出射口とを有する保持筒を備えたビームホモジナイザーであって、保持筒は、光入射口から入射された光を導波する内面を有し、内面は、入射された光を異なる色に変換する第１色変換部と、入射された光を、第１色変換部とは異なる色に変換する第２色変換部と、入射された光を色変換せずに反射させる反射部と、を有することを特徴とする。
また、本発明に係るビームホモジナイザーは、光入射口と、光出射口とを有する保持筒を備えたビームホモジナイザーであって、保持筒は、光入射口から入射された光を導波する内面を有し、内面は、入射された光を異なる色に変換する第１色変換部と、入射された光を、前記第１色変換部とは異なる色に変換する第２色変換部と、入射された光を、第１及び第２色変換部とは異なる色に変換する第３色変換部と、を有することを特徴とする。

このような構成によれば、一つの単色光源からの光で、白色照明を得ることが可能なビームホモジナイザーを提供することができる。また、このようなビームホモジナイザーを用いることにより、部品点数を低減することができるため、小型で、かつ低コストの光学エンジンを提供することができる。

本発明の第１の実施形態のビームホモジナイザーの構造を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態のビームホモジナイザーの蛍光体のパイプの光軸方向における必要な長さを説明するための図である。 本発明の第１の実施形態のビームホモジナイザーの蛍光体を形成する面を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態のビームホモジナイザーの構造を説明するための図である。 本発明の第２の実施形態のビームホモジナイザーの蛍光体のパイプの光軸方向における必要な長さを説明するための図である。 本発明の第２の実施形態のビームホモジナイザーの蛍光体を形成する面を説明するための図である。 本発明のビームホモジナイザーの製造方法を説明するための図である。 従来例の３原色の光源を用いた光学エンジンの光学系を示した図である。 従来例の２原色の光源と蛍光体を用いた光学エンジンの光学系を示した図である。 本発明の第１の実施形態のビームホモジナイザーを用いた光学エンジンの光学系を示した図である。 本発明の第２の実施形態のビームホモジナイザーを用いた光学エンジンの光学系を示した図である。

１．ビームホモジナイザー
本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具現化するためのビームホモジナイザーを例示するものであって、以下に限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示に過ぎない。尚、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に誇張していることがある。

＜実施形態１＞
図１〜図３を参照して本発明の実施形態に係る発光装置を説明する。図１（ａ）は、実施形態１にかかるビームホモジナイザーの外観図であり、図１（ｂ）〜図１（ｅ）は、側面断面図である。図２は、ビームホモジナイザー内における光の伝搬状態を説明するための図であり、図３は、ビームホモジナイザー内の第１及び第２色変換部の位置を説明するための図である。

図１（ａ）に示すように、ビームホモジナイザー１は、光入射口１ａと、光出射口１ｂとを有する保持筒２を備えた光学部材である。光入射口１ａからは、半導体発光素子を備えたＬＥＤ又はＬＤなどの光源（図示せず）からの光が、直接又はレンズ、ミラー、フィルタなどの光学部品を介して入射される。入射された光は、保持筒２の内部（中空部）を通過して光出射口１ｂから出射される。入射された光は保持筒２内部を通過する際に、その内面（内側面）で反射を繰り返して導波し、光強度が均一化された合成光（混色光）として光出射口１ｂから出射される。

本実施の形態においては、この保持筒２の内面に、光源からの光を、異なる色（波長）に変換する第１蛍光体を含む第１色変換部７と、光源からの光を第１色変換部７とは異なる色に変換する第２蛍光体を含む第２色変換部８と、光源からの光を色変換せずに、そのまま反射させる反射部６と、を有している。このような構成とすることで、光源からの光と、それを変換された光とが合成され、混色光として外部に放出される。

異なる色の光を十分に混色した合成光を出射させるためには、保持筒の長さは、これら３つの領域（部位）の全てに、光源からの光が必ず照射される必要があり、そのため、光軸方向を長手方向とする長尺形状とするのが好ましい。ここで、「光軸方向」とは、光源からの光が進む方向のことであり、構成する各光学素子の光学中心を結んだ軸、即ち光軸に沿った光線の進行方向を指す。

図２において、光軸方向の長手方向における保持筒の長さＬ（ここでは、実質的に光の合成に寄与する部分の長さ、すなわち、光軸方向における内面の長さを示す）、保持筒２の入射ＮＡをｓｉｎθ、第１色変換部の長さＬｂｇ、第２色変換部の長さＬｂｒ、反射部６の長さＬｂｂ、とし、保持筒２の光入射口１ａの形状が、図２右図に示すような長方形である場合は、最も短い辺（ここでは縦方向）の長さをＷとすると、次の式（１）の関係が成り立つことが必要である。
（Ｗ／ｔａｎθ）＜Ｌｂｒ、Ｌｂｇ、Ｌｂｂ＜Ｌ … （１）

また、光出射口１ｂにおいて光軸に対して垂直な面内の光強度分布が、均一な光となるように光を合成するには、光入射口から光出射口に至るまでの内面の、光軸方向に垂直な面（断面）の形状が多角形であることが好ましく、特に、四角形（正方形、長方形）、五角形、六角形の何れかであることが好ましい。このような形状とすることで、効果的に、空間的な光強度分布が均一化された出射光を得ることができる。

第１色変換部７、第２色変換部８及び反射部６は、このような多角形の保持筒の内面において、それぞれ異なる面に配置することができる。例えば、図２右図のように、光軸方向に垂直な面が四角形である場合、第１面に第１色変換部７、第２面に第２色変換部８、第３面、第４面に反射部６を設けることができる。

あるいは、同じ側面に、第１色変換部７、第２色変換部８、反射部６のうちの２つ、又は３つを設けることができる。つまり、光軸方向において、異なる位置に配置されるように設けることができる。これは、例えば、図１（ｂ）等に示すように、光入射口１ａに近い側から、第２色変換部８、第１色変換部７、反射部６の順に配置させた面を、１つの側面に設けることができる。

このような３つの領域が設けられた内面を、光軸方向に垂直な面の全周あるいは一部に設けることができる。例えば、３つの領域が設けられた板状部材１０を、光軸方向に垂直な面が、図２右図のような四角形のとき、図３（ａ）のように四面全ての面に形成するほかに、図３（ｂ）のように三面、図３（ｃ）のように二面、図３（ｄ）のように一面のみに形成しても構わない。このように複数の面に、第１色変換部７、第２色変換部８、及び反射部６を設ける場合、全ての面において、それらの比率が同じものが好ましいが、異なるものであってもかまわない。

光軸に沿った１つの内面（内側面）に、第１色変換部７、第２色変換部８、反射部６の、３つの領域を設ける場合は、その各側面においては、前述の式（１）に加え、次の式（２）も満たすようにする必要がある。
Ｌｂｒ＋Ｌｂｇ＋Ｌｂｂ＜Ｌ … （２）

これらの３つの領域のうち、第１色変換部７と、第２色変換部８とは、互いに重ならないように保持筒２の内面に配置させるのが好ましい。また、光軸方向において互いに異なる位置に配置させるのが好ましい。具体的には、図１（ｂ）に示すように、光源が配置される保持筒２の光入射口１ａに近い側に、赤色発光可能な第２色変換部８を配置し、その次に緑色発光可能な第１色変換部７を配置し、最後に、光源からの青色発光を、そのまま青色発光として反射させる反射部６を配置するようにするのが好ましい。これは、第１色変換部７が、第２色変換部８よりも光源に近い位置に配置したとすると、第１色変換部７からの緑色発光が、第２色変換部８によって吸収されやすいため、色変換効率が低下するためである。光源に近い側に赤色発光可能な第２色変換部８を配置することで、このような問題を防止することができる。

第１色変換部７と第２色変換部８は、互いに重ならないようにするのが好ましいが、反射部６とは重なって形成されてもよい。例えば、図１（ｂ）は、保持筒２は、その内面に反射性の高い反射層３ａを有しており、この反射層３ａが露出している部分が反射部として機能する。そして、反射層３ａは、第１色変換部７及び第２色変換部８を設ける領域にも形成されている。つまり、反射層と第１色変換部、反射層と第２色変換部は、それぞれ積層構造をなしており、このような構成とすることで、第１及び第２色変換部で変換された光が、反射層３ａによって効率よく反射されることができる。

また、保持筒２の光入射口１ａ側には、前記光源からの光を透過すると共に、前記第１色変換部７及び前記第２色変換部８からの光を反射することができるフィルタ（色選択フィルタ）９を配置させるのが好ましい。例えば、光源が青色光、第１色変換部７が緑色光、第２色変換部８が赤色光をそれぞれ発する場合、図１（ｂ）に示すように、保持筒２の光入射口１ａ側には、青色光を透過し、緑色光及び赤色光を反射するような、ダイクロイックフィルタ９を配置させることができる。このようなフィルタを備えることで、第１色変換部７及び第２色変換部８からの発光（蛍光）が、光入射側１ａから漏れ出すのを抑制することができるため、色変換された光を無駄なく利用することができる。

以下、各部材について詳述する。

（保持筒）
保持筒は、光源からの光を入射可能な光入射口と、入射された光を導波させることが可能な内面（内側面）と、外部に光を出射可能な光出射口と、を備えている。保持筒の内面には、第１色変換部、第２色変換部、反射部が設けられている。光軸方向に垂直な断面形状が、複数の平面で構成される多角形であることが好ましく、保持筒の外面の形状は特に問わない。

保持筒の内面は、単一の部材で構成してもよく、あるいは複数の部材を組み合わせて構成してもよい。例えば、パイプなど、内周に継ぎ目などのない一体形成された部材や、複数の部材（例えば複数の平板）を立体的に配置して筒状となるように固定したものでもよい。特に、別部材を組み合わせて構成する保持筒とするのが好ましく、例えば、板状部材を複数枚用意して、それを立体的に組み合わせた構成とするのが好ましい。これにより第１色変換部や第２色変換部の形成が容易となる。各部材同士は、接着剤等を用いて接合して固定してもよいし、あるいは、後述の保持筒など、板状部材とは別の部材で保持し固定してもよい。尚、ここで、筒状に組み立てる前の板状部材は、組み立てる前は板状であるが、本明細書中においては、組立前についても保持筒として取り扱う。

このような保持筒としては、第１色変換部材等を保持可能な剛性を有する材料を用いるのが好ましく、金属、半導体、樹脂などの非金属、ガラス等の非晶質部材などを用いることができる。図１（ｂ）に示すように、この保持筒自体を、光源からの光を色変換せずに反射させる反射部３ａとして用いる場合は、パラジウム、白金、ニッケル、金、チタン、タングステン、銅、銀、亜鉛、錫、インジウム、アルミニウム、イリジウム、ロジウム等の金属の単体や、これらを含む合金、シリコン等の半導体を用いることができる。さらに内面を化学的・機械的に研磨するなどの加工を施すことにより平坦度を高くすることが好ましく、特に鏡面にするのが好ましい。

（反射部）
光源からの光を色変換しない反射部は、ビームホモジナーザーから放出される合成光に、光源からの光を含ませるための部位である。保持筒自体を反射部として用いない場合は、図１（ｃ）に示すように、保持筒本体となる基体の表面に反射層４を設けて反射部とすることができる。例えば、前述の保持部材に用いることができる反射性の高い金属を、別の部材に電解メッキ、無電解メッキなどの方法で設けて反射層４として保持筒の内面に配置させることができる。一例を挙げると、４枚の鉄板の表面に、銀をメッキして、そのメッキした側の面が内面となるように配置して固定して四角形の開口断面の保持筒とすることができる。

また、反射部としては、上述の金属以外の材料を用いてもよく、絶縁部材である誘電体膜を設けてもよい。例えば、酸化物、窒化物、酸窒化物などを用いることができ、具体的には、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＯＮ等が挙げられ、これらを単層または複数層積層させて用いることができる。これらは、スパッタ法や蒸着法、ＣＶＤ法、ＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition；原子層堆積法）などを用いて形成することができる。

図１（ｃ）では、反射層４の下に、それよりも反射率の低い低反射層３ｂを設けている。これは、保持筒の内面と反射層４との密着性が低い場合などに、密着性を補強するような場合に用いる。すなわち、保持筒２の内面を構成する部材は、その内部にわたる全てが高い反射率を有していなくてもよく、表面（内面）に露出しない、埋設された部材は、その反射率が低くても構わない。

図１（ｄ）は、図１（ｂ）の反射層３ａの表面に透光性の保護膜５を設けたものであり、図１（ｅ）は、図１（ｃ）の反射層４の表面に保護膜５を設けたものである。この保護膜５によって、反射層３ａ、４の反射率の低下を抑制することができる。あるいは、反射層３ａの上に第１色変換部７や第２色変換部８を設ける（積層させる）場合に、それらとの密着性を向上させるために利用することができる。すなわち、保持筒２の内面を構成する部材は、高い反射率の反射層３ａや、低い反射率の低反射層３ｂに加え、光を透過する層（保護膜５）を有することができる。

保護膜５は反射層３ａ、４の表面の全領域に形成する必要は無く、第１色変換部７及び／又は第２色変換部８の直下付近のみ形成しても構わない。このような保護膜５としては、可視光に対して透明性の高い材料で形成された酸化物、窒化物、酸窒化物が好ましく、具体的には、ＳｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＳｉＮ、ＡｌＮ、ＳｉＯＮ、ＡｌＯＮ等の単層膜又は多層膜が挙げられる。

（第１色変換部、第２色変換部）
第１色変換部及び第２色変換部は、光源からの光を、それとは異なる色（波長）に変換する部材であり、蛍光体を含む膜（層）である。光源からの光と、これら色変換部材からの２つの色の光を合成して、白色系の混色光が得られるような組み合わせとなるような蛍光体を選択するのが好ましい。特に、光源を青色発光とし、第１色変換部材として光源よりも長い波長である緑色発光、そして、第２色変換部材として、光源よりも、更には第１色変換部材よりも長い波長である赤色発光とするのが好ましい。

光源を青色光とした場合、第１色変換部材としては、その青色発光を吸収して緑色光を放出する蛍光体を含むことが好ましい。特に、主波長が５００ｎｍから５６０ｎｍの波長帯を含むことが好ましい。このような蛍光体としては、ユーロピウム賦活ストロンチウムアルミネート（ＳＡＥ）、ルテチウムアルミニウムガーネット（ＬＡＧ）、イットリウムアルミニウムガーネット（ＹＡＧ）、ユーロピウム賦活バリウムマグネシウムアルミネート（ＢＡＭ：Ｍｎ、ベータサイアロンを母体材料とする酸窒化物蛍光物質等、具体的には、ＳｒＡｌ_２Ｏ_４：Ｅｕ、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ、（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ，Ｍｎ等、または、これらのいずれか１種が含まれた混合物が挙げられる。

光源を青色光とした場合、第２色変換部材としては、その青色発光を吸収して赤色光を放出する蛍光体を含むことが好ましい。特に、主波長が６００ｎｍから７４０ｎｍの波長帯を含むことが好ましい。このような蛍光体としては、カルシウムシリコンナイトライド（ＣＥＳＮ）、ストロンチウムシリコンナイトライド（ＳＥＳＮ）、カルシウムストロンチウムシリコンナイトライド（ＳＣＥＳＮ）、Ｅｕ賦活カルシウムアルミニウムシリコンナイトライド等、具体的には、Ｃａ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、Ｓｒ_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、（Ｃａ，Ｓｒ）_２Ｓｉ_５Ｎ_８：Ｅｕ、ＣａＡｌＳｉＮ_３：Ｅｕ等、または、これらのいずれか１種が含まれた混合物が挙げられる。

上記に挙げた蛍光体は、粒子状であり、その平均粒径は、特に限定されないが、０．１〜１００μｍ程度のものを用いることができ、取り扱いやすさの観点から、好ましくは１〜５０μｍ、より好ましくは２〜３０μｍのものを用いることができる。

更に、第１色変換部材及び第２色変換部材には、蛍光体のほかに、フィラーや拡散材などを混合させていてもよい。例えば、窒化アルミニウム、チタン酸バリウム、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、二酸化ケイ素、重質炭酸カルシウム、軽質炭酸カルシウム、銀、シリカ（ヒュームシリカ、沈降性シリカ等）、チタン酸カリウム、ケイ酸バリウム、ガラスファイバー、カーボン、ダイヤモンド等及びこれらの２種以上の組み合わせが挙げられる。また、酸化タンタル、酸化ニオブ、希土類酸化物など、主に光吸収の少ない透光性材料や、特定の波長の光を反射又は吸収する無機化合物を用いることができる。

また、粒子状の蛍光体を保持筒に固定するための結着剤（バインダー）などを有していてもよく、例えば、樹脂やガラスやセラミックに蛍光体を混合し、固化させるなどの方法で固定することができる。特に、耐熱性、耐候性に優れた無機部材であるガラスやセラミックなどが好適である。

（光源）
光源は、ビームホモジナイザーの光入射口に向けて発光するものであり、半導体発光素子を用いたＬＥＤ、ＬＤが好適に用いられる。特にＬＤ光が好ましい。また、その発光波長は、主波長が４３０ｎｍから４８０ｎｍの青色系発光が好ましく、時に、４４０ｎｍから４７０ｎｍの発振波長のＬＤが好ましい。このようなＬＥＤ、ＬＤとしては、ＩＩ−ＶＩ族化合物半導体（ＺｎＳｅなど）や窒化物半導体（Ｉｎ_ＸＡｌ_ＹＧａ_{１−Ｘ−Ｙ}Ｎ、０≦Ｘ、０≦Ｙ、Ｘ＋Ｙ≦１）、ＧａＰを用いたものを適用させることができる。

＜実施形態２＞
図４〜図６を参照して本発明の実施形態に係る発光装置を説明する。図４（ａ）は、実施形態２にかかるビームホモジナイザーの外観図であり、図４（ｂ）〜図４（ｅ）は、側面断面図である。図５は、ビームホモジナイザー内における光の伝搬状態を説明するための図であり、図６は、ビームホモジナイザー内の第１及〜第３色変換部の位置を説明するための図である。

図４（ａ）に示すように、ビームホモジナイザー１１は、光入射口１１ａと、光出射口１１ｂとを有する保持筒１２を備えた光学部材である。光入射口１１ａからは、半導体発光素子を備えたＬＥＤ又はＬＤなどの光源（図示せず）からの光が、直接又はレンズ、ミラー、フィルタなどの光学部品を介して入射される。入射された光は、保持筒１２の内部（中空部）を通過して光出射口１１ｂから出射される。入射された光は保持筒１２内部を通過する際に、その内面（内側面）で反射を繰り返して導波し、光強度が均一化された合成光（混色光）として光出射口から出射される。

実施形態２においては、光源からの光が青紫〜紫外光であり、すなわち、この点が実施形態１と異なる。更に、光源からの光をそのまま外部に放出させないため、用いる色変換部が３つとなり、この色変換された３つの可視光を合成して混色光とする点が実施形態１と異なる。以下、実施形態１と異なる点について詳述し、共通する部分については適宜説明を省略する。

尚、実施形態１の保持筒の内面に形成され、光源からの光を色変換しない反射部は、実施形態２においても、形成されていてもよい。ただし、その場合は、紫外光が直接的に外部に放出されにくくするために、保持筒の光出射口に紫外光を遮断する部材を配置させるのが好ましい。

実施の形態２においては、この保持筒１２の内面に、光源からの光を、異なる色（波長）に変換する第１色変換部１７と、光源からの光を第１色変換部１７とは異なる色に変換する第２色変換部１８と、光源からの光を第１色変換部及び第２色変換部とは異なる色に変換する第３色変換部１６と、を有している。このような構成とすることで、光源からの光変換した３つの色の光が合成され、混色光として外部に放出される。

異なる色の光を十分に混色した合成光を出射させるためには、保持筒の長さは、これら３つの領域（部位）の全てに、光源からの光が必ず照射される必要があり、そのため、光軸方向を長手法奧とする長尺形状とするのが好ましい。

図５において、光軸方向の長手方向における保持筒の長さＬ（ここでは、実質的に光の合成に寄与する部分の長さ、すなわち、光軸方向における内面の長さを示す）、保持筒１２の入射ＮＡをｓｉｎθ、第１色変換部１７の長さＬｖｇ、第２色変換部１８の長さＬｖｒ、第３色変換部１６の長さＬｖｂとし、保持筒１２の光入射口１１ａの形状が、図５右図に示すような長方形である場合は、最も短い辺（ここでは縦方向）の長さをＷとすると、次の式（３）の関係が成り立つことが必要である。
（Ｗ／ｔａｎθ）＜Ｌｖｒ、Ｌｖｇ、Ｌｖｂ＜Ｌ … （３）

このような３つの領域が設けられた内面を、光軸方向に垂直な面の全周あるいは一部に設けることができる。このような３つの領域が設けられた板状部材２１を、例えば、光軸方向に垂直な面が、図５右図のような四角形のとき、図６（ａ）のように四面全ての面に形成するほかに、図６（ｂ）のように三面、図６（ｃ）のように二面、図６（ｄ）のように一面のみに形成しても構わない。このように複数の面に、第１色変換部１７、第２色変換部１８、及び第３色変換部１６を設ける場合、全ての面において、それらの比率が同じものが好ましいが、異なるものであってもかまわない。

光軸に沿った１つの内面（内側面）に、第１色変換部１７、第２色変換部１８、第３色偏部１６の、３つの領域を設ける場合、その各側面においては、前述の式（３）に加え、次の式（４）も満たすようにする必要がある。
Ｌｂｒ＋Ｌｂｇ＋Ｌｖｂ＜Ｌ … （４）

これらの３つの領域、すなわち、第１色変換部１７と、第２色変換部１８と、第３色変換部１６は、互いに重ならないように保持筒１２の内面に配置させるのが好ましい。また、光軸方向において互いに異なる位置に配置させるのが好ましい。具体的には、図４（ｂ）に示すように、光源が配置される保持筒１２の光入射口１１ａに近い側に、赤色発光可能な第２色変換部１８を配置し、その次に緑色発光可能な第１色変換部１７を配置し、最後に、青色発光可能な第３色変換部１６を配置するようにするのが好ましい。これは、第１色変換部１７や第３色変換部１６が、第２色変換部１８よりも光源に近い位置に配置したとすると、第１色変換部１７からの緑色発光や、第３色変換部１６からの光が、第２色変換部１８によって吸収されやすいため、色変換効率が低下するためである。光源に近い側に赤色発光可能な第２色変換部１８を配置することで、このような問題を防止することができる。第１色変換部と第３色変換部の位置も同様に、第１色変換部の方が光入射口に近い側に配置されるのが好ましい。すなわち、異なる色の色変換部を複数配置する場合、その変換された色の波長が長いものほど、光入射口に近い側に配置することで、色変換効率を低下しにくくすることができる。

第１色変換部１７、第２色変換部１８、第３色変換部１６は、それぞれ互いに重ならないようにするのが好ましい。また、色変換しない部材とは重なって形成されていてもよい。例えば、図４（ｂ）は、保持筒１２は、その内面に反射性の高い反射層１３ａを有しており、この反射層１３ａ上に、第１色変換部１７、第２色変換部１８、第３色変換部１６が設けられている。つまり、これらは積層構造をなしており、このような構成とすることで、第１色変換部、第２色変換部及び第３色変換部で変換された光が、反射層１３ａによって効率よく反射されることができる。

また、保持筒１２の光入射口１１ａ側には、光源からの光を透過すると共に、第１色変換部１７、第２色変換部１８、及び第３色変換部１６からの光を反射することができるフィルタ（色選択フィルタ）１９を配置させるのが好ましい。例えば、光源が青紫光、第１色変換部１７が緑色光、第２色変換部１８が赤色光、第３色変換部１６が青色光をそれぞれ発する場合、図４（ｂ）に示すように、保持筒１２の光入射口１１ａ側には、青紫色光を透過し、緑色光、赤色光、青色光を反射するような、ダイクロイックフィルタ１９を配置させることができる。このようなフィルタを備えることで、第１色変換部１７、第２色変換部１８及び第３色変換部１６からの発光（蛍光）が、光入射側１１ａから漏れ出すのを抑制することができるため、色変換された光を無駄なく利用することができる。

更に、保持筒１２の光出射口１１ｂ側には、光源からの青紫色光〜紫外光の光を反射し、第１色変換部、第２色変換部、及び第３色変換部からの光を透過することができる波長選択機能を有するフィルタ２０を配置させるのが好ましい。これは、白色光を得るために、光源からの光は不要であり、特に、紫外線のような短波長の光は、外部に放出させることは人体に与える影響の面から好ましくなく、フィルタを用いて遮断するのが好ましい。

実施形態２の各部材については、実施形態１と共通する部材は、同様に用いることができるため、ここでは省略し、異なる部材について説明する。

（第３色変換部）
第３色変換部は、光源からの光を、それとは異なる色（波長）に変換する部材であり、蛍光体を含む膜（層）である。実施形態１では青色光の光源を用いていたが、実施形態２ではその光源に代わって青色光を発する蛍光体を用いる。

光源を青紫色光〜紫外光とした場合、第３色変換部材としては、その青紫色光〜紫外光を吸収し青色光を放出する蛍光体が好ましい。特に、主波長が４３０ｎｍから４８０ｎｍの波長帯を含むことが好ましい。このような蛍光体としては、カルシウムクロルアパタイト（ＣＣＡ）、ユーロピウム賦活ストロンチウムクロロアパタイト（ＳＣＡ）、カルシウムクロルボレート（ＣＣＢ）、ユーロピウム賦活バリウムマグネシウムアルミネート（ＢＡＭ）等、具体的には、Ｃａ_１０（ＰＯ_４）_６Ｃｌ_２：Ｅｕ、Ｃａ_２Ｂ_５Ｏ_９Ｃｌ：Ｅｕ、ＢａＭｇＡｌ_１０Ｏ_１７：Ｅｕ等、または、これらのいずれか１種が含まれた混合物が挙げられる。

＜ビームホモジナイザーの製造方法＞
以下に、ビームホモジナイザーの製造方法について説明する。ビームホモジナイザーは、保持筒と、その内面に色変換部材を有するものであり、以下は、保持筒として、板状部材を複数立体的に配置して固定する保持筒について説明する。

（製造方法１）
図７（ａ）は、保持筒の内面を構成するための板状部材２３と、それらを筒状に保持可能な保持筒２２と、それらの一部拡大図を示し、これらを組み立てることで本実施形態のビームホモジナイザーを得ることができる。具体的には、予め板状部材に第１色変換部、第２色変換部等を形成しておき、それを、保持筒の開口部に挿入して固定するものである。

板状部材２３は、保持筒の固定構造に合わせた形状に加工して用いることができる。図７（ａ）では、保持筒２２に、略四角形の開口部を設けており、その１つの辺に１枚の板状部材２３が配設される例を示している。保持筒２２の内面には、板状部材２３が配置可能な幅の平坦部と、その両側に、板状部材側に突出する突出部を設ける。一方、板状部材２３には、その側面に溝が形成されており、断面視がＨ字型となっている。そして、この板状部材の溝と、保持筒の突出部とが、勘合させるようにそれぞれの大きさが調整されている。これにより、保持筒２２の開口部（入射口側又は出射口側）から、板状部材２３をスライドさせて保持筒２２内に板状部材２３を挿入し、固定することができる。図７（ａ）では、保持筒２２の四角形の開口部の各辺に上記のような突出部を設けて、４枚の板状部材２３を挿入、固定可能となっており、４枚の板状部材がビームホモジナイザーの内面を構成する。

板状部材２３は、その断面が図７（ａ）のような、側面の中央付近に溝が形成されたＨ字型のほか、側面の上側の幅を狭くした形状（傾斜もしくは段差）などの凹凸形状とすることができる。また、保持筒の開口部の突出部も、それに合わせ形状を適宜選択することができる。

また、板状部材は、上記のように溝と突出部とのはめ込み構造で固定するほか、ネジ孔を設けてネジで固定してもよく、あるいは、両面テープや接着剤などの接着部材を用いて接着固定するなどの方法で固定することができる。さらに、保持筒など、板状部材と別部材に固定するのではなく、保持筒同士を固定する、あるいは、筒状ではない固定部材を用いるなどで固定してもよい。

上記のような加工を施した板状部材２３を、鏡面加工など所望に応じて前処理を行う。その後、保持筒の内面を構成する側となる面（表面）に、第１色変換部及び第２色変換部を形成する。例えば、電着法等による成膜方法、スピンコーター法等による塗布方法、焼結板の接着等が挙げられる。電着法や塗布法などは、板状部材２３の表面に、レジスト膜を形成した後、所望の形状のマスクパターンを用いて露光し、現像することで開口部を形成してその開口部内に色変換部を形成する。

ここで、反射性を持たせるために反射膜を形成する場合、色変換部を形成する前に、部分的あるいは全面に反射膜を形成してもよく、あるいは、色変換部を形成後に反射膜を形成してもよい。保護膜も同様である。

このようにして得られた板状部材を、前述の保持筒内に挿入して固定し、ビームホモジナイザーとすることができる。尚、図７（ａ）では、保持筒の開口部を四角形としたが、これに限られるものではなく、保持筒をｎ角形とし、板状部材２３をｎ枚用いてビームホモジナイザーとすることができる。

また、フィルタを設ける場合、図７（ｄ）に示すように、板状部材を固定する保持筒に、フィルタを差し込めるような穴を設けて固定してもよい。図７（ｄ）では、光入射側にダイクロイックフィルタ２６を差し込む穴を有する保持筒を用いており、フィルタの幅に応じた穴を設け、スライドさせて固定する。尚、板状部材と同様に、フィルタもスライドさせて固定するほか、ネジで固定する、接合部材で接合工程することもできる。

２．ビームホモジナイザーを用いた光学エンジン
次に、ビームホモジナイザーを用いた光学エンジンについて説明する。図１０に、実施形態１のビームホモジナイザーを用いた光学エンジンの概略図を示す。青色発光の半導体レーザ素子を用いた光源５１からの光は、レンズ５２によって集光され、ビームホモジナイザー５４の光入射口からその内部に入射される。入射された光は、ビームホモジナイザーの内面の第１色変換部、第２色変換部、反射部に照射及び反射され、合成光である白色光として光出射口から出射される。光出射口における光の強度は面内均一になっている。この出射された合成光をコリメートレンズなどのレンズ５３によって平行光とし、次いでマイクロミラーや液晶パネルなどの光変調素子５５を通過させる。最後に投射レンズ５６によってされた光がスクリーンに投射される。

図１１に、実施形態２のビームホモジナイザーを用いた光学エンジンの概略図を示す。青紫色発光の半導体レーザ素子を用いた光源５７からの光は、レンズ５８によって集光され、ビームホモジナイザー６０の光入射口からその内部に入射される。入射された光は、ビームホモジナイザーの内面の第１色変換部、第２色変換部、第３色変換部材に照射及び反射され、合成光である白色光として光出射口から出射される。光出射側にはダイクロイックフィルタが配置されており、ここでは光源からの青紫色の発光は反射されて外部に出射されない。ダイクロイックフィルタを透過した光の強度分布は、光出射口において面内均一になっている。この出射された合成光をコリメートレンズなどのレンズ５９によって平行光とし、次いでマイクロミラーや液晶パネルなどの光変調素子６１を通過させる。最後に投射レンズ６２によってされた光がスクリーンに投射される。

図１０及び図１１に示した光学エンジンは本発明のビームホモジナイザーから出射された白色照明を１つの光変調素子によって画像及び映像に変換させているが、この光変調素子によって白色照明がフルカラーに変換されてもよいし、白黒のままであってもよい。

また、白色照明をそのまま光変調させることに限ることは無く、本発明のビームホモジナイザーから出射された白色照明をダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズムなどの色分解系に通すことにより赤色、緑色、青色の３原色に分離し、分離した各色をそれぞれの液晶パネルで光変調させた後に、クロスダイクロプリズムなど色合成系でフルカラーの画像及び映像に合成してもよい。また、色分離は赤色、緑色、青色の３原色に限らず、これら３原色の少なくとも１原色を含む４色、５色、或いは３原色とは異なる３色以上の色に分離、光変調、色合成をしてもよい。

本発明に係る発光装置は、プロジェクタ等の光学エンジンに利用することができる。

１、１０…ビームホモジナイザー
１ａ、１０ａ…光入射口
１ｂ、１０ｂ…光出射口
２、１１…保持筒
３ａ…反射層（高反射層）
３ｂ…低反射層
４…反射層（高反射層）
５…保護膜
７…第１色変換部（緑色蛍光体含有部）
８…第２色変換部（赤色蛍光体含有部）
９…フィルタ（ダイクロイックフィルタ）
１０、２１…板状部材
５１…光源

Claims (20)

1. 光入射口と、光出射口とを有する保持筒を備えたビームホモジナイザーであって、
   前記保持筒は、前記光入射口から入射された光を導波する内面を有し、
   該内面は、
   前記入射された光を異なる色に変換する第１色変換部と、
   前記入射された光を、前記第１色変換部とは異なる色に変換する第２色変換部と、
   前記入射された光を色変換せずに反射させる反射部と、を有することを特徴とするビームホモジナイザー。
   
2. 前記光源からの光は、青色光である請求項１に記載のビームホモジナイザー。
   
3. 光入射口と、光出射口とを有する保持筒を備えたビームホモジナイザーであって、
   前記保持筒は、前記光入射口から入射された光を導波する内面を有し、
   該内面は、
   前記入射された光を異なる色に変換する第１色変換部と、
   前記入射された光を、前記第１色変換部とは異なる色に変換する第２色変換部と、
   前記入射された光を、前記第１及び第２色変換部とは異なる色に変換する第３色変換部と、を有することを特徴とするビームホモジナイザー。
   
4. 前記入射された光を色変換せずに反射させる反射部を有する請求項３に記載のビームホモジナイザー。
   
5. 前記光源からの光は、青紫光〜紫外光である請求項３または請求項４に記載のビームホモジナイザー。
   
6. 前記第１色変換部材は、前記光源からの光を吸収し緑色光を放出する蛍光体を含有し、前記第２色変換部は、前記光源からの光を吸収し赤色を放出する蛍光体を含有する請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
   
7. 前記第３色変換部材は、前記光源からの光を吸収し青色光を放出する蛍光体を含有する」請求項３乃至請求項６のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
   
8. 前記保持筒は、多角形の光入射口における辺のうち、最も短い辺の長さをＷとし、保持筒の長さをＬとし、保持筒の入射ＮＡをｓｉｎθとし、前記第１色変換部の長手方向のトータルの長さをＬｂｇとし、前記第２色変換部の長手方向のトータルの長さをＬｂｒとしたとき、下記の関係式が成り立つ請求項６に記載のビームホモジナイザー。
   （Ｗ／Ｔａｎθ）＜Ｌｂｒ、Ｌｂｇ＜Ｌ 且つ Ｌｂｒ＋Ｌｂｇ＜Ｌ
   
9. 前記保持筒は、多角形の入射面における辺のうち、最も短い辺の長さをＷとし、保持筒の長さをＬとし、保持筒の入射ＮＡをｓｉｎθとし、第３色変換部の長手方向のトータルの長さをＬｖｂとし、第１色変換部の長手方向のトータルの長さをＬｖｇとし、第２色変換部の長手方向のトータルの長さをＬｖｒとしたとき、下記の関係式が成り立つ請求項７に記載のビームホモジナイザー
   （Ｗ／Ｔａｎθ）＜Ｌｖｒ、Ｌｖｇ、Ｌｖｂ＜Ｌ 且つ Ｌｖｒ＋Ｌｖｇ＋Ｌｖｂ＜Ｌ
   
10. 前記第１色変換部または前記第２色変換部は、前記反射部の上に形成されている請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
11. 前記第１色変換部または前記第２色変換部は、透光性の保護膜の上に形成されている請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
12. 前記第３色変換部は、前記反射部の上に形成されている請求項３乃至請求項１１のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
13. 前記第３色変換部は、透光性の保護膜の上に形成されている請求項３乃至請求項１２のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
14. 前保持筒の光入射口は、多角形である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
15. 前記多角形は、４角形、５角形、６角形から選択されるいずれかの形状である請求項１４に記載のビームホモジナイザー。
    
16. 前記第２色変換部は、前記第１色変換部よりも前記光入射面口に近い側に形成されている請求項１乃至請求項１５のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
17. 前記第３色変換部は、前記第２色変換部及び前記第１色変換部よりも前記光入射面口に近い側に形成されている請求項３乃至請求項１６のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
18. 前記保持筒の光入射口に、前記光源からの光を透過し、前記第１及び第２色変換部からの光を反射する波長選択フィルタを有することを特徴とする請求項１乃至請求項１８のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
19. 前記保持筒の光入射口に、前記光源からの光を透過し、前記第１、第２、及び第３色変換部からの光を反射する波長選択フィルタを有することを特徴とする請求項３乃至請求項１７のいずれか１項に記載のビームホモジナイザー。
    
20. 請求項１乃至請求項１９のいずれか１項に記載のビームホモジナイザーと、単色の光源と、該光源からの光を前記ビームホモジナイザーに入射させる光学系と、前記ビームホモジナイザーから出射した混色光を変調させる光変調系と、前記光変調系によって変調された光を投射せる投射系とを備えることを特徴とする光学エンジン

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