JP2016191844A - 蛍光光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光を高い効率で放射することができると共に、簡単な構造で小型の装置を構成することができる蛍光光源装置を提供することを目的とする。
【解決手段】励起光を出射する励起光出射部と、励起光を受けて蛍光を放射する蛍光板と、励起光出射部からの励起光を蛍光板の蛍光出射面に照射する光学系とを備えてなり、光学系は、励起光出射部から出射される励起光の進行方向を転換する第１のミラー部材、および第１のミラー部材からの励起光を蛍光板に向かって反射すると共に、蛍光板からの蛍光を透過する第２のミラー部材を有するミラー系と、第２のミラー部材からの励起光を蛍光板に照射すると共に、蛍光板から放射される蛍光を平行光化するレンズ系とを備え、第１のミラー部材と第２のミラー部材との間に、長焦点レンズが、レンズ系とによる合成焦点位置が蛍光板の蛍光出射面の近傍に位置するよう配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばプロジェクター装置の光源として好適に用いることができる蛍光光源装置に関するものである。

従来、プロジェクター装置に搭載される光源装置としては、ショートアーク型の高圧放電ランプを備えたものが用いられている。而して、近年、プロジェクター装置用の光源装置として、レーザダイオードなどの固体発光素子よりなる励起光源と、この励起光源からの励起光を受けて蛍光を出射する蛍光板とを有する蛍光光源装置が提案されている。例えば特許文献１には、平行光化された励起光を出射する励起光出射部と、励起光出射部からの励起光を受けて蛍光を出射する透過型の蛍光板と、励起光出射部からの励起光を蛍光板に集光する集光光学系と、蛍光板からの蛍光を平行光化するコリメーター光学系とを備えてなる蛍光光源装置が開示されている。

然るに、上記の蛍光光源装置においては、励起光を集光する集光光学系の他に、蛍光を平行光化するコリメーター光学系が独立して設けられているため、構造が複雑で小型化を図ることが困難である、という問題がある。
このような問題を解決するため、蛍光板として反射型のものを用いると共に、光学系として、励起光を集光する機能と蛍光を平行光化する機能とを併有する光学系を用いる手段が考えられる。

しかしながら、このような蛍光光源装置を構成した場合には、以下のような問題があることが判明した。
蛍光板を構成する蛍光体物質は、励起光を受けたときにその光エネルギーの一部を熱エネルギーに変換するものである。そのため、光学系によって励起光が蛍光板に過度に集光して照射されると、蛍光板が局所的に高い温度に発熱する。これにより、蛍光板において温度消光が生じる結果、高い効率で蛍光を出射することが困難となる。また、励起光が蛍光板に過度に集光して照射されると、蛍光板が早期に劣化するため、使用寿命が短くなる。

一方、励起光が蛍光板に過度に集光することを防止するために、蛍光板に対して光学系の焦点位置を光軸方向にずらした場合には、当該光学系によって、蛍光板から出射される蛍光を十分に平行光化することが困難となる。このため、プロジェクター装置の光源装置として利用したときには、プロジェクター装置におけるＤＭＤ等の空間変調素子に蛍光が十分に取り込まれず、そのため、高い光の利用率を得ることが困難となる。

特許第５５２７０５８号公報

そこで、本発明は、蛍光を高い効率で放射することができると共に、簡単な構造で小型の装置を構成することができる蛍光光源装置を提供することを目的とする。
また、本発明は、プロジェクター装置に利用したときに、蛍光について高い光の利用率が得られる蛍光光源装置を提供することを目的とする。

本発明の蛍光光源装置は、励起光を出射する励起光出射部と、
前記励起光を受けて蛍光を放射する蛍光板と、
前記励起光出射部からの励起光を前記蛍光板の蛍光出射面に照射する光学系と
を備えてなる蛍光光源装置であって、
前記光学系は、
前記励起光出射部から出射される励起光の進行方向を転換する第１のミラー部材、および当該第１のミラー部材からの励起光を前記蛍光板に向かって反射すると共に、当該蛍光板からの蛍光を透過する第２のミラー部材を有するミラー系と、
前記第２のミラー部材からの励起光を前記蛍光板に照射すると共に、当該蛍光板から放射される蛍光を平行光化するレンズ系と
を備え、
前記第１のミラー部材と前記第２のミラー部材との間に、長焦点レンズが、当該長焦点レンズと前記レンズ系とによる合成焦点位置が前記蛍光板の蛍光出射面の近傍に位置するよう配置されていることを特徴とする。

本発明の蛍光光源装置においては、前記長焦点レンズは、前記第１のミラー部材と当該長焦点レンズとの間を進行する光の軸に対して、当該長焦点レンズの光軸が前記第２のミラー部材に接近するに従って前記蛍光板に接近するよう傾斜した状態で配置されていることが好ましい。
また、前記第１のミラー部材と前記長焦点レンズとの間を進行する光の軸に対する当該長焦点レンズの光軸のなす角が０〜３．５°であることが好ましい。

本発明の蛍光光源装置においては、第１のミラー部材と第２のミラー部材との間に、長焦点レンズが、当該長焦点レンズとレンズ系とによる合成焦点位置が、蛍光板の蛍光出射面の近傍に位置するよう配置されている。このため、励起光が蛍光板の蛍光出射面に過度に集光することがなく、高いエネルギー密度で照射されることが回避される。これにより、蛍光板において局所的に温度が上昇することが抑制され、その結果、蛍光板に温度消光が生じることが防止または抑制される。
従って、上記の蛍光光源装置によれば、蛍光を高い効率で出射することができると共に、蛍光板が早期に劣化することを防止することができる。
また、レンズ系は、励起光を蛍光板に照射する機能と、蛍光板から放射される蛍光を平行光化する機能とを併有するため、簡単な構造で小型の装置を構成することができる。
また、蛍光板から出射された蛍光は、レンズ系によって十分に平行光化されるため、プロジェクター装置の光源装置として利用したときには、蛍光について高い光の利用率が得られる。
また、長焦点レンズを、その光軸が第１のミラー部材と当該長焦点レンズとの間を進行する光の軸に対して傾斜した状態で配置することにより、蛍光板の蛍光出射面において、励起光によるエネルギーを蛍光出射面の面方向に分散させることができる。このため、蛍光板において局所的に温度が上昇することを更に抑制することができる。

本発明の蛍光光源装置の一例における構成を示す説明図である。 ＬＤバンクの一例における構成を示す説明図である。 第２のミラー部材の一例における構成を示す説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は厚み方向に切断した断面図である。 本発明の蛍光光源装置の他の例における構成を示す説明図である。

以下、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の蛍光光源装置の一例における構成を示す説明図である。この蛍光光源装置は、励起光を出射する励起光出射部１０と、励起光出射部１０からの励起光を受けて蛍光を放射する反射型の蛍光板２０と、励起光出射部１０からの励起光を蛍光板２０の蛍光出射面２１に照射する光学系３０とを備えてなる。

励起光出射部１０は、複数（図示の例では３つ）のＬＤバンク１１を有する。ＬＤバンク１１の各々は、図２に示すように、長尺な基板１２を有し、この基板１２の表面上に、複数のレーザダイオード１３が、例えば２列で基板１２の長手方向（図１において紙面に垂直な方向。以下、この方向を「ｘ方向」という。）に並ぶよう配置されている。レーザダイオード１３の各々は、例えば４５０ｎｍ付近に発光ピークを有する青色光を発振するものである。そして、ＬＤバンク１１は、ｘ方向に垂直な方向（図１において上下方向。以下、この方向を「ｙ方向」という。）に並ぶよう配置されている。また、レーザダイオード１３の各々には、コリメートレンズ（図示省略）が設けられている。このコリメートレンズは、レーザダイオード１３からの光を、ｘ方向およびｙ方向に垂直な方向（図１において左右方向。以下、この方向を「ｚ方向」という。）に沿って平行光として出射するものである。
各ＬＤバンク１１の裏面には、放熱フィンを有する共通のヒートシンク１５が配置されている。このヒートシンク１５の背後には、冷却ファン１６が設けられている。

蛍光板２０は、励起光出射部１０の側方位置において、その蛍光出射面２１が、レーザダイオード１３が配置された平面と平行な平面（ｘ方向およびｙ方向に伸びる平面）上に位置するよう配置されている。この状態で、蛍光板２０は、支持部材２５に固定支持されている。
蛍光板２０は、例えば緑色および赤色の蛍光を発する蛍光体結晶が含有されて構成されている。蛍光板２０を構成する蛍光体結晶としては、Ｃｅ：ＬｕＡＧ（Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）、Ｐｒ：ＹＡＧなどの緑色蛍光体結晶、Ｅｕ：ＣＡＳＮ（ＣａＡｌＳｉＮ）、Ｅｕ：Ｓ−ＣＡＳＮ（ＳｒＣａＡｌＳｉＮ）、ＹＡＧ：Ｓｍ、ＹＡＧ：Ｐｒなどの赤色蛍光体結晶、Ｃｅ：ＹＡＧ（Ｙ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）などの黄色蛍光体結晶を用いることができる。これらの蛍光体結晶は、単独でまたは組み合わせて用いることができる。

光学系３０は、ミラー系３１とレンズ系３５とを有する。
ミラー系３１は、励起光出射部１０から出射される励起光の進行方向を転換する第１のミラー部材３２と、第１のミラー部材３２からの励起光を蛍光板２０に向かって反射すると共に、蛍光板２０からの蛍光を透過する第２のミラー部材３３とにより構成されている。
レンズ系３５は、複数（図示の例では２つ）の凸レンズ３６，３７により構成されている。このレンズ系３５は、第２のミラー部材３３からの励起光を集光して蛍光板２０に照射する機能を有すると共に、蛍光板２０から放射される蛍光を平行光化する機能を併有するものである。具体的には、レンズ系３５は、その焦点位置が蛍光板２０の蛍光出射面２１上に位置するよう配置されている。これにより、レンズ系３５における第２のミラー部材３３側の凸レンズ３６に入射される光については、集光レンズ系として機能し、一方、蛍光板２０側の凸レンズ３７に入射される光については、コリメートレンズ系として機能する。

ミラー系３１における第１のミラー部材３２は、それぞれｘ方向に伸びる長尺な板状の複数のミラー素子３２ａを有する。これらのミラー素子３２ａは、励起光出射部１０におけるｘ方向に並ぶレーザダイオード１３の列（以下、「ＬＤ列」という。）に対応して設けられている。この例では，ＬＤ列は、２列（１個のＬＤバンク１１におけるＬＤ列の数）×３（ＬＤバンク１１の数）＝６列であるから、ミラー素子３２ａの数は６個である。
これらのミラー素子３２ａは、それぞれの光反射面が励起光出射部１０から出射された励起光の光軸に対して傾斜した状態、具体的には、それぞれの光反射面がｚ方向に対して例えば４５°（ｙ方向に対して４５°）に傾斜した状態で、階段状に並ぶよう配置されている。

ミラー系３１における第２のミラー部材３３は、その光反射面が第１のミラー部材３２からの励起光の光軸に対して傾斜した状態、具体的には、光反射面がｙ方向およびｚ方向に対して４５°に傾斜した状態で配置されている。
図３は、第２のミラー部材３３の一例における構成を示す説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は厚み方向に切断した断面図である。この第２のミラー部材３３は、偏光特性を利用する場合に用いられるものである。
図３に示す第２のミラー部材３３は、例えばガラスよりなる板状の透光性基板３３ａを有する。この透光性基板３３ａの表面における励起光入射領域には、誘電体多層膜３３ｂがストライプ状に形成されている。この誘電体多層膜３３ｂによってダイクロイックミラーが構成されている。また、透光性基板３３ａの表面における誘電体多層膜３３ｂが形成されていない領域には、多層反射防止膜３３ｃが形成されている。
また、第２のミラー部材３３において偏光特性を利用しない場合には、第２のミラー部材３３としては、透光性基板の表面全面に誘電体多層膜が形成されてなるものを用いることができる。

第１のミラー部材３２と第２のミラー部材３３との間には、長焦点レンズ４０が設けられている。この長焦点レンズ４０と第２のミラー部材３３との間には、レンズ拡散板４５が設けられている。
長焦点レンズ４０は、当該長焦点レンズ４０とレンズ系３５とによる合成焦点位置が蛍光板２０の蛍光出射面２１の近傍に位置するよう配置されている。
長焦点レンズ４０の焦点距離は、レンズ系３５とによる合成焦点位置が蛍光板２０の蛍光出射面２１の近傍に位置するものであれば特に限定されず、長焦点レンズ４０と第２のミラー部材３３との距離や、第２のミラー部材３３と蛍光板２０との距離などに応じて適宜選択されるが、通常５００〜２０００ｍｍである。
また、長焦点レンズ４０とレンズ系３５とによる合成焦点位置は、蛍光板２０の蛍光出射面２１に対して、ｚ方向に０．２〜１．５ｍｍ変位した位置であることが好ましい。

上記の蛍光光源装置においては、励起光出射部１０からｚ方向に励起光が出射される。この励起光は、第１のミラー部材３２によって反射されることにより、ｙ方向に方向転換される。ｙ方向に方向転換された励起光は、長焦点レンズ４０およびレンズ拡散板４５を介してｙ方向に進行し、第２のミラー部材３３によって反射されることにより、ｚ方向に方向転換される。ｚ方向に方向転換された励起光は、レンズ系３５を介して蛍光板２０の蛍光出射面２１に入射される。これにより、蛍光板２０の蛍光出射面２１から蛍光（緑色光および赤色光）が出射される。蛍光板２０から出射された蛍光は、レンズ系３５によって平行光化される。一方、蛍光板２０において蛍光の放射に寄与しなかった励起光（青色光）は、当該蛍光板２０によって拡散反射され、更に、レンズ系３５によって平行光化される。これにより、蛍光（緑色光および赤色光）および励起光（青色光）が白色光として合成され、その後、蛍光および励起光の合成光（白色光）は、第２のミラー部材３３を介して外部に出射される。

このような蛍光光源装置においては、第１のミラー部材３２と第２のミラー部材３３との間に、長焦点レンズ４０が、当該長焦点レンズ４０とレンズ系３５とによる合成焦点位置が、蛍光板２０の蛍光出射面２１の近傍に位置するよう配置されている。このため、励起光が、蛍光板２０の蛍光出射面２１に過度に集光することがなく、高いエネルギー密度で照射されることが回避される。これにより、蛍光板２０において局所的に温度が上昇することが抑制され、その結果、蛍光板２０に温度消光が生じることが防止または抑制される。
従って、上記の蛍光光源装置によれば、蛍光を高い効率で出射することができると共に、蛍光板２０が早期に劣化することを防止することができる。
また、レンズ系３５は、励起光を蛍光板２０に集光して照射する機能と、蛍光板２０から放射される蛍光を平行光化する機能とを併有するため、簡単な構造で小型の装置を構成することができる。
また、蛍光板２０から出射された蛍光は、レンズ系３５によって十分に平行光化されるため、プロジェクター装置の光源装置として利用したときには、蛍光について高い光の利用率が得られる。
また、長焦点レンズ４０を、その光軸が第１のミラー部材３２と当該長焦点レンズ４０との間を進行する光の軸に対して傾斜した状態で配置することにより、蛍光板２０の蛍光出射面２１において、励起光によるエネルギーを蛍光出射面２１の面方向に分散させることができる。このため、蛍光板２０において局所的に温度が上昇することを更に抑制することができる。

以上、本発明の蛍光光源装置の実施の形態について説明したが、本発明においては、上記の実施の形態に限定されず、種々の変更を加えることが可能である。
例えば、レンズ系３５は、３つの凸レンズ３６，３７，３８により構成されていてもよい（図４参照）。

また、図４に示すように、蛍光板２０の配置位置を含む、ｘ方向およびｚ方向に伸びる平面を対称面Ｆとして、それぞれ２つの励起光出射部１０、ミラー系３１、長焦点レンズ４０およびレンズ拡散板４５が互いに対称に配置されていてもよい。
この蛍光光源装置においては、各長焦点レンズ４０は、第１のミラー部材３２と当該長焦点レンズ４０との間を進行する光の軸（図示の例では、ｙ方向に伸びる軸）に対して、当該長焦点レンズ４０の光軸が第２のミラー部材３３に接近するに従って蛍光板２０に接近するよう傾斜した状態で配置されていることが好ましい。このような構成によれば、一方の励起光出射部１０からの励起光と、他方の励起光出射部１０からの励起光とが互いに異なる位置に集光するため、２つの励起光出射部１０が設けられた場合であっても、励起光が、蛍光板２０の蛍光出射面２１に過度に集光することがなく、高いエネルギー密度で照射されることが回避される。
また、第１のミラー部材３２と長焦点レンズ４０との間を進行する光の軸に対する当該長焦点レンズ４０の光軸のなす角（以下、このなす角を「長焦点レンズの傾斜角」と表現する。）は、蛍光板２０の寸法などを考慮して設定されるが、通常、３．５°以下、好ましくは０．２〜３．５°である。

以下、本発明の具体的な実施例について説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

〈実施例１〉
図４に示す構成に従い、下記の仕様の蛍光光源装置を製作した。
［励起光出射部］
ＬＤバンクは、図２に示すように、２列のＬＤ列を有し、各ＬＤ列は４つのレーザダイオードがｘ方向に並ぶよう配置されて構成されている。各ＬＤ列におけるレーザダイオードのピッチは、１１ｍｍである。
各レーザダイオードは、発光ピーク波長が４５０ｎｍの青色光を発振するものであり、出力はそれぞれ３．５Ｗである。
ＬＤバンクの数は、それぞれ３つ（２つの励起光出射部の合計で６つ）である。

［ミラー系］
第１のミラー部材：
第１のミラー部材は、それぞれ寸法が４．５ｍｍ×４５ｍｍの光反射面を有する６つのミラー素子が、それぞれの光反射面がｚ方向に対して例えば４５°に傾斜した状態で、階段状に並ぶよう配置されて構成されている。
第２のミラー部材：
第２のミラー部材は、寸法が３３ｍｍ×８０ｍｍ×１ｍｍの板状のガラスよりなる透光性基板と、透光性基板の表面における励起光入射領域にストライプ状に形成された誘電体多層膜と、透光性基板の表面における誘電体多層膜の形成領域以外の領域に形成された多層反射防止膜とにより構成されている。

［レンズ系］
レンズ系は、３つの凸レンズにより構成され、焦点距離は２８ｍｍである。

［蛍光板］
蛍光板は、蛍光体結晶としてＣｅ：ＬｕＡＧ（Ｌｕ₃ Ａｌ₅ Ｏ₁₂）およびＥｕ：Ｓ−ＣＡＳＮ（ＳｒＣａＡｌＳｉＮ）が含有された、緑色（ピーク波長が５３０ｎｍ）および赤色（ピーク波長が６２５ｎｍ）の蛍光を放射するものである。蛍光板の寸法は、２．５ｍｍ×２．５ｍｍ×０．１ｍｍである。

［長焦点レンズ］
長焦点レンズは、その焦点距離は１０００ｍｍであり、レンズ系との合成焦点位置が蛍光板の蛍光出射面に対して、ｚ方向に０．６ｍｍ変位した位置となるよう配置されている。また、長焦点レンズの中心厚は２ｍｍで、長焦点レンズの傾斜角は、０°である。

〈実施例２〉
長焦点レンズの傾斜角を０．５°に変更したこと以外は、実施例１と同様の仕様の蛍光光源装置を製作した。

〈実施例３〉
長焦点レンズの傾斜角を１．０°に変更したこと以外は、実施例１と同様の仕様の蛍光光源装置を製作した。

〈実施例４〉
長焦点レンズの傾斜角を１．５°に変更したこと以外は、実施例１と同様の仕様の蛍光光源装置を製作した。

〈比較例１〉
長焦点レンズを設けなかったこと以外は、実施例１と同様の仕様の蛍光光源装置を製作した。

実施例１〜４および比較例１に係る蛍光光源装置について、蛍光板の光出射面において、照射される励起光によるエネルギー密度を評価した。そして、比較例１に係る蛍光光源装置によるエネルギー密度の最大値を１００としたときの、実施例１〜４に係る蛍光光源装置によるエネルギー密度の最大値の各々の相対値を算出した。結果を表１に示す。

表１の結果から明らかなように、実施例１〜４に係る蛍光光源装置においては、比較例１に係る蛍光光源装置に比較して、蛍光板に対して励起光が低いエネルギー密度で照射されることが確認された。従って、実施例１〜４に係る蛍光光源装置によれば、蛍光板において局所的に温度が上昇することが抑制され、その結果、蛍光板に温度消光が生じることが防止または抑制されることが理解される。
また、長焦点レンズの傾斜角を大きくすることにより、エネルギー密度は下がる傾向にあるが、実施例の光学系では、長焦点レンズの傾斜角が２．５°以上になると飽和して下がらないことが確認されている。また、長焦点レンズの傾斜角が１．５°を超えると、蛍光板の外側に励起光が漏れ出すため、光の利用効率が低下することが確認されている。光学系や蛍光板のサイズにより許容される最大の傾斜角は異なるが、３．５°以下の範囲内であれば、効率低下を抑えた状態で十分にエネルギー密度を下げる効果が得られる。

１０ 励起光出射部
１１ ＬＤバンク
１２ 基板
１３ レーザダイオード
１５ ヒートシンク
１６ 冷却ファン
２０ 蛍光板
２１ 蛍光出射面
２５ 支持部材
３０ 光学系
３１ ミラー系
３２ 第１のミラー部材
３２ａ ミラー素子
３３ 第２のミラー部材
３３ａ 透光性基板
３３ｂ 誘電体多層膜
３３ｃ 多層反射防止膜
３５ レンズ系
３６，３７，３８ 凸レンズ
４０ 長焦点レンズ
４５ レンズ拡散板
Ｆ 対称面

Claims (3)

1. 励起光を出射する励起光出射部と、
   前記励起光を受けて蛍光を放射する蛍光板と、
   前記励起光出射部からの励起光を前記蛍光板の蛍光出射面に照射する光学系と
   を備えてなる蛍光光源装置であって、
   前記光学系は、
   前記励起光出射部から出射される励起光の進行方向を転換する第１のミラー部材、および当該第１のミラー部材からの励起光を前記蛍光板に向かって反射すると共に、当該蛍光板からの蛍光を透過する第２のミラー部材を有するミラー系と、
   前記第２のミラー部材からの励起光を前記蛍光板に照射すると共に、当該蛍光板から放射される蛍光を平行光化するレンズ系と
   を備え、
   前記第１のミラー部材と前記第２のミラー部材との間に、長焦点レンズが、当該長焦点レンズと前記レンズ系とによる合成焦点位置が前記蛍光板の蛍光出射面の近傍に位置するよう配置されていることを特徴とする蛍光光源装置。
2. 前記長焦点レンズは、前記第１のミラー部材と当該長焦点レンズとの間を進行する光の軸に対して、当該長焦点レンズの光軸が前記第２のミラー部材に接近するに従って前記蛍光板に接近するよう傾斜した状態で配置されていることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
3. 前記第１のミラー部材と前記長焦点レンズとの間を進行する光の軸に対する当該長焦点レンズの光軸のなす角が３．５°以下であることを特徴とする請求項２に記載の蛍光光源装置。

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