JP2017069221A - 投写型映像表示装置および光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蛍光体の発光効率及び寿命を改善した光源装置を提供する。
【解決手段】光源装置は、励起光を発光する励起光源と、励起光に励起されることにより蛍光光を発光する蛍光体と、前記励起光源と前記蛍光体の間に配置されるダイクロイックミラーと、前記励起光源と前記ダイクロイックミラーの間に配置される光学部材と、前記蛍光体と前記ダイクロイックミラーの間に配置される集光レンズと、を備え、前記集光レンズは、前記蛍光体の先を集光位置として励起光が前記蛍光体に入射するように設定されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置に関する。

映像表示素子の表示画面を投写面に拡大表示する投写型映像表示装置においては、投写面で十分な大きさと明るさを有する拡大像が得られるように照明光学系の工夫がなされてきた。特に、赤、緑、青の発光ダイオードや有機ＥＬ等の固体発光素子を用いた投写型映像表示装置の開発が行われている。

例えば、固体光源から出射する励起光を可視光としても高効率で発光する光源装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２０１１−１３３１３号公報

特許文献１によれば、励起光が蛍光体に１点に集中して照射されるため、蛍光体の発光効率低下及び寿命低下を招く、という課題がある。

そこで、本発明の目的は、蛍光体の発光効率及び寿命を改善した光源装置及び投写型映像表示装置を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴については、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。当該光源装置は、励起光を発光する励起光源と、励起光に励起されることにより蛍光光を発光する蛍光体と、励起光を蛍光体に導く光学部材と、を備え、上記光学部材の曲率は、当該光学部材を透過した励起光が蛍光体の先を集光位置として蛍光体に入射するように設定されている。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

本発明によれば、蛍光体の発光効率及び寿命を改善した光源装置及び投写型映像表示装置を提供することができる。

実施例１における光源装置の要部構成図である。 実施例２における光源装置の要部構成図である。 実施例１の光源装置を用いた投写型映像表示装置の光学系を示す図である。 実施例１の光源装置を用いた投写型映像表示装置の光学系を示す図である。 エテンデュの説明図である。 課題として想定される光源装置の要部構成図である。

以下、実施例について、図を参照して説明する。尚、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。尚、本稿では、励起光源群１の光源を、発光面積の小さいレーザとして説明する。当該レーザは輝度分布として、中心部が明るく周辺部が暗くなる分布を有する。

まず、本発明の課題について説明する。図６は、課題として想定される光源装置の要部構成図である。

図６(Ａ)において、励起光源群１から射出した励起光１０は、コリメートレンズ２で略平行光となり、凸レンズ３及び凹レンズ４を透過し、光束幅を絞られて、ダイクロイックミラー５に入射する。ダイクロイックミラー５は励起光１０の波長域を透過し、蛍光光１１の波長域を反射する特性を有する。そこで、励起光１０は、ダイクロイックミラー５を透過し、集光レンズ６を透過後、蛍光体７が塗布された回転制御可能な円盤９に入射する。

集光レンズ６は、入射した平行光が円盤９上の照射領域８に集光するように曲率が設定されている。即ち、励起光源群１の発光輝度分布が複数のレンズ群を介して蛍光体７上に拡大されて、照射領域８に照射される。励起光１０により励起された蛍光体７は、蛍光光１１を発光する。蛍光光１１は集光レンズ６を透過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー５で反射して、後段の照明光学系に入射する。

図６(Ｂ)及び(Ｃ)は蛍光体７上の励起光１０の照射領域８を示しており、図６(Ｂ)は２次元の励起光分布図、図６(Ｃ)は一断面の輝度分布である。蛍光体７上に照射される励起光１０は、レーザの輝度分布のように、中心部が明るく周辺部が暗くなる。蛍光体は励起光を吸収して、蛍光光を発光する際、励起光と蛍光光の波長(エネルギー)の差分に応じた熱を発生する。従って、照射領域８において、中心の輝度が高いと、中心の温度が極めて高くなり蛍光体の発光効率低下や寿命低下を招く。

蛍光体の温度を下げるために、蛍光体に照射される励起光の輝度分布を大きくすると、後段の照明光学系での効率が低下する。これは、照明エテンデュが保存されることに起因する（詳細は後述）。

尚、円盤９自体を励起光１０の入射方向にずらすことで、蛍光体７に一箇所に入射する前に励起光１０を照射し、蛍光体７上の一箇所に集光するのを防ぐことも考えられる。しかし、蛍光体７から射出する蛍光光１１を捕獲するため、集光レンズ６と蛍光体７との間の距離を限界まで近付けて配置するのが一般的である。従って、実際には、蛍光体７を集光レンズ６にこれ以上近付けることはできない。

又、円盤９自体を励起光１０の出射方向にずらすことで、蛍光体７に入射する前の一箇所に集光した後、照射領域が広がったところで励起光１０を蛍光体７に照射し、蛍光体７上の一箇所に集光するのを防ぐことも考えられる。しかし、蛍光体７と集光レンズ６の距離が大きくなると、蛍光体７から射出する蛍光光１１を集光レンズ６で捕獲できなくなる。

（実施例１）
図１は、実施例１における光源装置の要部構成図である。図１(Ａ)と図６（Ａ）の主な違いは、凸レンズ３、凹レンズ４、又は、それら両方の位置や曲率半径を工夫することにより、集光レンズ６に、発散気味に励起光１０を入射させる点にある。すると、集光レンズ６を透過した励起光１０は、蛍光体７の先を集光位置として（集光位置が蛍光体７に対して当該励起光１０の出射側となるように）、蛍光体７に入射する。具体的には、集光レンズ６に発散気味に励起光１０を入射させるように、凸レンズ３の曲率を緩める、凹レンズ４の曲率をきつくする、凸レンズ３の位置を凹レンズ４側に数ｍｍ寄せる、凹レンズ４の位置を凸レンズ３側に数ｍｍ寄せる、等の調整を行うことが考えられる。

図１(Ｂ)及び(Ｃ)は蛍光体７上の励起光１０の照射領域８を示しており、図１(Ｂ)は２次元の励起光分布図、図１(Ｃ)は一断面の輝度分布である。この場合、照射領域８には、複数の励起光が１箇所ではなく、略均等に散らばった位置に照射されるため、若干デフォーカスした略均一な輝度分布となる。従って、照射領域８の中心での温度上昇を防ぐことができ、蛍光体の発光効率及び寿命を改善することができる。

尚、凸レンズ３、凹レンズ４、又は、それら両方の位置や曲率半径を工夫するものとして説明したが、集光レンズ６を透過した励起光１０が蛍光体７の先を集光位置として蛍光体７に入射するように、励起光源群１と蛍光体７の間に配置されるレンズ系の光学部材、即ち、凸レンズ３、凹レンズ４、又は、集光レンズ６のうち、何れか一つ、もしくは、それらの組み合わせのレンズの位置や曲率半径を工夫してもよい。例えば、集光レンズ６の曲率を緩くしてもよい。但し、この場合、蛍光光１１が集光レンズ６で平行にならず発散気味となるため、ダイクロイックミラー５で反射した後、蛍光光１１を平行にするためのレンズが一枚必要となる。

（実施例２）
図２は、実施例２における光源装置の要部構成図である。図２(Ａ)と図１（Ａ）の主な違いは、励起光源群１から射出した励起光１０を集光レンズ１２により、各々、光ファイバ群１３に入射させる構成としている点にある。光ファイバ群１３は出射面が一箇所に束ねられている。光ファイバ群１３の出射面の発光輝度分布は複数のレンズ群を介して、蛍光体７上に拡大されて、照射領域８に照射される。光ファイバ群１３の出射面の発光輝度分布は略均一な分布であるため、照射領域８の輝度分布も略均一である。即ち、実施例１のようにレンズでデフォーカスする必要はない。

尚、照射領域８の輝度分布を略均一にできるのであれば、光ファイバ群１３のうち少なくとも２つ以上の光ファイバの出射面が一箇所以上に束ねられていればよい。

図２(Ｂ)及び(Ｃ)は蛍光体７上の励起光１０の照射領域８を示しており、図２(Ｂ)は２次元の励起光分布図、図２(Ｃ)は一断面の輝度分布である。この場合も図１同様、照射領域８の中心での温度上昇を防ぐことができ、蛍光体の発光効率及び寿命を改善することができる。

（実施例３）
次に、投写型映像表示装置の光学系について説明する。図３は、実施例１の光源装置を用いた投写型映像表示装置の構成を示す図である。

図３(Ａ)は、図１の光源装置を含む投写型映像表示装置の、光学系の概略構成図である。ここでは、励起光源群１は青色励起光１０を射出し、蛍光体７は緑色蛍光体であるものとする。この時、ダイクロイックミラー５は青色光を透過し、緑色光を反射する特性である。緑色光は集光レンズ６を透過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー５で反射して、集光レンズ１５を透過し、ダイクロイックミラー１６に入射する。

ダイクロイックミラー１６は緑色光を透過し、赤色光、青色光を反射する特性である。従って、緑色光はダイクロイックミラー１６を透過し、多重反射素子２３に入射する。集光レンズ１５は、多重反射素子２３の入射開口部に集光するような曲率に設定されており、多重反射素子２３の入射開口面には、青色励起光の照射領域８の照射形状と相似な形状が形成されている。

光源１７はＬＥＤの赤色光源である。光源１７を射出した赤色光は、コリメートレンズ１８で平行となり、ダイクロイックミラー２１に入射する。ダイクロイックミラー２１は赤色光を透過し、青色光を反射する特性である。従って、赤色光はダイクロイックミラー２１を透過して、集光レンズ２２を透過し、ダイクロイックミラー１６に入射する。

一方、光源１９はＬＥＤの青色光源である。光源１９を射出した青色光は、コリメートレンズ２０で平行となり、ダイクロイックミラー２１に入射する。青色光はダイクロイックミラー２１で反射して、集光レンズ２２を透過し、ダイクロイックミラー１６に入射する。

ダイクロイックミラー１６は緑色光を透過し、赤色光、青色光を反射する特性である。従って、ダイクロイックミラー１６に入射した赤色光と青色光は、ダイクロイックミラー１６で反射し、多重反射素子２３に入射する。

集光レンズ２２は、多重反射素子２３の入射開口部に集光するような曲率に設定されており、多重反射素子２３の入射開口面には、光源１７と光源１９の発光形状と相似な形状が形成されている。尚、ダイクロイックミラー２１の特性を変更して、光源１７と光源１９の配置位置を変えてもよい。

多重反射素子２３に入射した、赤色光、緑色光、青色光は、多重反射素子２３で複数回反射し、多重反射素子２３の出射開口面では、均一照度分布を有する光となる。多重反射素子２３の出射開口面の形状は、映像表示素子２６と略相似な形状である。集光レンズ２４は、多重反射素子２３の出射開口面に形成された像を、映像表示素子２６上に拡大して結像する曲率に設定されている。従って、多重反射素子２３の出射開口面から射出した赤色光、緑色光、青色光は、集光レンズ２４を透過し、反射ミラー２５で反射後、映像表示素子２６上に均一な照度分布で照射される。

励起光源群１、光源１７、光源１９は応答速度の速い固体発光素子であり、時分割制御が可能である。従って、各色光は、映像表示素子２６により、各色光毎に時分割で変調される。映像表示素子２６で反射された各色光は、投写レンズ２７に入射し、図示しないスクリーン上に投影される。

図３(Ｂ)は、蛍光体７上での照射領域８、多重反射素子２３の入出射開口形状、映像表示素子２６の有効領域を示す。多重反射素子２３の出射開口形状を映像表示素子２６上に拡大投影するため、多重反射素子２３の出射開口形状は、映像表示素子２６の有効領域と略相似である。多重反射素子２３の入射開口形状は、出射開口形状と同一とするのが一般的であるため、多重反射素子２３の入射開口形状も、映像表示素子２６の有効領域と略相似である。又、前述したように、多重反射素子２３の入射開口形状には、光源の発光輝度分布が拡大されて照射される。従って、光源の発光輝度分布は、多重反射素子２３の入射開口形状と相似であれば、最も効率が良い。即ち、光源の発光輝度分布は、映像表示素子２６の有効領域と略相似とするのが、最も効率が良い。

図４は、実施例１の光源装置を用いた投写型映像表示装置の構成を示す、図３とは異なる形態の図である。

図３（Ａ）と図４（Ａ）の主な違いは、ダイクロイックミラー５の特性、並びに、集光レンズ６及び円盤９の配置である。ここでは、ダイクロイックミラー５は青色光を反射し、緑色光を透過する特性である。青色光はダイクロイックミラー５を反射して蛍光体７により緑色光に変化した後、ダイクロイックミラー５を透過して集光レンズ１５に入射する。その後は、図３（Ａ）と同様である。又、図４（Ｂ）においても、図４（Ａ）と同様の輝度分布となる。尚、図３及び４では、実施例１の光源装置を用いて説明したが、実施例２の光源装置を用いてもよい。

次に、最適な光源の発光面積について説明する。図５はエテンデュの説明図である。照射領域８から射出した蛍光光は、光学部材２８により、映像表示素子２６に拡大照射される。光学部材２８は複数の光学部材より成り立つことが一般的であるが、ここでは、１つのレンズで代用する。

映像表示素子２６より射出した光は、投写レンズ２７からスクリーンに拡大投影される。投写レンズより投影できる明るさは、映像表示素子の面積と、投写レンズの明るさパラメータであるＦ値で決まる立体角の積（照明エテンデュ）で決まる。照明エテンデュは保存される性質があるため、光源側で決まる発光面積と光線立体角の積(光源エテンデュ)は、照明エテンデュ以上にはできない。従って、光源の発光面積が大きくなると、照明光学系で捕獲できる光線発散角が減少することとなり、照明効率が低下する。

映像表示素子２６の面積をＡ、励起光の照射領域８の面積をＢ、投写レンズ２７のＦ値で決まる光線捕獲半角をθa、照射領域８から射出される蛍光光の光線発散角をθbとすると、投写レンズ２７のＦ値で決まる立体角は２π（1-cosθa）、励起光の照射領域８から射出される蛍光光の光線立体角は２π（1-cosθb）となり、（数１）が略成立する。

Ａ×２π（1-cosθa）≒Ｂ×２π（1-cosθb）・・・（数１）
照射領域８より発散する蛍光光は全方位に発散するが、円盤９の基板で反射するため、蛍光光の光線立体角は２πとなる。従って、（数１）は（数２）に置き換えることができる。

Ａ×２π（1-cosθa）≒Ｂ×２π・・・（数２）
又、投写レンズ２７のＦ値と光線発散角θaは、(数３)が成立する。
tanθa＝1/(2×F) ・・・（数３）
（数２）（数３）より、（数４）が略成立する。

Ｂ≒Ａ×(1-cos(arctan(1/(2×F))) ・・・（数４）
投写型映像表示装置の投写レンズのＦ値は1.5〜3.0が一般的であるため、(数４)より、励起光の照射領域８の面積Ｂとしては、（数５）の範囲を選択すればよい。
０．０１３６×Ａ≦Ｂ≦０．０５１３×Ａ・・・（数５）
又、照射領域８における輝度分布は一定の広がりを有するため、明確に領域を定めることが難しい。そこで、照射領域８は、輝度ピークの1/e2(≒13.5％)までの領域と定義する。

上記実施例では、緑色光は励起光源により励起された蛍光光、青色光、赤色光はＬＥＤ光として説明したが、他のバリエーションも考えられる。例えば、赤色光はＬＥＤで緑色光及び青色光は蛍光光、もしくは、青色光はＬＥＤで緑色光及び赤色光は蛍光光、もしくは、赤色光、緑色光、青色光の全てが蛍光光、等である。

又、蛍光体７を回転させる例を示した。これは、蛍光体を分散して固めるバインダとして、有機のシリコン樹脂等が用いられているため、温度によるバーニングを防ぐ必要があるからである。しかし、無機のバインダを使用するなどして、蛍光体寿命が確保できるのであれば、蛍光体を回転させなくてもよい。

又、励起光源及び光ファイバは複数存在するとして説明したが、１つであってもよい。更に、映像表示素子がＤＭＤ（Digital Micromirror Device）素子として説明したが、液晶型映像表示素子であってもよい。

１…励起光源群、２…コリメートレンズ群、３…凸レンズ、４…凹レンズ、５…ダイクロイックミラー、６…集光レンズ、７…蛍光体、８…励起光照射領域、９…円盤、１０…励起光、１１…蛍光光、１２…集光レンズ群、１３…光ファイバ群

Claims (1)

1. 励起光を発光する励起光源と、
   励起光に励起されることにより蛍光光を発光する蛍光体と、
   前記励起光源と前記蛍光体の間に配置されるダイクロイックミラーと、
   前記励起光源と前記ダイクロイックミラーの間に配置される光学部材と、
   前記蛍光体と前記ダイクロイックミラーの間に配置される集光レンズと、を備え、
   前記集光レンズは、前記蛍光体の先を集光位置として励起光が前記蛍光体に入射するように設定されている、光源装置。