JP2017112018A - 蛍光光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光素子からの光を高効率に利用し、よりエテンデュの小さな光を蛍光板に入射して、蛍光板から放射される光のエテンデュも小さくする蛍光光源装置を提供する。【解決手段】発光素子２と、発光素子からの励起光を反射する放物面鏡３と、この反射光をさらに反射するように同一光軸上で対向配置された楕円鏡４と、励起光の少なくとも一部を蛍光に変換する蛍光板８とからなる蛍光光源装置１にである。楕円鏡４の第一焦点が放物面鏡３の焦点と一致し、第二焦点が放物面鏡３の前面側に位置し、放物面鏡３を光軸上で貫通する導光体５が設けられ、該導光体５の入射端５１が楕円鏡４の第二焦点に位置し、出射端５２が放物面鏡３の背面側に位置しており、導光体５の出射端から放射された光を平行光とする第１レンズ６と、第１レンズからの平行光を蛍光板に集光する第２レンズ７と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、発光素子を用いた蛍光光源装置に関するものである。

液晶プロジェクター等の画像投影機に用いられる光源、あるいは、光硬化反応など各種の光反応装置などの光源として、レーザダイオードなどの固体発光素子を光源として用いた蛍光光源装置が提案されている。

例えば、特開２０１４−８２１４４号公報（特許文献１）には、励起光を出射する励起光源部（発光素子）と蛍光発光部（蛍光板）とを有する蛍光光源装置において、図４に示すように、発光素子として複数のレーザダイオード（レーザ光源）５１と、この複数のレーザ光源５１に対向して配置された放物面鏡（第１の凹面反射面５２１を有する第１の反射部材）５２と、楕円鏡（第２の凹面反射面５３１を有する第２の反射部材）５３と、を備えた構造が示されている。
この蛍光光源装置では、楕円鏡５３の第一焦点（楕円鏡５３の２つの焦点のうち、楕円鏡５３の反射面５３１に近い側の焦点）Ｆ１は放物面鏡５２の焦点Ｆと一致し、また、楕円鏡５３の第二焦点（楕円鏡５３の２つの焦点のうち、楕円鏡から離れている側の焦点）Ｆ２は、放物面鏡５２の反射面５２１とは反対側の背面側に位置している。

そして、放物面鏡５２の頂部には開口５２２が形成されていて、その後方、即ち、放物面鏡５２の背面側には、前記楕円鏡５３の第二焦点Ｆ２に一致した位置に蛍光板６０が配置されている。
レーザ光源５１から放射されたレーザ光は、レーザ光源５１の前方に設けられたコリメートレンズ５１１を通過することにより平行光となる。このレーザ光源５１とコリメートレンズ５１１は、放物面鏡５２の回転中心軸と平行な方向にレーザ光を放射するよう設けられている。

このように構成された蛍光光源装置では、レーザ光源５１から放射されたレーザ光は、放物面鏡５２で反射されてその焦点Ｆ（楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１）に集光した後、楕円鏡５３に至り、ここでさらに反射され、放物面鏡５２の開口５２２を通過して、その背面側の第二焦点Ｆ２で集光して蛍光板６０に入射する。そして、この蛍光板６０によりレーザ光が蛍光に変換されるものである。

ところで、上記蛍光光源装置では、蛍光板に照射される励起光の強度分布が均一なものとならないため、励起光の照射強度が高い領域で温度消光が生じ、蛍光への変換効率が低下する。つまり、発光素子から放射された蛍光の利用効率が低下してしまい、好ましくない。

このような不具合を解消するために、蛍光板において励起光の強度分布が均一となるように、楕円鏡の中央開口から出射された光を、ロッドレンズ等の均一光学系に入射させて、この均一光学系から出射された光を蛍光板に入射する方式とすることが考えられる。

ところで、楕円鏡５３の第一焦点（楕円鏡が有する２つの焦点のうち、反射面に近い側の焦点）Ｆ１と第二焦点（反射面から遠い側の焦点）Ｆ２との距離が大きくなる（＝倍率が大きくなる）に従って、第一焦点Ｆ１を通過した光が第二焦点Ｆ２に集光される際、集光スポット径が大きくなってしまう。

このような問題が生じる理由を以下説明する。
楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１を通過した光は、理想的には第二焦点Ｆ２で一点に集光されるものとしているが、実際にはそうならず、ある程度の大きさ（広がり）をもった状態で第二焦点Ｆ２に集光される。これは、光源が完全な点光源ではないことに起因する。つまり、光源がある程度の大きさをもつため、そこから放射されたレーザ光は、放物面鏡５２で焦点Ｆに集光される際、完全に一点に集光されず、ある程度の大きさをもった状態で、放物面鏡５２の焦点Ｆ、つまり楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１位置に集光される。

このようにある程度の大きさをもった状態で、楕円鏡５３の第一焦点Ｆ１を通過したレーザ光は、楕円鏡５３の反射面５３１において反射され、第二焦点Ｆ２へと集光されるが、このとき、この第二焦点Ｆ２においても一点に集光されず、ある程度の大きさをもった状態で集光されてしまうことになる。

ここで、第一焦点距離（楕円鏡頂部から第一焦点までの距離）ｆ１と、第二焦点距離（楕円鏡頂部から第二焦点までの距離）ｆ２の比率：ｆ２／ｆ１（以下、倍率という）が大きいほど、第二焦点において集光される光の径（以下、集光スポット径という）も大きくなる。つまり、楕円鏡の倍率以外の条件が同じであれば、楕円鏡の倍率が大きいほど、集光スポット径も大きい、ということである。

楕円鏡５３の第二焦点Ｆ２位置にロッドレンズの一端面を配置して、ロッドレンズの他端から光を出射させることを考えると、ロッドレンズの一端面の径を、集光スポット径以上に大きくしないと、楕円鏡で反射された光を効率よくロッドレンズに取り込ませることができない。つまり、楕円鏡の倍率が大きいほど、ロッドレンズの径も併せて大きくしないと、楕円鏡で反射された光を効率良く利用することができないことになる。

一方で、ロッドレンズの径を大きくした場合には、別の弊害が生じる。この点を以下説明する。
ロッドレンズの径が大きくなると、ロッドレンズの光出射面も大きくなり、その結果、ロッドレンズを通過した光のエテンデュも大きくなる。つまり、蛍光板に入射する励起光のエテンデュも大きなものとなり、その結果、蛍光板から出射する蛍光のエテンデュも大きくなってしまう。
ここで、エテンデュとは、（光源の発光している面積）×（光源から発散していく光の立体角）により算出される値であって、本ケースの場合、光源は「ロッドレンズの光出射面」に相当する。
エテンデュが大きな蛍光を効率良く利用するためには、大きな光学系（例えば、径の大きなレンズ）を用いなければならず、光学系の大型化、光学系のコスト増加につながってしまう。
このように、蛍光光源装置から放射される光がエテンデュの大きなものである場合には、装置全体が大型化するといった問題がある。

特開２０１４−８２１４４号公報

上記従来技術の問題点に鑑みて、この発明が解決しようとする課題は、発光素子からの光を反射する放物面鏡と、この放物面鏡からの反射光をさらに反射するように対向配置された楕円鏡と、前記励起光の少なくとも一部を蛍光に変換する蛍光板と、を備えた蛍光光源装置において、発光素子から放射された光を高効率に利用できるとともに、よりエテンデュの小さな光を出射することができる蛍光光源装置を提供することである。

上記課題を解決するために、この発明に係る蛍光光源装置は、楕円鏡の第一焦点が放物面鏡の焦点と一致するとともに、第二焦点が前記放物面鏡の前面側に位置し、前記放物面鏡を光軸上で貫通するように導光体が設けられ、該導光体の入射端が前記楕円鏡の第二焦点に位置し、出射端が前記放物面鏡の背面側に位置しており、前記導光体の出射端から放射された光を平行光とする第１レンズと、前記第１レンズからの平行光を前記蛍光板に集光する第２レンズとを備えることを特徴とする。

また、前記第２レンズの焦点距離は、前記第１レンズの焦点距離よりも短いことを特徴とする。
また、前記導光体の出射端の近傍に第３レンズが設けられていることを特徴とする。
また、前記第１レンズと前記第２レンズの間に設けられ、前記出射端から出射された光の一部を反射するビームスプリッターと、前記ビームスプリッターと前記第２レンズの間に設けられ、前記ビームスプリッターを透過した光を反射するとともに、前記蛍光板からの蛍光を透過する第１ダイクロイックミラーと、前記ビームスプリッターで反射された光をさらに反射する反射ミラーと、前記第１ダイクロイックミラーを透過した蛍光をさらに透過するとともに、前記反射ミラーにより反射された光を反射するよう設けられた第２ダイクロイックミラーと、をさらに備えていることを特徴とする。
また、前記蛍光板から放射される蛍光を反射する反射層が、前記蛍光板の裏面に設けられていることを特徴とする。
また、蛍光板が透過型であることを特徴とする。

この発明の蛍光光源装置によれば、発光素子からの光を放物面鏡によって反射し、更に楕円鏡によって反射するとき、その反射光は、放物面鏡の前面側に位置する楕円鏡の第二焦点に集光して、この光が放物面鏡を貫通する導光体によって放物面鏡の背面側に導かれることによって、楕円鏡の倍率を小さくして、第二焦点位置での集光スポット径を小さくできて、発光素子から放射された光を高効率に利用できるとともに、エテンデュの小さな光を蛍光体に向けて出射することができるものである。

本発明の蛍光光源装置の断面図。 図１のＡ−Ａ矢視側面図。 本発明の他の実施例の断面図。 従来技術の蛍光光源装置の断面図。

図１、図２に示されるように、本発明の蛍光光源装置１は、光を放射する発光素子２を備えており、この発光素子２は、レーザダイオード（ＬＤ）などからなり、図２に示すように、発光素子２が２列（ｚ方向）×４行（ｙ方向）でアレイ状に配置された発光素子アレイ（ＬＤアレイ）２１が、４列×２行に配置されてなる。つまり、発光素子２は、８列×８行の合計６４個備えられている。
なお、発光素子２は、発光部を一つずつ有するＣＡＮタイプの半導体レーザでもよく、また、ＬＥＤでもよい。

また、発光素子２の前方には、この発光素子２から放射された光を平行光とするコリメートレンズ２２が設けられていて、発光素子２から放射された光は、このコリメートレンズ２２を通過して平行光Ｌ１となる。

発光素子２の光軸上の前方には、放物面鏡３が、その開放前面が発光素子２に向かうように対向配置されている。
そして、この放物面鏡３に同一光軸上で対向して楕円鏡４が配置されている。即ち、放物面鏡３と楕円鏡４は、それぞれの回転中心軸を一致させて、開放前面を向い合せるように対向されている。
前記放物面鏡３の焦点Ｆは、発光素子２よりも前方に位置していて、前記楕円鏡４の第一焦点Ｆ１と一致している。
ここで、前記放物面鏡３は、発光素子２からの平行光の全てを受光する大きさであることが望ましい。また、前記楕円鏡４は、発光素子２から放物面鏡３に向かう光を遮蔽することのないような大きさであることが望ましい。

また、前記楕円鏡４の第二焦点Ｆ２は、前記放物面鏡３の前面側に位置している。そして、前記放物面鏡３にはその頂部に開口３２が形成されていて、該放物面鏡３の光軸上において導光体５がこの放物面鏡３を貫通するように設けられている。この導光体５の入射端５１は前記楕円鏡４の第二焦点Ｆ２に位置するとともに、出射端５２は前記放物面鏡３の背面側に位置している。
なお、ここで、前方あるいは前面とは、光の出射方向あるいは反射方向をいい、後方もしくは背面とはこれと反対方向を意味するものとして使用される。
前記したように、放物面鏡３と楕円鏡４の回転中心軸が一致し、導光体５がこれら放物面鏡３と楕円鏡４の光軸（回転中心軸）上に位置するとしたが、こうすることで、発光素子２からの光を導光体５の入射端５１の中心に入射させることができるので、導光体５に対して光を効率的に入射させることができる。

前記導光体５は、例えば、ロッドレンズが好適であり、楕円鏡４によって反射されて入射端５１からロッドレンズ（導光体）５に入射した光は、内部で全反射を繰り返し、出射端５２に到達する。この出射端５２における光の強度分布は、入射端５１における光の強度分布よりも均一化されたものとなっている。
ただ、導光体５としては、ロッドレンズに限定されるものではなく、楕円鏡によって反射された光が少なくとも透過乃至通過するものであればよく、内面に反射面が形成されたパイプ等も利用可能である。また、導光体５は、円柱型のものでもよく、角柱型のものでもよい。

前記導光体５の光軸上の前方には第１レンズ６と第２レンズ７が配置され、その第２レンズ７の前方には蛍光板８が対向配設されている。前記第１レンズ６は球面レンズ等からなり、導光体５から出射された励起光を平行光として出射するものであり、また前記第２レンズ７も同様に球面レンズ等からなり、前記第１レンズからの平行光を蛍光板８に向けて集光するものである。
そして、この第２レンズ７の焦点距離は、第１レンズ６の焦点距離よりも短いことが好ましい。
なお、導光体５の出射端５２の近傍には、これに隣接もしくは近接して、球面レンズ等からなる第３レンズ９が設けられていて、導光体５からの出射光の拡散を抑制していて、これにより第１レンズ６や第２レンズ７の径を小さくすることができる。

発光素子２から放射された光の経路について説明すると以下の通りである。
発光素子２から放射された光（励起光）は、コリメートレンズ２２を通過して平行光Ｌ１となった状態で、放物面鏡３の反射面３１の方向へ進む。このとき、この平行光Ｌ１の進行方向は、放物面鏡３の回転中心軸と平行である。
放物面鏡３の反射面３１に到達した光はここで反射されて、該放物面鏡３の焦点Ｆに向けて進行する。焦点Ｆ（の近傍）を通過した光は、対向配置された楕円鏡４の反射面４１に到達する。ここで、楕円鏡４の第一焦点Ｆ１は、前記放物面鏡３の焦点Ｆと一致するような構成であることから、楕円鏡４の反射面４１により反射された光は、その第二焦点Ｆ２の方向へと向かう。

楕円鏡４の第二焦点Ｆ２と、導光体５の入射端５１は一致するように設けられているので、楕円鏡４によって反射された光は導光体５の入射端５１から導光体５の内部に導入される。導光体５の内部では、光が全反射されて他端である出射端５２に向かい、ここから第３レンズ９を経て、光が出射される
この光は、第１レンズ６に入射して平行光とされて出射され、第２レンズ７に入射する。そして、平行光はこの第２レンズ７によって集光されて蛍光板８に入射するものである。
この蛍光板８に到達した（励起）光は、蛍光に変換され、この実施例では、蛍光板８は透過型が示されており、変換された蛍光はそのまま前方に出射されていく。

蛍光板８は、到達した励起光の全部を蛍光に変換するよう構成しても良いし、励起光の一部だけを蛍光に変換して残りを励起光のまま蛍光板８から出るよう構成しても良い。
具体的には、蛍光板８には蛍光体が含有されており、蛍光板８の厚みや蛍光体の含有量を適宜調整することにより、蛍光板８に到達する励起光の全部、もしくは一部を蛍光に変換するよう構成することができる。
蛍光板８に到達した励起光の一部を蛍光に変換し、一部を励起光のままとすることにより、励起光と蛍光を混合した状態で蛍光光源装置１から出射することができる。より具体的には、導光体５から出射される光が青色光、蛍光板８により変換された蛍光が黄色光の場合、蛍光板８において変換される励起光（青色光）と、変換後の蛍光（黄色光）との割合を調整することで、蛍光光源装置１から放射される光を白色光とすることができる。

また、第２レンズ７の焦点距離を、第１レンズ６の焦点距離よりも短くすることにより、蛍光板８に集光された光の像は、導光体５から出射された光の像よりも小さいものとなる。つまり、導光体５から出射された光をそのまま蛍光板８に照射する場合よりも、蛍光板８に照射される光の単位面積あたりの照射強度が高くなるため、蛍光板８から放射される蛍光の輝度、つまり蛍光光源装置１から出射される蛍光の輝度もより高くなる。
なお、第１レンズ６、および第２レンズ７は、それぞれ、１枚ずつのレンズにより構成しても良いし、複数枚のレンズにより構成しても良い。レンズを複数枚用いる場合は、第１レンズの合成焦点距離＞第２レンズの合成焦点距離、となるような関係であれば良い。

図３には、蛍光板８が反射型の場合の構成が示されている。
図において、第１レンズ６と第２レンズ７の光路上の間には、導光体５の出射端５２から出射された光（励起光）の一部を反射するビームスプリッター１００が設けられ、このビームスプリッター１００と前記第２レンズ７の間には、前記ビームスプリッター１００を透過した光を反射するとともに、蛍光板８からの蛍光を透過する第１ダイクロイックミラー１０１が設けられている。
そして、前記ビームスプリッター１００で反射された光をさらに反射する反射ミラー１０２が設けられるとともに、前記第１ダイクロイックミラー１０１を透過した蛍光をさらに透過するとともに、前記反射ミラー１０２により反射された光（励起光）を更に反射するように設けられた第２ダイクロイックミラー１０３が設けられている。

ここで、前記第１ダイクロイックミラー１０１および第２ダイクロイックミラー１０３は、ともに、導光体５から放射された光、即ち、発光素子２から放射された光（励起光）と同じ波長の光を反射し、この波長よりも長波長側の光（蛍光板８により変換された蛍光）を透過するものである。
そして、蛍光板８は基板１０に取り付けられていて、蛍光板８の裏面側、即ち、蛍光板８と基板１０との間には、反射層１１が設けられていて、蛍光体８で変換された蛍光を第２レンズ７側に反射して出射するものである。

第１レンズ６から放射された光の経路について説明すると以下の通りである。
なお、図３においては、励起光を実線で表し、蛍光を点線で表している。また、煩雑さを避ける意味で、便宜上、励起光（実線）と蛍光（点線）の光路をずらせて表記してある。
導光体５の出射端５２から第３レンズ９を経て出射された光（励起光）は第１レンズ６によって平行光とされ、この光の一部がビームスプリッター１００を透過するとともに、他の一部が反射される。ビームスプリッター１００を透過した光は第１ダイクロイックミラー１０１に至り、これにより反射されて、第２レンズ７に入射する。この励起光は、第２レンズ７によって集光されて蛍光板８に入射する。
この蛍光板８で、励起光が蛍光に変換され、蛍光板８からの直接出射光と反射層１０により反射された反射光とが第２レンズ７に向かう。

第２レンズ７を透過して平行化された蛍光は、第１ダイクロイックミラー１０１に向かいここを透過して、第２ダイクロイックミラー１０３に向かう。この蛍光はこの第２ダイクロイックミラー１０３も透過する。
一方、前記ビームスプリッター１００によって反射された励起光（の一部）は、反射ミラー１０２によって更に反射され、前記第２ダイクロイックミラー１０３に向かう。励起光は、この第２ダイクロイックミラー１０３で反射されて、これを透過してきた蛍光と共に蛍光光源装置１から出射されるものである。

上記のような構成とすることにより、本発明の蛍光光源装置１は、導光体５から出射された光と、蛍光板８により変換された蛍光とを混合した状態で出射することが可能となる。より具体的には、導光体５から出射される光が青色光、蛍光板８により変換された蛍光が黄色光の場合、蛍光光源装置１から放射される光を白色光とすることができる。

以上説明したように、本発明に係る蛍光光源装置は、発光素子から放射された光を反射する放物面鏡と、これと対向配置された楕円鏡とを備えた蛍光光源装置において、楕円鏡の第一焦点を放物面鏡の焦点と一致させるとともに、第二焦点を放物面鏡の前面側に位置し、放物面鏡を光軸上で貫通するように設けられた導光体の入射端を楕円鏡の第二焦点に位置させるとともに、出射端を放物面鏡の背面側に位置させていることにより、楕円鏡の倍率を小さくして、第二焦点位置での集光スポット径を小さくできて、発光素子から放射された光を高効率に利用できるとともに、エテンデュの小さな光を蛍光板に入射されることができる。
また、上記のように、エテンデュの小さな光を蛍光板に入射させることにより、蛍光板から放射される光のエテンデュも小さくなり、この蛍光板から放射される蛍光を利用するために用いる光学系を小型・安価とすることができる。

１ 蛍光光源装置
２ 発光素子
２１ 発光素子アレイ
２２ コリメートレンズ
３ 放物面鏡
３１ 反射面
３２ 頂部開口
Ｆ 放物面鏡の焦点
４ 楕円鏡
４１ 反射面
Ｆ１ 楕円鏡の第一焦点
Ｆ２ 楕円鏡の第二焦点
５ 導光体
５１ 入射端
５２ 出射端
６ 第１レンズ
７ 第２レンズ
８ 蛍光板
９ 第３レンズ
１０ 基板
１１ 反射層
１００ ビームスプリッター
１０１ 第１ダイクロイックミラー
１０２ 反射ミラー
１０３ 第２ダイクロイックミラー

Claims (6)

1. 励起光を放射する発光素子と、
   前記発光素子から放射された光を反射する放物面鏡と、
   前記放物面鏡で反射された光をさらに反射するように同一光軸上で対向配置された楕円鏡と、
   前記励起光の少なくとも一部を蛍光に変換する蛍光板と、からなる蛍光光源装置において、
   前記楕円鏡の第一焦点が前記放物面鏡の焦点と一致するとともに、第二焦点が前記放物面鏡の前面側に位置し、
   前記放物面鏡を光軸上で貫通するように導光体が設けられ、該導光体の入射端が前記楕円鏡の第二焦点に位置し、出射端が前記放物面鏡の背面側に位置しており、
   前記導光体の出射端から放射された光を平行光とする第１レンズと、
   前記第１レンズからの平行光を前記蛍光板に集光する第２レンズと、
   を備えることを特徴とする蛍光光源装置。
2. 前記第２レンズの焦点距離は、前記第１レンズの焦点距離よりも短いことを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
3. 前記導光体の出射端の近傍に第３レンズが設けら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。
4. 前記第１レンズと前記第２レンズの間に設けられ、前記導光体の出射端から出射された光の一部を反射するビームスプリッターと、
   前記ビームスプリッターと前記第２レンズの間に設けられ、前記ビームスプリッターを透過した光を反射するとともに、前記蛍光板からの蛍光を透過する第１ダイクロイックミラーと、
   前記ビームスプリッターで反射された光をさらに反射する反射ミラーと、
   前記第１ダイクロイックミラーを透過した蛍光をさらに透過するとともに、前記反射ミラーにより反射された光を反射するよう設けられた第２ダイクロイックミラーと、
   をさらに備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蛍光光源装置。
5. 前記蛍光板から放射される蛍光を反射する反射層が、前記蛍光板の裏面に設けられていることを特徴とする請求項４に記載の蛍光光源装置。
6. 蛍光板が透過型であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の蛍光光源装置。
   
   
   

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