JP2017156403A - 蛍光光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】出射光である白色光の周辺に黄色の照射領域が形成されることを防止した蛍光光源装置を提供する。【解決手段】蛍光光源装置１は、青色の励起光を出射するレーザ光源２と、励起光を受けて黄色の蛍光を放射する蛍光板３と、レーザ光源２からの励起光を蛍光板３に入射させる集光レンズ５と、レーザ光源２と集光レンズ５の間に配置されて、レーザ光源２からの励起光を反射または透過し、蛍光板３からの蛍光を透過または反射するダイクロイックミラー４と、を備え、ダイクロイックミラー４は、レーザ光源２からの励起光を反射する励起光反射／透過部４１と、蛍光板からの蛍光と励起光を透過する蛍光・励起光透過／反射部４２とを有し、励起光と蛍光が通る光路中に、励起光を蛍光よりも拡散する青色光拡散部材７を設ける。【選択図】図１

Description

本発明は、プロジェクター等に利用される光源装置に関し、特に、レーザ光源からの励起光を蛍光に変換する蛍光板を用いた蛍光光源装置に係わるものである。

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たが、近年、レーザダイオードなどの固体レーザ光源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、特開２０１４−１９９４０１号公報（特許文献１）には、図９に示すように、レーザダイオードなどからなる励起光を出射するレーザ光源１１と、該レーザ光源１１から出射される励起光Ａが照射されて、該励起光とは異なる波長の蛍光Ｂを出射させる蛍光板１２と、前記励起光を反射して蛍光板１２に折り返すダイクロイックミラー１３と、前記蛍光板１２に励起光を集光する集光レンズ１４と、を備えた蛍光光源装置１０が開示されている。蛍光板１２はヒートシンク１５によって放熱冷却されている。

しかして、このような蛍光光源装置においては、レーザ光源１１から青色の励起光Ａを出射し、蛍光板１２でこの励起光を黄色の蛍光に変換するとともに、青色励起光の一部を取り出して、これらを混色することで白色光を得ることができる。つまり、蛍光板１２では、励起光の一部を蛍光に変換するとともに、残りの励起光の一部をそのまま出射するものとし、ダイクロイックミラー１３を、蛍光板１２からの蛍光と、変換に利用されなかった励起光の一部を透過する形態とすることで、これらを混色して白色光を得るものである。
なお、このような使用形態の蛍光光源装置１０では、蛍光板１２の裏面に反射層を設けることで、蛍光板１２から裏側に向かう蛍光および励起光を反射して前面から効率的に出射させることができる。

ところが、このような使用形態の蛍光光源装置１０においては、ここから出射される白色光が、その周辺領域において黄色成分をそのまま保有して出射されてくることが判明した。
この現象について検討したところ、以下のような現象によるものであることを突き止めた。
図１０に模式的に示すように、蛍光板１２により変換されて出射される黄色の蛍光は拡散光であり全方位的に出射されるので、集光レンズ１４およびダイクロイックミラー１３を経て蛍光光源装置１０から出射される出射領域Ｙ（図１０Ａ）は、同じ蛍光板１２から出射される青色励起光の出射領域Ｂ(図１０Ｂ)よりも広くなり、配光分布が一致しない。
そのため、青色励起光と黄色蛍光とが重なる領域においてはこれらが混色して白色領域Ｗが得られるが、その周辺領域においては黄色成分領域Ｙが残ってしまう(図１０Ｃ)。これにより、蛍光光源装置からは、白色領域の周辺で黄色成分を保有したままで出射されてしまい、色ムラが生じるという問題があった。

特開２０１４−１９９４０１号公報

この発明が解決しようとする課題は、青色の励起光を出射するレーザ光源と、前記励起光を受けて黄色の蛍光を放射する蛍光板と、前記レーザ光源からの励起光を前記蛍光板に入射させる集光レンズと、前記レーザ光源と前記集光レンズの間に配置されて、前記レーザ光源からの励起光を反射または透過し、前記蛍光板からの蛍光を透過または反射するダイクロイックミラーと、を備えてなる蛍光光源装置において、出射光である白色光の周辺に黄色の照射領域が形成されることを防止した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、前記ダイクロイックミラーは、前記レーザ光源からの励起光を反射または透過する励起光反射／透過部と、前記蛍光板からの蛍光と励起光を透過または反射する蛍光・励起光透過／反射部とを有するものであり、前記励起光と前記蛍光が通る光路中に、前記励起光を前記蛍光よりも拡散する青色光拡散部材を設けたことを特徴とする。

また、前記青色光拡散部材は、前記ダイクロイックミラーの後方に配置されていることを特徴とする。
また、前記青色光拡散部材は、前記ダイクロイックミラーと前記集光レンズの間に配置されていることを特徴とする。
また、前記青色光拡散部材はガラス材料と、該ガラス材料中に分散されたセラミック粒子よりなり、前記セラミック粒子の粒子径が５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする。

また、前記青色光拡散部材はガラス材料と、該ガラス材料中に分散されたセラミック粒子よりなり、前記セラミック粒子の粒子径が１６０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする。
また、前記青色光拡散部材はガラス材料と、該ガラス材料中に分散されたセラミック粒子よりなり、前記セラミック粒子は、アルミナよりなることを特徴とする。

この発明の蛍光光源装置によれば、蛍光板から出射されてくる青色の励起光と、黄色の蛍光のうち、励起光が青色光拡散部材によって拡散されるので、拡散されて出射してくる蛍光の照射領域と略一致させることができ、混色された白色光の周辺に黄色成分の蛍光の照射領域が形成されて色ムラが生じることが抑制される。
また、レーザ励起光が拡散されることにより、照射密度が減少するため、安全性が高くなるという効果も得られる。

本発明の蛍光光源装置の第1の実施例を示す概略図。 図１におけるダイクロイックミラーの説明図。 青色光拡散部材の説明図。 第２の実施例の概略図。 第３の実施例の概略図。 第４の実施例の概略図。 青色光拡散部材中に分散されたセラミック粒子の粒子径と、青色光拡散度／黄色光拡散度との関係を示す図。 青色光拡散部材中に分散されたセラミック粒子の粒子径と、青色光拡散部材の透過率との関係を示す図。 従来技術の概略図。 従来技術の不具合の説明図。

図１に示されるように、本発明の蛍光光源装置１は、励起光を出射するレーザ光源２と、このレーザ光源２から出射される青色の励起光が照射されて、黄色の蛍光を出射させる蛍光板３と、前記レーザ光源２と前記蛍光板３の光路上における間に配置された集光レンズ５とを備えている。なお、この例では蛍光板３は反射型のものが示されていて、その裏面側はヒートシンク６に当接している。また、集光レンズ５は１枚とは限らず、複数枚から構成されるものであってもよい。
蛍光板３は、レーザ光源２からの励起光の一部を黄色の蛍光に変換するとともに、蛍光変換に利用されなかった残りの励起光をそのまま出射する。この蛍光および励起光の出射を効率的にするためには、蛍光板３の裏面側(ヒートシンク６側)に反射層を形成することが有利である。あるいは、反射層はヒートシンク６の蛍光板３が当接する表面側に設けてもよい。

そして、前記レーザ光源２と前記集光レンズ５の間には、ダイクロイックミラー４が配置されている。
図２に示されるように、このダイクロイックミラー４は、レーザ光源２からの青色励起光を反射する励起光反射部４１が形成されているとともに、蛍光板３からの黄色の蛍光および青色の励起光を透過する蛍光・励起光透過部４２が形成されている。なお、励起光反射部４１を蛍光透過性としてもよい。
このダイクロイックミラー４は、ガラス材料などの透光性基材４３上に誘電体多層膜４４を部分的に設けることで励起光反射部４１を形成して、上記のように構成することができる。このとき、誘電体多層膜４４による励起光反射部４１は、レーザ光源２からのレーザ光（励起光）が照射される箇所に形成される。
そして、誘電体多層膜４４による励起光反射部４１が形成されない残余の部分が蛍光・励起光透過部４２となる。

そして、光路上における前記ダイクロイックミラー４の後方には、青色光拡散部材７が配置されている。
図３に示すように、この青色光拡散部材７は、ガラス材料７１中にセラミック粒子７２が分散されたものを利用できる。
ガラス材料７１としては、石英ガラス等各種のガラスが利用でき、青色励起光や黄色蛍光を吸収しないものが好適である。そして、分散されるセラミック粒子７２はアルミナ粒子やシリカ粒子等よりなる。

その一実施形態としては、例えば、青色光拡散部材７は、ガラス（屈折率２．０）中にアルミナ粒子（平均粒径５０〜３５０ｎｍ、屈折率１．５４）を分散させたものである。この場合、ガラス材料に対するアルミナ粒子の体積比率は０．０５〜０．３％）である。
このような青色光拡散部材の作製方法は、例えば、国際公開第２０１２／０８１４４２号公報に開示されている。

上記構成において、レーザ光源２から出射された青色のレーザ光（励起光）は、ダイクロイックミラー４の励起光反射部４１に到達して、ここで反射されて集光レンズ５に向かう。励起光はこの集光レンズ５によって集光されて蛍光板３に向かう。
この蛍光板３に到達した励起光は、その一部が黄色の蛍光に変換される。この蛍光は散乱光であるので、全方位的に出射される。なお、蛍光板３の裏面側に向かう蛍光は、裏面の反射層で反射されて前面側に出射される。
そして、蛍光に変換されなかった残りの励起光も、裏面の反射層で反射されて蛍光板３の前面から出射される。

こうして蛍光板３の前面から出射した蛍光と(一部の)励起光は、ダイクロイックミラー４に向かい、ここの蛍光・励起光透過部４２を透過する。
なお、このダイクロイックミラー４における励起光反射部４１を蛍光透過性とすることもでき、その場合は、蛍光はこの励起光反射部４１も透過して出射されるので、蛍光の利用効率が高くなる。
また、蛍光板３からダイクロイックミラー４の励起光反射部４１に到達した励起光は、ここで反射されてしまい、蛍光光源装置から出射されない、“利用できない光”となる。

ダイクロイックミラー４を透過した蛍光と励起光は、青色光拡散部材７によって、青色の励起光が蛍光よりも強く拡散されて出射されるので、青色励起光と黄色蛍光の分布をそろえることができる。
また、この拡散により、蛍光光源装置からの出射光の青色レーザ光の照射密度が減少して安全性が向上する。

ここで、青色光拡散部材中に分散させるセラミック粒子の粒子径と青色拡散度／黄色拡散度の関係を調べた結果が、図７のグラフ１に示されている。
なお、ここでいう「青色拡散度」とは、蛍光光源装置の青色光拡散部材を通過した青色光（例えば、波長４５０ｎｍの光）の、青色光拡散部材から５０ｍｍの位置における照射スポット径を、青色光拡散部材がない場合の照射スポット径で除した値を指す。また、ここでいう「黄色拡散度」とは、蛍光光源装置の青色光拡散部材を通過した黄色光（例えば、波長５５０ｎｍの光）の、青色光拡散部材から５０ｍｍの位置における照射スポット径を、青色光拡散部材がない場合の照射スポット径で除した値を指す。
従って、「青色光が蛍光よりも（強く）拡散される」とは、上述の比率が1より大きいことを意味する。
グラフ１から分かるように、セラミック粒子径が、
５０ｎｍ≦[粒子径]≦３５０ｎｍ
の関係にあるとき、青色光をもっともよく拡散させ、黄色光との配光が一致する。
また、セラミック粒子径と透過率の関係を調べた結果が、図８のグラフ２に示されている。このグラフ２から分かるように、セラミック粒子径が、
１６０ｎｍ≦[粒子径]
の関係にあるとき、透過率が良好であることが分かる。
その両者、つまり、配光一致性と透過率を満足させる粒子径は、１６０ｎｍ〜３５０ｎｍである。

図４に他の実施例が示されていて、この実施例では、青色光拡散部材７が、ダイクロイックミラー４の光路上の後方、即ち、ダイクロイックミラー４と集光レンズ５の間に配置されている。この実施例の場合も、蛍光板３からの励起光と蛍光のうち、青色拡散部材７により青色の励起光が拡散されて、青色励起光と黄色蛍光の分布が揃った状態で蛍光光源装置１から出射されて出てくることは、図１の実施例と同様である。
また、上記実施例においては、青色レーザ光は、青色拡散部材７により拡散された状態で、蛍光板３に入射する。つまり、蛍光板３における励起光の照射密度が小さくなるため、蛍光板３の温度が上昇しにくくなる。その結果、蛍光板３における蛍光への変換効率が下がる現象（温度消光）が生じにくくなる。

以上説明した図１の第1実施例および図４の第２実施例では、ダイクロイックミラー４は、レーザ光源２からの励起光を反射する励起光反射部４１と、前記蛍光板３からの蛍光と励起光を透過する蛍光・励起光透過部４２とを有する実施形態である。
図５に示す第３実施例および図６に示す第４実施例では、反射と透過の関係が反対になった実施形態である。
即ち、ダイクロイックミラー４は、レーザ光源２からの励起光を透過する励起光透過部４１と、前記蛍光板３からの蛍光と励起光を反射する蛍光・励起光反射部４２とを有するものである。

図５の第３実施例においては、青色光拡散部材７は、ダイクロイックミラー４の光路上の後方、即ち、ダイクロイックミラー４によって反射された光が入射する光路上に設けられている。
ここで、レーザ光源２からの青色励起光は、ダイクロイックミラー４の励起光透過部４１を透過して、集光レンズ５を経て集光されて、蛍光板３に照射される。
この蛍光板３で変換された黄色の蛍光と(一部の)励起光は、集光レンズ５を経てダイクロイックミラー４に至り、このダイクロイックミラー４の蛍光・励起光反射部４２によって反射される。この反射された蛍光と励起光は、青色拡散部材７を透過することで、青色の励起光が黄色の蛍光よりも強く拡散されて出射されるので、青色励起光と黄色蛍光の分布が揃った状態で被照射部に照射される。

図６の第４実施例においては、青色光拡散部材７は、ダイクロイックミラー４と集光レンズ５との間に配置されている。
この実施例の場合も、蛍光板３からの励起光と蛍光のうち、青色拡散部材７によって青色の励起光がより拡散された状態でダイクロイックミラー４に至り、このダイクロイックミラー４の蛍光・励起光反射部４２によって反射されて蛍光光源装置１から出射されてくるものであって、蛍光光源装置1からの出射光が青色励起光と黄色蛍光の分布が揃った状態となることは、図５の実施例と同様である。

以上のように、ダイクロイックミラー４は、励起光を反射または透過する励起光反射／透過部を有し、蛍光と励起光を透過または反射する蛍光・励起光透過／反射部を有するものである。
なお、本明細書中において、「励起光反射／透過部」とは、励起光を反射するもしくは透過する部分という意味で使用される。そして、「蛍光・励起光透過／反射部」も同様に、蛍光と励起光を透過するもしくは反射する部分という意味で使用される。
そして、それぞれの構成が対応していて、一方が「励起光反射部」を有する場合は、他方は「蛍光・励起光透過部」を有するものであり、一方が「励起光透過部」を有する場合は、他方は「蛍光・励起光反射部」を有するものであることを意味している。

以上説明したように本発明では、青色の励起光を出射するレーザ光源と、前記励起光を受けて黄色の蛍光を放射する蛍光板と、前記レーザ光源からの励起光を前記蛍光板に入射させる集光レンズと、前記レーザ光源と前記集光レンズの間に配置されて、前記レーザ光源からの励起光を反射または透過するとともに、前記蛍光板からの蛍光と励起光を透過または反射するダイクロイックミラーと、前記励起光と前記蛍光が通る光路中に、前記励起光を前記蛍光よりも拡散する青色光拡散部材を設けたことにより、蛍光板からの蛍光と励起光のうち、励起光を拡散して蛍光との配光を一致させたので、蛍光光源装置からの白色光の周辺に黄色の蛍光が残存することがなく、特に、プロジェクター用途とした場合、見た目にすっきりとした白色光を出射することができるという効果を奏するものである。

１ 蛍光光源装置
２ レーザ光源（励起光源）
３ 蛍光板
４ ダイクロイックミラー
４１ 励起光反射／透過部
４２ 蛍光・励起光透過／反射部
５ 集光レンズ
６ ヒートシンク
７ 青色拡散部材
７１ ガラス材料
７２ セラミック粒子

Claims (6)

1. 青色の励起光を出射するレーザ光源と、前記励起光を受けて黄色の蛍光を放射する蛍光板と、前記レーザ光源からの励起光を前記蛍光板に入射させる集光レンズと、前記レーザ光源と前記集光レンズの間に配置されて、前記レーザ光源からの励起光を反射または透過し、前記蛍光板からの蛍光を透過または反射するダイクロイックミラーと、を備えてなる蛍光光源装置であって、
   前記ダイクロイックミラーは、前記レーザ光源からの励起光を反射または透過する励起光反射／透過部と、前記蛍光板からの蛍光と励起光を透過または反射する蛍光・励起光透過／反射部とを有するものであり、
   前記励起光と前記蛍光が通る光路中に、前記励起光を前記蛍光よりも拡散する青色光拡散部材を設けたことを特徴とする蛍光光源装置。
2. 前記青色光拡散部材は、前記ダイクロイックミラーの後方に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. 前記青色光拡散部材は、前記ダイクロイックミラーと前記集光レンズの間に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。
4. 前記青色光拡散部材はガラス材料と、該ガラス材料中に分散されたセラミック粒子よりなり、
   前記セラミック粒子の粒子径が５０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
5. 前記セラミック粒子の粒子径が１６０ｎｍ以上３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の蛍光光源装置。
6. 前記青色光拡散部材はガラス材料と、該ガラス材料中に分散されたセラミック粒子よりなり、
   前記セラミック粒子は、アルミナよりなることを特徴とする請求項１に記載の蛍光光源装置。
   
   
   

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