JP2018147703A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光を出射する発光素子と、前記励起光によって励起されて蛍光を放射する蛍光素子と、前記励起光を前記蛍光素子に向けて集光し、前記蛍光素子からの蛍光を平行光にする光学部材とからなる光源装置において、励起光源である発光素子の数を増やして、蛍光素子からの蛍光の光強度を大きくするとともに、蛍光照射領域における色むらが少ない光源装置を提供する。【解決手段】発光素子は、光学的に対向配置された一対の発光素子２１、２２からなり、発光素子と蛍光素子３の間には、発光素子からの励起光を蛍光素子に向けて反射し、蛍光素子からの蛍光を透過する第１および第２のダイクロイックミラー４１、４２を、Ｖ字形状をなして配設する。前記第１および第２のダイクロイックミラーの間のＶ字形状の開き角αが、直角に対して鋭角、または、鈍角に配置されている。【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、発光素子からの励起光を蛍光に変換する蛍光体を用いた光源装置に係わるものである。

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体とを有する蛍光光源装置が提案されている。

例えば、特開２０１４−１２３０１４号公報（特許文献１）には、図４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発光素子２と、該発光素子２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を出射させる蛍光素子３と、前記励起光を反射して蛍光素子３に折り返すダイクロイックミラー４と、前記蛍光素子３に励起光を集光する光学部材（集光レンズ）５と、を備えた光源装置１が開示されている。なお、蛍光素子３はヒートシンク６によって放熱冷却されている。

しかして、このような光源装置においては、出射光の強度を大きくすることが望まれており、そのためには、励起光源部の数を増やすことが必要であり、この励起光源部と、ダイクロイックミラーを対称位置に一対ずつ配置することによって実現化できる。
そのような改良例の構成が図５に示されていて、光源装置１は、左右の対称位置に配置された励起光源としての発光素子２１、２２と、この発光素子２１、２２から発する励起光Ａの一部を蛍光Ｂに変換して放射する蛍光素子３と、前記発光素子２１、２２からコリメータレンズ７１、７２を経た励起光Ａを蛍光素子３に向けて反射するとともに、前記蛍光素子３からの蛍光Ｂを透過する第１のダイクロイックミラー４１および第２のダイクロイックミラー４２と、前記励起光を蛍光素子３に向けて集光する光学部材５とからなる構成である。

かかる構成において、対向配置された一対の発光素子２１、２２からの励起光Ａは、それぞれ第１のダイクロイックミラー４１および第２のダイクロイックミラー４２によって反射されて、光学部材５によって集光されて蛍光素子３に照射される。ここで所定の波長に変換された蛍光Ｂは、光学部材５を経てダイクロイックミラー４１、４２を透過して光源装置１から出射される。
このような配置構造とすることで、励起光源部である発光素子の数を増やすことができて出射される蛍光の強度を増すことができるとともに、この励起光源を1箇所に集中させて配置しなくて済むので、その排熱が容易になるという利点がある。

しかしながら、かかる構成を採用すると、ダイクロイックミラーの反射率が１００％でないために、励起光の一部がダイクロイックミラーを通過し、通過した先にある他のダイクロイックミラーで出射側に反射される、という問題が生じることがわかった。
図５には、その形態も示されていて、第１の発光素子２１からの励起光Ａの一部Ｃが第１のダイクロイックミラー４１を透過して、対向する第２のダイクロイックミラー４２によって反射されていく態様が示されている。
なお、図５においては、煩雑さを避ける意味で、第１の発光素子２１からの励起光の一部が第１のダイクロイックミラー４１を透過する態様のみが示されているが、他方の第２の発光素子２２からの励起光についても同様である。
このようにダイクロイックミラー４１、４２を透過してしまう励起光（迷光）Ｃは、蛍光素子で拡散されることなく出力されるため、輝度が高く、蛍光素子から出射された蛍光スポットの中で、小さなスポットとして視認されてしまう。つまり、光源装置から出射された蛍光照射領域おいて、色むらが生じてしまうという不具合がある。

特開２０１４−１２３０１４号公報

この発明が解決しようとする課題は、励起光を出射する発光素子と、前記励起光によって励起されて蛍光を放射する蛍光素子と、前記励起光を前記蛍光素子に向けて集光し、前記蛍光素子からの蛍光を平行光にする光学部材とからなる光源装置において、励起光源である発光素子の数を増やして、蛍光素子からの蛍光の光強度を大きくするとともに、蛍光照射領域における色むらが少ない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、この発明に係る光源装置は、発光素子が、光学的に対向配置された一対の発光素子からなり、該発光素子と蛍光素子の間には、前記発光素子からの励起光を前記蛍光素子に向けて反射し、前記蛍光素子からの蛍光を透過する第１および第２のダイクロイックミラーがＶ字形状をなして配設され、前記第１および第２のダイクロイックミラーの間のＶ字形状の開き角が、直角に対して鋭角、または、鈍角に配置されていることを特徴とする。
また、前記開き角は、８８度以下の鋭角、または、９２度以上の鈍角であることことを特徴とする。
また、前記光学部材は、前記第１および第２のダイクロイックミラーと前記蛍光素子の間に設けられた共通の光学部材であることを特徴とする。

この発明の光源装置によれば、一対の発光素子に対応する第1および第２のダイクロイックミラーの間のＶ字形状の開き角が、鋭角または鈍角に配置されているので、一方の発光素子から出射されて一方の第１のダイクロイックミラーを透過した励起光（迷光）が、対向する他方の第２のダイクロイックミラーによって反射されても、その反射励起光が、蛍光素子から出射されて第１および第２のダイクロイックミラーを透過する蛍光の照射領域外に向かうので、色むらを生じることがない。

本発明の光源装置を示す概略図。 他の実施例の概略図。 本願発明の励起光の挙動図。 従来技術の概略図。 従来技術の改良例の概略図。

図１に示されるように、本発明の光源装置１は、基本的な配置関係は、図５に示す従来技術と同様である。
即ち、励起光を放射する第１および第２の発光素子（励起光源）２１、２２が一対対向配置されていて、この励起光の光線上には、一対の第１のダイクロイックミラー４１と第２のダイクロイックミラー４２がＶ字状となるように配設されている。
そして、前記ダイクロイックミラー４１、４２の下方には共通する１つのレンズからなる集光光学部材５が設けられ、さらにその下方には、ヒートシンク６上に載置された蛍光素子３が配置されている。
発光素子２１、２２は例えば青色光（例えば、波長が４３０〜４７０ｎｍの光）を発する半導体レーザやＬＥＤなどからなる。

また、蛍光素子３は、例えば、ＹＡＧ系の結晶材料である蛍光体を酸化アルミ等と混晶して形成されたプレート状の多結晶体である。また、蛍光素子３は、粉末の蛍光体を、シリコーン等のバインダー等に混入し、基材に塗布して形成してもよい。そして、蛍光素子３は、入射された光が集光光学部材５に向けて反射するように、ヒートシンク６側の面に誘電体多層膜からなる反射膜を備えている。
ここで、光学部材５は、一方の第１の発光素子２１からの励起光と、他方の第２の発光素子２２からの励起光の両者をともに集光する共通した１つの光学部材として構成されることが好適である。こうすることで、部品点数の減少が図れる。

前記発光素子２１、２２から出射された励起光Ａは、第１および第２のコリメートレンズ７１、７２を介して平行光とされ、それぞれ第１のダイクロイックミラー４１と第２のダイクロイックミラー４２によって反射され、光学部材５によって集光されて蛍光素子３に照射される。
この蛍光素子３において、励起光である青色光の一部が、例えば、波長が５２５〜５７５ｎｍにピークを持ち、４５０〜８００ｎｍにかけて広い可視域のスペクトルを持った黄緑光に変換される。
こうして蛍光素子３で変換された蛍光Ｂは、光学部材５によって平行光とされて第１および第２のダイクロイックミラー４１、４２に至り、ここを透過して上方に出射されるものである。

上記構成において、一対の第１のダイクロイックミラー４１と第２のダイクロイックミラー４２は、そのＶ字状の開き角αが９０°よりも小さくなる（α＜９０°）ように配置されている。つまり、開き角αが、直角に対して鋭角となるように配置されている。
そして、発光素子２１、２２からの励起光Ａのダイクロイックミラー４１、４２に対する入射角度は、このダイクロイックミラー４１、４２からの反射光が、光学部材５の光軸と平行になるような角度とされている。これについては、図３を用いて後述する。

このような配置とすることで、発光素子２１からの励起光Ａの一部が第１のダイクロイックミラー４１を透過して迷光Ｃとなっても、その迷光Ｃは、対向配置された第２のダイクロイックミラー４２によって反射され、蛍光素子３から出射されて第１および第２のダイクロイックミラー４１、４２を透過する蛍光Ｂの照射領域外に向かうことになる。
なお、他方の発光素子２２からの励起光に関しても同様である。

図２に示す他の実施例では、第１のダイクロイックミラー４１と第２のダイクロイックミラー４２の開き角αが、９０°より大きくなる（α＞９０°）ように配置されている。つまり、開き角αが、直角に対して鈍角となるように配置されている。
この実施例でも、ダイクロイックミラー４１を透過した励起光Ａの一部の迷光Ｃは、対向配置された第２のダイクロイックミラー４２によって反射されて、蛍光Ｂの照射領域外に向かうことになる。

なお、上記図１および図２の実施例では、一対の発光素子２１、２２は第１および第２のダイクロイックミラー４１、４２を介して文字通りに対向配置されているが、これに限られず、発光素子２１、２２からの励起光が、反射ミラーを介してダイクロイックミラー４１、４２に入射する形態であってもよい。
このように、一対の発光素子２１、２２は、文字通りの対向配置に限られず、光学的に対向配置されていればよい。つまり、この発光素子２１、２２からの励起光が、最終的にはＶ字状配置された一対のダイクロイックミラー４１、４２に対して、対向方向から入射する位置関係にあればよく、このダイクロイックミラー４１、４２で共に蛍光素子３に向けて反射されるような配置関係にあればよい。

ここで図３を参照して、Ｖ字状に配置されたダイクロイックミラー４１、４２の開き角αが鋭角の場合（α＜９０°）について、励起光Ａの第１のダイクロイックミラー４１に対する入射角度について説明する。
第１のダイクロイックミラー４１によって反射されて光学部材に向かう励起光Ａは、該光学部材の光軸Ｘに平行とするので、そのために励起光Ａは、ダイクロイックミラー４１に対してα／２の角度を持って入射すればよい。より光学的に厳密にいえば、ダイクロイックミラー４１への入射角γは、γ＝９０°−α／２であればよい。
これにより、第１のダイクロイックミラー４１を透過した励起光（迷光）Ｃは、第２のダイクロイックミラー４２によって反射されて、蛍光Ｂの照射領域外に向かうことになる。

通常、プロジェクターに蛍光が取り込まれる角度は、平行光から±４°未満とされていることから、換言すれば、取り込まれない範囲は、平行光から±４°以上の傾きをもったものである。
以下、ダイクロイックミラー４１、４２の開き角αが、鋭角の場合（α＜９０°）について検証する。
図３からみて、第１のダイクロイックミラー４１を透過して第２のダイクロイックミラー４２に至る励起光（迷光）Ｃは、該第２のダイクロイックミラー４２となす角度βで入射する。
この角度βは、
β＝１８０−（３／２）α
で表される。
一方、第２のダイクロイックミラー４２で反射された迷光Ｃと光軸Ｘとのなす角度θは、
θ＝β−α／２
で表され、これをもとに計算すると、
θ＝｛１８０−（３／２）α｝−α／２
＝１８０−２α
となる。

この角度θが、±４°未満であると、プロジェクターに取り込まれ、±４°以上であると取り込まれないとされていることから、
θ≧４
のときに、第２のダイクロイックミラー４２からの反射励起光（迷光）Ｃは、プロジェクターに取り込まれない。
ここから、１８０−２α≧４であり、α≦８８°となる。
つまり、一対の第１のダイクロイックミラー４１と第２のダイクロイックミラー４２の開き角αが８８°以下であれば、反射迷光Ｃがプロジェクターに取り込まれることがない。

同様に、開き角αが鈍角（α＞９０°）の場合については、α≧９２°であれば、反射迷光Ｃがプロジェクターに取り込まれることがないことは容易に理解できる。

以上説明したように、本発明に係る光源装置は、光学的に対向配置された一対の発光素子と、蛍光素子の間には、前記発光素子からの励起光を前記蛍光素子に向けて反射し、前記蛍光素子からの蛍光を透過する第１および第２のダイクロイックミラーがＶ字形状をなして配設され、前記第１および第２のダイクロイックミラーの間のＶ字形状の開き角が、直角に対して鋭角、または、鈍角に配置されていることにより、発光素子から出射され一方のダイクロイックミラーを透過した一部の励起光が、対向配置された他のダイクロイックミラーによって反射されても、その反射光が、蛍光素子からの蛍光の出射領域に向かうことなく、出射領域外に向かうので、色むらを生じることがない。

１ 光源装置
２１ 第１の発光素子（励起光源）
２２ 第２の発光素子（励起光源）
３ 蛍光素子
４１ 第１のダイクロイックミラー
４２ 第２のダイクロイックミラー
５ 光学部材
６ ヒートシンク
７１ 第１のコリメートレンズ
７２ 第２のコリメートレンズ
Ａ 励起光
Ｂ 蛍光
Ｃ 迷光（励起光）
α 第１および第２のダイクロイックミラーの開き角

Claims (3)

1. 励起光を出射する発光素子と、前記励起光によって励起されて蛍光を放射する蛍光素子と、前記励起光を前記蛍光素子に向けて集光し、前記蛍光素子からの蛍光を平行光にする光学部材とからなる光源装置であって、
   前記発光素子は、光学的に対向配置された一対の発光素子からなり、
   前記発光素子と前記蛍光素子の間には、前記発光素子からの励起光を前記蛍光素子に向けて反射し、前記蛍光素子からの蛍光を透過する第１および第２のダイクロイックミラーがＶ字形状をなして配設され、
   前記第１および第２のダイクロイックミラーの間のＶ字形状の開き角が、直角に対して鋭角、または、鈍角に配置されている、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記開き角は、８８度以下の鋭角、または、９２度以上の鈍角であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光学部材は、前記第１および第２のダイクロイックミラーと前記蛍光素子の間に設けられた共通の光学部材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
   
   
   

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