JP2019012263A - 光源装置、及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】固体光源からの励起光で蛍光発光する光源装置の蛍光体変換効率の改善を図る。【解決手段】本開示の光源装置は、Ｐ偏光の励起光Ｅを出射する半導体レーザと、励起光によって発光する蛍光体７３が設けられた蛍光体ホイール７０と、半導体レーザと蛍光体ホイールとの間に配置され、Ｐ偏光の励起光Ｅを透過し、Ｓ偏光の励起光、及び蛍光Ｆ１，Ｆ２を反射するダイクロイックミラー６１と、ダイクロイックミラーと蛍光体ホイールとの間に配置され、往復して透過することによりＰ偏光の励起光ＥをＳ偏光の励起光に変換する位相差板６２と、蛍光Ｆ１，Ｆ２を透過し励起光Ｅ１を反射する光学フィルタ領域を有する光学フィルタ８０と、ダイクロイックミラーで反射されたＳ偏光の励起光と蛍光Ｆ１，Ｆ２を光学フィルタに導き、光学フィルタで反射した励起光Ｅ２をダイクロイックミラーに戻して蛍光体を照射するように導く全反射ミラー６３とを備える。【選択図】図３

Description

本開示は、光源装置、及び投写型映像表示装置に関する。

従来、プロジェクタ用の光源としては高輝度の高圧水銀ランプが使用されてきた。これら高圧水銀ランプでは、瞬時点灯ができないことや光源寿命が短いためメンテナンスが煩雑になる課題があった。一方で、近年の固体発光素子（例えば、半導体レーザ、発光ダイオードなど）開発技術の進展に伴い、映像表示装置の光源として、これら固体光源を用いることが提案されている（例えば、特許文献１及び２）。各々の特許文献で提案されるプロジェクタは、レーザ光源と、レーザ光源で励起して発光する蛍光とで構成する光源装置を備える。

特許文献１で提案される光源装置は、励起光源を兼ねる青色レーザ光源（半導体レーザ）と、回転する基材にセグメント分けした複数の蛍光体を塗布する蛍光体ホイールと、蛍光体ホイールを出射する蛍光を所望の色光にトリミングするカラーホイールを備え、時分割に色光を出射する。

特許文献２で提案される光源装置は、励起光源を兼ねる青色レーザ光源（半導体レーザ）と、回転基材にセグメント分けしない蛍光体を塗布する蛍光体ホイールを備え、励起光源の一部を蛍光と共に出射することで、白色光を出射する。

特開２０１４−１６０２２７号公報 特開２０１２−９８４４２号公報

本開示は、固体光源素子で蛍光体を励起してその発光を用いる光源装置及び投写型映像表示装置において、励起光の蛍光変換効率を改善し、高輝度な光を得ることができる、光源装置及び投写型映像表示装置を提供する。

本開示の光源装置及び投写型映像表示装置は、固体光源と、蛍光板と、ダイクロイックミラーと、位相差板と、光学フィルタと、を備える。固体光源は、第１の直線偏光の励起光を出射する。蛍光板は、基板と、基板に設けられた全反射コートと、全反射コート上に設けられ励起光によって蛍光を発光する蛍光体と、を備える。ダイクロイックミラーは、固体光源と蛍光板との間に配置され、固体光源からの第１の直線偏光の励起光を透過し、第１の直線偏光の励起光とは直交関係にある第２の直線偏光の励起光、及び蛍光を反射する。位相差板は、ダイクロイックミラーと蛍光板との間に配置され、往復して透過することにより第１の直線偏光の励起光を第２の直線偏光の励起光に変換する。光学フィルタは、ダイクロイックミラーで反射された蛍光を透過し、ダイクロイックミラーで反射された第２の直線偏光の励起光を、前記ダイクロイックミラーを介して前記蛍光体に導くように反射する光学フィルタ領域を有する。

本開示に係る光源装置を用いることで、高輝度な光源装置及び投写型映像表示装置を実現できる。

実施の形態１に係る投写型映像表示装置の構成図 実施の形態１に係る蛍光板の構成図 実施の形態１に係る蛍光変換光路を示す説明図 実施の形態２に係る投写型映像表示装置の構成図 実施の形態２に係る蛍光板の構成図 実施の形態２に係るカラーフィルタホイールの構成図

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

また、以下、本開示の実施の形態に係る光源装置及び投写型映像表示装置の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

以下の実施の形態では、本開示に係る光源装置の一例として投写型映像表示装置の光源装置を挙げて説明するが、本開示の光源装置を用いる機器としてこれに限定されるものではなく、例えばヘッドランプなどの照明機器であってもよい。

［実施の形態１］
以下において、実施の形態１に係る投写型映像表示装置について、図１〜図３を参照しながら説明する。

（投写型映像表示装置）
図１は、実施の形態１に係る投写型映像表示装置１００のうち、特にその光学構成を示す図である。本実施の形態の投写型映像表示装置１００は、映像信号に応じて光を変調する、１つの空間変調素子であるＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）４１を搭載した投写型映像表示装置である。

投写型映像表示装置１００は、図１に示すように、光源２０、蛍光体ホイール７０及び光学フィルタ８０を含む光源装置１０と、光源装置１０の出射光を空間変調素子であるＤＭＤ４１に照明する照明装置１１と、映像表示部１２と、映像表示部１２で生成された映像光（画像）をスクリーン（不図示）へ投写する投写部１３とを備える。光源装置１０は、各色の基準光を出射する。照明装置１１は、各色の基準光を映像表示部１２に導く。ここで、基準光とは、空間変調素子によって映像信号に応じて変調される色光を言う。

本実施の形態の投写型映像表示装置１００の特徴は、光源装置１０が、半導体レーザ２１と、ダイクロイックミラー６１と、全反射ミラー６３と、位相差板６２と、蛍光体７３と、反射膜９１と、光学フィルタ８０とを有する点である。半導体レーザ２１は、第１の直線偏光であるＰ偏光の励起光を出射するレーザ光源である。ダイクロイックミラー６１は、Ｐ偏光の励起光を透過し、Ｐ偏光と直交関係にある第２の直線偏光であるＳ偏光の励起光、及び無偏光の蛍光を反射する。全反射ミラー６３は、励起光と蛍光を反射する。位相差板６２は、Ｐ偏光の励起光を円偏光に変換する。蛍光体７３は、励起光であるレーザ光によって励起されて蛍光を出射する。反射膜９１は、蛍光と励起光を反射する。光学フィルタ８０は、蛍光の波長領域を所望の領域にトリミングするダイクロイック膜を備える。

本実施の形態において、半導体レーザ２１は、半導体レーザ２１の出射光を略平行光化するコリメータレンズ２２とともに光源２０を構成する。半導体レーザ２１は固体光源の一例である。

本実施の形態において、光源２０は、高出力の基準光を得るため、複数の光源がアレイ状に配置されたアレイ光源２３を構成し、また、光源２０を冷却する冷却系として、例えば、強制空冷のヒートシンク（図示しない）を背面に備える。

本実施の形態において、レーザ光によって励起されて蛍光を出射する蛍光体７３が、例えば、図２に示す蛍光体ホイール７０の透明基材７１の蛍光体領域７３ａ、７３ｂに設けられている。

本実施の形態において、光学フィルタ８０は、図２に示すように、反射膜９１の内周側に設けられている。この光学フィルタ８０は、蛍光の一部の波長領域を反射して、所望の色光を実現する所望の波長領域を透過すること及び、未変換の励起光の波長領域を反射し、再度蛍光体に照射させるために設けられている。

（光源装置及び照明装置）
光源装置１０の光源２０は、Ｐ偏光の光を出射するように配置された複数の半導体レーザ２１と、半導体レーザ２１の出射光を略平行な光に集光するコリメータレンズ２２をそれぞれに備えて構成される。本実施の形態では、半導体レーザ２１としてＲＧＢの３原色の中で最も発光効率の高い青色のレーザ光（例えば、波長４５５ｎｍ）を使用する。

光源２０より出射した光は、拡散板６０を透過して、第１の直線偏光であるＰ偏光の励起光を透過するダイクロイックミラー６１を透過し、位相差板６２によりＰ偏光が円偏光に変換される。円偏光に変換された励起光はレンズ３１、３２で構成されるコリメータレンズ群で集光され、蛍光体ホイール７０上の蛍光体７３及び反射膜９１に照射される。拡散板６０は、光源２０からの光の干渉性を低減させる効果を有している。

ここで、光源２０を出射する青色光は、蛍光体ホイール７０で反射され青色画像を生成する映像光であるとともに、蛍光体ホイール７０で蛍光を発光する励起光Ｅである。蛍光体７３は、光源２０より入射する励起光Ｅにより、励起光Ｅとは異なる波長帯を有する蛍光Ｆを発光する。

蛍光体ホイール７０を出射する励起光Ｅ及び蛍光Ｆは、レンズ３１とレンズ３２で構成されるコリメータレンズ群で略平行光化された後、再び位相差板６２に照射される。蛍光は偏光を持たないため、位相差板６２による偏光の変換は行われず透過する。偏光を持たない蛍光はダイクロイックミラー６１と、全反射ミラー６３で反射され、レンズ３３によって集光されて光学フィルタ８０に照射される。このように蛍光体ホイール７０を出射する光が、光学フィルタ８０に略垂直に入射する構成としている。

励起光Ｅ及び光学フィルタ８０で所望の色光にトリミングされた蛍光Ｆは、光学フィルタ８０を出射したのち、ロッドインテグレータ３４に入射する。

ロッドインテグレータ３４から出射された光は、レンズ３５、レンズ３６、レンズ３７によってリレーされて、照明装置１１からの出射光となって、映像表示部１２に入射する。

（蛍光体ホイール）
図２を用いて、蛍光体ホイール７０の構成を説明する。図２の（ａ）は図１と同じ方向から見た蛍光体ホイール７０の側面断面図であり、図２の（ｂ）は図２の（ａ）の右側から見た蛍光体ホイール７０の正面図である。蛍光体ホイール７０は、図２の（ａ）に示すように、透明基材７１と、透明基材７１上に設けられた円環状の反射膜９１、反射膜９１の内周側に設けられた光学フィルタ８０、反射膜９１上に設けられた蛍光体７３、モータ７４と、で構成される。モータ７４は、円盤状の透明基材７１を回転駆動する。蛍光体ホイール７０は蛍光板の一例であり、透明基材７１は基板の一例であり、反射膜９１は全反射コートの一例である。

透明基材７１は、モータ７４の駆動部７４ａに取付け部７４ｂを介して取り付けられており、図示しない制御部によって回転制御される。取付け部７４ｂは、例えば、透明基材７１をハブと抑え部材で挟み込んでネジ固定する構成である。

透明基材７１は、円盤状をした透明の基材であり、例えば、熱伝導率の高いサファイア基板で構成される。透明基材７１の光入射面には円環状に蛍光Ｆと励起光Ｅを反射する反射膜９１を備える。円環状の反射膜９１の表面は、図２の（ｂ）に示すように、３つの領域（蛍光体領域７３ａ、蛍光体領域７３ｂ、光拡散領域７３ｃ）に分割されている。

蛍光体領域７３ａには、波長約４５５ｎｍの青色光の励起によって主波長が約５７０ｎｍの黄色の蛍光を発光する蛍光体が、透明基材７１に対して、透明基材７１の回転中心を中心とする扇形形状に塗布されている。

蛍光体領域７３ｂには、波長約４５５ｎｍの青色光の励起によって主波長が約５５０ｎｍの緑色の蛍光を発光する蛍光体が、透明基材７１に対して、透明基材７１の回転中心を中心とする扇形形状に塗布されている。

蛍光体領域７３ａは、黄色蛍光体Ｐｙと透明バインダＢによって構成され、蛍光体領域７３ｂは、緑色蛍光体Ｐｇと透明バインダＢによって構成される。黄色蛍光体Ｐｙとしては、例えば、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ_３ ^＋である。緑色の蛍光体Ｐｇとしては、例えば、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ_３ ^＋である。透明バインダＢとしては、例えば、シリコーン樹脂である。

光拡散領域７３ｃは、照射される励起光Ｅが波長及び偏光を変えることなく拡散反射する。なお、光拡散領域７３ｃには、透明バインダＢと拡散反射材料を混合した拡散塗料が、反射膜９１上に、透明基材７１の回転中心を中心とする扇形形状に塗布されている。

励起光Ｅである青色光は、蛍光体ホイール７０に図２の（ａ）の右面から入射して、蛍光体ホイール７０の回転に対応して、蛍光体領域７３ａ、蛍光体領域７３ｂ、光拡散領域７３ｃを照射する。

ここで、蛍光体ホイール７０は、上述した３つの領域、蛍光体領域７３ａ、蛍光体領域７３ｂ、光拡散領域７３ｃが、１フレーム（例えば、１／６０秒）で回転するように構成されている。

すなわち、蛍光体ホイール７０に照射される光は、１フレームに相当する時間で、蛍光体領域７３ａの第１セグメント、蛍光体領域７３ｂの第２セグメント、光拡散領域７３ｃの第３セグメントと順番に照射され、蛍光を発光し又は反射される。言い換えれば、１フレームに相当する時間で蛍光体ホイール７０が一回転するように、モータ７４の回転速度が制御される。

蛍光体領域７３ａ、及び、蛍光体領域７３ｂに入射した励起光Ｅは、蛍光体Ｐｙ、及び、蛍光体Ｐｇを励起して、黄色蛍光Ｆｙ、及び、緑色蛍光Ｆｇをそれぞれ等方的に発光する。励起発光した黄色蛍光Ｆｙ、及び、緑色蛍光Ｆｇのうち、励起光Ｅの進行方向に発光した成分は、反射膜９１で全反射されて、励起光Ｅの進行方向とは逆方向に発光した成分とともに、励起光Ｅの進行方向とは逆方向に出射する。光拡散領域７３ｃに入射した励起光Ｅは、波長及び偏光を変えることなく、励起光Ｅの進行方向とは逆方向に光拡散される。

蛍光体ホイール７０における第１、第２セグメントに照射された励起光Ｅは、黄色蛍光Ｆｙ，及び、緑色蛍光Ｆｇに変換される。また、第３セグメントに照射された励起光Ｅは波長を変えることなく、励起光Ｅの進行方向とは逆方向に出射され、レンズ３２、レンズ３１によって略平行光化されて、位相差板６２を透過する。位相差板６２を透過することにより、光拡散領域７３ｃの光拡散面で拡散反射された励起光Ｅは、円偏光から入射時の励起光Ｅと直交関係にある第２の直線偏光であるＳ偏光の光に変換される。

位相差板６２を透過した無偏光の蛍光Ｆ及びＳ偏光の励起光Ｅは、ダイクロイックミラー６１で反射され、励起光Ｅと蛍光Ｆを全反射する全反射ミラー６３とレンズ３３により光学フィルタ８０に照射される。

（光学フィルタ）
図２を用いて、光学フィルタ８０の構成を説明する。光学フィルタ８０は、図２の（ｂ）に示すとおり、４つのセグメントを有している。第１のセグメントである光学フィルタ領域８０ａ及び第３のセグメントである光学フィルタ領域８０ｃは、波長４８０ｎｍ以上の可視域で高透過、かつ、波長４８０ｎｍ以下の可視域で高反射のカラーフィルタによって構成されている。第２セグメントである光学フィルタ領域８０ｂは、波長６００ｎｍ以上の可視域で高透過、かつ、波長６００ｎｍ以下の可視域で高反射のカラーフィルタによって構成されている。第４セグメントである青色透過領域８０ｄは、反射防止膜を有し、光拡散領域７３ｃにより拡散された励起光Ｅを透過する。各セグメントは、透明基材７１の回転中心を中心とする扇形になるように形成されている。

蛍光体ホイール７０における蛍光体領域７３ａから出射される黄色蛍光Ｆｙは、光学フィルタ８０における光学フィルタ領域８０ａ及び光学フィルタ領域８０ｂに入射するように、光源装置１０は光束を導く光学構成を有する。

よって、蛍光体領域７３ａの角度と、光学フィルタ領域８０ａ及び光学フィルタ領域８０ｂの角度の和は、同一になるように設定されている。蛍光体領域７３ａを出射した黄色蛍光Ｆｙは、光学フィルタ領域８０ａを透過する場合には、波長４８０ｎｍ以下の可視光を反射して、波長４８０ｎｍ以上の可視光を透過して、黄色基準光Ｌｙを生成する。蛍光体領域７３ａを出射した黄色蛍光Ｆｙは、光学フィルタ領域８０ｂを透過する場合には、波長６００ｎｍ以下の可視光を反射して、波長６００ｎｍ以上の可視光を透過して、赤色基準光Ｌｒを生成する。

蛍光体ホイール７０における蛍光体領域７３ｂから出射される緑色蛍光Ｆｇは、光学フィルタ領域８０ｃに入射するように、光源装置１０は光束を導く光学構成を有する。よって、蛍光体領域７３ｂの角度と、光学フィルタ領域８０ｃの角度は、同一になるように設定されている。蛍光体領域７３ｂを出射した緑色蛍光Ｆｇは、光学フィルタ領域８０ｃを透過する場合には、波長４８０ｎｍ以下の可視光を反射して、波長４８０ｎｍ以上の可視光を透過して、緑色基準光Ｌｇを生成する。

蛍光体ホイール７０における光拡散領域７３ｃにて拡散反射された励起光Ｅは、光学フィルタ８０における青色透過領域８０ｄに入射するように、光源装置１０は光束を導く光学構成を有する。よって、光拡散領域７３ｃの角度と、青色透過領域８０ｄの角度は、同一になるように設定されている。光拡散領域７３ｃを反射した励起光Ｅは、青色透過領域８０ｄを透過して、青色基準光Ｌｂを生成する。

（映像表示部及び投写系）
映像表示部１２は、照明装置１１から照射される光を受けて映像を生成する装置であって、図１に示すように、全反射プリズム４２と空間変調素子である１枚のＤＭＤ４１で構成される。

全反射プリズム４２は、入射角によって光を全反射する面４２ａを有しており、照明装置１１より入射した光をＤＭＤ４１へ導く。ＤＭＤ４１は、可動式のマイクロミラーを複数有しており、図示しない制御部によって、それぞれに入射する各色基準光のタイミングに合わせて、かつ、入力される映像信号に応じて制御される。ＤＭＤ４１によって変調された光は、全反射プリズム４２を透過して投写部１３の投写レンズ５０へ導かれる。

投写部１３は、投写レンズ５０を有し、投写レンズ５０は、時間的に合成された映像光を、スクリーンへ投写する。

（蛍光変換光路）
図３を用いて、本実施の形態における光源装置１０の蛍光変換光路について説明する。図３は、図１の光源装置１０のうちの光源２０等を除く蛍光変換部の構成を拡大して示す概念図である。蛍光変換部は、主に、蛍光体ホイール７０と、ダイクロイックミラー６１と、全反射ミラー６３と、位相差板６２とで構成される。

励起光源である光源２０を出射した励起光Ｅは、ダイクロイックミラー６１、位相差板６２、レンズ３１、３２を透過して蛍光体ホイール７０の蛍光体７３に入射する。入射した励起光Ｅの一部は蛍光体７３で吸収されて、所定の蛍光変換効率で一部が蛍光Ｆ１となって蛍光体７３を出射し、残りは熱に変換される。また、蛍光体７３で吸収されない励起光Ｅは、未変換励起光Ｅ１として蛍光体ホイール７０の反射膜９１で反射される。

蛍光体７３を出射した蛍光Ｆ１と未変換励起光Ｅ１は、レンズ３２、レンズ３１、位相差板６２を透過し、ダイクロイックミラー６１、全反射ミラー６３で反射し、レンズ３３を透過した後、光学フィルタ８０に入射する。

光学フィルタ８０に入射した蛍光Ｆ１は、光学フィルタ８０で一部波長帯域の光を透過してその他の波長帯域の光を反射したトリミング光Ｇ１として、光学フィルタ８０を出射する。

光学フィルタ８０に入射した未変換励起光Ｅ１は、光学フィルタ８０で反射されて戻り未変換励起光Ｅ２となり、再び、レンズ３３、全反射ミラー６３、ダイクロイックミラー６１、位相差板６２、レンズ３１、レンズ３２、によって、蛍光体ホイール７０の蛍光体７３に導かれ入射する。

再度、蛍光体７３に入射した戻り未変換励起光Ｅ２の一部は、蛍光体７３で吸収されて、所定の蛍光変換効率で一部が蛍光Ｆ２となって蛍光体７３を出射し、残りは熱に変換される。

蛍光体７３を出射した蛍光Ｆ２は、レンズ３２、レンズ３１、位相差板６２を透過し、ダイクロイックミラー６１、全反射ミラー６３で反射し、レンズ３３を透過した後、光学フィルタ８０に入射する。

光学フィルタ８０に入射した蛍光Ｆ２は、光学フィルタ８０で一部波長帯域の光を透過してその他の波長帯域の光を反射したトリミング光Ｇ２として、光学フィルタ８０を出射する。

ここで、蛍光体ホイール７０の出射光を光学フィルタ８０に入射させる、レンズ３２、レンズ３１、位相差板６２、ダイクロイックミラー６１、全反射ミラー６３、レンズ３３で構成される光学系は、蛍光体ホイール７０の出射面から光学フィルタ８０の入射面に対して共役に構成される。よって、未変換励起光Ｅ１と戻り未変換励起光Ｅ２は、蛍光体ホイール７０を出射して蛍光体ホイール７０に再度入射する際に、ほぼ等しい光路を通過する。

本実施の形態においては、蛍光体領域７３ａに入射した励起光Ｅは、蛍光Ｆ１として黄色蛍光Ｆｙを出射し、光学フィルタ領域８０ａを透過する際にはトリミング光Ｇ１として黄色基準光Ｌｙを生成し、光学フィルタ領域８０ｂを透過する際にはトリミング光Ｇ１として赤色基準光Ｌｒを生成する。

蛍光体領域７３ａで吸収されない未変換励起光Ｅ１は、光学フィルタ領域８０ａ及び光学フィルタ領域８０ｂで反射して戻り未変換励起光Ｅ２となり、再度、蛍光体領域７３ａに入射する。蛍光体領域７３ａに入射した戻り未変換励起光Ｅ２は、蛍光体領域７３ａで再度吸収され、蛍光Ｆ２として黄色蛍光Ｌｙを出射する。蛍光体領域７３ａを出射した黄色蛍光Ｌｙは、光学フィルタ領域８０ａを透過する際にはトリミング光Ｇ２として黄色基準光Ｌｙを生成し、光学フィルタ領域８０ｂを透過する際にはトリミング光Ｇ２として赤色基準光Ｌｒを生成する。

また、蛍光体領域７３ｂに入射した励起光Ｅは、蛍光Ｆ１として緑色蛍光Ｆｇを出射し、光学フィルタ領域８０ｃを透過する際にトリミング光Ｇ１として緑色基準光Ｌｇを生成する。蛍光体領域７３ｂに入射した励起光Ｅのうち蛍光体領域７３ｂで吸収されなかった励起光（未変換励起光Ｅ１）は、光学フィルタ領域８０ｃで反射されて、再度蛍光体領域７３ｂに入射して蛍光Ｆ２として緑色蛍光Ｆｇを出射し、光学フィルタ領域８０ｃを透過する際にはトリミング光Ｇ２として緑色基準光Ｌｇを生成する。

光拡散領域７３ｃに入射した励起光Ｅは、光拡散領域７３ｃで反射され、光学フィルタ８０の光透過領域である青色透過領域８０ｄを透過して青色基準光Ｌｂを生成する。

ここで、蛍光体ホイール７０に備える蛍光体７３は、入射する励起光Ｅのうち所定の割合の光を透過するように蛍光体７３の膜厚、及び、濃度が調整される。

（効果）
固体発光素子を用いて蛍光体を励起することによって基準光を得る光源装置においては、励起光を蛍光に変換する蛍光変換効率が高いことが求められる。ここで、蛍光を発光する蛍光体は、固体発光素子を出射した励起光が光学系を通して蛍光板上の蛍光体層に照射されて、蛍光体層に分散された蛍光体（蛍光体結晶、粒子）が励起光を吸収することにより、発生した蛍光を等方的に放出する。蛍光変換効率を高くするためには、蛍光体による励起光の吸収量を増やすため、蛍光体層の濃度を上げる、蛍光体層の厚みを増やす方法が考えられるが、同時に蛍光体層の温度が上昇して、十分な効果を得ることができない課題があった。

これに対して、本実施の形態の光源装置１０は、光学フィルタ８０が励起光の波長の光を反射する膜を有する領域（光学フィルタ領域８０ａ〜８０ｃ）を備え、かつ、蛍光体ホイール７０の蛍光体７３から光学フィルタ８０の光学系が共役に構成される。これにより、蛍光体ホイール７０の蛍光体層にて吸収されず反射される未変換励起光を光学フィルタ８０で反射して再度、蛍光体ホイール７０の蛍光体層に導くことが可能となり、より多くの励起光を蛍光に変換することができ、光源装置の高輝度化が可能となる。

また、励起光を吸収するために必要な蛍光体７３の厚みを薄くすることが可能となり、蛍光体７３の温度が低下して変換効率が改善し、光源装置の高輝度化が可能となる。

［実施の形態２］
図４は、本開示の実施の形態２に係る投写型映像表示装置１０１の構成を示す図である。投写型映像表示装置１０１は、図４に示すように、光源装置１１１と、照明装置１１と、映像表示部１２と、投写部１３とを備える。照明装置１１、映像表示部１２及び投写部１３は、実施の形態１の投写型映像表示装置１００と同様である。また、以下において、図１と同一構成部分については同一の符号を付し詳細な重複説明は省略し、実施の形態１に対する相違点について、主に説明する。

実施の形態１の光源装置１０は、蛍光体ホイール７０の回転軸側（反射膜９１とモータ７４との間）に光学フィルタ８０を配置した構成の例であり、光学系を小型化するのに有効な手段である。これに対して実施の形態２の光源装置１１１は、蛍光体ホイール７００とカラーフィルタホイール８００の２板式の光学構成となっており、以下その一例について説明する。

（光源装置）
光源装置１１１は、励起光Ｅを出射する光源２０と、拡散板６０と、光源２０から出射される第１の直線偏光であるＰ偏光の励起光Ｅを透過し、Ｐ偏光とは直交関係にある第２の直線偏光であるＳ偏光の励起光、及び無偏光の蛍光を反射するダイクロイックミラー６１と、位相差板６２と、レンズ３１，３２，３３と、蛍光体ホイール７００と、カラーフィルタホイール８００とで構成される。

光源２０より出射した光は、拡散板６０を透過して、Ｐ偏光の励起光を透過するダイクロイックミラー６１を透過し、位相差板６２によりＰ偏光が円偏光に変換される。円偏光に変換された励起光は、コリメータレンズ群を構成するレンズ３１，３２で集光され、蛍光体ホイール７００上の蛍光体７３０に照射される。

ここで、光源２０を出射する青色光は、映像光の青色画像を生成するとともに、蛍光体ホイール７００の蛍光体７３０で蛍光を発光させる励起光Ｅであり、蛍光体７３０は、光源２０より入射する励起光Ｅにより、励起光Ｅとは異なる波長帯を有する蛍光Ｆを発光する。

蛍光体ホイール７００を出射する蛍光Ｆは、レンズ３１とレンズ３２で構成されるコリメータレンズ群で略平行光化された後、再び位相差板６２に照射される。蛍光Ｆは偏光を持たないため、位相差板６２による偏光の変換は行われず透過する。偏光を持たない蛍光はダイクロイックミラー６１で反射され、レンズ３３によって集光されカラーフィルタホイール８００に照射される。このように、蛍光体ホイール７００を出射する光は、カラーフィルタホイール８００に略垂直に入射する。カラーフィルタホイール８００を透過する励起光Ｅ及びカラーフィルタホイール８００で所望の色光にトリミングされた蛍光Ｆは、カラーフィルタホイール８００を出射したのち、ロッドインテグレータ３４に入射する。

（蛍光体ホイールと蛍光変換光路）
図５に蛍光体ホイール７００の構成図を示す。図５の（ａ）は蛍光体ホイール７００の側面断面図であり、図５の（ｂ）は図５の（ａ）の右側から見た蛍光体ホイール７００の正面図である。

蛍光体ホイール７００は、実施の形態１の蛍光体ホイール７０とは異なり、透明ではない基材を用いてもよい。基材７１０は、円盤状をした基材であり、例えば、アルミ基板で構成される。基材７１０の光入射面には円環状に蛍光と励起光を反射する反射膜９１０を備える。円環状の反射膜９１０の表面は、図５の（ｂ）に示すように、３つの領域（蛍光体領域７３０ａ、蛍光体領域７３０ｂ、光拡散領域７３０ｃ）に分割されている。蛍光体ホイール７００は蛍光板の一例であり、基材７１０は基板の一例であり、反射膜９１０は全反射コートの一例である。

蛍光体領域７３０ａには、波長約４５５ｎｍの青色光の励起によって主波長が約５７０ｎｍの黄色の光を発光する蛍光体７３０が、基材７１０に対して、基材７１０の回転中心を中心とする扇形形状に塗布形成されている。

蛍光体領域７３０ｂには、波長約４５５ｎｍの青色光の励起によって主波長が約５５０ｎｍの緑色の光を発光する蛍光体７３０が、基材７１０に対して、基材７１０の回転中心を中心とする扇形形状に塗布されている。

蛍光体領域７３０ａの蛍光体膜は、黄色蛍光体Ｐｙと透明バインダＢによって構成され、蛍光体領域７３０ｂの蛍光体膜は、緑色蛍光体Ｐｇと透明バインダＢによって構成される。黄色蛍光体Ｐｙとしては、例えば、Ｙ_３Ａ_ｌ５Ｏ_１２：Ｃｅ_３ ^＋である。緑色の蛍光体Ｐｇとしては、例えば、Ｌｕ_３Ａ_ｌ５Ｏ_１２：Ｃｅ_３ ^＋である。透明バインダＢとしては、例えば、シリコーン樹脂である。

光拡散領域７３０ｃには、蛍光体は塗布されておらず、照射される励起光Ｅが波長及び偏光を変えることなく全反射する。なお、光拡散領域７３０ｃには、透明バインダＢと拡散反射材料を混合した拡散塗料が、反射膜９１０上に、基材７１０の回転中心を中心とする扇形形状に塗布されている。

励起光Ｅである青色光は、蛍光体ホイール７００に図５の（ａ）の右面から入射して、蛍光体領域７３０ａ、蛍光体領域７３０ｂ、光拡散領域７３０ｃを照射する。

ここで、蛍光体ホイール７００は、上述した３つの領域（蛍光体領域７３０ａ、蛍光体領域７３０ｂ及び光拡散領域７３０ｃ）が、１フレーム（例えば、１／６０秒）で回転するように構成されている。

すなわち、蛍光体ホイール７００に照射された光は、１フレームに相当する時間で、蛍光体領域７３０ａの第１セグメント、蛍光体領域７３０ｂの第２セグメント、光拡散領域７３０ｃの第３セグメントに時分割されて順番に発光及び反射する。言い換えれば、１フレームに相当する時間で蛍光体ホイール７００が一回転するように、モータ７４０の回転速度が制御される。基材７１０は、モータ７４０の駆動部７４０ａに取付け部７４０ｂを介して取り付けられており、図示しない制御部によって回転制御される。取付け部７４０ｂは、例えば、基材７１０をハブと抑え部材で挟み込んでネジ固定する構成である。

蛍光体領域７３０ａ、及び、蛍光体領域７３０ｂに入射した励起光Ｅは、蛍光体Ｐｙ、及び、蛍光体Ｐｇを励起して、黄色蛍光Ｆｙ、及び、緑色蛍光Ｆｇを等方的に発光する。励起発光した黄色蛍光Ｆｙ、及び、緑色蛍光Ｆｇのうち、励起光Ｅの進行方向に発光した成分は、反射膜９１０で反射されて、励起光Ｅの進行方向とは逆方向に発光した成分とともに、励起光Ｅの進行方向とは逆方向に出射する。光拡散領域７３０ｃに入射した励起光Ｅは、波長及び偏光を変えることなく、励起光Ｅの進行方向とは逆方向に反射される。

蛍光体ホイール７００から出射される黄色蛍光Ｆｙ、緑色蛍光Ｆｇ及び光拡散領域７３０ｃで反射される励起光Ｅは、レンズ３２、レンズ３１によって略平行光化されて、位相差板６２を透過する。この時、光拡散面で拡散反射された励起光は円偏光から入射時の励起光Ｅと直交関係にある第２の直線偏光であるＳ偏光の光に変換される。

位相差板６２を透過した蛍光及び励起光Ｅは、ダイクロイックミラー６１で略直角に反射され、レンズ３３により集光されてカラーフィルタホイール８００に照射される。

（カラーフィルタホイール）
図６を用いて、カラーフィルタホイール８００の構成を説明する。図６の（ａ）は図４と同じ方向から見たカラーフィルタホイール８００の側面断面図であり、図６の（ｂ）は図６の（ａ）の右側から見たカラーフィルタホイール８００の正面図である。カラーフィルタホイール８００は、図６の（ａ）に示すように、透明基材８１０と、光学フィルタ８２０と、反射防止膜８３０と、モータ８４０と、で構成される。

モータ８４０は、円盤状の透明基材８１０を回転駆動する。透明基材８１０は、モータ８４０の駆動部８４０ａと、取付け部８４０ｂを介して取り付けられており、図示しない制御部によって回転制御される。取付け部８４０ｂは、例えば、透明基材８１０をハブで接着する構成である。

透明基材８１０は、円盤状をした透明の基材であり、例えば、可視全域にわたって高透過のガラス基板で構成される。また、透明基材８１０の光入射面には入射する光の一部の波長帯域を反射して、所望の色光を実現する所望の波長領域の光を透過するダイクロイック膜を有する光学フィルタ８２０が備えられ、透明基材８１０の光出射面には反射防止膜８３０が備えられる。

カラーフィルタホイール８００の光学フィルタ８２０は、図６の（ｂ）に示すとおり、４つのセグメントを有している。第１のセグメントである光学フィルタ領域８２０ａ及び第３のセグメントである光学フィルタ領域８２０ｃは、波長４８０ｎｍ以上の可視域で高透過、かつ、波長４８０ｎｍ以下の可視域で高反射のカラーフィルタによって構成されている。第２セグメントである光学フィルタ領域８２０ｂは、波長６００ｎｍ以上の可視域で高透過、かつ、波長６００ｎｍ以下の可視域で高反射のカラーフィルタによって構成されている。第４セグメントである青色透過領域８２０ｄは、入射光を拡散する光拡散機能を有し、例えば、透明基材８１０の表面にレンズアレイを構成した拡散板である。各セグメントは、透明基材８１０の回転中心を中心とする扇形になるように形成されている。なお、カラーフィルタホイール８００は、１枚の透明基材に局所的に複数種類のカラーフィルタと拡散面が一括に形成されている構成、または、扇形形状をした各種フィルタと拡散板が並べて配列され固定される一体化構成である。

ここで、蛍光体ホイール７００とカラーフィルタホイール８００とは、同じ回転数で同期して回転制御される。すなわち、カラーフィルタホイール８００は、上述した４つのセグメントが、１フレーム（例えば、１／６０秒）に対応する時間で一回転するように回転制御される。

（蛍光体ホイールとカラーフィルタホイールのタイミング）
蛍光体ホイール７００における蛍光体領域７３０ａから出射される黄色蛍光Ｆｙは、カラーフィルタホイール８００における光学フィルタ領域８２０ａ及び光学フィルタ領域８２０ｂに入射するように、回転制御が調整される。よって、蛍光体領域７３０ａの角度と、光学フィルタ領域８２０ａ及び光学フィルタ領域８２０ｂの角度の和とは、同一になるように設定されている。蛍光体領域７３０ａを出射した黄色蛍光Ｆｙは、光学フィルタ領域８２０ａを透過する場合には、波長４８０ｎｍ以下の可視光は反射され、波長４８０ｎｍ以上の可視光は透過されて、黄色基準光Ｌｙを生成する。蛍光体領域７３０ａを出射した黄色蛍光Ｆｙは、光学フィルタ領域８２０ｂを透過する場合には、波長６００ｎｍ以下の可視光は反射され、波長６００ｎｍ以上の可視光は透過されて、赤色基準光Ｌｒを生成する。

蛍光体領域７３０ａで吸収されず黄色蛍光Ｆｙに変換されなかった未変換励起光は、蛍光体ホイール７００の反射膜９１０で反射され、レンズ３２，３１、位相差板６２、ダイクロイックミラー６１、及びレンズ３３を介して、カラーフィルタホイール８００の光学フィルタ領域８２０ａ，８２０ｂに入射する。未変換励起光は、波長が４５５ｎｍ程度であるので、光学フィルタ領域８２０ａ，８２０ｂで反射されて戻り未変換励起光となり、再度、蛍光体領域７３０ａに入射する。蛍光体領域７３０ａに入射した戻り未変換励起光は黄色蛍光Ｆｙに変換される。

蛍光体ホイール７００における蛍光体領域７３０ｂから出射される緑色蛍光Ｆｇは、カラーフィルタホイール８００における光学フィルタ領域８２０ｃに入射するように、回転制御が調整される。よって、蛍光体領域７３０ｂの角度と、光学フィルタ領域８２０ｃの角度は、同一になるように設定されている。蛍光体領域７３０ｂを出射した緑色蛍光Ｆｇは、光学フィルタ領域８２０ｃを透過する場合には、波長４８０ｎｍ以下の可視光は反射され、波長４８０ｎｍ以上の可視光は透過されて、緑色基準光Ｌｇを生成する。

また、蛍光体領域７３０ｂで吸収されず緑色蛍光Ｆｇに変換されなかった未変換励起光は、光学フィルタ領域８２０ｃで反射されて戻り未変換励起光となり、再度蛍光体領域７３０ｂに入射して緑色蛍光Ｆｇを出射する。

蛍光体ホイール７００における光拡散領域７３０ｃで反射した励起光Ｅは、カラーフィルタホイール８００における青色透過領域８２０ｄに入射するように、回転制御が調整される。よって、光拡散領域７３０ｃの角度と、青色透過領域８２０ｄの角度は、同一になるように設定されている。青色透過領域８２０ｄを透過する励起光Ｅは、青色透過領域８２０ｄで拡散され透過されて、青色基準光Ｌｂを生成する。

（効果）
蛍光体ホイール７００を出射する光を、カラーフィルタホイール８００に略垂直に入射する構成とすることで、蛍光体ホイール７００で反射された未変換の励起光をカラーフィルタホイール８００で反射して再度、蛍光体ホイール７００に導くことが可能となり、より多くの励起光を蛍光変換して光源装置の高輝度化が可能となる。

また、蛍光体領域７３０ａ，７３０ｂにおける励起光を吸収するために必要な蛍光体の厚みを薄くすることが可能となり、蛍光体の温度が低下して変換効率が改善し、光源装置の高輝度化が可能となる。

本開示は、蛍光体励起光源を使用する光源装置に関し、投写型映像表示装置に適用可能である。

１０ 光源装置
１１ 照明装置
１２ 映像表示部
１３ 投写部
２０ 光源
２１ 半導体レーザ
２２ コリメータレンズ
２３ アレイ光源
３１、３２、３３ レンズ
３４ ロッドインテグレータ
３５、３６、３７ レンズ
４１ ＤＭＤ
４２ 全反射プリズム
５０ 投写レンズ
６０ 拡散板
６１ ダイクロイックミラー
６２ 位相差板
６３ 全反射ミラー
７０ 蛍光体ホイール
７１ 透明基材
７３ 蛍光体
７３ａ、７３ｂ 蛍光体領域
７３ｃ 光拡散領域
７４ モータ
７４ａ 駆動部
７４ｂ 取付け部
８０ 光学フィルタ
８０ａ、８０ｂ、８０ｃ 光学フィルタ領域
８０ｄ 青色透過領域
９１ 反射膜
１００、１０１ 投写型映像表示装置
１１１ 光源装置
７００ 蛍光体ホイール
７１０ 基材
７３０ 蛍光体
７３０ａ、７３０ｂ 蛍光体領域
７３０ｃ 光拡散領域
７４０ モータ
７４０ａ 駆動部
７４０ｂ 取付け部
８００ カラーフィルタホイール
８１０ 透明基材
８２０ 光学フィルタ
８２０ａ、８２０ｂ、８２０ｃ 光学フィルタ領域
８２０ｄ 青色透過領域
８３０ 反射防止膜
８４０ モータ
８４０ａ 駆動部
８４０ｂ 取付け部
９１０ 反射膜

Claims (6)

1. 第１の直線偏光の励起光を出射する固体光源と、
   基板と、前記基板に設けられた全反射コートと、前記全反射コート上に設けられ励起光によって蛍光を発光する蛍光体と、を備える蛍光板と、
   前記固体光源と前記蛍光板との間に配置され、前記固体光源からの前記第１の直線偏光の励起光を透過し、前記第１の直線偏光の励起光とは直交関係にある第２の直線偏光の励起光、及び前記蛍光を反射するダイクロイックミラーと、
   前記ダイクロイックミラーと前記蛍光板との間に配置され、往復して透過することにより前記第１の直線偏光の励起光を前記第２の直線偏光の励起光に変換する位相差板と、
   前記ダイクロイックミラーで反射された前記蛍光を透過し、前記ダイクロイックミラーで反射された前記第２の直線偏光の励起光を、前記ダイクロイックミラーを介して前記蛍光体に導くように反射する光学フィルタ領域を有する光学フィルタと、を備える光源装置。
2. 前記ダイクロイックミラーで反射された前記第２の直線偏光の励起光と前記蛍光を前記光学フィルタに導き、前記光学フィルタで反射された前記第２の直線偏光の励起光を前記ダイクロイックミラーに導く全反射ミラーを、さらに備え、
   前記光学フィルタは、前記蛍光板に設けられている、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記蛍光、および前記第２の直線偏光の励起光が入射されるカラーフィルタホイールをさらに備え、
   前記光学フィルタは前記カラーフィルタホイールに設けられている、請求項１に記載の光源装置。
4. 前記光学フィルタは、前記蛍光を透過し前記第２の直線偏光の励起光を反射する前記光学フィルタ領域を含む４つの領域に分割されている、請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置。
5. 前記蛍光板を出射する光は前記光学フィルタに垂直に入射する、請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置を備えた投写型映像表示装置。

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