JP2019040154A - 波長変換素子、波長変換光学系、光源装置、およびプロジェクター - Google Patents
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Abstract
【課題】蛍光の発光効率を高めると共に、拡がりを抑制して光束密度の高い蛍光を射出する波長変換素子を提供する。【解決手段】波長変換素子は、励起光が入射することにより蛍光を発する蛍光体層と、反射層を有する基材と、蛍光体層の反射層とは反対側に設けられたフィルターと、を備える。フィルターは、励起光Eの波長から蛍光Yの波長までの波長領域における垂直入射する光の反射率が、第1波長L1において最も低く、第1波長L1は、励起光Eのピーク波長Epと蛍光Yのピーク波長Ypとの間にある。【選択図】図8
Description
本発明は、波長変換素子、波長変換光学系、光源装置、およびプロジェクターに関する。
近年、プロジェクター等に搭載される光源装置として、光源と、この光源から射出された光によって当該光の波長とは異なる波長の光を発する波長変換素子と、を備えた装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。
特許文献1に記載の装置(照明装置)は、LED等の光源、色分離素子、波長変換素子、および輝度向上構造を有している。また、照明装置は、光源と色分離素子との間、および色分離素子と波長変換素子との間にそれぞれ配置されたコリメーターを有している。
色分離素子は、光源から射出された一次光を反射し、波長変換素子から発せられる変換光を透過する。
波長変換素子は、高反射率基板上に設けられ、色分離素子によって反射された一次光を吸収して変換光を発する。
輝度向上構造は、波長変換素子を覆うように配置されている。そして、輝度向上構造は、光源から射出された一次光については大きな入射角度範囲に亘って透過させるが、波長変換素子から発せられた変換光については、限定された入射角度でしか透過させないように形成されている。
波長変換素子から大きな角度で放出された変換光は、輝度向上構造によって反射され、波長変換素子によって再吸収および再放出される。そして、照明装置は、輝度向上構造から狭い角度範囲で変換光が射出されることによって、輝度の向上が図られている。
色分離素子は、光源から射出された一次光を反射し、波長変換素子から発せられる変換光を透過する。
波長変換素子は、高反射率基板上に設けられ、色分離素子によって反射された一次光を吸収して変換光を発する。
輝度向上構造は、波長変換素子を覆うように配置されている。そして、輝度向上構造は、光源から射出された一次光については大きな入射角度範囲に亘って透過させるが、波長変換素子から発せられた変換光については、限定された入射角度でしか透過させないように形成されている。
波長変換素子から大きな角度で放出された変換光は、輝度向上構造によって反射され、波長変換素子によって再吸収および再放出される。そして、照明装置は、輝度向上構造から狭い角度範囲で変換光が射出されることによって、輝度の向上が図られている。
しかしながら、特許文献1に記載の装置では、大きな入射角度範囲で入射した一次光を効率良く利用できない恐れがある。すなわち、波長変換素子に入射する一次光は、全てが変換光への変換に寄与するものではなく、一部が一次光のまま輝度向上構造に向かうが、輝度向上構造が大きな入射角度範囲に亘って一次光を透過させるので、一部の一次光は、変換光の発生に利用されないまま外部に射出されてしまうと考えられる。
また、特許文献1に記載の装置は、大きな入射角度範囲で一次光を輝度向上構造に導くためには、コリメーターが大型化するという課題がある。
また、特許文献1に記載の装置は、大きな入射角度範囲で一次光を輝度向上構造に導くためには、コリメーターが大型化するという課題がある。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
[適用例1]本適用例に係る波長変換素子は、励起光が入射することにより蛍光を発する蛍光体層と、反射層を有する基材と、前記蛍光体層の前記反射層とは反対側に設けられたフィルターと、を備え、前記フィルターは、前記励起光の波長から前記蛍光の波長までの波長領域における垂直入射する光の反射率が、第1波長において最も低く、前記第1波長は、前記励起光のピーク波長と前記蛍光のピーク波長との間にあることを特徴とする。
この構成によれば、波長変換素子は、入射する励起光によって蛍光体層で発した蛍光を基材によって反射して射出することができる。すなわち、励起光が入射する側から蛍光を発する反射型の波長変換素子を提供することができる。
また、波長変換素子は、前述した波長領域における垂直入射する光の反射率が、励起光のピーク波長と蛍光のピーク波長との間にある第1波長において最も低い分光特性を有している。すなわち、フィルターは、垂直入射する光に対し、第1波長の反射率より、第1波長の両側の励起光のピーク波長および蛍光のピーク波長の反射率が高いという、V字状の分光特性(反射特性)を有している。分光特性は、フィルターに入射する光の入射角の大きさに伴って変わる。フィルターとして、例えば、誘電体薄膜等を用いることで、フィルターは、入射する光の入射角が大きくなるに従ってV字状の分光特性が短波長側にシフトするような特性(シフト特性という)を有する。そして、このシフト特性により、フィルターを以下のように機能させることが可能となる。すなわち、一旦、蛍光体層に入射したが、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層からフィルターに向かう励起光のうち、フィルターへの入射角が大きな励起光を反射し、再び蛍光体層に向かわせて蛍光を発せさせることが可能となる。また、蛍光体層からフィルターに向かう蛍光のうち、フィルターへの入射角が大きな蛍光を反射し、拡がりを抑制して蛍光を射出することが可能となる。よって、入射する励起光を有効に利用することによる発光効率の向上、および発した蛍光の拡がりを抑制して光束密度の高い蛍光を射出する波長変換素子の提供が可能となる。
また、波長変換素子は、前述した波長領域における垂直入射する光の反射率が、励起光のピーク波長と蛍光のピーク波長との間にある第1波長において最も低い分光特性を有している。すなわち、フィルターは、垂直入射する光に対し、第1波長の反射率より、第1波長の両側の励起光のピーク波長および蛍光のピーク波長の反射率が高いという、V字状の分光特性(反射特性)を有している。分光特性は、フィルターに入射する光の入射角の大きさに伴って変わる。フィルターとして、例えば、誘電体薄膜等を用いることで、フィルターは、入射する光の入射角が大きくなるに従ってV字状の分光特性が短波長側にシフトするような特性(シフト特性という)を有する。そして、このシフト特性により、フィルターを以下のように機能させることが可能となる。すなわち、一旦、蛍光体層に入射したが、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層からフィルターに向かう励起光のうち、フィルターへの入射角が大きな励起光を反射し、再び蛍光体層に向かわせて蛍光を発せさせることが可能となる。また、蛍光体層からフィルターに向かう蛍光のうち、フィルターへの入射角が大きな蛍光を反射し、拡がりを抑制して蛍光を射出することが可能となる。よって、入射する励起光を有効に利用することによる発光効率の向上、および発した蛍光の拡がりを抑制して光束密度の高い蛍光を射出する波長変換素子の提供が可能となる。
[適用例2]上記適用例に係る波長変換素子において、前記フィルターは、前記波長領域における第1の入射角で入射する光の反射率が、前記励起光のピーク波長において最も低いことが好ましい。
この構成によれば、フィルターは、励起光のうちの第1の入射角で入射する成分をより効率良く透過する。これによって、第1の入射角で入射する成分の光強度が高い励起光をより効率良く利用して蛍光を発する波長変換素子の提供が可能となる。
[適用例3]本適用例に係る波長変換素子は、励起光が入射することにより蛍光を発する蛍光体層と、反射層を有する基材と、前記蛍光体層の前記反射層とは反対側に設けられたフィルターと、を備え、前記フィルターは、前記励起光のうち垂直入射する励起光、および前記蛍光のうち垂直入射する蛍光を透過し、前記蛍光のうち第2の入射角で入射する蛍光を、透過する光強度より大きな光強度で反射することを特徴とする。
この構成によれば、波長変換素子は、上述したフィルターを備えているので、フィルターに垂直入射する励起光を確実に蛍光体層に進行させ、また、蛍光体層からフィルターに垂直入射する蛍光を確実に透過して蛍光を射出する反射型の波長変換素子を提供することができる。
また、フィルターは、第2の入射角で入射する蛍光の一部を反射する。これによって、フィルターは、シフト特性によって、第2の入射角より大きな入射角で入射する蛍光の反射率が高くなるので、第2の入射角以上の入射角で入射した蛍光の多くを蛍光体層に向かわせることが可能となる。よって、蛍光体層で発した蛍光の拡がり抑制して光束密度が高い蛍光を射出する波長変換素子の提供が可能となる。
また、フィルターは、第2の入射角で入射する蛍光の一部を反射する。これによって、フィルターは、シフト特性によって、第2の入射角より大きな入射角で入射する蛍光の反射率が高くなるので、第2の入射角以上の入射角で入射した蛍光の多くを蛍光体層に向かわせることが可能となる。よって、蛍光体層で発した蛍光の拡がり抑制して光束密度が高い蛍光を射出する波長変換素子の提供が可能となる。
[適用例4]上記適用例に係る波長変換素子において、前記蛍光は、緑色光および視感度が高い赤色光を含む光であり、前記フィルターは、垂直入射し、前記赤色光より視感度が低い赤色光の少なくとも一部を反射することが好ましい。
この構成によれば、フィルターは、垂直入射する励起光および蛍光を透過し、蛍光の波長帯における長波長の近くの波長の垂直入射する光の少なくとも一部を反射する。これによって、狭い波長帯の中で蛍光の透過と反射とが切り替わるような分光特性を有するフィルターの構成が可能となる。よって、入射する励起光をさらに有効に利用して蛍光を発するとともに、発した蛍光の拡がりを効率良く抑制してさらに光束密度が高い蛍光を射出する波長変換素子の提供が可能となる。
[適用例5]本適用例に係る波長変換素子は、励起光が入射することにより蛍光を発する蛍光体層と、前記蛍光体層の前記励起光が入射する側に設けられた第1フィルターと、前記蛍光体層の前記第1フィルターとは反対側に設けられた第2フィルターと、前記第1フィルターおよび前記第2フィルターが設けられた前記蛍光体層が設けられ、前記蛍光を透過する基材と、を備え、前記第1フィルターは、前記励起光のうち垂直入射する励起光を透過し、前記励起光のうち第3の入射角で入射する励起光を、透過する光強度より大きな光強度で反射し、前記蛍光のうち垂直入射する蛍光を反射し、前記第2フィルターは、前記蛍光のうち垂直入射する蛍光を透過し、第4の入射角で入射する前記蛍光を、透過する光強度より大きな光強度で反射し、前記励起光のうち垂直入射する励起光を反射することを特徴とする。
この構成によれば、波長変換素子は、第1フィルター側から入射した励起光を蛍光体層に進行させて蛍光を発し、この蛍光を第2フィルターで透過させ、励起光が入射した側とは反対側に射出することができる。すなわち、波長変換素子に対する励起光の入射側とは反対側に蛍光を発する透過型の波長変換素子を提供することができる。
また、波長変換素子は、第1フィルターが、蛍光体層で発し、第1フィルターに入射する蛍光を反射するので、光射出側に効率良く蛍光を射出させることができる。そして、波長変換素子は、第2フィルターが蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層を通過した励起光を反射するので、蛍光への変換効率を高めることが可能となる。
さらに、第1フィルターは、第3の入射角で入射する励起光を、透過する光強度より大きな光強度で反射する。これによって、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層から第3の入射角で第1フィルターに入射する励起光の一部を再び蛍光体層に向かわせ、この励起光で蛍光を発することができる。また、第2フィルターは、第4の入射角で入射する蛍光を、透過する光強度より大きな光強度で反射するので、蛍光体層から第4の入射角で第2フィルターに向かう蛍光の一部を反射する構成が可能となる。
したがって、入射する励起光を有効に利用して蛍光を発するとともに、発した蛍光の拡がりを抑制して光束密度の高い蛍光を射出する波長変換素子の提供が可能となる。
また、波長変換素子は、第1フィルターが、蛍光体層で発し、第1フィルターに入射する蛍光を反射するので、光射出側に効率良く蛍光を射出させることができる。そして、波長変換素子は、第2フィルターが蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層を通過した励起光を反射するので、蛍光への変換効率を高めることが可能となる。
さらに、第1フィルターは、第3の入射角で入射する励起光を、透過する光強度より大きな光強度で反射する。これによって、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層から第3の入射角で第1フィルターに入射する励起光の一部を再び蛍光体層に向かわせ、この励起光で蛍光を発することができる。また、第2フィルターは、第4の入射角で入射する蛍光を、透過する光強度より大きな光強度で反射するので、蛍光体層から第4の入射角で第2フィルターに向かう蛍光の一部を反射する構成が可能となる。
したがって、入射する励起光を有効に利用して蛍光を発するとともに、発した蛍光の拡がりを抑制して光束密度の高い蛍光を射出する波長変換素子の提供が可能となる。
[適用例6]本適用例に係る波長変換光学系は、上記のいずれか一項に記載の波長変換素子と、前記波長変換素子から発せられた蛍光が入射するピックアップ光学系と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、波長変換光学系は、拡がりが抑制された蛍光を射出する波長変換素子を備えているので、波長変換素子から発せられた蛍光をピックアップ光学系が効率良く取り込むこと、およびピックアップ光学系の小型化が可能となる。
[適用例7]本適用例に係る光源装置は、励起光を射出する発光部と、上記のいずれか一項に記載の波長変換素子と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、光源装置は、上述した波長変換素子を備えているので、発光部から射出された励起光の効率的な利用、および蛍光の拡がりの抑制によって高輝度の蛍光を射出することが可能となる。
[適用例8]本適用例に係るプロジェクターは、上記に記載の光源装置と、前記光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、前記光変調装置で変調された光を投写する投写光学装置と、を備えることを特徴とする。
この構成によれば、プロジェクターは、上述した光源装置を備えているので、より明るい画像の投写や、より明るい環境下で大型の投写面への投写が可能となる。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。本実施形態のプロジェクターは、光源から射出された光を画像情報に応じて変調し、スクリーン等の投写面に画像を投写する。なお、以下に示す各図においては、各構成要素を図面上で認識され得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜異ならせてある。
(実施形態1)
図1は、本実施形態に係るプロジェクター1の光学系を示す模式図である。
プロジェクター1は、図1に示すように、照明装置100、色分離導光光学系200、光変調装置400R,400G,400B、クロスダイクロイックプリズム500、および投写光学装置600を備える。
図1は、本実施形態に係るプロジェクター1の光学系を示す模式図である。
プロジェクター1は、図1に示すように、照明装置100、色分離導光光学系200、光変調装置400R,400G,400B、クロスダイクロイックプリズム500、および投写光学装置600を備える。
照明装置100は、第1の光源装置101、第2の光源装置102、ダイクロイックミラー103、レンズアレイ120,130、偏光変換素子140、および重畳レンズ150を備える。
第1の光源装置101は、発光部10、コリメート光学系70、および波長変換光学系30を備える。
第1の光源装置101は、発光部10、コリメート光学系70、および波長変換光学系30を備える。
発光部10は、1つまたは複数の半導体レーザーを有し、励起光E(例えば、発光強度のピーク波長が約455nmの青色光)を射出する。なお、発光部10は、発光強度のピーク波長が455nm以外の波長の励起光Eを射出する半導体レーザーを用いることもできる。
コリメート光学系70は、レンズ71,72を備え、発光部10から射出された光を略平行化する。コリメート光学系70は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
ダイクロイックミラー103は、発光部10の光軸に対して45°の角度を有して配置され、励起光Eおよび青色光を反射し、赤色光および緑色光を含む黄色光(後述する蛍光Y)を通過させる機能を有している。ダイクロイックミラー103は、発光部10から射出され、コリメート光学系70で略平行化された励起光Eを反射する。
ダイクロイックミラー103は、発光部10の光軸に対して45°の角度を有して配置され、励起光Eおよび青色光を反射し、赤色光および緑色光を含む黄色光(後述する蛍光Y)を通過させる機能を有している。ダイクロイックミラー103は、発光部10から射出され、コリメート光学系70で略平行化された励起光Eを反射する。
波長変換光学系30は、コリメート集光光学系90および波長変換素子40を備える。
コリメート集光光学系90は、例えば、レンズ91,92を備える。コリメート集光光学系90は、ダイクロイックミラー103で反射した励起光Eを波長変換素子40の後述する蛍光体層42に集光させる機能、および蛍光体層42から発せられた蛍光Y(黄色光)を略平行化する機能を有している。コリメート集光光学系90は、波長変換素子40から発せられた蛍光Yが入射するピックアップ光学系に相当する。なお、コリメート集光光学系90は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
コリメート集光光学系90は、例えば、レンズ91,92を備える。コリメート集光光学系90は、ダイクロイックミラー103で反射した励起光Eを波長変換素子40の後述する蛍光体層42に集光させる機能、および蛍光体層42から発せられた蛍光Y(黄色光)を略平行化する機能を有している。コリメート集光光学系90は、波長変換素子40から発せられた蛍光Yが入射するピックアップ光学系に相当する。なお、コリメート集光光学系90は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
波長変換素子40は、後で詳細に説明するが、基材41、蛍光体層42およびフィルター43(図2参照)を備える。波長変換素子40は、コリメート集光光学系90によって集光された励起光Eによって蛍光体層42内の蛍光体が励起され、蛍光Yを発する。発せられた蛍光Yは、基材41によってコリメート集光光学系90に反射される。このように、波長変換素子40は、励起光Eが入射する側から蛍光Yを射出する反射型として構成されている。
第2の光源装置102は、図1に示すように、ダイクロイックミラー103のコリメート光学系70とは反対側に配置される。第2の光源装置102は、発光部710、集光光学系760、散乱板730、およびコリメート光学系770を備える。
発光部710は、1つまたは複数の半導体レーザーを有して構成され、青色光Bを射出する。なお、発光部710が備える半導体レーザーは、発光部10が備える半導体レーザーと同一の種類のものを使用することが可能である。
集光光学系760は、レンズ761,762を備え、発光部710から射出された青色光Bを散乱板730に略集光させる。
散乱板730は、波長変換素子40から射出された蛍光Yの配光分布に似た配光分布となるように、入射する青色光Bを散乱させる。散乱板730としては、例えば、磨りガラス(光学ガラス)を用いることができる。
コリメート光学系770は、レンズ771,772を備え、散乱板730からの光を略平行化する。
コリメート光学系770で平行化された光は、ダイクロイックミラー103でコリメート集光光学系90とは反対側に反射する。
コリメート光学系770で平行化された光は、ダイクロイックミラー103でコリメート集光光学系90とは反対側に反射する。
第1の光源装置101から射出された蛍光Yは、ダイクロイックミラー103を透過し、第2の光源装置102から射出され、ダイクロイックミラー103で反射した青色光Bと合成されて白色光Wとしてレンズアレイ120に射出される。
レンズアレイ120,130および重畳レンズ150は、インテグレーター光学系を構成する。具体的に、レンズアレイ120は、ダイクロイックミラー103からの白色光Wを複数の部分光束に分割するための複数の第1小レンズを有する。複数の第1小レンズは、照明装置100の光軸100axと直交する面内にマトリクス状に配列されている。
レンズアレイ130は、レンズアレイ120の複数の第1小レンズに対応する複数の第2小レンズを有する。レンズアレイ130は、重畳レンズ150とともに、レンズアレイ120の各第1小レンズの像を光変調装置400R,400G,400Bの画像形成領域に結像させる。
偏光変換素子140は、レンズアレイ130から射出されたランダム偏光を光変調装置400R,400G,400Bで利用可能な略1種類の偏向光に揃える。
偏光変換素子140は、レンズアレイ130から射出されたランダム偏光を光変調装置400R,400G,400Bで利用可能な略1種類の偏向光に揃える。
色分離導光光学系200は、ダイクロイックミラー210,220、反射ミラー230,240,250およびリレーレンズ260,270を備える。色分離導光光学系200は、照明装置100から射出された白色光Wを赤色光R、緑色光G、および青色光Bに分離し、赤色光R、緑色光G、および青色光Bそれぞれに対応する光変調装置400R,400G,400Bに導光する。なお、色分離導光光学系200と、光変調装置400R,400G,400Bとの間には、フィールドレンズ300R,300G,300Bが配置されている。
光変調装置400R,400G,400Bそれぞれは、詳細な図示は省略するが、透過型の液晶パネル、および液晶パネルの光入射側、光射出側にそれぞれ配置された入射側偏光板、射出側偏光板を備えている。そして、光変調装置400R,400G,400Bは、入射する色光を画像情報に応じて変調して各色光に対応する画像を形成する。
クロスダイクロイックプリズム500は、4つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形状をなし、直角プリズム同士を貼り合わせた略X字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。クロスダイクロイックプリズム500は、各光変調装置400R,400G,400Bから射出された各色光の画像光を合成する。
投写光学装置600は、複数のレンズ(図示省略)を有して構成され、クロスダイクロイックプリズム500にて合成された画像光をスクリーン等の投写面SCRにカラー画像として拡大投写する。
〔波長変換素子の構成〕
ここで、波長変換素子40について詳細に説明する。
図2は、波長変換素子40の断面を模式的に示す図である。
波長変換素子40は、図2に示すように、基材41および蛍光体層42に加え、フィルター43および接着層44を備える。
基材41は、熱伝導性が高い銅やアルミニウム等の金属製の基板411、および基板411上に設けられた反射層412を含み構成されている。反射層412は、反射率が高い銀増反射ミラーや、誘電体ミラー等を用いることができる。なお、基板411は、金属に限らず、例えば、セラミック等の無機材等を用いることも可能である。
ここで、波長変換素子40について詳細に説明する。
図2は、波長変換素子40の断面を模式的に示す図である。
波長変換素子40は、図2に示すように、基材41および蛍光体層42に加え、フィルター43および接着層44を備える。
基材41は、熱伝導性が高い銅やアルミニウム等の金属製の基板411、および基板411上に設けられた反射層412を含み構成されている。反射層412は、反射率が高い銀増反射ミラーや、誘電体ミラー等を用いることができる。なお、基板411は、金属に限らず、例えば、セラミック等の無機材等を用いることも可能である。
蛍光体層42は、例えば、YAG系の蛍光体である(Y,Gd)3(Al,Ga)5O12:Ce等のCeイオンが発光中心として含有された材料で形成されている。蛍光体層42は、シリコーン樹脂等の接着層44を介して反射層412上に設けられている。蛍光体層42は、励起光Eによって内部の蛍光体が励起され、赤色光および緑色光を含む蛍光Yを発する。
図3は、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度の分布(発光スペクトル)を示すグラフである。図3に示すように、本実施形態の蛍光体層42は、ピーク波長Epが約455nmの励起光Eによって励起され、ピーク波長Ypが約540nmの蛍光Yを発する。具体的に、蛍光Yは、例えば、約500nm〜約690nmの波長域の光であり、視感度が高い緑色光および視感度が高い赤色光を含む光である。なお、蛍光体層42としては、Ceイオンに限らずEuやNd、Yb等の希土類イオンが含有された材料を用いてもよい。
図3は、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度の分布(発光スペクトル)を示すグラフである。図3に示すように、本実施形態の蛍光体層42は、ピーク波長Epが約455nmの励起光Eによって励起され、ピーク波長Ypが約540nmの蛍光Yを発する。具体的に、蛍光Yは、例えば、約500nm〜約690nmの波長域の光であり、視感度が高い緑色光および視感度が高い赤色光を含む光である。なお、蛍光体層42としては、Ceイオンに限らずEuやNd、Yb等の希土類イオンが含有された材料を用いてもよい。
フィルター43(図2参照)は、例えば、MgF2等の誘電体薄膜で形成され、蛍光体層42のコリメート集光光学系90側、すなわち、蛍光体層42の基材41とは反対側に設けられている。
フィルター43は、コリメート集光光学系90によって導かれた励起光Eを透過すると共に、蛍光体層42から発せられた蛍光Yを透過する。また、フィルター43は、大きな入射角の励起光Eおよび蛍光Yの一部を反射するように構成されている。
フィルター43は、コリメート集光光学系90によって導かれた励起光Eを透過すると共に、蛍光体層42から発せられた蛍光Yを透過する。また、フィルター43は、大きな入射角の励起光Eおよび蛍光Yの一部を反射するように構成されている。
図4は、フィルター43に対する励起光Eおよび蛍光Yの挙動を説明するための模式図であり、図2におけるA部の拡大図である。
コリメート集光光学系90によって導かれた励起光Eは、図4に示すように、垂直入射する励起光Eを含め、入射角θiを以てフィルター43に入射する。
図5は、コリメート集光光学系90側からフィルター43に入射する励起光Eの入射角θiと光強度との関係を示すグラフである。
図5に示すように、フィルター43に入射する励起光Eの光強度は、入射角θi(図4参照)が0°から大きくなるに従って大きくなり、入射角θiが約45°を超えると徐々に飽和する。
コリメート集光光学系90によって導かれた励起光Eは、図4に示すように、垂直入射する励起光Eを含め、入射角θiを以てフィルター43に入射する。
図5は、コリメート集光光学系90側からフィルター43に入射する励起光Eの入射角θiと光強度との関係を示すグラフである。
図5に示すように、フィルター43に入射する励起光Eの光強度は、入射角θi(図4参照)が0°から大きくなるに従って大きくなり、入射角θiが約45°を超えると徐々に飽和する。
図4に戻って、フィルター43を透過して蛍光体層42に入射した励起光Eの一部は、蛍光体層42内の散乱や反射層412(図2参照)による反射によってフィルター43に向かう。蛍光体層42からフィルター43に向かう励起光Eを励起光Er、励起光Erのフィルター43に対する入射角をθrとする。また、蛍光体層42からフィルター43に向かう蛍光Yのフィルター43に対する入射角をθyとする。
フィルター43は、図4に示すように、励起光Erのうち、入射角θrが大きな励起光Erを蛍光体層42に反射して、蛍光Yの発生に寄与する。
フィルター43は、図4に示すように、励起光Erのうち、入射角θrが大きな励起光Erを蛍光体層42に反射して、蛍光Yの発生に寄与する。
また、フィルター43は、蛍光体層42から発せられた蛍光Yを透過するが、図4に示すように、入射角θyが大きい蛍光Yにおいては、反射率が高くなるように形成されている。これによって、フィルター43で反射した蛍光Yの一部は、蛍光体層42内の散乱や反射層412による反射を繰り返し、フィルター43への入射角が小さくなってフィルター43を透過する。すなわち、フィルター43(波長変換素子40)から射出される蛍光Yは、拡がりが抑制されると共に、光束密度が高められたものとなる。
フィルター43は、蛍光Yの光束密度が高い範囲の射出角α(フィルター43の法線に対する蛍光Yが射出される角度、図4参照)がコリメート集光光学系90の飲み込み角と同じか僅かに小さくなるように形成されている。コリメート集光光学系90の飲み込み角とは、コリメート集光光学系90が入射する光を光学的に取り込み可能な入射光の角度(コリメート集光光学系90の光軸に対する角度)のことをいう。本実施形態のフィルター43は、射出角αが70°程度となるように形成されている。
このように、フィルター43は、励起光Eが有効に利用されるように、また、射出角α内の蛍光Yの光束密度が高まるように形成されている。
フィルター43は、蛍光Yの光束密度が高い範囲の射出角α(フィルター43の法線に対する蛍光Yが射出される角度、図4参照)がコリメート集光光学系90の飲み込み角と同じか僅かに小さくなるように形成されている。コリメート集光光学系90の飲み込み角とは、コリメート集光光学系90が入射する光を光学的に取り込み可能な入射光の角度(コリメート集光光学系90の光軸に対する角度)のことをいう。本実施形態のフィルター43は、射出角αが70°程度となるように形成されている。
このように、フィルター43は、励起光Eが有効に利用されるように、また、射出角α内の蛍光Yの光束密度が高まるように形成されている。
ここで、具体的なフィルター43を得るために行ったシミュレーション結果について説明する。
シミュレーションは、単層のMgF2を用いて行い、このMgF2の膜厚を変動要因として各膜厚における分光特性をシミュレーションすることにより、フィルター43として用いることができるMgF2の膜厚の条件を導いた。
シミュレーションは、単層のMgF2を用いて行い、このMgF2の膜厚を変動要因として各膜厚における分光特性をシミュレーションすることにより、フィルター43として用いることができるMgF2の膜厚の条件を導いた。
図6、図7は、フィルター43を得るためのシミュレーション結果を示すグラフである。具体的に、図6は、400nm〜800nmの波長領域において、MgF2の膜厚を変えた場合の、励起光Eの反射率が最も小さくなる励起光Eの入射角(低反射入射角θxという)と、励起光Eの反射率(励起光反射率)および蛍光Yの取り出し率(蛍光射出率)との関係を示すグラフである。図7は、MgF2の厚みと、励起光反射率および蛍光射出率との関係を示すグラフである。
図6に示すように、行ったシミュレーションでは、低反射入射角θxが約30°の場合が、励起光反射率が最も低く(約4.25%)、かつ、蛍光射出率が最も高い(約60.22%)ものとなった。この低反射入射角θxが30°のMgF2の厚みは、図7に示すように、約88nmであり、このMgF2膜をフィルター43として用いることができる。
図8は、フィルター43の一例として厚みが88nmのMgF2膜の分光特性を示すグラフである。具体的に、図8は、400nm〜800nmの波長領域において、入射角θi(図4参照)が0°、30°、50°の光とフィルター43の反射率との関係を示す図である。なお、図8は、励起光Eおよび蛍光Yとの関係を明確にするために、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度分布を加えたグラフである。
図8に示すように、フィルター43は、励起光Eの波長から蛍光Yの波長までの波長領域(約440nm〜約690nm)における入射角が0°の光(垂直入射する光)の反射率が、第1波長L1において最も低い分光特性を有している。第1波長L1は、励起光Eのピーク波長Epと蛍光Yのピーク波長Ypとの間にあり、本実施形態では、約490nmの波長である。換言すると、フィルター43は、垂直入射する光に対し、第1波長L1における反射率より、第1波長L1の両側のピーク波長Ep、Ypにおける反射率が高いV字状の分光特性を有している。
また、フィルター43は、励起光Eの波長から蛍光Yの波長までの波長領域における入射角が30°の光の反射率が、励起光Eのピーク波長Epにおいて最も低い分光特性を有している。また、フィルター43のピーク波長Epにおける反射率は、入射角が0°の光より入射角が30°の光の方が低い。この励起光Eの波長から蛍光Yの波長までの波長領域において、ピーク波長Epの反射率が最も低くなる、フィルター43への入射角(本実施形態では30°)は、第1の入射角に相当する。なお、当該入射角30°が第1の入射角に限定されるものではない。
フィルター43は、光の入射角が大きくなるに従って、分光特性が短波長側にシフトするような特性(シフト特性)を有している。すなわち、フィルター43は、入射角が大きな蛍光Y程、その反射率が高い特性を有している。
図9は、図8との比較図で、従来技術の反射防止膜(反射防止膜810(図示省略)とする)における分光特性の一例を示すグラフであり、入射角が0°の光と反射防止膜810の反射率との関係を示す図である。なお、図示は省略するが、反射防止膜810においても、シフト特性を有している。
図8、図9に示すように、フィルター43は、反射防止膜810に比べ、励起光Eの反射率が低く(透過率が高く)、蛍光Yの波長帯における長波長側の反射率が高い特性を有している。
図8、図9に示すように、フィルター43は、反射防止膜810に比べ、励起光Eの反射率が低く(透過率が高く)、蛍光Yの波長帯における長波長側の反射率が高い特性を有している。
図10は、本実施形態における波長変換素子40の特性と、従来技術の反射防止膜810を有する波長変換素子800(図示省略)の特性とを比較したグラフである。具体的に、図10は、フィルター43および反射防止膜810を有さない構成の波長変換素子(図示省略)に対する、波長変換素子40および波長変換素子800の蛍光Yへの変換効率の改善率を示すグラフである。
また、図10は、以下の4つの要因A〜要因Dに分けて比較したものである。要因Aは、45°以下の入射角の励起光Eの透過による要因。要因Bは、45°を超える入射角の励起光Eの反射による要因。要因Cは、70°以下の入射角の蛍光Yの透過による要因。要因Dは、70°を超える入射角の蛍光Yの反射による要因である。なお、45°は、前述した励起光Eの光強度(図5参照)に応じたものであり、70°は、前述した本実施形態の射出角α(図4参照)に応じたものである。
図10に示すように、波長変換素子40は、波長変換素子800に比べ、要因Aおよび要因Bにおいて、改善率が高くなっている。これは、45°以下の入射角の励起光Eに対し、フィルター43の透過率が反射防止膜810の透過率より高く、45°を超える入射角θrの励起光Er(図4参照)に対し、フィルター43の反射率が反射防止膜810の反射率より高く、励起光Eが有効に利用されているためと考えられる。
一方、要因Cにおいては、波長変換素子800の改善率より波長変換素子40の改善率が低くなっている。これは、入射角が大きい蛍光Y程、その反射率が高まる(透過率が低下する)ようにフィルター43が形成されているためである。また、要因Dにおいては、波長変換素子40の改善率と波長変換素子800改善率は、同等である。
そして、要因A〜要因Dを含めた総合的な改善率は、波長変換素子800より波長変換素子40が高く、蛍光射出率でみると、波長変換素子40は、波長変換素子800の59.46%を上回る60.22%を示した。
このように、フィルター43は、励起光Eを有効に利用すると共に、フィルター43(波長変換素子40)から射出される蛍光Yの拡がりを抑制するように構成されている。
なお、フィルター43として、単層のMgF2を用いた例を示したが、上述したような特性を有する薄膜であれば、単層のMgF2に限定されるものではなく、他の材料の薄膜、あるいは誘電体多層膜等の複数の薄膜が積層された薄膜をフィルター43として構成することが可能である。
なお、フィルター43として、単層のMgF2を用いた例を示したが、上述したような特性を有する薄膜であれば、単層のMgF2に限定されるものではなく、他の材料の薄膜、あるいは誘電体多層膜等の複数の薄膜が積層された薄膜をフィルター43として構成することが可能である。
以上述べたように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)波長変換素子40は、前述したフィルター43を備えているので、励起光Eを有効に利用して蛍光Yの発光効率を高めると共に、射出される蛍光Yの拡がりを抑制して光束密度の高い蛍光Yを射出することが可能となる。
(1)波長変換素子40は、前述したフィルター43を備えているので、励起光Eを有効に利用して蛍光Yの発光効率を高めると共に、射出される蛍光Yの拡がりを抑制して光束密度の高い蛍光Yを射出することが可能となる。
(2)フィルター43は、励起光Eのうちの第1の入射角(本実施形態では30°)で入射する成分をより効率良く透過する。これによって、第1の入射角で入射する成分の光強度が高い励起光Eをより効率良く利用して蛍光Yを発する波長変換素子40の提供が可能となる。
(3)波長変換素子40から射出される蛍光Yの拡がりが抑制される。これによって、波長変換光学系30は、波長変換素子40から発せられた蛍光Yをコリメート集光光学系90が効率良く取り込むこと、およびコリメート集光光学系90の小型化、ひいては、第1の光源装置101の小型化が可能となる。
(4)第1の光源装置101は、波長変換素子40を備えているので、発光部10から射出された励起光Eの効率的な利用、および蛍光Yの拡がりの抑制によって高輝度の蛍光Yを射出することが可能となる。
(5)第1の光源装置101は、発光部10が半導体レーザーで構成されているので、長期に亘って蛍光Yを射出することができる。
(6)プロジェクター1は、波長変換素子40を有する第1の光源装置101を備えているので、より明るい画像の投写や、より明るい環境下で大型の投写面への投写が可能となる。
(実施形態2)
以下、実施形態2に係る波長変換素子50について説明する。以下の説明では、実施形態1と同様の構成要素には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
図11は、波長変換素子50の断面を模式的に示す図である。
本実施形態の波長変換素子50は、実施形態1の波長変換素子40におけるフィルター43とは異なるフィルター53を備えている。
以下、実施形態2に係る波長変換素子50について説明する。以下の説明では、実施形態1と同様の構成要素には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
図11は、波長変換素子50の断面を模式的に示す図である。
本実施形態の波長変換素子50は、実施形態1の波長変換素子40におけるフィルター43とは異なるフィルター53を備えている。
フィルター53は、例えば、高屈折率材料(例えば、Nb2O5等)の薄膜と、低屈折率材料(例えば、SiO2等)の薄膜とが交互に積層されたSWPフィルター(ショートウェーブパスフィルター)で形成されている。
図12は、フィルター53の分光特性の一例を示すグラフであり、高屈折率材料の薄膜と、低屈折率材料の薄膜とが交互に49層に積層されたフィルター53のシミュレーション結果を示すものである。具体的に、図12は、400nm〜800nmの波長領域において、入射角が0°、30°、50°、70°の光とフィルター53の反射率との関係を示す図である。なお、図12は、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度分布を加えたグラフである。
図12は、フィルター53の分光特性の一例を示すグラフであり、高屈折率材料の薄膜と、低屈折率材料の薄膜とが交互に49層に積層されたフィルター53のシミュレーション結果を示すものである。具体的に、図12は、400nm〜800nmの波長領域において、入射角が0°、30°、50°、70°の光とフィルター53の反射率との関係を示す図である。なお、図12は、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度分布を加えたグラフである。
図12に示すように、フィルター53の分光特性は、実施形態1におけるフィルター43の分光特性が緩やかなカーブを有しているのに対し、急峻なカーブを有している。また、フィルター53は、実施形態1のフィルター43と同様に、シフト特性を有している。
具体的に、フィルター53は、垂直入射(入射角0°)する励起光Eおよび垂直入射する蛍光Yを透過する。また、フィルター53は、垂直入射し、視感度が低い赤色光(約700nm以上の光)の少なくとも一部を反射する。このように、フィルター53は、垂直入射する光に対し、視感度が高い赤色光(約700nm未満の光)を透過し、視感度が低い赤色光の一部を反射するという、狭い波長帯の中で透過と反射とが切り替わるような分光特性を有している。
具体的に、フィルター53は、垂直入射(入射角0°)する励起光Eおよび垂直入射する蛍光Yを透過する。また、フィルター53は、垂直入射し、視感度が低い赤色光(約700nm以上の光)の少なくとも一部を反射する。このように、フィルター53は、垂直入射する光に対し、視感度が高い赤色光(約700nm未満の光)を透過し、視感度が低い赤色光の一部を反射するという、狭い波長帯の中で透過と反射とが切り替わるような分光特性を有している。
フィルター53は、入射角が大きくなる光に対して、700nmより短い波長の光を反射するようになる。そして、フィルター53は、図12に示すように、入射角が約70°の励起光Eを、反射する光強度より大きな光強度で透過し、入射角が約70°の蛍光Yを、透過する光強度より大きな光強度で反射する。フィルター53に対し、透過する光強度より大きな光強度で反射する蛍光Yの入射角は、第2の入射角に相当する。すなわち、本実施形態の第2の入射角は、図12に示すように、70°を含む50°を超えた角度となる。
図13は、本実施形態における波長変換素子50の特性と、従来技術における波長変換素子800(図示省略)の特性とを比較したグラフであり、実施形態1で述べたと同様に、4つの要因A〜要因Dに分けて比較したものである。
図13に示すように、波長変換素子50は、波長変換素子800に比べ、要因Aにおいて、改善率が高くなっている。これは、45°以下の入射角の励起光Eに対し、フィルター53の透過率が反射防止膜810の透過率より高く、励起光Eが有効に利用されているためと考えれる。要因Bにおいては、波長変換素子50の改善率と波長変換素子800の改善率は、同等である。
一方、要因Cにおいては、波長変換素子800の改善率より波長変換素子50の改善率が低くなっているが、これは、入射角が大きくなるに従い蛍光Yの反射率が高まる(透過率が低下する)ようにフィルター53が形成されているためである。
また、要因Dにおいては、波長変換素子50の改善率は、波長変換素子800の改善率より高く、要因Cにおける低下分を大きく上回っている。これは、70°を超える入射角θy(図4参照)の蛍光Yに対し、フィルター53の反射率が反射防止膜810の反射率より高いため、射出角α内で効率良く蛍光Yが射出されるものと考えられる。
また、要因Dにおいては、波長変換素子50の改善率は、波長変換素子800の改善率より高く、要因Cにおける低下分を大きく上回っている。これは、70°を超える入射角θy(図4参照)の蛍光Yに対し、フィルター53の反射率が反射防止膜810の反射率より高いため、射出角α内で効率良く蛍光Yが射出されるものと考えられる。
そして、要因A〜要因Dを含めた総合的な改善率は、波長変換素子800より波長変換素子50が高く、蛍光射出率でみると、波長変換素子50は、波長変換素子800の59.46%を上回る61.04%を示した。
このように、フィルター53は、特に、入射角が大きな蛍光Yを有効に利用して(要因D)、蛍光射出率が高められている。
なお、フィルター53として、高屈折率材料の薄膜と、低屈折率材料の薄膜とが交互に49層に積層された薄膜を用いた例を示したが、上述したような特性を有する薄膜であれば、他の構成で形成された薄膜をフィルター53として構成することが可能である。
なお、フィルター53として、高屈折率材料の薄膜と、低屈折率材料の薄膜とが交互に49層に積層された薄膜を用いた例を示したが、上述したような特性を有する薄膜であれば、他の構成で形成された薄膜をフィルター53として構成することが可能である。
以上述べたように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
フィルター53は、狭い波長帯の中で透過と反射とが切り替わるような分光特性を有している。これによって、入射する励起光Eをさらに有効に利用して蛍光Yを発するとともに、発した蛍光Yの拡がりを効率良く抑制してさらに光束密度が高い蛍光Yを射出する波長変換素子50の提供が可能となる。
フィルター53は、狭い波長帯の中で透過と反射とが切り替わるような分光特性を有している。これによって、入射する励起光Eをさらに有効に利用して蛍光Yを発するとともに、発した蛍光Yの拡がりを効率良く抑制してさらに光束密度が高い蛍光Yを射出する波長変換素子50の提供が可能となる。
(実施形態3)
以下、実施形態3に係るプロジェクター11について、図面を参照して説明する。以下の説明では、実施形態1と同様の構成要素には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
図14は、本実施形態に係るプロジェクター11の光学系を示す模式図である。
本実施形態のプロジェクター11は、図14に示すように、実施形態1のプロジェクター1が有する照明装置100および色分離導光光学系200(図1参照)とは異なる、照明装置104および色分離導光光学系201を備える。
以下、実施形態3に係るプロジェクター11について、図面を参照して説明する。以下の説明では、実施形態1と同様の構成要素には、同一符号を付し、その詳細な説明は省略または簡略化する。
図14は、本実施形態に係るプロジェクター11の光学系を示す模式図である。
本実施形態のプロジェクター11は、図14に示すように、実施形態1のプロジェクター1が有する照明装置100および色分離導光光学系200(図1参照)とは異なる、照明装置104および色分離導光光学系201を備える。
照明装置104は、蛍光Yを射出する第1の光源装置105、および青色光Bを射出する第2の光源装置106に加え、インテグレーター光学系(レンズアレイ120,130および重畳レンズ150)および偏光変換素子140を備える。そして、照明装置104は、第1の光源装置105から射出された蛍光Yがインテグレーター光学系および偏光変換素子140を経て色分離導光光学系201に射出され、第2の光源装置106から射出された青色光Bがインテグレーター光学系および偏光変換素子140を経ずに色分離導光光学系201に射出されるように構成されている。すなわち、色分離導光光学系201は、図14に示すように、実施形態1における色分離導光光学系200が備える反射ミラー240およびリレーレンズ260,270(図1参照)を備えない構成を有している。
第1の光源装置105は、発光部13、集光光学系75、および波長変換光学系60を備える。
発光部13は、1つまたは複数の半導体レーザーから構成され、励起光Eを射出する。
集光光学系75は、レンズ76,77を備え、発光部13から射出された励起光Eを後述する蛍光体層82に集光させる。なお、集光光学系75は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
発光部13は、1つまたは複数の半導体レーザーから構成され、励起光Eを射出する。
集光光学系75は、レンズ76,77を備え、発光部13から射出された励起光Eを後述する蛍光体層82に集光させる。なお、集光光学系75は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
波長変換光学系60は、波長変換素子80およびコリメート光学系95を備える。
図15は、波長変換素子80の断面を模式的に示す図である。
波長変換素子80は、図15に示すように、基材81、蛍光体層82、第1フィルター83、第2フィルター84、および接着層85を備える。
図15は、波長変換素子80の断面を模式的に示す図である。
波長変換素子80は、図15に示すように、基材81、蛍光体層82、第1フィルター83、第2フィルター84、および接着層85を備える。
基材81は、光を透過する板材、例えば、石英ガラス、水晶や、サファイア等により形成されている。
蛍光体層82は、実施形態1の蛍光体層42と同様に形成され、発光部13から射出された励起光Eによって蛍光Yを発する。
蛍光体層82は、実施形態1の蛍光体層42と同様に形成され、発光部13から射出された励起光Eによって蛍光Yを発する。
第1フィルター83は、蛍光体層82の励起光Eが入射する側に設けられ、励起光Eを透過する。第2フィルター84は、蛍光体層82の第1フィルター83とは反対側に設けられ、蛍光Yを透過する。後で詳細に説明するが、第1フィルター83は、大きな入射角の励起光Eを反射し、第2フィルター84は、大きな入射角の蛍光Yを反射するように構成されている。
第1フィルター83および第2フィルター84が設けられた蛍光体層82は、第2フィルター84側が接着層85によって基材81に接着されている。接着層85は、光を透過する樹脂等によって形成されている。このように、本実施形態の波長変換素子80は、第1フィルター83が蛍光体層82の基材81とは反対側に設けられ、第2フィルター84が蛍光体層82と基材81との間に設けられている。
そして、集光光学系75に導かれた励起光Eは、第1フィルター83を透過して蛍光体層82で蛍光Yを発生させる。蛍光体層82で発した蛍光Yは、第2フィルター84、接着層85および基材81を透過してコリメート光学系95に向かう。このように、波長変換素子80は、励起光Eの入射側とは反対側に蛍光Yを発する透過型として構成されている。
図14に戻って、コリメート光学系95は、レンズ96,97を備え、波長変換素子80から射出された蛍光Yを略平行化する。コリメート光学系95は、波長変換素子80から発せられた蛍光Yが入射するピックアップ光学系に相当する。なお、コリメート光学系95は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
コリメート光学系95にて略平行化された蛍光Yは、レンズアレイ120,130、偏光変換素子140、および重畳レンズ150を経て色分離導光光学系201に入射する。色分離導光光学系201に入射した蛍光Yは、赤色光Rと緑色光Gとに分離され、それぞれが光変調装置400R,400Gに導かれる。
第2の光源装置106は、図14に示すように、発光部14、集光光学系720、散乱板725、偏光変換インテグレーターロッド740、および集光レンズ750を備える。
発光部14は、1つまたは複数の半導体レーザーから構成され、青色光Bを射出する。
集光光学系720は、レンズ721,722を備え、発光部14から射出された青色光Bを散乱板725に導く。なお、集光光学系720は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
集光光学系720は、レンズ721,722を備え、発光部14から射出された青色光Bを散乱板725に導く。なお、集光光学系720は、1つまたは3つ以上のレンズを備える構成であってもよい。
散乱板725は、波長変換素子80から射出された蛍光Yの配光分布に似た配光分布となるように、入射する青色光Bを散乱させる。
偏光変換インテグレーターロッド740は、散乱板725で散乱された青色光Bの面内光強度分布を均一にし、かつ、この青色光Bの偏光方向を略1種類の偏向光に変換する。
偏光変換インテグレーターロッド740は、散乱板725で散乱された青色光Bの面内光強度分布を均一にし、かつ、この青色光Bの偏光方向を略1種類の偏向光に変換する。
集光レンズ750は、偏光変換インテグレーターロッド740からの青色光Bを集光する。集光レンズ750で集光された青色光Bは、色分離導光光学系201の反射ミラー250で反射し、光変調装置400Bに導かれる。
〔第1フィルターおよび第2フィルター〕
ここで、波長変換素子80における第1フィルター83および第2フィルター84について詳細に説明する。
第1フィルター83および第2フィルター84は、特定の波長の光を反射し、他の波長の光を透過するダイクロイックフィルターで構成されている。
図16は、第1フィルター83が有する分光特性の概要を示すグラフであり、400nm〜800nmの波長領域における、入射角が0°、45°の光と第1フィルター83の反射率との関係を示す図である。なお、図16は、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度分布を加えたグラフである。
ここで、波長変換素子80における第1フィルター83および第2フィルター84について詳細に説明する。
第1フィルター83および第2フィルター84は、特定の波長の光を反射し、他の波長の光を透過するダイクロイックフィルターで構成されている。
図16は、第1フィルター83が有する分光特性の概要を示すグラフであり、400nm〜800nmの波長領域における、入射角が0°、45°の光と第1フィルター83の反射率との関係を示す図である。なお、図16は、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度分布を加えたグラフである。
第1フィルター83は、図16に示すように、400nm〜800nmの波長領域において、垂直入射する(入射角が0°の)励起光E、および垂直入射する700nmを超えた波長の光を透過し、垂直入射する蛍光Yを反射する。すなわち、第1フィルター83は、波長変換素子80に入射する励起光Eを透過すると共に、蛍光体層82で発し、第1フィルター83に向かう蛍光Yを反射する機能を有している。これによって、蛍光体層82で発した蛍光Yを波長変換素子80の光射出側に効率良く射出させることができる。
また、第1フィルター83は、シフト特性を有している。すなわち、第1フィルター83は、入射角が大きくなる光に応じて、分光特性が短波長側にシフトし、蛍光Yの反射に加えて励起光Eの反射率が徐々に高まる。そして、第1フィルター83は、図16に示すように、入射角が約45°の励起光Eにおいては、透過する光強度より大きな光強度で反射する。第1フィルター83が透過する光強度より大きな光強度で反射する励起光Eの入射角は、第3の入射角に相当する。すなわち、本実施形態の第3の入射角は、約45°を超えた角度となる。なお、約45°が第3の入射角に限定されるものではない。
このように、第1フィルター83が第3の入射角で入射する励起光Eの一部を反射するので、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層から第3の入射角で第1フィルターに入射する励起光Eの一部を再び蛍光体層に向かわせて蛍光Yの発生に寄与させることができる。
このように、第1フィルター83が第3の入射角で入射する励起光Eの一部を反射するので、蛍光の発生に寄与せずに蛍光体層から第3の入射角で第1フィルターに入射する励起光Eの一部を再び蛍光体層に向かわせて蛍光Yの発生に寄与させることができる。
図17は、第2フィルター84が有する分光特性の概要を示すグラフであり、400nm〜800nmの波長領域における、入射角が0°、70°の光と第2フィルター84の反射率との関係を示す図である。なお、図17は、図16と同様に、励起光Eおよび蛍光Yの相対的な光強度分布を加えたグラフである。
第2フィルター84は、図17に示すように、垂直入射(入射角0°)する励起光Eおよび垂直入射する700nmを超えた波長の光を反射し、垂直入射する蛍光Yを透過する。すなわち、第2フィルター84は、蛍光体層82で発した蛍光Yを透過すると共に、第2フィルター84に向かう励起光Eを反射する機能を有している。これによって、第1フィルター83から蛍光体層82を通過した励起光Eを再び蛍光体層82に向かわせて、蛍光Yへの変換効率を高めることが可能となる。
また、第2フィルター84は、第1フィルター83と同様に、シフト特性を有し、入射角が大きくなる蛍光Yに応じて、この蛍光Yを反射する反射率が高くなる。そして、第2フィルター84は、ある入射角以上の蛍光Yに対しては、透過する光強度より大きな光強度で反射する。そして、第2フィルター84は、図17に示すように、入射角が約70°の光に対し、励起光Eにおいては一部を透過し、蛍光Yにおいては、略反射する。すなわち、図17には示していないが、第2フィルター84が入射する蛍光Yを、透過する光強度より大きな光強度で反射する入射角(第4の入射角)は、70°を下回る角度以上の角度となる。
このように、第2フィルター84が第4の入射角で入射する蛍光Yの一部を反射するので、蛍光体層82内の散乱等による蛍光Yの拡がりを抑え、波長変換素子80からは、第4の入射角以内における光束密度の高い蛍光Yが射出される。
なお、第2フィルター84は、入射角が大きい励起光Eの一部を透過する分光特性を有しているが、第1フィルター83から蛍光体層82に入射する励起光Eが第2フィルター84に到達する前に蛍光Yの発生に略全てが利用されるように、蛍光体層82の厚みを厚くすることや、Ceの濃度を高めること等によって、実質上、第2フィルター84が励起光Eを反射しない構成が可能である。
以上述べたように、本実施形態によれば、以下の効果を得ることができる。
(1)波長変換素子80は、第1フィルター83が蛍光Yを反射するので、光射出側に効率良く蛍光Yを射出させることができる。
(1)波長変換素子80は、第1フィルター83が蛍光Yを反射するので、光射出側に効率良く蛍光Yを射出させることができる。
(2)波長変換素子80は、第2フィルター84が励起光Eを反射するので、第1フィルター83から蛍光体層82を通過した励起光Eを再び蛍光体層82に向かわせて、蛍光Yへの変換効率を高めることが可能となる。
(3)第1フィルター83は、第3の入射角で入射する励起光Eを、透過する光強度より大きな光強度で反射する。これによって、蛍光Yへの変換効率をさらに高めた波長変換素子80の提供が可能となる。
(4)第2フィルターは、第4の入射角で入射する蛍光を、透過する光強度より大きな光強度で反射する。これによって、拡がりが抑制された光束密度の高い蛍光Yを射出する波長変換素子80の提供が可能となる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
実施形態1、実施形態2の波長変換素子40,50は、静止構造であるが、基材にリング状に設けられた蛍光体層を備えた波長変換素子を構成し、この蛍光体層に前述したフィルター43,53の特性を有するフィルターを設け、この波長変換素子がモーター等により回転される回転構造であってもよい。回転構造においては、波長変換素子40,50の放熱性が向上する。
同様に、実施形態3の波長変換素子80は、静止構造であるが、基材にリング状に設けられた蛍光体層を備えた波長変換素子を構成し、この蛍光体層に前述した第1フィルター83、第2フィルター84の特性を有する第1フィルター、第2フィルターを設け、この波長変換素子がモーター等により回転される構成であってもよい。
実施形態1、実施形態2の波長変換素子40,50は、静止構造であるが、基材にリング状に設けられた蛍光体層を備えた波長変換素子を構成し、この蛍光体層に前述したフィルター43,53の特性を有するフィルターを設け、この波長変換素子がモーター等により回転される回転構造であってもよい。回転構造においては、波長変換素子40,50の放熱性が向上する。
同様に、実施形態3の波長変換素子80は、静止構造であるが、基材にリング状に設けられた蛍光体層を備えた波長変換素子を構成し、この蛍光体層に前述した第1フィルター83、第2フィルター84の特性を有する第1フィルター、第2フィルターを設け、この波長変換素子がモーター等により回転される構成であってもよい。
実施形態3の波長変換素子80は、蛍光体層82の基材81とは反対側から励起光Eが入射するように構成されているが、蛍光体層82の基材81側から励起光Eが入射する波長変換素子を構成してもよい。この構成の場合、基材81と蛍光体層82との間に第1フィルター83が設けられ、蛍光体層82の基材81とは反対側に第2フィルター84が設けられる構成となる。
前記実施形態のプロジェクター1,11は、光変調装置として透過型の液晶パネルを用いているが、反射型の液晶パネルを用いたものであってもよい。また、光変調装置としてマイクロミラー型の光変調装置、例えば、DMD(Digital Micromirror Device)等を利用したものであってもよい。
前記実施形態の光変調装置は、赤色光R、緑色光G、および青色光Bに対応する3つの光変調装置400R,400G,400Bを用いるいわゆる3板方式を採用しているが、これに限らず、単板方式を採用してもよく、あるいは、2つまたは4つ以上の光変調装置を備えるプロジェクターにも適用できる。
1,11…プロジェクター、10,13…発光部、30,60…波長変換光学系、40,50,80…波長変換素子、41,81…基材、42,82…蛍光体層、43,53…フィルター、83…第1フィルター、84…第2フィルター、90…コリメート集光光学系(ピックアップ光学系)、95…コリメート光学系(ピックアップ光学系)、101,105…第1の光源装置(光源装置)、400B,400G,400R…光変調装置、600…投写光学装置、E…励起光、Y…蛍光、L1…第1波長、Ep…励起光のピーク波長、Yp…蛍光のピーク波長。
Claims (8)
- 励起光が入射することにより蛍光を発する蛍光体層と、
反射層を有する基材と、
前記蛍光体層の前記反射層とは反対側に設けられたフィルターと、
を備え、
前記フィルターは、前記励起光の波長から前記蛍光の波長までの波長領域における垂直入射する光の反射率が、第1波長において最も低く、
前記第1波長は、前記励起光のピーク波長と前記蛍光のピーク波長との間にあることを特徴とする波長変換素子。 - 請求項1に記載の波長変換素子であって、
前記フィルターは、前記波長領域における第1の入射角で入射する光の反射率が、前記励起光のピーク波長において最も低いことを特徴とする波長変換素子。 - 励起光が入射することにより蛍光を発する蛍光体層と、
反射層を有する基材と、
前記蛍光体層の前記反射層とは反対側に設けられたフィルターと、
を備え、
前記フィルターは、前記励起光のうち垂直入射する励起光、および前記蛍光のうち垂直入射する蛍光を透過し、前記蛍光のうち第2の入射角で入射する蛍光を、透過する光強度より大きな光強度で反射することを特徴とする波長変換素子。 - 請求項3に記載の波長変換素子であって、
前記蛍光は、緑色光および視感度が高い赤色光を含む光であり、
前記フィルターは、垂直入射し、前記赤色光より視感度が低い赤色光の少なくとも一部を反射することを特徴とする波長変換素子。 - 励起光が入射することにより蛍光を発する蛍光体層と、
前記蛍光体層の前記励起光が入射する側に設けられた第1フィルターと、
前記蛍光体層の前記第1フィルターとは反対側に設けられた第2フィルターと、
前記第1フィルターおよび前記第2フィルターが設けられた前記蛍光体層が設けられ、前記蛍光を透過する基材と、
を備え、
前記第1フィルターは、前記励起光のうち垂直入射する励起光を透過し、前記励起光のうち第3の入射角で入射する励起光を、透過する光強度より大きな光強度で反射し、前記蛍光のうち垂直入射する蛍光を反射し、
前記第2フィルターは、前記蛍光のうち垂直入射する蛍光を透過し、第4の入射角で入射する前記蛍光を、透過する光強度より大きな光強度で反射し、前記励起光のうち垂直入射する励起光を反射することを特徴とする波長変換素子。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
前記波長変換素子から発せられた蛍光が入射するピックアップ光学系と、
を備えることを特徴とする波長変換光学系。 - 励起光を射出する発光部と、
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の波長変換素子と、
を備えることを特徴とする光源装置。 - 請求項7に記載の光源装置と、
前記光源装置から射出された光を変調する光変調装置と、
前記光変調装置で変調された光を投写する投写光学装置と、
を備えることを特徴とするプロジェクター。
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