JP2019090863A - 光源装置、及びこれを用いたプロジェクタ - Google Patents

Abstract

【課題】光源装置において、温度消光の影響を低減して高効率の蛍光変換を実現する。【解決手段】光源装置は、励起光を出力する複数の光源と、蛍光体が配置された第１領域と蛍光体が配置されていない第２領域とを有する蛍光体担持部と、を有し、前記複数の光源から出力される励起光は、前記蛍光体担持部の異なる位置を照射し、前記異なる位置からの出射光を合成した合成光が出力される。【選択図】図１

Description

本発明は、光源装置、及びこれを用いたプロジェクタに関する。

今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ画像、メモリカード等に記憶されている画像をスクリーンに投影するプロジェクタが多用されている。プロジェクタは、光源から射出された光をＤＭＤ（Digital Micro-mirror Device：マイクロミラー素子）、液晶素子などの画像表示素子に集光させ、スクリーン上に画像を投射するものである。従来のプロジェクタは、高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であったが、近年、励起光を出力する固体発光素子と、励起光を吸収して所定の波長帯域光に変換する蛍光体を組み合わせた光源装置が用いられるようになっている。

励起光を出力する固体発光素子として、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザーダイオード（ＬＤ）、有機ＥＬ（Electro Luminescence）等が用いられている。励起光と、２種類の蛍光体層が形成された回転基板（蛍光体ホイール）を用いて、３色の光（励起光と２つの蛍光）を生成し、３つの色光を合成することで白色光が得られる（特許文献１参照）。

今までの光源装置では、高出力の白色光を得るために多数の励起光源を使用し、励起光源からの各射出光を集光して蛍光体の１カ所に照射している。励起密度の高い光を蛍光体の１カ所に照射すると、照射箇所の温度が急激に高くなり、蛍光体の温度消光特性によって蛍光変換効率（発光効率）が低下する。温度消光とは、温度上昇により励起光によって電子が励起状態になる確率が下がる現象である。集光した光を３つに分岐して、各分岐光を蛍光体上の対応する領域に照射する場合でも、分岐された各光の励起密度は依然として高く、加熱により蛍光体の発光効率が低下する。

本発明は、光源装置において、温度消光の影響を低減して高効率の蛍光変換を実現することを目的とする。

上記課題を解決するために、一つの態様では、光源装置は、
励起光を出力する複数の光源と、
蛍光体が配置された第１領域と蛍光体が配置されていない第２領域とを有する蛍光体担持部と、
を有し、
前記複数の光源から出力される励起光は、前記蛍光体担持部の異なる位置を照射し、
前記異なる位置からの出射光を合成した合成光が出力される。

上記の構成により、光源装置で温度消光の影響を低減して、高効率の蛍光変換を実現することができる。

第１実施形態の光源装置の概略図である。 第１実施形態の光源装置で用いられる蛍光体ホイールの概略図である。 図２のサークルで囲んだ領域の拡大図である。 蛍光体ホイールに形成されるスポットの別の例を示す図である。 光源装置とともに用いられるカラーホイールの一例である。 第２実施形態の光源装置の概略図である。 第２実施形態の光源装置で用いられる蛍光体ホイールの概略図である。 図７のサークルで囲んだ領域の拡大図である。 第３実施形態の光源装置の概略図である。 第３実施形態の光源装置で用いられる蛍光体ホイールの概略図である。 図１０のサークルで囲んだ領域の拡大図である。 光源装置の分解斜視図である。 組み立て後の光源装置の外観図である。 光源アレイの一例を示す図である。 光源アレイを形成する光源集合体の一例を示す図である。 蛍光ホイール上に形成されるスポットの例を示す図である。 光源装置の光軸に沿った方向の垂直断面図である。 光源装置を用いたプロジェクタの概略構成図である。

実施形態では、高出力の白色光を実現しつつ、温度消光の影響を低減して発光効率を高めるため、複数の光源から出力された励起光の各々を、蛍光体担持部のそれぞれ異なる箇所に分散させて照射する。各照射箇所からの出射光を集光して白色光を出力する。

蛍光体担持部の各照射箇所での励起強度は高くないので、温度消光が抑制される。蛍光体担持部の各箇所で白色の出射光を生成してもよい。この場合は、それぞれの白色光を集光して高出力の白色光が得られる。この構成では、個々の光源素子のばらつきと、各照射位置での蛍光のばらつきを吸収して、安定した色調の白色光を出力することができる。
＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の光源装置１０Ａの概略図である。光源装置１０Ａは、複数の光源１１と、蛍光体担持部２Ａと、集光レンズ８０を有する。蛍光体担持部２Ａは、蛍光体４５として、緑色蛍光体層４５Ｇと、赤色蛍光体層４５Ｒを担持している。

複数の光源１１から出力された光は、蛍光体担持部２Ａのそれぞれ異なる箇所を照射する。各光源１１と蛍光体担持部２Ａの間に、光源１１から出力される励起光を所望のスポット径に成形する光学系２０を配置してもよい。

蛍光体担持部２Ａは、後述するように、蛍光体４５が設けられた領域と、透過領域とを有する。各光源１１から出力される励起光の強度はそれほど大きくなく、蛍光体担持部２Ａの照射位置での励起密度も高くない。蛍光体４５での昇温が抑制され、光源装置１０Ａの発光効率を高く維持することができる。

蛍光体担持部２Ａの異なる箇所から出射される複数の光は、集光レンズ８０で集光される。集光レンズ８０で集光された光９９が、光源装置１０Ａの出力光である。この出力光は、蛍光体担持部２Ａの複数の箇所を透過した光の合成光である。

光源装置１０Ａの出力光は、色切り換え部９のカラーホイール９０の所定の位置に集光される。カラーホイール９０は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）のカラー領域を有し、光源装置１０Ａの出力光を各色の光に切り替えて、出力する。

色切り換え部９は、カラーホイール９０の他に、カラーホイール９０を駆動軸９２のまわりに駆動するステッピングモータ９１を有する。光源装置１０Ａから出力された光が、カラーホイール９０のいずれのカラー領域に入射するかによって、特定の色光がカラーホイール９０から時分割で取出される。カラーホイール９０を透過した光は、ロッドインテグレータ９３に入射する。ロッドインテグレータ９３は、カラーホイール９０を透過した光の光量及び／または照度を均一に調整する光学部品である。このような光学部品として、ロッドインテグレータ９３に替えて、あるいはロッドインテグレータ９３と組み合わせてライトトンネル等を用いてもよい。

光源装置１０Ａについて、より詳細に説明する。複数の光源１１は所望の配置パターンで並べられている。配置パターンは、円環状、多角形または楕円の環状、矩形配置の組み合わせなどである。複数の光源１１からの出力光が干渉しない程度にアレイ状に配置されていればよいので、所望の配列パターンを採用することができる。この例では、複数の光源１１が環状に配列されたアレイを用いる。

各光源１１は、発光ダイオード、レーザーダイオード、有機ＥＬ等、所定の波長の励起光を出力する発光素子である。ＬＤ等の固体発光素子を用いることで、放電ランプに比べて、色再現性、発光効率、光利用効率等が良好であり、瞬時に点灯し、かつ寿命が長い。点光源（或いは平行ビーム）であるため、照明系が設計しやすく、色合成が簡易になる。

各光源１１から射出した光は、各光源に対応して設けられた光学系２０によって、所望のスポット径に整形され、蛍光体担持部２Ａの所定の領域に導かれる。光学系２０は、たとえば、集光レンズ２０６、２０７を含むレンズ群で形成されてもよい。

蛍光体担持部２Ａは、蛍光体ホイール２１と、蛍光体ホイール２１の入射面に形成されたダイクロイック層３、及び、蛍光体ホイール２１の出射面に形成された蛍光体４５の層を有する。図１の例では、蛍光体ホイール２１に赤色蛍光体層４５Ｒと緑色蛍光体層４５Ｇが設けられている。

ダイクロイック層３は、光源１１からの射出光（励起光）のみを透過し、その他の波長成分を反射する。この例では、励起光は青色の光である。赤色蛍光体層４５Ｒは、励起光で照射されると赤色の蛍光を発する。緑色蛍光体層４５Ｇは、励起光で照射されると緑色の蛍光を発する。励起光の波長を別の波長に変換するという点で、波長変換層と呼んでもよい。

ダイクロイック層３と、蛍光体ホイール２１を透過した各光線は、蛍光体ホイール２１の出射面から出射し、対応するピックアップレンズ５０で平行光にされ、集光レンズ８０により、カラーホイール９０上の１点に集光される。集光レンズ８０から出射された光９９は、蛍光体ホイール２１の複数の箇所を透過した光の合成光である。

図２は、蛍光体ホイール２１の概略図、図３は、図２のサークルで囲んだ領域Ａの拡大図である。蛍光体ホイール２１は、透過型基板２０１に、同心円で形成された環状の赤色蛍光体層４５Ｒと、緑色蛍光体層４５Ｇを有する。赤色蛍光体層４５Ｒと、緑色蛍光体層４５Ｇの間は、透過領域２０２である。

透過型基板２０１は、ガラス、プラスチック等の透過性の高い材料で形成されている。透過型基板２０１は、回転軸４８に接続されており、ステッピングモータ４９によって回転される。回転軸４８は、透過型基板２０１の中心を通り、基板の法線と平行に設けられており、蛍光体ホイール２１を基板の面内方向に回転可能に支持している。

蛍光体ホイール２１の回転は必須ではない。図２に示すように、各光源１１から出力された励起光ＰＬ（Ｂ）は、蛍光体ホイール２１の上に分散された複数のスポットを形成する。蛍光体ホイール２１での熱集中が防止され、各スポット位置での昇温が抑制されているので、ステッピングモータ４９をオフにして用いることも可能である。

蛍光体ホイール２１を所定の回転レートで回転する場合は、励起光ＰＬ（Ｂ）のスポット位置を、照射単位時間ごとにずらすことができる。また、蛍光体ホイール２１が回転することによって、蛍光体ホイール２１自体がヒートスプレッダとして機能する。この場合は、熱分散と冷却効果をさらに高めることができる。

図３は、蛍光体ホイール２１に形成される励起光ＰＬ（Ｂ）のスポット２０３の一例である。透過基板２０１の環状の蛍光領域に導かれた励起光ＰＬ（Ｂ）は、赤色蛍光体層４５Ｒと、緑色蛍光体層４５Ｇと、透過領域２０２にまたがるスポット２０３を形成する。スポット２０３の形状と径は、光学系２０により制御されている。

図３の例では、励起光ＰＬ（Ｂ）のスポット２０３は、スポット面積の約２割で赤色蛍光体層４５Ｒを照射し、約７割で緑色蛍光体層４５Ｇを照射している。スポット面積の約１割は、透過領域２０２を照射している。

この面積割合で蛍光体ホイール２１を通過した赤色光、青色光、及び緑色光は、ピックアップレンズ５０（図１参照）で平行光９９ａにされる。ピックアップレンズ５０から出力される平行光９９ａは、この例では３色の光が所定の割合で混合された白色光である。図１を参照して説明したように、複数の白色光が集光レンズ８０によってひとつの白色光に集光される。これにより、複数の光源１１のばらつき、各スポットで生成される白色光のばらつき等を吸収して、安定した白色光源が実現される。

蛍光体ホイール２１に形成されるスポット２０３は、図３の例に限定されない。最終的に集光レンズ８０から出力される光が白色光になればよいので、複数のピックアップレンズ５０からそれぞれ異なる色の光が出力され、集光レンズ８０による光混合の結果、白色光が生成されてもよい。

図４は、蛍光体ホイール２１に形成されるスポットの別の例を示す図である。例（Ａ）では、緑色蛍光体層４５Ｇと透過領域２０２にまたがる第１スポット２０３−１と、赤色蛍光体層４５Ｒと透過領域２０２にまたがる第２スポット２０３−２が形成される。第１スポット２０３−１からシアン色の光が出力され、第２スポット２０３−２からマゼンダ色の光が出力され、集光レンズ８０で集光されて白色光が生成される。

図４の例（Ｂ）では、緑色蛍光体層４５Ｇの内部に形成される第１スポット２０３−１と、赤色蛍光体層４５Ｒと透過領域２０２にまたがる第２スポット２０３−２が形成されている。第１スポットから緑（Ｇ）の波長の光が出力され、第２スポットから赤（Ｒ）と青（Ｂ）の波長の光が出力され、集光レンズ８０で集光されて白色光となる。例（Ａ）と例（Ｂ）で、スポット全体が占める面積割合を緑領域、赤領域、透明領域で７：２：１としてもよい。

図４の例（Ａ）、（Ｂ）以外にも、複数のスポット２０３を透過した光を集光して白色光を得ることができれば、蛍光体ホイール２１上にどのようなスポットを形成してもよい。この構成により、複数の光源１１から出力された各励起光ＰＬ（Ｂ）で蛍光体ホイール２１上の異なる箇所を照射して、蛍光体４５の温度上昇を抑制し、高い発光効率で白色光を得ることができる。

光源装置１０Ａでは、従来構成で用いられていた分割ミラーや合成ミラー等が省略され、構成が簡素化され小型化される。また、各光源１１のばらつきが吸収され、安定した品質の白色光を生成することができる。複数の光源１１を環状に配置し、光源群の中心と蛍光ホイール２１の中心を同軸上に配置する場合は、光源装置１０Ａを大型化せずに蛍光体ホイール２１をできるだけ大きくすることができる。蛍光体ホイールの放熱領域を増やすことで、冷却効率が向上する。第１実施形態の光源装置１０Ａは、小型化と高い蛍光変換効率を両立できる点で優れている。

図５は、光源装置１０Ａとともに用いられるカラーホイール９０の一例を示す。カラーホイール９０は、円形の基板９０１で形成され、ステッピングモータ９１により回転軸９２のまわりに駆動されて光色を切り替える。基板９０１の回転方向に沿って、分割された領域９０２Ｒ、９０２Ｂ、及び９０２Ｇが配置されている。

領域９０２Ｒは、赤色成分の光だけを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する。領域９０２Ｂは青色成分の光だけを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する。領域９０２Ｂは緑色成分の光だけを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する。領域９０２Ｒ、９０２Ｂ、及び９０２Ｇが円周方向に配置され、基板９０１の回転により、赤色、青色、緑色の光が順次放射される。

カラーホイール９０から放射された光は、ロッドインテグレータ９３等の光学部品（図１参照）で光量が均一化された後に、リレーレンズ等を介して液晶、ＤＭＤなどの画像形成素子アレイに照射される。画像形成素子アレイで形成された画像は、投射レンズにより外部スクリーンに投射される。光源装置１０Ａを用いたプロジェクタの詳細な構成については、後述する。
＜第２実施形態＞
図６は、第２実施形態の光源装置１０Ｂの概略図である。光源装置１０Ｂは、蛍光体担持部２Ｂの構成を除いて、第１実施形態と同じである。同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する記載を省略する。

第２実施形態の蛍光体担持部２Ｂは、蛍光体ホイール２１上に黄色蛍光体層４５Ｙを有する。黄色蛍光体層４５Ｙは、励起光の照射により黄色の蛍光を発する蛍光材料で形成されている。光源１１として青色光源を用いる場合、青色波長の励起光ＰＬ（Ｂ）の入射を受けて、黄色波長の光を発する材料が用いられる。

複数の光源１１から出力された光は、光学系２０でスポット整形され、黄色蛍光体層４５Ｙを有する蛍光体ホイール２１の対応する箇所に入射する。蛍光体ホイール２１の各照射位置で生成された光はピックアップレンズ５０で平行光９９ａにされ、集光レンズ８０により、カラーホイール９０の所定の位置に集光される。

図７は、蛍光体担持部２Ｂの構成を示す図である。図８は、図７のサークルで囲まれた領域Ａの拡大図である。蛍光体ホイール２１を形成する透過型基板２０１の出射面に、黄色蛍光体層４５Ｙが設けられている。黄色蛍光体層４５Ｙが設けられていない領域は、励起光ＰＬ（Ｂ）をそのまま透過させる透過領域２０２である。

蛍光体ホイール２１の上で、黄色蛍光体層４５Ｙと透過領域２０２にまたがるスポット２０３が複数形成される。スポット２０３の数と形成位置は、光源１１の数と配置に対応する。図８に示すように、スポット２０３は、スポット面積の約９割で黄色蛍光体層４５Ｙを照射し、約１割で透過領域２０２を照射するように形成されている。

黄色蛍光体層４５を透過した光は黄色の光である。透過領域２０２を透過した光は青色光である。加法混色により各スポット２０３で生成される光は白色光となる。蛍光体ホイール２１を透過した光はピックアップレンズ５０で平行光９９ａにされ、集光レンズ８０により複数の平行光９９ａが一点に集光される。

図７及び図８の構成を用いる場合、各ピックアップレンズ５０から出力される平行光９９ａは白色光であり、集光レンズ８０からの出射光９９は、平行光９９ａを合成した白色光である。励起密度が高くない複数の励起光線で蛍光体ホイール２１の複数の箇所を照射して所望の蛍光を生成し、その後集光して白色光を生成するので、蛍光体の昇温、温度消光を抑制することができる。また、光源１１のばらつき、各スポット２０３で生成される蛍光のばらつきを吸収して、安定した白色光を生成することができる。

集光レンズ８０から取り出される光が白色光になればよいので、各スポット２０３で生成される光は、必ずしもすべてが白色光でなくてもよい。蛍光体ホイール２１の全体として、スポット２０３が占めるトータルの面積のうち、黄色蛍光体層４５Ｙが約９割、透過領域２０２が約１割となればよい。したがって、黄色蛍光体層４５Ｙの内部に形成される第１スポットと、黄色蛍光体層４５Ｙと透過領域２０２にまたがる第２スポットを混在させてもよい。また、２つの黄色蛍光体層４５Ｙを間に透過領域２０２を挟んで二重に配置してもよい。

図６に戻って、集光レンズ８０を通過した光９９は、カラーホイール９０の所定の位置に入射する。カラーホイール９０はステッピングモータ９１により回転軸９２の周りに回転する。カラーホイール９０は、第１実施形態と同様に、円周方向に分割された赤色の領域９０２Ｒ、青色の領域９０２Ｂ、及び緑色の領域９０２Ｇを有し（図５参照）、時分割で赤色光、青色光、緑色光を順次放射する。カラーホイール９０を透過した光は、ロッドインテグレータで光量が均一化された後に、画像形成パネルに導かれる。後述するように、画像形成パネルに形成された画像は、投射レンズによって外部スクリーンに投射される。

第２実施形態の構成によっても、光源装置の小型化と蛍光変換効率の向上を両立することができる。
＜第３実施形態＞
図９は、第３実施形態の光源装置１０Ｃの概略図である。光源装置１０Ｃは、蛍光体担持部２Ｃの構成を除いて、第１実施形態と同じである。同じ構成要素には同じ符号を付けて、重複する記載を省略する。

第３実施形態の蛍光体担持部２Ｃは、蛍光体ホイール２１の基板として、反射型基板２０４を用いる。第１実施形態と第２実施形態では、透過型基板２０１を用いて、光源１１から出力される励起光を、蛍光体４５の形成面と反対側から入射していた。第３実施形態では、光源１１から出力される励起光を、蛍光体４５の形成面と同じ側から入射する。

複数の光源１１は、たとえば円環状に配置されている。各光源１１に、ダイクロイックミラー５と、集光レンズ２０６及び２０７が設けられている。円環状の光源アレイの中心と、蛍光体ホイール２１の中心を同軸に配置することで、光源装置１０Ｃを大型化させないで、蛍光体ホイール２１の反射面に複数の照射スポットを分散させることができる。

各光源１１から出力された光は、集光レンズ２０６、ダイクロイックミラー５、及び集光レンズ２０７によって、所望のスポット径に整形され、蛍光体ホイール２１の所定の位置に導かれる。集光レンズ２０６は、光源１１からの出力光を平行光に整形する。ダイクロイックミラー５は、光源１１から出力される励起光だけを反射し、その他の波長成分の光を透過する。励起光は、たとえば青色波長の光である。ダイクロイックミラー５で反射された励起光は、集光レンズ２０７で、反射型基板２０４の赤色蛍光体層４５Ｒと緑色蛍光体層４５Ｇが形成された領域に結像する。

反射型基板２０４の光入射面は、アルミニウム合金、銀等の高反射率の金属材料で形成されている。あるいは、屈折率の異なる誘電体薄膜を積層した多層反射膜が形成されていてもよい。

蛍光体ホイール２１は、反射型基板２０４の中心を通り法線と平行に設けられた回転軸４８に接続されており、ステッピングモータ４９により回転可能である。

図１０は、蛍光体担持部２Ｃの構成を示す図、図１１は、図１０のサークルで囲まれた領域Ａの拡大図である。蛍光体ホイール２１を形成する反射型基板２０４の反射面に、赤色蛍光体層４５Ｒと、緑色蛍光体層４５Ｇが環状に設けられている。蛍光体４５が形成されていない領域は、反射領域２０５である。

複数の光源１１から出力された励起光は、蛍光体ホイール２１に複数のスポット２０３を形成する。各スポット２０３は、赤色蛍光体層４５Ｒ、緑色蛍光体層４５Ｇ、及び反射領域２０５にまたがって形成されている。スポット２０３の形状とサイズは、集光レンズ２０６及び２０７によって調整されている。この例では、スポット面積の約２割が赤色蛍光体層４５Ｒを照射し、約７割が緑色蛍光体層４５Ｇを照射し、約１割が反射領域２０５を照射している。この場合、反射型基板２０４の各スポット位置で反射された光は、白色光になる。

各スポット２０３は、単一の光源１１からの出力光で形成されるので、その励起密度は高くない。緑色蛍光体層４５Ｇと赤色蛍光体層４５Ｒでの昇温に起因する温度消光を防止することができる。

反射型基板２０４の反射面に形成されるスポット２０３は、かならずしも赤色蛍光体層４５Ｒ、緑色蛍光体層４５Ｇ、及び反射領域２０５の３つの領域にまたがっていなくてもよい。第１実施形態で説明したように、集光レンズ８０で集光された光９９が白色光になるのであれば、蛍光体ホイール２１上のスポット２０３の位置と大きさは、適宜設計可能である。

図９に戻って、蛍光体ホイール２１の反射型基板２０４で波長変換された反射光は、集光レンズ８０で１点に集光される。集光レンズ８０から出射される光９９は、各スポット２０３で生成された光が合成された白色光である。複数のスポットで生成された白色光を合成してひとつの白色光を出力することで、各光源１１のばらつきや、スポットごとに生成される白色光のばらつきを吸収して、安定した白色光源が実現する。

白色光は、色切り換え部９のカラーホイール９０に導光され、実施例１および２と同様に、時分割で赤色、青色、緑色の光が順次放射される。各色の放射光は、ロッドインテグレータ９３等の光学部品で光量が均一化された後に、リレーレンズで画像形成パネルに照射され、投射レンズによって外部スクリーンに投射される。

第３実施形態の構成でも、光源装置の小型化と蛍光変換効率の向上が両立する。
＜光源アセンブリ＞
図１２〜図１７は、光源装置１０のアセンブリを説明する図である。光源装置１０は、第１実施形態〜第３実施形態のいずれの構成であってもよい。図１２は、光源装置１０の分解斜視図、図１３は、組み立て後の光源装置１０の外観図である。

光源装置１０は、光源ハウジング１５とレンズハウジング１４の中に配置される。光源ハウジング１５は、複数の光源１１が配列された光源アレイ７と、蛍光体ホイール２１を含む蛍光体担持部２を収容する。レンズハウジング１４は、集光レンズ８０と集光凹レンズ８１を収容する。

レンズハウジング１４の光出射方向の前面側に、カラーホイール９０を用いた色切り換え部９が配置されている。カラーホイール９０の出力側の所定の位置に、ロッドインテグレータ９３が配置される。ロッドインテグレータ９３の光軸と、集光レンズ８０及び集光凹レンズ８１の光軸はそろっている。

光源ハウジング１５の背面にヒートパイプ等を配置して、光源アレイ７に配置された各光源１１からの発熱を逃がす放熱部材として機能させてもよい。また、図１３のように光源ハウジング１５とレンズハウジング１４を組み合わせた状態で、アセンブリの両サイドにヒートシンクを配置してもよい。ヒートパイプ、ヒートシンク等と組み合わせて送風ファンを用いてもよい。

図１４は、光源装置１０で用いられる光源アレイ７と蛍光体ホイール２１の概略図、図１５は、光源アレイ７に用いられる光源集合体１１０の概略図である。光源アレイ７は、複数の光源集合体１１０を組み合わせて形成されている。図１４では４つの矩形の光源集合体１１０を環状に組み合わせているが、この例に限定されない。３つまたは５以上の矩形の光源集合体１１０を組み合わせて多角形の光源アレイを形成してもよいし、円弧状の光源集合体１１０を組み合わせて、円環またはレーストラック型の光源アレイを形成してもよい。２つのＬ字型の光源集合体を組み合わせてもよい。

光源アレイ７の中心軸と同軸上に、ステッピングモータ４９の回転軸４８が配置され、回転軸４８に蛍光体ホイール２１が接続されている。この配置構成は、実施形態１及び実施形態２のように透過型基板２０１で蛍光体ホイール２１が形成されているときの配置構成である。

蛍光体ホイール２１の出射面に、環状の蛍光体４５が形成されている。蛍光体４５は、第１実施形態のように、透過領域２０２を挟んで緑色蛍光体層４５Ｇと赤色蛍光体層４５Ｒが配置されたものであってもよい。あるいは、第２実施形態のように、黄色蛍光体層４５Ｙを二重に配置したものであってもよい。

図１５は、光源アレイ７に用いられる光源集合体１１０の一例を示す。長方形の基板にＬＤ等の光源１１が２次元的（２×４列）に配列されている。各光源１１に対向して集光レンズ１１１が設けられている。各光源１１から出力された光は対応する集光レンズ１１１によって所望のスポット径に整形され、蛍光ホイール２１の蛍光体４５が設けられた領域に導かれる。

図１６は、蛍光ホイール２１上に形成されるスポット２０３の例を示す図である。この例では、蛍光体ホイール２１に黄色蛍光体層４５Ｙが二重に配置されている。また、光源アレイ７として、４つの長方形の光源集合体１１０を環状に組み合わせたものを用いている。

光源アレイ７に配置されている光源１１に対応して、蛍光ホイール２１に複数の励起光のスポット２０３が分散して形成されている。図１４の光源アレイ７を用いた場合、スポットは２×４の配列の組み合わせで形成される。その結果、ひとつの黄色蛍光体層４５Ｙと透過領域２０２にまたがって形成されるスポット、２つの黄色蛍光体層４５Ｙと透過領域２０２にまたがって形成されるスポット、ほぼ黄色蛍光体層４５Ｙの領域内に形成されるスポット等が混在する。

スポットの総面積でみると、スポット面積の約９割が黄色蛍光体層４５Ｙを照射し、約１割が透過領域２０２を照射している。換言すると、複数の光源１１からの総出射光量の約１割が、蛍光体ホイール２１の透過領域２０２を透過する。蛍光体ホイール２１の各スポット２０３で生成された光を集光レンズ８０で合成すると、白色光になる。

図１７は、光源装置１０の光軸に沿った方向の垂直断面図である。複数の光源１１から出力された励起光は、蛍光体ホイール２１の異なる箇所に入射する。蛍光体ホイールをそのまま透過した光と、蛍光体ホイール２１の蛍光体４５と反応して生成された蛍光は、集光レンズ８０、及び集光凹レンズ８１によって１点に集光され、白色光としてカラーホイール９０に導光される。

図５を参照して述べたように、カラーホイール９０は、青色成分の光のみを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する領域９０２Ｂと、緑色成分の光のみを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する領域９０２Ｇと、赤色成分の光のみを透過し、その他の光成分を吸収又は反射する領域９０２Ｒが、回転方向に分割配置されている。

カラーホイール９０から時分割で赤色、青色、緑色の光が順次放射され、ロッドインテグレータ９３で各色の光量が均一化される。
＜プロジェクタの構成＞
図１８は、光源装置１０を用いたプロジェクタ１の構成例を示す。プロジェクタ１は、パーソナルコンピュータ等の画像情報出力装置８に接続されている。

プロジェクタ１は、光源装置１０、光源駆動装置１３５、色切り換え部９、ロッドインテグレータ９３を含む照明光学系１７０、画像形成パネル１６０、投射光学系１８０、制御装置１９０、及び画像入力インターフェース１９１を有する。

制御装置１９０は、画像入力インターフェース１９１を介して画像情報出力装置８から入力される画像情報に基づいて、画像形成パネル１６０、光源駆動装置１３５、及び色切り換え部９を制御する。制御装置１９０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）とメモリを有し、プロジェクタ１の全体の動作を制御してもよい。

光源駆動装置１３５は、光源装置１０の各光源１１を駆動する。光源装置１０で、複数の光源１１から出力される励起光は、蛍光体ホイール２１の複数の箇所を照射する。複数のスポットから出射する蛍光は集光レンズ８０で集光され、白色光として光源装置１０から出力される。蛍光体ホイール２１の蛍光体に励起密度の低い光が分散されて入射するので、蛍光体の温度消光が抑制され、蛍光変換効率が高く維持される。集光レンズ８０により集光された白色光は、色切り換え部９のカラーホイール９０に入射する。

カラーホイール９０を回転するステッピングモータ９１の動作は、制御装置１９０によって制御されている。カラーホイール９０の回転により、領域９０２Ｒ、９０２Ｂ、及び９０２Ｇから、時分割で赤色光、青色光、及び緑色光が順次取り出される。

カラーホイール９０を透過した光はロッドインテグレータ９３に入射し、色ごとに光量が均一化される。ロッドインテグレータ９３の入射側に集光レンズが配置されていてもよい。ロッドインテグレータ９３から出射した光は、照明光学系１７０のリレーレンズ１７１、１７２、１７３、及びミラー１７４、１７５を介して、画像形成パネル１６０を照射する。

画像形成パネル１６０は、ＤＭＤ、液晶等の微細な画像形成素子が２次元状に配置されており、各素子が画素を形成する。制御装置１９０は、画像情報に基づいて、画像形成パネル１６０を画素単位でオン・オフ制御し、赤色成分の画像、緑色成分の画像、及び青色成分の画像を時分割で形成する。

画像形成パネル１６０での各色の画像形成タイミングと、カラーホイール９０での各色光の切り替えタイミングは、制御装置１９０の制御の下で同期している。画像形成パネル１６０に赤色成分の画像が形成されているときは、赤色画像は、照明光学系１７０を介して赤色光で照射される。赤色画像で反射された赤色光は、投射光学系１８０により、外部のスクリーンへ拡大投射される。

画像形成パネル１６０に緑色成分の画像が形成されているときは、緑色画像は、照明光学系１７０を介して緑色光で照射される。緑色画像で反射された緑色光は、投射光学系１８０により、外部のスクリーンへ拡大投射される。

画像形成パネル１６０に青色成分の画像が形成されているときは、青色画像は、照明光学系１７０を介して青色光で照射される。青色画像で反射された青色光は、投射光学系１８０により、外部のスクリーンへ拡大投射される。

上述した各白の動作が非常に短い時間で繰り返し行われ、スクリーン上にフルカラー画像が形成され、表示される。

光源装置１０、色切り替え部９、画像形成パネル１６０、及び照明光学系１７０で画像表示装置が形成されてもよい。

プロジェクタ１は、光源装置１０自体が小型、かつ温度消光が抑制されて蛍光変換効率が高い。また、カラーホイール９０の回転と画像形成パネル１６０の画像形成タイミングが同期しており、白色光から各色の光を分岐するための光学系が不要である。したがってプロジェクタ１を小型かつ高輝度にすることができる。

以上、特定の実施例に基づいて説明したが、本発明は上述した例に限定されない。たとえば、光源１１から出力される励起光は青色光に限定されず、赤色光または緑色光の励起光を用いてもよい。この場合は、蛍光体ホイール２１に形成される蛍光体の材料を変更して、所望の色の波長に変換すればよい。

光源アレイ７を形成する光源集合体１１０は、２×４のマトリクス配置に限定されず、１×２、１×４、２×３、３×４などのマトリクス配置であってもよい。

各色の光の光量を均一にする光学部品として、ロッドインテグレータ９３に替えて、ライトトンネル、または２枚一組にしたフライアイレンズを用いてもよい。画像形成パネル１６０として、反射型パネルに替えて透過型パネルを用いてもよい。いずれの場合も、複数の光源の各々から出力される比較的励起密度の低い光で、蛍光体上の異なる位置を照射するので、蛍光体の温度消光を抑制し、蛍光変換効率を高く維持することができる。

また、複数の照射スポットの各々で蛍光を生成した後に集光することで、光源のばらつき、生成された蛍光のばらつき等を吸収して、安定した白色光を生成することができる。

蛍光体ホイールの形状に合わせて、複数の光源を環状に配置した光源アレイを用いることで、光源の近接配置が可能になる。また、蛍光体上に形成されるスポットの照射面積の割合を所望の割合に設計することができる。

１ プロジェクタ
２、２Ａ〜２Ｃ 蛍光体担持部
３ ダイクロイック層
５ ダイクロイックミラー
７ 光源アレイ
８ 画像情報出力装置
９ 色切り換え部
１０、１０Ａ〜１０Ｃ 光源装置
１１ 光源
２１ 蛍光体ホイール
４５ 蛍光体
４５Ｒ 赤色蛍光体層
４５Ｇ 緑色蛍光体層
４５Ｙ 黄色蛍光体層
８０ 集光レンズ
８１ 集光凹レンズ
９０ カラーホイール
９３ ロッドインテグレータ
９９ 白色光
１１０ 光源集合体
１３５ 光源駆動装置
１６０ 画像形成パネル
１７０ 照明光学系
１７１、１７２、１７３ リレーレンズ
１８０ 投射光学系
１９０ 制御装置
１９１ 画像入力インターフェース
２０１ 透過型基板
２０２ 透過領域（第２領域）
２０３ スポット
２０４ 反射型基板
２０５ 反射領域（第２領域）
ＰＬ 励起光

特開２０１２−１３７６０８号公報

Claims (12)

1. 励起光を出力する複数の光源と、
   蛍光体が配置された第１領域と蛍光体が配置されていない第２領域とを有する蛍光体担持部と、
   を有し、
   前記複数の光源から出力される励起光は、前記蛍光体担持部の異なる位置を照射し、
   前記異なる位置からの出射光を合成した合成光が出力される、
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記複数の光源が配置された光源アレイ、
   を有し、前記光源アレイの中心軸と前記蛍光体担持部の中心軸とがそろっていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光源アレイは、２以上の光源がマトリクス状に配置された光源集合体を組み合わせたアレイであることを特徴とする請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第１領域は環状の蛍光体層であり、
   前記光源アレイは、複数の前記光源集合体を環状に配置したものであることを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記蛍光体担持部の出射側に配置される集光レンズ、
   をさらに有し、
   前記集光レンズは前記出射光を集光して白色光を出射することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記複数の光源は、前記蛍光体担持部に形成される照射スポットが、前記第１領域と前記第２領域にまたがるように前記蛍光体担持部を照射することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記複数の光源は、青色の励起光を出力し、
   前記第１領域は、赤色蛍光体層と緑色蛍光体層を有し、
   前記複数の光源は、前記照射スポットが、前記赤色蛍光体層と前記緑色蛍光体層の少なくとも一方と、前記第２領域にまたがるように前記蛍光体担持部を照射することを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
8. 前記複数の光源は、青色の励起光を出力し、
   前記第１領域は、黄色蛍光体層を有し、
   前記複数の光源は、前記照射スポットが、所定の面積割合で前記黄色蛍光体層と前記第２領域にまたがるように前記蛍光体担持部を照射することを特徴とする請求項６に記載の光源装置。
9. 前記異なる位置からの前記出射光は第１の白色光であり、前記合成光は第２の白色光であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の光源装置。
10. 請求項１〜９のいずれか１項に記載の光源装置と、
    前記光源装置の出力光に含まれる各色の光を所定のタイミングで切り替えて出力する色切り替え部と、
    前記タイミングと同期して、各色の画像を形成する画像形成部と、
    前記各色の光で対応する色の画像を照射する照明光学系と、
    各色の照射画像を外部に投射する投射光学系と、
    を有することを特徴とするプロジェクタ。
11. 前記色切り替え部は、回転方向に沿って分割配置された異なる色領域を有するカラーホイールを有し、
    前記カラーホイールの回転速度は、各色の光の切り替えタイミングと画像形成タイミングが同期するように制御されていることを特徴とする請求項１０に記載のプロジェクタ。
12. 前記照明光学系は、前記色切り替え部から出力される前記各色の光の光量を均一化する光学部品を含むことを特徴とする請求項１０または１１に記載のプロジェクタ。