JP2019174527A - 光源装置、並びに、それを用いたプロジェクタ装置及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザ光と蛍光体とを用い、ホイール等のサイズの大きな部品及びモータ等のメカニカルな部品を使用せずとも、蛍光体の発熱を抑制し、複数色の光を時系列で出力可能な光源装置を提供する。【解決手段】光源装置１００は、レーザ光を出力する半導体レーザ部１０１と、光の偏光面を回転させる偏光回転素子１０２，１０５と、光を偏光面に応じて透過及び反射する偏光分離素子１０３，１０６と、レーザ光により励起されて発光する蛍光体部１１１，１１４と、を備える。光源装置１００は、偏光回転素子１０２，１０５における偏光面の回転の回転角を時系列で制御することにより、蛍光体部１１１，１１４を励起する光の光量を時系列で制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を蛍光体に照射して励起し、蛍光体から発する光を含む複数色の光を時系列に出射する光源装置に関する。

レーザ素子と蛍光体を用いて複数色の光を時系列で出力する光源は、画像表示素子としてＤＭＤ（Digital Mirror Device）を用いたプロジェクタ装置や照明装置として利用されている。

ところで、レーザ光を蛍光体に集光した場合、レーザ光のエネルギー密度が高いので、蛍光体が発熱し、蛍光体の発光効率が劣化してしまうという問題がある。

この問題に対して、円板形状のホイールの表面に蛍光体の層を形成し、ホイールをモータにより回転させながらレーザ光を照射することにより、蛍光体からの発熱を分散させる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、特許文献２では、レーザ光を反射する領域と透過する領域とを有するホイールを用い、レーザ光を時分割で透過光と反射光に分離し、透過光と反射光とがそれぞれ異なる蛍光体を励起することにより、複数色の光を時系列で出力する光源を開示している。

特開２０１０−２３７４４３号公報 特開２０１３−１０１３１７号公報

しかしながら、レーザ光と蛍光体とを用いた光源において、ホイールを用いて、蛍光体の発熱を分散し、複数色の光を時系列で得る構成には以下の問題がある。まず、蛍光体の発熱を分散するためにホイールのサイズを大きくする必要がある。また、ホイールを回転させるためのモータ等のメカニカルな部品が必要となり部品点数やコストが増加してしまう。

本発明の目的は、レーザ光と蛍光体とを用いた光源装置であって、ホイール等のサイズの大きな部品及びモータ等のメカニカルな部品を使用せずとも、蛍光体の発熱を抑制し、複数色の光を時系列で出力可能な光源装置を提供することにある。

本発明の第１態様の光源装置は、レーザ光を出力する半導体レーザ部と、制御信号に応じて前記半導体レーザ部から出力された光の偏光面を回転させる偏光回転素子と、前記偏光回転素子を通過した光を偏光面に応じて透過及び反射する偏光分離素子と、前記偏光分離素子を経由した光により励起されて発光する蛍光体と、を備え、前記偏光回転素子における偏光面の回転の回転角を時系列で制御することにより、前記蛍光体を励起する光の光量を時系列で制御することを特徴とする。

本発明の第２態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記蛍光体からの発光と前記半導体レーザ部から出力された光とが異なる時間に前記光源装置の出力として出射されるように、前記偏光分離素子を経由した光の光路を制御することを特徴とする。

本発明の第３態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記蛍光体は主たる発光波長が異なる第１蛍光体と第２蛍光体とを含み、前記第１蛍光体と前記第２蛍光体とが異なる時間に励起されるように、前記偏光分離素子を経由した光の光路を制御する
ことを特徴とする。

本発明の第４態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記偏光回転素子の制御は、特定の時系列パターンの繰り返しであることを特徴とする。

本発明の第５態様の光源装置は、ことを特徴とする。

本発明の第６態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記偏光回転素子の制御と、前記半導体レーザ部の出力制御とを同期して行うことを特徴とする。

本発明の第７態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記蛍光体の発光色は緑色であることを特徴とする。

本発明の第８態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記蛍光体の発光色は赤色であることを特徴とする。

本発明の第９態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記蛍光体は固定されていることを特徴とする。

本発明の第１０態様の光源装置は、前記第６態様の光源装置において、さらに、赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ部を備え、赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ部と、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子とを異なる時間に駆動することを特徴とする。

本発明の第１１態様の光源装置は、前記第１態様の光源装置において、前記半導体レーザ部は、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子と赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子とを有し、赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子と、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子とを異なる時間に駆動することを特徴とする。

本発明の光源装置によれば、光を偏光成分に応じて分離する偏光分離素子及び偏光回転素子を用いてレーザ光の光路制御を行うので、ホイール等のサイズの大きな部品及びモータ等のメカニカルな部品を使用せずに、複数色の光を時系列で出力できる。また、レーザ光の光路制御により蛍光体にレーザ光が常に照射されない時間が存在するので、蛍光体において大きな発熱が生じることを抑制できる。

実施形態１に係る光源装置の構成図である。 実施形態１に係る半導体レーザ部の構成図である。（ａ）は、半導体レーザ部を構成する半導体レーザユニットの前面図である。（ｂ）は、半導体レーザユニットの断面図である。（ｃ）は、半導体レーザ部を構成する半導体レーザユニットおよび２枚のレンズの断面図である。 実施形態１に係る光源装置の動作の一例を示す図である。（ａ）は、光源装置が青色の光を出射する場合の動作を示している。（ｂ）は、光源装置が緑色の光を出射する場合の動作を示している。（ｃ）は、光源装置が赤色の光を出射する場合の動作を示している。 実施形態１に係る半導体レーザ部及び偏光回転素子の時系列制御に関する説明図である。 実施形態１に係る半導体レーザ部及び偏光回転素子の時系列制御に関する説明図である。 実施形態２に係る光源装置の動作の一例を示す図である。（ａ）は、光源装置が黄色の光を出射する場合の動作を示している。（ｂ）は、光源装置がシアンの光を出射する場合の動作を示している。（ｃ）は、光源装置が白色の光を出射する場合の動作を示している。 実施形態２に係る半導体レーザ部及び偏光回転素子の時系列制御に関する説明図である。 実施形態３に係る光源装置の構成図である。 実施形態３に係る光源装置の動作の一例を示す図である。（ａ）は、光源装置が青色の光を出射する場合の動作を示している。（ｂ）は、光源装置が緑色の光を出射する場合の動作を示している。（ｃ）は、光源装置が赤色の光を出射する場合の動作を示している。 実施形態３に係る半導体レーザ部及び偏光回転素子の時系列制御に関する説明図である。 実施形態４に係る光源装置の構成図である。 実施形態４に係る半導体レーザユニットの前面図である。 実施形態４に係る光源装置の動作の一例を示す図である。（ａ）は、光源装置が青色の光を出射する場合の動作を示している。（ｂ）は、光源装置が緑色の光を出射する場合の動作を示している。（ｃ）は、光源装置が赤色の光を出射する場合の動作を示している。 実施形態４に係る半導体レーザ素子及び偏光回転素子の時系列制御に関する説明図である。

（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る光源装置１００の構成を示す図である。

光源装置１００は、半導体レーザ部１０１と、偏光回転素子１０２、１０５と、偏光分離素子１０３、１０６と、反射ミラー１０４、１０８と、ダイクロイックミラー１０７、１０９と、集光レンズ１１０、１１３と、蛍光体部１１１、１１４と、ヒートシンク１１２、１１５と、制御回路１１６とを備える。

半導体レーザ部１０１は、光軸１２０に垂直かつ図面に平行な直線偏光を有する青色のレーザ光を光軸１２０上に出力する。

偏光回転素子１０２、１０５は、例えば液晶素子を用いて構成され、供給される駆動電圧に応じて入射した光の偏光面を３６０°範囲の任意の回転角で回転させる。

偏光分離素子１０３、１０６は、例えばプリズムにより構成され、入射した光を偏光面に応じて２つの直交する偏光成分の光に分離する。より詳細には、偏光分離素子１０３、１０６は、２つの直交する偏光成分の光のうち一方を透過し、他方を反射することにより２方向の光に分離する。本実施形態の半導体レーザ部１０１から出射されるレーザ光は、偏光回転素子１０２によって偏光面が回転されなければ偏光分離素子１０３において透過され、偏光回転素子１０２によって偏光面が９０°回転されれば偏光分離素子１０３において反射される。また、本実施形態の半導体レーザ部１０１から出射されるレーザ光は、偏光回転素子１０２によって偏光面が９０°回転された上で偏光回転素子１０５によっても偏光面が９０°回転された場合には偏光分離素子１０６において透過され、偏光回転素子１０２によって偏光面が９０°回転された上で偏光回転素子１０５によって偏光面が回転されなかった場合には偏光分離素子１０６において反射される。なお、ここで、偏光面が９０°回転されるとは、偏光面が９０°あるいは２７０°回転された場合を示す。また、偏光面が回転されないとは、偏光面が１８０°回転されて実質的に回転していない状態と等価な場合を含む。光軸１２０上を通り偏光分離素子１０３に入射する光のうち、透過光は光軸１２０上を直進し、反射光は光軸１２１上を進む。光軸１２１上を通り偏光分離素子１０６に入射する光のうち、透過光は光軸１２１上を直進し、反射光は光軸１２３上を進む。

反射ミラー１０４、１０８は、入射した光を反射する。光軸１２０上を通り反射ミラー１０４に入射した光は、光軸１２２上を進む。光軸１２１上を通り反射ミラー１０８に入射した光は、光軸１２４上を進む。

ダイクロイックミラー１０７、１０９は、特定の波長の光を反射し、その他の波長の光を透過する。ダイクロイックミラー１０７は、少なくとも緑色の波長帯の光を反射し、少なくとも青色（レーザ光）の波長帯の光を透過する。ダイクロイックミラー１０９は、少なくとも赤色の波長帯の光を反射し、少なくとも青色（レーザ光）及び緑色の波長帯の光を透過する。本実施形態の半導体レーザ部１０１の出力は、青色である。従って、半導体レーザ部１０１から出力され、偏光分離素子１０３を透過し、反射ミラー１０４で反射された光は、ダイクロイックミラー１０７、１０９を透過し、Ａ方向に出射される。また、半導体レーザ部１０１から出力され、偏光分離素子１０３で反射され、偏光分離素子１０６で反射された光は、ダイクロイックミラー１０７を透過し、集光レンズ１１０を介して蛍光体部１１１に入射する。同様に、半導体レーザ部１０１から出力され、偏光分離素子１０３で反射され、偏光分離素子１０６で透過され、反射ミラー１０８で反射された光は、ダイクロイックミラー１０９を透過し、集光レンズ１１３を介して蛍光体部１１４に入射する。

蛍光体部１１１、１１４は、青色のレーザ光により励起されて発光する蛍光体で構成される。蛍光体部１１１は緑色に発光し、蛍光体部１１４は赤色に発光する。緑色に発光する蛍光体としては、例えばβＳｉＡＩＯＮ蛍光体又はＬｕＡＧ蛍光体を用いることができる。赤色に発光する蛍光体としては、例えばＣＡＳＮ蛍光体又はｓＣＡＳＮ蛍光体を用いることができる。蛍光体部１１１からの緑色の発光は、集光レンズ１１０により集光されて光軸１２３上に入射し、ダイクロイックミラー１０７で反射されて光軸１２２上を進み、ダイクロイックミラー１０９を透過し、Ａ方向に出射される。蛍光体部１１４からの赤色の発光は、集光レンズ１１３により集光されて光軸１２４上に入射し、ダイクロイックミラー１０９で反射されて光軸１２２上を進み、Ａ方向に出射される。蛍光体部１１１、１１４の背面には、放熱のためにヒートシンク１１２、１１５が設けられている。蛍光体部１１１、１１４からの放熱対策については、これに限られず任意の公知の手段を用いることができる。

制御回路１１６は、半導体レーザ部１０１に供給される駆動電流の制御及び偏光回転素子１０２、１０５に供給される制御信号の出力（例えば印加電圧の制御）を行う機能を有する。半導体レーザ部１０１に供給される駆動電流と、偏光回転素子１０２、１０５に供給される制御信号とは、制御回路１１６により同期しながら制御される。

この光源装置１００の出力は、Ａ方向前方に配置されている例えばＤＭＤを用いた画像制御素子（図外）等に入力される。

図２は、図１に示す光源装置１００が備える半導体レーザ部１０１の構成を示す図である。本実施形態の半導体レーザ部１０１は、複数のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子を備えた半導体レーザユニット２０１と、その前面に配置された凸レンズ２０４と凹レンズ２０５からなる。

図２（ａ）は、半導体レーザユニット２０１の前面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）の半導体レーザユニット２０１のＡ−Ｂ間の断面図である。図に示すように、半導体レーザユニット２０１は、ヒートシンク２０２に設けられた凹部に９個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３が埋め込まれた構造をしている。半導体レーザユニット２０１の前に円形の凸レンズ２０４及び凹レンズ２０５を配置しやすくするために、ヒートシンク２０２の前面から見た形状を円形としている。ヒートシンク２０２に埋め込まれたコリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３は、それぞれ最大１０Ｗまでの出力が可能な青色（波長４５０ｎｍ）のレーザ光を出力するものが用いられる。９個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３は、均一に放熱されるように均等な間隔で配置されている。そして、９個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３は、それぞれヒートシンク２０２の裏面から電極用のリード線を出して図１の制御回路１１６と接続され、制御回路１１６から供給される駆動電圧によって、個別に駆動できるように構成されている。本実施形態における９個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３は、偏光面が一方向に揃えられている。

図２（ｃ）は、半導体レーザユニット２０１の前面に配置される凸レンズ２０４及び凹レンズ２０５の断面図である。９個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３から出射される青色のコリメート光は、この２枚のレンズにより集光され、平行光となり、半導体レーザ部１０１の出力として出射される。

ここでは、コリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３の数が９個であるとしたが、これに限られず、１以上の任意の個数のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子２０３を用いることができる。また、半導体レーザユニット２０１からの放熱対策については、図２（ａ）及びず２（ｂ）の例に限られず、任意の公知の手段を用いることができる。

図３は、図１の光源装置１００の動作の一例を示す図である。

図３（ａ）は、光源装置１００が青色の光を出力している様子を示している。図３（ａ）に示すように、レーザ光の偏光面がそのまま保たれるように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３を透過し、反射ミラー１０４で反射され、ダイクロイックミラー１０７、１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。これにより、光源装置１００からは、青色の光が出射される。

図３（ｂ）は、光源装置１００が緑色の光を出力している様子を示している。図３（ｂ）に示すように、レーザ光の偏光面が９０°回転するように偏光回転素子１０２が制御され、レーザ光の偏光面がそのまま保たれるように偏光回転素子１０５が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３、１０６で反射され、ダイクロイックミラー１０７を透過し、蛍光体部１１１に入射する。蛍光体部１１１は、入射光によって励起されて緑色に発光する。蛍光体部１１１からの緑色の発光は、集光レンズ１１０によって集光され、ダイクロイックミラー１０７で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。これにより、光源装置１００からは、緑色の光が出射される。

図３（ｃ）は、光源装置１００が赤色の光を出力している様子を示している。図３（ｃ）に示すように、レーザ光の偏光面が９０°回転するように偏光回転素子１０２、１０５が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３で反射され、偏光分離素子１０６を透過し、反射ミラー１０８で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、蛍光体部１１４に入射する。蛍光体部１１４は、入射光によって励起されて赤色に発光する。蛍光体部１１４からの赤色の発光は、集光レンズ１１３によって集光され、ダイクロイックミラー１０９で反射され、Ａ方向へ出射される。これにより、光源装置１００からは、赤色の光が出射される。

図４は、半導体レーザ部１０１及び偏光回転素子１０２、１０５の時系列制御に関する説明図である。

時刻ｔ１−０からｔ１−１の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を０°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を０°とすることで、光源装置１００からは、青色の光が出射される。

時刻ｔ１−１からｔ１−２の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を９０°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を０°とすることで、光源装置１００からは、緑色の光が出射される。

時刻ｔ１−２からｔ１−３の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を９０°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を９０°とすることで、光源装置１００からは、赤色の光が出射される。

これを一定の周期（例えば１２０Ｈｚ）で繰り返すことにより、光源装置１００からは、青・緑・赤の３色の光が周期的に出力される。このとき、青・緑・赤の３色の光のバランスを取るために、偏光回転素子１０２、１０５における偏光面の回転の回転角が変更されるタイミングに同期して、半導体レーザ部１０１の出力が調整される。

図４の例では偏光回転素子１０２、１０５における偏光面の回転を瞬時に行っているが、実際には偏光回転素子１０２、１０５における偏光面の回転に時間を要する場合がある。その場合、図５に示すように、偏光回転素子１０２、１０５における偏光面の回転を行っている間（ｔ２−１からｔ２−２の間）は、半導体レーザ部１０１の出力をオフにすることで、光源装置１００の出力をより鮮やかなものとすることができる。ただし、半導体レーザ部１０１の出力をオフにしない方が明るい出力を得ることができる。出力の明るさと鮮やかさのバランスから、半導体レーザ部１０１の出力をオフにする必要性や、オフにする時間を決めればよい。

上述したように、光源装置１００は、半導体レーザ部１０１と、偏光回転素子１０２、１０５と、偏光分離素子１０３、１０６と、蛍光体部１１１、１１４とを備える。そして、半導体レーザ部１０１からの出力光の偏光面を、偏光回転素子１０２、１０５により制御した後に、偏光分離素子１０３、１０６を経ることによりレーザ光の光路を制御し、蛍光体部１１１、１１４を励起するタイミングを制御する。そして、半導体レーザ部１０１の出力の青色の光と、蛍光体部１１１からの緑色の光と、蛍光体部１１４からの赤色の光とが異なる時間に光源装置１００の出力として出射されるように、偏光回転素子１０２、１０５と偏光分離素子１０３、１０６とを経たレーザ光の光路の制御を行う。

この構成により、光源装置１００は、モータ等のメカニカルな部品を必要とせず、また、ホイール等のサイズな大きな部品を用いることなく、固定された部材のみで構成し、複数色の光を時系列で出力することができる。

この光源装置１００は、プロジェクタ装置の光源として用いることができる。

また、青・緑・赤の光を周期的に出力した場合に、その繰り返し周期が十分に早ければ、人間の目には青・緑・赤の光が混合されて一色に見える。従って、光源装置１００は、青・緑・赤のそれぞれの出力と時間を制御することで、任意の色度の光を出力することができる。つまり、光源装置１００を備える照明装置を作ることにより、色度可変の照明装置とすることができる。また、青、緑又は赤の単色の光のみを出力することも可能であり、装飾用の照明装置などに有用である。

なお、本実施形態において、半導体レーザ部１０１の出力は、図１において、光軸１２０に垂直かつ図面に平行な直線偏光であるとしたが、それに直交する偏光を選択することもできる。その場合には、半導体レーザ部１０１の出力の偏光と、偏光回転素子１０２、１０５における偏光面の回転制御と、偏光分離素子１０３、１０６による偏光分離特性を考慮して、蛍光体部１１１、１１４の配置や偏光回転素子１０２、１０５における偏光面の回転の回転角やタイミング、半導体レーザ部１０１の出力のタイミング等を調整すればよい。

また、本実施例では、レーザ光の色を青色とし、青色レーザが緑色蛍光体と赤色蛍光体を励起する為の光路の制御を行い、レーザ光を直接出射するタイミングと、蛍光体からの緑色あるいは赤色を出射するタイミングとを制御する構成としたが、ここで青色は必ずしもレーザ光を直接出射することによって得る構成のみに本発明が適用されるものではない。例えば、レーザ光の波長として紫外の波長域を選択し、紫外光によって励起することにより青色・緑色・赤色を発する蛍光体部を備えれば、青色・緑色・赤色を蛍光体からの発光のみにて出力することが出来る。そのような構成も、偏光回転素子と偏光分離素子とを光路上に配置した本願の構成の変形にて構築可能となる。

（実施形態２）
実施形態１において、光源装置１００から青・緑・赤の光を周期的に出力する構成について説明した。青・緑・赤は、光を組み合わせて異なる色を作成する際の三原色であるため、この３色があれば画像の表示の光源として用いることができる。この３色に加えて例えば黄色やシアンを出力することができれば更に色の再現度や投影画像の輝度を高くすることができる。また、白色の光を出力することができれば、より投影画像の輝度を大きくすることができる。

実施形態２では、実施形態１に係る光源装置１００を用いて、青・緑・赤に加えて、黄・シアン・白を出力するための動作を説明する。なお、青・緑・赤の光を出力する動作は実施形態１と同様なので説明を省略する。

図６は、光源装置１００の動作の一例を示す図である。

図６（ａ）は、光源装置１００が黄色の光を出力している様子を示している。図６（ａ）に示すように、レーザ光の偏光面が９０°回転するように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３で反射され、偏光回転素子１０５に入射する。ここで、レーザ光の偏光面が４５°回転するように偏光回転素子１０５が制御されると、レーザ光は、偏光分離素子１０６において、偏光分離素子１０６を透過する光と偏光分離素子１０６で反射される光に分離される。偏光分離素子１０６を透過した光は、反射ミラー１０８で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、蛍光体部１１４に入射して蛍光体部１１４を励起する。一方、偏光分離素子１０６を反射された光は、ダイクロイックミラー１０７を透過して蛍光体部１１１に入射して蛍光体部１１１を励起する。蛍光体部１１１からの緑色の発光は、集光レンズ１１０によって集光され、ダイクロイックミラー１０７で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。蛍光体部１１４からの赤色の発光は、集光レンズ１１３によって集光され、ダイクロイックミラー１０９で反射され、Ａ方向へ出射される。これにより、光源装置１００からは、緑色の光と赤色の光が混合された黄色の光が出射される。

なお、上記のおいて偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角は４５°であるとしたが、例えば４０°から５０°の範囲で調整することにより、蛍光体部１１１からの緑色の光と蛍光体部１１４からの赤色の光の出力比を調整すること、すなわち、黄色の色味を調整することができる。

図６（ｂ）は、光源装置１００がシアンの光を出力している様子を示している。図６（ｂ）に示すように、レーザ光の偏光面が４５°回転するように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３において、偏光分離素子１０３を透過する光と偏光分離素子１０３で反射される光に分離される。偏光分離素子１０３を透過した光は、反射ミラー１０４で反射され、ダイクロイックミラー１０７、１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。偏光分離素子１０３で反射された光は、偏光回転素子１０５に入射する。ここで、レーザ光の偏光面がそのまま保たれるように偏光回転素子１０５が制御されると、レーザ光は、偏光分離素子１０６で反射され、ダイクロイックミラー１０７を透過し、蛍光体部１１１に入射し蛍光体部１１１を励起する。蛍光体部１１１からの緑色の発光は、集光レンズ１１０によって集光され、ダイクロイックミラー１０７で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。これにより、光源装置１００からは、青色の光と緑色の光とが混合されたシアンの光が出射される。

なお、上記において偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角は４５°であるとしたが、例えば４０°から５０°の範囲で調整することにより、偏光分離素子１０３を透過する青色の光と蛍光体部１１１からの緑色の光の出力比を調整すること、すなわち、シアンの色味を調整することができる。

図６（ｃ）は、光源装置１００が白色の光を出力している様子を示している。図６（ｃ）に示すように、レーザ光の偏光面がＭ°回転するように偏光回転素子１０２、１０５が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３において、偏光分離素子１０３を透過する光と偏光分離素子１０３で反射される光に分離される。偏光分離素子１０３を透過した光は、反射ミラー１０４で反射され、ダイクロイックミラー１０７、１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。偏光分離素子１０３で反射された光は、偏光回転素子１０５に入射する。ここで、レーザ光の偏光面がＮ°回転するように偏光回転素子１０５が制御されると、レーザ光は、偏光分離素子１０６において、偏光分離素子１０６を透過する光と偏光分離素子１０６で反射される光に分離される。偏光分離素子１０６を透過した光は、反射ミラー１０８で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、蛍光体部１１４に入射して蛍光体部１１４を励起する。一方、偏光分離素子１０６を反射された光は、ダイクロイックミラー１０７を透過して蛍光体部１１１に入射して蛍光体部１１１を励起する。蛍光体部１１１からの緑色の発光は、集光レンズ１１０によって集光され、ダイクロイックミラー１０７で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。蛍光体部１１４からの赤色の発光は、集光レンズ１１３によって集光され、ダイクロイックミラー１０９で反射され、Ａ方向へ出射される。これにより、光源装置１００からは、青色の光と緑色の光と赤色の光とが混合された白色の光が出射される。なお、Ｍ及びＮは２０以上７０以下の値とする。

上記において偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角はＭ°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角はＮ°であるとしたが、Ｍ及びＮをそれぞれ例えば２０°から７０°の範囲で調整することにより、偏光分離素子１０３を透過する青色の光と蛍光体部１１１からの緑色の光と蛍光体部１１４からの赤色の光の出力比を調整すること、すなわち、白色の色味を調整することができる。

図７は、半導体レーザ部１０１及び偏光回転素子１０２、１０５の実施形態２に係る時系列制御に関する説明図である。

時刻ｔ３−０からｔ３−１の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を０°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を０°とすることで、光源装置１００からは、青色の光が出射される。

時刻ｔ３−１からｔ３−２の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を９０°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を０°とすることで、光源装置１００からは、緑色の光が出射される。

時刻ｔ３−２からｔ３−３の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を９０°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を９０°とすることで、光源装置１００からは、赤色の光が出射される。

時刻ｔ３−３からｔ３−４の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を９０°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を４５°とすることで、光源装置１００からは、黄色の光が出射される。

時刻ｔ３−４からｔ３−５の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を４５°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角を０°とすることで、光源装置１００からは、シアンの光が出射される。

時刻ｔ３−５からｔ３−６の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角をＭ°、偏光回転素子１０５における偏光面の回転の回転角をＮ°とすることで、光源装置１００からは、赤色の光が出射される。（Ｍ及びＮは２０以上７０以下の値とする。）
これを一定の周期（例えば１２０Ｈｚ）で繰り返すことにより、光源装置１００からは、青・緑・赤・黄・シアン・白の６色の光が周期的に出力される。このとき、青・緑・赤・黄・シアン・白の６色の光のバランスを取るために、偏光回転素子１０２、１０５における偏光面の回転の回転角が変更されるタイミングに同期して、半導体レーザ部１０１の出力が調整される。

以上説明したように、実施形態２に係る光源装置１００は、青・緑・赤・黄・シアン・白の６色の光を時系列に出力することができる。

（実施形態３）
実施形態１、２では、緑色に発光する蛍光体部１１１と赤色に発光する蛍光体部１１４との２つの蛍光体を用いるものとした。実施形態３では、実施形態１、２における蛍光体部１１４を赤色のレーザ光を出射する半導体レーザ部８０２に置き換えた光源装置８００について説明する。

図８は、実施形態３に係る光源装置８００の構成を示す図である。実施形態１の光源装置１００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

光源装置１００は、半導体レーザ部１０１、８０２と、偏光回転素子１０２と、偏光分離素子１０３と、反射ミラー１０４、８０１と、ダイクロイックミラー１０７、１０９と、集光レンズ１１０と、蛍光体部１１１と、ヒートシンク１１２と、制御回路８０３とを備える。

半導体レーザ部８０２は、光軸１２４に垂直かつ図面に平行な直線偏光を有する赤色のレーザ光を光軸１２４上に出力する。半導体レーザ部８０２は、発光波長が異なるのみで、半導体レーザ部１０１と同様の構成とすることができる。なお、半導体レーザ部８０２は必ずしも偏光方向が揃っている必要はない。

反射ミラー８０１は、入射した光を反射する。光軸１２１を通り反射ミラー８０１に入射した光は、光軸１２３上を進む。

制御回路８０３は、半導体レーザ部１０１、８０２に供給される駆動電流の制御及び偏光回転素子１０２に供給される制御信号の出力（例えば印加電圧の制御）を行う機能を有する。半導体レーザ部１０１、８０２に供給される駆動電流と、偏光回転素子１０２に供給される制御信号とは、制御回路８０３により同期しながら制御される。

図９は、図８の光源装置８００の動作の一例を示す図である。

図９（ａ）は、光源装置８００が青色の光を出力している様子を示している。図９（ａ）に示すように、レーザ光の偏光面がそのまま保たれるように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３を透過し、反射ミラー１０４で反射され、ダイクロイックミラー１０７、１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。このとき、半導体レーザ部８０２の出力は、オフとなっている。これにより、光源装置８００からは、青色の光が出射される。

図９（ｂ）は、光源装置８００が緑色の光を出力している様子を示している。図９（ｂ）に示すように、レーザ光の偏光面が９０°回転するように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射された青色のレーザ光は、偏光分離素子１０３、反射ミラー８０１で反射され、ダイクロイックミラー１０７を透過し、蛍光体部１１１に入射する。蛍光体部１１１は、入射光によって励起されて緑色に発光する。蛍光体部１１１からの緑色の発光は、集光レンズ１１０によって集光され、ダイクロイックミラー１０７で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。このとき、半導体レーザ部８０２の出力は、オフとなっている。これにより、光源装置８００からは、緑色の光が出射される。

図９（ｃ）は、光源装置８００が赤色の光を出力している様子を示している。図９（ｃ）に示すように、半導体レーザ部８０２から出射された赤色のレーザ光は、ダイクロイックミラー１０９で反射され、Ａ方向へ出射される。このとき半導体レーザ部１０１の出力は、オフになっている。これにより、光源装置８００からは、赤色の光が出射される。

図１０は、半導体レーザ部１０１、８０２及び偏光回転素子１０２の時系列制御に関する説明図である。

時刻ｔ４−０からｔ４−１の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を０°とし、半導体レーザ部１０１の出力をオンとし、半導体レーザ部８０２の出力をオフとすることで、光源装置８００からは、青色の光が出射される。

時刻ｔ４−１からｔ４−２の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を９０°とし、半導体レーザ部１０１の出力をオンとし、半導体レーザ部８０２の出力をオフとすることで、光源装置８００からは、緑色の光が出射される。

時刻ｔ４−２からｔ４−３の間、半導体レーザ部１０１の出力をオフとし、半導体レーザ部８０２の出力をオンとすることで、光源装置８００からは、赤色の光が出射される。

これを一定の周期（例えば１２０Ｈｚ）で繰り返すことにより、光源装置８００からは、青・緑・赤の３色の光が周期的に出力される。このとき、青・緑・赤の３色の光のバランスを取るために、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角が変更されるタイミングに同期して、半導体レーザ部１０１、８０２の出力が調整される。

蛍光体からの発光と比較して、半導体レーザは、波長が揃えられている。従って、実施形態３の光源装置８００は、実施形態１、２の光源装置１００と比較して、赤色の色味がくっきりとした鮮やかな光の出射ができる。

実施形態３に係る光源装置８００は、実施形態２に係る光源装置１００と同様に、複数色の光を混合して黄・シアン・白の光を得ることができる。また、実施形態３に係る光源装置８００は、実施形態２に係る光源装置１００と同様に、青・緑・赤・黄・シアン・白の６色の光を時系列で出力することができる。

実施形態３では、赤色に発光する蛍光体部１１４を赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ部８０２で置き換えた場合について説明したが、緑色に発光する蛍光体部１１１を緑色のレーザ光を出力する半導体レーザ部で置き換えてもよい。

（実施形態４）
実施形態３では、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ部１０１と赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ部８０２との異なる２つの半導体レーザ部を備える構成について説明した。実施形態４では、両者を一体化し、青色のレーザ光及び赤色のレーザ光の両方を出力可能な半導体レーザ部１１０１を備える構成について説明する。

図１１は、実施形態４に係る光源装置１１００の構成を示す図である。実施形態１の光源装置１００及び実施形態３の光源装置８００と同じ構成要素には同じ符号を付し、説明を省略する。

光源装置１１００は、半導体レーザ部１１０１と、偏光回転素子１０２と、偏光分離素子１０３と、反射ミラー１０４、８０１と、ダイクロイックミラー１０７と、集光レンズ１１０と、蛍光体部１１１と、ヒートシンク１１２と、制御回路１１０２とを備える。

半導体レーザ部１１０１は、光軸１２４に垂直かつ図面に平行な直線偏光を有する青色のレーザ光を光軸１２４上に出力する。また、半導体レーザ部１１０１は、光軸１２４に垂直かつ図面に平行な直線偏光を有する赤色のレーザ光を光軸１２４上に出力する。

制御回路１１０２は、半導体レーザ部１１０１に供給される駆動電流の制御及び偏光回転素子１０２に供給される制御信号の出力（例えば印加電圧の制御）を行う機能を有する。半導体レーザ部１１０１に供給される駆動電流と、偏光回転素子１０２に供給される制御信号とは、制御回路１１０２により同期しながら制御される。

半導体レーザ部１１０１は、複数のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子を備えた半導体レーザユニット１２０１と、その前面配置された２枚のレンズからなる。

図１２は、半導体レーザユニット２０１の前面図である。図に示すように、半導体レーザユニット１２０１は、ヒートシンク１２０２に設けられた凹部に５個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子１２０３と４個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子１２０４が埋め込まれた構造をしている。コリメートレンズ付き半導体レーザ素子１２０３は、それぞれ最大１０Ｗまでの出力が可能な青色のレーザ光を出力するものが用いられる。コリメートレンズ付き半導体レーザ素子１２０４は、それぞれ最大１０Ｗまでの出力が可能な赤色のレーザ光を出力するものが用いられる。計９個のコリメートレンズ付き半導体レーザ素子１２０３、１２０４は、それぞれヒートシンク１２０２の裏面から電極用のリード線を出して図１の制御回路１１０２と接続され、制御回路１１０２から供給される駆動電圧によって、個別に駆動できるように構成されている。従って、半導体レーザ部１１０１は、制御回路１１０２の制御により、青色のレーザ光のみを出力することや、赤色のレーザのみを出力することや、青色のレーザ光と赤色のレーザ光とを任意の出力比で混合して出力することができる。

図１３は、図１１の光源装置１１００の動作の一例を示す図である。

図１３（ａ）は、光源装置１１００が青色の光を出力している様子を示している。図１３（ａ）に示すように、レーザ光の偏光面がそのまま保たれるように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１１０１から出射されたレーザ光は、偏光分離素子１０３を透過し、反射ミラー１０４で反射され、ダイクロイックミラー１０７を透過し、Ａ方向へ出射される。このとき、半導体レーザ部１１０１において、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子１２０３の出力がオンとなり、赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子１２０４の出力がオフとなっている。これにより、光源装置１１００からは青色の光が出射される。

図１３（ｂ）は、光源装置１１００が緑色の光を出力している様子を示している。図１３（ｂ）に示すように、レーザ光の偏光面が９０°回転するように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１０１から出射されたレーザ光は、偏光分離素子１０３、反射ミラー８０１で反射され、ダイクロイックミラー１０７を透過し、蛍光体部１１１に入射する。蛍光体部１１１は、入射光によって励起されて緑色に発光する。蛍光体部１１１からの緑色の発光は、集光レンズ１１０によって集光され、ダイクロイックミラー１０７で反射され、ダイクロイックミラー１０９を透過し、Ａ方向へ出射される。このとき、半導体レーザ部１１０１において、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子１２０３の出力がオンとなり、赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子１２０４の出力がオフとなっている。これにより、光源装置１１００からは、緑色の光が出射される。

図１３（ｃ）は、光源装置１１００が赤色の光を出力している様子を示している。図１３（ｃ）に示すように、レーザ光の偏光面がそのまま保たれるように偏光回転素子１０２が制御されると、半導体レーザ部１１０１から出射されたレーザ光は、偏光分離素子１０３を透過し、反射ミラー１０４で反射され、ダイクロイックミラー１０７を透過し、Ａ方向へ出射される。このとき、半導体レーザ部１１０１において、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子１２０３の出力がオフとなり、赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子１２０４の出力がオンとなっている。これにより、光源装置１１００からは、赤色の光が出射される。

図１４は、半導体レーザ部１１０１及び偏光回転素子１０２の時系列制御に関する説明図である。

時刻ｔ５−０からｔ５−１の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を０°とし、青色の半導体レーザ素子１２０３の出力をオンとし、赤色の半導体レーザ素子１２０４の出力をオフとすることで、光源装置１１００からは、青色の光が出射される。

時刻ｔ５−１からｔ５−２の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を９０°とし、青色の半導体レーザ素子１２０３の出力をオンとし、赤色の半導体レーザ素子１２０４の出力をオフとすることで、光源装置１１００からは、緑色の光が出射される。

時刻ｔ５−２からｔ５−３の間、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角を０°とし、青色の半導体レーザ素子１２０３の出力をオフとし、赤色の半導体レーザ素子１２０４の出力をオンとすることで、光源装置１１００からは、赤色の光が出射される。

これを一定の周期（例えば１２０Ｈｚ）で繰り返すことにより、光源装置１１００からは、青・緑・赤の３色の光が周期的に出力される。このとき、青・緑・赤の３色の光のバランスを取るために、偏光回転素子１０２における偏光面の回転の回転角が変更されるタイミングに同期して、半導体レーザ素子１２０３、１２０４の出力が調整される。

実施形態４に係る光源装置１１００は、青色のレーザ光と赤色のレーザ光とを同一の半導体レーザ部１１０１から出力する構成としている。この構成により、光源装置１１００の出力として青色のレーザ光を出射する場合と赤色のレーザ光を出射する場合とで、レーザ光の光路を共通化することができ、光学部品の点数を減らすことが可能である。また、レーザ光に対する放熱系を青色と赤色とで共通化することができ、光源装置全体として部品点数を減らすことが可能である。

本発明に係る光源装置は、プロジェクタ装置や照明装置の光源として有用である。

１００ 光源装置
１０１ 半導体レーザ部
１０２ 偏光回転素子
１０３ 偏光分離素子
１０４ 反射ミラー
１０５ 偏光回転素子
１０６ 偏光分離素子
１０７ ダイクロイックミラー
１０８ 反射ミラー
１０９ ダイクロイックミラー
１１０ 集光レンズ
１１１ 蛍光体部
１１２ ヒートシンク
１１３ 集光レンズ
１１４ 蛍光体部
１１６ 制御回路
２０１ 半導体レーザユニット
２０２ ヒートシンク
２０３ 半導体レーザ素子
２０４ 凸レンズ
２０５ 凹レンズ
８００ 光源装置
８０１ 反射ミラー
８０２ 半導体レーザ部
８０３ 制御回路
１１００ 光源装置
１１０１ 半導体レーザ部
１１０２ 制御回路
１２０１ 半導体レーザユニット
１２０２ ヒートシンク
１２０３ 半導体レーザ素子
１２０４ 半導体レーザ素子

Claims (13)

1. レーザ光を出力する半導体レーザ部と、
   制御信号に応じて前記半導体レーザ部から出力された光の偏光面を回転させる偏光回転素子と、
   前記偏光回転素子を通過した光を偏光面に応じて透過及び反射する偏光分離素子と、
   前記偏光分離素子を経由した光により励起されて発光する蛍光体と、を備え、
   前記偏光回転素子における偏光面の回転の回転角を時系列で制御することにより、前記蛍光体を励起する光の光量を制御する
   ことを特徴とする光源装置。
2. 前記蛍光体からの発光と前記半導体レーザ部から出力された光とが異なる時間に前記光源装置の出力として出射されるように、前記偏光分離素子を経由した光の光路を制御する
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記蛍光体は主たる発光波長が異なる第１蛍光体と第２蛍光体とを含み、
   前記第１蛍光体と前記第２蛍光体とが異なる時間に励起されるように、前記偏光分離素子を経由した光の光路を制御する
   請求項１に記載の光源装置。
4. 前記偏光回転素子の制御は、特定の時系列パターンの繰り返しである
   請求項１に記載の光源装置。
5. 前記偏光回転素子の制御と、前記半導体レーザ部の出力制御とを同期して行う
   請求項１に記載の光源装置。
6. 前記半導体レーザ部から出力されるレーザ光は青色である
   請求項１に記載の光源装置。
7. 前記蛍光体の発光色は緑色である
   請求項１に記載の光源装置。
8. 前記蛍光体の発光色は赤色である
   請求項１に記載の光源装置。
9. 前記蛍光体は固定されている
   請求項１に記載の光源装置。
10. さらに、赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ部を備え、
    赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ部と、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子とを異なる時間に駆動する
    請求項６に記載の光源装置。
11. 前記半導体レーザ部は、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子と赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子とを有し、
    赤色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子と、青色のレーザ光を出力する半導体レーザ素子とを異なる時間に駆動する
    請求項１に記載の光源装置。
12. 請求項１−１１のいずれか一つに記載の光源装置を備えたプロジェクタ装置。
13. 請求項１−１１のいずれか一つに記載の光源装置を備えた照明装置。

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