JP2019184628A - 波長変換素子、光源装置および画像投射装置 - Google Patents

波長変換素子、光源装置および画像投射装置

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Abstract

【課題】光利用効率や色純度を増加させることが可能な波長変換素子を提供する。【解決手段】波長変換素子9は、光源からの第1の波長光を第2の波長光に波長変換する量子ドットおよび量子ロッドのうち少なくとも一方を含む量子ドット層102bと、第1の波長光を第3の波長光に波長変換する蛍光体を含む蛍光体層102aとを有する。量子ドット層102bと蛍光体層102aとが第1の波長光の入射側からこの順で又は逆の順で配置されている。【選択図】図2

Description

本発明は、画像投射装置(プロジェクタ)等に好適な光源装置に用いられる波長変換素子に関する。
プロジェクタには、特許文献1にて開示されているように、光源からの励起光を蛍光体に照射して蛍光光を発生させ、該蛍光光と励起光のうち蛍光変換(波長変換)されなかった非変換光との合成光を用いて画像を投射表示するものがある。また、特許文献2には、蛍光体に代えて量子ロッドを用いて、入射光を波長変換するとともに直線偏光として出射させるプロジェクタが開示されている。

特開2012−137744号公報 特開2016−145881号公報
しかしながら、特許文献2にて開示されたプロジェクタのように、波長変換を量子ロッドのみ用いて行うだけでは光利用効率が低く、明るい画像を投射することが難しい。
本発明は、量子ドットや量子ロッドを用いつつ、光利用効率や色純度を増加させることが可能な波長変換素子、光源装置および画像投射装置を提供する。
本発明の一側面としての波長変換素子は、光源からの第1の波長光を第2の波長光に波長変換する量子ドットおよび量子ロッドのうち少なくとも一方を含む量子ドット層と、第1の波長光を第3の波長光に波長変換する蛍光体を含む蛍光体層とを有する。そして、量子ドット層と蛍光体層とが第1の波長光の入射側からこの順で又は逆の順で配置されていることを特徴とする。
なお、上記波長変換素子を用いた光源装置や、該光源装置を用いた画像投射装置も本発明の他の一側面を構成する。
本発明によれば、蛍光体層に加えて量子ドット層を設けることにより、光利用効率や色純度を増加さることができる。
本発明の実施例1である光源装置の構成を示す図。 実施例1における波長変換素子の構成を示す図。 実施例1における量子ドット層からの出射光の偏光方向を示す図。 実施例1における光源のスペクトルを示す図。 本発明の実施例2である波長変換素子の構成および量子ドット層からの出射光の偏光方向を示す図。 本発明の実施例3である波長変換素子の構成を示す図。 実施例3における量子ドット層からの出射光の偏光方向を示す図。 実施例3の変形例である波長変換素子の構成を示す図。
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
図1は、本発明の実施例1である画像投射装置としてのプロジェクタPの構成を示している。プロジェクタPは、2つの光源ユニットA,Aと、光路合成部Bと、照明光学系Cと、不図示の投射レンズとを有する。図1において、紙面に垂直な方向をY方向とし、該Y方向に直交する水平方向および垂直方向をそれぞれX方向およびZ方向とする。また、2つの光源ユニットA,Aのそれぞれの構成要素には、どちらの光源ユニットの構成要素であるかを示すために参照符号に添え字a,bを付しているが、以下の説明では添え字a,bを省略する。
光源装置としての光源ユニットAは、光源1、コリメータレンズ2、放物ミラーアレイ3、平面ミラー4、凹レンズ5、レンズアレイ6、ダイクロイックミラー7、集光レンズ8および波長変換素子9を有する。光源ユニットAは、波長変換素子9からの波長変換光を集光レンズ8により平行光束に変換して射出させる。
2つの光源ユニットA,Aから出射した平行光が、凸レンズ10、合成プリズム11および平行化レンズ12を有する光路合成部Bに入射する。2つの光源ユニットA,Aからそれぞれ出射した2つの光束は、光路合成部Bで合成された後、照明光学系Cに入射する。照明光学系Cは、第1フライアイレンズ13、第2フライアイレンズ14、偏光変換素子15、コンデンサレンズ16、および光変調素子17を有する。
光源1は、複数の青色レーザーダイオード(以下、青色LDという)を有する。青色LDから出射した光束は、発散光束であり、その直後に配置されたコリメータレンズ2によって平行光束に変換される。コリメータレンズ2は、1つの青色LDに対して1つずつ配置されている。
コリメータレンズ2から出射した光束は、Z方向に向かって進行した後、放物ミラーアレイ3によって反射および集光される。放物ミラーアレイ3からの光束は、平面ミラー4によって反射されて凹レンズ5に入射する。凹レンズ5は、その焦点位置を放物ミラーアレイ3の焦点と共有しているため、凹レンズ5から出射する光束は平行光束となる。凹レンズ5を出射した平行光束は、レンズアレイ6に入射する。レンズアレイ6の両面には、第1レンズアレイ面61と第2レンズアレイ面62が形成されており、凹レンズ5からの平行光束は第1レンズアレイ面61にて複数の光束に分割された後、第2レンズアレイ面62を通過してダイクロイックミラー7に向かう。
ダイクロイックミラー7は、上記複数の光束を反射して集光レンズ8に向かわせる。ダイクロイックミラー7は、複数の光束を反射するための必要最小限の大きさを有し、その表面には青波長域の光は反射するが、それ以外の波長域の光は透過する特性を有する誘電体多層膜がコーティングされている。
ダイクロミラー7で反射された複数の光束(青光束)は、集光レンズ8によって集光されることで波長変換素子9上にて互いに重畳され、光源像スポットを形成する。波長変換素子9は、第2レンズアレイ面62と集光レンズ8とによって第1レンズアレイ面61の各レンズセルと共役となる位置に配置されている。凹レンズ5によって平行化された光束は、第1レンズアレイ面61に入射した時点では不均一な光密度分布を有する。しかし、該光束がレンズアレイ6により分割されて集光レンズ8によって重畳されることによって、波長変換素子9上に第1レンズアレイ面61のレンズセルと相似形状で均一な光密度分布を有する光照射領域を形成する。すなわち、個々のレンズセルを物体とし、これらの像が互いに重畳された合成像を波長変換素子9上に形成する。これにより、波長変換素子9上の1点に光源1からの光束(励起光)が集中して入射することを防ぎ、波長変換素子9の波長変換効率が低下することを抑制する。
波長変換素子9に入射した青波長域の励起光の一部は、赤および緑波長域の波長変換光に変換されて反射され、残りは非変換光として青波長域の光のまま反射される。波長変換素子9からの赤波長域の光(赤色光)、緑波長位置の光(緑色光)および青波長域の光(青色光)により形成される白色光は、再び集光レンズ8によって平行光化されて照明光学系Cに向かう。このとき、白色光の一部はダイクロイックミラー7に入射するが、ダイクロイックミラー7の面積は白色光の断面積に対してかなり小さいため、白色光における青色光成分のうちダイクロイックミラー7で反射される量は少なく、白色光の色に与える影響は小さい。
波長変換素子9から出射した光束(白色光)は、集光レンズ8よって集光されて平行光束に変換されて光路合成部Bに入射する。光路合成部Bでは、2つの光源ユニットA,Aからの平行光束が凸レンズ10に入射し、該凸レンズ10によって合成プリズム11の頂点近傍に集光される。合成プリズム11の頂点近傍は、集光レンズ8と凸レンズ10によって波長変換素子9と共役となる位置にある。したがって、合成プリズム11の頂点近傍には、波長変換素子9上の発光スポット(光源)と相似形状の光源像が形成される。2つの光源ユニットA,Aからの光束により形成される光源像は合成プリズムの頂点近傍において互いに近接して1つとみなせる光源像となる。合成プリズム11の反射面によって反射された光束は、平行化レンズ12によって平行光束に変換されて照明光学系Cに入射する。
照明光学系Cに入射した光束は、第1フライアイレンズ13に入射して複数の光束に分割された後、第2フライアイレンズ14の近傍に再び光源像を形成する。第2フライアイレンズ14は、平行化レンズ12と第1フライアイレンズ13によって光路合成部Bの合成プリズム11の頂点近傍と共役となる位置に配置されており、第2フライアイレンズ14の近傍に形成される光源像は合成プリズム11の頂点近傍に形成される光源像と相似形状を有する。
これまで説明したそれぞれの共役関係により、第2フライアイレンズ14が配置された位置は、合成プリズム11の頂点近傍を介して波長変換素子9および第1レンズアレイ面61とも共役な位置となる。したがって、第2フライアイレンズ14の近傍に形成される光源像の形状は、第1レンズアレイ面61のレンズセルと相似形状である。
第2フライアイレンズ14から出射した複数の光束は、コンデンサレンズ16によって集光されて光変調素子17上にて互いに重畳される。本実施例における光変調素子は、16:9のアスペクト比を有する液晶パネルである。液晶パネルは、その各画素に入射する光の偏光状態を制御する、すなわち変調することで変調光を生成する。液晶パネルが、プロジェクタに入力された映像信号に応じて駆動されることで、変調光としての画像光が生成され、該画像光が不図示の投射レンズによってスクリーン等の被投射面に投射されることで画像が表示される。
光源ユニットAから出射する光には、後述するように無偏光光が含まれる。このため、光の利用効率を高める目的で偏光変換素子15を第2フライアイレンズ14の直後に配置している。偏光変換素子15は、第2フライアイレンズ14のレンズセルの約半分の幅を有する細長の偏光ビームスプリッタを複数並べて構成され、1つおきの偏光ビームスプリッタの出射面に半波長板が設けられている。偏光変換素子15に入射した無偏光光は、偏光ビームスプリッタで反射されるP偏光と該偏光ビームスプリッタを透過するS偏光とに分離され、P偏光は隣接する別の偏光ビームスプリッタで反射され、さらに半波長板でS偏光に変換される。これにより、無偏光光がS偏光に変換される。なお、偏光変換素子15により、無偏光光をP偏光に変換してもよい。
図2には、波長変換素子9の詳細な構成を示す。図2の上側には、光源1からの光が入射する側(以下、光入射側という)から見た波長変換素子9を示し、下側にはその側面断面を示す。下側の図において、矢印は入射する光を示す。
本実施例の波長変換素子9は、光入射側に波長変換した光を出射させる反射型波長変換素子9である。波長変換素子9は、不図示のモータによって中心軸103回りで回転駆動される。波長変換素子9は、円板形状の回転基板101と、該回転基板101上にリング状に設けられた波長変換層102とにより構成されている。波長変換層102は、回転基板101よりも光入射側に配置されている。回転基板101は、光入射側から順に、増反射膜101bと反射基板101aとを有する。すなわち、回転基板101は、光反射性を有する。
波長変換層102は、光入射側から順に、量子ドット層102bと蛍光体層102aとを有する。量子ドット層102bは、複数の量子ロッド102cと、これを保持するバインダ102dとにより形成されている。量子ロッド102cは、入射した青色光(第1の波長光)を赤色光(第2の波長光)に波長変換するとともに、量子ロッド102cの長手方向(分子方向)に平行な偏光方向を有する直線偏光を発生させる。蛍光体層102bは、複数の蛍光体102eと、これらを保持するバインダ102eとを有する。蛍光体102eは、入射した青色光(第1の波長光)を緑色光および赤色光を含む蛍光光(第3の波長光)に波長変換する。蛍光体102eから発生する蛍光光は無偏光光である。
図3には、量子ドット層102bから出射する赤色光(直線偏光)の偏光方向103を示す。本実施例では、光源1からの励起光が回転基板101とともに回転する量子ドット層102bのうち回転方向定位置の一部領域である照射領域102gに入射する。量子ドット層102bには、照射領域102gにて量子ロッド102cにより波長変換されて該照射領域102gから出射する赤色光が量子ドット層102bの回転にかかわらず同じ偏光方向103の直線偏光となるように量子ロッド102cが配置されている。
具体的には、量子ドット層102bには、該量子ドット層102bの周方向に量子ロッド102cの長手方向が延びるように複数の量子ロッド102cが配置されている。言い換えれば、量子ドット層102bの径方向に対して量子ロッド102cの長手方向が直交するように複数の量子ロッド102cが配置されている。これにより、量子ドット層102bの照射領域102gから出射する赤色光は、量子ドット層102bの回転にかかわらず量子ロッド102cの長手方向を偏光方向103とする直線偏光となる。
なお、照射領域102gからの赤色光が同じ偏光方向の直線偏光であるとは、必ずしも照射領域102gから出射する赤色光の全てが同じ偏光方向の直線偏光である必要はなく、赤色光のうち同じ偏光方向の直線偏光が70%以上(望ましくは80%以上)含まれていればよい。言い換えれば、照射領域105g内の全ての量子ロッド105cの長手方向が互いに同じ方向を向く必要はなく、多少ばらついていてもよい。また、光源1から量子ロッド102cに入射する励起光は、量子ロッド102cの長手方向に平行な偏光方向を有する直線偏光であることが好ましい。これらのことは、後述する他の実施例でも同じである。
図4には、波長変換素子9から出射する光のスペクトルを示す。光源1からの励起光は上述した様々な光学素子を透過または反射して波長変換素子9に到達する。波長変換素子9からは、光源1からの第1の波長光である青色光(励起光)が量子ロッド102cや蛍光体102eにより波長変換されることなくそのまま回転基板101で反射した非変換光である青色光(実線で示す波長450nm付近の光)が出射する。また、波長変換素子9からは、励起光が蛍光体102eにより波長変換されることで生成された緑色光および赤色光を含む第3の波長光としての蛍光光(実線で示す波長500〜650nm付近の光)が出射する。さらに、波長変換素子9からは、励起光が量子ロッド102cにより波長変換されることで生成された第2の波長光としての赤色光(破線で示す波長600〜650nm付近の光)が出射する。
ここで、蛍光光は緑波長域である波長550nmにピーク強度を有し、量子ロッド102cからの赤色光は波長625nm付近にピーク強度を有する。そして、量子ロッド102cからの赤色光のピーク強度は、蛍光光のピーク強度以上である。これにより、蛍光光において強度が低い赤色光を量子ロッド102cからの赤色光によって補うことができ、赤色光の色純度を改善し、ひいては白色光の青みがかりを抑制して色バランスを改善することができる。
本実施例は、光入射側からの量子ドット層102bと蛍光体層102aの配置順序に特長がある。蛍光体層102aからの蛍光光は無偏光光であるが、量子ドット層102bからは直線偏光が出射する。これは、光源1からの励起光の偏光状態が量子ロッド102cで波長変換されても維持されるためである。このため、量子ドット層102bから出射する光の偏光状態を維持するためには、波長変換素子9(波長変換層102)に入射する励起光に対して量子ドット層102bが蛍光体層102aよりも先に配置されている必要がある。これに対して、励起光に対して蛍光体層102aの後に量子ドット層102bが配置されていると、量子ドット層102bから出射する光の偏光状態が蛍光体層102aを通過する際に乱れてしまう。
本実施例によれば、量子ロッド層102bから赤色光が出射することで、蛍光体層102aのみを用いる場合に比べて白色光の色バランスを改善することができる。また、量子ロッド層102bから出射する赤色光が直線偏光であることで、該赤色光が無偏光光である場合に比べて、後段に赤色光を直線偏光に変換する光学素子を不要としたり、後段の光学系での光利用効率を高めて明るい画像を投射可能としたりすることができる。
本発明の実施例2について説明する。図5は、本実施例における反射型波長変換素子9Aの詳細な構成を示す。図5の上側には、光入射側から見た波長変換素子9Aを示し、下側にはその側面断面を示す。本実施例において、実施例1と共通する構成要素については実施例1と同じ符号を付して説明に代える。
波長変換素子9Aは、固定基板104と波長変換層105とにより構成されている。波長変換層105は、固定基板104よりも光入射側に配置されている。固定基板104は、光入射側から順に、増反射膜104bと反射基板104aとを有する。波長変換層105は、光入射側から順に、量子ドット層105bと蛍光体層105aとを有する。
図5には、量子ドット層105bから出射する赤色光(直線偏光)の偏光方向108を示す。本実施例では、光源1からの励起光が量子ドット層105bにおける照射領域105gに入射する。量子ドット層105bには、照射領域105gにて量子ロッドにより波長変換されて該照射領域105gから出射する赤色光が同じ偏光方向108の直線偏光となるように量子ロッド(図示せず)が配置されている。具体的には、量子ドット層105には、水平方向に量子ロッドの長手方向が延びるように複数の量子ロッドが配置されている。これにより、照射領域105gから出射する赤色光は、量子ロッドの長手方向を偏光方向108とする直線偏光となる。
本実施例によれば、量子ロッド層105bから赤色光が出射することで、蛍光体層105aのみを用いる場合に比べて白色光の色バランスを改善することができる。また、量子ロッド層105bから出射する赤色光が直線偏光であることで、該赤色光が無偏光光である場合に比べて、後段に赤色光を直線偏光に変換する光学素子を不要としたり、後段の光学系での光利用効率を高めて明るい画像を投射可能としたりすることができる。
本発明の実施例3について説明する。図6は、本実施例における波長変換素子9Bの詳細な構成を示す。図6の上側には、光入射側から見た波長変換素子9Bを示し、下側にはその側面断面を示す。本実施例において、実施例1と共通する構成要素については実施例1と同じ符号を付して説明に代える。
本実施例の波長変換素子9Bは、光入射側とは反対側に波長変換した光を出射させる透過型波長変換素子9である。波長変換素子9Bは、実施例1と同様に、不図示のモータによって中心軸103回りで回転駆動される。波長変換素子9は、円板形状の回転基板106と、該回転基板106上にリング状に設けられた波長変換層107とにより構成されている。波長変換層107は、回転基板106よりも光入射側に配置されている。回転基板106は、ガラス等の透光性を有する材料により形成されている。波長変換層107は、光入射側から順に、蛍光体層107aと量子ドット層107bとを有する。
図7には、量子ドット層107bから出射する赤色光(直線偏光)の偏光方向103を示す。本実施例では、光源1からの励起光が回転基板106とともに回転する波長変換層107のうち回転方向定位置の一部領域である照射領域107gに入射する。量子ドット層107bには、照射領域107gにて量子ロッドにより波長変換されて該照射領域107gの裏面から出射する赤色光が量子ドット層107bの回転にかかわらず同じ偏光方向109の直線偏光となるように量子ロッドが配置されている。具体的な量子ロッドの配置は、実施例1(図3)と同じである。これにより、波長変換層107の照射領域107gから出射する赤色光は、量子ドット層107bの回転にかかわらず量子ロッドの長手方向を偏光方向とする直線偏光となる。
本実施例は、光入射側からの蛍光体層107aと量子ドット層107bの配置順序に特長がある。実施例1でも説明したように、蛍光体層107aからの蛍光光は無偏光光であるが、量子ドット層107bからは直線偏光が出射する。このため、量子ドット層102bから出射して回転基板106を透過する光の偏光状態を維持するためには、波長変換素子9B(波長変換層107)に入射する励起光に対して量子ドット層107bが蛍光体層107aよりも後に配置されている必要がある。これに対して、励起光に対して蛍光体層107aの前に量子ドット層107bが配置されていると、量子ドット層107bから出射する光の偏光状態が蛍光体層107aを通過する際に乱れてしまう。
本実施例によれば、量子ロッド層107bから赤色光が出射することで、蛍光体層107aのみを用いる場合に比べて白色光の色バランスを改善することができる。また、量子ロッド層107bから出射する赤色光が直線偏光であることで、該赤色光が無偏光光である場合に比べて、後段に赤色光を直線偏光に変換する光学素子を不要としたり、後段の光学系での光利用効率を高めて明るい画像を投射可能としたりすることができる。
なお、本実施例では、光入射側から順に、蛍光体層107a、量子ドット層107bおよび基板106が配置された透過型波長変換素子について説明した。しかし、透過型波長変換素子は、図8(a)および図8(b)にそれぞれ示すように構成されてもよい。図8(a)の透過型波長変換素子では、光入射側から順に、蛍光体層107a、基板106および量子ドット層107bが配置されている。図8(b)の透過型波長変換素子では、光入射側から順に、基板106、蛍光体層107aおよび量子ドット層107bが配置されている。すなわち、透過型波長変換素子では、量子ドット層107bよりも光入射側に蛍光体層107aが配置されていればよい。
上記実施例1〜3では、青波長域の光を発する青色LDを光源として用いる場合について説明したが、紫外波長域の光を発するLDを光源として用いてもよい。この場合、量子ドット層には、紫外波長域の光を赤波長域、緑波長域および青波長域のいずれか1つに波長変換する量子ロッドを用いてもよいし、これら波長域のそれぞれに波長変換する量子ロッドを複数組み合わせて用いてもよい。量子ドット層と蛍光体層の配置順番は実施例1〜3にて説明した通りである。
また、上記実施例1〜3では、量子ロッドを用いて量子ドット層を構成して、量子ドット層から出射する光を直線偏光とする場合について説明した。しかし、量子ドット層から出射する光を直線偏光としなくてもよい。この場合、量子ドットを用いて量子ドット層を構成してもよい。
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
1 光源
9, 9A, 9B 波長変換素子
102a, 105a, 107a 蛍光体層
102b, 105b, 107b 量子ドット層

Claims (11)

  1. 光源からの第1の波長光を第2の波長光に波長変換する量子ドットおよび量子ロッドのうち少なくとも一方を含む量子ドット層と、
    前記第1の波長光を第3の波長光に波長変換する蛍光体を含む蛍光体層とを有し、
    前記量子ドット層と前記蛍光体層とが前記第1の波長光の入射側からこの順で又は逆の順で配置されていることを特徴とする波長変換素子。
  2. 前記量子ドット層は少なくとも前記量子ロッドを含み、
    前記量子ドット層において、該量子ドット層から出射する前記第2の波長光が直線偏光となるように前記量子ロッドが配置されていることを特徴とする請求項1に記載の波長変換素子。
  3. 回転する前記量子ドット層のうち回転方向定位置の一部領域に前記第1の波長光が入射する場合に、前記量子ドット層において、前記一部領域から出射する前記第2の波長光が前記量子ドット層の回転にかかわらず同じ偏光方向の直線偏光となるように前記量子ロッドが配置されていることを特徴とする請求項2に記載の波長変換素子。
  4. 前記第1の波長光は、直線偏光であることを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の波長変換素子。
  5. 前記第2の波長光の波長域は、前記第3の波長光の波長域の一部であり、
    前記第2の波長光のピーク強度は、前記第3の波長光のピーク強度より高いことを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の波長変換素子。
  6. 前記第3の波長光の波長域は、緑波長域および赤波長域であり、
    前記第2の波長光の波長域は、赤波長域であることを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の波長変換素子。
  7. 前記波長変換素子は、前記入射側に前記第2および第3の波長光を出射する反射型波長変換素子であり、
    前記入射側から、前記量子ドット層と前記蛍光体層と前記基板とがこの順で配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の波長変換素子。
  8. 前記波長変換素子は、前記入射側とは反対側に前記第2および第3の波長光を出射する透過型波長変換素子であり、
    前記入射側から、前記蛍光体層と前記量子ドット層とがこの順で配置されていることを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の波長変換素子。
  9. 光源と、
    請求項1から8のいずれか一項に記載の波長変換素子とを有することを特徴とする光源装置。
  10. 無偏光光である前記第3の波長光を直線偏光に変換する偏光変換素子を有することを特徴とする請求項9に記載の光源装置。
  11. 請求項9または10に記載の光源装置と、
    入力された映像信号に応じて、前記光源装置からの前記第1、第2および第3の波長光を変調する光変調素子とを有し、
    前記光変調素子からの変調光を投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。
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