JP2020052341A - Light source device and image projection device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置およびそれを用いた画像投射装置に関する。 The present invention relates to a light source device and an image projection device using the same.
近年、高出力レーザーダイオードから発する光束を励起光として蛍光体に照射し、波長変換された蛍光光を用いる画像投射装置（プロジェクタ）が開発されている。特許文献１には、３板式のプロジェクタにおいて、円板の円周方向に沿って連続して形成された単一の蛍光体を備えたプロジェクタが開示されている。しかし、３板式のプロジェクタでは、単一の蛍光体を用いるため、白色光の明るさとホワイトバランスとの両立が難しい。 2. Description of the Related Art In recent years, an image projection device (projector) that irradiates a phosphor with a light beam emitted from a high-power laser diode as excitation light and uses fluorescent light whose wavelength has been converted has been developed. Patent Literature 1 discloses a three-plate type projector including a single phosphor continuously formed along a circumferential direction of a disk. However, in a three-plate projector, since a single phosphor is used, it is difficult to achieve both the brightness of white light and the white balance.
特許文献２には、１つの円板上に、径の異なる２つの円周上に緑色用と赤色用のそれぞれの蛍光体を連続して形成し、各蛍光体から出射した異なる色光をダイクロイックミラーで合成するプロジェクタが開示されている。特許文献３には、２種類以上の蛍光体をそれぞれ分割して配置し、半導体レーザからの励起光を各色の蛍光体に入射するプロジェクタが開示されている。 Patent Literature 2 discloses that a phosphor for green and a phosphor for red are continuously formed on two circumferences having different diameters on one disk, and different color lights emitted from the phosphors are dichroic mirrors. Discloses a projector for combining images. Patent Literature 3 discloses a projector in which two or more types of phosphors are divided and arranged, and excitation light from a semiconductor laser is incident on phosphors of each color.
しかしながら、特許文献２に開示されたプロジェクタでは、単一の円板に２種類の蛍光体を形成しているため、励起光の全量が１つの円板に入射して円板の熱負荷が大きくなり、蛍光体を十分に冷却できない可能性がある。その結果、蛍光体の発光効率が低下し、投射画像の明るさが低下する。また、特許文献３に開示されたプロジェクタでは、蛍光体が各色に分割されているため、特許文献２のプロジェクタと比較して、蛍光体への熱負荷を緩和することができる。しかしながら、特許文献３に開示されたプロジェクタでは、特に励起光を青色蛍光体に入射し発生した青色光を用いるため、青色光に関して蛍光変換時の損失が発生する。 However, in the projector disclosed in Patent Document 2, since two types of phosphors are formed on a single disk, the entire amount of the excitation light is incident on one disk and the heat load of the disk is large. Therefore, the phosphor may not be cooled sufficiently. As a result, the luminous efficiency of the phosphor decreases, and the brightness of the projected image decreases. Further, in the projector disclosed in Patent Literature 3, since the phosphor is divided into each color, the heat load on the phosphor can be reduced as compared with the projector of Patent Literature 2. However, in the projector disclosed in Patent Literature 3, since blue light generated by irradiating excitation light with a blue phosphor is used, a loss occurs in the conversion of blue light during fluorescence conversion.
一般的に、光利用効率の観点では、励起光の一部を直接青色光として利用することが好ましい。例えば、励起光源から発生した青色光の一部を、ダイクロミラー等の光学素子を介して蛍光光と合成する構成を採用すると、青色光を合成するための光学系が必要となり、光源装置が大型化する。また、各蛍光体からの未変換の励起光成分はそのまま捨てられてしまうため、光利用効率の観点で好ましくない。 Generally, from the viewpoint of light use efficiency, it is preferable to use part of the excitation light directly as blue light. For example, if a configuration is adopted in which a part of blue light generated from an excitation light source is combined with fluorescent light through an optical element such as a dichroic mirror, an optical system for synthesizing blue light is required, and the light source device is large. Become Further, the unconverted excitation light component from each phosphor is discarded as it is, which is not preferable from the viewpoint of light use efficiency.
そこで本発明は、従来よりもホワイトバランスおよび光利用効率に優れた小型の光源装置および画像投射装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a small light source device and an image projection device that are more excellent in white balance and light use efficiency than in the past.
本発明の一側面としての光源装置は、第１の光を発生する光源と、前記第１の光によって励起され第２の光を発生する第１の蛍光体と、前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第２の光と前記第３の光とを合成する分光光学素子とを有する光源装置であって、前記分光光学素子は、第１の領域および第２の領域を有し、前記第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有し、前記第２の領域は、前記第１の光を透過し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有する
本発明の他の側面としての光源装置は、第１の光を発生する光源と、前記第１の光によって励起され第２の光を発生する第１の蛍光体と、前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第２の光と前記第３の光とを合成する分光光学素子とを有する光源装置であって、前記分光光学素子は、第１の領域および第２の領域を有し、第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有し、前記第２の領域は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有する。
A light source device according to one aspect of the present invention includes a light source that emits first light, a first phosphor that is excited by the first light to generate a second light, and an excitation light that is excited by the first light. A second phosphor that generates the third light and the first light are separated to guide and generate the first light to the first phosphor and the second phosphor, respectively. A light source device having a spectral optical element that combines the second light and the third light, wherein the spectral optical element has a first region and a second region, and the first optical device has a first region and a second region. The region has a spectral characteristic of transmitting and reflecting the first light, transmitting the second light, and reflecting the third light, and the second region transmits the first light. The light source device according to another aspect of the present invention has a spectral characteristic of transmitting, transmitting the second light, and reflecting the third light. A light source that generates one light, a first phosphor that is excited by the first light to generate a second light, and a second fluorescent light that is excited by the first light and generates a third light A body, separating the first light, guiding the first light to the first phosphor and the second phosphor, respectively, and generating the second light and the third light; A spectroscopic optical element for synthesizing the light, wherein the spectroscopic optical element has a first region and a second region, and the first region transmits and reflects the first light. Having a spectral characteristic of reflecting the second light and transmitting the third light, wherein the second region reflects the first light, reflects the second light, It has a spectral characteristic of transmitting the third light.
本発明の他の側面としての画像投射装置は、前記光源装置と、光変調素子と、前記光源装置から出射した光束を前記光変調素子に照明する照明光学系とを有する。 An image projection device according to another aspect of the present invention includes the light source device, a light modulation element, and an illumination optical system that illuminates the light modulation element with a light beam emitted from the light source device.
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。 Other objects and features of the present invention will be described in the following embodiments.
本発明によれば、従来よりもホワイトバランスおよび光利用効率に優れた小型の光源装置および画像投射装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the small light source device and the image projection apparatus which were more excellent in white balance and light use efficiency than before can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
（第１の実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１の実施形態における光源装置について説明する。図１は、光源装置１００の構成図である。光源装置１００は、光源（励起光源）１、コリメータレンズ２、分光光学素子（光路合成素子）３、集光レンズ４、第１の蛍光体（緑色蛍光体）５、集光レンズ６、第２の蛍光体（赤色蛍光体）７、および、フライアイレンズ８を備えて構成される。
(First embodiment)
First, a light source device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a configuration diagram of the light source device 100. The light source device 100 includes a light source (excitation light source) 1, a collimator lens 2, a spectroscopic optical element (optical path combining element) 3, a condenser lens 4, a first phosphor (green phosphor) 5, a condenser lens 6, and a second (Red phosphor) 7 and a fly-eye lens 8.
光源１は、第１の光（青色光）を発生する。第１の蛍光体５は、第１の光によって励起され第２の光（緑色光）を発生する。第２の蛍光体７は、第１の光によって励起され第３の光（赤色光）を発生する。分光光学素子３は、第１の光を（所定の割合で）分離して第１の蛍光体５および第２の蛍光体７にそれぞれ導き、且つ発生した第２の光と第３の光とを合成する。フライアイレンズ８は、第１のフライアイレンズ８ａおよび第２のフライアイレンズ８ｂを有する。以下、光源１から順に各構成要素について詳述する。 The light source 1 generates a first light (blue light). The first phosphor 5 is excited by the first light to generate a second light (green light). The second phosphor 7 is excited by the first light to generate a third light (red light). The spectroscopic optical element 3 separates the first light (at a predetermined rate) and guides the first light to the first phosphor 5 and the second phosphor 7, respectively, and generates the second light and the third light. Are synthesized. The fly-eye lens 8 has a first fly-eye lens 8a and a second fly-eye lens 8b. Hereinafter, each component will be described in detail from the light source 1 in order.
光源１は、４５５ｎｍの波長の光を発生する青色レーザーダイオード（青色励起光源）である。光源１から出射した光束は、発散光束であり、直後に配置されたコリメータレンズ２によって平行光束となり、分光光学素子３に向かって進行する。光源１と第２の蛍光体７は、分光光学素子３を挟んで対向する位置に配置されている。 The light source 1 is a blue laser diode (blue excitation light source) that generates light having a wavelength of 455 nm. The luminous flux emitted from the light source 1 is a divergent luminous flux, is converted into a parallel luminous flux by the collimator lens 2 disposed immediately after, and proceeds toward the spectral optical element 3. The light source 1 and the second phosphor 7 are arranged at positions facing each other with the spectral optical element 3 interposed therebetween.
ここで、図２を参照して、分光光学素子３の構成について説明する。図２は分光光学素子３の正面図である。図２に示されるように、分光光学素子３は、第１の領域（第１の部分領域）３ａおよび第２の領域（第２の部分領域）３ｂを有する。第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂのそれぞれには、互いに異なる分光特性（透過率特性、反射率特性）を有する誘電体多層膜が蒸着されている。第１の領域３ａは、分光光学素子３の全体に対して約１０〜２０％程度の面積比で一部の狭い範囲にのみ形成されている。光源１から出射した光は、指向性が高くかつ光束径が小さい（すなわち拡散性が小さい）ため、分光光学素子３のうち特に第１の領域３ａのみに入射するように配置されている。 Here, the configuration of the spectroscopic optical element 3 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a front view of the spectral optical element 3. As shown in FIG. 2, the spectroscopic optical element 3 has a first region (first partial region) 3a and a second region (second partial region) 3b. In each of the first region 3a and the second region 3b, a dielectric multilayer film having different spectral characteristics (transmittance characteristics, reflectance characteristics) is deposited. The first region 3a is formed only in a part of a narrow range with an area ratio of about 10 to 20% with respect to the whole of the spectral optical element 3. Since the light emitted from the light source 1 has high directivity and a small light beam diameter (that is, low diffusivity), the light is arranged to enter only the first region 3a of the spectral optical element 3 in particular.
図２（ａ）に示されるように、第１の領域３ａは分光光学素子３の中央部に設けられ、第２の領域３ｂは分光光学素子３の外周部において第１の領域３ａを囲むように設けられている。なお、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂはそれぞれ矩形状（正方形状）であるが、これに限定されるものではなく、第２の領域３ｂが第１の領域３ａを囲むように配置されていれば、長方形状や円形状等、他の形状であってもよい。 As shown in FIG. 2A, the first region 3 a is provided at the center of the spectral optical element 3, and the second region 3 b surrounds the first region 3 a at the outer peripheral portion of the spectral optical element 3. It is provided in. The first region 3a and the second region 3b are each rectangular (square), but are not limited thereto, and are arranged so that the second region 3b surrounds the first region 3a. If so, other shapes such as a rectangular shape and a circular shape may be used.
次に、図３を参照して、分光光学素子３の第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの分光特性（分光透過率）を説明する。図３は第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの分光透過率であり、図３（ａ）は第１の領域３ａの分光透過率、図３（ｂ）は第２の領域３ｂの分光透過率をそれぞれ示す。図３（ａ）、（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）を示す。 Next, spectral characteristics (spectral transmittance) of the first region 3a and the second region 3b of the spectral optical element 3 will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the spectral transmittance of the first area 3a and the second area 3b. FIG. 3A shows the spectral transmittance of the first area 3a, and FIG. 3B shows the spectral transmittance of the second area 3b. The transmittance is shown. In each of FIGS. 3A and 3B, the horizontal axis represents the light wavelength (nm), and the vertical axis represents the transmittance (%).
ここで、第１の領域３ａの特に波長４４０〜４９０ｎｍの青色光帯域の光の透過率に注目すると、この帯域の光の５割は反射し、残りの５割は透過する特性になっている。従って、分光光学素子３に入射した光のうち５割は反射して第１の蛍光体５に向かって進行し、残りの５割は透過して第２の蛍光体７に向かって進行する。第１の領域３ａは、他の帯域の光に関して、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を透過し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を反射する分光特性を有する。すなわち第１の領域３ａは、第１の光（青色光）を（所定の割合で）透過および反射し（青色光についてハーフミラーとなっており）、第２の光（緑色光）を透過し、第３の光（赤色光）を反射する分光特性を有する。一方、第２の領域３ｂは、青色光帯域の光を透過し、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を透過し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を反射する分光特性を有する。すなわち第２の領域３ｂは、第１の光を透過し、第２の光を透過し、第３の光を反射する分光特性を有する。 Here, focusing on the transmittance of light in the blue light band of the wavelength 440 to 490 nm of the first region 3a, 50% of the light in this band is reflected, and the remaining 50% is transmitted. . Therefore, 50% of the light incident on the spectroscopic optical element 3 is reflected and travels toward the first phosphor 5, and the remaining 50% is transmitted and travels toward the second phosphor 7. The first region 3a has a spectral characteristic of transmitting light in a green light band having a wavelength of 500 to 590 nm and reflecting light in a red light band having a wavelength of 600 to 700 nm with respect to light in other bands. That is, the first region 3a transmits and reflects the first light (blue light) (at a predetermined ratio) (a half mirror for the blue light) and transmits the second light (green light). , And has a spectral characteristic of reflecting the third light (red light). On the other hand, the second region 3b has a spectral characteristic of transmitting light in a blue light band, transmitting light in a green light band having a wavelength of 500 to 590 nm, and reflecting light in a red light band having a wavelength of 600 to 700 nm. That is, the second region 3b has a spectral characteristic of transmitting the first light, transmitting the second light, and reflecting the third light.
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７のそれぞれに向かって進行した光は、集光レンズ４または集光レンズ６を介して、第１の蛍光体５および第２の蛍光体７にそれぞれ集光される。第１の蛍光体５に入射した光は、第１の蛍光体５により吸収され、波長５５０ｎｍの緑色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第１の蛍光体５に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。同様に、第２の蛍光体７に入射した光は、第２の蛍光体７により吸収され、波長６２０ｎｍの赤色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第２の蛍光体７に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。 Light traveling toward each of the first phosphor 5 and the second phosphor 7 is transmitted to the first phosphor 5 and the second phosphor 7 via the condenser lens 4 or 6. Each is collected. The light incident on the first phosphor 5 is absorbed by the first phosphor 5, converted into a fluorescent light having a spectral distribution whose main component is green light having a wavelength of 550 nm, and reflected. Another part of the light that has entered the first phosphor 5 is reflected as unconverted blue light while maintaining the wavelength of the light source 1 at 455 nm. Similarly, the light incident on the second phosphor 7 is absorbed by the second phosphor 7, converted into a fluorescent light having a spectral distribution whose main component is red light having a wavelength of 620 nm, and reflected. Another part of the light incident on the second phosphor 7 is reflected as unconverted blue light with the wavelength of the light source 1 being 455 nm.
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７によりそれぞれ反射された緑色光および赤色光の蛍光光成分は、集光レンズ４、６により集光された後、平行光束化され、再び分光光学素子３に向かう。図３に示されるように、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂはともに緑色光成分を透過し、赤色光成分を反射する分光特性を有する。このため、第１の蛍光体５および第２の蛍光体７でそれぞれ発生した緑色光および赤色光は、同一光路に合成された後、後段の照明光学系に入射する。 The fluorescent light components of the green light and the red light reflected by the first phosphor 5 and the second phosphor 7, respectively, are condensed by the condenser lenses 4 and 6, are converted into parallel light flux, and are again subjected to spectral optics. Head to element 3. As shown in FIG. 3, both the first region 3a and the second region 3b have a spectral characteristic of transmitting a green light component and reflecting a red light component. For this reason, the green light and the red light generated by the first phosphor 5 and the second phosphor 7, respectively, are combined on the same optical path and then enter the illumination optical system at the subsequent stage.
次に、第１の蛍光体５および第２の蛍光体７のそれぞれから未変換のままで反射される青色光成分の振る舞いについて詳述する。第１の蛍光体５には蛍光体の粉体ともに硫酸バリウムなどの拡散体が混合され、これらがシリコン系のバインダーによって封止されている。一般に、蛍光光は全方位に等方的に発生する一方、蛍光体に入射し未変換のまま反射する青色光成分は入射時の指向性が一部保たれたまま反射される。本実施形態では、第１の蛍光体５に拡散体を混合して形成することで、未変換の青色光も蛍光光とほぼ同じ等方的な配向分布になるようにしている。これにより、第１の蛍光体５に入射して未変換のまま反射する青色光も、蛍光光と同様に入射時よりも広い範囲の角度成分をもって反射する。第１の蛍光体５から反射した未変換の青色光は、集光レンズ４により集光された後に平行光束化され、分光光学素子３に入射する。第１の蛍光体５への光入射時において、分光光学素子３の第１の領域３ａを経由して、第１の蛍光体５に反射する経路を通る。一方、反射時には、入射時よりも広い角度成分をもって反射するため、分光光学素子３の第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの両方に入射する。 Next, the behavior of the blue light component reflected unconverted from each of the first phosphor 5 and the second phosphor 7 will be described in detail. A diffuser such as barium sulfate is mixed in the first phosphor 5 together with the phosphor powder, and these are sealed with a silicon-based binder. Generally, fluorescent light isotropically generated in all directions, while a blue light component that enters the phosphor and is reflected without conversion is reflected while partially maintaining the directivity at the time of incidence. In the present embodiment, the first phosphor 5 is formed by mixing a diffuser so that the unconverted blue light also has an isotropic orientation distribution substantially the same as the fluorescent light. As a result, the blue light that is incident on the first phosphor 5 and reflected without being converted is also reflected with a wider range of angle components than the incident light, like the fluorescent light. The unconverted blue light reflected from the first phosphor 5 is condensed by the condenser lens 4, converted into a parallel light beam, and then enters the spectral optical element 3. When light enters the first phosphor 5, the light passes through the first area 3 a of the spectroscopic optical element 3 and reflects on the first phosphor 5. On the other hand, at the time of reflection, since the light is reflected with a wider angle component than at the time of incidence, the light enters both the first region 3a and the second region 3b of the spectral optical element 3.
前述のように、分光光学素子３の第２の領域３ｂは、青色光帯域では透過する分光特性を有する。このため、分光光学素子３に入射した未変換の青色光成分のうち、第２の領域３ｂに入射する成分は、その略全量が透過し、緑色光成分の蛍光光とともに後段の照明光学系に向かって取り出すことができる。また、分光光学素子３の第１の領域３ａに入射する青色光成分もそのうち５割が透過するため、後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。 As described above, the second region 3b of the spectral optical element 3 has a spectral characteristic that allows transmission in the blue light band. For this reason, of the unconverted blue light component incident on the spectral optical element 3, almost all of the component incident on the second region 3b is transmitted, and together with the fluorescent light of the green light component, is transmitted to the subsequent illumination optical system. You can take it out. Further, 50% of the blue light component incident on the first region 3a of the spectral optical element 3 is transmitted, so that the blue light component can be extracted toward the illumination optical system at the subsequent stage.
次に、第２の蛍光体７に入射して反射する青色光成分について説明する。第２の蛍光体７には、硫酸バリウム等の拡散体が混合されていない。第２の蛍光体７に入射して未変換のまま反射する青色光成分は、入射時の指向性が一部保たれたまま反射する。このとき、反射した青色光のほとんどは分光光学素子３の第１の領域３ａに入射するため、このうちの５割は反射して後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。前述のように、分光光学素子３の第２の領域３ｂは、青色光帯域では透過する分光特性を有する。このため、仮に、第２の蛍光体７に第１の蛍光体５と同じように拡散体を混合し、未変換の青色光が入射時よりも広い角度成分をもって反射すると、その大部分は第２の領域３ｂに入射する。この場合、これらの光は光源側に戻り、その多くは損失となってしまう。そこで本実施形態では、第２の蛍光体７に拡散体を混合しないことで、第２の蛍光体７の拡散性を第１の蛍光体５の拡散性よりも小さくする（指向性を高める、すなわち光束径を小さくする）。これにより、第２の蛍光体７に導かれた青色光の一部を有効活用することができる。 Next, the blue light component that is incident on and reflected by the second phosphor 7 will be described. A diffuser such as barium sulfate is not mixed in the second phosphor 7. The blue light component incident on the second phosphor 7 and reflected without conversion is reflected while partially maintaining the directivity at the time of incidence. At this time, most of the reflected blue light is incident on the first region 3a of the spectral optical element 3, so that 50% of the reflected blue light can be reflected and extracted toward the subsequent illumination optical system. As described above, the second region 3b of the spectral optical element 3 has a spectral characteristic that allows transmission in the blue light band. For this reason, if a diffuser is mixed with the second phosphor 7 in the same manner as the first phosphor 5 and the unconverted blue light is reflected with a wider angle component than at the time of incidence, most of the blue light is reflected by the second phosphor 7. Incident on the second region 3b. In this case, these lights return to the light source side, and most of them are lost. Therefore, in the present embodiment, the diffusivity of the second phosphor 7 is made smaller than the diffusivity of the first phosphor 5 by not mixing the diffuser with the second phosphor 7 (to improve the directivity, That is, the light beam diameter is reduced). Thereby, a part of the blue light guided to the second phosphor 7 can be effectively used.
本実施形態によれば、光源装置１００の全体として第１の蛍光体５から発生した緑色光と、第２の蛍光体７から発生した赤色光と、各蛍光体からの未変換の青色光とを、前述の構成により積極的に活用して取り出すことができる。これにより、赤、緑、青の３原色の足し合わせから白色光を取り出すことができる。２種類の蛍光体（第１の蛍光体５および第２の蛍光体７）の足し合わせであるため、青色光の入射光量のバランスを適切調整することで容易に白色光のホワイトバランスを調整することが可能である。また本実施形態によれば、未変換の青色光を有効活用することで光利用効率を高めるだけでなく、青色光を形成するための専用の青色光源や光路を用いる必要が無いため、光源装置の小型化を実現することができる。 According to the present embodiment, the green light generated from the first phosphor 5, the red light generated from the second phosphor 7, and the unconverted blue light from each phosphor as a whole of the light source device 100. Can be positively utilized and extracted by the above configuration. As a result, white light can be extracted from the sum of the three primary colors of red, green, and blue. Since the two kinds of phosphors (the first phosphor 5 and the second phosphor 7) are added, the white balance of the white light can be easily adjusted by appropriately adjusting the balance of the amount of incident blue light. It is possible. In addition, according to the present embodiment, not only the light utilization efficiency is improved by effectively utilizing the unconverted blue light, but also it is not necessary to use a dedicated blue light source or an optical path for forming the blue light. Can be downsized.
次に、分光光学素子３の第１の領域３ａの面積と青色光に対する反射率について、より好ましい条件について説明する。第１の蛍光体５および第２の蛍光体７に入射した青色光が蛍光変換されず青色光のまま出射する率をそれぞれα１、α２とし、分光光学素子３の有効面積に対する第１の領域３ａの面積比をＤ、第１の光（青色光）に対する反射率をＲとする。 Next, more preferable conditions for the area of the first region 3a of the spectral optical element 3 and the reflectance for blue light will be described. The rates at which the blue light incident on the first phosphor 5 and the second phosphor 7 are emitted as blue light without fluorescence conversion are denoted by α 1 and α 2 , respectively, and are defined as first and second relative to the effective area of the spectral optical element 3. The area ratio of the region 3a is D, and the reflectance for the first light (blue light) is R.
光源１から分光光学素子３の第１の領域３ａに入射する光を１とするとき、第１の蛍光体５に向かう成分はＲと表現できる。第１の蛍光体５に入射した光のうち、未変換の光の割合はα１である。このため、青色光として再び分光光学素子３に入射する成分は、以下の式（１）のように表すことができる。 Assuming that the light incident on the first region 3a of the spectral optical element 3 from the light source 1 is 1, the component going to the first phosphor 5 can be expressed as R. Of the light incident on the first phosphor 5, the percentage of unconverted light is alpha 1. For this reason, the component that reenters the spectral optical element 3 as blue light can be expressed as in the following equation (1).
このうち第１の蛍光体５から反射した光は、蛍光光と同様に全方位に拡散する。このため、第１の蛍光体５から反射した光は、分光光学素子３に入射する際、第１の領域３ａおよび第２の領域３ｂの両方に入射する。このうち第１の領域３ａに入射した青色光は、第１の領域３ａの面積比Ｄと反射率Ｒとに応じて光源側に反射して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（２）のように表すことができる。 The light reflected from the first phosphor 5 diffuses in all directions similarly to the fluorescent light. Therefore, when the light reflected from the first phosphor 5 enters the spectral optical element 3, the light enters both the first region 3a and the second region 3b. Of these, the blue light incident on the first region 3a is reflected back to the light source side according to the area ratio D and the reflectance R of the first region 3a, resulting in a loss in light use efficiency. This loss can be expressed as the following equation (2).
同様に、第２の蛍光体７に入射して未変換のまま反射した際の損失を導出する。光源１から分光光学素子３の第１の領域３ａに入射する光を１とするとき、第２の蛍光体７に向かう成分は（１−Ｒ）と表現できる。第２の蛍光体７に入射した光のうち、未変換の光の割合はα２である。このため、青色光として再び分光光学素子３に入射する成分は、以下の式（３）のように表される。 Similarly, a loss when the light enters the second phosphor 7 and is reflected without conversion is derived. When the light incident on the first region 3a of the spectroscopic optical element 3 from the light source 1 is 1, the component going to the second phosphor 7 can be expressed as (1-R). Of the light incident on the second phosphor 7, the proportion of unconverted light is alpha 2. For this reason, the component that reenters the spectral optical element 3 as blue light is represented by the following equation (3).
第２の蛍光体７から反射した光は、第１の蛍光体５と第２の蛍光体７の拡散性が互いに異なる（より具体的には、第２の蛍光体７の拡散性が第１の蛍光体５の拡散性よりも小さい）ため、分光光学素子３に対しては第１の領域３ａに限定して入射する。第１の領域３ａに入射した青色光は、第１の領域３ａの反射率Ｒに応じて光源側に透過して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（４）のように表される。 The light reflected from the second phosphor 7 has different diffusivities of the first phosphor 5 and the second phosphor 7 (more specifically, the diffusivity of the second phosphor 7 is the first). Is smaller than the diffusivity of the phosphor 5), the light is limited to the first region 3a and enters the spectroscopic optical element 3. The blue light that has entered the first region 3a is transmitted back to the light source according to the reflectance R of the first region 3a, and thus causes a loss in light use efficiency. This loss is represented by the following equation (4).
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７からそれぞれ反射した未変換の青色光のうち損失となる成分は、式（２）および式（４）より、以下の式（５）のように表すことができる。 From the unconverted blue light reflected from the first phosphor 5 and the second phosphor 7, the lossy component is calculated from the equations (2) and (4) as shown in the following equation (5). Can be represented.
ここで、ほぼ全ての青色光が第１の蛍光体５に入射した際の青色光全体の損失は、Ｒ＝１を式（５）に代入して、以下の式（６）のように表わすことができる。 Here, the loss of the entire blue light when almost all the blue light is incident on the first phosphor 5 is expressed by the following expression (6) by substituting R = 1 into the expression (5). be able to.
損失が式（６）を下回る、すなわち本実施形態のように２種類の蛍光体を配置してそれぞれの蛍光体に青色光を分配する際に、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能な好ましい条件は、以下の条件式（７）を満足することである。 When the loss is smaller than the expression (6), that is, when two kinds of phosphors are arranged and blue light is distributed to each phosphor as in the present embodiment, blue light is incident on only one kind of phosphor. A preferable condition that can reduce the loss more than the case is that the following conditional expression (7) is satisfied.
式（７）を整理すると、以下の式（８）が得られる。 By rearranging equation (7), the following equation (8) is obtained.
第１の蛍光体５および第２の蛍光体７に対して未変換光として反射される青色光の割合は、使用する蛍光体の種類や混合する拡散材の割合、さらには蛍光体層の厚みなどによって様々に変化する可能性がある。このため本実施形態では、α１、α２の条件に応じて条件式（８）を満足するように、分光光学素子３の第１の領域３ａの反射率Ｒおよび面積比Ｄを設定する。これにより、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能であり、光利用効率上より好ましい構成とすることができる。 The ratio of the blue light reflected as the unconverted light to the first phosphor 5 and the second phosphor 7 depends on the type of the phosphor used, the ratio of the diffusing material to be mixed, and the thickness of the phosphor layer. It may change variously depending on the situation. Therefore, in the present embodiment, the reflectance R and the area ratio D of the first region 3a of the spectroscopic optical element 3 are set so as to satisfy the conditional expression (8) according to the conditions of α 1 and α 2 . Thus, the loss can be reduced as compared with the case where blue light is incident on only one kind of phosphor, and a configuration more preferable in terms of light use efficiency can be obtained.
図４は、分光光学素子３の第１の領域３ａの反射率Ｒと第１の色光の損失（第１の蛍光体５および第２の蛍光体７の未変換青色光）との関係を示す図であり、条件式（８）に応じた第１の領域３ａの好ましい反射率条件の例を示している。図４において、横軸は第１の領域３ａの反射率、縦軸は第１の光の損失をそれぞれ示している。また図４において、第１の領域３ａの面積比Ｄが２０％、３０％、４０％、５０％の場合をそれぞれ示している。また図４において、α１、α２ともに０．２、すなわち各蛍光体に入射した青色光のうち２０％の光が未変換光として反射する場合の条件で計算を行っている。 FIG. 4 shows the relationship between the reflectance R of the first region 3a of the spectral optical element 3 and the loss of the first color light (unconverted blue light of the first phosphor 5 and the second phosphor 7). It is a figure and has shown the example of the preferable reflectance condition of the 1st area | region 3a according to conditional expression (8). In FIG. 4, the horizontal axis represents the reflectance of the first region 3a, and the vertical axis represents the loss of the first light. FIG. 4 shows the case where the area ratio D of the first region 3a is 20%, 30%, 40%, and 50%, respectively. Further, in FIG. 4, the calculation is performed under the condition that both α 1 and α 2 are 0.2, that is, 20% of the blue light incident on each phosphor is reflected as unconverted light.
本実施形態の条件である第１の領域３ａの面積比Ｄが３０％の破線に注目する。反射率Ｒが１のとき、すなわち本実施形態を適用せず１種類の蛍光体のみに対して青色光を投入した際の損失である０．０６を基準として考えると、反射率Ｒが１〜０．５３程度の間が損失をさらに低減できる範囲とすることができる。本実施形態では反射率Ｒを５０％としているが、より好ましくは反射率Ｒを条件式（８）に応じて前述の範囲に設定すると、装置全体の損失を低減でき光利用効率を改善することができる。また、反射率Ｒを０．７〜０．８の間にすると、損失を０．０４５程度とこの条件下で最も損失を少なくすることができる。 Note the broken line where the area ratio D of the first region 3a is 30%, which is the condition of the present embodiment. When the reflectance R is 1, that is, based on 0.06 which is a loss when blue light is applied to only one kind of phosphor without applying the present embodiment, the reflectance R is 1 to A range between about 0.53 can be a range in which the loss can be further reduced. In the present embodiment, the reflectance R is set to 50%. More preferably, when the reflectance R is set in the above range according to the conditional expression (8), the loss of the entire device can be reduced and the light use efficiency can be improved. Can be. When the reflectance R is between 0.7 and 0.8, the loss can be minimized to about 0.045 under this condition.
第１の領域３ａの面積比Ｄは、光源装置１００に必要とされる光出力に応じて青色レーザーダイオードの個数などが増えると必要な反射面の面積が変わるため、設計ごとに変化することが想定される。この場合にも、適切に第１の領域３ａの反射率Ｒを設定して青色光を第１の蛍光体５と第２の蛍光体７とに振り分ける配分を決定することで、青色光の未変換光の損失を低減でき、装置全体の光利用効率を改善することができる。 The area ratio D of the first region 3a may change for each design because the necessary area of the reflection surface changes when the number of blue laser diodes or the like increases according to the light output required for the light source device 100. is assumed. Also in this case, by appropriately setting the reflectance R of the first region 3a and determining the distribution of the blue light to the first phosphor 5 and the second phosphor 7, the blue light is not reflected. The loss of converted light can be reduced, and the light utilization efficiency of the entire device can be improved.
なお図１では、照明光学系としてフライアイレンズ８のみが示されているが、この後段にはコンデンサレンズ、画像表示素子（光変調素子）、および、投射光学系等が省略されている。本実施形態の光源装置１００と、不図示の画像表示素子等とにより、小型でホワイトバランスと光利用効率に優れた画像投射装置（プロジェクタ）を実現することができる。 Although only the fly-eye lens 8 is shown in FIG. 1 as an illumination optical system, a condenser lens, an image display element (light modulation element), a projection optical system, and the like are omitted in the subsequent stage. The light source device 100 of the present embodiment, an image display element (not shown), and the like can realize a small-sized image projection device (projector) having excellent white balance and light use efficiency.
（第２の実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第２の実施形態における光源装置について説明する。図５は、光源装置１００ａの構成図である。光源装置１００ａは、光源（励起光源）１、コリメータレンズ２、分光光学素子（光路合成素子）１１、集光レンズ４、第１の蛍光体（緑色蛍光体）１０、集光レンズ６、第２の蛍光体（赤色蛍光体）９、および、フライアイレンズ８を備えて構成される。
(Second embodiment)
Next, a light source device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a configuration diagram of the light source device 100a. The light source device 100a includes a light source (excitation light source) 1, a collimator lens 2, a spectroscopic optical element (optical path combining element) 11, a condenser lens 4, a first phosphor (green phosphor) 10, a condenser lens 6, and a second (Red phosphor) 9 and a fly-eye lens 8.
光源１は、第１の光（青色光）を発生する。第１の蛍光体１０は、第１の光によって励起され第２の光（緑色光）を発生する。第２の蛍光体９は、第１の光によって励起され第３の光（赤色光）を発生する。分光光学素子１１は、第１の光を（所定の割合で）分離して第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９にそれぞれ導き、且つ発生した第２の光と第３の光とを合成する。フライアイレンズ８は、第１のフライアイレンズ８ａおよび第２のフライアイレンズ８ｂを有する。以下、光源１から順に各構成要素について詳述する。 The light source 1 generates a first light (blue light). The first phosphor 10 is excited by the first light to generate a second light (green light). The second phosphor 9 is excited by the first light to generate a third light (red light). The spectroscopic optical element 11 separates the first light (at a predetermined ratio) and guides the first light to the first phosphor 10 and the second phosphor 9, respectively, and generates the second light and the third light. Are synthesized. The fly-eye lens 8 has a first fly-eye lens 8a and a second fly-eye lens 8b. Hereinafter, each component will be described in detail from the light source 1 in order.
本実施形態は、分光光学素子１１を挟んで第１の蛍光体１０が光源１と対向する位置に配置され、第２の蛍光体９がフライアイレンズ８と対向する位置に配置されている点で、第１の実施形態とは異なる。これに伴い、分光光学素子１１の構成も分光光学素子３とは異なる。なお、本実施形態の他の構成は、第１の実施形態と同様であるため、それらの説明は省略する。 In the present embodiment, the first phosphor 10 is arranged at a position facing the light source 1 with the spectral optical element 11 interposed therebetween, and the second phosphor 9 is arranged at a position facing the fly-eye lens 8. This is different from the first embodiment. Accordingly, the configuration of the spectral optical element 11 is also different from that of the spectral optical element 3. Note that other configurations of the present embodiment are the same as those of the first embodiment, and a description thereof will be omitted.
光源１から出射した波長４５５ｎｍの青色光は、分光光学素子１１に向かって進行する。図６は分光光学素子１１の正面図である。図６に示されるように、分光光学素子１１は、第１の領域（第１の部分領域）１１ａおよび第２の領域（第２の部分領域）１１ｂを有する。第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂのそれぞれには、互いに異なる分光特性（透過率特性、反射率特性）を有する誘電体多層膜が蒸着されている。第１の領域１１ａは、分光光学素子１１の全体に対して約３０％程度の面積比で一部の狭い範囲にのみ形成されている。光源１から出射した光は、指向性が高くかつ光束径が小さい（すなわち拡散性が小さい）ため、分光光学素子１１のうち特に第１の領域１１ａのみに入射するように配置されている。 The blue light having a wavelength of 455 nm emitted from the light source 1 travels toward the spectral optical element 11. FIG. 6 is a front view of the spectral optical element 11. As shown in FIG. 6, the spectroscopic optical element 11 has a first region (first partial region) 11a and a second region (second partial region) 11b. In each of the first region 11a and the second region 11b, a dielectric multilayer film having different spectral characteristics (transmittance characteristics and reflectance characteristics) is deposited. The first region 11a is formed only in a part of a narrow range with an area ratio of about 30% with respect to the whole of the spectral optical element 11. The light emitted from the light source 1 has high directivity and a small luminous flux diameter (that is, has low diffusivity), and is therefore arranged to be incident only on the first region 11a of the spectral optical element 11 in particular.
次に、図７を参照して、分光光学素子１１の第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの分光特性（分光透過率）を説明する。図７は第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの分光透過率であり、図７（ａ）は第１の領域１１ａの分光透過率、図７（ｂ）は第２の領域１１ｂの分光透過率をそれぞれ示す。図７（ａ）、（ｂ）のそれぞれにおいて、横軸は光の波長（ｎｍ）、縦軸は透過率（％）を示す。 Next, spectral characteristics (spectral transmittance) of the first region 11a and the second region 11b of the spectral optical element 11 will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the spectral transmittance of the first region 11a and the second region 11b. FIG. 7A shows the spectral transmittance of the first region 11a, and FIG. 7B shows the spectral transmittance of the second region 11b. The transmittance is shown. In each of FIGS. 7A and 7B, the horizontal axis represents the light wavelength (nm), and the vertical axis represents the transmittance (%).
ここで、第１の領域１１ａの特に波長４４０〜４９０ｎｍの青色光帯域の光の透過率に注目すると、この帯域の光の５割は反射し、残りの５割は透過する特性になっている。従って、分光光学素子１１に入射した光のうち５割は反射して第２の蛍光体９に向かって進行し、残りの５割は透過して第１の蛍光体１０に向かって進行する。第１の領域１１ａは、他の帯域の光に関して、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を反射し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を透過する分光特性を有する。すなわち第１の領域１１ａは、第１の光（青色光）を（所定の割合で）透過および反射し（青色光についてハーフミラーとなっており）、第２の光（緑色光）を反射し、第３の光（赤色光）を透過する分光特性を有する。一方、第２の領域１１ｂは、青色光帯域の光を反射し、波長５００〜５９０ｎｍの緑色光帯域の光を反射し、波長６００〜７００ｎｍの赤色光帯域の光を透過する分光特性を有する。すなわち第２の領域１１ｂは、第１の光を反射し、第２の光を反射し、第３の光を透過する分光特性を有する。 Here, paying attention to the transmittance of light in the blue light band of the wavelength 440 to 490 nm of the first region 11a, 50% of the light in this band is reflected, and the remaining 50% is transmitted. . Accordingly, 50% of the light incident on the spectroscopic optical element 11 is reflected and travels toward the second phosphor 9, and the remaining 50% transmits and travels toward the first phosphor 10. The first region 11a has a spectral characteristic of reflecting light in a green light band having a wavelength of 500 to 590 nm and transmitting light in a red light band having a wavelength of 600 to 700 nm with respect to light in other bands. That is, the first region 11a transmits and reflects the first light (blue light) (at a predetermined ratio) (a half mirror for the blue light) and reflects the second light (green light). , And has a spectral characteristic of transmitting third light (red light). On the other hand, the second region 11b has a spectral characteristic of reflecting light in the blue light band, reflecting light in the green light band having a wavelength of 500 to 590 nm, and transmitting light in the red light band having a wavelength of 600 to 700 nm. That is, the second region 11b has a spectral characteristic of reflecting the first light, reflecting the second light, and transmitting the third light.
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９のそれぞれに向かって進行した光は、集光レンズ６または集光レンズ４を介して、第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９にそれぞれ集光される。第１の蛍光体１０に入射した光は、第１の蛍光体１０により吸収され、波長５５０ｎｍの緑色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第１の蛍光体１０に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。同様に、第２の蛍光体９に入射した光は、第２の蛍光体９により吸収され、波長６２０ｎｍの赤色光を主成分とする分光分布を有する蛍光光に変換されて反射される。また、第２の蛍光体９に入射した光の他の一部は、光源１の波長４５５ｎｍのまま未変換の青色光として反射される。 The light traveling toward each of the first phosphor 10 and the second phosphor 9 is transmitted to the first phosphor 10 and the second phosphor 9 via the condenser lens 6 or the condenser lens 4. Each is collected. The light incident on the first phosphor 10 is absorbed by the first phosphor 10 and converted into a fluorescent light having a spectral distribution whose main component is green light having a wavelength of 550 nm, and is reflected. Another part of the light that has entered the first phosphor 10 is reflected as unconverted blue light while maintaining the wavelength of the light source 1 at 455 nm. Similarly, the light incident on the second phosphor 9 is absorbed by the second phosphor 9, converted into a fluorescent light having a spectral distribution mainly composed of red light having a wavelength of 620 nm, and reflected. Another part of the light that has entered the second phosphor 9 is reflected as unconverted blue light while maintaining the wavelength of the light source 1 at 455 nm.
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９によりそれぞれ反射された緑色光および赤色光の蛍光光成分は、集光レンズ６、４により集光された後、平行光束化され、再び分光光学素子１１に向かう。図７に示されるように、第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂはともに緑色光成分を反射し、赤色光成分を透過する分光特性を有する。このため、第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９でそれぞれ発生した緑色光および赤色光は、同一光路に合成された後、後段の照明光学系に入射する。 The fluorescent light components of the green light and the red light reflected by the first phosphor 10 and the second phosphor 9, respectively, are condensed by the condenser lenses 6, 4, are converted into a parallel light flux, and are again subjected to spectral optics. Heads for element 11. As shown in FIG. 7, both the first region 11a and the second region 11b have a spectral characteristic of reflecting a green light component and transmitting a red light component. For this reason, the green light and the red light generated by the first phosphor 10 and the second phosphor 9, respectively, are combined on the same optical path and then enter the illumination optical system at the subsequent stage.
第１の実施形態と同様に、第１の蛍光体１０には蛍光体の粉体ともに硫酸バリウムなどの拡散体が混合され、これらがシリコン系のバインダーによって封止されている。従って、第１の蛍光体１０に入射して未変換のまま反射する青色光は、蛍光光と同様に入射時よりも広い範囲の角度成分をもって反射する。第１の蛍光体１０から反射した未変換の青色光は、集光レンズ６により集光された後に平行光束化され、分光光学素子１１に入射する。第１の蛍光体１０への光入射時において、分光光学素子１１の第１の領域１１ａを経由して、第１の蛍光体１０に反射する経路を通る。一方、反射時には、入射時よりも広い角度成分をもって反射するため、分光光学素子１１の第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの両方に入射する。 As in the first embodiment, a diffuser such as barium sulfate is mixed in the first phosphor 10 together with the phosphor powder, and these are sealed with a silicon-based binder. Therefore, the blue light that is incident on the first phosphor 10 and reflected without being converted is reflected with a wider angle component than the incident light, like the fluorescent light. The unconverted blue light reflected from the first phosphor 10 is condensed by the condenser lens 6, converted into a parallel light flux, and then enters the spectral optical element 11. When light is incident on the first phosphor 10, the light passes through the first area 11 a of the spectral optical element 11 and reflects on the first phosphor 10. On the other hand, at the time of reflection, since the light is reflected with a wider angle component than at the time of incidence, the light enters both the first region 11a and the second region 11b of the spectral optical element 11.
前述のように、分光光学素子１１の第２の領域１１ｂは、青色光帯域では反射する分光特性を有する。このため、分光光学素子１１に入射した未変換の青色光成分のうち、第２の領域１１ｂに入射する成分は、その略全量が透過し、緑色光成分の蛍光光とともに後段の照明光学系に向かって取り出すことができる。また、分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射する青色光成分もそのうち５割が反射するため、後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。 As described above, the second region 11b of the spectral optical element 11 has a spectral characteristic that reflects light in the blue light band. For this reason, of the unconverted blue light component incident on the spectroscopic optical element 11, almost all of the component incident on the second region 11b is transmitted, and together with the fluorescent light of the green light component, is transmitted to the subsequent illumination optical system. You can take it out. In addition, 50% of the blue light component incident on the first region 11a of the spectral optical element 11 is reflected, so that the blue light component can be extracted toward the illumination optical system at the subsequent stage.
次に、第２の蛍光体９に入射して反射する青色光成分について説明する。第１の実施形態と同様に、第２の蛍光体９には、硫酸バリウム等の拡散体が混合されていない。第２の蛍光体９に入射して未変換のまま反射する青色光成分は、入射時の指向性が一部保たれたまま反射する。このとき、反射した青色光のほとんどは分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射するため、このうちの５割は透過して後段の照明光学系に向けて取り出すことができる。前述のように、分光光学素子１１の第２の領域１１ｂは、青色光帯域では反射する分光特性を有する。このため、仮に、第２の蛍光体９に第１の蛍光体１０と同じように拡散体を混合し、未変換の青色光が入射時よりも広い角度成分をもって反射すると、その大部分は第２の領域１１ｂに入射する。この場合、これらの光は光源側に戻り、その多くは損失となってしまう。そこで本実施形態では、第２の蛍光体９に拡散体を混合しないことで、第２の蛍光体９の拡散性を第１の蛍光体１０の拡散性よりも小さくする（指向性を高める、すなわち光束径を小さくする）。これにより、第２の蛍光体９に導かれた青色光の一部を有効活用することができる。 Next, a blue light component that is incident on and reflected by the second phosphor 9 will be described. As in the first embodiment, a diffuser such as barium sulfate is not mixed in the second phosphor 9. The blue light component incident on the second phosphor 9 and reflected without being converted is reflected while the directivity at the time of incidence is partially maintained. At this time, most of the reflected blue light is incident on the first region 11a of the spectral optical element 11, so that 50% of the reflected blue light can be transmitted and extracted toward the subsequent illumination optical system. As described above, the second region 11b of the spectral optical element 11 has a spectral characteristic that reflects light in the blue light band. For this reason, if a diffuser is mixed with the second phosphor 9 in the same manner as the first phosphor 10 and the unconverted blue light is reflected with a wider angle component than at the time of incidence, most of the blue light is reflected by the second phosphor 9. Incident on the second region 11b. In this case, these lights return to the light source side, and most of them are lost. Therefore, in the present embodiment, the diffusivity of the second phosphor 9 is made smaller than the diffusivity of the first phosphor 10 by not mixing the diffuser with the second phosphor 9 (to increase the directivity, That is, the light beam diameter is reduced). Thereby, a part of the blue light guided to the second phosphor 9 can be effectively used.
本実施形態によれば、光源装置１００ａの全体として第１の蛍光体１０から発生した緑色光と、第２の蛍光体９から発生した赤色光と、各蛍光体からの未変換の青色光とを、前述の構成により積極的に活用して取り出すことができる。これにより、赤、緑、青の３原色の足し合わせから白色光を取り出すことができる。２種類の蛍光体（第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９）の足し合わせであるため、青色光の入射光量のバランスを適切調整することで容易に白色光のホワイトバランスを調整することが可能である。また本実施形態によれば、未変換の青色光を有効活用することで光利用効率を高めるだけでなく、青色光を形成するための専用の青色光源や光路を用いる必要が無いため、光源装置の小型化を実現することができる。 According to the present embodiment, the green light generated from the first phosphor 10, the red light generated from the second phosphor 9, and the unconverted blue light from each of the phosphors as a whole of the light source device 100 a. Can be positively utilized and extracted by the above configuration. As a result, white light can be extracted from the sum of the three primary colors of red, green, and blue. Since the two kinds of phosphors (the first phosphor 10 and the second phosphor 9) are added, the white balance of the white light can be easily adjusted by appropriately adjusting the balance of the amount of incident blue light. It is possible. In addition, according to the present embodiment, not only the light utilization efficiency is improved by effectively utilizing the unconverted blue light, but also it is not necessary to use a dedicated blue light source or an optical path for forming the blue light. Can be downsized.
次に、分光光学素子１１の第１の領域１１ａの面積と青色光に対する反射率について、より好ましい条件について説明する。第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９に入射した青色光が蛍光変換されず青色光のまま出射する率をそれぞれα１、α２とし、分光光学素子１１の有効面積に対する第１の領域１１ａの面積比をＤ、第１の光（青色光）に対する反射率をＲとする。 Next, more preferable conditions for the area of the first region 11a of the spectral optical element 11 and the reflectance for blue light will be described. The rates at which the blue light incident on the first phosphor 10 and the second phosphor 9 are emitted as blue light without being converted to fluorescence are denoted by α 1 and α 2 , respectively, and are defined as the first relative to the effective area of the spectral optical element 11. The area ratio of the region 11a is D, and the reflectance for the first light (blue light) is R.
光源１から分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射する光を１とするとき、第１の蛍光体１０に向かう成分は（１−Ｒ）と表現できる。第１の蛍光体１０に入射した光のうち、未変換の光の割合はα１である。このため、青色光として再び分光光学素子１１に入射する成分は、以下の式（９）のように表すことができる。 When the light incident on the first region 11a of the spectroscopic optical element 11 from the light source 1 is 1, the component going to the first phosphor 10 can be expressed as (1-R). Of the light incident on the first phosphor 10, the percentage of unconverted light is alpha 1. For this reason, the component that reenters the spectral optical element 11 as blue light can be expressed as in the following equation (9).
このうち第１の蛍光体１０から反射した光は、蛍光光と同様に全方位に拡散する。このため、第１の蛍光体１０から反射した光は、分光光学素子１１に入射する際、第１の領域１１ａおよび第２の領域１１ｂの両方に入射する。このうち第１の領域１１ａに入射した青色光は、第１の領域１１ａの面積比Ｄと反射率Ｒとに応じて光源側に透過して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（１０）のように表すことができる。 The light reflected from the first phosphor 10 diffuses in all directions similarly to the fluorescent light. Therefore, when the light reflected from the first phosphor 10 enters the spectroscopic optical element 11, it enters both the first region 11a and the second region 11b. Of these, the blue light incident on the first region 11a is transmitted back to the light source side in accordance with the area ratio D and the reflectance R of the first region 11a, and causes a loss in light use efficiency. This loss can be expressed as the following equation (10).
同様に、第２の蛍光体９に入射して未変換のまま反射した際の損失を導出する。光源１から分光光学素子１１の第１の領域１１ａに入射する光を１とするとき、第２の蛍光体９に向かう成分はＲと表現できる。第２の蛍光体９に入射した光のうち、未変換の光の割合はα２である。このため、青色光として再び分光光学素子１１に入射する成分は、以下の式（１１）のように表される。 Similarly, the loss when the light enters the second phosphor 9 and is reflected without conversion is derived. Assuming that the light incident on the first region 11a of the spectral optical element 11 from the light source 1 is 1, the component going to the second phosphor 9 can be expressed as R. Of the light incident on the second phosphor 9, the percentage of unconverted light is alpha 2. For this reason, the component that reenters the spectral optical element 11 as blue light is represented by the following equation (11).
第２の蛍光体９から反射した光は、第１の蛍光体１０と第２の蛍光体９の拡散性が互いに異なる（より具体的には、第２の蛍光体９の拡散性は第１の蛍光体１０の拡散性よりも小さい）ため、分光光学素子１１に対しては第１の領域１１ａに限定して入射する。第１の領域１１ａに入射した青色光は、第１の領域１１ａの反射率Ｒに応じて光源側に反射して戻るため、光利用効率上の損失となる。この損失は、以下の式（１２）のように表される。 The light reflected from the second phosphor 9 has different diffusivities between the first phosphor 10 and the second phosphor 9 (more specifically, the diffusivity of the second phosphor 9 is the first). Is smaller than the diffusivity of the phosphor 10), so that the light enters the spectroscopic optical element 11 only in the first region 11a. The blue light that has entered the first region 11a is reflected back to the light source according to the reflectance R of the first region 11a, resulting in a loss in light use efficiency. This loss is represented by the following equation (12).
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９からそれぞれ反射した未変換の青色光のうち損失となる成分は、式（１０）および式（１２）より、以下の式（１３）のように表すことができる。 From the unconverted blue light reflected from the first phosphor 10 and the second phosphor 9 respectively, the lossy component is obtained from the equations (10) and (12) as shown in the following equation (13). Can be represented.
ここで、ほぼ全ての青色光が第１の蛍光体１０に入射した際の青色光全体の損失は、Ｒ＝０を式（１３）に代入して、以下の式（１４）のように表わすことができる。 Here, the loss of the entire blue light when almost all the blue light is incident on the first phosphor 10 is expressed by the following expression (14) by substituting R = 0 into the expression (13). be able to.
損失が式（１４）を下回る、すなわち本実施形態のように２種類の蛍光体を配置してそれぞれの蛍光体に青色光を分配する際に、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能な好ましい条件は、以下の条件式（１５）を満足することである。 When the loss is smaller than the expression (14), that is, when two kinds of phosphors are arranged and blue light is distributed to each phosphor as in the present embodiment, blue light is incident on only one kind of phosphor. A preferable condition that can reduce the loss more than the case is that the following conditional expression (15) is satisfied.
条件式（１５）を整理すると、以下の条件式（１６）が得られる。 When the conditional expression (15) is arranged, the following conditional expression (16) is obtained.
第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９に対して未変換光として反射される青色光の割合は、使用する蛍光体の種類や混合する拡散材の割合、さらには蛍光体層の厚みなどによって様々に変化する可能性がある。このため本実施形態では、α１、α２の条件に応じて条件式（１５）を満足するように、分光光学素子１１の第１の領域１１ａの反射率Ｒおよび面積比Ｄを設定する。これにより、１種類の蛍光体のみに青色光を入射した場合より損失を低減可能であり、光利用効率上より好ましい構成とすることができる。 The ratio of the blue light reflected as the unconverted light to the first phosphor 10 and the second phosphor 9 depends on the type of the phosphor used, the ratio of the diffusing material to be mixed, and the thickness of the phosphor layer. It may change variously depending on the situation. Therefore, in the present embodiment, the reflectance R and the area ratio D of the first region 11a of the spectroscopic optical element 11 are set so as to satisfy the conditional expression (15) according to the conditions of α 1 and α 2 . Thus, the loss can be reduced as compared with the case where blue light is incident on only one kind of phosphor, and a configuration more preferable in terms of light use efficiency can be obtained.
図８は、分光光学素子１１の第１の領域１１ａの反射率Ｒと第１の色光の損失（第１の蛍光体１０および第２の蛍光体９の未変換青色光）との関係を示す図であり、条件式（１５）に応じた第１の領域１１ａの好ましい反射率条件の例を示している。図８において、横軸は第１の領域１１ａの反射率、縦軸は第１の光の損失をそれぞれ示している。また図８において、第１の領域１１ａの面積比Ｄが２０％、３０％、４０％、５０％の場合をそれぞれ示している。また図８において、α１、α２ともに０．２、すなわち各蛍光体に入射した青色光のうち２０％の光が未変換光として反射する場合の条件で計算を行っている。 FIG. 8 shows the relationship between the reflectance R of the first region 11a of the spectral optical element 11 and the loss of the first color light (unconverted blue light of the first phosphor 10 and the second phosphor 9). It is a figure and has shown the example of the preferable reflectance condition of the 1st area | region 11a according to conditional expression (15). In FIG. 8, the horizontal axis indicates the reflectance of the first region 11a, and the vertical axis indicates the loss of the first light. FIG. 8 shows a case where the area ratio D of the first region 11a is 20%, 30%, 40%, and 50%, respectively. In FIG. 8, the calculation is performed under the condition that both α 1 and α 2 are 0.2, that is, 20% of the blue light incident on each phosphor is reflected as unconverted light.
本実施形態の条件である第１の領域１１ａの面積比Ｄが３０％の破線に注目する。反射率Ｒが０のとき、すなわち本実施形態を適用せず１種類の蛍光体のみに対して青色光を投入した際の損失である０．０６を基準として考えると、反射率Ｒが０〜０．４７程度の間が損失をさらに低減できる範囲とすることができる。本実施形態では反射率Ｒを５０％としているが、より好ましくは反射率Ｒを条件式（１５）に応じて前述の範囲に設定すると、装置全体の損失を低減でき光利用効率を改善することができる。また、反射率Ｒを０．２〜０．３の間にすると、損失を０．０４５程度とこの条件下で最も損失を少なくすることができる。 Attention is paid to a broken line where the area ratio D of the first region 11a is 30%, which is a condition of the present embodiment. When the reflectance R is 0, that is, based on 0.06 which is a loss when blue light is applied to only one kind of phosphor without applying the present embodiment, the reflectance R is 0 to 0. A range of about 0.47 can be set to a range where the loss can be further reduced. In the present embodiment, the reflectance R is set to 50%. More preferably, when the reflectance R is set in the above range according to the conditional expression (15), the loss of the entire device can be reduced and the light use efficiency can be improved. Can be. When the reflectance R is between 0.2 and 0.3, the loss can be minimized to about 0.045 under this condition.
第１の領域１１ａの面積比Ｄは、光源装置１００ａに必要とされる光出力に応じて青色レーザーダイオードの個数などが増えると必要な反射面の面積が変わるため、設計ごとに変化することが想定される。この場合にも、適切に第１の領域１１ａの反射率Ｒを設定して青色光を第１の蛍光体１０と第２の蛍光体９とに振り分ける配分を決定することで、青色光の未変換光の損失を低減でき、装置全体の光利用効率を改善することができる。 The area ratio D of the first region 11a may vary from design to design because the required area of the reflection surface changes when the number of blue laser diodes or the like increases according to the light output required for the light source device 100a. is assumed. Also in this case, by appropriately setting the reflectance R of the first region 11a and determining the distribution of the blue light to the first phosphor 10 and the second phosphor 9, the blue light is not reflected. The loss of converted light can be reduced, and the light utilization efficiency of the entire device can be improved.
（第３の実施形態）
次に、図９を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図９は、本実施形態におけるプロジェクタ（画像投射装置）１０００の構成図である。プロジェクタ１０００の光変調素子として、反射型液晶パネルが用いられている。図９において、１００は光源装置（光源装置１００に代えて、光源装置１００ａでもよい）、２００は照明光学系、３００は色分離合成光学系、および、４００は投射光学系である。光源装置１００は、照明光学系２００に向けて光を出射する。照明光学系２００は、光源装置１００からの光を照明する。色分離合成光学系３００は、照明光学系２００からの照明光に対して色分離および色合成を行う。投射光学系４００は、色分離合成光学系３００からの合成光を投射する。
(Third embodiment)
Next, a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 9 is a configuration diagram of a projector (image projection apparatus) 1000 according to the present embodiment. As a light modulation element of the projector 1000, a reflection type liquid crystal panel is used. In FIG. 9, reference numeral 100 denotes a light source device (the light source device 100a may be used instead of the light source device 100); 200, an illumination optical system; 300, a color separation / synthesis optical system; and 400, a projection optical system. The light source device 100 emits light toward the illumination optical system 200. The illumination optical system 200 illuminates light from the light source device 100. The color separation / synthesis optical system 300 performs color separation and color synthesis on the illumination light from the illumination optical system 200. The projection optical system 400 projects the combined light from the color separation / combination optical system 300.
色分離合成光学系３００において、３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂは、それぞれ、赤用、緑用、青用の光変調素子（赤用、緑用、青用の反射型液晶パネル）を備えた反射型液晶パネルユニットである。３０２Ｒ、３０２Ｇ、３０２Ｂは、それぞれ、赤用、緑用、青用の波長板を備えた波長板ユニットである。なお本実施形態において、反射型液晶パネルユニット３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂのそれぞれに含まれる光変調素子は反射型液晶パネルであるが、これに限定されるものではない。例えば、光変調素子として透過型液晶パネルを用いてもよい。反射型液晶パネルの数に関わらず、単板式や３板式などのいずれのプロジェクタにも適用可能である。 In the color separation / synthesis optical system 300, 301R, 301G, and 301B are reflective liquid crystals each including a red, green, and blue light modulation element (a reflective liquid crystal panel for red, green, and blue). It is a panel unit. 302R, 302G, and 302B are wave plate units provided with wave plates for red, green, and blue, respectively. In the present embodiment, the light modulation element included in each of the reflection type liquid crystal panel units 301R, 301G, and 301B is a reflection type liquid crystal panel, but is not limited thereto. For example, a transmission type liquid crystal panel may be used as the light modulation element. Regardless of the number of reflective liquid crystal panels, the present invention can be applied to any single-panel or three-panel projector.
各実施形態において、２種類の蛍光体（例えば、緑色蛍光体および赤色蛍光体）を用いて、未変換の励起光を青光として利用する。このため各実施形態によれば、従来よりもホワイトバランスおよび光利用効率に優れた小型の光源装置および画像投射装置を提供することができる。 In each embodiment, two types of phosphors (for example, green phosphor and red phosphor) are used, and the unconverted excitation light is used as blue light. For this reason, according to each embodiment, it is possible to provide a small light source device and an image projection device that are more excellent in white balance and light use efficiency than in the related art.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described, but the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made within the scope of the gist.
各実施形態において、例えば、第１の蛍光体および第２の蛍光体の少なくとも一方は、量子ドット蛍光体であってもよい。量子ドット蛍光体は、通常の蛍光体に比べて耐熱性が低いため、各実施形態のように発光色ごとに蛍光体を分割する構成が冷却の観点で有効である。また、分光光学素子で各蛍光体からの光（色光）を合成する際に通常の蛍光体からの広帯域なスペクトルをもつ蛍光光を合成すると、蛍光スペクトル同士の重なる帯域で必ず損失が発生する。ただし、量子ドット蛍光体はより狭いスペクトルを有するため、このような損失を防ぐことができ、光利用効率の観点で好ましい。量子ドット蛍光体は、例えば１００ｎｍ以下の光の波長帯域の幅を有する。 In each embodiment, for example, at least one of the first phosphor and the second phosphor may be a quantum dot phosphor. Since the quantum dot phosphor has lower heat resistance than a normal phosphor, a configuration in which the phosphor is divided for each emission color as in each embodiment is effective from the viewpoint of cooling. In addition, when combining light (color light) from each phosphor with a spectral optical element and combining fluorescent light having a broadband spectrum from a normal phosphor, loss always occurs in a band where the fluorescence spectra overlap. However, since the quantum dot phosphor has a narrower spectrum, such a loss can be prevented, which is preferable from the viewpoint of light use efficiency. The quantum dot phosphor has, for example, a width of a light wavelength band of 100 nm or less.
１ 光源
３、１１ 分光光学素子
５、９ 第１の蛍光体
７、１０ 第２の蛍光体
１００、１００ａ 光源装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Light source 3, 11 Spectral optical element 5, 9 First phosphor 7, 10 Second phosphor 100, 100a Light source device
Claims (10)
前記第１の光によって励起され第２の光を発生する第１の蛍光体と、
前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、
前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第２の光と前記第３の光とを合成する分光光学素子と、を有する光源装置であって、
前記分光光学素子は、第１の領域および第２の領域を有し、
前記第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有し、
前記第２の領域は、前記第１の光を透過し、前記第２の光を透過し、前記第３の光を反射する分光特性を有することを特徴とする光源装置。 A light source for generating a first light;
A first phosphor excited by the first light to generate a second light;
A second phosphor excited by the first light to generate a third light;
The first light is separated, the first light is guided to the first phosphor and the second phosphor, respectively, and the generated second light and the third light are combined. A light source device having a spectral optical element,
The spectroscopic optical element has a first region and a second region,
The first region has a spectral characteristic of transmitting and reflecting the first light, transmitting the second light, and reflecting the third light,
The light source device, wherein the second region has a spectral characteristic of transmitting the first light, transmitting the second light, and reflecting the third light.
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。 The rates at which the first light incident on the first phosphor and the second phosphor are not converted into fluorescence and are emitted as the first light are α1 and α2, respectively, and the effective area of the spectral optical element is Where D is the area ratio of the first region to R, and R is the reflectivity for the first light,
The light source device according to claim 1, wherein the following conditional expression is satisfied.
前記第１の光によって励起され第２の光を発生する第１の蛍光体と、
前記第１の光によって励起され第３の光を発生する第２の蛍光体と、
前記第１の光を分離して前記第１の蛍光体および前記第２の蛍光体に前記第１の光をそれぞれ導き、且つ発生した前記第２の光と前記第３の光とを合成する分光光学素子と、を有する光源装置であって、
前記分光光学素子は、第１の領域および第２の領域を有し、
第１の領域は、前記第１の光を透過および反射し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有し、
前記第２の領域は、前記第１の光を反射し、前記第２の光を反射し、前記第３の光を透過する分光特性を有することを特徴とする光源装置。 A light source for generating a first light;
A first phosphor excited by the first light to generate a second light;
A second phosphor excited by the first light to generate a third light;
The first light is separated, the first light is guided to the first phosphor and the second phosphor, respectively, and the generated second light and the third light are combined. A light source device having a spectral optical element,
The spectroscopic optical element has a first region and a second region,
The first region has a spectral characteristic of transmitting and reflecting the first light, reflecting the second light, and transmitting the third light,
The light source device according to claim 2, wherein the second region has a spectral characteristic of reflecting the first light, reflecting the second light, and transmitting the third light.
なる条件式を満足することを特徴とする請求項３に記載の光源装置。 The rates at which the first light incident on the first phosphor and the second phosphor are emitted as the first light without being converted into fluorescence are α1 and α2, respectively, and the efficiency of the spectral optical element is When the area ratio of the first region to the area is D, and the reflectance for the first light is R,
The light source device according to claim 3, wherein the following conditional expression is satisfied.
光変調素子と、
前記光源装置から出射した光束を前記光変調素子に照明する照明光学系と、を有することを特徴とする画像投射装置。 A light source device according to any one of claims 1 to 9,
A light modulation element,
An illumination optical system for illuminating the light modulation element with a light beam emitted from the light source device.
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