JP2020071296A - 波長変換ユニット、光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率を向上させることが可能であるとともに、自身の劣化を抑制することが可能な波長変換ユニット並びにこれを備える光源装置および投射型表示装置を提供すること。【解決手段】波長変換ユニット２は、励起光源１からの励起光が入射する入射領域２ｉと、励起光から波長変換された変換光が出射する出射領域２ｏと、入射領域および出射領域と異なる領域の少なくとも一部に形成され、光を反射する反射領域２ｒと、を有し、出射領域の面積は、入射領域の面積よりも狭い。【選択図】図２

Description

本発明は、波長変換ユニット、光源装置および投射型表示装置に関する。

特許文献１には、青色光を発する青色レーザーダイオード（以後、青色ＬＤ）と、ＹＡＧ系単結晶蛍光体を含み、青色ＬＤからの光の一部の波長を変換する波長変換ユニットと、を有する光源装置が開示されている。

特開２０１７−１２０８６４号公報

蛍光体上または蛍光体中に形成された青色ＬＤからの光によるスポット（青色ＬＤからの光の集光点）をプロジェクタ用光源の発光点とする場合、スポットを小さくすることが好ましい。スポットを小さくすることで、光源以降の光学系における光損失を減らし、光利用効率を向上させることができる。

特許文献１の光源装置では、青色ＬＤからの光を集光レンズで蛍光体の入射面付近に集光させるため、スポットを小さくして光利用効率を高めることができる。しかしながら、青色ＬＤからの光の強度分布が均一でない場合、蛍光体上の特定の領域だけその他の領域よりも強い光が当たり続け、蛍光体の劣化が早まってしまうおそれがある。

本発明は、光利用効率を向上させることが可能であるとともに、自身の劣化を抑制することが可能な波長変換ユニット並びにこれを備える光源装置および投射型表示装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての波長変換ユニットは、励起光源からの励起光が入射する入射領域と、励起光から波長変換された変換光が出射する出射領域と、入射領域および出射領域と異なる領域の少なくとも一部に形成され、光を反射する反射領域と、を有し、出射領域の面積は、入射領域の面積よりも狭いことを特徴とする。

本発明によれば、光利用効率を向上させることが可能であるとともに、自身の劣化を抑制することが可能な波長変換ユニット並びにこれを備える光源装置および投射型表示装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る光源装置を備える投射表示装置の構成図である。 光源装置の構成図である。 蛍光体部の構成図である。 光源装置の変形例を示す図である。 励起光の入射領域に対する入射角度を図２に比べて小さくした場合の光源装置の構成図である。 出射領域から射出される蛍光光のスペクトルを示す図である。 光源装置の変形例を示す図である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る光源装置１００を備えるプロジェクタ（投射型表示装置）Ｐの構成図である。プロジェクタＰは、光源装置１００、光源装置１００からの光を変調する光変調部、およびスクリーン（被投射面）ＳＣに画像を投射する投射レンズ（投射光学系）ＰＬを保持する保持部ＳＵを備える。ここで、光変調部とは、赤色光用の光変調部ＬＰ１、緑色光用の光変調部ＬＰ２および青色光の光変調部ＬＰ３の総称である。本実施例では、赤色光用の光変調部ＬＰ１、緑色光用の光変調部ＬＰ２および青色光の光変調部ＬＰ３は、透過型の液晶パネルである。

なお、保持部ＳＵは、投射レンズＰＬを着脱可能に保持してもよいし、保持部ＳＵから取り外せないように投射レンズＰＬを保持してもよい。また、保持部ＳＵは、投射レンズＰＬを保持しつつ、投射レンズＰＬの光軸に直交する方向へ投射レンズＰＬをシフトさせる機能を有してもよい。

また、プロジェクタＰは、照明光学系ＩＳおよび色分離合成系を備える。照明光学系ＩＳは、第１フライアイレンズ、第２フライアイレンズおよび偏光方向を特定の方向に揃える偏光変換部などを備え、光源装置１００からの光で光変調部を均一な照度分布で照明する機能を有する。色分離合成系とは、ダイクロイックミラーＤＭ１，ＤＭ２、ミラーＭ１，Ｍ２，Ｍ３、フィールドレンズＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３およびリレーレンズＲＬ１，ＲＬ２の総称である。

光源装置１００から射出される赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂは、照明光学系ＩＳを介してダイクロイックミラーＤＭ１に入射する。ダイクロイックミラーＤＭ１は、赤色光Ｒを透過させ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂを反射する特性を有する。

ダイクロイックミラーＤＭ１を透過した赤色光Ｒは、ミラーＭ１およびフィールドレンズＦＬ１を介して赤色光用の光変調部ＬＰ１に入射する。赤色光用の光変調部ＬＰ１に入射した赤色光Ｒは、画像信号に基づいて赤色光用の光変調部ＬＰ１によって変調され、合成プリズムＣＰに入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ１によって反射された緑色光Ｇは、ダイクロイックミラーＤＭ２に入射する。ダイクロイックミラーＤＭ２は、緑色光Ｇを反射し、青色光Ｂを透過させる特性を有する。ダイクロイックミラーＤＭ２によって反射された緑色光Ｇは、フィールドレンズＦＬ２を介して緑色光用の光変調部ＬＰ２に入射する。緑色光用の光変調部ＬＰ２に入射した緑色光Ｇは、画像信号に基づいて緑色光用の光変調部ＬＰ２によって変調され、合成プリズムＣＰに入射する。

ダイクロイックミラーＤＭ１を透過した青色光Ｂは、ダイクロイックミラーＤＭ２も透過する。ダイクロイックミラーＤＭ２を透過した青色光Ｂは、リレーレンズＲＬ１、ミラーＭ２、リレーレンズＲＬ２、ミラーＭ３およびフィールドレンズＦＬ３を介して青色光用の光変調部ＬＰ３に入射する。青色光用の光変調部ＬＰ３に入射した青色光Ｂは、画像信号に基づいて青色光用の光変調部ＬＰ３によって変調され、合成プリズムＣＰに入射する。

以上の光路で合成プリズムＣＰに入射した赤色光Ｒ、緑色光Ｇおよび青色光Ｂは、合成プリズムＣＰによって投射レンズＰＬに導かれ、最終的にスクリーンＳＣに到達する。

図２は、光源装置１００の構成図である。光源装置１００は、励起光としての青色光１Ｂを射出する青色ＬＤ（励起光源）１と、蛍光体部（波長変換ユニット）２と、を備える。青色光１Ｂは、蛍光体部２に設けられた入射領域２ｉを介して蛍光体部２の内部に入射し、蛍光体部２の内部で反射を繰り返しながら波長変換され、蛍光体部２に設けられた出射領域２ｏから出射する。なお、蛍光体部２の内部に入射した青色光１Ｂの全てが波長変換されない場合もある。すなわち、青色光１Ｂの一部が波長変換されずに出射領域２ｏから出射する場合もある。その場合、出射領域２ｏは、青色光１Ｂと波長が同じ非変換光（青色光）と青色光１Ｂから波長変換された変換光（蛍光光、黄色光）とを含む白色光２Ｗを射出する。出射領域２ｏから射出された白色光２Ｗは、前述したように、照明光学系ＩＳに入射し、液晶パネルを照明する。

図３は、蛍光体部２の構成図である。蛍光体部２は、蛍光体２ｐにより構成される。蛍光体２ｐは、単結晶タイプのプレート状の黄色蛍光体、黄色蛍光体粒子を焼結したプレート状の黄色蛍光体、または無機バインダーに黄色蛍光体粒子を含有させたプレート状の黄色蛍光体である。

蛍光体部２は、蛍光体２ｐの表面に、入射領域２ｉおよび出射領域２ｏと異なる領域の少なくとも一部に光を反射する反射コーティング２ｒｃを施すことで製造される。ここでの光とは、少なくとも青色光と、蛍光体２ｐにより波長変換された蛍光光とを含む光である。反射コーティング２ｒｃが施されている領域が反射領域２ｒとして機能する。反射領域２ｒの光を反射する機能を最大にするために、入射領域２ｉおよび出射領域２ｏと異なる領域の全てに反射コーティング２ｒｃを施すことが望ましい。

入射領域２ｉおよび出射領域２ｏには、ダイクロイックフィルタが設けられている。入射領域２ｉに設けられたダイクロイックフィルタは、励起光（青色光１Ｂ）を透過させる特性を有する。具体的には、励起光に対して９０％以上の透過率を有し、励起光を実質的に透過させる（略透過させる）特性を有していればよい。また、入射領域２ｉに設けられたダイクロイックフィルタは、蛍光光を反射する特性を有する。具体的には、蛍光光に対して９０％以上の反射率を有し、蛍光光を実質的に反射する（略反射する）特性を有していればよい。

出射領域２ｏに設けられたダイクロイックフィルタは、蛍光光を透過させる特性を有する。具体的には、蛍光光に対して９０％以上の透過率を有し、蛍光光を実質的に透過させる（略透過させる）特性を有していればよい。なお、出射領域２ｏから励起光が射出されないようにするために、出射領域２ｏに設けられたダイクロイックフィルタは、励起光を反射する特性を有してもよい。具体的には、励起光に対して９０％以上の反射率を有し、励起光を実質的に反射する（略反射する）特性を有していればよい。

出射領域２ｏには、蛍光体部２から射出される光によるスポットが形成される。スポットは、照明光学系ＩＳにとっての光源（発光点）となる。例えば、照明光学系ＩＳが２つのフライアイレンズをインテグレータ光学系として用いた場合、光源が大きいと、液晶パネル側のフライアイレンズ付近に形成される光源像も大きくなってしまう。その結果、所定のレンズセルからはみ出て液晶パネル外に導かれてしまう光、すなわちスクリーンＳＣには導かれずに損失となってしまう光が増加してしまう。

本実施例では、出射領域２ｏの面積Ｂを入射領域２ｉの面積Ａよりも狭くしている。その結果、出射領域２ｏに形成されるスポットを小さくして、照明光学系ＩＳにとっての光源を小さくすることができる。そのため、損失となってしまう光を減らして光利用効率を高めることができる。

なお、入射領域の面積Ａおよび出射領域２ｏの面積Ｂは、以下の条件式（１）を満足することが好ましい。

０．０１≦Ｂ／Ａ≦０．６ （１）
また、出射領域２ｏの面積Ｂは、入射領域２ｉの面積Ａの半分以下であることがより好ましい。

本実施例では、前述したように、青色光１Ｂが蛍光体部２の内部で反射を繰り返す。すなわち、蛍光体部２は、波長変換の機能に加え、ロッドインテグレータのように光強度を均一にする機能も発揮することができる。その結果、蛍光体部２に入射する光の強度分布が平坦なものでなかったとしても、射出される際には平坦な強度分布となる。そのため、出射領域２ｏに形成されるスポットの強度分布が平坦なものとなるため、蛍光体部２の劣化を抑制することができる。

また、入射領域２ｉの面積Ａを広げ、入射領域２ｉに入射する青色光１Ｂの光密度を小さくしているため、強い青色光１Ｂが入射する入射領域２ｉ、すなわち蛍光体部２の損傷を抑制することができる。本実施例では、入射領域２ｉの面積Ａを５ｍｍ^２、出射領域２ｏの面積Ｂを１ｍｍ^２としている。これにより、入射領域２ｉに２００Ｗ程度の青色光１Ｂを入射させても、蛍光体部２の損傷を抑制することができる。

以上説明したように、本実施例では、光利用効率を向上させることが可能であるとともに、自身の劣化を抑制することが可能な蛍光体部２を製造することができる。

本実施例では、図２に示されるように、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射方向は、蛍光光の出射領域２ｏからの出射方向と異なる。これにより、青色光１Ｂは、蛍光体２ｐの内部で反射を繰り返すことができる。そのため、蛍光体部２に入射した青色光１Ｂのほとんどを蛍光光に変換することが可能となる。また、反射コーティング２ｒｃや蛍光体２ｐの内部に、例えば、硫酸バリウムや酸化チタンなどの微粒子を混合させることで、青色光１Ｂが蛍光体２ｂの内部でより反射を繰り返し、効率よく蛍光光に変換することが可能となる。

なお、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射方向は、蛍光光の出射領域２ｏからの出射方向と異なっていれば、図４に示されるように、入射領域２ｉを図２とは異なる位置に設けてもよい。図４は、光源装置１００の変形例を示す図である。図４では、入射領域２ｉは、出射領域２ｏに平行な面に設けられている。

また、光源装置１００は、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射方向、すなわち青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射角度を変更可能な変更部１０を備えていてもよい。変更部１０は、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射方向を変更するために、青色ＬＤ１の位置を変更してもよいし、青色光１Ｂを集光し、蛍光体部２に照射する集光レンズ（不図示）の位置を変更してもよい。図５は、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射角度を図２に比べて小さくした場合の光源装置１００の構成図である。図５に示されるように、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射角度を図２の場合に比べて小さくし、青色光１Ｂの進入深度を深くすることで、蛍光体部２の内部で青色光１Ｂが反射される回数が増え、出射領域２ｏから射出される蛍光光を増やすことができる。図６は、出射領域２ｏから射出される蛍光光のスペクトルを示す図である。破線は、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射角度が図２に示される入射角度である場合のスペクトルを示している。実線は、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射角度が図５に示される入射角度である場合のスペクトルを示している。変更部１０を用いて青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射角度を変更することで、出射領域２ｏから射出される蛍光光のスペクトルを調整することが可能となる。

また、光源装置１００は、青色ＬＤ１または集光レンズ（不図示）を振動させ、青色光１Ｂの入射領域２ｉに対する入射角度を連続的に変更させる振動部１１を備えていてもよい。例えば、振動部１１として、青色ＬＤ１または集光レンズ（不図示）に接触する圧電素子を使用してもよい。青色光１Ｂのようなレーザー光は、固定して点灯するとスペックルと呼ばれる現象が発生してしまう。スペックルを低減するためには、レーザー光を連続的に動かすことが有効である。青色ＬＤ１を振動させることで、スペックルを低減させることが可能である。なお、振動部１１は、青色ＬＤ１を振動させてもよいが、蛍光体部２を振動させてもよいし、青色ＬＤ１および蛍光体部２を振動させてもよい。すなわち、青色ＬＤ１および蛍光体部２の少なくとも一方を振動させることで、スペックルを低減させることができる。
（変形例）
図７は、光源装置１００の変形例を示す図である。図７に示されるように、蛍光体部２の形状を平板状でなく、テーパー状にしてもよい。出射領域２ｏは、テーパー状の先端に設けられている。これにより、反射コーティング２ｒｃを施す面を６面から５面に減らすことができるため、より容易に蛍光体部２を製造することが可能となる。

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。

１ 青色ＬＤ（励起光原）
１Ｂ 青色光（励起光）
２ 蛍光体部（波長変換ユニット）
２ｉ 入射領域
２ｏ 出射領域
２ｒ 反射領域

Claims (13)

1. 励起光源からの励起光が入射する入射領域と、
   前記励起光から波長変換された変換光が出射する出射領域と、
   前記入射領域および前記出射領域と異なる領域の少なくとも一部に形成され、光を反射する反射領域と、を有し、
   前記出射領域の面積は、前記入射領域の面積よりも狭いことを特徴とする波長変換ユニット。
2. 前記入射領域は、前記励起光を透過させる特性を有することを特徴とする請求項１に記載の波長変換ユニット。
3. 前記入射領域は、前記変換光を反射する特性を有することを特徴とする請求項１または２に記載の波長変換ユニット。
4. 前記出射領域は、前記変換光を透過させる特性を有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の波長変換ユニット。
5. 前記出射領域は、前記励起光を反射する特性を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換ユニット。
6. 前記出射領域は、前記励起光と波長が同じ非変換光を射出することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の波長変換ユニット。
7. 前記反射領域は、前記入射領域および前記出射領域と異なる全ての領域に形成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１項に記載の波長変換ユニット。
8. 前記励起光の前記入射領域に対する入射方向は、前記変換光の前記出射領域からの出射方向と異なることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の波長変換ユニット。
9. 前記入射領域の面積をＡ、前記出射領域の面積をＢとするとき、
   ０．０１≦Ｂ／Ａ≦０．６
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の波長変換ユニット。
10. 励起光を射出する励起光源と、
    請求項１から９のいずれか１項に記載の波長変換ユニットと、を有することを特徴とする光源装置。
11. 前記励起光の前記入射領域に対する入射方向を変更可能な変更部を更に有することを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
12. 前記励起光源および前記波長変換ユニットの少なくとも一方を振動させる振動部を更に有することを特徴とする請求項１０または１１に記載の光源装置。
13. 請求項１０から１２のいずれか１項に記載の光源装置と、
    光変調部と、
    前記光源装置からの光で前記光変調部を照明する照明光学系と、を有することを特徴とする投射型表示装置。