JP2021111592A - 光源装置および画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】発光効率の低下を抑制することが可能な高い光源装置を提供する。【解決手段】光源装置（１００）は、光源（１１）と、基板（１３ａ）と光源からの光の波長を変換する波長変換部（１３ｂ）とを有する波長変換部材（１３）と、波長変換部材を保持し、波長変換部材からの光を出射する開口（１５ａ）が形成された保持部材（１５）とを備え、波長変換部は、保持部材の開口が形成された面と基板との間に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、画像投影装置などに用いられる光源装置に関する。

従来、画像投影装置などに用いられる光源装置として、励起光源としてのレーザ素子と、励起光を受けて蛍光光を発する蛍光体とを有する光源装置が知られている。このような光源装置では、レーザ素子や蛍光体の温度上昇による劣化、および、発光効率の低下が課題である。蛍光体に含まれる蛍光物質は、入射する励起光のエネルギーに応じて蛍光光を発するが、励起光のエネルギー密度が高くなりすぎるとその発光効率が低下する性質がある。また、蛍光物質としての物性を保つには、蛍光光や励起光の吸収などにより発生する熱を適切に制御する必要がある。

特許文献１には、蛍光体を備えたガラス基板に、蛍光体を冷却するための冷却機構を設けた構成が開示されている。

特開２０１２−１６９０４９号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構成では、蛍光体と冷却機構との接触面積が小さく、熱の輸送が主に熱伝導率が低い物質を通して行われる。このため、入射する励起光のエネルギーが大きくなった場合に発光効率の低下を抑制するには、より効果的に冷却する必要が生じる可能性がある。

そこで本発明は、発光効率の低下を抑制することが可能な高い光源装置および画像投影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光源装置は、光源と、基板と前記光源からの光の波長を変換する波長変換部とを有する波長変換部材と、前記波長変換部材を保持し、前記波長変換部材からの光を出射する開口が形成された保持部材とを備え、前記波長変換部は、前記保持部材の前記開口が形成された面と前記基板との間に配置されている。

本発明の他の側面としての画像投影装置は、前記光源装置と、前記光源装置からの光を照明する照明光学系と、前記照明光学系からの照明光に対して色分離および色合成を行う色分離合成光学系とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、発光効率の低下を抑制することが可能な高い光源装置および画像投影装置を提供することができる。

実施例１における光源装置の概略図である。 実施例１における波長変換部材および保持部材の説明図である。 実施例２における光源装置の概略図である。 実施例２における光源装置の変形例である。 実施例３における画像投影装置の構成図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１を参照して、本発明の実施例１における光源装置について説明する。図１は、光源装置１００の概略図である。１１は光源である。本実施例において、光源１１は半導体レーザ（励起光源）であり、波長約４３８ｎｍの青色光を出射する。光源１１は、複数の素子を一体的に構成したユニットであり、図１中に示される４つの光源１１以外に、紙面奥方向に４列並ぶことで合計２０の光束が出射する。光源１１から出射した光束は、コリメータレンズ１２（出射光をコリメートするレンズ）を介して、波長変換部材１３に入射する。入射光束の一部は、波長変換部１３ｂを構成する蛍光物質（蛍光体）を励起して略黄色の光に変換され、未変換の青色光と合わせて略白色の光束となり、保持部材１５に形成された開口１５ａから出射する。開口１５ａから出射した光束は、フライアイレンズ１７および照明レンズ１８を介して不図示の画像表示素子へ向かい、画像表示素子を均一な分布で照明する。

ここで、図２を参照して、波長変換部材１３と、波長変換部材１３を保持する保持部材１５について説明する。図２は波長変換部材１３および保持部材１５の説明図であり、図２（ａ）は励起光の伝播方向に平行な断面図、図２（ｂ）は励起光の伝播方向に垂直な断面図をそれぞれ示す。

図２（ａ）において、波長変換部材１３は、基板１３ａ、波長変換部１３ｂ、および、基板１３ａの表面に施されたダイクロイック膜１３ｃを有する。ダイクロイック膜１３ｃは、励起光を透過し、励起光よりも長い波長の光を反射する。すなわち波長変換部材１３は、基板１３ａに施されたダイクロイック膜１３ｃ上に、光源１１からの光の波長を変換する波長変換部１３ｂが塗布されている構造を有する。波長変換部１３ｂは、例えばＣｅ：ＹＡＧ等の物質からなり、略青色の励起光を受け、約４８０ｎｍ〜７００ｎｍ範囲の波長の光へ変換する。ダイクロイック膜は、約４８０ｎｍよりも短い青帯域の波長の光を透過し、その光よりも波長の長い光を反射するように設計されており、波長変換部１３ｂで等方的に発生した蛍光光を反射し、励起光の入射した面とは反対側に出射する。

保持部材１５は、波長変換部材１３を保持しており、波長変換部材１３からの光を出射する開口１５ａが形成されている。波長変換部１３ｂで変換された光と未変換の励起光との混合により略白色となった光束は、保持部材１５に形成された開口１５ａから出射し、保持部材１５により保持された集光レンズ１６へ向かう。集光レンズ１６は、開口１５ａから発散して出射した略白色の光束を略平行光束に変換し、後段のフライアイレンズ１７へ導く。

波長変換部１３は、蛍光体の波長変換作用によって励起光をより長波長の光に変換するが、その過程におけるエネルギーの吸収、熱エネルギーの発生により、次第に温度が上昇する傾向がある。この熱は、蛍光体の物性や波長変換特性を劣化させる要因となるため、適度に冷却する必要があり、従来、基板としては、光を透過しつつ熱伝導率の良いサファイアなどの素材が使用されていた。

保持部材１５はアルミニウム合金からなり、波長変換部１３ｂの冷却について、基板１３ａを介して行う冷却に加え、波長変換部１３ｂをより熱伝導率の高い保持部材１５に密着させその効率を上げることができる。すなわち波長変換部１３ｂは、放熱部材（ヒートシンク）を兼ねる保持部材１５の開口１５ａが形成された面（凹部１５ｂの底面）１５ｃと基板１３ａとの間に配置されている。より具体的には、波長変換部１３ｂは、保持部材１５に突き当てられている。このように、波長変換部１３ｂが保持部材１５の開口１５ａ以外の面１５ｃを突き当てることになり、発生する熱が基板１３ａを介するよりも効率よく保持部材１５に移動する。また本実施例において、波長変換部材１３（波長変換部１３ｂ）と保持部材１５との間の隙間に熱伝導率の高い部材（保持部材１５よりも柔らかい部材であり、例えば、熱伝導シート、熱伝導グリス、ペースト）である第１の熱伝導部材を塗布してもよい。これにより、波長変換部材１３と保持部材１５との界面での熱伝達を改善することができる。

特許文献１に開示された構成でも蛍光体におけるビーム進行方向に平行な側面が冷却機構に接しているが、本実施例の構成によれば、より表面積の大きい側面を突き当てることができる。また本実施例によれば、基板１３ａと波長変換部１３ｂとの間に蛍光光を反射するダイクロイック膜を配置し、開口１５ａに向けてより多くの蛍光光を取り出すことができる。

図２（ｂ）に示されるように、波長変換部材１３は、光源１１の配列に対応してアレイ状に配置されている。また、合計２０個の波長変換部材１３のそれぞれは、保持部材１５に設けられた複数の凹部１５ｂのそれぞれに埋め込まれている。このような構成により、波長変換部１３ｂと保持部材１５との接触面積が増加し、冷却の効率を改善することができる。

なお本実施例において、開口１５ａの形状は、図２（ｂ）に示されるように四角形（長方形）であるが、これに限定されるものではない。また本実施例において、開口１５ａは、図２（ａ）に示されるように、光入射側の開口と光出射側の開口が同じ大きさであるが、光入射側の開口が光出射側の開口よりも大きいように構成してもよい。また本実施例において、保持部材１５は、コリメータレンズ１２を保持するように構成してもよい。これらの点は、後述の実施例２でも同様である。

次に、図３を参照して、本発明の実施例２における光源装置について説明する。図３は、光源装置１００ａの概略図である。図３（ａ）は光源装置１００ａに関する励起光の伝播方向に平行な断面図、図３（ｂ）は波長変換部材３３および保持部材３５に関する励起光の伝播方向に垂直な断面図をそれぞれ示す。

本実施例は、波長変換部材３３が実施例１の複数の波長変換部材１３を一つにした構成を有し、一つの波長変換部材３３が保持部材３５に設けられた凹部３５ｂに埋め込まれている点で、実施例１と異なる。波長変換部材３３は、基板３３ａ、波長変換部（蛍光体）３３ｂ、および、ダイクロイック膜３３ｃを有する。保持部材３５は、実施例１の保持部材１５と同様に、波長変換部材３３を保持しており、波長変換部材３３からの光を集光レンズ３６へ向けて出射する複数の開口３５ａが形成されている。

実施例１と同様に、波長変換部材３３には、２０個配列された光源３１からの励起光がコリメータレンズ３２を介して入射する。このような構成により、波長変換部３３と保持部材３５とが接触する総面積が実施例１の構成に比べて小さくなるため、冷却性能の観点では若干劣るが、波長変換部材３３を１つで構成できることで、組立性やコストの観点で有利である。また波長変換部３３ｂは、保持部材３５に突き当たり、突き当たっている面で接触する。本実施例の構成によれば、波長変換部３３ｂから保持部材３５への熱の流れが実施例１よりも確保しやすい。

次に、図４を参照して、本実施例の変形例としての光源装置について説明する。図４は、変形例としての光源装置１００ｂの概略図である。図４に示されるように、光源装置１００ｂは、光源装置１００ａの構成に加えて、光源側で基板３３ａに接触した熱伝導部材（第２の熱伝導部材）３７を有する。基板３３ａに接触した熱伝導部材３７を有することにより、基板３３ａからの熱をより効率的に移動させることができる。熱伝導部材３７は、保持部材３５と同様にアルミニウム合金からなり、波長変換部材３３の基板３３ａと密着するように配置されている。また熱伝導部材３７には、光源３１からの励起光が通過する開口３７ａが形成されている。

次に、図５を参照して、本発明の実施例３について説明する。図５は、本実施形態におけるプロジェクタ（画像投影装置）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５において、１００は光源装置、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。なお、光源装置１００に代えて、光源装置１００ａまたは光源装置１００ｂを用いてもよい。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。

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。また反射型液晶パネルに代えて、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いてもよい。

各実施例によれば、発光効率の低下を抑制することが可能な高い光源装置および画像投影装置を提供することができる。これにより、例えば、より大きな光量の白色光を生成することが可能となる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１１ 光源
１３ 波長変換部材
１３ａ 基板
１３ｂ 波長変換部
１５ 保持部材
１５ａ 開口
１００ 光源装置

Claims (13)

1. 光源と、
   基板と前記光源からの光の波長を変換する波長変換部とを有する波長変換部材と、
   前記波長変換部材を保持し、前記波長変換部材からの光を出射する開口が形成された保持部材と、を備え、
   前記波長変換部は、前記保持部材の前記開口が形成された面と前記基板との間に配置されていることを特徴とする光源装置。
2. 前記波長変換部は、前記保持部材の前記面に突き当てられていることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記保持部材は、前記開口が形成された前記面を底面とする凹部を有し、
   前記波長変換部材は、前記凹部に埋め込まれていることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記波長変換部は、蛍光体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記波長変換部の少なくとも一部は、前記保持部材と接触していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記保持部材は、ヒートシンクであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記開口の形状は、四角形であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記開口は、光入射側の開口が光出射側の開口よりも大きいように構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 前記保持部材は、出射光をコリメートするレンズを保持していることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 前記波長変換部と前記保持部材との間に設けられた第１の熱伝導部材を更に有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光源装置。
11. 光源側で前記基板と接触している第２の熱伝導部材を更に有することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光源装置。
12. 前記基板には、励起光を透過し、励起光よりも長い波長の光を反射するダイクロイック膜が設けられていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光源装置。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の光源装置と、
    前記光源装置からの光を照明する照明光学系と、
    前記照明光学系からの照明光に対して色分離および色合成を行う色分離合成光学系と、を有することを特徴とする画像投影装置。
    

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