JP2022112662A - Light source device and projector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。 The present invention relates to a light source device and a projector.
従来、光源から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。下記特許文献1には、励起光を入射させた面から蛍光を射出させる反射型の蛍光体ユニットが開示されている。下記特許文献2には、励起光を入射させた面と反対の面から蛍光を射出させる透過型の蛍光体ユニットが開示されている。
2. Description of the Related Art Conventionally, there has been proposed a light source device that utilizes fluorescence emitted from a phosphor when the phosphor is irradiated with excitation light emitted from a light source.
上記特許文献1の蛍光体ユニットでは、蛍光体の光射出面が均一な平面で形成されるため、光射出面から射出される際に光が屈折されて発光面積が拡がってしまい、後段の光学系に効率良く取り込めず光利用効率が低下するという問題があった。また、上記特許文献2の蛍光体ユニットでは、透明基板を透過して蛍光体に励起光が入射するため、蛍光体と透明基板との界面で反射された励起光の一部が透明基板内で迷光となって光利用効率が低下するという問題があった。
In the phosphor unit of
上記の課題を解決するために、本発明の一態様の光源装置は、励起光を照射する励起光源と、前記励起光源から照射されて第1面に入射する前記励起光の一部を波長変換して蛍光を生成し、前記第1面と異なる第2面から少なくとも前記蛍光を射出させるセラミック蛍光体と、前記セラミック蛍光体を支持する基板と、を備え、前記セラミック蛍光体は、複数の気孔を含んでおり、前記第1面の表面粗さが前記第2面の表面粗さよりも粗いことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a light source device of one embodiment of the present invention includes an excitation light source that emits excitation light; and a substrate supporting the ceramic phosphor, wherein the ceramic phosphor has a plurality of pores. and the surface roughness of the first surface is rougher than the surface roughness of the second surface.
本発明の一態様のプロジェクターは、上記光源装置と、前記光源装置から射出される光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学装置と、を備えることを特徴とする。 A projector according to one aspect of the present invention includes the light source device, a light modulation device that modulates light emitted from the light source device according to image information to form image light, and a projection optical device that projects the image light. and.
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
In addition, in the drawings used in the following explanation, in order to make the features easier to understand, the characteristic portions may be enlarged for convenience, and the dimensional ratios of each component may not necessarily be the same as the actual ones. do not have.
(第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。図2は光源装置の概略構成を示す図である。
図1に示すように、本実施形態のプロジェクター1は、スクリーンSCR上に映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター1は、光源装置2と、色分離光学系3と、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bと、合成光学系5と、投射光学装置6とを備えている。
(First embodiment)
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration of a projector according to the first embodiment. FIG. 2 is a diagram showing a schematic configuration of the light source device.
As shown in FIG. 1, the
光源装置2は、色分離光学系3に向けて白色の照明光WLを射出する。
色分離光学系3は、光源装置2から射出された照明光WLを赤色光LRと、緑色光LGと、青色光LBとに分離する。色分離光学系3は、第1のダイクロイックミラー7a及び第2のダイクロイックミラー7bと、第1の全反射ミラー8a、第2の全反射ミラー8b及び第3の全反射ミラー8cと、第1のリレーレンズ9a及び第2のリレーレンズ9bとを備えている。
The
The color separation
第1のダイクロイックミラー7aは、光源装置2からの照明光WLを赤色光LRと、その他の光(緑色光LG及び青色光LB)とに分離する。第1のダイクロイックミラー7aは、赤色光LRを透過すると共に、その他の光(緑色光LG及び青色光LB)を反射する。一方、第2のダイクロイックミラー7bは、緑色光LGを反射すると共に青色光LBを透過することによって、その他の光(緑色光LG及び青色光LB)を緑色光LGと青色光LBとに分離する。
The first
第1の全反射ミラー8aは、赤色光LRの光路中に配置されて、第1のダイクロイックミラー7aを透過した赤色光LRを光変調装置4Rに向けて反射する。一方、第2の全反射ミラー8b及び第3の全反射ミラー8cは、青色光LBの光路中に配置されて、第2のダイクロイックミラー7bを透過した青色光LBを光変調装置4Bに導く。緑色光LGは、第2のダイクロイックミラー7bから光変調装置4Gに向けて反射される。
The first
第1のリレーレンズ9a及び第2のリレーレンズ9bは、青色光LBの光路中における第2の全反射ミラー8bの光射出側に配置されている。第1のリレーレンズ9a及び第2のリレーレンズ9bは、青色光LBの光路長が赤色光LRや緑色光LGの光路長よりも長くなることに起因した青色光LBの光損失を補償する機能を有している。
The
光変調装置4Rは、赤色光LRを画像情報に応じて変調し、赤色光LRに対応した画像光を形成する。光変調装置4Gは、緑色光LGを画像情報に応じて変調し、緑色光LGに対応した画像光を形成する。光変調装置4Bは、青色光LBを画像情報に応じて変調し、青色光LBに対応した画像光を形成する。
The
光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側及び射出側各々には、図示しない偏光板が配置されている。
Transmissive liquid crystal panels, for example, are used for the
また、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bの入射側には、それぞれフィールドレンズ10R,フィールドレンズ10G,フィールドレンズ10Bが配置されている。フィールドレンズ10R,フィールドレンズ10G,フィールドレンズ10Bは、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bそれぞれに入射する赤色光LR,緑色光LG,青色光LBそれぞれを平行化する。
A
合成光学系5には、光変調装置4R,光変調装置4G,光変調装置4Bからの画像光が入射する。合成光学系5は、各々が赤色光LR,緑色光LG,青色光LBに対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学装置6に向けて射出する。合成光学系5には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。
Image light from the
投射光学装置6は、投射レンズ群からなり、合成光学系5により合成された画像光をスクリーンSCRに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンSCR上には、拡大された映像が表示される。
The projection
(光源装置)
続いて、光源装置2の構成について説明する。
図2に示すように、光源装置2は、励起光源10と、アフォーカル光学系11と、ホモジナイザー光学系12と、集光光学系13と、波長変換素子20と、ピックアップ光学系30と、均一照明光学系80と、を備える。
(light source device)
Next, the configuration of the
As shown in FIG. 2, the
励起光源10は、レーザー光からなる青色の励起光Eを照射する複数の半導体レーザー10aと、複数のコリメーターレンズ10bとから構成される。複数の半導体レーザー10aは、照明光軸100axと直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。コリメーターレンズ10bは、各半導体レーザー10aに対応するように、照明光軸100axと直交する一つの平面内においてアレイ状に配置されている。コリメーターレンズ10bは、対応する半導体レーザー10aから射出された励起光Eを平行光に変換する。
The
アフォーカル光学系11は、例えば凸レンズ11aと、凹レンズ11bと、を備えている。アフォーカル光学系11は、励起光源10から射出された平行光束からなる励起光Eの光束径を縮小する。
The afocal
ホモジナイザー光学系12は、例えば第1マルチレンズアレイ12aと、第2マルチレンズアレイ12bと、を備えている。ホモジナイザー光学系12は、励起光の光強度分布を後述する波長変換素子20上で均一な状態、いわゆるトップハット分布にする。ホモジナイザー光学系12は、第1マルチレンズアレイ12aおよび第2マルチレンズアレイ12bの複数のレンズから射出された複数の小光束を、集光光学系13とともに、波長変換素子20上で互いに重畳させる。これにより、波長変換素子20上に照射する励起光Eの光強度分布を均一な状態とする。
The homogenizer
集光光学系13は、例えば第1レンズ13aと、第2レンズ13bと、を備えている。本実施形態において、第1レンズ13aおよび第2レンズ13bは、それぞれ凸レンズから構成されている。集光光学系13は、ホモジナイザー光学系12から波長変換素子20までの光路中に配置され、励起光Eを集光させて波長変換素子20に入射させる。波長変換素子20の構成については後述する。
The condensing
ピックアップ光学系30は、例えば第1コリメートレンズ31と、第2コリメートレンズ32と、を備えている。ピックアップ光学系30は、波長変換素子20から射出された光を略平行化する平行化光学系である。第1コリメートレンズ31および第2コリメートレンズ32は、それぞれ凸レンズから構成されている。ピックアップ光学系30で平行化された光は均一照明光学系80に入射する。
The pickup
均一照明光学系80は、第1レンズアレイ81と、第2レンズアレイ82と、偏光変換素子83と、重畳レンズ84とを含む。
A uniform illumination
第1レンズアレイ81は、光源装置2からの照明光WLを複数の部分光束に分割するための複数の第1レンズ81aを有する。複数の第1レンズ81aは、照明光軸100axと直交する面内においてマトリクス状に配列されている。
The
第2レンズアレイ82は、第1レンズアレイ81の複数の第1レンズ81aに対応する複数の第2レンズ82aを有する。複数の第2レンズ82aは、照明光軸100axに直交する面内においてマトリクス状に配列されている。
The
第2レンズアレイ82は、重畳レンズ84とともに、第1レンズアレイ81の各第1レンズ81aの像を光変調装置4R、光変調装置4G、および光変調装置4Bの画像形成領域の近傍にそれぞれ結像する。
The
偏光変換素子83は、第2レンズアレイ82から射出された光を直線偏光に変換する。偏光変換素子83は、例えば、偏光分離膜及び位相差板(図示略)を備えている。
The
重畳レンズ84は、偏光変換素子83から射出された各部分光束を集光して光変調装置4R,光変調装置4G,および光変調装置4Bの画像形成領域の近傍にそれぞれ重畳する。
The superimposing
(波長変換素子)
次に、波長変換素子20の構成について説明する。
図3は、波長変換素子20の要部構成を示す断面図である。なお、図3は、図2の照明光軸100axを含む平面で波長変換素子20を切断した断面に相当する。
(Wavelength conversion element)
Next, the configuration of the
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the essential configuration of the
図3に示すように、本実施形態の波長変換素子20は、基板21と、セラミック蛍光体22と、ダイクロイック層(光学層)23と、接合部材24とを備えている。本実施形態の波長変換素子20は、セラミック蛍光体22に対する励起光Eの入射位置を時間的に変化させない固定型の波長変換素子である。
As shown in FIG. 3 , the
基板21は、例えばアルミニウムや銅等の放熱性に優れた金属材料で構成されている。基板21は、セラミック蛍光体22を支持する支持部材である。本実施形態の基板21は非透光性部材で構成されている。基板21は、例えば、アルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属材料で構成されている。本実施形態の基板21は、セラミック蛍光体22よりも熱伝導率が高い。基板21は、互いに反対方向を向く表面(一方の面)21aおよび裏面を有する。基板21の表面21aはセラミック蛍光体22を支持する面である。
The
セラミック蛍光体22は、第1面22aと、第1面22aとは異なる第2面22bと、を有する。第1面22aは、励起光源10から射出された励起光Eが入射する側の面である。第2面22bは、蛍光Yを射出させる側の面である。本実施形態のセラミック蛍光体22は、第1面22aから入射した励起光Eの一部を波長変換して蛍光Yを生成し、第2面22bから少なくとも蛍光Yを射出させる、透過型の波長変換素子である。
The
セラミック蛍光体22は、蛍光体相25と、マトリックス相26と、複数の気孔(散乱要素)27と、を含む。蛍光体相25は、賦活剤が添加された酸化物蛍光体を含有している。蛍光体相25は、例えば、賦活剤としてセリウム(Ce)が添加されたイットリウム・アルミニウム・ガーネット(YAG(Y3Al5O12):Ce)を含んでいる。
YAG:Ceを例にとると、蛍光体粒子として、Y2O3、Al2O3、CeO3等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法、ソルゲル法等の湿式法により得られるY-Al-Oアモルファス粒子、噴霧乾燥法、火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるYAG粒子等を用いることができる。 Taking YAG:Ce as an example, materials obtained by mixing raw material powders containing constituent elements such as Y 2 O 3 , Al 2 O 3 , and CeO 3 as phosphor particles and causing a solid phase reaction, coprecipitation methods, sol-gel YAG particles obtained by a vapor phase method such as spray drying method, flame pyrolysis method, thermal plasma method and the like can be used.
蛍光体相25を構成する酸化物蛍光体は、Y3Al5O12の他、Y3(Al,Ga)5O12,Lu3Al5O12,TbAl5O12の少なくともいずれか一つを含んでいてもよい。また、蛍光体相25は、賦活剤として、セリウム(Ce)に代えて、ユーロピウム(Eu)を含んでいてもよい。
The oxide phosphor constituting the
マトリックス相26は、蛍光体相25を構成する複数の蛍光体粒子同士を結合するバインダーとして機能する。マトリックス相26は、透光性セラミックスとしてMgO(酸化マグネシウム)を含む材料で構成されている。マトリックス相26を構成する酸化マグネシウムの熱伝導率は約50W/m・Kであり、蛍光体相25を構成するYAGの熱伝導率は約12W/m・Kである。本実施形態において、マトリックス相26は、蛍光体相25よりも熱伝導率の高い透光性セラミックスを含有する。
The
マトリックス相26を構成する金属酸化物は、上記のMgOに加えて、Al2O3,ZnO,TiO2,Y2O3,YAlO3,BeO,MgAl2O4の少なくともいずれか一つを含んでいてもよい。
The metal oxide constituting the
なお、Al2O3の熱伝導率は約30W/m・Kであり、ZnOの熱伝導率は約25W/m・Kであり、TiO2の熱伝導率は約43W/m・Kであり、Y2O3の熱伝導率は約27W/m・Kであり、YAlO3の熱伝導率は約12W/m・Kであり、BeOの熱伝導率は約250W/m・Kであり、MgAl2O4の熱伝導率は約14W/m・Kである。 The thermal conductivity of Al 2 O 3 is approximately 30 W/m·K, the thermal conductivity of ZnO is approximately 25 W/m·K, and the thermal conductivity of TiO 2 is approximately 43 W/m·K. , the thermal conductivity of Y 2 O 3 is about 27 W/m K, the thermal conductivity of YAlO 3 is about 12 W/m K, the thermal conductivity of BeO is about 250 W/m K, The thermal conductivity of MgAl 2 O 4 is approximately 14 W/m·K.
複数の気孔27は、励起光Eおよび蛍光Yを散乱させるための散乱要素である。複数の気孔27の平均径は、例えば、1μm以下程度に設定される。なお、散乱要素は、気孔27に限定されず、蛍光体の屈折率とは異なる屈折率を有する材料からなる粒子等であってもよい。
A plurality of
このようなセラミック蛍光体22は、例えば、以下の工程によって製造することができる。
YAG:Ceの原料粉体である所定量のAl2O3粉体、Y2O3粉体、およびCeO2粉体と所定量の有機バインダ、エタノールとを混ぜ、ポット内でボールミーリングを行ってスラリーを生成する。スラリーを乾燥させ、造粒後に脱脂、焼結させてYAG:Ce粉体を得る。
Such a
A predetermined amount of Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder, and CeO 2 powder, which are raw material powders of YAG:Ce, was mixed with predetermined amounts of an organic binder and ethanol, and ball milling was performed in a pot. to generate a slurry. The slurry is dried, granulated, degreased and sintered to obtain YAG:Ce powder.
上記工程で得られた所定量のYAG:Ce粉体と、MgO粉体と所定量の有機バインダ、エタノールとを混ぜ、ポット内でボールミーリングを行ってスラリーを生成する。その後、スラリーを乾燥させて造粒し、成形、脱脂、焼結を順次行うことによって、YAG:Ce,YAGとMgO(酸化マグネシウム)とのコンポジット焼結体からなる本実施形態のセラミック蛍光体22を得ることができる。なお、気孔27の大きさ或いは数は、焼成温度や混合物に添加する物質の材質等で調整可能である。また、焼結体の密度を上げるために、圧力を加えた状態で焼結する熱間等方圧加圧加工を加えてもよい。
A predetermined amount of YAG:Ce powder obtained in the above step, MgO powder, and predetermined amounts of an organic binder and ethanol are mixed, and ball milling is performed in a pot to produce a slurry. Thereafter, the slurry is dried and granulated, and molding, degreasing, and sintering are sequentially performed to obtain the
ダイクロイック層23は、セラミック蛍光体22の第1面22aに設けられている。ダイクロイック層23は、励起光Eを透過し、セラミック蛍光体22から射出される蛍光Yを反射する特性を有する。このようなダイクロイック層23を設けることで、セラミック蛍光体22内で生成された蛍光Yが外部に射出されるのを抑制できる。
The
本実施形態の基板21には、貫通孔(開口)210が形成されている。セラミック蛍光体22の第1面22aの一部は貫通孔210を介して露出されている。以下、セラミック蛍光体22において、第1面22aのうちの貫通孔210を介して露出される部分を露出部分211と称す。本実施形態のセラミック蛍光体22において、励起光Eは露出部分211に入射される。
A through hole (opening) 210 is formed in the
セラミック蛍光体22は接合部材24を介して基板21に接合されている。本実施形態の接合部材24は熱伝導率の高い導電性フィラーを含有する。接合部材24に含有される導電性フィラーの材料としては、例えば、金属やAl2O3、ZrO2、MgO、AlNの少なくとも1種類が用いられる。このように導電性フィラーを含有した接合部材24を用いることで、セラミック蛍光体22の熱を基板21側に効率良く伝達できる。
基板21は、セラミック蛍光体22における励起光の入射領域とは異なる領域に当接する。そのため、基板21は、セラミック蛍光体22で生じる熱を放熱する部材としても機能する。基板21は、貫通孔210の除いた部分でセラミック蛍光体22に当接している。
The
本実施形態のセラミック蛍光体22は、励起光源10から射出された青色の励起光Eのうち、波長変換されずに第2面22bから射出される励起光Eの一部である青色光(透過光)E1と、セラミック蛍光体22による励起光Eの波長変換によって生成される黄色の蛍光Yと、を合成した白色の照明光WLを射出する。
Of the blue excitation light E emitted from the
セラミック蛍光体22から射出される照明光WLのホワイトバランスは、青色光E1の光量と蛍光Yの光量との光量比で決まる。以下、本明細書において、この光量比をBY比と呼ぶ。プロジェクターに用いる照明光WLとして実用的なホワイトバランスを得るための条件は、BY比30%~50%である。
The white balance of the illumination light WL emitted from the
BY比はセラミック蛍光体22の厚さの影響を受けることが分かっている。例えば、セラミック蛍光体22の厚さを相対的に薄くするとセラミック蛍光体22を透過する青色光E1の光量を増やすことができる。しかしながら、セラミック蛍光体22の厚さが40μmよりも薄くなると、セラミック蛍光体22を製造することが難しくなる。そのため、製造の観点から、セラミック蛍光体22の厚さの下限値は40μmとするのが望ましい。
It has been found that the BY ratio is affected by the thickness of the
また、セラミック蛍光体22の厚さを相対的に厚くするとセラミック蛍光体22を透過する青色光E1の光量が減少してしまう。さらに、セラミック蛍光体22の厚さが300μmを超えると、セラミック蛍光体22内において蛍光Yの再吸収が発生し易くなるため、第2面22bから取り出せる蛍光Yの光量が減少してしまう。そのため、蛍光Yの光利用効率の観点から、セラミック蛍光体22の厚さの上限値は300μmとするのが望ましい。
Also, if the thickness of the
以上の観点に基づいて、本実施形態の光源装置2では、セラミック蛍光体22の厚さを40μm以上300μm以下に設定した。
Based on the above viewpoint, in the
一般的に、蛍光体において、蛍光の発光領域の幅は励起光の入射領域の幅よりも拡がる。これは、蛍光体に入射した励起光が拡散されて入射領域よりも広い領域に伝播したことで蛍光の発光領域の幅が拡がる、所謂、蛍光のにじみが生じたことによる。 Generally, in a phosphor, the width of the fluorescence emission region is wider than the width of the excitation light incidence region. This is because the excitation light incident on the phosphor is diffused and propagated over a wider area than the incident area, resulting in an increase in the width of the fluorescence emission area, that is, so-called fluorescence blurring.
ここで、例えば、比較例として、第1面22aおよび第2面22bの両方を平坦面で構成したセラミック蛍光体22の第2面22bから射出される蛍光について説明する。
比較例の構成において、セラミック蛍光体22内に含まれる気孔27の数を少なくすると、気孔27間の距離が離れるため、ある気孔27で散乱された光が他の気孔27に散乱されるまでに蛍光体内を長距離、伝播して第2面22bに到達する。そのため、第2面22bから射出される光の発光面積は拡大した状態となる。
Here, for example, as a comparative example, fluorescence emitted from the
In the configuration of the comparative example, if the number of
一方、セラミック蛍光体22内に含まれる気孔27の数を多くすると、セラミック蛍光体22に入射した励起光Eが気孔27で後方散乱され易くなる。そのため、励起光Eが第1面22aから外部に射出されてしまい、励起光Eによる蛍光Yの変換効率が低下してしまう。このように、第1面22aおよび第2面22bの両方を平坦面とした比較例の構成では、セラミック蛍光体22に含まれる気孔27の数を制御することで蛍光Yの発光面積を抑えることはできない。
On the other hand, if the number of
これに対して、本実施形態のセラミック蛍光体22は、蛍光Yを散乱させる散乱要素としての複数の気孔27を含みつつ、蛍光Yを射出する第2面22bの表面粗さを、第1面22aの表面粗さよりも粗くした構成を採用している。本実施形態において、第2面22bは微細な凹部221aを含む粗面で構成され、第1面22aは平坦面で構成されている。なお、第2面22bの凹部221aは、例えば、セラミック蛍光体22の製造時に第2面22bを研磨する工程によって形成される。
In contrast, the
図4は本実施形態のセラミック蛍光体22の第2面22bから射出される光の状態を示した要部拡大図である。図4では、第2面22bから射出される光を示している。
図4に示すように、本実施形態のセラミック蛍光体22において、気孔27で散乱された蛍光Yは、第2面22bに形成された凹部221aに入射する。凹部221aに入射した蛍光Yは、凹部221aと空気との界面で屈折されて、セラミック蛍光体22の外部へと射出される。なお、第2面22bのうちの凹部221aが形成されていない部分に入射した蛍光の一部は全反射されて蛍光体内に戻される。
FIG. 4 is an enlarged view showing the state of light emitted from the
As shown in FIG. 4, in the
本実施形態のセラミック蛍光体22では、励起光Eの後方散乱を抑える程度まで気孔27の数を少なくしている。気孔数が少なくなると励起光Eの後方散乱が小さくなる。そのため、励起光Eがセラミック蛍光体22内に効率良く取り込まれることで、励起光Eによる蛍光Yの変換効率が向上する。
In the
一方、気孔数が少なくなると、上述した光の散乱効果が減少することで蛍光体内を蛍光Yが伝搬し易くなるため、蛍光Yの発光面積が拡がってしまう。
本実施形態の場合、第2面22bに形成した凹部221aによって蛍光Yがセラミック蛍光体22の外部に効率良く取り出されるため、蛍光Yの発光面積の拡がりが抑制される。また、本実施形態の場合、青色光E1の一部は、蛍光Yと同様、凹部221aによって青色光E1としてセラミック蛍光体22から効率良く取り出されるため、青色光E1の発光面積の拡がりが抑制される。
On the other hand, when the number of pores is reduced, the above-described light scattering effect is reduced, so that the fluorescent light Y easily propagates through the phosphor, resulting in an increase in the emission area of the fluorescent light Y.
In the case of the present embodiment, since the fluorescence Y is efficiently extracted to the outside of the
このように本実施形態のセラミック蛍光体22によれば、気孔27の数を少なくすることで内部での光の散乱を抑えるとともに、第2面22bに形成した凹部221aによって光の取り出し効率を向上させることが可能である。
As described above, according to the
(第1実施形態の効果)
本実施形態の光源装置2は、励起光Eを照射する励起光源10と、第1面22aと第1面22aとは異なる第2面22bとを含み、励起光源10から照射されて第1面22aに入射する励起光Eを波長変換して蛍光Yを生成し、第2面22bから少なくとも蛍光Yを射出するセラミック蛍光体22と、セラミック蛍光体22を支持する基板21と、を有する波長変換素子20と、を備え、セラミック蛍光体22は散乱要素を含んでおり、第2面22bの表面粗さが第1面22aの表面粗さよりも粗い。本実施形態の場合、散乱要素は気孔27である。
(Effect of the first embodiment)
The
本実施形態の光源装置2によれば、蛍光Yを射出する第2面22bに設けられた凹部221aによって第2面22bの表面粗さが第1面22aよりも粗くなるため、気孔27の数を抑えた場合でも、蛍光Yの発光面積の拡がりを抑えつつ、第2面22bから蛍光Yを効率良く取り出すことができる。よって、蛍光Yのエテンデューが小さくなるので、後段の均一照明光学系80に蛍光Yが効率良く取り込まれることで、蛍光Yの光利用効率を向上できる。また、青色光E1についても、蛍光Yと同様、凹部221aによって第2面22bから効率良く取り出すことができる。
また、気孔27の数を少なくすることで励起光Eの後方散乱が抑えられるため、励起光Eがセラミック蛍光体22内に効率良く取り込まれるようになる。よって、励起光Eの光利用効率が向上し、結果的に、蛍光Yの変換効率を向上して明るい蛍光Yを得ることができる。
したがって、本実施形態の光源装置2によれば、励起光源10から射出した励起光Eを用いてセラミック蛍光体22において蛍光Yおよび青色光E1を含む照明光WLを効率良く生成することができる。
According to the
In addition, since the backscattering of the excitation light E is suppressed by reducing the number of the
Therefore, according to the
本実施形態の光源装置2において、基板21が非透光性材料で構成されており、セラミック蛍光体22は、第1面22aの一部が基板21から露出された露出部分211を含み、励起光Eは、セラミック蛍光体22の露出部分211に入射する。
本実施形態の場合、セラミック蛍光体22の第1面22aに設けられ、励起光Eを透過させ、蛍光Yを反射するダイクロイック層23をさらに備えている。
In the
In the case of this embodiment, a
この構成によれば、基板21が非透光性部材で構成されるため、励起光Eが基板21内に漏れ出すことによる損失の発生を抑制できる。また、露出部分211を介してセラミック蛍光体22内に励起光Eを効率良く入射させることができる。
また、第1面22aにダイクロイック層23を備えるため、セラミック蛍光体22内で生成された蛍光Yが外部に射出されるのを抑制できる。これにより、セラミック蛍光体22で生成した蛍光Yをセラミック蛍光体22から効率良く取り出すことができる。
According to this configuration, since the
Moreover, since the
本実施形態の光源装置2において、波長変換素子20は、セラミック蛍光体22に対する励起光Eの入射領域が時間的に変化しない固定型の波長変換素子で構成される。
In the
この構成によれば、光利用効率が高い、固定型の波長変換素子20を提供できる。
According to this configuration, it is possible to provide the fixed
本実施形態の光源装置2において、セラミック蛍光体の厚さが、40μm以上300μm以下である。
In the
この構成によれば、セラミック蛍光体22の厚さを40μm以上300μm以下とすることで、BY比30%~50%となる適正なホワイトバランスの照明光WLを生成するセラミック蛍光体22の製造が容易となる。
According to this configuration, by setting the thickness of the
本実施形態のプロジェクター1は、光源装置2と、光源装置2から射出される光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する光変調装置と、画像光を投射する投射光学装置と、を備えるプロジェクター。
The
本実施形態のプロジェクター1によれば、光利用効率が高い上記光源装置2により生成された明るい照明光WLを用いて画像光を生成するため、品質の高い画像を表示することができる。
According to the
(第2実施形態)
以下、本発明の第2実施形態について、図5を用いて説明する。
第2実施形態のプロジェクターの概略構成は第1実施形態と同様であり、光源装置における波長変換素子の構成が第1実施形態と異なる。そのため、以下では波長変換素子の構成を説明し、他の構成については説明を省略する。
(Second embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG.
The schematic configuration of the projector of the second embodiment is the same as that of the first embodiment, and the configuration of the wavelength conversion element in the light source device is different from that of the first embodiment. Therefore, the configuration of the wavelength conversion element will be described below, and the description of other configurations will be omitted.
図5は本実施形態の波長変換素子の要部構成を示す断面図である。図5に示すように、本実施形態の波長変換素子120は、基板121と、セラミック蛍光体122と、ダイクロイック層23と、モーター125とを備えている。本実施形態の波長変換素子120は、セラミック蛍光体122に対する励起光Eの入射位置を時間的に変化させる回転型の波長変換素子である。
FIG. 5 is a cross-sectional view showing the essential configuration of the wavelength conversion element of this embodiment. As shown in FIG. 5, the
基板121は、アルミニウム、銅等の放熱性に優れた金属材料で構成されている。基板121は所定の回転軸Oの周りに回転可能とされた回転基板である。回転軸Oは基板121の中心を通る。モーター125は、円板状の基板121を回転軸Oの周りに回転させる。
The
本実施形態のセラミック蛍光体122は、回転軸Oの周りに環状に形成されている。セラミック蛍光体122は、第1実施形態のセラミック蛍光体22を環状に整形することで構成される。ダイクロイック層23は、基板121とセラミック蛍光体222との間に設けられている。基板121はセラミック蛍光体122で生じる熱を放熱する。
The
セラミック蛍光体122の第1面122aにダイクロイック層23が設けられている。環状のセラミック蛍光体122は、第1面122aの径方向内側端部122a1が接合部材24を介して基板21に固定されている。すなわち、回転軸Oに沿う方向から平面視した際、セラミック蛍光体122は基板21よりも径方向外側に突出するように設けられている。励起光Eは、セラミック蛍光体122における基板121の径方向外側に張り出した部分に入射する。本実施形態において、基板121は、セラミック蛍光体122における励起光Eの入射領域とは異なる領域に当接し、セラミック蛍光体122で生じる熱を放熱する。
A
本実施形態の波長変換素子120では、励起光Eが回転した状態のセラミック蛍光体122に入射する。セラミック蛍光体122に励起光Eが入射した際には、セラミック蛍光体122において熱が発生する。本実施形態では、モーター125によってセラミック蛍光体122を回転させることにより、セラミック蛍光体122における励起光Eの入射位置を時間的に移動させている。これにより、セラミック蛍光体122の同じ位置に励起光Eが常時照射されることにより、セラミック蛍光体122の一部のみが局所的に加熱され、セラミック蛍光体122が劣化することが抑制される。
In the
本実施形態の場合、セラミック蛍光体122を回転させることで放熱性をさらに高めることができる。
In the case of this embodiment, heat dissipation can be further improved by rotating the
本実施形態の波長変換素子120においても、セラミック蛍光体122に当接する基板121が非透光性部材で構成されている。これにより、波長変換素子120においては、セラミック蛍光体122で生成された蛍光Yが基板121に漏れ出さすことなく、外部に効率良く取り出される。
Also in the
(第2実施形態の効果)
本実施形態の波長変換素子120は、上記実施形態の波長変換素子20と同様、セラミック蛍光体122において蛍光Yおよび青色光E1を含む照明光WLを効率良く生成して外部に取り出すことができる。また、本実施形態の波長変換素子120は、所定の回転軸Oの周りに基板121を回転させることで、セラミック蛍光体22に対する励起光Eの入射領域を時間的に変化させる回転型の波長変換素子で構成される。
(Effect of Second Embodiment)
Similar to the
本実施形態の波長変換素子120を備えた光源装置によれば、回転型の波長変換素子120を用いる場合において、照明光WLを効率良く利用することができる。また、セラミック蛍光体122における放熱性を向上させることで、セラミック蛍光体122の波長変換効率の低下による蛍光量の減少を抑制できる。よって、この光源装置を用いることで、エテンデューを小さくするとともに、品質の高い画像を表示可能なプロジェクターを提供できる、といった第1実施形態と同様の効果が得られる。
According to the light source device including the
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。 The technical scope of the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
(変形例)
上記実施形態では透過型の波長変換素子を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。
以下、変形例に係る波長変換素子の構成について図6を用いて説明する。
図6は変形例の波長変換素子の要部構成を示す断面図である。図6に示すように、本変形例の波長変換素子220において、セラミック蛍光体222は、第1面222aと、第2面222bと、第3面222cと、第3面222cに設けられた反射膜28と、複数の気孔27と、を含む。第3面222cは、第1面222aおよび第2面222bと異なる面である。反射膜28は、例えば、金属ミラーや誘電体多層膜で構成される。セラミック蛍光体222は、図示しない基板に第2面222bと反対を向く第4面222dが支持される。
(Modification)
Although the transmission-type wavelength conversion element is exemplified in the above embodiment, the present invention is not limited to this.
The configuration of the wavelength conversion element according to the modification will be described below with reference to FIG.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing the essential configuration of a wavelength conversion element of a modification. As shown in FIG. 6, in the
本変形例のセラミック蛍光体222において、第1面222aは励起光Eが入射される面であり、第2面222bは照明光WLを射出する面である。第3面222cは反射膜28が設けられることで、励起光Eおよび蛍光Yを第2面222bに向けて反射させる面である。本変形においても、第2面222bの表面粗さが第1面22aの表面粗さよりも粗くなっている。第2面222bは微細な凹部221aを含む粗面で構成され、第1面222aは平坦面で構成されている。
In the
本変形例のセラミック蛍光体222は、第1面222aから入射した励起光Eを波長変換して蛍光Yを生成し、励起光Eの一部および蛍光Yを第3面222cで反射することで、第2面222bから照明光WLを射出させる、反射型の波長変換素子である。なお、第1面222aには、第1実施形態のように、励起光を透過させ、蛍光を反射する光学層としてダイクロイック層を設けるとよい。
The
本変形例のセラミック蛍光体222によれば、上記実施形態と同様、第1面222aから入射された励起光Eを用いて生成した照明光WLを第2面222bから効率良く射出する反射型の波長変換素子が提供される。
According to the
また、例えば、上記実施形態においては、基板21,121の全体を非透光性部材(金属)で構成する場合を例に挙げたが、基板21,121は少なくともセラミック蛍光体22,122のいずれかに当接する部分が非透光性部材で構成されていれば蛍光Yの光漏れを防止できる。そのため、基板21,121はセラミック蛍光体22,122のいずれかに当接する部分以外は透光性部材で構成されていてもよい。
Further, for example, in the above-described embodiments, the
また、例えば、上記実施形態のセラミック蛍光体22,122においては、蛍光体相25は酸化物蛍光体を含み、マトリックス相26は金属酸化物を含んでいた。この構成に代えて、蛍光体相25は窒化物蛍光体を含み、マトリックス相26は金属窒化物を含んでいてもよい。窒化物蛍光体として、例えばα-SiAlON,β-SiAlON等のサイアロン蛍光体を用いることができる。金属窒化物としては、例えばAlN等を用いることができる。AlNの熱伝導率は約255W/m・Kである。このように、蛍光体相25が窒化物蛍光体を含み、マトリックス相26が金属酸化物を含む場合、各相において無用な酸化反応等が生じることなく、セラミック蛍光体を安定して製造することができる。
Further, for example, in the
その他、セラミック蛍光体、波長変換素子、光源装置およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料、製造方法等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。上記実施形態では、本発明に係る光源装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限定されない。例えば本発明に係る光源装置を、光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに搭載してもよい。 In addition, specific descriptions of the shape, number, arrangement, material, manufacturing method, etc. of each component of the ceramic phosphor, the wavelength conversion element, the light source device, and the projector are not limited to the above embodiments, and can be changed as appropriate. be. In the above embodiment, an example in which the light source device according to the present invention is installed in a projector using a liquid crystal light valve has been described, but the present invention is not limited to this. For example, the light source device according to the present invention may be installed in a projector using a digital micromirror device as an optical modulator.
上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。 In the above embodiment, an example in which the light source device according to the present invention is installed in the projector has been shown, but the present invention is not limited to this. The light source device according to the present invention can also be applied to lighting fixtures, automobile headlights, and the like.
本発明の態様の光源装置は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、励起光を照射する励起光源と、第1面と、第1面とは異なる第2面とを含み、励起光源から照射されて第1面に入射する励起光を波長変換して蛍光を生成し、第2面から少なくとも蛍光を射出するセラミック蛍光体と、セラミック蛍光体を支持する基板と、を有する波長変換素子と、を備え、セラミック蛍光体は散乱要素を含んでおり、第2面の表面粗さが第1面の表面粗さよりも粗い。
A light source device according to an aspect of the present invention may have the following configuration.
A light source device according to one aspect of the present invention includes an excitation light source that emits excitation light, a first surface, and a second surface that is different from the first surface. a wavelength conversion element having a ceramic phosphor for wavelength-converting excitation light to generate fluorescence and emitting at least the fluorescence from a second surface; and a substrate supporting the ceramic phosphor, wherein the ceramic phosphor scatters element, and the surface roughness of the second surface is greater than the surface roughness of the first surface.
本発明の一つの態様の光源装置において、散乱要素は気孔である構成としてもよい。 In one aspect of the light source device of the present invention, the scattering elements may be pores.
本発明の一つの態様の光源装置において、基板が非透光性材料で構成されており、セラミック蛍光体は、第1面の一部が基板から露出された露出部分を含み、励起光は、セラミック蛍光体の露出部分に入射する構成としてもよい。 In one aspect of the light source device of the present invention, the substrate is made of a non-translucent material, the ceramic phosphor includes an exposed portion in which a portion of the first surface is exposed from the substrate, and the excitation light is It may be configured to be incident on the exposed portion of the ceramic phosphor.
本発明の一つの態様の光源装置において、セラミック蛍光体の第1面に設けられ、励起光を透過させ、蛍光を反射する光学層をさらに備える構成としてもよい。 The light source device according to one aspect of the present invention may further include an optical layer provided on the first surface of the ceramic phosphor to transmit excitation light and reflect fluorescence.
本発明の一つの態様の光源装置において、波長変換素子は、セラミック蛍光体に対する励起光の入射領域が時間的に変化しない固定型の波長変換素子である構成としてもよい。 In one aspect of the light source device of the present invention, the wavelength conversion element may be a fixed wavelength conversion element in which the incident region of the excitation light with respect to the ceramic phosphor does not change with time.
本発明の一つの態様の光源装置において、波長変換素子は、所定の回転軸の周りに基板を回転させることで、セラミック蛍光体に対する励起光の入射領域を時間的に変化させる回転型の波長変換素子である構成としてもよい。 In the light source device according to one aspect of the present invention, the wavelength conversion element is a rotary wavelength conversion element that temporally changes the incident region of the excitation light to the ceramic phosphor by rotating the substrate around a predetermined rotation axis. It is good also as a structure which is an element.
本発明の一つの態様の光源装置において、セラミック蛍光体は、第1面および第2面と異なる第3面と、第3面に設けられた反射膜と、を含み、反射膜で反射された光が第2面から射出される構成としてもよい。 In one aspect of the light source device of the present invention, the ceramic phosphor includes a third surface different from the first surface and the second surface, and a reflective film provided on the third surface. A configuration in which light is emitted from the second surface may be employed.
本発明の一つの態様の光源装置において、セラミック蛍光体の厚さが、40μm以上300μm以下である構成としてもよい。 In one aspect of the light source device of the present invention, the thickness of the ceramic phosphor may be 40 μm or more and 300 μm or less.
本発明の一つの態様のプロジェクターは、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の上記態様の光源装置と、光源装置から射出される光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する光変調装置と、画像光を投射する投射光学装置と、を備える。
A projector according to one aspect of the present invention may have the following configuration.
A projector according to one aspect of the present invention includes a light source device according to the above aspect of the present invention, an optical modulation device that modulates light emitted from the light source device according to image information to form image light, and projects image light. and a projection optical device for
1…プロジェクター、2…光源装置、4B,4G,4R…光変調装置、6…投射光学装置、10…励起光源、20,120,220…波長変換素子、21,121…基板、21a…表面、22,122,222…セラミック蛍光体、22a,122a,222a…第1面、22b,222b…第2面、23…ダイクロイック層(光学層)、27…気孔(散乱要素)、28…反射膜、211…露出部分、222c…第3面、E…励起光、O…回転軸、Y…蛍光。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
第1面と、前記第1面とは異なる第2面とを含み、前記励起光源から照射されて前記第1面に入射する前記励起光を波長変換して蛍光を生成し、前記第2面から少なくとも前記蛍光を射出するセラミック蛍光体と、前記セラミック蛍光体を支持する基板と、を有する波長変換素子と、を備え、
前記セラミック蛍光体は散乱要素を含んでおり、
前記第2面の表面粗さが前記第1面の表面粗さよりも粗い
光源装置。 an excitation light source that emits excitation light;
including a first surface and a second surface different from the first surface, wavelength-converting the excitation light irradiated from the excitation light source and incident on the first surface to generate fluorescence, and the second surface a wavelength conversion element having a ceramic phosphor that emits at least the fluorescence from and a substrate that supports the ceramic phosphor,
the ceramic phosphor includes a scattering element;
A light source device in which the surface roughness of the second surface is rougher than the surface roughness of the first surface.
請求項1に記載の光源装置。 The light source device according to claim 1, wherein the scattering elements are pores.
前記セラミック蛍光体は、第1面の一部が前記基板から露出された露出部分を含み、
前記励起光は、前記セラミック蛍光体の前記露出部分に入射する
請求項1または請求項2に記載の光源装置。 The substrate is made of a non-translucent material,
The ceramic phosphor includes an exposed portion in which a portion of the first surface is exposed from the substrate,
The light source device according to claim 1 or 2, wherein the excitation light enters the exposed portion of the ceramic phosphor.
請求項3に記載の光源装置。 The light source device according to claim 3, further comprising an optical layer provided on the first surface of the ceramic phosphor, transmitting the excitation light and reflecting the fluorescence.
請求項1から請求項4のうちのいずれか一項に記載の光源装置。 The light source device according to any one of claims 1 to 4, wherein the wavelength conversion element is a fixed type wavelength conversion element in which an incident region of the excitation light with respect to the ceramic phosphor does not change with time. .
請求項1から請求項4のうちのいずれか一項に記載の光源装置。 2. The wavelength conversion element is a rotary wavelength conversion element that temporally changes the incident region of the excitation light with respect to the ceramic phosphor by rotating the substrate around a predetermined rotation axis. The light source device according to claim 4 .
前記反射膜で反射された光が前記第2面から射出される
請求項1から請求項4のうちのいずれか一項に記載の光源装置。 The ceramic phosphor includes a third surface different from the first surface and the second surface, and a reflective film provided on the third surface,
The light source device according to any one of claims 1 to 4, wherein light reflected by the reflective film is emitted from the second surface.
請求項1から請求項7のうちのいずれか一項に記載の光源装置。 The light source device according to any one of claims 1 to 7, wherein the ceramic phosphor has a thickness of 40 µm or more and 300 µm or less.
前記光源装置から射出される光を画像情報に応じて変調して画像光を形成する光変調装置と、
前記画像光を投射する投射光学装置と、を備える
プロジェクター。 A light source device according to any one of claims 1 to 8;
a light modulating device that modulates light emitted from the light source device according to image information to form image light;
and a projection optical device that projects the image light.
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