JP4054594B2

JP4054594B2 - 光源装置及びプロジェクタ

Info

Publication number: JP4054594B2
Application number: JP2002102778A
Authority: JP
Inventors: 秀雄原; 文明小泉
Original assignee: Nitto Optical Co Ltd
Current assignee: Nitto Optical Co Ltd
Priority date: 2002-04-04
Filing date: 2002-04-04
Publication date: 2008-02-27
Anticipated expiration: 2022-04-04
Also published as: JP2003295319A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードを用いた光源装置及びプロジェクタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光源装置としては、一般に高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの放電系光源を用いたものが知られているが、光源の集光効率が悪い。そこで、特許第２５６７５５２号公報、特開平10−２６９８０２号公報、特開昭６１−４１１３３号公報に記載されるように、固体光源である発光ダイオードを光源とする光源装置が知られている。また、固体光源としては、エレクトロルミネッセンスやレーザダイオードも知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、光源として発光ダイオードを用いた場合、１つの発光ダイオードから出射される光量は一般にきわめて小さいため、高い出力を必要とする光源装置では、発光ダイオードを複数個使用する必要があり、光源装置の小型化に限界があるという問題があった。また、エレクトロルミネッセンスは、低輝度面発光であるため、投射照明用の光源装置には適さないという問題があった。
【０００４】
一方、レーザダイオードは、電力・光変換効率が発光ダイオードの数倍高いため、レーザダイオードを用いれば十分な出力が得られるが、レーザダイオードから出射されるレーザ光はコヒーレント光であるため、人の眼に対する安全性の面で問題があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたもので、小型でしかも十分な出力を有し、かつ人の眼に対して安全な光源装置と、該光源装置を使用したプロジェクタとを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために請求項１記載の光源装置は、短波長のレーザ光を出射するレーザダイオードと、該レーザダイオードからのレーザ光を平行光線束とするコリメータと、該コリメータからの平行光線束のレーザ光を集光するコンデンサと、該コンデンサで集光したレーザ光を吸収し自然放出光としてインコヒーレント光を放出する蛍光体と、所定の方向に開口した放物反射面又は楕円反射面を備える可視光反射鏡と、該可視光反射鏡の開口側にあって前記蛍光体を通過したレーザ光を反射して該蛍光体に集中させるレーザ光反射鏡とを有し、前記可視光反射鏡は、前記蛍光体が前記放物反射面又は楕円反射面のほぼ焦点に位置するように設けられ、前記自然放出光を前記所定の方向への平行光線束とすることを特徴とする。
【０００７】
本発明における蛍光体とは、通常の蛍光物質の他に色素や固体レーザ媒質等、短波長光を吸収してそれより長い波長の可視域の蛍光を発するものを含む。
【０００８】
本発明によれば、レーザダイオードの前方にコリメータとコンデンサおよび蛍光体が設けられているため、レーザダイオードから出射されたコヒーレント光であるレーザ光は、コリメータを通過することによって平行光線束となり、コンデンサによって集中して蛍光体に入射する。レーザ光が蛍光体に入射することによって、蛍光体内で励起が起こり、蛍光体内のエネルギーは高いエネルギー準位（励起準位）に遷移するが、この状態は不安定であるため一定時間経過後もとの基底準位または励起準位と基底準位の間の準安定準位に遷移し、自然放出がなされる。ここで、蛍光体は、短波長光を吸収してそれより長い波長の可視域の蛍光を発するものであるため、蛍光体からは自然放出光としてインコヒーレント光が放出される。そして、可視光反射鏡の放物反射面又は楕円反射面のほぼ焦点に蛍光体が位置しているため、蛍光体から四方に自然放出されるインコヒーレント光（可視光）が放物反射面又は楕円反射面で反射し、所望の方向に出射する光線となる。更に、レーザ光反射鏡が蛍光体の前方に設けられているため、一旦蛍光体から出射したレーザ光はレーザ光反射鏡で反射して、蛍光体に集中して再び入射し、吸収作用を受ける。
【０００９】
ここで、光源装置をより小型化するために、請求項２記載の光源装置は、短波長のレーザ光を出射するレーザダイオードと、該レーザダイオードのレーザ光出射端に密着して設けられレーザダイオードから出射されたレーザ光を吸収し自然放出光としてインコヒーレント光を放出する蛍光体と、所定の方向に開口した放物反射面又は楕円反射面を備える可視光反射鏡と、該可視光反射鏡の開口側にあって前記蛍光体を通過したレーザ光を反射して該蛍光体に集中させるレーザ光反射鏡とを有し、前記可視光反射鏡は、前記蛍光体が前記放物反射面又は楕円反射面のほぼ焦点に位置するように設けられ、前記自然放出光を前記所定の方向への平行光線束とすることを特徴とする。
【００１０】
本発明によれば、蛍光体がレーザダイオードのレーザ光出射端に密着して設けられているため、レーザダイオードから出射されたレーザ光は蛍光体に入射し、蛍光体内で吸収され波長が弱められて、蛍光体からはインコヒーレント光が自然放出される。そして、可視光反射鏡の放物反射面又は楕円反射面のほぼ焦点に蛍光体が位置しているため、蛍光体から四方に自然放出されるインコヒーレント光（可視光）が放物反射面又は楕円反射面で反射し、所望の方向に出射する光線となる。更に、レーザ光反射鏡が蛍光体の前方に設けられているため、一旦蛍光体から出射したレーザ光はレーザ光反射鏡で反射して、蛍光体に集中して再び入射し、吸収作用を受ける。
【００１３】
ここで、請求項１又は２記載の光源装置においては、前記レーザダイオードから出射されるレーザ光を放物反射面又は楕円反射面の中心軸に沿って導入することが好ましい。
【００１６】
請求項４記載のプロジェクタは、請求項１〜３いずれか記載の光源装置を備えることを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、請求項１〜３いずれか記載の光源装置を備えるため、小型でしかも十分な出力を有し、かつ人の眼に対して安全な光源装置を有するプロジェクタの実現が図れる。
【００１８】
請求項５記載のプロジェクタは、請求項４記載のプロジェクタにおいて、赤緑青の三原色の光を出射する光源装置を備えることを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、請求項１〜３いずれか記載の光源装置であってＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色の光を出射するものを備えるため、小型でしかも十分な出力を有し、人の眼に対して安全な光源装置を備え、かつ、ダイクロイックミラーなどにより３原色に分光することなくカラー表示をすることができるプロジェクタの実現が図れる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明による光源装置は、レーザダイオードである紫外線ＬＤ素子１と、紫外線ＬＤ素子１の前方に設けられたコリメータであるコリメートレンズ３と、コリメートレンズ３の前方に設けられたアパーチャ４と、アパーチャ４の前方に設けられたコンデンサであるコンデンサレンズ５と、コンデンサレンズ５の前方に設けられた蛍光体６と、蛍光体６の前方に設けられたレーザ光反射鏡である紫外線反射鏡７と、放物反射面の内側にコンデンサレンズ５，蛍光体６および紫外線反射鏡７が配置されるように設けられた可視光反射鏡９とによって構成されている。
【００２１】
紫外線ＬＤ素子１は、コヒーレント光である紫外線レーザ光を出射するものである。レーザ光２はコリメートレンズ３に向けて出射される。
【００２２】
コリメートレンズ３は、光を平行にする機能を有する平凸レンズであり、レンズの平坦面を外側に向けた状態で、紫外線ＬＤ素子１の前方に所定の距離をおいて配置されている。これにより、紫外線ＬＤ素子１から出射されたレーザ光２は、コリメートレンズ３を通過して平行光線束となり、アパーチャ４に向けて出射される。
【００２３】
アパーチャ４は、後述の可視光反射鏡９に設けられた紫外線ＬＤ素子１からのレーザ光２を通す孔９ｂに、コリメートレンズ３によって平行光線束となったレーザ光２を通過させることが出来るように調節するためのものである。これにより、レーザ光２が可視光反射鏡９に設けられた孔９ｂを通過し、可視光反射鏡９の放物反射面の内面に設けられているコンデンサレンズ５に照射される。
【００２４】
コンデンサレンズ５は、集光機能を有する凸レンズであり、アパーチャ４を通過したレーザ光２の平行光線束をコンデンサレンズ５の前方に設けられている蛍光体６に集中させうる形状を有するとともに、所定の位置に設けられている。これにより、平行光線束であったレーザ光２が蛍光体６に集中して入射される。
【００２５】
蛍光体６は、入射するレーザ光２の波長が該蛍光体６の吸収スペクトル領域に存在する特性を有する材料により作られている。蛍光体６は、集光したレーザ光２が入射しうる面積を有し、次式を勘案して設定された所定の長さ（厚さ）を有する。
【００２６】
吸収強度：Ａ₀−Ａ＝Ａ₀（１−ｅｘｐ［−αＬ］）
ここで、Ａは蛍光体６のレーザ光透過強度、Ａ₀は蛍光体６への入射光強度、αは吸収係数、Ｌは蛍光体６の長さを表す。レーザ光２が蛍光体６に入射されると、これによって蛍光体６内で励起が起こり、蛍光体６内のエネルギーは高いエネルギー準位（励起準位）に遷移するが、不安定であるため一定時間経過後もとの基底準位または励起準位と基底準位の間の準安定準位に遷移する。このとき、レーザ光２は蛍光体６内で吸収され強度が弱められるため、蛍光体６からは自然放出光８ａとしてインコヒーレント光が放出される。これを蛍光体６の吸収・発光に関する利得スペクトルで表したものが図３である。すなわち、蛍光体６は（Ｂ）に示すような吸収スペクトルを有するため、（Ａ）に示すようなスペクトルを有するレーザ光を吸収し、（Ｃ）に示すようなスペクトルを有する自然放出光を放出する。ここで、蛍光体６の長さや蛍光体６の種類によっては、レーザ光２の一部が蛍光体６内で吸収されずに紫外線反射鏡７に向けて出射する。
【００２７】
紫外線反射鏡７は、放物面を有し、蛍光体６を通過したレーザ光２を後方に設けられている蛍光体６に集中させうる形状を有するとともに、所定の位置に設けられている。これにより、蛍光体６に吸収されずに蛍光体６から出射されたレーザ光２が全反射して再び蛍光体６に入射される。なお、蛍光体６がレーザ光２を十分に吸収しうる長さを有する場合には、紫外線反射鏡７は省略することができる。
【００２８】
可視光反射鏡９は、放物反射面９ａを有し、蛍光体６からほぼ全立体角に出射される自然放出光８ａを所望の方向の平行光線束８ｂとしうる形状とし、蛍光体６が放物反射面９ａのほぼ焦点に位置するように設けられている。この放物反射面９ａの一部には、紫外線ＬＤ素子１からのレーザ光２をコンデンサレンズ５さらには蛍光体６へ導く孔９ｂが、レーザ光２が放物反射面９ａの中心軸に沿って導入されるように設けられている。
【００２９】
本発明による光源装置は、以上のような構成であるため、紫外線ＬＤ素子１から出射されたコヒーレント光であるレーザ光２は、コリメートレンズ３を通過することによって平行光線束となり、アパーチャ４，コンデンサレンズ５を通過することによって蛍光体６に集中する。レーザ光２が蛍光体６に入射されると、蛍光体６内で励起が起こり、レーザ光２は蛍光体６内で吸収され強度が弱められて、蛍光体６からは自然放出光８ａとしてインコヒーレント光が自然放出される。ここで、蛍光体６に吸収されなかったレーザ光２は蛍光体６から漏れ出すが、このレーザ光２は紫外線反射鏡７で反射し、再び蛍光体６に入射して吸収作用を受け、自然放出光８ａが放出される。蛍光体６から自然放出された自然放出光８ａであるインコヒーレント光は、可視光反射鏡９で反射し、所定の方向に進む平行光線束８ｂとなる。
【００３０】
以上より、本発明による光源装置によれば、紫外線ＬＤ１からの十分な光量をもつコヒーレント光であるレーザ光２をインコヒーレント光（自然放出光８ａ）に変換することによって、小型でかつ光量が大きく安全性の高い光束を得ることが出来る。
【００３１】
本実施の形態による光源装置の数値例として、紫外線ＬＤ素子１から出射されるレーザ光２の出力P_in＝５０ｍＷ、蛍光体６の長さＬ＝１ｍｍ、蛍光体６のレーザ光２の吸収係数α＝２．０／ｍｍとした場合、紫外線ＬＤ素子１からのレーザ光２が蛍光体６に吸収されずに一旦は蛍光体６から出射され紫外線反射鏡７によって反射されて、再び蛍光体６に入射されることによって吸収されるものを含めると、紫外線ＬＤ素子１から出射されたレーザ光２の約９８％が蛍光体６により吸収される。ところで、蛍光体６に入射されたレーザ光２は、蛍光体６内物質の価電子の励起に用いられそのほとんどがより波長の長い光として再放出されるが、励起された一部の価電子はその励起エネルギーを非放射過程で物質内に散逸する。この際の蛍光体６に入射されるレーザ光２が再放出に寄与する確率をηとすると、
Ｅ_ph＝ηＥ_ab
である。ここで、Ｅ_phは蛍光体６から放出される自然放出光８ａの強度、Ｅ_abは蛍光体６に入射されるレーザ光２の強度を表す。そこで、η＝０．９とすると、蛍光体６からの自然放出光８ａの出力Ｐ_out＝４５ｍＷとなる。この値は、通用の発光ダイオード約１０〜１５個分の出力である。したがって、発光ダイオード約１０〜１５個分の光源と同じ出力を1個の紫外線ＬＤ素子１と１個の蛍光体６からなる光源によって実現することができ、部品点数が少なくてすむ。また、１個の紫外線ＬＤ素子１と１個の蛍光体６の体積は、発光ダイオード１０個の集積体の体積よりはるかに小さいため、同じ出力でより小さい光源を実現することができる。
【００３２】
図２は、上記光源装置であってＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色を発光するものを用いたプロジェクタの構成を表す図である。
【００３３】
このプロジェクタは、Ｒ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三原色をそれぞれ発光する光源装置１１，１２，１３と、これらの光源装置１１，１２，１３を三方から向かい合わせたその中央に設けられた色合成プリズム１４と、色合成プリズム１４の前方に設けられたインテグレータ１５と、偏光変換素子１６とフィールドレンズ１７、及び集光レンズ１８、液晶表示パネル１９と投射レンズ２０とによって構成されている。
【００３４】
光源装置１１，１２，１３は、上述の光源装置を用いるが、光源装置１１，１２，１３を構成する蛍光体１１ａ，１２ａ，１３ａの材質として、蛍光体１１ａ，１２ａ，１３ａが自然放出する際にそれぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）を発光するものを採用したものとする。例えば、Ｒ（赤）を発光させるためには蛍光体１１ａの材質を硼酸カドミウムに、Ｇ（緑）を発光させるためには蛍光体１２ａの材質を珪酸亜鉛に、Ｂ（青）を発光させるためには蛍光体１３ａの材質をタングステン酸カルシウムにするとよい。これにより、紫外線ＬＤ素子１から出射されたコヒーレント光であるレーザ光２は、コリメートレンズ３、アパーチャ４、コンデンサレンズ５を通過することによって蛍光体１１ａ，１２ａ，１３ａに集中して入射し、蛍光体１１ａ，１２ａ，１３ａ内で吸収され強度が弱められて、蛍光体１１ａ，１２ａ，１３ａからはそれぞれＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）のインコヒーレント光が放出される。各光源装置１１，１２，１３は三方から向かい合って配置されており、その中央には色合成プリズム１４が設けられているため、各光源装置１１，１２，１３から放出された光は色合成プリズム１４に入射する。
【００３５】
色合成プリズム１４は、三方から入射したＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光を合成された状態で所定の方向へ放出しうる形状を有する。これにより、各光源装置１１，１２，１３から放出されたＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の光は、色合成プリズム１４によってそれぞれ屈折し、三原色が合成された状態で色合成プリズム１４の前方に設けられたインテグレータ１５に入射する。
【００３６】
インテグレータ１５は、入射光の照度分布を均一化して出射させ、インテグレータ１５から出射された光は偏光変換素子１６に入射する。偏光変換素子１６は、インテグレータ１５からの出射光を特定の直線偏光方向に揃えて出射させる。偏光変換素子１６から出射された光は、光を液晶表示パネル１９に集光するためのフィールドレンズ１７、集光レンズ１８を介して、液晶表示パネル１９に照射され、ここで形成された画像が投影レンズ２０で図示しないスクリーンに拡大投影される。
【００３７】
以上より、本実施の形態によれば、小型でしかも十分な出力を有し、かつ人の眼に対して安全な光源装置１１，１２，１３を有し、かつ、ダイクロイックミラーなどにより３原色に分光することなくカラー表示をすることができるため、安全で小型なプロジェクタが実現できる。
【００３８】
なお、紫外線とは一般に波長４００ｎｍ以下の光をいうが、本発明における紫外線には４００ｎｍから４１０ｎｍ程度の波長の光も含まれる。
【００３９】
また、発明の実施の形態では、本発明による光源装置を利用するものとしてプロジェクタを記載したが、これに限るものではなく、本発明による光源装置は、車載のヘッドランプやサーチライト等にも利用することができる。
【００４０】
【発明の効果】
本発明によれば、レーザダイオードの前方にコリメータとコンデンサおよび蛍光体が設けられているため、光量が大きいがコヒーレント光であるレーザ光が、コリメータ，コンデンサを通過することによって集中して蛍光体に入射し吸収作用を受け、蛍光体からはインコヒーレント光が自然放出されるので、小型でしかも十分な出力を有し、かつ人の眼に対して安全な光源装置が実現できる。ここで、コリメータ，コンデンサを省略しレーザダイオードに密接して蛍光体を設ければ、さらに小型化することができる。
【００４１】
また、レーザ光が集中して蛍光体に入射し吸収作用を受け、蛍光体からインコヒーレント光が四方に自然放出されるため、蛍光体が放物反射面又は楕円反射面のほぼ焦点に位置するように可視光反射鏡を設ければ、蛍光体から四方に放出されるインコヒーレント光が可視光反射鏡で反射するので、容易に平行光線束を得ることができる。
【００４２】
また、蛍光体のレーザ光の進行方向の大きさや蛍光体の種類によっては、レーザ光の一部が蛍光体で吸収されずに出射するするが、レーザ光反射鏡を蛍光体の前方に設けることにより、一旦蛍光体から出射したレーザ光がレーザ光反射鏡で反射して、蛍光体に再び入射し吸収作用を受けるため、より効率的で安全な光源装置が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光源装置の構成を示した図である。
【図２】本発明に係るR（赤）、G（緑）、B（青）の各色を発光する光源装置を組み合わせたプロジェクタの構成を示した図である。
【図３】本発明に係る光源装置を構成する蛍光体の吸収・発光に関する利得スペクトルで表した図であり、（Ａ）はレーザダイオードから出力される光のスペクトルを表したもので、（Ｂ）は蛍光体の吸収スペクトルを表したもので、（Ｃ）は蛍光体から出力される光のスペクトルを表したものである。
【符号の説明】
１紫外線LD素子
２レーザ光
３コリメートレンズ
４アパーチャ
５コンデンサレンズ
６蛍光体
７紫外線反射鏡
８インコヒーレント光（可視光）
９可視光反射鏡
１１赤色発光光源装置
１２緑色発光光源装置
１３青色発光光源装置
１４色合成プリズム
１５インテグレータ
１６偏光変換素子
１７フィールドレンズ
１８集光レンズ
１９液晶表示パネル
２０投射レンズ

Claims

短波長のレーザ光を出射するレーザダイオードと、
該レーザダイオードからのレーザ光を平行光線束とするコリメータと、
該コリメータからの平行光線束のレーザ光を集光するコンデンサと、
該コンデンサで集光したレーザ光を吸収し自然放出光としてインコヒーレント光を放出する蛍光体と、
所定の方向に開口した放物反射面又は楕円反射面を備える可視光反射鏡と、
該可視光反射鏡の開口側にあって前記蛍光体を通過したレーザ光を反射して該蛍光体に集中させるレーザ光反射鏡とを有し、
前記可視光反射鏡は、前記蛍光体が前記放物反射面又は楕円反射面のほぼ焦点に位置するように設けられ、前記自然放出光を前記所定の方向への平行光線束とすることを特徴とする光源装置。
短波長のレーザ光を出射するレーザダイオードと、
該レーザダイオードのレーザ光出射端に密着して設けられレーザダイオードから出射されたレーザ光を吸収し自然放出光としてインコヒーレント光を放出する蛍光体と、
所定の方向に開口した放物反射面又は楕円反射面を備える可視光反射鏡と、
該可視光反射鏡の開口側にあって前記蛍光体を通過したレーザ光を反射して該蛍光体に集中させるレーザ光反射鏡とを有し、
前記可視光反射鏡は、前記蛍光体が前記放物反射面又は楕円反射面のほぼ焦点に位置するように設けられ、前記自然放出光を前記所定の方向への平行光線束とすることを特徴とする光源装置。
前記レーザダイオードから出射されるレーザ光を放物反射面又は楕円反射面の中心軸に沿って導入することを特徴とする請求項１又は２記載の光源装置。
請求項１〜３いずれか記載の光源装置を備えることを特徴とするプロジェクタ。
赤緑青の三原色の光を出射する光源装置を備えることを特徴とする請求項４記載のプロジェクタ。