JP5527059B2 - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクター、特にレーザー光によって蛍光体を励起させて得た蛍光を用いる光源装置の技術に関する。

近年、プロジェクターの高性能化に関して、広色域かつ高効率な光源としてレーザーが注目されている。例えば特許文献１や特許文献２には、青色光用のレーザーと、蛍光体層に含まれる蛍光体をレーザー光によって励起させることで緑色光及び赤色光を蛍光として発生させるカラーホイールとにより、赤と青と緑の照明光を得る技術が提案されている。

特開２００９−２７７５１６号公報 特開２０１０−８６８１５号公報

しかしながら、カラーホイールの蛍光体層の表面に直接埃などが付着すると、蛍光体層に入射するレーザー光あるいは蛍光体層から出射する光が埃に吸収されたり散乱されたりするため、光の利用効率が低下してしまうという問題がある。

本発明は、上述の問題の少なくとも一部を解決し、光の利用効率の向上を図ることのできる光源装置、およびその光源装置を用いたプロジェクターを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、所定の回転軸を中心に回転可能とされた基板と、蛍光体を含んで前記基板に設けられた蛍光体層と、を有する波長変換部材と、光源と、前記光源から射出された励起光を前記蛍光体層に集光するように照射させる集光光学系と、前記波長変換部材と前記光源と前記集光光学系とを収容するケーシングと、を備え、前記集光光学系に含まれるレンズと前記ケーシングとによって構成された密閉空間に、前記波長変換部材が設けられ、前記レンズが、前記密閉空間と、前記光源を収容する空間とを区画していることを特徴とする。

波長変換部材が、外部と遮断された密閉空間に収容されるので、蛍光体層に埃が直接付着するのを防ぐことができる。蛍光体層に埃が直接付着するのを防ぐことができるので、励起光の利用効率の低下を抑えることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、波長変換部材を収容する密閉空間とは別個に、光源を収容する空間が形成されていることが望ましい。光源と波長変換部材とが別々の空間に収容されるので、一方で発生した熱が他方に伝わりにくくなる。これにより、例えば、光源で発生した熱により波長変換部材の冷却効率が低下して光の変換効率が低下したり、波長変換部材で発生した熱により光源の冷却効率が低下して発光効率が低下したりすることを抑制することができる。

また、本発明の好ましい態様としては、波長変換部材を収容する密閉空間と光源を収容する空間とを分離する隔壁は、集光光学系を含んで構成されることが望ましい。隔壁が、集光光学系を含めて構成されるので、隔壁部分に光を集光させる機能も発揮させることができる。したがって、空間を隔てるためだけに隔壁を設ける場合に比べて、材料の削減や、軽量化を図ることができる。なお、光源から射出された励起光を蛍光体ホイールに入射させるために、光源を収容する空間と波長変換部材を収容する密閉空間とを隔てる隔壁は、透光性の部材で構成される必要がある。一方、集光光学系は、光を透過させるものであるので、上記隔壁として利用することが可能となる。

また、本発明の好ましい態様としては、基板を回転させる駆動部をさらに備え、駆動部は、ケーシングに形成された密閉空間に収容されることが望ましい。駆動部が、外部と遮断された密閉空間の内部に収容されるので、駆動部の駆動によって発生する騒音が外部に漏れにくくなる。これにより、光源装置の駆動時の静粛性の向上を図ることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、ケーシングの少なくとも一部が、金属材料で構成されていることが望ましい。ケーシングの少なくとも一部が熱伝導性の高い金属材料で構成されているので、ケーシングからの放熱効率を向上させることができる。したがって、波長変換部材や光源で発生した熱を、ケーシングを介して効率よく外部に放熱させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、ケーシングの外周面には、放熱用のフィンが形成されていることが望ましい。フィンがケーシングの外周面に形成されることで、ケーシングの放熱面積が増大されるので、ケーシングからの放熱効率をより一層向上させることができる。したがって、波長変換部材や光源で発生した熱を、ケーシングを介してより一層効率よく外部に放熱させることができる。

また、本発明の好ましい態様としては、波長変換部材には、基板の回転によって密閉空間内の空気を流動させる流動部が形成されていることが望ましい。基板を回転させることで、波長変換部材の周囲の空気、すなわち波長変換部材が収容された密閉空間の内部の空気を流動させることができるので、波長変換部材の放熱効率を向上させることができる。

また、本発明のプロジェクターは、上記光源装置と、光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を備えることを特徴とする。プロジェクターは、蛍光体層への埃の付着を抑えて励起光の利用効率の低下を抑えた上記光源装置を備えるので、信頼性を向上させて、高品質な画像を得ることが可能となる。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図である。 図２は、図１に示す光源装置の分解斜視図である。 図３は、蛍光体ホイールの正面図である。 図４は、蛍光体ホイールの横断面図である。 図５は、実施例１の変形例１に係る光源装置の分解斜視図である。 図６は、実施例１の変形例２に係る光源装置が備える蛍光体ホイールの外観斜視図である。 図７は、本発明の実施例２に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。

以下に図面を参照して、本発明の実施例を詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例１に係る光源装置の概略構成を示す図である。図２は、図１に示す光源装置の分解斜視図である。光源装置１０は、光源１１、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３、蛍光体ホイール（波長変換部材）１、ピックアップレンズ１４、駆動部１５、ケーシング１６を有して構成される。

光源１１は、コリメートレンズ１２に向けて光を射出する。光源１１は、例えばレーザー光を射出する半導体レーザーを複数並べて構成される。なお、ＬＥＤを複数並べて光源１１を構成してもよい。

コリメートレンズ１２と集光レンズ１３は、光源１１から射出されたレーザー光を蛍光体ホイール１に設けられた蛍光体層３に集光するように照射させる集光光学系として機能する。コリメートレンズ１２は、光源１１から射出されたレーザー光を平行化させ、集光レンズ１３に向けて射出させる。集光レンズ１３は、コリメートレンズ１２から射出されたレーザー光を蛍光体ホイール１の蛍光体層３に集光させる。集光レンズ１３は、蛍光体層３のごく一部（例えば、１ｍｍ^２程度）の領域に向けてレーザー光を集光させる。

図３は、蛍光体ホイール１の正面図である。図４は、蛍光体ホイール１の横断面図である。蛍光体ホイール１は、基板２、図示しない蛍光体を含む蛍光体層３を有する。基板２は、円形の薄板形状を呈する。基板２は、透明部材で構成されており、光を透過する性質を有する。基板２には、例えば、ガラス、白板、石英、水晶、サファイア、ＹＡＧ（Ｙｔｔｒｉｕｍ Ａｌｕｍｉｎｕｍ Ｇａｒｎｅｔ）などが用いられる。

基板２の中心には、円形の開口２ａが形成されている。開口２ａには、蛍光体ホイール１を回転させるための駆動部１５の駆動軸が挿入される。駆動部１５は、例えばモーターである。これにより、基板２の中心を通る回転軸５を中心に、基板２は回転可能とされる。なお、駆動部１５は、ケーシング１６内に設けられた駆動部保持部２１によって保持される。

蛍光体層３は、基板２の中心と同じ中心の環状形状で、基板２の表面に塗布される。蛍光体層３は、例えば、蛍光体をバインダー（樹脂材料）に混合させたものを、基板２の表面に塗布することで形成される。蛍光体層３に照射されたレーザー光の一部は、蛍光体に吸収される。レーザー光を吸収した蛍光体は励起され、蛍光を発生させる。本実施例では、青色のレーザー光を吸収することによって黄色の蛍光を発生する蛍光体を用いているため、蛍光体ホイール１は波長変換部材として機能する。

ここで、光源装置１０から光を射出させる場合には、回転軸５を中心に蛍光体ホイール１を回転させながら、蛍光体層３の一部にレーザー光を集光させて照射させる。したがって、レーザー光が照射される領域は蛍光体層３上を常に移動することとなり、蛍光体層３が局所的に高温になってしまうのを防ぐことができる。

図示は省略するが、基板２と蛍光体層３との間には、基板２側から入射するレーザー光は透過させるが、蛍光体層３で散乱された光は反射させるダイクロイックミラーが設けられている。基板２と蛍光体層３との間にダイクロイックミラーを設けることで、蛍光体層３で散乱されたレーザー光のうち基板２側に向けて進行する光を反射させて、後述するピックアップレンズ１４側に進行させることができるので、光の利用効率の向上を図ることができる。

ピックアップレンズ１４は、蛍光体層３から射出された光を集光させる。蛍光体ホイール１に入射したレーザー光は、蛍光体層３を透過する際に散乱され、ランバード放射となって様々な方向に進行する。そこで、蛍光体ホイール１から射出されたレーザー光と蛍光とをピックアップレンズ１４で集光して照明光などとして利用することで、光の利用効率の向上を図る。

ケーシング１６は、光源１１、コリメートレンズ１２、集光レンズ１３、蛍光体ホイール（波長変換部材）１、駆動部１５を内部に収容するケース部材である。図２に示すように、ケーシング１６は、上ケース１７と下ケース１８とに分割される。ケーシング１６は、上ケース１７と下ケース１８とを組み合わせて構成される。

上ケース１７と下ケース１８とを組み合わせることで、ケーシング１６の内部には、光源１１を収容する光源収容部１９と、蛍光体ホイール１を収容する蛍光体ホイール収容部２０とが形成される。蛍光体ホイール収容部２０は、外部空間と遮断された密閉空間となっている。また、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とは、互いに独立した空間として形成される。

光源収容部１９には、光源１１が収容される。蛍光体ホイール収容部２０には、蛍光体ホイール１が収容されるとともに、駆動部１５、駆動部保持部２１、集光レンズ１３、ピックアップレンズ１４も収容される。

光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とを隔てる隔壁は、コリメートレンズ１２を含めて構成される。すなわち、コリメートレンズ１２を配置しない状態では、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とは連通した状態となっているが、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０との間にコリメートレンズ１２を配置することで、収容部１９，２０同士が互いに独立した空間となる。

ここで、光源１１から射出されたレーザー光を蛍光体ホイール１に入射させるために、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とを隔てる隔壁は、透光性の部材で構成される必要がある。本実施例１で隔壁として用いるコリメートレンズ１２は、光を透過させるので、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とを隔てる隔壁として利用することが可能となる。

光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とを隔てる隔壁が、コリメートレンズ１２を含めて構成されるので、隔壁部分にレンズとしての機能も発揮させることができる。したがって、収容部１９，２０を隔てるためだけに隔壁を設ける場合に比べて、材料の削減や、軽量化を図ることができる。

なお、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とを隔てる隔壁を、集光レンズ１３を含めて構成してもよい。この場合、コリメートレンズ１２は、光源収容部１９側に収容されることとなる。集光レンズ１３も光を透過させるものであるので、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とを隔てる隔壁として利用することが可能となる。

また、光源収容部１９と蛍光体ホイール収容部２０とを隔てる隔壁を、コリメートレンズ１２や集光レンズ１３といった集光光学系を用いずに、透光性の部材、例えばガラス板やプラスチック板で別途に構成してもよい。

ケーシング１６のうち、光源装置１０からの光の射出方向となる面、すなわちピックアップレンズ１４から射出された光が照射される面（射出面１６ａ）は、透光性の部材で構成される。射出面１６ａは、例えば、ガラス板やプラスチック板で構成される。

なお、射出面１６ａにレンズとしての機能を発揮させても構わない。例えば、ピックアップレンズ１４を含めて射出面１６ａを構成してもよい。射出面１６ａのうち光の透過する部分にピックアップレンズ１４を埋め込むように設けることで、上述したガラス板やプラスチック板などが不要となるため、部品点数の削減や省スペース化を図ることができる。また、ケーシング１６のうち、射出面１６ａ以外の部分は、熱伝導性の高い材料、例えば金属材料で構成される。

以上説明したように、蛍光体ホイール１が、外部と遮断された蛍光体ホイール収容部２０に収容されるので、蛍光体層３の表面に埃が直接付着するのを防ぐことができる。上述したように、蛍光体層３のごく一部の領域に向けてレーザー光が集光されるので、蛍光体層３に埃が直接付着すると光の進行を妨げやすく、光の利用効率が低下しやすくなる。一方、本実施例では、蛍光体層３の表面のうちレーザー光が照射される領域に埃が直接付着するのを防ぐことができるので、光の利用効率の低下を抑えることができる。

また、蛍光体層３を透過する光のエネルギーの一部が熱に変換されるとともに、その照射領域がごく一部の領域であるため、蛍光体層３の光の照射領域は非常に高温になりやすい。したがって、高温になりやすい蛍光体層３の表面への埃の付着を防ぐことによる不具合の発生、例えば、付着した埃の焦げ付きによる光の利用効率の低下などを抑えることができる。

また、光源１１と蛍光体ホイール１とが別々の空間に収容されるので、一方で発生した熱が他方に伝わりにくくなる。これにより、例えば、光源１１で発生した熱により蛍光体ホイール１の冷却効率が低下して光の変換効率が低下したり、蛍光体ホイール１で発生した熱により光源１１の冷却効率が低下して発光効率が低下したりすることを抑制することができる。

また、駆動部１５が、外部と遮断された密閉空間である蛍光体ホイール収容部２０の内部に収容されるので、駆動部１５の駆動によって発生する騒音が外部に漏れにくくなる。これにより、光源装置１０の駆動時の静粛性の向上を図ることができる。

また、ケーシング１６の一部が熱伝導性の高い金属材料で構成されているので、ケーシング１６からの放熱効率を向上させることができ、蛍光体ホイール１や光源１１で発生した熱を、ケーシング１６を介して効率よく外部に放熱させることができる。

なお、本実施例１では、ケーシング１６の内部に光源収容部１９を形成して光源１１を収容するように構成しているが、これに限られず、光源収容部１９を形成せずに光源１１をケーシング１６の外部に設けてもよい。また、蛍光体ホイール収容部２０には、蛍光体ホイール１さえ収容されていれば、蛍光体層３の表面への埃の付着を防ぐことができるので、集光レンズ１３、ピックアップレンズ１４、駆動部１５などは、蛍光体ホイール収容部２０の外部に設けられても構わない。また、蛍光体ホイール収容部２０内での熱の発生量が増大してしまうものの、蛍光体ホイール収容部２０に光源１１も収容するように構成しても構わない。

［変形例１］
図５は、実施例１の変形例１に係る光源装置１０の分解斜視図である。図５に示すように、本変形例１では、ケーシング１６の外周面、特に金属で構成された部分にフィン１６ｂが形成されている。フィン１６ｂがケーシング１６の外周面に形成されることで、ケーシング１６の放熱面積が増大されるので、ケーシング１６からの放熱効率をより一層向上させることができる。したがって、蛍光体ホイール１や光源１１で発生した熱を、ケーシング１６を介して効率よく外部に放熱させることができる。

［変形例２］
図６は、実施例１の変形例２に係る光源装置が備える蛍光体ホイール１の外観斜視図である。本変形例２では、基板２のうち蛍光体層３が塗布される面の反対面側に、複数の羽根部（流動部）２２が突出形成されている。蛍光体ホイール１が回転することで、複数の羽根部２２はその全体で、空気を流動させるシロッコファンとして機能する。

したがって、蛍光体ホイール１を回転させることで、蛍光体ホイール１の周囲の空気、すなわち蛍光体ホイール収容部２０の内部の空気を流動させることができ、蛍光体ホイール１の放熱効率をより一層向上させることができる。

なお、羽根部２２は、シロッコファンとして機能するものでなくてもよく、単に基板から突出するように形成された突起でもよい。このような突起であっても、蛍光体ホイール１を回転させれば、周囲の空気を流動させることができるので、蛍光体ホイール１の冷却効率の向上に寄与することができる。

図７は、本発明の実施例２に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。本実施例２に係るプロジェクター６０は、実施例１に係る光源装置１０を備える。蛍光体ホイール１には、光源１１から射出されたレーザー光が励起光として入射する。蛍光体ホイール１に入射したレーザー光は蛍光体層（図示を省略）を励起させ、蛍光体から蛍光が射出される。蛍光体層を透過した光と、励起された蛍光とにより、光源装置１０からは、赤色（Ｒ）光、緑色（Ｇ）光、青色（Ｂ）光を含む照明光が射出される。例えば、光源として青色レーザー、蛍光体として赤色と緑色の帯域を発光する蛍光体を含んだ蛍光体層とを用いれば、少ない構成で光の３原色を再現できる。

均一化光学系６４は、光源装置１０から入射した光の強度分布を均一化させる光学系であって、例えばロッドインテグレーターを有する。ダイクロイックミラー６５は、均一化光学系６４からの光のうちＢ光を透過させ、Ｒ光及びＧ光を反射する。ダイクロイックミラー６６は、Ｒ光を透過させ、Ｇ光を反射する。ダイクロイックミラー６５、６６は、光源装置１０からの光を色ごとに分離する色分離光学系として機能する。

ダイクロイックミラー６６を透過したＲ光は、反射ミラー６７、６８で反射した後、Ｒ光用の空間光変調装置７０Ｒへ入射する。空間光変調装置７０Ｒは、Ｒ光を画像信号に応じて変調する。ダイクロイックミラー６６で反射したＧ光は、Ｇ光用の空間光変調装置７０Ｇへ入射する。空間光変調装置７０Ｇは、Ｇ光を画像信号に応じて変調する。ダイクロイックミラー６５を透過したＢ光は、反射ミラー６９で反射した後、Ｂ光用の空間光変調装置７０Ｂへ入射する。空間光変調装置７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂは、例えば、透過型の液晶表示装置である。

色合成光学系であるクロスダイクロイックプリズム７１は、空間光変調装置７０Ｒ、７０Ｇ、７０Ｂでそれぞれ変調された各色光を合成する。投写光学系７２は、クロスダイクロイックプリズム７１で合成された各色光をスクリーン７３へ投写する。

プロジェクター６０は、蛍光体層の表面への埃の付着を抑えて光の利用効率の低下を抑えた光源装置１０を備えるので、信頼性を向上させて、高品質な画像を得ることが可能となる。なお、プロジェクター６０は、実施例１で説明した変形例１や変形例２に係る光源装置１０を備えるように構成してもよい。

また、プロジェクター６０は、空間光変調装置として透過型液晶表示装置を用いる場合に限られない。空間光変調装置としては、反射型液晶表示装置（Liquid Crystal On Silicon；ＬＣＯＳ）、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）、ＧＬＶ（Grating Light Valve）等を用いてもよい。

以上のように、本発明に係る光源装置は、プロジェクターに用いる場合に適している。

１ 蛍光体ホイール（波長変換部材）、２ 基板、２ａ 開口、３ 蛍光体層、５ 回転軸、１０ 光源装置、１１ 光源、１２ コリメートレンズ（集光光学系）、１３ 集光レンズ（集光光学系）、１４ ピックアップレンズ、１５ 駆動部、１６ ケーシング、１６ａ 射出面、１６ｂ フィン、１７ 上ケース、１８ 下ケース、１９ 光源収容部、２０ 蛍光体ホイール収容部（密閉空間）、２１ 駆動部保持部、２２ 羽根部（流動部）、６０ プロジェクター、６４ 均一化光学系、６５ ダイクロイックミラー、６６ ダイクロイックミラー、６７ 反射ミラー、６９ 反射ミラー、７０Ｒ 空間光変調装置、７０Ｇ 空間光変調装置、７０Ｂ 空間光変調装置、７１ クロスダイクロイックプリズム、７２ 投写光学系、７３ スクリーン

Claims (7)

1. 所定の回転軸を中心に回転可能とされた基板と、蛍光体を含んで前記基板に設けられた蛍光体層と、を有する波長変換部材と、
   光源と、
   前記光源から射出された励起光を前記蛍光体層に集光するように照射させる集光光学系と、
   前記波長変換部材と前記光源と前記集光光学系とを収容するケーシングと、を備え、
   前記集光光学系に含まれるレンズと前記ケーシングとによって構成された密閉空間に、前記波長変換部材が設けられ、
   前記レンズが、前記密閉空間と、前記光源を収容する空間とを区画していることを特徴とする光源装置。
2. 前記光源は、半導体レーザー又はＬＥＤを複数平面的に並べて構成され、前記光源を収容する空間を区画する壁の一部を構成している、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記基板を回転させる駆動部をさらに備え、
   前記駆動部は、前記密閉空間に収容されることを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記ケーシングの少なくとも一部が、金属材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記ケーシングの外周面には、放熱用のフィンが形成されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. 前記波長変換部材には、前記基板の回転によって前記密閉空間内の空気を流動させる流動部が形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の光源装置と、
   前記光源装置から射出された光を画像信号に応じて変調する空間光変調装置と、を備えることを特徴とするプロジェクター。

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