JP5780153B2 - 光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び該光源装置を使用した投射型表示装置に関する。

この種の光源装置として、図１３に示すように、光源であるＬＥＤ２０１をキャビティ構造体２０２に実装し、このキャビティ構造体２０２の開口面（発光面）側に空隙２０６を介してライトトンネルなどの導光体２０５を配置したものが知られている。この場合の空隙２０６は、キャビティ構造体２０２と導光体２０５の組み立てに必要なマージンとして確保している。

また、図１４に示すように、半導体レーザ発光器２５１からの光束を、回転支持されたガラス基板２５２上に形成した蛍光体２５３に照射し、この蛍光体２５３が発光する近傍でガラス基板２５２から離れた位置に、ライトトンネルなどの導光体２５４を配置した光源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この場合も、ガラス基板２５２上の蛍光体２５３とライトトンネルなどの導光体２５４との間には空隙２５６が存在している。

特開２００９−２７７５１６号公報

ところで、上述したように従来の光源装置では、キャビティ構造体２０２や蛍光体２５３とライトトンネルなどの導光体２０５、２５４との間に空隙２０６，２５６が存在していたので、その空隙２０６、２５６から光が漏れてしまい、光の利用効率が低いという問題があった。

本発明は、上記事情を考慮し、光の漏れを無くして、光の利用効率の向上を図ることのできる光源装置及び該光源装置を使用した投射型表示装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、請求項１の発明の光源装置（Ｍ１，Ｍ２）は、発光体（２２）と、該発光体（２２）の発光面に入射側の開口を位置させて配置されたライトトンネル（１３）と、を備える光源装置において、前記発光体は、蛍光体組立体（２２）で構成され、 前記蛍光体組立体は、当該蛍光体組立体の裏面に当該蛍光体組立体と一体型に形成された放熱用のヒートシンク（２１）と、外部からの励起光により発光する蛍光体層（１２ｃ）と、を備え、前記ヒートシンクは、当該ヒートシンクの表面の一部に凸部（２１ａ）が形成され、前記蛍光体層は、前記ヒートシンクの表面の一部に形成された前記凸部を基板として、当該基板の表面に反射膜（１２ｂ）を介して形成され、前記蛍光体組立体の前記蛍光体層側に前記ライトトンネルの入射側の開口が配置され、前記ライトトンネルの入射側の開口縁（１３ａ）は、前記ヒートシンクの表面の一部に形成された前記凸部の周側面に当接していることを特徴とする光源装置。

請求項２の発明は、請求項１に記載の光源装置（Ｍ１，Ｍ２）であって、前記ライトトンネル（１３）の射出側に前記励起光を発するレーザ発光器（５１）が配置されていることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光源装置（Ｍ１，Ｍ２）であって、前記蛍光体層（１２ｃ）は、青色、緑色、赤色のそれぞれの蛍光体が所定の比率に応じた領域で備えられていることを特徴とする。

請求項４の発明の投射型表示装置は、光源装置（Ｍ１）と、光源装置からの光を変調する表示素子（６２，８１，８２，８３）と、前記表示素子から射出された画像をスクリーンに投影する投射レンズ（６１，９０）と、を備え、前記光源装置の少なくとも１つが、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置（Ｍ１）よりなることを特徴とする。
請求項５の投射型表示装置であって、前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置（Ｍ１）よりなる前記光源装置は、緑色の光源として使用することを特徴とする投射型表示装置。

請求項１の発明によれば、ライトトンネルの入射側の開口縁は、ヒートシンクの表面の一部に形成された凸部の周側面に当接している。これにより、ライトトンネルと発光体との間の隙間を無くすことができ、発光体からの光を、漏れなくライトトンネルを通して外部に射出することができ、光の利用効率を高めることができる。
請求項１の発明によれば、励起光によって励起された蛍光体層からの光を、漏れなくライトトンネルを通して外部に射出することができる。
請求項１の発明によれば、ヒートシンクの表面の一部に形成された凸部を基板とし、この基板の表面に反射膜を介して蛍光体層が形成されている。これにより、蛍光体層からの光を反射膜で反射しながら、効率良くライトトンネルを通して外部に射出することができる。
請求項１の発明によれば、蛍光体組立体の裏面に放熱用のヒートシンクが配置されている。これにより、蛍光体組立体の放熱をヒートシンクにより効果的に行うことできるので、蛍光体組立体の信頼性を向上させることができる。
請求項１の発明によれば、ヒートシンクと蛍光体組立体とが一体型に形成され、ヒートシンクの表面に形成された凸部を蛍光体層を形成する基板としているので、蛍光体組立体の組立の簡略化をはかることができる。

請求項２の発明によれば、ライトトンネルの射出側に励起光を発するレーザ発光器が配置されている。これにより、レーザ光によって励起された蛍光体層からの光を反射膜で反射しながら、効率良くライトトンネルを通して外部に射出することができる。

請求項３の発明によれば、励起光をライトトンネルを介して高効率で蛍光体を励起し、高効率で青、緑、赤の最適化されたバランスの白色光を得ることができる。

請求項４の発明によれば、光源装置として請求項１〜３のいずれかに記載の光源装置を備えているので、上述の効果を奏することができる。
請求項５の発明によれば、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置よりなる光源装置は、緑色の光源として使用される。これにより、請求項５の発明は、青色及び赤色と比較して発光強度が小さい緑色の発光強度を大きくすることができる。

本発明の第１実施形態の光源装置の要部の断面図である。 同光源装置に使用される蛍光体組立体の拡大断面図である。 実施形態の光源装置の第１の構成例を示す模式図である。 実施形態の光源装置の第２の構成例を示す模式図である。 本発明の第２実施形態の光源装置の構成図で、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）はヒートシンク一体型の蛍光体組立体の断面図である。 図３の第１の構成例の光源装置を含む投射型表示装置の一例を示す模式図である。 実施形態の光源装置と従来の光源装置の光強度を比較した図で、（ａ）は実施形態の光源装置の緑光強度を示す説明図、（ｂ）は従来の光源装置の緑光強度を示す説明図である。 実施形態の光源装置と従来の光源装置の緑光の白バランスを比較した色度図で、（ａ）は実施形態の光源装置の緑光の白バランスの色度図、（ｂ）は従来の光源装置の緑光の白バランスの色度図である。 図３の第１の構成例の光源装置を含む投射型表示装置の別の例を示す模式図である。 図９に示す投射型表示装置に使用される光源装置の要部の構成図で、（ａ）は蛍光体組立体の蛍光体層として白色蛍光体層を有する場合の例、（ｂ）は蛍光体組立体の蛍光体層としてＲ、Ｇ、Ｂの３色の蛍光体層を有する場合の例を示す図である。 実施形態の光源装置に用いられる３色の蛍光体層の蛍光体の分光特性と励起光源であるレーザ発光器からの紫外または近紫外光の分光特性を示す図である。 実施形態の光源装置に用いられる３色の蛍光体層と白色発光体層の色度範囲を示す図である。 従来の光源装置の例を示す図である。 別の従来の光源装置の例を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。

図１は第１実施形態の光源装置の要部の断面図、図２は同光源装置に使用される蛍光体組立体の拡大断面図、図３は光源装置の第１の構成例を示す図、図４は光源装置の第２の構成例を示す図である。

図３および図４に示すように、実施形態の光源装置Ｍ１、Ｍ２は、光源組立体１０と、レーザ発光器５１と、光源組立体１０とレーザ発光器５１との間に配置されたダイクロイックミラー５３およびレンズ５２，５４と、から構成されている。図３の例では、レーザ発光器５１は、光源組立体１０の光軸上に配置されているのに対し、図４の例では、レーザ発光器５１は、光源組立体１０の光軸と直交する軸線上に配置されている。

図１に示すように、光源組立体１０は、レーザ発光器５１からの励起光により発光する蛍光体層１２ｃを有した蛍光体組立体（発光体）１２と、蛍光体組立体１２の蛍光体層（発光面）１２ｃ側に入射側の開口を位置させて配置されたライトトンネル１３と、ライトトンネル１３と反対側に配置されて蛍光体組立体１２の裏面に上面が密着したヒートシンク１１と、から構成されている。

ライトトンネル１３は、ガラス基板の片面に反射ミラー層が形成された４枚の短冊状ミラーを、ミラー面が内側になるように配置して組み立てたもので、蛍光体層１２ｃからの光を効率よく射出面に導くよう、射出面に向かって開口が広がる角筒形状をなしており、ライトトンネル１３の入射側の開口縁１３ａが、蛍光体組立体１２の外周縁部に隙間なく当接している。また、蛍光体組立体１２は、金属や高熱伝導性のセラミクスやガラスなどの基板１２ａの表面に蛍光体層１２ｃを形成し、蛍光体層１２ｃと基板１２ａとの間に金属反射膜１２ｂを形成したものである。

図３において、レーザ発光器５１からの光は、レンズ５２、ダイクロイックミラー５３、レンズ５４を通して、ライトトンネル１３内の蛍光体組立体１２の蛍光体層１２ｃに照射され、蛍光体層１２ｃの発する光は、ライトトンネル１３から射出され、ダイクロイックミラー５３で反射して、表示装置の照明光として利用される。

また、図４において、レーザ発光器５１からの光は、ダイクロイックミラー５３で反射されて、ライトトンネル１３に入射し、ライトトンネル１３内に設けられた蛍光体組立体１２の蛍光体層１２ｃに照射され、蛍光体層１２ｃの発する光は、ライトトンネル１３から射出され、ダイクロイックミラー５３を透過して、表示装置の照明光として利用される。

このように光源として利用される際に、光源組立体１０のライトトンネル１３の入射側の開口縁１３ａが蛍光体組立体１２の外周縁部に当接しているので、ライトトンネル１３と蛍光体組立体１２との間の隙間を無くすことができ、蛍光体層１２ｃからの光を、漏れなくライトトンネル１３を通して外部に射出することができ、光の利用効率を高めることができる。

特に、基板１２ａと蛍光体層１２ｃとの間に金属反射膜１２ｂが設けられているので、レーザ光によって励起された蛍光体層１２ｃからの光を反射膜１２ｂで反射しながら、効率良くライトトンネル１３を通して外部に射出することができる。また、蛍光体組立体１２の放熱をヒートシンク１１により効果的に行うことできるので、蛍光体組立体１２の信頼性を向上させることができる。

図５は本発明の第２実施形態の光源装置の構成図で、（ａ）は要部の断面図、（ｂ）はヒートシンク一体型の蛍光体組立体の断面図である。

上述した第１実施形態では、ヒートシンク１１と蛍光体組立体１２は別体になっていたが、この第２実施形態の光源組立体２０では、ヒートシンク一体型の蛍光体組立体２２が使用されている。このヒートシンク一体型の蛍光体組立体２２は、ヒートシンク２１の表面の一部に凸部２１ａを形成し、その凸部２１ａを基板として、その表面に金属反射膜１２ｂを介して蛍光体層１２ｃを形成したものである。そして、ライトトンネル１３の開口縁１３ａは、蛍光体組立体２２の凸部２１ａの周側面に隙間なく当接している。なお、金属反射膜１２ｂは、ヒートシンク２１をアルミニウムなどの金属で構成した場合、凸部２１ａの表面を鏡面仕上げすることで構成してもよい。この第２実施形態の光源組立体２０も、図３および図４に示すように、レーザ発光器５１と組み合わせられて光源装置を構成する。この実施形態では、第１実施形態の効果に加えて、ヒートシンク２１の表面の一部を基板として、蛍光体組立体２２が構成されているので、組立の簡略化を図ることができる。

図６は、図３に示した光源装置Ｍ１を、Ｇ（緑色）の光源として使用した投射型表示装置の構成図である。

この投射型表示装置には、Ｇ（緑色）の光源としての光源装置Ｍ１の他、Ｒ（赤色）の光源装置Ｍ３とＢ（青色）の光源装置Ｍ４とが備わっている。Ｒ（赤色）の光源装置Ｍ３は、赤色発光ダイオード５６とライトトンネル１３とレンズ５４を組み合わせたものである。Ｂ（青色）の光源装置Ｍ４は、青色発光ダイオード５７とライトトンネル１３とレンズ５４を組み合わせたものである。そして、これら光源装置Ｍ１、Ｍ３、Ｍ４と、ダイクロイックミラー５３、６５と、レンズ６４と、ＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）６３と、表示素子６２と、投影レンズ６１とにより、投射型表示装置が構成されている。ＰＢＳ６３はワイヤーグリッドタイプのＰＢＳを用いているが、ガラスブロックの間に偏光ビームスプリッタ膜が挟まれた構造のＰＢＳを使用しても良い。ここでは、レンズ５２、５４、６４、ダイクロイックミラー５３、６５、ＰＢＳ６３により、光源装置Ｍ１、Ｍ３、Ｍ４からの光を表示素子６２に導光する。そして、投射レンズ６１及びＰＢＳ６３により、表示素子６２から射出された画像を投射レンズ６１によりスクリーンに投影する。なお、表示素子６１は、反射型液晶素子やディジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）等の反射型表示素子であってもよいし、透過型液晶素子であってもよい。

この投射型表示装置においては、レーザ発光器５１からの光は、４００ｎｍ程度からより短波長の光線でダイクロイックミラー５３を透過し、ライトトンネル１３内に設けた蛍光体層１２ｃに照射され、蛍光体層１２ｃが発光するグリーン光は、ライトトンネル１３を射出し、ダイクロイックミラー５３で反射し、ダイクロイックミラー６５を透過し、ＰＢＳ６３を透過して、表示素子６２を照明する。また、赤色発光ダイオード５６の光は、ライトトンネル１３を射出し、ダイクロイックミラー５３、ダイクロイックミラー６５を透過し、ＰＢＳ６３を透過して、表示素子６２を照明する。また、青色発光ダイオード５７の光は、ライトトンネル１３を射出し、ダイクロイックミラー６５で反射され、ＰＢＳ６３を透過して、表示素子６２を照明する。表示素子６２は、Ｒ、Ｇ、Ｂと同期した信号でそれぞれのＲ、Ｇ、Ｂ画像を表示することで、所望の画像を投射レンズ６１でスクリーンなどに投影する。

図７（ａ），（ｂ）は、本実施形態のＧ（緑色）の光源として光源装置Ｍ１を用いた場合と、図１３に示す従来の光源としてＬＥＤを用いた場合の緑光強度を比較した説明図である。

図１３に示す従来の光源装置では、キャビティ構造体２０２とライトトンネルなどの導光体２０５との間に空隙２０６が存在していたので、その空隙２０６から光が漏れるため、光の取り込み効率が低く、また、図７（ｂ）に示すように、緑色の波長領域の光出力は、青色、赤色と比較してピークも低く、面積も小さいが、本実施形態の光源装置Ｍ１では、緑のＬＥＤに替わり、レーザ発光器５１による半導体レーザ（紫外線）励起による蛍光体層１２ｃの緑発光にすることで、緑の発光強度を比較的に大きくすることができる。図７（ａ）に示すように、図７（ｂ）の従来の光源装置と比較して緑色の波長領域の光出力がピーク、面積とも増加していることが判る。半導体レーザなどのレーザ光源はエタンデューが小さく、複数のレーザを束ねても高効率で蛍光体層１２ｃに集光でき、励起が可能である。

また、図８（ａ），（ｂ）は、本実施形態のＧ（緑色）の光源として光源装置Ｍ１を用いた場合と、図１３に示す従来の光源としてＬＥＤを用いた場合の緑光の白バランスを比較した色度図である。

図８（ｂ）に示すように、従来の光源としてＬＥＤを用いた場合には、色度図で白菱形のポイントがシミュレーションで求めた白色の値で黒体輻射からの偏差がほぼ−０．０２５程度になるため、黒体輻射からの許容偏差±０．０１からずれている。すなわち、ＲＧＢ３原色の光出力のバランスが崩れているため、所望の白色光出力がでないが、図８（ａ）に示す本実施形態のシミュレーション結果では、白色の菱形のポイントが白色の値で黒体輻射からの偏差は±０．０１内で白バランスのとれた状態となる。これにより、半導体レーザ（紫外線）の励起光で緑の発光体層１２ｃを励起し、発光体層１２ｃが発光した緑光を空隙のないライトトンネル１３でもれなく照明光に利用し、最大効果を発揮できることが判る。尚、図８（ａ），（ｂ）中、ＨＤＴＶは、Ｈｉｇｈ Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ高精細テレビ（高品位テレビ）の略で、標準画質テレビ（ＳＤＴＶ）と比較して２倍以上の高解像度である。また、Ｄ６５は、ＣＩＥ（国際照明委員会）、ＩＳＯという公機関の基準の光源（どういう光源であるか規格化された１つ）で、昼間の光で照らされている物体色の測定用光源であり、プロジェクタ等で良く使われる。さらに、ＤＣＩは、デジタルシネマ（近年の高輝度化されたプロジェクタで上映された映画）を規格化したものでＤＣＩ規格のことをいい、ＮＴＳＣは、Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｌｅｖｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｃｏｍｍｉｔｔｅ（全米テレビジョン放送方式標準化委員会）の略称である。

図９は、図３に示した光源装置Ｍ１を、白色光源として使用した投射型表示装置の構成図である。

この投射型表示装置では、レーザ発光器５１からの光は、ダイクロイックミラー５３を透過し、ライトトンネル１３に入射し、蛍光体層１２ｃが発光する白色光が、ダイクロイックミラー５３で反射し、分解光学系８０を経て、各色の表示素子８１、８２、８３を照明し、表示素子８１、８２、８３で画像形成された画像を、合成光学系８５を経て合成し、所望の画像を投射レンズ９０でスクリーンなどに投影する。

この白色光源として使用される光源装置Ｍ１は、例えば、図１０（ａ）に示すように、蛍光体組立体１２として全面が一様の白色蛍光体層１２Ｗを有しているか、図１０（ｂ）に示すように、Ｒ（赤色）、Ｇ（緑色）、Ｂ（青色）の３色の蛍光体層１２ＲＧＢを領域に分けして有している。

すなわち、図１０（ｂ）に示す蛍光体層１２ＲＧＢは、３つの領域に分割されており、紫外または近紫外光によって励起されて、青色光、緑色光、赤色光をそれぞれ発光するような青色発光体、緑色発光体、赤色発光体がそれぞれ塗布されている。

これにより、図９に示す光源装置Ｍ１を白色光源として使用した投射型表示装置において、紫外または近紫外の光を発光するレーザ発光器５１と、レーザ発光器５１から発せられた紫外または近紫外光をライトトンネル１３に集光するためのレンズ５２及びレンズ５４を配置し、レーザ発光器５１より発せられた紫外または近紫外光はライトトンネル１３に高効率で集光する。図１０（ｂ）に示すように、ライトトンネル１３の光入射側の開口部と反対側の端面には、ヒートシンク１１上に鏡面を形成するように金属反射膜１２ｂが成膜されている。その上に紫外または近紫外光によって励起されて、青色光、緑色光、赤色光をそれぞれ発光するような蛍光体が混合・塗布されて、蛍光体層１２ＲＧＢが形成されている。レーザ発光器５１からの紫外または近紫外光は、ライトトンネル１３内を多重反射を繰り返しながら蛍光体層１２ＲＧＢの各蛍光体に向かって進行し、ライトトンネル１３の端面の蛍光体層１２ＲＧＢの蛍光体を高効率で照明する。そして、レーザ発光器５１からの紫外または近紫外光により、励起され発光した青色光、緑色光、赤色光は、再びライトトンネル１３内を多重反射しながら逆行してレンズ５４に入射し、平行光となり、レーザ発光器５１からの紫外または近紫外光を透過し、青色より長波を反射するダイクロイックミラー５３により反射する。

図１１は、光源装置Ｍ１に用いられる３色の蛍光体層１２ＲＧＢの蛍光体の分光特性と励起光源であるレーザ発光器５１からの紫外または近紫外光の分光特性を示す。

図１２は、光源装置Ｍ１に用いられる３色の蛍光体層１２ＲＧＢと白色発光体層１２Ｗの色度範囲を示す。

ＲＧＢ蛍光体分割のＲＧＢ発光体を混合・分割させた場合、レーザ発光器５１からの紫外または近紫外光の励起光による白色発光の色度点は、Ｗ（ｘ、ｙ）：（０．２６３１，０．２３７９）となり、色温度３００００Ｋ、偏差−０．０１５８となり、青っぽい、紫がかった白になる。これを対策するために、蛍光体の領域分割を行い、白バランスの最適化を行う。例えばＤ６５に合わせると、緑、赤、青の蛍光体比率を１：０．９：０．４５にすることで、色温度６５００Ｋ、偏差０．００３２を実現する。

その際、緑、赤、青の蛍光体を混合して分散させると、蛍光体で発光した蛍光を他の色成分の蛍光体が吸収したり、複数の蛍光体を効率的に分散させるための製造方法など、定性的なノウハウによるところが多く、外見から判断しにくい。

そこで、図１０（ｂ）に示す３色の蛍光体層１２ＲＧＢのように、蛍光体層の面内で青色、緑色、赤色の各蛍光体を領域に分割し、その分割比率で白色バランスをコントロールすることで、定量的に蛍光体を管理することが可能になる。

Ｍ１，Ｍ２ 光源装置
１１ ヒートシンク
１２ 蛍光体組立体（発光体）
１２ａ 基板
１２ｂ 金属反射層
１２ｃ 蛍光体層
１２ＲＧＢ 蛍光体層
１３ ライトトンネル
１３ａ 開口縁
２１ ヒートシンク
２１ａ 凸部（ヒートシンクの表面の一部で基板を兼ねる）
２２ 蛍光体組立体（発光体）
５１ レーザ発光器
６１ 投射レンズ
６２ 表示素子
５２，５４，６４ レンズ
５３ ダイクロイックミラー
６５ ダイクロイックミラー
６３ ＰＢＳ
８０ 分解光学系
８１，８２，８３ 表示素子
８５ 合成光学系
９０ 投射レンズ

Claims (5)

1. 発光体と、
   前記発光体の発光面に入射側の開口を位置させて配置されたライトトンネルと、
   を備え、
   前記発光体は、蛍光体組立体で構成され、
   前記蛍光体組立体は、当該蛍光体組立体の裏面に当該蛍光体組立体と一体型に形成された放熱用のヒートシンクと、
   外部からの励起光により発光する蛍光体層と、
   を備え、
   前記ヒートシンクは、当該ヒートシンクの表面の一部に凸部が形成され、
   前記蛍光体層は、前記ヒートシンクの表面の一部に形成された前記凸部を基板として、当該基板の表面に反射膜を介して形成され、
   前記蛍光体組立体の前記蛍光体層側に前記ライトトンネルの入射側の開口が配置され、
   前記ライトトンネルの入射側の開口縁は、前記ヒートシンクの表面の一部に形成された前記凸部の周側面に当接していることを特徴とする光源装置。
2. 請求項１に記載の光源装置であって、
   前記ライトトンネルの射出側に前記励起光を発するレーザ発光器が配置されていることを特徴とする光源装置。
3. 請求項１または２に記載の光源装置であって、
   前記蛍光体層は、青色、緑色、赤色のそれぞれの蛍光体が所定の比率に応じた領域で備えられていることを特徴とする光源装置。
4. 光源装置と、光源装置からの光を変調する表示素子と、前記表示素子から射出された画像光をスクリーンに投影する投射レンズと、を備え、
   前記光源装置の少なくとも１つが、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置よりなることを特徴とする投射型表示装置。
5. 請求項４に記載の投射型表示装置であって、
   前記請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置よりなる前記光源装置は、緑色の光源として使用することを特徴とする投射型表示装置。

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