JP5812520B2 - 蛍光光源装置 - Google Patents
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Description
このような光源装置においては、例えば、特開2011−013316号公報(特許文献1)に開示されるものが知られていて、そこには、RGBの色光のうち、R(赤色)とB(青色)においては発光ダイオードから放射される光を用い、G(緑色)の光については蛍光物質から放射された蛍光を用いる機構の光源装置が開示されている。なお、このように、G(緑色)の色光について蛍光を使用する理由は、G(緑色)の色光を放射する発光ダイオードは、効率などを勘案すると実用可能なものがないという事情によるものである。
しかしながら、回転用の駆動機構を設けることから、駆動系の構成が複雑になるとともに、部材の耐久性という点でも対策が必要になる。その結果、装置全体をコンパクトに設計することや、長時間の高信頼性を得ることが困難になる。
具体的には、アルミニウムからなるヒートシンク上に、熱伝導特性の良好な窒化アルミニウム焼結体からなる基板を設け、かかる基板上に、熱膨張係数を適合するための硫酸バリウム層を介して、YAG焼結体からなる蛍光体層を積層し、蛍光を放射する構成である。蛍光は、レーザ光で励起され、例えば青色のレーザ光を蛍光体層に照射することにより蛍光を得ている。
すなわち、光源装置から放射された光は、プロジェクター装置の空間変調素子(例えば、液晶)などに照射されるが、それらには光学的な視野制限があるため、利用可能な光源の面積が限定的であり、出射面の領域を小さく構成する必要がある。一方、投影される映像の明るさを維持するために、プロジェクター装置にはスクリーン上で数千ルーメン(lm)以上となるような明るさが要求される。
光源装置においては、このような条件をクリアするには、数十W以上の励起光を蛍光体に照射しなければならないが、蛍光出射面ではその領域を小さくする必要があるので、この蛍光出射面と同じ領域に励起光を入射させようとすると、結局、励起光入射面が小さくなり、この小さな領域に集中して励起光を入射させることになり、蛍光体が過熱して、効率の低下や、熱的損傷(劣化)ならびに、基板を含めた構造体の破損が生じる可能性がある。
で実現性に乏しい。
また、前記波長変換部材は略直方体形状であって、前記励起光入射面と対向した面に、前記放熱面が形成されていることを特徴とする。
また、前記波長変換部材は、前記放熱面に、蛍光反射層を具備していることを特徴とする。
また、前記励起光透過・蛍光反射層に、励起光無反射層が積層されていることを特徴とする。
また、前記波長変換部材は略直方体形状であって、該波長変換部材の少なくとも1面が対向する面に対して傾斜していることを特徴とする。
また、前記波長変換部材における、前記励起光入射面、前記蛍光出射面および前記放熱面以外の前記基台と対向する面と、該基台との間に蛍光反射部材を設けたことを特徴とする。
また、前記蛍光反射部材が、前記基台側に設けられた蛍光反射鏡であって、該蛍光反射鏡と前記波長変換部材の対向する面との間が離間していて、その間に空気層が形成されていることを特徴とする。
また、前記波長変換部材は、母材が励起光及び蛍光に対して透明部材からなることを特徴とする。
それに加え、励起光が入射する励起光入射面が蛍光出射面よりも大きく構成されているので、高パワーの励起光を波長変換部材に投入する場合にも、該励起光が照射される励起光入射面を、蛍光出射面の大きさの制約を受けることなく大きくできて、波長変換部材の過熱を防止できる。
しかも、励起光入射面を大きくすることで波長変換部材の高温化を抑制することができるので、支持基台を介して放熱するだけでよく、波長変換部材を冷却する機構を別途設ける必要が無く、高信頼性と高効率を実現できる蛍光光源装置を提供することができる。
この励起用光源2は、例えば青色の光を放射する複数個のレーザーダイオード(LD)からなり、レーザーダイオード素子から放射された光は、レンズ、反射鏡等の光学系で集光されて、波長変換部材3に入射する。波長変換部材3は、この励起光Xを所定の波長域の蛍光Yに変換して出射する。
透光性セラミックスを母材とする場合、ルテチウムアルミニウムガーネット焼結体(LuAG多結晶体、屈折率1.83)、イットリウムアルミニウムガーネット焼結体(YAG多結晶体、屈折率1.83)を用いることができる。賦活材は、例えば、セリウム(Ce)、ユーロピウム(Eu)、テルビウム(Tb)等の希土類金属を使用できる。
また、母材としてガラスを使用する場合は、ホウケイ酸系ガラス、リン酸系ガラスを使用でき、賦活材としては上記と同様の希土類金属を用いることができる。
そのうち最大面積を有する面が励起光入射面31として形成されていて励起用光源2と対向し、それよりも小さい面積を有する面が蛍光出射面32として形成されている。蛍光出射面32において集光した蛍光Yを構成する上では、該蛍光出射面32は、最小面積を有する面に形成されているのが望ましい。
そして、励起光入射面31と対向する面(励起光Xの入射方向に対して裏面側の面)が放熱面33を構成している。
このように構成された波長変換部材3は、基台4に載置支持されている。該基台4は、高熱伝導特性を有する材質で構成されており、その具体的な材質名を列挙すると、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、窒化アルミニウム焼結体(AlN焼結体)などである。
この励起光透過・蛍光反射層31aは、励起光透過性が求められることから、金属蒸着膜は不適である。
しかもこの層においては、励起光Xの反射がないので、波長変換部材3内への励起光Xの入射がより高い効率で行なわれ、波長変換部材3内での蛍光への変換が高効率なものとなる。
こうすることで、放熱面33を、励起光入射面31の面積と同程度の大きな面積を有する面によって形成することができ、波長変換部材3の熱は、接合層33bを介して速やかに効率的に基台4に伝達され、波長変換部材3の過熱を抑制できるようになる。
なお、この基台4に接合される放熱面33を除いた、他の面においては、半田付けは必須ではないが、放熱の効果を得るためには基台4に接触していることが望ましい。
この理由は、以下の通りである。
すなわち、波長変換部材3は、青色の光を励起光Xとして吸収し、緑色波長帯域の蛍光Yを放射する。
波長変換部材3の母材が透明体である場合、等方性を備えているので、蛍光は波長変換部材3内で全方位に拡散する。このうち蛍光出射面32に向かう光は、該蛍光出射面32に対して特定の角度範囲で入射する光(臨界角以内の角度で入射した光)のみが、その蛍光出射面32から出射することになるが、臨界角を超える角度で入射する蛍光は境界面で全反射されて波長変換部材3内に戻される。
なお、この励起光入射面31に励起光透過・蛍光反射層31aが設けられている場合には、臨界角以内の光であっても、該蛍光反射層31aによって反射されて波長変換部材3内に戻される。
θ=sin−1(n0/n’)
と表される。
従って、例えば、母材として屈折率が1.83である透明なYAG多結晶を用いた場合、蛍光は約33°未満の角度で入射した場合に出射するが、この範囲を超えると全反射が生じる。
このため、波長変換部材3の各面から8%、全面で約半分が放出され、残りの半分は、臨界角により内部に閉じ込められることになる。つまり、波長変換部材3が蛍光反射層31aを具備しない面を備えていても、そもそも母材の屈折率の効果で光を閉じ込めることができるので、効率を低下させずに蛍光を取り出す機能を具備している。
以上の理由から、波長変換部材3の母材は蛍光に対して透光性を備えた部材で構成するのが良い。
波長変換部材3において界面に対して臨界角以内の角度範囲で入射した光は、該波長変換部材3から出射するが、残りは、その内部に戻り、相互反射を繰り返すことになる。
結局、該波長変換部材3で変換された蛍光は、各面で相互反射を繰り返し、蛍光出射面32で、臨界角θ内で入射した光だけが出射されるようになる。
以上のことから、波長変換部材3を透明部材とし、表面を平滑面にして反射損失の無い全反射をできるだけ利用することで、蛍光出射面32までの光導光を効率よく行うことができ、より高輝度の蛍光光源装置を得ることが可能となる。
図2の例では、波長変換部材3の下方側の面、即ち、蛍光出射面32と反対側の底面34に対向して、基台4側に蛍光反射部材として、別体構造の蛍光反射鏡35が設けられたものが示されている。
この蛍光反射鏡34としては、具体的には、基板に誘電体多層膜や金属蒸着膜等の反射鏡膜が形成された反射板が用いられる。誘電体多層膜は、シリカ(SiO2)と酸化チタン(TiO2)を交互に積層したものや、シリカ(SiO2)と酸化タンタル(Ta2O5)を交互に積層したもの、などからなる。またその他に、金属蒸着膜として、銀(Ag)の蒸着膜が利用できる。
一方、基台4側に蛍光反射鏡35を設けるものでは、前記誘電体多層膜を形成するものに比べて、熱伝達の面では劣るものの、コスト面での優位さがある。また、後述する図4に実施例の説明にあるように、蛍光反射鏡35を波長変換部材3と離間させて配置することにより、反射鏡での光吸収が減少するという効果も期待できる。
つまり、蛍光反射部材として、別体構造の蛍光反射鏡を用いるか、波長変換部材に蛍光反射層を形成したものを用いるかは、これらを勘案して選択される。
この場合も、この波長変換部材3の底面34と基台4との間には、蛍光反射鏡35が設けられている。
この実施例のように、側面の一部を傾斜面にすることで、波長変換部材3の内部に閉じ込められた光の反射角度を変えることができるので、蛍光出射面32で全反射していた光が反射を繰り返すうちに、その入射角が変わりこれを取り出すことができるようになって、蛍光の取り出し効率を高くすることができるようになる。
なお、この例では、放熱面33の面積が励起光入射面31より縮小されて形成されているが、このような場合においても、放熱面33は、蛍光出射面32よりも面積が大きくなるよう、傾斜面34の傾斜角度が調整されているのが良い。
図4(A)に示すように、波長変換部材3は、蛍光出射面32と対向する底面34が、基台4に設けた蛍光反射鏡35と離間していて、これらの間に空気層Sが形成されている。
図4(A)のA部の部分拡大図である図4(B)において、波長変換部材3内で、図中Pで示すように、底面34に臨界角θ以上の角度で入射した光は底面34において全反射されるが、図中Qで示すように、臨界角θの範囲内で入射する光は底面34から出射して、空気層Sで屈折された後に蛍光反射鏡35に入射する。ここで、反射した光は、再び波長変換部材3に入射して、当該波長変換部材3の内部を透過する。
図2で示されるように、波長変換部材3の底面34に蛍光反射鏡35が当接している場合には、これらいずれの光も共に蛍光反射鏡35に反射されるが、この反射鏡35での反射の際に吸収が起きて光の損失が生じる。
これに対して、図4の実施例では、底面34で全反射する光と、該底面34から出射して蛍光反射鏡35で反射する光とに分けられ、これらのうち境界面(底面34)での全反射では光の吸収損失がないので、全体として、反射鏡35による光吸収が減少することになり、全体の光の吸収損失を低く抑えることができるという効果を奏するものである。
この励起光無反射層は、励起光を約99.5%の割合で透過する膜により構成され、具体的には、フッ化マグネシウム(MgF2)やフッ化カルシウム(CaF2)等の単層膜、もしくは、酸化マグネシウム(MgO)層と前記膜のいずれかを積層した誘電体膜、その他の誘電体膜の組合せからなる。
このような誘電体膜は、特定の波長領域(即ち励起光の波長域)の光の反射を0.5%程度にまで抑えることができる。
これにより、励起光Xが効率的に波長変換部材3内に取り込まれて、蛍光への変換効率が向上する。
波長変換部材(3)の仕様:
材料:母材 LuAG多結晶体(屈折率 1.83)
賦活材 希土類金属としてセリウム(Ce)を0.5W%添加
形状:直方体 幅3mm×高さ6mm×厚さ1.7mm
○励起光入射面(31):3mm×6mm(最大面積)
○蛍光出射面(32):3mm×1.7mm(最小面積)
○放熱面(33):3mm×6mm(最大面積)
(1)励起光入射面(31)の形成される励起光透過・蛍光反射層(31a):
(SiO2+TiO2)又は(SiO2+Ta2O5)の誘電体多層膜
厚さ 4〜6μm
(2)放熱面(33)に形成される蛍光反射層(33a):
・(SiO2+TiO2)又は(SiO2+Ta2O5)の誘電体多層膜
厚さ 4〜6μm
又は、
・銀(Ag)の蒸着膜 厚さ 0.5μm
(3)底面(34)に設けられる蛍光反射部材:
○蛍光反射鏡(35)
セラミックス、ガラス、Al等の金属からなる基材上に、反射膜
を形成
・(SiO2+TiO2)又は、(SiO2+Ta2O5)の誘電体
多層膜 厚さ 2〜3μm
又は、
・銀(Ag)の蒸着膜 厚さ 0.5μm
○蛍光反射層
波長変換部材(3)の表面に反射膜を形成
・(SiO2+TiO2)又は、(SiO2+Ta2O5)の誘電体
多層膜 厚さ 4〜6μm
又は、
・銀(Ag)の蒸着膜 厚さ 0.5μm
フッ化マグネシウム(MgF2:n=1.38)と、酸化マグネシウム
(MgO:n=1.7)の多層膜:
フッ化マグネシウム(MgF2) 膜厚d=160nm
酸化マグネシウム(MgO) 膜厚d=130nm
励起用光源2から入射した励起光Xが、蛍光光源装置1の波長変換部材3によってG光の蛍光Yに変換され、その蛍光出射面32から出射される。蛍光光源装置1から出射されたG光の蛍光Yは、集光レンズ群50等を介して集光され、前方に配置されたダイクロイックミラー51を透過し、その前方にある凸レンズ52に入射する。
一方、R・B光源となるレーザーダイオード(LD)53は、蛍光光源装置1と位置が異なって配置されており、ここから出射した光が同じく集光レンズ54等を介して集光され、前方にあるダイクロイックミラー51によって反射され、ここで波長変換部材3からの光Gと混合されて、凸レンズ52に入射する。
この凸レンズ52を透過して集光されたR,G,B光は、例えば板状反射ミラー55で反射され、プロジェクター装置の導光部材60の入射端に入射するものである。
また、狭小な蛍光出射面を、その前方の光学系の設計に適合させることができ、従来LDでは放射できなかったG光を、狭小化して出射することができるので、出射強度が高くて高効率な光の利用が可能な、G光放射蛍光光源装置となる。
更に、放熱面も励起光入射面と同様に大きな面積のものとすることで、波長変換部材の放熱が良好に行われて、蛍光への変換効率の低下が生じにくい蛍光光源装置とすることができる。
この結果、プロジェクター装置等の光源装置として好適に利用できる、高い信頼性を備えた効率の良好な光源装置とすることができる。
2 励起用光源
3 波長変換部材
31 励起光入射面
31a 励起光透過・蛍光反射層
31b 励起光無反射層
32 蛍光出射層
33 放熱面
33a 蛍光反射層
33b 接合層
34 底面
35 蛍光反射鏡
4 基台
X 励起光
Y 蛍光
S 空気層
Claims (7)
- 蛍光物質を励起するための励起用光源と、該励起用光源からの励起光の波長を変換するための蛍光物質を備えた波長変換部材とを有する蛍光光源装置において、
前記波長変換部材は基台に支持されるとともに、
前記波長変換部材は、励起光が入射する励起光入射面と、前記励起光から変換された蛍光が出射する蛍光出射面と、前記基台に当接する放熱面とを、それぞれ別個に具備してなり、
前記励起光入射面は、前記蛍光出射面よりも大きな面積を備え、
前記波長変換部材における、前記励起光入射面、前記蛍光出射面および前記放熱面以外の前記基台と対向する面と、該基台との間に蛍光反射部材を設け、
前記蛍光反射部材が、前記基台側に設けられた蛍光反射鏡であって、該蛍光反射鏡と前記波長変換部材の対向する面との間が離間していて、その間に空気層が形成されている
ことを特徴とする蛍光光源装置。 - 前記波長変換部材は略直方体形状であって、
前記励起光入射面と対向した面に、前記放熱面が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の蛍光光源装置。 - 前記波長変換部材は、前記放熱面に、蛍光反射層を具備していることを特徴とする請求項1または2に記載の蛍光光源装置。
- 前記波長変換部材は、前記励起光入射面に、励起光透過・蛍光反射層が設けられていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の蛍光光源装置。
- 前記励起光透過・蛍光反射層に、励起光無反射層が積層されていることを特徴とする請求項4に記載の蛍光光源装置。
- 前記波長変換部材は略直方体形状であって、
該波長変換部材の少なくとも1面が、対向する面に対して傾斜していることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の蛍光光源装置。 - 前記波長変換部材は、母材が励起光及び蛍光に対して透明部材からなることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の蛍光光源装置。
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