JP6019762B2 - 光源装置及びこの光源装置を備えたプロジェクタ - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及びこの光源装置を備えたプロジェクタに関する。

プロジェクタに使用される光源装置として、青色光を射出する光源と蛍光体を用いて、青色光と緑色光を取り出す技術が開示されている（例えば、特許文献１）。特許文献１には、青色光を射出する光源と、光源からの光で励起されることで所定の波長の光を発する蛍光体が配設された蛍光体領域と光源からの光を透過させる透過領域とを有する蛍光ホイールと、を備える蛍光発光装置が記載されている。

特開２０１１―１３３７８４号

しかしながら、特許文献１のような蛍光ホイールは、蛍光ホイールに取り付けられたホイールモータによって駆動するが、ホイールモータの寿命が来ると蛍光ホイールが停止してしまうため、長時間に亘って駆動し続けることが困難であった。また、蛍光ホイールは回転駆動するため、蛍光体が励起されることで生じる熱を排熱可能な部材を蛍光体に接合するように設けることができなかった。このため、蛍光体で生じる熱を十分排熱することができず、蛍光体の劣化が早まり、蛍光体の長期寿命の確保が困難であった。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、蛍光ホイールを用いることなく長時間に亘って性能を維持することができる光源装置を提供することを目的とする。

一態様に係る光源装置は、第１光源と、蛍光体を有する波長変換部材と、第１光源からの光が波長変換部材に向かって進行する経路上に設けられ、第１光源からの光の透過と反射とを切り替えるための光制御部材と、を備える。

本発明によれば、長時間に亘って性能を維持することができる光源装置を提供することができる。

本発明に係る光源装置の上面図である。 本発明に係る波長変換装置の平面図である。 図２における波長変換装置のＡ−Ａの断面図である。 本発明に係るプロジェクタの内部構造を示す上面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る光源装置及びプロジェクタを実施するための形態について説明する。ただし、以下に示す形態は、本発明の技術思想を具体化するための例示であって、本発明を以下に限定するものではない。また、各図面が示す部材の位置や大きさ等は、説明を明確にするため誇張していることがある。同一の名称、符号については、原則として同一もしくは同質の部材を示しており、重複した説明は省略する。

図１は、本発明に係る光源装置１００の上面図である。図２は、本発明に係る波長変換装置３０の平面図である。図３は、図２における波長変換装置３０のＡ−Ａの断面図である。なお、図1では、波長変換部材３１の一側面が光源装置１００の上面を向くように配置される。

図１に示すように、光源装置１００は、第１光源１０と、蛍光体を有する波長変換部材３１と、第１光源１０からの光が波長変換部材３１に向かって進行する経路上に設けられ、第１光源１０からの光の透過と反射とを切り替えるための光制御部材４０と、を備える。

これにより、第１光源１０からの光は、２種類の波長の異なる光（すなわち、第１光源１０と同じ波長の光及び波長変換部材３１で第１光源とは異なる波長に変換された光）となり、光制御部材４０で透過／反射を切り替えることで光源装置１００から２種類の波長の光を時間的に切り替えることができる。また、上記した構成であれば、長時間に亘って性能を維持することができる。

つまり、図１に示すように、第１光源１０から出射され、光制御部材４０に到達する光は、光制御部材４０によって進行する経路が切り替えられる。第１光源１０からの光が光制御部材４０で反射される場合は、第１光源１０からの光と同じ波長の光が反射される。一方、第１光源１０からの光が光制御部材４０で透過される場合は、波長変換部材３１に到達し、波長変換部材３１で第１光源１０とは異なる波長の光に変換され、外部へ放出される。これにより、第１光源１０からの光で２種類の波長の光を交互に得ることができる。

また、光源装置１００は、蛍光体を有する波長変換部材３１をモータで駆動させる必要がないため、モータで駆動する蛍光ホイールに比べて、長時間に亘って性能を維持することができる。

以下、光源装置１００の各要素について説明する。
（光源）

第１光源１０は、長時間に亘って駆動可能な光源が好ましく、例えば、半導体レーザ素子又は発光ダイオード（ＬＥＤ）素子を用いることができる。特に、半導体レーザ素子であれば、ＬＥＤに比べて光の放射角が狭いため、レンズ等での損失を低減することができる。さらに、発光スペクトル幅が非常に狭いことにより、本実施形態の光源装置１００をプロジェクタの光源として使用すれば、色再現性を広くすることが可能となる。第１光源１０は、後述する波長変換部材３１を効率良く励起させるために、ピーク発光スペクトルが４００ｎｍ〜４８０ｎｍの光を放出するものを用いることが好ましい。後述する実施例では、第１光源１０として青色光を発する半導体レーザ素子を用いる。これにより、第１光源１０からの光を利用して、後述する波長変換部材３１から高出力の緑色光を得ることができ、光源装置１００で得られる２種類の光（青色光と緑色光）を共に高出力にすることができる。

なお、第１光源１０は、図１では１個のみ配置しているが、第１光源１０の出力を向上させるために、複数個を並べて配置しても良い。

第２光源２０は、プロジェクタとして使用する場合に必要な３色（赤色、青色、緑色）の光のうち、光源装置１００で得ることのできない色の光を補うための光源である。後述する実施例では、第１光源の発する光が青色であり、波長変換された光が緑色であるので、第２光源として赤色光を発する半導体レーザ素子を用いる。光源装置１００と第２光源２０とを備えることで、高出力の３色光を得ることができ、プロジェクタ用の光源として使用することができる。また、光源装置１００では２種類の波長の異なる光を時間的に切り替えることができるため、第１光源１０と第２光源２０のＯＮ／ＯＦＦのタイミングを適宜調整すれば、赤色→青色→緑色→赤色→青色→・・・のように時間的に切り替えることができる。これにより、プロジェクタを投影する投影素子７０に後述するＤＭＤを使用する場合において、ＤＭＤに赤色→青色→緑色→赤色→青色→・・・と時間的に分割された光が照射されるため、プロジェクタ光として、白色を良好に表示することができる。
（波長変換部材）

波長変換部材３１は、第１光源１０からの光により波長変換部材３１の蛍光体が励起され、波長変換された光を放出する部材である。後述する実施例では、第１光源からの光で励起されることにより、波長５００〜６００ｎｍの緑色光〜黄色光を発する蛍光体を用いている。このような条件を満たす蛍光体として、Ｌｕ_３Ａｌ_５Ｏ_１２、Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２などが挙げられる。波長変換部材３１は、蛍光体単体で構成することや、蛍光体と蛍光体を保持するためのバインダーとの混合物にすることができる。バインダーをアルミナなどの無機材料とすることで、樹脂にした場合と比較して、第１光源からの光が長時間照射されても、変色しにくいため、出力低下を抑制することができる。これにより、波長変換部材３１の寿命を長くすることができる。

波長変換部材３１は、図１に示すように波長変換部材３１単体で使用しても良いし、図２に示すように、ヒートシンク３３、反射膜３４及び反射防止用保護膜３６を設けた波長変換装置３０に置き換えて使用することもできる。なお、波長変換装置１００は、上記部材をすべて揃えるものに限定されず、上記部材の中から適宜選択することもできる。例えば、波長変換装置３０を波長変換部材３１とヒートシンク３３で構成し、ヒートシンク３３が排熱性及び光反射性を有する材料を選択すれば、波長変換部材３０を構成する部材の点数を削減でき、コスト低減となる。また、別の部材を追加することもできる。例えば、波長変換部材３１とヒートシンク３３の間に、波長変換部材３１とヒートシンク３３との線膨張係数の差を小さくことを目的として、サブマウントを設けることもできる（図示なし）。サブマウントの線膨張係数は、波長変換部材３１の値より大きく、ヒートシンクの値より小さいことが好ましい。これにより、線膨張係数が小さい波長変換部材３１にクラックが生じるのを抑制できる。なお、サブマウントの材料を熱伝導率に優れるカーボン、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、ＧａＮ等を使用すれば、波長変換部材３１で生じる熱を良好に排熱することができる。

波長変換部材３１は、図３に示すように、第１主面３２ａと、第１主面３２ａと反対側の第２主面３２ｂと、を有し、第１主面３２ａ側に第１光源１０からの光が照射され、第２主面３２ｂ側にヒートシンク３３を接合させることができる。これにより、第１光源１０からの光で蛍光体が励起されて熱を生じても、ヒートシンク３３側に熱を逃がすことができる。したがって、波長変換部材３１の劣化を抑制することができ、光源装置１００の性能を長時間に亘って維持することができる。また、波長変換部材３１は、板状体であることが好ましい。これにより、ヒートシンク３３との接触面積が大きくなり、波長変換部材３１で生じる熱を良好にヒートシンク３３へ排熱することができる。なお、図３に示すように、ヒートシンク３３は、波長変換部材３１よりも幅広くすれば、より効果的に排熱することができる。

波長変換部材３１の膜厚は、０．０１ｍｍ〜１ｍｍが好ましい。これにより、波長変換部材３１で生じる熱を良好に排熱することができる。さらに、０．０５ｍｍ〜０．３ｍｍであれば、上記効果に加えて光の取出し効率を高めることができる。

ヒートシンク３３の材料は、放熱性が高い材料であれば良く、例えば銅、銅合金、アルミニウム、鉄が挙げられる。さらに、腐食防止のため、めっき加工を施しても良い。後述する実施例では、銅を用いる。銅であれば、高熱伝導率のため波長変換部材３１で生じる熱をすばやく逃がすことができると共に、腐食しにくいため長時間に亘って性能を維持することができる。

また、図３に示すように、波長変換部材３１の第２主面３２ｂ側において、第２主面３２ｂとヒートシンク３３との間に反射膜３４を設けることができる。反射膜３４を設けることで、波長変換部材３１から第２主面３２ｂ側に向かって放出される光を第１主面３２ａに反射させることができる。この構成では、反射膜３４の両側にそれぞれ波長変換部材３１とヒートシンク３３を接合することが好ましい。これによって、波長変換部材３１の熱を反射膜３４を介してヒートシンク３３へ排熱することができるため、ヒートシンク３３による排熱性を低下させることなく波長変換部材３１から第２主面３２ｂ側に向かって放出する光を第１主面３２ａ側に効率良く反射させることができる。これにより、第１主面３２ａ側への光出力向上とヒートシンクによる排熱性を両立することができる。

反射膜３４は、光源１０からの光及び波長変換部材３１で波長変換された光を反射可能な材料が好ましく、例えばＡｇ、Ａｌ、Ａｕ、Ｒｈのようなこれらの光に対して反射率の高い金属、又はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＺｒＯ_２、ＴｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５などを組み合わせた誘電体多層膜が挙げられる。なお、反射膜３４は、上記した材料を２種類以上積層させて形成されてもよい。例えば、波長変換部材３１の第２主面３２ｂ側からＡｌ_２Ｏ_３、Ａｇの順に設けることができる。この構成であれば、波長変換部材３１から第２主面３２ｂ側に向かって放出される光をＡｌ_２Ｏ_３で全反射することができ、さらに、Ａｌ_２Ｏ_３で反射しなかった光をＡｇで確実に反射することができるため、第１主面３２ａ側への光出力を向上できる。

図３に示すように、波長変換部材３１は接合膜３５を介してヒートシンク３３と接合することが好ましい。これにより、波長変換部材３１とヒートシンク３３とが空間的に離間している場合に比べて、波長変換部材３１で生じる熱を素早くヒートシンク３３側へ逃がすことができる。接合膜は、Ａｕ―Ｓｎ膜、Ａｕ膜などの金属の膜が挙げられる。なお、波長変換部材３１に反射膜３４を設けている場合は、反射膜３４とヒートシンク３３とが接合膜３５を介して接合されるのが好ましい。これにより、波長変換部材３１と接合膜３５とを直接接合する場合と比べて、良好に接合することができる。

また、図３に示すように、波長変換部材３１の第１主面３２ａ側に、波長変換部材３１の保護と第１主面３２ａ側への光取り出し効率の向上を目的として反射防止用保護膜３６を設けても良い。反射防止用保護膜３６の材料としては、ＳｉＯ_２などが挙げられる。

また、図２又は図３に示すように、波長変換装置３０を固定するために、ヒートシンク３３にねじ穴３７を設けてねじ止めすることができる。

なお、波長変換部材３１は、図４に示すように、第１主面３２ａが第１光源１０から到来する光の方向に対して垂直になるように配置している。この構成であれば、１つのコリメータレンズ５１によって、波長変換部材３１に到来する光及び波長変換部材３１から出射する光を共に平行にすることができる。これにより、波長変換部材３１に到来する光及び波長変換部材３１から出射される光を平行にするためのコリメータレンズを別々に配置する必要がなくなるため、部品点数を少なくすることができ、コストの低減が可能となる。また、波長変換部材３１は、第１主面３１ａが第１光源１０から到来する光の方向に対して斜めになるように配置することもできる。第１光源１０からの光が波長変換部材３１の第１主面に対して斜めに照射されることで、垂直に照射される場合に比べて、照射領域を広げることができる。これにより、波長変換部材３１に照射される光密度を低減でき、波長変換部材３１への負荷を低減できる。
（光制御部材４０）

光制御部材４０は、第１光源１０からの光の透過と反射とを切り替えるための部材である。光制御部材４０は、図１に示すように、第１光源１０からの光が波長変換部材３１に向かって進行する経路上に設けられる。

光制御部材４０は、例えば、ホイール、シャッターなどが挙げられる。ホイールを使用する場合は、ホイールの一部に光を透過できる開口領域を形成し、図１のｘ軸を中心に回転させれば良い。これにより、ホイールの回転中において、ホイールに第１光源からの光が到来して、ホイールと重なる場合は反射させ、ホイールの開口領域と重なる場合は透過させることができる。また、光の反射／透過を機械的に制御するシャッターを使用する場合、図１のｙ方向、ｚ方向のいずれかの方向にスライドさせたり、片側の端部を固定してｙ−ｚ平面で往復移動させれば良い。これにより、シャッターの駆動中において、シャッターに第１光源からの光が到来して、シャッターで光の進路を塞ぐ場合は反射させ、シャッターで光の進路を塞いでいない場合は透過させることができる。また、光制御部材４０として、光の反射／透過を電気的に制御する液晶部材を使用することもできる。この場合は、液晶部材に印加する電圧の有無で、第１光源１０からの光の透過と反射とを切り替えることができる。すなわち、液晶部材に電圧が印加されない場合は第１光源１０からの光は透過し、一方、液晶部材に電圧が印加される場合は第１光源１０からの光は反射する。後述する実施例では、液晶部材を用いる。液晶部材は、光の反射／透過を電気的に制御する部材であるため、機械的に制御するシャッターやホイールなどの部材より所望の機能を長時間維持することができる。

光制御部材４０において第１光源１０からの光を反射する光反射面４１は、光制御部材４０自体を反射性の高い材料とすることで形成しても良いし、光制御部材４０に第１光源１０の波長に対して反射率が高い材料を別途設けることで形成しても良い。第１光源を４００〜４６０ｎｍの波長を使用する場合、反射率が高い材料として、Ａｇ又はＡｌが挙げられる。

図１に示すように、光制御部材４０の光反射面４１は、光源１０から入射する光の方向に対して斜めに配置されることが好ましい。これにより、光制御部材４０で反射する光が光制御部材４０に入射する光と重なることなく取り出すことができる。
光制御部材４０の反射面４１が光源から入射する光の方向に対して垂直に配置される場合は、光制御部材４０に入射する光を透過させ、光制御部材４０で反射した光を反射させ進行方向を変えるための部材を設ける必要があるが、上記構成であれば、その部材を設ける必要がないので、部品点数を削減することができる。また、入射光の透過と反射光の反射とを両立させる部材としてダイクロイックミラーが知られているが、本発明は、光制御部材４０に入射する光及び光制御部材４０で反射した光は、同じ波長であるため、ダイクロイックミラーを使用することができない。このため、このような部材を必要としない構成、つまり、光制御部材４０の光反射面４１は、光源１０から入射する光の方向に対して斜めに配置される構成が好ましい。

以下、プロジェクタ２００を構成する要素に関して、上記した以外の要素について説明する。
（コリメートレンズ５１、５２、５３）

コリメートレンズ５１は、波長変換部材３１から発する光を平行光にするための部材である。波長変換部材３１から発する光は、一定の広がりをもって放出するため、コリメートレンズ５１は、波長変換部材３１に近い位置に配置されるのが好ましい。これにより、光の広がりが大きくならないうちにコリメートレンズ５１に集光されるので、径の大きなレンズを必要とせず、光源装置１００の小型化とコストの低減を両立できる。従来の蛍光ホイールでは、ホイールの回転時に回転面と垂直な方向にブレが生じるため、ホイール上に形成される蛍光体の近くにコリメートレンズを配置することが困難であった。これに対して、本発明は、蛍光体を有する波長変換部材３１を固定して配置することができるため、コリメートレンズ５１を波長変換部材３１により近づけて配置することができる。なお、第１光源１０及び第２光源２０からの光も一定の広がりをもって放出するため、図１又は図４に示すように、第１光源１０及び第２光源２０の出射側にコリメートレンズ（５２、５３）を設けることもできる。

コリメートレンズの材料は、例えば、樹脂、ガラスなどが挙げられる。短波長の光、例えば４００〜４８０ｎｍの光を本発明の光源として使用する場合は、短波長の光に対する耐性が樹脂より高いガラスが好ましい。

なお、図１では、第１光源１０、第２光源２０及び波長変換部材３１の各部材に対してコリメートレンズを１つずつ配置しているが、数個配置することもできる。１つのコリメートレンズでより高い平行性を実現しようとすると、非常に複雑な形状が必要であるが、簡易な形状のコリメートレンズを光の進行方向に複数個重ねるようにして配置することで、高い平行性を実現することが可能となる。
（ダイクロイックミラー６１、６２、６３）

ダイクロイックミラー６１、６２、６３は、特定の光を透過させ、それ以外の光を所望の方向に反射させるための部材である。ダイクロイックミラー６１、６２、６３を適宜配置することで、図４に示すように、第１光源１０、第２光源２０及び波長変換部材３１の各部材から発する光が一方向に揃って後述する投影素子７０に進行する。
（投影素子７０）

投影素子７０は、第１光源１０、第２光源２０及び波長変換部材３１の各部材から到来する光を用いて、映像を作成するための部材である。投影素子７０としては、LCOS（Liquid Crystal on Silicon）又はDMD（Digital Mirror Device）などが挙げられる。
（実施例）

以下に、本発明の実施例を図４に基づいて説明する。図４は、本発明に係るプロジェクタの上面図である。なお、図４に示す波長変換装置３０は、波長変換部材３１とヒートシンク３３のみ記載し、その他の部材は省略する。

第１光源１０からの放出される青色光は、コリメートレンズ５２で平行光となった後、光制御部材４０で反射されると、直交する方向に反射される。その後、ダイクロイックミラー６３で反射され投影素子７０側に進行する。

一方、第１光源１０からの放出される青色光が光制御部材４０で透過されるとダイクロイックミラー６１を透過し、波長変換装置３０の第１主面３２ａ側に照射される。青色光を吸収した波長変換装置３０は、緑色光を第１主面３２ａ側に放出する。放出された緑色光は、コリメートレンズ５１で平行光となり、ダイクロイックミラー６１で直交する方向に反射される。その後、ダイクロイックミラー６２で反射され、ダイクロイックミラー６３を透過し、投影素子７０側に進行する。

また、第２光源２０から放出される赤色光は、コリメートレンズ５２で平行光となった後、ダイクロイックミラー６２、６３を透過して、投影素子７０側に進行する。

投影素子７０側へ進行する３色（赤色、青色、緑色）の光は、メニスカスレンズ５４ａを経由し、ロッドインテグレータ５５に進入する。そして、ロッドインテグレータ５５内を通過することで光の強度分布が均一になった後、メニスカスレンズ５４ｂを経由して、投影素子７０に進行する。

投影素子７０として、ＤＭＤを使用し、ＤＭＤへ赤色光、青色光、緑色光を異なったタイミングで照射することで、プロジェクタとしての映像を作成することができる。

１００・・・光源装置
２００・・・プロジェクタ
１０・・・第１光源
２０・・・第２光源
３０・・・波長変換装置
３１・・・波長変換部材
３２ａ・・・第１主面
３２ｂ・・・第２主面
３３・・・ヒートシンク
３４・・・反射膜
３５・・・接合膜
３６・・・反射防止用保護膜
３７・・・ねじ穴
４０・・・光制御部材
４１・・・光反射面
５１、５２、５３・・・コリメートレンズ
５４ａ、５４ｂ・・・メニスカスレンズ
５５・・・ロッドインテグレータ
６１、６２、６３・・・ダイクロイックミラー
７０・・・投影素子

Claims (8)

1. 第１光を発する第１光源と、
   第１主面及び前記第１主面と反対側の第２主面を有し、前記第１主面に前記第１光が照射されることにより蛍光を発する、蛍光体を有する波長変換部材と、
   前記波長変換部材の第２主面の側に接合されたヒートシンクと、
   前記第１光が前記波長変換部材に向かって進行する経路上に設けられ、前記第１光の透過と反射とを切り替えるための光制御部材と、
   前記光制御部材を透過した前記第１光が前記波長変換部材に向かって進行する経路上に設けられ、前記第１光を透過する一方で前記蛍光を反射する第１ダイクロイックミラーと、
   前記第１ダイクロイックミラーと前記波長変換部材との間に設けられ、前記第１光及び前記蛍光を透過するレンズと、
   を備えることを特徴とする光源装置。
2. 前記光制御部材の光反射面は、前記第１光が入射する方向に対して斜めに配置されることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１光源は、青色光の光を発する半導体レーザ素子を有す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. 前記蛍光体は、前記第１光で励起されることにより緑色光を発することを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
5. 前記光制御部材は、液晶部材であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光源装置。
6. 前記波長変換部材から発する光は、前記レンズを介して平行光として取り出されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光源装置。
7. 前記ヒートシンクは、前記波長変換部材の第２主面側から誘電体多層膜と金属膜とをこの順に有する反射膜を介して、前記波長変換部材に接合されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光源装置。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の光源装置と、
   第２光を発する第２光源と、を備えるプロジェクタであって、
   前記第２光の経路上に、
   前記第２光を透過する一方で前記第１ダイクロイックミラーで反射された光を反射する第２ダイクロイックミラーと、
   前記第２光を透過する一方で前記光制御部材で反射された光を反射する第３のダイクロイックミラーと、が設けられていることを特徴とするプロジェクタ。

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