JP6039053B2

JP6039053B2 - 光源装置

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Publication number: JP6039053B2
Application number: JP2015502633A
Authority: JP
Inventors: 浩平三好; 雅千福井; 啓安達; 長平小野
Original assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Current assignee: Hitachi Maxell Energy Ltd
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2033-02-27
Also published as: CN104870887B; WO2014132368A1; CN104870887A; US20150323156A1; JPWO2014132368A1

Description

本発明は、光源装置に関する。

当該技術分野において、固体光源から出射する励起光を蛍光体により可視光に変換して効率良く発光する光源装置が提案されている。特許文献１には、光源から出射した励起光（青色レーザー光）を、蛍光体が形成された円板（蛍光体ホイール）に照射し、複数の蛍光光（赤色光、緑色光）を発光させて照明光として用いる構成が開示されている。

特開２０１１−１３３１３号公報

特許文献１によれば、蛍光体ホイールの透過部を透過した励起光と蛍光体ホイールで発生した蛍光光とを照明光として利用するが、両者は蛍光体ホイールを挟んで互いに反対側に出射している。従って、これらを合成するための光学部品点数が増加し、光源装置が大型化する課題がある。また、光学系に配置した複数の光学部品による光学損失が発生し、光利用効率（照明光強度）が低下する課題がある。

本発明の目的は、蛍光体ホイールからの拡散励起光と蛍光光を蛍光体ホイールの同一側に出射させ、簡単な構成で両光を集光して照明光とする光源装置を提供することである。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。

当該光源装置は、励起光を発生する励起光源と、励起光源からの励起光に励起されて蛍光光を発生する蛍光体を有する蛍光体ホイールと、励起光源からの励起光を蛍光体ホイールに導き、蛍光体ホイールからの蛍光光を照明光として出射するミラーとを備え、蛍光体ホイールは、更に、入射した励起光を拡散して反射する拡散反射部を有し、上記ミラーは、励起光を反射し蛍光光を透過する第１の領域と、蛍光光及び拡散反射部が拡散して反射した拡散励起光を透過する第２の領域を有する。

本発明によれば、蛍光体ホイールから同一側に拡散励起光と蛍光光を出射させるので、照明光強度を低下させずに小型の光源装置を実現することができる。

実施例１における光源装置の構成図。ミラー４の具体例を示す図。ミラー４の分光特性の一例を示す図。蛍光体ホイール１の具体例を示す図。蛍光体ホイール１からの出射光の拡散度を示す図。実施例２における光源装置の構成図。実施例３における投写型映像表示装置の光学系の構成図。実施例４における投写型映像表示装置の光学系の構成図。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、実施例１における光源装置の構成図である。光源装置１００は、主な構成要素として励起光源５、ミラー４、蛍光体ホイール１を有する。励起光源５はレーザー発光素子などの固体発光素子を１個以上配置し、励起光として例えば青色レーザー光を出射する。励起光源５から出射された励起光１０（実線で示す）は、コリメートレンズ６により略平行光となり、ミラー４に入射する。

ミラー４は２つの領域から構成される。第１の領域は、励起光（青色）の波長域を反射し、蛍光光の波長域（赤色、黄色、緑色）を透過する特性を有するダイクロイックコート領域２１である。第２の領域は、励起光と蛍光光の両方の波長域を透過する広波長透過領域２２である。第１の領域は第２の領域よりも狭い面積とする。ミラー４の具体例は、図２で説明する。励起光源５から入射した励起光１０は、ミラー４のダイクロイックコート領域２１にて反射し、集光レンズ３で集光されて、蛍光体ホイール１に入射する。

回転可能な蛍光体ホイール１には、励起光１０に励起されて所定色の蛍光光を発光する蛍光体２が形成されている。例えば赤色、黄色、緑色の３色の蛍光光を発光させるため、円板面を円周方向に複数の領域に分割し各領域に赤色、黄色、緑色の各蛍光体を形成する。更に円板面には、励起光１０を拡散して反射する拡散反射部を設ける。蛍光体ホイール１の具体例は、図４で説明する。励起光１０を受けると、蛍光体ホイール１の各蛍光体２からは赤色、黄色、緑色の３色の蛍光光が発生し、拡散反射部からは拡散された拡散励起光が発生し、いずれも集光レンズ３で略平行光となりミラー４に入射する。

ミラー４に入射した蛍光光は、ミラー４内のダイクロイックコート領域２１及び広波長透過領域２２のいずれの領域でも透過する。一方、ミラー４に入射した拡散励起光は、ダイクロイックコート領域２１では反射するが広波長透過領域２２では透過する。その結果、蛍光光の全てと拡散励起光の大部分は、照明光１１となって図面下方に出射する。

この構成により、蛍光体ホイール１で生じた蛍光光と拡散励起光はいずれも蛍光体ホイール１から同一側（図面下方）に出射し、その大部分がミラー４を透過して照明光となる。よって、両者を合成するための余分な光学系を設ける必要がなく、装置の小型化が実現できる。

図２は、ミラー４の２つの具体例を示す図である。

図２（ａ）では、ミラー４ａの入射面の中央部に、第１の領域であるダイクロイックコート領域２１（斜線部）を市松模様に分割して設け、他の部分は第２の領域である広波長透過領域２２（白色部）とする。ダイクロイックコート領域２１では、励起光（青色）の波長域を反射し蛍光光の波長域（赤色、黄色、緑色）を透過する性質を有する。広波長透過領域２２では、励起光と蛍光光の両方の波長域を透過する。ダイクロイックコート領域２１の分割数と各サイズと配置は、励起光源５からの励起光１０の入射スポット２５（黒色）の数と形状と位置に合わせて決定する。よって、励起光源５からの励起光１０は全て蛍光体ホイール１へ向かう。

一方、蛍光体ホイール１で発生した蛍光光と拡散励起光は、ミラー４ａの入射面にスポット２６（破線）に拡大されて入射する。このうち蛍光光はスポット２６内の全てが透過して照明光となる。一方拡散励起光は、ダイクロイックコート領域２１に入射した一部の光は透過できずに照明光の損失分となるが、大面積の広波長透過領域２２に入射した大部分の拡散励起光は透過して照明光となる。

図２（ｂ）では、ミラー４ｂの入射面の中心部に、長方形（又は正方形）状にダイクロイックコート領域２１（斜線部）を設け、他の部分は広波長透過領域２２（白色部）とする。この場合は、励起光源５からの励起光１０の入射スポット２５（黒色）が小さく、全てのスポット２５を１つのダイクロイックコート領域２１に収納できる。図２（ａ）と比較し、ダイクロイックコート領域２１の面積をより小さくできるので、ダイクロイックコート領域２１による照明光の損失分はより少なくなる。

ダイクロイックコート領域２１における照明光の損失はダイクロイックコート領域２１の面積に依存する。シミュレーションによれば、ダイクロイックコート領域２１の面積を入射スポット２６の例えば３％以下に絞ることで、特許文献１の場合と同等の損失に抑えることができる。

このように本実施例のミラー４ａ，４ｂは、広波長透過領域２２の中に選択的にダイクロイックコート領域２１を設けることで、励起光源５からの励起光１０を反射して蛍光体ホイール１へ導くと共に、蛍光体ホイール１からの拡散励起光を透過して照明光とすることができる。

図３は、ミラー４の分光特性の一例を示す図で、横軸に波長、縦軸に透過率を示す。ダイクロイックコート領域２１では、青色の波長域（約４２０〜４７０ｎｍ）を透過せず、それより大きい波長域（赤色、黄色、緑色）を透過する。このような分光特性は、誘電体多層膜（ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２など）を用いて実現できる。

図４は、蛍光体ホイール１の具体例を示す図である。蛍光体ホイール１は、円周方向に例えば４セグメントに分割し、各セグメントには蛍光体２として、赤色蛍光体３１、黄色蛍光体３２、緑色蛍光体３３を塗布し、残りのセグメントは反射ミラーに拡散機能を施した拡散反射部３４とする。各蛍光体３１，３２，３３では、励起光１０を受けて、それぞれ、赤色、黄色、緑色の蛍光光を発光する。拡散反射部３４の拡散機能は、蛍光体ホイール１の基材を銀蒸着等で鏡面反射とし、この上に耐熱性の高い透過拡散板を貼り付けることや、反射面に拡散材（ペースト等）を塗布することで可能である。この場合、拡散板（拡散材）は励起光が往復２回通る光路となるので、それを考慮して拡散度を決めると良い。もしくは、反射面自体の表面に微細な凹凸を施し、反射と同時に拡散させる機能を持たせても良い。このように拡散反射部３４にて反射する励起光を拡散させることで、レーザー光中のスペックルノイズを除去する効果がある。尚、蛍光体ホイール１が回転することで、スペックルノイズを除去する効果は更に大きくなる。

図５は、蛍光体ホイール１からの出射光の拡散度を示す図である。まず、蛍光体ホイール１の蛍光体２（３１，３２，３３）からの蛍光光は全方位に略均一に発光し、蛍光体の裏面に形成されているミラー面で反射される結果、集光レンズ３側に半球状に出射する。そのうち、集光レンズ３の有効範囲に入射した分がミラー４に達し、照明光１１として利用される。

一方、蛍光体ホイール１の拡散反射部３４からの拡散励起光は、集光レンズ３側に半球状に出射するが、その拡散度（拡散角θ）は拡散板の材料や加工等により調整することができる。その際、出射する拡散励起光の拡散角θを大きくし過ぎると、集光レンズ３の有効範囲の外側にまで漏れ出して光利用効率が低下する。逆に、拡散角θを小さくし過ぎると、集光レンズ３の有効範囲の中心部のみを通過することになる。その結果、ミラー４のダイクロイックコート領域２１に入射する拡散励起光の割合が相対的に大きくなり、照明光としての損失分が増加する。よって、拡散反射部３４からの拡散励起光は、略集光レンズ３の有効領域の大きさに拡散して入射するよう拡散角θを調整するのが良い。

尚、励起光の色と蛍光体の色の組み合わせ、セグメント数、セグメントの形状（角度）は、上記例に限定されるものではなく、要求される照明光の仕様に応じて適宜変更して用いれば良い。例えば励起光源から青色レーザー光を発生しつつ、蛍光体ホイールから黄色蛍光体を削除して赤色及び緑色の蛍光光を発生させること、あるいは蛍光体としてシアン、マゼンタ等のその他の色を追加することも可能である。

実施例２では、蛍光体ホイール１と励起光源５の位置関係を変更した場合について述べる。

図６は、実施例２における光源装置の構成図である。光源装置１００’の基本構成は実施例１（図１）と同様であるが、励起光源５を図面下方に配置し、ミラー４の透過／反射特性を逆転したミラー４’を用い、照明光を図面左方に出射する点で異なる。即ちミラー４’は図２に示した構成であるが、ダイクロイックコート領域２１は、励起光（青色）の波長域を透過し、蛍光光の波長域（赤色、黄色、緑色）を反射する特性を有し、広波長反射領域２２は、励起光と蛍光光の両方の波長域を反射する特性を有する。また、ダイクロイックコート領域２１では、図３に示した分光特性の縦軸を逆転したもの、即ち、縦軸を透過率から反射率に置き換えたものとなる。

励起光源５から入射した励起光１０は、ミラー４’のダイクロイックコート領域２１を透過し、集光レンズ３で集光されて、蛍光体ホイール１に入射する。励起光１０を受けると、蛍光体ホイール１の蛍光体２からは、赤色、黄色、緑色の３色の蛍光光が発生し、拡散反射部からは拡散された拡散励起光が発生する。これらの蛍光光と拡散励起光は、集光レンズ３で略平行光となりミラー４’に入射する。

ミラー４’に入射した蛍光光は、ミラー４’内のダイクロイックコート領域２１及び広波長透過領域２２のいずれの領域でも反射する。一方、ミラー４’に入射した拡散励起光は、ダイクロイックコート領域２１では透過するが広波長反射領域４２では反射する。その結果、蛍光光の全てと拡散励起光の大部分は、照明光１１となって図面左方に出射する。

この構成により、蛍光体ホイール１で生じた蛍光光と拡散励起光はいずれも蛍光体ホイール１から同一側（図面下方）に出射し、その大部分がミラー４’を反射して照明光となる。よって、両者を合成するための余分な光学系を設ける必要がなく、装置の小型化が実現できる。

ここで、上記実施例１、２における光軸調整について説明する。上記実施例の光源装置では、励起光源５から出射された励起光をミラー４の特定の領域（ダイクロイックコート領域２１）で反射させ、更に蛍光体ホイール１の特定の位置（蛍光体２）に集光させる必要がある。よって、励起光源５に起因する出射位置と出射方向のずれに対して、その誤差を調整する機構を設ける。

励起光源５とコリメートレンズ６とが一体型構造の場合には、励起光の出射位置及び出射方向のずれに対して、励起光源５とコリメートレンズ６を一体で光軸と垂直方向に移動させて調整する。また、励起光源５とコリメートレンズ６とが別体型構造の場合には、励起光の出射位置及び出射方向のずれに対して、コリメートレンズ６のみを光軸と垂直方向に移動させて調整する。この調整機構により、励起光源５から出射された励起光をミラー４を介して蛍光体ホイール１の特定の位置に確実に集光させることができ、照明光強度の低下をなくすことができる。

実施例３では、上記実施例の光源装置を投写型映像表示装置に適用した例を説明する。

図７は、実施例３における投写型映像表示装置の光学系の構成図である。このうち光源装置１００の部分は実施例１（図１）と同様の構成であり、説明を省略する。

光源装置１００のミラー４を透過した照明光（蛍光光と拡散励起光）１１は、集光レンズ５７で集光され、ダイクロイックミラー５８に入射する。ダイクロイックミラー５８は緑色光（以下、Ｇ光）と青色光（以下、Ｂ光）を透過し、赤色光（以下、Ｒ光）を反射する特性とする。従って、Ｇ光とＢ光はダイクロイックミラー５８を透過し、多重反射素子５９に入射する。本実施例では、Ｒ光の光束量を補うため、赤色光源５１を有している。赤色光源５１を出射したＲ光はコリメートレンズ５３で略平行となり、集光レンズ５６で集光され、ダイクロイックミラー５８を反射して多重反射素子５９に入射する。

多重反射素子５９に入射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、多重反射素子５９内で複数回反射し、均一照度分布を有する光となる。多重反射素子５９の出射開口面から出射したＲ光、Ｇ光、Ｂ光は、集光レンズ６０を透過し、反射ミラー６１で反射後、映像表示素子６２上に均一な照度分布で照射される。

映像表示素子６２は、例えばデジタルミラーデバイス（ＤＭＤ、テキサスインスツルメントの名称）を用いて、これにＲ光、Ｇ光、Ｂ光を時分割で照射する方式である。励起光源５と赤色光源５１は応答速度の速い固体発光素子であり、時分割制御可能である。従って、各色光は映像表示素子６２により、各色光毎に時分割で変調される。映像表示素子６２で反射された各色光は映像光となり、投写レンズ６３に入射し、図示しないスクリーン上に投写される。

ここでは、光源装置１００の他に赤色光源５１を用いて特定色の明るさを確保するようにしたが、赤色光源５１を用いずに、光源装置１００のみで構成することも可能である。その場合は、ダイクロイックミラー５８を削除し、蛍光体ホイール１から出射される各色光を利用し、これに同期して映像表示素子６２を動作させれば良い。また、光源装置１００に代えて実施例２（図５）の光源装置１００’を用いても良いことは言うまでもない。

本実施例の投写型映像表示装置は、小型で照明光損失が少なく小型の光源装置を用いているので、投写型映像表示装置の小型化と高性能化に寄与する。

実施例４は、投写型映像表示装置の他の例であって、映像表示素子として３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）に対応する液晶パネルを用いた構成である。

図８は、実施例４における投写型映像表示装置の光学系の構成図である。このうち光源装置１００の部分は実施例１（図１）と同様の構成であり、説明を省略する。光源装置１００のミラー４を透過した照明光（蛍光光と拡散励起光）１１は、フライアイレンズ７０により均一照明となり、レンズ７１を透過し色分離光学系に進む。

色分離光学系は、光源装置１００から出射した照明光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離し、それぞれに対応する液晶パネルに導光する。Ｂ光はダイクロイックミラー７２を反射し、反射ミラー７３、フィールドレンズ７９を介して、Ｂ光用液晶パネル８２に入射する。Ｇ光とＲ光は、ダイクロイックミラー７２を透過後、ダイクロイックミラー７４により分離される。Ｇ光はダイクロイックミラー７４を反射して、フィールドレンズ８０を透過して、Ｇ光用液晶パネル８３に入射する。Ｒ光はダイクロイックミラー７４を透過し、リレーレンズ７７，７８、反射ミラー７５，７６、フィールドレンズ８１を介して、Ｒ光用液晶パネル８４に入射する。

各液晶パネル８２，８３，８４は、入射する各色光を各映像信号に応じて変調し、各色光の光学像を形成する。各色光の光学像は、色合成プリズム８５に入射する。色合成プリズム８５は、Ｂ光を反射するダイクロイック膜と、Ｒ光を反射するダイクロイック膜とが略Ｘ字状に形成されている。液晶パネル８２，８４から入射したＢ光とＲ光は、Ｂ光用のダイクロイック膜及びＲ光用のダイクロイック膜でそれぞれ反射される。液晶パネル８３から入射したＧ光は各ダイクロイック膜を透過する。その結果、各色光の光学像が合成され、カラー映像光として出射する。色合成プリズム８５から出射した合成光は、投写レンズ８６に入射し、図示しないスクリーン上に投写される。

本実施例の投写型映像表示装置においても、小型で照明光損失が少なく小型の光源装置を用いているので、投写型映像表示装置の小型化と高性能化に寄与する。

１：蛍光体ホイール、
２：蛍光体、
３：集光レンズ、
４：ミラー、
５：励起光源、
６：コリメートレンズ、
１０：励起光、
１１：照明光（蛍光光及び拡散励起光）、
２１：ダイクロイックコート領域（第１の領域）、
２２：広波長透過領域（第２の領域）、
１００：光源装置。

Claims

励起光を発生する励起光源と、
前記励起光源からの励起光に励起されて蛍光光を発生する蛍光体を有する蛍光体ホイールと、
前記励起光源からの励起光を前記蛍光体ホイールに導き、前記蛍光体ホイールからの蛍光光を照明光として出射するミラーとを備え、
前記蛍光体ホイールは、更に、入射した励起光を拡散して反射する拡散反射部を有し、
前記ミラーは、前記励起光を反射し前記蛍光光を透過する第１の領域と、前記蛍光光及び前記拡散反射部が拡散して反射した拡散励起光を透過する第２の領域を有するとともに、前記第１の領域は前記第２の領域よりも狭い面積であって、前記第１の領域は、前記ミラーの中央部において市松模様に分割して設けられていることを特徴とする光源装置。
請求項１記載の光源装置であって、
前記第１の領域を透過した蛍光光、前記第２の領域を透過した蛍光光、及び、前記第２の領域を透過した拡散励起光を照明光として出射することを特徴とする光源装置。
励起光を発生する励起光源と、
前記励起光源からの励起光に励起されて蛍光光を発生する蛍光体を有する蛍光体ホイールと、
前記励起光源からの励起光を前記蛍光体ホイールに導き、前記蛍光体ホイールからの蛍光光を照明光として出射するミラーとを備え、
前記蛍光体ホイールは、更に、入射した励起光を拡散して反射する拡散反射部を有し、
前記ミラーは、前記励起光を透過し前記蛍光光を反射する第１の領域と、前記蛍光光及び前記拡散反射部が拡散して反射した拡散励起光を反射する第２の領域を有するとともに、前記第１の領域は前記第２の領域よりも狭い面積であって、前記第１の領域は、前記ミラーの中央部において市松模様に分割して設けられていることを特徴とする光源装置。
請求項３記載の光源装置であって、
前記第１の領域を反射した蛍光光、前記第２の領域を反射した蛍光光、及び、前記第２の領域を反射した拡散励起光を照明光として出射することを特徴とする光源装置。
請求項１乃至４何れか一に記載の光源装置であって、
前記第１の領域は、前記励起光源からの励起光が入射する位置を含むように設けられ、前記第２の領域よりも面積が小さいことを特徴とする光源装置。
請求項５に記載の光源装置であって、
前記励起光源は複数の光源からなり、
前記第１の領域は、前記複数の光源からの各励起光が入射する各位置に対応し、複数の領域に分割して設けられることを特徴とする光源装置。
請求項１乃至４何れか一に記載の光源装置であって、
前記拡散反射部は、反射面に拡散板を貼り付ける、あるいは反射面に拡散材を塗布する、あるいは反射面自体の表面に微細な凹凸を施すことで形成したことを特徴とする光源装置。
請求項７に記載の光源装置であって、
前記蛍光体ホイールと前記ミラーとの間には集光レンズを有し、
前記拡散反射部で拡散反射された励起光は、前記集光レンズの略有効領域の大きさに拡散して該集光レンズに入射することを特徴とする光源装置。
請求項１乃至４何れか一に記載の光源装置であって、
前記励起光源は励起光として青色レーザー光を発生し、
前記蛍光体ホイールは赤色、黄色及び緑色の蛍光光を発生する蛍光体を有することを特徴とする光源装置。
請求項１乃至４何れか一に記載の光源装置であって、
前記励起光源と前記ミラーとの間にはコリメートレンズを有し、
前記励起光源と前記コリメートレンズとが一体型構造の場合には、前記励起光源からの励起光の出射位置及び出射方向のずれを調整するために、前記励起光源と前記コリメートレンズを一体で光軸と垂直方向に移動させる調整機構を備え、
前記励起光源と前記コリメートレンズとが別体型構造の場合には、前記励起光源からの励起光の出射位置及び出射方向のずれを調整するために、前記コリメートレンズを光軸と垂直方向に移動させる調整機構を備えることを特徴とする光源装置。