JP6136617B2

JP6136617B2 - 光源装置及びプロジェクタ

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Publication number: JP6136617B2
Application number: JP2013127516A
Authority: JP
Inventors: 卓史杉山
Original assignee: Nichia Corp
Current assignee: Nichia Corp
Priority date: 2013-06-18
Filing date: 2013-06-18
Publication date: 2017-05-31
Anticipated expiration: 2033-06-18
Also published as: JP2015001709A

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。

光源装置として、半導体レーザ素子を用いた光源と、蛍光体結晶及びバインダから構成された蛍光体層と、を有する光源装置が知られている（例えば、特許文献１）。特許文献１の光源装置は、光源からの励起光を蛍光体層に対して照射し、励起された光を光源とは反対の側から出射する。

特開２００９−２７７５１６

しかしながら、上記従来の光源装置では、蛍光体層に入射し励起された光の一部がバインダと外気との屈折率差により反射し、蛍光体層内で伝搬してしまうという問題があった。

そこで、本発明は、波長変換部材内における光の伝搬を抑制することにより、光の利用効率が高く、小型化可能な光源装置及びプロジェクタを提供することを目的とする。

本発明に係る光源装置は、半導体レーザ素子と、半導体レーザ素子からの光を波長変換する波長変換部材と、波長変換部材からの光を制御するレンズと、を備える。波長変換部材は、複数の蛍光体粒子と、外殻が透光性部材でありその内部に中空領域を有する複数の中空体と、複数の蛍光体粒子および複数の中空体を保持する保持体と、を有する。

図１は、第１実施形態に係る光源装置を説明するための概略断面図である。図２は、図１の光源装置の基体及び波長変換部材を光取出し面側から見た概略平面図である。図３は、図２の基体及び波長変換部材の変形例に係る概略平面図である。図４は、第２実施形態に係る光源装置を説明するための概略断面図である。図５は、第３実施形態に係るプロジェクタの模式図である。

本発明を実施するための形態を、以下に図面を参照しながら説明する。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光源装置を例示するものであって、本発明を以下に限定するものではない。また、実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる例示にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするために誇張していることがある。

＜第１実施形態＞
図１に、本実施形態に係る光源装置１００の概略断面図を示す（図２のＸ−Ｘにおける概略断面図である。なお、構成をわかりやすくするために、半導体レーザ素子１０及びレンズ４０も合わせて図示している）。光源装置１００は、半導体レーザ素子１０と、半導体レーザ素子１０からの光を波長変換する波長変換部材３０と、波長変換部材３０からの光を制御するレンズ４０と、を備える。波長変換部材３０は、複数の蛍光体粒子３１と、外殻が透光性部材３２ａでありその内部に中空領域３２ｂを有する複数の中空体３２と、複数の蛍光体粒子３１および複数の中空体３２を保持する保持体３３と、を有する。

これにより、波長変換部材３０における発光径を小さくすることができるので、レンズ４０への光取り込み効率が高くかつ小型の光源装置とすることができる。以下、この点について説明する。

一般に、半導体レーザ素子からの光及び波長変換された光の一部は保持体３３と外気との屈折率差により両者の界面において反射するので、レンズに取り込むことができる領域よりも広がってしまう場合がある。そこで、本実施形態では、保持体３３中に低屈折率の中空体３２を配置することで、波長変換部材３０内を伝搬する光を中空体３２で効率よく散乱させることを可能としている。これにより、波長変換部材３０から、より狭い範囲で光を取り出すことができるので、レンズ４０に取り込まれる光を増やすことができる。その結果、レンズ４０への光の取り込み効率を一定以上に保ちつつ、レンズ４０を小型化できるので、光源装置全体として小型化が可能となる。

光源装置１００は、波長変換部材３０の第１面（図１における波長変換部材３０の下面）において半導体レーザ素子１０からの光が入射され、第１面と反対側にある第２面（図１における波長変換部材３０の上面）において半導体レーザ素子１０からの光及び蛍光体粒子３１からの光が出射されるように構成している。つまり、半導体レーザ素子１０からの光が入射する面と反対の面から蛍光体粒子３１からの光等を取り出す透過方式（透過型）の光源装置である。以下に、光源装置１００の主な構成要素について説明する。

なお、本明細書では、説明の便宜上、図１に示す断面図の上方を「上」と表現し、下方を「下」と表現している。しかし、これらの位置関係は相対的なものであればよく、例えば各図の上下を逆にしても本明細書の範囲内であることは言うまでもない。

（半導体レーザ素子１０）
光源装置１００では、励起光源として半導体レーザ素子１０を用いている。一般に半導体レーザ素子１０は光の放射角が狭いため、波長変換部材３０に光が照射される領域を小さくすることができる。半導体レーザ素子１０から出射される光の主波長は、例えば、４００ｎｍ〜４８０ｎｍとすることができる。なお、図では半導体レーザ素子１０を１個のみ配置しているが、出力を向上させるために複数個並べて配置することもできる。

（波長変換部材３０）
波長変換部材３０は、半導体レーザ素子１０から出射されたレーザ光を波長変換するための部材である。波長変換部材３０は、複数の蛍光体粒子３１と、外殻が透光性部材３２ａでありその内部に中空領域３２ｂを有する複数の中空体３２と、複数の蛍光体粒子３１および複数の中空体３２を保持する保持体３３と、を含む。

波長変換部材３０の厚さ（レーザ光が通過する方向であって図における波長変換部材３０の上下方向の長さ）は、好ましくは０．０１ｍｍ〜１ｍｍ、さらに好ましくは０．０３ｍｍ〜０．３ｍｍとすることができる。波長変換部材３０の厚さを一定以上とすることにより、ある程度の量の蛍光体粒子３１を含有させることができるので、所望の色調の光を得ることができる。また、波長変換部材３０の厚さを一定以下とすることにより、厚さ方向において光を取り出しやすくすることができるので、所望の明るさを得ることができる。このとき、光取出し面の幅（図における波長変換部材３０の横方向の長さ）は厚さよりも長い形状であるのが好ましく、例えば、板状のものとすることができる。

波長変換部材３０を構成する各部材は、蛍光体粒子３１の屈折率をｎ１、保持体３３の屈折率をｎ２、透光性部材３２ａの屈折率をｎ３、中空領域３２ｂの屈折率をｎ４としたときに、ｎ１≠ｎ２、ｎ２≠ｎ３、ｎ３≠ｎ４の関係を満たすような材料を選択することができる。つまり、蛍光体粒子３１と保持体３３との界面、保持体３３と透光性部材３２ａとの界面、透光性部材３２ａと中空領域３２ｂとの界面がそれぞれ屈折率差を有するような材料を選択することができる。こうすることで、光が反射する界面を増やすことができるため光を散乱させやすくなる。このとき、好ましくはｎ１＞ｎ２＞ｎ３＞ｎ４の関係を満たすような材料を選択することができる。以下に、波長変換部材３０を構成する各部材について詳細に説明する。

（蛍光体粒子３１）
蛍光体粒子３１は、アルミネート系、シリケート系、窒化物系、酸窒化物系などを用いることができ、特に、アルミネート系でガーネット構造の蛍光体粒子３１を用いることが好ましい。これにより、耐熱性及び耐光性を確保した蛍光体粒子とすることができる。光源装置１００では、波長５００ｎｍ〜６００ｎｍの緑色光〜黄色光を発する蛍光体粒子３１を用いている。

光源装置１００における波長変換部材３０は、同じ波長の蛍光体粒子３１を基体２０の全体に配置したが、複数の波長の蛍光体粒子３１を含有する場合は、波長ごとに分けて基体２０上に配置することもできる。例えば、図３に示すように、半導体レーザ素子１０からの光により第１光を発する第１部位３０ａと、半導体レーザ素子１０からの光により第１光とは異なる波長の第２光を発する第２部位３０ｂと、を有するように波長変換部材３０を配置してもよい。なお、ここでいう第１光とは、同種の蛍光体粒子３１を複数含有していてもよいし、異なる種類の蛍光体粒子３１を複数含有していてもよい。第２部位３０ｂについても第１部位３０ａと同様である。また、図３において、波長変換部材３０を配置していない領域からは半導体レーザ素子１０からの光がそのまま放出されることとなる。これにより、順次、波長の異なる蛍光体粒子３１を励起させることが可能となり、複数の発光色を時間分割して放出することができる。

（中空体３２）
中空体３２は光を散乱させるためのものであり、外殻が透光性部材３２ａよりなり、内部に低屈折率の中空領域３２ｂを有する。中空体３２を保持体３３中に含有することにより、中空体３２に当たる光を散乱させることができるため、横方向への光の伝搬を抑制することができる。

なお、中空体３２に代えて中空領域３２ｂのない透光性部材を用いると、保持体３３との屈折率差が小さいため光が反射しにくくなる。また、中空体３２に代えて外殻を有さない中空領域（例えば、空気のみからなる領域）を充填すると、保持体を硬化するなどの熱が加わった際に空気が膨張し形状が安定しなくなる。したがって、内部を中空領域３２ｂとし外殻を透光性部材３２ａとすることで、屈折率差を確保しながら中空体３２の形状を安定させることができるので、安定した特性を得ることができる。

中空体３２の直径は、蛍光体粒子３１の直径よりも小さくすることができる。中空体３２の径を小さくすることで、保持体３３中に中空体３２を多数配置することができ、屈折率差のある界面の表面積を増やすことができる。また、中空体３２の形状は、楕円球状、球状等とすることができるが、好ましくは球状とする。

中空領域３２ｂには、透光性部材３２ａよりも屈折率の小さい気体が充填されていればよい。アルゴン、窒素、酸素、空気等が挙げられ、例えば、空気であれば屈折率を略１にすることができる。もちろん、真空とすれば屈折率は１となるが、中空体３２の製造のしやすさを考慮すれば、中空領域３２ｂには空気等とすることが好ましい。

透光性部材３２ａは中空体３２の外殻をなすものであり、これにより中空体３２の外形を一定に保つことができる。透光性部材３２ａとしては、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＦ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ガラスなどが挙げられ、特に、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラスが好ましい。これにより、耐光性に優れた中空体３２とすることができる。

中空体３２における透光性部材３２ａの厚みは、例えば１０ｎｍ〜１００００ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ〜５０００ｎｍ、より好ましくは５００ｎｍ〜３０００ｎｍとすることができる。

（保持体３３）
蛍光体粒子３１及び中空体３２は保持体３３により保持されている。保持体３３としては光透過率が高いものが好ましい。例えば、シリコーン樹脂若しくはエポキシ樹脂からなる有機材料、又はＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３若しくはガラスを用いることができ、中でもＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ガラス等の無機材料を用いるのが好ましい。無機材料であれば、光や熱による劣化に強く、保持体自体が変色したり変形したりしにくいからである。

透過型の光源装置の場合、保持体３３に対する蛍光体粒子３１の含有量は、１ｗｔ％〜５０ｗｔ％、好ましくは２ｗｔ％〜４０ｗｔ％、より好ましくは１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％とすることができる。一般に、透過型の光源装置にする場合は、一定量のレーザ光を透過させるために保持体３３中の蛍光体粒子３１の含有量をある程度少なくする必要がある。一方、保持体３３中の蛍光体粒子３１の含有量を少なくすると波長変換部材３０を横方向に抜ける光が多くなるが、本実施形態によれば中空体３２により光の伝搬が抑制できるので本実施形態は透過型の光源装置の場合に特に効果的である。また、蛍光体粒子３１を少なくすることにより、近傍の蛍光体粒子３１と接しにくくなるため、隣接する蛍光体粒子３１による光の再吸収を抑制することができる。

（基体２０）
波長変換部材３０は図２に示すように基体２０上に配置することができる。図２のＸ−Ｘにおいては、紙面の奥行きに波長変換部材を励起させる半導体レーザ素子を配置しており、紙面の手前にレンズ４０を配置しているが（図１参照）、構成をわかりやすくするために図２では省略している。光源装置１００では、半導体レーザ素子１０からの光を透過させる透過型の基体２０ａを用いている。透過型の基体２０ａとしては、無アルカリガラス、硼珪酸ガラス、石英ガラス、水晶又はサファイア等を含むホイールを使用することができる。透過型の基体２０ａは、典型的には、円盤状であり、その中心を回転軸として回転し、半導体レーザ素子１０からの光の照射位置が時間とともに移動するように構成されている。本実施形態では、透過型の基体２０ａにおける回転軸の周囲に波長変換部材３０を配置している。

（レンズ４０）
レンズ４０は半導体レーザ素子１０からの光および蛍光体粒子３１からの光の配向を制御するための部材である。波長変換部材３０から発する光は一定の広がりをもって放出するため、レンズ４０への光の取り込みを考慮して、波長変換部材３０に近い位置にレンズ４０を配置することが好ましい。これにより、光の広がりが小さいうちにレンズ４０に集光されるので、レンズ４０を小型化でき、光源装置の小型化とコストの低減を両立できる。なお、レンズ４０は単数のレンズ４０であっても複数枚のレンズ４０であってもよい。

レンズ４０の材料は、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高いガラスを用いるのが好ましい。レンズ４０としては、コリメートレンズ、集光レンズ、ロッドレンズなど各種レンズを用いることができる。

（フィルタ）
光をより効率よく取り出すために、波長変換部材３０の第１面や第２面には用途に合わせたフィルタを配置することができる。フィルタとしては、所定の波長よりも短波長の光を透過し長波長の光を反射するショートパスフィルタ、所定の波長よりも長波長の光を透過し短波長の光を反射するロングパスフィルタ、特定範囲の波長の光のみを透過するバンドパスフィルタ、無反射フィルタなどが挙げられる。

半導体レーザ素子１０と波長変換部材３０との間には、半導体レーザ素子１０からの光を透過し波長変換部材３０からの光を反射するショートパスフィルタを第１フィルタ５０として設けることができる。こうすることで、下側へと向かう光も無駄なく上側へと取り出すことができる。

また、波長変換部材３０とレンズ４０との間には、半導体レーザ素子１０からの光を反射し波長変換部材３０からの光を透過するロングパスフィルタを第２フィルタ６０として設けることができる。これにより、波長変換されていない光を波長変換部材３０へと反射し、励起させることができる。特に、第１フィルタ５０と組み合わせることにより、反射し励起させた光も再度第１フィルタ５０で反射させることができるため、波長変換された光を増やすことができる。

第２フィルタとしては、特定範囲の波長の光のみを透過させるバンドパスフィルタを波長変換部材３０とレンズ４０との間に設けることもできる。つまり、必要な範囲の波長よりも短波又は長波の光を反射させるフィルタとすることもできる。これにより、放出される波長幅を制御することができ、所望の発光を放出することができる。

第２フィルタ６０と波長変換部材３０との間には透明層を介在させることができる。透明層を設けることにより、波長変換部材３０の上面において中空体３２や蛍光体粒子３１が保持体３３に被覆されずに突出したとしても、透明層で平坦化させることができ、第２フィルタ６０の効果をより得やすくすることができる。

＜第２実施形態＞
図４に、本実施形態に係る光源装置２００の概略断面図を示す。第２実施形態として、半導体レーザ素子１０の光が入射する側の面と同じ側から蛍光体粒子３１からの光を取り出す反射方式（反射型）の光源装置２００について説明する。なお、以下の点を除いては、第１実施形態に用いた構成と同様の構成を用いるものとする。

光源装置２００では、基体２０として、半導体レーザ素子１０からの光と波長変換された光とを反射する板状の部材（以下、反射型の基体２０ｂとする。）を用いる。反射型の基体２０ｂの材料としては、波長変換部材３０からの熱を放散できるよう放熱性の高い材料であればよい。例えば、金、銀、銅、ステンレス、銅合金、アルミニウム、鉄などを用いることができ、好ましくは鉄、銅、より好ましくは銅を用いることができる。さらに、腐食防止のため、表面をめっき処理してもよい。

（波長変換部材３０）
光源装置２００では、保持体３３に対する蛍光体粒子３１の含有量は好ましくは６０ｗｔ％〜９５ｗｔ％、より好ましくは８０ｗｔ％〜９０ｗｔ％とすることができる。反射型の光源装置２００においては、半導体レーザ素子１０からの光を透過させる必要がないため、光の励起効率を重視して、光源装置１００と比較して、保持体３３中における蛍光体粒子３１の含有量を多くすることができる。

（フィルタ）
光源装置２００においては、第１フィルタ５０を半導体レーザ素子１０と波長変換部材３０との間に配置することができる。こうすることにより、波長変換部材３０から反射した光が半導体レーザ素子１０へ戻ることなく所望の方向へと反射させることができる。なお、光源装置２００においては、第２フィルタ６０は用いていない。

光源装置２００によれば、基体２０に熱伝導率のよい材料を用いることができるため、光出力を重視した設計が可能となる。

＜第３実施形態＞
上記光源装置１００または光源装置２００は、所定のレンズあるいはミラー、リフレクタなどと組み合わせることでプロジェクタとして構成することができる。図５に、本実施形態におけるプロジェクタ１０００の模式図を示す。本実施形態によれば、光源装置自体を小型化にすることができるので、それを搭載するプロジェクタ自体も小型化とすることができる。プロジェクタ１０００を構成する要素に関して、第１実施形態及び第２実施形態で説明した以外の要素について説明する。

（投影手段３００）
投影手段３００は、半導体レーザ素子１０及び波長変換部材３０の各部材から出射される光を用いて、映像を作成するための部材である。投影手段３００としては、ＬＣＯＳ（ＬｉｑｕｉｄＣｒｙｓｔａｌｏｎＳｉｌｉｃｏｎ）又はＤＭＤ（ＤｉｇｉｔａｌＭｉｒｒｏｒＤｅｖｉｃｅ）などが挙げられる。ＤＭＤは各画素に相当する微細なミラーがマトリックス状に配列され、各ミラーの傾きを変えてオン／オフの切換が可能である。

（投射手段４００）
投射手段４００は、主に投射レンズから構成され、投影手段３００で順次変調して形成された画像を、所定の大きさに拡大して投射することができる。

本発明に係る光源装置は、プロジェクタ等、種々の光源装置に使用することができる。

１００、２００…光源装置
１０…半導体レーザ素子
２０…基体
２０ａ…透過型の基体
２０ｂ…反射型の基体
３０…波長変換部材
３０ａ…第１部位
３０ｂ…第２部位
３１…蛍光体粒子
３２…中空体
３２ａ…透光性部材
３２ｂ…中空領域
３３…保持体
４０…レンズ
５０…第１フィルタ
６０…第２フィルタ
１０００…プロジェクタ
３００…投影手段
４００…投射手段

Claims

半導体レーザ素子と、前記半導体レーザ素子からの光を波長変換する波長変換部材と、前記波長変換部材からの光を制御するレンズと、を備える光源装置であって、
前記波長変換部材は、複数の蛍光体粒子と、外殻が透光性部材でありその内部に中空領域を有する複数の中空体と、前記複数の蛍光体粒子および前記複数の中空体を保持する保持体と、を有する、ことを特徴とする光源装置。
前記蛍光体粒子の屈折率をｎ１、前記保持体の屈折率をｎ２、前記透光性部材の屈折率をｎ３、前記中空領域の屈折率をｎ４としたときに、ｎ１≠ｎ２、ｎ２≠ｎ３、ｎ３≠ｎ４の関係を満たす、ことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
前記波長変換部材は、第１面において前記半導体レーザ素子からの光が入射され、前記第１面と反対側にある第２面において前記半導体レーザ素子からの光及び前記蛍光体粒子からの光が出射されるように構成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
前記波長変換部材は、前記半導体レーザ素子からの光により第１光を発する第１部位と、前記半導体レーザ素子からの光により第２光を発する第２部位と、を有し、
前記第１部位と前記第２部位は、基体上の異なる領域に配置されている、ことを特徴とする請求項３に記載の光源装置。
前記保持体に対する前記蛍光体粒子の含有量は、１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％である、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
前記半導体レーザ素子と前記波長変換部材との間には、前記半導体レーザ素子からの光を透過し前記波長変換部材からの光を反射する第１フィルタが設けられている、ことを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の光源装置。
前記波長変換部材と前記レンズとの間には、前記半導体レーザ素子からの光を反射し前記波長変換部材からの光の全部又は一部を透過する第２フィルタが設けられている、請求項３〜６のいずれかに記載の光源装置。
前記中空体の直径は前記蛍光体粒子の直径よりも小さい、ことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の光源装置。
請求項１〜８のいずれかに記載の光源装置を備えたことを特徴とするプロジェクタ。