JP6967689B2 - 光源装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、光源装置及び投写型映像表示装置に関する。

従来、プロジェクタ用の光源としては高輝度の高圧水銀ランプが使用されてきた。しかし、高圧水銀ランプでは、瞬時点灯ができないことや光源寿命が短いためメンテナンスが煩雑になる問題があった。一方で、近年の固体光源（例えば、半導体レーザ、発光ダイオードなど）開発技術の進展に伴い、プロジェクタ等の映像表示装置用の光源として、これら固体光源を用いることが提案されている（例えば、特許文献１及び２）。

特許文献１に記載の光源装置は、励起光源を兼ねる青色レーザ光源（半導体レーザ）と、セグメント分けした複数の蛍光体が塗布された蛍光体ホイールと、蛍光体ホイールから出射された蛍光を所望の色光にトリミングするカラーホイールを備え、蛍光体ホイールとカラーホイールを回転制御し、時分割に色光を出射する。

特許文献２に記載の光源装置は、励起光源を兼ねる青色レーザ光源（半導体レーザ）と、セグメント分けしない蛍光体を塗布する蛍光体ホイールを備え、回転する蛍光体ホイールから出射された蛍光と励起光源の一部を共に出射することで、白色光を出射する。

特開２０１４−１６０２２７号公報 特開２０１２−９８４４２号公報

本開示は、固体光源で蛍光体を励起して用いる光源装置及び投写型映像表示装置において、励起光の蛍光変換効率を改善し、高輝度な光を得ることができる、光源装置及び投写型映像表示装置を提供する。

本開示の光源装置は、固体光源と、固体光源からの励起光で励起されて蛍光発光する蛍光体が設けられ、蛍光体からの蛍光を励起光の進行方向に出射する透過型の蛍光板と、蛍光板からの光の波長領域の一部をカットして所望の色光にトリミングするカラーフィルタ板を備えた光源装置であって、蛍光板からカラーフィルタ板までの光路に励起光の少なくとも一部を反射する第１の反射膜を備える。

本開示に係る光源装置を用いることで、高輝度な光源装置及び投写型映像表示装置を実現できる。

図１は実施の形態１における投写型映像表示装置の構成図である。 図２Ａは実施の形態１における蛍光体ホイールの側面断面図である。 図２Ｂは実施の形態１における蛍光体ホイールの正面図である。 図３Ａは実施の形態１におけるカラーフィルタホイールの側面断面図である。 図３Ｂは実施の形態１におけるカラーフィルタホイールの正面図である。 図４は実施の形態１における蛍光変換光路の説明図である。 図５は実施の形態２における投写型映像表示装置の構成図である。 図６Ａは実施の形態２における蛍光体ホイールの側面断面図である。 図６Ｂは実施の形態２における蛍光体ホイールの正面図である。 図７は実施の形態３における投写型映像表示装置の構成図である。 図８は実施の形態１で使用されるカラーフィルタのスペクトル図である。 図９は実施の形態１で使用される他のカラーフィルタのスペクトル図である。

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。

また、以下、本開示の実施の形態に係る光源装置及び投写型映像表示装置の図面の記載において、同一又は類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

以下の実施の形態では、本開示に係る光源装置が適用される一例として投写型映像表示装置を挙げて説明するが、本開示の光源装置を用いる機器としてこれに限定されるものではなく、例えばテレビなどの映像表示装置や、ヘッドランプなどの照明機器であってもよい。

［実施の形態１］
以下において、実施の形態１に係る投写型映像表示装置について、図面を参照しながら説明する。

（投写型映像表示装置の概要）
図１は、実施の形態１における投写型映像表示装置１００の光学構成図である。

投写型映像表示装置１００は、光源装置１０と、照明装置１１と、映像表示部１２と、投写系１３とによって構成される。光源装置１０は基準光を出射する。照明装置１１は光源装置１０からの基準光を均一化して照明光を出射する。映像表示部１２は照明装置１１からの照明光を映像信号で変調して映像光を出射する。投写系１３は映像表示部１２からの映像光をスクリーンに拡大投写する。実施の形態１における投写型映像表示装置１００は、映像信号に応じて照明光を変調する、１つの空間変調素子４１（例えば、ＤＭＤ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｍｉｒｒｏｒ Ｄｅｖｉｃｅ））を搭載した投写型映像表示装置である。

（光源装置の構成）
光源装置１０は、光源２０を備える。この光源２０はレーザ光源である半導体レーザ２１と、コリメータレンズ２２とによって構成される。ここで、半導体レーザ２１は、固体光源の一例である。

半導体レーザ２１は、ＲＧＢ（赤・緑・青）の３原色の中で最も発光効率の高い青色光（例えば、波長４５５ｎｍ）を出射する。半導体レーザ２１は、高出力の基準光を得るため、複数個の半導体レーザ２１がマトリックス状に配置されたアレイ光源２３として構成される。図示しないが、このアレイ光源２３の背面側には強制空冷のためのヒートシンクを備える。各々の半導体レーザ２１の出射側に配置されたコリメータレンズ２２は、半導体レーザ２１の出射光を略平行光化する。

光源２０より出射した青色光は、集光レンズ３０によって集光されながら重畳し、拡散板６０を透過し、蛍光体ホイール７０に入射される。拡散板６０は、光源２０からの光の干渉性を低減させる機能を有している。蛍光体ホイール７０の詳細は後述する。

蛍光体ホイール７０からは、透明基板７１を透過する青色光と、青色光により励起された蛍光体７３が発する蛍光が得られる。

すなわち、光源２０を出射する青色光は、映像光の青色画像を生成するとともに、蛍光体ホイール７０で蛍光体７３を励起して蛍光を発光させる励起光Ｅである。そして、蛍光体７３は、光源２０より入射する励起光Ｅにより励起され、励起光Ｅとは異なる波長領域を有する蛍光Ｆを発光する。蛍光体７３に入射した励起光Ｅの一部は蛍光体７３に吸収されて、所定の蛍光変換効率で蛍光Ｆと熱に変換される。また、蛍光体７３に入射したものの、蛍光体７３に吸収されなかった励起光Ｅは蛍光体７３を透過し、後のカラーフィルタホイール８０に入射される。

蛍光体ホイール７０から出射される励起光Ｅ及び蛍光Ｆは、レンズ３１とレンズ３２で構成されるコリメータレンズ群で略平行光化された後、レンズ３３によって集光され、カラーフィルタホイール８０に入射される。カラーフィルタホイール８０の詳細は後述する。

励起光Ｅの一部は映像光の青色画像を生成する青色光としてカラーフィルタホイール８０を透過し、ロッドインテグレータ３４に入射する。一方、残りの励起光Ｅはカラーフィルタホイール８０で反射され、レンズ３３、レンズ３２、レンズ３１を介して再度、蛍光体ホイール７０に入射する。また、蛍光Ｆは、カラーフィルタホイール８０で所望の色光にトリミングされ、カラーフィルタホイール８０を出射したのち、ロッドインテグレータ３４に入射する。

（蛍光体ホイールの構成）
図２Ａ，図２Ｂを用いて、蛍光体ホイール７０の構成を説明する。図２Ａは図１の＋ｙ方向から見た蛍光体ホイール７０の側面断面図であり、図２Ｂは図２Ａの左側（図１の−ｚ方向）から見た蛍光体ホイール７０の正面図である。

蛍光体ホイール７０は、図２Ａに示すように、透明基板７１と、反射防止膜７２ａと、ダイクロイック膜７２ｂと、ダイクロイック膜７２ｂ上の同一円周上に塗布された蛍光体７３と、モータ７４とで構成される。モータ７４は、円盤状の透明基板７１を回転駆動する。ここで、蛍光体ホイール７０は、モータ７４で回転することによって、蛍光体７３への熱の蓄積を分散して、蛍光体７３を冷却する。

透明基板７１は、モータ７４の駆動部７４ａと、取付け部７４ｂを介してモータ７４に取り付けられており、図示しない制御部によって回転制御される。取付け部７４ｂは、例えば、透明基板７１をハブと抑え部材で挟み込んでネジ固定する構成である。

透明基板７１は、円盤状であり、例えば、熱伝導率の高いサファイア基板で構成される。また、透明基板７１は光入射面（非蛍光体形成面）に反射防止膜７２ａを有し、光出射面（蛍光体形成面）に励起光Ｅである青色光を透過して、励起光Ｅとは異なる波長領域の光を反射するダイクロイック膜７２ｂを備える。ダイクロイック膜７２ｂは、蛍光体ホイール７０における第２の反射膜の一例である。また、透明基板７１のダイクロイック膜７２ｂの表面には、図２Ｂに示すように、透明基板７１の回転中心を中心として円環状に蛍光体領域７３ａ、蛍光体領域７３ｂ、透過領域７５が設けられる。

蛍光体領域７３ａには、波長約４５５ｎｍの青色光の励起によって主波長が約５７０ｎｍの黄色の光を発光する黄色蛍光体Ｐｙが、透明基板７１の回転中心を中心とする円環状の一部の領域に塗布されている。

蛍光体領域７３ｂには、波長約４５５ｎｍの青色光の励起によって主波長が約５５０ｎｍの緑色の光を発光する緑色蛍光体Ｐｇが透明基板７１の回転中心を中心とする円環状の一部の領域に塗布されている。

蛍光体領域７３ａには、黄色蛍光体Ｐｙが透明バインダ（図示せず）を介して、透明基板７１のダイクロイック膜７２ｂの表面に塗布されている。蛍光体領域７３ｂには、緑色蛍光体Ｐｇが透明バインダを介して、透明基板７１のダイクロイック膜７２ｂの表面に塗布されている。

黄色蛍光体Ｐｙとしては、例えば、Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋が使用される。緑色蛍光体Ｐｇとしては、例えば、Ｌｕ３Ａｌ５Ｏ１２：Ｃｅ３＋が使用される。透明バインダとしては、例えば、シリコーン樹脂が使用される。

透過領域７５は、蛍光体を塗布しない領域であり、入射される励起光Ｅが波長を変えることなく透過する。なお、透過領域７５の構成に関して、透過領域７５はダイクロイック膜７２ｂだけか、または、ダイクロイック膜７２ｂの表面に透明バインダが塗布されるか、或いはダイクロイック膜７２ｂの替わりに反射防止膜７２ａが蒸着された構成であることが望ましい。

励起光Ｅである青色光は、蛍光体ホイール７０に図２Ａの右側（＋ｚ方向）から入射して、反射防止膜７２ａを透過して透明基板７１に入射する。更に青色光は、ダイクロイック膜７２ｂを透過して、蛍光体領域７３ａ、蛍光体領域７３ｂ、透過領域７５のいずれかに入射する。

ここで、蛍光体ホイール７０は、上述した３つの領域、蛍光体領域７３ａ、蛍光体領域７３ｂ、透過領域７５が、１フレーム（例えば、１／６０秒）で回転するように構成されている。

すなわち、青色光は、１フレームに相当する時間で、蛍光体領域７３ａ（第１セグメント）、蛍光体領域７３ｂ（第２セグメント）、透過領域７５（第３セグメント）の順番に第１〜第３セグメントに入射する。言い換えれば、１フレームに相当する時間で蛍光体ホイール７０が一回転するように、モータ７４の回転速度が制御される。

蛍光体領域７３ａ、及び蛍光体領域７３ｂに入射した励起光Ｅは、一部が黄色蛍光体Ｐｙ、及び緑色蛍光体Ｐｇに吸収され、残りは吸収されず各蛍光体領域を透過する。吸収された励起光Ｅは黄色蛍光体Ｐｙ，及び緑色蛍光体Ｐｇを励起して、黄色蛍光Ｆｙ、及び緑色蛍光Ｆｇを等方的に発光させる。励起発光した黄色蛍光Ｆｙ、及び緑色蛍光Ｆｇのうち、励起光Ｅの進行方向とは反対方向に発光した成分は、ダイクロイック膜７２ｂで反射されて、励起光Ｅの進行方向に発光した成分とともに、励起光Ｅの進行方向に出射する。透過領域７５に入射した励起光Ｅは、透過領域７５をそのまま透過する。

すなわち、蛍光体ホイール７０における第１、第２セグメントに入射した励起光Ｅは、一部が黄色蛍光体Ｐｙ、及び緑色蛍光体Ｐｇを励起して黄色蛍光Ｆｙ、及び緑色蛍光Ｆｇを発光させる。残りの励起光Ｅは黄色蛍光体Ｐｙ、及び、緑色蛍光体Ｐｇを透過する。これら蛍光、及び、励起光Ｅは図１に示すようにレンズ３１、レンズ３２によって略平行光化されて、レンズ３３によりカラーフィルタホイール８０に入射される。また、第３セグメントに入射した励起光Ｅは図１に示すように蛍光体ホイール７０をそのまま透過して出射され、レンズ３１、レンズ３２によって略平行光化されて、レンズ３３によりカラーフィルタホイール８０に入射される。

ここで、励起光Ｅで励起され、励起光Ｅの進行方向に蛍光発光する蛍光体７３が設けられた透明基板７１は、透過型の蛍光板の一例である。

（カラーフィルタホイールの構成）
図３Ａ，図３Ｂを用いて、カラーフィルタホイール８０の構成を説明する。図３Ａは図１の＋ｙ方向から見たカラーフィルタホイール８０の側面断面図であり、図３Ｂは図３Ａの右側（＋ｚ方向）から見たカラーフィルタホイール８０の正面図である。

カラーフィルタホイール８０は、図３Ａに示すように、透明基板８１と、ダイクロイック膜８２と、反射防止膜８３と、モータ８４とで構成される。モータ８４は、円盤状の透明基板８１を回転駆動する。

透明基板８１は、モータ８４の駆動部８４ａと、取付け部８４ｂを介してモータ８４に取り付けられており、図示しない制御部によって回転制御される。取付け部８４ｂは、例えば、透明基板８１をハブと抑え部材で挟み込んでネジ固定する構成である。

透明基板８１は、円盤状であり、例えば、可視全域にわたって高透過のガラス基板で構成される。

透明基板８１の光入射面には、所望の色光を実現するために、入射する光の一部の波長領域を反射してカットし、所望の波長領域の光のみを透過するダイクロイック膜８２が施されている。ダイクロイック膜８２はカラーフィルタ８２ａと、カラーフィルタ８２ｂと、カラーフィルタ８２ｃとを有している。また、透明基板８１の光出射面には反射防止膜８３を備える。ダイクロイック膜８２は、カラーフィルタにおける第１の反射膜の一例である。

カラーフィルタホイール８０は、図３Ｂに示すとおり、カラーフィルタ８２ａ（第１セグメント）と、カラーフィルタ８２ｂ（第２セグメント）と、カラーフィルタ８２ｃ（第３セグメント）と、光拡散領域８５（第４セグメント）との４つのセグメントを有している。カラーフィルタ８２ａ及びカラーフィルタ８２ｃは、波長４８０ｎｍより長い可視の波長領域において高透過、かつ、波長４８０ｎｍ以下の短い可視の波長領域において高反射の特性を有するカラーフィルタ（ダイクロイック膜）によって構成されている。従って、波長が約４５５ｎｍの励起光に対しては、図８に示すように高反射の特性となっている。なお、カラーフィルタ８２ａ及びカラーフィルタ８２ｃは、波長４８０ｎｍより長い波長領域において高透過、かつ、波長４８０ｎｍ以下の短い波長領域において高反射の特性を有していてもよい。

また、カラーフィルタ８２ｂは、波長６００ｎｍより長い可視の波長領域において高透過、かつ、波長６００ｎｍ以下の短い可視の波長領域において高反射の特性を有するカラーフィルタ（ダイクロイック膜）によって構成されている。このカラーフィルタ８２ｂも、図９に示すように波長が約４５５ｎｍの励起光に対しては高反射の特性となる。なお、カラーフィルタ８２ｂは、波長６００ｎｍより長い長波長領域において高透過、かつ、波長６００ｎｍ以下の短い波長領域において高反射の特性を有していてもよい。

すなわち、カラーフィルタ８２ａ、８２ｂ、８２ｃは、所望の色光を実現する為に、入射する光の一部の波長領域を反射してカットし、所望の波長領域の光のみを透過する、トリミングを行う。

第４セグメントである光拡散領域８５は、入射光を拡散する光拡散機能を有する。例えば、透明基板８１は表面が多数の微小なレンズアレイで構成された拡散板である。各セグメントは、透明基板８１の回転中心を中心とする扇形になるように形成されている。なお、カラーフィルタホイール８０は、１枚の透明基板８１に局所的に複数種類のカラーフィルタと拡散面が一括に形成されている構成、または、扇形形状をした各種フィルタと拡散板が並べて配列され固定される一体化構成である。

ここで、蛍光体ホイール７０とカラーフィルタホイール８０とは、同じ回転数で同期して回転制御される。すなわち、カラーフィルタホイール８０は、上述した４つのセグメントが、１フレーム（例えば、１／６０秒）に対応する時間で一回転するように回転制御される。

ここで、カラーフィルタ８２ａ、８２ｂ、８２ｃは、蛍光体ホイール７０からの光の波長領域の一部をカットして所望の色光にトリミングするカラーフィルタ板の一例である。

（蛍光体ホイールとカラーフィルタホイールのタイミング）
さらに、蛍光体ホイール７０における蛍光体領域７３ａから出射される黄色蛍光Ｆｙは、カラーフィルタホイール８０におけるカラーフィルタ８２ａ及びカラーフィルタ８２ｂに入射するように、各ホイールの回転が制御、調整される。よって、蛍光体領域７３ａの中心角度と、カラーフィルタ８２ａ及びカラーフィルタ８２ｂの中心角度の和は、同一になるように設定されている。

カラーフィルタ８２ａは、蛍光体領域７３ａを出射した黄色蛍光Ｆｙのうち、波長４８０ｎｍ以下の短い波長の可視光を反射して、波長４８０ｎｍより長い波長の可視光を透過して、黄色基準光Ｌｙを生成する。カラーフィルタ８２ｂは、蛍光体領域７３ａから出射された黄色蛍光Ｆｙのうち、波長６００ｎｍ以下の短い波長の可視光を反射して、波長６００ｎｍより長い波長の可視光を透過して、赤色基準光Ｌｒを生成する。

蛍光体ホイール７０における蛍光体領域７３ｂから出射される緑色蛍光Ｆｇは、カラーフィルタホイール８０におけるカラーフィルタ８２ｃに入射するように、各ホイールの回転が制御、調整される。よって、蛍光体領域７３ｂの中心角度と、カラーフィルタ８２ｃの中心角度は、同一になるように設定されている。

カラーフィルタ８２ｃは、蛍光体領域７３ｂを出射した緑色蛍光Ｆｇのうち、波長４８０ｎｍ以下の短い波長の可視光を反射して、波長４８０ｎｍより長い波長の可視光を透過して、緑色基準光Ｌｇを生成する。

ここで、カラーフィルタ８２ａ、カラーフィルタ８２ｂ、カラーフィルタ８２ｃで反射及び透過される光は可視光と記載したが、各カラーフィルタは紫外光を反射し、赤外光を透過してもよい。

蛍光体ホイール７０における透過領域７５を透過する励起光Ｅは、カラーフィルタホイール８０における光拡散領域８５に入射するように、各ホイールの回転が制御、調整される。よって、透過領域７５の中心角度と、光拡散領域８５の中心角度は、同一になるように設定されている。光拡散領域８５を透過した励起光Ｅは、光拡散領域８５で拡散して、青色基準光Ｌｂを生成する。

（照明装置の構成）
図１に示すように照明装置１１は、ロッドインテグレータ３４と、レンズ３５、レンズ３６、レンズ３７とから構成される。ロッドインテグレータ３４から出射された基準光は、レンズ３５、レンズ３６、レンズ３７によってリレーされて、照明装置１１からの照明光となって、映像表示部１２に入射する。

（映像表示部及び投写系の構成）
映像表示部１２は、照明装置１１から出射された照明光を受けて映像を生成する装置であって、図１に示すように、全反射プリズム４２と空間変調素子である１枚のＤＭＤ４１で構成される。

全反射プリズム４２は、光を全反射する面４２ａを有しており、照明装置１１より入射した照明光をＤＭＤ４１へ導く。ＤＭＤ４１は、可動式のマイクロミラーを複数有しており、図示しない制御部によって、それぞれに入射する各色基準光（照明光）のタイミングに合わせて、かつ、入力される映像信号に応じて制御され、各色基準光を映像信号によって変調する。ＤＭＤ４１によって変調された光は、全反射プリズム４２を透過して投写レンズ５０へ導かれる。ここで、投写レンズ５０は、投写光学系の一例である。

投写系１３は、投写レンズ５０と、図示しないスクリーンで構成され、投写レンズ５０は、時間的に合成された映像光を、スクリーンへ投写する。

（蛍光変換光路の説明）
図４を用いて、本開示における蛍光変換光路について説明する。図４は、図１の光源装置１０の光源２０を除き、蛍光体ホイール７０とカラーフィルタホイール８０で構成される蛍光変換部を拡大して示す説明図である。

励起光源である光源２０を出射した励起光Ｅは、蛍光体ホイール７０の反射防止膜７２ａ、透明基板７１、ダイクロイック膜７２ｂを透過して蛍光体７３に入射する。入射した励起光Ｅの一部は蛍光体７３で吸収されて、所定の蛍光変換効率で蛍光Ｆ１と熱に変換され、蛍光Ｆ１は蛍光体７３を出射する。また、蛍光体７３に入射したものの、蛍光体７３で吸収されなかった励起光Ｅは、励起漏れ光Ｅ１として蛍光体７３を透過する。

蛍光体７３を出射した蛍光Ｆ１と、蛍光体７３を透過した励起漏れ光Ｅ１は、レンズ３１、レンズ３２、レンズ３３によってカラーフィルタホイール８０に入射する。

カラーフィルタホイール８０に入射した蛍光Ｆ１は、ダイクロイック膜８２で一部の波長領域の光が透過され、その他の波長領域の光が反射されたトリミング蛍光Ｇ１として、カラーフィルタホイール８０を出射する。

カラーフィルタホイール８０に入射した励起漏れ光Ｅ１は、図８及び図９のスペクトル図から分かるようにダイクロイック膜８２で反射されて戻り励起光Ｅ２となり、再び、レンズ３３、レンズ３２、レンズ３１によって、蛍光体ホイール７０の蛍光体７３に入射する。

再度、蛍光体７３に入射した戻り励起光Ｅ２の一部は、蛍光体７３で吸収されて、所定の蛍光変換効率で蛍光Ｆ２と熱に変換され、蛍光Ｆ２は蛍光体７３から出射される。また、蛍光体７３に入射したものの、蛍光体７３で吸収されなかった戻り励起光Ｅ２は、未使用励起光Ｅ３として蛍光体７３を透過して蛍光体ホイール７０から出射される。

蛍光体７３を出射した蛍光Ｆ２は、レンズ３１、レンズ３２、レンズ３３によってカラーフィルタホイール８０に入射する。

カラーフィルタホイール８０に入射した蛍光Ｆ２は、ダイクロイック膜８２で一部の波長領域の光が透過され、その他の波長領域の光が反射されたトリミング蛍光Ｇ２として、カラーフィルタホイール８０を出射する。

ここで、蛍光体ホイール７０の出射光をカラーフィルタホイール８０に入射させる光学系は、レンズ３１と、レンズ３２と、レンズ３３とで構成される。この光学系は、蛍光体ホイール７０の出射面（蛍光体が設けられた透明基板７１の面）からカラーフィルタホイール８０の入射面（ダイクロイック膜が設けられた面）に対して共役に構成される。よって、励起漏れ光Ｅ１が蛍光体ホイールを出射してカラーフィルタホイールに入射する際の光路と、戻り励起光Ｅ２がカラーフィルタホイールで反射後、蛍光体ホイール７０に再度入射する際の光路はほぼ等しい。

なお、本実施の形態において、蛍光体領域７３ａに塗布された黄色蛍光体Ｐｙは、入射した励起光Ｅに励起され、蛍光Ｆ１として黄色蛍光Ｆｙを出射する。黄色蛍光Ｆｙがカラーフィルタ８２ａを透過する際にはトリミング蛍光Ｇ１として黄色基準光Ｌｙが生成され、カラーフィルタ８２ｂを透過する際にはトリミング蛍光Ｇ１として赤色基準光Ｌｒが生成される。

蛍光体領域７３ｂに塗布された緑色蛍光体Ｐｇは、入射した励起光Ｅに励起され、蛍光Ｆ１として緑色蛍光Ｆｇを出射する。緑色蛍光Ｆｇがカラーフィルタ８２ｃを透過する際にトリミング蛍光Ｇ１として緑色基準光Ｌｇが生成される。

透過領域７５に入射した励起光Ｅは、そのまま透過し、光拡散領域８５を透過する際に拡散されて青色基準光Ｌｂが生成される。

このように、蛍光体領域７３ａで吸収されなかった励起漏れ光Ｅ１は、カラーフィルタ８２ａ及びカラーフィルタ８２ｂで反射されて、戻り励起光Ｅ２となり、再度、蛍光体領域７３ａに入射する。蛍光体領域７３ａに入射した戻り励起光Ｅ２のうち、蛍光体領域７３ａで吸収されない成分は未使用励起光Ｅ３として蛍光体領域７３ａを透過し、蛍光体領域７３ａで吸収された成分は黄色蛍光体Ｐｙを励起する。励起された黄色蛍光体Ｐｙは所定の蛍光変換効率で蛍光Ｆ２として黄色蛍光Ｆｙを出射する。蛍光体領域７３ａを出射した黄色蛍光Ｆｙは、カラーフィルタ８２ａを透過する際にはトリミング蛍光Ｇ２として黄色基準光Ｌｙを生成し、カラーフィルタ８２ｂを透過する際にはトリミング蛍光Ｇ２として赤色基準光Ｌｒを生成する。

蛍光体領域７３ｂで吸収されなかった励起漏れ光Ｅ１は、カラーフィルタ８２ｃで反射されて、戻り励起光Ｅ２となり、再度、蛍光体領域７３ｂに入射する。蛍光体領域７３ｂに入射した戻り励起光Ｅ２のうち、蛍光体領域７３ｂで吸収されなかった成分は未使用励起光Ｅ３として蛍光体領域７３ｂを透過し、蛍光体領域７３ｂで吸収された成分は緑色蛍光体Ｐｇを励起する。励起された緑色蛍光体Ｐｇは所定の蛍光変換効率で蛍光Ｆ２として緑色蛍光Ｆｇを出射する。蛍光体領域７３ｂを出射した緑色蛍光Ｆｇは、カラーフィルタ８２ｃを透過する際にはトリミング蛍光Ｇ２として緑色基準光Ｌｇを生成する。

ここで、蛍光体ホイール７０が備える、蛍光体７３を分散させた蛍光体層は、入射する励起光Ｅのうち所定の割合の光を透過するように蛍光体層の膜厚、及び蛍光体粒子の濃度が調整される。すなわち、蛍光体層の膜厚を薄く、蛍光体粒子の濃度を下げることによって、励起漏れ光Ｅ１の光量を多くすることができる。そして、この励起漏れ光Ｅ１を戻り励起光Ｅ２として再び蛍光体７３に入射させ蛍光体７３を励起することで、蛍光体層の膜厚を薄く、蛍光体粒子の濃度を下げても、蛍光体７３から所定の蛍光の光量を得ることができる。

（効果）
半導体レーザのような固体光源を用いて蛍光体を励起して用いる光源装置においては、励起光を蛍光に変換する蛍光変換効率が高いことが求められる。ここで、蛍光を発光する蛍光板は、固体光源を出射した励起光が光学系を通して蛍光板上の蛍光体層に入射して、蛍光体層に分散された蛍光体（蛍光体結晶、粒子）が励起光を吸収し、励起されることにより、蛍光を等方的に放出する。蛍光変換効率を高くするためには、蛍光体による励起光の吸収量を増やすため、蛍光体層内の蛍光体粒子の濃度を上げる、蛍光体層の膜厚を厚くする方法が考えられる。

しかし、蛍光体層内の蛍光体濃度を上げると、励起光の吸収量は増えるものの、発生した蛍光が蛍光体層内で吸収される割合が高くなることに加え、発光時に発生する熱量も増えてしまう。

また、蛍光体層の膜厚を厚くすると発光した際に発生した熱量が蛍光体層内にこもりやすくなり、蛍光体層の温度が上昇してしまう。一般的に実施の形態１などで使用される蛍光体７３は高温で使用するほど発光効率が低下してしまうため、上記方法では蛍光変換効率の改善及び光源装置の高輝度化は難しいという問題が従来からあった。

実施の形態１では、カラーフィルタホイール８０に励起光Ｅの反射膜であるダイクロイック膜８２を備え、かつ、蛍光体ホイール７０からカラーフィルタホイール８０の光学系を共役に構成している。これによって、蛍光体ホイール７０を透過する未変換の励起光Ｅをカラーフィルタホイール８０に設けたダイクロイック膜８２で反射して再度、蛍光体ホイール７０に導くことか可能となる。この構成によれば、蛍光体層内の蛍光体粒子の濃度を上げたり、蛍光体層の膜厚を厚くすることなく、励起光の蛍光変換効率を改善して光源装置の高輝度化が可能となる。

また、励起光を吸収するために必要な蛍光体層の膜厚を薄くすることが可能となり、蛍光体層の放熱性能が向上することで蛍光体７３の温度が低下して発光効率が改善し、光源装置の高輝度化が可能となる。

［実施の形態２］
図５は、本開示の実施の形態２における投写型映像表示装置１０１の構成図である。以下において、図１と同一の構成部分には同一の符号を付して、実施の形態１との相違点について、主に説明する。

実施の形態１は、空間変調素子として１枚のＤＭＤ４１を用いた例であり、光源装置１０で時分割に生成される基準映像光に対応した画像を、時分割に投写することで画像表示を行う。本開示の実施の形態２では、３枚の空間変調素子であるＬＣＤ４１１Ｒ、ＬＣＤ４１１Ｇ、ＬＣＤ４１１Ｂを用いた３板式の液晶プロジェクタの例について説明する。

（光源装置の構成）
本開示の投写型映像表示装置１０１は、緑色基準光Ｌｇと赤色基準光Ｌｒを生成するための黄色蛍光Ｆｙを出射する光源装置１１１と、青色基準光Ｌｂを生成する光源２０１を備える。

光源装置１１１は、光源２０と、集光レンズ３０と、拡散板６０と、蛍光体ホイール７０１と、レンズ３１、レンズ３２と、カラーフィルタ８０１とで構成される。光源２０は励起光Ｅを出射する。集光レンズ３０は光源２０の出射光を蛍光体ホイール７０１に集光する。拡散板６０は光源２０からの光の干渉性を低減させる。蛍光体ホイール７０１は励起光Ｅの励起によって蛍光Ｆを出射する。レンズ３１、レンズ３２は蛍光体ホイール７０１を出射する蛍光Ｆを略平行光にコリメートする。カラーフィルタ８０１は蛍光体ホイール７０１で吸収されなかった励起光Ｅを反射する。

光源２０１は、青色基準光Ｌｂ（例えば、波長４５５ｎｍ）を出射する半導体レーザ光源２１１と、半導体レーザ光源２１１からの光を平行光化するコリメータレンズ２２１とがマトリックス状に配列して構成されたアレイ光源２３１である。

（全体構成）
光源装置１１１を出射した黄色蛍光Ｆｙは、レンズアレイ３００、レンズアレイ３０１、偏光変換素子３０２、コンデンサーレンズ３０３により、緑色ＬＣＤ４１１Ｇと赤色ＬＣＤ４１１Ｒに均一に照明される。ここで、コンデンサーレンズ３０３を出射した黄色蛍光Ｆｙは、ダイクロイックミラー３０４で緑色基準光Ｌｇと赤色基準光Ｌｒに分光される。緑色基準光Ｌｇは、ミラー３０５Ｇで反射された後、レンズ３０６Ｇ、入射側偏光板３０７Ｇを透過し、緑色ＬＣＤ４１１Ｇで映像光に変調されて出射側偏光板３０８Ｇを通して色合成プリズム４２１に導かれる。赤色基準光Ｌｒは、ミラー３０５Ｒで反射された後、レンズ３０６Ｒ、入射側偏光板３０７Ｒを透過し、赤色ＬＣＤ４１１Ｒで映像光に変調されて出射側偏光板３０８Ｒを通して色合成プリズム４２１に導かれる。

光源２０１を出射した青色基準光Ｌｂは、コンデンサーレンズ３１０で拡散板６０１上に集光される。拡散板６０１で拡散した青色基準光Ｌｂは、レンズ３１１、レンズ３１２で略平行光化されて、ミラー３０５Ｂ、レンズ３０６Ｂ、入射側偏光板３０７Ｂを介して、青色ＬＣＤ４１１Ｂに照明され、映像光に変調されて出射側偏光板３０８Ｂを通して色合成プリズム４２１に導かれる。

映像光に変調された青色基準光Ｌｂ、緑色基準光Ｌｇ、赤色基準光Ｌｒは、色合成プリズム４２１で合成されて、投写レンズ５０によって図示しないスクリーンに拡大投写される。

（蛍光体ホイールの構成と蛍光変換光路の説明）
図６Ａ，図６Ｂに蛍光体ホイール７０１の構成図を示す。図６Ａは図５の＋ｙ方向から見た蛍光体ホイール７０１の側面断面図であり、図６Ｂは図５の左側（図５の−ｚ方向）から見た蛍光体ホイール７０１の正面図である。

蛍光体ホイール７０１は、蛍光体ホイール７０とは異なり、透明基板７１上に一種類の蛍光体７３１が円環状に構成される。ここで、蛍光体７３１は緑色基準光Ｌｇと赤色基準光Ｌｒを含む黄色蛍光Ｆｙを発光する黄色蛍光体Ｐｙであり、光源２０から入射する励起光Ｅにより、黄色蛍光Ｆｙを発光する。ここで、蛍光体ホイール７０１は、モータ７４で回転することによって、蛍光体７３１への熱の蓄積を分散して、蛍光体７３１を冷却する。

カラーフィルタ８０１は、励起光Ｅである青色光を反射して、その他の波長領域の光を透過するダイクロイックフィルタであり、実施の形態１で説明した図８のスペクトル特性のダイクロイックフィルタが使用できる。

図４に示す蛍光体ホイール７０を、本実施の形態２の蛍光体ホイール７０１に、カラーフィルタホイール８０及びレンズ３３を本実施の形態２のカラーフィルタ８０１に、置き換えて、本実施の形態における蛍光変換光路を説明する。

蛍光体ホイール７０１を出射した蛍光Ｆ１及び蛍光体７３１で吸収されなかった励起漏れ光Ｅ１は、レンズ３１、レンズ３２で略平行光化されて、カラーフィルタ８０１に略垂直に入射する。カラーフィルタ８０１に入射した蛍光Ｆ１はカラーフィルタ８０１を透過して、トリミング蛍光Ｇ１としてカラーフィルタ８０１を出射する。カラーフィルタ８０１に入射した励起漏れ光Ｅ１は、カラーフィルタ８０１で反射されて戻り励起光Ｅ２となり、同一光路を通って再度、蛍光体ホイール７０１の蛍光体７３１に入射する。

再度、蛍光体７３１に入射した戻り励起光Ｅ２の一部は、蛍光体７３１で吸収されて、所定の蛍光変換効率で蛍光Ｆ２と熱に変換され、蛍光Ｆ２は、蛍光体ホイール７０１をカラーフィルタ８０１方向に出射する。また、蛍光体７３１に入射したものの、蛍光体７３１に吸収されなかった戻り励起光Ｅ２は蛍光体７３１を透過して、未使用励起光Ｅ３として蛍光体ホイール７０１を透過する。蛍光体ホイール７０１を出射した蛍光Ｆ２は、レンズ３１、レンズ３２で略平行光化されカラーフィルタ８０１に略垂直に入射し、トリミング蛍光Ｇ２としてカラーフィルタ８０１を出射する。

（効果）
蛍光体ホイール７０１を出射する光を、カラーフィルタ８０１に略垂直に入射する構成とすることで、蛍光体ホイール７０１を透過する未変換の励起光Ｅをカラーフィルタ８０１で反射して再度、蛍光体ホイール７０１に導くことが可能となる。これにより励起光の蛍光変換効率を改善して光源装置の高輝度化が可能となる。

また、励起光を吸収するために必要な蛍光体層の膜厚を薄くすることが可能となり、蛍光体層の放熱性能が向上することで蛍光体７３１の温度が低下して発光効率が改善し、光源装置の高輝度化が可能となる。

［実施の形態３］
図７は、本開示の実施の形態３における投写型映像表示装置１０２の構成を示す図である。以下において、図１とは同一の構成部分には同一の符号を付して、実施の形態１に対する相違点について、主に説明する。

実施の形態１は、空間変調素子として１枚のＤＭＤ４１を用いた例であり、光源装置１０で時分割に生成される基準映像光に対応した画像を、時分割に投写することで画像表示を行う。本開示の実施の形態３では、３枚の空間変調素子であるＤＭＤ４１２Ｒ、ＤＭＤ４１２Ｇ，ＤＭＤ４１２Ｂを用いた３板式の例について説明する。

（光源装置の構成）
本開示の投写型映像表示装置１０２は、白色基準光Ｌｗを出射する光源装置１１２を備える。

光源装置１１２は、光源２０２と、集光レンズ３０と、拡散板６０と、蛍光体ホイール７０２と、レンズ３１、レンズ３２と、カラーフィルタ８０２と、で構成される。光源２０２は励起光Ｅを出射する。集光レンズ３０は光源２０２の出射光を蛍光体ホイール７０２に集光する。拡散板６０は光源２０２からの光の干渉性を低減させる。蛍光体ホイール７０２は励起光Ｅの励起によって蛍光Ｆを出射する。レンズ３１、レンズ３２は蛍光体ホイール７０２の出射光を平行光化する。カラーフィルタ８０２は蛍光体ホイール７０２で吸収されなかった励起光Ｅを反射する。

光源２０２は、励起光Ｅとして紫外光（例えば、波長４１０ｎｍ）を出射する半導体レーザ２１２と、半導体レーザ２１２からの光を平行光化するコリメータレンズ２２２とがマトリックス状に配列して構成されたアレイ光源２３２である。

（全体構成）
光源装置１１２を出射した白色基準光Ｌｗは、レンズ３３、ロッドインテグレータ３４、レンズ３５、レンズ３６、ミラー３２０、レンズ３２１を介して全反射プリズム４２２に入射する。全反射プリズム４２２の反射面４２２ａで反射した白色基準光Ｌｗは、カラープリズム４２３で分光されて青色ＤＭＤ４１２Ｂ、緑色ＤＭＤ４１２Ｇ、赤色ＤＭＤ４１２Ｒに入射して、各色映像光に変調された後、再びカラープリズム４２３で合成されて全反射プリズム４２２を透過して、投写レンズ５０により図示しないスクリーンに拡大投写される。

（蛍光体ホイールの構成と蛍光変換光路の説明）
本開示の蛍光体ホイール７０２は、図６Ａ，図６Ｂに示す実施の形態２における蛍光体ホイール７０１と同様に、透明基板７１上に一種類の蛍光体７３２が円環状に構成される。ここで、蛍光体７３２は白色基準光Ｌｗを発光する白色蛍光体Ｐｗであり、例えば、紫外の励起光Ｅで青色蛍光Ｆｂを発光する青色蛍光体Ｐｂと、紫外の励起光Ｅで黄色蛍光Ｆｙを発光する黄色蛍光体Ｐｙとを混合して構成される。蛍光体７３２は、光源２０２から入射する励起光Ｅにより励起され、青色蛍光Ｆｂと黄色蛍光Ｆｙとを発光し、白色基準光Ｌｗを生成する。ここで、蛍光体ホイール７０２は、モータ７４で回転することによって、蛍光体７３２への熱の蓄積を分散して、蛍光体７３２を冷却する。

カラーフィルタ８０２は、励起光Ｅである紫外光を反射して、その他の波長領域の光を透過するダイクロイックフィルタである。

図４の蛍光体ホイール７０を、本実施の形態３の蛍光体ホイール７０２に、カラーフィルタホイール８０及びレンズ３３を実施の形態３のカラーフィルタ８０２に、置き換えて、本実施の形態３における蛍光変換光路を説明する。

蛍光体ホイール７０２を出射した蛍光Ｆ１及び蛍光体７３２で吸収されなかった励起漏れ光Ｅ１は、レンズ３１、レンズ３２で略平行光化されて、カラーフィルタ８０２に略垂直に入射する。カラーフィルタ８０２に入射した蛍光Ｆ１はカラーフィルタ８０２を透過して、トリミング蛍光Ｇ１としてカラーフィルタ８０２を出射する。カラーフィルタ８０２に入射した励起漏れ光Ｅ１は、カラーフィルタ８０２で反射されて戻り励起光Ｅ２となり、同一光路を通って再度、蛍光体ホイール７０２の蛍光体７３２に入射する。

再度、蛍光体７３２に入射した戻り励起光Ｅ２の一部は、蛍光体７３２で吸収されて、所定の蛍光変換効率で蛍光Ｆ２と熱に変換され、蛍光Ｆ２は、蛍光体ホイール７０２をカラーフィルタ８０２方向に出射する。また、蛍光体７３２に入射したものの、蛍光体７３２に吸収されなかった戻り励起光Ｅ２は蛍光体７３２を透過して、未使用励起光Ｅ３として蛍光体ホイール７０２を透過する。蛍光体ホイール７０２を出射した蛍光Ｆ２は、レンズ３１、レンズ３２で略平行光化されカラーフィルタ８０２に略垂直に入射し、トリミング蛍光Ｇ２としてカラーフィルタ８０２を出射する。

（効果）
蛍光体ホイール７０２を出射する光を、カラーフィルタ８０２に略垂直に入射する構成とすることで、蛍光体ホイール７０２を透過する未変換の励起光Ｅをカラーフィルタ８０２で反射して再度、蛍光体ホイール７０２に導くことが可能となる。これにより励起光の蛍光変換効率を改善して光源装置の高輝度化が可能となる。

また、励起光を吸収するために必要な蛍光体層の膜厚を薄くすることが可能となり、蛍光体層の放熱性能が向上することで蛍光体７３２の温度が低下して発光効率が改善し、光源装置の高輝度化が可能となる。

尚、上記各実施の形態で使用されるカラーフィルタは、励起光を高反射するよう構成されるが、カラーフィルタに入射する励起光のうちの少なくとも一部の励起光を反射するような構成であれば、所定の効果を得ることができる。

また、上記各実施の形態において使用されるカラーフィルタ板が、励起光を高反射する第１の反射膜を備えるが、第１の反射膜の設置位置はここに限定するものではなく、蛍光板からカラーフィルタ板までの光路に設置される構成であれば、所定の効果を得ることができる。

本開示は、蛍光体励起光源を使用する光源装置に関し、投写型映像表示装置に適用可能である。

１０，１１１，１１２ 光源装置
１１ 照明装置
１２ 映像表示部
１３ 投写系
２０，２０１，２０２ 光源
２１，２１２ 半導体レーザ
４１ ＤＭＤ
５０ 投写レンズ
７０，７０１，７０２ 蛍光体ホイール
７１，８１ 透明基板
７２ｂ，８２ ダイクロイック膜
７３，７３１，７３２ 蛍光体
７３ａ 蛍光体領域
７３ｂ 蛍光体領域
８０ カラーフィルタホイール
８０１，８０２，８２ａ，８２ｂ，８２ｃ カラーフィルタ
８５ 光拡散領域
１００，１０１，１０２ 投写型映像表示装置
Ｅ 励起光
Ｅ１ 励起漏れ光
Ｅ２ 戻り励起光
Ｅ３ 未使用励起光
Ｆ，Ｆ１，Ｆ２ 蛍光
Ｆｙ 黄色蛍光
Ｆｇ 緑色蛍光
Ｇ１，Ｇ２ トリミング蛍光

Claims (6)

1. 固体光源と、前記固体光源からの励起光で励起されて蛍光発光する蛍光体が設けられ、前記蛍光体からの蛍光を前記励起光の進行方向に出射する透過型の蛍光板と、前記蛍光板からの光の波長領域の一部をカットして所望の色光にトリミングするカラーフィルタ板を備えた光源装置であって、前記蛍光板から前記カラーフィルタ板までの光路に前記蛍光体で吸収されなかった励起光である励起漏れ光を反射する第１の反射膜を備える光源装置。
2. 前記第１の反射膜は、前記カラーフィルタ板の少なくとも一部に形成されている、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記蛍光板から前記カラーフィルタ板までの光学系は共役に構成される、請求項１に記載の光源装置。
4. 前記蛍光板からの光を略平行光化する光学系を備え、前記蛍光板から出射される光は前記カラーフィルタ板に略垂直に入射する、請求項１に記載の光源装置。
5. 前記蛍光板は、透明基板と、この透明基板上に設けられ、前記励起光を透過させて、前記励起光とは異なる波長の光を反射する第２の反射膜と、前記第２の反射膜上に塗布された蛍光体とで構成され、前記蛍光体は入射する前記励起光を所定の割合で透過する、請求項１に記載の光源装置。
6. 請求項１に記載の光源装置と、前記光源装置から得られる照明光を映像信号によって変調し映像光を出射する空間変調素子と、前記空間変調素子からの映像光を拡大投写する投写光学系とを備える、投写型映像表示装置。

Images