JP7261951B2 - 照明装置、及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本開示は、蛍光体を用いた照明装置、及びそれを光源として使用した投写型映像表示装置に関する。

特許文献１には、分割された蛍光体間を光吸収材で遮光し発光の方向性を制御仕様とする開示があるが、照明用などで想定される発光強度を想定すると光吸収材の発熱が顕著となり、蛍光体の温度消光特性から現実的ではない。特許文献２には、蛍光体間により積極的な壁を界面に設けており、この壁を金属反射面として構成した技術が開示されている。これも隣り合う蛍光体間の界面に特徴を持たせたものであった。また、熱膨張の異なる金属が界面に介在することで信頼性的には不安定なものとなっている。

いずれも蛍光体間に異なる材料が介在し、そこに入射する励起光は無駄になるため明らかな効率低下を伴うものであった。

特開２０１２－１２９１３５号公報 特開２０１３－１０２０７８号公報

蛍光体が強力な励起エネルギーを受けた際にも剥離破壊を起こさない高信頼性を実現できる照明装置を提供する。

本開示における照明装置は、励起光源と、励起光源からの励起光を受けて蛍光光を発光する蛍光体と、蛍光体を支持するスプレッダーと、蛍光体とスプレッダーの間に設けられ、蛍光光を反射する反射層と、を備える。蛍光体は同一特性の複数の蛍光体片が隣接配置されて構成されている。

本開示の照明装置は、蛍光体が強力な励起エネルギーを受けた際にも剥離破壊を起こさない高信頼性を実現できる。

蛍光体ホイール装置を用いた実施の形態１の投写型映像表示装置を示す図 蛍光体ホイール装置を示す図 固定型蛍光体装置を用いた実施の形態２の投写型映像表示装置を示す図 固定型蛍光体装置を示す図

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、これらにより特許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。

（実施の形態１）
以下、図１、及び図２を用いて実施の形態１を説明する。図１は蛍光体ホイール装置１１８を有する蛍光体照明装置１００を光源として用いた投写型映像表示装置１０を示す図である。図２は蛍光体ホイール装置１１８を示す図であり、図２の（ａ）は、蛍光体ホイール装置１１８の正面図、図２の（ｂ）は、蛍光体ホイール装置１１８の側面図である。尚、図２中のハッチングは、構成を理解するために施されたものであって、断面を示すものではない。

図１において、光源用の青色レーザダイオードユニット１０１ａ、１０１ｂは複数の青色レーザダイオードと、その出射面側にそれぞれのレーザに対応して配置されたコリメートレンズからなっており、レーザ光の広がりを抑えて出力できる。ここで、青色レーザダイオードユニット１０１ａ、１０１ｂは、励起光源の一例である。

青色レーザダイオードユニット１０１ａを出射した青色レーザ光は、部分的開口を持つミラー１０２に入射する。ここに入射することで光の一部は部分的開口を持つミラー１０２の開口を抜けて＋Ｘ方向に出射され、反射部に入射した光は＋Ｙ方向に反射される。青色レーザダイオードユニット１０１ｂを出射した光も部分的開口を持つミラー１０２に入射する。ここに入射することで同様に一部は部分的開口を持つミラー１０２の開口を抜けて＋Ｙ方向に出射され、反射部に入射した光は＋Ｘ方向に反射される。青色レーザダイオードユニット１０１ａ、１０１ｂから出射する光のうち、＋Ｘ方向に進む光と＋Ｙ方向に進む光との比は後者の比率が高くなるよう部分的開口を持つミラー１０２の開口形状は設計されている。

＋Ｘ方向に出射された青色光は、レンズ１０３で集光され、ミラー１０４で反射されたあと、拡散板１０５近傍に集光される。コンデンサレンズ１０６に入射した光は略平行光となってダイクロイックミラー１０７に入射する。ダイクロイックミラー１０７は青色光を透過し、それ以外の色光は反射する特性を有し、青色レーザ光は青色光であるので、青色レーザ光はこれを透過する。透過した青色レーザ光はレンズ１０８、ミラー１０９、レンズ１１０を経て矩形開口を持つロッドインテグレータ１１１の入射面に集光せしめられる。

部分的開口を持つミラー１０２を経て＋Ｙ方向に進んだ光は、ミラー１１４を挟んでアフォーカル系を構成するレンズ１１２とレンズ１１３で収束され拡散板１１５に入射される。拡散板１１５に入射された青色レーザ光はここで拡散された後、ダイクロイックミラー１０７を透過してコンデンサレンズ１１６、１１７に入射する。ここに入射した青色レーザ光は蛍光体ホイール装置１１８の蛍光体１１９に励起光として入射する。

図２に示すように、蛍光体ホイール装置１１８の蛍光体１１９は同一の特性を有する蛍光体片１１９ａ～１１９ｈが、その断面（紙面とは垂直方向の面）を突き合わせて、その突き合わせ部で互いに近接配置されて構成されている。これら蛍光体片はＹＡＧ蛍光体からなるセラミック蛍光体であり、励起光を受けると黄色光を発光する特性を有する。蛍光体片の励起光入射面と反対側の面には、蛍光光の波長（蛍光波長）の光を反射する特性を有する反射層１２０が形成されている。反射層１２０は熱伝導性に優れた材料からなるスプレッダー１２１の表面に形成されており、反射層１２０とスプレッダー１２１の間に設けられた光透過性の接着層１２２により固着されている。

スプレッダー１２１は、一般にヒートスプレッダーと呼ばれ、本実施の形態のスプレッダー１２１は円盤形状であり、スプレッダーに形成された反射層の面上には複数の蛍光体片１１９ａ～１１９ｈが周方向に円環形状を構成するように隣接配置され、スプレッダーの中心にはスプレッダーが回動可能なようにモータ１２３が備えられている。

青色レーザ光は蛍光体に入射することで黄色光に変換され、背面の反射層に反射されてコンデンサレンズ１１７側に射出される。コンデンサレンズ１１７を経た黄色光はコンデンサレンズ１１６を透過して、ダイクロイックミラー１０７に入射される。黄色光はここで反射されてダイクロイックミラー１０７を透過した青色レーザ光（青色光）と同様にレンズ１０８、ミラー１０９、レンズ１１０を経て矩形開口を持つロッドインテグレータ１１１の入射面に集光せしめられる。ここではレーザ光源の青色光と蛍光光の黄色光が重畳されて白色光となっている。

ロッドインテグレータ１１１からの出射光はリレーレンズ１２４、１２５を経て折り返しミラー１２６で反射されたのち、フィールドレンズ１２７を経て、全反射プリズム１２８に入射する。全反射プリズム１２８は第１のプリズム１２９、第２のプリズム１３０がわずかな間隙を維持して固定されて成る。全反射プリズム１２８に入射した光は面１３１で全反射された後、面１３２を経てカラープリズムユニット１３３に入射する。

このカラープリズムユニット１３３は、青色光を反射する特性を備えたダイクロイックミラー面１３４を備えた第１のプリズム１３５と、赤色光を反射する特性を備えたダイクロイックミラー面１３６を備えた第２のプリズム１３７と、第３のプリズム１３８を接着固定して成る。各プリズムの端面には図１のようにＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス）１３９Ｒ、１３９Ｇ、１３９Ｂが備えられている。これらＤＭＤは画素に対応する微少なミラーが２次元的に配置されてなり、外部からの映像信号に合わせて、その倒れ方向が２方向に制御される。ＯＮ信号時の倒れ角で反射光はカラープリズムユニット１３３に対して入射角０°で戻り、ＯＦＦ信号時は大きな角度を持って再度入射する。ＤＭＤ１３９Ｂは青光変調用、ＤＭＤ１３９Ｒは赤光変調用、ＤＭＤ１３９Ｇは緑光変調用である。このように、ＤＭＤは、蛍光体照明装置１００からの出射光を映像信号によって変調して映像光を生成する画像表示素子の一例である。

ＤＭＤ１３９Ｒ、１３９Ｇ、１３９Ｂのそれぞれの各画素においてＯＮ信号に対応する色光は再度、カラープリズムユニット１３３に戻り、全反射プリズム１２８の第１のプリズム１２９、第２のプリズム１３０を透過して投写レンズ１４０に入射し、投写レンズはＤＭＤで生成された映像光を図示しないスクリーンに拡大投写してカラー表示を実現する。

蛍光体片１１９ａ～１１９ｈ間の突き合わせ部には若干の隙間ができる可能性があるが、励起光のスポットパターンが形成される蛍光体１１９の面と映像光が投写されるスクリーン面とは共役の関係ではないのでその隙間形状が映し出されることはない。ただし、わずかな蛍光光の出力の劣化が生じる可能性は否定できないので、許容できない場合は蛍光体ホイール装置に円盤形状のスプレッダーの回転位置を検出する回転検出センサー１４１を備えるか、あるいはモータ自体に回転位置検出機能を持たせて、スプレッダーの回転タイミングと励起光の出力または映像信号による制御とを同期させることにより、わずかな輝度変化も補正することができる。

このように回転検出センサー１４１は、円盤形状のスプレッダー上の複数の蛍光体片の突き合わせ部の回転位置を検出する検出手段の一例であり、蛍光体照明装置１００は、励起光の入射位置が蛍光体片の突き合わせ部に至るタイミングで、画像表示の出力を変化させ、輝度変化を抑制する機能を備える。画像表示の出力を変化させて映像光の輝度変化を抑制するためには、例えば、励起光の入射位置が蛍光体片の突き合わせ部に至るタイミングで、励起光の出力を上げて蛍光光である黄色光の出力を補正してもよいし、映像信号の制御において黄色を強調する制御を行ってもよい。

ここで蛍光体片１１９ａ～１１９ｈに入射する光は高いエネルギーを有している。一方で蛍光体の変換効率はおよそ５０％程度であるので入射エネルギーのうち半分は熱となる。ＹＡＧ蛍光体の熱膨張率は４×１０^－６／℃であり、スプレッダーをアルミ材で構成した場合の熱膨張率は２４．５×１０^－６／℃であることから、温度が上昇すると接着されている蛍光体とスプレッダー間でひずみが発生し剥離が生じる懸念がある。この実施の形態のように蛍光体を複数の蛍光体片１１９ａ～１１９ｈで構成することで、温度が上昇しても蛍光体片１１９ａ～１１９ｈの間が若干開くだけで、ここで応力が解放され、破壊には至らない。この蛍光体片の分割数は温度上昇と材料の熱膨張率差から決定することが望ましい。また、この蛍光体片間の隙は若干入射光の変換効率は下がるが、蛍光体に入射する励起光は一定の面積を持ったスポット光であり、最終的映像に影響を与えるものにはならない。

以上の構成では蛍光体片１１９ａ～１１９ｈをスプレッダー１２１に接着層１２２を介して固定しており、実際には熱伝導性がこの接着層の部分で劣る場合が多いが、上述のように応力ひずみを解放しやすい構成であれば接着層に応力吸収の機能を期待することがないため、この接着層をきわめて薄く構成することができる。ここでは蛍光体側に反射層をもうけて、接着層、スプレッダーの順としたが、接着層が光透過性材料で構成されて透明であれば、反射層と接着層の順を入れ替えることができるし、接着層に反射特性がある場合、反射層を別途設ける必要はない。従って、反射層と接着層とを別々に設けることなく、光透過性接着剤に反射材料を加えて形成した反射特性を有する接着層を使用しても良い。

また、ここではスプレッダー１２１をアルミ材としたが銅材などの高い熱伝導率を有する熱伝導性の優れた金属とすることも可能である。

さらにスプレッダー１２１を、蛍光体に近い熱膨張率をもち、熱伝導率にも優れた材料であるセラミック（炭化ケイ素や窒化ケイ素）で構成することが望ましい。いずれも熱膨張率は蛍光体と同等レベルだが、熱伝導率では炭化ケイ素がアルミに近い数値であることからより望ましい。これらによればスプレッダーと蛍光体との熱膨張差による応力発生が抑えられるので、蛍光体片をスプレッダーに接着する接着層１２２の厚さ抑制が可能となる。これは励起光が照射された蛍光体の温度上昇の低減に繋がる。また、使用温度範囲によっては接着層不要の拡散接合などの手段でも加工が可能となる。拡散接合は圧力と温度で材料の原子の拡散で接合するものであるので、接着剤を用いる場合のように熱伝導性に悪影響を与えることはなく、より優れた放熱構造を実現できる。なお、蛍光体が無機材料であっても直接上記セラミック製スプレッダー上に形成できる場合は、拡散接合のような接合、接着手段を用いることなく、構成可能なことは言うまでもない。このように、蛍光体片は、スプレッダーに反射層を挟んで拡散接合により固着することができる。

接着する場合は接着剤ではなく、応力解放の効果が期待できない半田づけや銀蝋付けでの蛍光体片の固着も可能となる。

なお、蛍光体照明装置１００は、照明装置として構成でき、白色光を得ることができることから投写型映像表示装置のみならず、一般照明などにも使用可能である。蛍光体照明装置１００は、特に蛍光体ホイール装置１１８の構成に特徴があり、励起光の光路や、蛍光体ホイール装置からロッドインテグレータまでの構成に限定されるものではない。

また、ここで蛍光体１１９は円盤形状のスプレッダー１２１に同じ特性の複数の蛍光体片を配置して構成したが、たとえば映像光を時分割でカラー表示する投写型映像表示装置の場合は円盤形状のスプレッダー１２１上に異なる色光を発する蛍光体を２種、３種配置することは可能である。この場合、上述と同様に各色光の蛍光体を複数の蛍光体片の集合体で構成するようにすることでも上述と同等の効果を得ることができる。

さらに高出力の出射光を得る場合、蛍光体ホイール装置を２つ搭載し熱負荷を分散して蛍光光を光学的に合成する照明装置を構成することが可能であるが、このような場合も前述のように蛍光体片の突き合わせ部に励起光が入射する場合、若干蛍光光の出力が低下する可能性が否定できない。複数の蛍光体片が円環形状に配置された円盤形状のスプレッダーを備える蛍光体ホイール装置を複数用いる場合、複数の蛍光体ホイール装置のそれぞれの蛍光体片の突き合わせ部に励起光が入射するタイミングが異なるように、スプレッダーの回転を制御することにより、蛍光光の出力低下を検出しにくくすることができる。

（実施の形態２）
以下、図３、及び図４を用いて、実施の形態２を説明する。図３は固定型蛍光体装置２０１を有する蛍光体照明装置２００を用いた投写型映像表示装置２０を示す図である。図４は固定型蛍光体装置２０１を示す図であり、図４の（ａ）は固定型蛍光体装置２０１の正面図、図４の（ｂ）は固定型蛍光体装置２０１の側面図である。尚、図３および図４中のハッチングは、構成を理解するために施されたものであって、断面を示すものではない。

図３は図１における蛍光体ホイール装置１１８を固定型蛍光体装置２０１に置き換えたものであるので、固定型蛍光体装置以外の光学的構成についての説明は割愛する。

図４に示すように、固定型蛍光体装置２０１の蛍光体２０２は、同一の特性を有する蛍光体片２０２ａ～２０２ｄがその断面（紙面とは垂直方向の面）を近接配置されて構成されており、実施の形態２では、４つの実質的に正方形状の蛍光体片が２次元（縦横方向）に隣接配置されて実質的に正方形状の蛍光体２０２を構成している。これら蛍光体片は無機材料からなるセラミックプレートであるセラミック蛍光体である。蛍光体２０２の励起光入射面と反対側の面には蛍光光の波長の光を反射する反射層２０３が形成されている。反射層２０３は熱伝導性に優れたスプレッダー２０４と接着層２０５を介して固着されている。スプレッダー２０４の蛍光体片が固着された面と反対側の面にはヒートシンク２０６が密着して構成されている。また、固定型蛍光体装置２０１の蛍光体２０２が装備された部分以外の部分には、図示しない冷却手段により放熱可能な構成を配置してもよい。

コンデンサレンズ１１６、１１７で形成される励起光のスポットサイズは蛍光体片２０２ａ～２０２ｄの範囲内に形成されることは必要ではあるが、励起光が蛍光体２０２の中心付近だけに照射されると各蛍光体片内での温度不均一が発生してしまうので励起光のスポットが蛍光体の範囲に内接するように構成されることが最も望ましい。なお、複数の蛍光体片を隣接配置して構成される蛍光体の形状は、励起光のスポット形状に合わせて例えば正方形状ではない矩形状や円形状に構成してもよい。

この固定型蛍光体装置２０１で発生する蛍光光も背面の反射層２０３に反射されてコンデンサレンズ１１７側に射出される。以降についても実施の形態１の蛍光体照明装置１００と同作用であるので説明を割愛する。

このように固定型蛍光体装置を構成することで回動部品なく（冷却ファン除く）、信頼性と静音化を得ることができ冷却手段の構成により小型化も可能となる。また、構成の簡易化により低コスト化も可能となる。

また、蛍光体片２０２ａ～２０２ｄをスプレッダー２０４に接着層２０５を介して固定しており、実際には熱伝導性がこの部分で劣る場合が多いが上述のように応力ひずみを解放しやすい小片である蛍光体片の集合体の構成であれば接着層に応力吸収の機能を期待することがないため、この接着層をきわめて薄く構成することができる。

さらにスプレッダー２０４を、蛍光体に近い熱膨張率をもち、熱伝導率にも優れた材料であるセラミック（炭化ケイ素や窒化ケイ素）で構成することが望ましい。いずれも熱膨張率は蛍光体と同等レベルだが、熱伝導率では炭化ケイ素がアルミに近い数値であることからより望ましい。これらによればスプレッダーと蛍光体との熱膨張差による応力発生が抑えられるので、蛍光体片をスプレッダーに接着する接着層２０５の厚さ抑制が可能となる。これは励起光が照射された蛍光体の温度上昇の低減に繋がる。また、使用温度範囲によっては接着層不要の拡散接合などの手段でも加工が可能となる。拡散接合は圧力と温度で材料の原子の拡散で接合するものであるので、接着剤を用いる場合のように熱伝導性に悪影響を与えることはなく、より優れた放熱構造を実現できる。なお、蛍光体が無機材料であっても直接上記セラミック製スプレッダー上に形成できる場合は、拡散接合のような接合、接着手段を用いることなく、構成可能なことは言うまでもない。

また、接着層を半田や銀蝋付けに置き換えることも実施の形態１と同様に対応可能である。また、接着層に反射特性を持たせること、接着層を光透過性の材料で構成すること等の接着層の特性、接着層と反射面の位置、それらに関することについても実施の形態１同様に変更可能である。

なお、蛍光体照明装置２００は、照明装置として構成でき、白色光を得ることができることから投写型映像表示装置のみならず、一般照明などにも使用可能である。蛍光体照明装置２００は、特に固定型蛍光体装置２０１の構成に特徴があり、励起光の光路や、固定型蛍光体装置からロッドインテグレータまでの構成に限定されるものではない。

上述の構成ではスプレッダー２０４とヒートシンク２０６を別構成としたが、スプレッダー２０４の内部に冷却手段を設けて１つの部品として構成して用いることもできる。その場合は密着面での熱抵抗がなくなるので冷却上有利となる。

また、冷却手段をここではヒートシンクとしたがこれに限定される訳ではなく、ヒートパイプや液冷装置の受熱部を上述のスプレッダー２０４に置き換えればより大きい投入エネルギーに対しても対応可能となる。

ここまででは冷却をスプレッダー２０４の蛍光体片固着面の反対面としたが、蛍光体片が固着された面上の蛍光体片周辺や、蛍光体片上を直接別の冷却手段で冷却するようにしてもよい。

以上のように、本出願において開示する技術の例示として、実施の形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用できる。また、上記実施の形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

本開示は、セラミック状の蛍光体を用いた照明装置、投写型映像表示装置に適応可能である。

１０、２０ 投写型映像表示装置
１００、２００ 蛍光体照明装置
１０１ａ、１０１ｂ 青色レーザダイオードユニット
１０２ ミラー
１０３、１０８、１１０、１１２、１１３ レンズ
１０４、１０９、１１４、１２６ ミラー
１０５、１１５ 拡散板
１０６、１１６、１１７ コンデンサレンズ
１０７ ダイクロイックミラー
１１１ ロッドインテグレータ
１１８ 蛍光体ホイール装置
１１９、２０２ 蛍光体
１１９ａ、１１９ｂ、１１９ｃ、１１９ｄ、１１９ｅ、１１９ｆ、１１９ｇ、１１９ｈ、２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ 蛍光体片
１２０、２０３ 反射層
１２１、２０４ スプレッダー
１２２、２０５ 接着層
１２３ モータ
１２４、１２５ リレーレンズ
１２７ フィールドレンズ
１２８ 全反射プリズム
１２９ 全反射プリズムの第１のプリズム
１３０ 全反射プリズムの第２のプリズム
１３１、１３２ 面
１３３ カラープリズムユニット
１３４、１３６ ダイクロイックミラー面
１３５ カラープリズムの第１のプリズム
１３７ カラープリズムの第２のプリズム
１３８ カラープリズムの第３のプリズム
１３９Ｒ、１３９Ｇ、１３９Ｂ ＤＭＤ
１４０ 投写レンズ
１４１ 回転検出センサー
２０１ 固定型蛍光体装置
２０６ ヒートシンク

Claims (3)

1. 励起光源と、
   前記励起光源からの励起光を受けて蛍光光を発光する蛍光体と、
   前記蛍光体を支持するスプレッダーと、
   前記蛍光体と前記スプレッダーの間に設けられ、前記蛍光光を反射する反射層と、を備え、
   前記蛍光体は同一特性の複数の蛍光体片からなり、その断面を近接配置されて、前記励起光のスポットが前記複数の蛍光体片の全てを照射するように２次元（縦横方向）に隣接配置されてなる固定型蛍光体を備えた照明装置。
2. 請求項１に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの出射光を映像信号によって変調して映像光を生成する画像表示素子と、
   前記画像表示素子で生成された前記映像光を拡大投写する投写レンズと、を備える、投写型映像表示装置。
3. 励起光源と、前記励起光源からの励起光を受けて蛍光光を発光する蛍光体と、前記蛍光体を支持する円盤形状のスプレッダーと、前記蛍光体と前記スプレッダーの間に設けられ、前記蛍光光を反射する反射層と、を備え、前記蛍光体は同一特性の複数の蛍光体片を前記スプレッダーの周方向に円環形状として隣接配置されて構成されており、前記スプレッダーの中心には前記スプレッダーが回動可能なようにモータが備えられている照明装置と、
   互いに隣接する前記複数の蛍光体片の間に形成される突き合わせ部の回転位置を検出する検出手段と、
   前記照明装置からの出射光を映像信号によって変調して映像光を生成する画像表示素子と、
   前記画像表示素子で生成された前記映像光を拡大投写する投写レンズと、を備え、
   前記照明装置は前記スプレッダーを複数有し、
   前記検出手段により検出される前記突き合わせ部の前記回転位置に基づいて、前記励起光が前記蛍光体片の前記突き合わせ部に至るタイミングが、複数のスプレッダーのそれぞれにおいて異なるように制御されている、投写型映像表示装置。

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