JPH07318998A

JPH07318998A - 可視光光源装置

Info

Publication number: JPH07318998A
Application number: JP6129547A
Authority: JP
Inventors: Hiromi Mochida; 裕美持田; Etsuji Kimura; 悦治木村; Masaharu Ishiwatari; 正治石渡; Keitaro Okawa; 桂太郎大川
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 1994-05-19
Filing date: 1994-05-19
Publication date: 1995-12-08

Abstract

(57)【要約】【構成】赤外可視波長上方変換材料を可視光光源とす
る光源装置であって、凹面鏡、該凹面鏡の焦点に設置さ
れた赤外可視波長変換材料粉末を保持する透明部材、上
記鏡面側から上記波長変換材料粉末に赤外光を照射する
赤外光照射手段を有し、上記波長変換材料粉末によって
生じた可視光を上記凹面鏡によって集光することを特徴
とする可視光光源装置。【効果】小型で高光度の光源が得られる。無機質の光
変換材料を用いるので長期間使用しても実質的に劣化の
ない長寿命の光源となる。発光領域を微小化できるので
集光性の良い点光源が得られ、波長が揃っているので収
束性がよく熱線とならない。従って、スポット径の改善
されたＣＤ用光源として、焦点の鮮やかな液晶プロジェ
クター用光源として、あるいは光通信用の細束光源その
他の幅広い用途で利用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は赤外光を可視光に変換し
て照射する光源装置に関する。本発明の光源装置は、光
記憶の読込みや書込みのための光源、光ファイバ通信な
どにおける光通信用光源、液晶プロジェクターなどにお
ける映写用光源、レーザプリンタなどの露光用光源など
として特に有用である。

【０００２】

【従来技術】光記録の代表的な媒体である光ディスクや
コンパクトディスクの書込みには、集光性が良く高い発
光強度が得られることから半導体レーザが主に使用され
ている。ところが半導体レーザの波長域は赤色域ないし
赤外領域（波長 0.6μm 〜１mm）であり、可視光より波
長が長い。ディスクの記録密度は波長の２乗に反比例し
て増加するためディスクの記憶密度を高めるには短波長
化が不可欠である。このため赤外光を可視光に変換して
利用する試みがなされており、その手段として、入射し
た励起光（赤外光）よりも波長の短い蛍光（可視光）を
発生するアップコンバージョン材料（赤外可視波長変換
材料）を用いたものが知られている。例えば、近赤外線
半導体レーザ光によってＹＡＧ結晶を励起させ、更にこ
のレーザ光をニオブ酸カリウムなどのＳＨＧ（第二高調
波）素子に入射して光共振させ、青色レーザ光を得る装
置が提案されている。あるいは、ＹＡＧレーザ光をチタ
ン酸リン酸カリウム（ＫＴＰ）結晶に導き、該結晶を通
じて共振させて緑色レーザ光を発生させる装置が知られ
ている。ところが、従来の装置はいずれも結晶質の波長
変換材料を必要とし、しかも光共振させて取出すために
増幅用の鏡面と半透過用鏡面とが設けられ、構造が複雑
であり大型化する欠点がある。

【０００３】一方、近年、光ディスクなどの光記憶と並
び液晶を用いた表示装置が急速に普及しつつあり、かか
る液晶表示装置の一つとして液晶プロジェクターが知ら
れている。液晶プロジェクターは３原色に分解された画
像情報を各々の液晶パネルに表示し、各パネルの透過光
をスクリーン上で重ね合わせることにより映像を表示す
るものであり、発光強度の大きな光源を必要とするた
め、通常、メタルハライドランプが光源に用いられてい
る。ところが、メタルハライドランプは発光強度が高い
反面、熱の発生量が大いため液晶の損傷を防止する手段
が不可欠である。また、発光体が管であるため点光源と
はならず光線の収束性が悪い。さらにランプの寿命が短
いという問題もある。

【０００４】

【発明の解決課題】本発明は、従来の光源装置における
上記問題を解決するものであって、光記憶や液晶表示な
どの新しい情報記憶・入出力・伝達・表示技術に適合し
たより優れた可視光光源装置を提供することを目的とす
る。具体的には、信号応答性に優れ、収束性および発光
強度が高く、熱発生量が低く、しかも設計自由度の高い
経済的な可視光光源装置を提供する。

【０００５】

【課題の解決手段】従来の光源装置に用いられている赤
外可視波長変換材料は結晶体やガラス体であるのに対し
て、本発明者は粉体の波長変換材料を光源に利用するこ
とを試み、これを凹面鏡とを組み合わせることにより、
単純な構成でありながら有用性の高い可視光光源装置を
完成した。本発明によれば以下の構成を有する光源装置
が提供される。（１）赤外可視波長上方変換材料を可視光光源とする
光源装置であって、凹面鏡、該凹面鏡の焦点に設置され
た赤外可視波長変換材料粉末を保持した透明部材、上記
鏡面側から上記波長変換材料粉末に赤外光を照射する赤
外光照射手段を有し、上記波長変換材料粉末によって生
じた可視光を上記凹面鏡によって集光することを特徴と
する可視光光源装置。（２）透明部材が透明レンズ体である上記(1) に記載
の可視光光源装置。（３）赤外光照射手段が、赤外レーザ発振器に接続さ
れた光ファイバーである上記(1) または(2) に記載の可
視光光源装置。（４）上記波長変換材料が１種類以上の希土類元素と
ハロゲン元素との希土類ハロゲン化物粉末である上記
(1) 、(2) または(3) のいずれかに記載の可視光光源装
置。（５）上記波長変換材料が希土類ハロゲン化物粉末で
ある上記(1) 〜(4) のいずれかに記載に可視光光源装
置。（６）凹面鏡の反射により平行光線束が発生される上
記(1) 〜(5) のいずれか記載の可視光光源装置。（７）凹面鏡の反射により集束光線束を発する上記
(1) 〜(5) のいずれかに記載の可視光光源装置。（８）凹面鏡の反射によって得られた集束光線束を平
行光線束に変換する手段を備えた上記(1) 〜(7) のいず
れかに記載の可視光光源装置。

【０００６】

【具体的な説明】本発明の可視光光源装置の概略を図１
の模式図に示す。本発明の光源装置は、図１に示すよう
に、凹面鏡１、該凹面鏡１の焦点に設置された赤外可視
波長変換材料（以下、単に光変換材料と云う。）粉末２
を保持する透明部材４、上記鏡面側から上記光変換材料
粉末２に赤外光を照射する赤外光照射手段３を有する。
なお上記粉末２は凹面鏡１の焦点に設置されるが、焦点
近傍であれば同様の効果が得られるので本明細書におい
て焦点とは焦点近傍を含むものとする。赤外光照射手段
３より光変換材料粉末２に向けて赤外光Ｌ1 を照射する
と、可視光Ｌ2 が発生し、この光変換材料粉末２は透明
部材４により凹面鏡１の焦点Ｆに保持されているため、
可視光Ｌ2 は凹面鏡１により集光され、その形状に対応
した光線束Ｌ3 が得られる。

【０００７】上記凹面鏡１の例としては、球面鏡や楕円
面、放物面、双曲面などの回転２次曲面鏡などが挙げら
れるが、より複雑な曲面でもよい。口径は用途等によっ
て適宜定められる。例えば、ＣＤ用光源のような微小光
源では３〜１０mm、液晶プロジェクターのような比較的
大きな光源では１０〜４０mmの口径のものが適宜用いら
れる。これらの凹面鏡は、金属自体で形成するか、不透
明支持体７の外面または上記透明部材４の凸面に金属を
蒸着、析出させ、あるいは金属膜や金属化膜を貼り付
け、または金属塗料を塗布するなど既知の方法によって
形成することができる。かかる金属の好適例としては、
銀(Ag)やアルミニウム(Al)などが挙げられる。

【０００８】凹面鏡の曲面形状は使用目的に応じて決定
される。例えば、図１または図２に示す平行光線束を得
るための光源装置では、放物面を有する凹面鏡が用いら
れる。この場合、光変換材料粉末２によって生じた可視
光Ｌ2 は周囲に放射され凹面鏡の放物面で反射する。こ
こで上記粉末２は凹面鏡の焦点に位置するので放物面に
よって反射された光Ｌ3 は放物面の軸と平行な光線束と
なる。かかる光源は、平行光線束を必要とする場合、例
えば、液晶プロジェクターの光源として有用である。ま
た、集束光線束を得るためには、曲面を楕円面の一部と
し、光変換材料２を楕円の一方の焦点Ｆ1 に配置する
（図３）。この場合、Ｆ1 より発せられた可視光は楕円
の他方の焦点Ｆ2 に焦点を結ぶ。かかる光源は、集束光
線束を必要とする場合、例えば、光記憶装置の光源とし
て有用である。さらに細い平行光線束を得るためには、
図４に示すように、第一の凹面反射鏡１０に第二の凹面
反射鏡１１を対向させ、第二の反射鏡１１により集光さ
れた光線を第三の凹面反射鏡１２により平行光線束とす
る。第三の反射鏡１２の軸線上には集光された平行光線
を外部に導くための光ファイバ１３などが接続される。
図４の構造においては、光変換材料２から発した可視光
線は、第一の反射鏡１０を経て第二の反射鏡１１に至
り、これによって収束され、さらに進んで反射鏡１２に
よりその軸線に平行になるように反射される。かかる光
源は、細い平行光線束を必要とする場合、例えば、光通
信の光源として有用である。なお、上記各例は典型例で
あり、光変換材料２や透明部材４などの界面における屈
折や反射または球面収差等を補正するために凹面の形状
を修正してもよい。例えば、図３は、透明部材４と空気
との境界面における屈折を考慮して透明部材の端面に曲
率を与えている。また、凹面鏡の中心軸上に開口絞りを
設けるなどしてコマ収差や非点収差などを解消ないし減
少させてもよい。こうした設計は、公知の光学系設計技
術に基づいて行なわれる。

【０００９】上記透明部材４は光変換材料粉末２を凹面
鏡１の焦点に保持するためのものであるが、光変換材料
は一般に湿度や酸素により劣化するため、透明部材４は
光変換材料を湿気や酸素から保護する機能をも有するこ
とが望ましい。従って、透明部材４の材質としては、可
視光透過性が大きく耐湿性を有するものが好ましい。か
かる透明材の例としては、石英ガラスのようなケイ酸ガ
ラス、ホウケイ酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、カリ石灰
ガラス、鉛ガラス、バリウムガラスなどの無機ガラス、
およびアクリルガラスなどの有機ガラスが挙げられる。
必要があれば可視光透過性の大きい結晶を用いてもよ
い。

【００１０】透明部材４の形状は、図１に示すように、
凹面鏡１の形状に応じた凸レンズ体とすると良い。この
ようなレンズ形状とすれば凹面鏡１の反射面と透明部材
とを密着させることができ、透明部材表面での光の反射
や散乱を最小限にすることができる。また、透明部材４
の外側端面８の形状によって凹面鏡によって反射された
可視光の収束性等を調整することができる。さらに、か
かるレンズ体を用いる場合には、凸面に金属を付着させ
て透明部材と鏡面とを一体に形成することも可能であ
る。

【００１０】装置が大きく、固定手段による散乱等が相
対的に無視し得る場合には、装置の軽量化のため、図２
に示すように透明部材を棒状部材としその基部を鏡面に
固定し先端に光変換材料を保持する構成が有利である。
あるいは、金属などの不透明部材で鏡面に固定し光変換
材料封入部のみを透明部材で形成してもよい。なお、棒
状部材の形状はパラボラアンテナ等で用いられる放射器
と同様の構造を適用すればよい。

【００１１】上記透明部材４の内部に光変換材料２を封
入することにより光変換材料２が保持され同時に湿気等
に対して保護される。光変換材料２の封入量や大きさは
光源の使用目的等に応じて定められる。レンズ体の内部
に光変換材料２を封入するには、焦点位置まで装入孔を
設け、該孔底に材料２を充填後、透明接着剤などによて
封止すると良い。

【００１２】赤外線発生装置５は所望の強度の赤外線を
発するものであれば特に限定されない。好適な波長域
は、光変換材料との組み合わせにより決定される。強力
な光線を得るためには赤外レーザ発振器が用いられる。
特に好ましい赤外線源は、小型で高出力が得られる半導
体レーザである。半導体レーザは、光ファイバ通信、Ｃ
Ｄあるいはレーザプリンタの光源などとして通常使用さ
れているいずれの製品も使用できる。かかる半導体レー
ザの例としては、GaAlAs半導体レーザ(0.7〜0.9 μ
ｍ）、InGaAsP 半導体レーザ(1.0〜1.7 μｍ）などが挙
げられる。光記憶の書込みや読込み用光源など比較的低
光度の光源として本発明の装置を用いる場合には、赤外
線源としては２０ｍＷ以上程度の出力があればよい。ま
た液晶プロジェクタのような比較的高光度の光源として
用いる場合には、赤外線源としては４０Ｗ程度以上の出
力が適当である。

【００１３】上記装置５で発生した赤外線は、図２に示
すように光変換材料２に直接照射しても良いが、通常
は、赤外線誘導手段６を経由して光変換材料２に照射さ
れる。赤外線誘導手段６の典型例は光ファイバである。
光変換材料２は赤外線が照射された部分が最も強く発光
するので、赤外線は凹面鏡１の鏡面側から光変換材料２
に照射することが好ましい。一例として、図１に示すよ
うに、凹面鏡１の頂点Ｓに光ファイバの先端を突き出し
光変換材料２に向けて設置する。なお、図１では説明の
便宜上、ファイバ先端と光変換材料２との間に間隔が設
けられているが、ファイバのコア径と光変換材料装入部
の径がほぼ等しい場合には両者を近接させてもよい。ま
た、光変換材料へ赤外線を照射する際、照射効率を最大
限にするためにファイバ先端にレンズを設けてもよい。
装置構成上、凹面鏡１の頂点Ｓに光ファイバを設置でき
ない場合には、図２に示すように凹面鏡の焦点と頂点Ｓ
を結ぶ中心線に対して斜め（角度θ）に設置しても良
い。設置角度θは凹面鏡等による光学系の構成に応じて
適宜設定される。

【００１４】本発明において使用される光変換材料２と
は、赤外光を反ストークス的に波長変換する材料をい
う。かかる光変換材料としては、エルビウムまたはツリ
ウムなどの希土類イオンを発光中心成分とする種々の化
合物が知られている。具体的にはエルビウム(Er)、ツリ
ウム(Tm)、イットリウム(Y) 、イッテルビウム(Yb)、ガ
ドリニウム(Gd)、ランタン(La)、ホルミウム(Ho)などの
希土類元素を１種以上含む希土類酸化物あるいはこれら
の塩化物、臭化物、ヨウ化物などの希土類ハロゲン化物
が知られている。本発明の可視光光源装置は粉末の上記
光変換材料を利用できることが特徴である。粉末材料を
用いることにより結晶化ないしガラス化し難い光変換材
料をも幅広く使用することができ、また、励起光をこれ
ら透明体の光変換材料中に透過させミラー間で増幅を行
なうなどの構造も不要であるので波長変換効率の高い光
源装置を得ることができる。

【００１５】Ｅｒを発光源物質として含み、発光補助物
質としてＧｄまたはＬａを含むハロゲン化物の例を表１
に示す。これらのハロゲン化物は表示されるモル比にな
るように各成分原料粉末を混合し加熱溶解して得たもの
であり、Ｘ線回折によれば各成分の単なる混合物ではな
く、概ね、各成分からなる複合ハロゲン化物であると考
えられ、また一部には結晶性の高いものも認められる。
何れも、Ｅｒ成分の添加量は概ね５ mol％〜２０ mol％
が適当である。添加量が５ mol％より少ないと光変換効
率が低く、実用に適する発光感度が得られない。Ｇｄ成
分またはＬａ成分の添加量はＥｒ成分に対して４〜６倍
量が適当である。添加量がこれより少ないと発光感度が
低く、また添加量がこれより多いと相対的にＥｒの含有
量が低くなり、やはり発光感度が低下する。

【００１６】ＢａＣｌ₂を母材としＴｍＣｌ₃を含有す
る複合塩化物からなる蛍光体の例を表２に示す。この化
合物は、表示されるモル比になるように所定量のＢａＣ
ｌ₂とＴｍＣｌ₃とを混合し、塩素ガス雰囲気下で溶融
した後に冷却固化して得ることができ、７８０ｎｍ前後
の赤外光を照射すると緑色の蛍光を生じる。蛍光体の単
位重量あたりＴｍＣｌ₃の含有量が３モル％未満では十
分な発光が得られない。また該含有量が５０モル％を上
回ると濃度消光により発光が低下する。この蛍光体はＴ
ｍと共にＥｒないしＹｂを含むことができる。該複合塩
化物においてＥｒ³⁺およびＹｂ³⁺はＴｍ³⁺の励起に関す
るエネルギー伝達物質としての役割を果たす。ＥｒＣｌ
₃およびＹｂＣｌ₃の含有量は２０〜３５モル％が好ま
しく、ＴｍＣｌ₃に対して１〜１０モル倍程度が好まし
い。ＴｍＣｌ₃の含有量がＥｒＣｌ₃の含有量よりも多
いと、ＥｒＣｌ₃が発光中心物質となり、ＴｍＣｌ₃が
発光ネルギー伝達物質の役割を果たすことになり、本発
明とは異なる励起状態と想定される。

【００１７】

【表１】

【００１８】

【表２】

【００１９】

【発明の効果】本発明の光源は、粉末状の光変換材料を
用いて極めて効率的に赤外光を可視光に変換することに
成功したものであり、小型であるにも拘らず高光度の光
源が得られる。また上記光変換材料は無機物質であり、
白熱電球やプラズマ発光体のような高温発光ではないた
め、長期間使用しても実質的に劣化のない、極めて長寿
命の光源となる。しかも、発光領域を微小化できるので
集光性の良い点光源が得られ、さらに、波長が揃ってい
るので収束性がよく熱線とならない。従って、他の光学
系、例えば、上記透明体からなるレンズや凹面反射鏡と
組み合わせることにより、設計が容易でしかも自由度の
高い光源が得られる。このため、例えば、スポット径の
改善されたＣＤ用光源として、焦点の鮮やかな液晶プロ
ジェクター用光源として、あるいは光通信用の細束光源
その他の幅広い用途で利用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による光源装置の構造を模式的に示す
断面図。

【図２】本発明による光源装置の他の態様における構
造を模式的に示す断面図。

【図３】本発明による光源装置の他の態様における構
造を模式的に示す断面図。

【図４】本発明による光源装置の他の態様における構
造を模式的に示す断面図。

【符号の説明】１…凹面鏡２…光変換材料粉末３…赤外光照射手段４…透明部材５…赤外線発生装置６…赤外線誘導装置７…支持体８…透明部材端面１０…凹面鏡１１…凹面鏡１２…凹面鏡１３…光ファイバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者大川桂太郎東京都千代田区大手町１丁目５番１号三菱マテリアル株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】赤外可視波長上方変換材料を可視光光源
とする光源装置であって、凹面鏡、該凹面鏡の焦点に設
置された赤外可視波長変換材料粉末を保持した透明部
材、上記鏡面側から上記波長変換材料粉末に赤外光を照
射する赤外光照射手段を有し、上記波長変換材料粉末に
よって生じた可視光を上記凹面鏡によって集光すること
を特徴とする可視光光源装置。
【請求項２】透明部材が透明レンズ体である請求項１
に記載の可視光光源装置。
【請求項３】赤外光照射手段が、赤外レーザ発振器に
接続された光ファイバーである請求項１または２に記載
の可視光光源装置。
【請求項４】上記波長変換材料が１種類以上の希土類
元素とハロゲン元素との希土類ハロゲン化物粉末である
請求項１、２または３のいずれかに記載の可視光光源装
置。
【請求項５】上記波長変換材料が希土類ハロゲン化物
粉末である請求項１〜４のいずれかに記載に可視光光源
装置。
【請求項６】凹面鏡の反射により平行光線束が発生さ
れる請求項１〜５のいずれか記載の可視光光源装置。
【請求項７】凹面鏡の反射により集束光線束を発する
請求項１〜５のいずれかに記載の可視光光源装置。
【請求項８】凹面鏡の反射によって得られた集束光線
束を平行光線束に変換する手段を備えた請求項１〜９の
いずれかに記載の可視光光源装置。