JPWO2012053245A1 - 光源装置および投射型表示装置 - Google Patents

Abstract

偏光方向が一定であるレーザ光を出射するＬＤ素子１およびＬＤ素子１から出射されたレーザ光を集光するレンズ２を備えた光源ユニットと、光源ユニットのレンズ２によって集光されたレーザ光によって励起され、インコヒーレント光を放出する蛍光体層３とを有し、レーザ光の蛍光体層３への入射角が、０度よりも大きく、かつ、９０度よりも小さく、レーザ光が蛍光体層３へＰ偏光として入射する。

Description

本発明は、レーザダイオードを用いた光源装置と、該光源装置を備えた投射型表示装置とに関する。

近年、発光ダイオード、エレクトロルミネッセンス素子、レーザダイオードなどの固体光源を用いた光源装置が知られている。例えば、特許文献１〜３には、発光ダイオードを用いた光源装置が記載されている。

特許第２５６７５５２号公報 特開平１０−２６９８０２号公報 特開昭６１−４１１３３号公報

しかし、１つの発光ダイオードから出射される光の量は一般にきわめて小さい。したがって、高出力の光源装置を実現するためには複数個の発光ダイオードを使用する必要があり、光源装置の小型化が困難である。また、エレクトロルミネッセンス素子は、低輝度面発光光源であるため、投射型表示装置や照明器具の光源には適さない。

一方、レーザダイオードの電力・光変換効率は、発光ダイオードのそれの数倍である。よって、光源としてレーザダイオードを利用すれば、高出力かつ小型の光源装置が実現できる。

しかし、レーザダイオードから出射される光（レーザ光）は、コヒーレント光であるため、人の眼に対する安全性に関して問題があった。そこで、レーザ光によって励起された蛍光体から放出される光の利用が提案されている。すなわち、レーザ光（コヒーレント光）をインコヒーレント光に変換した上で利用することが提案されている。

上記のような状況の下、レーザダイオードを用いた光源装置および該光源装置が搭載された各種装置や器具における光利用効率の向上が求められている。

本発明は、上記要求に鑑みてなされたものである。本発明の目的の一つは、レーザダイオードを用いた光源装置における光利用効率をさらに向上させ、小型かつ高出力の光源装置を実現することである。本発明の目的の他の一つは、上記光源装置を備えた各種装置や器具における光利用効率をさらに向上させることである。

本発明の光源装置の一つは、偏光方向が一定であるレーザ光を出射するレーザダイオードおよび該レーザダイオードから出射されたレーザ光を集光する集光光学系を備えた光源ユニットと、前記光源ユニットの前記集光光学系によって集光されたレーザ光によって励起され、インコヒーレント光を放出する蛍光体層とを有し、前記レーザ光の前記蛍光体層への入射角が、０度よりも大きく、かつ、９０度よりも小さく、前記レーザ光が前記蛍光体層へＰ偏光として入射する。

本発明の光源装置の他の一つは、前記レーザダイオードから出射されたレーザ光の偏光方向を回転させる偏光変換素子を有する。

本発明の投射型表示装置は、前記本発明の光源装置を有する。

本発明によれば、レーザダイオードを用いた光源装置および該光源装置を備えた各種装置や器具における光利用効率をさらに向上させることができる。

図１（ａ）は、第１の実施形態に係る光源装置の構成を示す模式図である。図１（ｂ）は、光源装置内におけるレーザ光のビーム形状の変化を示す模式図である。 図２（ａ）は、ＬＤ素子から出射されるレーザ光の広がり角を示す模式図である。図２（ｂ）は、ＬＤ素子から出射されたレーザ光のビーム形状の変化を示す模式図である。 図３（ａ）は、レーザ光のスぺクトルを示す図である。図３（ｂ）は、蛍光体の吸収スぺクトルを示す図である。図３（ｃ）は、蛍光体から放出される光のスぺクトルを示す図である。 図４は、Ｐ偏光およびＳ偏光の入射角と反射率との関係を示す図である。 図５は、媒質の屈折率とブリュースター角との関係を示す図である。 図６は、図１に示すレンズと蛍光体層との間におけるビーム径dyとビーム径dxとの関係を示す図である。 図７（ａ）は、第２の実施形態に係る光源装置の構成を示す模式図である。図７（ｂ）は、光源装置内におけるレーザ光のビーム形状の変化を示す模式図である。 図８は、図７に示すレンズと蛍光体層との間におけるビーム径dyとビーム径dxとの関係を示す図である。 図９は、第２の実施形態に係る光源装置の変形例を示す模式図である。 図１０は、投射型表示装置の実施形態の一例を示す模式図である。

（第１の実施形態）
以下、本発明の光源装置の第１の実施形態について詳細に説明する。本実施形態に係る光源装置は、図１に示すように、レーザダイオード（ＬＤ素子１）およびＬＤ素子１の前方に設けられたレンズ２を備えた光源ユニットと、該光源ユニットの前方に設けられた蛍光体層３とを有する。

ＬＤ素子１と蛍光体層３は、ＬＤ素子１から出射されたレーザ光が蛍光体層３に斜めに入射するように配置されている。換言すれば、ＬＤ素子１と蛍光体層３は、レーザ光の蛍光体層表面に対する入射角θが０度よりも大きく、かつ、９０度よりも小さくなるように配置されている（０度＜θ＜９０度）。さらに、ＬＤ素子１と蛍光体層３は、ＬＤ素子１から出射されたレーザ光がＰ偏光として入射するように設置されている。ここで、入射角θとは、蛍光体層３の法線とレーザ光の光軸とが成す角度である。また、レーザ光がＰ偏光として入射するとは、電気ベクトルが入射面と平行な面内で振動していることを意味する。さらに、入射面とは、入射光と反射光の双方によって作られる平面を意味する。以下、本実施形態の光源装置の構成要素のそれぞれについて具体的に説明する。

ＬＤ素子１は、コヒーレント光であるレーザ光を出射する。また、図２（ａ）に示すように、ＬＤ素子１からは、それぞれθ⊥とθ//の広がり角を持ってレーザ光が射出される。図２（ｂ）は、ＬＤ素子１から出射されたレーザ光のビーム形状（断面形状）の変化を模式的に示している。図２（ｂ）に示すように、レーザ光のビーム形状は楕円形である。しかし、光の回折によってニアフィールド面とファーフィールド面で短軸方向と長軸方向とが入れ替わる。そこで、本実施形態では、ニアフィールド面（Ａ面）における短軸方向をDy方向、長軸方向をDx方向と定義する。また、Dy方向における径をdy、Dx方向における径をdxと定義する。すなわち、Dy方向およびDx方向は当該光学系内において不変であるが、dyとdxの大きさ及び大小関係は変化する。具体的には、ニアフィールド面（Ａ面）ではdy＜dxであるが、ファーフィールド面（Ｂ面）ではdy＞dxとなる。

また、ＬＤ素子１は、蛍光体層３を形成している蛍光体から放出される光の波長よりも短波長のレーザ光を出射する。具体的には、ＬＤ素子１は、紫外、近紫外または青色のレーザ光を出射する。さらに、ＬＤ素子１から出射されるレーザ光は、Dx方向にのみ偏光している直線偏光である。よって、レーザ光をＰ偏光として蛍光体層３に入射させるために、ＬＤ素子１と蛍光体層３とは、Dx方向が蛍光体層表面に対して垂直となるように配置されている。

再び図１を参照する。図示されているレンズ２は、凸レンズまたは非球面レンズであって、レーザ光を蛍光体層表面に集光させるための集光光学系を構成している。ＬＤ素子１から出射されたレーザ光は、レンズ２の作用によって蛍光体層表面に集光される。

ここで、光が屈折率ｎの物体に斜めに入射する場合(０度＜入射角θ＜９０度)、Ｐ偏光成分(電気ベクトルが入射面と平行な面内で振動する光の成分)の物体表面における反射率方は、Ｓ偏光成分(電気ベクトルが入射面に対して垂直な面内で振動する光の成分)の物体表面における反射率よりも小さい。したがって、入射角θが０度＜θ＜９０度である本実施形態の光源装置では、レーザ光（Ｐ偏光）を効率良く蛍光体層３内に入射させることができる。入射角θに関しては、後に詳細に説明する。

蛍光体層３には、入射するレーザ光の波長を含む吸収スペクトル領域を有する蛍光体が含有されている。また、蛍光体層３は、レンズ２によって集光されたレーザ光が入射し得る面積を有する。さらに、蛍光体層３は、吸収強度を示す次式を勘案して設定された長さ（厚さ）を有する。

吸収強度：Ａ0−Ａ＝Ａ0（１−ｅｘｐ［−αＬ］）
Ａ：蛍光体層３のレーザ光透過強度
Ａ0：蛍光体層３への入射光強度
α：吸収係数
Ｌ：蛍光体層３の長さ（厚さ）
レーザ光が蛍光体層３に導入されると、レーザ光によって蛍光体が励起され、蛍光体内のエネルギーが高エネルギー準位（励起準位）に遷移する。しかし、励起準位は不安定であるため、蛍光体内のエネルギーは、一定時間経過後に元の基底準位または励起準位と基底準位の間の準安定準位に遷移する。このとき、レーザ光は蛍光体内で吸収され強度が弱められる。それと同時に蛍光体からは自然放出光としてインコヒーレント光が放出される。図３（ａ）〜（ｃ）に、ＬＤ素子１から出射されるレーザ光のスペクトル、蛍光体の吸収スペクトルおよび蛍光体から放出される光のスペクトルをそれぞれ示す。蛍光体は、図３（ｂ）に示すような吸収スペクトルを有している。蛍光体は、図３（ａ）に示すようなスペクトルを有するレーザ光を吸収すると、同図（ｃ）に示すようなスペクトルを有する光を放出する。

なお、蛍光体層３を形成する蛍光体には、通常の蛍光物質の他に、色素や固体レーザ媒質等、短波長光を吸収してそれより長い波長の光（可視光）を放出する物質が含まれる。

次に、レーザ光の蛍光体層３への入射角θについて、反射率の観点から詳細に説明する。

図４は、屈折率1.52の物質に、Ｐ偏光とＳ偏光をそれぞれ入射させたときの入射角θと反射率（％）との関係を示している。基本的に、入射角θが０度＜θ＜９０度の範囲においては、Ｓ偏光の反射率よりもＰ偏光の反射率が低いことがわかる。さらに、Ｐ偏光については、入射角θが０度から８０度の範囲内であるときの反射率は２０％未満であり、０度から７５度の範囲内であるときの反射率は１０％未満であることがわかる。

さらに、屈折率の異なる２つの媒質の界面にある角度をもってＰ偏光が入射するとき、その反射率が０（無反射）になる入射角が存在する。その入射角をブリュースター角θbと呼ぶ。

２つの媒質の屈折率をそれぞれｎ1、ｎ2としたとき、ブリュースター角θbは次式で表される。

θb＝Arctan（ｎ2／ｎ1）
図５に、Ｐ偏光が空気と屈折率１〜４の媒質との界面にそれぞれ入射したときのブリュースター角θbを示す。ここで、蛍光体層３を形成する接着剤等の溶剤の屈折率は一般的に1.4〜1.6である。また蛍光体そのものの屈折率は一般的に1〜4である。従って、蛍光体層３の屈折率は１〜４となる。図示されているグラフより、蛍光体層３の屈折率が１〜４の場合、対応するブリュースター角θbは４５度から７５度の範囲内に存在していることがわかる。従って、レーザ光の蛍光体層３への入射角θを上記の範囲内（４５度から７５度）に設定することで、エネルギー損失を抑制し、効率よく蛍光体層３内の蛍光体を励起することができる。従って、高効率な光源装置を実現できる。また、低反射コーティング等を行わずに蛍光体層表面での反射率を下げることができるため、光源装置のコストを下げることもできる。

以上より、レーザ光（Ｐ偏光）の蛍光体層３への入射角θは、０度＜θ＜９０度の範囲内が好ましく、０度＜θ≦８０度の範囲内がより好ましく、０度＜θ≦７５度の範囲内がさらに好ましい。加えて、蛍光体層３の屈折率に依存するブリュースター角θbが上記角度範囲内に存在する場合には、入射角θをブリュースター角θbに一致させることが望ましい。例えば、蛍光体層３の屈折率が２.０の場合、ブリュースター角θbは６３.４度である。また、蛍光体層３の屈折率が１.５２の場合、ブリュースター角θbは５６.７度である。したがって、蛍光体層３の屈折率が２.０の場合には、入射角θを６３.４度とし、蛍光体層３の屈折率が１.５２の場合には、入射角θを５６.７度とすることが望ましい。

次に、レーザ光の蛍光体層３への入射角θについて、当該光源装置から発せられる光の利用効率の観点から詳細に説明する。ここでは、当該光源装置から発せられた光によって投射型表示装置の画像形成素子を照明する場合を例にして説明する。

画像形成素子に照射される光（照明光）の利用効率を向上させるためには、画像形成素子の各画素領域に照射される各光束が当該画素領域からはみ出さないようにすることが必要である。少なくとも、画素領域からはみ出す光の量をなるべく少なくすることが必要である。画素領域からはみ出す光の量をなるべく少なくするためには、一般的に、画素領域に照射される光束の形状（ビーム形状）がなるべく画素領域の形状と近似していることが望ましい。ここで、画素領域の形状は一般的に正方形である。よって、ビームの伝播特性等も考慮すると、ビーム形状は円形に近いことが望ましい。そして画素領域に照射される光束の形状を円形に近づけるためには、蛍光体層３に入射するレーザ光のビーム形状を円形に近づける必要がある。なお、画素領域の形状が正方形以外の形状（例えば、長方形）である場合も、ビームの伝播や回折等を考慮すると、画素領域に照射される光束の形状が円形に近いことが好ましい。

ここで、レーザ光が入射角θで図１に示す蛍光体層３に入射するとき、入射角θとレーザ光のビーム径（dy、dx）との関係は次式で表される。

θ＝Arccos（dy／dx）
すなわち、蛍光体層入射時のdxは、入射直前のdxに1／cosθを乗じた値（＝dx／cosθ）となる。ここで、cosθは０以上１以下（０≦cosθ≦１）なので、dx／cosθはdxよりも大きくなる。したがって、入射角θを調整することにより、蛍光体層入射時のdxを拡張することができる。換言すれば、蛍光体層入射時のdyとdxを可及的に一致させることができる。さらに換言すれば、入射角θを調整することで、レーザ光のビーム形状を円形に整形することができる。この場合、入射角θの調整によってビームを円形に整形するので、円形化のための光学部品が不要となり、コストが削減される。

図１に示すレンズ２によってレーザ光を集光するとビームウエストが形成される。このとき、光の回折により、レンズ近傍とビームウエスト近傍とで、dyとdxの大小関係が入れ替わる。図６に、dy＝700um、dx＝300umのコリメートレーザ光を焦点距離60mmのレンズで集光させた場合の、ビーム径（dy、dx）の変化を示す。

図６より、レンズ２からの距離が52mmとなる点を境としてdyとdxの大小関係が入れ替わっている。ここで、レーザ光がDx方向にのみ偏光する直線偏光である本実施形態の場合、dx＜dyの条件が満たされるときに、ビームの円形化が可能である。換言すれば、図１に示すレンズ２と蛍光体層３との間の距離が52mmよりも短い場合に、入射角θの調整によってビームを円形化することが可能である。なお、蛍光体層３への入射前にdx≧dyとなっている場合、dxに1／cosθを乗じると、dxはさらに大きくなる。よって、入射角θの調整によってビームを円形化することはできない。

具体的な数値を用いてより詳細に説明する。図１に示すＬＤ素子１から出射されるレーザ光の出力Pinを500mW、蛍光体層３の屈折率nを2.0とする。また、蛍光体層３に入射する直前（図１のＣ面）におけるdxが250um、dyが560umであったとする。この場合において、入射角θを63.4度に設定すると、cosθは0.448となる。よって、蛍光体層入射時（図１のＤ面）におけるdxは約560umになる（250／0.448）。さらに、屈折率nが2.0の場合のブリュースター角θbは63.4度である（図５参照）。このように、反射の少ないブリュースター角を用いてビームを円形化することも可能である。

上記のようにして当該光源装置から発せられる光の利用効率を向上させることは、当該光源装置のエテンデューを画像形成素子のエテンデュー以下にすることと等価である。ここで、エテンデューとは、光学系において有効に扱える光束が存在する空間的な広がりを面積と立体角の積で表した値である。このエテンデューは光学系において保存される値である。そして、光源装置のエテンデューは、当該光源装置における発光領域の面積と、当該光源装置から出射される光の立体角の積で表される。また、画像形成素子のエテンデューは、当該素子に入射する光の立体角と有効面積の積で表される。ここで、有効面積とは、画像形成素子の各画素領域の、縦方向の長さと横方向の長さとの積である。

次に、図１に示す反射板４について説明する。反射板４は、蛍光体層３の背面（レーザ光が入射する面と反対側の面）に対向配置されている。反射板４は、レーザ光および蛍光体から発せられた光を反射する特性を有する。反射板４は、蛍光体層３に吸収されなかったレーザ光成分を反射して蛍光体層３に再入射させる。反射板４によって反射されたレーザ光は、再び蛍光体層３を通過する際に蛍光体に吸収され、インコヒーレント光の発光に寄与する。反射板４は蛍光体層３に隣接しているため、両者間での乱反射が抑制され、効率よく蛍光体層３にレーザ光を戻すことが可能である。また、蛍光体から発せられた光は、全ての方向に等方拡散する。そのため、蛍光体から発せられた光のうち蛍光体層３の背面側に向かった光は反射板４で反射され、再び蛍光体層３に戻る。その後、蛍光体層３に戻った光は、蛍光体層３の前面側に向かい、蛍光体層３の前面から出射される。よって、蛍光体から発せられた光を蛍光体層３の前面側から効率的に取り出すことができる。

ここで、蛍光体層３の長さ（厚さ）Ｌを1.0mm、蛍光体層３のレーザ光の吸収係数αを2.0／mmとした場合、ＬＤ素子１から出射されたレーザ光の約９８％が蛍光体層３に吸収される（反射板４によって反射されて蛍光体層３に再入射して吸収される光を含む）。

蛍光体層３に吸収されたレーザ光は、蛍光体の価電子の励起に用いられそのほとんどがより波長の長い光として再放出される。しかし、励起された一部の価電子は、その励起エネルギーを非放射過程で物質内に散逸させる。この際、蛍光体に吸収されたレーザ光が再放出に寄与する確率をηとすると、蛍光体から放出される自然放出光の強度（Ｅph）と、蛍光体に入射するレーザ光の強度（Ｅab）との関係は、次式で表される。

Ｅph＝ηＥab
そこで、ＬＤ素子１から出射されるレーザ光の出力Ｐin＝500mW、η＝0.9とすると、蛍光体から放出される自然光の出力Ｐoutは450mWとなる。この値は、通用の発光ダイオード数個分の出力に相当する。すなわち、発光ダイオード数個分の出力を、直径560umの円形のレーザ光照射領域から得ることができるため、エテンデューの小さな光源装置が実現される。また、1個のＬＤ素子と１個の蛍光体層によって上記出力が得られるので、光源装置の部品点数が削減される。さらに、１個のＬＤ素子と１個の蛍光体層の体積は、数個の発光ダイオードからなる光源装置の体積に比べてはるかに小さいので、光源装置の小型化も実現される。

なお、蛍光体層３から発せられるインコヒーレント光を蛍光体層３の裏面から取り出したい場合には、反射板４は不要である。この場合、蛍光体層３の表面に、励起レーザ光を透過させ、可視光を反射する波長選択反射層を形成してもよい。また、レーザ光の照射によって蛍光体層３が発熱する場合、反射板４を介して蛍光体層３を冷却することもできる。また、他の冷却の方法としては、回転駆動される回転ホイール上に蛍光体層３を形成してもよい。この場合、回転ホイールが回転することによって蛍光体層３も回転するので、発熱箇所および蛍光体劣化箇所が分散される。また、回転ホイール上に、蛍光体層３と反射板４の双方を形成してもよい。

また、図１に示すレンズ２の機能を複数のレンズの組み合わせによって実現してもよい。例えば、レーザ光を平行光に変換する平凸レンズと、平行光に変換されたレーザ光を集光させる凸レンズとによってレンズ２の機能を実現してもよい。この場合、平凸レンズと凸レンズは、ＬＤ素子から出射されたレーザ光が平凸レンズ、凸レンズの順で通過するように配置する。また、平凸レンズは、平坦面をＬＤ素子側に向けて配置する。また、凸レンズは、凸面を蛍光体層側に向けて配置する。ＬＤ素子から出射されたレーザ光は、平凸レンズによって平行光に変換された後に凸レンズ（コンデンサレンズ）に入射する。凸レンズに入射したレーザ光（平行光）は、蛍光体層上に集光される。平凸レンズや凸レンズは非球面レンズで代用してもよい。

また、本実施形態の光源装置を画像形成装置の光源として利用する場合は、平行光を画像形成素子に照射する。本実施形態の光源装置から出射される光を平行光化するためには、蛍光体層から放出される光束を集めるレンズやリフレクタを利用することができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の光源装置の第２の実施形態について詳細に説明する。図７は、本実施形態に係る光源装置の構成を示す模式図である。図７に示すように、本実施形態に係る光源装置の基本構成は、第１の実施形態に係る光源装置の基本構成と同一である。そこで、共通する構成については説明を省略し、相違点についてのみ以下に説明する。

本実施形態に係る光源装置と第１の実施形態に係る光源装置との相違点は次の二点である。一つは、本実施形態に係る光源装置のＬＤ素子１は、第１の実施形態に係る光源装置のＬＤ素子１に対して、９０度回転している。他の一つは、本実施形態に係る光源装置では、ＬＤ素子１とレンズ２との間に、偏光変換素子としての１/２波長板が配置されている。なお、この１/２波長板は、ＬＤ素子１からの射出されたレーザ光の偏光方向が９０度回転される角度で配置されている。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、ニアフィールド面（Ａ面）におけるレーザ光断面の短軸方向をDy方向、長軸方向をDx方向と定義する。また、Dy方向における径をdy、Dx方向における径をdxと定義する。但し、本実施形態に係る光源装置のＬＤ素子１は、第１の実施形態に係る光源装置のＬＤ素子１に対して、９０度回転している。よって、本実施形態におけるDy方向およびDx方向は、第１の実施形態おけるDy方向およびDx方向と９０度異なる方向である。もっとも、Dy方向およびDx方向が当該光学系内において不変である一方、dyおよびdxの大きさ及び大小関係が当該光学系内で変化する点は第１の実施形態と同様である。すなわち、本実施形態においても、ニアフィールド面（Ａ面）ではdy＜dxであるが、ファーフィールド面（Ｂ面）ではdy＞dxとなる。

ＬＤ素子１から出射されたレーザ光は、１/２波長板５によってその偏光方向が９０度回転させられる。すなわち、１/２波長板５に入射する前のレーザ光はDx方向に偏光しているが、１/２波長板５を透過した後のレーザ光はDy方向に偏光している。よって、レーザ光をＰ偏光として蛍光体層３に入射させるために、ＬＤ素子１と蛍光体層３とは、Dy方向が蛍光体層表面に対して垂直となるように配置されている。また、レーザ光が入射角θで蛍光体層３に入射するとき、入射角θとレーザ光のビーム径（dy、dx）との関係は次式で表される。

θ＝Arccos（dx／dy）
すなわち、蛍光体層入射時のdyは、入射直前のdyに1／cosθを乗じた値（dy／cosθ）となる。ここで、cosθは０以上１以下（０≦cosθ≦１）なので、dy／cosθはdyよりも大きくなる。したがって、入射角θを調整することにより、蛍光体層入射時のdyを拡張することができる。換言すれば、蛍光体層入射時のdyとdxを可及的に一致させることができる。さらに換言すれば、入射角θの調整によってレーザ光のビーム形状を円形に整形することができる。この場合、入射角θの調整によってビームを円形に整形するので、円形化のための光学部品が不要となり、コストが削減される。

図７に示すレンズ２によってレーザ光を集光するとビームウエストが形成される。このとき、光の回折により、レンズ近傍とビームウエスト近傍とで、dyとdxの大小関係が入れ替わる。図８に、dy＝700um、dx＝300umのコリメートレーザ光を焦点距離60mmのレンズで集光させた場合の、ビーム径（dy、dx）の変化を示す。

図８より、レンズ２からの距離が52mmとなる点を境としてdyとdxの大小関係が入れ替わっている。ここで、レーザ光がDy方向にのみ偏光する直線偏光である本実施形態の場合、dx＞dyの条件が満たされるときに、ビームの円形化が可能である。換言すれば、図７に示すレンズ２と蛍光体層３との間の距離が52mmよりも長い場合に、入射角θの調整によってビームを円形化することができる。なお、蛍光体層３への入射前にdx≦dyとなっている場合、dyに1／cosθを乗じると、dyはさらに大きくなる。よって、入射角θの調整によってビームを円形化することはできない。

具体的な数値を用いてより詳細に説明する。図７に示すＬＤ素子１から出射されるレーザ光の出力Ｐinを500mW、蛍光体層３の屈折率nを2.0とする。また、蛍光体層３に入射する直前（図７のＣ面）におけるdxが100um、dyが45umであったとする。この場合において、入射角θを63.4度に設定すると、cosθは0.448となる。よって、蛍光体層入射時（図７のＤ面）におけるdyは約100umになる（45／0.448）。さらに、屈折率nが2.0の場合のブリュースター角θbは63.4度である（図５参照）。このように、本実施形態においても、反射の少ないブリュースター角を用いてビームを円形に整形することが可能である。

上記のように、本実施形態に係る光源装置と第１の実施形態に係る光源装置は、入射角θを調整することによってビームを円形化する点で共通するが、ビームを円形化することができる範囲が異なる。そして、本実施形態に係る光源装置は、第１の実施形態の光源装置と比べて、蛍光体層３に入射するレーザ光のビーム径をより小さく絞ることができる。すなわち、エテンデューをより小さくすることができる。

なお、反射率の観点から、入射角θが０度＜θ＜９０度の範囲内であることが好ましく、０度＜θ≦８０度の範囲内であることがより好ましく、０度＜θ≦７５度の範囲内であることがさらに好ましいことは、第１の実施形態と同様である。

図７に示すレンズ２の機能を複数のレンズの組み合わせによって実現してもよい。例えば、レーザ光を平行光に変換する平凸レンズと、平行光に変換されたレーザ光を集光させる凸レンズとによってレンズ２の機能を実現してもよい。この場合、ＬＤ素子１と１／２波長板５との間に平凸レンズを、１／２波長板５と蛍光体層３との間に凸レンズを配置する。また、平凸レンズは、平坦面をＬＤ素子側に向けて配置する。また、凸レンズは、凸面を蛍光体層側に向けて配置する。ＬＤ素子１から出射されたレーザ光は、平凸レンズによって平行光に変換された後に１/２波長板５に入射する。１／２波長板５に入射したレーザ光は、該１／２波長板５によって偏光方向が９０度回転させられた後に凸レンズ（コンデンサレンズ）に入射する。凸レンズに入射したレーザ光（平行光）は、蛍光体層３上に集光される。

上記の順番でレンズを設置した場合、レーザ光は、１／２波長板５に入射する前に予め平行光に変換されるので角度依存性が少なくなる。そのため、光路長差による偏光方向の回転のばらつきが抑えられ、反射成分を極力少なくすることが可能となる。なお、ここで使用した平凸レンズや凸レンズは非球面レンズで代用してもよい。

図９に、第２の実施形態の変形例を示す。図示されている変形例では、一つの蛍光体層３に対して、ＬＤ素子１、１／２波長板５およびレンズ２が二組ずつ設けられている。各ＬＤ素子１から射出されたレーザ光は、共通の蛍光体層３に入射角θで、かつ、Ｐ偏光として入射する。入射角θが、ブリュースター角やビームの円形化を考慮して最適化されることは既述の通りである。

この変形例では、２つのＬＤ素子から出射されるレーザ光が蛍光体層上の１点に集光される。よって、蛍光体層上の非常に小さな領域を高効率で励起することができる。また、蛍光体層の各辺にＬＤ素子を配置すれば、全てのＬＤ素子から出射されるレーザ光を最適な入射角θで蛍光体層に入射させることができる。

なお、一つの蛍光体層３に対して、ＬＤ素子１、１／２波長板５およびレンズ２を三組以上設けることもできる。

図１０に、本発明の光源装置を備えた投射型表示装置の構成例を示す。図示されている投射型表示装置は、第２の実施形態として説明した光源装置を三つ備えている。光源装置１０Ｒは、赤色光を出力し、光源装置１０Ｇは緑色光を出力し、光源装置１０Ｂは青色光を出力する。

三つの光源装置１０Ｒ、Ｇ、Ｂの中央には色合成プリズム１１が配置されている。光源装置１０Ｒ、Ｇ、Ｂから出力された色光は、色合成プリズム１１の所定の入射面から該プリズム１１に入射して合成される。合成された色光は、色合成プリズムの出射面から出射される。

色合成プリズムの出射面の前方には、インテグレータ１２、偏光変換素子１３、フィールドレンズ１４および集光レンズ１５、液晶パネル１６および投射レンズ１７がこの順で配置されている。

ここで、赤色光を出力する光源装置１０Ｒの蛍光体層を構成する蛍光体には硼酸カドミウムが用いられている。また、緑色光を出力する光源装置１０Ｇの蛍光体層を構成する蛍光体には珪酸亜鉛が用いられている。さらに、青色光を出力する光源装置１０Ｂの蛍光体層を構成する蛍光体にはタングステン酸カルシウムが用いられている。もっとも、蛍光体は上記物質に限定されるものではなく、必要とされる色光に応じて適宜選択すればよい。

合成プリズム１１の出射面から出射された色光は、インテグレータ１２に入射する。インテグレータ１２は、入射した色光の輝度分布を均一化する。インテグレータ１２から出射された光は偏光変換素子１３に入射する。偏光変換素子１３は、入射した光の偏光方向を特定の方向に揃える。偏光変換素子１３から出射された色光（直線偏光）は、フィールドレンズ１４、集光レンズ１５を介して液晶パネル１６に照射される。液晶パネル１６は、入射した光を画像信号に基づいて変調する。液晶パネル１６によって変調された光は、投射レンズを介して図示しないスクリーン等に拡大投影される。

インテグレータ１２には、ロッド型インテグレータ、ライトトンネル、フライアイレンズなどを用いることができる。

ここでは、第２の実施形態として説明した光源装置を有する投射型表示装置について説明したが、第１の実施形態や変形例として説明した光源装置を用いることもできる。また、本発明の光源装置は、投射写型表示装置だけでなく、車両用のヘッドランプ、サーチライト、一般照明等にも利用することができる。

また、投射型表示装置以外の装置や機器に本発明の光源装置を用いる場合も、蛍光体層から放出される光束を集めるレンズやリフレクタを追加して出射光を平行化させることができる。

この出願は、２０１０年１０月２１日に出願された日本国特許出願２０１０−２３６５３７号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１ ＬＤ素子
２ レンズ
３ 蛍光体層
４ 反射板
５ １/２波長板

Claims (10)

1. 偏光方向が一定であるレーザ光を出射するレーザダイオードおよび該レーザダイオードから出射されたレーザ光を集光する集光光学系を備えた光源ユニットと、
   前記光源ユニットの前記集光光学系によって集光されたレーザ光によって励起され、インコヒーレント光を放出する蛍光体層とを有し、
   前記レーザ光の前記蛍光体層への入射角が、０度よりも大きく、かつ、９０度よりも小さく、
   前記レーザ光が前記蛍光体層へＰ偏光として入射する、光源装置。
2. 偏光方向が一定であるレーザ光を出射するレーザダイオード、該レーザダイオードから出射されたレーザ光の偏光方向を回転させる偏光変換素子および該偏光変換素子によって偏光方向が回転されたレーザ光を集光する集光光学系を備えた光源ユニットと、
   前記光源ユニットの前記集光光学系によって集光されたレーザ光によって励起され、インコヒーレント光を放出する蛍光体層とを有し、
   前記レーザ光の前記蛍光体層への入射角が、０度よりも大きく、かつ、９０度よりも小さく、
   前記レーザ光が前記蛍光体層へＰ偏光として入射する、光源装置。
3. 前記入射角をθ、前記蛍光体層の周囲の媒質の屈折率をn1、前記蛍光体層の屈折率をn2としたとき、
   θ＝Arctan(n2／n1)
   の関係を満たす、請求項１又は請求項２に記載の光源装置。
4. 前記入射角をθ、
   前記レーザダイオードから出射された直後のレーザ光断面における長軸方向をDx方向、短軸方向をDy方向、
   前記レーザ光断面における前記Dx方向の径をdx[um]、前記Dy方向の径をdy[um]としたとき、
   θ＝Arccos（dy／dx）
   の関係を満たす、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記入射角をθ、
   前記レーザダイオードから出射された直後のレーザ光断面における長軸方向をDx方向、短軸方向をDy方向、
   前記レーザ光断面における前記Dx方向の径をdx[um]、前記Dy方向の径をdy[um]としたとき、
   θ＝Arccos（dx／dy）
   の関係を満たす、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記蛍光体層の前記レーザ光が入射する面と反対側の面に対向配置された反射板を有する、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記蛍光体層から放出される光束を集めるレンズを有する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記蛍光体層から放出される光束を集めるリフレクタを有する、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 一つの前記蛍光体層に対して複数の前記光源ユニットを有する、請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の光源装置を有する投射型表示装置。

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