WO2013001866A1 - 光学素子、光源装置、プロジェクタおよびスクリーン - Google Patents

光学素子、光源装置、プロジェクタおよびスクリーン Download PDF

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    • H01L33/507—Wavelength conversion elements the elements being in intimate contact with parts other than the semiconductor body or integrated with parts other than the semiconductor body

Definitions

  • the present invention relates to an optical element that transmits light of a specific wavelength.
  • LEDs Light Emitting Diodes
  • Such a projector often has a plurality of light sources that emit red, green, and blue light in order to display a color image.
  • the green light of the green LED has a lower brightness than the blue and red LEDs, and the brightness of the projector is limited by the brightness of the green LED.
  • a green light source it is considered to use a fluorescent light source having an LED that can emit excitation light with high brightness, such as a blue LED, and a phosphor that emits green fluorescence by excitation light from the LED. Yes.
  • the fluorescence generated in the phosphor since the fluorescence generated in the phosphor includes components that propagate in various directions, a part of the fluorescence is directly emitted from the light source, and the rest enters the LED. The fluorescence incident on the LED is reflected by the LED and emitted from the light source. However, since the reflectance of the LED is low, there is a problem that the fluorescence is attenuated by reflection. For this reason, in the fluorescent light source, it is desirable that an optical filter that efficiently reflects the fluorescence from the phosphor while transmitting the excitation light from the LED and entering the phosphor is preferably provided between the LED and the phosphor. . As an optical filter having such characteristics, there is a multilayer filter formed of a multilayer film in which a plurality of thin films having different refractive indexes are laminated.
  • FIG. 1 is a diagram for explaining a multilayer filter suitable for a fluorescent light source.
  • green fluorescence is generated using blue light from a blue LED as excitation light.
  • the multilayer filter of the fluorescent light source is used to reflect fluorescence and transmit excitation light.
  • the edge wavelength that is the boundary between the reflection and transmission is between the fluorescence wavelength region and the excitation light wavelength region, and the transmittance for light having a wavelength less than the edge wavelength is high, and the transmission for light having a wavelength equal to or greater than the edge wavelength. A low rate is desirable.
  • the edge wavelength of the multilayer filter varies depending on the material and thickness of each thin film of the multilayer filter, the incident angle of light incident on the multilayer filter, and the like. Therefore, by adjusting the material and thickness of each thin film, the inclination angle of the multilayer filter with respect to the optical axis of the light incident on the multilayer filter, etc. according to the wavelength region of fluorescence and the wavelength region of excitation light, A multilayer filter having such transmittance can be formed (see Patent Documents 1 and 2).
  • Such a filter can also be applied to a rear projection type display using a phosphor screen and a laser scanning device.
  • laser light serving as excitation light is scanned on the screen coated with a phosphor from the back side of the screen, that is, the side opposite to the surface on which the image is observed.
  • fluorescence and excitation light have components that propagate in various directions, they are incident on the multilayer filter at various incident angles. For this reason, even if the edge wavelength with respect to the light incident on the multilayer filter at a predetermined incident angle is adjusted between the fluorescence wavelength region and the excitation light wavelength region, the excitation light may vary depending on the incident angle. In some cases, the light is reflected by the filter, or the fluorescence is transmitted through the multilayer filter, so that the luminance of the emitted light from the fluorescent light source is lowered.
  • the edge wavelength of the multilayer filter with respect to the light becomes shorter. For this reason, as shown in FIG. 2, when the edge wavelength for light having a small incident angle is adjusted between the wavelength region of fluorescence and the wavelength region of excitation light, the excitation light having a large incident angle is reflected by the multilayer filter. May end up. As shown in FIG. 3, when the edge wavelength for light having a large incident angle is adjusted between the wavelength region of fluorescence and the wavelength region of excitation light, the fluorescence having a small incident angle is transmitted through the multilayer filter. It may end up.
  • An object of the present invention is to provide an optical element, a light source device, a projector, and a screen that can solve the above-described problem that the luminance of light is lowered.
  • An optical element includes a substrate, and a filter layer that is provided on the substrate and transmits or reflects the light according to a wavelength and an incident angle of the light, and the filter layer includes the filter layer.
  • a structure is formed in which the light reflected at the first incident angle is incident on the filter layer at a second incident angle different from the first angle.
  • the light source device includes the optical element and a light emitting element that emits light to a filter layer of the optical element.
  • the projector according to the present invention includes the light source device.
  • the screen according to the present invention includes the optical element.
  • FIG. 4 is a perspective view schematically showing the configuration of the light source device according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of the light source device shown in FIG.
  • the thickness of each layer is very thin and the difference in thickness between the layers is large, so it is difficult to illustrate each layer with an accurate scale and ratio. For this reason, in the drawings, the layers are not schematically drawn but are shown schematically.
  • the light source device 1 includes an LED 11 and an optical element 12.
  • the LED 11 is a light emitting element that generates excitation light and emits it to the optical element 12.
  • the optical element 12 is an optical filter on which excitation light enters from the LED 11.
  • the optical element 12 includes a substrate 21, a filter layer 22 and a phosphor layer 23 formed on the substrate 21.
  • the plane parallel to the substrate 21 is the XY plane, and the direction perpendicular to the XY plane is the Z direction.
  • the substrate 21 is formed of a light transmitting member that transmits light such as glass.
  • the filter layer 22 is a multilayer film in which a plurality of thin films having different refractive indexes are stacked, and is formed on the first surface of the substrate 21.
  • the filter layer 22 transmits or reflects the incident light according to the wavelength and incident angle of the incident light.
  • the phosphor layer 23 is formed on the second surface opposite to the first surface of the substrate 21.
  • the phosphor layer 23 generates fluorescence by the light transmitted through the filter layer 22.
  • a structure 24 is provided for re-entering the filter layer 22 at a second incident angle.
  • the structure 24 is an uneven structure in which a plurality of convex portions 24A having a taper are arranged in parallel.
  • the shape of the convex portion 24A is a quadrangular pyramid shape in FIGS. 4 and 5, but may be any shape having a taper such as a conical shape.
  • the phosphor layer 23 generates fluorescence in the first wavelength region, and the LED 11 generates excitation light in the second wavelength region that is shorter than the first wavelength region.
  • the peak wavelength of fluorescence is included in the range of 500 nm to 600 nm, and the peak wavelength of excitation light is included in the range of 390 nm to 470 nm.
  • the filter layer 22 always reflects the fluorescence regardless of the incident angle of the fluorescence to the filter layer 22, and transmits the excitation light according to the wavelength and the incident angle of the excitation light. Or the thickness and material of each thin film of the filter layer 22 shall be adjusted so that it may reflect.
  • the excitation light generated by the LED 11 is incident on the filter layer 22 of the optical element 12, and part of the incident excitation light is transmitted through the filter layer 22 and the substrate 21 and is incident on the phosphor layer 23. The rest is reflected by the filter layer 22.
  • the excitation light reflected by the filter layer 22 is incident on the filter layer 22 again with the incident angle changed by the structure 24. Part or all of the excitation light re-entering the filter layer 22 passes through the filter layer 22 and the substrate 21 and enters the phosphor layer 23.
  • the excitation light incident on the phosphor layer 23 excites excitons inside the phosphor layer 23, and the excitons relax to generate fluorescence. Approximately half of the fluorescence generated in the phosphor layer 23 is directly emitted from the light source device 1, and the remaining approximately half is transmitted through the substrate 21 and incident on the filter layer 22. Then, the fluorescence is reflected by the filter layer 22, passes through the substrate 21 and the phosphor layer 23, and is emitted from the light source device 1.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the behavior of light transmitted through the filter layer 22 in more detail.
  • FIG. 6 shows the filter layer 22 formed on the side surfaces 24A1 and 24A2 facing each other between the convex portions 24A adjacent to each other in the structure 24.
  • the vertex angle that is an angle formed by the side surfaces 24A1 and 24A2 is defined as ⁇ .
  • the filter layer 22 transmits the incident light when the incident angle ⁇ of the incident light is less than the predetermined value ⁇ , and the incident angle ⁇ is When the value is equal to or greater than the predetermined value ⁇ , it is adjusted so as to reflect incident light.
  • the predetermined wavelength ⁇ is preferably the peak wavelength of the excitation light.
  • the excitation light is reflected by the filter layer 22 at the same angle as the incident angle ⁇ , and the incident angle ⁇ with respect to the filter layer 22 formed on the side surface 24A2. Incident at ⁇ . At this time, if the incident angle ⁇ is less than the predetermined value ⁇ , the excitation light passes through the filter layer 22 and enters the substrate 21.
  • the relational expression (1) “ ⁇ ⁇ ” or the relational expression (2) “ ⁇ ⁇ ” is satisfied, the excitation light is reflected at most once and passes through the filter layer 22. become.
  • the relational expression (2) is a condition to be satisfied when ⁇ ⁇ ⁇
  • the relational expression (2) is satisfied when ⁇ ⁇ 2 ⁇ . Therefore, as long as the relational expression “ ⁇ ⁇ 2 ⁇ ” is satisfied, one of the relational expressions (1) and (2) is always satisfied for an arbitrary incident angle ⁇ .
  • the excitation light can be transmitted regardless of the incident angle ⁇ of the excitation light.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration of a projector using the light source device.
  • a projector 100 includes light source devices 101R, 101G, and 101B, illumination optical systems 102R, 102G, and 102B, display elements 103R, 103G, and 103B, a color combining prism 104, and a projection optical system 105.
  • the light source devices 101R, 101G, and 101B emit red light, green light, and blue light, respectively. At least one of the light source devices 101R, 101G, and 101B has the same configuration as the light source device 1. In addition, as a light source device different from the light source device 1, for example, a single LED is used.
  • Each of the illumination optical systems 102R, 102G, and 102B makes red light, green light, and blue light emitted from the light source devices 101R, 101G, and 101B enter the display elements 103R, 103G, and 103B, respectively.
  • Video signals are input to the display elements 103R, 103G, and 103B.
  • the display elements 103R, 103G, and 103B modulate the incident red light, green light, and blue light, respectively, according to the input video signal, and output the modulated video signal to the color synthesis prism 104.
  • a display element a liquid crystal panel etc. are mentioned, for example.
  • the color synthesizing prism 104 synthesizes each color light from each of the display elements 103 A to 103 C and projects the synthesized color light onto the screen 201 via the projection optical system 105.
  • Examples of the color synthesis prism 104 include a dichroic prism.
  • the transmittance characteristic of the filter layer 22 of the light source device 1 is evaluated.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining a model for calculating the transmittance characteristic of the filter layer 22, and shows a longitudinal section of the light source device 1.
  • the convex portion 24A has a regular quadrangular pyramid shape, the distance z1 from the light emitting surface of the LED 11 to the apex of the convex portion 24A, the height h of the convex portion 24A, and the bottom surface of the convex portion 24A to the phosphor layer 23.
  • the size of the light emitting surface of the LED 11 is 20 w ⁇ 20 w, and the refractive index n of the substrate 21 and the phosphor layer 23 is 1.5.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the transmittance of the filter layer 22 and the incident angle with respect to the peak light having the same wavelength as the peak wavelength of the excitation light.
  • the transmittance with respect to the peak light in the filter layer 22 changes steeply in the vicinity of the cutoff angle ⁇ . More specifically, the filter layer 22 has a transmittance of 1 when the incident angle is less than ⁇ 0.1 ° with respect to the peak light, and has a transmittance of 0 when the incident angle is ⁇ + 0.1 or more. This is an ideal edge filter.
  • the detection intensity that is the light intensity of the excitation light detected at the observation position 31 between the substrate 21 and the phosphor layer 23, and the emission from the LED 11.
  • the ratio (detection intensity / emission intensity) to the emission intensity, which is the intensity of the excitation light to be generated, is regarded as the effective transmittance of the filter layer 22.
  • the transmittance of a filter layer hereinafter referred to as a conventional filter layer
  • FIG. 10 is a result of calculating the relationship between the transmittance of the filter layer 22 and the apex angle ⁇ of the convex portion 24A using the ray tracing method when the cut-off angle ⁇ c is 60 ° in the model shown in FIG. FIG.
  • the transmittance when the vertex angle ⁇ of the convex portion 24A is 180 ° corresponds to the transmittance of the filter layer of the conventional structure, and the transmittance when the vertex angle ⁇ is ⁇ ⁇ 180 ° is the transmittance of this embodiment.
  • ⁇ 60 °
  • the above condition corresponds to ⁇ ⁇ 120 °.
  • the transmittance is not 100% even in a range satisfying these conditions.
  • ⁇ 10 °
  • a remarkable improvement in transmittance can be obtained, but a multilayer filter is formed on a steep slope, and it is difficult to obtain filter characteristics as designed. Therefore, for production, it is preferable that ⁇ is large.
  • the dependence of transmittance on ⁇ is relatively large in the range of ⁇ > 2 ⁇ for each ⁇ , As ⁇ increases, the decrease in transmittance becomes more prominent. Therefore, it can be said that the relational expression of ⁇ ⁇ 2 ⁇ obtained from the two-dimensional consideration is a constant standard for obtaining a high transmittance even in the three-dimensional.
  • the excitation light reflected by the filter layer 22 can be re-incident on the filter layer 22 by changing the incident angle. Can pass through the filter layer 22 upon re-incidence on the filter layer 22. Therefore, it is possible to increase the brightness of the light emitted from the light source device 1.
  • the filter layer 22 can be reflected regardless of the incident angle of the fluorescence, it is possible to further increase the brightness of the emitted light from the light source device 1.
  • the phosphor layer 23 and the filter layer 22 are integrally formed, it is possible to reduce the size of the optical filter.
  • FIG. 11 is a longitudinal sectional view of a light source device according to a second embodiment of the present invention.
  • a light source device 1 ′ shown in FIG. 11 includes an LED 11 and an optical element 12 ′. Further, the optical element 12 ′ further includes an optical member 25 in addition to the configuration of the optical element 12 shown in FIG. 4.
  • the optical member 25 is provided on the phosphor layer 23.
  • the optical member 25 is directly laminated on the phosphor layer 23, but a gap may be provided between the optical member 25 and the phosphor layer 23.
  • the optical member 25 transmits the fluorescent light from the phosphor layer 23 that satisfies a predetermined optical characteristic and reflects the rest.
  • the optical properties of fluorescence include the polarization state, wavelength, and emission angle of fluorescence.
  • the optical member 25 may have selectivity for one type of optical characteristics or may have selectivity for a plurality of types of optical characteristics.
  • the optical member 25 transmits light in a predetermined range with respect to at least one of the polarization state, wavelength, and emission angle of fluorescence, and reflects the rest.
  • the excitation light reflected by the filter layer 22 can be re-incident on the filter layer 22 by changing the incident angle. Higher brightness can be achieved. Furthermore, it becomes possible to select the characteristic of the fluorescence transmitted by the optical member 25 and obtain the emitted light having the desired optical characteristic.
  • the light reflected by the optical member 25 is incident on the phosphor layer 23 again.
  • the re-entered fluorescence is reflected by the 22 filters and re-emitted, but the angle and polarization state change when passing through and reflecting the phosphor layer 23 or 24A, so that the optical member 25 is selected.
  • a certain amount of light that satisfies the condition is included. That is, part of the re-emitted light passes through the optical member 25. By repeating this, most of the fluorescence satisfies a predetermined selection condition and passes through the optical member 25.
  • FIG. 12 is a diagram showing a project according to the third embodiment of the present invention.
  • a projector 200 shown in FIG. 12 is a scanning rear projector that displays an image by scanning the back of the screen with a laser beam that is a light beam, and includes a screen 201 and a laser emitting unit 202.
  • color stripes that generate visible light having a light intensity corresponding to the light intensity of incident light are periodically arranged in the in-plane direction.
  • FIG. 13 is a diagram showing a specific configuration of a part of the screen 201. As shown in FIG. 13, on the screen 201, color stripes 301 are periodically arranged, and black stripes 302 are arranged between the color stripes.
  • the color stripe 301 is a region having a phosphor layer, and generates fluorescence in the visible light region according to incident light and emits it to the front surface of the screen.
  • the color stripes 301 are arranged in a substantially horizontal direction so that the horizontal scanning direction of the scanning with the light beam intersects the longitudinal direction of the color stripes 301.
  • the color stripe 301 three sub-color stripes 301A, 301B and 301C having different fluorescence wavelengths are arranged in a specific direction in this order.
  • the sub-color stripe 301A generates red fluorescence
  • the sub-color stripe 301B generates green fluorescence
  • the sub-color stripe 301C generates blue fluorescence.
  • at least one of the sub-color stripes 301A to 301C is formed by the optical element 12 or 12 '.
  • the black stripe 302 is a region that shields the laser light from being transmitted through the front surface of the screen 201 by, for example, absorbing the laser light.
  • the laser emitting unit 202 scans an image on the screen 201 by scanning the back surface of the screen 201 with a laser beam in a direction intersecting the longitudinal direction of each color stripe on the area where the color stripe 301 is arranged on the screen 201. indicate.
  • the excitation light reduction is a laser
  • the emission angle is narrower than that of the LED.
  • the laser light is collimated (parallelized)
  • the incident angle range at each point on the screen is limited to a very narrow range.
  • the excitation light incident angles are widely distributed.
  • fluorescence is emitted in all directions. Therefore, even in the configuration such as the projector 200, a wavelength filter having high excitation light transmittance over a wide angle range while reflecting fluorescence in all directions is effective, and the effect of the optical element 12 or 12 ′ is effective. Will be demonstrated. Therefore, the brightness of the display image can be increased.
  • the phosphor in each embodiment refers to all of those that excite electrons by absorbing energy given from the outside and emit excess energy as light when it returns to the ground state.

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Abstract

　高輝度化が可能な光学フィルタを提供する。　フィルタ層２２は、基板２１に設けられ、入射光の波長および入射角度に応じて、入射光を透過または反射する。また、フィルタ層２２には、第１の入射角度で反射された光を、第１の角度と異なる第２の入射角度でフィルタ層に入射させる構造２４が形成されている。

Description

光学素子、光源装置、プロジェクタおよびスクリーン
　本発明は、特定の波長の光を透過する光学素子に関する。
　近年、光源としてＬＥＤ（Light　Emitting　Diode：発光ダイオード）を利用したプロジェクタが注目されている。このようなプロジェクタでは、カラー画像を表示するために、赤色、緑色および青色のそれぞれの光を出射する複数の光源を有していることが多い。
　しかしながら、緑色ＬＥＤの緑色光は、青色および赤色ＬＥＤと比べて輝度が低く、プロジェクタの輝度は緑色ＬＥＤの輝度で制限されている。このため、緑色光源としては、青色ＬＥＤのような輝度の高い励起光を出射できるＬＥＤと、ＬＥＤからの励起光によって緑色の蛍光を発する蛍光体とを有する蛍光光源を利用することが考えられている。
　上記のような蛍光光源では、蛍光体で発生する蛍光には様々な方向に伝播する成分が含まれているため、蛍光の一部は、光源から直接出射され、残りは、ＬＥＤに入射する。ＬＥＤに入射した蛍光は、ＬＥＤで反射して光源から出射されるが、ＬＥＤの反射率は低いので、反射による蛍光の減衰が多いという問題がある。このため、蛍光光源では、ＬＥＤと蛍光体との間に、ＬＥＤからの励起光を透過して蛍光体に入射させつつ、蛍光体からの蛍光を効率よく反射する光学フィルタが設けられることが望ましい。このような特性を有する光学フィルタとしては、屈折率が異なる複数の薄膜を積層した多層膜で形成される多層膜フィルタがある。
　図１は、蛍光光源に好適な多層膜フィルタを説明するための図である。なお、図１では、青色ＬＥＤからの青色光を励起光として用いて緑色の蛍光を発生させている。
　図１に示すように、蛍光の波長領域は、励起光の波長領域よりも長波長領域にあるので、蛍光光源の多層膜フィルタとしては、蛍光を反射させ、かつ、励起光を透過させるために、その反射と透過の境目となるエッジ波長が、蛍光の波長領域と励起光の波長領域の間にあり、エッジ波長未満の波長の光に対する透過率が高く、エッジ波長以上の波長の光に対する透過率が低いものが望ましい。
　多層膜フィルタのエッジ波長は、多層膜フィルタの各薄膜の材料および厚さや、多層膜フィルタに入射する光の入射角度などに応じて変化する。このため、蛍光の波長領域および励起光の波長領域に応じて、各薄膜の材料および厚さ、多層膜フィルタに入射する光の光軸に対する多層膜フィルタの傾斜角度などを調整することで、上記のような透過率を有する多層膜フィルタを形成することができる（特許文献１および２参照）。
　また、このようなフィルタは、蛍光体スクリーンと、レーザ走査装置を用いたリアプロジェクション型ディスプレイにも適用できる。これは蛍光体が塗布されたスクリーン上にスクリーンの裏側、すなわち画像が観察される面の反対側から、励起光となるレーザ光を走査するものである。上記のフィルタを蛍光体が塗布された領域に適用されることにより、スクリーンの裏側方向に放出される蛍光を反射し、表側から出射させることができるため、画像の輝度の向上が可能となる。
特開平０７－０５６０１３号公報 特開平０８－０９４８３１号公報
　しかしながら、蛍光や励起光は、様々な方向に伝播する成分を有するので、多層膜フィルタに対して様々な入射角度で入射する。このため、多層膜フィルタに所定の入射角度で入射した光に対するエッジ波長が、蛍光の波長領域と励起光の波長領域との間に調整されていても、入射角度によっては、励起光が多層膜フィルタで反射したり、蛍光が多層膜フィルタを透過して、蛍光光源の出射光の輝度が低くなることがある。
　図２および図３は、上記の問題を具体的に説明するための図である。
　図２および図３に示すように、多層膜フィルタに入射する光の入射角度が大きいほど、その光に対する多層膜フィルタのエッジ波長が短くなる。このため、図２に示すように、入射角度が小さい光に対するエッジ波長が、蛍光の波長領域と励起光の波長領域の間に調整されると、入射角度が大きい励起光が多層膜フィルタで反射してしまうことがある。また、図３に示すように、入射角度が大きい光に対するエッジ波長が、蛍光の波長領域と励起光の波長領域の間に調整されると、入射角度が小さい蛍光が多層膜フィルタを透過してしまうことがある。
　本発明の目的は、上記の課題である、光の輝度が低くなるという問題を解決することが可能な光学素子、光源装置、プロジェクタおよびスクリーンを提供することである。
　本発明による光学素子は、基板と、前記基板に設けられ、光の波長および入射角度に応じて、前記光を透過または反射するフィルタ層と、を有し、前記フィルタ層には、前記フィルタ層で第１の入射角度で反射された光を、前記第１の角度と異なる第２の入射角度で前記フィルタ層に入射させる構造が形成されている。
　本発明による光源装置は、前記光学素子と、前記光学素子のフィルタ層に光を出射する発光素子と、を有する。
　本発明によるプロジェクタは、前記光源装置を有する。
　本発明によるスクリーンは、前記光学素子を有する。
　本発明によれば、蛍光体光源またはスクリーンの高輝度化が可能になる。
関連技術の多層膜フィルタを説明するための図である。 関連技術の多層膜フィルタの問題点を説明するための図である。 関連技術の多層膜フィルタの問題点を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態の光源装置の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態の光源装置の縦断面図である。 フィルタ層を透過する光の振る舞いを説明するための図である。 光源装置を利用したプロジェクタの構成を示す図である。 フィルタ層の透過率特性を評価する評価方法を説明するための図である。 フィルタ層の透過率および入射角度の関係の一例を示す図である。 フィルタ層の透過率と凸部の頂点角θとの関係を示す図である。 本発明の第２の実施形態の光源装置の縦断面図である。 本発明の第３の実施形態のプロジェクタの正面図である。 スクリーンの一部の具体的な構成を示す図である。
　以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の説明では、同じ機能を有するものには同じ符号を付け、その説明を省略する場合がある。
　図４は、本発明の第１の実施形態の光源装置の構成を模式的に示す斜視図である。また、図５は、図４に示す光源装置の縦断面図である。なお、実際の光源装置では、各層の厚さが非常に薄く、また各層の厚さの違いが大きいので、各層を正確なスケールや比率で図示するのは困難である。このため、図面では各層が実際の比率通りに描かれておらず、模式的に示されている。
　図４および図５に示すように、光源装置１は、ＬＥＤ１１と、光学素子１２とを有する。
　ＬＥＤ１１は、励起光を発生させて光学素子１２に出射する発光素子である。
　光学素子１２は、ＬＥＤ１１から励起光が入射する光学フィルタである。光学素子１２は、基板２１と、基板２１上に形成されたフィルタ層２２および蛍光体層２３とを有する。なお、基板２１と平行な面をＸＹ平面とし、ＸＹ平面に垂直な方向をＺ方向としている。
　基板２１は、ガラスのような光を透過する光透過部材で形成される。
　フィルタ層２２は、屈折率が異なる複数の薄膜が積層された多層膜であり、基板２１の第１の面に形成される。フィルタ層２２は、入射光の波長および入射角度に応じて、その入射光を透過または反射する。
　蛍光体層２３は、基板２１の第１の面とは反対側の第２の面に形成される。蛍光体層２３は、フィルタ層２２を透過した光によって蛍光を発生させる。
　また、フィルタ層２２には、フィルタ層２２にて第１の入射角度で入射した光が反射された場合に、その第１の入射角度で反射された反射光を、第１の入射角度と異なる第２の入射角度でフィルタ層２２に再び入射するための構造２４が備わっている。
　構造２４は、より具体的には、テーパーを有する複数の凸部２４Ａが並設された凹凸構造である。凸部２４Ａの形状は、図４および５では、四角錐状としているが、円錐状などテーパーを有するものであればよい。
　以上のように構成された光源装置１の動作について説明する。
　なお、蛍光体層２３は、第１の波長領域の蛍光を発生させ、ＬＥＤ１１は、第１の波長領域よりも短波長領域にある第２の波長領域の励起光を発生させる。また、蛍光のピーク波長は、５００ｎｍないし６００ｎｍの範囲に含まれ、励起光のピーク波長は、３９０ｎｍないし４７０ｎｍの範囲に含まれるものとする。さらに、フィルタ層２２が、蛍光に対しては、その蛍光のフィルタ層２２への入射角度に依らず、常に反射し、励起光に対しては、その励起光の波長および入射角度に応じて透過または反射するように、フィルタ層２２の各薄膜の厚さや材料が調整されているものとする。
　この場合、ＬＥＤ１１で発生した励起光は、光学素子１２のフィルタ層２２に入射し、その入射された励起光の一部は、フィルタ層２２および基板２１を透過して蛍光体層２３に入射し、残りは、フィルタ層２２で反射する。フィルタ層２２で反射した励起光は、構造２４によって、入射角度が変化してフィルタ層２２に再入射する。フィルタ層２２に再入射した励起光の一部または全てが、フィルタ層２２および基板２１を透過して蛍光体層２３に入射する。
　蛍光体層２３に入射した励起光は、蛍光体層２３内部に励起子を励起し、その励起子が緩和することによって蛍光が発生する。蛍光体層２３で発生した蛍光の略半分は、光源装置１から直接出射され、残りの略半分は、基板２１を透過してフィルタ層２２に入射される。そして、蛍光は、フィルタ層２２で反射し、基板２１および蛍光体層２３を透過して光源装置１から出射される。
　上記の動作から分かるように、光源装置１の出射光の輝度をより向上させるためには、励起光のフィルタ層２２への再入射時に、フィルタ層２２を透過する励起光をできるだけ増やすことが望ましい。
　図６は、フィルタ層２２を透過する光の振る舞いをより詳細に説明するための図である。
　図６では、構造２４における互いに隣り合う凸部２４Ａの間の、互いに対向する側面２４Ａ１および２４Ａ２に形成されたフィルタ層２２が示されている。また、側面２４Ａ１および２４Ａ２の成す角である頂点角をθとしている。また、フィルタ層２２は、励起光の波長領域に含まれる所定波長λの光が入射した場合、その入射光の入射角度φが所定値α未満の場合、入射光を透過し、入射角度φが所定値α以上の場合、入射光を反射するように調整されているものとする。なお、所定波長λとしては、励起光のピーク波長が好ましい。
　この場合、凸部の側面２４Ａ１に形成されたフィルタ層２２に対して、ＬＥＤ１１からピーク波長λを有する励起光が入射角度φで入射すると、入射角度φが所定値α未満の場合には、その励起光は、フィルタ層２２を透過して基板２１に入射する。
　一方、入射角度φが所定値α以上の場合、励起光は、フィルタ層２２にて入射角度φと同じ角度で反射して、側面２４Ａ２に形成されたフィルタ層２２に対して、入射角度θ―φで入射する。このとき、入射角度θ―φが所定値α未満であれば、励起光は、フィルタ層２２を透過して基板２１に入射する。
　したがって、関係式（１）「φ＜α」、もしくは、関係式（２）「θ－φ＜α」が満たされれば、励起光は多くとも１回反射するだけでフィルタ層２２を透過することになる。先に説明したように、関係式（２）はφ≧αの場合に満たすべき条件であるため、θ＜２αであれば、関係式（２）は満足されることとなる。したがって、関係式「θ＜２α」が満たされる構造であれば、任意の入射角度φに対して、関係式（１）および（２）の一方の条件は必ず満足されるため、フィルタ層２２は、励起光の入射角度φに依らず、励起光を透過させることができる。
　次に光源装置１を用いたプロジェクタについて説明する。
　図７は、光源装置を利用したプロジェクタの構成を示す図である。図７において、プロジェクタ１００は、光源装置１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂと、照明光学系１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂと、表示素子１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂと、色合成プリズム１０４と、投射光学系１０５とを有する。
　光源装置１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂは、それぞれ赤色光、緑色光および青色光を出射する。光源装置１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂの少なくとも１つは、光源装置１と同じ構成を有する。なお、光源装置１とは別の光源装置としては、例えば、ＬＥＤ単体などが挙げられる。
　照明光学系１０２Ｒ、１０２Ｇおよび１０２Ｂのそれぞれは、光源装置１０１Ｒ、１０１Ｇおよび１０１Ｂのそれぞれから出射された赤色光、緑色光、青色光を表示素子１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂに入射する。
　表示素子１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂには、映像信号が入力される。表示素子１０３Ｒ、１０３Ｇおよび１０３Ｂには、入力された映像信号に応じて、入射された赤色光、緑色光および青色光を映像信号のそれぞれを変調して色合成プリズム１０４に出射する。なお、表示素子としては、例えば、液晶パネルなどが挙げられる。
　色合成プリズム１０４は、表示素子１０３Ａ～１０３Ｃのそれぞれからの各色光を合成して、投射光学系１０５を介してスクリーン２０１に投射する。なお、色合成プリズム１０４としては、例えば、ダイクロイックプリズムなどが挙げられる。
　次に光源装置１のフィルタ層２２の透過率特性を評価する。
　図８は、フィルタ層２２の透過率特性を算出するためのモデルを説明するための図であり、光源装置１の縦断面が示されている。
　図９の例では、凸部２４Ａは正四角錐形状であり、ＬＥＤ１１の発光面から凸部２４Ａの頂点までの距離ｚ１、凸部２４Ａの高さｈ、凸部２４Ａの底面から蛍光体層２３までの距離ｚ２、凸部２４Ａの底面の一辺の長さの半分の長さｗは、ｚ１＝ｚ２＝ｗ＝０．０５ｍｍ、ｈ＝０．０１～１．０[ｍｍ]を満たす。また、ＬＥＤ１１の発光面の大きさは２０ｗ×２０ｗとし、基板２１および蛍光体層２３の屈折率ｎを１．５としている。
　図９は、励起光のピーク波長と同じ波長のピーク光に対するフィルタ層２２の透過率および入射角度の関係を示す図である。図９に示すように、フィルタ層２２におけるピーク光に対する透過率は、入射角度がカットオフ角度α近辺で急峻に変化する。より具体的には、フィルタ層２２は、ピーク光に対して、入射角度がα－０．１°未満の場合、透過率が１となり、入射角度がα＋０．１以上の場合、透過率が０となる理想的なエッジフィルタであるとしている。
　さらに、ＬＥＤ１１の励起光は、ランバート分布（Lambertian）を有すると仮定し、基板２１および蛍光体層２３の間の観測位置３１で検出された励起光の光強度である検出強度と、ＬＥＤ１１から出射される励起光の光強度である発光強度との比（検出強度/発光強度）をフィルタ層２２の実効的な透過率とみなすこととする。このとき、比較例として、構造２４を有さない光源装置に備わったフィルタ層（以下、従来構造のフィルタ層と称する）の透過率を評価する。
　図１０は、図８に示したモデルにおいて、カットオフ角度θｃが６０°の場合の、フィルタ層２２の透過率と凸部２４Ａの頂点角θとの関係を光線追跡法を用いて計算した結果を示した図である。
　図１０において、凸部２４Ａの頂点角θが１８０°のときの透過率が従来構造のフィルタ層の透過率に対応し、頂点角θがθ＜１８０°のときの透過率が本実施形態のフィルタ層２２の透過率に対応する。後者が前者よりも高くなっていることから、本実施形態のフィルタ層２２では、効果が得られていることが分かる。なお、先の説明では、θ＜２αであれば、励起光は全てフィルタを透過する、すなわち透過率は１００％になると述べた。α＝６０°の場合には、上記の条件はθ＜１２０°に相当する。しかし図１０に示したように、これらの条件を満たす範囲においても透過率は１００％にはなっていない。これは先の説明が光の反射を２次元で考えていたのに対し、ここでの計算は３次元モデルで行ったためである。３次元では図１０で説明した反射の他に、紙面に垂直な方向への光の進行およびそこにある面での反射も生じるため、より複雑な経路と辿る。このため２次元で考えたように透過率は１００％とはならない。ただし、２次元での考察内容は３次元においても定性的には成り立ち、本発明の構造により透過率が向上することは図１０の結果より明らかである。
　なお、図１０に示したように、θが小さいほど、フィルタ層２２の透過率は大きいが、θが小さいほど作製は難しくなる。例えばθ＝１０°付近では、顕著な透過率向上が得られるが、急斜面に多層膜フィルタを形成することになり、設計通りのフィルタ特性を得るのは難しくなる。したがって作製上はθが大きい方が好ましいが、図１０を見ると、比較的θが大きい範囲においては、各αに対して、θ＞２αの範囲で透過率のθ依存性が比較的大きく、θが大きくなるにつれて、透過率の低下が顕著となっている。したがって、２次元の考察から得られたθ＜２αの関係式は、３次元においても高い透過率を得るための一定の目安となると言える。
　以上説明したように本実施形態によれば、フィルタ層２２で反射した励起光を、入射角度を変化させてフィルタ層２２に再入射させることが可能になるので、フィルタ層２２で反射した励起光をフィルタ層２２への再入射時にフィルタ層２２を透過させることが可能になる。したがって、光源装置１の出射光の高輝度化を図ることが可能になる。
　また、本実施形態では、蛍光の入射角度に依らずフィルタ層２２を反射することができるので、光源装置１の出射光のさらなる高輝度化を図ることが可能になる。
　また、本実施形態では、蛍光体層２３およびフィルタ層２２が一体生成されているので、光学フィルタの小型化を図ることが可能になる。
　次に本発明の他の実施形態を説明する。
　図１１は、本発明の第２の実施形態の光源装置の縦断面図である。図１１に示す光源装置１’は、ＬＥＤ１１と、光学素子１２’とを有する。また、光学素子１２’は、図４に示した光学素子１２の構成に加えて、さらに、光学部材２５を備える。
　光学部材２５は、蛍光体層２３の上に設けられる。なお、図１１では、光学部材２５は、蛍光体層２３に直接積層されているが、光学部材２５と蛍光体層２３の間に間隙が設けられてもよい。
　光学部材２５は、蛍光体層２３からの蛍光のうち、所定の光学特性を満たすものを透過し、残りを反射する。蛍光の光学特性としては、蛍光の偏光状態、波長および出射角度などが挙げられる。また、光学部材２５は、１種類の光学特性に対して選択性を有しても良いし、複数種類の光学特性に対して選択性を有しても良い。例えば、光学部材２５は、蛍光の偏光状態、波長および出射角度の少なくとも一つについて、所定の範囲にある光を透過し、残りを反射する。
　本実施形態でも、第１の実施形態と同様に、フィルタ層２２で反射した励起光を入射角度を変えてフィルタ層２２に再入射させることが可能になるので、光源装置１’の出射光の高輝度化を図ることが可能になる。さらに、光学部材２５によって透過する蛍光の特性を選択し、所望の光学特性を有する出射光を得ることが可能になる。
　なお、光学部材２５によって反射された光は蛍光体層２３に再入射することとなる。再入射した蛍光は２２のフィルタによって反射され、再出射されることとなるが、蛍光体層２３あるいは２４Ａ凸部の通過および反射の際に角度や偏光状態が変化するため、光学部材２５の選択条件を満たす光を一定量含むこととなる。すなわち再出射光の一部は光学部材２５を通過する。これを繰り返すことにより、蛍光の大部分が所定の選択条件を満たし、光学部材２５を通過することとなる。
　図１２は、本発明の第３の実施形態のプロジェクを示す図である。図１２に示すプロジェクタ２００は、光ビームであるレーザ光でスクリーンの背面を走査することで画像を表示する走査型リアプロジェクタであり、スクリーン２０１と、レーザ出射部２０２とを備える。
　スクリーン２０１では、入射光の光強度に応じた光強度の可視光を発生させるカラーストライプが面内方向に周期的に配置されている。
　図１３は、スクリーン２０１の一部の具体的な構成を示す図である。図１３に示すように、スクリーン２０１では、カラーストライプ３０１が周期的に配置され、各カラーストライプの間にはブラックストライプ３０２が配置されている。
　カラーストライプ３０１は、蛍光体層を有する領域であり、入射光に応じて可視光領域の蛍光を発生してスクリーンの前面に出射する。また、各カラーストライプ３０１は、光ビームによる走査の水平走査方向がカラーストライプ３０１の長手方向と交差するように、略水平方向に並んでいるものとする。
　また、図１３では、カラーストライプ３０１として、蛍光の波長がそれぞれ異なる３つのサブカラーストライプ３０１Ａ、３０１Ｂおよび３０１Ｃが、この順番で特定の方向に並んでいる。例えば、サブカラーストライプ３０１Ａは、赤色の蛍光を発生させ、サブカラーストライプ３０１Ｂは、緑色の蛍光を発生させ、サブカラーストライプ３０１Ｃは、青色の蛍光を発生させる。また、サブカラーストライプ３０１Ａ～３０１Ｃの少なくともひとつは、光学素子１２または１２’で形成される。
　ブラックストライプ３０２は、例えば、レーザ光を吸収させることにより、レーザ光をスクリーン２０１の前面に透過させないように遮光する領域である。
　図１２の説明に戻る。レーザ出射部２０２は、スクリーン２０１の背面を、そのスクリーン２０１におけるカラーストライプ３０１が配置された領域を、各カラーストライプの長手方向と交差する方向にレーザ光で走査することで、スクリーン２０１に画像を表示する。
　本実施形態では、励起光減はレーザであるため、ＬＥＤに比べて出射角は狭い。さらに原理上、レーザ光をコリメート（平行光化）して使用することとなるため、スクリーン上の各点での入射角度範囲は極めて狭い範囲に限られる。しかし、スクリーン全体でみれば、励起光入射角は広く分布することとなる。また、蛍光はあらゆる方向に出射される。したがって、プロジェクタ２００のような構成でも、全ての方向に対して蛍光を反射しつつ、広い角度範囲に渡って高い励起光透過率を有する波長フィルタが有効であり、光学素子１２または１２’の効果が発揮されることとなる。したがって、表示画像の高輝度化が可能になる。
　なお、各実施形態における蛍光体とは、外部から与えられたエネルギーを吸収することで電子が励起し、それが基底状態に戻る際に余分なエネルギーを光として放出するもの全般を指すものであり、半導体により形成される発光層などもこれに含まれる。
　以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
　この出願は、２０１１年６月３０日に出願された日本出願特願２０１１－１４５７６４号公報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、１’１０１Ｒ、１０１Ｇ、１０１Ｂ　　　　光源装置
　１１　　　ＬＥＤ
　１２、１２’　　　光学素子
　２１　　　基板
　２２　　　フィルタ層
　２３　　　蛍光体層
　２４　　　構造
　２４Ａ　　凸部
　２４Ａ１、２４Ａ２　　側面
　２５　　　光学部材
　１００、２００　　プロジェクタ
　１０２Ｒ、１０２Ｇ、１０２Ｂ　　照明光学系
　１０３Ｒ、１０３Ｇ、１０３Ｂ　　表示素子
　１０４　　　色合成プリズム
　１０５　　　投射光学系

Claims (14)

  1. 　基板と、
    　前記基板に設けられ、光の波長および入射角度に応じて、前記光を透過または反射するフィルタ層と、を有し、
    　前記フィルタ層には、前記フィルタ層で第１の入射角度で反射された光を、前記第１の角度と異なる第２の入射角度で前記フィルタ層に入射させる構造が形成されている、光学素子。
  2. 　請求項１に記載の光学素子において、
    　入射した励起光により第１の波長領域の蛍光を発生させる蛍光体層をさらに有し、
    　前記フィルタ層は、前記蛍光を反射することを特徴とする光学素子。
  3. 　請求項２に記載の光学素子において、
    　前記蛍光体層は、前記フィルタ層を透過した光により蛍光を発生させる、光学素子。
  4. 　請求項１または３に記載の光学素子において、
    　前記フィルタ層は、前記第１の波長領域よりも短波長領域にある第２の波長領域の光を、当該光の波長および入射角度に応じて透過または反射する、光学素子。
  5. 　請求項２ないし４のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記フィルタ層は、前記第２の波長領域に含まれる所定波長の光を、当該光の入射角度が閾値α未満であると、透過し、前記入射角度が前記閾値α以上であると、反射し、
    　前記構造は、テーパー面を有する複数の凸部が並設された凹凸構造であり、互いに隣接する前記凸部の間の対向するテーパー面の成す角度θがθ＜２αを満たす、光学素子。
  6. 　請求項２ないし５のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記フィルタ層は、前記基板の第１の面に設けられ、
    　前記蛍光体層は、前記基板の第２の面に設けられる、光学素子。
  7. 　請求項２ないし６のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記蛍光のうち、所定の光学特性を満たすものを透過し、残りを反射する光学部材をさらに有する、光学素子。
  8. 　請求項７に記載の光源装置において、
    　前記光学特性は、偏光状態、波長および出射角度の少なくとも一つを含む、光源装置。
  9. 　請求項２ないし８のいずれか１項に記載の光学素子において、
    　前記蛍光のピーク波長が５００ｎｍないし６００ｎｍの範囲に含まれる、光学素子。
  10. 　請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学素子と、
    　前記光学素子のフィルタ層に光を出射する発光素子と、を有する、光源装置。
  11. 　請求項１０に記載の光源装置において、
    　前記発光素子から出射される光のピーク波長が３９０ｎｍないし４７０ｎｍの範囲に含まれる、光源装置。
  12. 　請求項１０または１１に記載の光源装置において、
    　前記発光素子は、発光ダイオードである、光源装置。
  13. 　請求項１０ないし１２のいずれか１項に記載の光源装置を有するプロジェクタ。
  14. 　請求項１ないし９のいずれか１項に記載の光学素子を有するスクリーン。
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