JP6085025B2 - 光源装置及び投写型映像表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び投写型映像表示装置に関する。

当該技術分野において、固体光源から出射する励起光を蛍光体により可視光に変換して効率良く発光する光源装置が提案されている。特許文献１には、光源から出射した励起光（青色レーザー光）を、蛍光体が形成された円板（蛍光体ホイール）に照射し、複数の蛍光光（赤色光、緑色光）を発光させて照明光として用いる構成が開示されている。

特開２０１１−１３３１３号公報

特許文献１によれば、蛍光体ホイールを透過した励起光と蛍光体ホイールで発生した蛍光光とを、蛍光体ホイールを挟んで互いに反対側に出射している。従って、これらを合成するための光学部品点数が増加し、光源装置が大型化する課題がある。又、光学系に配置した複数の光学部品による光学損失が発生し、光利用効率（照明光強度）が低下する課題がある。

そこで、本発明の目的は、光利用効率を低下することなく、光学部品点数を削減した光源装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の望ましい態様の一つは次の通りである。当該光源装置は、励起光として青色レーザー光を発生する励起光源と、励起光源からの励起光に励起されて黄色の蛍光光を発生する蛍光体を有する蛍光体ホイールと、励起光源からの励起光を蛍光体ホイールに導き、蛍光体ホイールからの蛍光光を透過するミラーとを備え、上記ミラーは、励起光を反射し蛍光光を透過する第１の領域と、蛍光光及び蛍光体にて拡散反射した拡散励起光を透過する第２の領域を有する。

本発明によれば、光利用効率を低下することなく、光学部品点数を削減した光源装置を提供することができる。

実施例１における光源装置の構成図。 ミラー４の具体例を示す図。 ミラー４の分光特性の一例を示す図。 蛍光体ホイール１の具体例を示す図。 蛍光体ホイール１からの出射光の拡散度を示す図。 実施例２における光源装置の構成図。 実施例４における投写型映像表示装置の光学系の構成図。 実施例５における投写型映像表示装置の光学系の構成図。

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。以下、赤、緑、青、黄、白を、それぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂ、Ｙ、Ｗと表記する。

図１は、実施例１における光源装置の構成図である。光源装置１００は、主な構成要素として励起光源５、ミラー４、蛍光体ホイール１を有する。励起光源５はレーザー発光素子などの固体発光素子を１個以上配置し、励起光としてＢ色レーザー光を出射する。励起光源５から出射した励起光１０（実線で示す）は、コリメートレンズ６により略平行光となり、ミラー４に入射する。

図２は、ミラー４の具体例（ここでは２つの例）を示す図である。ミラー４は２つの領域から構成される。第１の領域は、励起光（Ｂ）の波長域を反射し、蛍光光の波長域（Ｙ）を透過する特性を有するダイクロイックコート領域４１（斜線部）である。第２の領域は、励起光と蛍光光の両方の波長域を透過する広波長透過領域４２（白色部）である。第１の領域は第２の領域よりも狭い面積とする。

励起光１０は、ミラー４のダイクロイックコート領域４１にて反射し、集光レンズ３に集光されて、蛍光体ホイール１に入射する。そして、蛍光体ホイール１上の蛍光体２から出射した蛍光光の略全て、及び、蛍光光に変換できないまま励起光として拡散した拡散励起光の大部分は、照明光１１となって図面（図１）下方に出射する。

図２（ａ）の例では、ミラー４の入射面の中央部に、ダイクロイックコート領域４１を市松模様に分割して設け、他の部分を広波長透過領域４２とする。ダイクロイックコート領域４１の分割数と各サイズと配置は、励起光源５からの励起光１０の入射スポット４５（黒色）の数と形状と位置に合わせて決定する。従って、励起光１０は入射スポット４５で反射して、略全て蛍光体ホイール１へ向かう。

一方、蛍光体ホイール１上の蛍光体２で発生した蛍光光と拡散励起光は、ミラー４の入射面のスポット４６（破線）に拡大されて入射する。このうち蛍光光はスポット４６内の略全てが透過して照明光となる。一方、拡散励起光のうち、ダイクロイックコート領域４１に入射した光は透過できずに照明光の損失分となるが、大面積の広波長透過領域４２に入射した大部分の拡散励起光は透過して照明光となる。

図２（ｂ）の例では、図２（ａ）とは別の形態を示している。図２（ａ）との違いは、ミラー４の入射面の中心部に、長方形（又は正方形）状にダイクロイックコート領域４１を設けている点である。この場合、入射スポット４５が小さいため、全てのスポット４５を１つのダイクロイックコート領域４１に収納できる。図２（ａ）と比較し、ダイクロイックコート領域４１の面積をより小さくできるので、ダイクロイックコート領域４１による照明光の損失分はより少なくなる。

ダイクロイックコート領域４１における照明光の損失はダイクロイックコート領域４１の面積に依存する。シミュレーションによれば、ダイクロイックコート領域４１の面積を入射スポット４６の例えば３％以下に絞ることで、特許文献１の場合と同等の損失に抑えることができる。

このように、本実施例のミラー４は、広波長透過領域４２の中に選択的にダイクロイックコート領域４１を設けることにより、励起光源５からの励起光１０を反射して蛍光体ホイール１上の蛍光体２へ導くと共に、当該蛍光体２からの蛍光光及び拡散励起光を透過して照明光１１とすることができる。

図３は、ミラー４のダイクロイックコート領域４１の分光特性の一例を示す図で、横軸に波長、縦軸に透過率を示す。ダイクロイックコート領域４１では、Ｂの波長域（約４２０〜４７０ｎｍ）を透過せず、それより大きい波長域（Ｒ、Ｙ、Ｇ）を透過する。このような分光特性は、誘電体多層膜（ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２等）を用いて実現できる。

図４は、蛍光体ホイール１の具体例を示す図である。回転可能な蛍光体ホイール１は、励起光に励起されてＹ色の蛍光光を発光するＹ蛍光体２を有する。Ｙ蛍光体２は、励起光１０を受けると、Ｙ蛍光体２からＹ蛍光光、及び、Ｙ蛍光光に変換できずにＢ色のまま拡散反射した拡散励起光が発生し、これらのＹ蛍光光及び拡散励起光が混色して略白色光となり、集光レンズ３で略平行光となり、ミラー４に入射する。

ミラー４に入射した白色光の蛍光光成分は、ダイクロイックコート領域４１及び広波長透過領域４２の何れの領域も透過する。一方、ミラー４に入射した拡散励起光成分は、ダイクロイックコート領域４１では反射するが広波長透過領域４２では透過する。その結果、蛍光光の略全てと拡散励起光の大部分は、白色照明光１１となって図面（図１）下方に出射する。

蛍光体に励起光の拡散機能を持たせるためには、蛍光体表面２ａに微細な凹凸を設ける機械加工処理又は化学的表面処理を施すと良い。もしくは蛍光体表面２ａに薄い耐熱性の高い透過拡散板を貼り付けても良い。更に、塗布するＹ蛍光体２が薄い場合には、Ｙ蛍光体２を塗布する前の蛍光体ホイール１基材の反射面に微細な凹凸を設ける機械加工処理又は化学的表面処理を施すと良い。このように、反射する励起光を拡散させることで、レーザー光中のスペックルノイズを除去する効果がある。又、蛍光体ホイール１が回転することで、スペックルノイズを除去する効果は更に大きくなる。

図５は、蛍光体ホイール１からの出射光の拡散度を示す図である。まず、蛍光体ホイール１のＹ蛍光体２からの蛍光光は全方位に略均一に発光し、蛍光体の裏面に形成されているミラー面で反射される結果、集光レンズ３側に半球状に出射する。そのうち、集光レンズ３の有効範囲に入射した分がミラー４に達し、照明光１１として利用される。

一方、Ｙ蛍光体２で蛍光光に変換できないまま励起光として拡散した拡散励起光は、集光レンズ３側に半球状に出射するが、その拡散度（拡散角θ）は蛍光体表面の微細加工等や拡散板の材料により調整することができる。その際、出射する拡散励起光の拡散角θを大きくし過ぎると、集光レンズ３の有効範囲の外側にまで漏れ出して光利用効率が低下する。逆に、拡散角θを小さくし過ぎると、集光レンズ３の有効範囲の中心部のみを通過することになる。その結果、ミラー４のダイクロイックコート領域４１に入射する拡散励起光の割合が相対的に大きくなり、照明光としての損失分が増加する。よって、Ｙ蛍光体２からの拡散励起光は、略集光レンズ３の有効領域の大きさに拡散して入射するよう拡散角θを調整するのが良い。

このように、蛍光体２で生じた蛍光光と拡散励起光は何れも蛍光体ホイール１から同一側に出射し、その大部分がミラー４を透過して白色照明光となる。従って、両者を合成するための余分な光学系を設ける必要がなく、装置の小型化が実現できる。

実施例２では、蛍光体ホイール１と励起光源５の位置関係を変更した場合について述べる。図６は、実施例２における光源装置の構成図である。光源装置１００’の基本構成は実施例１（図１）と同様であるが、励起光源５を図面下方に配置し、ミラー４の透過／反射特性を逆転したミラー４’を用い、照明光を図面左方に出射する点で異なる。即ち、ミラー４’は図２に示した構成であるが、ダイクロイックコート領域４１は、励起光（Ｂ）の波長域を透過し、蛍光光の波長域（Ｒ、Ｙ、Ｇ）を反射する特性を有し、広波長反射領域４２は、励起光と蛍光光の両方の波長域を反射する特性を有する。又、ダイクロイックコート領域４１では、図３に示した分光特性の縦軸を逆転したもの、即ち、縦軸を透過率から反射率に置き換えたものとなる。

励起光源５から入射した励起光１０は、ミラー４’のダイクロイックコート領域４１を透過し、集光レンズ３で集光されて、蛍光体ホイール１に入射する。励起光１０を受けると、蛍光体ホイール１の蛍光体２からは、Ｙ色の蛍光光とＢ色の拡散励起光が発生する。これらの蛍光光と拡散励起光は、集光レンズ３で略平行光となりミラー４’に入射する。

ミラー４’に入射した蛍光光は、ミラー４’内のダイクロイックコート領域４１及び広波長透過領域４２の何れの領域でも反射する。一方、ミラー４’に入射した拡散励起光は、ダイクロイックコート領域４１では透過するが広波長反射領域４２では反射する。その結果、蛍光光の全てと拡散励起光の大部分は、照明光１１となって図面（図６）左方に出射する。

この構成により、蛍光体ホイール１で生じた蛍光光と拡散励起光は何れも蛍光体ホイール１から同一側（図面下方）に出射し、その大部分がミラー４’を反射して照明光となる。よって、両者を合成するための余分な光学系を設ける必要がなく、装置の小型化が実現できる。

実施例３では、上記実施例の光源装置の蛍光体ホイール１を蛍光体プレ−トに変更した場合について述べる。回転する蛍光体ホイール１に対して固定方式の蛍光体プレ−トでは、励起光を蛍光体に照射する際に発生する熱を回転動作により冷却できないため、耐熱性の高い蛍光体が必要になる。耐熱性の高い蛍光体を得るためには、従来の蛍光体ホイール１で蛍光体の保持、分散に使用しているシリコン系の有機バインダに変わり、蛍光体を保持、分散させるバインダとして無機バインダ(硝子系、セラミック系)を用いる。又、蛍光体プレ−トの基材を熱伝導性の良い金属で構成することにより、蛍光体の冷却が可能となる。蛍光体ホイール１を蛍光体プレ−トに変更することにより、蛍光体の面積を小さくすることができ、装置の更なる小型化が実現できる。尚、蛍光体プレ−トの蛍光体に励起光の拡散機能を持たせるためには、実施例１で述べた蛍光体ホイ−ルの場合と同様である。

ここで、実施例１乃至３における光軸調整について説明する。当該光源装置では、励起光源５から出射した励起光をミラー４の特定の領域（ダイクロイックコート領域４１）で反射もしくは透過させ、蛍光体ホイール１の特定の位置（蛍光体２）に集光させる必要がある。よって、励起光源５に起因する出射位置と出射方向のずれに対して、その誤差を調整する機構を設ける。

励起光源５とコリメートレンズ６とが一体型構造の場合、励起光の出射位置及び出射方向のずれに対して、励起光源５とコリメートレンズ６を一体で光軸と垂直方向に移動させて調整する。又、励起光源５とコリメートレンズ６とが別体型構造の場合、励起光の出射位置及び出射方向のずれに対して、コリメートレンズ６のみを光軸と垂直方向に移動させて調整する。この調整機構により、励起光源５から出射した励起光をミラー４を介して蛍光体ホイール１の特定の位置に確実に集光させることができ、照明光強度の低下を防止できる。

実施例４では、上記実施例の光源装置を投写型映像表示装置に適用した例について述べる。図７は、実施例４における投写型映像表示装置の光学系の構成図であり、映像表示素子として３色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対応する液晶パネルを用いた例を示す。

光源装置１００のミラー４を透過した照明光（蛍光光と拡散励起光）１１は、照明光学系２００に進む。照明光学系２００は、インテグレータ光学系７０、偏光変換素子８７、及び、重畳レンズ７１とを備えている。

インテグレータ光学系７０は、第１フライアイレンズ７０ａ及び第２フライアイレンズ７０ｂを備え、これらは、それぞれマトリクス状に配置された複数の要素レンズからなる。第１フライアイレンズ７０ａを構成する複数の要素レンズは、照明光１１を分割して個別に集光する。第２フライアイレンズ７０ｂを構成する複数の要素レンズは、第１フライアイレンズ７０ａからの分割光束を適当な発散角にして射出する。このようにして、インテグレータ光学系７０は、照明光１１の光強度分布を均一化する。

偏光変換素子８７は、ＰＢＳ、ミラー、位相差板等を一組の要素とするアレイで形成されており、第１フライアイレンズ７０ａにより分割された各部分光束の偏光方向を一方向の直線偏光に揃える。

重畳レンズ７１は、偏光変換素子８７を経た照明光を全体として適宜収束させて、液晶パネル８２，８３，８４の被照明領域に対する重畳照明を可能にする。

色分離光学系３００は、照明光学系２００からの光をＲ光、Ｇ光、Ｂ光に分離し、それぞれに対応する液晶パネルに導光する。Ｂ光はダイクロイックミラー７２を反射し、反射ミラー７３、フィールドレンズ７９を介して、Ｂ光用液晶パネル８２に入射する。Ｇ光とＲ光は、ダイクロイックミラー７２を透過後、ダイクロイックミラー７４により分離される。Ｇ光はダイクロイックミラー７４を反射して、フィールドレンズ８０を透過して、Ｇ光用液晶パネル８３に入射する。Ｒ光はダイクロイックミラー７４を透過し、リレーレンズ７７，７８、反射ミラー７５，７６、フィールドレンズ８１を介して、Ｒ光用液晶パネル８４に入射する。

各液晶パネル８２，８３，８４は、入射する各色光を各映像信号に応じて変調し、各色光の光学像を形成する。各色光の光学像は、色合成プリズム８５に入射する。色合成プリズム８５は、Ｂ光を反射するダイクロイック膜と、Ｒ光を反射するダイクロイック膜とが略Ｘ字状に形成されている。液晶パネル８２，８４から入射したＢ光とＲ光は、Ｂ光用のダイクロイック膜及びＲ光用のダイクロイック膜でそれぞれ反射される。液晶パネル８３から入射したＧ光は各ダイクロイック膜を透過する。その結果、各色光の光学像が合成され、カラー映像光として出射する。色合成プリズム８５から出射した合成光は、投写レンズ８６に入射し、図示しないスクリーン上に投写される。

尚、上記実施例の光源装置を投写型映像表示装置に適用した例は透過型液晶素子に限定するものではなく、反射型液晶素子でも良い。

実施例５は、投写型映像表示装置の他の例であって、映像表示素子としてＤＭＤ（Digital Mirror Device）に適用した例について述べる。図８は、実施例５における投写型映像表示装置の光学系の構成図である。

光源装置１００のミラー４を透過した照明光（蛍光光と拡散励起光）１１は、集光レンズ５７で集光され、カラーホイール５８を経て多重反射素子５９に入射する。

カラーホイール５８は３色（Ｒ 、Ｇ 、Ｂ） の色フィルタが円盤状に配置されるように構成され、光源装置１００より出射する照明光１１の白色光をそれぞれの色フィルタを透過することで所定の波長の３色光に分離させる。

多重反射素子５９に入射した３色光は、多重反射素子５９内で複数回反射し、均一照度分布を有する光となる。多重反射素子５９の出射開口面から出射した３色光は、集光レンズ６０を透過し、反射ミラー６１で反射後、映像表示素子６２上に均一な照度分布で照射される。

カラーホイール５８と映像表示素子６２の同期を取って、映像表示素子６２に時分割で３色光を照射することにより、各色光毎に変調される。映像表示素子６２で反射された各色光は映像光となり、投写レンズ６３に入射し、図示しないスクリーン上に投写される。

尚、実施例４及び５では、光源装置１００に代えて図５の光源装置１００’を用いても良いし、光源装置１００／１００‘の蛍光ホイ−ルを蛍光プレ−トに変えても良い。

上記投写型映像表示装置は、小型で照明光損失が少なく小型の光源装置を用いているので、投写型映像表示装置の小型化と高性能化に寄与する。

１：蛍光体ホイール、２：蛍光体、３：集光レンズ、４：ミラー、５：励起光源、６：コリメートレンズ、１０：励起光、１１：照明光（蛍光光及び拡散励起光）、４１：ダイクロイックコート領域（第１の領域）、４２：広波長透過領域（第２の領域）、１００：光源装置、２００：照明光学系、３００：色分離光学系。

Claims (6)

1. 励起光として青色レーザ光を発生する第１及び第２の光源と、
   前記第１及び第２の光源からの励起光に励起されて黄色の蛍光光を発生する蛍光体と、
   前記第１及び第２の光源からの励起光を前記蛍光体へ導き、前記蛍光体からの蛍光光を透過するミラーとを備え、前記ミラーは、
   前記励起光を反射し前記蛍光光を透過する第１の領域と、前記蛍光光及び前記蛍光体にて拡散反射した拡散励起光を透過する第２の領域を有し、
   前記第１の領域は、前記第１の光源からの励起光が入射する第１の部分と、前記第２の光源からの励起光が入射する第２の部分とに、各々対応して設けられ、
   かつ、前記第１の領域は前記第２の領域よりも狭い面積であって、前記第１の領域は前記ミラーの中央部において市松模様に分割して設けられている、
   光源装置。
2. 励起光として青色レーザ光を発生する第１及び第２の光源と、
   前記第１及び第２の光源からの励起光に励起されて黄色の蛍光光を発生する蛍光体と、
   前記第１及び第２の光源からの励起光を前記蛍光体へ導き、前記蛍光体からの蛍光光を反射するミラーとを備え、前記ミラーは、
   前記励起光を透過し前記蛍光光を反射する第１の領域と、前記蛍光光及び前記蛍光体にて拡散反射した拡散励起光を反射する第２の領域を有し、
   前記第１の領域は、前記第１の光源からの励起光が入射する第１の部分と、前記第２の光源からの励起光が入射する第２の部分とに、各々対応して設けられ、
   かつ、前記第１の領域は前記第２の領域よりも狭い面積であって、前記第１の領域は前記ミラーの中央部において市松模様に分割して設けられている、
   光源装置。
3. 前記蛍光体は蛍光体ホイールである、請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記蛍光体は蛍光体プレートである、請求項１又は２に記載の光源装置。
5. 前記蛍光光と前記拡散励起光は混色し、白色光を発生する、請求項１乃至４の何れか一に記載の光源装置。
6. 請求項１乃至５の何れか一に記載の光源装置と、
   入力信号に応じて各色光を変調する映像表示素子と、
   前記映像表示素子により変調された光を投射する投射手段と、を備える、投射型映像表示装置。

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