JP2012128297A - 光源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
励起光により蛍光体を発光させる光源装置において、明るさの効率を改善した光源装置を提供する。
【解決手段】
当該光源装置は、励起光を発光する光源と、励起光が入射される金属部材と、を備え、金属部材は、励起光が入射される部位に凹部を有し、当該凹部の中に励起光から蛍光光を生成するための蛍光体が塗布されている。凹部はテーパ形状であってもよい。蛍光体は、凹部の少なくとも２面に塗布されていてもよい。蛍光体は、凹部の深さの半分以下の領域に塗布されていてもよい。凹部の開口部に、テーパ形状を有する硝子部材を備えていてもよい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、投写型映像表示装置に用いられる光源装置に関する。

反射型あるいは透過型の液晶パネルや微小ミラーを複数個配列した構造の映像表示素子の表示画面を投写面であるスクリーンやボード等に拡大表示する投写型映像表示装置においては、投写面で十分な大きさと明るさを有する拡大像が得られるように照明光学系の工夫がなされてきた。特に、赤、緑、青の発光ダイオードや有機ＥＬ等の固体発光素子を用いた投写型映像表示装置の開発が行われている。

例えば、固体光源から出射する励起光を可視光としても高効率で発光する光源装置が提案されている（特許文献１参照）。

特開２００９−２７７５１６号公報

特許文献１を適用すると、以下のような課題が考えられる。図５は、課題として想定される光源装置の要部構成図である。図５において、励起光源１から射出した励起光２は、コリメートレンズ３で略平行光となり、ダイクロイックミラー４に入射する。ダイクロイックミラー４は励起光２の波長域を反射し、蛍光光８の波長域を透過する特性である。そこで、励起光２は、ダイクロイックミラー４で反射し、集光レンズ５を通過後、蛍光体７が塗布された回転制御可能な円盤１００に入射する。集光レンズ５は入射した平行光が円盤１００上の１箇所に集光するように曲率が設定されている。励起光２により励起された円盤１００上の蛍光体７は、蛍光光８を射出する。蛍光光８は集光レンズ５を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー４を透過して、後段の照明光学系に入射する。蛍光体７から発光した蛍光光は、全方位に発光するため、集光レンズ５で捕獲できない蛍光光８００が存在する。又、蛍光光に変換されなかった未変換励起光２００も存在するため、光利用効率の低下を招く。

そこで、本発明の目的は、励起光により蛍光体を発光させる光源装置において、明るさ効率を改善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、励起光を発光する光源と、励起光が入射される金属部材と、を備え、金属部材は励起光が入射される部位に凹部を有し、当該凹部の中に励起光を励起して蛍光光を生成するための蛍光体が塗布されている。

本発明によれば、励起光により蛍光体を発光させる光源装置において、明るさ効率を改善した光源装置を提供することができる。

第１の実施例における光源装置の要部構成図。 第１の実施例における投写型映像表示装置の光学系を示す図。 第２の実施例における光源装置の要部構成図。 第２の実施例における投写型映像表示装置の光学系を示す図。 課題として想定される光源装置の要部構成図。

以下、実施例について、図を参照して説明する。尚、各図において、同一な部分には同一符号を付して、一度説明したものについては、その説明を省略する。

図１は、第１の実施例における光源装置の要部構成図である。

図１（Ａ）は、光学系の全体像を示している。励起光源１から射出した励起光２は、コリメートレンズ３により略平行光となり、ダイクロイックミラー４に入射する。ダイクロイックミラー４は先述の特性を有するため、励起光２は、ダイクロイックミラー４で反射し、集光レンズ５を通過後、金属部材６に入射する。金属部材６は、励起光が入射される部位に凹部を有し、当該凹部の中に励起光から蛍光光を生成するための蛍光体７が塗布されている。当該凹部は、蛍光光８の出射側開口部が、入射側開口部より大きくなるようなテーパ形状となっている。

図５においては、蛍光体を分散して固めるバインダとして、有機のシリコン樹脂等が用いられていたため、温度によるバーニングを防ぐために回転する必要があったが、無機のバインダを使用することで、蛍光体の回転は不要となる。蛍光体７から発せられた蛍光光８は、集光レンズ５を通過後、略平行光となり、ダイクロイックミラー４を通過して、後段の照明光学系に入射する。

図１（Ｂ）では、金属部材６を拡大した図であり、蛍光光８の発散光線を示している。蛍光体７から発せられた蛍光光８は、金属部材６のテーパ部で反射することで、全方位に発散することなく、金属部材６の開口部において、一定角度の発散まで絞られ、集光レンズ５で全ての蛍光光８を捕獲することができる。又、テーパ部で反射せずに、直接金属部材６の外に発散する蛍光光８の角度を低減するため、テーパ部に蛍光体を塗布する領域は、凹部の深さの半分よりも奥の領域にすることが望ましい。

図１（Ｃ）では、金属部材６を拡大した図であり、励起光２の光線を示している。蛍光体７に入射した励起光２の内、蛍光光に変換されなかった未変換励起光２００は、蛍光体７で反射し、再度、別の箇所に塗布された蛍光体７に入射し、蛍光光８に変換される。従って、テーパ部の少なくとも２面に、蛍光体が塗布されていることが望ましい。蛍光体７の２面に入射しても蛍光光８に変換されない励起光は存在するが、確率としては低いため、ほとんど問題ない。

図２は、図１の光源装置を含む、投写型映像表示装置の光学系を示す図である。各色光の光路に配置されている要素を区別する際には符号の後に色光を表すＲ，Ｇ，Ｂを添えて示し、区別する必要がない場合には、色光の添え字を省略する。

まず、赤色光及び緑色光が液晶型映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇに均一な照度で照射される原理を説明する。

励起光源１としては、青色レーザを使用する。レーザは発光源の発光領域が小さいため、光の集光やコリメートが容易なためである。励起光源１から射出した青色励起光２は、先述のようにダイクロイックミラー４に入射する。ダイクロイックミラー４は青色光を反射し、黄色光(緑色光及び赤色光)を透過する特性を持つ。従って、青色励起光２はダイクロイックミラー４で反射し、集光レンズ５で透過し、図示しない黄色蛍光体が塗布された金属部材６に集光する。

黄色蛍光体で励起された黄色蛍光光は、金属部材６から射出後、集光レンズ５を通過して略平行となり、ダイクロイックミラー４を通過して、偏光変換インテグレータに入射する。

偏光変換インテグレータは、第１のレンズ群１０と第２のレンズ群１１からなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、光の偏光方向を所定偏光方向に揃えて直線偏光光に変換する偏光ビームスプリッタアレイの偏光変換素子１２とを含む。

第２のレンズ群１１からの光は偏光変換素子１２により、所定の偏光方向、例えば直線偏光光のＹ偏光光に略揃えられる。そして、第１のレンズ群１０の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ１３、コリメートレンズ１７Ｒ、１７Ｇにより各液晶型映像表示素子１９Ｒ、１９Ｇ上に重ね合わせられる。

その際、集光レンズ１３を通過した黄色蛍光光は、ダイクロイックミラー１４により、赤色光と緑色光に分離される。ダイクロイックミラー１４は緑色光を通過、赤色光を反射する特性を有しているので、ダイクロイックミラー１４に入射した黄色光の内、緑色光はダイクロイックミラー１４を通過し、反射ミラー１５で反射し、コリメートレンズ１７Ｇで略平行となり、入射側偏光板１８ＧでＸ偏光光を取り除いた後、液晶型映像表示素子１９Ｇに入射する。一方、赤色光は、ダイクロイックミラー１４で反射し、反射ミラー１６で反射し、コリメートレンズ１７Ｒで略平行となり、入射側偏光板１８ＲでＸ偏光光を取り除いた後、液晶型映像表示素子１９Ｒに入射する。

次に、青色光が液晶型映像表示素子１９Ｂに均一な照度で照射される原理を説明する。
光源２３は青色光源であり、例えば、ＬＥＤ光源である。光源２３から発光した青色光は、コリメートレンズ２４、コリメートレンズ２５を通過後、略平行となり、青色光用の偏光変換インテグレータに入射する。

青色光用の偏光変換インテグレータは、第３のレンズ群２６と第４のレンズ群２７からなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、光の偏光方向を所定偏光方向に揃えて直線偏光光に変換する偏光ビームスプリッタアレイの偏光変換素子２８とを含む。第４のレンズ群２７からの光は偏光変換素子２８により、所定の偏光方向、例えば直線偏光光のＹ偏光光に略揃えられる。そして、第３のレンズ群２６の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ２９、反射ミラー３０、コリメートレンズ１７Ｂにより各液晶型映像表示素子１９Ｂ上に重ね合わせられる。その際、入射側偏光板１８ＢでＸ偏光光が取り除かれる。

続いて、光強度変調部を構成する各液晶型映像表示素子１９（１９Ｒ、１９Ｇ、１９Ｂ）は、Ｙ方向を透過軸とする入射側偏光板１８（１８Ｒ、１８Ｇ、１８Ｂ）により偏光度が高められ、図示しないカラー映像信号に応じて光強度変調し、各色光のＸ偏光の光学像を形成する。

このように形成された各色光のＸ偏光の光学像は、出射側偏光板２０（２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ）に入射する。出射側偏光板２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂは、Ｘ方向を透過軸とする偏光板である。これにより、不要な偏光光成分（ここでは、Ｙ偏光光）が除去され、コントラストが高められる。

このように形成された各色光のＹ偏光の光学像は、光合成手段である光合成プリズム２１に入射する。この時、緑色光の光学像は、Ｘ偏光（光合成プリズム２１のダイクロイック膜面に対してＰ偏光）のままで入射する。一方、青色光路及び赤色光路では、出射側偏光板２０Ｂ、２０Ｒと光合成プリズム２１との間に図示しない１／２λ波長板を設けていることから、Ｘ偏光の青色光及び赤色光の光学像は、Ｙ偏光（光合成プリズム２１の色合成を行うダイクロイック膜面に対してＳ偏光）の光学像に変換された後、光合成プリズム２１に入射する。これは、ダイクロイック膜の分光特性を考慮したもので、緑色光をＰ偏光光、赤色光と青色光をＳ偏光光とする所謂ＳＰＳ合成とすることで、効率良く光合成するためである。

続いて、光合成プリズム２１は、青色光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）と、赤色光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状（クロス状）に形成されたものである。光合成プリズム２１の３つの入射面の内、対向する入射面に入射した青色光と赤色光（ダイクロイック膜面に対してＳ偏光光）は、クロスした青色光用のダイクロイック膜及び赤色光用のダイクロイック膜でそれぞれ反射される。又、中央の入射面に入射した緑色光（ダイクロイック膜面に対してＰ偏光光）は直進する。これらの各色光の光学像は光合成され、カラー映像光（合成光）が出射面から出射する。

そして、光合成プリズム２１から出射した合成光は、例えば、ズームレンズであるような投写レンズ２２によって、透過型又は投写型の図示しないスクリーン上に投影され、もって、拡大投写した映像を表示することとなる。

ここでは、映像表示素子を液晶型映像表示素子として説明したが、ＤＭＤ（Digital Mirror Device）素子を用いた投写型映像表示装置にも適用できることは言うまでもない。

図３は、第２の実施例における光源装置の光学系の要部構成図である。

図３（Ａ）は、光学系の全体像を示している。第１の実施例との違いは、主に、集光レンズ５と金属部材６の間にロッドレンズ９が配置されていることである。

図３（Ｂ）は、金属部材６と硝子部材であるロッドレンズ９を拡大した図であり、蛍光光８の発散光線を示している。蛍光体７から発せられた蛍光光８は、ロッドレンズ９に入射する。ロッドレンズ９は、蛍光光８の出射側開口部が、入射側開口部より大きくなるようなテーパ形状となっている。そこで、蛍光光８はロッドレンズ９に入射後、テーパ部の内部で全反射を繰り返すことで、全方位に発散することなく、ロッドレンズ９の出射開口部においた、一定角度の発散まで絞られるため、集光レンズ５で全ての蛍光光８を捕獲することができる。

図３（Ｃ）は、金属部材６とロッドレンズ９を拡大した図であり、励起光２の光線を示している。図１（Ｃ）同様、未変換励起光２００は、蛍光体７で反射し、再度、別の箇所に塗布された蛍光体７に入射し、蛍光光８に変換される。従って、凹部の少なくとも２面に、蛍光体が塗布されていることが望ましい。蛍光体７の２面に入射しても蛍光光８に変換されない励起光は存在するが、確率としては低いため、ほとんど問題ない。

図４は、図２の光源装置を含む、投写型映像表示装置の光学系を示す図である。

励起光源１から射出した青色励起光２は、コリメートレンズ３により、略平行となり、ダイクロイックミラー３１に入射する。ダイクロイックミラー３１は青色光を反射し、緑色光を透過する特性である。従って、青色励起光はダイクロイックミラー３１で反射し、集光レンズ５で集光し、ロッドレンズ９を通過後、図示しない緑色蛍光体が塗布された金属部材６に入射する。

緑色蛍光体で励起された緑色光は、集光レンズ５を通過して略平行となり、ダイクロイックミラー３１を通過して、集光レンズ３２を通過し、ダイクロイックミラー３３に入射する。ダイクロイックミラー３３は緑色光を透過し、赤色光、青色光を反射する特性である。従って、緑色光はダイクロイックミラー３３を通過し、多重反射素子４０に入射する。集光レンズ３２は、入射した略平行光が、多重反射素子４０の入射開口部に集光するような曲率に設定されている。

光源３４は赤色光源であり、例えば、ＬＥＤ光源である。光源３４を射出した赤色光は、コリメートレンズ３５で平行となり、ダイクロイックミラー３８に入射する。ダイクロイックミラー３８は赤色光を透過し、青色光を反射する特性である。従って、赤色光はダイクロイックミラー３８を通過して、集光レンズ３９を通過し、ダイクロイックミラー３３に入射する。

一方、光源３６は青色光源であり、例えば、ＬＥＤ光源である。光源３６を射出した青色光は、コリメートレンズ３７で平行となり、ダイクロイックミラー３８に入射する。ダイクロイックミラー３８は赤色光を透過し、青色光を反射する特性である。従って、青色光はダイクロイックミラー３８で反射して、集光レンズ３９を通過し、ダイクロイックミラー３３に入射する。ダイクロイックミラー３３は緑色光を透過し、赤色光、青色光を反射する特性である。従って、ダイクロイックミラー３３に入射した赤色光と青色光は、ダイクロイックミラー３３で反射し、多重反射素子４０に入射する。

集光レンズ３９は、入射した略平行光が、多重反射素子４０の入射開口部に集光するような曲率に設定されている。多重反射素子４０に入射した、赤色光、緑色光、青色光は、多重反射素子４０で複数回反射し、多重反射素子４０の出射開口面では、均一照度分布を有する光となる。多重反射素子４０の出射開口面の形状は、ＤＭＤ素子４３と略相似な形状である。集光レンズ４１は、多重反射素子４０の出射開口面に形成された像を、ＤＭＤ素子４３上に拡大して結像する曲率に設定されている。従って、多重反射素子４０の出射開口面から射出した赤色光、緑色光、青色光は、集光レンズ４１を通過し、反射ミラー４２で反射後、ＤＭＤ素子４３上に均一な照度分布で照射される。

励起光源１、光源３４、光源３６は応答速度の速い固体発光素子であり、時分割制御が可能である。従って、各色光は、ＤＭＤ素子４３により、各色光毎に時分割で変調される。ＤＭＤ素子４３で反射された各色光は、投写レンズ４４に入射し、図示しないスクリーン上に拡大投影される。

ここでは、映像表示素子をＤＭＤ素子として説明したが、液晶型映像表示素子を用いた投写型映像表示装置にも適用できることは言うまでもない。

１…励起光源、２…励起光、３…コリメートレンズ、４…ダイクロイックミラー、５…集光レンズ、６…金属部材、７…蛍光体、８…蛍光光、９…ロッドレンズ、２００…未変換励起光

Claims (7)

1. 励起光を発光する光源と、
   前記励起光が入射される金属部材と、を備え、
   前記金属部材は、前記励起光が入射される部位に凹部を有し、当該凹部の中に前記励起光から蛍光光を生成するための蛍光体が塗布されている、光源装置。
2. 前記凹部はテーパ形状である、請求項１記載の光源装置。
3. 前記蛍光体は、前記凹部の中の少なくとも２面に塗布されている、請求項１又は２記載の光源装置。
4. 前記蛍光体は、前記凹部の深さの半分より奥の領域に塗布されている、請求項３記載の光源装置。
5. 前記凹部の開口部に、テーパ形状を有する硝子部材を備える、請求項１又は３記載の光源装置。
6. 光源装置と、
   映像表示素子と、
   前記光源装置からの光を前記映像表示素子に照射する複数の光学素子を有する照明光学系と、
   前記映像表示素子で形成された光学像を拡大して投影する投写レンズと、を備えた投写型映像表示装置において、前記光源装置は、
   励起光を発光する光源と、
   前記励起光が入射される金属部材と、を備え、
   前記金属部材は、前記励起光が入射される部位に凹部を有し、当該凹部の中に前記励起光から蛍光光を生成するための蛍光体が塗布されている、投写型映像表示装置。
7. 前記光源装置は、固体発光素子を励起光として、蛍光体を励起したものである、請求項６記載の投写型映像表示装置。

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