JP6557948B2 - 光源装置及び投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及びそれを用いた投影装置に関する。

励起光源から出射された励起光を吸収し（励起され）、その励起光の波長とは異なる波長の光を発光する蛍光体を用いた光源装置が、照明装置や画像投影装置など様々な機器の光源として利用されている。このような光源装置の光源としては、一般的に、半導体光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザダイオード（ＬＤ）が多く用いられている。また、蛍光体は、透明なシリコーン樹脂層、あるいはエポキシ樹脂層の中に分散されて、発光層として形成されている。

しかしながら、発光層に使用される樹脂性バインダは、半導体光源からの励起光によって劣化し、あるいは、特に励起光の強度が強い場合には破損する。また、樹脂の熱伝導率が低いために、樹脂中に分散された蛍光体の温度上昇が起こり、この温度上昇による蛍光体発光波長シフト、あるいは発光強度が低下する温度消光、などの現象が発生して、結果的に、光源装置の輝度が低下するという問題がある。

このような熱による損傷や影響を軽減するために、蛍光体を大面積に配置して、同一箇所に励起光が照射され続けないように構成する手法が知られている。例えば、特許文献１に開示されているように、円板の表面に同心円状に蛍光体含有樹脂バインダを塗布し、モータなどで円板を回転させて使用している。

しかし、この方法では、円板の回転方向に蛍光体含有樹脂層が続く構造になり、結果として、蛍光体の発光光が蛍光体含有樹脂層の内部を反射伝播することで、蛍光体発光を集光するように位置決めされている集光レンズの範囲外で発光する現象が生じてしまい、蛍光体の発光光が有効に利用できずに無駄となってしまう。

近年、蛍光体を分散した発光層の耐熱性を向上させる手段として、透明樹脂バインダに変わり、透光性の無機材料、例えばガラスを用いたり、熱伝導の高いセラミクス（特許文献２）を用いたりして、発光層を形成することが提案されている（以下、このような発光層を蛍光体プレートと称する）。特に、透光性セラミクスバインダを用いた蛍光体プレートは、従来の樹脂バインダを用いた発光層と比較すると、熱伝導率が数十倍から数百倍となり、放熱性が著しく向上する。

図８（Ａ）は、透光性セラミクスバインダを用いた蛍光体プレート１００を光源装置に適用した場合に想定される、励起光学構造の概略を示す図である。半導体レーザ等の励起光源１０１からの励起光１０２は、コリメータレンズ１０３、励起光１０２の波長を透過するダイクロイックミラー１０４を経て、集光レンズ群１０５により蛍光体プレート１００の任意のサイズの照射範囲に集光される。蛍光体プレート１００から出射される蛍光体の発光光は、集光レンズ群１０５により、蛍光体有効発光光１０６としてダイクロイックミラー１０４に集光され、このダイクロイックミラー１０４により任意の波長帯の光が取り出されて、照明光として利用される。

図８（Ｂ）は、蛍光体プレート１００に対する励起光１０２の照射範囲である励起光照射領域１０７を示す図である。なお、本明細書において、励起光照射領域１０７とは、励起光１０２のエネルギー強度が、その最高強度に対して１０％（〜２０％）以上の範囲を指すものとする。

ここで、蛍光体プレート１００は、一辺の長さＡｘ及びＡｙの矩形形状に形成される。そして、励起光照射領域１０７は、この矩形の蛍光体プレート１００上で矩形の領域となるように、且つ、この励起光照射領域１０７の一辺の長さＢｘ及びＢｙが、蛍光体プレート１００の一辺の長さＡｘ及びＡｙよりも若干小さくなるように、光学系が設計されている。すなわち、集光レンズ群１０５は、励起光源１０１からの励起光１０２を蛍光体プレート１００の励起光照射領域１０７に集光する。また、この集光レンズ群１０５は、励起光照射領域１０７からの蛍光体の発光光を任意の角度まで取り込み、蛍光体有効発光光１０６として利用されるように設計される。

特開２０１１−１３３１６号公報 特開２００６−２８２４４７号公報

光源としては発光サイズが小さいほうがより好ましく、励起光照射領域１０７の長さＢｘ、Ｂｙの寸法は小さいほど光学効率が高くなる。しかしながら、それに合わせた蛍光体プレート１００のサイズも微細になり、実装のハンドリングなどで、製造が難しくなり、コストの増加を招くことになる。

そこで、励起光照射領域１０７の長さＢｘ、Ｂｙよりも蛍光体プレート１００の長さＡｘ、Ａｙを十分に大きくすることが考えられる。そのように蛍光体プレート１００の長さＡｘ、Ａｙを大きく形成した場合に、蛍光体内部で光を放つ賦活元素からは、蛍光体発光光は全方向に出射されるため、蛍光体発光光が、図８（Ｃ）に示すように、励起光照射領域１０７から大きく離れた場所の蛍光体プレート上面１００Ｕから出射されるということが発生する。すなわち、通常、蛍光体プレート１００は図示しない基板上に配置されるために、蛍光体プレート下面１００Ｂは光学的には全反射特性を備え、また、切り落とし部分となる蛍光体プレート側面１００Ｓもある程度の全反射特性を備える。そのために、励起光照射領域１０７から全方向に出射された蛍光体発光光が、蛍光体プレート１００の内部を伝搬して蛍光体プレート下面１００Ｂや蛍光体プレート側面１００Ｓなどで全反射し、励起光照射領域１０７から大きく離れた場所の蛍光体プレート上面１００Ｕから出射し易くなってしまう。このような励起光照射領域１０７から大きく離れた場所から出射される発光光は、集光レンズ群１０５の取り込み範囲外の蛍光体無効発光光１０８となり、有効に利用されない。あるいは、蛍光体プレート１００内部での発光光の反射光路が長くなり、発光光が賦活元素に自己吸収されてしまい、発光光が損失する現象が発生してしまう。

本発明は、発光光の損失を低減することができる光源装置及びそれを用いた投影装置を提供することを目的とする。

前記目的を果たすため、本発明の一態様によれば、光源装置は、励起光を出射する励起光源と、前記励起光に励起されることにより前記励起光の波長とは異なる波長の蛍光光を出射し、全体を透光性無機材料と複数の蛍光体とを焼結して形成された平面視が矩形で板状の蛍光体プレートと、前記励起光源から出射される前記励起光を前記蛍光体プレートの一方の面の一部である励起光照射領域内に集光して、前記蛍光体プレートに照射すると共に、前記励起光照射領域からの蛍光体発光光を取り込む、集光光学系と、を備え、前記励起光照射領域が前記蛍光体プレートにおける平面視が矩形で板状の中心に対して偏心した状態で固定され、前記励起光が前記蛍光体プレートに照射される。

前記目的を果たすため、本発明の一態様によれば、投影装置は、画像を入力して被投影体に投影する投影装置であって、前記本発明の一態様による光源装置と、前記光源装置から出射された光を用いて表示を行う表示素子と、前記表示素子に表示された画像を被投影体に向けて投影する投影光学系と、前記光源装置及び表示素子を制御する制御手段と、を備える。

本発明によれば、発光光の損失を低減することができる光源装置及びそれを用いた投影装置を提供できる。

（Ａ）は本発明の第１実施形態に係る投影装置の構成例を示すブロック図であり、（Ｂ）は本発明の第１実施形態に係る光源装置における光学構造の概略を示す図である。 第１実施形態に係る光源装置における蛍光体プレートに対する励起光照射領域を示す図である。 蛍光体プレート上の励起光照射領域の位置と蛍光体有効発光光の発光強度との関係を示す図であり、（Ａ）は励起光照射領域の長さに対して蛍光体プレートの長さが１．３３倍の場合を、（Ｂ）は励起光照射領域の長さに対して蛍光体プレートの長さが２倍の場合を、それぞれ示している。 第１実施形態に係る光源装置における蛍光光の出射経路を示す図である。 第１実施形態に係る光源装置の変形例における蛍光光の出射経路を示す図である。 本発明の第２実施形態に係る光源装置における蛍光体プレートに対する励起光照射領域を示す図である。 （Ａ）は本発明の第３実施形態に係る光源装置における蛍光体プレートに対する励起光照射領域を示す図であり、（Ｂ）は第３実施形態に係る光源装置の変形例における蛍光体プレートに対する励起光照射領域を示す図であり、（Ｃ）は第３実施形態に係る光源装置の別の変形例における蛍光体プレートに対する励起光照射領域を示す図である。 （Ａ）は透光性セラミクスバインダを用いた蛍光体プレートを光源装置に適用した場合に想定される励起光学構造の概略を示す図であり、（Ｂ）は蛍光体プレートに対する励起光照射領域を示す図であり、（Ｃ）は蛍光光の出射経路を示す図である。

［第１実施形態］
第１実施形態について図面を参照して説明する。

本発明の第１実施形態に係る光源装置を説明する前に、まず、それが適用される本発明の第１実施形態に係る投影装置について説明する。

この投影装置は、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）等の画像出力装置から出力された画像データに基づく画像を、スクリーン等の被投影体に投影するものであり、ここでは、出力表示素子としてマイクロミラー表示素子を用いたＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＤＬＰ）（登録商標）方式を用いているものを例に説明する。

本実施形態に係る投影装置１は、図１（Ａ）に示すように、入出力コネクタ部１１と、入出力インターフェース（Ｉ／Ｆ）１２と、画像変換部１３と、投影処理部１４と、マイクロミラー素子１５と、第１実施形態に係る光源装置１６と、ミラー１７と、投影レンズ１８と、ＣＰＵ１９と、メインメモリ２０と、プログラムメモリ２１と、操作部２２と、音声処理部２３と、スピーカ２４と、レンズ調整部２５と、システムバスＳＢと、を有する。

入出力コネクタ部１１には、例えばピンジャック（ＲＣＡ）タイプのビデオ入力端子や、Ｄ−ｓｕｂ１５タイプのＲＧＢ入力端子といった端子が設けられており、画像出力装置からのアナログ画像信号が入力される。入力された画像信号は、入出力Ｉ／Ｆ１２及びシステムバスＳＢを介して画像変換部１３に入力される。入力された各種規格のアナログ画像信号は、デジタル画像信号に変換される。なお、入出力コネクタ部１１には、例えばＨＤＭＩ（登録商標）端子等も設けられ、アナログ画像信号のみならずデジタル画像信号も入力され得るようにしてもよい。また、入出力コネクタ部１１には、アナログ又はデジタル信号による音声信号が入力される。入力された音声信号は、入出力Ｉ／Ｆ１２及びシステムバスＳＢを介して音声処理部２３に入力される。また、入出力コネクタ部１１には、例えばＲＳ２３２Ｃ端子やＵＳＢ端子も設けられている。

画像変換部１３は、スケーラとも称される。画像変換部１３は、入力された画像データについて、解像度数、階調数等を調整する変換を行い、投影に適した所定のフォーマットの画像データを生成する。画像変換部１３は、変換した画像データを投影処理部１４へ送信する。必要に応じて画像変換部１３は、Ｏｎ Ｓｃｒｅｅｎ Ｄｉｓｐｌａｙ（ＯＳＤ）用の各種動作状態を示すシンボルを重畳した画像データを、加工画像データとして投影処理部１４に送信する。また、画像変換部１３は、必要に応じて投影画像の幾何学変換を行い、投影状態に応じてスクリーン等の被投影体に適切な形状で画像が投影されるようにする歪み補正処理を実施する。

光源装置１６は、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の原色光を含む複数色の光を出射する。ここで、光源装置１６は、複数色の色を時分割で順次射出するように構成されている。光源装置１６から出射された光は、ミラー１７で全反射し、マイクロミラー素子１５に入射する。

マイクロミラー素子１５は、アレイ状に配列された複数の微小ミラーを有する。各微小ミラーは、高速でオン／オフ動作して、光源装置１６から照射された光を投影レンズ１８の方向に反射させたり、投影レンズ１８の方向からそらしたりする。マイクロミラー素子１５には、微小ミラーが例えばＨＤ＋やＷＸＧＡ＋＋と称される横１６００画素×縦９００画素分だけ並べられている。各微小ミラーにおける反射によって、マイクロミラー素子１５は、例えばＨＤ＋解像度の画像を形成する。このように、マイクロミラー素子１５は空間的光変調素子として機能する。

投影処理部１４は、画像変換部１３から送信された画像データに応じて、その画像データが表す画像を表示させるため、マイクロミラー素子１５を駆動する。すなわち、投影処理部１４は、マイクロミラー素子１５の各微小ミラーをオン／オフ動作させる。ここで投影処理部１４は、マイクロミラー素子１５を高速に時分割駆動する。単位時間の分割数は、所定のフォーマットに従ったフレームレート、例えば６０［フレーム／秒］と、色成分の分割数と、表示階調数とを乗算して得られる数である。また、投影処理部１４は、マイクロミラー素子１５の動作と同期させて光源装置１６の動作も制御する。すなわち、投影処理部１４は、各フレームを時分割して、フレーム毎に全色成分の光を順次出射するように光源装置１６の動作を制御する。

投影レンズ１８は、マイクロミラー素子１５から導かれた光を、例えばスクリーン等の被投影体に投影する光に調整する。したがって、マイクロミラー素子１５による反射光で形成された光像は、投影レンズ１８を介して、被投影体に投影され表示される。投影レンズ１８は、ズーム機構を有しており、投影される画像の大きさを変更する機能を有する。また、投影レンズ１８は、投影画像の合焦状態を調整するためのピント（フォーカス）調整機構を有する。このように、投影処理部１４、マイクロミラー素子１５、光源装置１６及び投影レンズ１８等は、画像を投影する投影部として機能する。

音声処理部２３は、ＰＣＭ音源等の音源回路を備える。入出力コネクタ部１１から入力されたアナログ音声データに基づいて、又は投影動作時に与えられたデジタル音声データをアナログ化した信号に基づいて、音声処理部２３は、スピーカ２４を駆動して拡声放音させる。また、音声処理部２３は、必要に応じてビープ音等を発生させる。スピーカ２４は、音声処理部２３から入力された信号に基づいて音声を出射する一般的なスピーカである。

ＣＰＵ１９は、画像変換部１３、投影処理部１４、音声処理部２３、及びレンズ調整部２５の動作を制御する。このＣＰＵ１９は、メインメモリ２０及びプログラムメモリ２１と接続されている。メインメモリ２０は、例えばＳＲＡＭで構成される。メインメモリ２０は、ＣＰＵ１９のワークメモリとして機能する。プログラムメモリ２１は、電気的に書き換え可能な不揮発性メモリで構成される。プログラムメモリ２１は、ＣＰＵ１９が実行する動作プログラムや各種定型データ等を記憶する。また、ＣＰＵ１９は、操作部２２と接続されている。操作部２２は、投影装置１の本体に設けられるキー操作部と、投影装置専用の図示しないリモートコントローラからの赤外光を受光する赤外線受光部と、を含む。操作部２２は、ユーザが本体のキー操作部又はリモートコントローラで操作したキーに基づくキー操作信号をＣＰＵ１９に出力する。ＣＰＵ１９は、メインメモリ２０及びプログラムメモリ２１に記憶されたプログラムやデータを用いて、操作部２２からのユーザの指示に応じて投影装置１の各部の動作を制御する。

レンズ調整部２５は、操作部２２のユーザ操作によるズーム変更指示に応じて、ＣＰＵ１９の制御の下、投影レンズ１８のズーム機構を駆動させる。レンズ調整部２５によって、ズーム機構が駆動される結果、投影画像の大きさが変化する。また、レンズ調整部２５は、ＣＰＵ１９の指示の下、投影レンズ１８の合焦レンズを駆動させる。

このような構成の投影装置１では、ＣＰＵ１９の制御の下、投影処理部１４が投影動作を実行する。このとき、光源装置１６の動作は、投影処理部１４により制御される。投影処理部１４は、光源装置１６内の各色を発するＬＤやＬＥＤのオン又はオフや、それら光源と蛍光体との組み合わせなどを変化させることで、例えば赤色光（Ｒ）、緑色光（Ｇ）、青色光（Ｂ）の３色の光を、光源装置１６から順次出射させる。投影処理部１４は、光源装置１６からマイクロミラー素子１５に順次、赤色光、緑色光、及び青色光を入射させる。

マイクロミラー素子１５は、各色の光について微小ミラー毎（画素毎）に、画像データに基づく階調が高い程入射した光を投影レンズ１８に導く時間を長くし、階調が低い程入射した光を投影レンズ１８に導く時間を短くする。すなわち、投影処理部１４は、階調が高い画素に対応する微小ミラーが長時間オン状態となるように、階調が低い画素に対応する微小ミラーが長時間オフ状態となるように、マイクロミラー素子１５を制御する。このようにすることで、投影レンズ１８から出射される光について、微小ミラー毎（画素毎）に各色の階調を表現できる。

フレーム毎に、微小ミラーがオンになっている時間で表現された階調を各色について組み合わせることでカラー画像が表現される。以上のようにして、投影レンズ１８からは、画像が表現された投影光が出射される。この投影光が、例えばスクリーンに投影されることで、スクリーン等にはカラー画像が表示される。

なお、前記説明では、赤色光、緑色光、青色光の３色を用いる投影装置の例を示したが、マゼンタやイエロー等の補色や、白色光等を組み合わせて画像を形成するように、これら色の光を出射できるように投影装置が構成されてもよい。

次に、以上のような投影装置１に適用される本発明の第１実施形態に係る光源装置１６について説明する。

本発明の第１実施形態に係る光源装置１６は、緑色波長帯域光を出射する緑色光源装置と、青色波長帯域光を出射する青色光源装置と、赤色波長帯域光を出射する赤色光源装置と、これら緑色光源装置、青色光源装置及び赤色光源装置それぞれから出射された緑色波長帯域光、青色波長帯域光及び赤色波長帯域光の光軸が同一の光軸となるように変換する導光光学系と、を備えている。

具体的には、図１（Ｂ）に示すように、緑色光源装置は、半導体発光素子による励起光源２６と、この励起光源２６から出射された励起光を平行光に変換する集光レンズであるコリメータレンズ２７と、このコリメータレンズ２７によって平行光に変換された励起光を集光する集光レンズ群２８と、前記集光レンズ群２８によって集光された励起光が照射される蛍光体プレート２９と、を備える。

励起光源２６は、青色の波長帯域光を発する半導体発光素子としての青色ＬＤである。なお、図１（Ｂ）には励起光源２６及びコリメータレンズ２７をそれぞれ１個のみしか示してないが、複数個、例えば３行８列の計２４個の青色ＬＤをマトリクス状に配列し、それぞれの光軸上にコリメータレンズ２７を配置して構成されるうにしてもよい。また、集光レンズ群２８は、蛍光体プレート２９から出射された蛍光体発光光を集光する機能も備えている。

蛍光体プレート２９は、励起光源２６からの出射光を励起光として緑色波長帯域の蛍光体発光光を出射する矩形形状、例えば正方形形状のプレートであって、励起光を受けて蛍光発光する機能する。蛍光体プレート２９は、光エネルギーの大きい励起光が照射されることから、耐熱性にすぐれた材料により構成される。具体的には、蛍光体プレート２９は、Ａｌ_２Ｏ_３等の透光性無機材料と、ＹＡＧ：Ｃｅ等の複数の蛍光体とを焼結して形成されており、複数の蛍光体は、透光性無機材料中に例えば一様な間隔で散在している。これらの蛍光体は、例えば、青色（波長４５５〜４９２ｎｍ内の波長値）の励起光の照射により、その励起光を吸収して（に励起され）、緑色（波長４９２〜５７７ｎｍ内の波長値）の発光光を全方向に出射する。

また、青色光源装置は、その出射光の光軸が蛍光体プレート２９からの出射光の光軸と平行となるように配置された青色光源３０と、この青色光源３０からの出射光を集光する集光レンズ群３１と、を備える。青色光源３０は、青色の波長帯域光を発する半導体発光素子としての青色ＬＥＤである。

赤色光源装置は、その出射光の光軸が前記蛍光体プレート２９からの出射光及び青色光源３０からの出射光の光軸と交差するように配置された赤色光源３２と、この赤色光源３２からの出射光を集光する集光レンズ群３３と、を備える。赤色光源３２は、赤色の波長帯域光を発する半導体発光素子としての赤色ＬＥＤである。

導光光学系は、ダイクロイックミラー３４，３５と、それらの間に配置された集光レンズ３６と、を備える。

ここで、ダイクロイックミラー３４は、励起光源２６から出射される青色波長帯域光及び蛍光体プレート２９から出射される緑色波長帯域光の光軸と、赤色光源３２から出射される赤色波長帯域光の光軸と、が交差する位置に配置されている。このダイクロイックミラー３４は、励起光である青色波長帯域光と赤色波長帯域光とを透過し、且つ、蛍光体発光光である緑色波長帯域光を反射してこの緑色波長帯域光の光軸を、赤色波長帯域光の光軸方向に９０度変換する機能、つまり緑色波長帯域光の光軸を赤色波長帯域光の光軸と一致させる機能を有している。このように、ダイクロイックミラー３４は、導光光学系として機能するとともに、緑色光源装置における励起光と蛍光体発光光との分離ミラーとしても機能する。

また、ダイクロイックミラー３５は、青色光源３０から出射される青色波長帯域光の光軸と、赤色光源３２から出射される赤色波長帯域光の光軸と、が交差する位置に配置されている。このダイクロイックミラー３５は、青色波長帯域光を透過し、且つ、緑色及び赤色波長帯域光を反射してこの緑色波長帯域光及び赤色波長帯域光の光軸を、青色波長帯域光の光軸方向に９０度変換する機能を有している。

このような導光光学系によってそれぞれの光軸が同一となるように変換される。そして、前述したように、緑色波長帯域光、青色波長帯域光及び赤色波長帯域光が、順次、図示しない照明光学系を介して、前記ミラー１７に照射され、ミラー１７で反射されてマイクロミラー素子１５に入射させるようになっている。

ここで、本実施形態に係る光源装置１６における緑色光源装置について、さらに説明する。
集光レンズ群２８は、励起光源２６から出射される励起光を、図２に示すように、前記蛍光体プレート２９よりも小さな矩形形状、ここでは正方形形状の励起光照射領域３７内に集光して、蛍光体プレート２９に照射する集光光学系の一部である。そして、本実施形態では、励起光照射領域３７が蛍光体プレート２９に対して偏心するように、具体的には、励起光照射領域３７が蛍光体プレート２９の一辺に対して近接するような励起光の照射状態となるように、集光レンズ群２８等の集光光学系の光学設計がなされている。あるいは、そのような照射状態となるように、蛍光体プレート２９が偏心配置されている。

これは、蛍光体の長さＡｘ、Ａｙが照射範囲の長さＢｘ、Ｂｙに対して十分に大きい場合に、蛍光体プレート２９上の励起光照射領域３７の位置を偏心させると、照明光として利用される蛍光体発光である蛍光体有効発光光の発光強度が変化することによる。

蛍光体プレート２９の長さＡｘ、Ａｙが励起光照射領域３７の長さＢｘ、Ｂｙに対して小さい場合、例えば、励起光照射領域３７が０．３ｍｍ×０．３ｍｍサイズ、蛍光体プレート２９が０．４ｍｍ×０．４ｍｍサイズ（厚さ０．１ｍｍ）である、励起光照射領域３７の長さに対して蛍光体プレート２９の長さが１．３３倍の場合には、図３（Ａ）に示すように、励起光照射領域３７が蛍光体プレート２９の概ね中心に位置している方が、蛍光体有効発光光の発光強度が大きい、つまり明るい。

これに対して、蛍光体プレート２９の長さＡｘ、Ａｙが励起光照射領域３７の長さＢｘ、Ｂｙに対して十分に大きい場合には、例えば、同じく励起光照射領域３７が０．３ｍｍ×０．３ｍｍサイズ、蛍光体プレート２９が０．６ｍｍ×０．６ｍｍサイズ（厚さ０．１ｍｍ）である、励起光照射領域３７の長さに対して蛍光体プレート２９の長さが２倍の場合には、図３（Ｂ）に示すように、励起光照射領域３７が蛍光体プレート２９の中心位置にあるよりも、蛍光体プレート２９の外形方向にずれている方が、蛍光体有効発光光の発光強度が大きく、明るいことが実験により判別された。

図４に示すように、励起光３８が照射された蛍光体プレート２９の励起光照射領域３７から全方位に出射された蛍光体発光光は、蛍光体プレート２９の内部を伝搬して蛍光体プレート下面２９Ｂや蛍光体プレート側面２９Ｓなどで全反射する。このとき、励起光照射領域３７が近距離に寄せられた蛍光体プレート２９の一辺方向については、蛍光体発光光が蛍光体プレート２９の内部を伝搬する距離が短いため、蛍光体プレート下面２９Ｂよりも先に蛍光体プレート側面２９Ｓで全反射される確率が高くなる。そして、そのような蛍光体発光光は、蛍光体プレート側面２９Ｓで全反射された後に蛍光体プレート下面２９Ｂで全反射されて励起光照射領域３７内を伝搬し、この励起光照射領域３７の位置、あるいはその近傍位置で、蛍光体プレート上面２９Ｕから出射されることとなって、集光レンズ群２８の取り込み範囲内の発光体有効発光光３９となる。このように、蛍光体の長さＡｘ、Ａｙが照射範囲の長さＢｘ、Ｂｙに対して十分に大きい場合に蛍光体無効発光光４０となってしまう蛍光体発光光の一部を、励起光照射領域３７を蛍光体プレート２９の一辺に対して近接するよう偏心照射状態とすることにより、発光体有効発光光３９として利用でるようになり、蛍光体発光光の損失を低減することができる。

以上のように、本実施形態に係る光源装置１６は、励起光源２６から出射される励起光３８を、矩形形状の蛍光体プレート２９よりも小さな矩形形状の励起光照射領域３７に集光して蛍光体プレート２９に照射すると共に、励起光照射領域３７からの蛍光体発光光を取り込む、集光レンズ群２８を含む集光光学系を備え、この矩形形状の励起光照射領域３７が蛍光体プレート２９に対して偏心するように励起光３８照射することにより、蛍光体プレート２９のサイズが励起光照射領域３７のサイズに対して十分に大きい場合であっても、蛍光体発光光の損失を低減することができる。

これにより、蛍光体プレート２９を大きく形成しても、蛍光体プレート２９を小さく形成した場合に匹敵する十分な照明光が得られることになる。従って、大きな蛍光体プレート２９を用いることが可能となるので、実装のハンドリングが容易となる。また、大きな蛍光体プレート２９は、励起光３８が照射されない励起光照射領域３７以外の部分も多いため、その部分での冷却効果も期待できる。

なお、このような矩形形状の励起光照射領域３７の偏心照射は、矩形形状の蛍光体プレート２９のサイズが励起光照射領域３７のサイズに対して所定の割合以上であるときに有効であり、その所定の割合より小さい時には、図３（Ａ）の実験結果から、励起光照射領域３７は蛍光体プレート２９の中央に偏心せずに照射する方が良い。例えば、図３（Ａ）の例は１．３３の場合であるので、所定の割合は１．４とする。この所定の割合は、実際の蛍光体プレート２９のサイズ及び励起光照射領域３７のサイズ、集光レンズ群２８を含む集光光学系の光学設計などにより決まる値であり、前記１．４に限定するものではない。

［変形例］
通常、蛍光体プレート２９は図示しない基板上に配置されるために、蛍光体プレート下面２９Ｂは光学的には全反射特性を備える。一方、切り落とし部分となる蛍光体プレート側面２９Ｓには、何も配置されていないが、ある程度の全反射特性を備えている。そのため、励起光照射領域３７から出射された、あるいは蛍光体プレート下面２９Ｂで反射された蛍光体発光光は、この蛍光体プレート側面２９Ｓで、その一部が反射され、残りが該蛍光体プレート側面２９Ｓから蛍光体プレート２９の外部に出射されて、損失となる。

そこで、図５に示すように、蛍光体プレート２９の励起光入射面となる蛍光体プレート上面２９Ｕ以外の面に、反射膜などの反射構造物４１を形成し、励起光照射領域３７から出射された、あるいは蛍光体プレート下面２９Ｂで反射された蛍光体発光光が、蛍光体プレート側面２９Ｓから蛍光体プレート２９の外部に出射しないよう構成することが更に好ましい。

［第２実施形態］
第２実施形態について説明する。ここでは、第１実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

前記第１実施形態では、矩形形状の励起光照射領域３７が矩形形状の蛍光体プレート２９の一辺に対して近接するように励起光３８が照射されるものとしたが、本実施形態は、図６に示すように、励起光照射領域３７が蛍光体プレート２９の二辺に対して等距離に近接する、つまり、一つの角に寄せるように励起光３８を照射するものである。

このようにすることで、蛍光体プレート２９の二辺の蛍光体プレート側面２９Ｓから反射した蛍光体発光光を発光体有効発光光３９として利用でるようになるので、蛍光体発光光の損失を前記第１実施形態よりも低減することができる。

［第３実施形態］
第３実施形態について説明する。ここでは、第１実施形態との相違点について説明し、同一の部分については、同一の符号を付してその説明を省略する。

前記第１実施形態では、矩形形状の励起光照射領域３７が矩形形状の蛍光体プレート２９の一辺に対して近接するように励起光３８が照射されるものとしたが、本実施形態は、図７（Ａ）に示すように、そのように励起光が照射された際に、矩形形状の蛍光体プレート２９の一辺に対して近接された矩形形状の励起光照射領域３７の一辺とは対向する一辺に近接した位置に、当該一辺に沿って延びるエアスリット４２を、蛍光体プレート２９に設けている。

このようなエアスリット４２を設けることで、このエアスリット４２の励起光照射領域３７側の壁も、蛍光体プレート側面２９Ｓと同様に蛍光体発光光をある程度全反射するので、励起光照射領域３７が蛍光体プレート２９の一辺に対して近接するように励起光３８を照射した場合と同様の効果が得られる。従って、蛍光体プレート２９の蛍光体プレート側面２９Ｓ一辺とエアスリット４２の壁とのそれぞれから反射した蛍光体発光光を発光体有効発光光３９として利用でるようになるので、蛍光体発光光の損失を前記第１実施形態よりも低減することができる。

［変形例］
第２実施形態のような励起光照射領域３７を蛍光体プレート２９の一つの角に寄せるように励起光３８を照射した場合には、図７（Ｂ）に示すように、励起光３８が照射された際に、矩形形状の蛍光体プレート２９の二辺に対して近接されていない、矩形形状の励起光照射領域３７の二辺のそれぞれに近接して、且つ、当該二辺のそれぞれに沿って、蛍光体プレート２９にエアスリット４２を設けることができる。これにより、蛍光体発光光の損失を前記第２実施形態よりも低減することができる。

また、第１実施形態のような励起光照射領域３７を蛍光体プレート２９の一つの辺に寄せるように励起光３８を照射した場合には、図７（Ｃ）に示すように、励起光３８が照射された際に、矩形形状の蛍光体プレート２９の一辺に対して近接されていない、矩形形状の励起光照射領域３７の残りの三辺のそれぞれに近接して、且つ、当該三辺のそれぞれに沿って、蛍光体プレート２９にエアスリット４２を設けても良い。これにより、蛍光体発光光の損失を前記第３実施形態よりも低減することができる。

以上のように、本３実施形態及びその変形例に係る光源装置１６によれば、励起光３８が照射された際に、矩形形状の蛍光体プレート２９の辺に対して近接されていない、矩形形状の励起光照射領域３７の少なくとも一辺に近接して、且つ、当該少なくとも一辺に沿って、蛍光体プレート２９に設けられたエアスリット４２を更に備えることにより、蛍光体発光光の損失をより一層、低減することができる。

なお、前記第１実施形態において、矩形形状の蛍光体プレート２９のサイズが励起光照射領域３７のサイズに対して所定の割合よりも小さい時には、励起光照射領域３７は蛍光体プレート２９の中央に偏心せずに照射するほうが良いことを説明したが、そのような中央照射を行う場合にも、本実施形態のように、矩形形状の励起光照射領域３７の四辺のそれぞれに近接して、且つ、当該四辺のそれぞれに沿って、蛍光体プレート２９にエアスリット４２を設けるようにすることで、より蛍光体発光光の損失を低減することができることは言うまでもない。

以上、実施形態を用いて本発明を説明したが、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。

例えば、コリメータレンズの後段にホモジナイザを配置し、ガウシアン型の強度分布を持つ励起光の光線束をトップハット型の均一強度分布の光線束に変換してから、蛍光体プレートに向けて励起光を照射するようにしても良い。

なお、前記各実施形態では、蛍光体プレート及び励起光照射領域が矩形形状の例を用いて本発明を説明したが、本発明は前記実施形態そのままに限定されるものではない。蛍光体プレート及び励起光照射領域の形状が、例えば、円形等であっても発光光が損失する原因は同様であるので、励起光照射領域を蛍光体プレートに対して偏心するようにする本発明が効果を奏することは言うまでもない。

また、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除しても、発明が解決しようとする課題の欄で述べられた課題が解決でき、かつ、発明の効果が得られる場合には、この構成要素が削除された構成も発明として抽出され得る。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、本発明の光源装置１６は、投影装置１以外にも、照明装置など、様々な機器の光源として利用することができる。

以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
励起光を出射する励起光源と、
前記励起光に励起され、前記励起光の波長とは異なる波長の蛍光光を出射する蛍光体プレートと、
前記励起光源から出射される励起光を、前記蛍光体プレートよりも小さな励起光照射領域内に集光して、前記蛍光体プレートに照射すると共に、前記励起光照射領域からの蛍光体発光光を取り込む、集光光学系と、
を備え、
前記励起光照射領域が前記蛍光体プレートに対して偏心するように、前記励起光が前記蛍光体プレートに照射されることを特徴とする光源装置。
［２］
前記蛍光体プレートのサイズが前記励起光照射領域のサイズに対して所定の割合以上であることを特徴とする［１］に記載の光源装置。
［３］
前励起光照射領域が記矩形形状であり、前記蛍光体プレートが矩形形状であって、
前記矩形形状の励起光照射領域が、前記矩形形状の蛍光体プレートの一辺に対して近接することを特徴とする請求項［１］又は［２］に記載の光源装置。
［４］
前励起光照射領域が記矩形形状であり、前記蛍光体プレートが矩形形状であって、
前記矩形形状の励起光照射領域が、前記矩形形状の蛍光体プレートの二辺に対して等距離に近接することを特徴とする請求項［１］又は［２］に記載の光源装置。
［５］
前記励起光が照射された際に、前記矩形形状の蛍光体プレートの辺に対して近接されていない、前記矩形形状の励起光照射領域の少なくとも一辺に近接して、且つ、当該少なくとも一辺に沿って、前記蛍光体プレートに設けられたエアスリットを更に備えることを特徴とする請求項［３］又は［４］に記載の光源装置。
［６］
画像を入力して被投影体に投影する投影装置であって、
［１］〜［５］の何れかに記載の光源装置と、
前記光源装置から出射された光を用いて表示を行う表示素子と、
前記表示素子に表示された画像を被投影体に向けて投影する投影光学系と、
前記光源装置及び表示素子を制御する制御手段と、
を備えることを特徴とする投影装置。

１…投影装置、 １１…入出力コネクタ部、 １２…入出力インターフェース、 １３…画像変換部、 １４…投影処理部、 １５…マイクロミラー素子、 １６…光源装置、 １７…ミラー、 １８…投影レンズ、 １９…ＣＰＵ、 ２０…メインメモリ、 ２１…プログラムメモリ、 ２２…操作部、 ２３…音声処理部、 ２４…スピーカ、 ２５…レンズ調整部、 ２６…励起光源、 ２７…コリメータレンズ、 ２８，３１，３３…集光レンズ群、 ２９…蛍光体プレート、 ２９Ｂ…蛍光体プレート下面、 ２９Ｓ…蛍光体プレート側面、 ２９Ｕ…蛍光体プレート上面、 ３０…青色光源、 ３２…赤色光源、 ３４，３５…ダイクロイックミラー、 ３６…集光レンズ、 ３７…励起光照射領域、 ３８…励起光、 ３９…発光体有効発光光、 ４０…蛍光体無効発光光、 ４１…反射構造物、 ４２…エアスリット。

Claims (6)

1. 励起光を出射する励起光源と、
   前記励起光に励起されることにより前記励起光の波長とは異なる波長の蛍光光を出射し、全体を透光性無機材料と複数の蛍光体とを焼結して形成された平面視が矩形で板状の蛍光体プレートと、
   前記励起光源から出射される前記励起光を前記蛍光体プレートの一方の面の一部である励起光照射領域内に集光して、前記蛍光体プレートに照射すると共に、前記励起光照射領域からの蛍光体発光光を取り込む、集光光学系と、
   を備え、
   前記励起光照射領域が前記蛍光体プレートにおける平面視が矩形で板状の中心に対して偏心した状態で固定され、前記励起光が前記蛍光体プレートに照射されることを特徴とする光源装置。
2. 前記蛍光体プレートのサイズが前記励起光照射領域のサイズに対して所定の割合以上であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記励起光照射領域が矩形形状であり、
   前記矩形形状の励起光照射領域が、前記平面視が矩形で板状の蛍光体プレートの一辺に対して近接することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記励起光照射領域が矩形形状であり、
   前記矩形形状の励起光照射領域が、前記平面視が矩形で板状の蛍光体プレートの二辺に対して等距離に近接することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
5. 前記励起光が照射された際に、前記平面視が矩形で板状の蛍光体プレートの辺に対して近接されていない、前記矩形形状の励起光照射領域の少なくとも一辺に近接して、且つ、当該少なくとも一辺に沿って、前記蛍光体プレートに設けられたエアスリットを更に備えることを特徴とする請求項３又は４に記載の光源装置。
6. 画像を入力して被投影体に投影する投影装置であって、
   請求項１〜５の何れかに記載の光源装置と、
   前記光源装置から出射された光を用いて表示を行う表示素子と、
   前記表示素子に表示された画像を被投影体に向けて投影する投影光学系と、
   前記光源装置及び表示素子を制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とする投影装置。