JPWO2015111145A1 - 光源装置およびこれを用いた映像表示装置 - Google Patents
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Abstract
光源装置は、励起光(51L〜54L)を発生する励起光源(5)(固体発光素子(51〜54))と、励起光(51L〜54L)を集光する集光レンズ(3)と、集光された励起光(51L〜54L)を照射して蛍光光(照明光)を発生する蛍光体膜(2)を備える。励起光(51L〜54L)は集光レンズ(3)に対してラジアル方向に偏光して入射し、集光レンズ(3)で集光された励起光(51L〜54L)は蛍光体膜(2)へP偏光として入射する構成とした。これにより、蛍光体膜(2)での励起光(51L〜54L)の反射を抑制し蛍光光の発光効率を向上させることで、照明光の損失と色ずれの少ない光源装置を実現する。
Description
本発明は、光源装置およびこれを用いた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。また特許文献2には、固体光源と蛍光体膜との間に偏光手段を設け、固体光源からの励起光の電界ベクトルが、励起光の蛍光体膜への入射方向と蛍光体膜の入射面の法線とによりなす平面に平行となるように(すなわちP偏光となるように)、固体光源からの励起光を偏光する構成が開示されている。
特許文献1に開示される光源装置において、照明光の明るさを増大させるためには、例えば光源数を増加させて励起光の強度を増大させる構成が考えられる。その際、面内に配置した複数の光源から出射された励起光は、集光レンズを介して蛍光体膜へ入射するが、各光線の入射方向はレンズ中心に向かう放射状となる。
一方、特許文献2にも記載されるように、蛍光体膜に入射する励起光は蛍光体膜の表面で一部が反射されて光損失となるが、その反射率は励起光の偏光状態に依存し、S偏光はP偏光よりも反射率が大きい。よって特許文献2では、固体光源と蛍光体膜との間に偏光手段を設けて、励起光がP偏光となるようにしている。
しかしながら、特許文献2の構成は単一の光源(発光素子)を用いる場合には有効であっても、複数の光源、あるいは面状光源を用いる場合にはそのまま適用できない。すなわち、複数の光源を面内に配置して偏光手段を設けたとしても、各光源から蛍光体膜に入射する励起光は集光されて入射方向が放射状となることから、各励起光の偏光状態はP偏光とS偏光、およびその中間状態が混在したものとなり、結局、偏光手段を設けた意味がなくなってしまう。むしろ、偏光手段を挿入することで光損失が発生してしまう。
本発明の目的は、複数の光源(または面状の光源)と蛍光体膜を有する光源装置およびこれを用いた映像表示装置において、蛍光体膜での励起光の反射を抑制し蛍光光の発光効率を向上させることである。
本発明は、励起光を発生する励起光源と、励起光を集光する集光レンズと、集光された励起光を照射して蛍光光を発生する蛍光体膜を備える光源装置において、励起光は集光レンズに対してラジアル方向に偏光して入射し、集光レンズで集光された励起光は蛍光体膜へP偏光として入射する構成とした。
本発明によれば、蛍光体膜での励起光の反射を抑制し蛍光光の発光効率を向上させることにより、照明光の損失と色ずれの少ない光源装置を実現する。また、この光源装置を用いることで、高性能の投写型映像表示装置が実現する
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。
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、集光レンズ3、蛍光体ホイール1を有する。
励起光源5は半導体レーザーなどの固体発光素子を複数配置し、励起光として例えば青色レーザー光を出射する。後述するように、励起光源5内の複数の固体発光素子50はその発光面(PN接合面)を光軸中心に関し略放射状に向けて配置され、各励起光の偏光方向が、集光レンズ3に対して放射状に向くように構成されている。固体発光素子50の配置構成については、図6以降で詳しく説明する。励起光源5から出射された励起光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。
ミラー4は、励起光源5からの励起光を反射し、蛍光体ホイール1からの蛍光光を透過させるため、2つの領域から構成される。第1の領域は、励起光(青色)の波長域を反射し、蛍光光の波長域(赤色、黄色、緑色)を透過する特性を有するダイクロイックコート領域41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である。第1の領域は第2の領域よりも狭い面積とする。ミラー4の具体例は、図2で説明する。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にて反射し、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。
回転可能な蛍光体ホイール1には、励起光10に励起されて所定色の蛍光光を発光する蛍光体膜2が形成されている。例えば赤色、黄色、緑色の3色の蛍光光を発光させるため、円板面を円周方向に複数の領域に分割し各領域に赤色、黄色、緑色の各蛍光体膜21〜23を形成する。更に円板面には、励起光10を拡散して反射する拡散反射部24を設ける。蛍光体ホイール1の具体例は、図4で説明する。励起光10を受けると、蛍光体ホイール1の各蛍光体膜21〜23からは赤色、黄色、緑色の3色の蛍光光が発生し、拡散反射部24からは拡散された拡散励起光が発生し、いずれも集光レンズ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のいずれの領域でも透過する。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、蛍光光の全てと拡散励起光の大部分は、照明光11となって図面下方に出射する。
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いず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を透過して照明光となる。
図2は、ミラー4の2つの具体例を示す図である。
図2(a)では、ミラー4aの入射面の中央部に、第1の領域であるダイクロイックコート領域41(斜線部)を市松模様に分割して設け、他の部分は第2の領域である広波長透過領域42(白色部)とする。ダイクロイックコート領域41では、励起光(青色)の波長域を反射し蛍光光の波長域(赤色、黄色、緑色)を透過する性質を有する。広波長透過領域42では、励起光と蛍光光の両方の波長域を透過する。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10a(黒色)の数と形状と位置に合わせて決定する。よって、励起光源5からの励起光10は全て蛍光体ホイール1へ向かう。
図2(a)では、ミラー4aの入射面の中央部に、第1の領域であるダイクロイックコート領域41(斜線部)を市松模様に分割して設け、他の部分は第2の領域である広波長透過領域42(白色部)とする。ダイクロイックコート領域41では、励起光(青色)の波長域を反射し蛍光光の波長域(赤色、黄色、緑色)を透過する性質を有する。広波長透過領域42では、励起光と蛍光光の両方の波長域を透過する。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10a(黒色)の数と形状と位置に合わせて決定する。よって、励起光源5からの励起光10は全て蛍光体ホイール1へ向かう。
一方、蛍光体ホイール1で発生した蛍光光と拡散励起光(すなわち照明光11)は、ミラー4aの入射面にスポット11a(破線)に拡大されて入射する。このうち蛍光光はスポット11a内の全てが透過して照明光となる。一方拡散励起光は、ダイクロイックコート領域41に入射した一部の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)では、ミラー4b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(斜線部)を設け、他の部分は広波長透過領域42(白色部)とする。この場合は、励起光源5からの励起光10の入射スポット10a(黒色)が小さく、全てのスポット10a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。
このように本実施例のミラー4a,4b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を設けることで、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へ導くと共に、蛍光体ホイール1からの拡散励起光を透過して照明光とすることができる。
図3は、ミラー4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、青色の波長域(約420〜470nm)を透過せず、それより大きい波長域(赤色、黄色、緑色)を透過する。このような分光特性は、誘電体多層膜(TiO2、SiO2など)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。蛍光体ホイール1は、円周方向に例えば4セグメントに分割し、各セグメントには蛍光体膜2として、赤色蛍光体膜21、黄色蛍光体膜22、緑色蛍光体膜23を塗布し、残りのセグメントは反射ミラーに拡散機能を施した拡散反射部24とする。各蛍光体膜21,22,23では、励起光10を受けて、それぞれ、赤色、黄色、緑色の蛍光光を発光する。拡散反射部24の拡散機能は、蛍光体ホイール1の基材を銀蒸着等で鏡面反射とし、この上に耐熱性の高い透過拡散板を貼り付けることや、反射面に拡散材(ペースト等)を塗布することで可能である。この場合、拡散板(拡散材)は励起光が往復2回通る光路となるので、それを考慮して拡散度を決めると良い。もしくは、反射面自体の表面に微細な凹凸を施し、反射と同時に拡散させる機能を持たせても良い。このように拡散反射部24にて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。尚、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。
尚、励起光の色と蛍光体の色の組み合わせ、セグメント数、セグメントの形状(角度)は、上記例に限定されるものではなく、要求される照明光の仕様に応じて適宜変更して用いれば良い。例えば励起光源から青色レーザー光を発生しつつ、蛍光体ホイールから黄色蛍光体を削除して赤色及び緑色の蛍光光を発生させること、あるいは蛍光体としてシアン、マゼンタ等のその他の色を追加することも可能である。
図5は、蛍光体膜2の構造を示す模式図である。蛍光体膜2は、蛍光体粒子25を樹脂26にて必要な形状へ成形した上で基材27へ接着固定されている。(a)は、蛍光体粒子25を樹脂26中に分散した構造である。蛍光体粒子25は樹脂26により覆われており、蛍光体粒子25の粒径は数μm〜数十μm、蛍光体膜2の膜厚は数百μmである。(b)は蛍光体粒子25の層上に樹脂26を積層した構造である。ここに示したものは一例であり、蛍光体膜2と基材27の間に反射層を設けても良いし、蛍光体膜2の表面に反射防止層を設けても良い。
いずれの構造でも、励起光10は樹脂26を通過してから蛍光体粒子25に到達する。励起光10らが樹脂26において一部が反射されると、所定量の蛍光光が発生せず、また蛍光光に不要な励起光が混入することで照明光の色ずれの原因となる。よって、励起光10が樹脂26で反射せずに蛍光体粒子25に到達させることが必要である。
以下、本実施例の励起光源の構成について従来例と比較して説明する。
図6は、従来技術における励起光源の構成例と偏光方向を示す図である。ここでは4個の固体発光素子51〜54を用いる場合で説明する。
図6は、従来技術における励起光源の構成例と偏光方向を示す図である。ここでは4個の固体発光素子51〜54を用いる場合で説明する。
(a)は、励起光源5における固体発光素子51〜54の配置とその偏光方向51a〜54aを示す。各固体発光素子51〜54の発光面は一方向に揃えて配置しているので、それから出射される励起光の偏光方向51a〜54aは、同一方向になる。
(b)は、集光レンズ3における各固体発光素子からの励起光51L〜54Lの集光方向と偏光方向の関係を示す。集光レンズ3に入射した励起光は、集光レンズ3によりその中心方向に向かい放射状に集光される。各励起光の集光方向を51b〜54bで示す。集光方向51b〜54bと偏光方向51a〜54aの関係は、集光レンズ3内の通過部位によって異なる。すなわち、発光素子51、53からの励起光51L,53Lについては集光方向と偏光方向は平行(同方向)になるのに対し、発光素子52、54からの励起光52L,54Lについては集光方向と偏光方向は垂直になる。
(c)は、蛍光体膜2へ入射する励起光の入射方向と偏光方向の関係を示す。各励起光の蛍光体膜2への入射方向(入射面)は、集光方向で決まる。発光素子51、53からの励起光51L,53Lは、偏光方向が入射面に平行であるからP偏光状態であり、発光素子52、54からの励起光52L,54Lは、偏光方向が入射面に垂直であるからS偏光となる。
ここで図7は偏光状態の定義を説明する図であり、(a)はP偏光状態、(b)はS偏光状態を示す。入射光(ここでは励起光10)の電場の振動方向12(偏光方向)が入射面13に対し平行であればP偏光、入射面13に対し垂直であればS偏光である。
図8は、本実施例における励起光源5の構成例と偏光方向を示す図である。図6に合わせて4個の固体発光素子51〜54を用いる場合で説明する。
(a)は、励起光源5における固体発光素子51〜54の配置とその偏光方向51a〜54aを示す。各固体発光素子51〜54の発光面は光軸中心に対し放射状に向けて配置しているので、それから出射される励起光の偏光方向51a〜54aは、放射状(ラジアル方向)になる。このような偏光方向が放射状の偏光状態は、ラジアル偏光(径偏光)とも呼ばれる。
(b)は、集光レンズ3における各固体発光素子からの励起光51L〜54Lの集光方向と偏光方向の関係を示す。集光レンズ3に入射した励起光は、集光レンズ3によりその中心方向に向かい放射状に集光される。各励起光の集光方向を51b〜54bで示す。集光方向51b〜54bと偏光方向51a〜54aの関係は、集光レンズ3内の通過部位によらず一定である。すなわち、全ての発光素子51〜54からの励起光51L〜54Lについて、集光方向と偏光方向は平行(同方向)になる。
(c)は、蛍光体膜2へ入射する励起光の入射方向と偏光方向の関係を示す。各励起光の蛍光体膜2への入射方向(入射面)は、集光方向で決まる。全ての発光素子51〜54からの励起光51L〜54Lは、偏光方向が入射面に平行であるからP偏光状態となる。
図9は、偏光状態をパラメータに樹脂材料の反射率特性を示す図で、一例としてシリコーン樹脂(屈折率1.41)の場合を示している。入射角θが大きくなるにつれて反射率が増大するだけでなく、偏光状態に関してS偏光はP偏光よりも反射率が大きい。図5で述べたように、蛍光体膜2は一般に蛍光体粒子25と樹脂26を混合して形成されており、蛍光体膜2の表面には樹脂26が存在する。よって、蛍光体膜2に入射した励起光が蛍光体粒子25に到達するためには、樹脂26による反射を抑えなければならない。励起光がP偏光であれば、S偏光の場合と比較して樹脂26による反射を抑制し、励起光のエネルギーを効率よく蛍光体粒子25に伝えることができる。
すなわち、図8に示した励起光源5の構成とすることで、全ての励起光をP偏光状態で蛍光体膜2に入射させ、蛍光体膜2からの蛍光光の発光効率を最大化することができる。また、蛍光体粒子25に到達せず樹脂26で反射される励起光が減少し、励起光が蛍光光に混入して照明光に色ずれが発生することも防止できる。
図10は、偏光状態と蛍光体発光量の関係を示す図である。S偏光とP偏光の励起光(レーザー光)を2種類の蛍光体材料A,Bに入射角θ=77.5°で入射させ、レーザー光の反射量と蛍光光の発生量を求めたものである。S偏光時の値を基準値(=1)として表わしている。レーザー光の偏光状態をS偏光からP偏光に変えることで、蛍光体膜からの反射光量を約1/3に低減することができた。また、従来反射により損失していた励起エネルギーを蛍光体発光に転換させることで、蛍光体からの発光量を30〜40%増加させることができた。
図8に示した励起光源では4個の固体発光素子を用いているが、固体発光素子の数は4個以外の場合も同様に適用できることは言うまでもない。また、各固体発光素子の配置も様々な形態が可能である。以下、励起光源の他の構成例を示す。
図11と図12は、励起光源5の他の構成例を示す図である。ここでは偏光方向を片方向の矢印で表しており、矢印の向きが一致すれば位相も一致していることを意味する。
図11(a)(b)は、固体発光素子50を円形状に配置した例である。各固体発光素子50を円形の基板59上に、その偏光方向50aが励起光源5の中心光軸に対して放射状(ラジアル方向)となるように配置する。その結果、励起光が集光レンズ3を通過する際の偏光方向はラジアル偏光となり、蛍光体膜2にはいずれの励起光もP偏光として入射する。また、固体発光素子50に対し中心光軸を挟んで反対側に対向して配置される固体発光素子50’は、それらの励起光の位相が180°反転して打ち消さないように、発光面(PN接合面)の向きが同一になるように配置している。
図11(c)(d)は、固体発光素子50を矩形状に配置した例であり、(e)(f)は、その他形状として六角形や枠状に配置した例である。これらの配置においても、各固体発光素子50の偏光方向50aが、放射状となるように基板59上に配置している。また、中心光軸の反対側に対向して配置される固体発光素子は発光面の向きが同一になるように配置している。
図12(a)(b)は、励起光源5の中心部での偏光方向を特定の方向に変えた例を示し、(a)は励起光源5を出射側から見た正面図、(b)は励起光源5とミラー4を上面から図である。ここでは座標軸X,Y,Zを用いて説明する。励起光源5の周辺部の固体発光素子51は、偏光方向51aがXY面内で放射状となっているが、中心部(破線円の内側)の固体発光素子52は、偏光方向52aをY方向に揃えている。これより、中心部の励起光がミラー4に入射するとき、その偏光方向52a(Y方向)はミラー4への入射面(XZ面、ミラーの傾斜方向)に垂直となり、S偏光で入射させるようにした。この場合、中心部の固体発光素子52からの励起光は蛍光体膜2へS偏光として入射するが、入射角θが小さいので、図9に示されるように偏光方向(P偏光とS偏光)による反射率の差は小さい。むしろ、ミラー4にS偏光で入射させて励起光の反射を大きくする方が、蛍光体膜2での発光量を大きくする上で有利である。S偏光に切り替える領域(中心部)の大きさは、例えば図9においてP偏光とS偏光での反射率差が5%以下となる条件、すなわち蛍光体膜2への入射角θが40°以下となる範囲から決めればよい。
図12(c)(d)は、固体発光素子の偏光方向がラジアル方向からずれた例を示す。光源の設計あるいは製造上の制約により、一部の固体発光素子53の偏光方向53aがラジアル方向に一致せず、角度αだけずれている。その場合でも、励起光にP偏光成分が存在するので有効である。P偏光成分とS偏光成分の比率はラジアル方向からのずれ角αに依存し、ずれ角θが45°以下であれば、P偏光成分がS偏光成分を上回るので、本実施例の効果を得ることができる。
図12(e)(f)は、固体発光素子の偏光方向を2種類の配置で実現した例である。光源の製造容易性の観点から、固体発光素子の向きは可能な限り揃え、最小の組み合わせで実現するのが望ましい。この例では、2種類の偏光方向(X方向とY方向)を組み合わせながら、上記した各条件を満足させている。すなわち、周辺部において固体発光素子51の偏光方向51aはラジアル方向を維持し、他の固体発光素子53の偏光方向53aはラジアル方向からのずれ角αを45°以内とし、中心部の固体発光素子52の偏光方向52aはS偏光としている。
図11〜図12に示した励起光源の構成例は代表例であり、さらにこれらを組み合わせた構成も可能である。
実施例1によれば、複数の固体発光素子からの励起光が蛍光体膜で反射されることが少なく、蛍光光の発光効率が向上し、照明光の損失と色ずれの少ない光源装置を実現できる。
実施例2では、波長板によりラジアル偏光を実現する構成について述べる。
図13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とミラー4の間に、偏光変換素子である波長板7を配置している点が異なる。励起光源5の各固体発光素子50からは単一方向に偏光した励起光(直線偏光)が出射され、波長板7にてラジアル方向の偏光状態に変換する。
図13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とミラー4の間に、偏光変換素子である波長板7を配置している点が異なる。励起光源5の各固体発光素子50からは単一方向に偏光した励起光(直線偏光)が出射され、波長板7にてラジアル方向の偏光状態に変換する。
図14は、波長板7の具体例を示す図である。
(a)は、波長板7を円周方向に4分割し、それぞれの領域に1/2波長板を結晶軸の角度を変えて配置している。1/2波長板は、入射光の直線偏光を結晶軸に対して線対称の直線偏光に変換する機能を持つ。この例では、結晶軸の角度βを22.5°、67.5°、−22.5°、−67.5°に傾けた4個の分割波長板71〜74を光軸周りに配置している。この波長板7に固体発光素子50から90°方向に直線偏光された励起光を入射すると、図8と同様に放射状に偏光したラジアル偏光(4方向)を実現することができる。
(a)は、波長板7を円周方向に4分割し、それぞれの領域に1/2波長板を結晶軸の角度を変えて配置している。1/2波長板は、入射光の直線偏光を結晶軸に対して線対称の直線偏光に変換する機能を持つ。この例では、結晶軸の角度βを22.5°、67.5°、−22.5°、−67.5°に傾けた4個の分割波長板71〜74を光軸周りに配置している。この波長板7に固体発光素子50から90°方向に直線偏光された励起光を入射すると、図8と同様に放射状に偏光したラジアル偏光(4方向)を実現することができる。
(b)は波長板を円周方向に8分割して、それぞれの領域に1/2波長板を結晶軸の角度βを変えて配置している。(a)と同様に、各領域の結晶軸方向により、入射する直線偏光の励起光をラジアル偏光(8方向)に変換する。分割数は例えば固体発光素子50の数と配置に応じて決定すれば良く、分割数を増やすことで、滑らかなラジアル偏光に近づけることができる。
上記例では、波長板7による偏光子の例を示したが、ARCoptix社製シータセルのようなTN(Twisted Nematic)液晶を用いた偏光変換素子を使用してもよい。
実施例2においても、複数の固体発光素子からの励起光が蛍光体膜で反射されることが少なく、照明光の損失と色ずれの少ない光源装置を実現できる。実施例2では、励起光の偏光方向は波長板7により制御できるので、波長板7を選択することで設計の自由度が高い。また、励起光源が同一方向に偏光している面状光源の場合にも適用できるメリットがある。
実施例3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、両者を対向させて配置する場合について述べる。
図15は、実施例3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)や実施例2(図13)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、領域41は、励起光(青色)の波長域を透過し、蛍光光の波長域(赤色、黄色、緑色)を反射するダイクロイック特性を有し、領域42は、励起光と蛍光光の両方の波長域を反射する広波長反射特性を有する。また、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。
図15(a)において、励起光源5の各固体発光素子50から出射する励起光は、実施例1(図1)と同様にラジアル偏光となっている。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の蛍光体膜2からは、赤色、黄色、緑色の3色の蛍光光が発生し、拡散反射部からは拡散された拡散励起光が発生する。その際、励起光10は蛍光体膜2に対してP偏光状態で入射するので、蛍光体膜2の樹脂での反射が抑えられ、蛍光光を効率よく発生させる。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及び広波長反射領域42のいず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となって図面左方に出射する。
図15(b)では、実施例2(図13)と同様に、励起光源5とミラー4’の間に、波長板7を配置している。励起光源5の固体発光素子50からは単一方向に偏光した励起光(直線偏光)が出射され、波長板7にてラジアル偏光の励起光10に変換される。その後の動作は図15(a)と同様である。
実施例3においても、複数の固体発光素子からの励起光が蛍光体膜で反射されることが少なく、照明光の損失と色ずれの少ない光源装置を実現できる。実施例3は、蛍光体ホイールと励起光源を対向して配置する場合に好適である。
上記実施例1〜3において、励起光を蛍光体膜2に集光する集光レンズ3は凸状レンズを想定したが、円筒状レンズで線状領域に集光する場合もあり得る。その場合は、各固体発光素子からの励起光の偏光方向は、円筒状レンズのラジアル方向(円筒軸に垂直方向)とすればよい。
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を説明する。
図16は、実施例4における投写型映像表示装置の構成図である。このうち光源装置100の部分は実施例1(図1)と同様の構成であり、説明を省略する。
図16は、実施例4における投写型映像表示装置の構成図である。このうち光源装置100の部分は実施例1(図1)と同様の構成であり、説明を省略する。
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63で集光され、ダイクロイックミラー64に入射する。ダイクロイックミラー64は緑色光(以下、G光)と青色光(以下、B光)を透過し、赤色光(以下、R光)を反射する特性とする。従って、G光とB光はダイクロイックミラー64を透過し、多重反射素子65に入射する。本実施例では、R光の光束量を補うため、赤色光源60を有している。赤色光源60を出射したR光はコリメートレンズ61で略平行となり、集光レンズ62で集光され、ダイクロイックミラー64を反射して多重反射素子65に入射する。
多重反射素子65に入射したR光、G光、B光は、多重反射素子65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65の出射開口面から出射したR光、G光、B光は、集光レンズ66を透過し、反射ミラー67で反射後、映像表示素子68上に均一な照度分布で照射される。
映像表示素子68は、例えばデジタルミラーデバイス(DMD、テキサスインスツルメントの名称)を用いて、これにR光、G光、B光を時分割で照射する方式である。励起光源5と赤色光源60は応答速度の速い固体発光素子を有し、時分割制御可能である。従って、各色光は映像表示素子68により、各色光の映像信号毎に時分割で変調される。映像表示素子68で反射された各色光は映像光となり、投写レンズ69に入射し、図示しないスクリーン上に投写される。
ここでは、光源装置100の他に赤色光源60を用いて特定色の明るさを確保するようにしたが、赤色光源60を用いずに、光源装置100のみで構成することも勿論可能である。その場合は、ダイクロイックミラー64を削除し、蛍光体ホイール1から出射される各色光を利用し、これに同期して映像表示素子68を動作させれば良い。
図17は、実施例4における投写型映像表示装置の他の構成図である。ここでは、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ている。このうち光源装置100の部分は実施例1(図1)と同様の構成であり、説明を省略する。
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、フライアイレンズ80により均一照明となり、レンズ81を透過し色分離光学系に進む。色分離光学系は、光源装置100から出射した照明光を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82を反射し、反射ミラー83、フィールドレンズ89を介して、B光用液晶パネル92に入射する。G光とR光は、ダイクロイックミラー82を透過後、ダイクロイックミラー84により分離される。G光はダイクロイックミラー84を反射して、フィールドレンズ90を透過して、G光用液晶パネル93に入射する。R光はダイクロイックミラー84を透過し、リレーレンズ87,88、反射ミラー85,86、フィールドレンズ91を介して、R光用液晶パネル94に入射する。
各液晶パネル92,93,94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95に入射する。色合成プリズム95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92,94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93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95から出射した合成光は、投写レンズ96に入射し、図示しないスクリーン上に投写される。
なお、図16と図17において、光源装置100に代えて実施例2(図13)や実施例3(図15)の光源装置100’,100”を用いても良いことは言うまでもない。
本実施例の投写型映像表示装置では、照明光損失と色ずれが少ない光源装置を用いているので、高性能の投写型映像表示装置が実現する。
1:蛍光体ホイール、
2,21〜23:蛍光体膜、
3:集光レンズ、
4:ミラー、
5:励起光源、
6:コリメートレンズ、
7,71〜74:波長板、
10,51L〜54L:励起光、
11:照明光(蛍光光及び拡散励起光)、
24:拡散反射部、
25:蛍光体粒子、
26:樹脂、
41:ダイクロイックコート領域、
42:広波長透過領域、
50,51〜54:固体発光素子(半導体レーザー)、
50a,51a〜54a:偏光方向、
50b,51b〜54b:集光方向、
68,92,93,94:映像表示素子(液晶パネル)
69,96:投写レンズ、
100,100’,100”:光源装置。
2,21〜23:蛍光体膜、
3:集光レンズ、
4:ミラー、
5:励起光源、
6:コリメートレンズ、
7,71〜74:波長板、
10,51L〜54L:励起光、
11:照明光(蛍光光及び拡散励起光)、
24:拡散反射部、
25:蛍光体粒子、
26:樹脂、
41:ダイクロイックコート領域、
42:広波長透過領域、
50,51〜54:固体発光素子(半導体レーザー)、
50a,51a〜54a:偏光方向、
50b,51b〜54b:集光方向、
68,92,93,94:映像表示素子(液晶パネル)
69,96:投写レンズ、
100,100’,100”:光源装置。
Claims (11)
- 励起光を発生する励起光源と、前記励起光を集光する集光レンズと、前記集光された励起光を照射して蛍光光を発生する蛍光体膜を備える光源装置において、
前記励起光は前記集光レンズに対してラジアル方向に偏光して入射し、前記集光レンズで集光された励起光は前記蛍光体膜へP偏光として入射することを特徴とする光源装置。 - 請求項1に記載の光源装置において、
前記励起光源はレーザー光を発光する固体発光素子を複数個配置したものであり、各固体発光素子の偏光方向が前記励起光源の中心に対してラジアル方向となるように配置したことを特徴とする光源装置。 - 請求項2に記載の光源装置において、
前記励起光源の中心を挟んで対向して配置される前記固体発光素子の発光位相は同一であることを特徴とする光源装置。 - 請求項2に記載の光源装置において、
前記各固体発光素子で発生した励起光のうち、前記蛍光体膜への入射角が少なくとも略40°以上となる励起光が前記集光レンズに対してラジアル方向に偏光していることを特徴とする光源装置。 - 請求項2に記載の光源装置において、
前記固体発光素子の偏光方向は、それぞれのラジアル方向からのずれ角が略45°以下となるように配置したことを特徴とする光源装置。 - 請求項1に記載の光源装置において、
前記励起光源と前記集光レンズの間に偏光変換素子を備え、
該偏光変換素子により、前記励起光源で発生した励起光の偏光方向を前記集光レンズに対してラジアル方向に偏光変換することを特徴とする光源装置。 - 請求項6に記載の光源装置において、
前記偏光変換素子として結晶軸の角度が異なる複数の1/2波長板を光軸周りに配置したことを特徴とする光源装置。 - 請求項4に記載の光源装置において、
前記励起光源からの励起光を略垂直方向に反射して前記集光レンズに導くミラーを備え、
前記各固体発光素子で発生した励起光のうち、前記蛍光体膜への入射角が略40°以下となる励起光は、前記ミラーに対してS偏光として入射させることを特徴とする光源装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の光源装置において、
前記蛍光体膜を有するとともに、入射する励起光を拡散して反射する拡散反射部を有し回転する蛍光体ホイールと、
前記励起光源からの励起光を前記蛍光体ホイールに導き、前記蛍光体膜からの蛍光光と前記拡散反射部が拡散して反射した拡散励起光を照明光として出射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ダイクロイックコート領域と、前記蛍光光及び前記拡散励起光を透過する広波長透過領域を有することを特徴とする光源装置。 - 請求項1から7のいずれか1項に記載の光源装置において、
前記蛍光体膜を有するとともに、入射する励起光を拡散して反射する拡散反射部を有し回転する蛍光体ホイールと、
前記励起光源からの励起光を前記蛍光体ホイールに導き、前記蛍光体膜からの蛍光光と前記拡散反射部が拡散して反射した拡散励起光を照明光として出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ダイクロイックコート領域と、前記蛍光光及び前記拡散励起光を反射する広波長反射領域を有することを特徴とする光源装置。 - 請求項9または10に記載の光源装置と、
該光源装置から出射された照明光を映像信号に応じて変調する映像表示素子と、
前記映像表示子により変調された映像光を投写する投写レンズと、を備えることを特徴とする映像表示装置。
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