JP2012108486A - 光源装置および画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】励起光の照射により蛍光体層から発光される蛍光を、小型で簡素な光学系により、高い効率で取り出して伝播させることができる光源装置を提供する。
【解決手段】基材２の表面上に蛍光体を配置して構成された蛍光体層３と、蛍光体を励起する励起光源５とを備えた光源装置。蛍光体層と励起光源との間に励起光源からの励起光の伝播方向に対して傾けてダイクロイックミラー７が配置され、蛍光体層の配置されている面に対して、励起光源から射出された励起光の入射領域と、蛍光体から発光される蛍光の射出領域が同一側の空間に属するように構成され、ダイクロイックミラーは、励起光の主波長においては、Ｐ偏光成分の光の５０％以上を透過し、Ｓ偏光成分の光の５０％以上を反射する分光特性を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、励起光により蛍光体から発光される蛍光を用いた光源装置、特に画像表示装置において使用する赤色、緑色、青色などの可視光を射出する光源装置に関するものである。

今日、様々な映像等をスクリーンに拡大投影する画像表示装置としてのプロジェクターが広く普及している。プロジェクターは、光源から射出された光をデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、あるいは、液晶表示素子といった空間光変調素子に集光させ、映像信号によって変調された空間光変調素子からの射出光をスクリーン上にカラー映像として表示させるものである。

プロジェクターにより明るくて大画面の映像を得るために、従来、高輝度の高圧水銀ランプが光源として使用されてきた。しかし、高圧水銀ランプを光源とした場合、光源の寿命が短く、メンテナンスが煩雑になる、といった問題点がある。

これらの問題点を解決するために、高圧水銀ランプに代えて、レーザーやＬＥＤなどの固体光源を用いた光源装置を画像表示装置に用いることが検討されている。レーザー光源は、高圧水銀ランプに比べて寿命が長く、また、コヒーレント光であるため、指向性が高く、光利用効率も高い。さらに、その単色性により広い色再現範囲を確保できる。

しかしながら、レーザー光はその干渉性の高さゆえに、スペックルノイズが生じて画質が劣化するという問題点がある。特に、人間の目の視感度が高い緑色〜黄色の波長域のレーザー光では、スペックルノイズによる画質の低下が大きな問題である。また、ＬＥＤ光源は、上述のようなスペックルノイズはあまり問題とならないが、光源の発光面積が大きくて光密度が低いために、高輝度の画像表示装置を得ることが困難であった。

一方、レーザーやＬＥＤ以外の固体光源として、レーザーやＬＥＤの光源を励起源として蛍光体からの発光を用いる光源装置を構成すること、そして、その光源装置を画像表示装置に用いることが検討されている。蛍光体による光源装置は、高密度に集光可能なレーザー光源を励起源として用いることで、発光面積の小さい光源を得ることができる。また、レーザー光源を励起源として用いたとしても、波長変換して得られる蛍光そのものはインコヒーレントな光であるため、スペックルノイズが生じない。

そのような、蛍光体を利用した光源装置が、例えば、特許文献１、２に開示されている。これらの特許文献に開示された装置は、円板状の透明基材上に蛍光体層を配置し、その蛍光体層に励起光を照射し、蛍光体が配置された基板から見て、励起光源と反対側の空間に蛍光を取り出す構成とされている。

特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報

しかしながら、蛍光体層からの蛍光は、蛍光体が配置された基板から見て、励起光源と同一側の空間に多く放出されるので、上記従来例の構成では、高効率の光源装置を得難いという問題点がある。

これに対して、励起光源と同一側の空間に蛍光を取り出すように、例えば図１０に示すように光源装置を構成とすることが考えられる。この光源装置において、基材１００は、その片側の表面に、励起光の照射により蛍光を発する蛍光体層１０１を有する。基材１００は円形状であり、回転装置１０２によって回転可能となっている。励起光源１０３は、励起光を発光する複数個のレーザーダイオードにより構成されている。レーザーダイオードは、波長約４４５ｎｍ付近で発振する青色レーザーダイオードである。

励起光源１０３から発せられた励起光は、コリメートレンズアレイ１０４によってコリメートされた後、ダイクロイックミラー１０５に入射する。ダイクロイックミラー１０５は、励起光源１０３からの励起光を透過させ、励起光の照射により蛍光体層１０１から発生した蛍光を反射するように構成される。従って、ダイクロイックミラー１０５を通過した励起光は、集光レンズ１０６によって蛍光体層１０１上に集光される。

蛍光体層１０１に照射される励起光の一部は、蛍光へと波長変換されて、基材１００から見て、両側の空間に放出される。基材１００から見て励起光源１０３と同一側の空間に放出された蛍光は、集光レンズ１０６によってコリメートされ、ダイクロイックミラー１０５によって反射され、さらに、ダイクロイックミラー１１０を通過して光源装置からの出力光として射出される。一方、波長変換されなかった励起光の一部は、基材１００を透過して励起光源１０３と反対側の空間に至り、集光レンズ１０７によってコリメートされ、反射ミラー１０８、１０９によって反射され、さらに、ダイクロイックミラー１１０によって反射されて、出力光として射出される。

このようにして、基材１００から見て励起光源１０３と同一側の空間に蛍光を取り出す構成とすることにより、蛍光の取り出し効率を高くすることができる。一方、この光源装置は、画像表示装置に適用することを目的としているため、赤色、緑色、青色の３色の色域の光を出射するように、励起光も取り出して青色光として利用するように構成されている。すなわち、波長変換されずに未変換のまま基材１００を透過する一部の励起光が、集光レンズ１０７、反射ミラー１０８、１０９、及びダイクロイックミラー１１０からなる光学系により、出力光として射出される。このように、青色光を伝播させるための専用の光学系を必要としており、煩雑な装置構成となっている。

本発明は、上述の実情に鑑みてなされたものであって、励起光の照射により蛍光体層から発光される蛍光を、小型で簡素な光学系により、高い効率で取り出して伝播させることができる光源装置を提供することを目的とする。

また、本発明は、そのような光源装置を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。

本発明の光源装置は、基材の表面上に蛍光体を配置して構成された蛍光体層と、前記蛍光体を励起する励起光源とを備え、前記蛍光体層と前記励起光源との間に、前記励起光源からの励起光の伝播方向に対して傾けてダイクロイックミラーが配置され、前記蛍光体層の配置されている面に対して、前記励起光源から射出された励起光の入射領域と、前記蛍光体から発光される蛍光の射出領域が同一側の空間に属するように構成され、前記ダイクロイックミラーは、前記励起光の主波長においては、Ｐ偏光成分の光の５０％以上を透過し、Ｓ偏光成分の光の５０％以上を反射する分光特性を有することを特徴とする。

ここで、蛍光体層の配置されている面に対して、励起光源から射出された励起光の入射領域と、蛍光体から発光される蛍光の射出領域が同一側の空間に属するとは、以下のように定義される。

ｘｙｚ直交座標系において、ｚ＝０の面上のｘ＝ｙ＝０の原点を含む領域に蛍光体層が配置され、ｚ＞０の領域に励起光源が配置され、ｘ＝ｙ＝ｚ＝０の点に向かって励起光が照射されるものとする。このとき、励起光源から射出される励起光がｚ＞０の領域から蛍光体層に入射すること、そして、蛍光体から発光される蛍光がｚ＞０の領域に取り出されて射出されることが、上記記載の定義である。励起光源のｘｙ座標については特に制限されない。

ｚ＝０の平面上に蛍光体層を配置し、ｘ＝ｙ＝０の点にｚ＞０の方向から励起光が照射された場合、蛍光体から発される蛍光の強度は、＋ｚ軸方向と−ｚ軸方向にピークを有するランバーシアンに近い配光分布となるが、ｚ＞０の領域に放出される割合の方が多い。従って、本発明のように、励起光の入射領域と、蛍光体から発光される蛍光の射出領域が、蛍光体層の面に対して、同一側の空間に属するように構成することにより、蛍光を高い効率で取り出して伝播させることができる。

この場合、蛍光体に入射する励起光と、蛍光体から発される蛍光は、同一空間で進行方向が逆向きとなって伝播するため、蛍光を取り出して光源装置からの出力光とするためにダイクロイックミラーを用いる。ダイクロイックミラーを傾けた構成とすることにより、蛍光体に入射する励起光と、蛍光体から発される蛍光とを、空間的に分離することが可能である。

ダイクロイックミラーに対する入射光束の角度は特に限定されないが、簡便な装置構成にするための好適な角度として略４５度を挙げることができる。

また、励起光におけるＰ偏光成分あるいはＳ偏光成分の割合は、一意的にその割合の数値を決めることはできないが、例えば５０％以上、望ましくは８０％以上である。

ダイクロイックミラーは、励起光の主波長において、Ｐ偏光成分を透過し、Ｓ偏光成分を反射するような特性が選択される。ダイクロイックミラーの分光スペクトル特性をこのように構成することにより、光源装置からの出力光として、蛍光と同じ方向に簡便に励起光成分も取り出すことが可能となる。

すなわち、蛍光体層が配置された基板に、Ｐ偏光あるいはＳ偏光に偏った励起光を入射させた場合に、基板で反射された励起光成分の偏光方向が変換されることにより、ダイクロイックミラーによって、蛍光と同じ方向に取り出すことが出来るためである。

この発明によれば、励起光の入射領域と、蛍光体から発光される蛍光の射出領域が、蛍光体層の配置されている面に対して同一側の空間に属するように構成することにより、より多く放出される側の蛍光を有効に利用することが可能となり、小型で明るく効率のよい光源装置を実現できる。

実施の形態１における光源装置の構成図 蛍光強度の角度依存性を説明するための系を示す図 蛍光強度の角度依存性を示す図 実施の形態１の光源装置で使用されるダイクロイックミラーの４５度入射における分光スペクトルを示すグラフ 実施の形態２における光源装置の構成図 実施の形態２の光源装置で使用されるダイクロイックミラーの４５度入射における分光スペクトルを示すグラフ 実施の形態３における光源装置の蛍光体層が設けられた基材およびその周辺部の構成を示す側面図 同基材の正面図 実施の形態４における光源装置の構成図 実施の形態５における画像表示装置の構成図 実施の形態６における画像表示装置の構成図 先行例による光源装置の一部を表わす構成図

本発明の光源装置は、上記構成を基本として、以下のような態様をとることができる。

すなわち、本発明にかかる光源装置は、前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける透過方向に前記蛍光体層が配置され、前記ダイクロイックミラーの分光特性は、前記蛍光体から発光される蛍光の主たる波長域において高い反射率を有する構成とすることができる。ここで、高い反射率とは、５０％以上、望ましくは８０％以上をいう。

励起光をＰ偏光に揃えてダイクロイックミラーに入射させることにより、励起光はダイクロイックミラーを通過する。ダイクロイックミラーを通過した励起光は蛍光体層に照射される。蛍光体層で波長変換されて発生した蛍光は、ダイクロイックミラーで反射されて、光源装置から出力光として取り出される。

蛍光体における波長変換では、励起光の一部が波長変換されずに未変換のまま散乱される場合がある。そのような蛍光体における散乱過程では、励起光の偏光方向が乱される。未変換のまま後方散乱光として蛍光体で反射された励起光は、再びダイクロイックミラーに入射するが、Ｓ偏光成分が含まれるため、一部の光はダイクロイックミラーで反射されて、蛍光と同じ光路で光源装置からの出力光となる。

すなわち、この構成によれば、光源装置からの出力光として、簡便な構成で励起光成分と蛍光成分を同時に含む光を得ることが出来る。

また、この構成において、前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける反射方向に、前記ダイクロイックミラーによって反射された前記励起光に対する偏光変換素子と、前記偏光変換素子を通過した前記励起光を反射する鏡面とを備えることが好ましい。この場合、前記偏光変換素子は、前記励起光に対する４分の１波長板とすることができる。

この構成によれば、ダイクロイックミラーに入射する励起光に一部Ｓ偏光成分が含まれていた場合、ダイクロイックミラーで励起光のＳ偏光成分は反射されるが、４分の１波長板によって構成される偏光変換素子を通過してＳ偏光成分は円偏光となり、鏡面によって反射されて、再び偏光変換素子を通過して今度はＰ偏光となる。そして、ダイクロイックミラーに再入射するが、今度はダイクロイックミラーを通過するため、光源装置からの出力光として取り出すことができる。

また、本発明にかかる光源装置は、前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける反射方向に前記蛍光体層が配置され、前記ダイクロイックミラーの透過スペクトル特性は、前記蛍光体から発光される蛍光の主たる波長域において高い透過率を有する構成とすることができる。ここで、高い透過率とは、５０％以上、望ましくは８０％以上をいう。

励起光をＳ偏光に揃えてダイクロイックミラーに入射することにより、励起光はダイクロイックミラーで反射される。ダイクロイックミラーで反射された励起光は、蛍光体に照射される。蛍光体で波長変換されて発生した蛍光は、ダイクロイックミラーを透過し、光源装置から出力光として取り出される。

一方、未変換のまま後方散乱光として蛍光体で反射された励起光は、再びダイクロイックミラーに入射するが、Ｐ偏光成分が含まれるため、一部の光はダイクロイックミラーを透過して、蛍光と同じ光路で光源装置からの出力光となる。

すなわち、この構成によれば、光源装置からの出力光として、簡便な構成で励起光成分と蛍光成分を同時に含む光を得ることが出来る。

また、この構成において、前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける透過方向に、前記ダイクロイックミラーを透過した前記励起光に対する偏光変換素子と、前記偏光変換素子を通過した前記励起光を反射する鏡面とを備えることが好ましい。この場合、前記偏光変換素子は、前記励起光に対する４分の１波長板とすることができる。

この構成によれば、ダイクロイックミラーに入射する励起光に一部Ｐ偏光成分が含まれていた場合、ダイクロイックミラーを励起光のＰ偏光成分は透過するが、４分の１波長板によって構成される偏光変換素子を通過してＰ偏光成分は円偏光となり、鏡面によって反射されて、再び偏光変換素子を通過して今度はＳ偏光となる。そして、ダイクロイックミラーに再入射するが、今度はダイクロイックミラーで反射されるため、光源装置からの出力光として取り出すことができる。

また、前記蛍光体層と前記ダイクロイックミラーとの間に、前記励起光に対する偏光変換素子が配置されていることが好ましい。前記偏光変換素子は、前記励起光に対する４分の１波長板とすることができる。

この構成によれば、未変換のまま後方散乱光として蛍光体で反射された励起光が、光源装置から出力光として取り出される効率を向上させることができる。

また、前記蛍光体層と前記ダイクロイックミラーの間に、集光光学系が配置されていることが好ましい。ダイクロイックミラーの分光スペクトル特性は角度依存性を有するため、ダイクロイックミラーに入射する励起光は平行な光束であることが望ましいからである。一方、薄膜上の蛍光体層から発光される蛍光は、ランバーシアンに近い広範囲の配光分布である。そのため、蛍光の取り出し効率を上げるためには、蛍光体上に照射される励起光のスポットは小さい方が望ましい。そこで、ダイクロイックミラーと蛍光体の間に、集光光学系が配置されていることが好適である。

また、前記励起光源は、青色の波長域で発振するレーザー光源とすることができる。この場合、前記蛍光体は、前記励起光源で励起されたときに、赤色、黄色、あるいは緑色の波長域の光を主たる成分として蛍光を発光する構成とすることができる。

この構成によれば、光源装置からの出力光として、青色光、緑色光、黄色光、赤色光などの可視光を得ることができ、画像表示装置などの照明光として好適である。

また、前記基材における前記蛍光体層が配置されている面は、蛍光を反射する鏡面とすることが好ましい。このような構成にすることによって、蛍光の取り出し効率を向上させることができるため、高輝度で高効率の光源装置を得ることができる。

また、前記基材を回転制御可能とすることが好ましい。蛍光体による波長変換では、励起光波長と蛍光波長の差に相当する熱エネルギーが発生するため、励起光が照射される蛍光体層の表面は温度が上昇する。一方、蛍光体温度が高くなるほど、蛍光体による波長変換効率が低下することが一般的に知られている。そこで、蛍光体層が設けられた基材を回転制御することによって、基材中の励起光が照射される位置が時間的に変化するため、蛍光体の温度上昇を抑制することができ、高効率の光源装置を得ることが可能となる。

また、前記基材における前記蛍光体層が配置されている面を、空間的に２つ以上のセグメントに分割されている構成とすることができる。この場合、前記セグメントのうち、少なくとも１つのセグメントは、前記基材表面に前記蛍光体層が配置されず、励起光を反射する鏡面である構成とすることができる。

ここで言う２つ以上のセグメントに分割とは、回転制御される基材における蛍光体層が配置されている面が、空間的に２つ以上の特性の異なるセグメントに分割されており、回転制御に応じて、励起光のスポットが照射される箇所の状態が、分割されたセグメント数の分だけ周期的に切り替わることを意味する。

この構成によれば、スペクトル特性の異なる複数の光を時間的に切り替えて光源装置から出力することが可能となる。特に、１つのセグメントについては基材表面が励起光を反射する鏡面とすることにより、励起光そのものを光源装置からの出力光として高効率で取り出すことが可能になる。

また、光源装置と、空間光変調素子と、前記光源装置からの光を前記空間光変調素子へ導光する照明光学系と、前記空間光変調素子から射出された画像をスクリーンに投射する投射光学系とを備え、前記光源装置が、上記いずれか構成の光源装置である画像表示装置を構成することができる。

以下、本発明の各実施の形態における光源装置、及びそれを用いた画像表示装置について、図面を参照して説明する。

（実施の形態１）
実施の形態１における光源装置１の構成を図１に示す。光源装置１の出力光は、緑色〜黄色の光を主成分として青色光成分も含み、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。

基材２は平行平板ガラスであり、その片側の表面に可視光を高効率で反射するダイクロイックコート２ａが施されており、さらにその上に、主として緑色の蛍光を発する蛍光体が薄膜状に塗布されて蛍光体層３を形成している。図１中に示したようにｘｙｚ座標軸をとると、蛍光体層３が形成されている基材２はｘｙ面において円形状となっており、基材２は回転装置４によってｚ軸を中心として回転可能となっている。

励起光源５は、高輝度の光源装置を実現するために、複数個のレーザーダイオード５ａにより構成されている。レーザーダイオード５ａは、波長約４４５ｎｍ付近で発振する青色レーザーダイオードである。レーザーの駆動方式としては、一定電流値で駆動する連続発振を使用することができる。本実施の形態では、５×５のマトリクス状に合計２５個のレーザーダイオード５ａが配置されているが、その数は特に限定されるものではなく、取り出したい蛍光の強度に応じて適宜設定される。また、青色のレーザー光源としては、当該波長域で直接発振するレーザーダイオード、あるいは、赤外レーザー光の第２高調波発生による青色レーザー光源などを使用することが可能である。

励起光源５から発せられた励起光は、コリメートレンズアレイ６によってコリメートされる。コリメートレンズアレイ６の各レンズセルに対して、１つのレーザーダイオード５ａが配置されている。すなわち、コリメートレンズアレイ６は２５個のレンズセルにより構成されている。コリメートレンズとしては、レンズアレイに限られず、それぞれのレーザーダイオード５ａに対して独立したコリメートレンズを使用してもよい。コリメートレンズアレイ６を通過した励起光は、ダイクロイックミラー７に入射する。

レーザーダイオード５ａは全て、その出射光の偏光方向が、図１に示すＰ偏光の直線偏光状態となるように調整されている。ダイクロイックミラー７は、励起光源５からの励起光束の光軸に対して、略４５度傾けて配置されており、Ｐ偏光に調整されている励起光源５からの青色レーザー光は、ダイクロイックミラー７を通過する。ダイクロイックミラー７の作用の詳細については、後述する。ダイクロイックミラー７を通過した励起光は、４分の１波長板８によって円偏光へと変換され、集光レンズ９によって蛍光体層３上に集光される。

蛍光体層３に照射される励起光は、その一部が緑色の蛍光へと波長変換される。蛍光による発光では、本質的には全方向に均一に光が放出される。但し、蛍光体の粉末が基板２上に薄膜状に配置されているため、散乱による影響を受けて、ランバーシアンに近い配光分布が形成される。

図２Ａ、図２Ｂを参照して、レーザー光で励起したときに放出される蛍光の配光分布の一例について説明する。図２Ａに示すように、無コートの透明ガラス基板１０上に粉末状の緑色蛍光体１１を塗布し、レーザー光１２で励起したときに放出される蛍光１３は、図２Ｂに示すような配光分布を持つ。図２Ｂは、蛍光強度と散乱角の関係（蛍光強度の角度依存性）を示す。励起光であるレーザー光１２がガラス基板１０に垂直な方向から入射する場合、レーザー光１２と蛍光１３のなす角度をθとすると、０度≦θ≦９０度の蛍光が後方成分であり、９０度≦θ≦１８０度の蛍光が前方成分である。

図２Ｂより、蛍光１３には前方と後方の両成分が含まれることが分かるが、後方成分の強度の方が相対的に大きい。従って、効率的に蛍光１３を取り出すためには、蛍光成分を後方側のみに集めることが望ましい。そこで、本実施の形態では、後方側のみに蛍光１３を集めるために、図１に示したように、蛍光体層３から見て励起光源５の反対側となるように、蛍光を反射するダイクロイックコート２ａを基材２上に配置する。

蛍光体層３からｚ≦０の空間に発される光はダイクロイックコート２ａ面で反射される。結果的に緑色の蛍光は、ｚ≧０の領域の空間のみに存在し、＋ｚ軸方向で最も強度が大きくなるようなランバーシアンに近い配光分布を持つ。

励起光に対する集光レンズ９は、蛍光体層３から放出される緑色蛍光に対しては、コリメートレンズとして作用する。集光レンズ９によるコリメート光学系は、図２中の散乱角度θを用いれば、少なくとも０度≦θ≦６０度の角度に放出される蛍光を効率的に取り込むことができる光学系であることが好ましい。さらに好ましくは、より高効率の光源装置とするために、０度≦θ≦８０度程度の蛍光までを取り込める光学系とする。

集光レンズ９によって有効に取り出され、コリメートされた緑色蛍光は、４分の１波長板８を通過した後、ダイクロイックミラー７によって反射され、光源装置１からの出力光として射出される。

上述したダイクロイックミラー７の作用は、以下のような特性に基づく。すなわち、ダイクロイックミラー７は、励起光源５からの励起光束の光軸に対して、略４５度傾けて配置されているので、励起光源５の波長帯においては、Ｐ偏光に対しては高透過、Ｓ偏光に対しては高反射となるような特性を有する。すなわち、ダイクロイックミラー７は、励起光の主波長においては、Ｐ偏光成分の光の５０％以上を透過し、Ｓ偏光成分の光の５０％以上を反射する分光特性を有する。一方、蛍光体層３からの蛍光の波長帯においては、ダイクロイックミラー７は、Ｐ偏光、Ｓ偏光にかかわらず高反射となるような特性を有する。

入射角度が４５度の場合のダイクロイックミラー７の分光スペクトルの例を図３に示す。２つのプロットはそれぞれ、実線がＳ偏光の透過率、破線がＰ偏光の透過率を示す。ダイクロイックミラー７は、紫色〜青色の波長帯域において透過率が９０％以上と高透過であり、青色〜赤色の波長帯域において反射率が９０％以上と高反射である。透過率が５０％になるカットオフ波長は、Ｓ偏光が４３４ｎｍ、Ｐ偏光が４５６ｎｍであり、Ｓ偏光に比べて、Ｐ偏光の方が約２２ｎｍ長い。これにより、上述のとおり、Ｐ偏光に調整されている励起光源５からの青色レーザー光は、ダイクロイックミラー７を通過する。これに対して、蛍光体層３から放出される緑色蛍光は、ダイクロイックミラー７により反射される。

蛍光体による波長変換では、全ての励起光が蛍光へと変換されるわけではなく、一部の励起光は未変換光として残留する。本実施の形態でｚ≧０の領域の空間からｚ＝０の面内にある蛍光体層３に励起光が入射した場合、未変換の励起光は蛍光体層３によって前方および後方に散乱される。ｚ≦０の空間に放出される前方散乱光は、ダイクロイックコート２ａ面で反射され、結果的にｚ≧０の後方散乱成分に集約され、集光レンズ９へと再入射する。

集光レンズ９によって有効に取り出され、コリメートされた未変換の励起光は、４分の１波長板８を通過した後でダイクロイックミラー７に入射する。

後方散乱光として取り出される未変換の励起光は、蛍光体層３で散乱されているために、蛍光体層３への入射光に対して偏光状態は乱されている。しかし、完全にランダム偏光になっているわけではなく、蛍光体層３への入射時の偏光がある程度保存されている。そのため、４分の１波長板８を往復で２回通過してダイクロイックミラー７へと再入射する残留励起光の偏光成分は、Ｐ偏光成分に比べて、Ｓ偏光成分の割合の方が多い。そこで、残留励起光のうち半分以上の光がダイクロイックミラー７にて反射され、光源装置１からの出力光として取り出すことが可能である。このように、４分の１波長板８を挿入することにより、簡便な方法で残留励起光の取り出し効率を向上させることが可能である。

上述の説明では、基材２の材料をガラスとしたが、蛍光体は温度が高くなると効率が低下する特性があるため、基材は熱伝導率が高い材料が好ましい。例えば、ガラスではなく、アルミニウム、銅、および、それらを主成分とした金属基材の表面を鏡面とし、その上に蛍光体を塗布してもよい。金属基材表面を高精度に切削研磨することにより、鏡面状態の表面仕上げを実現できるが、蒸着や鍍金などの方法によって金属基材表面上に金属の薄膜層を配置して、鏡面仕上げを実現してもよい。

基材２を回転させることによって、励起光が照射されるスポットを時間的に変化させることができるため、蛍光体の温度上昇を抑制することが可能である。その回転数は特に限定されるものではないが、例えば３０００ｒｐｍ以上２００００ｒｐｍ以下の回転数とすればよい。

蛍光体層が配置された円板状の基材２は回転制御されるが、蛍光体層３は基材２の円周全面に形成されており、ｚ軸に沿って基材２が回転しても、常に蛍光体層３上に励起光が照射されるようになっている。

複数のレーザーダイオード５ａから発せられる全てのビームが、蛍光体層３上で、一定の大きさ以下のスポット径の中に存在するように、コリメートレンズアレイ６と集光レンズ９のパワーが調整されている。例えば、蛍光体層３上での２５個の励起光のビームの集合体が、φ２ｍｍ程度のスポット径になるように調整する。図１では、集光レンズ９は１群２枚のレンズにより構成されているが、１枚のレンズによって構成されても、あるいは３枚以上のレンズによって構成されてもよい。

蛍光体層３の作成方法は特に限定されないが、沈降法や印刷法、モールド法などを用いることができる。蛍光体の種類は特に限定されるものではないが、青色の励起光を効率的に吸収して蛍光を効率的に発光するとともに、温度消光に対する耐性が高い蛍光体が望ましい。緑色蛍光体として、本実施の形態に基づく一実施例では、Ｙ₃Ａｌ₅Ｏ₁₂：Ｃｅ３＋を使用した。その他、波長４４５ｎｍの青色レーザーで励起して、緑色の蛍光を得ることができるその他の蛍光体としては、（Ｂａ，Ｓｒ）₂ＳｉＯ₄：Ｅｕ２＋、ＳｒＳｉ₂Ｏ₂Ｎ₂：Ｅｕ２＋、Ｂａ₃Ｓｉ₆Ｏ₁₂Ｎ₂：Ｅｕ２＋、Ｓｒ₂Ａｌ₃Ｓｉ₁₃Ｎ₂₃：Ｅｕ２＋、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ２＋などを用いることができる。

ただし、上記の蛍光体は上述の波長域の光を得るための蛍光体の一例であり、本発明に適用できる蛍光体がこれに限定されるものではない。

蛍光体層３の適切な厚さも、塗布される蛍光体の種類や塗布の方法によって変化するので特に限定されるものではない。但し、その平均厚さは、蛍光体粉末の平均粒径の１倍以上であることが好ましい。蛍光体層３の厚さが小さすぎると、波長変換に寄与する蛍光体の数が不足するため、高い波長変換効率を得ることが難しい。

また、励起光の波長について、４４５ｎｍ付近の青色レーザーに限定されるものではない。但し、励起光そのものを青色の照明光として使用する場合の演色性と、蛍光体の励起効率を考慮すると、励起光の波長は、４４０〜４７０ｎｍであることが好ましい。

本実施の形態では、励起光源として青色のレーザー光を使用し、緑色の蛍光を出力光として取り出す場合について説明したが、励起光と蛍光の波長帯は、特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選ぶことが可能である。

以上のように、本実施の形態によれば、簡素な構成により高効率で可視光を取り出すことが可能な小型の光源装置が得られる。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２における光源装置１４の構成を示す。光源装置１４の出力光は、緑色〜黄色の光を主成分として青色光成分も含み、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。光源装置１４の構成要素は、概ね実施の形態１のそれと類似しているが、ダイクロイックミラー１５の分光スペクトル特性が異なっている。それに応じて、素子の配置が異なっている。以下の説明では、実施の形態１の場合と同一の要素については同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを避ける。

本実施の形態で適用される励起光源１６および蛍光体層３は、実施の形態１のそれと同様である。ただし、励起光源１６からの出射光はＳ偏光となるように調整されている。ダイクロイックミラー１５は、励起光束の光軸に対して略４５度傾けて配置されている。ダイクロイックミラー１５に入射した励起光は、ダイクロイックミラー１５により反射されて蛍光体層３へと集光される。一方、蛍光体層３から放出される蛍光は、ダイクロイックミラー１５を透過して光源装置１４からの出力光となる。

本実施の形態で適用されるダイクロイックミラー１５の分光スペクトルを図５に示す。２つのプロットはそれぞれ、実線がＳ偏光の透過率、破線がＰ偏光の透過率を示す。励起光源１６の波長帯においては、Ｐ偏光では高透過、Ｓ偏光では高反射であり、蛍光体層３からの蛍光の波長帯においては、Ｐ偏光、Ｓ偏光にかかわらず高透過である。ダイクロイックミラー１５は、紫色〜青色の波長帯域において反射率が９０％以上と高反射であり、青色〜赤色の波長帯域において透過率が９０％以上と高透過である。透過率が５０％になるカットオフ波長は、Ｓ偏光が４５６ｎｍ、Ｐ偏光が４３４ｎｍであり、Ｓ偏光に比べて、Ｐ偏光の方が約２２ｎｍ短い。

このような構成を採用することにより、簡便な方法で高効率の可視光を取り出せる小型の光源装置を提供することが可能である。本実施の形態で得られる光源装置からの出力光は、実施の形態１による出力光と同等であり、素子の配置における制約などの観点から、より適切な形態を選ぶことができる。

（実施の形態３）
実施の形態３における光源装置について、図６Ａ、６Ｂを参照して説明する。本実施の形態は、基材上に形成された蛍光体層の部分以外は実施の形態１の構成と等価であるため、光源装置全体の構成については、図示を省略する。また、同一の要素についての説明を省略する。本実施の形態の光源装置からの出力光は、緑色〜黄色光と赤色光を主成分として青色光成分も含み、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。

図６Ａに示すように、基材２、ダイクロイックコート２ａ及び回転装置４からなる構成は実施の形態１と同様であるが、ダイクロイックコート２ａ上に形成された蛍光体層１７の構成が実施の形態１はと異なる。すなわち、本実施の形態では、図６Ｂに示すように、円板状の基材２上は円周上に３つのセグメント１７ａ、１７ｂ、１７ｃに分割されており、そのうち２つのセグメントに蛍光体層が形成されている。セグメント１７ａには赤色蛍光体が塗布されており、セグメント１７ｂには緑色蛍光体が塗布されている。セグメント１７ｃには蛍光体が塗布されておらず、励起光に対する反射コートが施された鏡面となっている。

このような構成とすることで、基材２をｚ軸に沿って回転させたときに、励起光が照射されるスポットの位置が、時間的に３つのセグメントに亘って変化する。励起光の集光スポットに対してセグメント１７ａが面するときは、青色励起光は赤色蛍光体によって赤色光へと変換される。同様に、励起光の集光スポットに対してセグメント１７ｂが面するときは、青色励起光は緑色蛍光体によって緑色光へと変換される。

一方、励起光の集光スポットに対してセグメント１７ｃが面するときは、青色励起光は波長変換されずにそのまま基材２表面で反射され、集光レンズ９（図１参照）を介した後、再び４分の１波長板８を通過して、Ｓ偏光の直線偏光へと変換される。さらに、ダイクロイックミラー７によって反射されて光源装置１から射出される。蛍光体が塗布された２つのセグメント１７ａ、１７ｂでは、波長変換された緑色および赤色の蛍光は、ダイクロイックミラー７によって同じく反射されて光源装置から射出される。そのため、時間平均では、赤色、緑色、青色を加法混色した出力光を光源装置から得ることが可能である。

波長４４５ｎｍの青色レーザーで励起して、赤色の蛍光を得ることができる蛍光体としては、ＣａＡｌＳｉＮ₃：Ｅｕ２＋、Ｓｒ₂Ｓｉ₅Ｎ₈：Ｅｕ２＋、ＳｒＡｌＳｉ₄Ｎ₇：Ｅｕ２＋などが挙げられる。但し、これらの蛍光体は上述の波長域の光を得るための蛍光体の一例であり、本発明に適用できる蛍光体がこれに限定されるものではない。

励起光から各蛍光への波長変換効率の値をもとに、３つのセグメント１７ａ、１７ｂ、１７ｃの適切な分割比（分割角度）を選ぶことで、赤色、緑色、青色の光の強度比が調整され、演色性に優れた白色光を得ることができる。これは、プロジェクターなどの画像表示装置用の光源として好適である。

さらに、本実施の形態に準じた構成により演色性に優れた出力光を得るために、基材２における励起光の照射面を４つ以上のセグメントに分割してもよい。例えば、４つのセグメントを、赤色蛍光体、緑色蛍光体、黄色蛍光体、蛍光体が塗布されていない面によって光源装置の基材を構成することができる。

（実施の形態４）
図７は、実施の形態４における光源装置１８の構成を示す。本実施の形態は、実施の形態１の構成に対して、４分の１波長板１９と反射ミラー２０が追加された構成となっている。実施の形態１と同一の要素については、同一の参照番号を付して説明の繰り返しを省略する。

本実施の形態では、励起光源２１から射出される波長４４５ｎｍのレーザーによる励起光は、主たる偏光成分がＰ偏光であるが、若干Ｓ偏光成分を含むように構成されている。そのため、ダイクロイックミラー７に入射された励起光は、大部分がダイクロイックミラー７を通過するが、Ｓ偏光成分である一部の励起光はダイクロイックミラー７で反射される。

ダイクロイックミラー７で反射された励起光は、４分の１波長板１９によって円偏光へと変換された後、入射角０度（垂直入射）となるように配置された反射ミラー２０で反射され、再び４分の１波長板１９を逆向きに通過してＰ偏光へと偏光変換され、ダイクロイックミラー７に再入射する。Ｐ偏光へと偏光変換されている励起光は、ダイクロイックミラー７を今度は通過するため、蛍光体層３から放出される蛍光と空間的に同一の光路となって、光源装置１８から出力される。

本実施の形態のような構成を採用することによって、励起光にＳ偏光成分が混じっていた場合にも、効率的に励起光を光源装置から取り出して出力光の一部とすることが可能となる。

同様に、実施の形態２に示した装置構成においても、励起光に対するダイクロイックミラー１５の透過方向に４分の１波長板と反射ミラーを追加することにより、本実施の形態で示した構成と本質的に等価な光源装置を提供することが可能である。

（実施の形態５）
図８は、実施の形態５における画像表示装置の構成を示す。この画像表示装置は、実施の形態３に示した構成を有する光源装置１ａを用いて構成されている。

光源装置１ａからの出力光は、集光レンズ２２によって集光され、ロッドインテグレータ２３に入射する。ロッドインテグレータ２３の側面にて光が全反射され、ロッドインテグレータからの出射光としては、照度が均一化された出力光を得ることができる。

ロッドインテグレータ２３からの射出された光は、リレーレンズ２４、フィールドレンズ２５、全反射プリズム２６を経て、画像表示素子であるＤＭＤ２７に入射する。ロッドインテグレータ２３の出射面形状がＤＭＤ２７上に転写され効率よく均一に集光できるように、リレー光学系が構成されている。

ＤＭＤ２７は微小ミラーを２次限的に配置して構成され、各ミラーは、赤、緑、青の映像入力信号に応じてその傾きを変化させることで、時間的に変調された信号光を形成する。ＤＭＤ２７の駆動は、光源装置１ａの基材２の回転による蛍光体層１７のセグメント１７ａ、１７ｂ、１７ｃ（図６Ｂ参照）の回動と同期するように制御される。

すなわち、例えばＤＭＤ２７が赤の映像信号によって駆動されているときには、光源装置１ａでは、セグメント１７ａに励起光が照射されて赤色蛍光体からの赤色光が出射されるように、回転装置４のタイミングが制御される。同様に、ＤＭＤ２７が緑の映像信号によって駆動されるときはセグメント１７ｂに、ＤＭＤ２７が青の映像信号によって駆動されるときはセグメント１７ｃに、それぞれ励起光が照射されるように、回転装置４のタイミングが制御される。ＤＭＤ２７によって変調された信号光は、投射レンズ２８によって図示されていないスクリーンへと投射される。

本実施の形態で示した画像表示装置を構成することにより、小型で効率のよい画像表示装置を提供することができる。

（実施の形態６）
図９は、実施の形態６における画像表示装置の構成を示す。この画像表示装置は、実施の形態１における光源装置１を用いて構成されている。

光源装置１からの出力光は、第１のインテグレータレンズアレイ２９、第２のインテグレータレンズアレイ３０、偏光変換素子３１、集光レンズ３２を通過した後、波長域毎に空間的に分離される。

すなわち、ダイクロイックミラー３３は、青色光を反射し、緑色〜赤色光を透過する特性を有する。ダイクロイックミラー３３で反射された青色光は、リレーレンズ３４、反射ミラー３５、フィールドレンズ４２、入射側偏光板４５を経て、青色用液晶表示素子４８に入射する。

ダイクロイックミラー３３、リレーレンズ３６を通過した光のうち、緑色蛍光は、ダイクロイックミラー３７によって反射され、フィールドレンズ４３と入射側偏光板４６を経て緑色用液晶表示素子４９に入射する。

一方、ダイクロイックミラー３７を透過した赤色光は、リレーレンズ３８、４０、および、反射ミラー３９、４１、フィールドレンズ４４、入射側偏光板４７を経て赤色用液晶表示素子５０に入射する。

これら液晶表示素子４８、４９、５０によって入力映像信号に応じて変調された信号光は、出射側偏光板５１、５２、５３を通過した後、クロスダイクロイックプリズム５４に入射する。クロスダイクロイックプリズム５４によって赤色、緑色、青色の３色の変調信号光は空間的に合波され、投射レンズ５５によって図示されていないスクリーンへと投射される。

本実施の形態で示した画像表示装置を構成することにより、小型で効率のよい画像表示装置を提供することができる。

本発明によれば、励起光を照射することにより蛍光体層から発光される蛍光を、小型で簡素な光学系により、高い効率で取り出して伝播させることができるので、画像表示装置などに用いる光源装置、及び、当該光源装置を用いた画像表示装置に有用である。

１、１ａ、１４、１８ 光源装置
２、１００ 基材
２ａ ダイクロイックコート
３、１１、１７、１０１ 蛍光体層
４、１０２ 回転装置
５、１６、２１、１０３ 励起光源
５ａ レーザーダイオード
６、１０４ コリメートレンズアレイ
７、１５、３３、３７、１０５、１１０ ダイクロイックミラー
８、１９ ４分の１波長板
９、２２、３２、１０６ 集光レンズ
１０ 透明ガラス基板
１２ レーザー光（励起光）
１３ 蛍光
１７ａ 赤色蛍光体のセグメント
１７ｂ 緑色蛍光体のセグメント
１７ｃ 鏡面のセグメント
２０、３５、３９、４１、１０８、１０９ 反射ミラー
２３ ロッドインテグレータ
２４、３４、３６、３８、４０ リレーレンズ
２５、４２、４３、４４ フィールドレンズ
２６ 全反射プリズム
２７ ＤＭＤ
２８、５５ 投射レンズ
２９ 第１のインテグレータレンズアレイ
３０ 第２のインテグレータレンズアレイ
３１ 偏光変換素子
４５、４６、４７ 入射側偏光板
４８ 青色用液晶表示素子
４９ 緑色用液晶表示素子
５０ 赤色用液晶表示素子
５１、５２、５３ 出射側偏光板
５４ クロスダイクロイックプリズム
１０７ コリメートレンズ

Claims (16)

1. 基材の表面上に蛍光体を配置して構成された蛍光体層と、前記蛍光体を励起する励起光源とを備えた光源装置であって、
   前記蛍光体層と前記励起光源との間に、前記励起光源からの励起光の伝播方向に対して傾けてダイクロイックミラーが配置され、
   前記蛍光体層の配置されている面に対して、前記励起光源から射出された励起光の入射領域と、前記蛍光体から発光される蛍光の射出領域が同一側の空間に属するように構成され、
   前記ダイクロイックミラーは、前記励起光の主波長においては、Ｐ偏光成分の光の５０％以上を透過し、Ｓ偏光成分の光の５０％以上を反射する分光特性を有することを特徴とする光源装置。
2. 前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける透過方向に前記蛍光体層が配置され、
   前記ダイクロイックミラーの分光特性は、前記蛍光体から発光される蛍光の主たる波長域において高い反射率を有する請求項１記載の光源装置。
3. 前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける反射方向に、前記ダイクロイックミラーによって反射された前記励起光に対する偏光変換素子と、前記偏光変換素子を通過した前記励起光を反射する鏡面とを備えた請求項２に記載の光源装置。
4. 前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける反射方向に前記蛍光体層が配置され、
   前記ダイクロイックミラーの透過スペクトル特性は、前記蛍光体から発光される蛍光の主たる波長域において高い透過率を有する請求項１記載の光源装置。
5. 前記励起光源から前記ダイクロイックミラーに入射する前記励起光の前記ダイクロイックミラーにおける透過方向に、前記ダイクロイックミラーを透過した前記励起光に対する偏光変換素子と、前記偏光変換素子を通過した前記励起光を反射する鏡面とを備えた請求項４に記載の光源装置。
6. 前記偏光変換素子は、前記励起光に対する４分の１波長板である請求項３または５記載の光源装置。
7. 前記蛍光体層と前記ダイクロイックミラーとの間に、前記励起光に対する偏光変換素子が配置されている請求項１から６のいずれか１項に記載の光源装置。
8. 前記偏光変換素子は前記励起光に対する４分の１波長板である請求項７記載の光源装置。
9. 前記蛍光体層と前記ダイクロイックミラーの間に、集光光学系が配置されている請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置。
10. 前記励起光源は、青色の波長域で発振するレーザー光源である請求項１から９のいずれか１項に記載の光源装置。
11. 前記蛍光体は、前記励起光源で励起されたときに、赤色、黄色、あるいは緑色の波長域の光を主たる成分として蛍光を発光する請求項１から１０のいずれか１項に記載の光源装置。
12. 前記基材における前記蛍光体層が配置されている面は、蛍光を反射する鏡面である請求項１から１１のいずれか１項に記載の光源装置。
13. 前記基材は回転制御可能である請求項１から１２のいずれか１項に記載の光源装置。
14. 前記基材における前記蛍光体層が配置されている面は、空間的に２つ以上のセグメントに分割されている請求項１３記載の光源装置。
15. 前記セグメントのうち、少なくとも１つのセグメントは、前記基材表面に前記蛍光体層が配置されず、励起光を反射する鏡面である請求項１４記載の光源装置。
16. 光源装置と、空間光変調素子と、前記光源装置からの光を前記空間光変調素子へ導光する照明光学系と、前記空間光変調素子から射出された画像をスクリーンに投射する投射光学系とを備え、
    前記光源装置が、請求項１から１５のいずれか１項に記載の光源装置であることを特徴とする画像表示装置。

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