JP5510828B2 - 光源装置、並びに、その光源装置を備えた照明装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源からの光を波長変換材に照射して波長変換した光を出射可能な光源装置、並びに、その光源装置を備えた照明装置及び投射型表示装置に関するものである。

近年、大画面のディスプレイ装置が急速に普及してきており、それらを用いた会議やプレゼンテーション、研修などが一般的になってきている。このような大画面のディスプレイ装置としては液晶ディスプレイやプラズマディスプレイなど様々なものがあり、場所の広さや参加人数などによって適当なものが選択されているが、なかでもプロジェクタは比較的安価であり小型軽量で可搬性（持ち運びやすさ）にも優れているため、最も広く普及している大画面ディスプレイ装置と言える。

そのような背景の中で、最近ではコミュニケーションの必要な場面や状況が益々増えてきており、例えばオフィスにおいても小さな会議室や、パーテイション等で仕切られた打合せスペースが数多く設けられ、プロジェクタを使った会議や打合せなどが頻繁に行われるようになった。
更には、会議室等が空いていなくても、例えば通路などの空きスペースを利用してそこの壁などにプロジェクタで情報を投射表示しながら打合せをしたい、などといった急な要求シーンも頻繁に見られるようになった。

このようなプロジェクタとしては、従来は例えば超高圧水銀ランプなど高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であったが、近年、光源として赤、緑、青の発光ダイオード、半導体レーザ、有機ＥＬ等の固体発光素子を用いるための開発がなされており、固体発光素子を用いたプロジェクタについて多くの提案がなされている。
例えば、特許文献１には、光源と、カラーホイールと、空間光変調器と、投写レンズとを少なくとも備え、前記光源は紫外光を発光する固体光源からなり、前記カラーホイールは前記紫外光を可視光に変換する波長変換層を少なくとも有する光源装置、及びそれを用いた投写型表示装置が開示されている。
また、特許文献２には、回転制御可能な円形状の透明基材に複数のセグメント領域を有し、その透明基材のセグメント領域の少なくとも二つには、励起光を受けて所定の波長帯域光を発光する異なる蛍光体の層が配置され、可視光領域の励起光を前記蛍光体に照射する固体発光素子からなる励起光源を備えた光源装置、及びそれを用いたプロジェクタが開示されている。

図１１は、上記特許文献２で提案されたプロジェクタの構成例を示したものであり、（ａ）は光源装置から出射された光が表示素子を介して投射レンズ群に至る光路を含む平面（以下、光路面という）に対して垂直な方向から見た概略構成図、（ｂ）は光路面に水平な方向から見た概略構成図である。図１１において、光源１１は、後述する蛍光ホイール１３に形成されている蛍光体層１４に照射して所定の色の光を出射させるための励起光を出力する。励起光としては、例えば波長４５０ｎｍあるいはその周辺の青色光が用いられる。蛍光ホイール１３は、蛍光体層１４を備える円形状（円盤状等）の透明基材１５とモータ１６により構成され、回転可能になっている。透明基材１５は、複数の扇形形状のセグメント領域を有し、そのうちの少なくとも二つに蛍光体層１４が形成されている。そして、各蛍光体層１４は前記励起光を受けて互いに異なる所定の波長帯域光（例えば赤及び緑光）を発する。また、他の少なくとも一つには蛍光体層が形成されておらず、励起光をそのまま透過させるセグメント領域を有する。このセグメント領域には拡散層１７が形成されており、蛍光ホイール１３から出射される青色光の状態を他の光と均一になるようにしている。これにより、蛍光ホイール１３を回転させるとともに光源１１からの励起光をセグメント領域の境界に同期して点滅させることで、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）及び青（Ｂ）の色光が蛍光ホイール１３から順次出射される。
なお、一つの蛍光体層１４から出射される単色光の光量を増やし、有効光の利用効率を向上させるために、導光装置１８の形状に対応して形成される開口を有する入射マスク１２が、光源１１と蛍光ホイール１３との間に配置されている。蛍光ホイール１３から出射された光は、導光装置１８に入射されて均一な強度分布の光束にされた後、集光レンズ群１９によって集光され、反射ミラー２０によって所定の角度で表示素子２１に照射される。制御装置２２は、表示素子２１に照射される色に対応した画像を表示素子２１上に形成し、照射光を変調する。そして変調された光は投射レンズ群２３に入射され、図示しないスクリーンなどに拡大投射され、所望の画像が表示される。

しかしながら、上記特許文献１で提案された投写型表示装置や特許文献２で提案されたプロジェクタでは、紫外光や可視光の波長領域の励起光をカラーホイールもしくは蛍光ホイールの蛍光体に対して略垂直に照射させて別の波長に変換するため、光の後方散乱が存在する。

例えば、上記特許文献２で提案されたプロジェクタでは、図１１（ａ）に示すように、光源１１を、円形の蛍光ホイール１３の厚さ方向における一方の側面側に対向するように配置し、光源１１から照射された励起光が、蛍光ホイール１３を通り抜けた他方の側面側へと通り抜けて導光装置１８へと向かう。この励起光の照射によって蛍光体層１４で発光した光が後方に散乱する後方散乱光２００が少なからず発生したり、拡散層１７で励起光自身が後方に散乱する光も存在したりする。蛍光体層１４で後方に散乱する散乱光２００や拡散層１７で後方に散乱する後方散乱光は、光源１１側へと向かうため、光利用効率の低下が生じるという問題がある。

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、後方散乱光の発生を抑制して光利用効率を高めることができる光源装置、並びにその光源装置を備えた照明装置及び投射型表示装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、光源からの光を波長変換材に照射して波長変換した光を出射可能な光源装置であって、光入射開口部から光出射開口部まで延在する光ガイド経路を側方から囲むように内側面を有し、該光入射開口部から入射された光を該光ガイド経路の内側面で反射させながら該光出射開口部に向けてガイドする光ガイド部材と、上記光源の光を、上記光ガイド部材の光入射開口部から光ガイド経路内に入射させる光入射手段と、を備え、上記光ガイド部材の内側面のうち上記光入射開口部から入射光が到達可能な領域の一部に、少なくとも１種類の波長変換材が設けられ、上記光入射手段は、上記光入射開口部から上記光ガイド経路内に入射させる光の入射方向を、上記波長変換材が設けられている領域に向かう方向と、上記波長変換材が設けられていない領域に向かう方向とに切り換え可能に構成されていることを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１の光源装置において、上記光入射手段は、上記光源から発せられる光の向きを変える偏向素子と、該光源からの光の向きを、所定のタイミングで、上記波長変換材が設けられている領域に向かう方向と上記波長変換材が設けられていない領域に向かう方向とに変えるように、該偏向素子を駆動する駆動手段と、を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１又は２の光源装置において、上記波長変換材として、上記光源からの光の波長を互いに異なる複数の波長にそれぞれ変換する複数種類の波長変換材を用い、上記光ガイド部材の内側面の上記波長変換材が設けられている領域は、上記複数種類の波長変換材がそれぞれ設けられている複数の領域であることを特徴とするものである。
また、請求項４の発明は、請求項３の光源装置において、上記光ガイド部材は、上記光入射開口部から上記光出射開口部に向かう方向と直交する断面形状が多角形である中空の角筒形状を有する部材であり、上記光ガイド部材の光ガイド経路に臨むように位置する複数の平面状の内側面のいずれか一つに、上記複数種類の波長変換材を設けたことを特徴とするものである。
また、請求項５の発明は、請求項３の光源装置において、上記光ガイド部材は、上記光入射開口部から上記光出射開口部に向かう方向と直交する断面形状が四角形である中空の角筒形状を有する部材であり、上記光ガイド部材の光ガイド経路に臨むように位置する４つの平面状の内側面のうち３つの内側面にそれぞれ、３種類の波長変換材を振り分けて設けたことを特徴とするものである。
また、請求項６の発明は、請求項１乃至５のいずれかの光源装置において、上記光ガイド部材の光出射開口部から出射する互いに異なる複数の波長の光をそれぞれ選択的に通過させる色選択フィルターを周方向の異なる位置に配置した回転部材と、上記回転部材を回転駆動する回転駆動手段と、上記光ガイド部材の光出射開口部から順次波長が切り替えられて出射される光が、その光を選択的に通過させる色選択フィルターを透過するように、上記光入射手段と上記回転駆動手段とを同期させて制御する同期駆動制御手段とを、備えたことを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項１乃至６の光源装置において、上記光ガイド部材の内側面のうち上記光入射開口部から入射した光が最初に到達する領域は、拡散反射面であることを特徴とするものである。
また、請求項８の発明は、請求項１乃至７の光源装置において、上記光入射手段は、上記内側面の上記波長変換材が設けられている領域に向けて上記光を入射させるときに、その領域内で該光が当たる位置を局所的に移動させるように入射させることを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、照明装置であって、請求項１乃至８のいずれかの光源装置と、その光源装置から出射する光を照明対象に向けて導く照明光学系と、を備えたことを特徴とするものである。
また、請求項１０の発明は、投射型表示装置であって、請求項１乃至８のいずれかの光源装置と、上記光源装置の光出射側に設けられた照明光学系と、上記光源装置から出射し上記照明光学系で導かれた光を受けて投影対象の光像を形成する光像形成部と、上記光像形成部で形成された光像を拡大投射する拡大投射光学系と、を備え、上記光源装置からの光の色が切り替わるタイミングに合わせて、その光の色に対応した光像を順次切り替えて形成することにより、カラー画像の光像を形成し、上記拡大投射光学系で該カラー画像の光像を拡大投射することを特徴とするものである。

本発明によれば、光ガイド部材の光入射開口部から入射した光は、光ガイド部材の内側面に対して入射角が９０[度]よりも小さい角度で入射される。このため、光ガイド部材の内側面の波長変換材が設けられていない領域で反射した光や、光ガイド部材の内側面の一部に設けられている波長変換材で波長変換して発光した光は、光入射開口部側に後方散乱しにくく、光入射開口部からほとんど漏れることがない。このように後方散乱光の発生を抑制することにより、光ガイド部材の光入射開口部から入射した光は、その光ガイド部材内に閉じ込められた状態で光ガイド経路内を光出射開口部に向かって進む。よって、光源と同じ波長の光及び波長変換材で波長変換した光それぞれの光利用効率を高めることができるという優れた効果がある。

本実施形態に係る投射型表示装置の全体構成を示す概略構成図。 ライトトンネル部材の構成及び作動原理を説明するための光源装置の概略構成図。 光偏向素子の時間と振れ角との関係を示すグラフ。 他の実施形態に係る光源装置の概略構成図。 更に他の実施形態に係る光源装置の概略構成図。 更に他の実施形態に係る光源装置の概略構成図。 他の実施形態に係る光偏向素子の走査の説明図。 図７で説明した光偏向素子の走査について時間と振れ角との関係を示すグラフ。 他の実施形態に係る光源装置のライトトンネル部材の概略構成図。 （ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、図９で示したライトトンネル部材を用いた光源装置の概略構成を示す上面図及び側面図。 従来のプロジェクタの構成例を示したものであり、（ａ）は光路面に対して垂直な方向から見た概略構成図、（ｂ）は光路面に水平な方向から見た概略構成図。

[実施形態１]
図１は、本発明の一実施形態に係る光源装置を搭載した投射型表示装置の構成例を示す概略構成図である。図１に示す投射型表示装置Ａは、光源装置と、照明光学系としてのリレーレンズ５及びミラー６と、光像形成部としての光像形成素子７と、投射光学系８と、制御部９とを備えている。光像形成素子７等を照明する照明装置は、上記光源装置と、その光源装置から出射する光を照明対象に向けて導く照明光学系としてのリレーレンズ５及びミラー６とを用いて構成することができる。

光源装置は、単一波長を発する光源１と、光ガイド部材４と、光源１の光を光ガイド部材４に入射させる光入射手段とを備える。光ガイド部材４は、光入射開口部から光出射開口部まで延在する内部の光ガイド経路を側方から囲むように内側面を有し、光入射開口部から入射された光を光ガイド経路の内側面で反射させながら光出射開口部に向けてガイドする。本実施形態の光ガイド部材４は、光入射開口部から光出射開口部に向かう方向と直交する断面形状が四角形である中空の角筒形状を有する部材であり、内側面に反射しながら中空の光ガイド経路を光が通るトンネルのような形状をしているため、以下、「ライトトンネル部材」という。ライトトンネル部材４の内側面のうち光入射開口部から入射光が到達可能な領域の一部には、少なくとも１種類の波長変換材が設けられている。また、上記光入射手段は、光源１の光を、ライトトンネル部材４の光入射開口部から内部の光ガイド経路内に入射させるものであり、光源１から発せられる光束を集光し平行光とする入射光学系２と、時間に応じて所定のタイミングで光の向きを変える光偏向素子３とを用いて構成されている。

上記光源１から発せられた光は、入射光学系２で平行光となって光偏向素子３に入射し、光偏向素子３でライトトンネル部材４内の波長変換材が施されている領域と施されていない領域とに選択的に照射されるように偏向される。そして、ライトトンネル部材４から出射した照明光はリレーレンズ５により、ミラー６を介して、光像形成素子７を照明する。光像形成素子７は、２次元平面上に形成された複数の画素で構成されており、画素単位で光を変調する。投射光学系８は、光像形成素子７で形成される光像を拡大投射し、図示しないが投射位置に拡大表示される。制御部９は、光源１の駆動制御、光偏向素子３の駆動制御、光像形成素子７の駆動制御を行っている。波長λ１の光源の光（以下、光源の光の波長を「光源波長λ１」という。）に対応する画像（第一のフレーム）を表示するときには、光源波長光λ１を発生するように光偏向素子３を駆動し、光源の波長λ１とは異なる波長λ２（以下、「変換波長λ２」という。）に変換された光に対応する画像（第二のフレーム）を表示するときには、ライトトンネル部材４内に形成されている波長変換材に照射して変換波長λ２の光を発生する駆動が行われる。

図２は、ライトトンネル部材４の構成及び作動原理を説明するための光源装置の概略構成図である。ライトトンネル部材４は、内壁に４つの内側面としての反射面１０１，１０２，１０３，１０４を備えた、内部が空洞の角筒形状をしたデバイスである。ライトトンネル部材４の長手方向の両端部は、光入射開口部４０１及び光出射開口部４０２として開放されている。また、内壁の４つの反射面のうち、２つの反射面１０１，１０２（図２中の互いに対向する上下の２面）の光入射開口部４０１側の領域に、波長変換材として、第１蛍光体層４０３、第２蛍光体層４０４が形成されている。これら第１，第２蛍光体層４０３，４０４は、光源波長λ１の励起光を、それぞれ別の波長λ２，λ３それぞれの変換された光（以下、波長λ３を「変換波長λ３」という。）を生成する。

上記光偏向素子３は、光源１から発せられる光源波長λ１の光を反射させてライトトンネル部材４の光入射開口部４０１に向けさせる。この光偏向素子３により、光源１からの光源波長λ１の励起光が第１蛍光体層４０３に照射されたときには、ライトトンネル部材４内で点線で示すように、変換波長λ２の照明光が生成され、ライトトンネル部材４内での内部反射により強度分布（ライトトンネル部材４の長手方向と直交する断面における強度分布）が均一化されて光出射開口部４０２から出射する。

一方、光偏光素子３を駆動し、光源１から発せられた光源波長λ１の励起光が第２蛍光体層４０４に照射されたときには、ライトトンネル部材４内で一点鎖線で示すように、変換波長λ３の照明光が生成され、ライトトンネル部材４内での内部反射を幾度か繰り返し、強度分布が均一化されて光出射開口部４０２から出射する。

また、光偏光素子３を駆動し、光源１から発せられた光源波長λ１の光が、第１蛍光体層４０３，第２蛍光体層４０４のいずれも形成されていない反射面１０１〜１０４に照射されたときには、ライトトンネル部材４内で実線のように波長変換されず、光源波長λ１の光のまま、ライトトンネル部材４内での内部反射を幾度か繰り返し、強度分布が均一化されて光出射開口部４０２から出射する。

このように、光源１から発せられた光源波長λ１の光は、光偏向素子３により、時間分割されて、第１蛍光体層４０３、第２蛍光体層４０４、あるいは、第１蛍光体層４０３，第２蛍光体層４０４のいずれも形成されていない反射面１０１〜１０４に照射されることにより、時間分割された互いに異なる３つの波長（λ１，λ２，λ３）の照明光を得ることができる。

なお、本実施形態では、光出射開口部４０２の縦横のアスペクト比は通常、光像形成素子７のアスペクト比と同等としている。

上記図２では、図中実線が波長変換させない光源波長λ１の照明光の様子、点線が第１蛍光体層４０３で波長変換された変換波長λ２の照明光の様子、一点鎖線が第２蛍光体層４０４で波長変換された変換波長λ３の各様子を示しているが、これは、あくまで正反射光の進む様子を図示したものである。実際は、第１蛍光体層４０３及び第２蛍光体層４０４上に照射された場合は、拡散光となって正反射方向を中心に光が拡散する。図２に示したように、第１蛍光体層４０３や第２蛍光体層４０４への入射角は４５[度]以上９０[度]未満が望ましく、この角度の範囲内であれば、第１蛍光体層４０３及び第２蛍光体層４０４での後方散乱光は光入射開口部４０１からほとんど出ることなく、ライトトンネル部材４内に閉じ込められて、効率よく光出射開口部４０２へと導くことができる。つまり、非常に光利用効率の高い光源装置が実現すると同時に、光の強度分布の均一化も可能となる。

図３は、光偏向素子３の時間と振れ角との関係を示すグラフである。例えば、ｎ番目の画像フレームは光源波長λ１、変換波長λ２、変換波長λ３の三色で一フレームの画像を生成する。光源波長λ１は光源光そのものなので、蛍光体層上を照射させないので、そのときの振れ角の角度を基準として０とする。振れ角がそれよりもプラス側に振れると第１蛍光体層４０３に照射されて変換波長λ２の照明光が生成され、逆にマイナス側に振れると第２蛍光体層４０４に照射され変換波長λ３の照明光が生成される制御を行っている。

ここで、上記波長変換材としての蛍光体層を形成する蛍光体としては、硫化物、酸化物、窒化物、窒酸化物などの粉末であり、黄色用、赤色用、緑色用、青色用等の蛍光体を配合して用いることができる。より具体的には、窒化ケイ素関連物質をホスト結晶とした蛍光体や、アルファサイアロン（α-sialon:Eu）黄色蛍光体（青色光を吸収して黄色光を発光する蛍光体）など、また、純窒化物であるカズン（CaAlSiN₃:Eu）赤色蛍光体、ベータサイアロン（β-sialon:Eu）緑色蛍光体などである。さらに、青色光を赤色光に変換するCaAlSiN₃赤色蛍光体、青色光を緑色光に変えるβサイアロン緑色蛍光体なども好適である。また、赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）以外では、黄色を発光するYAG:Ceの黄色蛍光体も色域を広げるために非常に有効である。

上記光像形成素子７としては、画素に対応したマイクロミラーアレイ、たとえば、ＤＭＤ（デジタル・マイクロミラー・デバイス；米国テキサスインスツルメント社製）は高速応答が可能であり、もっとも好適である。また、液晶パネルであってもよい。時間的に分割してカラー照明を行うため、高速で画像フレームを切り替える必要があり、反射型液晶パネルが好適である。

また、本実施形態では、上記ライトトンネル部材４として、光入射開口部４０１と光出射開口部４０２とが同じ大きさであり、側面が長方形をした角筒状の部材を用いたが、必ずしも形状はこの形にこだわらなくてもよい。例えば、光入射開口部４０１が大きく、光出射開口部４０２が小さくなった、逆テーパー型などでもよい。この形状であれば、入り口が大きいので、光のカップリング効率が高く、また、蛍光体層の面積を大きくすることができる。また、光入射開口部４０１が小さく、光出射開口部４０２が大きい、テーパー型でもよい。この場合は、上記逆テーパー型よりも光のカップリング効率は低いが、発散角を非常に小さくできるので、光像形成素子７及び投射光学系８へ高い光利用効率で光を導くことができ、総合的にはカップリングロスを補い、トータルとしての照明光源としては効率の高い光源が実現できる。このように、ライトトンネル部材４の形状は、設計により最適化を図ればよい。

本実施形態に係るライトトンネル部材４では、光重畳機能、いわゆるインテグレータ機能を有するライトトンネル部材４内に波長変換材を設けることにより、波長変換材への入射角度を大きくとることができるために後方散乱を少なくすることができると同時に、光の強度分布の均一化ができるという優れた効果がある。

また、本実施形態では、光源１の光源波長λ１の光と２つの変換波長（λ２，λ３）の光の３種の色の光を生成する例を示したが、必ずしも２つの変換波長（λ２，λ３）を生成することに限定されるものではなく、励起光と一つの波長変換材との組み合わせで２種の色を生成し、その他の波長は別の光源を用意してもよい。

[実施形態２]
図４は、本発明の他の実施形態に係る光源装置の構成例を示す概略構成図である。
本実施形態では、図４に示すように、上記実施形態１に示したライトトンネル部材４の光出射開口部４０２に近接させて回転部材としてのカラーホイール１０を配設した構成となっている。なお、上記実施形態１の光源装置と同様の機能を有する部品あるいは装置については同じ番号で示しており、詳しい説明は省略する。

本実施形態の光源装置は、単一波長を発する光源１と、この光源１から発せられる光束を集光し平行光とする入射光学系２と、時間に応じて光の向きを変える光偏向素子３と、光源１から発する光源波長を励起光として異なる波長に変換する少なくとも一種類の波長変換材が施されている領域と施されていない領域とを内面に設けてあるライトトンネル部材４と、ライトトンネル部材４の光出射開口部４０２に近接配置され光出射開口部４０２から出射した照明光が透過するカラーホイール１０とを備えている。

上記カラーホイール１０は、ライトトンネル部材４から出射した照明光を波長選択的に透過するカラーフィルターを周方向の互いに異なる位置に複数配置させた円盤状の部材であり、図示しない駆動源としてのモータにより回転させている。より具体的には、複数の波長選択フィルター（カラーフィルター）が複数セグメントに配置された円盤状のカラーフィルターで構成されている。このカラーホイールを構成するカラーフィルターは発光波長の数に相当する種類が設けられている。図示の例では、光源１の光源波長λ１と２つの変換波長（λ２，λ３）との３種の波長を透過するカラーフィルターが３つのセグメント１０ａ，ｂ，ｃに配置されている。そして、ライトトンネル部材４から出射した最も光強度の高い波長の光を選択的に透過する特性のカラーフィルターとなっている。

上記カラーホイール１０の構成についてさらに詳しく説明する。カラーホイール１０は、第１セグメント１０ａ、第２セグメント１０ｂ、第３セグメント１０ｃの少なくとも３つのセグメントから構成されている。第１セグメント１０ａは、光源波長λ１の光がライトトンネル部材４から出射するときに光源波長λ１の光を透過し、その他の波長の光は反射するセグメントである。また、第２セグメント１０ｂは、波長変換された変換波長λ２の光がライトトンネル部材４から出射するときに、変換波長λ２の光を透過し、その他の波長の光は反射するセグメントである。さらに、第３セグメント１０ｃは、波長変換された変換波長λ３の光がライトトンネル部材４から出射するときに、変換波長λ３の光を透過し、その他の波長の光は反射するセグメントである。カラーホイール１０は、ライトトンネル部材４の光出射開口部４０２から出射した照明光の光路上のセグメントが切り替わるようになっていて、回転することにより、順次ライトトンネル部材４の光出射開口部４０２から出射する光を選択的に透過させている。

ライトトンネル部材４からの出射光は、実施形態１で説明したように、光偏光素子３の駆動によって光源波長λ１、変換波長λ２、変換波長λ３の３種類の波長の光が時間分割されて出射されるが、その時間に応じて、各セグメント１０ａ，ｂ，ｃが対応する位置となるように、カラーホイール１０は回転制御されている。

具体的な波長の構成としては、光源波長λ1が青色を主体とした波長、変換波長λ２が緑色、変換波長λ３は赤色とすると、第１セグメント１０ａは青色光を選択的に透過し、第２セグメント１０ｂは緑色を選択的に透過し、第３セグメント１０ｃは赤色光を選択的に透過させるようにすればよい。

特に、波長変換された変換波長λ２、λ３の光は、励起光である光源波長λ１の光が混入した場合であっても、カラーホイール１０にて、励起光を効率よく除去することができる。

なお、カラーホイール１０のセグメント数に関しては、上記３つに限られるものではない。また、必ずしもカラーフィルターでなくてもよく、明るさ優先で透明部分があってもよい。

また、励起光として使用する光源波長λ１の光に対応する第１セグメント１０ａに関しては、透明であることが望ましい。励起光を照明光として利用する場合に、対応するカラーホイール１０のセグメントが透明であることは、光利用効率の面で優位である。

本実施形態２の光源装置の構成により、光像形成素子７への照明光の色純度が向上するので、高品質な画像表示が可能となる。

[実施形態３]
図５は、本発明の更に他の実施形態に係る光源装置の構成例を示す概略構成図である。
励起光として用いる光源波長λ１の光は、波長変換材に照射しないので、直接ライトトンネル部材４の反射面を照射されるか、一度も内部反射されずに光出射開口部４０２へと到達する場合もありえる。光が内部反射されずに出射すると光の重畳効果が得られないので、ライトトンネル部材４内で内部反射されることが望ましい。

本実施形態では、図５に示すように、ライトトンネル部材４内の４つの反射面１０１〜１０４のうち、一つの面上に、複数種類の波長変換材を施した。図示の例では、ライトトンネル部材４の下反射面１０２に、光入射開口部４０１側から第２蛍光体層４０４と第１蛍光体層４０３とを形成した。さらに、励起光源である光源光の角度を斜めから入射させるようにした。図示の例では、斜め上方から入射させるように構成している。入射角度は、ライトトンネル部材４の開口サイズと長さとによって異なるが、ライトトンネル部材４内で必ず一度は反射する角度とした。図５に示すように、光源光の角度を斜めから入射させることで、光出射開口部４０２に直接達する光はなくなる。このような構成により、光源光が直接光出射開口部４０２に達する光はなくなり、ライトトンネル部材４から出射される照明光の強度分布の不均一性を防ぐことができる。

また、波長変換材を一つの反射面に配置したので、この波長変換材を設けた部分のみをライトトンネル部材の本来の機能と切り離した部材とすることも可能である。つまり、波長変換材を設けた部分をライトトンネル部材４の入り口近傍に設け、励起光と波長変換光をライトトンネル部材４の光入射開口部４０１へと導きさえすれば、波長変換材はどこに配置してもよい。

[実施形態４]
図６は、本発明の更に他の実施形態に係る光源装置の構成例を示す概略構成図である。
ライトトンネル部材４の反射面のうち、上反射面１０１の第１蛍光体層４０３に隣接する部分と、下反射面１０２の第２蛍光体層４０４に隣接する部分とに、光を拡散させる拡散反射面として拡散領域５０１，５０２を設けた。そして、励起光として用いる光源波長λ１の光が、ライトトンネル部材４内で最初に到達する領域が、上反射面１０１の拡散領域５０１又は下反射面１０２の拡散領域５０２となるようにした。なお、拡散領域５０１，５０２の光の拡散度合いは特に限定しなくてもよい。通常、ライトトンネル部材４はミラーにアルミ金属を蒸着した反射面を利用しているが、この反射面より正反射率を低くし、少しでも散乱させることができればよい。例えば、ミラーにアルミナ等の拡散剤を塗布するなどすればよい。また、反射面をアルミニウム（Ａｌ）などの金属で形成し、反射面は、高輝度反射面とし、拡散反射面は表面を荒らしてもよい。このような拡散反射面を設けたことにより、光偏向素子３から偏向されて光入射開口部４０１から入射した照明光の強度分布の均一化を高めることができる。

[実施形態５]
図７に、本発明の更に他の実施形態に係る光源装置における光偏向素子の走査の説明図である。波長変換材として蛍光体が一般的であるが、先に記述したように、さまざまな蛍光剤を用いることができる。しかしながら、通常短波長側を吸収し、超波長を発生するので、光損傷による効率低下が発生する。この光損失による効率低下を低減するために、光の照射位置を変えることで、一箇所で照射することなく、蛍光剤を施した蛍光体層の領域内で照明光を走査することが望ましい。光を走査することは容易であり、第１蛍光体層４０３、第２蛍光体層４０４、反射領域を時間分割して光路を偏向する光偏向素子３の駆動について、照射位置を局所的に移動するように、微振動を与えることで実現できる。

図８は、光偏向素子３の時間と振れ角についてのグラフである。図８に示すように、振れ角がプラス側の時とマイナス側の時とにおいて、光偏向素子３を鋸波状の駆動を行うことで、照射位置が蛍光体層上の一箇所に滞留することなく、局所的に移動するように照射することができる。

なお、光偏向素子３の駆動方法は、図８のグラフを用いて説明した鋸波状の駆動方法に限定されるものではなく、例えばサイン波状の駆動方法であってもよい。このような、駆動方法を採用することにより、蛍光剤の照射損傷による劣化を防止することができる。つまり寿命を延ばすことができる。

[実施形態６]
図９は、本発明の更に他の実施形態に係る光源装置におけるライトトンネル部材４の光入射開口部４０１側から見た側面図である。また、図１０は、本実施形態の光源装置の概略構成を示す図であり、（ａ）は上面図、（ｂ）は側面図である。
本実施形態は、図９に示すように、ライトトンネル部材４内の上下、左右の４つの側面のうち、光入射開口部４０１近傍の３つの側面４０３，４０４，４０５に波長変換材を設けた。そして、図１０（ａ）に示すように、光偏向素子３０１を２次元駆動して光源色とあわせて４色の照明光を出射できるようにした構成である。青、緑、赤に加え、４色目には黄色等を加えることで、より色域空間を広げることができる。光偏向素子３０１は、左右上下方向の２次元的に駆動する素子でもよいが、一次元駆動素子を２連とすることで、２次元対応してもよい。また、色純度を向上させるために、４色に対応した４セグメントのカラーホイールを設け、出射光にあわせて回転同期させて、所望波長のみを出射するようにすることも有効である。

以上、上記各実施形態によれば、光ガイド部材としてのライトトンネル部材４の光入射開口部４０１から入射した光は、ライトトンネル部材４の内側面に対して入射角が９０[度]よりも小さい角度で入射される。このため、ライトトンネル部材４の内側面の波長変換材が設けられていない領域で反射した光や、ライトトンネル部材４の内側面の一部に設けられている波長変換材（第１蛍光体層４０３、第２蛍光体層４０４）で波長変換して発光した光は、光入射開口部４０１側に後方散乱しにくく、光入射開口部４０１からほとんど漏れることがない。このように後方散乱光の発生を抑制することにより、ライトトンネル部材４の光入射開口部４０１から入射した光は、そのライトトンネル部材４内に閉じ込められた状態で内部の光ガイド経路内を光出射開口部４０２に向かって進む。よって、光源１と同じ波長の光及び波長変換材で波長変換した光それぞれの光利用効率を高めることができる。
また、上記実施形態によれば、光源１の光をライトトンネル部材４に入射させる光入射手段は、光源１から発せられる光の向きを変える偏向素子としての光偏向素子３と、光偏向素子３を駆動する駆動手段としての制御部９とにより構成され、光偏向素子３は、光源１の光を時間に応じて所定のタイミング（例えば、所定の周期）で反射面と蛍光体層４０３，４０４とに切り換えて照射し、ライトトンネル部材４から所定のタイミングで２種類以上の波長の光を出射させることができる。
また、上記実施形態によれば、ライトトンネル部材４の内側面のうち光入射開口部４０１から入射した入射光が到達可能な領域に、光源１の光を励起光として受けて互いに異なる波長の波長変換光を発光する互いに異なる複数種類の蛍光体層４０３，４０４を少なくとも２つ備え、光源１から発せられる光源波長λ１の励起光と、蛍光体層４０３，４０４で波長変換された互いに波長の異なる少なくとも２種類の波長変換光とからなる、少なくとも波長の異なる３色の光をライトトンネル部材４から出射することができる。このようにライトトンネル部材４の内側面の上記領域に２種類の蛍光体層すなわち第１蛍光体層４０３及び第２蛍光体層４０４を設けたので、光偏向素子３を駆動させて、上記蛍光体層が設けられていない反射面と、第１蛍光体層４０３と、第２蛍光体層４０４とに光を照射することにより、励起光である光源１の光の色と２つの波長変換光の色の合計３色の照明光を得ることができるようになり、高品質なカラー照明光源を得ることができる。
また、上記実施形態によれば、ライトトンネル部材４の光出射開口部４０２近傍に配設されライトトンネル部材４から出射された光の波長を選択的に透過させるように光の波長に対応する種類の複数の色選択フィルターで構成された回転部材としてのカラーホイール１０と、カラーホイール１０を回転駆動する回転駆動手段としてのモータと、モータ及び光偏向素子３を同期させて制御することにより、ライトトンネル部材４から順次波長が切り替えられて出射される光が色選択フィルターを透過するように色選択フィルターを切り替える同期駆動制御手段としての制御部９を備えている。蛍光体層４０３，４０４により波長変換された主波長を選択的に透過させる色選択フィルターで構成されたカラーホイール１０を、ライトトンネル部材４を出た後、すなわち光出射開口部４０２近傍に配置し、カラーホイール１０の回転と光偏向素子３の駆動とを同期させ、発光波長が透過するように、色選択フィルターが切り替えることができるので、より色純度の高いカラー照明光源をえることができる。
また、上記実施形態によれば、ライトトンネル部材４の内側面に形成された複数の反射面のうち一つの反射面上に、互いに異なる複数種類の蛍光体層４０３，４０４を設けた。ライトトンネル部材４内の４つの反射面上のうち、ひとつの面上に、複数の蛍光体層４０３，４０４を施し、ライトトンネル部材４内で必ず一度は反射する角度としたので、光源１の光が光出射開口部４０２に直接達する光はなくなり、照明光の不均一性を防ぐことができる。
また、上記実施形態によれば、ライトトンネル部材４の内側面に形成された複数の反射面のうち蛍光体層４０３，４０４以外の少なくとも一部の領域に、拡散反射面としての拡散領域５０１，５０２を有し、光源１からの光をライトトンネル部材４から出射させる場合、その光源１からの光を拡散領域５０１，５０２に照射している。光源１からの光（励起光）を波長変換せずにライトトンネル部材４から出射させる場合に、光源１の光がライトトンネル部材４内で最初に到達する領域が拡散領域５０１，５０２であるので、光偏向素子３から偏向されて光入射開口部４０１から入射し光出射開口部４０２から出射する照明光の光強度の均一化を高めることができる。
また、上記実施形態によれば、光偏向素子３は、蛍光体層４０３，４０４に励起光を照射するときに、その励起光の照射位置を局所的に移動させながら照射するように駆動している。照射位置を局所的に移動するように光偏向素子３を駆動することにより、蛍光剤の照射損傷による劣化を防止し、寿命を延ばすことができる。
また、上記実施形態によれば、ライトトンネル部材４の光ガイド経路の内側面を４つの平面状の反射面を用いて構成し、これら４つの面のうち３つの面に互いに異なる種類の蛍光体層を有し、上記励起光以外に３つの波長の色をライトトンネル部材４から出射する。ライトトンネル部材４の上下、左右の４つの側面のうち、３つの面それぞれに蛍光体層を設け、光偏向素子３を２次元駆動して光源色以外の３色の光を生成したので、より色域空間を広げた光源装置を実現できる。
また、上記実施形態によれば、投射型表示装置Ａは、上記構成の光源装置と、その光源装置の光出射側に設けられた照明光学系としてのリレーレンズ５及びミラー６と、照明光学系で導かれた光を受けて光像を形成する光像形成部としての光像形成素子７と、光像形成素子７で形成された光像を拡大投射する拡大投射光学系としての投射光学系８と、を備えており、光源装置によって照明光の色が切り替わるタイミングにあわせて、照明光の色に対応した画像を形成し、順次切り替えることによりカラー画像の光像を形成し、投射光学系８でカラー画像の光像を拡大投射する。この投射型表示装置は、照度均一性や色純度が高く、しかもより色域空間を広げた高品質な投射画像を得ることができる。また、この投射型表示装置Ａは、簡易な３色カラー光源によりコンパクトで、しかも信頼性が高く、長寿命な装置を実現することができる。

１ 光源
２ 入射光学系
３ 光偏向素子
４ ライトトンネル部材
５ リレーレンズ
６ ミラー
７ 光像形成素子
８ 投射光学系
９ 制御部
３０１ （２次元）光偏向素子
４０１ 光入射開口部
４０２ 光出射開口部
４０３ 第１蛍光体層
４０４ 第２蛍光体層
５０１，５０２ 拡散領域
Ａ 投射型表示装置

特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報

Claims (10)

1. 光源からの光を波長変換材に照射して波長変換した光を出射可能な光源装置であって、
   光入射開口部から光出射開口部まで延在する光ガイド経路を側方から囲むように内側面を有し、該光入射開口部から入射された光を該光ガイド経路の内側面で反射させながら該光出射開口部に向けてガイドする光ガイド部材と、
   上記光源の光を、上記光ガイド部材の光入射開口部から光ガイド経路内に入射させる光入射手段と、を備え、
   上記光ガイド部材の内側面のうち上記光入射開口部から入射光が到達可能な領域の一部に、少なくとも１種類の波長変換材が設けられ、
   上記光入射手段は、上記光入射開口部から上記光ガイド経路内に入射させる光の入射方向を、上記波長変換材が設けられている領域に向かう方向と、上記波長変換材が設けられていない領域に向かう方向とに切り換え可能に構成されていることを特徴とする光源装置。
2. 請求項１の光源装置において、
   上記光入射手段は、
   上記光源から発せられる光の向きを変える偏向素子と、
   該光源からの光の向きを、所定のタイミングで、上記波長変換材が設けられている領域に向かう方向と上記波長変換材が設けられていない領域に向かう方向とに変えるように、該偏向素子を駆動する駆動手段と、を備えたことを特徴とする光源装置。
3. 請求項１又は２の光源装置において、
   上記波長変換材として、上記光源からの光の波長を互いに異なる複数の波長にそれぞれ変換する複数種類の波長変換材を用い、
   上記光ガイド部材の内側面の上記波長変換材が設けられている領域は、上記複数種類の波長変換材がそれぞれ設けられている複数の領域であることを特徴とする光源装置。
4. 請求項３の光源装置において、
   上記光ガイド部材は、上記光入射開口部から上記光出射開口部に向かう方向と直交する断面形状が多角形である中空の角筒形状を有する部材であり、
   上記光ガイド部材の光ガイド経路に臨むように位置する複数の平面状の内側面のいずれか一つに、上記複数種類の波長変換材を設けたことを特徴とする光源装置。
5. 請求項３の光源装置において、
   上記光ガイド部材は、上記光入射開口部から上記光出射開口部に向かう方向と直交する断面形状が四角形である中空の角筒形状を有する部材であり、
   上記光ガイド部材の光ガイド経路に臨むように位置する４つの平面状の内側面のうち３つの内側面にそれぞれ、３種類の波長変換材を振り分けて設けたことを特徴とする光源装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかの光源装置において、
   上記光ガイド部材の光出射開口部から出射する互いに異なる複数の波長の光をそれぞれ選択的に通過させる色選択フィルターを周方向の異なる位置に配置した回転部材と、
   上記回転部材を回転駆動する回転駆動手段と、
   上記光ガイド部材の光出射開口部から順次波長が切り替えられて出射される光が、その光を選択的に通過させる色選択フィルターを透過するように、上記光入射手段と上記回転駆動手段とを同期させて制御する同期駆動制御手段とを、備えたことを特徴とする光源装置。
7. 請求項１乃至６の光源装置において、
   上記光ガイド部材の内側面のうち上記光入射開口部から入射した光が最初に到達する領域は、拡散反射面であることを特徴とする光源装置。
8. 請求項１乃至７の光源装置において、
   上記光入射手段は、上記内側面の上記波長変換材が設けられている領域に向けて上記光を入射させるときに、その領域内で該光が当たる位置を局所的に移動させるように入射させることを特徴とする光源装置。
9. 請求項１乃至８のいずれかの光源装置と、その光源装置から出射する光を照明対象に向けて導く照明光学系と、を備えたことを特徴とする照明装置。
10. 請求項１乃至８のいずれかの光源装置と、
    上記光源装置の光出射側に設けられた照明光学系と、
    上記光源装置から出射し上記照明光学系で導かれた光を受けて投影対象の光像を形成する光像形成部と、
    上記光像形成部で形成された光像を拡大投射する拡大投射光学系と、を備え、
    上記光源装置からの光の色が切り替わるタイミングに合わせて、その光の色に対応した光像を順次切り替えて形成することにより、カラー画像の光像を形成し、上記拡大投射光学系で該カラー画像の光像を拡大投射することを特徴とする投射型表示装置。

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