JP6680340B2 - 光源装置及び画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び画像投影装置に関し、より詳細には、例えばプロジェクタ等の投影型画像表示装置（画像投影装置）の光源として用いる光源装置及びそれを備える画像投影装置に関する。

近年、家庭内での映画鑑賞や会議でのプレゼンテーション等において、例えばプロジェクタ等の投影型画像表示装置を用いる機会が増えている。このようなプロジェクタでは、一般に、光源として、例えば高輝度の水銀ランプ等の放電型ランプが用いられる。また、最近の固体発光素子（例えば半導体レーザ、発光ダイオード等）の開発技術の進展に伴い、固体発光素子を利用したプロジェクタも提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１で提案されているプロジェクタは、ＤＬＰ（Digital Light Processing：登録商標）方式のプロジェクタである。この方式のプロジェクタでは、異なる色の光を１秒間に数千回程度、時分割で表示することにより画像をフルカラー表示する。

特許文献１のプロジェクタは、青色光（励起光）を射出する発光ダイオード（励起光源）と、励起光の出射側に設けられた透明基材と、透明基板を励起光の出射方向に直交する面内において回転させるモータとから成る光源装置を備える。

この特許文献１の光源装置では、透明基材上に、励起光の照射により赤色光を発光する赤色蛍光体層、励起光の照射により緑色光を発光する緑色蛍光体層、及び、励起光を素通りさせる領域が互いに異なる領域に形成される。それゆえ、特許文献１のプロジェクタにおいて、所定の回転数で回転する透明基材に励起光を照射すると、青色光（励起光）、励起光により励起された赤色光及び緑色光が時分割で光源装置から射出される。

特開２００９−２７７５１６号公報

上述のように、従来、水銀ランプを用いないプロジェクタが提案されており、このようなプロジェクタでは、水銀レスのプロジェクタを実現することができ、近年の環境問題に対応することが可能である。また、例えば半導体レーザ、発光ダイオード等の固体発光素子を光源として用いた場合、水銀ランプに比べて長寿命であり、輝度低下も小さいという利点も得られる。

しかしながら、上記特許文献１で提案されている技術は、ＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタ等のように、互いに波長の異なる複数の単色光を時分割で射出する光源装置（照明装置）にのみ適用可能である。例えば、３ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）方式のプロジェクタ等の画像表示装置のように、白色光を射出する光源装置を必要とする用途には適用することができない。

本発明は、上記現状を鑑みなされたものであり、本発明の目的は、例えば３ＬＣＤ方式のプロジェクタ等の様々な用途に対しても適用可能な水銀レスの光源装置及びそれを備える画像投影装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の一側面を反映した光源装置は、励起光源と、蛍光部材と、第１光学系と、駆動部と、を備える構成とし、各部の機能を次のようにする。
励起光源は、第１の色光を含む励起光を射出する。蛍光部材は、回転軸を中心に回転可能であって、入射した励起光が透過する基板と、基板に対して励起光の入射側に形成され、励起光の反射を防止する反射防止膜と、基板の回転円周方向に、基板の回転時に励起光の照射位置に励起されていない蛍光体原子が次々と配置され、かつ蛍光体から出射される第１の色光と、第１の色光とは異なる第２の色光とが合波されて白色光になるように厚さを調整して形成され、単一の発光特性を有し、励起光が入射されることにより励起光の少なくとも一部を第２の色光に変換する蛍光体と、蛍光体に対して励起光の入射側に形成され、所定角度以下の入射角の励起光が透過するとともに、第２の色光の入射角に関係なく第２の色光を反射する反射膜と、を有する。第１光学系は、励起光源と蛍光部材との間の光路上に設けられ、励起光源から射出された励起光を集光し、蛍光体に励起光を照射する。駆動部は、基板に固定された回転軸を駆動して基板を回転させることで蛍光部材を回転させる。蛍光部材は、駆動部が回転軸を駆動することにより、励起光が回転円周方向の一周に渡って蛍光体に照射される間、蛍光体を通過した第１の色光、及び、第２の色光を出射する。
なお、ここでいう「波長」は、単一波長だけでなく所定の波長帯域も含む意味である。

また、本発明の画像投影装置は、光源装置部と、画像投影部とを備える構成とし、各部の機能を次のようにする。光源装置部は、上記本発明の光源装置と同様の構成にする。そして、画像投影部は、光源装置部から射出された光を３つの光変調素子を用いて変調し、所定の画像光を生成し、該生成した画像光を外部に投影する。

本発明では、基板の回転円周方向に、基板の回転時に励起光の照射位置に励起されていない蛍光体原子が次々と配置され、かつ蛍光体から出射される第１の色光と、第１の色光とは異なる第２の色光とが合波されて白色光になるように厚さを調整して形成される蛍光体は、単一の発光特性を有し、第１の色光を含む励起光が入射されることにより、励起光の少なくとも一部を第２の色光に変換する。基板に対して励起光の入射側に形成される反射防止膜は、励起光の反射を防止する。蛍光体に対して励起光の入射側に形成される反射膜は、所定角度以下の入射角の励起光が透過するとともに、第２の色光の入射角に関係なく第２の色光を反射する。すなわち、本発明では、駆動部が回転軸を駆動することにより、励起光が回転円周方向の一周に渡って蛍光体に照射される間、蛍光体を通過した第１の色光、及び、第２の色光が、蛍光部材から出射される。それゆえ、本発明では、例えば、励起光を第１の色光とし、発光光を第２の色光とした光を蛍光体から射出することができる。

上述のように、本発明では、蛍光部材から出射される第１の色光、及び、第２の色光との組み合わせを適宜設定することにより、例えば白色光等を蛍光部材から射出することができる。また、駆動部が、回転軸を駆動して基板を回転させることで蛍光部材を回転させている状態で、励起光源が、励起光を蛍光体に照射するため、励起光の照射位置には、励起されていない蛍光体原子が次々と配置されることになり、蛍光体をより効率よく発光させることができる。また、蛍光体に照射される励起光の照射位置が変わるので、蛍光体の温度上昇を防止しつつ、時間的に同一なスペクトルの白色光を安定的に生成できる。そして、本発明によれば、例えば３ＬＣＤ方式のプロジェクタ等の様々な用途に対しても適用可能な水銀レスの光源装置及びそれを備える画像投影装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置の概略ブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る光源装置部（照明装置）に用いる蛍光部材の概略構成図である。 蛍光部材で用いる反射膜の一構成例を示す図である。 蛍光部材で用いる反射膜の透過率と光入射角との関係を示す図である。 蛍光体での発光の様子及び反射膜表面での光反射の様子を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光源装置部（照明装置）の出射光のスペクトル特性である。

以下に、本発明の実施形態に係る照明装置及びそれを備える画像表示装置の一例を、図面を参照しながら下記の順で説明する。なお、本実施形態では、画像表示装置として、３ＬＣＤ方式のプロジェクタ（画像投影装置）を例に挙げ説明するが、本発明はこれに限定されない。
１．画像表示装置の構成例
２．光源装置部（照明装置）の構成例
３．蛍光部材の構成例
４．光源装置部の動作例

［１．画像表示装置の構成例］
図１に、本発明の一実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す。なお、図１では、説明を簡略化するため、主に、本実施形態の画像表示装置１０において画像光を外部に投影する際に動作する要部のみを示す。また、図１には、透過型のＬＣＤ光変調素子を用いた３ＬＣＤ方式のプロジェクタの構成例を示すが、本発明はこれに限定されない。本発明は、反射型のＬＣＤ光変調素子を用いる３ＬＣＤ方式のプロジェクタにも適用可能である。

画像表示装置１０は、光源装置部１（照明装置）と、光学エンジン部２（画像投影部）とを備える。なお、光源装置部１の構成の説明は後で詳述する。

光学エンジン部２は、光源装置部１から射出された光（この例では白色光ＬＷ）を光学的に処理して画像光ＬＩを生成し、その画像光ＬＩを外部の例えばスクリーン等に拡大投影する。光学エンジン部２は、例えば、分光光学系２０と、３つのＬＣＤ光変調素子（以下では、それぞれ第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３という）と、プリズム２４と、投影光学系２５とを有する。なお、光学エンジン部２の構成は、図１に示す例に限定されず、例えば用途等に応じて適宜変更できる。例えば、各部間の光路上に必要となる各種光学素子を適宜配置してもよい。

また、この例の光学エンジン部２では、第１ＬＣＤパネル２１の光出射面と、第３ＬＣＤパネル２３の光出射面とが対向するように両者を配置し、その両者の対向方向に直交する方向に第２ＬＣＤパネル２２を配置する。そして、第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３の光出射面で囲まれた領域にプリズム２４を配置する。また、この例では、プリズム２４を挟んで、第２ＬＣＤパネル２２の光出射面と対向する位置に投影光学系２５を配置する。なお、分光光学系２０は、第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３の光入射側に設けられる。

分光光学系２０は、例えばダイクロイックミラー、反射ミラー等で構成され、光源装置部１から入射される白色光ＬＷを、青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲに分光し、各波長成分の光を対応するＬＣＤパネルに射出する。この例では、分光光学系２０は、分光した青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲをそれぞれ、第１ＬＣＤパネル２１、第２ＬＣＤパネル２２及び第３ＬＣＤパネル２３に射出する。

第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３のそれぞれは、透過型のＬＣＤパネルで構成される。各ＬＣＤパネルは、図示しないパネルドライブ部からの駆動信号に基づいて、液晶セル（不図示）に封入された液晶分子の配列を変化させることにより、入射光を液晶セル単位で透過または遮断する（変調する）。そして、各ＬＣＤパネルは、変調した所定波長の光（変調光）をプリズム２４に射出する。

プリズム２４は、第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３からそれぞれ入射された各波長成分の変調光を合波し、その合波光、すなわち、画像光ＬＩを投影光学系２５に射出する。

投影光学系２５は、プリズム２４から入射された画像光を、例えば外部のスクリーン等の表示面に拡大投影する。

［２．光源装置部１の構成例］
次に、本実施形態の光源装置部１の内部構成を、図１を参照しながら説明する。

光源装置部１は、励起光源１１と、第１集光光学系１２（第１光学系）と、蛍光部材１３と、モータ１４（駆動部）と、第２集光光学系１５（第２光学系）とを備える。そして、本実施形態の光源装置部１では、励起光源１１の励起光Ｌの出射口側から、第１集光光学系１２、蛍光部材１３及び第２集光光学系１５が、この順で配置される。この際、第１集光光学系１２、蛍光部材１３内の後述する層状の蛍光体３２（以下、蛍光体層３２という）、及び、第２集光光学系１５が、励起光Ｌの光路上に位置するように配置する。

励起光源１１は、所定波長（第１の波長）の光を射出する固体発光素子で構成する。この例では、励起光源１１として、波長４４５ｎｍの青色光を射出する青色レーザを用いる。なお、本実施形態では、蛍光体層３２に入射する励起光Ｌの波長を、蛍光部材１３内の後述する蛍光体層３２における発光光の波長より短くする。

また、励起光源１１として青色レーザを用いる場合、一つの青色レーザで所定出力の励起光Ｌを得る構成にしてもよいが、複数の青色レーザから射出される光を合波して所定出力の励起光Ｌを得る構成にしてもよい。さらに、青色光（励起光Ｌ）の波長は４４５ｎｍに限定されず、青色光と呼ばれる光の波長帯域内の波長であれば任意の波長を用いることができる。

第１集光光学系１２は、励起光源１１から射出された励起光Ｌを集光し、該集光された励起光Ｌ（以下、集光光という）を蛍光部材１３に射出する。この際、集光光が、所定の入射角θで蛍光部材１３に入射されるように、第１集光光学系１２の例えばレンズ構成、焦点距離及び配置位置等のパラメータを設計する。また、集光光の入射角θは、例えば、蛍光部材１３内の後述する反射膜３１の透過特性（透過率の入射角依存性）に応じて適宜設定される。

なお、第１集光光学系１２で励起光Ｌのスポット径を絞ると、高光密度の励起光Ｌを蛍光部材１３に照射することができる。しかしながら、励起光Ｌのスポットを絞りすぎると、照射領域内の蛍光体原子を発光させるために必要な光量より大きな光量の励起光Ｌを照射することになる。この場合、照射領域において、蛍光体原子の発光に関与しない光量が増加するので、入射された励起光Ｌの光量に対する発光量の割合が減少し、蛍光体層３２の発光効率が低下する。それゆえ、本実施形態では、集光光のスポット径が、発光効率が低下しないような径になるように、第１集光光学系１２の構成を設計する。

逆に、集光光のスポット径を広げすぎると、蛍光部材１３からの発光光の広がりが増大する。この場合には、第１集光光学系１２で、集光光のスポット径が広がりすぎないように調整してもよいし、第２集光光学系１５で、広がった発光光を所定の径の平行光に変換するような構成にしてもよい。

蛍光部材１３は、第１集光光学系１２を介して入射された励起光Ｌ（青色光）により、所定波長帯域（第２の波長）の光を発光するとともに、励起光Ｌの一部を透過させる。この例では、光学エンジン部２に入射する光を白色光ＬＷとするので、蛍光部材１３は、励起光Ｌにより、緑色光及び赤色光を含む波長帯域（約４８０〜６８０ｎｍ）の光を発光する。そして、本実施形態では、緑色光及び赤色光を含む波長帯域の発光光と蛍光部材１３を透過する励起光Ｌ（青色光）の一部とを合波して白色光ＬＷを生成する。なお、蛍光部材１３のより詳細な構成は、後で詳述する。

モータ１４は、蛍光部材１３を所定の回転数で回転駆動する。この際、モータ１４は、励起光Ｌの照射方向に直交する面（後述する蛍光体層３２の励起光Ｌの照射面）に沿う方向に、蛍光部材１３が回転するように蛍光部材１３を駆動する。

モータ１４の回転軸１４ａは、蛍光部材１３の後述する透明基板３０の中心に取り付けられており、固定ハブ１４ｂにより透明基板３０を回転軸１４ａに固定する。そして、モータ１４で蛍光部材１３を回転駆動することにより、蛍光部材１３内の励起光Ｌの照射位置が、励起光Ｌの照射方向に直交する面内において回転数に対応した速度で時間的に移動する。

上述のように蛍光部材１３をモータ１４で回転駆動して蛍光部材１３内の励起光Ｌの照射位置を時間とともに移動させることにより、照射位置の温度上昇を抑制することができ、蛍光体層３２の発光効率の低下を防止することができる。また、蛍光体原子が励起光Ｌを吸収して発光するまでに多少時間（例えば数ｎｓｅｃ程度）が掛かり、その励起期間中に、次の励起光Ｌが蛍光体原子に照射されてもその励起光Ｌに対しては発光しない。しかしながら、本実施形態のように蛍光部材１３内の励起光Ｌの照射位置を時間とともに移動させることにより、励起光Ｌの照射位置には、励起されていない蛍光体原子が次々と配置されることになり、蛍光体層３２をより効率よく発光させることができる。

なお、本実施形態では、モータ１４により蛍光部材１３を回転駆動する例を示すが、本発明はこれに限定されず、蛍光部材１３中の励起光Ｌの照射位置が時間とともに移動する構成であれば任意の構成にすることができる。例えば、蛍光部材１３を、励起光Ｌの照射方向に直交する面内（後述する蛍光体層３２の励起光Ｌの照射面内）の所定方向に直線的に往復運動させることにより、励起光Ｌの照射位置を時間とともに移動させてもよい。また、蛍光部材１３を固定し、励起光源１１を蛍光部材１３に対して相対的に移動させることにより、励起光Ｌの照射位置を時間とともに移動させてもよい。

第２集光光学系１５は、蛍光部材１３から射出された光（白色光ＬＷ）を集光して平行光に変換する。そして、第２集光光学系１５は、平行光を光学エンジン部２の分光光学系２０に導く。なお、第２集光光学系１５は、１枚のコリメートレンズで構成してもよいし、複数のレンズを用いて入射光を平行光に変換する構成にしてもよい。また、蛍光部材１３からの発光光は、ランバーシアン（均等拡散）状に広がる光であるので、第２集光光学系１５と蛍光部材１３（より詳細には後述する蛍光体層３２）との間の距離はできる限り短くすることが好ましい。

なお、本実施形態では、光源装置部１内に、第１集光光学系１２及び第２集光光学系１５を備える例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、光源装置部１からの出射光の出力が小さくても問題のない用途等に本実施形態の光源装置部１を適用する場合には、第１集光光学系１２及び第２集光光学系１５のいずれか一方又は両方を備えない構成にしてもよい。

［３．蛍光部材の構成例］
次に、蛍光部材１３のより詳細な構成を、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、図２（ａ）は、第２集光光学系１５側から見た蛍光部材１３の正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図であり、図２（ｃ）は、第１集光光学系１２側から見た蛍光部材１３の正面図である。

蛍光部材１３は、円盤状の透明基板３０と、透明基板３０の一方の表面上に形成された反射膜３１及び蛍光体層３２（蛍光体）と、透明基板３０の他方の表面上に形成された反射防止膜３３とを有する。

透明基板３０は、例えばガラス、透明樹脂等の透明材料で形成される。なお、透明基板３０の厚さ等のサイズは、例えば必要とする透過率、強度等を考慮して適宜設定される。

反射膜３１は、図２（ａ）に示すように、透明基板３０の一方の表面上にドーナツ状に形成される。そして、ドーナツ状の反射膜３１と透明基板３０とが同心円となるように、反射膜３１が透明基板３０上に配置される。なお、反射膜３１の半径方向の幅は、第１集光光学系１２により集光される励起光Ｌ（集光光）のスポットサイズより大きくなるように設定される。

また、反射膜３１は、蛍光体層３２で励起された光（発光光）を第２集光光学系１５側に反射するだけでなく、蛍光体層３２内で散乱及び反射された励起光Ｌ（青色光）も第２集光光学系１５側に反射する。

ここで、図３に、反射膜３１の一構成例を示す。反射膜３１は、例えばＳｉＯ２層やＭｇＦ２層等からなる第１の誘電体層３１ａと、例えばＴｉＯ２層やＴａ２Ｏ３層等からなる第２の誘電体層３１ｂとを透明基板３０上に交互に積層して形成される。すなわち、反射膜３１は、ダイクロイックミラー（ダイクロイック膜）で構成することができる。なお、第１の誘電体層３１ａ及び第２の誘電体層３１ｂの積層数は、通常、数層〜数十層である。また、第１の誘電体層３１ａ及び第２の誘電体層３１ｂは、例えば蒸着法やスパッタ法等の積層手法を用いて形成される。

反射膜３１を例えば図３に示すようなダイクロイックミラーで構成した場合には、各誘電体層の積層数、各誘電体層の厚さ、各誘電体層の形成材料等を調整することにより、反射膜３１に入射する光の透過率（反射率）の入射角依存性を設定しやすくなる。図４に、本実施形態で用いる反射膜３１の光透過率の入射角依存性の一例を示す。図４に示す特性の横軸は入射光の波長であり、縦軸は透過率である。

図４に示す例では、反射膜３１は、赤色光及び緑色光を含む波長帯域（約４８０〜６８０ｎｍに渡る波長領域）の光を、その入射角θに関係なく選択的に反射するように設計されている。それゆえ、赤色光及び緑色光を含む波長帯域の光（蛍光体層３２からの発光光）に対しては、その光の入射角θに関係なく、透過率が略零となる。すなわち、赤色光及び緑色光を含む波長領域の光は、入射角θに関係なく、反射膜３１で全て反射される。

一方、波長４４５ｎｍの青色光（励起光Ｌ）に対しては、その入射角θが約２０度以下であるときに青色光が透過し、入射角θが約２０度より大きい場合には青色光が反射されるように、反射膜３１が設計されている。それゆえ、図４に示すように、青色光（励起光Ｌ）の波長４４５ｎｍ（太破線）では、光の入射角θが０度（実線）及び１５度（破線）の時は、透過率が大きくなる。また、青色光の入射角θが３０度（一点鎖線）、４５度（点線）及び６０度（二点鎖線）の時は、波長４４５ｎｍにおける透過率が小さくなる。すなわち、蛍光体層３２内で散乱及び反射された励起光Ｌのうち、約２０度より大きな入射角θで反射膜３１に入射する励起光成分は、反射膜３１で第２集光光学系１５に向かう方向に反射される。

なお、上述のように、反射膜３１の透過率の入射角依存性に応じて第１集光光学系１２の構成が設計される。例えば、反射膜３１が、図４に示すような透過率の入射角依存性を有する場合には、励起光Ｌの利用効率を低下させないために、集光された励起光Ｌの入射角θが、約２０度以下になるように、第１集光光学系１２が設計される。

蛍光体層３２は、励起光Ｌの入射により、所定波長帯域の光を発光する層状の蛍光体である。本実施形態では、励起光Ｌの透過光と蛍光体層３２での発光光とを合波して白色光ＬＷを生成するので、蛍光体層３２としては、例えばＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet
）系蛍光材料等で形成する。この場合、青色の励起光Ｌが入射されると、蛍光体層３２からは波長４８０〜６８０ｎｍの帯域の光（黄色光）が発光される。なお、蛍光体層３２としては、赤色光及び緑色光を含む波長帯域の光を発光する膜であれば、任意の材料で構成することができるが、発光効率及び耐熱性の観点ではＹＡＧ系蛍光体材料を用いることが好ましい。

また、蛍光体層３２は、蛍光材料とバインダとを混合した所定の蛍光剤を反射膜３１上に塗布することにより形成される。図２（ａ）〜（ｃ）に示す例では蛍光体層３２を反射膜３１の全面に渡って形成するので、蛍光体層３２の表面形状もドーナッツ状となる。なお、蛍光体層３２は、励起光Ｌが入射される領域に形成されていればよいので、蛍光体層３２の形状は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す例に限定されず、例えば、蛍光体層３２の半径方向の幅が、反射膜３１のそれより狭くてもよい。

また、蛍光体層３２での発光量及び励起光Ｌの透過量は、例えば蛍光体層３２の厚さや蛍光体密度（含有量）等により調整することができる。それゆえ、本実施形態では、光源装置部１からの出射光が白色光となるように、蛍光体層３２の厚さや蛍光体密度等を調整する。

反射防止膜３３は、透明基板３０の励起光Ｌの入射側表面に設けられ、励起光Ｌの集光光を蛍光部材１３に入射した際に、その入射面で発生する励起光Ｌの反射を防止する。これにより、励起光Ｌの利用効率を向上させることができる。

なお、上記実施形態では、蛍光部材１３に、反射膜３１及び反射防止膜３３を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、光源装置部１からの出射光の出力が小さくても問題のない用途等に本実施形態の光源装置部１を適用する場合には、反射膜３１及び反射防止膜３３のいずれか一方又は両方を備えない構成にしてもよい。さらに、上記実施形態の蛍光部材１３では、透明基板３０上に反射膜３１を介して層状の蛍光体（蛍光体層３２）を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、蛍光体を十分な剛性を有する板状部材で構成した場合には、透明基板３０を設けなくてもよい。

［４．光源装置部の動作例］
図５に、本実施形態の光源装置部１の動作の様子を示す。本実施形態の光源装置部１では、まず、励起光源１１から射出された励起光Ｌ（この例では青色光）を、第１集光光学系１２で集光する。そして、その集光光（集光された励起光Ｌ）は、蛍光部材１３の反射防止膜３３側から所定の入射角θで蛍光部材１３に入射される。なお、本実施形態では、モータ１４により、蛍光部材１３を所定の回転数で回転させた状態で、集光光を蛍光部材１３に照射する。

蛍光部材１３に入射された集光光は、反射防止膜３３、透明基板３０及び反射膜３１を通過して蛍光体層３２に入射される。なお、上述のように、反射膜３１は、所定の入射角θ以下の励起光Ｌを透過するように設計されているので、蛍光部材１３に入射された集光光は、反射膜３１で反射されない。

そして、集光光（励起光Ｌ）が蛍光体層３２に入射されると、その一部は、蛍光体層３２を通過するが、残りは、主に、蛍光体層３２で吸収される。この吸収された励起光Ｌにより、蛍光体層３２が励起され、蛍光体層３２から所定波長帯域の光（この例では赤色光及び緑色光を含む黄色光）が発光する。この結果、励起光Ｌの透過成分と、蛍光体層３２からの発光光とが合波され、蛍光体層３２から白色光が射出される。

なお、この際、蛍光体層３２の発光光は、第２集光光学系１５に向かう方向だけでなく、透明基板３０に向かう方向にも射出される。また、蛍光体層３２に入射された励起光Ｌの一部は、蛍光体層３２内で透明基板３０に向かう方向にも散乱及び反射される。しかしながら、本実施形態の蛍光部材１３では、上述のように、透明基板３０と蛍光体層３２との間に反射膜３１を設けているので、透明基板３０に向かう方向に射出された発光光及び励起光成分は、反射膜３１により第２集光光学系１５に向かう方向に反射される。この際、反射膜３１で反射された励起光成分は、蛍光体層３２で吸収され、さらに蛍光体層３２を発光させる。それゆえ、本実施形態のように、透明基板３０と蛍光体層３２との間に反射膜３１を設けた場合には、励起光Ｌの利用効率を向上させることができ、発光光の光量をより増大させることができる。

また、実際に、本発明者は、光源装置部１の各部のパラメータを次のように設定して、光源装置部１からの出射光のスペクトル特性を調べた。
励起光源１１（青色レーザ）の波長：４４５ｎｍ
励起光Ｌの集光径：１ｍｍ
励起光Ｌの入射角θ：２０度以下
蛍光部材１３の回転数：３０００ｒｐｍ
第２集光光学系１５及び蛍光体層３２間の距離：１ｍｍ以下
透明基板３０の形成材料：ガラス
透明基板３０の直径：３０ｍｍ
反射膜３１の透過特性：図４に示す特性
蛍光体層３２の形成材料：ＹＡＧ系蛍光体
蛍光体層３２の厚さ：５０μｍ
蛍光体層３２の幅：５ｍｍ

図６に、上記条件で得られた光源装置部１からの出射光のスペクトル特性を示す。なお、図６に示す特性では、横軸が波長であり、縦軸が出射光の強度（任意単位）である。図６から明らかなように、上記条件では、出射光に、波長４４５ｎｍ付近の光成分（青色光成分）と、約４８０〜６８０ｎｍに渡る波長領域の光成分、すなわち、赤色光成分及び緑色光成分を含む光成分とが含まれていることが分かる。このことからも、本実施形態の光源装置部１から、白色光ＬＷが出射されていることが分かる。

上述のように、本実施形態では、固体発光素子を用いて白色光を光源装置部１から射出することができる。それゆえ、本実施形態は、例えば３ＬＣＤ方式のプロジェクタ等のように、白色光を射出する光源装置を必要とする用途にも適用可能である。すなわち、本実施形態では、様々な用途に適用可能な水銀レスの光源装置部１（照明装置）及びそれを備える画像表示装置１０を提供することができる。

本実施形態の光源装置部１は、水銀ランプを用いる必要が無いので、近年の環境問題に対応することができる。また、本実施形態では、水銀ランプに比べてより長寿命で且つ輝度低下も小さい光源装置部１及び画像表示装置１０を提供することができる。さらに、本実施形態のように、励起光源１１に固体発光素子を用いた場合には、水銀ランプに比べて点灯時間をより短縮することができる。

また、本実施形態の光源装置部１のように励起光源１１として半導体レーザを用いた場合には、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の固体光源に比べても、十分高輝度の光を射出することができ、高輝度光源の実現が可能になる。さらに、本実施形態のように、青色光レーザで蛍光体層３２を発光させて白色光ＬＷを生成する構成は、赤色光、緑色光及び青色光の各固体光源を個別に用意して白色光を生成する構成に比べてより安価である。

上記実施形態では、光源装置部１（照明装置）を３ＬＣＤ方式のプロジェクタに適用する例を説明したが、本発明はこれに限定されず、白色光を必要とする任意の画像表示装置に適用可能であり、同様の効果が得られる。

また、上記実施形態では、光源装置部１（照明装置）の出射光を白色光とする例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、出射光としてシアン光（またはマゼンダ光）を必要とする用途では、励起光Ｌとして青色光を用い、蛍光体層３２を緑色光（または赤色光）のみを発光する蛍光材料で形成すればよい。すなわち、必要とする出射光の波長（色）に応じて、励起光Ｌの波長と蛍光体層３２の形成材料との組み合わせを適宜選択すればよい。

１…光源装置部（照明装置）、２…光学エンジン部（画像投影部）、１０…画像表示装置、１１…励起光源、１２…第１集光光学系、１３…蛍光部材、１４…モータ、１５…第２集光光学系、２０…分光光学系、２１…第１ＬＣＤパネル、２２…第２ＬＣＤパネル、２３…第３ＬＣＤパネル、２４…プリズム、２５…投影光学系、３０…透明基板、３１…反射膜、３２…蛍光体層（蛍光体）、３３…反射防止膜

Claims (12)

1. 第１の色光を含む励起光を射出する励起光源と、
   回転軸を中心に回転可能であって、入射した前記励起光が透過する基板と、前記基板に対して前記励起光の入射側に形成され、前記励起光の反射を防止する反射防止膜と、前記基板の回転円周方向に、前記基板の回転時に前記励起光の照射位置に励起されていない蛍光体原子が次々と配置され、かつ蛍光体から出射される前記第１の色光と、前記第１の色光とは異なる第２の色光とが合波されて白色光になるように厚さを調整して形成され、単一の発光特性を有し、前記励起光が入射されることにより前記励起光の少なくとも一部を前記第２の色光に変換する前記蛍光体と、前記蛍光体に対して前記励起光の入射側に形成され、所定角度以下の入射角の前記励起光が透過するとともに、前記第２の色光の入射角に関係なく前記第２の色光を反射する反射膜と、を有する蛍光部材と、
   前記励起光源と前記蛍光部材との間の光路上に設けられ、前記励起光源から射出された前記励起光を集光し、前記蛍光体に前記励起光を照射する第１光学系と、
   前記基板に固定された前記回転軸を駆動して前記基板を回転させることで前記蛍光部材を回転させる駆動部と、を備え、
   前記蛍光部材は、前記駆動部が前記回転軸を駆動することにより、前記励起光が前記回転円周方向の一周に渡って前記蛍光体に照射される間、前記蛍光体を通過した前記第１の色光、及び、前記第２の色光を出射する
   光源装置。
2. 前記反射膜は、前記所定角度より大きい入射角で入射した前記励起光を反射し、前記蛍光体で発光された前記第２の色光を前記反射膜への入射角に関係なく選択的に反射する
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１光学系は、前記励起光の前記反射膜への入射角が前記所定角度以下になるように前記励起光を集光する
   請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記所定角度が２０度である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の光源装置。
5. 前記第１光学系は、前記蛍光体上に照射される前記励起光のスポット径が所定のスポット径となるように前記励起光を集光し、
   前記スポット径が、前記蛍光体の特性に基づいて決定される
   請求項１〜４のいずれか１項に記載の光源装置。
6. さらに、前記蛍光体から出射される前記第１の色光及び前記第２の色光を平行光に変換する第２光学系を備える
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の光源装置。
7. 前記第２光学系と前記蛍光体との間の距離は、１ｍｍ以下である
   請求項６に記載の光源装置。
8. 前記第１の色光は、青色光成分を含む第１の波長帯にピーク波長を有し、
   前記第２の色光は、前記第１の波長帯とは異なる緑色光成分及び赤色光成分を含む第２の波長帯にピーク波長を有し、
   前記蛍光体から前記第１の色光及び前記第２の色光からなる白色光が出射される
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の光源装置。
9. 前記第１の波長帯が４３０〜４８０ｎｍであり、前記第２の波長帯が４８０〜６８０ｎｍである
   請求項８に記載の光源装置。
10. 第１の色光を含む励起光を射出する励起光源と、
    回転軸を中心に回転可能であって、入射した前記励起光が透過する基板と、前記基板に対して前記励起光の入射側に形成され、前記励起光の反射を防止する反射防止膜と、前記基板の回転円周方向に、前記基板の回転時に前記励起光の照射位置に励起されていない蛍光体原子が次々と配置され、かつ蛍光体から出射される前記第１の色光と、前記第１の色光とは異なる第２の色光とが合波されて白色光になるように厚さを調整して形成され、単一の発光特性を有し、前記励起光が入射されることにより前記励起光の少なくとも一部を前記第２の色光に変換する前記蛍光体と、前記蛍光体に対して前記励起光の入射側に形成され、所定角度以下の入射角の前記励起光が透過するとともに、前記第２の色光の入射角に関係なく前記第２の色光を反射する反射膜と、を有する蛍光部材と、
    前記励起光源と前記蛍光部材との間の光路上に設けられ、前記励起光源から射出された前記励起光を集光し、前記蛍光体に前記励起光を照射する第１光学系と、
    前記基板に固定された前記回転軸を駆動して前記基板を回転させることで前記蛍光部材を回転させる駆動部と、を有する光源装置部と、
    前記光源装置部から射出された光を３つの光変調素子を用いて変調し、所定の画像光を生成し、該生成した画像光を外部に投影する画像投影部と、を備え、
    前記蛍光部材は、前記駆動部が前記回転軸を駆動することにより、前記励起光が前記回転円周方向の一周に渡って前記蛍光体に照射される間、前記蛍光体を通過した前記第１の色光、及び、前記第２の色光を出射する
    画像投影装置。
11. 前記反射膜は、前記所定角度より大きい入射角で入射した前記励起光を反射し、前記蛍光体で発光された前記第２の色光を前記反射膜への入射角に関係なく選択的に反射する
    請求項１０に記載の画像投影装置。
12. 前記第１の色光は、青色光成分を含む第１の波長帯にピーク波長を有し、
    前記第２の色光は、前記第１の波長帯とは異なる赤色光成分及び緑色光成分を含む第２の波長帯にピーク波長を有し、
    前記３つの光変調素子は、前記青色光成分を有する光を変調する第１の光変調素子と、
    前記赤色光成分を有する光を変調する第２の光変調素子と、前記緑色光成分を有する光を変調する第３の光変調素子と、で構成される
    請求項１０又は１１に記載の画像投影装置。

Images