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WO2015111145A1 - 光源装置およびこれを用いた映像表示装置 - Google Patents

光源装置およびこれを用いた映像表示装置 Download PDF

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Publication number
WO2015111145A1
WO2015111145A1 PCT/JP2014/051181 JP2014051181W WO2015111145A1 WO 2015111145 A1 WO2015111145 A1 WO 2015111145A1 JP 2014051181 W JP2014051181 W JP 2014051181W WO 2015111145 A1 WO2015111145 A1 WO 2015111145A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
light source
excitation light
source device
excitation
Prior art date
Application number
PCT/JP2014/051181
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
康彦 國井
智也 三澤
啓 安達
Original Assignee
日立マクセル株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日立マクセル株式会社 filed Critical 日立マクセル株式会社
Priority to PCT/JP2014/051181 priority Critical patent/WO2015111145A1/ja
Priority to JP2015558628A priority patent/JPWO2015111145A1/ja
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
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    • H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
    • H04N9/3141—Constructional details thereof
    • H04N9/315—Modulator illumination systems
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/007—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light
    • G02B26/008—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements the movable or deformable optical element controlling the colour, i.e. a spectral characteristic, of the light in the form of devices for effecting sequential colour changes, e.g. colour wheels
    • G—PHYSICS
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Definitions

  • the present invention relates to a light source device and a video display device using the same.
  • Patent Document 1 excitation light (blue laser light) emitted from a light source is applied to a disk (phosphor wheel) on which a phosphor is formed, and a plurality of fluorescent lights (red light and green light) are emitted.
  • a configuration for use as illumination light is disclosed.
  • Patent Document 2 a polarizing means is provided between the solid light source and the phosphor film, and the electric field vector of the excitation light from the solid light source determines the incident direction of the excitation light to the phosphor film and the incident surface of the phosphor film.
  • a configuration is disclosed in which excitation light from a solid-state light source is polarized so as to be parallel to a plane formed by the normal line (that is, P-polarized light).
  • Patent Document 2 On the other hand, as described in Patent Document 2, a part of the excitation light incident on the phosphor film is reflected on the surface of the phosphor film, resulting in light loss, but the reflectance is in the polarization state of the excitation light.
  • the S-polarized light has a higher reflectance than the P-polarized light. Therefore, in Patent Document 2, a polarizing means is provided between the solid light source and the phosphor film so that the excitation light becomes P-polarized light.
  • Patent Document 2 is effective when a single light source (light emitting element) is used, but cannot be applied as it is when a plurality of light sources or planar light sources are used. That is, even if a plurality of light sources are arranged in the plane and the polarization means is provided, the excitation light incident on the phosphor film from each light source is condensed and the incident direction becomes radial. The state is a mixture of P-polarized light and S-polarized light, and an intermediate state therebetween, and eventually the meaning of providing polarizing means is lost. Rather, optical loss occurs when the polarizing means is inserted.
  • An object of the present invention is to provide a light source device having a plurality of light sources (or planar light sources) and a phosphor film, and an image display device using the same, to suppress the reflection of excitation light from the phosphor film and to emit fluorescent light. To improve efficiency.
  • the present invention relates to a light source device including an excitation light source that generates excitation light, a condenser lens that collects the excitation light, and a phosphor film that emits fluorescence light by irradiating the condensed excitation light. Is configured to be incident in a radial direction with respect to the condenser lens, and the excitation light condensed by the condenser lens is incident on the phosphor film as P-polarized light.
  • a light source device with less loss of illumination light and less color shift is realized by suppressing the reflection of excitation light from the phosphor film and improving the luminous efficiency of fluorescent light. Further, by using this light source device, a high-performance projection display apparatus is realized.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a light source device in Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 4 is a diagram illustrating an example of spectral characteristics of a mirror 4.
  • FIG. FIG. 3 is a schematic diagram showing a structure of a phosphor film 2.
  • FIG. The figure explaining the definition of a polarization state.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a light source device according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a light source device in Embodiment 3.
  • FIG. 9 is a configuration diagram of a projection display apparatus according to a fourth embodiment.
  • FIG. 10 is another configuration diagram of a projection display apparatus according to Embodiment 4.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a light source device according to the first embodiment.
  • the light source device 100 includes an excitation light source 5, a mirror 4, a condenser lens 3, and a phosphor wheel 1 as main components.
  • the excitation light source 5 includes a plurality of solid-state light emitting elements such as semiconductor lasers, and emits, for example, blue laser light as excitation light.
  • the plurality of solid-state light emitting elements 50 in the excitation light source 5 are arranged with their light emitting surfaces (PN junction surfaces) substantially radially with respect to the center of the optical axis, and the polarization direction of each excitation light depends on the condenser lens 3. It is comprised so that it may face radially.
  • the arrangement configuration of the solid state light emitting device 50 will be described in detail with reference to FIG.
  • Excitation light 10 (shown by a solid line) emitted from the excitation light source 5 becomes substantially parallel light by the collimator lens 6 and enters the mirror 4.
  • the mirror 4 is composed of two regions in order to reflect the excitation light from the excitation light source 5 and transmit the fluorescence light from the phosphor wheel 1.
  • the first region is a dichroic coat region 41 having a characteristic of reflecting the wavelength region of excitation light (blue) and transmitting the wavelength region of fluorescent light (red, yellow, green).
  • the second region is a wide wavelength transmission region 42 that transmits both the excitation light and fluorescent light wavelength regions.
  • the first region has a smaller area than the second region.
  • Rotating phosphor wheel 1 is formed with phosphor film 2 that is excited by excitation light 10 and emits fluorescent light of a predetermined color.
  • the disk surface is divided into a plurality of regions in the circumferential direction, and red, yellow, and green phosphor films 21 to 23 are formed in each region.
  • a diffuse reflection part 24 that diffuses and reflects the excitation light 10 is provided on the disk surface.
  • the excitation light 10 When the excitation light 10 is received, fluorescent light of three colors of red, yellow and green is generated from each of the phosphor films 21 to 23 of the phosphor wheel 1, and diffused diffuse excitation light is generated from the diffuse reflector 24. In either case, the light is converted into substantially parallel light by the condenser lens 3 and enters the mirror 4.
  • Fluorescent light incident on the mirror 4 is transmitted through any region of the dichroic coat region 41 and the wide wavelength transmission region 42 in the mirror 4.
  • the diffuse excitation light incident on the mirror 4 is reflected by the dichroic coat region 41 but is transmitted by the wide wavelength transmission region 42.
  • all of the fluorescent light and most of the diffusion excitation light become illumination light 11 and are emitted downward in the drawing.
  • both the fluorescent light and the diffuse excitation light generated by the phosphor wheel 1 are emitted from the phosphor wheel 1 to the same side (downward in the drawing), and most of the light passes through the mirror 4 and becomes illumination light.
  • FIG. 2 is a diagram showing two specific examples of the mirror 4.
  • a dichroic coat region 41 hatchched portion
  • the wide wavelength transmission region 42 white portion
  • the dichroic coat region 41 has the property of reflecting the wavelength range of excitation light (blue) and transmitting the wavelength range of fluorescent light (red, yellow, green).
  • the wide wavelength transmission region 42 transmits both the excitation light and the fluorescence light.
  • the number, size, and arrangement of the dichroic coat region 41 are determined in accordance with the number, shape, and position of the incident spot 10a (black) of the excitation light 10 from the excitation light source 5. Therefore, all the excitation light 10 from the excitation light source 5 goes to the phosphor wheel 1.
  • fluorescent light and diffused excitation light that is, illumination light 11
  • illumination light 11 fluorescent light and diffused excitation light
  • spot 11a spot
  • fluorescent light passes through the entire spot 11a and becomes illumination light.
  • the diffusion excitation light cannot be transmitted through a part of the light incident on the dichroic coat region 41 but is lost by the illumination light. However, most of the diffusion excitation light incident on the wide wavelength transmission region 42 is transmitted. And become illumination light.
  • a dichroic coat region 41 (shaded portion) is provided in a rectangular (or square) shape at the center of the incident surface of the mirror 4b, and the other portion is a wide wavelength transmission region 42 (white portion).
  • the incident spot 10a (black) of the excitation light 10 from the excitation light source 5 is small, and all the spots 10a can be stored in one dichroic coat region 41.
  • the area of the dichroic coat region 41 can be made smaller, so that the loss of illumination light by the dichroic coat region 41 becomes smaller.
  • the mirrors 4 a and 4 b of the present embodiment selectively provide the dichroic coat region 41 in the wide wavelength transmission region 42, thereby reflecting the excitation light 10 from the excitation light source 5 to the phosphor wheel 1.
  • the diffused excitation light from the phosphor wheel 1 can be transmitted and used as illumination light.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating an example of the spectral characteristics of the mirror 4, where the horizontal axis indicates the wavelength and the vertical axis indicates the transmittance.
  • the blue wavelength region (about 420 to 470 nm) is not transmitted, but the larger wavelength region (red, yellow, green) is transmitted.
  • Such spectral characteristics can be realized by using a dielectric multilayer film (TiO 2 , SiO 2, etc.).
  • FIG. 4 is a diagram showing a specific example of the phosphor wheel 1.
  • the phosphor wheel 1 is divided into, for example, four segments in the circumferential direction, and a red phosphor film 21, a yellow phosphor film 22, and a green phosphor film 23 are applied to each segment as the phosphor film 2.
  • the segment is a diffusive reflector 24 in which a diffusing function is applied to the reflecting mirror.
  • Each of the phosphor films 21, 22, and 23 receives the excitation light 10 and emits red, yellow, and green fluorescent light, respectively.
  • the diffusion function of the diffuse reflection part 24 is that the base material of the phosphor wheel 1 is mirror-reflected by silver vapor deposition or the like, and a highly heat-resistant transmission diffusion plate is pasted thereon, or a diffuser (paste or the like) on the reflective surface It is possible to apply.
  • the diffusing plate diffusing material
  • the surface of the reflection surface itself may be provided with fine irregularities so as to have a function of diffusing simultaneously with reflection.
  • the combination of the excitation light color and the phosphor color, the number of segments, and the shape (angle) of the segments are not limited to the above examples, and may be appropriately changed according to the required illumination light specifications. It ’s fine. For example, generating blue laser light from the excitation light source, removing yellow phosphor from the phosphor wheel to generate red and green fluorescent light, or adding other colors such as cyan and magenta as the phosphor Is also possible.
  • FIG. 5 is a schematic diagram showing the structure of the phosphor film 2.
  • the phosphor film 2 is bonded and fixed to the base material 27 after the phosphor particles 25 are molded into a necessary shape with a resin 26.
  • (A) is a structure in which the phosphor particles 25 are dispersed in the resin 26.
  • the phosphor particles 25 are covered with a resin 26, and the particle diameter of the phosphor particles 25 is several ⁇ m to several tens ⁇ m, and the film thickness of the phosphor film 2 is several hundred ⁇ m.
  • (B) shows a structure in which a resin 26 is laminated on the phosphor particle 25 layer. What is shown here is an example, and a reflective layer may be provided between the phosphor film 2 and the substrate 27, or an antireflection layer may be provided on the surface of the phosphor film 2.
  • the excitation light 10 passes through the resin 26 and then reaches the phosphor particles 25.
  • a part of the excitation light 10 is reflected on the resin 26, a predetermined amount of fluorescent light is not generated, and unnecessary excitation light is mixed into the fluorescent light, which causes a color shift of the illumination light. Therefore, it is necessary for the excitation light 10 to reach the phosphor particles 25 without being reflected by the resin 26.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example and polarization direction of an excitation light source in the prior art. Here, the case where four solid light emitting elements 51 to 54 are used will be described.
  • (A) shows the arrangement of the solid light emitting elements 51 to 54 in the excitation light source 5 and the polarization directions 51a to 54a thereof. Since the light emitting surfaces of the solid state light emitting devices 51 to 54 are arranged in one direction, the polarization directions 51a to 54a of the excitation light emitted therefrom are the same direction.
  • FIG. (B) shows the relationship between the condensing direction and the polarization direction of the excitation lights 51L to 54L from the respective solid state light emitting elements in the condensing lens 3.
  • FIG. The excitation light incident on the condenser lens 3 is condensed radially by the condenser lens 3 toward the central direction.
  • the condensing direction of each excitation light is indicated by 51b to 54b.
  • the relationship between the condensing directions 51 b to 54 b and the polarization directions 51 a to 54 a differs depending on the passing part in the condensing lens 3.
  • the condensing direction and the polarization direction are parallel (in the same direction), while for the excitation lights 52L and 54L from the light emitting elements 52 and 54, the light is condensed.
  • the direction and the polarization direction are perpendicular.
  • (C) shows the relationship between the incident direction of the excitation light incident on the phosphor film 2 and the polarization direction.
  • the incident direction (incident surface) of each excitation light to the phosphor film 2 is determined by the condensing direction.
  • the excitation lights 51L and 53L from the light emitting elements 51 and 53 are in the P-polarized state because the polarization direction is parallel to the incident plane, and the excitation directions 52L and 54L from the light emitting elements 52 and 54 are in the polarization plane. Since it is vertical, it becomes S-polarized light.
  • FIG. 7 is a diagram for explaining the definition of the polarization state, where (a) shows the P polarization state and (b) shows the S polarization state. If the vibration direction 12 (polarization direction) of the electric field of the incident light (excitation light 10 in this case) is parallel to the incident surface 13, it is P-polarized light, and if it is perpendicular to the incident surface 13, it is S-polarized light.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration example and a polarization direction of the excitation light source 5 in the present embodiment. A case where four solid light emitting elements 51 to 54 are used will be described with reference to FIG.
  • (A) shows the arrangement of the solid light emitting elements 51 to 54 in the excitation light source 5 and the polarization directions 51a to 54a thereof. Since the light emitting surfaces of the respective solid state light emitting devices 51 to 54 are arranged radially with respect to the center of the optical axis, the polarization directions 51a to 54a of the excitation light emitted therefrom are radial (radial direction). Such a polarization state in which the polarization direction is radial is also referred to as radial polarization (radial polarization).
  • FIG. (B) shows the relationship between the condensing direction and the polarization direction of the excitation lights 51L to 54L from the respective solid state light emitting elements in the condensing lens 3.
  • FIG. The excitation light incident on the condenser lens 3 is condensed radially by the condenser lens 3 toward the central direction.
  • the condensing direction of each excitation light is indicated by 51b to 54b.
  • the relationship between the condensing directions 51 b to 54 b and the polarization directions 51 a to 54 a is constant regardless of the passing part in the condensing lens 3. That is, for the excitation lights 51L to 54L from all the light emitting elements 51 to 54, the condensing direction and the polarization direction are parallel (same direction).
  • (C) shows the relationship between the incident direction of the excitation light incident on the phosphor film 2 and the polarization direction.
  • the incident direction (incident surface) of each excitation light to the phosphor film 2 is determined by the condensing direction.
  • the excitation lights 51L to 54L from all the light emitting elements 51 to 54 are in the P polarization state because the polarization direction is parallel to the incident surface.
  • FIG. 9 is a diagram showing the reflectance characteristics of a resin material with the polarization state as a parameter, and shows an example of a silicone resin (refractive index 1.41) as an example. Not only does the reflectance increase as the incident angle ⁇ increases, but the S-polarized light has a higher reflectance than the P-polarized light with respect to the polarization state.
  • the phosphor film 2 is generally formed by mixing phosphor particles 25 and a resin 26, and the resin 26 exists on the surface of the phosphor film 2. Therefore, in order for the excitation light incident on the phosphor film 2 to reach the phosphor particles 25, reflection by the resin 26 must be suppressed. If the excitation light is P-polarized light, the reflection by the resin 26 can be suppressed compared to the case of S-polarized light, and the energy of the excitation light can be efficiently transmitted to the phosphor particles 25.
  • FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the polarization state and the phosphor emission amount.
  • the amount of light reflected from the phosphor film could be reduced to about 1/3.
  • the amount of light emitted from the phosphor could be increased by 30 to 40% by converting the excitation energy that had been lost due to reflection into the phosphor emission.
  • 11 and 12 are diagrams showing another configuration example of the excitation light source 5.
  • the polarization direction is represented by a one-way arrow, and if the directions of the arrows match, the phases also match.
  • FIGS. 11A and 11B are examples in which the solid light emitting elements 50 are arranged in a circular shape.
  • Each solid state light emitting device 50 is arranged on a circular substrate 59 so that the polarization direction 50 a is radial (radial direction) with respect to the central optical axis of the excitation light source 5.
  • the polarization direction when the excitation light passes through the condenser lens 3 is radial polarization, and any excitation light enters the phosphor film 2 as P-polarization.
  • the solid-state light-emitting element 50 ′ disposed opposite to the solid-state light-emitting element 50 across the central optical axis has a light-emitting surface (so that the phase of the excitation light is inverted by 180 ° and does not cancel out.
  • the PN junction surfaces are arranged in the same direction.
  • FIGS. 11C and 11D are examples in which the solid light emitting elements 50 are arranged in a rectangular shape
  • FIGS. 11E and 11F are examples in which other shapes are arranged in a hexagonal shape or a frame shape.
  • the solid-state light emitting elements 50 are arranged on the substrate 59 so that the polarization directions 50a are radial.
  • the solid light emitting elements arranged opposite to the opposite side of the central optical axis are arranged so that the directions of the light emitting surfaces are the same.
  • FIG. 12A and 12B show an example in which the polarization direction at the center of the excitation light source 5 is changed to a specific direction.
  • FIG. 12A is a front view of the excitation light source 5 viewed from the emission side.
  • FIG. 2 is a view of the excitation light source 5 and the mirror 4 from above.
  • the solid light emitting element 51 in the periphery of the excitation light source 5 has a polarization direction 51a that is radial in the XY plane, but the solid light emitting element 52 in the center (inside the broken line circle) has the polarization direction 52a in the Y direction. Aligned.
  • the polarization direction 52 a (Y direction) is perpendicular to the incident surface (XZ plane, mirror tilt direction) to the mirror 4 and is incident as S-polarized light. I made it.
  • the excitation light from the solid-state light emitting element 52 in the central part is incident on the phosphor film 2 as S-polarized light, but since the incident angle ⁇ is small, the polarization direction (P-polarized light and S-polarized light) as shown in FIG.
  • the difference in reflectance due to is small. Rather, it is advantageous to increase the reflection of the excitation light by making it incident on the mirror 4 with S-polarized light in order to increase the amount of light emitted from the phosphor film 2.
  • the size of the region to be switched to S-polarized light (center portion) is such that the difference in reflectance between P-polarized light and S-polarized light is 5% or less, that is, the incident angle ⁇ to the phosphor film 2 is 40 ° or less. It can be determined from the range.
  • the polarization direction of the solid state light emitting device is deviated from the radial direction. Due to restrictions on the design or manufacture of the light source, the polarization direction 53a of some of the solid state light emitting elements 53 does not coincide with the radial direction and is shifted by an angle ⁇ . Even in that case, the P-polarized component is present in the excitation light, which is effective.
  • the ratio of the P-polarized component and the S-polarized component depends on the deviation angle ⁇ from the radial direction. If the deviation angle ⁇ is 45 ° or less, the P-polarized component exceeds the S-polarized component, so that the effect of this embodiment is obtained. be able to.
  • the polarization direction of the solid state light emitting device is realized by two types of arrangements. From the viewpoint of ease of manufacture of the light source, it is desirable that the directions of the solid state light emitting elements be aligned as much as possible and realized with the minimum combination.
  • the above-described conditions are satisfied while combining two kinds of polarization directions (X direction and Y direction). That is, the polarization direction 51a of the solid state light emitting element 51 maintains the radial direction in the peripheral portion, and the polarization direction 53a of the other solid state light emitting element 53 has a deviation angle ⁇ from the radial direction within 45 °.
  • the polarization direction 52a of 52 is S-polarized light.
  • the configuration examples of the excitation light source shown in FIGS. 11 to 12 are representative examples, and a configuration in which these are combined is also possible.
  • excitation light from a plurality of solid state light emitting elements is less likely to be reflected by the phosphor film, the luminous efficiency of fluorescent light is improved, and a light source device with less loss of illumination light and less color shift is realized. it can.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a light source device according to the second embodiment.
  • the basic configuration of the light source device 100 ′ is the same as that of the first embodiment (FIG. 1), except that a wave plate 7 that is a polarization conversion element is disposed between the excitation light source 5 and the mirror 4.
  • Excitation light linearly polarized light
  • polarized in a single direction is emitted from each solid-state light emitting element 50 of the excitation light source 5 and is converted into a radial polarization state by the wave plate 7.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a specific example of the wave plate 7.
  • the wave plate 7 is divided into four in the circumferential direction, and 1 ⁇ 2 wave plates are arranged in the respective regions while changing the angle of the crystal axis.
  • the half-wave plate has a function of converting linearly polarized light of incident light into linearly polarized light that is line-symmetric with respect to the crystal axis.
  • four divided wave plates 71 to 74 having crystal axis angles ⁇ inclined to 22.5 °, 67.5 °, -22.5 °, and -67.5 ° are arranged around the optical axis. ing.
  • the wave plate is divided into eight in the circumferential direction, and the half wave plate is arranged in each region while changing the angle ⁇ of the crystal axis.
  • incident linearly polarized excitation light is converted into radial polarized light (8 directions) depending on the crystal axis direction of each region.
  • the number of divisions may be determined, for example, according to the number and arrangement of the solid state light emitting elements 50. By increasing the number of divisions, it is possible to approximate smooth radial polarization.
  • polarization conversion element using a TN (Twisted Nematic) liquid crystal such as a theta cell manufactured by AROptix may be used.
  • Example 2 it is possible to realize a light source device in which excitation light from a plurality of solid state light emitting elements is hardly reflected by the phosphor film, and there is little loss of illumination light and no color shift.
  • the degree of freedom in design is high by selecting the wave plate 7. Further, there is a merit that can be applied to a planar light source in which the excitation light source is polarized in the same direction.
  • Example 3 describes a case where the positional relationship between the phosphor wheel 1 and the excitation light source 5 is changed and the two are opposed to each other.
  • FIG. 15 is a configuration diagram of the light source device according to the third embodiment.
  • the basic configuration of the light source device 100 ′′ is the same as that of the first embodiment (FIG. 1) and the second embodiment (FIG. 13), but the mirror is obtained by disposing the excitation light source 5 below the drawing and reversing the transmission / reflection characteristics of the mirror 4. 2 ', and the illumination light is emitted to the left of the drawing, that is, the mirror 4' has the configuration shown in Fig. 2, but the region 41 transmits the wavelength region of the excitation light (blue) and is fluorescent.
  • the region 42 has a dichroic characteristic that reflects the wavelength range of light (red, yellow, green), and the region 42 has a wide wavelength reflection property that reflects both the excitation light and fluorescent light wavelength regions. Then, the vertical axis of the spectral characteristics shown in FIG. 3 is reversed, that is, the vertical axis is replaced from transmittance to reflectance.
  • the excitation light emitted from each solid state light emitting device 50 of the excitation light source 5 is radially polarized as in the first embodiment (FIG. 1).
  • the excitation light 10 passes through the dichroic coat region 41 of the mirror 4 ′, is condensed by the condenser lens 3, and enters the phosphor wheel 1.
  • fluorescent light of three colors of red, yellow, and green is generated from the phosphor film 2 of the phosphor wheel 1, and diffused diffuse excitation light is generated from the diffuse reflection portion.
  • Fluorescent light incident on the mirror 4 ′ is reflected in any region of the dichroic coat region 41 and the wide wavelength reflection region 42 in the mirror 4 ′.
  • the diffuse excitation light incident on the mirror 4 ′ is transmitted through the dichroic coat region 41, but is reflected from the wide wavelength reflection region 42.
  • all of the fluorescent light and most of the diffusion excitation light become illumination light 11 and are emitted to the left of the drawing.
  • the wavelength plate 7 is arranged between the excitation light source 5 and the mirror 4 'as in the second embodiment (FIG. 13).
  • Excitation light linearly polarized light
  • polarized in a single direction is emitted from the solid-state light emitting element 50 of the excitation light source 5 and is converted into radially polarized excitation light 10 by the wave plate 7.
  • the subsequent operation is the same as in FIG.
  • Example 3 too, excitation light from a plurality of solid state light emitting elements is less likely to be reflected by the phosphor film, and a light source device with little loss of illumination light and less color shift can be realized.
  • Example 3 is suitable when the phosphor wheel and the excitation light source are arranged to face each other.
  • the condensing lens 3 that condenses the excitation light on the phosphor film 2 is assumed to be a convex lens, but there may be a case where the condensing lens 3 condenses on a linear region with a cylindrical lens.
  • the polarization direction of the excitation light from each solid-state light emitting element may be the radial direction of the cylindrical lens (perpendicular to the cylinder axis).
  • FIG. 16 is a configuration diagram of a projection display apparatus according to the fourth embodiment.
  • the light source device 100 has the same configuration as that of the first embodiment (FIG. 1), and the description thereof is omitted.
  • the illumination light (fluorescent light and diffuse excitation light) 11 transmitted through the mirror 4 of the light source device 100 is condensed by the condenser lens 63 and enters the dichroic mirror 64.
  • the dichroic mirror 64 transmits green light (hereinafter referred to as G light) and blue light (hereinafter referred to as B light) and reflects red light (hereinafter referred to as R light). Accordingly, the G light and the B light are transmitted through the dichroic mirror 64 and enter the multiple reflection element 65.
  • a red light source 60 is provided to supplement the amount of R light.
  • the R light emitted from the red light source 60 becomes substantially parallel by the collimator lens 61, is collected by the condenser lens 62, is reflected by the dichroic mirror 64, and enters the multiple reflection element 65.
  • the R light, G light, and B light incident on the multiple reflection element 65 are reflected a plurality of times within the multiple reflection element 65 and become light having a uniform illuminance distribution.
  • the R light, G light, and B light emitted from the exit aperture surface of the multiple reflection element 65 are transmitted through the condenser lens 66, reflected by the reflection mirror 67, and then irradiated onto the image display element 68 with a uniform illuminance distribution. .
  • the video display element 68 uses a digital mirror device (DMD, name of Texas Instruments), for example, and irradiates it with R light, G light, and B light in a time-sharing manner.
  • DMD digital mirror device
  • the excitation light source 5 and the red light source 60 have a solid-state light emitting element with a fast response speed and can be time-division controlled. Therefore, each color light is modulated by the video display element 68 in a time division manner for each video signal of each color light.
  • Each color light reflected by the image display element 68 becomes image light, enters the projection lens 69, and is projected on a screen (not shown).
  • the brightness of the specific color is ensured by using the red light source 60 in addition to the light source device 100, but it is of course possible to use only the light source device 100 without using the red light source 60.
  • the dichroic mirror 64 may be deleted, each color light emitted from the phosphor wheel 1 may be used, and the video display element 68 may be operated in synchronization therewith.
  • FIG. 17 is another configuration diagram of the projection display apparatus according to the fourth embodiment.
  • a liquid crystal panel corresponding to three colors (R, G, B) is used as an image display element.
  • the light source device 100 has the same configuration as that of the first embodiment (FIG. 1), and the description thereof is omitted.
  • the illumination light (fluorescence light and diffuse excitation light) 11 transmitted through the mirror 4 of the light source device 100 is uniformly illuminated by the fly-eye lens 80, passes through the lens 81, and proceeds to the color separation optical system.
  • the color separation optical system separates the illumination light emitted from the light source device 100 into R light, G light, and B light, and guides them to the corresponding liquid crystal panels.
  • the B light reflects off the dichroic mirror 82 and enters the B light liquid crystal panel 92 via the reflection mirror 83 and the field lens 89.
  • the G light and the R light are separated by the dichroic mirror 84 after passing through the dichroic mirror 82.
  • the G light is reflected by the dichroic mirror 84, passes through the field lens 90, and enters the G light liquid crystal panel 93.
  • the R light passes through the dichroic mirror 84 and enters the R light liquid crystal panel 94 via the relay lenses 87 and 88, the reflection mirrors 85 and 86, and the field lens 91.
  • Each liquid crystal panel 92, 93, 94 modulates each incident color light according to each video signal to form an optical image of each color light.
  • the optical image of each color light enters the color synthesis prism 95.
  • a dichroic film that reflects B light and a dichroic film that reflects R light are formed in a substantially X shape.
  • the B light and R light incident from the liquid crystal panels 92 and 94 are reflected by the dichroic film for B light and the dichroic film for R light, respectively.
  • the G light incident from the liquid crystal panel 93 passes through each dichroic film.
  • optical images of the respective color lights are combined and emitted as color video light.
  • the combined light emitted from the color combining prism 95 enters the projection lens 96 and is projected on a screen (not shown).
  • FIGS. 16 and 17 it goes without saying that the light source devices 100 ′ and 100 ′′ according to the second embodiment (FIG. 13) and the third embodiment (FIG. 15) may be used instead of the light source device 100.
  • a light source apparatus with little illumination light loss and color shift is used, so that a high-performance projection display apparatus is realized.

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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

光源装置およびこれを用いた映像表示装置
　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。
特開２０１１－１３３１３号公報 特開２０１２－１９０６２８号公報
　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
実施例１における光源装置の構成図。 ミラー４の具体例を示す図。 ミラー４の分光特性の一例を示す図。 蛍光体ホイール１の具体例を示す図。 蛍光体膜２の構造を示す模式図。 従来の励起光源５の構成例と偏光方向を示す図。 偏光状態の定義を説明する図。 励起光源５の構成例と偏光方向を示す図。 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。 偏光状態と蛍光体発光量の関係を示す図。 励起光源５の他の構成例を示す図 励起光源５の他の構成例を示す図。 実施例２における光源装置の構成図。 波長板７の具体例を示す図。 実施例３における光源装置の構成図。 実施例４における投写型映像表示装置の構成図。 実施例４における投写型映像表示装置の他の構成図。
　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。
　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。
　（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。
　（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。
　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。

Claims (11)

  1. 　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。
  2. 　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。
  3. 　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。
  4. 　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。
  5. 　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。
  6. 　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。
  7. 　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。
  8. 　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。
  9. 　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。
  10. 　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。
  11. 　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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