(57)【要約】【課題】高輝度な発光装置、及びプロジェクターを提供することを目的とする。【解決手段】GaNを含む固体発光素子から構成される励起光源と、前記励起光源から射出される励起光の少なくとも一部を吸収して第１の光を発する蛍光体層と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
GaNを含む固体発光素子から構成される励起光源と、
前記励起光源から射出される励起光の少なくとも一部を吸収して第１の光を発する蛍光体層と、
を備える発光装置。
【請求項２】
前記固体発光素子は、前記GaNを含む発光ダイオード層から構成され、
前記発光ダイオード層は、Ga系基板上に形成されている請求項１に記載の発光装置。
【請求項３】
前記Ga系基板が、GaN、またはＧａ2Ｏ3である請求項２に記載の発光装置。
【請求項４】
前記励起光は、青色光、または紫外光である請求項１から３のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項５】
前記第１の光は、赤色光と緑色光のうち少なくとも一方を含む請求項１から４のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、
前記第１の光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、
前記第１の光の波長域および前記第２の光の波長域と異なる波長域を含む第３の光を発する第３の光源装置と、
第１の光変調装置と、
第２の光変調装置と、
第３の光変調装置と、
前記第１の光変調装置からの光と、前記第２の光変調装置からの光と、前記第３の光変調装置からの光とを合成するクロスプリズムと、
投射光学系と、
を備えるプロジェクター。
【請求項７】
請求項１から５のいずれか一項に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、
前記第１の光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、
前記第１の光の波長域および前記第２の光の波長域と異なる波長域を含む第３の光を発する第３の光源装置と、
前記第１の光源装置からの光と、前記第２の光源装置からの光と、前記第３の光源装置からの光とを合成する色合成手段と、
前記色合成手段から射出された光を変調する光変調装置と、
投射光学系と、
を備えるプロジェクター。
【請求項８】
前記蛍光体層は、前記励起光の一部を吸収して前記第１の光を発し、前記励起光の残りを透過又は反射させる請求項１ないし３のいずれか一項に記載の発光装置。
【請求項９】
前記励起光は青色光である請求項８に記載の発光装置。
【請求項１０】
前記第１の光は、赤色光と緑色光のうち少なくとも一方を含む請求項８または９に記載の発光装置。
【請求項１１】
請求項８から１０のいずれか一項に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、
前記第１の光源装置から射出される光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、
第１の光変調装置と、
第２の光変調装置と、
第３の光変調装置と、
前記第１の光変調装置からの光と、前記第２の光変調装置からの光と、前記第３の光変調装置からの光とを合成するクロスプリズムと、
投射光学系と、
を備えるプロジェクター。
【請求項１２】
請求項８から１０のいずれか一項に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、
前記第１の光源装置から射出される光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、
前記第１の光源装置からの光と、前記第２の光源装置からの光とを合成する色合成手段と、
前記色合成手段から射出された光を変調する光変調装置と、
投射光学系と、
を備えるプロジェクター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光装置及びプロジェクターに関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクター用の発光装置として、発光ダイオードやレーザーダイオードなどの固体光源の利用が活発になってきている。固体光源は小型で長寿命であること、また応答速度が速く、瞬時点灯／消灯が可能であること、また水銀を含まない環境に優しいという優れた特長を持っている。中でも発光ダイオードは、廉価で、レーザー光のような干渉によるノイズも発生しないため小型のプロジェクターの光源の主流となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−８５８１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のような特長を持つ発光ダイオードであるが、単位面積当たりの出射光束が他の光源に比べて小さいため、高出力を得るためには駆動電流を大きくする必要がある。電流の増加に伴い発熱が大きくなり、発光ダイオードの温度が高くなる。これに伴い発光効率が低下するという問題があった。特に赤色の発光ダイオードに用いられる材料（AlInGaP）は温度による効率低下が著しい。これを解決するために特許文献１では冷却構造を工夫することによって温度上昇を抑制する試みがなされている。ところが、発光層に外部から冷却が可能となる発光ダイオードの実装基板まである程度の熱抵抗が残るため、外部からの冷却だけでは限界がある。このため駆動電流を大きくできず、大きな出射光束を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑みて成されたものであって、高輝度な発光装置、及びプロジェクターを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
〔適用例１〕本適用例の発光装置は、GaNを含む固体発光素子から構成される励起光源と、前記励起光源から射出される励起光の少なくとも一部を吸収して第１の光を発する蛍光体層と、備える。
【０００７】
この構成によれば、大きな電流を用いた駆動条件、高温の温度条件において、AlInGaPの材料系に比べて、GaN系の材料の発光効率低下が小さく、効率が高く維持されるため、高光束の出力が得られる。
【０００８】
〔適用例２〕上記適用例にかかる発光装置において、前記固体発光素子は、前記GaNを含む発光ダイオード層から構成され、前記発光ダイオード層は、Ga系基板上に形成されている。
【０００９】
この構成によれば、発光層の結晶欠陥密度が低く、高い発光効率が得られる。またGaN基板の導電性が高いため、発光層への電流注入をPN接合面に垂直に行うことができるため抵抗が小さく、大きな電流を流すことが容易となる。また、発熱量も抑えることができ、固体発光素子の温度上昇を抑制することで、高光束の出力が得られる。
【００１０】
〔適用例３〕上記適用例にかかる発光装置において、前記Ga系の基板は、GaN、またはＧａ2Ｏ3を用いるのが良い。
この構成によれば、発光ダイオードを形成するGaNを含んだエピタキシャル層と格子定数が近く、結晶欠陥の小さい膜を得ることができる。
【００１１】
〔適用例４〕上記適用例にかかる発光装置において、前記励起光は、青色光、または紫外光であるのが良い。
この構成によれば、固体発光素子の発光効率、及び、蛍光体による変換効率を高くすることができ高出力な光が得られる。また所望の可視域の色光を得るのが容易となる。
【００１２】
〔適用例５〕上記適用例にかかる発光装置において、前記第１の光は、赤色光と緑色光のうち少なくとも一方を含むのが良い。
この構成によれば、ディスプレイに用いる３原色をそろえることが容易となる。
【００１３】
〔適用例６〕本適用例のプロジェクターは、上記適用例に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、前記第１の光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、前記第１の光の波長域および前記第２の光の波長域と異なる波長域を含む第３の光を発する第３の光源装置と、第１の光変調装置と、第２の光変調装置と、第３の光変調装置と、前記第１の光変調装置からの光と、前記第２の光変調装置からの光と、前記第３の光変調装置からの光とを合成するクロスプリズムと、投射光学系と、を備える。
【００１４】
この構成によれば、プロジェクターの光源として上記、GaN材料を含む固体発光素子と蛍光体を用いた発光装置を用いることで大電流駆動条件、高温動作条件においても高輝度の出力をえることができる。また、赤色の光源の出力が不足しているために白色を表示する際、緑色と青色の出力を絞る必要があるが、赤色の光束が増大することによって白色表示時の緑色と青色の出力を高めることができ、プロジェクターの出力も高まる。
【００１５】
〔適用例７〕本適用例のプロジェクターは、上記適用例に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、前記第１の光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、前記第１の光の波長域および前記第２の光の波長域と異なる波長域を含む第３の光を発する第３の光源装置と、前記第１の光源装置からの光と、前記第２の光源装置からの光と、前記第３の光源装置からの光とを合成する色合成手段と、前記色合成手段から射出された光を変調する光変調装置と、投射光学系と、を備える。
【００１６】
この構成によれば、特に、前記第１から第３の光源装置を順次切り替えて点灯し、切り替えのタイミングに同期して光変調装置に各光源装置に対応する映像を表示するフィールドシーケンシャルカラー駆動方式においては、大きな電流値を流す必要があるため効率の低下が著しいため、高輝度化の有効な手段となる。
【００１７】
〔適用例８〕上記適用例に記載の発光装置において、前記蛍光体層は、前記励起光の一部を吸収して前記第１の光を発し、前記励起光の残りを透過又は反射させる。
この構成によると、前記蛍光体を励起する第一の光源装置の光を利用することができるため２つの色光を発する光源装置として用いることができる。
【００１８】
〔適用例９〕上記適用例にかかる発光装置において、前記励起光は青色光である。
これにより映像表示に必要な青色光として利用できる。
【００１９】
〔適用例１０〕上記適用例にかかる発光装置において、前記第１の光は、赤色光と緑色光のうち少なくとも一方を含む。
これにより映像表示に必要な青色光ともう一つの色光として利用できる。
【００２０】
〔適用例１１〕本適用例のプロジェクターは、上記適用例に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、前記第１の光源装置から射出される光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、第１の光変調装置と、第２の光変調装置と、第３の光変調装置と、前記第１の光変調装置からの光と、前記第２の光変調装置からの光と、前記第３の光変調装置からの光とを合成するクロスプリズムと、投射光学系と、を備える。
この構成によれば、励起用の光源の光を利用することで、青色の光源装置を別に設ける必要がなく、プロジェクターの光学系を小型化することができる。
【００２１】
〔適用例１２〕本適用例のプロジェクターは、上記適用例に記載の発光装置を備えた第１の光源装置と、前記第１の光源装置から射出される光の波長域と異なる波長域を含む第２の光を発する第２の光源装置と、前記第１の光源装置からの光と、前記第２の光源装置からの光とを合成する色合成手段と、前記色合成手段から射出された光を変調する光変調装置と、投射光学系と、を備える。
この構成によれば、光変調器を一つ用いるプロジェクターの構成においても光源装置側の構成を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１実施形態の発光装置の構成を示す断面図である。
【図２】第１実施形態の発光装置を用いたプロジェクターの第１の構成例を示す平面図である。
【図３】第１実施形態の発光装置を用いたプロジェクターの第２の構成例を示す平面図である。
【図４】第１実施形態の発光装置を用いたプロジェクターの第３の構成例を示す平面図である。
【図５】第２実施形態の発光装置を示す断面図である。
【図６】第２実施形態の発光装置を用いたプロジェクターの第１の構成例を示す平面図である。
【図７】第２実施形態の発光装置を用いたプロジェクターの第２の構成例を示す平面図である。
【図８】第２実施形態の発光装置を用いたプロジェクターの第３の構成例を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態に係るプロジェクターについて説明する。
なお、本発明の範囲は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。また、以下の図面においては、各構成をわかりやすくするために、実際の構造と各構造における縮尺や数等を異ならせる場合がある。
【００２４】
［第１実施形態］
図１は、本実施形態の発光装置の構成を示す断面図である。
本実施形態の発光装置１９は、固体発光素子３０と、固体発光素子３０からの光を吸収し、固体発光素子３０からの光と異なる波長の光を発する蛍光体３１を備えている。
【００２５】
固体発光素子３０は、青色（発光強度のピーク：４６０ｎｍ付近）の光を射出する。蛍光体を励起可能な波長であれば４６０ｎｍ以外のピーク波長を有する光を射出するものであっても構わない。例えば４０５ｎｍや３６５ｎｍのように紫外光の波長を発するものを用いることもできる。
蛍光体３１は、固体発光素子から射出される励起光を吸収し、蛍光を発する粒子状の蛍光物質（蛍光体粒子１８）を有する。用いる蛍光体の種類によって、緑色光（波長５３０ｎｍ付近）あるいは赤色光（波長６３０ｎｍ付近）が蛍光として取り出すことができる。
【００２６】
蛍光体粒子１８としては、赤色として、窒化珪素系の材料、例えば、CaAlSiN3、また緑色として、LＡＧ（ルテチウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。上記蛍光体の材料は一例であり、緑色、赤色の波長帯域で蛍光を発するものであれば他の材料も使用できる。
【００２７】
蛍光体粒子１８はシリコーン等の樹脂１７と混ぜ合わせた後に固体発光素子３０上に塗布した後、熱硬化（１５０℃で２時間）する手段で形成することができる。
ここで、固体発光素子３０はGaN基板上に発光ダイオード層をエピタキシャル成長させたものを用いるのが望ましい。サファイア基板と比べて格子定数が揃っているため結晶の欠陥密度が小さく発光効率が高い。また、GaN基板は導電性が高いためGaN基板の下部へ電極を形成できるため発光層の接合面に垂直に電流が注入でき、電流密度を均一にしやすい。またｎ側の電極から発光層までの抵抗を小さくすることができるため、発熱量を増やさずに大きな電流で駆動することが可能となる。
【００２８】
第１実施形態では、発光ダイオード層の成膜の基板として用いたGaN基板をそのまま使用する構造について説明したが、これに限定されず、必要に応じてGaN基板から発光ダイオード層をはずして発光ダイオード層を別のセラミック基板（AlNなど）や金属基板（銅）上にのせる手段をとることも可能である。また、光取り出し効率を高めるために表面に凹凸構造を形成するなどの発光ダイオードで用いられている技術を適用することも有効である。
【００２９】
次に、図２を用いて本発明の実施形態にかかる発光装置を用いたプロジェクターの構成について説明する。図２の構成では、青色固体発光素子で励起した赤色蛍光を用いた発光装置を備えた赤色用の光源装置５０Ｒを用いたが、緑色用の光源装置５０Ｇとして、青色固体発光素子で励起した緑色蛍光を発する光源装置を用いても良い。青色用の光源装置５０Ｂは蛍光体を用いない、通常の固体発光素子（発光ダイオード）を用いた。光源装置５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂから出射した緑色光、赤色光および青色光はコリメータレンズで略平行化され、クロスダイクロイックプリズム２２に入射し、ひとつの光路に合成される。
【００３０】
クロスダイクロイックプリズム２２は、４つの直角プリズムを貼り合せた平面視略正方形状をなしている。直角プリズムを貼り合せた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光を反射するものであり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、青色光を反射するものである。これらの誘電体多層膜によって赤色光および青色光は曲折され、緑色光の進行方向が揃えられることにより、３つの色光が合成される。
【００３１】
クロスダイクロイックプリズム２２で合成された緑色光、赤色光および青色光は、第１フライアイレンズアレイ２３および第２フライアイレンズアレイ２４からなるフライアイインテグレーターに入射し、光量分布が均一化される。フライアイインテグレーターから射出された緑色光、赤色光および青色光は、偏光変換素子２５によって偏光方向が一方向に揃えられた直線偏光に変換され、重畳レンズ２６とフィールドレンズ２８で光変調装置２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂにそれぞれ重畳照明される。フライアイインテグレーターおよび偏光変換素子は、たとえば特開平８−３０４７３９号公報にその詳細が開示されている公知の技術であるため、詳細な説明は省略する。
【００３２】
色分離導光光学系は、青色ダイクロイックミラー、緑色ダイクロイックミラー、反射ミラーおよびリレーレンズを備えている。色分離導光光学系は、ダイクロイックプリズムで合成された光を赤色光、緑色光および青色光に分離し、赤色光、緑色光および青色光をそれぞれ光変調装置２１Ｒ、光変調装置２１Ｇ、光変調装置２１Ｂに導光する機能を有する。
【００３３】
青色ダイクロイックミラー、緑色ダイクロイックミラーは、基板上に、所定の波長領域の光を反射して、他の波長領域の光を透過させる誘電体多層膜からなる波長選択透過膜が形成されたミラーである。具体的には、青色ダイクロイックミラーは、青色光成分を反射させ、赤色光成分および緑色光成分を透過する。緑色ダイクロイックミラーは、緑色光成分を反射して、赤色光成分を透過させる。
【００３４】
反射ミラーは、入射した光を反射するミラーである。ダイクロイックミラーで分離した色光成分を反射し光変調装置に導光する働きを持つ。
【００３５】
青色ダイクロイックミラーを反射した青色光は、反射ミラーで反射され、青色光用の光変調装置２１Ｂの画像形成領域に入射する。青色ダイクロイックミラーを透過された緑色光は、緑色ダイクロイックミラーで反射され、緑色光用の光変調装置２１Ｇの画像形成領域に入射する。緑色ダイクロイックミラーを透過した赤色光は、入射側の反射ミラー、リレーレンズ、射出側の反射ミラーを経て赤色光用の光変調装置２１Ｒの画像形成領域に入射する。
【００３６】
光変調装置２１Ｒ、光変調装置２１Ｇ、光変調装置２１Ｂは、通常知られたものを用いることができる。たとえば、液晶素子と液晶素子を挟持する２枚の偏光素子とを有した、透過型の液晶ライトバルブ等の光変調装置により構成される。２枚の偏光素子は、たとえば透過軸が互いに直交する構成（クロスニコル配置）となっている。
【００３７】
光変調装置２１Ｒ、光変調装置２１Ｇ、光変調装置２１Ｂは、入射された色光を画像情報に応じて変調してカラー画像を形成するものであり、光源装置５０Ｒ，５０Ｇ，５０Ｂの照明対象となる。光変調装置２１Ｒ、光変調装置２１Ｇおよび光変調装置２１Ｂによって、入射された各色光の光変調が行われる。
【００３８】
たとえば、光変調装置２１Ｒ、光変調装置２１Ｇ、光変調装置２１Ｂは、一対の透明基板に液晶を密閉封入した透過型の光変調装置であり、ポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として、与えられた画像情報に応じて、入射側偏光素子から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。
【００３９】
続いて、第２のクロスダイクロイックプリズムで３つの色光が合成される。
【００４０】
第２のクロスダイクロイックプリズムから射出されたカラー画像は、投写光学系２７によって拡大投写され、スクリーン上で画像を形成する。
【００４１】
以上、詳細に説明した本実施形態のプロジェクター５００によれば、発光装置に、出射光束の温度依存性が小さい、大電流駆動が可能な固体発光素子と蛍光体を用いることで出射光束を高めることができる。
特に赤色の出力がボトルネックとなっている白色表示時のプロジェクターの明るさを高めるのに有効である。
【００４２】
次に、本実施形態においては、図３に示すような光変調装置２１Ｗを１つ用いる構成も可能である。カラーフィールドシーケンシャル方式と呼ばれる、赤色、緑色、青色の光源を順次点滅させ、発光のタイミングにあわせて各色光に対応した映像を順次光変調装置に表示することでカラー映像を得る手段を用いることができる。また、光変調装置２１Ｗとして上記に説明した光変調装置の内部に、少なくとも赤色、緑色、青色のカラーフィルターを備えた画素構造を持つ構造のものを用いることもできる。
これらの方式を用いると光学系の部品が少なく、構成がシンプルとなりプロジェクターの小型化が可能となる。
【００４３】
また、光変調装置２１Ｗは液晶ライトバルブだけでなく、図４に示した構成のように、デジタルマイクロミラーデバイスを用いることも可能である。この構成ではフライアイインテグレーターの替わりに、鏡を４枚組み合わせたロッドインテグレーター２９を用いた例を示したが、どちらの均一化手段を用いても良い。
【００４４】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について図５を用いて説明する。
図１の第１実施形態の構造に比べて、蛍光体層３２の厚みを薄く（例えば１００μｍ）、あるいは蛍光体粒子１８の重量濃度を小さく（例えば３０％）としている。固体発光素子３０は青色の光（４６０ｎｍ付近）を用いる。固体発光素子３０を出射した光の内一部は固体発光素子３０の上部に形成された蛍光体層３２で吸収され、赤色の蛍光に変換される。
一方、吸収されなかった残りの光は、蛍光体層３２を透過、拡散し、光源装置１９から出射する。この場合、青色と赤色（緑色蛍光体を用いた場合は緑色）の２色の色光を光源装置１９から取り出すことができる。
【００４５】
図６は第２実施形態の発光装置を用いた場合のプロジェクターの構成を示している。赤色と青色を発光する発光装置を備えた光源装置５０ＲＢと緑色用の光源装置５０Ｇからの光をそれぞれコリメータレンズで略平行化しダイクロイックミラー２２１に入射する。ダイクロイックミラー２２１では、緑色を反射、それ以外の色光を透過する。光源装置を入れ替えた構成も可能である。その場合、緑色を透過、それ以外の色光を反射するダイクロイックミラーを用いる。ダイクロイックミラー２２１で合成された後は、第１実施形態と同じようにフライアイインテグレーター系で均一化、光変調装置で変調された後、クロスダイクロイックプリズムで合成され、投写光学系２７で投影される。第１実施形態に比べて光源装置の構成が簡素化され、プロジェクターの小型化の際に有利である。
【００４６】
図７に光変調装置が１つの場合のプロジェクターの構成例を示す。光変調装置内部に赤色、緑色、青色のカラーフィルターを形成したものを用いる。光源装置以外の光学系構成は第１実施形態と同じ方法を用いることができる。一方、第２実施構成の場合、励起用の青色と蛍光の赤色が、同時に発光して時間順次に切り替えられないため、光変調装置はカラーフィールドシーケンシャル方式を除く。
【００４７】
図８は第２実施形態の発光装置を用いた場合の異なる構成例を示す。光源装置５０ＹＢに用いられる発光装置の蛍光体層３２は、黄色の蛍光体（ＹＡＧ：イットリウム  アルミニウム  ガーネット）あるいは、前記赤色蛍光体粒子と前記緑色蛍光体粒子を混ぜたものから構成される。
固体発光素子３０を出射した光の内、一部は蛍光体層３２で吸収され、黄色の蛍光（黄色の蛍光体の場合）、あるいは赤色と緑色（赤色と緑色の蛍光体の場合）の光を発する。吸収されなかった残りの光は青色の光として光源装置５０ＹＢから出射する。黄色の蛍光（または赤色と緑色の蛍光）と青色の光の割合が白色（例えば色温度６５００Ｋ）となるように蛍光層の膜厚、または蛍光粒子の重量濃度を調節することで、光源装置ＹＢに用いられる発光装置から白色を取り出すことができる。取り出した白色を光変調装置で変調してスクリーンに投影するのは、これまで説明した光学系と同じである。
【符号の説明】
【００４８】
１７…シリコーン等の樹脂、１８…蛍光体粒子、１９…光源装置、２１Ｂ…光変調装置、２１Ｇ…光変調装置、２１Ｒ…光変調装置、２１Ｗ…光変調装置、２２…クロスダイクロイックプリズム、２３…第１フライアイレンズアレイ、２４…第２フライアイレンズアレイ、２５…偏光変換素子、２６…重畳レンズ、２７…投射レンズ、２８…フィールドレンズ、２９…枚組み合わせたロッドインテグレーター、３０…固体発光素子、３１…蛍光体、３２…蛍光体層、５０Ｂ…青色光源装置、５０Ｇ…緑色の光源装置、５０Ｒ…光源装置、５０ＲＢ，５０ＹＢ…光源装置、２２１…ダイクロイックミラー、５００…本実施形態のプロジェクター。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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