(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー光源によって構成される励起光源と、
回転制御可能に構成され、前記励起光源から出射された励起光によって励起される蛍光体層からなる、少なくとも赤色蛍光を発する赤色セグメントと、少なくとも緑色蛍光を発する緑色セグメントとが、基板に設けられると共に、前記励起光が前記蛍光体層で波長変換されて得られる蛍光、及び前記励起光が前記蛍光体層で波長変換されない未変換の励起光を、前記励起光源から出射された前記励起光が入射した方向へ反射するように構成された第１のホイールと、
前記第１のホイールと前記励起光源との間に設けられ、前記蛍光と前記未変換の励起光とを照明光学系へ導光するダイクロイックミラーと、
回転制御可能に構成され、前記ダイクロイックミラーと前記照明光学系との間に設けられ、前記蛍光及び前記未変換の励起光のそれぞれについて所望の波長成分の光を前記照明光学系へ導光するダイクロイックフィルターが設けられた第２のホイールと、を備え、
前記第２のホイールのダイクロイックフィルターは、前記第１のホイールの赤色セグメントに対応した赤色選択フィルターと、緑色セグメントに対応した緑色選択フィルターとを備え、
前記赤色選択フィルターは、前記未変換の励起光と前記赤色蛍光の短波長側の蛍光成分を除去し、前記緑色選択フィルターは、前記未変換の励起光と前記緑色蛍光の長波長側の蛍光成分を除去するカットオフ波長を有することを特徴とする、光源装置。
【請求項２】
前記励起光源は、青色の波長帯で発振する半導体レーザー光源であることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項３】
前記第１のホイールにおける前記蛍光体層は、３つ以上のセグメントに分割されていることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項４】
前記セグメントのうち、少なくとも２つのセグメントに、それぞれ異なる種類の蛍光体層が設けられていることを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
【請求項５】
前記蛍光体層に含まれる蛍光体は、赤色、黄色、あるいは緑色の波長帯の光を主たる成分として蛍光を発することを特徴とする、請求項４に記載の光源装置。
【請求項６】
前記セグメントのうち、少なくとも１つのセグメントは、蛍光体層が形成されず、前記励起光を反射することを特徴とする、請求項３に記載の光源装置。
【請求項７】
前記第１のホイールと前記ダイクロイックミラーとの間に設けられ、前記励起光の偏向方向を変える偏光変換素子が配置されていることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項８】
前記偏光変換素子は４分の１波長板であることを特徴とする、請求項７に記載の光源装置。
【請求項９】
前記励起光源は、主たる偏光成分を前記ダイクロイックミラーに対してＰ偏光となる励起光を出射し、
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光源からの励起光を透過して前記第１のホイールへ導光すると共に前記第１のホイールによって反射された光を反射して前記照明光学系へ導光することを特徴とする、請求項８に記載の光源装置。
【請求項１０】
前記励起光源は、主たる偏光成分を前記ダイクロイックミラーに対してＳ偏光となる励起光を出射し、
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光源からの励起光を反射して前記第１のホイールへ導光すると共に前記第１のホイールによって反射された光を透過して前記照明光学系へ導光することを特徴とする、請求項８に記載の光源装置。
【請求項１１】
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光の波長においては、Ｐ偏光成分の光の５０％以上を透過し、Ｓ偏光成分の光の５０％以上を反射することを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項１２】
前記励起光源は、主たる偏光成分を前記ダイクロイックミラーに対してＰ偏光となる励起光を出射し、
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光を透過して前記第１のホイールへ導光することを特徴とする、請求項１１に記載の光源装置。
【請求項１３】
前記励起光源は、主たる偏光成分を前記ダイクロイックミラーに対してＳ偏光となる励起光を出射し、
前記ダイクロイックミラーは、前記励起光を反射して前記第１のホイールへ導光することを特徴とする、請求項１１に記載の光源装置。
【請求項１４】
前記第２のホイールにおける前記ダイクロイックフィルターは、２つ以上のセグメントに分割されており、
当該２つ以上のセグメントは、それぞれスペクトル特性が異なることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項１５】
前記スペクトル特性は、赤色選択性、緑色選択性、青色選択性、あるいは可視全域透過性のいずれかの特性からなることを特徴とする、請求項１４に記載の光源装置。
【請求項１６】
前記第２のホイールにおける２つ以上のセグメントのうち、少なくとも１つのセグメントの表面には、前記励起光に対する拡散機能が設けられていることを特徴とする、請求項１４に記載の光源装置。
【請求項１７】
前記第１のホイールと前記第２のホイールとは、同一の回転数で同期制御されていることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項１８】
前記第１のホイールと前記第２のホイールとは、同一の回転軸を有する回転体に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の光源装置。
【請求項１９】
光を出力する光源装置と、
映像信号に応じて信号光を形成する空間光変調素子と、
前記光源装置からの光を前記空間光変調素子へと導光する照明光学系と、
前記空間光変調素子によって形成された信号光をスクリーンに投射する投射光学系と、を備え、
前記光源装置は、
レーザー光源によって構成される励起光源と、
回転制御可能に構成され、前記励起光源から出射された励起光によって励起される蛍光体層からなる、少なくとも赤色蛍光を発する赤色セグメントと、少なくとも緑色蛍光を発する緑色セグメントとが、基板に設けられると共に、前記励起光が前記蛍光体層で波長変換されて得られる蛍光、及び前記励起光が前記蛍光体層で波長変換されない未変換の励起光を、前記励起光源から出射された前記励起光が入射した方向へ反射するように構成された第１のホイールと、
前記第１のホイールと前記励起光源との間に設けられ、前記蛍光と前記未変換の励起光とを照明光学系へ導光するダイクロイックミラーと、
回転制御可能に構成され、前記ダイクロイックミラーと前記照明光学系との間に設けられ、前記蛍光及び前記未変換の励起光のそれぞれについて所望の波長成分の光を前記照明光学系へ導光するダイクロイックフィルターが設けられた第２のホイールと、を備え、
前記第２のホイールのダイクロイックフィルターは、前記第１のホイールの赤色セグメントに対応した赤色選択フィルターと、緑色セグメントに対応した緑色選択フィルターとを備え、
前記赤色選択フィルターは、前記未変換の励起光と前記赤色蛍光の短波長側の蛍光成分を除去し、前記緑色選択フィルターは、前記未変換の励起光と前記緑色蛍光の長波長側の蛍光成分を除去するカットオフ波長を有することを特徴とする、画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー光源と蛍光体とを用いた光源装置に関するものであり、特に赤色、緑色、及び青色などの可視光を出射する光源装置及びその光源装置を用いた画像表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日、様々な映像などをスクリーンに拡大投影する画像表示装置として、プロジェクターが広く普及している。プロジェクターは、光源から出射された光をデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）、あるいは液晶表示素子といった空間光変調素子に集光させ、映像信号によって変調された空間光変調素子からの出射光をスクリーン上にカラー映像として表示させるものである。
【０００３】
プロジェクターにおいて明るくて大画面の映像を得るために、高輝度の高圧水銀ランプが光源として使用されてきた。しかし、高圧水銀ランプを光源とした場合、水銀を含有するという問題に加えて、光源の寿命が短くメンテナンスが煩雑になる、といった問題もあった。
【０００４】
これらの問題点を解決するために、高圧水銀ランプの代わりに発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーなどの固体光源を用いた光源装置、及びそれらの光源装置を用いた新しい画像表示装置が提案されている。
【０００５】
レーザー光源は、高圧水銀ランプに比べて寿命が長い。また、レーザー光源から出射されるレーザー光は、コヒーレント光であるため、指向性が高く、光利用効率も高い。さらに、レーザー光は、その単色性により広い色再現範囲を確保できる。
【０００６】
しかしながら、レーザー光はその干渉性の高さゆえに、スペックルノイズが生じて画質が劣化するという問題点がある。特に、人間の目の視感度が高い緑色〜黄色の波長帯のレーザー光では、スペックルノイズによる画質の低下が大きな課題である。
【０００７】
一方、ＬＥＤ光源では、ＬＥＤ光による上述のようなスペックルノイズはあまり問題とならないが、ＬＥＤ光源の発光面積が大きくて光密度が低いために、高輝度の画像表示装置を実現し難いのが現状である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１３３２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ＬＥＤやレーザー以外の固体光源として、ＬＥＤ光やレーザー光を励起光として蛍光体からの発光を用いる光源装置が提案されており、その光源装置を備えた画像表示装置も提案されている。
【００１０】
蛍光体による光源装置は、高密度に集光可能なレーザー光を励起光として用いることで、発光面積の小さい高輝度光を得ることができる。また、レーザー光を励起光として用いたとしても、波長変換して得られる蛍光そのものはインコヒーレントな光であるため、スペックルノイズが生じない。
【００１１】
従来技術として特許文献１では、円板状の透明基材を用いたホイール上に蛍光体層を形成し、その蛍光体層に励起光を照射して、蛍光体層が形成された面から見て励起光源と同一方向の空間に蛍光を取り出す光源装置の構成が提案されている。
【００１２】
この特許文献１に開示された光源装置は、画像表示装置に適用することを目的としているため、赤色、緑色、及び青色の３色の波長域の光を出力する。また、この光源装置は、励起光源と同一方向の空間に蛍光を取り出す反射型の構成としているため、蛍光の取り出し効率を高くすることができる。しかしながら、赤色光を得るための光源としてＬＥＤ光源を使用しているため、高輝度の出力光を得ることが難しい。
【００１３】
また、固体光源を用いた構成による光源装置で、画像表示装置に適した高輝度の出力光を得るためには、緑色〜赤色の光をスペックルノイズのない蛍光により得ることが好適であるが、従来の方法では、蛍光での高輝度化において問題があった。
【００１４】
本発明は、上述の実情に鑑みて提案されるものであって、蛍光体を用いた光源装置において、簡便な方法によって高色純度かつ高輝度の出力光を得ることができる光源装置、及びその光源装置を用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に係る光源装置は、レーザー光源によって構成される励起光源と、回転制御可能に構成され、励起光源から出射された励起光によって励起される蛍光体層が設けられると共に蛍光体層から発せられる蛍光を励起光が入射した方向へ反射するように構成された第１のホイールと、第１のホイールと励起光源との間に設けられ、蛍光と励起光とを照明光学系へ導光するダイクロイックミラーと、回転制御可能に構成され、ダイクロイックミラーと照明光学系との間に設けられ、蛍光及び励起光のそれぞれについて所望の波長成分の光を照明光学系へ導光するダイクロイックフィルターが設けられた第２のホイールと、を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、蛍光体層が形成されている面に対して、励起光の入射方向と蛍光体層から蛍光が放出される方向が同一方向の空間となっている。このような構成とすることで、蛍光体層から発される蛍光を効率的に取り出すことが可能である。ここで、蛍光体層の形成されている面に対して、励起光の入射方向と、蛍光体層からの蛍光の放出方向が、同一方向の空間であるとは、以下のように定義される。
【００１７】
ｘｙｚ直交座標系において、ｚ＝０面上のｘ＝ｙ＝０の原点を含む領域に蛍光体層が形成されているとし、ｚ＞０領域に励起光源が存在し、ｘ＝ｙ＝ｚ＝０の点に向かって励起光が照射される。このとき、励起光源から出射され、蛍光体層へと入射される励起光がｚ＞０の領域にあればよく、励起光源のｘｙ座標については特に制限されない。蛍光体層から発光される蛍光が取り出されて放出される方向はｚ＞０領域である。
【００１８】
ｚ＝０平面上の薄膜状の蛍光体層へｘ＝ｙ＝０の点にｚ＞０の方向から励起光が照射された場合、蛍光体層から発される蛍光の強度は、＋ｚ軸方向と−ｚ軸方向にピークを有するランバーシアンに近い配光分布となる。しかしこの場合、ｚ＞０領域に放出される蛍光の割合の方が多いため、本発明のように、励起光の入射方向と、蛍光体層から発光される蛍光の放出方向とが、蛍光体層の面に対して同一方向の空間であることが好適である。
【００１９】
この場合、蛍光体層に入射される励起光と、蛍光体層から発される蛍光は、同一空間に進行方向が逆向きとなって存在するため、蛍光を取り出して光源装置からの出力光とするためにダイクロイックミラーを用いる。ダイクロイックミラーを傾けた構成とすることにより、蛍光体層に入射される励起光と、蛍光体層から発される蛍光とを、空間的に分離することが可能である。
【００２０】
ダイクロイックミラーに対する入射光束の角度は特に限定されないが、簡便な装置構成にするための好適な角度として略４５度を挙げることができる。
【００２１】
本発明においては、ダイクロイックミラーによって空間的に分離された蛍光が、さらに、ダイクロイックフィルターが設けられた第２のホイールへと入射される配置となっている。
【００２２】
蛍光体層から発される蛍光の放射エネルギースペクトルにより決まる色は、そのままの色度では、画像表示装置には不適である場合がある。そこで、第２のホイール上に設けられたダイクロイックフィルターにより、不要なスペクトル成分を除去し、所望の色度を有した光スペクトルへとフィルタリングすることができる。また、第２のホイール上に設けられたダイクロイックフィルターにより、蛍光体層によって波長変換されなかった残存励起光が、光源装置からの出力光に不要に混入することを避けることもできる。
【００２３】
また、本発明に係る光源装置は、励起光源が、青色の波長帯で発振する半導体レーザー光源であることを特徴とする。
【００２４】
励起光源として青色レーザーを使用することにより、緑色〜赤色の蛍光体を効率的に励起することが可能となる。さらに、青色光を光源装置からの出力光として得る場合に、レーザー光をそのまま出力光として使用することが可能となり、特に画像表示装置用の光源装置として好適となる。青色レーザーの具体的な発振波長としては、４３０ｎｍ〜４７０ｎｍが挙げられる。
【００２５】
また、本発明に係る光源装置は、第１のホイールにおける蛍光体層は、３つ以上のセグメントに分割されていることを特徴とし、セグメントのうち、少なくとも２つのセグメントに、それぞれ異なる種類の蛍光体層が設けられていることを特徴とし、それらは、赤色、黄色、あるいは緑色の波長帯の光を主たる成分として蛍光を発することを特徴とする。さらに、セグメントのうち、少なくとも１つのセグメントは、蛍光体層が形成されず、表面が励起光を反射する鏡面となっていることを特徴とする。
【００２６】
ここで言う３つ以上のセグメントとは、回転制御される第１のホイールにおける蛍光体層が形成されている面が、空間的に３つ以上の特性の異なるセグメントに分割されており、回転制御に応じて、励起光が照射されるスポットが、分割されたセグメント数の分だけ周期的に切り替わることを意味する。
【００２７】
光源装置から複数の色域の光を出力する場合、第１のホイールを空間的に複数のセグメントに分割して、複数の蛍光体層を形成することにより、これを実現することが可能となる。特に、画像表示装置に用いる光源装置では、少なくとも、青色光、緑色光、赤色光が光源装置からの出力光の構成要素として含まれることが望ましいが、上述のような構成とすることで、これを実現することが可能である。
【００２８】
また、本発明に係る光源装置は、第１のホイールとダイクロイックミラーの間に設けられ、励起光の偏向方向を変える偏光変換素子が配置され、この偏光変換素子は４分の１波長板であることを特徴とする。
【００２９】
さらに、本発明に係る光源装置は、励起光源は、主たる偏光成分をダイクロイックミラーに対してＰ偏光となる励起光を出射し、ダイクロイックミラーは、励起光源からの励起光を透過して第１のホイールへ導光すると共に第１のホイールによって反射された光を反射して照明光学系へ導光することを特徴とする。あるいは、励起光源は、主たる偏光成分をダイクロイックミラーに対してＳ偏光となる励起光を出射し、ダイクロイックミラーは、励起光源からの励起光を反射して第１のホイールへ導光すると共に第１のホイールによって反射された光を透過して照明光学系へ導光することを特徴とする。
【００３０】
また、本発明に係る光源装置は、ダイクロイックミラーは、励起光の波長においては、Ｐ偏光成分の光の５０％以上を透過し、Ｓ偏光成分の光の５０％以上を反射することを特徴とする。このとき、励起光源は、主たる偏光成分をダイクロイックミラーに対してＰ偏光となる励起光を出射し、ダイクロイックミラーは、前記励起光を透過して第１のホイールへ導光することを特徴とする。あるいは、励起光源は、主たる偏光成分をダイクロイックミラーに対してＳ偏光となる励起光を出射し、ダイクロイックミラーは、励起光を反射して第１のホイールへ導光することを特徴とする。
【００３１】
ダイクロイックミラーについて、励起光の波長においては、Ｐ偏光成分が高透過であり、Ｓ偏光成分が高反射であるような特性を選び、かつ、励起光に対する偏光変換素子を挿入することにより、光源装置からの出力光として、蛍光と同じ方向に簡便に励起光成分も取り出すことが可能となる。この場合、ダイクロイックミラーは、励起光波長において、Ｐ偏光については高透過、Ｓ偏光については高反射であるほど好ましい。
【００３２】
Ｐ偏光に偏った励起光を使用する場合は、ダイクロイックミラーを励起光が透過し、４分の１波長板によって構成される偏光変換素子を通過して円偏光となり、第１のホイール表面で反射された後、再び偏光変換素子を通過して今度はＳ偏光となる。そして、ダイクロイックミラーに再入射されるが、今度はダイクロイックミラーで反射されるため、光源装置からの出力光として取り出すことができる。
【００３３】
Ｓ偏光に偏った励起光を使用する場合は、ダイクロイックミラーで励起光が反射され、４分の１波長板によって構成される偏光変換素子を往復で通過し、Ｐ偏光となってダイクロイックミラーに再入射されるため、今度はダイクロイックミラーを透過して光源装置からの出力光として取り出すことができる。
【００３４】
また、本発明に係る光源装置は、第２のホイールにおけるダイクロイックフィルターは、２つ以上のセグメントに分割されており、当該２つ以上のセグメントは、それぞれスペクトル特性が異なることを特徴とする。さらに、当該スペクトル特性は、赤色選択性、緑色選択性、青色選択性、あるいは可視全域透過性のいずれかの特性からなることを特徴とする。
【００３５】
また、本発明に係る光源装置は、第２のホイールにおける２つ以上のセグメントのうち、少なくとも１つのセグメントは、励起光に対する拡散機能が設けられていることを特徴とする。
【００３６】
このような構成にすることで、励起光をそのまま出力光の一部とする場合に、拡散機能を有する素子を通過させることによってスペックルノイズを低減することが可能となる。
【００３７】
また、本発明に係る光源装置は、第１のホイールと第２のホイールとは、同一の回転数で同期制御されていることを特徴とする。
【００３８】
このような構成にすることで、第１のホイールの各セグメントからの反射光特性に対応して、第２のホイールに設けられたダイクロイックフィルターによって光スペクトルの適切なフィルタリングを行うことができ、いずれのセグメントにおいても所望の色度特性を有する出力光を得ることが可能となる。
【００３９】
さらに、本発明に係る光源装置は、第１のホイールと第２のホイールとは、同一の回転軸を有する回転体に設けられていることを特徴とする。
【００４０】
このような構成にすることで、２つのホイールを同一の回転制御手段により駆動することが可能になるため、より簡便な装置構成とすることが可能である。
【００４１】
また、上記光源装置と、映像信号に応じて信号光を形成する空間光変調素子と、光源装置からの光を空間光変調素子へと導光する照明光学系と、空間光変調素子によって形成された信号光をスクリーンに投射する投射光学系とから、画像表示装置を構成することができる。
【発明の効果】
【００４２】
この発明によれば、長寿命で水銀を要しない固体光源を用いて、小型で明るく効率のよい光源装置を実現できる。また、これを利用した画像表示装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】第１の実施形態に係る光源装置の構成図
【図２Ａ】第１の実施形態に係る光源装置で使用した第１のホイールの構成図
【図２Ｂ】第１の実施形態に係る光源装置で使用した第２のホイールの構成図
【図３Ａ】第１の実施形態に係る光源装置で使用したダイクロイックミラーの４５度入射における透過スペクトルを示す図
【図３Ｂ】第１の実施形態に係る光源装置で使用したダイクロイックフィルターの０度入射における透過スペクトルを示す図
【図４】第１の実施形態に係る光源装置の同期制御を行う構成例を示す図
【図５】第２の実施形態に係る光源装置の構成図
【図６】第２の実施形態に係る光源装置で使用したダイクロイックミラーの４５度入射における透過スペクトルを示す図
【図７】第３の実施形態に係る光源装置の構成図
【図８】第４の実施形態に係る光源装置の構成図
【図９】第４の実施形態に係る光源装置で使用したホイールの構成図
【図１０】第５の実施形態に係る光源装置で使用したホイールの構成図
【図１１】本発明の光源装置を応用した画像表示装置の例
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明が提供する光源装置及びそれを用いた画像表示装置の実施の形態を、図を用いて説明する。
【００４５】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態に係る光源装置２０の構成を、図１に示す。
図１に示す第１の実施形態に係る光源装置２０は、第１のホイール２１と、第２のホイール２２と、励起光源２０６と、コリメートレンズアレイ２０７と、ダイクロイックミラー２０８と、４分の１波長板２０９と、集光レンズ２１０及び２１１と、ロッドインテグレータ２１２とを備えている。この光源装置２０の出力光は、周期的に切り替わる赤色光、緑色光、及び青色光の３つの時間セグメントの光によって構成されており、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。
【００４６】
第１のホイール２１は、基板２００、蛍光体層２０１、及び回転制御部２０２により構成される。基板２００は、円形状の平行平板ガラスであり、その片側のガラス表面に可視光全域を高効率で反射するダイクロイックコートが施されている。さらにそのダイクロイックコートの上には、蛍光を発する蛍光体層２０１が薄膜状に形成されている。回転制御部２０２は、後述する第２のホイール２２及び励起光源２０６と同期して、基板２００を所定の方向及び速度で回転させる。
【００４７】
図１中に示したようにｘｙｚ座標軸を定義すると、第１のホイール２１は、基板２００の蛍光体層２０１が形成された面がｘｙ面に平行となり、回転制御部２０２によってｚ軸に平行な回転軸で回転可能となっている。第１のホイール２１の回転数は特に限定されるものではないが、画像表示装置に使用する場合では、映像信号のフレームレートの整数倍（ｎ＝１、２、…）であることが好ましい。具体的には、映像信号が６０Ｈｚである場合は、３６００ｒｐｍ、７２００ｒｐｍ、１０８００ｒｐｍなどの回転数が挙げられる。
【００４８】
第１のホイール２１の具体的なセグメント構成例を、図２Ａに示す。
図２Ａに示す第１のホイール２１では、蛍光体層２０１が３つのセグメントにより構成されている。３つのセグメントは、赤色蛍光体が塗布された赤色蛍光体層２０１１、緑色蛍光体が塗布された緑色蛍光体層２０１２、及び何も塗布されていない蛍光体未塗布面２０１３であり、基板２００の円周３６０度を空間的に３つに分割してなる。本実施形態では、赤色蛍光体層２０１１が１４４度、緑色蛍光体層２０１２が１４４度、及び蛍光体未塗布面２０１３が７２度となる分割角度としたが、この角度配分は蛍光体の波長変換特性や出力光のターゲット色度などによって適宜設定できることは言うまでもない。
【００４９】
後述するように、蛍光体層２０１が塗布された基板２００面には励起光が照射されるが、回転制御部２０２に駆動されて基板２００が回転するため、励起光が照射されるスポットは、赤色蛍光体層２０１１、緑色蛍光体層２０１２、蛍光体未塗布面２０１３、そして再び赤色蛍光体層２０１１へと周期的に切り替わる。
【００５０】
蛍光体に照射される励起光は、その一部が蛍光へと波長変換される。蛍光体による蛍光は、本質的には全ての方向に等しく光が放たれるが、粉末状の蛍光体が基板上に薄膜状に塗布されている場合は、散乱による影響を受けて、蛍光体が塗布された面の法線方向にピークを有するランバーシアンに近い配光分布を有する。
【００５１】
このとき、蛍光体によって励起光から変換される蛍光は、前方成分（蛍光の透過方向、つまり図１における−ｚ方向）よりも後方成分（蛍光の反射方向、つまり図１における＋ｚ方向）の強度の方が相対的に大きいので、効率的に蛍光を１方向に取り出すためには、蛍光成分を後方側のみに集めることが望ましい。そこで、本実施形態では、後方側のみに蛍光を集めるために、蛍光体層２０１から見て励起光源２０６と反対側（基板２００と蛍光体層２０１との間）に、蛍光を反射する反射面（ダイクロイックコート）を配置することで、これを達成している。
【００５２】
また、本実施形態では、基板２００の材料としてガラスを選んだが、蛍光体は温度が高くなると波長変換効率が低下する特性があるため、基板２００は熱伝導が高い材料が好ましい。従って、例えば、ガラスではなく、アルミニウム、銅、及びそれらを主成分とした金属基材の表面を鏡面化させ、その上に蛍光体を塗布してもよい。金属基材表面を高精度に切削研磨することにより、鏡面状態の表面仕上げを実現できるが、蒸着や鍍金などの方法によって金属基材表面上に金属の薄膜層を形成して、鏡面仕上げを実現してもよい。
【００５３】
励起光源２０６は、波長約４４５ｎｍ付近で発振する青色レーザーダイオードであり、高輝度の光源装置を実現するために、複数個のレーザーダイオードにより構成されている。レーザーの駆動方式としては、一定電流値で駆動する連続発振方式を使用した。本実施形態では、５×５のマトリクス状に合計２５個のレーザーダイオードが配置された例を説明するが、その数は特に限定されるものではなく、レーザーダイオードの光強度や光源装置から取り出したい出力光の強度に応じて適宜設定される。また、青色のレーザー光源としては、本実施形態では、青色波長帯で直接発振するレーザーダイオードを用いたが、励起光源としては青色波長近傍の短波長を発生する光源を使用すればよく、例えば赤外レーザー光の第２高調波発生による青色レーザー光源などを使用することも可能である。
【００５４】
励起光源２０６から発せられた励起光は、複数のレンズセルからなるコリメートレンズアレイ２０７によってコリメートされる。コリメートレンズアレイ２０７の１つのレンズセルに対して、励起光源２０６の１つの青色レーザーダイオードが配置されている。すなわち、コリメートレンズアレイ２０７は、２５個のレンズセルにより構成されている。本実施形態では、コリメートレンズとしてレンズアレイを使用したが、それぞれのレーザーダイオードに対して独立したコリメートレンズを使用してもよい。
【００５５】
全ての青色レーザーダイオードは、その出射光の偏光方向が、図１に示すＰ偏光の直線偏光状態となるように調整されている。ダイクロイックミラー２０８は、励起光の光軸に対して４５度傾けて配置されており、励起光源２０６が発する励起光の波長帯においては、Ｐ偏光では高透過かつＳ偏光では高反射となる特性を有し、赤色蛍光体層２０１１及び緑色蛍光体層２０１２が発する蛍光の波長帯においては、Ｐ偏光かＳ偏光かにかかわらず高反射となる特性を有する。そのため、Ｐ偏光に調整されている励起光である青色レーザー光は、ダイクロイックミラー２０８を透過する。
【００５６】
入射角度が４５度である場合のダイクロイックミラー２０８の透過スペクトルを、図３Ａに示す。
図３Ａにおいて、実線がＳ偏光の透過率を、破線がＰ偏光の透過率を示す。ダイクロイックミラー２０８は、紫色の波長帯域において透過率が９０％以上と高透過であり、青色〜赤色の波長帯域において反射率が９０％以上と高反射である。図３Ａに示すように、透過率が５０％になるカットオフ波長は、Ｓ偏光が４３４ｎｍで、Ｐ偏光が４５６ｎｍであり、Ｓ偏光に比べてＰ偏光の方が約２２ｎｍ長い。
【００５７】
本実施形態では、ダイクロイックミラー２０８の傾き（ミラー面法線ベクトルが＋ｚ軸となす角度）を４５度としたが、Ｓ偏光カットオフ波長とＰ偏光カットオフ波長との差をより大きくするために、ダイクロイックミラー２０８の傾きを４５度より大きくすることも可能である。
【００５８】
ダイクロイックミラー２０８を通過した励起光は、４分の１波長板２０９によってＰ偏光の直線偏光から円偏光へと変換され、集光レンズ２１０によって第１のホイール２１の蛍光体層２０１上に集光される。複数の青色レーザーダイオードから発せられる励起光の全てが、蛍光体層２０１上で、一定の大きさ以下のスポット径の中に存在するように、コリメートレンズアレイ２０７と集光レンズ２１０とのパワーが調整されている。本実施形態では、蛍光体層２０１上での２５個の励起光の集合体が、φ２ｍｍ程度のスポット径になるように調整されている。本実施形態では、集光レンズ２１０は、１群２枚のレンズにより構成されているが、１枚のレンズによって構成されても、あるいは３枚以上のレンズによって構成されてもかまわない。
【００５９】
上述したように、励起光が照射される蛍光体層２０１上のスポットが、赤色蛍光体層２０１１、緑色蛍光体層２０１２、及び蛍光体未塗布面２０１３と周期的に切り替わるため、それに対応して、蛍光体層２０１からの反射光は、赤色蛍光体層２０１１が発する赤色蛍光、緑色蛍光体層２０１２が発する緑色蛍光、及び蛍光体未塗布面２０１３（のダイクロイックコート）でそのまま反射された励起光、つまり青色レーザー光と、周期的に切り替わる。
【００６０】
緑色蛍光体の種類は特に限定されるものではないが、青色の励起光を効率的に吸収して緑色蛍光を効率的に発光するとともに、温度消光（温度に伴う光強度の低下）に対する耐性が高い蛍光体が望ましい。緑色蛍光体層２０１２として、本実施形態では、Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+を使用したが、波長４４５ｎｍの青色レーザー光で励起して、緑色蛍光を得ることができる他の蛍光体として、(Ｂａ,Ｓｒ)2ＳｉＯ4：Ｅｕ2+、ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｂａ3Ｓｉ6Ｏ12Ｎ2：Ｅｕ2+、Ｓｒ3Ａｌ3Ｓｉ13Ｎ23：Ｅｕ2+、β−ＳｉＡｌＯＮ：Ｅｕ2+などが挙げられる。
【００６１】
また、赤色蛍光体の種類も特に限定されるものではないが、緑色蛍光体の場合と同様に、青色の励起光を効率的に吸収して赤色蛍光を効率的に発光するとともに、温度消光に対する耐性が高い蛍光体が望ましい。赤色蛍光体層２０１１として、本実施形態では、ＣａＡｌＳｉＮ3：Ｅｕ2+を使用したが、波長４４５ｎｍの青色レーザー光で励起して、赤色蛍光を得ることができる他の蛍光体として、Ｓｒ2Ｓｉ5Ｎ8：Ｅｕ2+、ＳｒＡｌＳｉ4Ｎ7：Ｅｕ2+などが挙げられる。
【００６２】
ただし、上記の蛍光体は該波長帯の光を得るための蛍光体の一例であり、本発明に適用できる蛍光体がこれに限定されないのは言うまでもない。
【００６３】
蛍光体薄膜の作成方法も特に限定されないが、沈降法や印刷法、モールド法などが挙げられる。また、蛍光体層の適切な厚さも、塗布される蛍光体の種類や塗布の方法によって変化するので特に限定されるものではないが、その平均厚さは、蛍光体粉末の平均粒径の１倍以上であることが好ましい。蛍光体層の厚さが小さすぎると、波長変換に寄与する蛍光体の数が不足するため、高い波長変換効率を得ることが難しいためである。
【００６４】
また、励起光の波長について、４４５ｎｍ付近の青色レーザー光に限定されるものではないが、励起光そのものを青色の出力光として使用する場合は、その演色性と蛍光体の励起効率を考慮すると、励起光の好ましい波長として、４３０〜４７０ｎｍが挙げられる。
【００６５】
励起光を集光する集光レンズ２１０は、赤色蛍光体層２０１１及び緑色蛍光体層２０１２から発せられる各色蛍光に対しては、コリメートレンズとして作用する。集光レンズ２１０によって有効に取り出されてコリメートされた各色蛍光は、４分の１波長板２０９を通過した後、ダイクロイックミラー２０８へ入射される。そして、各色蛍光は、ダイクロイックミラー２０８によって集光レンズ２１１方向へ反射され、集光レンズ２１１で集光される。
【００６６】
一方、蛍光体層２０１上の蛍光体未塗布面２０１３でそのまま反射される励起光は、集光レンズ２１０によってコリメートされた後、４分の１波長板２０９を通過することによってＳ偏光へと調整されてから、ダイクロイックミラー２０８へと入射される。このＳ偏光となった励起光は、ダイクロイックミラー２０８によって今度は集光レンズ２１１方向へ反射され、集光レンズ２１１で集光される。
【００６７】
集光レンズ２１１によって集光された赤色蛍光、緑色蛍光、及び青色レーザー光（未変換の励起光）は、第２のホイール２２上に設けられたダイクロイックフィルター２０４を透過してからロッドインテグレータ２１２へとカップリングされ、光源装置２０からの出力光となる。
【００６８】
第２のホイール２２は、基板２０３、ダイクロイックフィルター２０４、回転制御部２０５により構成される。基板２０３は、円形状の金属平板であり、その片側には透明ガラス上にダイクロイックコートが施されたダイクロイックフィルター２０４が配置されている。
【００６９】
この第２のホイール２２は、基板２０３のダイクロイックフィルター２０４が配置された面がｙｚ面に平行となり、回転制御部２０５によってｘ軸に平行な回転軸で回転可能となっている。第２のホイール２２回転数は、第１のホイール２１の回転数と同一になるように調整されている。
【００７０】
第２のホイールの具体的なセグメント構成例を、図２Ｂに示す。
図２Ｂに示す第２のホイール２２では、ダイクロイックフィルター２０４が３つのセグメントにより構成されている。３つのセグメントは、赤色選択フィルター２０４１、緑色選択フィルター２０４２、及び青色選択フィルター２０４３であり、基板２０３の円周３６０度を空間的に３つに分割してなる。
【００７１】
ここで、第１のホイール２１の蛍光体層２０１上の赤色蛍光体層２０１１に励起光が照射される時間領域（この時間領域を、以下赤色セグメントと呼ぶ）では、第２のホイール２２のダイクロイックフィルター２０４上の赤色選択フィルター２０４１中を集光レンズ２１１によって集光された集光光が通過するように、両ホイールの回転制御部が同期調整されている。同様に、緑色蛍光体層２０１２上に励起光が照射される時間領域（以下、緑色セグメントと呼ぶ）では、緑色選択フィルター２０４２中を集光光が通過し、また蛍光体未塗布面２０１３上に励起光が照射される時間領域（以下、青色セグメントと呼ぶ）では、青色選択フィルター２０４３中を集光光が通過するように、両ホイールの回転制御手段が同期調整されている。これらの同期調整は、図４に示すように、光源装置２０が備える同期制御部によって、励起光源２０６を駆動する光源駆動部、第１のホイール２１を回転させる回転制御部２０２、及び第２のホイール２２を回転させる回転制御部２０５を一括制御することで実現可能である。もちろん、光源装置２０が画像表示装置に利用される場合には、同期制御部と画像表示装置に備えられるＤＭＤとの間で同期が取られることになる。
【００７２】
すなわち、ハードウエア的には、ダイクロイックフィルター２０４の分割角度は、第１のホイール２１における蛍光体層２０１の各セグメントの分割角度と対応しており、赤色選択フィルター２０４１の分割角度が赤色蛍光体層２０１１の分割角度と同一、緑色選択フィルター２０４２の分割角度が緑色蛍光体層２０１２の分割角度と同一、青色選択フィルター２０４３の分割角度が蛍光体未塗布面２０１３の分割角度と同一、となるようにそれぞれ設計されている。ソフトウエア的には、赤色蛍光体層２０１１で反射する赤色蛍光が常に赤色選択フィルター２０４１に照射され、緑色蛍光体層２０１２で反射する緑色蛍光が常に緑色選択フィルター２０４２に照射され、蛍光体未塗布面２０１３で反射する青色レーザー光が常に青色選択フィルター２０４３に照射されるように、回転制御部２０５によって第１のホイール２１及び第２のホイール２２の回転位相差及び速度がそれぞれ調整されている。
【００７３】
本実施形態で用いた各色選択フィルターの０度入射（ミラーに垂直入射）における可視域の透過スペクトルを、図３Ｂに示す。
図３Ｂ（ａ）は、赤色選択フィルター２０４１の透過スペクトルである。カットオフ波長（透過率＝５０％）は約５８０ｎｍであり、カットオフ波長より長波長側は高透過、短波長側は高反射の特性を有している。図３Ｂ（ｂ）は、緑色選択フィルター２０４２の透過スペクトルである。カットオフ波長は約４８０ｎｍと約６００ｎｍであり、両カットオフ波長間の波長帯の光だけが高透過となっている。図３Ｂ（ｃ）は、青色選択フィルター２０４３の透過スペクトルである。カットオフ波長（透過率＝５０％）は約５００ｎｍであり、カットオフ波長より短波長側は高透過、長波長側は高反射の特性を有している。ただし、本実施形態における青色セグメントでは、ダイクロイックフィルター２０４への入射光には青色レーザー光しか含まれないため、青色選択フィルター２０４３として、可視全域で高透過となるような反射防止コートが施された透明ガラスを使用してもよい。
【００７４】
第２のホイール２２を使用する効果について以下に述べる。
蛍光体による波長変換では、全ての励起光が蛍光へと変換されるわけではなく、一部の励起光は未変換光として残留する。未変換の励起光は、蛍光体層２０１によって前方及び後方に散乱されるが、ｚ≦０の空間に発される前方散乱光はダイクロイックコート面で反射され、結果的にｚ≧０の後方散乱成分に集約され、集光レンズ２１０へと再入射される。
【００７５】
集光レンズ２１０によって有効に取り出され、コリメートされた未変換の励起光は、４分の１波長板２０９を通過した後でダイクロイックミラー２０８へと入射される。
【００７６】
後方散乱光として取り出される未変換の励起光は、蛍光体層２０１で散乱されているために蛍光体への入射光に対して偏光状態は乱されているが、ダイクロイックミラー２０８へと再入射する残留励起光にはＳ偏光成分を有する光が存在する。そのため、残留励起光のうちＳ偏光成分を有する一部の光は、ダイクロイックミラー２０８によって集光レンズ２１１へ反射される。
【００７７】
すなわち、本実施形態で採用した装置構成では、赤色セグメントと緑色セグメントにおいて、集光レンズ２１１を通過する光束中に、各蛍光体層によって変換された蛍光だけでなく、青色レーザー光が含まれることになる。
【００７８】
しかしながら、赤色セグメントや緑色セグメントに青色レーザー光が含まれると、各セグメントの色純度が低下するため、光源装置を画像表示装置に使用する場合は演色性の悪い光となってしまう。そこで、赤色セグメントと緑色セグメントにおいては、青色レーザー光を除去するような特性を有するダイクロイックフィルターを設けることが効果的である。本発明はこの技術に着目し、本実施形態では第２のホイール２２上に上述したダイクロイックフィルター２０４を配置することで、色純度の高い出力光を得ることを実現している。
【００７９】
さらに、本実施形態で使用した緑色蛍光体Ｙ3Ａｌ5Ｏ12：Ｃｅ3+は、高輝度の光を得る上で優れた特性を有する蛍光体であるが、蛍光スペクトルは比較的広帯域であり、演色性の面においては緑色の純度が不足している。ｘｙ色度座標系で本蛍光スペクトルの色度を表わすと、（ｘ、ｙ）＝（０．３５６，０．５８３）である。
【００８０】
しかしながら、全蛍光成分のうち、長波長側の蛍光成分を除去することによりその色度は改善され、図３Ｂ（ｂ）に示した特性の緑色選択フィルター２０４２を透過すると、色度は（ｘ、ｙ）＝（０．３３０，０．６２０）と改善され、画像表示装置に好適な緑色光の色度となる。すなわち、緑色セグメントにおいては、緑色光としての色純度を確保するために、６００ｎｍ以上の波長帯の赤色光を除去することが望ましい。
【００８１】
一方、赤色セグメントの出力光は、６００ｎｍ以上の波長帯の光を主たる成分として構成されており、緑色セグメントにおけるフィルター特性は適用することができない。すなわち、フィルター特性を赤色セグメントと緑色セグメントとで変化させる必要がある。そこで、本発明で述べたような、複数のセグメントにより構成されるダイクロイックフィルター２０４が設けられた第２のホイール２２を使用して、フィルタリング特性を時間的に切り替えることが好適となる。
【００８２】
なお、本実施形態では、励起光源として青色のレーザー光を使用し、緑色の蛍光を出力光として取り出す場合について説明したが、励起光と蛍光の波長帯は、特に限定されるものではなく、目的に応じて適宜選ぶことが可能である。
【００８３】
上述したように、本第１の実施形態の構成を採用することにより、簡便な方法で高演色性かつ高輝度の可視光を取り出せる小型の光源装置を提供することが可能である。特に、第２のホイール２２を使用することで、各セグメントにおいて不要な光が含まれていない色純度の高い出力光を得ることが可能である。
【００８４】
＜第２の実施形態＞
本発明の第２の実施形態に係る光源装置３０の構成を、図５に示す。
図５に示す第２の実施形態に係る光源装置３０は、第１のホイール２１と、第２のホイール２２と、励起光源３０６と、コリメートレンズアレイ２０７と、ダイクロイックミラー３０８と、４分の１波長板２０９と、集光レンズ２１０及び２１１と、ロッドインテグレータ２１２とを備えている。第１の実施形態と同様に、光源装置３０の出力光は、周期的に切り替わる赤色光、緑色光、青色光の３つの時間セグメントの光によって構成されており、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。
【００８５】
この第２の実施形態に係る光源装置３０は、上述した第１の実施形態に係る光源装置２０と比べて、励起光源３０６及びダイクロイックミラー３０８の構成が異なる。また、この異なる構成の特性に応じて、光源装置３０の各構成要素の配置も光源装置２０と一部異なっている。なお、光源装置３０において光源装置２０と同じ構成要素については、同一の参照符号を付して重複した説明を省略する。
【００８６】
本第２の実施形態で適用した励起光源３０６は、第１の実施形態で適用した励起光源２０６と同様に、２５個の青色レーザーダイオードがマトリクス配置された構造であるが、出射光がＳ偏光となるように調整されている。ダイクロイックミラー３０８は、励起光の光軸に対して４５度傾けて配置されており、励起光源３０６が発する励起光の波長帯においては、Ｐ偏光では高透過かつＳ偏光では高反射となる特性を有し、第１のホイール２１の蛍光体層２０１が発する蛍光の波長帯においては、Ｐ偏光かＳ偏光かにかかわらず高透過となる特性を有する。
【００８７】
本第２の実施形態で適用したダイクロイックミラー３０８は、第１の実施形態で適用したダイクロイックミラー２０８と透過スペクトル特性が異なる。入射角度が４５度である場合のダイクロイックミラー３０８透過スペクトルを、図６に示す。図６における２つのプロットはそれぞれ、実線がＳ偏光の透過率を、破線がＰ偏光の透過率を示す。
ダイクロイックミラー３０８は、紫色〜青色の波長帯域において反射率が９０％以上と高反射であり、青色〜赤色の波長帯域において透過率が９０％以上と高透過である。図６に示すように、透過率が５０％になるカットオフ波長は、Ｓ偏光が４５６ｎｍで、Ｐ偏光が４３４ｎｍであり、Ｓ偏光に比べてＰ偏光の方が約２２ｎｍ短い。
【００８８】
４５度の角度でダイクロイックミラー３０８に入射された励起光は、直角に反射されて第１のホイール２１の蛍光体層２０１へと集光される。蛍光体層２０１から発せられる蛍光は、ダイクロイックミラー３０８を透過した後、ダイクロイックフィルター２０４を通過してロッドインテグレータ２１２にカップリングされて、光源装置３０からの出力光となる。
【００８９】
上述したように、本第２の実施形態の構成を採用することにより、簡便な方法でありながら高輝度かつ高色純度の可視光を取り出せる小型の光源装置を提供することが可能である。特に、第２のホイール２２を使用することで、各セグメントにおいて不要な光が含まれていない色純度の高い出力光を得ることが可能である。また、本第２の実施形態に係る光源装置３０からの出力光は、第１の実施形態に係る光源装置２０からの出力光と同等であり、構成要素の配置における制約などの観点から、より適切な形態を選ぶことができる。
【００９０】
＜第３の実施形態＞
本発明の第３の実施形態に係る光源装置４０の構成を、図７に示す。
図７に示す第３の実施形態に係る光源装置４０は、第１のホイール４１と、第２のホイール２２と、励起光源２０６及び３０６と、２つのコリメートレンズアレイ２０７と、偏光ビームスプリッター４１０と、ダイクロイックミラー４１１及び４１６と、コリメートレンズ４１３と、反射ミラー４１４及び４１５と、集光レンズ２１０及び２１１と、ロッドインテグレータ２１２とを備えている。第１及び第２の実施形態と同様に、光源装置４０の出力光は、周期的に切り替わる赤色光、緑色光、青色光の３つの時間セグメントの光によって構成されており、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。
【００９１】
この第３の実施形態に係る光源装置４０は、上述した第１の実施形態に係る光源装置２０と比べて、第１のホイール４１、偏光ビームスプリッター４１０、ダイクロイックミラー４１１及び４１６、コリメートレンズ４１３、反射ミラー４１４及び４１５の構成が異なる。また、この異なる構成の特性に応じて、光源装置４０の各構成要素の配置も光源装置２０と一部異なっている。なお、光源装置４０において光源装置２０及び３０と同じ構成要素については、同一の参照符号を付して重複した説明を省略する。
【００９２】
第１のホイール４１は、基板２００、蛍光体層４０１、及び回転制御部２０２により構成される。第１のホイール４１上に設けられた蛍光体層４０１は、第１の実施形態と同様に赤色蛍光体層２０１１、緑色蛍光体層２０１２、蛍光体未塗布面２０１３の３つのセグメントにより構成されているが、蛍光体未塗布面２０１３のセグメントに対応する基板２００のガラス表面だけには可視域高反射のダイクロイックコートの代わりに励起光波長における反射防止コートが施されている点が、第１の実施形態と異なる。すなわち、励起光の照射スポットが蛍光体未塗布面２０１３上にある時間領域（青色セグメント）では、励起光はガラスの基板２００を透過し、その後方に配置されているコリメートレンズ４１３に入射される。
【００９３】
本第３の実施形態では、円形状の基板２００はガラスにより構成したが、ガラスの代わりに高反射の表面加工を施した金属板を用いて、青色セグメントの部分のみ穴をあけた空洞状として励起光を通過させるような構成とすることも可能である。
【００９４】
本第３の実施形態で適用した励起光源は、第１の実施形態の励起光源２０６と第２の実施形態の励起光源３０６との２つのモジュールにより構成されている。励起光源２０６を構成する２５個の青色レーザーダイオードからの出射光は全てＰ偏光に、励起光源３０６を構成する２５個の青色レーザーダイオードからの出射光は全てＳ偏光に、それぞれ調整されている。各励起光源モジュールからの出射光は、偏光ビームスプリッター４１０によって空間的に合波されてから、ダイクロイックミラー４１１へと入射される。
【００９５】
ダイクロイックミラー４１１は、励起光の光軸に対して４５度傾けて配置されており、励起波長帯においてはＰ偏光かＳ偏光かにかかわらず高透過となる特性を有し、蛍光の波長帯においてはＰ偏光かＳ偏光かにかかわらず高反射となる特性を有する。そのため、励起光である青色レーザー光は、ダイクロイックミラー４１１を透過する。
【００９６】
蛍光体層４０１における赤色蛍光体層２０１１及び緑色蛍光体層２０１２は、可視域高反射のダイクロイックコート上に設けられている。よって、これらの蛍光体層上に励起光が照射される時間領域（赤色セグメント及び緑色セグメント）では、第１の実施形態と同様に、蛍光体からの蛍光が後方に取り出され、集光レンズ２１０でコリメートされた後、ダイクロイックミラー４１１によって反射され、ダイクロイックミラー４１６へと入射される。
【００９７】
一方、蛍光体層４０１における蛍光体未塗布面２０１３上に励起光が照射される時間領域（青色セグメント）では、励起光は第１のホイール４１を通過し、コリメートレンズ４１３でコリメートされた後、反射ミラー４１４及び４１５で反射されて１８０度方向転換して、ダイクロイックミラー４１６へと入射される。
【００９８】
ダイクロイックミラー４１６は、ダイクロイックミラー４１１と略同一の透過スペクトル特性、すなわち励起波長帯では高透過となる特性を有し、蛍光の波長帯では高反射となる特性を有している。そのため、ダイクロイックミラー４１６によって３つのセグメントの光は空間的に略同一の光束へと合波され、集光レンズ２１１に入射される。集光レンズ２１１で集光された光は、ダイクロイックフィルター２０４を通過してロッドインテグレータ２１２にカップリングされて、光源装置４０からの出力光となる。
【００９９】
第２のホイール２２は、上記実施形態で説明したとおりである。しかし、青色レーザー光は、スペックルノイズを生じ易いため、青色レーザー光のみ通過する経路又はセグメントにおいて光を拡散させる構成を形成することが望ましい。図７の構成では、例えば、第２のホイール２２における青色選択フィルター２０４３のダイクロイックコートが施されていない側のガラス表面に、微細な凹凸を施すことで拡散面を形成することが考えられる。なお、拡散特性については特に限定されるものではなく、ロッドインテグレータ２１２へのカップリング効率が低下しないような特性であればよい。
【０１００】
上述したように、本第３の実施形態の構成を採用することで、励起光源の偏光方向が揃っていない場合でも、青色レーザー光と蛍光とを空間的に合波して取り出すことが可能である。また、第２のホイール２２を使用することで、各セグメントにおいて不要な光が含まれていない色純度の高い出力光を得ることが可能である。
【０１０１】
＜第４の実施形態＞
本発明の第４の実施形態に係る光源装置５０の構成を、図８に示す。
図８に示す第４の実施形態に係る光源装置５０は、ホイール５１と、励起光源２０６と、コリメートレンズアレイ２０７と、ダイクロイックミラー２０８と、反射ミラー５０９と、４分の１波長板２０９と、集光レンズ２１０及び２１１と、ロッドインテグレータ２１２とを備えている。第１の実施形態と同様に、光源装置５０の出力光は、周期的に切り替わる赤色光、緑色光、青色光の３つの時間セグメントの光によって構成されており、画像表示装置などの照明光として使用することが可能である。
【０１０２】
この第４の実施形態に係る光源装置５０は、上述した第１の実施形態に係る光源装置２０と比べて、ホイール５１及び反射ミラー５０９の構成が異なる。また、この異なる構成の特性に応じて、光源装置５０の各構成要素の配置も光源装置２０と一部異なっている。なお、光源装置５０において光源装置２０と同じ構成要素については、同一の参照符号を付して重複した説明を省略する。
【０１０３】
ホイール５１は、円形状の金属平板により構成される基板５００、蛍光体層５０１、ダイクロイックフィルター５０２、及び回転制御部５０３により構成されている。基板５００は、一方表面に蛍光体層５０１が、他方表面にダイクロイックフィルター５０２が形成されている。このホイール５１は、簡単に言えば、上記実施形態で説明した第１のホイール２１と第２のホイール２２とを同心軸上に重ねて設け、１つの回転制御部によって同時に回転させるようにした構造である。本ホイール５１の具体的なセグメント構成例を、図９に示す。
図９に示すホイール５１では、蛍光体層５０１が、赤色蛍光体が塗布された赤色蛍光体層５０１１、緑色蛍光体が塗布された緑色蛍光体層５０１２、及び何も塗布されていない蛍光体未塗布面５０１３の３つのセグメントにより構成されている。赤色蛍光体及び緑色蛍光体は、表面が鏡面状に加工された基板５００上に塗布されており、蛍光体未塗布面５０１３は、金属鏡面となっている。使用した赤色蛍光体及び緑色蛍光体の材料は、第１の実施形態と同一である。
【０１０４】
ダイクロイックフィルター５０２は、蛍光体層５０１の外周よりも大きな外周を持つ円形状の透明ガラス板上にダイクロイックコートが施された構造である。ダイクロイックフィルター５０２も、赤色選択フィルター５０２１、緑色選択フィルター５０２２、及び青色選択フィルター５０２３の３つのセグメントにより構成されている。
【０１０５】
赤色選択フィルター５０２１及び緑色選択フィルター５０２２は、図３Ｂ（ａ）及び図３Ｂ（ｂ）に示した特性を有している。青色選択フィルター５０２３としては、緑色〜赤色が高反射となるダイクロイックフィルターではなく、青色波長帯が高透過となる反射防止コートを施したフィルターを採用した。さらに、出射側のガラス表面は平坦面ではなく、光が拡散するように微細な凹凸が施された拡散面とした。本実施形態では、拡散角が約３度の拡散面としたが、拡散特性については特に限定されるものではなく、ロッドインテグレータ２１２へのカップリング効率が低下しないような特性であればよい。
【０１０６】
第１の実施形態と同様に、蛍光体層５０１上の赤色蛍光体層５０１１に励起光が照射される時間領域（赤色セグメント）では、ダイクロイックフィルター５０２上の赤色選択フィルター５０２１中を集光レンズ２１１によって集光された集光光が通過するように、セグメントのレイアウトが調整されている。そのために、赤色セグメントの構成要素となる赤色蛍光体層５０１１と赤色選択フィルター５０２１とは、全周３６０度に対する分割角度は等しく、また、ホイール５１の回転軸に対して１８０度対称な位置に配置されている。緑色セグメント及び青色セグメントの構成要素についても同様である。
【０１０７】
蛍光体層５０１から発される赤色蛍光、緑色蛍光、及び未変換の青色レーザー光は、ダイクロイックミラー２０８で反射され、さらに反射ミラー５０９で反射されて集光レンズ２１１に入射される。集光レンズ２１１で集光された光は、ダイクロイックフィルター５０２を通過してロッドインテグレータ２１２にカップリングされて、光源装置５０からの出力光となる。
【０１０８】
本ダイクロイックフィルター５０２を使用することにより、赤色セグメントでは不要な残留励起光が除去される。緑色セグメントでは、不要な残留励起光が除去されるとともに、緑色蛍光体から放たれる蛍光のうち波長６００ｎｍよりも長波長のスペクトル成分が除去される。青色セグメントでは、スペクトル成分に変化はないが、回転する拡散素子を通過することにより、スペックルノイズが低減される。
【０１０９】
上述したように、本第４の実施形態の構成を採用することで、第１の実施形態では空間的に別の場所に存在する２つのホイールによって達成されていた機能を１つの回転体上に集約することができるため、一層簡便な方法によって高演色性かつ高輝度の光源装置を提供することが可能となる。
【０１１０】
＜第５の実施形態＞
第５の実施形態は、上記第４の実施形態に係る光源装置５０のホイール５１に形成される蛍光体層５０１及びダイクロイックフィルター５０２を、蛍光体層６０１及びダイクロイックフィルター６０２に代えた実施例である。よって、第５の実施形態に係る光源装置の全体配置及び蛍光体層６０１及びダイクロイックフィルター６０２以外の構成要素は、第４の実施形態に係る光源装置５０と同一であるため、説明は省略する。
【０１１１】
このようなセグメント構成とすることで、各時間セグメントにおいて、赤色光、緑色光、略白色光、青色光、と周期的に切り替わる４色の出力光を光源装置から得ることが可能となる。
【０１１２】
本第５の実施形態におけるホイール６１の構成例を、図１０に示す。  ホイール６１は、基板５００、蛍光体層６０１、ダイクロイックフィルター６０２、及び回転制御部５０３により構成されている。
【０１１３】
蛍光体層６０１は、赤色蛍光体が塗布された赤色蛍光体層６０１１、緑色蛍光体が塗布された２つの緑色蛍光体層６０１２及び６０１３、及び何も塗布されていない蛍光体未塗布面６０１４の４つのセグメントにより構成されている。本実施形態では、２つの緑色蛍光体層６０１２及び６０１３に塗布されている緑色蛍光体を同一材料としているが、特性の異なる材料の蛍光体を使用してもよい。赤色蛍光体及び緑色蛍光体は、表面が鏡面状に加工された基板６００上に塗布されており、蛍光体未塗布面６０１４は、金属鏡面となっている。使用した赤色蛍光体及び緑色蛍光体の材料は、第１の実施形態と同一である。
【０１１４】
ダイクロイックフィルター６０２は、蛍光体層６０１の外周よりも大きな外周を持つ円形状の透明ガラス板上にダイクロイックコートが施された構造である。ダイクロイックフィルター６０２は、赤色選択フィルター６０２１、緑色選択フィルター６０２２、可視全域高透過板６０２３、青色選択フィルター６０２４の４つのセグメントにより構成されている。
【０１１５】
赤色選択フィルター６０２１及び緑色選択フィルター６０２２は、図３Ｂ（ａ）及び図３Ｂ（ｂ）に示した特性を有している。可視全域高透過板６０２３は、可視全域の反射防止コートを両面に施した透明ガラス板である。この可視全域高透過板６０２３では、緑色蛍光が略白色光に変換されて出力される。青色選択フィルター６０２４は、第４の実施形態で使用した青色選択フィルター５０２３と同一であり、励起波長帯において高透過で、かつ、出射側に光拡散機能が施されている。
【０１１６】
上記第４の実施形態と同様に、蛍光体層６０１上の赤色蛍光体層６０１１に励起光が照射される時間領域（赤色セグメント）では、ダイクロイックフィルター６０２上の赤色選択フィルター６０２１中を集光レンズ２１１によって集光された集光光が通過するように、セグメントのレイアウトが調整されている。すなわち、赤色光を出力する赤色セグメントでは、赤色蛍光体層６０１１と赤色選択フィルター６０２１とは、全周３６０度に対する分割角度は等しく、ホイール６１の回転軸に対して対称な配置となっている。同様に、緑色光を出力する緑色セグメントでは、緑色蛍光体層６０１２と緑色選択フィルター６０２２とが等しい角度で対称に配置されており、青色光を出力する青色セグメントでは、蛍光体未塗布面６０１４と青色選択フィルター６０２４とが等しい角度で対称に配置されている。
【０１１７】
本第５の実施形態で新しく追加した略白色光を出力するセグメント（以下、白色セグメントと呼ぶ）についても、セグメントの構成要素である緑色蛍光体層６０１３と可視全域高透過板６０２３とは、全周３６０度に対して等しい分割角度となっており、ホイール６１の回転軸に対して対称に配置されている。
【０１１８】
本白色セグメントでは、緑色蛍光体層６０１３から放たれてロッドインテグレータ２１２まで到達する光について、特定のスペクトル成分の除去は行わず、全ての光をカップリングするようにしているので、未変換の残留励起光の一部と、緑色蛍光体における長波長成分も含まれている。そのため、３つのセグメントで構成される第４の実施形態に比べて、より明るい出力光を得ることが可能となる。
【０１１９】
略白色光の色度は、緑色蛍光体の色度や波長変換効率などによって変化するため、青みを帯びた白や緑味を帯びた白となる場合があるが、本光源装置を画像表示装置に適用する場合では、４つのセグメントの合計出力光が所望の色度となるように、セグメントの分割角度や励起光強度を調整すればよい。
【０１２０】
本実施形態では、赤色セグメントが１２０度、緑色セグメントが１２０度、白色セグメントが６０度、及び青色セグメントが６０度となるよう分割角度を設定したが、この角度配分は蛍光体の波長変換特性や出力光のターゲット色度などによって適宜設定できる。
【０１２１】
上述したように、本第５の実施形態の構成を採用することで、励起光の強度を増加させることなく光源装置から取り出される白色光を明るくすることが可能であり、特にプロジェクターなどの画像表示装置に適用する場合に好適である。
【０１２２】
＜本発明の光源装置を応用した画像表示装置の例＞
本発明の第４の実施形態に係る光源装置５０を用いた画像表示装置の構成例を、図１１に示す。なお、この例では、第４の実施形態に係る光源装置５０を用いた画像表示装置を示しているが、その他の実施形態に係る光源装置を用いても画像表示装置を構成することが可能である。
【０１２３】
光源装置５０におけるロッドインテグレータ２１２からの出力光は、ロッド出射面で照度が均一化されており、リレーレンズ７０１、フィールドレンズ７０２、全反射プリズム７０３を経て画像表示素子であるＤＭＤ７０４に入射される。ロッドインテグレータ２１２の出射面形状がＤＭＤ７０４上に転写され効率よく均一に集光できるように、リレー光学系が構成されている。
【０１２４】
ＤＭＤ７０４は微小ミラーを２次元的に配置してなり、この各ミラーは、赤、緑、青の映像入力信号に応じてその傾きを変化させることで、時間的に変調された信号光を形成する。このＤＭＤ７０４が赤の映像信号によって駆動されているとき、光源装置５００において、ちょうど赤色蛍光体からの赤色光が出力されるように、赤色蛍光体層５０１１に励起光が照射されるように回転制御部５０３のタイミングが制御されている。同様に、ＤＭＤ７０４が緑の映像信号によって駆動されるときは緑色蛍光体層５０１２に、ＤＭＤ７０４が青の映像信号によって駆動されるときは蛍光体未塗布面５０１３に、それぞれ励起光が照射されるように、回転制御部５０３のタイミングが制御されている。ＤＭＤ７０４によって変調された信号光は、投射レンズ７０５によって図示されていないスクリーンへと投射される。
【０１２５】
上述したように、本発明の実施形態で示した光源装置を用いて画像表示装置を構成することにより、小型で効率のよい画像表示装置を提供することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２６】
本願発明は、光源装置及びそれを用いた画像表示装置の生産、使用などに利用することができる。
【符号の説明】
【０１２７】
２０、３０、４０、５０  光源装置
２１、２２、４１、５１  ホイール
２００、２０３、５００  基板
２０１、４０１、５０１、６０１  蛍光体層
２０２、２０５、５０３  回転制御部
２０４、５０２、６０２  ダイクロイックフィルター
２０６、３０６  励起光源
２０７  コリメートレンズアレイ
２０９  ４分の１波長板
２０８、３０８、４１１、４１６  ダイクロイックミラー
２１０、２１１  集光レンズ
２１２  ロッドインテグレータ
２０１１、５０１１、６０１１  赤色蛍光体層
２０１２、５０１２、６０１２、６０１３  緑色蛍光体層
２０１３、５０１３、６０１４  蛍光体未塗布面
２０４１、５０２１、６０２１  赤色選択フィルター
２０４２、５０２２、６０２２  緑色選択フィルター
２０４３、５０２３、６０２４  青色選択フィルター
４１０  偏光ビームスプリッター
４１３  コリメートレンズ
４１４、４１５、５０９  反射ミラー
６０２３  可視全域高透過板
７０１  リレーレンズ
７０２  フィールドレンズ
７０３  全反射プリズム
７０４  ＤＭＤ
７０５  投射レンズ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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