(57)【要約】【課題】複数種類の波長変換層を用いつつ良好な明るさや色バランスの光を生成する。【解決手段】光学素子３０は、第１の波長の光が入射する光入射側から順に、第１の波長の光の一部を該第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換する第１の波長変換層３１と、第１の波長の光の他の一部を第１および第２の波長とは異なる第３の波長の光に変換する第２の波長変換層３２とを有し、第１、第２および第３の波長の光を出射させる。第１の波長の光が同じ光密度で入射する場合における第２の波長変換層の第３の波長の光への変換効率は、第１の波長変換層の第２の光への変換効率より低い。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長の光が入射する光入射側から順に、
前記第１の波長の光の一部を該第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換する第１の波長変換層と、
前記第１の波長の光の他の一部を前記第１および第２の波長とは異なる第３の波長の光に変換する第２の波長変換層とを有し、
前記第１、第２および第３の波長の光を出射させる光学素子であり、
前記第１の波長の光が同じ光密度で入射する場合における前記第２の波長変換層の前記第３の波長の光への変換効率が前記第１の波長変換層の前記第２の光への変換効率より低いことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記光密度の増加に応じて前記第２の波長変換層の前記第３の波長の光への変換効率が前記第１の波長変換層の前記第２の光への変換効率に比べてより低くなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記第１および第２の波長変換層は、互いに異なる種類の蛍光体を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記第２の波長変換層における前記光入射側とは反対側に、光を反射する基板が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記第１の波長変換層における前記光入射側に、光を透過する基板が設けられていることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか一項に記載の光学素子と、
前記第１の波長の光を発する光源と、
前記光源からの前記光を前記光学素子に導く光学系とを有することを特徴とする光源装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光源装置と、
前記光源装置からの光を変調する光変調素子とを有し、
前記光変調素子により変調された光を被投射面に投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）等に用いられる光源装置に好適な光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
プロジェクタには、レーザーダイオード（以下、ＬＤという）やＬＥＤ等の固体光源からの励起光の一部を該励起光とは異なる波長を有する蛍光光に変換する光学素子（蛍光素子）を含む光源装置が用いられる場合がある。このような光源装置として、特許文献１には、互いに異なる蛍光光を発する複数種類の蛍光体を励起光の照射面内において隣接させ、励起光の照射位置を変更することによって発光色を制御する光源装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第５４７２６７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１にて開示された光源装置のように複数種類の蛍光体を用いる場合にいずれかの蛍光体において高い光密度の励起光が照射されたときに蛍光変換効率が低下する輝度飽和現象が生じると、良好な明るさや色バランスの光が得られないおそれがある。
【０００５】
本発明は、複数種類の波長変換層（蛍光体）を用いつつ良好な明るさや色バランスの光が得られる光学素子およびこれを用いた光源装置、画像投射装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての光学素子は、第１の波長の光が入射する光入射側から順に、第１の波長の光の一部を該第１の波長とは異なる第２の波長の光に変換する第１の波長変換層と、第１の波長の光の他の一部を第１および第２の波長とは異なる第３の波長の光に変換する第２の波長変換層とを有し、第１、第２および第３の波長の光を出射させる。第１の波長の光が同じ光密度で入射する場合における第２の波長変換層の第３の波長の光への変換効率が第１の波長変換層の第２の光への変換効率より低いことを特徴とする。
【０００７】
なお、上記光学素子と、第１の波長の光を発する光源と、光源からの光を光学素子に導く光学系とを有する光源装置も、本発明の他の一側面を構成する。さらに、この光源装置と、該光源装置からの光を変調する光変調素子とを有し、光変調素子からの変調光を被投射面に投射して画像を表示する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第１および第２の波長変換層をその変換効率を考慮して光入射側から適切な順序で配置することで、明るさや色バランスが良好な光を生成可能な光学素子および光源装置を実現することができる。そして、この光源装置を画像投射装置に用いれば、明るく良好な色の投射画像を表示することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１である光源装置の構成を示す図。
【図２】実施例１における励起光と蛍光の波長分布の例を示す図。
【図３】実施例１におけるダイクロイック偏光ビームスプリッタの波長特性を示す図。
【図４】実施例１における反射型蛍光複合素子の構成を示す図。
【図５】実施例１における２つの蛍光層の蛍光変換効率を示す図。
【図６】実施例１における２つの蛍光層内での光の進行を示す図。
【図７】実施例１における前方散乱と後方散乱の分配状態を示す図。
【図８】本発明の実施例２における透過型蛍光複合素子の構成を示す図。
【図９】実施例２における２つの蛍光層内での光の進行を示す図。
【図１０】本発明の実施例３である画像投射装置の構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１には、本発明の実施例１である光学素子としての反射型蛍光複合素子（光学素子：以下、蛍光素子という）３０を用いた光源装置１の構成を示している。図１において、１０は固定光源としてのレーザーダイオード（ＬＤ）であり、１１はＬＤ１０からの励起光である発散光束を集光して平行光束とするコリメータレンズ系（光学系）である。１２は励起光を透過するダイクロイック偏光ビームスプリッタである。また、２０はダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２を透過した平行光束を集光するコンデンサレンズ２１，２２を含むコンデンサレンズ系である。蛍光素子３０は、励起光の一部を蛍光光に変換する。ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２は、蛍光素子３０からの出射光（蛍光光と蛍光光に変換されずに反射してきた励起光と同じ波長の非変換光）を反射して光源装置１から出射させる。
【００１２】
図１において、コリメータレンズ系１１またはコンデンサレンズ系２０の光軸をｚ軸とし、該ｚ軸が延びる方向をｚ方向（光軸方向）とする。また、ｚ軸と直交する軸であってｚ軸とダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２の偏光分離面の法線とを含む断面に沿った軸をｙ軸とし、該ｙ軸が延びる方向をｙ方向とする。ｚ軸およびｙ軸に直交する軸をｘ軸とし、該ｘ軸が延びる方向をｘ方向とする。
【００１３】
光源装置１が光を出射する原理について説明する。ＬＤ１０からの励起光は発散光束としてコリメータレンズ系１１によって平行光束に変換され、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２に入射する。図２に示すように、ＬＤ１０からの励起光は、中心波長が４４５ｎｍの青色光である。
【００１４】
図３に示すように、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２は、ＬＤ１０からの青色光についてはＰ偏光を透過してＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタとして作用する。また、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２は、緑色光および赤色光についてはその偏光方向に依らずに反射するダイクロイックミラーとして作用する。ＬＤ１０からの励起光はＰ偏光（ｙｚ断面に平行な方向に振動する偏光）であるため、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２を透過してコンデンサレンズ系２０を介して蛍光素子３０に入射する。
【００１５】
蛍光素子３０の具体的な構成については後述するが、蛍光素子３０はＬＤ１０からの励起光としての青色光の一部を、該励起光の波長（第１の波長）とは異なる波長（第２の波長および第３の波長）を有するそれぞれ蛍光光としての緑色光および赤色光に変換する。蛍光素子３０からの緑色および赤色光（変換光）と蛍光素子３０にて蛍光光に変換されなかった青色光（非変換光）とがダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２に入射する。蛍光素子３０から出射する光は偏光方向が乱れた状態であるため、蛍光素子３０からの青色光のうちＳ偏光と緑色および赤色光とがダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２で反射されて光源装置１から出射する。
【００１６】
次に、蛍光素子３０の具体的な構成について図４を用いて説明する。図４に示すように、蛍光素子３０は、励起光入射側（図の左側：以下、ＬＤ側という）から順に配置（積層）された第１の蛍光層３１、第２の蛍光層３２および反射素子３３が一体の素子として構成されたものである。第１の蛍光層３１および第２の蛍光層３２はそれぞれ、入射した励起光を蛍光光に波長変換する第１の波長変換層および第２の波長変換層である。また、反射素子３３は、蛍光素子３０の基板としても機能する。
【００１７】
図５に、同一波長の励起光（ここでは中心波長が４４５ｎｍの青色光）が入射したときの第１の蛍光層３１の緑色光への変換効率（以下、蛍光変換効率という）と第２の蛍光層３２の赤色光への蛍光変換効率とを示す。第１の蛍光層３１と第２の蛍光層３２は、互いに種類が異なる蛍光体の粒子を含み、それぞれに含まれる蛍光体の特性によって入射する励起光の強度（光密度）に対する蛍光変換効率に差を有する。具体的には、励起光の光密度が０．５〜１の範囲においては励起光が同じ光密度で入射する場合における第２の蛍光層３２の蛍光変換効率が第１の蛍光層３１の蛍光変換効率より低くなっている。さらに言えば、励起光の光密度が増加するほど、第２の蛍光層３２の蛍光変換効率が第１の蛍光層３１の蛍光変換効率に比べてより低くなっている。
【００１８】
なお、ここでいう第１の蛍光層３１及び第２の蛍光層３２に励起光が同じ光密度で入射する場合とは、第１の蛍光層３１及び第２の蛍光層３２をそれぞれ単独の層に分離させて両層に同じ光密度の励起光を入射させた場合のことをいう。つまり、第１の蛍光層３１及び第２の蛍光層３２が互いに接触している場合ではなく、第１の蛍光層３１を第２の蛍光層３２から分離させた場合または第１の蛍光層３１及び第２の蛍光層３２の少なくとも一部を別々に取り出した場合のことをいう。
【００１９】
本実施例では、第１の蛍光層３１と第２の蛍光層３２の蛍光変換効率の差による蛍光素子３０からの出射光の色バランスの崩れを抑制するために、励起光の光密度が高い励起光入力側から順に第１の蛍光層３１および第２の蛍光層３２を配置する。
【００２０】
第１の蛍光層３１は、ＬＤ１０からの励起光である青色光の一部を該青色光の波長（第１の波長）とは異なる波長（第２の波長）を有する第１の蛍光光としての赤色光に変換する。この際、第１の蛍光層３１は、青色光の他の一部を非変換光としてＬＤ１０側に反射し、さらに別の一部を励起光として第２の蛍光層３２に入射させる。
【００２１】
第２の蛍光層３２は、蛍光層３１からの励起光の一部を、ＬＤ１０からの励起光である青色光および第１の蛍光光である赤色光とは異なる波長（第３の波長）を有する第２の蛍光光としての緑色光に変換する。この際、第２の蛍光層３２は、励起光の他の一部を蛍光光に変換せずに反射素子３３で反射させ、第１の蛍光層３１を通過させてＬＤ側に出射させる。また、反射素子３３は、第１の蛍光層３１で発生して第２の蛍光層３２を通過した赤色光（蛍光光）も第１の蛍光層３１に向けて反射し、ＬＤ側に出射させる。
【００２２】
ここで、本発明の各実施例において波長が異なるとは、ピーク波長（主波長）が異なることをいう。例えば、第１の蛍光層３１からの第１の蛍光光として赤色光と、第２の蛍光層３２からの第２の蛍光光としての緑色光は、各光においてエネルギー強度が最大となるピーク波長が互いに異なっている。
【００２３】
図６には、ＬＤ１０から蛍光素子３０に入射した励起光Ｌ１０から蛍光光と非変換光が生ずる様子を模式的に示している。ＬＤ１０から第１の蛍光層３１に入射した励起光Ｌ１０は、該第１の蛍光層３１において破線で示す第１の蛍光光Ｌ３１と非変換光Ｌ１０′とに分かれる。さらに第１の蛍光層３１から第２の蛍光層３２に入射した非変換光（励起光）Ｌ１０′は、該第２の蛍光層３２において一点鎖線で示す第２の励起光Ｌ３２と非変換光Ｌ１０″とに分かれる。
【００２４】
最終的に第１および第２の蛍光層３１，３２のいずれでも蛍光光に変換されなかった非変換光Ｌ１０″は、図１に示したコリメータレンズ系２０に戻る。一方、第１の蛍光光Ｌ３１および第２の蛍光光Ｌ３２は、直接または反射素子３３で反射されることによって、非変換光Ｌ１０″と同じくコリメータレンズ系２０に戻る。
【００２５】
このように、第１および第２の蛍光層３１，３２を積層することによって、励起光の一部である非変換光と互いに波長が異なる２種類の蛍光光とを蛍光素子３０から取り出すことができる。これにより、非変換光である青色光と蛍光光である緑色および赤色光の発光光密度を任意のバランスに調整することが可能となる。したがって、良好な明るさと色バランスを有する光を生成することができる。
【００２６】
さらに本実施例では、第２の蛍光層３２には、第１の蛍光層３１を通過して光密度が減少した励起光（非変換光Ｌ１０′）が入射する。このため、第２の蛍光層３２に使用される蛍光体粒子の特性に対する制限を緩和することが可能となる。言い換えれば、第２の蛍光層３２には、高い光密度の励起光に対する蛍光変換効率が低い蛍光体でも使用することができる。このため、第２の蛍光層３２から発せられる蛍光光の波長の選択肢を広げることが可能となる。
【００２７】
以下、前述した効果を高める又は前述した効果とは別の効果を得るための蛍光素子３０の構成について説明する。
【００２８】
第１および第２の蛍光層３１，３２はそれぞれ、蛍光体粒子とこれらを保持（固定）するシリコーン樹脂等の可視光に対する透過率が高い透光性保持材料（バインダ）とにより構成されている。
【００２９】
第１の蛍光層３１の透光性保持材料の屈折率と第２の蛍光層３２の透光性保持材料の屈折率とが互いに同じであると、第１および第２の蛍光層３１，３２の間での界面での屈折率差による光量損失を抑制することができる。このため、本実施例でも、第１および第２の蛍光層３１，３２の透光性保持材料を互いに同じ材料とし、それらの屈折率は互いに同じである。
【００３０】
また、第１の蛍光層３１のｚ方向での厚みを調整することで、第２の蛍光層３２に入射する励起光（非変換光Ｌ１０′）の光密度、言い換えれば第２の蛍光層３２への励起光の分配比率を制御することができ、適切な色バランスを得ることもできる。第１の蛍光層３１の厚みは２０μｍ以上８０μｍ以下であることが好ましい。厚みが２０μｍ未満であると励起光の光密度の減少効果が少なすぎて色改善効果を得ることが困難となる。一方、厚みが８０μｍを超えると第２の蛍光層３２に入射する励起光の光密度が小さくなりすぎて色改善効果を得ることが困難になる。
【００３１】
なお、ここでは第２の蛍光層３２への励起光の分配比率の調整を第１の蛍光層３１の厚みで行う場合について説明したが、第１の蛍光層３１の蛍光体粒子の濃度によって調整することも可能である。この場合には、蛍光体粒子の濃度を３０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の範囲で調整するとよい。
【００３２】
また本実施例において、反射素子３３は、アルミニウム等の可視光帯域での反射率が高い金属により構成されている。反射素子３３は、第１および第２の蛍光層３１，３２で発生した熱を放熱するために金属材料が好ましいが、セラミックやガラス等に誘電体多層膜を付加して反射率を高めたものを用いてもよい。
【実施例２】
【００３３】
次に本発明の実施例２について説明する。実施例１では、光源装置１に用いられる蛍光素子３０として、基板部が反射素子３３により構成される例を説明した。これに対して、本実施例では、図８に示すように、光源装置１０１に用いられる蛍光素子１３０の基板部がダイクロイック透過素子１３３により構成されている。ダイクロイック透過素子１３３の特性としては、図３に示したダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２の特性と同様に、励起光（青色光）を透過する一方、変換光である蛍光光（緑色および赤色光）を反射させる特性であればよい。
【００３４】
図８に示すように、蛍光素子１３０は、励起光入射側（図の左側：以下、ＬＤ側という）から順に配置（積層）されたダイクロイック透過素子１３３、第１の蛍光層３１および第２の蛍光層３２が一体の素子として構成されたものである。第１および第２の蛍光層３１，３２はそれぞれ入射した励起光を蛍光光に波長変換する波長変換層である。また、ダイクロイック透過素子１３３は、蛍光素子１３０の基板部としても機能する。
【００３５】
図７には、本実施例の光源装置１０１の構成を示している。光源装置１０１は、実施例１の光源装置１に対して、蛍光素子３０に代えて蛍光素子１３０を用い、コンデンサレンズ１２１，１２２を含むコンデンサレンズ系１２０を追加し、ダイクロイック偏光ビームスプリッタ１２を削除した構成を有する。コンデンサレンズ系１２０は、蛍光素子１３０を挟んでコンデンサレンズ系１２０とは反対側に配置されている。他の構成は実施例１と同様である。図７でも、コリメータレンズ系１１およびコンデンサレンズ系２０，１２０の光軸をｚ軸とし、該ｚ軸が延びる方向をｚ方向（光軸方向）とする。また、ｚ軸と直交する軸をｙ軸とし、該ｙ軸が延びる方向をｙ方向とする。ｚ軸およびｙ軸に直交する軸をｘ軸とし、該ｘ軸が延びる方向をｘ方向とする。
【００３６】
光源装置１０１が光を出射する原理について説明する。ＬＤ１０からの励起光（青色光）は発散光束としてコリメータレンズ系１１によって平行光束に変換され、蛍光素子１３０にダイクロイック透過素子１３３を透過して入射する。蛍光素子１３０は、入射した励起光としての青色光の一部を、該励起光の波長（第１の波長）とは異なる波長（第２の波長および第３の波長）を有するそれぞれ蛍光光としての緑色光および赤色光に変換する。これにより、蛍光素子１３０から、緑色および赤色光（変換光）と蛍光素子３０にて蛍光光に変換されなかった青色光（非変換光）とがコンデンサレンズ系１２０に向かって図７中のｚ方向右側に出射する。
【００３７】
蛍光素子１３０内においては蛍光体粒子から全方位に発せられた変換光と蛍光体粒子によって拡散された非変換光とが混在している。変換光および非変換光の一部はダイクロイック透過素子１３３の方向へと進行するが、変換光は該ダイクロイック透過素子１３３により反射されて蛍光素子１３０からコンデンサレンズ系１２０に向かって射出する。また、非変換光はダイクロイック透過素子１３３を透過してコンデンサレンズ系２０に向かって射出する。
【００３８】
こうして蛍光素子１３０から発散光として出射した緑色および赤色光と青色光は、コンデンサレンズ系１２０で平行化された後、光源装置１０１から出射する。
【００３９】
図９には、ＬＤ１０から蛍光素子１３０に入射した励起光Ｌ１０から蛍光光と非変換光が生ずる様子を模式的に示している。ＬＤ１０からダイクロイック透過素子１３３を透過して第１の蛍光層３１に入射した励起光Ｌ１０は、該第１の蛍光層３１において一点鎖線で示す第１の蛍光光Ｌ３１と非変換光Ｌ１０′とに分かれる。さらに第１の蛍光層３１から第２の蛍光層３２に入射した非変換光（励起光）Ｌ１０′は、該第２の蛍光層３２において破線で示す第２の励起光Ｌ３２と非変換光Ｌ１０″とに分かれる。
【００４０】
最終的に第１および第２の蛍光層３１，３２のいずれでも蛍光光に変換されなかった非変換光Ｌ１０″は、第２の蛍光層３２から出射してコンデンサレンズ系１２０に向かう。また、第１の蛍光光Ｌ３１および第２の蛍光光Ｌ３２は、直接またはダイクロイック透過素子１３３で反射されることによって、非変換光Ｌ１０″と同じく第２の蛍光層３２から出射してコンデンサレンズ系１２０に向かう。
【００４１】
このように、本実施例でも、第１および第２の蛍光層３１，３２を積層することによって、励起光の一部である非変換光と互いに波長が異なる２種類の蛍光光とを蛍光素子１３０から取り出すことができる。これにより、非変換光である青色光と蛍光光である緑色および赤色光の発光強度を任意のバランスに調整することが可能となる。したがって、良好な明るさと色バランスを有する光を生成することができる。
【００４２】
さらに本実施例でも、第２の蛍光層３２には、第１の蛍光層３１を通過して光密度が減少した励起光（非変換光Ｌ１０′）が入射する。このため、第２の蛍光層３２に使用される蛍光体粒子の特性に対する制限を緩和することが可能となる。言い換えれば、第２の蛍光層３２には、高い光密度の励起光に対する蛍光変換効率が低い蛍光体でも使用することができる。このため、第２の蛍光層３２から発せられる蛍光光の波長の選択肢を広げることが可能となる。
【００４３】
なお、第１の蛍光層３１の厚みまたは蛍光体粒子濃度の調整範囲は、実施例１で説明したものと同様である。
【００４４】
また、上記実施例１，２では第１および第２の波長変換層として蛍光体を含む蛍光層を用いたが、蛍光体以外でも波長変換作用を有する物質を用いて波長変換層を構成してもよい。
【実施例３】
【００４５】
図１０には、前述した実施例１で示した光源装置１を搭載した本発明の実施例３としてのプロジェクタ（画像投射装置）２の構成を示している。なお、光源装置１に代えて、実施例２で説明した光源装置１０１を搭載してもよい。
【００４６】
プロジェクタ２は、光源装置１に加えて、該光源装置１からの光が入射する照明光学系αと、赤（Ｒ）、緑（Ｇ）および青（Ｂ）用にそれぞれ設けられた光変調素子５０（図には１つのみ示す）と、色分解合成光学系１４と、投射光学系（投射レンズ）６０とを有する。
【００４７】
照明光学系αは、光源装置１側から順に配置された偏光変換素子１３と、コンデンサレンズ２３と、不図示の第１フライアイレンズおよび第２フライアイレンズとにより構成されている。光源装置１からの光は、Ｐ偏光とＳ偏光とが混在した無偏光光であり、この無偏光光は偏光変換素子１３を通過することでＰ偏光に変換されてコンデンサレンズ２３に導かれる。
【００４８】
コンデンサレンズ２３によって集光された光は、色分離合成光学系１４に含まれる不図示のダイクロイックミラーや偏光ビームスプリッタ１４で透過または反射されてＲ光、Ｇ光およびＢ光に分離され、対応する光変調素子５０に導かれる。各光変調素子５０は、入射した光をプロジェクタ２に外部から入力された映像信号に応じて変調する。Ｒ、ＧおよびＢ用の光変調素子５０で変調されたＲ光、Ｇ光およびＢ光は、偏光ビームスプリッタ１４や不図示の色合成プリズムでの透過または反射により合成されて投射光学系６０を介して不図示のスクリーン等の被投射面に拡大投射される。これにより、カラー画像が投射表示される。
【００４９】
本実施例のプロジェクタ２では、実施例１の光源装置１（または実施例３の光源装置１０１）を用いることで、明るく良好な色のカラー画像を投射することができる。
【００５０】
以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００５１】
３０，１３０  蛍光素子（光学素子）
３１  第１の蛍光層（第１の波長変換層）
３２  第２の蛍光層（第２の波長変換層）
３３  反射素子
１３３  ダイクロイック透過素子
【図１】
2018045799.tif 000003
【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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【図９】
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【図１０】
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