(57)【要約】【課題】高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。【解決手段】所定の波長帯域光を放射するレーザー光源１０１と、前記レーザー光源１０１からの放射光を励起光として、所定の波長域の蛍光発光光を放射する蛍光体層４０１を、少なくとも１つ以上備え、前記蛍光体層４０１はセラミック蛍光体であり、所望の波長に対して、反射作用を持つ面である反射層４０２が蛍光体上に直接形成されていることを特徴とする光源装置。【選択図】図４
2013130605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、
前記励起光を受けて蛍光を発光するセラミック蛍光体層と、
前記セラミック蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、
を備えた光源装置。
【請求項２】
セラミック蛍光体層に回転機構を備えた請求項１記載の光源装置。
【請求項３】
薄膜は、励起光源側に向けられ、励起光を透過し、蛍光を反射することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項４】
薄膜は、励起光源と反対側に向けられ、励起光を透過し、蛍光を反射することを特徴とする請求項１又は２に記載の光源装置。
【請求項５】
蛍光体層及び薄膜を冷却する冷却手段を備えた請求項１、３又は４のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項６】
冷却手段が、ファンであることを特徴とする請求項５記載の光源装置。
【請求項７】
冷却手段が放熱体であり、前記放熱体に蛍光体層及び薄膜を固定する固定手段を備えたことを特徴とする請求項５記載の光源装置。
【請求項８】
蛍光体層の厚みが０．１ｍｍ〜３ｍｍであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項９】
蛍光体層の表面に、反射防止膜を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１０】
蛍光体層の表面に、誘電体多層膜を備えたことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の光源装置。
【請求項１１】
所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、
前記励起光を受けて蛍光を発光する円錐台形のセラミック蛍光体層と、
前記セラミック蛍光体層に該セラミック蛍光体層とで円柱形となるよう形成された酸化チタンと無機バインダとからなるリフレクターと、
前記リフレクター側の少なくとも前記セラミック蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、
を備えた光源装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１いずれか１項に記載の光源装置を備えたプロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光体デバイスを備えた光源装置及び当該光源装置を備えたプロジェクタに関する。
【背景技術】
【０００２】
今日、パーソナルコンピュータの画面やビデオ画像、さらに、メモリカード等に記憶されている画像データによる画像等をスクリーンに投影する画像投影装置として、データプロジェクタが多用されている。このプロジェクタは、光源から射出された光をデジタル・マイクロミラー・デバイス（ＤＭＤ）と呼ばれるマイクロミラー表示素子、又は、液晶板に集光させ、スクリーン上にカラー画像を表示させるものである。
【０００３】
このようなプロジェクタにおいて、従来は高輝度の放電ランプを光源とするものが主流であったが、近年、光源装置の発光素子として発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）、あるいは、有機ＥＬ等の半導体発光素子を用いる開発や提案が多々なされている。
【０００４】
例えば、特許文献１では、所定の波長帯域光を射出する励起光源と、該励起光源からの射出光を励起光として所定の波長帯域の蛍光発光光を射出する蛍光体層を少なくとも１つ以上備えた発光板を備え、前記蛍光体層は、蛍光体と、該蛍光体が均一に分散されたバインダと、から形成され、前記発光板には前記蛍光体層として少なくとも緑色蛍光体層が形成されることを特徴とする光源装置が提案されている。
【０００５】
また、特許文献２では、蛍光体層の着色と温度消光を抑制することを目的に、紫外光から可視光までの波長領域のうちの所定の波長の光を発光する固体光源と、該固体光源からの励起光により励起され該固体光源の発光波長よりも長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類の蛍光体を含む蛍光体層と、該蛍光体層の前記励起光が入射する側の面とは反対の面側に設けられる放熱基板とを備え、前記蛍光体層は実質的に樹脂成分を含まず、前記固体光源と前記蛍光体層とが空間的に離れて配置されており、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面（放熱基板が反射面を備える）による反射を用いて蛍光を取り出すことを特徴とする光源装置が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−０５３３２０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１２９３５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、プロジェクタでは、高輝度、高強度の光を射出可能な光源装置が求められる。そこで、光の利用効率を高める為に、蛍光体上への光学薄膜などを構成する技術が知られている。しかしながら、特許文献１に記載される構成では、蛍光体層は、蛍光体と、該蛍光体が均一に分散されたバインダと、から形成されているため、上記光学薄膜の処理を行うことが困難である。
【０００８】
また、特許文献２に記載される構成では、蛍光体層と励起光を放射する固体光源が空間的に離れて配置されているため、励起光を放射する該固体光源からの発熱の影響を軽減することは可能であるが、前記蛍光体層の面のうち励起光が入射する側の面とは反対側に設けられた反射面による反射を用いて蛍光を取り出すため、蛍光体層と反射面の界面での光ロスが生じ、高効率化を行うことが困難である。また、反射面と蛍光体層との界面で熱抵抗が生じるため、励起光源からの出力を上昇させた場合、蛍光体の温度消光によって、輝度が低下する現象が発生する。また、セラミック蛍光体内部で発生した熱応力により、セラミック蛍光体が破損する問題が発生する（特許文献２の〔００３６〕）。
【０００９】
そこで、本発明は、光の利用効率が高く、かつ、破損が起こり難い高輝度、高強度の光源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の光源装置は、所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、前記励起光を受けて蛍光を発光するセラミック蛍光体層と、前記セラミック蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、を備えたものである。
【００１１】
この構成により、蛍光体と反射面との界面での光ロスを改善することができ、高輝度な光源装置を提供することが出来る。
【００１２】
また、セラミック蛍光体層に回転機構を備えたことにより、セラミック蛍光体内部での温度分布を均一化することにより、蛍光体の温度消光と熱応力を改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００１３】
また、薄膜は、励起光源側に向けられ、励起光を透過し、蛍光を反射することにより、透過型のプロジェクタシステムにも適応することが出来る。
【００１４】
また、薄膜は、励起光源と反対側に向けられ、励起光を透過し、蛍光を反射することにより、反射型のプロジェクタシステムにも適応することが出来る。
【００１５】
また、蛍光体層及び薄膜を冷却する冷却手段を備えたことにより、セラミック蛍光体内部での温度分布を均一化することにより、蛍光体の温度消光と熱応力を改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００１６】
また、冷却手段が、ファンであることにより、より効果的に蛍光体の温度消光と熱応力を改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００１７】
また、冷却手段が放熱体であり、前記放熱体に蛍光体層及び薄膜を固定する固定手段を備えたことにより、より効果的に蛍光体の温度消光と熱応力を改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００１８】
また、蛍光体層の厚みが０．１ｍｍ〜３ｍｍであることにより、蛍光体の内部吸収ロスをより効果的に軽減し、かつ蛍光体の温度消光と熱応力を改善することができるため、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００１９】
また、蛍光体層の表面に、反射防止膜を備えたことにより、より効果的に光ロスを改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００２０】
また、蛍光体層の表面に、誘電体多層膜を備えたことにより、より効果的に光ロスを改善することができ、かつ所望の波長領域の色純度を高めることが出来るため、高輝度、かつ高色純度、かつ破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００２１】
また、所定の波長帯域の励起光を放射する励起光源と、前記励起光を受けて蛍光を発光する円錐台形のセラミック蛍光体層と、前記セラミック蛍光体層に該セラミック蛍光体層とで円柱形となるよう形成された酸化チタンと無機バインダとからなるリフレクターと、前記リフレクター側の少なくとも前記セラミック蛍光体層上に形成された所望の波長の光を反射する薄膜と、を備えたことにより、より効果的に光ロスを改善することができ、高輝度かつ、破損が起こり難い光源装置を提供することが出来る。
【００２２】
さらに、本発明のプロジェクタは、上記いずれかの光源装置を備えたものである。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１から１０記載の発明によれば、従来の構成よりも高輝度かつ、破損が生じにくい光源装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光源装置の概略構成図
【図２】本発明の第１の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図３】本発明の第２の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図４】本発明の第３の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図５】本発明の第４の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図６】本発明の第５の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図７】本発明の第６の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図８】本発明の第７の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図９】本発明の第８の実施形態における蛍光体デバイスの構成図
【図１０】蛍光体層の厚みを変化させた場合の発光効率を示すグラフ
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、本発明にかかる実施の形態を、図を用いて説明する。
【００２６】
（第１の実施の形態）
本発明の光源装置の実施の形態１を図１及び図２を用いて説明する。図１は、光源装置の概略構成図である。光源装置１００の出力光は蛍光により構成されており、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。
【００２７】
レーザー光源１０１は、波長約４４５ｎｍで発振する青色半導体レーザーであり、高輝度の光源装置を実現するために、複数の半導体レーザーにより構成されている。本実施の形態では、５×５のマトリクス状に合計２５個の半導体レーザーが配置されている。
【００２８】
なお、その数は特に限定されるものではなく、半導体レーザーの光強度や光源装置から取り出したい出力光の強度などに応じて適宜設定される。
【００２９】
レーザー光の波長についても、４４５ｎｍ付近の青色に限定されるものではなく、例えば、４０５ｎｍ付近で発振する紫色半導体レーザーや、４００ｎｍ以下の紫外半導体レーザーなどを適用することも可能である。
【００３０】
レーザー光源１０１から出射されたレーザー光は、コリメートレンズアレイ１０２によってコリメートされる。コリメートレンズアレイ１０２の各レンズセルに対して、１つの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１０２は２５個のレンズセルにより構成されている。本実施の形態では、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。
【００３１】
コリメートレンズアレイ１０２によってコリメートされたレーザー光は、コンデンサレンズ１０３によって集光され、ダイクロイックミラー１０４を透過し、更にコンデンサレンズ１０５によって集光される。コンデンサレンズ１０５によって集光されたレーザー光は、蛍光体デバイス１０８によって、蛍光光に変換される。
【００３２】
変換された蛍光光は、ダイクロイックミラー１０４によって反射され、さらに、コンデンサレンズ１０６によって集光され、ロッドインテグレーター１０７に入射する。
【００３３】
光源装置の構成は上記に問わないが、所定波長帯域光を放射する励起光源と、該励起光源からの放射光を励起光として、所定波長域の蛍光発光光を放射する蛍光体層を、少なくとも１つ以上備え、前記蛍光体層はセラミック蛍光体であり、蛍光体の熱を放熱させる為の、放熱構造を備えた光源装置であることを特徴とする。
【００３４】
次に、本実施形態における蛍光体デバイスの構成を図２に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。蛍光体デバイスは、蛍光体層２０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層２０２と、放熱体２０３によって構成されている。
【００３５】
また、蛍光体層２０１は、レーザー光源１０１からの励起光により励起され、レーザー光の波長よりも、長波長の蛍光を発光する少なくとも１種類以上の蛍光体を含んでいる。また、蛍光体層２０１はセラミックス蛍光体であることを特徴とする。蛍光体セラミックスは、蛍光体の製造過程において、焼成前に材料を任意の形状に成形し、焼成した蛍光体の塊である。更にセラミック蛍光体には、反射作用を持つ面２０２が形成されている。反射作用を持つ面は、セラミック蛍光体の表面に、蒸着やＣＶＤなどの薄膜形成プロセスによって、直接的に形成されている。また、薄膜形成プロセスは上記の手法に問わない。
【００３６】
また蛍光体層の厚みは、０．１ｍｍ〜３ｍｍである。図１０に蛍光体層の厚みを変化させた場合の発光効率を示すグラフを示す。横軸に蛍光体層の厚み、縦軸に、最も高い発光効率が得られた際の効率を１００％とした場合の発光効率を記載する。蛍光体の発光効率は、図１に示す光源ユニットを用いて、（蛍光体層からの発光強度）／（蛍光体層に照射される励起強度）を測定した。図１０に示すとおり、蛍光体層の厚みが０．１ｍｍ以下の場合、最も高い発光効率が得られた０．５ｍｍの板厚での発光効率に比べて、＜９０％の発光効率であった。また、厚みが５ｍｍの場合でも同様に、発光効率は＜９０％であった。以上の結果から厚みは０．１ｍｍ〜３ｍｍの範囲が最適であることを確認した。蛍光体層の厚みが、この厚みであることで、蛍光体での内部吸収ロスを軽減することが可能となり、蛍光体デバイスの高効率化が可能となり、更に蛍光体自体の発熱も軽減することが可能となり、高出力化することが可能となる。
【００３７】
放熱体２０３は、アルミや銅など高い熱伝導率を有する材料で形成されていることが好ましい。放熱体は図２の構成に問わず、更にフィンなどが形成されているヒートシンクなどでも構わない。また、表面にアルマイト加工や放射塗料が塗布されており、放射率を高めた構成であることが好ましい。
【００３８】
（第２の実施の形態）
本発明の実施形態２における蛍光体デバイスの構成を図３に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する蛍光体層３０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層３０２と、蛍光体を回転させる機構である３０３によって構成される。
【００３９】
反射層３０２は、誘電体材料やアルミ材料が、セラミック蛍光体の表面に、蒸着やＣＶＤなどの薄膜形成プロセスによって、直接的に形成されている。
【００４０】
蛍光体層３０１及び反射層３０２にはモーターなどによる回転機構３０３が設けられており、蛍光体層３０１を含む構造体が、回転機構によって冷却される。本構成によれば、従来構成のようなバインダを放熱基板に塗布する必要が無く、蛍光体自体が回転構造によって回転し放熱されるため、より効率的に放熱される。
【００４１】
（第３の実施の形態）
本発明の実施形態３における蛍光体デバイスの構成を図４に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する蛍光体層４０１と、レーザー光を透過し、蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層４０２と、蛍光体を回転させる機構である４０３によって構成される。
【００４２】
反射層４０２はレーザーからの励起光を透過し、蛍光体の蛍光光を反射する。レーザーから照射された励起光は、反射層を透過し、蛍光体へと照射される。蛍光体によって変換された蛍光光は、反射層によって、励起光源側とは反対の方向へと放射される。
【００４３】
上記の構成により、透過型のプロジェクタシステムにも適応することが出来る。
【００４４】
（第４の実施の形態）
本発明の実施形態４における蛍光体デバイスの構成例を図５に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する蛍光体層５０１と、蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層５０２と、蛍光体からの発熱を放熱するための放熱体５０３と、蛍光体層を板バネ等で機械的に固定する蛍光体層固定機構５０４によって構成される。
【００４５】
ここで、反射層５０２は、誘電体材料やアルミ材料が、セラミック蛍光体の表面に、蒸着やＣＶＤなどの薄膜形成プロセスによって、直接的に形成されている。
【００４６】
放熱体と蛍光体層の間には、有機接着剤、無機接着剤、低融点ガラス、金属（金属のろう付け）などの高熱伝導材料が使用されており、界面の空気などによる熱抵抗を軽減することができる。
【００４７】
（第５の実施の形態）
本発明の実施形態５における蛍光体デバイスの構成例を図６に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する、蛍光体層６０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層６０２と、蛍光体を回転させる回転機構６０３と、蛍光体を冷却するファン６０４と、ファン６０４からの風を蛍光体へと伝える送風路６０５によって構成される。
【００４８】
蛍光体層６０１は回転機構６０３により放熱されることに加え、ファン６０４によって発生した風が送風路６０５を介して蛍光体に伝わるため、より効果的に蛍光体の温度を低減することが可能となる。第５の実施の形態では、回転機構を有しているが、直接放熱体に取り付けた場合でも同様の効果が得られる。
【００４９】
（第６の実施の形態）
本発明の実施形態６における蛍光体デバイスの構成例を図７に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する、蛍光体層７０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層７０２と、蛍光体を回転させる機構である７０３と、蛍光体層表面の反射防止膜７０４によって構成される。
【００５０】
ここで、反射防止膜７０４は蒸着やスパッタなどによって、蛍光体層である７０１上に直接形成されていることが好ましい。セラミック蛍光体は、屈折率が１．５〜１．９程度であるため、レーザー光の光路である空気層との屈折率差が大きく、蛍光体層表面での反射ロスが大きい。蛍光体層表面に反射防止膜７０４を設けることで、蛍光体層表面での反射ロスが軽減され、高効率化が可能となる。従来のようなバインダを用いた構成では、蛍光体層に直接反射層を形成することが困難であったが、上記構成によって、蛍光体層に直接反射防止膜を形成することが可能となり、高効率化が可能となる。本実施の形態では、回転機構を有しているが、直接放熱体に取り付けた場合でも同様の効果が得られる。
【００５１】
（第７の実施の形態）
本発明の実施形態７における蛍光体デバイスの構成例を図８に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する、蛍光体層８０１，８０２と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層８０３と、蛍光体を回転させる回転機構８０４と、誘電体多層膜８０５，８０６によって構成される。ここで、誘電体多層膜８０５，８０６は蒸着やスパッタなどによって、蛍光体層である８０１，８０２上に直接形成されていることが好ましい。
【００５２】
蛍光体層８０１，８０２は、レーザー光を異なる波長の蛍光光に変換することを特徴とする。例えば、蛍光体層８０１は、レーザー光を緑色蛍光に変換することを特徴とし、蛍光体層８０２は、レーザー光を赤色蛍光に変換することを特徴とする。
【００５３】
その場合、蛍光体層８０１上に構成された、誘電体多層膜８０５は、レーザー光である青色光および、蛍光体層の蛍光光である緑色光を透過し、赤色光を反射する。更に、蛍光体層８０２上に形成された、誘電体多層膜８０６は、レーザー光である青色光および、蛍光体層の蛍光光である赤色光を透過し、緑色光を反射する。
【００５４】
上記の構成により、各蛍光体層からの蛍光光の色純度を高めることが可能となり、更に、従来構成で必要であった誘電体多層膜のハーフミラーを別途設ける必要がない。当該構成では、蛍光体層８０１，８０２表面に誘電体多層膜８０５，８０６を直接形成することが可能となるため、従来構成で設けられていた、蛍光体デバイスと誘電体多層膜のハーフミラーの間の空間を設ける必要がなく、光ロスを軽減することが可能となり、高効率化が可能となる。更に、光源装置の小型化も可能となる。当該実施例では、回転機構を有する構成をあげているが、直接放熱体に取り付けされる場合でも同様の効果が得られる。また、蛍光体の１部に空洞部を設け、レーザー光を直接透過させる構成にすることも可能である。
【００５５】
（第８の実施の形態）
本発明の実施形態８における蛍光体デバイスの構成例を図９に示す。同図（ａ）は、その側面図であり、同図（ｂ）は、その正面図である。レーザー光を可視光に変換する、蛍光体層９０１と蛍光光を効率的に反射するために用いられる反射層９０２と、蛍光体からの発熱を放熱するための放熱体９０３と、蛍光体層表面の周囲にスクリーン印刷などにより形成されたリフレクター９０４によって構成される。リフレクター９０４は、酸化チタンと無機バインダの複合体で構成されている。本実施の形態では、セラミック蛍光体層が円錐台形で、そのセラミック蛍光体層とで円柱形となるようリフレクターが形成されている。
【００５６】
当該無機バインダは、放熱性の観点からガラスフリットであることがより好ましい。蛍光体層の周辺に酸化チタンと無機バインダの複合体からなるリフレクターを備えることで、蛍光体からの発光光を効率的に前方へ放射することが可能となる。反射材として用いる酸化物には、酸化チタン以外に酸化アルミニウム、酸化ケイ素、酸化ジルコニアなどを用いても構わない。無機バインダは、テルライト系、ホウ酸塩系、リン酸塩系、ケイ酸塩系の低融点ガラス粉末やガラスフリットであることが好ましい。当該実施の形態では、放熱体に直接蛍光体層が取り付けされているが、回転機構を有する場合でも同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明に係る光源装置は、画像形成手段を用いた投写型表示装置の生産、使用に利用できる。
【符号の説明】
【００５８】
１００  光源装置
１０１  レーザー光源
１０２  コリメートレンズアレイ
１０３  コンデンサレンズ
１０４  ダイクロイックミラー
１０５  コンデンサレンズ
１０６  コンデンサレンズ
１０７  ロッドインテグレーター
１０８  蛍光体デバイス
２０１，３０１，４０１，５０１，６０１，７０１，８０１，９０１  蛍光体層
２０２，３０２，４０２，５０２，６０２，７０２，８０３，９０２  反射層
２０３，５０３，９０３  放熱体
３０３，４０３，６０３，７０３，８０４  回転機構
５０４  蛍光体層固定機構
６０４  ファン
６０５  送風路
７０４  反射防止膜
８０２  第２の蛍光体層
８０５，８０６  誘電体多層膜
９０４  リフレクター
【図１】
2013130605.tif 000003
【図２】
2013130605.tif 000004
【図３】
2013130605.tif 000005
【図４】
2013130605.tif 000006
【図５】
2013130605.tif 000007
【図６】
2013130605.tif 000008
【図７】
2013130605.tif 000009
【図８】
2013130605.tif 000010
【図９】
2013130605.tif 000011
【図１０】
2013130605.tif 000012