(57)【要約】【課題】ＲＧＢ三原色を高効率、かつ高速に時分割生成し、色割れのない高性能な光源を得るとともに、光源として部品点数を増やさずにコンパクトな構成とする。【解決手段】光源１として半導体発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂがヒートシンク９０上に配置されている。半導体発光素子１０Ｒから出射した光はコリメートレンズ２０により平行光となり、さらに第１のリレーレンズ２５Ｒと、第２のリレーレンズ２７Ｒを介して、ダイクロイックミラー３０Ｒへと導かれる。ダイクロイックミラー３０Ｒを透過した励起光は集光レンズ４０Ｒにより集光され、第１の蛍光発光部５１Ｒ上に照射される。この際、集光レンズ４０Ｒで集光した励起光の主光軸は、波長変換部５０の回転軸方向に対して垂直に入射するよう設置される。同様にして、半導体発光素子１０Ｇ、１０Ｂから出射した出射光は、第２の蛍光発光部５１Ｇ、第３の蛍光発光部５１Ｂ上にそれぞれ照射される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一軸回転基体の表面に、少なくとも一つ以上の蛍光体含有層が設けられた光学変換素子であって、前記一軸回転基体の回転軸に対して、前記蛍光体含有層が同心円状に形成されたことを特徴とする光学変換素子。
【請求項２】
前記蛍光体含有層上に透明体を積層することを特徴とする請求項１記載の光学変換素子。
【請求項３】
上記回転基体が円柱状熱伝導体であって、前記円柱状熱伝導体を回転軸とした回転駆動機構と、前記円柱状伝導体表面の一部に冷却機構を備えることを特徴とする請求項１または２記載の光学変換素子。
【請求項４】
上記回転基体の最表面に、３８０ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域の反射防止膜を備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の光学変換素子。
【請求項５】
上記回転基体の回転軸と平行方向に移動機構を備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の光学変換素子。
【請求項６】
請求項１から５の光学変換素子と、励起光を放射する励起光源を備え、前記蛍光体含有層の前記回転軸に対して垂直な方向から前記励起光が入射することを特徴とする光源。
【請求項７】
前記励起光源と前記光学変換素子の間に、ダイクロイックミラーと集光レンズとを備えることを特徴とする請求項６記載の光源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、業務用プロジェクタ、ホームプロジェクタ、ピコプロジェクタなどの投写機や、リアプロジェクションテレビ、ヘッドアップディスプレイなどに用いられる光学変換素子およびこの光学変換素子を備えた光源に関するものであり、特に出射光の光出力が大きく、スペックルが小さく、出射光の指向性が高い光源に関する。
【背景技術】
【０００２】
特殊な照明光源として、店舗のダウンライトやプロジェクタ光源、自動車等の前照灯（ヘッドライトなど）などがあり、これらの光源には、ハロゲンランプや高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどが用いられている。この中で、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプなどの高輝度放電ランプ（Ｈｉｇｈ  Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ  Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ  Ｌａｍｐ）はアーク放電を用いるため、指向性が高い光を高効率、高出力で放射することができるが、一方で、点灯して安定するまでの時間が長いことや、水銀を含むため環境負荷が大きいこと、そして寿命として定義されている輝度が半減するまでの時間が短いことなどの課題がある。
【０００３】
このような課題に対し、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）や半導体レーザなどの半導体発光素子を光源もしくは励起光源として用いた発光装置の開発が盛んに行われている。半導体発光素子を用いた発光装置の構成としては、半導体材料や組成を変えることで発光波長を可視光（４３０〜６６０ｎｍ）の範囲で変化させたものや、蛍光体と組み合わせて発光波長や発光スペクトルを変化させたものがあり、用途に応じてさまざまな構成が提案されている。
【０００４】
例えば、特許文献１（Ｒ，Ｇ，Ｂ全てＬＥＤ）や特許文献２（Ｒ，Ｇ，Ｂ全て半導体レーザを用いたもの）では、青色、緑色、赤色それぞれの光を放射するＬＥＤや半導体レーザを組み合わせた光源が提案されている。これらの光源は、従来の高輝度放電ランプと異なり、三原色の光をそれぞれ自由なタイミングで出射させることができるため、特にディスプレイ用途向けに有用である。しかしながら、ＬＥＤは出射光の拡がり角が大きく、かつ、発光部の面積も大きいため、光源を構成する光学系における光の利用効率が低く、光源の光出力強度を大きくできないという課題がある。一方、半導体レーザは出射光の拡がり角は小さいが、出射光の干渉性が高いため、半導体レーザで構成した光源をディスプレイに用いた場合、特に緑色領域と赤色領域においてスペックルノイズがもたらす画質の低下が課題になる。
【０００５】
このような課題に対して、半導体レーザと蛍光体を組み合わせて、光利用効率を高くしつつスペックルノイズを抑制する方法が提案されている。例えば特許文献３では、青色光を放射する半導体レーザとＹ3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12蛍光体（緑色蛍光体）と、ＣＡＳＮ蛍光体（赤色蛍光体）を組み合わせた発光装置が提案されている。また、特許文献４では、紫外光を放射する半導体発光素子と赤色、緑色、青色蛍光体層を並設した円板を組み合わることで、三原色すべてを蛍光で構成した発光装置が提案されている。
【０００６】
以下、図１４を用いて従来の発光装置について説明する。
【０００７】
図１４に示すように、従来の発光装置は、紫外光を発光する発光ダイオード１００１と、区画された領域ごとに赤色、緑色、青色の蛍光体を含む蛍光体層が配置されたカラーホイール１００２とを備え、カラーホイールが回転することによって、発光ダイオード１００１から放射される光が赤色、緑色、青色と順次変換され、時間平均で観察した場合に白色光が放射されるように駆動される。なお、前記カラーホイールの構成において、青色蛍光体として、（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）10（ＰＯ4）6Ｃ12：Ｅｕもしくは（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ10Ｏ17：Ｅｕを用いることが、緑色の蛍光体として、ＺｎＳ：Ｃｕ、Ａｌや（Ｂａ，Ｍｇ）Ａｌ10Ｏ17：（Ｅｕ，Ｍｎ）を用いることが、赤色蛍光体に関してはＹ2Ｏ2Ｓ：Ｅｕ用いることが記載されている。また、時分割で生成された赤Ｒ、緑Ｇ、青Ｂの三原色の色の移り変わりに一枚のデジタルミラーデバイス（Digital Mirror Device、ＤＭＤ）を同期させ、ＤＭＤパネルにＲ/Ｇ/Ｂの単色映像を表示させる。この時分割速度は人間が識別できない速度であるため、ＲＧＢが混色したカラー映像として認識される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２５２６５１号公報
【特許文献２】特表平１１−０６４７８９号公報
【特許文献３】特開２０１２−８４０９号公報
【特許文献４】特開２００４−３４１１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記構成において（i）ホイールを用いることにより小型化が困難、（ii）蛍光体の出射光の拡がり角があるため光の取り込みが不十分、（iii）蛍光体で発生する熱の放熱が不十分、（iv）ＲＧＢ時分割周期がカラーホイールの回転速度で制約され、数ｍｓより速くすることが困難であるため、視点を動かしたときなどＲＧＢ混色が正しく行われず、いわゆる「色割れ」現象が生じてしまう、などという問題点があった。
【００１０】
本発明は、このような従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、部品点数を増やさずに上記課題を解決する光学変換素子および光源を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係る光学変換素子は、一軸回転基体の表面に、少なくとも一つ以上の蛍光体含有層が設けられた光学変換素子であって、前記一軸回転基体の回転軸に対して、前記蛍光体含有層が同心円状に形成される。
【００１２】
この構成により、占有面積の大きい回転ホイールが不要となるため光源の小型化が可能になる。
【００１３】
本発明に係る光学変換素子は、前記蛍光体含有層上に透明体を積層する。
【００１４】
この構成により、透明体が凸レンズとして働くため、蛍光体含有層から出射した蛍光の出射放射角が小さくできるため、蛍光のより効率的な取り込みが可能となる。
【００１５】
本発明に係る光学変換素子は、前記回転基体が円柱状熱伝導体であって、前記円柱状熱伝導体を回転軸とした回転駆動機構と、前記円柱状伝導体表面の一部に冷却機構を備える。
【００１６】
この構成により、蛍光体含有層で発生した熱を効率的に冷却することができ、蛍光体の温度が上昇することによる発光効率の低下を抑制することが可能となる。
【００１７】
本発明に係る光学変換素子は、前記回転基体の最表面に、３８０ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域の反射防止膜を備える。
【００１８】
この構成により、励起光や蛍光の光反射ロスが低減されるため励起光から蛍光への変換効率が向上し、省エネ化が可能となる。
【００１９】
本発明に係る光学変換素子は、前記回転基体の回転軸と平行方向に移動機構を備える。
【００２０】
この構成により、複数の蛍光をひとつの光軸で出射でき、光学系を簡略化可能である。
【００２１】
本発明に係る光源は、請求項１から５の光学変換素子と、励起光を放射する励起光源を備え、前記蛍光体含有層の前記回転軸に対して垂直な方向から前記励起光が入射する。
【００２２】
この構成により、コンパクトで高効率な光源が構成可能である。
【００２３】
本発明に係る光源は、前記励起光源と前記光学変換素子の間に、ダイクロイックミラーと集光レンズとを備えることを特徴とする。
【００２４】
この構成により、コンパクトな構成にてＲＧＢ三原色を高効率、かつ高速に時分割生成可能であるため、色割れのない高性能な光源が実現可能である。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の構成により、蛍光体層と半導体固体励起光源とを備えた光学変換素子および光源において、コンパクトな構成でＲＧＢ三原色が高効率生成でき、かつ色割れの生じない高速な時分割にてＲＧＢ光を生成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光源の構成を示す断面図
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る光学変換素子の構成を示す図
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る光源の構成、および赤色、緑色、青色蛍光を出射する動作時について示す図
【図４】本発明の第１の実施の形態に係る光源において、７色源を時分割生成させる場合のＲＧＢ蛍光体層励起タイミングチャート
【図５】本発明の第１の実施の形態の変形例１に係る光学変換素子を示す（Ａ）断面図および（Ｂ）側面図
【図６】本発明の第１の実施の形態の変形例２に係る光学変換素子を示す（Ａ）断面図および（Ｂ）側面図
【図７】本発明の第１の実施の形態に係る光学変換素子の変形例２の製造方法を示す図
【図８】本発明の第１の実施の形態の変形例３に係る光学変換素子を示す（Ａ）断面図および（Ｂ）側面図
【図９】本発明の第１の実施の形態の変形例４に係る光学変換素子を示す断面図
【図１０】本発明の第１の実施の形態の変形例５に係る光学変換素子を示す（Ａ）断面図および（Ｂ）波長変換部５０の鳥瞰模式図
【図１１】本発明の第１の実施の形態の変形例６に係る光学変換素子を示す断面図
【図１２】本発明の第２の実施の形態に係る光源の構成を示す断面図
【図１３】本発明の第２の実施の形態に係る光源の構成、および赤色蛍光、緑色蛍光、青色レーザ拡散光を出射する動作時について示す図
【図１４】（ａ）（ｂ）従来の光源の構成を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の光学変換素子および光源について、実施の形態に基づいて説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも本発明の好ましい一具体例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素の配置方法および使用形態などは、一例であり、本発明を限定する趣旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
【００２８】
なお、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示したものではない。また、各図において、同じ構成要素には同じ符号を付している。
【００２９】
（第１の実施の形態）
以下、本発明の第１の実施の形態およびその変形例に係る光学変換素子および光源の構成と効果について、図１〜図４を用いて説明する。
【００３０】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る光源の構成を示す図である。図２は、本発明の第１の実施の形態に係る光源１に用いられる波長変換部５０を鳥瞰した図である。また、図３は本発明の第１の実施の形態に係る光源の構成、および赤色、緑色、青色蛍光を出射する際の動作説明図であり、図４は、本発明の第１の実施の形態に係る光源において、７色源を時分割生成させる場合のＲＧＢ蛍光体層励起タイミングチャートを示す図である。
【００３１】
なお、図１〜図１３において、第１の実施の形態と共通の構成要素については、同じ番号を付すことにより説明を省略する。
【００３２】
（構成）
図１に示すように、本実施の形態に係る光源１は、主に、近紫外光を放射する例えば窒化物半導体レーザである半導体発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと、半導体発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂから放射された近紫外光をそれぞれＲＧＢ色に変換する波長変換部５０で構成される。ＲＧＢ各色を励起する半導体発光素子を区別するため、１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂと表記しているが、同じ半導体発光素子を用いても良い。
【００３３】
波長変換部５０は、図２に示すように円柱形状の基体５８上の領域ごとに蛍光体が設けられた構成であり、動作時には所定の回転数で回転する。基体５８の直径は５ｍｍ〜２０ｍｍで、波長変換部５０の具体的な構成は、例えば円柱状のアルミニウム合金棒である基体５８の所定の外周上に、第１の蛍光発光部５１Ｒ、第２の蛍光発光部５１Ｇ、第３の蛍光発光部５１Ｂが領域ごとに形成されている。第１の蛍光発光部５１Ｒは、主成分がＥｕとＳｍを賦活させたＬａ2Ｗ3Ｏ12である赤色蛍光体が例えばジメチルシリコーンなどの有機透明材料、もしくは、例えば低融点ガラスなどの無機透明材料であるバインダーに混合され、厚み１００μｍ〜１０００μｍ、幅５ｍｍ〜１０ｍｍの蛍光体層として基体５８外周上に形成されたものである。また第２の蛍光発光部５１Ｇは、例えば主成分がＣｅ賦活Ｙ3（Ａｌ，Ｇａ）5Ｏ12である緑色蛍光体が、同様に有機もしくは無機の透明材料に混合されたものである。さらに第３の蛍光発光部５１Ｂは、例えば主成分がＥｕ賦活Ｓｒ3ＭｇＳｉ2Ｏ8である青色蛍光体が、同様に有機もしくは無機の透明材料に混合されたものである。
【００３４】
図１において基体５８の中心部には補助回転軸５７が設けられ、その軸の端は軸受け５９で保持され、他方の軸端は、モータ等の回転機構５５の回転軸５６に固定され、所定の回転数で基体５８が回転するように構成されている。
【００３５】
上記の波長変換部５０を具備した光源１は、より詳しくは以下のように構成される。
【００３６】
図１において、まず光源１には、例えば光出力が２ワットで発光波長の中心波長が３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲にある半導体レーザである半導体発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂがヒートシンク９０上に、例えば各９個（図１〜３では１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ各３個ずつ）配置されている。半導体発光素子１０Ｒから出射した光はコリメートレンズ２０により平行光となり、さらに凸レンズである第１のリレーレンズ２５Ｒと、凹レンズである第２のリレーレンズ２７Ｒを介して、ダイクロイックミラー３０Ｒへと導かれる。ここで、ダイクロイックミラー３０Ｒは例えば、波長３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの光を透過し、波長４３０ｎｍ〜８００ｎｍの光を反射するように設定される。この主光軸には、ダイクロイックミラー３０Ｒ、集光レンズ４０Ｒ、第１の蛍光発光部５１Ｒが順に並ぶように配置される。ダイクロイックミラー３０Ｒを透過した励起光は集光レンズ４０Ｒにより集光され、第１の蛍光発光部５１Ｒ上に照射される。この際、集光レンズ４０Ｒで集光した励起光の主光軸は、波長変換部５０の回転軸方向に対して垂直に入射するよう設置される。同様にして、半導体発光素子１０Ｇ、１０Ｂから出射した出射光は、第２の蛍光発光部５１Ｇ、第３の蛍光発光部５１Ｂ上にそれぞれ照射される。このとき、ダイクロイックミラー３０Ｇ、３０Ｂの波長透過特性はダイクロイックミラー３０Ｒと同じである。
【００３７】
（動作）
次に、本実施の形態に係る光源１の動作について、図３に示す、光源１を具備する画像投写装置１９９を用いて説明する。本実施の形態における画像投写装置１９９は、主に、光源１の出射部に、画像表示素子７１と、投影レンズ６５などを配置し、画像を投写できる構成にしたものである。
【００３８】
本実施の形態の光源１は、主な発光波長が５９０〜６６０ｎｍの範囲のいわゆる赤色の波長変換光７８Ｒと、主な発光波長が５００〜５９０ｎｍの範囲のいわゆる緑色の波長変換光７８Ｇと、主な発光波長が４３０〜５００ｎｍの範囲のいわゆる青色の波長変換光７８Ｂとが、時間に連続してなる時分割ＲＧＢ光１００を放射する。つまり、時分割ＲＧＢ光１００は、三原色の光である赤色光、緑色光、青色光が、赤色→緑色→青色→赤色の順番で周期的に放射されることによってなる白色光であり、一周期は例えば倍速スキャン時には約８．３ｍｓ（１２０Ｈｚ）である。
【００３９】
続いて、光源１の動作について説明する。複数の半導体発光素子１０Ｒから出射された例えば中心波長４０５ｎｍ、全光量１８ワットの励起光７５Ｒはコリメートレンズ２０および第１のリレーレンズ２５Ｒと第２のリレーレンズ２７Ｒにより一つの光束となりダイクロイックミラー３０Ｒを通過し、集光レンズ４０Ｒにより第１の蛍光発光部５１Ｒに例えば１ｍｍ2以下の面積に集光される。同様に、半導体発光素子１０Ｇ、１０Ｂから出射された励起光はそれぞれ第２、３の蛍光発光部５１Ｇ、５１Ｂに集光される。集光された励起光は第１の蛍光発光部材５１Ｒに含まれる赤色蛍光体により中心波長４０５ｎｍの光から、主な発光波長が５９０ｎｍ〜６６０ｎｍの波長変換光７８Ｒへと変換され、集光レンズ４０Ｒ側へ放射される。このとき波長変換光７８Ｒの放射角は全方位のいわゆるランバーシアン光であるが、発光領域が１ｍｍ2以下の点光源であるため集光レンズ４０Ｒで、ほぼ平行光となり、ダイクロイックミラー３０Ｒに向かう。そして、波長変換光７８Ｒはダイクロイックミラー３０Ｒで反射され、第３のリレーレンズ４１に向かう。同様に、第２の蛍光発光部５１Ｇに含まれる緑色蛍光体により、中心波長４０５ｎｍから、主な発光波長５００〜５９０ｎｍの波長変換光７８Ｇへと変換され、第３のリレーレンズ４１に導かれる。さらに、第３の蛍光発光部５１Ｂに含まれる青色蛍光体により、中心波長４０５ｎｍから、主な発光波長４３０〜５００ｎｍの波長変換光７８Ｂへと変換され、第３のリレーレンズ４１に導かれる。波長変換光７８Ｒ、７８Ｇ、７８Ｂは重畳して時分割ＲＧＢ光１００となり、第３のリレーレンズ４１でロッドレンズ４２の端部に集光され入射される。そしてロッドレンズ４２内で多重反射された時分割ＲＧＢ光１００は、波面の光強度分布が矩形に変換された後、放射され、第４のリレーレンズ４３で直進光となり、反射ミラー４５により、例えばＤＭＤなどの反射型の画像表示素子７１に導かれる。画像表示素子７１に照射された光は２次元の映像信号が重畳された信号光８０となり反射され、投影レンズ６５により所定のスクリーン（図示なし）に投影可能な映像光８９となって画像投写装置１９９から出射される。
【００４０】
さらに時分割ＲＧＢ光１００を生成するための半導体発光素子１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂの駆動方法について説明する。図４は本発明の第１の実施の形態に係る光源において、７色源を時分割生成させる場合のＲＧＢ蛍光体層励起タイミングチャートを示す図である。１周期を青→緑→赤→白→シアン→黄→黒の順に切り替えるには、半導体発光素子を１０Ｂ単独ＯＮ（青）→１０Ｇ単独ＯＮ（緑）→１０Ｒ単独ＯＮ（赤）→１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ同時ＯＮ（白）→１０Ｇ、１０Ｂ同時ＯＮ（シアン）→１０Ｒ、１０Ｇ同時ＯＮ（黄）→１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ全ＯＦＦ（黒）のように順次動作させればよい。
【００４１】
（効果）
このように本発明によれば、励起光源として半導体発光素子を用いたことにより、励起光源をナノ秒オーダーの時間スケールで高速ＯＮ／ＯＦＦすることが可能であり、倍速スキャン（１２０Ｈｚ、周期８．３ｍｓ）以上の速度でも全く問題なくＲＧＢ三原色を時分割生成することが可能となる。また、従来のカラーホイールを用いて本発明と同等の機能を実現する場合、カラーホイールが３枚必要となり、本発明に比べて光源サイズが著しく大きくなってしまう。
【００４２】
この構成により、部品点数を増やさずにコンパクトな構成にてＲＧＢ三原色を高効率、かつ高速に時分割生成可能であるため、色割れのない高性能な光源を提供することができる。
【００４３】
なお、上記の構成において、蛍光体として上述のものを挙げたがこれに限らない。例えば、青色蛍光体としてＥｕ賦活Ｂａ3Ａｌ10Ｏ17などに代表されるＥｕ賦活（Ｂａ，Ｓｒ）3Ａｌ10Ｏ17蛍光体、Ｅｕ賦活（Ｓｒ，Ｃａ，Ｂａ，Ｍｇ）10，（ＰＯ4）6Ｃｌ2蛍光体を用いても良い。また緑色蛍光体としてＥｕ賦活β型ＳｉＡｌＯＮ蛍光体や、Ｅｕ賦活ＳｒＳｉＯ3蛍光体、Ｅｕ賦活ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2蛍光体、Ｅｕ賦活Ｂａ3Ｓｉ8Ｏ12Ｎ2蛍光体、Ｃｅ賦活ＣａＳｃ2Ｏ4蛍光体などＣｅもしくはＥｕを賦活させた蛍光体を用いることができる。
【００４４】
また赤色蛍光体としてもＥｕ，Ｓｍ賦活Ｌａ2Ｗ3Ｏ12に限らない。例えば、シリコンオキサイド、タングステンオキサイド、モリブデンオキサイド、インジウムオキサイド、イットリウムオキサイド、ジンクオキサイド、シリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、アルミニウムオキシナイトライド、有機高分子の一つもしくは複数が母材の構成元素に含まれ、その母材に賦活剤としてランタノイドイオン元素あるいは金属イオン元素が含有されている蛍光体であれば良い。具体的には、Ｅｕ賦活Ｌａ2Ｏ2Ｓ蛍光体、Ｅｕ賦活ＬｉＷ2Ｏ8蛍光体、ＥｕおよびＳｍ賦活ＬｉＷ2Ｏ8蛍光体、ＥｕおよびＭｎ賦活（Ｓｒ，Ｂａ）3ＭｇＳｉ2Ｏ8蛍光体、Ｍｎ賦活３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ2・ＧｅＯ2蛍光体、Ｅｕ賦活ＹＶＯ4蛍光体、Ｅｕ賦活Ｙ2Ｏ3蛍光体、Ｅｕ賦活Ｙ2Ｏ2Ｓ蛍光体などの蛍光の蛍光寿命が長いが蛍光スペクトルの半値幅が狭い赤色蛍光体に対して本実施の形態は有効である。
【００４５】
また、ランタノイドイオン元素、金属イオン元素を賦活材とした希土類錯体蛍光体であってもよい。具体的には２種類のホスフィンオキシドが三価のユーロピウムに配位した分子構造を持つ希土類錯体蛍光体が挙げられる。
【００４６】
なお、本実施の形態において、半導体発光素子の例として中心波長４０５ｎｍの半導体レーザを挙げたがこの限りではない。例えば中心波長３９５ｎｍ、４００ｎｍ、４１０ｎｍなど、蛍光体の吸収スペクトルにあわせて中心波長を３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲で調整することや、中心波長が２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で異なる半導体レーザを複数組み合わせて、波長スペクトル幅を広くして用いることも可能である。
【００４７】
（変形例１）
続いて図５を用いて、第１の実施の形態に係る光学変換素子の第１の変形例を説明する。本変形例は、第１の実施の形態と比較し、波長変換部５０の構成が異なる。このため蛍光発光部付近の拡大図を用いて、両者の異なる部分を中心に説明する。図５においては図１の第１〜第３の蛍光発光部５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは蛍光発光部５１として示してある。図５（Ａ）は波長変換部５０の回転軸に平行な方向の断面図を、また図５（Ｂ）は前記回転軸に垂直な方向の断面（側面）図を示している。
【００４８】
本変形例の波長変換部５０は、第１の実施の形態の波長変換部５０の蛍光発光部５１の上部に透明体６０が形成される点が特徴である。
【００４９】
具体的には、図５（Ｂ）の側面図において、例えば波長３８０ｎｍ〜７００ｎｍに対して透明な低融点ガラス等の透明体６０が蛍光発光部５１上に同心円状に形成されている。
【００５０】
この構成により、蛍光発光部５１から全方位出射した波長変換光７８は、透明体６０と空気界面で屈折し、図５（Ｂ）に示すように波長変換光７８の出射角を小さくすることができ、より効率的に集光レンズ（非図示）により集光することが可能となる。
【００５１】
上記のように本変形例の構成を用いることで、本来、全方位にランバーシアン放射する波長変換光７８の出射角を小さくでき、波長変換光の利用効率を高くすることができる。
【００５２】
（変形例２）
続いて、第１の実施の形態に係る光源変換素子の第２の変形例を、図６をもとに説明する。図６は図５と同様、図１の蛍光発光部付近の拡大図を示しており、図６（Ａ）は波長変換部５０（図１）の回転軸に平行な方向の断面図を、また図６（Ｂ）は前記回転軸に垂直な方向の断面（側面）図を示している。本変形例は、図６（Ａ）と図５（Ａ）との比較からわかるように、第１の変形例とは透明体６０の断面形状が大きく異なる。
【００５３】
本変形例の透明体６０は、図６（Ａ）に示すように断面蒲鉾形状を有している点が特徴である。より具体的には、透明体６０は基体５８基準面に対して放物線（２次曲線）形状を有するのが望ましい。
【００５４】
次に図７を用いて第２の変形例における透明体６０の製造方法を説明する。まずレンズ金型に、例えば低融点ガラスを流し込み、金型成型により中空部６１を有した放物線回転体のガラスレンズを製作する。つぎに液状シリコーンに蛍光体粒子を分散させた分散液を作製し、注射器のシリンジにセットする。さらに前記放物線回転体の中空部６１に基体５８を挿入した後、空隙部に前記注射器で蛍光体粒子分散液を充填する。さらに１５０℃ベークを行うことにより、透明体６０と基体５８の間に蛍光体発光部５１を形成することができる。
【００５５】
この構成により、蛍光発光部５１から全方位出射した波長変換光７８は、図６（Ｂ）の側面図に示すように透明体６０と空気界面で屈折するため、第１の変形例と同様、波長変換光７８の出射角を小さくすることができる（図６（Ｂ））。また、第１の変形例では断面方向（図５（Ａ））の放射角はあまり小さくできないが、本変形例では図６（Ａ）に示すように透明体６０の形状効果により、側面方向にも放射角を小さくすることが可能で、更に効率的に集光することが可能となる。
【００５６】
（変形例３）
続いて、第１の実施の形態に係る光源変換素子の第３の変形例を、図８をもとに説明する。図８は図５と同様、図１の蛍光発光部付近の拡大図を示しており、図８（Ａ）は波長変換部５０（図１、図２）の回転軸に平行な方向の断面図を、また図８（Ｂ）は前記回転軸に垂直な方向の断面（側面）図を示している。本変形例は、図８（Ａ）と図５（Ａ）との比較からわかるように、第１の変形例の透明体６０上に反射防止膜７０が設けられているのが特徴である。より具体的には、反射防止膜７０の屈折率は透明体６０の屈折率をｎとすれば、
【００５７】
【数１】
2016145848.tif 000003
【００５８】
が好ましい。また反射防止膜７０の膜厚は、
【００５９】
【数２】
2016145848.tif 000004
【００６０】
とすれば良い。
【００６１】
上記のように本変形例の構成を用いることで、励起光７５が透明体６０に入射する際の反射ロスを低減することが可能で、励起光パワー当たりの波長変換光７８の強度をさらに高めることが可能となる。
【００６２】
なお、本変形例では透明体６０上に反射防止膜７０を設けていたが、蛍光発光部５１上に透明体６０の代わりに反射防止膜７０を直接形成しても良い。その場合、反射防止膜７０の屈折率は蛍光発光部５１の屈折率をｎ２とすれば
【００６３】
【数３】
2016145848.tif 000005
【００６４】
が好ましい。また反射防止膜７０の膜厚は、蛍光発光部５１のピーク発光波長をλpとして、
【００６５】
【数４】
2016145848.tif 000006
【００６６】
とすれば良い。
【００６７】
また、本変形例では反射防止膜７０は単層構成としたが、多層構成にしても良い。
【００６８】
（変形例４）
続いて図９を用いて、第１の実施の形態に係る光学変換素子の第４の変形例を説明する。本変形例は、第１の実施の形態と比較し、波長変換部５０の構成が異なる。このため図９を用いて、両者の異なる部分を中心に説明する。
【００６９】
本変形例の波長変換部５０は、第１の実施の形態の波長変換部５０の基体５８の一部に冷却機構６６が形成される点が特徴である。
【００７０】
具体的には、図９において、蛍光発光部５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの近くに冷却機構（空冷フィン）がそれぞれ設けられている。
【００７１】
上記のように本変形例の構成を用いることで、蛍光発光部５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂで発生した熱を効率よく冷却することができ、蛍光体発光部の温度上昇による蛍光強度減少を抑制することが可能である。
【００７２】
なお、本変形例では冷却機構を３個としたが、蛍光体部の発熱度合いによって、個数を変更しても良い。
【００７３】
（変形例５）
続いて図１０を用いて、第１の実施の形態に係る光源の第５の変形例を説明する。本変形例は、第１の実施の形態と比較し、波長変換部５０の蛍光発光部および励起光源の構成が異なる。このため図１０を用いて、両者の異なる部分を中心に説明する。
【００７４】
本変形例の波長変換部５０は、第１の実施の形態と、基体５８上での蛍光発光部５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの形成される部位、および蛍光体励起のための光軸数が異なる点が特徴である。
【００７５】
具体的には、図１０に示すように、蛍光発光部５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは基体５８の外周面を回転軸に垂直な方向に沿って分割形成され、励起光源の光軸は一つである。
【００７６】
上記のように本変形例の構成を用いることで、波長変換部５０は一層コンパクトになり、さらに光軸数を３→１に減らせることから、光源構成部材の大幅な簡略化および小型化、省エネ化を実現することが可能となる。
【００７７】
なお、本変形例では、蛍光発光部はＲＧＢ蛍光体による３分割形成としたが、黄色蛍光体などＲＧＢ以外の蛍光体を加え、３源色以上の色源を用いても良い。
【００７８】
（変形例６）
続いて図１１を用いて、第１の実施の形態に係る光源の第６の変形例を説明する。本変形例は、第１の実施の形態と比較し、波長変換部５０の蛍光発光部および励起光源の構成が異なる。このため図１１を用いて、両者の異なる部分を中心に説明する。
【００７９】
本変形例の波長変換部５０は、第１の実施の形態と、回転軸５６と平行方向の移動機構が付加され、および基体５８上での蛍光発光部５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂの形成される部位、および蛍光体励起のための光軸数が異なる点が特徴である。
【００８０】
具体的には、図１１に示すように、蛍光発光部５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは基体５８上に隣接して形成され、励起光源の光軸は一つである。
【００８１】
上記のように本変形例の構成を用いることで、光軸数を３→１に減らせることから、光源の小型化、省エネ化を実現することが可能となる。
【００８２】
なお、本変形例では、蛍光発光部はＲＧＢ蛍光体の３つとしたが、黄色蛍光体などＲＧＢ以外の蛍光体を加え、３源色以上の色源を用いても良い。
【００８３】
（第２の実施の形態）
以下、本発明の第２の実施の形態およびその変形例に係る光学変換素子および光源の構成と効果について、図１２、図１３を用いて説明する。
【００８４】
図１２は、本発明の第２の実施の形態に係る光源の構成を示す図である。また、図１３は本発明の第２の実施の形態に係る光源の構成、および赤色蛍光、緑色蛍光、青色レーザ拡散光を出射する際の動作説明図である。
【００８５】
なお、図１２、図１３において、第１の実施の形態と共通の構成要素については、同じ番号を付すことにより説明を省略する。
【００８６】
（構成）
本発明の第２の実施の形態に係る光源と、第１の実施形態に係る光源では、半導体発光素子１０Ｂの波長が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの青色波長である点と、第３の蛍光発光部５１Ｂおよび集光レンズ４０Ｂが省略されている点が異なる。これは、半導体発光素子１０Ｂからの出射光を、そのまま青色源として用いることによる。
【００８７】
本実施の形態の光源１は、より詳しくは以下のように構成される。
【００８８】
図１２において、まず光源１には、例えば光出力が２ワットで発光波長の中心波長が３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲にある半導体レーザである半導体発光素子１０Ｒ、１０Ｇと、発光波長の中心波長が４３０ｎｍ〜４７０ｎｍの範囲にある半導体レーザである半導体発光素子１０Ｂが例えば各９個（図１２〜１３では１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ各３個ずつ）配置されている。半導体発光素子１０Ｒ、１０Ｇから出射した光は、第１の実施の形態で説明したのと同様な手順にて、第１の蛍光発光部５１Ｒ、第２の蛍光発光部５１Ｇ上にそれぞれ集光される。この際、集光レンズ４０Ｒ、４０Ｇで集光した励起光の主光軸は、波長変換部５０の回転軸方向に対して垂直に入射するよう設置される。また半導体発光素子１０Ｂから出射した光はコリメートレンズ２０により平行光となり、さらに凸レンズである第１のリレーレンズ２５Ｂと、凹レンズである第２のリレーレンズ２７Ｂを介して、ダイクロイックミラー３０Ｂへと導かれる。ここで、ダイクロイックミラー３０Ｂは例えば、波長３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの光を透過し、波長４３０〜８００ｎｍの光を反射するように設定される。そのため、半導体発光素子１０Ｂから出射し平行光化された青色レーザ光は、ダイクロイックミラー３０Ｂで反射された後、赤と緑の波長変換光と重畳して時分割ＲＧＢ光１００となる。
【００８９】
（動作）
次に、本実施の形態に係る光源１の動作について、図１３に示す、光源１を具備する画像投写装置１９９を用いて説明する。本実施の形態における画像投写装置１９９の構成部材は、第１の実施の形態と同じものは同じ図番を付与しており、詳細な説明を省略する。
【００９０】
本実施の形態の光源１は、主な発光波長が５９０〜６６０ｎｍの範囲のいわゆる赤色の波長変換光７８Ｒと、主な発光波長が５００〜５９０ｎｍの範囲のいわゆる緑色の波長変換光７８Ｇと、主な発光波長が４３０〜４７０ｎｍの範囲の青色レーザ光７９とが、時間に連続してなる時分割ＲＧＢ光１００を放射する。つまり、時分割ＲＧＢ光１００は、三原色の光である赤色光、緑色光、青色光が、赤色→緑色→青色→赤色の順番で周期的に放射されることによってなる白色光であり、一周期は例えば倍速スキャン時には約８．３ｍｓ（１２０Ｈｚ）である。
【００９１】
続いて、光源１の動作について説明する。複数の半導体発光素子１０Ｒから出射された例えば中心波長４０５ｎｍ、全光量１８ワットの励起光７５Ｒはコリメートレンズ２０および第１のリレーレンズ２５Ｒと第２のリレーレンズ２７Ｒにより一つの光束となりダイクロイックミラー３０Ｒを通過し、集光レンズ４０Ｒにより第１の蛍光発光部５１Ｒに例えば１ｍｍ2以下の面積に集光される。同様に、半導体発光素子１０Ｇから出射された励起光はそれぞれ第２の蛍光発光部５１Ｇに集光される。集光された励起光は第１の蛍光発光部材５１Ｒに含まれる赤色蛍光体により中心波長４０５ｎｍの光から、主な発光波長が５９０ｎｍ〜６６０ｎｍの波長変換光７８Ｒへと変換され、集光レンズ４０Ｒ側へ放射される。このとき波長変換光７８Ｒの放射角は全方位のいわゆるランバーシアン光であるが、発光領域が１ｍｍ2以下の点光源であるため集光レンズ４０Ｒで、ほぼ平行光となり、ダイクロイックミラー３０Ｒに向かう。そして、波長変換光７８Ｒはダイクロイックミラー３０Ｒで反射され、第３のリレーレンズ４１に向かう。同様に、第２の蛍光発光部５１Ｇに含まれる緑色蛍光体により、中心波長４０５ｎｍから、主な発光波長５００〜５９０ｎｍの波長変換光７８Ｇへと変換され、第３のリレーレンズ４１に導かれる。
【００９２】
さらに、波長変換光７８Ｒ、７８Ｇおよび青色レーザ光７９は重畳して時分割ＲＧＢ光１００となり、第３のリレーレンズ４１でロッドレンズ４２の端部に集光され入射される。そしてロッドレンズ４２内で多重反射された時分割ＲＧＢ光１００は、波面の光強度分布が矩形に変換された後、放射され、第４のリレーレンズ４３で直進光となり、反射ミラー４５により、例えばＤＭＤなどの反射型の画像表示素子７１に導かれる。画像表示素子７１に照射された光は２次元の映像信号が重畳された信号光８０となり反射され、投影レンズ６５により所定のスクリーン（図示なし）に投影可能な映像光８９となって画像投写装置１９９から出射される。
【００９３】
（効果）
このように本発明によれば、励起光源として半導体発光素子を用いたことにより、励起光源をナノ秒オーダーの時間スケールで高速ＯＮ／ＯＦＦすることが可能であり、倍速スキャン（１２０Ｈｚ、周期８．３ｍｓ）以上の速度でも全く問題なくＲＧＢ三原色を時分割生成することが可能となる。また、従来のカラーホイールを用いて本発明と同等の機能を実現する場合、カラーホイールが３枚必要となり、本発明に比べて光源サイズが著しく大きくなってしまう。
【００９４】
この構成により、部品点数を増やさずにコンパクトな構成にてＲＧＢ三原色を高効率、かつ高速に時分割生成可能であるため、色割れのない高性能な光源を提供することができる。
【００９５】
なお、上記の構成において、蛍光体として上述のものを挙げたがこれに限らない。例えば、緑色蛍光体としてＥｕ賦活β型ＳｉＡｌＯＮ蛍光体や、Ｅｕ賦活ＳｒＳｉＯ3蛍光体、Ｅｕ賦活ＳｒＳｉ2Ｏ2Ｎ2蛍光体、Ｅｕ賦活Ｂａ3Ｓｉ8Ｏ12Ｎ2蛍光体、Ｃｅ賦活ＣａＳｃ2Ｏ4蛍光体などＣｅもしくはＥｕを賦活させた蛍光体を用いることができる。また、赤色蛍光体としてもＥｕ，Ｓｍ賦活Ｌａ2Ｗ3Ｏ12に限らない。例えば、シリコンオキサイド、タングステンオキサイド、モリブデンオキサイド、インジウムオキサイド、イットリウムオキサイド、ジンクオキサイド、シリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、アルミニウムオキシナイトライド、有機高分子の一つもしくは複数が母材の構成元素に含まれ、その母材に賦活剤としてランタノイドイオン元素あるいは金属イオン元素が含有されている蛍光体であれば良い。具体的には、Ｅｕ賦活Ｌａ2Ｏ2Ｓ蛍光体、Ｅｕ賦活ＬｉＷ2Ｏ8蛍光体、ＥｕおよびＳｍ賦活ＬｉＷ2Ｏ8蛍光体、ＥｕおよびＭｎ賦活（Ｓｒ，Ｂａ）3ＭｇＳｉ2Ｏ8蛍光体、Ｍｎ賦活３．５ＭｇＯ・０．５ＭｇＦ2・ＧｅＯ2蛍光体、Ｅｕ賦活ＹＶＯ4蛍光体、Ｅｕ賦活Ｙ2Ｏ3蛍光体、Ｅｕ賦活Ｙ2Ｏ2Ｓ蛍光体などの蛍光の蛍光寿命が長いが蛍光スペクトルの半値幅が狭い赤色蛍光体に対して本実施の形態は有効である。また、ランタノイドイオン元素、金属イオン元素を賦活材とした希土類錯体蛍光体であってもよい。具体的には２種類のホスフィンオキシドが三価のユーロピウムに配位した分子構造を持つ希土類錯体蛍光体が挙げられる。
【００９６】
なお、本実施の形態において、半導体発光素子の例として中心波長４０５ｎｍの半導体レーザを挙げたがこの限りではない。例えば中心波長３９５ｎｍ、４００ｎｍ、４１０ｎｍなど、蛍光体の吸収スペクトルにあわせて中心波長を３８０ｎｍ〜４３０ｎｍの範囲で調整することや、中心波長が２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で異なる半導体レーザを複数組み合わせて、波長スペクトル幅を広くして用いても良い。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明によれば、半導体レーザから出射される出射光を複数の蛍光体で蛍光に変換して放射する光源において、変換効率が高く、色再現性の高い光源を、部品点数を増やさずに提供することができるので、プロジェクタ、リアプロジェクションテレビ、ヘッドアップディスプレイなどのディスプレイ用照明だけでなく、ヘッドライトなどの車載用照明または内視鏡などの医療用照明などにおいても広く利用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１  光源
１０Ｒ、１０Ｇ、１０Ｂ  半導体発光素子
２０  コリメートレンズ
２５Ｒ、２５Ｇ、２５Ｂ  第１のリレーレンズ
２７Ｒ、２７Ｇ、２７Ｂ  第２のリレーレンズ
３０Ｒ、３０Ｇ、３０Ｂ  ダイクロイックミラー
４０Ｒ、４０Ｇ、４０Ｂ  集光レンズ
４１  第３のリレーレンズ
４２  ロッドレンズ
４３  第４のリレーレンズ
４５  反射ミラー
５０  波長変換部
５１Ｒ  第１の蛍光発光部
５１Ｇ  第２の蛍光発光部
５１Ｂ  第３の蛍光発光部
５５  回転機構
５６  回転軸
５７  補助回転軸
５８  基体
５９  軸受け
６０  透明体
６１  中空部
６５  投影レンズ
７０  反射防止膜
７１  画像表示素子
７５Ｒ、７５Ｇ、７５Ｂ  励起光
７８、７８Ｒ、７８Ｇ、７８Ｂ   波長変換光
７９  青色レーザ光
８０  信号光
８９  映像光
９０  ヒートシンク
９５  ファン
１００  時分割ＲＧＢ光
１９９  画像投写装置
【図１】
2016145848.tif 000007
【図２】
2016145848.tif 000008
【図３】
2016145848.tif 000009
【図４】
2016145848.tif 000010
【図５】
2016145848.tif 000011
【図６】
2016145848.tif 000012
【図７】
2016145848.tif 000013
【図８】
2016145848.tif 000014
【図９】
2016145848.tif 000015
【図１０】
2016145848.tif 000016
【図１１】
2016145848.tif 000017
【図１２】
2016145848.tif 000018
【図１３】
2016145848.tif 000019
【図１４】
2016145848.tif 000020