JP2021189389A - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Abstract

【課題】光利用効率に優れた光源装置を実現する。【解決手段】本発明の光源装置は、第１波長帯の光を射出する光源部と、第１波長帯の光を第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換素子と、第１波長帯の光を反射し、第２波長帯の光を透過する第１光学素子と、を備え、第１光学素子の第１面に対する第１波長帯の光の主光線の第１入射角度は、４５°よりも小さく、第１面に対する第２波長帯の光の主光線の第２入射角度は、４５°よりも小さい。【選択図】図２

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いる光源装置として、発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。下記の特許文献１に、励起光を射出する光源と、励起光を蛍光に変換する波長変換素子と、励起光を波長変換素子に導く集光レンズユニットと、励起光を反射させ、蛍光を透過させるダイクロイックミラーと、を備える光源装置が開示されている。

特開２０１７−１９４５２３号公報

特許文献１の光源装置において、ダイクロイックミラーは、光源から射出される励起光の主光線および波長変換素子から射出される蛍光の主光線のそれぞれに対して４５°の角度をなす向きに配置されている。しかしながら、ダイクロイックミラーに対する励起光の入射角度および蛍光の入射角度が４５°からずれた場合、励起光および蛍光の損失が生じる、という問題がある。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の光源装置は、第１波長帯の光を射出する光源部と、前記第１波長帯の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換素子と、前記第１波長帯の光を反射し、前記第２波長帯の光を透過する第１光学素子と、を備え、前記第１光学素子の第１面に対する前記第１波長帯の光の主光線の第１入射角度は、４５°よりも小さく、前記第１面に対する前記第２波長帯の光の主光線の第２入射角度は、４５°よりも小さい。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 第１実施形態の照明装置の概略構成図である。 ダイクロイックミラーに対する光の入射角度が４５°±１０°の場合におけるＰ偏光の反射特性を示す図である。 ダイクロイックミラーに対する光の入射角度が４５°±１０°の場合におけるＳ偏光の反射特性を示す図である。 ダイクロイックミラーに対する光の入射角度が３０°±１０°の場合におけるＰ偏光の反射特性を示す図である。 ダイクロイックミラーに対する光の入射角度が３０°±１０°の場合におけるＳ偏光の反射特性を示す図である。 励起光および蛍光の発光スペクトルを示す図である。

以下、本発明の実施形態について、図１〜図７を用いて説明する。
以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーンＳＣＲ上にカラー映像を表示する投射型画像表示装置である。プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂと、合成光学系５と、投射光学装置６と、を備えている。照明装置２の構成については、後で詳しく説明する。

色分離光学系３は、第１ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、反射ミラー８ａと、反射ミラー８ｂと、反射ミラー８ｃと、リレーレンズ９ａと、リレーレンズ９ｂと、を備えている。色分離光学系３は、照明装置２から射出された照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離し、赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに導き、緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに導き、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。

フィールドレンズ１０Ｒは、色分離光学系３と光変調装置４Ｒとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｒに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｇは、色分離光学系３と光変調装置４Ｇとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｇに向けて射出する。フィールドレンズ１０Ｂは、色分離光学系３と光変調装置４Ｂとの間に配置され、入射した光を略平行化して光変調装置４Ｂに向けて射出する。

第１ダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過させ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを反射させる。第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射させ、青色光ＬＢを透過させる。反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲを反射させる。反射ミラー８ｂおよび反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢを反射させる。

第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲは、反射ミラー８ａで反射し、フィールドレンズ１０Ｒを透過して赤色光用の光変調装置４Ｒの画像形成領域に入射する。第１ダイクロイックミラー７ａで反射した緑色光ＬＧは、第２ダイクロイックミラー７ｂでさらに反射し、フィールドレンズ１０Ｇを透過して緑色光用の光変調装置４Ｇの画像形成領域に入射する。第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ９ａ、入射側の反射ミラー８ｂ、リレーレンズ９ｂ、射出側の反射ミラー８ｃ、およびフィールドレンズ１０Ｂを経て青色光用の光変調装置４Ｂの画像形成領域に入射する。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、入射された色光を画像情報に応じて変調し、画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂのそれぞれは、液晶ライトバルブから構成されている。図示を省略したが、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光入射側に、入射側偏光板がそれぞれ配置されている。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの光射出側に、射出側偏光板がそれぞれ配置されている。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂから射出された各色の画像光を合成してフルカラーの画像光を形成する。合成光学系５は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視で略正方形状をなすクロスダイクロイックプリズムで構成されている。直角プリズム同士を貼り合わせた略Ｘ字状の界面には、誘電体多層膜が形成されている。

合成光学系５から射出された画像光は、投射光学装置６によって拡大投射され、スクリーンＳＣＲ上で画像を形成する。すなわち、投射光学装置６は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂにより変調された光を投射する。投射光学装置６は、複数の投射レンズで構成されている。

本実施形態の照明装置２について説明する。
以下、図２においては、ＸＹＺ直交座標系を用い、光源装置２０から射出される照明光ＷＬの主光線に平行な軸をＸ軸と定義し、図２の紙面内においてＸ軸と直交する軸をＹ軸と定義し、図２の紙面と直交し、Ｘ軸およびＹ軸と直交する軸をＺ軸と定義する。

図２は、本実施形態の照明装置２の概略構成図である。
図２に示すように、照明装置２は、光源装置２０と、インテグレーター光学系２１と、偏光変換素子２２と、重畳レンズ２３と、を備えている。

光源装置２０は、光源部２５と、ミラー２６と、偏光合成ミラー２７と、第１集光光学系２８と、拡散素子２９と、ダイクロイックミラー３０と、第２集光光学系３１と、波長変換素子３２と、を備えている。光源部２５は、第１光源ユニット３５と、第２光源ユニット３６と、を有する。第１光源ユニット３５は、第１発光素子３５１と、第１コリメーターレンズ３５２と、を有する。第２光源ユニット３６は、第２発光素子３６１と、第２コリメーターレンズ３６２と、を有する。

第１発光素子３５１は、第１偏光方向を有する第１波長帯の第１光ＢＬ１を射出する。第２発光素子３６１は、第１偏光方向とは異なる第２偏光方向を有する第１波長帯の第２光ＢＬ２を射出する。第１発光素子３５１と第２発光素子３６１とは、ＹＺ平面に対して６０°の角度をなす仮想面Ｍ上に互いに間隔をおいて配置されている。したがって、第１光ＢＬ１と第２光ＢＬ２とは、図２の紙面内において、Ｙ軸に対して３０°の角度をなす方向に向けて射出される。

第１発光素子３５１および第２発光素子３６１のそれぞれは、青色光を射出する青色半導体レーザーから構成されている。青色半導体レーザーは、第１波長帯として、例えば３８０ｎｍ〜４９５ｎｍにピーク波長を有する青色光を射出する。したがって、光源部２５は、２本の青色光からなる第１光ＢＬ１および第２光ＢＬ２を射出する。第１発光素子３５１と第２発光素子３６１とは、同じピーク波長を有する青色光を射出する青色半導体レーザーから構成されていてもよいし、互いに異なるピーク波長を有する青色光を射出する青色半導体レーザーから構成されていてもよい。

第１発光素子３５１は、偏光合成ミラー２７に対してＰ偏光成分となる第１光ＢＬ１を射出する。これに対して、第２発光素子３６１は、偏光合成ミラー２７に対してＳ偏光成分となる第２光ＢＬ２を射出する。第１発光素子３５１と第２発光素子３６１とで偏光合成ミラー２７に対する偏光方向を異ならせるためには、例えば第１発光素子３５１の光射出面３５１ａの長手方向と第２発光素子３６１の光射出面３６１ａの長手方向とが、仮想面Ｍに対して、互いに直交するように、２つの発光素子３５１，３６１を各光ＢＬ１，ＢＬ２の射出方向から見て９０°回転させた向きに配置すればよい。または、２つの発光素子３５１，３６１を同じ向きに配置した場合には、いずれか一方の発光素子の光射出側に１／２波長板を配置し、１／２波長板によって当該発光素子から射出された光の偏光方向を回転させればよい。
本実施形態のＰ偏光成分は、特許請求の範囲の第１偏光方向を有する第１光に対応する。本実施形態のＳ偏光成分は、特許請求の範囲の第２偏光方向を有する第２光に対応する。

第１コリメーターレンズ３５２は、第１発光素子３５１に対応して設けられている。第１コリメーターレンズ３５２は、第１発光素子３５１から射出される第１光ＢＬ１を平行化する。第２コリメーターレンズ３６２は、第２発光素子３６１に対応して設けられている。第２コリメーターレンズ３６２は、第２発光素子３６１から射出される第２光ＢＬ２を平行化する。

ミラー２６は、反射面２６ａが第２発光素子３６１から射出される第２光ＢＬ２の主光線に対して４５°の角度をなすように配置されている。これにより、第２光ＢＬ２は、第２発光素子３６１からＹ軸に対して３０°の角度をなす方向に向かって射出された後、ミラー２６によって反射され、Ｙ軸に対して６０°の角度をなす方向に向かって進行する。

偏光合成ミラー２７は、第１光ＢＬ１の主光線と第２光ＢＬ２の主光線とのそれぞれに対して４５°の角度をなすように配置されている。偏光合成ミラー２７は、偏光合成ミラー２７に対するＰ偏光成分を透過させ、Ｓ偏光成分を反射させる特性を有する。したがって、第１光ＢＬ１は偏光合成ミラー２７を透過し、第２光ＢＬ２は偏光合成ミラー２７で反射する。これにより、第１光ＢＬ１と第２光ＢＬ２とは、Ｙ軸に対して３０°の角度をなす方向に向かって進行する。このようにして、第１光ＢＬ１と第２光ＢＬ２とは合成され、１つの光束ＢＬとなって第１集光光学系２８に入射する。すなわち、光源部２５は、第１波長帯の光束ＢＬを射出する。
本実施形態の光束ＢＬは、特許請求の範囲の第１波長帯の光に対応する。本実施形態の偏光合成ミラー２７は、特許請求の範囲の第２光学素子に対応する。

第１集光光学系２８は、偏光合成ミラー２７と拡散素子２９との間に設けられている。すなわち、第１集光光学系２８は、光源部２５と拡散素子２９との間に設けられている。本実施形態では、第１集光光学系２８は、１枚の凸レンズで構成されている。なお、第１集光光学系２８は、複数枚のレンズで構成されていてもよい。第１集光光学系２８は、正のパワーを有し、入射した光束ＢＬを集光する。

拡散素子２９は、光源部２５とダイクロイックミラー３０との間、具体的には第１集光光学系２８とダイクロイックミラー３０との間に設けられている。拡散素子２９は、第１集光光学系２８から射出された光束ＢＬを拡散させ、ダイクロイックミラー３０に向けて射出させる。これにより、波長変換素子３２上における光束ＢＬの照度分布は、拡散素子２９によって均一化される。拡散素子２９として、例えば光学ガラスからなる磨りガラス板が用いられる。拡散素子２９は、透過型の拡散素子が用いられる。
本実施形態の拡散素子２９は、特許請求の範囲の第３光学素子に対応する。

ダイクロイックミラー３０は、第１面３０ａと、第１面３０ａとは異なる第２面３０ｂと、を有する。第１面３０ａは、光束ＢＬおよび蛍光ＹＬが入射する入射面である。第２面３０ｂは、蛍光ＹＬが射出する射出面である。ダイクロイックミラー３０は、第１面３０ａおよび第２面３０ｂがＹＺ平面に対して３０°の角度をなす向きに配置されている。ダイクロイックミラー３０は、青色波長帯の光を反射させ、黄色波長帯の光を透過させる特性を有する。そのため、ダイクロイックミラー３０は、光源部２５から射出される光束ＢＬを反射させ、波長変換素子３２から射出される蛍光ＹＬを透過させる。
本実施形態のダイクロイックミラー３０は、特許請求の範囲の第１光学素子に対応する。

第２集光光学系３１は、ダイクロイックミラー３０と波長変換素子３２との間に設けられている。第２集光光学系３１は、第１レンズ３１１、第２レンズ３１２、および第３レンズ３１３からなる３枚の凸レンズから構成されている。なお、第２集光光学系３１を構成するレンズの数は、特に限定されない。第２集光光学系３１は、ダイクロイックミラー３０で反射した光束ＢＬを集光し、波長変換素子３２に入射させる。

波長変換素子３２は、第２集光光学系３１から射出された光束ＢＬを第１波長帯とは異なる第２波長帯の蛍光ＹＬに変換する。波長変換素子３２は、青色の光束ＢＬを黄色の蛍光ＹＬに変換するセラミック蛍光体を含んでいる。第２波長帯は例えば４９０〜７５０ｎｍであり、蛍光ＹＬは緑色光成分および赤色光成分を含む黄色光である。なお、蛍光体は、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。
本実施形態の蛍光ＹＬは、特許請求の範囲の第２波長帯の光に対応する。

波長変換素子３２は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてセリウム（Ｃｅ）を含有するＹＡＧ：Ｃｅを例にとると、蛍光体として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_３等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法やソルゲル法等の湿式法により得られるＹ−Ａｌ−Ｏアモルファス粒子、噴霧乾燥法や火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるＹＡＧ粒子等を用いることができる。また、蛍光体は、光束ＢＬおよび蛍光ＹＬを散乱させるための散乱要素を含んでいる。散乱要素として、例えば複数の気孔が用いられる。

本実施形態の照明装置２において、第１発光素子３５１、第１コリメーターレンズ３５２、偏光合成ミラー２７、第１集光光学系２８、拡散素子２９、およびダイクロイックミラー３０は、ダイクロイックミラー３０の中心を通り、図２の紙面内においてＹ軸に対して３０°の角度をなす光軸ａｘ１上に配置されている。また、波長変換素子３２、第２集光光学系３１、ダイクロイックミラー３０、インテグレーター光学系２１、偏光変換素子２２、および重畳レンズ２３は、ダイクロイックミラー３０の中心を通り、Ｘ軸に沿う光軸ａｘ２上に配置されている。そのため、ダイクロイックミラー３０の第１面３０ａに対する光束ＢＬの主光線の入射角度θ１は、３０°である。また、ダイクロイックミラー３０の第１面３０ａに対する蛍光ＹＬの主光線の入射角度θ２は、３０°である。

以下、ダイクロイックミラー３０の第１面３０ａに対する光束ＢＬの主光線の入射角度を、第１入射角度θ１と称する。また、ダイクロイックミラー３０の第１面３０ａに対する蛍光ＹＬの主光線の入射角度を、第２入射角度θ２と称する。なお、第１入射角度θ１は、必ずしも３０°でなくてもよく、４５°よりも小さければよい。第２入射角度θ２は、必ずしも３０°でなくてもよく、４５°よりも小さければよい。また、第１入射角度θ１および第２入射角度θ２が小さすぎると、ダイクロイックミラー３０に入射する光束ＢＬおよび蛍光ＹＬのうち、一方の光の光路上に設けられた各種光学素子が他方の光の光路と干渉する場合があり、光の損失につながるおそれがある。この点を考慮すると、第１入射角度θ１および第２入射角度θ２は、３０°程度であることが望ましい。

なお、本実施形態の照明装置２は、第１入射角度θ１および第２入射角度θ２を調整する調整機構をさらに備えていてもよい。調整機構としては、例えば光源部２５、ミラー２６、偏光合成ミラー２７、第１集光光学系２８、および拡散素子２９を第１支持部材に支持するとともに、波長変換素子３２、および第２集光光学系３１を第２支持部材に支持し、第１支持部材および第２支持部材のそれぞれをダイクロイックミラー３０の中心を回転軸として回転させる機構を採用することができる。

本実施形態の照明装置２においては、偏光合成ミラー２７とダイクロイックミラー３０との間に正のパワーを有する第１集光光学系２８が設けられているため、光束ＢＬが集光された状態でダイクロイックミラー３０に入射する。そのため、第１集光光学系２８が設けられていない場合に比べて、ダイクロイックミラー３０を小型化することができる。また、ダイクロイックミラー３０が黄色光成分を透過する特性を有するため、波長変換素子３２から射出された蛍光ＹＬは、第２集光光学系３１を透過した後、ダイクロイックミラー３０を透過する。また、蛍光ＹＬのうち、ダイクロイックミラー３０が存在する領域よりも外側に広がった角度成分の光は、ダイクロイックミラー３０を透過することなく、そのままＸ軸方向に進む。

一方、波長変換素子３２に入射した青色の光束ＢＬのうち、一部の光束ＢＬは、波長変換されて蛍光ＹＬに変換されるが、他の一部の光束ＢＬは、蛍光ＹＬに波長変換される前に蛍光体に含まれる散乱要素によって後方散乱し、波長変換されることなく波長変換素子３２の外部に射出される。このとき、光束ＢＬは、蛍光ＹＬの角度分布と略同様の角度分布に拡散されて射出される。そのため、上述したように、ダイクロイックミラー３０を小型化することにより、光束ＢＬの中央部は、ダイクロイックミラー３０に入射するが、光束ＢＬの周縁部はダイクロイックミラー３０に入射することなく、ダイクロイックミラー３０の外側の空間を通過する。ダイクロイックミラー３０に入射した光束ＢＬは、ダイクロイックミラー３０で反射され、損失となるが、ダイクロイックミラー３０に入射しない光束ＢＬは、蛍光ＹＬとともに照明光ＷＬとして利用される。
なお、波長変換素子３２から射出される光束ＢＬは、波長変換素子３２の内部に入射されることなく、波長変換素子３２の表面において拡散反射されることによって生成されてもよい。

以上のようにして、光束ＢＬと蛍光ＹＬとは、インテグレーター光学系２１に入射する。青色の光束ＢＬと黄色の蛍光ＹＬとが合成されることにより、白色の照明光ＷＬが生成される。

インテグレーター光学系２１は、第１マルチレンズアレイ２１１と、第２マルチレンズアレイ２１２と、を有する。第１マルチレンズアレイ２１１は、照明光ＷＬを複数の部分光束に分割するための複数の第１レンズ２１１１を有する。

第１マルチレンズアレイ２１１のレンズ面、すなわち第１レンズ２１１１の表面と、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの各々の画像形成領域とは、互いに共役となっている。そのため、光軸ａｘ２の方向から見て、第１レンズ２１１１の各々の形状は、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域の形状と略相似形の矩形状である。これにより、第１マルチレンズアレイ２１１から射出された部分光束の各々は、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域にそれぞれ効率良く入射する。

第２マルチレンズアレイ２１２は、第１マルチレンズアレイ２１１の複数の第１レンズ２１１１に対応する複数の第２レンズ２１２１を有する。第２マルチレンズアレイ２１２は、重畳レンズ２３とともに、第１マルチレンズアレイ２１１の各第１レンズ２１１１の像を各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの各々の画像形成領域の近傍に結像させる。

インテグレーター光学系２１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子２２に入射する。偏光変換素子２２は、図示しない偏光分離膜と位相差板とをアレイ状に配列した構成を有する。偏光変換素子２２は、照明光ＷＬの偏光方向を所定の方向に揃える。具体的には、偏光変換素子２２は、照明光ＷＬの偏光方向を光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの入射側偏光板の透過軸の方向に揃える。

これにより、偏光変換素子２２を透過した照明光ＷＬから分離される赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢの偏光方向は、各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの入射側偏光板の透過軸方向に一致する。したがって、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢは、入射側偏光板でそれぞれ遮光されることなく、光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの画像形成領域にそれぞれ入射する。

偏光変換素子２２を透過した照明光ＷＬは、重畳レンズ２３に入射する。重畳レンズ２３は、インテグレーター光学系２１と協働して、被照明領域である光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂの各々の画像形成領域における照度分布を均一化する。

本実施形態のように、励起光源と波長変換素子とダイクロイックミラーとを備える光源装置においては、励起光源とダイクロイックミラーとを結ぶ光軸と、波長変換素子とダイクロイックミラーとを結ぶ光軸と、を互いに直交させ、ダイクロイックミラーに対する励起光の入射角度と蛍光の入射角度とがともに４５°になるように、各光学素子を配置する構成が一般的である。ところが、本発明者らは、上記の構成の場合、各光学素子の位置ずれ等に起因して、ダイクロイックミラーにおける光の損失が大きくなる問題があることに想到した。

例えばダイクロイックミラーを構成する光学薄膜において、膜に対する光の入射角度が変化すると、膜の表面で反射する光の光路長と膜の内部で反射する光の光路長との差が変化する。光路長が変化した場合、予め設計された特定の反射率に対応する波長にずれが生じ、ダイクロイックミラーの反射特性の波長シフトが発生する。波長シフトの量は、光路長に関わることから光学薄膜の厚みに依存する。例えば光線の入射角度が大きくなる程、所望の反射率を得るための設計が困難となり、膜厚が大きくなる。そのため、入射角度のばらつきによる波長シフトの影響が大きくなる。

光学薄膜への入射角度が大きくなる程、反射率の設計が困難となる理由は、Ｐ偏光の界面反射特性とＳ偏光の界面反射特性との差に起因する。例えば入射角度が０°の場合、Ｓ偏光の界面反射率とＰ偏光の界面反射率とは等しくなる。ところが、入射角度が大きくなる程、Ｐ偏光は反射しにくく、Ｓ偏光は反射しやすくなるため、界面反射特性に大きな差が生じる。Ｓ偏光とＰ偏光とで同等の反射率を得る場合、界面反射特性の差が大きい程、すなわち、光の入射角度が大きい程、Ｐ偏光、Ｓ偏光のどちらにも対応した複雑な膜設計を行わなければならないため、膜の層数が増え、膜厚が大きくなる。したがって、膜の層数と膜厚とを増やすことなく、Ｓ偏光とＰ偏光とで同等の反射率を得ることは難しい。

ここで、本発明者らは、ダイクロイックミラーに対する光の入射角度を４５°から小さくすることを検討した。具体的には、本発明者らは、ダイクロイックミラーに対する光の入射角度が４５°の場合、４５°よりも小さい角度の場合のそれぞれで、Ｐ偏光およびＳ偏光の入射角度が基準値から変化したときの反射特性の波長シフトのシミュレーションを行った。

シミュレーション条件として、比較例の光源装置においては、ダイクロイックミラーに対する光の入射角度４５°を基準として、入射角度を±１０°変化させた。実施例の光源装置においては、ダイクロイックミラーに対する光の入射角度３０°を基準として、入射角度を±１０°変化させた。

上記のシミュレーション結果を図３〜図６に示す。
図３および図４は、ダイクロイックミラーに対する光の入射角度が４５°の比較例の光源装置におけるシミュレーション結果を示し、図３はＰ偏光の反射特性を示し、図４はＳ偏光の反射特性を示している。
図５および図６は、ダイクロイックミラーに対する光の入射角度が３０°の実施例の光源装置におけるシミュレーション結果を示し、図５はＰ偏光の反射特性を示し、図６はＳ偏光の反射特性を示している。

図３〜図６において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は反射率（％）を示す。また、図３および図４において、グラフＡは入射角度が５５°の場合を示し、グラフＢは入射角度が４５°の場合を示し、グラフＣは入射角度が３５°の場合を示す。図５および図６において、グラフＤは入射角度が４０°の場合を示し、グラフＥは入射角度が３０°の場合を示し、グラフＦは入射角度が２０°の場合を示す。

図３〜図６に示すように、本実施例の光源装置においては、比較例の光源装置に比べて、±１０°の角度ばらつきに伴う反射特性の波長シフトが小さくなることが判った。特にＳ偏光に比べて波長シフトが大きいＰ偏光に着目すると、図３に示すように、比較例の場合、±１０°の角度ばらつきによって約３０ｎｍ程度の波長シフトが生じるのに対し、図５に示すように、本実施例の場合、±１０°の角度ばらつきによる波長シフトを約１０ｎｍ程度にまで低減できることが判った。図４と図６から明らかなように、Ｓ偏光についても、本実施例の場合、比較例に比べて、波長シフトを十分に小さく抑えられることが判った。

図７は、各発光素子３５１，３６１から射出される光束ＢＬ、および波長変換素子３２から生成される蛍光ＹＬのスペクトルの一例を示す図である。図７において、横軸は波長（ｎｍ）を示し、縦軸は相対強度（無単位）を示す。
図７の例では、各発光素子３５１，３６１から射出される光束ＢＬのスペクトルＦは、約４５５ｎｍにピーク波長を有する。また、波長変換素子３２から生成される蛍光ＹＬのスペクトルＨは、約４８０ｎｍから増加し、５４０ｎｍ近傍でピーク波長となり、７５０ｎｍに向けて低下する傾向を示す。

図３および図４に示すように、比較例の光源装置においては、反射率が１００％から急激に低下する領域が５００ｎｍの近傍で大きくシフトしている。図７に示すスペクトルと図３および図４のシミュレーション結果を組み合わせて見たとき、ダイクロイックミラーは青色光を反射させ、黄色光を透過させる必要があるため、比較例の光源装置では、入射角度が５５°にずれたときに、ピーク波長が４４５ｎｍのＰ偏光の光束ＢＬが十分に反射されず、逆に入射角度が３５°にずれたときには、Ｓ偏光の蛍光ＹＬの反射率が増加する。そのため、入射角度が基準値の４５°からずれると、光束ＢＬの透過分による損失、または蛍光ＹＬの反射分による損失が生じる。その結果、光利用効率が低下する、または白色光のホワイトバランスが変動する、等の問題が生じる。

これに対して、図５および図６に示すように、実施例の光源装置においては、Ｐ偏光、Ｓ偏光のいずれにおいても、反射率が１００％から急激に低下する領域が５００ｎｍの近傍に集中しており、波長シフトが小さく抑えられている。図７に示すスペクトルと図５および図６のシミュレーション結果を組み合わせて見たとき、反射率が１００％から急激に低下している領域は、概ね光束のスペクトルＧと蛍光ＹＬのスペクトルＨとの谷間に位置している。そのため、入射角度が基準値の３０°からずれたとしても、光束ＢＬの透過分による損失、および蛍光ＹＬの反射分による損失を小さく抑えることができる。

なお、光束ＢＬの入射角度のずれの原因としては、拡散素子２９による拡散、第１集光光学系２８および第２集光光学系３１による角度変化、各発光素子３５１，３６１、ミラー２６、偏光合成ミラー２７等の光学素子の設置位置のずれ等が主として考えられる。また、蛍光ＹＬの入射角度のずれの原因としては、蛍光ＹＬの発光位置のずれ等が主として考えられる。

［本実施形態の効果］
本実施形態の光源装置２０は、第１波長帯の光束ＢＬを射出する光源部２５と、第１波長帯の光束ＢＬを第２波長帯の蛍光ＹＬに変換する波長変換素子３２と、第１波長帯の光束ＢＬを反射し、第２波長帯の蛍光ＹＬを透過するダイクロイックミラー３０と、を備え、ダイクロイックミラー３０の第１面３０ａに対する光束ＢＬの主光線の第１入射角度θ１は、４５°よりも小さく、第１面３０ａに対する蛍光ＹＬの主光線の第２入射角度θ２は、４５°よりも小さい。

この構成によれば、ダイクロイックミラー３０の第１面３０ａに対する光束ＢＬの主光線の第１入射角度θ１、および蛍光ＹＬの主光線の第２入射角度θ２が基準値からずれたとしても、各入射角度のずれに起因する光束ＢＬおよび蛍光ＹＬの損失を小さく抑えることができる。これにより、光利用効率に優れた光源装置２０を実現することができる。また、白色光のホワイトバランスを安定して維持できる光源装置２０を実現することができる。

本実施形態の光源装置２０において、光源部２５は、Ｐ偏光成分の第１光ＢＬ１を射出する第１発光素子３５１と、Ｓ偏光成分の第２光ＢＬ２を射出する第２発光素子３６１と、を有し、第１光ＢＬ１を透過させ、第２光ＢＬ２を反射させる偏光合成ミラー２７をさらに備え、偏光合成ミラー２７から射出された第１光ＢＬ１と、偏光合成ミラー２７から射出された第２光ＢＬ２とが、ダイクロイックミラー３０に入射する。

この構成によれば、第１光ＢＬ１と第２光ＢＬ２とを偏光合成することにより、光路の面積を１つの光の光路の大きさに圧縮することができ、ダイクロイックミラー３０に入射する光束ＢＬの断面積を小さくすることができる。これにより、ダイクロイックミラー３０自体の面積も小さくできるため、波長変換素子３２から後方散乱した光束ＢＬの遮蔽面積を減らし、照明光ＷＬとして利用できる割合を増やすことができる。偏光合成でＰ偏光成分とＳ偏光成分とを利用する場合、図５および図６に示したように、偏光によって波長シフト量が異なる。このような特性であっても、ダイクロイックミラー３０に対する各光の入射角度を４５°よりも小さくすることにより、波長シフトの影響を小さくすることができる。

本実施形態の光源装置２０は、光源部２５とダイクロイックミラー３０との間に設けられ、光束ＢＬを拡散させる拡散素子２９をさらに備えている。

この構成によれば、波長変換素子３２に入射する光束ＢＬが拡散素子２９によって拡散されるため、波長変換素子３２の温度が局所的に上昇することが抑えられ、波長変換効率の低下を抑えることができる。

本実施形態の光源装置２０は、第１入射角度θ１および第２入射角度θ２を調整する調整機構をさらに備えていてもよい。

本実施形態では、第１入射角度θ１および第２入射角度θ２のそれぞれを３０°としたが、用いるダイクロイックミラー３０の特性に応じて、入射角度を３０°以外の角度に調整したいことがある。その場合、上記の構成によれば、調整機構によって第１入射角度θ１および第２入射角度θ２を調整することができる。

本実施形態の光源装置２０は、光源部２５とダイクロイックミラー３０との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系２８と、ダイクロイックミラー３０と波長変換素子３２との間に設けられる第２集光光学系３１と、をさらに備え、波長変換素子３２に入射した光束ＢＬの一部が波長変換素子３２によって散乱され、蛍光ＹＬとともに波長変換素子３２から射出される。

光源装置２０が上記の構成を有する場合、上述したように、波長変換素子３２から射出され、ダイクロイックミラー３０に入射した光束ＢＬの一部は、反射されて損失となり、ダイクロイックミラー３０に入射しない光束ＢＬの他の一部は、ダイクロイックミラー３０の外側の領域を通過して照明光ＷＬとして利用される。また、ダイクロイックミラー３０に入射した蛍光ＹＬの一部は、ダイクロイックミラー３０を透過し、ダイクロイックミラー３０に入射しない蛍光ＹＬの他の一部は、ダイクロイックミラー３０の外側の領域を通過して照明光ＷＬとして利用される。したがって、仮に波長シフトによって光束ＢＬの反射量や蛍光ＹＬの透過量が変動したとすると、照明光ＷＬのホワイトバランスが変動するおそれがある。これに対し、本実施形態の光源装置２０によれば、入射角度のずれに起因する光束ＢＬの反射量や蛍光ＹＬの透過量の変動を抑制できるため、ホワイトバランスが安定した照明光ＷＬを得ることができる。

本実施形態のプロジェクター１は、上記の光源装置２０と、光源装置２０からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置４Ｂ，４Ｇ，４Ｒと、光変調装置４Ｂ，４Ｇ，４Ｒにより変調された光を投射する投射光学装置６と、を備える。
この構成によれば、高効率のプロジェクター１を実現することができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態は、第２発光素子から射出される第２光をミラーで反射させ、偏光合成ミラーに導く構成を有しているが、この構成に代えて、第２発光素子の位置を変えるとともに、第２光の射出方向を上記実施形態から９０°回転させて、ミラーを介することなく、第２発光素子から射出される第２光を偏光合成ミラーに直接入射させる構成としてもよい。

また、偏光合成ミラーを用いて互いに異なる偏光方向を有する第１光と第２光とを偏光合成し、光束を形成する構成に代えて、同じ偏光方向を有する第１光と第２光とをミラー等によって偏向させ、光路同士を接近させて一つの光束とし、この光束をダイクロイックミラーに入射させる構成としてもよい。また、第１発光素子および第２発光素子のそれぞれは、複数の発光素子であってもよい。

また、上記実施形態では、回転可能とされていない固定型の波長変換素子の例を挙げたが、本発明は、モーターによって回転可能とされた波長変換素子を有する光源装置にも適用が可能である。

その他、光源装置およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。上記実施形態では、本発明による光源装置を、液晶ライトバルブを用いたプロジェクターに搭載した例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を、光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに適用してもよい。また、プロジェクターは、複数の光変調装置を有していなくてもよく、１つの光変調装置のみを有していてもよい。

上記実施形態では、本発明の光源装置をプロジェクターに適用した例を示したが、これに限られない。本発明の光源装置は、照明器具や自動車のヘッドライト等にも適用することができる。

本発明の一つの態様の光源装置は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、第１波長帯の光を射出する光源部と、前記第１波長帯の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換素子と、前記第１波長帯の光を反射し、前記第２波長帯の光を透過する第１光学素子と、を備え、前記第１光学素子の第１面に対する前記第１波長帯の光の主光線の第１入射角度は、４５°よりも小さく、前記第１面に対する前記第２波長帯の光の主光線の第２入射角度は、４５°よりも小さい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記光源部は、第１偏光方向を有する前記第１波長帯の第１光を射出する第１発光素子と、前記第１偏光方向とは異なる第２偏光方向を有する前記第１波長帯の第２光を射出する第２発光素子と、を有し、前記第１光を透過させ、前記第２光を反射させる第２光学素子をさらに備え、前記第２光学素子から射出された前記第１光と、前記第２光学素子から射出された前記第２光とが、前記第１光学素子に入射してもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記光源部と前記第１光学素子との間に設けられ、前記第１波長帯の光を拡散させる第３光学素子をさらに備えてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記第１入射角度および前記第２入射角度を調整する調整機構をさらに備えてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置は、前記光源部と前記第１光学素子との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系と、前記第１光学素子と前記波長変換素子との間に設けられる第２集光光学系と、をさらに備え、前記波長変換素子に入射した前記第１波長帯の光の一部が前記波長変換素子によって散乱され、前記第２波長帯の光とともに前記波長変換素子から射出されてもよい。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の光源装置と、前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。

１…プロジェクター、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、２０…光源装置、２５…光源部、２７…偏光合成ミラー（第２光学素子）、２９…拡散素子（第３光学素子）、３０…ダイクロイックミラー（第１光学素子）、３０ａ…第１面、３２…波長変換素子、３５１…第１発光素子、３６１…第２発光素子、ＢＬ…光束（第１波長帯の光）、ＢＬ１…第１光、ＢＬ２…第２光、ＹＬ…蛍光（第２波長帯の光）、θ１…第１入射角度、θ２…第２入射角度。

Claims (6)

1. 第１波長帯の光を射出する光源部と、
   前記第１波長帯の光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光に変換する波長変換素子と、
   前記第１波長帯の光を反射し、前記第２波長帯の光を透過する第１光学素子と、
   を備え、
   前記第１光学素子の第１面に対する前記第１波長帯の光の主光線の第１入射角度は、４５°よりも小さく、
   前記第１面に対する前記第２波長帯の光の主光線の第２入射角度は、４５°よりも小さい、光源装置。
2. 前記光源部は、第１偏光方向を有する前記第１波長帯の第１光を射出する第１発光素子と、前記第１偏光方向とは異なる第２偏光方向を有する前記第１波長帯の第２光を射出する第２発光素子と、を有し、
   前記第１光を透過させ、前記第２光を反射させる第２光学素子をさらに備え、
   前記第２光学素子から射出された前記第１光と、前記第２光学素子から射出された前記第２光とが、前記第１光学素子に入射する、請求項１に記載の光源装置。
3. 前記光源部と前記第１光学素子との間に設けられ、前記第１波長帯の光を拡散させる第３光学素子をさらに備える、請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第１入射角度および前記第２入射角度を調整する調整機構をさらに備える、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記光源部と前記第１光学素子との間に設けられ、正のパワーを有する第１集光光学系と、
   前記第１光学素子と前記波長変換素子との間に設けられる第２集光光学系と、
   をさらに備え、
   前記波長変換素子に入射した前記第１波長帯の光の一部が前記波長変換素子によって散乱され、前記第２波長帯の光とともに前記波長変換素子から射出される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光源装置。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、
   前記光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、
   を備える、プロジェクター。

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