JP5671666B2 - 固体光源装置及び投射型表示装置 - Google Patents

Description

本発明は、発光ダイオードや半導体レーザなどの固体素子を光源として利用し、省エネに優れた光源として注目を集める固体光源装置に係わり、特に、光源からの光を透過型又は反射型の液晶パネル、或いは、複数のマイクロミラーを配列したディジタルミラーディバイス（ＤＭＤ）などで映像信号に応じて光強度変調し、形成された光学像を拡大して投射する投射型表示装置に適した固体光源装置に関する。

近年、従来のランプや蛍光灯に代えて、発光ダイオードや半導体レーザなどの固体素子を利用した省エネに優れた光源が、広く、照明装置として利用されてきている。一方、光源からの光をライトバルブで映像信号に応じて光強度変調し、形成された光学像を拡大して投射する光学ユニットを、駆動回路，電源回路や冷却用ファンなどと共に筐体内に収納した投射型表示装置は、例えば、以下の特許文献１により、既に知られている。

かかる従来の投射型表示装置では、特に、投射面における十分な明るさを確保するため、照明光学系として、通常、入力電力当たりの発光効率の高い（例えば、７０ｌｍ／Ｗ）超高圧水銀ランプを光源として利用することが主流となっていた。

しかしながら、白色光を発生する放電ランプを用いると、高電圧電源が必要であり、その取り扱いが難しく、また、寿命が短く耐衝撃性が低いことから、これに代えて、発光ダイオードやレーザダイオードなどの固体光源を投射型表示装置の光源として利用することが種々提案されている。

例えば、以下の特許文献２では、３原色である、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、青色（Ｂ）の光を発光する発光ダイオードをアレイ状に配列した面状光源を、Ｒ、Ｇ、Ｂに対応する光変調器（ライトバルブ）の背面に配置された投射型表示装置が提案されている。

また、以下の特許文献３では、投射型表示装置の光源として、固体光源である、紫外線を発光する発光ダイオードを使用し、当該紫外線を、Ｒ、Ｇ、Ｂの蛍光体層からなるカラーホイールに順次照射してＲ光、Ｇ光、Ｂ光に変換し、これら各色光を、順次、空間変調器を介して、投射レンズにより拡大して投射することによって光学像を表示する投射型表示装置が既に知られている。

そして、以下の特許文献４によれば、紫外線による損傷を防止し、光学部品の長寿命を確保するため、上述した紫外線を励起光として発光する発光ダイオードに代えて、青色の光を発生する発光ダイオード又はレーザ発光器を使用するものも、既に提案されている。更に、以下の特許文献５には、複数の発光ダイオードを用い、射出される光線束を集光して利用する場合、特に、緑色の発光ダイオードからの光量の不足を解消するための構造が開示されている。即ち、Ｇ色の発光ダイオードからの光に対してＢ色の発光ダイオードから光（励起光）をダイクロイックミラーにより合成し、Ｇ光を透過すると共に、Ｂ光を吸収することにより励起され、Ｇ光を発光する第三光源を備えた光源装置が提案されている。

特開平１０−１７１０４５号公報 特開２００２−２６８１４０号公報 特開２００４−３４１１０５号公報 特開２００９−２７７５１６号公報 特開２００９−２５９５８３号公報

上述したように、投射型表示装置において光源として使用される超高圧水銀ランプは、紫外線を大量に発生させることから、照明光学系を構成する液晶バルブや偏光板など、特に、有機物によって構成される部品に対して大きなストレスを与えることとなる。そのため、かかる部品の寿命を損なってしまう。また、当該ランプ自体も、電極の磨耗や発光管の白濁による明るさの低下が比較的に短い時間で発生する。更には、水銀を含むことからその廃棄処分が難しいなどの課題があった。そして、かかる超高圧水銀ランプに代え、上述したように、上記の特許文献には、発光ダイオードやレーザダイオードなどの固体光源を利用した投射型表示装置の光源が種々提案されているが、しかしながら、特に、投射型表示装置の光源としては、以下のような課題を有している。

即ち、投射型表示装置は、超高圧水銀ランプに代表されるように、発光効率の高い点状の光源からの白色光を、透過型又は反射型の液晶パネル、或いは、複数のマイクロミラーを配列したディジタルミラーディバイス（ＤＭＤ）などで映像信号に応じて光強度変調し、形成された光学像を拡大して投射するものである（光学素子部分）。これに対して、上述した特許文献を含む従来技術により提案されている光源装置（固体光源）は、必ずしも、投射型表示装置に適した光源を提供するものではない。即ち、上述した従来の光源装置により得られる光は、比較的大きな面積に集積して配置された多数の固体光源からの光を集めたものであり、そのため、必要な光量の白色光の点光源を形成するものではなく、従来の水銀ランプに代えて上述した固体光源を採用した場合には、光強度変調部を含む光学系部分において十分な性能が得られず、投射面でのホワイトバランスの劣化や色むらが発生してしまう原因ともなってしまう。

そこで、本発明では、上述した従来技術における問題点に鑑みてなされたものであり、更に詳細には、特に、投射型表示装置における光源として採用するに適した固体光源装置を提供することを目的とする。

本発明によれば、上記の目的を達成するため、励起光を発光する固体発光部と、前記固体発光部からの励起光を点状に集光するための集光手段と、前記集光手段により点状に集光された励起光の焦点の近傍において、当該励起光の反射散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返す反射散乱・波長変換手段、或いは、当該励起光の透過散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返す透過散乱・波長変換手段と、前記手段により反射散乱又は透過散乱された励起光と、前記手段により波長が変換された励起光を、同一の光学路上において取り出して、もって、略点光源から出射した白色光を出力する手段とを備えた固体光源装置が提供される。また、発光ダイオードやレーザなどの固体発光素子からの励起光により励起された蛍光体として、白色に対して励起光とは補色の関係となる波長領域の光束を発光する物質を選択すれば、簡単な構成で高効率な光源が実現できる。

また、本発明によれば、上記に記載した固体光源装置において、前記固体発光部は、発光ダイオード又は半導体レーザ素子を、複数、平面上に配置して構成されていることが好ましく、前記発光ダイオード又は半導体レーザ素子は、青色光を発生することが好ましく、更には、前記固体発光部からの励起光は、偏光面を一方向に揃えた青色光であることが好ましい。青色帯域の励起光に励起される蛍光体としては青色光の補色の関係にある黄色光を高効率に発光するＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ（イットリウムアルミニウムガーネット＝ＹＡＧ）蛍光体が一般的であるがこれに限るものではない。更にＹＡＧ蛍光体も組成により発光スペクトルと最適励起光の波長が異なり、緑色帯域の相対エネルギーが高い強度Ｙ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅや赤色帯域の相対エネルギーが高い強度(Ｙ，Ｇｄ)_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅ等必要な特性に合わせて適宜選択すると良い。この他青色帯域の励起光で発光する黄色蛍光体としてはシリケート系(Ｓｒ，Ｂａ)_２ＳｉＯ_２蛍光体などが知られている。また、上記青色光のピーク波長は４６０ｎｍ程度が好ましいが、ピーク波長が４３０ｎｍ程度の青色光を励起光とし、励起光を一部拡散透過させ、かつ、Ｇｒｅｅｎ−Ｂｌｕｅ蛍光体を一部励起して、５１０ｎｍ程度がピーク波長の青緑色帯域光を発光させる領域と、青色光の補色の関係にある黄色光を発光する蛍光体を有する領域を有する構成としてもよい。Ｇｒｅｅｎ−Ｂｌｕｅ蛍光体としては、Ｃａ_８ＭｇＳｉ_４Ｏ_１６Ｃｌ_２:ＥｕやＳｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：ＥｕやＢａＳｉ_２Ｏ_２Ｎ_２:Ｅｕ等がある。

特に、上記の反射散乱・波長変換手段を用いる場合には、上記に記載した固体光源装置において、前記集光手段及び前記白色光の出力手段は、放物面又は楕円面からなる鏡面と、当該鏡面に対向すると共に、その回転軸方向に傾斜して配置され、偏光面を一方向に揃えた励起光を当該鏡面に向けて反射し、他の方向の励起光を透過する分離ミラーとを、共通に備えていることが好ましい。また、前記反射散乱・波長変換手段は、基材上に、反射散乱面と、蛍光体からなる蛍光面を形成してなり、かつ、当該基材の移動により、当該励起光の反射散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことが好ましく、更に、前記反射散乱・波長変換手段は、円盤状の基材上に、前記反射散乱面と、蛍光体からなる前記蛍光面とを形成してなり、かつ、当該円盤状の基材の回転運動により、当該励起光の反射散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことが好ましい。

また、上記の固体光源装置において、前記基材は、熱伝導率が５／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の部材により構成されていることが、前記基材の上に形成された前記反射散乱面の上には、更に、当該反射散乱面で反射散乱した励起光の偏光方向を変更する透過膜が形成されていることが、又は、前記基材の表面の、前記反射散乱面と前記蛍光体が形成された一部で、かつ、前記点状に集光された励起光の焦点の近傍には、当該焦点の近傍の前記反射散乱面又は前記蛍光体からの散乱光に方向性を与えるための微小な凹部を、多数、形成することが好ましい。

他方、上記の透過散乱・波長変換手段を用いる場合には、前記に記載した固体光源装置において、前記集光手段及び前記白色光の出力手段は、それぞれ、放物面又は楕円面からなる鏡面を備えており、かつ、当該集光手段の鏡面と当該白色光の出力手段の鏡面との間に、前記透過散乱・波長変換繰返し手段を配置することが好ましく、前記反射散乱・波長変換手段は、透光性の基材の少なくとも一方の面に、透過散乱面と、蛍光体からなる蛍光面とを形成してなり、かつ、当該基材の移動により、当該励起光の反射散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことが好ましく、更には、前記透過散乱・波長変換手段は、円盤状の透光性の基材の一方の面に、前記透過散乱面と、蛍光体からなる前記蛍光面とを形成してなり、かつ、当該円盤状の基材の回転運動により、当該励起光の透過散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことが好ましい。

更には、上記固体光源装置において、前記透光性の基材の他方の面に、反射防止膜を形成したことが好ましい。また、前記透光性の基材は、熱伝導率が５／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の透光性の部材により構成されていることが好ましく、前記透光性の基材の上に形成された前記透過散乱面の下には、更に、当該反射散乱面で透過散乱する励起光の偏光方向を変更する透過膜が形成されていることが好ましく、そして、前記透光性の基材の表面の、前記透過散乱面と前記蛍光体が形成された一部で、かつ、前記点状に集光された励起光の焦点の近傍には、当該焦点の近傍の前記反射散乱面又は前記蛍光体からの散乱光に方向性を与えるための微小な凹部を、多数、形成することが好ましい。

そして、更には、前記に記載した固体光源装置において、当該固体光源装置を、白色光を射出する光源ユニットと、当該光源ユニットからの白色光をＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の３原色光に分離する光分離光学系と、分離されたＲ，Ｇ，Ｂの各偏光光を、それぞれ、映像信号に応じて光変調してＲ，Ｇ，Ｂの各光学像を形成するＲ，Ｇ，Ｂの光変調手段と、当該Ｒ，Ｇ，Ｂの光変調手段により形成された各光学像を光合成する光合成手段と、当該合成された光学像を拡大して投射する投射手段とを備えた投射型表示装置において、当該光源ユニットとすることが好ましい。

上述した本発明によれば、固体光源を光源として略点光源から出射した白色光を得ることが可能な固体光源装置が得られる。そのことから、当該固体光源装置は、特に、投射型表示装置の照明光学系において光源として、従来の超高圧水銀ランプに代えて、容易に採用することが可能であり、それにより、投射型表示装置の光学系部分に従来よりも十分な光学性能を発揮させ、即ち、投射面でのホワイトバランスの劣化や色むらが発生に対して、従来よりも改善された投射型表示装置を提供すると共に、装置の消費電力を従来よりも大幅に低減することが可能となるという効果を発揮する。

本発明の一実施例（実施例１）になる固体光源装置である光源ユニット（固体発光光源）の構成及び原理の詳細について説明する図である。 上記光源ユニットの縦断面図である。 上記光源ユニットを構成する分離ミラーの特性の一例を示す図である。 上記光源ユニットを構成する円盤（ホイール）部材の詳細構造を示す図である。 上記円盤（ホイール）部材により反射される励起光と、当該励起により発光する蛍光光との関係の一例を示す図である。 上記円盤（ホイール）部材の表面に凹部を形成した他の例を示す図である。 上記円盤（ホイール）部材の他の例における蛍光光の散乱状態を、凹部を形成しない例との比較で示す図である。 上記円盤（ホイール）部材の更に他の変形例を示す図である。 上記実施例１になる光源ユニットにおいて、他の形状の反射鏡（リフレクタ）を利用した変形例を示す図である。 上記実施例１になる光源ユニットにおいて、全反射レンズを反射鏡（リフレクタ）として利用した変形例を示す図である。 本発明の他の実施例（実施例２）になる固体光源装置である光源ユニットの構成の詳細について説明する図である。 上記実施例２の光源ユニットを構成する円盤（ホイール）部材の詳細構造を示す上面図である。 上記実施例２の光源ユニットを構成する円盤（ホイール）部材の詳細構造を示す側面図である。 上記実施例２の光源ユニットを構成する反射コートが備える光学特性（透過率）の一例を示す図である。 上記実施例２の光源ユニットの変形例の構成を示す図である。 上記本発明の一実施例になる光源ユニットをその光源として採用する投射型表示装置の全体構成を示す図である。 上記本発明の実施例になる光源ユニットにおける分離ミラーの一般的な構造を示す図である。 上記分離ミラーの他の構造を示す図である。 上記図１８に示す分離ミラーの一部（Ａ部）拡大図である。 上記図１８に示す分離ミラーの一部（Ｂ部）拡大図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において、共通な機能を有する構成要素には、同一の符号を付与する。

まず、添付の図１６を参照しながら、本発明の一実施例になる固体光源装置を光源として採用した投射型表示装置について述べる。なお、この図は、投射型表示装置の全体構成を示しており、特に、映像信号に応じた光強度変調を、所謂、透過型液晶パネルにより行う装置を示す。また、この図において、各色光の光路に配置されている要素を区別する際には符号の後に色光を表すＲ，Ｇ，Ｂを添えて示し、区別する必要がない場合には、色光の添え字を省略する。加えて、この図では、偏光方向を明確にするため、ローカル右手直角座標系が導入されている。即ち、光軸１０１をＺ軸として、Ｚ軸に直交する面内で、図１６の紙面に平行な軸をＹ軸とし、図の紙面裏から表に向かう軸をＸ軸とする。Ｘ軸に平行な方向を「Ｘ方向」、Ｙ軸に平行な方向を「Ｙ方向」と呼ぶ。偏光方向がＸ方向の偏光光を「Ｘ偏光光」といい、偏光方向がＹ方向の偏光光を「Ｙ偏光光」という。

図１６において、投射型液晶表示装置の光学系は、照明光学系１００と、光分離光学系３０と、リレー光学系４０と、３つのフィールドレンズ２９（２９Ｒ、２９Ｇ、２９Ｂ）と、３つの透過型の液晶パネル６０（６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂ）と、光合成手段である光合成プリズム２００と、投射手段である投射レンズ３００とを備えている。液晶パネル６０は、光入射側に入射側偏光板５０（５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂ）を備え、光出射側に出射側偏光板８０（８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂ）を備えている。これらの光学素子は、基体５５０に装着されて光学ユニット５００を構成する。また、光学ユニット５００は、液晶パネル６０を駆動する駆動回路５７０、液晶パネル６０などを冷却する冷却用ファン５８０、各回路に電力を供給する電源回路５６０と共に、図示しない筐体に搭載され、もって、投射型表示装置を構成する。

以下、上述した投射型表示装置を構成する各部の詳細を説明する。まず、映像表示素子である液晶パネル６０を均一に照射する照明光学系１００は、以下にその詳細を説明するが、略白色光を射出する固体発光素子からなる光源ユニット１０と、オプチカルインテグレータを構成する第１、第２のアレイレンズ２１，２２と、偏光変換素子２５と、集光レンズ（重畳レンズ）２７とを含んで構成されている。

上記照明光学系１００からの略白色光を光の３原色光に光分離する光分離光学系３０は、２つのダイクロイックミラー３１、３２と、光路方向を変える反射ミラー３３とを含んでいる。また、リレー光学系４０は、フィールドレンズである第１リレーレンズ４１と、リレーレンズである第２リレーレンズ４２と、光路方向を変える２つの反射ミラー４５、４６とを含んでいる。

上記の構成において、固体発光素子からなる光源ユニット１０からは、図に破線で示す光軸１０１に略平行な光束が射出される。そして、この光源ユニット１０から射出された光は、偏光変換インテグレータに入射する。なお、この偏光変換インテグレータは、図にも示すように、第１のアレイレンズ２１と第２のアレイレンズ２２からなる均一照明行うオプチカルインテグレータと、光の偏光方向を所定偏光方向に揃えて直線偏光光に変換するための、偏光ビームスプリッタアレイからなる偏光変換素子２５とを含んでいる。即ち、上述した偏光変換インテグレータでは、上記第２のアレイレンズ２２からの光は、偏光変換素子２５により、所定の偏光方向、例えば、直線偏光光のＸ偏光光（光軸１０１に直交する面内で偏光方向が図１６の紙面に垂直なＸ方向の光）に揃えられる。

そして、第１のアレイレンズ２１の各レンズセルの投影像は、それぞれ集光レンズ２７、フィールドレンズ２９Ｇ、２９Ｂ、リレー光学系４０、フィールドレンズ２９Ｒにより、各液晶パネル６０上に重ね合わせられる。このようにして、ランプ（光源）からの偏光方向がランダムな光を所定偏光方向（ここではＸ偏光光）に揃えながら、液晶パネルを均一照明することができる。

一方、光分離光学系３０は、照明光学系１００から射出された略白色光を光の３原色であるＢ光(青色帯域の光)と、Ｇ光(緑色帯域の光)と、Ｒ光(赤色帯域の光)とに光分離し、対応する液晶パネル６０（６０Ｂ、６０Ｇ、６０Ｒ）に向かうそれぞれの光路（Ｂ光路、Ｇ光路、Ｒ光路）に導光する。即ち、ダイクロイックミラー３１により反射したＢ光は、反射ミラー３３を反射して、フィールドレンズ２９Ｂ、入射側偏光板５０Ｂを通過して、Ｂ光用の液晶パネル６０Ｂに入射する（Ｂ光路）。また、Ｇ光およびＲ光は、ダイクロイックミラー３１を透過し、ダイクロイックミラー３２によりＧ光とＲ光に分離される。Ｇ光はダイクロイックミラー３２を反射して、フィールドレンズ２９Ｇ、入射側偏光板５０Ｇを通して、Ｇ光用液晶パネル６０Ｇに入射する（Ｇ光路）。Ｒ光はダイクロイックミラー３２を透過し、リレー光学系４０に入射する。

リレー光学系４０に入射したＲ光は、フィールドレンズの第１リレーレンズ４１によって、反射ミラー４５を経て、第２リレーレンズ４２の近傍に集光（収束）し、フィールドレンズ２９Ｒに向けて発散する。そして、フィールドレンズ２９Ｒで光軸にほぼ平行とされ、入射側偏光板５０Ｒを通過して、Ｒ光用の液晶パネル６０Ｒに入射する（Ｒ光路）。

続いて、光強度変調部を構成する各液晶パネル６０（６０Ｒ、６０Ｇ、６０Ｂ）は、駆動回路５７０で駆動され、Ｘ方向を透過軸とする入射側偏光板５０（５０Ｒ、５０Ｇ、５０Ｂ）により偏光度が高められ、光分離光学系３０から入射するＸ偏光の色光を、図示するカラー映像信号に応じて変調（光強度変調）し、各色光のＹ偏光の光学像を形成する。

上述のようにして形成された各色光のＹ偏光の光学像は、出射偏光板８０（８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂ）に入射する。上記の出射側偏光板８０Ｒ、８０Ｇ、８０Ｂは、Ｙ方向を透過軸とする偏光板である。これにより、不要な偏光光成分（ここでは、Ｘ偏光光）が除去され、コントラストが高められる。

上述のようにして形成された各色光のＹ偏光の光学像は、光合成手段である光合成プリズム２００に入射する。この時、Ｇ光の光学像は、Ｙ偏光（光合成プリズム２００のダイクロイック膜面に対してＰ偏光）のままで入射する。一方、Ｂ光路及びＲ光路では、出射側偏光板８０Ｂ、８０Ｒと光合成プリズム２００との間に１／２λ波長板９０Ｂ、９０Ｒを設けていることから、Ｙ偏光のＢ光及びＲ光の光学像は、Ｘ偏光（光合成プリズム２００の色合成を行うダイクロイック膜面に対してＳ偏光）の光学像に変換され、その後、光合成プリズム２００に入射する。これは、ダイクロイック膜２１０の分光特性を考慮したもので、Ｇ光をＰ偏光光、Ｒ光とＢ光をＳ偏光光とする所謂ＳＰＳ合成とすることで、効率良く光合成するためである。

続いて、光合成プリズム２００は、Ｂ光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）２１０ｂと、Ｒ光を反射するダイクロイック膜（誘電体多層膜）２１０ｒとが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状（クロス状）に形成されたものである。光合成プリズム２００の３つの入射面の内、対向する入射面に入射したＢ光とＲ光（ダイクロイック膜面に対してＳ偏光光）は、クロスしたＢ光用のダイクロイック膜２１０ｂおよびＲ光用のダイクロイック膜２１０ｒでそれぞれ反射される。また、中央の入射面に入射したＧ光（ダイクロイック膜面に対してＰ偏光光）は直進する。これらの各色光の光学像は光合成され、カラー映像光（合成光）が出射面から出射する。

そして、上述した光合成プリズム２００から出射した合成光は、例えば、ズームレンズであるような投射レンズ３００によって、透過型又は投射型のスクリーン（図示せず）上に投影され、もって、拡大投射した映像を表示することとなる。なお、上述した冷却用ファン５８０は、上記投射型表示装置を構成する各種の部品のうち、特に、光源ユニット１０からの高強度の光により加熱され、又は、冷却を必要とする部品、例えば、入射側偏光板５０、液晶パネル６０、出射側偏光板８０等は、これらの部品へ向けて形成された流路５８５により送風が行われる。即ち、光源ユニット１０からの照射光の一部を吸収して生じる熱を冷却する。

なお、上記の実施例では、光強度変調部を、３つの透過型の液晶パネル６０（６０Ｒ，６０Ｇ，６０Ｂ）により構成した例を示したが、しかしながら、本発明はこれに限定されることなく、当該光強度変調部を、例えば、反射型の液晶パネル、或いは、複数のマイクロミラーを配列したディジタルミラーディバイス（ＤＭＤ）などで構成してもよい。

続いて、上記に構成を説明した投射型表示装置、特に、その照明光学系１００において、光軸１０１に略平行な白色光の光束を射出するための、固体発光素子からなる光源ユニット（固体光源装置）１０の詳細について、以下に説明する。

添付の図１は、本発明の一実施例（実施例１）になる光源ユニット１０の原理を説明するための図である。図からも明らかなように、当該ユニット１０は、固体素子の発光源である青色帯域（Ｂ色）の光を発光する半導体レーザ素子、又は、発光ダイオードを略円板状の基板上に複数配列した半導体レーザ素子群１１０と、上記半導体レーザ素子群１１０のレーザ光出射面に対向して、略４５度の角度で傾斜して配置された分離ミラー１２０と、当該分離ミラー１２０のレーザ光反射面に対向する位置に配置された、例えば放物面を備えた、反射鏡（リフレクタ）１３０と、当該反射鏡の焦点（Ｆ）の近傍において回転する円盤（ホイール）部材１４０と、そして、当該円盤（ホイール）部材を所望の回転速度で回転駆動するための駆動手段、例えば、電動モータ１５０を備えている。なお、この光源ユニット１０（但し、電動モータ１５０を除く）の縦断面を、添付の図２に示す。

上述した光源ユニット１０の構成において、まず、励起光を発生する半導体レーザ素子群１１０について説明する。以下の説明からも明らかとなるように、励起光を発生するための光源としては、固体発光素子である、例えば、発光ダイオードやレーザ光源が優れているが、しかしながら、一般に、高出力レーザは高価であることから、上述したように、複数の青色レーザの半導体レーザ素子を併用し、励起光源とすることが好ましい。特に、可視光領域の青色光帯域に属し、エネルギー効率が高いこと、狭帯域であること、更には、単一偏波であることなどを理由として、青色レーザ光が望ましく、本実施例では、青色帯域（Ｂ色）の光を発光する半導体レーザ素子を、例えば、上述した円板状、矩形、又は、多角形の基板上に多数配列し、もって、半導体レーザ素子群１１０としている。また、これら多数の半導体レーザ素子は、その発光面から出射する光の偏光面が所定の方向に揃うように配置されている。

次に、上記半導体レーザ素子群のレーザ光出射面に対向して傾斜配置された分離ミラー１２０は、以下の説明からも明らかとなるように、半導体レーザ素子群から射出され、その偏光面を所定の方向に揃えた青色レーザ光を、反射鏡（リフレクタ）１３０に向けて透過すると共に、反射鏡（リフレクタ）から入射する、当該偏光面に対して直交する方向に偏光面を有する光については、これを反射する働きをする。なお、この分離ミラー１２０の特性の一例を、添付の図３に示す。

更に、反射鏡（リフレクタ）１３０は、その内面側に、放物線を回転して得られる放物面、又は、当該放物面を基調とした曲面、或いは、楕円を回転して得られる楕円面、又は、当該楕円面を基調とした曲面を有する反射鏡（面）１３１が形成されており、その回転軸に沿って略半分に切断された形状となっている。なお、後にも詳細に説明するが、上記半導体レーザ素子群１１０から出射されて上記分離ミラー１２０を通過した青色レーザ光は、この反射鏡（リフレクタ）１３０の内面側の反射面で反射されて、その焦点近傍（上記図１において、「Ｆ」で示す）に集光される。また、当該焦点近傍から出射された光を、平行光として、上記分離ミラー１２０に向けて反射する。

そして、添付の図４（Ａ）及び（Ｂ）には、上述した円盤（ホイール）部材１４０の詳細を示す。なお、図４（Ａ）は円盤（ホイール）部材１４０の側面断面を、そして、図４（Ｂ）はその上面図を示している。

これらの図からも明らかなように、この円盤（ホイール）部材１４０は、その中心部に回転駆動のための回転軸１４１を備えると共に、円盤状に形成された基材１４２を備えている。そして、回転制御が可能な円盤状の基材１４２の表面には、複数（本例では１２個）のセグメント領域が設けられ（分割され）ている。これら複数のセグメント領域は、二つの領域に分けられる。一方のセグメント領域（図４（Ｂ）では、「Ｙ」で示す）には、可視光領域の励起光（青色（Ｂ）レーザ光）を受光して所定の波長帯領域の光を発光する蛍光体層からなる蛍光面１４３が設けられ、他方のセグメント領域には、励起光を反射・拡散する反射面１４４を設けると共に、その表面を覆って、更に、励起光の位相を１／４波長（１／４λ）だけ移動する位相変換手段である透過膜１４５（図４（Ｂ）では、「Ｂ」で示す）が形成されている。そして、この基材１４２を所定の速度で回転させることにより、上記の反射鏡（リフレクタ）１３０により反射されて焦点近傍Ｆに集光された励起光は、図４（Ｂ）の太線の円で示すように、交互に、蛍光面１４３（Ｙ）と、そして、その表面が透過膜１４５で覆われた反射面１４４へ入射することとなる。その結果、上述した円盤（ホイール）部材１４０からは、蛍光体からの発光光束と、基材１４２の反射面１４４で拡散反射した励起光とが、時分割で、取り出されることとなる。

なお、上述した基材１４２の一方のセグメント領域Ｙに塗布して形成される蛍光体、即ち、青色領域の励起光により励起されて発光する蛍光体としては、青色光の補色の関係にある黄色光を高効率に発光するＹＡＧ蛍光体（（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）Ｏ_１２：Ｃｅ_３＋）が一般的である。しかしながら、本発明ではこれに限定することなく、その他、青色領域の励起光により励起されて黄色光を発光するものであればよい。なお、この青色領域の励起光と、当該励起光により励起されて発光するＹ色の蛍光光について、それらの波長と強度の関係の一例について、添付の図５に示す。

また、蛍光体は、励起光により励起された発熱するため、当該蛍光体をその表面に形成する円盤状の基材１４２としては、熱伝導率が高い部材を用いることが好ましい。例えば、熱伝導率が５／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の、水晶やサファイア、又は、金属等を用いることで、効率良く冷却することができ、その結果として、蛍光体の発光光率を高めると共に、その長寿命化にとっても有効である。

続いて、上記にその詳細な構成を説明した光源ユニット１０の動作、即ち、投射型表示装置の照明光学系１００において、光軸１０１に略平行な白色光の光束を射出する動作について、以下に説明する。

再び、上記図１を参照しながら説明すると、半導体レーザ素子群１１０からの偏光面が所定の方向に揃った青色帯域（Ｂ色）の光は、分離ミラー１２０を透過して反射鏡（リフレクタ）１３０に向かい、その内面側の反射鏡（面）１３１により反射されて、その焦点近傍Ｆに集光される。この焦点近傍Ｆに集光された青色帯域（Ｂ色）の光は、円盤（ホイール）部材１４０の回転に伴い、当該部材を構成する円盤状の基材１４２の表面に形成された蛍光面１４３（Ｙ）と反射面１４４（Ｂ）に、順次、入射する。その結果、青色帯域（Ｂ色）の光は、上記蛍光面１４３では、励起光として蛍光体層に受光され、その蛍光光である黄色光に変換されて発光する。他方、上記反射面１４４（Ｂ）では、その表面で反射・散乱され、これが連続して繰り返されることとなる。なお、この時、反射面１４４（Ｂ）に入射し、その反射面で反射・散乱される光は、その表面を覆う、位相を１／４波長（１／４λ）だけ移動する位相変換手段である透過膜１４５を２度通過するため、その偏光面を９０度だけ変更される（即ち、位相が１／２波長（１／２λ）だけ移動される）。

そして、上述したように、円盤（ホイール）部材１４０の蛍光面１４３から発光する光（黄色光）と、その反射面１４４（Ｂ）からの反射光であるＢ色光とは、再度、上記反射鏡（リフレクタ）１３０に向かい、その内面側の反射鏡（面）１３１により反射されて、平行光束として、再び、分離ミラー１２０に向かうこととなる。なお、この分離ミラー１２０は、上述したように、透過膜１４５により偏光面を９０度だけ変更されたＢ色光を反射する。また、蛍光面１４３から発光する光（黄色光）も、同様に、分離ミラー１２０を反射する。その結果、励起光であるＢ色光は蛍光面からの黄色光は、上記円盤（ホイール）部材１４０の回転に伴って混色され、略白色の光となる。即ち、上述した光源ユニット１０によれば、分離ミラー１２０の裏面（半導体レーザ素子群１１０からの偏光面の入射面と反対の面）から、図１の下方向に向かって、投射型表示装置の照明光学系１００に入射する白色の照明光が得られることとなる。

上述したように、本発明の一実施例の光源ユニット１０によれば、蛍光体から発光した所定の波長帯域光束（黄色光）と、反射面で反射・拡散した励起（青色）光束とを、順次、切り替えて出射することにより、残光により混色し、白色の光源を得ることが可能となる。より具体的には、光源ユニット１０を構成する部材であって、励起光を黄色光に変換する蛍光面と共に、励起光を反射する反射面とを備えた円盤（ホイール）部材１４０を、高速に回転させることにより、即ち、励起光が入射するセグメントを順次切り替えることにより、白色光を得るものであり、これにより、当該ユニット１０は、照明光学系として適用することが可能となる。なお、上述した黄色光と、青色光との切り替え速度は、これを投射型表示装置に適用する場合には、例えば、水銀ランプを用いたＤＬＰ方式のプロジェクタに使用されるカラーホイール速度の、４倍速（２４０Ｈｚ）程度の切替え速度以上が好ましい。

そして、特に、投射型表示装置の照明光学系１００で使用される白色の光源は、点状の光源から得られた光束であることが重要である。即ち、上述した従来の一般的な投射型表示装置では、その光源として、主に、入力電力当たりの発光効率の高い超高圧水銀ランプが広く採用されており、その場合、当該ランプのフィラメントが点状の発光光源を構成しており、かかる点状の発光光源からの光を平行光にすることにより光源となる白色光を得ていた。そのため、投射型表示装置では、本明細書の従来技術においても述べたように、照明光学系１００からの白色光によって所望の映像を生成する光学系は、例えば、光強度変調部を含め、光分離光学系３０やリレー光学系４０等を含め、当該点状の発光光源から得られる平行光を前提として、その設計が行われていた。そのため、固体発光素子による光源として、Ｒ，Ｇ，Ｂを含む多数の発光ダイオードや半導体レーザ素子を平面上に配列してなる光源を採用した場合、光学系部分において十分な性能が得られず、投射面でのホワイトバランスの劣化や色むらが発生してしまうという問題点がある。

かかる問題点に対し、上述した本発明の一実施例の光源ユニット１０によれば、その構成からも明らかなように、半導体レーザ素子群１１０からの励起（青色）光は、上記反射鏡（リフレクタ）１３０によりその焦点Ｆに集光され、円盤（ホイール）部材１４０の蛍光面と反射面とにおいて、点状の光として黄色光に変換され、又は、反射される。このことから、本発明の一実施例の光源ユニット１０により得られる白色光は、上述した水銀ランプと同様に、点状の光源から得られた光束となる。そのため、本発明の一実施例の光源ユニット１０は、従来の投射型表示装置においても、照明光学系１００だけを除いて、そのまま採用することも可能であり、即ち、従来の光源との代替性にも優れており有利である。なお、その場合、発光ダイオードやレーザダイオードなどの固体光源の採用による長寿命化や耐衝撃性の向上に加え、更に、放電ランプを用いることにより必要となる高電圧電源が不要となることから、製品の製造価格を低減すると言う観点からも有利である。

更に、添付の図６（Ａ）と（Ｂ）、及び、図７（Ａ）と（Ｂ）には、上述した円盤（ホイール）部材１４０の他の例（変形例）を示す。

この他の例では、円盤（ホイール）部材１４０を構成する円盤状の基材１４２の表面、特に、励起光が入射する焦点Ｆの近傍（図４（Ｂ）の太線円の部分）の表面に、多数の微小な凹部１４６を形成したものであり、図６（Ａ）には、円盤状の基材から切り出して微小凹部形成部分の拡大斜視図を、図６（Ｂ）には、当該凹部の一つを含む基材の拡大断面図を示している。そして、これらの図からも明らかなように、一方のセグメント領域「Ｙ」では、表面に形成した多数のすり鉢状の窪みである微小な凹部１４６を覆うように、蛍光体層からなる蛍光面１４３が形成されており、他方のセグメント領域「Ｂ」では、ここでは図示しないが、表面に形成した多数のすり鉢状の窪みである凹部１４６を覆うように、反射面１４４（Ｂ）と透過膜１４５とが形成されている。

一般に、励起光の入射表面に当該凹部を形成しない場合には、図７（Ａ）にも示すように、励起光の入射により発光する蛍光光は、全方向に出射するが、この他の例になる円盤（ホイール）部材１４０によれば、上記に比較して、励起光の入射により当該凹部１４６を形成した面から発光する蛍光光は、図７（Ｂ）にも示すように、その散乱方向が狭められる（方向性を与える）ことから、その上方に配置された反射鏡（リフレクタ）１３０に捕捉され易く、そのため、光の利用効率の点からも有利であろう。また、当該凹部は、一方のセグメント領域「Ｙ」だけでなく、他方のセグメント領域「Ｂ」の反射面にも設けてもよく、その場合にも、上記と同様に、当該反射面において反射・散乱される励起光の散乱方向を狭め（方向性を与える）こととなり、光の利用効率の点からも有利となる。

更に、その他の変形例を、添付の図８に示す。この変形例では、図からも明らかなように、上記円盤（ホイール）部材１４０の外周部に、励起光が入射する上記焦点Ｆの近傍から発光する蛍光光が反射鏡（リフレクタ）１３０の反射面１３１に到達しない光を反射するための、球面のリフレクタ（球面リフレクタ）１４９を設ける。かかる球面リフレクタ１４９によれば、上記焦点Ｆの近傍から発光する蛍光光のほぼ全部を反射鏡（リフレクタ）１３０を介して出力することが可能となることから、光の利用効率の点からも有利であろう。

なお、上記に示した例では、反射鏡（リフレクタ）として、放物面や楕円面などを回転軸に沿って略半分に切断したものについて述べたが、しかしながら、本発明はこれにのみ限定されることなく、以下にも示すように、得られた放物面や楕円面の全体を反射鏡として利用し、かつ、集光レンズを組み合わせる構成（添付の図９を参照）、更には、全反射レンズ１３５を利用した構造（添付の図１０）なども可能である。

まず、図９の例では、反射鏡（リフレクタ）として、切断されていない反射鏡（リフレクタ）１３２と共に、集光レンズ１３３が、反射鏡とは別体で、当該反射鏡の中心付近に配置されている。かかる構成の反射鏡（リフレクタ）によれば、上記半導体レーザ素子群１１０から出射されて分離ミラー１２０を通過した青色レーザ光のうち、光軸付近の光線は集光レンズ１３３を透過し、光軸から離れた位置の光線は、反射鏡１３２で反射され、もって、何れの光線も、円盤（ホイール）部材１４０上の一点に集光される。これにより、青色レーザ光は、上述した円盤（ホイール）部材１４０に働きにより、反射拡散され、又は、黄色光に変換されると共に、拡散される。その後、円盤（ホイール）部材１４０により拡散された青色光及び黄色光の内、光軸付近の光線は、再び、上記集光レンズ１３３を透過し、他方、光軸から離れた位置の光線は、反射鏡１３２で反射され、即ち、何れの光線も、光軸に平行となって分離ミラー１２０で反射され、もって、投射型表示装置の照明光学系１００に入射する白色の照明光が得られる。また、色による焦点位置が異なる色収差の影響も、実用上、問題のないレベルにまで抑えることが可能である。

図１０では、反射鏡（リフレクタ）として、全反射面と集光レンズとを１つ部材により構成した、所謂、全反射レンズ１３５を利用した構成が示されている。かかる構成によれば、光軸付近の青色レーザ光線は集光レンズ部１３６を通過し、他方、光軸から離れた位置の青色レーザ光線は、全反射部１３７で全反射し、即ち、何れの光線も、円盤（ホイール）部材１４０上の一点に集光され、その後、青色光のまま反射拡散され、又は、黄色光に変換されると共に、拡散される。そして、円盤（ホイール）部材１４０の一点から拡散された青色光及び黄色光の内、光軸付近の光線は、再び、集光レンズ部１３６を透過し、他方、光軸から離れた位置の光線は、全反射部１３７で全反射し、何れの光線も光軸に平行な光線となり、更に、分離ミラー１２０で反射され、投射型表示装置の照明光学系１００に入射する。なお、全反射部１３７には、その表面に反射膜を形成してもよく、また、その表面形状も、上記の反射鏡（リフレクタ）と同様に、上述した放物面や楕円面など、曲面を有する反射鏡（面）とすることが好ましい。即ち、かかる構成によっても、上記と同様に、白色の照明光が得られ、また、色による焦点位置が異なる色収差の影響も、実用上、問題のないレベルにまで抑えることが可能である。

以上に述べた実施例１では、上記円盤（ホイール）部材１４０を構成する基材１４２が、基本的に、反射面である場合について述べたが、次に、本発明の第二の実施例（実施例２）として、当該基材１４２’に透過性の基材を使用した場合について、以下に詳細に述べる。なお、以下の説明において、上記実施例１と同じ参照番号は、上記と同様の構成要素を示している。

添付の図１１にも示すように、実施例２になる光源ユニット（固体光源装置））では、上述した分離ミラー１２０を用いず、これに代えて、上述した放物面を備えた反射鏡（リフレクタ）１３０（以下、第一の反射鏡（リフレクタ）１３０と言う）の下方には、反射面１３１、１３１’を互いに対向するように、同様の反射鏡（リフレクタ）（以下、第二の反射鏡（リフレクタ）１３０’と言う）が設けられている。そして、当該第二の反射鏡（リフレクタ）１３０’の開口方向（図の右側）には、上述した半導体レーザ素子群１１０が、その開口面を覆うように、換言すれば、放物面鏡の回転軸に直交するように配置される。また、以下に詳細を説明する円盤（ホイール）部材１４０’が、上記第一及び第二の反射鏡（リフレクタ）１３０、１３０’との間に形成された隙間にその一部を挿入するように配置され、かつ、図示されない駆動手段により所望の回転速度で回転駆動されている。また、この図において、符号２１、２２は、上述した第１と第２のアレイレンズ（図１６を参照）を、そして、２５は、光を所定の直線偏光光に変換するための偏光変換素子２５（図１４を参照）を示している。

この実施例２では、円盤（ホイール）部材１４０’を構成する円盤状の基材１４２’は、例えば、ガラス、水晶、サファイアなど、透過性の基材により形成されている。そして、添付の図１２にも示すように、当該透過性の基材１４２’の表面は、複数（本例では１２個）のセグメント領域（図の「Ｙ」と「Ｂ」）に分割されている。

そして、添付の図１３（Ａ）から明らかなように、一方のセグメント領域「Ｙ」では、励起光が出射する面（即ち、上面）には、可視光領域の励起光（青色（Ｂ）レーザ光）を受光して所定の波長帯領域の光を発光する蛍光体層からなる蛍光面１４３が設けられ、他方、励起光が入射する面（即ち、下面）には、励起光である青色（Ｂ）レーザ光だけを透過する反射膜（層）である反射コート１４６が設けられている。他方のセグメント領域「Ｂ」では、励起光が出射する上面には、励起光を拡散する拡散面１４７と共に、その表面を覆って、更に、励起光の位相を１／４波長（１／４λ）だけ移動する位相変換手段である、上記の透過膜１４５が形成されており、そして、励起光が入射する下面には、更に、励起光が有する一方向の偏光成分は透過し、他方向の偏光成分は反射する透過膜１４５’が形成されている。

又は、上記に代え、添付の図１３（Ｂ）に示すように、一方のセグメント領域「Ｙ」では、励起光が出射する上面に、まず、励起光である青色（Ｂ）レーザ光だけを透過する上記反射コート１４６を形成し、その上に、更に、上記蛍光面１４３を形成し、他方の励起光が入射す下面には、その表面での励起光の反射を防止するための反射防止膜（ＡＲコート）１４８を形成してもよい。その際、他方のセグメント領域「Ｂ」では、励起光が出射する上面には、上記励起光を拡散する拡散面１４７が形成され、そして、励起光が入射する下面には、上記反射防止膜（ＡＲコート）１４８が形成される。なお、上述した反射コート１４６が備える光学特性（透過率）の一例を、添付の図１４に示す。

上述した円盤（ホイール）部材１４０’における基材１４２’の構成によれば、蛍光体層を設けたセグメント「Ｙ」の励起光の入射面（下面）に、励起光（Ｂ光）を通過させ、かつ、蛍光体からの発光光束（Ｙ光）を反射する波長特性の反射膜（層）である反射コート１４６を設けることによれば、蛍光体からの発光光束を、基材の出射面に効果的に集めることが出来ることから、その発光効率が良くなる。また、励起光を拡散する拡散面を設けたセグメント「Ｂ」の励起光の入射面（下面）には、反射防止膜（層）である反射防止膜（ＡＲコート）１４８を設けることによれば、入射面での反射損失を軽減することが出来る。

更に、励起光を拡散させた場合の光の利用効率を向上させるために、励起光を拡散する拡散面を設けたセグメント「Ｂ」の励起光の入射面（下面）には、励起光が有する一方向の偏光成分は透過し、他方向の偏光成分は反射する反射膜（層）である透過膜１４５’を設ける。この膜を通過した励起光は、励起光の位相を１／４波長（１／４λ）だけ移動する位相変換手段によりその位相を変換された後、基材の表面又は表面近傍に設けられた拡散面で拡散される。この拡散光の内、励起光入射面に戻った光は、前述した位相変換手段を再度通過することで、その位相を１／２波長（１／２λ）だけ移動され、即ち、元の励起光とは異なる偏光方向に揃えられる。その結果、励起光の入射面に設けた反射膜（層）で反射され、基材の他方の面に設けた拡散面から出射する。この場合、入射面への戻り光の半分を、再度、出射面に戻すことが可能となるので、光の利用効率が改善する。

このように、円盤（ホイール）部材１４０’の基材１４２’として、透過性の基材を用いた場合においても、この基材を所望の速度で回転させ、もって、蛍光体からの発光光束と共に、当該基材を通過した後に拡散面で拡散した励起光とを時分割で取り出すことが出来る。なお、蛍光体は、励起光により励起された発熱するため、当該透過性の基材１４２’を、熱伝導率が高い基材、例えば、熱伝導率が５／Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の、ガラス、水晶、サファイアなどを用いて形成することで、蛍光体を効率良く冷却することができ、結果として、蛍光体の発光光率を高めることとなり、更には、長寿命化に有利となる。

また、上述した例では、固体発光素子からの光を焦点Ｆの近傍に集光し、そして、透過性の基材を通過した後の拡散面で拡散した励起光と、当該励起光により励起された蛍光体から発光された光束とを効率よく捕捉するため、同形の反射型の反射・捕捉手段（即ち、第一及び第二の反射鏡（リフレクタ）１３０、１３０’）を用いる。なお、透過性の基材を通過した後の拡散面で拡散した励起光と、当該励起光により励起された光束とを効率よく捕捉するため、を効率よく集光するためには、当該励起光の集光点と蛍光光の発光点である第一及び第二の反射鏡（リフレクタ）１３０、１３０’の焦点Ｆとほぼ一致させることが好ましく、また、これによれば、蛍光体からの発光光束を、略並行な光線として出力することが出来ることから、特に、投射型表示装置の光源として好適である。なお、これらの反射鏡（リフレクタ）の反射面１３１、１３１’としては、上述したように、放物線を回転して得られる放物面、又は、当該放物面を基調とした曲面、或いは、楕円を回転して得られる楕円面、又は、当該楕円面を基調とした曲面を有する反射鏡（面）とすることが好ましく、更には、その必要に応じて、その前方又は後方に、凹レンズ又は凸レンズを配置してもよい。

そして、上述した第一及び第二の反射鏡（リフレクタ）１３０、１３０’の反射面の焦点Ｆの近傍において、上記基材１４２’に形成されたセグメント領域「Ｂ」と「Ｙ」とを、順次、切り替える（上記の例では、回転運動）させることにより、一方のセグメント「Ｙ」からの蛍光光と、そして、他方のセグメント「Ｂ」からの拡散された励起光を、交互に取り出し、Ｂ色の励起光とＹ色の蛍光光とを残光により混色し、もって、略白色の光束を得る。

更に、添付の図１５には、上記実施例２になる光源ユニット（固体光源装置）の変形例が示されており、この変形例では、図からも明らかなように、上記第一の反射鏡（リフレクタ）１３０を、第二の反射鏡（リフレクタ）１３０’よりも、その径を、より小さく構成したものである。即ち、かかる変形例によっても、上述した実施例２になる光源ユニットと同様に、上記第一の反射鏡（リフレクタ）１３０から白色光を得ることが出来る。なお、この変形例では、上記図８に示した変形例と同様に、上記円盤（ホイール）部材１４０’の外周部に、励起光が入射する上記焦点Ｆの近傍から発光する蛍光光が反射鏡（リフレクタ）１３０の反射面１３１に到達しない光を反射するための、球面のリフレクタ（球面リフレクタ）１４９を設ける。かかる球面リフレクタ１４９によれば、上記焦点Ｆの近傍から発光する蛍光光のほぼ全部を反射鏡（リフレクタ）１３０を介して出力することが可能となることから、光の利用効率の点からも有利であろう。

加えて、上述した円盤（ホイール）部材１４０’の透過性の基材１４２’の出射側の表面（上面）には、上記図６及び図７により示した多数のすり鉢状の窪みである微小な凹部１４６を形成することも可能であり、その場合、上記と同様に、励起光の入射により発光面から発光する蛍光光、又は／及び、透過拡散面において透過・散乱される励起光の散乱方向を狭め（方向性を与える）こととなり、光の利用効率の点からも有利となることは、当業者であれば明らかであろう。

以上の説明では、反射鏡（リフレクタ）からその焦点近傍Ｆに集光される励起光に対して、基材上に形成した蛍光面と反射拡散面又は透過拡散面とを、経時的に順次、切り替えるため、円盤状の基材の表面を複数のセグメント「Ｙ」と「Ｂ」に分割し、これを回転する構成としたが、しかしながら、本発明では、これに限定されることなく、例えば、一枚の矩形状の基材の表面に蛍光面と反射拡散面又は透過拡散面を形成し、これを、例えば、振動などを利用することにより、前後に移動することによっても、同様の効果を得ることが可能となろう。

更に、以下には、上述した分離ミラー１２０の詳細について、添付の図１７〜図２０を参照しながら説明する。

まず、一般的な分離ミラーの構造を図１７に示す。分離ミラー１２０の基材１２１の青色レーザ光源側には、Ｐ偏光光を透過し、Ｓ偏光光を反射する偏波分離コート１２３が蒸着されており、その反対側の反射鏡（リフレクタ）側には、青色光を透過し、黄色光を反射するダイクロイックコート１２４が蒸着されている。Ｐ偏光に揃えられた青色レーザ光は、分離ミラー１２０に入射し、偏波分離コート面１２３、ダイクロイックコート面１２４を透過し、ここでは図示しない反射鏡（リフレクタ）に入射する。反射鏡（リフレクタ）に入射した青色レーザ光は、図示しない円盤（ホイール）部材の一点に集光され、一部の青色光は蛍光体を励起して、黄色光を射出し、一部の青色光は偏光を９０度回転され、Ｓ偏光となって拡散される。その後、反射鏡（リフレクタ）で平行光となり、黄色光とＳ偏光に揃えられた青色光は、再度、分離ミラー１２０に入射する。黄色光はダイクロイックコート面１２４で反射し、照明系側に入射する。一方、Ｓ偏光に揃えられた青色光は、ダイクロイックコート面１２４を通過し、偏波分離コート１２３で反射し、投射型表示装置の照明光学系側に入射する。しかしながら、その際、分離ミラーの基材の厚みに起因する黄色光と青色光の光軸ずれが生じる。照明光学系に投影される光の強度分布は、光軸を中心とするランベルト分布となるため、色により、光軸がずれると、スクリーンに投影した際に、色斑が発生する。より具体的に、例えば、分離ミラー１２０の硝子基材１２１として、一般的な０．７ｍｍ厚の青板を使用した場合には、約０．５ｍｍの光軸ずれが発生する。約０．５ｍｍ程度の光軸ずれであれば、色斑としては、実用上、問題のないレベルではあるが、しかしながら、光源の出力が大きくなり、耐久性の観点から基材１２１の厚みを大きくする必要が生じた場合には、形成される偏波分離コート面１２３とダイクロイックコート面１２４との間の距離が大きくなり、光軸ずれに伴う色斑は無視出来ないものとなる。

そこで、以下には、基材１２１の厚みに依存せず、上述した光軸ずれを低減することが可能な分離ミラー１２０’の構造を図１８〜図２０に示す。なお、この分離ミラー１２０’の構造では、図１９（上記図１８の一部（Ａ部）拡大図）に示すように、偏波分離コート１２３が蒸着された基材１２１−１と、ダイクロイックコート１２４が蒸着された基材１２１−２を組合せる。即ち、青色レーザ光源側には、偏波分離コート１２３が蒸着された基材１２１−２を配置し、反射鏡（リフレクタ）側には、ダイクロイックコート１２４が蒸着された基材１２１−１を配置すると共に、上記偏波分離コート面１２３とダイクロイックコート面１２４は互いに向き合った状態となるようにする。また、上記基材１２１−１と１２１−２では、偏波分離コート面１２３が形成された面と反対側の面、ダイクロイックコート面１２４が形成された面と反対側の面には、それぞれ、反射防止コート１２５が蒸着されている。

上述した分離ミラー１２０’の構成によれば、偏波分離コート面１２３とダイクロイックコート面１２４との間の距離により光軸ずれ量が決まるが、しかしながら、上記図１７に示した構造とは異なり、基材１２１−１、１２１−２の厚みには依存せず、そのため、偏波分離コート面１２３とダイクロイックコート面１２４との間の距離を小さくすることにより、光軸ずれを低減することが可能である。例えば、偏波分離コート面１２３とダイクロイックコート面１２４との間の距離を０．３５ｍｍ以下とすれば、光軸ずれ量は０．５ｍｍ以下に低減できる。また、光軸ずれを完全になくすためには、偏波分離コート面とダイクロイックコート面を接触させれば良いが、しかし、偏波分離コートとして、例えば、アルミのワイヤーグリッドを使用した場合、アルミのワイヤーグリッドが対面の基材と接触することで、グリッドが崩れ、偏波分離の機能が失われる恐れがある。

そこで、本例では、偏波分離コート面１２３とダイクロイックコート面１２４との間の距離を一定に保つ手段として、２つの基材１２１−１、１２１−２の間に透明なＵＶ硬化の接着剤を充填し、その後、当該接着剤をＵＶ照射して接着することが考えられる。しかし、当該部材は、光源に近い位置に配置されるため、有機のＵＶ接着剤では、光や温度による劣化が問題となりうる。そこで、図２０（上記図１８の一部（Ｂ部）拡大図）に示すように、光の有効領域外に、所望の厚みのスペーサ１２６を挟み込むことで、一定の間隔を保つことが望ましい。なお、このスペーサの材料としては、耐熱性のある金属、例えば、安価なアルミ等が望ましい。ここでは、偏波分離コート面１２３とダイクロイックコート面１２４との間の距離を一定に保つための一例を示したが、しかしながら、今後、有機部材を使用せずに硝子同士を接着させる、所謂、ナノボンディング等の手法を利用することも可能であり、その場合にも、本発明の範囲内であることは、当業者であれば明らかであろう。

１０…光源ユニット、１１０…半導体レーザ素子群、１２０、１２０’…分離ミラー、１２１…基材、１２２…、１２３…偏波分離コート面、１２４…ダイクロイックコート面、１２５…反射防止コート、１２６…スペーサ、１３０、１３０’…反射鏡（リフレクタ）、１３１…反射鏡（面）、１３２…反射鏡（リフレクタ）、１３３…集光レンズ、１３５…全反射レンズ、１３６…集光レンズ部、１３７…全反射部、１４０…円盤（ホイール）部材、１４２、１４２’…基材、１４３…蛍光面、１４４…反射面、１４５、１４５’…透過膜、１４７…拡散面、１４８…反射防止膜、１４９…リフレクタ、１５０…電動モータ、２１…第１のアレイレンズ、２２…第２のアレイレンズ、２５…偏光変換素子、２７…集光レンズ、２９…フィールドレンズ、３１，３２…ダイクロイックミラー、３３…反射ミラー、４１…第１リレーレンズ、４２…第２リレーレンズ、４５，４６…反射ミラー、５０…入射側偏光板、６０…液晶パネル、８０…出射側偏光板、９０…１／２λ波長板、２００…光合成プリズム、２１０…ダイクロイック膜、３００…投写レンズ、５６０…電源回路、５７０…駆動回路、５８０…冷却用ＦＡＮ、５８５…流路。

Claims (30)

1. 励起光を発光する面状の固体発光部と、
   前記固体発光部からの励起光を点状に集光するための集光手段と、
   前記集光手段により点状に集光された励起光の焦点の近傍において、当該励起光の反射散乱と当該励起光の波長の変換を、順次、繰り返す反射散乱・波長変換手段と、
   前記反射散乱・波長変換手段により反射散乱された励起光と、前記反射散乱・波長変換手段により波長が変換された励起光を、同一の光学路上において取り出して、もって、略点状の光源から出射した光を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする固体光源装置。
2. 前記請求項１に記載した固体光源装置において、
   前記固体発光部は、発光ダイオード又は半導体レーザ素子を、複数、平面上に配置して構成されていることを特徴とする固体光源装置。
3. 前記請求項２に記載した固体光源装置において、前記反射散乱・波長変換手段は、白色に対して前記励起光とは補色の関係となる波長領域の光に変換することを特徴とする固体光源装置。
4. 前記請求項３に記載した固体光源装置において、
   前記発光ダイオード又は半導体レーザ素子は、青色光を発生することを特徴とする固体光源装置。
5. 前記請求項３に記載した固体光源装置において、前記固体発光部からの励起光は、偏光面を一方向に揃えた青色光であることを特徴とする固体光源装置。
6. 前記請求項１に記載した固体光源装置において、
   前記集光手段及び前記出力手段は、放物面又は楕円面からなる鏡面と、当該鏡面に対向すると共に、その回転軸方向に傾斜して配置され、偏光面を一方向に揃えた励起光を当該鏡面に向けて透過し、他の方向の励起光を反射する分離ミラーとを、共通に備えていることを特徴とする固体光源装置。
7. 前記請求項１に記載した固体光源装置において、
   前記反射散乱・波長変換手段は、基材上に、反射散乱面と、蛍光体からなる蛍光面を形成してなり、かつ、当該基材の移動により、当該励起光の反射散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことを特徴とする固体光源装置。
8. 前記請求項７に記載した固体光源装置において、
   前記反射散乱・波長変換手段は、円盤状の基材上に、前記反射散乱面と、蛍光体からなる前記蛍光面とを形成してなり、かつ、当該円盤状の基材の回転運動により、当該励起光の反射散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことを特徴とする固体光源装置。
9. 前記請求項７又は８に記載した固体光源装置において、
   前記基材は、熱伝導率が５Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の部材により構成されていることを特徴とする固体光源装置。
10. 前記請求項７又は８に記載した固体光源装置において、
    前記基材の上に形成された前記反射散乱面の上には、更に、当該反射散乱面で反射散乱した励起光の偏光方向を変更する透過膜が形成されていることを特徴とする固体光源装置。
11. 前記請求項７又は８に記載した固体光源装置において、
    前記基材の表面の、前記反射散乱面と前記蛍光体が形成された一部で、かつ、前記点状に集光された励起光の焦点の近傍には、当該焦点の近傍の前記反射散乱面又は前記蛍光体からの散乱光に方向性を与えるための微小な凹部を、多数、形成したことを特徴とする固体光源装置。
12. 励起光を発光する面状の固体発光部と、
    前記固体発光部からの励起光を点状に集光するための集光手段と、
    前記集光手段により点状に集光された励起光の焦点の近傍において、当該励起光の透過散乱と当該励起光の波長の変換を、順次、繰り返す透過散乱・波長変換繰返し手段と、
    前記透過散乱・波長変換繰返し手段により透過散乱された励起光と、前記透過散乱・波長変換繰返し手段により波長が変換された励起光を、同一の光学路上において取り出して、もって、略点状の光源から出射した光を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする固体光源装置。
13. 前記請求項１２に記載した固体光源装置において、
    前記固体発光部は、発光ダイオード又は半導体レーザ素子を、複数、平面上に配置して構成されていることを特徴とする固体光源装置。
14. 前記請求項１３に記載した固体光源装置において、前記透過散乱・波長変換繰返し手段は、白色に対して前記励起光とは補色の関係となる波長領域の光に変換することを特徴とする固体光源装置。
15. 前記請求項１４に記載した固体光源装置において、
    前記発光ダイオード又は半導体レーザ素子は、青色光を発生することを特徴とする固体光源装置。
16. 前記請求項１５に記載した固体光源装置において、前記固体発光部からの励起光は、偏光面を一方向に揃えた青色光であることを特徴とする固体光源装置。
17. 前記請求項１２に記載した固体光源装置において、
    前記集光手段及び前記出力手段は、それぞれ、放物面又は楕円面からなる鏡面を備えており、かつ、当該集光手段の鏡面と当該出力手段の鏡面との間に、前記透過散乱・波長変換繰返し手段を配置したことを特徴とする固体光源装置。
18. 前記請求項１２に記載した固体光源装置において、
    前記透過散乱・波長変換繰返し手段は、透光性の基材の少なくとも一方の面に、透過散乱面と、蛍光体からなる蛍光面とを形成してなり、かつ、当該基材の移動により、当該励起光の透過散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことを特徴とする固体光源装置。
19. 前記請求項１８に記載した固体光源装置において、
    前記透過散乱・波長変換繰返し手段は、円盤状の透光性の基材の一方の面に、前記透過散乱面と、蛍光体からなる前記蛍光面とを形成してなり、かつ、当該円盤状の基材の回転運動により、当該励起光の透過散乱と当該励起光の波長の変換を交互に繰り返すことを特徴とする固体光源装置。
20. 前記請求項１８又は１９に記載した固体光源装置において、前記透光性の基材の他方の面に、反射防止膜を形成したことを特徴とする固体光源装置。
21. 前記請求項１８又は１９に記載した固体光源装置において、
    前記透光性の基材は、熱伝導率が５Ｗ・ｍ^−１・Ｋ^−１以上の透光性の部材により構成されていることを特徴とする固体光源装置。
22. 前記請求項１８又は１９に記載した固体光源装置において、
    前記透光性の基材の上に形成された前記透過散乱面の下には、更に、当該透過散乱面で透過散乱する励起光の偏光方向を変更する透過膜が形成されていることを特徴とする固体光源装置。
23. 前記請求項１８又は１９に記載した固体光源装置において、
    前記透光性の基材の表面の、前記透過散乱面と前記蛍光体が形成された一部で、かつ、前記点状に集光された励起光の焦点の近傍には、当該焦点の近傍の前記透過散乱面又は前記蛍光体からの散乱光に方向性を与えるための微小な凹部を、多数、形成したことを特徴とする固体光源装置。
24. 前記請求項１〜２３の何れか一つに記載した固体光源装置において、前記蛍光体としてＹ_３Ａｌ_５Ｏ_１２：Ｃｅを用いたことを特徴とする固体光源装置。
25. 前記請求項１〜２３の何れか一つに記載した固体光源装置において、前記蛍光体としてシリケート系(Ｓｒ，Ｂａ)_２ＳｉＯ_２を用いたことを特徴とする固体光源装置。
26. 前記請求項７又は１８に記載した固体光源装置において、
    前記蛍光面に、青色励起光の一部を励起して青緑色帯域光を発光させる蛍光体を有することを特徴とする固体光源装置。
27. 前記請求項２６に記載した固体光源装置において、青緑色帯域光を発光させる前記蛍光体としてＣａ _８ ＭｇＳｉ _４ Ｏ _１６ Ｃｌ _２ :Ｅｕを用いたことを特徴とする固体光源装置。
28. 前記請求項２６に記載した固体光源装置において、青緑色帯域光を発光させる前記蛍光体としてＳｒ_４Ａｌ_１４Ｏ_２５：Ｅｕを用いたことを特徴とする固体光源装置。
29. 前記請求項２６に記載した固体光源装置において、青緑色帯域光を発光させる前記蛍光体としてＢａＳｉ _２ Ｏ _２ Ｎ _２ :Ｅｕを用いたことを特徴とする固体光源装置。
30. 前記請求項１〜２９の何れか一つに記載した固体光源装置を用いる投射型表示装置であって、光を射出する光源ユニットと、当該光源ユニットからの光をＲ（赤色），Ｇ（緑色），Ｂ（青色）の３原色光に分離する光分離光学系と、分離されたＲ，Ｇ，Ｂの各偏光光を、それぞれ、映像信号に応じて光変調してＲ，Ｇ，Ｂの各光学像を形成するＲ，Ｇ，Ｂの光変調手段と、当該Ｒ，Ｇ，Ｂの光変調手段により形成された各光学像を光合成する光合成手段と、当該合成された光学像を拡大して投射する投射手段とを備え、前記固体光源装置を前記光源ユニットとしたことを特徴とする投射型表示装置。

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