JP5817109B2 - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

従来、プロジェクターにおいては、光源として超高圧水銀ランプなどの放電ランプが用いられるのが一般的であった。ところが、この種の放電ランプは、寿命が比較的短い、瞬時点灯が難しい、ランプから放射される紫外線が液晶ライトバルブを劣化させる、等の課題がある。そこで、放電ランプに代わる方式の光源を用いた投射型画像表示装置が提案されている。

この種の光源として、蛍光発光を利用して白色光を生成する方式のものが知られている。例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーからの光を蛍光体に照射することにより、発光光（蛍光）として白色光を取り出す光源装置が提案されている（下記の特許文献１参照）。特許文献１の光源装置は、蛍光体を励起させる励起光（青色光）の光源と、光の三原色に対応する複数の色光を発する蛍光体を備えた蛍光ホイールと、を有している。そして、複数種の蛍光体をホイールの周方向に種類毎に領域を分けて蛍光膜として配置し、ホイールを回転させつつ複数の蛍光膜に励起光を照射することにより、発せられる蛍光の色を時間毎に異ならせている。このようにして、複数の色光を混色させて白色光を射出させている。

特開２００９−２７７５１６号公報

しかしながら、上記特許文献１の光源装置を用いたプロジェクターでは、蛍光ホイールを挟んで液晶ライトバルブや投影光学系が配置された側と反対側に励起光源を配置しなければならず、光源装置の大型化、ひいてはプロジェクターの大型化を招いていた。また、上記の特許文献１の光源装置では、蛍光体に励起光を照射した際に励起光が蛍光体に吸収され、蛍光体が発熱するおそれがあった。その結果、光源装置の信頼性が低下するという問題が生じていた。

本発明は、上記の課題のうち少なくとも一つを解決することを目的とする。

上記の目的を達成するために、本発明の光源装置は、第１の波長領域を含む励起光を射出する固体光源と、前記励起光の照射によって前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域を含む蛍光を発する蛍光体を含む蛍光体層および前記蛍光体層を支持する支持面を有する支持基材を備えた発光素子と、前記固体光源と前記発光素子との間の前記励起光の光路上に設けられたダイクロイックミラーと、前記発光素子と前記ダイクロイックミラーとの間の前記励起光の光路上に設けられた位相差板と、を備え、前記支持基材が、前記励起光と前記蛍光とを反射させる反射面を備え、前記ダイクロイックミラーは、前記蛍光を反射するとともに、前記第１の波長領域における第１の偏光成分に対する反射率が、前記第１の波長領域における第２の偏光成分に対する反射率よりも低く、前記支持基材の支持面のうちの第１の領域に前記蛍光体層が設けられ、前記支持面のうちの第２の領域には前記蛍光体層が設けられておらず、前記第１の領域と前記第２の領域の双方にわたって、前記反射面を構成する反射膜が設けられていることを特徴とする。

本発明の構成においては、蛍光体の励起に使われなかった励起光の一部と蛍光体から発せられた蛍光とが合成された光が光源装置から出力される。発光素子を構成する支持基材は励起光と蛍光とを反射させる反射面を有しているので、固体光源から射出された励起光が支持基材の反射面で反射するとともに、蛍光体から発せられる蛍光も反射面で反射し、固体光源側に向かう。すなわち、本発明の光源装置は、固体光源から射出される励起光の光路が発光素子で折り返され、励起光と蛍光とが発光素子から固体光源に向けて射出される。このように、反射型の発光素子を用い、光路を折り返す構成とすることで光源装置の小型化が図れる。

ところで、上記のような反射型の発光素子を用いた場合、出力光を利用するためには、発光素子で反射した励起光と蛍光とが固体光源に入射しないように、発光素子と固体光源との間で発光素子から射出される光の光路を後段の光学系に向けて変更する必要がある。そのためには、ダイクロイックミラーを用いれば良い。ところが、ダイクロイックミラーが単なる波長分離機能を有しているだけであったとすると、第１の波長領域の励起光を透過させ、第２の波長領域の蛍光を反射させるだけであるから、復路の励起光がダイクロイックミラーを透過して固体光源に戻ってしまう。その結果、励起光と蛍光との合成光を外部に取り出すことができず、所望の出力光が得られない。

その点、本発明の構成では、復路の励起光の偏光状態を往路の励起光の偏光状態と異ならせる位相差板が備えられ、ダイクロイックミラーが、励起光のうち第１の波長領域における第１の偏光成分に対する反射率が第２の偏光成分に対する反射率よりも低いという特性を有している。すなわち、ダイクロイックミラーは、第１の波長領域の第１の偏光成分を第２の偏光成分よりも多く透過するとともに、第１の波長領域の第２の偏光成分を第１の偏光成分よりも多く反射する偏光分離特性を有している。これにより、第１の波長領域の第１の偏光成分、すなわち、往路の励起光がダイクロイックミラーを透過し、発光素子に到達することができる。また、第１の波長領域の第２の偏光成分と第２の波長領域の蛍光、すなわち、復路の励起光と蛍光との合成光をダイクロイックミラーで後段の光学系に向けて反射させることができる。これにより、所望の出力光が得られる光源装置を実現できる。

本発明の光源装置において、前記第１の偏光成分が前記ダイクロイックミラーの反射面に対するＰ偏光もしくはＳ偏光のうちのいずれか一方であり、前記第２の偏光成分が前記Ｐ偏光および前記Ｓ偏光のうちの残りの他方であり、前記位相差板が前記第１の波長領域に対する１／４波長板であることが望ましい。
この構成によれば、励起光の偏光状態が往路では例えばＰ偏光であれば、復路ではＳ偏光と変化させることができる。これにより、ダイクロイックミラーで往路の励起光を透過させ、復路の励起光を反射させる構成を確実に実現できる。

本発明の光源装置において、前記支持基材が金属基板からなることが望ましい。
この構成によれば、支持基材が光反射性を有し、熱伝導率に優れたものとなるため、蛍光体層の温度上昇が抑制され、信頼性を確保することができる。また、支持基材に反射膜等を形成することなく、光反射性を持たせることができ、かつ、熱伝導率が高く、放熱性が高い発光素子を容易に提供できる。

本発明の光源装置において、前記支持基材の支持面のうちの第１の領域に前記蛍光体層が設けられ、前記支持面のうちの第２の領域には前記蛍光体層が設けられていない構成を採用することができる。
この構成によれば、支持基材で反射した励起光と蛍光とが発光素子から時分割で射出され、励起光と蛍光とが時間的に積分されてこれらの光の合成光が得られる。したがって、例えば蛍光体層の形成領域と非形成領域の面積比率を変えることによって、合成光の色を調整することができる。

本発明の光源装置において、前記発光素子に、前記第２の波長領域とは異なる第３の波長領域を含む蛍光を発する第２の蛍光体層が設けられた構成を採用することができる。
この構成によれば、例えば光の三原色を構成する赤色、緑色、青色等の蛍光を得ることができ、これらの光の合成光を出力光とすることができる。さらに、他の色の蛍光を加えて、出力光の色調整を行うこともできる。

本発明の光源装置において、前記第１の波長領域とは異なる波長領域を含む光を射出する補助固体光源を備えた構成を採用することができる。
この構成によれば、補助固体光源からの光も出力光に加えることができ、発光素子だけでは実現できない出力光の色、階調、輝度などの調整を行うことができる。

本発明の光源装置において、前記支持基材が、前記支持面に交差する回転軸を中心として回転可能とされた構成を採用することができる。
この構成によれば、蛍光体層の温度上昇を効果的に低減することができる。

本発明のプロジェクターは、本発明の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、信頼性に優れた小型のプロジェクターを実現できる。

本発明の第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの正面図である。 プロジェクターに用いるダイクロイックミラーの偏光分離特性を示す図である。 本発明の第２実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。 プロジェクターに用いるダイクロイックミラーの偏光分離特性を示す図である。

〔第１実施形態〕
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図３を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、白色光を出力する光源装置と、光源装置から得られる白色光を色分離する色分離光学系と、色分離光学系によって得られた３色の色光をそれぞれ変調する３つの液晶ライトバルブとを備えたプロジェクター、いわゆる３板式の液晶プロジェクターの例である。
図１は、本実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。図２は、プロジェクターに用いる蛍光体ホイールの正面図である。図３は、プロジェクターに用いるダイクロイックミラーの偏光分離特性を示す図である。
なお、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。

本実施形態のプロジェクター１は、図１に示すように、光源装置２と、色分離光学系３と、液晶ライトバルブ４Ｒ（光変調素子），液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂと、色合成素子５と、投写光学系６と、を備えている。本実施形態のプロジェクター１において、光源装置２から射出された光は、色分離光学系３により複数の色光に分離される。色分離光学系３により分離された複数の色光は、それぞれ対応する液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂに入射して変調される。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにより変調された複数の色光は、色合成素子５に入射して合成される。色合成素子５により合成された光は、投写光学系６によりスクリーン７に拡大投写され、フルカラーの投写画像が表示される。

以下、プロジェクター１の各構成要素について説明する。
光源装置２は、レーザー光源９（固体光源）、ダイクロイックミラー１０、１／４波長板１１（位相差板）、蛍光体ホイール１２（発光素子）、コリメート光学系１３、レンズアレイ１４，１５、偏光変換素子１６、重畳レンズ１７がこの順に配置された構成になっている。

レーザー光源９は、後述する蛍光体ホイール１２が備える蛍光体を励起させる励起光として、例えば発光強度の中心波長が４５０ｎｍの青色レーザー光を射出する。レーザー光源９から射出される青色レーザー光は偏光状態が一定の直線偏光であり、ダイクロイックミラー１０の選択反射面１０ａに対する偏光状態がＰ偏光である。本実施形態において、波長４５０ｎｍは第１の波長領域に相当し、Ｐ偏光は第１の偏光成分に相当する。なお、レーザー光源９は、図１では１個のレーザー光源を用いる例として示したが、例えば複数個のレーザー光源を並置しても良い。また、後述する蛍光体を励起させることができる波長の光であれば、４５０ｎｍ以外の中心波長を有する色光を射出するレーザー光源であっても構わない。

ダイクロイックミラー１０は、レーザー光源９と蛍光体ホイール１２との間の励起光の光路上に配置されている。ダイクロイックミラー１０の選択反射面１０ａは、レーザー光源９から蛍光体ホイール１２に向けて射出されダイクロイックミラー１０に入射する励起光Ｌ１の光軸に対して４５度の角度をなしている。選択反射面１０ａと励起光Ｌ１の光軸とのなす角度が４５度である状態において、ダイクロイックミラー１０は、発光強度の中心波長が４５０ｎｍのＰ偏光の青色レーザー光を透過するとともに、発光強度の中心波長が４５０ｎｍのＳ偏光の青色レーザー光と発光強度の中心波長が５５０ｎｍの黄色の波長域の蛍光とを反射する偏光分離特性を有している。ダイクロイックミラー１０の偏光分離特性については後で詳しく説明する。本実施形態において、波長５５０ｎｍは第２の波長領域に相当し、Ｓ偏光は第２の偏光成分に相当する。

１／４波長板１１は、蛍光体ホイール１２とダイクロイックミラー１０との間の励起光の光路上に配置されている。したがって、レーザー光源９からダイクロイックミラー１０を透過して蛍光体ホイール１２に向かう励起光と、蛍光体ホイール１２で反射してダイクロイックミラー１０に戻る励起光および蛍光体ホイール１２から発せられた蛍光とが１／４波長板１１を通過する。以下の説明では、レーザー光源９からダイクロイックミラー１０を透過して蛍光体ホイール１２に向かう励起光のことを往路の励起光Ｌ１、蛍光体ホイール１２で反射してダイクロイックミラー１０に戻る励起光のことを復路の励起光Ｌ２と称する。蛍光体ホイール１２から発せられた蛍光は偏光状態が揃っていないため、１／４波長板１１は蛍光の偏光状態に対して作用を及ぼすことはない。一方、レーザー光源９から発せられた励起光は偏光状態がＰ偏光に揃っているため、１／４波長板１１は励起光の偏光状態に対して作用を及ぼす。すなわち、１／４波長板１１は、往路の励起光Ｌ１と復路の励起光Ｌ２とに往復で１／２波長の位相差を付与し、復路の励起光の偏光状態をＰ偏光からＳ偏光に変換する。

蛍光体ホイール１２は、支持基板１９（支持基材）と、支持基板１９の一つの面１９ａ（支持面）の上に設けられた反射膜２０（反射面）と、反射膜２０上に設けられた発光層２１（蛍光体層）とを有している。発光層２１は図示しない蛍光体粒子を含むとともに、反射膜２０を介して支持基板１９の支持面１９ａによって支持されている。蛍光体ホイール１２は、支持面１９ａがレーザー光源９に対向するように配置され、レーザー光源９からの励起光が発光層２１に照射されるように配置されている。蛍光体ホイール１２は、レーザー光源９から射出される励起光（発光強度の中心波長が４５０ｎｍの青色レーザー光）の一部を反射させる。また、蛍光体ホイール１２は、励起光の残部を吸収して発光強度の中心波長が５５０ｎｍの黄色の蛍光に変換し、生成された黄色の蛍光を反射させることによってダイクロイックミラー１０に向けて射出させる。

図２に示すように、レーザー光源９側から蛍光体ホイール１２を見たときの平面形状は円形である。支持基板１９の支持面１９ａは８つの領域に分かれ、支持基板１９の支持面１９ａ上には発光層２１が設けられた４つの発光領域Ｃと発光層２１が設けられていない４つの非発光領域Ｄとが周方向に交互に並んでいる。本実施形態において、発光領域Ｃは支持面１９ａのうちの第１の領域に相当し、非発光領域Ｄは支持面１９ａのうちの第２の領域に相当する。

支持基板１９は、例えばガラス、セラミック等の無機物、銅等の金属、アクリル等の樹脂などを用いて形成することができる。これらの材料は、軽量、低コスト、加工性が良い等の点で優れている。また、ガラスの中でも石英ガラス、ネオセラム等の材料は線膨張性が低く、耐熱性に優れる。また、ガラスの中でも水晶、サファイア等の材料は熱伝導性が高く、放熱性に優れる。

支持基板１９の支持面１９ａには反射膜２０が形成されている。反射膜２０は、支持基板１９の支持面１９ａの全面にわたって形成され、したがって、発光領域Ｃと非発光領域Ｄの双方にわたって形成されている。そのため、レーザー光源９から射出される励起光と発光層２１から発せられた蛍光とが反射膜２０で反射する。反射膜２０の材料には、アルミニウム、銀等の光反射率の高い金属、酸化シリコンと酸化チタンとを複数層交互に積層した誘電体多層膜、等が用いられる。

なお、光反射性を持たない支持基板１９の支持面に反射膜２０を形成する構成に代えて、光反射性を有する材料で支持基板自体を形成しても良い。具体的には、支持基板の材料として、ガラス、セラミック等の無機物、樹脂等に代えて、アルミニウム、銀等の金属を用いても良い。支持基板の材料に金属を用いた場合、支持基板の表面がそのまま反射面となるため、反射膜を形成する必要がなく、蛍光体ホイール１２の製造工程の簡略化が図れる。また、支持基板の材料に金属を用いた場合、蛍光体の発熱を蛍光体ホイールの面内で伝達しやすいため、蛍光体の最高到達温度を下げることができる。その結果、蛍光体ホイールの信頼性を改善でき、励起光の変換効率を向上させることができる。

発光層２１は、光透過性を有する基材と、励起光を吸収して蛍光を発する複数の蛍光体粒子と、を含んでいる。基材の構成材料としては、光透過性を有する樹脂材料を用いることができ、中でも高い耐熱性を有するシリコン樹脂（屈折率：約１．４）を好適に用いることができる。蛍光体粒子は、レーザー光源９から射出される励起光を吸収して蛍光を発する粒子状の蛍光体である。例えば、蛍光体粒子には、中心波長が４５０ｎｍの青色光によって励起されて蛍光を発する物質が含まれており、レーザー光源９が射出する励起光の一部を赤色の波長帯域から緑色の波長帯域まで（全体として黄色の波長領域）を含む比較的ブロードな波長分布を有する光に変換して射出する。

このような蛍光体粒子として、平均粒径が１μｍから数十μｍ程度のものが高い発光効率を示すことが知られている。蛍光体粒子としては、通常知られたＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体を用いることができる。具体的には、例えば平均粒径が１０μｍの（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅで示される組成のＹＡＧ系蛍光体（屈折率：約１．８）を用いることができる。 なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であっても良く、２種以上の形成材料を用いて形成されている粒子を混合したものを蛍光体粒子として用いることとしても良い。

図１に示すように、蛍光体ホイール１２は支持基板１９の中心にモーター２２が接続され、支持基板１９の中心を通る回転軸２３を中心として回転可能に設けられている。モーター２２は、蛍光体ホイール１２を使用時において例えば７５００ｒｐｍで回転させる。この場合、蛍光体ホイール１２上の励起光が照射される領域（ビームスポット）は、約１８ｍ／秒で移動する。すなわち、モーター２２は、蛍光体ホイール１２上におけるビームスポットの位置を変位させる位置変位手段として機能する。これにより、励起光が蛍光体ホイール１２上の同一の位置を照射し続けないため、照射位置の熱劣化を防止し、装置を長寿命化することができる。

本実施形態の場合、蛍光体ホイール１２が発光領域Ｃと非発光領域Ｄとを有しているため、励起光が発光領域Ｃを照射している期間では蛍光体ホイール１２から黄色の蛍光が射出され、励起光が非発光領域Ｄを照射している期間では蛍光体ホイール１２から反射膜２０で反射した青色の励起光が射出される。上述したように、蛍光体ホイール１２では４つの発光領域Ｃと４つの非発光領域Ｄとが周方向に交互に並んでいるため、蛍光体ホイール１２が１回転する間に青色光、黄色光、青色光、黄色光、…というように、青色光と黄色光とが１ｍsec毎に交互に切り替わりながら射出される。このとき、人間の目にとっては青色光と黄色光とが時間的に積分され、青色光と黄色光との合成光である白色光が射出されているように見える。また、蛍光体ホイール１２の発光領域Ｃと非発光領域Ｄの面積比率を変えることによって、蛍光体ホイール１２から射出される青色光の光量と黄色光の光量との比率を変えることができ、白色光の色調整を行うことができる。

コリメート光学系１３は、蛍光体ホイール１２から射出される光の広がりを抑える第１レンズ２５と、第１レンズ２５から入射される光を略平行化する第２レンズ２６とを備えており、全体として蛍光体ホイール１２から射出された光を平行化するものである。第１レンズ２５と第２レンズ２６とは凸レンズで構成されている。

レンズアレイ１４，１５は、コリメート光学系１３から射出された光の輝度分布を均一化するものである。レンズアレイ１４は、複数の第１マイクロレンズ２７がマトリクス状に配列されたものである。同様に、レンズアレイ１５は、複数の第２マイクロレンズ２８がマトリクス状に配列されたものである。第１マイクロレンズ２７と第２マイクロレンズ２８とは１対１で対応している。コリメート光学系１３から射出された光は、複数の第１マイクロレンズ２７に空間的に分割されて入射する。第１マイクロレンズ２７は、入射した光を対応する第２マイクロレンズ２８に結像させる。これにより、複数の第２マイクロレンズ２８の各々に２次光源像が形成される。なお、第１マイクロレンズ２７、第２マイクロレンズ２８の外形形状は、液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂの画像形成領域の外形形状と略相似形となっている。

偏光変換素子１６は、レンズアレイ１４，１５から射出された光の偏光状態を揃えるものである。偏光変換素子１６は、複数の偏光変換セルを含んでいる。各偏光変換セルは、第２マイクロレンズ２８と１対１で対応している。第２マイクロレンズ２８に形成された２次光源像からの光は、この第２マイクロレンズ２８に対応する偏光変換セルの入射領域に入射する。

偏光変換セルの各々には、入射領域に対応させて偏光ビームスプリッタ膜（以下、ＰＢＳ膜と称する）及び位相差板が設けられている。入射領域に入射した光は、ＰＢＳ膜によりＰＢＳ膜に対するＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光、Ｓ偏光の一方の偏光（ここではＳ偏光）は、反射部材で反射した後、位相差板に入射する。位相差板に入射したＳ偏光は、位相差板により偏光状態が他方の偏光（ここではＰ偏光）の偏光状態に変換されてＰ偏光になり、Ｐ偏光とともに射出される。

重畳レンズ１７は、偏光変換素子１６から射出された光を被照明領域である液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにて重畳させるものである。光源装置２から射出された光は、空間的に分割された後、重畳されることにより輝度分布が均一化されて光線軸周りの軸対称性が高められる。

色分離光学系３は、ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１、ミラー３２、ミラー３３、ミラー３４、フィールドレンズ３５Ｒ、フィールドレンズ３５Ｇ，フィールドレンズ３５Ｂ、リレーレンズ３６、リレーレンズ３７を含んでいる。ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１は、例えばガラス表面に誘電体多層膜を積層したものである。ダイクロイックミラー３０、ダイクロイックミラー３１は、所定の波長帯域の色光を選択的に反射させ、それ以外の波長帯域の色光を透過させる特性を有している。ここでは、ダイクロイックミラー３０が緑色光と青色光とを反射させ、ダイクロイックミラー３１が緑色光を反射させる。

光源装置２から射出された光Ｌは、ダイクロイックミラー３０に入射する。光Ｌのうちの赤色光ＬＲは、ダイクロイックミラー３０を透過してミラー３２に入射し、ミラー３２で反射してフィールドレンズ３５Ｒに入射する。赤色光ＬＲは、フィールドレンズ３５Ｒにより平行化された後に、赤色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｒに入射する。

光Ｌのうちの緑色光ＬＧと青色光ＬＢとは、ダイクロイックミラー３０で反射して、ダイクロイックミラー３１に入射する。緑色光ＬＧは、ダイクロイックミラー３１で反射してフィールドレンズ３５Ｇに入射する。緑色光ＬＧは、フィールドレンズ３５Ｇにより平行化された後に、緑色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｇに入射する。

ダイクロイックミラー３１を透過した青色光ＬＢは、リレーレンズ３６を透過し、ミラー３３で反射した後、リレーレンズ３７を透過し、ミラー３４で反射してフィールドレンズ３５Ｂに入射する。青色光ＬＢは、フィールドレンズ３５Ｂにより平行化された後に、青色光変調用の液晶ライトバルブ４Ｂに入射する。青色光ＬＢの光路は他の赤色光ＬＲの光路、緑色光ＬＧの光路と比べて光路長が長いため、光路長が長いことによる光の損失分を補償する目的で青色光ＬＢの光路にはこのようなリレー光学系を適用する。

液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、透過型の液晶ライトバルブにより構成されている。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、画像情報を含んだ画像信号を供給するパーソナルコンピューター等の信号源（図示略）と電気的に接続されている。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、供給された画像信号に基づいて、入射光を画素毎に変調して画像を形成する。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂは、それぞれ赤色画像、緑色画像、青色画像を形成する。液晶ライトバルブ４Ｒ，液晶ライトバルブ４Ｇ，液晶ライトバルブ４Ｂにより変調された光（形成された画像）は、色合成素子５に入射する。

色合成素子５は、ダイクロイックプリズムにより構成されている。ダイクロイックプリズムは、４つの三角柱プリズムが互いに貼り合わされた構造になっている。三角柱プリズムにおいて貼り合わされる面は、ダイクロイックプリズムの内面になる。ダイクロイックプリズムの内面に、赤色光が反射して緑色光が透過するミラー面と、青色光が反射して緑色光が透過するミラー面とが互いに直交して形成されている。ダイクロイックプリズムに入射した緑色光は、ミラー面をそのまま直進して射出される。ダイクロイックプリズムに入射した赤色光、青色光は、ミラー面で選択的に反射あるいは透過して、緑色光の射出方向と同じ方向に射出される。このようにして３つの色光（画像）が重ね合わされて合成され、合成された色光が投写光学系６によってスクリーン７に拡大投写される。

以下、本実施形態の光源装置２におけるダイクロイックミラー１０と１／４波長板１１の作用について説明する。
図３は、本実施形態の光源装置２におけるダイクロイックミラー１０の偏光分離特性を示す図である。図３の横軸は光の波長〔ｎｍ〕であり、縦軸は光の反射率（＝反射光量／入射光量）〔％〕である。ダイクロイックミラー１０は、選択反射面１０ａに入射する偏光がＰ偏光であるか、Ｓ偏光であるかによって異なる反射特性を有しており、図３における実線がＰ偏光の反射率を示し、破線がＳ偏光の反射率を示している。

図３に示すように、本実施形態のダイクロイックミラー１０は、選択反射面１０ａと励起光Ｌ１の光軸とのなす角度が４５度である状態において、Ｐ偏光に対しては概ね４７５ｎｍ付近で反射率が変化する。例えば波長が４５０ｎｍの青色光に対する反射率は略０％であり、波長が４５０ｎｍの青色光の略全量を透過する。一方、例えば波長が５５０ｎｍの黄色光に対する反射率は略１００％であり、波長が５５０ｎｍの黄色光の略全量を反射する。また、Ｓ偏光に対しては概ね４２５ｎｍ付近で反射率が変化する。例えば波長が４５０ｎｍの青色光に対する反射率と、波長が５５０ｎｍの黄色光に対する反射率とはともに略１００％であり、これらの光の略全量を反射する。

本実施形態の場合、レーザー光源９からは励起光Ｌ１として中心波長が４５０ｎｍのＰ偏光の青色光が射出されるため、この励起光Ｌ１は図３の偏光分離特性を有するダイクロイックミラー１０の選択反射面１０ａを透過することができる。図１に示すように、ダイクロイックミラー１０を透過した往路の励起光Ｌ１は１／４波長板１１を透過すると、位相が１／４波長進むため、Ｐ偏光が例えば右回りの円偏光に変換される。右回りの円偏光となった往路の励起光Ｌ１は、その後、蛍光体ホイール１２で反射するが、この反射によって位相が１／２波長進むため、右回りの円偏光が左回りの円偏光に変換される。左回りの円偏光となった復路の励起光Ｌ２は１／４波長板１１を透過すると、位相が１／４波長遅れるため、左回りの円偏光がＳ偏光に変換される。Ｓ偏光に変換された中心波長が４５０ｎｍの青色光は、図３の偏光分離特性を有するダイクロイックミラー１０の選択反射面１０ａで反射する。また、蛍光体ホイール１２から発せられた中心波長が５５０ｎｍの黄色の蛍光は、偏光状態に係わらずダイクロイックミラー１０の選択反射面１０ａで反射する。

仮にダイクロイックミラー１０が図３のような偏光分離特性を持っていなかったとすると、復路の励起光Ｌ２がダイクロイックミラー１０を透過してしまい、後段の光学系に向けて光路を変更できないおそれがある。本実施形態では、青色の励起光と黄色の蛍光とで白色光を生成しているので、それでは所望の白色光を得ることができない。その点、本実施形態の光源装置２は、ダイクロイックミラー１０が図３のような偏光分離特性を持っているため、所望の白色光を得ることができる。

本実施形態の光源装置２においては、レーザー光源９から射出される励起光の光路が蛍光体ホイール１２で折り返され、励起光と蛍光とが蛍光体ホイール１２からレーザー光源９に向けて射出され、その途中でダイクロイックミラー１０によって後段の光学系に向けて反射される。このように、反射型の蛍光体ホイール１２を用い、光路を折り返すことで光源装置２の小型化を図ることができる。また、蛍光体ホイール１２の支持基板１９が熱伝導率に優れているため、蛍光体の温度上昇が抑制され、信頼性を確保できるとともに、蛍光体の変換効率を高められる。

なお、本実施形態においては、レーザー光源９から射出される青色光と蛍光体ホイール１２から発せられる黄色光とで白色光を生成する例を示したが、この構成に限ることはない。例えば、青色光を励起光として赤色光を発する蛍光体が設けられた赤色発光領域と、青色光を励起光として緑色光を発する蛍光体が設けられた緑色発光領域と、蛍光体が設けられず、励起光である青色光を反射する非発光領域と、を備えた蛍光体ホイールを用いても良い。この場合、蛍光体ホイールが１回転する間に赤色光、緑色光、青色光が順次切り替わりながら射出され、これらの光が合成された白色光が得られる。また、例えば赤色光は第２の波長領域を含む蛍光であり、緑色光は第３の波長領域を含む蛍光であり、赤色発光領域は、支持面１９ａのうちの例えば第１の領域に相当する。

さらに、これらの３原色の光に例えば白、黄、黒緑等の色光を加えて４色にしても良く、これにより色、階調、輝度等の表現範囲を広げることができる。あるいは、１つの蛍光体ホイール内に同じ特性の領域を周期的に繰り返して並べる構成とすれば、カラーブレークアップを低減することができる。例えば、１つの蛍光体ホイールを６個の領域に分割し、これらの領域に赤色発光領域、緑色発光領域、非発光領域（青色光射出領域）、赤色発光領域、緑色発光領域、非発光領域（青色光射出領域）をこの順に割り当てても良い。

本実施形態においては図３を用いて説明したように、波長が４５０ｎｍのＰ偏光の青色光に対する反射率Ｒｐが略０％であり、波長が４５０ｎｍのＳ偏光の青色光に対する反射率Ｒｓが略１００％であるようなダイクロイックミラー１０を用いている。反射率Ｒｐと反射率Ｒｓとの差は大きいほうが好ましいが、必ずしも、反射率Ｒｐが略０％であり、かつ反射率Ｒｓが略１００％である必要は無い。
例えば、Ｐ偏光成分がＳ偏光成分よりも優勢な往路の励起光Ｌ１がダイクロイックミラー１０に入射し、Ｓ偏光成分がＰ偏光成分よりも優勢な復路の励起光Ｌ２がダイクロイックミラー１０に入射する場合、励起光Ｌ１が含む第１の波長領域において、Ｓ偏光成分に対する反射率がＰ偏光成分に対する反射率よりも高ければよい。このようにすれば、楕円偏光の励起光Ｌ１のうち優勢なＰ偏光成分がダイクロイックミラー１０を透過して発光層２１に入射し、蛍光体ホイール１２で反射した楕円偏光の励起光Ｌ２のうち優勢なＳ偏光成分がダイクロイックミラー１０によって後段の光学系に向けて反射される。そのため、効率が高い光源装置を実現することができる。
同様に、Ｓ偏光成分がＰ偏光成分よりも優勢な往路の励起光Ｌ１がダイクロイックミラー１０に入射し、Ｐ偏光成分がＳ偏光成分よりも優勢な復路の励起光Ｌ２がダイクロイックミラー１０に入射する場合、励起光Ｌ１が含む第１の波長領域において、Ｐ偏光成分に対する反射率がＳ偏光成分に対する反射率よりも高ければよい。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図４、図５を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターの基本構成は第１実施形態と同様であり、光源装置に補助固体光源を備えた点が異なっている。
図４は、本実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。図５は、光源装置に用いるダイクロイックミラーの偏光分離特性を示す図である。
図４において、第１実施形態の図１と共通の構成要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

本実施形態のプロジェクター４１は、図４に示すように、光源装置４２が、レーザー光源９に加えて、補助レーザー光源４３（補助固体光源）を備えている。補助レーザー光源４３は、射出光Ｌ３の光路がレーザー光源９からの励起光Ｌ１の光路と直交し、ダイクロイックミラー４４の選択反射面４４ａに対して４５度の角度をなすように配置されている。補助レーザー光源４３は、レーザー光源９からの射出光（励起光）と同じ色の色光を射出するものでも良いし、蛍光体ホイール１２から発せられる蛍光と同じ色の色光を射出するものでも良いし、レーザー光源９からの射出光や蛍光体ホイール１２から発せられる蛍光とは異なる色の色光を射出するものでも良い。本実施形態の補助レーザー光源４３は、中心波長が６６０ｎｍの赤色光を射出するものとする。また、補助レーザー光源４３は、レーザー光源９とは独立してオン・オフが制御できるものとする。

本実施形態のダイクロイックミラー４４は、図５に示すように、第１実施形態のダイクロイックミラー１０と偏光分離特性が異なっている。具体的には、本実施形態の場合、短波長側の偏光分離特性は第１実施形態と同様であるが、長波長側の偏光分離特性が異なっている。Ｐ偏光に対しては、４７５ｎｍ付近に加えて、概ね６２５ｎｍ付近で反射率が変化する。例えば波長が６６０ｎｍの赤色光に対する反射率は略０％であり、波長が６６０ｎｍの赤色光の略全量を透過する。したがって、ダイクロイックミラー４４は、レーザー光源９から射出される励起光と蛍光体ホイール１２から発せられる蛍光に対しては第１実施形態と同じ挙動を示し、補助レーザー光源４３から射出されるＰ偏光の赤色光は選択反射面４４ａを透過する。これにより、補助レーザー光源４３から射出される赤色光は、レーザー光源９から射出される青色光と蛍光体ホイール１２から発せられる黄色光とともに後段の光学系に向けて進行する。

本実施形態においても、高い信頼性を確保するとともに、装置の小型化を図ることができる光源装置およびプロジェクターを提供できる、といった第１実施形態と同様の効果が得られる。さらに本実施形態の場合、光源装置４２が個別に制御可能な補助レーザー光源４３を備えているため、補助レーザー光源４３から射出される光の色や光量を適宜選択することにより、色、階調、輝度等の表現範囲を自由に広げることができる。

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では、レーザー光源から射出される青色の励起光と蛍光体ホイールから発せられる黄色の蛍光とで白色光を合成し、あるいは、赤色の蛍光と緑色の蛍光と青色の励起光とで白色光を合成し、得られた白色光を色分離光学系で赤色光、緑色光、青色光に分離して３つの光変調素子に導く構成のプロジェクターの例を示した。この構成に代えて、赤色の蛍光と緑色の蛍光と青色の励起光とを時分割で射出するのと同期させて１つの光変調素子を時分割で駆動し、赤色光用画像、緑色光用画像、青色光用画像を順次表示することでフルカラーの画像を表示する構成のプロジェクター、いわゆる単板式のプロジェクターとしても良い。この場合、光変調素子としては液晶ライトバルブを用いても良いが、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device ：ＴＩ 社の登録商標）を用いても良い。また、発光素子として、蛍光体ホイールの例を説明したが、固定された平板の上に発光層を備えた蛍光素子を用いてもよい。その他、上記実施形態で示したプロジェクターの各構成要素の構成材料、形状、数、配置等に関しては適宜変更が可能である。

１，４１…プロジェクター、２，４２…光源装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…液晶ライトバルブ（光変調素子）、９…レーザー光源（固体光源）、１０，４４…ダイクロイックミラー、１１…１／４波長板（位相差板）、１２…蛍光体ホイール（発光素子）、１９…支持基板（支持基材）、２０…反射膜、２１…発光層、４３…補助レーザー光源（補助固体光源）。

Claims (7)

1. 第１の波長領域を含む励起光を射出する固体光源と、
   前記励起光の照射によって前記第１の波長領域とは異なる第２の波長領域を含む蛍光を発する蛍光体を含む蛍光体層および前記蛍光体層を支持する支持面を有する支持基材を備えた発光素子と、
   前記固体光源と前記発光素子との間の前記励起光の光路上に設けられたダイクロイックミラーと、
   前記発光素子と前記ダイクロイックミラーとの間の前記励起光の光路上に設けられた位相差板と、を備え、
   前記支持基材が、前記励起光と前記蛍光とを反射させる反射面を備え、
   前記ダイクロイックミラーは、前記蛍光を反射するとともに、前記第１の波長領域における第１の偏光成分に対する反射率が、前記第１の波長領域における第２の偏光成分に対する反射率よりも低く、
   前記支持基材の支持面のうちの第１の領域に前記蛍光体層が設けられ、前記支持面のうちの第２の領域には前記蛍光体層が設けられておらず、
   前記第１の領域と前記第２の領域の双方にわたって、前記反射面を構成する反射膜が設けられていることを特徴とする光源装置。
2. 前記第１の偏光成分が前記ダイクロイックミラーの反射面に対するＰ偏光もしくはＳ偏光のうちのいずれか一方であり、前記第２の偏光成分が前記Ｐ偏光および前記Ｓ偏光のうちの残りの他方であり、
   前記位相差板が前記第１の波長領域に対する１／４波長板であることを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記支持基材が金属基板からなることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 前記発光素子に、前記第２の波長領域とは異なる第３の波長領域を含む蛍光を発する第２の蛍光体層が設けられたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記第１の波長領域とは異なる波長領域を含む光を射出する補助固体光源を備えたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記支持基材が、前記支持面に交差する回転軸を中心として回転可能とされたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載の光源装置と、前記光源装置から射出される光を変調する光変調素子と、前記光変調素子によって変調された光を投写する投写光学系と、を備えたことを特徴とするプロジェクター。

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