JP6019891B2 - 光源装置及びプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、複数の光源を有する光源装置及び当該光源装置を用いたプロジェクターに関する。

投写型映像表示装置等に適用可能な照明装置として、複数の光源を使用し、１つの光束に集めることにより、大型化させることなく高効率に照明光を形成させるものが知られている（特許文献１）。特許文献１では、互いに異なる偏光方向に偏光度の偏った光を射出する一対の光源を用いている。これらの光源のうち一の光源からの直線偏光を透過させ、他の光源からの直線偏光を反射させる偏光子によって、当該複数の光源からの光が集光される。

しかし、特許文献１において、例えば光源から射出される光の波長帯域によっては、偏光子において、例えばＰ偏光の透過率５０％における波長とＳ偏光の透過率５０％における波長との間隔に相当する偏光分離帯域が狭くなり、偏光合成が効果的に行えない可能性がある。

特開２０１１−１５８５０２号公報

そこで、本発明は、偏光依存性を有する光源からの光を高効率に合成できる光源装置及び当該光源装置を用いて光源の大型化を抑制しつつ高輝度な画像光を形成できるプロジェクターを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明に係る光源装置は、（ａ）第１の光を射出する第１光源部と、（ｂ）第２の光を射出する第２光源部と、（ｃ）第１光源部から射出された第１の光と第２光源部から射出された第２の光とを合成し、合成光として射出する光合成部と、を備える光源装置であって、（ｄ）光合成部が、第１の方向に偏光している光を透過させ、かつ、該第１の方向に直交する第２の方向に偏光している光を反射する偏光分離膜を有し、（ｅ）第１の光は第１の方向に偏光しており、（ｆ）第２の光は第２の方向に偏光しており、（ｇ）第１の光の偏光分離膜への入射角度θ１及び第２の光の偏光分離膜への入射角度θ２が、４５°より大きいことを特徴とする。

上記光源装置によれば、第１の光及び第２の光について、偏光分離膜への入射角度θ１及び入射角度θ２が、４５°より大きいので、偏光分離帯域が大きくなり、第１の光と第２の光とが高効率に合成される。

本発明の具体的な態様又は観点では、第１の光の偏光分離膜への入射角度θ１が第２の光の偏光分離膜への入射角度θ２と等しいことを特徴とする。この場合、第１の光の光軸と第２の光の光軸とが合成後に互いに平行であるため、合成光を照明光として利用しやすい。

本発明の別の観点では、第１光源部の光軸と第２光源部の光軸とのなす角が、９０°より小さいことを特徴とする。この場合、θ１とθ２とをともに４５°より大きな値とすることが可能になる。

本発明のさらに別の観点では、第１の光の入射角度θ１が、第１の光の波長帯域において、第１の光に対する偏光分離膜の透過率が所定の値以上であり、かつ、第１の光に対する光合成部の反射率が所定の値以下となる角度であり、第２の光の入射角度θ２が、第２の光の波長帯域における第２の光に対する偏光分離膜の反射率が所定の値以上であることを特徴とする。この場合、第１の光の波長帯域及び第２の光の波長帯域のうちカバーできない範囲があることによる利用効率の低下を低減し、かつ、透過光が反射することによる利用効率の低下を低減できる。

本発明のさらに別の観点では、第１の光の波長帯域及び第２の光の波長帯域に応じて定まる最も偏光合成の効率を高める偏光分離膜への入射角度を最大効率角度αとし、βを（４５°＋α）／２としたとき、式（１）、式（２）及び式（３）を満足することを特徴とする。
４５°＜α （１）
β≦θ１≦２α−β （２）
β≦θ２≦２α−β （３）
この場合、θ１及びθ２が４５°である場合に比べて、高い利用効率を確保することができる。

本発明のさらに別の観点では、光合成部が、偏光分離膜を支持する基材をさらに備え、第１の光の入射角度θ１は、基材に対するブリュースター角を含む範囲内にあることを特徴とする。この場合、当該入射角度θ１をブリュースター角或いはこれに近い角度とすることで、第１の光の透過率を高めることができる。

本発明のさらに別の観点では、光合成部から射出された合成光を集光する集光光学系と、集光光学系で集光された合成光が照射される対象物と、をさらに備えることを特徴とする。この場合、合成光を高い効率で対象物に照射することができる。

本発明のさらに別の観点では、光合成部から射出された合成光のビーム断面を調整するアフォーカル系と、アフォーカル系の後段に配置され、入射した光を分割して所定位置において重畳させるように射出させるレンズアレイインテグレーターと、所定位置に配置され、レンズアレイインテグレーターから射出された光が照射される対象物と、をさらに備えることを特徴とする。この場合、合成光を高い効率で、かつ高い均一性にて対象物に照射することができる。

本発明のさらに別の観点では、対象物が、光を拡散させる拡散板又は蛍光を発生させる蛍光体のうち少なくとも一方であることを特徴とする。この場合、必要に応じて適した発散性の光や適した波長帯域の光を発生させることができる。

本発明のさらに別の観点では、対象物を回転可能に保持する回転板をさらに備えることを特徴とする。この場合、突出して大きい光強度を有する部位が発生することを抑制し、励起用光源装置の出力を高くした時に起こる発光効率の低下を回避して、明るい照明が可能となる。

上記課題を解決するため、本発明に係るプロジェクターは、上記いずれかに記載の光源装置と、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、光変調装置からの変調光を画像として投射する投射光学系と、を備える。この場合、上記光源装置を用いることで、光源の大型化を抑制しつつ高輝度な画像光を形成できる。

（Ａ）は、第１実施形態の光源装置の光学系を説明する図であり、（Ｂ）は、回転蛍光板を説明するための図である。 光合成部の基材の、偏光の入射角に対する表面反射率を示すグラフである。 入射角に対する光合成部の光の利用効率の一例を示すグラフである。 第２実施形態の光源装置の光学系を説明する図である。 第３実施形態のプロジェクターの一例を説明する図である。 第４実施形態の光源装置の光学系を説明する図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ、本発明の第１実施形態に係る光源装置について詳細に説明する。

図１（Ａ）に示す光源装置１００は、第１光源部１０ａから発した第１の光であるレーザー光Ｌａと、第２光源部１０ｂから発した第２の光であるレーザー光Ｌｂとを光合成部８０において合成して光源光となるべき光を形成する光源装置である。光源装置１００は、励起用の光源１０、光源１０からの光を合成する光合成部８０、集光光学系である集光レンズ２０、波長変換素子を回転可能に保持する回転板である回転蛍光板３０及びモーター５０を備えている。光源１０は、第１光源部１０ａと、第２光源部１０ｂと、第１光源部１０ａからの光を平行化するコリメートレンズアレイ１２ａと、第２光源部１０ｂからの光を平行化するコリメートレンズアレイ１２ｂとを有する。なお、図１（Ｂ）に示すように、回転蛍光板３０は、円板形状になっている。

光源１０のうち、第１光源部１０ａは、第１の光である青色のレーザー光Ｌａを射出するレーザー光源である。ＡＸａは第１光源部１０ａの光軸である。レーザー光Ｌａは、直線偏光であり、例えば波長約４４５ｎｍを発光強度のピークとし、波長帯域４３０〜４５０ｎｍの範囲を主たる成分としている。第１光源部１０ａは、基板ＳＢａの上にマウントされてレーザー光をそれぞれ射出可能な複数の固体光源素子１１ａを、マトリクス状に配置したものである。

光源１０のうち、第２光源部１０ｂは、第２の光である青色のレーザー光Ｌｂを射出するレーザー光源である。ＡＸｂは第２光源部１０ｂの光軸である。レーザー光Ｌｂは、直線偏光であり、例えば波長約４４５ｎｍを発光強度のピークとし、波長帯域４３０〜４５０ｎｍの範囲を主たる成分としている。第２光源部１０ｂは、基板ＳＢｂの上にマウントされてレーザー光をそれぞれ射出可能な複数の固体光源素子１１ｂを、マトリクス状に配置したものである。

コリメートレンズアレイ１２ａは、第１光源部１０ａを構成する各固体光源素子１１ａに対応した複数のレンズ群ＬＬａからなり、各固体光源素子１１ａからの光をそれぞれ略平行化して光合成部８０に向けて射出する。

同様に、コリメートレンズアレイ１２ｂは、第２光源部１０ｂを構成する各固体光源素子１１ｂに対応した複数のレンズ群ＬＬｂからなり、各固体光源素子１１ｂからの光をそれぞれ略平行化して光合成部８０に向けて射出する。

図１に一部拡大して示すように、光合成部８０の基材８０ａの一方の面に反射防止膜ＡＲが設けられ、光合成部８０の基材８０ａの他方の面に偏光分離膜ＰＭが設けられている。反射防止膜ＡＲが設けられた一方の面は、第１光源部１０ａからのレーザー光Ｌａが入射する光入射面ＩＳａである。偏光分離膜ＰＭが設けられた他方の面は、第２光源部１０ｂからのレーザー光Ｌｂが入射する光反射面ＩＳｂである。なお、基材８０ａは、例えばホワイトガラス（白板）で構成される。また、偏光分離膜ＰＭは、誘電体多層膜であり、光合成部８０に入射する光のうちＰ偏光を透過させる一方、Ｓ偏光を反射させる。

光合成部８０は、図１の全体図で示すように、光源１０から集光レンズ２０までの光路中に配置されている。第１の光であるレーザー光Ｌａの偏光分離膜ＰＭへの入射角度をθ１とし、第２の光であるレーザー光Ｌｂの偏光分離膜ＰＭへの入射角度をθ２とすれば、θ１とθ２は互いに等しい。ここで、θ１及びθ２をθとする。光合成部８０は、光軸ＡＸａと光軸ＡＸｂとの双方に対して４５°より大きい５５°としてそれぞれ交わるように配置される。すなわち、本実施形態において、θは５５°である。光合成部８０は、一部拡大して示すように、第１光源部１０ａからのレーザー光Ｌａを透過させる一方、第２光源部１０ｂからのレーザー光Ｌｂを反射することにより、これらを合成し、合成光である合成レーザー光Ｌｃとして射出するものとなっている。また、レーザー光Ｌａの入射角度θ１とレーザー光Ｌｂの入射角度θ２とが互いに等しい角度θであることで、合成後のレーザー光Ｌａの光軸ＡＸａとレーザー光Ｌｂの光軸ＡＸｂとが互いに平行になる。本実施形態では、合成後のレーザー光Ｌａの光軸ＡＸａがレーザー光Ｌｂの光軸ＡＸｂと一致するように構成しており、合成光である合成レーザー光Ｌｃの光軸をＡＸとする。

また、以上の第１光源部１０ａ及び第２光源部１０ｂに対する光合成部８０の配置について別の見方をすると、第１光源部１０ａの光軸ＡＸａと第２光源部１０ｂの光軸ＡＸｂとのなす角φが、９０°より小さくなっていることで、レーザー光Ｌａ，レーザー光Ｌｂの偏光分離膜ＰＭへの入射角度である角度θが４５°より大きな角度となるようにしている。

ここで、光合成部８０には、第１光源部１０ａからの光であり直線偏光の状態にあるレーザー光Ｌａと、第２光源部１０ｂからの光であり直線偏光の状態にあるレーザー光Ｌｂとが、各々の偏光方向が互いに直交するように入射する。具体的には、レーザー光Ｌａは、光合成部８０の光入射面ＩＳａに対してＰ偏光（第１の方向に偏光している偏光）となっているのに対して、レーザー光Ｌｂは、光合成部８０の光反射面ＩＳｂに対して、Ｓ偏光（第２の方向に偏光している偏光）となっている。Ｐ偏光としてのレーザー光Ｌａは、光合成部８０の光入射面ＩＳａから入射して、反射防止膜ＡＲ、基材８０ａ、及び偏光分離膜ＰＭを経て光合成部８０の光反射面ＩＳｂから射出される。一方、Ｓ偏光としてのレーザー光Ｌｂは、光合成部８０の光反射面ＩＳｂから入射して、偏光分離膜ＰＭを経て光反射面ＩＳｂから射出される。以上により、光合成部８０は、Ｐ偏光のレーザー光ＬａとＳ偏光のレーザー光Ｌｂとが合成された合成レーザー光Ｌｃを光反射面ＩＳｂから射出する。

集光レンズ２０は、光合成部８０の光路後段に配置され、光合成部８０から射出された合成レーザー光Ｌｃを略集光した状態で、照射される対象物である蛍光体４２に入射させる。

回転蛍光板３０はいわゆる透過型の回転蛍光板である。回転蛍光板３０は、図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すように、モーター５０により回転可能な板材４０上に、蛍光体４２が板材４０の回転方向に沿って連続して形成されてなる。蛍光体４２が形成されている領域は、励起光（青色光）である合成レーザー光Ｌｃが入射する領域を含む。回転蛍光板３０は、合成レーザー光Ｌｃが入射する側と反対側に向けて赤色光と緑色光とを含む混合光ＣＬを射出する。

回転蛍光板３０は、使用時において７５００ｒｐｍで回転する。回転蛍光板３０の片面には、同心で輪帯状の蛍光体４２が設けられている。詳しい説明は省略するが、回転蛍光板３０の直径は例えば５０ｍｍであり、回転蛍光板３０に入射する励起光の光軸が回転蛍光板３０の回転中心から約２２．５ｍｍ離れた場所において蛍光体４２を透過するように構成されている。つまり、回転蛍光板３０は、励起光の集光スポットが約１８ｍ／秒で蛍光体４２上を移動するような回転速度で回転する。

蛍光体４２は、例えば、光源１０から射出された励起光としての合成レーザー光Ｌｃ（青色光）の一部を赤色光及び緑色光を含む光に変換する。つまり、蛍光体４２は、合成レーザー光Ｌｃを、他の波長範囲の成分を含む光に変換する波長変換素子である。具体的には、蛍光体４２は、波長が４４５ｎｍの励起光によって効率的に励起され、光源１０が射出する励起光の一部を、赤色光及び緑色光を含む黄色の蛍光に変換して射出する。黄色の蛍光のうち、長波長側の成分は赤色光として利用され、黄色の蛍光のうち、短波長側の成分は緑色光として利用される。また、合成レーザー光Ｌｃのうち、蛍光体４２で変換されない成分は青色光として利用される。つまり、混合光ＣＬは、赤色光及び緑色光のみならず青色光の成分を含む３色の光が混合されている。

蛍光体４２は、例えば、ＹＡＧ系蛍光体である（Ｙ，Ｇｄ）_３（Ａｌ，Ｇａ）_５Ｏ_１２：Ｃｅを含有する層からなる。蛍光体４２として、励起光（青色光）を赤色光に変換する蛍光体と、励起光（青色光）を緑色光に変換する蛍光体との混合物を含有する層を用いてもよい。

蛍光体４２を支持する板材４０は、例えば、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等の励起光を透過する透明な材料からなる。また、例えば誘電体多層膜からなるダイクロイック膜を蛍光体４２と板材４０との間に設けて蛍光体４２から放射された光のうち板材４０側へ戻る成分を反射させ光の利用効率を向上させるものとしてもよい。

以上により、光源装置において、混合光ＣＬが光源光ＧＬとして形成される。なお、回転蛍光板３０の蛍光体４２から射出された混合光ＣＬの拡がりを抑えて略平行化するコリメート光学系をさらに有する構造として、当該コリメート光学系により平行化された状態の光を光源光ＧＬとして射出させてもよい。

本明細書においては、偏光分離膜ＰＭによって高効率にＰ偏光を透過させ、かつ高効率にＳ偏光を反射させることができる波長範囲のことを、偏光分離帯域と呼ぶ。偏光分離帯域は、例えば偏光分離膜ＰＭの膜設計や偏光分離膜ＰＭへの光の入射角度に依存する。どのような波長帯域の光を入射させる場合であっても、あるいはどのような膜設計を行う場合であっても入射角度が大きいほど偏光分離帯域が広くなる。本実施形態では、レーザー光Ｌａ，レーザー光Ｌｂの入射角度θの値を、レーザー光Ｌａ，レーザー光Ｌｂの波長帯域が広いほど大きくすることで、広い偏光分離帯域を示す光合成部８０を実現している。ただし、その前提として，光入射面ＩＳａ側から入射するレーザー光Ｌａの損失が大きくなりすぎないことも重要である。

図２は、一例として、ホワイトガラス（屈折率ｎ＝１．５２）における偏光の表面反射率を示すグラフであり、横軸を入射角度とし、縦軸を反射率としている。本実施形態において、ホワイトガラスを光合成部８０の基材８０ａとして用いている。グラフにおいて、実線の曲線ＲｐがＰ偏光の反射率であり、破線の曲線ＲｓがＳ偏光の反射率である。ここでは、基材８０ａを透過するＰ偏光であるレーザー光Ｌａに対する反射率が問題となる。グラフに示す通り、ブリュ―スター角度は、約５５°であるため、光合成部８０は、この角度或いはこの角度付近の角度でＰ偏光であるレーザー光Ｌａを効率良く透過させることで、レーザー光Ｌａの基材８０ａにおける透過性を高めることができる。このように、レーザー光Ｌａの偏光分離膜ＰＭへの入射に際して、基材８０ａにおけるレーザー光Ｌａの透過率を十分に高く保つことができれば、光合成部８０の反射防止膜ＡＲを省略する、あるいは反射防止膜ＡＲを簡易に構成できる単層膜の構成とすることができる。

図３は、光合成部８０における入射角度に対する光の利用効率の一例を示すグラフである。具体的に説明すると、図３の例では、光合成部８０の偏光分離膜ＰＭとして、Ｎｂ_２Ｏ_５で形成される膜Ｈを下地として１層設け、その上にさらに、ＳｉＯ_２で形成される膜ＬとＮｂ_２Ｏ_５で形成される膜Ｈとを１組とする積層体が９組重ねられている構造を有するものを使用している。また、レーザー光Ｌａ，レーザー光Ｌｂとして使用する波長帯域を４５０±１５ｎｍとしている。図３のグラフは、この入射角度θを変えた場合の合成による光の利用効率を示している。つまり、図３において、横軸は、入射角度θを示し、縦軸は、入射角度θに対する光の利用効率を示している。この場合、入射角度θが約６０°あたりのときに効率が最も高くなっていることが分かる。つまり、光合成部８０に対して、第１の光であるレーザー光Ｌａを、４５°より大きな角度で、より好ましくは６０°近傍の角度で入射させて透過させ、第２の光であるレーザー光Ｌｂを、４５°より大きな角度で、より好ましくは６０°近傍の角度で入射させて反射することで、高効率に光の合成を行うことができる。これにより、光源の大型化を抑制しつつ高輝度な光を形成できる。つまり、入射させる光の入射角度θを４５°より大きくして、最大の効率が得られる６０°に近づけることで、Ｐ偏光の透過率とＳ偏光の反射率とをより高くすることができる。さらに、より広い波長帯域の光に対してＰ偏光の透過率とＳ偏光の反射率とを高くすることができる。これにより、合成後における全体としての光の利用効率を上げることができる。一方、入射角度θを６０°よりも大きくすると、光合成部８０の光入射面ＩＳａ側において、ブリュースター角との関係でＰ偏光すなわち第１の光であるレーザー光Ｌａの反射率が上昇し、レーザー光Ｌａのうち光合成部８０を透過できない成分が増加する。すなわち、レーザー光Ｌａの反射によるロスが大きくなる。そのため、合成後における全体としての光の利用効率が下がっていくことになる。ここでは、光の利用効率が最も高くなる入射角度θ（本実施形態では約６０°）を、最大効率角度と呼び、図示のように、角度αで示すものとする。以上のことから、例えば、レーザー光Ｌａ，レーザー光Ｌｂの入射角度θを、ブリュースター角以上であって最大効率角度α以下の範囲となるように設定することで、特に光の利用効率を上げられる。

また、入射角度θを下記のように設定してもよい。例えば、βを（４５°＋α）／２（＞４５°）とし、εをα−βとし、γをα＋ε（＝２α−β）としたとき、入射角度θをβ以上かつγ以下とすることが好ましい。このようにレーザー光Ｌａの入射角度θ１とレーザー光Ｌｂの入射角度θ２を設定すれば、レーザー光Ｌａの入射角度θ１とレーザー光Ｌｂの入射角度θ２が従来の４５°である場合に比べて、十分に高い利用効率を確保することができる。例えば、図３の場合、入射角度が４５°では、最大効率角度αのときに比べて相対的に１０％以上効率が落ちるのに対して、上記範囲では、最大効率角度αのときに比べて相対的に効率の下がり具合を１０％未満に抑えられ、比較的高い効率が得られる。

また、入射角度θを下記のように設定してもよい。例えば、Ｐ偏光の透過率を所望の値以上に維持し、かつ、Ｓ偏光の反射率を所望の値以上に維持できる入射角度θの下限をθａとする。θａは４５°より大きい値である。また、ブリュースター角を基準にして、透過光（第１の光）の反射によるロスを所望の値以下に維持できる入射角度θの上限をθｂとする。θｂはブリュースター角よりも大きい値である。そして、入射角度θをθａ以上かつθｂ以下の範囲に設定してもよい。このようにレーザー光Ｌａの入射角度θ１とレーザー光Ｌｂの入射角度θ２を設定すれば、第１の光の波長帯域及び第２の光の波長帯域のうち偏光分離帯域に含まれない帯域が生じて光の利用効率が下がることを回避することができる。このように、光合成部８０を透過すべきレーザー光Ｌａが反射することによって生じる光の利用効率が下がることを抑制できるものとしてもよい。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態に係る光源装置について説明する。なお、本実施形態に係る光源装置は、第１実施形態に係る光源装置１００の変形例であり、光合成部８０より後段の構造を除いて、光源装置１００と同様であるため、全体の説明を省略する。

図４に示すように、本実施形態に係る光源装置１０２は、光源１０、光合成部８０、光合成部８０からの光の強度分布を均一にするケーラー照明系２２、集光レンズ２０、回転蛍光板３０及びモーター５０を備える。光源１０は、第１光源部１０ａ及び第２光源部１０ｂを有する。ケーラー照明系２２は、光のビーム断面を調整するアフォーカル系２２ｂと、入射した光を分割するレンズアレイインテグレーター２２ｃとを有することにより、ケーラー照明にて蛍光体４２を均一に照明する。この点において、クリティカル照明を行う第１実施形態の光源装置１００と異なる。

ケーラー照明系２２のうちアフォーカル系２２ｂは、正のレンズＬ１と負のレンズＬ２を組み合わせたレンズ群で構成される。アフォーカル系２２ｂは、平行化された入射光の平行性を維持しつつ、そのビーム断面即ち光束断面の大きさを調整する。アフォーカル系２２ｂによってビーム断面を調整された励起光は、レンズアレイインテグレーター２２ｃに入射する。なお、ここでは、光束断面を小さくするように調整している。

レンズアレイインテグレーター２２ｃは、一対のレンズアレイＡＲ１，レンズアレイＡＲ２で構成される。レンズアレイインテグレーター２２ｃは、アフォーカル系２２ｂから入射した光を分割して被照射面である蛍光体４２上において重畳させるように射出させることで、ある程度の広がりを維持しつつ光の強度分布を均一化する。

以上のように、アフォーカル系２２ｂ、及びレンズアレイインテグレーター２２ｃは、光合成部８０からの合成光である合成レーザー光Ｌｃを調整してケーラー照明を可能にする光調整光学系として機能する。

以上のような構成から、第１光源部１０ａからのレーザー光Ｌａ及び第２光源部１０ｂからのレーザー光Ｌｂは、コリメートレンズアレイ１２ａ及びコリメートレンズアレイ１２ｂによってそれぞれ略平行化されるとともに光合成部８０によって合成される。合成によって形成された合成レーザー光Ｌｃは、ケーラー照明系２２によって、均一化されて射出される。

本実施形態の場合、光源１０、光合成部８０及びケーラー照明系２２を経た合成レーザー光Ｌｃ（励起光）は、その強度分布が均一化された状態で、集光レンズ２０を経て回転蛍光板３０の蛍光体４２に入射するため、過度に強度が強い励起光が蛍光体４２に局所的に照射されることを防止することができる。そのため、蛍光体４２の発光効率の低下や、蛍光体４２の劣化が起こりにくくなる。

本実施形態においても、光合成部８０において、４５°より大きな角度で、第１の光であるレーザー光Ｌａを入射させて透過し、４５°より大きな角度で、第２の光であるレーザー光Ｌｂを入射させて反射することで、高効率に光の合成を行うことができ、光源の大型化を抑制しつつ高輝度な光を形成できる。

〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態として、光源装置を備えるプロジェクターについて説明する。図５は、上述した光源装置を備えるプロジェクターの一例を示す図である。ここでは、一例として図４の光源装置１０２を用いたプロジェクター８００を示すが、光源装置１０２に代えて、図１の光源装置１００を適用することも可能である。

図５のプロジェクター８００は、照明光を形成する装置として、光源装置１０２を含む照明装置１１０を備える。照明装置１１０は、上述した光源装置１０２のほか、ピックアップレンズ６０ａ，ピックアップレンズ６０ｂで構成されるピックアップレンズ群６０、第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０、偏光変換素子１４０、重畳レンズ１５０を備える。さらに、プロジェクター８００は、色分離導光光学系２００、光変調装置としての液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５００及び投射光学系６００を備えている。また、色分離導光光学系２００と液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂとの間各々には、集光レンズ３００Ｒ，集光レンズ３００Ｇ，集光レンズ３００Ｂが配置されている。

照明装置１１０は、光源装置１０２から射出される光源光を利用して、上記光変調装置４００Ｒ，光変調装置４００Ｇ，光変調装置４００Ｂを照明するための照明光を形成する。

ピックアップレンズ群６０は、ピックアップレンズ６０ａ，ピックアップレンズ６０ｂで構成され、光源装置１０２から発散しながら射出される光源光ＧＬを略平行化するコリメート光学系として機能する。

第１レンズアレイ１２０は、光源装置１０２からの光を複数の部分光束に分割するための複数の第１小レンズ１２２を有する。第１レンズアレイ１２０は、ピックアップレンズ群６０を経た光を複数の部分光束に分割する光束分割光学素子として機能する。第１レンズアレイ１２０は、光源装置１０２の光軸ＡＸの延長上の軸である照明装置１１０の照明光軸ＡＸ１と直交する面内に、複数の第１小レンズ１２２をマトリクス状に配列した構成を有する。図示による説明は省略するが、第１小レンズ１２２の外形形状は、液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域の外形形状と略相似形である。

第２レンズアレイ１３０は、第１レンズアレイ１２０の複数の第１小レンズ１２２に対応する複数の第２小レンズ１３２を有する。第２レンズアレイ１３０は、重畳レンズ１５０とともに、第１レンズアレイ１２０の各第１小レンズ１２２の像を液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域近傍に結像させる機能を有する。第２レンズアレイ１３０は、複数の第２小レンズ１３２が照明光軸ＡＸ１に直交する面内にマトリクス状に配列された構成を有する。

偏光変換素子１４０は、第１レンズアレイ１２０により分割された各部分光を偏光方向の揃った略１種類の直線偏光光として射出する光学素子である。偏光変換素子１４０は、光源装置１０２からの光に含まれる偏光成分のうち一方の直線偏光成分をそのまま透過し、他方の直線偏光成分を照明光軸ＡＸ１に垂直な方向に反射する偏光分離層と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を照明光軸ＡＸ１に平行な方向に反射する反射層と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板と、を有する。

重畳レンズ１５０は、偏光変換素子１４０からの各部分光束を集光して液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域近傍に重畳させるための光学素子である。重畳レンズ１５０の光軸と光源装置１０２の光軸とが略一致するように、重畳レンズ１５０が配置されている。重畳レンズ１５０は、複数のレンズを組み合わせた複合レンズで構成されていてもよい。第１レンズアレイ１２０、第２レンズアレイ１３０及び重畳レンズ１５０は、光源装置１０２からの光の面内光強度分布を均一にするインテグレーター光学系を構成する。

なお、第１レンズアレイ１２０及び第２レンズアレイ１３０を用いたレンズインテグレーター光学系の代わりに、ロッドレンズを用いたロッドインテグレーター光学系を用いてもよい。

色分離導光光学系２００は、ダイクロイックミラー２１０，ダイクロイックミラー２２０、反射ミラー２３０，反射ミラー２４０，反射ミラー２５０，リレーレンズ２６０及びリレーレンズ２７０を備えている。色分離導光光学系２００は、照明装置１１０からの光を赤色光、緑色光及び青色光に分離し、赤色光、緑色光及び青色光のそれぞれの色光を照明対象となる液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂに導光する機能を有する。

ダイクロイックミラー２１０，ダイクロイックミラー２２０は、基板上に、所定の波長領域の光を反射して他の波長領域の光を通過させる波長選択透過膜が形成されたミラーである。ダイクロイックミラー２１０，ダイクロイックミラー２２０のうち、ダイクロイックミラー２１０は、赤色光成分を反射し、緑色光成分及び青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。ダイクロイックミラー２２０は、緑色成分を反射して青色光成分を通過させるダイクロイックミラーである。反射ミラー２３０は、赤色光成分を反射するミラーである。反射ミラー２４０，反射ミラー２５０は、青色光成分を反射するミラーである。

ダイクロイックミラー２１０で反射された赤色光は、反射ミラー２３０で反射され、集光レンズ３００Ｒを通過して赤色光用の液晶光変調装置４００Ｒの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２１０を通過した緑色光は、ダイクロイックミラー２２０で反射され、集光レンズ３００Ｇを通過して緑色光用の液晶光変調装置４００Ｇの画像形成領域に入射する。ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光は、リレーレンズ２６０、入射側の反射ミラー２４０、リレーレンズ２７０、射出側の反射ミラー２５０、集光レンズ３００Ｂを経て青色光用の液晶光変調装置４００Ｂの画像形成領域に入射する。リレーレンズ２６０，リレーレンズ２７０，反射ミラー２４０及び反射ミラー２５０は、ダイクロイックミラー２２０を通過した青色光成分を液晶光変調装置４００Ｂまで導くリレー光学系として機能する。

液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂは、入射した色光を画像情報に応じて変調しカラー画像を形成する。

液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂは、入射した色光を画像情報に応じて変調しカラー画像を形成する。液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂは、照明装置１１０の照明対象となる。図示を省略したが、各集光レンズ３００Ｒ，集光レンズ３００Ｇ，集光レンズ３００Ｂと各液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂとの間には、それぞれ入射側偏光板が配置され、液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂとクロスダイクロイックプリズム５００との間には、それぞれ射出側偏光板が配置されている。入射側偏光板、液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂ及び射出側偏光板によって、入射した各色光の光変調が行われる。

液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂは、一対の透明なガラス基板の間に電気光学物質である液晶を密閉封入した透過型の液晶光変調装置である。液晶光変調装置４００Ｒ，液晶光変調装置４００Ｇ，液晶光変調装置４００Ｂは、例えばポリシリコンＴＦＴをスイッチング素子として備え、与えられた画像信号に応じて、入射側偏光板から射出された１種類の直線偏光の偏光方向を変調する。

クロスダイクロイックプリズム５００は、射出側偏光板から射出された色光毎に変調された光学像を合成してカラー画像を形成する光学素子である。クロスダイクロイックプリズム５００は、４つの直角プリズムを貼り合わせた平面視略正方形形状をなす。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。略Ｘ字状の一方の界面に形成された誘電体多層膜は、緑色光及び青色光を通過させ赤色光を反射する誘電体多層膜であり、他方の界面に形成された誘電体多層膜は、赤色光及び緑色光を通過させ青色光を反射する誘電体多層膜である。略Ｘ字状の界面に形成された２種類の誘電体多層膜によって赤色光及び青色光は曲折され、緑色光の進行方向と揃えられることにより、３つの色光が合成される。

クロスダイクロイックプリズム５００から射出されたカラー画像は、投射光学系６００によって拡大投射され、スクリーン上で画像を形成する。

以上のように、上記構成のプロジェクター８００によれば、照明装置１１０に用いる光源装置１０２において効率的に光の合成を行うことができ、光源の大型化を抑制しつつ高輝度な光を形成できる。従って、プロジェクター８００は、光源の大型化を抑制しつつ、高輝度で明るい画像を形成することができる。

〔第４実施形態〕
以下、第４実施形態に係る光源装置について説明する。なお、本実施形態に係る光源装置は、第２実施形態に係る光源装置１０２等の変形例であり、光反射型の波長変換素子の構造を有することを除いて、光源装置１０２等と同様であるため、全体の説明を省略する。

図６に示すように、本実施形態に係る光源装置１０４は、光源１０、光合成部８０、光合成部８０からの光を均一照明可能にするケーラー照明系２２、回転蛍光板３４、モーター５０、集光光学系であるとともにコリメート光学系としても機能するピックアップレンズ７０及び波長分離素子９０を備え、光源１０は、第１光源部１０ａ及び第２光源部１０ｂを有する。ケーラー照明系２２は、光のビーム断面を調整するアフォーカル系２２ｂと、入射した光を分割するレンズアレイインテグレーター２２ｃとを有することにより、ケーラー照明にて蛍光体４２を均一に照明する。

波長分離素子９０は、図示のように、ケーラー照明系２２から回転蛍光板３４までの光路中に、光源１０及び光合成部８０の光軸ＡＸとこれに直交する回転蛍光板３４の光軸ＡＸｃに対して４５°の角度でそれぞれ交わるように配置され、光合成部８０を経た合成光である合成レーザー光Ｌｃを、回転蛍光板３４に向けて反射する。波長分離素子９０は、合成レーザー光Ｌｃの波長範囲である４３０〜４５０ｎｍの範囲の光の成分についてはそのほとんどを反射する。つまり、合成レーザー光Ｌｃのうち主たる成分のほとんどが波長分離素子９０で反射され、回転蛍光板３４に向かう。

ピックアップレンズ７０は、回転蛍光板３４と波長分離素子９０との間の光路中に配置されており、波長分離素子９０で反射された合成レーザー光Ｌｃを略集光した状態で蛍光体４２に入射させる。つまり、ピックアップレンズ７０は、合成レーザー光Ｌｃを集光させる集光光学系として機能するが、後述するように蛍光体４２を経た混合光ＣＬに対するコリメート光学系としても機能する。

回転蛍光板３４はいわゆる反射型の回転蛍光板である。回転蛍光板３４は、モーター５０により回転可能な板材４４の一部に、蛍光体４２が板材４４の回転方向に沿って連続して形成されてなる。

回転蛍光板３４は、使用時において７５００ｒｐｍで回転する。回転蛍光板３４の片面には、同心で輪帯状の蛍光体４２が設けられている。詳しい説明は省略するが、回転蛍光板３４の直径は例えば５０ｍｍであり、回転蛍光板３４に入射する励起光の光軸が回転蛍光板３４の回転中心から約２２．５ｍｍ離れた場所において蛍光体４２を透過するよう構成されている。つまり、回転蛍光板３４は、励起光の集光スポットが約１８ｍ／秒で蛍光体４２上を移動するような回転速度で回転する。

蛍光体４２を支持する板材４４は、石英ガラス、水晶、サファイア、光学ガラス、透明樹脂等の励起光を透過する透明な材料からなるものでもよく、金属等の励起光を透過しない不透明な材料からなるものでもよい。また、例えば誘電体多層膜からなるダイクロイック膜を蛍光体４２と板材４４との間に設けて蛍光体４２から放射された光のうち板材４４側へ向かう成分を波長分離素子９０側へ反射させ光の利用効率を向上させるものとしてもよい。

ピックアップレンズ７０は、回転蛍光板３４の蛍光体４２から射出された混合光ＣＬの拡がりを抑えて略平行化する。つまり、ピックアップレンズ７０は、回転蛍光板３４からの光である混合光ＣＬに対してこれを平行化するコリメート光学系として機能する。

ここで、波長分離素子９０は、ピックアップレンズ７０を経た混合光ＣＬの成分のうちの一部をカットして光源光ＧＬとして射出する。つまり、波長分離素子９０は、蛍光体４２を経た成分のうち、青色光の波長帯域の光を反射する。これにより、緑色光と赤色光とを含む黄色光が光源光ＧＬとして射出される。

なお、図示等を省略するが、例えば、光源装置１０４からの光源光ＧＬと、別光源からの青色レーザー光とを合成させることで、カラー画像を形成可能にする白色光を形成する光源装置とすることができる。

本実施形態においても、光合成部８０において、４５°より大きな角度で、第１の光であるレーザー光Ｌａを入射させて透過し、４５°より大きな角度で、第２の光であるレーザー光Ｌｂを入射させて反射することで、高効率に光の合成を行うことができ、光源の大型化を抑制しつつ高輝度な光を形成できる。

〔その他〕
以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記の実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば次のような変形も可能である。

上記では、蛍光体４２は、モーター５０により回転される板材４０上に形成され、励起光の照射により生じた蛍光体４２の熱は板材４０の回転方向に沿った広い領域において放散し、蛍光体４２の発熱による発光効率の低下を抑制しているが、発光効率の低下の恐れがない場合には、回転機構を設けずに蛍光体４２を設置してもよい。

また、例えば図１（Ｂ）では、板材４０を円板としているが、板材４０は円板に限られない。

回転蛍光板に形成する蛍光体として、青色の励起光によって赤色光と緑色光を放射する例を説明したが、蛍光体はこのようなものに限定されない。例えば、紫色光又は紫外光を励起光として用い、該励起光によって赤色光、緑色光及び青色光の３つの色光を放射する蛍光体を用いてもよい。

蛍光体として、１種類の蛍光体が板材の回転方向に沿って連続して形成される例を説明したが、蛍光体の構成はこれに限定されない。特許文献１の回転蛍光板のように、板材の回転方向に沿って複数種類の蛍光体を形成し、複数の色光を順次発光可能な構成としてもよい。回転蛍光板から順次発光された複数の色光は１つの光変調装置によって変調され、カラー画像を形成する。

また、上記では、蛍光を発生させる蛍光体４２が、合成光である合成レーザー光Ｌｃを照射される対象物としているが、対象物は、蛍光体に限らず、例えば光を拡散させる拡散板であってもよい。

また、上記では、第１光源部１０ａ及び第２光源部１０ｂとして、レーザー光を射出させるレーザー光源としているが、光源は他の固体光源であってもよく、さらに、キセノンランプや水銀ランプであってもよい。たとえば、非偏光を射出するキセノンランプを第１光源部１０ａとして用いる場合、第１光源部１０ａは、第１光源部１０ａから射出される光をＰ偏光に変換するための偏光変換素子をさらに備える。また、非偏光を射出するキセノンランプを第２光源部１０ｂとして用いる場合、第２光源部１０ｂは、第２光源部１０ｂから射出される光をＳ偏光に変換するための偏光変換素子をさらに備える。これにより、第１光源部１０ａから射出される光と第２光源部１０ｂから射出される光とを高い効率で合成することができる。

１００，１０２，１０４…光源装置、１０…光源、１０ａ…第１光源部、１０ｂ…第２光源部、２０…集光レンズ、３０…回転蛍光板（回転板）、４０…板材、４２…蛍光体（波長変換素子）、５０…モーター、６０…ピックアップレンズ、８０…光合成部、９０…波長分離素子、１１０…照明装置、４００Ｒ，４００Ｇ，４００Ｂ…光変調装置、６００…投射光学系、８００…プロジェクター、Ｌａ，Ｌｂ…レーザー光、Ｌｃ…合成レーザー光、ＣＬ…混合光

Claims (8)

1. 第１の光を射出する第１光源部と、
   第２の光を射出する第２光源部と、
   前記第１光源部から射出された前記第１の光と前記第２光源部から射出された前記第２の光とを合成し、合成光として射出する光合成部と、
   を備える光源装置であって、
   前記光合成部は、第１の方向に偏光している光を透過させ、かつ、該第１の方向に直交する第２の方向に偏光している光を反射する偏光分離膜を有し、
   前記第１の光は前記第１の方向に偏光しており、
   前記第２の光は前記第２の方向に偏光しており、
   前記第１の光の前記偏光分離膜への入射角度θ１及び前記第２の光の前記偏光分離膜への入射角度θ２は、４５°より大きく、
   前記第１の光の波長帯域及び前記第２の光の波長帯域に応じて定まる最も偏光合成の効率を高める前記偏光分離膜への入射角度を最大効率角度αとし、βを（ ４５°＋α）／２としたとき、式（１）、式（２）及び式（３）を満足することを特徴とする光源装置。
   ４５°＜α （１）
   β≦θ１≦２α−β （２）
   β≦θ２≦２α−β （３）
2. 前記第１の光の前記偏光分離膜への入射角度θ１は前記第２の光の前記偏光分離膜への入射角度θ２と等しいことを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１光源部の光軸と前記第２光源部の光軸とのなす角は、９０°より小さいことを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の光源装置。
4. 前記光合成部から射出された前記合成光を集光する集光光学系と、
   前記集光光学系で集光された前記合成光が照射される対象物と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の光源装置。
5. 前記光合成部から射出された前記合成光のビーム断面を調整するアフォーカル系と、
   前記アフォーカル系の後段に配置され、入射した光を分割して所定位置において重畳させるように射出させるレンズアレイインテグレーターと、
   前記所定位置に配置され、前記レンズアレイインテグレーターから射出された光が照射される対象物と、をさらに備えることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記対象物は、光を拡散させる拡散板又は蛍光を発生させる蛍光体のうち少なくとも一方であることを特徴とする請求項４または５に記載の光源装置。
7. 前記対象物を回転可能に保持する回転板をさらに備えることを特徴とする請求項４から６までのいずれか一項に記載の光源装置。
8. 請求項１から７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、
   前記光変調装置からの変調光を画像として投射する投射光学系と、
   を備えることを特徴とするプロジェクター。

Images