JP6353583B2 - 光源装置及び画像投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、光源装置及び画像投影装置に関し、より詳細には、例えばプロジェクタ等の投影型画像表示装置（画像投影装置）の光源として用いる光源装置及びそれを備える画像投影装置に関する。

近年、家庭内での映画鑑賞や会議でのプレゼンテーション等において、例えばプロジェクタ等の投影型画像表示装置を用いる機会が増えている。このようなプロジェクタでは、一般に、光源として、例えば高輝度の水銀ランプ等の放電型ランプが用いられる。また、最近の固体発光素子（例えば半導体レーザ、発光ダイオード等）の開発技術の進展に伴い、固体発光素子を利用したプロジェクタも提案されている（例えば特許文献１参照）。

特許文献１で提案されているプロジェクタは、ＤＬＰ（Digital Light Processing：登録商標）方式のプロジェクタである。この方式のプロジェクタでは、異なる色の光を１秒間に数千回程度、時分割で表示することにより画像をフルカラー表示する。それゆえ、特許文献１のプロジェクタでは、固体発光素子を用いた赤色発光装置、緑色発光装置及び青色発光装置をそれぞれ別個に用意し、各発光装置からの出射光を時分割制御して外部に射出して画像光を表示する。

なお、特許文献１のプロジェクタで用いられる各発光装置は、回転駆動される発光ホイールと、発光ホイールの表面に形成され、励起光を吸収して所定色の光を発光する発光体と、励起光を射出する励起光源（固体発光素子）とで構成される。また、各発光装置に用いる励起光源としては、発光体で発光する光の波長帯域より短い波長帯域の励起光を射出する光源が用いられる。

特開２０１０−８６８１５号公報

上述のように、従来、水銀ランプを用いないプロジェクタが提案されており、このようなプロジェクタでは、水銀レスのプロジェクタを実現することができ、近年の環境問題に対応することが可能である。また、例えば半導体レーザ、発光ダイオード等の固体発光素子を光源として用いた場合、水銀ランプに比べて長寿命であり、輝度低下も小さいという利点も得られる。

しかしながら、上記特許文献１で提案されている技術は、ＤＬＰ（登録商標）方式のプロジェクタ等のように、互いに波長の異なる複数の単色光を時分割で射出する光源装置（照明装置）にのみ適用可能である。例えば、３ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）方式のプロジェクタ等の画像表示装置のように、白色光を射出する光源装置を必要とする用途には、上記特許文献１で提案されている技術を適用することができない。

本発明は、上記現状を鑑みなされたものであり、本発明の目的は、例えば３ＬＣＤ方式のプロジェクタ等の様々な用途に対しても適用可能な水銀レスの光源装置及びそれを備える画像投影装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明の光源装置は、第１の色光を含む励起光を射出する励起光源と、励起光が入射されることにより励起光の少なくとも一部を第１の色光とは異なる第２の色光に変換する蛍光体と、蛍光体に対して励起光の入射側とは反対側に設けられる反射部材と、を有する蛍光部材と、励起光源と蛍光部材との間の光路上に設けられ、第１の色光における第１偏光成分および第２偏光成分のうち第２偏光成分を第１偏光成分へ変換し、第１偏光成分に変換された第１の色光と反射部材で反射された第２の色光を射出する１／４波長板と、を備える。本明細書で「波長」という場合は、単一波長だけでなく所定の波長帯域も含む意味である。

また、本発明の画像投影装置は、光源装置部と、画像投影部とを備える構成とし、各部の機能を次のようにする。光源装置部は、上記本発明の光源装置と同様の構成にする。そして、画像投影部は、光源装置部から射出された光を用いて所定の画像光を生成し、該生成した画像光を外部に投影する。

本発明では、光源装置（光源装置部）は、蛍光体で発光した第２の波長帯を有する光（第２の色光）と、蛍光体及び第１の反射膜で反射した第１の波長帯（第１の色光）を有する励起光の一部とを含む合波光を射出する。すなわち、本発明では、第１の色光を含む励起光及び発光光（第２の色光）とは異なる波長帯域の光を射出する。それゆえ、本発明では、例えば、励起光を青色光とし、発光光を赤色光及び緑色光の両成分を含む光（例えば黄色光等）とした場合には、白色光を光源装置（光源装置部）から射出することができる。

上述のように、本発明の光源装置（光源装置部）では、第１の色光を含む励起光及び発光光（第２の色光）とは異なる波長帯域の光を射出することができ、励起光の第１の波長帯と発光光の第２の波長帯との組み合わせを適宜設定することにより、例えば白色光等の光を射出することができる。それゆえ、本発明によれば、例えば３ＬＣＤ方式のプロジェクタ等の様々な用途に対しても適用可能な水銀レスの光源装置及びそれを備える画像投影装置を提供することができる。

本発明の一実施形態に係る画像表示装置の概略ブロック構成図である。 本発明の一実施形態に係る光源装置部（照明装置）に用いる蛍光部材の概略構成図である。 蛍光部材で用いる反射膜の一構成例を示す図である。 本発明の一実施形態に係る光源装置部で用いる偏光ビームスプリッタの分光特性例を示す図である。 偏光ビームスプリッタの動作を説明するための図である。 本発明の一実施形態に係る光源装置部（照明装置）の出射光のスペクトル特性である。 変形例１の分光光学系の構成例を示す図である。

以下に、本発明の実施形態に係る照明装置（光源装置）及びそれを備える画像表示装置の一例を、図面を参照しながら下記の順で説明する。なお、本実施形態では、画像表示装置として、３ＬＣＤ方式のプロジェクタ（画像投影装置）を例に挙げ説明するが、本発明はこれに限定されず、白色光を必要とする任意の画像表示装置に適用可能であり、同様の効果が得られる。
１．画像表示装置の構成例
２．光源装置部（照明装置）の構成例
３．蛍光部材の構成例
４．偏光ビームスプリッタの構成例
５．光源装置部の動作例
６．各種変形例

［１．画像表示装置の構成例］
図１に、本発明の一実施形態に係る画像表示装置の概略構成を示す。なお、図１では、説明を簡略化するため、主に、本実施形態の画像表示装置１０において画像光を外部に投影する際に動作する要部のみを示す。また、図１には、透過型のＬＣＤ光変調素子を用いた３ＬＣＤ方式のプロジェクタの構成例を示すが、本発明はこれに限定されない。本発明は、反射型のＬＣＤ光変調素子を用いる３ＬＣＤ方式のプロジェクタにも適用可能である。

画像表示装置１０は、光源装置部１（照明装置）と、光学エンジン部２（画像投影部）とを備える。なお、光源装置部１の構成の説明は後で詳述する。

光学エンジン部２は、光源装置部１から射出された光（この例では白色光ＬＷ）を光学的に処理して画像光ＬＩを生成し、その画像光ＬＩを外部の例えばスクリーン等に拡大投影する。光学エンジン部２は、例えば、分光光学系２０と、３つのＬＣＤ光変調素子（以下では、それぞれ第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３という）と、プリズム２４と、投影光学系２５とを有する。なお、光学エンジン部２の構成は、図１に示す例に限定されず、例えば用途等に応じて適宜変更できる。例えば、光学エンジン部２内の各構成部間の光路上に必要となる各種光学素子を適宜配置してもよい。

また、この例の光学エンジン部２では、第１ＬＣＤパネル２１の光出射面と、第３ＬＣＤパネル２３の光出射面とが対向するように両者を配置し、その両者の対向方向と直交する方向に第２ＬＣＤパネル２２を配置する。そして、第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３の光出射面で囲まれた領域にプリズム２４を配置する。また、この例では、プリズム２４を挟んで、第２ＬＣＤパネル２２の光出射面と対向する位置に投影光学系２５を配置する。なお、分光光学系２０は、第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３の光入射側に設けられる。

分光光学系２０は、例えばダイクロイックミラー、反射ミラー等で構成され、光源装置部１から入射される白色光ＬＷを、青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲに分光し、各波長成分の光を対応するＬＣＤパネルに射出する。この例では、分光光学系２０は、分光した青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ及び赤色光ＬＲをそれぞれ、第１ＬＣＤパネル２１、第２ＬＣＤパネル２２及び第３ＬＣＤパネル２３に射出する。なお、本実施形態では、分光光学系２０内において、各波長成分の偏光方向も所定の方向になるように調整される。

第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３のそれぞれは、透過型のＬＣＤパネルで構成される。各ＬＣＤパネルは、図示しないパネルドライブ部からの駆動信号に基づいて、液晶セル（不図示）に封入された液晶分子の配列を変化させることにより、入射光を液晶セル単位で透過または遮断する（変調する）。そして、各ＬＣＤパネルは、変調した所定波長の光（変調光）をプリズム２４に射出する。

プリズム２４は、第１ＬＣＤパネル２１〜第３ＬＣＤパネル２３からそれぞれ入射された各波長成分の変調光を合波し、その合波光、すなわち、画像光ＬＩを投影光学系２５に射出する。

投影光学系２５は、プリズム２４から入射された画像光を、例えば外部のスクリーン等の表示面に拡大投影する。

［２．光源装置部１の構成例］
次に、本実施形態の光源装置部１の内部構成を、図１を参照しながら説明する。光源装置部１は、励起光源１１と、偏光ビームスプリッタ１２（分光光学系）と、１／４波長板１３と、集光光学系１４（光学系）と、蛍光部材１５と、モータ１６（駆動部）とを備える。

本実施形態の光源装置部１では、蛍光部材１５側から、蛍光部材１５の後述する反射膜３１及び蛍光体層３２、集光光学系１４、１／４波長板１３、並びに、偏光ビームスプリッタ１２が、この順で蛍光部材１５からの出射光の光路上に配置される。また、励起光源１１は、蛍光部材１５からの出射光の光路と直交する方向で且つ偏光ビームスプリッタ１２の一つの光入射面に対向する位置に配置される。

励起光源１１は、所定波長（第１の波長）の光を射出する固体発光素子で構成する。この例では、励起光源１１として、波長４４５ｎｍの青色光（励起光Ｂｓ）を射出する青色レーザを用いる。また、励起光源１１からは、直線偏光（Ｓ偏光）の励起光Ｂｓを射出する。なお、本実施形態では、励起光の波長を、蛍光部材１５内の後述する蛍光体層３２で発光する光（以下、発光光という）の波長より短くする。

また、青色レーザで励起光源１１を構成する場合、一つの青色レーザで所定出力の励起光Ｂｓを得る構成にしてもよいが、複数の青色レーザからの出射光を合波して所定出力の励起光Ｂｓを得る構成にしてもよい。さらに、青色光（励起光Ｂｓ）の波長は４４５ｎｍに限定されず、青色光と呼ばれる光の波長帯域内の波長であれば任意の波長を用いることができる。

偏光ビームスプリッタ１２（ＰＢＳ）は、励起光源１１から入射される励起光Ｂｓと、蛍光部材１５から入射される出射光（合波光）とを分離する。具体的には、偏光ビームスプリッタ１２は、励起光源１１から入射された励起光Ｂｓを反射して、その反射光を、集光光学系１４を介して蛍光部材１５に射出する。また、偏光ビームスプリッタ１２は、蛍光部材１５から射出された光を透過し、その透過光を光学エンジン部２内の分光光学系２０に射出する。

本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２で上述のような光の分離動作が実現されるように、偏光ビームスプリッタ１２の分光特性を設計する。なお、偏光ビームスプリッタ１２の分光特性の具体例は後で詳述する。また、励起光源１１から入射された励起光Ｂｓと、蛍光部材１５からの出射光とを分離する光学系の構成としては、偏光ビームスプリッタ１２に限定されず、上述した光の分離動作を可能にする構成であれば、任意の光学系を用いることができる。

１／４波長板１３は、入射光に対してπ／２の位相差を生じさせる位相素子であり、入射光が直線偏光の場合には直線偏光を円偏光に変換し、入射光が円偏光の場合には円偏光を直線偏光に変換する。本実施形態では、１／４波長板１３は、偏光ビームスプリッタ１２から射出される直線偏光の励起光を円偏光の励起光に変換し、蛍光部材１５から射出される合波光に含まれる円偏光の励起光成分を直線偏光に変換する。

集光光学系１４は、１／４波長板１３から射出された励起光を所定のスポット径に集光し、該集光した励起光（以下、集光光という）を蛍光部材１５に射出する。また、集光光学系１４は、蛍光部材１５から射出される合波光を平行光に変換し、その平行光を１／４波長板１３に射出する。なお、集光光学系１４は、例えば、一枚のコリメートレンズで構成してもよいし、複数のレンズを用いて入射光を平行光に変換する構成にしてもよい。

蛍光部材１５は、集光光学系１４を介して入射された励起光（青色光）の一部を吸収し、所定波長帯域（第２の波長）の光を発光するとともに、残りの励起光を反射する。そして、蛍光部材１５は、発光光と反射した励起光の一部とを合波し、その合波光を集光光学系１４に射出する。

この例では、光学エンジン部２に入射する光を白色光ＬＷとするので、蛍光部材１５は、励起光により、緑色光及び赤色光を含む波長帯域（約４８０〜６８０ｎｍ）の光を発光する。そして、本実施形態では、緑色光及び赤色光を含む波長帯域の発光光と、蛍光部材１５（後述する反射膜３１及び蛍光体層３２）で反射する励起光（青色光）の一部とを合波して白色光を生成する。なお、蛍光部材１５のより詳細な構成は、後で詳述する。

また、蛍光部材１５から射出される発光光は、ランバーシアン（均等拡散）状に広がる光であるので、集光光学系１４と蛍光部材１５との間の距離が長いと集光光学系１４で発光光を十分集光することができなくなり、励起光の利用効率が低下する。また、蛍光部材１５に照射する励起光のスポット径が大きすぎると、発光光の広がりも大きくなり、この場合も同様に励起光の利用効率が低下する。それゆえ、本実施形態では、十分な励起光の利用効率が得られるように、集光光学系１４の例えばレンズ構成、焦点距離及び配置位置等の構成や、集光光学系１４と蛍光部材１５との距離が設定される。

モータ１６は、蛍光部材１５を所定の回転数で回転駆動する。この際、モータ１６は、励起光の照射方向に直交する面（後述する蛍光体層３２の励起光の照射面）内で、蛍光部材１５が回転するように蛍光部材１５を駆動する。これにより、蛍光部材１５内の励起光の照射位置が、励起光の照射方向に直交する面内において回転数に対応した速度で時間的に変化（移動）する。

上述のように蛍光部材１５をモータ１６で回転駆動して蛍光部材１５内の励起光の照射位置を時間とともに変化させることにより、照射位置の温度上昇を抑制することができ、蛍光体層３２の発光効率の低下を防止することができる。また、蛍光体原子が励起光を吸収して発光するまでに多少時間（例えば数ｎｓｅｃ程度）が掛かり、その励起期間中に、次の励起光が蛍光体原子に照射されてもその励起光に対しては発光しない。しかしながら、本実施形態のように蛍光部材１５内の励起光の照射位置を時間とともに変化させることにより、励起光の照射位置には、励起されていない蛍光体原子が次々と配置されることになり、蛍光体層３２をより効率よく発光させることができる。

なお、本実施形態では、モータ１６により蛍光部材１５を回転駆動する例を示すが、本発明はこれに限定されず、蛍光部材１５中の励起光の照射位置が時間とともに変化する構成であれば任意の構成にすることができる。例えば、蛍光部材１５を、励起光の照射方向に直交する面内の所定方向に直線的に往復運動させることにより、励起光の照射位置を時間とともに変化させてもよい。また、蛍光部材１５を固定し、励起光源１１及び各種光学系を蛍光部材１５に対して相対的に移動させることにより、励起光の照射位置を時間とともに変化させてもよい。

［３．蛍光部材の構成例］
次に、蛍光部材１５のより詳細な構成を、図２（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。なお、図２（ａ）は、集光光学系１４側から見た蛍光部材１５の正面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ断面図であり、図２（ｃ）は、集光光学系１４とは反対側から見た蛍光部材１５の正面図である。

蛍光部材１５は、円盤状の基板３０と、基板３０の一方（励起光の入射側）の表面上に形成された反射膜３１（第１の反射膜）及び蛍光体層３２（蛍光体）とを有する。

基板３０は、例えばガラス、透明樹脂等の透明材料で形成される。なお、基板３０の形成材料は透明材料に限定されず、所定の強度を有する材料であれば任意の材料で形成することができる。なお、基板３０の厚さ等のサイズは、例えば必要とする強度、重量等を考慮して適宜設定される。また、基板３０の中心は、モータ１６の回転軸１６ａに取り付けられ、固定ハブ１６ｂにより基板３０が回転軸１６ａに固定される。

反射膜３１は、図２（ａ）に示すように、基板３０の一方の表面上にドーナツ状に形成される。そして、ドーナツ状の反射膜３１と基板３０とが同心円となるように、反射膜３１が基板３０上に配置される。なお、反射膜３１の半径方向の幅は、集光光学系１４により集光される励起光（集光光）のスポットサイズより大きくなるように設定される。

反射膜３１は、入射される光の波長及び入射角に関係なく、全ての光を反射する。それゆえ、反射膜３１は、蛍光体層３２で励起された光（発光光）を集光光学系１４側に反射するだけでなく、蛍光体層３２を透過した励起光（青色光）の一部も集光光学系１４側に反射する。

ここで、図３に、反射膜３１の一構成例を示す。反射膜３１は、例えばＳｉＯ_２層やＭｇＦ_２層等からなる第１の誘電体層３１ａと、例えばＴｉＯ_２層やＴａ_２Ｏ_３層等からなる第２の誘電体層３１ｂとを基板３０上に交互に積層して形成される。すなわち、反射膜３１は、ダイクロイックミラー（ダイクロイック膜）で構成することができる。反射膜３１を例えば図３に示すようなダイクロイックミラーで構成した場合には、各誘電体層の積層数、各誘電体層の厚さ、各誘電体層の形成材料等を調整することにより、反射膜３１の反射（透過）特性が所定の特性になるように設定することができる。なお、第１の誘電体層３１ａ及び第２の誘電体層３１ｂの積層数は、通常、数層〜数十層である。また、第１の誘電体層３１ａ及び第２の誘電体層３１ｂは、例えば蒸着法やスパッタ法等の積層手法を用いて形成される。なお、反射膜３１の構成は図３に示す例に限定されず、例えば、アルミニウム等の金属膜で構成してもよい。

蛍光体層３２は、層状の蛍光体で形成され、励起光が入射された際に、励起光の一部を吸収して所定波長帯域の光を発光する。さらに、蛍光体層３２は、吸収されない残りの励起光のうち、一部の励起光を透過させ且つ残りの励起光を拡散（反射）する。なお、蛍光体層３２で反射された励起光成分は、無偏光の光となる。

本実施形態では、反射膜３１及び蛍光体層３２で反射された励起光の一部と、蛍光体層３２での発光光とを合波して白色光を生成するので、蛍光体層３２を、例えばＹＡＧ（Yttrium Aluminum Garnet）系蛍光材料等で形成する。この場合、青色の励起光が入射されると、蛍光体層３２は波長４８０〜６８０ｎｍの帯域の光（黄色光）を発光する。

なお、蛍光体層３２としては、赤色光及び緑色光を含む波長帯域の光を発光する膜であれば、任意の構成及び材料の膜を用いることができるが、発光効率及び耐熱性の観点ではＹＡＧ系蛍光体材料で形成された膜を用いることが好ましい。

蛍光体層３２は、蛍光材料とバインダとを混合した所定の蛍光剤を反射膜３１上に塗布することにより形成される。図２（ａ）〜（ｃ）に示す例では蛍光体層３２を反射膜３１の全面に渡って形成するので、蛍光体層３２の表面形状もドーナッツ状となる。なお、蛍光体層３２は、励起光が照射される領域に形成されていればよいので、蛍光体層３２の形状は、図２（ａ）〜（ｃ）に示す例に限定されず、例えば、蛍光体層３２の半径方向の幅が、反射膜３１のそれより狭くてもよい。

また、蛍光体層３２における、発光量、並びに、励起光の透過量及び反射量（拡散量）の割合は、例えば蛍光体層３２の厚さや蛍光体密度（含有量）等により調整することができる。それゆえ、本実施形態では、光源装置部１からの出射光が白色光となるように、蛍光体層３２の厚さや蛍光体密度等を調整する。

なお、上記実施形態の蛍光部材１５では、基板３０上に反射膜３１を介して層状の蛍光体（蛍光体層３２）を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、蛍光体を十分な剛性を有する板状部材で構成した場合には、基板３０を設けなくてもよい。また、この場合、反射膜３１を板状部材からなる蛍光体の一方の表面に直接形成してもよいし、蛍光体とは別個に反射ミラーを用意し、その反射ミラーを反射膜３１の代わりに用いてもよい。

［４．偏光ビームスプリッタの構成例］
本実施形態の光源装置部１では、図１に示すように、励起光源１１から偏光ビームスプリッタ１２を介して蛍光部材１５に入射される励起光の光路と、蛍光部材１５から光学エンジン部２に入射される合波光の光路とが重なる。それゆえ、本実施形態では、上述したように、偏光ビームスプリッタ１２の分光特性を適宜調整して両方の光を分離する。

図４に、本実施形態で用いる偏光ビームスプリッタ１２の分光特性例を示す。なお、図４に示す分光特性の横軸は波長であり、縦軸は透過率である。また、図４中の実線で示す特性Ｔｐは、Ｐ偏光の入射光に対する偏光ビームスプリッタ１２の透過率特性であり、破線で示す特性Ｒｐは、Ｐ偏光の入射光に対する偏光ビームスプリッタ１２の反射率特性である。さらに、図４中の点線で示す特性Ｔｓは、Ｓ偏光の入射光に対する偏光ビームスプリッタ１２の透過率特性であり、一点鎖線で示す特性Ｒｓは、Ｓ偏光の入射光に対する偏光ビームスプリッタ１２の反射率特性である。

本実施形態で用いる偏光ビームスプリッタ１２では、図４に示すように、蛍光体層３２から射出される波長４８０〜６８０ｎｍの帯域の光成分に対しては、偏光方向に関係なく、透過率は約１００％となり、反射率は約０％となる。すなわち、波長４８０〜６８０ｎｍの帯域の光（黄色光）は、全て、偏光ビームスプリッタ１２を透過する。

一方、偏光ビームスプリッタ１２のＰ偏光の青色光に対する透過率は、図４に示すように、約１００％となり、反射率は約０％となる。また、偏光ビームスプリッタ１２のＳ偏光の青色光に対する透過率は約０％となり、反射率は約１００％となる。すなわち、偏光ビームスプリッタ１２は、Ｐ偏光の青色光が入射された際には、その光を透過し、Ｓ偏光の青色光が入射された際には、その光を反射する。

偏光ビームスプリッタ１２の分光特性を図４に示すような特性に設定することにより、蛍光部材１５に入射する励起光と、蛍光部材１５からの出射光とを分離することができる。具体的には、励起光源１１から入射される励起光Ｂｓ（青色光）は、Ｓ偏光の光であるので、偏光ビームスプリッタ１２により反射され、蛍光部材１５に導かれる。

一方、蛍光部材１５から射出される合波光に含まれる発光光成分は、４８０〜６８０ｎｍの波長帯域の光成分であるので、偏光ビームスプリッタ１２を透過する。また、蛍光部材１５から射出される合波光に含まれる励起光（青色光）成分のうち、反射膜３１から反射される励起光成分は後述するようにＰ偏光の光であるので、偏光ビームスプリッタ１２を透過する。さらに、蛍光部材１５から射出される合波光に含まれる励起光成分のうち、蛍光体層３２から直接反射される励起光成分は無偏光であるので、その励起光成分の約半分程度が偏光ビームスプリッタ１２を透過する。すなわち、蛍光部材１５から射出された合波光の一部は、偏光ビームスプリッタ１２を透過し、その透過した合波光が白色光ＬＷとして光学エンジン部２内の分光光学系２０に導かれる。

［５．光源装置部の動作例］
次に、本実施形態の光源装置部の動作例を、図１及び５を参照しながら具体的に説明する。なお、図５は、本実施形態の偏光ビームスプリッタ１２の分光動作の様子を示す図であり、図５中の丸印Ａ１がＳ偏光の偏光方向を示し、白抜き矢印Ａ２がＰ偏光の偏光方向を示す。また、図５では、説明を簡略化するため、蛍光体層３２から直接反射される無偏光の励起光成分の図示は省略する。

まず、励起光源１１は、偏光ビームスプリッタ１２にＳ偏光の励起光Ｂｓ（青色光）を射出する。次いで、偏光ビームスプリッタ１２は、入射された励起光Ｂｓを蛍光部材１５に向かう方向に反射する。次いで、偏光ビームスプリッタ１２は、反射した励起光を、１／４波長板１３を介して集光光学系１４に射出する。そして、集光光学系１４は、入射された励起光を所定のスポット径に集光し、その集光光を蛍光部材１５に照射する。

次いで、蛍光部材１５の蛍光体層３２に励起光が照射されると、蛍光体層３２は、その励起光の一部を吸収し、これにより、赤色光及び緑色光を含む波長４８０〜６８０ｎｍの帯域の光（黄色光）を発光する。また、この際、蛍光体層３２は、蛍光体層３２で吸収されない励起光の一部を拡散して集光光学系１４側に反射するとともに、吸収されない励起光の残りの一部を透過させ、反射膜３１に導く。そして、反射膜３１は、蛍光体層３２を透過した励起光を集光光学系１４側に反射する。なお、この際、蛍光体層３２の発光光の一部も反射膜３１により集光光学系１４側に反射される。

その結果、蛍光部材１５内で、蛍光体層３２からの発光光と、蛍光体層３２及び反射膜３１から反射された励起光の一部とが合波され、蛍光部材１５からその合波光が集光光学系１４に射出される。

次いで、集光光学系１４は、蛍光部材１５から射出された合波光を平行光に変換し、その平行光を１／４波長板１３を介して偏光ビームスプリッタ１２に射出する。

この際、１／４波長板１３を通過する合波光に含まれる発光光成分、すなわち、赤色光成分Ｒｐｓ（図５中の破線矢印）及び緑色光成分Ｇｐｓ（一点鎖線矢印）は無偏光（Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分の両方を含む）である。それゆえ、合波光に含まれる赤色光成分Ｒｐｓ及び緑色光成分Ｇｐｓは、１／４波長板１３をそのまま通過し、偏光ビームスプリッタ１２に入射される。

一方、合波光に含まれる励起光成分（青色光成分）のうち、反射膜３１から反射された励起光成分は、偏光ビームスプリッタ１２に入射されるまでに、１／４波長板１３をトータルで２回通過する。具体的には、反射膜３１から反射される励起光成分は、励起光源１１から蛍光部材１５に至る励起光の光路及び蛍光部材１５から偏光ビームスプリッタ１２に至る合波光の光路において、それぞれ１回ずつ１／４波長板１３を通過する。それゆえ、１／４波長板１３を通過した後の合波光に含まれる反射膜３１からの反射光成分の偏光方向は、励起光源１１から射出された励起光Ｂｓに対して９０度回転する。

本実施形態では、励起光源１１から射出された励起光ＢｓはＳ偏光の光であるので、偏光ビームスプリッタ１２に入射される反射膜３１から反射された励起光成分Ｂｐ（青色光）は、図５に示すように、Ｐ偏光の光となる。一方、蛍光体層３２から直接反射された励起光成分（図５では不図示）は、無偏光であるので、１／４波長板１３をそのまま通過し、偏光ビームスプリッタ１２に入射される（図５では不図示）。

そして、本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２に図４に示すような分光特性を持たせているので、偏光ビームスプリッタ１２は、合波光に含まれる赤色光成分Ｒｐｓ及び緑色光成分Ｇｐｓをそのまま通過させる。

また、偏光ビームスプリッタ１２に入射された励起光成分のうち、反射膜３１からの反射光成分（Ｂｐ）はＰ偏光の光であるので、偏光ビームスプリッタ１２は、反射膜３１からの反射光成分（Ｂｐ）をそのまま通過させる。しかしながら、偏光ビームスプリッタ１２に入射された励起光成分のうち、蛍光体層３２からの反射光成分は無偏光の光であるので、偏光ビームスプリッタ１２は、その反射光成分のうち、Ｐ偏光の光成分のみを通過させる。この際、蛍光体層３２から反射された励起光成分のうち、偏光ビームスプリッタ１２を通過する割合は約５０％程度となる。それゆえ、本実施形態では、蛍光部材１５から射出された励起光成分のうち、約７０〜８０％の励起光成分が偏光ビームスプリッタ１２を通過することになる。

この結果、偏光ビームスプリッタ１２の光学エンジン部２側の出射面からは、赤色光成分Ｒｐｓ及び緑色光成分Ｇｐｓと、反射膜３１及び蛍光体層３２で反射された励起光成分（青色光成分）の一部とが合波された光、すなわち、白色光ＬＷが射出される。本実施形態では、このようにして、光源装置部１から白色光ＬＷを射出する。

上記構成の本実施形態の光源装置部１において、本発明者は、光源装置部１の各部のパラメータを次のように設定し、光源装置部１からの出射光のスペクトル特性を調べた。
励起光源１１（青色レーザ）の波長：４４５ｎｍ
励起光の集光径：１ｍｍ
励起光の入射角θ：２０度以下
偏光ビームスプリッタ１２の分光特性：図４に示す特性
集光光学系１４及び蛍光体層３２間の距離：１ｍｍ以下
蛍光部材１５の回転数：３０００ｒｐｍ
蛍光体層３２の形成材料：ＹＡＧ系蛍光体
蛍光体層３２の厚さ：５０μｍ
蛍光体層３２の幅：５ｍｍ

図６に、上記条件で得られた光源装置部１からの出射光のスペクトル特性を示す。なお、図６に示す特性では、横軸が波長であり、縦軸が出射光の強度（任意単位）である。図６から明らかなように、上記条件では、出射光に、波長４４５ｎｍ付近の光成分（青色光成分）と、約４８０〜６８０ｎｍに渡る波長領域の光成分、すなわち、赤色光成分及び緑色光成分を含む光成分とが含まれていることが分かる。このことからも、本実施形態の光源装置部１から、白色光が出射されていることが分かる。

上述のように、本実施形態では、固体発光素子を用いて光源装置部１から白色光を射出することができる。それゆえ、本実施形態は、例えば３ＬＣＤ方式のプロジェクタ等のように、白色光を射出する光源装置を必要とする用途にも適用可能である。すなわち、本実施形態では、様々な用途に適用可能な水銀レスの光源装置部１（照明装置）及びそれを備える画像表示装置１０を提供することができる。

本実施形態の光源装置部１は、水銀ランプを用いる必要が無いので、近年の環境問題に対応することができる。また、本実施形態では、水銀ランプに比べてより長寿命で且つ輝度低下も小さい光源装置部１及び画像表示装置１０を提供することができる。さらに、本実施形態のように、励起光源１１に固体発光素子を用いた場合には、水銀ランプに比べて点灯時間をより短縮することができる。

また、本実施形態の光源装置部１のように励起光源１１として半導体レーザを用いた場合には、例えばＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の固体光源に比べても、十分高輝度の光を射出することができ、高輝度光源の実現が可能になる。さらに、本実施形態のように、青色光レーザで蛍光体層３２を発光させて白色光を生成する構成は、赤色光、緑色光及び青色光の各固体光源を個別に用意して白色光を生成する構成に比べてより簡易で且つ安価である。

［６．各種変形例］
（１）変形例１
本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１２を用いて、蛍光部材１５に入射する励起光と、光学エンジン部２に入射する白色光とを分離する例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、偏光ビームスプリッタ１２の代わりに、一部の領域で青色光を反射するような構成の反射ミラーを用いてもよい。その一例（変形例１）を図７に示す。

変形例１の反射ミラー４０（分光光学系）は、板状の透明基板４１（基材）と、その一方の表面の一部に形成された反射膜４２（第２の反射膜）とで構成される。また、反射膜４２は、励起光のスポット径程度のサイズで形成される。なお、この例では、励起光の照射位置に反射膜４２が配置され且つ反射ミラー４０の表面が励起光の入射方向に対して約４５度傾斜するように、反射ミラー４０を光源装置部１内に配置する。

透明基板４１は、例えばガラスや透明樹脂等の透明材料で形成され、反射膜４２は、例えば、図３に示すようなダイクロイックミラー（ダイクロイック膜）で構成することができる。反射膜４２をダイクロイックミラーで構成した場合、各誘電体層の形成材料、並びに、誘電体層の厚さ及び積層数等を調整することにより、青色光のみを選択的に反射し、その他の波長成分を透過させることもできる。また、反射膜４２を例えばアルミニウム等の金属膜で形成してもよい。

図７に示すような構成の反射ミラー４０を用いた場合には、励起光源１１からの励起光は反射膜４２で反射され、蛍光部材１５に入射される。一方、蛍光部材１５から集光光学系１４を介して反射ミラー４０に入射される合波光（白色光ＬＷ）は主に、反射膜４２が形成されていない領域を通過して、光学エンジン部２に入射される。なお、反射膜４２を青色光以外の波長帯域の光を透過するように設計した場合には、合波光（白色光ＬＷ）に含まれる赤色光成分及び緑色光成分もまた反射膜４２の形成領域を通過する。

この例において、励起光源１１として半導体レーザを用いた場合には、励起光源１１から射出される励起光のスポット径は、集光光学系１４から射出される合波光（白色光ＬＷ）のそれに比べて十分小さい。それゆえ、この例の構成においても、十分大きな強度の白色光ＬＷを光源装置部１から射出することができる。

また、この例のように、蛍光部材１５に入射する励起光と光学エンジン部２に入射する合波光とを分離するための分光光学系として反射ミラー４０を用いた場合には、分光光学系の構成をより簡易にすることができる。さらに、この例の構成では、反射ミラー４０に入射される光の偏光方向を考慮する必要がないので、上記実施形態のように１／４波長板１３を設ける必要が無くなる。それゆえ、この例では、光源装置部１の構成をより簡易にすることができ、より安価な光源装置部１を提供することができる。

（２）変形例２
上記実施形態及び変形例１では、分光光学系（偏光ビームスプリッタ１２又は反射ミラー４０）により、励起光源１１から射出された励起光を反射し、且つ、蛍光部材１５から射出された合波光を透過させる例を説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されない。

例えば、分光光学系を、励起光源１１から射出された励起光を透過して蛍光部材１５に導き、且つ、蛍光部材１５から射出された合波光を反射して光学エンジン部２に導くように構成してもよい。なお、この場合には、励起光源１１から偏光ビームスプリッタ１２に入射する励起光をＰ偏光の光にする。

（３）変形例３
上記実施形態では、光源装置部１内に１／４波長板１３を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、高出力の白色光を必要としない用途では、１／４波長板１３を設けなくてもよい。

１／４波長板１３を設けない場合、Ｓ偏光の励起光が偏光ビームスプリッタ１２及び集光光学系１４を介して蛍光体層３２に直接入射される。この場合、蛍光体層３２に入射された励起光の一部は蛍光体層３２内で拡散され、集光光学系１４に無偏光の励起光成分が反射される。そして、蛍光体層３２から反射される励起光成分のうち、Ｐ偏光成分のみが偏光ビームスプリッタ１２を透過する。また、反射膜３１から反射される励起光成分はＳ偏光の光となるので、この励起光成分は偏光ビームスプリッタ１２を透過しない。それゆえ、この例の構成では、蛍光体層３２から反射される励起光のＰ偏光成分と、蛍光体層３２からの発光光とを含む白色光が光源装置部１から射出される。

なお、この例の構成では、光源装置部１から射出される白色光（合波光）に含まれる励起光成分は、蛍光体層３２から反射されるＰ偏光成分のみとなる。それゆえ、この例では、上記実施形態に比べて出射光の強度及び励起光の利用効率は低下する。しかしながら、この例の光源装置部１では、１／４波長板１３を設ける必要がないので、上記実施形態に比べてより簡易な構成となる。

（４）変形例４
上記実施形態及び変形例１では、分光光学系（偏光ビームスプリッタ１２または反射ミラー４０）を用いて、蛍光部材１５に入射する励起光と、蛍光部材１５から射出される合波光とを分離する例を説明したが、本発明は、これに限定されない。例えば、励起光を蛍光部材１５に対して斜め入射し、励起光の入射光路とは異なる光路で、蛍光部材１５から射出される合波光を集光する場合には、上述した分光光学系や１／４波長板１３を設けなくてもよい。この場合には、光源装置部１の構成がより簡易になる。

（５）変形例５
上記実施形態では、光源装置部１内に、集光光学系１４を設ける例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、高出力の出射光を必要としない用途等に本実施形態の光源装置部１を適用する場合には、光源装置部１を、集光光学系１４を備えない構成にしてもよい。

（６）変形例６
上記実施形態では、光源装置部１（照明装置）の出射光を白色光とする例を説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、出射光としてシアン光（またはマゼンダ光）を必要とする用途では、励起光として青色光を用い、蛍光体層３２を緑色光（または赤色光）のみを発光する蛍光材料で形成すればよい。すなわち、必要とする出射光の波長（色）に応じて、励起光の波長と蛍光体層３２の形成材料との組み合わせを適宜選択すればよい。この場合、適用可能な用途の範囲をより一層広げることができる。

１…光源装置部、２…光学エンジン部、１０…画像表示装置、１１…励起光源、１２…偏光ビームスプリッタ、１３…１／４波長板、１４…集光光学系、１５…蛍光部材、１６…モータ、２０…分光光学系、２１…第１ＬＣＤパネル、２２…第２ＬＣＤパネル、２３…第３ＬＣＤパネル、２４…プリズム、２５…投影光学系、３０…基板、３１，４２…反射膜、３２…蛍光体層、４０…反射ミラー、４１…透明基板

Claims (24)

1. 第１の色光を含む励起光を射出する励起光源と、
   前記励起光が入射されることにより前記励起光の少なくとも一部を前記第１の色光とは異なる第２の色光に変換する蛍光体と、前記蛍光体に対して前記励起光の入射側とは反対側に設けられる反射部材と、を有する蛍光部材と、
   前記励起光源と前記蛍光部材との間の光路上に設けられ、前記第１の色光における第１偏光成分および第２偏光成分のうち第２偏光成分を第１偏光成分へ変換し、第１偏光成分に変換された前記第１の色光と前記反射部材で反射された前記第２の色光を射出する１／４波長板と、を備える
   光源装置。
2. 前記１／４波長板は、前記第１の色光が２度通過されることで、前記第１の色光における第１偏光成分を第２偏光成分に変換する
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第１偏光成分はＰ偏光成分であり、前記第２偏光成分はＳ偏光成分である
   請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 前記励起光源は、直線偏光の励起光を射出する
   請求項１乃至３のいずれかに記載の光源装置。
5. 前記励起光源は、前記直線偏光の励起光として、前記第１の色光における前記第２偏光成分の励起光を射出する
   請求項４に記載の光源装置。
6. 前記第１の色光は青色光成分を含み、前記第２の色光は赤色光成分と緑色光成分を含む
   請求項１乃至５のいずれかに記載の光源装置。
7. 前記蛍光部材は、円盤状の形状を有する
   請求項１乃至６のいずれかに記載の光源装置。
8. 前記蛍光部材の中心に対応する位置に駆動軸が接続され、前記蛍光体上における前記励起光の照射位置が時間とともに回転円周方向に移動するよう前記蛍光部材を回転させる駆動部、をさらに備え、
   前記駆動部が、前記蛍光部材を、前記蛍光体の前記励起光の照射面内の所定方向に回転させている状態で、前記励起光を前記蛍光体に照射する
   請求項１乃至７のいずれかに記載の光源装置。
9. 前記蛍光部材の前記励起光の入射側に設けられ、前記励起光源から射出された励起光を前記蛍光体上で所定のスポット径となるように集光するとともに、前記蛍光体で発光され前記蛍光部材から射出された発光光を略平行光に変換する光学系、をさらに備える
   請求項１乃至８のいずれかに記載の光源装置。
10. 前記反射部材は、少なくとも前記第２の色光を反射する
    請求項１乃至９のいずれかに記載の光源装置。
11. 前記蛍光部材は、基板をさらに有し、
    前記反射部材は、前記基板上に配置される
    請求項１乃至１０のいずれかに記載の光源装置。
12. 固定ハブにより前記基板が前記駆動軸に固定される
    請求項８を引用する請求項１１に記載の光源装置。
13. 第１の色光を含む励起光を射出する励起光源と、
    前記励起光が入射されることにより前記励起光の少なくとも一部を前記第１の色光とは異なる第２の色光に変換する蛍光体と、前記蛍光体に対して前記励起光の入射側とは反対側に設けられる反射部材と、を有する蛍光部材と、
    前記励起光源と前記蛍光部材との間の光路上に設けられ、前記第１の色光における第１偏光成分および第２偏光成分のうち第２偏光成分を第１偏光成分へ変換し、第１偏光成分に変換された前記第１の色光と前記反射部材で反射された前記第２の色光を射出する１／４波長板と、を有する光源装置部と、
    前記光源装置部から射出された光を用いて所定の画像光を生成し、該生成した画像光を外部に投影する画像投影部と、を備える
    画像投影装置。
14. 前記１／４波長板は、前記第１の色光が２度通過されることで、前記第１の色光における第１偏光成分を第２偏光成分に変換する
    請求項１３に記載の画像投影装置。
15. 前記第１偏光成分はＰ偏光成分であり、前記第２偏光成分はＳ偏光成分である
    請求項１３又は１４のいずれかに記載の画像投影装置。
16. 前記励起光源は、直線偏光の励起光を射出する
    請求項１３乃至１５のいずれかに記載の画像投影装置。
17. 前記励起光源は、前記直線偏光の励起光として、前記第１の色光における前記第２偏光成分の励起光を射出する
    請求項１６に記載の画像投影装置。
18. 前記第１の色光は青色光成分を含み、前記第２の色光は赤色光成分と緑色光成分を含む
    請求項１３乃至１７のいずれかに記載の画像投影装置。
19. 前記蛍光部材は、円盤状の形状を有する
    請求項１３乃至１８のいずれかに記載の画像投影装置。
20. 前記蛍光部材の中心に対応する位置に駆動軸が接続され、前記蛍光体上における前記励起光の照射位置が時間とともに回転円周方向に移動するよう前記蛍光部材を回転させる駆動部、をさらに備え、
    前記駆動部が、前記蛍光部材を、前記蛍光体の前記励起光の照射面内の所定方向に回転させている状態で、前記励起光を前記蛍光体に照射する
    請求項１３乃至１９のいずれかに記載の画像投影装置。
21. 前記蛍光部材の前記励起光の入射側に設けられ、前記励起光源から射出された励起光を前記蛍光体上で所定のスポット径となるように集光するとともに、前記蛍光体で発光され前記蛍光部材から射出された発光光を略平行光に変換する光学系、をさらに備える
    請求項１３乃至２０のいずれかに記載の画像投影装置。
22. 前記反射部材は、少なくとも前記第２の色光を反射する
    請求項１３乃至２１のいずれかに記載の画像投影装置。
23. 前記蛍光部材は、基板をさらに有し、
    前記反射部材は、前記基板上に配置される
    請求項１３乃至２２のいずれかに記載の画像投影装置。
24. 固定ハブにより前記基板が前記駆動軸に固定される
    請求項２０を引用する請求項２３に記載の画像投影装置。

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