JP6565365B2 - 光源装置、照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置、照明装置およびプロジェクターに関するものである。

近年、プロジェクターに用いる光源装置として、高輝度、高出力の光が得られる半導体レーザー等の固体光源を用いたものが注目されている。このような光源装置として、複数の固体光源からの光で蛍光体層を均一に照明するために、レンズインテグレーターを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１２−１１８１１０号公報

ところで、固体光源を実装する場合、アライメントに多少のばらつき（実装バラツキ）が生じることは避けられない。しかしながら、上記従来技術においては、固体光源の実装バラツキを考慮していないため、固体光源の光を効率良く利用できずに光利用効率を低下させてしまっていた。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、光利用効率が高い、光源装置を提供することを目的の一つとする。また、前記光源装置を備えた照明装置を提供することを目的とする。また、前記照明装置を備えたプロジェクターを提供することを目的とする。

本発明の第１態様に従えば、固体光源からなる発光素子と、前記発光素子から射出された光が入射する複数の第１小レンズを含む第１のレンズアレイと、前記第１のレンズアレイの後段に設けられ、前記複数の第１小レンズにそれぞれ対応する複数の第２小レンズを含む第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイの後段に設けられた集光光学系と、前記集光光学系の後段に設けられ、前記発光素子から射出された光が入射する散乱光生成部と、を備え、前記発光素子の光射出領域の平面形状は短手方向及び長手方向を有する矩形状であり、前記複数の第２小レンズのうち一の第２小レンズの平面形状は短手方向及び長手方向を有する矩形状であり、前記光射出領域の長手方向は、前記第２小レンズの長手方向と一致する光源装置が提供される。

第１態様に係る光源装置では、光射出領域の短手方向は、第２小レンズの長手方向と交差している。これにより、例えば、発光素子の実装誤差が生じた場合でも、発光素子から射出された光の２次光源像は第２小レンズからはみ出しにくい。よって、発光素子から射出された光が散乱光生成部に効率良く入射するので、高い光利用効率を得ることができる。

上記第１態様において前記第１のレンズアレイの光入射側又は光射出側に配置された偏角プリズムをさらに備え、前記第２小レンズの前記長手方向の大きさは、前記複数の第１小レンズのうち前記第２小レンズに対応する第１小レンズの前記長手方向の大きさよりも大きいのが好ましい。
この構成によれば、偏角プリズムにより第２小レンズ上における２次光源像の形成位置を調整することができる。また、第２小レンズの長手方向の大きさが第１小レンズの長手方向の大きさよりも大きいので、第２小レンズ上における２次光源像のはみ出しを抑制できる。

上記第１態様において、前記偏角プリズムによる前記光の偏向方向は、前記長手方向であり、前記偏向方向は、前記発光素子から射出された前記光の光軸から遠ざかる方向であるのが好ましい。
この構成によれば、光軸から遠ざかる方向に配置された各第２小レンズ上において２次光源像がはみ出すのを抑制することができる。

上記第１態様において、前記偏角プリズムは、前記長手方向と垂直な方向に長い短冊状であるのが好ましい。
この構成によれば、第２小レンズの短手方向において短冊状の偏角プリズムを複数の第１小レンズによって共用することができるので、部品点数を削減することができる。

上記第１態様において、前記複数の第１小レンズのうち一の第１小レンズの光軸は、前記長手方向に偏心しており、前記偏心の方向は、前記発光素子から射出された前記光の光軸から遠ざかる方向であるのが好ましい。
この構成によれば、偏角プリズム等の光学素子を用いることなく、第１小レンズにより第２小レンズ上における２次光源像のはみ出しを抑制することができる。

上記第１態様において、前記第２小レンズの光軸は、前記長手方向に偏心しており、前記偏心の方向は、前記発光素子から射出された前記光の光軸に近づく方向であるのが好ましい。この場合において、前記第２小レンズの光軸上に、前記複数の第１小レンズのうち前記第２小レンズに対応する一の第１小レンズの中心があるのが望ましい。
このようにすれば、第２小レンズから集光光学系に平行光を入射させることができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様の光源装置と、前記光源装置から射出された光が入射する均一照明光学系と、を備える照明装置が提供される。

第２態様による照明装置は上記光源装置を備えるので、光利用効率が高い。

本発明の第３態様に従えば、上記第２態様に係る照明装置と、前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、前記画像光を投射する投射光学系と、を備えるプロジェクターが提供される。

第３態様によるプロジェクターは上記照明装置を備えるので、光利用効率が高い。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成を示す平面図。 第１実施形態の光源装置の概略構成を示す平面図。 第１実施形態の半導体レーザーの光射出領域を平面視した図。 比較例の光源装置の要部構成を示す図。 （ａ）、（ｂ）は比較例の第１および第２のレンズアレイの平面図。 （ａ）、（ｂ）は第１実施形態の第１および第２のレンズアレイの平面図。 （ａ）、（ｂ）は第１実施形態のホモジナイザー光学系の要部構成図。 （ａ）、（ｂ）は第２実施形態のホモジナイザー光学系の要部構成図。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。

（プロジェクター）
まず、図１に示すプロジェクター１の一例について説明する。
図１は、プロジェクター１の概略構成を示す平面図である。

本実施形態のプロジェクター１は、スクリーン（被投射面）ＳＣＲ上にカラー映像（画像）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、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、青色光ＬＢの各色光に対応した３つの光変調装置を用いている。プロジェクター１は、照明装置の光源として、高輝度・高出力な光が得られる半導体レーザー（レーザー光源）を用いている。

具体的に、プロジェクター１は、図１に示すように、照明装置２Ａ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、投射光学系６と、を概略備えている。

照明装置２Ａは、照明光としての白色光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。照明装置２Ａは、光源装置２と、均一照明光学系４０とを含む。

均一照明光学系４０は、インテグレータ光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３と、を備える。なお、偏光変換素子３２は必須ではない。均一照明光学系４０は、光源装置２から射出された白色光ＷＬの強度分布を被照明領域において均一化する。均一照明光学系４０から射出された白色光ＷＬは色分離光学系３へ入射する。

色分離光学系３は、白色光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離するためのものである。色分離光学系３は、第１のダイクロイックミラー７ａおよび第２のダイクロイックミラー７ｂと、第１の全反射ミラー８ａ、第２の全反射ミラー８ｂおよび第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂと、を概略備えている。

第１のダイクロイックミラー７ａは、光源装置２からの白色光ＷＬを赤色光ＬＲと、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光ＬＢ）とに分離する機能を有する。第１のダイクロイックミラー７ａは、分離された赤色光ＬＲを透過するとともに、その他の光（緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢ）を反射する。一方、第２のダイクロイックミラー７ｂは、その他の光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する機能を有する。第２のダイクロイックミラー７ｂは、分離された緑色光ＬＧを反射するとともに、青色光ＬＢを透過する。

第１の全反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されて、第１のダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。一方、第２の全反射ミラー８ｂおよび第３の全反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置されて、第２のダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに向けて反射する。
なお、緑色光ＬＧの光路中には、全反射ミラーを配置する必要はなく、緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂにより光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２のダイクロイックミラー７ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａおよび第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路長が赤色光ＬＲや緑色光ＬＧの光路長よりも長くなることに起因した青色光ＬＢの光損失を補償する機能を有している。

光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを通過させる間に、赤色光ＬＲを画像情報に応じて変調し、赤色光ＬＲに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを通過させる間に、緑色光ＬＧを画像情報に応じて変調し、緑色光ＬＧに対応した画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを通過させる間に、青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、青色光ＬＢに対応した画像光を形成する。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂには、例えば透過型の液晶パネルが用いられている。また、液晶パネルの入射側および射出側には、一対の偏光板（図示せず）が配置されており、特定の方向の直線偏光光のみを通過させる構成となっている。

光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂの入射側には、それぞれフィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂが配置されている。フィールドレンズ１０Ｒ，フィールドレンズ１０Ｇ，フィールドレンズ１０Ｂは、それぞれの光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢを平行化するためのものである。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂからの画像光が入射することにより、赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。合成光学系５には、例えばクロスダイクロイックプリズムが用いられている。

投射光学系６は、投射レンズ群から構成されている。投射光学系６は、合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像（画像）が表示される。

（光源装置）
次に、上記照明装置２Ａに用いられる本発明の一つの態様を適用した光源装置の具体的な実施形態について説明する。以下、必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて光源装置の各構成について説明する。

図２は、光源装置２の概略構成を示す平面図である。なお、図２において、Ｘ方向は光軸ａｘ１と平行な方向であり、Ｙ方向は光軸ａｘ１と直交する光軸ａｘ２と平行な方向であり、Ｚ方向はＸ方向およびＹ方向にそれぞれ直交する方向である。

光源装置２は、図２に示すように、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板１５と、ホモジナイザー光学系２４と、偏光分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、第１の集光光学系２６と、蛍光発光素子２７と、第２の位相差板２８と、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０と、を概略備えている。

本実施形態のアレイ光源２１は、特許請求の範囲の「発光素子」に対応する。
本実施形態の蛍光発光素子２７又は拡散反射素子３０は、特許請求の範囲の「散乱光生成部」にそれぞれ対応する。

これらの構成要素のうち、アレイ光源２１と、コリメーター光学系２２と、アフォーカル光学系２３と、第１の位相差板１５と、ホモジナイザー光学系２４と、光学素子２５Ａと、第２の位相差板２８と、第２の集光光学系２９と、拡散反射素子３０とは、光軸ａｘ１上に順次並んで配置されている。一方、蛍光発光素子２７と、第１の集光光学系２６と、光学素子２５Ａとは、光軸ａｘ２上に順次並んで配置されている。光軸ａｘ１と光軸ａｘ２とは、同一面内にあり、互いに直交する位置関係にある。

アレイ光源２１は、固体光源としての複数の半導体レーザー２１１を備える。複数の半導体レーザー２１１は光軸ａｘ１と直交する同一面内において、アレイ状に並んで配置されている。半導体レーザー２１１は、例えば青色の光線ＢＬ（例えばピーク波長が４６０ｎｍのレーザー光）を射出する。本実施形態において、アレイ光源２１は、複数の光線ＢＬからなる光線束Ｋ１を射出する。

図３は半導体レーザー２１１の光射出領域を平面視した図である。図３に示すように、半導体レーザー２１１の光射出領域２１１Ａは、長手方向および短手方向を有した、例えば、略矩形の平面形状を有している。光射出領域２１１Ａの長手方向は、図２に示した光軸ａｘ２（Ｙ方向）に沿った方向に対応している。また、光射出領域２１１Ａの短手方向は、Ｚ方向に沿った方向に対応している。

図２に戻って、アレイ光源２１から射出された光線束Ｋ１はコリメーター光学系２２に入射する。コリメーター光学系２２は、アレイ光源２１から射出された光線束Ｋ１を平行光束に変換するものである。コリメーター光学系２２は、例えばアレイ状に並んで配置された複数のコリメーターレンズ２２ａから構成されている。複数のコリメーターレンズ２２ａ各々は、複数の半導体レーザー２１１に対応して配置されている。

コリメーター光学系２２を通過した光線束Ｋ１は、アフォーカル光学系２３に入射する。アフォーカル光学系２３は、光線束Ｋ１の光束径を調整するものである。アフォーカル光学系２３は、例えば凸レンズ２３ａ，凹レンズ２３ｂから構成されている。

アフォーカル光学系２３した光線束Ｋ１は第１の位相差板１５に入射する。第１の位相差板１５は、例えば回転可能とされた１／２波長板である。半導体レーザー２１１から射出された光線ＢＬは直線偏光である。１／２波長板の回転角度を適切に設定することにより、第１の位相差板１５を透過した光線ＢＬを、光学素子２５Ａに対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とを所定の比率で含む光（光線束Ｋ１）とすることができる。第１の位相差板１５を回転させることにより、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分との比率を変化させることができる。

第１の位相差板１５を通過することによりＳ偏光成分の光線ＢＬｓとＰ偏光成分の光線ＢＬｐとを含んだ光線束Ｋ１は、ホモジナイザー光学系２４に入射する。ホモジナイザー光学系２４は、第１の集光光学系２６と協働して、蛍光体層３４上での光線束ＢＬｓによる照度分布を均一化する。また、ホモジナイザー光学系２４は、第２の集光光学系２９と協働して、後述する拡散反射板３０Ａ上での光線束ＢＬｃ’による照度分布を均一化する。ホモジナイザー光学系２４は、例えば第１のレンズアレイ２４ａと第２のレンズアレイ２４ｂとから構成されている。第１のレンズアレイ２４ａは複数の第１小レンズ２４ａｍを含み、第２のレンズアレイ２４ｂは複数の第２小レンズ２４ｂｍを含む。複数の第２小レンズ２４ｂｍは複数の第１小レンズ２４ａｍとそれぞれ対応している。

第１のレンズアレイ２４ａ（第１小レンズ２４ａｍ）と蛍光発光素子２７又は拡散反射素子３０とは光学的に共役となる位置に配置されている。また、半導体レーザー２１１の光射出領域２１１Ａと第２のレンズアレイ２４ｂとは光学的に共役となる位置に配置されている。

ところで、本実施形態のように、アレイ状に配置した半導体レーザー２１１およびアレイ状に配置したコリメーターレンズ２２ａを備えた光源装置２では、半導体レーザー２１１またはコリメーターレンズ２２ａのアライメントに多少のずれが生じることが避けられない。つまり、本実施形態において、光源装置２は多少の実装誤差を有したものとなっている。

ここで、比較例を参照しながら、本実施形態の光源装置２の効果について説明する。

図４は、比較例に係る光源装置２’の要部構成を示す図である。なお、図４はホモジナイザー光学系２４をホモジナイザー光学系１２４に置き換えた以外、本実施形態の光源装置２と同じ構成を有している。図４では、ホモジナイザー光学系１２４、アレイ光源２１、コリメーターレンズ２２ａのみを図示している。

ホモジナイザー光学系１２４は、複数の第１小レンズ１２４ａｍを含む第１のレンズアレイ１２４ａと、複数の第２小レンズ１２４ｂｍを含む第２のレンズアレイ１２４ｂとを備える。

ホモジナイザー光学系１２４において、上記の実装誤差が生じると、蛍光体層３４上での光線束ＢＬｓによる照度分布の均一性が低下する。これは、光射出領域２１１Ａから射出された光線ＢＬによって第２小レンズ１２４ｂｍ上に形成される２次光源像Ｇの位置が、第２小レンズ１２４ｂｍの所定の位置からずれるためである。

上述のように光射出領域２１１Ａの平面形状がＹ方向に長手方向を有する形状（例えば、長方形）の場合、光学的に共役関係となる第２小レンズ１２４ｂｍ上に形成される２次光源像ＧはＹ方向に長手方向を有した形状（長方形形状）となる。

ここで、実装誤差による第２小レンズ１２４ｂｍ上での２次光源像の移動は各方向に同じ割合で発生する。

図５（ａ）は第１のレンズアレイ１２４ａを＋Ｘ方向から見た平面図であり、図５（ｂ）は第２のレンズアレイ１２４ｂを＋Ｘ方向から見た平面図である。

図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ホモジナイザー光学系１２４においては、第１小レンズ１２４ａｍの大きさは第２小レンズ１２４ｂｍの大きさと同一となっている。具体的に、第１小レンズ１２４ａｍの平面形状および第２小レンズ１２４ｂｍの平面形状はいずれも、Ｙ方向の長さがＺ方向の長さと等しい正方形である。

実装誤差が生じると、２次光源像Ｇは所定の位置からずれる。図５（ｂ）からわかるように、２次光源像Ｇが光射出領域２１１Ａの長手方向（Ｙ方向）にずれた場合の方が、Ｚ方向へずれた場合よりも第２小レンズ１２４ｂｍからはみ出しやすい。第２小レンズ１２４ｂｍから２次光源像Ｇがはみ出すと、アレイ光源２１からの光を効率良く利用することが出来ず、光利用効率が低下してしまう。

この問題を解決すべく、本実施形態の光源装置２は、長手方向および短手方向を有した矩形状の平面形状を有する第２小レンズ２４ｂｍを含むホモジナイザー光学系２４を備えている。

図６（ａ）は第１のレンズアレイ２４ａを＋Ｘ方向から見た平面図であり、図６（ｂ）は第２のレンズアレイ２４ｂを＋Ｘ方向から見た平面図である

図６（ａ）に示すように、第１のレンズアレイ２４ａの第１小レンズ２４ａｍの平面形状は、Ｙ方向の長さがＺ方向の長さと等しい正方形である。
一方、図６（ｂ）に示すように、第２のレンズアレイ２４ｂの第２小レンズ２４ｂｍの平面形状は、Ｙ方向に沿って長手を有するとともにＺ方向に沿って短手を有する矩形（長方形）である。このように本実施形態においては、第２小レンズ２４ｂｍの長手方向（Ｙ方向）の大きさが第１小レンズ２４ａｍのＹ方向の大きさよりも大きくなっている。

図７はホモジナイザー光学系２４の要部構成を示す図であり、図７（ａ）は＋Ｚ方向からホモジナイザー光学系２４を視た場合の平面図であり、図７（ｂ）は−Ｙ方向からホモジナイザー光学系２４を視た場合の側面図である。

本実施形態においては、第１小レンズ２４ａｍの光射出側に複数の偏角プリズム４１を配置している。偏角プリズム４１は、図７（ａ）に示すように、第１小レンズ２４ａｍがＺ方向に複数配列されてなるレンズ列２４Ｌ１，２４Ｌ２，２４Ｌ３，２４Ｌ４にそれぞれ配置されている。

偏角プリズム４１は、図７（ｂ）に示すように、第２小レンズ２４ｂｍの短手方向（Ｚ方向）に長い短冊状である。そのため、各レンズ列２４Ｌ１，２４Ｌ２，２４Ｌ３（総称してレンズ列２４Ｌとする）においては、複数（本実施形態では、例えば、４つ）の第１小レンズ２４ａｍに対して１個の偏角プリズム４１が設けられている。このように複数の第１小レンズ２４ａｍに対して１つの偏角プリズム４１を兼用することで部品点数を削減することができる。

偏角プリズム４１は、第２小レンズ２４ｂｍ側に、光（光線束Ｋ１の一部の光Ｋ１ｓ）の進行方向を変える偏向特性を有したプリズム面４１ａを備えている。プリズム面４１ａによる偏向方向は、第２小レンズ２４ｂｍの長手方向（Ｙ方向）であって、具体的には光軸ａｘ１から遠ざかる方向である。

偏角プリズム４１は、光軸ａｘ１から遠ざかる方向（Ｙ方向または−Ｙ方向）に光Ｋ１ｓを偏向させる。ただし、第１小レンズ２４ａｍから射出された光Ｋ１ｓの結像位置と複数の第１小レンズ２４ａｍが設けられている面との距離は変化しない。第１小レンズ２４ａｍと蛍光発光素子２７又は拡散反射素子３０との間に成立する共役関係を乱すことがないように第１のレンズアレイ２４ａと第２のレンズアレイ２４ｂとの間隔が調整されている。本実施形態において、偏角プリズム４１は、仮に実装誤差が無いとした場合に、光Ｋ１ｓを射出した第１小レンズ２４ａｍと対応している第２小レンズ２４ｂｍの中央部分に２次光源像Ｇを形成するように設計されている。

第２小レンズ２４ｂｍは光軸が偏心した偏芯レンズから構成されている。
具体的に、第２小レンズ２４ｂｍは、図７（ａ）に示したように、その光軸Ｂ２が該第２小レンズ２４ｂｍの長手方向（Ｙ方向）に偏心している。光軸Ｂ２の偏心方向はアレイ光源２１から射出される光の光軸ａｘ１に近づく方向に設定される。

本実施形態においては、第１小レンズ２４ａｍの光軸Ｂ１が第２小レンズ２４ｂｍの光軸Ｂ２上に位置している。これにより、第２小レンズ２４ｂｍは、第１小レンズ２４ａｍから射出された光Ｋ１ｓを平行光に変換して射出することが可能である。

本実施形態において、光射出領域２１１Ａの短手方向（Ｚ方向）は、第２小レンズ２４ｂｍの長手方向（Ｙ方向）と直交（交差）している。すなわち、光射出領域２１１Ａの長手方向（Ｙ方向）は、第２小レンズ２４ｂｍの長手方向（Ｙ方向）と一致している。

第２小レンズ２４ｂｍ上に形成される２次光源像Ｇの長手方向と、該第２小レンズ２４ｂｍの長手方向とはほぼ一致している。また、偏角プリズム４１を備えているため、２次光源像Ｇは第２小レンズ２４ｂｍの所定の位置、たとえば中央部分に形成されている。

本実施形態においては、第２小レンズ２４ｂｍのＹ方向のサイズが第２小レンズ２４ｂｍのＺ方向のサイズよりも大きい。したがって、従来技術においてはみ出しが生じやすかったＹ方向に２次光源像Ｇがずれたとしても、２次光源像Ｇが第２小レンズ２４ｂｍからはみ出しにくく、第２小レンズ２４ｂｍ上に２次光源像Ｇが良好に形成される。よって、アレイ光源２１からの光を効率良く利用することができる。また、従来ほど高い実装精度が要求されないため、製造が容易となってコスト低減を図ることができる。

なお、上述のように、各第２小レンズ２４ｂｍから射出される光Ｋ１ｓは平行光であるため、後述の第１の集光光学系２６又は第２の集光光学系２９を介して蛍光発光素子２７又は拡散反射素子３０に良好に集光される。

光学素子２５Ａは、例えば波長選択性を有するダイクロイックプリズムから構成されている。ダイクロイックプリズムは、光軸ａｘ１に対して４５°の角度をなす傾斜面Ｋを有している。傾斜面Ｋは、光軸ａｘ２に対しても４５°の角度をなしている。光学素子２５Ａは、互いに直交する光軸ａｘ１，ａｘ２の交点と傾斜面Ｋの光学中心とが一致するように配置されている。なお、光学素子２５Ａとしては、ダイクロイックプリズムのようなプリズム形状のものに限らず、平行平板状のダイクロイックミラーを用いてもよい。

傾斜面Ｋには、波長選択性を有する偏光分離素子５０Ａが設けられている。偏光分離素子５０Ａは、第１の位相差板１５を通過した光線束Ｋ１を、偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する偏光分離機能を有している。具体的に、偏光分離素子５０Ａは、入射光（光線束Ｋ１）のうちのＳ偏光成分の光線ＢＬｓを反射させ、入射光のうちのＰ偏光成分の光線ＢＬｐを透過させる。

Ｓ偏光成分である光線ＢＬｓは、偏光分離素子５０Ａで反射して蛍光発光素子２７に向かう。Ｐ偏光成分である光線ＢＬｐは、偏光分離素子５０Ａを透過して拡散反射素子３０に向かう。

また、偏光分離素子５０Ａは光線束Ｋ１とは波長帯が異なる、後述する蛍光光ＹＬを、その偏光状態にかかわらず透過させる色分離機能を有している。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＳ偏光の光線ＢＬｓは、第１の集光光学系２６に入射する。第１の集光光学系２６は、光線ＢＬｓを蛍光発光素子２７の蛍光体層３４に向けて集光させるものである。第１の集光光学系２６は、例えばピックアップレンズ２６ａ，２６ｂから構成されている。

第１の集光光学系２６から射出された光線ＢＬｓは蛍光発光素子２７に入射する。蛍光発光素子２７は、蛍光体層３４と、蛍光体層３４を支持する基板３５と、蛍光体層３４を基板３５に固定する固定部材３６と、を有している。

蛍光発光素子２７においては、蛍光体層３４の光線ＢＬｓが入射する側と反対側の面を基板３５に接触させた状態で、蛍光体層３４の側面と基板３５との間に設けられた固定部材３６によって、蛍光体層３４が基板３５に固定支持されている。

蛍光体層３４は、光線ＢＬｓを吸収して黄色の蛍光光ＹＬに変換して射出する蛍光体粒子を含む。蛍光体粒子としては、例えば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。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよく、２種以上の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てもよい。

蛍光体層３４には、耐熱性および表面加工性に優れたものを用いることが好ましい。このような蛍光体層３４としては、例えば、アルミナ等の無機バインダー中に蛍光体粒子を分散させた蛍光体層、バインダーを用いずに蛍光体粒子を焼結した蛍光体層などを好適に用いることができる。

蛍光体層３４の光線ＢＬｓが入射する側とは反対側には、反射部３７が設けられている。反射部３７は、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬを反射する機能を有している。

反射部３７は、鏡面反射面からなることが好ましい。蛍光発光素子２７においては、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬを反射部３７で鏡面反射させることにより、蛍光体層３４から効率的に蛍光光ＹＬを射出することができる。

具体的に、反射部３７は、蛍光体層３４の光線ＢＬｓが入射する側とは反対側の面に反射膜３７ａを設けることによって構成することができる。この場合、反射膜３７ａの蛍光体層３４と対向する面が鏡面反射面となる。反射部３７は、基板３５が光反射特性を有する基材からなる構成であってもよい。この場合、反射膜３７ａを省略し、基板３５の蛍光体層３４と対向する面を鏡面化することにより、この面を鏡面反射面とすることができる。

固定部材３６には、光反射特性を有する無機接着剤を用いることが好ましい。この場合、光反射特性を有する無機接着剤によって蛍光体層３４の側面から漏れ出す光を蛍光体層３４内へと反射させることができる。これにより、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬの光取り出し効率を更に高めることができる。

基板３５の蛍光体層３４を支持する面とは反対側の面には、ヒートシンク３８が配置されている。蛍光発光素子２７においては、ヒートシンク３８を介して放熱できるため、蛍光体層３４の熱劣化を防ぐことができる。

蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７によって反射され、蛍光体層３４の外部へと射出される。また、蛍光体層３４で生成された蛍光光ＹＬのうち、他の一部の蛍光光ＹＬは、反射部３７を介さずに蛍光体層３４の外部へと射出される。このようにして、蛍光光ＹＬが第１の集光光学系２６に向かって蛍光体層３４から射出される。

蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬは、第１の集光光学系２６および偏光分離素子５０Ａを透過する。

一方、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の光線ＢＬｐは、第２の位相差板２８に入射する。第２の位相差板２８は、偏光分離素子５０Ａと拡散反射素子３０との間の光路中に配置された１／４波長板（λ／４板）から構成される。光線ＢＬｐは、第２の位相差板２８を透過することによって円偏光の光線ＢＬｃ’に変換される。第２の位相差板２８を透過した光線ＢＬｃ’は、第２の集光光学系２９に入射する。

第２の集光光学系２９は、光線ＢＬｃ’を拡散反射素子３０に向けて集光させるものである。第２の集光光学系２９は、例えばピックアップレンズ２９ａ、ピックアップレンズ２９ｂから構成されている。

拡散反射素子３０は、第２の集光光学系２９から射出された光線ＢＬｃ’を偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させるものである。その中でも、拡散反射素子３０としては、拡散反射素子３０に入射した光線ＢＬｃ’をランバート反射させるものを用いることが好ましい。

拡散反射素子３０は、拡散反射板３０Ａと、拡散反射板３０Ａを回転させるためのモーター等の駆動源３０Ｍと、を備えている。駆動源３０Ｍの回転軸は、光軸ａｘ１と略平行に配置されている。これにより、拡散反射板３０Ａは、拡散反射板３０Ａに入射する光線ＢＬｃ’の主光線に交差する面内で回転可能に構成されている。拡散反射板３０Ａは、回転軸の方向から見て例えば円形に形成されている。

拡散反射板３０Ａによって反射され、第２の集光光学系２９を再び透過した円偏光の光線ＢＬｃ’は、再び第２の位相差板２８を透過して、Ｓ偏光の光線ＢＬｓ’となる。

拡散反射素子３０から射出された光線ＢＬｓ’（青色光）は偏光分離素子５０Ａを透過した蛍光光ＹＬと合成され、白色の白色光ＷＬが得られる。白色光ＷＬは、図１、２に示した均一照明光学系４０（インテグレータ光学系３１）に入射する。インテグレータ光学系３１は、重畳光学系３３と協働して被照明領域での白色光ＷＬによる照度分布を均一化する。

インテグレータ光学系３１は、例えば、レンズアレイ３１ａ，レンズアレイ３１ｂから構成されている。レンズアレイ３１ａ，３１ｂは、複数のレンズがアレイ状に配列されたものからなる。

インテグレータ光学系３１を通過した白色光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、例えば、偏光分離膜と位相差板とから構成され、白色光ＷＬを直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２を通過した白色光ＷＬは、重畳光学系３３に入射する。重畳光学系３３は、例えば、重畳レンズから構成され、偏光変換素子３２から射出された白色光ＷＬを被照明領域に重畳させる。本実施形態では、インテグレータ光学系３１と重畳光学系３３とによって、被照明領域における照度分布が均一化される。

以上述べたように、本実施形態によれば、アレイ光源２１から射出した光が蛍光発光素子２７或いは拡散反射素子３０に効率良く入射するので、光利用効率が高い。よって、明るい照明光を得ることができる。よって、本実施形態のプロジェクター１によれば、明るい照明光により表示品質に優れたものとなる。

（第２実施形態）
続いて、第２実施形態に係るホモジナイザー光学系について説明する。なお、上記実施形態と共通の構成及び部材については同じ符号を付し、その説明については省略若しくは簡略化する。

図８は本実施形態のホモジナイザー光学系２２４の要部構成を示す図であり、図８（ａ）は＋Ｚ方向からホモジナイザー光学系２２４を視た場合の平面図であり、図８（ｂ）は−Ｙ方向からホモジナイザー光学系２２４を視た場合の側面図である。

本実施形態のホモジナイザー光学系２２４は、第１のレンズアレイ２２４ａおよび第２のレンズアレイ２２４ｂを有する。第１のレンズアレイ２２４ａは複数の第１小レンズ２２４ａｍを有し、第２のレンズアレイ２２４ｂは複数の第２小レンズ２２４ｂｍを有する。なお、第２のレンズアレイ２２４ｂは、上記実施形態の第２のレンズアレイ２４ｂと同じ構成を有する。

本実施形態においても、第２小レンズ２２４ｂｍの長手方向（Ｙ方向）の大きさは、第１小レンズ２２４ａｍのＹ方向の大きさよりも大きくなっている。

本実施形態のホモジナイザー光学系２２４においては、第１小レンズ２２４ａｍとして、光軸が偏心した偏芯レンズを用いている。具体的に、第１小レンズ２２４ａｍは、図８（ａ）に示すように、その光軸Ｂ１がＹ方向に偏心している。光軸Ｂ１の偏心方向はアレイ光源２１から射出される光の光軸ａｘ１から遠ざかる方向に設定される。

第１小レンズ２２４ａｍは、上記実施形態の偏角プリズム４１と同じく偏向機能を有し、光軸ａｘ１から遠ざかる方向（Ｙ方向または−Ｙ方向）に光Ｋ１ｓを偏向させる。ただし、第１小レンズ２２４ａｍから射出された光Ｋ１ｓの結像位置と複数の第１小レンズ２２４ａｍが設けられている面との距離は変化しない。第１小レンズ２２４ａｍと蛍光発光素子２７又は拡散反射素子３０との間に成立する共役関係を乱すことがないように第１のレンズアレイ２２４ａと第２のレンズアレイ２２４ｂとの間隔が調整されている。本実施形態において、第１小レンズ２２４ａｍは、仮に実装誤差が無いとした場合に、光Ｋ１ｓを射出した第１小レンズ２２４ａｍと対応している第２小レンズ２２４ｂｍの中央部分に２次光源像を形成するように設計されている。

本実施形態においても、第１小レンズ２２４ａｍの光軸Ｂ１が第２小レンズ２２４ｂｍの光軸Ｂ２上に位置している。これにより、第２小レンズ２２４ｂｍは、第１小レンズ２２４ａｍから射出された光Ｋ１ｓを平行光に変換して射出することが可能である。

第２小レンズ２２４ｂｍ上に形成する２次光源像Ｇの長手方向と、該第２小レンズ２２４ｂｍの長手方向とはほぼ一致している。また、２次光源像Ｇは第２小レンズ２２４ｂｍの所定の位置、たとえば中央部分に形成されている。

本実施形態においても、実装誤差による２次光源像Ｇの第２小レンズ２２４ｂｍ上からのはみ出しが抑制されるので、アレイ光源２１からの光を効率良く利用することができる。よって、高い光利用効率を得ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態の構成に必ずしも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、上記第１実施形態では、偏角プリズム４１を第１小レンズ２４ａｍの光射出側に配置する場合を例に挙げたが、該偏角プリズム４１を第１小レンズ２４ａｍの光入射側に配置するようにしても良い。

また、上記実施形態では、光射出領域２１１Ａの長手方向と第２小レンズ２４ｂｍの長手方向とが一致する場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。すなわち、本発明では、光射出領域２１１Ａの長手方向が第２小レンズ２４ｂｍの短手方向と交差していればよい。換言すると、光射出領域２１１Ａの長手方向と第２小レンズ２４ｂｍの短手方向とが一致しなければよい。

その他、照明装置およびプロジェクターの各種構成要素の形状、数、配置、材料等については、上記実施形態に限らず、適宜変更が可能である。
また、上記実施形態では本発明による照明装置を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。本発明による照明装置は、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。

１…プロジェクター、２…光源装置、２Ａ…照明装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投写光学系、２１…アレイ光源、２４ａ，１２４ａ…第１のレンズアレイ、２４ａｍ，１２４ａｍ…第１小レンズ、２４ｂ，１２４ｂ…第２のレンズアレイ、２４ｂｍ，１２４ｂｍ…第２小レンズ、２６…第１の集光光学系、２７…蛍光発光素子、２９…第２の集光光学系、３０…拡散反射素子、３３…重畳光学系、４１…偏角プリズム、２１１Ａ…光射出領域、Ｂ１，Ｂ２…光軸、Ｃ１，Ｃ２…レンズの中心。

Claims (9)

1. 固体光源からなる発光素子と、
   前記発光素子から射出された光が入射する複数の第１小レンズを含む第１のレンズアレイと、
   前記第１のレンズアレイの後段に設けられ、前記複数の第１小レンズにそれぞれ対応する複数の第２小レンズを含む第２のレンズアレイと、
   前記第２のレンズアレイの後段に設けられた集光光学系と、
   前記集光光学系の後段に設けられ、前記発光素子から射出された光が入射する散乱光生成部と、を備え、
   前記発光素子の光射出領域の平面形状は短手方向及び長手方向を有する矩形状であり、
   前記複数の第２小レンズのうち一の第２小レンズの平面形状は短手方向及び長手方向を有する矩形状であり、
   前記光射出領域の長手方向は、前記第２小レンズの長手方向と一致する
   光源装置。
2. 前記第１のレンズアレイの光入射側又は光射出側に配置された偏角プリズムをさらに備え、
   前記第２小レンズの前記長手方向の大きさは、前記複数の第１小レンズのうち前記第２小レンズに対応する第１小レンズの前記長手方向の大きさよりも大きい
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記偏角プリズムによる前記光の偏向方向は、前記第２小レンズの長手方向であり、
   前記偏向方向は、前記発光素子から射出された前記光の光軸から遠ざかる方向である
   請求項２に記載の光源装置。
4. 前記偏角プリズムは、前記第２小レンズの短手方向に長い短冊状である
   請求項２又は３に記載の光源装置。
5. 前記複数の第１小レンズのうち一の第１小レンズの光軸は、前記第２小レンズの長手方向に偏心しており、
   前記偏心の方向は、前記発光素子から射出された前記光の光軸から遠ざかる方向である
   請求項１に記載の光源装置。
6. 前記第２小レンズの光軸は、前記第２小レンズの長手方向に偏心しており、
   前記偏心の方向は、前記発光素子から射出された前記光の光軸に近づく方向である
   請求項１〜５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記第２小レンズの光軸上に、前記複数の第１小レンズのうち前記第２小レンズに対応する一の第１小レンズの中心がある
   請求項６に記載の光源装置。
8. 請求項１〜７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た光が入射する均一照明光学系と、を備える
   照明装置。
9. 請求項８に記載の照明装置と、
   前記照明装置から射出された光を画像情報に応じて変調することにより画像光を形成する光変調装置と、
   前記画像光を投射する投射光学系と、を備える
   プロジェクター。

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