JP6582487B2 - 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。

プロジェクター用の光源装置として、レンズインテグレーターを用いて、複数の光源ユニットからの光で蛍光体層を均一に照明するようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１３−１１４９８０号公報

ところで、例えば、縮小系のアフォーカル光学系を用いて光線束を小さくすることで、レンズインテグレーター等の後段に設けられる光学素子を小さくし、光源装置を小型化することも考えられる。なお、本明細書では、縮小系のアフォーカル光学系を単にアフォーカル光学系と称すこともある。また、アフォーカル倍率が高いとは高い光束幅圧縮率が得られることを意味し、アフォーカル倍率が低いとは、低い光束幅圧縮率が得られることを意味する。

アフォーカル倍率が高い場合、光源ユニットに対して高いアライメント精度が要求される。そのため、光源ユニットの実装ばらつき等を考慮し、アフォーカル倍率をある程度低く抑える必要がある。しかしながら、アフォーカル倍率が低いとレンズインテグレーターに入射する光の光束幅を充分小さくすることができず、ひいては、レンズインテグレーター等、後段に設けられる光学素子を小型化することができない、という課題があった。

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、光線束を容易に縮小できる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および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、第１の光線を射出する第１の光源ユニットと、第１の方向に並んでいる第２の光線と第３の光線とを含む光線束を射出する第２の光源ユニットと、前記光線束を前記第１の方向に縮小して縮小光線束として射出する縮小光学系と、前記第１の光線を透過又は反射させるとともに前記縮小光線束を反射又は透過させることで、前記第１の光線と前記縮小光線束とを合成する合成光学系と、を備えた光源装置であって、前記縮小光学系は、前記第２の光線と前記第３の光線との間の間隔を前記第１の方向に縮小して、前記第２の光線と前記第３の光線とをそれぞれ第４の光線と第５の光線として射出し、前記縮小光線束の光軸を含み、かつ前記第１の方向と平行な面を基準面とし、前記第１の方向と交差し、前記第１の光線、前記第２の光線および前記第３の光線が射出される方向を第２の方向とし、前記第１の方向および前記第２の方向に直交する方向を第３の方向としたとき、前記合成光学系は、前記基準面と平行な長辺を持つ光透過領域と、前記基準面と平行な長辺を持つ光反射領域と、を有し、前記光透過領域および前記光反射領域は、前記第３の方向においてそれぞれが異なる位置に設けられており、前記第１の光線は、前記光透過領域と前記光反射領域とのうちの一方に入射し、前記第４の光線と前記第５の光線は、前記光透過領域と前記光反射領域とのうちの他方に入射する光源装置が提供される。
また、第１の方向に第１光線束を射出する第１光源ユニットと、前記第１の方向と交差する第２の方向に第２光線束を射出する第２光源ユニットと、前記第１光線束を前記第２の方向において縮小する第１縮小光学系と、前記第２光線束を前記第１の方向において縮小する第２縮小光学系と、前記第１縮小光学系によって縮小された前記第１光線束と前記第２縮小光学系によって縮小された前記第２光線束とを合成して射出する合成光学系と、を備えた光源装置であって、前記合成光学系は、前記第１光線束を透過する光透過領域と、前記第２光線束を反射する光反射領域と、を有し、前記光反射領域は、前記第１の方向に沿った長手方向を有する光源装置が提供される。

第１態様に係る光源装置によれば、第２の光源ユニットから射出された光線束を縮小光学系により第１の方向に効率良く縮小して射出することができる。これにより、例えば、合成光学系の後段に配置された光学系を小型化することができる。なお、本明細書においては、光線束を第１の方向に縮小する、ということは、光線束を第１の方向と平行な方向に縮小することを意味する。

上記第１態様において、前記第２の光線の断面形状及び前記第３の光線の断面形状はいずれも、前記第１の方向に長手方向を有するのが好ましい。
この構成によれば、縮小光学系による第２の光線および第３の光線の損失が小さい。

上記第１態様において、第２の縮小光学系をさらに備え、前記第１の光源ユニットは第６の光線をさらに射出し、前記第６の光線は、前記第１の方向と交差する第２の方向に前記第１の光線と並んでおり、前記第２の縮小光学系は、前記第１の光線と前記第６の光線との間の間隔を前記第２の方向に縮小して、前記第１の光線と前記第６の光線とをそれぞれ第７の光線と第８の光線として射出し、前記第７の光線と前記第８の光線は、前記光透過領域と前記光反射領域とのうちの一方に入射するのが好ましい。
この構成によれば、第１の光源ユニットから射出された複数の光線からなる光線束を第２の縮小光学系により縮小することができる。

本発明の第２態様に従えば、上記第１態様に係る光源装置と、波長変換素子と、前記第１の光、前記第４の光線および前記第５の光線の少なくとも一部を前記波長変換素子に導く導光光学系と、を備える照明装置が提供される。
第２態様によれば、小型の照明装置を提供することができる。

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態様によれば、小型のプロジェクターを実現できる。

プロジェクターの概略構成を示す平面図。 照明装置の概略構成を示す図。 光源装置の概略構成を示す図。 縮小光学系による効果を示す図。 第２の縮小光学系による効果を示す図。 合成光学系の平面構成を示す図。 比較例に係る構成を示す図。

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。

（第１実施形態）
まず、本実施形態に係るプロジェクターの一例について説明する。本実施形態のプロジェクターは、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、緑色光、青色光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。

（プロジェクター）
図１は、本実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す平面図である。プロジェクター１は、図１に示すように、照明装置２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、光合成部５と、投射光学系６とを備えている。

色分離光学系３は、照明光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及び第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及び第３の全反射ミラー８ｃと、第１のリレーレンズ９ａ及び第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、照明装置２からの照明光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を透過すると共に、その他の光（緑色光ＬＧ及び青色光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を反射すると共に、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及び第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に導く。緑色光ＬＧは、第２のダイクロイックミラー７ｂから光変調装置４Ｇに向けて反射される。

第１のリレーレンズ９ａ及び第２のリレーレンズ９ｂは、青色光ＬＢの光路中における第２の全反射ミラー８ｂの光射出側に配置されている。第１のリレーレンズ９ａ及び第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及び射出側には、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。

また、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、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇ，光変調装置４Ｂそれぞれに入射する赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢそれぞれを平行化するためのものである。

光合成部５には、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。光合成部５は、赤色光ＬＲ，緑色光ＬＧ，青色光ＬＢに対応した画像光を合成し、この合成された画像光を投射光学系６に向けて射出する。光合成部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、投射レンズ群からなり、光合成部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が表示される。

（照明装置）
続いて、本発明の一実施形態に係る照明装置２について説明する。図２は照明装置２の概略構成を示す図である。図２に示すように、照明装置２は、光源装置１００と、インテグレータ光学系２４と、偏光分離素子５０Ａを含む光学素子２５Ａと、第１のピックアップ光学系２６と、蛍光発光素子（波長変換素子）２７と、位相差板２８と、第２のピックアップ光学系２９と、拡散反射素子３０と、ホモジナイザー光学系３１と、偏光変換素子３２と、重畳光学系３３とを備えている。

光源装置１００は励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’を射出する。なお、光源装置１００の詳細な構成については後述する。

励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’はインテグレータ光学系２４に入射する。インテグレータ光学系２４は、第１のマルチレンズアレイ２４ａと、第２のマルチレンズアレイ２４ｂとから構成されている。第１のマルチレンズアレイ２４ａは複数の小レンズ２４ａｍを備え、第２のマルチレンズアレイ２４ｂは、複数の小レンズ２４ａｍに対応する複数の小レンズ２４ｂｍを備えている。

インテグレータ光学系２４を透過した励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’は、光学素子２５Ａに入射する。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。

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、励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’を、この偏光分離素子５０Ａに対するＳ偏光成分とＰ偏光成分とに分離する。

また、偏光分離素子５０Ａは、後述する励起光ＢＬと青色光ＢＬ’とは波長帯が異なる第２の光である蛍光光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。

励起光ＢＬは偏光分離素子５０Ａで反射されるＳ偏光である。青色光ＢＬ’は偏光分離素子５０Ａを透過するＰ偏光である。

したがって、励起光ＢＬは、Ｓ偏光の励起光ＢＬｓとして、蛍光発光素子２７に向けて偏光分離素子５０Ａで反射される。一方、青色光ＢＬ’は、Ｐ偏光の青色光ＢＬ’ｐとして、拡散反射素子３０に向けて偏光分離素子５０Ａを透過する。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＳ偏光の励起光ＢＬｓは、第１のピックアップ光学系２６に入射する。第１のピックアップ光学系２６は、第２のマルチレンズアレイ２４ｂから射出された複数の光束（励起光ＢＬｓ）を、蛍光体層３４に向けて集光させるとともに、蛍光体層３４の上で互いに重畳させる。

第１のピックアップ光学系２６は、例えばピックアップレンズ２６ａ，ピックアップレンズ２６ｂから構成されている。第１のピックアップ光学系２６から射出された励起光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、この蛍光体層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。

蛍光体層３４は、固定部材３６により、基板３５に固定されている。蛍光体層３４の励起光ＢＬｓが入射する側とは反対側の面は基板３５に接触している。

蛍光体層３４は、波長４４０ｎｍの励起光ＢＬｓを吸収して励起される蛍光体を含み、この励起光ＢＬｓにより励起された蛍光体は、第２の光として、例えば５００〜７００ｎｍの波長域にピーク波長を有する蛍光光（黄色光）ＹＬを生成する。

蛍光体層３４には、耐熱性及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や、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の励起光ＢＬｓが入射する側とは反対側には、第１の反射素子としての反射部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を反射する機能を有している。

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では、このヒートシンク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が蛍光体層３４から第１のピックアップ光学系２６に向けて射出される。

蛍光体層３４から射出された蛍光光ＹＬは、非偏光光である。蛍光光ＹＬは、第１のピックアップ光学系２６および偏光分離素子５０Ａを透過して、ホモジナイザー光学系３１に入射する。

偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の青色光ＢＬ’ｐは、位相差板２８に入射する。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波長板から構成されている。したがって、偏光分離素子５０Ａから射出されたＰ偏光の青色光ＢＬ’ｐは、この位相差板２８によって、円偏光の青色光ＢＬ’ｃに変換された後、第２のピックアップ光学系２９に入射する。

第２のピックアップ光学系２９は、青色光ＢＬ’ｃを拡散反射素子３０に向けて集光させるものであり、例えばピックアップレンズ２９ａから構成されている。

拡散反射素子３０は、第２のピックアップ光学系２９から射出された青色光ＢＬ’ｃを偏光分離素子５０Ａに向けて拡散反射させる。拡散反射素子３０としては、青色光ＢＬ’ｃ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で拡散反射された青色光ＢＬ’ｃは、位相差板２８を透過することによって、Ｓ偏光の青色光ＢＬ’ｓに変換される。青色光ＢＬ’ｓは、偏光分離素子５０Ａに入射する。そして、青色光ＢＬ’ｓは、偏光分離素子５０Ａでホモジナイザー光学系３１に向けて反射される。

これにより、青色光ＢＬ’ｓは、偏光分離素子５０Ａを透過した蛍光光ＹＬと共に、照明光ＷＬとして利用されることになる。すなわち、青色光ＢＬ’ｓ及び蛍光光ＹＬは、偏光分離素子５０Ａから互いに同一方向に向けて射出される。これにより、青色光ＢＬ’ｓと蛍光光（黄色光）ＹＬとが混ざった照明光（白色光）ＷＬが得られる。

偏光分離素子５０Ａから射出された照明光ＷＬは、ホモジナイザー光学系３１に入射する。ホモジナイザー光学系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。

ホモジナイザー光学系３１を透過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３２に入射する。偏光変換素子３２は、偏光分離膜と位相差板とから構成されている。偏光変換素子３２は、照明光ＷＬを直線偏光に変換する。

偏光変換素子３２から射出された照明光ＷＬは、重畳光学系３３に入射する。重畳光学系３３は、照明光ＷＬを被照明領域において重畳させるものである。重畳光学系３３は、例えば、重畳レンズ３３ａから構成されている。これにより、被照明領域の照度分布が均一化される。

続いて、光源装置１００の詳細について説明する。図３は光源装置１００の概略構成を示す図である。
図３に示すように、光源装置１００は、第１の光源ユニット２１Ａと、第２の縮小光学系７１と、第２の光源ユニット２１Ｂと、縮小光学系７２と、合成光学系７０と、アフォーカル光学系２３と、を有する。

第１の光源ユニット２１Ａは、複数の半導体レーザー１１を含み、各半導体レーザー１１から射出した複数の光線Ｌ１を含む光線束Ｋ１を射出する。

第２の光源ユニット２１Ｂは、複数の半導体レーザー１２を含み、各半導体レーザー１２から射出した複数の光線Ｌ２を含んだ光線束Ｋ２を射出する。

図３においては、第１の光源ユニット２１Ａから射出された光線束Ｋ１の進行方向をＹ方向とし、第２の光源ユニット２１Ｂから射出された光線束Ｋ２の進行方向を−Ｘ方向とし、Ｘ方向およびＹ方向にそれぞれ直交する方向をＺ方向とする。

第１の光源ユニット２１Ａおよび第２の縮小光学系７１は、光軸ＡＸ１を中心として左右対称の構成を有する。そのため、図３において、光軸ＡＸ１を中心として左部分の構成について以下、説明する。説明の便宜上、図３の左側の５個の半導体レーザー１１について、−Ｘ側から＋Ｘ側に向かって順に、それぞれ半導体レーザー１１Ａ〜１１Ｅと称する。

また、第２の光源ユニット２１Ｂおよび縮小光学系７２は、光軸ＡＸ２を中心として上下対称の構成を有する。そのため、図３において、光軸ＡＸ２を中心として下部分の構成について以下、説明する。説明の便宜上、図３の下側の５個の半導体レーザー１２について、−Ｙ側から＋Ｙ側に向かって順に、それぞれ半導体レーザー１２Ａ〜１２Ｅと称する。

複数の半導体レーザー１１は、光軸ＡＸ１と直交する面内（ＸＺ平面と平行な面内）においてアレイ状に配置されている。本実施形態では、図示しないが、例えば、Ｘ方向に沿って配置された９個の半導体レーザー１１からなるレーザー列１１がＺ方向に３列配置されている。Ｘ方向は、特許請求の範囲における「第２の方向」に相当する。なお、半導体レーザー１１の設置数や配列数はこれに限定されることはない。

半導体レーザー１１は、光線Ｌ１として、例えばピーク波長が４６０ｎｍの青色光ＢＬ’を射出する。

複数の半導体レーザー１２は、光軸ＡＸ２と直交する面内（ＹＺ平面と平行な面内）においてアレイ状に配置されている。本実施形態では、図示しないが、例えば、Ｙ方向に沿って配置された９個の半導体レーザー１２からなるレーザー列１２がＺ方向に３列配置されている。Ｙ方向は、特許請求の範囲における「第１の方向」に相当する。なお、半導体レーザー１２の設置数や配列数はこれに限定されることはない。

ＸＹ平面を基準面とした場合、いずれのレーザー列１１から射出された光線束の基準面からの距離も、いずれのレーザー列から射出された光線束の基準面からの距離とは異なっている（図６参照）。

半導体レーザー１２は、光線Ｌ２として、例えばピーク波長が４４０ｎｍの励起光ＢＬを射出する。

縮小光学系７２は、第２の光源ユニット２１Ｂから射出された光線束Ｋ２をＹ方向に縮小して、縮小光線束Ｋ２ｓとして射出する。縮小光学系７２から射出された縮小光線束Ｋ２ｓは、合成光学系７０に入射する。

本実施形態において、縮小光学系７２は、プリズム７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄを含む。プリズム７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃ，７２Ｄはいずれも、入射した光に対して同じ作用を持っている。

半導体レーザー１２Ｃから射出された光線Ｌ２ｔは、プリズム７２Ｂ，７２Ａを順に透過して直進する。プリズム７２Ａは、半導体レーザー１２Ａから射出された光線Ｌ２ｕの光路を変更する。プリズム７２Ａは、第１の反射面７２Ａ１と第２の反射面７２Ａ２とを有する。第１の反射面７２Ａ１は、光線Ｌ２ｕが４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７２Ａ２は、第１の反射面７２Ａ１で反射した光線Ｌ２ｕが４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７２Ａ２は、半導体レーザー１２Ｃから射出された光線Ｌ２ｔの光路と半導体レーザー１２Ｄからの射出光の光路との間に設けられている。

これにより、半導体レーザー１２Ａから射出された光線Ｌ２ｕはプリズム７２Ａの第１の反射面７２Ａ１で反射し、光線Ｌ２ｕの光路は右回りに９０°折り曲げられる。次に、第１の反射面７２Ａ１で反射した光線Ｌ２ｕは、プリズム７２Ａ内を進行した後、第２の反射面７２Ａ２で反射し、光線Ｌ２ｕの光路は左回りに９０°折り曲げられる。このようにして、プリズム７２Ａに入射した光線Ｌ２ｕは、光路がシフトされた光線Ｌ２ｕ’として射出される。光線Ｌ２ｕ’は、半導体レーザー１２Ｃから射出された光線Ｌ２ｔの光路と半導体レーザー１２Ｄから射出された光線Ｌ２の光路との間に位置する。

半導体レーザー１２Ｃから射出された光線Ｌ２ｔと、半導体レーザー１２Ａから射出された光線Ｌ２ｕとに着目すると、光線Ｌ２ｕは縮小光学系７２（プリズム７２Ａ）により光路が＋Ｙ方向に移動し、光線Ｌ２ｔは光路が変更することなく−Ｘ方向に向かって直進する。ここで、縮小光学系７２（プリズム７２Ａ）を経由した後の光線Ｌ２ｔを光線Ｌ２ｔ’とする。

縮小光学系７２は、光線Ｌ２ｕと光線Ｌ２ｔとの間の間隔を第一の方向に縮小して、光線Ｌ２ｕと光線Ｌ２ｔとをそれぞれ光線Ｌ２ｕ’と光線Ｌ２ｔ’として射出している。すなわち、本実施形態において、光線Ｌ２ｔは特許請求の範囲の「第２の光線」に相当し、光線Ｌ２ｕは特許請求の範囲の「第３の光線」に相当し、光線Ｌｔ’は特許請求の範囲の「第４の光線」に相当し、光線Ｌ１ｕ’は特許請求の範囲の「第５の光線」に相当する。

プリズム７２Ｂは、半導体レーザー１２Ｂから射出された光線Ｌ２の光路を変更する。プリズム７２Ｂは、第１の反射面７２Ｂ１と第２の反射面７２Ｂ２とを有する。第１の反射面７２Ｂ１は、半導体レーザー１２Ｂから射出された光線Ｌ２が４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７２Ｂ２は、第１の反射面７２Ｂ１で反射した光線Ｌ２が４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７２Ｂ２は、半導体レーザー１２Ｄからの光線Ｌ２の光路と半導体レーザー１２Ｅからの光線Ｌ２の光路との間に設けられている。

半導体レーザー１２Ｂから射出された光線Ｌ２の光路は、光線Ｌ２ｕと同様に＋Ｙ方向にシフトされる。このようにして、半導体レーザー１２Ｂから射出された光線Ｌ２の光路は、縮小光学系７２を射出した後には、半導体レーザー１２Ｄからの光線Ｌ２の光路と半導体レーザー１２Ｅからの光線Ｌ２の光路との間に配置されている。

半導体レーザー１２Ｄから射出された光線Ｌ２は、プリズム７２Ｂを透過して直進する。半導体レーザー１２Ｅから射出された光線Ｌ２は、合成光学系７０へ向かって直進する。

なお、光軸ＡＸ２を中心として上部分においても、プリズム７２Ｃ，７２Ｄにより、第２の光源ユニット２１Ｂから射出した光線Ｌ２の光路を−Ｙ方向にシフトすることができる。

本実施形態によれば、複数の半導体レーザー１２から射出された複数の光線Ｌ２が縮小光学系７２から互いに平行に、かつ光軸ＡＸ１と平行な状態で射出される。かくして、Ｙ方向の幅がＷ３である光線束Ｋ２は、縮小光学系７２によって、Ｙ方向の幅がＷ４である縮小光線束Ｋ２ｓに変換され、縮小光学系７２から射出される。

図４（ａ）は縮小される前の各光線Ｌ２を示す図であり、図４（ｂ）は縮小後の各光線Ｌ２を示す図である。図４（ａ），（ｂ）に示すように、光線Ｌ２のスポットＳ２は、Ｙ方向に長軸を有する略楕円状である。本実施形態において、縮小光学系７２は、光線束Ｋ２をスポットＳ２の長軸方向に縮小している。

一方、第２の縮小光学系７１は、第１の光源ユニット２１Ａから射出された光線束Ｋ１をＸ方向に圧縮して縮小光線束Ｋ１ｓとして射出する。第２の縮小光学系７１から射出された縮小光線束Ｋ１ｓは、合成光学系７０に入射する。本実施形態において、第２の縮小光学系７１は、プリズム７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄを含む。プリズム７１Ａ，７１Ｂ，７１Ｃ，７１Ｄはいずれも、入射した光に対して同じ作用を持っている。

半導体レーザー１１Ｃから射出された光線Ｌ１ｔは、プリズム７１Ｂ，７１Ａを順に透過して直進する。プリズム７１Ａは、半導体レーザー１１Ａから射出された光線Ｌ１ｕの光路を変更する。プリズム７１Ａは、第１の反射面７１Ａ１と第２の反射面７１Ａ２とを有する。第１の反射面７１Ａ１は、光線Ｌ１ｕが４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７１Ａ２は、第１の反射面７１Ａ１で反射した光線Ｌ１ｕが４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７１Ａ２は、半導体レーザー１１Ｃから射出された光線Ｌ１ｔの光路と半導体レーザー１１Ｄからの光線Ｌ１の光路との間に設けられている。

半導体レーザー１１Ａから射出された光線Ｌ１ｕの光路は、光線Ｌ２ｕと同様にプリズム７１Ａによって＋Ｘ方向にシフトされる。プリズム７１Ａに入射した光線Ｌ１ｕは、光路がシフトされた光線Ｌ１ｕ’として射出される。このようにして、半導体レーザー１１Ａから射出された光線Ｌ１ｕの光路は、第２の縮小光学系７１を射出した後には、半導体レーザー１１Ｃから射出された光線Ｌ１ｔの光路と半導体レーザー１１Ｄからの光線Ｌ１の光路との間に位置する。

半導体レーザー１１Ｃから射出された光線Ｌ１ｔと、半導体レーザー１１Ａから射出された光線Ｌ１ｕとに着目すると、光線Ｌ１ｕは第２の縮小光学系７１（プリズム７１Ａ）により光路が＋Ｘ方向に移動し、光線Ｌ１ｔは光路が変更することなく＋Ｙ方向に向かって直進する。ここで、第２の縮小光学系７１（プリズム７１Ａ）を経由した後の光線Ｌ１ｔを光線Ｌ１ｔ’とする。

第２の縮小光学系７１は、光線Ｌ１ｕと光線Ｌ１ｔとの間の間隔を第２の方向に縮小して、光線Ｌ１ｕと光線Ｌ１ｔとをそれぞれ光線Ｌ１ｕ’と光線Ｌ１ｔ’として射出している。すなわち、本実施形態において、光線Ｌ１ｔは特許請求の範囲の「第１の光線」に相当し、光線Ｌ１ｕは特許請求の範囲の「第６の光線」に相当し、光線Ｌ１ｔ’は特許請求の範囲の「第７の光線」に相当し、光線Ｌ１ｕ’は特許請求の範囲の「第８の光線」に相当する。

プリズム７１Ｂは、半導体レーザー１１Ｂから射出された光線Ｌ１の光路を変更する。プリズム７１Ｂは、第１の反射面７１Ｂ１と第２の反射面７１Ｂ２とを有する。第１の反射面７１Ｂ１は、半導体レーザー１１Ｂから射出された光線Ｌ１が４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７１Ｂ２は、第１の反射面７１Ｂ１で反射した光線Ｌ１が４５°の入射角で入射するように配置されている。第２の反射面７１Ｂ２は、半導体レーザー１１Ｄからの光線Ｌ１の光路と半導体レーザー１１Ｅからの光線Ｌ１の光路との間に設けられている。

半導体レーザー１１Ｂから射出された光線Ｌ１の光路は、光線Ｌ１ｕと同様に＋Ｘ方向にシフトされる。このようにして、半導体レーザー１１Ｂから射出された光線Ｌ１の光路は、第２の縮小光学系７１を射出した後には、半導体レーザー１１Ｄからの光線Ｌ１の光路と半導体レーザー１１Ｅからの光線Ｌ１の光路との間に配置されている。

半導体レーザー１１Ｄから射出された光線は、プリズム７１Ｂを透過して直進する。また、半導体レーザー１１Ｅから射出された光線Ｌ１は、合成光学系７０へ向かって直進する。

なお、光軸ＡＸ１を中心として右部分についても、プリズム７１Ｃ，７１Ｄにより、第１の光源ユニット２１Ａから射出した光線Ｌ１の光路を−Ｘ方向にシフトすることができる。

本実施形態によれば、複数の半導体レーザー１１から射出された複数の光線Ｌ１が第２の縮小光学系７１から互いに平行に、かつ光軸ＡＸ１と平行な状態で射出される。かくして、Ｘ方向の幅がＷ１である光線束Ｋ１は、第２の縮小光学系７１によって、Ｘ方向の幅がＷ２である縮小光線束Ｋ１ｓに変換され、第２の縮小光学系７１から射出される。

図５（ａ）は縮小される前の各光線Ｌ１を示す図であり、図５（ｂ）は縮小後の各光線Ｌ１を示す図である。図５（ａ）、（ｂ）に示すように、光線Ｌ１のスポットＳ１は、Ｘ方向に長軸を有する略楕円状である。本実施形態において、第２の縮小光学系７１は、光線束Ｋ１をスポットＳ１の長軸方向に縮小している。

前述したように、第２の縮小光学系７１および縮小光学系７２は複数のプリズムを備えている。各プリズムは、互いに対向する第１の反射面と第２の反射面を備えている。第１の反射面と第２の反射面との平行度はプリズム作製時の加工精度で決まる。そのため、プリズムの実装精度に依らない縮小光学系を実現している。プリズムがＺ軸の周りに微小角回転したとしても、プリズムに入射する光とプリズムから射出した光とは互いに平行である。したがって、縮小光学系に入射する光の光軸と縮小光学系から射出された光の光軸とを互いに平行にしやすい。

図３に戻り、合成光学系７０は、第２の縮小光学系７１から射出された縮小光線束Ｋ１ｓと、縮小光学系７２から射出された縮小光線束Ｋ２ｓとを合成する。合成光学系７０は、光軸ＡＸ１およびＡＸ２に対してそれぞれ４５°をなすように配置されている。

図６は合成光学系７０の平面構成を示す図である。
合成光学系７０は、図６に示すように、第２の縮小光学系７１から射出された縮小光線束Ｋ１ｓを透過させる光透過領域７０Ａと、縮小光学系７２から射出された縮小光線束Ｋ２ｓを反射させる光反射領域７０Ｂとを有する板状部材から構成される。

本実施形態では、上述のように、いずれのレーザー列１１から射出された光線束の基準面からの距離も、いずれのレーザー列１２から射出された光線束の基準面からの距離とは異なっている。また、光透過領域７０Ａおよび光反射領域７０ＢはＺ方向において交互に配置されている。

光透過領域７０Ａは、例えば、透明部材から構成され、ストライプ形状を有している。光透過領域７０Ａは、ＸＹ平面（基準面）に平行な長辺を有している。なお、光透過領域７０Ａは、基板に形成されたストライプ状の開口から構成されていても良い。
また、光反射領域７０Ｂは、例えば、金属等のミラー部材や誘電体多層膜等から構成され、ストライプ形状を有している。光反射領域７０Ｂは、ＸＹ平面（基準面）に平行な長辺を有している。

このような構成に基づき、合成光学系７０は、第２の縮小光学系７１から射出された縮小光線束Ｋ１ｓを透過させて光軸ＡＸ１と平行に進行させるとともに、縮小光学系７２から射出された縮小光線束Ｋ２ｓを反射させることで光軸ＡＸ１と平行に進行させる。これにより、縮小光線束Ｋ１ｓおよび縮小光線束Ｋ２ｓが合成された合成光線束Ｋ３がアフォーカル光学系２３に向けて射出される。

図６に示すように、ストライプ状の光透過領域７０Ａは、その長辺方向がスポットＳ１の長軸方向、すなわち光線束Ｋ１の縮小方向と一致している。また、同様に、ストライプ状の光反射領域７０Ｂは、その長辺方向がスポットＳ２の長軸方向、すなわち光線束Ｋ２の縮小方向と一致している。なお、各スポットＳ１，Ｓ２の大きさは同じものとする。

また、本実施形態では、図６に示すように、一の光透過領域７０Ａ上に形成されている複数のスポットＳ１と、一の光反射領域７０Ｂ上に形成されている複数のスポットＳ２とは、該スポットＳ１，Ｓ２の半ピッチ分だけ互いにずれて配置されている。これにより、合成光線束Ｋ３の断面における強度分布の均一性を高めることができる。

ここで、比較例として、各光線のスポットの短軸方向が光線束の縮小方向と一致している場合について説明する。縮小光線束Ｋ１ｓは光透過領域７０Ａを透過し、縮小光線束Ｋ２ｓは光反射領域７０Ｂで反射しなければならない。しかし、図７に示すように、圧縮後の各光線のスポットＳ５の短軸方向が光線束の縮小方向（図７の左右方向）と一致している場合、縮小光線束Ｋ１ｓの一部は光反射領域７０Ｂで反射される。また、縮小光線束Ｋ２ｓの一部は光透過領域７０Ａを透過する。このように、縮小光線束Ｋ１ｓと縮小光線束Ｋ２ｓとを合成して合成光線束Ｋ３を生成するときに損失が発生する。損失を防ぐためには、Ｚ方向に互いに隣り合う２つのレーザー列の間隔を大きくして、縮小光線束Ｋ１ｓが光反射領域７０Ｂに入射せず、縮小光線束Ｋ２ｓが光透過領域７０Ａに入射しないようにしなければならない。

これに対し、本実施形態によれば、合成光線束Ｋ３を生成するときに損失が発生する可能性が低い。そのため、縮小光線束Ｋ１ｓと縮小光線束Ｋ２ｓとを効率よく利用することができる。

アフォーカル光学系２３は、合成光線束Ｋ３（励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’）の光束幅をさらに縮小する縮小系のアフォーカル光学系である。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。

合成光線束Ｋ３を充分細くすることができれば、アフォーカル光学系２３は不要である。合成光線束Ｋ３をさらに細くしたい場合、従来のアフォーカル光学系２３を用いればよい。しかし、アフォーカル光学系２３のアフォーカル倍率が高い場合、第１の光源ユニット２１Ａ（半導体レーザー１１）および第２の光源ユニット２１Ｂ（半導体レーザー１２）における実装ばらつきの影響を受けやすくなる。すなわち、合成光線束Ｋ３における各レーザー光線の進行方向のばらつきが大きくなり、合成光線束Ｋ３が所望の領域に効率よく入射することができないおそれがある。例えば、後述の蛍光体層３４への入射位置にずれが生じ、蛍光を効率良く発生させることができなるおそれがある。そのため、アフォーカル倍率が高い場合、光源ユニット２１Ａ，２１Ｂに対して高いアライメント精度が要求される。

そのため、光源ユニット２１Ａ，２１Ｂの実装ばらつき等を考慮し、アフォーカル光学系２３のアフォーカル倍率をある程度低く抑える必要がある。しかし、アフォーカル倍率を下げると、光源装置１００から射出された光線を充分細くすることができない。

これに対し、本実施形態においては、第２の縮小光学系７１および縮小光学系７２により縮小された合成光線束Ｋ３がアフォーカル光学系２３に入射するため、比較的アフォーカル倍率が小さいアフォーカル光学系２３を用いることができる。

また、光源装置１００では、合成光線束Ｋ３の光束幅が縮小されているので、小型のアフォーカル光学系２３を採用可能である。
したがって、本実施形態によれば、合成光線束Ｋ３の損失を抑えつつ、インテグレータ光学系２４、光学素子２５Ａ、第１のピックアップ光学系２６等の、後段の光学素子を小型化することができる。ひいては、照明装置２およびプロジェクター１の小型化を図ることができる。

なお、本発明は、上記実施形態のもの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、上記実施形態においては、第１の光源ユニット２１Ａおよび第２の光源ユニット２１Ｂのそれぞれに対し、第２の縮小光学系７１および縮小光学系７２を設ける場合を例に挙げたが、本発明はこれに限定されない。例えば、第２の縮小光学系７１および縮小光学系７２のいずれか一方のみを有していても良い。

また、縮小光線束Ｋ１ｓが光透過領域７０Ａを透過し、縮小光線束Ｋ２ｓが光反射領域７０Ｂで反射される場合を例に挙げたが、縮小光線束Ｋ１ｓが光反射領域７０Ｂで反射され、縮小光線束Ｋ２ｓが光透過領域７０Ａを透過するように構成した合成光学系７０を用いても良い。

また、上記実施形態では、励起光ＢＬのピーク波長は４４０ｎｍであり、青色光ＢＬ’用のピーク波長は４６０ｎｍであった。しかし、励起光ＢＬ及び青色光ＢＬ’のピーク波長については、このような例に必ずしも限定されるものではない。

また、上記実施形態では、３つの光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂを備えるプロジェクター１を例示したが、１つの光変調装置でカラー映像を表示するプロジェクターに適用することも可能である。

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…照明装置、４Ｒ，４Ｇ，４Ｂ…光変調装置、６…投射光学系、２１Ａ…第１の光源ユニット、２１Ｂ…第２の光源ユニット、３２…波長変換素子、７０…合成光学系、７０Ａ…光透過領域、７０Ｂ…光反射領域、７１…第２の縮小光学系、７２…縮小光学系、１００…光源装置、Ｋ１，Ｋ２…光線束、Ｋ１ｓ…縮小光線束、Ｋ２ｓ…縮小光線束、ＡＸ２…光軸（縮小光線束の光軸）、光線Ｌ１ｔ（第１の光線）、光線Ｌ１ｕ（第６の光線）、光線Ｌ１ｔ’（第７の光線）、光線Ｌ１ｕ’（第８の光線）、光線Ｌ２ｔ（第２の光線）、光線Ｌ２ｕ（第３の光線）、光線Ｌ２ｔ’（第４の光線）、光線Ｌ２ｕ’（第５の光線）。

Claims (5)

1. 第１の光線を射出する第１の光源ユニットと、
   第１の方向に並んでいる第２の光線と第３の光線とを含む光線束を射出する第２の光源ユニットと、
   前記光線束を前記第１の方向に縮小して縮小光線束として射出する縮小光学系と、
   前記第１の光線を透過又は反射させるとともに前記縮小光線束を反射又は透過させることで、前記第１の光線と前記縮小光線束とを合成する合成光学系と、を備えた光源装置であって、
   前記縮小光学系は、前記第２の光線と前記第３の光線との間の間隔を前記第１の方向に縮小して、前記第２の光線と前記第３の光線とをそれぞれ第４の光線と第５の光線として射出し、
   前記縮小光線束の光軸を含み、かつ前記第１の方向と平行な面を基準面とし、前記第１の方向と交差し、前記第１の光線、前記第２の光線および前記第３の光線が射出される方向を第２の方向とし、前記第１の方向および前記第２の方向に直交する方向を第３の方向としたとき、前記合成光学系は、前記基準面と平行な長辺を持つ光透過領域と、前記基準面と平行な長辺を持つ光反射領域と、を有し、前記光透過領域および前記光反射領域は、前記第３の方向においてそれぞれが異なる位置に設けられており、
   前記第１の光線は、前記光透過領域と前記光反射領域とのうちの一方に入射し、前記第４の光線と前記第５の光線は、前記光透過領域と前記光反射領域とのうちの他方に入射する
   光源装置。
2. 前記第２の光線の断面形状及び前記第３の光線の断面形状はいずれも、前記第１の方向に長手方向を有する
   請求項１に記載の光源装置。
3. 第２の縮小光学系をさらに備え、
   前記第１の光源ユニットは第６の光線をさらに射出し、
   前記第６の光線は、前記第１の方向と交差する第２の方向に前記第１の光線と並んでおり、
   前記第２の縮小光学系は、前記第１の光線と前記第６の光線との間の間隔を前記第２の方向に縮小して、前記第１の光線と前記第６の光線とをそれぞれ第７の光線と第８の光線として射出し、
   前記第７の光線と前記第８の光線は、前記光透過領域と前記光反射領域とのうちの一方に入射する
   請求項１又は２に記載の光源装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光源装置と、
   波長変換素子と、
   前記第１の光線、前記第４の光線および前記第５の光線の少なくとも一部を前記波長変換素子に導く導光光学系と、を備える照明装置。
5. 請求項４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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