JP7003678B2 - 照明装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、照明装置およびプロジェクターに関する。

近年、プロジェクターの高性能化を目的として、広色域かつ高効率な光源であるレーザー光源を用いたプロジェクターが注目されている。下記の特許文献１には、レーザー光源から射出される赤色光、緑色光および青色光を混合するとともに、混合された光の強度を均一化するためのロッドインテグレーターを備えたプロジェクターが開示されている。

特表２００９－５２０２３３号公報

レーザー光源の発光効率は発光色によって異なるため、画像表示に適したホワイトバランスを得るために必要なレーザー光源の個数は発光色毎に異なる。一般に、青色レーザー光源の発光効率は、緑色レーザー光源および赤色レーザー光源の発光効率よりも高い。そのため、白色光を得るために必要なレーザー光源の個数としては、青色レーザー光源の個数が少なく、緑色レーザー光源および赤色レーザー光源の個数が多くなる。

特許文献１のロッドインテグレーターを用いて発光色が異なるレーザー光源から射出される光を合成した場合、青色レーザー光源の個数が緑色レーザー光源および赤色レーザー光源の個数よりも少ないため、ロッドインテグレーターの光入射端面において青色光の入射角が緑色光および赤色光の入射角よりも小さくなる。その結果、緑色光や赤色光に比べて青色光の強度が十分に均一化できず、画像の色ムラが生じる、という問題がある。この問題はロッドインテグレーターの全長を長くすることで解決できるが、その場合には照明装置が大型化する、という問題がある。

本発明の一つの態様は、上記の課題を解決するためになされたものであって、射出光の色ムラが少ない小型の照明装置を提供することを目的の一つとする。また、本発明の他の一つの態様は、画像品位に優れたプロジェクターを提供することを目的の一つとする。

上記の目的を達成するために、本発明の一つの態様の照明装置は、第１の色の第１の光を第１の方向に射出する少なくとも一つの第１の発光装置と、前記第１の色とは異なる第２の色の第２の光を前記第１の方向に射出する複数の第２の発光装置と、前記第１の色および前記第２の色とは異なる第３の色の第３の光を前記第１の方向に射出する複数の第３の発光装置と、を含む光源装置と、前記光源装置の光射出側に設けられ、前記第１の光と前記第２の光と前記第３の光とを合成するロッドインテグレーターと、前記光源装置の光射出側に設けられ、前記第１の光、前記第２の光および前記第３の光を前記ロッドインテグレーターに向けて集光する第１のレンズと、前記第１のレンズの光射出側に設けられ、前記第１のレンズにより集光される前記第１の光、前記第２の光および前記第３の光のうち前記第１の光のみを通過させる第２のレンズと、を備え、前記第１の光は青色光であり、前記第２の光は緑色光であり、前記第３の光は赤色光であり、前記複数の第２の発光装置の個数は、前記少なくとも一つの第１の発光装置の個数よりも多く、前記複数の第３の発光装置の個数は、前記少なくとも一つの第１の発光装置の個数よりも多く、前記光源装置を前記第１の方向から見て、前記複数の第２の発光装置と前記複数の第３の発光装置とは、前記少なくとも一つの第１の発光装置を囲むように配置されている。

本発明の一つの態様の照明装置において、複数の第２の発光装置と複数の第３の発光装置とは少なくとも一つの第１の発光装置を囲むように配置されているため、仮に第２のレンズがなかったとすると、ロッドインテグレーターの光入射端面に対する第１の光の入射角は、第２の光および第３の光の入射角よりも小さい。ところが、第１の光のみを通過させる第２のレンズが備えられたことによって、第１の光の入射角を第２の光および第３の光の入射角と同程度に近付けることができ、ロッドインテグレーターの光射出端面における第１の光の強度分布を第２の光および第３の光の強度分布に合わせることができる。これにより、ロッドインテグレーターの全長を長くすることなく、射出光の色ムラを抑制することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記少なくとも一つの第１の発光装置の各々の発光効率は、前記複数の第２の発光装置の各々の発光効率および前記複数の第３の発光装置の各々の発光効率よりも高くてもよく、前記複数の第２の発光装置の個数は、前記少なくとも一つの第１の発光装置の個数よりも多く、前記複数の第３の発光装置の個数は、前記少なくとも一つの第１の発光装置の個数よりも多くてもよい。

この構成によれば、発光効率が高い第１の発光装置の個数が少なく、発光効率が低い第２の発光装置および第３の発光装置の個数が多いため、色バランスを取りやすい。すなわち、射出光のホワイトバランスを調整しやすい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１の光は青色光であり、前記第２の光は緑色光であり、前記第３の光は赤色光であってもよい。

この構成によれば、白色光を射出することが可能な小型の照明装置を実現することができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記複数の第２の発光装置は、前記少なくとも一つの第１の発光装置を囲むように、前記第１の光の中心軸の周りに回転対称に設けられ、前記複数の第３の発光装置は、前記少なくとも一つの第１の発光装置を囲むように、前記第１の光の前記中心軸の周りに回転対称に設けられていてもよい。

この構成によれば、光源装置を小型化できる。また、複数の第２の発光装置から形成される第２の色の第２の光の中心軸が第１の色の第１の光の中心軸に一致する。さらに、複数の第３の発光装置から形成される第３の色の第３の光の中心軸も第１の光の中心軸に一致する。なお、本明細書において、光の拡がり（分布）の中心軸のことを、光の中心軸と称する。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第２のレンズは、前記中心軸上に設けられていてもよい。

この構成によれば、第２のレンズを、第１の光のみが通過するように配置しやすい。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第２のレンズは、球面凸レンズもしくは球面凹レンズであってもよい。

この構成によれば、第１の光が球面凸レンズもしくは球面凹レンズを透過することにより、ロッドインテグレーターの光入射端面に対する第１の光の入射角が大きくなる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第２のレンズは、アナモフィック凸レンズもしくはアナモフィック凹レンズであってもよい。

この構成によれば、第１の光がアナモフィック凸レンズもしくはアナモフィック凹レンズを透過することにより、ロッドインテグレーターの光入射端面に対する第１の光の入射角が大きくなる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１の発光装置、前記第２の発光装置および前記第３の発光装置は、半導体レーザーチップを備えていてもよく、前記アナモフィック凸レンズおよび前記アナモフィック凹レンズは、前記半導体レーザーチップの発光面の長手方向のパワーが前記発光面の短手方向のパワーよりも大きくてもよい。

一般に、半導体レーザーチップの発光面から射出される光の発散角は方向によって異なり、発光面の長手方向の発散角は発光面の短手方向の発散角よりも小さい。そのため、上記の構成によれば、発光面の長手方向、短手方向のいずれの方向においても、ロッドインテグレーターの光入射端面に対する第１の光の入射角を大きくすることができる。

本発明の一つの態様の照明装置において、前記第１のレンズと前記第２のレンズとは、一体のレンズから構成されていてもよい。

この構成によれば、照明装置の部品点数を削減できるとともに、小型化を図ることができる。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置と、前記照明装置からの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装置と、を備える。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、本発明の一つの態様の照明装置を備えているため、色ムラの少ない画像を投射することができる。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 光源装置の斜視図である。 光源装置の正面図である。 半導体レーザーチップの斜視図である。 ロッドインテグレーターに入射する緑色光および赤色光の様子を示す図である。 ロッドインテグレーターに入射する青色光の様子を示す図である。 第２実施形態の照明装置の概略構成図である。 第３実施形態の照明装置をＺ軸方向から見た図である。 第３実施形態の照明装置をＹ軸方向から見た図である。

［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５を用いて説明する。
図１は、第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。
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。また、各図面において、照明装置から光が射出される方向をＸ軸方向とし、Ｘ軸方向に直交する平面内で互いに直交する方向をそれぞれＹ軸方向、Ｚ軸方向とする。

図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１０は、照明装置１１と、導光光学系１２と、マイクロミラー型の光変調装置１３と、投射光学装置１４と、を備えている。照明装置１１は、光源装置７１０と、集光レンズ１８（第１のレンズ）と、青色光調整用レンズ１９（第２のレンズ）と、ロッドインテグレーター２０と、ピックアップ光学系２１と、を備えている。

図２は、光源装置７１０の斜視図である。図２においては、図面を見やすくするため、一部の半導体レーザーの台座の図示を省略する。
図３は、光源装置７１０をＸ軸方向から見た正面図である。
図２および図３に示すように、光源装置７１０は、少なくとも一つの青色半導体レーザー７１１Ｂ（第１の発光装置）と、複数の緑色半導体レーザー７１１Ｇ（第２の発光装置）と、複数の赤色半導体レーザー７１１Ｒ（第３の発光装置）と、を備えている。

本実施形態においては、光源装置７１０は、１個の青色半導体レーザー７１１Ｂと、３個の緑色半導体レーザー７１１Ｇと、３個の赤色半導体レーザー７１１Ｒと、を備えている。各発光色の半導体レーザーの個数は、上記の例が好ましい理由については後で説明する。

ただし、場合によっては、光源装置７１０は、複数の青色半導体レーザー７１１Ｂを備えていてもよく、少なくとも一つの青色半導体レーザー７１１Ｂを備えていればよい。また、緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび赤色半導体レーザー７１１Ｒの個数は、必ずしも３個でなくてもよい。また、緑色半導体レーザー７１１Ｇの個数と赤色半導体レーザー７１１Ｒの個数とが異なっていてもよい。

青色半導体レーザー７１１Ｂは、青色光ＬＢ（第１の色の第１の光）をＸ軸方向（第１の方向）に射出する。緑色半導体レーザー７１１Ｇは、緑色光線ＬＧ１をＸ軸方向に射出する。赤色半導体レーザー７１１Ｒは、赤色光線ＬＲ１をＸ軸方向に射出する。すなわち、青色半導体レーザー７１１Ｂ、緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび赤色半導体レーザー７１１Ｒのそれぞれは、同一の方向に異なる色の色光ＬＢ，ＬＧ１，ＬＲ１を射出する。このように、光源装置７１０は、これら３色の色光ＬＢ，ＬＧ１，ＬＲ１を射出する。

以下の説明では、３個の緑色半導体レーザー７１１Ｇから射出された３本の緑色光線ＬＧ１を合わせて１本の緑色光とみなし、緑色光ＬＧ（第２の色の第２の光）と称する。同様に、３個の赤色半導体レーザー７１１Ｒから射出された３本の赤色光線ＬＲ１を合わせて１本の赤色光とみなし、赤色光ＬＲ（第３の色の第３の光）と称する。

青色半導体レーザー７１１Ｂ、緑色半導体レーザー７１１Ｇ、および赤色半導体レーザー７１１Ｒのそれぞれは、ＣＡＮパッケージタイプの半導体レーザーで構成されている。図２に示すように、台座７１３と缶体７１４とからなるパッケージ７１６のそれぞれに、図３に示すように、半導体レーザーチップ７１５Ｂ、もしくは半導体レーザーチップ７１５Ｇ、もしくは半導体レーザーチップ７１５Ｒが収容されている。本実施形態では、青色半導体レーザー７１１Ｂ、緑色半導体レーザー７１１Ｇ、および赤色半導体レーザー７１１Ｒのそれぞれは、同一のパッケージ７１６を備えているが、互いに異なるパッケージを備えていてもよい。

半導体レーザーチップの発光効率が発光色毎に異なることに伴って、半導体レーザーの光出力は発光色毎に異なる。すなわち、青色半導体レーザー７１１Ｂの発光効率は、緑色半導体レーザー７１１Ｇの発光効率および赤色半導体レーザー７１１Ｒの発光効率よりも高い。半導体レーザーチップの発光効率が相対的に低い場合でも、当該半導体レーザーチップに入力する投入電力を増加させれば、半導体レーザーチップから射出される光出力を増加させることができる。しかし、投入電力の増加は、半導体レーザーチップの温度を上昇させ、発光効率の低下や寿命の低下を生じさせるために好ましくない。したがって、投入電力を同じにした場合、青色半導体レーザー７１１Ｂの光出力は、緑色半導体レーザー７１１Ｇの光出力および赤色半導体レーザー７１１Ｒの光出力よりも高い。

一例を示すと、日亜化学工業株式会社、ホームページ、製品情報、「レーザーダイオード（ＬＤ）」［online］、［平成２９年１２月２１日検索］、インターネット〈URL:http://www.nichia.co.jp/jp/product/laser.html〉によれば、青色半導体レーザー（型番：NDB7K75）の光出力は例えば３．５Ｗ（使用温度：２５℃）であり、緑色半導体レーザー（型番：NDG7K75T）の光出力は例えば１Ｗ（使用温度：２５℃）である。上記のホームページに記載されていないが、青色半導体レーザーアレイ（型番：NUBM08-02）が提供されており、この青色半導体レーザーアレイは、光出力が４．５Ｗ（２５℃）の青色半導体レーザーを複数備えている。
三菱電機株式会社、ホームページ、ニュースリリース、「プロジェクター用６３９ｎｍ赤色高出力半導体レーザー発売のお知らせ」［online］、［平成２９年１２月２１日検索］、インターネット〈URL:http://www.mitsubishielectric.co.jp/news/2016/1214.html〉によれば、赤色半導体レーザー（型番：ML562G85）の光出力は例えば２．１Ｗ（２５℃）である。

上記の温度２５℃での光出力を実使用温度４５℃での光出力に換算すると、各発光色の半導体レーザー（ＣＡＮパッケージタイプの半導体レーザー）の１個あたりの光出力は、下記の表１の通りである。

すなわち、１個の青色半導体レーザー（型番：NDB7K75）の光出力は２．８Ｗとなり、青色半導体レーザーアレイ（型番：NUBM08-02）が備えている青色半導体レーザー１個の光出力は４．１Ｗとなり、１個の緑色半導体レーザー（型番：NDG7K75T）の光出力は０．８Ｗとなり、１個の赤色半導体レーザー（型番：ML562G85）の光出力は１．２６Ｗとなる。

一方、明るさが１０００ｌｍ、２０００ｌｍ、３０００ｌｍのそれぞれの白色光（色温度６５００Ｋ）を得るのに必要な発光色ごとの半導体レーザーの光出力、およびこの白色光を得るのに必要な発光色ごとの半導体レーザー（ＣＡＮパッケージタイプの半導体レーザー）の個数は、下記の表２の通りである。

表２の最下段に示すように、明るさが１０００ｌｍの白色光を得るのに必要な発光色毎の半導体レーザーの光出力は、青色半導体レーザーが１．２３Ｗであり、緑色半導体レーザーが２．０３Ｗであり、赤色半導体レーザーが２．９２Ｗである。表２の必要光出力値［Ｗ］と表１の１個あたりの半導体レーザーの光出力［Ｗ／個］とから算出すると、明るさが１０００ｌｍの白色光を得るのに必要な半導体レーザーの個数は、青色半導体レーザー（型番：NDB7K75）が１個、緑色半導体レーザー（型番：NDG7K75T）が３個、赤色半導体レーザー（型番：ML562G85）が３個となる。これは、本実施形態の光源装置７１０の各半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの個数と一致する。ただし、表２において、明るさ３０００ｌｍに対しては、青色半導体レーザーアレイ（型番：NUBM08-02）が備える青色半導体レーザー１個を用いている。

以上のことから、本実施形態の光源装置７１０の光出力は、光束が１０００ｌｍ程度のプロジェクターの光源装置として好適である。

なお、一つの半導体レーザーが一つの半導体レーザーチップを備えている場合、半導体レーザーの発光効率は、半導体レーザーチップの発光効率と等しい。また、一つの半導体レーザーが複数の半導体レーザーチップを備えている場合、半導体レーザーの発光効率は、複数の半導体レーザーチップの発光効率の合計と等しい。

本発明者の推察によれば、今後、半導体レーザー技術の進歩により各発光色の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの光出力が上記の数値よりも増加する可能性はあるが、その場合でも白色光を得るのに必要な各色の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの個数の比率は変わらない。したがって、本実施形態では、１個の青色半導体レーザー７１１Ｂ、３個の緑色半導体レーザー７１１Ｇ、および３個の赤色半導体レーザー７１１Ｒを備えた光源装置７１０を例示する。ただし、各半導体レーザーの個数はこの例に限定されない。

保持部材７１２は、複数の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの個数に対応し、缶体７１４の寸法に対応した７個の孔が設けられた円形の板材で構成されている。板材の材料は特に限定されないが、例えば熱伝導率が高い金属が望ましい。複数の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの各々は、保持部材７１２の孔に缶体７１４が挿通された状態で台座７１３の一面が保持部材７１２の第１面７１２ａに当接することによって保持部材７１２に支持されている。保持部材７１２の第１面７１２ａは、保持部材７１２に支持される複数の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの光の射出方向側とは反対側に位置している。

図３に示すように、複数の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒのうち、青色半導体レーザー７１１Ｂは、光源装置７１０の中心に位置するように保持部材７１２に配置されている。複数の緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび複数の赤色半導体レーザー７１１Ｒは、青色半導体レーザー７１１Ｂを取り囲むように、保持部材７１２における青色半導体レーザー７１１Ｂの周辺領域に配置されている。

緑色半導体レーザー７１１Ｇと赤色半導体レーザー７１１Ｒとは、青色半導体レーザー７１１Ｂを中心とする仮想円上に位置するように、保持部材７１２に配置されている。緑色半導体レーザー７１１Ｇと赤色半導体レーザー７１１Ｒとは、仮想円の周方向に沿って交互に設けられている。

なお、当該仮想円の中心は、青色半導体レーザー７１１Ｂの青色光ＬＢの光の中心軸に一致していてもよい。個々の赤色半導体レーザー７１１Ｒが射出する赤色光線ＬＲ１の光の中心軸は、当該仮想円上にあってもよい。個々の緑色半導体レーザー７１１Ｇが射出する緑色光線ＬＧ１の光の中心軸は、当該仮想円上にあってもよい。

以上の配置により、光源装置７１０において、青色半導体レーザー７１１Ｂ、緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび赤色半導体レーザー７１１Ｒの発光中心同士を結んだ複数の直線ｍが互いになす角度は、互いに等しく、全て６０°である。また、３本の直線ｍが、青色半導体レーザー７１１Ｂの青色光ＬＢの光の中心軸の周囲に形成する角度をそれぞれ中心角としたそれぞれの扇形の円弧の長さは、互いに等しい。なお、複数の扇形の中心角は、互いに等しく、全て６０°である。同様に、３本の直線ｍが、半導体レーザーチップ７１５Ｂおよびその近傍に形成する角度をそれぞれ中心角としたそれぞれの扇形の円弧の長さは、互いに等しい。なお、複数の扇形の中心角は、互いに等しく、全て６０°である。

複数の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒにおいて、隣り合う半導体レーザー同士のパッケージ７１６は、台座７１３の部分で互いに当接している。なお、複数の半導体レーザー７１１Ｇ，７１１Ｒの台座７１３は、互いに当接していなくてもよい。すなわち、赤色半導体レーザー７１１Ｒが射出する赤色光線ＬＲ１の光の中心軸および緑色半導体レーザー７１１Ｇが射出する緑色光線ＬＧ１の光の中心軸は、仮想円上に交互に等間隔で配置されていてもよい。

このように、複数の緑色半導体レーザー７１１Ｇは、青色半導体レーザー７１１Ｂの周辺領域において、青色光ＬＢの中心軸の周りに回転対称に設けられている。また、複数の赤色半導体レーザー７１１Ｒは、青色半導体レーザー７１１Ｂの周辺領域において、青色光ＬＢの中心軸の周りに回転対称に設けられている。複数の緑色半導体レーザー７１１Ｇが、青色半導体レーザー７１１Ｂを囲むように、青色光ＬＢの中心軸の周りに回転対称に設けられる、とは、上述したような配置、位置関係を満たしていればよい。同様に、複数の赤色半導体レーザー７１１Ｒが、青色半導体レーザー７１１Ｂを囲むように、青色光ＬＢの中心軸の周りに回転対称に設けられる、とは、上述したような配置、位置関係を満たしていればよい。

青色半導体レーザー７１１Ｂと緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび赤色半導体レーザー７１１Ｒとは、半導体レーザーチップ７１５Ｂ，７１５Ｇ，７１５Ｒの向き（矩形状の半導体レーザーチップの長辺）が同じ方向を向くように配置されている。図３に示す例では、青色半導体レーザー７１１Ｂ、緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび赤色半導体レーザー７１１Ｒは、半導体レーザーチップ７１５Ｇ，７１５Ｒの発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１（図４参照）がＺ軸と平行になるように配置されている。

図４は、半導体レーザーチップ７１５の斜視図である。なお、青色半導体レーザーチップ７１５Ｂ、緑色半導体レーザーチップ７１５Ｇおよび赤色半導体レーザーチップ７１５Ｒは同様の構成であるため、ここでは青色半導体レーザーチップ７１５Ｂ、緑色半導体レーザーチップ７１５Ｇおよび赤色半導体レーザーチップ７１５Ｒを一括して半導体レーザーチップ７１５と称して説明する。

図４に示すように、半導体レーザーチップ７１５は、光を射出する発光面７１５ｃを有している。発光面７１５ｃは、射出される光ＬＢの中心軸Ｌ０の方向から見て、長手方向Ｗ１と短手方向Ｗ２とを有する長方形状の平面形状を有している。発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１の寸法と短手方向Ｗ２の寸法との比（Ｗ１／Ｗ２）は、３０／１以上であることが好ましい。本実施形態において、発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１の寸法は例えば４０μｍであり、発光面７１５ｃの短手方向Ｗ２の寸法は例えば１μｍである。なお、発光面７１５ｃの形状および寸法はこれに限定されない。

半導体レーザーチップ７１５は、楕円形状の断面ＬＳを有する光ＬＢを射出する。発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１が楕円形の短軸となり、発光面７１５ｃの短手方向Ｗ２が楕円形の長軸となる。すなわち、半導体レーザーチップ７１５から射出された光ＬＢは、発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１に垂直な面内での発散角γ１が、発光面７１５ｃの短手方向Ｗ２に垂直な面内での発散角γ２よりも大きい。光ＬＢの発散角γ１の最大値（最大放射角度）は例えば７０°であり、光ＬＢの発散角γ２の最大値（最大放射角度）は例えば２０°である。

光源装置７１０は、以上の構成により、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢの各色光を時分割で射出し、光変調装置１３に順次入射させる。

図１に示すように、集光レンズ１８は、光源装置７１０の光射出側に設けられている。集光レンズ１８は、平面と凸面とを有する球面凸レンズで構成されている。集光レンズ１８は、青色半導体レーザー７１１Ｂから射出される青色光ＬＢの中心軸上に設けられている。集光レンズ１８は、光源装置７１０から射出された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢをロッドインテグレーター２０に向けて集光する。

青色光調整用レンズ１９は、光源装置７１０の光射出側に設けられている。より具体的には、青色光調整用レンズ１９は、集光レンズ１８とロッドインテグレーター２０との間に設けられている。青色光調整用レンズ１９は、平面と凸面とを有する球面凸レンズで構成されている。青色光調整用レンズ１９は、後述する図５に示すように、赤色半導体レーザー７１１Ｒから射出される赤色光ＬＲおよび緑色半導体レーザー７１１Ｇから射出される緑色光ＬＧが入射しない大きさを有しており、青色半導体レーザー７１１Ｂから射出される青色光ＬＢの中心軸上に設けられている。

このようにして、青色光調整用レンズ１９は、光源装置７１０から射出された青色光ＬＢ、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲのうち、青色光ＬＢのみを通過させる。なお、青色光調整用レンズ１９は、青色光ＬＢのみを通過させる位置に設けられていればよく、例えば光源装置７１０と集光レンズ１８との間の青色光ＬＢの中心軸上に設けられていてもよい。

ロッドインテグレーター２０は、光源装置７１０の光射出側に設けられている。ロッドインテグレーター２０は、四角柱状の光透過性部材で構成されている。ロッドインテグレーター２０は、各色の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒからの複数の光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲが入射される光入射端面２０ｉと、光入射端面２０ｉと対向する光射出端面２０ｅと、４つの反射面２０ｆと、を備えている。光入射端面２０ｉの面積と光射出端面２０ｅの面積とは等しく、４つの反射面２０ｆは互いに平行である。すなわち、本実施形態のロッドインテグレーター２０は、テーパを持たないロッドインテグレーターで構成されている。

青色光ＬＢと緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとは、ロッドインテグレーター２０の内部において合成され、当該合成された光が光射出端面２０ｅから射出される。また、青色光ＬＢと緑色光ＬＧと赤色光ＬＲとを含む光は、ロッドインテグレーター２０を透過することによって強度分布が均一化される。本実施形態のロッドインテグレーター２０は、中実の光透過性部材で構成されているが、内面が反射面となった中空の管状部材で構成されていてもよい。

なお、本実施形態において、光源装置７１０は青色光ＬＢ、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲを時分割で射出しているため、各半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの発光時間よりも短い期間内では青色光ＬＢ、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲのうち、いずれか一つの色光のみが射出されている。ただし、各半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの発光時間よりも長い期間内で見れば、青色光ＬＢ、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲはロッドインテグレーター２０により合成されていると言える。以降、合成された複数の光ＬＢ，ＬＧ，ＬＲを光ＬＷと称する。

ピックアップ光学系２１は、第１凸レンズ２１１と、第２凸レンズ２１２と、から構成されている。ピックアップ光学系２１によって、ロッドインテグレーターの光射出端面２０ｅと光変調装置１３とが光学的に共役関係となる。

導光光学系１２は、反射ミラーから構成されている。導光光学系１２は、光源装置７１０から射出された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢを反射させ、光変調装置１３に時分割で入射させる。

マイクロミラー型の光変調装置１３として、例えばＤＭＤ（Digital Micromirror Device）が用いられる。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーがマトリクス状に配列された構成を有する。ＤＭＤは、複数のマイクロミラーの傾斜方向を切り換えることにより、入射光の反射方向を、投射光学装置１４に入射する方向と投射光学装置１４に入射しない方向との間で高速に切り替える。このように、光変調装置１３は、光源装置７１０から射出された赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧ、および青色光ＬＢを順次変調し、緑色画像、赤色画像、および青色画像を生成する。

投射光学装置１４は、緑色画像、赤色画像、および青色画像をスクリーンに投射する。投射光学装置１４は、例えば複数の投射レンズにより構成されている。

本実施形態の照明装置１１の作用を、図５および図６を用いて説明する。
図５は、ロッドインテグレーター２０に入射する緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲの様子を示す図である。図６は、ロッドインテグレーター２０に入射する青色光ＬＢの様子を示す図である。

図５に示すように、緑色半導体レーザー７１１Ｇから射出された緑色光ＬＧは、集光レンズ１８によって集光され、ロッドインテグレーター２０の光入射端面２０ｉに入射する。このとき、緑色光ＬＧは、青色光調整用レンズ１９を通過しないため、青色光調整用レンズ１９の集光作用を受けない。同様に、赤色半導体レーザー７１１Ｒから射出された赤色光ＬＲは、集光レンズ１８によって集光され、ロッドインテグレーター２０の光入射端面２０ｉに入射する。このとき、赤色光ＬＲは、青色光調整用レンズ１９を通過しないため、青色光調整用レンズ１９の集光作用を受けない。

図６に示すように、青色半導体レーザー７１１Ｂから射出された青色光ＬＢは、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲと同様、集光レンズ１８によって集光され、ロッドインテグレーター２０の光入射端面２０ｉに入射する。ここで、青色半導体レーザー７１１Ｂが光源装置７１０の中央部に配置され、緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび赤色半導体レーザー７１１Ｒが光源装置７１０の周辺部に配置されているため、仮に青色光調整用レンズ１９がなかったとすると、光入射端面２０ｉにおける青色光ＬＢの入射角は、光入射端面２０ｉにおける緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲの入射角よりも小さくなる。

その結果、緑色光ＬＧや赤色光ＬＲに比べて青色光ＬＢの強度が十分に均一化されず、画像の色ムラが生じる。青色光ＬＢの強度が十分に均一化されない問題は、ロッドインテグレーター２０の全長を長くして青色光ＬＢの内部反射の回数を増やすことで解決できる。ところが、その場合には照明装置が大型化する、という問題が生じる。

これに対し、本実施形態の照明装置１１の場合、集光レンズ１８から射出された青色光ＬＢは、青色光調整用レンズ１９によって集束され、青色光調整用レンズ１９の焦点を過ぎた後に広がった状態となってロッドインテグレーター２０の光入射端面２０ｉに入射する。このようにして、光入射端面２０ｉに対する青色光ＬＢの入射角を緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲの入射角に近付けることができ、ロッドインテグレーター２０の光射出端面２０ｅにおける青色光ＬＢの強度を緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲの強度と同程度に均一化することができる。これにより、ロッドインテグレーター２０の全長を長くすることなく、射出光ＬＷの色ムラを抑制することができ、小型の照明装置１１を実現することができる。

本実施形態の光源装置７１０においては、隣り合う２つの半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの発光中心同士を結んだ複数の直線ｍが互いになす角度が互いに等しいため、光源装置７１０の色バランスを取りやすく、光源装置７１０の占有面積を小さくすることができる。これにより、小型の光源装置７１０を実現することができる。

また、隣り合う半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒ同士は、パッケージ７１６が互いに当接するように配置されているため、半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒを最密に配置することができ、より小型の光源装置７１０を実現することができる。

また、本実施形態の光源装置７１０においては、各色の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの発光効率と、白色光を得るのに必要な各色の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの光出力と、に基づいて、各色の半導体レーザー７１１Ｂ，７１１Ｇ，７１１Ｒの個数が設定されている。すなわち、発光効率が比較的低い緑色半導体レーザー７１１Ｇおよび赤色半導体レーザー７１１Ｒ各々の個数は、発光効率が比較的高い青色半導体レーザー７１１Ｂの個数よりも多いため、光源装置７１０は色バランスを取りやすい。このようにして、射出光のホワイトバランスを調整しやすい光源装置７１０を実現することができる。

本実施形態のプロジェクター１０は、上記の照明装置１１を備えているため、小型であり、色ムラの少ない画像を投射することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図７を用いて説明する。
第２実施形態のプロジェクターの構成は第１実施形態と略同様であるが、照明装置の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクター全体の説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図７は、第２実施形態の照明装置の概略構成図である。
図７において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図７に示すように、本実施形態の照明装置３１において、青色光調整用レンズ３２は、平面と凹面とを有する球面凹レンズで構成されている。青色光調整用レンズ３２は、赤色半導体レーザー７１１Ｒから射出される赤色光ＬＲおよび緑色半導体レーザー７１１Ｇから射出される緑色光ＬＧが入射しない大きさを有しており、青色半導体レーザー７１１Ｂから射出される青色光ＬＢの中心軸上に設けられている。

青色光調整用レンズ３２は、光源装置７１０から射出された青色光ＬＢ、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲのうち、青色光ＬＢのみを通過させる。なお、青色光調整用レンズ３２は、青色光ＬＢのみを通過させる位置に設けられていればよく、例えば光源装置７１０と集光レンズ１８との間の青色光ＬＢの中心軸上に設けられていてもよい。照明装置３１のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、ロッドインテグレーター２０の全長を長くすることなく、色ムラを抑制でき、小型の照明装置３１を実現することができる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

特に本実施形態の場合、青色光調整用レンズ３２として球面凹レンズが用いられているため、青色光ＬＢは、青色光調整用レンズ３２とロッドインテグレーター２０との間で焦点を結ぶことがなく、青色光調整用レンズ３２から射出された直後から広がった状態となって、ロッドインテグレーター２０の光入射端面２０ｉに入射する。そのため、青色光ＬＢの入射角を緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲの入射角と同程度に大きくするために必要な青色光調整用レンズ３２からロッドインテグレーター２０までの距離Ｔを、球面凸レンズが用いられた場合と比べて短くすることができる。これにより、照明装置３１の更なる小型化を図ることができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について、図８および図９を用いて説明する。
第３実施形態のプロジェクターの構成は第１実施形態と略同様であるが、照明装置の構成が第１実施形態と異なる。そのため、プロジェクター全体の説明は省略し、異なる部分についてのみ説明する。
図８は、第３実施形態の照明装置をＺ軸方向から見た図である。図９は、第３実施形態の照明装置をＹ軸方向から見た図である。
図８および図９において、第１実施形態で用いた図面と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

図８および図９に示すように、本実施形態の照明装置４１において、青色光調整用レンズ４２は、光軸に垂直な面内の互いに直交する２つの方向において凸面の曲率が互いに異なるアナモフィック凸レンズで構成されている。青色光調整用レンズ４２は、赤色半導体レーザー７１１Ｒから射出される赤色光ＬＲおよび緑色半導体レーザー７１１Ｇから射出される緑色光ＬＧが入射しない大きさを有しており、青色半導体レーザー７１１Ｂから射出される青色光ＬＢの中心軸上に設けられている。青色光調整用レンズ４２は、光源装置７１０から射出された青色光ＬＢ、緑色光ＬＧおよび赤色光ＬＲのうち、青色光ＬＢのみを通過させる。なお、青色光調整用レンズ４２は、青色光ＬＢのみを通過させる位置に設けられていればよく、例えば光源装置７１０と集光レンズ１８との間の青色光ＬＢの中心軸上に設けられていてもよい。

青色光調整用レンズを構成するアナモフィック凸レンズは、図９に示す半導体レーザーチップ７１５の発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１（Ｚ軸方向）の凸面の曲率が、図８に示す発光面７１５ｃの短手方向Ｗ２（Ｙ軸方向）の凸面の曲率よりも大きい。したがって、アナモフィック凸レンズは、半導体レーザーチップ７１５の発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１のパワーが、発光面７１５ｃの短手方向Ｗ２のパワーよりも大きい。
照明装置４１のその他の構成は、第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、ロッドインテグレーター２０の全長を長くすることなく、色ムラを抑制でき、小型の照明装置４１を実現することができる、といった第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

図４に示したように、半導体レーザーチップ７１５の発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１の光の発散角γ２は、発光面７１５ｃの短手方向Ｗ２の光の発散角γ１よりも小さい。そのため、仮に青色光調整用レンズのパワーが方向によらずに一定であったとすると、光の発散角が小さい発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１においてロッドインテグレーター２０に対する青色光ＬＢの入射角が十分に大きくできず、光強度の均一化が不足することが考えられる。

これに対して、本実施形態において、青色光調整用レンズ４２は、青色光ＬＢの発散角が相対的に小さい発光面７１５ｃの長手方向Ｗ１のパワーが、青色光ＬＢの発散角が相対的に大きい発光面７１５ｃの短手方向Ｗ２のパワーよりも大きいため、長手方向Ｗ１、短手方向Ｗ２のいずれの方向においても、青色光ＬＢの入射角を大きくすることができる。これにより、長手方向Ｗ１、短手方向Ｗ２のいずれの方向においても、光強度の均一性を高めることができる。

なお、本実施形態では、青色光調整用レンズ４２として、アナモフィック凸レンズを用いたが、アナモフィック凹レンズを用いてもよい。この場合も、本実施形態と同様の効果が得られる。

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、集光レンズと青色光調整用レンズはそれぞれ別体のレンズで構成されていたが、これらのレンズが一体のレンズで構成されていてもよい。すなわち、光源装置とロッドインテグレーターとの間に青色光が透過する中央部とその周辺部とでレンズ面の曲率が異なるレンズ、いわゆる二重焦点レンズが設けられていてもよい。その場合、二重焦点レンズは、集光レンズと青色光調整用レンズとを兼用する。これにより、照明装置の部品点数の削減と小型化を図ることができる。

また、上記実施形態では、１個の青色半導体レーザーと、３個の緑色半導体レーザーと、３個の赤色半導体レーザーと、を備えた光源装置を例示したが、各半導体レーザーの個数はこれに限定されない。例えば、光源装置は、複数の青色半導体レーザーを備えていてもよい。その場合、複数の緑色半導体レーザーおよび複数の赤色半導体レーザーは、複数の青色半導体レーザーから射出された複数の青色光からなる光束全体の中心軸の周りに、回転対称に設けられていればよい。もしくは、同色の半導体レーザーは、必ずしも回転対称に配置されていなくてもよく、例えば互いに直交する２方向に格子状に配置されていてもよい。

また、上記実施形態で例示した光源装置、照明装置、およびプロジェクターの各構成要素の数、配置、形状、材料、寸法等については、適宜変更が可能である。

また、上記実施形態では、本発明による光源装置をプロジェクターに応用する例を示したが、これに限られない。本発明による光源装置を自動車用ヘッドライトなどの照明器具にも適用することができる。

１０…プロジェクター、１１，３１，４１…照明装置、１３…光変調装置、１４…投射光学装置、１８…集光レンズ（第１のレンズ）、１９，３２，４２…青色光調整用レンズ（第２のレンズ）、２０…ロッドインテグレーター、７１０…光源装置、７１１Ｂ…青色半導体レーザー（第１の発光装置）、７１１Ｇ…緑色半導体レーザー（第２の発光装置）、７１１Ｒ…赤色半導体レーザー（第３の発光装置）、７１５…半導体レーザーチップ、ＬＢ…青色光（第１の光）、ＬＧ…緑色光（第２の光）、ＬＲ…赤色光（第３の光）。

Claims (9)

1. 第１の色の第１の光を第１の方向に射出する少なくとも一つの第１の発光装置と、前記第１の色とは異なる第２の色の第２の光を前記第１の方向に射出する複数の第２の発光装置と、前記第１の色および前記第２の色とは異なる第３の色の第３の光を前記第１の方向に射出する複数の第３の発光装置と、を含む光源装置と、
   前記光源装置の光射出側に設けられ、前記第１の光と前記第２の光と前記第３の光とを合成するロッドインテグレーターと、
   前記光源装置の光射出側に設けられ、前記第１の光、前記第２の光および前記第３の光を前記ロッドインテグレーターに向けて集光する第１のレンズと、
   前記第１のレンズの光射出側に設けられ、前記第１のレンズにより集光される前記第１の光、前記第２の光および前記第３の光のうち前記第１の光のみを通過させる第２のレンズと、を備え、
   前記第１の光は青色光であり、前記第２の光は緑色光であり、前記第３の光は赤色光であり、
   前記複数の第２の発光装置の個数は、前記少なくとも一つの第１の発光装置の個数よりも多く、
   前記複数の第３の発光装置の個数は、前記少なくとも一つの第１の発光装置の個数よりも多く、
   前記光源装置を前記第１の方向から見て、前記複数の第２の発光装置と前記複数の第３の発光装置とは、前記少なくとも一つの第１の発光装置を囲むように配置されている、照明装置。
2. 前記少なくとも一つの第１の発光装置の各々の発光効率は、前記複数の第２の発光装置の各々の発光効率および前記複数の第３の発光装置の各々の発光効率よりも高い、請求項１に記載の照明装置。
3. 前記複数の第２の発光装置は、前記少なくとも一つの第１の発光装置を囲むように、前記第１の光の中心軸の周りに回転対称に設けられ、
   前記複数の第３の発光装置は、前記少なくとも一つの第１の発光装置を囲むように、前記第１の光の前記中心軸の周りに回転対称に設けられている、請求項１または請求項２に記載の照明装置。
4. 前記第２のレンズは、前記中心軸上に設けられている、請求項３に記載の照明装置。
5. 前記第２のレンズは、球面凸レンズもしくは球面凹レンズである、請求項４に記載の照明装置。
6. 前記第２のレンズは、アナモフィック凸レンズもしくはアナモフィック凹レンズである、請求項４に記載の照明装置。
7. 前記第１の発光装置、前記第２の発光装置および前記第３の発光装置のそれぞれは、半導体レーザーチップを備え、
   前記アナモフィック凸レンズおよび前記アナモフィック凹レンズは、前記半導体レーザーチップの発光面の長手方向のパワーが前記発光面の短手方向のパワーよりも大きい、請求項６に記載の照明装置。
8. 前記第１のレンズと前記第２のレンズとは、一体のレンズから構成されている、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の照明装置。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか一項に記載の照明装置と、
   前記照明装置からの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装置と、を備えたプロジェクター。

Images