JP7118711B2 - 光源装置および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、画像投射装置（プロジェクタ）等に好適な光源装置に関し、特に波長変換素子を用いた光源装置に関する。

プロジェクタには、特許文献１にて開示されているように、光源からの励起光を波長変換素子としての蛍光体に照射して蛍光光を発生させ、該蛍光光と励起光のうち蛍光変換（波長変換）されなかった非変換光との合成光を用いて画像を投射表示するものがある。また、特許文献２には、入射した光を波長変換するとともに直線偏光として出射させる量子ロッドを用いて、光利用効率を向上させるようにした照明デバイスが開示されている。

特開２０１５－１０６１３０号公報 特許第６０８４５７２号公報

特許文献１にて開示されたプロジェクタでは、光源からの光は直線偏光であるが、蛍光光は無偏光光である。このため、液晶パネル等の光変調素子に直線偏光としての照明光を入射させるためには、光変調素子に照明光を導く照明光学系に蛍光光を直線偏光に変換する偏光変換素子を設ける必要がある。

しかしながら、偏光変換素子を用いた照明光学系では、そのEtendueが小さくなり、その小さいEtendueに合わせて蛍光体のスポット径を小さくすると、蛍光体の蛍光飽和によって照明効率が低下する。

本発明は、直線偏光を出射することができるとともに、高い照明効率が得られる光源装置およびこれを用いた画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての光源装置は、第１の波長域の光を発する発光素子と、第１の波長域の光を偏光方向によって分離することにより第１の直線偏光と第２の直線偏光とを生成する偏光分離素子と、第１の直線偏光を該第１の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する量子ロッドを含む波長変換素子と、第２の直線偏光の偏光方向と前記第３の直線偏光の偏光方向とを互いに一致させるための位相板と、偏光方向が互いに一致した第２の直線偏光と第３の直線偏光とを合成する合成素子とを有し、量子ロッドの長手方向が、合成素子に入射する第２および第３の直線偏光の光路に平行な面に垂直な方向に延びていることを特徴とする。
また本発明の他の一側面としての光源装置は、第１の波長域の光を発する発光素子と、第１の波長域の光を偏光方向によって分離することにより第１の直線偏光と第２の直線偏光とを生成する偏光分離素子と、第１の直線偏光を該第１の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する波長変換素子と、第２の直線偏光の偏光方向と第３の直線偏光の偏光方向とを互いに一致させるための位相板と、偏光方向が互いに一致した第２の直線偏光と第３の直線偏光とを合成する合成素子とを有する。波長変換素子は、第１の直線偏光を第１の波長域とは異なる第２の波長域の直線偏光に変換する第１の波長変換部と、第１の直線偏光を第１および第２の波長域とは異なる第３の波長域の直線偏光に変換する第２の波長変換部とが反射部材上に積層されて構成され、第２および第３の波長域の直線偏光を第３の直線偏光として出射させる。第１の波長変換部と第２の波長変換部との間に、第２の波長域の直線偏光を反射して第３の波長域の直線偏光を透過させるダイクロイック膜が設けられていることを特徴とする。

また、本発明の他の一側面としての光源装置は、第１の波長域の第１の直線偏光を発する第１の発光素子と、第１の直線偏光とは波長域が異なる第２の直線偏光を発する第２の発光素子と、第１の直線偏光を第１および第２の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する量子ロッドを含む第１の波長変換素子と、第２の直線偏光を第１の直線偏光と同じ波長域の第４の直線偏光に変換する量子ロッドを含む第２の波長変換素子と、第３の直線偏光と第４の直線偏光を合成する合成素子とを有する。第１および第２の波長変換素子における量子ロッドの長手方向が、合成素子に入射する第３および第４の直線偏光の光路に平行な面に垂直な方向に延びていることを特徴とする。
さらに本発明の他の一側面としての光源装置は、第１の波長域の第１の直線偏光を発する第１の発光素子と、第１の直線偏光とは波長域が異なる第２の直線偏光を発する第２の発光素子と、第１の直線偏光を第１および第２の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する第１の波長変換素子と、第２の直線偏光を第１の直線偏光と同じ波長域の第４の直線偏光に変換する第２の波長変換素子と、第３の直線偏光と第４の直線偏光を合成する合成素子とを有する。第１の波長変換素子は、第１の直線偏光を第１の波長域とは異なる第２の波長域の直線偏光に変換する第１の波長変換部と、第１の直線偏光を第１および第２の波長域とは異なる第３の波長域の直線偏光に変換する第２の波長変換部とが反射部材上に積層されて構成され、第２および第３の波長域の直線偏光を第３の直線偏光として出射させる。第１の波長変換部と第２の波長変換部との間に、第２の波長域の直線偏光を反射して第３の波長域の直線偏光を透過させるダイクロイック膜が設けられていることを特徴とする。

なお、上記光源装置と、該光源装置からの光を変調する光変調素子とを有し、該光変調素子からの変調光を被投射面に投射して画像を表示する画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、直線偏光を出射することができるとともに、高い照明効率が得られる光源装置を実現することができる。また、この光源装置を用いることで、光利用効率が高い画像投射装置を実現することができる。

本発明の実施例１であるプロジェクタの構成を示す図。 実施例１において励起光がＳ偏光である場合の第１の波長変換素子の構成を示す図。 実施例１において励起光がＰ偏光である場合の第１の波長変換素子の構成を示す図。 本発明の実施例２であるプロジェクタの光源装置の構成を示す図。 実施例２における第１の波長変換素子の構成を示す図。 実施例２における第２の波長変換素子の構成を示す図。 本発明の実施例３であるプロジェクタの光源装置の構成を示す図。 実施例３における第１の波長変換素子の構成を示す図。 本発明の実施例４であるプロジェクタの光源装置の構成を示す図。 実施例４における第２の波長変換素子の構成を示す図。 本発明の実施例５であるプロジェクタの光源装置の構成を示す図。 実施例５における第１の波長変換素子の構成を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１には、本発明の実施例１である画像投射装置としてのプロジェクタの構成を示している。プロジェクタは、光源装置１００、照明光学系３００、色分離光学系２００、光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂ、クロスダイクロイックプリズム５０および投射光学系６０を有する。

光源装置１００は、光源ユニット１、偏光分離合成素子４、第１のコリメータレンズ５、波長変換素子６、第１の位相板７、第２のコリメータレンズ８および反射型拡散板９を有する。光源装置１００は、さらに第１のレンズ１０、第２のレンズ１１、レンズアレイ１２および第２の位相板１３を有する。

照明光学系３００は、第１のフライアイレンズ１４、第２のフライアイレンズ１５およびコンデンサーレンズ１６を有する。第１レンズアレイ１４は、照明光学系３００の光軸に直交する面内にマトリクス状に配列され、光源装置１００からの光を複数の光束に分割する複数のレンズセルを有する。

第２レンズアレイ１５は、第１レンズアレイ１４の複数のレンズセルのそれぞれに対応するように照明光学系３００の光軸に直交する面内にマトリクス状に配列された複数のレンズセルを有する。第２レンズアレイ１５は、コンデンサーレンズ１６とともに、第１レンズアレイ１４の複数のレンズセルの像（光源像）を光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂの近傍に形成する。

コンデンサーレンズ１６は、第２レンズアレイ１５からの複数の分割光束を集光して各光変調素子上で重ね合わせる。第１レンズアレイ１４、第２レンズアレイ１５およびコンデンサーレンズ１６は、光源装置１００からの光の強度分布を均一にするインテグレータ光学系を構成する。

色分離光学系２００は、ダイクロイックミラー２１，２２、反射ミラー２３，２４，２５およびリレーレンズ２６，２７を有する。色分離光学系２００は、照明光学系３００からの白色光を、赤光、緑光および青光に分離し、これら３つの色光をそれぞれに対応する光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂに導く。

色分離光学系２００と光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂとの間には、集光レンズ３０Ｒ，３０Ｇ，３０Ｂが配置されている。ダイクロイックミラー２１は、赤光を透過し、緑光および青光を反射する特性を有する。一方、ダイクロイックミラー２２は、緑光を反射して、青光を透過させる特性を有する。

ダイクロイックミラー２１を透過した赤光は、反射ミラー２３により反射され、集光レンズ３０Ｒで集光されて赤光用の光変調素子４０Ｒに入射する。ダイクロイックミラー２１により反射された緑光は、ダイクロイックミラー２２でさらに反射され、集光レンズ３０Ｇで集光されて緑光用の光変調素子４０Ｇに入射する。ダイクロイックミラー２２を透過した青光は、リレーレンズ２６、入射側反射ミラー２４、リレーレンズ２７、出射側反射ミラー２５および集光レンズ３０Ｂを介して青光用の光変調素子４０Ｂに入射する。

光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂはそれぞれ、入射した色光をプロジェクタへの入力画像情報に応じて変調する。図１では光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂとして透過型液晶パネルを示している。ただし、光変調素子として、反射型液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイスを用いてもよい。光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂの光入射側には入射側偏光板４１が配置され、光出射側には出射側偏光板４２が配置されている。

クロスダイクロイックプリズム５０は、３つの光変調素子４０Ｒ，４０Ｇ，４０Ｂからの変調光（画像光）を合成して投射光学系６０に導く。クロスダイクロイックプリズム５０は、４つの直角プリズムを貼り合わせた立方体または直方体形状を有し、プリズム貼り合わせ面には誘電体多層膜が形成されている。クロスダイクロイックプリズム５０で合成された画像光は、投射光学系６０によってスクリーン等の被投射面に拡大投射される。これにより、被投射面上にフルカラー画像が表示される。

光源装置１００において、光源ユニット１は、複数の発光素子（発光手段）としての青色レーザダイオード（ＬＤ）２と、青色ＬＤ２ごとに設けられたコリメータレンズ３とを有する。青色ＬＤ２から発せられた青光は、その偏光方向が図１の紙面（後述する合成素子に入射する第３および第４の直線偏光の光路に平行な面）に垂直なｘ方向である直線偏光であるとともに発散光であり、コリメータレンズ３によって平行化される。

光源ユニット１から出射した青光（第１の光）は、第１のレンズ１０により集光され、第２のレンズ１１で平行化され、レンズアレイ１２に入射する。レンズアレイ１２は、その両面にレンズアレイ面を有する。第２のレンズ１１からの光（平行光束）は、レンズアレイ１２の第１のレンズアレイ面１２Ａに入射して複数の光束に分割された後、第２のレンズアレイ面１２Ｂに入射する。第２のレンズアレイ面１２Ｂから出射した複数の分割光束は、第２の位相板１３を通過して、偏光分離素子（偏光分離手段）と合成素子（合成手段）とを兼ねる偏光分離合成素子（偏光分離合成手段）４に入射する。

以下の説明で用いるＰ偏光とＳ偏光は、偏光分離合成素子４の偏光分離面に入射する光線の偏光方向により定義される。本実施例および後述する他の実施例にいうＳ偏光は、偏光方向がｘ方向である直線偏光である。第２の位相板１３は、青のＰ偏光とＳ偏光の割合を制御するための素子である。

偏光分離合成素子４は、青のＳ偏光を反射し、青のＰ偏光および緑から赤の波長域の光を透過させる特性を有する。すなわち、偏光分離合成素子４は、入射した青光を青のＳ偏光（第１の直線偏光）と青のＰ偏光（第２の直線偏光）とに分離する。偏光分離合成素子４により反射された青のＳ偏光は、第１のコリメータレンズ５により集光されて波長変換素子６に入射する。

図２（ａ）は、波長変換素子（波長変換手段）６の構成を示す。波長変換素子６は、青のＳ偏光が入射する光入射側から順に配置された第１の波長変換部としての第１の波長変換層２２、第２の波長変換部としての第２の波長変換層２４および基板としての反射部材２５により構成されている。第１の波長変換層２２と第２の波長変換層２４は、反射部材２５上に積層されている。なお、第１の波長変換層２２と第２の波長変換層２４の積層順が逆であってもよい。

第１の波長変換層２２には、図２（ｂ）に示すように、複数の第１の量子ロッド２１がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第１の量子ロッド２１は、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光を偏光方向がｘ方向である赤の直線偏光に変換する。すなわち、第１の量子ロッド２１は、青のＳ偏光（第１の波長域の直線偏光）を、その偏光方向を維持したまま赤のＳ偏光（第２の波長域の直線偏光）に変換する。

第２の波長変換層２４には、第２の量子ロッド２３がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第２の量子ロッド２３は、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光を、偏光方向がｘ方向である緑の直線偏光に変換する。すなわち、第２の量子ロッド２１は、青のＳ偏光を、その偏光方向を維持したまま緑のＳ偏光（第３の波長域の直線偏光）に変換する。

なお、波長変換素子６に入射した青のＳ偏光のうち上記のように波長変換されなかった青のＳ偏光は、反射部材２５により反射されて、再び第１および第２の波長変換層２２，２４（第１および第２の量子ロッド２１，２３）により赤と緑のＳ偏光に波長変換される。このようにして、緑と赤のＳ偏光（第３の直線偏光）が波長変換素子６から出射する。波長変換素子６から出射した緑と赤のＳ偏光は、第１のコリメータレンズ５により平行化されて偏光分離合成素子４に入射する。

本実施例では、各波長変換層において量子ロッドをその長手方向がｘ方向に延びるように配置することで、各色光にｘ方向の指向性を持たせることで、ｘ方向の光束径を小さくしている。これにより、プロジェクタのｘ方向のサイズ（高さ）を小さくしている。

一方、偏光分離合成素子４を透過した青のＰ偏光は、第１の位相板７で円偏光に変換され、第２のコリメータレンズ８により集光されて拡散素子（拡散手段）である反射型拡散板９に入射する。反射型拡散板９で拡散および反射された青の円偏光は、第２のコリメータレンズ８により平行化されて第１の位相板７によりＳ偏光に変換される。第１の位相板７は、青の直線偏光（第２の直線偏光）の偏光方向を、緑と赤の直線偏光（第３の直線偏光）の偏光方向に一致させるための素子である。

第１の位相板７から出射した拡散光としての青のＳ偏光は、偏光分離合成素子４により反射される。この青のＳ偏光が偏光分離合成素子４を透過した緑と赤のＳ偏光と合成されることで白の照明光が生成され、該照明光は光源装置１００から出射して照明光学系３００に入射する。

このような構成によれば、無偏光光を直線偏光に変換する偏光変換素子を用いなくても、青、緑および赤のＳ偏光を照明光学系３００に入射させることができる。偏光変換素子を含む照明光学系のEtendueは小さく、その小さいEtendueに合わせて波長変換素子に入射する励起光のスポット径を小さくすると、波長変換素子の蛍光飽和によって照明効率が低下する。蛍光飽和は、蛍光体や量子ドット（量子ロッドを含む）において発現する現象であり、励起光から蛍光への変換効率が励起光の入力エネルギの増加に応じて低下する現象である。変換効率は光密度に依存するため、光密度が増えると、変換効率が低下する。

これに対して、偏光変換素子を不要とした本実施例では、照明光学系３００のEtendueが大きくなり、波長変換素子６の蛍光飽和を低減させて照明効率を向上させることができる。偏光変換素子を設けないことで、照明光学系３００のEtendueは理論的には２倍になるため、波長変換素子６上の励起光のスポット径を２倍にして光密度を半分にしても、必要な照明効率を得ることができる。したがって、蛍光飽和による変換効率の低下を抑えることができる。

青色ＬＤ２の出力が変化した場合でも蛍光飽和による変換効率の低下が発生する。これにより、青光と波長変換光である赤光および緑光とのバランスが変化して、照明光の色味が変わる。この場合、第２の位相板１３で、青のＰ偏光とＳ偏光の割合を適切に調整することで、青色ＬＤ２の出力変化による照明光の色味の変化を抑えることができる。

本実施例では、量子ロッドを含む波長変換素子６を用いたが、直線偏光としての励起光を直線偏光を維持したまま波長変換する波長変換素子であれば、量子ロッド以外のものを用いた素子であってもよい。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

また、本実施例では、偏光分離合成素子４が青のＳ偏光を反射して青のＰ偏光と緑から赤の波長域の光を透過させる特性を有する場合について説明したが、青のＰ偏光を反射して、青のＳ偏光と緑から赤の波長域の光を透過させる特性を有してもよい。この場合、図３に示す波長変換素子６′を用いて、透過した青のＳ偏光が該波長変換素子６′で緑光と赤光に波長変換されるようにすればよい。

図３に示す波長変換素子６′では、第１の波長変換層７２に配置された第１の量子ロッド２１と第２の波長変換層７４に配置された第２の量子ロッド２３とがそれらの長手方向がｚ方向に延びている。この波長変換素子６′からは、偏光方向がｚ方向である緑と赤のＰ偏光が出射する。そして、これら緑と赤のＰ偏光と不図示の反射型拡散板等を経た青のＰ偏光とが照明光学系３００に導かれる。

以下、本実施例において、満足することが好ましい条件について説明する。

波長変換素子６は、第１の波長変換層２２と第２の波長変換層２４との間に、青から緑の波長域の光を透過して赤光を反射するダイクロイック膜が形成されていることが望ましい。ダイクロイック膜が形成されていないと、第１の波長変換層２２で発生した赤光の一部が第２の波長変換層２４を通過して反射部材２５により反射され、再度、第２の波長変換層２４を通過して波長変換素子６から出射する。このため、赤光と緑光との間に、第２の波長変換層２４の往復分の光路長差が生ずる。この光路長差は、第１のコリメータレンズ５により平行化される光束の平行度を低下させ、この結果、照明効率が低下する。

また、光源装置１００から出射して照明光学系３００に入射する光のうち、青、緑および赤のＳ偏光（第２および第３の直線偏光）の光量をＡとし、不要光としてのＰ偏光の光量をＢとするとき、
Ａ／Ｂ≧４ （１）
なる条件を満足することが好ましい。Ａ／Ｂが下限値を下回ると、入射側偏光板４１での吸収または反射による照明光の損失が増大し、照明効率が低下するため、好ましくない。

また、
Ａ／Ｂ≧６ （２）
を満足することがより望ましい。

また、
Ａ／Ｂ≧９ （３）
を満足することがさらに望ましい。式（１）～（３）の条件を満足することは、後述する実施例３および５においても好ましい。

図４は、本発明の実施例２であるプロジェクタの光源装置１００Ａの構成を示す。本実施例のプロジェクタは、光源装置１００Ａと、実施例１と同様に構成された照明光学系、色分離光学系、光変調素子（光変調手段）、クロスダイクロイックプリズムおよび投射光学系とを有する。

光源装置１００Ａは、第１の光源ユニット１０１、第２の光源ユニット１０４、ダイクロイックミラー１０７、第１のレンズ１２０、第２のレンズ１２１、レンズアレイ１２２および色分離合成素子（色分離合成手段）１１０を有する。光源装置１００Ａは、さらに、第１のコリメータレンズ１１１、第１の波長変換素子１１２、第２のコリメータレンズ１１３および第２の波長変換素子１１４を有する。

第１の光源ユニット１０１は、複数の第１の発光素子としての青色ＬＤ１０２と、青色ＬＤ１０２ごとに設けられたコリメータレンズ１０３とを有する。青色ＬＤ１０２から発せられた青光は、偏光方向がｘ方向である直線偏光（Ｓ偏光）であるとともに発散光であり、コリメータレンズ１０３によって平行化される。

第２の光源ユニット１０４は、複数の第２の発光素子としての紫外ＬＤ１０５と、紫外ＬＤ１０５ごとに設けられたコリメータレンズ１０６とを有する。紫外ＬＤ１０５から発せられた紫外光は、偏光方向がｘ方向である直線偏光（Ｓ偏光）であるとともに発散光であり、コリメータレンズ１０６によって平行化される。

第１の光源ユニット１０１から出射した青光（第１の直線偏光）と、第２の光源ユニット１０４から出射した紫外光（第２の直線偏光）は、ダイクロイックミラー１０７による透過と反射によって合成される。そして、第１のレンズ１２０によって集光され、第２のレンズ１２１により平行化されてレンズアレイ１２２に入射する。レンズアレイ１２２は、その両面にレンズアレイ面を有する。第２のレンズ１２１からの光（平行光束）は、レンズアレイ１２２の第１のレンズアレイ面１２２Ａに入射して複数の光束に分割された後、第２のレンズアレイ面１２２Ｂに入射する。第２のレンズアレイ面１２２Ｂから出射した複数の分割光束は、色分離素子（色分離手段）と合成素子（合成手段）を兼ねる色分離合成素子（色分離合成手段）１１０に入射する。

色分離合成素子１１０は、青光を反射して、紫外光および緑から赤の波長域の光を透過させる特性を有する。すなわち、色分離合成素子１１０は、ダイクロイックミラー１０７によって合成された青光と紫外光を分離する。色分離合成素子１１０により反射された青光は、第１のコリメータレンズ１１１により集光されて第１の波長変換素子１１２に入射する。

図５（ａ）は、第１の波長変換素子１１２の構成を示す。第１の波長変換素子１１２は、青光が入射する光入射側から順に配置された第１の波長変換部としての第１の波長変換層１３２、第２の波長変換部としての第２の波長変換層１３４および基板としての反射部材１３５により構成されている。第１の波長変換層１３２と第２の波長変換層１３４は、反射部材１３５上に積層されている。なお、第１の波長変換層１３２と第２の波長変換層１３４の積層順が逆であってもよい。

第１の波長変換層１３２には、図５（ｂ）に示すように、複数の第１の量子ロッド１３１がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第１の量子ロッド１３１は、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光を、偏光方向がｘ方向である赤の直線偏光に変換する。すなわち、第１の量子ロッド１３１は、青のＳ偏光（第１の直線偏光）を、その偏光方向を維持したまま赤のＳ偏光に変換する。

第２の波長変換層１３４には、第２の量子ロッド１３３がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第２の量子ロッド１３３は、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光を、偏光方向がｘ方向である緑の直線偏光に変換する。すなわち、第２の量子ロッド１３１は、青のＳ偏光を、その偏光方向を維持したまま緑のＳ偏光に変換する。

第１の波長変換素子１１２に入射した青光のうち波長変換されなかった一部の青光は、反射部材１３５により反射されて再び第１および第２の波長変換層１３２，１３４（第１および第２の量子ロッド１３１，１３３）により赤と緑のＳ偏光に変換される。

このようにして、青のＳ偏光から波長変換された緑と赤のＳ偏光（第３の直線偏光）が第１の波長変換素子１１２から出射する。第１の波長変換素子１１２から出射した緑と赤のＳ偏光は、第１のコリメータレンズ１１１により平行化されて色分離合成素子１１０に入射する。

一方、色分離合成素子１１０を透過した紫外光は、第２のコリメータレンズ１１３により集光されて第２の波長変換素子１１４に入射する。図６（ａ）は、第２の波長変換素子１１４の構成を示す。第２の波長変換素子１１４は、紫外光が入射する光入射側から順に配置された第３の波長変換部としての第３の波長変換層１３６および基板としての反射部材１３７により構成されている。

第３の波長変換層１３６には、図６（ｂ）に示すように、複数の第３の量子ロッド１３８がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第３の量子ロッド１３８は、偏光方向がｘ方向である紫外の直線偏光を、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光に変換する。すなわち、第３の量子ロッド１３８は、紫外のＳ偏光（第２の直線偏光）を、その偏光方向を維持したまま青のＳ偏光（第４の直線偏光）に変換する。

なお、第２の波長変換素子１１４に入射した紫外のＳ偏光のうち上記のように波長変換されなかった紫外のＳ偏光は、反射部材１３７により反射されて、再び第３の波長変換層１３６（第３の量子ロッド１３８）により青のＳ偏光に波長変換される。このようにして、青のＳ偏光が第２の波長変換素子１１４から出射する。第２の波長変換素子１１４から出射した青のＳ偏光は、第２のコリメータレンズ１１３により平行化され、色分離合成素子１１０により反射される。この青のＳ偏光が色分離合成素子１１０を透過した緑と赤のＳ偏光と合成されることで白の照明光が生成され、該照明光は光源装置１００Ａから出射して照明光学系に入射する。

このような構成によれば、無偏光光を直線偏光に変換する偏光変換素子を用いなくても、青、緑および赤のＳ偏光を照明光学系に入射させることができる。この結果、照明光学系のEtendueが大きくなり、第１および第２の波長変換素子１１２，１１４の蛍光飽和を低減させて照明効率を向上させることができる。

また、本実施例でも、光源装置１００Ａから出射して照明光学系に入射する光のうち、青、緑および赤のＳ偏光（第３および第４の直線偏光）の光量をＡとし、不要光としてのＰ偏光の光量をＢとするとき、実施例１で説明した式（１）～（３）の条件のいずれかを満足することが好ましい。このことは、後述する実施例４においても同じである。

また、第１の波長変換層に配置された第１の量子ロッドと第２の波長変換層に配置された第２の量子ロッドとがそれらの長手方向がｚ方向に延び、第２の波長変換層に配置された第３の量子ロッドがそれらの長手方向がy方向に延びてもよい。この場合、それぞれ偏光方向がz方向である青光と紫外光を色分離合成素子１１０に入射させることにより、緑、赤および青のＰ偏光が照明光学系に導かれる。

図７は、本発明の実施例３であるプロジェクタの光源装置１００Ｂの構成を示す。本実施例のプロジェクタは、光源装置１００Ｂと、実施例１と同様に構成された照明光学系、色分離光学系、光変調素子、クロスダイクロイックプリズムおよび投射光学系とを有する。

光源装置１００Ｂは、光源ユニット１５１、第１のレンズ１７０、第２のレンズ１７１、レンズアレイ１７２、第２の位相板１７３、偏光分離素子１６０、第１のコリメータレンズ１６１および波長変換素子１６２を有する。また光源装置１００Ｂは、第１の反射ミラー１６５、第２のコリメータレンズ１６７および合成素子１８０を有する。さらに光源装置１００Ｂは、第３のコリメータレンズ１６３、透過型拡散板１６４、第２の反射ミラー１６６、第４のコリメータレンズ１６８および第１の位相板１６９を有する。

光源ユニット１５１は、複数の発光素子としての青色ＬＤ１５２と、青色ＬＤ１５２ごとに設けられたコリメータレンズ１５３とを有する。青色ＬＤ１５２から発せられた青光は、偏光方向がｘ方向である直線偏光（Ｓ偏光）であるとともに発散光であり、コリメータレンズ１５３によって平行化される。

光源ユニット１５１から出射した青光は、第１のレンズ１７０によって集光され、第２のレンズ１７１により平行化され、レンズアレイ１７２に入射する。レンズアレイ１７２は、その両面にレンズアレイ面を有する。第２のレンズ１７１からの光（平行光束）は、レンズアレイ１７２の第１のレンズアレイ面１７２Ａに入射して複数の光束に分割された後、第２のレンズアレイ面１７２Ｂに入射する。第２のレンズアレイ面１７２Ｂから出射した複数の分割光束は、第２の位相板１７３を通過して偏光分離素子１６０に入射する。第２の位相板１７３は、青のＰ偏光とＳ偏光の割合を制御するための素子である。

偏光分離素子１６０は、青のＳ偏光を反射し、青のＰ偏光を透過させる特性を有する。すなわち、偏光分離素子１６０は、入射した青光を青のＳ偏光（第１の直線偏光）と青のＰ偏光（第２の直線偏光）とに分離する。偏光分離素子１６０により反射された青のＳ偏光は、第１のコリメータレンズ１６１により集光されて波長変換素子１６２に入射する。

図８（ａ）に、波長変換素子１６２の構成を示す。波長変換素子１６２は、青のＳ偏光が入射する光入射側から順に配置された基板としての透光部材１８５、第１の波長変換部としての第１の波長変換層１８２および第２の波長変換部としての第２の波長変換層１８４により構成されている。第１の波長変換層１８２と第２の波長変換層１８４は、透光部材１８５上に積層されている。なお、第１の波長変換層１８２と第２の波長変換層１８４の積層順が逆であってもよい。

第１の波長変換層１８２には、図８（ｂ）に示すように、複数の第１の量子ロッド１８１がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第１の量子ロッド１８１は、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光を、偏光方向がｘ方向である赤の直線偏光に変換する。すなわち、第１の量子ロッド１８１は、青のＳ偏光（第１の波長域の直線偏光）を、その偏光方向を維持したまま赤のＳ偏光（第２の波長域の直線偏光）に変換する。

第２の波長変換層１８４には、第２の量子ロッド１８３がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第２の量子ロッド１８３は、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光を偏光方向がｘ方向である緑の直線偏光に変換する。すなわち、第２の量子ロッド１８３は、青のＳ偏光を、その偏光方向を維持したまま緑のＳ偏光（第３の波長域の直線偏光）に変換する。

透光部材１８５における第１の波長変換層１８２との界面１８５Ａには、ダイクロイック膜が形成されている。ダイクロイック膜は、青光を透過し、緑から赤の波長域の光を反射する特性を有する。

このような構成により、緑と赤のＳ偏光が波長変換素子１６２から出射する。波長変換素子１６２から出射した緑と赤のＳ偏光は、第１の反射ミラー１６５により反射され、第２のコリメータレンズ１６７により平行化され、合成素子１８０により反射される。合成素子１８０は、青光を透過して、緑から赤の波長域の光を反射する特性を有する。

一方、波長分離素子１６０を透過した青のＰ偏光は、第３のコリメータレンズ１６３により集光されて透過型拡散板１６４に入射する。透過型拡散板１６４により拡散された青のＰ偏光は、第２の反射ミラー１６６により反射され、第４のコリメータレンズ１６８により平行化され、第１の位相板１６９によりＳ偏光に変換される。第１の位相板１６９は、青の直線偏光（第２の直線偏光）の偏光方向を、緑と赤の直線偏光（第３の直線偏光）の偏光方向に一致させるための素子である。

第１の位相板１６９から出射した青のＳ偏光は、合成素子１８０を透過する。この青のＳ偏光が合成素子１８０で反射された緑と赤のＳ偏光と合成されることで白の照明光が生成され、該照明光は光源装置１００Ｂから出射して照明光学系に入射する。

このような構成によれば、無偏光光を直線偏光に変換する偏光変換素子を用いなくても、青、緑および赤のＳ偏光を照明光学系に入射させることができる。この結果、照明光学系のEtendueが大きくなり、波長変換素子１６２の蛍光飽和を低減させて照明効率を向上させることができる。

図９は、本発明の実施例４であるプロジェクタの光源装置１００Ｃの構成を示す。本実施例のプロジェクタは、光源装置１００Ｃと、実施例１と同様に構成された照明光学系、色分離光学系、光変調素子、クロスダイクロイックプリズムおよび投射光学系とを有する。

光源装置１００Ｃは、第１の光源ユニット２０１、第２の光源ユニット２０４、ダイクロイックミラー２０７、第１のレンズ２２０、第２のレンズ２２１、レンズアレイ２２２および色分離素子２１０を有する。また光源装置１００Ｃは、第１の反射ミラー２１５、第２のコリメータレンズ２１７および合成素子２３０を有する。さらに光源装置１００Ｃは、第３のコリメータレンズ２１３、第２の波長変換素子２１４、第２の反射ミラー２１６および第４のコリメータレンズ２１８を有する。

第１の光源ユニット２０１は、複数の第１の発光素子としての青色ＬＤ２０２と、青色ＬＤ２０２ごとに設けられたコリメータレンズ２０３とを有する。青色ＬＤ２０２から発せられた青光は、偏光方向がｘ方向である直線偏光（Ｓ偏光）であるとともに発散光であり、コリメータレンズ２０３によって平行化される。

第２の光源ユニット２０４は、複数の第２の発光素子としての紫外ＬＤ２０５と、紫外ＬＤ２０５ごとに設けられたコリメータレンズ２０６とを有する。紫外ＬＤ２０５から発せられた紫外光は、偏光方向がｘ方向である直線偏光（Ｓ偏光）であるとともに発散光であり、コリメータレンズ２０３によって平行化される。

第１の光源ユニット２０１から出射した青光（第１の直線偏光）と、第２の光源ユニット２０４から出射した紫外光（第２の直線偏光）は、ダイクロイックミラー２０７による透過と反射によって合成される。そして、第１のレンズ２２０によって集光され、第２のレンズ２２１により平行化されてレンズアレイ２２２に入射する。レンズアレイ２２２は、その両面にレンズアレイ面を有する。第２のレンズ２２１からの光（平行光束）は、レンズアレイ２２２の第１のレンズアレイ面２２２Ａに入射して複数の光束に分割された後、第２のレンズアレイ面２２２Ｂに入射する。第２のレンズアレイ面２２２Ｂから出射した複数の分割光束は、色分離素子２１０に入射する。

色分離素子２１０は、青光を反射して、紫外光を透過させる特性を有する。すなわち、色分離素子２１０は、ダイクロイックミラー２０７によって合成された青光と紫外光を分離する。色分離素子２１０により反射された青光は、第１のコリメータレンズ２１１により集光されて第１の波長変換素子２１２に入射する。第１の波長変換素子２１２の構成は、実施例３の第１の波長変換素子１６２と同じであり、入射した青のＳ偏光を、その偏光方向を維持したまま緑と赤のＳ偏光（第３の直線偏光）に変換する。

第１の波長変換素子２１２から出射した緑と赤のＳ偏光は、第１の反射ミラー２１５により反射され、第２のコリメータレンズ２１７により平行化され、合成素子２３０により反射されて照明光学系に入射する。合成素子２３０は、青光を透過させて、緑から赤の波長域の光を反射する特性を有する。

一方、色分離素子２１０を透過した青のＰ偏光は、第３のコリメータレンズ２１３により集光されて第２の波長変換素子２１４に入射する。図１０（ａ）は、第２の波長変換素子２１４の構成を示す。第２の波長変換素子２１４は、紫外光が入射する光入射側から順に配置された基板としての透光部材２３５および第３の波長変換部としての第３の波長変換層２３６により構成されている。

第３の波長変換層２３６には、図１０（ｂ）に示すように、複数の第３の量子ロッド２３８がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。第３の量子ロッド２３８は、偏光方向がｘ方向である紫外の直線偏光を、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光に変換する。すなわち、第３の量子ロッド２３８は、紫外のＳ偏光（第２の直線偏光）を、その偏光方向を維持したまま青のＳ偏光（第４の直線偏光）に変換する。

第２の波長変換素子２１４から出射した青のＳ偏光は、第４のコリメータレンズ２１８により平行化され、合成素子２３０を透過する。そして、この青のＳ偏光が合成素子２３０により反射された緑と赤のＳ偏光と合成されることで白の照明光が生成され、該照明光が光源装置１００Ｃから出射して照明光学系に入射する。

このような構成によれば、無偏光光を直線偏光に変換する偏光変換素子を用いなくても、青、緑および赤のＳ偏光を照明光学系に入射させることができる。この結果、照明光学系のEtendueが大きくなり、第１および第２の波長変換素子２１２，２１４の蛍光飽和を低減させて照明効率を向上させることができる。

図１１は、本発明の実施例５であるプロジェクタの光源装置１００Ｄの構成を示す。本実施例のプロジェクタは、光源装置１００Ｄと、実施例１と同様に構成された照明光学系、色分離光学系、光変調素子、クロスダイクロイックプリズムおよび投射光学系とを有する。

光源装置１００Ｄは、第１の光源ユニット２５１、第２の光源ユニット２５４、ダイクロイックミラー２５７、第１のレンズ２７０、第２のレンズ２７１、レンズアレイ２７２、波長選択性位相板２７３および偏光／色分離合成素子２６０を有する。光源装置１００Ｄは、さらに、第１のコリメータレンズ２６１、波長変換素子２６２、位相板２６３、第２のコリメータレンズ２６４および反射型拡散板２６５を有する。

第１の光源ユニット２５１は、複数の第１の発光素子としての青色ＬＤ２５２と、青色ＬＤ２５２ごとに設けられたコリメータレンズ２５３とを有する。青色ＬＤ２５２から発せられた青光は、偏光方向がｘ方向である直線偏光（Ｓ偏光）であるとともに発散光であり、コリメータレンズ２５３によって平行化される。

第２の光源ユニット２５４は、複数の第２の発光素子としての赤色ＬＤ２５５と、赤色ＬＤ２５５ごとに設けられたコリメータレンズ２５６とを有する。赤色ＬＤ２５５から発せられた赤光は、偏光方向がｚ方向である直線偏光（Ｐ偏光）であるとともに発散光であり、コリメータレンズ２５６によって平行化される。

第１の光源ユニット２５１から出射した青光と第２の光源ユニット２５４から出射した赤光は、ダイクロイックミラー２５７による透過と反射によって合成され、第１のレンズ２７０によって集光される。さらに、これら青光と赤光の合成光（第１の波長域の光）は、第２のレンズ２７１により平行化され、レンズアレイ２７２に入射する。レンズアレイ２７２は、その両面にレンズアレイ面を有する。第２のレンズ２７１からの光（平行光束）は、レンズアレイ２７２の第１のレンズアレイ面２７２Ａに入射して複数の光束に分割された後、第２のレンズアレイ面２７２Ｂに入射する。第２のレンズアレイ面２７２Ｂから出射した複数の分割光束は、波長選択性位相板２７３を通過して、偏光分離素子としての偏光／色分離合成素子２６０に入射する。

波長選択性位相板２７３は、入射した青光（Ｓ偏光）のうち一部の偏光方向を９０度回転させてｚ方向とし（つまりは青のＰ偏光を生成し）、赤光（Ｐ偏光）はそのまま透過させる特性を有する。波長選択性位相板２７３は、青光に含まれるＰ偏光とＳ偏光の割合を制御するための素子である。

偏光／色分離合成素子２６０は、青と赤のＳ偏光を反射して、青と赤のＰ偏光を透過させ、さらに緑光を透過させる特性を有する。すなわち、偏光／色分離合成素子２６０は、入射した青光と赤光を、青のＳ偏光（第１の直線偏光）と、青と赤のＰ偏光（第２の直線偏光）とに分離する。偏光／色分離合成素子２６０により反射された青のＳ偏光は、第１のコリメータレンズ２６１により集光されて波長変換素子２６２に入射する。

図１２（ａ）は、波長変換素子２６２の構成を示す。波長変換素子２６２は、青のＳ偏光が入射する光入射側から順に配置された波長変換層２８２と基板としての反射部材２８３とにより構成されている。波長変換層２８２には、図１２（ｂ）に示すように、複数の量子ロッド２８１がその長手方向がｘ方向に延びるように配置されている。量子ロッド２８１は、偏光方向がｘ方向である青の直線偏光を偏光方向がｘ方向である緑の直線偏光に変換する。すなわち、量子ロッド２１は、青のＳ偏光（第１の直線偏光）を、その偏光方向を維持したまま緑のＳ偏光（第３の直線偏光）に変換する。波長変換素子２６２から出射した緑のＳ偏光は、第１のコリメータレンズ２６１により平行化されて偏光／色分離合成素子２６０に入射する。

一方、偏光／色分離合成素子２６０を透過した青と赤のＰ偏光は、位相板２６３によって円偏光に変換され、第２のコリメータレンズ２６４により集光されて反射型拡散板２６５に入射する。反射型拡散板２６５によって拡散および反射された青と赤の円偏光は、再び第２のコリメータレンズ２６４により平行化され、位相板２６３によりＳ偏光に変換される。位相板２６３は、青と赤の直線偏光（第２の直線偏光）の偏光方向を、緑の直線偏光（第３の直線偏光）の偏光方向に一致させるための素子である。

位相板２６３から出射した拡散光としての青と赤のＳ偏光は、偏光／色分離合成素子２６０で反射される。これら青と赤のＳ偏光が偏光／色分離合成素子２６０を透過した緑のＳ偏光と合成されることで白の照明光が生成され、該照明光は光源装置１００Ｄから出射して照明光学系３００に入射する。

このような構成によれば、無偏光光を直線偏光に変換する偏光変換素子を用いなくても、青、緑および赤のＳ偏光を照明光学系に入射させることができる。この結果、照明光学系のEtendueが大きくなり、波長変換素子２６２の蛍光飽和を低減させて照明効率を向上させることができる。

また、実施例１でも説明したように、青色ＬＤ２５２の出力が変化した場合に蛍光飽和による変換効率の低下が発生して照明光の色味が変わる。これに対して、本実施例では、波長選択性位相板２７３で青のＰ偏光とＳ偏光の割合を適切に調整するとともに、赤色ＬＤ２５５の出力を適切に調整することで、青色ＬＤ２５２の出力変化による照明光の色味の変化を抑えることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

２，１０２ 発光素子
４ 偏光分離合成素子
６ 波長変換素子
９ 拡散板
１１０ 色分離素子
１１２ 第１の波長変換素子
１１４ 第２の波長変換素子

Claims (16)

1. 第１の波長域の光を発する発光素子と、
   前記第１の波長域の光を偏光方向によって分離することにより第１の直線偏光と第２の直線偏光とを生成する偏光分離素子と、
   前記第１の直線偏光を該第１の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する量子ロッドを含む波長変換素子と、
   前記第２の直線偏光の偏光方向と前記第３の直線偏光の偏光方向とを互いに一致させるための位相板と、
   前記偏光方向が互いに一致した前記第２の直線偏光と前記第３の直線偏光とを合成する合成素子とを有し、
   前記量子ロッドの長手方向が、前記合成素子に入射する前記第２および第３の直線偏光の光路に平行な面に垂直な方向に延びていることを特徴とする光源装置。
2. 前記第３の直線偏光は、前記第１の直線偏光と同じ偏光方向の直線偏光であり、
   前記位相板は、前記第２の直線偏光の偏光方向を前記第３の直線偏光と同じ偏光方向に変換することを特徴とする請求項１に記載の光源装置。
3. 前記波長変換素子は、前記第１の直線偏光を前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の直線偏光に変換する第１の波長変換部と、前記第１の直線偏光を前記第１および第２の波長域とは異なる第３の波長域の直線偏光に変換する第２の波長変換部とを有し、前記第２および第３の波長域の直線偏光を前記第３の直線偏光として出射させることを特徴とする請求項１または２に記載の光源装置。
4. 第１の波長域の光を発する発光素子と、
   前記第１の波長域の光を偏光方向によって分離することにより第１の直線偏光と第２の直線偏光とを生成する偏光分離素子と、
   前記第１の直線偏光を該第１の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する波長変換素子と、
   前記第２の直線偏光の偏光方向と前記第３の直線偏光の偏光方向とを互いに一致させるための位相板と、
   前記偏光方向が互いに一致した前記第２の直線偏光と前記第３の直線偏光とを合成する合成素子とを有し、
   前記波長変換素子は、前記第１の直線偏光を前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の直線偏光に変換する第１の波長変換部と、前記第１の直線偏光を前記第１および第２の波長域とは異なる第３の波長域の直線偏光に変換する第２の波長変換部とが反射部材上に積層されて構成され、前記第２および第３の波長域の直線偏光を前記第３の直線偏光として出射させ、 前記第１の波長変換部と前記第２の波長変換部との間に、前記第２の波長域の直線偏光を反射して前記第３の波長域の直線偏光を透過させるダイクロイック膜が設けられていることを特徴とする光源装置。
5. 前記波長変換素子は、量子ロッドを含むことを特徴とする請求項４に記載の光源装置。
6. 前記光源装置から出射する光のうち、前記第２および第３の直線偏光の光量をＡとし、
   前記第２および第３の直線偏光とは偏光方向が異なる光の光量をＢとするとき、
   Ａ／Ｂ≧４
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の光源装置。
7. 前記偏光分離素子は、前記合成素子を兼ねていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の光源装置。
8. 前記第２の直線偏光を拡散させる拡散素子を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の光源装置。
9. 前記第２の直線偏光を拡散させる拡散素子を有し、
   前記位相板は、前記拡散素子と前記偏光分離素子との間に設けられていることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の光源装置。
10. 第１の波長域の第１の直線偏光を発する第１の発光素子と、
    前記第１の直線偏光とは波長域が異なる第２の直線偏光を発する第２の発光素子と、
    前記第１の直線偏光を前記第１および第２の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する量子ロッドを含む第１の波長変換素子と、
    前記第２の直線偏光を前記第１の直線偏光と同じ波長域の第４の直線偏光に変換する量子ロッドを含む第２の波長変換素子と、
    前記第３の直線偏光と前記第４の直線偏光を合成する合成素子とを有し、
    前記第１および第２の波長変換素子における前記量子ロッドの長手方向が、前記合成素子に入射する前記第３および第４の直線偏光の光路に平行な面に垂直な方向に延びていることを特徴とする光源装置。
11. 前記第１の波長変換素子は、前記第１の直線偏光を前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の直線偏光に変換する第１の波長変換部と、前記第１の直線偏光を前記第１および第２の波長域とは異なる第３の波長域の直線偏光に変換する第２の波長変換部とを有し、前記第２および第３の波長域の直線偏光を前記第３の直線偏光として出射させることを特徴とする請求項１０に記載の光源装置。
12. 第１の波長域の第１の直線偏光を発する第１の発光素子と、
    前記第１の直線偏光とは波長域が異なる第２の直線偏光を発する第２の発光素子と、
    前記第１の直線偏光を前記第１および第２の直線偏光とは波長域が異なる第３の直線偏光に変換する第１の波長変換素子と、
    前記第２の直線偏光を前記第１の直線偏光と同じ波長域の第４の直線偏光に変換する第２の波長変換素子と、
    前記第３の直線偏光と前記第４の直線偏光を合成する合成素子とを有し、
    前記第１の波長変換素子は、前記第１の直線偏光を前記第１の波長域とは異なる第２の波長域の直線偏光に変換する第１の波長変換部と、前記第１の直線偏光を前記第１および第２の波長域とは異なる第３の波長域の直線偏光に変換する第２の波長変換部とが反射部材上に積層されて構成され、前記第２および第３の波長域の直線偏光を前記第３の直線偏光として出射させ、 前記第１の波長変換部と前記第２の波長変換部との間に、前記第２の波長域の直線偏光を反射して前記第３の波長域の直線偏光を透過させるダイクロイック膜が設けられていることを特徴とする光源装置。
13. 前記波長変換素子は、量子ロッドを含むことを特徴とする請求項１２に記載の光源装置。
14. 前記光源装置から出射する光のうち、前記第３および第４の直線偏光の光量をＡとし、
    前記第３および第４の直線偏光とは偏光方向が異なる光の光量をＢとするとき、
    Ａ／Ｂ≧４
    なる条件を満足することを特徴とする請求項１０から１３のいずれか一項に記載の光源装置。
15. 前記合成素子は、互いに合成されて入射した前記第１および第２の直線偏光を、前記第１の波長変換素子に向かう前記第１の直線偏光と、前記第２の波長変換素子に向かう前記第２の直線偏光とに分離する色分離素子を兼ねていることを特徴とする請求項１０から１４のいずれか一項に記載の光源装置。
16. 請求項１から１５のいずれか一項に記載の光源装置と、
    該光源装置からの光を変調する光変調素子とを有し、
    前記光変調素子からの変調光を被投射面に投射して画像を表示することを特徴とする画像投射装置。

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