JP7491330B2 - 光源装置およびプロジェクター - Google Patents

Description

本発明は、光源装置およびプロジェクターに関する。

プロジェクターに用いる光源装置として、発光素子から射出された励起光を蛍光体に照射した際に蛍光体から発せられる蛍光を利用した光源装置が提案されている。

下記の特許文献１には、青色光を射出する発光素子と、青色光を波長変換する蛍光体を含むロッド状の導光体と、導光体の端部に設けられた複合放物面型集光器（Compound Parabolic Concentrator, ＣＰＣ）と、を備える光源装置が開示されている。特許文献１には、ＣＰＣを用いることにより、導光体からの光取り出し効率が向上する、と記載されている。

特表２０１６－５２１４３８号公報

一方、導光体の端部にＣＰＣ等の角度変換部材を設けることなく、後段の光学系での蛍光の利用効率が高く、プロジェクターに組み込んだ際に、ＣＰＣ等の角度変換部材を備える光源装置と同等以上のスクリーン光量を実現できる、新たな技術の提供が望まれていた。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の光源装置は、第１波長帯を有する
第１光を射出する発光素子と、蛍光体を含み、前記発光素子から射出される前記第１光を
、前記第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する第２光に変換する波長変換部材と、前記
波長変換部材の中心軸に沿って設けられ、前記波長変換部材で生成される前記第２光を射
出する射出部と、を備える。前記射出部は、前記波長変換部材に対向する第１面を有する
第１端部と、前記中心軸に沿って前記第１端部とは反対側に位置する第２端部と、前記第
１端部と前記第２端部とに接する第２面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第３
面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第４面と、前記第１端部と前記第２端部と
に接する第５面と、を有する。前記射出部の前記中心軸に垂直な断面積は、前記第１端部
から前記第２端部に向かって漸次小さくなり、前記第２面、前記第３面、前記第４面、お
よび前記第５面のそれぞれは、前記第１面に対して傾斜し、前記第１面と前記第２面、前
記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれの傾斜角は、４０°以上、５８°以
下である。
本発明の一つの態様の光源装置は、第１波長帯を有する第１光を射出する発光素子と、
蛍光体を含み、前記発光素子から射出される前記第１光を、前記第１波長帯とは異なる第
２波長帯を有する第２光に変換する波長変換部材と、前記波長変換部材の中心軸に沿って
設けられ、前記波長変換部材で生成される前記第２光を射出する射出部と、を備え、前記
波長変換部材は、前記射出部が設けられている射出面と、前記射出面の主面と交差する主
面である側面と、を有し、前記第１光は前記側面に入射され、前記射出部は、前記波長変
換部材の前記射出面に対向する第１面である第１端部と、前記中心軸に沿って前記第１端
部とは反対側に位置する第２端部と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第２面と、
前記第１端部と前記第２端部とに接する第３面と、前記第１端部と前記第２端部とに接す
る第４面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第５面と、を有し、前記射出部の前
記中心軸に垂直な断面積は、前記第１端部を起点に、前記第１端部から前記第２端部に向
かって漸次小さくなり、前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれ
ぞれは、前記第１面に対して傾斜し、前記第１面と前記第２面、前記第３面、前記第４面
、および前記第５面のそれぞれの傾斜角は、４０°以上、５８°以下である。

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光源装置と、前記光源装置からの前記第２光を含む光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投写する投写光学装置と、を備える。

実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 実施形態の第１照明装置の概略構成図である。 光源装置の斜視図である。 射出部の側面の傾斜角を変えたときの効率を示すグラフである。 傾斜角とスクリーン上での光量との関係を示すグラフである。 第６面の一辺の長さおよび射出部の高さと取り出し光量変化率との関係を示すグラフである。 第１面に対する第６面の面積の割合と取り出し光量変化率との関係を示すグラフである。 角部のＲと取り出し光量変化率との関係を示すグラフである。 比較例の光源装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。
本実施形態のプロジェクターは、光変調装置として液晶パネルを用いたプロジェクターの一例である。
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。

図１は、本実施形態のプロジェクター１の概略構成を示す図である。
図１に示すように、本実施形態のプロジェクター１は、スクリーン（被投写面）ＳＣＲ上にカラー画像を表示する投写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つの光変調装置を備える。

プロジェクター１は、第１照明装置２０と、第２照明装置２１と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒと、光変調装置４Ｇと、光変調装置４Ｂと、光合成素子５と、投写光学装置６と、を備える。

第１照明装置２０は、黄色の蛍光Ｙを色分離光学系３に向けて射出する。第２照明装置２１は、青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに向けて射出する。第１照明装置２０および第２照明装置２１の詳細な構成については後述する。

以下、図面においては、必要に応じてＸＹＺ直交座標系を用いて説明する。Ｚ軸は、プロジェクター１の上下方向に沿う軸である。Ｘ軸は、第１照明装置２０の光軸ＡＸ１および第２照明装置２１の光軸ＡＸ２と平行な軸である。Ｙ軸は、Ｘ軸およびＺ軸に直交する軸である。第１照明装置２０の光軸ＡＸ１は、第１照明装置２０から射出される蛍光Ｙの中心軸である。第２照明装置２１の光軸ＡＸ２は、第２照明装置２１から射出される青色光ＬＢの中心軸である。

色分離光学系３は、第１照明装置２０から射出される黄色の蛍光Ｙを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとに分離する。色分離光学系３は、ダイクロイックミラー７と、第１反射ミラー８ａと、第２反射ミラー８ｂと、を備える。

ダイクロイックミラー７は、蛍光Ｙを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧとに分離する。ダイクロイックミラー７は、赤色光ＬＲを透過するとともに、緑色光ＬＧを反射する。第２反射ミラー８ｂは、緑色光ＬＧの光路中に配置されている。第２反射ミラー８ｂは、ダイクロイックミラー７で反射した緑色光ＬＧを光変調装置４Ｇに向けて反射する。第１反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置されている。第１反射ミラー８ａは、ダイクロイックミラー７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照明装置２１から射出される青色光ＬＢは、反射ミラー９によって光変調装置４Ｂに向けて反射される。

以下、第２照明装置２１の構成について説明する。
第２照明装置２１は、光源部８１と、集光レンズ８２と、拡散板８３と、ロッドレンズ８４と、リレーレンズ８５と、を備える。光源部８１は、少なくとも一つの半導体レーザーで構成されている。光源部８１は、レーザー光からなる青色光ＬＢを射出する。なお、光源部８１は、半導体レーザーに限らず、青色光を発光するＬＥＤで構成されていてもよい。

集光レンズ８２は、凸レンズから構成されている。集光レンズ８２は、光源部８１から射出される青色光ＬＢを略集光した状態で拡散板８３に入射させる。拡散板８３は、集光レンズ８２から射出される青色光ＬＢを所定の拡散度で拡散させ、第１照明装置２０から射出される蛍光Ｙと同様の略均一な配光分布を有する青色光ＬＢを生成する。拡散板８３としては、例えば、光学ガラスからなる磨りガラスが用いられる。

拡散板８３で拡散された青色光ＬＢは、ロッドレンズ８４に入射する。ロッドレンズ８４は、第２照明装置２１の光軸ＡＸ２方向に沿って延びる角柱状の形状を有する。ロッドレンズ８４は、一端に設けられた光入射端面８４ａと、他端に設けられた光射出端面８４ｂと、を有する。拡散板８３は、ロッドレンズ８４の光入射端面８４ａに光学接着剤（図示略）を介して固定されている。拡散板８３の屈折率とロッドレンズ８４の屈折率とは、できるだけ一致させることが望ましい。

青色光ＬＢは、ロッドレンズ８４の内部を全反射しつつ伝播することで照度分布の均一性が高められた状態で光射出端面８４ｂから射出される。ロッドレンズ８４から射出された青色光ＬＢは、リレーレンズ８５に入射する。リレーレンズ８５は、ロッドレンズ８４によって照度分布の均一性が高められた青色光ＬＢを反射ミラー９に入射させる。

ロッドレンズ８４の光射出端面８４ｂの形状は、光変調装置４Ｂの画像形成領域の形状と略相似形の矩形状である。これにより、ロッドレンズ８４から射出された青色光ＬＢは、光変調装置４Ｂの画像形成領域に効率良く入射する。

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、および光変調装置４Ｂのそれぞれには、例えば透過型の液晶パネルが用いられる。また、液晶パネルの入射側および射出側には、偏光板（図示略）がそれぞれ配置されている。偏光板は、特定の方向の直線偏光のみを通過させる。

光変調装置４Ｒの入射側には、フィールドレンズ１０Ｒが配置されている。光変調装置４Ｇの入射側には、フィールドレンズ１０Ｇが配置されている。光変調装置４Ｂの入射側には、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は、光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲの主光線を平行化する。フィールドレンズ１０Ｇは、光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧの主光線を平行化する。フィールドレンズ１０Ｂは、光変調装置４Ｂに入射する青色光ＬＢの主光線を平行化する。

光合成素子５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂから射出された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写光学装置６に向けて射出する。光合成素子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る。

投写光学装置６は、複数の投写レンズから構成されている。投写光学装置６は、光合成素子５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向けて拡大投写する。これにより、スクリーンＳＣＲ上に画像が表示される。

以下、第１照明装置２０の構成について説明する。
図２は、第１照明装置２０の概略構成図である。図３は、光源装置１００の斜視図である。
図２に示すように、第１照明装置２０は、光源装置１００と、インテグレーター光学系７０と、偏光変換素子１０２と、重畳光学系１０３と、を備える。

図２および図３に示すように、光源装置１００は、波長変換部材５０と、光源部５１と、反射部材５３と、射出部５４と、を備える。光源部５１は、基板５５と、発光素子５６と、を備える。

波長変換部材５０は、Ｘ軸方向に延びる四角柱状の形状を有し、６つの面を有する。波長変換部材５０のＸ軸方向に延びる辺は、Ｙ軸方向に延びる辺およびＺ軸方向に延びる辺よりも長い。したがって、Ｘ軸方向は、波長変換部材５０の長手方向に対応する。Ｙ軸方向に延びる辺の長さとＺ軸方向に延びる辺の長さとは等しい。すなわち、Ｘ軸方向に垂直な面で切断した波長変換部材５０の断面形状は、正方形である。なお、Ｘ軸方向に垂直な面で切断した波長変換部材５０の断面形状は、長方形であってもよい。

波長変換部材５０は、以下の面を有する。まず、波長変換部材５０の長手方向（Ｘ軸方向）に交差し、射出部５４が設けられる射出面５０ａと、波長変換部材５０の長手方向（Ｘ軸方向）に交差し、射出面５０ａとは反対側に位置する反射面５０ｂを有する。次に、射出面５０ａおよび反射面５０ｂと交差し、互いに反対側に位置する第１側面５０ｃおよび第２側面５０ｄを有する。さらに、射出面５０ａおよび反射面５０ｂ、かつ、第１側面５０ｃおよび第２側面５０ｄと交差し、互いに反対側に位置する第３側面および第４側面（図示略）と、を有する。以下の説明で、第１側面５０ｃ、第２側面５０ｄ、第３側面、および第４側面の４つの面を合わせて、側面５０ｇと称する。

波長変換部材５０の射出面５０ａの中心と反射面５０ｂの中心とを通り、Ｘ軸に平行な軸を波長変換部材５０の中心軸Ｊと定義する。波長変換部材５０の中心軸Ｊは、第１照明装置２０の光軸ＡＸ１に一致する。

本実施形態において、後述するように、波長変換部材５０と射出部５４とは、一体の部材で構成されているため、上記の６つの面のうち、射出面５０ａは、物理的に存在する面ではなく、四角錐台状の射出部５４との境界を規定する仮想的な面と定義する。なお、波長変換部材５０は、必ずしも四角柱状の形状を有していなくてもよい。

波長変換部材５０は、蛍光体を少なくとも含み、第１波長帯を有する励起光Ｅを、第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する蛍光Ｙに変換する。本実施形態では、励起光Ｅは、第１側面５０ｃおよび第２側面５０ｄのそれぞれから波長変換部材５０に入射する。蛍光Ｙは、波長変換部材５０の内部を導光した後、射出部５４に入射し、射出部５４から外部に射出される。本実施形態の励起光Ｅは、特許請求の範囲の第１光に対応する。本実施形態の蛍光Ｙは、特許請求の範囲の第２光に対応する。

波長変換部材５０は、励起光Ｅを蛍光Ｙに波長変換する多結晶蛍光体からなるセラミック蛍光体を含んでいる。蛍光Ｙが有する第２波長帯は、例えば４９０～７５０ｎｍの黄色の波長帯である。すなわち、蛍光Ｙは、赤色光成分および緑色光成分を含む黄色の蛍光である。

波長変換部材５０は、多結晶蛍光体に代えて、単結晶蛍光体を含んでいてもよい。もしくは、波長変換部材５０は、蛍光ガラスから構成されていてもよい。もしくは、波長変換部材５０は、ガラスまたは樹脂からなるバインダー中に多数の蛍光体粒子が分散された材料から構成されていてもよい。このような材料からなる波長変換部材５０は、励起光Ｅを、第２波長帯を有する蛍光Ｙに変換する。

具体的には、波長変換部材５０の材料は、例えばイットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）系蛍光体を含んでいる。賦活剤としてのセリウム（Ｃｅ）を含有するＹＡＧ：Ｃｅを例に挙げると、波長変換部材５０の材料として、Ｙ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｅＯ_３等の構成元素を含む原料粉末を混合して固相反応させた材料、共沈法、ゾルゲル法等の湿式法により得られるＹ－Ａｌ－Ｏアモルファス粒子、噴霧乾燥法、火炎熱分解法、熱プラズマ法等の気相法により得られるＹＡＧ粒子等が用いられる。

光源部５１は、第１波長帯の励起光Ｅを射出する発光面５６ａを有する発光素子５６を備える。光源部５１は、波長変換部材５０の第１側面５０ｃおよび第２側面５０ｄのそれぞれに対向して設けられている。発光素子５６は、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）から構成されている。このように、光源部５１は、波長変換部材５０の長手方向に沿う側面５０ｇの一部に対向して設けられている。換言すると、波長変換部材５０の長手方向に沿う側面５０ｇは、励起光Ｅを受光する。なお、光源部５１の個数および配置は、特に限定されない。

発光素子５６の発光面５６ａは、波長変換部材５０の第１側面５０ｃおよび第２側面５０ｄのそれぞれに対向して配置され、第１側面５０ｃおよび第２側面５０ｄのそれぞれに向けて励起光Ｅを射出する。第１波長帯は、例えば４００ｎｍ～４８０ｎｍの青色から紫色にかけての波長帯であり、ピーク波長は例えば４４５ｎｍである。

基板５５は、発光素子５６を支持する。基板５５の一面５５ａに、複数の発光素子５６が設けられている。本実施形態の場合、光源部５１は、発光素子５６と基板５５とから構成されているが、その他、導光板、拡散板、レンズなどの他の光学部材を備えていてもよい。また、基板５５に設けられる発光素子５６の個数は、特に限定されない。

反射部材５３は、波長変換部材５０の反射面５０ｂに対向して設けられている。反射部材５３は、波長変換部材５０の内部を導光し、反射面５０ｂに到達した蛍光Ｙを反射させる。反射部材５３は、波長変換部材５０とは別個の部材であり、例えばアルミニウム等の金属材料からなる板状の部材で構成されている。反射部材５３は、波長変換部材５０の反射面５０ｂに対向し、蛍光Ｙを反射させる反射面５３ｒを有する。反射面５３ｒは、金属材料自体の表面であってもよいし、金属材料の表面に形成された金属膜または誘電体多層膜から構成されていてもよい。

光源装置１００において、発光素子５６から射出された励起光Ｅが波長変換部材５０に入射すると、波長変換部材５０の内部に含まれる蛍光体が励起され、任意の発光点から蛍光Ｙが発せられる。蛍光Ｙは任意の発光点から全ての方向に向かって進むが、側面５０ｇに向かって進む蛍光Ｙは、側面５０ｇの複数の個所で全反射を繰り返しつつ、射出面５０ａまたは反射面５０ｂに向かって進む。射出面５０ａに向かって進む蛍光Ｙは、射出部５４に入射する。一方、反射面５０ｂに向かって進む蛍光Ｙは、反射部材５３で反射された後、射出面５０ａに向かって進む。

波長変換部材５０に入射した励起光Ｅのうち、蛍光体の励起に使われなかった励起光Ｅの一部は、光源部５１の発光素子５６を含む波長変換部材５０の周囲の部材、または反射面５０ｂに設けられた反射部材５３で反射される。そのため、励起光Ｅの一部は、波長変換部材５０の内部に閉じ込められて再利用される。

射出部５４は、波長変換部材５０の中心軸Ｊに沿って設けられている。射出部５４は、波長変換部材５０で生成される蛍光Ｙを射出する。本実施形態の場合、波長変換部材５０と射出部５４とは、一体の部材で構成されている。したがって、射出部５４は、波長変換部材５０と同様、ＹＡＧ系蛍光体を含んでいる。

図３に示すように、射出部５４は、第１面５４ａを有する第１端部５４ｊと、第６面５４ｆを有する第２端部５４ｋと、第２面５４ｂと、第３面５４ｃと、第４面５４ｄと、第５面５４ｅと、を有する。第１面５４ａは、波長変換部材５０の射出面５０ａに対向する。上述したように、波長変換部材５０と射出部５４とが一体の部材であるため、第１面５４ａは、物理的に存在する面ではなく、波長変換部材５０との境界を規定する仮想的な面である。第２端部５４ｋは、中心軸Ｊに沿って第１端部５４ｊとは反対側に位置する。第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれは、第１端部５４ｊと第２端部５４ｋとに接する。第６面５４ｆは、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれと接し、中心軸Ｊと交差する。

射出部５４は、四角錐台の形状を有する。したがって、第１面５４ａは、四角錐台の底面に対応する。第６面５４ｆは、四角錐台の頂面に対応する。第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれは、四角錐台の側面に対応する。また、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれには、反射層が設けられていない。中心軸Ｊに垂直な平面で切断したときの射出部５４の断面積は、第１端部５４ｊから第２端部５４ｋに向かって漸次小さくなっている。

第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれは、第１面５４ａに対して傾斜している。第１面５４ａに対する第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれの傾斜角θは、４０°以上、５８°以下である。ここで、傾斜角θは、射出部５４の内角である。傾斜角θの数値範囲の根拠については後述する。射出部５４は、例えば四角柱状の波長変換部材５０の端部を研磨して、四角錐台状に加工することにより形成される。以下、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅをまとめて側面５４ｐと称する。

中心軸Ｊの方向から見て、第１面５４ａおよび第６面５４ｆの形状は、正方形である。第１面５４ａの一辺の長さは、波長変換部材５０の射出面５０ａの一辺の長さと一致する。第６面５４ｆの一辺の長さは、所定の値に適宜設定されればよい。また、中心軸Ｊに沿う第１面５４ａと第６面５４ｆとの間の長さ（四角錐台の高さ）についても、所定の値に適宜設定されればよい。第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合は、２６％以上、５１％以下であることが望ましい。この数値範囲が望ましい理由については後述する。

波長変換部材５０の側面５０ｇと射出部５４の側面５４ｐとが接する角部５８に、面取り部５９が設けられている。すなわち、側面５０ｇと側面５４ｐとが接する角部５８は、尖っておらず、曲率を有する曲面で構成されている。さらに、射出部５４において、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅの隣り合う面同士が接する角部６２に、面取り部５９が設けられていてもよい。また、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれと第６面５４ｆとが接する角部６２に、面取り部５９が設けられていてもよい。なお、面取り部５９は、必ずしも設けられている必要はない。

図２に示すように、インテグレーター光学系７０は、第１レンズアレイ６１と、第２レンズアレイ１０１と、を有する。インテグレーター光学系７０は、重畳光学系１０３とともに光源装置１００から射出された蛍光Ｙの強度分布を、被照明領域である光変調装置４Ｒ，４Ｇのそれぞれにおいて均一化する均一照明光学系を構成する。射出部５４の第６面５４ｆから射出される蛍光Ｙは、コリメーターレンズ６０に入射され、射出光が第１レンズアレイ６１に入射する。第１レンズアレイ６１は、光源装置１００の後段に設けられた第２レンズアレイ１０１とともに、インテグレーター光学系７０を構成する。

第１レンズアレイ６１は、複数の第１小レンズ６１ａを有する。複数の第１小レンズ６１ａは、第１照明装置２０の光軸ＡＸ１と直交するＹＺ平面に平行な面内にマトリクス状に配列されている。複数の第１小レンズ６１ａは、角度変換部材５２から射出される蛍光Ｙを複数の部分光束に分割する。第１小レンズ６１ａの各々の形状は、光変調装置４Ｒ，４Ｇの画像形成領域の形状と略相似形の矩形状である。これにより、第１レンズアレイ６１から射出された部分光束の各々は、光変調装置４Ｒ，４Ｇの画像形成領域にそれぞれ効率良く入射する。

第１レンズアレイ６１から射出された蛍光Ｙは、第２レンズアレイ１０１に向かって進む。第２レンズアレイ１０１は第１レンズアレイ６１に対向して配置されている。第２レンズアレイ１０１は、第１レンズアレイ６１の複数の第１小レンズ６１ａに対応する複数の第２小レンズ１０１ａを有する。第２レンズアレイ１０１は、重畳光学系１０３とともに、第１レンズアレイ６１の複数の第１小レンズ６１ａの像の各々を光変調装置４Ｒ，４Ｇの画像形成領域の近傍に結像させる。複数の第２小レンズ１０１ａは、第１照明装置２０の光軸ＡＸ１に直交するＹＺ平面に平行な面内にマトリクス状に配列されている。

本実施形態において、第１レンズアレイ６１の各第１小レンズ６１ａと第２レンズアレイ１０１の各第２小レンズ１０１ａとは、互いに同じサイズを有しているが、互いに異なるサイズを有していてもよい。また、本実施形態において、第１レンズアレイ６１の第１小レンズ６１ａと第２レンズアレイ１０１の第２小レンズ１０１ａとは、互いの光軸が一致する位置に配置されているが、互いに偏心した状態に配置されていてもよい。

偏光変換素子１０２は、第２レンズアレイ１０１から射出される蛍光Ｙの偏光方向を変換する。具体的に、偏光変換素子１０２は、第１レンズアレイ６１で分割され、第２レンズアレイ１０１から射出された蛍光Ｙの各部分光束を直線偏光に変換する。

偏光変換素子１０２は、光源装置１００から射出される蛍光Ｙに含まれる偏光成分のうち、一方の直線偏光成分をそのまま透過させるとともに、他方の直線偏光成分を光軸ＡＸ１に垂直な方向に反射する偏光分離層（図示略）と、偏光分離層で反射された他方の直線偏光成分を光軸ＡＸ１に平行な方向に反射する反射層（図示略）と、反射層で反射された他方の直線偏光成分を一方の直線偏光成分に変換する位相差板（図示略）と、を有する。

［比較例］
以下、比較例の光源装置について説明する。
本実施形態の光源装置の効果を検討するにあたって、本発明者は、以下に示す比較例の光源装置を想定し、蛍光の取り出し効率に関するシミュレーションを行った。

図９は、比較例の光源装置２００の概略構成図である。
図９において、本実施形態の図２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９に示すように、比較例の光源装置２００は、光源部５１と、波長変換部材５０と、角度変換部材７１と、を備える。角度変換部材７１は、入射面７１ａから射出面７１ｂに向かって断面積が漸次広がった四角錐台状の形状を有する。

角度変換部材７１に入射した蛍光Ｙは、角度変換部材７１の内部を進行する間に、側面７１ｃで全反射する毎に中心軸Ｊに平行な方向に近付くように向きを変える。このようにして、角度変換部材７１は、波長変換部材５０の射出面５０ａから射出される蛍光Ｙの射出角度分布を変換する。具体的には、角度変換部材７１は、射出面７１ｂにおける蛍光Ｙの最大射出角度を入射面７１ａにおける蛍光Ｙの最大入射角度よりも小さくする。これにより、角度変換部材７１を備えていない光源装置に比べて、角度変換部材７１から射出される蛍光Ｙの取り出し効率を高めることができる。角度変換部材７１として、この例ではテーパーロッドを用いたが、ＣＰＣを用いることもできる。

シミュレーション条件として、波長変換部材５０については、材料として一般的なＹＡＧ蛍光体を用いることとし、屈折率を１．８３とした。射出面５０ａの形状は正方形として、射出面５０ａの一辺の長さを１．０ｍｍとした。角度変換部材７１については、材料として光学ガラスの一つであるＮ－ＢＫ７を用いることとし、屈折率を１．５２とした。入射面７１ａの一辺の長さを１．０ｍｍとし、射出面７１ｂの一辺の長さを３．２ｍｍとし、中心軸Ｊに沿う入射面７１ａから射出面７１ｂまでの長さを５．１ｍｍとした。

一方、本実施形態の光源装置１００について、波長変換部材５０に関するシミュレーション条件は、比較例の光源装置２００と共通にした。また、射出部５４の第１面５４ａの一辺の長さを１．０ｍｍとし、射出部５４の高さＨ（図２参照）を１．０ｍｍで固定した上で、第１面５４ａに対する各側面５４ｐの傾斜角θを３５°、４０°、４５°、５５°、７０°の５種類に変化させた。

各光源装置の評価項目として、光源装置から射出される時点での蛍光の効率、および光源装置をプロジェクターに組み込んだ際のスクリーン上での蛍光の効率を採用した。比較例の場合、光源装置２００から射出される蛍光Ｙの効率は、波長変換部材５０で生成される蛍光Ｙの光量に対する角度変換部材７１から取り出される蛍光Ｙの光量の割合と定義した。本実施形態の場合、光源装置１００から射出される蛍光Ｙの効率は、波長変換部材５０で生成される蛍光Ｙの光量に対する射出部５４の第６面５４ｆから取り出される蛍光Ｙの光量の割合と定義した。スクリーン上での蛍光Ｙの効率は、比較例、本実施形態ともに、波長変換部材５０から射出される蛍光Ｙの光量に対するスクリーン上に到達する蛍光Ｙの光量の割合と定義した。

図４は、シミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は、光源装置からの射出時、およびスクリーン上をそれぞれ示し、グラフの縦軸は効率（％）を示している。符号Ａ３５，Ａ４０，Ａ４５，Ａ５５，Ａ７０のグラフは、本実施形態の光源装置１００の結果を示しており、符号Ａ３５のグラフは傾斜角θを３５°としたとき、符号Ａ４０のグラフは傾斜角θを４０°としたとき、符号Ａ４５のグラフは傾斜角θを４５°としたとき、符号Ａ５５のグラフは傾斜角θを５５°としたとき、符号Ａ７０のグラフは傾斜角θを７０°としたときの結果をそれぞれ示す。符号Ｂのグラフは、比較例の光源装置２００の結果を示す。

図４に示すように、比較例の光源装置２００の場合、光源装置２００の射出時では、角度変換部材７１の効果によって４６％程度の高い効率が得られる。ところが、角度変換部材７１から射出される蛍光のうち、広角に射出される蛍光の一部が後段の光学系に入射されず、損失となる等の理由により、スクリーン上での効率は２５％程度にまで低下する。

これに対し、本実施形態の光源装置１００の場合、光源装置１００の射出時の効率は、いずれの傾斜角においても、比較例の光源装置２００よりも低い。ところが、スクリーン上での効率は、傾斜角θを４５°、５５°とした場合には比較例の光源装置２００よりも高くなり、傾斜角θを４０°とした場合には比較例の光源装置２００とほぼ同等であり、傾斜角θを３５°、７０°とした場合には比較例の光源装置２００よりも低くなることが判った。すなわち、本実施形態の光源装置１００において傾斜角θを所定の範囲内に設定すれば、スクリーン上の効率が比較例の光源装置２００よりも高くなることが判った。

そこで、本発明者は、本実施形態の光源装置１００において傾斜角θをさらに細かく変化させ、スクリーン上での効率のシミュレーションを行った。
図５は、シミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は、傾斜角θ（°）を示しており、グラフの縦軸はスクリーン光量（％）を示している。なお、スクリーン光量は、比較例の光源装置２００におけるスクリーン上での光量を１００％としたときの各傾斜角θの光源装置１００におけるスクリーン上での光量の割合と定義する。

図５に示すように、傾斜角θを１５°から大きくするに従って、スクリーン光量は増加する傾向を示す。傾斜角θが４０°のときにスクリーン光量は１００％となる。傾斜角θを４０°から大きくすると、スクリーン光量はさらに増加し、傾斜角θが４５°のときにスクリーン光量は最大値となる。ところが、傾斜角θを４５°から大きくするに従って、スクリーン光量は減少する傾向を示す。傾斜角θが５８°のときにスクリーン光量は１００％となる。傾斜角θを５８°から大きくすると、スクリーン光量はさらに減少し、１００％未満となる。

以上の結果から、本実施形態の光源装置１００において、比較例の光源装置２００におけるスクリーン上での光量以上の光量を得るためには、傾斜角を４０°以上、５８°以下とすればよいことが判った。

次に、本発明者は、本実施形態の光源装置１００において、傾斜角θをスクリーン光量が最大となる４５°に固定し、第６面５４ｆの一辺の長さを変化させて、光源装置１００から取り出される蛍光の光量（単位：Ｗ）の変化率のシミュレーションを行った。
図６は、シミュレーション結果を示すグラフである。グラフの下側の横軸は、第６面５４ｆの一辺の長さ（ｍｍ）を示し、グラフの縦軸は取り出し光量変化率（％）を示している。取り出し光量変化率（％）は、最大値を示す取り出し光量を１００％としたときの各取り出し光量の割合と定義する。なお、このシミュレーションでは傾斜角θを固定しているため、第６面５４ｆの一辺の長さの変化に伴って第１面５４ａと第６面５４ｆとの間の距離、すなわち射出部５４（四角錐台）の高さが変化する。したがって、図６では、グラフの上側の横軸として、射出部５４（四角錐台）の高さＨ（ｍｍ）を示した。なお、射出部５４の第１面５４ａの一辺の長さは１．０ｍｍとした。

図６に示すように、第６面５４ｆの一辺の長さを０．２５ｍｍから大きくするに従って、取り出し光量変化率は増加する傾向を示す。第６面５４ｆの一辺の長さが０．４５ｍｍのときに取り出し光量変化率は１００％となる。このとき、射出部５４の高さは、０．３ｍｍである。また、第６面５４ｆの一辺の長さを０．４５ｍｍから大きくするに従って、取り出し光量変化率は減少する傾向を示す。

図７は、図６の横軸を第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合（％）に換算し、図６を書き換えたグラフである。
図７に示すように、第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合を１０％から大きくするに従って、取り出し光量変化率は増加する傾向を示す。第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合が４１％のとき、取り出し光量変化率は１００％となる。また、第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合を４１％から大きくするに従って、取り出し光量変化率は減少する傾向を示す。第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合を２６％～５１％の範囲とすれば、取り出し光量変化率は最大値の９９％以上を確保できる。これに対して、第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合を２６％～５１％の範囲外とすると、取り出し光量変化率は急激に低下する。

以上の結果から、取り出し光量を安定して確保するためには、第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合を２６％以上、５１％以下とすればよいことが判った。

次に、本発明者は、本実施形態の光源装置１００において、波長変換部材５０の側面５０ｇと射出部５４の側面５４ｐとが接する角部５８にＲ面取りを施した場合のＲを変化させ、光源装置１００から取り出される蛍光の光量の変化率のシミュレーションを行った。

図８は、シミュレーション結果を示すグラフである。グラフの横軸は、面取りのＲ（ｍｍ）を示しており、グラフの縦軸は取り出し光量変化率（％）を示している。取り出し光量変化率（％）は、Ｒ面取りを施していない場合の取り出し光量を１００％としたときの各取り出し光量の割合と定義する。

図８に示すように、取り出し光量変化率が負の値を示すことから、Ｒ面取りを施した場合は、Ｒ面取りを施していない場合に比べて取り出し光量変化率が低下することが判る。ただし、Ｒを変化させても、取り出し光量変化率は大きく変化せず、Ｒ面取りを施していない場合に比べた低下量は－１％の範囲内に収まることが判った。

［実施形態の効果］
本実施形態の光源装置１００は、第１波長帯を有する励起光Ｅを射出する発光素子５６と、蛍光体を含み、発光素子５６から射出される励起光Ｅを、第２波長帯を有する蛍光Ｙに変換する波長変換部材５０と、波長変換部材５０の中心軸Ｊに沿って設けられ、波長変換部材５０で生成される蛍光Ｙを射出する射出部５４と、を備える。射出部５４は、波長変換部材５０に対向する第１面５４ａを有する第１端部５４ｊと、中心軸Ｊに沿って第１端部５４ｊとは反対側に位置する第２端部５４ｋと、第１端部５４ｊと第２端部５４ｋとに接する第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅと、を有する。射出部５４の中心軸Ｊに垂直な断面積は、第１端部５４ｊから第２端部５４ｋに向かって漸次小さくなっている。第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれは、第１面５４ａに対して傾斜し、第１面５４ａに対する第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれの傾斜角θは、４０°以上、５８°以下である。

この構成によれば、射出部５４の各側面５４ｐの傾斜角θが４０°以上、５８°以下に設定されているため、光源装置１００の後段の光学系での蛍光Ｙの利用効率が高く、プロジェクターに組み込んだ際に、ＣＰＣ等の角度変換部材を備える光源装置と同等以上のスクリーン光量が得られる光源装置１００を実現することができる。

本実施形態の光源装置１００において、射出部５４の第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれには、反射層が設けられていない。

この構成によれば、波長変換部材５０から射出される蛍光Ｙは、射出部５４の第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれで全反射し、第２端部５４ｋの方向に向かって進む。このとき、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれに反射層が設けられていないため、反射層による蛍光Ｙの吸収が起こらず、蛍光Ｙの損失を抑えることができる。

本実施形態の光源装置１００において、射出部５４の第２端部５４ｋは、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれと接し、中心軸Ｊと交差する第６面５４ｆを有する。

この構成によれば、第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれで全反射し、第２端部５４ｋに到達した蛍光Ｙは、第６面５４ｆで屈折し、第６面５４ｆから外部に射出される。そのため、第６面５４ｆを有していない場合に比べ、光源装置１００から射出される蛍光Ｙの角度分布が小さくなり、後段の光学系における蛍光Ｙの利用効率を高めることができる。

本実施形態の光源装置１００において、第１面５４ａの面積に対する第６面５４ｆの面積の割合は、２６％以上、５１％以下である。

この構成によれば、上述のシミュレーション結果で示した通り、光源装置１００から射出される蛍光Ｙの光量を安定して確保することができる。

本実施形態の光源装置１００において、波長変換部材５０は、蛍光Ｙを射出する射出面５０ａと、射出面５０ａと交差する側面５０ｇと、を有し、射出部５４の第２面５４ｂ、第３面５４ｃ、第４面５４ｄ、および第５面５４ｅのそれぞれと側面５０ｇとが接する角部５８に、面取り部５９が設けられている。

この構成によれば、上述のシミュレーション結果で示した通り、光源装置１００から射出される蛍光Ｙの光量変化率の低下を少なくしつつも角部５８に面取り部５９が設けられているため、角部５８の破損が生じにくくなる。

本実施形態の光源装置１００において、波長変換部材５０と射出部５４とは一体の部材で構成されている。
この構成によれば、接着剤を用いて波長変換部材と角度変換部材とを接合する必要がないため、光や熱の影響による接合の信頼性低下の問題が生じない。また、蛍光Ｙが接着剤に吸収されることによる蛍光Ｙの利用効率低下の問題も生じない。

本実施形態のプロジェクター１は、本実施形態の光源装置１００を備えているため、光利用効率に優れる。

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。また、本発明の一つの態様は、上記の各実施形態の特徴部分を適宜組み合わせた構成とすることができる。

上記実施形態では、射出部の形状が四角錐台であったが、四角錐であってもよい。すなわち、射出部は、第２面、第３面、第４面、および第５面を有し、第６面を有していなくてもよい。換言すると、第１面の面積に対する第６面の面積の割合は、０％であってもよい。また、上記実施形態では、波長変換部材の射出面に一つの射出部が設けられているが、複数の射出部が設けられていてもよい。例えば、波長変換部材の射出面に複数の射出部がアレイ状に設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、波長変換部材と射出部とが一体の部材で構成されているが、波長変換部材と射出部とが別体の部材で構成されていてもよい。波長変換部材と射出部とが別体の部材で構成される場合、射出部は、蛍光体を含み、波長変換機能を有していてもよいし、蛍光体を含まず、波長変換機能を有していなくてもよい。

また、光源装置およびプロジェクターの各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な記載については、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、本発明による光源装置を、液晶パネルを用いた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。本発明による光源装置を、光変調装置としてデジタルマイクロミラーデバイスを用いたプロジェクターに適用してもよい。また、プロジェクターは、複数の光変調装置を有していなくてもよく、１つの光変調装置のみを有していてもよい。

上記実施形態では、本発明の光源装置をプロジェクターに適用した例を示したが、これに限られない。本発明の光源装置は、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。

本発明の一つの態様の光源装置は、以下の構成を有していてもよい。
本発明の一つの態様の光源装置は、第１波長帯を有する第１光を射出する発光素子と、蛍光体を含み、前記発光素子から射出される前記第１光を、前記第１波長帯とは異なる第２波長帯を有する第２光に変換する波長変換部材と、前記波長変換部材の中心軸に沿って設けられ、前記波長変換部材で生成される前記第２光を射出する射出部と、を備え、前記射出部は、前記波長変換部材に対向する第１面を有する第１端部と、前記中心軸に沿って前記第１端部とは反対側に位置する第２端部と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第２面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第３面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第４面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第５面と、を有し、前記射出部の前記中心軸に垂直な断面積は、前記第１端部から前記第２端部に向かって漸次小さくなり、前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれは、前記第１面に対して傾斜し、前記第１面と前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれの傾斜角は、４０°以上、５８°以下である。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれには、反射層が設けられていなくてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第２端部は、前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれと接し、前記中心軸と交差する第６面を有していてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記第１面の面積に対する前記第６面の面積の割合は、２６％以上、５１％以下であってもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記波長変換部材は、前記第２光を射出する射出面と、前記射出面と交差する側面と、を有し、前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれと前記側面とが接する角部に、面取り部が設けられていてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、前記波長変換部材と前記射出部とは一体の部材で構成されていてもよい。

本発明の一つの態様のプロジェクターは、以下の構成を有していてもよい。
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光源装置と、前記光源装置から射出される前記第２光を含む光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、前記光変調装置により変調された光を投写する投写光学装置と、を備える。

１…プロジェクター、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投写光学装置、５０…波長変換部材、５０ａ…射出面、５０ｇ…側面、５４…射出部、５４ｊ…第１端部、５４ｋ…第２端部、５４ａ…第１面、５４ｂ…第２面、５４ｃ…第３面、５４ｄ…第４面、５４ｅ…第５面、５４ｆ…第６面、５６…発光素子、５８…角部、５９…面取り部、１００…光源装置、Ｅ…励起光（第１光）、Ｙ…蛍光（第２光）、Ｊ…中心軸、θ…傾斜角。

Claims (7)

1. 第１波長帯を有する第１光を射出する発光素子と、
   蛍光体を含み、前記発光素子から射出される前記第１光を、前記第１波長帯とは異なる
   第２波長帯を有する第２光に変換する波長変換部材と、
   前記波長変換部材の中心軸に沿って設けられ、前記波長変換部材で生成される前記第２
   光を射出する射出部と、
   を備え、
   前記波長変換部材は、前記射出部が設けられている射出面と、前記射出面の主面と交差
   する主面である側面と、を有し、
   前記第１光は前記側面に入射され、
   前記射出部は、前記波長変換部材の前記射出面に対向する第１面である第１端部と、前
   記中心軸に沿って前記第１端部とは反対側に位置する第２端部と、前記第１端部と前記第
   ２端部とに接する第２面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第３面と、前記第１
   端部と前記第２端部とに接する第４面と、前記第１端部と前記第２端部とに接する第５面
   と、を有し、
   前記射出部の前記中心軸に垂直な断面積は、前記第１端部を起点に、前記第１端部から
   前記第２端部に向かって漸次小さくなり、
   前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれは、前記第１面に
   対して傾斜し、
   前記第１面と前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれの傾
   斜角は、４０°以上、５８°以下である、
   光源装置。
2. 前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれには、反射層が設
   けられていない、
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第２端部は、前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれ
   と接し、前記中心軸と交差する第６面を有する、
   請求項１または請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第１面の面積に対する前記第６面の面積の割合は、２６％以上、５１％以下である
   、
   請求項３に記載の光源装置。
5. 前記波長変換部材は、前記第２光を射出する射出面と、前記射出面と交差する側面と、
   を有し、
   前記第２面、前記第３面、前記第４面、および前記第５面のそれぞれと前記側面とが接
   する角部に、面取り部が設けられている、
   請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の光源装置。
6. 前記射出部は、前記波長変換部材と同じ部材で構成され、前記波長変換部材と一体であ
   る、
   請求項１から請求項５までのいずれか一項に記載の光源装置。
7. 請求項１から請求項６まで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る前記第２光を含む光を画像情報に応じて変調する光変調装
   置と、
   前記光変調装置により変調された光を投写する投写光学装置と、
   を備える、
   プロジェクター。

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