JP7563211B2 - 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、エテンデューを小さくすることで、液晶パネル等の被照明物を高輝度で照明する光源装置がある（例えば、下記特許文献１、２参照）。近年、プロジェクターに用いる光源装置として、蛍光体を励起することで生成した蛍光を照明光として用いる光源装置もある。

特開２００８－０２６８５３号公報 特開２００８－１１２１１４号公報

一般的に蛍光体上における励起光の入射面積を小さくすることで、蛍光のエテンデューを小さくできる。しかしながら、励起光の入射面積を小さくすると励起光の光密度が高くなることで、蛍光変換効率が低下してしまうという問題があった。
このように従来において、励起光の光密度の増加を抑制しつつ、エテンデューを小さくすることは難しかった。

上記の課題を解決するために、本発明の１つの態様によれば、第１方向に偏光する第１波長帯の光を射出する光源と、光入射面を有し、前記光入射面に入射した前記第１波長帯の光を波長変換して前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の光を生成する波長変換層と、前記波長変換層を支持する支持面を有する基板と、前記光源から入射する前記第１波長帯の光を透過し、前記第２波長帯の光を反射する第１光学層と、を有し、前記第１光学層が前記支持面に対向するように配置される第１光学部材と、前記第１波長帯の光および前記第２波長帯の光を反射する第２光学層を有し、前記第２光学層が前記支持面と前記第１光学層とに交差するように配置される第２光学部材と、前記第１波長帯の光および前記第２波長帯の光を反射する第３光学層を有し、前記第３光学層が、前記支持面と前記第１光学層とに交差し、前記第２光学層に対向するように配置される第３光学部材と、前記基板、前記第１光学部材、前記第２光学部材および前記第３光学部材により形成される開口部を覆うように設けられ、前記第１波長帯の光を反射するとともに前記第２波長帯の光を透過する第４光学層と、を備え、前記第１光学部材は、前記光源側に設けられ、前記第１方向に偏光する第１波長帯の光を透過する第５光学層を有し、前記第１光学層は、前記波長変換層側に設けられ、前記波長変換層から射出された前記第１波長帯の光の一部を反射し、前記波長変換層の前記光入射面の面積は、前記光入射面において前記第１波長帯の光が入射される光入射領域の面積よりも大きく、前記光入射領域の面積は、前記開口部の面積より大きい光源装置が提供される。

本発明の第２態様によれば、本発明の第１態様の光源装置と、前記光源装置からの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射する投射光学装置と、を備えるプロジェクターが提供される。

実施形態に係るプロジェクターの概略構成を示す図である。 第１光源装置の概略構成図である。 波長変換素子の要部構成を示す斜視図である。 波長変換素子を＋Ｙ側から視た正面図である。 波長変換素子のＸＹ平面に沿う面による断面図である。

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。

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。
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ＳＣＲ上にカラー映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、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、投射光学装置６と、第１光源装置（光源装置）２０と、第２光源装置２１と、を備えている。なお、第１光源装置２０は本発明の光源装置の一実施形態に相当する。

色分離光学系３は、黄色の照明光ＷＬを赤色光ＬＲと緑色光ＬＧに分離する。色分離光学系３は、色分離ミラー７と、第１反射ミラー８ａと、第２反射ミラー８ｂと、を備えている。

色分離ミラー７は、第１光源装置２０からの照明光ＷＬ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で構成される。色分離ミラー７は、照明光ＷＬのうち、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を光変調装置４Ｂ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、色分離ミラー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光源装置２１からの青色光ＬＢは反射ミラー９で光変調装置４Ｂに向けて反射される。

ここで、第２光源装置２１の構成について説明する。
第２光源装置２１は、第２光源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、を有する。第２光源８１は、少なくとも一つの半導体レーザーで構成され、レーザー光からなる青色光ＬＢを射出する。なお、第２光源８１は、半導体レーザーに限らず、青色光を発光するＬＥＤでもよい。

集光レンズ８２は凸レンズからなり、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、第２光源８１からの青色光ＬＢを所定の拡散度で拡散させて、第１光源装置２０から射出される照明光ＷＬに近い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を用いることができる。

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光源装置２１の照明光軸ａｘ２方向に沿って延びる角柱状であり、一端に設けられた入射端面８４ａと、他端に設けられた射出端面８４ｂと、を有する。拡散板８３は、ロッドレンズ８４の入射端面８４ａに図示しない光学接着剤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内を全反射で伝播することで照度分布の均一性が向上した状態で射出端面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向上した青色光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、及び光変調装置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、図示しない偏光板がそれぞれ配置され、特定の方向の直線偏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、及び光変調装置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、及びフィールドレンズ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の主光線を平行化する。

合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、及び光変調装置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射光学装置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る。

投射光学装置６は、複数のレンズから構成されている。投射光学装置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上に画像が表示される。

（第１光源装置）
図２は、第１光源装置２０の概略構成図である。
図２を含む以下の図面内において、必要に応じてＸＹＺ座標系を用いて第１光源装置２０の各構成について説明する。Ｘ軸は光源２２の光軸ａｘと平行な軸であり、Ｙ軸は光軸ａｘと直交する照明光軸ａｘ１と平行な軸であり、Ｚ軸はＸ軸およびＹ軸にそれぞれ直交する軸である。つまり、光軸ａｘと照明光軸ａｘ１とは、同一面内にあり、光軸ａｘは照明光軸ａｘ１と直交する。

図２に示すように、第１光源装置２０は、光源２２と、ホモジナイザー光学系２３と、集光光学系２４と、波長変換素子２５と、ピックアップ光学系２６と、インテグレーター光学系３５と、偏光変換素子３６と、重畳レンズ３７と、を備えている。

光源２２は、発光部２０１とコリメートレンズ２０２とを含む。発光部２０１は半導体レーザーから構成される。発光部２０１は、例えば４４５ｎｍのピーク波長を有する光ビームからなる光線Ｅを射出する。なお、発光部２０１としては、４４５ｎｍ以外の波長の光線Ｅを射出する半導体レーザーを用いることもできる。例えば、発光部２０１は、４６０ｎｍのピーク波長を有する光ビームからなる光線Ｅを射出してもよい。光線Ｅは直線偏光である。

コリメートレンズ２０２は発光部２０１に対応して配置されている。コリメートレンズ２０２は発光部２０１から射出された光線Ｅを平行光に変換する。なお、発光部２０１およびコリメートレンズ２０２の個数は、特に限定されない。
このようにして光源２２は青色波長帯（第１波長帯）を有する平行光束として励起光（第１波長帯の光）ＥＬを射出する。本実施形態において、光源２２は、励起光ＥＬとして直線偏光を射出する。

本実施形態の第１光源装置２０において、光源２２の光軸ａｘ上に、光源２２と、ホモジナイザー光学系２３と、集光光学系２４と、波長変換素子２５とが配置されている。

光源２２から射出された励起光ＥＬはホモジナイザー光学系２３に入射する。ホモジナイザー光学系２３は、例えばレンズアレイ２３ａとレンズアレイ２３ｂとから構成されている。レンズアレイ２３ａは複数の小レンズ２３ａｍを含み、レンズアレイ２３ｂは複数の小レンズ２３ｂｍを含む。

レンズアレイ２３ａは励起光ＥＬを複数の小光線束に分離する。レンズアレイ２３ａの小レンズ２３ａｍは、小光線束を対応するレンズアレイ２３ｂの小レンズ２３ｂｍに結像させる。レンズアレイ２３ｂは、後述する集光光学系２４とともに、レンズアレイ２３ａの各小レンズ２３ａｍの像を波長変換素子２５の蛍光体層２５１上に重畳させる。集光光学系２４はホモジナイザー光学系２３と協働して、波長変換素子２５の蛍光体層２５１上に入射する励起光ＥＬの照度分布を均一化する。なお、集光光学系２４は単数あるいは複数のレンズで構成される。

波長変換素子２５は、光源２２から＋Ｘ側に向けて入射する励起光ＥＬで励起されることで蛍光ＹＬを生成する蛍光体層２５１と、蛍光体層２５１を支持する基板２５２とを有する。波長変換素子２５は、生成した蛍光ＹＬを＋Ｙ側に向けて開口部２６０から射出させる。

続いて、波長変換素子２５の構成について詳しく説明する。図３は波長変換素子２５の要部構成を示す斜視図である。図４は波長変換素子２５を＋Ｙ側から視た正面図である。図５は波長変換素子２５のＸＹ平面に沿う面による断面図である。

図３から図５に示されるように、本実施形態の波長変換素子２５は、蛍光体層（波長変換層）２５１と、基板２５２と、ミラー層２５３と、第１光学部材２５４と、第２光学部材２５５と、第３光学部材２５６と、第４光学層２５７と、を備える。波長変換素子２５は、蛍光体層２５１で生成した蛍光ＹＬを射出する開口部２６０を備えている。開口部２６０は、波長変換素子２５の＋Ｙ側に設けられている。
本実施形態の開口部２６０は、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６の＋Ｙ側における各端面で形成された開口である。

本実施形態の波長変換素子２５において、第４光学層２５７は開口部２６０を覆うように設けられている。第４光学層２５７は、黄色波長帯の蛍光ＹＬを透過するとともに励起光ＥＬを含む青色波長帯の光を反射する特性を有するダイクロイック層で構成されている。そのため、開口部２６０を覆う第４光学層２５７は、開口部２６０からの蛍光ＹＬの射出を遮らない。

蛍光体層２５１は、励起光ＥＬによって励起され、黄色波長帯の蛍光（第２波長帯の光）ＹＬを発光する蛍光体粒子を含む。蛍光体層２５１は、励起光ＥＬを波長変換することによって、蛍光ＹＬを生成する。
蛍光体層２５１は、表面（光入射面）２５１１と、側面２５１２と、裏面２５１３と、を含む板状の蛍光体である。表面２５１１は、励起光ＥＬが入射される面である。側面２５１２は、表面２５１１に交差する面である。側面２５１２は、表面２５１１に直交していてもよい。裏面２５１３は、表面２５１１の反対の面である。

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２５１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用いてもよい。本実施形態の蛍光体層２５１は複数の気孔（散乱体）Ｋを含んでいる。

蛍光体層２５１は基板２５２に支持される。基板２５２は、蛍光体層２５１を支持する支持面２５２１を含む。支持面２５２１は、ＹＺ面と平行な面である。基板２５２は、蛍光体層２５１と熱的に接続されている。基板２５２は、例えば、アルミや銅といった放熱性に優れた金属板である。基板２５２は蛍光体層２５１と熱的に接続されるため、蛍光体層２５１の熱を放出させることで蛍光体層２５１を冷却する。

波長変換素子２５において、蛍光体層２５１は収容空間Ｓに収容されている。収容空間Ｓは、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６で囲まれた空間である。収容空間Ｓは、開口部２６０の内側に設けられている。収容空間Ｓには空気層ＡＲが設けられている。

ミラー層２５３は、基板２５２と蛍光体層２５１との間に設けられる。ミラー層２５３の面積は、蛍光体層２５１の裏面２５１３の面積よりも大きい。本実施形態の場合、ミラー層２５３は、収容空間Ｓ内に位置する支持面２５２１上に設けられている。すなわち、ミラー層２５３は、基板２５２の支持面２５２１における蛍光体層２５１の周囲に設けられている。蛍光体層２５１はミラー層２５３を介して基板２５２の支持面２５２１に接合されている。ミラー層２５３は、例えば、金属層や誘電体層で構成される。なお、ミラー層２５３は、支持面２５２１の全域、すなわち、収容空間Ｓよりも外側まで設けられていてもよい。また、ミラー層２５３の一部が蛍光体層２５１の裏面２５１３に直接形成されていてもよい。

第１光学部材２５４は、基板２５２の支持面２５２１に対向するように配置されている。すなわち、第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１の表面２５１１に対向するように配置されている。第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１と接触しないように配置される。

第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１の表面２５１１に対して傾けられた状態で配置される。第１光学部材２５４における蛍光体層２５１の表面２５１１に対してなす角度は鋭角に設定される。

第１光学部材２５４は、透光性基板２５４１と、第１光学層２５４２と、第５光学層２５４３と、を含む。透光性基板２５４１は、例えば、ガラスで構成されている。

第５光学層２５４３は、透光性基板２５４１の外面、すなわち、光源２２側に設けられている。第５光学層２５４３は、青色波長帯の光のうち、Ｐ偏光（第１方向に偏光する第１波長帯の光）を透過し、Ｓ偏光（第１方向と異なる第２方向偏光する第１波長帯の光）を反射させることで、Ｐ偏光とＳ偏光とに分離する偏光分離特性を有する偏光分離層である。

本実施形態の場合、光源２２は、励起光ＥＬとして、第５光学層２５４３に対するＰ偏光を射出するように構成されている。そのため、光源２２から射出された励起光ＥＬは、第５光学層２５４３を透過する。

第５光学層２５４３を透過した励起光ＥＬは、透光性基板２５４１の内面、すなわち、蛍光体層２５１側に設けられた第１光学層２５４２に入射する。第１光学層２５４２は、光源２２から入射する励起光ＥＬを透過するとともに蛍光ＹＬを反射する特性を有するダイクロイック層で構成されている。第１光学層２５４２は、基板２５２の支持面２５２１に対向している。励起光ＥＬは、第１光学部材２５４を透過して蛍光体層２５１に入射する。

第２光学部材２５５は、基材２５５１と、第２光学層２５５２と、を含む。基材２５５１の形成材料としては、例えばガラスが用いられる。第２光学層２５５２は、基材２５５１の内面に形成される。第２光学層２５５２は、例えば、金属層や誘電体層で構成される。

第２光学部材２５５は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに交差するように配置されている。第２光学部材２５５は、第２光学層２５５２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差するように配置されている。第２光学部材２５５は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに直交していてもよい。第２光学層２５５２は、支持面２５２１と第１光学層２５４２とに直交していてもよい。第２光学部材２５５は、その厚さ方向をＺ軸方向に一致させるように配置されている。第２光学部材２５５は、蛍光体層２５１の＋Ｚ側の近傍に配置されている。そのため、蛍光体層２５１から＋Ｚ側に向かって射出された蛍光ＹＬの一部は第２光学部材２５５により反射される。
なお、例えば、上述の第１成分ＥＬ１ａが第２光学部材２５５に入射した場合でも、第２光学部材２５５は第１成分ＥＬ１ａを反射して蛍光体層２５１に入射させる。

第２光学部材２５５は台形板状である。
図３に示したように、第２光学部材２５５は、台形状の上底部をなす第１端面５５ａと、台形状の下底部をなす第２端面５５ｂと、第１端面５５ａおよび第２端面５５ｂを＋Ｘ側で接続する第３端面５５ｃと、第１端面５５ａおよび第２端面５５ｂを－Ｘ側で接続する第４端面５５ｄと、を含む。なお、第１端面５５ａ、第２端面５５ｂ、第３端面５５ｃおよび第４端面５５ｄはいずれも平坦面である。第３端面５５ｃは、基板２５２に対向する面である。第４端面５５ｄは、基材２５５１において第３端面５５ｃと反対側の面である。第１光学部材２５４は、第４端面５５ｄに当接している。第１光学部材２５４は、第４端面５５ｄに載置されている。第１光学層２５４２は、第４端面５５ｄに当接している。透光性基板２５４１は、第１光学層２５４２を介して第４端面５５ｄに載置されている。

ここで、基材２５５１の材料としてガラスを用いる場合、先鋭部分を除去することで欠けを防止する面取り加工が必要となる。本実施形態では、第２光学部材２５５を台形板状とすることで面取り加工を不要とすることで、基材２５５１の加工性を向上させている。

本実施形態の場合、第２光学部材２５５の一部が基板２５２に埋め込まれている。よって、第２光学部材２５５は基板２５２に強固に支持される。
第２光学部材２５５における＋Ｘ側の端部の一部は基板２５２の支持面２５２１に形成された溝２５２４に嵌め込まれている。なお、第２光学部材２５５と溝２５２４との隙間に接着剤を充填してもよい。

具体的に第２光学部材２５５は、第１端面５５ａおよび第３端面５５ｃの全体と第２端面５５ｂの一部とが溝２５２４に嵌め込まれている。第４端面５５ｄのうち最も－Ｙ側に位置し、Ｚ方向に沿う端辺５５ｄ１は、基板２５２の支持面２５２１と面一とされている。これにより、第４端面５５ｄと基板２５２の支持面２５２１とが滑らかに接続されている。また、＋Ｙ側において、第２端面５５ｂは基板２５２の端面５２と面一となっている。

第３光学部材２５６は、第２光学部材２５５と同様の構成を有する。
すなわち、第３光学部材２５６は、基材２５６１と、第３光学層２５６２と、を含む。第３光学層２５６２は、基材２５６１の内面に形成される。第３光学層２５６２は、例えば、金属層や誘電体層で構成される。

第３光学部材２５６は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに交差し、第２光学部材２５５と対向するように配置されている。第３光学部材２５６は、第３光学層２５６２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差し、第２光学層２５５２に対向するように配置されている。第３光学部材２５６は、基板２５２の支持面２５２１と第１光学部材２５４とに直交していてもよい。第３光学層２５６２は、支持面２５２１と第１光学層２５４２とに直交していてもよい。第３光学部材２５６は、その厚さ方向をＺ軸方向に一致させるように配置されている。第３光学部材２５６は、蛍光体層２５１の－Ｚ側の近傍に配置されている。そのため、蛍光体層２５１から－Ｚ側に向かって射出され、第３光学部材２５６に入射した蛍光ＹＬは第３光学部材２５６により反射される。なお、例えば、何等かの理由によって励起光ＥＬが第３光学部材２５６に入射した場合でも、第３光学部材２５６は励起光ＥＬを反射して蛍光体層２５１に入射させる。

第３光学部材２５６は第２光学部材２５５と同様の台形板状である。
第３光学部材２５６は、台形形状の上底部をなす第１端面５６ａと、台形形状の下底部をなす第２端面５６ｂと、第１端面５６ａおよび第２端面５６ｂを＋Ｘ側で接続する第３端面５６ｃと、第１端面５６ａおよび第２端面５６ｂを－Ｘ側で接続する第４端面５６ｄと、を含む。なお、第１端面５６ａ、第２端面５６ｂ、第３端面５６ｃおよび第４端面５６ｄはいずれも平坦面である。第３端面５６ｃは、基板２５２に対向する面である。第４端面５６ｄは、基材２５６１において第３端面５６ｃと反対側の面である。第１光学部材２５４は、第４端面５６ｄに当接している。第１光学部材２５４は、第４端面５６ｄに載置されている。第１光学層２５４２は、第４端面５６ｄに当接している。透光性基板２５４１は、第１光学層２５４２を介して第４端面５６ｄに載置されている。

本実施形態の場合、第３光学部材２５６の一部が基板２５２に埋め込まれることで、第３光学部材２５６は基板２５２に強固に支持される。
第３光学部材２５６における＋Ｘ側の端部の一部は基板２５２の支持面２５２１に形成された溝２５２４に嵌め込まれている。第３光学部材２５６と溝２５２４との隙間に接着剤を充填してもよい。

具体的に第３光学部材２５６は、第１端面５６ａおよび第３端面５６ｃの全体と第２端面５６ｂの一部とが溝２５２４に嵌め込まれている。第４端面５６ｄのうち最も－Ｙ側に位置し、Ｚ方向に沿う端辺５６ｄ１は、基板２５２の支持面２５２１と面一とされている。これにより、第４端面５６ｄと基板２５２の支持面２５２１とが滑らかに接続されている。また、＋Ｙ側において、第２端面５６ｂは基板２５２の端面５２と面一となっている。

本実施形態において、第１光学部材２５４は、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に支持される。第１光学部材２５４は、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に接着固定されている。
具体的に、第１光学部材２５４は、第２光学部材２５５の第４端面５５ｄと第３光学部材２５６の第４端面５６ｄとの間に掛け渡されるように設けられている。－Ｙ側において、第１光学部材２５４の内側の端辺５４ａは基板２５２の支持面２５２１に接触している。

このような構成に基づいて、本実施形態の波長変換素子２５では、開口部２６０と反対である－Ｙ側を、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６によって閉塞している。よって、波長変換素子２５は、蛍光ＹＬにおける開口部２６０と反対側からの光漏れを防止し、開口部２６０からのみ光を効率良く射出可能となっている。

図４および図５に示すように、励起光ＥＬは集光光学系２４によって表面２５１１上で集光されるように蛍光体層２５１に入射する。つまり、励起光ＥＬは、蛍光体層２５１の表面２５１１の法線に対する入射角度が角度分布を持った状態で、蛍光体層２５１に対して入射する。本実施形態の場合、第１光学部材２５４は、蛍光体層２５１の表面２５１１に対して傾いて配置される。そのため、励起光ＥＬは第１光学層２５４２に対して後述する所定の角度範囲で入射する。なお、所定の角度範囲は、第１光学層２５４２の法線に対する励起光ＥＬの入射角度範囲で規定される。

本実施形態の第１光学層２５４２は、励起光ＥＬを含む青色波長帯の光に対して入射角度依存性を有する。具体的に、第１光学層２５４２は、青色波長帯の光のうちの、所定の角度範囲内で入射する成分を透過し、所定の角度範囲よりも大きい角度で入射する成分を反射する特性を持つ。所定の角度範囲は、第１光学部材２５４の第１光学層２５４２に沿う平面と表面２５１１に沿う平面とのなす第１角度と励起光ＥＬの角度分布とを考慮して設定される。
例えば、第１角度をθとし、励起光ＥＬの角度分布を±αとした際、第１光学層２５４２の法線に対する励起光ＥＬの入射角度範囲は－（α＋θ）°から＋（α＋θ）°となる。一般的に膜設計する際、入射角度範囲の最大値が考慮される。つまり、第１光学層２５４２は、入射角度±（α＋θ）°の励起光ＥＬを透過し、それ以外の入射角度を反射する特性を有するように設計される。例えば、第１角度θ＝１５°、角度分布α＝１５°とした場合、第１光学層２５４２は、入射角度±３０°の励起光ＥＬを透過、それ以上の入射角の励起光ＥＬを反射する。この場合、第１光学層２５４２における上記所定の角度範囲は±３０°となる。

上述のように励起光ＥＬは所定の角度範囲内で第１光学層２５４２に入射するため、励起光ＥＬは第１光学層２５４２を透過することができる。これにより、蛍光体層２５１の表面２５１１には、励起光入射領域（光入射領域）Ｌｓが形成される。励起光入射領域Ｌｓとは励起光ＥＬが表面２５１１上に形成する照射スポットに相当する。

蛍光体層２５１は、励起光入射領域Ｌｓに入射された励起光ＥＬで励起され、蛍光ＹＬをランバート発光で放射する。なお、蛍光ＹＬが発光される領域の面積は、励起光入射領域ＬＳの面積よりも大きい。

例えば、表面２５１１からランバート発光された蛍光ＹＬの一部は、表面２５１１に対向配置された第１光学部材２５４に入射する。第１光学部材２５４に入射した蛍光ＹＬは、第１光学層２５４２によって反射される。第１光学層２５４２で反射された蛍光ＹＬの一部は、開口部２６０に向かい、開口部２６０を覆う第４光学層２５７を透過して射出される。

また、第１光学層２５４２で反射された蛍光ＹＬの一部は基板２５２の支持面２５２１に入射し、支持面２５２１に形成されたミラー層２５３で反射される。ミラー層２５３で反射された蛍光ＹＬは開口部２６０を経由して第４光学層２５７から射出される、あるいは、再び第１光学部材２５４に入射する。

なお、第１光学層２５４２で反射された蛍光ＹＬの一部は蛍光体層２５１内に戻される。本実施形態の蛍光体層２５１は複数の気孔Ｋを含む。そのため、蛍光体層２５１内に戻された蛍光ＹＬは気孔Ｋで散乱されることで、再び蛍光体層２５１からランバート発光される。

また、蛍光体層２５１の側面２５１２からランバート発光された蛍光ＹＬの一部は、ミラー層２５３を経由して第２光学部材２５５または第３光学部材２５６に入射、あるいは、第２光学部材２５５または第３光学部材２５６に直接入射する。蛍光ＹＬは、第２光学部材２５５または第３光学部材２５６で反射されることで、再び第１光学部材２５４に入射して反射される。

なお、蛍光体層２５１で生成された蛍光ＹＬの一部は開口部２６０と反対方向（－Ｙ側）に伝播するが、反射を繰り返すことでやがて開口部２６０を経由して第４光学層２５７から射出される。このようにして本実施形態の波長変換素子２５では、蛍光体層２５１で生成した蛍光ＹＬを、開口部２６０を経由して第４光学層２５７から＋Ｙ側に射出することができる。

ここで、励起光ＥＬの一部は蛍光体層２５１で後方散乱される。蛍光体層２５１で後方散乱された励起光ＥＬはＳ偏光およびＰ偏光が混在した非偏光となる。以下、蛍光体層２５１で後方散乱された励起光ＥＬを後方散乱光ＥＬ１と称す。後方散乱光ＥＬ１は、蛍光体層２５１に対向する第１光学層２５４２に入射する。

後方散乱光ＥＬ１は様々な方向に射出されるため、第１光学層２５４２に対して様々な角度で入射する。上述のように第１光学層２５４２は励起光ＥＬに対して入射角度依存性を有するため、後方散乱光ＥＬ１についても同様の入射角度依存性を有する。

よって、第１光学層２５４２は、後方散乱光ＥＬ１のうちの、所定の角度範囲よりも大きい角度で入射する第１成分ＥＬ１ａは反射するが、所定の角度範囲内で入射する第２成分ＥＬ１ｂについては透過する。第１光学層２５４２で反射された第１成分ＥＬ１ａは蛍光体層２５１に入射し、蛍光ＹＬの励起に再利用される。また、第１成分ＥＬ１ａの一部は開口部２６０に設けられた第４光学層２５７に入射する。第４光学層２５７は上述のように励起光ＥＬを含む青色波長帯の光を反射する特性を有するため、第１成分ＥＬ１ａは第４光学層２５７で反射され、蛍光体層２５１に入射し、蛍光ＹＬの励起に再利用される。

第１成分ＥＬ１ａの一部は、ミラー層２５３を経由して第２光学部材２５５または第３光学部材２５６に入射、あるいは、第２光学部材２５５または第３光学部材２５６に直接入射する。第１成分ＥＬ１ａは、第２光学部材２５５または第３光学部材２５６で反射されることで、再び蛍光体層２５１に入射し、蛍光ＹＬの励起に再利用される。

また、第１光学層２５４２を透過した第２成分ＥＬ１ｂは透光性基板２５４１を透過して第１光学層２５４２に入射する。第２成分ＥＬ１ｂは非偏光の光である。そのため、第２成分ＥＬ１ｂは第１光学層２５４２においてＰ偏光成分ＥＬｐとＳ偏光成分ＥＬｓとに分離される。具体的に、第１光学層２５４２に入射した第２成分ＥＬ１ｂのうち、Ｓ偏光成分ＥＬｓは第１光学層２５４２で反射され、Ｐ偏光成分ＥＬｐは第１光学層２５４２を透過して第１光学部材２５４から射出される。

第１光学層２５４２で反射されたＳ偏光成分ＥＬｓは、再び第４光学層２５７に対して所定の角度範囲内で入射する。そのため、Ｓ偏光成分ＥＬｓは、第４光学層２５７を反射して蛍光体層２５１に入射し、蛍光ＹＬの励起に再利用される。また、Ｓ偏光成分ＥＬｓの一部は、ミラー層２５３、第２光学部材２５５、第３光学部材２５６または第４光学層２５７のいずれかを経由して蛍光体層２５１に入射し、蛍光ＹＬの励起に再利用される。

本実施形態の波長変換素子２５において、蛍光体層２５１では、蛍光ＹＬを射出する開口部２６０側に比べて、開口部２６０と反対側である－Ｙ側ほど熱がこもりやすく温度が高くなり易い。これに対して、本実施形態の波長変換素子２５では、図３および図５に示すように、蛍光体層２５１を支持する基板２５２を開口部２６０と反対側に長くした形状を採用している。そのため、本実施形態の波長変換素子２５によれば、蛍光体層２５１において熱がこもりやすい開口部２６０と反対側を効率良く冷却することができる。よって、蛍光体層２５１を効率良く冷却することができる。

本実施形態の波長変換素子２５では、蛍光体層２５１の表面２５１１の面積Ａ１を励起光入射領域Ｌｓの面積Ａ２よりも大きくしている。また、本実施形態の波長変換素子２５では、第１光学部材２５４の第１光学層２５４２に沿う平面と表面２５１１に沿う平面とのなす角度を例えば、１０°以上４０°以下に設定することで、開口部２６０の面積Ａ３を励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも小さくしている。

すなわち、本実施形態の波長変換素子２５において、蛍光体層２５１の表面２５１１の面積Ａ１は励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも大きく、励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２は開口部２６０の面積Ａ３より大きくなっている。

本実施形態の波長変換素子２５において、開口部２６０は蛍光ＹＬの見かけ上の発光面とみなせることから、開口部２６０の面積Ａ３は蛍光ＹＬの見かけ上の発光面積とみなせる。

波長変換素子２５から射出された蛍光ＹＬは、ピックアップ光学系２６に入射する。ピックアップ光学系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。ピックアップ光学系２６は蛍光体層２５１から射出される蛍光ＹＬをピックアップして平行化する機能を有する。以下、ピックアップ光学系２６により平行化された蛍光ＹＬを照明光ＷＬと称す。

照明光ＷＬは、インテグレーター光学系３５に入射する。インテグレーター光学系３５は、例えば第１のレンズアレイ３５ａと第２のレンズアレイ３５ｂとから構成されている。
第１のレンズアレイ３５ａは複数の第１小レンズ３５ａｍを含み、第２のレンズアレイ３５ｂは複数の第２小レンズ３５ｂｍを含む。

第１のレンズアレイ３５ａは照明光ＷＬを複数の小光線束に分離する。第１小レンズ３５ａｍは、小光線束を対応する第２小レンズ３５ｂｍに結像させる。インテグレーター光学系３５は、後述する重畳レンズ３７と協働することで被照明領域である図１に示した光変調装置４Ｒ，４Ｇの画像形成領域の照度分布を均一化させる。

インテグレーター光学系３５を通過した照明光ＷＬは、偏光変換素子３６に入射する。偏光変換素子３６は、例えば、偏光分離膜と位相差板（１／２波長板）とから構成される。偏光変換素子３６は、蛍光ＹＬにおける偏光方向を一方の偏光成分に変換する。

偏光変換素子３６を通過した照明光ＷＬは、重畳レンズ３７に入射する。重畳レンズ３７から射出された照明光ＷＬは色分離光学系３へ入射する。重畳レンズ３７は、照明光ＷＬを構成している上記複数の小光線束を光変調装置４Ｒ，４Ｇの被照明領域、すなわち画像形成領域で互いに重畳させることで均一に照明する。

（実施形態の効果）
以上説明した本実施形態に係る第１光源装置２０によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態の第１光源装置２０は、励起光ＥＬを射出する光源１１と、表面２５１１を有し、表面２５１１に入射した励起光ＥＬを波長変換して蛍光ＹＬを生成する蛍光体層２５１と、蛍光体層２５１を支持する支持面２５２１を有する基板２５２と、光源２２から入射する第１波長帯の光を透し、蛍光ＹＬを反射する第１光学層２５４２と、を有し、第１光学層２５４２が支持面２５２１に対向するように配置される第１光学部材２５４と、励起光ＥＬおよび蛍光ＹＬを反射する第２光学層２５５２を有し、第２光学層２５５２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差するように配置される第２光学部材２５５と、励起光ＥＬおよび蛍光ＹＬを反射する第３光学層２５６２を有し、第３光学層２５６２が支持面２５２１と第１光学層２５４２とに交差し、第２光学層２５５２に対向するように配置される第３光学部材２５６と、基板２５２、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５および第３光学部材２５６により形成される開口部２６０を覆うように設けられ、後方散乱光ＥＬ１を反射するとともに蛍光ＹＬを透過する第４光学層２５７と、を備える。第１光学部材２５４は、光源１１側に設けられて励起光ＥＬを透過する第５光学層２５４３を有し、第１光学層２５４２は、蛍光体層２５１側に設けられ、蛍光体層２５１から射出された励起光ＥＬの後方散乱光ＥＬ１を反射する。蛍光体層２５１の表面２５１１の面積Ａ１は、表面２５１１において励起光ＥＬが入射される励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２よりも大きく、励起光入射領域ＬＳの面積Ａ２は、開口部２６０の面積Ａ３より大きい。

本実施形態の第１光源装置２０によれば、蛍光体層２５１による後方散乱光ＥＬ１の一部を反射して蛍光体層２５１に戻すことができる。これにより、後方散乱光ＥＬ１の一部を蛍光体層２５１の励起に再利用することができる。よって、励起光ＥＬの利用効率が向上し、蛍光体層２５１における蛍光変換効率を向上することができる。
また、励起光ＥＬを入射させる励起光入射領域ＬＳよりも面積の小さい開口部２６０から蛍光ＹＬを射出するため、励起光入射領域ＬＳから蛍光ＹＬをそのまま取り出す構成に比べて、蛍光ＹＬの見かけ上の発光面積が小さくなる。これにより、蛍光ＹＬにおけるエテンデューを小さくできる。
本実施形態の第１光源装置２０では、蛍光体層２５１上における励起光ＥＬの入射面積を小さくすることなくエテンデューを小さくできるため、蛍光体層２５１の表面２５１１において励起光ＥＬの光密度が高くならない。よって、光密度が高くなることによる蛍光変換効率の低下を抑制できる。
したがって、本実施形態の第１光源装置２０によれば、励起光ＥＬの光密度の増加を抑制しつつ、蛍光ＹＬのエテンデューを小さくするとともに、明るい蛍光ＹＬを生成できる。

本実施形態の第１光源装置２０において、励起光ＥＬは、蛍光体層２５１の表面２５１１の法線に対する入射角度が角度分布を持った状態で入射し、第１光学層２５４２は、励起光ＥＬを含む青色波長帯の光のうちの、所定の角度範囲内で第１光学部材２５４に入射する第２成分ＥＬ１ｂを透過し、所定の角度範囲よりも大きい角度で第１光学部材２５４に入射する第１成分ＥＬ１ａを反射する。

この構成によれば、励起光ＥＬが第１光学層２５４２を透過して蛍光体層２５１に効率良く入射することができる。また、後方散乱光ＥＬ１のうちの第１成分ＥＬ１ａを第１光学層２５４２で反射して蛍光体層２５１に入射させることで蛍光ＹＬの励起に再利用することができる。よって、励起光ＥＬの光利用効率を向上させることができる。

本実施形態の第１光源装置２０において、第５光学層２５４３は、Ｓ偏光の青色光を反射する。

この構成によれば、第５光学層２５４３は、後方散乱光ＥＬ１のうち、第１光学層２５４２を透過した第２成分ＥＬ１ｂのうちのＳ偏光成分ＥＬｓを反射して蛍光体層２５１側に戻すことができる。よって、励起光ＥＬの光利用効率をより向上させることができる。

本実施形態の第１光源装置２０において、第１光学部材２５４、第２光学部材２５５、第３光学部材２５６および第４光学層２５７で反射された励起光ＥＬは、蛍光体層２５１に入射して蛍光ＹＬに変換される。

この構成によれば、励起光ＥＬを蛍光体層２５１に効率良く入射させることができる。よって、励起光ＥＬの光利用効率を向上させることができる。

以上説明した本実施形態に係るプロジェクター１によれば、以下の効果を奏する。
本実施形態のプロジェクター１は、第１光源装置２０と、第２光源装置２１と、第１光源装置２０または第２光源装置２１からの青色光ＬＢ、緑色光ＬＧ、赤色光ＬＲ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４Ｂ，４Ｇ，４Ｒと、前述の画像光を投射する投射光学装置６と、を備える。
このことによって、本実施形態のプロジェクター１によれば、高輝度な照明光ＷＬを生成する第１光源装置２０を備えるので、高輝度な画像を形成して投射することができる。

なお、本発明の一実施形態を例示して説明したが、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、上記実施形態では、蛍光体層２５１の裏面２５１３のＺ方向の幅が収容空間Ｓ内に位置する支持面２５２１のＺ方向の幅よりも狭い場合を例に挙げたが、蛍光体層２５１の裏面２５１３のＺ方向の幅と収容空間Ｓ内に位置する支持面２５２１のＺ方向の幅とが同じでもよい。この場合、蛍光体層２５１の側面２５１２は第２光学部材２５５および第３光学部材２５６に当接した状態となるので、側面２５１２から射出された蛍光ＹＬは第２光学部材２５５および第３光学部材２５６で反射されて蛍光体層２５１内に戻される。

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。さらに、光変調装置としては、上述した液晶パネルに限らず、例えばデジタルミラーデバイスなどを用いることもできる。

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。

本発明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方向に偏光する第１波長帯の光を射出する光源と、光入射面を有し、光入射面に入射した第１波長帯の光を波長変換して第１波長帯とは異なる第２波長帯の光を生成する波長変換層と、波長変換層を支持する支持面を有する基板と、光源から入射する第１波長帯の光を透過し、第２波長帯の光を反射する第１光学層と、を有し、第１光学層が支持面に対向するように配置される第１光学部材と、第１波長帯の光および第２波長帯の光を反射する第２光学層を有し、第２光学層が支持面と第１光学層とに交差するように配置される第２光学部材と、第１波長帯の光および第２波長帯の光を反射する第３光学層を有し、第３光学層が、支持面と第１光学層とに交差し、第２光学層に対向するように配置される第３光学部材と、基板、第１光学部材、第２光学部材および第３光学部材により形成される開口部を覆うように設けられ、第１波長帯の光を反射するとともに第２波長帯の光を透過する第４光学層と、を備え、第１光学部材は、光源側に設けられ、第１方向に偏光する第１波長帯の光を透過する第５光学層を有し、第１光学層は、波長変換層側に設けられ、波長変換層から射出された第１波長帯の光の一部を反射し、波長変換層の光入射面の面積は、光入射面において第１波長帯の光が入射される光入射領域の面積よりも大きく、光入射領域の面積は、開口部の面積より大きい。

本発明の一つの態様の光源装置において、第１波長帯の光は、波長変換層の光入射面の法線に対する入射角度が角度分布を持った状態で、波長変換層に対して入射し、第１光学層は、所定の角度範囲内で第１光学部材に入射する第１波長帯の光を透過し、所定の角度範囲よりも大きい角度で第１光学部材に入射する第１波長帯の光を反射する構成としてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、第５光学層は、第１方向と異なる第２方向に偏光する第１波長帯の光を反射する構成としてもよい。

本発明の一つの態様の光源装置において、第１光学部材、第２光学部材、第３光学部材および第４光学層で反射された第１波長帯の光は、波長変換層に入射して第２波長帯の光に変換される構成としてもよい。

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、本発明の上記態様の光源装置と、光源装置からの光を画像情報に応じて変調する光変調装置と、光変調装置により変調された光を投射する投射光学装置と、を備える。

１…プロジェクター、４Ｂ，４Ｇ，４Ｒ…光変調装置、６…投射光学装置、１１…光源、２０…第１光源装置（光源装置）、２５１…蛍光体層（波長変換層）、２５２…基板、２５４…第１光学部材、２５５…第２光学部材、２５６…第３光学部材、２５７…第４光学層、２６０…開口部、２５１１…表面（光入射面）、２５２１…支持面、２５４２…第１光学層、２５４３…第５光学層、２５５２…第２光学層、２５６２…第３光学層、Ａ１…面積（蛍光体層の表面の面積）、Ａ２…面積（励起光入射領域の面積）、Ａ３…面積（開口部の面積）、ＥＬ…励起光（第１波長帯の光）、ＬＳ…励起光入射領域（光入射領域）、ＹＬ…蛍光（第２波長帯の光）。

Claims (5)

1. 第１波長帯の第１光を射出する光源と、
   光入射面を有し、前記光入射面に入射した前記第１光を前記第１波長帯とは異なる第２波長帯の第２光に変換する波長変換層と、
   前記波長変換層を支持する支持面を有する基板と、
   前記光源から射出された前記第１光を透過し、前記第２光を反射する第１光学層を有し、前記第１光学層が前記支持面に対向するように配置される第１光学部材と、
   前記第１光および前記第２光を反射する第２光学層を有し、前記第２光学層が前記支持面と前記第１光学層とに交差するように配置される第２光学部材と、
   前記第１光および前記第２光を反射する第３光学層を有し、前記第３光学層が、前記支持面と前記第１光学層とに交差し、前記第２光学層に対向するように配置される第３光学部材と、
   前記基板、前記第１光学部材、前記第２光学部材および前記第３光学部材により形成される開口部を覆うように設けられ、前記第１光を反射するとともに前記第２光を透過する第４光学層と、を備え、
   前記光源から射出された前記第１光は、第１方向に偏光し、
   前記第１光学部材は、前記光源側に設けられ、前記第１方向に偏光する第１光を透過する第５光学層を有し、
   前記第１光学層は、前記第１光学部材において前記波長変換層側に設けられ、前記波長変換層から射出された前記第１光の一部を反射し、
   前記第５光学層は、前記第１方向と異なる第２方向に偏光する前記第１光を反射し、
   前記波長変換層の前記光入射面の第１面積は、前記光入射面において前記第１光が入射される光入射領域の第２面積よりも大きく、
   前記光入射領域の前記第２面積は、前記開口部の第３面積より大きい
   光源装置。
2. 前記第１光は、前記波長変換層の光入射面の法線に対する入射角度が角度分布を持った状態で、前記波長変換層に入射し、
   前記第１光学層は、所定の角度範囲内で前記第１光学部材に入射する前記第１光を透過し、前記所定の角度範囲よりも大きい角度で前記第１光学部材に入射する前記第１光を反射する
   請求項１に記載の光源装置。
3. 前記第５光学層は、前記所定の角度範囲よりも大きい角度で前記第１光学部材に入射し前記第１光学層を透過した前記第１光のうち、前記第２方向に偏光する前記第１光を反射する
   請求項２に記載の光源装置。
4. 前記第１光学部材、前記第２光学部材、前記第３光学部材および前記第４光学層で反射された前記第１光は、前記波長変換層に入射して前記第２光に変換される
   請求項１から請求項３のうちのいずれか一項に記載の光源装置。
5. 請求項１から請求項４のうちのいずれか一項に記載の光源装置と、
   前記光源装置からの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射する投射光学装置と、を備える
   プロジェクター。

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