CN102478754B - 光源装置和投影机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光源装置及投影机。对在发光元件中因光饱和引起的发光效率下降进行抑制、可以稳定地射出强光。具备射出激励光的光源部、将激励光分割为多个子光线束的透镜阵列、使分割为多个子光线束的激励光进行聚光的聚光光学系统和通过所聚光的激励光激励而发出荧光的发光元件。

Description

光源装置和投影机

技术领域

本发明涉及光源装置及投影机。

背景技术

现有技术中，在投影机中，作为光源一般采用超高压水银灯等放电灯。可是，这种放电灯存在寿命比较短、难以瞬间点亮、从灯所放射的紫外线会使液晶光阀劣化等问题。因此，提出采用代替放电灯的方式的光源的投影机。

例如，在以专利文献1所提出的投影机中，采用使激励光从外部入射于荧光体、使所得到的发射光(荧光)射出的光源。详细而言，在专利文献1中，作为光源提出如下光源：荧光体的可见光放射方向端面面积总和设定为，比激励光的发光端面面积总和小，能够从比直接采用激励光的光源更小的面积放出强光。通过该结构，可以实现光利用效率高、低成本、低功耗且明亮的投影机。

【专利文献1】特开2004-327361号公报

可是，在记载于专利文献1的光源中，若光太过集中于荧光体，则由于如下的原因而导致发光量下降。

即，若激励光的强度高，则因为荧光体分子之中受激励的电子比例增大，能够激励的电子(基底状态的电子)减少，所以产生无法发出相应于激励光的光量的光的、所谓的光饱和现象。由此，发光效率(荧光体发光量相对于激励光入射光量的比例)下降。因此，即使采用如上述专利文献1的光源，想要得到强光而增加激励光的光量，也难以得到预期的光量。

发明内容

本发明鉴于如此的情形所作出，目的在于提供可以抑制发光效率的下降、射出强(光量多)的光的光源装置。并且，目的在于提供具有如此的光源装置、可以进行高质量图像显示的投影机。

发明人关于上述问题反复锐意探讨的结果是，达到以下认识：若对上述光饱和现象进行考虑，则激励光的光强度在照射区域内尽量均匀为好。这是因为，在以使得从荧光体发出尽可能多的光量的荧光的方式照射激励光的情况下，若激励光的光量中存在不均匀，则无法使荧光从将激励光照射于荧光体的面整体良好地射出。

另一方面，作为用于使荧光体良好地发光的激励光的光源，通常采用如激光光源的固体光源，进而，为了使光量增加而采用使用多个固体光源的固体光源阵列。可是，若采用固体光源阵列，则从各固体光源所射出的光的光线轴分别离开，在固体光源阵列整体中，在所射出的激励光的光线束内，产生在对应于各固体光源的光线轴附近亮、在对应于各固体光源间区域的部分暗的光量不均匀。因此，难以进行使荧光体不产生光饱和、且使荧光从荧光体整面射出的有效发光。

于是，为了解决上述问题，本发明的光源装置特征为，具备：包括射出激励光的多个固体光源，将前述激励光射出为平行光线束的光源部；将前述激励光分割为多个子光线束的透镜阵列；使分割为前述多个子光线束的前述激励光进行聚光的聚光光学系统；和通过所聚光的前述激励光激励而发出荧光的发光元件。

根据该构成，则从多个固体光源所射出而具有离散性光强度分布的激励光通过经由透镜阵列与聚光光学系统而在发光元件上进行重叠，可对光强度分布进行平均化。因此，可以将激励光以同样的光强度照射于发光元件整体，容易对光量进行控制以使光饱和不在照射了激励光的区域内产生。从而，能够成为可以容易地对发光效率的下降进行抑制、稳定射出强光的光源装置。

第1，在本发明中，优选：前述聚光光学系统具有：与前述透镜阵列成对的、前述子光线束进行入射的第2透镜阵列，和使从前述第2透镜阵列所射出的前述子光线束在前述发光元件上重叠的重叠光学系统；前述透镜阵列的透镜面与前述发光元件的光照射面通过前述聚光光学系统而处于共轭关系。

根据该构成，则因为多个子光线束在发光元件的光照射面上良好地进行重叠，所以易于使光强度分布平均化，容易对光量进行控制以使发光元件的光饱和不会产生。

在本发明中，优选：构成前述透镜阵列的多个小透镜的俯视形状与前述光照射面的俯视形状为相似形，前述光照射面的俯视面积、与前述激励光在与前述光照射面相同的空间位置对与前述光照射面平行的平面进行照射的照射面积，基本相等。

根据该构成，则因为能够将激励光不浪费地照射于发光元件，所以能够使相对于所投入的激励光的光量的取出荧光量最大化。

在本发明中，优选：前述光源部具有使从前述多个固体光源所射出的前述激励光进行聚光的聚光透镜、和使从前述聚光透镜所射出的前述激励光平行化的平行化透镜；前述平行化透镜在入射面或射出面的任一方，具有旋转二次曲面形状的凹面。

根据该构成，则因为能够使入射于透镜阵列的激励光的平行度提高，所以容易对采用透镜阵列及聚光光学系统后的激励光的平均化按照设计地进行控制，能够容易地对发光效率的下降进行抑制。

在本发明中，优选：前述平行化透镜中，前述入射面为球面状凸面，前述射出面为前述凹面。

根据该构成，在入射于透镜阵列的激励光中，难以产生由于透射平行化透镜引起的强度分布，易于进行采用透镜阵列及聚光光学系统后的激励光的平均化。因此，容易对光饱和进行抑制而使发光元件发光。

第2，在本发明中，优选：前述发光元件中，光照射面重叠于前述聚光光学系统的焦点位置而设置，以前述透镜阵列和前述聚光光学系统为两端的积分光学系统中，与前述光照射面共轭的面设定为无限远。

根据该构成，即使未细致地对聚光光学系统与透镜阵列的相对位置进行设定，通过对聚光光学系统与发光元件的相对位置进行设定，也能够使激励光向发光元件重叠。并且，因为在焦点位置处激励光并未成像，所以激励光的像模糊，容易使光强度平均化。因此，容易对光量进行控制以使光饱和不会在发光元件中产生。

在本发明中，优选：构成前述透镜阵列的多个小透镜的俯视形状与前述发光元件的光照射面的俯视形状为相似形，前述发光元件的光照射面的俯视面积与前述积分光学系统的射出瞳的大小基本相等。

根据该构成，因为能使激励光不浪费地照射于发光元件，所以能够使相对于投入的激励光的光量的取出荧光量最大化。

在本发明中，优选：前述光源部具有使从前述多个固体光源所射出的前述激励光进行聚光的聚光透镜、和使从前述聚光透镜所射出的前述激励光平行化的平行化透镜；前述平行化透镜在入射面或射出面的任一方，具有旋转二次曲面形状的凹面。

根据该构成，因为能够使入射于透镜阵列的激励光平行度提高，所以容易对采用透镜阵列及聚光光学系统后的激励光的平均化按照设计地进行控制，能够容易地对发光效率的下降进行抑制。

在本发明中，优选：前述平行化透镜中，前述入射面为前述凹面，前述射出面为平面。

根据该构成，因为能够使透射平行化透镜的激励光平行度进一步提高，所以容易进行采用透镜阵列及聚光光学系统后的激励光平均化，容易对光饱和进行抑制而使发光元件发光。

在本发明中，优选：当设以前述凹面与前述光线束的中心轴的交点为原点、以前述中心轴为Z轴、以与前述中心轴相正交的轴为r轴的rθZ圆柱坐标系中坐标值为r及Z，设近轴曲率为c，设圆锥常数为K时，前述凹面为通过以下式(1)所表示的形状。

$Z-\frac{c\·r^2}{1+\sqrt{1-(1+K)\·c^2\·r^2}}=0\·\·\·\left(1\right)$

根据该构成，能够容易地确定凹面的形状。并且，因为如果采用具有基于该式所确定的非球面的透镜，则能够减小球面像差，所以能够使从光源装置所射出的光的平行度进一步提高。

并且，本发明的投影机特征为：具备上述的光源装置、对从前述光源装置所射出的光进行调制的光调制元件、和对通过前述光调制元件所调制的光进行投影的投影光学系统。

根据该构成，因为具有上述的光源装置，所以能够提供从光源装置所射出的光量通过抑制发光元件中的光饱和现象的产生而稳定、可以抑制明亮度不均匀而进行高质量的图像显示的投影机。

附图说明

图1是表示第1实施方式的光源装置及投影机的示意图。

图2是包括于第1实施方式的光源装置的光源部的主视图。

图3是表示光源及发光元件的发光特性的曲线图。

图4是包括于第1实施方式的光源装置的光源部的侧视图。

图5是表示入射于透镜积分器的激励光的行动(轨迹)的说明图。

图6是表示激励光在正交于激励光的主光线的平面中的光强度的计算结果。

图7是偏振变换元件的概要说明图。

图8是表示第1实施方式的光源装置的变形例的说明图。

图9是表示激励光在正交于激励光的主光线的平面中的光强度的计算结果。

图10是表示第1实施方式的光源装置变形例的说明图。

图11是表示第1实施方式的光源装置变形例的说明图。

图12是表示第1实施方式的光源装置变形例的说明图。

图13是表示第1实施方式的光源装置变形例的说明图。

图14是表示第2实施方式的光源装置的示意图。

图15是表示入射于透镜积分器的激励光的行动的说明图。

图16是表示激励光在正交于激励光的主光线的平面中的光强度的计算结果。

符号说明

10Ba...光源(光源部)，12...激光光源(固体光源)，20...准直光学系统(光源部)，22a...准直透镜阵列，24...聚光透镜，26、27...平行化透镜，26a、27a...入射面，26b、27b...射出面，32...透镜阵列，34...第2透镜阵列，50...重叠光学系统，60、63、64...发光元件，60a...光照射面，61...基体，62...荧光体层，100～104...光源装置，400R、400G、400B...液晶光阀(光调制元件)，600...投影光学系统，B...蓝色光(激励光)，F2...焦点，P...射出瞳，PJ...投影机

具体实施方式

第1实施方式

以下，一边参照图1～图13，一边关于本发明的第1实施方式涉及的光源装置及投影机进行说明。还有，在以下所有附图中，为了使附图易于观看，使各构成要件的尺寸和/或比例等适当不同。

图1是表示本实施方式的光源装置100及投影机PJ的示意图。如示于附图地投影机PJ包括光源装置100、色分离光学系统200、液晶光阀(光调制元件)400R、液晶光阀400G、液晶光阀400B、色合成元件500、投影光学系统600。

投影机PJ若进行概括则如以下地进行工作。从光源装置100所射出的光通过色分离光学系统200分离为多种色光。通过色分离光学系统200所分离出的多种色光分别入射于相对应的液晶光阀400R、液晶光阀400G、液晶光阀400B而受调制。通过液晶光阀400R、液晶光阀400G、液晶光阀400B所调制的各色光入射于色合成元件500而合成。通过色合成元件500所合成的光通过投影光学系统600放大投影于墙壁和/或屏幕等被投影面700，显示全彩色的投影图像。

以下，关于投影机PJ的各构成要件进行说明。

光源装置100具有射出蓝色光的2个光源10B(第1光源10Ba、第2光源10Bb)。

光源装置100构成为：若沿从光源10Ba所射出的光的光路看，则光源10Ba、准直光学系统20、透镜积分器30、光波长选择光学系统40、重叠光学系统50、发光元件60、透镜阵列120、130、偏振变换元件140、重叠透镜150以该顺序配置。

在此，光源10Ba与准直光学系统20构成本发明中的光源部。并且，包括于透镜积分器30的第2透镜阵列34与重叠光学系统50构成本发明中的聚光光学系统。

并且，光源装置100构成为：若沿从光源10Bb所射出的光的光路看，则光源10Bb、准直透镜阵列22b、聚光透镜70、漫射器80、平行化透镜90、光波长选择光学系统40、透镜阵列120、130、偏振变换元件140、重叠透镜150以该顺序配置。

在具有如此构成的光源装置100中，从光源10Ba所射出的蓝色光照射于发光元件60，用作用于使荧光从发光元件60具备的荧光体射出的激励光。从发光元件60所射出的荧光与从光源10Bb所射出的蓝色光在光路上混色，作为用作液晶光阀的照明光的白色光L从光源装置100射出。

以下，首先一边关于从第1光源10Ba所射出的光的行动进行说明，一边对各构成进行说明，接着，一边关于从第2光源10Bb所射出的光的行动进行说明，一边对各构成进行说明。

图2是光源10Ba的主视图。如示于附图地，光源10Ba为在基座11上正方形状地按二维排列(共计25个)排列5个×5个激光光源(固体光源)12的激光光源阵列。各激光光源12俯视具有圆角矩形，长轴方向朝向一个方向地进行排列。

光源10Ba射出蓝色(发光强度峰值：约445nm，参照图3(a))激光，作为使发光元件60具备的荧光物质受激励的激励光。在图3(a)中，以符号B表示的为光源10Ba作为激励光而射出的色光分量。还有，光源10Ba也可以并非如示于图2的激光光源阵列，而是仅用1个激光光源。并且，只要是能够使后述荧光物质受激励的波长的光即可，也可以是射出具有445nm以外的峰值波长的色光的光源。在图1中，以符号B表示从光源10Ba所射出的激励光。

图4是光源10Ba的侧视图。如示于附图地，从光源10Ba所射出的激励光由包括于准直光学系统20的第1准直透镜阵列22a所平行化。此后，由聚光透镜24所聚光的激励光的光线向聚光透镜24的焦点F1的方向行进，通过平行化透镜26再次平行化。通过对如此的准直光学系统20进行透射，激励光的光线束整体宽度变窄。

在此，平行化透镜26的入射面26a为球面状的凸面，射出面26b为非球面状的凹面。若对射出面26b的形状更具体地进行说明，则平行化透镜26的射出面26b的非球面形状成为基本满足式(2)的关系的形状。即，在射出面26b中，通过使射出面26b的非球面形状成为旋转二次曲面形状，可以射出平行度高的光。

$Z-\frac{c\·r^2}{1+\sqrt{1-(1+K)\·c^2\·r^2}}-\mathrm{\ΣAn}\·r^n=0\·\·\·\left(2\right)$

在此，r、Z如示于图4地，为以平行化透镜26的射出面26b与激励光的光线束的中心轴10ax的交点为原点L0、以中心轴10ax为轴对象的rθZ圆柱坐标系中的坐标值。还有，在图4中，Z方向以激励光的射出方向为正。r表示从原点L0向正交于中心轴10ax的方向的距离。θ表示离开预定的r方向的角度，但如从式(2)可知地，非球面的形状并不与角度θ相关。

并且，式(2)中，近轴曲率c表示在假定采用球面状平凹透镜将由聚光透镜24所聚光的激励光的光线变换为平行光的情况下的该球面的曲率。即，在近轴区域(旋转轴附近区域)，通过采用具有该曲率c的平凹透镜，能够将由聚光透镜24所聚光的激励光的光线变换为平行光。

K是被称为圆锥常数的值。通过该圆锥常数K的值，旋转二次曲面形状被限定为特定形状。即，在圆锥常数K的值为-1＜K＜0的情况下，非球面成为旋转椭圆面。并且，在圆锥常数K的值为K＝-1的情况下，非球面成为旋转抛物面。进而，在圆锥常数K的值为K＜-1的情况下，非球面成为旋转双曲面。

并且，左边第3项虽然是被称为一般非球面项的与距离r相关的函数，但是因为是充分小的值，所以在本实施方式中进行忽略。

本实施方式中的平行化透镜26的非球面的旋转二次曲面形状基于对式(2)的左边第3项进行了忽略不计的下式(3)，通过如以下的方法所确定。

$Z-\frac{c\·r^2}{1+\sqrt{1-(1+K)\·c^2\·r^2}}=0\·\·\·\left(3\right)$

首先，对聚光透镜24的形状、平行化透镜26的入射面26a的曲率、平行化透镜26的折射率n、平行化透镜26的中心部的厚度和平行化透镜26的设置位置进行考虑，求近轴曲率c的值。

具体地，首先，预先确定好聚光透镜24的形状、及平行化透镜26的入射面26a的曲率、折射率n、中心部的厚度、设置位置。并且，代替平行化透镜26，假定为入射面的曲率、折射率、中心部的厚度相同且射出面为球面状的凹透镜。然后，在相对于与预先确定的形状相同的形状的聚光透镜，将上述凹透镜配置于平行化透镜26的设置位置的情况下，求能够在近轴区域(旋转轴附近区域)将透射光变换为平行光的该凹透镜的射出面的曲率。

如此地所求得的曲率的值成为对射出面26b的形状进行规定的上述式(3)中的近轴曲率c。在此，在使平行化透镜26的入射面26a为平面的情况下，设入射面26a的曲率为0。

接下来，求圆锥常数K。在本实施方式的光源装置100中，圆锥常数K通过一边对其值进行变更一边反复利用式(3)进行模拟，来设定为可射出平行光的条件。在该模拟中，可考虑当由无像差的理想透镜对从光源装置100所射出的光线束进行了聚光时，以聚光点处的光点径变得最小的情况为基本射出平行光的条件。

若采用如此地所设计的平行化透镜26，则能够使对准直光学系统20进行了透射的激励光成为平行度高的光。

对准直光学系统20进行了透射的激励光入射于透镜积分器30。透镜积分器30具有第1透镜阵列32和第2透镜阵列34，并且它们以该顺序排列于光路上。第1透镜阵列32、第2透镜阵列34使从准直光学系统20所射出的光的辉度分布均匀化。

对透镜积分器30进行了透射的激励光入射于光波长选择光学系统40。光波长选择光学系统40具有分色镜42及分色镜44。分色镜42及分色镜44例如将电介质多层膜叠层于玻璃表面而构成。

分色镜42及分色镜44具有使激励光的波段的色光选择性地反射、使其以外的波段的色光透射的波长选择性。具体地，分色镜42使蓝色光反射，使波长比蓝色光长的光(例如，波长比480nm长的光)透射。另一方面，分色镜44使蓝色光透射，使波长比蓝色光长的光(例如，波长比480nm长的光)反射。在此，激励光对分色镜44进行透射，并由分色镜42所反射。

由分色镜42所反射的激励光入射于重叠光学系统50，成像于发光元件60上。

在图5中，对入射于透镜积分器30的激励光(蓝色光B)直至照射于发光元件60的激励光的行动进行图示。

如示于图5地，第1透镜阵列32包括多个第1小透镜32a，第2透镜阵列34包括多个第2小透镜34a。并且，第1小透镜32a及第2小透镜34a的俯视形状与发光元件60的光照射面60a的俯视形状为大体相似形。

在第1透镜阵列32及第2透镜阵列34中，第1小透镜32a与第2小透镜34a一一对应。从准直光学系统20所射出的光空间性分开入射于多个第1小透镜32a，第1小透镜32a使入射进来的光成像于相对应的第2小透镜34a。由此，在多个第2小透镜34a各自，形成二次光源像。

并且，从多个第2小透镜34a各自所射出的光通过分色镜42而由包括第1透镜52及第2透镜54所构成的重叠光学系统50所聚光，成像于发光元件60上。若换言之，则包括第2透镜阵列34与重叠光学系统50所构成的聚光光学系统使入射进来的光成像于相对应的发光元件60的光照射面60a。

如示于图5地，发光元件60具有板状的基体61、和形成于基体61的激励光入射侧的面的荧光体层62。荧光体层62例如俯视形成为1mm×1mm的基本正方形状，具有发出荧光的荧光体微粒621。如此的荧光体层62具有对激励光(蓝色光)进行吸收并变换为黄色(发光强度峰值：约550nm，参照图3(b))荧光的功能。

在图3(b)中以符号R示出的分量为荧光体层62所射出的黄色光之中可以作为红色光进行利用的色光分量；以符号G示出的分量同样地为可以作为绿色光进行利用的色光分量。在图1中，以符号R表示红色光、以符号G表示绿色光，并以符号RG表示包括红色光R与绿色光G的荧光。

在如此的构成中，包括第2透镜阵列34与重叠光学系统50所构成的光学系统可以构成为，第1透镜阵列32的透镜面与发光元件60的光照射面60a处于共轭关系。即，可以构成为：包括第2透镜阵列34与重叠光学系统50所构成的光学系统的物体面与第1透镜阵列32的透镜面相一致、并且像面与光照射面60a相一致。由此，在光照射面60a，可照射强度分布平均化的激励光。

在此，所谓“第1透镜阵列32的透镜面”，为连接第1透镜阵列32具有的多个第1小透镜32a间的谷部的假想面。

图6为表示激励光在正交于激励光的主光线的平面的光强度的计算结果，图6(a)为表示入射于第1透镜阵列32的激励光的光强度的分布图，图6(b)为表示入射于光照射面60a的激励光的光强度的分布图。在图6(a)、(b)中，使光强度越大处越亮、光强度越小处越暗地将光强度对应于区域的亮度进行显示。

并且，图6(c)是表示在图6(b)的分布图中，在通过原点且沿x轴及y轴的区域的光强度的曲线图。图6(c)的横轴表示图6(b)的区域中x轴或y轴上的位置(坐标)，纵轴表示光强度(放射照度)。

如示于图6(a)地，在入射于第1透镜阵列32之前的空间位置，激励光的光强度分布对应于示于图2的光源10Ba，离散性地存在明亮的部分与黑暗的部分。相对地，如示于图6(b)地，在入射于光照射面60a之前的空间位置，激励光成形为1mm×1mm的基本正方形状，如示于图6(c)地，成为光强度在光照射面60a的全部区域内基本相等的、接近于所谓礼帽形状的光强度分布的连续性光强度分布。

在发光元件60，如上述地照射光强度分布与透射透镜积分器30之前相比接近于均匀的激励光。并且，所照射的激励光成形为基本与发光元件60的俯视形状相同的形状。因此，相对于发光元件60，不会在面内产生光饱和，且容易将激励光照射于光照射面60a整面。从而，发光元件60能够作为从光照射面60a整面良好地发出荧光RG的二次光源进行使用。

相对于从发光元件60所射出的荧光RG，重叠光学系统50作为拾取(pick up)光学系统而起作用。因此荧光RG在由重叠光学系统50平行化之后，入射于光波长选择光学系统40。在光波长选择光学系统40中，由分色镜44进行反射而朝向透镜阵列120射出。

接下来，一边关于从第2光源10Bb所射出的光进行说明，一边关于各构成进行说明。

光源10Bb具有与示于图2的光源10Ba同样的构成，为射出蓝色光的激光光源阵列。从光源10Bb所出射的蓝色光由第2准直透镜阵列22b所平行化，由聚光透镜70所聚光。

在聚光透镜70的焦点位置设置漫射器80。漫射器80具有使进行透射的光散射的功能。作为从光源10Bb所射出的相干光的蓝色光通过由漫射器80进行散射而在蓝色光之内设置光路差，使相干性下降。因此，当投影于被投影面700时难以产生被称为斑纹的干涉条纹。

对漫射器80进行了透射的蓝色光在入射于平行化透镜90并被平行化之后，入射于光波长选择光学系统40，并由分色镜42进行反射而朝向透镜阵列120射出。即，从光波长选择光学系统40所射出的光成为从发光元件60所射出的红色光及绿色光相混色的荧光RG、与从光源10Bb所射出的蓝色光B相混色所得的白色光L。

还有，虽然在本实施方式中，光源10Bb是激光光源阵列，但是只要能够射出用于显示的蓝色光即可，并非必须是激光光源阵列。

透镜阵列120、130使从光波长选择光学系统40所射出的白色光L的辉度分布均匀化。透镜阵列120包括多个第1小透镜122，透镜阵列130包括多个第2小透镜132。在透镜阵列120与透镜阵列130中，第1小透镜122与第2小透镜132一一对应。从光波长选择光学系统40所射出的光L空间性分开地入射于多个第1小透镜122，第1小透镜122使入射进来的光成像于相对应的第2小透镜132。由此，在多个第2小透镜132的各自，形成二次光源像。还有，第1小透镜122、第2小透镜132的外形形状与液晶光阀400R、400G、400B的图像形成区域的外形形状为大体相似形。

偏振变换元件140使从透镜阵列120、130所射出的光L的偏振状态相一致。如示于图7地，偏振变换元件140包括多个偏振变换单元141。偏振变换单元141与第2小透镜132一一对应。来自形成于第2小透镜132的二次光源像的光L入射于对应于该第2小透镜132的偏振变换单元141的入射区域142。

在偏振变换单元141的各自，对应于入射区域142，设置偏振分束膜143(以下，称为PBS膜143)及相位差板145。入射于入射区域142的光L通过PBS膜143分离为相对于PBS膜143的P偏振光L1与S偏振光L2。P偏振光L1、S偏振光L2之一方的偏振光(在此为S偏振光L2)在由反射构件144进行了反射之后，入射于相位差板145。入射于相位差板145的S偏振光L2通过相位差板145而偏振状态变换为另一方的偏振光(在此为P偏振光L1)的偏振状态而成为P偏振光L3，与P偏振光L1一起射出。

重叠透镜150使从偏振变换元件140所射出的光重叠于被照明区域。从光源装置100所射出的光在空间性被分割之后，通过重叠而辉度分布均匀化，提高光线轴100ax周围的轴对称性。

色分离光学系统200包括分色镜210、分色镜220、镜体230、镜体240、镜体250、场透镜300R、场透镜300G、场透镜300B、中继透镜260、中继透镜270。分色镜210、分色镜220是例如在玻璃表面叠层有电介质多层膜而成的。分色镜210、分色镜220具有使预定波段的色光选择性地反射、使其以外的波段的色光透射的特性。在此，分色镜210使绿色光与蓝色光反射，分色镜220使绿色光反射。

从光源装置100所射出的光L入射于分色镜210。光L之中的红色光R经过分色镜210而入射于镜体230，并由镜体230进行反射而入射于场透镜300R。红色光R在通过场透镜300R平行化之后，入射于液晶光阀400R。

光L之中的绿色光G与蓝色光B由分色镜210进行反射，入射于分色镜220。绿色光G由分色镜220进行反射而入射于场透镜300G。绿色光G在通过场透镜300G平行化之后，入射于液晶光阀400G。

经过分色镜220后的蓝色光B在经过中继透镜260并由镜体240进行了反射之后，经过中继透镜270并由镜体250进行反射而入射于场透镜300B。蓝色光B在通过场透镜300B平行化之后，入射于液晶光阀400B。

液晶光阀400R、液晶光阀400G、液晶光阀400B例如通过透射型液晶光阀等光调制装置所构成。液晶光阀400R、液晶光阀400G、液晶光阀400B与供给包括图像信息的图像信号的PC等信号源(图示省略)电连接，基于所供给的图像信号按每个像素对入射光进行空间调制，分别形成红色图像、绿色图像、蓝色图像。通过液晶光阀400R、液晶光阀400G、液晶光阀400B所调制的光(所形成的图像)入射于色合成元件500。

色合成元件500通过分色棱镜等所构成。分色棱镜为互相贴合4个三棱柱棱镜的结构。三棱柱棱镜被贴合的面成为分色棱镜的内面。在分色棱镜的内面，互相正交地形成红色光R进行反射且绿色光G进行透射的镜面、和蓝色光B进行反射且绿色光G进行透射的镜面。入射于分色棱镜的绿色光G经过镜面原封不动射出。入射于分色棱镜的红色光R、蓝色光B由镜面选择性地反射或者透射，按与绿色光G的射出方向相同的方向射出。如此地重叠3种色光(图像)而合成，所合成的色光通过投影光学系统600放大投影于被投影面700。

在本实施方式的投影机PJ中，如以上地进行图像显示。

根据如以上构成的光源装置100，则在发光元件60中通过抑制光饱和现象的发生而使光量稳定，与现有相比能够成为发光效率高的光源。

并且，根据如以上构成的投影机PJ，则从光源装置射出的光量通过抑制光饱和现象的发生而稳定，可以抑制明亮度不均匀而实现高质量的图像显示。

还有，虽然在本实施方式中，平行化透镜26的射出面26b具有非球面形状，但是也可以采用入射面侧为非球面形状的透镜。

示于图8的平行化透镜27是入射面27a为满足式(3)的关系的旋转二次曲面形状、射出面27b为平面的单凹透镜。若采用如此的平行化透镜27，则与采用上述平行化透镜26的情况相比较，存在容易得到平行度更高的光线束的优点。

即，从上述平行化透镜26所射出的光线束通过在平行化透镜26的入射面26a与射出面26b中的折射，经由2次行进方向的变更而射出。另一方面，从平行化透镜27所射出的光线束因为通过平行化透镜27的入射面27a中的折射所平行化，仅经由1次行进方向的变更而射出，所以难以产生因透镜的成形误差引起的平行化紊乱。从而，如果采用平行化透镜27，则可以得到平行度更高的光线束。

另一方面，从上述平行化透镜27所射出的光线束成为如示于图9的光强度分布。图9是表示采用平行化透镜27的情况下的激励光在正交于激励光的主光线的平面的光强度的计算结果，是对应于图6的图。

如示于图9(a)地，若采用平行化透镜27，则在入射于第1透镜阵列32之前的空间位置，激励光的光强度分布为离散性且变形配置为绕线状。这是因为，如示于图8地，在平行化透镜27中，进行入射的光线的入射角在平行化透镜27的中央(符号α)与周边(符号β)产生相当大的差，因此，从平行化透镜27所射出的光线束容易产生中央强而周围弱的强度分布。

而且，如示于图9(b)、(c)地，在入射于光照射面60a之前的空间位置，激励光虽然在1mm×1mm的基本正方形状区域内接近于均匀的礼帽形状的光强度分布，但是比示于图6(b)、(c)的光强度分布不均匀。这可认为是反映了入射于第1透镜阵列32之前的光强度的不均匀性(参照图9(a))的结果。

如此的平行化透镜27的非球面的旋转二次曲面形状基于上述式(3)，通过以下的方法所确定。

具体地，首先，预先确定好聚光透镜24的形状、及平行化透镜27的折射率n、中心部的厚度、设置位置。并且，作为平行化透镜27的代替品，假定入射面的曲率、折射率、中心部的厚度相同且射出面为球面状的凹透镜。然后，对于与预先确定的形状相同形状的聚光透镜，在平行化透镜27的设置位置配置上述凹透镜的情况下，求该凹透镜如果不存在球面像差而能够变换为平行光的入射面的曲率。如此地求出的曲率值成为近轴曲率c。

接下来，求圆锥常数K。在此，在平行化透镜27中，因为入射面27a为基于式(3)所设定的非球面，所以入射于平行化透镜27的激励光通过在入射面27a的折射而行进方向改变为基本平行的方向，在射出面27b几乎不受折射作用。其结果是，平行化透镜27的折射率n与圆锥常数K的关系为一定。还有，平行化透镜27的反射面形状的非球面的圆锥常数K基本以K＝-n²所确定。

从而，在本变形例中，圆锥常数K能够以K＝-n²而求得，不必进行如采用平行化透镜26的情况下的模拟。如此的平行化透镜27的非球面的圆锥常数K为-2.1＞K＞-3.8的范围。从而，在使入射面27a成为非球面形状的情况下，可以使入射面27a成为旋转双曲面形状。

并且，虽然在本实施方式中，作为激励光的光源采用示于图2的光源10Ba，但是也能够采用示于以下的图10、图11的光源部。

图10是表示光源装置101的概略图。在光源装置101中，作为射出激励光的光源采用光源13代替上述的光源10Ba。构成为，从光源13所射出的蓝色光B在由准直透镜阵列28所平行化之后，由包括多个反射镜29a的反射部29所反射并入射于聚光透镜24。

反射镜29a对应于从各激光光源12所射出的蓝色光B而设置，具有使主光线的间隔成为W1～W2(W1＞W2)的功能。构成为，反射镜29a互相各离开间隔W3进行配置，通过由各反射镜29a进行反射，对主光线的间隔进行变更。

图11是光源装置101具有的光源13的俯视图。如示于图11地，光源13是在基座11上以二维排列来排列10个×5个(共计50个)激光光源12而形成为长方形状的激光光源阵列。各激光光源12俯视具有矩形，长轴方向朝向一个方向地排列。并且，在激光光源12的短轴方向，空出间隔W1而排列。

在如此的光源13中，如示于图11(b)地，从各激光光源12所射出的激光(蓝色光B)的主光线的间隔对应于激光光源12的配置间隔W1。

因此，如示于图11(c)地，由反射部29所反射的激光(蓝色光B)的主光线的间隔成为间隔W2，在光线束整体中光量变多。

在如此构成的光源装置101中，因为能够提高从光源13所射出的光的密度，所以成为可以增加照射于发光元件60的光的光量、射出强的荧光的光源装置。

并且，虽然在本实施方式中，在发光元件60发出的荧光RG中，包括红色光R与绿色光G，但是并不限于此。例如，也可以如示于图12的光源装置102的发光元件63地，发出仅包括绿色光G的荧光。

该情况下，如示于图12地，除了射出用于显示的蓝色光的光源10Bb之外，可以准备射出红色光的光源10R。即，可以为以下构成：在从光源10Bb所射出的蓝色光B与从光源10R所射出的红色光R的光路上，配置对蓝色光进行反射并使其他光透射的分色镜46而在光路上进行混色，并将混色的光导至聚光透镜70。光源10R只要能够射出红色光，既可以是激光光源阵列，也可以是其他构成。

并且，虽然在本实施方式中，使发光元件60成为在激励光的入射侧射出荧光的反射型的构成，但是也可以为在与激励光的入射面相对的面射出荧光的透射型的构成。

图13是具有透射型发光元件64的光源装置103的概略图。

如示于附图地，在光源装置103中，从光源10B射出的激励光(蓝色光B)通过准直光学系统20、透镜积分器30、重叠光学系统50，入射于发光元件64的一方的面(入射面64a)。在发光元件64中，吸收一部分激励光而变换为包括红色光与绿色光的荧光RG，剩余的激励光不被吸收地进行透射。因此，从发光元件64的另一方的面(射出面64b)射出未被吸收的激励光(蓝色光B)与荧光RG相混色的白色光L。

从发光元件64所射出的光L由包括第1拾取(pick up)透镜56、第2拾取透镜57的拾取光学系统59抑制扩展之后，通过透镜阵列120、130、偏振变换元件140、重叠透镜150而射出。

即使是如此的光源装置103，也因为在由透镜积分器30对从光源10B射出的激励光的光强度进行了平均化之后，使其入射于发光元件64具有的荧光体层，所以能够成为发光效率高的光源。

并且，虽然在本实施方式中，包括于准直光学系统20中的聚光透镜24与平行化透镜26形成所谓的伽利略型无焦光学系统，但是也可以采用凸透镜代替平行化透镜26，形成所谓的开普勒型无焦光学系统。

并且，虽然在本实施方式中，第1透镜阵列32的透镜面与发光元件60的光照射面60a通过聚光光学系统处于共轭关系，但是即使不成像于光照射面60a，仍能够期待由于通过第1透镜阵列32所实现的激励光的重叠效果，激励光的光强度存在被平均化的趋势。因此，能够对发光元件60中的光饱和现象进行抑制，成为发光效率高的光源。

并且，虽然在本实施方式中，聚光的激励光成形为照射面积为1mm×1mm的基本正方形状，其大小与荧光体层62的俯视面积基本相同，但是即使例如激励光的照射面积比荧光体层62稍大，也因为可抑制在发光元件60中的光饱和，所以能够期待发光效率的改善。

并且，在本实施方式中，第1透镜阵列32与第2透镜阵列34的小透镜的俯视形状与光照射面60a的俯视形状为大体相似形。可是，在并非是相似形的情况下，虽然一部分激励光被浪费，但因为可抑制在发光元件60中的光饱和，所以能够期待发光效率的改善。

并且，虽然在本实施方式中，采用上述式(3)对平行化透镜26的凹面进行设计，但是也可以采用其他通常所公知的非球面的设计方法。

第2实施方式

图14是本发明的第2实施方式涉及的光源装置的说明图。在以下的说明中，关于与第1实施方式相同的构成要件附加相同的符号，对于详细的说明进行省略。

如示于图14地，光源装置104的构成与第1实施方式的光源装置100部分相同。不同之处为，透镜积分器并不成对而仅使用1片第1透镜阵列32。在本实施方式中，重叠光学系统50作为本发明的聚光光学系统而起作用。

图15是表示第1透镜阵列32及重叠光学系统50的功能的说明图。在图15中，为了简化，将重叠光学系统50示意性图示为1个凸透镜。设重叠光学系统50不存在球面像差、或校正来降低球面像差。

如示于图15(a)地，在包括第1透镜阵列32及重叠光学系统50所构成的光学系统中，构成为，入射于第1透镜阵列32的激励光(蓝色光B)为平行光，对第1透镜阵列32与重叠光学系统50进行了透射的激励光的主光线通过重叠光学系统50的焦点F2。若换言之，则以第1透镜阵列32与重叠光学系统50为两端的光学系统的物体面设定为无限远。即，包括第1透镜阵列32及重叠光学系统50所构成的光学系统为物体侧远心。在如此的光学系统中，入射的激励光(蓝色光B)在对第1透镜阵列32进行了透射之后，入射于重叠光学系统50，从重叠光学系统50所射出的激励光通过与重叠光学系统50相关的一定宽度的射出瞳P。

在如此的构成中，射出瞳P的宽度通过重叠光学系统50的数值孔径NA与焦距Lb限定为一定大小。并且，射出瞳P的形状与构成第1透镜阵列32的小透镜32a为相似形。即，射出瞳P的宽度并不与重叠光学系统50与第1透镜阵列32的距离La相关，而总为一定。例如，射出瞳P设计为1mm×1mm的基本正方形状。

从而，如示于图15(b)地，通过在重叠光学系统50的焦点F2的位置，配置与射出瞳相同大小的发光元件60，将与光照射面60a共轭的面设定为无限远，由此，与第1实施方式的光源装置100相比，可以减少透镜阵列的使用数(不使用示于图1的第2透镜阵列)。其结果是，能够以少量的部件数使激励光的光强度平均化，并照射于发光元件60。

图16是表示激励光在正交于光源装置104的激励光的主光线的平面的光强度的计算结果，是对应于图6(b)、(c)的图。

如示于图16(a)地，在入射于发光元件60之前的空间位置，激励光成形为1mm×1mm的基本正方形状，如示于图16(b)地，成为在全部区域内光强度基本相等的、接近于所谓礼帽形状的光强度分布的连续性光强度分布。

在光源装置104中，因为由第1透镜阵列32分割为多个光线束的激励光由重叠光学系统50所聚光，所以光强度分布被平均化。另外，在示于图15的射出瞳P中，因为激励光并未成像，所以激励光的像模糊，易于使光强度平均化。因此，即使如光源10Ba地为离散性光源，也可以良好地使光强度分布平均化。

根据以上构成的光源装置104，通过抑制光饱和现象的发生而使光量稳定，相比于现有技术能够成为发光效率高的光源。

还有，虽然在本实施方式中，采用平行化透镜26来进行了说明，但是也可以采用示于图8的平行化透镜27。入射面为凹面而射出面为平面的平行化透镜27如上述地能够使透射平行化透镜27的激励光的平行度比平行化透镜26提高。因此，容易进行采用第1透镜阵列32及重叠光学系统50的激励光的平均化。

并且，在本实施方式中，发光元件60的光照射面60a的俯视面积与射出瞳P的大小基本相等。可是，即便是例如射出瞳P较大的情况下，虽然一部分激励光浪费，但是可抑制在发光元件60中的光饱和，所以能够期待发光效率的改善。

并且，虽然在本实施方式中，光照射面60a与重叠光学系统50的焦点F2重叠地配置，但是即使从焦点F2偏离，也能够期待利用通过第1透镜阵列32所实现的激励光的重叠的效果，使激励光的光强度处于被平均化的趋势。因此，能够对发光元件60中的光饱和现象进行抑制，成为发光效率高的光源。

以上，虽然一边参照附图一边关于本发明涉及的优选实施方式例进行了说明，但是本发明当然并不限定于涉及的例。上述的例中示出的各构成构件的各种形状和/或组合等为一例，在不脱离本发明主旨的范围可以基于设计要求等进行各种变更。

Claims (7)

1.一种光源装置，其特征在于，具备：

光源部，其包括射出激励光的多个固体光源，将前述激励光射出为平行的光线束；

第1透镜阵列，其将前述激励光分割为多个子光线束；

聚光光学系统，其使分割为前述多个子光线束的前述激励光进行聚光；和

发光元件，其通过所聚光的前述激励光激励而发出荧光，

前述聚光光学系统具有：与前述第1透镜阵列成对的、前述子光线束进行入射的第2透镜阵列；和使从前述第2透镜阵列所射出的前述子光线束在前述发光元件上重叠的重叠光学系统，

前述第1透镜阵列的透镜面与前述发光元件的光照射面，通过前述聚光光学系统而处于共轭关系。

2.按照权利要求1所述的光源装置，其特征在于：

构成前述第1透镜阵列的多个小透镜的俯视形状与前述光照射面的俯视形状为相似形；

前述光照射面的俯视面积、与前述激励光在与前述光照射面相同的空间位置对与前述光照射面平行的平面进行照射的照射面积，基本相等。

3.按照权利要求1或2所述的光源装置，其特征在于：

前述光源部具有：使从前述多个固体光源所射出的前述激励光进行聚光的聚光透镜和使从前述聚光透镜所射出的前述激励光平行化的平行化透镜；

前述平行化透镜在入射面或射出面的任一方，具有旋转二次曲面形状的凹面。

4.按照权利要求3所述的光源装置，其特征在于：

前述平行化透镜中，前述入射面为球面状的凸面，前述射出面为前述凹面。

5.按照权利要求3所述的光源装置，其特征在于：

当设以前述凹面与前述光线束的中心轴的交点为原点、以前述中心轴为Z轴、以与前述中心轴相正交的轴为r轴的rθZ圆柱坐标系中的坐标值为r及Z，设近轴曲率为c，设圆锥常数为K时，前述凹面为通过下式所表示的形状。

$Z-\frac{c\·r^2}{1+\sqrt{1-(1+K)\·c^2\·r^2}}=0$

6.按照权利要求4所述的光源装置，其特征在于：

当设以前述凹面与前述光线束的中心轴的交点为原点、以前述中心轴为Z轴、以与前述中心轴相正交的轴为r轴的rθZ圆柱坐标系中的坐标值为r及Z，设近轴曲率为c，设圆锥常数为K时，前述凹面为通过下式所表示的形状。

$Z-\frac{c\·r^2}{1+\sqrt{1-(1+K)\·c^2\·r^2}}=0$

7.一种投影机，其特征在于：

具备：权利要求1～6中的任一项的光源装置、对从前述光源装置所射出的光进行调制的光调制元件和对通过前述光调制元件所调制的光进行投影的投影光学系统。