CN107515512B - 一种光源装置以及投影显示装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光源装置以及投影显示装置。在现有的光源中，采用使激发光和荧光中的一方透射而使另一方反射的平板式的光路变更器件(二向色镜)，但荧光的入射角根据二向色镜上的位置而不同。因此，对输入光的透射及反射特性根据位置而不同，在输出光中产生了颜色深浅不均。作为投影显示装置的光源，希望改善颜色深浅不均。而本发明通过采用曲面二向色镜(105)来减小因位置不同而产生的入射角的差异。曲面二向色镜(105)使通过聚光透镜组(106)的光轴而入射到凹面的主光线以80度以上且120度以下的角度(β)反射。曲面形状为椭圆面的一部分、或者超环面的一部分、或者非球面的一部分。

Description

一种光源装置以及投影显示装置

技术领域

本发明涉及一种具备半导体激光器、荧光体(荧光材料)和二向色镜的光源装置以及使用该光源装置的投影显示装置。

背景技术

近年来，开发出一种以高发光效率输出短波长的光的半导体激光器。已进行了用这样的半导体激光器的输出光激发荧光体并将波长转换后的光作为投影显示装置的光源来使用。

虽然可以将荧光体固定在一定的位置来照射激发光，但是如果激发光总是持续照射荧光体的同一点，则会出现局部温度上升、发光效率下降的情况，进而还存在发生材料劣化的可能性。因此，大多使用预先在旋转的圆板的主面上设置荧光体并以使激发光不会固定照射荧光体的同一点的方式来构成的光源。

例如，专利文献1中记载了一种使用聚光透镜组使激发光源的输出光聚光并照射到旋转的荧光板，并且将荧光板发出的荧光导向光调制器件的投影显示装置。

在以专利文献1为代表的大多数投影显示装置中，为了在将激发光导向荧光板的同时，将荧光板发出的荧光导向光调制器件，而配置有使激发光和荧光中的一方透射而使另一方反射的光路变更器件。具体而言，在激发光源与荧光板之间，大多配置有平板状的二向色镜。

专利文献1：日本专利公开2012-78488号公报

在以专利文献1所记载的装置为代表的大多数光源装置中，荧光体发出的荧光由于是发散光，因而即使在聚光透镜组中通过，也仍然是发散着到达二向色镜。因此，荧光的入射角根据二向色镜上的位置而不同。

图12是对此进行说明的图，在用于投影显示装置的光源装置中，在通过电机1而旋转的旋转板2的主面上设置有荧光体3。而且，针对荧光体3设置有激发光源组件4，在激发光源组件4中包括：激光光源，发出能够对荧光体3进行激发的波长激发光Ex；以及光学透镜组群，用于对激发光Ex进行整形。在激发光源组件4与荧光体3之间，配置有二向色镜5和聚光透镜组6。聚光透镜组6是使激发光Ex聚光而照射到荧光体3并且使荧光体3发出的荧光PL聚光而传递到二向色镜5的透镜组。

二向色镜5是将来自激发光源组件4的激发光Ex向荧光体3的方向透射、而将来自荧光体3的荧光PL反射的反射镜，其本身是在透明的玻璃板上附有介质多层膜而设置的器件。

在这样的光源中，聚光透镜组6被配置为能够使透过二向色镜5的整形后的激发光Ex聚光到荧光体3。但是，荧光体3发出的荧光PL由于作为宽角度的发散光而射出，因而不仅在激发光Ex的路径上反向行进，而且作为比激发光更宽角度的光束，经由聚光透镜组6而射向二向色镜5。即，在荧光体3发出的荧光之中，也存在占用比激发光的光路更外侧的光路以在聚光透镜组6内通过而射向二向色镜5的成分。

在此，使用图12和图13，对入射到二向色镜5的荧光的入射角进行讨论。在荧光PL之中，将通过聚光透镜组的光轴的荧光设为主光线PL0，将在距离旋转板2的旋转中心最近侧通过的荧光设为PL1，将在距离旋转中心最远侧通过的荧光设为PL2，将主光线PL0、PL1、PL2分别入射到二向色镜5的入射角设为α0、α1、α2。其中，入射角是在二向色镜5的镜面引出的法线与入射的荧光所形成的角。此外，将通过聚光透镜组6之后射向二向色镜5的荧光的角度、即荧光PL1与荧光PL2所形成的角设为2×θ(也就是说，半会聚角为θ)。

如果将二向色镜5的方向设定为使主光线PL0的入射角α0＝45度，并设定聚光透镜组6的数值孔径NA＝0.174，则如图13所示，成为α1＝35度，α2＝55度(由于NA＝sinθ，因而半会聚角θ相当于10度)。

这样，荧光PL1与荧光PL2在对二向色镜5的入射角上产生20度的差异。当对在二向色镜5的表面设置的介质多层膜的入射角不同时，对于荧光而言，多层膜内的光路长度将会不同，对荧光的透射及反射特性会产生差异。因此，由二向色镜5反射的荧光产生不均匀，发生对图像显示装置而言问题的光源颜色深浅不均。(会发生图像显示装置光源深浅不均(光源色斑)的问题。)

不限于上述的例子，如果在投影显示装置的照明中使用的光入射到二向色镜的角度根据位置而不同，则透射及反射特性变得不均匀，从而会发生颜色深浅不均(色斑)。

为了抑制这样的颜色深浅不均，也可以考虑设置所谓楔状滤片，但会成为成本大幅增加的主要原因。

因此，谋求价格低廉地实现一种光源装置，为了使该光源装置在投影显示装置的照明中使用的发散照明光入射到二向色镜时，确保透射及反射特性的均匀性，从而减少颜色深浅不均的发生。

发明内容

本发明是一种光源装置，用于投影显示装置，其特征在于，具有：荧光体；激发光源，输出用于激发所述荧光体的激发光；曲面二向色镜，具有曲面，在所述曲面上，将来自所述激发光源的激发光透射并且将来自所述荧光体的荧光反射；以及聚光透镜组，配置在所述曲面二向色镜与所述荧光体之间，所述曲面二向色镜针对所透射的光不进行聚光也不进行发散，针对所反射的光实现聚光作用，所述曲面二向色镜使通过所述聚光透镜组的光轴而入射到凹面的光以80度以上且120度以下的角度反射。

此外，本发明是一种投影显示装置，其特征在于，具备：上述光源装置；光调制器件；以及投影镜头。

根据本发明，能够提供一种与以往相比显著减小因入射到二向色镜的照明光的位置不同而产生的入射角度的差异的光源装置。即，因为能够大幅减少因入射角度的差异而产生的二向色镜的透射及反射特性的不均匀，所以能提供颜色深浅均匀(色斑较少)的优质输出照明光的光源。并且，能够以低成本来提供一种具备这样的光源装置的图像质量高的投影显示装置。

附图说明

图1是示出具备第一实施方式的光源装置的投影显示装置的结构图。

图2的(a)是第一实施方式的旋转体的俯视图，图2的(b)是第二实施方式的旋转体的俯视图。

图3的(a)是第一实施方式的荧光体的发光光谱，图3的(b)是第一实施方式的激发光的光谱。

图4的(a)是入射角为35度时第一实施方式的二向色镜的特性，图4的(b)是入射角为45度时第一实施方式的二向色镜的特性，图4的(c)是入射角为55度时第一实施方式的二向色镜的特性。

图5是示出具备第二实施方式的光源装置的投影显示装置的结构图。

图6是第三实施方式的光源装置。

图7是第四实施方式的光源装置。

图8是第五实施方式的光源装置。

图9的(a)是入射角为35度时第五实施方式的二向色镜的特性，图9的(b)是入射角为45度时第五实施方式的二向色镜的特性，图9的(c)是入射角为55度时第五实施方式的二向色镜的特性。

图10是第六实施方式的光源装置。

图11的(a)是示出作为其他实施方式的曲面的超环面的立体图，图11的(b)是示出超环面的YZ截面的图，图11的(c)是示出超环面的XY截面的图。

图12是示出现有的光源装置的结构图。

图13是示出对现有的二向色镜的入射角的差异图。

符号说明

1…电机

2…旋转板

3…荧光体

4…激发光源组件

5…二向色镜

6…聚光透镜组

31…绿色荧光体的发光光谱

32…红色荧光体的发光光谱

101…电机

102…旋转体

103…荧光体

104…激发光源组件

105…曲面二向色镜

106…聚光透镜组

107…四分之一波长板

108…激发光源侧透镜

110…中继透镜组

120…光颜色选择色轮

140…光通道

150…照明透镜组

160…光调制器件

171…棱镜

172…棱镜

180…投影镜头

190…投影屏幕

200…反射部

500…透射部

501…聚光透镜组

502…旋转体

503…荧光体

504…反射镜

505…反射镜

506…聚光透镜组

507…反射镜

508…聚光透镜组

605…曲面二向色镜

705…曲面二向色镜

805…曲面二向色镜

808…激发光源侧透镜组

809…激发光源侧透镜组

810…中继透镜组

908…激发光源侧透镜组

909…激发光源侧透镜组

1005…曲面二向色镜

Ex…激发光

RA…旋转体的旋转轴

具体实施方式

以下参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

[第一实施方式]

参照图1，对作为本发明的第一实施方式的具备光源装置的投影显示装置进行说明。首先对光源装置进行说明，之后对投影显示装置整体进行说明。

(光源装置)

在图1中，101为电机，102为旋转体，103为荧光体，104为激发光源组件，105为曲面二向色镜，106为聚光透镜组，107为1/4波长板，108为激发光源侧透镜。

在本装置中，在能够通过电机101而旋转的旋转体102的主面上设置有荧光体103。图2的(a)中示出从聚光透镜组106侧观察旋转体102时的俯视图，但在旋转体102的主面上，在以旋转体102的旋转轴RA为中心的环形区域的一部分上包覆有发光波长特性不同的红色荧光体103R和绿色荧光体103G。而且，在设置有荧光体的环形区域的基底，设置有用于将向旋转体102的方向辐射的荧光反射到聚光透镜组侧的反射面，以提高荧光的射出效率。

图3的(a)中示出将激发光照射到红色荧光体103R和绿色荧光体103G时的发光光谱的例子。虚线所示的31为绿色荧光体103G的发光光谱，实线所示的32为红色荧光体103R的发光光谱。另外，在波长445nm附近观察到的峰值并非荧光体发出的光，而是激发光的一部分未被荧光体吸收而被反射的光。另外，所使用的荧光体并不限于该发光特性的例子。例如，代替发出红色光、发出绿色光的荧光体，也可以设置发出黄色光或发出白色光的荧光体。

在本实施方式中，如图2的(a)所示，在旋转体102的环形区域的一部分上，未涂布荧光体，而是设置有用于对激发光进行反射的反射部200。反射部200优选预先进行镜面加工，用以高效率地对蓝色激光进行反射。

通过使这样的旋转体102旋转，从而使激发光Ex照射红色荧光体103R、绿色荧光体103G、反射部200中的某一个。为了防止荧光体过热，旋转体102的基材适合采用热导率高的金属，也存在为了提高空气冷却效率而设置有凹凸部或空穴的情况。

激发光源组件104具有蓝色激光光源以及用于对激发光(蓝色光)进行整形的光学透镜组群。在图3的(b)中作为Ex而示出的是适合于激发荧光体并且能够作为投影显示装置的照明光来使用的蓝色光的光谱的一例。

激发光源组件104适合采用以阵列状配置的多个蓝色激光光源以及与各个蓝色激光光源相对应而配置的多个准直透镜被一体化而成的模组。每个模组例如包括蓝色激光光源以2×4进行矩阵排列而成的发光器件阵列。但是一个模组中包括的矩阵排列的规模并不局限于此例，可以是更大规模的矩阵排列，也可以是纵向和横向为相同数量的矩阵排列。蓝色激光光源例如是发出波长445nm的光的半导体激光器。从各激光光源输出的光通过透镜组的作用而作为大致平行的光线从激发光源组件104射出。

在激发光源组件104与旋转体102之间，配置有激发光源侧透镜108、曲面二向色镜105、1/4波长板107、聚光透镜组106。

激发光源侧透镜108使从激发光源组件104射出的准直化后的P偏光的蓝色光在朝向后述的椭圆面的焦点F1会聚的同时，向曲面二向色镜105方向传递。

曲面二向色镜105使激发光源组件104射出的激发光Ex朝向荧光体103透射，而红色荧光体103R及绿色荧光体103G发出的荧光则在凹面反射。此外，被旋转体102的反射部200反射的激发光(蓝色光)在反射前后两次透射过1/4波长板107而被转换为S偏光，并入射到曲面二向色镜105，而在其凹面被反射。

曲面二向色镜105针对所透射的光不会带来会聚或发散的功效，而针对在凹面反射的光则具有使其会聚的功效。另外，不会带来会聚或发散的功效是指除了由曲面二向色镜105的制造上的误差而引起的光路的混乱之外，在实质上不会(针对透射的光)带来会聚或发散的作用。

制造上的误差另当别论，曲面二向色镜105是通过在板厚一定且透明的曲面基板上层积介质多层膜而设置的。介质多层膜既可以层积在曲面基板的凹面侧的表面，也可以层积在凸面侧的表面。制造上的误差另当别论，优选介质多层膜的厚度在曲面内均匀层积。

在图4中示出曲面二向色镜105的透射及反射特性。图4的(a)、(b)、(c)是示出入射角为35度、45度、55度的各情况下的透射及反射特性对波长的依赖关系的曲线图。其中，入射角是在曲面二向色镜105的镜面引出的法线与入射的光所形成的角。曲线图的横轴表示入射光的波长，纵轴表示透射率，可以认为透射率越低则反射率越高。在图中，实线P所示的是表示P偏光的特性的曲线图，虚线S所示的是表示S偏光的特性的曲线图。此外，为了参考，将P偏光的激发光的光谱作为Ex而示出。根据图4的(a)、(b)、(c)明显可知，当入射角度从35度到55度而增大时，P偏光和S偏光的透射及反射特性向短波长侧移动。参照该透射及反射特性对入射角度的依赖关系，对实施方式的光源装置进行进一步详细说明。

从激发光源组件104射出的P偏光的激发光Ex入射到曲面二向色镜105的凸面侧，根据图4的(a)、(b)、(c)的实线P明显可知是透射率高的波长区域，因此基本无损失地透射过二向色镜105。

然后，在经由1/4波长板107之后，通过聚光透镜组106被聚光到旋转体102的上表面。

在激发光Ex被聚光的位置，在存在绿色荧光体103G的旋转时段，发出图3的(a)的发光特性31的光谱的绿色荧光；同样地，在存在红色荧光体103R的旋转时段，发出图3的(a)的发光特性32的光谱的红色荧光；此外，在存在反射部200的旋转时段，激发光Ex(蓝色光)被反射。

绿色荧光、红色荧光、被反射的蓝色光通过聚光透镜组106被聚光，并入射到曲面二向色镜105的凹面侧。另外，被反射部200反射的蓝色光通过再次经由1/4波长板107而被转换为S偏光并入射到曲面二向色镜105的凹面侧。

在曲面二向色镜105上，将通过聚光透镜组106的光轴的主光线所入射的点设为C，将在距离旋转体102的旋转中心最近侧通过的光线所入射的点设为L，将在距离旋转中心最远侧通过的光线所入射的点设为U，并将各光线入射到曲面二向色镜105的入射角设为α0、α1、α2。其中，入射角是在曲面二向色镜105的镜面引出的法线与入射的光所形成的角。此外，将通过聚光透镜组106之后射向曲面二向色镜105的光束的发散角度设为2×θ(也就是说，半会聚角为θ)。

将曲面二向色镜105的形状和方向设定为使点C处的主光线的入射角α0＝45度，聚光透镜组106的数值孔径设为NA＝0.174(由于NA＝sinθ，因而半会聚角θ相当于10度)。

主光线的反射角β为2×α0＝90度，但在该方向(主光线的反射方向)上配置有后述的投影显示装置的照明光学系统。

在第一实施方式中，作为曲面二向色镜105的光学面的形状，采用以F1和F2为焦点的椭圆面的一部分。例如，采用短轴(2×b)与长轴(2×a)的比率为70.7:100的椭圆面的一部分，并配置曲面二向色镜105使得主光线与椭圆的短轴在点C处相交。作为一个例子，可以采用a＝64.2mm、b＝45.4mm、扁平率＝70.7％的椭圆面。设定如下的配置关系：若追踪发散角度为2×θ的光束的轨迹，则会聚于椭圆的一个焦点F1。从F1到点C的距离A以及从F2到点C的距离B被设定为分别与作为椭圆长轴的一半的a相等(A＝B)。

通过采用这样的形状和配置，能够减小在曲面二向色镜105的各点入射的荧光或反射激发光的入射角差异。具体而言，α0＝45.0度，α1＝44.1度，α2＝44.1度，α0、α1、α2的角度差可以被抑制为仅有0.9度。在前面描述的现有的平板式二向色镜的例子中，若为相同数值孔径的聚光透镜组，则入射角的角度差达20度，因此根据入射位置的不同会遵循图4的(a)或图4的(c)的透射及反射特性，从而在反射光中产生颜色深浅不均。但是，在本实施例中，由于因入射位置不同而产生的入射角的差异被显著减小，因而关于绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光，可以认为不依赖于入射位置而会大致遵循图4的(b)的透射及反射特性。因此，能够大幅减少颜色深浅不均的发生。

如果将图3的(a)的绿色荧光体的发光特性31与图4的(b)的透射及反射特性进行对比，则明显可知，在入射到曲面二向色镜105的绿色荧光之中，S偏光成分几乎全部会反射，P偏光成分中波长为约490nm以上的大部分会反射。此外，关于红色荧光，S偏光成分和P偏光成分都是几乎全部会反射。此外，被转换为S偏光后的蓝色光几乎全部会反射。即，能够以高效率作为投影显示装置的照明光来使用。

在椭圆面被反射的绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光由于在凹面被反射因而朝向焦点F2会聚。在本实施方式中，该反射光束的会聚角与聚光透镜组106侧的反射前的会聚角2×θ相等。

本实施方式的曲面二向色镜可以说是将P偏光的激发光的光路与绿色荧光的光路分离，并且针对绿色荧光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。此外，也可以说是将P偏光的激发光的光路与红色荧光的光路分离，并且针对红色荧光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。此外，还可以说是将P偏光的激发光的光路与S偏光蓝色光的光路分离，并且针对S偏光蓝色光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。曲面二向色镜针对绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光具有聚光作用在对后续的中继透镜组110的结构进行简化方面是有利的。

另外，在第一实施方式的光源装置中，使用了红色荧光体和绿色荧光体，但根据光源装置所要求的规格，也可以使用上述之外的颜色。如果根据荧光体的颜色组合而适当变更曲面二向色镜的透射及反射特性，则能够实现各种各样规格的光源装置。

(投影显示装置)

图1的投影显示装置将以上说明的光源装置作为照明光源来使用，并进一步具备：中继透镜组110、光颜色选择色轮120、光通道140、照明透镜组150、光调制器件160、棱镜171、棱镜172、投影镜头180。也存在进一步具备投影屏幕190的情况。

中继透镜组110是用于为了适合投影镜头180的F值而设定为既定的NA来使光源装置发出的光聚光到光通道140的入射口的透镜组。中继透镜组并非必须由一片透镜构成。此外，在NA足够的情况下，也可以不设置中继透镜组。

光颜色选择色轮120是能够以旋转轴Ac为中心进行旋转的板状旋转体，设置有红(R)、绿(G)各种颜色的滤片以及用于使蓝色光透射的扇形缺口(光透射部)。各种颜色的滤色片是为了去除不需要的波长区域的光以提高显示光的色纯度而设置的。但是，关于蓝色光，由于是色纯度高的激光，不需要设置滤片，因而设为缺口部。

被包覆荧光体的旋转体102与光颜色选择色轮120同步进行旋转，旋转时序被调整为使得当前者的红色荧光体发光时红色滤片位于光路上，当绿色荧光体发光时绿色滤片位于光路上，当蓝色的激发光反射时光透射部位于光路上。另外，当荧光体的发光色纯度足够高时，可存在也可以不设置光颜色选择色轮的情况。

照明透镜组150是将经光通道140传播的光整形为适于对光调制器件160进行照明的光束的透镜组，由单个或多个透镜构成。

棱镜171和棱镜172共同构成内部全反射(TIR，Total Internal Reflection)棱镜。TIR棱镜使照明光进行内部全反射而以既定的角度入射到光调制器件160，并使经光调制器件160调制后的反射光朝向投影镜头180透射。

光调制器件160是基于图像信号对入射光进行调制的器件，使用以阵列状设置有微镜器件的数字微镜器件(DMD，Digital Micromirror Device)。但也可以使用诸如反射式液晶器件之类的其他的反射式光调制器件。

投影镜头180是用于将经过光调制器件160调制后的光投影为图像的镜头，由单个或多个透镜构成。

投影屏幕190在构成背投式显示装置时使用，此外，虽然往往在正投式的情况下也设置，但是在用户向任意墙面等进行投影时不一定需要具备。

下面对投影显示装置的整体运转进行说明。

从光源装置射出的被抑制了颜色深浅不均的照明光经由中继透镜组110、光颜色选择色轮120、光通道140以及照明透镜组150而入射到作为TIR棱镜的棱镜。在棱镜171的全反射面反射的光以既定角度入射到光调制器件160。

光调制器件160具有以阵列状设置的微镜器件，并与照明光的颜色切换同步地根据图像的各种颜色成分信号来驱动微镜器件，以将图像光以既定角度向棱镜171反射。图像光透射过棱镜171和棱镜172，并被导向投影镜头180，并且投影到投影屏幕190上。

本实施方式的投影显示装置由于能够使用减少了颜色深浅不均的优质的光源装置来对光调制器件进行照明，因此能够实现颜色深浅均匀、图像质量高的图像显示。

[第二实施方式]

在第一实施方式中，对于图像显示用的蓝色光，使激发光在旋转体102的反射部200被反射，再经由1/4波长板107被转换为S偏光，并在曲面二向色镜105的凹面被反射。与此相对，在第二实施方式中，对于图像显示用的蓝色光，不使用1/4波长板进行偏光转换，而是在旋转体的一部分上预先设置使激发光透射的透射部，将透射过的蓝色光经由反射镜和聚光透镜组而导向曲面二向色镜的凸面侧，并使其透射过曲面二向色镜而入射到投影显示装置的投影光学系统。

参照图5，对作为第二实施方式的光源装置和投影显示装置进行说明。在图5中，关于电机101、激发光源组件104、曲面二向色镜105、聚光透镜组106、激发光源侧透镜108、中继透镜组110、光颜色选择色轮120、光通道140、照明透镜组150、光调制器件160、棱镜171、棱镜172、投影镜头180、投影屏幕190，由于与第一实施方式采用相同的结构，因此省略详细说明。

第二实施方式的旋转体502虽然与第一实施方式的旋转体102同样在主面上具有荧光体503，但是结构有一部分不同。图2的(b)中示出从聚光透镜组106侧观察本实施方式的旋转体502时的俯视图。在旋转体502的主面上，发光波长特性不同的红色荧光体503R和绿色荧光体503G设置在以旋转体502的旋转轴RA为中心的环形区域的一部分中，且在设置有荧光体的区域的基底设置有反射面以提高荧光的射出效率。在第一实施方式中，在旋转体的环形区域的一部分上，未涂布荧光体而设置有用于对激发光进行反射的反射部200，而在第二实施方式中，设置有用于使激发光透射的透射部500。透射部500可以设为在该部分使用透光性材料的结构，也可以设为在旋转体上设置缺口或开口的结构。

在本实施方式中，为了输出图像显示用的蓝色光，在对透射部500进行照射的旋转时段，激发光保持P偏光原样地透射过透射部500，作为发散光而穿透到旋转体的背面，并通过聚光透镜组501被聚光。然后，通过反射镜504、反射镜505、反射镜507被反射，而被导向曲面二向色镜105的凸面侧。该蓝色光由于是P偏光，因此透射过曲面二向色镜105而射向照明光学系统的中继透镜组110。

反射镜504、反射镜505、反射镜507被配置为使得透过曲面二向色镜105而射向光通道140的蓝色光的主光线与在曲面二向色镜105的凹面被反射而射向光通道140的荧光的主光线一致。

此外，聚光透镜组501、聚光透镜组506、聚光透镜组508的特性被调整为使得透过曲面二向色镜105而射向光通道140的蓝色光与在曲面二向色镜105的凹面被反射而射向光通道140的荧光具有相同的会聚性。即，针对荧光，聚光透镜组106和曲面二向色镜105的凹面镜带来会聚功效，而聚光透镜组501、聚光透镜组506、聚光透镜组508的特性被调整为与之相匹配。注意在此时，针对从凸面侧透射的蓝色光，曲面二向色镜105并未带来会聚功效。

在本实施方式的投影显示装置中，也能够使用减少了颜色深浅不均的优质的光源装置来对光调制器件进行照明，因此能够进行颜色深浅均匀、图像质量高的图像显示。

[第三实施方式]

作为第一实施方式的变形例，在图6中示出第三实施方式。第三实施方式也与第一实施方式同样地，具备电机101、旋转体102、荧光体103、激发光源组件104、聚光透镜组106、1/4波长板107、激发光源侧透镜108、中继透镜组110、光颜色选择色轮120、光通道140。此外，虽在图6中省略了图示，但同样还具备图1所示的照明透镜组150、光调制器件160、棱镜171、棱镜172、投影镜头180、投影屏幕190。这些个别的结构要素只要没有特别说明，则认为与第一实施方式为相同结构。

在第三实施方式中，聚光透镜组106的数值孔径也为NA＝0.174(由于NA＝sinθ，因而相当于半会聚角θ＝10度)。

在第一实施方式中，将主光线的入射角α0设为45度，主光线的反射角β设为2×α0＝90度，而在第三实施方式中，将主光线的入射角α0设为50度，主光线的反射角β设为2×α0＝100度。

第三实施方式的曲面二向色镜605的形状与第一实施方式的曲面二向色镜105的形状不同。在第三实施方式中，作为曲面二向色镜605的光学面的形状，也采用以F1和F2为焦点的椭圆面的一部分，但曲面二向色镜605被配置为，是短轴(2×b)与长轴(2×a)的比率(扁平率)为64.3:100的椭圆面的一部分，且主光线与椭圆的短轴在点C处相交。若追踪发散角度为2×θ的光束的轨迹，则会聚于椭圆的一个焦点F1。从F1到点C的距离A以及从F2到点C的距离B被设定为分别与作为椭圆长轴的一半的a相等(A＝B)。

通过采用这样的形状和配置，能够减小在曲面二向色镜605的各点入射的荧光或反射激发光的入射角差异。具体而言，α0＝50.0度，α1＝49.0度，α2＝49.0度，α0、α1、α2的差异可以被抑制为仅有1.0度。在前面描述的现有的平板式二向色镜的例子中，若为相同数值孔径的聚光透镜组，则入射角的角度差达20度，因此根据入射位置的不同会遵循图4的(a)或图4的(c)的透射及反射特性，在反射光中产生颜色深浅不均。但是，在本实施例中，由于因入射位置不同而产生的入射角的差异被显著减小，因而关于绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光，可以认为不依赖于入射位置而大致会遵循图4的(b)与图4的(c)中间的50度附近的透射及反射特性。因此，能够大幅减少颜色深浅不均的发生。

如果将图3(a)的绿色荧光体的发光特性31与图4的(b)的透射及反射特性进行对比，则明显可知，在入射到曲面二向色镜605的绿色荧光之中，S偏光成分几乎全部会反射，P偏光成分中波长490nm以上的大部分会反射。此外，关于红色荧光，S偏光成分和P偏光成分都是几乎全部会反射。此外，被转换为S偏光后的蓝色光几乎全部会反射。

在椭圆面被反射的绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光由于在凹面被反射因而朝向焦点F2会聚。

即，本实施方式的曲面二向色镜可以说是将P偏光的激发光的光路与绿色荧光的光路分离，并且针对绿色荧光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。此外，也可以说是将P偏光的激发光的光路与红色荧光的光路分离，并且针对红色荧光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。此外，还可以说是将P偏光的激发光的光路与S偏光蓝色光的光路分离，并且针对S偏光蓝色光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。曲面二向色镜针对绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光具有聚光作用在简化后续的中继透镜组110的结构方面是有利的。

另外，在本实施方式的光源装置中，使用了红色荧光体和绿色荧光体，但根据光源装置所要求的规格，也可以使用上述之外的颜色。如果根据荧光体的颜色组合而适当变更曲面二向色镜的透射及反射特性，则能够实现各种各样规格的光源装置。

[第四实施方式]

作为第一实施方式的变形例，在图7中示出第四实施方式。第四实施方式也与第一实施方式同样地，具备电机101、旋转体102、荧光体103、激发光源组件104、聚光透镜组106、1/4波长板107、激发光源侧透镜108、中继透镜组110、光颜色选择色轮120、光通道140。此外，虽在图7中省略了图示，但同样还具备图1所示的照明透镜组150、光调制器件160、棱镜171、棱镜172、投影镜头180、投影屏幕190。这些个别的结构要素只要没有特别说明，则认为与第一实施方式为相同结构。

在第四实施方式中，聚光透镜组106的数值孔径也为NA＝0.174(由于NA＝sinθ，因而相当于半会聚角θ＝10度)。

在第一实施方式中，将主光线的入射角α0设为45度，主光线的反射角β设为2×α0＝90度，而在第四实施方式中，将主光线的入射角α0设为44度，主光线的反射角β设为2×α0＝98度。

第四实施方式的曲面二向色镜705的形状与第三实施方式的曲面二向色镜605同样地，采用以F1、F2为焦点，短轴(2×b)与长轴(2×a)的比率(扁平率)为64.3:100的椭圆面的一部分。但是，与第三实施方式采用椭圆面之中与短轴相交叉的部分周边的曲面相对，在第四实施方式中，采用离开短轴且短轴方向的曲率半径更小的部分的椭圆面。因此，在第四实施方式中，聚光透镜组106的主光线与曲面二向色镜705交叉的点C处于离开椭圆短轴的位置。

若追踪发散角度为2×θ的光束的轨迹，则会聚于椭圆的一个焦点F1。从F1到点C的距离A以及从F2到点C的距离B被设定为B/A＝1.5。即，在椭圆面之中，使用与第一实施方式相比短轴方向的曲率半径更小的区域。在这种情况下，由于能够增大曲面二向色镜705与光颜色选择色轮120的距离，因而可以作为在因产品的布局限制等理由而希望扩大距离B时优选的结构来使用。

通过采用这样的形状和配置，能够减小在曲面二向色镜705的各点入射的荧光或反射激发光的入射角差异。具体而言，α0＝49.1度，α1＝47.1度，α2＝50.0度，α0、α1、α2的差异可以被抑制为仅有2.9度。在前面描述的现有的平板式二向色镜的例子中，若为相同数值孔径的聚光透镜组，则入射角的角度差达20度，因此根据入射位置的不同会遵循图4的(a)或图4的(c)的透射及反射特性，在反射光中产生颜色深浅不均。但是，在本实施例中，由于因入射位置不同而产生的入射角的差异被显著减小，因而关于绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光，可以认为不依赖于入射位置而大致会遵循图4的(b)与图4的(c)中间的49度的透射及反射特性。因此，能够大幅减少颜色深浅不均的发生。

如果将图3的(a)的绿色荧光体的发光特性31与图4的(b)的透射及反射特性进行对比，则明显可知，在入射到曲面二向色镜705的绿色荧光之中，S偏光成分几乎全部会反射，P偏光成分中波长490nm以上的大部分会反射。此外，关于红色荧光，S偏光成分和P偏光成分都是几乎全部会反射。此外，被转换为S偏光后的蓝色光几乎全部会反射。

在椭圆面被反射的绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光由于在凹面被反射因而朝向焦点F2会聚。

即，本实施方式的曲面二向色镜可以说是将P偏光的激发光的光路与绿色荧光的光路分离，并且针对绿色荧光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。此外，也可以说是将P偏光的激发光的光路与红色荧光的光路分离，并且针对红色荧光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。此外，还可以说是将P偏光的激发光的光路与S偏光蓝色光的光路分离，并且针对S偏光蓝色光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。曲面二向色镜针对绿色荧光、红色荧光、S偏光蓝色光具有聚光作用在对后续的中继透镜组110的结构进行简化方面是有利的。

另外，在本实施方式的光源装置中，使用了红色荧光体和绿色荧光体，但根据光源装置所要求的规格，也可以使用上述之外的颜色。如果根据荧光体的颜色组合而适当变更曲面二向色镜的透射及反射特性，则能够实现各种各样规格的光源装置。

[第五实施方式]

在图8中示出第五实施方式。在第一实施方式～第四实施方式中，使来自旋转体的荧光在曲面二向色镜的凹面反射并聚光且导向中继透镜组的方向，而在第五实施方式中，使激发光在曲面二向色镜的凹面反射并聚光且导向旋转体。

第五实施方式也与第一实施方式同样地，具备电机101、旋转体102、荧光体103、激发光源组件104、聚光透镜组106、1/4波长板107、光颜色选择色轮120、光通道140。此外，虽在图8中省略了图示，但同样还具备图1所示的照明透镜组150、光调制器件160、棱镜171、棱镜172、投影镜头180、投影屏幕190。这些个别的结构要素只要没有特别说明，则认为与第一实施方式为相同结构。

在第五实施方式中，旋转体102也如图2的(a)所示，具有红色荧光体及绿色荧光体与反射部。此外，聚光透镜组106的数值孔径为NA＝0.174(由于NA＝sinθ，因而相当于半会聚角θ＝10度)。

在本实施方式中，使用S偏光的蓝色光源作为激发光源组件104，在激发光源组件104与曲面二向色镜805之间设置两枚激发光源侧透镜808和809，使激发光在这两枚透镜之间暂且先聚光并交叉，再作为发散光而入射到曲面二向色镜805的凹面。

在图9中示出本实施方式的曲面二向色镜805的透射及反射特性。图9的(a)、(b)、(c)是示出入射角为35度、45度、55度的各情况下的透射及反射特性对波长的依赖关系的曲线图。其中，入射角是在曲面二向色镜805的镜面引出的法线与入射的光所形成的角。曲线图的横轴表示入射光的波长，纵轴表示透射率，可以认为透射率越低则反射率越高。在图中，实线P所示的是P偏光的特性曲线图，虚线S所示的是S偏光的特性曲线图。此外，为了参考，将S偏光的激发光的光谱作为Ex而示出。根据图9的(a)、(b)、(c)明显可知，当入射角度从35度到55度而增大时，尤其是P偏光的透射及反射特性向短波长侧移动。参照该透射及反射特性对入射角度的依赖关系，对实施方式进行进一步详细说明。

从激发光源组件104射出的S偏光的激发光Ex入射到曲面二向色镜805的凹面，根据图9的(a)、(b)、(c)的虚线S明显可知其是反射率高的波长区域，因此基本无损失地被反射到旋转体的方向。

然后，在经由1/4波长板107之后，通过聚光透镜组106被聚光到旋转体102的上表面。

在绿色荧光体103G位于激发光Ex的聚光点的旋转时段，发出图3(a)的发光特性31的光谱的绿色荧光。同样地，在红色荧光体103R位于激发光Ex的聚光点的旋转时段，发出图3(a)的发光特性32的光谱的红色荧光。此外，在反射部200位于激发光Ex的聚光点的旋转时段，激发光Ex(蓝色光)被反射，并通过再次经由1/4波长板107而被转换为P偏光。

绿色荧光、红色荧光、被反射的激发光通过聚光透镜组106被聚光，并入射到曲面二向色镜805的凹面侧。

将通过聚光透镜组106的光轴的主光线所入射的点设为C，将在距离旋转体102的旋转中心最近侧通过的光线所入射的点设为L，将在距离旋转中心最远侧通过的光线所入射的点设为U，并将各光线入射到曲面二向色镜805的入射角设为α0、α1、α2。其中，入射角是在曲面二向色镜805的镜面引出的法线与入射的荧光所形成的角。此外，将通过聚光透镜组106之后射向曲面二向色镜805的光束的发散角度设为2×θ(也就是说，半会聚角为θ)。

将曲面二向色镜805的方向设定为使点C处的主光线的入射角α0＝45度，并设定聚光透镜组106的数值孔径NA＝0.174(由于NA＝sinθ，因而相当于半会聚角θ＝10度)。

激发光的主光线的反射角β为2×α0＝90度。在沿聚光透镜组106的光轴上行进的绿色荧光、红色荧光、被反射的激发光透射过点C而直线前进，在该方向上配置有投影显示装置的照明光学系统。

在本实施方式中，作为曲面二向色镜805的光学面的形状，采用以F1和F2为焦点的椭圆面的一部分。具体而言，曲面二向色镜805被配置为，是短轴(2×b)与长轴(2×a)的比率(扁平率)为70.7:100的椭圆面的一部分，且主光线与椭圆的短轴在点C处相交。若追踪发散角度为2×θ的光束的轨迹，则会聚于椭圆的一个焦点F1。此外，若追踪激发光的光束的轨迹，则会聚于椭圆的另一个焦点F2。

通过采用这样的形状和配置，能够使在曲面二向色镜805的各点入射的激发光、荧光或反射激发光的入射角一致。

本实施方式的曲面二向色镜805如图9的(a)、(b)、(c)所示，当入射角度从35度到55度而增大时，尤其是P偏光的透射及反射特性向短波长侧移动。因此，经旋转体102的反射部200反射并通过1/4波长板107被转换为P偏光的照明用的蓝色光的入射角在二向色镜上的各点有较大不同时，由于透射率根据位置而不同，因此在蓝色照明光中会产生照度不均。

然而，在本实施方式中，由于使用具有椭圆面的曲面二向色镜805而减小了各点的入射角差异，因此能够射出均匀性高的照明光。

即，本实施方式的曲面二向色镜805可以说是将S偏光的激发光与绿色荧光、红色荧光、P偏光蓝色光的光路分离，并且针对S偏光的激发光而发挥聚光作用的聚光式分离器件。另外，由于绿色荧光、红色荧光、P偏光蓝色光作为发散光而输出，因此后续的中继透镜组810的功效设定为强于第一实施方式为好。

另外，在第五实施方式的光源装置中，使用了红色荧光体和绿色荧光体，但根据光源装置所要求的规格，也可以使用上述之外的颜色。如果根据荧光体的颜色组合而适当变更曲面二向色镜的透射及反射特性，则能够实现各种各样规格的光源装置。

[第六实施方式]

作为第五实施方式的变形例，在图10中示出第六实施方式。

与第五实施方式相比的变更点为：变更了椭圆面形状以使激发光的主光线的反射角β为100度，并且将激发光源侧的透镜结构变更为凸透镜908与凹透镜909的组。

在本实施方式中，也使用具有椭圆面的曲面二向色镜1005来减小了各点的入射角差异，因此能够射出均匀性高的照明光。

[其他实施方式1]

在本发明的用于投影显示装置的光源装置中，作为曲面二向色镜而使用的椭圆反射镜的形状及配置并不限于在之前的说明中所例示的形状的椭圆反射镜。在表1中示出当设定聚光透镜组的数值孔径NA＝0.174、θ＝10°时，在变更了椭圆反射镜的形状及配置的情况下的入射角α0、α1、α2以及它们的入射角差异。

[表1]

其中，扁平率是椭圆的短轴b与长轴a的比率，β是主光线的反射角度，B/A是对椭圆形状之中用作镜面的区域进行规定的参数。另外，A是椭圆的两个焦点中的聚光透镜组106侧的焦点F1与点C之间的距离，点C是聚光透镜组106的光轴与镜面相交的点。此外，B是椭圆的两个焦点中的中继透镜组110侧的焦点F2与点C之间的距离，点C是中继透镜组110的光轴与镜面相交的点(参照图7)。

在该表中，入射角差异最大为4.9度，为半会聚角θ的1/2以下。此外，包括该表的例示在内，主光线的反射角度β优选为80度以上且120度以下。此外，在特别希望减小入射角差异时，B/A设为0.75以上且2.0以下为好，更优选地，可以将B/A设为0.75以上且1.5以下。此外，入射到凹面的光束的NA＝sinθ优选设定为0.1以上且0.5以下的范围。

另外，聚光透镜组的数值孔径并非必须设为所例示的NA＝0.174，可以适当变更，但设定为使对曲面二向色镜的入射角度的差异为半会聚角θ的1/2以下为好。

[其他实施方式2]

在本发明的用于投影显示装置的光源装置中，曲面二向色镜的曲面形状也可以不是严格的椭圆面，例如可以用超环面来近似。图11的(a)中例示出超环面，可以采用使YX平面内的半径Ryx的弧沿着YZ面内的半径Ryz的弧移动时构成的面形状来作为曲面二向色镜的曲面形状(Ryx<Ryz)。

为了确定出半径Ryz的弧，如图11的(b)所示，可以使用作为物理上的椭圆面上的三个点L、C、U的三点坐标，近似为圆来求出半径。此外，如图11的(c)所示，在用XY面来切割超环面时看到的弧的半径Ryx的长度可以设为与作为物理上的椭圆面的短轴b相等。

即便使用这样的超环面，与现有的平板式的二向色镜相比也能够大幅减小入射角差异，因此能够提供减少了颜色深浅不均的光源装置以及使用该光源装置的投影显示装置。

此外，也可以采用即使没有严格地符合椭圆面或超环面，在实质上也与它们相近似的非球面。

[其他实施方式3]

在本发明的用于投影显示装置的光源装置中，荧光体的材料、形状及配置并不限于在之前的说明中所例示的形状的荧光体。也可以设置除了发出红色光、发出绿色光、发出黄色光、发出白色光之外的荧光体。

此外，并不限于在旋转体的主面上的环形区域设置的荧光体。也可以是在旋转体的斜面或侧面设置的荧光体。

此外，也可以不在旋转的基体上而是在进行其他运动的基体上设置荧光体，例如可以设置于在直线上进行往复运动的基体上。重点是只要能够抑制由激发光照射固定位置而引起的荧光体的劣化即可。

在设置有即使持续照射固定位置也能够充分进行冷却的冷却结构的情况下，或者在采用即使持续照射固定位置劣化也较少的荧光体材料的情况下，基体也可以是固定的。

Claims (8)

1.一种光源装置，用于投影显示装置，其特征在于，具有：

荧光体；

激发光源，输出用于激发所述荧光体的激发光；

曲面二向色镜，具有曲面，在所述曲面上，将来自所述激发光源的激发光透射并且将来自所述荧光体的荧光反射；以及

聚光透镜组，配置在所述曲面二向色镜与所述荧光体之间，

所述曲面二向色镜针对所透射的光不进行聚光也不进行发散，针对所反射的光实现聚光作用，

所述曲面二向色镜使通过所述聚光透镜组的光轴而入射到凹面的光以80度以上且120度以下的角度反射。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述激发光或所述荧光入射到所述曲面二向色镜时的入射角的差异为所述激发光或所述荧光的半会聚角的1/2以下。

3.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述曲面为椭圆面的一部分、或者超环面的一部分、或者非球面的一部分。

4.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述曲面二向色镜在凹面反射所述荧光。

5.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述曲面二向色镜在凹面反射通过旋转体的反射部被反射的所述激发光。

6.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述曲面二向色镜是在透明且板厚一定的曲面基板上设置有介质多层膜的曲面二向色镜。

7.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述荧光体包覆能够以旋转轴为中心进行旋转的旋转体的至少一部分。

8.一种投影显示装置，其特征在于，具备：

权利要求1至7中的任意一项所述的光源装置；

光调制器件；以及

投影镜头。

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