CN108681198A - 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，会产生输出光的损失。作为投影显示装置的光源，希望降低光通量的损失。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)的光轴而入射到凸面的主光线透射。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9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的方向反射、而使来自荧光体3的荧光PL透射的反射镜，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被配置为能够使由二向色镜5所反射的、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9和图10，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10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成问题的光源光通量降低的问题。

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，从而会发生光通量降低。

为了抑制这样的光通量降低，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，从而抑制光通量的降低。

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反射，并使来自所述荧光体的荧光透射；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在实质上不进行聚光也不进行发散，针对经凸面所反射的光，起到因光束发散而形成虚像的作用。

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，所以能够提供一种可以输出抑制了光通量降低的照明光的、即效率良好的光源。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8的(b)是示出超环面的YZ截面的图，图8的(c)是示出超环面的XY截面的图。

图9是示出现有的光源装置的结构图。

图10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

109…聚光透镜组

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…发散透镜组

605…曲面二向色镜

705…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，109为聚光透镜组。

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、聚光透镜组109、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S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，经凸面朝向荧光体103反射，而使红色荧光体103R及绿色荧光体103G发出的荧光进行透射。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P偏光，并入射到曲面二向色镜105的凸面，而曲面二向色镜105使其透射。

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，针对经凸面所反射的光，起到因光束发散而形成虚像的作用。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，纵轴表示反射率，可以认为反射率越低则透射率越高。在图中，实线S所示的是表示S偏光的特性的曲线图，虚线P所示的是表示P偏光的特性的曲线图。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S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S明显可知是反射率高的波长区域，因此基本无损失地被二向色镜105反射。

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的凸面侧。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P偏光并入射到曲面二向色镜105的凸面侧。

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，会产生显示中所用的光的损失。如图4的(a)所示当入射角为35度时因为对蓝色光的反射率很高，经旋转体102的反射部200反射的蓝色光无法透射过二向色镜，从而无法在显示中使用。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(激发光)、P偏光蓝色光(显示用蓝色光)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，能够大幅减少光通量的损失。

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，P偏光成分几乎全部会被透射，S偏光成分中波长为约490nm以上的大部分会被透射。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被透射。此外，被转换为P偏光后的蓝色光几乎全部会被透射。即，能够以高效率作为投影显示装置的照明光来使用。

在椭圆面透射的绿色荧光、红色荧光、P偏光蓝色光朝向椭圆的焦点F2会聚。在本实施方式中，该透射光束的会聚角与聚光透镜组106侧的透射前的会聚角2×θ相等。

本实施方式的曲面二向色镜可以说是将S偏光的激发光的光路与绿色荧光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。此外，也可以说是将S偏光的激发光的光路与红色荧光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。此外，还可以说是将S偏光的激发光的光路与P偏光蓝色光的光路分离,并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。因为针对绿色荧光、红色荧光、P偏光蓝色光，曲面二向色镜并未带来聚光和发散的功效，所以易于对聚光透镜组109和中继透镜组110进行设计。

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的光透射部。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，因而设为光透射部。根据具体情况，存在着在该光透射部中为了与其他颜色的输出光保持一致的NA而设置光扩散板的情况。另外为了提高亮度，存在着在旋转体102的一部分上设置黄色(Y)荧光体领域的情况，在这种情况下，在颜色选择色轮120中设有用于使黄颜色(Y)的荧光透射的光透射部。

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。

从光源装置射出的光通量增大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光通量的损失的优质的光源装置来对光调制器件进行照明，因此能够实现减少了光通量的损失、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P偏光，并透射过曲面二向色镜105的凸面。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透镜组而导向曲面二向色镜的凹面侧，经曲面二向色镜的凹面被反射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，经反射镜504所反射的激发光保持S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505、反射镜507被反射，通过发散透镜组508而被导向曲面二向色镜105的凹面侧。该蓝色光由于是S偏光，因此经曲面二向色镜105的凹面被反射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被配置为使得经曲面二向色镜105被反射而射向光通道140的蓝色光的主光线与透射过曲面二向色镜105的凸面而射向光通道140的荧光的主光线一致。

此外，聚光透镜组501、聚光透镜组506、发散透镜组508的特性被调整为使得经曲面二向色镜105被反射而射向光通道140的蓝色光与透射过曲面二向色镜105的凸面而射向光通道140的荧光具有相同的会聚性。即，针对荧光，聚光透镜组106和聚光透镜组109带来会聚功效，而聚光透镜组501、聚光透镜组506、发散透镜组508的特性被调整为与之相匹配。注意在此时，针对在凹面侧反射的蓝色光，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，也能够使用抑制了光通量降低的优质的光源装置来对光调制器件进行照明，因此能够进行减少了光通量的损失、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，会产生显示中所用的光的损失。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(激发光)、P偏光蓝色色光(表示用蓝色光)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，能够大幅减少光通量的损失。

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605的绿色荧光之中，P偏光成分几乎全部会被透射，S偏光成分中波长490nm以上的大部分会被透射。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被透射。此外，被转换为P偏光后的蓝色光几乎全部会被透射。

据此，能够以高效率作为投影显示装置的照明光来使用。

即，本实施方式的曲面二向色镜可以说是将S偏光的激发光的光路与绿色荧光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。此外，也可以说是将S偏光的激发光的光路与红色荧光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。。此外，还可以说是将S偏光的激发光的光路与P偏光蓝色光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。针对绿色荧光、红色荧光、P偏光蓝色光，曲面二向色镜并未带来聚光或发散的功效，所以易于对聚光透镜组109和中继透镜组110进行设计。

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49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，会产生显示中所用的光的损失。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(激发光)、P偏光蓝色光(显示用蓝色光)，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，能够大幅减少光通量的损失。

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，P偏光成分几乎全部会被透射，S偏光成分中波长490nm以上的大部分都会被透射。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被透射。此外，被转换为P偏光后的蓝色光几乎全部会被透射。即，能够以高效率作为投影显示装置的照明光来使用。

即，本实施方式的曲面二向色镜可以说是将S偏光的激发光的光路与绿色荧光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。此外，也可以说是将S偏光的激发光的光路与红色荧光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。此外，还可以说是将S偏光的激发光的光路与P偏光蓝色光的光路分离，并且针对S偏光的激发光发挥因光束发散而形成虚像的作用的发散光式分离器件。针对绿色荧光、红色荧光、P偏光蓝色光，曲面二向色镜并未带来聚光或发散的功效，所以易于对聚光透镜组109和中继透镜组110进行设计。

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。

[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8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8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8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光通量的损失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 (9)

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反射，并使来自所述荧光体的荧光透射；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在实质上不进行聚光也不进行发散，针对经凸面所反射的光，起到因光束发散而形成虚像的作用。

2.根据权利要求1所述的光源装置，其特征在于，

所述曲面二向色镜使入射到所述凸面的所述激发光以80度以上且120度以下的角度反射。

3.根据权利要求1或2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。

4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的光源装置，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。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的光源装置，其特征在于，

所述曲面二向色镜在所述凸面使所述荧光透射。

6.根据权利要求1至4中的任意一项所述的光源装置，其特征在于，

所述曲面二向色镜在所述凸面将所述激发光反射。

7.根据权利要求1至6中的任意一项所述的光源装置，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。

8.根据权利要求1至7中的任意一项所述的光源装置，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。

9.一种投影显示装置，其特征在于，具备：

权利要求1至8中的任意一项所述的光源装置；

光调制器件；以及

投影镜头。